Особенности преобразования и распространения поверхностных акустических волн в слоистой электродной структуре на поверхности пьезокристаллов

Актуальность работы:

Устройства на ПАВ уже давно используются в промышленных приборах связи, радиолокации, военной технике [1−3], а в настоящее время нашли широкое применение и в бытовой аппаратуре, такой, например, как телевизоры и сотовые телефоны [4]. Эти устройства осуществляют аналоговую обработку информации, а в качестве объекта переноса информации используют акустические волны в кристаллах. Неотъемлемым элементом данных устройств является преобразователь электрического сигнала в акустическую волну, выполняющий также и обратное преобразование акустической волны в электрический сигнал. Конструкция преобразователя зависит от требований к его амплитудно-частотной характеристике (АЧХ), фазочастотной характеристике (ФЧХ), к уровню ложных сигналов, а также зависит от вида используемой волны (релеевской [5,6], Гуляева-Блюстейна [7], приповерхностных объемных акустических волн [8−10]), требований к температурной стабильности и других факторов. В случае применения поверхностных волн на пьезоэлектрических кристаллических подложках наиболее удобно использовать встречно-штыревой преобразователь (ВШП) [11−13].

В большинстве устройств на ПАВ встречно-штыревые преобразователи изготавливаются из тонкой пленки алюминия (реже золота или серебра), нанесенной методом вакуумного напыления.

Электрофизические, акустические и дисперсионные свойства материалов, приведенные в [27], показывают, что сочетание алюминиевого покрытия и кварцевого звукопровода дает наименьшую дисперсию и отражение ПАВ. Для фильтров на ниобате лития отражение за счет несоответствия акустических сопротивлений материалов звукопровода и покрытия минимальны при использовании серебра, но при этом велики дисперсионные искажения и увеличивается составляющая коэффициента отражения от границ электродов из-за роста нагружающей массы. 4.

Выбор алюминия в качестве материала для электродов со звукопроводами из кварца, ниобата лития и пьезокерамики определяется низким удельным сопротивлением, благодаря чему незначительно увеличиваются потери на сопротивление электродов. Алюминий обладает небольшой удельной массой по сравнению с другими металлами, что уменьшает влияние массовой нагрузки. При крупносерийном производстве особенно важно, что низкую стоимостью имеет и сам алюминий и технологический процесс его нанесения.

В связи с тем, что алюминий является относительно легкоплавким металлом, для напыления пленки весьма удобен метод термического испарения в вакууме. Наиболее просто этим методом осуществляется испарение с помощью прямонакальных резистивных испарителей, выполняемых из тугоплавких металлов, например, многопроволочных испарителей из вольфрама.

Поскольку при термическом испарении адгезия пленки алюминия к поверхности полированного кварца и ниобата лития низка, в качестве адгезионного подслоя используют хром или ванадий. Для обеспечения хорошей адгезии пленки алюминия толщина адгезионного подслоя должна быть 10−50 нм.

Технология изготовления структур фильтров на ПАВ сводится к формированию заданной конфигурации металлических электродов и контактных шин. Для диапазона частот от 30 до 1000 МГц ширина электродов изменяется от 25 мкм до 1 мкм соответственно для одиночных штырей, и от 15 мкм до 0.5 мкм для «расщепленных» штырей. Длина электродов обычно имеет порядок 100 длин волн, что составляет от 0.3 мм до 10 мм, а общее количество электродов изменяется от 20 до 1000. перекрытия, вне этой зоны возможно наличие не более трех — пяти дефектов типа «островок». Не допускаются сквозные царапины или поры на электродах или контактных площадках, уменьшающие сечение электродов или контактных площадок.

Процессы стандартной фотолитографии позволяют создавать электродные структуры с минимальными размерами элементов 0.8 мкм [1,43−46]. Таким образом, существует предельная резонансная частота устройства на ПАВ, определяемая технологическими возможностями. Так, например, на кварце предельная резонансная частота на основной гармонике составляет 1 ГГц, а для ВШП с двойными электродами, что необходимо для устранения искажений в устройствах, она не превышает всего 0.5 ГГц. Для материалов с более низкой скоростью распространения ПАВ, таких, например, как лангасит [37], эта предельная частота еще ниже.

Обычно наиболее широко применяемое устройство — полосовой фильтр на ПАВ — состоит из входного ВШП, осуществляющего преобразование электрического сигнала в акустический и выходного ВШП, осуществляющего обратное преобразование (рис. В1).

Входной ВШП Выходной ВШП неаподизованный) (аподизованный).

Рис. В1. Наиболее распространенная конструкция фильтра на ПАВ.

Поэтому АЧХ всего устройства, вычисляемая как квадрат модуля комплексной функции передачи, образуется на основании теоремы о свертке перемножением АЧХ входного и выходного ВШП. Входной ВШП, как правило, имеет наиболее простую однородную структуру, так как он должен сформировать по возможности однородный с минимальным дифракционным расхождением акустический поток в направлении выходного ВШП, а на приемный преобразователь возлагается основная функция формирования АЧХ всего устройства [47,54,55,57], и он может иметь очень сложную по геометрии штыревую структуру.

В связи с непрерывным продвижением устройств на ПАВ в СВЧ диапазон [48−50,53], развитием систем сотовой связи и освоением новых частотных диапазонов (свыше 2 ГГц) расширилась область применения устройств на ПАВ, в частности, разрабатываются устройства для использования в антенных трактах передатчика сотового телефона. При этом в СВЧ устройствах на ПАВ увеличивается влияние вторичных эффектов, которые необходимо учитывать.

Поэтому существует потребность в повышении точности расчетов характеристик устройств на ПАВ при переходе в СВЧ диапазон, что невозможно без учета того, что металлическая пленка, из которой состоит электродная структура ВШП, имеет составную (двухслойную) структуру из нанометрового адгезионного подслоя и основного слоя из высокопроводящего металла.

Таким образом, разработка методов расчета различных характеристик ВШП ПАВ в СВЧ диапазоне, учитывающих влияние адгезионного подслоя, является актуальной.

Целью диссертационной работы является исследование процессов распространения и преобразования ПАВ в структуре «пьезокристалл-двухслойная металлическая пленка» и анализ влияния адгезионного подслоя алюминиевых электродов на частотные и температурные характеристики СВЧ приборов на ПАВ.

Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:

1. Исследование распространения ПАВ в структуре «двухслойная металлическая пленка» на поверхности пьезокристалла;

2. Исследование коэффициента отражения ПАВ от края двухслойной пленки на поверхности кристалла;

3. Исследование влияния двухслойной структуры электродов на термостабильность АЧХ ВШП ПАВ;

4. Исследование с помощью квазиполевого метода влияния двухслойной структуры электродов на потери преобразования ВШП;

Научная новизна:

1. Впервые исследовано влияние адгезионного подслоя металлической пленки на поверхности пьезокристалла на скорость и структуру ПАВ в СВЧ диапазоне. Рассчитаны частотные зависимости скорости ПАВ в структуре «двухслойная металлическая пленка-пьезокристалл».

2. Впервые предложен и исследован способ устранения отражения ПАВ от краев электродов за счет выравнивания скоростей ПАВ на свободной и металлизированной поверхностях с использованием упругих свойств адгезионного подслоя.

3. Впервые показано, что адгезионный подслой оказывает существенное влияние на термостабильность устройств на ПАВ на частотах свыше 1 ГГц. Найдены углы срезов кристалла кварца, при которых достигается термостабилизация АЧХ ВШП с двухслойными электродами в диапазоне частот свыше 1 ГГц.

4. На основе построенного квазиполевого метода показано, что адгезионный подслой электродов ВШП влияет на потери преобразования в СВЧ диапазоне и может приводить как к их росту, так и к их снижению.

Достоверность полученных в диссертации результатов основана на строгой постановке и решении граничных задач пьезоакустики и подтверждается хорошим соответствием полученных в работе теоретических результатов с экспериментальными и некоторыми теоретическими результатами других авторов, а также очевидной адекватностью результатов в предельных случаях.

Основные положения, выносимые на защиту:

1. На частотах свыше 0.5 ГГц при расчетах скорости и структуры ПАВ на металлизированной поверхности кристалла необходимо учитывать упругие свойства и толщину как слоя основного металла, так и нанометрового адгезионного подслоя.

2. Существуют значения толщин слоев двухслойной металлической пленки на поверхности пьезокристалла, при которых коэффициент отражения ПАВ от края металлической пленки может быть равен нулю на определенной частоте.

3. Термостабильность АЧХ ВШП ПАВ на частотах свыше 1 ГГц зависит от толщины и материала адгезионного подслоя электродов. Для различных частотных диапазонов и комбинаций материалов термостабильные углы среза различны.

4. При расчетах АЧХ ВШП ПАВ на частотах свыше 1 ГГц необходимо учитывать слоистую структуру электродов. В зависимости от толщин и материалов металлических слоев электродной структуры вносимые потери с ростом частоты могут как увеличиваться, так и уменьшаться.

Практическая ценность работы:

Тема диссертации, ее цель и решаемые задачи сформулированы на основе существующих практических задач, решение которых является проблемой современной акустоэлектроники. Все полученные в работе результаты непосредственно применяются на практике в разработке устройств на ПАВ СВЧ диапазона.

Апробация работы.

Результаты диссертационной работы рассматривались и были представлены на 4-й Международной научно-технической конференции «Физика и технические приложения волновых процессов», Нижний Новгород, 10−15 ноября 2005; на школе-семинаре КоМУ-2005 «НАНОТЕХНОЛОГИИ И НАНОМАТЕРИАЛЫ» (г. Ижевск, 5−8 декабря 2005 г.) — на Международной научно-технической конференции «Актуальные проблемы электронного приборостроения», Саратов, 20−21 сентября 2006; на 5-й Международной научно-технической конференции.

Физика и технические приложения волновых процессов", Самара, 11−17 сентября 2006; на The 2006 IEEE International Ultrasonics Symposium, Vancouver, Canada, October 3−6,2006.

Публикации.

По результатам исследований, выполненных при работе над диссертацией, опубликовано 7 работ, в том числе 1 статья в журнале из списка ВАК, 5 статей в трудах российских конференций с международным участием, 1 тезис доклада в книге ABSTRACT международного симпозиума по ультразвуку.

Личный вклад автора.

Автор участвовал в разработке алгоритмов и программ для расчета фазовых и энергетических ПАВ в слоистых структурах, расчетах амплитудно-частотных характеристик ВШП по квазиполевой модели. Постановка задач, выбор методов решения и обсуждение полученных результатов были проведены автором совместно с научным руководителем.

Структура и объем диссертации

.

Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и списка литературы. Общий объем диссертации составляет 109 страниц. Основной текст занимает 100 страниц, включая 38 рисунков.

Список литературы

содержит 76 наименований и изложен на 7 страницах.

Выводы к главе 4.

1. Разработан квазиполевой метод расчета электрических характеристик ВШП ПАВ с двухслойными электродами, позволяющий с достаточной для практических применений точностью рассчитывать электрические параметры приборов на ПАВ в СВЧ диапазоне.

2. На основе построенного метода исследовано влияние слоистой структуры электродов на АЧХ ВШП в диапазонах частот около 1 ГГц и около 2 ГГц.

3. Обнаружено важное свойство двухслойных электродов, заключающееся в возможности значительного снижения вносимых потерь ВШП в СВЧ диапазоне выбором толщины и материала адгезионного подслоя.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

В результате проведенной работы цель, сформулированная в начале работы и определившая направление и методы исследования, достигнута.

Исследован процесс распространения и преобразования ПАВ в структуре «пьезокристалл — двухслойная металлическая пленка» и проведен анализ влияния адгезионного подслоя алюминиевых электродов на электрические характеристики СВЧ приборов на ПАВ.

Основываясь на достоверности используемых расчетов, были проведены исследования и получены новые результаты:

— по влиянию массовой нагрузки и упругих свойств адгезионного подслоя электродов на структуру и скорость ПАВ в СВЧ диапазоне, показано, что учет адгезионного подслоя совершенно необходим при проектировании СВЧ устройств на ПАВ;

— по влиянию двухслойной структуры электродов на коэффициент отражения ПАВ от ВШП, были найдены условия, при которых коэффициент отражения равен нулю;

— по влиянию двухслойной структуры электродов на температурную стабильность частотных характеристик устройств на ПАВ в СВЧ диапазоне, показано, что для различных частот и комбинаций материалов существуют соответствующие термостабильные углы среза кварца, были определены термостабильные срезы кварца с учетом адгезионного подслоя для частот 1, 2, 2.4,3 и 4.5 ГГц;

— построен квазиполевой метод расчета частотных характеристик ВШП с двухслойными электродами, на основе которого исследовано влияние двухслойной структуры электродов на потери преобразования ВШПпоказано, что адгезионный подслой электродов ВТ ТУП влияет на потери преобразования в СВЧ диапазоне и может приводить как к их росту, так и к их снижению.

Выражаю глубокую благодарность моему научному руководителю доктору физико-математических наук, профессору Сергею Германовичу Сучкову за постоянную помощь, оказываемую мне при проведении данной работы.