Акустическая резонаторная спектроскопия тонких слоев и пленок диэлектриков и металлов, составные акустические резонаторы

Частотно-задающие и частотно-селективные акустоэлектронные элементы являются основными компонентами практически во всех современных системах связи, навигации, мониторинга окружающей среды, бытовой электронной техники. [1−6].

Основной тенденцией в развитии акустоэлектронной элементной базы является повышение рабочих частот акустоэлектронных компонент. В настоящее время большая часть задач по обработке и формированию сигналов на частоты приблизительно до 2 ГГц успешно решаются с помощью акустоэлектронных компонент на поверхностных акустических волнах (ПАВ). Однако дальнейшее повышение рабочих частот резко ограничивается современными технологическими возможностями — устройства с воспроизводимыми характеристиками изготовляются на пределе возможностей оптической и электронной фотолитографии.

Поиски новых возможностей повышения рабочих частот акустоэлектронных устройств и продвижение в диапазон 2−10 ГГц привели к разработке концепции создания тонкопленочных резонаторов и фильтров на объемных акустических волнах (ОАВ). К настоящему времени имеется ряд работ, посвященных проблеме создания таких устройств, однако последовательной теории, описывающей их работу в аналитическом виде до настоящего времени не существовало [7−10]. Поэтому разработка аналитических методов расчета тонкопленочных резонаторных структур СВЧ диапазона весьма актуальна.

Одной из тенденций развития пьезотехники является поиск новых материалов, которые могли бы заменить традиционно применяемый кварц в целом ряде применений, и в то же время не обладающих недостатками, присущими кварцу (малая константа пьезоэлектрической связи, большие потери, перескоки частоты, наличие двойников и структурные фазовые переходы). К числу таких материалов относятся ортофосфат галлия (GaP04) [11−14], лангасит (La3Ga5SiOi4) [15−20] и лангатат (La3Ga5Ta014) [21]. Акустические потери в ортофосфате галлия и лангатате ранее изучены не были. Для современной акустоэлектроники измерение коэффициентов поглощения в этих наиболее перспективных веществах является важным. Это и было одной из задач данной работы. Знание полного набора данных об акустических характеристиках этих веществ позволяет оценить их реальную практическую перспективу.

Важной проблемой при создании устройств пьезотехники и в частности частотно-задающих и частотно-селективных СВЧ-резонаторов и фильтров является необходимость точного знания акустических характеристик всех слоев, входящих в состав резонаторной структуры. Толщины этих слоев составляют микроны или доли микрона. Акустические свойства тонких слоев и пленок могут отличаться от таковых для монокристаллов и толстых образцов [28],[35]. В этой связи возникает необходимость развития методики измерения поглощения и скорости звука в таких слоях. Традиционный эхо-метод [24] измерение этих величин в тонких пленках оказывается неприменимым, в частности, из-за радиотехнических трудностей генерации и регистрации сверхкоротких радиоимпульсов.

Одной из задач настоящей работы являлось развитие теории составного акустического резонатора, и, в частности, нахождение относительно простой по форме строгой аналитической связи между напряжениями на входном и выходном преобразователях и протекающими через них токами, обобщение теории на случай акустической изоляции резонаторной структуры системой четвертьволновых слоев и исследование свойств такой изолированной системы, проведение численного анализа возможных резонаторных структур и выработка отдельных рекомендаций по их конструированию.

Целью работы является выяснение акустических характеристик (поглощения и скорости звука) в основных кристаллографических направлениях в новых пьезоэлектрических материалах, таких, как ортофосфат галлия и лангатат, получение данных о величине коэффициента поглощения акустических волн в тонких пленках металлов, перспективных для создания на их основе элементов тонкопленочных резонаторов и фильтров, а также исследование акустических свойств таких перспективных для электроники структур, как нанотрубные пленки. Для достижения этой цели в работе развит принципиально новый метод измерения поглощения в тонких слоях и пленках, и разработана методика расчета указанных величин по данным измерения.

Научная новизна работы. В работе развита теория составных акустических резонаторов и фильтров, позволяющая рассчитывать параметры практических устройств. Полученные теоретические результаты служат основой для разработок физических методов акустической СВЧ спектроскопии. В работе предложен и развит модифицированный метод акустической СВЧ спектроскопии тонких слоев и пленок, основанный на выделении серии параллельных резонансов и измерении частот и добротности резонансных пиков составных резонаторных структур, а также методы нахождения скоростей и коэффициентов поглощения акустических волн по этим данным.

Впервые измерены коэффициенты поглощения акустических волн и их частотные зависимости в перспективных кварцеподобных пьезоэлектрических материалах ортофосфате галлия и лангатате.

Измерены величины коэффициентов поглощения в тонких пленках металлов W, Ti, Mo, А1, а также впервые измерены скорость продольных акустических волн в углеродных нанотрубных пленках и их плотность.

Практическая ценность работы. Полученные в диссертационной работе результаты будут использованы при создании резонаторов и фильтров для перспективных телекоммуникационных систем СВЧ-диапазона.

Основные положения, выносимые на защиту. 1. Разработанная в работе методика расчета составных акустических резонаторов и фильтров позволяет рассчитывать параметры практических устройств, лежит в основе разработок физических методов акустической СВЧ спектроскопии и позволяет количественно описать аномально высокую чувствительность четвертьволновых селективных поглощающих слоев в газовых датчиках.

2. Развит модифицированный метод акустической СВЧ спектроскопии тонких слоев и пленок, основанный на выделении серии параллельных резонансов и нахождении коэффициентов поглощения и скорости акустических волн по данным измерения ширины и положения резонансных пиков, разработана автоматизированная экспериментальная установка, что позволило измерить скорости акустических волн и их поглощение с высокой точностью.

3. Экспериментально показано, что кристаллы лангатата имеют существенно меньшее поглощение, чем кристаллы GaPC>4 или кварца для всех основных кристаллографических направлений, и, следовательно, перспективны для применения как в датчиках, так и в резонаторах и фильтрах. Экспериментально измеренные относительно малые значения коэффициента поглощения в тонких пленках металлов W, Ti, Mo позволили сделать вывод о перспективности использования в качестве слоев брэгговской структуры, а в отдельных случаях даже электродных слоев.

4. Экспериментально показано, что скорости продольных акустических волн углеродных нанотрубных пленок близки к значению скорости продольных акустических волн вдоль слоев кристалла графита, а плотность близка к плотности графита.

Апробация работы. Основные результаты диссертации докладывались на Международном симпозиуме по акустоэлектронике, контролю частоты и генерации сигналов (Москва, 1996), Международных ультразвуковых симпозиумах (Канада, 1997, Япония, 1998, США, 1999, Пуэрто Рико 2000, США 2001), 14-ом Европейском форуме по стандартам частоты и времени (Италия, 2000), Международных конференциях молодых ученых по акустоэлектронике и акустооптике (Санкт-Петербург, 1998, 2001).

Публикации. Основное содержание диссертации опубликовано в 15 печатных работах.

Структура работы по главам.

В первой главе представлен обзор литературы, в котором рассмотрено современное состояние исследований и перспективы развития акустических резонаторов и фильтров СВЧ-диапазона. Рассмотрены основные типы резонаторов на объемных и поверхностных волнах. Рассмотрены основные методы исследования скорости и затухания звуковых волн в тонких слоях и пленках различных материалов на высоких частотах. Приведены и проанализированы основные уравнения, используемые в дальнейшем в оригинальной части работы.

Вторая глава диссертационной работы посвящена разработке и методике расчета составных резонаторных структур СВЧ-диапазона. Целью расчета явилось установление связи между электрическими характеристиками составной резонаторной структуры и акустическими характеристиками всех входящих в нее слоев, а также с толщиной слоев и другими геометрическими параметрами структуры. Таким образом, при решении задачи учитывались акустические свойства (скорости звука, плотности, коэффициенты затухания) всех слоев, входящих в структуру.

Используя полученные формулы, было проведено численное моделирование основных свойств составных резонаторных структур. При моделировании составной резонаторной структуры с дополнительным слоем было обнаружено, что связь между толщиной слоя и изменением частоты составной резонаторной структуры существенно нелинейна и носит резонансный характер, что позволило количественно описать явление резонансной чувствительности газовых датчиков, ранее наблюдавшейся другими авторами.

Третья глава посвящена измерению коэффициентов поглощения и скорости звука в монокристаллах ортофосфата галлия и лангатата. Методом исследования является резонаторная акустическая СВЧ спектроскопия. Составной акустический резонатор является многочастотным. Резонансы возникают каждый раз, когда полный набег фаз в структуре равен целому числу 71, поэтому резонансные пики наблюдаются в широком диапазоне частот, на практике от долей гигагерца до нескольких гигагерц, причем расстояние между резонансными пиками в частотной области эквидистантно и составляет единицы — десятки мегагерц. Из измерения расстояний между пиками может быть получена информация о скорости звука, а из измерения ширины резонансных пиков — о коэффициенте поглощения акустических волн в структуре. Поскольку резонансные пики распределены в широкой области частот, то возможно получение информации о коэффициенте поглощения акустических волн в структуре на одном и том же образце.

Экспериментально были исследованы частотные зависимости коэффициентов затухания во всех основных кристаллографических направлениях ортофосфата галлия как для продольных, так и для поперечных волн в различных кристаллографических направлениях. Для того чтобы устранить ошибки, связанные со сложным характером резонансных пиков, метод резонаторной СВЧ-спектроскопии нами был модифицирован. Обоснованием этой модификации служила эквивалентная схема составной резонаторной структуры, которая была получена на основании формул, выведенных во второй главе. Эквивалентная схема составного резонатора состоит из набора последовательно соединенных параллельных RLC-контуров и емкости, близкой по величине к межэлектродной емкости пьезоэлектрического слоя, а также относительно небольшого по величине последовательного сопротивления. Именно наличие емкости и приводит к возникновению последовательных резонансов. Была предложена процедура, позволяющая путем обработки полученных экспериментальных данных полностью исключить из рассмотрения последовательные резонансы и влияние последовательного сопротивления. В результате в массиве скорректированных экспериментальных данных оставались только параллельные резонансы. Ширину резонансных пиков на уровне полосы пропускания, а, следовательно, добротность контура Qn можно было легко измерить либо по уровню /2 от максимального значения, либо по наклону фазовой характеристики .

Полученные значения коэффициента поглощения для одинаковых поляризаций и направлений в случае лангатата существенно меньше, чем в GaP04. Они также существенно меньше, чем известные табличные значения для кристаллов кварца. Таким образом, приведенные данные свидетельствуют в пользу перспективности данного материала для его использования в качестве материала для резонаторов. Малые потери позволяют получить большее значение добротности резонаторов. Кроме того, константа электромеханической связи у этого материала выше, чем у кварца. Отсутствие у монокристаллов лангатата структурных фазовых переходов вплоть до температуры плавления делают этот материал перспективным для разработки на его основе датчиков различных физических величин, работающих в экстремальных условиях, в частности, при высоких температурах.

Основной задачей четвертой главы было исследование акустических свойств тонких пленок металлов, таких, как вольфрам, титан, молибден и алюминий. Эти материалы было интересно исследовать с точки зрения возможности их использования в качестве слоев, образующих многослойные четвертьволновые брэгговские структуры в тонкопленочных пьезоэлектрических резонаторах с акустической изоляцией от подложки, а также с целью выяснения возможности их использования в качестве электродных слоев в таких резонаторах. Измерения свойств тонких пленок потребовало в дальнейшем развития резонаторной СВЧ-спектроскопии. Для получения данных о скоростях акустических волн в тонких пленках и о величине коэффициента поглощения в этих пленках сравнивались экспериментальные данные по измерению расстояния между резонансными пиками и их ширины в отсутствие пленки и после ее нанесения.

Выяснилось, что при нанесении пленки на уже измеренную структуру воздействие технологических процессов может изменять свойства самой заранее исследованной структуры, что неизбежно приводило к значительным ошибкам. Была предложена структура образцов для измерений, состоящая из ряда составных резонаторов, выполненных в одном технологическом цикле и на одной подложке с нанесением металлической пленки, которую предполагалось наносить не на все резонаторы, а через один. В результате резонаторы, как с исследуемой пленкой, так и без нее проходили один и тот же технологический цикл.

Процедура вычисления значений коэффициента поглощения в пленке и скорости звука также была изменена. Была предложена двухслойная модель составного резонатора. Вся структура, включающая в себя пьезоэлектрический преобразователь с электродами и пластину-подложку, заменялась неким резонаторным слоем с толщиной, равной суммарной толщине всех слоев, входящих в структуру и некоторой средней скоростью звука, которая определялась по расстоянию между пиками в частотной области в отсутствие измеряемой пленки. Вторым слоем в этой структуре была собственно измеряемая пленка. Это позволило сильно упростить дисперсионное уравнение и получить весьма удобные и точные формулы для определения как скоростей звука, так и коэффициентов поглощения.

Выяснилось, что тугоплавкие металлы, и, в особенности, вольфрам, имеют весьма низкие коэффициенты поглощения акустических волн, сравнимые или меньше, чем величина коэффициента поглощения в пьезоэлектрических пленках, используемых в тонкопленочных резонаторах (ZnO, A1N). Это означает, что вольфрам, титан и молибден могут служить основой для создания брэгговских зеркал с относительно малыми потерями.

Далее в главе рассмотрен тонкопленочный СВЧ-резонатор, выполненный на основе тонкого, близкого к четверти длины волны слоя окиси цинка. Резонансная частота структуры составила 2.9 ГГц.

Экспериментальное исследование структуры подтвердило наличие на частоте около 2.9 ГГц единственного резкого резонансного всплеска на частотной характеристике модуля импеданса от частоты. Наблюдались четко выраженные частоты резонанса и антирезонанса. По расстоянию между ними была оценена константа электромеханической связи пленки ZnO, которая составила 0.16. Это ниже табличного значения 0.28, что может быть объяснено недостаточно совершенной структурой пленки окиси цинка. Величина добротности параллельного резонанса составила Q = 245. Этот порядок величины и ожидался, если учесть реальные потери в структуре. Экспериментальные значения модуля и фазы электрического импеданса находятся в хорошем соответствии с результатами численных расчетов по формулам, полученным для тонкопленочных резонаторов с брэгговским зеркалом в главе 2.

В заключительном параграфе главы приводятся результаты исследования нового физического тонкопленочного объекта — углеродных нанотрубных пленок. Эти пленки выращивались методом электроннолучевого распыления чистого графита в вакууме на подложках из иттрий-алюминиевого граната, которые служили одним из слоев составного резонатора. Из сопоставления данных по расстоянию между пиками до и после нанесения пленки были найдены значения скорости продольных волн в направлении, перпендикулярном подложке (вдоль трубок), и величина плотности пленок.

Полученные значения скорости звука, модуля упругости и плотности в случае свежеприготовленных пленок соответственно составили 20×105 см/с, 1 ТПа и 2.1 г/см3. Эти значения близки к значениям соответствующих параметров для кристаллического графита в случае распространения акустических волн вдоль атомных слоев.

Следует отметить, что со временем (через несколько дней) акустические свойства пленок изменились — скорость уменьшилась до величины примерно 8×105 см/с. Объяснение этого явления было предложено 3.Я. Косаковской и позднее подробно исследовано. Изменение акустических параметров пленки связывается с процессами самопроизвольного легирования нанотрубок атомами, входящими в состав подложки.

Основные результаты диссертации опубликованы в следующих работах: Al. G. D. Mansfeld, I. М. Kotelyanskii, S. G. Alekseev, V. S. Veretin, О. V. Zvereva. Acouctic losses in GaP04. // Proc. of Int. Symp. on Acoustoelectronics, Frequency Control & Signal Generation. Moscow, Russia, September 17−19, 1996, pp. 102−107.

A2. G. D. Mansfeld, S. G. Alekseev. Theory and numerical analysis of bulk acoustic wave multilayer composite resonator structure. // Proc. of IEEE Ultrasonic Symp., Ontario Canada, October 5−9 1997, pp. 891−894.

A3. G.D.Mansfeld, S.G.Alekseev, I.M.Kotelyanskii. Bulk acoustic wave microwave composite resonators and filters with acoustic isolation of resonating layers. // Proc. of IEEE Ultrasonic Symp., Sendai Japan, October 5−8 1998, pp. 963−966. A4. Мансфельд Т. Д., Алексеев С. Г., Анализ электрических характеристик составных акустических СВЧ резонаторов. //Радиотехника. 1998. Т. 1. С. 75. А5. S.G. Alekseev, G.D. Mansfeld, I.M. Kotelyanskii. Bulk Acoustic Microwave Composite Resonators And Filters With Acoustic Isolation Of Resonating Layers. // Proc. of Int. Conf. For Young Researchers on Acoustoelectronics and Acoustooptics. St. Petersburg, Russia, June 7−12 1998, pp. 184−188.

A6. Алексеев С. Г., Боритко C.B., Дорожкин JI.M., Мансфельд Г. Д. // Резонансный характер чувствительности газоаналитических сенсоров на основе составного акустического резонатора. // Письма в ЖТФ. 1999. Т.25. С. 76. А7. S.G. Alekseev, Z.Ya. Kosakovskaya, G.D. Mansfeld. Microwave Acoustic Study of Carbon Multi-Walled Nanotube Films. // Abs. of Int. Workshop on Fullerens and Atomic Clusters. St. Petersburg, Russia, October 4−8 1999, p. 217. A8. G. D. Mansfeld, S. G. Alekseev, Yu. V. Gulyaev, Z. Ya. Kosakovskaya. Microwave HBAR Spectroscopy and Transducer Application of Carbon Nanotube.

Films. // Proc. of IEEE Ultrasonic Symp., Caesars Tahoe Nevada USA, October 1720 1999, pp. 561−564.

A9. G. D. Mansfeld, S. G. Alekseev, Yu. V. Gulyaev, Z. Ya. Kosakovskaya. On the Electrostatic Exitation of Nonpiezoelectric Plates Using Nanotube Carbon Films. // Proc. of the 14th European Frequency and Time Forum, Torino, Italy, March 14−16.

2000, pp. 148−151.

A10. G. D. Mansfeld, S. G. Alekseev, Y. V. Gulyaev, Z. Y. Kosakovskaya, V. V. Saraykin. Acoustic and Acoustoelectron Properties of Carbon Nanotube Films. // Proc. of IEEE Ultrasonic Symp., San Juan, Puerto Rico, October 22−25 2000, pp. 581−584.

All. G.D. Mansfeld, S.G. Alekseev, Yu.V. Gulyaev, Z.Ya. Kosakovskaya, V.V. Saraykin. Acoustic and Acoustoelectron Properties of Carbon Nanotube Films. // Abs. of Int. Workshop on Fullerens and Atomic Clusters. St. Petersburg, July 2−6.

2001. p. 89.

A12. G.D. Mansfeld, S.G. Alekseev. New Possibilities In HBAR Spectroscopy. // Abs. of the 17th Int. Congress on Acoustics. Rome, Italy, September 2−7 2001, p. 238. A13. G.D. Mansfeld, S.G. Alekseev, I.M. Kotelyanskii. Bulk Acoustic Wave Attenuation in Langatate. // Proc. of IEEE Int. Frequency Control Symposium, Seattle, USA, June 6−8 2001. pp. 268−271.

A14. G. D. Mansfeld, S. G. Alekseev, I.M.Kotelyansky. Acoustic HBAR Spectroscopy of Metal (W, Ti, Mo, Al) Thin Films. // Abs. of IEEE Ultrasonic Symp., Atlanta Georgia USA, October 7−10 2001.

A15. Алексеев С. Г., Котелянский И. М., Мансфельд Т. Д. Акустическая резонаторная сверхвысокочастотная спектроскопия тонких пластин лангатата и пленок вольфрама. // Радиотехника и электроника. 2001. Т. 46. С. 1499.

Выводы к главе 4.

1. Разработан модифицированный метод резонаторной СВЧ спектроскопии, в котором для анализа экспериментальных результатов используется более простая, чем прямое решение дисперсионного уравнения методика, основанная на использовании упрощенной двухслойной модели составного акустического резонатора.

2. Разработана методика относительных измерений величины поглощения и скорости звука, основанная на статистической обработке результатов данных, полученных при измерении чередующихся на одной подложке резонаторов, содержащих измеряемую пленку и без нее.

3. Получены экспериментальные данные о величине коэффициента поглощения в тонких пленках вольфрам, молибдена, титана и алюминия. Выяснилось, что потери в пленках первых трех металлов относительно малы и эти материалы могут быть использованы для создания отражающих брэгговских зеркал. Использование проводящих металлических слоев оказывается полезным поскольку последний из этих слоев в брэгговской структуре может служить электродом.

4. На основе полученных результатов было сформулировано предложение о создании тонкопленочного резонатора из окиси цинка на подложке, отделенной от пленки системой слоев вольфрам-титан. Создан и испытан макет СВЧ резонатора на частоту 2,9 ГГц. По величине промежутка между последовательным и параллельным резонансами оценена величина константы электромеханической связи пленки окиси цинка. Квадрат константы электромеханической связи составил 0,16. Измеренное значение добротности на частоте параллельного резонанса составило 245.

5. Используя метод поточечного сопоставления результатов эксперимента с теорией удалось измерить скорость продольных акустических волн и оценить величину модуля упругости и плотности углеродных нанотрубных пленок. Полученные значения составили: с33 — 1 Тпа, значение плотности 2,0 ± 0,1 гр/см3. Экспериментально обнаружено, что со временем параметры пленки меняются, что может быть связано с диффузией атомов из подложки в пленку.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

В работе развита теория составных акустических резонаторов и фильтров, позволяющая рассчитывать параметры практических устройств и лежащая в основе разработок физических методов акустической СВЧ спектроскопии.

В работе впервые предложен и развит модифицированный метод акустической СВЧ спектроскопии тонких слоев и пленок, основанный на выделении серии параллельных резонансов и измерения добротности составных резонаторных структур на соответствующих частотах.

В работе развиты методы нахождения коэффициентов поглощения и скорости акустических волн по данным измерения положений и ширины резонансных пиков (поточечное сопоставление данных, метод анализа дисперсионного уравнения, впервые предложена и развита двухслойная модель).

Создана автоматизированная экспериментальная установка, позволяющая проводить измерения скорости акустических волн и их поглощения с высоким разрешением и точностью, разработано соответствующее программное обеспечение.

Впервые получены фактические значения коэффициентов поглощения и их частотные зависимости в перспективных кварцеподобных пьезоэлектрических материалах ортофосфате галлия и лангатате. Оказалось, что кристаллы лангатата имеют существенно меньшее поглощение, чем кристаллы GaP04 или кварца, и более предпочтительны для применения как в датчиках, так и в резонаторах и фильтрах.

Получены фактические данные о величине коэффициента поглощения в тонких пленках металлов W, Ti, Mo, А1. Оказалось, что величина коэффициента поглощения в первых трех материалах меньше или сравнима с коэффициентом поглощения в известных пьезоэлектриках и поэтому они могут быть с успехом использованы в качестве слоев брэгговской структуры, а в отдельных случаях даже контактных слоев.

Впервые создана брэгговская отражающая структура на основе пленок металлов с малыми акустическими потерями, что открывает возможность создания тонкопленочных резонаторов и фильтров на основе элементов с акустической изоляцией от подложки с повышенной добротностью.

Создан и испытан лабораторный макет тонкопленочного акустического СВЧ резонатора на частоту 2,9 ГГц с пленкой из окиси цинка и акустическим брэгговским отражателем, выполненным на основе пленок вольфрама и титана. Результаты измерений параметров резонатора хорошо согласуются с расчетом на основе развитой в работе теорией.

Впервые измерены скорость продольных акустических волн и плотность углеродных нанотрубных пленок.

Полученное в работе аналитическое выражение для электрического импеданса составной резонаторной структуры позволило количественно описать аномально высокую чувствительность четвертьволновых селективных поглощающих слоев в газовых датчиках.