Взаимодействие поверхностных акустических волн с электронными и рентгеновскими пучками Рощупкин, Дмитрий Валентинович

Введение к работе

Актуальность темы. Важнейшей задачей акустоэлектроники является разработка и создание новых методов исследования распространения' акустических волн в объемах и на поверхности кристаллов, которые позволяют получить реальное физическое изображение акустического поля и могут быть использованы для качественного и количественного анализа распространения акустических волн в кристаллах. В настоящее время основными методами исследования распространения акустических волн в пьезолектрических кристаллах являются электроизмерительный метод и метод оптической дифракции. Первый из методов позволяет провести сравнение между входными и выходными характеристиками акустоэлек-тронных устройств и практически не дает информации о распространении акустических волн на поверхности и в объеме кристалла, которые непосредственно влияют на процесс распространения акустических волн. Второй метод позволяет получить реальное изображение акустического волнового поля, однако недостатком данного метода является пространственное разрешение, которое не может быть лучше половины длины волны оптического излучения. В связи" с созданием новой элементной базы акустоэлектроники (создание элементов с размерами ~1 мкм) возникает необходимость в создании новых методов технологии и диагностики акусто-злектронных устройств. В данном случае перспективными являются методы, использующие сфокусированные электронные и рентгеновские пучки, и позволяющие получить пространственное разрешение менее 1 мкм. Применение рентгеновских и электронно-микроскопических методов обладает рядом особенностей по сравнению с таковыми для обычных интегральных микроэлектронных приборов, обусловленных как свойствами пьезоэлектрических кристаллов, так и физической природой носителя информации - деформационной поверхностной акустической волной, сопровождаемой электрическим полем на поверхности пьезоэлектрических кристаллов. К особым свойствам кристаллов, используемым в акустоэлектро-нике, следет отнести диэлектрические, пьезоэлектрические и пироэлектрические свойства Взаимодействие электронных и рентгеновских пучков с пьезоэлектрическими кристаллами приводит к целому ряду эффектов, таких, как накопление заряда, изменение коэффициента вторичной электронной эмиссии с поверхности кристалла, деформация поверхности кристалла. Так, например, ограничение пространственного разрешения в

электронно-лучевой литографии, которая является основным методом при создании высокочастотных устройств на поверхностных акустических волнах, обусловлено рассеянием электронов в подложке, вызванным накоплением больших отрицательных зарядов в приповерхностных областях кристаллов.

Электронно-микроскопические и рентгеновские методы диагностики позволяют с высоким пространственным разрешением визуализировать деформационное поле, создаваемое поверхностными и объемными акустическими волнами на поверхности кристаллов, исследовать процесс распространения бегущих и стоячих акустических волн, процесс взаимодействия акустических волн с различными дефектами как на поверхности, так и в объеме кристаллов. На ряду с этим при взаимодействии электронных и рентгеновских пучков с акустическими волнами возникает ряд интересных явлений, которые необходимо исследовать с целью понимания их физической природы. Важным направлением является также поиск новых принципов применения акустических волн для обработки, хранения и передачи информации. В последнем случае оказывается очень важным физический характер акустических волн, как носителя информации. Использование потенцальных возможностей преобразования акустических сигналов в другие виды носителей информации (оптической, рентгеновской, электронной и т.д.) открывает возможность акустоэлектронных, акустоопти-ческих и рентгеноакустических преобразователей сигналов на новых физических принципах.

С другой стороны, возможность управления параметрами акустической волны (амплитудой колебаний, длиной волны) позволяет рассматривать последнюю как удобную модель, на которой могут быть изучены процессы рассеяния всех видов излучения (оптического и рентгеновского излучений, нейтронов) сверхрешетками любой природы.

Самостоятельное значение имеет акустооптическое взаимодействие рентгеновского излучеия с акустическими волнами. Высокая чувствительность рентгеновских дифракционных методов к искажениям кристаллической решетки является основой для эффективного решения задач физической акустики (измерение амплитуды акустических волн, измерение длины волны, исследование структур колебательных мод пьезорезонато-ров и т.д.). Следует также отметить, что в последнее время выполнен большой объем экспериментальных и теоретических исследований по дифракции рентгеновского излучения на объемных акустических волнах, в

то время как информация о дифракции рентгеновского излучения на поверхностных акустических волнах еще требует своего исследования и понимания физических аспектов данного взаимодействия. Важные приложения связаны с возможностью управления рентгеновским излучением с помощью ультразвуковых волн, так как для управления рентгеновским излучением невозможно использовать прямо электрические и магнитные поля.

Таким образом, сформулированные выше проблемы обуславливают актуальность темы диссертационной работы, посвященной исследованию методами растровой электронной микроскопии и рентгеновской дифракто-метрии динамических процессов взаимодействия электронных и рентгеновских пучков с поверхностью сегнетоэлектрических и пьезоэлектрических кристаллов, промодулированных поверхностными акустическими волнами.

Целью настоящей работы было исследование физических закономерностей взаимодействия электронных и рентгеновских пучков с поверхностью сегнетоэлектрических и пьезоэлектрических кристаллов, промоду-лированых поверхностными акустическими волнами.

Для достижения поставленной цели необходимо решить ряд следующих актуальных задач:

1. С целью создания элементов акустического тракта акустоэлек-тронных устройств на поверхностных акустических волнах с размерами элементов ~1 мкм, экспериментально и теоретически изучить процесс рассеяния электронов при прямом электронно-лучевом экспонировании субмикронных структур встречно-штыревых преобразователей на поверхности пьезоэлектрических и сегнетоэлектрических кристаллов, влияющих на точность воспроизведения размеров и топологии элементов акустического тракта.

2. Исследовать физический механизм формирования метастабильно-го потенциального контраста изображения бегущих и стоячих поверхностных акустических волн в растровом электронном микроскопе.

3. Изучить процесс взаимодействия поверхностных акустических волн с регулярными доменными структурами в сегнетоэлектрическом кристалле LiNbQ}.

4. Экспериментально и теоретически исследовать процесс дифракции рентгеновского излучения на поверхности пьезоэлектрических кристаллов, промодулированных бегущими поверхностными акустическими

волнами, в условиях полного внешнего отражения.

5. Изучить процесс взаимодействия рентгеновского излучения со стоячей поверхностной акустической волной в условиях полного внешнего отражения.

6. Экспериментально и теоретически изучить процесс дифракции рентгеновского излучения на многослойных интерференционных рентгеновских зеркалах, промодулированных поверхностными акустическими волнами, в условиях дифракции по-Брэгту.

Основные положения, выносимые на защиту:

1. Методика коррекции рассеяния электронов на отрицательных поверхностных зарядах при прямом электронно-лучевом экспонировании элементов акустических трактов акустозлектронных устройств с субмикронными размерами на поверхности пьезоэлектрических и сегнетозлек-трических кристаллов.

2. Методика определения направления полярных и пьезоэлектрических осей (+ или -) в пьезоэлектрических и сегнетоэлектрических кристаллах.

3. Результаты экспериментального исследования и предложенный механизм формирования изображения бегущих и стоячих поверхностньк акустических волн в растровом электронном микроскопе.

4. Результаты экспериментального исследования работы акустоэлек-тронных устройств на базе сегнетоэлектрических кристаллов LiNc-Оз с регулярными доменными структурами, позволяющими возбуждать, фокусировать и отражать акустические волны, а также выступающими в качестве акустических волноводов в случае распространения акустических волн вдоль доменных структур.

5. Результаты экспериментального и теоретического исследования дифракции рентгеновского излучения на ультразвуковых сверхрешетках в условиях полного внешнего отражения.

6. Результаты экспериментального и теоретического исследования дифракции рентгеновского излучения на многослойных интерференционных рентгеновских зеркалах, промодулированных поверхностными акустическими волнами, в условиях дифракции по-Брэггу.

7. Результаты экспериментального исследования и физический механизм формирования метастабильной сверхрешетки в процессе акустооп-тического взаимодействия рентгеновского излучения со стоячими поверхностными акустическими волнами.

Научная новизна результатов, полученных в диссертационной работе, заключается в следующем:

1. Предложена оригинальная методика компенсации рассеяния электронов отрицательными поверхностными зарядами при прямом электронно-лучевом экспонировании структур элементов акустического тракта приборов на поверхностных акустических волнах на поверхности пьезоэлектрических и сегаетоэлектрических кристаллов, использующая создание положительного поверхностного заряда за счет пьезоэлектрического и пироэлектрического эффектов. Предложенная методика, также, позволяет однозначно идентифицировать направления полярных осей с (+ или -) в сегнетоэлектрических кристаллах, пьезоэлектрически активных осей (+ или -) в пьезоэлектрических и сегнетоэлектрических кристаллах, так как определенное физическое воздействие приводит к возникновению поверхностного заряда определенного знака в соответствии с направлением воздействия, который легко определить по потенциальному контрасту изображения образцов в режиме вторичной электронной эмиссии в растровом электронном микроскопе. Данная методика является неразрушающим методом контроля наличия в сегнетоэлектрических кристаллах доменых структур.

2. Проведено исследование формирования метасгабильного потенциального контраста изображения поверхностных акустических волн в растровом электронном микроскопе. Установлен зарядовый механизм формирования контраста изображения бегущих и стоячих поверхностных акустических волн. Предложена оригинальная методика измерения скорости звука на свободной поверхности пьезоэлектрических кристаллов в растровом электронном микроскопе, основанная на изменении потенциального контраста изображения акустических волн при изменении резонансной частоты возбуждения.

3. Впервые продемонстрирована возможность использования регулярных доменных структур в сегнетоэлектрических кристаллах IiNbQ3 в акустоэлектронных устройствах: возможность возбуждения поверхностных и объемных акустических волн посредством пьезоэлектрического эффекта в регулярных доменных структурах, возможность фокусировки поверхностных акустических волн изогнутыми регулярными доменными структурами, возможность использования доменных структур в качестве акустических волноводов, возможность отражения акустических волн от доменных стенок.

4. Впервые проведены экспериментальные исследования по пространственно-временной модуляции дифрагированного на ультразвуковой сверхрешетке рентгеновского излучения в условиях полного внешнего отражения.

5. Впервые исследовано акустооптическое взаимодействие рентгеновского излучения со стоячими поверхностными акустическими волнами на поверхности сегнетоэлектрического кристалла LiNbOa. Установлен физический характер метастабнльной сверхрешетки, сформированной в приповерхностном слое в процессе вышеуказанного взаимодействия.

6. Впервые проведены экспериментальные исследования дифракции рентгеновского излучения на многослойных интерференционных рентгеновских зеркалах, промодулированных поверхностными акустическими волнами.

Научное и практическое значение работы определяется тем, что:

Результаты исследования возможности компенсации отрицательного поверхностного заряда могут быть применены при изготовлении элементов акустического тракта акустоэлектронных устройств методом прямой электронно-лучевой литографии. Также, данные исследования могут быть использованы для определения направления полярных и пьезоэлектрических осей (+ или -), что является важным моментом в создании акустоэлектронных устройств, и в качестве метода визуализации и анализа доменных структур в сегнетоэлектрических кристаллах.

Разработанная методика визуализации акустических волн в растровом электронном микроскопе может быть применена непосредственно для визуализации акустических волновых полей на поверхности пьезоэлектрических кристаллов, для анализа работы акустоэлектронных устройств, для измерения скорости звука на свободной поверхности в любом месте звукопровода. Зарядовый механизм формирования потенциального контраста изображения акустических волн может бьпъ использован для создания элементов "памяти" на основе записи акустических сигналов на поверхности пьезоэлектрических кристаллов.

Результаты исследования взаимодействия поверхностных акустических волн с регулярными доменными структурами в сегнетоэлектрическом кристалле LiNb03 позволяют создать новый класс акустоэлектронных устройств на базе регулярных доменных структур, которые позволяют возбуждать акустические волны, фокусировать акустические пучки, отражать акустические волны на доменных стенках, и которые могут также высту-

пать в качестве акустических волноводов.

Результаты исследования акустооптического взаимодействия рентгеновского излучения с поверхностными акустическими волнами создают предпосылки для развития рентгеновской акустоэлектроники. В частности:

- На основе проведенных дифракционных исследований предложены
методы измерения амплитуды поверхностных акустических волн (абсо
лютное определение амплитуды по интенсивностям дифракционных поряд
ков).

Исследованные дифракционные закономерности могут быть использованы для эффективного управления рентгеновскими пучками с помощью поверхностных акустических волн (пространственная и временная модуляции дифрагированных рентгеновских пучков).

Обнаруженный эффект формирования метастабильной сверхрешетки в приповерхностных слоях сегнетоэлектрических кристаллов в процессе взаимодействия рентгеновского излучения со стоячими поверхностными акустическими волнами позволяет формировать элементы "памяти" с длительным временем хранения.

Апробация работы. Основные результаты диссертации докладывались на следующих конференциях, совещаниях и семинарах:

1. Международных конференциях "Электронно-лучевые технологии",
Варна, Болгария, 1985 и 1988 гг.

2. 1-ой Всесоюзной конференции "Физические методы исследования поверхности и диагностики материалов и элементов вычислительной техники", Кишинев, 1986 г.

3. Международной конференции "Акустоэлектроника", Варна, Болгария, 1987 г.

4. Международных конференциях по использованию синхротронного излучения "СИ-88", Новосибирск, 1988 г., и "СИ-90", Москва, 1990 г.

5. IV-ом Всесоюзном совещании по когерентному взаимодействию излучения с веществом, Юрмала, 1988 г.

6. Всесоюзной конференции "Динамическое рассеяние рентгеновских лучей в кристаллах с динамическими и статическими искажениями", Мегри, 1988 г.

7. 14-ом Международном Акустическом Конгрессе, Пекин, Китай, 1992 г.

8. Коллоквиуме фирмы Сименс по рентгеновскому излучению, Париж, Франция, 1992 г.

9. 4-ой Международной конференции по рентгеновской" микроскопии,

Черноголовка, Россия, 1993 г.

10. 3-ем Французском Акустическом Конгрессе, Тулуза, Франция, 1994 г.

11. 13-ом Международном Конгрессе по электронной микроскопии, Париж, Франция, 1994 г.

12. Международном симпозиуме по поверхностным волнам в твердых телах и слоистых структурах, и Национальной конференции по акусто-электронике, Москва - Санкт-Петербург, Россия, 1994 г.

13. 16-ой Всероссийской конференции по акустоэлектронике и физической акустике твердого тела, Сыктывкар, 1994 г.

Рубтшкятши- По результатам исследований опубликовано 37 научных работ, которые использованы при написании диссертации.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, шести глав, заключения и списка цитированной литературы из 220 названий. Объем диссертации составляет 336 страниц, в том числе 127 рисунков.