Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1 Обоснование экспериментальных и теоретических методов исследования физических процессов в тонких проводящих пленках металлодиэлектрических структур 15
1.1 Обоснование использования волноводных методов для исследования физических явлений в тонких проводящих пленках МДС 17
1.1.1 Методика исследования дифракционных характеристик с МДС в волноводном тракте 18
1.2 Соотношения, связывающие КСВ и ослабление с дифракционными характеристиками поля 19
1.3 Метод минимальных автономных блоков и основные положения пакета программ для расчета распределения тока в проводящих пленках МДС 24
1.4 Выводы по 1-й главе 31
ГЛАВА 2 Дифракция в волноводе на металлодиэлектрических структурах с тонкими проводящими пленками 33
2.1 Панорамные исследования дифракционных характеристик МДС в волноводе 35
2.1.1 Зависимости дифракционных характеристик с МДС в волноводе от частоты ЭМП 43
2.1.2 Влияние материала пленки на дифракционные характеристики МДС в волноводе 45
2.1.3 Влияние материала подложки и способа напыления на дифракционные свойства МДС в волноводе
2.2 Влияние местоположения МДС в волноводе на дифракционные и резонансные характеристики 56
2.3 Распределения плотности тока в проводящих пленках МДС 63
2.4 Выводы по главе 2 69
ГЛАВА 3 Особенности преобразования энергии эмп в нанометровых пленках металлодиэлектрических структур
3.1 Особенности структуры поверхностей нанометровых проводящих пленок МДС 72
3.2 Явление пространственного резонанса в нанометровых проводящих пленках 77
3.2.1 Влияние материала пленки МДС на оптические коэффициенты 83
3.2.2 Исследование влияния способа напыления на пространственный резонанс 87
3.2.3 Пространственный резонанс в нанометровых проводящих пленках в диапазоне частот от 3,0 до 25,5 ГГц 91
3.3 Экспериментальные исследования воздействия мощных электромагнитных полей на тонкие проводящие пленки МДС 93
3.3.1 Распределение удельных плотностей мощности в тонких пленках МДС 96
3.3.2 Воздействие мощных монохроматических СВЧ-полей на МДС в волноводе 98
3.3.3 Электротепловые и разрядные явления в проводящих пленках МДС на постоянном и переменном токе 108
3.4 Выводы по главе 3 112
Заключение 114
Список литературы 117
- Методика исследования дифракционных характеристик с МДС в волноводном тракте
- Влияние материала пленки на дифракционные характеристики МДС в волноводе
- Распределения плотности тока в проводящих пленках МДС
- Пространственный резонанс в нанометровых проводящих пленках в диапазоне частот от 3,0 до 25,5 ГГц
Введение к работе
Актуальность темы. В настоящее время большое внимание уделяется
работоспособности радиоэлектронной аппаратуры (РЭА) при воздействии
электромагнитных полей (ЭМП), как специального, так и природного
происхождения. В современной аппаратуре обработка сигналов
сосредоточена в интегральных микросхемах (ИМС), поэтому вопросы её надежного функционирования сводятся к исследованию физических явлений в ИМС при воздействии ЭМП.
Основой современной полупроводниковой электроники являются пленочные нанотехнологии. Так на сегодняшний день ведущие фирмы по производству ИМС смогли наладить производство с применением новых 14 и 16 нм FinFET-техпроцессов.
С учетом существующих тенденций развития полупроводниковой электроники естественными являются исследования стойкости нанометровых пленок к воздействию ЭМП. Физические явления в нанометровых проводящих пленках (толщиной менее 50 нм) при воздействии таких полей практически не исследованы экспериментально, отсутствует теория, описывающая процессы преобразования энергии электромагнитных и электрических полей в энергии, разрушающие эти пленки.
Тонкие проводящие пленки являются объектом внимания не только в полупроводниковой электронике, но и в области защиты радиотехнических устройств от воздействия внешних СВЧ-излучений. Современные методы диагностики (электронные, туннельные, атомные микроскопы и т.д.) дают возможность провести детальные исследования свойств проводящих пленок, однако, и до настоящего времени отсутствует теория, описывающая физические процессы в нанометровых проводящих пленках и процессы преобразования энергии при воздействии ЭМП.
Таким образом, исследования физических явлений в нанометровых проводящих пленках при воздействии ЭМП являются актуальными и
4 представляют интерес для специалистов, работающих в области полупроводниковой электроники и электронной аппаратуры.
Целью диссертационной работы являются теоретические и
экспериментальные исследования физических явлений в тонких проводящих пленках при воздействии ЭМП.
Для достижения данной цели были решены следующие задачи:
- экспериментальные исследования по определению влияния материала и
толщины пленок на коэффициенты отражения, прохождения и поглощения
металлодиэлектрических структур (МДС) в волноводе;
- исследования влияния местоположения МДС в волноводе на
дифракционные характеристики, в частности, на резонансные явления
системы «МДС-волновод»;
исследования влияния параметров проводящих пленок и МДС на аномально высокое поглощение ЭМП при толщине пленок менее 15 нм (пространственный резонанс);
исследования свойств пространственного резонанса в диапазоне частот от 3,0 до 25,5 ГГц;
численный расчет интегральных дифракционных характеристик МДС в волноводе с использованием метода минимальных автономных блоков (МАБ) и сравнение с экспериментальными данными;
использование численных расчетов распределения плотностей токов в проводящих пленках МДС в волноводе с учетом 60 типов волн в ближней зоне;
исследования особенностей развития необратимых процессов и пробоя в нанометровых проводящих пленках при воздействии мощного СВЧ-излучения, постоянного и низкочастотного переменного напряжений;
физическое обоснование специфики пробоя тонких проводящих пленок МДС при воздействии ЭМП исходя из распределения плотности тока в проводящих пленках.
5 Научная новизна диссертационной работы определяется поставленными задачами и впервые полученными результатами:
-
Экспериментальными методами исследовано явление сильного поглощения энергии электромагнитных волн нанометровыми проводящими пленками из меди, алюминия, нихрома и титана в диапазоне частот от 3,0 до 25,5 ГГц.
-
Определены значения толщин для нанометровых проводящих пленок, при которых происходит преобразование энергии ЭМП в акустическую энергию в диапазоне частот от 3,0 до 25,5 ГГц.
-
Обоснована возможность использования нанометровых проводящих пленок в качестве диапазонных поглощающих покрытий.
-
Исследованы влияния поляризационного фактора, способа напыления и материала пленок на пространственный резонанс.
-
Экспериментально исследованы резонансные свойства системы «МДС– волновод». Полученные данные совпадают с расчетами численной модели.
-
Проведены расчеты распределения плотности тока в металлизации МДС, которые позволяют объяснить динамику развития необратимых процессов и пробоя в пленках перпендикулярно вектору напряженности электрической компоненты ЭМП.
-
Проведены исследования физических процессов пробоя нанометровых проводящих пленок при воздействии мощного СВЧ-излучения, постоянного и низкочастотного переменного напряжений, на основании которых установлен характер разрушения пленок и его зависимость от параметров МДС и воздействующего фактора.
Практическая значимость результатов работы, полученных в
диссертации, заключается в определении значения толщин нанометровых проводящих пленок с преобразованием энергии ЭМП в акустическую, что представляет интерес для разработчиков ИМС, приборов и модулей СВЧ, другой электронной аппаратуры. Предложено использовать нанометровые проводящие пленки в качестве поглощающего покрытия электронной
6
аппаратуры от воздействия внешних СВЧ-излучений. Результаты
исследований позволяют дать рекомендации по созданию диапазонных
поглощающих покрытий с проводящими пленками нанометровых толщин.
Показана возможность использования МДС, расположенной вблизи узкой
стенки волновода, в качестве фильтров и аттенюаторов. Проведенные
исследования пробоя в проводящих пленках представляют интерес для
специалистов, занимающихся изучением физических процессов в
металлизации микросхем и других электронных приборов при воздействии электромагнитных полей, при работе приборов в напряженных токовых и тепловых режимах, при коммутациях напряжений.
Методология и методы исследований.
Основными методами исследований являлись:
- экспериментальные исследования дифракционных характеристик МДС в
волноводном тракте панорамными измерителями;
экспериментальные исследования необратимых процессов и пробоев тонких проводящих пленок МДС мощными ЭМП, постоянным и переменным низкочастотным напряжениями;
экспериментальные исследования структур поверхностей подложек и подложек с пленками методами атомно-силовой микроскопии;
компьютерное моделирование с использованием метода минимальных автономных блоков (МАБ) распределения плотностей тока в проводящих пленках МДС;
численное моделирование интегральных дифракционных характеристик МДС в волноводе в дальней зоне методом МАБ;
- сопоставление и анализ расчетных дифракционных характеристик с
экспериментальными данными и результатами других авторов.
Теоретическая база включает законы распространения и поглощения электромагнитных волн, уравнения электродинамики, законы сохранения, апробированные численные методы решения волноводных задач.
Экспериментальная база включает стандартную измерительную
аппаратуру, сканирующий зондовый микроскоп атомно-силовой
микроскопии, специальную установку по воздействию мощных ЭМП на
МДС, разработанную автором лично.
Основные положения, выносимые на защиту:
- результаты и анализ экспериментальных исследований дифракционных
характеристик МДС с тонкими проводящими пленками в волноводном
тракте;
результаты исследований явления аномально высокого поглощения энергии электромагнитных волн нанометровыми проводящими пленками из меди, алюминия, нихрома и титана;
результаты исследований влияния толщины и других характеристик пленок и МДС на преобразование энергии ЭМП в акустическую энергию;
- обоснование возможности создания диапазонных поглощающих покрытий
с проводящими пленками нанометровых толщин;
- результаты экспериментальных исследований по развитию необратимых
процессов и пробою тонких проводящих пленок МДС мощными ЭМП в
волноводе, постоянными и низкочастотными переменными напряжениями;
- полученные численными методами распределения плотностей тока в
проводящих пленках МДС, объясняющие специфику пробоя при воздействии
ЭМП и физическую модель пробоя в тонких проводящих пленках МДС.
Личный вклад автора.
В процессе выполнения работы автором разработаны измерительные
схемы для проведения экспериментальных исследований, изготовлена
установка по воздействию мощных ЭМП на МДС. Получены
экспериментальные данные по дифракционным характеристикам МДС с проводящими пленками из меди, алюминия, нихрома и титана в волноводе с использованием панорамных измерителей. Автором проведены исследования по пробою нанометровых проводящих пленок мощными ЭМП, постоянным и низкочастотным переменным напряжениями. С использованием численной
8
компьютерной модели, автором были получены интегральные
дифракционные характеристики МДС в волноводе и распределения плотности токов в проводящих пленках.
Достоверность результатов работы обеспечивается использованием
стандартной измерительной аппаратуры. Математические модели и расчеты,
использованные в ходе работы, базируются на апробированных
математических и численных методах. Ряд численных результатов, полученных в настоящей работе, хорошо согласуются с данными, полученными экспериментально.
Апробация работы.
Основные результаты работы обсуждались и докладывались на:
21 Международной Крымской конференции «СВЧ-техника и телекоммуникационные технологии». Севастополь, 2011 г. (1 доклад);
22 Международной Крымской конференции «СВЧ-техника и телекоммуникационные технологии». Севастополь, 2012 г. (2 доклада);
23 Международной Крымской конференции «СВЧ-техника и телекоммуникационные технологии». Севастополь, 2013 г. (2 доклада);
24 Международной Крымской конференции «СВЧ-техника и телекоммуникационные технологии». Севастополь, 2014 г. (1 доклад);
25 Международной Крымской конференции «СВЧ-техника и телекоммуникационные технологии». Севастополь, 2015 г. (2 доклада);
26 Международной Крымской конференции «СВЧ-техника и телекоммуникационные технологии». Севастополь, 2016 г. (1 доклад).
Публикации.
Основные результаты диссертационной работы опубликованы в 15 печатных работах, в том числе в журналах из перечня ВАК – 2 статьи, в журналах из перечня ВАК Украины (до 01 января 2015 г.) – 3 статьи, в наукометрической базе Scopus – 1 статья и 5 материалов конференций, 4 доклада на международных конференциях. Получены 4 патента Российской Федерации. Список публикаций приведен в конце автореферата.
Структура диссертационной работы.
Диссертация состоит из введения, трех глав, заключения, списка использованной литературы. Работа содержит 129 страниц, 92 рисунка, 1 таблицу и список использованной литературы из 106 наименований.
Методика исследования дифракционных характеристик с МДС в волноводном тракте
Соотношения (1.7), (1.8) представляют собой выражения для закона сохранения мощностей. В (1.8) R = РОТР / РПАД, Т = РПРОШ / РПАД и L = РПОГЛ /РПАД - модули относительных мощностей отраженной, прошедшей и поглощенной волн. В оптике их называют оптическими коэффициентами. Непосредственно вычисляются по измеренным значениям КСВ и А относительные мощности отраженной (R) и прошедшей (Т) волн. Значения относительной поглощенной мощности всегда вычисляются из баланса мощностей, т.е. из соотношений (1.8) или (1.10).
Используя соотношения (1.5) - (1.10), выразим отношение РПОГЛ/РПАД через КСВ и ослабление: L Р ПОГЛ Г, .ПОДА (К СВ-1)2] РПАД! КСВ W\. (1.11) Считая падающую мощность известной, а также зная значения КСВ и ослабления, можно найти значения мощностей отраженной, поглощенной и прошедшей волн. В панорамном измерителе коэффициент стоячей волны КСВ и ослабление А находятся по значениям отраженной и прошедшей волн в дальней зоне.
При воздействии мощных СВЧ-полей на МДС в волноводе и, зная мощность падающей волны, можно воспользоваться соотношениями (1.5), (1.6) и (1.10) для нахождения мощностей падающей, отраженной и поглощенной волн. Однако чаще используется схема волноводных исследований при воздействии мощных ЭМП на объекты, когда конечным элементом тракта установки является калориметрическая секция ваттметра, которая одновременно служит согласованной нагрузкой. В этом случае значения падающей, отраженной и поглощенной мощностей находятся по измеренным значениям прошедшей мощности: РПАД=10-0Д-РПРОШ, (1.11) РОТР=Ю-0ДА К СВ РПРОШ, (1.12) ГшОІА (К-l)2 X = Ю Д - СВ 2-1РПРОШ. (1.13) Р Г (КСВ+1)2 J Напряженность электрического поля в прямоугольном волноводе в приближении основной волны можно определить по следующему соотношению [41-45]: T/ти - Рпщ/ab ijjujs0 Em = v и 7 ПАД1 v0/ = 920J(r/r„)-i (В/м), (1.14) ф-(Я/Якр)2 МУ I HJ ПАД где а,Ъ- поперечные размеры волновода; Т - период огибающей радиоимпульса; тИ - длительность радиоимпульса; X - длина волны радиочастоты; ?Цкр - критическая длина волновода; є0, ]Х0 - электрическая и магнитная постоянные; Рщц - средняя мощность падающей волны. Напряженность электрической компоненты поля падающей волны, при известных значениях ослабления А и значениях мощности прошедшей волны (измеренной ваттметром) находятся из следующего соотношения: Em =920 (T/т)Л0-A-Pпрош . (1.15)
Нахождение коэффициента стоячей волны КСВ и ослабления А по существу решает дифракционную задачу для МДС в волноводе, так как с помощью КСВ и А и соотношений (1.5) - (1.10) находятся R = РОТР/РПАД, Т = РПРОШ/РПАД и L = РПОГЛ/РПАД - модули относительных мощностей отраженной, прошедшей и поглощенной волн. Достоверность и обоснованность результатов исследований обеспечивается использованием стандартной измерительной аппаратуры. Математические модели и расчеты, использованные в ходе работы, базируются на апробированных методиках и численных методах. Часть численных результатов, полученных в настоящей работе, хорошо согласуются с данными, полученными экспериментально. Некоторые расхождения в этих данных объясняются погрешностью, заложенной в аппаратуре: так диапазон измерений КСВ Р2-56 составляет от 1,05 до 5, а диапазон измерения ослабления от 0 до 35 дБ. Допустимая погрешность измерений зависит от значений измеряемых параметров и составляет: - при измерении КСВ 2 погрешность измерений не превышает ± 10%, при КСВ от 2 до 3 погрешность не превышает 16,8%; - при измерении ослабления А до 2дБ погрешность не превышает ± 0,6 дБ, при ослаблении до 4 дБ погрешность измерения ± 0,7 дБ.
При исследовании распределения полей вблизи МДС, расположенной в волноводном тракте, необходимо определить отклик МДС на воздействующее электромагнитное поле, что позволит рассчитать КСВ и ослабление А. Анализ существующих методов расчета электромагнитных полей показал, что наиболее оптимальным методом для расчета полей вблизи МДС в волноводном тракте является декомпозиционный метод, одной из разновидностью которого является метод минимальных автономных блоков (МАБ), построенный с использованием минимального базиса – в спектре собственных волн присутствуют две однородные Т-волны с ортогональными поляризациями [50 -63].
Расчет полей вблизи неоднородного включения в волноводе (рисунок 1.4) рассматривается как решение задачи волноводной дифракции - определение вклада различных типов волн вблизи неоднородности для удовлетворения граничных условий на металлодиэлектрической структуре и стенках волновода [51 ,58 ,60 ,64]. Вклад различных типов волн определяется матрицей рассеяния S: C=SC + (1.16), где С - вектор «отклика» МДС на воздействующее электромагнитное поле, который определяет отраженные и прошедшие волны; С+ - вектор падающих волн, S - матрица рассеяния
Влияние материала пленки на дифракционные характеристики МДС в волноводе
В научной литературе практически отсутствуют публикации по дифракции на металлической или металлодиэлектрической пластине в волноводе.
В соответствие с основными положениями электродинамики идеально проводящий объект «закорачивает» пространство в его месте нахождения. На высоких частотах скин-эффект определяет токи на поверхности и в объекте, а также структуру полей вблизи объекта. Для тел из материалов с высокой проводимостью разность потенциалов между участками поверхности невелика, а протекающие токи малы [41- 45]. В случае скин-эффекта мерой ослабления поля в металле является глубина скин-слоя [41 – 45, 65, 66]: , где - расстояние (глубина), на котором поле ослабляется в е раз, – круговая частота ЭМП, 0 – магнитная проницаемость свободного пространства, – удельная проводимость металла. Для меди глубина скин-слоя на частоте f = 3 ГГц составляет 1,2 мкм, а на частоте f =10 ГГц – 0,66 мкм ( = 5,81107 Cм/м). Пакеты программ, позволяющие анализировать электротепловые процессы на металлодиэлектрических объектах в волноводе, имеют ограничения: а) толщина пленок должна быть более 1 мкм; б) проводимость объекта однородна по всей поверхности [67].
Для проводящих структур, при падении плоской волны, связь между компонентами полей, токами и поверхностным сопротивлением имеет следующий вид [41 – 45, 65 ,66]: ; = , где - постоянная затухания ЭМП; - фазовая постоянная ЭМП; - поверхностное сопротивление проводника; и - тангенциальные составляющие электрической и магнитной компонент поля на поверхности проводника. В волноводном тракте волны существенно отличаются от плоских волн. Ранее не исследовались свойства МДС в волноводе, не исследовалось влияние неоднородности полей на распределение токов и тепла в проводящих пленках МДС. Также не проводились исследования по влиянию материала и толщины пленок на дифракционные характеристики МДС в волноводе.
При дифракции на неоднородностях в волноводе предполагается, что дифракционные характеристики (КСВ и ослабление) неизменны до некоторых предельных значений мощности падающей волны Н10. При превышении порогового значения мощности волны проводящая пленка «выгорает», преобразуясь в окисел, т.е. приобретает диэлектрические свойства. В этом случае дифракционные характеристики меняются, как и свойства МДС в целом. Эти разрядные явления обусловлены распределением плотности тока в металлизации.
С учетом изложенного выше задачами данной главы являются: - экспериментальные и теоретические исследования влияния ориентации и местоположения МДС в волноводе на дифракционные явления; - влияния различных параметров пленок на оптические коэффициенты МДС в волноводе; - определение минимальной толщины пленок, при которых достаточно использовать волновое уравнение и уравнение теплопроводности для описания дифракционных и электротепловых процессов; - исследования распределения плотностей токов в проводящих пленках МДС.
Измерения КСВ и ослабления производились по стандартным методикам в частотных диапазонах панорамных измерителей Р2-56, Р2-61 и Р2-66. При проведении экспериментальных исследований было задействовано 157 МДС с пленками из меди, алюминия и нихрома толщиной от 5 нм до 1 мкм, с площадью металлизации 2222, 1818 мм и меньше, полученных магнетронным способом напыления. Также в исследованиях использовались 114 МДС с пленками из меди, алюминия и титана толщиной от 5 до 160 нм, с площадью металлизации 1818, 1515 мм и меньше, полученных ионным способом напыления. Экспериментальные исследования были начаты в 2008 году, многие из результатов многократно проверялись и анализировались, так как проводящие пленки на воздухе быстро окисляются (верхняя поверхность пленки – окисел). В соответствие с данными ряда авторов [36, 37, 68 - 77], медь и алюминий окисляется в течение нескольких минут, пленки окислов на других используемых материалах (нихром и титан) образуются в течение нескольких часов. Проработка литературы по данному вопросу показала, что практически все сторонние результаты по исследованию характеристик проводящих пленок (алюминий, золото, железо и т.д.) представлены для пленок с поверхностью из окислов [36, 37, 39, 40, 68 - 77].
При измерениях КСВ и ослабления в диапазонах частот от 8 до 25,5 ГГц панорамными измерителями Р2-61 и Р2-66 геометрические размеры МДС уменьшались пропорционально уменьшению размеров поперечного сечения волноводов и сравнивались с подобными для Р2-56. На рисунках 2.1 – 2.3 представлены типичные зависимости коэффициентов, характеризующих отраженную волну в сравнении с падающей – КСВ, Г и R, в диапазоне частот панорамного измерителя Р2-56 (на этих и последующих рисунках толщина пленок d в нм). МДС с площадью проводящей пленки 1818 мм имела SМДС / SВ = 0,132, а при площади 1515 мм – SМДС / SВ = 0,092, где SМДС – площадь пленки МДС, SВ – площадь поперечного сечения волновода. При проведении исследований на панорамных измерителях Р2-61 и Р2-66 сохранялось масштабное соответствие для отношения размеров МДС и поперечного сечения волновода – SМДС / SВ = const. Исследования проводились для МДС, установленных в волноводе в ориентации а (рисунок 1.1).
Распределения плотности тока в проводящих пленках МДС
При проведении исследований в качестве подложек для нанесения пленок использовалось боросиликатное стекло ( = 4,7 …. 5,2) и ситалл ( = 6,8 … 8,2). С одной стороны у них электродинамические характеристики близки между собой, а с другой – это наиболее распространенные и типичные диэлектрические материалы, которые обычно используются в качестве подложек. В работе [39, 40] в качестве подложки использовалась рентгеновская пленка, обладающая лучшими поверхностными характеристиками в сравнении со стеклом или ситаллом.
Напыление производилось в разных учреждениях (Харьковский национальный университет радиоэлектроники (ХНУРЭ), г.Харьков, магнетронное напыление, 2010–2011 гг.; Научно-технический центр «Домен», г. Симферополь, магнетронное и ионное напыление, 2012-2015 гг). Исходные пластины ситалла при напылении имели стандартные размеры 48 60 мм и толщину 0,6 мм. После напыления пластины резались на более мелкие сегменты размером 22 22, 18 18, 15 15 мм и менее.
В качестве подложек из боросиликатного стекла также использовались покровные стекла размером 18 18 мм и толщиной не более 0,2 мм. Подложки являются неотъемлемой составляющей МДС и играют важную роль при формировании структуры проводящих пленок. Поверхности подложек при соответствующем рассмотрении (атомный силовой микроскоп) неоднородны, что в значительной мере определяет структуру поверхности проводящих пленок. При ионном и магнетронном напылении производится ионная шлифовка поверхности подложки, после шлифовки высота неоднородностей не превышает 10 нм. Использованные в работе подложки из боросиликатного стекла и ситалла являются типичными аморфными диэлектрическими материалами, которые используются на практике.
На рисунке 2.26 и 2.27 представлены зависимости КСВ = КСВ(f) и А = А(f) для МДС с подложками из различных материалов с пленками из алюминия толщиной 50 и 100 нм. Как видно из соответствующих зависимостей материал подложек, при небольших отличиях по своим электродинамическим и физико-химическим свойствам, мало сказывается на дифракционных характеристиках МДС в волноводе.
Для пленок со сформировавшимися структурами, т.е. для МДС с пленками толщиной более 50 нм, способ напыления (магнетронное или ионное) практически не влияет на дифракционные характеристики.
Влияние местоположения МДС в волноводе на дифракционные и резонансные характеристики Все результаты, представленные выше, получены для МДС, расположенной в центре волновода в ориентации а и б (рисунок 1.1). МДС в ориентации с (рисунок 1.1) практически не влияет на распространение волны Н10 в волноводе. В центре волновода для волны Н10, в месте расположения МДС, находится максимум напряженности электрической компоненты поля. Исследовать влияние магнитной компоненты поля, как на дифракционные характеристики, так и на преобразование энергии электромагнитного поля в акустическую энергию можно, располагая МДС возле узкой стенки волновода. Преобразование энергии ЭМП в акустическую энергию происходит при толщине проводящих пленок менее 50 нм. Исследования показали, что магнитная компонента поля (когда МДС находится вблизи узкой стенки волновода) не принимает участия в механизме преобразования энергий, а именно, волна Н10 не «видит» МДС с пленками толщиной менее 50 нм для SМДС от 1515 до 2222 мм. В то же время размещение МДС с пленками толщиной более 50 нм (для SМДС 1818мм) вблизи узкой стенки волновода приводит к проявлению резонансных свойств системы «МДС – волновод». Физика резонансных явлений достаточно проста: МДС вблизи узкой стенки волновода обладает емкостью по отношению к широким стенкам волновода и индуктивностью вследствие расположения вблизи узкой стенки волновода. В научной литературе по волноводной технике отсутствуют исследования резонансных свойств проводящей структуры возле узкой стенки волновода. Ниже приводятся некоторые экспериментальные результаты исследований резонансных свойств МДС в волноводе.
При таких исследованиях варьируемыми параметрами являются: размер МДС, материал проводящей поверхности, а также расстояния от узкой и широкой стенок волновода. На рисунках 2.28 – 2.31 приведены зависимости КСВ для МДС в волноводе в зависимости от частоты, размеров проводящей поверхности и параметров, характеризующих местоположение МДС в волноводе.
Пространственный резонанс в нанометровых проводящих пленках в диапазоне частот от 3,0 до 25,5 ГГц
Как следует из рисунка 3.22 в диапазоне частот панорамных измерителей Р2-56, Р2-61 и Р2-66 от 3,0 до 25,5 ГГц значения КСВ для пленок из одинакового металла и одной толщиной мало меняются, оставаясь приблизительно одинаковыми во всей полосе частот. Отражающие свойства пленок в значительной мере зависят от удельной проводимости материала.
В наибольшей степени представляют интерес зависимости для ослабления в диапазоне частот от 3,0 до 25,5 ГГц. Слабая зависимость (практически отсутствие зависимости) ослабления – основного показателя пространственного резонанса от частоты (с учетом известных из источников явлений в оптическом диапазоне [25 - 30]) является важным обстоятельством для исследований свойств нанометровых металлических пленок в качестве поглощающих покрытий. На рисунке 3.23 приведены зависимости ослабления А = А(f) для МДС с пленками толщиной d = 5 нм в диапазоне частот от 3,0 до 25,5 ГГц.
Приведенные зависимости на рисунке 3.23 свидетельствуют о том, что явление пространственного резонанса практически не зависит от частоты в диапазоне частот от 3 до 25,5 ГГц. Поглощающие свойства нанометровых пленок требуют уточнений, в частности, в диапазонах частот f = 4….8 ГГц и f = 12...17 ГГц. Однако, результаты, приведенные на рисунке 3.23, а также данные для оптического диапазона могут свидетельствовать о слабой зависимости (или независимости) пространственного резонанса от частоты воздействующего ЭМП
Экспериментальные исследования воздействия мощных электромагнитных полей на тонкие проводящие пленки МДС Основой современной элементной базы являются пленочные структуры и изучение их свойств при предельных значениях эксплуатационных параметров является актуальной задачей. Важной задачей при этом является выяснения причин разрушений металлизации, происходящих при воздействии электромагнитных полей на электронные приборы и устройства, при выходе режимов работы за номинальные, при токовых коммутациях и т.д. Исследование причин отказов различных электронных устройств при внешних воздействиях ЭМП связано с большими трудностями (подводящие линии, ориентация устройства в аппаратуре и т.д.), которые не позволяют дать однозначные рекомендации по пороговым значениям воздействующего излучения ЭМП. В этом плане предпочтительней является изучение физики процессов в элементах электронной техники, в частности в проводящих пленках, в напряженных токовых и тепловых режимах, что реализуются при пробое.
Зависимости первичных дифракционных характеристик КСВ и ослабления А для МДС в волноводе от различных параметров (частота, толщина пленок и т.д.) сохраняются до некоторых пороговых значений воздействующих ЭМП. При превышении пороговых значений мощности ЭМП начинаются необратимые явления, как правило, в проводящих пленках МДС, их пробой, прожог.
В работе [32] дифференцируются механический и тепловой пробои в наноразмерных по толщине пленках. В таких пленках преобразование энергии ЭМП в акустическую энергию происходит при перемещениях электронов внутри кристаллитов и первый этап пробоя происходит за счет разрушения кристаллитов без значительного выделения тепла. Следующий этап разрядных явлений в нанометровых пленках сопровождается выделением большого количества тепла и прожогом пленок. Если воздействующее ЭМП намного больше порогового значения, тогда, минуя стадию механических разрушений, сразу переходит в прожог металлизации и ее тепловое разрушение.
Следует отметить, что разрядные явления имеют место и в пленках толщиной более 100 нм (в несколько сотен нанометров), причем характер и динамика пробоя во многом аналогичны таковым для нанометровых пленок. В проводящих пленках толщиной более 50 нм доминантным механизмом пробоя являются омические потери (распределение плотности тока , соответственно, тепла), а способствуют пробою пространственная и омическая неоднородности пленок.
При воздействии мощных электромагнитных полей пробой происходит по середине пленки перпендикулярно вектору напряженности электрической компоненты ЭМП (рисунок 3.24). Обычно электрический пробой происходит по направлению поля (молниевый разряд, разряды в полупроводниковых и электровакуумных приборах и т.д.), а пробой в тонких проводящих пленках МДС происходит перпендикулярно полю. Данное явление объясняется распределением плотности тока в пленках МДС (раздел 2.3): превышение пороговых значений воздействующих полей приводит к большим градиентам плотности тока, температур и образованию ударной волны от ребер пленок к центру, т.е. первичный фактор - это направление поля, тока и тепла, вторичный – пробой, обусловленный распределением тока и тепла.