Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Применение сегнетоэлектрических плёнок в ВЧ и СВЧ диапазоне (обзор литературы) 12
1.1 СВЧ свойства сегнетоэлектрических плёнок (Ва, Sr)Ti03 13
1.2 Технологии получения сегнетоэлектрических плёнок 19
1.3 Перестраиваемые СВЧ элементы на основе СЭ плёнок 20
1.4 Методики измерения СВЧ свойств СЭ тонких плёнок 23
1.5 Электрофизические свойства перестраиваемых СВЧ элементов на основе СЭ плёнки 24
1.5 Электрофизические свойства перестраиваемых СВЧ элементов на основе СЭ плёнки 25
1.6 СВЧ устройства на основе сегнетоэлектрических плёнок 28
Глава 2. Методики и результаты измерения СВЧ свойств сегнетоэлектрических плёнок 32
2.1 Методики измерения СВЧ свойств сегнетоэлектрических плёнок 32
2.1.1 Безэлектродные измерения параметров СЭ плёнок 33
2.1.2 Измерения на основе щелевого резонатора с СЭ плёнкой в волноводе... 47
2.2 Результаты измерений СВЧ свойств сегнетоэлектрических плёнок 54
2.2.1 Выбор состава для применения в диапазоне СВЧ 54
2.2.2 Исследование зависимости свойств от толщины плёнки 55
2.2.2 Исследование зависимости свойств от толщины плёнки 56
2.2.3 Исследования свойств керамических плёнок BSTO методом частично заполненного волноводного резонатора 57
2.2.4. Исследования свойств СЭ плёнок BaojSrojTiCb в диапазоне около 60 ГГц. 57
Глава 3. Сегнетоэлектрический МДМ конденсатор для СВЧ и ВЧ применений 60
3.1. Технология создания СЭ МДМ конденсаторов 60
3.2. Конструкция МДМ-конденсатора на основе СЭ плёнки 66
3.3. Свойства СВЧ МДМ конденсатора на основе СЭ плёнки 73
Глава 4. Релаксация ёмкости СЭ конденсатора при воздействии импульсных электрических полей 83
4.1 Методика измерений 84
4.2 Экспериментальные результаты 86
4.3 Анализ экспериментальных результатов 94
Глава 5. СВЧ устройства на основе сегнетоэлектрических плёнок 99
5.1 Параметр качества перестраиваемого элемента, включённого в СВЧ резонатор, и фильтра на их основе 99
5.1.1 Характеристики фильтра на основе СЭ перестраиваемых элементов... 103
5.2 Параметр качества ФВ на основе перестраиваемого фильтра 104
5.3 Параметр качества ФВ на основе перестраиваемой линии передачи 108
5.3.1 Оценка предельного параметра качества СЭ ВЩЛ фазовращателя на основе измерения ВЩЛ резонатора 111
5.4 Фазовращатель на основе СЭ волноводно-щелевой линии передачи 113
5.4.1 Предварительная оценка параметра качества СЭ ВЩЛ фазовращателя 113
5.4.2 Конструкция и результаты измерения СЭ ВЩЛ фазовращателя 114
Заключение 120
Приложение 122
Список литературы
- Перестраиваемые СВЧ элементы на основе СЭ плёнок
- Безэлектродные измерения параметров СЭ плёнок
- Конструкция МДМ-конденсатора на основе СЭ плёнки
- Параметр качества ФВ на основе перестраиваемого фильтра
Введение к работе
В настоящее время, наряду с широко распространёнными полупроводниковыми и ферритовыми СВЧ устройствами, внимание специалистов привлекают устройства на основе сегнетоэлектрических (СЭ) материалов. Использование СЭ тонких плёнок позволяет улучшить такие характеристики приборов как быстродействие, рабочая мощность, СВЧ потери и мощность управления. Немаловажным фактором является простота конструкции и возможность использования интегральной технологии СЭ устройств, что определяет их низкую стоимость и делает СВЧ электронику с использованием СЭ перспективным направлением прикладных исследований.
Исследования, проведённые ранее, показали принципиальную возможность создания СЭ элементов, обеспечивающих частотную и фазовую перестройку радиоэлектронных устройств (фазовращателей, фильтров, линий задержки), используемых в системах связи и локации. Однако на сегодня СВЧ приборы на базе СЭ пленок существуют только в качестве лабораторных образцов, которые по ряду параметров уступают существующим традиционным аналогам. Для широкого использования СЭ в технике СВЧ необходимо решить ряд важных научно-технических задач, рассмотренных ниже.
Поиск оптимального состава СЭ плёнок и исследование их СВЧ свойств в широком диапазоне частот. Наиболее перспективным СЭ материалом для использования в устройствах СВЧ являются твёрдые растворы BaxSri.xTi03. В литературе встречается ряд публикаций, посвященный свойствам данного композита для различных соотношений Ва и Sr. Как правило, приводятся данные по СВЧ свойствам рассматриваемых материалов в нижней части СВЧ диапазона (до частот (10-г15) ГГц). Однако перспективность устройств беспроводной локальной и спутниковой связи, работающих в сверхширокополосном режиме, делают необходимым проведение исследований свойств СЭ вплоть до частот 100 ГГц. Приведённые в литературе сведения носят отрывочный характер также и по выбору состава Вах8г)_хТіОз, соответствующего наилучшим СВЧ свойствам. Отсутствие сведений по оптимальности состава СЭ для СВЧ применений и данных о свойствах СЭ плёнок в широком диапазоне частот не позволяет эффективно проводить моделирование и реализацию СВЧ устройств. Поэтому одной из задач настоящей работы является поиск оптимального состава BaxSr].
ХТІ03 плёнок, полученных по технологии ионно-плазменного (магнетронного) распыления, и получение данных об их свойствах в широком диапазоне частот.
Разработка перестраиваемых элементов на основе сегнетоэлектрическга плёнок с управляющими напряжениями до 30 В. В настоящее время традиционными для СВЧ диапазона являются структуры планарной конструкции на основе СЭ плёнок (планарные конденсаторы, щелевые и копланарные линии). Применение таких структур целесообразно для устройств высокой СВЧ мощности, где повышенное постоянное или импульсное напряжение управления (сотни вольт) не является препятствием для их использования. Однако для применения в малосигнальных устройствах необходимо радикальное снижение управляющих напряжений до уровня, обычно используемого в полупроводниковой электронике (десятки вольт). В рамках планарной конструкции это ведёт к технологическим и конструктивным проблемам получения характерных топологических размеров менее 1 мкм. Таким образом, разработка технологичных СЭ структур с пониженным управляющим напряжением становится одной из ключевых задач использования СЭ элементов в малосигнальной СВЧ технике.
Одним из путей решения этой задачи является реализация плоскопараллельных структур типа «металл-диэлектрик-металл» (МДМ) на основе тонкой СЭ плёнки, в которых уменьшение толщины СЭ плёнки (менее 0.5 мкм) позволяет получить необходимый коэффициент управления (Cmax / Cmin ^ 2) при напряжениях менее ЗОВ. Разработка таких структур для СВЧ диапазона требует оптимизации конструкции с точки зрения уменьшения влияния «паразитных» параметров и снижения СВЧ потерь в металлических электродах.
Исследование быстродействия сегнетоэлектрическга тонкопленочных элементов. Для конкурентоспособной работы электрически перестраиваемых устройств СВЧ диапазона необходимы высокие скорости их переключения (< 1 мкс). Существует общепринятое мнение, что в параэлектрической фазе (Г> Тс) отсутствие доменной структуры позволяет достигать быстродействия, соизмеримого с временами осцилляции «мягкой» СЭ моды, то есть Ю-11 с. Ряд опубликованных работ, посвященных исследованию нелинейных свойств СЭ при повышенном уровне гармонического СВЧ сигнала (интермодуляционные искажения, параметрические явления), на первый взгляд, полностью подтверждает эту точку зрения. Однако необходимо заметить, что все эксперименты, практически демонстрирующие безынерционный СВЧ отклик,
проводились в условиях воздействия гармонических сигналов и не соответствовали режиму работы устройств при управлении униполярными импульсными сигналами. Именно такие режимы используются для кодирования и передачи информации в современных СВЧ устройствах. Поэтому исследование поведения СЭ элементов при импульсном режиме управления является актуальной задачей.
Разработка СВЧ фазовращателей на основе СЭ плёнок. Решение задачи создания СВЧ устройств на основе СЭ плёнок требует предварительной оценки параметров проектируемого устройства, исходя из электрофизических свойств СЭ перестраиваемого элемента. Как правило, оценка применимости СЭ элементов с точки зрения их СВЧ свойств проводится на основе параметра качества, предложенного проф. О.Г. Вендиком. Однако для окончательной разработки СВЧ устройств (например, фазовращателей) целесообразно учитывать особенности конструкции, определяющие диссипативные потери в её металлических частях. Необходимо подчеркнуть, что использование СЭ элементов с одинаковыми значениями параметра качества, но различной управляемостью и потерями ведёт к различным конструктивным решениям, например, к различной длине фазовращателя. Это, в свою очередь, приводит к изменению уровня СВЧ потерь в металлических элементах устройства. Таким образом, для оптимизации устройств необходимо получить соотношения, позволяющие установить связь между параметрами СЭ элемента (СЭ плёнки) и общими параметрами устройства с учётом различных источников СВЧ потерь (в металле и диэлектрике).
Для реализации устройств на основе СЭ плёнок для частот свыше 30 ГГц в ряде случаев целесообразно использование структур с распределёнными параметрами (регулярных линий передачи). Простота, малые размеры и хорошая совместимость подобных конструкций с элементами фазированных антенных решёток делают необходимым исследование характеристик щелевых линий с СЭ плёнками и фазовращателей на их основе в миллиметровой части СВЧ диапазона.
Перечисленный круг вопросов позволяет сформулировать цель работы — исследование свойств плёнок BaxSri.xTi03 для СВЧ применений, поиск их оптимального состава и разработка СВЧ элементов и фазовращателей на их основе.
Основные задачи исследования:
разработка методик измерений на частотах выше 30 ГГц, позволяющих определить диэлектрические потери и потери в металлических электродах в структурах на основе СЭ плёнок;
оптимизация состава плёнок BaxSri.xTi03 для обеспечения наибольшего параметра качества элементов и структур на их основе для СВЧ применений;
исследования СВЧ свойств СЭ плёнок BaxSr(.xTi03 в широком диапазоне частот (1^60) ГГц, позволяющие прогнозирование параметров и реализацию СВЧ устройств выбранного поддиапазона;
анализ конструктивных и технологических факторов, влияющих на СВч параметры МДМ (Pt/BSTO/Cu) конденсаторов, и разработка их конструкции;
создание методики измерения быстродействия СЭ элементов в диапазоне от единиц микросекунд до сотен секунд;
определение быстродействия диэлектрического отклика плёночных BaxSri. хТіОз конденсаторов на импульсное напряжение и анализ факторов, влияющих на их быстродействие;
установление связи параметра качества перестраиваемого элемента с характеристиками СВЧ устройств, и выработка рекомендаций по выбору параметров СЭ плёнки и элементов на её основе, обеспечивающих требуемые характеристики СВЧ устройств;
определение волновых параметров и потерь щелевых линий передачи на основе плёнок BSTO в зависимости от геометрических размеров и свойств плёнок; а также разработка волноводно-щелевого фазовращателя для рабочей частоты 60 ГГц.
Решение ряда приведённых выше задач требует создания новых методик для измерения:
СВЧ параметров сегнетоэлектрических плёнок в диапазоне (30V70) ГГц с по
мощью распределённых структур без нанесения электродов (частично запол
ненный волноводный резонатор) и с нанесением электродов (резонатор на ос
нове щелевой линии);
времени релаксации ёмкости СЭ конденсаторов с помощью СВЧ резонатора под действием периодических управляющих импульсов напряжения
Научная новизна работы:
На основе исследования плёнок BaxSri.xTi03 различного состава (х = 0-г0.8) показано, что плёнки Ва0цлТЮз демонстрируют лучшие СВЧ свойства для практических применений.
На основе разработанных электродных и безэлектродных методик показано, что для плёнок оптимального состава Вао.зЗголТЮз с управляемостью К=1.5-г2 тангенс угла диэлектрических потерь в диапазоне частот (Ін-70) ГГц лежит в интервале tg8 = 0.015-^0.06.
Для плёночных МДМ структур Pt/Ba0.3Sr0.7TiO3/Cr/Cu с управляемостью К = 2 при 30 В проведён СВЧ анализ, позволяющий разделить потери в плёнке сегне-тоэлектрика и в металле электродов..
Предложена и разработана оригинальная резонансная СВЧ методика исследования быстродействия и остаточных поляризационных явлений СЭ конденсаторов при условии короткого замыкания и холостого хода электродов, позволяющая измерять времена релаксации в пределах (10 -И0 ) с.
Показано, что медленные релаксационные явления (10-И 00 с), наблюдаемые в сегнетоэлектрических элементах в параэлектрической фазе, обусловлены существованием объёмного заряда, локализованного в приэлектродных областях с повышенной дефектностью (1018-Я019 см-3).
На основе измерения пороговых значений импульсного электрического поля, выше которого возникают медленные релаксационные процессы ёмкости СЭ конденсаторов, показано доминирующее влияние технологии формирования границы металл/сегнетоэлектрик.
Для электрически управляемых фильтров и фазовращателей установлена связь параметра качества СЭ перестраиваемого элемента с основными параметрами устройств; полученные выражения позволяют разделить вклад в параметры устройства потерь в элементе перестройки и в металлических элементах конструкции устройства.
8. Разработан метод определения предельно достижимого параметра качества фазовращателя на основе линии передачи с СЭ плёнкой путём измерения характеристик резонатора на основе отрезка данной линии.
Практическая значимость работы:
Отработана технология формирования СВЧ МДМ конденсаторов на основе тонкой BSTO плёнки; найден состав плёнок твёрдого раствора BaxSrt.xTi03, обеспечивающий наилучшие параметры для СВЧ применений.
Предложены методики измерения параметров структур на основе СЭ плёнок в диапазоне частот (30+70) ГГц, позволяющие определять потери в СЭ плёнке и металлических элементах структуры.
На основе эквивалентной схемы и экспериментальной проверки её корректности сформулированы рекомендации по разработке конструкции СВЧ МДМ конденсаторов.
Разработаны рекомендации по технологическим условиям формирования границ СЭ/металл в конденсаторах для улучшения их быстродействия.
Предложено использование УФ-облучения СЭ конденсаторов для подавления остаточной поляризации после воздействия электрического поля.
Разработан и испытан волноводно-щелевой фазовращатель на основе BSTO плёнки для работы на частоте 60 ГГц; фазовращатель продемонстрировал параметр качества 32 град/дБ, что на 10 град/дБ превышает результаты для устройств на основе СЭ плёнок, описанных в литературе.
Результаты работы использованы при выполнении:
проекта Министерства Образования Российской Федерации «Разработка элементной базы и устройств СВЧ радиоэлектроники на основе сегнетоэлектриче-ских пленок» (код проекта: 208.05.05.012);
проекта Министерства Образования и Науки Российской Федерации «Исследование неравновесных процессов в сегнетоэлектриках кислородно - октаэдриче-ского типа в условиях облучения электромагнитным полем ультрафиолетового и инфракрасного диапазонов» (код проекта: РНП 2.1.2.7083);
государственного контракта № 02.513.11.3136 «Технология наноразмерных кристаллических сегнетоэлектрических пленок для систем телекоммуникаций и радиолокации»;
грантов правительства США «Перспективные устройства электроники на основе управляемых диэлектрических элементов для систем связи и локации» ("Next generation electronics based on tunable dielectric components for communication and radar systems") совместно с государственной лабораторией NREL (США) (№ ААТ-3-33627-01).
Научные положения, выносимые на защиту:
Максимальное значение параметра качества для СВЧ применений при комнатной температуре для плёнок BaxSri_xTi03, полученных магнетронным распылением на подложках Ab03, достигается при составе х = 0.3+0.05.
При частотах свыше 30 ГГц основной вклад в СВЧ потери тонкоплёночных МДМ (Pt/BaojSrojTiCyCu) конденсаторов при реактансе ёмкости 50 Ом вносят диэлектрические потери, что позволяет использовать в качестве нижнего электрода платину толщиной не более 100 нм.
Формирование контакта Pt/BSTO в кислородной атмосфере позволяет подавить процессы медленной релаксации диэлектрической проницаемости и обеспечить управляемость сегнетоэлектрических структур К > 2.
Увеличение управляемости СЭ плёнки при сохранении её параметра качества снижает общие потери в фазовращателе, за счёт уменьшения потерь в металлических элементах.
Фазовращатели на основе щелевых линий передачи с плёнкой Вао.зЗгоУПОз обеспечивают параметр качества 30 град/дБ на частоте 60 ГГц при быстродействии по управлению менее 100 не.
Материалы диссертационной работы изложены в 12 научных публикациях и 14 тезисах докладов на следующих конференциях:
14th International Symposium on Integrated Ferroelectrics. 27 May - 1 June, 2002, Nara, Japan.
15 International Symposium on Integrated Ferroelectrics. March 9-12, 2003. Colorado Springs, Colorado, USA.
19th International Symposium on Integrated Ferroelectrics. May 8-11, 2007. Bour-deaux, France.
11-я Международная конференция "СВЧ техника и телекоммуникационные технологии", 10-14 сентября 2001, Севастополь, Украина.
17-я Международная конференция "СВЧ техника и телекоммуникационные технологии", 10-14 сентября 2007, Севастополь, Украина.
7th Russia/CIS/Baltic/Japan Symposium on Ferroelectricity (RCBJSF-7), June 24 - 28, 2002, St.Petersburg, Russia.
Международная научно-техническая конференция «Молодые учёные - науке, технологиям и профессиональному образованию», 1-4 октября 2002, Москва,
Р0сМйждународная научно-техническая конференция «Электроника и Информатика - 2002», Зеленоград, Россия.
«Nanoelectronics Days 2005», Forschungszentrum Julich, Germany, February 9-11, 2005, Julich, Germany.
4th International Conference on Microwave Materials and Their Applications, 12-15 June, 2006, Oulu, Finland.
» 35th European Microwave Conference, 4-6 October 2005, Paris, France.
» Научно-технические конференции профессорско-преподавательского состава
Санкт-Петербургского Государственного Электротехнического Университета
(ЛЭТИ) (С. Петербург, 2002 - 2006 гг).
Перестраиваемые СВЧ элементы на основе СЭ плёнок
Для получения сегнетоэлектрических плёнок в настоящее время используется ряд методов, которые могут быть разделены на три группы:
Химическое осаждение из газовой фазы: металл-органическое осаждение из газовой фазы (MOCVD) [35, 36]. При MOCVD потоки газов, содержащих все необходимые компоненты сегнетоэлектрического соединения, фокусируются на поверхности нагретой подложки и вступают в химическую реакцию, в результате которой образуется твёрдая плёнка сегнетоэлектрика. При данном методе возможно поддержание сравнительно низкой температуры подложки ( 600С), высокое качество покрытия на большой площади и высокие скорости роста. К недостаткам метода следует отнести сложность технологической установки.
Химическое осаждение из раствора: Sol-gel. В основе метода лежат реакции гидролиза и поликонденсации металлорганических соединений, ведущие к образованию металл-кислородного каркаса, постепенное разветвление которого вызывает последовательные изменения по схеме раствор-золь-гель-оксид. Конечным продуктом данной технологии могут быть материалы различной структуры: гели, стёкла, керамики, волокна, плёнки [37, 38]. При использовании этого метода существуют такие проблемы как обеспечение однородности по толщине, создание многослойной структуры.
Вакуумное осаждение: ионно-плазменное (в основном магнетронное) распыление, лазерное распыление. При магнетронном распылении атомы мишени выбиваются высокоэнергетичными ионами и, пройдя через плазму, осаждаются на поверхности подложки. При лазерном распылении [39] мишень испаряется сфокусированным лучом мощного лазера и её атомы переносятся на подложку через вакуумную камеру. Магнетронное распыление (реактивное) позволяет производить осаждение в кислородсодержащей плазме, однако требует высокой температуры подложки ( 800С). Лазерное распыление позволяет существенно снизить температуру подложки.
Важной частью технологии сегнетоэлектрических тонких плёнок является этап кристаллизации, на котором используется высокотемпературный отжиг. Это ведёт к возникновению ряда трудностей, некоторые из которых будут рассмотрены далее.
С точки зрения простоты и дешевизны технология ионно-плазменного распыления является одной из наиболее распространённых в микроэлектронике. Поэтому настоящая работа посвящена исследованию плёнок, полученных магнетронным распылением.
Для использования СЭ плёнок в устройствах СВЧ диапазона существуют различные управляемые структуры и элементы на их основе. По своим характерным размерам (/) по отношению к длине электромагнитной волны (к) они классифицируются как сосредоточенные (/ Х/8) или распределённые (1 \/2) структуры. По конструкции СЭ структуры разделяются на два основных класса: структуры планарнои конструкции и структуры с плоскопараллельными электродами, разделёнными СЭ плёнкой.
Планарный конденсатор представляет собой СЭ плёнку, осаждённую на диэлектрическую подложку с нанесёнными сверху металлическими электродами, зазор между которыми формирует планарную ёмкость (рис. 1.8 а) [40]. Величина ёмкости конденсатора может быть рассчитана методом частичных емкостей [41], в том числе в ряде случаев и при подаче управляющего напряжения [42]. Ширина зазора планарных конденсаторов лежит в пределах от 30 мкм для крупно гранулированных плёнок до 5 мкм для поликристаллических плёнок. Необходимо отметить, что уменьшение ширины зазора ведёт к увеличению «паразитной» ёмкости, а также к увеличению вероятности пробоя по поверхностным дефектам. Поэтому развитие необходимых управляющих полей требует приложения напряжений до 300 В. Развитием конструкции планарного конденсатора являются встречно-штыревой конденсатор [43], позволяющий увеличить ёмкость за счёт длины зазора, и 4-х электродный планарный конденсатор (рис. 1.8 б) [44]. Преимуществами данной конструкции является простота её согласования с СВЧ цепями, хороший теплоотвод, технологическая простота и слабое влияние металлических электродов на общие СВЧ потери конденсатора. Недостатками являются сильное влияние границ раздела на токи утечки, значительные паразитные ёмкости, ведущие к снижению управляемости, и высокие управляющие напряжения, сопряжение которых с традиционными цепями управления представляет трудности. Однако следует заметить, что для работы на повышенных уровнях мощности [45] высокие управляющие напряжения не являются препятствием.
На основе СЭ плёнки могут быть построены и распределённые структуры -управляемые линии передачи. Наиболее удобны, с точки зрения включения тонкой плёнки в распределение электрического поля, щелевая и копланарная линии передачи. Щелевая линия передачи была предложена С.Коном в 1969 году, как волноведу-щая структура для верхней части СВЧ диапазона [46]. Её дальнейшим усовершенствованием, призванным уменьшить потери на излучение, стала волноводно-щелевая линия. Для включения в щелевую линию сегнетоэлектрической плёнки, она должна быть нанесена на диэлектрическую подложку под металлически олектроды, подача постоянного напряжения на которые, позволяет управлять длиной волны в линии [47]. Расчёт затухания такой слоистой структуры показывает [48], что при сближении электродов до величин 50 мкм для обеспечения управления тонкими сегнетоэлек-трическими плёнками потери составляют до -0.1 дБ/мм [48]. Копланарная линия передачи [47] аналогична щелевой линии передачи по всем параметрам, однако вносит несколько большие потери за счёт узкого среднего электрода [48]. Для снижения потерь в металлических электродах линии передачи предлагается реализовывать многощелевые линии передачи [49, 50] или работать при криогенных температурах с ВТСП электродами [51].
Безэлектродные измерения параметров СЭ плёнок
Сравнение параметров монокристаллических и плёночных образцов, приведенное в предыдущей главе позволяет сделать выводы о существенном различии параметров объемных сегнетоэлектрических материалов и тонких сегнетоэлектрических пленок. Более того, сегнетоэлектрические плёнки, изготовленные различными технологическими методами, могут обладать различными свойствами даже при одинаковом стехиометрическом составе, однозначно характеризующем объёмный образец. Представленная в литературе подобная информация не может охватить все возможные способы получения плёнок. Неполнота данных о величине диэлектрических потерь и управляемости тонких сегнетоэлектрических пленок существенно затрудняет разработку электрически перестраиваемых СВЧ устройств на их основе. Кроме того, совершенствование технологии производства тонких сегнетоэлектрических пленок с точки зрения уменьшения диэлектрических потерь и увеличения управляемости, также невозможно без наличия точных методов позволяющих оценивать параметры этих пленок в СВЧ диапазоне.
Методики измерений свойств СЭ плёнок с применением сосредоточенных элементов - планарных конденсаторов, охватывающие диапазон сантиметровых волн, достаточно подробно изучены и эффективно применяются [57,58]. Однако, как следует из сопоставления параметров конкурирующих элементных баз СВЧ устройств (на рис. 1.7 приведено сравнение добротностей перестраиваемых элементов на основе полупроводников и сегнетоэлектриков в широком частотном диапазоне), преимущества элементов на СЭ тонких плёнок проявляются в миллиметровом диапазоне длин волн (свыше 30 ГГц). На этих частотах модель сосредоточенного конденсатора на основе СЭ плёнки перестаёт быть справедливой, в силу приближения его размеров к длине волны. Поэтому требуется разработка новых методов измерения СВЧ свойств СЭ плёнок, включающих в себя модель распределённой структуры.
Основным требованием, предъявляемым к методикам измерения свойств СЭ плёнок или перестраиваемых элементов на их основе, является высокая точность из мерения значения диэлектрической проницаемости (є) и диэлектрических потерь (tg5) в широком диапазоне значений температуры (Т) и управляющего напряжения (U). Подача на СЭ плёнку управляющего электрического поля требует нанесения на её поверхность металлических электродов, что также может изменять параметры плёнки, поэтому необходимо обладать методиками измерения, как с нанесёнными электродами, так и без них.
Для определения параметров СЭ плёнок в диапазоне (20+34) ГГц и в диапазоне (50-г70) ГГц были разработаны две методики измерения: 1. Волноводный резонатор с частичным диэлектрическим заполнением для безэлектродного измерения параметров СЭ плёнок. 2. Волноводно-щелевой резонатора на основе СЭ плёнки.
Первая методика предназначена для получения информации о параметрах СЭ плёнки (є, tg5) до нанесения металлических электродов. Вторая позволяет получить параметры СЭ плёнок (s, tg8, управляемость) после процесса нанесения металла. Совокупность этих двух методов даёт возможность разделения потерь в металле и диэлектрике и оценки воздействия процесса нанесения электрода на изменение собственных свойств СЭ плёнок (є, tg8).
Рассмотрим слоистую структуру, размещенную в волноводе вдоль его короткой стенки. На рис. 2.1 обозначены г2, d2 - диэлектрическая проницаемость и толщина СЭ плёнки, j, d\ - диэлектрическая проницаемость и толщина подложки, кх, ку - поперечные волновые числа, у - продольное волновое число (постоянная распространения), а и b - длины стенок волновода.
С использованием представления о продольных на поперечном сечении волн (LE и LM) [92] дисперсионное уравнение для такой структуры определяется следующим образом. В такой структуре распространяется волна LEmn - Нг?Ю, ЕУ?Ю. Для неё может быть записано:
Уравнения (2.10, 2.11) решаются численными методами и содержат в качестве переменных Е2, d2,Z\,d\,fny,T0 есть одна неизвестная может быть найдена при прочих известных параметрах [93 ].
Решение уравнений для каждой из рассматриваемых структур было проведено для первых трёх типов колебаний ЬЕю, LE!h LE2o и LM]0, LMu, LM20. На рис.2.3-2.5 приведены постоянные распространения у в зависимости от толщины подложки d\ для двух описанных выше структур на частотах /= 30 ГГц и/= 60 ГГц при ожидаемых величинах произведения диэлектрической проницаемости измеряемой сегнето-электрической пленки Є2 на её толщину di. Расчет производился для проницаемости подложки Єї = 10 (АІ2О3, MgO) и стандартных поперечных сечений волноводов а = 7.2 мм, Ь = 3.4 мм для частоты /= 30 ГГц и а = 3.6 мм, Ь= 1.8 мм для частоты /= 60 ГГц.
Конструкция МДМ-конденсатора на основе СЭ плёнки
Как показано в предыдущих главах, СЭ плёнки в параэлектрической фазе являются перспективными для создания быстродействующих устройств управления фазой и амплитудой СВЧ сигнала. Для реализации высокой управляемости СЭ плёнки необходимо создание высоких (до 100 В/мкм) управляющих электрических полей. В используемых в настоящее время в качестве перестраиваемых емкостей СВЧ диапазона конденсаторах планарной конструкции (рис. 1.7) это требование определяет величину управляющих напряжений в сотни вольт. Такие структуры целесообразно использовать для устройств повышенной СВЧ мощности, где повышенное постоянное или импульсное напряжение управления не является препятствием для их использования. Однако для применения в малосигнальных устройствах необходимо радикальное снижение управляющих напряжений до уровней, обычно используемых в полупроводниковой электронике (до (20-f-30) В вольт). В рамках планарной конструкции это ведёт к технологическим и конструктивным проблемам получения характерных размеров менее 1 мкм. Таким образом, снижение управляющих напряжений является одной из ключевых задач использования СЭ элементов в малосигнальной СВЧ технике. Одним из путей решения этой задачи может быть реализация плоскопараллельных структур типа «металл-диэлектрик-металл» (МДМ) на основе тонкой СЭ плёнки, в которых уменьшение толщины СЭ плёнки 0.5 мкм позволяет получить необходимое управление при напряжениях 30 В. Разработка таких структур для СВЧ диапазона в отличие от низких частот требует оптимизации конструкции с точки зрения уменьшения влияния «паразитных» параметров для снижения частотной дисперсии ёмкости и СВЧ потерь в металлических электродах.
Технология существующих МДМ СЭ конденсаторов с плоскопараллельными электродами предусматривает нанесение на диэлектрическую подложку (А120з, MgO) металлической плёнки (нижний электрод) и последующее выращивание на ней плёнки сегнетоэлектрика. Высокотемпературные процессы формирования перовскитовой фазы плёнки BSTO (свыше 600С [100 ]) в кислородосодержащей атмосфере не по зволяют использовать в качестве нижнего электрода плёнки Си или Аи. Наряду с требованием физико-химической совместимости с BSTO плёнка нижнего электрода должна обладать малой шероховатостью (не более 20 нм) для исключения возможности короткого замыкания верхнего и нижнего электродов конденсатора. Таким образом, для нижнего электрода необходимо применять материалы, которые характеризуются хорошей адгезией к подложке, не подвержены окислению и рекристаллизации при повышенных температурах, то есть, сохраняют в условиях формирования структур высокую проводимость и гладкую поверхность. В настоящее время в качестве материалов для электродов широко используются благородные металлы и проводящие оксиды ряда металлов, стабильные при температурах формирования перовскитовой фазы. Среди металлических электродов ведущее место занимает платина (Pt) [101, 102]. Платина имеет кубическую гранецентрированную решетку с постоянной решетки 0,39231 нм, то есть приблизительно равную постоянным решеток MgO и А1203, а также близкую к постоянной решетки сегнетоэлектриков. На указанных подложках Pt кристаллизуется с преимущественной ориентацией (111).
Используемые в данной работе в качестве нижнего электрода плёнки платины были получены методом лазерного испарения. В качестве подложек использовался монокристаллический (сапфир) и поликристаллический (поликор) А120з. Толщина полученных плёнок составляла «100 нм. Температура подложки поддерживалась на уровне 250 С.
Плёнки BSTO осаждались методом ВЧ магнетронного распыления керамической мишени Вао.з8го.7ТЮз при технологических условиях описанных в главе 2 [100 ].
Для исследования однородности, пористости и наличия трещин в металлических и сегнетоэлектрических плёнках использовался метод сканирующей электронной микроскопии. Типичное изображение поперечного сечения конденсатора МДМ конструкции представлено на рис.3.1. Видно, что шероховатотсть поверхности платинового слоя не превышает 50 нм, при шероховатости подложки до 100 нм, то есть платиновый электрод сглаживает неровности поликоровой подложки. чество дефектов подложки оксида алюминия и металлической плёнки позволяет использовать более дешевые подложки поликора для получения малых площадей перекрытия нижнего и верхнего электродов (и, соответственно, номиналов емкостей) и требует изпользования монокристаллических подложек сапфира при необходимости получения больших номиналов емкостей.
По данным рентгеноструктурного анализа (рис.3.3) и электронной микроскопии (рис.3.4) плёнки BSTO, полученные на подложках с подслоем Pt, имели преимущественную ориентацию (111). Зерна ориентации (100) представлены в плёнках в незначительном количестве независимо от температуры синтеза.
Методы вторичной ионной масс-спектрометрии (ВИМС) и Резерфордовского обратного рассеяния (POP) использовались для получения информации о компонентном составе плёнок BSTO и о толщине полученных слоев.
Метод ВИМС позволяет контролировать стехиометрический состав полученной плёнки и соотношение Ва и Sr. Типичное распределение компонентов по толщине плёнки приведено на рис 3.5. По результатам анализа методом ВИМС можно сделать вывод о равномерности состава плёнки по толщине и о величине переходного слоя. Относительный стехиометрический состав плёнки сохраняется по всей глубине плёнки с точностью 5%. Отсутствие сигналов от посторонних атомов на рисунке 3.5 говорит об отсутствии посторонних примесей в плёнке и о правильности выбора технологических параметров процесса распыления керамической мишени. Толщина переходного слоя между плёнкой сегнетоэлектрика и металлическим слоем составила около 50 нм, что составляет не более 20 % от толщины сегнетоэлектрика.
В методе Резерфордовского обратного рассеяния для бомбардировки образцов использовались ионы 4Не+, ускоренные до энергий 1.4 МэВ. Компьютерный пересчет шкалы энергий в глубину проникновения ионов позволяет оценить толщину исследуемых образцов с точностью до 50 нм (см. рисунок 3.6). Результаты, полученные с помощью POP анализа, показывают избыток титана по сравнению с суммарным содержанием бария и стронция в сегнетоэлектрической плёнке.
Параметр качества ФВ на основе перестраиваемого фильтра
Другим вариантом исполнения фазосдвигающего СВЧ устройства является отрезок регулярной линии передачи, фазовый набег в которой изменяется за счет изменения постоянной распространения электромагнитной волны в линии. Фазовый набег вычисляется как: Ф = у/, у = 2тг / Л, Л = А, є ш, где / - длина отрезка линии передачи, у - постоянная распространения, Л - длина волны в линии, є - эффективная диэлектри-ческая проницаемость линии, которая определена как є = А, / Л.
Фазовый набег в линии передачи меняется при изменении є, которое происходит при управляющем воздействии (для линии передачи на основе BSTO пленки таким воздействием является приложение напряжения управления к электродам), что может быть записано как: АФ = 2nl—(fe-J%), (5.20) Ло где Аф - фазовый сдвиг, %о - рабочая длина волны фазовращателя, є0 и еи - эффективные диэлектрические проницаемости при различных управляющих воздействиях, и в частности без управляющего напряжения, и при его приложении соответственно.
Основной характеристикой СВЧ фазовращателя является его параметр качества М, который определяется как: и-%, (5.21) AL где AL - потери, вносимые фазовращателем равные AL=a-l. Потери на единицу длины линии передачи могут быть записаны как [95] л/б a = 8.68-71-- , (5.22) Q- k где Q - добротность линии передачи. Принимая во внимание, что параметры управляемой линии изменяются при управлении (є, Q) целесообразно рассматривать средние значения эффективной проницаемости и тангенса угла потерь. Тогда: асг= 8.68-я- Є, Є2 Выражение для добротности линии передачи, содержащей диэлектрик с потерями, может быть записано следующим образом: 6СГ=Л/6І-Є2= п Б ГПГ (5.23) где tg50 и tg8u - тангенсы угла потерь диэлектрика без управляющего напряжения и при его приложении, соответственно, a QQ - собственная добротность линии передачи, характеризующая потери в металлических электродах линии.
Для того чтобы найти потери в фазовращателе, необходимо определить длину, требующуюся для получения фазового сдвига 2 п. Из (5.20) при Аф = 2тг длина линии передачи
Тогда средние потери в такой линии можно записать как и далее разделить на потери в диэлектрике и в металлических электродах: І д, =8.68-71- -- Л V-+ 8.68-71 л/2 — л/Е1 VS2 ЛІЄ1 Выражение для величин диэлектрической проницаемости при управлении может быть преобразовано к управляемости линии передачи: 1 j \є2 Тогда выражение для общих потерь в фазовращателе на основе линии передачи записывается в виде Zrrl, = 8.68л---- - + 8.6871- г- у"1 где к - управляемость по эффективной диэлектрической проницаемости.
Рассмотрим ФВ на основе ВЩЛ с СЭ плёнкой. Как было показано в гл. 1, одной из наиболее часто используемых регулярных линий передачи на основе СЭ плёнки является щелевая или волноводно-щелевая линия передачи (ВЩЛ). Для рассмотрения фазовращателя на основе щелевой линии передачи необходимо определить связь между эффективной диэлектрической проницаемостью є и диэлектрической проницаемость СЭ плёнки 8сэ- На рис. 5.5 изображена зависимость є от еСэ для ВЩЛ, полученная из решения уравнения приведённого в приложении [47]. Видно, что зависимость может быть с удовлетворительной точностью определена, как s = а есэ, где а постоянный коэффициент. Тогда можно записать, что е1 _ авСЭ1 _ СЭ1 2 ЯЕСЭ2 8СЭ2 Таким образом, отношение - =—. зависит только от параметров СЭ V -Vtg8,tgS2 плёнки и может быть определено, как параметр качества СЭ плёнки дСэ
Анализ выражения (5.25) показывает, что при использовании СЭ плёнок с одинаковыми параметрами качества q, меньшие потери внесёт управляемая линия передачи на основе плёнки с большей управляемостью к.
Данный вывод соответствует аналогичному выводу, сделанному при рассмотрении ФВ на основе перестраиваемой фильтровой структуры.
Максимально достижимый, для данного образца СЭ плёнки, параметр качества фазовращателя можно экспериментально определить до проведения процедур согласования ВЩЛ и волновода. Для этого на основе данной плёнки изготавливается щелевой резонатор с нужной шириной зазора с условием холостого хода на концах. Измеренные параметры щелевого резонанса в рабочем диапазоне при управлении могут быть пересчитаны в характеристики фазовращателя следующим образом: Lnh „ Tj i_ J О J и ; 1 ( I f \ f ще/о, Qo nfu, gu - резонансная частота и добротность резонансной кривой без управляющего напряжения, и при его приложении соответственно, LR - длина тестового резонатора, Lph - длина фазовращателя, определяемая исходя из нужного фазового сдвига, nR - число полуволн, укладывающихся на длине тестового резонатора, для резонансной частоты.
