СВЧ устройства и элементная база для СВЧ устройств Тонкопленочный СВЧ резонатор на ОАВ. Конструирование и технология Зима В.Н., вед.науч. сотрудник, к.т.н., Корж И.А., начальник сектора, к.т.н. ОАО Омский НИИ приборостроения Омск 2012 г.

Содержание 2 Введение Введение Поверхностные и объемные акустические волны Поверхностные и объемные акустические волны ПАВ и ОАВ в устройствах частотной селекции ПАВ и ОАВ в устройствах частотной селекции Тонкопленочный преобразователь Тонкопленочный преобразователь Конструкции тонкопленочных резонаторов Конструкции тонкопленочных резонаторов Технологические аспекты и материалы электродов Технологические аспекты и материалы электродов Акустический отражатель Акустический отражатель Конструкция СВЧ резонаторов Конструкция СВЧ резонаторов Образцы СВЧ резонаторов Образцы СВЧ резонаторов Характеристики СВЧ резонаторов Характеристики СВЧ резонаторов Выводы Выводы

В в е д е н и е 3 1. Интерес к ПАВ и ОАВ –ЧИУ со спектрально чистой плотностью сигнала. 2. Исторически ПАВ устройства осваивались быстрее, чем аналоги на ОАВ: - РПУ с F = n100 МГц, большая потребность фильтров на ПАВ, ЛЗ, модуляторов, - простая технология изготовления ПАВ устройств. Аналоги на кварце (ОАВ) перекрывали частотный диапазон 10 – 300 МГц - ПАВ устройства работали на частотах 30 – 1,5-2 ГГц. 3. В области частот F > 1 ГГц трудно реализовать ЧИУ на ПАВ: - сложная технология, - низкий % годных, - большие экономические затраты, - сложная подгонка, - защита от статического электричества, - высокие требования к качеству обработки поверхности подложки. 4. Актуальность С 1990 г. возрос интерес к устройствам на ОАВ: - появились беспроводные системы связи (F > 2 ГГц ),- возросла потребность в фильтрах F > 2 ГГц, - опытные пленочныхе СВЧ резонаторы, - резко возросли публикации по применению ОАВ. Предпосылки - освоены технологии получения металлических, диэлектрических, пьезоэлектрических и полупроводниковых пленок с заданными свойствами. Невозможность использования ПАВ устройств на частоты > 2 ГГц явилось дополнительным стимулом к созданию тонкопленочных резонаторов на ОАВ.

ПАВ и ОАВ волны 4 1. Применимость ПАВ и ОАВ – устройства частотной селекции. 2. Диапазон частот: ПАВ до 1 ГГц – легко, 1,5 – 2 ГГц – трудно; ОАВ - частоты до 10÷100 МГц легко, до МГц - трудно (кварцевое производство). 3. Нечувствительность к электромагнитным волнам. 4. Скорость распространения ПАВ и ОАВ - ( ) м/с. 5. Обл. распространения: ПАВ h=(2-3) λ, ОАВ -в объеме. 6. Малые потери на распространения. 7. Тип волны: ПАВ –Рэлея; ОАВ - продольная, сдвиговая. 8. С 1990 г. резко возрос интерес к ОАВ для РПУ на F > 2ГГц

ПАВ и ОАВ в устройствах частотной селекции 5 Наименование параметра ПАВОАВ 1. Диапазон частот, ГГц 2. Спектрально чистая плотность сигнала 3. Реализация ЧИУ в диапазоне частот 4. Размеры электродов на 2 ГГц: ширина, µ толщина, µ 5. Защита от статического электричества 6. Выход годных, % 7.Требования по чистоте помещений 8. Сложность и стоимость технологического оборудования 9. Экономические затраты < 2 есть сложно 0,5 0,1-0,3 трудно низкий % высокие резко возрас. > 2 есть проще n·100 1,6 проще средний % средние малые

Тонкопленочный преобразователь 6 Структура резонатора - Ме - ПЭ -Ме Тип объемной волны - продольная Пьезоэлектрик - пленки ZnO, AlN Структура пленки - гексагональная, С Толщина пленки - h=λ/2, fo = f ( h) Рабочие частоты - fo > 2 ГГц Структура преобразователя - аналог кварцевого резонатора Эквивалентная электрическая схема 1. Динамические параметры: R к, L к, C к 2. С о - статическая емкость, 3. f s – определяется Rк, Lк, Cк, 4. f р – определяется (Rк, Lк, Cк) + Со. 5. Z вх = f (k 2, Z ZnO, Z e,h, V, ρ, Ме ) 6. СoСo RкRк LкLк CкCк ZnO, ALN ~U~U

Конструкции резонаторов 7 Резонатор мембранного типа Достоинства: - основная мода, -возможность температурной стабилизации, - возможность сложной мембраны. Недостатки: - механически непрочен, - плохая воспроизводимость мембраны, - большое поглощение ОАВ в пленке, - чувствителен к внешнему воздействию, Применимость: - датчики различных физических величин, - высокая чувствитель- ность датчика. Многочастотный резонатор Достоинства: - Q = n· 10 3 ( до 10 ГГц), - в озбуждаются n · 100 гармоник, -измерение коэффициента поглощения ОАВ в пленке и подложке. Недостатки: - оптическая полировка 2-х поверхностей подложки, - непараллельность n ·1 угловых секунд. Применимость: - синтезатор частот с электронной перестройкой, -подстройка частоты резонатора с С о. -Применимость: Si 3 SiO 2 p+ Si

Конструкции резонаторов Резонатор с акустическим отражателем Достоинства:- расширен перечень материалов для подложки, -снижены требования к поверхности подложки, - хорошая механическая прочность, - не требуется субмикронной литографии, - Брэгговский отражатель широкополосный, - возможность темпера- турной стабилизации, - хорошая механическая прочность. Недостатки: -Bragg. Reflеctor - > 10 слоев, - селективная фотолитография, - точный контроль толщины всех пленок, - Q = Вragg. Reflector 3 Резонатор с воздушным зазором Достоинства:- работает на основной моде, - возможность температурной стабилизации, - датчики с высокой чувствительностью. Недостатки:- недостаточная механическая прочность, -низкая надежность, -трудно формировать полость под мембраной, -чувствителен к воздействию внешних факторов, - небольшая добротность, Q =

Технологические аспекты 9 Влияющие факторы на СВЧ резонатор. Свойства тонких пленок ( h, ρ v, c, ρ, Z, V, R z, e, ε, ось-С), материалы пленок, технология получения тонких пленок, фотолитография. Подложки – механическая прочность, малые Ɛ и tgδ, способность к полировке, малая стоимость, промышленное освоение, (сапфир, стекло с большой Тр, Si с большим, плавленый кварц, ситалл, поликор. Пьезоэлектрические пленки: - CdS, CdSe, ZnS, ZnSe; LiNO 3 ; ZnO, AlN Пленки ZnO, AlN - основной материал для тонкопленочных СВЧ резонаторов, АlN – Т S = 720 K, ZnO - Т S = 620 K, ось – С к поверхности подложки, в пленке возбуждается продольная акустическая волна, f s - определяется толщиной (h = λ/2). строгий контроль толщины в процессе формирования пленки. Свойства пленок ZnO и AlN : - (ZnO) > (AlN), tgδ ( AlN ) < tgδ (ZnO), ZnO – высокоомный п/п n – тира проводимости, чувствителен к влаге. Q max - до 500, AlN - диэлектрик Q max - до 700. Важные технологические операции: мембранный резонатор – 3 опер., SMR в 3-4 раза больше, малая величина Rz, травление Si (~500 мкм) и необходимость стоп-слоя, селективная фотолитография для верхнего электрода. Количество технологических операций – для СВЧ - резонатора > 10 раз, чем для ПАВ.

Тонкопленочные электроды 10 Свойства электрода: - Z, h, ρ v, c, ρ, V L. ρ v – влияют на Q. V оав - большая - для эффективной передачи акустической энергии α оав – малый h ZnO /h эл ~10 не учитывать h эл ; h ZnO /h эл ~ 3 h эл учитывать h эл ; С h эл Q ; С h эл f s Материалы электродов AgCuAuAlMoWNiSiO 2 А= α/f 2, дБ·с 2 /м 2,30,860,13 V L, м/с ρ v, µΩ/см 1,51,682,252,65-2,75,05,56,8- Е, Н/м 2 7,77,847,215,7

Акустический отражатель 11 Назначение - исключить влияние подложки на электроакустический преобразователь. Конструкция : - стопка чередующихся пленок 8-12 слоев; h = λ/4, Z 1 Z 2 Z sb Z 1 /Z 2 = ( maх), W/SiO 2 = 4 пары Выбор материала: - технологичность, адгезия, - малое сопротивление, - - малое Rz поверхности пленки, - Z ак – max и min, WAuMoТаNiCuNbAlAlNSiO 2 Z, 10 6 кГ/(м 2 ·c) 101,066,063,154,849,544, ,33412,6 V L,м/с

Конструкция СВЧ резонатора 12 а – 3-и фотолитографии, b – 1-а фотолитография, - сильное химическое возд., - планарность для зондов G-S-G на пьезоэлектрическую пленку необходимо - ионное травление нижнего электрода

Образцы СВЧ резонаторов 13 - Подложка – ситалл СТ 50 – 1. - Bragg. Reflector - пленки Mo и Al с h = λ/4 магнетронное напыление, Z Mo / Z Al = 3,75. - Пленка ZnO – магнетронное напыление в среде Ar и O 2 (1:1) при Т s = C. - Контроль толщины - кварцевый резонатор. - Ориентация оси-С в пленке ZnO к подложке. - Формирование рисунка – контактная ф/л. - Электроды – Al. - Характеристики - планарные зонды G-S-G, анализатор цепей Е5071С (Agilent Technologies)

Характеристики резонаторов 14 Частота последовательного резонанса – 2,67 ГГц Добротность ~ 97 Площадь верх. электрода - 0,0529 мм 2 Размер верх. электрода - 0,23 х 0,23 мм Частота последовательного резонанса - 2,845 ГГц Добротность ~ 65 Площадь верх. электрода - 0,0625 мм 2 Размер верх. электрода - 0,25 х 0,25 мм

Характеристики резонаторов 15 F s = 2, ГГц, Q ~ 41, S = 0,0784 мм 2

Характеристики резонаторов 16 F s = 3, ГГц, Q ~ 46, S = 0,0625 мм 2

Характеристики резонаторов 17 Частота последовательного резонанса – 2,875 ГГц Добротность ~ 118 Площадь верх. электрода - 0,0784 мм 2 Размер верх. электрода - 0,28х0,28 мм Частота последовательного резонанса – 3,805 ГГц Добротность ~ 99 Площадь верх. электрода - 0,0625 мм 2 Размер верх. электрода - 0,25х0,25 мм

Характеристики резонаторов 18 F s = 2, ГГц, Q ~ 117, S = 0,0625 мм 2

В ы в о д ы Рассмотрены различные конструкции тонкопленочных СВЧ резонаторов, работающих на объемной акустической волне. 2. Показана перспективность конструкции тонкопленочных СВЧ резонаторов с акустическим отражателем. 3. Рассмотрена применимость различных материалов при изготовления тонкопленочных СВЧ резонаторов и влияние различных факторов на их характеристики. 4. Приведены характеристики материалов для правильного выбора в акустическом отражателе. 5. Изготовлены экспериментальные образцы тонкопленочных СВЧ резонаторов и измерены их электрические характеристики. 6. Показана возможность изготовления тонкопленочных СВЧ резонаторов на основе пьезоэлектрических пленок ZnO с акустическим отражателем с пленками Mo и Al. 7. Получены образцы тонкопленочных СВЧ резонаторов с Q ~ 100

Спасибо за внимание