ФИЗИЧЕСКАЯ АКУСТИКА
УДК 534.63+534.86
ИССЛЕДОВАНИЯ СВЧ АКУСТИЧЕСКОГО ЗАТУХАНИЯ В МНОГОЧАСТОТНОМ РЕЗОНАТОРЕ НА ОБЪЕМНЫХ АКУСТИЧЕСКИХ ВОЛНАХ НА ОСНОВЕ СИНТЕТИЧЕСКОГО МОНОКРИСТАЛЛА АЛМАЗА
© 2015 г. Б. П. Сорокин*, **, А. В. Теличко*, **, Г. М. Квашнин*, В. С. Бормашов*, В. Д. Бланк*, **
*Технологический институт сверхтвердых и новых углеродных материалов (ТИСНУМ) 142190 Троицк, Москва, ул. Центральная 7а **Московский физико-технический институт 141700 Московская область, г. Долгопрудный, Институтский пер. 9 E-mail: bpsorokin2@rambler.ru, arseny.telichko@phystech.edu Поступила в редакцию 28.01.2015 г.
Исследовано акустическое затухание в многочастотном резонаторе на объемных акустических волнах на основе синтетического монокристалла алмаза. Проанализированы механизмы потерь акустической энергии в слоистой пьезоэлектрической структуре "Al/AlN/Mo/(001) алмаз". Была сделана оценка глубины нарушенного приповерхностного слоя (~20—30 нм) в алмазе после финишной абразивной обработки, обоснованная методом дифракции обратно рассеянных быстрых электронов и наблюдением Кикучи-линий. Оценки показали, что потери акустической энергии при шероховатости алмазной подложки до 20 нм, как и акустические потери в тонких пленках, на порядок меньше акустического затухания в объеме и принципиального значения не имеют. Однако неровности поверхности пьезоэлектрической пленки AlN могут дать вклад, сравнимый с объемным затуханием в подложке. Было показано, что частота перехода от режима Ахиезера к режиму Ландау-Ру-мера в алмазе составляет ~1 ГГц, а время фонон-фононной релаксации ~1.6 х 10-10 с. Расчет акустического затухания показал, что, хотя на частоте ~1 ГГц акустические потери в алмазе несколько выше, чем в известных материалах с низким уровнем затухания, однако при увеличении частоты до 8-10 ГГц потери в алмазе становятся заметно ниже. Полученное максимальное экспериментальное значение Qf« 10 х 1013 Гц (9.5 ГГц) позволяет охарактеризовать синтетический алмаз как перспективный материал для СВЧ акустоэлектронных устройств.
Ключевые слова: сверхвысокие частоты, акустический резонатор, синтетический монокристалл алмаза, затухание, акустоэлектроника, режим Ландау-Румера, режим Ахиезера, нарушенный слой, Кикучи-линии.
DOI: 10.7868/S0320791915050160
1. ВВЕДЕНИЕ
В последнее время прослеживается тенденция поиска материалов с низким акустическим затуханием для акустоэлектронных устройств, работоспособных на гигагерцовых частотах. На таких частотах широкое применение имеют акустические резонаторы, в которых упругая энергия в основном сосредоточена в материале подложки. Известны мембранные резонаторы (в англоязычной литературе Thin Film Bulk Acoustic Resonator, FBAR) [1] и резонаторы с брэгговской отражательной решеткой (Solidly Mounted Resonator, SMR) [1, 2], которые, однако, значительно уступают по добротности и рабочим частотам многочастотным резонаторам на объемных акустических волнах (далее — ОАВ-резо-натор; в англоязычной литературе High-overtone Bulk Acoustic Resonator, HBAR). Например, ОАВ-резона-тор с алмазной подложкой работоспособны на ча-
стотах вплоть до 20 ГГц [3]. Ранее были исследованы ОАВ-резонаторы, где в качестве подложки использовались монокристаллический и плавленый кварц и кремний [4], сапфир [4, 5], ИАГ [6]. Составные резонаторы на основе кварца были использованы авторами [7] для управления рентгеновскими пучками. Выбор материала подложки является отдельной задачей: необходимо учитывать такие параметры как доступность кристалла, возможность его качественной обработки, малое затухание акустических волн на СВЧ и т.д. Так, кристалл алмаза является перспективным материалом акустоэлектроники ввиду самых больших значений скоростей акустических волн, низкого затухания, высокой радиационной стабильности, теплопроводности и пр.
Структуры на основе ОАВ-резонатора могут быть использованы для определения материаль-
(а)
Рис. 1. (а) Общий вид ОАВ-резонатора: 1 — внешний электрод; 2 — пьезоэлектрическая пленка нитрида алюминия ЛШ; 3 — внутренний электрод; 4 — подложка (001) алмаза Па-типа. (б) Исследуемый ОАВ-резонатор с различной конфигурацией электродов.
ных свойств подложек и тонких пленок [8]. Особенности работы ОАВ-резонатора в режиме захвата энергии исследованы Г.Д. Мансфельдом с соавторами [9]. Механизм фонон—фононного затухания в случае сравнительно низких частот (ют < 1, т — время термической релаксации фононов) был предложен Ахиезером [10], где было показано, что такой вклад в затухание должен квадратично зависеть от частоты (а ~ У2). Также было показано, что коэффициент затухания квадратично зависит от параметра Грюнайзена у и обратно пропорционален кубу скорости звука. Дальнейшее развитие теории акустического затухания в работах [11—15] приводило к уточнению расчетных формул, а также к более точному учету параметра Грюнайзена. Режим затухания Ландау—Румера (ют > 1) был впервые исследован в работе [16], где были учтены трехфо-нонные взаимодействия. Дальнейшее изучение данного режима затухания было проведено в работах [15, 17—20], где более детально изучались правила отбора для фононов. На данный момент отсутствуют надежные данные по прогнозу минимума акустического затухания в кристаллах алма-
за, а также надлежащее сравнение с экспериментальными данными.
Целью данной работы является изучение механизмов диссипации акустической энергии в ОАВ-резонаторе на основе алмаза в области СВЧ.
2. ПОДГОТОВКА И ИССЛЕДОВАНИЕ КАЧЕСТВА ПОВЕРХНОСТИ АЛМАЗНЫХ ПОДЛОЖЕК
Поскольку ОАВ-резонатор является композитной структурой (рис. 1а), где роль пьезоэлектрического преобразователя играет тонкая пленка нитрида алюминия с металлическими электродами, то потери подводимой СВЧ энергии в ОАВ-резонато-ре определяются как фундаментальными причинами, так и рядом технологических факторов. В данной работе исследовался ОАВ-резонатор структуры "Л/АШ/Мо/(001) алмаз" с различной конфигурацией электродов (рис. 1б).
Так, потери энергии в металлизированном слое (электроде) зависят от природы металла и качества нанесенной металлической пленки. Металлические слои в составе ОАВ-резонатора увеличивают общие потери вследствие поглощения упругих волн в металле, а также благодаря конечному электрическому сопротивлению электродов, тем самым понижая добротность. Это наиболее заметно в высокодобротных резонаторах [21]. Металлические пленки склонны к окислению, легко адсорбируют газы и т.п., что может служить дополнительным источником нестабильности параметров ОАВ-резонатора.
В отличие от толщинных или толщинно-сдви-говых пьезорезонаторов, где обычно используют монокристалл кварца, обладающий собственным пьезоэлектрическим эффектом, в композитных ОАВ-резонаторах возникают дополнительные механизмы диссипации акустической энергии, связанные с наличием тонкопленочного преобразователя. Поэтому требования к технологии нанесения тонких металлических и пьезоэлектрических пленок должны повышаться по мере роста рабочих частот акустоэлектронных устройств. На СВЧ становятся актуальными и потери, связанные с шероховатостью поверхности подложки и наличием нарушенного после абразивной обработки приповерхностного слоя. Вклад данных видов потерь в применении к алмазным подложкам ранее в литературе не обсуждался, что потребовало развить методику оценки качества приповерхностного слоя.
Авторами [22] в применении к лейкосапфиру а-Л1203 было показано, что исследование толщины нарушения кристаллической структуры в поверхностном слое возможно посредством наблюдения Кикучи-линий (КЛ) при дифракции отраженных быстрых электронов. Так, последовательное снятие нарушенного слоя вплоть до применения финиш-
4
(а) (б)
Первичный
пучок
электронов
Обратно рассеянные электроны
Нормаль к образцу(001)
Обратно рассеянные электроны
Первичный
пучок
электронов
Нормаль к центру экрана
Рис. 2. Схема проведения измерений в режиме дифракции обратно рассеянных электронов EBSD.
ного трибохимического полирования приводило к улучшению качества дифракционной картины и вида КЛ, наблюдаемых на монокристалле лейко-сапфира. Для лучших образцов было выполнено индексирование КЛ и определена глубина нарушенного слоя на уровне 40 нм, достигнутая только после трибохимического полирования.
Исследование качества поверхности алмазных пластин методом наблюдения КЛ после полировки было проведено нами при помощи исследования дифракции обратно рассеянных быстрых электронов (Electron Back-Scattering Diffraction, EBSD) в растровом электронном микроскопе. Данный метод позволяет исследовать структурное совершенство тонких приповерхностных слоев материала толщиной менее 1 мкм с высоким пространственным разрешением. Исследования проводились с помощью РЭМ FEI Quanta 200 с приставкой EDAX для наблюдения картин дифракции. Схема проведения измерений в режиме EBSD показана на рис. 2. Для обработки картин дифракции, в частности, для
индицирования КЛ, использовалось штатное программное обеспечение OIMEDAX (рис. 3).
Согласно геометрии задачи, направление на центр люминофорного экрана составляет угол относительно нормали к поверхности примерно 65°. Поэтому при исследовании пластин алмаза ориентации (001) наиболее близким к центру экрана отражением должно быть направление [111], т.к. угол между плоскостями (100) и (111) в алмазе составляет примерно 55° (рис. 2). Однако точное положение картины на экране определяется расположением области анализа относительно нормали, проходящей через центр экрана.
Для оценки характерной глубины области анализа алмазной пластины в режиме EBSD был выполнен расчет профилей выхода обратно рассеянных электронов и общей глубины проникновения при вариации энергии первичного пучка электронов. В расчете учитывалась реальная геометрия проведения измерений (угол падения 70°). Как следует из табл. 1, изменяя энергию первичного пучка,
Таблица 1. Результаты расчета глубины выхода обратно рассеянных и вторичных электронов при вариации энергии первичного пучка
Энергия пучка Глубина проникновения электронов Максимальная глубина выхода обратно рассеянных электронов Глубина области анализа EBSD (97% все
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.