Многослойные нанокомпозитные сегнетоэлектрические пленки в устройствах СВЧ тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.12.07, доктор наук Иванов Аркадий Анатольевич

• Иванов Аркадий Анатольевич
• доктор наук
• 2018

Оглавление диссертации доктор наук Иванов Аркадий Анатольевич

Введение

Глава 1. Аналитический обзор

1.1. Технология сегнетоэлектрических плёнок

1.2. Методы анализа сегнетоэлектрических пленок

1.3. Стадии начального роста пленки BSTO

1.4. Влияние легирования на характеристики BSTO пленок

1.5. Влияние температуры подложки на свойства сегнетоэлектрических пленок

1.6. Влияние режимов послеростового отжига на свойства

ББТО пленок

1.7. Многослойные ББТО пленки

1.8. Влияние давления в процессе напыления на свойства сегнетоэлектрических пленок

1.9. Устройства на основе сегнетоэлектрических пленок

Выводы по аналитическому обзору

Глава 2. Многослойные сегнетоэлектрические структуры с

температурной стабилизацией характеристик

2.1. Температурная и полевая зависимости диэлектрической проницаемости МНСЭП

2.2. Синтез МНСЭП с заданной температурной зависимостью диэлектрической проницаемости

2.3. Технология изготовления мишеней для многослойных сегнетоэлектрических структур

2.4. Анализ свойств керамических сегнетоэлектрических мишеней

2.5. Свойства многослойных сегнетоэлектрических структур

в зависимости от технологических режимов их формирования

Выводы по главе

Глава 3. Электродинамический анализ слоистых

волноведущих структур

3.1. Анализ щелевой линии на диэлектрической подложке

3.1.1. Анализ щелевой линии на основе МНСЭП

3.1.2. Уравнение для анализа копланарной линии

передачи на основе МСЭП

3.1.3. Расчет потерь вызванных конечной проводимостью

электродов в щелевой линии передачи на МНСЭП

3.1.4. Расчет потерь вызванных конечной проводимостью

электродов в копланарной линии передачи на МНСЭП

3.1.5. Расчет волнового сопротивления в щелевой линии

передачи на МНСЭП

3.2. Полноволновый электродинамическая анализ линий передачи

3.2.1. Электродинамическая модель щелевой и копланарной линий

в методе частичных областей

3.2.2. Применение метода Галеркина.

Построение вычислительной модели

3.2.3. Вычисление сумм медленно сходящихся рядов

3.2.4. Результаты численного анализа постоянной

распространения в щелевой и копланарной линиях

3.3. Расчет дисперсионных характеристик щелевой и

копланарной линий в частотной области

3.3.1. Затухание электромагнитной волны в щелевой и

копланарной линиях

3.3.2. Результаты расчета затухания в щелевой линии

3.4. Многощелевая линия передачи

3.4.1. Затухание в металлических электродах многощелевой линии.

Результаты расчетов дисперсионных характеристик и затухания

3.5. Расчет волнового сопротивления щелевой линии в

методе частичных областей

3.6. Линии передачи на сегнетоэлектрической пленке,

управляемые малым напряжением

3.7. Электродинамический анализ линии передачи

с двухсторонней металлизацией диэлектрического слоя

3.8. Анализ щелевой линии на основе МНСЭП

3.9. Анализ многощелевой линии на основе МНСЭП

3.10. Волновое сопротивление многощелевых линий

на слоистых подложках

3.11. Расчёт прямоугольных волноводов со слоистым диэлектрическим заполнением

3.12. Применение метода конечных элементов для расчета постоянной распространения в прямоугольном

волноводе с диэлектрическим заполнением содержащим МНСЭП

Выводы по главе

Глава 4. Методы измерения диэлектрических

характеристик нанокомпозитных сегнетоэлектрических плёнок

4.1. Определение параметров сегнетоэлектрических

пленок по измерениям в объемном резонаторе

4.2. Определение параметров сегнетоэлектрических

пленок по измерениям в щелевом полуволновом резонаторе

4.3. Определение параметров сегнетоэлектрических

пленок по измерениям в многощелевом полуволновом резонаторе

4.4. Методика расчета tg5 пленки при резонансном способе измерения

4.5. Определение собственной ёмкости планарного

щелевого конденсатора на МНСЭП

Выводы по главе

Глава 5. Электрически перестраиваемые устройства СВЧ на многослойных нанокомпозитных сегнетоэлектрических пленках

5.1. Резонансные свойства отрезков щелевых линий

5.2. Фильтры на перестраиваемых щелевых резонаторах

5.2.1. Синтез АЧХ полосовых фильтров с четверть

волновыми связями

5.2.2. ПЗФ на полуволновых щелевых резонаторах

5.2.3. Расчет АЧХ ПЗФ без потерь

5.2.4. Расчет АЧХ фильтра с учетом потерь

5.3. Многощелевой фазовращатель на отражение с плавной

перестройкой фазы на МНСЭП

5.3.1 Оценка качества фазовращателей на основе щелевых линий

5.3.2 Проектирование фазовращателя на основе многощелевых линий

5.3.3 Фазовращатель отражательного типа на МНСЭП

5.4 Антенна в виде фазированной планарной линейки излучателей

на базе фазовращателей отражательного типа на МНСЭП

Выводы по главе

Заключение

Список литературы

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Многослойные нанокомпозитные сегнетоэлектрические пленки в устройствах СВЧ»

Введение

Радиоэлектронная промышленность является одним из основных высокотехнологичных секторов экономики России, обеспечивающих разработку и производство военной и гражданской продукции, от уровня которой зависит технологическая, экономическая и информационная безопасность страны. Достигаемый качественный уровень развития радиоэлектроники является одной из главных компонент научно-технического прогресса, являясь базисом устойчивого роста других отраслей промышленности.

Рост рынка радиоэлектроники в основном ожидается за счет устойчивых мировых тенденций, связанных с постоянным ростом миниатюризации и производительности радиоэлектронной техники и ее компонентов. Одним из наиболее перспективных направлений поддержания этих тенденций является использование инновационных функциональных материалов в производстве электронной компонентной базы.

Исследования, посвященные сегнетоэлектрическим материалам и возможностям их применения в элементной базе различного функционального назначения установили, что огромным потенциалом для разработки СВЧ управляемых устройств обладают гетеро и слоистые композиции на основе перовскитных материалов. Революционным стало открытие Б.М. Вулом [1] сегнетоэлектрических свойств в титанате бария (ВаТЮ3) с кубической

2 4

(псевдокубической) структурой А В 03, что послужило развитию работ по физике сегнетоэлектриков" [2]. Работа Бетэ "О микроволновом поведении нелинейных диэлектриков" [3], появившаяся в 70 году 20 столетия, была посвящена исследованиям применения кристаллов и керамик сегнетоэлектриков в электрически перестраиваемых устройствах ВЧ и СВЧ техники. Большое количество мировых исследовательских центров, стали заниматься анализом свойств диэлектрических характеристик сегнетоэлектриков в ВЧ-СВЧ диапазонах [4]. Эти исследования продолжались на протяжении полутора десятков лет, а потом пошли на спад. Прогресс в технологии пленок высокотемпературных сверх

проводников явился катализатором для развития тонкопленочной технологии сегнетоэлектрических материалов [5].

В настоящее время технология формирования сегнетоэлектрических пленок (СЭП) на диэлектрической подложке достаточно хорошо отработана, однако для воплощения практических применений структур на их основе необходимо выполнять разработки специализированных технологических процессов.

В настоящее время в ЭКБ, используются сегнетоэлектрики на основе титанатов, цирконатов и танталатов [6-14]. В СВЧ электронике, широко применяются твердые растворы бария-стронция BaxSr1-xTiOз - ^БТО), обладающие высоким значением диэлектрической проницаемости (в), высокой нелинейностью и относительно низким тангенсом угла диэлектрических потерь (tgЬ) по сравнению с другими сегнетоэлектрическими материалами. Возможность добавлять в твердый раствор BSTO примесей, таких как Мп, Mg и др. [14, 15, 16] позволяет изменять диэлектрические характеристики сегнетоэлектрических пленок.

Цели исследований, связанных с применениями СЭП в миллиметровом диапазоне, направлены на разработку устройств сверхвысокочастотной техники, таких как фазовращатели, фильтры, фазированные антенные решетки (ФАР) и др. Основным компонентом ФАР, является фазовращатель, поэтому его конструкция, технология изготовления, определяют тактико-технические характеристики и комплексную стоимость фазированной антенной решетки. В настоящее время, фазовращатели изготавливаются из ферритов, рч-п диодов, ОаЛ8 транзисторов, использующих при их сборке гибридные технологии, что влияет на масса- габаритные показатели и стоимость ФАР [17]. Схемы реализованные на основе полупроводникового p - п перехода работают при малых уровнях мощности, p - i - п устройства работают при больших мощностях, однако имеют малое быстродействие и требуют значительных затрат энергии для управления. Положительным фактором их применения является возможность построения СВЧ гибридных схем.

Применение ферритов так же требует больших затрат энергии при линейном или импульсном управлении. На ферритах хорошо реализовывать невзаимные устройства. При построении взаимных устройств трудно выполнить подачу смещающего магнитного поля, что приводит к громоздкости конструкции, и невозможности ее создания в интегральном исполнении.

Существенным преимуществом сегнетоэлектрических пленок, является их применение в изготовлении электронной компонентной базы (ЭКБ) в интегральном исполнении. Что исключает применение дополнительных сборочно монтажных и настроечных операций. Интегральный поход в сочетании с микроэлектронной технологией, относительно низкая стоимость материалов, могут обеспечить значительные преимущества электрически перестраиваемых устройств на основе сегнетоэлектрических пленочных структур в условиях серийного производства.

Построение СВЧ устройств на основе сегнетоэлектриков, которые обладают рядом преимуществ по отношению к выше перечисленным, продолжается уже на протяжении тридцати лет. Интерес разработчиков СВЧ устройств на основе сегнетоэлектриков в последние годы возрос, в связи с фундаментальными исследованиями и полученными результатами. Наиболее изученными в СВЧ диапазоне являются составы на основе твердых растворов BaxSr1-xTi03 (BST0), и SrTi03 относительная диэлектрическая проницаемость которых по отношению к полю СВЧ, изменяется в 2-3 раза при подаче внешнего электрического поля напряженностью 1.5-2 кВ/мм [18-20]. Этот эффект сохраняется в широком диапазоне частот. Наиболее интересным для построения управляемых устройств, является состав BST0, который при соответствующем процентном соотношении добавок, обладает приемлемыми характеристиками по управляемости, величине тангенса диэлектрических потерь и обладает высокой диэлектрической проницаемостью. Относительная диэлектрическая проницаемость сегнетоэлектриков типа BST0 находится в диапазоне значений порядка 10 . Следовательно, замедление электромагнитных волн СВЧ диапазона в такой среде исключительно велико. И по этой причине сегнетоэлектрики в диапазоне СВЧ

могут быть использованы только в виде тонких сегнетоэлектрических пленок нанесенных на диэлектрическую подложку. В свою очередь диэлектрическая структура "сегнетоэлектрическая пленка - диэлектрическая подложка" представляет собой волноведущую структуру поверхностных волн, замедление которых с одной стороны достаточно для построения малогабаритных устройств и с другой дает возможность управления их фазовой скоростью за счет изменения диэлектрической проницаемости сегнетоэлектрической пленки.

Управление диэлектрической проницаемостью технически осуществима с помощью электродов, нанесенных на поверхность сегнетоэлектрической пленки. Могут быть использованы материалы нанесенные на поверхность сегнетоэлектрической плёнки меньше толщины их скин-слоя, но при этом обеспечивающих возможность протекания низкочастотных управляющих токов. Таким образом, в диапазоне СВЧ исследуемым объектом становится волноведущая структура на слоистой диэлектрической подложке, включающей слой сегнетоэлектрика толщиной не более 1 мкм, и обладающая аномально большой диэлектрической проницаемостью. Очевидно, что подобная волноведущая структура может быть рассмотрена в различных конструктивных вариантах, например: волноводной с частичным заполнением диэлектриком по поперечному сечению, щелевой линии, копланарной линии, fin-line, многоэлектродной поверхностной структуры. Анализ таких волноведущих структур, базируется на электродинамическом представлении, и может быть выполнен различными математическими методами. Решение задач о зависимости величины фазовой скорости от геометрических параметров и свойств диэлектрических слоев, учета влияния потерь в СЭП и потерь вызванных затуханием в металлических электродах, определение волнового сопротивления и переносимой мощности дают результаты для обоснования возможности построения управляемых устройств на таких линиях передачи.

Основные технические показатели радиоэлектронных компонентов и устройств, определяются электрофизическими характеристиками сегнетоэлектрических пленок. К ним относятся, прежде всего, исключительно

высокое быстродействие, вызванное отсутствием инерционных процессов, что приводит к потреблению энергии по цепям управления только в момент переключения, так как волноведущие структуры по отношению к цепям управления являются емкостными. При значительном замедлении протяженность электродов такова, что даже при малых зазорах между электродами и большой диэлектрической проницаемости пленки реальные структуры будут иметь

л

емкость в пределах 100 пф. При управляющем напряжении 10 В такие емкости переключаются с затратой энергии в доли единиц микро джоулей. В стационарном режиме, очевидно, что такие устройства энергии не потребляют.

Радиационная стойкость сегнетоэлектрических пленок на два порядка превышает стойкость полупроводниковых приборов к нейтронным потокам.

Соединение таких свойств как высокое быстродействие и радиационная стойкость позволяет ставить задачу разработки фазовращателей для систем с автоподстройкой частоты линейных ускорителей. Такие устройства, могут быть расположены в непосредственной близости к узлам линейных ускорителей в зоне высокого уровня нейтронного излучения.

Интенсивный отвод тепла из тонкого слоя сегнетоэлектрика через диэлектрическую подложку с высокой теплопроводностью, позволяет проектировать устройства с высоким уровнем передаваемой СВЧ мощности.

Таким образом, радиоэлектронные элементы на основе планарных волноведущих структур содержащих сегнетоэлектрическую пленку обладают исключительными свойствами, позволяющими создавать СВЧ управляемые устройства (фазовращатели, антенны с электрическим сканированием луча, перестраиваемые фильтры и др.), которые могут быть реализованы в виде интегральных схем с высоким быстродействием, малым потреблением энергии и более экономичными по сравнению с устройствами на ферритах и полупроводниках.

Однако, основными сдерживающими факторами широкого применения ЭКБ на основе сегнетоэлектриков, является температурная зависимость диэлектрической проницаемости и технологические сложности изготовления.

Устранение этих негативных свойств возможно при использовании новых химических компонентов и элементов в составе структуры сегнетоэлектрической плёнки и технологических приёмов её напыления на диэлектрическую подложку. В настоящее время ведущие мировые научно-исследовательские центры, предприятия и военно-промышленные концерны инвестируют значительные средства в разработку новых технологий получения сегнетоэлектрических материалов с улучшенными электрофизическими свойствами. Основные направления исследований по улучшению свойств получаемых сегнетоэлектрических структур лежат в области синтеза материалов наноразмерных композитов, технологий их получения: ионно-плазменным распылением, золь-гель методами, лазерной абляцией и т.д. Оценивая общую мировую тенденцию научно-технологического развития за последнее десятилетие по данным Texas Instruments, IMEC, STMicroelectronics, Murata, Applied Materials, NEC, Toshiba, Samsung и др., видно, что наметилась положительная динамика в устранении негативных факторов в свойствах сегнетоэлектрических плёнок СЭП. Новые технологии использованы в промышленном производстве аналоговых СВЧ (Triquint USA) и цифровых ИС, а так же элементов запоминающих устройств. Промышленные лидеры, однако, не раскрывают секреты своих технологических достижений, что обусловлено достигаемой экономической и технической выгодами.

Наличие имеющихся технологических проблем и недостаточные исследования в материаловедении, являются существенным тормозом развития современной отечественной ЭКБ. В данной работе исследуется технология формирования многослойных сегнетоэлектрических плёночных структур на поверхности подложки, методом магнетронного напыления из мишеней с различным компонентным составом. Применение такого подхода существенно улучшит качественные электрические параметры получаемых многослойных сегнетоэлектрических структур, использование которых позволит проектировать и конструировать пассивные и, главное, активные фазированные антенные решётки с электронным управлением диаграммой направленности используемые

в бортовых РЛС самолётов четвёртого и пятого поколений, а также в радиотехнических комплексах различного назначения. Кроме того новые сегнетоэлектрические структуры могут быть применены как основа элементов ОЗУ и ПЗУ вычислительных устройств. Микро и нано электроника на новых многослойных СЭП станет основой создания аналоговых и цифровых ИС ультра большой степени интеграции, которые найдут применение в технике двойного назначения. Выполняя оценочные сравнения элементов на СЭП исследуемой технологии с существующими, можно точно сказать, что полученные структуры будут иметь широкий температурный рабочий диапазон стабилизации диэлектрической проницаемости от минус 700С до плюс 800С, тогда как в настоящее время лучший показатель температурной стабилизации от минус 100С до плюс 50 0С, меньшее напряжение управления порядка 200В (у аналогов 700В), тангенсом угла диэлектрических потерь не более 0,012 в диапазоне СВЧ. Применённые в заявляемой работе подходы обладают принципиальной научной новизной, как с позиции математического аппарата, так и технологических решений. Следует отметить, что существующие на сегодняшний день САПР высокочастотного проектирования электронных устройств, например, таких как HFSS, ADS, Microwave Office и др., не способны выполнять электродинамический анализ многослойных волноведущих структур, параметры которых (толщина, диэлектрическая проницаемость) от слоя к слою могут отличаться от единиц до 10 раз.

В диссертации представлены результаты исследований многослойных нанокомпозитных сегнетоэлектрических плёнок (МНСЭП), полученных в различных технологических режимах. Решена задача выбора количества сегнетоэлектрических слоёв с различными компонентными составами и толщинами, для обеспечения стабилизации основных параметров линий передачи в широком температурном диапазоне. Разработаны программы электродинамических расчётов линий передачи, МНСЭП.

Разрабатываемая в данной работе тематика исследований, является перспективной с позиций промышленного внедрения, так как создаваемая

технология позволит развить российскую элементную базу, не имеющую зарубежных аналогов и позиционирующуюся с правовых позиций как патентно чистую.

Целями данной работы являлись разработка технологии формирования температурно стабильных многослойных нанокомпозитных сегнетоэлектрических структур, работающих в широком частотном диапазоне, исследование электродинамических характеристик планарных и волноводных линий передач, включающих слоистые диэлектрические структуры на основе МНСЭП.

Для достижения поставленных целей необходимо было решить следующие научные задачи:

1. Разработка технологии формирования многослойной нанокомпозитной сегнетоэлектрической плёнки (МНСЭП) на диэлектрической подложке с температурностабильными параметрами.

2. Разработка электродинамической модели щелевых линии передачи на основе сегнетоэлектрической плёнки с температурно независимой фазовой скоростью.

3. Электродинамический анализ волноводных линий передач на основе "МНСЭП - диэлектрическая подложка"

4. Проектирование, изготовление СВЧ устройств на основе "МНСЭП -диэлектрическая подложка" с электрической перестройкой их АЧХ и ФЧХ и анализ их характеристик в температурном и частотном диапазонах

Отметим, что создание электрически перестраиваемых приборов на их основе включает в себя структурный анализ материалов, применяемых для их изготовления, а также разработку оригинальных технических решений, которые позволят реализовать эффективное управление устройствами работающими в СВЧ и КВЧ диапазонах.

Научная новизна диссертационной работы определяется следующими результатами, полученными впервые:

1. Доказана возможность получения многослойных нанокомпозитных сегнетоэлектрических пленок на диэлектрической подложке с высокой температурной стабильностью их эффективной диэлектрической проницаемости при сохранении нелинейности диэлектрической проницаемости, характерной для "объемного" сегнетоэлектрика.

2. Исследовано влияние технологических режимов на характеристики многослойных нанокомпозитных сегнетоэлектрических структур.

3. Построены электродинамические модели волноведущих слоистых структур содержащих тонкие многослойные сегнетоэлектрические наноразмерные пленки.

4. Установлено, что эффект температурной стабилизации фазовой скорости в линиях передачи содержащих МНСЭП обеспечивается в широком диапазоне частот и геометрических параметров волноведущих структур.

5. Созданы образцы электрически перестраиваемых устройств СВЧ диапазона с температурной стабилизацией их АЧХ и ФЧХ.

Практическая значимость диссертационной работы определяется следующим:

1. Разработана промышленная технология формирования многослойных нанокомпозитных сегнетоэлектрических пленок с заданными характеристиками, позволяющая создавать температурно стабильные элементы, используемые в устройствах СВЧ микроэлектроники.

2. Разработаны программы расчета планарных линий передачи, содержащих МНСЭП.

3. Разработаны методики расчета перестраиваемых СВЧ устройств на основе планарных щелевых (многощелевых) линий с нанокомпозитной сегнетоэлектрической пленкой.

4. Предложены конструкции СВЧ фильтров и фазовращателей с электронной перестройкой их АЧХ и ФЧХ.

Целесообразность выполненных исследований была связана с разработкой промышленной технологии по созданию перспективных многослойных нанокомпозитных сегнетоэлектрических материалов на основе BaxSr1-xTiO3 с легирующими добавками для использования в качестве основы при проектировании и создании электронной компонентной базы с новыми качественными электрофизическими характеристиками в интересах народного хозяйства и оборонно-промышленного комплекса страны.

Внедрение технологических и технических решений изложенных в работе, позволяет внести вклад в обороноспособность страны и повысить ее экономическое развитие на долгие годы.

Результаты диссертации внедрены на следующих предприятиях: ОАО «Завод Магнетон», ФГУП "18 ЦНИИ" МО РФ, ООО "Малое инновационное предприятие "Междисциплинарный нанотехнологический центр" г. Курск, Корейского института науки и технологии KAIST (Республика Корея).

Результаты работы явились основой проектов, выполненных с участием и под руководством автора диссертации в рамках проектов:

- ЕЗН/МИТ - 19, "Разработка методов полноволнового анализа дисперсионных характеристик и затухания в многослойных планарных волноведущих структурах", (2000 - 2002 гг.);

- ГТЭР/МИТ - 20, "Устройства мм - диапазона волн на основе сегнетоэлектрических пленок", (2001-2002гг.);

- МС/МИТ - 21 "Планарные волноведущие структуры миллиметрового диапазона волн на основе сегнетоэлектрических пленок", (2001 - 2002 гг.); с Международным научно техническим центром" (МНТЦ 1708), (2001 - 2003 гг.);

- Изопланарные волноведущие структуры мм-диапазона волн на основе сегнетоэлектрических пленок (2003 - 2004 г.г., Per. Номер НИР - 01200309612);

- Исследование сегнетоэлектрических планарных структур с целью применения в мм-диапазоне волн (Грант Международного научно- технического центра, МНТЦ 2896, 2005 - 2007, финансирование - Европейский Союз, Корея);

- Создание численной модели расчета многощелевой линии передачи и исследование ее дисперсионных характеристик. ОАО «Концерн «Меридиан», Минпромторг РФ (2009 - 2010г.г.);

- ОКР «Разработка базовой технологии изготовления плат электрически перестраиваемых фазовращателей СВЧ и КВЧ диапазонов на основе керамики, (в том числе низкотемпературной), планарных многощелевых линий передачи с сегнетоэлектрической пленкой», шифр «КМЩФ - СВЧ», НИИ "ПС", Минпромторг РФ (2011-2013гг.);

- НИР "Уменьшение тангенса угла диэлектрических потерь в многослойных нанокомпозитных сегнетоэлектрических пленках", ОАО "Завод "Магнетон", (2015 - 2017гг.);

- НИРОКР "Планарные сегнетоэлектрические конденсаторы с малым управляющим напряжением", ОАО "Завод "Магнетон", (2017 - 2019гг.).

Материалы диссертации используются в учебном процессе на факультете "Радиотехники и телекоммуникаций" в СПбГЭТУ «ЛЭТИ».

Апробация работы. Результаты диссертационного исследования докладывались и обсуждались более чем на 10 Всероссийских и международных научных конференциях, в том числе: конференция профессорско-преподавательского состава СПбГЭТУ (январь 2000 - 2002 гг.), 56 научной сессии посвященной дню Радио, (Санкт- Петербург, май 2001 г.); Joint Conf. On applicat. Of ferroelectrics (IFFF-2002)- Nam, Japan, (June, 2002.); XVIII Всесоюзная конференция по физике сегнетоэлектриков, (Санкт-Петербург, 2008.г.); Научно технический совет ЦНИИ "Электроника", (Москва 22 декабря 2011г.); "Актуальные вопросы разработки и применения в аппаратуре РЭБ твердотельных активных многолучевых и фазированных антенных решеток" ЗАО "Микроволновые системы" (Москва 8-9 ноября 2012г.); "СВЧ электроника. 70 лет развития." (АО НПП "Исток" им. Шокина, г. Фрязино май 2013г.); "СВЧ-электроника 2015. Наука. Технология. Производство." (АО НПП "Исток" им. Шокина, г. Фрязино 13-14мая 2015г.)

Всероссийская научно-техническая конференция «Электроника и микроэлектроника СВЧ» 2012, 2013, 2014, 2018 (Санкт-Петербург);

По теме диссертации опубликовано 34 печатных работ, в том числе 19 статей, 4 патента; 10 тезисов докладов на научных конференциях, 1 монография.

Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы, включающего 124 наименования. Работа изложена на 394 страницах компьютерного текста и содержит 133 рисунка и 36 таблиц.

Научные положения, выносимые на защиту

1. Температурная стабилизация постоянной распространения электромагнитных волн в сверхвысокочастотных линиях передачи, содержащих сегнетоэлектрическую пленку на основе BaxSr1_xTЮз в широком температурном интервале, достигается напылением пленки в виде последовательности нанослоев различной толщины и концентрации титаната бария стронция.

2. Выбор толщины, концентрации бария в составе нанослоев, их числа, обоснован минимальным среднеквадратическим отклонением температурной зависимости постоянной распространения (эффективной диэлектрической проницаемости) от заданной зависимости в широкой температурной области.

3. Методом магнетронного распыления и выбором последующего режима температурного отжига формируется многослойная сегнетоэлектрическая пленка с заданным компонентным составом в каждом нанослое.

4. Расчет постоянной распространения электромагнитных полей в линиях передачи, содержащих МНСЭП может быть выполнен с требуемой точностью на основе вычислительных процедур, включающих матрицы связи между произвольными постоянными на границах нанослоев.

5. При заданной температурной стабилизации эффективной диэлектрической проницаемости многослойных нанокомпозитных сегнетоэлектрических пленок, полученных по одинаковой технологии, тангенс угла диэлектрических потерь снижается с увеличением числа нанослоев.

6. Нелинейность диэлектрической проницаемости многослойных нанокомпозитных сегнетоэлектрических пленок сохраняется при обеспечении заданной температурной стабилизации эффективной диэлектрической проницаемости.

Глава 1. Аналитический обзор

1.1. Технология сегнетоэлектрических плёнок

В настоящее время в технологии СЭП получили развитие два основных направления - это химические методы, в которых сложные химические соединения из исходных материалов переносятся на подложку, и физические методы, в которых частицы веществ из мишеней при помощи физических процессов испарения, распыления, абляции на поверхности подложки в результате конденсации атомов формирует тонкую сегнетоэлектрическую пленку.

Ряд исследовательских лабораторий и научных центров продолжают развитие керамической (шликерной) технологии сегнетоэлектрических пленок [7, 21 - 24]. Шликерная технология использует методы седиментации, шелкографии. Минимальная толщина пленок, которая может быть получена с помощью шликерного метода, составляет порядка полутора микрон. Спекание и кристаллизация образуются в процессе высокотемпературного отжига при температурах 1100 - 1400 0С. Оптимальной подложкой для такой технологии пленок является оксид магния, который обеспечивает хорошую адгезию между двумя диэлектриками. Пленки, полученные по такой технологии имеют развитую морфологию поверхности и большую толщину, что ограничивает их применение в микроэлектронной технологии.

Активно используемым в микроэлектронике для синтеза сегнетоэлектрических пленок, является золь-гель метод [25 - 32]. В качестве исходных материалов применяются ацетаты бария и стронция, изопропоксид титана. Для приготовления раствора, ацетат бария и стронция растворяются в уксусной кислоте, а изопропоксид титана и диметроэтанол являются второй составляющей для приготовления раствора. После их смешивания и фильтрации, раствор наносится на подложку и центрифугированием при скорости вращения ~ 5000 об/мин формируется тонкая пленка. Толщину

Список литературы диссертационного исследования доктор наук Иванов Аркадий Анатольевич, 2018 год

// 8о //

и" и и"и // //"" //7/ " //" > /"//" //

82 С2

8з Сз

d

Рисунок 3.25 - Модель щелевой и копланарной линий передачи

использовать только один тип стенок. С другой стороны, симметрия относительно идеальной электрической или магнитной боковой стенки при соответствующем выборе параметра Ь позволяет выполнить расчет связанных через электрод шириной Ь щелевых линий при симметричном и антисимметричном возбуждении. Очевидно, что использование магнитной стенки позволит выполнить расчет дисперсионных характеристик копланарной линии.

Выделим четыре частичных области поперечного сечения модели щелевой линии рис.3.25

1. Область свободного пространства над электродами линии, дадим ей номер ноль. Как следует из рисунка для нулевой области значения координаты у лежат в интервале d1<y<d10=d1+d0.

2. Диэлектрические слои на поперечном сечении образуют три частичных области:

- первая область 0<у<И1, с диэлектрической проницаемостью е^;

- вторая область 0<у/ <И2, с диэлектрической проницаемостью е2;

- третья область d2<У|<d32=d3+d2„ с диэлектрической проницаемостью ез.

В каждой /-той частичной области, где /=0,1,2,3, зададим пару векторных

электродинамических потенциалов Д и F¡, ориентированных вдоль оси у.

Зависимость от координаты z для всех потенциалов имеет вид , где Y - постоянная распространения всех существующих в линии электромагнитных модов, в том числе и искомого основного мода. Векторные потенциалы А и F порождают LSE- и LSM- волны в частично заполненном по поперечному сечению прямоугольного волновода.

В каждой частичной области электродинамические потенциалы удовлетворяют волновому уравнению

>_+( k Ч - Y2)

г\ Г\2 r\2

где + , Si - диэлектрическая проницаемость

dx dy

соответствующей частичной области.

Электродинамические потенциалы металлических стенок прямоугольной области удовлетворяют граничным условиям:

на верхней стенке

{^ ^Ai¡r1 = 0 Fo (x, y)- 0} при y = d10,

на нижней стенке

{1 = 0 F3 (x, y)- 0} при y = d23,

на боковых стенках во всех частичных областях

|a- (x, y) = 0 dFi ^y) = 0J при x = 0 и x = d.

С учетом граничных условий на боковых металлических стенках решения волнового уравнения в каждой частичной области имеют вид:

Ai (x y) Fi ( x y)

= 0,

(3.74)

да

А(-,у) = I 8Шпжу(А)(уу),

п=0,1 "

^ (х,у)= I осв^т^Ху). п=0,1

Функции Уг(А)(у) и Т(^)(У) в каждой частичной области имеют вид решения волнового уравнения:

4А) ( У) = А> в{пк1пУ + В/,пС™ к1,пУ,

4Р) ( у) = ^пУ + В1,пСо*к1,пУ,

где & = к2ег - у2 -(Ш)2, л=0,1...

С учетом граничных условий на верхней и нижней металлических стенках электродинамические потенциалы в каждой частичной области могут быть представлены в виде в нулевой области:

да

А0 (х У )= I А0п ^п шПт осв к0,п (у - 410 ):

п=0 а

(3.75)

да

Е0п(-у)= I Е0посв^^к0,п(у-410),

„ 4

п=0

в первой области:

да

А1 (- У )= I ВпПт ( А1п ^ к1пУ + В1п осв к1пУ ),

п=0 а

да

Е1 ( - У )= I осв (Е1п ^ к1пУ + °1п осв к1пУ ) ,

п=0 а

во второй области:

ж

А2 (х ,У )= Е ^( А2п ^ к2пУ + В2п с°8 к2пУ ) =

п=0

ж

р2 ( ХУ ) = Е с°8 ППХ ( р2п к2пУ + В2п с°8 к2пУ ) >

п=0

в третьей области:

ж

Аз(Х,У)= Е А3пэЬс°8к3п(у + ^3)>

п=0

ж

( ХУ )= Е р3п с°8 ППХ ^ к3п (у + ^23 )

п=0

(3.78)

В этих соотношениях Аоп, А^п... Б3п - произвольные коэффициенты. Компоненты полей ЬББ- и ЬБМ- типов выражаются через потенциалы следующим образом [90]: для ЬББ поля:

Нх = М(Х У) Ех = - ^ .

52 А( х,у ) 2

НУ = 0 Еу =

юеео

5Х

- у2 А (х, У)

= 5А( х, У ) =__5 А( Х У )

7 дх 7 юеео 5У

для ЬБМполя:

(3.79)

Ех (х, У ) Нх =- ^

ЕУ = 0

НУ =

ю^ 0

52 Б (х, У) 2

дхх

- У БУ)

(3.80)

E = dF (x> y) H =__Y_ д F (X y)

z dx z юц о dy

В соответствии с приведенными соотношениями и выражениями для A (x, y) и Fj (x, y) в соответствующих частичных областях, определим

касательные компоненты электрических и магнитных полей. Для LSE поля в нулевой области:

E(X°)=+JT^ 2 Aonnf cosnfkonsinkon(y-¿10), ros o n=0 d d

EZ0))=+-b 2 An sinnnXk0nsink0n (y - d10), ®S0 n=0 d

HX°) = jY 2 A0n sinnnX c°sk0n (у - d10),

n=0

н^= 2 A0nnncosUSXcosk0„(y-di0),

„ d d n=0

в первой области:

EXl)=-j~b- 2 nn cos nnxkin ( Ain cos kiny - Bin sin k^y ).

®S0Si n=0 d d

EZi = 2 sinnnXkin (A1n cosk1ny - B1n sink1ny),

®S0Si n=0 d

HZli = jY 2 sin nnX ( A1n sin k1ny + B1n c°s k1ny), n=0 d

hZ1} = 2 nn cos nnx ( Ain sin kiny + Bin cos kiny), n=0

во второй области:

(3.81)

(3.82)

eX2) 2 nn cos ( nnx ) k2n ( A2n cos k2ny - B2n sin k2ny ),

®S0S2 n=0 d V d /

4Е ПЛгк2п (А2п совк2пУ - В2п к2пУ)>

юе0е2 п=0 ^

НХ2 = Л Е sin ( А2п sin к2пУ + В2п cos к2пУ ) >

п=0

н72) = Е ^ пПХ ( А2п к2пУ + В2п с°в к2пУ ), п=0

в третьей области:

еХ3)= ЛТ^Ь Е А3ппПсовпЛтк3пвтк3П(У + С123),

юе0е3 п=0 " "

Е А3пк3пвтппхвтк3п(у + ^3),

0 3 п=0

нХ^ Л Е А3п sin ппх cos к3п (У + ¿23 ),

п=0

н73)= Е А3ппПсовпПХсовк3п(У + ^23).

„ й й п=0

Для ЬБМ поля: в нулевой области:

Ех °^=-Л Е Е0п cos пПХ к0п (У - ¿10 )'

„ с1

п=0

е70)= Е Е0п (^)втппхвтк0п (У-¿0),

НХ°]= Е ?0п (пП)втпПХк0п с°вк0п (У-¿ю), 0 п=0 V а ' й

Н70 =-7^- Е ¥0п сов пЛгк0п сов к0п (У - ¿10 ), 0 п=0 а

в первой области:

(3.84)

(3.85)

Ex1 = -JY S cos (F1n sin к\иУ + An cos к\нУ)>

n=0 a

EZ)= S nn sin nnx (FXn sin к!пУ + Dn cos kjny),

n=0

Hl} = Jt^ S nf sin nnxkin (Fm cos кыу-Dn sin k^y),

0 n=0 a a

=-7^ S COs ^in (F1n cos к1иУ - D1n sin k1ny) > 0 n=0 a

во второй области:

= -JY S cos nnX (F2n sin k2ny + D2n cos k2ny )>

n=0 d

42 = S nn sin ( F2n sin k2ny + D2n cos k2ny ),

z a " a

n=0

S njsinnnXk2n (F2n cosk2ny-D2n sink2ny) = 0 n=0 a a

S cosnnXk2n (F2n cosk2ny - D2n sink2ny)> 0 n=0 a

в третьей области:

EX3 = -JY S F3n cos ^ sin k3n (y + a23 )>

n=0

S F3„nf sin sin k3„ (y + rf23 ),

'z 3n a~~ a

n=0

H.^3^ = S F3n "Ппk3n sin^cosk3n (y + ¿23), 0 n=0 a a

H^ = -7^ S F3nk3n cos^cosk3n (y + a23 ). 0 n=0 a

(3.86)

(3.87)

(3.88)

На границе между второй и третьей областями выполним условия непрерывности для потенциалов и их нормальных производных. При у = -^2 должны быть выполнены условия:

= ^ А2 (*у) = Аз

Выполнение условий непрерывности позволяет установить связь между произвольными коэффициентами А2П и Азп, В2п и Азп, F2n и ^3п, £>2п и ^3п в разложениях потенциалов во второй и третьей областях. Опуская подробности представим найденные соотношения в виде:

А2п =-А3п 008 к3п^С08 к2па2 ^к2^2 "+ е ,

V 83к2п

8 2k3ntgkзndз

В2п = А3п 008 к3п^3 С0!8 к2п^2

1 -

8 2к3п 83к2

^к3па3 ^к2па2

п

Е2п = ¥3п 008 к3п^3 008 к2п^2

7— - ^к3^3 ^к2п^2 V к2п

к3п

В2п = Е3п 008 к3п^3 С0!8 к2п^2 Ш к3^3 + Т3^ к2п^2

V к2п

Поэтому потенциалы во второй области теперь есть: А2 (X У ) = Е А3п ^п 0088 к3пй3 х

и

х

С08к2п (У + ¿2 ) - Щ^^ЬпЛз ^к2п (У + ^ ) 83к2п

(3.89)

р2 (х, У ) = Т ¥3п 008^ 008к3пй3 х

п

х

к

^к3пй3 008к2п (У + й2) + ~ТП 81пк2п (У + й2)

к

2п

На границе при у=0 выполняются граничные условия:

дЛ ( х, у ) = дЛ2 81 дУ 8 2 дУ

д^! ( х, у )_д^2 ( х, у )

Л1 ( x, У ) = Л2 ( x, У ),

р1 (х,У) = Р2(х,У), дУ дУ ■

Используя соотношения (3.76) и (3.90) получим из первой пары граничных условий:

В1п - В2п, В1п - Л3п 008 к3пй3 008 к2пй2 1

V

л _ к2п81 . Л1 п Л2 п;

8 2k3n■tgk3ndзtgk2nd2

е3к2,

п

(3.92)

к1п8 2

Л1п =-Л3п 008х3пй3 008х2пй2(^х2пй2 + f2X3ntgx3nd3Т (3.93) 82х1и V 83х2п У

Из второй пары граничных условий на основании (3.76) и (3.91) при

условии у=0 найдем:

к

Ап = Ап; Ап = ¥3п 008 к3пй3 ^ к3пй3 008 к2пй2 + 13к 8*п к2пй2

Е1п -

х2п х1п

Е2п; Е1п - ^п!21008к3пй3

к

1п

к2п

Г к3п Л

V к2п

(3.94)

008- tgkзndзsinк2^2 . (3.95)

Граница между нулевой и первой областями частично металлизирована, частично свободна рис.3.25. На диэлектрической части границы (в области щели) должны быть выполнены условия непрерывности касательных составляющих Ех и Ег для полей LSE и LSM типов. При этом непрерывность Ех влечет за собой непрерывность Ег и наоборот. Используя выражения для Ех в нулевой и первой области, запишем соотношение непрерывности для Ех полей LSE и LSM. Получим:

к

А1п сов к1п^1 - В1п ^ к1п^1 = е1 кгпА0п sin к0па0'

к

1п

Е (0) + Е (0) = Е (1) + Е (1)

Ех, Ь8Е + Ех, Ь8Ы = Ех, Ь8Е + ЕхХ8М

Е ( 0) + Е( 0) = Е(1) + Е (1)

Б1п эт к1п^ + Ц1

Вдоль всей границы касательные составляющие электрического поля щелевой линии (считая электроды идеально проводящими) можно представить в виде

0 - на электродах, / ( х )- нащели.

0 - на электродах., g ( х )- нащели.

Соотношение (3.96) обеспечивает выполнение условия непрерывности касательных составляющих в щели. Поэтому соотношения (3.97) и (3.98) можно записать в виде:

0 - на электродах, / ( х )- нащели.

(3.97)

(3.98)

Е (0) + Е (0)

Ех, Ь8Е + Ех, Ь8М

(3.99)

Е (0) + Е (0)

0 - на электродах, g ( х )- нащели.

Подставив соответствующие соотношения для полей в уравнения (3.99), получим:

Г 1 ^ [0

Е ЛЕ0п к0п^0 - А0ппП к0п sin к0п^0 ^^ = п=01 юе0 « ) «

Г ( х ) '

Е

п=0

Б0п к0п¿0 + ТТТ" А0пк0п ^ к0п¿0

юе0

БШ

ппх й

0

g(х) .

Воспользуемся Фурье - преобразованием в этих соотношениях и найдем:

К0пЛ к0п<^0 - А0пЛ~~ пП к0п sin к0п<^0 = К

юе 0 и

Е0ппт к0п^0 - к0п к0п^0 = Сп ■

а юе 0

У

В этих уравнениях обозначено:

Кп = ^ ап I / ( х ) пт^--

на

длине w

ап

1/

2, если и = 0 1, если п ф 0

, °п = 2 I g (х) вт^ . (3.101)

а

на

длине w

Из системы уравнений (3.100) найдем

А0п = Л

юе 0

к0пР п ^с

К

п

(Т ) + *°п

К0п =-

ПК

Сп + ]1кп

п

Р п *0п<0

(3.102)

(3.103)

.

где Р„ = у2 +(Ш)

Подставим в первое уравнение (3.96) А0п из (3.102), А1п и В1п из (3.92) и (3.93), и после преобразований получим

юе0 (УСп - л'ПЛКп)

А

3п

х0п ' Рп с°вklndl с°вk2nd2 с°вkзndз

е1 ]k^Пtgk2nd2 х1п

ШЬп^ + ^Т^^п^ е3к2п

Из второго уравнения (3.96), найдем

е1к2п е2к1п

^к2п Ц 2 + ¿1

Е3п -

1П Сп + Уу^п

Рп 008к1п^1 008к2п^2 008к3п^3

х

х-

tgk2 пй2

к |Г к

3 ntgk2nd2 + tg к3пй3 • tg к2пй2 + k2l-фtgk1nd1

Кл

V к2 и

1п

Подставим (3.104) в (3.92) и (3.93) и найдем

Ю8°(-^ + ^) Гк2п 81

Л1п -

Рп • Ф1

82 к

1п

2пй2:

В

1п

®80 ( У^п - ¥п )

Рп • Ф1

• т.

(3.106)

(3.107)

где

Ф1 - cos к1пй1

к2 ntgk2nd2 + Т k:1tgklndl

8 2

81

1 - 82 • • ^ к2пй2 • tg к3пй3

Т

83 к

2п

1 + 82 • Ьк^^п^ • ^ к2пй2

83 к2п

Подставим (3.105) в (3.94) и (3.95) найдем

(3.108)

Ап -

1П Сп + уу^п

Рп • Т

(3.109)

Е1п -

Сп + УУ^п к

2п

Ф

Рп • Т1 к1п

(3.110)

где

т -

к I

tg k2nd2 + Ф "Г21^ к1п А • к1п А, к1п У

кзп - Щ^п^ • ^ к3пd3

Ф -

к

2п

к3п

к

2п

+ ^к3п^ • с^Ьп^

(3.111)

В соответствии с соотношениями (3.89) и (3.106) -( 3.110) запишем

®s0 (-yG + Jtf Fn )

A2n =+-V n m °-L • tgk2na2

Pn • Ф1

(3.112)

пп Сп + №п

К2п = ^^--ф . (3.113)

Рп • Ч

Перейдем к выполнению граничных условий непрерывности касательных составляющих магнитного поля щелевой линии на свободном участке границы между нулевой и первой областями. При У = ¿1:

Н (0) + Н (0) = Н (1) + Н (1)

Hx,LE + Нх,LM = nx,LE + Н x,LM ■■

Н ( 0) + Н ( 0) = Н (1) + Н (1)

nzLE + nz,LM = Н z,LE + Н z.LM .

(3.114)

Подставив в первое уравнение (3.58) соотношения для полей из (3.24), получим

JY S sin ^ ( A1n sin k1na1 + B1n cos k1na1) + S^T k1n sin ^f x

n=0 a 0 n=0 a a

x( F1n cos k1na1 - D1n sin k1na1)- J'yS A)n sin BTL cos k0na0 -- ^ S f k0nF0n sin nnx cos ^0 = 0.

Подставим в это соотношение выражения для A.1n (3.106), B1n (3.107), F1n (3.110), D1n (3.109), получим

л.т Рк^ (Ъ Р" - ° )

п-0 1

к 8 л -к2п- -1 tgk2nd2 sin ^^ - ТООБ klndl 82п к1п

sin +

d

+/ т -

1п •

т т d

<°п + л1;

п

п-0

d

РпТ

к

-— Ф cos klndl - tgk 2nd2 sin klndl V к1п

\

У

^т1пх + d

+л т

2

к 008 -0^0