3-D моделирование тонкопленочных акустоэлектронных СВЧ резонаторов на основе нитрида алюминия тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.03 ВАК РФ

На правах рукописи

Босов Сергей Иванович

3-0 моделирование тонкопленочных акустоэлектронных СВЧ резонаторов на основе нитрида алюминия

Специальность

01.04.03 — радиофизика 01.04.06 — акустика

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

I1 ПАП 2014

I

1

1 Нижний Новгород — 2014

005548578

Работа выполнена в федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Нижегородский государственный университет им. Н.И. Лобачевского»

Научные руководители: доктор технических наук,

профессор кафедры радиотехники радиофизического факультета ННГУ им. Н.И. Лобачевского Орлов Игорь Яковлевич

кандидат физико-математических наук, директор по науке в ОАО "КБ "Икар" Двоешерстов Михаил Юрьевич

Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук,

ведущий научный сотрудник ИПФАН РАН Назаров Вениамин Евгеньевич

доктор технических наук,

профессор кафедры компьютерных технологий

в проектировании и производстве

НГТУ им. P.E. Алексеева

Никулин Сергей Михайлович

Ведущая организация: ОАО "Научно-производственное

предприятие "Салют"

Защита состоится «_»_201_ г. в_часов на заседании диссертационного совета Д212.166.07 при Нижегородском государственном университете им. Н.И. Лобачевского (603950, Нижний Новгород, пр. Гагарина, 23, корп. , ауд._).

С диссертацией можно ознакомиться в фундаментальной библиотеке Нижегородского государственного университета им. Н.И. Лобачевского.

Автореферат разослан «_»_201_г.

Ученый секретарь

диссертационного совета

к.ф.-м.н., доцент Черепенников В.В.

Общая характеристика работы

Актуальность темы. В настоящее время большое внимание во всем мире уделяется исследованиям в области физики волновых процессов в многослойных тонкопленочных пьезокристаллических структурах, служащих основой для создания акустоэлектронных устройств нового поколения, работающих в сверхвысокочастотном диапазоне частот от 2 до 30 ГГц. Акустоэлектронные устройства — это базовые элементы всех систем мобильной и сотовой связи, навигации, радиолокации, медицины, мониторинга окружающей среды, робототехники, микросенсорики.

Работа традиционных акустоэлектронных устройств (фильтров, резонаторов и т.д.) на поверхностных акустических волнах (ПАВ), как известно, ограничивается частотным диапазоном до 3 ГГц, что связано с технологическими сложностями изготовления встречно-штыревых систем, служащих для возбуждения и приема ПАВ в пьезокристаллах.

Современный этап развития СВЧ акустоэлектроники связан с появлением новых технологий, позволяющих выращивать тонкопленочные пьезокристалли-ческие материалы, обладающие малыми акустическими потерями и высокими пьезоэлектрическими свойствами. К таким новым перспективным тонкопленочным материалам, прежде всего, относится нитрид алюминия (AIN), имеющий высокий коэффициент электромеханической связи (к2), малые акустические потери, а также достаточно высокую скорость распространения продольных объемных акустических волн («11 км/сек). Новые технологии выращивания тонкопленочных структур (0001)Л/Аг уже сейчас позволяют создать акустоэлектронные компоненты, работающие в диапазоне рабочих частот от 2 до 30 ГГц, что совсем недавно казалось нереальным. К таким пассивным электронным компонентам прежде всего относятся СВЧ тонкопленочные акустоэлектронные резонаторы (FBAR, Film Bulk Acoustic Resonator), фильтры на их основе, а также акустоэлектронные микросенсоры физических и механических величин.

Эксплуатационные параметры подобных устройств во многом определяются характеристиками электроакустических волн (ЭАВ) различного типа, распространяющихся в многослойных тонкопленочных пьезокристаллических структурах различных конфигураций.

Одной из актуальных задач в современной СВЧ акустоэлектронике является задача исследования и анализа волновых акустических процессов, происходящих в многослойных тонкопленочных структурах сложной конфигурации, включающих кроме пьезоэлектрического слоя также тонкие металлические и диэлектрические слои, необходимые при создании акустоэлектронного устройства. При этом в такой многослойной тонкопленочной структуре возможно существо-

вание множества различных типов акустических волн, которые могут быть как рабочими типами волны в конкретном устройстве, так и паразитными колебаниями, ухудшающими параметры разрабатываемого акустоэлектронного устройства.

Общая задача о распространении объемных ЭАВ в многослойной тонкопленочной пьезоструктуре требует решения волновых уравнений пьезоакустики в каждом слое и корректного сшивания граничных условий на границе каждого слоя. В настоящее время хорошо зарекомендовавшей методикой расчета параметров акустических волн является одномерная методика Новотного - Бенеша, позволяющая анализировать волновые акустические процессы в многослойных тонкопленочных структурах в одномерном приближении. Использование данной методики позволяет анализировать только свойства продольных объемных акустических волн (ПОАВ), распространяющихся в направлении, перпендикулярном поверхности многослойной пьезокристаллической структуре.

В то же время, в такой структуре существуют условия для распространения других типов ЭАВ, таких как сдвиговые (поперечные) объемные акустические волны, волны Рэлея - Лэмба и т.д., которые могут быть рабочими при проектировании СВЧ тонкопленочных акустоэлектронных компонентов, и паразитными колебаниями, ухудшающими параметры СВЧ акустоэлектронных резонаторов и фильтров на их основе.

Создание СВЧ тонкопленочных акустоэлектронных устройств с "оптимальными" характеристиками, расширение возможности их применения в различных диапазонах длин ЭАВ приводят к необходимости исследования волновых процессов, происходящих в области многослойных тонкопленочных пье-зокристаллических средах. Это в свою очередь связано с использованием 3-Б пакетов автоматизированных прикладных программ (например, программного пакета АИБУБ МиШрЬувкв) на основе метода конечных элементов (МКЭ), позволяющих эффективно решать задачи с минимальными затратами компьютерного времени.

Поиск конструкций СВЧ тонкопленочных акустоэлектронных устройств в З-О размерности с лучшими техническими характеристиками, связан прежде всего с анализом всех типов акустических волн, способных распространяться в многослойной тонкопленочной пьезокристаллической структуре.

Одномерная теория данную задачу решить не может, требуется моделирование, анализ и решение волновых уравнений пьезоакустики в 3-0 размерности.

Таким образом, задача З-О моделирования волновых процессов в многослойных тонкопленочных пьезоструктурах и анализа параметров акустических волн различного типа в таких структурах несомненно является в настоящий момент особенно актуальной.

Цель работы

В соответствии с изложенным выше, целями диссертационной работы являются теоретическое исследование и анализ волновых акустических процессов в многослойных тонкопленочных пьезокристаллических структурах на основе 3-D моделирования и решения волновых уравнений пьезоакустики методом конечных элементов в среде ANSYS, а также численный анализ и оптимизация параметров СВЧ тонкопленочных акустоэлектронных резонаторов (FBAR-резонаторов) на основе многослойных тонкопленочных структур, включающих пьезослой из нитрида алюминия AIN, работающих в гигагерцовом диапазоне частот.

При этом поставленные цели требуют дальнейшего развития численных методов 3-D моделирования граничных задач пьезоакустики в многослойных тонкопленочных пьезокристаллических структурах методом конечных элементов.

Для достижения поставленной цели необходимо было решить следующие задачи:

1. Обоснование методики 3-D моделирования многослойных акустоэлектронных резонаторов.

2. Расчет основных параметров и поиск наилучшей конструкции СВЧ тонкопленочных акустоэлектронных резонаторов различного типа (резонаторов мембранного типа, резонаторов с акустическим отражателем) при помощи 3-D моделирования.

3. Сравнение полученных теоретических результатов с результатами эксперимента.

Научная новизна работы:

1. Численным расчетом получены основные параметры СВЧ тонкопленочных акустоэлектронных резонаторов, работающих в гигагерцовом диапазоне частот, включая СВЧ тонкопленочные одночастотные акустоэлектронные резонаторы мембранного типа и СВЧ тонкопленочные акустоэлектронные резонаторы с акустическим отражателем.

2. Численным и натурным экспериментом показано, что асимметричный акустический отражатель в SMR-BAW резонаторе эффективно отражает сдвиговые колебания, существующие в структуре, по сравнению с акустическим отражателем брэгговского типа, что приводит к увеличению максимальной добротности резонатора.

3. Путем численных и натурных экспериментов исследованы параметры БЫК-БАХУ резонаторов с различной конфигурацией верхнего электрода, включая конфигурацию электродов в виде компланарной линии передачи, и найдены конструкционные решения, позволяющие существенно снизить паразитные волновые процессы (сдвиговые колебания), существующие в структуре.

4. Разработаны макеты СВЧ акустоэлектронных тонкопленочных резонаторов различных типов.

Теоретическая и практическая значимость работы

Теоретическая значимость работы заключается в результатах сравнительного анализа методов расчета и моделей акустоэлектронных резонаторов, и выявление наиболее эффективного способа теоретического расчета основных параметров устройства, а также теоретически и экспериментально подтверждена допустимость применения З-Б МКЭ моделирования для расчета основных параметров акустоэлектронных резонаторов.

Практическая значимость работы состоит в теоретическом и экспериментальном исследовании конструкций тонкопленочных акустоэлектронных резонаторов на ОАВ, а также влияния различных конструкционных решений на основные параметры устройства. Полученные результаты имеют общефизический интерес, т.к. расширяют известные представления о волновых процессах распространения ЭАВ различного типа в многослойных тонкопленочных пьезокри-сталлических средах. Знание физических свойств различных типов ЭАВ и их роли при конструировании РВАЯ-резонаторов позволит разработчикам радиоэлектронной аппаратуры осуществить целенаправленный выбор конструкции с целью создания СВЧ акустоэлектронных устройств с оптимизированными техническими характеристиками, работающих в диапазоне частот 2 — 30 ГГц.

Апробация работы и публикации

По теме диссертации опубликовано 19 работ, в том числе 4 статьи в рецензируемых журналах ВАК.

Результаты диссертационной работы представлялись на XVII международной научно-технической конференции "Радиолокация, навигация, связь" (г. Воронеж, 2011 г.), на конференциях "Электроника и микроэлектроника СВЧ" (г. Санкт-Петербург, 2011 и 2013 гг.), на XXIV и XXV сессиях Российского акустического общества (РАО) (г. Саратов, 2011 г. иг. Таганрог, 2012 г.). Доклады на сессиях РАО были отмечены дипломами.

Различные технические решения, эффективность которых доказана с помощью теоретических и экспериментальных исследований, были использованы в ряде научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ:

6

- рассчитанная с помощью МКЭ конструкция мембраны была применена в научно-исследовательской работе "Исследование путей создания сверхчувствительных ПАВ-сенсоров механических и физических величин", шифр "Сенсор-НН", ФЦП "Развитие электронной компонентной базы";

- разработанная топология верхнего электрода была использована в научно-исследовательской работе "Разработка базовых конструкций и технологий создания акустоэлектронных РВА11-резонаторов на основе пьезоэлектрических пленок нитрида алюминия и нитрида галлия на кремниевых подложках", шифр 'ТВАЯ", ФЦП "Развитие электронной компонентной базы";

- улучшенная конструкция акустоэлектронного тонкопленочного резонатора была использована в опытно-конструкторской работе "Разработка базовой конструкции и технологии изготовления СВЧ одночастотных акустоэлектронных резонаторов на объемных акустических волнах на основе тонкопленочных пьезоструктур из нитрида алюминия для телекоммуникационных и навигационных систем", шифр "Резонатор-НН".

Работа выполнена частично в рамках гранта Правительства РФ для поддержки научных исследований, проводимых под руководством ведущих ученых в российских образовательных учреждениях высшего профессионального образования (Нижегородский государственный университет им. Н.И. Лобачевского, договор № 11.G34.31.0066).

Личный вклад

Автор принимал активное участие в теоретическом исследовании акустических процессов в различных акустоэлектронных устройствах, а также в исследовании влияния различных факторов на характеристики акустических волн с помощью различных теоретических методов. Участвовал в разработке тонкопленочных одночастотных акустоэлектронных резонаторов на продольных объемных акустических волнах различного типа. Занимался созданием 3-Б модели акустоэлектронного резонатора методом конечных элементов, расчетом и проектированием топологий верхнего электрода устройства. Автор провел теоретическое (с использованием 3-Э МКЭ модели и модифицированной схемы Бат-терворта - ван Дайка) и экспериментальное исследование влияния конструкции резонатора на основные параметры устройства.

Основные положения, выносимые на защиту:

1. гибридный метод расчета основных параметров СВЧ акустоэлектронного тонкопленочного резонатора с использованием З-О анализа волновых уравнений пьезоакустики;

2. способы улучшения конструкции СВЧ тонкопленочного одночастотного резонатора, работающего на продольных объемных акустических волнах;

3. методика корректировки 3-0 модели по результатам экспериментальных исследований.

Структура и объем диссертации

Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы, включающего 100 наименований. Общий объем диссертации составляет 149 страниц, из них основной текст — 131 страница.

Содержание работы

Во введении обосновывается актуальность исследований, проводимых в рамках данной диссертационной работы, ставятся задачи работы, формулируется цель, научная новизна и практическая значимость работы.

В первой главе приведен обзор акустических волн и процессов, которые могут возникать в многослойной тонкопленочной структуре, в том числе с пьезоэлектрическим слоем. Хотя многие типы волн, о которых идет речь в главе, уже известны довольно давно, в сложноструктурированной среде их возбуждение и распространение связано с некоторыми особенностями. Несмотря на обширную базу знаний про волны, распространяющиеся в полубесконечных и бесконечных средах, волны в многослойных структурах исследованы довольно мало. Основные типы волн, исследованию которых посвящена данная работа — это продольные и сдвиговые объемные волны (ПОАВ и СОАВ соответственно), а также волны Рэлея - Лэмба.

Хорошо зарекомендовавшей себя теорией для поиска параметров ОАВ в многослойных структурах является модифицированная теория Новотного -Бенеша. Единственное ограничение этой теории — одномерное приближение. Кроме того, эта теория позволяет получить параметры только объемных акустических волн в структуре, и не берет во внимание волны Рэлея - Лэмба, которые также могут возбуждаться в многослойной структуре.

Для комплексного анализа акустических процессов в многослойных структурах с нетривиальной геометрией применяется З-О моделирование с помощью метода конечных элементов (МКЭ). МКЭ позволяет получить распреде-

8

ление смещений и потенциала во внутренних точках структуры (узлах конечно-элементной сетки) в зависимости от граничных условий.

Исследования показали, что из изученных методов только метод конечных элементов (МКЭ) позволяет построить модель комплексного акустического процесса, происходящего в многослойных тонкопленочных структурах, которые используются в РВАЯ-устройствах, в 3-Б размерности с учетом поперечных размеров каждого слоя. Это свойство имеет очень важное практическое применение для расчета основных параметров СВЧ тонкопленочных акустоэлектронных резонаторов.

Во второй главе описываются наиболее распространенные методики расчета основных параметров тонкопленочных акустоэлектронных резонаторов на объемных акустических волнах, и проводится их сравнительный анализ.

Для теоретического расчета и моделирования РВАЯ-резонаторов существует несколько подходов: замена резонатора эквивалентной схемой (например схемой Батгерворта - ван Дайка (ВуЭ), модифицированной эквивалентной схемой (шВуО)), теория Новотного - Бенеша, метод конечных элементов.

Сравнительный анализ показал, что, в отличие от методики Новотного -Бенеша, метод конечных элементов позволяет провести 3-Б моделирование комплексных акустических процессов, происходящих в многослойной структуре. Это позволяет использовать его для численного расчета основных параметров акустоэлектронных резонаторов как мембранного типа, так и резонатора с акустическим отражателем, учитывая при этом другие, кроме ПОАВ, типы волн. Кроме того, в отличие от теории Новотного - Бенеша, МКЭ может быть использован для моделирования резонаторов на СОАВ и волнах Лэмба (принципиальная возможность этого показана, однако конкретные модели устройств данного типа рассмотрены не были).

Для проверки полученных с помощью МКЭ результатов проведено их сравнение с результатами, полученными с помощью теории Новотного - Бенеша. Для этого была рассчитана одна и та же конструкция резонатора. Однако при расчете методом МКЭ в модель были введены искусственные ограничения для того, чтобы добиться "одномерности". На рисунке 1 приведен график зависимости модуля проводимости резонатора |У| от частоты. В результате расчетов показано, что полученные разными методами резонансные частоты практически совпадают. Небольшая разница в результатах более чем приемлема, поскольку гораздо больший разброс результатов дают погрешность в материальных константах и технологическая погрешность при изготовлении.

Кроме того, чтобы убедиться, что 3-Э модель отображает именно комплексные процессы, было проведено сравнение 1-0 и 3-0 МКЭ моделей. Как и ожидалось, на графике рис. 2 |У(/)| видны паразитные резонансы, что в свою

очередь подтверждает возбуждение в модели других, кроме рабочей, типов волн.

¡и

Ом-1

0 3-

1 ■ ГГц

Рис. 1: График зависимости модуля проводимости |У| от частоты, рассчитанной с помощью теории Новотного-Бенеша (1) и с помощью МКЭ (2)

Ом' а:'0

( ГГц

Рис. 2: График зависимости модуля проводимости |У| от частоты, рассчитанной с помощью 1-Б (1) и З-Б (2) МКЭ модели

Таким образом, наиболее эффективным методом расчета тонкопленочных резонаторов является комбинированный метод, в котором с помощью З-Б МКЭ моделирования рассчитывается зависимость проводимости от частоты, и по этой зависимости находятся динамические параметры для гпВуБ. Такой подход позволяет учесть акустические свойства слоев, влияние формы и габаритных размеров резонатора, а также омические, емкостные и индуктивные составляющие конструкции.

В третьей главе рассмотрены некоторые способы улучшения конструкции для достижения наилучших значений основных параметров 8МЯ-ВА\У резонатора. К таким способам относятся:

1. модификация акустического отражателя в 8М11-ВА\У резонаторе;

2. подбор материалов для электродов резонатора и акустического отражателя;

3. подбор формы верхнего электрода.

З-Б МКЭ моделирование показало, что наиболее эффективный способ улучшения конструкции 8МК.-ВА\¥ резонатора — это замена четвертьволнового брэгговского отражателя на отражатель, толщины слоев стека которого вычисляются в зависимости от скорости ПОАВ и СОАВ в слоях структуры. Такая модификация акустического зеркала позволяет отражать не только ПОАВ, но и

СОАВ. Это позволяет сохранить акустическую энергию внутри пьезослоя и тем

10

самым повысить добротность резонатора. С помощью З-О МКЭ моделирования было проанализировано влияние модифицированного акустического отражателя и проведено сравнение характеристик модифицированного устройства (рис. 3) и резонатора с четвертьволновым отражателем (рис. 4). Расчеты показали, что в зависимости от конструкции такая модификация приводит к увеличению добротности резонатора от 5% до 50%.

а)

б)

Рис. 3: График распределения компонент смещения по толщине (координата X) резонатора с оптимизированным отражателем, а) — их, б) — иг

ЛОДег

а)

б)

Рис. 4: График распределения компонент смещения по толщине (координата Z) резонатора с четвертьволновым отражателем, а) — их, б) — uz

Однако у такой модификации есть и побочные эффекты. Поскольку сдвиговые волны не угасают в подложке, это приводит к появлению паразитных пиков проводимости и на частотах, отличающихся от частоты основного резонанса ПОАВ.

Для увеличения добротности важным моментом является подбор качественных материалов для электродов и контактных площадок. Как правило, акустическая добротность монокристаллического нитрида алюминия выше добротности материала для электродов. Поскольку распространение ПОАВ происходит как в AIN так и в электродах, то суммарная акустическая добротность конструкции будет лежать между добротностью AIN и металлом. Численные расчеты показали, что в зависимости от толщины контактов, резонансной частоты устройства и материала электрода, падение добротности может составлять

11

до 70% (рис. 5). Поэтому, с точки зрения акустической добротности, необходимо делать наиболее тонкие электроды. Однако при этом электроды представляют из себя тонкие металлические пленки, и поэтому омическое сопротивление электродов может доходить до десятков Ом. Численные расчеты показали, что увеличение сопротивления сигнального электрода приводит к падению добротности резонатора более чем в два раза. Причем чем больше рабочая частота устройства, тем больше ухудшается добротность.

О ^(ГГц)

^Mn'^AlN

Рис. 5: Зависимость добротности резонатора (левая вертикальная ось) от отношения толщины одного Mo электрода (оба электрода одинаковы по толщине) к толщине слоя AIN.

Здесь же показана зависимость резонансной частоты резонатора (правая вертикальная ось) от толщины электрода для фиксированной толщины слоя AIN, равной 1 мкм

Другим важным свойством одночастотного резонатора является отсутствие паразитных резонансов. Снизить влияние других типов волн можно за счет модификации формы верхнего электрода. С помощью численных расчетов с использованием 3-D МКЭ модели показано, что если электроды полностью покрывают пьезоэлектрическую часть резонатора, то энергия акустических волн локализуется в активной области устройства. Это приводит к увеличению добротности устройства и препятствует возникновению паразитных резонансных пиков. Однако такой вариант конструкции сложно осуществим с технологической точки зрения, поэтому чаще всего электроды покрывают лишь часть пьезопленки. Наибольшее влияние паразитные акустические волны оказывают только тогда, когда стороны верхнего электрода оказываются параллельны краю резонатора. Изменяя форму электрода, можно снизить влияние СОАВ и волн Рэлея - Лэмба на характеристику резонатора. В работе рассматривается верхний электрод в виде пятиугольника. С помощью численного моделирования показа-

но, что такой электрод препятствует появлению интерференционных пиков и, тем самым, предотвращает появление паразитных резонансов.

Еще один способ локализации волн Рэлея - Лэмба в активной области — это формирование на границе верхнего электрода небольшой ступеньки. Численные расчеты показали, что такой подход препятствует распространению волн Лэмба за пределы электрода.

На рис. 6 показаны схемы распределения компоненты их смещения для электродов: квадратного (а), пятиугольного (б), и со ступенькой (в).

I . "" "

а) б) в)

Рис. 6: Схемы распределения компонент вектора смещения для резонатора с квадратным (а), пятиугольным (б), со ступенькой (в) электродов

В работе описана планарная технология формирования электродов. В этом случае нижний электрод выведен на верхнюю поверхность через емкость, важное значение имеет соотношение площадей поверхности активной области и контактной площадки нижнего электрода. Численные расчеты с использованием З-О МКЭ моделирования и эквивалентной схемы тВ\0 показали, что площадь активной области должна быть в несколько раз меньше площади контактной площадки нижнего электрода.

Для ограничения поперечных волн можно убрать (вытравить) пьезоплен-ку между контактной площадкой и активной областью. Это позволит избавиться от волн Лэмба.

Также в главе приведены примеры влияния технологических погрешностей на характеристику резонатора. В частности, с помощью З-О МКЭ модели показано, что отклонение плоскости верхнего электрода на 0,5° приводит к появлению многомодовости, а также к снижению добротности устройства на порядок.

Если первый слой модифицированного отражателя на 30% больше рассчитанного, появляются паразитные пики проводимости, а добротность устройства на частоте основного резонанса снижается вдвое.

В четвертой главе приведены результаты экспериментального анализа РВАЯ резонаторов. В рамках эксперимента были изготовлены макеты рассчи-

тайной с помощью 3-0 МКЭ модели конструкции тонкопленочных акустоэлек-тронных резонаторов на ПОАВ мембранного типа и резонатора с акустическим отражателем. С помощью измерительного стенда были замерены характеристики 5ц и Zll резонаторов. По этим характеристикам были определены основные параметры резонатора: резонансная частота, наличие паразитных пиков и добротность.

Эксперименты показали, что асимметричный акустический отражатель действительно позволяет увеличить добротность устройства. Полученная рабочая частота макета устройств практически совпадает с рассчитанной. Небольшая разница в резонансной частоте объясняется технологической погрешностью. Было показано, что совмещенный расчет с использованием З-О МКЭ модели и эквивалентной схемы шВуО позволяет точно рассчитать основные параметры устройства исходя из заданных характеристик. В главе показано применение модифицированной схемы гпВуО для экспериментального исследования макета.

В главе приведены результаты измерений для устройств, при изготовлении которых были допущены технологические неточности.

В заключении приводятся основные выводы и результаты диссертационной работы. В области теоретического расчета параметров тоикопленочных акустоэлектронных резонаторов показано:

- для решения волновых уравнений пьезоакустики, описывающих волновые процессы в тонкопленочных многослойных пьезоструктурах, метод конечных элементов допустимо использовать для З-О моделирования и анализа параметров СВЧ тонкопленочных акустоэлектронных резонаторов различных конструкций;

- теоретически показано и экспериментально подтверждено, что, в отличие от одномерной теории Новотного - Бенеша, З-О МКЭ модель тонко пленочного резонатора учитывает кроме продольных объемных акустических волн, которые являются рабочими в рассматриваемых устройствах, другие типы акустических волн, возбуждаемых в резонаторе, включая волны Рэ-лея - Лэмба и сдвиговые объемные акустические волны. Это позволяет модифицировать конструкцию тонкопленочного резонатора и достичь наилучших характеристик конечного устройства;

- показано, что метод конечных элементов можно использовать для получения комплексных параметров модифицированной схемы Баттерворта - ван Дайка. Такой двухэтапный метод позволяет учесть при расчете не только процессы, имеющие акустическую природу, но и омические потери контактных площадок, поверхностные и шунтирующие емкости конструкции,

индуктивность подводящих дорожек. Применение такого двухэтапного метода расчета основных параметров тонкопленочных резонаторов позволяет получить с помощью теоретического анализа характеристики, практически совпадающие с характеристиками устройства, полученными экспериментально.

В области разработки и создания многослойных тонкопленочных резонаторов использование З-Э моделирования с помощью МКЭ позволило получить ряд технических решений для достижения улучшенных характеристик устройств:

- теоретическое моделирование и экспериментальный анализ показали, что подбор акустического отражателя в 8МИ-БАХУ резонаторах позволяет снизить потери энергии за счет сохранения энергии сдвиговых акустических колебаний в активной области резонатора и, тем самым, повысить добротность <5 устройства. Однако при этом возрастают требования к точности технологии производства устройства. При значительном отклонении толщин слоев или материальных констант материалов слоев созданного устройства от рассчитанных теоретически, добротность устройства резко падает. При этом появляются ярко выраженные паразитные резонансы на частотах, отличающихся от рабочей. При использовании акустического отражателя брэгговского типа такого эффекта не наблюдается;

- моделирование показало, что варьирование формы и размеров электрода тонкопленочного резонатора на ПОАВ позволяет снизить уровень паразитных резонансов, вызванных переотражением СОАВ от края структуры устройства. Показано с помощью 3-Э моделирования МКЭ, что формирование "ступеньки" по краю верхнего электрода позволяет сохранить энергию колебаний волн Рэлея - Лэмба в активной области резонатора и, таким образом, повысить добротность;

- применение комбинированного анализа с использованием МКЭ модели и модифицированной эквивалентной схемы Баттерворта - ван Дайка позволило теоретически оценить влияние омических потерь в контактных площадках на характеристику резонатора. Теоретический анализ показал, что увеличение омического сопротивления подводящих дорожек всего на 1 Ом приводит к падению добротности на величину от 60% до 75% для различных частот, причем чем выше частота, тем сильнее падает добротность;

- с помощью теоретического моделирования была проанализирована конструкция акустоэлектронного резонатора с компланарной линией передачи в качестве верхнего электрода. Предварительный анализ показал, что

15

максимальное волновое сопротивление компланарной линии, которая используется в качестве верхнего электрода, не может превышать 38,3 Ом для такой конструкции;

- использование МКЭ моделирования позволило проанализировать и оценить влияние технологических погрешностей на основные параметры резонаторов различных конструкций. Это позволяет идентифицировать дефекты устройств при экспериментальных исследованиях.

В области создания и разработки акустоэлектронных устройств на ПОАВ:

- была разработана лабораторная технология создания макета акустоэлек-тронного резонатора на ПОАВ;

- с помощью МКЭ моделирования, модифицированной эквивалентной схемы mBvD была улучшена конструкция устройства. Использование пятиугольного электрода вместо квадратного позволило снизить паразитные ре-зонансы от переотражения сдвиговых акустических волн. Использование электродов из молибдена позволило увеличить добротность устройства по сравнению с электродами из алюминия. Использование асимметричного акустического отражателя позволило увеличить добротность устройства в среднем на 10%.

СПИСОК РАБОТ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

Из списка изданий, рекомендованных ВАК

1. Двоешерстов М.Ю., Орлов И.Я., Босов С.И. Акселерометр на поверхностных акустических волнах // Датчики и системы, № 12, с. 10-14, 2011 г.

2. Беляев A.B., Двоешерстов М.Ю., Босов С.И., Коршунов С.Е. Технология изготовления акустоэлектронных SMR-BAW резонаторов на основе гетеро-эпитаксиальных структур AIN/GaN/Si( 111) // Проектирование и технология электронных средств, № 2, с. 13-18, 2013 г.

3. Двоешерстов М.Ю., Чередник В.И., Босов С.И., Орлов И.Я., Руденко О.В. Численный и экспериментальный анализ параметров акустоэлектронного тонкопленочного СВЧ резонатора // Акустический журнал, т. 59, № 5, с. 569-577, 2013 г.

Dvoesherstov M.Yu., Cherednik V.l., Bosov S.I., Orlov I.Ya., Rudenko O.V. Numerical and Experimental Analysis of the Parameters of an Electroacoustic Thin Film Microwave Resonator // Acoustical Physics, v. 59, № 5, p. 513-520, 2013.

4. Босов С.И., Двоешерстов М.Ю., Леонтьев Н.В. МКЭ моделирование FBAR-резонаторов // Вестник Нижегородского государственного университета им. Н.И. Лобачевского, № 1, с. 63-69, 2014 г.

Труды международных и всероссийских конференций

5. Двоешерстов М.Ю., Чередник В.И., Босов С.И. Моделирование многослойных резонаторов на объемных акустических волнах // Труды XVII Международной научно-технической конференции "Радиолокация, навигация, связь", с. 3228, г. Воронеж, 2011 г.

6. Коршунов С.Е., Двоешерстов М.Ю., Жуков Д.В., Босов С.И. Измерение S-параметров FBAR-резонаторов // Труды научно-технической конференции "Пассивные электронные компоненты-2011", с. 198-206, г. Н. Новгород, 2011 г.

7. Беляев A.B., Двоешерстов М.Ю., Борцова Е.В., Денисова A.B., Сидо-рин А.П., Коршунов С.Е., Босов С.И. Лабораторная технология изготовления макетов FBAR-резонаторов мембранного и брэгговского типов на базе гетероэпитаксиальных структур AlN/GaN/Si(lll) // Труды научно-технической конференции "Пассивные электронные компоненты-2011", с. 84-91, г. Н. Новгород, 2011 г.

8. Двоешерстов М.Ю., Босов С.И. Методика лазерного испарения А1203 и SiC II Труды научно-технической конференции "Пассивные электронные компоненты-2011", г. Н. Новгород, 2011 г.

9. Двоешерстов М.Ю., Чередник В.И., Босов С.И. Численное моделирование многослойных тонкопленочных акустоэлектронных СВЧ резонаторов // Труды научно-технической конференции "Пассивные электронные компоненты-2011", с. 164-179, г. Н. Новгород, 2011 г.

10. Двоешерстов М.Ю., Чередник В.И., Босов С.И. Численный расчет акселерометра мембранного типа // Труды научно-технической конференции "Пассивные электронные компоненты-2011", с. 180-185, г. Н. Новгород, 2011 г.

11. Двоешерстов М.Ю., Чередник В.И., Босов С.И. Расчет и проектирование СВЧ тонкопленочных акустоэлектронных резонаторов на нитриде алюминия // "Электроника 'и микроэлектроника СВЧ-2011", ЛЭТИ, г. С.Петербург, 2011 г.

12. Двоешерстов М.Ю., Чередник В.И., Босов С.И. Расчет и конструирование СВЧ тонкопленочных резонаторов брэгговского типа на объемных акусти-

ческих волнах // XXIV сессия Российского акустического общества, с. 255251, г. Саратов, 2011 г.

13. Босов С.И., Леонтьев Н.В., Двоешерстов М.Ю. ЗО-моделирование РВАЯ резонаторов // XXV сессия Российского акустического общества, с. 273, г. Таганрог, 2012 г.

14. Босов С.И., Леонтьев Н.В., Двоешерстов М.Ю. МКЭ-моделирование СВЧ тонкопленочных многослойных акустоэлектронных резонаторов на объемных акустических волнах // Труды НТК "Электроника и микроэлектроника СВЧ-2013", с. 48-54, г. Н. Новгород, 2013 г.

15. Двоешерстов М.Ю., Чередник В.И., Босов С.И., Коршунов С.Е. Технология формирования полосковых фильтров на основе БМИ-ВАХУ резонаторов // Труды НТК "Электроника и микроэлектроника СВЧ-2013", г. Н. Новгород, 2013 г.

16. Двоешерстов М.Ю., Чередник В.И., Босов С.И. МКЭ моделирование тонкопленочных резонаторов, изготовленных на основе пьезопленок (ООО 1 )А1Ы // Труды НТК "Современные проблемы радиотехники и телекоммуникаций РТ-2013", г. Севастополь, 2013 г.

17. Двоешерстов М.Ю., Чередник В.И., Босов С.И. СВЧ акустоэлектронные компоненты. Перспективы развития. // Первая Российско-белорусская НТК "Элементная база отечественной радиоэлектроники", г. Н. Новгород, 2013 г.

Оглавление диссертации

Список сокращений 5

Введение 6

Глава 1. Акустические волны в многослойных тонкопленоч- 15 ных пьезокристаллических структурах

Введение 15

1.1 Типы акустических волн, распространяющихся в многослой- 16 ных тонкопленочных пьезокристаллических структурах

1.2 Методики моделирования волновых процессов в тонкопленоч- 20 ных пьезоструктурах ;

1.2.1 Основные волновые уравнения пьезоакустики 20

1.2.2 Численный расчет параметров ОАВ, распространяющихся 24 в многослойных тонкопленочных пьезоэлектрических структурах (методика Новотного - Бенеша) I

1.2.3 Численный расчет параметров электроакустических волн 34 Лэмба (методика Фарнелла - Джонса)

1.2.4 Метод конечных элементов для решения уравнений пьезоаку- 37 стики в 3-0 представлении

Выводы 43

Глава 2. Расчет основных параметров СВЧ тонкопленочных 44 акустоэлектронных резонаторов

Введение 44

2.1 Основные параметры акустоэлектронных резонаторов 44

2.2 Методики и алгоритмы расчета основных параметров акусто- 49 электронных резонаторов

2.2.1 Модель Баттерворта - ван Дайка 50

2.2.2 Одномерная модель Новотного - Бенеша 56

2.2.3 Метод конечных элементов для З-О моделирования и расчета 60 основных параметров тонкопленочных резонаторов

2.3 Численное тестирование конечно-элементной модели акусто- 65 электронного резонатора

Выводы 75

Глава 3. Некоторые возможности улучшения основных пара- 77 метров тонкопленочных акустоэлектронных резонаторов

Введение 77

3.1 Физические и конструктивные факторы, влияющие на доброт- 78 ность акустоэлектронных резонаторов

3.2 Влияние материала электродов на добротность 80

3.3 Особенности характеристик резонаторов с акустическим отра- 84 жателем

3.4 Влияние формы и размеров электродов на основные характе- 90 ристики акустоэлектронных резонаторов

3.5 Особенности планарной конструкции тонкопленочного резона- 94 тора

3.6 Влияние технологических погрешностей на основные парамет- 105 ры акустоэлектронных резонаторов

Выводы 108

Глава 4. Экспериментальный анализ параметров синтезиро- 110 ванных тонкопленочных резонаторов и сравнение с теоретическими расчетами

Введение 110

4.1 Технология изготовления экспериментального образца 110

4.2 Экспериментальный стенд и методика измерения основных па- 116 раметров устройства

4.3 Результаты измерений акустоэлектронных резонаторов и срав- 119 нение их с результатами численного моделирования

4.3.1 FBAR резонатор мембранного типа 119

4.3.2 SMR-BAW резонатор 119

4.3.3 Экспериментальное сравнение SMR-BAW резонатора с сим- 124 метричным и асимметричным акустическими отражателями

4.3.4 Технологические погрешности 126 Выводы 127 Заключение 129 Список литературы 132 А Материальные константы 142 В Типы и конструкции тонкопленочных акустоэлектронных 144 резонаторов

Подписано в печать 17.04.2014 г. Формат 60x84 1/16. Бумага офсетная. Печать цифровая. Усл. печ. л. 1. Заказ № 222. Тираж 100 экз.

Отпечатано с готового оригинал-макета в типографии ННГУ им. Н.И. Лобачевского. 603000, г. Нижний Новгород, ул. Б. Покровская, 37

Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Нижегородский государственный университет им. Н.И. Лобачевского"

На правах рукописи

Босов Сергей Иванович

0420145967ч

3-Б МОДЕЛИРОВАНИЕ ТОНКОПЛЕНОЧНЫХ АКУСТОЭЛЕКТРОННЫХ СВЧ РЕЗОНАТОРОВ НА ОСНОВЕ НИТРИДА АЛЮМИНИЯ

Специальности 01.04.03 — Радиофизика 01.04.06 — Акустика

Диссертация на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Научные руководители: д.т.н.; проф. Орлов Игорь Яковлевич к.ф.-м.н.

Двоешерстов Михаил Юрьевич

Нижний Новгород - 2014

Содержание

Введение.................................... 6

1 Акустические волны в многослойных тонкопленочных пьезо-кристаллических структурах...................... 15

Введение.................................. 15

1.1 Типы акустических волн, распространяющихся в многослойных тонкопленочных пьезокристаллических структурах....... 16

1.2 Методики моделирования волновых процессов в тонкопленочных пьезоструктурах......................... 20

1.2.1 Основные волновые уравнения пьезоакустики...... 20

1.2.2 Численный расчет параметров ОАВ, распространяющихся в многослойных тонкопленочных пьезоэлектрических структурах (методика Новотного - Бенеша) ... 24

1.2.3 Численный расчет параметров электроакустических волн Лэмба (методика Фарнелла - Джонса)........ 34

1.2.4 Метод конечных элементов для решения уравнений пьезоакустики в 3-Б представлении.............. 37

Выводы................................... 43

2 Расчет основных параметров СВЧ тонкопленочных акустоэлек-тронных резонаторов......................................................44

Введение....................................................................44

2.1 Основные параметры акустоэлектронных резонаторов............44

2.2 Методики и алгоритмы расчета основных параметров акустоэлектронных резонаторов............................................49

2.2.1 Модель Баттерворта - ван Дайка............................50

2.2.2 Одномерная модель Новотного - Бенеша..................56

2.2.3 Метод конечных элементов для 3-D моделирования и расчета основных параметров тонкопленочных резонаторов ............................. 60

2.3 Численное тестирование конечно-элементной модели акусто-

электронного резонатора...................... 65

Выводы................................... 75

3 Некоторые возможности улучшения основных параметров тонкопленочных акустоэлектронных резонаторов........... 77

Введение.................................. 77

3.1 Физические и конструктивные факторы, влияющие на добротность акустоэлектронных резонаторов............... 78

3.2 Влияние материала электродов на добротность.......... 80

3.3 Особенности характеристик резонаторов с акустическим отражателем ................................ 84

3.4 Влияние формы и размеров электродов на основные характеристики акустоэлектронных резонаторов............... 90

3.5 Особенности планарной конструкции тонкопленочного резонатора .................................. 94

3.6 Влияние технологических погрешностей на основные параметры акустоэлектронных резонаторов................ 105

Выводы................................... 108

4 Экспериментальный анализ параметров синтезированных тонкопленочных резонаторов и сравнение с теоретическими расчетами ..................................... 110

Введение.................................. 110

4.1 Технология изготовления экспериментального образца..... 110

4.2 Экспериментальный стенд и методика измерения основных параметров устройства......................... 116

4.3 Результаты измерений акустоэлектронных резонаторов и сравнение их с результатами численного моделирования....... 119

4.3.1 FBAR резонатор мембранного типа............ 119

4.3.2 SMR-BAW резонатор.................... 120

4.3.3 Экспериментальное сравнение 8М11-ВА\¥ резонатора с симметричным и асимметричным акустическими отражателями ......................................................124

4.3.4 Технологические погрешности..............................126

Выводы......................................................................127

Заключение..................................129

Список литература..............................132

А Материальные константы .......................142

В Типы и конструкции тонкопленочных акустоэлектронных резонаторов ...................................144

Список сокращений

ОАВ — Объемные акустические волны

ПОАВ — Продольные объемные акустические волны

СОАВ — Сдвиговые объемные акустические волны

ППОАВ —Приповерхностные объемные акустические волны

ПАВ — Поверхностные акустические волны

ОПАВ — Обобщенные поверхностные акустические волны

ВПАВ — Вытекающие поверхностные акустические волны

ППАВ — Псевдоповерхностные акустические волны

МКЭ — Метод конечных элементов

КЭ — Конечный элемент

ЭАВ — Электроакустические волны

ВШП — Встречно-штыревой преобразователь

ВСППАВ — Высокоскоростные псевдоповерхностные акустические

волны

ТКЧ — Температурный коэффициент частоты FBAR — Film Bulk Acoustic Resonator

SMR-BAW — Solidly Mounted Resonator - Bulk Acoustic Waves BvD — эквивалентная схема Баттерворта - ван Дайка mBvD — модифицированная схема Баттерворта - ван Дайка

ВВЕДЕНИЕ

Акустоэлектронные устройства — принципиально незаменимые базовые элементы всех перспективных систем и средств связи, навигации, радиолокации, мониторинга, робототехники. Они позволяют обеспечить обработку сложных сигналов в реальном масштабе времени при высокой чувствительности, широком динамическом диапазоне, высокой помехозащищенности. Акустоэлектронные устройства нового поколения позволяют осваивать более высокочастотные диапазоны, обладают низким энергопотреблением, отличаются уникально малыми массогабаритными характеристиками и невысокой стоимостью.

В настоящее время акустоэлектронные устройства (резонаторы, фильтры, линии задержки и т.д.) используются практически во всех областях радиоэлектроники, в частности, в системах мобильной и сотовой связи, аппаратуре передачи и обработки информации (подвижные, спутниковые, тропосферные и радиорелейные линии связи, спутниковое, кабельное, цифровое, сотовое телевидение и телевидение высокой четкости, аналоговые и цифровые абонентские станции системы связи в стандартах CDMA, TDMA, WDMA, система ГЛОНАСС). Кроме того, акустоэлектронные устройства нашли широкое применение в микросистемной технике в качестве основы для микроминиатюрных акустоэлектронных сенсоров различного назначения: сенсоры физических величин (температура, давление, деформация, ускорение, напряжение и т.д.), газовые сенсоры, анализаторы жидкости, биосенсоры и т.д.

Как известно [1,2], принцип работы традиционных кварцевых резонаторов (фильтров) основан на использовании объемных акустических волн (ОАВ), распространяющихся в объеме пьезокристалла. При этом их рабочий частотный диапазон ограничивается сотнями мегагерц, т.к. для увеличения рабочей частоты необходимо уменьшать толщину объемного кварца до единиц микрометров, что технологически сделать очень трудно.

В диапазоне частот от десятков мегагерц до двух гигагерц в подавляющем большинстве акустоэлектронных устройств используются различные виды поверхностных акустических волн (ПАВ), распространяющихся вблизи поверхности пьезокристалла. Амплитуда колебаний ПАВ затухает до нуля в глубине пьезокристалла на расстоянии порядка длины акустической волны Л

от поверхности. Как известно [3-6], для возбуждения и приема ПАВ на поверхности пьезокристалла используют встречно-штыревые преобразователи (ВШП), представляющие из себя систему вложенных друг в друга металлических электродов с периодом Р — А/2, где А — длина акустической волны. Рабочая частота (/ = v/X = v/2Р, где v — скорость ПАВ) устройств на ПАВ определяется величиной скорости волны, а также периодом Р электродов ВШП. Как правило, скорость ПАВ имеет величину 3000 — 4000 м/с. Для повышения рабочей частоты устройств на ПАВ необходимо уменьшать период Р электродов ВШП. Технологические ограничения фотолитографического процесса формирования ВШП не позволяют уменьшить его период до величины менее 0,5 мкм. При скорости поверхностной акустической волны порядка 3000 м/с это соответствует рабочей частоте около 3 ГГц [7]. Несколько повысить рабочую частоту можно за счет использования псевдоповерхностной акустической волны, скорость которой выше, чем скорость ПАВ (4000 — 5000 м/с). Кардинальное повышение рабочей частоты таких устройств выше обусловленного технологией предела невозможно [8].

Тем не менее системы, использующие технологию беспроводной связи, уже сейчас работают на частотах радиоканала в диапазоне 0,43 — 2,4 ГГц. К таким сетям относятся прежде всего сети GSM-900 с частотой 890 — 960 МГц, GSM-1800 с частотой 1710 - 1880 МГц [9], сети Wi-Fi стандартов 802.1 lb/g, Bluetooth с рабочей частотой 2,4 ГГц [ 10] и т.д. В ближайшей перспективе системы широкополосной связи освоят диапазон 5,155 — 6,425 ГГц (например, стандарты 802.16d/e предусматривают беспроводные WiMax сети с рабочими частотами 1,5 — 13,6 ГГц [10]), в среднесрочной перспективе — диапазон свыше 10 ГГц. Специальные системы, такие как радиолокация, средства радиоэлектронной борьбы, уже сейчас работают на частотах свыше 10 ГГц.

Для селекции и стабилизации частот таких систем требуются акусто-электронные компоненты, обеспечивающие работу в заданном СВЧ диапазоне частот и возможность их интеграции с полупроводниковыми структурами в одной микросхеме.

Принципиально новые возможности существенного повышения рабочей частоты акустоэлектронных устройств открываются в связи с возможностью выращивания тонких пленок со структурой анизотропного кристалла, обладающего пьезоэлектрическими свойствами. В частности, таковыми свой-

ствами обладает пленка нитрида алюминия (АШ). Скорость продольной объемной акустической волны (ПОАВ) в нитриде алюминия достигает величины около 11 км/с, что при толщине пленки в 0,5 мкм соответствует частоте И ГГц. Учитывая, что толщина пленки может быть меньше 0,5 мкм, рабочая частота может быть еще выше. Необходимо отметить, что свой вклад в понижение частоты дает конечная толщина электродов, но даже с учетом этого обстоятельства рабочая частота тонкопленочного резонатора на объемных волнах может достигать величины, превышающей 20 ГГц, что совершенно недостижимо для устройств на поверхностных волнах.

Для разработки СВЧ акустоэлектронных устройств принципиально необходимо использовать многослойные тонкопленочные пьезокристалличе-ские структуры, толщина которых сравнима с длиной акустической волны.

В последнее время освоены технологии выращивания тонкопленочных пьезоструктур на основе нитрида алюминия, окиси цинка и других материалов, имеющих толщины от 0,05 до 2 мкм. На основе таких структур появилась возможность создавать СВЧ акустоэлектронные компоненты, работающие в диапазоне рабочих частот от 2 до 30 ГГц. К таким компонентам прежде всего относятся СВЧ акустоэлектронные резонаторы (фильтры) на основе ориентированных тонкопленочных пьезоструктур из нитрида алюминия, выращенного на подложках из кремния. При этом в качестве рабочей акустической волны может быть использована продольная объемная акустическая волна (ПОАВ).

Самая простая конструкция СВЧ тонкопленочного акустоэлектронно-го резонатора состоит из двух электродов, между которыми находится тонкий пьезокристаллический слой. Центральная частота резонатора определяется толщиной пьезослоя и скоростью акустической волны. В первом приближении центральная рабочая частота тонкопленочного резонатора оценивается из простейшего соотношения / = у/(21г), где V — скорость продольной объемной акустической волны (ПОАВ) вдоль направления, перпендикулярного поверхности пьезоактивного слоя из (0001) АШ (у « 11 км/с), к — толщина слоя. В качестве примера, на рис. 1 показаны диапазоны рабочих частот СВЧ тонкопленочных акустоэлектронных резонаторов в зависимости от толщин пье-зоактивной пленки АШ и металлических электродов. Из рисунка видно, что для реализации СВЧ диапазона рабочих частот вплоть до 28 ГГц необходимо

100 150

Толщина AIN (нм)

Рисунок 1 : Диапазоны рабочих частот СВЧ тонкопленочных акустоэлектронных резонаторов в зависимости от толщин пьезоактивной пленки AIN и металлических электродов

использовать очень тонкие пленки как нитрида алюминия, так и электродов резонатора.

В одночастотных резонаторах для выделения резонансной частоты необходимо акустически изолировать тонкопленочную структуру от подложки. Такая изоляция может быть выполнена двумя способами. Первый — создание под структурой воздушного зазора. Такой резонатор называется тонкопленочным резонатором мембранного типа (английская аббревиатура — FBAR, Film Bulk Acoustic Resonator). Другой способ заключается в использовании структуры, смонтированной на подложке, в которой между резонатором и подложкой помещается акустический отражатель, служащий для изоляции акустических колебаний вне рабочей области резонатора (английская аббревиатура SMR-BAW — Solidly Mounted Resonator - Bulk Acoustic Wave).

Несмотря на то, что основным типом акустической волны в таких устройствах является продольная объемная акустическая волна (ПОАВ), в структуре резонатора принципиально возбуждается целый набор акустических волн различного типа. К таким волнам относятся сдвиговые объемные акустические волны (СОАВ), волны Рэлея - Лэмба и т.д., возбуждающиеся в многослойной тонкопленочной структуре, служащей основой резонатора. Такие волны часто оказывают негативное влияние на характеристики СВЧ акустоэлектронных устройств, поэтому важной задачей является исследование и анализ волновых процессов, происходящих в многослойных тонкопленочных

(толщина каждого слоя меньше длины акустической волны) пьезокристалли-ческих структурах.

Акустические волны различного вида, распространяющиеся в многослойных тонкопленочных пьезокристаллических структурах, изучены лишь частично. Сложность исследования свойств таких волн связана с тем, что анизотропия свойств кристалла, а также множество слоев в структуре не позволяют провести анализ параметров таких акустических волн в общем виде. Требуется привлечение численных методов расчета.

Таким образом, в настоящий момент задача анализа и численного моделирования волновых процессов, происходящих в многослойных тонкопленочных структурах, несомненно остается актуальной в акустоэлектронике.

Численное 3-D моделирование волновых процессов и анализ электроакустических волн различного типа, распространяющихся в таких многослойных структурах, приведет к созданию новых классов микроминиатюрных аку-стоэлектронных устройств, имеющих оптимальные характеристики.

Для моделирования и теоретического анализа волновых процессов, возникающих в таких структурах, со сложными граничными условиями необходим подбор математических теорий и методов моделирования и адаптация их под новые усложненные требования.

Цель работы

В соответствии с изложенным выше, целями диссертационной работы являются теоретическое исследование и анализ волновых акустических процессов в многослойных тонкопленочных пьезокристаллических структурах на основе 3-D моделирования и решения волновых уравнений пьезоакусти-ки методом конечных элементов в среде ANS YS, а также численный анализ и оптимизация параметров СВЧ тонкопленочных акустоэлектронных резонаторов (FBAR-резонаторов) на основе многослойных тонкопленочных структур, включающих пьезослой из нитрида алюминия AIN, работающих в гигагерцовом диапазоне частот.

При этом поставленные цели требуют дальнейшего развития численных методов 3-D моделирования граничных задач пьезоакустики в многослойных тонкопленочных пьезокристаллических структурах методом конечных элементов.

Для достижения поставленной цели необходимо было решить следующие задачи:

1. Обоснование методики 3-0 моделирования многослойных акустоэлек-тронных резонаторов.

2. Расчет основных параметров и поиск наилучшей конструкции СВЧ тонкопленочных акустоэлектронных резонаторов различного типа (резонаторов мембранного типа, резонаторов с акустическим отражателем) при помощи 3-Б моделирования.

3. Сравнение полученных теоретических результатов с результатами эксперимента.

Научная новизна работы:

1. Численным расчетом получены основные параметры СВЧ тонкопленочных акустоэлектронных резонаторов, работающих в гигагерцовом диапазоне частот, включая СВЧ тонкопленочные одночастотные акустоэлек-тронные резонаторы мембранного типа и СВЧ тонкопленочные акусто-электронные резонаторы с акустическим отражателем.

2. Численным и натурным экспериментом показано, что асимметричный акустический отражатель в 8М11-ВА\У резонаторе эффективно отражает сдвиговые колебания, существующие в структуре, по сравнению с акустическим отражателем брэгговского типа, что приводит к увеличению максимальной добротности резонатора.

3. Путем численных и натурных экспериментов исследованы параметры 8М11-ВА\\Г резонаторов с различной конфигурацией верхнего электрода, включая конфигурацию электродов в виде компланарной линии передачи, и найдены конструкционные решения, позволяющие существенно снизить паразитные волновые процессы (сдвиговые колебания), существующие в структуре.

4. Разработаны макеты СВЧ акуст