Учебное пособие 495

ФГБОУ ВПО «Воронежский государственный технический университет»

Кафедра радиоэлектронных устройств и систем

ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ ПОДТРАВА, ОШИБОК УГЛОВОЙ ОРИЕНТАЦИИ И ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ ИЗГОТОВЛЕНИЯ НА ЧАСТОТНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ФИЛЬТРОВ И РЕЗОНАТОРОВ

МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ

к выполнению лабораторных работ № 3, 4 по курсу «Технология изготовления полосовых и режекторных фильтров с использованием ПАВ и MEMS-структур» для студентов направления 211000.68 «Конструирование и технология электронных средств» (магистерская программа подготовки «Информационные технологии проектирования электронных средств, выполненных по субмикронной технологии») очной формы обучения

Воронеж 2014

2. ДОМАШНИЕ ЗАДАНИЯ И МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ ПО ИХ ВЫПОЛНЕНИЮ

Задание № 1. Изучить влияние дифракции на частотные характеристики фильтров на поверхностных акустических волнах и их связь с основными параметрами. В заготовку отчета занести основные расчетные соотношения.

Методические указания по выполнению первого задания

При выполнении задания изучить материал [1, с. 148-162; 2, c. 256-264]. При проработке материала следует учитывать, что аналогично дифракции света в оптических структурах наблюдается дифракция ПАВ, излученных преобразователем конечной апертуры (рис.1). Дифракция приводит к расхождению пучка ПАВ и потере части энергии акустических волн. Следствием дифракционных эффектов служит рост вносимых потерь АЭУ. Наибольшее влияние на характеристики устройств имеет дифракция в аподизованных преобразователях (преобразователях с изменением величины перекрытия электродов в пределах преобразователя). Поскольку монокристаллы анизотропны, т. е. характеристики акустических волн зависят от выбранного направления распространения, то картина дифракции в них существенно усложняется по сравнению с изотропными средами. Различные изменения скорости ПАВ при изменениях направления приводят к уменьшению или увеличению расходимости акустического пучка по сравнению с изотропной средой. Уменьшение расходимости называется эффектом автоколлимации. В большинстве случаев этот эффект является желательным явлением в АЭУ. Автоколлимация важна для устройств с протяженными электродными структурами и для линий задержки с большим временем задержки, так как приводит к уменьшению дифракционных потерь. Степень дифракции для каждого

2

конкретного пьезоэлектрического материала фиксирована. В монокристаллах дифракционное расширение акустических пучков оценивается параметром анизотропии γ. Величина и знак γ определяют степень дифракции поверхностных волн. В изотропной среде γ = 0; при γ > 0 дифракционные потери больше, чем в изотропной среде, при γ < 0 потери меньше, чем в изотропной среде.

Если γ = –1, в анизотропной среде наблюдается автоколлимация, при которой расширение акустического пучка минимальное или отсутствует. С точки зрения дифракционных эффектов идеальным является материал со значением γблизким к –1 /2/. В табл. 2 приведены значения параметра анизотропии γ для некоторых материалов.

Рис. 1. Дифракция пучка ПАВ, излученных ВШП

Кроме расширения акустического пучка изменяются и профили интенсивности акустических волн по мере удаления от излучателя (рис. 2). По аналогии с классической оптикой можно ввести безразмерный параметр – параметр Френеля.

F 4 D/W02 ,

3

где – длина волны; D – расстояние от преобразователя до точки наблюдения; W0 – апертура преобразователя. Значение

F < 1 соответствует зоне Френеля (или ближней зоне). В этой зоне наблюдается четко выраженный акустический луч, энергия которого сосредоточена в полосе, «освещаемой» апертурой преобразователя.

Рис. 2. Схематическое представление профилей ПАВ, распространяющихся по монокристаллической подложке

Значение F > 1 соответствует зоне Фраунгофера (или дальней зоне), в которой акустический луч «разваливается». Очевидно, что для того чтобы вся акустическая энергия, излученная входным преобразователем, была принята выходным, преобразователи должны быть расположены в ближней зоне друг относительно друга.

4

Это, в свою очередь, позволяет повысить воспроизводимость мелких деталей структур фильтров. Качество поверхности звукопровода не только определяет разрешающую способность при формировании структур фильтров посредством фотолитографии, но и существенно влияет на затухания ПАВ, особенно в пьезокерамических материалах, имеющих пористую структуру. Толщина звукопровода выбирается около 20 ПАВ для уменьшения влияния объемных волн.

Далее производят очистку и металлизацию звукопроводов.

Независимо от выбранного метода последующего формирования встречно-штыревых структур преобразователей, на поверхность звукопроводов должно быть нанесено проводящее покрытие , к которому предъявляются требования минимального электрического сопротивления, высокой адгезии, однородности по структуре, составу, толщине, отсутствия проколов, наплывов, царапин, коррозионной стойкости, хорошей растворимости в травителе, технологичности, стабильности основных физико-химических свойств пленки от партии к партии. Дополнительными требованиями являются: малое различие акустических сопротивлений материала металлизации Zм и звукопровода Zз, низкая удельная плотность во избежание сильных отражений и слабые дисперсионные свойства.

Для получения хорошей адгезии и воспроизводимости электрофизических свойств нанесенных металлических пленок поверхность звукопровода должна быть хорошо очищена, причем способ очистки в большей степени зависит от метода последующей металлизации. Процедуру очистки можно разделить на этапы предварительной и окончательной очистки. Способ предварительной очистки зависит от характера загрязнений и химических свойств подложки. Основными загрязнениями обычно являются следы масел, жира, отпечатки пальцев, пушинки, разнообразные пылевые частицы.

6

Последовательность операций предварительной очистки может изменяться в широких пределах, а для окончательной, наоборот, должна оставаться неизменной. Химическая окончательная очистка предусматривает ультразвуковую мойку в горячей воде с растворенным в ней моющим средством, а затем длительное промывание в горячей воде наивысшей достижимой чистоты. Наиболее широко при изготовлении фильтров ПАВ используются алюминий, серебро, золото, иногда медь с защитой никелем. Учитывая, что алюминий не дорогой и позволяет получить сравнительно низкое сопротивление пленочных проводников, в фильтрах ПАВ как со звукопроводами из кварца, так и ниобата лития, наиболее часто используется алюминиевое покрытие. Медное или золотое покрытие с подслоем хрома хорошо сочетается с германатом висмута.

С целью получения хорошей электропроводности при незначительных дисперсионных искажениях и для надежности присоединения золотых проводников, например, методом сварки со сдвоенным электродом толщину пленки контактных шин следует выбирать в пределах 250…300 нм. Толщина электродов ВШП может быть уменьшена до 100…200 нм. Для улучшения адгезии алюминия целесообразно использовать подслой ванадия толщиной 30 нм, что позволяет обойтись одним травителем и проводить только одноэтапную фотолитографию.

Для осаждения пленок из алюминия, меди, золота, серебра наиболее часто используется термовакуумное напыление.

Применение электронно-лучевого испарения из тигля этих материалов, например алюминия, позволяет существенно улучшить адгезию к поверхности звукопровода и отказаться от адгезионного подслоя. Катодное и магнетронное распыление также используется для получения пленок тугоплавких металлов и диэлектриков. Химическое осаждение применяется, главным образом, для металлизации крупногабаритных звукопроводов длиной свыше 100…180

7

мм. При термовакуумном напылении, например, алюминия на ниобат лития или кварц, очищенные звукопроводы сначала прогреваются при температуре 250 ±10°С в течение 10 ±1 мин для удаления мономолекулярных загрязнений, а также для снятия механических напряжений и выравнивания потенциального рельефа поверхности. Для большинства пьезокерамик недопустим перегрев выше 100…430 °С. После этого звукопроводы охлаждаются до температуры 130 ±10 °С с

Задание № 3. Изучить методы изготовления встречноштыревых структур фильтров на поверхностных акустических волнах. В заготовку отчета занести процесс контактной фотолитографии и его влияние на параметры фильтров.

Методические указания по выполнению третьего задания

При выполнении задания изучить материал [1, с. 153157]. При проработке материала следует учитывать, что технология изготовления структур фильтров ПАВ сводится к формированию заданной конфигурации металлических электродов и контактных шин. Для наиболее освоенного диапазона частот от 15 до 900 МГц ширина электродов колеблется от 1 до 50 мкм для одиночных штырей и от 0.8 до 25 мкм для расщепленных штырей; длина электродов составляет 1…10 мм, а общее количество электродов изменяется от 20 – 100 до 400 − 600. Число преобразователей, размещенных на одном звукопроводе, может достигать шести. Общее поле, занимаемое встречно-штыревыми структурами, составляет от 1× 1 мм2 до 30 × 100 мм2. При этом к качеству структур ВШП предъявляются весьма жесткие требования. Для большинства фильтров (особенно широкополосных) практически не допускаются обрывы электродов, наиболее опасные в области центрального лепестка встречно-штыревой

8