Учебное пособие 670

ФГБОУ ВПО «Воронежский государственный технический университет»

Кафедра радиоэлектронных устройств и систем

ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ФАКТОРОВ НА ПАРАМЕТРЫ ФИЛЬТРОВ

НА ПОВЕРХНОСТНЫХ АКУСТИЧЕСКИХ ВОЛНАХ

МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ

к выполнению лабораторных работ № 1, 2 по курсу «Технология изготовления полосовых и режекторных фильтров с использованием ПАВ и MEMS-структур»

для студентов направления 211000.68 «Конструирование и технология электронных средств» (программа магистерской подготовки «Информационные технологии проектирования электронных средств, выполненных по субмикронной технологии») очной формы обучения

Воронеж 2014

2. Домашнее задание и методические указания по их выполнению

Задание № 1. Изучить пьезоэлектрические материалы и их срезы, используемые в качестве материала звукопровода фильтров на поверхностных акустических волнах. В заготовку отчета занести наиболее распространенные типы срезов для кварца и ниобата лития.

Методические указания по выполнению первого задания

При выполнении задания изучить материал [1, с. 148-162; 2, c. 245-256]. При проработке материала следует учитывать, что пьезоэлектрические материалы, используемые для акустоэлектронных устройств, можно разделить на три группы: синтетические монокристаллы, пьезоэлектрические керамические материалы, тонкие моно или поликристаллические пленки. Для монокристаллов характерно высокое постоянство всех материальных констант, обусловленное совершенной кристаллической структурой. Монокристаллы очень мало подвержены эффектам старения. Однако монокристаллы дорогие и имеют небольшие размеры. Пьезоэлектрические керамические материалы имеют поликристаллическую структуру, образованную хаотически ориентированными кристаллитами. Материальные константы пьезокерамики обладают значительной дисперсией, а пьезоэлектрические свойства проявляются только после поляризации за счет упорядочивания структуры материала. Со временем возможно проявление деполяризационных процессов, приводящих к изменениям пьезоэлектрических и других свойств. Пьезокерамика значительно больше, по сравнению с монокристаллами, подвержена эффектам старения. Достоинствами пьезокерамики служит меньшая стоимость и большие размеры подложек. Компромиссное положение между достоинствами и недостатками монокристаллов и пьезокерамики занимают так называемые

2

слоистые структуры, обычно представляющие собой тонкие пленки, нанесенные на поверхность подложки. Тонкие моно или поликристаллические пьезоэлектрические пленки могут наноситься на пьезоэлектрическую или непьезоэлектрическую подложку. Структура пленок, их физические свойства и стабильность параметров связаны с технологией получения пленок. Несмотря на возможность управления параметрами акустических волн в таких структурах, акустоэлектронные устройства (АУЭ) с применением пленок не получили широкого распространения. Это связано, прежде всего, с трудностями теоретического исследования распространения волн в слоистых средах и технологическими сложностями при изготовлении таких устройств. Особое внимание уделено активно исследуемым в последнее время перспективным кварцеподобным кристаллам (таким, как лангасит, ланганит, лангатат и др.). Поскольку пьезоэлектрические материалы, обычно применяемые в качестве подложек АЭУ, существенно анизотропны, то необходимо указывать не только сам материал, но и выбранный срез и направление распространения акустических волн. В отличие от изотропных материалов, в анизотропных материалах существует зависимость свойств среды от направления. В АЭУ чаще используются различные синтетические монокристаллы. Характеристики распространения волн зависят не только от вида кристалла, но и от выбранного кристаллографического среза (т. е. ориентации плоскости, в которой распространяется волна, по отношению к граням кристалла) и направления распространения волн. В литературе можно встретить несколько способов обозначения срезов кристаллов и направления распространения волн, и возможны некоторые трудности с идентификацией материалов. Поэтому целесообразно рассмотреть возможные обозначения. Для обозначения срезов монокристаллов применяется система декартовых координат, привязанная к идеализированным кристаллам. В самом простом случае срез (называемый стандартным) может совпадать с плоскостью, определяемой двумя осями координат, и может быть задан с помощью одной

3

буквы X, Y или Z (например, Y-срез – это срез, выполненный в плоскости XZ, нормаль к которой совпадает с осью Y). Направление распространения волн может указываться отдельно. В общем случае могут использоваться так называемые повернутые срезы. Для обозначения нестандартных срезов может указываться только один угол поворота относительно одной из кристаллографических осей /6/. Например, повернутый на угол 1280 Y срез ниобата лития с на правлением распространения волны вдоль оси X часто обозначается как 1280 YX-LiNbO3. Это значит, что срез выполнен в плоскости, повернутой на 1280 относительно стандартного Y-среза вокруг оси X. Повернутый на 1120 X-срез танталата лития , обозначается часто как X1120Y LiTaO3 – это означает, что выбранное направление распространения волн в X-срезе повернуто вокруг оси X на угол 1120, отсчитанный от оси Y. Универсальным способом задания среза монокристалла и направления распространения волны является применение так называемых углов Эйлера (Ф, ψ, θ). На рис. 1, а, б изображена правая система координат (X, Y, Z) для определения углов Эйлера и пластина, вырезанная в плоскости XY. Нормаль к пластине совпадает с осью Z. Пусть волна распространяется вдоль направления N. На рис. 1, а волна распространяется в плоскости XY в направлении, совпадающем с осью X1. Первый угол Эйлера – Ф определяет угол между осью X и направлением распространения волны N. В этом случае срез обозначается как (Ф, 0, 00 ) и называется неповернутым или стандартным срезом. Если срез выполнен в плоскости X Y, нормаль к которой (Z1 ) имеет угол и к оси Z (рис. 1, б), то говорят о повернутом срезе. При этом если волна

углами Эйлера (Ф, ψ, θ) и называется двухповоротным срезом .

4

Z-срез (Ф,0, 00 ), Y-срез (00 ,ψ , 00 ), X -срез (900 , ψ , 900).

Рис. 2. YZ-срез ниобата лития

Углы и задаются на стадии изготовления подложки, от точности их задания зависят характеристики устройства и его стоимость. В нашей стране для идентификации подложек из монокристаллов в виде прямоугольных пластин используется еще одно условное обозначение. Вводится понятие «первоначальная ориентация кристаллического элемента». За первоначальную ориентацию принято такое расположение прямоугольной пластины монокристалла, при котором все ее грани (ребра) параллельны координатным осям. Условное обозначение первоначальной ориентации состоит из двух букв, соответствующих обозначениям осей, при этом первая буква соответствует той оси, параллельно которой расположена толщина пластины (s), вторая – параллельно которой расположена длина пластины (l). За толщину пластины принимают ее наименьший размер, за длину – наибольший. В качестве примера на рис. 4, а, б, в приведены три из шести возможных (XY-_, YZ-, ZY-_, XZ-, YX-_, ZX-срез)

первоначальных ориентации пластин. Любая ориентация среза монокристалла может совпадать с его первоначальной ориентацией или может быть получена из нее путем поворотов вокруг ребер пластины.

6