ОГЛАВЛЕНИЕ
ВВЕДЕНИЕ...............................................................5
Глава 1. Обзор литературы по методам исследования
отражении ПАВ .............................................10
1.1. Некоторые свойства поверхностных акустических волн (ПАВ) 10
1.2. Лазерные методы исследования акустоэлектронных устройств
на ПАВ.....................................................11
1.2.1. Метод прямого зондирования.......................................................13
1.2.2. Метод ножевой диафрагмы................................... 14
1.2.3. Гетеродинные методы..........................:............. 16
1.2.4. Метод оптического зондирования с использованием
опорных дифракционных решеток (ОДР)........................16
1.3. Исследования отражений ПАВ..................................18
1.3.1. Экспериментальные исследования отражений ПАВ от
неоднородностей............................................18
1.3.2. Экспериментальные исследования отражений ПАВ от угла
клина......................................................24
1.3.3. О некоторых результатах теоретических исследований
отражений ПАВ от>гла клина.................................35
1.3.4. Исследование отражений ПАВ от периодических структур........37
1.3.5. Общие выводы по обзору литературы...........................42
Глава 2. Теоретический анализ сигналов в схеме лазерного
зондирования ПАВ с ОДР с учетом влияния вторичных отражении ПАВ от возбудителя ПАВ...........................43
2.1. Модель, описывающая формирование сигнала....................43
2.2. Методика измерений коэффициентов отражения ПАВ на основе использования зависимостей амплитуды полезного сигнала от перемещения звуколровода. Компьютерные расчеты.
Ошибки из-за влияния третьей волны.........................51
2.3.
2.4.
2.5
Глава 3.
3.1.
3.1.1.
3.1.2.
3.1.3.
3.2
3.3.
3.3.1.
3.3.2.
3.3.3. 3.4.
.>
Фазовые измерения и возможность их применения
для определения коэффициента отражения.........................60
Методика измерения коэффициента отражения с использованием детектирования сигнала на удвоенной частоте (методика,
альтертивная методика с использованием ОДР) ..................68
Основные результаты исследований, представленных в главе 2......................................................77
Экспериментальные исследования отражений ПАВ методом
лазерного зондирования........................................79
Экспериментальная установка, настройка и методика измерений..79
Настройка установки...........................................80
Методика измерений............................................82
Технология изготовления рельефных тонкопленочных
элементов методом фотолитографии..............................84
Измерение толщин тонких металлических пленок с
помощью лазерного зондирования................................88
Практическая отработка методики измерений отражений
ПАВ с использованием лазерного зондирования с ОДР.............95
Экспериментальные исследования зависимостей амплитуды и фазы сигнала на выходе ЛЗ при перемещении звукопровода вдоль оси Ох при наличии отраженной волны от края подложки...95 Экспериментальные исследования зависимостей разности фаз между сигналом с выхода оптического канала ЛЗ и опорным
сигналом от продольного перемещения подложки...................97
Исследование зависимости коэффициента отражения от частоты
при отражении от края подложки (9 = 90°).......................99
Экспериментальные измерения зависимости коэффициента отражения от края подложки при различных углах клина..........106
I I
3.5. Экспериментальные измерения коэффициента отражения от
периодических структур......................................112
3.5.1. Результаты измерений отражений от периодических
структур с периодом равным длине волны.....................114
3.5.2. Результаты измерений отражений от периодических
структур с периодом равным половине длины волны............120
Заключение.............................................................124
Список литературы......................................................125
Приложение.............................................................132
ВВЕДЕНИЕ
Поверхностные акустические волны (ПАВ), широко используются в технике, в частности в таких ее областях как радиоэлектроника, телевидение и связь. Устройства на ПАВ применяются для обработки, усиления и генерирования радиосигналов. Широкое применение в* технике находят поверхностные волны Рэлея. Измерению свойств ПАВ, теоретическому и экспериментальному исследованию характеристик их распространения, отражения, излучения уделялось в последние десятилетия большое внимание.
При исследовании ПАВ и разработке устройств на ПАВ важны характеристики волн, такие как скорость распространения, затухание, изменение скорости при нанесении различных слоев на поверхность подложки, величина отражения от краев и препятствий, распределение амплитуд и фаз волнового поля на поверхности распространения волн. Весьма важна и актуальна при этом задача разработки и усовершенствования экспериментальных методов исследования свойств ПАВ и методик измерения их характеристик.
Для экспериментального исследования распределений акустических полей успешно применяются методы лазерного зондирования, которые позволяют проводить бесконтактные, невозмущащис измерения. Известны различные варианты практической реализации лазерного зондирования. Простое лазерное зондирование, основанное на измерении мощности излучения в первых порядках дифракционной картины, полученной в результате взаимодействия зондирующего лазерного пучка с ПАВ, позволяет измерять амплитудные распределения при довольно малых амплитудах ПАВ, порядка 10'1 - КГ2 А [1,2]. Методы, использующие принцип оптического гетеродинирования, имеют еще более высокую чувствительность, порядка 10'3 А [2, 7], и позволяют проводить как амплитудные, так и фазовые измерения ПАВ, однако сложности при экспериментальной реализации препятствуют их широкому использованию.
Метод лазерного зондирования ПАВ с применением опорной дифракционной решётки (ОДР), используемый в настоящей работе, был предложен и разра-
ботан на кафедре радиофизики РУДН в 1980 - 1990 г. и описан в ряде статей [13 — 20]. Этот метод сочетает высокую чувствительность гетеродинных методов с простотой экспериментальной реализации, стабильностью и надежностью. Он позволяет проводить как амплитудные, так и фазовые измерения ПАВ и наиболее эффективен в диапазоне длин волн ПАВ от 200 до 20 мкм [48].
В настоящей диссертации ставится задача усовершенствования и развития методики экспериментального исследования отражений ПАВ с применением метода лазерного зондирования с ОДР. Следует отметить, что вопросу изучения отражений ПАВ, уделяется большое внимание. В научной литературе можно найти много работ, посвященных теоретическому анализу отражения ПАВ от края подложки, от канавок и других неоднородностей. Теоретический анализ отражений, даже для самых простых структур типа ступеньки или края подложки очень сложен. Точные решения нс найдены, а разработанные теории дают результаты, значительно отличающиеся друг от друга [35, 37 - 41]. Поэтому наряду с теоретическим исследованием отражений большой интерес представляют экспериментальные измерения. В литературе описаны экспериментальные исследования отражений ПАВ с использованием разных методик. В ряде работ исследования, проводились с использованием импульсных сигналов [23, 25, 29, 32, 33, 34, 43]. Этим методом измерялись коэффициенты отражения от края подложки при различных углах клина, отражения от канавок, ступенек и некоторых других объектов на подложках из различных материалов. Импульсный метод, однако, не позволяет проводить прямое измерение частотных характеристик отражающих структур ввиду того, что спектр импульсного сигнала широк. Были предложены и применялись на практике интерференционные методики измерения отражения с использованием трех преобразователей, а также двух преобразователей и лазерного дифракционного зондирования [27]. Однако и эти методики не дают возможности исследовать частотные характеристики узкополосных отражающих структур.
Методика измерений отражений с применением лазерного зондирования с
7
опорной дифракционной решеткой (ЛЗ с ОДР) была впервые описана в [46, 48].
Однако, в этих работах не было учтено влияния вторичных переотраже-
ний, которые искажают результаты измерений отражений. Характерным примером вторичных волн являются так называемая волна трехкратного про-
ПАВ. Эта волна складывается с прямой волной в некоторой фазе, которая зависит от частоты. В результате при измерениях коэффициента отражения волны от какой-либо неоднородности результаты измерений содержат дополнительные ошибки за счет влияния этой, так называемой «трехпроходной» волны. Поэтому одной из основных задач работы является нахождение условий, Г при которых ошибки измерений минимальны или находятся в допустимых пределах.
Целью настоящей работы является развитие методики измерений и изучение отражений ПАВ от различных структур с применением метода лазерного зондирования с ОДР, исследование стабильности измерений и обсуждение возможных способов уменьшения или устранения ошибок, вызванных различными факторами.
В настоящей работе были поставлены следующие задачи:
- Изучить различные методы измерений отражений ПАВ, их достоинства и * недостатки;
- Провести теоретический анализ измерения отражений методом ЛЗ с ОДР с учетом вторичных волн, вывести уточненные формулы для амплитуды и фа- • зы полезного сигнала и построить расчетные численные математические модели;
- Изготовить образцы и провести экспериментальные измерения на простых объектах типа однородного края подложки;
- Отработать методику измерений и определить степень влияния вторичных и всевозможных неучтенных в первом приближении факторов;
- Развить методику прямого измерения частотных характеристик отражения
хождения, которая образуется в результате пер*еотражения от возбудителя
от объектов с узкой полосой отражения, таких как периодические структуры, состоящие из многих элементарных отражающих полосок. Изготовить образцы многоэлементных отражающих структур и провести измерения их частотных характеристик.
Дальнейшее изложение материала диссертации »строится по следующему плану.
Глава 1 - обзорная. В ней приведен краткий обзор литературы, посвященный существующим методам оптического зондирования ПАВ. Затем рассмотрены результаты измерений отражений ПАВ от краев подложек с различными углами клина. Приведены некоторые сведения о теоретических результатах исследований отражений ПАВ от краев подложек, а также от периодических структур, образованных неоднородностями на поверхности подложки.
В главе 2 проведен теоретический анализ лазерного зондирования ПАВ по схеме с ОДР с учетом существования прямой, отраженной и переотраженной ПАВ. Получены выражения для расчета амплитуды и фазы сигнала на выходе канала лазерного зондирования, установлена связь этих характеристик с амплитудой и фазой ПАВ. На основе результатов анализа разработаны методики для определения модуля коэффициента отражения ПАВ по результатам амплитуд- ^ ных и фазовых измерений сигнала на частоте ПАВ в канале лазерного зондирования. Проведены компьютерные расчеты работы схемы зондирования и на этой основе даны количественные оценки влияния трехпроходных сигналов на точность измерений КСВ и коэффициента отражения ПАВ.
В дополнение к анализу методики измерения с использованием ОДР рассмотрен альтернативный метод измерения отражений с применением лазерного зондирования ПАВ по схеме без использования ОДР. В этом случае сигнал на выходе канала лазерного зондирования регистрируется на двойной частоте ПАВ. Показано, что метод измерения с использованием ОДР имеет ряд существенных преимуществ перед альтернативным методом.
В главе 3 изложены методика и результаты экспериментальных исследований отражений ПАВ. В частности описаны методики настройки, устранения помех и измерения отражений. Представлены результаты экспериментальных измерений зависимостей амплитуды и фазы сигнала на выходе канала лазерного зондирования от перемещения подложки или ОДР при наличии отражения от края подложки. Проведены экспериментальные измерения модуля коэффициента отражения от краев подложек с разными углами клина (от 55° до 90°) и получены зависимости модуля коэффициента отражения от угла клина отражающего края подложки. Представлены результаты измерений зависимостей модуля коэффициента отражения от частоты при отражении ПАВ от периодических структур на поверхности подложки из ниобата лития, состоящих из металлических полос с периодом, равным длине волны и с периодом, равным половине длины волны. Результаты измерений указывают на существование высокого уровня отражений в резонансной полосе частот.
В этой главе также представлена оригинальная методика экспериментальных измерений толщины тонких металлических пленок методом лазерного зондирования.
Основные результаты, полученные в данной диссертационной работе, опубликованы в 3 статьях и 7 трудах и тезисах конференций.
Глава 1. Обзор литературы по методам исследования
отражений ПАВ
1.1. Некоторые свойства поверхностных акустических волн (ПАВ)
Интерес к поверхностным волнам объясняется тем, что ПАВ обладают ря-
*»
дом уникальных особенностей — малая скорость распространения, доступность для внешних воздействий на волну на пути ее распространения, возможность возбуждения волн в пьезоэлектриках с малыми потерями [2]. Эти и другие достоинства ПАВ позволили исследователям и разработчикам создать ряд устройств, такие как: фильтры (полосовые, согласованные, дисперсионные), резонаторы, линии задержки, анализаторы спектра, которые по своим параметрам существенно превосходят аналоги, работающие на других физических принципах.
В ряде устройств на ПАВ (резонаторах, дисперсионных линиях задержки) применяются периодические структуры из элементов, расположенных на пути распространения волны. Эти структуры используются для того, чтобы управлять распространением волны: отражать волну с малыми потерями, рассеивать волны, превращать объемные волны в поверхностные и т. д. Эти операции, как правило, невыполнимы при помощи единичного локального элемента, и только большое число периодически (или квазпериодически) расположенных возмущений на поверхности звукопровода позволяет реализовать требуемое управление распространением волны.
Актуальной задачей является исследование распространения и отражения ПАВ и в частности разработка методик экспериментального исследования характеристик распространения и отражения волн.
Среди существующих методов измерения характеристик ПАВ наиболее перспективными являются методы зондирования с помощью лазеров, благодаря их универсальности, высокой чувствительности и относительной простоте [3]. Они позволяют наблюдать структуру волновых полей ПАВ без искажений, свойственных другим методам измерении.
1.2. Лазерные методы исследования акустоэлектронных устройств
на ПАВ
Лазерные методы исследования акустоэлектронных устройств на ПАВ основаны на анализе оптического излучения, рассеянного неоднородностями, вы-званными распространением ПАВ. Эти неоднородности могут быть: геометрическими, например, периодические возмущения формы поверхности, по которой распространяется ПАВ, неоднородностями среды, связанными с изменениями тензора диэлектрической проницаемости под действием деформаций и напряжений, вызванных волной.
Неоднородности оказывают на падающий свет действие, аналогичное фазовой дифракционной решетке, если световой пучок перекрывает несколько длин ПАВ. Поскольку эта решетка движется, частота света в первых дифракционных максимумах o)t и co.t сдвинута вследствие эффекта Доплера относительно частоты падающего света соо на величину, равную частоте ПАВ Q:
й)11=й)0±П (1.1)
Сдвиг по частоте вверх наблюдается для света, отклоненного в сторону распространения ПАВ, и вниз — для света, отклоненного в противоположную сторону.
Если диаметр зондирующего светового пятна меньше половины длины ПАВ [4], то взаимодействие света с ПАВ может рассматриваться как пространственно -г временная модуляция, которая обусловлена периодическим изменением нормальной компоненты смещения, а также периодическим отклонением направления луча света из-за изменения локального наклона поверхности [5].
В зависимости от геометрии области взаимодействия, существуют два вида дифракции света на акустических волнах: Рамана — Ната и Брэгга. Дифракция Рамана — Ната наблюдается при малой протяженности области взаимодействия света с акустической волной, в частности при зондировании ПАВ. Углы дифракции первых дифракционных порядков, составляют:
- Київ+380960830922