Введение к работе
Актуальность проблемы
Уровень развития технологии изготовления слоёв различных материалов толщиной от нескольких нанометров до десятков микрометров во многом определяет эффективность производства существующих и успешное создание новых приборов твердотельной микро- и наноэлектроники [1, 2]. Для достижения высокой степени совершенства слоистых структур и, в частности, структур на основе нанометровых пленок, необходимо использовать высокоточные методы измерений электрофизических параметров диэлектрических и полупроводниковых материалов и структур, металлических пленок.
Достоинством бесконтактных методов, к которым относятся СВЧ-методы, является возможность проводить измерения, не разрушая материал и не изменяя его свойства [3, 4]. СВЧ-методы являются оптимальными при использовании исследуемых материалов и структур в приборах полупроводниковой СВЧ-электроники, поскольку исследования, например, с помощью зондовых методов могут давать недостаточно информации для конструирования именно СВЧ-устройств с заданными характеристиками.
При отработке технологии создания слоистых структур на основе нанометровых пленок, используемых в микро-, акусто- и оптоэлектронике, важно точно измерить физические параметры и толщины диэлектрических, полупроводниковых и металлических слоёв по завершении технологического цикла. Такие измерения желательно производить, не разрушая структуру, например, с использованием СВЧ-излучения [5].
Для определения электрофизических параметров и толщины диэлектрических и полупроводниковых материалов и структур, нанометровых металлических пленок можно использовать результаты измерений спектров отражения и прохождения взаимодействующего с ними СВЧ-излучения при условии, что известно их теоретическое описание. Нахождение электрофизических параметров слоистых структур по спектрам отражения и прохождения электромагнитной волны связано с необходимостью решать обратную задачу [6].
Интенсивное развитие нанотехнологий стимулировало разработку и создание нового класса периодических структур, получивших название фотонных кристаллов. Эти структуры состоят из периодически расположенных составляющих, размеры которых сравнимы с длиной волны распространяющегося в них электромагнитного излучения. В спектре пропускания таких структур имеется частотная область, запрещенная для распространения электромагнитной волны – аналог запрещенной зоны в кристаллах. При наличии нарушений в периодичности слоистой структуры в запрещенной зоне фотонного кристалла могут возникать узкие «окна» прозрачности [7].
В СВЧ-диапазоне одномерный фотонный кристалл может быть реализован как с помощью волноводов с диэлектрическим заполнением, так и планарных линий передачи с периодически изменяющейся структурой [8].
Использование фотонного кристалла, с одной стороны, обеспечивает изменение коэффициента отражения от значений, близких к нулю, до значений, близких к единице, в измеряемом диапазоне частот, чем достигается расширение диапазона измеряемых толщин и класса исследуемых материалов, с другой стороны, обеспечивает возможность проведения измерений в выбранном частотном диапазоне.
В связи с этим являются актуальными проведение исследований особенностей взаимодействия электромагнитного излучения сверхвысокочастотного диапазона с одномерными волноводными фотонными кристаллами, установление возможности расширения диапазона и повышения достоверности измерений электрофизических параметров и толщин тонких нанометровых металлических пленок, слоев диэлектрических и полупроводниковых материалов, включенных в состав одномерных волноводных фотонных кристаллов в качестве нарушений периодичности слоистой структуры, по спектрам отражения и прохождения взаимодействующего с ними излучения сверхвысокочастотного диапазона длин волн.
Цель диссертационной работы: исследование особенностей взаимодействия электромагнитного излучения сверхвысокочастотного диапазона с одномерными волноводными фотонными кристаллами, содержащими неоднородности в виде нанометровых металлических плёнок, слоёв диэлектрических и полупроводниковых материалов, и проведение на этой основе экспериментального и теоретического обоснования возможности измерений их параметров в широком диапазоне значений.
Для достижения поставленной цели были решены следующие задачи:
-
Разработка модели, которая позволяет адекватно описать взаимодействие электромагнитного излучения СВЧ-диапазона с многослойными структурами, представляющими собой одномерные волноводные фотонные кристаллы, содержащие неоднородности в виде нанометровых металлических плёнок, слоёв диэлектрических и полупроводниковых материалов;
-
Разработка метода решения обратной задачи: определения параметров металлических, полупроводниковых и диэлектрических слоев в многослойных структурах, представляющих собой одномерные волноводные фотонные кристаллы, по спектрам отражения и прохождения взаимодействующего с ними электромагнитного излучения;
-
Экспериментальная реализация методов измерения электропроводности, толщины и диэлектрической проницаемости слоев в многослойных структурах, представляющих собой одномерные волноводные фотонные кристаллы, в широком диапазоне изменения параметров слоев по спектрам отражения и прохождения взаимодействующего с ними электромагнитного излучения.
Новизна исследований, проведенных в ходе диссертационной работы, состоит в следующем:
-
Описано появление в запрещенной зоне волноводного фотонного кристалла «донорных» или «акцепторных» окон прозрачности, расположенных вблизи верхней или нижней частотных границ запрещенной зоны, соответственно, при нарушении периодичности в виде изменения толщины или диэлектрической проницаемости одного из слоёв одномерного волноводного фотонного кристалла.
-
Показано, что для достижения минимальной величины коэффициента отражения от одномерного волноводного фотонного кристалла на центральной частоте окна прозрачности при фиксированном числе слоев необходимо создание нарушения периодичности в центре волноводного фотонного кристалла.
-
Разработано теоретическое обоснование возможности измерения параметров диэлектрических материалов, а также слоистых структур металл-полупроводник, металл-диэлектрик, входящих в состав одномерных волноводных фотонных кристаллов, в широком диапазоне изменения их параметров по спектрам отражения и прохождения взаимодействующего с фотонными кристаллами сверхвысокочастотного излучения.
-
Установлено, что расширение диапазона толщин металлических пленок (до нескольких тысяч нанометров), входящих в состав фотонной структуры, в котором коэффициент отражения от фотонной структуры не достигает насыщения, обеспечивается увеличением диэлектрической проницаемости слоев волноводного фотонного кристалла.
-
Экспериментально реализованы методы измерения электропроводности, толщины и диэлектрической проницаемости слоистых структур, входящих в состав одномерных волноводных фотонных кристаллов, по спектрам отражения и прохождения взаимодействующего с ними электромагнитного излучения.
Достоверность результатов диссертации обеспечивается качественным и количественным соответствием выводов теории основным результатам, полученным экспериментально, строгостью используемых математических моделей, корректностью упрощающих допущений, сходимостью вычислительных процессов к искомым решениям, выполнимостью предельных переходов к известным решениям. Достоверность экспериментальных результатов обеспечена применением стандартной измерительной аппаратуры, обработкой экспериментальных данных с использованием стандартных методов.
Практическая значимость полученных результатов заключается в следующем:
-
Реализован метод компьютерного моделирования спектров отражения и прохождения одномерных волноводных фотонных структур СВЧ-диапазона, содержащих неоднородности в виде нанометровых металлических плёнок, слоёв диэлектрических и полупроводниковых материалов.
-
Разработаны методы измерения параметров металлических плёнок, слоёв диэлектрических и полупроводниковых материалов с использованием одномерных волноводных фотонных кристаллов в широком диапазоне изменения параметров исследуемых структур по спектрам отражения и прохождения СВЧ-излучения, взаимодействующего с системой «волноводный фотонный кристалл — измеряемая структура» » (патент РФ RU 2326368 C1 на изобретение «Способ измерения электрофизических параметров структуры «нанометровая металлическая пленка – полупроводниковая или диэлектрическая подложка»).
-
Разработана программная и аппаратная реализация методов измерения электропроводности, толщины и диэлектрической проницаемости слоев в структурах «металл-полупроводник», «металл-диэлектрик», диэлектрической проницаемости диэлектрических материалов, входящих в состав одномерных волноводных фотонных кристаллов, по спектрам отражения и прохождения взаимодействующего с ними электромагнитного излучения.
-
Результаты диссертационной работы использованы в МИЭТ (ТУ), г. Москва, МАИ, г. Москва, ОАО «НИИ «Феррит-Домен», г. Санкт-Петербург, ОАО «НПК «ТРИСТАН», г. Москва при создании компьютерного комплекса для измерения толщины микро- и нанометровых пленок.
Основные положения, выносимые на защиту:
-
Создание в одномерном волноводном фотонном кристалле нарушений периодичности в виде изменения толщины или диэлектрической проницаемости одного из слоёв в запрещенной зоне волноводного фотонного кристалла приводит к появлению «донорных» или «акцепторных» окон прозрачности, расположенных вблизи верхней или нижней частотных границ запрещенной зоны, соответственно.
-
Минимальная величина коэффициента отражения от одномерного волноводного фотонного кристалла на центральной частоте окна прозрачности при фиксированном числе слоев достигается при создании нарушения периодичности в центре волноводного фотонного кристалла.
-
Чувствительность коэффициента отражения электромагнитного излучения к изменению величины диэлектрической проницаемости слоя, создающего дополнительное нарушение периодичности фотонного кристалла, зависит от толщины слоя неоднородности.
-
При увеличении диэлектрической проницаемости слоев волноводного фотонного кристалла расширяется диапазон толщин металлических пленок с фиксированной электропроводностью, входящих в состав фотонной структуры, в котором коэффициент отражения от фотонной структуры не достигает насыщения.
-
По измеренным частотным зависимостям коэффициента отражения электромагнитного излучения от волноводных фотонных кристаллов при наличии нарушения периодичности измеряемого образца в результате решения обратной задачи при известных параметрах периодически чередующихся слоев возможно определение диэлектрической проницаемости диэлектриков, электропроводности или толщины нанометровых металлических слоёв на диэлектрических или полупроводниковых подложках.
Апробация работы:
Основные результаты диссертационной работы доложены на:
Международном Форуме по нанотехнологиям. Москва, 3–5 декабря 2008 г.
38th European Microwave Conference. Amsterdam, the Netherlands. 27–31st October 2008.
VII Международной научно-технической конференции «Физика и технические приложения волновых процессов». Самара, 15–21 сентября 2008 г.
I Международной казахстанско-российско-японской научной конференции и VI российско-японском семинаре. Усть-Каменогорск, 24–25 июня 2008 г.
17th International Conference on Microwaves, Radar and Wireless Communications. Poland, Wroclaw, May 19-21, 2008 г.
37th European Microwave Conference. Munich, Germany. 8–12th October 2007 г.
17-й Международной Крымской конференции «СВЧ-техника и телекоммуникационные технологии». Севастополь, Крым. Украина. 10-14сент.2007 г.
VI Международной научно-технической конференции «Физика и технические приложения волновых процессов». Казань. 17 – 21 сентября 2007 г.
V российско-японском семинаре «Оборудование, технологии и аналитические системы для материаловедения, микро- и наноэлектроники». Саратов, июнь 2007 г.
Исследования выполнялись в рамках Федеральной целевой программы «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 2007-2012 годы ГК № 02.513.11.3058, задания Федерального агентства по образованию № государственной регистрации НИР: 0120.0 603189, контракта № 4000-С/08 по научно-технической программе Союзного государства, № государственной регистрации 01200705158.
Публикации. По материалам диссертации опубликовано 12 работ, в том числе 2 статьи в журналах, рекомендованных ВАК; 9 работ опубликованы в сборниках конференций, 1 патент РФ на изобретение.
Личный вклад автора выразился в участии в проведении всего объема экспериментальных работ, в создании теоретических моделей, описывающих результаты экспериментов, проведении компьютерного моделирования и анализе полученных результатов.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех разделов, заключения и списка использованной литературы. Работа изложена на 147 страницах, содержит 62 рисунка, список использованной литературы включает 244 наименования.
