Правильная ссылка на эту страницу
http://az-design.ru/Support/HardWare/Siemens/D19830519Elc025.shtml

Наблюдение поверхностных акустических волн на растровом электронном микроскопе

УДК 621.37/39:534

Ганс-Петер Фоербаум (Hans-Peter Feuerbaum)
Фирма Siemens Central Research and Development (Мюнхен, ФРГ)

Ульрих Кнауэр (Ulrich Knauer)
Фирма Siemens Central Research and Development (Мюнхен, ФРГ)

Ганс-Петер Грассл (Hans-Peter Crassl)
Фирма Siemens Central Research and Development (Мюнхен, ФРГ)

Ричард Вейт (Richard Veith)
Фирма Siemens Central Research and Development (Мюнхен, ФРГ)

Hans-Peter Feuerbaum, Ulrich Knauer, Hans-Peter Crassl, Richard Veith. Scanned electron-beam probe shows surface acoustic waves in action, pp. 132—136.

Растровый электронный микроскоп позволяет наблюдать в стробоскопическом режиме картину распространения высокочастотных (до сотен мегагерц) ПАВ, выявляя такие вторичные эффекты, как дифракция и отражение ПАВ, образование объемных акустических волн. Описывается установка с выводом изображения на телеэкран и приводятся примеры ее использования для улучшения конструкции ПАВ-приборов.

Ни в одной электронной системе нельзя достичь оптимального отношения сигнал/шум без фильтров, точно согласованных со спектром сигнала. И ни один метод не дает лучшего решения этой задачи, чем обработка сигнала в устройствах на основе поверхностных акустических волн (ПАВ).

Но чтобы полностью реализовать возможности техники ПАВ (см. ниже «Возбуждение ПАВ»), необходимо учитывать в методике расчета такие вторичные эффекты, как дифракция, преломление и отражение ПАВ, а также генерирование объемных акустических волн. Необходимые сведения об этих вторичных эффектах можно получить, наблюдая акустические волны, и с этой целью использовались емкостные и лазерные зонды. Однако такие методы предполагают утомительное последовательное проведение измерений по ряду точек, так что для снятия полной картины акустического поля, излучаемого ПАВ-преобразователем, может потребоваться несколько часов.

В отличие от этих трудоемких методов растровый электронный микроскоп (РЭМ), работающий в стробоскопическом режиме контраста по напряжению, способен обеспечить изображения акустических волн, распространяющихся по поверхности пьезоэлектрического кристалла, в реальном масштабе времени. Основываясь на опыте электронно-лучевого зондирования интегральных схем1{Электроника, 1981, №14, с.24}, инженеры фирмы Siemens создали аппарат, в котором подобные изображения воспроизводятся на экране с телевизионными скоростями развертки, и в результате действие ПАВ-приборов можно наблюдать «в натуре» как на телевизионном, так и на киноэкране.

Зондирующий микроскоп

Для электронно-лучевого зондирования ПАВ-прибор помещают в предметную камеру РЭМ и на входной преобразователь прибора подают через блок возбуждения высокочастотный сигнал (рис.1). В колонне микроскопа электронная пушка генерирует пучок электронов, который фокусируется системой магнитных линз и развертывается по поверхности исследуемого ПАВ-прибора отклоняющими катушками. Испускаемые поверхностью прибора вторичные электроны, обладающие малой энергией, притягиваются коллектором, находящимся под высоким положительным напряжением. После усиления сигнал, передаваемый потоком вторичных электронов, отображается на экране ЭЛТ, что позволяет наблюдать типографию прибора.

Отображение на экране. Поместив работающий ПАВ-прибор в электронный микроскоп и сканируя его поверхность узким электронным лучом, можно в реальном мас
Рис.1. Отображение на экране. Поместив работающий ПАВ-прибор в электронный микроскоп и сканируя его поверхность узким электронным лучом, можно в реальном масштабе времени получать на экране ЭЛТ картину, отображаемую излученными этой поверхностью вторичными электронами.

Для стробоскопических исследований при высоких частотах, на которых обычно производится обработка сигнала, РЭМ снабжается блоком синхронизации и системой электростатического гашения электронного луча, способной осуществлять импульсную модуляцию последнего с минимальной длительностью импульса 350 пс. Блок синхронизации сохраняет постоянным коэффициент заполнения (обычно на уровне 10%) независимо от частоты повторения импульсов. Малая скважность импульсов и большой ток луча (10-8 А при отсутствии импульсной модуляции) позволяют получать на телевизионном экране стробоскопическое изображение практически без шумов.

Минимальный заряд

Электронно-оптическая колонна РЭМ рассчитана на оптимальную работу при низких ускоряющих напряжениях 1-3 кВ. Следовательно, можно выбрать такое ускоряющее напряжение, при котором выравниваются токи обратно рассеянных и вторичных электронов, идущие навстречу току электронного луча. При этом минимизируется заряд диэлектрической поверхности кристалла.

В электронной микроскопии со сканированием луча возможны несколько методов получения изображения и измерения ПАВ. В любом из них используются электрические поля, возникающие при деформациях кристаллической решетки, вызываемых ПАВ. Эти поля тормозят и так изменяют траектории вторичных электронов, испускаемых участками, находящимися под положительным потенциалом, что заставляют большинство из них возвращаться к поверхности ПАВ-прибора. В отличие от этого вторичные электроны, испускаемые участками поверхности, находящимися под отрицательным потенциалом, встречают поле, которое ускоряет эти электроны на их пути к коллектору (рис.2). Эта модуляция потока вторичных электронов локальными электрическими полями может проявиться в изображении на экране ЭЛТ в режиме контраста по напряжению.

Контраст по напряжению. На траектории вторичных электронов влияют местные электрические поля, наведенные ПАВ. Участки с положительным потенциалом пред
Рис.2. Контраст по напряжению. На траектории вторичных электронов влияют местные электрические поля, наведенные ПАВ. Участки с положительным потенциалом представляются на результирующем изображении темными, а с отрицательным потенциалом — светлыми.

Чтобы получить изображение высокочастотных полей бегущих ПАВ, необходимо использовать контраст по напряжению в стробоскопическом режиме. При этом электронный луч подвергается синхронной с возбуждаемой волной импульсной модуляции при помощи быстродействующей системы гашения луча, причем как уже отмечалось, коэффициент заполнения модулирующих импульсов равен 10%. Теперь электронный луч достигает поверхности ПАВ-прибора в определенной фазе (рис.3).

Стробированный электронный луч. Если сканирующий электронный луч подвергается импульсной модуляции (стробированию) синхронно с возбуждением ПАВ-прибор
Рис.3. Стробированный электронный луч. Если сканирующий электронный луч подвергается импульсной модуляции (стробированию) синхронно с возбуждением ПАВ-прибора, то получается стационарное изображение бегущих ПАВ, излучаемых преобразователем в приборе на подложке из ниобата лития.

Результирующий импульсный сигнал вторичных электронов сглаживается и дает полную картину бегущей волны. В верхней части рис.3 приведена фотография телевизионного изображения акустических волн, генерируемых преобразователем на частоте 36 МГц. Все подробности распространения этих волн можно исследовать в режиме волновых пакетов. В таком режиме излучающий преобразователь возбуждается синусоидальным сигналом, прерывающимся через несколько периодов.

Для получения картины распространения таких волновых пакетов осуществляют синхронную импульсную модуляцию электронного луча с частотой повторения, как у волновых пакетов, и коэффициентом заполнения около ОД. Это приводит к тому, что распространение каждого волнового пакета можно изучать в условиях, когда отсутствует интерференция его с другими волнами. На рис.4 показано отражение волн от торца кристалла, не покрытого акустическим поглотителем; изображение получено в режиме волновых пакетов.

Отражения. Если излучающий преобразователь возбуждается синусоидальным сигналом, прерываемым через каждые несколько периодов, можно изучать пакеты ПАВ
Рис.4. Отражения. Если излучающий преобразователь возбуждается синусоидальным сигналом, прерываемым через каждые несколько периодов, можно изучать пакеты ПАВ. На этом фото показано отражение волнового пакета от торца кристалла, не покрытого акустическим поглотителем.

Измерение амплитуды

Но хотя стробоскопический режим контраста по напряжению дает детальную картину распространения волн, он позволяет получить лишь грубую оценку амплитуды волны. Между тем для проверки методики расчета ПАВ-приборов необходим количественный анализ амплитуд.

Чтобы добиться этого, была создана специальная установка (рис.5) для работы в стробоскопическом режиме контраста по напряжению при постоянной частоте биений. Этот режим достигается посредством установки рабочей частоты системы гашения луча со сдвигом на несколько килогерц по отношению к собственной частоте ПАВ-прибора. Тогда электронный луч «видит» бегущие волны, распространяющиеся с частотой биений.

Измерение амплитуды. Напряжение на излучающем преобразователе ПАВ-прибора регулируется цепью обратной связи, в результате чего генерируется постоянный
Рис.5. Измерение амплитуды. Напряжение на излучающем преобразователе ПАВ-прибора регулируется цепью обратной связи, в результате чего генерируется постоянный сигнал вторичных электронов. При этом управляющее напряжение служит мерой амплитуды волны в определенном месте поверхности прибора.

Пульсирующий сигнал вторичных электронов измеряется синхронным усилителем, и его амплитуда поддерживается постоянной с помощью цепи обратной связи, которая регулирует амплитуду напряжения на входном преобразователе с помощью pin-модулятора. Управляющее напряжение, приложенное к pin-модулятору, является мерой амплитуды волны в данном месте поверхности прибора.

При любом измерении, проводимом с помощью РЭМ, первостепенную роль играет понимание взаимодействия между электронно-лучевым зондом и объектом. В данном случае это взаимодействие определяется тем обстоятельством, что пульсирующий электронный луч может выделять энергию различных видов, которая в свою очередь может вызывать генерацию акустических волн. Следовательно, поскольку пульсирующий луч сам является источником поверхностных и объемных волн, эти сигналы могут искажать результаты зондирования. Для изучения этого эффекта на кристалл помещали преобразователь и использовали его для приема ПАВ, генерируемых в другой части кристалла электронным лучом. Было установлено, что амплитуда этих волн незначительна — она на несколько порядков величины меньше минимальной амплитуды ПАВ, наблюдаемых в стробоскопическом режиме контраста по напряжению.

Методика электронно-лучевого зондирования уже опробована при изучении ряда эффектов второго порядка в ПАВ-приборах, предназначенных для обработки сигнала. Учет этих эффектов в усовершенствованной методике расчета и их минимизация путем соответствующего конструирования топологии ПАВ-преобразователя позволили существенно улучшить рабочие характеристики ПАВ-приборов.

Линия задержки

Простейшей формой обработки сигнала на ПАВ является задержка его по времени. ПАВ распространяются со скоростью около 3300 м/с, что эквивалентно задержке 3 мкс на 1 см пути, т.е. на пять порядков величины больше, чем при распространении электромагнитных волн. На рис.6 показана конструкция линии задержки ПАВ на ниобате лития. Ширина полосок в преобразователе и расстояние между ними плавно уменьшаются в направлении от верхней части преобразователя к нижней для получения большой полосы пропускания. Кроме того, преобразователи поставлены под наклоном, чтобы пути распространения для волн разной частоты в полосе пропускания были смещены друг относительно друга.

Временная задержка. Эта широкополосная линия задержки ПАВ обеспечивает временную задержку до 20 мкс. Преобразователи расположены с наклоном, чтобы пут
Рис.6. Временная задержка. Эта широкополосная линия задержки ПАВ обеспечивает временную задержку до 20 мкс. Преобразователи расположены с наклоном, чтобы пути распространения для каждой частоты были смещены друг относительно друга. На электронной микрофотографии можно было бы увидеть ПАВ, излучаемые линией задержки на частоте 300 МГц.

Волны определенной частоты излучаются только тем участком преобразователя, для которого длина акустической волны соответствует периоду расстановки полосок. Ограниченный по опертуре луч ПАВ встречает на своем пути всего несколько полосок. Тем самым обеспечивается уменьшение изменения акустической мощности с частотой, а также уменьшение отражений ПАВ от преобразователей. Таким путем в линии задержки получены следующие характеристики: центральная частота 240 МГц; полоса пропускания 120 МГц; неравномерность частотной характеристики не более ±0,1 дБ; уровень подавления побочных сигналов свыше 55 дБ; максимальное время задержки 20 мкс.

ПАВ-фильтр

ПАВ-преобразователи обычно обладают полосно-пропускающей частотной характеристикой. При этом может быть получена практически любая форма частотной характеристики. Достаточно общим примером является фильтр промежуточной частоты для телевизионных приемников (рис.7). Этот фультр имеет двойное назначение: формировать спектр сигналов изображения, цветности и звука и подавлять сигналы соседних каналов. Такой фильтр, выполненный на ПАВ, имеет взвешенный входной преобразователь, рассчитанный на получение требуемой частотной характеристики, выходной преобразователь и многополосковый ответвитель; последний пьезо-электрическим путем передает поверхностные волны на соседнюю дорожку, где расположен выходной преобразователь, а паразитным объемным волнам позволяет проходить прямо, минуя выходной преобразователь.


Рис.7. Частотная характеристика (а) телевизионного ПАВ-фильтра ПЧ (б). На микрофотографии видны акустические волны (ПАВ и объемные), излучаемые входным преобразователем фильтра на частоте 36 МГц.

При центральной частоте 36 МГц часть мощности ПАВ передается на выходной преобразователь. На 40,4 МГц — частоте звуковой несущей соседнего канала, для которой необходимо вы сокое подавление, входной преобразователь также излучает некоторую акустическую мощность, но на этой частоте в пределах потока ПАВ имеется фазовый сдвиг 180°, так что многополосковый ответвитель не передает ее на выходной преобразователь.

Можно наблюдать также паразитные объемные волны, излучаемые в направлении, перпендикулярном направлению распространения ПАВ, но эти волны не достигают выходного преобразователя и не влияют на частотную характеристику фильтра.

При распространении ПАВ волновой фронт не остается плоским, а искажается дифракцией. Это особенно существенно для приборов, выполняемых на небольших по ширине кристаллических подложках: в них дифракция ПАВ может ограничить уровень подавления сигналов вне полосы пропускания на уровне 35 дБ и менее. Если, однако, точно смоделировать дифракцию ПАВ, ее можно скомпенсировать специальной конструкцией преобразователей и достичь даже в приборах, выполняемых на небольших подложках, уровня подавления больше 45 дБ.

На основе ПАВ возможна и более сложная обработка сигналов, такая, например, как свертка широкополосных сигналов. ПАВ-конвольверы, осуществляющие свертку сигналов с полосой 100 МГц и длительностью 10 мкс, выполняют операции, эквивалентные 1011 умножениями в секунду, и занимают место среди наиболее быстродействующих современных устройств обработки сигналов.

ПАВ-конвольвер выполняется в виде линии задержки на подложке из ниобата лития с двумя входными преобразователями и с одним выходным электродом, размещенным вдоль пути распространения ПАВ (рис.8). Если два входных сигнала подаются соответственно на первый и второй входные преобразователи, то эти сигналы распространяются по линии задержки навстречу друг другу и в каждом месте происходит их перемножение вследствие нелинейного смешения в подложке. Тогда на выходном электроде осуществляется пространственное интегрирование и выдается сигнал, представляющий собой свертку двух входных сигналов, сжатых по времени с коэффициентом 2.


Рис.8. Свертка. Путем нелинейного смещения достигается свертка двух сигналов, распространяющихся навстречу друг другу в ПАВ-линии задержки. Чтобы увеличить плотность акустической мощности, поток ПАВ сжимается в много-полосковом компрессоре в узкий луч, который направляется в волновод.

Поскольку используемая здесь нелинейность акустического взаимодействия выражена слабо, то для эффективной работы ПАВ-конвольвера необходимо сконцентрировать акустическую мощность. Поэтому в конвольвере предусмотрен многополосковый компрессор луча, который сжимает ПАВ, возбуждаемые входными преобразователями с большой апертурой, в узкий луч, который подается в волновод, образуемый выходным электродом и имеющий обычно ширину пять длин волны.

В одном из ранних приборов были обнаружены несимметричные моды распространения сигнала в волноводе, приводящие к появлению паразитных сигналов. Исследование с помощью РЭМ показало, что эти моды возбуждаются вследствие несимметричной конструкции компрессора луча. Переработка компрессора в целях улучшения его симметричности позволила исключить антисимметричные моды.

Достижение однонаправленности

В предыдущих примерах рассматривались приборы, в которых на каждом преобразователе терялось 3 дБ акустической мощности из-за того, что ПАВ излучаются в обоих направлениях.

К сожалению, чем лучше двунаправленный преобразователь согласован с нагрузкой, тем больше он отражает акустические волны. Чтобы снизить отражения, двунаправленные преобразователи умышленно рассогласовывают, и именно этим рассогласованием объясняется большая част вносимых потерь 15—35 дБ, типичных для ПАВ-устройств.

Один из способов устранить эти потери — ввести в конструкцию прибора V-образный многополосковый ответвитель, располагающийся вокруг преобразователя. Если преобразователь поместить на расстоянии 1/8 длины волны от центра ответвителя, волны будут складываться в одном направлении и вычитаться, взаимно уничтожая друг друга, в другом, в результате чего преобразователь станет однонаправленным. Если однонаправленные преобразователи согласованы с электрической нагрузкой, уменьшаются как вносимые потери, так и отражения.

При исследовании такой конструкции на РЭМ обнаруживается, что излучение ПАВ в левую сторону более интенсивно, чем в правую (рис.9). Однонаправленность не идеальная, так как в нижней части гребенчатых электродов и верхней части многополоскового ответвителя имеет место паразитное излучение. Чтобы улучшить направленность излучения данного устройства, необходимо подавить эти паразитные волны.


Рис.9. Однонаправленность. U-образный многополосковый ответвитель (а) обеспечивает компенсацию ПАВ, распространяющихся вправо, и удвоение ПАВ, распространяющихся влево (б). Такая конструкция позволяет уменьшить как вносимые потери, так и отражения ПАВ.

Дочерние статьи:

Возбуждение ПАВ

Выходные данные:

Журнал "Электроника" том 56, No.10 (666), 1983г - пер. с англ. М.: Мир, 1983, стр.39

Electronics Vol.56 No.10 May 19, 1983 A McGraw-Hill Publication

Hans-Peter Feuerbaum, Ulrich Knauer, Hans-Peter Crassl, Richard Veith. Scanned electron-beam probe shows surface acoustic waves in action, pp. 132—136.

Раздел: МЕТОДЫ, СХЕМЫ, АППАРАТУРА

Тема:     Измерительная техника





Дата последнего изменения:
Thursday, 21-Aug-2014 09:10:44 MSK


Постоянный адрес статьи:
http://az-design.ru/Support/HardWare/Siemens/D19830519Elc025.shtml