CC BY
62
УДК 621.372
ТЕХНОЛОГИЯ ИЖГ-РЕЗОНАТОРОВ ДЛЯ МАГНИТОЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СВЧ-УСТРОЙСТВ
С.Н.Иванов, М.И.Бичурин*, Г.А.Семенов* THE TECHNOLOGY OF YIG-RESONATOR FORMING FOR MAGNETOELECTRIC MICROWAVE DEVICE
S.N.Ivanov, М.I.Bichurin*, G^Semyonov*
ОАО «ОКБ-Планета», Великий Новгород, IvanovSN@okbplaneta.ru *Институт электронных и информационных систем НовГУ
Предложен метод формирования резонаторов для магнитоэлектрических СВЧ-устройств жидкостным химическим травлением толстых эпитаксиальных пленок Y3Fe5O12 толщиной 80 мкм в концентрированной (87%) ортофосфорной кислоте H3PO4. Величина АН вытравленных через маску SiO2/Ti/Pt образцов составила 2,6 и 4,4 Гс при касательном и нормальном направлении магнитного поля. Максимальная достигнутая скорость травления составила 2,7 мкм/мин. Ключевые слова: ИЖГ-резонатор, жидкостное химическое травление, магнитоэлектрические СВЧ-устройства
The method of resonators forming for magnetoelectric microwave devices by wet chemical etching of thick epitaxial films Y3Fe5O12 with a thickness of 80 |jm in concentrated (87%) ortho-phosphoric acid H3PO4 is suggested. The value АН of samples etched through the
SiO2/Ti/Pt mask is about 2,6 and 4,4 Gs at parallel and perpendicular direction of sample surface magnetic field. The maximum etching rate achieved was 2,7 |jm/min.
Keywords: YIG-resonator, wet chemical etching, magnetoelectric microwave devices
Введение
Перспективным применением эпитаксиальных пленок иттрий-железистого граната (ИЖГ) Y3Fe5Ol2 является изготовление на их основе магнитоэлектрических (МЭ) устройств СВЧ-диапазона. В основе таких устройств лежит использование слоистых феррит-пьезоэлектрических структур в сочетании с резонансными явлениями, где пленка ИЖГ выступает в качестве магнитной подсистемы [1]. Образцы различной геометрической формы (чаще всего сфера или диск), размещенные в области круговой поляризации магнитной компоненты СВЧ-поля и одновременно в подмагничи-ваюшем постоянном поле, играют роль резонатора, при этом применение эпитаксиальных пленок Y3Fe5O12 позволяет существенно уменьшить габаритные размеры МЭ элемента и использовать планарную технологию.
Основным параметром пленки, влияющим на работу МЭ устройства, являются магнитные потери, определяемые шириной линии ферромагнитного резонанса (ФМР) АИ магнитной компоненты. Величина АИ зависит от качества применяемых монокристаллических пленок, определяемого процессами жидко-фазной эпитаксии (ЖФЭ), а также наличия в образце дефектов, связанных со способом изготовления СВЧ-резонатора определенной геометрической формы.
Традиционно резонаторы в форме дисков на основе эпитаксиальных пленок Y3Fe5O12, выращенных на подложках гадолиний-галлиевого граната (ГГГ) Gd3Ga5O12, изготавливаются с помощью механической или лазерной резки. Однако в этом случае образуются дефекты по краю реза и глубокий нарушенный слой, что приводит к уширению резонансной линии АИ и появлению нежелательных мод в магнитном спектре [2]. Один из способов, позволяющих избежать этих негативных явлений, это применение жидкостного химического травления (ЖХТ), которое позволяет формировать ровную структуру с точно выдержанными размерами и совместимо с планарной технологией. В качестве маскирующих покрытий при травлении тонких пленок феррит-гранатов чаще всего используют диоксид кремния SiO2, а травителем обычно выступает концентрированная ортофосфорная кислота Н3Р04 или смеси на ее основе [3]. Основной проблемой при травлении толстых пленок становится подбор маскирующих покрытий, способных выдержать длительный высокотемпературный процесс травления и максимально защитить поверхность пленки.
Эксперимент
Для получения качественной поверхности резонаторов в форме окружности 0 3 мм в толстых эпитаксиальных гранатовых структурах Y3Fe5Oi2/Gd3Ga5Oi2 с помощью ЖХТ использовались следующие защитные покрытия:
1) пленка SiO^n^ толщиной 1 мкм, полученная плазмохимически из гексаметилдисилоксана (ГМДС) при температуре 100°С;
2) пленка SiO^w) толщиной 1 мкм, полученная путем окисления моносилана SiH4 кислородом при температуре 250°С;
3) система металлов Ti/Pt толщиной 0,03/0,1 мкм;
4) комбинированные покрытия SiO2(raa/Ti/Pt и
SiO^/ri/Pt.
Травление проводилось в широком диапазоне температур 25...180°С в 87%-й ортофосфорной кислоте, а максимальная достигнутая скорость травления составила 2,7 мкм/мин (см. рис.1). В качестве исходных структур выступали подложки ГГГ толщиной 0,5 мм c выращенными ЖФЭ монокристаллическими пленками Y3Fe5O12 ориентации (111) толщиной 80 мкм. Защитные свойства масок и качество поверхности резонаторов оценивали по данным с профило-метра TalySurf CCI, а магнитный спектр исследовали с помощью спектрометра магнитного резонанса CMS 8400 на частоте f = 9,2 ГГц.
4,0 .................................................,.....
3.5 ..........................i \...............
| 3,0 ■ J....../■......!..........
Î о/ i 2.5 ■ .......if..................
i 2.0 ; ........А................;
Q. JO
* 1.5 ; ................
0,0 n -.-.-.-.-1-1-
0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200 220
Рис.1. Температурная зависимость скорости травления эпи-таксиальной пленки Y3Fe5O12 в ортофосфорной кислоте H3PO4 (87%)
По экспериментальной зависимости скорости травления пленок ИЖГ, представленной на рис.1,
Рис.3. Поверхности образцов, вытравленных через маски: а) SiO2 (м); б) SiO2 (пвдс); в) г) SiO2 (™д./Т№^ д) SЮ2(„/Ti/Pt
видно, что при нормальных условиях травление практически не происходит, а с повышением температуры скорость экспоненциально возрастает до 2,7 мкм/мин при 180°С.
На рис.2 представлены изображения подложки Gd3Ga5Ol2 с вытравленными структурами Y3Fe5Ol2 03 мм через маску SЮ2(м/Ti/Pt (а) и резонатора после разделения пластины на структуры (б).
Поверхность образцов, вытравленных через маски диоксида кремния, имеет больше число дефектов, вызванных плохими защитными свойствами пленок (см. рис.3а,б), что в итоге отражается в отсутствии ярко выраженного максимума поглощения в их магнитном спектре (см. рис.4).
Применение системы металлов Т1/Р1 неэффективно из-за подтрава титана, что приводит к отслаиванию платины и полностью растравленной поверх-
ности образца (см. рис.Зв). Линии резонансного поглощения в магнитном спектре отсутствуют.
На поверхности образца, полученного травлением через маску из пленок SЮ2(гMдC/Ti/Pt, присутствует небольшое количество дефектов (см. рис.Зг), а его спектр имеет ярко выраженный максимум поглощения шириной 5,4 Гс при касательном направлении магнитного поля и около 17,6 Гс при направлении подмагничивающего поля по нормали. Поверхность резонатора, полученного травлением через маску SiO2(M)/Ti/Pt, выглядит наилучшим образом (см. рис.Зд). Дефекты поверхности, вызванные протравами в защитной маске, практически отсутствуют. Магнитный спектр образца имеет практически идеальный вид как при касательном направлении магнитного поля (АИ ~ 2,6 Гс), так и при направлении поля по нормали к поверхности (АИ ~ 4,4 Гс) (см. рис.4).
Рис.4. Магнитные спектры изготовленных через различные маски ИЖГ-резонаторов при касательном (а) и нормальном к поверхности направлении магнитного поля (б)
Заключение
Таким образом, применение защитной маски, состоящей из пленок SiO2(M)/Ti/Pt толщиной 1/0,03/0,1 мкм позволяет методом жидкостного химического травления в горячей (150°С) концентрированной (87%) ортофосфорной кислоте сформировать резонаторы в форме окружности 03 мм в пленках Y3Fe5O12 толщиной 80 мкм, выращенных на подложках Gd3Ga5012 жидкофазной эпитаксией. Сформированные образцы имеют правильную форму магнитного спектра, малое число дефектов травления на поверхности, а ширина линии ФМР АН составляет 4,4 Гс при касательном и 5,5 Гс при нормальном направлении подмагничивающего поля Н0. Полученные результаты позволяют говорить о том, что исследуемые резонансные элементы могут найти применение как в традиционных ферритовых приборах, так и, например, в перестраиваемых феррит-пьезоэлектрических структурах и СВЧ-устройствах на их основе. Узкая резонансная линия, высокая добротность, малые габаритные размеры и отсутствие побочных мод в магнитном спектре позволяют повысить точность и избирательность таких перестраиваемых МЭ СВЧ-устройств, как фильтры, аттенюаторы и ряд др. [4].
1. Magnetoelectricity in Composites / Eds M.I.Bichurin and D.Viehland. Pan Standford Publ., Singapore, 2012. 273 p.
2. Ющук С.И., Юрьев С.А., Костюк П.С., Бондар В.И. Применение феррогранатовых эпитаксиальных структур в сверхвысокочастотной электронике // Технология и конструирование в электронной аппаратуре. 2005. №3. С.22-25.
3. Sang-Yeob Sung, Xiaoyuan Qi, Bethanie J. H. Stadler Fabrication of Garnet Waveguides and Polarizers for Integrated Optical Isolators // Conference on Lasers and Electro-Optics (ClEO). 2007. P.987-988.
4. Petrov R.V., Bichurin M.I., Tatarenko A.S. Magnetoelectric Microwave Module for Phased Array // PIERS Proceedings. Stockholm. 12-15 August 2013. P.455-458.
Bibliography (Transliterated)
1. Magnetoelectricity in Composites / Eds M.I.Bichurin and D.Viehland. Pan Standford Publ., Singapore, 2012. 273 p.
2. Iushchuk S.I., Iur'ev S.A., Kostiuk P.S., Bondar V.I. Pri-menenie ferrogranatovykh epitaksial'nykh struktur v sverkhvysokochastotnoi elektronike // Tekhnologiia i konstruirovanie v elektronnoi apparature. 2005. №3. S.22-25.
3. Sang-Yeob Sung, Xiaoyuan Qi, Bethanie J. H. Stadler Fabrication of Garnet Waveguides and Polarizers for Inte-grated Optical Isolators // Conference on Lasers and Electro-Optics (ClEO). 2007. P.987-988.
4. Petrov R.V., Bichurin M.I., Tatarenko A.S. Magneto-electric Microwave Module for Phased Array // PIERS Proceedings. Stockholm. 12-15 August 2013. P.455-458.
