Сотрудники Высшей школы экономики вместе с учеными из Физического института имени П.Н. Лебедева РАН создали способ быстрой оценки прочности соединения тонкой пленки с подложкой. Исследование проводилось при финансовой поддержке Российского научного фонда.
Пресс-служба НИУ ВШЭ сообщает, данный результат играет ключевую роль в производстве сверхвысокочастотных акустических фильтров, которые являются важнейшими компонентами систем связи пятого и шестого поколений (5G и 6G). Впервые с применением этого подхода удалось определить поперечную жесткость контакта между пленкой из двумерного материала и основой. Описание эксперимента было опубликовано в журнале Applied Physics Letters.
Фото сгенерировано ИИ
Как устроены современные фильтры для 5G и 6G?
Для достижения высоких скоростей передачи данных мобильные устройства используют фильтры, преобразующие электромагнитные сигналы в ультразвук и обратно, что позволяет устранять помехи. С ростом рабочих частот разрабатываются новые типы фильтров, например, основанные на акустоэлектрических эффектах. Почти все элементы современной микроэлектроники представляют собой пленочные слои, нанесенные на подложку. Однако на частотах в несколько гигагерц и выше поведение ультразвука на границе таких материалов становится крайне сложным для прогнозирования. Именно в этом диапазоне функционируют сети 5G и будущие сети 6G.
Полученные результаты предоставляют разработчикам радиоэлектронной компонентной базы принципиально новые возможности. Ранее инженеры могли оценивать качество акустического контакта между пленкой и подложкой лишь косвенно, исходя из характеристик готового изделия. Если фильтр не пропускал сигнал на требуемой частоте, приходилось перебирать множество вариантов материалов, толщин и методов нанесения, что занимало месяцы. Теперь, используя экспресс-метод лазерной диагностики, можно за несколько часов проверить десятки образцов и отобрать пару с максимальной поперечной жесткостью. Это ускоряет переход к стадии прототипирования и снижает общую стоимость разработки.
Особую ценность методика приобретает при переходе к стандартам 6G. Сети 5G в основном работают до 30–40 ГГц, а 6G будет осваивать субтерагерцовый и терагерцовый диапазоны выше 100 ГГц. На таких частотах длина акустической волны составляет доли микрометра, и любое нанометровое смещение на границе приводит к огромным потерям сигнала. Разработанный метод выявляет именно те параметры межслоевой связи, которые становятся критичными при малых длинах волн.
Новый подход: лазерная проверка материалов без создания дорогих образцов
Специалисты Физического института имени Лебедева совместно с профессором факультета физики Высшей школы экономики Александром Кунцевичем, который также является ведущим научным сотрудником Международной лаборатории физики конденсированного состояния, разработали методику, позволяющую оценить качество соединения ещё до того, как устройство будет собрано. Вместо того чтобы изготавливать дорогостоящие прототипы, они предлагают испытывать материалы при помощи коротких импульсов лазера.
Как именно проходил эксперимент с нитридом бора? Исследования выполнялись на подложке из кварцевого стекла, на которую была нанесена плёнка нитрида бора толщиной 600 нанометров. Учёные направили на её поверхность инфракрасный лазерный импульс. Это излучение нагрело небольшую зону, и по материалу начала распространяться поверхностная акустическая волна.
Что такое поверхностные акустические волны Рэлея? Александр Кунцевич пояснил: «Если мы кидаем камни в воду, на её поверхности образуются расходящиеся круги это поверхностные волны. Похожие волны могут двигаться и по твёрдым телам, их принято называть поверхностными акустическими волнами Рэлея».
Каким образом учёные «фотографировали» эту волну? Такие волны крайне сложно заметить невооружённым глазом, поскольку они движутся с огромной скоростью и имеют очень маленькую амплитуду. Однако в них заключено много ценной физической информации о материале. Например, по тому, как меняется скорость волны и её форма, можно определить упругие свойства материала и то, насколько жёстко плёнка соединена с подложкой.
Вторым лучом мы зафиксировали мгновенный срез волнового процесса. Первый импульс, похожий на удар по воде, вызвал звуковую волну. Второй импульс мы отправили на то же место через доли наносекунды после первого. Он двигался по поверхности с интервалом в 0,5 микрометра. Отражение луча менялось в зависимости от того, поднимался или опускался участок под влиянием проходящей волны. Собрав эти данные, мы реконструировали точную схему вертикальных смещений по сути, получили застывший образ движущейся волны», отметил Кунцевич. При этом материал не пострадал: метод не повредил ни плёнку, ни основу, на которую она нанесена. Полученную картину обработали с помощью математической модели, которая продемонстрировала, как скорость звука соотносится с длиной волны. По тому, как скорость изменяется в зависимости от частоты, можно установить, насколько прочно плёнка соединена с основой. На основе степени деформации волны исследователи вычислили два параметра жёсткости: один вертикальный (на разрыв), второй поперечный (на сдвиг). Оказалось, что ключевую роль играет второй показатель, отвечающий за боковое смещение плёнки, который прежде измерить не получалось.
Универсальность метода и планы на будущее
Кроме того, подход открывает путь к более глубокому пониманию физики границы между двумерными материалами и объемными подложками. Нитрид бора, использованный в эксперименте, является двумерным материалом толщиной всего в несколько сотен атомных слоев. Такие материалы все чаще применяются в микроэлектронике благодаря уникальным свойствам. Однако их взаимодействие с подложкой остается малоизученным, особенно на высоких частотах. Теперь исследователи получили инструмент, позволяющий напрямую измерять поперечную жесткость сцепления параметр, который ранее был доступен только в теории. Метод применим не только к кристаллическим подложкам, но и к аморфным материалам, например кварцевому стеклу, а также к разным типам пленок диэлектрическим и полупроводниковым. В перспективе ученые планируют адаптировать подход для тестирования многослойных структур, где акустические волны проходят через несколько границ раздела, что характерно для современных микроэлектромеханических систем.
Итоги: новая платформа для неразрушающего контроля
Подводя итог, работа российских исследователей задает новое направление в неразрушающем контроле тонкопленочных структур на гигагерцовых частотах. Сочетание лазерной генерации поверхностных акустических волн с их оптическим зондированием и математическим анализом образует законченную платформу, способную стать стандартным инструментом в лабораториях, разрабатывающих компоненты для 5G и 6G. Дальнейшие усилия коллектива будут направлены на автоматизацию измерений и расширение базы данных по совместимости различных пар материалов.