Новый метод измерения СВЧ коэффициентов отражения, прохождения и поглощения ультратонких металлических пленок

Аннотация

Предложен новый метод измерения микроволновых коэффициентов ультратонких пленок металлов, основанный на использовании пластин слюды микронной толщины в качестве подложек. При измерении указанных коэффициентов данным методом подложка с напыленной на нее пленкой прикрепляется к фланцу волновода таким образом, чтобы металлическая пленка полностью перекрывала просвет волновода. Проведено сравнение результатов измерений, получаемых с использованием данного подхода с результатами, получаемыми с помощью методики, в которой стеклянная подложка с металлической пленкой закрепляется внутри волновода с помощью упругих крупиц радиопрозрачного полиэтилена. Установлено, что результаты измерений по новой технологии гораздо лучше согласуются с предсказаниями существующей теории, чем результаты измерений с использованием стеклянных подложек. Сделан вывод, что обнаруженные ранее аномалии хода СВЧ коэффициентов металлических пленок в области их толщин, больших 10-25 нм, связаны с неплотным прилеганием стеклянной подложки с пленкой к стенкам волновода.

• ультратонкие медные пленки
• СВЧ коэффициенты отражения и прохождения
• СВЧ коэффициент поглощения
• согласование импедансов
• классический размерный эффект

Abstract (in English)

A new method for measuring microwave reflection, transmission, and absorption coefficients of ultrathin metal films

A new method for measuring microwave reflection, transmission and absorption coefficients of ultrathin metal films is proposed, based on the use of micron-thick mica plates as substrates. When measuring the specified coefficients using this method, the substrate with the film deposited on it is attached to the flange of the waveguide in such a way that the metal film completely covers the aperture of the waveguide. A comparison was made between the measurement results obtained using this approach and the results obtained using a technique in which a glass substrate with a metal film is fixed inside the waveguide using elastic grains of radio-transparent polyethylene. It was found that the results of measurements using the new technique are in much better agreement with the predictions of the existing theory than the results of measurements using glass substrates. It was concluded that the previously found anomalies in the behavior of the microwave reflection and transmission coefficients of metal films in the region of their thicknesses greater than 10 - 25 nm are associated with a loose fit of the glass substrate with the film to the walls of the waveguide.

Для цитирования

Литература

1. Kaplan A.E. Metallic nanolayers: a sub-visible wonderland of optical properties // Journal of the Optical Society of America B. - 2018. - Т. 35. - №. 6. - С. 1328-1340. https://doi.org/10.1364/JOSAB.35.001328
2. Каплан А.Е. Об отражательной способности металлических пленок в СВЧ- и радиодиапазоне // Радиотехника и электроника. - 1964. - Т. 9. - №. 10. - С. 1781 - 1787.
3. Пятайкин И.И. Расчет толщины висмутовых нанослоев, согласованных с характеристическим импедансом поля двух встречных электромагнитных волн // Журнал радиоэлектроники [электронный журнал]. - 2021. - №. 10. https://doi.org/10.30898/1684-1719.2021.10.1
4. Kaplan A.E., Zeldovich B.Y. Free-space terminator and coherent broadband blackbody interferometry // Optics letters. - 2006. - Т. 31. - №. 3. - С. 335 - 337. https://doi.org/10.1364/OL.31.000335
5. Вдовин В.А. и др. Оптические коэффициенты пленок меди нанометровой толщины в диапазоне 9-11 GHz // Оптика и спектроскопия. - 2019. - Т. 127. - №. 5. - С. 834 - 840. https://doi.org/10.21883/OS.2019.11.48524.132-19
6. Андреев В.Г. и др. Измерение оптических коэффициентов нанометровых металлических пленок на частоте 10 ГГц // Журнал радиоэлектроники. - 2017. - №. 11. - С. 1 - 15. URL: http://jre.cplire.ru/jre/nov17/17/text.pdf
7. Андреев В.Г., Вдовин В.А., Глазунов П.С., Пятайкин И.И., Пинаев Ю.В. Влияние толщины диэлектрической подложки на поглощающие и просветляющие свойства ультратонких пленок меди // Оптика и спектроскопия. - 2022. - Т. 130. - №. 9. - С. 1410 - 1416. https://doi.org/10.21883/OS.2022.09.53304.3539-22
8. Krastev E.T., Voice L.D., Tobin R.G. Surface morphology and electric conductivity of epitaxial Cu (100) films grown on H-terminated Si (100) // Journal of applied physics. - 1996. - Т. 79. - №. 9. - С. 6865 - 6871. https://doi.org/10.1063/1.361508
9. Khorin I. et al. Optical coefficients of nanometer-thick copper and gold films in microwave frequency range // International Conference on Micro- and Nano-Electronics 2016. - Proc. SPIE, 2016. - Т. 10224. - С. 1022407-1 - 1022407-7. https://doi.org/10.1117/12.2266504
10. Палатник Л.С., Фукс М.Я., Косевич В.М. Механизм образования и субструктура конденсированных пленок: М.: Наука. 1972. 320 с.
11. Mayadas A.F., Shatzkes M., Janak J.F. Electrical resistivity model for polycrystalline films: the case of specular reflection at external surfaces // Applied Physics Letters. - 1969. - Т. 14. - №. 11. - С. 345-347. https://doi.org/10.1063/1.1652680
12. Mayadas A.F., Shatzkes M. Electrical-resistivity model for polycrystalline films: the case of arbitrary reflection at external surfaces // Physical review B. - 1970. - Т. 1. - №. 4. - С. 1382-1389. https://doi.org/10.1103/PhysRevB.1.1382
13. Sambles J.R., Elsom K.C., Jarvis D.J. The electrical resistivity of gold films // Philosophical transactions of the Royal Society of London. Series A, mathematical and physical sciences. - 1982. - Т. 304. - №. 1486. - С. 365-396. https://doi.org/10.1098/rsta.1982.0016
14. Camacho J.M., Oliva A.I. Surface and grain boundary contributions in the electrical resistivity of metallic nanofilms // Thin solid films. - 2006. - Т. 515. - №. 4. - С. 1881-1885. https://doi.org/10.1016/j.tsf.2006.07.024
15. Пятайкин И.И. Влияние внутреннего размерного эффекта в поликристаллических пленках металлов на коэффициенты отражения, прохождения и поглощения в них электромагнитных волн СВЧ диапазона // Журнал радиоэлектроники. - 2020. - №. 10. https://doi.org/10.30898/1684-1719.2020.10.5
16. Barmak K. et al. Surface and grain boundary scattering in nanometric Cu thin films: A quantitative analysis including twin boundaries // Journal of Vacuum Science & Technology A. - 2014. - Т. 32. - №. 6. - С. 061503-1 - 061503-7. https://doi.org/10.1116/1.4894453
17. Gall D. Electron mean free path in elemental metals // Journal of applied physics. - 2016. - Т. 119. - №. 8. - С. 085101-1 - 085101-5. https://doi.org/10.1063/1.4942216