книги / Селективные акустоэлектронные устройства
..pdfГЛАВА 7. АКУСТОЭЛЕКТРОННЫЕ УСТРОЙСТВА
7.1 Технологическая реализация а кусто эл е ктр о н ы х устрой ств .
Технологический процесс (ТП) создания элементов акустического тракта реализуется путем модификации свойств пьезоэлектрического звуколравода за счет технологических воздействий, основные характеристики которых приведены а таблице 7.1. Наиболее приемлемыми следует считать ионную имплантацию и диффузию атомов металла /7,8.13.15/.
Технология производства акустоэлектронных устройств включает совокупность
этапов, направленых на создание топологии, отвечающей заданным требованиям. На рис.7.1 показана обобщеная технологическая схема, охватывающая ряд
возможных реализаций процесса. Главным звеном процесса является одно** или
многоэтапное технологическое воздействие при изготовлении устройств. Оно может быть осуществлено, непосредственно на рабочую поверхность
пьезоэлектрического звукоправода или через вспомогательный слой с целью изменения свойств приповерхносного слоя звукоправода, а также используя
Рио.7.1 Технологическая схема изготовления акустоэлектронных устройств
Ви ды те кноло т ч е ск и х воздействий
Ионная имплантация
Диффузия атомов
металла
Ионное реактивное травления
Ионо - химическое травление
Инно - лучевое травление
Радиация
Световые излучения
Виды технологи ческих воздействий при изготовлении
«кустоэлектронны х устройств
Основные характеристики
Преимущ ества |
Н едостатки |
Возможность точного контроля концентрации примесей
Обеспечивает значительное изменение скорости ПАВ без увеличения потерь
Гибкость, возможность селективного травления
Непосредственный контроль параметров в процесс травления
Высокая разрешающая способность, внесение минимальных загрязнений звукопровода
Большая глубина проникновения в эвукопровод
Возможность управления условиями распространения ПАВ
Неравномерный профиль распределения примесей
Воздействие высокой температуры на эвукопровод
Требуется высокий вакум
Ограниченая точность настройки в СВЧ диапоэоне
Небольшая скорость травленив
Сложность реализации
Сложность технической реализации
Области применения
Волноводы, ОР, изменение температурных характеристик
Волноводы, ОР
Обработка многослойных пленочных структур
Полировка. ОР настройка параметров
ОР. преобразователи
ОР. поглотители
Управляемые ОР
вспомогательный активный слой. В связи с этим можно выделить следующие
виды технологического воздействия /6 2 /.
1. Бомбардировка ионами легких химических элементов.
2. Бомбардировка ионами легких химических элементов и одновременное распыление вспомогательного слоя.
3.Бомбардировка ионами инертного газа с большими атомными радиусами.
4.Воздействие светом и постоянными высоким напряжением.
Учитывая, что ряд этапов в схеме (рис.7.1) повторяются и выполняются на
тех же участках, составлена схема взаимодеийствия этапов технологического
процесса (рис.7.2).
Рис.7.2. Схема взаимодействия этапов технологического процесса
Вершинами графов обозначено: 1 - подготовка звукопровода; 2 - нанесение
маски; 3 - нанесение вспомогательного слоя; 4 * предварительное создание топологии; 5 - технологическое воздействие; 6 - удаление маски; 7 - удаленние
вспомогательного слоя; 8 - получение устройства. Проходя отделенью этапы,
можно строить процессы изготовления элементов акустического тракта и
акустоэлектронных устройств в целом.
Технологические процессы изготовления волноводов ПАВ. Целью построения новых технологических процессов изготовления волноводов является
увеличение процента выхода годных за счет повышения степени локализации энергии ПАВ. Это обеспечивается за счет получения равномерного закона распределения примесей по глубине пьезоэлектрического эвуколравода, в результате чего уменьшается скорость канализируемой ПАВ по сравнению с рэлеевской волной /7 /. На основе рис.7.2 определяем схемы ТП волноводов: 1) 1-2-3-5-6-7-8; 2) 1-2-5-6-8; 3) 1-3*6-8, отличающиеся реализацией технологического воздействия.
На рис.7.3 показан принцип формирования равномерного распределения примесей при имплантации ионов легких химических элементов. Это основано
на проведении трех |
стадий ионной имплантации дозами Ф ( и энергией |
Е, |
|
обеспечивающими получение необходимых концентраций примесных ионов N(X) |
|||
где X - кордината |
вглубь звукопровода, и средних проекционных пробегов |
||
внедряемых ионов |
Вр| ((=1,2,3). При |
условии /6 2 / |
|
|
Пр, < B PÎ |
< R pî |
O U ) |
профили распределения 1,2,3 образуют результирующий квазиравномерный профиль 4. Рис.7.3,а соответствует схеме 1-2-5-6-8, рис.7.36 - 1-2-3-5-6-7-В, где б позицией обозначена вспогательная диэлектрическая пленка.
m
/
/
/
О) / I
I
0 Rpt Rpi |
Rpi |
x |
|
Рис. 7.3. Изготовление волноводов ПАВ методом ионной имплантации: а - непосредственно в звукопровод; 6 - через вспомагательный слой
Установлено, что при помощи имплантации ионов гелия соответствующими,
режимами могут быть получены волноводы, позволяющие сконцентрировать до
60-95% энергии ПАВ.
На рис. 7.4 показан принцип изготовления волноводов по схеме 1-3-5-7-8,
включающий нанесение на рабочую поверхность пьезоэлектрического звуколроводэ 1 в области формирования волновода тонкой пленки металла 2 и 3, служащей
источником атомов, проведение имплпнтации. ион л инертного газа 4 и удаление
вспомогательных слоев.
1
Рие. 7.4. Изготовление волноводов ПАВ методом ионной-стимулированной
диффузии
При изготовлении волновода ионы инертного газа, проходя через тонкую
металическую пленку, в поверхностном слое пьезоэлектрического эвухопроводэ создают радиационные деффекты, за счет чего происходит процесс диффузии
атомов металла. В канале волновода, не покрытым пленкой металла, протекает
процесс ионной имплантации. В результате этого в канале скорость ПАВ
уменьшается, а в примыкающих областях - увеличивается, при этом степень
локализации энергии возрастает. Такой ТП изготовления волноводов ПАВ
отличается тем, что диффузия атомов металла в пьезоэлектрический звукопровод протекает при низких температурах.
Рис. 7. 5 иллюстрирует ТП изготовления волноводов по схеме 1-2-3-5-8 со
сложным технологическим воздействием и включает нанесение на рабочую поверхность пьезоэлектрического звуколровода 1 вспомогательного пассивного слоя 2, проведение имплантации ионов 3 высокой энергии и одновременное
равномерное удаление пассивного слоя 2 дополнительным потоком ионов инертного газа низкой энергии 4.
т
J
X
Рис.7.5, Изготовление волноводов ПАВ методом ионной имплантации с
одновременным распылением вспомогательного слоя: а - принцип
изготовления; б * распределение примесей
По мере равномерного распыления вспомогательного слоя гаусовская кривая
распределения примесных ионов передвигается вглубь пьезоэлектрического эвукопровода', в результате чего образуется профиль распределения ионов с высокой равномерностью (рис. 7. 56).
Технологические процессы отраж ательны х элементов. Повышение удельной отражательной способности отражательных элементов устройств на
ПАВ может быть достигнуто путем совмещения двух акустических неоднородностей
с различными значениями рассогласования акустического импеданса /3 2 / Практически это может быть реализовано на авукопроводе из ниобата лития, содержащем чередующиеся области ниобата лития, легированного ионами инертного газа и атомами металла. Последовательность технологических этапов
изготовления отражательного элемента описывается схемой 1-3-5-7-8. Можно выделить ряд операций (рис. 7.6).
1. Нанесение на рабочую поверхность пьезоэлектрического эвукопровода 1
тонкой |
пленки металла 2 (рис. |
7. 6 а). |
|
2. |
Проведение имплантации ионов аргона 3 (рис. 7. |
6 6 ). |
|
3. |
Получение легированых |
областей. При этом на |
местах расположения |
тонкой пленки металла 2 в процессе ионной имплантации образуются области
ниобата лития, легиробанного |
атомами металла 4, а остальные области |
|
легированного ионами аргона 5 |
(рис. 7. |
6 а). |
4. Удаление пленки металла (рис. 7. |
6 в). |
|
Установлено, что коэффициент отражения элемента составляет 1.09 - 2.1%. ТП. выполняемый по схеме 1-3-5-8. позволяет повысить качество изготавливаемых элементов за счет запоминания топологического рисунка. ТП включает нанесение
на рабочую поверхность пьезоэлектрического эвукопровода 1 (рис. 7.7а) пленки
фотоэлектрета 2 и технологическое воздействие при помощи сьемной маски 3.
содержащей прозрачное основание 4 и проводящие встречно штыревые электроды 5. подключенные к источнику постоянного высокого наряжения 6 . При
воздействии светом 7 и постоянным высоким напряжением 6 в пленке
фотоэлектрета образуются области с остаточной электризацией 8 (рис. 7.75), электрические поля которых вызывают локальные механические напряжения а
приповерхностном слое пьезоэлектрического ‘звукопровода 1. Топология
отражательного элемента запоминается длительное время после снятия
технологического воздействия, а при необходимости ТП можно повторить.
1
8)
.1
г)
i
Рио. 7. §. Технологический процесс изготовления отражательного элемента
г ^ |
\ |
8) |
У /)/Л .. .V ///A ........УЛ |
|
|
г * - |
|
Рио. 7. 7. Изготовление отражательного элемента а виде пленки фотоэлектрета
Технологические процессы изготовления ВШП. На основе рис. 7.2
составлена схема ТП 1-2-5-6-2-5-6-8, что позволяет реализовать взвешивание
ВЩП с постоянной апертурой путем изменения значения коэффициента электромеханической связи пьезоэлектрического звукопровода. ТП включает формирование через трафареты областей в пьезоэлектрическом звукопроводе длиной I, и значениями коэффициента электромеханической связи к Гml
определяемыми из системы уравнений
J J [»*<*) * »,(*)] *dx = min
мхм
I, = X, - х м |
(7.2) |
аг
K l = M l оо .
где х - координата преобразователя вдоль направления распространения ПАВ
относительно центра ВШП; ж|9 хм - координаты конца и начала i - ой секции ВШП; I - порядковоый номер секции (i - 1,2.... р); р - количество секций; Г (х)
- функция аподизации. определяемая частотными характеристиками
преобразователя; f,(x) - апроксимирующая ступенчатая функция. Формирование областей основано на ионном легировании звукопровода
двумя стадиями с дозами
тёк ф min *
(7.3)
где Фт|П» Фтм - дозы ионов «соответствующие минимальной и максимальной
степени легирования звукопровода.
Формирование областей в пьезоэлектрическом звукопроводе последовательно
двумя стадиями позволяет сократить длительность ТП и уменьшить температурное
воздействие. Основные операции ТП изготовления ВШП иллюстрирует рис.7.8: 1. Нанесение на рабочую поверхность пьезоэлектрического звукопровода 1 маски 2 и проведение первой стадии ионного легирования 3 (рис. 7. 8 а). В маске 2 имеются окна 4,5. соответствующие области звукопровода с максимальной степенью легирования. Доза ионов Ф С1 выбирается по выражению (7.3).
2. Проведение второй стадии ионного легирования 6 через маску 7 (рис.7.8б). Маска содержит окна, соответствующие участкам звукопровода 4,5, 8,9. Доза
ионов |
равна Ф С2 |
|
3. |
Удаление маски |
и формирование топологии ВШП 10 (рис. 7.8а). |
Т ехнологические |
процессы акустоэлектронны х устройств. ТП, |
|
построенный по схеме 1-3-5-8, позволяет повысить качество изготавливаемых
акустоэлектронных устройств за счет увеличения твердости и повышения воспроизводимости параметров металлической пленки /6 2 /. ТП изготовления акустоэлектронных устройств включает нанесение алюминиевой пленки 1 (рис.7.9а) на рабочую поверхность пьезоэлектрического звукопровода 2,
бомбардировку ее ионами инертного газа 3 (рис.7.96). при этом энергия ионов
выбирается из условия равенства двойного значеня их среднего проекционного
пробега толщине пленки, а доза определяется по концентрации создаваем! л
дефектов, препяствующих процессу сдвига в алюминии. После этого создается
требуемая топология устройства 4 (рис.7.9в).
|
|
• t 1 1 |
I * 1 1 * 1 1 |
||||||
|
1 |
4 |
г |
|
|
|
S |
г |
|
w |
* m |
U |
/ |
|
|
|
|
J m w |
|
U |
/ - ----------------------------------- |
|
|
--------------------- |
|
|
|
|
|
' |
_____________________ j _____________________ É |
||||||||
|
1 |
|
* i » |
П |
» |
t |
i |
* |
» . * |
f/S////f//A |
|
|
|
|
|
V |
//J //////A |
||
« L 71- |
|
|
|
/0 |
|
|
|
J |
|
|
|
|
|
|
|
|
s - - -[ |
||
|
|
|
|
k K |
^ |
k è |
|||
* |
|
|
|
|
|
|
|
— |
1 |
|
I |
4 |
8 |
11 |
9 |
|
|
5 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
iû |
I |
t)
8 11 9
Рио. 7.8. Технологические операции (а,б,в) и конструкция ВШП (г)
ТП изготовления устройств на ПАВ позволяет достигнуть увеличение тверд
ости алюминиевой пленки за счет того, что в процессе внедрения примесных
ионов инертного газа с большим атомным радиусом создаются деффекты и дислокации в различных направлениях. Это препятствует перемещению дислокации друг относительного друга. При дозах ионов, превышающих некоторое значения, создаются такие концентрации дефектов, когда процесс
сдвига в алюминии тормозится, возрастает его твердость, ослабляется миграция, уменьшается старение (рис. 7.10).
a)Z ' î
Рис.7.9. Технологические операции изготовления акустоэлектронных устройств
л,
м км
Рис.7.W. Изменение твердости пленки алюминия (а) и энергии ионов (6) при изготовлении акустоэлектронных устройств
Технологические процессы подстройки акустоэлектронных устройств.
При создании высокодобротных резонаторов, фильтров и прецизионных ЛЭ на ПАВ возникает проблема обеспечения их выходных параметров. С этой целью создан ТП подстройки акустоэлектронных устройств согласно схемы 1-4-5-8 (рис. 7.2). В качестве технологического воздействия выбрана ионная имплантация /
66/, позволяющая осуществить точный контроль изменения параметров устройств.
ТП реализован для подстройки центральной частоты двухвходовых
резонаторов, изготовленных на пьеэоквэрцевом звукопроводе и содержащих
390 электрически закороченных (тип 1) и изолированных (тип 2) алюминиевых полосок /6 7 /. Осуществлена имплантация ионов гелия энергией 125 кэВ, дозой
1.5Х1020 м*2 на всю поверхность резонатора (имплантированная фигура А) и локально - только в ОР (фигура В). Результаты измерений центральной частоты
и добротности |
до |
f0 |
» О и после ионной имплантации f0, , Ц |
приведены в |
||||||
таблице 7 .2 . |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Параметры резонаторы ПАВ |
|
Таблица |
7.2 |
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
Тип |
Фигу- |
|
Центральная |
частота |
|
Добротность |
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
ОР |
ра |
f0, |
МГц |
f„. МГц V f 0 * |
Q |
а, |
Q.-Q |
|
||
|
|
1 Г |
• * |
|||||||
|
|
|
|
|
|
*0 |
|
|
||
|
А |
|
60,03 |
60.04 |
0.016 |
2500 |
2 1 0 0 |
-16 |
|
|
|
59,83 |
59,84 |
0.016 |
7500 |
5984 |
-2 0 .2 |
|
|||
|
|
|
||||||||
1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
В |
59.81 |
59.82 |
0,017 |
4280 |
3988 |
-6 .8 |
|
||
|
59.81 |
59.82 |
0,017 |
3330 |
2840 |
-14,7 |
|
|||
|
|
|
||||||||
|
А |
59.84 |
59.86 |
0,033 |
2400 |
1900 |
-2 0 .8 |
|
||
|
59.85 |
59.87 |
0.033 |
2950 |
2350 |
-20.3 |
|
|||
|
|
|
||||||||
2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
В |
59.84 |
. 59.06 |
0.033 |
3324 |
3000 |
-9,7 |
|
||
|
59.1 |
’ |
59,90 |
0.033 |
4280 |
3744 |
-12,5 |
|
||
|
|
|
||||||||
Увеличение центральной частоты резонаторов на 0.016-0,033% обусловлено
увеличением скорости ПАВ в результате зморфизации приповерхностного слоя
пьезокварца. Уменьшение добротности связано с возрастанием дифракционных потерь из-за расфокусирующего действия ОР в результате ионной имплантации.
С помощью ТП ионной имплантации можно осуществить подстройку параметров узкополосных фильтров с относительной полосой пропускания 0,5...2%. Установлено изменение параметров фильтров на пьезоэлектрическом эвукопроводе из ниобата лития при имплантации на всю поверхность ионов гелия энергией 100 кэВ, дозой 2х1020 м 2 Центральная частота фильтров сместилось в область более низких частот на 0,17-0,18%, а уровень боковых лепестков понизился на 2-3 дБ. Это связано с уменьшением скорости распростромения ПАВ и изменением свойств звукопровода.
Практический интерес представляет подстройка времени задержки ЛЗ на
ПАВ. Изменение времени задержки ЛЗ определяется разницей скоростей
распространения ПАВ на свободной V0 и имплантированной поверхности звукопровода V, и длиной имплан, ярованной области L
Исследованы двухканальные ЛЗ с центральной частотой 30 и 60 МГц,