DE2451624C2

DE2451624C2 - Verfahren zum Verändern der Phasengeschwindigkeit von elastischen Oberflächenwellen in einem kristallinen Substrat durch Ionenimplantation

Info

Publication number: DE2451624C2
Application number: DE2451624A
Authority: DE
Inventors: Pierre Paris Hartemann
Original assignee: Thomson CSF SA
Current assignee: Thales SA
Priority date: 1973-10-30
Filing date: 1974-10-30
Publication date: 1983-09-01
Also published as: FR2249491B1; FR2249491A1; DE2451624A1; GB1492558A; US3963997A

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Verändern jo der Phasengeschwindigkeit der elastischen Oberflächenwellen in einer vorbestimmten Zone der Oberfläche eines kristallinen Substrats, in der sich die Oberflächenwellen ausbreiten kennen, durch Ionenimplantation. -15

Bei hohen Frequenzen haben d». Oberflächenwellen eine kleine Wellenlänge und eine geringe Eindringtiefe. Um einen Anhaltspunkt zu geben, sei angegeben, daß diese beiden Parameter einige Zehn Mikron betragen, wenn man ein Quarzsubstrat und eine Anregungsfrequenz in der Größenordnung von 100 MHz verwendet. Daraus folgt, daß es bei diesen Frequenzen, wenn die geradlinige Ausbreitung an sich vorteilhaft ist, auch praktisch sehr nützlich ist, wenn man diese Ausbreitung im Hinblick auf eine gerichtete Übertragung beeinflussen kann. Für eine wirksame Übertragung der in den elastischen Oberflächenwellen enthaltenen Schwingungsenergie kann man ein Verfahren anwenden, durch das diese Wellen auf einer in der Oberfläche des Substrats liegenden geradlinigen oder gekrümmten so Bahn geführt werden. Man kann auch eine Aufeinanderfolge von Katoptriksystemen oder Strahlenbrechungssystemen anwenden, die in der Lage sind, die Schwingungsenergie an der Oberfläche des Substrats mehrmals zu fokussieren.

Diese beiden Arten von gerichteter Übertragung der elastischen Oberflächenwellen sind möglich, wenn man auf dem Weg der Wellen eine geeignete elastische Schicht, die auf die Oberfläche des Substrats aufgebracht ist, oder Einschnitte als Vertiefungen in der tm Oberfläche vorsieht, um durch diese Einrichtungen die Ausbreitung der Wellen zu beeinflussen. Es hat sich herausgestellt, daß diese Einrichtungen verhältnismäßig wenig wirksam und im Gebrauch relativ heikel sind.

Aus »Electronics Letters«, 18. Oktober 1973, hi S. 497-498, ist es bekannt, selektiv eine Änderung der Ausbreitungsgeschwindigkeit an der Oberfläche eines kristallinen Substrats zu erzeugen, indem durch Ionenimplantation die physikalischen Eigenschaften des Substrats in ausgewählten Zonen verändert werden, die sich unmittelbar unterhalb seiner Oberfläche befinden.

Nachteilig ist bei dieser bekannten Implantationstechnik, die auf der Anwendung einer konstanten Beschleunigungsspannung beruht, daß eine. Implantationszone geschaffen wird, die nicht an die Substratoberfläehe angrenzt Dies führt zu einer unpräzisen ' Abgrenzung der implantierten Zone mit veränderter Ausbreitungsgeschwindigkeit der elastischen Oberflächenwellen.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zum Verändern der Phasengeschwindigkeit von elastischen Oberflächenwellen in einem kristallinen Substrat durch Ionenimplantation zu schaffen, das eine präzise Abgrenzung der Zone mit veränderter Ausbreitungsgeschwindigkeit der elastischen Oberflächenwellen gewährleistet

Zur Lösung dieser Aufgabe ist das Verfahren der eingangs genannten Art dadurch gekennzeichnet daß im Verlauf der Ionenimplantation die Beschleunigungspotentialdifferenz der zu implantierenden Ionen verändert wird, um eine nicht tief liegende Zone zu erhalten, die an die Substratoberfläche angrenzt

Mehrere Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden im folgenden näher beschrieben. Es zeigt

F i g. 1 ein erstes Ausführungsbeispiel einer durch das Verfahren geschaffenen Vorrichtung zum Übertragen von Oberflächen wellen;

F i g. 2 ein zweites Ausführungsbeispiel einer Vorrichtung zum gerichteten Übertragen von Oberflächenwellen;

Fig.3 eine abgewandelte Ausführungsform der Vorrichtung;

Fig.4 eine weiter abgewandelte Ausführungsform der Vorrichtung;

F i g. 5 eine Darstellung zur Erläuterung des Herstellungsverfahrens; und

F i g. 6 bis 8 in Draufsicht noch vsitere abgewandelte Ausführungsformen von durch das Verfahren geschaffenen Vorrichtungen zur gerichteten Übertragung von Oberflächenwellen.

F i g. 1 zeigt eine Vorrichtung zum gerichteten Übertragen von elastischen Oberflächenwellen, die insbesondere zur Führung der Wellen bestimmt ist. Sie enthält ein kristallines Substrat 1, beispielsweise aus Quarz, an dessen Oberfläche 2 sich Rayleigh-Wellen ausbreiten können, die mittels eines elektromechanischen Umformers 7-8 angeregt werden. Der Umformer 7-8 besteht aus zwei leitenden Elektroden 7 und 8, die auf die Oberfläche 2 des Substrats 1 aufgebracht sind. Der zwischen den Elektroden 7 und 8 liegende Emissionsbereich sendet in der Richtung 6 Rayleigh-Wellen aus, wenn man die Elektroden eine Wechselspannung anlegt. Die Schwingungsebene dieser Wellen ist zu der Oberfläche 2 senkrecht und zu der Richtung 6 parallel. Bei Vernachlässigung der Beugungserscheinungen ist die Ausbreitung der Wellen in der zu dem Emissionsbereich senkrechten Richtung 6 geradlinig, wenn das Substrat vollkommen isotrop ist. Praktisch ist die von dem Umformer 7-8 abgestrahlte Schwingungsenergie in einem Bündel enthalten, dessen Divergenz von der Länge des in Wellenlängen gemessenen Emissionsbereichs abhängt. Diese Divergenz verhindert die vollständige Übertragung der Schwingungsenergie zu einem entfernten Empfänger, und außerdem muß der Umformer 7-8 richtig ausgerichtet werden, um sie an

jede beliebige Stelle der Oberfläche 2 zu bringen.

Zur Erzielung einer gerichteten Übertragung der Schwingungsenergie der Oberflächenwellen werden durch Ionenimplantation unter der Oberfläche 2 zwei Leitzonen 3 und 4 zum Kanalisieren der Wellen gebildet Der kristalline Bereich, der die beiden Zonen 3 und 4 trennt, erfüllt deshalb die Aufgabe eines Schallwellenleiters. Damit dieser Wellenleiter seine Aufgabe vollkommen erfü'lt, ist es erforderlich, daß in der Ausdehnung der Zonen 3 und 4 die Veränderung der physikalischen Eigenschaften des Substrats so vorgenommen wird, daß sich die elastischen Oberflächenwellen darin mit einer größeren Phasengeschwindigkeit als in dem kristallinen Bereich zwischen den Zonen ausbreiten. !*>

Unter dieser Bedingung gibt es einen Totalreflexionsgrenzwinkel, jenseits welchem sich eine Art von geleiteter Ausbreitung zwischen den beiden Leitzonen 3 und 4 ergeben kann. Das ist in Fig. 1 durch die gestrichelte geknickte Linie dargestellt, welche die 2u Richtung 6 verlängert Diese Linie symbolisiert die Art der geleiteten Ausbreitung der Oberflächenwellen in dem kristallinen Bereich, der seitlich durch die beiden Leitzonen 3 und 4 begrenzt ist Diese Begrenzung ist ausreichend, da die elastischen Oberflächenwellen schnell gedämpft werden, wenn man sich von der Oberfläche 2 entfernt Vorzugsweise müssen die Leitzonen 3 und 4 in einem Abschnitt des Substrats enthalten sind, der an dessen Oberfläche angrenzt

Das Verfahren zum Bilden der Leitzonen 3 und 4 besteht darin, daß die kristalline Struktur des Substrats durch Ionenimplantation örtlich verändert wird. Es ist aus der eingangs genannten Druckschrift bekannt, da3, wen« man die Phasengeschwindigkeit der Rayleigh-Wellen an der Oberfläche eines kristallinen Quarzsub- r, strats mit der Phasengeschwindigkeit vergleicht die man bei Vorhandensein von amorphem Quarz beobachtet, die zweite Geschwindigkeit ungefähr um 8% über der ersten liegt. Wenn man in die Oberfläche eines kristallinen Quarzblockes leichte Ionen implantiert, wie etwa die Ionen ⁴H_e ⁺, ⁷Lj+, *B_e+, ">B+ und «°A+, beobachtet man somit experimentell eine Zunahme Δ V der Phasengeschwindigkeit V, die mit einer Dosierung von 10¹⁶ Ionen/cm² und einer Beschleunigungsenergie von 100 keV 1 % erreichen kann. 4-,

Die experimentellen Ergebnisse, die in der folgenden Tabelle für die Frequenz 180MHz aufgeführt sind, geben eine relative Phasengeschwindigkeitsänderung

—, ausgedrückt in Prozent, für mehrere leichte Ionen V vi

an, die in das kristalline Quarz mit einer Energie von 100 keV implantiert wurden. Die benutzte Dosierung ist gleich ΙΟ¹⁶ Ionen/cm² gewählt, und in der Tabelle ist die Erhebung e der implantierten Zone, gemessen in Angström, angegeben:

60

Art des	δ v/y%	e/Ä
Ions
	0	100
⁴He	+ 1,1	1000
	+ 1,1	1200
9_Be	+ 1	1000
Hb	+ 0,5	400
40_A	+ 0,1	350

Es ist zu erkennen, daß die relative Geschwindigkeitszunahme ^rfür die Ionen H_e ⁺ und U⁺ am größten und für das Ion H⁺ gleich Null ist Die letztere Feststellung ist wahrscheinlich auf die Tatsache zurückzuführen, daß bei der betreffenden Energie die Ionen H⁺ eine implantierte Zone bilden, die die Oberfläche des Substrats nicht erreicht und die außerdem zu dünn ist

AV
Um eine relative Geschwindigkeitszunahme —p- von

mehreren Prozent bei Frequenzen oberhalb von 100 MHz zu erzielen, wird gemäß der Erfindung eine nicht tief liegende implantierte Zone gebildet Zu diesem Zweck wird im Verlauf der Ionenimplantation die Impiantationsenergie verändert, beispielsweise indem man die Beschleunigungsspannung von einem Wert in der Größenordnung von 10 kV aus stufenweise ansteigen läßt

Die in F i g. 1 gezeigte Vorrichtung zum gerichteten Übertragen macht von der Führung der elastischen Oberflächenwellen zwischen zwei Leitzonen Gebrauch.

Es besteht außerdem die Möglichkeit eine andere Art der gerichteten Übertragung der eU^tischen Oberfiächenwellen zu verwenden. Die Übertragung der Schwingungsabstrahlung kann vorgenommen werden, indem auf ihren Weg nahe beieinanderliegende Fokussierungselemente angeordnet werden, die mit Reflexion oder mit Brechung arbeiten.

F i g. 2 zeigt ein kristallines Quarzsubstrat 1, an dessen Oberfläche 2 ein elastische Oberflächenwellen aussendender Umformer angebracht ist Disser Umformer enthält beispielsweise zwei gekrümmte Elektroden 9 und 10 und einen Emissionsbereich, der in der Lage ist, divergente Schwingungswellen abzustrahlen, deren Phasenzentrum in dem Punkt 11, d. h. dem Krümmungsmittelpunkt des Emissionsbereiches liegt. Um die gerichtete Übertragung der divergenten Schwingungsabstrahlung des Umformers 9, 10 sicherzustellen, ist in dem Substrat 1 eine Leitzone 13 gebildet, die die Oberfläche 2 erreicht. Diese Leitzone 13 hat eine Strukturveränderung erfahren, so daß sich in ihrer Ausdehnung die elastischen Oberflächenwellen schneller ausbreiten als in den benachbarten Teilen. Die Zone 13 hat die Form einer Linse erhalten, die in der Mitte dünner ist als an den Rändern. Deshalb wird die Schwingungsenergie in dem Kon^ergenzpunkt 14 fokussiert und die Zone 13 erfüllt somit gegenüber den elastischen Oberflächenwellen die Aufgabe einer Schallinse. Die in F i g. 2 dargestellte Linie 12 spielt eine der optischen Achse einer Glaslinse analoge Rolle, und es können auf dieser Linie nahe aufeinanderfolgende Zonen 13 zum Übertragen der Schwingungsenergie vorgesehen sein.

Die Brechung der elastischen Oberflächenwellen, wie sie sich bei der Vorrichtung von F i g. 2 ergibt, ermöglicht die Herstellung von positiven oder negativen Schallinsen, in dem letzteren Fall muO die der Zone 13 zu gebende Form in der Mitte dicker als an den Rändern sein.

Fig. 3 zeig» in Draufsicht eine abgewandelte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung zum gerichteten Übertragen. Sie enthält ein kristallines Quarzsubstrat, an dessen Oberfläche 2 ein elastische Oberflächenwellen aussendender Umformer angeordnet ist, dessen leitende Elektroden 15 und 16 einen gekrümmten Enrssionsbereich begrenzen, der in der Lage ist, eine Schwingungsabstrahlung zu dem Konvergenzpunkt 17 zu schicken. Ein elastische Oberflächen-

wellen empfangender Umformer ist auf der Oberfläche 2 aus zwei Elektroden 20 und 21 gebildet, die durch einen geradlinigen Bereich voneinander getrennt sind. Die gerichtete Übertragung der Oberflächenwellen zwischen den Umformern wird durch zwei schraffierte *, Leitzonen 18 und 19 sichergestellt. Die erste Zone 18, auf welche die Schwingungsabstrahlung trifft, hat die Form einer konvexen Linse, die in der Lage ist, die Konvergenz der einfallenden Strahlen aufzuheben. Das aus der Zone 18 austretende paralle Bündel erfährt bei der Durchquerung der dreieckigen Zone 19, die als Prisma dient, eine Richtungsänderung.

Gemäß der vorstehenden Beschreibung stellt man fest, daß die Bildung von Leitzonen geeigneter Form, welche die Oberfläche eines kristallinen Substrats ^ erreichen, ermöglicht, die elastischen Oberflächenwellen in dem zweidimensionalen Bereich, in den sie eingeschlossen sind, zu reflektieren oder zu brechen. Es ist außerdem möglich, mehrere Leitzonen derart zuzuordnen, daß ein Raster gebildet ist, welcher in der >o Lage ist, die elastischen Oberflächenwellen zu beugen. Durch Wahl einer zu der Wellenlänge passenden Teilung kann man einen solchen Raster als Reflektor mit großem Reflexionskoeffizienten verwenden.

F i g. 7 zeigt in Draufsicht ein kristallines Substrat, welches an seiner Oberfläche 2 einen Sendeumformer 42, 43 und einen Empfangsumformer 44, 45 trägt. Ein Raster von in gleichen Abständen angeordneten Leitzonen 46 bildet einen Reflektor, der in der Lage ist, die einfallende Schwingungsabstrahlung Σ, in Form jo einer reflektierten Strahlung Σ_Γ zurückzuschicken.

F i g. 8 zeigt eine Draufsicht auf eine Übertragungsvorrichtung, die der von F i g. 7 ähnlich ist. Sie enthält ebenfalls Sende-und Empfangsumformer 50,51 bzw. 47, 48 zum Aussenden der Schwingungsabstrahlung Σ, bzw. js zum Empfangen der Schwingungsabstrahlung Σγ. Der Reflektorraster 49 besteht aus Leitzonen, die in ungleichmäßigen Abständen angeordnet sind, um eine Dispersionscharakteristik der auf diese Weise gebildeten Verzögerungsleitung zu erzielen. Es braucht nicht erwähnt zu werden, daß die Raster der F i g. 7 und 8 auch bei der Übertragung verwendet werden können, insbesondere zum Unterteilen eines Bündels von elastischen Oberflächenweilen.

Die Anordnung und die Dimensionierung der Leitzonen erfolgt nach Gesetzen, die denen der Optik und, allgemeiner ausgedrückt, denen der Ausbreitung der elektromagnetischen Wellen ähnlich sind. Aus diesem Grund kann man den Begriff des Brechungsindexes in bezug auf die elastischen Oberflächenwellen einführen, und man sieht, daß der Brechungsindex der Leitzonen kleiner ist als der der benachbarten Bereiche in den Vorrichtungen, die in den F i g. 1 bis 3 dargestellt sind.

Mit dem Verfahren nach der Erfindung ist es außerdem möglich, an der Oberfläche eines kristallinen Substrats Leitzonen zu bilden, die einen größeren Brechungsindex als die benachbarten Bereiche aufweisen. Eine solche abgewandelte Ausführungsform ist in F i g. 4 dargestellt die eine Draufsicht auf ein kristallines Substrat zeigt an dessen Oberfläche 2 ein elastische Oberflächenwellen aussendender Umformer angeordnet ist Dieser Umformer 22, 23 hat zwar eine dem Umformer 15, 16 von Fig.3 analoge Struktur, er ist jedoch zwei schraffierten Leitzonen 25 und 29 zugeordnet in deren Ausdehnung der Brechungsindex der elastischen Oberflächenwellen durch eine Senkung der Ausbreitungsgeschwindigkeit angehoben ist Die Fokussierung der von dem Umformer 22, 23 abgestrahlten Schwingungsenergie erfolgt in dem Bereich niedrigen Brechungsindexes in dem Konvergenzpunkt 24. Die von dem Punkt 24 kommende Schwi.igungsenergie ist durch eine konvexe Eintrittsfläche 26 mit der Leilzone 25 gekoppelt. Die Leitzone 25 führt die Schwingungsenergie bis zu der Austrittsfläche 27, die sie aufgrund ihrer Form in dem Konvergenzpunkt 28 konvergieren läßt. Eine zweite Leitzone 29 dient als Sammellinse und, da ihr Brennpunkt in dem Punkt 28 liegt, liefert sie ein paralleles Schwingungsenergiebündel.

Die Leitzonen 25 und 29 sind durch das lonenimplantationsverfahrcn gebildet.

Durch Verwendung eines Lithiumniobatsubstrats und durch Implantieren der Leitzonen mit einer Dosierung von I0¹⁵ Ionen/cm² erhält man in der Ausdehnung dieser Zonen eine Ausbreitungsgeschwindigkeitsabnahme, deren Relativwert bei der Frequenz 180MHz 0,8% erreichen kann.

Fig. 5 zeigt schematisch eine Anlage, die das Herstellen der Leitzonen durch das lonenimplantationsverfahren ermöglicht.

Die lonenimplantationseinrichtung 31 enthält in an sich bekannter Weise: eine Ionenquelle, in der ein dampfförmiges Dotierungsmittel mit Hilfe von Elektronen ionisiert wird, die ein Glühdraht aussendet, ein Ionenaustrittsspalt, eine Beschleunigungszone, die aus einer eiv.mellbaren Spannungsquelle 30 die Beschleunigungspotentialdifferenz erhält, ein Magnetfilter zum Aussondern der gewünschten Ionen und eine Abtastzone zum gleichmäßigen Bestreichen der Oberfläche, auf der die Ionenimplantation ausgeführt wird. Das kristalline Substrat 1 ist derart angeordnet, daß es auf seiner Oberfläche 2 das Bündel 32 von beschleunigten Ionen empfängt. Zum Begrenzen der Leitzonen 3 und 4, die in dem Substrat gebildet werden sollen, schaltet man diesem eine Maske 33 vor, deren öffnungen 34 die Form der Zonen 33 haben. Indem im Verlauf der Implantation auf den Wert der von der Spannungsquelle 30 gelieferten Beschleunigungspotentialdifferenz eingewirkt wird, kann man erreichen, daß die Leitzonen mit der Oberfläche 2 des Substrats in Berührung kommen und daß ihre Tiefe in dem Substrat ausreichend groß ist, damit bei der Frequenz der elastischen Oberflächenwellen eine wesentliche Änderung ihrer Ausbreitungsgeschwindigkeit beobachtet wird. Die Verwendung einer Maske ist nicht erforderlich, wenn die Ionenimplantation mit Hilfe eines Ionenbündels ausgeführt wird, das an der Oberfläche des Substrats zusammenläuft. In letzterem Fall können die Leitzonen durch eine dem Ionenbündel gegebene Abtastbewegung oder durch eine Verschiebung des Substrats parallel zu seiner Oberfläche punktweise implantiert werden.

Über die Anwendungsfälle hinaus, die auf eine Veränderung der Ausbreitungsrichtung der elastischen Oberflächenwellen abzielen, kann eine Leitzone zwischen den Sende- und Empfangsumformern mit dem Ziel gebildet werden, den tatsächlichen Schallweg zwischen den Umformern zu verändern. Eine solche Zone ermöglicht das Einstellen der Verzögerungszeit einer Leitung für elastische Oberflächenwellen und man gibt ihr vorzugsweise eine rechteckige Form. Dieser Anwendungsfall ist in Fig.6 dargestellt die eine Draufsicht auf zwei nebeneinanderliegende Verzögerungsleitungen zeigt welche mit der Oberfläche 2 eines kristallinen Substrats verbunden sind. Ein gemeinsamer Sendeumformer 35,36 ist in der Lage, zwei Bündel Σ\

und 2'j von elastischen Oberflächenwellen auszusenden, die von den Umformern 37, 38 bzw. 39, 40 empfangen werden. Durch das Einfügen einer rechteckförmigen Leitzone 41 in den Weg des Bündels Σι wird das Verändern der Verzögerungszeit einer Leitung in bezug auf die andere ermöglicht.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Verfahren zum Verändern der Phasengeschwindigkeit der elastischen Oberflächenwellen in einer vorbestimmten Zone der Oberfläche eines kristallinen Substrats* in der sich die Oberflächenwellen ausbreiten können, durch Ionenimplantation, dadurch gekennzeichnet, daß im Verlauf der Ionenimplantation die Beschleunigungspotentialdifferenz der zu implantierenden Ionen verändert wird, um eine nicht tief liegende Zone zu erhalten, die an die Substratoberfläche angrenzt

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Ionenimplantation bei einem Substrat aus Lithiumniobat erfolgt

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß durch die Ionenimplantation in dem Substrat Leitzonen für Oberflächenwellen gebildet werden.

4. VerfsJ-jen nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet äaö in der Oberfläche des Substrats durch die Ionenimplantation eine Gruppe von Streifenzonen gebildet wird, die ein Reflexionsnetz für Oberflächenwellen bilden.