RU2157587C1

RU2157587C1 - Method for tuning narrow-band acoustic-surface- wave device to center frequency

Info

Publication number: RU2157587C1
Application number: RU99114212A
Authority: RU
Inventors: К.М. Кизиитов; В.Н. Зима
Original assignee: Омский научно-исследовательский институт приборостроения
Priority date: 1999-06-29
Filing date: 1999-06-29
Publication date: 2000-10-10

Abstract

FIELD: acoustoelectronics. SUBSTANCE: method for tuning acoustic-surface-wave device using piezoelectric substrate whose effective surface carries pre-formed input and output interdigital transducers connected to measuring instrument includes irradiation of effective surface of piezoelectric substrate with argon ions from high-frequency magnetron discharge plasma at pressure of 0.8 to 1.0 MPa, high-frequency specific power of 0.05 to 0.1 W/sq.cm, and bias on substrate effective surface of -50 to -60 V. EFFECT: facilitated manufacture. 3 dwg

Description

Изобретение относится к акустоэлектронике и может быть использовано при изготовлении устройств на поверхностных акустических волнах (ПАВ). The invention relates to acoustoelectronics and can be used in the manufacture of devices on surface acoustic waves (SAWs).

Известен способ настройки на центральную частоту узкополосного устройства на ПАВ путем химического травления алюминиевой пленки, из которой изготовлены встречно-штыревые преобразователи (ВШП). С уменьшением толщины алюминиевой пленки центральная частота устройства на ПАВ увеличивается, так как уменьшается массовая нагрузка на рабочую поверхность пьезоэлектрической подложки (см. Elec. Commun. Lab. Tech. J. 1988, v. 37, N 8, p. 463 - 467). Этот способ настройки на центральную частоту имеет недостатки, связанные с трудностью контроля центральной частоты, невоспроизводимостью процесса, большой скоростью травления металлической пленки по сравнению, например, с ионным травлением, что затрудняет настройку на центральную частоту узкополосного устройства на ПАВ. A known method of tuning to the center frequency of a narrow-band device for surfactants by chemical etching of an aluminum film, from which the interdigital converters (IDT) are made. With a decrease in the thickness of the aluminum film, the central frequency of the surfactant device increases, since the mass load on the working surface of the piezoelectric substrate decreases (see Elec. Commun. Lab. Tech. J. 1988, v. 37, N 8, p. 463 - 467) . This method of tuning to the center frequency has disadvantages associated with the difficulty of controlling the center frequency, the irreproducibility of the process, the high etching rate of the metal film in comparison with, for example, ion etching, which makes it difficult to tune the narrowband SAW device to the center frequency.

Наиболее близким техническим решением к заявляемому способу является способ настройки на центральную частоту узкополосного устройства на ПАВ, подключенного к измерительному прибору, путем напыления пленки из электрически непроводящего материала, например, из окиси алюминия, на рабочую поверхность пьезоэлектрической подложки, на которой предварительно сформированы входной и выходной в встречно-штыревые преобразователи из металлической пленки (см. пат. США N 4243960, H 03 H 9/64, 9/42, 9/25, НКИ 333 - 196, 1981, БИ N 17 - прототип). По данному способу центральная частота узкополосного устройства на ПАВ увеличивается после напыления пленки из окиси алюминия на рабочую поверхность пьезоэлектрической подложки, т.к. пленка окиси алюминия увеличивает фазовую скорость поверхностной акустической волны, что приводит к увеличению центральной частоты узкополосного устройства на ПАВ. The closest technical solution to the claimed method is a method of tuning to the center frequency of a narrow-band device for a surfactant connected to a measuring device by spraying a film of electrically non-conductive material, for example, aluminum oxide, on the working surface of the piezoelectric substrate on which the input and output are preformed into interdigital converters from a metal film (see US Pat. Nos. 4,243,960, H 03 H 9/64, 9/42, 9/25, NKI 333 - 196, 1981, BI N 17 - prototype). According to this method, the center frequency of a narrow-band surfactant device increases after the aluminum oxide film is sprayed onto the working surface of the piezoelectric substrate, because an alumina film increases the phase velocity of a surface acoustic wave, which leads to an increase in the center frequency of a narrowband surfactant device.

Данный способ имеет недостатки, связанные с большой трудоемкостью изготовления узкополосного устройства на ПАВ из-за дополнительных операций по напылению пленки из окиси алюминия и удаления этой пленки с контактных площадок ВШП для приварки проводников к ним и выводам корпуса. Кроме того, напыление пленки из окиси алюминия увеличивает вносимые потери в полосе пропускания узкополосного устройства на ПАВ. This method has drawbacks associated with the great complexity of manufacturing a narrow-band device for surfactants due to additional operations for spraying a film of aluminum oxide and removing this film from IDT contact pads for welding conductors to them and the leads of the case. In addition, the deposition of a film of aluminum oxide increases the insertion loss in the passband of a narrow-band device for surfactants.

Задачей, на решение которой направлено заявляемое изобретение, является уменьшение трудоемкости изготовления узкополосного устройства на поверхностных акустических волнах. The problem to which the invention is directed, is to reduce the complexity of manufacturing a narrow-band device on surface acoustic waves.

Решение задачи достигается тем, что в известном способе настройки на центральную частоту узкополосного устройства на ПАВ, подсоединенного к измерительному прибору, заключающемся в измерении центральной частоты узкополосного устройства на ПАВ с пьезоэлектрической подложкой, на рабочей поверхности которой предварительно сформированы входной и выходной встречно-штыревые преобразования, рабочую поверхность пьезоэлектрической подложки облучают ионами аргона из плазмы высокочастотного магнетронного разряда при давлении аргона в вакуумной камере (0,8 - 1,0) Па, удельной мощности высокочастотного (ВЧ) магнетронного разряда (0,05 - 0,1) Вт/см² и электрическом смещении на рабочей поверхности пьезоэлектрической подложки минус (50 - 60) В в течение 0 - 20 минут. При указанных режимах высокочастотного магнетронного разряда с рабочей поверхности пьезоэлектрической подложки и поверхности ВШП удаляются загрязнения (остатки фоторезиста, продукты химической реакции и др. ), образующиеся в процессе формирования конфигурации ВШП методом фотолитографии. Это приводит к уменьшению массовой нагрузки на рабочую поверхность пьезоэлектрической подложки. В результате фазовая скорость ПАВ увеличивается, а следовательно, и увеличивается центральная частота узкополосного устройства на ПАВ. Дополнительно в процессе облучения ионами аргона рабочая поверхность пьезоэлектрической подложки нагревается и пленка алюминия частично окисляется, что также способствует увеличению центральной частоты узкополосного устройства на ПАВ. Сопоставительный анализ с прототипом показывает, что заявляемый способ отличается новыми технологическими параметрами высокочастотного магнетронного разряда, что способствует уменьшению трудоемкости способа настройки на центральную частоту узкополосного устройства на ПАВ за счет исключения операции по напылению пленки из окиси алюминия и операции по удалению этой пленки с контактных площадок ВШП для приварки проводников к контактным площадкам ВШП и выводам корпуса. Поэтому данное техническое решение соответствует критерию "новизна".The solution to the problem is achieved by the fact that in the known method of tuning to the center frequency of a narrow-band device for SAW connected to a measuring device, which consists in measuring the center frequency of a narrow-band device for SAW with a piezoelectric substrate, on the working surface of which the input and output interdigital transformations are preliminarily formed, the working surface of the piezoelectric substrate is irradiated with argon ions from a plasma of a high-frequency magnetron discharge at argon pressure in vacuum me chamber (0.8 - 1.0) Pa, specific power radio frequency (RF) magnetron (0.05 - 0.1) W / cm ^2, and electric displacement on the working surface of the piezoelectric substrate minus (50 - 60) In a for 0 to 20 minutes. Under the indicated high-frequency magnetron discharge regimes, contaminants (photoresist residues, chemical reaction products, etc.) formed during the formation of the IDT configuration by photolithography are removed from the working surface of the piezoelectric substrate and the IDT surface. This leads to a decrease in the mass load on the working surface of the piezoelectric substrate. As a result, the phase velocity of the surfactant increases, and consequently, the central frequency of the narrow-band device for the surfactant increases. Additionally, in the process of irradiation with argon ions, the working surface of the piezoelectric substrate is heated and the aluminum film is partially oxidized, which also contributes to an increase in the central frequency of the narrow-band surfactant device. Comparative analysis with the prototype shows that the inventive method is characterized by new technological parameters of a high-frequency magnetron discharge, which reduces the complexity of the method of tuning to the center frequency of a narrow-band device for surfactants by eliminating the operation of spraying a film of aluminum oxide and the operation of removing this film from IDT contact pads for welding conductors to the IDT contact pads and body leads. Therefore, this technical solution meets the criterion of "novelty."

Изобретение поясняется чертежами. The invention is illustrated by drawings.

На фиг. 1 изображено узкополосное устройство на поверхностных акустических волнах, где 1 - пьезоэлектрическая подложка, 2 - входной встречно-штыревой преобразователь, 3 - выходной встречно-штыревой преобразователь, 4 - рабочая поверхность пьезоэлектрической подложки. In FIG. 1 shows a narrow-band device on surface acoustic waves, where 1 is the piezoelectric substrate, 2 is the input interdigital transducer, 3 is the output interdigital transducer, 4 is the working surface of the piezoelectric substrate.

На фиг. 2 изображена схема настройки на центральную частоту узкополосного устройства на поверхностных акустических волнах, где 1 - пьезоэлектрическая подложка, 2 - входной встречно-штыревой преобразователь, 3 - выходной встречно-штыревой преобразователь, 4 - рабочая поверхность пьезоэлектрической подложки, 5 - катод высокочастотного магнетрона, 6 - вакуумная камера, 7 - вакуумный насос, 8 - вентиль-натекатель, 9 - высокочастотный генератор, 10 - согласующее устройство, 11 - плазма высокочастотного магнетронного разряда, 12 - экран высокочастотного магнетронного магнетрона (анод), 13 - положительный ион аргона, 14 - прибор для контроля центральной частоты узколополосного устройства на ПАВ, 15 - измерительные зонды. In FIG. 2 shows a tuning circuit for the center frequency of a narrow-band surface acoustic wave device, where 1 is a piezoelectric substrate, 2 is an input interdigital transducer, 3 is an output interdigital transducer, 4 is a working surface of a piezoelectric substrate, 5 is a cathode of a high-frequency magnetron, 6 - vacuum chamber, 7 - vacuum pump, 8 - leakage valve, 9 - high-frequency generator, 10 - matching device, 11 - high-frequency magnetron discharge plasma, 12 - high-frequency magnetron screen th magnetron (anode), 13 - positive ion of argon, 14 - a device for controlling the center frequency of the SAW device uzkolopolosnogo, 15 - electrodes.

На фиг. 3 показана зависимость изменения центральной частоты узкополосного устройства на ПАВ в сторону увеличения от времени облучения ионами аргона из плазмы высокочастотного магнетронного разряда. In FIG. Figure 3 shows the dependence of the change in the central frequency of a narrow-band device on a surfactant in the direction of increase from the time of exposure to argon ions from a plasma of a high-frequency magnetron discharge.

Способ настройки на центральную частоту узкополосного устройства на ПАВ реализуется в такой последовательности. The method of tuning to the center frequency of a narrowband SAW device is implemented in this sequence.

Пьезоэлектрическую подложку 1 из кварца ST-среза с входным ВШП 2 и выходным ВШП 3 устанавливают рабочей поверхностью 4 вверх на катод высокочастотного магнетрона 5. Вакуумную камеру 6 откачивают вакуумным насосом 7 до давления (1 - 6)•10^-3 Па. Затем в вакуумную камеру 6 выпускают аргон вентилем-натекателем 8 до давления (0,8 - 1,0) Па. От высокочастотного генератора 9 через согласующее устройство 10 на катод ВЧ магнетрона 5 подают высокочастотное напряжение. Величина удельной высокочастотной мощности составляет (0,05 - 0,1) Вт/см². Высокочастотное напряжение прикладывают к катоду ВЧ магнетрона 5 относительно заземленного экрана 12 (анода). В результате над катодом высокочастотного магнетрона 5, а следовательно, и над рабочей поверхностью пьезоэлектрической подложки 4 возникает плазма высокочастотного магнетронного разряда 11, а на катоде ВЧ магнетрона 5 и на рабочей поверхности пьезоэлектрической подложки 4 автоматически устанавливается отрицательное, относительно плазмы, напряжение смещения. Механизм возникновения отрицательного напряжения смещения связи с тем, что при подаче высокочастотного напряжения на поверхность катода, а следовательно, и рабочую поверхность, пьезоэлектрической подложки 4 из плазмы высокочастотного магнетронного разряда 11 поочередно поступают электроны и положительные ионы аргона 13. В первый момент после подачи ВЧ напряжения постоянная составляющая напряжения на поверхности катода 5 ВЧ магнетрона и рабочей поверхности пьезоэлектрической подложки 7 равна нулю. Так как, подвижность электронов значительно больше подвижности положительных ионов аргона, то на рабочей поверхности пьезоэлектрической подложки 4 накапливается отрицательный заряд, и, следовательно, растет отрицательное напряжения смещения до тех пор, пока среднее значение электронного и ионного токов равны друг другу. Под действием отрицательного электрического смещения положительные ионы аргона 13 вытягиваются из плазмы высокочастотного магнетронного разряда 11 и облучают рабочую поверхность пьезоэлектрической подложки 4. Время облучения ионами аргона рабочей поверхности пьезоэлектрической подложки не превышает 20 минут. Причем заметного травления кварцевой подложки и пленки алюминия замечено не было. В результате облучения положительными ионами аргона 13 с рабочей поверхности пьезоэлектрической подложки 4 удаляются загрязнения. Массовая нагрузка уменьшается, что приводит к увеличению фазовой скорости ПАВ, а следовательно, и к увеличению центральной частоты узкополосного устройства на ПАВ. Изменение центральной частоты устройства на ПАВ регистрируется прибором 14, для чего, входной ВШП 2 и выходной ВШП 3 соединены с прибором 14 с помощью зондов. 15.The piezoelectric substrate 1 made of quartz ST-slice with input IDT 2 and output IDT 3 is installed with the working surface 4 upward on the cathode of the high-frequency magnetron 5. The vacuum chamber 6 is pumped out by a vacuum pump 7 to a pressure of (1 - 6) • 10 ^-3 Pa. Then argon is released into the vacuum chamber 6 by the leakage valve 8 to a pressure of (0.8 - 1.0) Pa. From the high-frequency generator 9, through the matching device 10, a high-frequency voltage is supplied to the cathode of the RF magnetron 5. The value of the specific high-frequency power is (0.05 - 0.1) W / cm ² . High-frequency voltage is applied to the cathode of the RF magnetron 5 relative to the grounded shield 12 (anode). As a result, a plasma of a high-frequency magnetron discharge 11 appears above the cathode of the high-frequency magnetron 5 and, therefore, above the working surface of the piezoelectric substrate 4, and a negative bias voltage is automatically established on the cathode of the RF magnetron 5 and on the working surface of the piezoelectric substrate 4. The mechanism of the occurrence of negative bias voltage due to the fact that when a high-frequency voltage is applied to the cathode surface, and hence the working surface, of the piezoelectric substrate 4 from the plasma of the high-frequency magnetron discharge 11, electrons and positive argon ions 13 alternately arrive. At the first moment after applying the RF voltage the constant component of the voltage on the surface of the cathode 5 of the RF magnetron and the working surface of the piezoelectric substrate 7 is equal to zero. Since the mobility of electrons is much greater than the mobility of positive argon ions, a negative charge accumulates on the working surface of the piezoelectric substrate 4, and, therefore, the negative bias voltage increases until the average electron and ion currents are equal to each other. Under the influence of negative electric displacement, positive argon ions 13 are pulled out from the plasma of the high-frequency magnetron discharge 11 and irradiate the working surface of the piezoelectric substrate 4. The time of irradiation with argon ions of the working surface of the piezoelectric substrate does not exceed 20 minutes. Moreover, a noticeable etching of the quartz substrate and the aluminum film was not noticed. As a result of irradiation with positive argon ions 13, contaminants are removed from the working surface of the piezoelectric substrate 4. The mass load decreases, which leads to an increase in the phase velocity of the surfactant, and, consequently, to an increase in the central frequency of the narrowband device on the surfactant. The change in the center frequency of the device at the SAW is recorded by the device 14, for which the input IDT 2 and the output IDT 3 are connected to the device 14 using probes. fifteen.

Зависимость ухода центральной частоты узкополосного устройства на ПАВ имеет две области (фиг. 3). The dependence of the center frequency drift of a narrowband SAW device has two regions (Fig. 3).

В первой области происходит нелинейное изменение центральной частоты узкополосного устройства на ПАВ за счет процесса очистки и термообработки рабочей поверхности пьезоэлектрической подложки в ВЧ магнетронном разряде. Во второй области центральная частота узкополосного устройства на ПАВ увеличивается значительно медленнее из-за стабилизации свойств пленки алюминия и устранения загрязнений с рабочей поверхности пьезоэлектрической подложки, поэтому увеличение длительности обработок незначительно изменяет уход центральной частоты узкополосного устройства на ПАВ. In the first region, a nonlinear change in the central frequency of a narrow-band device at a surfactant occurs due to the cleaning and heat treatment of the working surface of the piezoelectric substrate in an RF magnetron discharge. In the second region, the central frequency of the narrow-band device on a surfactant increases much more slowly due to the stabilization of the properties of the aluminum film and the elimination of contaminants from the working surface of the piezoelectric substrate, therefore, an increase in the duration of the treatment slightly changes the departure of the central frequency of the narrow-band device on the surfactant.

При удельной высокочастотной мощности менее 0,05 Вт/см² изменение центральной частоты узкополосного устройства на ПАВ было настолько малым, что приводит к увеличению длительности облучения рабочей поверхности пьезоэлектрической подложки положительными ионами аргона в 2 и более раз. А при удельной ВЧ мощности более 0,1 Вт/см² изменение центральной частоты узкополосного устройства на ПАВ проходило за несколько секунд в пределах области 1 на фиг. 3, что делало процесс трудноконтролируемым. При облучении положительными ионами аргона рабочей поверхности пьезоэлектрической подложки более 20 минут наблюдалось травление поверхности кварцевой подложки, что нежелательно из-за изменения условий распространения поверхностной акустической волны. Поэтому время обработки зависит от ухода центральной частоты узкополосного устройства на ПАВ и не превышает 20 минут.At a specific high-frequency power of less than 0.05 W / cm ^{2, the} change in the central frequency of a narrow-band device at a surfactant was so small that it increased the duration of irradiation of the working surface of the piezoelectric substrate with positive argon ions by a factor of 2 or more. And at a specific RF power of more than 0.1 W / cm ^{2, a} change in the center frequency of a narrow-band device at a SAW took several seconds within region 1 in FIG. 3, which made the process difficult to control. When the working surface of the piezoelectric substrate was irradiated with positive argon ions for more than 20 minutes, the surface of the quartz substrate was etched, which is undesirable due to changes in the propagation conditions of the surface acoustic wave. Therefore, the processing time depends on the departure of the central frequency of the narrow-band device at a surfactant and does not exceed 20 minutes.

При давлении аргона в вакуумной камере менее 0,8 Па и при удельной мощности ВЧ магнетронного разряда в пределах (0,05 - 0,1) Вт/см² происходила неэффективная очистка рабочей поверхности пьезоэлектрической подложки, вероятно, из-за уменьшения числа заряженных частиц, участвующих в процессе обработки. А при давлении аргона в вакуумной камере более 1,0 Па и при удельной мощности ВЧ магнетронного разряда в пределах (0,05 - 0,1) Вт/см² также не достигалась эффективная очистка рабочей поверхности пьезоэлектрической подложки, возможно за счет преобладания процесса напыления над процессом очисток. Давление аргона в вакуумной камере в пределах (0,8 - 1,0) Па выбрано экспериментальным путем из условия наиболее эффективной очистки рабочей поверхности пьезоэлектрической подложки от загрязнений и контролируемого ухода центральной частоты узкополосного устройства на ПАВ.When the argon pressure in the vacuum chamber is less than 0.8 Pa and the specific power of the RF magnetron discharge in the range (0.05 - 0.1) W / cm ² , the working surface of the piezoelectric substrate was ineffectively cleaned, probably due to a decrease in the number of charged particles involved in the processing. And when the argon pressure in the vacuum chamber was more than 1.0 Pa and at the specific power of the RF magnetron discharge within (0.05 - 0.1) W / cm ^2, effective cleaning of the working surface of the piezoelectric substrate was also not achieved, possibly due to the predominance of the deposition process over the cleaning process. The argon pressure in the vacuum chamber in the range of (0.8 - 1.0) Pa was chosen experimentally from the conditions of the most efficient cleaning of the working surface of the piezoelectric substrate from contaminants and the controlled departure of the central frequency of the narrow-band surfactant device.

Таким образом, разработанный способ настройки на центральную частоту позволяет уменьшить трудоемкость изготовления узкополосного устройства на ПАВ на (4 - 5) часов за счет исключения технологических операций по напылению пленок окиси алюминия и удалению данной пленки с контактных площадок ВШП. Для напыления пленки окиси алюминия со скоростью (7 - 8) нм/мин (см. Met. Fac. Eng., 1987, v. 28, p. 61 - 68) и толщиной 0,6 мкм необходимо время (2 - 2,5) часов, а для удаления пленки окиси алюминия с контактных площадок ВШП методом фотолитографии необходимо (2 - 2,5) часа. Thus, the developed method of tuning to the center frequency allows to reduce the laboriousness of manufacturing a narrow-band device for surfactants by (4 - 5) hours due to the exclusion of technological operations for spraying aluminum oxide films and removing this film from IDT contact pads. For the deposition of an alumina film at a speed of (7 - 8) nm / min (see Met. Fac. Eng., 1987, v. 28, p. 61 - 68) and a thickness of 0.6 μm, time is required (2 - 2, 5) hours, and to remove the alumina film from the IDT contact pads using photolithography, it takes (2 - 2.5) hours.

Claims

The method of tuning to the center frequency of a narrow-band device on surface acoustic waves, which consists in measuring the center frequency of a narrow-band device on surface acoustic waves with a piezoelectric substrate, on the working surface of which the input and output interdigital transducers are preformed and connected to a measuring device, characterized in that the working surface of the piezoelectric substrate is irradiated with argon ions from a high-frequency magnetron plasma discharge at a pressure of 0.8 - 1.0 Pa, specific high-frequency power of 0.05 - 0.1 W / cm ² and electric displacement on the working surface of the piezoelectric substrate minus (50 - 60) V.