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Submitted on 1 Jan 1972
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EXCITATION D’ONDES DE SURFACE DE
FRÉQUENCE SUPÉRIEURE A 1000 MHz AVEC DES TRANSDUCTEURS RÉALISÉS PAR MASQUAGE
ÉLECTRONIQUE
P. Hartemann, C. Arnodo, R. Gaudry
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P. Hartemann, C. Arnodo, R. Gaudry. EXCITATION D’ONDES DE SURFACE DE FRÉQUENCE SUPÉRIEURE A 1000 MHz AVEC DES TRANSDUCTEURS RÉALISÉS PAR MASQUAGE ÉLECTRONIQUE. Journal de Physique Colloques, 1972, 33 (C6), pp.C6-266-C6-270.
�10.1051/jphyscol:1972657�. �jpa-00215175�
JOURNAL DE PHYSIQUE Colloque C6, supplément au no 11-12, Tome 33, Novembre-Décembre 1972, page 266
EXCITATION D'ONDES
DE SURFACE DE FRÉQUENCE SUPÉRIEURE A 1000 MHz
AVEC DES TRANSDUCTEURS RÉALI SÉS PAR MASQUAGE ÉLECTRONIQUE
P. HARTEMANN, C. ARNODO et R. GAUDRY Laboratoire Central de Recherches Thomson-CSF Domaine de Corbeville, BP no 10, 91401 Orsay, France
Résumé. - Les transducteurs émetteur et récepteur d'ondes élastiques de surface sont, en général, constitués par un ensemble de traits métalliques déposé sur la surface d'un matériau piézoélectrique. La largeur d'un trait, proportionnelle à la longueur d'onde élastique, est de l'ordre de 0,9 pm pour des transducteurs fonctionnant à une fréquence de 1 000 MHz environ.
Des traits aussi fins sont réalisés par la méthode de masquage électronique : un faisceau d'élec- trons modulé en intensité suivant le dessin du transducteur, balaye le substrat recouvert d'une résine électrosensible.
Deux procédés d'introduction des informations décrivant le motif sont utilisés :
- procédé analogique : le dessin d'un masque photographique à l'échelle 500 est reproduit a l'échelle 1 sur la cible,
- procédé digital : les informations sont introduites sous forme de bande perforée dans un calculateur qui commande automatiquement les positions du substrat et du faisceau d'électrons.
Les caractéristiques de lignes à retard dont les transducteurs sont de types différents, sont données et comparées.
Abstract. - A surface wave transducer is composed of metallic fingers deposited on the surface of a piezoelectric substrate. The finger width is proportional to the elastic wavelength. Fingers of a conventional interdigital transducer are less than 1 Pm wide at 1 000 MHz. These narrow fingers are obtained using an electron beam masking technique.
Two machines are described :
- a modified scanning electron microscope, - an automatic electron beam pattern generator.
Two kinds of transducers have been tested : - conventional interdigital transducers,
- grating array transducers.
Performances of the two types of transducers are compared.
Un transducteur d'ondes élastiques de surface comporte des traits métalliques déposés à la surface d'un substrat piézoélectrique. La largeur des traits est égale au quart de la longueur d'onde élastique pour des transducteurs de structure classique. Cette largeur est voisine de 0,9 pm à une fréquence de fonctionnement de 1 GHz en utilisant comme substrat du niobate de lithium. Les traits très fins sont réalisés avec un faisceau d'électrons qui balaye la surface du substrat recouverte d'une résine sensible. En effet, l'utilisation du procédé de photogravure n'est plus possible par suite des effets importants de la diffraction des ondes lumineuses par des motifs dont les dimen- sions sont peu différentes de la longueur d'onde optique. Pour une énergie de 20 keV la longueur d'onde associée aux électrons est de l'ordre de 0,35
A.
Des phénomènes autres que la diffraction limitent donc la largeur des traits.
Les chaînes moléculaires d'une résine sont brisées sous l'action d'une densité d'électrons de l'ordre de Cb/cm2 et la solubilité des parties exposées augmente. Les meilleurs résultats sont obtenus avec le polyméthacrylate de méthyle (PMM). Par suite des phénomènes de diffusion et rétrodiffusion des électrons par la résine et le substrat, la section du sillon gravé dans la résine après le développement a une forme de queue d'aronde. Pour une épaisseur donnée de la couche de PMM, les dimensions de cette section sont fonction de l'énergie des électrons, de la charge incidente par unité de longueur du sillon, de l'intensité du faisceau et du substrat [l].
Tous ces paramètres ont été expérimentalement optimisés pour une couche de PMM de 4000
A
environ d'épaisseur. De bons résultats ont été obtenus avec un faisceau de 20 keV et une charge de 2 x Cb/cm2. Le courant est alors d'environ
Article published online by EDP Sciences and available at http://dx.doi.org/10.1051/jphyscol:1972657
EXCITATION D'ONDES DE SURFACE D E FRÉQUENCE SUPÉRIEURE A 1000 MHz C6-267
2 x IO-'
A.
Des traits de 0,25 pm de large au pas - un masqueur automatique entièrement conçu de 1 pm ont été réalisés avec ces valeurs des paramètres et réalisé par nos laboratoires.de réglage dans nos laboratoires. Le processus techno-
logique de réalisation d'un transducteur est schématisé Les principes généraux de de ces sur la figure 1. deux appareils sont identiques. Cependant, les pro- cédés d'introduction des informations décrivant le tracé recherché sont différents.
SUBSTRAT ALUMINIUM
O
\ ,,
\ Un procédé analogique est utilisé pour le micro-\ ?\\ ? ;\\\\\\\\\\ scope à balayage modifié. Un procédé digital (bande perforée) est employé pour le masqueur automatique.
ALUMINIUM
0
Les deux appareils sont décrits sommairement dans\ les paragraphes suivants.
Le schéma synoptique du microscope modifié est représenté sur la figure 2. La reproduction sur
FIG. 1. - Processus technologique de réalisation des dents d'un transducteur :
1) surface poIie du substrat,
2) dépôt d'une première couche d'aluminium (200 A), 3) dépôt d'un film de PMM (4 000
A),
4) développement, après exposition au faisceau d'électrons, du film de PMM,
5) dépôt d'une seconde couche d'aluminium (1 200A), 6) élimination de l'aluminium déposé sur le PMM par
trempage dans un solvant
7) élimination par usinage ionique de l'aluminium subsistant entre les dents.
Le substrat isolant (niobate de lithium) se charge d'électrons. Pour évacuer cette charge statique qui peut dévier le faisceau d'électrons, une couche d'alu- minium de 200
A
d'épaisseur est déposée par pulvé- risation cathodique sur la surface de niobate. Un film de 4 000A
d'épaisseur de polyméthacrylate de méthyle forme la couche électrosensible. Après exposition à un faisceau d'électrons de 20 keV et développement de la résine dans une solution de méthyléthylcétone et d'isopropanol, une seconde couche d'aluminium de 1 200A
d'épaisseur est dépo- sée par pulvérisation cathodique. Ensuite le substrat est trempé dans un solvant de la résine pour supprimer i'aluminium déposé sur le PMM. L'aluminium sub- sistant entre les traits est éliminé par usinage ionique.Nous disposons pour réaliser les traits métalliques très fins de deux appareils à balayage électronique :
- un microscope électronique à balayage « Ste- reoscan Cambridge )) auquel un montage de (( flying spot >> a été a-jouté ;
C a n o n ~ " i
à électrons/, ,
Ecran
b a l a y a g e
FIG. 2. - Schéma synoptique du microscope à balayage équipé d'un dispositif de <( flying spot ».
film photographique, à l'échelle 500 par exemple, d'un transducteur est disposée devant l'écran d'un tube cathodique et elle est balayée par le spot du tube. La lumière transmise à travers le film est mesurée avec un tube photomultiplicateur dont la sortie est reliée à un dispositif électronique à seuil. Le circuit d'alimentation des bobines de déviation, associé à un diaphragme (bobines de blocage) est ouvert ou fermé suivant la tension fournie par le circuit à seuil.
Quand le spot du tube cathodique est occulté par les parties opaques du masque, le faisceau dévié est absorbé par le diaphragme. La résine n'est alors pas impressionnée. Celle-ci est, au contraire, sensi- bilisée par le faisceau lorsque le spot du tube catho- dique se présente devant une partie transparente du film photographique.
Le masqueur a été conçu pour fabriquer des répli- ques sur des plaques de 50 x 50 mm avec une pré- cision de 0,l pm [2]. Le temps d'exécution et les opérations manuelles ont été réduites en automatisant à l'aide d'un calculateur son fonctionnement. Le schéma synoptique de cet appareil est représenté sur la figure 3. L'échantillon est placé sur une table mobile en X et Y dont la position est mesurée à 400
A
près avec deux interféromètres de Michelson.
Les moteurs de déplacement ne peuvent positionner la table qu'avec une précision de 5 pm. Des bobines
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Les largeurs des traits et les aires des transducteurs des deux types sont identiques dans le but de compa- rer leurs caractéristiques et les difficultés de réalisation avec les mêmes moyens technologiques. La largeur et la longueur utile des traits sont respectivement égales à 0,66 pm et 142 pm. Le substrat utilisé est dans tous les cas une plaquette de niobate de lithium coupe Y. La direction de propagation des ondes de surface est parallèle à l'axe Z.
1. Transducteur de structure classique. - Le transducteur se compose de deux électrodes en forme de peigne dont les dents sont intercalées (Fig. 4).
FIG. 3. - Schéma synoptique du masqueur automatique.
(bobines de correction) dévient le faisceau d'électrons et corrigent cette erreur.
Des bobines de traçage déplacent le point d'impact du faisceau d'électrons sur l'échantillon dans un carré de 400 pm de côté avec une précision de 0'1 pm.
Le motif a été préalablement décomposé en rectangles élémentaires caractérisés par 4 chiffres proportionnels respectivement aux coordonnées d'un coin du rec- tangle, à sa largeur et sa hauteur. Ces informations dimensionnelles sont introduites à l'aide d'une bande perforée dans le calculateur associé au masqueur.
La bande est obtenue en utilisant un télétype qui inscrit par perforation les résultats d'un programme de calcul spécial.
Ce calcul peut être effectué, par exemple, avec une console « Time Sharing ».
Pendant la séquence de tracé d'un rectangle, les FIG. 4. - Transducteur de structure classique.
tensions d'alimentation des bobines de traçage X et Y varient en fonction du temps suivant une loi
en forme d'escalier. La durée palier est de 30 ps La tension électrique entre deux dents adjacentes environ. La surface est donc balayée par des points. est à la tension aux bornes des 095 points correspondent à mm. La électrodes. Le substrat étant piézoélectrique, les de la zone où la résine est dégradée étant plus grande champs électriques existant entre les dents excitent que celle de la section du faisceau djélectrons, aucune des ondes élastiques de surface. Les ondes élastiques discontinuité n'est apparente sur le motif obtenu entre les dents 'Ont en phase puisque la après révélation de la résine. moitié de la longueur d'onde élastique sépare deux En dehors du temps de tracé d'un rectangle, le dents consécutives. La largeur d'une dent est égale faisceau d'électrons est interrompu en utilisant des au quart de la longueur d'onde. L'amplitude de bobines de blocage associées à un diaphragme. l'onde résultante émise par un transducteur de N
dents est proportionnelle à (N - 1) U.
Deux types de transducteurs ont été expérimentés :
Une ligne de 1,5 1ü de retard a été expérimentée.
- transducteur de structure classique, Les deux transducteurs sont identiques et compor-
-
transducteur en réseaux. tent chacun 20 dents. La réponse en fréquence deEXCITATION D'ONDES DE SURFACE D E FRÉQUENCE SUPÉRIEURE A 1000 MHz C6-269
la ligne centrée à 1,27 GHz avec une bande passante de 137 MHz est représentée sur la figure 5. Les pertes minimales après accord des deux transducteurs avec
FIG. 5. - Courbe en trait plein : réponse en fréquence d'une ligne à retard comportant deux transducteurs identiques de structure classique accordés par des stubs. La largeur des dents est de 0,66 Fm. Courbe en tiré : niveau de l'impulsion retardée
parasite (retard 4,5 ps).
des stubs sont de 18,5 dB. Sans stub, ces pertes sont de 20 dB. Le niveau de l'impulsion parasite retardée de 4,5 ps est inférieur de 33 dB à celui de l'impulsion principale. Cette impulsion parasite est produite par des réflexions d'ondes élastiques sur les deux transducteurs.
2. Transducteur en réseaux [3], [4].
-
Le trans- ducteur complexe, représenté sur la figure 6, est consti- tué de deux transducteurs simples en réseau élec- triquement en parallèle.FIG. 6. - Transducteur en réseau.
Un transducteur simple en réseau est formé de deux électrodes entre lesquelles est disposé un réseau de traits métalliques électriquement isolé. Les capa- cités entre chaque trait sont en série. Pour une tension U appliquée entre les deux électrodes, la tension entre deux traits adjacents est égale à U/(N
+
1) si N est Ie nombre de traits du réseau.Les ondes élastiques créées entre les traits s'ajoutent puisque la distance qui sépare dèux traits adjacents est égale à la longueur d'onde élastique. L'amplitude de l'onde résultante émise par un transducteur simple est proportionnelle à U. Elle est indépendante du nombre de traits du réseau. L'amplitude de l'onde résultante émise par le transducteur complexe est égale au double de celle créée par un transducteur simple puisque la largeur de l'électrode centrale est un multiple de la longueur d'onde élastique. La largeur d'un trait est égale à la moitié de la longueur d'onde. Une ligne de 1,5 ps de retard, composée de deux transducteurs complexes identiques, a été expérimentée. Chaque transducteur est formé par deux transducteurs simples comportant chacun un réseau de huit traits. La largeur des électrodes est de 1,32 pm. Les pertes minimales d'insertion de la ligne sont de 39 dB à la fréquence centrale de 2,55 GHz après accord des deux transducteurs avec des stubs.
La réponse en fréquence expérimentale est repré- sentée sur la figure 7. La bande passante à 3 dB est de 87 MHz.
Attén. dB
301 I I
4 o.
i
-t-
FIG
.
tant
7. - Réponse en fréquence d'une ligne à retard compor- deux transducteurs identiques en réseau accordés par des stubs. La largeur des traits du réseau est de 0,66 Fm.
Les résultats obtenus avec les deux lignes peuvent être comparés :
- pour une largeur de traits donnée, la fréquence de fonctionnement du transducteur en réseau est le double de celle d'un transducteur de structure clas- sique,
- pour une tension U appliquée aux bornes d'un transducteur et une longueur utile donnée des traits, la puissance élastique rayonnée par un transducteur simple en réseau, indépendante du nombre de traits, est voisine de la moitié de celle émise par un trans- ducteur conventionnel accordé à la même fréquence et constitué d'une paire unique de dents,
- les transducteurs en réseau par suite de la faible valeur de la partie réelle de leur impédance sont plus difficiles à adapter que les transducteurs de structure classique,
- un transducteur en réseau peut fonctionner même si des traits du réseau sont coupés ou court- circuités. Les électrodes de ce transducteur sont larges et éloignées l'une de l'autre. Il est donc facile
C6-270 P. HARTEMANN, C . ARNODO ET R. GAUDRY d'éviter les coupures et les court-circuits de ces
électrodes,
- les doses additives d'électrons diffusées et rétro- diffusées par la résine et le substrat sont moins impor- tantes dans la zone des raccords des dents avec l'électrode commune d'un transducteur classique.
En effet, les distances entre deux dents adjacentes sont dans cette zone le double de celles existant entre les parties actives des dents. La largeur du trait obtenu après développement est donc plus petite que celle révélée dans la zone active. Des coupures ont tendance à exister aux racines des dents. Pour éviter ce défaut les racines des dents sont élargies sur le dessin à l'échelle 500 utilisée avec la méthode du flying spot ». Avec le masqueur, les longueurs inactives des dents sont doublement exposées par un second balayage du faisceau d'électrons.
Ce problème ne se pose pas pour les transducteurs en réseaux.
En conclusion, nous pouvons écrire que les trans- ducteurs en réseaux sont plus faciles à réaliser que les transducteurs de structure classique surtout pour les très hautes fréquences, mais leurs pertes sont plus élevées.
La réalisation de transducteurs d'ondes de surface fonctionnant à des fréquences supérieures à 1 GHz est possible en utilisant des appareils à balayage électronique. Les pertes d'insertion ae lignes à retard fonctionnant à environ 1,5 GHz n'étant pas excessives, des dispositifs dont la fonction est plus complexe que le retard comme par exemple le filtrage peuvent être réalisés avec le masqueur automatique car la précision très élevée de cet appareil est maintenue en tous les points d'une grande surface. Pour des fréquences supérieures à 3 GHz, les pertes de propa- gation des ondes de surface deviennent importantes.
Elles sont de l'ordre de 10 dB/ps pour le niobate de lithium. Le bon fonctionnement à ces fréquences de dispositifs à ondes de surface semble actuellement problématique. Cependant, la fréquence la plus élevée obtenue avec des transducteurs de structure classique est de 3,5 GHz [5]. Ces transducteurs ont été réalisés par la méthode du masquage électronique par un laboratoire aux USA. La largeur d'une dent est alors de 0,15 pm environ.
Les travaux effectués dans nos laboratoires concer- nant les dispositifs à ondes de surface fonctionnant à des fréquences supérieures à 1 GHz sont soutenus par la DRME.
Bibliographie [l] WOLF E. D., OZDEMIR F. S., PERKINS W. E. and
COANE P. J., « Response of the positive elec- tron resist, elvacite 2 041 to kilovolt electron beam exposure ». 1 lth Symposium on Electron, Ion and Laser beam technology, Boulder, Colo- rado, May 1971.
[2] CAHEN O., SIGELLE R., TROTEL J., << Automatic control of an electron beam pattern generator ».
141st National Meeting, The EIectrochemical Society, Houston, USA, May 1972.
[3] BAHR A. J. , LEE R. E., PODELL A. F., «The grating array : A new surface acoustic wave transducer ». Proceedings of the IEEE, April 1972.
[4] HARTEMANN P., ARNODO C., «Rayleigh wave delay line using two grating array transducera at 2.55 GHz ». Electronics Letfers, 18th May 1972, vol. 8, no 10.
[5] LEAN E. G . and BROERS A. N., << Microwave surface acoustic delay lines ». The Microwave Journal, March 1970
