Rev. Phys. Appl. (Paris) 12, 843-848 (1977)
DOI: 10.1051/rphysap:01977001205084300

Caractérisation des couches non cristallines obtenues par implantation d'ions dans les matériaux piézoélectriques

P. Hartemann

Laboratoire Central de Recherches Thomson-CSF, Domaine de Corbeville, 91401 Orsay, France

Abstract
The crystalline structure of piezoelectric materials is more or less perturbed by a bombardment of light ions at about 100 keV. Effects of implanted ions on characteristics of quartz and lithium niobate were studied in detail. Perturbed layers the thickness of which is about 1 μm, were characterized using the following methods : - X ray topography and electron diffraction pattern, - measure of the step height at the boundary of an implanted surface, - measure of the implanted layer thickness using chemical etching and ionic analysis, - measure of the acoustic surface-wave velocity (Rayleigh wave), - measure of the effective electromechanical coupling coefficient for acoustic surface-wave, - measure of the temperature coefficient of delay for acoustic surface-wave, - measure of static capacitance and d.c. resistance of acoustic surface-wave transducers, - electron paramagnetic resonance test. The experimental results are reported. They show that the properties of the perturbed layer of quartz and lithium niobate are strikingly different. For quartz they are close to that of amorphous silica and the acoustic impedance mismatch induced by ion implantation have been used for reflecting acoustic surface-waves.

Résumé
La structure cristalline des matériaux piézoélectriques est plus ou moins perturbée par un bombardement d'ions accélérés par 100 kV environ. Les effets de l'implantation d'ions légers sur les caractéristiques du quartz et du niobate de lithium ont été particulièrement étudiés. Les couches perturbées, d'épaisseur voisine de 1 μm, ont été caractérisées en utilisant les méthodes suivantes : - topographie aux rayons X et examen en diffraction d'électrons, - mesure de la hauteur de la dénivellation existante à la limite de la surface implantée, - mesure des épaisseurs des couches implantées par attaque chimique sélective et au moyen d'analyse ionique, - mesure de la vitesse de propagation des ondes élastiques de surface (ondes de Rayleigh), - mesure du coefficient effectif de couplage électromécanique des ondes de surface, - mesure du coefficient de température du retard de propagation des ondes de surface, - mesure de la capacité et de la résistance de transducteurs d'ondes de surface, - examen en résonance paramagnétique électronique. Les résultats expérimentaux obtenus avec ces méthodes de caractérisation sont présentés. Ils montrent que les couches implantées de quartz et de niobate de lithium ont des propriétés très différentes. Dans le cas du quartz, les caractéristiques de la couche implantée sont voisines de celles de la silice amorphe et la variation d'impédance acoustique produite par implantation d'ions a été utilisée pour réfléchir les ondes élastiques de surface.

PACS
6170T - Doping and implantation of impurities.
6180J - Ion beam effects.
6825 - Mechanical and acoustical properties of solid surfaces and interfaces.
7760 - Piezoelectricity and electrostriction.
2810F - Piezoelectric and ferroelectric materials.

Key words
amorphous state -- ion implantation -- lithium compounds -- quartz -- piezoelectric materials -- 100 keV -- implanted ions -- quartz -- LiNbO sub 3 -- noncrystalline films -- light ion bombardment -- acoustic surface waves