книги / Технологическое проектирование микросхем СВЧ

прочность и теплостойкость (выдерживает пайку при темпе­ ратуре 260 °С); требует применения твердосплавного инстру­ мента при обработке. Флан применяют для изготовления плат повышенной точности.

Материалы типа ФФ-4, ФАФ-4Д и Ф-4МБСФ-1 созда­ ны на основе фторопласта-4. ФФ-4 представляет собой листы из фторопласта, он предназначен для изготовления плат боль­ ших размеров, не требующих высокой точности, работающих в условиях повышенных температур. Его недостатки: отсут­ ствие стабильности размеров при изготовлении плат; необхо­ димость специальной химической обработки поверхности для электрохимической металлизации.

Материал ФАФ-4Д представляет собой стеклоткань мар­ ки Э-0,1, пропитанную суспензией на основе фторопласта 4Д. Он предназначен для изготовления плат повышенной точно­ сти больших размеров, работающих в условиях высоких тем­ ператур (250 °С) и механических нагрузок.

Рассмотренные выше материалы выпускаются в виде ли­ стов следующих размеров: флан - от 250x280 до 300x340 мм, толщиной от 1 мм до 10 мм в зависимости от марки; ФФ-4 -

от 100x100 до 400x400 мм, толщиной от 1,5до 3мм; ФАФ-4Д

- от 170x280 до 500x500 мм, толщиной от 0,5 до 3,0мм. Материал Ф-4МБСФ-1 представляет собой пленку из фто­

ропласта 4МБ, дублированную со стеклотканью Э-1 . Этот материал предназначен для изготовления многофункциональ­ ных СВЧ-устройств,' работающих при температуре 125 °С.

Все перечисленные органические материалы выпускают­ ся фольгированными, т.е. с напрессованной медной фольгой толщиной от 12 до 35 мкм. Листы этих материалов имеют размеры 300x300 мм и толщину 0,15 мм.

В табл. 1.2 приведены основные характеристики диэлек­ трических СВЧ-материалов.

Из вышесказанного следует, что органические материалы имеют существенно отличные механические и тепловые свой­ ства, которые необходимо учитывать в процессе изготовления ,и эксплуатации ГИС СВЧ.

1.4. Полупроводниковые ИС СВЧ

По функциональному назначению полупроводниковые, ИС как и другие группы ИС СВЧ, делятся на цифровые и аналоговые.

Цифровая ИС - это ИС, предназначенная для преобра­ зования и обработки сигналов, изменяющихся по закону дис­ кретной функции. Удельный вес полупроводниковых цифро­ вых ИС во всем производстве полупроводниковых интеграль­ ных схем не менее 95 %.

Аналоговая микросхема - это микросхема, предназначен­ ная для преобразования и обработки сигналов по закону непре­ рывной функции. Все полупроводниковые ИС СВЧ являются аналоговыми и цифровыми.

Технология изготовления полупроводниковых аналоговых ИС СВЧ подобна технологии цифровых, поэтому возможна разработка многофункциональных устройств на одном кри­ сталле. В настоящее время основной объем реализуемых по­ лупроводниковых ИС СВЧ представляют однофункциональ­ ные устройства (усилители, смесители, детекторы и др.) или их узлы, включающие комбинацию элементов (диодов, тран­ зисторов и т.п.).

Полупроводниковые узлы представляют лишь часть ГИС СВЧ, но использование их очень эффективно, так как они име­ ют более широкие области применения, чем сложные функ­ циональные устройства, используют лишь малую часть до­ рогостоящей эпитаксиальной полупроводниковой структуры, позволяют создавать парные элементы с высокой идентично­ стью для балансных схем, упрощают сборку ГИС СВЧ.

Постоянное увеличение области реализации полупровод­ никовых ИС СВЧ связано с относительно низкой стоимостью при массовом изготовлении за счет формирования всех эле­ ментов ИС в едином технологическом цикле; уменьшенными габаритными размерами вследствие высокой плотности эле­ ментов на кристалле и отказа от контактных соединительных площадок; повышенной надежностью из-за отсутствия навес­ ных элементов; воспроизводимостью характеристик. Но, как

показывают практические исследования, при изготовлении по­ лупроводниковых ИС СВЧ следует учитывать их особенности. При изготовлении многоэлементной схемы всегда существу­ ет значительная вероятность отказа одного из элементов, а следовательно, снижается процент выхода годных микросхем. Из-за малости размеров сложно, а иногда и невозможно произ­ водить подстройку и ремонт микросхем. Повышенные разме­ ры ИС СВЧ обычно связаны с тем, что большую часть площа­ ди дорогостоящего полупроводникового кристалла занимают пассивные элементы схемы, поэтому конструктор всегда сто­ ит перед компромиссом: повышение стоимости или упрощение схемы. На частотах до б ГГц эта задача может быть реше­ на переходом на сосредоточенные пассивные элементы, а от 6 до 30 ГГц необходимо использовать распределенные пассив­ ные элементы большой площади, что резко ограничивает из­ готовление ИС в этом диапазоне. При частотах выше 30 ГГц размеры элементов становятся небольшими, но при этом сни­ жается их добротность из-за повышенных потерь в металли­ зации и полупроводниковой структуре, возрастают требова­ ния к электромагнитной совместимости, возникают паразит­ ные гармоники высших типов.

Основными активными элементами в полупроводниковых ИС СВЧ являются полевые транзисторы с затвором на ба­ рьере Шотки (ПТШ) и диоды с барьером Шотки, но здесь также существует конструкторское ограничение: частоты 40 ... 50 ГГц для ПТШ в настоящее время для массового про­ изводства пока являются предельными.

Таким образом, конструирование полупроводниковых ИС СВЧ связано с решением многих вопросов в области проек­ тирования и технологии изготовления пассивных и активных элементов, развития методов расчета и анализа параметров элементов, разработки методик конструкторской оптимизации элементов и ИС СВЧ в целом.

По конструктивным признакам полупроводниковые инте­ гральные схемы можно разделить на три типа:

ИС на полупроводниковой (полуизолирующей) подложке;

ИС с воздушной межэлементной изоляцией; диэлектрические ИС.

И С С В Ч н а полуп роводн и ковой п о л у и зо л и р у ю щ ей подлож ке. При их конструировании используют те же линии передачи (несимметричная, симметричная, копланарная), что

ив микрополосковых ГИС СВЧ.

Кматериалам подложек для этого типа ИС предъявляют те же требования, что и к подложкам для ГИС СВЧ. Кроме того, подложка должна иметь минимальный уровень дефектов кристаллографической решетки и обладать высокой терми­ ческой стабильностью (сохранением высокого сопротивления после процесса эпитаксиального осаждения проводящих слоев или отжига дефектов после ионной имплантации), отсутстви­ ем диффузии примеси и дефектов в проводящий слой во вре­ мя термических технологических процессов изготовления ИС СВЧ. Поверхность подложки должна быть строго ориентиро­ вана параллельно заданной кристаллографической плоскости.

При конструировании и выборе технологического марш ­ рута изготовления этого типа ИС основное внимание уделяет­ ся полупроводниковой эпитаксиальной структуре.

Возможностью эпитаксиального осаждения проводящих полупроводниковых слоев, отвечающих требованиям дискрет­ ных активных приборов, обладают подложки из сапфира, ZnO

иGaAs с г-типом проводимости.

На сапфире отработана технология осаждения кремния - кремний на сапфире (КНС). Структуры КНС из-за высо­ ких напряжений в кристаллографической решетке и малой по­ движности электронов и дырок в эпитаксиально осажденном кремнии перспективны в случае экономической целесообразно­ сти лишь в длинноволновой части диапазона СВЧ. Возмож­ ность реализации ИС СВЧ со структурой КНС просматрива­ ется лишь до 1 ГГц.

Подложки фосфида индия обладают хорошими изолиру­ ющими свойствами (р > Ю70 м-см) и позволяют осаждать эпитаксиальные слои как самого соединения ZnP, так и более сложных тройных и четверных соединений.

перспективным методом формирования эпитаксиальных сло­ ев является молекулярно-лучевая эпитахсия - процесс осажде­ ния атомных слоев полупроводника с помощью молекулярного пучка на подложку, находящуюся при достаточно низкой тем­ пературе (600 °С и менее) в условиях высокого вакуума. Этим методом формируют полупроводниковые слои с исключитель­ но быстрой сменой состава и концентраций вводимых в них примесей и высокой точностью толщины слоя (несколько де­ сятых долей нанометров). Полуизолирующая подложка GaAs позволяет выращивать эпитаксиальные слои тройных соеди­ нений, но в основном используются структуры in-GaAs или in п-GaAs. При молекулярной эпитаксии подвижность носи­ телей заряда в п-GaAs может быть близка к теоретической (8500 см2/(В • с)). Выбор эпитаксиальной структуры опреде­ ляется конструктивными параметрами элементов, входящих в проектируемую микросхему.

При конструировании ИС СВЧ на полуизолирующей под­ ложке GaAs изоляция элементов заключается или в удалении участков проводящего эпитаксиального слоя n -типа, или в из­ менении проводимости эпитаксиального слоя в области изоля­ ции до г-типа. Удаление слоя n -типа не представляет значи­ тельной сложности, так как он имеет толщину 0, 2 ... 1 мкм и может быть удален химическим или ионно-химическим тра­ влением. Недостатком такого метода изоляции является по­ явление ступеньки травления по краю изолированных обла­ стей, где могут происходить с большой вероятностью разры ­ вы металлизации.

При создании ИС поверхность полупроводника желатель­ но иметь идеально гладкой, поэтому в областях изоляции фор­ мируют полуизолирующие слои с помощью протонной бомбар­ дировки или бомбардировкой ионами гелия. Технологический процесс имплантации заключается в следующем: активные области структуры защищаются фоторезистом или золотом; проводится бомбардировка с различными уровнями энергии, чтобы получить по толщине изолирующий слой; отж иг при температуре 4 0 0 ... 500 °С.

Рис. 1.14. Пассивные сосре­ доточенные элементы полу­ проводниковой ИС:

а - конденсатор; б - резистор; 1 - верхняя обкладка; 2 - диэлек­ трический слой; 3 - область п+ в арсениде галлия; 4 “ контактная

площадка; 5 - резистивный слой

Формирование резистора и обкладки конденсатора проис­ ходит теми же технологическими процессами, что и их фор­ мирование в микрополосковых ГИС СВЧ. На рис. 1.14 пред­ ставлены пассивные сосредоточенные элементы как составля­ ющая часть полупроводниковой ИС СВЧ.

Как видно из рис. 1.15, где представлены транзистор и диод самостоятельными элементами ИС СВЧ, структура эпи­ таксиальных слоев для них должна быть различна.

Вследствие этого при конструировании стараются ис­ пользовать или только транзисторные элементы, или только диодные. Конечно, ПТШ может работать как диод, если под­ ключить его выводы: затвор - сток или затвор - исток, но высоких функциональных параметров так добиться нельзя.

Процесс конструирования полупроводниковых ИС на по­ луизолирующей подложке состоит из следующих этапов:

1 . Анализ электрической схемы и оценка возможности конструкторско-технологической реализации требуемых элек­ трофизических параметров полупроводниковой структуры и конструкторских и электрических параметров элементов схе­ мы.

2. Выбор линий передачи.

Рис. 1.15. Транзистор (а) и диод (б) полупроводниковой ИС:

1 - область протонной изоляции; 2 - оми­ ческий контакт; 3 - барьер Шотки

3.Ориентировочный расчет топологии (расположение ак­ тивных, пассивных и согласующих элементов схемы, трасси­ ровка).

4.Расчет параметров элементов.

5.Расчет топологии комплекта фотошаблонов с учетом координатных точек включения с внешними каскадами, цепя­ ми смещения и заземления.

6.Конструирование корпуса и переходов от внешних ли­ ний к полупроводниковой ИС СВЧ.

7.Контроль качества технологических операций. Рассмотрим особенности реализации этих этапов на при­

мере конструирования наиболее распространенного в настоя­ щее время транзисторного модуля.

Обычно расчет основного элемента транзисторного моду­ ля СВЧ - ПТШ проводится с использованием s-параметров.