книги / Технологическое проектирование микросхем СВЧ

Это объясняется широко развитой теорией и освоенными ме­ тодами расчета и измерения 5-параметров.

S'-параметры являются вторичными от параметров экви­ валентной схемы транзистора, поэтому возможен расчет структуры ПТШ и непосредственно по параметрам эквива­ лентной схемы, связывая их с функциональными параметра­ ми. Отметим, что эквивалентные схемы транзисторов зависят от мощности сигнала.

Для режима работы транзисторного модуля как генерато­ ра или как усилителя определяются характеристики входной и выходной согласующих цепей. Обычно при построении ге­ нераторов предпочтение отдают включению транзистора по схеме с общим затвором, а усилителей - с общим истоком. Для генераторов рассчитывают согласующие цепи из условий максимальной мощности в нагрузке, минимального коэффи­ циента отражения входа Гвх и Гвых -» оо; для усилителей - максимального коэффициента усиления и минимальных коэф­ фициентов отражения входа Гвх и Гвых»

Для малошумящего однокаскадного усилителя согласова­ ние по входу обеспечивает низкий коэффициент шума, а со­ гласование по выходу - наибольший коэффициент усиления. При требовании увеличения коэффициента усиления исполь­ зуют многокаскадные усилители. В этом случае коэффициент

где Кш{г Kyi - коэффициент шума и номинальный коэффици­ ент усиления г-го каскада.

Большой интерес представляет балансный усилитель, ис­ пользующий на входе и выходе трехдецибельные направлен­ ные ответвители. Его отличают следующие достоинства: уве­ личение предельной мощности на 3 дБ, малая зависимость от межкаскадного рассогласования, высокая стабильность усиле­ ния и минимальный объем работ по настройке усилителей. Этот усилитель изготовлен на подложке i-GaAs толщиной

125 мкм с активным слоем толщиной 0,15 мкм и концентра­ цией носителей заряда 2 - Ю ^см” 3. Для формирования омиче­ ских контактов использовались металлические слои AuGeNi, для затвора Шотки - TiW . Диэлектрической пленкой для кон­ денсаторов являлась пленка Si3N4. Для заземления протра­ вливались и металлизировались отверстия в подложке. Та­ кой балансный усилитель имеет коэффициент усиления 15 дБ и используется в диапазоне б ... 12 ГГц; полоса пропускания ограничивается 3-децибельными квадратурными делителями.

Центральное место в приемной аппаратуре СВЧ занима­ ют смесители. На рис. 1.16 представлена топология однопо­ лосного балансного смесителя с микрополосковой дипольной антенной. Потери преобразования смесителя составляют 6 дБ на частоте сигнала 30 ГГц при промежуточной частоте на вы­ ходе 1 ГГц.

А

Рис. 1.16. Топология балансного сме­ сителя с дипольной антенной:

1 - дипольная антенна; 2 - переход КЛП - ВЩЛ; 3 - переход НМПЛ - КЛП; 4 ~ диоды

Шотки; / г, / пч и / с - частоты генератора, промежуточная и смесителя соответственно

Смеситель изготовлен из арсенидогаллиевой полупровод­ никовой структуры in п-типа; г-GaAs - подложка, n+ -GaAs - эпитаксиальный слой толщиной 3 мкм с концентрацией но­ сителей заряда 2 • 1018 см“ 3, n-GaAs - эпитаксиальный слой толщиной 0,2 мкм с концентрацией носителей 5 • 1016см~3. Для формирования омических контактов использовались слои ÀuGeNi, для формирования барьера Шотки - TiWAu. Для формирования делителя мощности, фильтров и согласующих элементов использовались копланарные, щелевые и микрополосковые линии. Снижение потерь и получение заданных вол­ новых сопротивлений обеспечивалось разной толщиной под­ ложки от границы АА.

При конструировании такого типа ИС СВЧ следует по­ мнить, что хотя копланарная линия по сравнению с несимме­ тричной МПЛ характеризуется меньшей дисперсией, однако имеет большие диэлектрические потери, вследствие неравно­ мерного распределения тока в центральном проводнике (в копланарной линии передач на подложке i-GaAs толщиной 400 мкм эти потери на 40 %. больше, чем в несимметричной МПЛ с таким же импедансом). Основной проблемой при констру­ ировании полупроводниковых ИС с копланарными линиями передач является отсутствие достаточно точных методов их расчета и подверженность влиянию неоднородностей этих ли­ ний на характеристики микросхемы. В связи с этим иногда поступают следующим образом. Сначала конструируют ми­ кросхему с несимметричными МПЛ, затем используют полу­ ченные эмпирическим путем параметры хопланарных линий передач.

П олуп роводн и ковы е И С С В Ч с воздуш ной и золя­ цией. Воздушная изоляция элементов ИС СВЧ - это изоля­ ция наилучшим диэлектриком, поэтому компоновка полупро­ водниковых ИС СВЧ с сосредоточенными параметрами как приборов с балочными выводами очень перспективна.

На рис. 1.17 последовательно представлены этапы изгото­ вления полупроводниковой ИС с воздушной изоляцией элемен­ тов и сформированными балочными выводами и проводника­ ми, осуществляющими механическую и электрическую связи

J 4

7

Рис. 1.17. Технологические этапы изготовления (а - в) полупроводниковой ИС СВЧ и общий вид диода (г) с балочными выводами:

а - эпитаксиальная полупроводниковая структура с диэлектри­ ческой пленкой; б - эпитаксиальная структура со сформирован­ ными контактами; в - эпитаксиальная структура со сформиро­

ванными на поверхности балочными выводами и нанесенными фоторезистом на локальные участки; 1 - подложка n+ GaAs; 2 - буферный слой; 3 - активный слой n-GaAs; 4 ~ слой ЭЮг; 5 - барьер Шотки; б-омический контакт; 7 - балочные выводы; 8 - фоторезист

между элементами ИС. Конструкции приборов с балочными выводами прочно удерживают в настоящее время первенство среди конструкций дискретных приборов для устройств сиг­ налов малой мощности по минимуму паразитных неоднород­ ностей самой конструкции и вносимых при монтаже их в ГИС СВЧ.

Представленная конструкция не требует для реализации полуизолирующей подложки, поэтому ИС с балочными выво­ дами могут быть не только арсенидогаллиевые, но и крем­

ниевые. Структура (см. рис. 1.17, а) может формировать­ ся на подложке п*-типа с концентрацией носителей не менее 1 • 1018см-3 с эпитаксиальным слоем толщиной 0, 2 ... 0,4 мкм и концентрацией носителей 1016 ... 1017см-3 в зависимости от требуемых параметров эквивалентной схемы и рабочей часто­ ты. Для пассивации поверхности эпитаксиального слоя ис­ пользуются диэлектрические пленки SiÛ2 или SÎ304.

Омический контакт (см. рис. 1.17, б) формируется с помо­ щью фотолитографии диэлектрической пленки и подтравливания полупроводника до подложки с высокой концентрацией носителей. Металлизация может быть выполнена гальвани­ чески или напылением.

Формирование выпрямляющего контакта также исполь­ зует фотолитографию в диэлектрической пленке и последую­ щее осаждение металлов на эпитаксиальный слой. Металлы Ti, Mo, W или другие могут формировать барьер и быть ад­ гезионным слоем для металлических структур балки (но это условие необязательно).

Балки (см. рис. 1.17, в) формируются гальваническим осаждением золота до толщины не менее 5 мкм на основа­ ния с заданной топологией. Перед химическим разделением пластины на отдельные кристаллы производится наклейка на стекло, подшлифовка механическая и химическая, фотолито­ графия со стороны, обратной той, где сформированы балки. Двухстороннее совмещение сформированной ранее топологии и шаблона для образования кристалла проводят с помощью инфракрасного света, проходящего через полупроводник, или с помощью оптической системы, совмещающей два луча свер­ ху и снизу полупроводниковой пластины. На рис. 1.17, г пред­ ставлен один из диодов с барьером Шотки, входящий в полу­ проводниковую И С СВЧ.

Представленная технологическая схема является класси­ ческой, которая на многих этапах постоянно совершенствует­ ся.

В настоящее время имеется очень большой выбор дис­ кретных приборов с балочными выводами, пар и четверок для

балансных схем, самостоятельных функциональных узлов н функциональных узлов в комплексе с ИС, полученными дру­ гими конструкторско-технологическими решениями.

Д и эл ек тр и ч еск и е И С С В Ч . Это полупроводниковые ИС с линиями передач, выполненными как диэлектрические волноводы. Диэлектрические волноводы формируются из по­ лупроводниковой подложки, которой может служить GaAs (р > 106Ом-см) или высокоомный кремний (р > 5000 Ом-см).

На рис. 1.18 представлена общая технологическая схема изготовления диэлектрических схем. Первые два этапа ни­ чем не отличаются от предыдущих конструкторско-техноло­ гических направлений: формирование тонкопленочных эле­ ментов, включая диоды и транзисторы.

При расчете конструкций необходимо лишь помнить, что наиболее сложный момент при создании диэлектрических схем - это согласование включаемых сосредоточенных элемен­ тов с линией. И хотя математическими моделями диэлектри­ ческих схем занимаются несколько десятилетий, на сегодняш­ ний день нет оптимизированных математических моделей и методик расчета функциональных узлов с достаточной точно­ стью.

Р и с. 1.18«. Основны е этапы изготовления монолитны х диэлектрических И С СВЧ: а - эпитаксиальная полупро­ водниковая структура; б - фор­

мирование тонкопленочных элементов; в - формирование волноводов; г - механическая обработка волноводов; 1 - под­ ложка n+ GaAs; 2 - эпитакси­ альный слой я-GaAs; 3 - тон­

копленочные элементы

Рнс. 1.19. М онолитная схема, включающая ан­ тенну и смеситель:

а - общий вид; б - вид с

обратной стороны, на ко­ тором показан /7-образный элемент связи и низкоча­ стотные выводы; 1 - мем­ брана; 2 - диоды (располо­

жены на вершине элемен­ та связи); 3 - -образный элемент связи; 4 ~ антен­

на в виде диэлектрическо­ го стержня, суживающего­ ся по трапецеидальному закону; 5 - контактные площадки

б

Формирование волноводов полупроводниковых ИС СВЧ может проводиться жидкостным травлением, плазмохимиче­ ским или лазерным способами.

Антенные элементы, переходы к другим типам линий, согласующие элементы могут формироваться механическими методами обработки.

На рис. 1.19 представлена полупроводниковая ИС СВЧ, включающая антенну и смеситель на диодах с барьером Шотки для приемных устройств миллиметрового диапазона длин волн. На рис. 1.19, а показан общий вид сверху, на рис. 1.19,6 - вид с обратной стороны, где расположены {/-образный эле­ мент связи и низкочастотные выводы, выполненные по тон­ копленочной технологии. Такая интеграция диэлектрических волноводов и микрополосковых микросхем является наиболее перспективной для создания полупроводниковых ИС СВЧ.

Г л а в а 2

КОНСТРУКТИВНО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ТОНКОПЛЕНОЧНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ И МНОГОСЛОЙНЫХ СТРУКТУР

Способы получения тонкопленочных структур в ва­ кууме нашли наиболее широкое применение в связи со своей универсальностью, т.е. возможностью осажде­ ния металлических и диэлектрических пленок, сплавов, металлокерамических смесей и др. Вакуумные способы применяются как в производстве ГИ С СВЧ, так и в полупроводниковых ИС СВЧ.

Технологический процесс осаждения тонких пленок

ввакууме должен обеспечить:

-определенную толщину пленки, от которой за­ висят основные электрические характеристики пленоч­ ных элементов: проводников, резисторов, конденсато­ ров;

-воспроизводимость толщины по поверхности под­ ложки, с которой связан процент выхода годных плат ;

-определенную структуру и состав пленок, кото­ рые определяют их физико-химические свойства.

Сформированная структура пленок несет в себе особенности протекания технологических процессов; характеристики пленок зависят от технологических параметров осаждения и проявляются различно в про­ цессе эксплуатации.

Отношение числа химически связанных молекул актив­ ного газа (псв) к числу бомбардирующих поверхность платы ( п ост) отражает коэффициент химической связи

Jfx.ce = Псв/пост*

Количество поглощенных молекул остаточного газа и хи­ мически связанных молекул вещества зависит от остаточного давления и времени осаждения пленки, что в свою очередь влияет на структуру и электрические свойства пленок. Чем больше давление в камере, тем больше дефектов в виде погло­ щенных, внедренных или химически связанных молекул оста­ точного газа содержится в пленке и, следовательно, больше удельное электросопротивление.

В случае осаждения пленки при малом давлении удельное электросопротивление близко электросопротивлению массив­ ного образца, а сама пленка имеет плотную, малодефектную структуру. При “ухудшении” вакуума удельное электросо­ противление увеличивается, а в структуре пленки появляются дефекты в виде “трещин” вдоль границ зерен, в которых ад­ сорбируются молекулы остаточного газа; при еще более “худ­ шем” вакууме размеры внутренних трещин увеличиваются, появляются внутренние поры.

При осаждении пленок веществ, способных вступать во взаимодействие с молекулами остаточного газа, важную роль играет не полное давление, регистрируемое вакууметром, а парциальное давление наиболее критичных газов, таких как кислород, азот, углерод, пары воды.

Среди других параметров процесса осаждения пленок в вакууме следует отметить: температуру подложки при нане­ сении пленки, угол падения осажденных частиц, режимы тем­ пературной обработки.

Температура подложки при осаждении имеет существен­ ное значение для формирования структуры пленок и их элек­ трофизических свойств. О т нее зависит размер критического зерна: при увеличении температуры образуется меньшее чи­ сло центров кристаллизации, а размеры самих зерен увеличи­ ваются.

во