ПРОЕКТИРОВАНИЕ И КОНСТРУИРОВАНИЕ СВЧ ИНТЕГРАЛЬНЫХ УСТРОЙСТВ (стр. 3 из 10)

Изготавливают указанные микросхемы по танталовой технологии, усиливая проводники гальваническим наращиванием или термическим испарением в вакууме в сочетании с фотолитографией и химическим никелированием, и золочением (рис. 2 4). В первом случае всю поверхность подложки покрывают тонким слоем пятиокиси тантала. При этом образуется очень твердая и гладкая пленка, устойчивая к воздействию реактивных сред используемых в технологическом процессе при последующем формировании рабочих элементов (резисторов, полосковых линий, конденсаторов и др. ). Затем на всю поверхность подложки наносят слой нитрида тантала, служащий основой для создания резистивных элементов, а также для формирования диэлектрика конденсаторной структуры.

Конфигурация резистивных и емкостных элементов задается методом фотолитографии. Величину сопротивления резисторов можно доводить до заданного номинала с высокой точностью, изменяя толщину слоя нитрида тантала в результате формирования на его поверхности пятиокиси тантала способом электрохимического анодирования.

Пленочные проводники получают термическим испарением в вакууме тонкого слоя золота с адгезионным подслоем хрома при последующем наращивании гальванической меди, защищаемой золотым покрытием. Общая толщина проводника такой многослойной структуры составляет не менее 10 мкм.

Для создания надежной конденсаторной структуры с малым значением удельной емкости применяют двухслойный диэлектрик. Первый слой пятиокиси тантала формируют анодированием пленки тантала или нитрида тантала. Толщина полученной пленки Та₂О₅ относительно мала, а удельная емкость ее слишком велика для создания конденсаторов с малыми номинальными значениями. Нанося на основной слой пятиокиси тантала с большим значением диэлектрической постоянной ( e ~ 22) пленку окиси кремния с малым значением диэлектрической постоянной (e£ 6), легко получить малые удельные емкости в двухслойной структуре. Наличие двух слоев различных диэлектриков в конденсаторной структуре повышает надежность пленочных емкостных элементов. Верхний электрод — золото с подслоем хрома 4 — получен термическим испарением в вакууме. Нижним электродом является слой нитрида тантала 3, сопротивление которого достаточно велико.

Рассмотренный вариант комплексной технологии изготовления пассивной части ГИС СВЧ диапазона очень сложен и трудоемок, а совместимость различных технологических методик приводит к серьезным ограничениям рабочих характеристик микросхемы в целом. Все это сдерживает внедрение ГИС СВЧ диапазона, содержащих сосредоточенныеR- и С- элементы в массовое производство.

В настоящее время наиболее широкое распространение в производстве ГИС общего применения получил вакуумный метод нанесения тонких пленок с использованием избирательного химического травления как наиболее простой, менее трудоемкий и пригодный для массового производства. Достигнутые успехи в области создания пассивныхR-,C- и L-элементов, а также в получении бездефектных пленок меди толщиной более 5 мкм термическим испарением в вакууме способствовали созданию комплексной технологии изготовления ГИС СВЧ диапазона (см. рис. 2.4). Применение вакумно-термических методов для получения СВЧ микросхем позволяет по производственным признакам поставить их в общий ряд гибридных интегральных микросхем. В качестве резистивных элементов в этом случае используют пленки хрома, нихрома и металлосилицидных сплавов, диэлектриком конденсаторной структуры служит боросиликатное стекло. Проводники создают также термическим испарением в вакууме толстых пленок меди с адгезионным подслоем при последующей защите их химическим или гальваническим способом.

Конструктивные основы пленочных СВЧ микросхем.

Микрополосковые схемы СВЧ диапазона, построенные на элементах с распределенными параметрами, представляют наиболее обширный класс микросхем, предназначенных для работы в коротковолновой части СВЧ диапазона (3 ... 30 ГГц). Пассивные СВЧ элементы с распределенными параметрами выполняют в виде разветвленных отрезков микрополосковой линии заданной конфигурации, которая образуется между нижней металлизированной поверхностью и проводником, нанесенным на верхнюю поверхность платы. Поэтому конструкция прибора и его рабочие характеристики в значительной степени зависятот основных параметров исходного материала подложки и технологического маршрута изготовления микросхемы. При этом важно, чтобы потери в микрополосковой линии передачи на фиксированной частоте были минимальны, а конструкция обеспечивала надежность микросборки после монтажа навесных элементов и сборки узла или ячейки в целом.

Потери в микрополосковой линии передачи зависят от удельного сопротивления металлической пленки — проводника, его конструкции и характеристического сопротивления микрополосковой линии, величина которого является функцией толщины и диэлектрической постоянной подложки. Для уменьшения потерь в микрополосковой линии удельное сопротивление металлического покрытия должно быть минимально возможным. Уменьшают удельное сопротивление проводящего покрытия, выбирая исходный материал с высокой проводимостью и обеспечивая высокую идентичность свойств пленочного и массивного образцов.

С другой стороны, уменьшить потери можно и конструктивным решением функционального узла. Известно, что потери уменьшаются при увеличении ширины микрополосковой линии. Это можно учесть при конструировании микрополосковых схем и снизить потери, увеличивая толщину подложки, чтобы обеспечить постоянство характеристического сопротивления. Кроме того, конструкцию элементов можно изменить, если выбрать материал подложки со свойствами, оптимальными для данной группы микросхем. С этой точки зрения при конструировании СВЧ микросхем к подложкам предъявляются дополнительные требования, связанные со спецификой работы СВЧ устройств. Наряду с общими требованиями к классу чистоты обработки поверхности и механическим свойствам подложек, обеспечивающим возможность их химической и механической обработки, а также работу устройства в заданном интервале температур, должны выполняться следующие требования:

— диэлектрическая проницаемость исходного материала должны быть e > 8 для уменьшения геометрических размеров элементов линий передач, работающих в нижней части диапазона СВЧ;

— диэлектрические потери в подложке должны быть минимальными и иметь высокую воспроизводимость не только от партии к партии, но и в каждой точке подложки для уменьшения потерь в линии передачи;

— подложки должны обладать высокой теплопроводностью, а коэффициенты линейного расширения материалов подложек, корпусов и вспомогательных материалов должны быть согласованы для обеспечения работы микросхем при повышенных уровнях мощности.

Конструирование СВЧ микросхем включает расчет и проектирование изделия по заданным электрическим параметрам с учетом процессов сборки и регулировки. При этом определяют вариант схемы узла, материал и геометрические размеры подложки, исходные материалы и последовательность их нанесения для получения проводящих, резистивных и емкостных элементов, а также их геометрические размеры и взаимное расположение.

Исходными данными для расчета геометрических размеров полосковой линии передачи являются характеристическое сопротивление и добротность, которые зависят от параметров материала обложки и металлического покрытия.

Исходя из требований к добротности, рассчитывают геометрические размеры микрополосковой линии передач и выбирают исходные материалы и технологический маршрут изготовления микросхемы. Погрешность параметров микрополосковой линии передачи определяют с учетом как погрешности исходных формул для расчета, так и технологических допусков и невоспроизводимость толщины и диэлектрической проницаемости подложки. Поскольку толщину микрополосковой линии передачи выбирают не менее 1 скинслоев, невоспроизводимостью по толщине проводника, как правило, пренебрегают.

Исходными данными для расчета геометрических размеров резистивных элементов являются номинальное значение их сопротивленияR и рабочая мощность рассеяния Р. Резистивный материал выбирают с учетом удельного сопротивления единицы поверхности пленки ро, ее толщины 1, допустимой удельной мощности рассеяния Ро. Необходимое удельное сопротивление должно обеспечиваться при толщине пленки не менее 0,05 мкм, в противном случае надежность резисторов при повышенных электрических и тепловых нагрузках не гарантируется. Следует учитывать также, что допустимая удельная мощность рассеяния для конкретного резистивного материала определенной толщины зависит от теплопроводности материала подложки и класса чистоты обработки се поверхности. Поэтому при конструировании микросхем, работающих при повышенной мощности рассеяния, допустимую мощность целесообразно рассчитывать по температуре локального перегрева в зоне резистора, которая не должна превышать 100 С.

Перекрытие резистивной пленки и проводящего элемента в зоне их контактирования (рис. 2.5) должно обеспечивать надежный контакт независимо от способов формирования элементов и придания им заданной конфигурации.