jBpsL7DQ1N

Необходимо заметить, что прогресс в области микроминиатюризации интегральных СВЧ-схем, схем ЭВМ в значительной мере зависит от разработки, исследования и внедрения в производство рациональных методов получения эпитаксиальных пленок ферритовых материалов, оптимизации их свойств и создания эффективной и надежной системы контроля этих свойств.

2. СЕГНЕТОЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ПРИБОРЫ СВЧ

Характерными особенностями сегнетоэлектриков (СЭ) являются большая диэлектрическая проницаемость и зависимость диэлектрической проницаемости от напряжённости электрического поля. В сегнетоэлектрическом

материале, таком, как BaxSr1-xTiO3, приложенное постоянное электрическое поле сдвигает позицию центрального атома Ti в кристалле, что приводит к появлению дипольного момента в макроскопическом масштабе (ионная поляризация). Аналогично ферромагнитным материалам, домены формируются в материале, где диполи локально выровнены (ориентационная поляризация). Ионы Ti могут оставаться сдвинутыми даже после снятия приложенного поля, и домены могут двигаться в ответ на приложенные переменное и постоянное поля.

Первые попытки применения СЭ в СВЧ-технике относятся к середине 60-х гг. прошлого века. Однако они были осложнены трудностями включения в СВЧ-цепь объёмных образцов СЭ (керамика или монокристалл) с большим значением диэлектрической проницаемости.

Существенный прогресс был получен, когда было предложено использовать тонкие СЭ-плёнки, полученные на диэлектрической подложке с умеренной диэлектрической проницаемостью и малыми СВЧ-потерями. На этой основе была разработана элементная база СВЧ-техники (планарный конденсатор, щелевая линия передачи, волноводный вкладыш с управляемой эффективной диэлектрической проницаемостью) и был создан ряд СВЧ-прибо- ров (фазовращатель, малошумящий параметрический усилитель). В основном эти исследования велись в СССР. В то время предсказывалось широкое применение СЭ в технике СВЧ. (См. книгу: «Сегнетоэлектрики в технике СВЧ»/ под ред. О. Г. Вендика. М.: Сов. Радио, 1979). На ряде ведущих фирм МЭП

СССР велись НИОКР по разработке СВЧ приборов на основе СЭ-плёнок («Позитрон» и «Светлана» – Ленинград, «Сатурн» – Киев, «Экран» – Куйбышев и др.).

21

В70-х гг. ведущими фирмами и научными центрами ряда стран был достигнут большой успех в разработке элементной базы СВЧ-приборов на основе полупроводников (СВЧ-транзистор, p–i–n-диод и др.). Полупроводниковая элементная база опиралась на хорошо освоенную технологию низкочастотных полупроводниковых элементов и технологию бурно развивавшейся

вто время интегральной микроэлектроники. Широкое применение СЭ в технике СВЧ требовало разработки специфической технологии диэлектрических плёнок. Поэтому в качестве магистрального направления развития твёрдотельной СВЧ-электроники в то время была избрана полупроводниковая элементная база.

В1986 г. были открыты высокотемпературные сверхпроводники (ВТСП). В США, в странах Западной Европы и в СССР были предприняты огромные усилия в изучении физики и освоении технологии ВТСП, в частности технологии ВТСП-плёнок на диэлектрических подложках. По химической природе и кристаллографической структуре ВТСП-материалы близки к СЭ. Поэтому успехи, достигнутые в технологии ВТСП-плёнок, позволили развить и технологию СЭ-плёнок.

Прогрессу технологии СЭ-плёнок также содействовала разработка элементов памяти ЭВМ на основе СЭ-материалов, к которой подключились многие международные компании, например IBM. Сейчас можно уверенно говорить о разработке и освоении технологии плёночных структур сложных оксидов, какими в равной мере являются ВТСП и СЭ. Для современной электронной техники технология эпитаксиальных слоёв (плёнок) СЭ на монокристаллических подложках так же доступна, как и технология кремния или арсенида галлия.

Удачным примером СЭ плёночной структуры может служить эпитакси-

альная плёнка титаната бария-стронция (Bax,Sr1-xTiO3) на сапфире. Монокристаллический сапфир в настоящее время широко применяется в полупроводниковой технологии (кремний на сапфире) и является сравнительно легкодоступным материалом. Также широко применяется поликристаллический сапфир – поликор.

Начиная с 1992 г., благодаря интенсивному развитию технологии высокотемпературных сверхпроводников появилась возможность на новой технологической базе обратиться к совершенствованию СВЧ-приборов на СЭ, в частности группой ученых Университета в Колорадо (США) был начата

22

новая серия исследований. В середине 90-х гг. особый интерес к СЭ на СВЧ возник после начала финансирования Агентством DARPA («Defense Advanced Research Projects Agency» – «Управление перспективных оборонных исследовательских программ», США) новой исследовательской программы

FAME («Frequency Agile Materials for Electronics» – «Материалы электронной техники для перестройки частоты»). Сравнительно лёгкое получение в США грантов по названной программе привлекло к проблеме «СЭ в технике СВЧ» большое количество разнородных лабораторий.

В настоящее время существует обширная литература (в основном на английском языке), посвященная технологии и СВЧ-свойствам СЭ-пленок на диэлектрических подложках. Исследования по проблеме «СЭ в технике СВЧ» ведутся научными центрами и университетскими лабораториями в Германии, России, США, Швеции и других странах. Есть основания полагать, что результаты этих исследований в ближайшем будущем будут освоены гигантами радиоэлектронной промышленности. Основанием для организации массового производства СЭ элементов СВЧ-техники служит следующее:

–СВЧ-СЭ-элемент (например, фазовращатель) потребляет ничтожно малую мощность в стационарном режиме и умеренную мощность в режиме коммутации. В этом он обладает существенным преимуществом по сравнению ферритовыми устройствами и устройствами на основе p–i–n-диодов.

–Время коммутации СВЧ СЭ-элемента лежит в пределах 10 –11… 10 –10 с. По этому параметру СВЧ СЭ-элемент сопоставим с варактором на p–n- переходе, однако по сравнению с ним он существенно выигрывает по значениям импульсной и средней мощностей СВЧ-сигнала.

–СЭ-пленочный элемент (в состав пленки входят барий, стронций, титан

икислород, подложка – поликор) существенно дешевле элемента на основе арсенида галлия – основного материала современной СВЧ-электроники.

Заметим, что в условиях массового промышленного производства возможна окончательная оптимизация параметров изделия. Примером тому может быть совершенствование ферритовых СВЧ-изделий в условиях производства в 1950 – 1970 гг., совершенствование изделий на основе арсенида галлия в 1970 – 1980 гг.

Оптимизация СВЧ СЭ-элементов обеспечивается тем, что в настоящее время имеется надежное теоретическое описание параметров СЭ на СВЧ;

23

найдены математические модели зависимости параметров СЭ пленок от температуры, управляющего напряжения и других внешних воздействий; разработано программное обеспечение названных ранее математических моделей.

Как показывает многолетний опыт привлечения новых физических явлений в качестве основы функционирования радиоэлектронных систем, привлечение новых физических явлений для формирования основы аппаратуры происходит тогда, когда соответствующая аппаратура на основе старых принципов не может быть создана, т. е. когда «другого выхода нет». Примером этому может служить разработка ферритовых вентилей и циркуляторов в середине 50-х гг. ХХ в. В то время введение ферритовых устройств в радиолокационную технику обеспечивало решение стратегического вопроса устойчивости и надежности СВЧ-радиолокаторов, оснащенных мощными магнетронными генераторами сигналов. Это и определило объем инвестиций и настойчивость правительственных инстанций в отношении «ферритов на СВЧ» как в США, так и в СССР.

3.ГИБРИДНЫЕ И МОНОЛИТНЫЕ ИНТЕГРАЛЬНЫЕ СХЕМЫ

3.1.Понятие интегральной схемы

Всвязи с развитием микроэлектроники по пути повышения степени интеграции на смену дискретным схемам и приборам пришли микросхемы, или, как их более справедливо называть, интегральные схемы (ИС).

ИС представляет собой функционально законченное электронное устройство, выполненное на единой подложке – диэлектрической или полупроводниковой, элементы которого неразрывно связаны друг с другом. Интегральной эту схему принято называть из-за малых размеров составляющих её элементов и их близкого взаимного расположения. Функциональную сложность ИС обычно характеризуют степенью интеграции – количеством элементов, входящих в состав одной ИС. Количественно степень интеграции описывается коэффициентом K = lg N , где N – число компонентов ИС.

Существует условное деление ИС по степени интеграции: малая ИС – до 100 элементов на кристалле (К≤2); средняя ИС – до 1000 элементов на кристалле (К≤3);

большая ИС (БИС) – до 10 000 элементов на кристалле (К≤4); сверхбольшая ИС (СБИС) – до 1 млн элементов на кристалле (К≤6); ультрабольшая ИС – до 1 млрд элементов на кристалле (К≤9);

24

гигабольшая ИС – более 1 млрд элементов на кристалле (К>9). Функционально ИС может выступать в роли как целого прибора, так и

элемента более сложной схемы и является ее составной частью.

3.2. Появление ИС

Рассматривая историю появления ИС в мире, стоит отметить несколько вех. Впервые идею интеграции множества стандартных электронных компонентов на монолитном кристалле полупроводника предложил в 1952 г. британский радиотехник Джеффри Даммер. Год спустя Харвик Джонсон получил первый в истории патент на прототип интегральной схемы. Однако реализация этих предложений в те годы не могла состояться из-за недостаточного развития технологии, а смогла осуществиться только после большого прорыва в полупроводниковой промышленности, состоявшегося в конце 1958 г. – начале 1959 г. Суть прорыва состояла в том, что трое человек, представлявших три частные американские корпорации, решили три фундаментальные проблемы, препятствовавшие созданию интегральных схем:

1.Джек Килби из «Texas Instruments» запатентовал принцип интеграции, создал первые прототипы ИС и довёл их до серийного выпуска.

2.Курт Леговец из «Sprague Electric Company» изобрёл способ электрической изоляции компонентов, сформированных на одном кристалле полупроводника.

3.Роберт Нойс из «Fairchild Semiconductor» изобрёл способ электрического соединения компонентов ИС (металлизацию алюминием) и предложил усовершенствованный вариант изоляции компонентов на базе новейшей планарной технологии Жана Эрни.

27сентября 1960 г. группа Джея Ласта из компании «Fairchild Semiconductor» создала первую работоспособную полупроводниковую ИС по идеям Нойса и Эрни. В результате этого «Texas Instruments», владевшая патентом на изобретение Килби, развязала против конкурентов патентную войну, завершившуюся в 1966 г. мировым соглашением о перекрёстном лицензировании технологий.

До сих пор не существует единого мнения о том, кто именно является изобретателем ИС. Американская пресса 1960-х гг. признавала изобретателями ИС четырёх человек: Килби, Леговца, Нойса и Эрни. В 1970-е гг. список изобретателей сократился до двух: Килби и Нойс, а в популярной литературе – до одного Килби, вследствие чего именно Килби был удостоен

25

в 2000 г. Нобелевской премии по физике «за личный вклад в изобретение интегральной схемы». В XXI в. историки отрасли Лесли Берлин, Бо Лоек, Арджун Саксена вернулись к точке зрения, что круг изобретателей ИС был существенно шире, и подвергли ревизии значение вклада Килби.

3.3.Гибридные и монолитные ИС СВЧ

Вдиапазоне СВЧ ИС нашли широкое применение. По конструктивнотехнологическому признаку ИС СВЧ принято разделять на гибридные интегральные схемы (ГИС) и монолитные интегральные схемы (МИС), разница между которыми заключается в том, что ГИС выполнена на диэлектрической подложке, а МИС – на полупроводниковой.

Большая часть элементов ГИС – пассивные элементы и соединительные линии изготавливаются в виде тонких пленок металлов и диэлектриков, нанесённых на диэлектрическую подложку, а остальные элементы этой схемы (активные и пассивные) присоединяются к схеме как отдельные навесные компоненты.

На рис. 3.1 показана ГИС СВЧ фазовращателя. На лицевой стороне ГИС (справа на рисунке) видны pin-диоды, установленные в отверстиях диэлектрической платы на металлические держатели и присоединенные к схеме золотыми проволочками. Эти диоды являются активными элементами ГИС. На лицевой стороне расположены также отрезки микрополосковой линии (МПЛ). Конфигурация (топология) отрезков МПЛ образует разряды фазовращателя и имеет элементы для подстройки электрических параметров разрядов в виде отдельных прямоугольных МПЛ. Подстройка осуществляется присоединением этих элементов к схеме золотыми проволочками. На входе и на выходе ГИС расположены переходы «МПЛ – волновод», с помощью которых фазовращатель включается в СВЧ-тракт.

На тыльной стороне ГИС (слева на рисунке) расположены держатели pin-диодов в виде металлических цилиндров, припаянных к прямоугольным площадкам. Они соединены через фильтры СВЧ-развязки с контактами, на которые подают сигналы управления фазовращателем.

Для производства ГИС применяют диэлектрические подложки, изготовленные из материалов с высоким сопротивлением и низкими диэлектрическими потерями. Чаще всего используют алюмооксидную керамику типа «поликор».

26

Для ГИС с большим тепловыделением применяется бериллиевая керамика, обладающая более высокой по сравнению с поликором теплопроводностью.

Элементы МИС в отличие от ГИС выполнены на одной полупроводниковой подложке в едином технологическом процессе. Принципиальным отличием таких интегральных схем от ГИС является и то, что они не содержат элементов подстройки. Это накладывает особые требования к их расчету и производству. В случае МИС важнейшее значение имеет верификация технологических производственных процессов так называемых базовых технологий.

Рис. 3.1. ГИС СВЧ-фазовращателя Рис. 3.2. МИС СВЧ-ограничителя

На рис. 3.2 приведена МИС СВЧ-ограничителя. Топология кристалла размером 1×1 мм2 включает три пары включенных встречно-параллельно диодов с барьером Шотки (ДБШ), расположенных на входе (слева), на выходе (справа), в центре и соединенных с отрезками МПЛ, а также с общей «землей» на тыльной стороне кристалла через металлизированные отверстия. В

электрик. Расчет ограничителя произведен на основе модели ДБШ в рабочем диапазоне частот, которая верифицирована измерением S-параметров.

3.4. Технология изготовления МИС СВЧ

Основой любой МИС СВЧ является полупроводниковая подложка в виде диска с нанесенной на нее эпитаксиальной структурой (ЭС) или гетероэпитаксиальной (ГЭС) структурой. Подложка обычно изготавливается из материала, свойственного эпитаксиальной структуре по параметрам, в частности решетки. Для эпитаксиальных структур арсенида галлия (GaAs) используют проводящую или полуизолирующую (в зависимости от требований к схеме) подложку также GaAs. Для эпитаксиальных структур нитрида галлия (GaN) отсутствует свойственная им подложка GaN, поэтому применяется подложка из сапфира или карбида кремния (SiC). В этом случае между подложкой и ЭС располагают так называемый буферный слой из полупроводникового материала со средней по сравнению с GaN и с материалом подложки постоянной решетки.

Технология изготовления полупроводниковых подложек – сложный и трудоёмкий процесс, связанный с выращиванием монокристалла, резкой его на пластины и последующей обработкой в виде шлифовки и полировки до состояния, пригодного для эпитаксии, – epi ready. На готовой подложке с помощью процессов эпитаксии, ионной имплантации или диффузии формируются активные слои, которые потом и используются для создания активных и пассивных элементов.

После создания ЭС начинается процесс постростовой обработки, в ходе которого на ее поверхности формируются все необходимые элементы. Технология изготовления МИС на различных материалах может различаться, но основные процессы, используемые для ее формирования, остаются одинаковыми.

Самой важной технологической операцией постростового процесса является литография, с помощью которой на поверхности эпитаксиальной структуры формируется рисунок элементов МИС. В зависимости от требований к размерам этих элементов используются фотолитография или электронная литография. В первом случае рисунок переносится с фотошаблона на ЭС при помощи светового излучения контактным или бесконтактным (проекционным) способом, во втором – с помощью электронного луча. Перед экспонированием на поверхность ЭС наносится светочувствительное вещество

28

(резист), которое под действием света или электронного потока меняет свои свойства в тех местах, где это необходимо для изготовления элементов МИС. Экспонированные места удаляются растворителем – так называемая позитивная литография либо удаляются неэкспонированные места – так называемая негативная литография (зависит от типа резиста). Полученный в результате этой операции рисунок из резиста используется при дальнейших операциях как маска. После окончания каждой операции остатки фоторезиста удаляются с поверхности.

Кроме литографии в технологии МИС используются:

– ионная имплантация, которая служит для легирования поверхностных слоёв полупроводника. Обычно эта операция предназначена для изменения типа проводимости;

–травление жидкостное, плазменное, реактивное для удаления ненужных областей или элементов, для создания сквозных отверстий и формирование профилей и границ слоёв;

–напыление металлов, которое используется для создания проводящих отрезков линий и резистивных слоёв, составляющих большую часть пассивных элементов МИС;

–осаждение диэлектриков для разделения разных уровней металлизации и защиты некоторых областей МИС от воздействия внешней среды, а также для временной защиты элементов МИС от повреждения в процессе последующих этапов технологии.

3.5. Проектирование МИС

Технологии, которые обеспечивают воспроизводимый результат по размерам элементов, их электрическим параметрам принято называть базовыми (стандартными) технологиями. Такие технологии позволяют облегчить процесс проектирования МИС на основе использования моделей элементов МИС – библиотек базовых элементов с применением определенных правил их расположения – правил проектирования.

Для проектирования МИС чаще всего используются программные паке-

ты: MWO, «AWR design environment», ADS и многие другие. Каждая такая программа является мощным инструментом, позволяющим упростить как разработку принципиальных схем, так и топологии МИС. Для удобства проектирования в этих пакетах кроме библиотек базовых элементов и правил проектирования предусмотрены средства проверки топологии типа «Layout

29

vs Schematic» (LVS), а также взаимодействия различных элементов МИС ти-

па «Electromagnetic Simulator» (EM).

Базовый элемент имеет топологическую модель, математическую модель (эквивалентную схему), бесструктурную модель, символ и другие составляющие. К числу базовых элементов относятся конденсаторы, катушки индуктивности, резисторы, диоды, транзисторы, воздушные мосты, контактные площадки, заземляющие отверстия. Если базовый элемент описывает целое семейство элементов, отличающихся только размерами, такие элементы называют масштабируемыми.

Библиотека базовых элементов – совокупность базовых элементов МИС, изготавливаемых по стандартной технологии. Библиотека базовых элементов жестко привязана не только к технологии, но и к программному продукту, для которого она была разработана.

На рис. 3.3 представлены топологическая и математическая модели планарного конденсатора С, который может входить в библиотеку базовых элементов. Математическая модель, чаще всего, является принципиальной схемой, описывающей свойства этого элемента в диапазоне частот.

а б Рис. 3.3. Модели конденсатора С: а – топологическая; б – математическая

Для описания топологии базовых элементов создаётся описание технологического процесса его изготовления, так называемый Layout Process File (LPF). В LPF содержится полное описание топологических слоёв и последовательности их изготовления. Информация, содержащаяся в LPF, служит для правильного отображения топологии, экспорта в другие программные продукты и проведения расширенного анализа в 2,5D-расчетчиках при EM-ана- лизе.

30