Лекция 13.
advertisement
1 КАТУШКИ ИНДУКТИВНОСТИ В МИКРОСИСТЕМАХ Часть 3 УМЕНЬШЕНИЕ ПАРАЗИТНОЙ ЕМКОСТИ ПЛАНАРНЫХ КАТУШЕК ИНДУКТИВНОСТИ Индуктор с большим значением индуктивности можно получить, сформировав на кремниевой подложке много металлических спиралей. При увеличении индуктивности спиралей емкости между витками и землей возрастают, что приводит к снижению резонансной частоты. Уменьшить этот нежелательный эффект пытались при помощи применения высокорезистивного кремния. При этом снизились потери, но емкостная связь осталась той же самой. Проблема уменьшения паразитных емкостей решается изготовлением индуктора на диэлектрической подложке методом селективного травления кремния, в результате чего под индуктором остается только оксидный слой. Использование подвешенных мембран, изготовление устройств на толстых диэлектрических подложках, построение самособирающихся переменных индукторов и применение многоуровневой металлизации – все это способы снижения паразитных эффектов в планарных индукторах. Результаты исследования спиральных индукторов на подвешенных мембранах показали, что индукторы с большими размерами, изготовленные методом глубокого травления, обладают более высокой добротностью. Отношение внешнего размера d к средней глубине травления h обратно пропорционально добротности. Изготовление индукторов начинается с нанесения на кремниевую подложку слоя из SiO2/Si3N4/SiO2 методами термического окисления или высокотемпературного химического осаждения из газовой фазы. Можно также использовать подложку из GaAs, применяя метод плазменного химического осаждения из газовой фазы. Нанесенный слой играет роль поддерживающего слоя, поскольку кремниевая подложка расположена снизу мембраны. На этом слое строится структура самого индуктора при помощи стандартной фотолитографии, напыления слоя золота и построения воздушного моста. После чего методом вытравливания подложки вплоть до диэлектрической мембраны формируется открытая полость. В качестве травильных реагентов используются: для кремниевой подложки — КОН или EDP (этилендиамин-пирокатехол), для GaAs – H2SO4/H2O2/H2O в растворах. Эти же реагенты применяются и для сухого травления методом реактивного ионного травления. На рис. 13 показаны результаты 3D электромагнитного моделирования резонансной частоты индуктора с индуктивностью 100 нГн. Из рисунка видно, что при удалении нижней части подложки резонансная частота увеличивается с 800 МГц до 3 ГГц. Внешние размеры индуктора равны 440 мкм, он состоит из квадратной спирали с 20 витками с шириной линий 4 мкм и расстоянием между ними 4 мкм. Такой индуктор обладает низкими паразитными емкостями, что позволяет увеличивать резонансную частоту без изменения величины индуктивности и последовательного сопротивления. Паразитные емкости планарного индуктора можно уменьшить, используя конструкцию, показанную на рис. 14. Здесь индуктор изготавливается на диэлектрической мембране толщиной 1,2...1,4 мкм. Тонкая мембрана должна быть механически устойчивой и не влиять на распространение ВЧ сигналов. Были изготовлены планарные индукторы на диэлектрической мембране толщиной 1.2 мкм. Микрополосковые линии толщиной 1.0 мкм сформированы гальваническим осаждением золота. Размеры воздушного моста составили 250 мкм х 40 мкм. 2 Рис. 13. Изменение резонансной частоты индуктора: верхний график – с удаленной нижней частью подложки, нижний – без удаления Рис. 14. Схемы планарного индуктора и мембраны 3 На рис. 15 показаны расчетные и экспериментальные зависимости реактивного сопротивления разных типов индукторов от частоты. Исследовались два индуктора на тонкой диэлектрической мембране (L1м и L2м)> и два - на толстой кремниевой подложке (L1s и L2s). Из рисунка видно, что для планарных индукторов на кремниевой подложке с индуктивностями 1.2нГн и 1.7нГн резонансная частота составляет, соответственно, 22 ГГц и 17 ГГц, в то время как для аналогичных мембранных индукторов она изменилась с 70 ГГц до 50 ГГц. Поскольку и кремниевые, и мембранные индукторы имеют идентичные геометрические размеры, индуктивность Ls и сопротивление Rs не меняется в результате смены подложки. Рис. 15. Экспериментальные и расчетные зависимости реактивного сопротивления от частоты для индукторов на диэлектрической мембране и на толстой кремниевой подложке Развитие объемных технологий и успехи в интеграции дискретных компонентов на кремниевой подложке привели к прогрессу в изготовлении микроустройств на кремнии. Однако кремниевые технологии не очень хороши для создания ВЧ устройств, поэтому в настоящее время активно разрабатываются альтернативные материалы для ВЧ применений. Одним из таких материалов является GaAs, обладающий многими интересными свойствами. Например, он может использоваться в качестве подложки в оптоэлектронных устройствах и монолитных СВЧ ИС. GaAs также обладает высокой подвижностью электронов и более высоким пьезорезистивным эффектом, чем кремний. Объемные технологии обработки GaAs, используемые при построении 0.2 мкм ВПЭ-транзистора (транзистора с высокой подвижностью электронов) в монолитных СВЧ ИС, позволяют создавать свободные структуры, путем удаления стенок GaAs подложки. Применение микротехнологий позволяет снизить потери и паразитные эффекты при изготовлении подвешенных структур СВЧ устройств, таких как копланарные волноводы, элементы связи и индукторы. Подвешенные GaAs/AlGaAs элементы, такие как меза-структуры, структуры в форме треугольных призм и свободные структуры, состоящие только из металлических и интерметаллических слоев, могут быть реализованы на GaAs подложке. Проведенные исследования показали, что подвешенные микрополосковые линии обладают большими характеристическим импедансом и фазовой скоростью. Изготовленные на GaAs подложке микроиндукторы имеют лучшую добротность и более высокие резонансную частоту и входной импеданс. Достоинством GaAs устройств является возможность нанесения толстых слоев из золота, что позволяет реализовывать ВЧ линии передач и другие ВЧ компоненты. Основной недостаток GaAs структур – паразитная емкость в проводах и воздушных мостах. 4 Уменьшение емкости линии, построенной на основе воздушного моста, повышает резонансную частоту спирального индуктора. Из рис. 16 видно, что при удалении 5 мкм слоя GaAs подложки под устройством добротность индуктора повышается приблизительно на 150%, а резонансная частота — на 130%. Рис. 16. Изменение добротности подвешенного планарного индуктора при применении разной глубины травления СПОСОБЫ УЛУЧШЕНИЯ ДОБРОТНОСТИ Добротность является одной из основных характеристик индукторов. Для построения ВЧ схем, обладающих низкими вносимыми потерями и шумами, высоким коэффициентом усиления и хорошей частотной избирательностью, необходимы индукторы, имеющие большие значения индуктивности. Как правило, величина добротности является обратно пропорциональной конечному сопротивлению металлического слоя. Последовательное сопротивление индукторов на высоких частотах становится комплексной функцией, а потери повышаются в результате индукционных токов и диэлектрических потерь. Оптимизацией разводки схемы можно улучшить добротность спиральных индукторов. Для этого ширину линии внутренней спирали делают уже, чем ширину линии внешней спирали. Учитывая омические потери при прохождении тока через проводник, а также магнитные потери из-за вихревых токов при составлении разводки схемы, можно также снизить последовательное сопротивление катушки. 3D винтообразные индукторы, изготовленные на многослойном керамическом многокристальном модуле (МСМ-С), индукторы из спиралей из двойных прямоугольников, самособирающиеся индукторы, планарные спиральные индукторы с раздельно подвешенными полосками, индукторы, подвешенные в воздухе, изготовленные методом селективного травления – примеры структур, обладающих сравнительно высокой добротностью. Исследования показали, что, изменяя разводку индуктора, можно на 22% увеличить его добротность. 5 Влияние воздушного зазора на соленоидный индуктор Для изготовления спиральных индукторов и индукторов из меандров подходят традиционные методы производства ИС. Но индукторы из меандров обладают низкой индуктивностью, а спиральные индукторы имеют проблемы с габаритами и управлением магнитным потоком. Этих недостатков лишены соленоидные индукторы. Однако из-за ограничений методов микрообработки очень сложно изготовить вокруг сердечника проводящую катушку. В литературе описан полностью интегрированный соленоидный индуктор с воздушным сердечником и медной катушкой, полученной гальваническим методом. Этот индуктор изготовлен традиционными методами поверхностной микрообработки с применением многослойной металл/полимерной технологии. Было показано, что такой индуктор обладает низкими паразитными емкостями. Также было обнаружено, что при наличии воздушного зазора между катушкой и подложкой влияние диэлектрической подложки ослабевает. На рис. 17 показан соленоидный индуктор с воздушным сердечником и воздушным зазором. Индуктор изготовлен на подложке из оксида алюминия. Для формирования воздушного зазора между катушкой и подложкой введен защитный слой. Опорная структура между подложкой и катушкой построена методами традиционной фотолитографии и жидкостного травления. На рис. 18 показаны экспериментальные зависимости добротности и индуктивности от частоты, определенные для перечисленных в таблице 1 индукторов. Сопротивление индукторов находилось в пределах 0.32...1 Ом, а паразитные емкости — 13...30 фФ. На рис. 19 показана эквивалентная схема соленоидного индуктора, из которой видно, что его паразитная емкость, в основном, определяется емкостями между двумя проводниками. На рисунке: Ct - емкость между верхними проводниками, Сb - емкость между нижними проводниками, Сbt - емкость между верхними и нижними проводниками, С x емкость между двумя диагональными линиями. Рис. 17. Соленоидный индуктор с воздушным зазором 6 Рис. 18. Экспериментально определенные зависимости добротности (а) и индуктивности (б) от частоты индукторов, перечисленных в табл.1 Таблица 1 Характеристики индукторов A-F для рис. 18 7 Рис. 19. Эквивалентная схема соленоидного индуктора для вычисления паразитной емкости C между проводниками катушки Пренебрегая краевыми эффектами, выражения для вычисления емкостей можно записать в виде: A wb Ct Cb (13) d s wa Cbt (14) h w a 2 b2 1/2 Cx s 2 h2 1/2 (15) где е - диэлектрическая проницаемость воздуха, а и b - ширина и высота проводящей линии, w - длина проводящей линии, h - расстояние по вертикали между верхней и нижней проводящей линиями, s - расстояние между проводниками. На рис. 20 показано влияние расстояния по вертикали между верхними и нижними проводниками катушки h на величину паразитной емкости. Значение паразитной емкости определяется путем подстановки Ct, Сb,Сbt и Сx, вычисленных по формулам (13)-(15), в программу моделирования схемы. На рис. 21 показана зависимость величины паразитной емкости от расстояния между двумя соседними проводниками. Из рисунка видно, что суммарная паразитная емкость резко уменьшается при изменении расстояния между соседними проводниками в диапазоне 10...30 мкм. Однако увеличение расстояния между витками ведет не только к снижению паразитной емкости, но и росту размеров индуктора и уменьшению величины индуктивности. 8 Рис. 20. Зависимость паразитной емкости от расстояния между верхними и нижними проводниками Рис. 21. Зависимость паразитной емкости от расстояния между витками (h и b остаются постоянными) На рис. 22 показано влияние воздушного зазора на добротность индуктора. При изменении зазора между катушкой и подложкой в диапазоне 0...20 мкм, паразитная емкость снижается от 25.1 до 17.7 фФ. Индукторы с воздушным зазором обладают большей добротностью и резонансной частотой, чем индукторы без зазора. 9 КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ 1. Приведите способы улучшения добротности. 2. Приведите соленоидный индуктор с воздушным зазором. 3. Приведите экспериментально определенные зависимости добротности от частоты индукторов. 4. Приведите экспериментально определенные зависимости индуктивности от частоты индукторов. 5. Приведите эквивалентную схему соленоидного индуктора для вычисления паразитной емкости C между проводниками катушки. 6. Приведите выражения для вычисления емкостей соленоидного индуктора. 7. Каким образом паразитная емкость зависит от расстояния между верхними и нижними проводниками? 8. Каким образом паразитная емкость зависит от расстояния между витками?
