= 3.5 мм

- £,= 3.0

-1-I-г-I-1-г

10 100

ширина линии, Wc, мкм

1000

Рис. 4.11. Зависимость величины паразитной емкости от ширины линии.

Репродукция из книги М. Yamaguchi, М. Mastumo, Н. Ohzeki, K.I. Arai, 1991, (.Analysis of the inductance and stray capacitance of the dry-etched micro inductors*, IEEE Transactions on Magnetics, 27(6): 5274-5276 с разрешения IEEE, ©1991 IEEE

Из рисунка видно, что величина паразитной емкости между параллельными проводниками всегда меньше 100 фФ при расстоянии между линиями меньше 1 мкм. В случае спирального индуктора основным источником паразитной емкости является проводник, соединяющий центр катушки и внешний вывод. На величину индуктивности также сказываются паразитные емкости между слоем заземления и проводящими элементами. При разработке планарных индукторов всегда надо стремиться либо устранить, либо снизить паразитные емкости. На практике достигается компромисс между значениями паразитных емкостей и величиной индуктивности.

4-3.3.3. Влияние магнитного сердечника В микроиндукторах для получения высокого тока насыщения необходимо использовать сердечники с высоким коэффициентом магнитного насыщения. Для реализации больших величин индуктивности такие сердечники должны обладать высокой магнитной проницаемостью. Для уменьшения потерь из-за вихревых токов сердечникам надо иметь высокое сопротивление. Были проведены иссле-

дования по изучению влияния двух типов сердечников: из пермаллоя (Nio.8oFeo.2) и ортонола (Nio.soFco.s) на микроиндукторы, выполненные на кремниевой подложке, при работе на низких частотах. Они показали, что сердечники из пермаллоя позволяют получить большие значения индуктивности по сравнению с сердечниками из ортонола (Park, Allen, 2000). У индуктора с сердечником из ортонола ток насыщения выше, чем у индуктора с сердечником из пермаллоя. Это очень важно для устройств большой мощности, поскольку ток насыщения пропорционален плотности потока насыщения, а высокая плотность потока насыщения оказывает большее влияние, чем величина магнитной проницаемости.

4-3.3.4- Влияние числа витков на индуктивность и добротность

При увеличении числа витков в спиральном индукторе необходимо искать компромисс между индуктивностью и добротностью. На рис. 4.12 показаны зависимости индуктивности и добротности от количества витков и частоты. Измерения проводились для восьми планарных спиральных индукторов одинакового размера, но с разным количеством витков (Koutsoyannopoulos, Papananos, 2000). Из рисунка видно, что при изменении числа витков от 3 до 8 индуктивность растет, а добротность падает. Снижение добротности объясняется тем, что при увеличении числа витков возрастает площадь индуктора, и при этом увеличивается емкость между витками.

Таким образом, для реализации индуктора с заданными характеристиками необходимо правильно задавать количество витков, ширину линии, расстояние между линиями и материал подложки.

4.3.4. Уменьшение параизитной 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 (Koutsoyannopoulos, Papananos, 2000, Lu et al, 2000). 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

Глава 4- Конденсаторы и катушки индуктивности

Рис. 4.12. Влияние числа витков на: а - индуктивность, б - добротность.

Y.K. Koutsoyannopoulos, Y. Papananos, 2000, (.Systematic analysis and modeling of integrated inductors and transformers in RF 1С desighn , IEEE Transactions on Circuits and Systems II, 47(8): 699-713, с разрешения IEEE, ©2000 IEEE

4-3. Индукторы в микросистемах

(Chang, Abidi, Gaitan, 1993, Lopez-Villegas et al, 1997, Ribas et al, 2000). Использование подвешенных мембран (Sun,Tauriz, Baets, 1999, Sun et al, 1996a, 1996b), изготовление устройств на толстых диэлектрических подложках (Dahlmann, Yetman, 2000, Lubecke et al, 2000), построение самособирающихся переменных индукторов (Case, 1997, Yoon et al, 1999) и применение многоуровневой металлизации (Ashby et al, 1996, Вш-ghartz, Soyuer, Jenkins, 1996, Burghartz et al, 1995), - все это способы снижения паразитных эффектов в планарных индукторах. Результаты исследования спиральных индукторов на подвешенных мембранах показали (Lu et al, 2000, Sun, Tauriz, Baets, 1999), 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 Si02/Si3N4/Si02 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 (этилен-диамин-пирокатехол), для GaAs - H2SO4/H2O2/H2O в растворах. Эти же реагенты применяются и для сухого травления методом реактивного ионного травления.

На рис. 4.13 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 ЗГГц. 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. 4.14. Здесь индуктор изготавливается на диэлектрической мембране толщиной 1.2... 1.4 мкм.

100 000

10000

1000

1.5 2 2,5 3 частота, ГГц

Рис. 4.13. Изменение резонансной частоты индуктора: черный график - с удаленной нижней частью подложки, серый график - без удаления. Репродукция из книги J.Y.-C. Chang, А.А. Abidi, М. Gaitan, 1993, Large suspended inductors on silicon and their use in a 2 mm CMOS RF amplifier.), IEEE Electron Device Letters 14(5): 246-248 с разрешения IEEE, ©1993 IEEE

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 X 40 мкм. На рис. 4.15 показаны расчетные и экспериментальные зависимости реактивного сопротивления разных типов индукторов от частоты. Исследовались два индуктора на тонкой диэлектрической мембране {Lim и Ь2м), и два - на толстой кремниевой подложке {Lis и L2s)- Из рисунка видно, что для планарных индукторов на кремниевой подложке с индуктивностями 1.2 нГн и 1.7 нГн 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 Rg не меняется в результате смены подложки.

I- 1

DI: внутренний диаметр DO: внешний диаметр W: ширина проводника S: расстояние между линиями N: число витков

схема диэлектрической мембраны

воздушный мост

высокорезистивная подложка мембраны

диэлектрическая мембрана

воздушный мост

вытравленная боковая стенка

опорная пластина

Рис. 4.14. Схемы планарного индуктора и мембраны. Репродукция из книги C.-Y. Chi, G.M. Rebeiz, 1995, Planar microwave and millimeter wave lumped elements and coupled line filters using micromachin- ing technique.), IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques, 43(4): 730-738 с разрешения IEEE, ©1995 IEEE

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 дл 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 (Hjort, Solderkvist, Schweitz, 1994). Объемные техно.шгии обработки GaAs, используемые при построении 0.2 мкм ВПЭ-транзистора (транзистора с высокой подвижностью электронов) в монолитных СВЧ ИС, позволяют создавать свобод-