мируется маска. Далее методами осаждения или напыления наносится слой металла для формирования электродов моста. Перечисленные технологические этапы являются общими, как для кремниевых поверхностных технологий, так и для МСЛ. Однако следующий этап уже характерен только для МСЛ.

Для изготовления мостов используются полимеры, чувствительные к УФ излучению. Такие полимеры наносятся на металлический слой и подвергаются УФ облучению для формирования полимерных мостовых микроструктур в соответствии с CAD-проектом. В качестве полимерного материала, как правило, используется SU-8, в для защитного слоя применяется фоторезист PR (Shipley 1827). SU-8 выбран из-за его сильной адгезии к металлам и устойчивости к ацетону (травильному реагенту). После удаления в ацетоне защитного слоя и металла, непокрытого SU-8, растворяются необлученные участки SU-8 при помощи PGMEA (пропилен гликоль метил эфир ацетат). Металл, находящийся под структурой полимерного моста, используется как электрод для подачи управляющего напряжения. Далее подложка промывается в изопропиловом спирте (IP А) и помещается в вакуумную камеру для медленного просушивания и освобождения мостовой микроструктуры.

6.4, Ферроэлектрические фазовращатели

Тонкопленочные фазовращатели, управляемые напряжением, могут быть изготовлены внутри микрополосковых или копланарных волноводов. Фазовращатели на основе микрополосковых линий передач обычно строятся на объемных керамических или ферроэлектрических подложках (Jose et al, 2001, Van Keuls et al, 1997, Varadan et al, 1991, 1995). Монолитная интеграция линий передач и фазовращателей позволяет повысить надежность всей системы при одновременном снижении ее стоимости. Однако микрополосковые фазовращатели, изготовленные на неполупроводниковых подложках, невозможно объединять с другими активными и пассивными элементами. Поэтому фазовращатели на основе копланарных волноводов, реализованные на полупроводниковых подложках, получили более широкое распространение (Acihel, Liu, 2001, Neidert, Krowne, 1985). Этому также способствовало то, что компьютерное проектирование СВЧ копланарных волноводов помогает устранить влияние сложных краевых полей.

По сравнению с ферроэлектрическими фазовращателями полупроводниковые фазовращатели обладают большим быстродействием и совместимостью с монолитными СВЧ ИС. Но из-за низкой добротности на высоких частотах они имеют ограничения по рабочей частоте. В СВЧ диапазоне вносимые потери полупроводниковых устройств очень сильно возрастают. Поэтому здесь предпочтительнее применение ферроэлектрических материалов.

Несмотря на то, что для построения СВЧ фазовращателей подходят различные ферроэлектрические материалы, чаще всего используется титанат стронция бария (BST), поскольку его диэлектрическая проницаемость сильно зависит от приложенного постоянного напряжения.

6.4.1. Распределенные конденсаторы с параллельными пластинами

Широкое распространение ферроэлектрических конденсаторов в различных микроустройствах связано с их малыми диэлектрическими потерями и возможностью регулирования при помощи напряжения.

Было показано, что применение тонких пленок из BST для изготовления запоминающих устройств и СВЧ схем является весьма перспективным (Егкег, Nagra, 2000, York, Nagra, 2001).

За счет этого достигнут значительный прогресс в разработке гребенчатых конденсаторов и конденсаторов с параллельными пластинами, построенных на основе копланарных волноводов.

Емкость таких конденсаторов зависит от напряжения, поданного на два электрода. Поскольку при этом электрические поля не выходят за пределы узких параллельных пластин, удается получить высокую конструктивную надежность даже при использовании тонких электродов. На рис. 6.13 показана схема конденсатора с параллельными пластинами. Здесь слой BST нанесен между двумя металлическими электродами. Всю конструкцию можно представить в видедвух последовательных конденсаторов, где роль общего электрода играет подложка. Для уменьшения потерь зазор между двумя верхними пластинами должен быть узким.

Приложенное напряжение управляет фазовой скоростью сигнала в линии передач, нагруженной BST-конденсаторами, что объясняется зависимостью диэлектрической проницаемости тонкой пленки из BST от напряжения. Выражения для емкости между параллельными пластинами, емкости на границах и емкости копланарного

волновода могут быть записаны в видв -fringe -

tsiN

2 к(к2)К{к[)

K{k)K{ki) К[к2)К{к[)-

(6.21) (6.22) (6.23)

(6.24) (6.25)

Рис. 6.13. Структура варактора с параллельными пластинами: а - вид сверху, б - поперечное сечение. Репродукция из книги R. York, А. Nagra, 2001, Microwave integrated circuits using thin-film BSTi>, Proceedings of IEEE on Applications of ferroelectrics 1: 195-200 с разрешения IEEE, ©2001 IEEE

Ctoi - С fix + у

sect

Тгисже мояно записать выражение для индуктивности:

или

L = Zi

р.К{к[)

4 К (кг)

где К{к) - полные эллиптические интегралы первого рода,

[s + g) + S

(6.26)

(6.27) (6.28)

(6.29)

а S - глубина проникновения.

Изменение фазовой скорости соответствует изменению емкости:

- (LtCtot)

-1/2

С fix +

hect

-1/2

(6.30) (6.31)

где

Р = \/LtCtot-

Верхний предел частоты для зтой системы определяется частотой Брзгга, которая зависит от размеров конденсаторов и расстояния между ними. Оптимальную рабочую частоту можно определить при помощи следующего выражения:

fBragg -

sec t

Lt I С fix +

sec t

1-1/2

(6.32)

Считается, что большую часть вносимых потерь составляют потери проводимости в нижнем электроде и диэлектрические потери в BST пленке. Но несмотря на довольно значительные потери проводимости, варакторы с параллельными пластинами являются перспективными структурами, что связано с тем, что им требуется

Полная емкость на единицу длины равна сумме постоянной емкости линии передач и переменной емкости:

низкое напряжение управления и с тем, что они совместимы с технологией изготовления ИС. Все это дает надежду на интеграцию таких варакторов с СВЧ ИС.

6.4.2. Двусторонние гребенчатые фазовращатели

Рзработка гребенчатых варакторов проводится с целью снижения стоимости изготовления и повышения надежности монолитных ИС. Для возможности монолитной интеграции пассивных и активных СВЧ компонентов на одном кристалле, процесс их производства должен быть совместим с традиционными технологиями изготовления ИС. Варакторы, построенные на основе встречно-штыревых преобразователей (ВШП), подходят для монолитной интеграции.

Рис. 6.14. Структура двухстороннего гребенчатого фазовращателя: а - вид сверху, б - поперечное сечение

SiO,

Фазовой скоростью ВЧ сигнала можно управлять при помощи напряжения, приложенного к планарным ВШП, размаденным вдоль линии передач. На рис. 6.14 показана схема фазовращателя, построенного на основе равномерно нагруженного варактора. Считая линию передач симметричной, линию АА можно заменить магнитной преградой и обе части емкости ВШП на многослойной подложке считать отдельно, применяя для этого метод конформных отображений. Емкость ВШП можно определить, разделив ее на три составляющих: емкость от периодических зубцов С„, емкость от внешнего зубца Сз и емкость от последнего зубца С end- Тогда полная

емкость двусторонней линии передач с ВШП описывается следующим выражением:

Ctot =2{Сп + Сз + С end)

(6.33)

Рис. 6.15. Зубцы ВШП: а схема расположения, б - поперечное сечение

Применяя метод конформных отображения для гребенчатого конденсатора на многослойной подложке, можно определить емкость участка с периодически повторяющимися зубцами конечной ширины, показанного на рис. 6.15 (Gevorgian, Martinsson, 1996):

где

С„ = (п - 3)еоееп

о = -- , ...

s+g ; *

к'о = {1-к1)У\

1 , ei - 1 £2 - £l , £3-£2 ееп = 1+ qin-7>- + 92п-7,- + 93n-7,-

Qin =

К{ко) K{kJ

(6.34)

(6.35) (6.36) (6.37)

(6.38)