Глава 7. Линии передач в микросистемах и их компоненты

Было показано экспериментально, что рабочие характеристики компонентов линий передач и копланарных волноводов ухудшаются на высоких частотах, что связано с паразитными излучением и связями, при этом также усиливается нежелательное влияние металлизированных корпусов. Для более эффективного распространения волн необходимо минимизировать выход сигнала за пределы линии передач. Для построения высокочастотных устройств подходит микрополосковая линия передач (Herrick, Yook, Katehi, 1998).

7.2.3. Экранированные линии передач и линии передач, опирающиеся на мембраны

Наиболее распространенными видами линий передач являются микрополосковые линии и копланарные волноводы, показанные на рис. 7.1. Такие линии передач стали широко примененяться в силу того, что их свойства хорошо изучены. К тому же эти структуры можно интегрировать с монолитными СВЧ ИС. Несмотря на их неоспоримые преимуш;ества при работе на низких частотах, такие линии передач имеют серьезные ограничения в диапазоне частот миллиметровых волн. На таких частотах указанные линии передач довольно сильно ослабляют сигнал, обладают повышенной дисперсией и мно-гомодовым распространением волн, что объясняется, как правило, использованием подложки с высокой диэлектрической проницаемостью. Одним из способов преодоления этих ограничений является удаление материала подложки под проводяшими линиями, как показано на рис. 7.5. Другой способ - формирование линии на тонкой мембране.

Существует несколько преимуществ использования в экранированных микролиниях передач почти однородной воздушно-диэлектрической подложки. Отсутствие волн внутри подложки снижает потери на паразитное излучение при одновременном уменьшении дисперсии, которая возникает из-за распространения компонентов сигнала различной частоты с разными фазовыми скоростями. В таких линиях, вследствие использования подложки с низким значением диэлектрической проницаемости, значительно упрощается процесс разработки сгибов, перемычек и ступенек.

На рис. 7.6 показан вариант экранированной микрополосковой линии, реализованной на мембране. Такие линии обладают практически нулевыми диэлектрическими потерями и малыми электромагнитными помехами, сравнимыми с обычными микрополосковыми линиями и копланарными волноводами (Katehi et al, 1993). В экранированных линиях поперечные электромагнитные волны распростра-

7.2. Линии передач в микросистемах

няются через двухпроводниковую систему, встроенную в однородную среду. Однородная среда - это мембрана толщиной 1.5 мкм, окруженная металлизированной полостью. Слой металлизации используется в качестве заземления. Такое экранирование позволяет линиям передач работать в частотном диапазоне от О до терагерц, обладая нулевой дисперсией и очень малыми потерями.

экранированная линия

мембрана центральный

проводник

пластина

заземления

/ SiOj (4500 А) SI3N4 (3500 А) SiOg (7500 А)

нижняя экранирующая полость

Pi№' Т.б. Схема экранированной микролинии передач. Репродукция из кни-ги Т.М. Weller, 1995, Micromachined High Transmission Lines on Thin Dielectric Membrane, PhD thesis. University of Michigan, Ann Arbor, MI с разрешения University of Michigan

мембрана

центральный проводник пластина заземления

Рис. 7.6. Схема экранированной микролинии передач, реализованной на мембране. Репродукция из книги Т.М. Weller, 1995, Micromachined High Transmission Lines on Thin Dielectric Membrane, PhD thesis. University of Michigan, Ann Arbor, MI с разрешения University of. Michigan

Способ использования тонкой диэлектрической мембраны в качестве опоры для ВЧ линий передач был впервые описан в работах Katehi и его коллег (Dib, Katehi, 1992, Dib et al, 1991, Weller, Katehi, Rebeiz, 1995), в которых они показали, что такие конструкции обладают более низкими радиационными потерями, чем обычные копланарные волноводы. Это позволяет реализовывать широкопо-

Глава 7. Линии передач в микросистемах и их компоненты

лосные одномодовые устройства без диэлектрической дисперсии и нулевыми диэлектрическими потерями.

мемО)ана

кремнии

Экранированные линии можно рассматривать как усовершенствованную форму обычных микрополосковых и копланарных структур, в которых внутренний проводник полностью или частично заключен в заземленную полость. Такие линии могут быть частично экранированными, т. е. квази-пла-

нарными, что пока-

Рис. 7.7. Схемы: а - экранированной линии передач, б - мембранной линии, в - диэлектрической экранированной линии. Репродукция из книги N.I. Din, W.P. Haroljopus, Р.В. Katehi, 1991, Study of a novel planar transmission line . Proceedings of IEEE MTT-S Symposium 1991, IEEE, Washington, DC: 623-626 с разрешения IEEE, ©1991 IEEE

зано на рис. 7.7. Здесь

для поддержки проводников используется тонкая диэлектрическая мембрана, или они могут быть подвешены на тонкой диэлектрической пластине.

Основным преимуществом экранированной линии является то, что, изменяя размеры экранированного волновода, можно получить широкий диапазон значений импеданса. Это возможно потому, что любые изменения заземленной полости вокруг центрального проводника приводят к увеличению или уменьшению емкости линии, что вызывает изменение характеристического импеданса. В дополнение к этому небольшое расстояние между центральным проводником и поверхностью заземления упрощает организацию одномодового режима передачи и предотвращает ВЧ излучение.

Экранированные линии по своим характеристикам подходят для работы в диапазонах миллиметровых и субмиллиметровых волн. Хотя построение тонкой диэлектрической мембраны на кремниевой подложке приводит к дополнительным технологическим этапам, экранированные линии являются весьма перспективными, поскольку позволяют упростить процесс изготовления воздушных мостов.

Экранированные линии формируются на тонкой диэлектрической мембране методом анизотропного травления подложки. Кремниевая мембрана имеет следующую структуру. Для получения ров-

7.2. Линии передач в микросистемах

ной и жесткой конструкции линии передач, не требующей дополнительной опоры, мембрана находится в слегка напряженном состоянии. После операций осаждения трехслойной структуры на обратной стороне подложки формируется полость. Травление кремния происходит до полного освобождения мембраны. Далее к полой конструкции присоединяются недостающие части для получения требуемой формы экрана.

Поскольку экранированные линии строятся на воздушной подложке, их эффективная диэлектрическая проницаемость близка к 1. Однако применение тонкой мембраны увеличивает диэлектрическую проницаемость незначительно. Мембрана толщиной 1.5 мкм состоит из трех слоев: ЗЮг-81зМ4-ЗЮг- Диэлектрическая проницаемость оксида равна 3.9, а нитрида - 7.5. Измерения показали, что при уменьшении высоты полости с 55 мкм до 25 мкм эффективная изменяется с 1.09 до 1.15, что показано на рис. 7.8.

1.25

1.20

1.15

1.10

1.05

1.00

I I 1 I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I -о- S =250 мкм IV =25 мкм G= 300 мкм

S= 190мкм IV=55mkm G = 300mkm-

111111

i L

20 25

Частота, ГГц

Рис. 7.8. Экспериментальные зависимости эффективной диэлектрической проницаемости от частоты, полученные для двух экранирован- ных линий с разным соотношением геометрических размеров. Репродукция из книги Т.М. Weller, L.P.B. Katehi, G.M. Rebeiz, 1995, , .. I ((High performance microshield Hne components*,/BEE TVansoctions on Microwave Theory and Techniques 43(3): 534-543 с разрешения IEEE, ©1995 IEEE

:ii.,

Ha рис. 7.9 представлены зависимости эффективной диэлектрической проницаемости от толщины мембраны для различных характеристических соотношений, полученные методом конформных отображений (Weller, 1995). Кривые построены для различных зна-

Глава 7. Линии передач в микросистемах и их компоненты

чений К, где К = S/{S + 2W), S - ширина полоски, а. W - расстояние между поверхностью заземления и полосковой линией, показанные на рис. 7.4.

о 1.0 2.0 3.0 4.0 5.0 6.0 7.0 8.0 9.0

толщина мембраны, мкм

10.0

РЙС. т.е. Зависимость диэлектрической проницаемости от толщины мембраны для линий с различным соотношением геометрических размеров, К = 5/(5 + 2W), где 5 + 2W = 100мкм. Репродукция из книги Т.М. Weller, 1995, Micromachined High Frequency Transmission Lines on Thin Dielectric Membrane, PhD thesis. University of Michigan, Ann Arbor, MI, с разрешения University of Michigan

В последние годы были разработаны биполярные SiGe гетеро-транзисторы, работающие на частотах до 160 ГГц. К сожалению, для таких транзисторов не подходят линии передач, изготовленные по КМОП технологии, что связано с высокими потерями в низко-резистивной кремниевой подложке на высоких частотах. Возможны два варианта решения этой проблемы: разработка схемы на высокорезистивной кремниевой подложке ( 2500 Ом см) или использование полиимидных слоев на КМОП подложке. На основе высокорезистивного кремния могут быть изготовлены высококачественные линии передач, аналогичные линиям, сформированным на GaAs и других СВЧ подложках с хорошими характеристиками. Однако вы-сорезистивные подложки гораздо дороже обычных, и к тому же для их применения необходимо модифицировать стандартную КМОП технологию. Поэтому более перспективным является способ построения ВЧ линий передач на основе КМОП подложки. Для этого на верхнюю часть кремниевой подложки наносится слой заземления, на котором формируется слой полиимида, на который и наносятся линии передач. Для таких структур характерно низкое ослабление сигнала, поскольку линия формируется на слое полиимида толщи-

7.2. Линии передач в микросистемах

ной менее 10 мкм и поверхность заземления полностью экранирована от электромагнитных волн, возникающих в кремниевой подложке, обладающей большими потерями. По уровню ослабления сигнала линии передач, построенные на низкорезистивной кремниевой подложке (1 Ом см) с применением полиимидных промежуточных слоев, сравнимы с линиями, изготовленными на высокорезистивных кремниевых подложках (Ponchak, Margomenos, Katehi, 2001).

Рассмотрим более подробно последовательность изготовления структуры волноводной линии передач, показанной на рис. 7.10.

Рис. 7.10. Микрофотография копланарной волноводной линии, реализованной на низкорезистивной кремниевой подложке с вытравливанием полиимидного слоя толпщной 20.15 мкм (Фотография получена при помощи сканирующего микроскопа). Репродукция из книги G. Е. Ponchak, А. Margomenos, L.P.B. Katehi, 2001, Low-loss CPW on low-resistivity Si substrates with a micromachined polyimide interface layer for RFIC interconnections*, IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques 49(5): 866-870 с разрешения IEEE, ©2001 IEEE

Полиимид (PI-1 111 фирмы DuPont) с относительной диэлектрической проницаемостью, равной 2.8, наносится на кремниевую подложку с удельным сопротивлением 1 Ом см. Методом обратной литографии на слое полиимида формируются линии копланарного волновода: одна из титана шириной 0.02 мкм, другая из золота шириной 1.5 мкм. Области полимера, незащищенные металлизацией, удаляются методом реактивного ионного травления.