делитель/сумматор мощности

алюминии

к измернтел ьнои установке

алюминиевая вставка длиной 10 мил

Ж

кобальт-ннкелневын сплав(ковар)

монолитная СВЧИС

алюминиевая вставка длиной 10 мил регулировочный элемент

алюминии

из верительной ст, ковке

0.5 см

кремниевая структура длиной 15 мил

3.81см

1.4 см

1.43 см

места соединения скруткой 11Z J места соединения на винтах

1.4 см

(J) ввод постоянного напряжения питания

Рис. 7.18. Монолитная СВЧ ИС усилителя мощности л.11я Ка-диапазона, использующая чипы .4А035Р2-00, реализованные на основе ка- нальных транзисторов с барьером Шотки (MESFET), и дели-и тель/сумматор мощности (мил = 0,001 дюйма). Репродукция из \- , книги N.I. Dib, L.P.B. Katehi, G.E. Ponchak, R.N. Simons, 1991, , <cTheoretical and experimental characterization of coplanar waveguide discontinuities for filter allocations*, IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques 39(5): 874-882 с разрешения IEEE, ©1991 IEEE

В работах (McGrath et al, 1993, Shenouda, Pearson, 1998) опи-<;iHbi методы изготовления кремниевых волноводов, работающих в

частотном диапазоне 100... 1000 ГГц. Процесс изготовления значительно упрощается, если две части волновода формировать отдельно, разделив их вдоль поперечной перегородки, после чего встроить обе половины в планарную схему. Для получения волноводов в кремниевой подложке вытравливаются ровные углубления одинакового размера. После чего на стенки волновода наносится два слоя метал-

о

лизации: один из хрома толщиной 200 А, второй из золота толщиной

о

5000 А. Для снижения ВЧ потерь в проводниках слой золота может быть увеличен до Змкм, что на частоте 100 ГГц более чем в 12 раз превышает глубину проникновения. Экспериментально определенные вносимые потери в таких волноводах составили 0.04 дБ/Л, что сравнимо с серийно выпускаемыми волноводами.

Для решения проблем, связанных с интеграцией волноводов с активными устройствами, были разработаны фотолитографический (Digby et al, 2000) и КМОП (Milanouic et al, 1996, 1997) методы изготовления линий передач. При помощи этих методов были реализованы компоненты прямоугольных волноводов, работающих в W-и G-диапазонах. На рис. 7.19 показана последовательность изготовления волновода литографическим методом. Волноводы и рупоры формируются на слое титана с исходной толщиной 30 нм, на который напыляется слой золота, являющийся нижней стенкой волновода. Структуры волновода и рупора строятся из фоторезиста толщиной ЮОмкм (шаг (iii) на рис. 7.19). Далее напыляется второй слой золота, который затем увеличивается электролитическим способом для усиления прочности конструкции. Для формирования щелевого рупора антенны используется еще один слой фоторезиста (более тонкий, чем первый), на который наносится маска для получения требуемой структуры. После удаления всего фоторезиста остается полая структура прямоугольного волновода, интегрированного с рупором антенны (шаг (vii)).

После проведения сравнения внутренних стенок волноводов, полученных фотолитографическим методом и серийно выпускаемых для работы в W-диапазоне, оказалось, что толщина стенок указанных волноводов различается более чем на 1 мкм. Измерения показали, что в частотном диапазоне 75... ПО ГГц потери при распространении поперечной электромагнитной волны в интегрированном волноводе составляют 0.2 дБ на длину волны.

Для изготовления ВЧ компонентов, таких как индукторы, термоконденсаторы, копланарные линии передач, ответвители, могут

компоненты. Сильные искажения ВЧ сигнала, связанные с несоответствием диэлектрической проницаемости подложки и воздуха, а также с потерями из-за возникновения на подложке на таких частотах поверхностных волн, также не позволяют применять планарные линии передач в устройствах, работающих в диапазоне очень высоких частот. В дополнение к этому можно отметить, что на таких высоких частотах размеры пассивных элементов становятся больше, чем размеры волноводных и монтажных компонентов. Для решения многих из перечисленных проблем были разработаны новые методы изготовления линий передач и волноводов на кремниевой подложке.

применяться традиционные кремниевые технологии: КМОП и биполярных КМОП. В самой простой КМОП технологии для частичного удаления кремниевой подложки используется жидкостное травление.

слои для адгезнн с титаном

основной слои золота, который формирует нижнюю часть волновода

толстый

слой фоторезиста

(i) напыление адгезионного слоя н слоя нз золота

(ii) Нанесение толстого слоя фоторезиста н медленная термообработка

структура волновода, выполненная из фоторезиста

(iii) облучение фоторезиста и формирование волновода

(iv) нанесение слоев золота сверху фоторезиста для формирования волновода

[есение слоев золота методами напыления и электролитического осаждения

Рис, 7.19. Последовательность изготовления волновода с рупором лито-. графическим методом. Репродукция из книги J.W. Digby, СЕ.

Mcintosh, G.M. Parkhurst, В.М. Towlson, S. Hadjiloucas, J.W. Bowen, J.M. Chamberlain, R.D. Pollard, R.E. Miles, D.P. Steenson, L.S. Karatzas, N.J. Cronin, S.R. Davis, 2000, Fabrication and char- acterization of mieromaehined rectangular waveguide components

for use at millimeter-wave and terahertz frequencies*, IEEE Trans-

: <..; , actions on Microwave Theory and Techniques 48(8): 1293-1302 с

разрешения IEEE, ©2000 IEEE

Копланарные волноводы, изготовленные по КМОП технологии, состоят из подвешенных металлических полосок проводника, заключенных в стеклянную оболочку. Для получения такой структуры применяется метод селективного травления кремниевой подложки. Линии передач состоят из проводников, покрытых тонкими пленками из диоксида кремния. Глубина травления при формировании структуры линии передач, определяется, исходя из требуемого значения коэффициента развязки (Milanouic et aJ, 2000). Полная толпщна мембраны после удаления кремниевой подложки обычно меньше 5 мкм.

слбй фоторезиста сверху волновода

(v) нанесение второго слоя фоторезиста на волновод и медленная термообработка

фоторезиста волновода

щель в слое фоторезиста

(vi) облучение фоторезиста и формирование в нем щели

[ель в слое золота

(vii) вытравливание облученных участков золота

волновод с рупорами

(viii) удаление фоторезиста при помощи растворителей и высвобождение структуры волновода

Рис. 7.19. Продолжение

Рис. 7.20. Поперечное сечение копланарного волновода, изготовленного по КМОП технологии. Репродукция из книги М. Ozgur, М.Е. Zaghloul, 2001, <(RF components for wireless communication using CM-CMOS Technology*, International Journal of RF and Microwave CAE 11: 330-340 с разрешения IEEE, ©2001 IEEE

Ha рис. 7.20 показано поперечное сечение подвешенного копланарного волновода. Описанный метод может быть применен и для изготовления пассивных СВЧ компонентов, таких как индукторы.

конденсаторы, линии передач и ответвители. Максимальная добротность, которую удалось получить для индуктора с индуктивностью ИнГн, составила 14.2 (Ozgur, Zaghloul, 2001).

7.2.6. Направленные ответвители в микросистемах

экранирующая подложка

- металлизированная поверхность

металлизированная опорная пластина

Рис. 7.21. Схема направленного ответвители. Репродукция из книги S.V.

Robertson, A.R. Brown, L.P.B. Katehi, G.M. Rebeiz, 1998, a 10-60 GHz micromachined directional coupleri>, IEEE Transactios on Microwave Theory and Techniques 46(11): 1845-1149 с разрешения IEEE,©2001 IEEE

Ha рис. 7.21 показан направленный ответвитель на 20 дБ, реализованный на тонкой диэлектрической мембране. Благодаря тому, что сигнальные линии подвешены в воздухе на очень тонкой диэлектрической мембране, толщина которой приблизительно равна 1.5 мкм, данное малошумящее устройство способно работать в очень широком частотном диапазоне. Для экранирования микрополосковой линии, сформированной на мембране, и создания корпуса устройства используется отдельная экранирующая подложка. Это позволяет выбирать высоту пластины заземления независимо от толщины подложки. Подложка, на которой реализована схема, и экранирующая подложка соединяются вместе, после чего полученная конструкция крепится на металлизированной опорной пластине. На рис. 7.22 показана фотография такого микроответвителя. Более темная зона по сравнению с окружающим кремнием соответствует части конструкции, опирающейся на мембрану. Рассматриваемое устройство используется для измерения мощности на выходном порту 3. Порт 2 является прямым, а порт 4 - изолированным портом.

Рис. 7.22. Фотография микроответвителя.

Репродукция из книги S.V. Robertson, A.R. Brown, L.P.B. Katehi, G.M. Rebeiz, 1998, a 10-60 GHz micromachined directional coupler*, IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques 46(11): 1845-1149 с разрешения IEEE,©2001 IEEE

-резистивиое оконечное устройство

калибровочные уровни

7.2.7. Смесители в микросистемах

Традиционные миллиметровые и субмиллиметровые волновые компоненты, такие как умножители и смесители, состоят из волноводов и других микроэлементов. Несмотря на то, что такие металлические устройства обладают рядом достоинств: надежностью, простотой интеграции и несложной конструкцией, у них также есть и недостатки. Процесс изготовления миниатюрных волноводов - очень трудоемкий и дорогостоящий. Особенно это сказывается при производстве устройств, предназначенных для работы на очень высоких частотах, и систем с большим количеством элементов.

Современные микротехнологии в значительной степени решают проблемы, связанные с высокой себестоимостью миниатюрных механических структур, поскольку они основаны на методах обработки кремния, позволяющих точно и надежно изготавливать очень маленькие элементы электрических и электромеханических систем. При помопщ современных технологий возможно одновременное формирование спаренных структур на одном кристалле.

В работе (Mann et al, 1998) описана технология изготовления волноводов, рупоров и каналов методом травления модифицированного кремния. Мощный ВЧ сигнал от локального генератора поступает на смеситель через диагональный рупор, сужающийся до размеров волновода: 200 х 400 мкм, рассчитанного для передачи сигналов в диапазоне 450... 700 ГГц. На рис. 7.23 показаны фотографии