458 Глава 7. Линии передач в микросистемах и их компоненты

7.3.2. Изготовление компонентов микросистем

При изготовлении копланарных волноводов предполагается, что ВЧ сигналы распространяются по пространству почти свободно. Для компонентов микросистем также важны механические свойства мембран, которые должны иметь небольшое внутреннее напряжение, и при толщине, обычно чуть более 1 мкм, должны выдерживать нагрузки, связанные с разрезкой, транспортировкой, герметизацией и сборкой методом перевернутого кристалла. Минимальное внутреннее напряжение обеспечивается при формировании тонких мембран методом осаждения композитных структур (Si02/Si3N4). На рис. 7.29 показана последовательность изготовления мембранных структур.

очистка подложки

электролитическое осаждение Or

формирование мембраны

Si3N4 SiOg

SiOg Si3N4

слой, предшествующий металлизации

Au Ti

плазменное травление

формирование шаблона из фоторезиста 16

анизотропное травление КОН

Si--l(JC)-

1.4 мм

, Рис. 7.29. Процесс изготовления линии передач. Репродукция из книги В.

GuUion, к. Grenier, Р. Pons, J.l. cazaux, J.c. Lalaurie, D. Cros, R. Plana, 2000, Silicon micromachining for millimeter-wave applica-tions , Journal of Vacuum Science technology A 18(2): 743-745 с разрешения AVS Publications, © 2000 AVS Publications

Первый слой толщиной 800 нм формируется на кремниевой подложке методом термического окисления. На него методом химического осаждения из газовой фазы при низком давлении наносится слой нитрида кремния толщиной 600 нм. Далее для снижения оми-

7.3. Разработка характеристик компонентов ВЧ микросистем

ческих потерь осаждается слой золота толщиной 8 мкм. После чего формируется сама микроструктура (в рассматриваемом примере линия передач). Последним зтапом в технологическом процессе изготовления микросистем является удаление кремниевой подложки, расположенной под мембраной, для чего применяются методы реактивного ионного травления и анизотропного химического травления при помощи раствора КОН. На рис. 7.30 приведены типовые размеры микролинии передач.

50 Ом

70 мкм

неоднородность

воздух / днэлектрнческая ~ ~ / мембрана .7°

Рис. 7.30. Микролиния передач. Репродукция из книги В. Gulhon, к. Grenier, Р. Pons, J.l. cazaux, J.c. Lalaurie, D. Cros, R. Plana, 2000, ((Silicon micromachining for millimeter-wave applications*. Journal of Vacuum Science technology A 18(2): ТАЪ-ТАЪ с разрешения AVS t Publications, © 2000 AVS Publications

7.3.3. Определение характеристик компонентов микросистем

Определение характеристик изготовленных микрокомпонентов может быть проведено при помощи тестового анализатора Network Analyzer, подключаемого при помощи специальных приспособлений и коаксиальных проводов (Godshalk, 1991, 1993). До создания зтого анализатора для оценки геометрии копланарных волноводов пользовались ВЧ зондами. В настоящее время для определения характеристик ВЧ планарных схем существуют специализированные измерительные станции, такие как Alessi REL-4300 фирмы Cascade Microtech Inc. (www.cmicro.com) и Suss Microtec probes (www.suss.com).

Для точного определения характеристик микроустройств необходимо минимизировать потери, связанные с подключением измерительных кабелей к тестовым системам. Из-за миниатюрных размеров контактных площадок процесс калибровки зондов значительно усложняется, и для его выполнения обычно применяются методы двухуровневого или одноуровневого соединений. Методики прове-

Глава 7. Линии передач в микросистемах и их компоненты

дения калибровки описаны в работах (Ebgen, Hoer, 1979, Hewlett Packard, 1996, Marks, 1991, Maury, March, Simpson, 1987).

7.4. Заключение

в этой главе рассматривались технологические вопросы разработки и изготовления планарных линий передач. В настоящее время наиболее широко распространенными линиями передач являются микрополосковые линии и копланарные волноводы, что связано с их совместимостью с монолитными СВЧ ИС и их лучшей изученностью. На низких частотах такие линии передач обладают очень хорошими рабочими характеристиками, однако на частотах миллиметровых волн у них появляются значительные ограничения. Из-за применения подложек с большой диэлектрической проницаемостью на высоких частотах у рассматриваемых линий передач появляются следующие недостатки: сильное ослабление сигнала, явления дисперсии и многомодовое распространение сигнала. Для решения этих проблем удаляется часть материала подложки под проводящими линиями, что приводит к подвешиванию линии передач на тонкой мембране.

Такой подход построения микрокомпонентов на мембране позволяет в ограниченной рабочей области получить эффективную диэлектрическую проницаемость, близкую к единице, что дает возможность снизить паразитную емкость и улучшить значение резонансной частоты, уменьшить диэлектрические и дисперсионные потери, а также обеспечить распространение поперечной электромагнитной волны, которая используется в фильтрах и устройствах на пассивных элементах.

Изменяя размеры экранирующего волновода линии передач, можно получить широкий диапазон значений импеданса. Любое изменение геометрических размеров поверхности заземления вокруг центрального проводника может привести к увеличению или уменьшению емкости системы, что сказывается на величине характеристического импеданса. Подъем сигнальных линий над диэлектрической подложкой также позволяет снизить потери в диэлектрике и проводнике. Поднятые и оверлейные копланарные волноводы обладают значительно меньшими потерями на частоте 50 ГГц по сравнению с обычными копланарными волноводами.

Многие современные устройства связи и измерительные приборы на частотах миллиметровых волн используют волноводные компоненты, что связано с простотой их изготовления и низкими потерями. В СВЧ диапазоне применение планарных линий передач ста-

Литература АЬ I

новится бесполезным из-за сильных искажений ВЧ сигналов, происходящих вследствие несоответствия диэлектрической проницаемости подложки и воздуха и потерь, возникающих из-за появления в системе на этих частотах поверхностных волн. Современные кремниевые технологии позволяют решить большинство проблем, возникающих при изготовлении линий передач, что дает возможность построения волноводов, работающих в диапазоне частот 100. ..1000ГГц.

Современные системы связи не могут обойтись без микроантенн, обладающих высоким быстродействием, малыми размерами и весом. Примерами последних разработок в области микроантенн являются устройства согласования кремниевых прямоугольных волноводов с рупорными антеннами, тонкопленочные волноводы, интегрированные рупорными антеннами, перестраиваемые V-антенны и антенны для терагерцового диапазона.

Эта глава заканчивается обсуждением вопросов, касающихся изготовления и определения характеристик пассивных микрокомпонентов.

Литература

Assadourian, F., Rimai, Е., 1952, ((Simplified theory of microstrip transmission systems*. Proceedings of IRE 40: 1651-1657.

Becker, J.P., Katehi, L.RB., 1999, Toward a novel planar circuit compatible sihcon microma-chined waveguide , in Proceedings of IEEE Conference on Electrical Performance of Electronic Packaging, IEEE, Washington, DC: 221-224.

Becker, J.P., Lee, Y., East, J.R., Katehi, L.P.B., 2001, A finite ground coplanar line-to-silicon mieromaehined waveguide transition)), IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques 49(10): 1671-1676.

Cheng, H.J., Whitaker, J.F., Weller, T.M., Katehi, L.P.B., 1994a, Terahertz bandwidth characteristics of coplanar transmission line on low permittivity substrates)), IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques 42(12): 2399-2406.

Cheng, H., Whitaker, J.F., Weller, T.M., Katehi, L.P.B., 1994b, Terahertz bandwidth pulse propagation on a coplanar stripline fabricated on a thin membrane)), IEEE Micropjave and Guided Wave Letters 4(3): 89-91.

Chiao, J.C, Fu, Y., Chio, I.M., DeLosio, M, Lin, L.Y., 1999, MEMS reconfigurable V-antenna , in Proceedings of IEEE MTT-S Symposium Volume 4, IEEE, Washington, DC: 1515-1518.

Dib, N.I., Katehi, L.P.B., Ponchak, G.E., Simons, R.N., 1991, Theoretical and experimental characterization of coplanar waveguide discontinuities for filter allocations)), IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques 39(5): 874-882.

Dib, N., Katehi, L.P.B., 1991, ((Modeling of shielded CPW discontinuities using the space domain integral equation method . Journal of Electromagnetic Waves and Applications 5(4/5): 502-523.

Grieg, D.D., Engelmann, H.F., 1952, ((Microstrip - a new transmission technique for the kilomega-cycle range*, Proceedings of IRE 40: 1644-1650.

GuUion, В., Grenier, K., Pons. P., Cazaux, J.L.. Lalaurie, J.C, Cros, D., Plana, R., 2000, ((Silicon micromachining for millimeter-wave applications*, Journal of Vacuum Science and Technology A 18(2): 743-745.

Herrick, K.J., Katehi, L.P.B., 1997, ((W-band micromachined finite ground coplanar (FGC) fine circuit elements*, in Proceedings of IEEE MTT-S Symposium, IEEE, Washington, DC: 269-272.

Herrick, K.J., Schwarz, T.A., Katehi, L.P.B., 1998, ((Si-micromachined coplanar waveguides for use in high frequency circuits*, IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques 46(6): 762-768.

Herrick, K.J., Yook, J.G., Katehi, L.P.B., 1998, ((Microtechnology in the development of three-dimensional circuits*, IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques 46(11): 1832-1844.

Herrick, K.J., Katehi, L.P.B., 2000, ((Micromachined circuit combining networks for W-band applications*, in Proceedings of IEEE MTT-S S\mposium, IEEE, Washington, DC: 295-298.

Herrick, K.J., Katehi, L.P.B., 2001, ((RF W-band wafer-to-wafer transition*, IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques 49(4): 600-608.

Hewlett Packard, 1996, ((HP Product Note 8510-6 : on-wafer measurements using HP 8510 Network Analyzer and Cascade Microtech wafer probes. Agilent Technologies, CA, May 1996.

Hindreson, R.M., Herrick. K.J., Weller, T.M.. Robertson, S.V., Kihm, R.T., Katehi, L.P.B., 2000, Three-dimensional high frequency distribution network, part II: packaging and integration*, IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques 48(10): 1643-1651.

Katehi, L.P.B., Rebeiz, G.M., Weller. T.M.. Drayton, R.F., Cheng, H.J., Whitaker, J.F., 1993, ((Micromachined circuits for millimeter and sub-miUimeter wave applications*, IEEE Antennas and Propagation Magazine 35(5): 9-17.

Kim, C, Song, I., Song, C, Cheon, C, Kwon. Y., Lee. S., 1999, A micromachined cavity resonator for mm-wave oscillator applications*, in Technical Digest, 10th International Conference on Solid State Sensor and Actuators: Elsevier Sequoia SA. Lausanne, Switzerland, 1268-1271.

Kunz, K., Luebbers, R., 1993, in The Finite Difference Time Domain Method for Electromagnetics, CRC Press, Boca Raton, FL.

Lubecke,V.M., Mizuno, K., Rebel, G.M., 1998, ((Micromachining for terahertz applications*, IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques 46(11): 1821-1831.

Margomenos, A., Valas, S., Herman, M.I., Katehi, L.P.B., 2000, ((Isolation in three dimensional integrated circuits*, in Proceedings of IEEE MTT-S Symposium, IEEE. Washington, DC: 1875-1878.

Marks, R.B., 1991, ((A multilane method of network analyzer cahbration*, IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques 39(7): 1205-1215.

Maury, M., March, S., Simpson, G., 1987, ((EEL calibration of vector automatic network analyzers*. Microwave Journal (May): 387-391.

Dib, N.I., Katehi, L.P.B., 1992, Impedance calculation for the microshield line , IEEE Microwave and Guided Wave Letters 2(10): 406-408.

Digby, J.W., Mcbtosh, C.E., Parkhurst, G.M., Towlson, B.M., Hadjiloucas, S., Bowen, J.W., Chamberlain, J.M., Pollard, R.D., Miles, R.E., Steenson, D.P., Karatzas, L.S. Cronin. N.J.. Davis. S.R., 2000, ((Fabrication and characterization of micromachined rectangular waveguide components for use at millimeter-wave and terahertz frequencies*, IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques 48(8): 1293-1302.

Din, N.L, Harokopus, W.P., Katehi, P.B., 1991, ((Study of a novel planar transmission Une , in Proceedings of IEEE MTT-S Symposium, 1991, IEEE, Washington, DC: 623-626.

Drayton, R.F., Katehi, L.P.B., 1994, ((Development of miniature microwave circuit components using micromachining techniques*, in Proceedings of IEEE MTT-S Symposium, IEEE. Washington, DC: 225-228.

Drayton, R.F., Dib., N.I., Katehi, L.P.B., 1995, ((Design of micromachined high frequency components*. International Journal of Microcircuits and Electronic Packaging 18(1): 19-26.

Drayton, R.F., 1995, The Development and Characterization of Self-packages using Micromachining Techniques for High Frequency Circuit Applications, PhD Thesis, University of Michigan, Ann Arbor, MI.

Dryton, R.F., Katehi, L.P.B., 1995, ((Micromachined confonnal packages for microwave and millimeter wave applications*, in Proceedings of IEEE MTT-S Symposium, IEEE, Washington, DC: 1387-1390.

Dryton, R.F., Hindreson, R.M., Katehi, L.P.B., 1996, ((Advanced monolithic packaging concepts for high performcmce circuits and antennas*, in Proceedings of IEEE MTT-S S\mposium, IEEE, Washington, DC: 1615-1618.

Ebgen, G., Hoer, C, 1979, ((Thru-reflect-line: an improved technique for cahbrating the six-port automatic network analyzer*, IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques 27(12); 987-993.

El-Shandwily, M., Dib, N., 1990, Spectral domain analysis of fmlines with composite ferrite-dielectric substrate*. International Journal of Electronics 68(4): 571-583.

Gardiol, F., 1994, Microstrip Circuits, Wiley, New York.

Gedney, S.D., Petre, P., Matloubian, M., Kihm, R.T., 1997, ((Simulation and performance of passive millimeter wave coplanar waveguide circuit devices*, in Proceedings of IEEE Wireless Communications conference, IEEE, Washington, DC: 27-31.

Gildas, P., Katehi, L.P.B., Rebeiz. G.M., 1998, W-band finite ground coplanar waveg-uide(FGCPW) to microstrip line transition*, in Proceedings of IEEE MTT-S Symposium, , IEEE, Washington, DC: 107-109.

Godshalk, E.M., 1991, ((A V-band wafer probe using ridge-trough waveguide*, IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques 39(12): 2218-2228.

Godshalk, E.M., 1993, ((A W-band wafer probe*, in Proceedings of IEEE MTT-S Symposium, IEEE, Washington, DC; 171-174.

Goverdhanam, K., Simons, R.N., Katehi, L.P.B., 1999, ((Novel three-dimensional vertical interconnect technology for microwave and RF applications*, in Proceedings of IEEE MTT-S Symposium, IEEE, Washington, DC: 641-644.