ИНТЕГРАЛЬНЫЙ КОММУТАТОР СВЧ-СИГНАЛОВ
INTEGRATED SWITCH OF MICROWAVE SIGNALS

Изобретение относится к области нанотехнологии и может быть использовано в интегральной СВЧ-электронике для аппаратуры наземного, воздушного и космического базирования при создании фиксированных ослабителей мощности СВЧ-сигналов, балансировки каналов электронной аппаратуры, согласования импендансов в межкаскадных СВЧ-цепях, электронных антенных коммутаторах, автоматизированных комплексов радиоконтроля, управляемых компьютером или микроконтроллером, импульсных модуляторов, а также формирования сигналов со сложными видами модуляции.
Известно устройство интегрального коммутатора СВЧ-сигналов, содержащее микрополосковую линию (МПЛ), на диэлектрической плоской подложке резистивные электромеханические ключи, выполненные с использованием технологии микроэлектромеханических систем (МЭМС), обеспечивающие электрическое соединение (коммутацию) МПЛ [1].
Недостатком устройства является то, что МПЛ соединяют посредством электромеханических коммутирующих элементов. Электромеханические коммутирующие элементы обладают низким быстродействием.
Известен коммутатор СВЧ-сигналов, содержащий разомкнутые отрезки МПЛ на диэлектрической подложке, в разрыв которых включены p-i-n диоды, обеспечивающие последовательное, параллельное или комбинированное электрическое соединение отрезков МПЛ [2].
Недостатком устройства является наличие дополнительных полосковых проводников на входе и выходе МПЛ, согласующих p-i-n диоды с волновым сопротивлением МПЛ, что снижает быстродействия переключения, увеличивает потери мощности сигнала в МПЛ, увеличивает габаритные размеры устройства.
Данное решение принято в качестве прототипа для заявленного устройства.
Настоящее изобретение направлено на решение технической задачи по созданию интегрального устройства, обеспечивающего с высокой скоростью последовательное, параллельное или комбинированное переключение (электрическое соединение) отрезков копланарных МПЛ, снижение потерь мощности СВЧ-сигнала в МПЛ, уменьшение габаритных размеров устройства.
Получаемый при этом технический результат заключается в улучшении функциональных параметров, увеличении развязки между каналами и быстродействии, снижении потерь и габаритных размеров устройства.
Указанный технический результат для устройства достигается тем, что отрезки МПЛ из платины толщиной от 10 нм до 100 нм нанесены на мембрану из алмазной пленки толщиной более 300-500 нм, излучение ультрафиолета в диапазоне длин волн от 200 нм до 300 нм направлено перпендикулярно к поверхности алмазной пленки в область разомкнутых отрезков токонесущих проводников МПЛ.
Реализуется изобретение следующим образом
- на поверхность с одной стороны подложки кремния со сверхбольшой интегральной схемой (СБИС) наносится слой тонкопленочного алмазного материала (алмазной пленки);
4
2
- функциональные свойства алмазной пленки: высокое омическое сопротивление, фоточувствительность в диапазоне ультрафиолета, высокая механическая и химическая стойкость достигаются гидрированием поверхности подложки с последующим осаждением тонкопленочного алмазного материала CVD-методом из газовой смеси метана (СН) и водорода (Н);
- на поверхность алмазной пленки методом катодного распыления в атмосфере аргона наносится адгезионный слой платины и далее методом электронно-лучевого напыления (ЭЛН) наносится слой аморфной платины для получения сплошной металлической пленки с низким омическим сопротивлением;
- в металлической пленке платины в одной плоскости формируют трехпроводную МПЛ;
- тонкопленочный алмазный материал формируют в виде мембраны, удаляя кремниевую подложку методом химического травления в области МПЛ;
- методом ВЧ-реактивного травления в плазме кислорода удаляется алмазная пленка между токонесущим проводником и боковыми экранными проводниками в области разомкнутых отрезков токонесущих проводников МПЛ;
- соединяют с поверхностью алмазной пленки механически или с помощью клеевого соединения коммутирующие элементы (источники УФ-излучения), в устройстве количество коммутирующих элементов равно количеству разомкнутых отрезков МПЛ;
- излучающую поверхность коммутирующих элементов располагают перпендикулярно поверхности алмазной пленки в область разомкнутого отрезка токонесущего проводника МПЛ.
Принцип действия заявляемого интегрального устройства коммутатора поясняет чертеж, где показано на:
фиг.1 - изображение в разрезе на поверхности подложки 1 из кремния слоя тонкопленочного алмазного материала 2;
фиг.2. - изображение в разрезе на поверхности подложки 1 кремния алмазной пленки 2, адгезионного слоя 3 платины и слоя 4 аморфной платины;
фиг.3. - изображение в разрезе трехпроводной копланарной микрополосковой линии (МПЛ) - 5 из платины на поверхности алмазной пленки;
фиг.4. - изображение в разрезе трехпроводной копланарной микрополосковой линии (МПЛ) 5 на поверхности алмазной пленки, выполненной в виде мембраны;
фиг.5. - изображение трехпроводной копланарной микрополосковой линии (МПЛ) 5 с удаленной алмазной пленкой между токонесущим проводником 6 и боковыми экранными «заземленными» проводниками 7 в области разомкнутых отрезков токонесущих проводников МПЛ.
фиг.6. - схема направления воздействия УФ-излучения коммутирующего элемента - 8 и размещения коммутирующего элемента на поверхности алмазной пленки - 2 в области разомкнутого отрезка токонесущего проводника 6 МПЛ;
фиг.7 - схема конструкции трехканального коммутатора СВЧ-сигналов и механизм коммутации МПЛ.
Электрическое соединение (коммутация) через разрыв 10 МПЛ осуществляется следующим образом: при воздействии УФ-излучения, направленного на алмазный материал и локализованного в область разрыва 10 токонесущих проводников 6 МПЛ состояние «включено» (ВКЛ), алмазный материал 2 приобретает металлическую проводимость и электрически соединяет токонесущие проводники 6 МПЛ 5. Электрическое разъединение токонесущих проводников 6 МПЛ 5 происходит при отсутствии воздействия УФ-излучения состояние «выключено» (ВЫКЛ).
Коммутация (переключение) СВЧ-сигналов с входа на один или несколько выходов или с нескольких выходов на вход осуществляется с помощью УФ-излучателей, расположенных в разрывах 10 МПЛ, при этом количество УФ-излучателей 8 должно соответствовать количеству разрывов МПЛ.
-1
14
-12
Снижение потерь СВЧ-сигнала в состоянии ВКЛ достигается свойствами алмазного материала, омическое сопротивление которого составляет ≈10 Ом·см при воздействии УФ-излучения, что обеспечивает металлическую проводимость и электрическое соединение в разрывах МПЛ. В состоянии ВЫКЛ при отсутствии УФ излучения омическое сопротивление составляет ≈10 Ом·см, что обеспечивает поглощение сигнала в разрывах МПЛ и электрическое разъединение МПЛ. Быстродействие устройства определяется как фоторезистивными свойствами алмазной пленки ≈10 с, так и быстродействием источника УФ-излучения.
Интегральное устройство, выполненное на одном кристалле, содержит кремниевую подложку 1 с СБИС размещенной на ней алмазной пленкой 2 в виде мембраны с МПЛ 5 и УФ-источники 8 излучения, где мембрана представляет собой гетероструктуру, состоящую из двух тонкопленочных слоев, один из которых металлический в виде МПЛ служит для передачи СВЧ-сигнала, а второй, тонкопленочный алмазный материал, функционально обеспечивает при воздействии УФ-соединение разомкнутых отрезков токонесущих проводников в МПЛ.
Если подложка выполнена, например, из диэлектрического материала, не содержащего СБИС, то отсутствуют условия для создания на одном кристалле системы управления коммутатора, что приведет к увеличению габаритных размеров устройства.
4
2
2
В заявленном решении создания алмазной пленки с одной стороны кремниевой подложки применен двухстадийный процесс, включающий гидрирование в плазме водорода поверхности подложки с последующим осаждением на подложку алмазного материала толщиной 300-500 нм CVD-методом из газовой смеси CH+Н. Процесс гидрирования предотвращает образование карбидов на подложке при последующем осаждении алмазного материала, а проведение процесса осаждения алмазного материала с содержанием Н 97,5 вес % и более подавляет процесс графитизации.
Толщина пленки менее 300 нм не обеспечит:
- фоторезистивных в УФ-диапазоне УФ 200-300 нм, поскольку толщина алмазной пленки превышает длину волны верхней границы детектировании УФ-излучения ≈300 нм.
Толщина пленки более 500 нм потребует использование мощных источников УФ, что приведет к увеличению габаритных размеров и энергопотреблению устройства.
Толщина пленки от 300 нм до 500 нм обеспечит:
- реализацию фоторезистивных свойств алмазной пленки в диапазоне УФ от 200 нм до 300 нм;
- прочность конструкции в устройстве мембранного типа благодаря высоким механическим свойствам алмазной пленки;
- использование с низким энергопотреблением не более 250 мкВт, миниатюрных источников ультрафиолета (УФ-светодиодов).
На поверхности алмазной пленки создается методом катодного напыления из тонкопленочной платины трехпроводная МПЛ.
В заявленном решении создания пленки из платины применен метод промежуточного адгезионного слоя платины толщиной 10 нм, который с одной стороны имеет высокую адгезию к алмазному материалу, а с другой стороны к наращиваемому слою аморфной платины толщиной 90 нм.
Пленка толщиной менее 10 нм не обеспечит металлическую проводимость из-за наличия несплошностей, поскольку шероховатость поверхности кремния адекватна толщине адгезионного слоя.
Толщина пленки более 100 нм не обеспечит увеличение температурного интервала функционирования МПЛ из-за различия коэффициентов термического расширения материалов.
При толщине пленки менее 100 нм МПЛ обеспечит:
низкие потери и эффективную передачу мощности СВЧ-сигнала в МПЛ при воздействии УФ за счет металлической проводимости алмазной пленки в разрывах токонесущих проводников МПЛ;
увеличение температурного интервала функционирования МПЛ за счет нивелирования в адгезионном слое коэффициентов термического расширения материалов.
Использование платины в качестве материала МПЛ обусловлено тем, что платина химически не взаимодействует с кислородом и не изменяет топологию (линейные размеры) МПЛ при удалении алмазной пленки методом ВЧ-реактивного травления.
В заявленном решении удаление алмазной пленки между токонесущим проводником и боковыми «заземленными» проводниками при воздействии УФ обеспечит:
- электрическое соединение токонесущих проводников в МПЛ;
- и предотвращает электрическое соединение (короткое замыкание) токонесущего проводника с боковыми «заземленными» проводниками в области разомкнутых отрезков МПЛ, поскольку электромагнитная волна распространяется вдоль щелей полосковых проводников.
Пример 1.
4
2
2
Одну поверхность подложки кремния 1 (фиг.1), предварительно закрыв теневой маской СБИС, гидрируют в плазме водорода, затем на эту же поверхность напыляют алмазную пленку (2) толщиной 495±5 нм CVD-методом из газовой смеси СН и +Н при напылении концентрация H не ниже 97,5 вес.%, что исключает образование в алмазной пленке углеродных фаз, кристаллизующихся в структуре графита. Такой способ напыления алмазной пленки позволяет реализовать в ней функциональные фоторезистивные свойства и фоточувствительность в диапазоне УФ.
Далее на поверхность алмазной пленки напыляют адгезионный слой платины 3 толщиной 10 нм. Метод напыления DC катодное распыление в атмосфере аргона. Такой способ напыления позволяет получить высокую степень адгезии металлической платины с алмазной пленкой. На поверхность адгезионного слоя платины напыляют слой аморфной платины 4 (фиг.2) толщиной 90 нм. Метод получения аморфной платины - электронно-лучевое напыление. Такой способ напыления позволяет реализовать высокую скорость напыления и получить рентгено-аморфный слой платины.
На поверхности металлической пленки в одной плоскости стандартным планарно-групповым методом с использованием жидкостного травления изготавливают полуволновые отрезки копланарных МПЛ 5 (фиг.3) с волновым сопротивлением 50 Ом на частоте 30 ГГц. В МПЛ 5 размер токонесущего «центрального» проводника составляет ширина 0,1 мкм, длина 5,0 мм, расстояние между крайними «заземленными» проводниками 0,7 мкм.
Затем с использованием жидкостного травления удаляют кремниевую подложку 1 фиг.4 в области расположения МПЛ 5.
Далее методом ВЧ-реактивного травления в плазме кислорода удаляется алмазная пленка между токонесущим проводником 6 и боковыми «заземленными» проводниками 7 в области разомкнутых отрезков токонесущих проводников МПЛ 5.
Затем к поверхности алмазной пленки механически присоединяют источник 8 УФ-излучения в виде УФ-светодиода (фиг.5) с длиной волны излучения 280 нм. Излучающую поверхность светодиода 8 (фиг.6) направляют перпендикулярно поверхности алмазной пленки 2 (фиг.6). УФ-светодиоды размещают в областях разомкнутых отрезков 10 токонесущих проводников 6 копланарной МПЛ 5. В устройстве количество УФ-светодиодов равно количеству разомкнутых отрезков 10 МПЛ. УФ-светодиоды соединяют с системой управления СБИС на кремниевой подложке для реализации функциональных параметров коммутатора.
Пример 2. Длина волны излучения светодиода 310 нм. Условия и способы напыления алмазной пленки и МПЛ из никеля, линейные размеры МПЛ, способ соединения и местоположение светодиода, как в примере 1.
Пример 3. Длина волны излучения светодиода 265 нм. Условия и способы напыления алмазной пленки и МПЛ из никеля, линейные размеры МПЛ, способ соединения и местоположение светодиода, как в примере 1.
Пример 4. Длина волны излучения светодиода 265 нм. Линейные размеры МПЛ с волновым сопротивлением 75 Ом на частоте 30 ГГц, токонесущего «центрального» проводника ширина 0,15 мкм, длина 5,0 мм, расстояние между крайними «заземленными» проводниками 0,55 мкм. Условия и способы напыления алмазной пленки и МПЛ из никеля, способ соединения и местоположение светодиода, как в примере 1.
Пример 5. Длина волны излучения светодиода 280 нм. Условия и способы напыления алмазной пленки и МПЛ из никеля, линейные размеры МПЛ, способ соединения и местоположение светодиода, как в примере 4.
Настоящее изобретение промышленно применимо и может быть изготовлено с использованием достаточно хорошо отработанных технологий. При этом возможно увеличение количества каналов коммутатора с адекватным увеличением источников УФ-излучения.
Заявляемое устройство обладает повышенной радиационной стойкостью, поскольку функциональные материалы, алмазная пленка и аморфная платина устойчивы к ионизирующим излучениям, алмазная пленка благодаря природным физическим свойствам, аморфная платина из-за отсутствия ближнего порядка в кристаллической структуре металла.
Отсутствие дополнительных согласующих устройств на входе и выходе МПЛ, уменьшение числа разъемных соединений между функциональными узлами позволяет значительно снизить массу, габаритные размеры и повысить надежность устройства.
п
р
вкл
выкл
вх
В таблице 1 для примеров 1-5 сведены параметры трехканального коммутатора: потери сигнала в канале (К, дБ), развязка между каналами (К, дБ), время включения (τ, с) и выключения канала (τ, с). Схема устройства коммутатора представлена на фиг.7. Измерения проведены в состоянии ВКЛ при воздействии УФ-излучения и в состоянии ВЫКЛ в отсутствии воздействий УФ-излучения на разомкнутые отрезки токонесущих проводников копланарной МПЛ. Мощность непрерывного сигнала на входе составляла Р=40 мВт, частота 30 ГГц, примеры 1-3, волновое сопротивление МПЛ 50 Ом, примеры 4-5 волновое сопротивление МПЛ 75 Ом. Источник УФ-излучения - УФ-светодиоды с полусферическим типом линзы Т9Н31В, Т9Н28А, Т9Н26С соответственно с пиковыми длинами волн (λ, нм) 310 нм, 280 нм, 265 нм.
п
вых
Потери сигнала (К, дБ) определяли в состоянии ВКЛ при воздействии УФ, измеряя мощность непрерывного сигнала на выходе (Р) канала 11.
р
вых
Развязку между каналами (К, дБ) определяли, измеряя Р на выходах 12 и 11 канала, где канал 11 в состоянии ВКЛ, каналы 12 и 13 в состоянии ВЫКЛ.
п
р
п
вх
вых
p
вых
вых
Значения (К, дБ) и (К, дБ) определены, как К=10lg (Р/Р 3 канала), K=10lg (Р 11 канала/Р 12 канала).
вых
Измерения Р в канале 11 проводили при мощности излучения светодиода 250 мкВт.
вкл
выкл
Быстродействие - длительность времени включения (τ, с) и выключения (τ, с) определяли в канале 11, включая и выключая УФ-светодиод. Время измеряли с помощью осциллографа по задержке сигнала на выходе канала 11, подключая один вход осциллографа на Вход 14 коммутатора, второй на Выход канала 11 коммутатора.
Пример
1
2
3
4
5
λ, нм
280
310
265
265
280
К<sub>п</sub>, дБ
0,4
1,5
0,1
0,1
0,5
К<sub>р</sub>, дБ
89
45
98
94
83
τ<sub>вкл</sub>, с
10<sup>-8</sup>
10<sup>-8</sup>
10<sup>-8</sup>
10<sup>-8</sup>
10<sup>-8</sup>
τ<sub>выкл</sub>, с
10<sup>-10</sup>
10<sup>-10</sup>
10<sup>-10</sup>
10<sup>-10</sup>
10<sup>-10</sup>
Наибольшая величина развязки между каналами и наименьшие потери ослабления мощности сигнала на выходе МПЛ (примеры 3 и 4), достигнуты на длине волны излучения 265 нм, что обусловлено максимальной спектральной фоточувствительностью и высокими фоторезистивными свойствами алмазной пленки.
-10
-12
Быстродействие включения устройства лимитируется быстродействием источника УФ-излучения, время выключения ≈10 c обусловлено послесвечением (флюоресценцией) алмазной пленки, в то время как фоторезистивные свойства алмазной пленки позволяют достичь быстродействия ≈10 c.
Источники информации
1. Л.Белов. Переключатели сверхвысокочастотных сигналов. Электроника: Наука, Технология, Бизнес, 1/2006, с.20.
2. Микроэлектронные устройства СВЧ.- М.: Высшая школа, 1988, с.82.