МОНОЛИТНАЯ ИНТЕГРАЛЬНАЯ СХЕМА МИЛЛИМЕТРОВОГО ДИАПАЗОНА
MILLIMETRE-RANGE MONOLITHIC INTEGRATED CIRCUIT

Изобретение относится к монолитным интегральным схемам (МИС), работающим в мм-диапазоне длин волн и предназначено для использования в телекоммуникационных и радиолокационных системах.
Известны МИС, работающие в миллиметровом диапазоне длин волн, выполненные на полуизолирующих подложках из арсенида галлия или фосфида индия и содержащие наряду с активными и пассивными компонентами копланарные линии передачи для ввода и вывода энергии. Так в работе [1] дано описание монолитной интегральной схемы малошумящего усилителя работающего в полосе частот 77-103 ГГц и созданного на арсенидгаллиевой подложке на базе транзисторов AlSb/InSb с высокой подвижностью электронов. Наряду с транзисторами и пассивными компонентами в монолитной интегральной схеме на полуизолирующей подложке созданы копланарные линии передач на входе и выходе схемы. Копланарные линии были конструктивно реализованы в виде копланарной линии с заземлением. Особенностью этой конструкции является то, что кроме планарных металлических контактов, лежащих на лицевой стороне подложки, был сформирован сплошной металлический контакт с противоположной стороны подложки. Причем этот сплошной контакт был соединен с земляными контактами (на лицевой стороне), расположенными по обе стороны от центрального контакта. Для соединений указанных контактов в процессе изготовления монолитной схемы в подложке были созданы сквозные отверстия, поверхности которых были затем металлизированы.
Главным недостаткам известной конструкции монолитной схемы является необходимость осуществлять соединение контактов на разных сторонах подложки, что требует дополнительных технологических затрат.
Известна другая конструкция МИС, подробно рассмотренная в работе [2]. Она выполнена на полуизолирующей подложке арсенида галлия с использованием псевдоморфных транзисторов с высокой подвижностью электронов на основе гетероструктуры InGaP/InGaAs [1]. На подложке созданы обычные копланарные линии передачи для ввода и вывода энергии без заземляющего контакта на противоположной стороне подложки. Кроме того, в отличие от других конструкций на кристалле МИС выращены металлические столбики (Cu/Sn), предназначенные как для механического, так и для электрического соединений кристалла монолитной интегральной схемы с монтажной платой. Посадку кристалла МИС на монтажную плату необходимо осуществлять методом flip-chip-технологии, что является недостатком данной конструкции, поскольку для изготовления схемы с металлическими столбиками требуется существенного увеличить число дополнительных технологических операций, а значит и стоимость схемы.
Наиболее близким аналогом предлагаемого изобретения является конструкция монолитной интегральной схемы созданной специалистами Южной Кореи и рассмотренная в работе [3]. Монолитная интегральная схема миллиметрового диапазона длин волн (двухкаскадный малошумящий усилитель на частотный диапазон 90-100 ГГц) была создана на полуизолирующей подложке арсенида галлия с использованием метаморфных транзисторов с высокой подвижностью электронов. Кроме транзисторов на подложке были сформированы пассивные компоненты, включающие копланарные линии передач и в том числе копланарные линии для ввода и вывода энергии. Металлизация копланарных линий для ввода и вывода энергии лежала на одной поверхности кристалла монолитной интегральной схемы и не выходила за пределы этого кристалла.
Недостатком такой конструкции является сложность монтажа кристалла в устройство. Если присоединять кристалл монолитной интегральной схемы к металлическому основанию, то при этом могут измениться электрические параметры созданных копланарных линий передач, что в свою очередь приведет к изменениям характеристик самой МИС. То же самое может произойти, если кристалл приклеить к диэлектрической подложке. Например, для копланарной линии с волновым сопротивлением 50 Ом, при типичной толщине подложки 100 мкм и при зазорах между земляными контактами и центральным проводником 50 мкм при приклейке кристалла на диэлектрическую подложку волновое сопротивление линии изменится примерно на 6%, а при посадке кристалла на металлическое основание это изменение составит уже 20%. Кроме того, параметры известной монолитной схемы могут меняться и при разварке проволокой при монтаже.
Технический результат, на который направлено заявляемое решение, состоит в устранении указанного недостатка, а именно, в исключении изменений параметров монолитной схемы, содержащей копланарные линии передач на входе и выходе, при монтаже и в упрощении самого процесса монтажа кристалла.
Этот результат достигается тем, что в монолитной интегральной схеме миллиметрового диапазона длин волн, выполненной на полуизолирующей подложке и содержащей копланарные линии передачи для ввода и вывода энергии, в отличие от прототипа, металлизация копланарных линий выведена за пределы кристалла.
Выступающая за пределы кристалла металлизация копланарных линий передачи выполняет несколько функций. Во-первых, она служит для механического закрепления кристалла МИС на входе и выходе схемы к линиям передачи, подведенным к кристаллу при монтаже (кристалл при закреплении оказывается установленным в пространстве в виде мостика, висящего в воздухе между линиями). Во-вторых, самая важная ее функция заключается в том, что за счет электрического соединения всех элементов металлизации копланарной линии с аналогичными элементами линий, установленных на входе и выходе, параметры схемы будут соответствовать параметрам не смонтированной схемы.
Итак, отличительной особенностью монолитной интегральной схемы миллиметрового диапазона длин волн, выполненной на полуизолирующей подложке и содержащей копланарные линии передачи для ввода и вывода энергии является то, что металлизация копланарных линий выведена за пределы кристалла. При монтаже монолитной интегральной схемы, выступающую за пределы кристалла металлизацию накладывают на металлизацию копланарных линий передач и производят их соединение. При этом на входе и выходе схемы реализуются максимально согласованные переходы с одной линии на другую. Предложенная конструкция позволяет производить измерение СВЧ-параметров созданных монолитных схем на пластине еще до разделения на кристаллы, причем результаты измерений будут соответствовать данным для смонтированного в устройство кристалла.
На фиг.1 схематично представлена одна из возможных конструкций предлагаемой монолитной интегральной схемы.
Предлагаемая монолитная интегральная схема миллиметрового диапазона длин волн выполнена на полупроводниковой полуизолирующей подложке 1, содержит активные и пассивные элементы, расположенные в центральной зоне 2 интегральной схемы. Монолитная интегральная схема, кроме того, содержит копланарную линию передачи для ввода энергии, причем металлизация 3, 4 копланарной линии на входе схемы выведена за пределы кристалла. На выходе схемы тоже создана копланарная линия передачи, у которой металлизация 5, 6 выведена за пределы кристалла.
Фиг.2 носит вспомогательный характер и иллюстрирует, каким образом производится монтаж монолитной интегральной схемы 7. На основании 8 установлены две копланарные линии 9 и 10, выполненные, например, на керамике. При монтаже МИС 7 ее кладут на линии 9 и 10, таким образом, чтобы МИС 7 висела на выступающей металлизации не касаясь основания, причем соответствующие металлические элементы копланарных линий на МИС 7 и на керамиках 9 и 10 должны быть совмещены, как показано на фиг.2.
Пример практического исполнения.
Монолитная интегральная схема однокаскадного малошумящего усилителя на частоту 100 ГГц выполнялась на гетероструктуре InAlGa/InGaAs, выращенной методом молекулярно-лучевой эпитаксии на полуизолирующей подложке арсенида галлия 1. В качестве активного элемента в схеме был выбран метаморфный транзистор с высокой подвижностью электронов, который создавался с использованием стандартных технологических приемов. Затвор Шоттки в транзисторе длиной 100 нм изготавливался с применением электронной литографии. В схеме создавались также пассивные компоненты, которые вместе с транзистором располагались в зоне 2 монолитной схемы. Кроме того, создавались копланарные линии передач на входе и выходе схемы, причем металлизация линий 3 и 4 на входе, а также металлизация линий 5 и 6 на выходе создавалась путем электрохимического осаждения золота толщиной 5 мкм. После утонынения подложки до 100 мкм, проводилось химическое травление по маске фоторезиста для разделения полупроводниковой пластины на отдельные кристаллы. При этом травление осуществляли таким образом, чтобы металлизация 3 и 4, а также 5 и 6 копланарных линий на входе и выходе после окончания травления выступала за пределы кристалла монолитной схемы на 250 мкм с каждой стороны. Одновременно с копланарными линиями в монолитной схеме точно таким же образом изготавливались выводы для подачи питания, не показанные на фиг.1.
2
3
Монтаж кристалла изготовленной монолитной интегральной схемы проводился в измерительный узел, где подводимая ко входу мощность подавалась через копланарную линию передачи с заземлением 9, установленную на входе и выполненную на керамической подложке из поликора (AlO). Толщина подложки составляла 125 мкм. Такая же линия 10 на керамике была установлена и на выходе монолитной схемы. При монтаже выступающие части металлизации копланарных линий на входе и выходе интегральной схемы накладывали на аналогичные элементы копланарных линий на керамиках 9 и 10 и осуществляли термокомпрессию металлизации 3 и 4, а также 5 и 6 с металлизацией линий передачи на керамиках 9 и 10. При этом кристалл монолитной схемы, надежно закрепленный с двух сторон повисал в воздухе, поскольку толщина керамики превышала толщину кристалла. Ширина центральных проводников копланарных линий (металлизация 4 и 6) в микросхеме равнялись 88 мкм, а расстояния между металлизацией 4 и 3 и между металлизацией 6 и 5 были 50 мкм. При этом волновое сопротивление линий составляло 50 Ом. На керамике толщиной 125 мкм с заземленными копланарными линиями при тех же размерах металлизации волновое сопротивление равнялось 49 Ом. Измерение малосигнальных характеристик созданного малошумящего усилителя сначала проводилось на зондовой установке еще до разделения пластины на отдельные кристаллы, а затем после монтажа, в измерительный узел. Было установлено, что параметры монолитной интегральной схемы остаются практически неизменными после монтажа кристалла, что обусловлено отсутствием заметных внесенных неоднородностей на входе и выходе схемы.
Таким образом, показано, что предложенная конструкция монолитной интегральной схемы миллиметрового диапазона не только удобна при монтаже кристалла, но и сохраняет все свои параметры после монтажа, а значит, поставленная цель достигнута.
Источники информации.
1 William R. and et. al. A W-Band InAs/AlSb/ Low-Noise/low-power Amplifier // IEEE Microwave and Wireless components letters. Vol.15., No.4., 2005. P.208-210.
2. Watanabe Y., Okubo N. /НЕМТ Millimeter-wave Monolithic 1С Technology for 76 - GHz Automotive Radar // Fujitsu sci. Tech. J. 34.2, 1998, P.153-161.
3. Keun-Kwan Ryu and Sung-Chan Kim_/High-performance CPW MMIC LNA Using GaAs-based Metamorphic HEMTs for 94-GHz Applications // Journal of the Korean Physical Society, Vol.56, No.5, May 2010, pp.1509-1513.