ТОНКОПЛЕНОЧНЫЙ ВАРИКОНД

Заявляемая полезная модель относится к варикондам на основе тонких пленок сегнетоэлектрического (СЭ) материала и может быть использовано в радиоэлектронной промышленности для создания управляемого напряжением емкостного элемента в устройствах автоматики, связи и т.д.
Пленочный вариконд вертикальной конструкции (в отличие от планарной) обычно представляет собой диэлектрическую подложку, на поверхности которой нанесена пленочная структура металл-диэлектрик-металл (фиг.1). В качестве диэлектрика используется слой СЭ материала, диэлектрическая проницаемость которого зависит от величины приложенного к нему электрического поля, что и обеспечивает возможность управления емкостью вариконда. Металлические слои служат для формирования электродов и контактных площадок вариконда.
Чаще всего в качестве СЭ диэлектрика используется известный запатентованный материал БСТО на основе бария-стронция титаната (патенты США №№: 5312790, 5486491, 5427988 - фирма United States of America Represented). Haпример: вариконды фирмы «Paratec Microwave», Inc. (www.paratec.com), вариконд KH1-7, разработанный в ОАО «НИИ «Гириконд».
Обычно слой СЭ материала БСТО наносится методом вакуумного радиочастотного распыления материала мишени в кислородсодержащей атмосфере при высокой (до 900°С) температуре подложки, на которую производится осаждение распыляемого материала. Известны также способы нанесения материалов типа БСТО из металлоорганических растворов, при этом для обеспечения должной кристаллической (например, перовскитной) структуры и свойств осаждаемых слоев производится операция отжига при температуре порядка 700°С. Так как до нанесения слоя рабочего диэлектрика на подложке уже должен быть сформирован нижний электрод вариконда, то материал нижнего электрода должен быть стоек к воздействию высокой температуры при осаждении слоя БСТО или отжига, а также не должен вступать в химическое взаимодействие с осаждаемым слоем. Известно, что этому требованию удовлетворяют некоторые тугоплавкие благородные металлы, например, платина или палладий, которые широко применяются в качестве материала электродов тонкопленочных варикондов. Они отличаются стойкостью к окислению при высоких температурах и низкой реактивностью в отношении СЭ пленок. Основной недостаток при использовании благородных металлов в качестве материала для нижнего электрода - трудность обеспечения адгезии к подложке, особенно в случае отсутствия адгезионного подслоя. Кроме того, на поверхности тонких пленок из благородных металлов в процессе их нанесения могут образовываться дендритные выступы, из-за чего вследствие малой толщины слоя СЭ пленки возможны короткие замыкания между нижним и верхним электродами.
Известны тонкопленочные вариконды вертикальной конструкции, в которых в качестве нижнего электрода используются драгметаллы:
- заявка Японии №162369/1987 (Japanese Patent Laid-Open Gazette);
- патент США №6454914, заявл. 20.02.1997, опубл. 24.09.2002, кл. Н01G/500
- патент США №6377440, заявл. 12.09.2000, опубл. 23.04.2002, кл. Н01G 4/06;
- патент США №6693791, заявл. 08.08.2002, опубл. 17.02.2004, кл. Н01G 4/35.
Так в японской заявке №162369/1987 предложена конструкция вариконда, в которой нижний электрод из Pt сформирован на тонком слое MgO, образованном на кремниевой подложке. Слой СЭ материала нанесен на поверхность нижнего электрода, а верхний электрод сформирован на поверхности СЭ материала и выполнен также из Pt. В данном техническом решении тонкий слой MgO обеспечивает электрическую изоляцию нижнего электрода, выполненного из Pt, от подложки.
Известны технические решения на конструкцию пленочных варикондов, направленные на замену драгметаллов, используемых для нижнего электрода вариконда, на неблагородные металлы:
- заявка Японии №276615/1991 (Japanese Patent Laid-Open Gazette);
- патент США №5449933, заявл.30.03.1993, опубл. 12.09.1995, кл. H01L 29/04.
Так в патенте США №5449933 заявлена конструкция пленочного вариконда, в которой нижний электрод сформирован на тонкой пленке MgO, расположенной на кремниевой подложке, и представляет собой тонкую пленку из сплава никель-хром-алюминий (Ni-Cr-Al) или никель-алюминий (Ni-Al).
Наиболее близким к заявляемой полезной модели техническим решением, взятым нами в качестве прототипа, является тонкопленочный вариконд, заявленный в патенте США №6693791, (заявл. 08.08.2002; опубл. 17.02.2004; кл. Н01G 4/35).
Конструкция вариконда-прототипа приведена на фиг.2 (вариант исполнения - фиг.5 патента США №6693791).
На кремниевой подложке (1) посредством ее термического окисления сформирован слой окиси кремния (2) толщиной 600 нм и на нем методом распыления с использованием палладия в качестве мишени сформирован нижний электрод (3) из окиси палладия толщиной 200 нм. На нижнем электроде методом золь-гелевого осаждения сформирована тонкая сегнетоэлектрическая пленка (4) из титаната бария-стронция перовскитной структуры. Толщина СЭ пленки - 250 нм. На сегнетоэлектрической пленке сформирован верхний электрод (5), который также выполнен из окиси палладия толщиной 200 нм.
Основной недостаток данного технического решения - возможность возникновения короткого замыкания в случае, когда между верхним и нижним электродами, выполненными из платины, проложена тонкая сегнетоэлектрическая пленка и, как следствие этого, большой процент ранних отказов варикондов при изготовлении и эксплуатации.
Техническим результатом заявляемой полезной модели является предотвращение возможности короткого замыкания между верхним и нижним электродами вариконда, даже в случае, когда между ними проложена очень тонкая сегнетоэлектрическая пленка, и уменьшение количества ранних отказов варикондов. При этом будут обеспечены приемлемые значения параметров варикондов.
Указанный технический результат достигается за счет применения высоколегированного монокристаллического кремния в качестве материала нижнего электрода, при этом пластина из высоколегированного монокристаллического кремния используется в качестве подложки пленочного вариконда. Кремний является достаточно тугоплавким материалом, способным выдерживать высокие температуры, имеющие место в процессе магнетронного распыления и осаждения слоя материала БСТО. Степень взаимодействия кремния с материалом БСТО в процессе осаждения слоя в кислородной атмосфере крайне незначительна, а проводимость кремния, особенно при высокой степени легирования, может быть достаточной для использования пластины кремния в качестве нижнего электрода вариконда.
Заявляемый отличительный признак является новым для пленочных варикондов, а заявляемое техническое решение соответствует критерию «новизна».
На фиг.3 показана структура заявляемого вариконда,
Конструкция заявляемого вариконда содержит:
- полупроводниковую подложку из высоколегированного монокристаллического кремния с удельным сопротивлением менее 0,005 Ом·см марок КДБ-0,005 или КДФ-0,005 толщиной 0,38 мм;
- слой СЭ материала БСТО толщиной около 1 мкм, нанесенный вакуумным радиочастотным распылением;
- верхний электрод, содержащий:
- слой алюминия толщиной 0,8 мкм, нанесенный магнетронным распылением;
- адгезионный подслой ванадия толщиной 0,08 мкм;
- слой меди толщиной 0,6 мкм, нанесенный магнетронным распылением;
- гальванически выращенные слои меди толщиной 35-40 мкм и сплава олово-висмут толщиной 10-15 мкм.
Рисунок верхнего электрода выполняется фотолитографическими методами.
Данная конструкция является основным вариантом исполнения заявляемого тонкопленочного вариконда. Она не предполагает возможность поверхностного монтажа, т.к. электрические контакты вариконда (сплав олово-висмут и высоколегированная кремниевая подложка) находятся на противоположных сторонах подложки.
Для уменьшения электрического сопротивления нижнего электрода, выполненного из высоколегированного монокристаллического кремния, вышеописанная структура дополнительно содержит (фиг.4) слой металла, обеспечивающий омический контакт к кремнию. Таким металлом может быть, например, алюминий, нанесенный в ваккуме на нижнюю поверхность подложки из монокристаллического кремния и затем вожженный в кремний при температуре около 450°С. Это техническое решение является вторым вариантом исполнения заявляемой конструкции вариконда.
Наиболее перспективный метод монтажа радиоэлементов в аппаратуру - это поверхностный монтаж, при котором все контактные выводы радиоэлемента монтируются на монтажную поверхность одновременно.
Для обеспечения возможности поверхностного монтажа варикондов предлагается последовательное соединение на одной подложке двух варикондов:
- первого варианта исполнения (фиг.3), показанное на фиг.5;
- второго варианта исполнения (фиг.4), показанное на фиг.6.
Соединение осуществляется за счет проводимости материала подложки (высоколегированного монокристаллического кремния) и слоя вожженного алюминия (при его наличии - второй вариант исполнения).
Главное отличие заявляемого технического решения вариконда от прототипа - это то, что материалом нижнего электрода является высоколегированный монокристаллический кремний в виде кремниевой пластины, одновременно являющейся подложкой вариконда.
Заявляемый отличительный признак обеспечивает «изобретательский уровень».
Заявляемая конструкция вариконда реализуется путем последовательного проведения следующих основных операций:
- нанесение слоя СЭ материала на подложку (вакуумное);
- нанесение слоя алюминия на нижнюю поверхность подложки из высоколегированного монокристаллического кремния (вакуумное) с по следующим вжиганием его в кремний (для варикондов второго варианта исполнения: фиг.4 и фиг.6);
- нанесение многослойной тонкопленочной металлической структуры верхнего электрода, состоящей из слоев алюминия, меди и ванадия (вакуумное);
- локальное травление слоев ванадия, меди и алюминия, входящих в состав верхнего электрода (фотолитография);
- нанесение защитного покрытия и формирование рисунка в защитном слое (фотолитография);
- формирование контактных узлов, представляющих собой структуру из гальванически выращенных слоев меди и сплава олово-висмут.
2
В качестве доказательства промышленной применимости заявляемого решения в табл.1 представлены результаты измерения параметров варикондов за явленной конструкции первого варианта исполнения (фиг.3), относящиеся к варикондам с толщиной диэлектрика 3 мкм из пленки БСТО с площадью обкладок 0,27 мм.
Таблица 1.
Параметры варикондов заявленной конструкции.
Емкость, пФ
Управляющее напряжение, В
Коэффициент управления
203,6
0
-
123,7
100
1,65
102,0
150
2,00
99,1
200
2,31
78,6
250
2,59
71,3
300
2,85
Как видно из приведенных данных, заявленное решение характеризуется высокими эксплуатационными свойствами
Имеющаяся в ОАО «НИИ «Гириконд» научная и технологическая баз в области керамических конденсаторов и материалов обеспечивает высокий технический уровень заявляемых варикондов.
Тонкопленочный вариконд
Фиг.1 - Обычный вид пленочного вариконда вертикальной конструкции
Фиг.2 - Тонкопленочный вариконд согласно патенту США №6693791 -ближайший прототип (разрез структуры).
Фиг.3 - Тонкопленочный вариконд заявляемой конструкции (разрез структуры).
Фиг.4 - Тонкопленочный вариконд заявляемой конструкции с уменьшенным сопротивлением нижнего электрода (разрез структуры).
Фиг.5 - Тонкопленочный вариконд заявляемой конструкции для поверхностного монтажа (разрез структуры).
Фиг.6 - Тонкопленочный вариконд заявляемой конструкции для поверхностного монтажа с уменьшенным сопротивлением нижнего электрода (разрез структуры).