МИКРОПРОФИЛЬ СТРУКТУРЫ ВАКУУМНОЙ ИНТЕГРАЛЬНОЙ СВЧ-СХЕМЫ И СПОСОБ ЕГО ИЗГОТОВЛЕНИЯ
MICROPROFILE OF STRUCTURE OF VACUUM INTEGRAL MICROWAVE CIRCUIT AND METHOD OF ITS MANUFACTURING

Изобретение относится к электронной технике и может быть использовано в производстве электровакуумных приборов и вакуумных интегральных СВЧ-схем и других микросхем.
Известны микросхемы в совокупности с их диэлектрическим носителем - подложкой, в которых СВЧ-поле селективно занимает диэлектрический объем и которые предназначены для использования как типовой компоновочный конструктив (микропрофиль) архитектуры микросхем в вакуумной СВЧ-микроэлектронике при проектировании и изготовлении вакуумных СВЧ-приборов с протяженным взаимодействием электронного пучка с СВЧ-полем и как функциональные микроблоки при изготовлении антенн СВЧ-диапазона решетчатых щелевого типа с диэлектрическими и токопроводящими элементами, других изделий электронной техники.
Известны варианты микропрофиля вакуумной интегральной схемы типа "Разрезание", "Покрытие" и "Типизация" [1].
Известная вакуумная интегральная схема [2], имеет вариант микропрофиля, относящийся к типу "Разрезание". Данная вакуумная интегральная схема содержит две диэлектрические подложки (диэлектрические носители), наложенные непосредственно друг на друга, в одной из которых выполнены углубления - несквозные микрополости, над которыми расположены консольные навесы из материала подложки с размещенными на них пленочными щелевыми сетками - активными элементами. Консольные навесы образуют со стенкой микрополости угол α≤90°. В углублениях - в микрополостях - размещены пассивные элементы в одной плоскости с активным элементом - анодом, что позволяет повысить степень интеграции и расширить топологические возможности построения микросхем.
3
Данный микропрофиль предназначен для использования в компоновке вакуумного низкочастотного (НЧ) прибора, например триода. Применение его в компоновках таких приборов, как лампа обратной волны (ЛОВ) или амплитрон, как часто повторяющегося компоновочного конструктива затруднительно за счет потерь СВЧ-энергии из-за поглощения ее диэлектриком, низкого уровня интеграции (размещение около 40 вакуумных СВЧ-микросхем в см).
Наиболее близким по технической сущности к заявляемому микропрофилю является микропрофиль (типа "Типизация"), который приведен в книге Парфенова О.Д. (стр.114, рис.1.74) [3]. Данный микропрофиль содержит диэлектрический носитель, с которым сопряжены пленочные элементы рабочей топологии с расположением на диэлектрическом носителе с зазором - на расстоянии друг от друга и с образованием нависающих кромок - консольных навесов над несквозной микрополостью, выполненной в диэлектрическом носителе, при этом между стенкой микрополости и нависающей кромкой пленочного элемента выполнен угол α≤90°.
Недостатками данного микропрофиля как компоновочного конструктива вакуумных интегральных СВЧ-схем являются, как и в аналоге, потери СВЧ-энергии в диэлектрическом носителе из-за поглощения им СВЧ-энергии при его нагревании в процессе работы прибора за счет выполнения микрополости несквозной с углом α между ее стенкой и нависающей кромкой, равным 90° или меньше 90°, пониженный уровень интеграции из-за невозможности одновременного увеличения толщины пленочных элементов и уменьшения расстояния между ними из-за отрицательного действия эффекта бокового подтрава при селективном травлении микрополости со стороны рабочей топологии через зазор между ее пленочными элементами. Это приводит к фундаментальному научно-технологическому ограничению-пределу [4] в развитии миниатюризации электронной техники по причине возрастания потерь, в результате чего топологические пленки разрушаются.
Известен способ изготовления подложки для управляющих электродных структур [5], включающий получение углублений и отверстий в них путем анодирования алюминиевой пластины на заданную толщину, фотолитографии и травления через маски металла и оксида и удаление непрореагированного алюминия. С целью повышения качества подложки в анодированном алюминии вначале формируют углубления, затем анодируют алюминий со стороны углубления и в нем формируют отверстие со стороны непрореагировавшего алюминия.
Данный способ применим для получения электродных структур (типа "Покрытие") для многолучевых электронных трубок, разрабатываемых для быстродействующих запоминающих устройств современной вычислительной техники.
Наиболее близким по технической сущности решаемой задачи является способ получения микропрофиля вакуумной интегральной НЧ схемы, описанной в той же книге (Парфенов О.Д. Технология микросхем. стр.114, рис.1.74 [3]) - прототип. Способ включает нанесение методом фотолитографии на диэлектрический носитель (подложку) топологического рисунка - пленочной рабочей топологии с резистивной маской между краями элементов рабочей пленочной топологии, после удаления последней образуется зазор между элементами величиной, равной L. На пленочную рабочую топологию наносят защитный слой и в диэлектрическом носителе методом селективного травления через зазор между элементами рабочей топологии формируют совмещенную с последней несквозную микрополость с образованием над ней нависающих кромок пленочных элементов рабочей топологии и угла между ними и стенками микрополости размером α≤90°, после чего защитный слой с рабочей топологии удаляют. В результате получают окончательный конструктив микропрофиля.
В данном способе эффект бокового подтрава играет отрицательную роль. Из-за него затруднены высокоточное воспроизведение конструктива микропрофиля и дальнейшая микроминиатюризация микросхем. Данный способ направлен на получение микропрофиля с несквозной микрополостью с углом наклона ее стенки (углом наклона бокового подтрава) к элементу рабочей топологии, выбранным из диапазона α≤90°, что приводит к поглощению диэлектрическим носителем провисающей в микрополость СВЧ-энергии и ее потерям.
Перечисленные недостатки не позволяют использовать данный способ при изготовлении заявляемого конструктива микропрофиля структуры вакуумных интегральных СВЧ-схем.
Предлагаемым изобретением решается задача создания типового компоновочного конструктива микропрофиля структуры вакуумной интегральной СВЧ-схемы с повышенным уровнем интеграции и с уменьшением потерь СВЧ-энергии в диэлектрическом носителе.
Для получения такого технического результата в предлагаемом микропрофиле структуры вакуумной интегральной СВЧ-схемы, содержащем расположенные на расстоянии (с зазором) друг от друга пленочные элементы рабочей топологии, сопряженной с поверхностью диэлектрического носителя, в теле которого выполнена симметрично совмещенная с рабочей топологией микрополость с образованием над ней нависающих кромок пленочных элементов рабочей топологии и углом между ними и стенками микрополости заданной величины, микрополость в диэлектрическом носителе выполнена сквозной и с углом (β) между ее стенкой - образующей - и нависающей кромкой пленочного элемента рабочей топологии, выбранным из диапазона 90°<β≤135°.
Выполнение микрополости в теле диэлектрического носителя сквозной позволяет резко снизить потери СВЧ-энергии, за счет ликвидации поглощения диэлектрическим носителем провисающей в микрополость СВЧ-энергии. На снижение потери СВЧ-энергии направлено и увеличение угла β между нависающей кромкой пленочного элемента и стенкой микрополости. Указанный угол выбирают из диапазона 90°<β≤135°, что является оптимальным, т.к. угол β меньше и равен 90°, как и в прототипе ∠α, уменьшает объем микрополости, что приводит к поглощению диэлектрическим носителем СВЧ-энергии, а выполнение угла β>135° уменьшает прочностные характеристики диэлектрического носителя. Поэтому выполнение угла β≤135° дает увеличение объема микрополости для свободного размещения электромагнитного поля, сохраняя в то же время прочность носителя и СВЧ-схемы в целом.
Для достижения названного технического результата предлагается способ, который, как и наиболее близкий к нему известный способ получения микропрофиля структуры вакуумной интегральной НЧ схемы, включает нанесение методом фотолитографии на диэлектрический носитель топологического рисунка - пленочной рабочей топологии с защитным слоем, фоторезистивной маски и удаление ее и защитного слоя с пленочной рабочей топологии, получение методом селективного травления в диэлектрическом носителе симметрично совмещенной с рабочей топологией микрополости с образованием над ней нависающих кромок пленочных элементов рабочей топологии и угла заданной величины между элементами рабочей топологии и стенками, образующими микрополость. В отличие от известного в предлагаемом способе на сторону диэлектрического носителя, противоположную стороне, с которой сопряжена пленочная рабочая топология, наносят топологический рисунок, фоторезистивную маску, которую затем удаляют, получая открытый участок диэлектрического носителя, и начиная с этого участка селективно растравливают топологический рисунок и материал диэлектрического носителя, используя упомянутый эффект бокового подтрава, формируют микрополость с образованием нависающих над ней кромок пленочных элементов рабочей топологии и тупого угла заданной величины между ними и стенками, образующими микрополость, и в результате в диэлектрическом носителе получают сквозную микрополость. После удаления с рабочей топологии защитного слоя окончательный конструктив микропрофиля является готовым.
Предлагаемый способ позволяет получить микропрофиль типа "Типизация", свободный от перечисленных ранее недостатков. Данный способ дает возможность получить, используя эффект бокового подтрава, в диэлектрическом носителе интегральной СВЧ-схемы, сквозную микрополость с заданным тупым углом наклона ее стенок к элементам рабочей топологии, что значительно снижает в диэлектрическом носителе потери СВЧ-энергии на два и более порядка, а при согласованном выборе угла β относительно прочностных характеристик микропрофиля и вовсе их исключает (потери).
2
Формирование данной микрополости посредством травления материала диэлектрического носителя со стороны, противоположной стороне с рабочей топологией, не затрагивая последней, дает возможность сохранять во время всего технологического процесса высокоточное воспроизведение конструкции микросхемы с заданными геометрическими размерами, задавая и сохраняя при этом между элементами рабочей топологии расстояния (L) сколь угодно малыми и равными в пределах периодической топологической структуры. Все это позволяет повышать уровень интеграции до 10 и выше, создавая условия для микроминиатюризации вакуумных СВЧ-приборов в дальнейшем.
Средний уровень интеграции по ГОСТ 17021 и ОСТ4. ГО.070.210 рассчитывают по формуле
Э
3
где N - количество пленочных конструктивов элементов в см;
П
3
N - количество микроприборов, образованных конструктивами, в см.
и
Средний уровень интеграции вакуумных СВЧ-микросхем на базе предлагаемого типового конструктива микропрофиля в сравнении с аналогами [1, 3] вместе взятыми в три раза выше. А если продолжать уменьшать размеры микропрофиля в соответствии с повышением частотного диапазона функционального устройства, содержащего его тип, то К повысится на порядок и более.
3
Количество же приборов, реализуемых на базе предлагаемого микропрофиля как типового конструктива, в см увеличивается до 200 и более при компоновке вакуумных СВЧ-слоев микросхем в микроблок. Сравнительные характеристики уровней интеграции приведены в следующей таблице 1.
Таблица 1
ОбъектПараметр
Аналоги
Предложение
Перспектива
N<sub>Э/см</sub> <sup>3</sup>
80
10<sup>4</sup>
10<sup>6</sup>
N<sub>П/см</sub> <sup>3</sup>
5
2·10<sup>2</sup>
5·10<sup>4</sup>
К<sub>И</sub>
16
50
10<sup>2</sup>
Предлагаемое изобретение характеризуется чертежами, на которых изображены: на фиг.1 - фрагмент микропрофиля структуры вакуумной интегральной СВЧ-схемы; на фиг.2-7 - последовательность осуществляемых технологических операций.
Предлагаемый микропрофиль структуры вакуумной интегральной СВЧ-схемы (см. фиг.1) содержит диэлектрический носитель 1, пленочный элемент 2 рабочей топологии с нависающей кромкой размером Δ, который предназначен для несения определенных электрических зарядов и эффективного взаимодействия с электромагнитным полем окружающей среды. В диэлектрическом носителе 1 толщиной h выполнена сквозная микрополость 3, над которой свободно нависает кромка пленочного элемента 2 и которая предназначена для селективной локализации электромагнитной энергии, свободно занимающей ее объем. Сквозная микрополость 3 частично открыта со стороны рабочей топологии за счет зазора L между пленочными элементами 2 и полностью открыта с противоположной стороны, при этом между ее образующей - стенкой 4 - и нависающей кромкой пленочного элемента 2 образован угол β, который выбирают из диапазона 90°<β≤135°.
Предлагаемый микропрофиль структуры вакуумной интегральной СВЧ-схемы, используя предлагаемый способ, изготавливают следующим образом. На диэлектрический носитель 1 (см. фиг.2), представленный в виде пластины - заготовки, например, из анодного оксида алюминия, используя метод фотолитографии, наносят симметрично на две противоположные его стороны резистивные маски 2 и топологические рисунки 3 (см. фиг.3). При этом размеры одной из масок выбирают с учетом получения в дальнейшем элементов рабочей топологии на заданном расстоянии между ними (зазор L). Резистивные маски 2 удаляют, получая открытые участки 4 и 5 (см. фиг.4) анодного оксида алюминия (диэлектрический носитель 1). Наносят защитный слой 6 на топологический рисунок 3, который в дальнейшем будет выполнять роль рабочей топологии (см. фиг.5). С противоположной рабочей топологии стороны осуществляют селективное травление материала носителя 1 (см. фиг.6), которое начинают с его открытого участка 5, топологического рисунка 3 (который при этом частично утрачивается), расположенного на этой стороне, и далее до рабочей топологии, расположенной на противоположной стороне. Используя эффект бокового подтрава, формируют симметрично совмещенную с рабочей топологией микрополость с образованием нависающих над ней кромок элементов рабочей топологии и угла заданной величины между ними и стенками микрополости. Получают в теле диэлектрического носителя 1 сквозную микрополость 7, частично открытую со стороны рабочей топологии за счет зазора размером, равным L, между элементами рабочей топологии 3 и полностью открытую с противоположной стороны (см. фиг.7). Удаляют защитный слой с рабочей топологии, получают окончательный конструктив микропрофиля.
Пример реализации способа приведен в таблице 2.
Таблица 2
Технологический процесс получения конструктива микропрофиля для СВЧ-вакуумных интегральных схем (ИС)
№№ п.п.
Наименование операции
Условия проведения операции
№ фиг.
1
Создание резистивной маски с обеих сторон подложки-носителя анодного оксида алюминия методом фотолитографии за исключением мест будущих пленочных элементов ИС
Фоторезист ФГ-383, толщина слоя фоторезиста 1 мкм
1
Температура задубливания 180°С
Время задубливания 30 мин
2
Нанесение топологического рисунка на обе стороны подложки-носителя путем термического испарения в вакууме молибдена или вольфрама
Вакуум 5·10<sup>-6</sup>-1·10<sup>-6</sup> мм рт.ст.
2
Толщина пленки молибдена или вольфрама 0,5-1,0 мкм
3
Удаление фоторезиста с обеих сторон подложки-носителя
В 20%-ном растворе NaOH.Время снятия фоторезиста 2-3 с
3
4
Экранирование пленочных элементов рабочей топологии ИС
Химостойкий лак
4
5
Травление подложки-носителя (Al<sub>2</sub>O<sub>3</sub>) со стороны, противоположной стороне с рабочей топологией (формирование сквозной микрополости)
Раствор для травления: 20%-ный раствор плавиковой кислоты в диметилформамиде при 70-80°С до образования необходимой микрополости
5
6
Удаление остатков молибдена
Состав травителя: H<sub>2</sub>SO<sub>4</sub>
6
300 мл (d=1,84)
HNO<sub>3</sub> 450 мл (d=1,4)
H<sub>2</sub>O 200 мл
Температура травления 20°С
7
Удаление экрана с рабочей топологии ИС
Диоксан
6
Предлагаемый микропрофиль позволяет создавать вакуумные микросхемы СВЧ-приборов с протяженным взаимодействием электронного пучка практически со всеми тонко- и толстопленочными элементами, сопрягаемыми с диэлектрическим носителем, включая как периодические структуры, так и элементы электронно-оптических систем. Данный микропрофиль как конструктив возможно применять при проектировании и изготовлении различных антенн СВЧ-диапазона решетчатых щелевого типа с диэлектрическими и токопроводящими элементами, а также использовать в оптических рассеивающих элементах, в дифракционных решетках, в устройствах для распознавания образов.
Источники информации
1. Д.М. Жук и др. Системы автоматизированного проектирования. - М.: ВШ, 1986, т.9, с.49-50.
5
2. Авт. св. №638169, МПК H01J 9/02. И.Л.Григоришин и др.
3. О.Д. Парфенов. Технология микросхем. - М.: ВШ, 1986, с.90-127 - прототип.
4. Фундаментальные пределы в радиоэлектронике и смежных областях // ТИИЭР. - 1981. - Т.69. - №2. - С.3-7.
5
5. Авт. св. №1131379, МПК H01J 9/02. И.Л.Григоришин и др.