ИНТЕГРАЛЬНЫЙ АТТЕНЮАТОР СВЧ-СИГНАЛА Российский патент 2010 года по МПК H01P1/00 

Изобретение относится к СВЧ электронике и может быть использовано с помощью методов нанотехнологий при создании фиксированных и аналоговых ослабителей мощности СВЧ сигналов, балансировки каналов электронной аппаратуры, согласования импендансов в межкаскадных СВЧ цепях, электронных антенных коммутаторов, автоматизированных комплексов радиоконтроля, управляемых компьютером или микроконтроллером, импульсных модуляторов, а также формирования сигналов со сложными видами модуляции для аппаратуры наземного, воздушного и космического базирования.

Известно устройство интегрального аттенюатора с дискретным ослаблением мощности СВЧ сигнала, содержащее микрополосковую линию (МПЛ) на диэлектрической подложке, и управляющий элемент в виде набора резисторов, соединенных с МПЛ [1].

Недостатком устройства является влияние паразитных параметров, обусловленных межэлектродными емкостями и индуктивностями выводов, параметрами корпусов резисторов, что приводит к увеличению габаритных размеров, ограничению полосы рабочих частот и потерь сигнала в МПЛ.

Известно также устройство интегрального аттенюатора для поверхностного монтажа сигнала, выполненное с использованием технологии микроэлектромеханических систем (МЭМС), содержащее МПЛ на диэлектрической подложке и резистивные электромеханические замыкатели, сосредоточенные на МПЛ [2].

Недостатком устройства является низкое быстродействие ≤10^-5 с - время переключения между дискретными значениями ослабления уровня мощности сигнала и ограниченное число циклов переключения, что снижает эксплуатационные параметры устройства.

Известно устройство интегрального аттенюатора с плавным (аналоговым) ослаблением мощности сигнала, содержащее МПЛ на диэлектрической подложке и управляющий элемент p-i-p диод с регулируемым смещением на входе МПЛ. [3]

Недостатками устройства являются узкий динамический диапазон регулировки мощности сигнала на выходе МПЛ, обусловленный ограниченным интервалом изменения омического сопротивления i-области p-i-n диода, наличие дополнительных полосковых проводников на входе МПЛ, согласующих p-i-n диод с волновым сопротивлением МПЛ, что снижает быстродействие переключения, увеличивает потери мощности сигнала в МПЛ, увеличивает габаритные размеры устройства.

Данное решение принято в качестве прототипа для заявленного устройства.

Настоящая полезная модель направлена на решение технической задачи по созданию интегрального устройства, обеспечивающего высокую скорость и широкий динамический диапазон ослабления мощности СВЧ сигнала, снижение потерь мощности СВЧ сигнала в МПЛ, повышение эксплуатационных параметров и уменьшение габаритных размеров устройства.

Получаемый при этом технический результат заключается в улучшении функциональных параметров, расширении динамического диапазона регулировки мощности сигнала, быстродействии, снижении потерь, повышении эксплуатационных параметров, снижении габаритных размеров.

Указанный технический результат для аттенюатора достигается тем, что МПЛ, выполненная из никеля толщиной от 10 нм и до 100 нм, нанесена на мембрану из алмазной пленки толщиной от 30 нм до 500 нм, при этом излучение источника ультрафиолета в диапазоне длин волн от 200 нм до 300 нм направлено перпендикулярно к поверхности алмазной пленки на вход МПЛ в область токонесущего проводника трехпроводной компланарной МПЛ.

Настоящее изобретение поясняется чертежом, на котором изображен конкретный пример исполнения аттенюатора на одном кристалле.

Интегральное устройство, выполненное на одном кристалле, содержит кремниевую подложку 1 с сверхбольшой интегральной схемой (СБИС), размещенной на ней алмазной пленкой 2 в виде мембраны с МПЛ 3, подложка выполнена с отверстием, внутри которого введен источник 4 УФ излучения. УФ излучение действует на алмазную пленку в направлении 5. Мембрана представляет собой тонкопленочный алмазный материал 2, который функционально обеспечивает при воздействии УФ управляемое ослабление мощности СВЧ сигнала.

Если подложка 1 выполнена, например, из диэлектрического материала, не содержащего СБИС, то отсутствуют условия для создания на одном кристалле системы управления МПЛ, что приведет к увеличению габаритных размеров устройства.

Принцип действия заявляемого интегрального устройства аттенюатора

Регулировка мощности сигнала осуществляется следующим образом: увеличение интенсивности УФ излучения вызывает плавное уменьшение омического сопротивления алмазной пленки. При максимальной интенсивности излучения УФ алмазная пленка приобретает минимально низкое омическое сопротивление порядка 10^-1 Ом·см и создает в МПЛ режим, близкий к короткому замыканию между токонесущим проводником и боковыми экранными «заземленными» проводниками в МПЛ, что приводит к возрастанию поглощаемой мощности СВЧ сигнала в МПЛ и препятствует прохождению СВЧ сигнала с входа на выход МПЛ. При отсутствии УФ излучения омическое сопротивление алмазного материала достигает 10¹⁴ Ом·см и прохождение сигнала с входа на выход МПЛ осуществляется без потерь мощности сигнала.

Аттенюаторы применяются для развязки в широкой полосе частот несогласованных между собой узлов и элементов тракта.

Аттенюаторы используются в тех случаях, когда необходимо ослабить сильный сигнал до приемлемого уровня, например, во избежание перегрузки входа какого-либо прибора чрезмерно мощным сигналом.

Таким образом, режим разомкнутого состояния аттенюатора можно использовать для предотвращения перегрузки мощным сигналом на входе прибора.

Динамический диапазон устройства определяется фоторезистивными свойствами алмазной пленки, которая под действием УФ в течение ≈10^-12 с изменяет омическое сопротивление с 10¹⁴ Ом·см до 10^-1 Ом·см.

Быстродействие устройства определяется как фоторезистивными свойствами алмазной пленки ≈10^-12 c, так и быстродействием источника УФ излучения.

Снижение потерь в МПЛ достигается за счет высокого 10¹⁴ Ом·см омического сопротивления, диэлектрических свойств алмазной пленки и отсутствия дополнительных согласующих устройств на входе МПЛ.

Для создания аттенюатора применен следующий способ: на поверхность с одной стороны подложки кремния с СБИС наносится слой тонкопленочного алмазного материала;

- функциональные свойства тонкопленочного алмазного материала: высокое омическое сопротивление, фоточувствительность в диапазоне ультрафиолета, высокую механическую и химическую стойкость достигают гидрированием поверхности подложки с последующим осаждением CVD методом из газовой смеси метана (CH₄) и водорода (H₂) тонкопленочного алмазного материала;

- на поверхность алмазной пленки методом катодного распыления в атмосфере аргона наносится адгезионный слой никеля и далее методом электронно-лучевого напыления (ЭЛН) наносится слой аморфного никеля для получения сплошной металлической пленки с низким омическим сопротивлением;

- в металлической пленке никеля, в одной плоскости формируют трехпроводную компланарную МПЛ (далее по тексту МПЛ);

- тонкопленочный алмазный материал формируют в виде мембраны, удаляя кремниевую подложку методом химического травления в области МПЛ;

- источники УФ излучения соединяют с поверхностью алмазной пленки механически или с помощью клеевого соединения;

- излучающую поверхность УФ светодиода располагают через отверстие в подложке перпендикулярно поверхности алмазной пленки на вход МПЛ в область токонесущего проводника трехпроводной МПЛ.

Высокая механическая и химическая стойкость одной стороны кремниевой подложки достигается путем гидрирования поверхности с последующим осаждением на подложку алмазного материала толщиной 200-500 нм CVD методом из газовой смеси метан (СН₄) 3%+водород (Н₂) 97%. Процесс гидрирования предотвращает образование карбидов на подложке при последующем осаждении алмазного материала, а проведение процесса осаждения с содержанием Н₂ 97,5 вес.% и более подавляет процесс графитизации в алмазной пленке.

Толщина пленки менее 300 нм не обеспечит:

- детектирования УФ излучения и фоторезистивные свойства в диапазоне 200-300 нм, если толщина алмазной пленки меньше длины волны верхней границы детектирования 300 нм;

Толщина пленки более 500 нм потребует использование мощных источников УФ, что приведет к увеличению габаритных размеров и энергопотреблению устройства.

Толщина пленки 300-500 нм обеспечит:

- регулируемое ослабление мощности СВЧ сигнала при воздействии регулируемого УФ излучения, за счет фоторезистивных свойств алмазной пленки в УФ диапазоне 200-300 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 трехпроводная МПЛ из тонкопленочного никеля.

В заявленном решении создания пленки из никеля применен метод промежуточного адгезионного слоя никеля толщиной 10 нм, который с одной стороны имеет высокую адгезию к алмазному материалу, а с другой стороны - к наращиваемому слою аморфного никеля толщиной 90 нм.

Толщина пленки 10 и менее нм не обеспечит металлическую проводимость в пленке из-за наличия несплошностей, поскольку шероховатость поверхности кремния адекватна толщине адгезионного слоя никеля.

Толщина пленки более 100 нм не обеспечит увеличение температурного интервала функционирования МПЛ, из-за различия коэффициентов термического расширения материалов.

При толщине пленки 10-100 нм МПЛ обеспечит:

- низкие потери и эффективную передачу мощности СВЧ сигнала в МПЛ при отсутствии воздействий УФ;

- увеличение температурного интервала функционирования МПЛ, за счет нивелирования в адгезионном слое коэффициентов термического расширения материалов.

Способ изготовления аттенюатора поясняется следующими примерами.

Пример 1.

Одну поверхность подложки кремния (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 CH₄ и +H₂, при напылении концентрация H₂ 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 в диапазоне УФ.

Далее на поверхность алмазной пленки напыляют адгезионный слой никеля толщиной 10 нм. Метод напыления DС - катодное распыление в атмосфере аргона. Такой способ напыления позволяет получить высокую степень адгезии никеля с алмазной пленкой. На поверхность адгезионного слоя напыляют слой аморфного никеля толщиной 90 нм. Метод нанесения аморфного никеля - электронно-лучевое напыление. Такой способ напыления позволяет реализовать высокую скорость напыления и получить рентгеноаморфный слой металлического никеля.

На поверхности металлической пленки никеля планарно-групповым методом с использованием жидкостного травления изготавливают компланарную МПЛ с волновым сопротивлением 50 Ом на частоте 30 ГГц. В МПЛ размер токонесущего «центрального» проводника составляет: ширина 0,1 мкм, длина 10,0 мм, расстояние между крайними «заземленными» проводниками 0,7 мкм.

Затем с использованием жидкостного травления удаляют кремниевую подложку в области расположения МПЛ.

Затем к поверхности алмазной пленки механически присоединяют УФ светодиод с длиной волны излучения 280 нм. Излучающую поверхность светодиода направляют перпендикулярно поверхности алмазной пленки. УФ светодиод размещают на входе МПЛ в область токонесущего проводника МПЛ. УФ светодиод соединяют с СБИС на кремниевой подложке для реализации системы управления аттенюатора.

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 токонесущего «центрального» проводника: ширина 0,1 мкм, длина 5,0 мм, расстояние между крайними «заземленными» проводниками 0,7 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.

Изобретение промышленно применимо и может быть изготовлено с использованием достаточно хорошо отработанных технологий. При этом возможно увеличение количества аттенюаторов на одном кристалле с адекватным увеличением МПЛ и источников УФ излучения.

Заявляемое устройство обладает повышенной радиационной стойкостью, поскольку функциональные материалы, алмазная пленка и аморфный никель, устойчивы к ионизирующим излучениям, алмазная пленка благодаря природным физическим свойствам, аморфный никель из-за отсутствия ближнего порядка в кристаллической структуре металла.

Отсутствие дополнительных согласующих устройств на входе МПЛ, уменьшение числа разъемных соединений между функциональными узлами позволяет значительно снизить габаритные размеры и повысить надежность устройства.

В таблице 1 для примеров 1-3 сведены параметры аттенюатора при и без воздействия УФ. Измерения проведены при мощности источника УФ излучения, не превышающей 250 мкВт. Источник УФ излучения - УФ светодиод с полусферическим типом линзы Т9Н31 В, Т9Н28А, Т9Н26С, соответственно с пиковыми длинами волн (λ, нм) 310 нм, 280 нм, 265 нм. Мощность непрерывного сигнала на входе МПЛ составляла P_вx=40 мВт. Примеры 1-3 - частота непрерывного сигнала на входе МПЛ 30 ГГц, примеры 4-5 - частота 60 ГГц.

Потери сигнала (К_п, дБ) в МПЛ определяли в отсутствии УФ, измеряя мощность на выходе МПЛ (Р_вых), и рассчитывали из К_п=10lg (Р_вх/Р_вых).

Динамический диапазон (К_д, дБ) ослабления (регулировки) мощности сигнала определяли, плавно изменяя мощность источника УФ излучения от 0 до 250 мкВт, одновременно контролируя Р_вх и Р_вых, и рассчитывали из К_д=101g (Р_вх/Р_вых) при минимальном значении Р_вых.

Быстродействие регулировки (τ, с) определяли, включая и выключая УФ светодиод, контролируя время изменения Р_вых - от минимального до максимального значения.

Таблица 1 Пример При воздействии УФ В отсутствии воздействий УФ 1 2 3 4 5 1 2 3 4 5 λ, нм 280 310 265 265 280 - - - - - К_п, дБ - - - - - <0,1 <0,1 <0,1 0,15 0,15 К_д, дБ 90 52 105 98 87 - - - - - τ, с 10^-10 10^-10 10^-10 10^-10 10^-10 - - - - -

Наибольшие величины динамического диапазона регулировки мощности СВЧ сигнала достигнуты в примерах 3 и 4, что обусловлено высокими фоторезистивными свойствами алмазной пленки на длине волны излучения 265 нм.

Источники информации

1. Л.А.Белов. Аттенюаторы СВЧ сигналов. Электроника: Наука, Технология, Бизнес 2/2006, стр.36.

1.1. Л.А.Белов. Аттенюаторы СВЧ сигналов. Электроника: Наука, Технология, Бизнес 2/2006, стр.34.

2. Микроэлектронные устройства СВЧ. Москва: «Высшая школа», 1988, с.82.

Изобретение относится к области нанотехнологии и может быть использовано в интегральной СВЧ электронике для аппаратуры наземного, воздушного и космического базирования; при создании фиксированных и аналоговых ослабителей мощности СВЧ сигналов, балансировки каналов электронной аппаратуры, согласования импендансов в межкаскадных СВЧ цепях, электронных антенных коммутаторов, автоматизированных комплексов радиоконтроля, управляемых компьютером или микроконтроллером, импульсных модуляторов, а также формирования сигналов со сложными видами модуляции. В аттенюаторе используют мембрану из алмазной пленки в качестве управляющего элемента. Толщина пленки составляет от 30 до 500 нм, микрополосковая линия (МПЛ) выполнена из никеля толщиной от 10 нм до 100 нм. Аттенюатор дополнен источником УФ излучения, который направлен со стороны подложки через отверстие в ней перпендикулярно поверхности алмазной пленки. Увеличение интенсивности УФ излучения вызывает уменьшение омического сопротивления алмазной пленки, в МПЛ создается режим, близкий к короткому замыканию, что приводит к возрастанию поглощаемой мощности СВЧ сигнала в МПЛ и препятствует прохождению СВЧ сигнала с входа на выход МПЛ. Техническим результатом является улучшение функциональных параметров, расширение динамического диапазона регулировки мощности сигнала, быстродействия, снижение потерь, снижение габаритных размеров. 1 ил., 1 табл.

Интегральный аттенюатор СВЧ-сигнала, содержащий микрополосковую линию, управляющий элемент, нанесенный на диэлектрическую подложку, отличающийся тем, что управляющий элемент выполнен в виде мембраны из алмазной пленки толщиной от 300 до 500 нм, микрополосковая линия выполнена из никеля толщиной от 10 до 100 нм, подложка выполнена с отверстием, внутри которого введен источник УФ-излучения, при этом ось источника излучения перпендикулярна поверхности алмазной пленки.