CC BY
91
М. С. Афанасьев и др. Расчёт теплофизических параметров и технология
-50
1000-
г
/
ZUU J
—0-
71000
-зо -ю ю
Напряжение смещения, В
30
50
-30 -10 10
Напряжение смещения, В
б
Рис. 3. Вольтфарадные характеристики конденсаторных элементов в МСЭП-структуре на кремниевой подложке:
а - n-типа; б - р-типа
Выводы
Исследованы режимы формирования на кремниевых подложках тонкоплёночных сегнето-электриков состава BaQ 2SrQ 8ТЮз и установлено, что диапазон температур 710-730 °C является предпочтительным для формирования эпитакси-альных пленок Bao 2Sro §ТЮз.
Созданы на основе гетероструктур металл-сегнетоэлектрик-кремний n- или р-типа электронно-управляемые конденсаторные элементы.
В конденсаторных элементах два состояния сегнетоэлектрической поляризации разной полярности позволяют использовать МСЭП-структуры для создания запоминающих устройств.
Работа выполнена при финансовой поддержке Министерства образования и науки Российской Федерации (госконтракт 16.513.11.3072), РФФИ (проект № 12-07-00662-а), Программы фундаментальных исследований Президиума
РАН «Основы фундаментальных исследований
нанотехнологий и наноматериалов».
Список литературы
1. Ковтонюк Н. Ф. Электронные элементы на основе структур полупроводник-диэлектрик. М. : Энергия, 1976.
2. Воротилов К. А., Мухортов В. М., Сигов А. С. Интегрированные сегнетоэлектрические устройства / под ред. чл.-корр. РАН А. С. Сигова. М. : Энергоатомиздат, 2011. 175 с.
3. Афанасьев М. С., Иванов М. С. Особенности формирования тонких сегнетоэлектрических пленок Вах8г1-хТЮз на различных подложках методом высокочастотного распыления // ФТТ. 2009. Т. 51, № 7. С.1259-1262.
4. Гольдман Е. И., Ждан А. Г., ЧучеваГ. В. Определение коэффициентов ионного переноса в диэлектрических слоях на поверхности полупроводников по динамическим вольтамперным характеристикам деполяризации // ПТЭ. 1997. № 2. С.110-115.
УДК 537.9
РАСЧЁТ ТЕПЛОФИЗИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ И ТЕХНОЛОГИЯ ФОРМИРОВАНИЯ МПЛ СВЧ ДИАПАЗОНА
М. С. Афанасьев, С. А. Левашов, А. Ю. Митягин, Г. В. Чучева, А. Э. Набиев1
Фрязинский филиал Института радиотехники и электроники им. В. А. Котельникова Российской академии наук E-mail: [email protected]
Азербайджанский государственный педагогический университет E-mail: [email protected]
Проведен расчёт теплофизических параметров микрополосковой ность входного сигнала до 50 Вт на частоте 3 ГГц без ухудшения линии передачи (МПЛ) СВЧ диапазона. Расчеты показали, что частотных характеристик МПЛ.
высокая теплопроводность алмаза позволяет осуществлять эф- Ключевые слова: микрополосковая линия передачи, СВЧ, тон-фективный отвод тепла от активной зоны МПЛ, увеличивая мощ- кие плёнки, алмазная подложка.
© Афанасьев М. С., Левашов С. А., Митягин А. Ю., Чучева Г. В., Набиев А. Э., 2013
Известия Саратовского университета. Новая серия. Серия Физика. 2013. Т. 13, вып. 1
Calculation of Thermal Parameters and Technology of Formation MPL Microwave Range
M. S. Afanasiev, S. A. Levashov, A. Yu. Mityagin, G. V. Chucheva, A. E. Nabiev
The calculation of thermal parameters of super-high frequency microstrip microwave is performed. Calculations showed, that the high thermal conductivity of a diamond enables effective removal of heat from the active zone of microstrip microwave, increasing the output power up to 50 W at 3 GHz frequency without compromising the frequency characteristics of microstrip microwave Key words: microstrip line, super-high frequencies, thin films, diamond substrate.
Введение
В настоящее время при разработке большинства СВЧ устройств широкое применение получили интегральные схемы. Основу таких схем составляют копланарные волноводы - микропо-лосковые линии передачи (МПЛ), выполненные в виде тонких плёнок металла, нанесенные на высокоомные с низкой диэлектрической проницаемостью подложки.
При создании интегральных устройств СВЧ диапазона, включающих МПЛ [1], разработчики натолкнулись на значительные трудности, связанные с нагревом МПЛ из-за диссипации СВЧ энергии как в металлических проводниках, так и в подложках.
Частично эту трудность удалось преодолеть [2], используя в МПЛ проводники большего сечения и подложки с низкой величиной диэлектрической проницаемости.
Вместе с тем повышение уровня входной мощности при сохранении или снижении мас-согабаритных параметров устройств является актуальной задачей СВЧ электроники. При этом следует отметить возможности интегральной технологии в сочетании с применением новых материалов, что позволяет получить выигрыш по отмеченным параметрам.
Цель работы - создание МПЛ СВЧ диапазона повышенной мощности и оценка её параметров.
Задачи работы: расчёт теплофизических параметров МПЛ СВЧ диапазона и технология формирования МПЛ на алмазных подложках.
Результаты расчета параметров МПЛ
Проведен расчёт параметров трехпроводной копланарной МПЛ СВЧ диапазона, выполненной на высокоомных керамических подложках MgO, ВеО, Al203, Si02 ,Zr02, Si3N4, наиболее употребляемых для создания СВЧ интегральных схем, а также подложках алмаза. Разнообразие мате-
риалов подложек обусловлено функциональным назначением и эксплуатационными параметрами интегральных СВЧ устройств.
В расчетах использованы методики проектирования СВЧ полосковых устройств [3-8] и пакет программ AppCAD, Txline для оптимизации в рабочем диапазоне частот линейных размеров МПЛ.
По методике [6, 7] определен допустимый уровень мощности (Рмах) СВЧ сигнала, обеспечивающий работоспособность МПЛ. При определении Рмах приняты следующие допущения и ограничения МПЛ: волновое сопротивление Z0 = 50 Ом; СВЧ сигнал - непрерывный; частота f) 1010 Гц; подложка имеет идеальный тепловой контакт с окружающей средой и рассеяние тепла от токового проводника из алюминия (Al) происходит посредством теплопередачи через подложку. Уровень СВЧ мощности ограничен 300°С - допускаемой температурой нагрева (Т) конструкции МПЛ, так как при нагреве выше 300 °С в конструкционных материалах появляются необратимые изменения физических свойств, приводящие к потере работоспособности как составных частей МПЛ, так и СВЧ устройств в целом.
Для расчета Рмах использованы кристалло-физические данные материалов МПЛ. Диэлектрическая проницаемость подложек (еподл), перечисленных керамических материалов и алмаза составляет от 5 до 17. В керамических подложках и синтетическом алмазе диэлектрические потери (tg§), отнесенные к частоте 10 ГГц, находятся на уровне ~10-3. В монокристаллических подложках с высоким структурным совершенством величина потерь снижается до 10-4. Коэффициенты теплопроводности (KT) перечисленных материалов лежат в широком интервале значений от 4 Вт/(мК) в Si02 и Zr02 до 2000 Вт/(м К) для алмаза.
С использованием эмпирической формулы Рмах = (KTT/a) (W/h) при Т = 300 °С оценена (рис. 1) Рмах для МПЛ, выполненных на подложках из различных материалов, при толщине подложки h = 1.0 мм и ширине токонесущего проводника W= =30 ± 5 мкм. Погонное затухание электромагнитной волны (a) в МПЛ определено как сумма потерь в металлическом никеле (Ni) aNi = 8.7 RNi/(Z0 2п f и подложке аподл=27.3(еподл0.5/^5.
Следует отметить, что в СВЧ диапазоне потери в подложке становятся сравнимыми с потерями в металлических проводниках, поскольку потери в диэлектрике с ростом частоты возрастают по линейному закону, в то время как потери в металлах-проводниках возрастают пропорционально квадратному корню из частоты [8].
М. С Афанасьев и др. Расчёт теплофизических параметров и технология
10-
н
m
Толщина подложки 1.0 мм
PQ
<
Рис. 1. Допустимый уровень мощности (Рмах)
МПЛ, выполненных на подложках из различных материалов
Результаты расчета показали (см. рис. 1), что при всех равных условиях уровень мощности (Рмах) СВЧ сигнала в МПЛ возрастает при использовании подложек с высоким структурным совершенством, а материала подложек - с высокой теплопроводно стью.
Максимальная эффективность теплоотвода от проводников МПЛ априорно может быть достигнута изготовлением МПЛ на диэлектрике с аномально высокой теплопроводностью. Этим требованиям в полной мере удовлетворяют вы-сокоомные синтетические и природные алмазы с проводимостью на уровне 1014-10150м-см, диэлектрической проницаемостью 5.7 и теплопроводностью 2000 ВтсмК (в десятки раз превышающую теплопроводность известных используемых диэлектрических материалов). Снижение потерь СВЧ энергии в металлических
проводниках МПЛ, как правило, достигается изготовлением проводников толщиной в 2-3 раза превышающей толщину скин-слоя в металле на верхней рабочей частоте.
Технология изготовления МПЛ
Технология формирования МПЛ включает напыление пленки металла на поверхность алмаза и создание топологического рисунка МПЛ фотогравировкой слоя металла.
В качестве металлических проводников МПЛ на алмазе предпочтительно использовать никель, обладающий высокой адгезией с алмазной подложкой. Для увеличения адгезии перед металлизацией поверхность алмаза гидрируют в плазме водорода, что исключает образование углеродных фаз, кристаллизующихся в структуре графита. Далее, закрыв одну поверхность алмаза теневой маской, напыляют адгезионный слой никеля толщиной 10±5 нм. Адгезионный слой никеля напыляют методом DC катодного распыления в атмосфере аргона. Затем методом электроннолучевого испарения на поверхность адгезионного слоя в вакууме напыляют слой аморфного никеля толщиной, превосходящей толщину скин-слоя на верхней рабочей частоте МПЛ. Далее методом жидкостной фотолитографии формируют топологический рисунок копланарной МПЛ.
Алмаз, обладая высокими механическими свойствами, позволяет создавать на сверхтонких подложках толщиной менее 100 мкм прочные конструкции СВЧ интегральных схем. На рис. 2 представлена зависимость волнового сопротивления МПЛ на алмазной подложке от отношения Ж/к на частоте 10 ГГц.
150
о во о
X
Ц
О
m
100
50
0.01
0.1
—\—
10
-I
100
W/h
Рис. 2. Зависимость волнового сопротивления МПЛ на алмазной подложке от отношения W/h: h = 1.0 мкм (1); h = 0.5 мкм (2); h = 0.25 мкм (3)
На рис. 3 представлена зависимость влияния частоты СВЧ сигнала на Р для МПЛ, сформиро-
ванных на алмазной подложке толщиной 50 мкм с Z0, равным 30, 75 и 100 Ом.
Физика
11
Известия Саратовского университета. Новая серия. Серия Физика. 2013. Т. 13, вып. 1
Частота, ГГц
Рис. 3. Расчётная зависимость проходящей мощности от частоты для МПЛ с волновыми сопротивлениями 30 (1), 75 (2) и 100 (3) Ом
Выводы
Проведенные расчёты показали, что высокая теплопроводность алмаза позволяет осуществлять эффективный отвод тепла от активной зоны МПЛ, увеличивая мощность входного сигнала без ухудшения частотных характеристик МПЛ.
При этом совокупность электрических, механических, теплофизических свойств алмаза позволяет реализовать на его основе интегральные СВЧ устройства с повышенными функциональными параметрами.
Работа выполнена при финансовой поддержке Министерства образования и науки Российской Федерации (госконтракт 16.513.11.3072), РФФИ (проект № 12-07-00662-а), Программы фундаментальных исследований Президиума РАН «Основы фундаментальных исследований нанотехнологий и наноматериалов».
Список литературы
1. Нефедов Е. И., Фиалковский А. Т. Полосковые линии передачи. М. : Наука, 1980. 312 с.
2. Седаков А. Ю., Смолин В. К. Тонкопленочные элементы в микроэлектронике : основы проектирования и изготовления / под ред. А. Ю. Седакова. М. : Радиотехника, 2011. 168 с.
3. Денисов Д. С., Кондратьев Б. В., Лесик Н. И., Ляпунов Н. В., Сапрыкин И. И., Седых В. М. Полосковые линии и устройства сверхвысоких частот / под ред. В. М. Седых. Харьков : Вища шк., 1974. 276 с.
4. Лебедев И. В. Техника и приборы СВЧ / под ред. Н. Д. Девяткова. М. : Высш. шк., 1970. 439 с.
5. Веселов Г. И., Егоров Е. Н., Алехин Ю. Н., Воронина Г. Г., Романюк В. А., Разевиг В. Д., Чаплин А. Ф., Шеремет М. В. Микроэлектронные устройства СВЧ : учеб. пособие для радиотехн. спец. вузов / под ред. Г. И. Веселова. М. : Высш. шк., 1988. 280 с.
6. Спектор Н. Оценка допустимой мощности в поло-сковой линии // Полосковые системы сверхвысоких частот / пер. с англ. ; под ред. В. И.Сушкевича. М. : Изд-во иностр. лит., 1959. C. 160-172.
7. Shiffres P. How much CW power can stripline handle // Microwaves. 1966. № 6. P. 25-34.
8. Справочник по расчету и конструированию СВЧ по-лосковых устройств / под ред. В. И. Вольмана. М. : Радио и связь, 1982. 328 с.
