CC BY
133
ЭЛЕКТРОНИКА И ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
УДК 621.372.8
В.Я. Подвигалкин, Н.М. Ушаков ОПТОЭЛЕКТРОННЫЕ ОБЪЕМНЫЕ ИНТЕГРАЛЬНЫЕ СХЕМЫ КАК БАЗОВЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ ДЛЯ БЫСТРОДЕЙСТВУЮЩИХ ЭЛЕКТРОННЫХ СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ
Предложены оптоэлектронные объемные интегральные схемы (ООИС) в виде микросборок и микроблоков в качестве новых базовых элементов фотонных и радиоэлектронных систем управления. Проведено сравнение технических и экономических показателей известных пленочных технологий для создания ООИС.
V.Ya. Podvigalkin, N.M. Ushakov OPTOELECTRONIC BULK INTEGRAL CIRCUITS LIKE BASE ELEMENTS FOR FAST ELECTRONIC CONTROL SYSTEMS
The optoelectronic bulk micro-circuitry based on both micro-insertions and micro blocks by way of new base elements for photonic and radio-electronic control systems are offered here. Comparison for technical and economical parameters of well-known film techniques is developed in this article.
Современные системы контроля и мониторинга со скоростной обработкой больших массивов информации следуют в своем развитии по пути исследования и освоения все более коротких длин волн (от СВЧ до оптического диапазона) и перехода размеров объемных неоднородностей рабочих сред в нанометровую шкалу. Использование трехмерной (3-D) конструкции расположения базовых элементов (БЭ) в объемных интегральных схемах (ОИС) и обработка сигнала во всем объеме открывают широкие возможности улучшения электродинамических, оптических, массогабаритных, климатических, радиационных и других параметров устройств радиоэлектроники и фотоники [1]. Традиционные электронные ОИС в настоящее время имеют семь слоев и миллионы транзисторов в каждом слое. При этом, по оценкам экспертов, к 2012 году число слоев ОИС должно возрасти до девяти [2]. Фотонные интегральные схемы (ФИС) в отличие от электронных ОИС построены на БЭ, размеры которых имеют пока сравнительно большие размеры и меньшую плотность на квадратный сантиметр подложки. Единственный выход для интеграции БЭ в ФИС - это построение 3-D конструкций.
В настоящее время разработаны четырехканальные 3-D мультиплексоры для сверхскоростных волоконно-оптических линий связи [2]. Несмотря на отдельные успехи в
создании 3-0 ФИС наиболее реальным, на наш взгляд, является разработка гибридных ОИС, которые включают функциональные электронные и оптические элементы.
Целью настоящей работы является разработка принципов построения самих гибридных ОИС и отдельных элементов, а также сравнение для этих целей различных технологий от толстопленочной до нанотехнологии по своим технико-экономическим показателям.
ОИС представляют собой очень сложные структуры, анализ которых как единого целого даже для современных вычислительных средств является сложной и порой неразрешимой задачей. Поэтому для анализа работы таких устройств целесообразно логическое разбиение ОИС на отдельные функциональные части с последующей сборкой всех частей в единое целое. Рассмотрим гибридные ОИС. Для гибридных ОИС для вертикальных слоев (этажей) следует ввести иерархию слоев по их функциональному назначению. В качестве примера рассмотрим 3-0 конструкцию гибридной ОИС с числом слоев, равным семи. Нижние четыре слоя предназначены для гальванической и волновой связи основных структурных элементов ОИС, расположенных на верхних «интеллектуальных» этажах. В качестве основных элементов гибридных ОИС мы предлагаем использовать микро- и наносборки, микро- и наноблоки. Подробнее об основных элементах будет сказано ниже.
Все базовые элементы (БЭ) связи представляют собой СВЧ и оптические линии передачи (ЛП). В СВЧ ОИС сочетание проводников образуют различные типы БЭ, число которых к настоящему времени превысило сотни. При этом БЭ организуют в ОИС неоднородности, которые функционально представляют собой, например, повороты ЛП, Т-соединения, межэтажные переходы и т.д. Следует отметить особенность применения ОИС в верхней части КВЧ диапазона (=1-2 мм) и в оптическом диапазоне. Для этих диапазонов металлические проводники ЛП заменяются диэлектрическими волноводами, а металлические слои длинноволновых ОИС - на воздушные или другие диэлектрические прослойки с низким значением диэлектрической константы. Это необходимо для исключения паразитных связей между отдельными этажами ОИС.
Неоднородности БЭ в ОИС можно разделить на две группы: первая группа - это горизонтальные и вертикальные переходы между разными ЛП и вторая группа - это Т-соединения, плечи которых выполнены на разных этажах ОИС. Объемные неоднородности как базовые элементы ОИС еще мало изучены. В основном исследованы межслойные соединения между ЛП. К таким соединениям относятся резонансные переходы, шлейфные переходы, использующие выравнивание потенциалов на проводниках соединяемых линий, а также межслойные переходы с гальванической связью. В СВЧ ОИС гальванические связи заменяются разомкнутыми четвертьволновыми отрезками ЛП (режим короткого замыкания).
Нами разработана базовая платформа для построения различных гибридных ОИС. На рис. 1, а, б изображена такая платформа, выполненная из четырехслойной металлокерамики по технологии, описанной в [3, 4]. Нижний слой имеет общую шину для всех этажей. Базовые элементы расположены на трех нижних слоях и представляют собой гальванические переходы первой группы и несимметричные щелевые ЛП. Размеры платформы составляют 48x60x1 мм . Существуют два варианта изготовления многослойных плат методом толстоплёночной технологии. Первый использует поочерёдное нанесение проводящих и изолирующих слоев (уровней) с последующим их вжиганием. Межслойные соединения осуществляют путём формирования окон в изолирующем слое или уровне. Этот метод не требует сложного оборудования. Его недостаток заключается в большом количестве операций. Во втором варианте используют одновременное спекание всех слоев, сформированных на неотожжённых керамических подложках с последующей металлизацией пастами на основе вольфрама и молибдена. Слои вжигаются в среде водорода при температуре 1600° С. Достоинства этого варианта - монолитность, плотность, термостойкость, повышенная теплопроводность, плотность упаковки. Недостатки: большие
затраты на оснастку и длительность наладки производства, отсутствие соответствующих паст. Нижние проводники (многоуровневые или многослойные соединения и защитные покрытия, например из стекла) наносятся методом толстоплёночной технологии. После оплавления стекла, получив гладкую поверхность, создают на ней проводники и резисторы, а на дополнительные контактные места монтируют основные элементы ОИС.
ши..;..
5 Iг? Іщ-і і-ії
- £ 5 -.-гй" ■ Ц " 3 —
-і. - .а. .. -*г-
а - “ £ ■ «
^ Й ^
жчиктий і 5
~ — —1 ^
М ^ ^ , д ; я и Й |! І ~
4Ш«
•—*
-ііпиі
['
-П :
іШНі??
Й. ~ -
5;
=“ 2 І
ШШ
Н»ШН
і.&шш
ттттшвшшзшшмзшіт -н
а)
(а-д) - Вертикальные гальванические связи между слоями
Рис. 1. Фотография четырехслойной платы с вертикальными гальваническими связями как базовой платформы для построения объемных интегральных схем: а - вид сверху; б - произвольное сечение платы
Основные элементы в виде микросборок расположены на поверхности самого верхнего четвертого слоя и гальванически связаны с БЭ. Основными достоинствами микросборок являются: возможность создания широкого класса радиоэлектронных систем цифровой и аналоговой техники при коротком цикле их разработки; универсальность конструирования; высокая экономическая эффективность изготовления больших партий. Унификация микросборок позволяет создавать микросборки практически любого функционального назначения из любого набора элементной базы радиоэлектроники и фотоники.
В качестве микросборки или микроблоков могут применяться интегральные электронные и оптические устройства обработки информации. На рис. 2, а, б показаны такие микросборки: электронная микросборка (а), объединяющая несколько микросхем, и
фотонная микросборка, представляющая интегрально-оптический интерферометр Маха -Цендера [3]. Электронными микросборками являются, например, чипсет и процессор персонального компьютера. Примером фотонной микросборки может служить акустооптический процессор на поверхностных акустических волнах.
а) б)
Рис. 2. Изображения фотонной (а) и электронной (б) микросборки для платформы гибридной ОИС
Общий принцип работы фотонной микросборки в виде интегрально-оптического устройства напоминает транзистор. Интерферометр Маха - Цендера представляет собой 5-портовое устройство: оптический вход (порт 1 и З), оптический выход (порт 2) и порт управления (порты 4 и 5). В интерферометр через порт 1 вводится опорное (режим модуляции) оптическое излучение P1 на частоте ш1 < Egjh (аналог: эмиттер- коллектор),
где Eg - ширина запрещенной зоны полупроводниковой пластины. С помощью непрерывного компенсирующего оптического излучения P5 на частоте ш2 > Eg/h,
поступающего в одно из плеч интерферометра через порт 5, регулируется начальный фазовый сдвиг, смещение рабочей точки усиления для обеспечения максимального значения выходной оптической мощности. В режиме оптического усиления через порт З поступает оптическая мощность P3 на частоте ш1 ±Qs ( ш1 < Egjh ), которую надо усилить.
Одновременно на это же плечо через порт 4 поступает непрерывная или импульсная оптическая мощность накачки (управления) P4 на частоте ш2 = 2ш1 (ш2 > EgJh ), которая,
меняя концентрацию фотоиндуцированных носителей заряда, изменяет показатель преломления на требуемую величину и, тем самым, фазовый сдвиг для световых волн, проходящих через это плечо. В режиме модуляции света порт З закрыт, и через порт 4 вводится на несущей частоте Ш2 > Egjh оптический пучок P’4, модулированный на
частоте Qs. В этом режиме модулируется на частоте Qs оптическая мощность, поступающая через порт 1. Каждый порт устройства, обозначенный на рисунке квадратом, физически связан с интерферометром с помощью волоконного световода.
Рассмотрим теперь основные технологические приемы изготовления З-D конструкций ОИС. В качестве примера рассмотрим изготовление оптического мульти/демультиплексора на основе ФОИС. Такие устройства применяются в системах частотного разделения каналов передачи оптической информации (DWDM технология) и называются сокращенно Mux/Demux. Основным элементом ФОИС такого типа является оптический ответвитель Х-типа, который изготавливается на основе шестислойной структуры. Основными технологиями изготовления Mux / Demux являются технология 2сторонней обработки пластин с использованием диффузионной сварки и тонкопленочная технология формирования оптических волноводов. Толщины слоев составляли от 1 до 1,5
мкм. В качестве активного основного слоя выбран твердый раствор 1пОаЛвР, выращенный методом МОСУО технологии на подложке из фосфида индия (1пР). Операция перемещения активного слоя производилась с использованием диффузионной сварки структуры со второй подложкой из 1пР. Такая технология позволяет использовать различные подложки из разных материалов. Например, подложки из фосфида индия (1пР) и арсенида галлия (ОаЛв).
На рис. 3, а-д изображены технологические стадии формирования оптического ответвителя Х-типа. Стадия (а) - формирование верхнего оптического волновода; (б) -удаление части верхнего слоя; (в) - перемещение активного слоя и замена слоев структуры; (г) - изготовление второго оптического волновода; (д) - удаление части активного слоя.
Рис. 3. Технологические стадии формирования оптического ответвителя Х-типа в виде многослойной 3-й конструкции гибридной ОИС на подложке фосфида индия (1пР)
[3]
Наряду с тонкопленочной технологией для изготовления элементов ОИС может применяться и толстопленочная технология, основанная на нанесении паст с различными электрофизическими свойствами. Методы нанесения паст во многом сходны с жидкофазной тонкопленочной технологией [5]. Известная технология создания микросборок, развитая еще в 80-х годах ХХ века, базируется в основном на толстоплёночной технологии. Толстопленочная технология получения, скажем, микросборок основана на нанесении на керамическую подложку проводящих, диэлектрических резистивных паст с использованием соответствующих масок в виде сетко-трафаретов. Следует указать на четыре основные недостатка толстопленочной технологии: 1) сравнительно низкий уровень интеграции; 2) трудность реализации прецизионных резисторов; 3) ограничение частотного диапазона (не более 10 ГГц) и 4) необходимость введения операций подгонки пассивных элементов. Эти недостатки можно устранить применением комбинации технологии толстых плёнок и технологии нанокомпозитов. Толстоплёночная технология микроэлектроники незаменима, когда требуется создание микросборок и микроблоков для больших мощностей рассеяния сигналов. Поэтому при создании ОИС следует использовать стабильные и совместимые комбинации материалов - от композиций паст из наноматериалов до композиций из технологических структур с высокой организацией.
В последнее время интенсивно развивается нанотехнология, которая позволяет синтезировать среды с уникальными управляемыми свойствами. Важное место среди таких сред занимают полимеры с наночастицами из металлов, оксидов металлов и полупроводников [6, 7]. Из полимерных пленок, паст и дисков можно создавать
структуры с различными физическими свойствами - от проводников до диэлектриков. При этом в одном слое на основе одного и того же материала матрицы можно создавать области с полупроводниковыми, проводящими и диэлектрическими свойствами. Широкое использование полимеров и успехи в создании различных устройств радиоэлектроники и фотоники позволяют говорить о сформировавшихся направлениях - полимерной электронике и полимерной фотонике. На наш взгляд, эти перспективные направления должны сыграть важную роль в развитии ОИС.
В заключение приведем оценки эффективности тонкопленочной, толстопленочной и нанотехнологии для создания ОИС.
В таблице приведены сведения и сравнительные характеристики этих технологий. Все показатели приведены относительно показателей, полученных при изготовлении плат второго поколения [8].
Оценка эффективности известных технологий для производства ОИС*
№ п/п Показатели Полупровод никовая объемная Тонко- пленочная Толсто- пленочная Нанотехнологии
реальные тенденция развития
1 Стоимость подготовки производства 3 2 1 0,5 Снижение
2 Стоимость эксплуатации 3 2 1 0,5 —«—
3 Эффективность крупносерийного производства 1 3 2 3 Рост
4 Эффективность мелкосерийного производства 3 2 1 3-4 —«—
5 Плотность элементов, элемент/см2 1 3 2 3 —«—
Преимущества толстоплёночной технологии и нанотехнологии по сравнению с другими видами технологий изготовления микросборок и микроблоков, представленных в таблице, носят в основном экономический характер и особенно важны при организации производства ОИС.
Таким образом, в работе развит принцип интеграции электронных и фотонных устройств в единой гибридной ОИС. Данный подход проиллюстрирован на примере конкретных функциональных элементов и микросборок на единой металлокерамической платформе, являющейся базовой при построении гибридных ОИС. Показано, что при производстве микросборок известная и хорошо отработанная технология толстых пленок может успешно применяться в сочетании с нанокомпозитными материалами. Приведены сравнительные характеристики основных известных технологий для производства ОИС. Показано преимущество толстопленочной технологии и нанотехнологии по экономическим показателям для массового производства ОИС.
ЛИТЕРАТУРА
1. Гвоздев В.И. Объемные интегральные схемы СВЧ - элементная база аналоговой и цифровой радиоэлектроники / В.И. Гвоздев, Е.И. Нефедов. М.: Наука, 1987. 110 с.
2. Shakouri A. Integration in 3-D wafer-bonding techniques yield vertically integrated optoelectronic devices / A. Shakouri // OE magazine. April 2001. P. 40-43.
3. Пат. 2024899 РФ, МКИ G02 F 3/00. Оптический транзистор / Н.М. Ушаков, К.Ю. Кравцов, В.И. Петросян. № 5021326/25; Заявл. 12.07.91; Опубл. 15.12.94, Бюл.23. 8 с.
4. Ushakov N.M. Amplification and Transformation of Optical Signals Based on Integrated-Optical Mach-Zehnder Interferometer application in Optical Communication
Networks / N.M. Ushakov // Proc. of 6-th International Conference on Transparent Optical Networks Wroclaw. Poland, July 4-8 2004. P. 177-180.
5. Исаев Ю.В. Состояние и тенденции развития толстоплёночной технологии и оборудования / Ю.В. Исаев, Е.И. Хопяк // Обзорная информация. ТС-9; Экономика и технология. М.: ЦНИИТЭИ приборостроения, 1978. С. 45-56.
6. Наночастицы оксидов металлов в полиэтиленовой матрице / К. В. Запсис, И. Д. Кособудский, Н.М. Ушаков, М.Н. Журавлева // Вестник Саратовского государственного технического университета. 2004. № 2. С. 8-14.
7. Новые электропроводящие нанокомпозитные материалы для электроники / К.В. Запсис, И.Д. Кособудский, Н.М. Ушаков, В .Я. Подвигалкин // Вестник Саратовского государственного технического университета. 2003. № 1. С. 108-113.
8. Палачев Ю.М. Эволюция конструкций ЭВМ с применением бескорпусной элементной базы / Ю.М. Палачев // Электронная техника. Серия 10. Микроэлектронные устройства. 1979. Вып. 6 (18). С. 12-17.
Подвигалкин Виталий Яковлевич -
главный специалист лаборатории субмикронной электроники Саратов^ого отделения ИРЭ РАН
Ушаков Николай Михайлович -
доктор физико-математических наук, профессор кафедры «Радиотехника»
Саратовского государственного технического университета, заведующий лабораторией субмикронной электроники Саратовского отделения ИРЭ РАН
Статья поступила в редакцию 04.07.06, принята к опубликованию 19.06.07
