CC BY
17МИКРО- И НАНОСИСТЕМНАЯ ТЕХНИКА
УДК 621.316.543.1
Разработка узкополосного СВЧ микроэлектромеханического переключателя для частотного диапазона 10-12 ГГц на подложках арсенида галлия
П.П. Мальцев, М.В. Майтама, А.Ю. Павлов, Н.В. Щаврук
Институт сверхвысокочастотной полупроводниковой электроники РАН
Представлены результаты проектирования и изготовления дискретных электростатических микроэлектромеханических СВЧ-переключателей на пластинах арсенида галлия. Проведена оценка возможности интегрирования их в общую схему с монолитными интегральными схемами приемопередающих устройств, изготовленных в едином производственном цикле.
Ключевые слова: микроэлектромеханические системы (МЭМС); СВЧ-переключатель; расчет МЭМС-переключателя; арсенид галлия.
Постоянно возрастающие требования снижения размеров и веса СВЧ-устройств, расширения их динамического диапазона, уменьшения потребляемой мощности и стоимости, наращивания их интеграции и функциональных возможностей при росте рабочих частот требуют от разработчиков опыта и технологических приемов создания ИС на ОаЛБ, ОаК и кремнии. Одной из проблем СВЧ-устройств является создание переключателей сигналов, удовлетворяющих современным требованиям.
Цель настоящей работы - разработка и создание СВЧ-переключателей для частотного диапазона 10-12 ГГц, объединяющих лучшие характеристики электромеханических и твердотельных (на дискретных полупроводниковых приборах) переключателей: возможность коммутации высоких мощностей, характерных для электромеханических переключателей, и высокое быстродействие при низком собственном энергопотреблении в сочетании с малыми габаритами, присущими твердотельным переключателям на дискретных электронных приборах.
Основные типы СВЧ-переключателей. В настоящее время широко применяются СВЧ-переключатели трех типов: электромеханические, твердотельные (полупроводниковые) и микроэлектромеханические (МЭМС-переключатели). Электромеханические переключатели превосходят все остальные по коммутируемой мощности - до нескольких киловатт на частоте 1 ГГц [1], имеют собственные потери 0,1-0,3 дБ и развязку СВЧ-сигнала 60-80 дБ. Но при этом электромеханические коммутаторы имеют высокую потребляемую мощность до 10 Вт (для мощных переключателей), большое время переключения 10-20 мс, относительно низкий срок службы - порядка 1 млн циклов [1, 2].
МЭМС-переключатели имеют преимущества перед твердотельными СВЧ-переключателями [3]: высокое соотношение потерь в разомкнутом и замкнутом состоя© П.П. Мальцев, М.В. Майтама, А.Ю. Павлов, Н.В. Щаврук, 2014
ниях, практически нулевое потребление мощности в замкнутом состоянии. Но при этом есть и недостатки: низкое быстродействие по сравнению с полупроводниковыми переключателями, для управления необходимо формировать импульс переключающего напряжения от 20 до 80 В. Следует отметить, что срок службы МЭМС-переключателей составляет порядка 1010 циклов [4] с возможностью коммутации СВЧ-сигнала высокой мощности (до 10 Вт) [5].
Проектирование МЭМС-переключателя. Для интеграции в монолитные интегральные схемы (МИС) приемопередающего устройства на частотный диапазон 10-12 ГГц МЭМС-переключатель для частотного диапазона 10-12 ГГц должен обладать следующими характеристиками: напряжение срабатывания менее 15 В; вносимые потери менее 0,2 дБ; коэффициент изоляции более 30 дБ. С этой целью выбран электростатический переключатель шунтирующего типа с емкостным контактом. Это связано, в первую очередь, с тем, что данный тип переключателя может быть изготовлен с использованием методов поверхностной технологии, позволяющей использовать те же материалы и базовые технологии, что и при изготовлении МИС на основе арсенида галлия. К тому же данный тип переключателя позволяет использовать крепление мембраны с малым коэффициентом упругости, что дает возможность изготавливать переключатели с малым напряжением срабатывания (до 6 В [6]).
Электростатический МЭМС-переключатель шунтирующего типа с емкостным контактом представляет собой металлическую мембрану, расположенную над СВЧ-электродом и закрепленную на заземленном электроде (рис.1). При подаче управляющего напряжения на СВЧ-электрод мембрана за счет сил электростатического притяжения опускается на диэлектрик, нанесенный на СВЧ-электрод. Емкость между мембраной и СВЧ-электродом возрастает, переключая, таким образом, СВЧ-сигнал на заземленный электрод.
Рис. 1. Геометрическая и эквивалентная схемы шунтирующего электростатического МЭМС-переключателя
Крепление мембраны оказывает влияние на СВЧ-параметры переключателя, так как обладает некоторой индуктивностью и сопротивлением. Тогда импеданс переключателя можно представить в виде
Z =
1
rnC
Rs i&L
где jo - резонансная частота, равная
1
Для f <<Л,
Для f = fo,
Для f >> fo^
; L - индуктивность крепления; С - ем-
2ку/ LC
кость между металлической мембраной и СВЧ-электродом.
Следовательно, подбирая индуктивность крепления мембраны и емкость между СВЧ-электродом и мембраной в сработавшем состоянии СВЧ МЭМС-переключателя, можно добиться значительного увеличения коэффициента изоляции.
Подходящим креплением мембраны, обладающей наибольшей индуктивностью и наименьшей жесткостью, является меандр, широко применяемый в СВЧ МЭМС-переключателях с наименьшим напряжением срабатывания [7].
Для оценки индуктивности крепления мембраны вычислялась общая индуктивность крепления как индуктивность полосковой линии, из которой вычиталась взаимная индукция параллельных сегментов меандра. Для уменьшения геометрических размеров переключателя длина крепления выбиралась равной ширине мембраны, после чего эквивалентная схема рассчитывалась с помощью программы AWR Design Environment. После подбора параметров эквивалентной схемы для резонансной частоты 11 ГГц проведено электрофизическое моделирование топологии переключателя в программе ASD (Advanced Design Systems). Получившаяся топология представлена на рис.2. Мембрана имеет следующие параметры: действующий размер мембраны 100x100 мкм, воздушный зазор 2 мкм, толщина диэлектрика между мембраной и СВЧ-электродом 120 нм. Мембрана и крепление мембраны состоят из слоя Ti/Au толщиной 50 и 500 нм соответственно, напыленного термическим способом, и гальванического слоя золота толщиной 1,5 мкм.
<
Рис.2. Размеры крепления мембраны (в мкм) и топология МЭМС-переключателя
Результаты электрофизического моделирования переключателя во включенном и выключенном состояниях представлены на рис.3. Видно, что собственные потери переключателя составили менее 0,2 дБ, а развязка СВЧ-сигнала - более 30 дБ для диапазона 10-12 ГГц.
Рис.3. Прохождение СВЧ-сигнала через МЭМС-переключатель во включенном (а)
и выключенном состоянии (б)
По формуле, приведенной в работе [5], рассчитан коэффициент упругости крепления мембраны и найдено напряжение срабатывания переключателя, которое составило 11,2 В. Как показывают данные расчетов напряжения срабатывания и программы ADS, проектируемый переключатель соответствует заданным параметрам.
Изготовление МЭМС-переключателя. МЭМС-переключатель изготавливался с применением методов базовой технологии изготовления ИС на основе дискретных полупроводниковых приборов на базе гетероструктуры AlGaAs/InGaAs/GaAs. Основные этапы изготовления МЭМС-переключателя и ИС представлены в таблице.
Сравнение технологических маршрутов изготовления малошумящего усилителя (МШУ) на основе гетероструктур AlGaAs/InGaAs/GaAs и МЭМС-переключателя
Последовательность технологических операций
МЭМС- переключатель МШУ на гетероструктурах
АЮаА8/1пСаА8/СаА8
Подготовка поверхности пластины Приборная изоляция
Формирование нижнего электрода, контактных площадок и нижних обкладок развязывающих конденсаторов Омические контакты
— Формирование электронно-лучевого затвора длиной <0,15 мкм
Формирование опор моста -
Формирование пассивации СВЧ-линии и нижних электродов Пассивация активных поверхностей
Формирование верхних обкладок развязывающих конденсаторов и утолщения опор моста Формирование первого уровня электрических межсоединений
Формирование жертвенного слоя, гальваническое утолщение элементов конструкции МЭМС-устройств Металлизация контактных площадок с «воздушными» мостами
Отличительной особенностью изготовления МЭМС-переключателя является наличие операции удаления жертвенного слоя. Это обусловлено тем, что при удалении фоторезиста жидкостным растворителем и при последующей сушке пластины капиллярная сила притягивает мембрану к управляющему электроду и мембрана прилипает к нему за счет сил водородных связей (сил Ван-дер-Ваальса). Во избежание данного эффекта применяют сушку при критической температуре в CO2, метод сублимационной сушки или выжигание жертвенного слоя в кислородной плазме.
Несмотря на то что сушка при критической температуре в СО2 прекрасно зарекомендовала себя и широко применяется при изготовлении приборов по МЭМС-технологии, данная операция не используется при изготовлении МИС на основе арсенида галлия. Поэтому в настоящей работе при изготовлении МЭМС-переключателей жертвенный слой удалялся при сублимационной сушке с использованием циклогексана [3]. Циклогексан характеризуется высокой температурой плавления - 6,6 °С, высоким давлением насыщенных паров - 40 Торр, при температуре плавления и при замерзании он остается пластичным, снижая риск повреждения мембран. «Воздушные» мосты в схемах МШУ не подвержены капиллярному эффекту из-за высокой жесткости конструкции.
Данные таблицы показывают возможность изготовления в едином технологическом цикле СВЧ-переключателей и полупроводниковых приборов на основе гетерост-руктур AlGaAs/InGaAs/GaAs, что свидетельствует о возможности изготовления приемопередающего модуля класса «система на кристалле».
Исследование характеристик МЭМС-переключателя. Для оценки напряжения срабатывания и измерения емкости полученных переключателей проводились измерения на CLR-метре ОТ 4284A вольт-фарадных характеристик СВЧ МЭМС-переключателей, изготовленных по топологии, представленной на рис.2, и по технологии, описанной в таблице. Вносимые потери и изоляция СВЧ-сигнала непосредственно измерялась на векторном анализаторе PNA E8361A.
Из рис.4 видно, что напряжение срабатывания переключателей не превышает 17 В, емкость сработавшей мембраны оказалась меньше расчетной емкости и составила 3,08 пФ (расчетная - 4,5 пФ). Уменьшение емкости сработавшего переключателя также сказалось на частотных характеристиках переключателя. Как видно из рис.5, резонансная частота сместилась с 11 ГГц в область 12,9-13,9 ГГц. Изоляция СВЧ-сигнала для резонансных частот составила 45-50 дБ, собственные потери переключателя составили 0,49 дБ.
3,5-10"12
310-12
2,5 10"12
е
£
О 2 10
§
з
ш 15-Ю-12 1 Ю-'2 5 Ю-13
0 5 10 15 20 25
Напряжение, В
Рис. 4. Результаты измерения вольт-фарадных характеристик СВЧ МЭМС-переключателей
0
-5
-10
Ц5
-15
Р.
(и - -20
О
-
(и -25
л
ГГ -30
и
0 1 -35
ш
-40
-45
-50
\ V \
V
к \ /V
! ¡/Г
\Р
Т1"! и ■!
1 !!
■ ■
10
20
30 40 Частота, ГГц
50
60
-)
Рис.5. Измеренные характеристики изоляции (и собственных потерь (----) СВЧМЭМС-переключателей
Для исключения другой систематической ошибки, допущенной при моделировании топологии СВЧ МЭМС-переключателя, рассчитаны СВЧ-параметры принципиальной схемы МЭМС-переключателя при измеренных значениях емкости мембраны. Как видно из рис.6, результат расчета СВЧ-характеристик эквивалентной схемы достаточно хорошо согласуется с полученным результатом.
-ю
из
ч
& -20
-30
Ш
-40
-50
14,э 11 ц // -44,9 дБ
11
21 31
Частота, ГГц
41
50
Рис. 6. Расчет эквивалентной схемы СВЧ МЭМС-переключателя для измеренной емкости мембраны
Уменьшение емкости МЭМС-переключателя объясняется шероховатостью поверхностей диэлектрика и металлической мембраны, препятствующей плотному прилеганию металлической мембраны к диэлектрическому слою. Величина воздушного зазора, оцененная по уменьшению емкости сработавшей мембраны переключателя, составила в среднем 11,4 нм.
Предложенный расчет СВЧ-переключателя хорошо согласуется с результатами измерения изготовленных макетов СВЧ МЭМС-переключателей для частотного диапазона 10-12 ГГц, методика расчета и используемое программное обеспечение дает возможность корректно оценивать характеристики переключателей. Резонансный ЬС-контур позволил спроектировать электростатический СВЧ МЭМС-переключатель с ем-
костным типом контакта с высоким отношением изоляции сигнала к собственным потерям переключателя. Коэффициент изоляции для резонансных частот составил 45-50 дБ, собственные потери переключателя равны 0,49 дБ.
Рассмотренный маршрут формирования дискретного МЭМС-переключателя позволяет в дальнейшем интегрировать его в МИС на основе гетероструктур AlGaAs/InGaAs/GaAs, так как при изготовлении макетов переключателей использовалось оборудование и материалы, задействованные при создании МИС на подложках GaAs.
Литература
1. High Power Coaxial Switches. - URL: http://www.rlcelectronics.com/products/9-switches/41-high_power_coaxial_spdt,_srp-2_series.html (дата обращения 05.04.2014).
2. Белов Л. Переключатели сверхвысокочастотных сигналов // Электроника: Наука, Технология, Бизнес. - 2006. - № 1. - С. 20-25.
3. Rebeiz G.M. RF MEMS: theory, design, and technology. - John Wiley & Sons, Inc., 2003.
4. A packaged, high-lifetime ohmic MEMS RF switch / S. Majumder, J. Lampen, R. Morrison et al. // IEEE MTT-S International «Microwave Symposium Digest». - 2003. - Vol. 3 - P. 1935-1938.
5. RF MEMS Switches and Products Catalog 2013-2014 C. 7-9. - URL: http://www.radantmems.com/radantmems.data/Library/MEMS%20BROCHURE%20-%202014.pdf (дата обращения 05.04.2014).
6. Wang Y., Li Z., McCormick D.T., Tien N.C. Low-voltage lateral-contact microrelays for RF applications // 15th IEEE International Conference on Micro-Electro-Mechanical Systems (January 2002). - 2002. -P. 645-648.
7. Electromechanical considerations in developing low-voltage RF MEMS switches / D. Peroulis Pacheco S.P., K. Sarabandi et al. // IEEE Trans.Microwave Theory Tech. - 2003. - Vol. 51. - P. 259-270.
Статья поступила 10 апреля 2014 г.
Мальцев Петр Павлович — доктор технических наук, профессор, директор института ИСВЧПЭ РАН. Область научных интересов: нано-и микросистемная техника, проектирование МИС и исследование их характеристик, проектирование приемопередающих систем с высокой степенью интеграции, антенны и фазированные антенные решетки, разработки в области СВЧ-, КВЧ- и терагерцового диапазонов.
Майтама Максим Викторович — инженер-исследователь ИСВЧПЭ РАН. Область научных интересов: проектирование МИС СВЧ-устройств на основе A3B5 полупроводниковых материалов.
Павлов Александр Юрьевич — кандидат технических наук, заведующий лабораторией ИСВЧПЭ РАН. Область научных интересов: технология изготовления приборов СВЧ-электроники на полупроводниках группы А3В5.
Щаврук Николай Васильевич — научный сотрудник ИСВЧПЭ РАН. Область научных интересов: технология изготовления приборов СВЧ-электроники на полупроводниках группы А3В5, технология изготовления приборов на основе МЭМС-устройств. E-mail: isvch@isvch.ru
