Индуктивный элемент

 

ИНДУКТИВНЫЙ ЭЛЕМЕНТ, содержащий две плоские спиральные катушки расположенные одна над другой к гальванически соединенные между собой внутренними концами, а также изолирующую основу обеих катушек, отличающийся тем, что, с целью расширения диапазона рабочих частот при одновременном уменьшении габаритов элемента, витки одной спиральной катушки расположены между витками ДРУГОЙ спиральной катушки, разделены между собой воздушньш промежутком И имеют одинаковое направление закручивания , изолирующая основа обеих катушек выполнена в виде высокоомных, полупроводниковых участков, расположенных в местах перекрещивания витков обеих катушек. (Л с а 05

„„SV„„110 646

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

PtIl

РЕСПУБЛИК

Т

g g Н 01 F 17/02

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

13, ИМАЯИЕ, t, ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР

Il0 ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТНРЫТИЙ

Н ILN TOPCHONIN ВВВВТБЪСТВТ (21) 3565317/24- 07 (22) 17.03.83 (46) 30.06.84. Бюл. У 24 (72) В.В. Петрович, А.В. Межов и В.И. Тихонюк. (53) 621.318.433(088 ° 8) (56) 1. Патент Японии Ф 51-5178, кл. Н 01 F 17/00, 1976.

2, Патент США У 3413716, кл. 29-602, 1968. (54)(57) ИНДУКТИВНЫЙ ЭЛЕМЕНТ, содержащий две плоские спиральные катушки расположенные одна над другой и галь» ванически соединенные между собой внутренними концами, а также изолирующую основу обеих катушек, о т л ич а ю шийся тем, что, с целью расширения диапазона рабочих частот при одновременном уменьшении габаритов элемента, витки одной спиральной катушки расположены между витками другой спиральной катушки, разделены между собой воздушным промежутком и имеют одинаковое направление закручивания, изолирующая основа обеих катушек выполнена в виде высокоомных, полупроводниковых участков, расположенных в местах. перекрещивания витков обеих катушек.

3 1100646 2

Изобретение относится к микроэлект- ную добротность, рабочую частоту ронике и может быть использовано для и большие габариты элемента. Недосоздания монолитных и гибридно-интег- статком является также симметричное ральных схем ВЧ и СВЧ диапазонов волн. расположение катушек по подложке,.

При разработке современных мало- следствием которого является проти- :

5 габаритных радиоустройств для реали- воположное направление закручивания зации резонансных контуров, высоко- витков у обеих спиралей. Это привочастотных дросселей, полосовых филь- дит к снижению индуктивности элементров, развязок цепей питания и т.д. та. Кроме того, применение данных находят широкое применение миниатюр- 1О элементов в монолитных ИС на частоные индуктивные элементы в виде плос- тах выше 1 ГГЦ ограничивается больких или объемных катушек индуктивнос- шими СВЧ потерями в полупроводнике, ти. что является неприемлемым.

Известен индуктивный элемент:, вы- . Целью изобретения является располненный в виде тонкопленочной ка- 15 ширение диапазона рабочих частот тушки на изолирующей подложке интег- индуктивных элементов при одновременральной схемы ИС. С целью вывода ном уменьшении их габаритов. внутреннего конца катушки за ее пре- Поставленная цель достигается тем, делы часть витков имеет направление, что в индуктивном элементе, содержазакручивания по часовой стрелке, à п щем две плоские спиральные катушки, другая часть — против часовой стрел- расположенные одна над другой и ки . При этом для ослабления взаимно- гальванически соединенные между сого влияния витков с разным направле- бой внутренними концами, а также нием закручивания параллельные изолирующую основу обеих катушек, участки катушки расположены на обрат- 25 витки одной спиральной катушки расной стороне подложки. Для повышения положены между витками другой спивеличины индуктивности элемента в ральной катушки, разделены между со,области между витками расположена бой воздушным промежутком и имеют пленка ферромагнетика (1). одинаковое направление закручивания.

Существенным недостатком данного

30 изолирующая основа обеих катушек выиндуктивного элемента является сов- полнена в виде.высокоомных полупромещение витков с противоположным на- водниковых участков, расположенных правлением закручивания в одной ка- в местах перекрещивания витков обеих тушке, что приводит к уменьшению маг- катушек. нитного поля в нем. В связи с этим Выполнение индуктивного элемента элементы имеют малую величину индук- 5 с разделением спиральных катушек тивности и повышенные габариты. Дан- воздушным промежутком и с одинаковым ные элементы также не могут быть ре- .направлением закручивания витков ализованы в дискретном виде. обусловливает уменьшение межвитковой

Наиболее близким к предлагаемому емкости и, соответственно, повышение по технической сущности является

4О верхней границы рабочих частот индукиндуктивный элемент для интегральных тивного элемента на порядок величины схем, содержащий две плоских спираль- по сравнению с прототипом. При этом ных катушки, симметрично расположен- габариты элемента снижаются в.несных на противоположных сторонах ди- колько раз и определяются собственныэлектрической подложки. Внутренние, 5 ми размерами катушек.

45 концы обеих катушек соединены между Снижение межвитковой емкости инсобой через металлизированное отвер- дуктивного элемента обеспечивает такстие в подложке. Внешние концы кату- же конструктивное расположение обеих шек непосредственно присоединяются катушек со сдвигом их витков относик проводникам микросхем. Для повыше- 5О тельно друг друга на половину межвитния величины индуктивности на обе кового расстояния. Такое расположение стороны подложки нанесена пленка спиральных катушек, кроме того, созферромагнитного материала (2). дает перекрещивание последних в несК недостаткам данного индуктивно- кольких точках, расположенных по диго элемента следует отнести наличие 55 агонали элемента, что позволяет разподложки между спиральными катушка- местить в укаэанных точках изолируми, что обусловливает повышенную меж- ющие столбики для скрепления катушек витковую емкость, а также ограничен- между собой.

1100646

Кроме того, обеспечение одинакового направления закручивания витков как верхней, так и нижней катушек индуктивного элемента приводит к суммированию напряженности их магнитных полей, что (в отличии от прототипа) повышает индуктивность элемента при равном количестве витков.

На фиг. 1 схематически изображен предлагаемый индуктивный элемент, 1О вид сбоку;на фиг.2 — то же,вид в плане; на фиг. 3 — индуктивный элемент с диагональным разрезом витков верхней и нижней катушек, общий вид.

Индуктивный элемент (фиг. I) содержит верхнюю спиральную катушку 1 и нижнюю спиральную катушку 2, внутренние концы которых гальванически соединены через участок высоколегированного полупроводника 3, имеющий малое электрическое сопротивление.

Внешние концы обеих катушек имеют контактные площадки 4 и 5 для присоединения к проводникам микросхемы.

В точках 6 перекрещивания витков обеих катушек расположены изолирующие высокоомные полупроводниковые участки 7 (фиг. 2), выполненные из высокоомного полупроводника и выполняющие роль элементов крепления.

Для группового изготовления предлагаемых индуктивных элементов в качестве подложки при формировании спиральных катушек используются стандартные монокристаллические пластины высокоомного кремния типа 40КЗФ З5

100(111). После подготовительных операций осуществляется плоскопараллельное утоньшение исходной кремниевой пластины по всей площади, кроме пери ферийной области пластины шириной 5 мм, 4О методом химико-динамического травления. Толщина оставшегося слоя полупроводника составляет 30 мкм. Далее с помощью процессов фотолитографии и высокотемпературной диффузии осущест-, "5 вляется локальное двухстороннее легирование слоя кремния фосфором (или бором) в центрах расположения индуктивных элементов на пластине. В результате формируются низкоомные области кремния. Процесс диффузии фосфора проходит при 1200 С:и длится

6 ч. Затем на обе стороны пластины методом пиролиза наносится слой двуокиси кремния SiO>, который служит 55 защитной маской при формировании спиральных катушек индуктивных элементов.

При осуществлении процесса фотолитографии по слоям окисла в них создаются окна спиральной формы, соответствующие виткам плоских катушек. При этом внутренние концы спиралей на обеих сторонах пластины совмещаются с высоколегированной областью кремния 3, После вскрытия окон в Si02 в них путем вакуумного распыления осуществляется нанесение системы металлов нихром — золото.

Затем проводится гальваническое на, ращивание золота на напыленные слои до толщины 10-12 мкм. В результате пол ьостью формируются спиральные катушки 1 и 2 индуктивных элементов.

После этого осуществляется снятие оставшегося окисла с пластины и сквозное травление кремния под маской металлизации катушек одновременно с обеих сторон пластины. При этом кремний полностью стравливается. за исключением легированных. участков 3, находящихся в месте перекрытия внутренних концов катушек 1 и 2, а также небольших столбиков 7, расположенных в точках перекрещивания витков верхней и нижней катушек (фиг. 1, 2).

Указанные столбики являются изолирующими, поскольку имеют удельное сопротивление исходного полупроводника и обеспечивают необходимую жесткость всего индуктивного элемента.

Предложенная конструкция индуктивного элемента для интегральных схем микроэлектронных СВЧ устройств обеспечивает расширение диапазона их рабочих частот до 10 ГГц, т.е. на порядок выше величины по сравнению с прототипом и на два порядка (в 100 раз) по сравнению с индуктивным элементом

Р-100, выпускаемым отечественной промьппленностью и принятым за базовый объект.

Типичные габариты предложенных элементов (0,5х0,5х0,025 мм) в 3 раза меньше габаритов прототипа (1,5х1,5х0,5 мм) и в 6 раз меньше габаритов базового объекта (Зх1,8х х 1 мм), что обеспечивает снижение общих размеров интегральной схемы.

Индуктивные элементы предложенной конструкции имеют индуктивности до

0,1 мкГн и добротность более 100.

Реализация данных элементов допускает их создание как в дискретном виде, так и в составе монолитных СВЧ интегральных схем. Изготовление индуктивных элементов отличается про00646

Составитель Ф. Чиркина

Редактор С. Тимохина Техред Ж. Кастелевич Корректор А. Тяско.

Заказ 4588/39 Тираж 683 Подписное

ВНИИПИ Г осударственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5

Филиал ППП "Патент", r. Ужгород, ул. Проектная, 4

5 11 стотой и высокой эффективностью, поI скольку полностью осуществляется методами полупроводникового производства. Элементы могут быть изготовлены на стандартном технологическом оборудовании с использованием полупроводникового материала, выпускаемого промьппленностью. При этом выход годных элементов составляет до 80Х с каждой пластины.