Тонкопленочный вариконд



Тонкопленочный вариконд
Тонкопленочный вариконд
Тонкопленочный вариконд
Тонкопленочный вариконд
Тонкопленочный вариконд
Тонкопленочный вариконд

 


Владельцы патента RU 2550090:

Открытое Акционерное общество "Научно-исследовательский институт "Гириконд" (RU)

Настоящее изобретение относится к пленочным варикондам и может быть использовано в радиоэлектронной промышленности в качестве управляемого напряжением емкостного элемента в устройствах автоматики, связи и т.д. Техническим результатом является устранение возможности короткого замыкания между верхним и нижним электродами даже в случае, когда между электродами расположена очень тонкая сегнетоэлектрическая пленка. Тонкопленочный вариконд содержит слой сегнетоэлектрического материала, заключенный между нижним и верхним электродами, нижний электрод выполнен из высоколегированного монокристаллического кремния, при этом на нижней стороне кремниевого электрода выполнен омический контакт. 6 ил.

 

Заявляемое изобретение относится к варикондам на основе тонких пленок сегнетоэлектрического (СЭ) материала и может быть использовано в радиоэлектронной промышленности для создания управляемого напряжением емкостного элемента в устройствах автоматики, связи и т.д.

Пленочный вариконд вертикальной конструкции (в отличие от планарной) обычно представляет собой диэлектрическую подложку, на поверхности которой нанесена пленочная структура металл-диэлектрик-металл (фиг.1). В качестве диэлектрика используется слой СЭ материала, диэлектрическая проницаемость которого зависит от величины приложенного к нему электрического поля, что и обеспечивает возможность управления емкостью вариконда. Металлические слои служат для формирования электродов и контактных площадок вариконда.

Чаще всего в качестве СЭ диэлектрика используется известный запатентованный материал БСТО на основе бария-стронция титаната (патенты США №№: 5312790, 5486491, 5427988 - фирма United States of America Represented). Например: вариконды фирмы «Paratec Microwave», Inc. (www.paratec.com), вариконд KH1-7, разработанный в ОАО «НИИ «Гириконд».

Обычно слой СЭ материала БСТО наносится методом вакуумного радиочастотного распыления материала мишени в кислородсодержащей атмосфере при высокой (до 900°C) температуре подложки, на которую производится осаждение распыляемого материала. Известны также способы нанесения материалов типа БСТО из металлоорганических растворов, при этом для обеспечения должной кристаллической (например, перовскитной) структуры и свойств осаждаемых слоев производится операция отжига при температуре порядка 700°C. Так как до нанесения слоя рабочего диэлектрика на подложке уже должен быть сформирован нижний электрод вариконда, то материал нижнего электрода должен быть стоек к воздействию высокой температуры при осаждении слоя БСТО или отжига, а также не должен вступать в химическое взаимодействие с осаждаемым слоем. Известно, что этому требованию удовлетворяют некоторые тугоплавкие благородные металлы, например платина или палладий, которые широко применяются в качестве материала электродов тонкопленочных варикондов. Они отличаются стойкостью к окислению при высоких температурах и низкой реактивностью в отношении СЭ пленок. Основной недостаток при использовании благородных металлов в качестве материала для нижнего электрода - трудность обеспечения адгезии к подложке, особенно в случае отсутствия адгезионного подслоя. Кроме того, на поверхности тонких пленок из благородных металлов в процессе их нанесения могут образовываться дендритные выступы, из-за чего вследствие малой толщины слоя СЭ пленки возможны короткие замыкания между нижним и верхним электродами.

Известны тонкопленочные вариконды вертикальной конструкции, в которых в качестве нижнего электрода используются драгметаллы:

- заявка Японии №162369/1987 (Japanese Patent Laid-Open Gazette);

- патент США №6454914, заявл. 20.02.1997, опубл. 24.09.2002, кл. H01G/500;

- патент США №6377440, заявл. 12.09.2000, опубл. 23.04.2002, кл. H01G 4/06;

- патент США №6693791, заявл. 08.08.2002, опубл. 17.02.2004, кл. H01G 4/35.

Так в японской заявке №162369/1987 предложена конструкция вариконда, в которой нижний электрод из Pt сформирован на тонком слое MgO, образованном на кремниевой подложке. Слой СЭ материала нанесен на поверхность нижнего электрода, а верхний электрод сформирован на поверхности СЭ материала и выполнен также из Pt. В данном техническом решении тонкий слой MgO обеспечивает электрическую изоляцию нижнего электрода, выполненного из Pt, от подложки.

Известны технические решения на конструкцию пленочных варикондов, направленные на замену драгметаллов, используемых для нижнего электрода вариконда, на неблагородные металлы:

- заявка Японии №276615/1991 (Japanese Patent Laid-Open Gazette);

- патент США №5449933, заявл.30.03.1993, опубл. 12.09.1995, кл. H01L 29/04.

Так в патенте США №5449933 заявлена конструкция пленочного вариконда, в которой нижний электрод сформирован на тонкой пленке MgO, расположенной на кремниевой подложке, и представляет собой тонкую пленку из сплава никель-хром-алюминий (Ni-Cr-Al) или никель-алюминий (Ni-Al).

Наиболее близким к заявляемому изобретению техническим решением, взятым в качестве прототипа, является тонкопленочный вариконд, заявленный в патенте США №6693791 (заявл. 08.08.2002; опубл. 17.02.2004; кл. H01G 4/35).

Конструкция вариконда-прототипа приведена на фиг.2 (вариант исполнения - фиг.5 патента США №6693791).

На кремниевой подложке (1) посредством ее термического окисления сформирован слой окиси кремния (2) толщиной 600 нм и на нем методом распыления с использованием палладия в качестве мишени сформирован нижний электрод (3) из окиси палладия толщиной 200 нм. На нижнем электроде методом золь-гелевого осаждения сформирована тонкая сегнетоэлектрическая пленка (4) из титаната бария-стронция перовскитной структуры. Толщина СЭ пленки - 250 нм. На сегнетоэлектрической пленке сформирован верхний электрод (5), который также выполнен из окиси палладия толщиной 200 нм.

Основной недостаток данного технического решения - возможность возникновения короткого замыкания в случае, когда между верхним и нижним электродами, выполненными из платины, проложена тонкая сегнетоэлектрическая пленка и, как следствие этого, большой процент ранних отказов варикондов при изготовлении и эксплуатации.

Техническим результатом заявляемого изобретения является предотвращение возможности короткого замыкания между верхним и нижним электродами вариконда, даже в случае, когда между ними проложена очень тонкая сегнетоэлектрическая пленка, и уменьшение количества ранних отказов варикондов. При этом будут обеспечены приемлемые значения параметров варикондов.

Указанный технический результат достигается за счет применения высоколегированного монокристаллического кремния в качестве материала нижнего электрода, при этом пластина из высоколегированного монокристаллического кремния используется в качестве подложки пленочного вариконда. Кремний является достаточно тугоплавким материалом, способным выдерживать высокие температуры, имеющие место в процессе магнетронного распыления и осаждения слоя материала БСТО. Степень взаимодействия кремния с материалом БСТО в процессе осаждения слоя в кислородной атмосфере крайне незначительна, а проводимость кремния, особенно при высокой степени легирования, может быть достаточной для использования пластины кремния в качестве нижнего электрода вариконда.

Заявляемый отличительный признак является новым для пленочных варикондов, а заявляемое техническое решение соответствует критерию «новизна».

На фиг.3 показана структура заявляемого вариконда.

Конструкция заявляемого вариконда содержит:

6 - полупроводниковую подложку из высоколегированного монокристаллического кремния с удельным сопротивлением менее 0,005 Ом-см марок КДБ-0,005 или КДФ-0,005 толщиной 0,38 мм;

7 - слой СЭ материала БСТО толщиной около 1 мкм, нанесенный вакуумным радиочастотным распылением;

верхний электрод, содержащий:

8 - слой алюминия толщиной 0,8 мкм, нанесенный магнетронным распылением;

9 - адгезионный подслой ванадия толщиной 0,08 мкм;

10 - слой меди толщиной 0,6 мкм, нанесенный магнетронным распылением;

11 - гальванически выращенные слои меди толщиной 35-40 мкм;

12 - сплава олово-висмут толщиной 10-15 мкм. Рисунок верхнего электрода выполняется фотолитографическими методами.

Данная конструкция является основным вариантом исполнения заявляемого тонкопленочного вариконда. Она не предполагает возможность поверхностного монтажа, т.к. электрические контакты вариконда (сплав олово-висмут и высоколегированная кремниевая подложка) находятся на противоположных сторонах подложки.

Для уменьшения электрического сопротивления нижнего электрода, выполненного из высоколегированного монокристаллического кремния, вышеописанная структура дополнительно содержит (фиг.4) слой металла (13), обеспечивающий омический контакт к кремнию. Таким металлом может быть, например, алюминий, нанесенный в ваккуме на нижнюю поверхность подложки из монокристаллического кремния и затем вожженный в кремний при температуре около 450°C. Это техническое решение является вторым вариантом исполнения заявляемой конструкции вариконда.

Наиболее перспективный метод монтажа радиоэлементов в аппаратуру - это поверхностный монтаж, при котором все контактные выводы радиоэлемента монтируются на монтажную поверхность одновременно.

Для обеспечения возможности поверхностного монтажа варикондов предлагается последовательное соединение на одной подложке двух варикондов:

- первого варианта исполнения (фиг.3), показанное на фиг.5;

- второго варианта исполнения (фиг.4), показанное на фиг.6.

Соединение осуществляется за счет проводимости материала подложки (высоколегированного монокристаллического кремния) и слоя вожженного алюминия (при его наличии - второй вариант исполнения).

Главное отличие заявляемого технического решения вариконда от прототипа - это то, что материалом нижнего электрода является высоколегированный монокристаллический кремний в виде кремниевой пластины, одновременно являющейся подложкой вариконда.

Заявляемый отличительный признак обеспечивает «изобретательский уровень».

Заявляемая конструкция вариконда реализуется путем последовательного проведения следующих основных операций:

- нанесение слоя СЭ материала на подложку (вакуумное);

- нанесение слоя алюминия на нижнюю поверхность подложки из высоколегированного монокристаллического кремния (вакуумное) с последующим вжиганием его в кремний (для варикондов второго варианта исполнения: фиг.4 и фиг.6);

- нанесение многослойной тонкопленочной металлической структуры верхнего электрода, состоящей из слоев алюминия, меди и ванадия (вакуумное);

- локальное травление слоев ванадия, меди и алюминия, входящих в состав верхнего электрода (фотолитография);

- нанесение защитного покрытия и формирование рисунка в защитном слое (фотолитография);

- формирование контактных узлов, представляющих собой структуру

из гальванически выращенных слоев меди и сплава олово-висмут.

В качестве доказательства промышленной применимости заявляемого решения в табл.1 представлены результаты измерения параметров варикондов заявленной конструкции первого варианта исполнения (фиг.3), относящиеся к варикондам с толщиной диэлектрика 3 мкм из пленки БСТО с площадью обкладок 0,27 мм2.

Таблица 1
Параметры варикондов заявленной конструкции
Емкость, пф Управляющее напряжение, В Коэффициент управления
203,6 0 -
123,7 100 1,65
102,0 150 2,00
99,1 200 2,31
78,6 250 2,59
71,3 300 2,85

Как видно из приведенных данных, заявленное решение характеризуется высокими эксплуатационными свойствами

Имеющаяся в ОАО «НИИ «Гириконд» научная и технологическая база в области керамических конденсаторов и материалов обеспечивает высокий технический уровень заявляемых варикондов.

Тонкопленочный вариконд

Фиг.1 - Обычный вид пленочного вариконда вертикальной конструкции.

Фиг.2 - Тонкопленочный вариконд согласно патенту США №6693791 -

ближайший прототип (разрез структуры).

Фиг.3 - Тонкопленочный вариконд заявляемой конструкции (разрез структуры).

Фиг.4 - Тонкопленочный вариконд заявляемой конструкции с уменьшенным сопротивлением нижнего электрода (разрез структуры).

Фиг.5 - Тонкопленочный вариконд заявляемой конструкции для поверхностного монтажа (разрез структуры).

Фиг.6 - Тонкопленочный вариконд заявляемой конструкции для поверхностного монтажа с уменьшенным сопротивлением нижнего электрода (разрез структуры).

Тонкопленочный вариконд, содержащий слой сегнетоэлектрического материала, заключенный между нижним и верхним электродами, отличающийся тем, что нижний электрод вариконда выполнен из высоколегированного монокристаллического кремния, при этом на нижней стороне кремниевого электрода выполнен омический контакт.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к области микро- и наноэлеткроники, где используются кратковременные и комбинированные источники тока. В частности, изобретение может быть использовано в качестве накопителя энергии.

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано для производства слюдобумажных конденсаторов и других электротехнических изделий. Техническим результатом является повышение надежности слюдобумажных конденсаторов.

Изобретение относится к способам и устройствам преобразования электроэнергии (трансформаторам), а также к переключателям с прямолинейным движением органа управления.

Изобретение относится к электротехнике, в частности к технологии и оборудованию для передачи электроэнергии по одному проводящему каналу. .

Изобретение относится к электротехнике и радиотехнике и может быть использовано в энергетике для изготовления базового элемента конвертера энергии физического поля планеты Земля непосредственно либо в электрическую энергию, либо в механическую.

Изобретение относится к радиотехнике, в частности к изготовлению элементов электрического оборудования, и может быть использовано при изготовлении конденсаторов для гибридных интегральных схем.

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано при создании конденсаторов для накопления энергии. .

Изобретение относится к радиотехнике и быть использовано при изготовлении намотанных многослойных конденсаторов (МК). .

Предложен двухслойный конденсатор (EDLС), который имеет первую (110) и вторую (120) электропроводящие структуры, отделенные друг от друга разделителем (130). По меньшей мере одна из первой и второй электропроводящих структур включает в себя пористую структуру, содержащую множество каналов (111, 121) с отверстием на поверхности пористой структуры, при этом каждый из каналов имеет отверстие (112, 122) на поверхности (115, 125) пористой структуры. В другом варианте изобретения устройство накопления заряда включает в себя множество наноструктур (610) на подложке (605), электролит (650), находящийся в физическом контакте по меньшей мере с некоторыми наноструктурами, материал (615), имеющий диэлектрическую проницаемость по меньшей мере 3,9, расположен между электролитом и наноструктурами. Наноструктуры в заявленном устройстве выполнены из кремния, кремний-германия, карбида кремния, алюминия, вольфрама, меди. Предложен также способ изготовления электропроводящей структуры и способ изготовления устройства накопления заряда. Снижение габаритов и веса устройства, увеличение площади поверхности электрода и его емкости является техническим результатом изобретения. 5 н. и 30 з.п. ф-лы, 11 ил.

Изобретение относится к области электротехники, в частности к конденсаторам с нестандартным расположением электродов. Техническим результатом изобретения является повышение точности измерения температуры исследуемого кристалла и улучшение условий охлаждения кристалла. Устройство представляет собой электрический конденсатор, используемый для метода импедансной спектроскопии кристаллов, взаимодействующих с лазерным излучением. Каркас конденсатора образуют две диэлектрические стойки, закрепленные в диэлектрической пластине основания. Используемый в работе кристалл кварца размещается в стойках. Металлические электроды располагаются вдоль длины кристалла в радиальных плоскостях оси конденсатора, центрально симметрично по отношению к оси, на одинаковом от нее расстоянии. Наличие симметрии обеспечивает контроль степени однородности электрического поля в кристалле путем изменения количества электродов в конденсаторе. В случае, если количество электродов больше двух, то углы между плоскостями, соответствующими соседним электродам каждой обкладки конденсатора, одинаковые. Данная конфигурация расположения, малая толщина и использование хорошо отражающего свет металла для электродов минимизируют долю поглощаемого ими рассеянного излучения. Электроды играют роль эффективного радиатора, способствующего контролируемому, однородному охлаждению кристалла. Лучшие условия охлаждения кристалла достигаются использованием большего числа электродов в конденсаторе. 1 з.п. ф-лы, 4 ил.

Изобретение относится к области электротехники и микроэлектроники, а именно к устройствам для хранения энергии, в которых выполнены пористые электроды для электрохимических конденсаторов с сильно развитой пористой поверхностью, сформированной с использованием нанотехнологий. Предложены варианты выполнения устройства для хранения энергии, а также способ формирования устройства и пористых электродов. В варианте осуществления изобретения устройство для хранения энергии включает в себя пористую структуру, образованную множеством главных каналов внутри электропроводящей структуры в направлении плоскости кристалла, при этом каждый из главных каналов имеет отверстие в главной поверхности кристалла, и каждый из главных каналов проходит в электропроводящую структуру под острым углом к главной поверхности кристалла. В варианте осуществления изобретения устройство для хранения энергии включает в себя пористую структуру, содержащую матрицу V-образных канавок и пирамидальных углублений. Повышение емкости и надежности устройства хранения энергии, является техническим результатом изобретения. 4 н. и 23 з.п. ф-лы, 27 ил.
Наверх