Способ создания высокочастотного микротрансформатора

(51) МПК НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ СПОСОБ СОЗДАНИЯ ВЫСОКОЧАСТОТНОГО МИКРОТРАНСФОРМАТОРА(71) Заявитель Государственное научнопроизводственное объединение Научно-практический центр Национальной академии наук Беларуси по материаловедению(72) Авторы Демьянов Сергей Евгеньевич Канюков Егор Юрьевич Петров Александр Владимирович(73) Патентообладатель Государственное научно-производственное объединение Научно-практический центр Национальной академии наук Беларуси по материаловедению(56) ПЕТРОВ А.В. и др. Микротрансформаторы и микроконденсаторы на основе ионных треков Сборник докладов ФТТ-2005. - 2005. - С. 479-481..--,. - 2004. - . 94-106, 142-144, 147150.(57) Способ создания высокочастотного микротрансформатора, в котором на обе стороны гибкой пленки полиимида со сквозными цилиндрическими порами термическим напылением осаждают медь через идентичные трафаретные маски в указанные поры для формирования переходных проводников, выполненных в виде столбиков меди в порах затем последовательно на обе стороны указанной пленки через соответствующие трафаретные маски напыляют медные проводники в виде элементов планарных полуобмоток трансформатора, контактирующих между собой через указанные переходные проводники, для завершения формирования структуры трансформатора в целом. 16422 1 2012.10.30 Изобретение относится к области слаботочной электротехники, микроэлектроники и может быть использовано в высокочастотных электротехнических системах аэрокосмического назначения, в автомобильной технике и медицине. Известен способ создания микротрансформатора, структура которого формируется на подложке кремния 1. Микротрансформатор состоит из двух медных планарных катушек,каждая из которых представляет собой спираль с различным количеством витков для первичной и вторичной обмоток. Микротрансформатор изготавливался на основе кремния по стандартному 90 нм КМОП-процессу (комплементарная логика на транзисторах металлоксид-полупроводник) с использованием методов термического напыления 2, нанесения затравочного слоя, гальванического осаждения меди, химико-механической обработки медного слоя, нанесения фоторезиста, травления через шаблон и нанесения пассивационной пленки. На первом этапе на оксидированную поверхность кремния наносился слой фоторезиста, который в последующем травился через шаблон. Далее производилось гальваническое осаждение меди на предварительно нанесенный затравочный слой,после чего избыточная медь удалялась при помощи химико-механической обработки таким образом, чтобы формировалась структура медной обмотки заданной формы. На конечном этапе обмотки защищались пассивационной пленкой. Такой микротрансформатор работоспособен в диапазоне частот 106-1010 Гц, имеет аспектное соотношение (отношение ширины проводника к расстоянию между витками), равное 8, взаимная индуктивность обмоток составляет 1,45 нГн и коэффициент связи 57 . Недостаток данного способа заключается в многостадийности технологии изготовления, связанной с несколькими этапами фотолитографии и применением различных физико-химических методик травления, а главное - с необходимостью использования жесткой кремниевой подложки на всех стадиях изготовления микротрансформатора. Наиболее близким по технической сущности к заявляемому изобретению является способ создания высокочастотного микротрансформатора, заключающийся в формировании его структуры в виде двух однослойных спиральных обмоток планарного типа из проводника медно-алюминиевого сплава, разделенных диэлектриком, которые сформированы на подложке кремния 2. Данный способ заключается в том, что микротрансформатор, представляющий собой многослойную структуру, изготавливался по 9-ступенчатой технологии с использованием методов фотолитографии, термического напыления, магнетронного реактивного ионного травления и плазмохимического травления фтористыми и хлористыми газами. На первом этапе на окисленную поверхность кремния с толщиной слоя оксида кремния 1 мкм при помощи напыления проводящего сплава - толщиной 10 мкм наносился слой проводника, в дальнейшем используемый для создания первичной обмотки трансформатора. Далее поверх пленки - напылялся слой 2, который использовался как маска для травления. Слой 2, в свою очередь, покрывался положительным фоторезистом, а фототравление выполнялось таким образом, чтобы стравить оксид кремния, оставив спиральную обмотку с шагом 3 мкм. После этого, используя газ 4, проводилось плазмохимическое травление полученной структуры с использованием фоторезиста в качестве маски. Слой 2, не защищенный фоторезистом, был стравлен с сохранением спиральной катушки. При помощи магнетронного реактивного ионного травления с использованием газов 2 и 3 стравливался слой - до поверхности оксида кремния на кремнии. В результате была сформирована первичная обмотка трансформатора спирального типа. Далее удалялся фоторезист и слой 2, расположенный поверх проводника -, после чего напылялся слой 2 толщиной 1,5 мкм для разделения первичной и вторичной обмоток. Аналогично первичной формировалась вторичная обмотка. Созданный таким образом планарный микротрансформатор имеет следующие параметры аспектное соотношение 3,3, индуктивность первичной обмотки 3,8 мкГн, индуктивность вторичной обмотки 14 мкГн, взаимная индуктивность 6,8 мкГн, коэффициент связи 93 . 2 16422 1 2012.10.30 Синусоидальное напряжение частотой 500 МГц с эффективным значением 1 В, приложенное к первичной обмотке трансформатора, приводит к повышению напряжения на второй обмотке до 1,7 В. Недостатком указанного способа является его сложность, обусловленная многостадийной технологией с применением различных методик изготовления. Задачей заявляемого решения является упрощение способа создания высокочастотного микротрансформатора. Поставленная задача решается за счет того, что на диэлектрик наносятся проводники из меди с помощью трафаретных масок. Новым, по мнению авторов, является то, что на обе стороны гибкой пленки полиимида со сквозными цилиндрическими порами термическим напылением осаждают медь через идентичные трафаретные маски в указанные поры для формирования переходных проводников, выполненных в виде столбиков меди в порах затем последовательно на обе стороны указанной пленки через соответствующие трафаретные маски напыляют медные проводники в виде элементов планарных полуобмоток трансформатора, контактирующих между собой через указанные переходные проводники, для завершения формирования структуры трансформатора в целом. Для изготовления обмоток трансформатора в качестве основы используется диэлектрическая пленка полиимида со сквозными порами средним диаметром 0,2 мкм и плотностью 107/мм 2. Они служат переходными отверстиями,обеспечивающими электрический контакт между частями обмоток, сформированными на обеих сторонах пленки диэлектрика. Сущность изобретения заключается в использовании в качестве диэлектрической основы гибкой пленки полиимида, содержащей сквозные поры, в исключении при изготовлении жесткой подложки кремния и его оксида, а также многостадийных процессов фотолитографии и травления для формирования структуры трансформатора. На фиг. 1 приведено схематическое изображение структуры обмоток микротрансформатора. На фиг. 2 приведена микрофотография трансформатора, сформированного на пористой пленке полиимида. На фиг. 3 приведены частотные зависимости напряжения на первичной и вторичной обмотках микротрансформатора. Данное изобретение, а именно способ создания высокочастотного микротрансформатора, реализуется следующим образом. В качестве основы для формирования обмоток трансформатора применена гибкая диэлектрическая пленка полиимида толщиной 20 мкм со сквозными цилиндрическими порами средним диаметром 0,2 мкм и плотностью 107/мм 2. Конструктивно микротрансформатор состоит из двух вставленных одна в другую трехмерных спиральных обмоток (фиг. 1). Структура обмоток микротрансформатора формировалась путем нанесением на пленку полиимида проводников из меди с помощью трафаретных масок. На первом этапе с обеих сторон полиимидной пленки накладывались 2 идентичные маски с заданным количеством и расположением отверстий, которые при термическом напылении меди формировали столбики металла в порах, выполняющие роль переходных проводников между слоями планарных полуобмоток. Далее на одной из сторон полиимидной пленки с помощью маски напылялись медные проводники, горизонтально соединяющие столбики металла в порах. Таким способом была сформирована половина обеих обмоток трансформатора. Напыление меди для образования второй части обмотки производилось на обратной стороне полиимидной пленки с помощью маски, форма которой позволила диагонально соединить межслойные металлические перемычки и сформировать структуру обмоток трансформатора в целом. Созданный таким образом микротрансформатор (фиг. 2) имеет трехмерную конфигурацию и состоит из двух обмоток с числом витков 3 и 4. Толщина витков равнялась 3 16422 1 2012.10.30 10 мкм при ширине витка 100 мкм и межвитковом зазоре 30 мкм. Аспектное соотношение составило 3,3. Измерение частотных зависимостей формы и электрического напряжения на первичной и вторичной обмотках свидетельствовало о его работоспособности как высокочастотного трансформатора в интервале частот 107-109 Гц с коэффициентом связи около 90(фиг. 3). Преимуществами заявляемого изобретения по сравнению с известным является использование в качестве диэлектрической основы гибкой пленки полиимида, исключение необходимости формирования многослойной структуры обмоток на жесткой подложке кремния с оксидированным слоем и процесса фотолитографии. Источники информации 1. - , --//. - 2007. - . 17. - . 1504-1510. 2..,.,.,. //6,593,841 1, 15.07.2003. Национальный центр интеллектуальной собственности. 220034, г. Минск, ул. Козлова, 20. 4