Introduzione
Caratterizzazione del Silicio Macroporoso come
Substrato per Componenti a Radiofrequenza Integrati 1
Introduzione
La tecnologia ad Alta Frequenza (sopra il GHz) per comunicazioni continua a progredire rapidamente nonostante, nel 2002, si sia registrato un leggero rallentamento nella dinamica evolutiva nell’industria dei semiconduttori. Il mercato di massa richiede una ampio utilizzo di prodotti senza fili come telefoni cellulari, PDA (Personal Digital Assistants) e prodotti di comunicazione per un’area locale (WLAN), per cui ricerca e sviluppo nelle tecnologie per la comunicazione ad Alta Frequenza è essenziale per rimanere competitivi in questo campo.
I settori principali su cui si stanno sviluppando le ricerche sono essenzialmente due:
• comunicazioni a larga banda dove l’elaborazione dei dati è il fattore primario;
• sistemi portatili senza fili dove si predilige il basso costo, la piccola dimensione e il basso consumo.
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Substrato per Componenti a Radiofrequenza Integrati 2 Un ampio settore delle ricerche in alta frequenza è occupato dal Silicio che presenta l’ovvio vantaggio di avere una tecnologia affermata già da tempo poiché risulta economica. Gli sforzi attuali vengono indirizzati alla ricerca di sistemi e circuiti su nuove tecnologie e dispositivi per RF (Radio Frequenza).
Un importante area di ricerca è la realizzazione di componenti passivi su Silicio operanti a Radio Frequenza usando nuovi approcci tecnologici per la realizzazione di dispositivi su chip come : capacità, induttori, trasformatori e strip line. Lo scopo principale è riuscire a realizzare questi componenti passivi a RF sullo stesso chip in cui viene realizzata la parte elettronica. Questo consentirebbe un decremento del peso, degli ingombri e soprattutto dei costi.
Per realizzare questi nuovi tipi di componenti si usano dei processi moderni (MEMS) compatibili con le tecnologie attuali standard (bipolare, COMS, BiCOMS). Purtroppo cause come:
• perdite di potenza;
• crosstalk;
• chip packaging;
restringono la qualità dei dispositivi passivi a RF.
Le perdite di potenza nei componenti passivi, dovuti essenzialmente alla bassa resistività di substrato, rimane la causa principale per cui non risulta essere conveniente realizzare passivi RF su Silicio. Per tale ragione gli attuali sforzi nella ricerca si propagano su due vie:
• allargare le tecnologie standard su un substrato a resistività maggiore che non presenta i problemi sopra citati;
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• realizzare con tecniche compatibili con le tecnologie standard dispositivi passivi RF di buona qualità anche su substrati a bassa resistività (come quelli usati nelle tec. CMOS o BiCMOS).
Ovviamente riuscire a trasferire una tecnologia da un substrato ad un altro comporta notevoli complicazioni soprattutto in termini di costo ecco perché l’impegno di questo elaborato è rivolto soprattutto ad indagare sulle possibili alternative.
In questo caso il problema principale è quello di realizzare con tecniche semplici ed economiche uno strato (o layer) su un substrato CMOS dove verranno costruiti successivamente i dispositivi a RF. Per tale ragione questo layer deve essere in grado di ridurre le perdite di potenza aumentando così la qualità dei dispositivi su di esso realizzati.
Questo elaborato tenta di prospettare una soluzione a questi problemi partendo dallo studio di un particolare uno strato di formato da Silicio Macroporoso. Questa struttura risulta meccanicamente stabile e può essere molto profonda garantendo così una riduzione maggiore di perdite e inoltre i processi per realizzare il Silicio Macroporoso sono tutti compatibili con le tecnologie standard (bipolare, COMS e BiCOMS).
Organizzazione della Tesi
Nel capitolo 1 è data una rappresentazione dei problemi relativi all’alta frequenza, verranno descritte e confrontate alcune soluzioni proposte in varie esperienze. Sarà valutata la possibilità di utilizzare il Silicio Poroso, elemento che verrà ampiamente descritto nel capitolo 2. Qui sarà inizialmente chiarito cosa sia effettivamente il Silicio Poroso e perché in questi ultimi anni siano
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Substrato per Componenti a Radiofrequenza Integrati 4 stati fatti tanti studi su questo elemento. Saranno illustrati vari metodi e modelli di formazione del Silicio Poroso e si focalizzerà l’attenzione sopratutto sul Silicio Macroporoso che è il substrato che viene poi ad essere caratterizzato. Si conclude infine con una breve descrizione delle moderne applicazioni dei Macropori.
Da una iniziale rappresentazione puramente teorica si passa nel capitolo 3 alla descrizione delle esperienze pratiche nei laboratori del DIMES (TUDELFT). Viene dunque illustrato, il processo sperimentale che porta alla trasformazione del Silicio in Silicio Macroporoso. Nel capitolo 4, invece, vengono analizzati le immagini ricavate al microscopio elettronico a scansione (SEM) e viene data una ampia caratterizzazione dei macropori studiandone la morfologia, la geometria e l’influenza dei parametri controllati esternamente.
Qui si trovano importanti riscontri teorici e viene approfondito la trattazione dei meccanismi di crescita.
Terminata la trattazione del substrato si passa poi all’esame del problema successivo cioè rendere questo substrato planare in modo da poterci porre in seguito delle strutture in grado di misurare le perdite.
Sono stati testati, nel capitolo 5, diversi materiali per planarizzare e si sono trovati risultati abbastanza inconsueti. Successivamente si è passati alla metallizzazione e alla realizzazione di linee coplanari (CPW).
Queste linee, nel capitolo 6, sono caratterizzate con un analizzatore di reti. Vengono estratti i parametri S e da cui si ricavano gli parametri che caratterizzano il substrato. Vengono così confrontati vari tipi di geometrie di Macropori per comprendere come questa influenza i parametri caratteristici del substrato ma soprattutto viene discussa la possibilità di utilizzare Si- Macroporoso come substrato per l’integrazione di componenti passivi a RF.
