12. 2 Гибридные интегральные схемы

2.1 Конструктивные особенности тонкопленочных и толстопленочных ГИС

С момента рождения микроэлектроники гибридные ИМС получили широкое применение. Однако, к настоящему времени роль ГИС несколько снижается, что обусловлено рядом обстоятельств. Основным преимуществом ГИС является более простая и дешевая, по сравнению с полупровродниковой, технология изготовления, больший процент выхода годных изделий. Именно эти обстоятельства вызвали большой интерес к гибридной технологии в области низких, высоких и сверхвысоких частот. Развитию технологии ГИС было посвящено множество исследований, в результате чего параметры микросхем и РЭА на их основе достигли своих оптимальных соотношений, а технологические процессы изготовления ГИС доведены до совершенства. Основным недостатком ГИС по сравнению с полупроводниковыми ИМС является относительно низкая плотность упаковки, низкая степень интеграции. Эти факторы стимулировали развитие полупроводниковой технологии, и в настоящее время современная РЭА на основе полупроводниковых ИМС имеет параметры (массогабаритные, потребляемая мощность, быстродействие, стоимость), недостижимые для ГИС. На основе пленочной технологии, составной части технологии ГИС, изготавливаются интегральные элементы функциональной электроники, интегральные датчики физических величин, небольшие партии специализированных микросхем, для которых полупроводниковая технология экономически не оправдана.

Основными конструктивными элементами ГИС являются:

диэлектрическая подложка;

пленочные пассивные элементы;

навесные бескорпусные полупроводниковые приборы;

навесные миниатюрные пассивные элементы (конденсаторы больших номинальных емкостей, катушки индуктивности, трансформаторы, и т.п.);

корпус.

Подложка ГИС выполняет следующие функции:

представляет собой конструктивную основу, на которой формируются и монтируются элементы ГИС;

обеспечивает электрическую изоляцию элементов;

служит теплоотводом.

К материалу подложки независимо от конструкции и назначения ГИС предъявляются следующие требования:

Высокое качество рабочей поверхности. Это необходимо для обеспечения четкости и прочности рисунка схемы, воспроизводимости электрических параметров элементов.

Высокая механическая прочность при небольшой толщине. В ходе технологического процесса подложка подвергается многократному воздействию высокотемпературных операций, которые могут способствовать ее растрескиванию и разрушению.

Минимальная пористость. Пористость подложки влияет на структуру и свойства пленок. Кроме того, в процессе нагрева из подложки выделяются адсорбированные газы, которые ухудшают качество наносимых пленок. Высокая плотность подложки позволяет исключить интенсивное газовыделение.

Высокая теплопроводность. Это необходимо для обеспечения эффективного теплоотвода при работе микросхемы.

Химическая стойкость. В состав подложки не должны входить вещества, которые могут вступать в химические реакции с наносимыми пленками и реагентами, применяемыми в технологическом процессе.

Высокое удельное сопротивление. Это необходимо для электрической изоляции элементов схемы.

Близость коэффициентов термического расширения подложки и наносимых на нее пленок. Это необходимо для исключения возможности появления механических напряжений в пленках, которые ведут к изменению электрических свойств пленочных элементов.

По возможности низкая стоимость исходного материала и технологии его обработки. Это требование находится в жестком противоречии с требованиями 1 – 7.

Для изготовления подложек ГИС применяются следующие материалы: стекла электровакуумные, глазурь, керамические вакуум-плотные материалы 22ХС, поликор, сапфирит, сапфир, кварц, ситаллы.

Стеклоимеет очень гладкую поверхность и обладает хорошей адгезией со всеми материалами, применяемыми для изготовления ГИС. К недостаткам подложек из стекла относятся плохая теплопроводность и невысокая механическая прочность.

Ситаллявляется стеклокерамическим материалом, получаемым термообработкой стекла. По сравнению со стеклом ситалл имеет в несколько раз большую механическую прочность, более высокую температуру начала деформации. Ситалл имеет высокую сопротивляемость истиранию, обладает высокой химической стойкостью к кислотам, имеет малую пористость, малую газоотдачу при высоких температурах. Благодаря своим совойствам он широко применяется для изготовления подложек ГИС.

Сапфирпредставляет собой монокристаллическую окись алюминия. Он обладает высокой теплопроводностью, высокой механической прочностью, химической стойкостью, устойчивостью к воздействию высокой температуры, влаги. Кроме того, он обладает очень малыми диэлектрическими потерями в СВЧ диапазоне. Стоимость сапфировых подложек крайне высока, что ограничивает область их практического применения.

Поликор– керамика на основе поликристаллической окиси алюминия (корунда) с предельно высокой плотностью. Обладает малыми диэлектрическими потерями, высокой химической стойкостью, высокой теплопроводностью, малой пористостью, стойкостью к воздействию высоких температур. Шероховатость поверхности поликоровой подложки составляет порядка 2 мкм, поэтому перед нанесением тонких пленок поверхность покрывается тонким слоем глазури. Поликор – превосходный материал для изготовления подложек ГИС СВЧ диапазона. Более широкое применение сдерживается его высокой стоимостью

Керамика 22ХС– получается путем спекания порошка на основе монокристаллической окиси алюминия. Обладает малыми диэлектрическими потерями, высокой химической стойкостью, высокой теплопроводностью, малой пористостью, стойкостью к воздействию высоких температур. Применяется для изготовления толстопленочных ГИС, а также для изготовления ответственных деталей корпусов ВЧ и СВЧ полупроводниковых приборов и микросхем.

2.2 Методы получения толстых пленок

В основе толстопленочной технологии лежит метод трафаретной печати (сеткографии). Пленки образуются путем нанесения пластичных паст через сетчатые трафареты с последующим их вжиганием. Толщина слоя обычно составляет 20 – 50 мкм.

Технологический процесс изготовления толстопленочных элементов включает в себя следующие этапы:

1. Изготовление сетчатых трафаретов. Для изготовления трафарета на нижнюю поверхность капроновой или металлической сетки, натянутой с помощью специального приспособления, наносится светочувствительный фоторезист (пигментная бумага, пленочные фоторезисты). Затем методом фотолитографии получается негативный рисунок схемы. В местах, где должна быть нанесена пленка, фоторезист удаляется. Общее количество трафаретов определяется количеством пленок, которые требуется нанести на подложку.

2. Нанесение пасты через трафарет. Трафарет натягивается с помощью специального приспособления, и под ним размещается подложка. Высота от подложки до трафарета зависит от требуемой толщины пленки и обычно составляет 0.5 – 0.75 мм. Подложка фиксируется механически или вакуумным присосом. Паста наносится по всей площади трафарета и продавливается с помощью ракеля. При перемещении ракеля паста переносится на подложку в виде столбиков, копирующих отверстия в сетке. Под действием усилия ракеля трафарет прогибается до соприкосновения с подложкой. По мере прохождения ракеля трафарет возвращается в исходное положение, и продавленные столбики пасты растекаются, образуя требуемый рисунок.

3. Термическая обработка. Включает в себя сушку и вжигание. Сушка необходима для удаления (испарения) органического растворителя, входящего в состав паст. Скорость проведения процесса сушки тщательно подбирается. При слишком быстрой сушке выгорает органический растворитель, и пленка разрушается. При слишком медленной сушке в составе пленок сохраняется углерод, который ухудшает их свойства. Температура вжигания составляет до 1000 ⁰С. Температура и длительность вжигания зависят от состава паст и тщательно регулируются.

4. Подгонка номиналов конденсаторов и резисторов. Толстопленочные резисторы даже при хорошо отлаженной технологии имеют разброс сопротивлений не менее 20 %– 30%.

При необходимости нанесения нескольких слоев (резистивный, диэлектрический, проводящий) последовательность нанесения паст определяется режимами их вжигания: последующее вжигание проводится при температуре более низкой, чем предыдущее. Это необходимо для исключения возможности химических реакций между различными пленками.

Точность номиналов толстопленочных элементов и их минимальные размеры определяются многими факторами, основные из которых следующие:

1. Точность совмещения трафаретов. Зависит от типа используемого оборудования и настроения оператора.

2. Точность установки расстояния между подложкой и трафаретом. Отклонение этого расстояния на 20 мкм может привести к изменению сопротивления резистора на 1%.

3. Вязкость пасты. Зависит от температуры, соотношения органического и порошкового компонентов в составе пасты.

4. Размер ячеек трафарета. Слишком большие ячейки приведут к снижению разрешающей способности и увеличению неравномерности толщины пленки. Через слишком маленькие ячейки паста не продавится.

5. Давление ракеля, скорость перемещения ракеля, форма ракеля, угол атаки ракеля, усилие натяжения трафарета. Все эти параметры взаимозависимы и влияют на толщину и равномерность толщины пленки, тщательно подбираются и контролируются.

6. Температура вжигания. Отклонение температуры на 1 ⁰С может привести к изменению сопротивления резистора на 3 %.

Подгонка значений сопротивлений может производиться разными методами. Наиболее известные следующие:

• Механический. Резистивная пленка фрезеруется алмазным бором на турбинном фрезерном станке с частотой вращения бора до 30'000 об/мин.

• Химический. Горячая струя водорода или кислорода, направляемая на резистор, восстанавливает или окисляет его проводящие компоненты, уменьшая или увеличивая таким образом его сопротивление.

• Лазерный. Кромка резистивной пленки испаряется под действием лазера. Для этих целей могут применяться твердотельные и газовые лазеры. Этот метод считается наиболее прогрессивным и производительным.

2.3 Методы получения тонких пленок

Технология считается тонкопленочной, если толщина металлизации составляет 0.5 – 20 мкм. По своему назначению пленки подразделяются на:

• Металлические – для создания проводящих покрытий. Проводящие покрытия образуются путем нанесения пленок металлов с хорошей электропроводностью. Это может быть медь, алюминий, серебро, золото, тантал.

• Резистивные – для создания поглощающих покрытий. Резистивные пленки образуются на основе металлов – хрома, никеля, вольфрама, титана, рения, а также их сплавов в различном сочетании; керметов, и др.

• Резистивные – для создания адгезионного подслоя. Необходимость создания адгезионного подслоя появляется всвязи с недостаточно хорошей адгезией металлических пленок к диэлектрической подложке. Резистивные пленки обладают хорошей адгезией как с металлами, так и с некоторыми диэлектриками.

• Защитные проводящие – для защиты металлических пленок от окисления. Некоторые металлические проводящие покрытия не обладают достаточной химической стойкостью и требуют дополнительной защиты от внешних воздействий. В качестве защитных покрытий могут использоватьзя золото, никель, палладий, платина, и др.

• Защитные диэлектрические – для защиты поглощающих покрытий от механичеких повреждений. Как правило, резистивные пленки имеют рыхлую структуру, которая повреждается при механических воздействиях (случайное прикосновение, воздействие промывочных жидкостей – спирта, ацетона, и др.). Поглощающие пленки защищаются путем нанесения механически и химически прочных диэлектрических пленок, лаков. Защитные диэлектрические пленки получаются на основе двуокиси кремния, пятиокиси тантала, боросиликатного стекла, и др.

• Диэлектрические – для создания обкладок тонкопленочных конденсаторов. Такие пленки получаются на основе окиси и двуокиси кремния, окиси германия, пятиокиси тантала, сегнетоэлектриков – титаната бария, титаната стронция, и др.

Тонкопленочные технологии, как правило, образуют многослойные структуры и основаны на сочетании различных способов нанесения покрытий. К таким способам относятся:

• вакуумное напыление:

  • термическое испарение;

  • катодное распыление;

  • ионно-плазменное распыление;

  • СВЧ распыление;

• электрохимическое осаждение:

  • электролитическое осаждение;

  • химическое осаждение;

  • анодное окисление.

Термическое испарение. Сущность метода термического испарения в вакууме состоит в испарении атомов напыляемого материала при высокой температуре, и их осаждение (термическая конденсация) на подложке. Для обеспечения процесса испарения давление паров испаряемого вещества должно значительно превышать давление остаточных газов в камере, тепловая энергия атомов должна превышать силу сцепления между атомами, длина свободного пробега атомов испаряемого вещества должна быть больше, чем расстояние между испарителем и подложкой. Это достигается созданием глубокого вакуума – порядка 10^-4Па (при этом длина свободного пробега составляет порядка 70 см), разогревом испаряемого вещества – навески – до 1500⁰С. Для разогрева навеска помещается в испаритель, изготовленный из тугоплавкого металла с низкой летучестью (в большинстве случаев это вольфрам или молибден). Испаритель разогревается под действием электрического тока. Испаряющиеся атомы навески движутся прямолинейно (длина свободного пробега в несколько больше расстояния до подложки) и конденсируются на всех поверхностях, имеющих более низкую температуру, в том числе на подложке. Для повышения равномерности толщин пленок и увеличения производительности процесса внутри камеры устанавливается вращающаяся карусель масок и подложек. Прерывание процесса напыления обеспечивается специальной заслонкой с электромагнитным приводом, установленной перед подложкой, которая прерывает в нужный момент поток испаряемого материала. Метод прямого термического испарения используется для получения проводящих пленок меди, алюминия, золота, серебра, платины; резистивных слоев никеля, хрома, нихрома, керметов; диэлектрических пленок окиси германия, окиси кремния.

Достоинства метода: относительная простота, высокая чистота пленок вследствие использования глубокого вакуума. Недостатки: сложность распыления тугоплавких материалов, плохая воспроизводимость свойств многокомпонентных резистивных пленок вследствие различия парциальных давлений отдельных компонентов, инерционность процесса, необходимость создания высокой температуры и глубокого вакуума.

Недостатки, связанные с испарением тугоплавких материалов и не очень высокой скоростью испарения частично преодолеваются использованием в качестве испарителей тиглей из термостойкой керамики. При этом материал навески разогревается под действием либо высокочастотного электромагнитного поля (индукционный нагрев), либо под действием потока электронов с высокой энергией (электронная бомбардировка). При электронной бомбардировке можно достичь большой концентрации мощности, что позволяет испарять тугоплавкие материалы и получить существенное увеличение скорости испарения.

Катодное распыление(диодная система) осуществляется бомбардировкой катода – мишени – положительно заряженными ионами инертного газа с высокой энергией, которые получаются путем ионизации атомов газа в электрическом поле и разгоне ионов в пространстве тлеющего разряда. Энергия бомбардирующих ионов должна быть не менее порогового значения, ниже которого распыления мишени не происходит, и не больше предельного значения, при котором начинается имплантация ионов в мишень. В качестве газа обычно используется аргон, который обладает наибольшим атомным весом, что позволяет получить более высокую скорость распыления. Перед заполнением камеры инертным газом в ней создается разрежение порядка 10^-3Па. Давление газа при напылении лежит в пределах 0.1 – 70 Па. Пленки материалов, полученные данным методом, содержат нежелательные примеси, что объясняется недостаточно хорошей очисткой камеры от посторонних газов при создании вакуума. Ассортимент напыляемых материалов ограничен всвязи с тем, что материал катода (мишени) должен обладать достаточно высокой электропроводностью. Данный метод позволяет получать проводящие пленки металлов, резистивные пленки.

Диэлектрические пленки могут быть получены путем реактивного катодного напыления, при котором к основной массе инертного газа примешивается небольшая порция активных газов, способных образовывать необходимые химические соединения с распыляемым материалом катода. Так, путем добавления к аргону кислорода можно получить пленку окисла, азота – нитрида, моноокиси углерода – карбида соответствующего металла.

Достоинства метода: возможность распыления любых металлов ( в том числе тугоплавких и многокомпонентных сплавов), возможность получения пленок практически любой толщины, высокая адгезия пленок. Недостатки: низкая скорость осаждения пленок, невозможность распыления диэлектриков.

Ионно-плазменное распыление(триодная система). Такая система содержит катодному напылению мишень – катод, подложку – анод, между которыми поддерживается дуговой газовый разряд. Этот разряд создается с помощью дополнительного катода – термокатода и дополнительного анода (далее – анода). Разряд зажигается при приложении постоянного напряжения порядка 200 В между анодом и термокатодом. После зажигания разряд (плазма) поддерживается при напряжении порядка 20 В и токе в несколько ампер. Мишень имеет отрицательный относительно плазмы потенциал порядка 2 – 3 кВ. Скорость осаждения пленок существенно выше, чем в катодной системе и для металлов доходит до 300 нм/мин. Адгезия пленки, полученной методом инно-плазменного напыления, очень высока благодаря тому высокой энергии атомов, попадающих на подложку, эта энергия примерно в 20 раз выше, чем при термическом напылении.

Установка механической заслонки между подложкой и мишенью позволяет бомбардировать мишень ионами без осаждения пленок. При этом реализуется ионная очистка мишени. Такая очистка позволяет повысить чистоту и воспроизводимость напыляемой пленки. Аналогичным образом производится ионная очистка подложки, что позволяет увеличить адгезию наносимых пленок.

Достоинства метода: уменьшение расстояния от мишени до подложки, возможность получения более чистых пленок, повышенная плотность пленок, высокая адгезия пленок к подложке.

Высокочастотное (СВЧ) распылениеявляется разновидностью ионно-плазменного распыления. Его особенностью является возможность распылять диэлектрики, что неосуществимо в системах на постоянном токе. Распыление производится в вакууме при давлении порядка 1 Па. При этом мишень бомбардируется попеременно положительными и отрицательными ионами, благодаря чему за один полупериод происходит нейтрализация заряда на диэлектрической мишени. Для предотвращения перегрева подложки и мишени вследствие поглощения быстрых электронов применяется принудительное водяное охлаждение.

Достоинства метода: возможность распыления многокомпонентных мишеней с высокой точностью воспроизведения их состава на осажденной пленке, возможность распылять диэлектрики, высокая адгезия пленок. Основной недостаток – разогрев поверхности пленки быстрыми электронами, в результате чего при превышении температуры выше крической пленка разрушается.

Электролитическое осаждениеосновано на электролизе растворов под действием электрического тока и осаждении металла на катоде. Метод электролитического осаждения используется для создания токопроводящих элементов схем, защитных антикоррозионных покрытий. Для получения токопроводящих элементов используются медь и золото, для получения антикоррозионных покрытий – никель, золото, сплавы олово-висмут, олово-кобальт, и др. Используются два способа осаждения слоя металла:

- субтрактивная технология. При этом слой металла наносится по всей поверхности подложки.

- полуаддитивная технология. При этом осаждение покрытий производится по заранее сформированному проводящему рисунку схемы. Отдельные проводящие площадки соединяются друг с другом в единую электрическую цепь технологическими перемычками. Полуаддитивная технология используется для усиления медного рельефа, осаждения защитных покрытий.

Равномерность осаждения металлических покрытий определяется множеством факторов, основные из которых следующие:

- Плотность тока. При повышении плотности тока увеличивается скорость осаждения покрытий, но ухудшается их качество – увеличивается неравномерность толщины по всей площади подложки, увеличивается рыхлость.

- Однородность химического состава электролита в объеме ванны. Для повышения однородности электролит непрерывно перемешивается.

- Рассеивающая способность электролита. Для повышения однородности плотности тока в объеме ванны применяются электролиты с высокой рассеивающей способностью. При заниженных плотностях тока возможно недопустимое утоньшение покрытия, при завышенных – образование утолщений и шероховатостей на углах и торцах платы, повышенная рыхлость покрытия.

- Взаимное расположение подложек (катода) и анода. Для повышения равномерности осаждения тщательно подбираются соотношения площадей анода и катода, расстояние от анода до катода, глубины погружения анода и катода.

- Температура электролита.

Для уменьшения пористости и рыхлости покрытий применяется реверсирование тока. Соотношение катодных периодов (осаждение металла на подложку) и анодных периодов (растворение осажденного покрытия) обычно составляет от 15:1 до 7:1.

Аноды, применяемые для электролитического осаждения, могут быть нерастворимыми (инертными относительно электролита), растворимыми в электролите. Растворимые аноды изготавливаются из металла, подлежащего осаждению.

Химическое осаждение основано на восстановлении металлов из водных растворов их солей. Химическое осаждение применяется для нанесения подслоя меди, никеля с последующим гальваническим наращиванием; осаждение никеля, золота, палладия по сформированному проводящему рельефу в качестве защитных антикоррозионных покрытий. Толщина осаждаемых пленок обычно составляет 1 – 3 мкм.

В состав растворов химической металлизации обычно входят: соли металла, восстановитель, лиганды (комплексообразователи), стабилизаторы, вещества-регуляторы pHраствора.

Технология химического осаждения требует специальной подготовки поверхности подложки. Для примера расмотрим основные операции технологии химического меднения:

- Сенсибилизирование поверхности подложки. Подложка подвергается обработке раствором солей олова с последующей промывкой, в результате чего образуется пленка олова толщиной в десятые доли мкм.

- Активирование поверхности – обработка растворами соединений каталитически активных металлов. В качестве катализатора широко используются растворы на основе хлорида палладия. Количество осевшего на подложке палладия определяет скорость осаждения меди и адгезию медной пленки к подложке.

- Сушка. Режим сушки определяется особенностями технологического процесса.

- Химическое меднение. Осуществляется обработкой в растворах на основе сульфата меди.

Толщина слоя меди составляет 1 – 3 мкм.

Химическое бестоковое осаждение металлов имеет перед гальваническим ряд преимуществ: высокая равномерность осаждаемого покрытия, отсутствие необходимости формирования и удаления технологических перемычек. Недостатки: относительно небольшая толщина пленок.

Анодное окисление(анодирование). Анодирование применяется для создания диэлектрических пленок путем окисления пленок металлов (тантала, алюминия, ниобия, титана, и др.). Различают:

- Электролитическое анодирование – окисление поверхности металла или полупроводника в жидком электролите;

- Плазменное анодирование – окисление образца, находящегося под положительным потенциалом по отношению к кислородсодержащей плазме.

Процесс получения окисных пленок электролитическим анодированием состоит из первоначальной формовки при постоянной плотности тока и окончательной формовки при постоянном напряжении. Такой режим обусловлен увеличением сопротивления окисной пленки при постепенном увеличении ее толщины.

Пленки окислов, полученные анодированием, характеризуются высокой однородностью и высокой электрической прочностью, что позволяет использовать их в качестве изолирующих и диэлектрических слоев.

2.4 Методы получения конфигураций тонкопленочных структур

Требуемая конфигурация тонкопленочных элементов достигается методами:

- Съемной (свободной) маски,

- Контактной маски.

Выбор метода зависит от способа нанесения пленки, требований по точности и воспроизводимости размеров пленочных элементов, производительности, стоимости.

Метод съемной маскиприменяется для нанесения пленок термическим испарением в вакууме. Метод основан на экранировании части подложки от потока частиц напыляемого вещества с помощью специального трафарета – съемной маски. Съемная маска – это металлический или полимерный трафарет, окна в котором сооветствуют требуемой конфигурации напыляемой пленки. При напылении маска закрепляется в маскодержателе, который обеспечивает фиксацию и равномерный плотный прижим маски к подложке.

Требования к маскам:

- Высокая точность воспроизведения геометрических размеров. Так, для достижения точности номиналов пленочных резисторов до ±5% и конденсаторов до ±10% необходимо обеспечить точность выполнения отверстий в маске ±5 мкм.

- Минимальные неровности на плоскости. Наличие неровностей приведет к неплотному прижиму маски, что вызовет ухудшение качества напыляемого рисунка.

- Минимальные деформации при напылении. При напылении маска нагревается, что приводит к искажению геометрии напыляемого рисунка.

В качестве материалов для изготовления масок используются: сталь, молибден, никель, тантал, бериллиевая бронза, и т.п.

По типу металлические маски разделяются на монометаллические, биметаллические, биметаллические трехслойные.

Монометаллические маски изготавливаются из стали. Окна образуются путем механической обработки, электрохимического травления, химического травления, лазерной обработки. Мех. обработка весьма трудоемка и нетехнологична, к тому же не позволяет получать высокую точность воспроизведения рисунка. Технология электрохимического и химического травления получила самое широкое распространение. Она позволяет получить достаточно высокую точность воспроизмедения рисунка, которая ограничена прежде всего из-за бокового подтравливания материала маски. Лазерная обработка позволяет получить более высокую точность воспроизведения рисунка. Кромка стального трафарета после лазерной обработки менее шерохровата, чем после травления. Основные проблемы технологии лазерной обработки – получение узкого луча, диаметр которого ограничивает разрешающую способность трафарета.

Биметаллические маски изготавливаются из бериллиевой бронзы толщиной 80 – 100 мкм, покрытой слоем никеля толщиной 10 – 20 мкм. Окна получаются методом фотолитографии с последующим травлением. Благодаря использованию бериллиевой бронзы достигается высокая механическая прочность трафарета. Слой никеля позволяет повысить четкость кромок за счет меньшего подтравливания. Такие маски получили наиболее широкое распространение в промышленности.

Метод контактной маски позволяет формировать пленочные резисторы, пленочные конденсаторы, пленочные элементы на основе проводящих покрытий (внутрисхемные соединения, индуктивности).

Достоинства метода: широкая номенклатура создаваемых пленочных элементов, снижение затрат на подготовку производства при серийном выпуске благодаря многократному использованию масок.

Недостатки метода: относительно невысокая (по сравнению с методом контактной маски и методом фотолитографии) точность и четкость кромок рисунка, применимость только для метода термического осаждения.

Метод контактной маскиприменяется для нанесения пленок термическим испарением в вакууме, катодным напылением, химическими методами. Метод основан на том, что маска формируется на подложке, и затем напыляется пленка для реализации элементов, после чего маска удаляется травлением. Травление производится таким образом, что происходит срыв материала пленочного элемента, расположенного над маской. Метод получил также название "взрывной" фотолитографии. Он применяется для получения рисунка на пленках материалов, трудно поддающихся травлению: керметов, стекол, и т.п.

Основные требования к материалу контактной маски: он должен

- не испаряться и химически не взаимодействовать с материалом пленочных элементов;

- иметь малый коэффициент диффузии;

- легко удаляться с подложки без повреждения пленочных элементов.

Таким требованиям удовлетворяют медь, алюминий, никель, фоторезист.

При использовании фоторезиста – прямом методе – на подложку наносится фоторезист, на котором методом фотолитографии формируется требуемый рисунок.

При использовании в качестве маски металлической пленки – косвенном методе – на маске сначала методом фотолитографии создается требуемый рисунок, затем создаются пленочные элементы.

Достоинства метода: высокая точность и четкость кромок, применимость для нанесения пленок вакуумным, катодным, ионно-плазменным напылением, химическим осаждением, высокое качество рисунка.

Недостатки метода: повышенная технологическая сложность. Типичный дефект – отрыв пленочного элемента от подложки при удалении (травлении) маски.

Метод фотолитографииприменяется для изготовления топологически сложных пленочных структур.

В зависимости от требуемой разрешающей способности задача формирования рисунка разделяется на три уровня сложности:

- получение элементов с размерами более 10 мкм – задача полностью разрешима методами контактной фотолитографии;

- получение элементов с размерами 1 – 10 мкм с точностью до 0.2 мкм – задача решается методами проекционной и усовершенствованной контактной фотолитографии;

- получение элементов с размерами менее 1 мкм с точностью более 0.2 мкм – задача решается методами рентгено- и электронолитографии.

Для получения качественного рисунка фоторезисты должны обеспечивать следующие параметры:

1. Разрешающая способность – число полос равной ширины, разделенных промежутками такой же ширины на 1 мм (число линий на мм). Наилучшие фоторезисты при применении прецизионного оборудования могут обеспечить 1000 – 2000 линий на мм.

2. Адгезия фоторезиста к подложке. Определяет стабильность размеров элементов в процессе проявления и подтравливание кромки при травлении рельефа. Количественно адгезия оценивается по скорости отслаивания фоторезиста в ультразвуковой ванне или агрессивном травителе.

3. Стойкость к воздействию агрессивных факторов. Определяется по количеству проколов в пленке фоторезиста при воздействии соответствующего фактора – кислотного травителя (кислотостойкость), щелочного травителя (щелочестойкость), электролитическом осаждении металлов (гальваностойкость).

4. Светочувствительность – 1/время экспонирования.

Одинарная фотолитография служит для для формирования пленочных структур в сочетании с методом съемных масок. При этом резистивная пленка напыляется в виде сплошного покрытия, проводящая пленка – через съемные маски. Далее методом фотолитографии формируются пленочные резисторы. Последовательность основных операций: напыление резистивной пленки, напыление проводников через съемную маску, нанесение фоторезиста, формирование рисунка в слое фоторезиста, селективное травление резистивной пленки, удаление фоторезиста.

Двойная фотолитография позволяет сформировать резистивные и проводящие слои. Сначала на подложку напыляются резистивный и проводящий слои, затем формируются пленочные проводники, затем – пленочные резисторы. Последовательность основных операций: напыление резистивной пленки, напыление подслоя, напыление проводящей пленки, нанесение фоторезиста, формирование рисунка в слое фоторезиста, селективное травление проводящей пленки, удаление фоторезиста; нанесение фоторезиста, формирование рисунка в слое фоторезиста, селективное травление резистивной пленки, удаление фоторезиста.

Достоинства метода: высокое качество рисунка, высокая точность совмещения слоев

Недостаток: невозможность формирования многослойных пленочных конденсаторов

2.5 Ограничения, накладываемые тонкопленочной технологией

При разработке топологии и проектировании ГИС необходимо учитывать ряд ограничений, связанных с возможностями применяемых технологических процессов и оборудования. Типичные требования к топологии элементов выглядят следующим образом:

1. Пассивные элементы, к точности которых предъявляются жесткие требования, должны располагаться не менее 1000 мкм от краев подложки. Это вызвано искажениями геометрии фотошаблона на краях.

2. Для совмещения элементов, расположенных в разных слоях, необходимо предусмотреть перекрытие не менее 200 мкм при масочном методе и 10 мкм – при фотолитографии.

3. Минимально допустимое расстояние между пленочными элементами – 200 мкм.

4. Минимально допустимая ширина пленочного резистора – 200 мкм при масочном методе, 100 мкм – при фотолитографии, 50 мкм – при танталовой технологии.

5. Минимально допустимая ширина пленочных проводников – 100 мкм при масочном методе и 100 мкм – при фотолитографии.

6. Пленочные резисторы с предельно допустимой мощностью рассеяния должны располагаться не ближе 1000 мкм от краев подложки. Это связано с возникновением микродефектов поверхности подложки при скрайбировании, что ведет к увеличению количества дефектов резистивной пленки.

2.6 Реализация и основные параметры пленочных резисторов

Основные требования и характеристики пленок материалов, применяемых для изготовления резисторов

Пленки резистивных материалы характеризуются параметрами:

1. Удельное поверхностное сопротивление;

2. Толщина;

3. Максимально допустимая рассеиваемая мощность.

Удельное поверхностное сопротивлениезависит от удельного объемного сопротивления и толщины пленки. Если принять, что сопротивление квадрата резистивной пленки с удельным объемным сопротивлениемравноa, толщина –d, то сопротивление

(2.1)

Таким образом, при фиксированной толщине пленок различные сопротивления можно получить, изменяя отношение длины резистора к ширине, или, другими словами, количество квадратов, уложенных на некоторой длине.

Толщинапленки влияет на сопротивление, стабильность сопротивления, воспроизводимость сопротивления резистора. При толщинах менее 10 нм свойства пленки сильно зависят от характера микронеровностей поверхности подложки, которые приводят к нарушению однородности структуры. Пленки такой толщины весьма нестабильны. Проводимость обусловлена туннельным эффектом и термоэлектронной эмиссией между отдельными кристаллитами. Объемные свойства пленок проявляются при толщинах порядка нескольких десятков нм. Современные тонкопленочные технологии позволяют создавать пленки со стабильными характеристиками и высокой воспроизводимостью параметров при толщинах порядка 100 нм и более.

Максимально допустимая рассеиваемая мощность резистора ограничена его максимально допустимой температурой. Температура перегрева резистора определяется теплопроводностью подложки, площадью резистора, отношением площади подложки к площади резистора, выбранным способом охлаждения. Если резистор площадью Sрассеивает мощностьP, то тепловая нагрузка на пленку характеризуется удельной рассеваемой мощностьюP_уд:

В практических расчетах определяют максимально допустимую удельную рассеваемую мощность, которая характерна для заданного материала пленки и заданного материала подложки. Особенности, связанные с размещением резистора на подложке, количенством резисторов, и т.п. учитывают с помощью коэффициенат запаса Кз, обычно лежащим в пределах от 1.2 до 2.

Пленки, применяемые для изготовления резисторов, должны удовлетворять следующим основным требованиям:

1. Высокая стабильность параметров с течением времени;

2. Высокая температурная стабильность;

3. Возможность химического травления;

4. Высокая адгезия с подложкой;

5. Возможность обеспечения широкого диапазона сопротивлений;

6. По возможности высокая рассеиваемая мощность;

7. По возможности низкая чувствительность электрического сопротивления к микродефектам поверхности.

Материалы, используемые для изготовления резисторов, можно разделить на группы:

- Чистые металлы;

- Сплавы;

- Керметы;

- Соединения.

Надо сказать, что конкретные значения параметров пленок сильно зависят от технологии и режимов их нанесения, поэтому имеет смысл указывать либо типичные значения при заданной технологии, либо указывать диапазон значений.

Хромимеет наиболее широкое применение среди чистых металлов. Обладает отличной адгезией с подложкой. Пленки хрома достаточно стабильны. Удельное поверхностное сопротивление хромовых пленок составляет 10 – 50 Ом/кв., ТКС (1 – 5)*10^-41/⁰С. Пленка наносится методом термического испарения. Материал контактных площадок – золото.Удельное сопротивление хромовых пленок недостаточно высоко, что не позволяет перекрывать широкий диапазон сопротивлений резисторов.

Тантал.Благодаря своей тугоплавкости обеспечивает очень высокую стабильность пленок, коррозионную стойкость. Удельное поверхностное сопротивление пленок составляет 10 – 100 Ом/кв. Значение ТКС порядка -2*10^-41/⁰С. Пленка наносится методом катодного напыления. Материал контактных площадок – тантал, либо алюминий с подслоем нихрома.

Нихром.Имеет высокую адгезию с подложкой, характерную для хрома, но при этом благодаря добавлению никеля обеспечивает более высокое поверхностное сопротивление. Наибольшее распространение получил сплав, содержащий 20% хрома и 80% никеля. Удельное поверхностное сопротивление пленок составляет 300 Ом/кв. Значение ТКС порядка ±1*10^-41/⁰С. Пленка наносится методом термического испарения, при этом температура подложки должна быть в пределах 300 – 350⁰С, что обеспечивает получение наиболее высококачественного резистора. Материал контактных площадок – медь. Путем добавления к нихрому ряда металлов (железо, алюминий) удельное поверхностное сопротивление может варьироваться в пределах от 150 до 500 Ом/кв.

Металлосилицидные сплавысодержат железо, хром, кремний, вольфрам. Наибольшее распространение получил сплав МЛТ-3М. Благодаря наличию большого числа компонентов свойства пленок сильно зависят от особенностей технологического процесса. Удельное поверхностное сопротивление пленок составляет 50 – 500 Ом/кв.,ТКС ±2*10^-41/⁰С. Пленка наносится методом термического испарения. Материал контактных площадок – медь с подслоем нихрома или ванадия. Используются также пленки на основе дисилицида титана, дисилицида хрома, дисилицида железа.

Керметыпредставляют собой порошковую композицию металла и диэлектрика. Диэлектрик, обволакивая частицы металла, увеличивает сопротивление. В качестве металлов используются серебро, хром, и др. В качестве диэлектриков используются двуокись кремния, моноокись кремния, пятиокись тантала. Особенность керметов – слабая зависимость сопротивления от температуры. Это обусловлено тем, что с ростом температуры сопротивление металла увеличивается, а диэлектрика – уменьшается. Керметы обладают высокой температурой плавления, высокой стабильностью характеристик. Наиболее широкое распространение получили сплавы типа РС. В зависимости от процентного содержания диэлектрика удельное поверхностное сопротивление пленок составляет от 50 до 1000 Ом/кв. ТКС лежит в пределах от -1.5*10^-4до 1*10^-41/⁰С. Пленка наносится методом термического испарения. Материал контактных площадок – золото с подслоем хрома.

Основные требования к параметрам и расчет пленочных резисторов на низких частотах.

Основные параметры низкочастотных резисторов:

1. Номинальное электрическое сопротивление (R, Ом);

2. Допустимое отклонение сопротивления от номинального значения (R, %);

3. Номинальная рассеиваемая мощность (P, Вт).

Проектирование резистора можно условно разделить на этапы:

1. Выбор материала резистивной пленки и технологии нанесения. На этом этапе задаются параметры пленок и технологические ограничения: _s,P_уд, минимально допустимая ширина резистора, минимально допустимый зазор между элементами, технологическая точность обеспечения ширины резистора.

2. Выбор геометрии резистора (прямоугольник, меандр, меандр со скругленными краями, и т.д.)

3. Расчет геометрических размеров, обеспечивающих выполнение требований к основным параметрам.

Обычно разработчик имеет дело с отработанной технологией нанесения строго определенных пленок, при этом "выбор" следует понимать как "принятие к сведению".

Анализ факторов, влияющих на отклонение сопротивления

Основные влияющие факторы:

1. Температура. Учет влияния температуры производится по известному ТКС пленки и заданному из условий эксплуатации интервалу рабочих температур:

(2.1)

где _T– относительная погрешность сопротивления, вызванная влиянием температуры,_R– ТКС (1/⁰С),T– максимальный перепад температуры при эксплуатации.

2. Старение материала резистора. В процессе эксплуатации свойства материала пленки необратимо изменяются, что приводит к изменению сопротивления:

(2.2)

где _СТ– относительная погрешность сопротивления, вызванная старением,К_СТ– коэффициент старения (обычно составляет порядка 10^-61/ч),t_э– максимальное время эксплуатации. Время эксплуатации определяется из технического задания на разрабатываемое изделие. Обычно время эксплуатации больше 10000 час.

3. Случайное изменение контактного сопротивления между резистивной пленкой и металлической контактной площадкой. Обычно погрешность контактного сопротивления – _Ксоставляет 0.01 – 0.03.

4. Случайное отклонение геометрических размеров пленки: толщины, длины, ширины. Отклонение геометрических размеров является основной составной частью погрешности сопротивления.

Изменение толщины пленки приводит к изменению поперечного сечения и удельного объемного сопротивления пленки, что выражается как изменение удельного поверхностного сопротивления пленки. Это изменение учитывается как погрешность удельного поверхностного сопротивления _.

Отклонение ширины и длины резистора вызвано неточностью воспроизведения топологии при заданной технологии создания пленок. Так, в методе съемной маски отклонение составляет =20 – 30 мкм, при фотолитографии –=1 – 7 мкм. Соответствующая относительная погрешность определяется как:

(2.3)

где b– характерная ширина,l– характерная длина резистора. В случае резистора прямоугольной формыbиl– это его ширина и длина. В случае необходимости повышения точности воспроизведения номинала необходимо снижать влияние отклонения геометрических размеров, увеличивая размеры резистора.

Результирующая погрешность пленочного резистора рассчитывается исходя из наихудшего сочетания перечисленных факторов как алгебраичесткая сумма соответствующих погрешностей:

(2.4)

Исходные данные для расчета резистора: номинальное сопротивление R, номинальная рассеиваемая мощностьP, коэффициент запаса по мощностиКз, допуск на номинальное сопротивление_R; удельное поверхностное сопротивление пленки_s, максимально допустимая удельная рассеиваемая мощностьP_уд, ТКС пленки; погрешность удельного поверхностного сопротивления, отклонение длины и ширины; ограничения на минимальную длину и минимальную ширину, ограничение на максимальную длину при заданной ширине резистора.

Расчет выполняется исходя из следующих соотношений.

Рассчитывается коэффициент формы– число квадратов, содержащихся в резистивном элементе:

(2.5)

Для прямоугольного резистора коэффициент формы – это отношение длины резистора к его ширине:

Нетрудно видеть, что заданное сопротивление может быть получено из квадратов с произвольной длиной стороны. Минимально допустимые размеры определяются из требований по рассеиваемой мощности и допуска на сопротивление.

Связь коэффициента формы с площадью резистора:

(2.6)

Ограничение на минимально допустимую площадь резистора определяется из требования по обеспечению номинальной рассеиваемой мощности:

(2.7)

где Кз– коэффициент запаса по мощности,S– площадь резистора.

Если резистор имеет длину более одного квадрата (Кф>1), то ограничение на минимальные размеры будет определяться ограничением на минимально допустимую ширину, если Кф<1 – длину. Таким образом, из (2.6) и (2.7) находятся соответствующие ограничения на длину или ширину.

Рассмотрим ограничения, связанные с точностью воспроизведения топологии. Из формул (2.3) и (2.5) можно вывести:

откуда получается:

(2.8)

Значение _Fвычисляется из (2.4) исходя из заданного допуска на сопротивление.

Выбор геометрии резистора происходит исходя из конструктивных соображений. При необходимости компактно разместить резистор большой длины (большого сопротивления) применяется конструкция типа "меандр". При расчете размеров используются данные из справочной литературы по значению коэффициента формы прямоугольного изгиба пленочного проводника. Из (2.6), (2.7), (2.8) рассчитываются ограничения на общую длину и ширину резистивной пленки.

Рассчитанные размеры округляются в большую сторону с точностью до шага выбранной координатной сетки.

После расчетов следует проверить выполнение требований: по допуску на сопротивление согласно (2.4), по минимально допустимой площади резистора согласно (2.7) и при необходимости скорректировать расчет.

Следует также учитывать, что у резисторов с небольшим коэффициентом запаса по мощности обычно существует ограничение на максимальное значение коэффициента формы. Это связано с общим увеличением количества микродефектов пленки при увеличении ее длины, что приводит к снижению надежности резистора. Типичное ограничение – Кф2 при Кз→1. Если требуется резистор большой мощности большой длины, то он получается путем последовательного соединения более коротких резисторов через металлические контактные площадки.

Основные требования к параметрам и расчет резисторов на высоких частотах

Применение резисторов на высоких частотах осложняется возрастающим влиянием паразитных параметров, что требует построения адекватных моделей. На сверхвысоких частотах размеры элементов становятся сравнимы с длиной электромагнитной волны, что приводит к необходимости строить модель резистора с распределенными параметрами, либо налагать жесткие ограничения на максимальные размеры резисторов.

Эквивалентная схема резистора с учетом паразитных параметров имеет вид П-образной цепи, включающей в себя последовательно включенные сопротивление и паразитную индуктивность, паарллельно включенные паразитные емкости на землю.

Структура электрического поля между резистивной пленкой и обратной стороной подложки с уменьшением частоты приближается к однородному – характерному для плоского конденсатора. Поэтому емкость резистора с высокой достоверностью может быть определена по формуле емкости плоского конденсатора.

Плотность тока в пленке на сравнительно низких частотах практически равномерна, по заземленной стороне подложки текут токи растекания, плотность которых приблизительно равномерна и в некотором приближении не зависит от топологии схемы. То есть, заземленная обратная сторона подложки практически не влияет на индуктивность резистора. Исходя из таких допущений, индуктивность резистора может быть рассчитана по формуле индуктивности плоского проводника заданной ширины.

Представленная модель не учитывает изменение плотности тока по ширине пленки с ростом частоты, эффект электромагнитного взаимодействия пленки резистора с заземленной обратной стороной подложки, волновые эффекты, проявляющиеся при размерах элементов, сравнимых с длиной электромагнитной волны, эффект вытеснения тока из объема пленки (скин-эффект). Таким образом, представленная модель может применяться для анализа частотных свойств резистора до частот в несколько десятков, нескольких сотен мегагерц. В любом случае, максимальный размер резистора должен быть меньше длины электромагнитной волны в 15 – 20 раз.

Если отмеченные выше эффекты оказывают значительное влияние, то их корректный учет возможен при применении модели резистора в виде микрополосковой СВЧ линии передачи с потерями. По формулам из справочников по расчету СВЧ линий передачи рассчитывается волновое сопротивление, затухание, постоянная распространения.

2.7 Реализация и основные параметры пленочных конденсаторов

Основные требования и краткая характеристика материалов, применяемых для изготовления обкладок.

1. Высокая электропроводность. Это необходимо для обеспечения малых потерь энергии.

2. Хорошая адгезия к материалу подложки и к материалу диэлектрика.

3. Не слишком низкая температура плавления. Материалы с низкой температурой плавления обладают высокой миграционной подвижностью атомов, что приводит к их диффузии в диэлектрик и его пробою.

4. Не слишком высокая температура плавления. При высокой температуре атомы испаряемого материала обладают высокой энергией, что ведет к их проникновению в диэлектрик и в дальнейшем к его пробою. Исследования показывают, что оптимальный диапазон температур плавления лежит в пределах ???С.

Указанным требованиям удовлетворяет небольшая группа материалов. К ним относятся:

1. Алюминий. Он имеет сравнительно невысокую температуру испарения, является хорошим проводником. Алюминий – очень активный металл. Однако именно благодаря его высокой активности на поверхности образуется химически и механически прочная пленка двуокиси алюминия. Благодаря образованию слоя окисла алюминиевые пленки имеют низкую миграционную подвижность атомов. Эти свойства позволяет достичь высокой надежности конденсаторов и высокой добротности. Для повышения адгезии алюминиевой пленки с подложкой может использоваться подслой никеля или ванадия.

2. Тантал. Тантал – тугоплавкий металл, всвязи с чем имеются определенные сложности с созданием надежных диэлектрических прослоек. При использовании танталовых обкладок обычно в качестве диэлектрика используется пятиокись тантала, которая получается путем анодного окисления поверхности танталовой пленки. Пятиокись тантала – механически и химически стойкий материал, что позволяет получать надежные конденсаторы с хорошей воспроизводимостью характеристик. Применение тантала оправдано для малогабаритных низкочастотных конденсаторов, поскольку у тантала недостаточно высокая электропроводность, а у пленки окиси тантала достаточно большие диэлектрические потери.

Кроме алюминия и тантала, могут использоваться проводящие пленки на основе титана, ниобия, циркония.

Применение в качестве обкладок пленок меди и золота нежелательно, поскольку у этих материалов высокая миграционная подвижность атомов, что снижает надежность и пробивное напряжение конденсаторов.

Основные требования и краткая характеристика материалов диэлектриков

1. Высокая адгезия с материалом обкладок.

2. Низкая пористость и высокая плотность. Наличие микродефектов в виде незаполненных полостей приводит к снижению пробивного напряжения пленки.

3. Минимальная гигроскопичность. Это наобходимо, поскольку проникновение материала обкладок в объем диэлектрика приводит к ухудшению рабочих характеристик конденсатора и может привести к пробою.

4. Высокое пробивное напряжение. Повышение пробивного напряжения позволяет уменьшить толщину диэлектрика, и, следовательно, габариты конденсатора.

5. Устойчивость к воздействию циклических перепадов температур. "Термоциклы" могут привести к растрескиваю диэлектрика, что недопустимо.

6. Высокая диэлектрическая проницаемость. Это необходимо для уменьшения габаритов конденсатора.

7. Малые диэлектрические потери.

8. Высокая стабильность геометрических размеров при изменении температуры. Изменение линейных размеров приводит к изменению емкости.

Приведенные требования весьма жесткие. Им удовлетворяет следующая группа диэлектриков:

1. Моноокись кремния. Наиболее широко используемый материал. Применяется в сочетании с обкладками из алюминия. Имеет диэлектрическую проницаемость 5 – 6, тангенс угла диэлектрических потерь на частоте 1 кГц 0.01 – 0.02, достаточно высокое пробивное напряжение – 150 В/мкм, позволяет получать конденсаторы с удельной емкостью 50 – 100 пФ/мм²и ТКЕ 2*10^-41/⁰С.

2. Моноокись германия. Применяется в сочетании с обкладками из алюминия. Имеет диэлектрическую проницаемость 10 - 12, тангенс угла диэлектрических потерь на частоте 1 кГц 0.005 – 0.007, пробивное напряжение – 100 В/мкм, позволяет получать конденсаторы с удельной емкостью 50 – 150 пФ/мм²и ТКЕ 3*10^-41/⁰С.

3. Двуокись кремния. Применяется в сочетании с обкладками из алюминия. Имеет диэлектрическую проницаемость 4, тангенс угла диэлектрических потерь на частоте 1 кГц 0.5, очень высокое пробивное напряжение – до 1000 В/мкм, позволяет получать конденсаторы с удельной емкостью до 200 пФ/мм²и ТКЕ 2*10^-41/⁰С.

4. Окись алюминия. Применяется в сочетании с обкладками из алюминия с подслоем никеля. Имеет диэлектрическую проницаемость 8, тангенс угла диэлектрических потерь на частоте 1 кГц 0.3 – 1, высокое пробивное напряжение – до 500 В/мкм, позволяет получать конденсаторы с удельной емкостью 300 – 400 пФ/мм²и ТКЕ (3 – 4)*10^-41/⁰С.

5. Окись тантала. Применяется в сочетании с обкладками из тантала, либо тантала с подслоем ванадия. Имеет диэлектрическую проницаемость 20 – 23, тангенс угла диэлектрических потерь на частоте 1 кГц 0.02, достаточно высокое пробивное напряжение – до 200 В/мкм, позволяет получать конденсаторы с удельной емкостью 500 – 1000 пФ/мм²и ТКЕ 4*10^-41/⁰С. Частотный предел таких конденсаторов ограничен 0.1 – 1 МГц, что обусловлено большим поверхностным сопротивлением танталовых пленок.

6. Сегнетоэлектрики – титанат бария, титанат стронция. Плнки этих материалов характеризуются высокой диэлектрической проницаемостью – до 1000.

Конструкции пленочных конденсаторов и влияние паразитных параметров на их характристики

Расчет однослойного пленочного конденсатора на низких частотах

Анализ факторов, влияющих на отклонение емкости

1. Температура. Учет влияния температуры производится по известному ТКЕ пленки _Си заданному из условий эксплуатации диапазону рабочих температурT:

(2.9)

где _t– относительная погрешность емкости, вызванная изменением температуры.

2. Старение материала диэлектрика. С течением времени свойства материала диэлектрика необратимо изменяются. Это учитывается путем введения коэффициента старения K_СТ, численное знаначение которого находится, как правило, эмпирически и обычно лежит в пределах 0.01 – 0.03:

(2.10)

где _СТ– относительная погрешность емкости, вызванная старением,t_Э– заданное время эксплуатации изделия.

3. Отклонение толщины пленки диэлектрика от номинального значения. Отклонение толщины пленки приведет к изменению емкости. Абсолютное значение погрешности толщины пленки определяется технологией и условиями создания пленки. Для уменьшения влияния этой погрешности толщину пленки необходимо увеличивать. Анализ влияния толщины пленки рассмотрим на примере идеального плоского конденсатора, емкость которого вычисляется по известной формуле:

(2.11)

где S– площадь обкладок,h– расстояние между обкладками. Дифференцируя (2.11), получаем:

(2.12)

где _h– относительная погрешность емкости, вызванная изменением толщины, которая, как видно из (2.12), равна относительной погрешности толщины пленки.

4. Отклонение линейных размеров от номинального значения. Относительная погрешность линейных размеров определяется как:

(2.13)

где bиl– ширина и длина обкладки соответственно,- абсолютная погрешность линейных размеров, которая может быть обеспечена при заданной технологии изготовления. Выражаяlиbчерез коэффициент формы, можно записать:

(2.14)

Как видно из (2.14), наименьшая погрешность формы достигается при значении К_ф=1(конденсатор квадратной формы).

Результирующая погрешность емкости для наихудшего случая выражается как алгебраическая сумма составляющих погрешностей:

(2.15)

Исходные данные для расчета:

1. Номинальная емкость

2. Максимально допустимое рабочее напряжение конденсатора

3. Электрическая прочность материала диэлектрика

4. Коэффициент запаса электрической прочности

5. Минимально допустимая толщина, обусловленная технологией изготовления

6. Максимально допустимые длина и ширина

7. Допуск на емкость

8. Абсолютная погрешность изготовления обкладок

9. Абсолютная погрешность совмещения масок с подложками

10. Время эксплуатации, коэффициент старения

11. Диапазон температур

12. ТКЕ пленки

13. Диэлектрическая проницаемость диэлектрика

Расчет конденсатора заключается в нахождении его минимально возможных размеров с учетом выполнения требований по номинальной емкости, электрической прочности, допуску на емкость с учетом неточности изготовления влияния температуры, старения.

Для облегчения расчета вводится понятие удельной емкости:

(2.16)

Ограничения на геометрию удобно свести к какому-дибо универсальному критерию, по которому происходит выбор оптимальных размеров. Таким критерием является удельная емкость конденсатора.

Расчет производится исходя из следующих соотношений.

Ограничения на минимальную и максимальную толщину диэлектрической пленки трансформируются в ограничения на удельную емкость:

где h_миниh_макс– технологические ограничения на толщину диэлектрической пленки.

Ограничение на минимальную толщину диэлектрика по заданной электрической прочности:

(2.17)

где K_з– коэффициент запаса по электрической прочности, численное значение которого обычно лежит в пределах от 2 до 4;E_пр– электрическая прочность материала, В/мкм;U_р– максимальное рабочее напряжение, В.

Трансформируем ограничения на геометрические размеры в ограничения на удельную емкость конденсатора. Ограничение на толщину диэлектрика:

(2.18)

Ограничение на длину и ширину обкладки конденсатора:

(2.19)

Из (2.15) можно найти сумму относительных погрешностей _h+_F. Таким образом, получается, что выбор ограничений на размеры жестко не определен. Можно задать значение одной из этих погрешностей, и затем вычислить значение другой, однако рассчитанные таким образом размеры ввиду произвольного выбора одного из ограничений будут отличаться от оптимальных. Оптимальные значения параметров будут достигнуты в том случае, если значения удельной емкости, рассчитанные по (2.18) и (2.19), будут примерно одинаковыми. При этом вклад каждой из погрешностей в погрешность емкости будет примерно одинаковым.

Значение удельной емкости максимизируется с учетом сформулированных выше ограничений. По рассчитанной удельной емкости рассчитывается толщина диэлектрика, далее – площадь диэлектрика, задается коэффициент формы, рассчитываются размеры обкладок.

При небольших размерах конденсатора существенное влияние на его емкость оказывают краевые эффекты (искажение структуры поля на краях обкладок). Краевой эффект может быть учтен по эмпирической формуле:

(2.20)

где S– площадь обкладки,K– поправочный коэффициент.

Таким образом, рассчитана толщина диэлектрика и размеры верхней обкладкиконденсатора. Для исключения возможности межслойного замыкания, кромки пленки диэлектрика должны выступать за кромки верхней и нижней обкладок. Размеры выступающих областей определяются точностью совмещения слоев, которая достигается заданной технологией их нанесения.

Длина L₁и ширинаB₁нижней обкладки определяются соотношениями:

(2.21)

где L₂,B₂– длина и ширина верхней обкладки,q– допуск на неточность совмещения масок,- допуск на линейные размеры.

Длина L_Ди ширинаB_Ддиэлектрического слоя определяются соотношениями:

(2.22)

Однослойный конденсатор, образованный перекрещивающимися проводниками – позволяет получить более высокую точность воспроизведения емкости при площади менее 5 – 10 мм². При его расчете, ввиду небольшой площади, обязательно требуется учет краевого эффекта.

Эквивалентная схема однослойного конденсатора на высоких частотах строится исходя из следующих соображений: металлические обкладки имеют конечную электропроводность, что изображается введением последовательного сопротивления потерь в металле; диэлектрик обладает конечным сопротивлением, что изображается введением параллельного сопротивления протеканию электрического тока через диэлектрик; диэлектрик имеет конечные потери, связанные с инерционностью процесса поляризации, что изображается введением сопротивления диэлектрических потерь; по обкладкам течет ток, который создает магнитное поле, соответственно, обкладки имеют некоторую индуктивность; также имеется некоторая емкость, образованная обкладкой и заземленной стороной подложки. Сопротивление обкладок Rобрассчитывается по известным размерам и удельному объемному сопротивлению. Индуктивность обкладокLобрассчитывается как индуктивность плоского проводника. Сопротивление потерь в диэлектрикеRа определяется по известным размерам и удельному объемному сопротивлению диэлектрика. Сопротивление потерь на поляризациюRропределяется по тангенсу угла диэлектрических потерь и рабочей частоте.

Гребенчатый конденсатор

Емкость такого конденсатора обусловлена влиянием краевого эффекта. Значения емкости весьма невелики и обычно составляют не более 15 – 20 пФ. Емкость такого конденсатора зависит от ширины и длины штыря, зазора между штырями, числа секций. Расчет производится по следующим соотношениям:

(2.23)

где N– число секций,t– ширина штыря,a– зазор между штырями,h– толщина подложки. Конденсаторы такой конструкции используются на высоких и сверхвысоких частотах при построении фильтров.

Рассмотрим влияние паразитных параметров. Электрическое поле распределяется таким образом, что взаимодействуют не только пленочные проводники друг с другом, но и с заземленной стороной подожки, что выражается в введении паразитной емкости обкладок на землю. Приблизительно эту емкость можно определить по формуле емкости плоского конденсатора. Точный расчет весьма затруднен ввиду сложной структуры поля. Ток, протекающий по обкладкам, порождает магнитное поле, что выражается в введении индуктивности обкладок. Как правило, поджложка изготавливается из высококачественного диэлектрика, поэтому потерями в нем можно в большинстве случаев пренебречь.

Конденсатор в виде широкого полоскового проводника

Вторая обкладка такого конденсатора - заземленная сторона подложки. Емкость таких конденсаторов невысока и как правило не превышает 10 – 20 пФ. Такая конструкция используется преимущественно на высоких и сверхвысоких частотах. Достоинства такой конструкции – простота, очень небольшие значения паразитных параметров. Недостатки – небольшой диапазон емкостей. Расчет производится по формулам для расчета микрополосковой линии передачи:

(2.24)

где l– длина конденсатора,w– ширина полоска,h– толщина подложки,_ЭФ– эффективная диэлектрическая проницаемость (учитывает сложный характер распределения поля – в воздухе и в подложке),Z_В– волновое сопротивление линии,V_Ф– фазовая скорость волны в линии,C– емкость конденсатора,с– скорость света в вакууме.

Эквивалентная схема такого конденсатора содержит паразитную индуктивность верхней обкладки (полоска). Эта индуктивность может быть рассчитана исходя из того, что Z_В=L/C.

2.8 Реализация и основные параметры индуктивностей

Индуктвности могут быть реализованы в виде однослойных плоских спиральных катушек, получаемых нанесением соответствующего проводящего рисунка. Всвязи с тем, что катушки однослойные, и не имеют магнитного сердечника, диапазон номиналов индуктивностей существенно ограничен. По этой причине желательно по возможности избегать схем, содержащих индуктивности. Во многих случаях оправдывается применение транзисторных схем, реализующих функции индуктивности.

Обычно плоские катушки имеют индуктивность не более единиц микрогенри. На практике применяются катушки круглой и квадратной формы. Индуктивность таких катушек может быть вычислена по упрощенным эмпирическим формулам:

(2.25)

где n – количество витков; размеры в мм, индуктивность в мкГн.

Эквивалентная схема катушки должна учитывать наличие паразитной межвитковой емкости, емкости витков на землю, потерь в проводнике. Межвитковая емкость ограничивает сверху диапазон частот катушки, поскольку на некоторой частоте наступает резонанс индуктивности и межвитковой емкости, и катушка перестает выполнять функцию индуктивного элемента. Также следует сказать, что на частотах свыше нескольких десятков мегагерц проявляется скин-эффект, что приводит к увеличению потерь.

При большой необходимости могут применяться навесные миниатюрные катушки индуктивности на сердечниках из порошкового железа или специальных ферритов. Индуктивность таких катушек может составлять до сотен микрогенри, но всвязи с достаточно большими габаритами могут возникнуть проблемы с их размещением в корпусе ИМС.

2.9 Монтаж навесных компонентов ГИС

В качестве навесных компонентов используются полупроводниковые приборы, конденсаторы большой емкости, навесные катушки индуктивности, трансформаторы. Применяется насколько вариантов монтажа полупроводниковых приборов:

1. Приборы с гибкими выводами. Выводы крепятся на кристалле сваркой или пайкой, и затем кристалл заливается лаком или компаундом для защиты от случайных механических повреждений. Таким способом изготавливаются транзисторы, диоды, диодные матрицы. Кристалл крепится к подложке пайкой или клеем. Достоинства такого способа:

- Конструктивная простота.

- Невысокие требования к точности размещения контактных площадок. Недостатки: невозможность автоматизации операции присоединения проволочных выводов, невысокая надежность соединения.

2. Приборы с балочными выводами. Балочные выводы представляют собой металлические пленки толщиной 10 – 20 мкм, которые выступают за края кристалла на 100 – 150 мкм. Балки получают электрохимическим наращиванием золота на подслой титана. Фиксация кристалла осуществляется за счет жесткости балочных выводов. В некоторых случаях прибор после монтажа заливается лаком или компаундом. Выводы крепятся к контактным площадкам либо с помощью пайки, либо проводящей пастой. Проводящая паста представляет собой эпоксидный клей, в котором густо замешан мелкодисперсный серебряный порошок. Клей отверждается либо химически, либо термически. Достоинства кристаллов с балочными выводами:

- Очень малые паразитные параметры (емкости порядка 0.05 – 0.001 пФ, индуктивности не более 0.2 пФ), что позволяет использовать такие приборы до частот 40 – 60 ГГц.

- Относительно невысокие требования к точности размеров контактных площадок.

- Возможность полной автоматизации сборки.

- Возможность достижения высокой степени интеграции.

Недостаток – сложность технологии изготовления балочных выводов.

3. Монтаж методом "перевернутого кристалла". При этом кристалл обращен лицевой стороной к поверхности подложки. Благодаря этому достигаются малые значения паразитных параметров. Получили распространение несколько способов изготовления выводов.

3.1. На контактных площадках кристалла формируются шариковые выводы диаметром 50 – 100 мкм. На контактных площадках подложки формируются столбики высотой 10 – 15 мкм и диаметром 150 – 200 мкм. Шарики и столбики изготавливаются из золота, меди, сплава олово – сурьма. Кристалл транзистора переворачивается шариками вниз и накладывается на столбики подложки, затем кристалл подогревается, и производится фиксация при определенном усилии и температуре.

3.2. На контактных площадках кристалла и на контактных площадках подложки гальваническим методом или вакуумным напылением формируются столбики. Они могут иметь форму шариков, конусов, цилиндров. При монтаже кристалл переворачивается и фиксируется ультразвуковой сваркой, термокомпрессионной сваркой, либо пайкой.

3.3 На контактных площадках кристалла формируются столбиковые выводы из мелкодисперсной паяльной пасты. Сначала через специальный трафарет наносится необходимое количество пасты, затем трафарет удаляется и кристалл подогревается в атмосфере инертного газа. Паяльная паста оплавляется, образуя каплевидный столбик. При монтаже кристалл переворачивается, совмещается с контактными площадками на подложке и фиксируется при заданном усилии и температуре. Трафарет необходим для точного дозирования пасты, что обеспечивает высокую воспроизводимость высоты столбиков.

Достоинства метода:

- Высокая технологичность и возможность полной автоматизации монтажа.

- Высокая надежность соединений.

- Кристалл требует минимум места на подложке.

- Малые паразитные параметры выводов.

Недостатки:

- Требуется высокоточное оборудование – оптическая и механическая системы, поскольку при монтаже контактные площадки не могут визуально контролироваться

- Невозможен визуальный контроль качества соединения.

4. Приборы на керамических кристаллодержателях. При этом кристалл монтируется в углублении керамического держателя. Выводы от кристалла привариваются к металлизированным площадкам держателя. При монтаже держатель переворачивается, и металлизированные площадки держателя припаиваются к площадкам подложки.

Достоинтва метода:

1. Небольшие паразитные параметры выводов

2. Возможность автоматизации монтажа. Кроме того, требования к точности оборудования существенно ниже, чем в методе перевернутого кристалла.

Недостаток: некоторое усложнение технологии сборки полупроводниковых приборов.

2.10. Основные принципы разработки и этапы проектирования ГИС.

В основу разработки ГИС положены функционально-узловой метод проектирования и групповые методы изготовления. Конструкция ГИС должна обеспечивать выполнение требований по эксплуатации, а также обеспечивать контроль параметров на различных этапах изготовления.

При проектировании ИМС общего назначения разрабатывается полный состав серии. При этом определяющим фактором будет функциональная структура устройства. При проектировании ИМС частного применения исходными данными является электрическая схема и возможности технологии.

Типовое техническое задание на проектирование содержит следующие требования:

1. Схема электрическая принципиальная и спецификация;

2. Номинальные параметры электрических сигналов;

3. Предельно допустимые параметры электрических сигналов;

4. Условия эксплуатации (уровень защиты от внешних воздействий, диапазон температур, вибростойкость и вибропрочность, влажность, и т.д.).

Проектирование ИМС можно условно разделить на этапы:

1. Анализ ТЗ. При этом анализируется возможность реализации пленочных элементов с требуемыми параметрами, оценивается надежность, стоимость изделия.

2. Выбор конструкции ГИС

3. Проектирование топологии ГИС. Включает в себя:

- Расчет геометрии и размещение элементов;

- Оценка паразитных параметров и межэлементных связей;

- Коррекция топологии с учетом паразитных параметров;

- Тепловой расчет;

- Расчет надежности.

4. Разработка топологии каждого слоя

5. Разработка конструкции

6. Выпуск КД.

При выполнении каждого из этапов необходимо придерживаться принципов, позволяющих получать оптимальное решение комплексной задачи разработки ГИС:

1. Минимизаци площади, занимаемой каждым элементом в отдельности и схемой в целом;

2. Минимизация числа пересечений;

3. Равномерное расперделение элементов по площади подложки;

4. Минимизаци числа используемых материалов и минимизация числа слоев;

5. Оптимальное расположение наиболее тепловыделяющих элементов для достижения равномерного распеределения теплоты по площади подложки.

В настоящее время реализация этапов во многом обеспечивается машинными методами проектирования. Рассмотрим минимальные требования к программному обеспечению, которые позволяют эффективно решать поставленные задачи. Это достигается объектно-ориентированным методом описания элементов схемы и использованием стандартизированных форматов данных.

Каждый элемент имеет схемное и топологическое представления. Отображение схемы в топологию и обратно обеспечивается соответствующими библиотеками элементов. При этом задача анализа электрических характеристик схемы и задача размещения элементов полностью разделяются. При оптимизации топологии размеры элементов могут принимать такие значения, которые требуют коррекции электрической схемы и учета паразитных параметров. Таким образом, топология проектируется в ходе итерационной процедуры. Задача упрощается, если программное обеспечение позволяет однозначно отображать топологию в соответствующее схемное представление.

Сформированная топология отображается в виде слоев – резистивных, проводящих, защитных, и т.п. Подготовка эскизов слоев – процедура полностью формализуемая и обеспечивается программными средствами автоматизации. Надо сказать, что современное оборудование для изготовления масок полностью автоматизировано. В таком случае выходной формат данных топологии должен быть совместим с форматом данных технологического оборудования. Обычно это форматы DXFилиGERBER. При изготовлении масок "вручную" эскизы дорабатываются в системах САПР конструктора до соответствия требованиям ГОСТ.

Разработка конструкции заключается в выборе конструктивного оформления – корпусное или бескорпусное. При корпусном оформлении выбирается тип корпуса. Типы корпусов: керамические, металлокерамические, металлостеклянные. Выбор типа производится исходя из условий эксплуатации. Так, металлостеклянный корпус используется для микросхем общего применения, наиболее простой и дешевый. Керамический корпус на основе ситалла или 22ХС обеспечивает высокую жесткость и высокую механическую прочность, более хороший теплоотвод. Наилучшую механическую прочность и наилучший теплоотвод обеспечивает металлокерамический корпус.

В основной комплект конструкторской документации на ГИС в соответствии с ГОСТ входит:

1. Схема электрическая принципиальная;

2. Перечень элементов;

3. Сборочный чертеж ИМС;

4. Чертеж топологии;

5. Чертеж топологии каждого слоя;

6. Технические условия (ТУ).