Расчет тонкопленочного конденсатора - реферат

ПРОЕКТИРОВАНИЕ ПЛЕНОЧНЫХ КОНДЕНСАТОРОВ

В некоторых типах гибридных ИМС наряду с резисторами наиболее распространенными пассивными элементами являются пленочные конденсаторы, которые во многом определяют схемо­технические и эксплуатационные характеристики ИМС. Так, качество и надежность большинства линейных гибридных ИМС в значительной мере зависят от качества и надежности тонкопленочных конденсаторов, что определяется их конструкцией и технологией изготовления.

Конструктивно-технологические особенности и основные пара­метры. В гибридных ИМС применяют тонкопленочные и толстопленочные конденсаторы с простой прямоугольной (квадратной) и сложной формами (рис. 1). Пленочный конденсатор представ­ляет собой многослойную структуру, нанесенную на диэлектри­ческую подложку (рис. 1, а). Для ее получения на подложку 1 последовательно наносят три слоя: проводящий 2, выполняющий роль нижней обкладки, слой диэлектрика 3 и проводящий слой 4, выполняющий роль верхней обкладки конденсатора.

в)

Рис. 1. Конструкции пленочных конденсаторов с обкладками прямоуголь­ной формы (а) в виде пересекающихся проводников (б) и «гребенки» (в)

Пленочные конденсаторы характеризуются совокупностью следующих параметров: номинальным значением емкости С; допуском на емкость ±6С; рабочим напряжением Up; доброт­ностью Q или тангенсом угла потерь ; сопротивлением утечки , коэффициентом остаточной поляризации , температурным коэффициентом емкости ТКС; коэффициентом старения ; диапазоном рабочих частот ; интервалом рабочих температур ; надежностью и др.

Конкретные значения этих параметров зависят от выбора используемых материалов для диэлектрика и обкладок, техноло­гического способа формирования самой структуры и конструк­ции. Конструкция конденсатора должна обеспечивать воспроиз­водимость параметров при минимальных габаритах в процессе изготовления и совместимость изготовления с другими элемен­тами.

Конструкция (рис. 1, а), в которой контур верхней обкладки вписывается в контур нижней обкладки, предназначена для реализации конденсаторов повышенной емкости (сотни - тысячи пикофарад). Ее особенностью является то, что несовмещение контуров обкладок не сказывается на воспроизведении емкости (для устранения погрешности из-за площади вывода верхней обкладки предусмотрены компенсаторы 5), а распространение диэлектрика за контуры обеих обкладок гарантирует надежную изоляцию обкладок при их предельном несовмещении.

Для конденсаторов небольшой емкости (десятки пикофарад) целесообразна конструкция (рис. 1, б) в виде пересекающихся проводников одинаковой ширины, разделенных слоем диэлектри­ка. Емкость конденсатора данной конструкции нечувствительна к смещению обкладок из-за неточности их совмещения.

Для реализации высокочастотных конденсаторов применяют гребенчатую конструкцию (рис. 1, в), в которой обкладки име­ют форму гребенчатых проводников, а диэлектрик является составным типа «подложка — воздух» или «подложка — диэлек­трическое покрытие».

Значение емкости пленочного конденсатора определяют по известной формуле

где — относительная диэлектрическая проницаемость диэлек­трика; S—площадь перекрытия диэлектрика обкладками; d— толщина диэлектрика.

Для конденсаторов многослойной структуры, состоящей из последовательно нанесенных диэлектрических и проводящих слоев, емкость

где п — количество диэлектрических слоев.

Подобно материалу резистивной пленки слой диэлектрика, параметры и d которого определяют емкость конденсатора, с точки зрения технологичности, воспроизводимости и стабиль­ности свойств характеризуется оптимальным отношением для каждого материала и способа его нанесения. Поэтому ем­кость С конденсатора удобно выражать через удельную емкость

где Co=0,0885 /d—постоянная величина для каждого мате­риала.

Как следует из ( ), для изготовления конденсаторов с малой занимаемой площадью необходимо применять материалы, характеризующиеся максимальным значением Со, т. е. материалы с максимальной диэлектрической проницаемостью и минимальной толщиной d. Однако минимальная толщина d диэлектриче­ского слоя даже в случае выполнения требований по технологич­ности и воспроизводимости ограничена значением рабочего на­пряжения на конденсаторе.

Известно, что электрическая прочность конденсатора опреде­ляется выражением

где — напряженность электрического пробоя диэлектрика (постоянная величина для каждого материала).

Следовательно, для обеспечения нормальной работы конден­сатора необходимо, чтобы

, что возможно при соответ­ствующем выборе толщины диэлектрика. Минимальную толщину диэлектрика определяют из выражения ( ), если :

где —коэффициент запаса, принимаемый равным 2—3 для большинства структур пленочных конденсаторов.

Поэтому рабочее напряжение конденсатора обеспечивает­ся выбором соответствующего материала диэлектрика с опреде­ленным значением и необходимой толщиной диэлектрического слоя d.

Допуск, на номинальную емкость С определяется относитель­ным изменением емкости С конденсатора, обусловленным произ­водственными погрешностями и дестабилизирующими факторами из-за изменения температуры и старения материалов. В процессе изготовления пленочного конденсатора возможен разброс его удельной емкости Со и геометрических размеров обкладок. Из выражений ( ) и ( ) следует, что максимальное значение технологической погрешности емкости

где — абсолютные погрешности воспроизведения ди­электрической проницаемости, толщины диэлектрика и площади конденсатора соответственно.

Поскольку воспроизведение удельной емкости Со и площа­ди S конденсатора достигается взаимно независимыми техноло­гическими операциями, математическое ожидание относительного отклонения емкости и относительное среднеквадратическое отклонение емкости определяются выраже­ниями

где — относительные и абсолютные среднеквадратические отклонения удельной емкости и площади.

Погрешность воспроизведения удельной емкости Со зависит от технологических факторов нанесения слоя диэлектрика, а по­грешность воспроизведения площади S кроме технологических факторов зависит от конструкции конденсатора и формы обкла­док. В общем случае

где — относительные среднеквадратические отклонения ли­нейных размеров А и В, определяющих площадь S=AB; — коэффициент корреляционной связи между отклонениями разме­ров А и В.

Когда размеры А и В верхней обкладки конденсатора, пло­щадь которой определяет его емкость, формируются в процессе одной технологической операции (рис. 1 а),

Для конструкции рис. 1 б емкость конденсатора определяется площадью перекрытия диэлектрика обеими обкладками, линей­ные размеры которых формируются независимо,

Следует отметить, что существенно зависит также от фор­мы верхней обкладки конденсатора (рис. 1 , а). При

где —коэффициент формы обкладок (при квадратной форме обкладок, когда А =В и

, значение минимально).

При этом значение , вычисляемое по ( ), не должно превышать максимально допустимого, т.е.

Отсюда следует, что при выбранном из топологических соображений значении

площадь верхней обкладки

Выражение ( ) может быть использовано для определения максимального значения

исходя из обеспечения требуемой точности конденсатора:

В данном случае при заданной технологии значение определяется из формулы для полной относительной погрешно­сти емкости ус конденсатора:

Здесь —относительная погрешность удельной емко­сти в условиях конкретного производства (зависит от материала и погрешности воспроизведения толщины диэлектрика);

— относительная погрешность площади (зависит от фор­мы, площади и погрешности линейных размеров обкладок);

—относительная температурная погрешность (зависит в ос­новном от ТКС материала диэлектрика); —относительная погрешность, обусловленная старением пленок конденсатора (зависит от материала и метода защиты).

Добротность Q пленочного конденсатора обусловлена потеря­ми энергии в конденсаторе:

где — тангенс угла диэлектрических потерь в конденсаторе, диэлектрике, обкладках и выводах соответственно. Потери в диэлектрике обусловлены свойствами материала диэлектрика на определенной частоте f и определяются суммой миграционных и дипольно-релаксационных потерь:

где — удельное сопротивление пленки диэлектрика; — время релаксации; — значения относительной диэлектрической постоянной на высоких и низких частотах.

Тангенс угла в обкладках и выводах конденсатора

где — последовательное сопротивление обкладок; — сопро­тивление выводов.

В практических расчетах — справочная величина, а определяется в зависимости от конфигурации конденсатора, материала и формы обкладок.

Сопротивление утечки конденсатора обусловлено наличием тока утечки , до которого уменьшается ток в цепи при зарядке конденсатора, и определяется отношением напряжения U, при­ложенного к конденсатору, к значению этого тока:

где — начальный ток в зарядной цепи; — активное сопро­тивление зарядной цепи.

Наличие в диэлектрике конденсатора различных дефектов и неоднородность его структуры (слоистость, пористость, присут­ствие примесей, влаги и т. д.) обусловливает в нем определенное количество свободных зарядов, способных перемещаться под действием поля. Часть из них вызывает поляризацию диэлектри­ка, которая выражается коэффициентом остаточной поляри­зации:

где — остаточная разность потенциалов, возникающая на обкладках конденсатора после его разрядки.

Температурный коэффициент емкости ТКС характеризует отклонение емкости, обусловленное изменением температуры на величину . Его среднее значение в интервале температур аналитически определяют путем разделения левой и правой частей выражения ( ) на :

где — температурные коэффициенты обкладок конден­сатора, диэлектрической проницаемости и толщины диэлектрика соответственно.

Поскольку все слои конденсатора жестко сцеплены между собой, а нижняя обкладка—с подложкой, . Так как зна­чение ТКЛР подложек мало и ему соответ­ствует то ТКС определяется , т. е.

Коэффициент старения определяет изменение емкости кон­денсатора, которое происходит вследствие деградационных явле­ний в пленке диэлектрика за время :

где — коэффициент старения диэлектрической проницаемо­сти.

Современная технология позволяет получать тонкопленочные конденсаторы любой конструкции (см. рис. 1) с емкостью 100.10³ пФ, допуском ±(5—20)%, , ТКС=

, добротностью Q=10—100 и . При этом форма конденсатора может быть не только прямоуголь­ной, но и фигурной для наилучшего использования площади подложки.

РАСЧЕТ ТОНКОПЛЕНОЧНЫХ КОНДЕНСАТОРОВ.

Исходными данными для расчета тонкопленочных конденсаторов являются: номиналь­ная емкость С,[пФ]; допуск на номинал ± С[%]; максимальное рабочее напряжение [В]; рабочая частота [Гц]; тангенс угла потерь ; диапазон рабочих температур [°С]; технологиче­ские данные и ограничения, в том числе погрешность воспроиз­ведения удельной емкости и линейных размеров обкладок или их относительные cреднеквадратические отклонения коэффициент старения ; продолжительность работы или хранения и др.

Методика расчета

1. По заданной технологии и данным таблицы выбирают материал диэлектрика. Критериями выбора материала являются максимальные значения и минимальные значения ТКС, . Отметим, что на выбор материала диэлектрика суще­ственно влияет область применения ИМС. Так, конденсаторы на основе ИБС и АСС, которые обладают наибольшей диэлектриче­ской постоянной , применяют в линейных ИМС на частотах до 10 МГц, когда требуется высокая степень интеграции, повышен­ная стабильность параметров и надежность в эксплуатации. В ИМС частотной селекции и БИС, работающих при высоких температурах, целесообразно использование конденсаторов на основе БСС, которые обладают наименьшим ТКС и наибольшими значениями Q, в широком диапазоне частот и температур.

Конденсаторы на основе SiO и GeO, имевшие ранее широкое распространение ввиду простоты технологии, в настоящее время находят ограниченное применение из-за недостаточно высокой стабильности и надежности.

2. Из условия обеспечения электрической прочности с помощью ( ) определяют минимальную толщину диэлектрика. Значение d должно находиться в пределах 0,2—0,8 мкм.

3. Определяют удельную емкость конденсатора исходя из условий электрической прочности:

4. В зависимости от требуемых значений С, и С и руковод­ствуясь рекомендациями ( ) выбирают конструкцию и форму конденсатора.

5. Определяют относительную температурную погрешность

а по ( ) — относительную погрешность обусловленную старением.

6. Используя ( ), определяют допустимую погрешность площади конденсатора при условиях

При этом

7. По конструктивно-технологическим данным на ограничение линейных размеров ( ) и выбранному значению с по­мощью ( ) определяют максимальное значение удельной емкости .

8. Выбирают минимальную удельную емкость из условия

которое обеспечивает заданное значение Up и требуемое значение 6С.

9. По заданному значению С; и полученному по ( ) значе­нию Со определяют коэффициент, учитывающий краевой эффект:

10. Определяют площадь перекрытия диэлектрика обкладка­ми конденсатора с учетом коэффициента К:

При этом, если в результате расчетов по ( ), ( ) S<0,01 см², то необходимо выбрать другой материал диэлектри­ка с меньшим значением или увеличить его толщину d в воз­можных пределах. Если окажется, что S>2см², то требуется выбрать другой диэлектрик с большим значением либо исполь­зовать дискретный конденсатор.

11. С учетом коэффициента определяют размеры верхней обкладки. Для обкладок квадратной формы . Полученные и округляют до значений, кратных шагу координатной сетки с учетом масштаба топологического чертежа.

12. С учетом допусков на перекрытие определяют размеры нижней обкладки

и диэлектрика

где q — размер перекрытия нижней и верхней обкладок; f — размер перекрытия нижней обкладки и диэлектрика. Для конструкции рис. 1, б .

13. Определяют занимаемую конденсатором площадь

14. По выражениям ( ), ( ), ( ) и данным табл. определяют диэлектрические потери (полученное значение не должно превышать заданного), а с помощью ( ), ( ) оценивают обеспечение электрического режима и точности конденсатора в заданных условиях эксплуатации.

При проектировании группы конденсаторов расчет начинают, как правило, с конденсатора, имеющего наименьшее значение емкости. В этом случае целесообразно пользоваться программой расчета на ЭВМ.

ЛИТЕРАТУРА:

1. « Детали и узлы радиоэлектронной аппаратуры », Волгов В. А., Москва, 1977 г.

2. « Микроэлектроника» , Ефимов И. Е., Козырь И. Я., Москва, 1987 г.

3. « Материалы электронной техники», Пасынков В. В., Сорокин В. С., Москва, 1986 г.

4. « Расчет электрорадиоэлементов» , Печерская Р. М., г. Пенза, 1994 г.

5. « Технология и конструирование интегральных микросхем», Березин А. С., 1983 г.

4. МАТЕРИАЛЫ ПЛЕНОЧНЫХ КОНДЕНСАТОРОВ

ПОЛИСТИРОЛ получают из мономера стирола который представляет собой легкую бесцветную синтетическую жид­кость с характерным запахом. Стирол легко полимеризуется даже при хранении на холоде. В темноте и при отсутствии катализаторов он постепенно превращается в твердую, прозрачную и бесцветную, как стекло, массу. Полистирол имеет строение

Для полистирола среднее значение п может доходить до 6000. С целью предотвращения нежелательной самопроизвольной полимери­зации стирола во время хранения к нему добавляют специальные ве­щества, замедляющие реакцию полимеризации. Такие вещества полу­чили название ингибиторов. Неравномерная полимеризация вызывает появление внутренних механических напряжений в материале. По­этому в ряде случаев у изделий из полистирола намечается тенденция к постепенному образованию тончайших трещин. Чтобы предотвратить это явление и уменьшить хрупкость полистирола, к нему иногда до­бавляют некоторые виды синтетических каучуков.

ПОЛИТЕТРАФТОРЭТИЛЕН (ПТФЭ), выпускаемый в СССР, называют фторопластом-4 (фторлоном-4). Его получают путем полиме­ризации тетрафторэтилена F₂C =CF₂ (этилен, в молекуле которого все четыре атома водорода замещены атомами фтора). Макромолекула ПТФЭ имеет регулярное симметричное строение

Среди всех органических полимеров ПТФЭ выделяется высокой нагревостойкостью (около 300°С) и очень высокой стойкостью к действию химических реагентов. Так, на него совершенно не действуют серная, соляная, азотная и плавиковая кислоты, щелочи и т. п. Некоторое действие на него оказывают лишь расплавленные щелочные металлы и атомарный фтор при повышенных температурах. По стойкости к химически активным веществам ПТФЭ превосходит золото и платину. не горюч, не растворяется ни в одном из известных растворителей, Практически негигроскопичен и не смачивается водой и другими жид­костями.

Высокие нагревостойкость и химическую стойкость политетрафторэтилена по сравнению с углеводородами можно объяснить тем, |то атомы фтора более крупные, чем атомы водорода. Поэтому они создают сильное поле, экранирующее углеродный скелет молекулы от внешнего воздействия (рис. 7.4). Сама оболочка из атомов фтора так­ие проявляет инертность по отношению к внешним воздействиям из-за большой энергии связи С—F.

ПОЛИЭТИЛЕНТЕРЕФТАЛАТ (лавсан) — это термоплас­тичный полимер, полученный из этиленгликоля и терефталевой кис­лоты С₆Н₄(СООН)₂, имеющей строение

при молекулярной массе порядка 30000. Он обладает значительной механической прочностью и достаточно высокой температурой размяг­чения. Это — дипольный диэлектрик.

Лавсан применяют для изготовления волокон, пленок и для дру­гих целей. При повышенных температурах он быстро окисляется на воздухе, так что обработку размягченного нагревом материала произ­водят в атмосфере нейтрального газа (азота).

ВВЕДЕНИЕ

В пленочных интегральных микросхемах элементы создаются осаждением пленок на специальные платы из диэлектрических материалов—подложки . Подложка служит механическим основанием, и, будучи диэлектриком, изолирует её элементы. На основе напыленных пленок в настоящее время изготавливаются только пассивные элементы ( резисторы и конденсаторы). Пленочные схемы, дополненные активными элементами (диодами, транзисторами, полупроводниковыми ИС) при­нято называть гибридными ИС (ГИС). Активные элементы в этих схемах крепятся на подложке методом навесного монтажа.

Такая технология изготовления ИС, при которой пассивные и активные элементы создаются по двум не зависимым друг от друга циклам, приводит к ряду преимуществ, которые обусло­вили широкое производство и использование ГИС. Гибридные ИС характеризуются простотой изготовления, малой трудоемкостью, непродолжительностью производственного цикла и в силу этого низкой стоимостью.

Многоуровневое расположение пассивных элементов и исполь­зование в качестве активных элементов полупроводниковых ИС расширяют возможности схемотехнической разработки при со­здании БИС.

Технология изготовления тонких и толстых пленок позволяет создавать прецизионные резисторы и конденсаторы, в силу чего гибридная технология предпочтительнее в схемах с повышенной точностью пассивных элементов.

Интегральные микросхемы, работающие в СВЧ диапазоне, также создаются по гибридной технологии. При этом исключа­ются трудности, связанные с изоляцией элементов толстыми ди­электрическими слоями, неизбежной, если СВЧ ИС выполняется как полупроводниковая.

МАТЕРИАЛЫ ПОДЛОЖЕК

Размеры подложек выбираются в соответствии со степенью интеграции ИС, их материалы — в соответствии с требованиями, предъявляемыми к электрическим, механическим и термическим свойствам подложек. В свою очередь эти требования обусловле­ны заданными параметрами пленочных элементов и выбором технологических методов нанесения пленок.

Рассмотрим требования к подложкам. Материал подложек должен иметь высокие объемное и поверхностное удельные со­противления. Это требование вытекает из необходимости обеспе­чения электрической развязки между элементами. Кроме того, для большинства материалов с высоким удельным сопротивлени­ем существует определенная взаимосвязь между сопротивлением и их стойкостью к влиянию различных веществ, в том числе из окружающей среды. Низкие диэлектрические потери снижают потери энергии вследствие поглощения в диэлектрике. Высокая теплопроводность обеспечивает отвод тепла от микросхемы и вы­равнивание температурного градиента по ее поверхности. Согла­сование коэффициентов линейного расширения подложки и оса­ждаемых пленок уменьшает механические напряжения в пленках и тем самым снижает вероятность появления в них микротре­щин, разрывов и т.п. Высокая механическая прочность облегчает механическую обработку подложек (для получения требуемой формы и размеров и создания в них отверстий), а также преду­преждает поломку подложек при сборке микросхем. Подложки должны быть достаточно термостойкими при пайке и сварке; ма­териал подложки и структура поверхности должны обеспечивать хорошую адгезию осаждаемых пленок к подложке.

Перечисленные требования к подложкам являются общими для тонкопленочных и толстопленочных микросхем. Однако в си­лу значительного различия в свойствах толстых и тонких пленок и методов их нанесения параметры подложек для толсто- и тонкопленочных ИС не совпадают. Это в наибольшей степени относит­ся к адгезии: для тонких и толстых пленок необходимая шеро­ховатость поверхности существенно различается.

В табл. 1.1 приведены характеристики диэлектрических мате­риалов, которые в большей или меньшей степени удовлетворяют требованиям, предъявляемым к подложкам для тонко- и толстопленочных ИС. Ниже приводится состав рассмотренных мате­риалов.

Таблица 1.1. Характеристики подложек

Стекла представляют собой различные системы окислов. Боросиликатное стекло состоит из SiO₂ (80%), В₂О₃ (12%) и дру­гих окислов (Na₂O, K₂O, Al₂O₃), алюмосиликатное — из SiO₂ (60%), Al₂O₃ (20%) и других окислов (Na₂O, CaO, MgO, B₂O₃). Стекла типов С-48-3 и С-41-1 являются бесщелочными.

Керамика — поликристаллическое вещество с зернами слож­ной структуры, получаемое в результате высокотемпературного отжига (спекания) порошков различных окислов. Алюмооксидная керамика типа «Поликор» состоит из Al₂O₃ (99,8%), B₂O₃ (0,1%), MgO (0,1°/о). Размер зерен — менее 40 мкм. Бериллиевая керамика содержит от 98 до 99,5% окиси бериллия ВеО.

Ситаллы — стеклокерамические материалы, получаемые в результате термообработки (кристаллизации) стекла. Большинст­во ситаллов характеризуется следующим составом окислов:

1) Li₂O—Al₂O₃ —Si0₂ —Ti0₂ ; 2) RО—А1₂O₃ — SiO₂— TiO₂ (RO — один из окислов СаО, MgO или ВаО).

Лейкосапфир — чистый монокристаллический окисел алюми­ния а-модификации.

Сравнительный анализ этих материалов позволяет сделать следующие выводы.

Стекла имеют недостаточную прочность, низкую теплопровод­ность, недостаточную химическую стойкость, для них характерно сильное газовыделение при нагреве. Благодаря содержанию окис­лов щелочных металлов возможно образование ионов этих ме­таллов, обладающих повышенной миграцией при приложении электрического поля и обусловливающих нестабильность свойств стеклянных подложек и элементов микросхем. Повышение хими­ческой стойкости и стабильности тонкопленочных ИС обеспечи­вается подложками из бесщелочных стекол С-41-1 и С-48-3.

Керамика, особенно бериллиевая, имеет значительно большую теплопроводность по сравнению со стеклами. Кроме того, она обладает большей механической прочностью и лучшей химиче­ской стойкостью. Однако большие размеры зерен керамических материалов не позволяют получить удовлетворительный микро­рельеф поверхности для тонкопленочных ИС. Мелкозернистая керамика с размером зерен в десятые доли микрона широко используется для подложек толстопленочных ИС. При этом наи­более удовлетворительным микрорельефом обладает керамика с 96%-ным содержанием Al₂O₃. Керамика с более высоким содер­жанием А120з, например типа «Поликор», имеет слишком глад­кие поверхности, не обеспечивающие хорошей адгезии к ним тол­стых пленок. Полировка мелкозернистой керамики снижает ми­кронеровности, однако вызывает существенные и трудно устрани­мые загрязнения ее поверхности. Поэтому такая операция не поз­воляет получить подложки, пригодные для тонкопленочных ИС.

Ситаллы в 2—3 раза превосходят стекла по механической прочности. Они хорошо прессуются, вытягиваются, прокатывают­ся. Диэлектрические свойства ситаллов лучше, чем стекол, и они практически не уступают керамике.

Лейкосапфир характеризуется хорошими диэлектрическими свойствами. Однако технология его получения (обычно вытяги­вание монокристаллов по методу Чохральского) не позволяет получить пластины больших размеров низкой стоимости.

По совокупности диэлектрических и механических свойств, микрорельефу поверхности, стойкости к химическому воздействию наиболее приемлемыми материалами подложек для тонкопленоч­ных микросхем 'являются ситаллы, для толстопленочных — 96%-ная алюмооксидная керамика.

МАТЕРИАЛЫ ПЛЕНОК

Тонкопленочный конденсатор имеет трехслойную структуру металл — ди­электрик — металл, расположенную на изолирующей подложке. Основными па­раметрами диэлектрических материалов для конденсаторов являются удель­ная емкость С_уд =e₀*e/d, определяемая диэлектрической постоянной вое и тол­щиной слоя диэлектрика