книги из ГПНТБ / Воронков Э.Н. Основы проектирования усилительных и импульсных схем на транзисторах учеб. пособие [для сред. спец. учеб. заведений]

Геометрические размеры пленочных элементов их форма, размещение и соединение называют технологией пленочных ■микросхем.

Геометрическое размещение элементов пленочной, схемы сна­ чала подробно представляется на топологической карте, в кото­ рую должны включаться размеры и формы всех элементов.

На рис. 17.24 показана тонкопленочная микросхема и маски щля нанесения проводников, изоляторов и резисторов. Маску по­ мещают между испарителем и подложкой.

В качестве масок используют фольгу из нержавеющей стали, молибден, никель, сплавы меди толщиной 0,1 мм. Рисунки на -фольге создают фотолитографическим методом.

Долговечность таких масок ограничена тем, что их отверстия забиваются осаждающимся веществом.

При напылении тонких пленок через металлические маски можно получить только простые геометрические фигуры; фигуры в виде колец или спиралей получить невозможно.

Проводники

Проводящие пленки применяют для соединительных провод­ ников, катушек индуктивности, плоских спиралей, обкладок кон­ денсаторов.

Основным параметром тонкопленочных проводников являетсяудельное поверхностное сопротивление го Ом/квадрат, которое представляет собой сопротивление пленки, ширина которой равна его длине и выражается в омах на единицу площади

тде Q— удельное сопротивление материала пленки: d — толщина •пленки.

-272

Величина его составляет примерно 0,5 Ом/квадрат. Сопротив­ ление любой части проводника

где I — длина проводника; b — его ширина.

В ряде случаев это сопротивление достаточно велико и может вызвать нежелательные обратные связи.

Проводимость металлических пленок зависит от ее-толщины. Удовлетворительные результаты получаются при толщине пле­ нок порядка 1000 А.

При изготовлении металлизированных токоведущих дорожек, между компонентами выбор материала обусловлен следующими требованиями:

—к каждому компоненту необходимо создать омические невыпрямляющие контакты;

—соединение компонентов должно быть выполнено из низкоомного материала, обладающего хорошей адгезией с подложкой.

Первому условию удовлетворяют многие металлы: золото, алюминий, свинец, серебро, хром, никель.

Чаще всего используются Al, Ni, Cr, а также сплав хрома с золотом и бериллия с медью.

Второму условию удовлетворяют А1 и Сг. Золото всегда используется с промежуточным металлическим слоем, так как оно плохо связывается с окисными пленками.

Такие металлы как алюминий, хром и бериллий хорошо удер­ живаются на стекле. Пленки из серебра, меди и никеля менее устойчивы, а из золота, платины и других благородных металлов обладают плохой адгезией. Поэтому в ряде случаев предвари­ тельно наносят тонкий слой металла с хорошей адгезией, а затем наносят нужный металл.

Резисторы

Резистивные пленки применяются для резисторов и обкладок коидеисаторов. Резисторы наносят на плоские подложки в виде узких полосок, различных конфигураций, которые оканчиваются площадками, обладающими высокой проводимостью.

На рис. 17.25,а показано поперечное сечение тонкопленоч­ ного резистора. Дляполучения больших величин сопротивлений тонкопленочному резистору придается сложная конфигурация (рис. 17.25,6). Для получения сопротивления требуемой вели­ чины необходимо нанести пленку определенной толщины и длины. Чем меньше ширина линии, тем больше величина сопро­ тивления, которое можно получить на данной поверхности при определенном значении удельного сопротивления, поскольку на этой поверхности может быть’нанесена линия более сложной конфигурации.

273

Параметрами тонкопленочных резисторов являются:

—полное сопротивление R в Ом;

—удельное поверхностное сопротивление пленки Го Ом/квад-

'й //Ш ////£ /Ш?7?7?77/Х

Керамическая подложка

Маска из фоторезиста и гальваническое покрытие

7 ///Ш ///////7 //7 7 7 //Ш /7 Ѵ 7 ?

Нанесен слой, нихрома или тантала

Удаление фоторезиста и тонкого золотого елоя

Напыленный тонкий слой золота

Р

а)

Рис. 17.25. Процесс изготовления тонкопленочного резистора (а), геометрия (б)

— максимальное рассеяние мощности PR ів мВт;

— температурный коэффициент сопротивления ТКР 1/°С. Тонкопленочный резистор рассчитывают исходя из конструк­

тивных технологических и электрических требований, но без учета существующих стандартных номиналов.

274

Выбор ширины пленки зависит от величины сопротивления

и мощности рассеяния.

При заданном сопротивлении тонкопленочного резистора

ro где b1— расстояние между резисторами.

Минимальный линейный размер пленочных резисторов опре­ деляется в основном точностью нанесения масок и величиной допуска на сопротивление.

Максимальная рассеиваемая мощность на резисторе PR зави­ сит от теплопроводности подложки, способа охлаждения и тем­ пературы окружающей среды. Минимальную длину I и ширину Ь в резисторе при рассеиваемой мощности рассчитывают по задан­ ным R, г0 и Р0-

PR< P * /b = P ü — 62;

где Ро — удельная допустимая мощность рассеяния резисторов обычно составляет 1 Вт/см2 площади резистивной пленки.

Резисторы могут быть прямыми или зигзагообразными.

В зигзагообразных резисторах необходимо учитывать, что на углах и изгибах (рис. 17:27) формула (17.1) для сопротивления несправедлива. Необходимая поправка рассчитьгваётся по фор­ мулам

R„a’=-2,55 для угла;

бб'

Зигзагообразные резисторы должны иметь четное число из­ гибов, в противном случае контактные площадки будут распо­ ложены рядом.

Тонкопленочные резисторы сравнительно устойчивы к изме­ нению температуры. ТКС в диапазоне температур от —60 до + 125° С составляет от —4 до + 2 - ІО-4 град-1.

275

Основное требование, предъявляемое к резистивным 'плен­ кам,— высокое удельное сопротивление и стабильность.

Для получения тонкопленочных резисторов широкое приме­ нение получили нихром, сплавы золота с платиной и тантал.

Пленки из нихрома в течение времени изменяют удельное со­ противление. Наиболее-устойчивые пленки получаются при тол­ щине 50-K500Â (что соответствует го = 300-к30 Ом/квадрат).

а'

в'

п = і/ь =4

Танталовые резисторы получают методом распыления ме­ талла на подложку и последующего стравливания ненужных участков. Оптимальная толщина таких пленок порядка 500 А, а удельное сопротивление 1000 Ом/квадрат.

Более высокоомные резисторы получаются из окислов метал­ лов. Наиболее часто для этих целей применяют двуокись олова с примесями As, Р или Sb. Наносят их химическим осаждением или вакуумным распылением. Величина их удельного сопротив­ ления достигает 5000 Ом/квадрат.

Особенно высокое сопротивление до ІО5 Ом/квадрат дости­ гается при использовании соединений металла и изометра, на­ пример, танталовохромовый силикат. Однако такие резисторы обладают высоким температурным коэффициентом.

Обычно напыленные резисторы требуют доведения величины сопротивления до номинального значения.

Для этого применяют обработку резисторов лазерным лучом и другие методы.

276

Тонкопленочны е конденсаторы

При изготовлении тонкопленочных конденсаторов необходимо •минимум три этапа нанесения пленок: нанесение нижней «обкладки, нанесение диэлектрика и, наконец, верхней обкладки. На рис. 17.28 показано поперечное сечение тонкопленочного кон­ денсатора. Верхняя и нижняя обкладки конденсатора — метал­ лические пленки, диэлектрик — пленка стекла двуокиси кремния «или окислов других металлов.

Рис. 17.28. Тонкопленочный конденсатор:

й—виешниП вид; б—р азрез

Основными параметрами тонкопленочных конденсаторов являются:

—полная емкость С в Ф;

—удельная емкость С0 в Ф/с'м2;

—максимальное сопротивление UMв В;

—температурный коэффициент емкости ТКЕ в 1/°С;

—Добротность Qc.

Полная емкость тонкопленочного конденсатора определяется из выражения

г _ «öS _ее0£2

а удельная емкость

где е — диэлектрическая проницаемость среды, ео= Ш-13 Ф/см.

Максимальное напряжение тонкопленочного конденсатора определяется из условия Нт < £/Проб= Е'проб^. Температурный

277

Наиболее экономичное использование занимаемой площади обеспечивают тонкопленочные конденсаторы квадратной формы. Длина стороны квадратного конденсатора

" “ / г г -

Для прямоугольных конденсаторов длины сторон b и I связаны выражением

Ь-1=С/С0, мм2.

Часто для максимального использования поверхности приме­ няют несимметричную конфигурацию (рис. 17.28, а) или много­ слойные пленки.

Емкость многослойного конденсатора определяется из выра­ жения

Ст= {т — 1) EEQS d

где т — число слоев.

Изолирующие пленки, применяемые для диэлектриков в пле­ ночных конденсаторах, должны иметь высокое е для увеличения удельной емкости, высокую пробивную напряженность электри­ ческого поля для повышения допустимых рабочих напряжений и малый ток утечки для повышения добротности.

Для получения больших емкостей на меньших площадях не­ обходимо применять возможно более, тонкие пленки. Минималь­ ная толщина диэлектрической пленки определяется из условия осаждения беспористой пленки, а также напряжением пробоя.

Пленки толщиной менее 50 А, как правило, неоднородны. Наиболее приемлемы диэлектрические пленки толщиной 500 А.

При толщине пленки стеклодиэлектрнка 1 А конденсаторы имеют на площади 1 см2 емкость ЮОООпФ с диэлектрической прочностью 500 В/см. Многослойные пленочные электролитиче­ ские танталовые конденсаторы имеют емкость несколько микро­ фарад. Танталовые пленки обеспечивают наибольшую удельную емкость; для образования электродов напыляют золото.

Преимуществами пленочных конденсаторов перед твердыми является отсутствие зависимости от приложенного напряжения, малые паразитные параметры, большая точность и большие номиналы.

278

Тонкопленочные индуктивности и трансф орм аторы

Тонкопленочные индуктивности изготовляют в виде тонко­ пленочной круговой или прямоугольной спирали (рис. 17.29). Индуктивность круговой спирали определяется из выражения

,25/Ж2

где

D — R

n — R2~ R x\

D _ D

N = —------ -— число витков спирали; b+bl

b+ b\=m — шаг спирали.

Рис. 17.29. Тонкопленочные индуктивности:

а— круговые; б— прямоугольные

Добротность тонкопленочной индуктивности можно подсчитать по формуле

где

D = ~ ( 4 + y .

27Э

ров определяется толщиной платы, на которую с разных сторон наносят первичную и вторичную обмотки. Добротность повы­ шается увеличением толщины проводников.

Верхний предел тонкопленочных индуктивностей обычно не превышает 3 мкГн. Добротность тонкопленочных индуктивностей также низка. Для получения удовлетворительной добротности применяют гальваническое покрытие, при этом достигается мини­ мальное удельное сопротивление.

Например, при ширине линии спирали около 0,00125 міш удельное сопротивление слоя имеет порядок ІО3 Ом/квадрат. При этом индуктивность будет порядка 1 мкГн.

Применение тонкопленочных индуктивностей ограничено их низким Q, высокой индуктивностью рассеяния и 'относительно большой занимаемой площадью.

В запоминающих устройствах лучшие характеристики имеют магнитные металлические пленки, чем ферритовые. Металличе­ ские магнитные пленки получают методом испарения.

§ 17.4. ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ИНТЕГРАЛЬНЫЕ СХЕМЫ

Твердой (монолитной) интегральной схемой называется

.схема, созданная в одном кристалле полупроводника и выпол­ няющая определенную функцию.

В монолитной схеме участки с различными свойствами от диэлектриков до полупроводников, выполняющих функции раз­ личных активных и пассивных элементов, а также соединение между ними создаются в объеме одной кристаллической крем­ ниевой подложки.

Твердые схемы можно подразделить на две группы — интег­ ральные схемы, отдельные участки которых эквивалентны обыч­ ным радиодеталям, и функциональные схемы, в которых трудно выделить отдельные элементы схемы, эквивалентные обычным радиодеталям.

Вданном разделе рассматриваем в основном первую группу твердых схем. Всякая схема состоит из совокупности пассивных

иактивных элементов.

Вкачестве активных элементов в твердых схемах исполь­

зуют транзисторы, диоды, тиристоры, оптоэлектронные приборы и термоэлектрические элементы. Все эти приборы состоят иг одного или более р—«-переходов (рис. 17.39, а, б, в) и подробно рассмотрены в предыдущих разделах.

280

Любой р—/г-переход обладает барьерной емкостью, аналогич­ ной плоскому конденсатору с диэлектриком из полупроводнико­ вого материала (см. рис. 17.30, г, д). Такие конденсаторы чаще всего и применяют в интегральных схемах.

В качестве резисторов используют участки однородного полу­ проводника, обычно ограниченные диффузионным переходом,

Рис. 17.30. Схематическое изображение элементов интегральной схемы

Таким образом, р—/г-переходы могут функционировать в ка­ честве диодов, транзисторов, сопротивлений и емкостей, т. е. составляют набор элементов, достаточный для создания боль­ шинства радиотехнических схем. Наиболее трудноисполнимой частью твердой схемы является индуктивность. В качестве индук­ тивности используется обычно самостоятельная активная схема, поэтому разработчики твердых схем стремятся избегать схемных решений, требующих индуктивные элементы. Для исключения взаимного влияния активные и пассивные элементы размещают в лунках изолирующей подложки, на которую нанесен изоля­ ционный слой с последующим напылением проводящих участков, соединяющих элементы между собой.

Рассмотрим требования, предъявляемые к элементам интег­ ральных схем.

Транзисторы

В интегральных схемах применяют различные типы биполяр­ ных и полевых транзисторов. Однако наиболее широкое приме­ нение нашли диффузионные и эпитаксиально-диффузионные планариые транзисторы.