Реферат: Расчет тонкопленочного конденсатора

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.

9

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).

11

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 d, и электрическая прочность Ед.

Из-за сложности создания бездефектных пленок на большей площади мак­симальная площадь конденсатора ограничивается. Минимальная площадь ог­раничивается заданной точностью. Отсюда для обеспечения широкого диапазо­на емкостей возникают определенные требования к удельным емкостям. По­скольку существует предел и для минимальной толщины пленок (из-за влия­ния пор и дефектов в пленке диэлектрика на ее электрическую прочность), то при изготовлении тонкопленочных конденсаторов к диэлектрической постоянной материала предъявляются определенные требования. Если ограничить толщину пленки величиной 0,1 мкм, а максимальную и минимальную площади соот­ветственно 2-Ю² и 0,2 мм², то для обеспечения диапазона емкостей 10—10⁶ Ф требуются диэлектрические постоянные, примерно равные 0,5—50.

Электрическая прочность диэлектрического материала определяет напряже­ние пробоя U_д=Е_дd, а следовательно, и диапазон рабочих напряжений кон­денсатора. Кроме требований к удельной емкости и электрической прочности диэлектрические материалы должны обладать минимальной гигроскопичностью, высокой механической прочностью при циклических изменениях температуры, хорошей адгезией к подложкам.

Диэлектрические материалы, используемые для тонкопленочных конденса­торов, представляют собой окислы полупроводников и металлов. Из окислов полупроводников наибольшее распространение в технологии тонкопленочных ИС получили моноокись кремния SiO и моноокись германия GeO, имеющие высо­кие диэлектрические постоянные. Пленки двуокиси кремния SiO₂ значительно реже используются в тонкопленочяой технологии, что частично связано с более низкими значениями диэлектрической постоянной, а также с невозможностью использовать для их осаждения метод вакуумного термического испарения.

Среди окислов металлов наибольший интерес представляют окислы туго­плавких металлов, такие как Ta₂O₅, TiO₂, HfO₂ , Nb₂O₅. Эти материалы по срав­нению с другими окислами обладают наиболее высокими значениями диэлек­трической постоянной. Наиболее отработана технология изготовления пленок пятиокиси тантала. Интерес к пленкам тантала и его окисла объясняется воз­можностью изготовления резисторов и конденсаторов с использованием толь­ко этого материала и одних и тех же технологических методов создания, а именно ионно-плазменного распыления и электролитического анодированпя.

Свойства материалов, наиболее широко используемых для создания тонко­пленочных конденсаторов, представлены в табл.1.2

Таблица 1.2. Параметры материалов, применяемых для изготовления тонкопленочных конденсаторов

Тонкопленочные проводники в микросхемах служат для соеди­нения пассивных тонкопленочных элементов и создания контакт­ных площадок для присоединения активных навесных элементов и внешних .выводов. Тонкопленочные проводящие материалы должны обладать высокой электропроводностью, хорошей адгезией к 'под­ложке, способностью к сварке или пайке, химической инерт­ностью.

Материалами с высокой электропроводностью являются золо­то, серебро, алюминий, медь. Однако пленки этих металлов не удовлетворяют всей перечисленной совокупности свойств. Так, эти металлы, особенно благородные, имеют плохую адгезию к под­ложке, алюминиевые пленки плохо поддаются пайке и сварке (для присоединения навесных элементов и внешних выводов), медь легко окисляется. Поэтому для получения тонкопленочных проводников используются многослойные композиции. Эти композиции включают подслой из материала, обеспечивающего хорошую адгезию, слой из материала с высокой электропроводностью и покрытие из химически инертного материала с хорошей способностью к сварке или пайке.

5. ПРИМЕР РАСЧЕТА ТОНКОПЛЕНОЧНОГО КОНДЕНСАТОРА

Задание:

Определить геометрические размеры и минимальную площадь конденсатора на подложке, при следующих исходных данных : С₁=100 пФ, допустимое отклонение γ_с=15%, U_раб=15 В,

Диапазон темпер. = -60 до 125 ⁰С, tgδ=0,03; f_мax=400 кГц; погр.восп.удел.емк. γ_Со=5%,

погр.стар. γ_Сст=1%

Расчет:

По табл. выбираем материал диэлектрика для конденсатора — моноокись кремния. Его параметры: ε=5; tgδ=0,01; E_np=2-10⁶ В/см; ТКС=2-10^-4 1/°С. Минимальную толщину диэлектрика d_min и удельную емкость C_ov для обеспечения необходимой элект­рической прочности находим :

Температурная погрешность емкости γ_ct==2•IO^-4 x (125—20) •100=2,1%, а допустимая погрешность активной площади конден­сатора γ_Sдоп=15—5—1—2,1=6,9%.

Минимальную удельную емкость для обеспечения точности изготовления наименьшего по номиналу конденсатора:

a ΔL=0,01 мм (см. табл)

Определяем, какова должна быть удельная емкость наименьшего по номи­налу конденсатора с учетом технологических возможностей изготовления по площади перекрытия обкладок и толщине диэлектрика. Задаемся S_min==l мм². Тогда :

Таким образом, получены три значения удельной емкости:

Окончательно выбираем Со==100 пФ/мм².

Определяем, какая толщина диэлектрика соответствует выбранной удельной емкости Со

d= 0,0885-5/ (100-10²) =0,44 *10^-4 см, что вполне приемле­мо для тонкопленочной технологии.

Далее проводим расчет геометрических размеров конденсаторов

Отношение C₁/Co ==100/100=1 мм². Коэффициент, учитывающий краевой эффект, К= 1,3-0,06*1 =

=1,24. Площадь перекрытия обкладок S₁ = 1 • 1,24=1,24 мм²; форма обкладок перекрещивающиеся полоски квад­ратной формы (К_ф= 1),' размеры обкладок L₁=B₁=√1,24=1,11 мм; L_Н1=В_Н1=1,11 мм, L_Д1=B_Д1i== 1,11+2*0,1 ==1,31 мм; площадь конденсатора по ди­электрику S_Д1=1,72 мм².

Проверка расчета:

СОДЕРЖАНИЕ:

1. ВВЕДЕНИЕ стр.

2. ПРОЕКТИРОВАНИЕ ПЛЕНОЧНЫХ КОНДЕНСАТОРОВ стр.

3. РАСЧЕТ ТОНКОПЛЕНОЧНЫХ КОНДЕНСАТОРОВ. стр.

4. МАТЕРИАЛЫ ПОДЛОЖЕК стр.

5. МАТЕРИАЛЫ ПЛЕНОК стр.

6. ПРИМЕР РАСЧЕТА ТОНКОПЛЕНОЧНОГО КОНДЕНСАТОРА стр.

7. ПРИЛОЖЕНИЕ (Характеристики материалов пленочных конденсаторов) стр.

8. ЭСКИЗ ТОНОКОПЛЕНОЧНОГО КОНДЕНСАТОРА

Характеристики материалов пленочных конденсаторов

ПЕНЗЕНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

Кафедра «Микроэлектроника»

Подготовили ст.гр.97РЮ-2:

Липелис Э.А

Принял:

Юдина Н. И.

Пенза, 1999г.