Определяют занимаемую конденсатором площадь

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:

« Детали и узлы радиоэлектронной аппаратуры », Волгов В. А., Москва, 1977 г.
« Микроэлектроника» , Ефимов И. Е., Козырь И. Я., Москва, 1987 г.
« Материалы электронной техники», Пасынков В. В., Сорокин В. С., Москва, 1986 г.
« Расчет электрорадиоэлементов» , Печерская Р. М., г. Пенза, 1994 г.
« 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

Материал диэлект­рика	Удельное со­противление, Ом *см	Диэл. Пост.	Диэлектрические потери на частоте 106 Гц	Теплопровод­ность, кал/см*с oС	Коэф линей. расш. 10-6 / oC
Бороcиликатное стекло	107	4,6	6,2*10-3	0,0027	3,25
Алюмоокcидная керамика типа «Поликор»	1014	10,8	2*10-4	0,075—0,08	7,5—7,8
Кварцевое стекло	1016	4	3,8*10-4	0,0036	0,56—0,6
Ситаллы	1013—1014	6,5	6*10-3	0,005—0,009	. 5
Лейкосапфир	1011	8,6	2*10-4	0,0055	5

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

Материал диэлект­рической пленки	Диэлект. Постоян.	Тангенс угла диэл. потерь на частоте 103 Гц	Удельная емкость, пФ/см2	Диэл. прочн. Е*10-6 В/см	ТКЕ*104 1/0С	Материал об­кладок; уде­льное сопро. слоя, ом/а
Моноокись крем­ния	5—6	0.01-0.02	0.5*104	2—3	2	Алюмин. 0.2
Моноокись гер­мания	11—12	0,005	104	1	3
Пятиокисьтантала	23	0,02	0,6* 105	2	4	Тантал 1-10

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.