ПРОЕКТИРОВАНИЕПЛЕНОЧНЫХКОНДЕНСАТОРОВ

В некоторыхтипах гибридныхИМС наряду срезистораминаиболеераспространеннымипассивнымиэлементамиявляются пленочныеконденсаторы,которые вомногом определяютсхемотехническиеи эксплуатационныехарактеристикиИМС. Так, качествои надежностьбольшинствалинейных гибридныхИМС в значительноймере зависятот качестваи надежноститонкопленочныхконденсаторов,что определяетсяих конструкциейи технологиейизготовления.

Конструктивно-технологическиеособенностии основныепараметры.В гибридныхИМС применяюттонкопленочныеи толстопленочныеконденсаторыс простойпрямоугольной(квадратной)и сложной формами(рис. 1). Пленочныйконденсаторпредставляетсобой многослойнуюструктуру,нанесеннуюна диэлектрическуюподложку (рис.1, а). Для ее полученияна подложку1 последовательнонаносят трислоя: проводящий2, выполняющийроль нижнейобкладки, слойдиэлектрика3 и проводящийслой 4, выполняющийроль верхнейобкладкиконденсатора.

в)

Рис. 1. Конструкциипленочныхконденсаторовс обкладкамипрямоугольнойформы (а) в видепересекающихсяпроводников(б) и «гребенки»(в)

Пленочныеконденсаторыхарактеризуютсясовокупностьюследующихпараметров:номинальнымзначениемемкости С; допускомна емкость ±6С;рабочим напряжениемUp;добротностьюQ или тангенсомугла потерь ; сопротивлениемутечки , коэффициентомостаточнойполяризации , температурнымкоэффициентомемкости ТКС;коэффициентомстарения ; диапазономрабочих частот ; интерваломрабочих температур ; надежностьюи др.

Конкретныезначения этихпараметровзависят отвыбора используемыхматериаловдля диэлектрикаи обкладок,технологическогоспособа формированиясамой структурыи конструкции.Конструкцияконденсаторадолжна обеспечиватьвоспроизводимость параметровпри минимальныхгабаритах впроцессе изготовленияи совместимостьизготовленияс другимиэлементами.

Конструкция(рис. 1, а), в которойконтур верхнейобкладки вписываетсяв контур нижнейобкладки,предназначенадля реализацииконденсаторовповышеннойемкости (сотни- тысячи пикофарад).Ее особенностьюявляется то,что несовмещениеконтуров обкладокне сказываетсяна воспроизведенииемкости (дляустраненияпогрешностииз-за площадивывода верхнейобкладкипредусмотреныкомпенсаторы5), араспространениедиэлектриказа контурыобеих обкладокгарантируетнадежную изоляциюобкладок приих предельномнесовмещении.

Для конденсаторовнебольшойемкости (десяткипикофарад)целесообразнаконструкция(рис. 1, б) в видепересекающихсяпроводниководинаковойширины, разделенныхслоем диэлектрика.Емкость конденсатораданной конструкциинечувствительнак смещениюобкладок из-занеточностиих совмещения.

Для реализациивысокочастотныхконденсаторовприменяютгребенчатуюконструкцию(рис. 1, в), в которойобкладки имеютформу гребенчатыхпроводников,а диэлектрикявляется составнымтипа «подложка— воздух» или«подложка —диэлектрическоепокрытие».

Значениеемкостипленочногоконденсатораопределяютпо известнойформуле

где —относительнаядиэлектрическаяпроницаемостьдиэлектрика;S—площадьперекрытиядиэлектрикаобкладками;d— толщинадиэлектрика.

Для конденсаторовмногослойнойструктуры,состоящей изпоследовательнонанесенныхдиэлектрическихи проводящихслоев, емкость

где п —количестводиэлектрическихслоев.

Подобноматериалурезистивнойпленки слойдиэлектрика,параметры иd которогоопределяютемкость конденсатора,с точки зрениятехнологичности,воспроизводимостии стабильностисвойств характеризуетсяоптимальнымотношением длякаждого материалаи способа егонанесения.Поэтому емкостьС конденсатораудобно выражатьчерез удельнуюемкость

гдеCo=0,0885 /d—постояннаявеличина длякаждого материала.

Как следуетиз ( ), для изготовленияконденсаторовс малой занимаемойплощадью необходимоприменятьматериалы,характеризующиесямаксимальнымзначением Со,т. е. материалыс максимальнойдиэлектрическойпроницаемостью и минимальнойтолщиной d.Однако минимальнаятолщина dдиэлектрическогослоя даже вслучае выполнениятребованийпо технологичностии воспроизводимостиограниченазначениемрабочего напряжения наконденсаторе.

Известно,что электрическаяпрочностьконденсатораопределяетсявыражением

где — напряженностьэлектрическогопробоя диэлектрика(постояннаявеличина длякаждого материала).

Следовательно,для обеспечениянормальнойработы конденсаторанеобходимо,чтобы

,что возможнопри соответствующемвыборе толщиныдиэлектрика.Минимальнуютолщину диэлектрикаопределяютиз выражения( ), если :

где —коэффициентзапаса, принимаемыйравным 2—3 длябольшинстваструктур пленочныхконденсаторов.

Поэтомурабочее напряжение конденсатораобеспечиваетсявыбором соответствующегоматериаладиэлектрикас определеннымзначением и необходимойтолщинойдиэлектрическогослоя d.

Допуск,на номинальнуюемкость С определяетсяотносительнымизменениемемкости Сконденсатора,обусловленнымпроизводственнымипогрешностямии дестабилизирующимифакторами из-заизменениятемпературыи старенияматериалов.В процессеизготовленияпленочногоконденсаторавозможен разбросего удельнойемкости Со игеометрическихразмеров обкладок.Из выражений( ) и ( ) следует,что максимальноезначениетехнологическойпогрешностиемкости

где —абсолютныепогрешностивоспроизведениядиэлектрическойпроницаемости,толщины диэлектрикаи площадиконденсаторасоответственно.

Посколькувоспроизведениеудельной емкостиСо и площадиS конденсаторадостигаетсявзаимно независимымитехнологическимиоперациями,математическоеожиданиеотносительногоотклоненияемкости иотносительноесреднеквадратическоеотклонениеемкости определяютсявыражениями

где —относительныеи абсолютныесреднеквадратическиеотклоненияудельной емкостии площади.

Погрешностьвоспроизведенияудельной емкостиСо зависит оттехнологическихфакторов нанесенияслоя диэлектрика,а погрешностьвоспроизведенияплощадиS крометехнологическихфакторов зависитот конструкцииконденсатораи формы обкладок.В общем случае

где —относительныесреднеквадратическиеотклонениялинейныхразмеров Аи В, определяющихплощадьS=AB; — коэффициенткорреляционнойсвязи междуотклонениямиразмеров Аи В.

Когда размерыА и Вверхней обкладкиконденсатора,площадь которойопределяетего емкость,формируютсяв процессеодной технологическойоперации (рис. 1 а),

Для конструкциирис. 1 б емкостьконденсатораопределяетсяплощадью перекрытиядиэлектрикаобеими обкладками,линейные размерыкоторых формируютсянезависимо,

Следуетотметить, что существеннозависит такжеот формы верхнейобкладки конденсатора(рис. 1 , а).При

где —коэффициентформы обкладок(при квадратнойформе обкладок,когда А =Ви

, значение минимально).

При этомзначение ,вычисляемоепо ( ), не должнопревышатьмаксимальнодопустимого,т.е.

Отсюда следует,что при выбранномиз топологическихсоображенийзначении

площадьверхней обкладки

Выражение( ) может бытьиспользованодля определениямаксимальногозначения

исходя изобеспечениятребуемойточностиконденсатора:

В данномслучае призаданной технологиизначение определяетсяиз формулы дляполнойотносительнойпогрешностиемкости усконденсатора:

Здесь —относительнаяпогрешностьудельной емкостив условияхконкретногопроизводства(зависит отматериала ипогрешностивоспроизведениятолщины диэлектрика);

— относительнаяпогрешностьплощади (зависитот формы, площадии погрешностилинейных размеровобкладок);

—относительнаятемпературнаяпогрешность(зависит в основномот ТКС материаладиэлектрика); —относительнаяпогрешность,обусловленнаястарениемпленок конденсатора(зависит отматериала иметода защиты).

ДобротностьQ пленочногоконденсатораобусловленапотерями энергиив конденсаторе:

где —тангенс угладиэлектрическихпотерь в конденсаторе,диэлектрике,обкладках ивыводах соответственно.Потери в диэлектрикеобусловленысвойствамиматериаладиэлектрикана определеннойчастотеfи определяютсясуммой миграционныхи дипольно-релаксационныхпотерь:

где — удельноесопротивлениепленки диэлектрика; — время релаксации; — значенияотносительнойдиэлектрическойпостояннойна высоких инизких частотах.

Тангенсугла в обкладкахи выводахконденсатора

где —последовательноесопротивлениеобкладок; —сопротивлениевыводов.

В практическихрасчетах —справочнаявеличина, а определяетсяв зависимостиот конфигурацииконденсатора,материала иформы обкладок.

Сопротивлениеутечкиконденсатораобусловленоналичием токаутечки , докоторого уменьшаетсяток в цепи призарядке конденсатора,и определяетсяотношениемнапряженияU,приложенногок конденсатору,к значениюэтого тока:

где — начальныйток в заряднойцепи; — активноесопротивлениезарядной цепи.

Наличиев диэлектрикеконденсатораразличныхдефектов инеоднородностьего структуры(слоистость,пористость,присутствиепримесей, влагии т. д.) обусловливаетв нем определенноеколичествосвободныхзарядов, способныхперемещатьсяпод действиемполя. Часть изних вызываетполяризациюдиэлектрика,которая выражаетсякоэффициентомостаточнойполяризации:

где — остаточнаяразность потенциалов,возникающаяна обкладкахконденсаторапосле его разрядки.

ТемпературныйкоэффициентемкостиТКС характеризуетотклонениеемкости, обусловленноеизменениемтемпературына величину . Его среднеезначение винтервалетемператур аналитическиопределяютпутем разделениялевой и правойчастей выражения( ) на :

где —температурныекоэффициентыобкладокконденсатора,диэлектрическойпроницаемостии толщины диэлектрикасоответственно.

Посколькувсе слои конденсаторажестко сцепленымежду собой,а нижняя обкладка—сподложкой, .Так как значениеТКЛР подложекмало иему соответствует то ТКС определяется , т. е.

Коэффициентстаренияопределяетизменениеемкости конденсатора,которое происходитвследствиедеградационныхявлений в пленкедиэлектриказа время :

где — коэффициентстарениядиэлектрическойпроницаемости.

Современнаятехнологияпозволяетполучатьтонкопленочныеконденсаторылюбой конструкции(см. рис. 1) с емкостью100.10³ пФ,допуском ±(5—20)%, , ТКС=

, добротностьюQ=10—100 и . При этом формаконденсатораможет быть нетолько прямоугольной,но и фигурнойдля наилучшегоиспользованияплощади подложки.

РАСЧЕТТОНКОПЛЕНОЧНЫХКОНДЕНСАТОРОВ.

Исходнымиданными длярасчета тонкопленочныхконденсаторовявляются:номинальнаяемкость С,[пФ];допуск на номинал± С[%]; максимальноерабочее напряжение [В]; рабочаячастота [Гц];тангенс углапотерь ; диапазонрабочих температур [°С];технологическиеданные и ограничения,в том числепогрешностьвоспроизведенияудельной емкости и линейныхразмеров обкладок или их относительныеcреднеквадратическиеотклонения коэффициентстарения ; продолжительностьработы илихранения и др.

Методикарасчета

1.По заданнойтехнологиии данным таблицы выбирают материалдиэлектрика.Критериямивыбора материалаявляются максимальныезначения иминимальныезначения ТКС, .Отметим, чтона выбор материаладиэлектрикасущественновлияет областьпримененияИМС. Так, конденсаторына основе ИБСи АСС, которыеобладают наибольшейдиэлектрическойпостоянной , применяютв линейных ИМСна частотахдо 10 МГц, когдатребуетсявысокая степеньинтеграции,повышеннаястабильностьпараметрови надежностьв эксплуатации.В ИМС частотнойселекции и БИС,работающихпри высокихтемпературах,целесообразноиспользованиеконденсаторовна основе БСС,которые обладаютнаименьшимТКС и наибольшимизначениямиQ, в широкомдиапазонечастот и температур.

Конденсаторына основеSiO иGeO, имевшиеранее широкоераспространениеввиду простотытехнологии,в настоящеевремя находятограниченноеприменениеиз-за недостаточновысокой стабильностии надежности.

2.Из условияобеспеченияэлектрическойпрочности спомощью ( ) определяютминимальнуютолщину диэлектрика.Значениеdдолжно находитьсяв пределах0,2—0,8 мкм.

Определяютудельную емкостьконденсатораисходя из условийэлектрическойпрочности:

4.В зависимостиот требуемыхзначений С, и С и руководствуясьрекомендациями( ) выбираютконструкциюи форму конденсатора.

5.Определяютотносительнуютемпературнуюпогрешность

а по ( ) —относительнуюпогрешность обусловленнуюстарением.

6.Используя( ), определяютдопустимуюпогрешностьплощади конденсаторапри условиях

При этом

7.По конструктивно-технологическимданным на ограничениелинейных размеров( ) и выбранномузначению с помощью( ) определяютмаксимальноезначение удельнойемкости .

8.Выбираютминимальнуюудельную емкостьиз условия

котороеобеспечиваетзаданное значениеUpи требуемоезначение 6С.

9.По заданномузначению С; иполученномупо ( ) значениюСо определяюткоэффициент,учитывающийкраевой эффект:

10.Определяютплощадь перекрытиядиэлектрикаобкладкамиконденсаторас учетом коэффициентаК:

При этом,если в результатерасчетов по( ), ( ) S2,то необходимо выбратьдругой материалдиэлектрикас меньшим значением или увеличитьего толщину dв возможныхпределах. Еслиокажется, чтоS>2см²,то требуетсявыбрать другойдиэлектрикс большим значением либо использоватьдискретныйконденсатор.

11.С учетомкоэффициента определяютразмеры верхнейобкладки. Дляобкладок квадратнойформы . Полученные и округляют дозначений, кратныхшагу координатнойсетки с учетоммасштабатопологическогочертежа.

12.С учетомдопусков наперекрытиеопределяютразмеры нижнейобкладки

и диэлектрика

гдеq— размерперекрытиянижней и верхнейобкладок;f — размерперекрытиянижней обкладкии диэлектрика.Для конструкциирис. 1, б .

13.Определяютзанимаемуюконденсаторомплощадь

14.По выражениям( ), ( ), ( ) и даннымтабл. определяютдиэлектрическиепотери (полученноезначение не должнопревышатьзаданного), ас помощью ( ),( ) оцениваютобеспечениеэлектрическогорежима и точностиконденсаторав заданныхусловияхэксплуатации.

При проектированиигруппы конденсатороврасчет начинают,как правило,с конденсатора,имеющего наименьшеезначение емкости.В этом случаецелесообразнопользоватьсяпрограммойрасчета на ЭВМ.

ЛИТЕРАТУРА:

«Детали и узлырадиоэлектроннойаппаратуры», Волгов В. А.,Москва, 1977 г.

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

«Материалыэлектроннойтехники», ПасынковВ. В., СорокинВ. С., Москва, 1986г.

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

«Технологияи конструированиеинтегральныхмикросхем»,Березин А. С.,1983 г.

4.МАТЕРИАЛЫПЛЕНОЧНЫХКОНДЕНСАТОРОВ

ПОЛИСТИРОЛполучают измономера стиролакоторый представляетсобой легкуюбесцветнуюсинтетическуюжидкость схарактернымзапахом. Стироллегко полимеризуетсядаже при хранениина холоде. Втемноте и приотсутствиикатализаторовон постепеннопревращаетсяв твердую, прозрачнуюи бесцветную,как стекло,массу. Полистиролимеет строение

Для полистироласреднее значениеп можетдоходить до6000. С целью предотвращениянежелательнойсамопроизвольнойполимеризациистирола вовремя храненияк нему добавляютспециальныевещества,замедляющиереакцию полимеризации.Такие веществаполучилиназвание ингибиторов.Неравномернаяполимеризациявызывает появлениевнутреннихмеханическихнапряженийв материале.Поэтому в рядеслучаев у изделийиз полистироланамечаетсятенденция кпостепенномуобразованиютончайшихтрещин. Чтобыпредотвратитьэто явлениеи уменьшитьхрупкостьполистирола,к нему иногдадобавляютнекоторые видысинтетическихкаучуков.

ПОЛИТЕТРАФТОРЭТИЛЕН(ПТФЭ), выпускаемыйв СССР, называютфторопластом-4(фторлоном-4).Его получаютпутем полимеризациитетрафторэтиленаF₂C=CF₂(этилен, в молекулекоторого всечетыре атомаводорода замещеныатомами фтора).МакромолекулаПТФЭ имеетрегулярноесимметричноестроение

Среди всехорганическихполимеров ПТФЭвыделяетсявысокой нагревостойкостью(около 300°С) и оченьвысокой стойкостьюк действиюхимическихреагентов. Так,на него совершенноне действуютсерная, соляная,азотная и плавиковаякислоты, щелочии т. п. Некотороедействие нанего оказываютлишь расплавленныещелочные металлыи атомарныйфтор при повышенныхтемпературах.По стойкостик химическиактивным веществамПТФЭ превосходитзолото и платину.не горюч, нерастворяетсяни в одном изизвестныхрастворителей,Практическинегигроскопичени не смачиваетсяводой и другимижидкостями.

Высокиенагревостойкостьи химическуюстойкостьполитетрафторэтиленапо сравнениюс углеводородамиможно объяснитьтем, |то атомыфтора болеекрупные, чематомы водорода.Поэтому онисоздают сильноеполе, экранирующееуглеродныйскелет молекулыот внешнеговоздействия(рис. 7.4). Сама оболочкаиз атомов фторатакие проявляетинертностьпо отношениюк внешнимвоздействиямиз-за большойэнергии связиС—F.

ПОЛИЭТИЛЕНТЕРЕФТАЛАТ (лавсан) — этотермопластичныйполимер, полученныйиз этиленгликоляи терефталевойкислоты С₆Н₄(СООН)₂,имеющей строение

при молекулярноймассе порядка30000. Он обладаетзначительноймеханическойпрочностьюи достаточновысокой температуройразмягчения.Это — дипольныйдиэлектрик.

Лавсан применяютдля изготовленияволокон, пленоки для другихцелей. При повышенныхтемпературахон быстро окисляетсяна воздухе, такчто обработкуразмягченногонагревом материалапроизводятв атмосференейтральногогаза (азота).

ВВЕДЕНИЕ

В пленочныхинтегральныхмикросхемахэлементы создаютсяосаждениемпленок на специальныеплаты из диэлектрическихматериалов—подложки. Подложка служитмеханическимоснованием,и, будучи диэлектриком,изолирует еёэлементы. Наоснове напыленныхпленок в настоящеевремя изготавливаютсятолько пассивныеэлементы ( резисторыи конденсаторы).Пленочныесхемы, дополненныеактивнымиэлементами(диодами, транзисторами,полупроводниковымиИС)принято называтьгибриднымиИС (ГИС).Активные элементыв этих схемахкрепятся наподложке методомнавесногомонтажа.

ТакаятехнологияизготовленияИС, при которойпассивные иактивные элементысоздаются подвум не зависимымдруг от другациклам, приводитк ряду преимуществ,которые обусловилиширокое производствои использованиеГИС. ГибридныеИС характеризуютсяпростотойизготовления,малой трудоемкостью,непродолжительностьюпроизводственногоцикла и в силуэтого низкойстоимостью.

Многоуровневоерасположениепассивныхэлементов ииспользованиев качествеактивных элементовполупроводниковыхИС расширяютвозможностисхемотехническойразработкипри созданииБИС.

Технологияизготовлениятонких и толстыхпленок позволяетсоздаватьпрецизионныерезисторы иконденсаторы,в силу чегогибриднаятехнологияпредпочтительнеев схемах с повышеннойточностьюпассивныхэлементов.

Интегральныемикросхемы, работающиев СВЧдиапазоне,также создаютсяпо гибриднойтехнологии.При этом исключаютсятрудности,связанные сизоляциейэлементовтолстымидиэлектрическимислоями, неизбежной,если СВЧ ИСвыполняетсякак полупроводниковая.

МАТЕРИАЛЫПОДЛОЖЕК

Размерыподложек выбираютсяв соответствиисо степеньюинтеграцииИС, их материалы— в соответствиис требованиями,предъявляемымик электрическим,механическими термическимсвойствамподложек. Всвою очередьэти требованияобусловленызаданнымипараметрамипленочныхэлементов ивыбором технологическихметодов нанесенияпленок.

Рассмотримтребованияк подложкам.Материал подложекдолжен иметьвысокие объемноеи поверхностноеудельныесопротивления.Это требованиевытекает изнеобходимостиобеспеченияэлектрическойразвязки междуэлементами.Кроме того, длябольшинстваматериаловс высоким удельнымсопротивлениемсуществуетопределеннаявзаимосвязьмежду сопротивлениеми их стойкостьюк влиянию различныхвеществ, в томчисле из окружающейсреды. Низкиедиэлектрическиепотери снижаютпотери энергиивследствиепоглощенияв диэлектрике.Высокая теплопроводностьобеспечиваетотвод теплаот микросхемыи выравниваниетемпературногоградиента поее поверхности.Согласованиекоэффициентовлинейногорасширенияподложки иосаждаемыхпленок уменьшаетмеханическиенапряженияв пленках и темсамым снижаетвероятностьпоявления вних микротрещин,разрывов и т.п.Высокая механическаяпрочностьоблегчаетмеханическуюобработкуподложек (дляполучениятребуемой формыи размеров исоздания в нихотверстий), атакже предупреждаетполомку подложекпри сборкемикросхем.Подложки должныбыть достаточнотермостойкимипри пайке исварке; материалподложки иструктураповерхностидолжны обеспечиватьхорошую адгезиюосаждаемыхпленок к подложке.

Перечисленныетребованияк подложкамявляются общимидля тонкопленочныхи толстопленочныхмикросхем.Однако в силузначительногоразличия всвойствахтолстых и тонкихпленок и методових нанесенияпараметрыподложек длятолсто- и тонкопленочныхИС не совпадают.Это в наибольшейстепени относитсяк адгезии:для тонких итолстых пленокнеобходимаяшероховатостьповерхностисущественноразличается.

В табл.1.1 приведеныхарактеристикидиэлектрическихматериалов,которые в большейили меньшейстепени удовлетворяюттребованиям,предъявляемымк подложкамдля тонко- итолстопленочныхИС. Ниже приводитсясостав рассмотренныхматериалов.

Таблица1.1. Характеристикиподложек

Материалдиэлектрика	Удельноесопротивление,Ом *см	Диэл. Пост.	Диэлектрическиепотери на частоте10⁶Гц	Теплопроводность,кал/см*с ^oС	Коэф линей.расш. 10^-6/ ^oC
Бороcиликатноестекло	10⁷	4,6	6,2*10^-3	0,0027	3,25
Алюмоокcиднаякерамикатипа «Поликор»	10¹⁴	10,8	2*10^-4	0,075—0,08	7,5—7,8
Кварцевоестекло	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

Стеклапредставляютсобой различныесистемы окислов.Боросиликатноестекло состоитизSiO₂(80%), В₂О₃(12%)и других окислов(Na₂O,K₂O,Al₂O₃),алюмосиликатное— изSiO₂(60%),Al₂O₃(20%) и другихокислов(Na₂O,CaO, MgO, B₂O₃).Стеклатипов С-48-3и С-41-1являютсябесщелочными.

Керамика— поликристаллическоевещество сзернами сложнойструктуры,получаемоев результатевысокотемпературногоотжига (спекания)порошков различныхокислов. Алюмооксиднаякерамика типа«Поликор»состоит изAl₂O₃(99,8%), B₂O₃(0,1%), MgO(0,1°/о). Размер зерен— менее40 мкм.Бериллиеваякерамика содержитот 98до 99,5%окиси бериллияВеО.

Ситаллы— стеклокерамическиематериалы,получаемыев результатетермообработки(кристаллизации)стекла. Большинствоситалловхарактеризуетсяследующимсоставом окислов:

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

Лейкосапфир— чистыймонокристаллическийокисел алюминияа-модификации.

Сравнительныйанализ этихматериаловпозволяетсделать следующиевыводы.

Стеклаимеют недостаточнуюпрочность,низкую теплопроводность,недостаточнуюхимическуюстойкость, дляних характерносильное газовыделениепри нагреве.Благодарясодержаниюокислов щелочныхметаллов возможнообразованиеионов этихметаллов,обладающихповышенной миграцией приприложенииэлектрическогополя и обусловливающихнестабильностьсвойств стеклянныхподложек иэлементовмикросхем.Повышениехимическойстойкости истабильноститонкопленочныхИСобеспечиваетсяподложкамииз бесщелочныхстекол С-41-1и С-48-3.

Керамика,особенно бериллиевая,имеет значительнобольшую теплопроводностьпо сравнениюсо стеклами.Кроме того, онаобладает большеймеханическойпрочностьюи лучшей химическойстойкостью.Однако большиеразмеры зеренкерамическихматериаловне позволяютполучитьудовлетворительныймикрорельефповерхностидля тонкопленочныхИС. Мелкозернистаякерамика сразмером зеренв десятые долимикрона широкоиспользуетсядля подложектолстопленочныхИС. При этомнаиболееудовлетворительныммикрорельефомобладает керамикас 96%-нымсодержаниемAl₂O₃.Керамика сболее высокимсодержаниемА120з, напримертипа «Поликор»,имеет слишкомгладкие поверхности,не обеспечивающиехорошей адгезиик ним толстыхпленок. Полировкамелкозернистойкерамики снижаетмикронеровности,однако вызываетсущественныеи трудно устранимыезагрязненияее поверхности.Поэтому такаяоперация непозволяетполучить подложки,пригодные длятонкопленочныхИС.

Ситаллыв 2—3раза превосходятстекла помеханическойпрочности. Онихорошо прессуются,вытягиваются,прокатываются.Диэлектрическиесвойства ситалловлучше, чем стекол,и они практическине уступаюткерамике.

Лейкосапфирхарактеризуетсяхорошимидиэлектрическимисвойствами.Однако технологияего получения(обычно вытягиваниемонокристалловпо методуЧохральского)не позволяетполучить пластиныбольших размеровнизкой стоимости.

Посовокупностидиэлектрическихимеханическихсвойств, микрорельефуповерхности,стойкостик химическомувоздействиюнаиболее приемлемымиматериаламиподложек длятонкопленочныхмикросхем'являютсяситаллы,для толстопленочных— 96%-наяалюмооксиднаякерамика.

МАТЕРИАЛЫПЛЕНОК

Тонкопленочныйконденсаторимеет трехслойнуюструктуруметалл — диэлектрик— металл, расположеннуюна изолирующейподложке. Основнымипараметрамидиэлектрическихматериаловдля конденсаторовявляются удельнаяемкость С_уд=e₀*e/d,определяемаядиэлектрическойпостояннойвоеи толщинойслоя диэлектрикаd,и электрическаяпрочность Ед.

Из-за сложностисоздания бездефектныхпленок на большейплощади максимальнаяплощадь конденсатораограничивается.Минимальнаяплощадь ограничиваетсязаданной точностью.Отсюда дляобеспеченияширокого диапазонаемкостей возникаютопределенныетребованияк удельнымемкостям. Посколькусуществуетпредел и дляминимальнойтолщины пленок(из-за влиянияпор и дефектовв пленке диэлектрикана ее электрическуюпрочность), топри изготовлениитонкопленочныхконденсаторовк диэлектрическойпостояннойматериалапредъявляютсяопределенныетребования.Если ограничитьтолщину пленкивеличиной 0,1мкм,а максимальнуюи минимальнуюплощади соответственно2-Ю²и 0,2 мм²,то для обеспечениядиапазонаемкостей 10—10⁶Фтребуютсядиэлектрическиепостоянные,примерно равные0,5—50.

Электрическаяпрочностьдиэлектрическогоматериалаопределяетнапряжениепробоя U_д=Е_дd,а следовательно,и диапазонрабочих напряженийконденсатора.Кроме требованийк удельнойемкости иэлектрическойпрочностидиэлектрическиематериалыдолжны обладатьминимальнойгигроскопичностью,высокой механическойпрочностьюпри циклическихизмененияхтемпературы,хорошей адгезиейк подложкам.

Диэлектрическиематериалы,используемыедля тонкопленочныхконденсаторов,представляютсобой окислыполупроводникови металлов. Изокислов полупроводниковнаибольшеераспространениев технологиитонкопленочныхИСполучилимоноокиськремния SiO имоноокисьгерманияGeO,имеющие высокиедиэлектрическиепостоянные.Пленки двуокисикремнияSiO₂значительнореже используютсяв тонкопленочяойтехнологии,что частичносвязано с болеенизкими значениямидиэлектрическойпостоянной,а также с невозможностьюиспользоватьдля их осажденияметод вакуумноготермическогоиспарения.

Среди окисловметаллов наибольшийинтерес представляютокислы тугоплавкихметаллов, такиекак Ta₂O₅,TiO₂,HfO₂,Nb₂O₅.Эти материалыпо сравнениюс другими окисламиобладают наиболеевысокими значениямидиэлектрическойпостоянной.Наиболее отработанатехнологияизготовленияпленок пятиокиситантала. Интереск пленкам танталаи его окислаобъясняетсявозможностьюизготовлениярезисторови конденсаторовс использованиемтолько этогоматериала иодних и тех жетехнологическихметодов создания,а именно ионно-плазменногораспыленияи электролитическогоанодированпя.

Свойстваматериалов,наиболее широкоиспользуемыхдля созданиятонкопленочныхконденсаторов,представленыв табл.1.2

Таблица1.2. Параметрыматериалов,применяемыхдля изготовлениятонкопленочныхконденсаторов

Материалдиэлектрическойпленки	Диэлект. Постоян.	Тангенсугла диэл. потерьна частоте 10³Гц	Удельнаяемкость, пФ/см²	Диэл. прочн. Е*10^-6В/см	ТКЕ*10⁴ 1/⁰С	Материалобкладок;удельноесопро.слоя, ом/а
Моноокиськремния	5—6	0.01-0.02	0.510*⁴	2—3	2	Алюмин. 0.2
Моноокисьгермания	11—12	0,005	10⁴	1	3
Пятиокисьтантала	23	0,02	0,6*10⁵	2	4	Тантал 1-10

Тонкопленочныепроводникив микросхемахслужат длясоединенияпассивныхтонкопленочныхэлементов исоздания контактныхплощадок дляприсоединенияактивных навесныхэлементов ивнешних .выводов.Тонкопленочныепроводящиематериалыдолжны обладатьвысокойэлектропроводностью,хорошей адгезиейк 'подложке,способностьюк сварке илипайке, химическойинертностью.

Материаламис высокойэлектропроводностьюявляются золото,серебро, алюминий,медь. Однакопленки этихметаллов неудовлетворяютвсей перечисленнойсовокупностисвойств. Так,эти металлы,особенно благородные,имеют плохуюадгезиюк подложке,алюминиевыепленки плохоподдаются пайкеи сварке (дляприсоединениянавесных элементови внешних выводов),медьлегко окисляется.Поэтому дляполучениятонкопленочныхпроводниковиспользуютсямногослойныекомпозиции.Эти композициивключают подслойиз материала,обеспечивающегохорошую адгезию,слой из материалас высокойэлектропроводностьюи покрытие изхимическиинертногоматериала схорошей способностьюк сварке илипайке.

5.ПРИМЕР РАСЧЕТАТОНКОПЛЕНОЧНОГОКОНДЕНСАТОРА

Задание:

Определитьгеометрическиеразмеры и минимальнуюплощадь конденсаторана подложке,при следующихисходных данных: С₁=100 пФ,допустимоеотклонениеγ_с=15%,U_раб=15В,

Диапазонтемпер. = -60 до 125⁰С,tgδ=0,03;f_м_ax=400кГц;погр.восп.удел.емк.γ_Со=5%,

погр.стар.γ_Сст=1%

Расчет:

Потабл. выбираемматериал диэлектрикадля конденсатора— моноокиськремния. Егопараметры: ε=5;tgδ=0,01;E_np=2-10⁶В/см; ТКС=2-10^-41/°С. Минимальнуютолщину диэлектрикаd_minи удельнуюемкостьC_ovдля обеспечениянеобходимойэлектрическойпрочностинаходим :

Температурнаяпогрешностьемкости γ_ct==2•IO^-4x (125—20)•100=2,1%, а допустимаяпогрешностьактивной площадиконденсатораγ_S_доп=15—5—1—2,1=6,9%.

Минимальнуюудельную емкостьдля обеспеченияточности изготовлениянаименьшегопо номиналуконденсатора:

aΔL=0,01 мм (см.табл)

Определяем,какова должнабыть удельнаяемкость наименьшегопо номиналуконденсаторас учетом технологическихвозможностейизготовленияпо площадиперекрытияобкладок итолщине диэлектрика.ЗадаемсяS_min==lмм².Тогда :

Таким образом,получены тризначения удельнойемкости:

Окончательновыбираем Со==100пФ/мм².

Определяем,какая толщинадиэлектрикасоответствуетвыбраннойудельной емкостиСо

d=0,0885-5/ (100-10²)=0,44 *10^-4 см,что вполнеприемлемодля тонкопленочнойтехнологии.

Далее проводимрасчет геометрическихразмеровконденсаторов

ОтношениеC₁/Co==100/100=1 мм².Коэффициент,учитывающийкраевой эффект,К= 1,3-0,06*1 =

=1,24. ПлощадьперекрытияобкладокS₁=1 • 1,24=1,24 мм²;форма обкладокперекрещивающиесяполоски квадратнойформы (К_ф=1),' размеры обкладокL₁=B₁=√1,24=1,11мм; L_Н1=В_Н1=1,11мм, L_Д1=B_Д1i==1,11+2*0,1 ==1,31 мм; площадьконденсаторапо диэлектрикуS_Д1=1,72мм².

Проверкарасчета:

СОДЕРЖАНИЕ:

ВВЕДЕНИЕ стр.

2. ПРОЕКТИРОВАНИЕПЛЕНОЧНЫХКОНДЕНСАТОРОВ стр.

3. РАСЧЕТТОНКОПЛЕНОЧНЫХКОНДЕНСАТОРОВ. стр.

4.МАТЕРИАЛЫПОДЛОЖЕК стр.

5.МАТЕРИАЛЫПЛЕНОК стр.

6.ПРИМЕР РАСЧЕТАТОНКОПЛЕНОЧНОГОКОНДЕНСАТОРА стр.

7.ПРИЛОЖЕНИЕ(Характеристикиматериаловпленочныхконденсаторов)стр.

8. ЭСКИЗТОНОКОПЛЕНОЧНОГОКОНДЕНСАТОРА

Характеристикиматериаловпленочныхконденсаторов

Материал диэлектрика	Материал обкладок	Диэлектрическаяпрониц. На частоте 1кГц	Удельная емкость	Тангенсугла д.потерьна частоте 1кГц	Температурныйкоэф. ёмкости	Электрическаяпрочность Епрх 10^-6	Стабильность В нормальныхусловиях Uраб,1000 час.	Способнанесенияпленок
Моноокиськремния	Алюминий	5—6	5000—10000	0,01—0,02	2—3,5	2—3	±(1,5-6)	Термическое напыление
Моноокись германия	»	10—12	5000,10000	0,001—0,005	3—5	1	— 1	Тоже
Двуокиськремния	»	4	20000	0.5	2	5– 10	Реактивноераспыление
Окисьалюминия	алюминий +никель	8	30000,40000	0,3—1	3—4	5	-	Реактивноераспыление
Окисьтантала	Тантал+ ванадий	20—23	50000,10000	0,02	4	2	±1	Тоже
Боросиликатн. стекло	алюминий+ ванадий	3,9—4,2	15000	0,001	0,2	3—5		Термическое напыление
Алюмосиликат. стекло	Тоже	5,2—5,5	30000	0,003	1,5	3—5		Тоже
Иттрий-боритноестек.	---	10—12	60000	0,007	5	2—3		»
ПастаПК-12	ПастаПП-1, ПП-2	—	10000	0,03—0,04	±10	Uпр> 150 В	±5	Сектография
ПастаПК 1000-30	Тоже	—	3700	0,036	+10	Uпр> 150 В	±5	»

ПЕНЗЕНСКИЙГОСУДАРСТВЕННЫЙУНИВЕРСИТЕТ

Кафедра«Микроэлектроника»

КУРСОВАЯРАБОТА

РАСЧЕТТОНКОПЛЕНОЧНЫХКОНДЕНСАТОРОВ

Подготовилист.гр.97РЮ-2:

Липелис Э.А

Принял:

ЮдинаН. И.

Пенза, 1999г.