Тонкопленочные конденсаторы и индуктивности

     СОДЕРЖАНИЕ

     ВВЕДЕНИЕ……………………………………………………………..……3

     1. ТОНКОПЛЕНОЧНЫЕ КОНДЕНСАТОРЫ…………………………4

     1.1 Расчет тонкопленочных конденсаторов без подстроечных секций….8

     1.2  Расчет гребенчатых конденсаторов…………………………………..13

     1.3  Расчет тонкопленочного конденсатора повышенной точности……14

     1.4  Добротность тонкопленочных конденсаторов………………………17

     2. ПЛЕНОЧНЫЕ ИНДУКТИВНОСТИ………………………………..20

     2.1 Исходные данные для расчета………………………………………...20

     2.2 Расчет пленочных катушек индуктивности………………………….22

     Приложение 1………………………………………………………………26

     Приложение 2………………………………………………………………27

     Приложение 3………………………………………………………………28

     ЗАКЛЮЧЕНИЕ…………………………………………………………….29

     ЛИТЕРАТУРА……………………………………………………………..30 
 
 
 
 

 

ВВЕДЕНИЕ

     При конструировании современной радиоэлектронной аппаратуры используются новые разработки в области микроэлектроники и нанотехнологии. Но вопрос получения и использования тонких пленок до сих пор актуален, т.к. на их основе разрабатываются гибридно-пленочные интегральные микросхемы.

     Тонкопленочные  элементы применяются не только в  гибридных, но и в некоторых полупроводниковых микросхемах, например, аналоговых СВЧ диапазона на арсениде галлия. В кремниевых цифровых БИС используются резистивные слои поликристаллического кремния. В СВЧ диапазоне также используются тонкопленочные конденсаторы с емкостями порядка десятых долей пикофарады. В этом же диапазоне находят применение гребенчатая структура конденсатора, плоские прямоугольные или круглые пленочные индуктивные элементы.

     В данной работе рассматриваются вопросы проектирования и расчета таких пленочных элементов, как конденсаторы и индуктивности.

     Первая глава содержит описание различных конструкций тонкопленочных конденсаторов, методику расчетов конденсаторов без подстроечных секций и конденсаторов повышенной точности. В ней также обоснован выбор материала для диэлектрических пленок тонкопленочных конденсаторов.

     Во второй главе представлена методика расчета различных пленочных индуктивных элементов.

 

      1. ТОНКОПЛЕНОЧНЫЕ КОНДЕНСАТОРЫ

     Конденсаторы  являются широко распространенными  элементами пленочных микросхем. По конструктивному признаку тонкопленочные конденсаторы (ТПК) можно разделить на три группы: однослойные, многослойные и гребенчатые.

     Большинство характеристик ТПК (величина номинала, стабильность, рабочее напряжение, температурная и временная стабильность, частотные свойства, добротность, полярность, надежность и др.) зависят от выбранных материалов и технологии изготовления.

     Материал, применяемый для изготовления диэлектрических слоев, должен иметь хорошую адгезию к материалам подложки и обкладок, не вступать с ними в химические реакции. Диэлектрическая пленка должна быть достаточно плотной, иметь высокую электрическую прочность, малые диэлектрические потери, незначительную величину температурного коэффициента линейного расширения (ТКЛР), сравнимую с ТКЛР подложки, иметь высокую диэлектрическую проницаемость и не разлагаться при нагревании. Лучше других этим требованиям удовлетворяют характеристики диэлектриков, приведенных в таблице  «Основные характеристики диэлектрических материалов тонкопленочных конденсаторов». [Приложение 1]

     Кроме материалов, приведенных в этой таблице, для изготовления ТПК могут применяться окислы тантала, двуокись титана, титанат бария и др. Эти материалы имеют большие значения ε, чем окись кремния SiO или окись германия GeO и на их основе можно изготовлять ТПК большой емкости. Однако из-за больших диэлектрических потерь добротность таких конденсаторов низка, в связи с чем их можно применять только в низкочастотных цепях и цепях постоянного тока. ТПК с диэлектриком из титаната бария, кроме того, имеют большое значение ТКЕ. Все большее применение для изготовления ТПК находят окислы редкоземельных металлов: лантана, иттрия и др. Для обеспечения наименьших потерь на высоких частотах, обкладки ТПК чаще всего напыляют из материалов с низким электрическим сопротивлением. Материал обкладок должен легко испаряться, иметь низкую подвижность атомов при образовании пленки и невысокую энергию испаренных частиц (во избежание диффузии и внедрения атомов металла в диэлектрик).

     Практика  показала, что для нанесения обкладок ТПК наилучшим материалом является алюминий, применение которого обеспечивает более высокий процент выхода годных ТПК по сравнению с другими металлам. Это объясняется сравнительно низкой температурой испарения алюминия и невысокой подвижностью его атомов на поверхности подложки. Удельное поверхностное сопротивление алюминиевой пленки достаточно мало и при ее толщине 2500-5000 A находится в интервале 0,2-0,06 Ом/квадрат. Это обеспечивает высокую добротность ТПК.

     Рекомендуется одновременно с изготовлением обкладок ТПК наносить и тонкопленочные проводники. При этом ускоряется и упрощается техпроцесс изготовления микросхем и сокращается расход алюминия.

     Следует помнить, что при температуре выше 180°С в алюминиевых пленках образуются игольчатые кристаллы, способные в ряде случаев проколоть тонкую диэлектрическую пленку. Поэтому температуру подложки и термообработки нельзя выбирать слишком высокой.

     Использование многослойных тонкопленочных структур, хотя и позволяет увеличить удельную емкость ТПК, ограничено тем обстоятельством, что с ростом числа слоев увеличивается сложность технологического процесса изготовления конденсаторов, увеличивается процент брака и снижается их надежность.

     Конденсаторы  с малой величиной емкости рекомендуется проектировать в виде двух пересекающихся проводящих полосок, разделенных слоем диэлектрика.

     Желательно, чтобы все конденсаторы, расположенные на одной подложке, были изготовлены на основе одной диэлектрической пленки.

     Нижняя  обкладка ТПК должна выступать за край верхней не менее чем на 200 мкм, а диэлектрик - не менее чем на 200 мкм за край нижней обкладки. Выводы обкладок ТПК в местах коммутации с другими элементами должны выступать за слой диэлектрика не менее чем на 500 мкм.

     Для повышения точности и надежности ТПК необходимо выбирать наиболее простую форму обкладок. Суммарная площадь, занимаемая ТПК на микроплате, не должна превышать 2 см², минимальная площадь ТПК равна 0,5 х 0,5 мм².

     Емкость пленочного конденсатора определяется по формуле

                                                                (1.1)                 

     где d - толщина диэлектрика, см; S - площадь перекрытия верхней и нижней обкладок, см², она называется активной площадью конденсатора; ε₀- электрическая постоянная вакуума; ε₀ = 8,854·10^-12 Ф/м; ε - относительная диэлектрическая проницаемость материала диэлектрика.

     Емкость на единицу площади называется удельной емкостью конденсатора С₀

                                                               (1.2)                                  

     Конструкция пленочного конденсатора определяется площадью S (возможные варианты конструкции показаны на рис. 1.1).

     При S ≥ 5 мм² используется конструкция рис. 1.1,а, у которой площадь верхней обкладки меньше, чем нижней.

     При 1 ≤ S ≤ 5 мм² используется конструкция, представляющая собой пересечение пленочных проводников (рис. 1.1, б).

     При 0,1 ≤ S ≤ 1 мм² используются конструкции, представляющие собой последовательное соединение конденсаторов или конденсатор с диэлектриком – подложкой (рис. 1.1, в, г).

     При S<0,1 мм² используется гребенчатая конструкция (рис. 1.1, д), расчет емкости проводится по эмпирической формуле (1.10).

     

Рис.1.1 . Разновидности конструкций тонкопленочных конденсаторов:

а –  с активной площадью перекрытия обкладок S>5 мм²; б – с S = 1– 5 мм²;

в, г  – с S<1 мм2; д – гребенчатая; е – в виде двух параллельно расположенных

проводящих  пленок; 1 – диэлектрик; 2 – нижняя обкладка; 3 – верхняя

обкладка; 4 – подложка 
 

     1.1. Расчет тонкопленочных конденсаторов без подстроечных секций

     Исходными данными для расчета ТПК являются следующие параметры:

     - номинальная величина емкости  ТПКС, пФ;

     - диэлектрическая проницаемость  ε;

     - рабочее напряжение на ТПК  U_раб, В;

     - допустимая относительная погрешность  емкости γ_{С доп}, %;

     - удельная емкость С₀, пФ/см²;

     - абсолютные производственные погрешности  изготовления размеров верхней обкладки ∆l и ∆b, мм;

     - погрешность установки и совмещения  масок ∆l_y, мм;

     - максимальная температура окружающей  среды t, °C;

     - предполагаемая длительность работы микросхемы Т, час.

     Проектирование  однослойных ТПК следует начинать с выбора материала диэлектрической  пленки (см. Приложение 1). Практика показывает, что диэлектрические пленки толщиной 2000 – 3000 A и менее, нередко оказываются не сплошными, и ТПК на их основе являются ненадежными элементами. Многие конденсаторы с такой толщиной диэлектрика после изготовления оказываются негодными из-за замыкания обкладок.

     Минимальная толщина диэлектрического слоя рассчитывается по формуле

      ,                                                                       (1.3)

     где К_з – коэффициент запаса электрической прочности ТПК и обычно равен 2.4, Е_пр – электрическая прочность материала диэлектрика, В/см.

     В связи с этим, в тех случаях, когда значение d, полученное на основе вышеприведенной формулы, оказывается меньше 3000 A, за расчетные значения толщины пленки диэлектрика принимается величина d ≥ 3000 A.

     Суммарная относительная погрешность емкости  конденсатора определяется

     по  формуле

                                                 (1.4)

     где

      - относительная  погрешность удельной емкости,  характеризующая ее воспроизводимость,  зависит от материала и погрешности  толщины диэлектрика;

        - относительная погрешность активной площади конденсатора, зависящая от точности геометрических размеров, формы и площади верхних обкладок;

      - температурная погрешность, которая зависит от ТКС материала диэлектрика;

      - относительная погрешность, обусловленная старением пленок конденсатора, зависит от материалов. Обычно она не бывает выше 2-3%.

      °С)

      ,

     где S, L, В - соответственно площадь, длина и ширина верхней обкладки;

      - минимальна, если обкладки имеют форму квадрата. Если форма отклоняется от квадрата, увеличивается.

     Для учета этих отклонений используют коэффициент  формы обкладок

     К_Ф = L / B.                                                                                     ( 1.5 )

     Тогда относительная погрешность  при ∆L=∆B определяется по формуле