Корректировка номиналов тонкоплёночных элементов гибридных интегральных схем

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА КОРРЕКТИРОВКА НОМИНАЛОВ ТОНКОПЛЕНОЧНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ ГИБРИДНЫХ ИНТЕГРАЛЬНЫХ СХЕМ

1. Цель работы Изучение методов подгонки тонкоплёночных резисторов и конденсаторов.

1.1 Краткие сведения ив теории Сопротивление пленочного резистора определяется па формуле

R=?0l/b= ?0Kф (1.1)

где ?0 — удельное поверхностное сопротивление резистивной пленки;

l, b — длина и ширина резистора соответственно;

Kф — коэффициент формы резистора.

Из формулы (1.1) видно, что точность резистора зависит как от точности воспроизведения ?0 при изготовлении резистора, так и от точности воспроизведения геометрических размеров резистора. В настоящее время основным методом формирования конфигурации тонкопленочных элементов является фотолитография, которая обеспечивает довольно точное воспроизведение размеров резисторов. Поэтому основной вклад в величину изменения номинала резисторов вносит точность воспроизведения величины удельного поверхностного сопротивления резистивных пленок.

Величина ?0 является функцией многих технологических факторов: толщина пленки, угла падения пучка испаренных частиц на подложку, температуры подложки, скорости нанесения, степени вакуума. Основное влияние на ?0 оказывает толщина пленки. Современные вакуумные установки позволяют наносить тонкие пленки с неравномерностью по толщине +/- 5% и ниже. Влияние остальных технологических факторов сводится к изменению структура и состава резистивных пленок, что также сказывается на величине ?0. В результате точность номиналов резисторов обычно составляет +/- 10%.

При изготовлении интегральных схем специального назначения требуются резисторы с точностью не хуже +/- 1% и стабильностью +/-0,005%. Поэтому возникает необходимость корректировки (подгонки) номиналов последних. В последнее время широко применяются методы технологической обработки и подгонки, совместимые с технологией интегральных схем. Существует большое количество различных методов подгонки, но в основе их лежит, как правило, один ив двух механизмов воздействия на резистивную пленку — изменение геометрических размеров тела резистора или электрофизических свойств резистивной пленки. Классификация методов подгонки резисторов приведена на рис. 1.1

Рассмотрим эти методы кратко.

1.1.1 Конструктивный метод Конструктивные методы основаны на введении в конструкцию резисторов дополнительных подстроечных резистивных или проводящих секций-элементов корректировки (ЭК); такие резисторы принято называть корректируемыми (КР). На рис. 1.2 приведены основные варианты КР.

Сущность подгонки заключается в перерезании подгоночных секций любым методом или удалении части шунта. Сопротивление резистора при такой подгонке изменяется ступенчато (дискретно) и только в сторону увеличения номинала. Точность подгонки может достигать 0,01%. Недостатком такого метода является большая площадь, занимаемая резистором.

1.1.2 Механическая обработка Целью механической подгонки является изменение ширины или толщины тонкопленочного резистора (ТПР) путем удаления части резистивной пленки. Это делают соскабливанием, скрайбированием алмазным резцом, фрезеровкой бором, обработкой струей абразивного порошка. Наибольшее распространение получил последний вид подгонки. Он заключается в снятии части пленки с помощью выбрасывания потоком воздуха мелких (~ 20 мкм) абразивных частиц из форсунки. Интенсивность абразивной струи и количество абразивного порошка, попадающего в воpдушный поток регулируются. При скорости движения форсунки до 15 см/мин точность подгонки составляет +/- 0,3%. На крупных предприятиях воздушно-абразивную подгонку проводят с помощью автоматических установок производительностью 40 000 резисторов в час.

Основными недостатками этого метода являются возможность повреждения близлежащих проводников, резисторов и нарушение защитного слоя последних. Также этот метод неэффективен для резистивных пленок твердых материалов.

1.1.3 Лазерная обработка При воздействии светового излучения на поверхность ТПР происходит частичное его отражение, а частично лучи проникают во внутрь пленки, поглощаются в ней и достаточно быстро превращаются в тепло.

При этом удельная мощность может достигать 15−20 кВт/см. В результате такого воздействия резистивная пленка испаряется и сопротивление ТПР увеличивается. Такой метод очень прецизионный (точность до 0,01%), характеризуется малой шириной и чистотой реза, дает возможность подгонять резисторы из любых материалов, исключает повреждения близлежащих элементов.

1.1.4 Электронные и ионные методы подгонки Электронно-лучевая подгонка обладает всеми преимуществами лазерной. Мощность пучка электронов может достигать 10 Вт/см. Однако для проведения такой подгонки необходим вакуум.

Ионно-лучевая обработка также проводится в вакууме. Здесь используется ионный (аргоновый) луч с плотностью тока ~ 0,5мА/см2. Такая энергия способна фрезеровать резистивные пленки со скоростью 25 нм/мин.

1.1.5 Электроэрозионная подгонка Метод электроэрозионной подгонки основан на том, что резистивная пленка может быть избирательно удалена электрической искрой. При этом один полюс источника напряжения (U = 10−30 В) подсоединяют к резистору, другой к острию электрода. При касании электрода с пленкой проскакивает искра, которая испаряет или оксидирует участок пленки размером 10−100 мкм. Металлический электрод может колебаться с ультразвуковой частотой, благодаря чему создается ритмично непрерывный контакт с пленкой. Точность подгонки может достигать — 0,1%.

1.1.6 Термический нагрев Известно, что тонкие пленки материалов, применяемых для изготовления тонкопленочных резисторов обычно имеют мелкокристаллическую структуру. Электропроводность таких пленок обуславливается прохождением электронов через межкристаллитные барьеры.

Рассмотрим подробнее процессы, протекающие при отжиге. Их можно разделить, на 3 группы.

1. Отжиг дефектов различных типов внутри зерна. На этой стадии протекают процессы, связанные с уменьшением концентрации неравновесных точечных дефектов и процессы перераспределения дислокаций.

2. Рекристаллизация. На этой стадии происходит уменьшение числа разориентированных кристаллитов путем изменения границ и увеличения размеров зерен (рис. 1.3), что приводит к уменьшению числа границ и соответственно к сжижению сопротивления.

3. Химические реакции в твердой фазе, в том числе окисление в атмосфере остаточных газов, что приводит к возрастанию сопротивления.

Часто все эти процессы протекают одновременно. Вероятность того или иного процесса зависит от температуры, времени отжига, материала подложки.

Использование явлений упорядочения структуры и изменения размеров кристаллитов (зерен) тонких резистивных пленок позволяет изменять сопротивление последних. Характер процесса изменения сопротивления при термической обработке мало зависит от способа нагрева. Для локального разогрева пленок используют разогретый щуп, струю горячего газа, лазерное излучение ВЧ-поля, нагрев пучком электронов, пропускание через ТПР электрического тока (т.н. токовая подгонка).

В последнем случае могут использоваться постоянный, переменный и импульсный токи. Величина изменения сопротивления зависит от подаваемого на резистор напряжения. Подгонка ТПР импульсами большой мощности и малой длительности позволяет осуществить локальный разогрев резистора, исключая нагрев находящихся вблизи элементов схемы и подложки. Точность подгонки составляет 0,5−1%.

Если нагрев осуществляется в вакууме или в атмосфере инертного газа, то сопротивление резистора будет уменьшаться. При подгонке на воздухе происходит окисление материала пленки, и сопротивление ТПР может увеличиваться.

1.1.7 Обработка пленок в тлеющем разряде При помещении в тлеющий разряд тонкие пленки на диэлектрической подложке заряжаются электронами отрицательно относительно плазмы. Возникающее при этом электрическое поле ускоряет положительные ионы до энергии 1−4 эВ. Заряженные частицы с такой энергией могут возбуждать поверхностные атомы и активировать некоторые химические реакции (например, окислительные, восстановительные). Кроме того, электронно-ионная бомбардировка вызывает разогрев пленок. В результате такой обработки сопротивление ТПР может изменяться в пределах 4−20%. Точность подгонки невысока.

1.1.8 Анодирование или анодное оксидирование Заключается в создании на поверхности пленки слоя окисла того же металла путем электрохимической реакции. Обрабатываемую пленку соединяют с положительным полюсом источника питания, а дополнительный электрод-катод с отрицательным. Схема процесса приведена не рис. 4.

В качестве электролита служат растворы кислородосодержащих кислот, а также высоковязкие эластичные электролиты на основе желатина и глицерина.

Толщина окисной пленки будет пропорциональна прилагаемому напряжению:

?d=kU (1.2)

где k — коэффициент пропорциональности.

При комнатной температуре для титана составляет около 22 А/В для тантала — 16 А/В.

В результате анодирования верхний слой резистивной пленки превращается в окисел, толщина ее уменьшается, и сопротивление ТПР возрастает.

При анодировании происходит не только подгонка ТПР, но и их защита стеклообразным практически беспористым слоем окисла, который характеризуется высокой стойкостью к климатическим и тепловым воздействиям, истиранию.

Процесс подгонки может осуществляться или по всей поверхности резистора или по его локальным участкам (рис. 1.2).Наиболее часто для подгонки ТПР применяют локальное анодирование. Он позволяет проводить подгонку даже в полностью собранной интегральной схеме перед ее герметизацией, с помощью зонда, на острие которого наносят пастообразную каплю электролита. Точность подгонки ТПР на основе вентильных металлов (Ti, Та, Nb, V, Аl) может достигать 0,005%.

1.1.9 Химические методы подгонки Основаны на использовании окислительно-восстановительных реакций, протекающих на поверхности пленок и внутри их. При этом изменяется удельное сопротивление материала резистора. Пленки подвергают обработке в растворах, выделяющих при нагреве атомарный кислород, что приводит к окислению поверхностных слоев. Если не все резисторы микросхемы требуют подгонки до номинала, микросхему покрывают защитным слоем лака, оставляя открытыми те резисторы, которые требуют подгонки. После подгонки лак удаляют.

Подгонку ТПР по всей площади резистивного слоя иногда проводят также окислением струей нагретого кислорода. Участок пленки, на котором происходит интенсивное окисление, не превышает 1 мм, точность подгонки не хуже +/- 10%.

лазерный конденсатор резистор электронный

1.2 Подгонка тонкопленочных конденсаторов (ТПК) ТПК представляет собой обычно трехслойную структуру — две металлические обкладки, разделенные диэлектриком. Есть еще одна разновидность конденсаторов — щелевые, представляющие собой планарно-расположенные на поверхности диэлектрической подложки пленки, разделенные воздушным зазором. Емкость трехслойного конденсатора определяется выражением С=??0S/d (1.3)

где ?0 — диэлектрическая постоянная;? — диэлектрическая проницаемость межслойного диэлектрика; d — его толщина; S — площадь перекрытия обкладок. Очевидно, что корректировка номинала ТПК возможна только изменением? и S. Поэтому для подгонки ТПК после его изготовления можно использовать изменение площади верхней обкладки. Это можно проделать теми же методами, какими изменялись и размеры ТПР, в частности электроэрозионной обработкой, испарением лучом лазера и т. п. Однако эти методы могут привести к нарушению диэлектрика, что вызовет короткое замыкание. Поэтому более приемлемым является удаление части верхней обкладки локальным химическим травлением. На рис. 1.5 приведена конструкция ТПК с подгоночными секциями, которая исключает нарушение слоя диэлектрика.

Щелевые конденсаторы подгоняются увеличением ширины щели между пленками металла известными методами.

Другим способом изменения емкости ТПК является воздействие на межслойный диэлектрик или посредством термообработки, либо импульсным разрядом. При этом в структуре диэлектрика происходят процессы, которые способствуют исчезновению пор, дефектов, газовых включений, что приводит к изменению диэлектрической проницаемости ?.

Точность подгонки ТПК может достигать 0,2%.

1.3 Техника электроэрозионной и токовой подгонки тонкопленочных резисторов Схема установки для электроэрозионной и токовой подгонки показана на рис. 1.6.

Она состоит из блока питания, цифрового вольтметра В7−27 и зондового устройства.

Кнопка Кн2 служит для выбора режима подгонки; ЭП — электроэрозионная; ТП — токовая. Кнопка Кн1 служит для включения схемы измерения или подгонки. Сопротивление R ограничивает ток при электроэрозионной подгонке. В конденсаторе С происходит накопление энергии для импульса при электроэрозионной подгонке.

1.4 Процесс подгонки ТПР

1. Электроэрозионная подгонка:

а) установить на контактные площадки резистора зонды; замерить номинал резистора;

б) поставить кнопки Кн2 в положение «ЭП» ;

в) установить напряжение блока питания (20−40 В);

г) нажать на кнопку Кн1 и одновременно коснуться электродом 3 поверхности резистивной пленки;

д) отпустить кнопки и замерить номинал резистора. При необходимости дальнейшего увеличения номинала резистора повторить процесс подгонки.

2. Токовая подгонка:

а) установить зонды на контактных площадках резистора;

б) поставить кнопки в положение «ТП» ;

в) установить необходимое напряжение (40−60 В);

г) нажать кнопки и выдержать в течение 5−30 с;

д) после охлаждения резистора измерить его сопротивление.

1.5 Порядок выполнения работы Для выполнения работы получить у лаборанта подложки с резисторами.

1. Ознакомиться с оборудованием, необходимым для выполнения работы.

2. Установить резистор в зондовом устройстве и провести 5−8 циклов его электроэрозионной обработки.

3. Установить другой резистор. Провести токовую подгонку (5−6 циклов) при различных напряжениях подгонки.

4. Построить графики R=f (N), где N — число циклов.

1.6 Содержание отчета

1. Эскизы рабочих образцов резисторов.

2. Таблицы результатов измерений.

3. Графики зависимостей R=f (N).

4. Расчет точности электроэрозионной подгонки.

5. Выводы.

Контрольные вопросы

1. Каковы причины отклонения номиналов ТПР и ТИК?

2. Методы дискретной подгонки ТИР и ТПК.

3. Методы плавной подгонки ТПР и ТПК.

4. В чем сложность подгонки тонкопленочных конденсаторов?

5. Какие процессы протекают при термическом нагреве материала резисторов?

1. Готра З. Ю. Тонкопленочные резисторы микросхем.- Львов, 1976.

2. Гурский Л. И., Зеленин В. А., Жербин А. П., Вахрин Г. Л. Структура, топология и свойства пленочных резисторов. — М.: Наука и техника, 1987.

3. Сергеев В. П., Мурадян Э. К. Подгонка тонкопленочных резисторов. — Вопросы радиоэлектроники. Серия «Технология производства и оборудования», вып. 4, 1974.