книги / Технологическое проектирование микросхем СВЧ

Рис. 6.2. Относительное изменение электро­ сопротивления AR/R пленок хермета KS0C

при термической обработке:

250 (1), 350 (5), 420 (Я), 300 (^) и 420 (5) °С; Î, 2, 5 - в окислительной атмосфере; 4* 5 - на воздухе (тем­ пература подложки при осаждении 2 0 0 ... 230 °С)

Рис. б.З. Зависимость относительного изме­ нения электросопротивления AR/R нихромо-

вых резисторов от времени г ионной обработ­ ки для удельных поверхностных электросо­ противлений:

50 (1), 100 (2) и 200 (5) Ом (температура осаждения нихрома 350 ± 10 °С; давление в вакуумной камере 2,5 Па; плотность тока 0,01 мА /см3)

Рис. 6.4. Зависимость изменения удельного поверхностного электросопротивления рп пленок Та от плотности тока t различных газов:

1 - аргон; 2 - кислород; S- азот (толщ ина пленок 0 ,0 5 - 0 ,0 6 мкм, получены электронным испарени­ ем при давлении 1,33 • 10“3 Па)

Как видно из рис. 6.4, при относительно малой плотно­ сти потока ионов (до 1016 ион/см2) происходит незначитель­ ное уменьшение электросопротивлений, по-видимому, за счет десорбции газов, происходящей в результате бомбардиров­ ки. При высоких дозах (более 5 • 1017 ион/см2) происходит распыление пленок тантала и, как результат, рост сопроти­ вления, В средней области значений плотности потока ионов (1016... 5 • 1017 ион/см2) при бомбардировке происходит не­ значительный рост электросопротивления: при бомбардиров­ ке ионами кислорода, очевидно, за счет образования соедине­ ния тантала с кислородом (ТагОэ), а при бомбардировке иона­ ми азота - за счет образования соединения тантала с азотом (Ta2N и TaN).

Резисторы из нитрида тантала первоначально стабилизи­ руют, используя высокотемпературную обработку в печи на воздухе, что позволяет провести его окисление.

В процессе воздействия плазмы происходит дополнитель­ ное окисление пленки нитрида тантала, в результате чего со­ противление увеличивается.

На рис. 6.5 приведена зависимость изменения электросо­ противления резисторов из нитрида тантала, прошедших раз­ личные виды обработок.

Рис. 6.5. Зависимость изменения электросопро­ тивления AR/R резисторов из нитрида тантала

от времени отжига г:

1, 2 - нестабнлизированные; 3, 4 ~ стабилизированные в 0 - стабилизированные в течение 2 ч

Условия плазменной обработки: 100 Вт высокочастотной мощности; время очистки - 2 мин в аргоне, 15 мин в кислороде.

Из рис. 6.5 видна эффективность применения стабилиза­ ции на воздухе и плазменной обработки резисторов из нитрида тантала.

К и н д и ви д у ал ьн ы м способам доводки относят сле­ дующие: лазерный, электроэрозионный, электронно-лучевой, электроимпульсный, высокочастотный высоковольтный и др.

Лазерный способ является наиболее универсальным. Он применяется для увеличения электросопротивления тонко-

и толстопленочных резисторов за счет локального удаления участков резистивной пленки.

Основным параметром процесса лазерной обработки, от которого зависит изменение электросопротивления резистора, является площадь линии реза, т.е. ее ширина и длина, а также форма и место расположения его в резистивной пленке.

Разрушение резистивной пленки под воздействием лазер­ ного излучения зависит от ее материала, структуры и толщи­ ны; одновременно образуются близлежащие области с изме­ ненными электрофизическими свойствами. Лаже при одина­ ковой ширине и длине реза изменение электросопротивления для тонко- и толстопленочных материалов различно (рис. 6.6).

Рис. 6.6. Зависимость относительного изменения элек­ тросопротивления Ажоя/Яяшч резисторов от соотноше­ ния с/h (с - глубина реза, Ь - ширина резистивной плен­

ки):

а—е'; а— с - резы поперечные; à1—/ #; d —/; b*—с1; Ь—с - резы продольные; а —d' —/'; а —d —/; а —Ъ* —с#; а —b —с - резы поперечно-продольные; Î, 39 5 - тонкопленочные резисторы из сплава PC-3710 (pQ = 40 —45 Ом); 2, 4» 6 - толстопленочные

резисторы из пасты 4415 (pQ =50 Ом); размеры резисторов 3 х 3 мм

Рис. 6.7. Зависимость частоты / следо­ вания импульсов и скорости Vперемеще­ ния платы для различных шагов следо­ вания точек:

1 (Г), 2 (J2), 5 (3), 10 (4), 20 (5) мкм

Для создания линии реза с минимальной шероховато­ стью поверхности необходимо обеспечить определенное соот­ ношение скорости движения v платы с резистором и частоты / следования импульсов (рис. 6.7), при этом необходимо по­ лучить коэффициент перекрытия “точек” от лазерного луча

Дпер - 0j 95.

Определение коэффициента перекрытия для различных значений шагов следования импульсов и диаметров лазерно­ го луча приведено на рис. 6.8.

Для осуществления доводки электросопротивления рези­ стора лазерным способом необходимо определить длину лазер­ ного реза, для чего требуется следующее.

1. Определить коэффициент доводки

где Д„ и ДИзг - номинальное электросопротивления резисто­ ра и значение электросопротивления после изготовления, Ом; 6R - половина поля допуска на значение электросопротивле­ ния.

Рис. 6.8. Взаимосвязь коэффициента пере­ крытия Ки*р и диаметра d лазерного пятна

для различных шагов следования импуль­ сов:

1 (1), 2 (2), 5 (5), 10 (4) и 20 (5) мкм

0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 с/Ь

Рис. 6.9. Взаимосвязь коэффициента доводки Ка и соотношения е/Ь для различных значе­ ний К$:

0,25 (1), 0,5 (2), 2,0 (3), 3,0 (4) и 5,0 (5)

2. Определить соотношение с/b (для случая поперечного реза) по графикам (рис. 6.9) с учетом коэффициента формы резистора Кф = 1/Ь (где / и 6 - длина и ширина резистора).

3. Зная fc, определить с. Величину реза с можно также определить из формулы

в

к л

уА Ч ф У

Для некоторых значений Кф А и В составляют:

Электроэрозионный способ состоит в выжигании участка пленки искровым разрядом, который возникает меж­ ду обрабатываемой пленкой й электродом. Для осуществле­ ния этого способа один полюс источника подсоединяется к ре­ зистивной пленке, другой - к острию зонда, контактирующе­ го с поверхностью резистивной пленки. Возникший искровой разряд приводит к локальному нагреву и испарению участка пленки.

Скорость разрушения пленки зависит от теплофизиче­ ских параметров процесса (теплопроводности, теплоемкости, температуры и теплоты плавления и испарения, вида среды, в которой размещены электроды, и пр.), а также от продол­ жительности, амплитуды, скважности и частоты импульсов, зазора между электродами и пр.

Основным параметром электроэрозионной обработки яв­ ляется подаваемое напряжение, от величины которого зависит глубина, ширина и качество получаемой прорези (рис. 6.10).

На электроэрозионный процесс оказывает существенное влияние рабочая среда, в которой происходит обработка пле­ нок. Она локализует и стабилизирует процесс эрозионной об­ работки. Диэлектрическая жидкость, применяемая в каче­ стве рабочей среды, влияет на величину падения напряже­ ния между электродами при возбуждении дуговых разрядов; напряжение, в свою очередь, определяет энергию, выделяю­ щуюся в зоне обработки. Наличие жидкости в межэлектрод­ ном пространстве обеспечивает возникновение динамических

Рис. в.10. Зависимость ширины е реэа от напряжения U на электроде:

длительность импульса 1 мс, частота 30 кГц, ма­ териал пленки - нихром, pD —100 Ом, среда - воздух

волн, необходимых для удаления испаряемого материала, ло­ кализует энергию и стабилизирует процесс эрозионной обра­ ботки.

Рабочая жидкость должна иметь хорошие электроизоли­ рующие свойства, химическую устойчивость к электрическим разрядам, определенную вязкость и быть безопасной в эксплу­ атации. Широкое применение в качестве рабочей жидкости имеет керосин.

На рис. 6.11, а приведена зависимость скорости электроэрозионной обработки от частоты следования импульсов. В^ак видно, с повышением частоты следования импульсов (при этом уменьшается энергия импульса) скорость обработки сни­ жается, что может быть связано с уменьшением энергии удар­ ных волн и ухудшением “эвакуационной” способности разру­ шенного материала.

Увеличение частоты приводит в конечном итоге к тако­ му состоянию, когда диспергированные частицы в силу огра­ ниченной скорости механического движения не смогут быть удалены из зоны обработки действием маломощных ударных волн.

Рис. 6.11. Взаимосвязь скорости v электроэроэионной обра­ ботки (а) и ширины реэа с (б) от частоты / следования им­

пульсов:

материал пленки - хром, р и —100 Ом; напряжение 60 В; среда - воздух

С другой стороны, неограниченное уменьшение частоты ведет к непрерывному нагреву и расплавлению не локальных, а больших участков пленки.

Зависимость ширины реза от длительности импульса приведена на рис. 6.11, б. Характер образования дуги, а следо­ вательно, и ширины реза, в значительной степени зависит от материала электродов; материал должен иметь высокую эро­ зионную стойкость. Наилучшими характеристиками облада­ ет для этой цели вольфрам.

Режимы обработки некоторых материалов приведены в табл. 6.1.

Та б л и ц а 6.1. Режимы электроэроэионной обработки тонкопленочных материалов

Достоинства метода электроэрозионной обработки: воз­ можность применения для широкой номенклатуры резистив­ ных и проводящих пленок, простота эксплуатации технологи­ ческого оборудования.

Недостатки способа: зависимость качества реза от режи­ мов обработки, сравнительно низкая производительность. По­ этому применение способа электроэрозионной обработки целе­ сообразно на этапе макетирования в лабораторных условиях.

Электронно-лучевой способ обработки пленочных эле­ ментов состоит в локальном испарении облучаемого участка при удельной мощности луча более 105 Вт/см2. Если пленки облучать потоком электронов, мощность которых недостаточ­ на для испарения, они изменяют структуру. Изменения элек­ трических характеристик зависят от параметров электронно­ го луча и скорости его перемещения, а также от материала и толщины пленки. Электронно-лучевой способ позволяет со­ здать ширину реза 10... 50 мкм и обеспечивает точность до­ водки ±0,1 %.

Управление электронным лучом дает возможность вести процесс доводки в автоматическом режиме по заданной про­ грамме.

Недостатком этого способа является необходимость про­ ведения процесса в высоком вакууме. Кроме того, с целью по­ вышения стабильности обработанных резисторов необходимо вводить дополнительную тепловую обработку.

При электроимпулъсном способе электросопротивление тонкопленочных резисторов можно изменять, пропуская через них электрические импульсы тока большой мощности. Пре­ имущество этого способа перед доводкой постоянным и пере­ менным током заключается в том, что он позволяет за счет из­ менения скважности импульсов подобрать такой режим, при котором резистор успевает снизить температуру за время от­ сутствия импульса.

При пропускании электрического тока через резистор происходит его нагрев, что приводит к отжигу и упорядоче­ нию структуры, и, как следствие, - к уменьшению электросо­