Введение к работе
Актуальность темы. Развитие электроники является свидетельством того, что именно микроэлектроника является базовым направлением научно-технического прогресса (НТП). Технологическая классификация интегральных микросхем (ИМС), учитывающая способ изготовления и получаемую при этом структуру, разделяет ИМС на полупроводниковые и гибридные (ТИС).
Тонкопленочная технология позволяет создавать прецизионные изделия, точностные характеристики которых могут на 1-гЗ порядка превышать таковые, полученные для аналогичных изделий полупроводниковой и толстопленочной технологий. Поэтому, несмотря на относительную дороговизну тонкопленочных микросхем по сравнению с другими типами, такие изделия все более необходимы и занимают с каждым годом все более широкий спектр как по точности, так и по назначению.
В период 1980-1990 гг. на базе тонкопленочной технологии впервые в нашей стране были разработаны гибридные интегральные схемы цифроана-логовых преобразователей 427ПА1, 427ПА2, 427ПАЗ, 427ПА4 для применения в авиационной, космической технике, системах обработки информации. Разработанные на рубеже XX в. ГИСы и сегодня идут на комплектование бортовой авиационной аппаратуры МИГов, ТУ и др. Автомобильная электроника, аппаратура нефтегазового комплекса и средств связи, контрольно-измерительная аппаратура и бьповая техника - далеко не полный перечень технических средств, где в настоящее время тонкопленочные ИМС находят высокую потребность благодаря незначительным габаритам, высокой точности и стабильности воспроизведения технических характеристик.
Таким образом, если объективно считать, что первостепенными параметрами тонкопленочных микросхем являются точностные, то разработчику следует рассматривать изделие тонкопленочной технологии как измерительный преобразователь, независимо от возможности его использования в других областях техники, например, в радиолокационных системах. Такая установка не принесет никакого вреда радиолокации, но позволит создать единый подход при разработке изделий тонкопленочной микроэлектроники, базирующейся не только на технологических исследованиях материалов и их пропорций, но и на достаточно разработанной теории метрологического и функционального анализа объектов измерительной техники.
Свойства тонких пленок существенно отличаются от свойств массивных материалов. В тонких слоях приобретают большое значение поверхностные эффекты, которые зависят от адгезии, равномерности состава материала и толщины покрытия. Кроме того, на свойства тонких пленок оказывают влияние внешняя температура, саморазогрев, механические напряжения, СКИН-эффект и др.
РОС НАЦИОНАЛЬНАЯ f БИБЛИОТЕКА I
Все эффекты, изменяющие физические свойства тонких пленок, приводят, прежде всего, к изменению сопротивления тонкопленочной резистив-ной структуры, температурного коэффициента сопротивления (ТКС), скорости изменения этих параметров (временной стабильности).
В свою очередь, в результате действия этих факторов гибридные тонко-пленочные микросхемы изменяют свои многочисленные статические и динамические параметры.
Разработка новых ИМС не может проводиться без создания специализированных средств измерений (СИ), разработки методик использования серийных СИ, моделирования как самих тонкопленочных структур, так и процессов измерения и подгонки нормируемых параметров.
Указанные работы проводились с конца 70-х гг. НИИЭМП при непосредственном участии автора в качестве ведущего специалиста, а созданная в результате этих работ, в начале 80-х гг., первая тонкопленочная серийная ГИС ПАП К427ПА до сих пор, судя по каталогам справочно-технической информации, является одной из лучших микросхем данного класса, превосходящая по многим техническим характеристикам более поздние отечественные и зарубежные разработки.
Особо важным является метрологический анализ для технологической операции подгонки (функциональной подгонки) тонкопленочных микросхем. Он способствует созданию оптимального алгоритма подгонки микросхем, позволяет определить при этом оптимальные области воздействия подгоночного инструмента для той или иной технологической структуры микросхемы, а кроме того, разрабатывать специальные типы топологий пленочных элементов с целью достижения быстродействия, требуемой точности и линейности подгонки.
Точностные параметры микросхем определяются многими технологическими факторами, в том числе электрофизическими характеристиками подложек и тонкопленочных материалов, качеством технологических операций напыления и подгонки, межоперационного и финишного контроля.
Установлено, что наиболее трудоемкими и дорогими операциями являются операции подгонки, межоперационного и финишного контроля. По опубликованным данным на них приходится около 70% всех трудозатрат.
Таким образом, объединение концепций метрологического и функционального анализа и исследования, а также совершенствования самих технологических операций и тонкопленочных технологий на базе анализа электрофизических свойств тонкопленочных материалов позволяет получить существенный технологический эффект как в создании микросхем с более высокими нормируемыми параметрами, так и в обеспечении высокоэффективным оборудованием функциональной подгонки и контроля.
Особо глубокие исследования проводились в группе наиболее функционально сложных гибридных тонкопленочных микросхем (ГИС) ПАП и АЦП, включающих, кроме сложностей проектирования БИС, дополнительные подгоночные, метрологические и измерительные проблемы.
Прецизионные ГИС ПАП и АЦП серии 427 требуют средства измерений (СИ) своих характеристик еще более высокого класса точности. Требования по точности к СИ и к аппаратуре функциональной подгонки, как правило, приближаются к предельно достижимым на современном этапе их возможностям. Разработка новых методов измерений нормируемых параметров, специализированных высокопрецизионных и производительных средств измерений и контроля тонкопленочных микросхем является актуальной задачей.
Следует отметить значительный вклад в исследования в данной области таких отечественных ученых, как Э. И. Гитис, В. Б. Смолов, В. М. Шлян-дин, Г. П. Шлыков, В. М. Терехов, В. П. Буц, А. Н. Лугин.
Цельработы. Разработка новых типов тонкопленочных микроэлектронных преобразователей и средств оценки их нормируемых параметров, отвечающих современным достижениям электроники и соответствующих лучшим мировым образцам, превышающих по ряду технических показателей достигнутый технический уровень.
Цель достигается решением следующих задач:
анализом физических процессов и установлением факторов, ограничивающих соответствующие точностные характеристики;
систематизацией технических характеристик различных типов тонко-пленочных микросхем путем составления классификаций самих ИМС, их точностных параметров, факторов влияния на значения определяемых характеристик;
современным макромоделированием микросхем, средств измерения их параметров, комплексов, как совокупных объектов, включающих ИМС и СИ со средствами сопряжения, а также исследуемых характеристик, главным в которых является получение максимального подобия согласно поставленной цели;
разработкой новых типов микроэлектронных устройств и оценкой их характеристик в результате метрологического анализа, лабораторных испытаний, аттестации с использованием эффективных методов статистической обработки результатов отдельных измерений;
разработкой методов функциональной подгонки, включая подгонку одновременно по нескольким нормируемым параметрам;
исследованием тенденций развития современной тонкопленочной микроэлектроники.
Методы исследований. Аналитические методы исследований базируются на использовании теории электрических цепей, матричного анализа, дифференциального и интегрального исчисления, статистической теории обработки результатов многократных измерений, теории систем автоматического регулирования, теории измерений и метрологии, основных положениях теории моделирования сложных систем и др.
Научная новизна полученных в работе результатов заключается в следующем:
разработаны методы оценки сопротивлений и ТКС, а также методика расчета сопротивлений пленочных резистивных структур с изменяющимся значением удельного поверхностного сопротивления в пределах геометрической области таких структур. Приведены примеры моделирования и расчета, учитывающие определенные ограничения как по топологии структур, так и по характеру изменения удельного поверхностного сопротивления в области резистивной структуры;
проведен аналитический анализ возможностей создания пассивной тонкопленочной микросхемы с установленным номинальным сопротивлением и определенным или нулевым ТКС на базе сети расположенных на подложке отдельных резистивных чипов, что позволило разработать технологию прецизионного интегрального резистора "Термостабильная тонко-пленочная микросхема" по патенту № 2185007 РФ;
установлены аналитические зависимости подгоняемых параметров для анализа и использования в целях функциональной подгонки микросхем различных типов;
классифицированы тонкопленочные микроэлектронные преобразователи, установлены их общие свойства и существенные отличия, а также определены факторы, ограничивающие класс точности ТИС (например, так называемая погрешность суперпозиции микросхем серии 427);
разработаны классификации точностных параметров тонкопленочных микросхем и составляющих инструментальной погрешности аналого-цифровых БИС на примере серии 427, и исследован вклад каждой составляющей в погрешность характеристики преобразования микроэлектронного преобразователя, а также в конкретный нормируемый точностной параметр;
дано обоснование уровней макромоделирования на конкретные типы микросхем, согласно представленной в работе классификационной схеме, которая на этапах проектирования и разработки может быть ориентиром в плане привлечения экономических, интеллектуальных средств под конкретный инновационный проект, а также воссоздания степени его преемственности по отношению к известным образцам;
предложены новые способы и алгоритмы функциональной подгонки нелинейности, сопротивления и ТКС, дифференциальной нелинейности, коэффициентов преобразования и деления, а также даны оценки преимущества предложенных способов подгонки;
разработаны модели и алгоритмы определения точностных параметров интегральных микросхем, и даны их сравнительные оценки с известными;
предложены методики оценки влияния погрешности суперпозиции аналого-цифровых БИС ПАП и АЦП на общую погрешность и предельную точность их преобразования;
предложен метод обработки результатов измерений в цеховых условиях, и доказана его эффективность, характеризующаяся высокой степенью фильтрации помех и повышением точности;
разработаны устройства измерения как статических, так и динамических параметров тонкопленочных микросхем, как автономные, так и работающие в составе компьютеризованных комплексов, с компенсацией и самокоррекцией собственных погрешностей.
Новизна результатов работы подтверждена 9 патентами РФ на изобретения, поддерживаемыми в настоящее время, 1 положительным решением на патент РФ и 36 авторскими свидетельствами.
Практическое значение. Полученные в диссертационной работе теоретические и практические результаты позволяют решать задачи на стадии разработки тонкопленочных микроэлектронных изделий различного класса, а также задачи, возникающие на технологических этапах изготовления микросхем, связанные с подгонкой электрических параметров, межоперационным и финишным контролем этих параметров.
В результате проведенных исследований разработаны и успешно используются:
принципы и алгоритмы функциональной подгонки тонкопленочных интегральных микросхем;
алгоритмы функционирования средств измерений точностных параметров интегральных микросхем;
методы расчета оценок и алгоритмы обработки результатов измерений;
методы расчёта оценок параметров точности СИ по результатам измерений, полученным в результате аттестации СИ;
способы повышения точности функциональной подгонки;
схемотехнические и технологические способы повышения точности интегральных тонкопленочных микросхем;
схемотехнические способы повышения точности СИ параметров микросхем;
методы моделирования на этапе проектирования новых типов тонкопленочных микроэлектронных устройств широкого назначения.
Реализаииярезультатовдиссертаиионнойработывпромышленности.
Результаты настоящего исследования использованы в нескольких НИР и ОКР как по разработке новейших типов тонкопленочных микроэлектронных изделий, так и по разработке средств измерений их электрических параметров, а также функциональной подгонки, в том числе в НИР и ОКР: "Функция", "Функция-2", "Тестер", "Тестер-5С", "Функдия-6", "Иргиз", "Иргиз-1", "Иргиз-10", "Ангара", "Ангара-3", "Ангара-4", "Ангара-50", "Ангара-80", "Эльтон", "Иртыш" и др. - на предприятии НИИЭМП (г. Пенза).
Установка контроля статических параметров ЦАП с количеством разрядов до 18 ЮУМ 2.681.011, разработанная по ОКР "Иргиз-10", включающая устройство и программу измерительного алгоритма, выполненных по а. с. 1631723, НОЗМ1/10 "Способ измерения нелинейности ПАП и устройство для его осуществления", БИ № 8,1991 г., внедрена на предприятии - научно-исследовательский и конструкторский институт радиоэлектронной техники (НИКИРЭТ, г. Заречный Пензенской обл., ГУП СНПО "Элерон").
Результаты докторской диссертации используются в госбюджетной НИР "Разработка и исследование измерительных и испытательных устройств", выполняемой кафедрой "Электроника и электротехника" Пензенской государственной технологической академии.
Апробаи ия работ ы. Основные результаты диссертационной работы прошли апробацию при разработке новых технологий и конструкций тонкопленочных микросхем, новых типов средств измерений и функциональной подгонки микросхем различного назначения, в числе которых серийные микросхемы серий 427, 313 HP, ТРП 1-1, и др., серийные установки контроля и функциональной подгонки ЮМ 2.688004, ЮМ 2.688.005, ЮМ 2.681.011, ЮМ 2.681.001, УИЭ. НРЭ 110-044, при длительной эксплуатации в объектах различного народнохозяйственного назначения и в технологическом оборудовании на предприятиях электронной и радиоэлектронной промышленности.
Основные результаты диссертационной работы были представлены на международных научно-технических конференциях "Актуальные проблемы анализа и обеспечения надежности и качества приборов, устройств и систем" (г. Пенза, 1997, 1998), "Методы, средства и технологии получения и обработки измерительной информации. Измерения-2000" (г. Пенза, 2000), "Надежность и качество, 2003" (г. Пенза, 2003), а также на всесоюзных и зональных конференциях: "Метрологическое обеспечение ИИС и АСУТП" (г. Львов, 1990), "Состояние элементной базы технологии производства и контроля изделий электронной техники" (г. Пенза, 1991).
Публикации. Материалы, отражающие основное содержание диссертации, опубликованы в 87 научных трудах, в том числе в 36 авторских свидетельствах, 9 патентах РФ и 3 решениях Федерального института промышленной собственности на выдачу патентов РФ (от 24.08.2004 и 28.09.2004).
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, 5 глав, заключения, списка литературы из 189 наименований и 5 приложений. Работа содержит 418 страниц машинописного текста, 151 рисунок и 16 таблиц.
