Содержание к диссертации
Введение
I. Объекты тонкоплёночной технологии и их моделирование 16
1.1. Вводные замечания 17
1.2. Классификация изделий тонкопленочной технологии 18
1.3. Технологические измерения и макромоделирование для тонкопленочных микросхем 29
1.4. Структурное макромоделирование при анализе точности в системах технологических измерений (ти) параметров тонкопленочных микросхем 34
1.5. Оценка результатов измерений параметров гис в рамках упрощенных моделей 53
1.6. Сравнительный анализ точностных характеристик гис цапи ацп 58
1.7. Особенности видов технологических измерений параметров тонкопленочных имс 66
II. Классификация и исследование электрических параметров компонентов тонкопленочных интегральных микросхем (тис) 73
2.1. Вводные замечания 74
2.2. Тонкопленочный резистор и его подгонка 74
2.3. Влияние физических факторов на параметры тонкопленочной резистивной структуры 83
2.4. Исследование путей повышения точности тонкопленочных микросхем при их разработке и испытаниях 90
2.4.1. Метод оценки сопротивления тонкопленочной резистивной структуры 90
2.4.2 Способы достижения требуемых метрологических характеристик тонкопленочных микросхем типа hp и трп 112
2.4.3. О подгоне тонкопленочных микросхем по двум электрическим параметрам 121
2.4.4. Подгонка сопротивления методом структурирования электрической цепи для тонкопленочных микросхем типа hp 1-53 129
2.5. Методы функциональной подгонки, связанные с алгоритмом работы имс 144
2.6. построение модели экспериментальной интегральной тонкоплёночной микросхемы и её классический анализ на примере гис цап 153
2.7. Инструментальные погрешности тонкоплёночных гис, на примере функционально законченного пап, и построение моделей их описания 169
2.8. Построение моделей исследования инструментальных погрешностей типовых интегральных микросхем цап 427 и 572 серий 184
2.9. Исследование инструментальных погрешностей тонкоплёночных микросхем методом дополнений на примерегисцап 193
2.10. Теоретическое исследование динамических свойств функционально законченного пап 202
2.11. Погрешности тонкопленочного датчика температуры 219
2.14. Выводы 224
III. Методы измерений электрических параметров тис на операциях функциональной подгонки, производственного и лабораторного контроля 226
3.1. Вводные замечания 226
3.2. Основные точностные параметры интегральных тонкопленочных микросхем и пути обеспечения требуемой точности 227
3.2.1 Классификация точностных параметров интегральных тонкопленочных микросхем и пути
обеспечения требуемой точности 227
3.2.2. Критерии линейности цап 231
3.2.3.Синтез моделей фп гис цап (ацп) 240
3.2.4.Оценка степени адекватности моделей фп интегральных цап (ацп) 253
3.3. Выводы 258
IV. Разработка прецизионных средств измерения си электрических параметров тис и пути создания си предельно достижимой точности 258
4.1. Вводные замечания 259
4.2. Средства и методы измерения электрических параметров тонкопленочных микросхем 271
4.3. Классификация гис цап и методы измерения погрешности коэффициента преобразования 270
4.4. Разработка средств измерения (си) статических параметров тонкопленочных гис ацп 288
4.5. Анализ и разработка средств измерения нелинейности (н) и дифференциальной нелинейности (дн) прецизионных ГИС ЦАП 297
4.6. нормирование и измерение основных динамических параметров тонкопленочных гис 322
4.7. Разработка средств измерения параметров тонкопленочных микросхем на базе многозначной образцовой меры 329
4.8. Разработка методов и средств измерений в процессе функциональной подгонки тонкоплёночных микросхем 339
4.9. Разработка методов и средств построения многозначных рабочих образцовых мер калибраторов напряжения для систем измерения параметров имс 358
4.10. Разработка калибраторов напряжения на базе прецизионных тонкопленочных гис цап для систем технологических измерений параметров имс 368
4.11. Результаты и выводы 376
V. Разработка конструкций тис на базе инженерного моделирования новых свойств и внедрение устойчивых методов автоматизированной обработки измерительной информации 378
5.1. Вводные замечания 379
5.2. Обработка результатов технологических измерений параметров тонкопленочных микросхем 379
5.3. Разработка новых конструкций тонкопленочных микросхем на базе эксперементального исследования их метрологических свойств 389
5.4. Основные результаты и выводы 415
Заключение 415
Литература 418
Приложение
- Классификация изделий тонкопленочной технологии
- Тонкопленочный резистор и его подгонка
- Основные точностные параметры интегральных тонкопленочных микросхем и пути обеспечения требуемой точности
- Разработка методов и средств измерений в процессе функциональной подгонки тонкоплёночных микросхем
Введение к работе
Актуальность темы. Значение электронной техники в современном мире невозможно переоценить. В настоящее время процесс производства изделий радиоэлектронной аппаратуры ведется при требованиях максимального выигрыша по габаритам, массе, надежности и минимальной стоимости на основе последних достижений микроэлектроники и относится к категории сложных многооперационных процессов, использующих разнообразные электрофизические и физико-химические методы обработки. Интегральная микросхема (ИМС) - это не только совокупность электронных элементов в одном функциональном блоке, это также большое количество различных элементов схемы, одновременно изготовляемых в едином технологическом цикле.
Развитие интегральной электроники происходит по двум направлениям. Это разработка и изготовление полупроводниковых и пленочных ИМС.
Тонкопленочные микросхемы прочно удерживают свой сегмент на современном рынке микроэлектронных изделий, несмотря на относительную дороговизну по сравнению с ИМС полупроводниковой и толстопленочной технологий. Данный сегмент составляют микросхемы следующих направлений. Первое направление, ставшее уже традиционным, это направление прецизионных микросхем типа: наборов точных резисторов; делителей напряжений и токов различного назначения; гибридных интегральных микросхем (ГИС) высокой точности, в частности, цифроаналоговых (ЦАП) и аналого-цифровых (АЦП) преобразователей и др. Главными критериями оценки качества перечисленных микросхем являются высокая точность преобразования и/или воспроизведения определенных физических величин, недоступные для микросхем аналогичного назначения других конкурирующих микроэлектронных технологий. При этом, несмотря на стремительное развитие полупроводниковой электроники, значительного сближения по указанным параметрам точности не происходит. Это в определенной мере связано с успешными исследованиями в области свойств тонких пленок, с экспериментальными наработками и совершенствованием технологических процессов и технологических операций, в состав которых входят, в частности, операции измерения и подгонки. Последнее обстоятельство привело также к быстрому развитию тонкопленочной сенсорной микроэлектроники. К этой группе можно отнести термо- и тензорезисторы, датчики на поверхностных акустических волнах (ПАВ), магнито и фоторезисторы, преобразователи концентрации и типа газов на тонких абсорбционных пленках, тонкопленочные преобразователи Холла. Такие сенсоры, произведенные в рамках тонкопленочной технологии, значительно превосходят изделия аналогичного назначения по массогабаритным показателям, а также по многим точностным показателям. Пока тонкопленочные сенсоры имеют, как правило, меньшие чувствительности и диапазоны преобразования по сравнению с датчиками, построенными на других структурах, однако тонкопленочная сенсорика имеет свои неоспоримые преимущества. В частности, такие сенсоры могут строиться по типу ГИС микросхем, совмещая в себе сенсорные, усилительные и преобразовательные функции, Другое развивающееся направление тонкопленочной микроэлектроники - это создание больших неунифицированных ГИС (БГИС). Производство подобных устройств в рамках полупроводниковой электроники, ставшей областью массового производства, является нерентабельным. В то же время существует масса объектов и производств, где требуются единичные экземпляры или малые серии высоконадежного и точного оборудования, заменяющего громоздкое, менее надежное, собранное из большого количества серийных узлов, охваченных паутиной длинных проводников, жгутов и разъемов. К таким объектам можно в первую очередь отнести атомные и газо-распределительные станции, объекты железных и автомобильных дорог и др. В полупроводниковой технологам резисторы изготавливают за счет локального изменения проводимости определенных областей подложки и в диапазоне от 50 Ом до 40 кОм реализуют при помощи базовой диффузии. Для получения резисторов меньших номиналов используется п+-диффузия эмиттера. При создании высокоомных резисторов в диапазоне от 30 кОм до 500 кОм уменьшают сечение р-проводящего пути с помощью диффузии п-слоя, образуя таким образом скрытый или ПИНЧ-резистор. При этом точность изготовления не превышает, как правило, 20%, а подгонка к номинальному значению является трудноосуществимой в технологическом цикле изготовления полупроводниковой ИМС.
Пассивные же элементы - резисторы, полученные в ходе вакуумного охлаждения газообразной фазы материала, имеют допуск от номинального значения, как правило, 5-10%, что несколько лучше, чем полупроводниковые. Однако главное достоинство в отличие от полупроводниковой технологии состоит в том, что такие пассивные элементы, как, например, резисторы и конденсаторы, являющиеся конструкциями из тонких пленок на диэлектрической подложке, принципиально подгоняемы на операциях подгонки техпроцесса изготовления, что позволяет в конечном итоге добиться допусков от номинальных значений до 0,001% и ниже. Не рассматривая вопрос о перспективах создания тонкопленочного транзистора высокого качества, не уступающего полупроводниковому, можно отметить, что в настоящее время вполне приемлемо альтернативное решение, когда в пленочную микросхему монтируется бескорпусной активный полупроводниковый элемент.
Образуемая таким образом ИМС может быть либо толстопленочной гибридной, либо тонкопленочной гибридной, а чаще носит название просто гибридной микросхемы (ГИС). Толстопленочная и тонкопленочная технологии существуют вполне автономно и, как правило, не конкурируют между собой, т.е. тонкопленочные и толстопленочные ИМС занимают свои сектора по назначению. Пленки толстопленочных ИМС, полученные в результате трафаретной печати, имеют толщины от нескольких десятков мкм и более, а пленки тонкопленочных ИМС имеют толщины от нескольких мкм и менее. Толщина пленки определяет, в основном, нагрузочную способность пленочного элемента. Таким образом, толстопленочные ИМС используются там, где требуется обеспечить большую мощность рассеяния, уступая тонкопленочным в точности воспроизведения заданных функций.
Таким образом, сектор микроэлектронных элементов малой мощности, но высокой точности воспроизведения функциональных зависимостей занимают тонкопленочные ИМС, а сектор повышенной мощности и средней точности — толстопленочные ИМС. Такое распределение сфер предполагает развитие всех микроэлектронных технологий: полупроводниковой, как функционально универсальной, толстопленочной, обладающей наибольшей простотой и реализующей ИМС повышенной нагрузочной способности, и тонкопленочной, позволяющей получить ИМС с точностью воспроизведения функциональных зависимостей, не достижимых в других микроэлектронных технологиях.
Создание ИМС более высого качества невозможно без создания нового технологического оборудования, в частности, оборудования и аппаратуры подгонки нормируемых параметров, средств измерений этих параметров, в составе которых должны быть современные вычислительные средства, реализующие сложные алгоритмы измерений и обработки информации. Функционирование последних возможно в рамках алгоритмов подгонки и измерений конкретных параметров с определенной степенью точности. Это можно обеспечить лишь на предварительной стадии всестороннего анализа объекта подгонки и измерений, его параметров как целевых функций, выводом критериев подгонки как критериев оптимизации подгоняемого параметра. Создание специализированных средств измерений позволяет гарантировать точность измерений в первую очередь за счет аттестации и периодических поверок принятого в производство специализированного измерительного оборудования, что не могут гарантировать никакие косвенные измерения. Поэтому в данной работе рассматривается комплекс мер в областях исследования характеристик (параметров) ИМС и их оптимизации методами подгонки, создания измерителей параметров соответствующего типа и точности, создания как образцовых, так и рабочих мер соответствующего типа и класса. Без решения этого комплекса задач невозможен дальнейший прогрес.
Цель и задачи работы.
Как уже было отмечено выше, основной особенностью тонкопленочной микроэлектроники является более высокая точность воспроизведения функциональных характеристик. Именно это способствует дальнейшему развитию тонкопленочной технологии и именно в этом данная технология на сегодняшний день вне конкуренции. Имменно с этой точки зрения автор рассматривает метрологические исследования тонкопленочных ИМС как основные. В диссертационной работе рассматриваются также вопросы исследования и создания тонкопленочных ИМС предельной точности и стабильности, включая типовые ГИС (АЦП и ЦАП); исследуются способы функциональной подгонки всех основных нормируемых точностных характеристик, определены критерии подгонки данных параметров и рассматривается классификация задач подгонки ИМС по определенному признаку; исследуются способы измерения нормируемых параметров, средства измерения этих параметров в процессе функциональной подгонки, межоперационного и финишного контроля ИМС.
Главной целью данных исследований является разработка новых тонкопленочных ИМС повышенной точности на основании выполненного анализа; разработка новых способов функциональной подгонки, а также синтез критериев подгонки каждого подгоняемого параметра, выявление влияния данного критерия на критерии других подгоняемых параметров; разработка новых методов измерений исследуемых точностных параметров ИМС.
Метрологические характеристики или 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. Является установленным фактом, что наиболее трудоемкими и дорогими операциями являются операции подгонки, межоперационного и финишного контроля микросхем. По некоторым данным на них приходится около 70% всех трудозатрат. Вместе с тем тонкопленочные микроэлектронные изделия прочно занимают довольно широкий сектор изделий микроэлектроники, который не может вытеснить полупроводниковая технология. Это, прежде всего, сектор точных (прецизионных) преобразователей, начиная с микросхем, именуемых наборами резисторов (HP) и заканчивая большими интегральными микросхемами ГИС ЦАП и АЦП.
Таким образом, раз метрологические характеристики являются характеристиками, определяющими в наибольшей степени качество данного вида изделий, то, именно, исследование точностных параметров тонкопленочных микросхем является приоритетной задачей. Такое исследование не может быть проведено без исследования структур самих микросхем, без исследования факторов влияния на погрешность преобразования, без исследования чувствительности погрешности к изменению факторов влияния, без разработки аналитических моделей функций преобразования и оценок исследуемых погрешностей. В свою очередь, проводимые исследования и синтезируемые аналитические модели позволяют наметить пути дальнейшего структурного совершенствования тонкопленочных микросхем, что подтверждается рядом технических решений по созданию электронных изделий, защищенных патентами и выполненными на уровне мировой новизны.
Исследование точностных параметров в данной работе проведено с применением современных знаний в области моделирования. В первую очередь моделирования согласно поставленной цели описания конкретного точностного параметра, а не объекта в целом. Причем, требования адекватности и подобия определялись максимальным числом включенных факторов влияния. Хотя автор столкнулся с относительной неразвитостью моделирования, как науки, однако принятые положения о выборе моделей как ограниченной совокупности, их максимальной прозрачности и простоты, а также адекватности в рамках поставленной цели, позволяют считать, что большинство из описанных в работе можно отнести к классу макромоделей. Многие аналитические описания, полученные в результате такого моделирования, внедрены в технологические процессы производства и успешно подтвердили себя на технологических операциях функциональной подгонки и измерительного контроля. Провести такое моделирование подавляющего числа ИМС на уровне, например, классических моделей транзисторов (типа Гуммеля-Пуна, Эребса-Молла и др.) практически невозможно из-за астрономического количетва элементов полной электрической схемы замещения ИМС. В то же время типовые макромодели сложных электронных устройств, построенные только на управляемых источниках тока и напряжения, мало пригодны для моделирования тонкопленочных микросхем, т.к. их описания не содержат в себе параметра пассивного тонкопленочного элемента, являющегося основным объектом тонкопленочной технологии. Следовательно, макромодель тонкопленочной ИМС должна быть выполнена на базе таких схем замещения, которые включали бы в себя параметры объекта тонкопленочной технологии с целью выявления их влияния на исследуемый процесс. Использование в составе макромоделей тонкопленочных ИМС пассивных четырехполюсников, с их достаточно хорошо проработанной теоретической базой, позволило сделать параметры тонкопленочных структур (главным образом резистивные) достаточно информационными, а макромодели, основным элементом в схемах замещения которых содержится пассивный четырехполюсник определенного вида, достаточными и адекватными. Любой, даже простейший, элемент тонкопленочной резистивной структуры можно охарактеризовать двумя обобщенными параметрами: сопротивлением электрическому току и температурным коэффициентом сопротивления (ТКС). Эти параметры зависят от геометрии тонкопленочной структуры (топологии), материала, расположения контактных площадок, толщин резистивных пленок, термонапряжений и т.д. Промежуточным параметром тонкопленочных ИМС является удельное сопротивление, которое может быть постоянным для некоторого участка тонкопленочного резистора, а может изменяться в зависимости от толщин напыляемых пленок. Разработанные в диссертационной работе методики оценки полных сопротивлений, с учетом определенных ограничений, позволили получить ряд достоверных функций влияния при изменении удельного сопротивления по поверхности резистивной пленки из-за наличия механических и термонапряжений, СКИН-эффекта, температурного эффекта.
Выполнение же моделирования на этапе планирования разработки позволяет оценить предельно возможные значения параметров разрабатываемой аппаратуры, а также средства, необходимые для обеспечения заданных или предельных параметров точности.
Для оценки любого точностного параметра требуется разработка специального устройства измерения этого параметра. Такие измерения можно отнести к классу косвенных или совокупных. Измерения параметров тонкопленочных микросхем в ходе функциональной подгонки также имеют свою специфику, связанную с разделением по времени периодов измерения и периодов работы инструмента подгонки. В работе проведен анализ типовой системы технологических измерений параметров ИМС, даны обобщенные оценки типовых устройств и критерии их выбора. Предложен ряд способов измерения конкретных точностных параметров, в том числе статических и динамических, а также в процессе функциональной подгонки. Часть из описанных способов измерения внедрены в технологический процесс, а часть из них могут быть внедрены в ходе новых разработок контрольно-измерительной и подгоночной аппаратуры. В работе описаны и классифицированы типовые устройства технологических измерений параметров микросхем.
Исследовательская работа проводилась в НИИЭМП, а также в Пензенском технологическом институте в рамках НИР и ОКР: «Функция», «Функция-2», «Тестер-5с», «Функция-6», «Иргиз-1», «Иргиз-10», «Ангара-3», «Ангара-4», «Ангара-6», «Ангара-50», «Ангара-80», «Эльтон», «Разработка и исследование измерительных и испытательных устройств».
Практические результаты работы были внедрены в производство: НПО "ЦИРКОН", НПО "СТАРТ" г.Пенза.
Структура работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы и приложения. Объем диссертации составляет 417 страниц текста, 151 рисунка, 16 таблиц и 5 приложений. Список литературы включает 189 наименований.
На защиту выносятся:
1. Методы оценки сопротивления и ТКС пленочных резистивных структур при переменном удельном сопротивлении в рассматриваемой области пленочного резистора, а также в зависимости от температуры перегрева, термонапряжений и СКИН-эффекта.
2. Теоретическое обобщение создания термокомпенсированного резистора, а также резистора с заданным ТКС на базе чиповой тонкопленочной ИМС; метод подгонки резистора, сконструированного на базе чиповой интегрированной сети, а также подгонка тонкопленочного чипового резистора одновременно по двум параметрам: сопротивлению и ТКС.
3. Модели тонкопленочных ИМС, в том числе ТИС ЦАП и АЦП, являющиеся макромоделями на основе обратимых и необратимых канонических четырехполюсников. 4. Обобщенная макромодель, включающая ИМС одновременно как объект функциональной подгонки и объект измерения статических и динамических параметров; иерархическая схема уровней макромоделирования на стадии планирования и разработки новой ГИС.
5. Идентификация задач подгонки тонкопленочных ИМС, критерии подгонки таких точностных параметров, как нелинейность, дифференциальная нелинейность, коэффициенты преобразования; классификация точностных параметров.
6. Конструкции тонкопленочных ИМС, обеспечивающие стабильность метрологических характеристик при саморазогреве под действием протекающих рабочих токов и в результате воздействия механических деформаций.
7. Методы измерений точностных параметров ГИС ЦАП и АЦП в режиме подгонки, а также межоперационного и финишного контроля, а имено: нелинейности, абсолютной погрешности преобразования, коэффициентов преобразования, дифференциальной нелинейности.
8. Метод обработки результатов измерений в цеховых условиях для установки измерения ТКС с температурной прогонкой.
9. Структурные и схемотехнические методы повышения точности и производительности средств измерений статических, динамических и подгоняемых параметров ИМС.
10.Схемотехнические методы создания образцовых мер для средств измерений точностных параметров тонкопленочных прецизионных ИМС. Содержание работы.
Во введении обоснована актуальность работы, сформулированы основные задачи, решаемые в диссертации.
В первой главе рассмотрены основные объекты исследования: ИМС, типы технологических операций, определяющих их метрологическую точность, обобщенные модели ИМС в составе установок подгонки либо измерительных комплексов.
Во второй главе исследованы основные параметры ИМС, критерии их подгонки, способы подгонки, факторы влияния, модели параметров точности при действии определенных факторов влияния.
В третьей главе описаны методы измерения основных точностных параметров ИМС на этапах функциональной подгонки и финишного контроля.
Четвертая глава посвящена описанию средств измерения статических и динамических параметров, образцовых специализированных мер, используемых при создании высокоточных установок.
В пятой главе рассмотрены перспективные технологические установки измерения комплекса параметров, а также перспективные разработки тонкопленочных ИМС, выполненные на базе проведенных исследований.
В приложениях содержатся описания устройств, созданных по патентам и авторским свидетельствам и акт комиссии по внедрению в производство результатов работы.
Классификация изделий тонкопленочной технологии
Однако классификация по данному признаку является недостаточной, т.к. не определяет назначения микросхемы и не позволяет разработчику создавать адекватные модели на этапе проектирования и в ходе опытного производства. Основное различие тонкопленочных и толстопленочных электронных элементов, а также интегральных микросхем на их базе, заключается не в толщине пленки (менее 1 мкм для тонкопленочных и десятки мкм для толстопленочных), а в их важнейших параметрах, т.е. параметрах, определяющих их качество. Такие параметры микросхем в основном подлежат нормированию и поэтому носят название нормируемых.
Конструктивные и технологические признаки тонкопленочных интегральных микросхем различают для 3-х групп частотного диапазона: НЧ-диапазона (постоянного тока), ВЧ-диапазона и СВЧ-диапазона.
Если в ВЧ-диапазоне в качестве основных микроэлектронных компонентов тонкопленочных микросхем выступают, как правило, индуктивности от единиц до сотен нГн и емкости от единиц до сотен пФ, а в СВЧ-диапазоне микрополосковые линии, то для НЧ-диапазона и цепей постоянного тока основными микроэлектронными компонентами являются резистивные элементы и функциональные устройства на их базе.
Каждая из трех групп, к которым можно отнести ту или иную тонкопленочную микросхему, существенно различается нормируемыми параметрами, а, следовательно, и методами измерения и оценки качества микроэлектронного изделия.
Так, например, для ВЧ-диапазона основным параметром качества микроэлектронного компонента, и следовательно микросхемы, является добротность, для СВЧ-диапазона - волновое сопротивление.
Для тонкопленочных микросхем различного назначения НЧ-диапазона (постоянного тока) качество определяется точностью изготовления резистивных компонентов и требуемой зависимостью их сопротивлений от действия определенного влияющего фактора. Скорее всего из-за этого последняя группа тонкопленочных микросхем, вошедшая в справочник [38], относится к резистивным, хотя по функциональным признакам большинство из них не являются резисторами.
Классификация тонкопленочных микросхем по функциональному назначению позволяет полнее выделить основные признаки и параметры, характеризующие качество, планировать разработку и проведение измерительных операций, оценивающих это качество.
Очевидно, что тонкопленочные микросхемы НЧ-диапазона могут занимать ту же полосу частот, как и усилители постоянного тока (УПТ).
По этой аналогии допустимо включить в название этой группы микросхем такой же признак - тонкопленочные ИМС постоянного тока. При этом название: тонкопленочные микросхемы постоянного тока, — исключает наличие в их составе тонкопленочных реактивных компонентов (индуктивностей и емкостей). Это отвечает ограничениям на рассматриваемую группу тонкопленочных микросхем.
Классификация, представленная на рис. 1.2.2 показывает основные направления тонкопленочной технологии в создании микроэлектронных структур, работающих в цепях постоянного тока и тока низкой частоты.
Анализ этой схемы говорит, что все микросхемы исследуемой группы можно отнести к элементам измерительной техники: образцовым мерам, преобразователям тока в напряжение и напряжения в ток, преобразователям одной физической величины в другую и преобразователям формы сигнала.
Наиболее традиционным для тонкопленочной технологии является направление, объединенное штриховой линией, под номером 1. Это направление достаточно полно отражено в изделиях в работе [38]. Сравнительно менее развитым является направление под номером 2, Собственно, в классическом понимании, изделия этого направления не классифицируются как интегральные микросхемы. Однако это связано скорее с устройством их корпусов. Но в то же время бескорпусная часть элемента этой группы изделий может быть полностью выполнена в рамках тонкопленочной технологии.
Показатели качества изделий 2-ой группы определяются методически аналогично 1-ой, что позволяет говорить о микроэлектронных устройствах обеих групп, как изделиях одного класса. Сказанное не означает, что параметры, определяющие качество изделий, отраженных в классификации на рис. 1.2.1, одинаковы. Они могут существенно различаться, но исследуются все согласно методикам оценки качества измерительных преобразователей, относящихся в свою очередь к средствам измерений (СИ). Согласно работе [38] к прецизионным относятся изделия электронной техники с относительной погрешностью, приведенной к номиналу или к диапазону преобразования, не более 0,01%. Тонкопленочная технология позволяет создавать изделия именно такого класса (т.е. класса точности выше 0,01), почти всех групп, включенных в классификационную таблицу рис. 1.2.2.
Возможность достижения высокого класса точности параметров микроэлектронных изделий, разработанных в рамках тонкопленочной технологии, и использование в определенных случаях таких изделий в качестве образцовых мер, предполагает использование и разработку самых современных (также прецизионных) методов и средств измерения точностных параметров указанных изделий, определяющих, в большей степени их качество.
Точностные параметры, как правило, определяют качество микросхем данного типа, а стабильность этих параметров определяет метрологическую надежность. Для класса ИМС типа наборов резисторов к таким параметрам относятся: основная погрешность сопротивления относительно номинального значения, температурный коэффициент сопротивления (ТКС), временная и температурная стабильность. Для некоторых применений важным параметром является значение собственных шумов резисторов, для измерения которых используют измерители шумов сопротивлений (ИШС) и методики, предложенные согласно ГОСТ 21342.19-78. Традиционно сложилось, что и наборы отдельных резисторов, и последовательные делители, и функциональные делители напряжения имеют, как правило, одинаковую буквенную маркировку HP (набор резисторов) [38]. Основным точностным параметром для делителей напряжения является погрешность коэффициента деления относительно его номинального значения.
Нормированными точностными параметрами делителей напряжения являются относительное отклонение коэффициента деления АКд,отн.=ЛКд.абс./Кд и приведенное отклонение выходного напряжения /Шотн.= ДШбс. / UBX., где АКд.абс- абсолютное отклонение коэффициента деления, ДШбс-абсолютное отклонение выходного напряжения. Для многоразрядных делителей напряжения коэффициент деления описывается в общем виде следующим соотношением:где а; - весовые коэффициенты разрядов делителя, Xj - числа, принимающие значения I или 0, в зависимости от того, подключен или не подключен разряд к источнику напряжения (тока), N - количество разрядов делителя.Максимальное значение Кдмах соответствует подключению всех разрядов, т.е. случаю, когда ai=a2=...=aj=l, а погрешность ДКд является функцией от комбинации ДКді =f(al,a2,...,ai).
Тонкопленочный резистор и его подгонка
Тонкоплёночный резистор, обладающий наибольшей простотой геометрического рисунка (топологией), можно представить в виде рис. 2.2,1.
Таким образом, напряжённость электрического поля можно рассматривать как количество силовых линий, приходящихся на единицу площади сечения. Рис.2.2.2. Резистивный тонкоплёночный элемент, включённый в электрическую цепь; р2; ), и 2 - потенциалы в точках абсцисс х = 0 и х = ж0; Vd - скорость дрейфа (средняя скорость электрона до соударения с атомом кристаллической решётки).
Согласно физической теории движения заряженных частиц (электронов проводимости) в проводниках, скорость дрейфа Vd определяется по формуле: где ігц е — масса и заряд электрона соответственно, L — средний путь между столкновениями, U средняя скорость электронов проводимости. При этом сопротивление тонкоплёночной структуры рис.2.2.2 можно определить следующим образом[175]: где N - число электронов проводимости в единице объёма имеет размерность [м "3]. Из формулы (2.2.2) можно заключить, что если скорость U постоянна, то величинаостаётся постоянной и является удельным сопротивлением. Если для резистивного тонкоплёночного участка h = const, а участок является однородным р = const, то напряжённость Е как количество силовых линий на единицу ширины участка (уо) является постоянной величиной. Разность потенциалов можно описать известной из физики формулой: где 0 х Хо. Из формулы (2.2.4) следует, что падение напряжения на участкеДх= іх равно: dU = -Exdx) (2.2.5)Ех - проекция вектора Е на ось X. Согласно выражению (2.2.5) видно, что производная от напряжения по координате х , взятая с обратным знаком, является напряжённостью электрического поля вдоль оси х. Для приведённого примера Е = Ех = const, поэтому графики Е и U, построенные согласно (2.2.5), имеют вид рис.2.2. 3. Е, U
Предположим, что на основании измерений сопротивления прямоугольного тонкоплёночного резистивного участка необходимо выполнить его подгонку в сторону увеличения сопротивления. Это можно выполнить путём удаления части резистивного материала, используя, например, такой подгоночный инструмент, как луч лазера.
Пусть удалён резистивный материал с подложки площадью Дх уь как это показано на рис.2.2. 4.Так как силовые линии электрического, как и магнитного, поля согласно физической теории электромагнитных полей не могут формировать острые и прямые углы, то картина распределения поля в оставшейся части резистивной пластины должна иметь вид рис.2.2.4.
Е и напряжения по координате х будет выглядеть согласно рис.2.2.5. Сравнивая графики распределения напряжённости потенциалов вдоль оси х, по линии тока, рис.2.2,2, рис.2.2.5, можно заключить, что удаление резистивного материала на площади Дх уі приводит к полному изменению характера распределения потенциалов вдоль оси х, т.е. изменяются начальный и конечный углы наклона (а і на осг, Yi на у2) , & излом на абсциссе удаления материала зависит от глубины реза. Рис.2.2. 5. Аппроксимированный график распределения Е и U после подгонки, при уо= 2уь Вместе с тем графики рис.2.2.5 имеют невысокую степень приближения к реальной картине деформации электрического поля и связанной с ним деформации распределения потенциалов после выполнения подгонки рассмотренного типа, т.к. должны иметь не ступенчатые, а плавные переходы в точках перегиба. Если предположить, что уделённое в результате данного профиля подгонки значение сопротивления равно:
Основные точностные параметры интегральных тонкопленочных микросхем и пути обеспечения требуемой точности
Главное качество интегральных преобразователей определяется способностью воспроизведения идеальной функции преобразования, а также метрологической надежностью как способностью воспроизводить идеальную функцию преобразования с погрешностью, не превышающей нормативную при определенных условиях эксплуатации. Любое выявленное отклонение функции преобразования от номинальной, присущее реальной характеристике конкретного типа преобразователя, должно быть адекватно отражено в описании одного параметра или группы точностных параметров.
Традиционно номенклатура точностных параметров тонкопленочных микросхем определяется назначением, схемотехническим построением и функциональным признаком. Такие микроэлектронные изделия, выполненные на базе тонкопленочной технологии, как ГИС ЦАП и АЦП, являясь наиболее сложными, характеризуются достаточно широкой номенклатурой нормируемых точностных параметров согласно ГОСТ 24736-81 и ОСТ 110583-88.
Некоторые электрические параметры микросхем могут оказывать влияние на точность преобразования, например, сопротивление изоляции, являющееся электрическим сопротивлением между токоведущими частями и корпусом, однако этот параметр непосредственно не характеризует неидеальность характеристики преобразования и поэтому к точностным не относится.
Как уже отмечалось, в классификации на рис.3.2.1.1 представлены далеко не все электрические параметры тонкопленочных микросхем, подлежащие контролю согласно ТУ и нормативным документам. Однако данная классификация дает представление о том многообразии методов и режимов контроля, которые необходимо осуществлять для оценки этих основных параметров. Каждый из указанных на рис.3.2.1.1 параметров требует для своей оценки особой организации измерительного оборудования, своего метода измерения. Между некоторыми точностными параметрами встречными стрелками показано их взаимное влияние.
Кроме того, для создания прецизионных микросхем желательно, чтобы каждый точностной параметр мог бы иметь возможность подгонки. Это обстоятельство обязывает к глубокому структурному анализу микросхем того или иного типа, а также к необходимости создания аппаратуры функциональной подгонки, зачастую принципиально отличной от аппаратуры межоперационного и финишного контроля. В настоящее время разработан далеко не полный перечень критериев подгонки как некоторых условий обеспечения оптимальности точностных параметров тонкопленочных микросхем. Обычно каждый критерий (условие оптимальности параметра) требует строгого математического обоснования. При этом особое место занимает моделирование микросхемы в режиме измерения данного параметра. Процесс моделирования предполагает, по крайней мере, знание, от каких элементов внутренней структуры преобразователя и от каких факторов зависит моделируемый точностной параметр.
Классификация точностных параметров тонкопленочных микросхем согласно рис.3.2.1.1 выполнена таким образом, что точностными параметрами являются инструментальными погрешностями, за исключением методической погрешности ГИС ЦАП (АЦП). В то же время, инструментальные погрешности по классификации представляют собой не отдельные погрешности компонентов интегральных микросхем, которых, например, в ГИС насчитывается до нескольких десятков, а погрешности, являющиеся производными от функции преобразования. Такая связь инструментальных погрешностей с функцией преобразования предполагает возможность функциональной подгонки точностного параметра ИМС, не как подгонки каждого отдельного компонента микросхем, а как подгонки некоторого или некоторых компонентов, согласно выявленной функции влияния.
Это дает существенные преимущества в том, что приводит к снижению не только трудозатрат на подгонку микросхемы, но также и в том, что параметры определенного компонента в составе микросхемы бывает практически невозможно подогнать к значениям своих номинальных параметров даже если используются зондовые устройства его подключения в измерительную цепь (например, из-за перераспределения потенциалов в узлах резистивных матриц за счет погрешностей неподгоняемых компонентов). Поэтому исследование микроэлектронного устройства с целью описания его точностного параметра как функции от функции преобразования имеет большое значение и базируется на различных типах моделирования.
Точность модели определяется, как правило, математической строгостью доказательства. Задача может быть поставлена исходя из требований к изделию и результатов, получаемых на технологических циклах. Например, известно, что резистивная матрица ГИС ЦАП содержит тонкопленочные резисторы, полученные вакуумным напылением с относительной погрешностью около 0,5%. А требуется, предположим, создать ЦАП с разрешающей способностью 16 двоичных разрядов, нелинейность которого не должна превышать 0,5 значения младшего значащего разряда (МЗР), то есть менее 0,001% от диапазона преобразования. Такого результата можно добиться только подгонкой на основании адекватного критерия подгонки.
Одним из наиболее важных условий оптимальности функциональной подгонки ЦАП (АЦП) является установление однозначного аналитического соответствия между подгоняемым точностным параметром и параметром элемента (компонента) внутренней структуры ЦАП (АЦП), на который необходимо произвести непосредственно воздействие подгоночным инструментом. Этому вопросу полностью посвящена статья [64]. В данной работе для исследования взаимосвязи критериев линейности ЦАП с дифференциальной нелинейностью проанализированы две классические структуры ЦАП, выполненные на КУД тока и напряжения. Для ЦАП того и другого типа критерий линейности имеет вид:где Rpi - сопротивление і-го разрядного резистора; RcBi - сопротивление і-го резистора связи; R n) - эквивалентное сопротивление, в который входят сопротивления всех ветвей от младшего до (i-1)- го разряда. На рис.3.2.2.1 и 3.2.2.2 представлены ЦАП на КУД тока и ЦАП на КУД напряжения, соответственно.
Допустим, что Ксві + R3(M - XR, а токи, протекающие из одной узловой точки через сопротивления Rpi и 2Ж не равны, так как не выполняется критерий (3.2.2.1):потенциал узловой точки подключения RPj и R.Тогда это отношение можно записать так:(IrIiyiz=(SR-Rpi)/RPi.Таким образом, невыполнение критерия линейности (3.2.2.1) приводит к появлению на выходе ЦАП рис.3.2.2Л величины, пропорциональной:
Разработка методов и средств измерений в процессе функциональной подгонки тонкоплёночных микросхем
Функциональная подгонка (ФП) тонкопленочных микросхем, в том числе ГИС ЦАП и АЦП, подразумевает оптимизацию того или иного параметра характеристики (функции) преобразования за счет воздействия на соответствующий элемент внутренней структуры микросхемы подгоночного инструмента в соответствии с измерительной информацией о значении подгоняемого параметра. Измеренное в процессе подгонки значение подгоняемого параметра должно указывать на режим подгонки, на направление подгонки, на момент достижения требуемого значения (т.е. определить момент окончания подгонки).
Простейший алгоритм подгонки — это сравнение подгоняемой физической величины с требуемым значением образцовой меры и выдача сигнала на отключение подгоночного оборудования в момент достижения такого равенства. Подобную операцию в измерительной технике выполняют устройства, относящиеся к классу устройств сравнения (компараторов).
Основной вопрос при подгонке точностных параметров тонкопленочных микросхем заключается в том, что должна представлять из себя физическая величина, подлежащая компарированию и, что, соответственно, должна представлять из себя образцовая мера.
Уже как следствие из этого возникает вопрос о том, какой элемент или элементы внутренней структуры микросхемы оказывают наибольшее влияние на подгоняемый параметр?
Если рассмотреть характеристики преобразования ГИС ЦАП и АЦП, то можно сделать заключение, что если каждый квант преобразования, определяемый разностью напряжений смежных переходов, равен одному и тому же значению, то линейность такой характеристики идеальная, а точностные параметры: нелинейность и дифференциальная нелинейность, -равны нулю.
Таким образом, для устройств, определяющих линейность и величину отклонения от линейности, необходимо компарировать значение разности напряжений между смежными переходами характеристики преобразования указанных ГИС, а в качестве образцовой меры сравнения использовать, опять таки, один из квантов этой характеристики, либо внешний источник со значением напряжения, равным кванту преобразования.
Возможен также алгоритм поочередного сравнения, т.е. когда первый квант становится равным второму, второй третьему и т.д., а любое неравенство устраняется подгонкой.
При очевидности описанных алгоритмов сравнения возникает следующая проблема: технически невозможно одномоментно выделить на выходе устройства цифроаналогового и на входе аналого-цифрового преобразования квант напряжения требуемого участка характеристики. Для таких преобразователей конкретный код эквивалентен конкретному напряжению в данный момент преобразования, а значение кванта может быть выделено на данном участке характеристики лишь при изменении кода (напряжения) на следующем временном интервале.
Следовательно, описанные алгоритмы сравнения могут быть реализованы не обычными интегральными компараторами напряжения типа, например, 512СА1, а компараторами разновременного сравнения компарируемых физических величин.
Компараторы разновременного сравнения можно также характеризовать как динамические компараторы, т.к. значение компарируемой величины пропорционально разности поступающих на вход компаратора сигналов в разные моменты времени.
Разумеется, компараторы разновременного сравнения являются не единственными устройствами, которые можно использовать в процессе подгонки точностных параметров ГИС ЦАП и АЦП. В этих целях могут быть использованы автоматизированные средства контроля электрических параметров ГИС, обеспеченные устройствами управления инструментом подгонки.
В этом случае значение измеренного точностного параметра выводится на экран монитора ЭВМ, анализируется, программно вырабатывается сигнал управления, который ЭВМ посылает через специальный контроллер в блок управления инструментом подгонки. Очевидно, что затраты на организацию такого способа функциональной подгонки будут намного выше, а быстродействие существенно ниже, чем при использовании специальных компараторов разновременного сравнения,
Если подгоняемым преобразователем является ЦАП, то два преобразуемых смежных (соседних) кода образуют квант в і - ой точке характеристики преобразования. Т.е. в этом случае компарируемую величину преобразовать несложно. Однако, если подгоняемым преобразователем является АЦП, а определяющими значениями выходных сигналов являются выходные коды, то получить значение кванта как значение напряжения на входе, соответствующее разности выходных смежных кодов, гораздо сложнее.
Рассмотрим, как это можно выполнить на примере экспериментальной тонкопленочной ГИС АЦП К427ПВ1 [1].Типовая схема подключения микроэлектронного АЦП поразрядного уравновешивания (последовательного приближения), в том числе и К427ПВ1, представлена на рис.4.8.1 а), а временная диаграмма внешних сигналов приведена на рис.4.8.1 б). Эта схема обеспечивает режим функционирования и гарантирует нормируемые параметры в пределах ТУ на данную ИМС. На рис.4.8.1 используются следующие обозначения: G - генератор тактовой частоты; ЛЗ — линия задержки; ФС - формирователь стробирующего сигнала, Ф - формирователь стартового сигнала; КПр - сигнал "конец преобразования". Функционирование АЦП согласно схеме рис.4.8.1 происходит следующим образом.На выходе генератора тактовой частоты G формируется сигнал с частотой fT задерживается на 2 мкс и подается на тактовый вход ИМС. Формирователи тактового сигнала и сигнала "строб" работают в соответствии с временной диаграммой рис.4.8. L б). По окончании процесса преобразования АЦП вырабатывает сигнал "конец преобразования". Для обеспечения функционирования ЦАП, находящегося в составе АЦП, согласно выполнению режима для обеспечения критерия линейности ЦАП в процессе его подгонки, необходима организация дополнительных стимулирующих воздействий в рамках нормального функционирования ИМС К427ПВ1.
Экспериментальный образец прибора, позволяющего осуществлять функциональную подгонку линейности ИМС К427ПВ1, выполненный в ходе исследовательской работы [67], разработан согласно функциональной схеме рис.4.8.2, а на рис.4.8.3 представлены временные диаграммы его работы. Схема, представленная на рис.4.8.2, выполнена таким образом, что, не нарушая целостности ИМС на подложке, позволяет осуществить подгонку линейности АЦП К427ПВ1 путем оценки компенсирующего сигнала, поступающего на компенсацию входного воздействия с выхода ПАП.
Схема рис.4.8.2 содержит общепринятые и имеет вновь введенные обозначения; ЗК - задатчик кодов; ФИ - формирователь импульсов; ЦК -цифровой компаратор; Н-О - нуль-орган (компаратор разновременного сравнения); К1 — переключатель; Тг — триггер; УУЛ — устройство управления лазером. ЗК — задатчик кода; ЛЗ - линия задержки; ФС — формирователь строб импульса; Ф - формирователь импульса старт; ЦК - цифровой компаратор.
