Введение к работе
Актуальность работы
Современный уровень достижений в области разработок и производства СВЧ электронных твердотельных компонентов (ЭТК) и радиоэлектронной техники на их основе, являются одними из главных показателей принадлежности общества к высокоразвитому информационно-технологическому международному сообществу. Несмотря на катастрофический обвал промышленности последних 15 лет, по отношению к СВЧ электронным компонентам оставалось незыблемым требование сохранения минимально необходимого критического научно-промышленного потенциала, обеспечивающего экономическую, технологическую и военно-техническую независимость России. Более того, эти требования ужесточались, исходя из понимания:
первостепенной важности СВЧ электронных твердотельных компонентов для создания опережающих по тактико-техническим характеристикам комплексов как радиоэлектронных, так и всех видов интеллектуальной военной техники;
невозможности или нецелесообразности их закупки за рубежом в отличие от большинства других военно-технических направлений обеспечения комплектующими изделиями по соображениям оборонной, технологической и экономической безопасности.
Технологические приоритеты научно-технического развития
радиоэлектронного комплекса на среднесрочную и долгосрочную перспективу до 2020 года выражены в поддержке и развитии критических и прорывных технологий федерального уровня, в первую очередь, на развитии технологий создания СВЧ ЭТК для следующих наиболее перспективных направлений:
технологии твердотельной СВЧ техники;
субмикронной технологии микроэлектроники и наноэлектроники;
технологии многокристальных сборок и систем на пластине.
На основе СВЧ ЭТК в настоящее время разработаны и продолжают совершенствоваться миниатюрные и надежные приемопередающие модули для твердотельных радиолокационных станций (РЛС). Наземные, морские, авиационные и спутниковые РЛС позволяют решать многофункциональные задачи: от управления воздушным движением до обнаружения целей на больших расстояниях. На их основе совершенствуются также спутниковые системы связи, радио и цифровое телевидение.
За последние десятилетия в области диапазонов частот от единиц до сотен гигагерц и мощностей от милливатт до сотен ватт используются разнообразные полупроводниковые технологии и материалы. С точки зрения полупроводниковых материалов в настоящее время на рынке СВЧ-электроники безраздельно доминируют приборы на арсениде галлия.
В силу своих электрофизических параметров арсенид галлия позволил расширить по сравнению с кремнием как верхний рабочий температурный диапазон до 150-200С, так и верхний диапазон рабочих частот до 90 ГГц за счет более высокой - в два раза - дрейфовой скорости и в несколько раз - подвижности электронов, а также ширины запрещенной зоны (Е =1,43 эВ). Высокие электрофизические параметры арсенида галлия, а также возможность создания гетеропереходных структур типа AlGaAs/GaAs и других соединений a'"Bv позволили создать СВЧ диоды, транзисторы, интегральные схемы с улучшенными характеристиками.
Основные типы транзисторов в этой области - это традиционные полевые малошумящие и мощные транзисторы с барьером Шоттки (MESFET, ПТШ и МПТШ), полевые транзисторы с гетеропереходом (НЕМТ или ГПТШ), а также биполярные транзисторы с гетеропереходом (НВТ).
Современные СВЧ мощные полевые транзисторы на арсениде галлия с барьером Шоттки (МПТШ) применяются в различных областях твердотельной СВЧ - электроники. Выходная мощность таких транзисторов может изменяться от десятков милливатт до десятков ватт при коэффициенте полезного действия (КПД) от 10 до 60%. Широкое распространение получили транзисторы с внутренним согласованием нескольких кристаллов, с импедансами по входу и выходу приближенными к 50 Ом.
\я
Процессы изготовления МПТШ и ПТШ, в целом, совпадают, так как МПТШ представляют собой множество параллельно объединенньгх базовых ячеек малошумяших ПТШ. Однако, в отличие от малошумящих ПТШ мощные транзисторы должны обеспечивать: высокие пробивные напряжения (более 25 В), низкое значение остаточного напряжения (< 2 В) в режиме насыщения при максимальных токах (более 12А); выдерживать воздействие статического электричества (до 4 кВ); большие мощности рассеивания (до 60 Вт); широкий температурный диапазон (от - 60 до + 175 С).
Определяющую роль для обеспечения функционирования МПТШ при высокоэнергетических режимах эксплуатации играют следующие физико-технологические эффекты - перегрев канала, электромиграция металлов при воздействии времени и температуры, образование домена Ганна в области между затвором и стоком, зависимость пробивных напряжений затвор-исток, затвор-сток и исток-сток от геометрических размеров и уровня легирования, работа транзистора в области положительных значений напряжения на затворе.
Вследствие этого, с точки зрения физических процессов, происходящих в рабочем режиме, МПТШ являются значительно более сложными по функциональным и технологическим особенностям и, следовательно, более сложными с точки зрения разработки транзисторов с оптимальными параметрами.
Повышенные требования к обеспечению электрофизических характеристик, стабильности эксплуатационных параметров современной радиоэлектронной аппаратуры и ее важнейшей функциональной составляющей - СВЧ электронных твердотельных компонентов выдвигают проблему обеспечения качества и надежности МПТШ на арсениде галлия, соответствия их современным техническим и технологическим требованиям. Повышение конкурентоспособности СВЧ МПТШ возможно в современных условиях на базе развития инновационной деятельности. Одним из главных направлений развития и стимулирования инновационной деятельности является создание инновационной инфраструктуры, результатом эффективного функционирования которой является увеличение объемов наукоемкой продукции. Процесс создания нового (инновационного) прибора проходит все стадии полного жизненного цикла изделия, начиная с выдвижения идеи и разработки прототипа к серийному производству, поставке и эксплуатации у потребителей.
При этом необходимо комплексно учитывать в процессе создания нового (инновационного) прибора вышеперечисленные определяющие физико-технологические эффекты и механизмы, начиная с выбора исходных материалов, конструкции изделия и обеспечения необходимых технологических запасов вплоть до принципов организации и обеспечения эффективного функционирования промышленно-инновационной системы серийного производства МПТШ на арсениде галлия. Работы по решению этих задач продолжаются на всех стадиях жизненного цикла изделия, начиная с этапов исследования и проектирования, вплоть до финишного контроля, производственных испытаний и данных из сфер эксплуатации.
На основании вышеизложенного, очевидна актуальность исследований по разработке новых конструкций МПТШ, организации и обеспечению эффективного функционирования промышленно-инновационной системы серийного производства качественных и надежных арсенидгаллиевых МПТШ, соответствующих современным техническим и технологическим требованиям. Цель работы
Целью данной работы является на основе исследования и развития физико-технических принципов функционирования МПТШ создание новых конструкций и высокоэффективных промышленных процессов и технологий, реализация разработанного алгоритма поэтапного проектирования и комплексной системы управления качеством, организация и обеспечение эффективного функционирования промышленно-инновационной системы серийного производства СВЧ мощных полевых транзисторов с барьером Шоттки (МПТШ) на арсениде галлия с заданным уровнем электрофизических характеристик и эксплуатационных параметров.
При разработке и производстве МПТШ на арсениде галлия возникли задачи, ранее не решенные на стадии разработки и выпуска как кремниевых полевых транзисторов, так и малошумящих ПТШ на арсениде галлия, в виду, указанных выше, серьезных различий в конструкции и принципе их работы.
Для достижения поставленной цели в диссертационной работе решались следующие основные задачи:
определение оптимальных параметров структуры МПТШ и их связь с технологическими параметрами на основе использования физических свойств арсенида галлия;
выделение на основе теоретических расчетов и экспериментального выбора топологии МПТШ состава важнейших параметров, характеризующих качество и воспроизводимость технологических процессов;
определение параметров физической модели МПТШ для создания новых конструкций кристаллов с заданными частотными, мощностными параметрами и показателями надежности;
разработка новых высокоэффективных промышленных процессов и технологий, позволяющих гарантировано обеспечивать электрофизические и динамические характеристики, основные параметры МПТШ на стадии производства;
теоретическое и экспериментальное определение условий и режимов сборочно-монтажных операций с использованием новых материалов для монтажа и микросварки кристаллов МПТШ;
создание конструкции и технологии производства СВЧ корпусов для МПТШ, отличающихся низкими параметрами теплового сопротивления при одновременном уменьшении степени влияния их паразитных параметров, таких как индуктивность в общем электроде, проходной емкости;
- разработка комплексной системы управления качеством, включающую методы анализа,
статистического регулирования и управления технологическим процессом производства, а также физико-технический подход к обеспечению надежности МПТШ, позволяющие снизить интенсивность отказов, повысить надежность транзисторов в эксплуатации;
реализация технико-экономических и технологических решений восстановления серийного производства и модернизации, ранее освоенных и выпускавшихся СВЧ мощных арсенидгаллиевых транзисторов;
организация и обеспечение эффективного функционирования промышленно-инновационной системы серийного производства разработанных конструкций СВЧ мощных полевых транзисторов с барьером Шоттки (МПТШ) на арсениде галлия с заданным уровнем энергетических и электрофизических характеристик, показателей эксплуатационной надежности при минимальных затратах.
Научная новизна
1. Сформирована широкая номенклатура новых перспективных типов электронных
компонентов — мощных СВЧ полевых транзисторов с барьером Шоттки на арсениде галлия
(МПТШ), позволившая обеспечить развитие критических и прорывных технологий при
производстве радиоэлектронной аппаратуры и систем общего, двойного и специального
назначений.
2. На основе исследования и развития физико-технических принципов
функционирования МПТШ, создания новых перспективных конструкций и
высокоэффективных промышленных процессов и технологий, реализации разработанных
алгоритмов поэтапного проектирования применительно ко всем основным этапам полного
жизненного цикла МПТШ организовано и обеспечено эффективное функционирование
промышленно-инновационной системы серийного производства МПТШ.
3. В процессе создания новых перспективных конструкций и промышленных технологий разработан комплекс инновационных инженерно-физических решений, включающий:
- метод расчета статических и динамических характеристик МПТШ в приближении «плавного канала» для случая однородного легирования и модели двух областей для полевой зависимости подвижности на основе научно-технического анализа взаимосвязи физико-
технических характеристик МПТШ с его наиболее важными параметрами характеризующими качество и воспроизводимость технологических процессов (максимальный ток стока; ток стока насыщения; паразитные сопротивления стока, истока и канала; крутизна характеристики; пробивное напряжение сток-исток и др.), в результате которого выделен состав важнейших параметров для анализа и оптимизации конструкции МПТШ с заданными частотными, мощностными параметрами и показателями надежности;
- концепцию улучшения динамических параметров разработанной на основе анализа
принципов конструирования, проведенных математических расчетов и оптимизации новой
конструкции базовой ячейки и всего кристалла МПТШ за счет минимизации его
паразитных конструктивных сопротивлений и емкостей в цепи затвор-исток, затвор-сток,
основанную на применении разработанных методов многостадийной протонной
бомбардировки глубоких эпитаксиальных слоев арсенида галлия и нанесения системы
межслойных диэлектриков, полученных комбинацией окисления моносилана при
температуре 250-300С и магнетронного распыления при температуре 150-200С,
позволивших снизить паразитные емкости и сопротивления и гарантировано обеспечить на
стадии производства заданные мощностные и частотные характеристики МПТШ;
способ повышения рабочего напряжения МПТШ, особенностью которого является использование комбинации двойного углубления затворной канавки в сочетании с системой низкотемпературной металлизации ТІ/А1;
- способ конструирования и изготовления СВЧ корпусов, основанный на применении специальных фланцев из бескислородной меди с прецизионным выступом для монтажа кристаллов.
4. Разработан алгоритм построения и эффективного функционирования
промышленно-инновационной системы, состоящий из трех основных комплексных научно-
производственных модулей, объединенных единой структурой оптимального
технологического маршрута и конструкторско-технологической взаимосвязью.
5. Разработаны новые высокоэффективные промышленные процессы и технологии:
метод формирования мезаструктуры, включающий тонкое химическое подтравление п+-слоев на глубину 0,2-0,25 мкм и многостадийную протонную бомбардировку;
процесс низкотемпературного напыления систем металлизации затвора и промежуточных слоев на основе Ті/Al и Ti/Au;
система низкотемпературных межслойных диэлектриков, полученных комбинацией окисления моносилана при температуре 250-300С и магнетронного распыления при температуре 150-200С;
метод «взрывной» фотолитографии с использованием комбинации низкотемпературных диэлектриков - фоторезист;
модель и оптимальные режимы сборочно-монтажных операций.
6. Разработана комплексная система управления качеством и надежностью МПТШ на основе:
системы испытаний МПТШ по статическим и динамическим параметрам, построенной на принципах статистического регулирования технологического процесса (СРТП) (типовые сопроводительные листы, операционные и контрольные карты, обеспечивающие количественный и качественный контроль процессов);
физико-технического подхода определения границы области допустимой работы МПТШ, которая при повышении рабочих частот и отдаваемой мощности приближается к области физических ограничений, т.е. к режимам, при достижении которых различные физические процессы в структуре транзистора вызывают формирование предельных состояний и систематические отказы транзисторов.
7. Предложен, обоснован и реализован промьгшленно-инновационный подход к восстановлению производства и модернизации, ранее освоенных и серийно выпускавшихся, СВЧ МПТШ на арсениде галлия. Сутью этих представлений является понимание процесса восстановления и модернизации производства как совокупности научно-технических и конструктивно-технологических мероприятий, направленных как на расширение частотных диапазонов применения МПТШ, так и на повышение их исходных электрофизических и
динамических характеристик, показателей надежности. В этом смысле восстановление производства МПТШ на арсениде галлия представляется как составная часть полного жизненного цикла изделия, соответствующего современным техническим и технологическим требованиям, обеспечивающим экономическую рентабельность серийного производства.
Практическая значимость
1. Разработанные физико-технические принципы функционирования МПТШ,
созданные новые перспективные конструкции и высокоэффективные промышленные
процессы и технологии, реализованные алгоритмы поэтапного проектирования
применительно ко всем основным этапам полного жизненного цикла МІГШІ от
проектирования до финишного контроля, испытаний и статистического анализа результатов
эксплуатации серийных изделий у потребителей (анализ, математический расчет в
оптимизация характеристик базовой ячейки и всего кристалла с выбранными
концентрациями в функциональных микрообъемах, методы улучшения динамических
характеристик МПТШ, новые промышленные процессы и технологии формирования
твердотельных полупроводниковых структур, модель и оптимальные режимы сборочно-
монтажных процессов, теоретические разработки и практическое освоение комплекса
специфических методов и режимов испытаний, комплексная система управления качеством)
обеспечили организацию и эффективное функционирование промышленно-инновационной
системы серийного производства МПТШ широкой номенклатуры на ФГУП «ГЗ «Пульсар».
2. Разработан и внедрен комплекс новых инновационных инженерно-физических
решений и созданных на их основе высокоэффективных промышленных технологий
(многоступенчатая протонная бомбардировка, комбинация межслойных диэлектриков,
«взрывная» фотолитография, низкотемпературная система, металлизации Ti/Al, новые
усовершенствованные конструкции СВЧ корпусов и др.), позволивших повысить рабочие
напряжения МПТШ, снизить паразитные емкости, индуктивности и сопротивления и в
результате уменьшить катастрофические отказы, увеличить процент выхода годных
транзисторов в производстве и повысить их эксплуатационную надежность.
3. По результатам диссертационной работы на ФГУП ГЗ «Пульсар» освоено
производство более 50 типов новых конструкций МПТШ (напр., АП910А-2, Б-2;АП915А-
2, Б-2; АП967А-2, Б-2, В-2, Г-2, Д-2, Ж-2, Е-2; АП930А-2, Б-2, В-2 и др.). Суммарный
выпуск МПТШ на арсениде галлия составил более 1,0 млн. штук. (Диаграмма I).
Использование этой номенклатуры МПТШ позволило повысить качество и надежность,
увеличить мощностные и частотные характеристики и значительно снизить вес, габариты и
стоимость радиоэлектронной аппаратуры различного функционального назначения. Впервые
сформирована широкая номенклатура отечественных МПТШ на арсениде галлия.
4. Предложенный промышленно-инновационный подход к восстановлению
производства и модернизации, ранее освоенных и серийно выпускавшихся, мощных СВЧ
транзисторов на арсениде галлия, позволил восстановить в 2005-2008г.г. на ФГУП ГЗ
«Пульсар» производство транзисторов АП603, АП606, АП910, АП915 и др., что на практике
позволило организовать и обеспечить эффективное функционирование промышленно-
инновационной системы серийного производства МПТШ на арсениде галлия.
Соответствующей современным техническим и технологическим требованиям и
обеспечивающей экономическую рентабельность серийного производства.
С использованием разработанной концепции восстановлено также серийное производство кремниевых СВЧ мощных биполярных и полевых транзисторов, мощных микросхем, что позволило обеспечить потребителей отечественными новыми и традиционными СВЧ электронными твердотельными компонентами.
5. Научно-практическая и физико-технологическая значимость полученных
результатов выходит за рамки организации серийного производства разрабатываемой в
диссертационной работе номенклатуры электронных твердотельных компонентов и
технологий и может быть использована при разработке концепции создания научно-
производственных инновационных комплексов (НПИК), обеспечивающих промышленно-
серийный выпуск новейших разработок ЭТК с наноразмерными топологическими нормами
проектирования и позволяющих сконцентрировать финансовые и научно-технологические ресурсы на развитии критических и прорывных технологий федерального уровня по приоритетным направлениям развития радиоэлектроники. Положения, выносимые на защиту
1. Научно-практический принцип организации и обеспечения эффективного
функционирования промышленно-инновационной системы серийного производства МПТШ
на основе реализации разработанных алгоритмов поэтапного проектирования применительно
ко всем основным этапам полного жизненного цикла изделия от исследования и развития
физико-технических принципов функционирования МПТШ, создания новых перспективных
конструкций и высокоэффективных промышленных процессов и технологий до
финишного контроля, испытаний и статистического анализа результатов эксплуатации у
потребителей.
2. Новые инженерно-физические инновационные решения:
-' метод расчета статических и динамических характеристик МПТШ в приближении «плавного канала» для случая однородного легирования и модели двух областей для полевой зависимости подвижности на основе научно-технического анализа взаимосвязи физико-технических характеристик МПТШ с его наиболее важными параметрами характеризующими качество и воспроизводимость технологических процессов (максимальный ток стока; ток стока насыщения; паразитные сопротивления стока, истока и канала; крутизна характеристики; пробивное напряжение сток-исток и -др.), позволивший выделить состав важнейших параметров для анализа и оптимизации конструкции МПТШ с заданными частотными, мощностными параметрами и
% . показателями надежности;
концепция улучшения динамических параметров МПТШ за счет минимизации его паразитных сопротивлений, индуктивностей и емкостей путем формирования конструкции базовой ячейки транзистора с уменьшенными паразитными параметрами сопротивлений и емкостей в цепи затвор-исток и затвор-сток, основанная на разработанных методах многостадийной протонной бомбардировке глубоких эпитаксиальных слоев арсенида галлия и нанесения системы межслойных диэлектриков, повышения рабочего напряжения за счет использования комбинации двойного углубления затворной канавки в сочетании с системой низкотемпературной металлизации Ті/Al, что позволило снизить паразитные емкости и сопротивления и увеличить рабочее напряжение, а, следовательно, повысить мощностные и частотные характеристики МПТШ.
способ конструирования и изготовления СВЧ корпусов, основанный на применении специальных фланцев из бескислородной меди с прецизионным выступом для монтажа кристаллов, что привело к уменьшению теплового сопротивления МПТШ и, следовательно, к повышению его надежности.
Алгоритм построения и эффективного функционирования промышленно-инновационной системы, состоящий из трех основных комплексных научно-производственных модулей, объединенных единой структурой оптимального технологического маршрута и конструкторско-технологической взаимосвязью.
Структура оптимального технологического маршрута изготовления МПТШ, содержащая следующие разработанные процессы и технологии:
- метод формирования мезаструктуры, включающий тонкое химическое подтравление
п +-слоев на глубину 0,2-0,25 мкм и многостадийную протонную бомбардировку;
процесс низкотемпературного напыления систем металлизации затвора и промежуточных слоев на основе Ті/Al и Ti/Au;
система низкотемпературных межслойных диэлектриков, полученных комбинацией окисления моносилана при температуре 250-300С и магнетронного распыления при температуре 150-200С;
-. метод «взрывной» фотолитографии с использованием комбинации низкотемпературных диэлектриков - фоторезист;
закономерности и режимы сборочно-монтажных процессов при производстве МПТШ методами монтажа кристаллов на серебросодержащий клей и термокомпрессионной микросварки.
5. Комплексная система управления качеством и надежностью МПТШ на основе:
системы испытаний МПТШ по статическим и динамическим параметрам, содержащей типовые сопроводительные листы, операционные и контрольные карты, обеспечивающей количественный и качественный контроль процессов;
физико-технического подхода определения границы области допустимой работы МПТШ, которая при повышении рабочих частот и отдаваемой мощности приближается к области физических ограничений, т.е. к режимам, при достижении которых различные физические процессы в структуре транзистора вызывают формирование предельных состояний и систематические отказы транзисторов.
6. Широкая номенклатура разработанных и освоенных МПТШ, охватывающая С-, Х-.
К- диапазоны частот и выходные мощности до 15 Вт, позволившая обеспечить производство
радиоэлектронной аппаратуры различного функционального назначения отечественной
элементной базой.
7. Промышленно-инновационный подход к восстановлению производства и модернизации, ранее освоенных и серийно выпускавшихся, мощных СВЧ транзисторов на арсениде галлия, представленный как составная часть полного жизненного цикла изделия в сочетании с научно-техническими и конструктивно-технологическими мероприятиями, направленными как на расширение частотных диапазонов применения МПТШ, так и на повышение их исходных электрофизических и динамических характеристик, показателен надежности и соответствующий современным техническим и технологическим требованиям. Личный вклад соискателя
Опубликованные по теме диссертации работы выполнены автором лично и в соавторстве. В совместно опубликованных работах автор осуществлял постановку задачи» предлагал и обосновывал направления решения научных и технологических проблем по всем этапам полного жизненного цикла изделий, непосредственно участвовал в проведении исследований, анализе результатов и формулировке выводов. Автором лично предложены:
принципы многоэтапного проектирования и оптимизации конструкции МПТШ, включающие схему математического расчета его основных параметров, в том числе расчет базовой ячейки;
алгоритм оптимизации топологии кристалла и технологического маршрута его изготовления;
промышленные технологии (многоступенчатая протонная бомбардировка, комбинация межслойных диэлектриков, «взрывная» фотолитография, низкотемпературная система металлизации Ti/Al и др.) изготовления базовой ячейки МПТШ с улучшенными динамическими параметрами;
принцип формирования комплексной системы обеспечения качества и надежности МПТШ.
При участии автора также проведены работы по организации и обеспечению эффективного функционирования промышленно-инновационной системы серийного производства разработанных новых конструкций и технологий, внедрение системы управления качеством производства МПТШ, сертификации системы качества ФГУП «ГЗ «Пульсар» Центральным органом системы «Военэлектронсерт» ФГУ «22 ЦНИИИ МО РФ». Апробация работы
Основные результаты диссертационной работы опубликованы в 22 работах автора, в том числе:
в изданиях по списку ВАК;
защищено патентом РФ;
прошли апробацию на конференциях, симпозиумах и семинарах специалистов СВЧ техники.
Структура и объем работы
