Энергетические характеристики. Энергетические характеристики среды. Измерение спектральных характеристик

04.04.2019

План

Лекция 13

1. Свойства пленок алюминия

2. Методы получения металлических пленок

3. Создание омических контактов к ИС

К системам металлизации ИС предъявляются следующие требования:

Высокая проводимость (r < 10 –6 Ом×см);

Хорошая адгезия как к Si, так и к SiO 2 ;

Способность к образованию качественного омического контакта с кремнием n- и p-типов;

Отсутствие вредных интерметаллических соединений или протекания реакций, разрушающих кремний в процессе обработки и эксплуатации системы;

Технологичность методов осаждения и нанесения рисунков;

Устойчивость к электродиффузии в металле;

Металлургическая совместимость со сплавами, которые применяются для присоединения внешних проводов к металлизированной схеме.

Наиболее удобным, простым в изготовлении и дешевым материалом для металлизации ИМС является алюминий, который обычно наносят методом испарения в вакууме.

Свойства пленок алюминия

Конкретные свойства пленок алюминия зависят от целого ряда условий, таких как чистота испаряемого материала, давление в вакуумной системе, скорость напыления, температура подложки и др. Пленки, нанесенные на аморфную поверхность SiO 2 термически окисленных пластин кремния, являются поликристаллическими с некоторой тенденцией к определенной ориентации кристаллитов. После напыления пленки имеют зеркально-гладкую поверхность.

Удельное сопротивление напыленной пленки алюминия толщиной 1 мкм составляет около 3×10 –6 Ом×см, т.е. всего на 10 - 20 % больше, чем объемное удельное сопротивление чистого алюминия. Широкое использование пленок алюминия для металлизации в интегральных схемах обусловлено: высокой электропроводностью, близкой к электропроводности объемного алюминия; легкостью испарения в вакууме и чистотой испаряемой пленки.

Алюминий имеет относительно низкую температуру испарения, и поэтому вероятность загрязнения напыленной пленки примесями из вакуумной камеры и испарителя должна быть небольшой по сравнению с металлами, имеющими более высокую температуру испарения.

Хорошая адгезия к кремнию и окислам дает возможность изготовления однослойной металлизации, что значительно упрощает технологию производства и уменьшает стоимость ИМС. Алюминиевые пленки не отслаиваются из-за плохой адгезии, как золото или молибден. Алюминий образует низкоомный контакт с кремнием n- и p-типа. Контактные площадки на пластине кремния всегда покрыты слоем естественного окисла SiO 2 . Алюминий реагирует с SiO 2 , поскольку может образовывать окислы с большой отрицательной свободной энергией.
В результате между кремнием и алюминием создается низкоомный контакт. Скорости этой реакции и диффузии кремния в алюминий очень высоки, так что для получения низкоомного контакта достаточно прогреть образец при температуре 550 °С в течение всего лишь нескольких минут.

Алюминий пластичен и стоек к циклическим изменениям температуры. Низкая температура подложки при его напылении (120 - 160 °С) и отжиге (~200 °С) позволяет получить пленки с низкими механическими напряжениями вследствие малой разницы ТКР при уменьшении температуры до комнатной. Алюминий устойчив к окисляющему воздействию атмосферы, легко обрабатывается методами фотолитографии для получения необходимой конфигурации контактов и межсоединений в ИМС, причем в таких травителях, которые не действуют на кремний или SiO 2 .

Алюминий образует прочные контакты при креплении золотой или алюминиевой проволоки к его пленке методами термокомпрессии. Его можно использовать в схемах, устойчивых к воздействию радиации.

Однако наряду с положительными свойствами, алюминий имеет ряд недостатков, которые ограничивают использование его для металлизации. К ним относятся:

Мягкость и, следовательно, легкость повреждения алюминиевой пленки;

Появление пустот в пленке вследствие электродиффузии при меньших, чем для других металлов, плотностях тока;

Возможность короткого замыкания через диэлектрическую пленку в системах с несколькими уровнями металлизации из-за образования выступов при электродиффузии или низкотемпературной рекристаллизации пленок;

Возникновение коррозии вследствие гальванического эффекта при одновременном использовании других металлов;

Взаимодействие с SiO 2 при низких температурах (начиная от комнатной и выше), что может приводить к нестабильности, особенно в МДП интегральных схемах;

Способность образовывать хрупкие соединения с золотом, что может снижать электропроводность и приводить к отказам в случае термокомпрессионного крепления выводов.

Защита алюминиевой пленки от механических повреждений практически осуществляется нанесением поверх металла диэлектрического слоя. Такое покрытие служит одновременно для предохранения близко расположенных токонесущих полосок от коррозии, электролитической или химической, и от закорачивания проводящих полосок какими-либо посторонними частицами.

При травлении окон в диэлектрике (обычно SiO 2) скорость травления диэлектрика должна быть значительно большей, чем скорость травления алюминия, иначе можно повредить алюминиевую пленку вследствие существования в ИС локальных положительных потенциалов. Для систем, содержащих слои золота, эта проблема не возникает. В случае подсоединения золотых проволочек к пленке алюминия методом термокомпрессионной сварки возможно образование интерметаллических соединений, что приводит к уменьшению надежности аппаратуры. Однако при относительно низких температурах и умеренных нагрузках такой метод соединения оказывается вполне надежным. Проблему образования интерметаллических соединений на границе золото - алюминий полностью решает использование ультразвуковой сварки золотых проводников с пленкой алюминия. Для исключения взаимодействия золотой проволоки с алюминием при одновременном сохранении преимуществ контакта алюминия с кремнием часто между золотом и алюминием наносят дополнительную металлическую пленку, например молибденовую или танталовую.

Электродиффузия в пленках алюминия

Электродиффузия - это явление переноса вещества в металлах при высоких плотностях тока. В пленках алюминия, применяющихся для металлизации ИМС, электродиффузия приводит к разрыву алюминиевого проводника вследствие образования пустот (пор) из-за скопления вакансий в алюминии.

В сплошном металлическом проводнике на термически возбужденный ион металла в узле решетки действуют две силы: одна направлена навстречу электронному потоку при приложении к проводнику электрического поля, другая действует по направлению электронного потока и появляется за счет обмена импульсами между электронами проводимости и возбужденными ионами металла при столкновениях ("электронный ветер").

Вследствие экранирующего влияния электронов сила, с которой электрическое поле действует на ион, весьма невелика, поэтому преобладающей является сила "электронного ветра". В результате этого возбужденные ионы металла, приходящие в вакансию в направлении потока электрона, имеют более высокую вероятность заполнения вакансии, чем окружающие ее близлежащие ионы. Следовательно, ионы металла перемещаются к положительно заряженному концу проводника, а вакансии - к отрицательному. Вакансии скапливаются на отрицательном полюсе (коагулируют) в виде пустот, тогда как ионы на положительных концах образуют кристаллы, усы и холмики. Большое количество пустот приводит к разрыву электрической цепи в пленках алюминия. Поверхностные царапины на металлических проводниках ведут себя как вакансии, причем наблюдается их движение по поверхности проводника в направлении отрицательно заряженного конца. Поэтому скорость переноса вещества зависит от структуры пленок алюминия.

В мелкозернистых пленках алюминия, полученных осаждением в вакууме на холодные подложки, преобладают диффузия по границам зерен и поверхностная диффузия. Вследствие этого энергия активации в таких пленках низка и составляет 0,48 эВ (энергия активации при самодиффузии в объемном алюминии равна 1,4 эВ). В хорошо упорядоченных крупнозернистых пленках, осажденных на горячие подложки, энергия активации определяется в основном поверхностной диффузией и составляет 0,84 эВ. Это связано с уменьшением границ зерен и соответственно с высоким коэффициентом самодиффузии. Если крупнозернистую пленку покрыть слоем кварцевого стекла, то поверхностная диффузия уменьшается, а энергия активации увеличивается до 1,2 эВ, т.е. приближается к значению для объемного алюминия. При температуре 275 °С и выше объемная диффузия преобладает над диффузией по границам зерен и поверхностной диффузией, поэтому влияние структуры несущественно. Однако при температуре ниже 275 °С долговечность ИМС можно повысить на несколько порядков путем применения хорошо упорядоченных крупнозернистых пленок, особенно, если они покрыты пленкой стекла.

Методы получения металлических пленок

Общие требования к тонким токопроводящим пленкам - равномерность толщины пленки, однородность ее структуры, надежное сцепление (адгезия) с подложкой и другими материалами, с которыми она контактирует.

Основными методами осаждения тонких пленок являются: вакуумное испарение (напыление) с косвенным подогревом; ионно-плазменное распыление; осаждение из газовой фазы с помощью газотранспортных реакций; восстановление в атмосфере водорода и термохимическое разложение. Выбор того или иного метода зависит от природы осаждаемого материала, материала подложки, структуры (аморфная, поликристаллическая, монокристаллическая) и толщины пленки.

Наиболее распространенным методом является вакуумное испарение. Оно дает возможность получать пленки, удовлетворяющие многим требованиям. Преимущества этого метода: удовлетворительная воспроизводимость свойств пленок за счет высокой чистоты при осаждении; хорошая адгезия к подложке, особенно при нагревании подложек; возможность контроля толщины пленок с точностью до нескольких мономолекулярных слоев в процессе осаждения. Этот метод позволяет наносить пленки различного назначения в одной установке, в едином технологическом цикле. К недостаткам вакуумного метода следует отнести проблему отвода тепла, необходимость охлаждения аппаратуры, сложность очистки подложек перед напылением для хорошего сцепления с ними пленок.

Пленки тугоплавких металлов (Ta, W, Mo и др.) можно осаждать ионно-плазменным (катодным) распылением. В атмосфере активного газа (O 2 , N 2 и др.) распылением соответствующего металла можно изготавливать и диэлектрические пленки (окислы, нитриды металлов), однако в этом случае трудно предотвратить поглощение остаточных газов пленкой в процессе ее формирования из-за относительно высокого давления газа (10 –2 - 10 –1 мм рт.ст).

Осаждение из газовой фазы позволяет получать высококачественные пленки, однако этот метод предполагает наличие сильных агрессивных сред, которые могут вступать во взаимодействие с кремнием или диэлектрическими пленками на его поверхности. Вследствие этого осаждение металлов из газовой фазы применяется редко.

В настоящее время наиболее широкое распространение при нанесении металлических пленок получил метод ионно-плазменного распыления с помощью магнетронных распылительных систем - устройств для генерирования плазмы.

В методе магнетронного распыления используются скрещенные магнитное и электрическое поля, повышающие эффективность ионизации рабочего газа и, следовательно, плотность плазмы.

Магнетрон представляет собой двухэлектродную систему, в которой распыляемый материал является катодом. Наиболее часто используются две основные электродные системы: с кольцевым (коническим) катодом, называемым S-пушкой (рис.5.1,а), и планарная (рис.5.1,б). Во всех случаях линии магнитного поля перпендикулярны линиям электрического поля и проходят через поверхность катода. При этом создается плотная плазма низкого давления, локализованная над нужным участком поверхности катода, с которой и производится распыление. Скорость распыления при использовании конического магнетрона пропорциональна косинусу угла между направлением пучка распыляемого материала и нормалью к подложке. Для увеличения производительности этого метода может использоваться планетарная система расположения подложек относительно источника распыляемого материала. В планарном магнетроне пластины помещаются на плоскости перед магнетроном, причем источник может иметь изменяющиеся размеры, так что возможно значительное увеличение производительности устройства.

Использование магнетронного распыления позволяет проводить нанесение металла с высокой скоростью. При этом напряжение магнетронных источников обычно ниже, чем электронно-лучевых устройств, следовательно, они генерируют меньшее проникающее излучение. Скорость осаждения может регулироваться расстоянием между источником и подложкой и достигать 1 мкм/мин при осаждении алюминия или его сплавов.

Установки магнетронного типа обычно оснащены микропроцессорными системами управления, которые действуют по заданным программам. Системы управления позволяют проводить корректировку программ, перепрограммирование, изменение параметров процесса, а также соединять конкретную установку с большими управляющими комплексами. Регулируются основные параметры технологического процесса: временные характеристики операций откачки камеры, напуска рабочего газа, нагрева подложек, ионной очистки поверхности подложек, процесса распыления; а также мощность магнетрона; скорость движения карусели с подложками. Загрузка и выгрузка пластин могут осуществляться как оператором, так и (в некоторых устройствах) автоматически. Причем заданные и текущие значения параметров в процессе распыления могут контролироваться с помощью экрана дисплея.

Хотя магнетронные системы испарения металлов значительно сложнее в изготовлении и эксплуатации, чем вакуумно-термические, в условиях современного производства они являются наиболее совершенными, обеспечивающими необходимые качества и производительность при нанесении металлических тонких пленок.

Создание омических контактов к ИС

Основное назначение контактов в ИС - это подведение электрического тока к той или иной ее области.

Для планарных ИМС используют как локальные контакты (рис.5.2,а), так и распространенные (рис.5.2,б), выходящие на поверхность диэлектрического покрытия - двуокиси кремния, нитрида кремния и т.д. Распространенные контакты являются большим достоинством планарных ИМС, так как они позволяют отделить место присоединения вывода от активной области прибора и тем самым резко уменьшить как размеры последней, так и вредные воздействия на нее.

Основные качества контактов - обеспечение заданных электрических параметров и механическая прочность - должны сохраняться в течение всего срока службы ИМС при изменении в широком диапазоне условий эксплуатации схем. Для нормальной работы полупроводникового прибора или ИМС контакты к ним должны удовлетворять следующим требованиям:

Быть невыпрямляющими, т.е. сопротивление контакта не должно меняться при изменении направления протекающего тока, и неинжектирующими;

Обладать линейными зависимостями сопротивления от величины протекающего тока;

Иметь минимальное сопротивление, в том числе в направлении, параллельном поверхности, особенно если вывод присоединен к незначительной по площади части контакта;

Обладать высокой теплопроводностью и иметь коэффициент теплового расширения, близкий к аналогичным коэффициентам кремния и материала вывода или корпуса;

Представлять металлургически стабильную систему с кремнием и материалом вывода, в случае многослойных контактов это условие относится к взаимодействию слоев между собой;

Металл контакта должен обеспечивать достаточно хорошую адгезию к кремнию, а в случае распространенных контактов - и к диэлектрическому покрытию;

Не вступать в химическое взаимодействие с диэлектрическим покрытием;

Обеспечивать проведение фотолитографии;

Глубина диффузии металла контакта в кремний должна быть минимальной.

Для создания неинжектирующего контакта с малым сопротивлением необходимо, чтобы электрохимические потенциалы металла j мет и кремния j S i удовлетворяли условиям: j мет < j S i для S i n-типа; и j мет > j S i для Si p-типа. Однако такие контакты, как правило, обладают нелинейными вольт-амперными характеристиками, их сопротивление зависит от величин приложенного напряжения и протекающего тока.

Этого можно избежать путем дополнительного легирования полупроводника под контактом, например, в кремнии n-типа диффузионным способом создается тонкая область n + -типа. Между n – - и
n + -областями возникает контактная разность потенциалов, пропорциональная разности концентраций ионизированных доноров. Изменить эту разность потенциалов прилагаемым извне напряжением очень трудно: при любой полярности напряжения будет изменяться только поток основных носителей. За счет этого обеспечивается линейность характеристики контакта. Линейный неинжектирующий контакт принято характеризовать контактным или переходным сопротивлением r k . Величина этого сопротивления в основном зависит от вида металла, типа и сопротивления полупроводника

Для полупроводника с малой концентрацией примеси можно использовать уравнение:

где A * = 4pem * k 2 /h 3 - постоянная Ричардсона (e - заряд электрона;
k - постоянная Больцмана; m * - эффективная масса носителей заряда;
h - постоянная Планка); j В - высота барьера металл - полупроводник. Поскольку в этом случае преобладает термоэлектронная эмиссия через барьер, малое сопротивление контакта требует малой высоты барьера. При концентрации примеси, меньшей 10 17 см –3 , r k не зависит от уровня легирования. При высокой концентрации примеси ширина барьера уменьшается вследствие сильного изгиба зон полупроводника, и основную роль при протекании тока в контакте играет туннелирование сквозь барьер. В этом случае контактное сопротивление можно представить в виде

где e S - диэлектрическая постоянная кремния; N D - концентрация примеси в полупроводнике. С ростом концентрации выше 10 19 см –3 r k быстро уменьшается. В табл.5.1 представлены значения j В для наиболее употребимых материалов контактов.

Таблица 5.1

Высота барьера металл - кремний, В

“Энергетические характеристики электростанций и агрегатов

Энергетические характеристики используются для оценки режимов в технических и экономических задачах

Универсальная энергетическая характеристика

В таком виде могут представляться характеристики котлов, турбин, генераторов, трансформаторов, двигателей..
Характеристика может быть преобразована к другому виду показателей:
абсолютных,
относительных,
диффренциальных.

Удельные показатели

Применяются два вида относительных показатели:
· удельный расход первичного ресурса (подведенной мощности) на полезную мощность
руд = Рподв/ Рпол,
·удельный расход полезной мощности на подведенную мощность. Это кпд
 =Рпол /Рподв.
· Из дифференциальных широко применяется показатель приращения подведенной мощности к приращению полезной рдиф = ΔРподв/ ΔРпол.

Вид и взаимосвязи различных характеристик

Расходные характеристики электростанций в абсолютных показателях

Основные абсолютные показатели: полезная мощность Р, подведенная мощность Рподв. Подведенная мощность прямо пропорциональна расходу энергоресурса: топлива В, воды Q, пара D, теплоты QТЭС. Для ГЭС при постоянном напоре Н подведенная мощность
N=9,81 HQ,
Полезная мощность
N=9,81 HQ ,
Для ТЭС подведенная мощность, МВт, пропорциональна расходу условного топлива:
Pптэс=8,14B

Характеристики в относительных показателях

Рабочие характеристики- характеристики КПД.
Удельные характеристики,.
bуд=B(гут)/P,
qуд=Q(куб.м/с)/P
Отметим, что точка минимума удельного расхода энергоресурса соответствует точке максимума КПД
Дифференциальные характеристики
Эти характеристики называют еще характеристиками относительных приростов.
Это приращение энергоресурса на приращение мощности

Энергетические характеристики в руб

В настоящее время при коммерческих отношениях на рынке и при оптимизации режима станций внутри самой системы необходимо использовать затраты на топливо. Это требует учета цен на топливо различных станций. Для этого осуществляется пересчет ординат энергетических характеристик. Форма характеристик при этом сохраняется. Показатели характеристик будут иметь вид:
· расход натурального топлива пересчитывается в издержки на топливо - Ив = цВ, руб (ц, руб/тонну натурального топлива),
· удельные расходы топлива пересчитываются в удельные издержки на топливо - Вц/P , руб/МВтч,
· относительные приросты ΔВц/ΔР, руб МВт.

Характеристики ТЭС

Имеются характеристики котлов, турбин, блоков, станции
Электрическая мощность – Рген=Рподв- ΔРкотл-ΔР турб- ΔР ген
КПД – η агр= ηген ηтур ηкотл
Удельный расход топлива – bудагр=bудкотлbудтурбbудген;
Относительный прирост - bудагр=bкотлbтурбbген

Вид характеристик агрегатов ТЭС

Котел
а-расходная
в-дифференциалная
Турбина
расходная,
дифференциальная
Генератор

Расходная характеристика блока и станции

Схематичная характеристика ТЭЦ

Диаграмма режимов представляет совокупность характеристик расхода пара или тепла турбоагрегатом при различных отборах пара на производственные и теплофикационные нужды.
Нижняя кривая соответствует уловию, когда отбор пара нет. Это конденсационный режим. При увеличении отбора характеристика турбины перемещается параллельно самой себе.

Вид диаграммы режимов турбоагрегата с производственным и теплофикационным отбором пара

Характеристики ГЭС

Расходная
Дифференциальная
Натурные дифференциальные

Характеристики гидроагрегатов обычно представляются изолиниями для постоянных напоров. На расходной характеристике даются изолинии Q (Р) для Н = const, на дифференциальной - изолинии q Натурные характеристики гидроагрегатов часто имеют более сложную форму

Характеристики других станций

Максимальное значение к. п. д. ГТУ соответствует номинальной мощности и равно примерно 30%. Удельные расходы ГТУ значительно превосходят средние значения показателей современных КЭС. Экономичность работы ГТУ существенно ухудшается при снижении ее нагрузки и при увеличении температуры наружного воздуха. Например, для ГТУ – 100 – 750 -2 при номинальной мощности, удельный расход равен 430 г/Квтч, что в 1,25 раза выше, чем на КЭС, а при снижении мощности до 30% номинальной величина повышается до 720 г/ Квтч.

Агрегаты АЭС на тепловых нейтронах в небольших пределах могут регулировать нагрузку. Однако при этом резко снижается их надежность, и в настоящее время они в основном предназначены для базовой зоны графика нагрузки.

Способы получения характеристик

Паспортные характеристики. Даются заводом изготовителем.Их погрешности достигают 10%
Натурные характеристики. Получаются в результате специального эксперимента в натуре. Погрешности до 5 %
Характеристики, получаемые в АСУ ТП Требуется непрерывное измерение многих параметров. Погрешности примерно 2%.

Характеристики, получаемые в АСУ ТП

Для ГЭС нет надежных способов измерения расхода воды.
Для ТЭС расход топлива определяется косвенно по ем параметрам, которые можно замерить.
Схема получения характеристики
-Измеряют непрерывно 5-7значимых параметров.
-Подбирают аппроксимирующую функцию.
-Параметры функции непрерывно уточняются по новым замерам.

Пример построения характеристики энергоблока в АСУ ТП

Из 200 измеряетмых параметров выбирают 7.
Информация вводится в ЭВМ каждые 15с.Проверяется достоверность измерений.
Данные осредняются за 15 мин.
По известной аппроксимирующей функции рассчитывается расход топлива
Уточняется характеристика

Статистические характеристики

Строятся по данным учета ТЭП
Для расчетов используются те характеристики, которые имеются на станции
Статистические характеристики учитывают изменение режима во времени

Заключение

Характеристики агрегатов являются важнейшей исходной информацией
В режимных задачах используются характеристики различного вида.
В настоящее время еще не решен полностью вопрос получения качественных характеристик.
Наиболее достоверные характеристики получают в АСУ ТП.
Приходится использовать паспортные или экспериментальные характеристики. Их погрешности составляют 5 –10%.
Многие режимные параметры приобрели свойства товара и на цены влияют погрешности характеристик.

Энергетические параметры ОУ оценивают максимальными потребляемыми токами от обоих источников питания и соответственно суммарной потребляемой мощностью.

Частотные характеристики

Усиление гармонических сигналов характеризуется частотными параметрами ОУ, а усиление импульсных сигналов - его скоростными или динамическими параметрами.

Многие типы ОУ общего и специального назначения имеют внутреннюю коррекцию, т.е. в схему таких ОУ включен конденсатор малой емкости (обычно 30пФ). Такой конденсатор внутренней частотной коррекции предотвращает генерацию ОУ на высоких частотах. Это происходит за счет уменьшения усиления ОУ с ростом частоты. Интервал частот, на котором частота изменяется в 10 раз, называется декадой. Изменение частоты в два раза называется октавой. Изготовители представляют частотную зависимость усиления ОУ без ОС в виде кривой, называемой амплитудно - частотной характеристикой (АЧХ) без ОС.

Рис. 1.7

Частота f1, при которой коэффициент усиления ОУ равен единице, называется частотой единичного усиления. Если разделить полосу единичного усиления на частоту входного сигнала, то получим в результате коэффициент усиления ОУ на данной частоте сигнала. Усиление без ОС на частоте равно полосе пропускания, деленной на частоту входного сигнала.

При составлении графиков частотных характеристик обычно используется логарифмический масштаб.

Коэффициент усиления по напряжению в децибелах равен: KдБ = 20 lg K, где K - числовое значение коэффициента усиления по напряжению.

Уменьшение коэффициента усиления с частотой называется спадом. Последовательная RC - цепь имеет скорость спада АЧХ 20 дБ/дек или 6дБ/окт.

Так как каждый усилительный каскад ОУ в простейшем случае представляется эквивалентной схемой, состоящей из последовательно соединенных R и C, то он также имеет скорость спада АЧХ 20дБ/дек. Для трехкаскадного ОУ коэффициент усиления усилителя равен произведению коэффициентов усиления его отдельных каскадов. При этом получается достаточно громоздкое выражение, поэтому часто пользуются весьма наглядной и простой для понимания диаграммой Боде - графиком зависимости десятичного логарифма Коэффициента усиления от десятичного логарифма частоты. Это удобно, так как значения коэффициентов усиления каскадов, выраженные в децибелах, можно складывать, вместо того чтобы их перемножать. Таким образом, АЧХ его каскадов можно получить, построив на одном графике АЧХ его каскадов и графически их сложив.

Так как интегральные ОУ без ОС практически не применяются, необходимо определить влияние ОС на АЧХ ОУ. Отрицательная ОС ограничивает коэффициент усиления ОУ и значительно расширяет полосу пропускания. Отметим, что отрицательная обратная связь не расширяет АЧХ ОУ, а граничная частота ОУ увеличивается за счет уменьшения коэффициента усиления усилителя.

Коэффициент усиления по контуру ОС, как видно из (рис. 1.8), есть разность между коэффициентами усиления ОУ без ОС и с ОС, выраженной в децибелах.

Рис. 1.8

В том случае когда скорость спада АЧХ ОУ составляет 20дБ/дек, произведение коэффициента усиления ОУ на частоту единичного усиления есть величина постоянная.

При усилении сигналов ОУ обычно охватывается отрицательной обратной связью по инвертирующему входу. Вследствие создаваемого усилителем в области высоких частот Фазового сдвига выходного сигнала относительно входного фазочастотная характеристика ОУ по инвертирующему входу приобретает дополнительный (сверх 180°) фазовый сдвиг (рис. 1.9).

Рис. 1.9

Для некоторой высокой частоты полный фазовый сдвиг становится равным 360°, что соответствует положительной обратной связи по инвертирующему входу на этой частоте, что приводит к самовозбуждению схемы. Для устранения самовозбуждения в ОУ вводят внешние корректирующие RC - цепи, позволяющие несколько изменить ход амплитудно - частотной и фазово - частотной характеристик.

Критерий устойчивости ОУ иногда выражается через запас устойчивости по фазе, который представляется в виде суммы фаз Ф = 180° + . Положительный запас устойчивости ОУ по фазе является показателем его устойчивости. Отрицательный запас по фазе характерен для неустойчивого ОУ. Для получения максимального быстродействия ОУ желательно иметь запас устойчивости по фазе около 45° .

Устойчивость ОУ можно оценить и по частоте, находящейся в полосе его пропускания. Если половина периода этой частоты равна времени задержки распространения сигнала по контуру ОС, то в ОУ возникают колебания.

Для обеспечения устойчивой работы ОУ необходимо уменьшать запаздывание по фазе, т.е. корректировать АЧХ ОУ.

Скоростные характеристики

Динамическими параметрами ОУ являются скорость нарастания выходного напряжения (скорость отклика) и время установления выходного напряжения. Они определяются по реакции ОУ на воздействие скачка напряжения на входе (рис. 1.10).

Рис. 1.10

Скорость нарастания выходного напряжения U вых находят по отношению приращения выходного напряжения к времени на участке изменения выходного напряжения от 0,1U вых до 0,9U вых. Время установления выходного напряжения t уст оценивают интервалом времени, в течение которого выходное напряжение меняется от уровня 0,1 до уровня 0,9 установившегося значения. В ряде схем ОУ допускается введение корректирующих цепей, улучшающих параметры U вых и t уст. Для ОУ U вых = 0.1:100 в/мкс, а t уст = 0.05:2 мкс.

7. Генератор линейно-изменяющегося напряжения (ГЛИН).

Генератор линейно-изменяющегося напряжения (ГЛИН) предназначен для получения напряжения, которое в течение некоторого времени нарастает или спадает по линейному или близкому к линейному закону и используется в каскадах сравнения, схемах временной задержки импульсов, для получения временных разверток в электронно-лучевых трубках и т.д. Реализация ГЛИНа на ОУ и временные диаграммы входного и выходного напряжений даны на рис.8.16. Принцип работы основан на применении зарядного или разрядного устройства, интегрирующего конденсатора C и электронного ключа на транзисторе VT . При закрытом состоянии ключа происходит заряд конденсатора C от Е зар. через R 3 с постоянной времени t зар =R 3 C , что определяет длительность прямого (рабочего) хода. Замыкание ключа приводит к быстрой разрядке конденсатора и время обратного хода определяется сопротивлением насыщенного транзистора. Выходное напряжение повторяет форму напряжения на конденсаторе C и имеет вид “пилы”.

Линейно изменяющимся(пилообразным) напряжением(ЛИН) называют импульсное напряжение, которое в течение некоторого времени изменяется практически по линейному закону, а затем возвращается к исходному уровню (рис.20.1)

ЛИН характеризуется следующими основными параметрами:периодом Т, длительностью рабочего хода Т р, длительностью обратного хода Т обр, амплитудой U m , коэффициентом нелинейности

где |du/dt| t=0 и |du/dt| t= Tp − соответственно скорость изменения напряжения в начале и в конце рабочего хода.В ГЛИН, используемых на практике, Т р изменяется от десятых долей микросекунды до десятков секунд, U m −от единиц до тысяч вольт, Т обр −от 1 до 50% от Т р. В большинстве реальных схем ε<1%.

Обычно линейное изменение напряжения получают при зарядке и разрядке конденсатора. Функциональная схема ГЛИН должна иметь вид, показанный на рис.20.2.

На рис.20.3,а приведена электрическая схема простейшего ГЛИН. На транзисторе Т собран ключ, управляемый прямоугольными импульсами u вх отрицательной полярности (рис.20.3,б ). В исходном состоянии транзистор насыщен (ключ замкнут) ,что обеспечивается выбором соотношения сопротивлений резисторов R б и R к. При воздействии входного импульса длительностью Т р транзистор закрывается (ключ разомкнут) и конденсатор С заряжается от источника +Е к через резистор R к. Напряжение на конденсаторе изменяется по экспоненте:u c =E к (1−e - t /(RC)). По окончании входного импульса транзистор переходит в режим насыщения (ключ замкнут) и конденсатор быстро разряжается через промежуток коллектор-эмиттер. Используя начальный участок экспоненты, можно получить импульсы с малым коэффициентом нелинейности. Однако при этом отношение U m /E к мало, в чем и состоит основной недостаток данной схемы.

Высококачественные ГЛИН создают на основе операционных усилителей. На рис.20.4, приведена схема такого ГЛИН, выполненного на операционном усилителе.

8. Сглаживающие фильтры (емкостные и индуктивные)

Сглаживающие фильтры

Сглаживающим фильтром называют устройство, предназначенное для уменьшения пульсаций выпрямленного напряжения.

Коэффициенты пульсаций выпрямленных напряжений:

Для однополупериодного однофазного выпрямителя..... 1,57

» двухполупериодного однофазного выпрямителя..... 0,67

» трехфазного выпрямителя с нейтральным выводом. . . 0,25

» трехфазного мостового выпрямителя.......... 0,057

С такими коэффициентами пульсаций выпрямленное напряжение в подавляющем большинстве случаев использовать нельзя, так как при этом работа электронных блоков и устройств резко ухудшается или вообще недопустима. В зависимости от назначения того или иного электронного блока (усилителя, генератора и т. д.), его места в электронном устройстве или системе (на входе, выходе и т. д.) коэффициент пульсаций напряжения питания не должен превышать определенных значений. Так, для основных каскадов автоматических систем он не должен превышать 10~2-10~3, для выходных усилительных каскадов-10~4-10~5, для автогенераторов - 10~5-10~6, а для входных каскадов электронных измерительных устройств - 10~6-10~7. напряжения с

Основными элементами сглаживающих фильтров являются конденсаторы, индуктивные катушки и транзисторы, сопротивления которых различны для постоянного и переменного токов. Для постоянного тока сопротивление конденсатора равно бесконечности, а со противление индуктивной катушки очень мало. Сопротивление транзистора постоянному току (статическое сопротивление) на два-три порядка меньше сопротивления переменному току (динамическое сопротивление). Основным параметром, характеризующим эффективность действия сглаживающего фильтра, является коэффициент сглаживания, равный отношению коэффициентов пульсаций на входе и выходе фильтра:

q = pвх/pвых

Кроме выполнения требования к коэффициенту сглаживания фильтры должны иметь минимальное падение постоянного напряжения на элементах, минимальные габариты, массу, и стоимость.

В зависимости от типа фильтрующего элемента различают емкостные, индуктивные и электронные фильтры. По количеству фильтрующих звеньев фильтры делятся на однозвенные и многозвенные.

Емкостные фильтры. Рис. 9.8. Схемы емкостных фильтров с однополупериодным (а) и мостовым (в) выпрямителями, временные диаграммы напряжений и токов однополупериодного (б) и мостового (г) выпрямителей с емкостным фильтром

Этот тип фильтров относится к однозвенным фильтрам. Емкостный фильтр включают параллельно нагрузочному резистору Rн (рис. 9.8, а) Работу емкостного фильтра удобно рассматривать с помощью временных диаграмм, изображенных на рис. 9.8, б. В интервал времени t1- t2 конденсатор через открытый диод Д заряжается до амплитудного значения напряжения U2,так как в этот период напряжение u2>>uс. В это время ток ia = ic + in-В интервал времени t2-t3 когда напряжение U2 становится меньше напряжения на конденсаторе uс, конденсатор разряжается на нагрузочный резистор Rн, заполняя разрядным током паузу в нагрузочном токе iн, которая имеется в однополупериодном выпрямителе в отсутствие фильтра.

Индуктивные фильтры . Индуктивный фильтр, состоящий из дросселя Lф включают последовательно с нагрузочным резистором Rн (рис. 9.9, а). Он, так же как емкостный фильтр, относится к типу однозвенных фильтров. Работу индуктивного фильтра удобно рассмотреть с помощью временных диаграмм, изображенных на рис. 9.9, б. Анализ временных диаграмм показывает, что ток iн нагрузочного резистора Rн получается сглаженным. Действительно, вследствие того, что ток в цепи с дросселем во время переходного процесса, обусловленного положительной полуволной выпрямляемого напряжения u2, зависит от постоянной времени t==Lф/Rн длительность импульса тока увеличивается с ростом t. Коэффициент пульсаций определяется простым соотношением

Энергетические характеристики.

Наименование параметра	Значение
Тема статьи:	Энергетические характеристики.
Рубрика (тематическая категория)	Образование

План

Лекция 13

1. Свойства пленок алюминия

2. Методы получения металлических пленок

3. Создание омических контактов к ИС

К системам металлизации ИС предъявляются следующие требования:

Высокая проводимость (r < 10 –6 Ом×см);

Хорошая адгезия как к Si, так и к SiO 2 ;

Способность к образованию качественного омического контакта с кремнием n- и p-типов;

Технологичность методов осаждения и нанесения рисунков;

Устойчивость к электродиффузии в металле;

Свойства пленок алюминия

Конкретные свойства пленок алюминия зависят от целого ряда условий, таких как чистота испаряемого материала, давление в вакуумной системе, скорость напыления, температура подложки и др.
Размещено на реф.рф
Пленки, нанесенные на аморфную поверхность SiO 2 термически окисленных пластин кремния, являются поликристаллическими с некоторой тенденцией к определенной ориентации кристаллитов. После напыления пленки имеют зеркально-гладкую поверхность.

Удельное сопротивление напыленной пленки алюминия толщиной 1 мкм составляет около 3×10 –6 Ом×см, ᴛ.ᴇ. всего на 10 - 20 % больше, чем объёмное удельное сопротивление чистого алюминия. Широкое использование пленок алюминия для металлизации в интегральных схемах обусловлено: высокой электропроводностью, близкой к электропроводности объёмного алюминия; легкостью испарения в вакууме и чистотой испаряемой пленки.

Алюминий имеет относительно низкую температуру испарения, и в связи с этим вероятность загрязнения напыленной пленки примесями из вакуумной камеры и испарителя должна быть небольшой по сравнению с металлами, имеющими более высокую температуру испарения.

Хорошая адгезия к кремнию и окислам дает возможность изготовления однослойной металлизации, что значительно упрощает технологию производства и уменьшает стоимость ИМС. Алюминиевые пленки не отслаиваются из-за плохой адгезии, как золото или молибден. Алюминий образует низкоомный контакт с кремнием n- и p-типа. Контактные площадки на пластине кремния всегда покрыты слоем естественного окисла SiO 2 . Алюминий реагирует с SiO 2 , поскольку может образовывать окислы с большой отрицательной свободной энергией. В результате между кремнием и алюминием создается низкоомный контакт. Скорости этой реакции и диффузии кремния в алюминий очень высоки, так что для получения низкоомного контакта достаточно прогреть образец при температуре 550 °С в течение всего лишь нескольких минут.

Алюминий пластичен и стоек к циклическим изменениям температуры. Низкая температура подложки при его напылении (120 - 160 °С) и отжиге (~200 °С) позволяет получить пленки с низкими механическими напряжениями вследствие малой разницы ТКР при уменьшении температуры до комнатной. Алюминий устойчив к окисляющему воздействию атмосферы, легко обрабатывается методами фотолитографии для получения крайне важно й конфигурации контактов и межсоединений в ИМС, причем в таких травителях, которые не действуют на кремний или SiO 2 .

При этом наряду с положительными свойствами, алюминий имеет ряд недостатков, которые ограничивают использование его для металлизации. К ним относятся:

Мягкость и, следовательно, легкость повреждения алюминиевой пленки;

Появление пустот в пленке вследствие электродиффузии при меньших, чем для других металлов, плотностях тока;

При травлении окон в диэлектрике (обычно SiO 2) скорость травления диэлектрика должна быть значительно большей, чем скорость травления алюминия, иначе можно повредить алюминиевую пленку вследствие существования в ИС локальных положительных потенциалов. Важно заметить, что для систем, содержащих слои золота͵ эта проблема не возникает. В случае подсоединения золотых проволочек к пленке алюминия методом термокомпрессионной сварки возможно образование интерметаллических соединений, что приводит к уменьшению надежности аппаратуры. При этом при относительно низких температурах и умеренных нагрузках такой метод соединения оказывается вполне надежным. Проблему образования интерметаллических соединений на границе золото - алюминий полностью решает использование ультразвуковой сварки золотых проводников с пленкой алюминия. Для исключения взаимодействия золотой проволоки с алюминием при одновременном сохранении преимуществ контакта алюминия с кремнием часто между золотом и алюминием наносят дополнительную металлическую пленку, к примеру молибденовую или танталовую.

Электродиффузия в пленках алюминия

В сплошном металлическом проводнике на термически возбужденный ион металла в узле решетки действуют две силы: одна направлена навстречу электронному потоку при приложении к проводнику электрического поля, другая действует по направлению электронного потока и появляется за счёт обмена импульсами между электронами проводимости и возбужденными ионами металла при столкновениях ("электронный ветер").

Вследствие экранирующего влияния электронов сила, с которой электрическое поле действует на ион, весьма невелика, в связи с этим преобладающей является сила "электронного ветра". В результате этого возбужденные ионы металла, приходящие в вакансию в направлении потока электрона, имеют более высокую вероятность заполнения вакансии, чем окружающие ее близлежащие ионы. Следовательно, ионы металла перемещаются к положительно заряженному концу проводника, а вакансии - к отрицательному. Вакансии скапливаются на отрицательном полюсе (коагулируют) в виде пустот, тогда как ионы на положительных концах образуют кристаллы, усы и холмики. Большое количество пустот приводит к разрыву электрической цепи в пленках алюминия. Поверхностные царапины на металлических проводниках ведут себя как вакансии, причем наблюдается их движение по поверхности проводника в направлении отрицательно заряженного конца. По этой причине скорость переноса вещества зависит от структуры пленок алюминия.

В мелкозернистых пленках алюминия, полученных осаждением в вакууме на холодные подложки, преобладают диффузия по границам зерен и поверхностная диффузия. Вследствие этого энергия активации в таких пленках низка и составляет 0,48 эВ (энергия активации при самодиффузии в объёмном алюминии равна 1,4 эВ). В хорошо упорядоченных крупнозернистых пленках, осажденных на горячие подложки, энергия активации определяется в основном поверхностной диффузией и составляет 0,84 эВ. Это связано с уменьшением границ зерен и соответственно с высоким коэффициентом самодиффузии. В случае если крупнозернистую пленку покрыть слоем кварцевого стекла, то поверхностная диффузия уменьшается, а энергия активации увеличивается до 1,2 эВ, ᴛ.ᴇ. приближается к значению для объёмного алюминия. При температуре 275 °С и выше объёмная диффузия преобладает над диффузией по границам зерен и поверхностной диффузией, в связи с этим влияние структуры несущественно. При этом при температуре ниже 275 °С долговечность ИМС можно повысить на несколько порядков путем применения хорошо упорядоченных крупнозернистых пленок, особенно, в случае если они покрыты пленкой стекла.

Методы получения металлических пленок

Наиболее распространенным методом является вакуумное испарение. Оно дает возможность получать пленки, удовлетворяющие многим требованиям. Преимущества этого метода: удовлетворительная воспроизводимость свойств пленок за счёт высокой чистоты при осаждении; хорошая адгезия к подложке, особенно при нагревании подложек; возможность контроля толщины пленок с точностью до нескольких мономолекулярных слоев в процессе осаждения. Этот метод позволяет наносить пленки различного назначения в одной установке, в едином технологическом цикле. К недостаткам вакуумного метода следует отнести проблему отвода тепла, крайне важно сть охлаждения аппаратуры, сложность очистки подложек перед напылением для хорошего сцепления с ними пленок.

Пленки тугоплавких металлов (Ta, W, Mo и др.) можно осаждать ионно-плазменным (катодным) распылением. В атмосфере активного газа (O 2 , N 2 и др.) распылением соответствующего металла можно изготавливать и диэлектрические пленки (окислы, нитриды металлов), однако в данном случае трудно предотвратить поглощение остаточных газов пленкой в процессе ее формирования из-за относительно высокого давления газа (10 –2 - 10 –1 мм рт.ст).

Осаждение из газовой фазы позволяет получать высококачественные пленки, однако данный метод предполагает наличие сильных агрессивных сред, которые могут вступать во взаимодействие с кремнием или диэлектрическими пленками на его поверхности. Вследствие этого осаждение металлов из газовой фазы применяется редко.

Сегодня наиболее широкое распространение при нанесении металлических пленок получил метод ионно-плазменного распыления с помощью магнетронных распылительных систем - устройств для генерирования плазмы.

Создание омических контактов к ИС

Основное назначение контактов в ИС - это подведение электрического тока к какой-либо ее области.

Основные качества контактов - обеспечение заданных электрических параметров и механическая прочность - должны сохраняться в течение всего срока службы ИМС при изменении в широком диапазоне условий эксплуатации схем. Стоит сказать, что для нормальной работы полупроводникового прибора или ИМС контакты к ним должны удовлетворять следующим требованиям:

Быть невыпрямляющими, ᴛ.ᴇ. сопротивление контакта не должно меняться при изменении направления протекающего тока, и неинжектирующими;

Обладать линейными зависимостями сопротивления от величины протекающего тока;

Иметь минимальное сопротивление, в т.ч. в направлении, параллельном поверхности, особенно если вывод присоединен к незначительной по площади части контакта;

Не вступать в химическое взаимодействие с диэлектрическим покрытием;

Обеспечивать проведение фотолитографии;

Глубина диффузии металла контакта в кремний должна быть минимальной.

Важно заметить, что для создания неинжектирующего контакта с малым сопротивлением крайне важно, чтобы электрохимические потенциалы металла j мет и кремния j S i удовлетворяли условиям: j мет < j S i для S i n-типа; и j мет > j S i для Si p-типа. При этом такие контакты, как правило, обладают нелинейными вольт-амперными характеристиками, их сопротивление зависит от величин приложенного напряжения и протекающего тока.

Этого можно избежать путем дополнительного легирования полупроводника под контактом, к примеру, в кремнии n-типа диффузионным способом создается тонкая область n + -типа. Между n – - и n + -областями возникает контактная разность потенциалов, пропорциональная разности концентраций ионизированных доноров. Изменить эту разность потенциалов прилагаемым извне напряжением очень трудно: при любой полярности напряжения будет изменяться только поток базовых носителей. За счёт этого обеспечивается линейность характеристики контакта. Линейный неинжектирующий контакт принято характеризовать контактным или переходным сопротивлением r k . Величина этого сопротивления в основном зависит от вида металла, типа и сопротивления полупроводника

Для полупроводника с малой концентрацией примеси можно использовать уравнение:

где A * = 4pem * k 2 /h 3 - постоянная Ричардсона (e - заряд электрона; k - постоянная Больцмана; m * - эффективная масса носителей заряда; h - постоянная Планка); j В - высота барьера металл - полупроводник. Поскольку в данном случае преобладает термоэлектронная эмиссия через барьер, малое сопротивление контакта требует малой высоты барьера. При концентрации примеси, меньшей 10 17 см –3 , r k не зависит от уровня легирования. При высокой концентрации примеси ширина барьера уменьшается вследствие сильного изгиба зон полупроводника, и основную роль при протекании тока в контакте играет туннелирование сквозь барьер.
Размещено на реф.рф
В этом случае контактное сопротивление можно представить в виде

Таблица 5.1

Высота барьера металл - кремний, В

Для кремния n-типа можно использовать также эмпирическое соотношение

где A = 3,3 и b = 1,3 справедливо для многих металлов.

При дополнительном легировании, когда под контактом создается тонкий слой с поверхностным сопротивлением r n , общее сопротивление контакта R можно подсчитать по формуле

где a - ширина контакта; b - его длина;

Следует отметить, что сопротивление контакта в большой степени зависит от технологических факторов, таких как подготовка поверхности, наличие остатков окисла и др.

Требования к металлургическим и другим физико-химическим свойствам контактов (к примеру, к адгезии) удовлетворить намного сложнее. В то же время именно от этих свойств зависит надежность контактной системы. Причина затруднений кроется в очевидной противоречивости требований (прочность контакта͵ но неглубокое проникновение в кремний; хорошая адгезия к окислу, но слабое влияние на его свойства; инертность металла, но способность восстанавливать окисные пленки на кремнии). Удовлетворить все требования, применяя любой металл, практически невозможно.

Оценивая достоинства и недостатки алюминия, можно сказать, что данный материал наиболее пригоден для использования в качестве контактов к планарным приборам, работающим на частотах до 1 ГГц, не чересчур мощных и не рассчитанных на жесткие требования к надежности.

В других случаях выходом является применение для контактов многослойных систем. В таких системах стремятся для создания нижнего (контактного) слоя использовать металлы, основными свойствами которых являются малое проникновение в кремний, низкое переходное сопротивление и способность к восстановлению окисных пленок. Металл верхнего проводящего слоя должен иметь высокую электропроводность и быть совместимым с металлами контактного слоя и вывода. Условие совместимости обычно трудно выполнить. Это вынуждает вводить третий слой - барьерный или разделительный, который бы предотвращал взаимодействие между металлами.

Для контактного слоя бывают использованы молибден, никель, платина, хром, титан. Цинк, магний и кадмий сильно отличаются от кремния коэффициентом линейного расширения. Применение меди не всегда возможно из-за ее влияния на электрические свойства кремния.

Наилучшим из указанных металлов является молибден, который образует достаточно хороший контакт с низкоомным кремнием n- и p-типов; имеет высокую объёмную проводимость; мало вплавляется в кремний; коэффициенты линейного расширения его и кремния близки; не подвержен электромиграции; не взаимодействует с алюминием, золотом, серебром; обладает сравнительно хорошей адгезией к двуокиси кремния; хорошо травится и обеспечивает фотолитографическую обработку; напыляется в вакууме, может наноситься из металлоорганических соединений. К недостаткам молибдена относятся: пористость молибденовых пленок, способствующая образованию эвтектики кремния с проводящим материалом, что нарушает контактную систему; значительное различие в коэффициентах расширения молибдена и алюминия; химическое взаимодействие (к примеру с натрием).

Помимо молибдена, для контактного слоя используется платина или силицид платины Pt 5 Si 2 , чье контактное сопротивление мало, и контакт отличается надежностью. При этом металл довольно глубоко проникает в кремний, платина трудно травится при фотолитографии, не восстанавливает окисла и имеет к нему низкую адгезию.

Можно использовать хром, но он, как и алюминий, активно восстанавливает двуокись кремния, а пленки его обычно напряжены и пористы. Хром и алюминий применяются в качестве контактного подслоя. Предварительно нанесенные тонкие пленки этих металлов раскисляют поверхность кремния. Это позволяет снизить требования к подготовке поверхности и заметно улучшает электрические свойства контактов.

Для проводящего слоя бывают выбраны серебро, медь, алюминий, золото. Первые два металла легко окисляются и образуют твердые растворы с золотом и алюминием, в связи с этим их используют редко.

Прекрасным разделительным слоем является платина: достаточно пленки толщиной 45 нм, чтобы предотвратить взаимодействие между слоями, к примеру, титана и алюминия. Без разделительного слоя выбрать устойчивую биметаллическую систему трудно.

Одной из причин нестабильности многослойных систем является взаимная диффузия атомов металлов. Диффузией объясняются реакции образования твердых растворов, к примеру в системе хром - золото (при этом наблюдается рост сопротивления на порядок), или интерметаллических соединений, как в большинстве систем с алюминием.

Нестабильность должна быть также из-за рекристаллизации (к примеру, в системе алюминий - хром), окисления или явления упорядочения решетки в пределах ближнего порядка, характерного для систем с хромом и титаном. Особенно важно проявление взаимодействия в практических условиях нанесения и вжигания слоев, а также при эксплуатации прибора.

1. Использование силицидов металлов

2. Многослойная разводка. Основные проблемы.

С увеличением степени интеграции и уменьшением размеров элементов интегральных схем стало невозможным решить с помощью только металлических пленок проблемы создания контактов и межсоединений к сверхтонким структурам (эмиттерные и базовые контакты в биполярных транзисторах, контакты и выводы в МДП-транзисторах). Широко используются сейчас, наряду с алюминием и тугоплавкими металлами (Mo, W), силициды тугоплавких металлов TiSi 2 , TaSi 2 , WSi 2 , MoSi 2 , а также их сочетания с легированным поликристаллическим кремнием. Особенно привлекателен TiSi 2 , обладающий наименьшим удельным сопротивлением.

Силициды металлов бывают получены либо при осаждении металла на кремний с последующим отжигом, либо при одновременном распылении (сораспылении) кремния и тугоплавкого металла, к примеру с использованием магнетронного распыления.

При напылении металла и последующем его вжигании в кремний образующиеся силициды могут иметь три модификации: Me 2 Si с температурой образования примерно 200 °С, MeSi (моносилицид) с температурой образования 400 - 500 °С и MeSi 2 (дисилицид) с наибольшей (более 600 °С) температурой образования. Не все силициды металлов имеют все три модификации, так, Pd, Pt образуют два первых соединения, а Ti и Ta только два последних. Две первые модификации силицидов металлов растут по параболическому закону: квадрат толщины пленки x 2 пропорционален времени вжигания t. В этом случае атомы металла диффундируют в кремний по междоузлиям, что приводит к ослаблению ковалентной связи в полупроводнике в случае большой концентрации металлических атомов. Ослабление ковалентных связей можно рассматривать как переход к связям, подобным металлическим. Одновременно идет и диффузия кремния в металл, но она гораздо слабее. При малой растворимости тугоплавких металлов в кремнии для образования растворов замещения крайне важно создать большую концентрацию вакансий в кремнии. Поскольку энергия образования вакансии достаточно велика, то при низких температурах (менее 400 - 500 °С) это маловероятно.

При более высокой температуре (выше 600 °С) отрыв атома кремния может происходить на его поверхности на границе с металлом в энергетически слабых точках, к примеру на ступеньках, за счёт увеличения энергии атомов под влиянием тепловых колебаний. Рост силицида ограничивается поступлением атомов кремния, скоростью разрыва связей Si - Si, ᴛ.ᴇ. реакцией с металлом на границе раздела. По этой причине рост силицида идет по линейному закону: x пропорциональна t, и в диффузионном потоке преобладают атомы кремния.

Рост силицидов на поликристаллическом кремнии происходит аналогично росту на монокристалле.

В присутствии кислорода или паров воды скорость роста силицида уменьшается. Многие тугоплавкие металлы образуют как силициды, так и окислы (Ti, Ta, V). При нанесении металла на окисел кремния они образуют сильные адгезионные связи, взаимодействуя с окислом кремния улучшают адгезию Me - SiO 2 . При высокой температуре в результате этого взаимодействия образуется силицид металла, температура его образования на 100 - 200 °С выше, чем для реакции с кремнием. Причем на окисле кремния растут силициды, обогащенные металлом (к примеру Ti 5 Si 3 , а не TiSi 2).

Силициды, полученные сораспылением, имеют более регулярный состав, однако их удельное сопротивление должна быть выше, чем у полученных вжиганием в кремний. Возможно, это связано с большим размером кристаллитов у последнего и, следовательно, с большей подвижностью носителей заряда.

Применение силицидов металлов в качестве материалов омических контактов к тонким (менее 0,1 мкм) слоям кремния - одно из важных направлений современной технологии ИМС. Особенно перспективно использование для этих целей TiSi 2 . Помимо наименьшего удельного сопротивления силицид титана при взаимодействии с кислородом и окислом кремния образует окисел титана TiO 2 , который является полупроводником с шириной запрещенной зоны около 2 эВ. Τᴀᴋᴎᴍ ᴏϬᴩᴀᴈᴏᴍ, окисел титана не препятствует протеканию тока в контакте и незначительно увеличивает его сопротивление.

В современных интегральных схемах (СБИС и УБИС) необходима многоуровневая металлизация. При изготовлении систем с многоуровневой металлизацией между слоями металла наносится пленка диэлектрика.

К многослойным системам предъявляются дополнительные требования. Осаждаемый диэлектрик (обычно SiO 2) должен обладать хорошей адгезией к напыленной перед ним металлической пленке, силициду металла и поликристаллическому кремнию. Нанесенная пленка диэлектрика должна полностью покрывать пленку и образовавшиеся после фотолитографии ступеньки. Контакт между первым и вторым слоями металла или других материалов должен быть низкоомным.

При использовании многослойной разводки в интегральных схемах нельзя применять в качестве проводящего слоя только алюминий, так как за счёт взаимодействия с диэлектрическими слоями, между которыми он наносится, проводимость пленки будет со временем уменьшаться, могут появиться отдельные непроводящие участки или разрывы в металлизации. Вследствие этого при многослойной разводке используется обычно и многослойная металлизация. В качестве первого слоя, как указывалось ранее, бывают выбраны платина, титан, молибден и их силициды. Задача этого слоя - обеспечить омический контакт к Si, хорошую адгезию к кремнию и окислу. Второй слой - проводящий - создается напылением золота͵ алюминия, серебра. Для изоляции от нанесенных поверх металла диэлектрических слоев наносится третий слой - изолирующий. В качестве металла третьего слоя могут использоваться платина, хром, титан, тантал, молибден или ванадий.

Многослойная металлизация применяется также для схем, имеющих поверхность с сильно выраженным рельефом, так как алюминиевые пленки на неровностях поверхности могут иметь обрывы из-за электродиффузии и возникающих в пленках напряжений.

Литература к лекциям 13-14.

1.М.А. Королев, Т.Ю. Крупкина, М.А. Ревелева. Технология, конструкции и методы моделирования кремниевых интегральных микросхем. Часть 1. М.: БИНОМ. Лаборатория знаний. 2007. 397с.

Дополнительная литература

Черняев В.Н. Технология производства интегральных микросхем и микропроцессоров.М.: Радио и связь, 1987.

2. Броудай И., Мерей Д. Физические основы микротехнологии. - М.: Мир, 1985.

4. Ефимов И.Е., Козырь И.Я., Горбунов Ю.И. Микроэлектроника. Физические и технологические основы, надежность: Учеб. пособие для прибостроит. спец. вузов / М.; Высш. шк., 1986 ᴦ.

5. Коледов Л.А. Технология и конструкции микросхем, микропрорцессоров и микросборок: Учебник для вузов / М.: Радио и связь, 1989 г

Основными характеристиками вещественного сигнала являются: его мощность P(t) и энергия Э .

P(t) = S 2 (t) – определяется как квадрат мгновенного значения S(t).

В случае если S(t) – напряжение или ток, то P(t) есть мгновенная мощность, выделяемая на сопротивлении в 1 Ом.

Энергия сигнала на интервале времени (t 1 ;t 2)

определяется как интеграл от мгновенной мощности:

(8.1)

Отношение

(8.2)

Имеет смысл средней на интервале (t 1 ;t 2) мощности сигнала.

Энергетические характеристики. - понятие и виды. Классификация и особенности категории "Энергетические характеристики." 2017, 2018.

Основными энергетическими параметрами установок на основе ВИЭ, имеющими наиболее существенное значение для потребителя, являются: установленная мощность станции (установки) 7VycT и объем произведенной энергии за год Эг. При обосновании и проектировании энергетических установок, использующих ВИЭ кроме отмеченных, необходимы показатели, определяющие режимы работы энергоустановки, характеристики прихода энергии, характеристики рельефа и подстилающей поверхности местности, параметры воздействия на окружающую среду.

Определение основных энергетических параметров гидроэлектростанций.

Для работы гидроэлектростанции необходим расход воды Q и перепад уровней, т.е. напор Н. Полностью использовать мощность водотока на ГЭС невозможно, она будет меньше за счет гидравлических потерь энергии в подводящих и отводящих сооружениях, потерь в самих турбинах, а также потерь энергии при трансформации механической энергии вращения вала в электрическую энергии в генераторе.

В главе 2 были рассмотрены три основные схемы использования водной энергии: плотинная, деривационная и плотинно деривационная. Создаваемый в этих схемах напор, равный разности отметок уровней верхнего VBE и нижнего УНБ бьефов называется геометрическим или статическим напором Нст.

Энергия, получаемая рабочим колесом от водного потока, будет равна разности удельных энергий на входе в рабочее колеса С-С и на выходе из него К-К. Эта величина представляет собой рабочий напор турбины Н, Он меньше напора брутто на величину гидравлических потерь в водопроводящем тракте с, вызванных действием в потоке сил сопротивления. Данная величина выражает усредненную потерю удельной механической энергии между сечениями В-В и С-С и состоит из гидравлических потерь на трение (по длине водопроводящего тракта) и местных потерь. Следовательно, рабочий напор будет равен Н =H6-hc. р

Скорость воды перед водоприемником и в выходном сечении нижнего бьефа невелики и разностью кинетических энергий в этих сечениях для практических расчетов можно пренебречь. Тогда, для практических расчетов рабочий или полезный напор турбины выражают формулой:

Расход ГЭС, или зарегулированный расход, определяется видом регулирования стока реки с помощью водохранилища. Длительное регулирование (годичное, многолетнее) производится с целью выравнивания неравномерности речного стока в разрезе года или ряда лет. Краткосрочное (недельное или суточное) регулирование осуществляется для перерегулирования равномерного недельного или суточного расхода воды в реке в соответствии с неравномерностью потребления энергии в течение недели или суток различными потребителями.

Определение основных энергетических параметров ветроэнергетических установок.

Для ветроэнергетических установок важнейшими параметрами являются: мощность ВЭУ, диаметр ротора ветроколеса, коэффициент использования мощности, тип и параметры генератора и рабочая характеристика ВЭУ.

Важным показателем является коэффициент использования мощности кис„. Строго говоря, коэффициент использования (кисп) должен учитывать также простой ВЭУ по техническим причинам - профилактика, ремонты, которые несколько снижают величину кис„. Однако, если техническое обслуживание ВЭУ проводится в периоды штилей и энергетических затиший, когда скорость ветра и

Для выполнения расчета обеспеченности мощности ветроагрегатов необходимы рабочая характеристика ВЭУ и распределение скорости ветра на высоте оси ротора.

Для подсчета мощности и выработки энергии ветроагрегатом используются данные наблюдений за скоростями ветра, имеющиеся в местных центрах гидрометеорологических наблюдений. Эти данные могут быть пересчитаны и представлены в виде кривой обеспеченности. Пример представлен на рис. 3.9.

Используя формулу, приведенную выше, подсчитывают мощности ветрового потока и строят график обеспеченности его мощности. Площадь графика представляет собой годовую энергию ветра.

При определении основных энергетических параметров определенного ВЭУ кроме ветровых данных о ветропотенциале необходима рабочая характеристика этого ветроагрегата. Общий вид характеристик представлен на рис. 3.10. Из них видно, что различные типы ВЭУ имеют разные мощности, а кроме того, ветроагрегаты отличаются начальной, номинальной и максимальной скоростями ветра.

По кривой обеспеченности ветра для данной местности и рабочей характеристике конкретного ВЭУ, рассчитывают график обеспеченности мощности этого ветроагрегата (рис. 3.11).

На выработку электроэнергии ветроагрегатами, а следовательно, и на их экономическую эффективность, существенное влияние оказывают:

Ветровые характеристики местности;

Применяемый тип ВЭУ и его конструктивное исполнение;

Рабочая характеристика ветроагрегата;

Используемое электрическое оборудование ВЭУ.

Определение параметров солнечных энергоустановок Фотоэлектрические преобразователи солнечной энергии представляют из себя фотоэлементы, действие которых основано на фотоэффекте в полупроводниковых структурах с р-n переходами, где происходит непосредственное преобразование солнечного света в электрический ток.

Эквивалентная схема солнечной батареи, как источника электропитания может быть представлена в виде, показанном на рис. 3.12.

В работах Н.С. Лидоренко, Ж.И Алферова, В.М Андреева, В.А. Грилихеса, М.М Колтуна, В.Д Румянцева, М.Б Кагана и др., посвященных теории и экспериментальному исследованию свойств солнечных элементов (СЭ) показано, что вольтамперная характеристика (ВАХ) СЭ отличается от ВАХ полупроводникового диода появлением члена 1ф, обозначающего собой ток, генерируемый элементом под действием освещения, часть которого 1дь течет через диод, а другая - через нагрузку:

Коэффициент полезного действия солнечного элемента в основном зависит от температуры, которая может достигать больших значений при использовании фокусирующих систем или при работе в космическом пространстве. В наземных условиях и при применен™ бесконцентраторных фотоэлектрических панелей температура элемента изменяется в небольшом диапазоне, что не существенно влияет на его КПД. Однако, например в условиях жаркого климата (в Африке, Индии и др. приэкваториальных странах) температура может сильно отличаться от эталонных. В этом случае КПД солнечного элемента может быть определен по формуле:

Значения достигнутых в настоящее время к.п.д, солнечных элементов различных типов приведены на рис. 2.19.

Работа солнечных батарей в наземных условиях происходит при переменной плотности радиации, поступление которой определяется суточным ходом, метеоусловиями прозрачностью атмосферы. Отметим, что изменение мощности батареи происходит в основном за счет изменения тока солнечной батареи. Анализируя зависимости основных параметров СБ от уровня радиации рис. 3.14, можно установить, что с ростом интенсивности солнечных лучей, падающих на её поверхность, линейно растут ток /„ и мощность P0„nJt при этом напряжение Uonm изменяется в узком пределе изменения интенсивности. Однако этот закон сохраняется лишь при сравнительно высоких значениях Е, в противном случае, при низких Е (Е

Определение параметров теплового коллектора солнечной энергии. Выполнение теплового расчета коллектора и солнечной системы теплоснабжения в целом представляет определенные трудности из-за необходимости учета влияния случайных колебаний климатических параметров и сложного характера взаимодействия между элементами системы. Поэтому обычно используются инженерные методы, которые дают возможность получить приемлемые характеристики проектируемой системы.

Упрощенный метод расчета солнечной установки отопления и горячего водоснабжения здания заключается в определении, прежде всего, площади поверхности коллектора солнечной энергии SCK

Тепловая мощность (Вт) плоского коллектора солнечной энергии (КСЭ) определяется как: