Ремонт принтеров, сканнеров, факсов и остальной офисной техники


назад Оглавление вперед




[6]

удельного сопротивления высокоомного эпитак-сиального слоя составляет ±20%, а точность задания толщины ±10%, то разброс сопротивления насыщения будет не менее ±30% (за счет разброса времени жизни неосновных носителей в коллекторе диапазон получаемых сопротивлений насыщения может быть еще больше). Таким образом, в лучшем случае сопротивления насыщения будут различаться не менее чем в 2 раза. Разброс пробивных напряжений коллектора, на первый взгляд, должен быть близок к разбросу значений удельного сопротивления, т. е. к ±20%. Однако из-за того, что толщина коллекторного высокоомного слоя выбирается близкой к толщине области пространственного заряда при пробое, разброс значений пробивных напряжений будет более значительным и для основной массы структур будет составлять ±25%. При этом надо учитывать, что наличие в коллекторном слое микронеоднородностей может приводить к дополнительному уменьшению нижней границы диапазона пробивных напряжений коллектора.

Толщина маскирующего окисного слоя, вообще говоря, должна быть достаточно большой для того, чтобы защитить расположенный под окислом кремний от диффузии бора или фосфора. Но слишком толстый окисел затруднит точное выполнение фотолитографических операций (см. далее). Однако для ВЧ транзисторов с не слишком высокой рабочей частотой (до 100 МГц) не требуется особо точная фотолитография, поэтому ограничения, налагаемые на толщину окисла, можно было бы считать достаточно слабыми. Необходимо, однако, отметить то обстоятельство, что во время второго окисления, проводимого вместе со второй стадией диффузии бора, значительная часть бора, введенного в кремний во время первой стадии диффузии, может попасть в окисел и при этом поверхностное сопротивление базовой области сильно изменится. В связи с этим необходимо очень точно воспроизводить условия окисления кремния при второй стадии диффузии, так как уже небольшое изменение этих условий будет приводить к очень большим изменениям поверхностного сопротивления базовой области.

Итак, при весьма высокой точности проведения технологических процессов разброс параметров транзисторных структур может быть очень велик. Разработчики транзисторов пытаются осуществить дальнейшее повышение точности и воспроизводимости процессов. Например, на первых стадиях легирования областей базы и эмиттера можно использовать прецизионный метод ионного легирования. Однако специалисты, использующие в своей аппаратуре мощные ВЧ транзисторы, должны себе представлять, что те разбросы параметров транзисторов, с которыми им приходится сталкиваться, получаются при реализации методов и оборудования, обладающих почти предельно достижимой в наше время точностью.

Обсудим теперь технологические вопросы, связанные с обеспечением формы и размеров областей транзисторной структуры в плоскости, параллельной поверхности пластин. В основном получение заданных размеров областей связано с точностью, которой обладает фотолитография, используемая при травлении окон в пленке двуокиси кремния и рисунков металлизации. Типовая последовательность операций при фотолитографической обработке состоит в нанесении на поверхность обрабатываемой пластины слоя светочувствительного вещества - фоторезиста, сушке этого слоя, экспонировании поверхности пластины потоком света (обычно ультрафиолетового) через фотошаблон, представляющий собой стеклянную или кварцевую пластину с изображением вытравливаемого рисунка. После экспонирования проводится проявление - удаление фоторезиста в тех местах, где должно проводиться травление окисла или металла. После проявления фоторезист сушат и травят те области поверхности пластины, которые не закрыты фоторезистом. После травления фоторезист удаляют со всей пластины, пластину моют, сушат и передают на дальнейшие операции.

Источниками неточностей при создании на кремнии требуемого рисунка могут быть разброс размеров изображения на фотошаблоне, уход размеров при перенесении рисунка с фотошаблона на фоторезист, уход размеров при травлении рисунка в окисле или на металле и ошибки при совмещении фотошаблона с рисунком, ранее созданным на поверхности кремниевой пластины. Возможности современной фотолитографии позволяют в условиях производства обеспечивать точность воспроизведения рисунка и точность совмещения ± (0,3 - 0,5) мкм. Такая точность необходима при изготовлении СВЧ транзисторов, минимальные размеры элементов которых составляют 1 мкм и менее. В мощных ВЧ кремниевых транзисторах минимальные размеры элементов могут составлять 3 - 4 мкм. Для создания рисунков и -совмещения последовательных слоев с такими размерами элементов не требуется столь высокая точность, достижение которой связано с серьезными затруднениями. Для создания и совмещения рисунков с минимальными размерами элементов 3 - 4 мкм достаточно иметь точность ±(1 - 1,5) мкм, что на современном уровне фотолитографии не связано с особыми трудностями, если только толщина обрабатываемых слоев не превосходит 1 мкм.

Говоря о требованиях к толщине маскирующих окис-ных слоев и металлических пленок на кремнии мы отмечали, что толщину окисла надо увеличивать для улучшения качества маскировки при диффузии, а металлизацию следует делать толще для уменьшения падения напряжения вдоль эмиттерных токопроводящих зубцов. В то же время увеличение толщины окисла и металлизации затрудняет проведение фотолитографических операций. Например, пусть ширина эмиттерной металлизированной дорожки равна 6 мкм. Для уменьшения ее сопротивления желательно увеличивать тол-щину напыляемого металла. Однако с увеличением толщины металла будет расти глубина травления в боковом направлении при осуществлении фотолитографической обработки. Из рис. 2.2 видно, что после того, как толщина достигает 2 мкм, поперечное сечение практически перестанет увеличиваться. Если учесть, что с ростом глубины травления растет еще неравномерность края, то при толщине металлического слоя свыше 2 мкм появится вероятность локального уменьшения поперечного сечения дорожек или даже их полного стравливания.


<tfз)t)

Рис. 2.2. Связь площади поперечного сечения металлизированной дорожки с ее толщиной: а - толщина много меньше ширины; б - толщина приближается к полуширине; в - толщина больше полуширины

В последние годы получило широкое развитие направление работ, позволяющее и при значительной толщине обрабатываемых слоев сохранять их размеры. Речь идет о замене обычного жидкостного травления слоев плазмохимическим травлением. При этом практически исключается подтравливание в боковом направлении и точность сохранения размеров может достигать ±0,1 - 0,2 мкм.

Особенностью технологии изготовления структур мощных ВЧ транзисторов является необходимость предотвращения возникновения технологических дефектов. Источников возникновения дефектов очень много. Это прежде всего структурные дефекты и неоднородности в исходных эпитаксиальных пленках. Серьезными дефектами, возникающими в процессе окисления, являются точечные отверстия в окисле (так называемые проколы), посторонние твердые частицы и вырастающие вблизи более мелких дефектов монокристаллики кварца с острыми гранями, прокалывающие пленку резиста при проведении фотолитографии. Наиболее опасные дефекты, возникающие в процессе диффузии, связаны с попаданием на пластины посторонних частиц, в особенности из фосфоросодержащих веществ (если речь идет о диффузии бора), с проникновением в кремний быстродиф-фундирующих примесей и с пластической деформацией пластин в процессе высокотемпературной (1200 °С) диффузии. Основным источником дефектов в фотолитографии являются посторонние частицы, попадающие на пластину или шаблон при литографии. К таким частицам следует отнести и кремниевую пыль. Вредная роль твердых частиц при фотолитографических операциях усугубляется еще тем, что, попадая между пластиной я шаблоном, они царапают слой резиста, окисел, металлизацию или сам шаблон. В последнем случае они становятся причиной возникновения дефектов и на создаваемых впоследствии структурах. Более подробно о всех этих дефектах сказано в-специальной технологической литературе [19, 20].

Дефекты, возникающие при создании планарных структур, являются причиной брака. Брак может быть двух видов. Он может приводить к появлению негодных структур в процессе их изготовления, а может проявиться впоследствии, приводя или к катастрофическим, нли к деградационным отказам приборов. Для борьбы с браком и источниками его возникновения проводятся разнообразные мероприятия. Большинство из них носит общий характер, например улучшение методов и повышение качества очистки полупроводниковых пластин, различных используемых в производстве материалов, воды, растворителей, газов, оснастки. Ряд мер носит специальный характер. Например, совмещение второй стадии диффузии бора с окислением позволяет резко снизить вредное влияние фосфоросодержащих частичек, растворяющихся в растущем окисле. Для борьбы с точечными дефектами типа проколов в процессе проведения фотолитографических операций можно проводить фотолитографию в два этапа, нанося резист и осуществляя обработку последовательно два раза. Очень большой эффект дает переход к проекционной фотолитографии, когда не приходится приводить пластину и фотошаблон в соприкосновение. Кроме того, при использовании проекционной литографии гораздо меньше изнашиваются шаблоны и срок их службы продлевается во много раз.

Вероятность возникновения очень многих типов дефектов зависит от площади кристалла. Очевидно, что и число появляющихся бракованных структур также увеличивается с увеличением площади структуры. При этом в ряде случаев можно говорить, что какой-то тип дефектов, приводящий, скажем, к полному браку, появляется с определенной вероятностью, соответствующей какому-то конкретному числу дефектов на единицу площади. С увеличением площади структуры наступит момент, когда вероятность попадания дефекта на каждую структуру приближается к единице. Тогда выход годных структур будет практически равен нулю. Иначе говоря, с увеличением площади транзисторной структуры процент выхода годных структур может падать очень резко. Относительно низкий процент выхода годных структур - это серьезнейшее препятствие на пути разработки и производства мощных ВЧ транзисторов, представляющих собой сложнейшие полупроводниковые приборы, не уступающие по числу элементов (достигающему нескольких тысяч) большим интегральным схемам, а по требованиям к идентичности и к свойствам этих элементов превосходящие их.

Итак, к технологии изготовления кристаллов со структурами мощных ВЧ транзисторов предъявляются очень высокие требования. В то же время уровень технологии является во многих случаях определяющим и для достижения требуемых значений параметров изготовляемых структур, и приемлемого выхода годных. Уровень технологии - очень существенный фактор обеспечения достаточно высокой надежности мощных ВЧ транзисторов.


2.2. ТРЕБОВАНИЯ К КОРПУСАМ И ОСОБЕННОСТИ КОНСТРУКЦИИ

Перечислим основные требования к корпусам мощных ВЧ транзисторов. Корпуса должны:

1.Обладать малыми паразитной индуктивностью выводов и межэлектродной емкостью. Это необходимо для обеспечения высокой рабочей частоты, достаточно высокого коэффициента усиления ВЧ мощности, необходимой широкополосности и малого коэффициента подавления комбинационных частот (последние два требования относятся к транзисторам, предназначенным для линейных широкополосных усилителей).

2.Иметь выводы, изолированные от теплоотводящего основания корпуса. Без выполнения этого требования значительно затрудняется создание ВЧ усилителей.

3.Обладать малым тепловым сопротивлением, так как от современных мощных ВЧ транзисторов приходится отводить десятки и даже сотни ватт выделяющейся в них мощности. Это требование особенно трудно выполнить в связи с тем, что площадь источника выделения тепла, т. е. разогретого кристалла, несмотря на принятые меры (создание на кристалле большого числа разнесенных структур), намного меньше, чем у НЧ мощных транзисторов с такой же рассеиваемой мощностью, а также в связи с тем, что транзисторная структура в этих приборах электрически изолируется от монтажной части корпуса, через которую идет отвод тепла во внешнюю среду,

4.Обеспечивать в том месте, куда монтируется кристалл, близость коэффициентов теплового расширения кристалла и кремния. Без этого нельзя обеспечить механическую прочность прибора, а также устойчивость его к циклическим температурным и термоэлектрическим нагрузкам.

5.Обеспечивать герметичность того объема, в котором размещается кристалл. Это связано с тем, что прибор должен длительно выдерживать воздействие окружающей среды во всем диапазоне рабочих температур, в том числе и в условиях высокой влажности.

Среди этих требований для мощных ВЧ транзисторов специфичны первые три. Разрешить их удалось благодаря уникальному сочетанию свойств окиси бериллия, обладающей высокой теплопроводностью, близкой к теплопроводности металлов, и в то же время являющейся диэлектриком. Керамика, созданная на основе окиси бериллия, имеет очень малый коэффициент теплового расширения, довольно близкий к коэффициенту расширения кремния.

В последнее время появляются сведения о том, что ведутся работы по использованию еще одного вещества, обладающего подобными свойствами, а именно нитрида алюминия. Кроме того, есть сведения об использовании в качестве диэлектрических теплопрово-дящих подложек материалов на основе алмаза.

Рассмотрим теперь конструкции некоторых типов корпусов, используемых для сборки мощных ВЧ транзисторов. Один из первых корпусов, в которые начали собирать мощные ВЧ транзисторы, - корпус типа КТ4. Основа корпуса - монтажное основание (диск из керамики на основе окиси бериллия), на которое должен напаиваться кристалл с транзисторной структурой. Керамическое основание напаивается высокотемпературным припоем на медный фланец с монтажным винтом. Чтобы можно было осуществить эту напайку, на керамическом диске предварительно создается металлизация. Для этого на нижнюю сторону керамики наносится молиб-дено-марганцевая паста, которая вжигается при высокой температуре, а затем никелируется. На верхнюю сторону через трафарет также наносится рисунок из молибдено-марганцевой пасты. К различным областям этого рисунка одновременно с напайкой диска на фланец припаиваются штыревые выводы эмиттера, базы и коллектора. Металлизированные области на керамике служат для монтажа кристалла (с этой областью связан коллекторный штыревой вывод) и для приварки внутренних проволочных выводов эмиттера и базы, идущих от кристалла (с этими областями связаны эмиттерный и базовый штыревые выводы). Фланец с керамическим основанием и собранным на нем кристаллом герметизируют баллоном, представляющим собой металлический цилиндр с керамической крышкой, в сквозные отверстия которой впаяны металлические трубки, закрытые с верхнего конца. При одевании баллона на фланец штыревые выводы эмиттера, базы и коллектора входят в эти трубки. После герметизации трубки обжимаются вокруг выводов для надежного электрического контакта между внешними и внутренними выводами.

Корпус К.Т4 показан на рис. 2.3. В него собирают приборы с мощностью рассеяния до 20 Вт. Для сборки более мощных приборов, например с мощностью рассеяния до 100 Вт, используется корпус КТ7, имеющий ту же конструкцию, но большие габариты. В корпусах КТ4 и К.Т7 обеспечиваются изоляция всех выводов от монтажного фланца, механическая прочность места соединения кристалла с керамическим основанием, высокая герметичность и сравнительно невысокое тепловое сопротивление. При создании этих корпусов возникла проблема обеспечения прочности соединения керамики с монтажным фланцем. Дело в том, что монтажный фланец изготовляется из меди, коэффициент термического расширения которой во много раз больше, чем коэффициент расширения керамики на основе окиси бериллия. Уже при охлаждении от точки затвердевания припоя, которым керамика напаивается на фланец, до ком-натной температуры в керамике и меди, а также в соединяющем их припое возникают значительные механические напряжения. Прочность припоя и меди достаточно высоки для того, чтобы выдержать эти напряжения. Что же касается керамики, то возникающие в ней напряжения могут оказаться близкими к пределу прочности и она может разрушаться или сразу после пайки, или при последующей .резкой циклической смене температур. Чтобы предотвратить разрушение керамики, приходится припаивать ее к фланцу не по всей площади, а делать на фланце в центре специальное возвышение, диаметр которого намного меньше диаметра керамики, но превосхо-,дит размеры монтируемого в корпусе кристалла. В результате тепловое сопротивление такой конструкции возрастает



[стр.Начало] [стр.1] [стр.2] [стр.3] [стр.4] [стр.5] [стр.6] [стр.7] [стр.8] [стр.9] [стр.10] [стр.11] [стр.12] [стр.13] [стр.14] [стр.15] [стр.16] [стр.17] [стр.18] [стр.19] [стр.20] [стр.21] [стр.22] [стр.23] [стр.24] [стр.25] [стр.26]