CC BY
20
ПРОБЛЕМА РАЗРУШЕНИЯ ПРОВОДЯЩИХ ТОНКОПЛЕНОЧНЫХ СТРУКТУР В ИНТЕГРАЛЬНЫХ МИКРОСХЕМАХ ПОД ВОЗДЕЙСТВИЕМ СВЧ-ИЗЛУЧЕНИЯ
С.И. Морозов, магистрант Р.А. Иванов, магистрант Крымский федеральный университет (Россия, г. Симферополь)
DOI: 10.24411/2500-1000-2021-1045
Аннотация. В статье рассматривается проблема разрушаемости проводящих тонкопленочных структур под воздействием сверхвысокочастотного электромагнитного излучения. Проведен ряд исследований по воздействию СВЧ излучения на металлодиэлек-трические структуры с гибкими подложками из лавсана и фторопласта, и напылением алюминия толщиной от 10 до 30 нанометров. Результаты исследований показали процесс деградации пленочного напыления, а также термического разрушения подложек под воздействием электромагнитного излучения. Так же был проведен сравнительный анализ полученных экспериментальных данных.
Ключевые слова: металлодиэлектрическая структура, деградация пленок, тепловой пробой, волновод, прожег структуры.
Быстрое развитие электронных технологий все больше подталкивает к необходимости миниатюризации и дальнейшему переходу на толщины, соизмеримые с единицами нанометров, однако эти изменения сопровождаются рядом трудностей, обусловленных проблематикой неполноты теоретических знаний об эффектах, происходящих на столь малых величинах.
С уменьшением размера электрических компонентов и самих устройств необходимо учитывать все большее количество как внешних, так и внутренних факторов, влияющих на работоспособность системы в целом [1, 2]. В связи с этим очень важно понимание процессов, происходящих в электронных устройствах, на толщинах нанометрового диапазона. Таким образом целью исследования является изучение структуры тонкопленочных проводящих материалов и процессов, возникающих при воздействии на них СВЧ-излучения [3].
На сегодняшний день фактически в любой электронной аппаратуре (ЭА) используются интегральные микросхемы (ИМС). Увеличение степени интеграции современной микроэлектроники, миниатюризацией элементной базы, созданием многофункциональных ИМС все более важными становятся вопросы защиты ЭА от влияния электромагнитного излучения и помех. Устойчивая работа ЭА может быть гарантирована только при безотказном функционировании ее элементов: диодов, транзисторов, ИМС и др. [4].
Структурный анализ повреждения ИМС показывает [5], что наиболее распространенными явлениями повреждения ИМС являются вторичный пробой, плавление металлизации и пробой диэлектрика. На рисунке 1а, 1б и 1в представлены фрагменты повреждения разных ИМС: с разрывом металлизации по входам, с пробоем защитного диода и с перегоранием токове-дущей линии на углу поворота.
а б в
Рис. 1. Характерные виды повреждений интегральных микросхем
Современные ИМС и электрические активные и пассивные элементы (резисторы, транзисторы, емкости и т.д.) создаются на основе пленочных технологий, увеличивающих степень интеграции компонентов за счет уменьшения их размеров. Элементы ИМС базируются на диэлектрических подложках, поверх которых располагаются изолирующие и проводящие пленки, выполняющие роль электрических соединителей активных элементов. Количество таких слоев, чередующихся между собой может достигать нескольких десятков.
Основной проблемой при эксплуатации ИМС с многослойными пленочными структурами является интенсивное воздействие электромагнитного излучения, которое может привести к разрушению
проводящих слоев и выводу из строя всей микросхемы, что в последствии может нарушить работу как других микросхем, так и прибора в целом.
В связи с этим актуальным является изучение физических явлений, нарушающих работу элементов ИМС в электромагнитных полях (электромагнитная совместимость ИМС), а также способов экранирования оборудования и пленочных структур от пагубного воздействия электромагнитного излучения. В качестве исследуемых образцов использовались металоди-электрические структуры (МДС), полученные методом магнетронного напыления алюминия на гибкие диэлектрические подложки из полиэтилентерефталата (лавсан) и фторопласта.
Рис. 2. Алюминиевая пленка толщиной 20 нанометров на подложке из лавсана
На рисунках показаны фотографии образцов МДС на подложках из лавсана и фторопласта под микроскопом, после воздействия на них СВЧ-излучения мощностью 600 Ватт в течение определенного времени. На втором рисунке образец с
подложкой из лавсана и напылением алюминия толщиной в двадцать нанометров, подверженный излучению длительностью в одну секунду. На образце МДС отчетливо видна множественная деградация структуры параллельно движению токов.
На третьем рисунке образец с подложкой из лавсана и напылением алюминия толщиной примерно десять нанометров, подверженный излучению длительностью
На четвертом рисунке образец с подложкой из фторопласта и напылением алюминия толщиной примерно 30 нанометров, подверженный излучению дли-
в две секунды. Увеличение длительность облучения повлекло за собой обширное тепловое разрушение пленки, и серьезной деформации подложки.
тельностью в одну секунду. Заметны характерные электрические пробои структуры металлизированной пленки вдоль всего образца.
Рис. 3. Алюминиевая пленка толщиной 10 нанометров на подложке из лавсана
Изучив полученные образцы можно прийти к выводу, что в тонкопленочных структурах под кратковременным воздействием СВЧ-излучения происходит механическая деформация осажденной атомарной структуры на диэлектрической подложке вдоль движения токов за счет частичного поглощения энергии и как следствие теплового разрушения целостности материала. Разрушение одной или нескольких пленочных слоев может привести к временному, или же необратимому прекращению работы микросхемы, что в
свою очередь приводит к лавинообразному отказу всех взаимодействующих с ней элементов, и безвозвратно повреждает интегральную микросхему. Однако факт того, что металлодиэлектрические структуры поглощают электромагнитное излучение, а также и отражают его, может использоваться в дальнейшем как основа, для создания средств эффективного экранирования электронной аппаратуры и микросхем, защищая сверхчувствительные части от наводок и помех.
Библиографический список
1. Thin Solid Films / I.H. Kazi [at al.] - 2003. - Vol. 433. - P. 337-343
2. Wong K.L. Effects of electromagnetic interference for electromagnetic pulses incident on microstrip circuits // IEEE Proceedings. - 1990. - Vol. 137, №1. - P. 75-77.
3. Арсеничев С.П. Дифракция электромагнитного излучения на тонких проводящих пленках металлодиэлектрических структур в прямоугольном волноводе / С.П. Арсеничев [и др.] // Электромагнитные волны и электронные системы. - 2017. - Т. 22, № 2. - C. 4853.
4. Повреждения интегральных микросхем в полях радиоизлучения / Ю.А. Пирогов, А.В. Солодов / Журнал радиоэлектроники. - 2013. - №6. - С. 3.
5. Ключник А.В. Исследование стойкости интегральных микросхем в электромагнитных полях импульсного радиоизлучения / Ключник А.В., Пирогов Ю.А., Солодов А.В. // Радиотехника и электроника. - 2011. - Т. 56, № 3. - С. 375-378.
6. Klyuchnik A.V., Pirogov Yu.A., Solodov A.V. Investigation of the IC Resistance to Pulsed Electromagnetic Radiation // Journal of Communications Technology and Electronics, 2011, Vol. 56, № 3, Pp. 342-346.
7. Шапиро Д.Н. Электромагнитное экранирование: монография. - Долгопрудный: Из-дат. дом «Интеллект», 2010. - 120 с.
THE PROBLEM OF DESTROYING CONDUCTING THIN-FILM STRUCTURES IN INTEGRAL MICROSCIRCUITS UNDER THE INFLUENCE OF MICROWAVE
RADIATION
S.I. Morozov, Graduate Student R.A. Ivanov, Graduate Student Crimean Federal University (Russia, Simferopol)
Abstract. The article discusses the problem of the destructibility of conductive thin-film structures under the influence of microwave electromagnetic radiation. A number of studies have been carried out on the effect of microwave radiation on metal-dielectric structures with flexible substrates made of lavsan and fluoroplastic, and aluminum deposition with a thickness of 10 to 30 nanometers. The research results showed the process of degradation offilm spraying, as well as thermal destruction of substrates under the influence of electromagnetic radiation. A comparative analysis of the obtained experimental data was also carried out.
Keywords: metal-dielectric structure, film degradation, thermal breakdown, waveguide, structure burn-through.
