Математична модель та механізм впливу імпульсних електромагнітних полів на мікроструктури

Размещено на http://www.allbest.ru/

ХАРКІВСЬКИЙ ДЕРЖАВНИЙ ТЕХНІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ РАДІОЕЛЕКТРОНІКИ

УДК 537.86

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата фізико-математичних наук

МАТЕМАТИЧНА МОДЕЛЬ ТА МЕХАНІЗМ ВПЛИВУ ІМПУЛЬСНИХ ЕЛЕКТРОМАГНІТНИХ ПОЛІВ НА МІКРОСТРУКТУРИ

Спеціальність 01.04.03 - радіофізика

ТАРАН Євгеній Павлович

Харків - 2000

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Таврійському національному університеті ім. В.І.Вернадського

Науковий керівник: кандидат фізико-математичних наук, доцент Старостенко Володимир Вікторович, Таврійський національний університет ім. В.І. Вернадського, завідувач кафедри радіофізики

Офіційні опоненти: доктор фізико-математичних наук, професор Магда Ігор Іванович, Національний Науковий Центр "Харківський фізико-технічний інститут", Інститут плазмової електроніки і нових методів прискорення, начальник лабораторії; доктор фізико-математичних наук, професор Нерух Олександр Георгійович, Харківський державний технічний університет радіоелектроніки, завідувач кафедри вищої математики

Провідна установа: Київський національний університет ім. Т.Г. Шевченка, кафедра квантової радіофізики

Захист відбудеться " 20 " червня 2001 р. о 1315 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 64.052.03 при Харківському державному технічному університеті радіоелектроніки за адресою: 61166, м. Харків, пр. Леніна, 14, ауд. 13.

З дисертацією можна ознайомитися у бібліотеці Харківського державного технічного університету радіоелектроніки за адресою: 61166, м. Харків, пр. Леніна, 14.

Автореферат розісланий " 18 " травня 2001 р

Вчений секретар Спеціалізованої вченої ради ___ Г.І. Чурюмов

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

електромагнітний хвиля мікроструктура імпульсний

Актуальність теми. Задача впливу електромагнітних полів на елементи радіоелектронної апаратури (РЕА) набула особливого значення у зв'язку з появою потужних генераторів електромагнітного випромінювання (релятивістських магнетронів, корсінотронів, віркаторів, лазерів на вільних електронах), здатних генерувати імпульсні електромагнітні поля (ІЕМП) потужністю 109ј1012 Вт в імпульсі з тривалістю імпульсу 10-11ј10-8 с. У сучасних пристроях електронної техніки як елементи РЕА використовуються інтегральні мікросхеми (ІМС). ІМС являють собою складну структуру, макрокомпонентами якої є кристал, корпус і виводи. Кристал, у свою чергу, являє собою структуру, що містить елементи, міжелементні з'єднання та контактні площадки, виконані в об'ємі та на поверхні напівпровідника. Мікроструктури, розташовані в кристалі, упорядковані з точки зору функціонального призначення ІМС та розподілені статистично довільно для ІЕМП, що впливає.

Для мікроструктур можна запровадити наступну ієрархію: 1. елементи на основі p-n-переходів, плівкові провідні елементи (металізація, контактні площадки та ін.), ізолюючі плівкові елементи (захисні покриття, ізолюючі шари, підкладки тощо); 2. неоднорідності p-n-переходів, плівкових елементів, обумовлені технологією, розміри яких на порядок менше розмірів самих елементів; 3. неоднорідності, порівняні з розмірами кристалічної решітки, і т.д. При впливі ІЕМП найбільший інтерес викликають дослідження процесів у мікроструктурних елементах (МСЕ) (перший рівень в ієрархії мікроструктур) з урахуванням неоднорідностей мікроструктур (другий рівень в ієрархії мікроструктур).

Вплив ІЕМП на МСЕ нерозривно пов'язаний з впливом ІЕМП на ІМС. МСЕ розташовуються в кристалі ІМС, і процеси, що виникають у мікроструктурах, визначаються характером взаємодії падаючої електромагнітної хвилі з ІМС. Вплив ІЕМП на ІМС необхідно розглядати з радіофізичної точки зору, що дозволяє врахувати вплив поляризаційного фактора (орієнтації ІМС з МСЕ, розташованими в кристалі, щодо падаючої електромагнітної хвилі) на характер розвитку деградаційних процесів у мікроструктурах. Радіофізичний підхід містить у собі розгляд дифракційних явищ, що виникають при впливі ІЕМП на ІМС, і дозволяє виявити зміни в співвідношеннях між падаючою, відбитою, минулою і поглиненою потужностями при розвитку необоротних деградаційних процесів у мікроструктурах. Розв'язання дифракційної задачі дозволяє визначити струми, що наводяться на плівкових МСЕ і викликають розвиток деградаційних процесів при впливі ІЕМП.

Більшість існуючих експериментальних досліджень по впливу ІЕМП на ІМС являють собою імітаційні моделі, в яких не розглядаються дифракційні процеси, зв'язані з взаємодією електромагнітної хвилі з ІМС і неоднорідними металодіелектричними мікроструктурами (МДМС), розташованими в кристалі.

Таким чином, актуальною є задача дослідження впливу ІЕМП на МСЕ з урахуванням їх неоднорідності при використанні радіофізичного підходу до питань впливу ІЕМП на ІМС. Радіофізичний підхід дозволить виявити механізм впливу ІЕМП на плівкові МДМС і розробити математичну модель, що описує розвиток необоротних деградаційних процесів у МСЕ з урахуванням різних значень провідності металевої плівки.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Робота виконана в рамках держбюджетної теми кафедри радіофізики Таврійського національного університету (ТНУ) "Дослідження пробоїв у напівпровідникових приладах і мікросхемах при впливі електромагнітних полів і моделювання режимів роботи напівпровідникових та електровакуумних приладів" (номер держрєестрації № 0198U002932) і відповідно до госпдоговорної теми з Науково-дослідним інститутом телевізійної апаратури "Фотон" (м.Сімферополь).

Основна мета дослідження - виявлення характеру та механізму взаємодії падаючої електромагнітної хвилі з мікроструктурами при впливі потужних ІЕМП, що викликає зміни в співвідношеннях між відбитою, минулою та поглиненою хвилями, визначення динаміки розвитку необоротних деградаційних процесів і виявлення причин утворення локальних ділянок у мікроструктурах, розташованих в кристалі ІМС, з урахуванням різних значень провідності металевої плівки.

Об'єкт дослідження - неоднорідні мікроструктури, розташовані в кристалі ІМС середнього ступеня інтеграції.

Предмет дослідження - механізм та характер впливу ІЕМП на МДМС. Характер розвитку необоротних процесів у металевих плівках визначається дифракційними процесами, що виникають при впливі ІЕМП на мікроструктури, і залежить від значень провідності металевих плівкових мікроструктур. Механізм та характер впливу ІЕМП на неоднорідні мікроструктури дозволяє провести чисельні дослідження динаміки утворення локальних деградаційних ділянок у металевих плівках.

Методи дослідження:

1. Проведення циклу експериментальних досліджень на основі радіофізичного підходу до задачі впливу ІЕМП на ІМС у хвилеводі для виявлення функціонально значущих МСЕ, розташованих у кристалі ІМС, визначення співвідношень між падаючою, відбитою, поглиненою і минулою хвилями і характеру розвитку деградаційних процесів у плівкових МДМС у залежності від поляризаційного фактора (орієнтації ІМС щодо падаючої електромагнітної хвилі);

2. Розробка чисельної дифракційної моделі розсіювання ІЕМП на МДМС у хвилеводі з урахуванням структурних та геометричних особливостей макрокомпонент ІМС (кристала, корпуса та виводів) для розрахунку електромагнітних полів (ЕМП) поблизу ІМС з урахуванням вищих типів хвиль і визначення струмів, що наводяться на різних МСЕ;

3. Створення динамічної електротеплової моделі взаємодії ІЕМП з плівковими МДМС і аналіз впливу мікронеоднорідностей провідності металевої плівки на динаміку та характер розвитку необоротних деградаційних процесів у плівкових провідних мікроструктурах.

Наукова новизна отриманих результатів:

1. Уперше проведено експериментальні дослідження з впливу ІЕМП на ІМС у хвилеводі. Результати експериментальних досліджень дозволили виявити механізм впливу ІЕМП на мікроструктури, розташовані в кристалі ІМС, та визначити граничні значення напруженості електричного поля падаючої електромагнітної хвилі, що викликають розвиток необоротних деградаційних процесів у МСЕ. Виявлено характер розвитку деградаційних процесів у тонких металевих плівках. Установлено, що для визначення причин та динаміки утворення локальних деградаційних ділянок у провідних мікроструктурах необхідно розробити електротеплову модель взаємодії падаючої електромагнітної хвилі з металевими плівками з урахуванням електрофізичних властивостей неоднорідних МДМС.

2. На основі рішення дифракційної задачі розсіювання електромагнітної хвилі на ІМС вперше отримано розподіли ІЕМП поблизу ІМС з урахуванням вищих типів хвиль та макрокомпонент ІМС (кристала, корпуса, виводів). Визначено критерій урахування вищих типів хвиль, що впливають на розподіл ЕМП поблизу ІМС та на струми, що наводяться на різних мікроструктурах, у залежності від орієнтації ІМС щодо падаючої електромагнітної хвилі.

3. Уперше створено динамічну електротеплову модель взаємодії падаючої електромагнітної хвилі з неоднорідними металевими плівками. Розроблена модель дозволила виявити причини та динаміку розвитку необоротних деградаційних процесів у металевих плівках, що носять локальний характер. Параметри електротеплової моделі визначалися експериментальними даними та даними дифракційної моделі розсіювання ІЕМП на ІМС.

4. Уперше проведені дослідження впливу неоднорідної провідності металевих плівок на характер та динаміку розвитку деградаційних процесів. На основі статистичного розподілу неоднорідності в металевих плівках отримано умови утворення множинних локальних деградаційних ділянок. Отримано геометричні розміри локальних ділянок та час розвитку необоротних деградаційних процесів у провідних мікроструктурах при впливі ІЕМП.

Практичне значення отриманих результатів:

отримано експериментальні дані по впливу поляризаційного фактора (орієнтації ІМС відносно ІЕМП) на характер розвитку деградаційних процесів у мікроструктурах, розташованих в кристалі ІМС, які дозволяють дати рекомендації розроблювачам РЕА з компонування елементної бази та розміщення печатних плат при проектуванні пристроїв електронної техніки;

розроблена чисельна дифракційна модель розсіювання ІЕМП на ІМС з урахуванням структурних елементів дозволяє визначати розподіл електромагнітних полів у хвилеводі поблизу неоднорідних металодіелектричних включень довільної форми, що має практичне значення при розв'язанні великої кількості наукових задач в галузі НВЧ-техніки;

динамічна електротеплова модель взаємодії ІЕМП з провідними плівками дозволяє розраховувати розподіл температурного поля в шаруватих МДМС, що входять до складу елементів РЕА, та сформулювати рекомендації з розробки ефективних тепловідводів (різної форми та матеріалу), що будуть забезпечувати надійне функціонування РЕА при впливі потужних ЕМП;

розроблена математична модель впливу ІЕМП на мікроструктури дозволяє обґрунтувати пороги необоротних деградаційних процесів у МСЕ, розташованих у кристалі ІМС, та прогнозувати терміни роботи РЕА в сучасній електромагнітній обстановці.

Результати дисертаційної роботи впроваджені в науково-дослідному інституті телевізійної апаратури "Фотон" (м. Сімферополь). Розроблені моделі (чисельна дифракційна модель розсіювання імпульсних електромагнітних полів на металодіелектричних структурах і динамічна модель взаємодії імпульсних електромагнітних полів з неоднорідними металодіелектричними мікроструктурами) використовуються в навчальному процесі ТНУ для навчання студентів за спеціальністю 7.070201 - радіофізика та електроніка.

Особистий внесок здобувача в отримані наукові результати складається в участі в експериментальних дослідженнях із впливу ІЕМП на ІМС і розробці математичної моделі по виявленню характеру, причин та динаміки розвитку деградаційних процесів у неоднорідних МСЕ.

Зокрема, у роботах [4-11] дисертантом проведені експериментальні дослідження з виявлення уразливих МСЕ і визначення впливу різних факторів та орієнтації ІМС на співвідношення між хвилями у хвилеводі при впливі ІЕМП; у роботах [3, 12, 13] розроблена чисельна дифракційна модель розсіювання ІЕМП на металодіелектричних структурах і отримані розподіли полів у поперечному перерізі хвилеводу поблизу ІМС та струми, що наводяться на МСЕ; у роботах [1, 2, 14-17] створена динамічна електротеплова модель взаємодії ІЕМП з шаруватою металодіелектричною структурою і виявлені причини та механізми розвитку локальних деградаційних процесів у провідних мікроструктурах з урахуванням неоднорідності металевої плівки.

Апробація результатів дисертації.

Основні положення дисертаційної роботи повідомлені і обговорені на наступних конференціях та семінарах:

Міжнародна конференція "Современные проблемы физики полупроводников и диэлектриков" (Ташкент, 1995); 6-а Міжнародна Кримська конференція "СВЧ-техника и телекоммуникационные технологии" (Севастополь, 1996), Міжнародний науково-технічний семінар "Шумовые и деградационные процессы в полупроводниковых приборах" (Москва, 1996), IX науково-технічна конференція “Датчик-97” (Гурзуф, 1997), Міжнародна конференція “Актуальные проблемы физики полупроводниковых приборов” (Ташкент, 1997), 7-а Міжнародна Кримська конференція "СВЧ-техника и телекоммуникационные технологии" (Севастополь, 1997), Міжнародний науково-технічний семінар "Шумовые и деградационные процессы в полупроводниковых приборах" (Москва, 1997), 8-а Міжнародна Кримська конференція "СВЧ-техника и телекоммуникационные технологии" (Севастополь, 1998), 14th International Wroclaw Symposium and Exhibition on Electromagnetic Compatibility (Wroclaw, Poland, 1998), International Conference on LASERS'98 (Arizona, USA, 1998), 9-а Міжнародна Кримська конференція "СВЧ-техника и телекоммуникационные технологии" (Севастополь, 1999), 10-а Міжнародна Кримська конференція "СВЧ-техника и телекоммуникационные технологии" (Севастополь, 2000).

Публікації. Основні результати дисертаційної роботи відображені в 17 публікаціях, з них 3 - у журналах ВАК з даної спеціальності. Список робіт наведений наприкінці автореферату.

Структура і обсяг дисертації. Дисертаційна робота складається зі вступу, чотирьох розділів, висновків, списку використаних джерел. Повний обсяг дисертації складає 154 сторінок; наведено 63 рисунка, 2 таблиці, 102 найменування використаних джерел (9 сторінок).

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі відзначено актуальність теми дослідження, показано зв'язок дисертаційної роботи з науковою темою кафедри радіофізики ТНУ, зазначено мету роботи та методи досліджень, відзначено її новизну та практичне значення, розглянуто особистий внесок автора в друкованих працях із співавторами.

У першому розділі розглянуто існуючі експериментальні та чисельні методи досліджень процесів у мікроструктурах при впливі ІЕМП. Показано, що взаємодія ІЕМП з МСЕ, розташованими в кристалі ІМС, нерозривно зв'язана з впливом ІЕМП на ІМС. Сформульовано радіофізичний підхід до задачі впливу ІЕМП на ІМС, що передбачає розгляд процесів взаємодії електромагнітної хвилі з МДМС і макрокомпонентами ІМС (кристалом, корпусом, виводами) у залежності від рієнтації ІМС відносно ІЕМП. На основі радіофізичного підходу розглянуто особливості моделей впливу ІЕМП на мікроструктури.

У другому розділі наводяться експериментальні дослідження з впливу ІЕМП на ІМС. Дослідження проводилися у хвилеводі, що дозволило визначити співвідношення між падаючою, поглиненою, відбитою та минулою потужностями при взаємодії ІЕМП із ІМС і виявити механізм впливу ІЕМП на ІМС, що призводить до розвитку необоротних деградаційних процесів у функціонально значущих МСЕ.

Як об'єкт досліджень при впливі ІЕМП використовувалися мікросхеми 155, 555, 561, 174 серій, біполярної та КМОН технологій, з розмірами кристалу від 1х1 до 2,5х2,5 мм, кількістю елементів на кристалі 103ј104, з 14 чи 16 виводами, у пластмасовому корпусі.

Для виключення резонансних ефектів при впливі ІЕМП на ІМС у хвилеводі експериментальні дослідження проводилися в довгохвильовому наближенні на довжині хвилі l”10 см (l>>d, де d - один з характерних геометричних розмірів ІМС обраного класу).

При проведенні експериментальних досліджень розглядалися процеси взаємодії ІЕМП з ІМС з урахуванням поляризаційного фактора (орієнтації ІМС щодо падаючої електромагнітної хвилі). У хвилеводі було обрано 6 характерних оріентацій ІМС щодо вектора напруженості електричного поля хвилі Н10 (рис.2).

Отримані значення поглиненої потужності в частках падаючої потужності (рис.3) показують, що найбільші значення поглиненої потужності мають ІМС в орієнтаціях "в" та "д" (рис.2). У цих орієнтаціях ІМС мають найбільші геометричні розміри уздовж вектора напруженості електричного поля хвилі H10.

Характер розвитку деградаційних процесів у МСЕ істотно залежить від поляризаційного фактора. Найбільш уразливими є ІМС в орієнтаціях "г" і "е" (рис.2): розвиток необоротних деградаційних процесів у металевих мікроструктурах, що викликають катастрофічне відмовлення ІМС біполярної технології, спостерігається при впливі одного імпульсу з тривалістю 1 мкс і напруженістю поля падаючої електромагнітної хвилі Еm=70ё75 кВ/м, для КМОН технології - при впливі ІЕМП із Еm= 80 ё 90 кВ/м. В оріентаціях "в" та "д" ІМС біполярної та КМОН технологій виходять з ладу при впливі 20ј40 імпульсів (тривалість - tі=1 мкс, шпаруватість - Q=10000) з Еm=100 кВ/м. В оріентаціях "а" та "б" мікросхеми залишаються працездатними при впливі на них протягом 30 хвилин ІЕМП з напруженістю Еm=100 кВ/м.

Аналіз причин відмовлення ІМС при впливі ІЕМП показує, що найбільш уразливими функціонально значущими МСЕ є металеві плівки (струмопровідні доріжки й контактні площадки): 91 % ІМС біполярної технології і 69 % ІМС КМОН технології виходять з ладу через вигоряння тонких металевих плівок. Деградаційні процеси в металевих плівках мають локальний характер - спостерігається "точкове" вигоряння металізації.

Характер та час розвитку деградаційних процесів у металевих плівках визначається струмами, наведеними в МДМС. Величина струмів залежить від орієнтації ІМС відносно ІЕМП. Коли площина кристала з МСЕ розташована паралельно вектору напруженості електричного поля падаючої електромагнітної хвилі Н10 (орієнтації "г", "е", "в", "д" (рис.2)), тоді струми, наведені на провідних мікроструктурах, мають максимальні значення. Час розвитку необоротних деградаційних процесів у провідних мікроструктурах для оріентацій "г" та "е" менше, ніж для оріентацій "в" та "д", що пов'язано з функціональними та топологічними особливостями МСЕ, розташованих у кристалі ІМС.

Для оріентацій "а" та "б" у МСЕ не спостерігається розвиток необоротних деградаційних процесів при даних параметрах зовнішнього ІЕМП (напруженість електричного поля електромагнітної хвилі Н10 - Еm=100 кВ/м, тривалість імпульсу - tі=1 мкс, шпаруватість - Q=10000). У цих орієнтаціях вектор напруженості електричного поля хвилі Н10 перпендикулярний кристалу ІМС, та по провідним МСЕ, розташованим у кристалі ІМС, практично не протікають струми.

Розвиток деградаційних процесів у МСЕ (металевих плівках), розташованих у кристалі ІМС, викликає відмовлення ІМС при впливі ІЕМП. Оскільки маса МСЕ складає соті частки маси кристала, експериментально визначити поглинену потужність, що витрачається на розвиток деградаційних процесів у провідних мікроструктурах, не вважається можливим. Для більш детального з'ясування причин та механізмів локальної деградації тонкої металевої плівки необхідно знати точні значення напруженості полів поблизу ІМС (струми в тонких металевих плівках), а також розробити чисельну динамічну електротеплову модель взаємодії ІЕМП з МДМС, що дозволяє проаналізувати характер розвитку деградаційних процесів з урахуванням неоднорідності металевих плівок.

У третьому розділі наводиться чисельна дифракційна модель розсіювання ІЕМП на металодіелектричних структурах у хвилеводі та отримано розподіли поля поблизу ІМС з урахуванням поляризаційного фактора.

Розроблена чисельна дифракційна модель розсіювання ІЕМП на металодіелектричних структурах у хвилеводі дозволяє одержати розподіл ЕМП поблизу ІМС з урахуванням макрокомпонентів ІМС (кристала, корпуса, виводів) та визначити струми, що наводяться на МСЕ. Побудова чисельної дифракційної моделі ґрунтується на використанні методу декомпозиції (методу мінімальних автономних блоків (МАБ)) для розв'язання задач взаємодії ІЕМП з неоднорідними металодіелектричними структурами. Використання методу МАБ дозволяє мінімізувати базис власних хвиль (у спектрі власних хвиль присутні дві однорідні Т-хвилі ортогональної поляризації).

При побудові чисельної моделі як об'єкт досліджень використовуються неоднорідні повздовжно-поперечні металодіелектричні структури (ІМС), що моделюються у вигляді системи автономних блоків. Кожен МАБ описується своєю матрицею розсіювання (відгуком автономного блоку на вплив ЕМП). Матриця розсіювання враховує розподіл потужності падаючої хвилі між потужностями минулої, відбитої та поглиненої хвиль. Для обліку металевих включень (металевих плівок у кристалі, виводів ІМС) використовуються блоки "короткого замикання", а для узгодження переходів між автономними блоками з різними електрофізичними параметрами використовуються стандартні блоки переходу.

Для одержання загальної матриці розсіювання всієї металодіелектричної структури (ІМС) використовується операція рекомпозиції - об'єднання матриць розсіювання всіх автономних блоків. Отримана матриця розсіювання досліджуваної структури містить у собі відгук різних макрокомпонентів ІМС (корпуса, кристала, виводів) на вплив ІЕМП. Для визначення структури поля поблизу металодіелектричної структури (ІМС) (розрахунок амплітуд та фаз вищих типів хвиль) використовуються фільтри вищих типів хвиль.

При проведенні чисельних експериментів з розрахунку структури ІЕМП поблизу ІМС виробляється оцінка значень коефіцієнта ослаблення (А) та коефіцієнта стоячої хвилі (Ксв) у наближенні основного типу хвилі (Н10) у залежності від поляризаційного фактора (рис.2). Результати розрахунків показали добре узгодження з експериментальними даними. Були проведені дослідження з впливу різних макрокомпонентів (кристала, корпуса, виводів) на структуру поля поблизу ІМС.

Чисельний експеримент показує, що при впливі ІЕМП із l”10 см кристали ІМС обраного класу (розміри кристала 1х1х0,1024 мм ё 2,5х2,5х0,1024 мм) не впливають на розподіл поля поблизу ІМС. Для розрахунку струмів, що наводяться на МСЕ при безпосередньому впливі ІЕМП на кристал, можна використовувати одномодове наближення (враховувати тільки основний тип хвилі у хвилеводі).

При впливі ІЕМП на МСЕ, розташовані в кристалі ІМС, необхідно враховувати вплив орієнтації корпуса та виводів на розподіл поля поблизу ІМС. Найбільші перекручування в структуру поля вносить корпус, коли він має найбільший геометричний розмір уздовж лінії напруженості електричного поля падаючої електромагнітної хвилі (орієнтація "в"). У цьому випадку для визначення реальної картини поля поблизу металодіелектричної структури (ІМС) необхідно враховувати до 20 вищих типів хвиль.

Виводи також впливають на структуру поля поблизу ІМС. Найбільші перекручування спостерігаються в орієнтації, коли виводи спрямовані уздовж лінії напруженості падаючої електромагнітної хвилі (орієнтація "а") (рис.5).

Однак тому, що розміри виводів більш ніж на порядок менше довжини хвилі ІЕМП, зміни значень напруженості електричного поля складають не більше 10 %. Ці зміни найбільші в орієнтації, коли площина кристала перпендикулярна напруженості електричного поля падаючої електромагнітної хвилі. З іншого боку, у цій орієнтації величини струмів, що наводяться на провідних мікроструктурах, є мінімальними і не призводять до розвитку необоротних деградаційних процесів для заданих параметрів ІЕМП.

Для визначення струмів, що наводяться на МСЕ при впливі ІЕМП, необхідно враховувати вищі типи хвиль та орієнтацію корпуса ІМС щодо падаючої електромагнітної хвилі.

У четвертому розділі наводиться чисельна динамічна електротеплова модель взаємодії ІЕМП з плівковими МДМС, що дозволяє виявити причини утворення локальних ділянок у мікроструктурах, розташованих у кристалі ІМС, і простежити динаміку розвитку необоротних деградаційних процесів з урахуванням різних значень провідності металевої плівки.

Побудова електротеплової моделі ґрунтується на двовимірному нестаціонарному рівнянні теплопровідності, що описує теплові процеси в шаруватих неоднорідних МДМС. Питома потужність теплових джерел визначається струмами провідності, що наводяться на металевих плівках при впливі ІЕМП. Металева плівка моделюється у вигляді сітки послідовно-рівнобіжних опорів, кожен з яких являє собою однорідну мікроділянку (у межах мікроділянки електрофізичні параметри вважаються однаковими).

Динамічна електротеплова модель є нелінійною, тому що враховуються залежності основних електрофізичних параметрів (коефіцієнтів теплопровідності, електропровідності) від часу та температури. Для чисельного розв'язання рівняння теплопровідності використовується неявна схема перемінних напрямків (схема Пісмена-Рекфорда).

При впливі ІЕМП на мікроструктури спостерігається утворення локальних ділянок у металевій плівці. Основною причиною локальної деградації металевої плівки є її неоднорідність. Неоднорідні ділянки провідної мікроструктури характеризуються ступенем неоднорідності (значеннями електропровідності), геометричними розмірами, взаємним розташуванням та місцем розташування на металевій плівці. Найбільша неоднорідність металевої плівки виявляється на краях (ділянки 1-2, 17-18) та в місцях контакту з діелектричними ділянками (ділянки 9-12), де спостерігаються значні перепади електрофізичних властивостей.

Розвиток деградаційних процесів у металевих плівках при впливі ІЕМП призводить до утворення локальних ділянок у провідній мікроструктурі.

Час та характер розвитку деградаційних процесів у провідних мікроструктурах визначається параметрами зовнішнього ІЕМП, структурними особливостями металодіелектричних елементів та граничними умовами. При впливі ІЕМП з тривалістю імпульсу tи=1 мкс і напруженістю Еm=75 кВ/м для орієнтації "е" спостерігається "незалежне вигоряння" локальних ділянок. Характерні розміри локальних деградаційних ділянок знаходяться в межах геометричних розмірів неоднорідних ділянок (20-30 мкм уздовж довжини металевої плівки). Розвиток деградаційних процесів у металевій плівці при впливі ІЕМП з тривалістю імпульсу tи=1 мкс носить адіабатичний характер.

Граничні значення напруженості електричного поля електромагнітної хвилі, що викликають появу локальних деградаційних ділянок, залежать від геометричних розмірів неоднорідних ділянок у металевій плівці. Збільшення глибини проникнення неоднорідної ділянки в провідну мікроструктуру призводить до звуження токового каналу і зменшення часу вигоряння локальної ділянки.

В орієнтації утворення локальних ділянок спостерігається при впливі декількох імпульсів напруженістю Еm=100 кВ/м з періодом проходження Т=10 мс (шпаруватість Q=10000) - реалізується режим з нагромадженням теплоти. Якісний характер розвитку деградаційних процесів аналогічний орієнтації "е", однак існують певні особливості. Кількість локальних ділянок, що утворилися, на 10 % менше, ніж в орієнтації "е". Локальні ділянки мають тенденцію до об'єднання, а катастрофічне відмовлення металевої плівки спостерігається після впливу 30 імпульсів. Це пов'язано з тим, що, якщо в орієнтації "е" на характер деградаційних процесів впливають в основному тільки електрофізичні параметри металевої плівки ("адіабатичний режим"), то в орієнтації "в" уся неоднорідна МДМС і граничні умови впливають на теплові потоки й динаміку розвитку процесів необоротного характеру в металевій плівці.

ОСНОВНІ РЕЗУЛЬТАТИ І ВИСНОВКИ

1. Розроблено математичну модель впливу ІЕМП на неоднорідні МДМС. Створена модель містить у собі дифракційну та електротеплову моделі. Чисельна дифракційна модель розсіювання падаючої електромагнітної хвилі на металодіелектричних структурах дозволяє одержати розподіл полів поблизу МСЕ та визначити струми, що наводяться на МДМС. Динамічна електротеплова модель взаємодії ІЕМП з неоднорідними МДМС дозволяє виявити характер, причини та механізм розвитку необоротних деградаційних процесів у тонких металевих плівках.

2. На основі радіофізичного підходу сформульована методика проведення експериментальних досліджень по виявленню функціонально значущих МСЕ і визначенню механізму та характеру взаємодії ІЕМП з мікроструктурами, що призводять до катастрофічного відмовлення ІМС і РЕА в цілому. Показано, що вплив ІЕМП на мікроструктури (p-n-переходи, діелектричні та провідні плівкові елементи та ін.) необхідно розглядати в нерозривному зв'язку з питаннями впливу ІЕМП на ІМС. З радіофізичної точки зору розгляд питань впливу ІЕМП на ІМС передбачає розв'язання дифракційної задачі розсіювання електромагнітної хвилі на металодіелектричній структурі з урахуванням макрокомпонентів ІМС (кристала, корпуса, виводів) та особливостей мікроструктур, розташованих у кристалі. Установлено, що граничні значення напруженостей електричного поля, що викликають розвиток необоротних деградаційних процесів у МДМС, розташованих у кристалі ІМС, визначаються параметрами ІЕМП та взаємною орієнтацією ІМС і падаючою електромагнітною хвилею.

3. Установлено, що для виявлення механізмів впливу ІЕМП на мікроструктури, які розташовані в кристалі ІМС, та визначення характеру розвитку необоротних деградаційних процесів необхідно виключити вплив резонансних явищ, що можливо при проведенні експериментальних досліджень та теоретичних розрахунків у довгохвильовому наближенні. Розв'язання дифракційної задачі передбачає знаходження співвідношень між падаючою, відбитою, поглиненою та минулою хвилями, що у випадку зіставлення практичних та теоретичних результатів для сформульованої задачі вимагає проведення експериментальних досліджень по впливу ІЕМП на ІМС у хвилеводі.

4. Проведені експериментальні дослідження з впливу ІЕМП на ІМС дозволили виявити характер розвитку деградаційних процесів у МДМС, що призводять до катастрофічного відмовлення ІМС. Установлено, що найбільш уразливими функціонально значущими МСЕ є металеві плівки (струмопровідні доріжки та контактні площадки): близько 90 % мікросхем біполярної технології та близько 70 % ІМС КМОН технології виходять з ладу внаслідок вигоряння металізації. Деградаційні процеси в металевих плівках найбільш виражені на контактних площадках та по периферії кристала й носять локальний характер - спостерігається "точкове" вигоряння металевої плівки. При впливі ІЕМП на МДМС необхідно враховувати поляризаційний фактор (орієнтацію ІМС щодо падаючої електромагнітної хвилі), що впливає на час розвитку деградаційних процесів у МСЕ для обраного класу ІМС (мікросхеми 155, 555, 561, 174 серій). Показано, що розвиток необоротних деградаційних процесів у МСЕ носить найбільш виражений характер у тих оріентаціях, у яких площина кристала рівнобіжна вектору напруженості електричного поля падаючої електромагнітної хвилі (Н10).

5. На основі чисельної дифракційної моделі отримані розподіли ЕМП поблизу металодіелектричних структур з урахуванням макрокомпонентів ІМС (кристала, корпуса та виводів). Установлено, що структура поля поблизу ІМС залежить від поляризаційного фактора: найбільші перекручування спостерігаються в орієнтаціях, коли корпус ІМС має найбільший геометричний розмір уздовж вектора напруженості електричного поля падаючої електромагнітної хвилі (орієнтація "в"). При розрахунку наведених струмів на МСЕ, залежно від орієнтації ІМС щодо падаючої електромагнітної хвилі, необхідно враховувати 15-20 вищих типів хвиль у хвилеводі.

6. Виявлено, що характер, причини та механізм розвитку необоротних деградаційних процесів у металевих плівках при впливі ІЕМП визначаються параметрами зовнішнього ІЕМП (амплітудою, частотою, тривалістю імпульсу, періодом), поляризаційним фактором та структурою металевих плівок. Установлено, що причиною локального вигоряння металевих плівок при впливі ІЕМП є неоднорідність провідної мікроструктури, а динаміка розвитку локальних деградаційних процесів у провідній мікроструктурі носить різний характер за структурою металевої плівки. Найбільш виражені деградаційні явища на краях металевих плівок (контактні площадки) та в місцях контакту провідних мікроструктур з діелектричними шарами. На характер та час розвитку деградаційних процесів у металевих плівках істотний вплив має поляризаційний фактор. Залежно від орієнтації ІМС відносно ІЕМП утворення локальних ділянок у металевій плівці має або "адіабатичний" характер, або реалізується режим "нагромадження теплоти" - поступове збільшення кількості локальних ділянок при впливі декількох імпульсів ІЕМП.

ОСНОВНІ РЕЗУЛЬТАТИ ДИСЕРТАЦІЇ ОПУБЛІКОВАНІ В РОБОТАХ

1. Е.П.Таран, В.В.Старостенко, Е.В.Григорьев Локальная деградация металлизации в интегральных микросхемах при воздействии электромагнитных полей // Радиофизика и электроника. - 1998. - Т.3, №1. - С.123-126.

2. Е.П.Таран, В.В.Старостенко Численный анализ влияния неоднородности металлизации на тепловой режим микросхем // ЖТФ. - 1998. - Т.68, №12. - С.90-92.

3. Е.П.Таран Влияние высших типов волн на распределение электромагнитных полей вблизи неоднородности // Ученые записки ТНУ. - 2000. - Т.13, № 2. - С.107-112.

4. Старостенко В.В., Таран Е.П., Григорьев Е.В., Борисов А.А. Воздействие электромагнитных полей на интегральные микросхемы // Измерительная техника. - 1998. - № 4. - С.65-67.

5. Старостенко В.В., Григорьев Е.В., Таран Е.П. Влияние электромагнитных полей на стойкость интегральных микросхем // Материалы докладов 6-ой Международной Крымской Конференции "СВЧ-техника и телекоммуникационные технологии". - Севастополь. - 1996. - С.433-436.

6. Старостенко В.В., Таран Е.П., Мазинов А.С.-А. Воздействие статического электричества на интегральные микросхемы // Материалы докладов международного научно-технического семинара "Шумовые и деградационные процессы в полупроводниковых приборах (метрология, диагностика, технология)" - М.: МНТОРЭС им.А.С.Попова. - 1998. - С.416-420.

7. Григорьев Е.В., Старостенко В.В., Таран Е.П., Борисов А.А. Исследование стойкости микросхем при воздействии мощных монохроматических электромагнитных полей // Материалы докладов 8-ой Международной Крымской Конференции "СВЧ-техника и телекоммуникационные технологии". - Севастополь. - 1998. - С.138-139.

8. V. Starostenko, M.V. Glumova, E. Taran, Y.V. Grygoriev Influence of Electromagnetic Fields on Integrated Microcircuits // Proceedings 14 International Wroclaw Symposium And Exhibition On Electromagnetic Compatibility. - Wroclaw (Poland). - 1998. - P. 362-365.

9. Таран Е.П., Старостенко В.В., Мазинов А.С. Исследование стойкости интегральных микросхем при воздействии электромагнитных полей // Тезисы докл. Международной конференции "Современные проблемы физики полупроводников и диэлектриков". - Ташкент. - 1995. - С.15.

10. Старостенко В.В., Григорьев Е.В., Таран Е.П. Исследование воздействия электромагнитных полей на элементы радиоэлектронной аппаратуры // Тезисы докладов IX научно-технической конференции "Датчики и преобразователи информации систем измерения, контроля и управления" (Датчик-97). - М.: МГИЭМ. - 1997. - С.360-362.

11. Таран Е.П., Старостенко В.В., Мазинов А.С.-А. Исследование пробоя микросхем при воздействии электромагнитных полей // Сборник трудов международной конференции “Актуальные проблемы физики полупроводниковых приборов”. - Ташкент. - 1997. - С.123-125.

12. Старостенко В.В., Таран Е.П., Шадрин А.А., Воистинов А.В., Григорьев Е.В. Расчет электромагнитных полей в волноведущих структурах со сложной геометрией // Материалы докладов 8-ой Международной Крымской Конференции "СВЧ-техника и телекоммуникационные технологии". - Севастополь. - 1998. - С.273-274.

13. Таран Е.П., Старостенко В.В., Григорьев Е.В., Лащенников Д.Э. Распределение тока и локализация тепла в металлизации интегральных микросхем при воздействии электромагнитных полей // Материалы докладов 10-ой Международной Крымской Конференции "СВЧ-техника и телекоммуникационные технологии". - Севастополь. - 2000. - С.478-479.

14. Таран Е.П., Старостенко В.В., Борисов А.А. Численное моделирование развития деградационных процессов в ИМС // Материалы докладов международного научно-технического семинара "Шумовые и деградационные процессы в полупроводниковых приборах (метрология, диагностика, технология)" - М: МНТОРЭС им.А.С.Попова. - 1997. - С.364-369.

15. Таран Е.П., Старостенко В.В., Григорьев Е.В., Борисов А.А. Динамика деградационных процессов в интегральных микросхемах // Материалы докладов 6-ой Международной Крымской Конференции "СВЧ-техника и телекоммуникационные технологии". - Севастополь. - 1996. - с.437-440.

16. V. Starostenko, M.V. Glumova, E. Taran, Y.V. Grygoriev Dynamics of Degradation Processes in Metallization of Integrated Microcircuits Under the Influence of Electromagnetic Fields // Proceedings 14 International Wroclaw Symposium And Exhibition On Electromagnetic Compatibility, Wroclaw (Poland). - 1998. - P. 366-370.

17. Мазинов А.С., Таран Е.П., Старостенко В.В. Процессы локализации тепла в слоистых структурах // Тезисы докл. Международной конференции "Современные проблемы физики полупроводников и диэлектриков". - Ташкент. - 1995. - с.46.

АННОТАЦИЯ

Таран Е.П. Математическая модель и механизм воздействия импульсных электромагнитных полей на микроструктуры. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук по специальности 01.04.03 - радиофизика. - Харьковский государственный технический университет радиоэлектроники, Харьков, 2000.

Диссертационная работа посвящена исследованию деградационных процессов в неоднородных металлодиэлектрических микроструктурах (МДМС), расположенных в кристалле интегральных микросхем (ИМС), при воздействии импульсных электромагнитных полей (ИЭМП). Воздействие ИЭМП на микроструктуры неразрывно связано с исследованиями воздействия электромагнитной волны на ИМС. В диссертационной работе разработана методика проведения исследований, которая позволяет проследить схему взаимодействия падающей электромагнитной волны с пленочными МДМС и выявить характер, причины и механизм развития деградационных процессов в микроструктурах с учетом неоднородности металлической пленки.

Проведен цикл экспериментальных исследований по воздействию ИЭМП на ИМС в волноводном тракте, который позволил выявить функционально значимые микроструктурные элементы (МСЭ), приводящие к катастрофическому отказу ИМС. Установлено, что наиболее уязвимыми пленочными МСЭ являются тонкие металлические пленки (токопроводящие дорожки и контактные площадки): в зависимости от топологии отказ ИМС по причине выгорания металлических пленок составляет 70-90 %. Время развития необратимых деградационных процессов в проводящих микроструктурах зависит от параметров внешнего ИЭМП и поляризационного фактора (ориентации ИМС относительно падающей электромагнитной волны). Развитие необратимых деградационных процессов в МСЭ носит наиболее выраженный характер в тех ориентациях, когда плоскость кристалла параллельна вектору напряженности электрического поля падающей электромагнитной волны (волна Н10).

Для определения токов, которые наводятся на МСЭ, исследованы дифракционные процессы, возникающие при воздействии ИЭМП на металлодиэлектрические структуры (ИМС) в волноводе, и получены распределения полей вблизи ИМС с учетом макрокомпонент (кристалла, корпуса, выводов). Установлено, что для выбранного класса ИМС (микросхемы 155, 555, 561, 174 серий, биполярной и КМОП технологий с размерами кристалла 1х1ё2,5х2,5 мм) при воздействии ИЭМП с длиной волны l”10 см наибольшие искажения в структуру поля вносит корпус. Распределение поля вблизи металлодиэлектрической структуры зависит от поляризационного фактора. Для определения токов, которые наводятся на пленочных микроструктурах при воздействии ИЭМП, в зависимости от ориентации ИМС относительно ИЭМП необходимо учитывать до 20 высших типов волн, возникающих в волноводе вблизи металлодиэлектрической структуры.

Развитие деградационных процессов в МСЭ определяется процессами взаимодействия ИЭМП с пленочными МДМС. В тонких металлических пленках развитие деградационных процессов носит локальный характер - наблюдается "точечное" выгорание проводящих микроструктур. На основе разработанной динамической электротепловой модели взаимодействия ИЭМП с тонкими металлическими пленками установлено, что причиной локальной деградации проводящих микроструктур является их неоднородность. Неоднородность проводящей микроструктуры обусловлена перепадом электрофизических параметров и наиболее выражена на краях проводящих микроструктур (контактные площадки) и в местах контакта с диэлектрическими участками. Выявлены параметры неоднородности, влияющие на характер и динамику развития деградационных процессов. Установлено, что пространственные размеры локальных деградационных участков находятся в пределах размеров неоднородности (5-15 мкм).

Время развития деградационных процессов в тонких металлических пленках определяется поляризационным фактором. Рассмотрены особенности взаимодействия электромагнитной волны с неоднородными пленочными МДМС в зависимости от поляризационного фактора. Исследована динамика образования локальных участков в неоднородной металлической пленке с учетом процессов накопления теплоты при воздействии нескольких импульсов.

Ключевые слова: металлодиэлектрическая микроструктура, импульсное электромагнитное поле, необратимые деградационные процессы, интегральная микросхема, матрица рассеяния, волноводный тракт, неоднородность металлических пленок.

АНОТАЦІЯ

Таран Є.П. Математична модель та механізм впливу імпульсних електромагнітних полів на мікроструктури. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата фізико - математичних наук за спеціальністю 01.04.03 - радіофізика. - Харківський державний технічний університет радіоелектроніки, Харків, 2000.

Дисертаційна робота присвячена дослідженню процесів у неоднорідних металодіелектричних мікроструктурах, розташованих у кристалі інтегральних мікросхем, при впливі імпульсних електромагнітних полів. При побудові математичної моделі та виявленні механізму впливу імпульсних електромагнітних полів на мікроструктури використовувався радіофізичний підхід до задачі впливу імпульсних електромагнітних полів на інтегральні мікросхеми. У дисертації розглянуто процеси взаємодії мікроструктурних елементів з падаючою електромагнітною хвилею.

Експериментальні дослідження дозволили виявити функціонально значущі МСЕ при впливі імпульсних електромагнітних полів на ІМС у хвилеводі. Установлено вплив поляризаційного фактору на характер розвитку деградаційних процесів у тонких металевих плівках. Розроблено чисельну дифракційну модель розсіяння падаючої електромагнітної хвилі на металодіелектричних структурах (ІМС). Одержано розподілення електромагнітних полів поблизу ІМС. Виявлено причини, характер та динаміку розвитку локальних деградаційних процесів у металевих плівках при впливі імпульсних електромагнітних полів.

Ключові слова: металодіелектрична мікроструктура, імпульсне електромагнітне поле, необоротні деградаційні процеси, інтегральна мікросхема, матриця розсіювання, хвилевод, неоднорідність металевих плівок.

ABSTRACT

Taran Ye.P. Mathematical model and mechanism of effect of pulse electromagnetic fields on microstructures. - Manuscript.

Thesis for a candidate degree in speciality 01.04.03 - radiophysics. - Kharkov technical university of radioelectronics, Kharkov, 2000.

The thesis is dedicated to research of processes in inhomogeneous metal-dielectric microstructures arranged in a chip of integrated circuits, at effect of pulse electromagnetic fields. At construction of mathematical model and detection of the mechanism of effect of pulse electromagnetic fields on microstructures the radiophysical approach to a problem of effect of pulse electromagnetic fields on integrated circuits was used. In the thesis the processes of interaction of microstructural elements with a dropping electromagnetic wave are reviewed.

The experimental researches have allowed to reveal functionly significant microstructural elements at effect of pulse electromagnetic fields on integrated circuits in the waveguide. Influencing the polarization factor on a developmental character of degradation processes in thin metallical films is established. The numerical diffraction model of dissipation of a dropping electromagnetic wave on metal-dielectric structures is designed. The distributions of electromagnetic fields near to integrated circuits are obtained. The reasons, character and dynamics of development of local degradation processes in metallical films are detected at effect of pulse electromagnetic fields.

Key words: a metal-dielectric microstructure, pulse electromagnetic field, nonreversible degradation processes, integrated circuit, scattering matrix, waveguide, non-uniformity of metallical films.

Размещено на Allbest.ru