Česká laboratoř pro elektronický šum na VUT v Brně

Ústavy fyziky FEKT a FAST Vysokého učení technického v Brně jsou od roku 1995 zapojeny do evropské sítě výzkumných pracovišť pro studium a aplikace fluktuačních procesů v pevných látkách. V rámci projektu PECO-ELEN „European Laboratory for Electronic Noise”, jehož řešitelem byl prof. Josef Šikula, byla na Vysokém učení technickém v Brně (VUT) ustavena Česká laboratoř pro elektronický šum. Vědecká rada VUT dala dne 6. 12. 1996 souhlas se založením „Sdružení pro šumovou diagnostiku v elektronice – Czech Noise Research Laboratory”.

Česká laboratoř pro elektronický šum je orientována na výzkum nových způsobů a metod zjišťování spolehlivosti a odhadu životnosti součástek pro elektroniku. Navazuje ve své činnosti na práce v této oblasti, prováděné více než dvacet let skupinou na VUT v Brně, která v rámci státního plánu základního výzkumu řešila problematiku stochastických jevů v polovodičích.

Výzkum, v současnosti prováděný převážně v rámci grantů Evropského společenství a České grantové agentury, je zaměřen na stanovení korelace mezi šumovými charakteristikami a spolehlivostí jednotlivých součástek a zařízení. Požadovaným cílem je určení možných indikátorů spolehlivosti a vypracování rychlých, citlivých a přesných postupů pro její určování. Studium souvislostí mezi generovaným šumem a spolehlivostí součástky se zaměřilo na několik hlavních polovodičových a dielektrických struktur. Jedná se o struktury s přechodem PN (výkonové diody, elektroluminiscenční diody a solární články), struktury MOS (tranzistory MOSFET) a tenké vodivé a dielektrické vrstvy (rezistory a kondenzátory, izolanty). V rámci Laboratoře byla uzavřena spolupráce s japonskými univerzitami MEISEI University, Yamanashi Universty a University of Tokyo, dále s University of Florida v Gainesville a University of Missouri v St. Louis v USA a s Technickou universitou v Gdaňsku (Polsko). V rámci spolupráce se otevřela možnost využití jejich unikátních technologických zařízení k provádění experimentů. Tuto možnost využil doc. Jan Pavelka v průběhu tří-letého pobytu na MEISEI University v Tokiu a Dr. Petr Sedlák po dobu dvouleté stáže na University of Tokyo.

Pracovníci Laboratoře z řad učitelů Vysokého učení technického v Brně jsou členy programových a organizačních výborů evropských organizací, spolupracovníky redakcí odborných časopisů a přednášejí v zahraničních institucích. Na činnosti Laboratoře se podílejí doktorandi Fakulty elektroniky a komunikačních technologií v oboru „Fyzikální elektronika a nanotechnologie“.

Obr. 1 Blokové schéma metody elektro-ultrazvukové spektroskopie

Vedle výzkumu zaměřeného na studium elektronického šumu jsou v Laboratoři rozvíjeny i další metody a postupy pro nedestruktivní testování elektronických součástek a materiálů. Spolehlivost elektronických součástek je ovlivněna především poruchami, jež jsou důsledkem poškození struktury materiálu v průběhu výrobního procesu nebo během provozu součástky. V uplynulých čtyřech desetiletích směřují snahy mnoha výzkumných týmů k vyhledání nedestruktivních metod vhodných k vyhodnocení kvality a spolehlivosti obsáhlých výrobních souborů. Jako nejslibnější metody nedestruktivního testování se jeví ty, jež analyzují parametry transportu nábojů ve struktuře vzorku. Tyto metody jsou založeny na měření VA charakteristik, jejich nelinearity, na již zmíněné šumové spektroskopii a elektro-ultrazvukové spektroskopii. Další metoda využitelná k vyhodnocení kvality je založena na měření rozložení potenciálu na povrchu vzorku. Za podrobnější zmínku stojí zejména elektro-ultrazvuková spektroskopie a měření rozložení potenciálu na povrchu vzorků – dvě měřicí metody navržené a rozpracované naší Laboratoří.

Elektro-ultrazvuková spektroskopie

Elektro-ultrazvuková spektroskopie (EUS) je zcela nová metoda navržená pro testování materiálů a součástek. Je založena na interakci vodivostních elektronů s monochromatickými fonony vybuzenými ultrazvukovou vlnou. Blokové schéma metody EUS je na obr. 1.

Na měřený vzorek působí dva budicí signály – elektrický střídavý signál s frekvencí fE a ultrazvukový signál s frekvencí fU. Vlivem ultrazvukového buzení dochází k modulaci odporu materiálu s frekvencí fU. Na vzorku se vytvoří intermodulační signál měřitelný na součtové resp. rozdílové frekvenci budících signálů. Při měření požíváme obvykle ultrazvukové budiče pracující na frekvenci řádově desítky až stovky kilohertzů, přičemž frekvence elektrického harmonického signálu je o 1,5–3 kHz nižší (resp. vyšší). Měření potom lze provádět na rozdílové frekvenci 1,5–3 kHz. Při měření využíváme pásmovou propust s dolní frekvencí 1 kHz a horní frekvencí 4,5 kHz, což umožní jednak potlačení nízkofrekvenčního šumu vstupního obvodu a dále účinné odfiltrování budících signálů. Na obr. 2 je spektrální hustota intermodulačního signálu. Je vidět, že signál je monochromatický ve frekvenční oblasti.

Obr. 2 Spektrální hustota intermodulačního signálu. Měřeno na vzorku tlustovrstvového odporu na bázi polymeru pro budící signály s frekvencí fU = 30,7 kHz a fE = 32,9 kHz

Zcela podle teoretického předpokladu roste amplituda intermodulačního signálu přímo úměrně s amplitudou budicího elektrického proudu pro širokou škálu měřených vzorků – tlustovrstvové rezistory, varistory, monokrystalický křemík, kadmium-telurid atd. Závislost amplitudy intermodulačního signálu na amplitudě ultrazvukového buzení není jednoznačná – roste s první až třetí mocninou a závisí na struktuře testovaného materiálu. Například u tlustovrstvových rezistorů roste intermodulační signál s druhou mocninou ultrazvukového signálu, což je důsledek zrnité struktury rezistorů. Na odpor tlustovrstvového rezistoru má vliv počet a plocha kontaktů mezi vodivými zrny ve struktuře. Ultrazvukovou vlnou měníme plochu kontaktů mezi zrny, a to se nám projeví kvadratickou závislostí změny odporu na ultrazvukovém buzení.

Obr. 3 Amplituda intermodulačního napětí vs. počet proudových pulsů

Měřicí metoda je citlivá na přítomnost defektů ve struktuře vzorku. U cermetových rezistorů jsme prováděli zrychlené stárnutí metodou proudových pulsů. Přes rezistor vybijeme kondenzátor nabitý na cca stovky voltů. Proudový puls v délce jednotek milisekund způsobí porušení struktury rezistoru přednostně v místech kolem defektů, kde je vyšší proudová hustota. Amplituda intermodulačního signálu vzrostla až třikrát, jak je možno vidět na obr. 3.

Měření rozložení potenciálu na povrchu vzorků

Další metoda, kterou jsme zavedli v naší Laboratoři pro vyhodnocení kvality součástek, je měření rozložení potenciálu na povrchu vzorku. K měření slouží přístroj DISPOT® (viz. obr. 4), navržený a zkonstruovaný v naší Laboratoři. Z těchto měření lze vyhodnotit vrstvový odpor a odpor vytvořený na rozhraní dvou materiálů.

Obr. 4 Měřicí přístroj DISPOT®

Přístroj měří rozdíl potenciálu mezi dvěma body a je konstruován pro čtyřbodové měření. Má dva proudové a dva napěťové kontakty. Měřicí krok je nastavitelný od 1,25 mm. Na vzorek se pevně připojí 2 proudové a jeden napěťový kontakt. Druhá napěťová sonda se pohybuje po povrchu vzorku a měří napětí postupně v různých bodech podél vzorku (viz schéma na obr. 5).

Obr. 5 Schéma vzorku tlustovrstvového rezistoru na bázi polymeru a připojení kontaktů na přístroji DISPOT®

Naměřená hodnota napětí je normalizována hodnotou proudu tekoucího vzorkem. Normalizovaná hodnota potenciálu na povrchu vzorku rezistoru je na obr. 6. Levá část průběhu odpovídá pohybu napěťové sondy po vrstvě kontaktu ze stříbrné pasty, pravá část průběhu je naměřena na odporové vrstvě rezistoru. Skok potenciálu na rozhraní kontakt/odporová vrstva charakterizuje mezivrstvový odpor vytvořený na rozhraní. Čím je menší skok potenciálu na rozhraní, tím je lepší kompatibilita systému, v našem případě vodivá stříbrná pasta na bázi polymeru – karbon-grafitová pasta na bázi polymeru.

Obr. 6 Rozložení potenciálu podél povrchu vzorku tlustovrstvového rezistoru na bázi polymeru

Směrnice závislosti S představuje normalizovanou změnu potenciálu na délce 1 mm. Pro známou šířku vzorku w je potom možné vypočítat vrstvový odpor RS (tzv. odpor na čtverec) ze vztahu:

RS = S/w

Tato metoda byla využita pro vyhodnocení kompatibility vrstev např. při výrobě katody kondenzátoru nebo pro optimalizaci systému odpor/kontakt u tlustovrstvové technologie.