178240. lajstromszámú szabadalom • Nagystabilitású vékonyréteg ellenállás vagy vékonyréteg ellenállásból kialakított áramkör
3 178240 4 A környezet felől érkező hatások ellen részleges védelmet nyújt az a megoldás, amely egy szerves lakk vagy műgyanta védelemmel látja el az ellenállások felületét. Ennek a megoldásnak az a hátránya, hogy egyrészt az alkalmazott anyag szerves jellege határt szab az ellenállások üzemi hőmérsékletének, ugyanis 150 °C fölötti hőmérsékleten ezek az anyagok tartós igénybevételt károsodás nélkül nem bírnak, öregedési jelenségek lépnek fel rajtuk, amelyekkel együtt jár az, hogy mikrorepedések, pórusok keletkeznek bennük, amely folytán védőképességük teljesen megszűnik. Egyúttal tudni kell, hogy a szerves anyagok gázáteresztő képessége még legtökéletesebb, pórus- és hibahely mentes felvitel esetén is magas, és az így levédett ellenállások stabilitása 125 °C hőmérsékleten az irodalomban előforduló legjobb példák esetében sem jobb mint 0,5%. Jobb megoldást érhetünk el, ha az ellenállást vagy az ellenállást tartalmazó áramkört hermetikus tokba zárjuk, melyen belül nemesgáz atmoszférát létesítünk, amiről is tudvalevő, hogy nem reagál az ellenállások anyagával még magasabb hőmérsékleten sem. Ennek a megoldásnak hátránya, hogy jelentősen megnöveli az ellenállás, ill. áramkör térfogatát és súlyát, ezáltal messzemenően korlátozza a miniatürizálási lehetőségeket és jelentősen bonyolítja az előállításhoz szükséges technológiát. A fentiekből következik, hogy az ellenállások, ill. ellenállásokat tartalmazó áramkörök megfelelő védelme műszakilag még nem megoldott megnyugtatóan, mert vagy az ellenállások által elérhető stabilitási tulajdonságoknak, vagy a miniatürizálási törekvéseknek szabnak korlátokat a jelenleg alkalmazott megoldások. Ugyanakkor a felhasználók részéről egyre növekednek az ellenállások üzemi hőmérsékletének felső határára, állandó terhelésnél 200 °C, impulzusüzemben 400—500 °C, továbbá a minél kisebb értékváltozásra irányuló igények, melyeket a külméretek növekedése nélkül kellene bizonyítani. Az általunk kidolgozott diffúziógátló védőréteg egyesíti az előző két megoldás előnyét, azaz egyszerű eljárással, gyakorlatilag térfogatnövekedés nélkül felvitt védőréteg révén olyan védelmet biztosít az ellenállásrétegek számára, mint amelyekkel a jelenleg ismert megoldások közül csak a fentebb leírt hermetikus tokozások rendelkeznek, ugyanakkor az általunk javasolt megoldás egyszerűsége és minimális térfogatigénye révén jelentős műszaki előrelépést jelent. Az általunk kidolgozott konstrukció lehetővé teszi, hogy az ellenállások állandó igénybevétel esetén 250 °C hőmérsékletig, impulzusszerű terhelés esetén csúcsban 450 °C hőmérsékletig alkalmazzuk. A találmány lényege olyan megoldás nagystabilitású vékonyréteg ellenállások vagy ellenállásokból kialakított vékonyréteg áramkörök hermetikus zárására, mely a vékonyréteg ellenállás vagy vékonyréteg ellenállásból kialakított vékonyréteg áramkör fölött 25 °C-on max. 10~21 cm2/sec gázdiffúziós állandóval rendelkező sziliciumoxid, szilíciumnitrid, tantáloxid vagy üvegből álló védőréteg helyezkedik el. A fenti célt szolgáló védőréteg céljára nem volt megfelelő az az ismert megoldás, melynek során üvegfázist alakítunk ki üvegfrittek magas hőmérsékletű megömlése révén, ugyanis ennek a technológiai folyamatnak során az ömlesztéskor alkalmazott magas hőmérséklet következtében (450—800 °C) az ellenállások ohmikus értéke és hőmérsékleti együtthatója oly mértékben megváltozik, hogy az a felhasználhatóságot kizárja. Az itt megkívánt magas ömlesztési hőmérséklet egyúttal kizárja azt is, hogy az üveghordozón előállított ellenállásokat vagy ellenálláshálózatokat lássunk el ilyen védőréteggel, ugyanis az üveghordozó maga is meglágyul, megömlik ezen a hőmérsékleten. Olyan megoldást kellett keresnünk, melynek során magas gázzáróképességgel rendelkező szigetelő védőréteget tudunk előállítani olyan módon, hogy sem a hordozótest, sem az ellenállásréteg anyaga e folyamat során károsodást, nemkívánt elváltozást nem szenved. Ki kellett választanunk továbbá az ily módon behatárolt körülmények között előállítható rétegek közül azokat, amelyek a tartós igénybevétel esetén, ill. impulzus igénybevétel esetén korábban már megadott hőmérsékleti határok mellett a környezetből érintkező reaktív gázok számára olyan magas gázzáróképességgel rendelkeznek, max. néhány mikron vastagságban, amely gázzáróképesség révén teljes mértékben helyettesíteni tudják a hermetikus tokozást. A diffúziós folyamat lényegéből következik, hogy ha az ellenállást egyre magasabb hőmérsékleten kívánjuk üzemeltetni, akkor egyre vastagabb gázzáró réteg biztosítja a diffúziós behatolás elleni védelmet. A kísérleteink alapján megállapítottuk, hogy 70—450 °C üzemi hőmérséklet között a kialakított minimális védőréteg vastagsága 0,1—5 jzm-ig terjed. Kísérleteinkből az adódott, hogy a védőréteg vastagságát és anyagát úgy kell megválasztani, hogy a megkívánt maximális üzemi hőmérsékleten az ellenállásra előírt élettartam alatt a diffúzióval áthatoló reaktív gáz mennyisége 100%-os hatásfokú kémiai reakciót feltételezve kisebb változást idézzen elő az ellenállást adó anyag rétegvastagságában, mint amennyi a megkívánt stabilitásból következik. Az általunk javasolt és megvalósított egy példa szerinti vékonyrétegből kialakított áramkör felépítése a következő: 50 nm vastag NiCr ellenállásréteg 400 nm vastag A1 kontaktréteg 400 nm vastag Si3N4 diffúziógátló rétegből felépített ellenállás hálózat alkalmas 200 °C üzemi hőmérsékleten történő tartás 5000 óra működtetésére úgy, hogy az ellenállások változása 0,5%. Az ellenállások védelmének ilyen jellegű megoldása mellett megmarad az a lehetőség, hogy az ellenállás értékét utólagos műveletekkel a megkívánt pontosságra beállítsuk. A hermetikus tokozás hatásának helyettesítésére egy diffúziógátló réteg által nem jelent semmiféle kötöttséget az ellenállástest, ill. az ellenállásokat tartalmazó áramkör alakjára vagy méretére vonatkozóan, így pl. akár hengeres testek, akár sfklapok védelmére elérhető egyszerű felviteli mód által. A diffúziógátló védőréteg szelektíven is felvihető a vékonyréteg áramkörök adott részeire, míg más felületrészek szabadon hagyhatók utólagos műveletek (hibrid alkatrészek beépítése, mérések értékbeállítás stb.) céljára. Az általunk kivitelezett és védőréteggel ellátott ellenállások vagy ellenállásokat tartalmazó áramkörök megengedett max. üzemi hőmérséklete jelentősen nagyob 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65
