Способ изготовления магниторезистивного датчика

Способ изготовления магниторезистивного датчика

Иллюстрации

Показать все

Реферат

Изобретение относится к области автоматики и магнитометрии и может быть использовано при изготовлении датчиков перемещений, устройств измерения электрического тока и магнитных полей, а именно при изготовлении датчиков угла поворота, устройств с гальванической развязкой, магнитометров, электронных компасов и т.д.

Известен магниторезистивный датчик, описанный в патенте США 5247278, кл. H01L, 43/00 от 11 июля 1989 г. Его формируют методом вакуумного напыления на кремниевую пластину магниторезистивных и проводящих слоев с последующим фотолитографическим травлением рисунка схемы. Для получения магниторезистивных полосок напыляют кобальтсодержащий сплав NiFeCo, а для проводящих дорожек, перемычек между магниторезистивными полосками и контактных площадок напыляют Al+4% Cu. Для изоляции кремниевой пластины и верхнего проводящего слоя наносят SiO₂+Si₃N₄ соответственно.

Недостатком такого способа является невозможность создания надежной изоляции, т.к. пленки оксида и нитрида кремния имеют высокий уровень внутренних напряжений и растрескиваются в процессе изготовления датчика. Особенно это заметно, когда изготавливается более сложная структура датчика с двумя плоскими катушками индуктивности «set/reset» и «offset», где требуется три слоя более толстой изоляции, чем толщина, указанная в этом патенте (~1 мкм).

Этот недостаток учтен в «Способе изготовления магниторезистивного датчика», патент РФ 2463688 C1, кл. H01L 43/12 от 23.06.2011 г., взятый за прототип.

В этом способе в качестве изоляции используется полиимидный лак, который имидизируется при нагреве в вакууме при приложении магнитного поля в плоскости подложки в направлении ОЛН, а в качестве электропроводящего материала используют структуру V-Cu-Ni, вместо Al, т.к. последний травится в травителе для полиимида при формировании переходных отверстий и вскрытии контактных площадок.

Данный способ существенно повысил надежность датчика и выход годных, однако и он не лишен недостатков.

Прежде всего, это относится к точности воспроизведения рисунка шаблона на проводящем слое. Так травление структуры V-Cu-Ni не обеспечивает необходимой точности в силу того, что подтрав может достигать 10 мкм и более. Это приводит к увеличению зазоров при изготовлении полюсов Барбера, что ведет к уменьшению поля смещения, а тем самым к уменьшению чувствительности датчика, а также к увеличению разбаланса моста Уинстона.

Кроме того, напыление верхнего слоя никеля предполагает приварку золотой проволоки к контактным площадкам, что, во-первых, дорого, а во-вторых, нетехнологично, т.к. при высокой теплопроводности кремния требуется приложение большой мощности, что зачастую приводит к перегоранию электрода и не обеспечивает необходимую прочность сварного соединения. Это снижает выход годных, а тем самым увеличивает себестоимость датчика.

Техническим результатом предлагаемого способа является повышение технических характеристик (повышение удельной чувствительности, уменьшение разбаланса), а также снижение его стоимости.

Указанный технический результат достигается тем, что в способе изготовления магниторезистивного датчика, заключающемся в формировании на изолирующей подложке моста Уинстона путем вакуумного напыления магниторезистивной структуры с последующим формированием магниторезистивных полосок методом фотолитографического травления и напылении первого проводящего слоя с последующим формированием перемычек, проводников и контактных площадок методом фотолитографического травления, нанесении первого изоляционного слоя из полиимида с последующей его имидизацией в вакууме, напылении второго проводящего слоя и формировании на нем плоской катушки индуктивности «set/reset» методом фотолитографического травления, нанесении второго изоляционного слоя из полиимида с последующей его имидизацией в вакууме, напылении третьего проводящего слоя и формировании на нем плоской катушки индуктивности «offset» методом фотолитографического травления, нанесении конструктивной защиты с последующим вскрытием контактных площадок первого проводящего слоя, проводящие слои получают путем вакуумного напыления структуры Cr-Cu-Cr, которую травят послойно и селективно, а на вскрытых контактных площадках, находящихся на первом проводящем слое, формируют пленку Al путем его напыления на датчик с последующим фотолитографическим травлением.

На фиг.1а, 1б и 1в представлена топология датчика:

1а - мост Уинстона, сформированные на первом проводящем слое контактные площадки и проводящие дорожки трех функциональных элементов (моста Уинстона, катушки индуктивности «set/reset» и катушки индуктивности «offset»):

1 - контактная площадка с проводящей дорожкой катушки индуктивности «set/reset»;

2 - контактная площадка с проводящей дорожкой моста Уинстона;

3 - контактная площадка с проводящей дорожкой моста Уинстона;

4 - контактная площадка с проводящей дорожкой моста Уинстона;

5 - контактная площадка с проводящей дорожкой катушки индуктивности «offset»;

6 - контактная площадка с проводящей дорожкой катушки индуктивности «set/reset»;

7 - контактная площадка с проводящей дорожкой моста Уинстона;

8 - контактная площадка с проводящей дорожкой катушки индуктивности «offset».

1б - мост Уинстона и катушка индуктивности «set/reset», сформированная на втором проводящем слое.

1в - мост Уинстона, катушка индуктивности «set/reset» и катушка индуктивности «offset», сформированная на третьем проводящем слое.

На фиг.2 показана топология одного из плеч моста Уинстона:

9 - магниторезистивные полоски с заостренными концами;

10-перемычки;

11 - полюса Барбера.

На фиг.3 приведена структура датчика в разрезе:

12 - подложка;

13 - изоляция из SiO₂;

14 - изоляция из Si₃N₄;

15 - магниторезистивная структура;

16 - первый проводящий слой;

17 - полюса Барбера (Cr-Cu-Cr), сформированные на первом проводящем слое;

18 - первая изоляция из полиимида;

19 - катушка индуктивности «set/reset» (Cr-Cu-Cr), сформированная на втором проводящем слое;

20 - вторая изоляция из полиимида;

21 - катушка индуктивности «offset» (Cr-Cu-Cr), сформированная на третьем проводящем слое;

22 - конструктивная защита;

23 - контактные площадки (Al);

24 - межуровневые соединения.

Пример реализации способа.

Предлагаемый способ был реализован при изготовлении магниторезистивного датчика, имеющего нечетную ВЭХ.

Датчик состоит из моста Уинстона (контактные площадки 2, 3, 4, 7 фиг.1а), катушки индуктивности «set/reset» (контактные площадки 1, 6 фиг.1а) и катушки индуктивности «offset» (контактные площадки 5, 8 фиг.1а).

Мост Уинстона содержит четыре плеча (фиг.2), каждое из которых состоит из магниторезистивных полосок с заостренными концами 9, перемычек 10 и полюсов Барбера 11, позволяющих смещать ВЭХ датчика в линейную область.

Содержание и последовательность технологических операций по изготовлению датчика можно понять из рассмотрения фиг.3.

На кремниевую пластину 12, содержащую изоляцию из SiO₂ 13 толщиной 0,3 мкм и Si₃N₄ 14 толщиной 0,15 мкм, напыляли магниторезистивную структуру Fe(15%)Ni(65%)Co(20%)-Ta-Fe(15%)Ni(65%)Co(20%) 15 толщиной ~50-60 нм и формировали магниторезистивные полоски 9 (фиг.2) методом фотолитографии и травления в составе:

Кислота азотная	100 мл
Натрий фтористый	10 г
Калий азотнокислый	30 г
Вода дистиллированная	20 мл

Температура травления (18-23)°C, время травления 40-60 с.

Далее наносили первый проводящий слой Cr-Cu-Cr общей толщиной ~0,5 мкм, методом фотолитографии создавали маску и формировали контактные площадки и проводящие дорожки трех функциональных элементов - моста Уинстона 2, 3, 4, 7 (фиг.1а), катушки индуктивности «set/reset» 1, 6 (фиг.1а), катушки индуктивности «offset» 5, 8 (фиг.1a), а также полюса Барбера 17 (фиг.3) и перемычки 10 (фиг.2).

Травление хрома проводили в травителе HCl:H₂O=1:1 при температуре (40±5)°C. Этот травитель является селективным по отношению к меди и выступает в качестве металлорезиста при ее травлении в составе:

Кислота фосфорная	60 мл
Кислота уксусная	10 мл
Кислота азотная	10 мл
Вода дистиллированная	20 мл

Температура травления (40±5)°C.

После травления меди снова стравливали хром в соляной кислоте, которая стравливала верхний тонкий слой кобальтсодержащего сплава до тантала, оставляя его только под полюсами Барбера и перемычками. Такое раздельное травление позволило уменьшить подтрав структуры Cr-Cu-Cr и получить полюса Барбера и зазоры между ними необходимого размера (17×17 мкм соответственно).

Далее нанесение лака АД 910318, 20 и его имидизацию в вакууме проводили по прототипу (патент RU 2463688 C1).

На поверхность подложки со сформированным мостом Уинстона наносили первый изоляционный слой лака АД-9103 18 толщиной 2-4 мкм методом центрифугирования.

Далее проводили сушку изоляционного слоя ступенчато: при температуре 60°C в течение 10 мин, при температуре 80°C в течение 10 мин, при температуре 100°C в течение 10 мин, при температуре 120°C в течение 30 мин.

Имидизацию изоляционного слоя в вакуумной установке проводили при температуре 350-380°C в магнитном поле величиной 120-140Э, приложенном в плоскости подложки в том же направлении, что и при напылении магниторезистивной структуры «FeNi(FeNiCo)-Ta-FeNi(FeNiCo)».

Для изготовления катушки индуктивности «set/reset» 19 напыляли второй проводящий слой Cr-Cu-Cr толщиной ~2 мкм и проводили фотолитографическое травление рисунка в соответствии с фиг.16.

Далее повторяли операцию по нанесению лака АД 9103 18 и его имидизации в вакууме по режиму, указанному ранее.

Для изготовления катушки индуктивности «offset» 21 напыляли третий проводящий слой Cr-Cu-Cr толщиной ~2 мкм и проводили фотолитографическое травление рисунка в соответствии с фиг.1в.

В качестве конструктивной защиты наносили лак АД-9103 23, а затем проводили его термообработку на воздухе при температуре 200°C в течение 30 мин. Далее вскрывали лак на контактных площадках 1-8 первого проводящего слоя.

Последними операциями являлись напыление на готовый датчик (со вскрытыми контактными площадками 1-8 первого проводящего слоя) пленки алюминия ~1 мкм и его фотолитографическое травление по рисунку, позволяющему оставить алюминий 23 только на контактных площадках 1-8 первого проводящего слоя.

Межуровневые соединения 24 от катушек индуктивности 19, 21 на проводящие дорожки соответствующих контактных площадок датчика получали, так называемым «каскадным методом», заключающимся в том, что межуровневые соединения 24 формируют путем пропыления переходных окон одновременно с напылением проводящего слоя соответствующего уровня и изготовления рисунка схемы методом фотолитографии, причем межуровневые соединения формируют большего размера, чем размер переходных окон в плане, а в каждом последующем изоляционном слое вытравливают переходные окна большего размера, чем в предыдущем (см. патент №2474004 на изобретение RU 2474004 C1 от 16 августа 2011 г.).

Таким образом, в предлагаемом способе использование известных материалов и приемов изготовления датчика, но при изменении очередности операций и использовании селективных свойств травителей Cr и Cu при изготовлении элементов рисунка из первого, второго и третьего проводящих слоев дало новый положительный эффект, заключающийся в повышении технических характеристик датчика и уменьшении его стоимости.

Так, возможность более точного воспроизведения рисунка шаблона на структуре Cr-Cu-Cr позволило повысить чувствительность датчика с полюсами Барбера с 0,5 мВ/(В×Э) до 0,8-0,9 мВ/(В×Э), уменьшить разбаланс моста Уинстона в среднем с 8-12 мВ до 4-6 мВ, что позволило отказаться от подгоночного сопротивления и тем самым уменьшить размеры датчика и исключить из технологии операцию подгонки моста Уинстона.

Использование Al сверху контактных площадок позволило применить ультразвуковую приварку алюминиевой фольги, при этом прочность сварного соединения увеличилась с 20-22 г для золотой проволоки до 50 г для алюминиевой фольги (определялась динамометрическим методом путем отрыва алюминиевой фольги от алюминиевой КП). Кроме того, в этом случае очевидно удешевление этой операции, а в целом и датчика по сравнению с приваркой золотой проволоки.

Аналогичным образом был изготовлен датчик, мост Уинстона которого содержит наклонные полоски. Выход годных датчиков с разбалансом 4 мВ увеличился на 30% по сравнению с прототипом.

Способ изготовления магниторезистивного датчика, заключающийся в формировании на изолирующей подложке моста Уинстона путем вакуумного напыления магниторезистивной структуры с последующим формированием магниторезистивных полосок методом фотолитографического травления и напылении первого проводящего слоя с последующим формированием перемычек, проводников и контактных площадок методом фотолитографического травления, нанесении первого изоляционного слоя из полиимида с последующей его имидизацией в вакууме, напылении второго проводящего слоя и формировании на нем плоской катушки индуктивности «set/reset» методом фотолитографического травления, нанесении второго изоляционного слоя из полиимида с последующей его имидизацией в вакууме, напылении третьего проводящего слоя и формировании на нем плоской катушки индуктивности «offset» методом фотолитографического травления, нанесении конструктивной защиты с последующим вскрытием контактных площадок первого проводящего слоя, отличающийся тем, что проводящие слои получают путем вакуумного напыления структуры Cr-Cu-Cr, которую травят послойно и селективно, а на вскрытых контактных площадках, находящихся на первом проводящем слое, дополнительно формируют пленку Al путем его напыления на датчик с последующим фотолитографическим травлением.