Способ изготовления магниторезистивного датчика Российский патент 2017 года по МПК H01L43/12 

Изобретение относится к области автоматики и магнитометрии и может быть использовано при изготовлении датчиков для систем определения положения движущихся объектов, магнитометров, электронных компасов и т.п.

Известен способ изготовления датчика, основанный на анизотропном магниторезистивном эффекте и описанный в патенте США 48475 94, кл. H01L, 43/00 от 11 июля 1989 г., в котором методами вакуумного напыления и фотолитографического травления на подложке Si с SiO₂ и Si₃N₄ формируется мост Уинстона с магниторезистивными полосками из FeNiCo с защитным слоем TaN . На поверхности TaN формируются полюса Барбера (ПБ) из напыленной пленки Al+4% Cu (0,5 мкм), вся электрическая разводка (перемычки, проводники и контактные площадки (КП)) выполняются из Al+4% Cu.

Датчики, изготовленные по этому способу, обладают недостаточной разрешающей способностью как по величине, так и по направлению магнитного поля. Это является следствием того, что воздействие внешнего магнитного поля перемагничивает магниторезистивную пленку путем некогерентного вращения вектора намагниченности вследствие дисперсии (отклонения) от оси легкого намагничивания (ОЛН)) [1. Суху Р. Магнитные тонкие пленки. М., изд-во «Мир», 1967; 2. Воробьев А.В. Математическая модель анизотропного магниторезистивного датчика для инженерных расчетов. Вестник УГАТУ, Уфа: УГАТУ, 2012, т. 16, №1(46). С. 161-166]. Размагниченное исходное состояние достигается естественным путем, причем каждый раз с разным значением разбаланса моста Уинстона, что влияет на стабильность выходного сигнала и пороговую чувствительность.

Частично этот недостаток устранен методом, описанным в патенте США 5052825, кл. G01R 33/22, от 14 сентября 1999 г., заключающемся в том, что мост Уинстона через изоляцию снабжен двумя плоскими пленочными катушками «set/reset» и «offset», с помощью которых можно компенсировать смещение моста Уинстона («offset»), вызываемое окружающей средой (изделием), и осуществлять линеаризацию вольт-эрстедной характеристики (ВЭХ) путем подачи по ОЛН перемагничивающих импульсов «set» и «reset» так, что U_H - напряжение на выходе моста рассчитывается по формуле:

где Uset - выходное напряжение моста Уинстона, после воздействия импульса «set», мВ;

Ureset - выходное напряжение моста Уинстона, после воздействия импульса «reset», мВ.

Наряду с этим стабильность выходного сигнала зависит от состояния контактного переходного сопротивления между магниторезистивным и проводящим слоями особенно для датчика с топологией моста Уинстона, содержащего ПБ. Следует отметить, что для защиты магниторезистивного слоя используют Та или TaN, однако при соприкосновении с воздухом эти материалы окисляются, что приводит к образованию переходного сопротивления.

Частично эта задача решена в патенте RU 2463688 С1, кл. H01L 43/12, от 23.06.2011, взятом нами за прототип.

По данному патенту способ изготовления магниторезистивного датчика заключается в формировании на изолирующей подложке моста Уинстона путем вакуумного напыления магниторезистивной структуры с последующим формированием магниторезистивных полосок моста Уинстона методом фотолитографического травления и напыления первого проводящего слоя с последующим формированием перемычек, проводников и КП методом фотолитографического травления, нанесении первого изоляционного слоя, напыления второго проводящего слоя и формировании на нем плоской катушки индуктивности «set/reset» методом фотолитографического травления, нанесении второго изоляционного слоя, напылении третьего проводящего слоя и формировании на нем плоской катушки индуктивности «offset» методом фотолитографического травления, нанесении конструктивной защиты. Магниторезистивные полоски моста Уинстона формируют путем вакуумного напыления магниторезистивной структуры «Cr-FeNi(FeNiCo)-Ta-FeNi(FeNiCo)» с последующим формированием рисунка методом фотолитографического травления, а в качестве изоляционных слоев используют полиимидный лак, имидизацию которого проводят путем нагрева в вакууме при приложении магнитного поля, направленного в плоскости подложки вдоль ОЛН магниторезистивных полосок.

По этому патенту Та, нанесенный на магниторезистивный слой FeNi(FeNiCo), выполняет защитную функцию так же, как TaN, в патенте США 4847594, кл. H01L, 43/00 от 11 июля 1989 г., а верхний тонкий слой FeNi(FeNiCo) предохраняет Та от окисления и, после формирования моста Уинстона, он удаляется с магниторезистивных полосок.

На практике этого оказалось недостаточно для заметного уменьшения переходного сопротивления, т.к. для формирования КП и ПБ в предложенной технологии необходимо было проводить экспонирование подложки на воздухе и дальнейшее напыление проводящих слоев в вакуумной камере. Однако такой метод изготовления моста Уинстона имеет отрицательное влияние на переходное сопротивление, особенно для ПБ, которые по площади, как правило, занимают половину площади магниторезистивной полоски. Это, в свою очередь, приводит к нестабильности выходного сигнала после выполнения функции «set/reset», что непосредственно сказывается на разрешающей способности и пороговой чувствительности датчика.

Техническим результатом предлагаемого способа являются повышение разрешающей способности за счет повышения стабильности выходного сигнала и повышение технологичности изготовления датчика за счет сокращения числа операций процесса его изготовления.

Технический результат достигается тем, что в способе изготовления магниторезистивного датчика, включающем изготовление моста Уинстона путем последовательного вакуумного напыления на подложку слоев FeNi(FeNiCo), Та, FeNi(FeNiCo) и последующего фотолитографического травления, изготовление двух пленочных катушек индуктивности «set/reset» и «offset» путем напыления проводящих слоев и последующего фотолитографического травления, нанесение изоляции между мостом Уинстона и катушками индуктивности, нанесение конструктивной защиты, при изготовлении моста Уинстона на слой Та за один цикл откачки вакуумной камеры напыляют слой Cu, а затем слой FeNi(FeNiCo) с образованием структуры FeNi(FeNiCo)-Ta-Cu-FeNi(FeNiCo), из которой путем фотолитографического травления через совмещенный фотошаблон сначала формируют контур моста Уинстона с рисунком проводящего слоя, включающим полоски, перемычки, проводники и контактные площадки, а затем через другой фотошаблон формируют магниторезистивные полоски и полюса Барбера с образованием топологии моста Уинстона с магниторезистивными полосками из FeNi(FeNiCo)-Ta и полюсами Барбера из Cu-FeNi(FeNiCo).

Изобретение поясняется чертежами, представленными на фиг. 1-3.

На фиг. 1 представлен рисунок контура моста Уинстона после травления через совмещенный шаблон. Совмещенный шаблон - это шаблон для сквозного травления топологического рисунка проводящего и магниторезистивного слоев.

На фиг. 2 представлена топология моста Уинстона с магниторезистивными полосками, содержащими ПБ.

На фиг. 3 приведена вольт-эрстедная (ВЭХ) характеристика изготовленного датчика.

На фиг. 1:

1 - контур моста Уинстона;

2 - полоски;

3 - перемычки;

4 - проводники;

5 - контактные площадки.

На фиг. 2:

6 - магниторезистивные полоски с полюсами Барбера;

7 - открытая часть магниторезистивной полоски;

8 - полюса Барбера, сформированные на магниторезистивной полоске.

Способ реализуется следующим образом. Предлагаемый способ был реализован при изготовлении датчиков, в мостах Уинстона которых содержатся магниторезистивные полоски с ПБ. Ниже приведены схемы маршрутов изготовления мостов Уинстона по прототипу и предлагаемому способам.

Существующий способ (прототип) 1. Очистка подложки 2. Напыление структуры FeNi(FeNiCo)-Ta-FeNi(FeNiCo) 3. Формирование магниторезистивных полосок 4. Межоперационная очистка 5. Напыление структуры Cr-Cu-Cr 6. Формирование первого проводящего слоя (перемычки, проводники, контактные площадки) 7. Нанесение первого изоляционного слоя 8. Межоперационная очистка подложки 9. Напыление структуры V-Cu-Ni 10. Формирование второго проводящего слоя (катушка индуктивности «set/reset»)

Существующий способ (прототип) 11. Нанесение второго изоляционного слоя 12. Межоперационная очистка подложки 13. Напыление структуры Cr-Cu-Cr 14. Формирование третьего проводящего слоя (катушка индуктивности «offset») 15. Формирование конструктивной защиты Предлагаемый способ 1. Очистка подложки 2. Напыление структуры FeNi(FeNiCo)-Ta-Cu -FeNi(FeNiCo) 3. Формирование контура моста Уинстона из структуры FeNi(FeNiCo)-Ta-Cu-FeNi(FeNiCo) с рисунком, включающим полоски, перемычки, проводники и контактные площадки 4. Формирование на структуре FeNi(FeNiCo)-Ta-Cu -FeNi(FeNiCo) магниторезистивных полосок с открытой частью (FeNi(FeNiCo)-Ta) и полюсов Барбера из структуры Cu-FeNi(FeNiCo) 5. Нанесение первого изоляционного слоя 6. Межоперационная очистка подложки 7. Напыление структуры V-Cu-Ni 8. Формирование второго проводящего слоя (катушка индуктивности «set/reset») 9. Нанесение второго изоляционного слоя 10. Межоперационная очистка подложки 11. Напыление структуры Cr-Cu-Cr 12. Формирование третьего проводящего слоя (катушка индуктивности «offset») 13. Формирование конструктивной защиты

Для формирования предлагаемой структуры напылялись слои следующей толщины:

от 15 до 25 нм - FeNi(FeNiCo);

от 7 до 10 нм - Та;

от 0,3 до 1 мкм - Cu;

от 4 до 5 нм - FeNi(FeNiCo).

Толщина магниторезистивного слоя должна была обеспечивать электросопротивление 8-14 Ом/квадрат.

Толщины Та и верхнего слоя FeNi(FeNiCo) выполняли защитную функцию.

Толщина меди выбиралась из следующих условий:

- не менее 0,3 мкм, т.е. когда формируется стабильный слой со структурой и электропроводностью, как у массивного металла;

- не более 1,0 мкм, т.к. более толстые слои потребуют более толстой изоляции, которую в силу небольшой вязкости полиимидного лака придется наносить за два раза, что экономически нецелесообразно.

Напыление слоев проводилось на установке электроннолучевого испарения «Оратория-9М» фирмы ЭСТО, Россия, содержащей две электронные пушки и 8 тиглей под разные испаряемые материалы. Последовательность операций и параметры технологического процесса определялись программой и поддерживались автоматически.

В отличие от прототипа напыление магниторезистивных, защитных и проводящих слоев проводилось последовательно за один цикл откачки, что исключало экспонирование поверхности магниторезистивных полосок на воздухе и тем самым снижало влияние переходного сопротивления на контактах и на ПБ, что позволило улучшить стабильность выходного сигнала датчика.

Формирование контура моста Уинстона проводилось экспонированием фоторезиста через совмещенный фотошаблон и сквозного травления структуры FeNi(FeNiCo)-Ta-Cu-FeNi(FeNiCo) в травителе следующего состава:

HF - 40 мл

HNO₃ - 150 мл

СН₃СООН - 300 мл

NaHCOOH - 40 г

Травление проводилось при комнатной температуре.

После выполнения этой операции на фиг. 1 представлен контур моста Уинстона с рисунком проводящего слоя, включающем полоски, перемычки, проводники и контактные площадки из структуры FeNi(FeNiCo)-Ta-Cu-FeNi(FeNiCo).

Затем через другой фотошаблон проводили травление проводящего слоя с образованием магниторезистивных полосок из структуры FeNi(FeNiCo)-Ta и ПБ из структуры Cu- FeNi(FeNiCo) (фиг. 2). Для этого травление проводящего слоя осуществлялось в селективном по отношению к Та травителе следующего состава:

HNO₃ - 15 мл

СН₃СООН - 30 мл

NaHCOOH - 2 г

Травление проводилось при комнатной температуре.

На фиг. 3 приведена вольт-эрстедная (ВЭХ) характеристика изготовленного датчика (Н=±2 Э). Удельная чувствительность составила ~1,1 мВ/(В×Э), а нелинейность ~ 0,77%.

Напыление магниторезистивного слоя и проводящего слоя Cu за один цикл откачки позволило повысить чистоту процесса и уменьшить переходное сопротивление между ними и тем самым уменьшить нестабильность выходного сигнала моста Уинстона до 2-3 мкВ против 30-50 мкВ по прототипу.

Рассчитанное при нестабильности выходного сигнала 3 мкВ разрешение по магнитному полю составило ~30 нТл, что на порядок лучше, чем по прототипу.

Кроме того, как видно из приведенных маршрутов, предлагаемый способ позволил сократить число технологических операций, а тем самым снизить себестоимость изделия.

Изобретение относится к области автоматики и магнитометрии и может быть использовано при изготовлении датчиков для определения положения движущихся объектов, магнитометров, электронных компасов для систем навигации и т.д. Технический результат: повышение разрешающей способности за счет повышения стабильности выходного сигнала и повышение технологичности изготовления датчика за счет сокращения числа операций процесса его изготовления. Сущность: способ включает изготовление моста Уинстона путем последовательного вакуумного напыления на подложку слоев FeNi(FeNiCo), Та, FeNi(FeNiCo) и последующего фотолитографического травления, изготовление двух пленочных катушек индуктивности «set/reset» и «offset» путем напыления проводящих слоев и последующего фотолитографического травления, нанесение изоляции между мостом Уинстона и катушками индуктивности, нанесение конструктивной защиты. При изготовлении моста Уинстона на слой Та за один цикл откачки вакуумной камеры напыляют слой Cu, а затем слой FeNi(FeNiCo) с образованием структуры FeNi(FeNiCo)-Ta-Cu-FeNi(FeNiCo), из которой путем фотолитографического травления через совмещенный фотошаблон сначала формируют контур моста Уинстона с рисунком проводящего слоя, включающим полоски, перемычки, проводники и контактные площадки, а затем через другой фотошаблон формируют магниторезистивные полоски и полюса Барбера с образованием топологии моста Уинстона с магниторезистивными полосками из FeNi(FeNiCo)-Ta и полюсами Барбера из Cu-FeNi(FeNiCo). 3 ил.

Способ изготовления магниторезистивного датчика, включающий изготовление моста Уинстона путем последовательного вакуумного напыления на подложку слоев FeNi(FeNiCo), Та, FeNi(FeNiCo) и последующего фотолитографического травления, изготовление двух пленочных катушек индуктивности «set/reset» и «offset» путем напыления проводящих слоев и последующего фотолитографического травления, нанесение изоляции между мостом Уинстона и катушками индуктивности, нанесение конструктивной защиты, отличающийся тем, что при изготовлении моста Уинстона на слой Та за один цикл откачки вакуумной камеры напыляют слой Cu, а затем слой FeNi(FeNiCo) с образованием структуры FeNi(FeNiCo)-Ta-Cu-FeNi(FeNiCo), из которой путем фотолитографического травления через совмещенный фотошаблон сначала формируют контур моста Уинстона с рисунком проводящего слоя, включающим полоски, перемычки, проводники и контактные площадки, а затем через другой фотошаблон формируют магниторезистивные полоски и полюса Барбера с образованием топологии моста Уинстона с магниторезистивными полосками из FeNi(FeNiCo)-Ta и полюсами Барбера из Cu-FeNi(FeNiCo).