СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ МАГНИТОРЕЗИСТИВНОГО ДАТЧИКА
METHOD OF MAKING MAGNETORESISTIVE SENSOR

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.п.
Известен способ изготовления магниторезистивного датчика, описанный в патенте США 4847584, кл. H01L, 43/00 от 11 июля 1989 г.
Мост Уинстона состоит из четырех плеч, каждое из которых представляет меандр, набранный из заостренных магниторезистивных полосок, соединенных проводящими перемычками. Плечи моста соединены между собой проводниками. В местах соединения плеч моста формируются четыре контактные площадки (КП). Структура моста Уинстона приведена на фиг.1.
Способ изготовления моста Уинстона по данному патенту заключается в следующем.
2
3
4
В качестве подложки используется кремниевая подложка, поверхность которой термически окисляется до SiO (1 мкм), а затем наносится нитрид кремния SiN (0,5 мкм). Магниторезистивную полоску формируют методом фотолитографии на структуре, напыленной в вакууме и состоящей из магниторезистивной пленки FeNiCo (200 Å) и защитного слоя из нитрида тантала TaN (150 Å). На поверхности нитрида тантала формируются полюса Барбера из напыленной в вакууме пленки Al+4% Cu (0,5 мкм). Проводящие перемычки между магниторезистивными полосками, проводники и контактные площадки формируются из того же материала, что и полюса Барбера. Сверху наносится конструктивная защита из нитрида кремния (0,5 мкм).
Приведенный магниторезистивный датчик является базовой моделью фирмы Honeywell, который в дальнейшем претерпел ряд усовершенствований в области топологии и технологии изготовления, но некоторые недостатки просматриваются во всех модификациях.
Один из недостатков этого способа заключается в использовании сложного оборудования плазмохимического осаждения нитрида тантала. Качество осаждаемых пленок находится в сильной зависимости от поддержания параметров технологического процесса, что может приводить к невоспроизводимости результатов осаждения как по толщине, так и по качеству пленок.
В качестве второго недостатка следует отметить то, что нитрид тантала травится в составах обязательно содержащих фторсодержащие компоненты, что приводит к подтравливанию подложечных материалов из керамики (ситалл, поликор), т.е. к увеличению шероховатости поверхности, а тем самым к ухудшению магнитных свойств пленок, и в конечном итоге к уменьшению чувствительности датчика. Использование тантала, титана и нитрида титана вместо нитрида тантала, рекомендуемых в работе «Спинтронные магниторезистивные элементы и приборы на их основе», Москва, 2005, авторов Касаткина С.И., Васильевой Н.П., Муравьева A.M. также приводит к подтравливанию подложечных материалов из керамики (ситалл, поликор), т.е. к увеличению шероховатости поверхности. Это не позволяет использовать более дешевые керамические материалы в качестве подложек при производстве магниторезистивного датчика, что повышает стоимость изделия.
3
4
3
4
Следующим недостатком способа является то, что использование пленки SiN, толщиной 1 мкм и более в качестве изоляции практически невозможно в связи с ее растрескиванием, вследствие высокого уровня напряжений, а также значительной разницы в коэффициентах термического расширения пленки SiN и материала проводящих слоев, что приводит к замыканию между проводниками и мостом Уинстона и, таким образом, снижает эксплуатационную надежность датчика.
Более надежная межуровневая изоляция предлагается в ряде работ. Так известно применение полиимидной изоляции в технологическом процессе изготовления микроплат с многоуровневой коммутацией и в магниторезистивных устройствах с гальванической развязкой (патент RU 2398369 C1, МПК H05K 3/00 от 24.08.2009., «Спинтронные магниторезистивные элементы и приборы на их основе», Москва, 2005, авторов Касаткина С.И., Васильевой Н.П., Муравьева A.M., Internet: www.nve.com/isindex.html.).
Применение полиимида, имеющего температурный коэффициент термического линейного расширения (КТЛР), близкий к КТЛР проводящих слоев (Cu или Al), позволяет устранить растрескивание изоляции без ограничения ее толщины.
В патенте RU 2398369 C1 дается описание технологической операции получения межуровневой полиимидной изоляции:
- нанесение изоляционного слоя методом центрифугирования;
- сушка 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;
- имидизация изоляционного слоя в вакуумной установке при температуре 320°C.
При этом важна роль конечной температуры имидизации, т.к. недостаточная полимеризация может привести к выделению остатков воды во время последующих процессов напыления, что приводит к появлению локальных вздутий наносимых проводниковых слоев.
С другой стороны, высокая температура имидизации приводит к разориентации доменной структуры магниторезистивной пленки, большой дисперсии оси легкого намагничивания (ОЛН), что уменьшает чувствительность датчика.
Известен патент США 5952825, кл. G01R 33/22, от 14 сентября 1999 г., взятый нами за прототип.
Способ изготовления магниторезистивного датчика по данному патенту заключается в формировании на изолирующей подложке моста Уинстона путем вакуумного напыления структуры, состоящей из магниторезистивного и защитных слоев, с последующим формированием магниторезистивных полосок методом фотолитографического травления и напыления первого проводящего слоя с последующим формированием перемычек, проводников и контактных площадок методом фотолитографического травления, нанесении первого изоляционного слоя, напылении 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.
3
4
В этом способе также возможно повреждение поверхности подложки вследствие травления тантала или нитрида тантала и растрескивание изолирующей пленки SiN толщиной ~1 мкм, что снижает эксплуатационную надежность датчика. Более того, в этом случае необходимо нанесение двух изоляционных слоев значительной толщины вследствие большой толщины катушек индуктивности (более 1 мкм), а поэтому полиимидная изоляция является наиболее предпочтительной.
Техническим результатом предлагаемого способа является расширение конструкторско-технологических возможностей способа и повышение эксплуатационной надежности датчика, что позволит снизить его себестоимость за счет повышения выхода годных и применения более дешевых материалов и технологических операций.
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 моста Уинстона методом фотолитографического травления и напылении первого проводящего слоя с последующим формированием перемычек, проводников и контактных площадок методом фотолитографического травления, нанесении первого изоляционного слоя, напылении 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 магнито-резистивной 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 оси легкого намагничивания магниторезистивных полосок.
На фиг.1 показана структура магниторезистивного датчика, изготовленного по прототипу.
На фиг.2 представлена топология моста Уинстона, изготовленная по предлагаемому способу.
На фиг.3 - структура магниторезистивного датчика в разрезе;
На фиг.1:
1 - подложка;
2
2 - изолирующий слой SiO, до 1 мкм;
3
4
3 - слой SiN, толщиной 0,5 мкм;
4 - ферромагнитная пленка толщиной 200 Ǻ, состоящая из сплава FeNiCo;
5 - пленка TaN, толщиной 150 Ǻ;
6 - полюса Барбера (Al+4% Cu), толщиной ~0,5 мкм;
3
4
7 - изолирующий слой SiN, не менее 1 мкм;
8 - проводящий слой (Al + 4% Cu), толщиной 1 мкм;
3
4
9 - изолирующий слой из SiN, толщиной до 0,5 мкм.
На фиг.2:
10 - магниторезистивная полоска;
11 - перемычки;
12 - проводники;
13 - контактные площадки.
На фиг.3:
14 - подложка;
2
15 - изолирующий слой SiO;
16 - пленка хрома;
17 - магниторезистивная пленка FeNi (FeNiCo);
18 - пленка тантала;
19 - магниторезистивная пленка FeNi (FeNiCo);
20 - пленка V-Cu-Ni - первый проводящий слой;
21 - полиимидный лак АД-9103 - первый изоляционный слой;
22 - пленка V-Cu-Ni - второй проводящий слой;
23 - полиимидный лак АД-9103 - второй изоляционный слой;
24 - пленка V-Cu-Ni - третий проводящий слой;
25 - пленка ФН-11 - конструктивная защита.
Пример реализации способа
Предлагаемый способ был реализован при изготовлении магниторезистивного датчика, мост которого состоит из наклонных магниторезистивных полосок 10 (фиг.2) шириной 100 мкм, соединенных перемычками 11 из проводящего материала V-Cu-Ni, проводников 12 и КП 13.
2
2
2
Для этого на подложку из ситалла 14 (фиг.3) наносили пленку SiO 15, толщиной 0,8-1 мкм (пластины ситалла обладают высокой чистотой обработки поверхности и более дешевые, чем кремневые). Нанесение SiO на поверхность ситалла не только сглаживает поверхность, но и повышает ее энергетическую однородность, чем обеспечивает одинаковый коэффициент аккомодации и лучшую равномерность наносимой пленки. Далее наносили пленку хрома 16 толщиной ~10-15 нм. Пленка хрома предохраняет от подтравливания пленку SiO 15 и поверхность подложки во время травления магниторезистивной структуры «FeNi (FeNiCo)-Ta-FeNi (FeNiCo)» 17, 18, 19 в растворе на основе плавиковой кислоты.
Данный способ был реализован на двух магниторезистивных материалах: Fe (17%) Ni (83%) и Fe (15%) Ni (65%) Co (20%).
Структуру «FeNi (FeNiCo)-Ta-FeNi (FeNiCo)» 17, 18, 19 наносили за один цикл откачки на вакуумной установке электронно-лучевого испарения при приложении в плоскости подложки магнитного поля величиной 120-140 Э в направлении короткой стороны подложки 14 размером 48×60 мм. Первый (основной) слой сплава FeNi (FeNiCo) 17 имел толщину ~30-50 нм, слой Та 18 ~10-15 нм и второй слой сплава FeNi (FeNiCo) 19 ~5-7 нм. Пленки хрома 16 и тантала 18 защищают первый магниторезистивный слой FeNi (FeNiCo) 17 от окисления кислородом, входящим в состав подложки 14 и изолирующего слоя 15, т.к. общеизвестно быстрое образование прочного окисла на поверхности тантала при экспонировании на воздухе. Структуру «FeNi (FeNiCo)-Ta-FeNi (FeNiCo)» травили в составе:
кислота азотная
100 мл
натрий фтористый
10 г
калий азотнокислый
20 г
вода дистиллированная
20 мл
Температура травителя (18-23)°C, время травления от 40 до 60 с.
После этого проводили удаление хрома в травителе:
калий железосинеродистый
23 г
калия гидрат окиси
5 г
вода дистиллированная
95 г
Температура травителя (35-40)°С.
Для формирования перемычек, проводников и КП напыляли первый проводящий слой V-Cu-Ni 20 и проводили процесс фотолитографического травления рисунка в растворе:
кислота азотная
100 мл
кислота уксусная
100 мл
вода дистиллированная
50 мл
Температура травителя - комнатная.
Травление V-Cu-Ni 20 является последней операцией при формировании моста Уинстона.
При этом второй слой FeNi (FeNiCo) 19 является технологическим и удаляется с магниторезистивных полосок при травлении первого проводящего слоя 20. Слой FeNi (FeNiCo) 19 остается только в местах формирования проводников, перемычек и КП в качестве адгезионного и уменьшает переходное сопротивление между танталом и материалом КП, которые формировали на базе проводящей структуры V-Cu-Ni.
2
Таким образом, магниторезистивные полоски имели следующую структуру: SiO ~0,8-1 мкм; Cr ~10-15 нм (200-300 Ом/квадрат); 1 слой сплава Ni (83%) Fe (17%) или Ni (65%) Fe (15%) Co (20%) ~30-50 нм (5-10 Ом/квадрат); Та ~10-15 нм (150-200 Ом/квадрат).
На поверхность подложки со сформированным мостом Уинстона наносили первый изоляционный слой лака АД-9103 21 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.
Однако имидизацию изоляционного слоя в вакуумной установке проводили не при температуре 320°C, как указано в патенте RU 2398369 C1, a при температуре 350-380°C. Имидизация проводилась в магнитном поле величиной 120-140 Э, приложенном в плоскости подложки в том же направлении, что и при напылении магниторезистивной структуры «FeNi (FeNiCo)-Ta-FeNi (FeNiCo)».
Более низкая температура имидизации не обеспечивала полное удаление воды и при последующем напылении приводила к отслаиванию проводящего слоя V-Cu-Ni (наблюдалось локальное вздутие слоя).
На первый изоляционный слой лака АД-9103 21 напыляли второй проводящий слой V-Cu-Ni 22 толщиной 1-1,5 мкм с последующим формированием катушки индуктивности «set/reset» путем фотолитографического травления.
Далее наносили второй изоляционный слой лака АД-910323 толщиной 4-4,5 мкм методом центрифугирования, затем проводили сушку и имидизацию по режиму для первого изоляционного слоя.
На второй изоляционный слой напыляли третий проводящий слой V-Cu-Ni 24 толщиной 1-1,5 мкм с последующим формированием катушки индуктивности «offset» путем фотолитографического травления.
В качестве конструктивной защиты 25 магниторезистивного датчика наносили пленку фоторезиста ФН-11 толщиной 1-2 мкм, который задубливали при температуре 180°C.
Магниторезистивный датчик, полученный по данному способу, имел следующую удельную чувствительность в диапазоне полей ±2 Гс:
- для магниторезистивной структуры «хром - Ni (83%) Fe (17%) - тантал - Ni (83%) Fe (17%)» на подложке из ситалла удельная чувствительность составляла 3,5-4 мВ/В×Гс, а на подложке из кремния 4-5,6 мВ/В×Гс;
- для магниторезистивной структуры «хром - Ni (65%) Fe (15%) Co (20%)-тантал - Ni (65%) Fe (15%) Co (20%)» на подложке из ситалла удельная чувствительность составляла 0,8-1,2 мВ/В×Гс, а на подложке из кремния 1,2-1,5 мВ/В×Гс.
Такие значения чувствительности превышают полученные по известному способу.
Выход годных по изоляции на датчиках сформированных на подложке по прототипу составил 50-60%, а по предлагаемому - 80-90%.
2
Таким образом, предлагаемый способ обеспечивает защиту магниторезистивного слоя от окисления (Cr - с одной и Ta - с другой стороны), исключает ухудшение поверхности подложки за счет подтравливания (стоп-процесс при травлении Cr на ситалле и SiO), обеспечивает надежный контакт магниторезистивных полосок с перемычками и проводниками за счет напыления на тантал тонкого адгезионного защитного слоя из магниторезистивного материала NiFe или NiFeCo, надежную изоляцию за счет использования лака АД-9103 и его имидизации в вакууме при повышенной температуре без ухудшения магнитных свойств за счет проведения имидизации в магнитном поле, направленном в плоскости подложки вдоль ОЛН, сформированной при напылении магниторезистивной структуры.
Все это позволяет повысить эксплуатационную надежность датчика.
Способ обеспечивает получение датчиков с высокими техническими характеристиками не только на подложках из кремния, но и на подложках из керамики и стекла, а также повышает выход годных за счет использования полиимидной изоляции, что существенно снижает себестоимость продукции.