ДАТЧИК МАГНИТНОГО ПОЛЯ И СПОСОБ ЕГО ИЗГОТОВЛЕНИЯ
MAGNETIC FIELD SENSOR AND METHOD OF ITS MANUFACTURING

Изобретение относится к полупроводниковым приборам - приборам для измерения магнитного поля и технологии их изготовления, в частности к датчику Холла и способу его изготовления, и может быть использовано для создания миниатюрных твердотельных холловских датчиков для трехосевой магнитометрии, предназначенных для использования в бесконтактных датчиках положения, датчиках угловых и линейных перемещений (в автомобилестроении и других областях машиностроения), в системах ориентирования (электронные компасы), в системах активной защиты от магнитных полей, в медицине и биологических исследованиях (инвазивное и неинвазивное отслеживание магнитных маркеров, например, магнитных наночастиц в кровеносной системе живых организмов), при изучении магнитных материалов (зонды для холловской микроскопии), при определении однородности магнитного поля и величины его градиента в исследовательских и коммерческих установках (чувствительные металлодетекторы в системах обнаружения оружия, томографы, магнитные ловушки, лабораторные магниты).
Известен датчик магнитного поля (L.Sileo, M.Т.Todaro, V.Tasco, M.DeVittorio, A.Passaseo «Fully integrated three-axis Hall magnetic sensor based on micromachined structures», Microelectronic Engineering, 87 (2010), p.p.1217-1219), содержащий подложку, первый сенсорный узел, выполненный на подложке, второй и третий сенсорные узлы, расположенные за пределами подложки, выполненные в составе, соответственно, первой кантилеверной структуры, расположенной за пределами подложки под углом к ней примерно 90°, второй кантилеверной структуры, расположенной за пределами подложки под углом к ней примерно 90°, первая и вторая кантилеверные структуры связаны с подложкой, соответственно, посредством первой и второй петлеобразных структур, изгибающихся за пределы подложки и несущих соответствующие кантилеверные структуры, обеспечивая им заданное расположение в пространстве. Датчик реализован на основе использования эффекта Холла.
В качестве подложки использована подложка GaAs (100).
В датчике первая и вторая петлеобразные структуры выполнены из содержащих внутренние механические напряжения слоев полупроводниковых материалов, характеризующихся разными постоянными кристаллической решетки, изгиб каждой из петлеобразных структур обеспечен наличием механического напряжения, возникающего в результате разницы в постоянных кристаллической решетки.
0,2
0,8
В датчике каждая из петлеобразных структур выполнена в составе первого слоя из одного полупроводникового материала - InGaAs толщиной 10 нм, характеризующегося первой постоянной кристаллической решетки, и второго слоя из другого полупроводникового материала - GaAs толщиной 260 нм, характеризующегося второй постоянной кристаллической решетки, первый слой расположен на жертвенном слое AlAs, выполненном толщиной 75 нм на подложке GaAs, на первом слое расположен второй слой.
0,2
0,8
0,15
0,85
0,25
0,75
0,3
0,7
12
-2
В датчике первая и вторая кантилеверные структуры выполнены на основе гетероструктуры с упомянутыми первым и вторым слоями петлеобразных структур, присутствующими в составе кантилеверных структур и обеспечивающими связь с подложкой, гетероструктура содержит последовательность слоев: жертвенный слой AlAs толщиной 75 нм, выполненный на подложке GaAs, далее расположены слои петлеобразных структур - механически напряженный слой InGaAs толщиной 10 нм и слой GaAs толщиной 260 нм, далее расположены слои, являющиеся конструктивными слоями сенсорного узла, - буферный слой GaAs толщиной 800 нм, InGaAs слой, соответствующий квантовой яме, толщиной 10 нм, AlGaAs спейсер толщиной 5 нм, Si δ-легированный слой с концентрацией легирующей примеси 1,9×10 см, AlGaAs барьерный слой толщиной 45 нм и GaAs «сар»-слой толщиной 10 нм.
В датчике в отношении каждого сенсорного узла по гетероструктуре выполнена мезоструктура с геометрической конфигурацией, определяющей детектирующую площадь соответствующего сенсорного узла, - крестообразная мезоструктура (крестообразный холловский элемент), от концов (холловских контактов) которой выведены тоководы к омическим контактам, расположенным на подложке.
За ближайший аналог принят датчик магнитного поля (публикация №2261684 европейской заявки на изобретение авторов М.Т.Todaro, L.Sileo, V.Tasco, M.DeVittorio, R.Cingolani, A.Passaseo, C.Giordano, заявка №10164576.0 от 01.06.2010 г., МПК: 8 G01R 33/02, опубл. 08.02.2012 г., Бюл. 2012/06), содержащий подложку, поверхность которой определена в качестве базовой плоскости, первый сенсорный узел, расположенный на подложке на первой узловой поверхности в первой плоскости, которая строго параллельна указанной базовой плоскости, первую кантилеверную структуру, расположенную за пределами базовой плоскости под углом к базовой плоскости (υ; α), в составе которой выполнен второй сенсорный узел, расположенный на второй узловой поверхности, которая параллельна второй плоскости, вторую кантилеверную структуру, расположенную за пределами базовой плоскости под углом к базовой плоскости (υ; β), в составе которой выполнен третий сенсорный узел, расположенный на третьей узловой поверхности, которая параллельна третьей плоскости, первая и вторая кантилеверные структуры конструктивно связаны с подложкой, соответственно, посредством первой и второй петлеобразных структур, изгибающихся за пределы базовой плоскости и несущих соответствующие кантилеверные структуры, обеспечивая им заданное расположение в пространстве за пределами базовой плоскости, первая и вторая петлеобразные структуры выполнены толщиной, меньшей, чем толщина первой и второй кантилеверных структур, путем изготовления в подложке соответствующих первой и второй выемок (окон) с геометрической конфигурацией, задающей геометрию петлеобразных структур, с сопрягающими (боковыми) стенками, расположенными под углом (γ) ко дну выемок.
В датчике углы (υ; α), (υ; β) расположения кантилеверных структур по отношению к базовой плоскости примерно равны 90°.
В датчике угол (γ), под которым расположены сопрягающие (боковые) стенки выемок относительно дна, равен от 10° до 70°.
В датчике первая и вторая петлеобразные структуры выполнены из содержащих внутренние механические напряжения слоев полупроводниковых материалов, характеризующихся разными постоянными кристаллической решетки, изгиб каждой из петлеобразных структур обеспечен наличием механического напряжения, возникающего в результате разницы в постоянных кристаллических решеток.
В датчике каждая из петлеобразных структур выполнена в составе первого слоя из одного полупроводникового материала, характеризующегося первой постоянной кристаллической решетки, и второго слоя из другого полупроводникового материала, характеризующегося второй постоянной кристаллической решетки, последовательно, в направлении от подложки, выполнены сначала первый слой, затем - второй слой, причем первая постоянная кристаллической решетки больше второй постоянной кристаллической решетки.
В датчике первая и вторая кантилеверные структуры выполнены на основе гетероструктуры, включающей кроме первого и второго слоев петлеобразных структур, входящих в состав гетероструктуры и обеспечивающих связь с подложкой, слои, расположенные в направлении от подложки после слоев петлеобразных структур и относящиеся к слоям сенсорного узла.
В датчике первый, второй и третий сенсорные узлы реализованы на использовании эффекта Холла на основе, соответственно, первой, второй и третьей гетероструктур, каждая из которых выполнена плоской, многослойной, включающей последовательность слоев полупроводниковых материалов, расположенную в направлении, соответственно, от первой, второй и третьей плоскостей, в составе которых, по крайней мере, один из слоев восприимчив к магнитному полю.
В датчике слой, восприимчивый к магнитному полю, выполнен содержащим двумерный электронный газ.
В датчике в отношении каждой плоской гетероструктуры выполнена мезоструктура с геометрической конфигурацией, определяющей детектирующую площадь соответствующего сенсорного узла (крестообразный холловский элемент).
К недостаткам приведенных аналогов относится отсутствие достижения точности и надежности одновременных измерений ортогональных компонент магнитного поля, а также компоненты вектора магнитного поля, отличной от перпендикулярной к плоскости датчика; низкая надежность датчика; низкая воспроизводимость параметров датчиков. Причины, препятствующие достижению технического результата, заключаются в следующем.
Изготовление датчика базируется на так называемом «микрооригами» варианте микроструктурирования полупроводниковых пленок под действием встроенных механических напряжений (Р.О.Vaccaro et al., Appl. Phys. Lett. 78, 2852 (2001)). Используемая версия микроструктурирования полупроводниковых пленок довольно сложна и не вполне пригодна, например, для прецизионного задания позиционирования сенсорных узлов в пространстве, что, в частности, необходимо для надежных и точных двух-, трехосевых измерений. Стоит отметить, что трехосевых измерений магнитного поля в приведенных выше работах L.Sileo и М.Todaro с сотрудниками не было продемонстрировано, по-видимому, вследствие относительной сложности и недостаточной воспроизводимости выбранного варианта микроструктурирования. В приведенных технических решениях использован «экстенсивный» подход к их созданию. Решениям присуще нерационально избыточное количество элементов в конструкции. В результате усложняется согласование связей и взаимного расположения элементов в конструкции для надлежащего ее функционирования. Обращает на себя внимание факт недостаточности функциональной проработки в отношении конструктивных элементов, что в определенной степени и приводит к нерационально избыточному количеству элементов в конструкции. Каждый из элементов выполняет только узкоспециальную для него функцию. Так, в составе используемых в конструкции твердотельных криволинейных оболочек - петлеобразных структур, выполненных на основе механически напряженных слоев полупроводниковых материалов за счет сформированных выемок (окон), слои используются только для задания криволинейной формы, что предопределяет в отношении оболочек исключительно пассивную функцию. Возможность использования слоев в составе криволинейной оболочки для выполнения сенсорных узлов не рассматривается. Напротив, активная функция в датчике выполняется специально сформированными плоскими участками гетероструктуры, включая как расположенные непосредственно на подложке, так и отделенные от подложки с расположением их вне подложки на концах петлеобразных структур, с согласованием пространственного расположения друг относительно друга и подложки. Причем для выполнения отделенных участков гетероструктуры плоскими в составе последней необходимо вырастить довольно толстый буфер, чтобы компенсировать влияние внутренних механических напряжений слоев петлеобразных структур, присутствующих в составе гетероструктуры и стремящихся придать кривизну участкам гетероструктуры, отделенным от подложки, которая до отделения держала их в плоском состоянии. При использованном подходе к построению датчика имеющие пространственную ориентацию друг относительно друга под углом 90° гетероструктуры, на которых изготовлены сенсорные узлы, по мнению авторов, должны быть строго плоскими, что не является оправданным. Кроме того, отметим хрупкость конструкции. Неустойчивость и стремление разогнуться и залипнуть на подложку под действием капиллярных сил в случае извлечения всей конструкции из жидкости на воздух на финальной стадии изготовления датчика (после освобождения двух петлеобразных структур и двух сенсорных узлов от связи с подложкой селективным жидкостным травлением) либо в случае конденсации жидкости на поверхности готового датчика.
Известен способ изготовления датчика магнитного поля (L.Sileo, M.Т.Todaro, V.Tasco, M.DeVittorio, A.Passaseo «Fully integrated three-axis Hall magnetic sensor based on micromachined structures». Microelectronic Engineering, 87 (2010), p.p.1217-1219), заключающийся в осуществлении следующих этапов. На подложке GaAs (100) изготавливают многослойную гетероструктуру, содержащую последовательно в направлении от подложки жертвенный слой, механически напряженные слои петлеобразной структуры и функциональные слои сенсорного узла. Затем выполняют мезоструктуру с геометрической конфигурацией, определяющей детектирующую площадь в отношении каждого сенсорного узла, - крестообразную мезу активной площадью 30 мкм×30 мкм (крестообразный холловский элемент), используя фотолитографию и жидкостное травление. После чего формируют выемки (окна) в отношении второго и третьего сенсорных узлов для изготовления петлеобразных структур и расположения указанных узлов за пределами подложки на петлеобразных структурах, являющихся несущими, при этом задают рисунок петлеобразных структур, посредством фотолитографии и травления по слоям сенсорного узла, не затрагивая слоев петлеобразных структур. В результате формируют выемки (окна) с гладкими сопрягающими (боковыми) стенками, расположенными под углом относительно дна 15°. Далее посредством фотолитографии, термического напыления, методики «Lift-off» и последующего быстрого отжига в азоте при 430°С в течение 20 секунд изготавливают GeAu/Ni/Au омические контакты и тоководы от концов (холловских контактов) крестообразной мезы (крестообразного холловского элемента), располагая в отношении второго и третьего сенсорных узлов контактные тоководы по выемке. Наконец в отношении второго и третьего сенсорных узлов приступают к этапу их расположения за пределами подложки. Участки гетероструктуры, подлежащие освобождению от связи с подложкой, соответствующие петлеобразным структурам и сенсорным узлам, «очерчивают» глубокими, с захватом подложки, окнами посредством фотолитографии и жидкостного травления, открывая доступ для травления жертвенного слоя. Далее приступают к осуществлению селективного травления жертвенного слоя. Посредством травления жертвенного слоя освобождают указанные части гетероструктуры от связи с подложкой и под действием внутренних механических напряжений придают изгиб слоям петлеобразных структур, размещая плоские участки гетероструктуры с сенсорными узлами, располагаемые на концах петлеобразных структур, освобожденных от связи с подложкой, вне плоскости подложки. Угол между плоскостью подложки, в которой выполнен первый сенсорный узел, и плоскостями второго и третьего сенсорных узлов задают равным 90°. Угол задают выбором длины петлеобразной структуры и радиуса ее кривизны.
За ближайший аналог принят способ изготовления датчика магнитного поля (М.Т.Todaro, L.Sileo, G.Epifani, V.Tasco, R.Cingolani, М.DeVittorio, A.Passaseo «A fully integrated GaAs-based three-axis Hall magnetic sensor exploiting self-positioned strain released structures», J. Micromech. Microeng., 20 (2010), 105013, p.p.1-6), заключающийся в том, что на подложке изготавливают гетероструктуру, содержащую последовательно в направлении от подложки жертвенный слой, механически напряженные слои петлеобразной структуры и функциональные слои сенсорного узла, затем выполняют крестообразную мезоструктуру, определяющую детектирующую площадь каждого сенсорного узла (крестообразный холловский элемент), посредством фотолитографии и жидкостного травления, после чего формируют выемки (окна) в отношении второго и третьего сенсорных узлов для изготовления петлеобразных структур и расположения указанных узлов за пределами подложки на петлеобразных структурах, являющихся несущими, посредством фотолитографии и жидкостного травления, далее изготавливают омические контакты и тоководы от концов (холловских контактов) крестообразной мезоструктуры, располагая в отношении второго и третьего сенсорных узлов тоководы по выемке, наконец в отношении второго и третьего сенсорных узлов приступают к операциям расположения их за пределами подложки - участки гетероструктуры с изготовленными выемками и сенсорными узлами ограничивают глубокими, с захватом подложки, окнами посредством фотолитографии и жидкостного травления, формируя первую и вторую кантилеверные структуры и открывая доступ к жертвенному слою для последующего травления, осуществляют через окна селективное травление жертвенного слоя, освобождают указанные части гетероструктуры от связи с подложкой и под действием внутренних механических напряжений придают изгиб слоям петлеобразных структур, размещая кантилеверные структуры, содержащие плоские участки гетероструктуры с сенсорными узлами, располагаемые на концах петлеобразных структур, освобожденных от связи с подложкой, вне плоскости подложки, в направлении нормали к подложке.
В способе в качестве подложки используют подложку GaAs (100).
0,2
0,8
0,15
0,85
0,25
0,75
0,3
0,7
12
-2
В способе изготавливают гетероструктуру, содержащую последовательно в направлении от подложки жертвенный слой, механически напряженные слои петлеобразной структуры и слои сенсорного узла, в следующем составе: жертвенный слой AlAs толщиной 75 нм, выполненный на подложке GaAs, далее расположены слои петлеобразных структур - механический напряженный слой InGaAs толщиной 10 нм и слой GaAs толщиной 260 нм, далее расположены слои, являющиеся конструктивными слоями сенсорного узла, - буферный слой GaAs толщиной 800 нм, InGaAs слой, соответствующий квантовой яме, толщиной 10 нм, AlGaAs спейсер толщиной 5 нм, Si δ-легированный слой с концентрацией легирующей примеси 1,9×10 см, AlGaAs барьерный слой толщиной 45 нм и GaAs «сар»-слой толщиной 10 нм. Слои изготавливают методом молекулярно-лучевой эпитаксии.
0,3
0,7
В способе выполняют крестообразную мезоструктуру, определяющую детектирующую площадь каждого сенсорного узла (крестообразный холловский элемент), посредством фотолитографии и жидкостного травления, при ее изготовлении травлению подвергают GaAs «сар»-слой толщиной 10 нм, AlGaAs барьерный слой толщиной 45 нм, причем последний стравливают не полностью, оставляя около 5 нм. В результате формируют крестообразную мезоструктуру активной площадью 30 мкм×30 мкм.
В способе формируют выемки (окна) в отношении второго и третьего сенсорных узлов для изготовления петлеобразных структур и расположения указанных узлов за пределами подложки на петлеобразных структурах, являющихся несущими, посредством фотолитографии и жидкостного травления, по слоям сенсорного узла, не затрагивая слоев петлеобразных структур. Выбором геометрических размеров выемки, при прямоугольной форме длины ее стороны, вдоль которой будут осуществлять последующее травление жертвенного слоя, в сочетании с радиусом кривизны, зависящим от величины внутренних механических напряжений слоев петлеобразных структур и их толщин, определяют угол, под которым располагают кантилеверные структуры в пространстве относительно подложки. В результате формируют выемки (окна) с гладкими сопрягающими (боковыми) стенками, расположенными под углом относительно дна 15°. Указанный угол выполняют для получения хорошего омического контакта при изготовлении омических контактов и тоководов.
В способе изготавливают омические контакты и тоководы от концов крестообразной мезоструктуры (холловских контактов), располагая в отношении второго и третьего сенсорных узлов контактные дорожки по выемке, посредством фотолитографии, термического напыления, методики «Lift-off» и последующего быстрого отжига в азоте при 430°С в течение 20 сек. При этом изготавливают GeAu/Ni/Au омические контакты и тоководы. Слой GeAu выполняют толщиной 30 нм, слой Ni - 10 нм, слой Au - 40 нм.
К недостаткам приведенных аналогов способа изготовления относится отсутствие достижения точности и надежности одновременных измерений ортогональных компонент магнитного поля изготавливаемого датчика, а также компоненты вектора магнитного поля, отличной от перпендикулярной к плоскости датчика; низкая надежность датчика; низкая воспроизводимость параметров датчиков. Причины, препятствующие достижению технического результата, заключаются в следующем.
Изготовление датчика базируется на так называемом «микрооригами» варианте микроструктурирования полупроводниковых пленок под действием встроенных механических напряжений (Р.О.Vaccaro et al., Appl. Phys. Lett. 78, 2852 (2001)). Причем в способах используемое микроструктурирование полупроводниковых пленок отличается излишней сложностью и не вполне пригодно, например, для прецизионного задания позиционирования сенсорных узлов в пространстве, что, в частности, необходимо для надежных и точных двух-, трехосевых измерений. Стоит отметить, что трехосевых измерений магнитного поля в приведенных выше работах L.Sileo и М.Todaro с сотрудниками не было продемонстрировано, по-видимому, вследствие относительной сложности и недостаточной воспроизводимости выбранного варианта микроструктурирования. Решениям присуще нерационально избыточное количество операций для изготовления всей конструкции. В результате усложняется согласование связей и взаимного расположения элементов при изготовлении конструкции для надлежащего ее функционирования. Сложность изготовления, избыточность операций - следствие недостаточной функциональной проработки в отношении конструктивных элементов. Каждый из изготавливаемых элементов выполняет только узкоспециальную для него функцию. Так, в составе используемых в конструкции твердотельных криволинейных оболочек - петлеобразных структур, выполненных на основе механически напряженных слоев полупроводниковых материалов, слои используются только для задания криволинейной формы с целью расположения вне подложки сенсорных узлов датчика. Для обеспечения указанной функции требуется осуществление специальных операций по изготовлению выемок (окон). Изготовление плоских участков гетероструктур с элементами, выполняющими активную функцию, требует выращивания в их составе достаточно толстого буфера, чтобы при отделении их от подложки компенсировать влияние внутренних механических напряжений слоев петлеобразных структур, стремящихся придать кривизну участкам гетероструктуры, которые выполнены в составе гетероструктур. Имеющие пространственную ориентацию друг относительно друга под углом 90° гетероструктуры, на которых изготовлены сенсорные узлы, по мнению авторов, должны быть строго плоскими, что не является оправданным. При изготовлении датчика операции необходимо проводить с учетом строгого согласования пространственного расположения гетероструктур с сенсорными узлами относительно друг друга и подложки.
Техническим результатом группы изобретений является:
- достижение точности и надежности одновременных измерений ортогональных компонент магнитного поля, а также компоненты вектора магнитного поля, отличной от перпендикулярной к плоскости датчика;
- повышение надежности датчика;
- повышение воспроизводимости параметров датчиков.
В качестве отдельного преимущества предлагаемых технических решений следует отметить возможность достижения измерений градиента магнитного поля, включая временные зависимости градиента магнитного поля.
Другим преимуществом предлагаемых решений является уменьшение размера датчика в направлении, перпендикулярном подложке, и возможность масштабирования датчика в область наноразмеров, по крайней мере, в одном измерении (перпендикулярно подложке).
Технический результат достигается в датчике магнитного поля, содержащем сенсорные узлы, реализованные на использовании эффекта Холла, при этом сенсорные узлы выполнены в составе криволинейной оболочки с системой слоев, среди которых восприимчивые к магнитному полю - функциональные и формообразующие, последними обеспечена кривизна оболочки и возможность ориентации крестообразных холловских элементов сенсорных узлов в пространстве с выполнением соответствия измеряемых холловских напряжений ортогональным компонентам вектора внешнего магнитного поля.
В датчике сенсорные узлы изготовлены для трехосевых/двухосевых измерений в составе двух оболочек, выполненных цилиндрической формы и расположенных относительно друг друга так, что их образующие перпендикулярны друг другу, каждая оболочка снабжена сенсорными узлами с крестообразными холловскими элементами, включающими пары холловских контактов, ориентированными в пространстве с выполнением соответствия измеряемых холловских напряжений трем ортогональным компонентам вектора внешнего магнитного поля за счет азимутального угла между парами холловских контактов каждой из указанных оболочек, равного 90°, или сенсорные узлы изготовлены для двухосевых измерений в составе одной оболочки, выполненной цилиндрической формы с парами холловских контактов крестообразных холловских элементов сенсорных узлов, ориентированных в пространстве с выполнением соответствия измеряемых холловских напряжений двум ортогональным компонентам вектора внешнего магнитного поля за счет азимутального угла между парами холловских контактов, равного 90°.
В датчике сенсорные узлы изготовлены для трехосевых/двухосевых измерений в составе двух оболочек, выполненных цилиндрической формы и расположенных относительно друг друга так, что их образующие перпендикулярны друг другу, каждая оболочка снабжена сенсорными узлами с крестообразными холловскими элементами, включающими пары холловских контактов, ориентированными в пространстве с выполнением соответствия измеряемых холловских напряжений трем ортогональным компонентам вектора внешнего магнитного поля за счет азимутального угла между парами холловских контактов каждой из указанных оболочек, равного 90°, или сенсорные узлы изготовлены для двухосевых измерений в составе одной оболочки, выполненной цилиндрической формы с парами холловских контактов крестообразных холловских элементов сенсорных узлов, ориентированных в пространстве с выполнением соответствия измеряемых холловских напряжений двум ортогональным компонентам вектора внешнего магнитного поля за счет азимутального угла между парами холловских контактов, равного 90°, при этом из указанных сенсорных узлов в составе двух оболочек для трехосевых/двухосевых измерений или сенсорных узлов в составе одной оболочки для двухосевых измерений сформирован массив, в котором n≥2 сенсорных узлов выполнены прецизионно одинаковыми, с заданным распределением в пространстве.
В датчике оболочка расположена на подложке GaAs, связана с ней за счет выполненного на подложке жертвенного слоя AlAs.
В датчике формообразующие слои выполнены псевдоморфными монокристаллическими из материалов, характеризующихся в свободном состоянии различными периодами кристаллической решетки, для слоев, расположенных с наружной стороны оболочки, использованы материалы с большим периодом кристаллической решетки.
В датчике формообразующие слои выполнены с использованием материалов GaAs и InGaAs.
В датчике в системе слоев, среди которых восприимчивые к магнитному полю - функциональные и формообразующие, формообразующий слой выполнен восприимчивым к магнитному полю.
В датчике в системе слоев, восприимчивых к магнитному полю - функциональных и формообразующих, слой, восприимчивый к магнитному полю, выполнен из GaAs или FePt.
-10
-5
В датчике толщина стенки оболочки равна от примерно (5÷6)×10 до примерно 10 м.
11
-2
В датчике в системе слоев, восприимчивых к магнитному полю - функциональных и формообразующих, выполнена квантовая яма в виде слоя GaAs толщиной 13 нм с электронным газом с концентрацией порядка 10 см, квантовая яма расположена между слоями твердого раствора AlGaAs, легированными Si, причем слои в последовательности AlGaAs - барьер, GaAs - квантовая яма, AlGaAs - барьер расположены в оболочке между слоем из GaAs, выполненным со стороны внутреннего объема оболочки, являющимся защитным слоем, и формообразующим слоем, расположенным с наружной стороны оболочки и выполненным из InGaAs.
В датчике в стенке оболочки цилиндрической формы выполнены два сенсорных узла, с внутренней стороны оболочки литографически сформированы мезоструктуры с образованием крестообразных холловских элементов - холловских мостиков, канал для пропускания тока крестообразного холловского элемента сенсорного узла - канал холловского мостика расположен вдоль направляющей цилиндрической оболочки, при этом в сенсорных узлах вдоль канала выполнены две пары холловских контактов для измерения холловского напряжения - потенциальные контакты, в каждой паре контакты расположены по разные стороны канала, азимутальный угол между парами контактов 90°, общий для двух сенсорных узлов канал выполнен соединяющим общие для двух сенсорных узлов токовые контакты, длиной πR/2 и более, R - радиус кривизны оболочки; в случае выполнения датчика, работающего на базе ординарного эффекта Холла, функциональный слой, восприимчивый к магнитному полю, так же как и формообразующий слой, выполнен цилиндрической формы, в нем геометрия крестообразного холловского элемента - холловского мостика определена выполнением тоководов, от токовых и потенциальных контактов холловских мостиков литографией и последующим нанесением Au проложены тоководы к контактным площадкам, расположенным на подложке, с омическими контактами к функциональному слою, омические контакты выполнены напылением слоя германий/никель/золото с последующим отжигом; в случае выполнения датчика, работающего на базе экстраординарного эффекта Холла, функциональный слой, восприимчивый к магнитному полю, выполнен в отличие от формообразующего слоя имеющим рисунок в виде двух соединяющихся крестообразных элементов, определяющий геометрию холловского мостика функциональный слой получен путем предварительного нанесения защитного резиста на формообразующий слой и формирования в резисте сквозного окна с рисунком в виде двух соединяющихся крестообразных элементов с последующим напылением в окно FePt и финального, после напыления, удаления защитного резиста, обладающим кривизной, как и формообразующий слой, в этом случае омические контакты к функциональному слою выполнены непосредственно у выступов холловского элемента - холловского мостика, либо на контактных площадках, либо между ними в любой точке тоководов, последние изготовлены также литографией и последующим нанесением Аи и проложены к контактным площадкам, расположенным на подложке и выполненным тоже из золота, для получения омического контакта выполнение слоев FePt и Au осуществлено внахлестку, причем если омические контакты выполнены у выступов холловского мостика, то место, в котором слои нанесены внахлестку, расположено у выступов, если омические контакты выполнены на контактных площадках, то области тоководов покрыты FePt, а в области контактных площадок слои FePt и Au выполнены внахлестку.
Датчик дополнительно снабжен сформированными на той же подложке схемами обработки сигнала, на которой расположена оболочка с сенсорными узлами.
В датчике сенсорные узлы выполнены в составе криволинейной оболочки, которая запечатана в твердую матрицу из немагнитного материала.
Технический результат достигается в способе изготовления датчика магнитного поля, в котором на подложке формируют многослойный пленочный элемент/элементы с использованием материалов, геометрии и внутренних механических напряжений, обеспечивающих ориентацию крестообразных холловских элементов сенсорных узлов в пространстве, при которой реализовано соответствие измеряемых холловских напряжений ортогональным компонентам вектора внешнего магнитного поля, при этом на стадии формирования пленочного элемента изготавливают слои, формообразующие, механически напряженные, и функциональные, восприимчивые к магнитному полю, с холловскими контактами, пленочный элемент отделяют от подложки, трансформируя его под действием внутренних механических напряжений в оболочку с достижением ориентации крестообразных холловских элементов в пространстве, при которой реализовано соответствие измеряемых холловских напряжений ортогональным компонентам вектора внешнего магнитного поля.
В способе при формировании многослойного пленочного элемента изготавливают все его конструктивные слои в последовательности от подложки - формообразующие, механически напряженные, функциональные, восприимчивые к магнитному полю, с холловскими контактами и тоководами, слои контактных площадок, при этом посредством планарной технологии задают рисунки слоев, в том числе рисунки, задающие контуры пленочного элемента, рисунки формообразующих, механически напряженных, и функциональных, восприимчивых к магнитному полю, слоев с холловскими контактами, с тоководами от последних к контактным площадкам, контактных площадок.
В способе перед формированием многослойного пленочного элемента выращивают жертвенный слой, расположенный на подложке, пленочный элемент отделяют от подложки путем селективного бокового травления жертвенного слоя, в качестве подложки используют подложку GaAs.
-10
-5
В способе толщину многослойного пленочного элемента задают от 5×10 до 10 м, при этом рисунки слоев формируют литографически, последующее отделение пленочного элемента от подложки осуществляют посредством удаления материала элемента, расположенного под пленочным элементом, обеспечивая за счет этого направленное изгибание пленочного элемента с формированием оболочки цилиндрической формы радиусом R с сенсорными узлами с крестообразными холловскими элементами - холловский мостик, ориентированными в пространстве с реализацией соответствия измеряемых холловских напряжений ортогональным компонентам вектора внешнего магнитного поля, при этом канал сенсорного узла для пропускания тока холловского мостика располагают вдоль направляющей цилиндрической поверхности оболочки, в сенсорных узлах выполняют пары холловских контактов для измерения холловского напряжения - потенциальные контакты, контакты располагают вдоль канала по разные стороны его, азимутальный угол между парами контактов холловских контактов - 90°.
В способе пленочный элемент отделяют от подложки, трансформируя его под действием внутренних механических напряжений в оболочку, содержащую два сенсорных узла, с достижением ориентации крестообразных холловских элементов сенсорных узлов в пространстве, при которой реализовано соответствие измеряемых холловских напряжений ортогональным компонентам вектора внешнего магнитного поля, посредством реализации направленного травления, осуществляющего заданное направление изгибания освобождаемого пленочного элемента, а направление изгибания задают при формировании многослойного пленочного элемента, при задании рисунков слоев, в том числе рисунка, задающего контуры пленочного элемента, рисунков формообразующих, механически напряженных, и функциональных, восприимчивых к магнитному полю, слоев с холловскими контактами и тоководами от последних к контактным площадкам, контактных площадок, причем рисунок функционального слоя, восприимчивого к магнитному полю, с холловскими контактами, с тоководами от последних к контактным площадкам формируют с общим для двух сенсорных узлов каналом для пропускания тока, лежащим в направлении изгибания пленочного элемента, с длиной канала не менее πR/2, R - радиус кривизны оболочки, при этом в сенсорных узлах выполняют две пары холловских контактов для измерения холловского напряжения - потенциальные контакты, контакты расположены вдоль канала по разные стороны его, азимутальный угол между парами контактов - 90° или расстояние по центру между парами πR/2, R - радиус кривизны оболочки, каждая пара предназначена для определения своей ортогональной компоненты внешнего магнитного поля, пленочный элемент трансформируют в оболочку цилиндрической формы, в финале оболочку помещают в твердую матрицу из немагнитного материала, для этого на подложку с оболочкой наносят жидкий полимер и осуществляют его отверждение, при формировании двух многослойных пленочных элементов их рисунки реализуют с возможностью перпендикулярных направлений изгибания и получения оболочек цилиндрической формы, образующие которых перпендикулярны, рисунки слоев первого пленочного элемента повторяют во втором пленочном элементе с поворотом на 90°, в финале оболочки помещают в твердую матрицу из немагнитного материала, для этого на подложку с оболочками наносят жидкий полимер и осуществляют его отверждение.
В способе формообразующие, механически напряженные слои, формируют путем эпитаксии из кристаллических материалов с различными постоянными решетки, соблюдая условия псевдоморфного роста, функциональный, восприимчивый к магнитному полю, слой выполняют путем эпитаксии из полупроводника или напыляют из металла.
В способе формообразующие механически напряженные слои формируют путем эпитаксии из кристаллических материалов с различными постоянными решетки - GaAs и InGaAs, функциональный, восприимчивый к магнитному полю, слой выполняют из GaAs или FePt.
11
-2
В способе функциональный, восприимчивый к магнитному полю, слой выполняют в виде системы слоев, среди которых выполняют квантовую яму из GaAs толщиной 13 нм с электронным газом с концентрацией порядка 10 см, квантовую яму располагают между слоями твердого раствора AlGaAs, в отношении которых осуществлено δ-легирование Si, причем слои в последовательности AlGaAs слой, соответствующий барьеру, GaAs слой, соответствующий квантовой яме, AlGaAs слой, соответствующий барьеру, располагают между слоем из GaAs, являющимся защитным слоем, и формообразующим слоем, расположенным на подложке или жертвенном слое, выращенном на подложке, и выполненным из InGaAs.
В способе рисунок функционального слоя, восприимчивого к магнитному полю, с холловскими контактами, с тоководами от последних к контактным площадкам в случае изготовления датчика, работающего на базе ординарного эффекта Холла, формируют с внешним контуром, таким же как и у формообразующего слоя, а геометрию крестообразного холловского элемента - холловского мостика определяют выполнением тоководов, от токовых и потенциальных контактов холловских мостиков литографией и последующим нанесением Au прокладывают тоководы к контактным площадкам, расположенным на подложке, с омическими контактами к функциональному слою, омические контакты выполняют напылением слоя германий/никель/золото с последующим отжигом; в случае изготовления датчика, работающего на базе экстраординарного эффекта Холла, функциональный слой, восприимчивый к магнитному полю, выполняют рисунком, отличным от формообразующего слоя, имеющим рисунок в виде двух соединяющихся крестообразных элементов, чем определяют геометрию холловского мостика, функциональный слой получают путем предварительного нанесения защитного резиста на формообразующий слой и формирования в резисте сквозного окна с рисунком в виде двух соединяющихся крестообразных элементов с последующим напылением в окно FePt и финального, после напыления, удаления защитного резиста, в этом случае омические контакты к функциональному слою выполняют непосредственно у выступов холловского элемента - холловского мостика, либо на контактных площадках, либо между ними - в любой точке тоководов, тоководы также изготавливают литографией и последующим нанесением Au и прокладывают к контактным площадкам, расположенным на подложке и выполненным из золота, для получения омического контакта выполнение слоев FePt и Au осуществляют внахлестку, причем если омические контакты выполнены у выступов холловского мостика, то место, в котором слои наносят внахлестку, располагают у выступов, если омические контакты выполняют на контактных площадках, то области тоководов покрывают FePt, а в области контактных площадок слои FePt и Au выполняют внахлестку, при этом литографические окна, задающие геометрию тоководов и контактных площадок, изготавливают глубиной, достаточной для электрической изоляции.
В способе на подложке формируют многослойный пленочный элемент/элементы, соответственно, для сенсорных узлов, предназначенных для двухосевых измерений в составе одной оболочки, или сенсорных узлов, предназначенных для трехосевых/двухосевых измерений в составе двух оболочек, из указанного элемента/элементов образуют массив с n≥2 прецизионно одинаковыми элементами, с учетом их геометрии и пространственной ориентации, с заданным распределением в пространстве, при этом используют материалы, геометрию и внутренние механические напряжения, обеспечивающие ориентацию крестообразных холловских элементов массива сенсорных узлов для двухосевых измерений или для трехосевых/двухосевых измерений в пространстве, при которой реализовано соответствие измеряемых холловских напряжений ортогональным компонентам вектора внешнего магнитного поля, при этом на стадии формирования каждого пленочного элемента массива изготавливают слои, формообразующие, механически напряженные, и функциональные, восприимчивые к магнитному полю, с холловскими контактами, каждый пленочный элемент массива отделяют от подложки, трансформируя его под действием внутренних механических напряжений в оболочку с достижением ориентации крестообразных холловских элементов в пространстве, при которой реализовано соответствие измеряемых холловских напряжений ортогональным компонентам вектора внешнего магнитного поля, с получением массива сенсорных узлов для двухосевых измерений в составе одной оболочки, выполненных прецизионно одинаковыми, с заданным распределением в пространстве, с n≥2 прецизионно одинаковьми сенсорными узлами, или с получением массива сенсорных узлов, предназначенных для трехосевых/двухосевых измерений в составе двух оболочек и выполненных прецизионно одинаковыми, с заданным распределением в пространстве, с n≥2 прецизионно одинаковыми сенсорными узлами.
Сущность технических решений поясняется нижеследующим описанием и прилагаемыми чертежами.
На Фиг.1 схематически изображены сенсорные узлы, расположение их в пространстве относительно друг друга, выполненные на основе твердотельных криволинейных оболочек, в частности - цилиндрических, для датчика магнитного поля на основе эффекта Холла: а) для двухосевых измерений магнитного поля - в составе одной оболочки с условно показанными парами холловских контактов, расположенных на внутренней поверхности оболочки, азимутальный угол φ между ними составляет 90°; б) для двух- и/или трехосевых измерений магнитного поля - в составе двух оболочек, расположенных на подложке друг относительно друга перпендикулярно, с условно показанными парами холловских контактов, расположенных на внутренних поверхностях оболочек, азимутальный угол между ними составляет 90°, в совокупности обуславливая ориентацию пар холловских контактов в пространстве, при которой измеряемые холловские напряжения ортогональны трем компонентам вектора внешнего магнитного поля.
На Фиг.2 схематически показано сворачивание в рулон за счет действия встроенных механических напряжений псевдоморфной гетеропленки из двух формообразующих слоев при освобождении ее от связи с подложкой.
3
5
На Фиг.3 представлено формирование двух сенсорных узлов в составе цилиндрической оболочки на основе полупроводниковых соединений AB с двумя парами холловских контактов (потенциальных): а) схематически показано поперечное сечение исходной, в частном случае выполнения датчика, модулированно легированной гетероструктуры с квантовой ямой (КЯ) GaAs, содержащей двумерный электронный газ; b) схематически изображена литографически мезоструктурированная плоская многослойная гетероструктура, расположенная на подложке, с формированием двух пар холловских контактов (потенциальных) и пары токовых контактов, между которыми расположен канал для протекания тока; с) схематическое изображение сформированной цилиндрической оболочки, снабженной омическими контактами и тоководами; d) фотографическое изображение литографически мезоструктурированной плоской многослойной гетероструктуры, расположенной на подложке, с формированием двух пар холловских контактов (потенциальных) и пары токовых контактов, между которыми расположен канал для протекания тока; е) фотографическое изображение цилиндрической оболочки, снабженной омическими контактами и тоководами, сформированной путем сворачивания литографически мезоструктурированной плоской многослойной гетероструктуры при освобождении ее от связи с подложкой; где 1-6 контактные площадки.
На Фиг.4 представлено схематическое изображение датчика магнитного поля на основе эффекта Холла для двух- и/или трехосевых измерений магнитного поля в составе двух оболочек, запечатанных в полимер.
На Фиг.5 представлены результаты трехосевых холловских измерений во внешнем магнитном поле, направленном вдоль оси Z, при вращения образца вокруг оси X, с измеряемыми холловскими напряжениями Ux, Uy и Uz, пропорциональными компонентам вектора магнитного поля Вх, By и Bz.
На Фиг.6 схематически представлены контуры формообразующих слоев многослойного пленочного элемента, обеспечивающие реализацию направленного изгибания пленочного элемента при его отделении от подложки путем стимуляции процесса травления за счет присутствия внутренних механических напряжений на границе окна: где 7 - подложка; 8 - слой GaAs; 9 - механически напряженный слой InGaAs; 10 - жертвенный слой AlAs.
Достижение указанного технического результата базируется на следующих особенностях.
Активная часть датчика - сенсорные узлы выполняются, в отличие от приведенных известных технических решений, непосредственно в составе многослойной оболочки (освобожденной от связи с подложкой тонкой искривленной пленки), содержащей наряду с формообразующими слоями, обеспечивающими кривизну за счет действия упругих напряжений, функциональные слои - слои, восприимчивые к магнитному полю. Активная часть датчика (сенсорные узлы) имеет крестообразные холловские элементы (включающие пары холловских контактов), выполненные с возможностью их ориентации в пространстве соответствующими взаимно ортогональными компонентами вектора внешнего магнитного поля. За счет изгибания в результате наличия внутренних механических напряжений в слоях пленки достигается требуемое ориентирование расположенных в оболочке крестообразных холловских элементов в пространстве (см. Фиг.1). Слой, восприимчивый к магнитному полю, или система слоев, в совокупности восприимчивая к магнитному полю, имеет такую же кривизну, как и формообразующие слои, изгибающиеся под действием внутренних механических напряжений при отделении их от связи с подложкой. В связи с этим мезоструктуры, в частности, образующие холловские мостики, выполнены также криволинейной конфигурации за счет изгиба пленки, при этом они своей конфигурацией отвечают ориентации крестообразных холловских элементов, при которой измеряемые холловские напряжения ортогональны компонентам вектора внешнего магнитного поля (см. Фиг.1). Плоскости, касательные к оболочке в центрах крестообразных холловских элементов, ортогональны относительно друг друга за счет кривизны оболочки. Причем указанные расположения элементов относительно друг друга, в частности, пространственные, задаются прецизионным образом.
Слой, восприимчивый к магнитному полю, или система слоев, в совокупности восприимчивая к магнитному полю, является функциональным элементом сенсорного узла и, в общем, датчика магнитного поля, играет ключевую роль, поскольку обеспечивает возникновение холловской ЭДС. Для измерения последней и определения ортогональных компонент магнитного поля в сенсорном узле необходимы крестообразные холловские элементы с пространственной ориентацией, соответствующей определяемой ортогональной компоненте внешнего магнитного поля. Последнее условие выполняется за счет кривизны, обеспечиваемой формообразующими слоями.
Таким образом, с одной стороны, оболочка является средством достижения требуемой ориентации крестообразных холловских элементов в пространстве, с другой стороны, оболочка является местом, в котором локализованы сенсорные узлы с функциональным слоем и холловскими контактами. Выполнение криволинейной оболочкой указанной двойной функции играет ключевую роль в достижении технического результата. Именно реализация двойной функции твердотельной криволинейной оболочки, в отличие от вышерассмотренных технических решений, в которых оболочка выполняла только единственную функцию, значительно упрощает используемое при создании датчика микроструктурирование твердотельной гетероструктуры, устраняет причины, препятствующие достижению технического результата.
1
2
1
2
В основе создания предлагаемого датчика магнитного поля лежит метод сворачивания тонких напряженных пленок при их освобождении от связи с подложкой (V.Ya.Prinz, V.A.Seleznev, А.К.Gutakovsky, A.V.Chehovskiy, V.V.Preobrazenskii, M.A.Putyato, T.A.Gavrilova. Free standing and overgrown InGaAs/GaAs nanotubes, nanohelical and their arrays. Physica E, 2000, v.6, N 1-4, p.p.828-831). Напряженная двухслойная пленка из материалов с различными постоянными кристаллической решетки при освобождении ее от связи с подложкой изгибается и сворачивается в рулон под действием внутренних механических напряжений (Фиг.2). Упругие силы F и F в формообразующих слоях - сжатом слое, расположенном на жертвенном слое, и растянутом слое, расположенном на сжатом слое, направлены в противоположные стороны и создают момент сил M, стремящийся изогнуть пленку. Пока жертвенный слой не подвергнут травлению, пленка жестко связана с подложкой посредством жертвенного слоя и удерживается в плоском состоянии. При направленном боковом травлении жертвенного слоя пленка из формообразующих слоев начинает отделяться от подложки. Под действием момента сил упругих деформаций пленка изгибается, приобретая криволинейную форму, соответствующую минимуму энергии внутренних напряжений. Радиус кривизны изгиба можно задавать с прецизионной точностью. Он зависит от толщины пленки и величин механических напряжений в ней. Радиус воспроизводится с прецизионной точностью, поскольку он задается относительным рассогласованием периодов кристаллических решеток материалов, которые выбирают для формирования формообразующих слоев, и толщинами последних. Выращивая на подложке исходные структуры с разной толщиной эпитаксиальных слоев и составами твердых растворов, можно очень точно получать требуемое значение радиуса кривизны. Толщина при эпитаксиальном росте задается с точностью до моноатомных слоев. В простейшем случае двухслойной гетеропленки с толщинами слоев d и d, несоответствием параметров решетки слоев Δа/а и коэффициентом Пуассона v радиус кривизны R определяется формулой (M.Grundmann, Appl. Phys. Lett. 83, 2444 (2003)):
<mrow><mi>R</mi><mo>=</mo><mfrac><mn>1</mn><mn>6</mn></mfrac><mfrac><mn>1</mn><mrow><mfrac bevelled="true"><mrow><mi>Δ</mi><mi>a</mi></mrow><mi>a</mi></mfrac></mrow></mfrac><mfrac><mrow><msup><mrow><mo stretchy="false">(</mo><msub><mi>d</mi><mn>1</mn></msub><mo>+</mo><msub><mi>d</mi><mn>2</mn></msub><mo stretchy="false">)</mo></mrow><mn>3</mn></msup></mrow><mrow><mo stretchy="false">(</mo><mn>1</mn><mo>+</mo><mi>ν</mi><mo stretchy="false">)</mo><msub><mi>d</mi><mn>1</mn></msub><msub><mi>d</mi><mn>2</mn></msub></mrow></mfrac></mrow>
Таким образом, локальная кривизна оболочки задается присутствующими в ее составе формообразующими слоями, изогнутыми за счет действия упругих напряжений. Формообразующие слои получают на стадии изготовления на подложке многослойного пленочного элемента - элемента, находящегося в плоском состоянии и содержащего все конструктивные элементы сенсорного узла магнитного датчика, а точнее, при формировании на подложке гетероструктуры. На этой же стадии в составе гетероструктуры изготавливают функциональный слой - слой, восприимчивый к магнитному полю, или систему слоев (как, например, см. Фиг. 3,а)), в совокупности восприимчивую к магнитному полю, которые снабжают в дальнейшем при изготовлении датчика холловскими контактами (см. Фиг.3). Исходный объект при формировании пленочного элемента - твердая многослойная пленка или гетероструктура, нанесенная на твердую подложку каким-либо способом, молекулярно-лучевой эпитаксией, осаждением из жидкой или газовой фазы, термическим или электронно-лучевым распылением. В общем случае в составе гетероструктуры выполняют совокупность слоев полупроводников, металлов, диэлектриков. Исходный объект соответствует следующим требованиям: во-первых, должна быть обеспечена достаточная концентрация носителей заряда для возникновения поперечного (холловского) напряжения за счет обычного или аномального (экстраординарного) эффектов Холла при протекании электрического тока в плоскости пленки и наличии внешнего магнитного поля, перпендикулярного ее плоскости; во-вторых, должна иметься возможность локального отделения от подложки; в-третьих, должны быть встроенные механические напряжения, под действием которых при отделении от подложки твердая многослойная пленка (гетероструктура) изгибается и принимает требуемую пространственную конфигурацию, в частности, вследствие несоответствия параметров кристаллической решетки материалам слоев.
Изготовление многослойного пленочного элемента осуществляют с использованием материалов, геометрии и внутренних механических напряжений, обеспечивающих ориентацию пар холловских контактов в пространстве, при которой измеряемые холловские напряжения соответствуют ортогональным компонентам вектора внешнего магнитного поля, посредством имеющегося к настоящему времени арсенала средств планарной технологии. Для задания прецизионного расположения сенсорных узлов среди методов планарной технологии, обеспечивающих однородность толщины слоя и однородность механических напряжений по слою, используют такие, как эпитаксия, электрохимическое осаждение, вакуумное напыление и другие методы. Отделяя от подложки пленочный элемент, трансформируют его под действием внутренних механических напряжений в оболочку, кривизну которой можно варьировать в широком диапазоне. Конкретное значение кривизны оболочки, обеспечивающее требуемое пространственное расположение пар холловских контактов, с высокой точностью задается выбором внутренних напряжений формообразующих слоев, их толщинами и механическими свойствами слоев.
Способ изготовления позволяет использовать широкий круг материалов для конструктивных слоев датчика с прецизионным подбором их толщин и напряжений, а также реализовать желаемую геометрию всех элементов датчика, включая точную пространственную конфигурацию. Первая стадия способа заключается в формировании пленочного элемента, контуры которого задают литографически, при этом на подложке осуществляют формирование одного или более отдельных пленочных элементов в плоском состоянии. При формировании определяют форму сворачиваемого пленочного элемента, области начала отделения его от подложки и сворачивания, направление сворачивания. Используют любой тип литографии - оптическая, электронная, штамповая для нанесения защитной маски требуемой формы на поверхность исходной пленки и последующего локального удаления пленки травлением (жидкостным, ионным или другим) с получением заданной геометрии многослойного пленочного элемента. В областях пленки, не защищенных маской, пленку полностью удаляют. При необходимости маска подлежит удалению.
В составе многослойного пленочного элемента выращивают не менее двух формообразующих слоев со встроенными механическими напряжениями, создающими момент сил, стремящийся изогнуть пленку. Толщину каждого слоя выбирают от нескольких микрон до одного атомного монослоя, в зависимости от требований, предъявляемых к датчику. В частности, может быть выполнена последовательность формообразующих слоев со встроенными механическими напряжениями с возможностью задания градиента продольных механических напряжений, направленного поперек пленки. Кроме того, в составе пленочного элемента выполняют не менее одного функционального слоя - слоя, восприимчивого к магнитному полю, или систему слоев, в совокупности восприимчивую к магнитному полю. При этом если позволяет используемый материал в качестве функционального слоя может выступать формообразующий слой, совмещая, таким образом, две функции - обеспечение кривизны и создание холловской ЭДС. На этой же стадии после изготовления формообразующих и функционального слоя и получения геометрии многослойного пленочного элемента проводят мезоструктурирование по функциональному слою - изготавливают крестообразные холловские элементы, тоководы и контактные площадки (см. Фиг.3, b), d)). При этом осуществляют определение формы проводящих каналов - тоководов активной области датчика и контактных полей для снятия холловских напряжений - контактных площадок. Используют любой тип литографии - оптическая, электронная, штамповая для нанесения защитной маски требуемой формы на поверхность исходной пленки и последующего локального удаления пленки травлением (жидкостным, ионным или другим) с получением заданной геометрии тоководов и контактных площадок. В не защищенных маской областях пленки последнюю удаляют до глубины, достаточной для электрической изоляции в области травления. (Здесь под электрической изоляцией следует понимать многократное, например в 100 и более раз, увеличение электрического сопротивления травленой пленки по сравнению с исходной.) При наличии жертвенного слоя травление осуществляют до достижения глубины, меньшей, чем глубина залегания жертвенного слоя, не допуская обнажения последнего. После чего маска подлежит удалению. На этой же стадии осуществляют формирование омических контактов датчика путем нанесения слоя подходящего материала, например индия, или слоев нескольких материалов, например германий/никель/золото на области контактных полей - контактных площадок 1-6 (см. Фиг.3). При необходимости после нанесения проводят отжиг в инертной атмосфере. Таким образом, на первом этапе изготавливают все конструктивные элементы датчика магнитного поля, они находятся в плоском состоянии, потому что мезоструктурированная пленка связана с подложкой, в частности, за счет присутствующего жертвенного слоя, если последний выращивают в составе пленочного элемента. Однако изготавливаемый датчик еще не готов к функционированию. Остается придать плоским конструктивным элементам требуемое для измерения ортогональных компонент внешнего магнитного поля расположение в пространстве (см. Фиг.3, с), е)).
Кроме вышерассмотренной реализации первой стадии способа возможен вариант, в котором изготовление функционального слоя с тоководами и контактными площадками осуществляют в едином процессе методом «Lift-off» (напыление на маску с окнами с последующим растворением материала маски).
На второй стадии способа изготовления приступают непосредственно к операциям, касающимся получения криволинейной оболочки (трубки, свитки, рулоны) и требуемого расположения в пространстве крестообразных холловских элементов, включающих пары холловских контактов. Созданный пленочный элемент/элементы освобождают от связи с подложкой посредством удаления под ним/ними материала нижележащего элемента либо без удаления последнего, применяя воздействие, освобождающее гетероструктуру от связи с подложкой, например воздействие лазерным излучением. В первом случае травят жертвенный слой, предварительно выращенный на подложке. При этом многослойный пленочный элемент изгибается под действием внутренних механических напряжений формообразующих слоев и трансформируется в оболочку с формой, соответствующей минимуму энергии внутренних механических напряжений. Изгибание пленочного элемента в требуемом направлении достигается применением способов направленного сворачивания (А.В.Vorob'ev, V.Ya.Prinz. Directional rolling of strained heterofilms. Semiconductor Science and Technology, 17, 2002, p.p.614-616), базирующихся на анизотропии упругих свойств слоев гетероструктуры, анизотропии травления жертвенного слоя, или посредством использования определенных конфигураций контуров пленочного элемента, которые задают требуемое направление сворачивания. При этом функциональный слой, крестообразные холловские элементы, тоководы и, может быть, отчасти даже контактные площадки претерпевают трансформацию вместе с формообразующими слоями многослойного пленочного элемента.
В заключение осуществляют присоединение проволок, проводов или иных электрических подводов к контактным площадкам 1-6 (см. Фиг.3).
Подчеркнем, что последовательность этапов - изготовление исходного объекта в виде твердой многослойной пленки или гетероструктуры, определение формы многослойного пленочного элемента, определение формы тоководов и контактных площадок, формирование на последних омических контактов, формирование криволинейных оболочек, наконец, присоединение к контактным площадкам электрических подводов может отличаться от приведенной здесь последовательности, в зависимости от средств, заимствованных из арсенала планарной технологии для изготовления датчика - материалов и технологических методов.
В частном случае реализации предлагаемого технического решения полученная оболочка с функциональным слоем, крестообразными холловскими элементами с парами холловских контактов может быть перенесена на другой несущий элемент либо размещена в другой среде. В частности, может быть запечатана в полимер (см. Фиг.4).
Конструкция датчика с оболочкой/оболочками с сенсорными узлами подвержена механическим воздействиям. Во избежание разрушительных последствий воздействий и выведения датчика из строя рекомендуется изготовленную конструкцию датчика помещать в твердую матрицу. Для этого в области несущего элемента конструкции (подложки) датчика с оболочками наносят жидкий полимер с последующим его отверждением. Такое запечатывание может быть выполнено с использованием полидиметилсилоксана - кремнийорганического полимера. Для полидиметилсилоксанов характерны химическая инертность, низкое поверхностное натяжение, водоотталкивающие и диэлектрические свойства. Кроме того, они прозрачны, что позволяет производить контроль за состоянием конструкции с помощью оптического микроскопа.
Отметим, радиус кривизны получаемой оболочки зависит от толщины и механических свойств всех слоев мезоструктурированной гетероструктуры. Формирование на первом этапе функционального слоя с большой толщиной приведет к существенному увеличению радиуса кривизны. Наличие формообразующих слоев со встроенными механическими напряжениями в составе многослойной оболочки толщиной от сотен микрометров до единиц нанометров, задающих локальную кривизну оболочки, обуславливает ее характерные масштабы. Варьирование локальной кривизны за счет подбора параметров формообразующих и функционального слоев обеспечивает возможность масштабирования датчика магнитного поля.
Способ изготовления обеспечивает широкий диапазон размеров активных элементов датчика (от единиц нанометров до единиц миллиметров) и их пространственных конфигураций. Оболочки посредством операций предлагаемого способа, базирующегося на планарной технологии и принципах трансформации пленочных элементов в оболочки, могут быть выполнены разнообразных геометрических форм и размеров, с возможностью обеспечения требуемого позиционирования в пространстве холловских элементов. В случае выполнения датчика магнитного поля с использованием более чем одной оболочки способ позволяет реализовать их, в общем случае, разными формами, ориентацией и размерами, обеспечить желаемое размещение их относительно друг друга.
В приведенных выше работах L.Sileo и М.Todaro с сотрудниками высота кантилеверных структур над подложкой достигает приблизительно 400 мкм, что неприемлемо много как с точки зрения изготовления микро- и нанодатчиков Холла, так и с точки зрения устойчивости кантилеверных структур к механическим воздействиям, в частности к действию капиллярных сил в процессе изготовления и/или эксплуатации датчика. Этот размер не может быть уменьшен существенно (на 2-3 порядка) в силу принципиальных ограничений использованного варианта микроструктурирования, известного как "микрооригами". Напротив, диаметр цилиндрических оболочек с сенсорными узлами (то есть, размер датчика в направлении, перпендикулярном подложке) составляет десятки микрометров и может быть масштабирован в область субмикронных и наноразмеров соответствующим выбором толщины и состава напряженной тонкой пленки, из которой формируются оболочки. Из литературы известно, что к настоящему времени минимальный достигнутый диаметр цилиндрических оболочек составляет 2 нм (V.Ya.Prinz, V.A.Seleznev, А.К.Gutakovsky, A.V.Chehovskiy, V.V.Preobrazenskii, М.A.Putyato, T.A.Gavrilova. Free standing and overgrown InGaAs/GaAs nanotubes, nanohelical and their arrays. Physica E, 2000, v.6, N 1-4, p.p.828-831), в то время как минимальная известная высота структур "микрооригами" составляет около 50 мкм (P.O.Vaccaro et al., Appl. Phys. Lett. 78, 2852 (2001)).
В отношении материалов предлагаемый способ позволяет использовать широкий круг материалов как для конструктивных слоев оболочки, так и других конструктивных элементов (например, несущего элемента в случае переноса оболочки с подложки).
При изготовлении датчика операции, заимствованные из арсенала планарной технологии, обеспечивают высокое структурное совершенство внутреннего строения формообразующих и функционального слоев и других конструктивных слоев. Высокое внутреннее совершенство формообразующих слоев является гарантией точности задания локальной кривизны многослойной оболочки. Фактор совершенства внутреннего строения конструктивных слоев предопределяет воспроизводимость характеристик датчика.
Наличие формообразующих слоев, с высокой точностью задающих кривизну оболочки посредством соответствующего подбора их толщин и внутренних механических напряжений, а также методов планарной технологии для воспроизведения рисунков слоев пленочного элемента при мезоструктурировании гетероструктуры обеспечивают высокую воспроизводимость формы оболочки. Возможность точного позиционирования пленочных элементов относительно друг друга, обеспечиваемая планарной технологией, позволяет реализовать с высокой воспроизводимостью заданное размещение готовых оболочек.
Повышение прочности структур датчика является прямым результатом выполнения активных элементов датчика в составе оболочки, удерживаемой внутренними механическими напряжениями формообразующих слоев, и совершенства внутреннего строения оболочки, что обеспечивает высокую прочность и формоустойчивость активных элементов датчика - сенсорных узлов.
Таким образом, выше показано, как особенности конструкции и изготовления датчика влияют на достижение технического результата, обеспечивая достижение точности и надежности одновременных измерений ортогональных компонент магнитного поля, а также компоненты вектора магнитного поля, отличной от перпендикулярной к плоскости датчика, повышение надежности датчика и воспроизводимости параметров датчиков.
Использование методов и материалов традиционной технологии производства интегральных схем (ИС) позволяет осуществлять интеграцию датчика с ИС.
В общем случае осуществления датчик магнитного поля содержит сенсорные узлы, реализованные на использовании эффекта Холла, при этом сенсорные узлы с холловскими контактами выполнены в составе криволинейной оболочки (см. Фиг.1). Криволинейная оболочка образована системой слоев, среди которых присутствуют восприимчивые к магнитному полю - функциональные и формообразующие. Последними за счет действия механических напряжений обеспечена кривизна оболочки и возможность ориентации крестообразных холловских элементов сенсорных узлов в пространстве с выполнением соответствия измеряемых холловских напряжений ортогональным компонентам вектора внешнего магнитного поля (см. Фиг.1).
В частном случае реализации датчика сенсорные узлы изготовлены в составе двух оболочек (см. Фиг.1, б)) - для трехосевых/двухосевых измерений. Оболочки выполнены цилиндрической формы и расположены относительно друг друга так, что их образующие перпендикулярны друг другу. Каждая оболочка снабжена сенсорными узлами с крестообразными холловскими элементами, включающими в себя холловские контакты, ориентированными в пространстве с выполнением соответствия измеряемых холловских напряжений трем ортогональным компонентам вектора внешнего магнитного поля. Азимутальный угол между парами холловских контактов оболочек составляет 90°, обуславливая требуемую ориентацию пар холловских контактов в пространстве для трех- или двухосевых измерений вектора магнитного поля.
В частном случае реализации датчика сенсорные узлы изготовлены в составе одной оболочки (см. Фиг.1, а)) - для двухосевых измерений. Сенсорные узлы изготовлены для двухосевых измерений в составе одной оболочки. Оболочка выполнена цилиндрической формы с парами холловских контактов крестообразных холловских элементов сенсорных узлов, ориентированных в пространстве с выполнением соответствия измеряемых холловских напряжений двум ортогональным компонентам вектора внешнего магнитного поля. Азимутальный угол φ между парами холловских контактов, за счет которого выполняется соответствие измеряемых холловских напряжений двум ортогональным компонентам вектора внешнего магнитного поля, составляет 90°.
Каждый сенсорный узел предназначен для определения своей ортогональной компоненты вектора внешнего магнитного поля и включает в свой состав формообразующий и функциональный слои, крестообразный холловский элемент на базе функционального слоя, холловские контакты - с парой потенциальных контактов. В оболочке (см. Фиг.1) выполнено два сенсорных узла.
В частном случае реализации датчик выполнен в составе вышеприведенных образующих массив сенсорных узлов в составе двух оболочек (см. Фиг.1, б)) - для трехосевых/двухосевых измерений или сенсорных узлов в составе одной оболочки (см. Фиг.1, а)) - для двухосевых измерений. При этом сенсорные узлы в количестве n≥2 сформированы прецизионно одинаковыми, с заданным распределением в пространстве. Данный случай реализации датчика дает возможность измерять градиент магнитного поля, включая временные зависимости градиента магнитного поля. За счет изготовления оболочек с сенсорными узлами прецизионно одинаковыми улучшается отношение сигнал-шум.
-10
-5
Оболочка, в частности, расположена на подложке (см. Фиг.1, см. Фиг.3, с)). В качестве подложки используют подложку из GaAs. Оболочка может быть незамкнутой - с незамкнутой цилиндрической поверхностью. На подложке присутствует жертвенный слой, за счет которого оболочка связана с подложкой. Жертвенный слой на подложке GaAs выполнен из AlAs. Толщина стенки оболочки равна примерно от (5÷6)×10 до примерно 10 м.
Формообразующие слои выполнены псевдоморфными монокристаллическими из материалов, характеризующихся в свободном состоянии различными периодами кристаллической решетки. Для формообразующих слоев, расположенных с наружной стороны оболочки, использованы материалы, характеризующиеся в свободном состоянии большим периодом кристаллической решетки. В частности, формообразующие слои выполнены с использованием материалов GaAs и InGaAs. В частном случае реализации датчика магнитного поля в системе слоев, включая восприимчивые к магнитному полю - функциональные и формообразующие, формообразующий слой выполнен восприимчивым к магнитному полю, например, из GaAs или FePt (последний - в случае реализации в датчике магнитного поля аномального, экстраординарного, эффекта Холла). Слой, восприимчивый к магнитному полю, является функциональным слоем и удовлетворяет следующим требованиям. Физические свойства, например концентрация и подвижность носителей заряда, функционального слоя обеспечивают возникновение поперечного (холловского) напряжения при протекании электрического тока в данном слое и при наличии внешнего магнитного поля, перпендикулярного его поверхности. Функциональный слой изготавливают из однородно или модулированно легированного полупроводника, металла или совокупности указанных материалов. При этом может быть использована однородно или модулированно легированная гетероструктура.
11
-2
В альтернативном варианте датчика для повышения его чувствительности в системе слоев, восприимчивых к магнитному полю - функциональных и формообразующих, сформирована квантовая яма с электронным газом (см. Фиг.3, а)), представляющая собой слой GaAs толщиной 13 нм. Концентрация электронного газа в квантовой яме порядка 10 см. Указанная квантовая яма расположена между слоями твердого раствора AlGaAs, легированными Si. Слои в последовательности AlGaAs - барьер, GaAs - квантовая яма, AlGaAs - барьер расположены в оболочке между слоем из GaAs, выполненным со стороны внутреннего объема оболочки, являющимся защитным слоем, и формообразующим слоем, расположенным с наружной стороны оболочки и выполненным из InGaAs (см. Фиг.3, а)). Слои твердого раствора AlGaAs с большей шириной запрещенной зоны, чем у GaAs квантовой ямы, являются барьерными слоями и обеспечивают наличие в квантовой яме электронного газа в требуемой концентрации. В отношении барьерных слоев выполнено δ-легирование Si. Слой из GaAs, выполненный со стороны внутреннего объема оболочки, является «сар»-слоем, выполняющим защитную функцию. Аналогичная система слоев из квантовой ямы и барьеров, в совокупности восприимчивая к магнитному полю, используется в качестве функционального слоя - слоя, восприимчивого к магнитному полю, в вышеприведенных аналогах. Так же как в предлагаемом частном случае решения, в аналогах указанная система слоев снабжена защитным «сар»-слоем.
В стенке оболочки цилиндрической формы выполнены два сенсорных узла, с внутренней стороны оболочки литографически сформированы мезоструктуры с образованием крестообразных холловских элементов - холловских мостиков (см. Фиг.3, b), с), d)). Канал для пропускания тока крестообразного холловского элемента сенсорного узла - канал холловского мостика расположен вдоль направляющей цилиндрической поверхности оболочки. При этом в сенсорных узлах вдоль канала выполнены две пары холловских контактов для измерения холловского напряжения - потенциальные контакты (см. Фиг.1). В каждой паре контакты расположены по разные стороны канала. Азимутальный угол между парами контактов - 90° (см. Фиг.1). Каждая холловская пара предназначена для определения одной из компонент вектора внешнего магнитного поля. Общий для двух сенсорных узлов канал выполнен соединяющим общие для двух сенсорных узлов токовые контакты. Длина общего канала πR/2 и более, R - радиус кривизны оболочки. В случае выполнения датчика, работающего на базе ординарного эффекта Холла, функциональный слой, восприимчивый к магнитному полю, так же как и формообразующий слой, выполнен цилиндрической формы, в нем геометрия крестообразного холловского элемента - холловского мостика определена выполнением тоководов (см. Фиг.3). От токовых и потенциальных контактов холловских мостиков литографией и последующим нанесением соответствующего материала - Аи проложены тоководы к контактным площадкам, расположенным на подложке, с омическими контактами к функциональному слою, которые выполнены из слоя германий/никель/золото с последующим отжигом. В случае выполнения датчика, работающего на базе экстраординарного эффекта Холла, функциональный слой, восприимчивый к магнитному полю, выполнен в отличие от формообразующего слоя имеющим рисунок в виде двух соединяющихся крестообразных элементов, что и определяет геометрию холловского мостика. Функциональный слой получен путем предварительного нанесения защитного резиста на формообразующий слой и формирования в резисте сквозного окна с рисунком в виде двух соединяющихся крестообразных элементов с последующим напылением в окно FePt и финальным, после напыления, удалением защитного резиста. При этом функциональный слой, как и формообразующий слой, обладает кривизной. В этом случае омические контакты к функциональному слою могут быть выполнены непосредственно у выступов холловского элемента - холловского мостика, либо на контактных площадках, либо между ними в любой точке тоководов. Тоководы изготовлены также литографией и последующим нанесением соответствующего материала - Au и проложены к контактным площадкам, расположенным на подложке и выполненным тоже из золота. Для получения омического контакта важно выполнение слоев FePt и Au внахлестку. Если омические контакты выполняют у выступов холловского мостика, то место, в котором слои нанесены внахлестку, расположено у выступов. Если омические контакты выполняют на контактных площадках, то области тоководов покрывают FePt, в области контактных площадок слои FePt и Au выполняют внахлестку. Если омические контакты располагают в точке тоководов, то нахлестка указанных слоев выполняется в этой точке.
В частном случае реализации датчик дополнительно снабжен сформированными на той же подложке схемами обработки сигнала, на которой расположена оболочка с сенсорными узлами.
В частном случае реализации датчика сенсорные узлы выполнены в составе криволинейной оболочки, которая запечатана в твердую матрицу из немагнитного материала (см. Фиг.4). Например, криволинейная оболочка запечатана в полимер.
Датчик магнитного поля работает следующим образом.
Принцип работы предлагаемого датчика магнитного поля основан на эффекте Холла, который может быть как обычным (ординарным) (R.S.Popovic "Hall Effect Devices", IOP Publishing (2004)), так и аномальным (экстраординарным) (N.Nagaosa et al., Rev. Mod. Phys. 82, 1539 (2010)). Эффект Холла и в одном, и в другом случаях заключается в возникновении поперечной разности потенциалов - холловского напряжения - при помещении проводника с постоянным током в магнитное поле. Разность потенциалов возникает в направлении, перпендикулярном вектору магнитной индукции и направлению тока, и пропорциональна нормальной к поверхности компоненте вектора магнитной индукции (в случае аномального эффекта Холла линейная зависимость холловской ЭДС от внешнего поля наблюдается лишь в ограниченном диапазоне магнитных полей, которые и определяют рабочий диапазон соответствующего холловского датчика).
Активная часть датчика (сенсорные узлы) представляет собой проводящую криволинейную оболочку с крестообразными холловскими элементами, расположенными так, что измеряемые на них холловские напряжения соответствуют ортогональным компонентам вектора внешнего магнитного поля. В частности, это может быть оболочка цилиндрической формы, в стенке которой выполнены мезоструктуры с образованием холловских мостиков с токовыми и потенциальными контактами и тоководами от них к контактным площадкам 1-6 (см. Фиг.3) - внешним электрическим контактам. Азимутальный угол φ между парами холловских контактов составляет 90° (см. Фиг.1). При наличии внешнего магнитного поля В и пропускании тока вдоль канала холловского мостика, расположенного вдоль направляющей цилиндрической поверхности (как показано на Фиг.1), на обеих парах холловских контактов, расположенных вдоль канала по разные его стороны, возникает ЭДС Холла, пропорциональная локальному значению нормальной к поверхности компоненты магнитного поля. Таким образом, измеряя значения ЭДС Холла на двух парах контактов, определяют две ортогональные составляющие вектора магнитного поля. Для трехосевых измерений подключают третий сенсорный узел, выполненный в составе второй криволинейной оболочки, в частности второй оболочки цилиндрической формы, образующая которой перпендикулярна образующей первой криволинейной оболочки, причем плоскость, касательная к поверхности второй оболочки в центре крестообразного холловского элемента третьего сенсорного узла, перпендикулярна плоскостям, касательным к поверхности первой оболочки в центрах крестообразных холловских элементов первого и второго сенсорных узлов (см. Фиг.1, б)). При наличии внешнего магнитного поля В и пропускании тока вдоль каналов холловских мостиков, расположенных вдоль направляющих цилиндрических поверхностей оболочек (как показано на Фиг.1), на всех трех парах холловских контактов возникают ЭДС Холла, пропорциональные локальным значениям нормальной к поверхности компоненты магнитного поля. Таким образом, измеряя значения ЭДС Холла на трех парах потенциальных контактов, определяют три ортогональные составляющие вектора магнитного поля.
Полученные экспериментальные данные (Фиг.5) угловых зависимостей холловского сопротивления наглядно демонстрируют возможность трехосевых измерений внешнего магнитного поля посредством предлагаемого датчика. Геометрия эксперимента по трехосевым измерениям показана на Фиг.1,б. Внешнее магнитное поле направлено вдоль оси Z. Холловские напряжения Ux, Uy и Uz, пропорциональные компонентам вектора магнитного поля Вх, By и Bz, соответственно, измерены при вращении образца вокруг оси X. На Фиг.5 показаны зависимости Ux, Uy и Uz от угла поворота ψ. Зависимости Uy(ψ) и Uz(ψ) представляют собой синусоиды примерно равной амплитуды, сдвинутые по фазе на 90°, что доказывает ортогональную ориентацию соответствующих сенсорных узлов. В то же время холловское напряжение Ux практически не зависит от угла поворота ψ, то есть вектор внешнего магнитного поля с хорошей точностью лежит в плоскости соответствующего сенсорного узла. Таким образом, результаты измерений, приведенные на Фиг.5, демонстрируют функционирование трехосевого холловского датчика на основе цилиндрических оболочек.
В качестве сведений, подтверждающих возможность реализации способа с достижением технического результата, приводим нижеследующие примеры его осуществления.
Пример 1
11
-2
На полуизолирующей подложке GaAs с ориентацией (100) формируют многослойный пленочный элемент (см. Фиг.3). Материалы, геометрию и внутренние механические напряжения выбирают обеспечивающими ориентацию крестообразных холловских элементов сенсорных узлов с холловскими контактами в пространстве, при которой реализовано соответствие измеряемых холловских напряжений ортогональным компонентам вектора внешнего магнитного поля. На стадии формирования пленочного элемента изготавливают слои, формообразующие, механически напряженные, и функциональные, восприимчивые к магнитному полю, с холловскими контактами и тоководами, слои контактных площадок. Предварительно на подложке формируют псевдоморфный жертвенный слой AlAs толщиной 10 нм. При изготовлении многослойного пленочного элемента выращивают формообразующий, механически напряженный (сжатый), слой из InGaAs, а второй формообразующий слой выполняют в виде системы слоев GaAs и AlGaAs, играющей одновременно роль функционального, восприимчивого к магнитному полю, слоя с холловскими контактами и тоководами. В системе слоев формируют квантовую яму из GaAs толщиной 13 нм с электронным газом с концентрацией электронов порядка 10 см. Квантовую яму располагают между слоями твердого раствора AlGaAs, легированными SL Причем слои в последовательности AlGaAs слой, соответствующий барьеру, GaAs слой, соответствующий квантовой яме, AlGaAs слой, соответствующий барьеру, располагают между слоем из GaAs, являющимся защитным слоем, и формообразующим слоем, расположенным на жертвенном слое, выращенном на подложке, и выполненным из InGaAs. Толщину многослойного пленочного элемента задают равной 100 нм. Слои формообразующие и функциональный формируют посредством молекулярно-лучевой эпитаксии, соблюдая условия псевдоморфного роста, из указанных материалов как имеющих различные постоянные решетки и способных обеспечить возникновение поперечного (холловского) напряжения при протекании электрического тока в плоскости слоев и наличии внешнего магнитного поля, перпендикулярного их плоскости, за счет обычного эффекта Холла (R.S.Popovic "Hall Effect Devices", IOP Publishing (2004)). Слой контактных площадок, обеспечивающий омический контакт к функциональному слою, формируют последовательным напылением германия (Ge), никеля (Ni) и золота (Au) с последующим отжигом. Рисунки слоев, в том числе рисунки, задающие контуры пленочного элемента, рисунки формообразующих, механически напряженных, и функциональных, восприимчивых к магнитному полю, слоев с холловскими контактами с тоководами от последних к контактным площадкам, контактных площадок задают посредством планарной технологии - литографически.
3
4
2
2
2
Направление изгибания многослойного пленочного элемента при последующем отделении от подложки задают при его формировании, заданием рисунков слоев, в том числе рисунка, определяющего контуры пленочного элемента, рисунков формообразующих, механически напряженных, и функциональных, восприимчивых к магнитному полю, слоев с холловскими контактами с тоководами от последних к контактным площадкам, рисунков контактных площадок. Сначала формируют рисунки, определяющие контуры пленочного элемента - контуры формообразующих и функционального слоев в виде окон в слоях глубиной до жертвенного слоя. Для травления окон используют травитель на основе ортофосфорной кислоты (HPO:HO:HO/3:1:50). Затем осуществляют финальную часть формирования рисунка, задавая крестообразный холловский элемент сенсорного узла, изготавливая области тоководов и контактных площадок, используя тот же травитель для травления окон. При формировании многослойного пленочного элемента рисунок функционального слоя, восприимчивого к магнитному полю, соответствующий двум сенсорным узлам с холловскими контактами, с тоководами от последних к контактным площадкам формируют с общим для двух сенсорных узлов каналом для пропускания тока, лежащим в направлении изгибания пленочного элемента, с длиной канала не менее πR/2, R - радиус кривизны оболочки. При этом в сенсорных узлах выполняют две пары холловских контактов для измерения холловского напряжения - потенциальные контакты. Контакты располагают вдоль канала по разные стороны его. Азимутальный угол между парами контактов - 90° или расстояние по центру между парами - πR/2, R - радиус кривизны оболочки. Каждая пара предназначена для определения своей ортогональной компоненты внешнего магнитного поля. Рисунок функционального слоя, восприимчивого к магнитному полю, с холловскими контактами, с тоководами от последних к контактным площадкам и рисунок самих контактных площадок формируют литографически тем, что задают форму крестообразного холловского элемента, тоководов и контактных площадок. Геометрию крестообразного холловского элемента - холловского мостика определяют выполнением тоководов. От токовых и потенциальных контактов холловских мостиков литографией и последующим нанесением Au прокладывают тоководы к контактным площадкам, расположенным на подложке, с омическими контактами к функциональному слою. Литографические окна, задающие геометрию тоководов и контактных площадок, изготавливают глубиной, достаточной для электрической изоляции. На область контактных площадок, заданную рисунком, для получения омических контактов напыляют последовательно германий, никель и золото и отжигают в атмосфере водорода при температуре 450°С в течение 5 минут.
2
Затем пленочный элемент отделяют от подложки, трансформируя его под действием внутренних механических напряжений в оболочку с достижением ориентации пар холловских контактов в пространстве, при которой реализовано соответствие измеряемых холловских напряжений ортогональным компонентам вектора внешнего магнитного поля. Для отделения пленочного элемента от подложки удаляют материал элемента, расположенного под пленочным элементом, - материал жертвенного слоя AlAs, обеспечивая направленное изгибание пленочного элемента с формированием оболочки цилиндрической формы. Требуемое направление изгибания пленочного элемента достигают за счет направленного травления - селективного бокового (латерального) травления жертвенного слоя в направлении, обусловленном анизотропией механических свойств пленочного элемента и его литографическим рисунком. Травят жертвенный слой в травителе на основе плавиковой кислоты (HF:HO/1:10). Травление жертвенного слоя осуществляют до отделения пленочного элемента в пределах области, на которой расположены сенсорные узлы (см. Фиг.3). Таким образом, часть изначально плоского пленочного элемента трансформируют в оболочку цилиндрической формы, при этом контактные площадки 1-6 с омическими контактами размещают на подложке, оставляя их жестко связанными с подложкой за счет своевременного прекращения бокового травления жертвенного слоя. В результате трансформации пленочного элемента в оболочку цилиндрической формы канал для пропускания тока располагают вдоль направляющей цилиндрической оболочки, холловские контакты для измерения холловского напряжения располагают вдоль канала по разные стороны его, выдерживают азимутальный угол между парами холловских контактов 90°. При этом контактные площадки с омическими контактами размещены на подложке и жестко связаны с ней. В финале оболочку помещают в твердую матрицу из немагнитного материала, для этого на подложку с оболочкой наносят жидкий полимер и осуществляют его отверждение (см. Фиг.4). Перед запечатыванием оболочки в полимер сформированную конструкцию помещают в этиловый эфир уксусной кислоты, являющийся растворителем полидиметилсилоксана, после чего переносят в неполимеризованный полидиметилсилоксан. Осуществляют замещение этилового эфира, находящегося внутри оболочки, а также покрытие поверхности оболочки снаружи. Для полимеризации полидиметилсилоксана и запечатывания конструкции в полимер осуществляют нагревание в печи при температуре 90°С в течение 3 часов.
Пример 2
18
-3
На полуизолирующей подложке GaAs с ориентацией (100) формируют многослойный пленочный элемент (см. Фиг.3). Материалы, геометрию и внутренние механические напряжения выбирают обеспечивающими ориентацию крестообразных холловских элементов сенсорных узлов с холловскими контактами в пространстве, при которой реализовано соответствие измеряемых холловских напряжений ортогональным компонентам вектора внешнего магнитного поля. На стадии формирования пленочного элемента изготавливают слои, формообразующие, механически напряженные, и функциональные, восприимчивые к магнитному полю, с холловскими контактами и тоководами, слои контактных площадок. Предварительно на подложке формируют псевдоморфный жертвенный слой AlAs толщиной 10 нм. При изготовлении многослойного пленочного элемента выращивают формообразующий, механически напряженный (сжатый), слой из InGaAs и второй формообразующий слой из GaAs, являющиеся одновременно функциональными, восприимчивыми к магнитному полю, слоями. Слои InGaAs и GaAs однородно легируют кремнием (Si) до достижения концентрации электрически активных доноров 5×10 см. Толщину многослойного пленочного элемента задают равной 50 нм. Слои формообразующие и функциональные формируют посредством молекулярно-лучевой эпитаксии, соблюдая условия псевдоморфного роста, из указанных материалов как имеющих различные постоянные решетки и способных обеспечить возникновение поперечного (холловского) напряжения при протекании электрического тока в плоскости слоев и наличии внешнего магнитного поля, перпендикулярного их плоскости, за счет обычного эффекта Холла (R.S.Popovic "Hall Effect Devices", IOP Publishing (2004)). Слой контактных площадок, обеспечивающий омический контакт к функциональному слою, формируют последовательным напылением германия (Ge), никеля (Ni) и золота (Au) с последующим отжигом. Рисунки слоев, в том числе рисунки, задающие контуры пленочного элемента, рисунки формообразующих, механически напряженных, и функциональных, восприимчивых к магнитному полю, слоев с холловскими контактами с тоководами от последних к контактным площадкам, контактных площадок задают посредством планарной технологии - литографически.
3
4
2
2
2
Направление изгибания многослойного пленочного элемента при последующем отделении от подложки задают при его формировании, заданием рисунков слоев, в том числе рисунка, определяющего контуры пленочного элемента, рисунков формообразующих, механически напряженных, и функциональных, восприимчивых к магнитному полю, слоев с холловскими контактами с тоководами от последних к контактным площадкам, рисунков контактных площадок. Сначала формируют рисунки, определяющие контуры пленочного элемента - контуры формообразующих и функционального слоев в виде сквозных окон в слоях до жертвенного слоя. Для травления окон используют травитель на основе ортофосфорной кислоты (HPO:HO:HO/3:1:50). Затем осуществляют финальную часть формирования рисунка, задавая крестообразный холловский элемент сенсорного узла, изготавливая области тоководов и контактных площадок, используя тот же травитель для травления окон. При формировании многослойного пленочного элемента рисунок функционального слоя, восприимчивого к магнитному полю, соответствующий двум сенсорным узлам с холловскими контактами, с тоководами от последних к контактным площадкам формируют с общим для двух сенсорных узлов каналом для пропускания тока, лежащим в направлении изгибания пленочного элемента, с длиной канала не менее πR/2, R - радиус кривизны оболочки. При этом в сенсорных узлах выполняют две пары холловских контактов для измерения холловского напряжения - потенциальные контакты. Контакты располагают вдоль канала по разные стороны его. Азимутальный угол между парами контактов - 90° или расстояние по центру между парами - πR/2, R - радиус кривизны оболочки. Каждая пара предназначена для определения своей ортогональной компоненты внешнего магнитного поля. Рисунок функционального слоя, восприимчивого к магнитному полю, с холловскими контактами, с тоководами от последних к контактным площадкам и рисунок самих контактных площадок формируют литографически тем, что задают форму крестообразного холловского элемента, тоководов и контактных площадок. Геометрию крестообразного холловского элемента - холловского мостика определяют выполнением тоководов. От токовых и потенциальных контактов холловских мостиков литографией и последующим нанесением Au прокладывают тоководы к контактным площадкам, расположенным на подложке, с омическими контактами к функциональному слою. Литографические окна, задающие геометрию тоководов и контактных площадок, изготавливают глубиной, достаточной для электрической изоляции. На область контактных площадок, заданную рисунком, для получения омических контактов напыляют последовательно германий, никель и золото и отжигают в атмосфере водорода при температуре 450°С в течение 5 минут.
2
Затем пленочный элемент отделяют от подложки, трансформируя его под действием внутренних механических напряжений в оболочку с достижением ориентации пар холловских контактов в пространстве, при которой реализовано соответствие измеряемых холловских напряжений ортогональным компонентам вектора внешнего магнитного поля. Для отделения пленочного элемента от подложки удаляют материал элемента, расположенного под пленочным элементом, - материал жертвенного слоя AlAs, обеспечивая направленное изгибание пленочного элемента с формированием оболочки цилиндрической формы. Требуемое направление изгибания пленочного элемента достигают за счет направленного травления - селективного бокового (латерального) травления жертвенного слоя в направлении, обусловленном анизотропией механических свойств пленочного элемента и его литографическим рисунком. Травят жертвенный слой в травителе на основе плавиковой кислоты (HF:HO/1:10). Травление жертвенного слоя осуществляют до отделения пленочного элемента в пределах области, на которой расположены сенсорные узлы (см. Фиг.3). Таким образом, часть изначально плоского пленочного элемента трансформируют в оболочку цилиндрической формы, при этом контактные площадки 1-6 с омическими контактами размещают на подложке, оставляя их жестко связанными с подложкой за счет своевременного прекращения бокового травления жертвенного слоя. В результате трансформации пленочного элемента в оболочку цилиндрической формы канал для пропускания тока располагают вдоль направляющей цилиндрической оболочки, холловские контактов для измерения холловского напряжения располагают вдоль канала по разные стороны его, выдерживают азимутальный угол между парами холловских контактов 90°. При этом контактные площадки с омическими контактами размещены на подложке и жестко связаны с ней. В финале оболочку помещают в твердую матрицу из немагнитного материала, для этого на подложку с оболочкой наносят жидкий полимер и осуществляют его отверждение (см. Фиг.4). Перед запечатыванием оболочки в полимер сформированную конструкцию помещают в этиловый эфир уксусной кислоты, являющийся растворителем полидиметилсилоксана, после чего переносят в неполимеризованный полидиметилсилоксан. Осуществляют замещение этилового эфира, находящегося внутри оболочки, а также покрытие поверхности оболочки снаружи. Для полимеризации полидиметилсилоксана и запечатывания конструкции в полимер осуществляют нагревание в печи при температуре 90°С в течение 3 часов.
Пример 3
На полуизолирующей подложке GaAs с ориентацией (100) формируют многослойный пленочный элемент (см. Фиг.3). Материалы, геометрию и внутренние механические напряжения выбирают обеспечивающими ориентацию крестообразных холловских элементов сенсорных узлов с холловскими контактами в пространстве, при которой реализовано соответствие измеряемых холловских напряжений ортогональным компонентам вектора внешнего магнитного поля. На стадии формирования пленочного элемента изготавливают слои, формообразующие, механически напряженные, и функциональные, восприимчивые к магнитному полю, с холловскими контактами и тоководами, слои контактных площадок. Предварительно на подложке формируют псевдоморфный жертвенный слой AlAs толщиной 10 нм. При изготовлении многослойного пленочного элемента выращивают формообразующие слои из нелегированных InGaAs и GaAs общей толщиной 2 нм. На них располагают в качестве функционального, восприимчивого к магнитному полю, слоя слой FePt толщиной 2 нм. Толщину многослойного пленочного элемента задают равной 4 нм. Слои формообразующие формируют посредством молекулярно-лучевой эпитаксии, соблюдая условия псевдоморфного роста, из указанных материалов как имеющих различные постоянные решетки. Функциональный слой формируют напылением как способный обеспечить возникновение поперечного (холловского) напряжения при протекании электрического тока в плоскости слоев и наличии внешнего магнитного поля, перпендикулярного их плоскости, за счет аномального эффекта Холла (N.Nagaosa et al., Rev. Mod. Phys. 82, 1539 (2010)). Слой контактных площадок, обеспечивающий омический контакт к функциональному слою, формируют из золота напылением. Рисунки слоев, в том числе рисунки, задающие контуры пленочного элемента, рисунки формообразующих, механически напряженных, и функционального, восприимчивого к магнитному полю, слоев с холловскими контактами с тоководами от последних к контактным площадкам, контактных площадок задают посредством планарной технологии - литографически.
3
4
2
2
2
Направление изгибания многослойного пленочного элемента при последующем отделении от подложки задают при его формировании, заданием рисунков слоев, в том числе рисунка, определяющего контуры пленочного элемента, рисунков формообразующих, механически напряженных, и функциональных, восприимчивых к магнитному полю, слоев с холловскими контактами с тоководами от последних к контактным площадкам, рисунков контактных площадок. Сначала формируют рисунки, определяющие контуры пленочного элемента - контуры формообразующих в виде сквозных окон в слоях до жертвенного слоя. Для травления окон используют травитель на основе ортофосфорной кислоты (HPO:HO:HO/3:1:50). Затем осуществляют финальную часть формирования рисунка, задавая крестообразный холловский элемент сенсорного узла, изготавливая области тоководов и контактных площадок, используя тот же травитель для травления окон. Сначала напылением через маску из резиста, приготовленную литографически, формируют слой золота на области контактных площадок и тоководов. После чего напылением через маску из резиста, приготовленную литографическими методами, формируют функциональный слой из FePt в форме крестообразного холловского элемента (холловского мостика) с тоководами, причем в области тоководов FePt частично перекрывает области тоководов, покрытые золотом, что обеспечивает омический контакт между каждой контактной площадкой и функциональным слоем. Таким образом, омические контакты получают непосредственно к функциональному слою, непосредственно у выступов холловского элемента - холловского мостика. При формировании многослойного пленочного элемента рисунок функционального слоя, восприимчивого к магнитному полю, соответствующий двум сенсорным узлам с холловскими контактами, с тоководами от последних к контактным площадкам формируют с общим для двух сенсорных узлов каналом для пропускания тока, лежащим в направлении изгибания пленочного элемента, с длиной канала не менее πR/2, R - радиус кривизны оболочки. При этом в сенсорных узлах выполняют две пары холловских контактов для измерения холловского напряжения - потенциальные контакты. Контакты располагают вдоль канала по разные стороны его. Азимутальный угол между парами контактов - 90° или расстояние по центру между парами - πR/2, R - радиус кривизны оболочки. Каждая пара предназначена для определения своей ортогональной компоненты внешнего магнитного поля. Рисунок функционального слоя, восприимчивого к магнитному полю, с холловскими контактами, с тоководами от последних к контактным площадкам и рисунок самих контактных площадок формируют литографически тем, что задают форму крестообразного холловского элемента, тоководов и контактных площадок. Литографические окна, задающие геометрию тоководов и контактных площадок, изготавливают глубиной, достаточной для электрической изоляции. На область контактных площадок, заданную рисунком, напыляют золото.
2
Затем пленочный элемент отделяют от подложки, трансформируя его под действием внутренних механических напряжений в оболочку с достижением ориентации пар холловских контактов в пространстве, при которой реализовано соответствие измеряемых холловских напряжений ортогональным компонентам вектора внешнего магнитного поля. Для отделения пленочного элемента от подложки удаляют материал элемента, расположенного под пленочным элементом, - материал жертвенного слоя AlAs, обеспечивая направленное изгибание пленочного элемента с формированием оболочки цилиндрической формы. Требуемое направление изгибания пленочного элемента достигают за счет направленного травления - селективного бокового (латерального) травления жертвенного слоя в направлении, обусловленном анизотропией механических свойств пленочного элемента и его литографическим рисунком. Травят жертвенный слой в травителе на основе плавиковой кислоты (HF:HO/1:10). Травление жертвенного слоя осуществляют до отделения пленочного элемента в пределах области, на которой расположены сенсорные узлы. Таким образом, часть изначально плоского пленочного элемента трансформируют в оболочку цилиндрической формы, при этом контактные площадки 1-6 размещают на подложке, оставляя их жестко связанными с подложкой за счет своевременного прекращения бокового травления жертвенного слоя. В результате трансформации пленочного элемента в оболочку цилиндрической формы канал для пропускания тока располагают вдоль направляющей цилиндрической оболочки, холловские контакты для измерения холловского напряжения располагают вдоль канала по разные стороны его, выдерживают азимутальный угол между парами холловских контактов 90°. При этом контактные площадки размещены на подложке и жестко связаны с ней.
Пример 4
11
-2
На полуизолирующей подложке GaAs с ориентацией (100) формируют многослойные пленочные элементы (см. Фиг.3) в количестве двух элементов. Материалы, геометрию и внутренние механические напряжения выбирают обеспечивающими ориентацию крестообразных холловских элементов сенсорных узлов с холловскими контактами в пространстве, при которой реализовано соответствие измеряемых холловских напряжений ортогональным компонентам вектора внешнего магнитного поля. На стадии формирования пленочных элементов изготавливают слои, формообразующие, механически напряженные, и функциональные, восприимчивые к магнитному полю, с холловскими контактами и тоководами, слои контактных площадок. Предварительно на подложке формируют псевдоморфный жертвенный слой AlAs толщиной 10 нм. При изготовлении многослойных пленочных элементов выращивают формообразующий, механически напряженный (сжатый), слой из InGaAs, а второй формообразующий слой выполняют в виде системы слоев GaAs и AlGaAs, играющей одновременно роль функционального, восприимчивого к магнитному полю, слоя с холловскими контактами и тоководами. В системе слоев формируют квантовую яму из GaAs толщиной 13 нм с электронным газом с концентрацией электронов порядка 10 см. Квантовую яму располагают между слоями твердого раствора AlGaAs, легированными SL. Причем слои в последовательности AlGaAs слой, соответствующий барьеру, GaAs слой, соответствующий квантовой яме, AlGaAs слой, соответствующий барьеру, располагают между слоем из GaAs, являющимся защитным слоем, и формообразующим слоем, расположенным на жертвенном слое, выращенном на подложке, и выполненным из InGaAs. Толщину каждого многослойного пленочного элемента задают равной 100 нм. Слои формообразующие и функциональный формируют посредством молекулярно-лучевой эпитаксии, соблюдая условия псевдоморфного роста, из указанных материалов как имеющих различные постоянные решетки и способных обеспечить возникновение поперечного (холловского) напряжения при протекании электрического тока в плоскости слоев и наличии внешнего магнитного поля, перпендикулярного их плоскости, за счет обычного эффекта Холла (R.S.Popovic "Hall Effect Devices", IOP Publishing (2004)). Слой контактных площадок, обеспечивающий омический контакт к функциональному слою, формируют последовательным напылением германия (Ge), никеля (Ni) и золота (Au) с последующим отжигом. Рисунки слоев, в том числе рисунки, задающие контуры пленочного элемента, рисунки формообразующих, механически напряженных и функциональных, восприимчивых к магнитному полю, слоев с холловскими контактами с тоководами от последних к контактным площадкам, контактных площадок задают посредством планарной технологии - литографически.
3
4
2
2
2
Направление изгибания каждого многослойного пленочного элемента при последующем отделении от подложки задают при его формировании, заданием рисунков слоев, в том числе рисунка, определяющего контуры пленочного элемента, рисунков формообразующих, механически напряженных, и функциональных, восприимчивых к магнитному полю, слоев с холловскими контактами с тоководами от последних к контактным площадкам, рисунков контактных площадок. Сначала формируют рисунки, определяющие контуры каждого пленочного элемента - контуры формообразующих и функционального слоев в виде сквозных окон в слоях до жертвенного слоя. Для травления окон используют травитель на основе ортофосфорной кислоты (HPO:HO:HO/3:1:50). Затем осуществляют финальную часть формирования рисунка, задавая крестообразный холловский элемент сенсорного узла, изготавливая области тоководов и контактных площадок, используя тот же травитель для травления окон. При формировании каждого многослойного пленочного элемента рисунок функционального слоя, восприимчивого к магнитному полю, соответствующий двум сенсорным узлам с холловскими контактами, с тоководами от последних к контактным площадкам формируют с общим для двух сенсорных узлов каналом для пропускания тока, лежащим в направлении изгибания пленочного элемента, с длиной канала не менее πR/2, R - радиус кривизны оболочки. При этом в сенсорных узлах выполняют две пары холловских контактов для измерения холловского напряжения - потенциальные контакты. Контакты располагают вдоль канала по разные стороны его. Азимутальный угол между парами контактов - 90° или расстояние по центру между парами - πR/2, R - радиус кривизны оболочки. Каждая пара предназначена для определения своей ортогональной компоненты внешнего магнитного поля. Рисунок функционального слоя, восприимчивого к магнитному полю, с холловскими контактами, с тоководами от последних к контактным площадкам и рисунок самих контактных площадок формируют литографически тем, что задают форму крестообразного холловского элемента, тоководов и контактных площадок. Геометрию крестообразного холловского элемента - холловского мостика определяют выполнением тоководов. От токовых и потенциальных контактов холловских мостиков литографией и последующим нанесением Au прокладывают тоководы к контактным площадкам, расположенным на подложке, с омическими контактами к функциональному слою. Литографические окна, задающие геометрию тоководов и контактных площадок, изготавливают глубиной, достаточной для электрической изоляции. На область контактных площадок, заданную рисунком, для получения омических контактов напыляют последовательно германий, никель и золото и отжигают в атмосфере водорода при температуре 450°С в течение 5 минут. При формировании двух многослойных пленочных элементов их рисунки реализуют с возможностью перпендикулярных направлений изгибания и получения оболочек цилиндрической формы, образующие которых перпендикулярны. Для этого рисунки слоев первого пленочного элемента повторяют во втором пленочном элементе с поворотом на 90°.
2
Затем оба пленочных элемента отделяют от подложки, трансформируя их под действием внутренних механических напряжений в оболочки с достижением ориентации пар холловских контактов в пространстве, при которой реализовано соответствие измеряемых холловских напряжений трем ортогональным компонентам вектора внешнего магнитного поля. Для отделения обоих пленочных элементов от подложки удаляют материал элемента, расположенного под пленочными элементами, - материал жертвенного слоя AlAs, обеспечивая направленное изгибание каждого пленочного элемента с формированием оболочки цилиндрической формы. Требуемое направление изгибания каждого пленочного элемента достигают за счет направленного травления - селективного бокового (латерального) травления жертвенного слоя в направлении, обусловленном анизотропией механических свойств пленочного элемента и его литографическим рисунком. Травят жертвенный слой в травителе на основе плавиковой кислоты (HF:HO/1:10). Травление жертвенного слоя осуществляют до отделения каждого пленочного элемента в пределах области, на которой расположены сенсорные узлы (см. Фиг.3). Таким образом, части изначально двух плоских пленочных элементов трансформируют в оболочки цилиндрической формы, при этом контактные площадки 1-6 с омическими контактами размещают на подложке, оставляя их жестко связанными с подложкой за счет своевременного прекращения бокового травления жертвенного слоя. В результате трансформации каждого пленочного элемента в оболочку цилиндрической формы канал для пропускания тока располагают вдоль направляющей цилиндрической оболочки, холловские контакты для измерения холловского напряжения располагают вдоль канала по разные стороны его, выдерживают азимутальный угол между парами холловских контактов 90°. При этом контактные площадки с омическими контактами размещены на подложке и жестко связаны с ней. В финале оболочки помещают в твердую матрицу из немагнитного материала, для этого на подложку с оболочками наносят жидкий полимер и осуществляют его отверждение (см. Фиг.4). Перед запечатыванием оболочек в полимер сформированную конструкцию помещают в этиловый эфир уксусной кислоты, являющийся растворителем полидиметилсилоксана, после чего переносят в неполимеризованный полидиметилсилоксан. Осуществляют замещение этилового эфира, находящегося внутри оболочек, а также покрытие поверхности оболочек снаружи. Для полимеризации полидиметилсилоксана и запечатывания конструкции в полимер осуществляют нагревание в печи при температуре 90°С в течение 3 часов.
Для решения проблемы достижения требуемых изгибаний пленочных элементов, так чтобы цилиндрические поверхности оболочек располагались относительно друг друга под углом 90°, при отделении пленочных элементов от подложки используют метод направленного сворачивания. В частности, например, метод, основанный на направленном травлении жертвенного слоя за счет различной величины внутренних механических напряжений на границах окна или краях пленочного элемента, что приводит к стимулированию травления с границ, на которых присутствует максимум упругих напряжений (см. Фиг.6). В структуре пленочного элемента среди формообразующих слоев GaAs и InGaAs напряжен последний (см. Фиг.3,а)). Рисунок контуров формообразующих слоев выполняют таким образом, чтобы максимальные величины встроенных механических напряжений были на тех краях пленочного элемента, с которых желательна инициация процесса отделения его от подложки, и которые перпендикулярны относительно друг друга. Это условие достигают за счет присутствия на указанных краях напряженного слоя InGaAs 9 (см. Фиг.6, правый край). Травление жертвенного слоя 10 начинается одновременно со всех сторон, однако идет с различной скоростью. В правой части пленочного элемента, с правого края (см. Фиг.6) GaAs/InGaAs, освобождаемую область пленочного элемента сворачивают в оболочку цилиндрической формы по мере удаления из-под нее жертвенного слоя 10. Скорость травления жертвенного слоя здесь на несколько порядков выше по сравнению с остальными краями пленочного элемента, так как изгибание пленочного элемента за счет упругих напряжений стимулирует доступ травителя к жертвенному слою 10 и отвод продуктов реакции. На остальных краях пленочного элемента напряженный слой 9 отсутствует, что и обуславливает отсутствие механических упругих напряжений, изгибающих пленочный элемент и обеспечивающих тем самым доступ травителя к жертвенному слою 10. В результате там происходит медленное латеральное вытравливание жертвенного слоя 10 в узком канале.
Пример 5
11
-2
На полуизолирующей подложке GaAs с ориентацией (100) формируют многослойные пленочные элементы, образующие пары, для сенсорных узлов, предназначенных для трехосевых/двухосевых измерений в составе двух оболочек; из указанных пар на подложке формируют массив с n=2 прецизионно одинаковыми элементами с заданным распределением в пространстве, где n - количество прецизионно одинаковых элементов с учетом геометрической конфигурации каждого элемента и его пространственной ориентации. Материалы, геометрию и внутренние механические напряжения выбирают обеспечивающими ориентацию крестообразных холловских элементов массива сенсорных узлов с холловскими контактами в пространстве, при которой реализовано соответствие измеряемых холловских напряжений ортогональным компонентам вектора внешнего магнитного поля. На стадии формирования пар пленочных элементов изготавливают слои, формообразующие, механически напряженные, и функциональные, восприимчивые к магнитному полю, с холловскими контактами и тоководами, слои контактных площадок. Предварительно на подложке формируют псевдоморфный жертвенный слой AlAs толщиной 10 нм. При изготовлении многослойных пленочных элементов выращивают формообразующий, механически напряженный (сжатый), слой из InGaAs, а второй формообразующий слой выполняют в виде системы слоев GaAs и AlGaAs, играющей одновременно роль функционального, восприимчивого к магнитному полю, слоя с холловскими контактами и тоководами. В системе слоев формируют квантовую яму из GaAs толщиной 13 нм с электронным газом с концентрацией электронов порядка 10 см. Квантовую яму располагают между слоями твердого раствора AlGaAs, легированными SL. Причем слои в последовательности AlGaAs слой, соответствующий барьеру, GaAs слой, соответствующий квантовой яме, AlGaAs слой, соответствующий барьеру, располагают между слоем из GaAs, являющимся защитным слоем, и формообразующим слоем, расположенным на жертвенном слое, выращенном на подложке, и выполненным из InGaAs. Толщину каждого многослойного пленочного элемента задают равной 100 нм. Слои формообразующие и функциональный формируют посредством молекулярно-лучевой эпитаксии, соблюдая условия псевдоморфного роста, из указанных материалов как имеющих различные постоянные решетки и способных обеспечить возникновение поперечного (холловского) напряжения при протекании электрического тока в плоскости слоев и наличии внешнего магнитного поля, перпендикулярного их плоскости, за счет обычного эффекта Холла (R.S.Popovic "Hall Effect Devices", IOP Publishing (2004)). Слой контактных площадок, обеспечивающий омический контакт к функциональному слою, формируют последовательным напылением германия (Ge), никеля (Ni) и золота (Au) с последующим отжигом. Рисунки слоев, в том числе рисунки, задающие контуры пленочного элемента, рисунки формообразующих, механически напряженных, и функциональных, восприимчивых к магнитному полю, слоев с холловскими контактами с тоководами от последних к контактным площадкам, контактных площадок задают посредством планарной технологии - литографически.
3
4
2
2
2
Направление изгибания каждого многослойного пленочного элемента при последующем отделении от подложки задают при его формировании, заданием рисунков слоев, в том числе рисунка, определяющего контуры пленочного элемента, рисунков формообразующих, механически напряженных, и функциональных, восприимчивых к магнитному полю, слоев с холловскими контактами с тоководами от последних к контактным площадкам, рисунков контактных площадок. Сначала формируют рисунки, определяющие контуры каждого пленочного элемента - контуры формообразующих и функционального слоев в виде сквозных окон в слоях до жертвенного слоя. Для травления окон используют травитель на основе ортофосфорной кислоты (HPO:HO:HO/3:1:50). Затем осуществляют финальную часть формирования рисунка, задавая крестообразный холловский элемент сенсорного узла, изготавливая области тоководов и контактных площадок, используя тот же травитель для травления окон. При формировании каждого многослойного пленочного элемента рисунок функционального слоя, восприимчивого к магнитному полю, соответствующий двум сенсорным узлам с холловскими контактами, с тоководами от последних к контактным площадкам формируют с общим для двух сенсорных узлов каналом для пропускания тока, лежащим в направлении изгибания пленочного элемента, с длиной канала не менее πR/2, R - радиус кривизны оболочки. При этом в сенсорных узлах выполняют две пары холловских контактов для измерения холловского напряжения - потенциальные контакты. Контакты располагают вдоль канала по разные стороны его. Азимутальный угол между парами контактов - 90° или расстояние по центру между парами - πR/2, R - радиус кривизны оболочки. Каждая пара предназначена для определения своей ортогональной компоненты внешнего магнитного поля. Рисунок функционального слоя, восприимчивого к магнитному полю, с холловскими контактами, с тоководами от последних к контактным площадкам и рисунок самих контактных площадок формируют литографически тем, что задают форму крестообразного холловского элемента, тоководов и контактных площадок. Геометрию крестообразного холловского элемента - холловского мостика определяют выполнением тоководов. От токовых и потенциальных контактов холловских мостиков литографией и последующим нанесением Au прокладывают тоководы к контактным площадкам, расположенным на подложке, с омическими контактами к функциональному слою. Литографические окна, задающие геометрию тоководов и контактных площадок, изготавливают глубиной, достаточной для электрической изоляции. На область контактных площадок, заданную рисунком, для получения омических контактов напыляют последовательно германий, никель и золото и отжигают в атмосфере водорода при температуре 450°С в течение 5 минут. При формировании двух многослойных пленочных элементов в паре для сенсорных узлов, предназначенных для трехосевых/двухосевых измерений в составе двух оболочек, их рисунки реализуют с возможностью перпендикулярных направлений изгибания и получения оболочек цилиндрической формы, образующие которых перпендикулярны. Для этого рисунки слоев первого пленочного элемента повторяют во втором пленочном элементе с поворотом на 90°. Формируют две пары пленочных элементов, в каждой паре рисунок первого пленочного элемента повторен во втором пленочном элементе с поворотом на 90°. Таким образом, первый пленочный элемент первой пары и первый пленочный элемент второй пары прецизионно одинаковы, второй пленочный элемент первой пары и второй пленочный элемент второй пары прецизионно одинаковы.
2
Затем оба пленочных элемента в каждой паре отделяют от подложки, трансформируя их под действием внутренних механических напряжений в оболочки с достижением ориентации пар холловских контактов в пространстве, при которой реализовано соответствие измеряемых холловских напряжений трем ортогональным компонентам вектора внешнего магнитного поля. Для отделения в каждой паре обоих пленочных элементов от подложки удаляют материал элемента, расположенного под пленочными элементами, - материал жертвенного слоя AlAs, обеспечивая направленное изгибание каждого пленочного элемента с формированием оболочки цилиндрической формы. Требуемое направление изгибания каждого пленочного элемента каждой пары достигают за счет направленного травления - селективного бокового (латерального) травления жертвенного слоя в направлении, обусловленном анизотропией механических свойств пленочного элемента и его литографическим рисунком. Травят жертвенный слой в травителе на основе плавиковой кислоты (HF:HO/1:10). Травление жертвенного слоя осуществляют до отделения каждого пленочного элемента в пределах области, на которой расположены сенсорные узлы (см. Фиг.3). Таким образом, части изначально двух плоских пленочных элементов в парах трансформируют в оболочки цилиндрической формы, при этом контактные площадки 1-6 с омическими контактами размещают на подложке, оставляя их жестко связанными с подложкой за счет своевременного прекращения бокового травления жертвенного слоя. В результате трансформации каждого пленочного элемента в парах в оболочку цилиндрической формы канал для пропускания тока располагают вдоль направляющей цилиндрической оболочки, холловские контакты для измерения холловского напряжения располагают вдоль канала по разные стороны его, выдерживают азимутальный угол между парами холловских контактов 90°. При этом контактные площадки с омическими контактами размещены на подложке и жестко связаны с ней. Таким образом, получают массив n сенсорных узлов, предназначенных для трехосевых/двухосевых измерений в составе двух оболочек, с n=2, выполненных прецизионно одинаковыми с заданным распределением в пространстве. В финале массив помещают в твердую матрицу из немагнитного материала, для этого на подложку с оболочками массива наносят жидкий полимер и осуществляют его отверждение (см. Фиг.4). Перед запечатыванием оболочек в полимер сформированную конструкцию помещают в этиловый эфир уксусной кислоты, являющийся растворителем полидиметилсилоксана, после чего переносят в неполимеризованный полидиметилсилоксан. Осуществляют замещение этилового эфира, находящегося внутри оболочек, а также покрытие поверхности оболочек снаружи. Для полимеризации полидиметилсилоксана и запечатывания конструкции в полимер осуществляют нагревание в печи при температуре 90°С в течение 3 часов.
Рассмотренный пример реализации способа относится к изготовлению датчика для трехосевых/двухосевых измерений градиента магнитного поля.