DE102016215616B4

DE102016215616B4 - Verfahren zum Herstellen einer magnetischen Struktur und Vorrichtung

Info

Publication number: DE102016215616B4
Application number: DE102016215616.0A
Authority: DE
Inventors: Thomas Lisec; Fabian LOFINK
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Foerderung der Angewandten Forschung eV
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Foerderung der Angewandten Forschung eV
Priority date: 2016-08-19
Filing date: 2016-08-19
Publication date: 2020-02-20
Anticipated expiration: 2036-08-20
Also published as: CN107765195B; DE102016215616A1; CN107765195A; US10854223B2; US20180053523A1

Abstract

Verfahren mit den folgenden Schritten:Bereitstellen eines Substrats (10) und Erzeugen von mindestens zwei voneinander beabstandeten Kavitäten (11a, 11b) in dem Substrat (10), wobei jede Kavität (11) ein Aspektverhältnis (l/d) von mindestens 6:1 bei einer Tiefe (I) von mindestens 50 µm aufweist,Auffüllen der Kavitäten (11) mit magnetischen Partikeln (12), wobei die magnetischen Partikel (12) an Berührungspunkten miteinander in Kontakt treten und zwischen den Berührungspunkten Hohlräume gebildet werden, undVerbinden von zumindest einem Teil der magnetischen Partikel (12) an deren Berührungspunkten durch Beschichten der magnetischen Partikel (12), wobei die Hohlräume zumindest teilweise von der beim Beschichten erzeugten Schicht durchdrungen werden, so dass die verbundenen magnetischen Partikel (12) eine magnetische poröse Struktur (13) bilden.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen einer magnetischen Struktur gemäß den Merkmalen von Anspruch 1, eine Vorrichtung mit einer magnetischen Struktur gemäß den Merkmalen von Anspruch 14, sowie ein System aufweisend eine derartige Vorrichtung mit einer magnetischen Struktur und einem Magnetsensor gemäß den Merkmalen von Anspruch 21.
Dreidimensionale Anordnungen von Permanentmagneten zur Erzeugung spezifischer Feldmuster sind für viele technische Geräte unabdingbar. Oftmals ist eine Miniaturisierung erwünscht, wie sie sich mittels konventioneller Techniken nur schwer erreichen lässt, da der mechanischen Bearbeitung von Permanentmagneten, u. a. aufgrund der Sprödigkeit der Materialien (z.B. NdFeB), Grenzen gesetzt sind. Die vorliegende Anmeldung beschreibt alternative Möglichkeiten zur Herstellung miniaturisierter magnetischer Anordnungen.
Ein wichtiges Anwendungsgebiet ist die magnetische Positionsdetektion in Anlagen und Geräten aller Art zur Bestimmung von Winkel, Weg und absoluter Position. Solch ein System besteht aus einem Magnet-Maßstab und einem Lesekopf, der darüber hinweg geführt wird. Der Lesekopf basiert zumeist auf einem MR-Sensor, der elektromagnetische Felder mit sehr hoher Auflösung detektieren kann.
Je nach Anwendung weisen diese Magnet-Maßstäbe sehr unterschiedliche Geometrien auf. Im Falle einer Wegbestimmung besteht der klassische Maßstab oftmals aus einem Magnetband, montiert auf einem Träger aus Edelstahl (siehe [1] und [2]). Ein solches Magnetband wird auf speziellen Anlagen kundenspezifisch kodiert (magnetisiert). Die Positioniergenauigkeit wird dabei vom Wiederholabstand (Pitch) der magnetisierten Bereiche bestimmt.
Stand der Technik ist ein Pitch von 0,5 mm. Mit modernen MR-Sensoren und optimierten Messalgorithmen kann eine Auflösung von ca. 1/1000 des Pitches, d.h. eine Positioniergenauigkeit von 0,5 µm erzielt werden.
Auch zur Bestimmung von Winkeln werden magnetische Maßstäbe, z.B. in Form magnetischer Polräder, verwendet (siehe [3]). Wie auch im Falle des Magnetbands werden sie auf speziellen Anlagen codiert.
Eine weitere Verbesserung der Auflösung der magnetischen Positionsdetektion ist von erheblichem Interesse. Diese wird offensichtlich in erster Linie vom Magnet-Maßstab begrenzt. In diesem Zusammenhang wird nach alternativen Techniken gesucht.
Zur Lösung dieses Problems wird beispielsweise in [4] vorgeschlagen, das oben genannte Magnetband durch eine Abfolge voneinander separierter hartmagnetischer Strukturen zu ersetzen. Solch ein Maßstab wird in [4] aus 200 µm breiten CoNiP-Streifen mittels Techniken der Halbleiter-Technologie durch galvanische Abscheidung mit einer Lackmaske auf einem Siliziumsubstrat hergestellt.
Auf diese Weise lassen sich leicht Maßstäbe mit Wiederholabständen im µm-Bereich herstellen. Ein erheblicher Vorteil im Vergleich zu dem zuvor erwähnten klassischen Magnetband ist, dass die zeitaufwendige sequentielle Codierung entfällt. Die voneinander separierten hartmagnetischen Strukturen können alle auf einmal magnetisiert werden.
Allerdings lassen sich nur wenige und zudem nur vergleichsweise schwache hartmagnetische Materialien galvanisch abscheiden, wie z.B. CoPt, FePt oder CoNiMnP. Auch lassen sich Schichtdicken über 50 µm nur sehr schwer realisieren, da es durch Folgeprozesse bei erhöhten Temperaturen leicht zu stressbedingter Delamination der galvanischen Strukturen kommen kann.
Eine Alternative zur Galvanik ist das Sputtern. Mittels Sputtern kann z.B. NdFeB abgeschieden werden, dessen hartmagnetische Eigenschaften die der galvanischen Materialien um Faktoren übertrifft. Jedoch sind gesputterte Schichten zumeist auf Dicken von wenigen Mikrometern beschränkt. Der in [5] beschriebene, ca. 15 µm dicke gesputterte NdFeB-Magnet ist da schon ein Extrembeispiel. Nachteile im Vergleich zu galvanisch erzeugten Strukturen sind die hohen Abscheidetemperaturen sowie die Tatsache, dass die gesputterte Schicht anschließend strukturiert werden muss.
Der wissenschaftliche Artikel „Yang, T.-S. et al.: Fabrication and characterization of parylenebonded Nd-Fe-B powder micromagnets. Journal of Applied Physics, Vol. 109, 2011, 07A753, S. 1-3“ beschreibt das Herstellen von Mikromagneten durch Abscheiden von Nd-Fe-B. Dabei wird ein entsprechend magnetisches Pulver in mikrostrukturierte Kavitäten gepresst und mittels einer Parylenbeschichtung verfestigt. Da die derart hergestellten Magnete sehr porös sind, neigen diese leicht zum Brechen. Andererseits ist ein großes Volumen der Magnete erwünscht, um eine möglichst große Feldstärke zu erzielen. Daher sind die in Yang et al. beschriebenen Mikromagnete zur Erhöhung der Stabilität flach, und zur Erhöhung der Feldstärke möglichst breit, wobei sie Abmessungen von 700 × 700 × 220 µm (Länge × Breite × Tiefe) aufweisen. Dies entspricht einem Aspektverhältnis von 2,2:7, was wiederum ein normiertes Aspektverhältnis von 0,3:1 ergibt.
Die DE 10 2014 226 138 A1 beschreibt ein weiteres Verfahren zum Herstellen von mikromagnetischen Strukturen. Hier werden magnetische Partikel auf ein Trägerelement aufgebracht und mittels einer Beschichtung verfestigt. Aufgrund des eingangs erwähnten Zielkonflikts hinsichtlich einer großen Bruchfestigkeit bei gleichzeitig hoher Feldstärke werden auch hier flache und möglichst breite Magnetstrukturen erzeugt.
Eine alternative Möglichkeit, um Mikromagnete mit größerem Volumen herstellen zu können, ist in der US 2011 / 0 018 136 A1 beschrieben. Dabei werden zunächst Partikel in einer Flüssigkeit gelöst. Diese Partikel beinhaltende Flüssigkeit wird dann in Hohlräume eingebracht, z.B. mittels Ink-Jet Printing. Anschließend wird zur Verfestigung die Flüssigkeit verdampft. Dieses Verfahren unterscheidet sich jedoch grundlegend von den beiden oben erwähnten Verfahren beinhaltend das Einbringen von losen Partikeln und Verbinden der losen Partikel mittels einer Beschichtung.
Es ist demnach wünschenswert bekannte miniaturisierte Magnetstrukturen dahingehend zu verbessern, dass diese ein großes Volumen und somit eine große magnetische Feldstärke, und dabei gleichzeitig eine hohe Bruchfestigkeit aufweisen, und trotz eines Pitches im Mikrometerbereich hohe Magnetfeldstärken erzeugen.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit einem Verfahren mit den Merkmalen von Anspruch 1, mit einer Vorrichtung mit den Merkmalen von Anspruch 14 und einem System mit den Merkmalen von Anspruch 21 gelöst.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird ein Substrat bereitgestellt. In diesem Substratwerden mindestens zwei voneinander beabstandete Kavitäten erzeugt. Jede Kavität weist hierbei ein Aspektverhältnis von mindestens 6:1 bei einer Tiefe von mindestens 50 µm auf. Das Aspektverhältnis ist das Verhältnis aus der Tiefe der Kavität (d.h. die Eindringtiefe der Kavität in das Substrat) zu ihrer (kleinsten) lateralen Ausdehnung. Demnach weist jede Kavität, die erfindungsgemäß eine (Eindring-)Tiefe von 50 µm aufweist, eine laterale Ausdehnung auf, die ein Sechstel des Betrags der Tiefe beträgt, d.h. erfindungsgemäß ist jede Kavität mindestens 8,3 µm breit. Diese Kavitäten werden mit magnetischen Partikeln aufgefüllt, vorzugsweise vollständig. Die magnetischen Partikel kommen an Berührungspunkten miteinander in Kontakt, wobei sich zwischen den Berührungspunkten Hohlräume ausbilden. Die magnetischen Partikel werden unter Verwendung eines Beschichtungsprozesses, z.B. unter Verwendung eines ALD-Beschichtungsprozesses (ALD: Atomic Layer Deposition - Atomlagenabscheidung), beschichtet. Dadurch verbindet sich zumindest ein Teil der magnetischen Partikel miteinander, und zwar an deren jeweiligen Berührungspunkten, indem die Hohlräume zumindest teilweise von der beim Beschichten erzeugten Schicht durchdrungen werden. Im Ergebnis verfestigen sich die magnetischen Partikel zu einer magnetischen porösen Struktur. In jeder Kavität wird also eine magnetische poröse Struktur gebildet. Die Größe der jeweiligen magnetischen porösen Struktur hängt von dem Volumen der Kavität und deren Füllgrad (d.h. Menge der in die Kavität eingefüllten Partikel) ab. Das heißt, wenn eine 50 µm tiefe Kavität vollständig mit magnetischen Partikeln aufgefüllt wird, und diese Partikel mittels des Beschichtungsprozesses zu der magnetischen porösen Struktur verfestigt werden, dann weist diese magnetische poröse Struktur somit ebenfalls eine Dicke (in Tiefenrichtung der Kavität) von 50 µm auf. Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren können beispielsweise hartmagnetische Partikel, z.B. NdFeB-Partikel, in die Kavität eingefüllt werden, die ein wesentlich stärkeres Magnetfeld erzeugen können als andere Materialien, die mittels Abscheideverfahren auf dem Substrat abgeschieden werden können. Neben diesen Materialien sorgt das erfindungsgemäße Aspektverhältnis dafür, dass die in den Kavitäten erzeugten magnetischen porösen Strukturen eine, im Vergleich zu abgeschiedenen Materialen, wesentlich höhere magnetische Flussdichte aufweisen. Bei galvanisch abgeschiedenen oder gesputterten magnetischen Strukturen bleiben die Aspektverhältnisse zumeist deutlich unterhalb von 1. Es ist aber gerade das erfindungsgemäß hohe Aspektverhältnis von 6:1 und mehr, wodurch eine hohe magnetische Flussdichte realisiert wird. Das heißt, galvanisch abgeschiedene oder gesputterte magnetische Strukturen weisen in der Regel eine Schichtdicke deutlich unterhalb von 50 µm auf. Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren wird es jedoch möglich, magnetische Strukturen bereitzustellen, die eine Dicke (in Tiefenrichtung der Kavität) von 50 µm oder mehr aufweisen.
Es ist denkbar, dass das Einbringen der Kavitäten in das Substrat derart erfolgt, dass jede Kavität ein Aspektverhältnis von mindestens 10:1 aufweist. Es können mit dem erfindungsgemäßen Verfahren also Aspektverhältnisse von 10:1 realisiert werden, was dementsprechend zu einer weiteren Erhöhung der magnetischen Flussdichte der in den Kavitäten erzeugten magnetischen porösen Strukturen führt.
Außerdem wäre es vorstellbar, dass das Einbringen der Kavitäten in das Substrat derart erfolgt, dass jede Kavität eine laterale Ausdehnung von 250 µm oder weniger, oder von 100 µm oder weniger, oder von 50 µm oder weniger, oder von 25 µm oder weniger aufweist. Wenn also beispielsweise die Kavität eine laterale Ausdehnung von 10 µm bei einem Aspektverhältnis von 6:1 aufweist, dann weist die Kavität eine Tiefe von 60 µm auf. Die angegebenen lateralen Ausdehnungen in Kombination mit dem erfindungsgemäßen Aspektverhältnis ergeben somit besonders vorteilhafte Ausgestaltungen von magnetischen porösen Strukturen mit, im Vergleich zum bisherigen Stand der Technik, deutlich größeren magnetischen Flussdichten.
Gemäß einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens kann eine zusätzliche Beschichtung auf dem Substrat aufgebracht werden, die sich über die mit den magnetischen Partikeln befüllten Kavitäten erstreckt, um die Kavitäten zu versiegeln. Diese zusätzliche Beschichtung kann außenseitig auf das Substrat aufgebracht werden, und zwar auf der Außenseite des Substrats, in der die Öffnungen der Kavitäten vorhanden sind. Die zusätzliche Beschichtung kann beispielsweise mittels Sputtern, galvanischer Abscheidung oder mittels PECVD (Plasma-Enhanced Chemical Vapour Deposition - Plasmaunterstützte Chemische Gasphasenabscheidung) auf die magnetischen porösen Strukturen und das Substrat aufgebracht werden. Diese zusätzliche Beschichtung kann einen zuverlässigen Schutz vor Korrosion bereitstellen, wenn die magnetischen porösen Strukturen beispielsweise allseitig und vorzugsweise hermetisch mittels der zusätzlichen Beschichtung versiegelt werden. Darüber hinaus kann mit der zusätzlichen Beschichtung eine wesentliche Verbesserung der magnetischen Eigenschaften der magnetischen porösen Strukturen erzielt werden, wenn der magnetische Fluss der magnetischen porösen Strukturen durch Aufbringen einer z.B. weichmagnetischen Schicht, z.B. Fe oder NiFe, geschlossen werden kann. Die Beschichtung kann eine oder mehrere Schichten aufweisen, z.B. eine dielektrische Schicht und eine weichmagnetische Schicht.
Es ist vorstellbar, dass die Kavitäten derart in das Substrat eingebracht werden, dass eine dabei in Tiefenrichtung verbleibende Restdicke zwischen der tiefsten Stelle der Kavität und der in Tiefenrichtung nächstliegenden Außenseite des Substrats 10 µm bis 100 µm beträgt. Anders ausgedrückt werden die Kavitäten von einer ersten Außenseite des Substrats zu einer gegenüberliegenden zweiten Außenseite des Substrats eingebracht. Die Kavitäten erstrecken sich hierbei also von der ersten Außenseite zu der zweiten Außenseite, wobei die Erstreckungsrichtung auch als Tiefenrichtung bezeichnet wird. Die Kavitäten erstrecken sich in Tiefenrichtung genau so weit, dass zwischen der tiefsten Stelle der Kavität und der zweiten Außenseite des Substrats Substratmaterial mit einer Dicke zwischen 10 µm bis 100 µm bestehen bleibt. Es wird also der Abstand zwischen der tiefsten Stelle der Kavität und dem Substrat eingestellt.
Die Kavitäten können unter Verwendung eines Trockenätzverfahrens in das Substrat eingebracht werden. Ferner kann eine Ätzstoppschicht in dem Substrat vorgesehen sein, die sich im Wesentlichen orthogonal zu der Tiefenrichtung der Kavitäten erstreckt. An der Ätzstoppschicht endet der Ätzvorgang, d.h. die Kavität wird nur bis zu der Ätzstoppschicht und nicht weiter ausgebildet. Mittels der Ätzstoppschicht kann eine wesentlich geringere und besser definierte Restdicke zwischen der tiefsten Stelle der Kavität und der in Tiefenrichtung nächstliegenden Außenseite des Substrats erreicht werden. Beispielsweise sind Si-Wafer mit vergrabenen Ätzstoppschichten aus SiO₂ als sogenannte SOl-Substrate (Silicon-On-Insulator Substrates) kommerziell verfügbar. Die Dicke der SOI-Schicht, die z.B. aus einkristallinem Silizium bestehen kann, ist nahezu beliebig einstellbar.
Gemäß Ausführungsformen kann die Ätzstoppschicht beispielsweise Siliziumoxid oder Siliziumnitrid aufweisen. Alternativ oder zusätzlich kann die Ätzstoppschicht ein Metall, ein Metalloxid oder ein Metallnitrid aufweisen. Das heißt, der erfindungsgemäße Herstellungsprozess ist nicht auf SOI-Substrate beschränkt. Es sind viele andere Materialkombinationen denkbar, um die Restdicke zwischen der tiefsten Stelle der Kavität und der in Tiefenrichtung nächstliegenden Außenseite des Substrats auf diese Weise einzustellen. Anstelle der einkristallinen SOI-Schicht kann z.B. eine dicke Poly-Silizium-Schicht verwendet werden. Bei hohen Temperaturen lässt sich Poly-Silizium leicht mit Dicken bis zu 50 µm abscheiden. Ebenso könnte man eine galvanisch abgeschiedene Kupferschicht verwenden. Als vergrabene Ätzstoppschicht kommen außer Siliziumoxid auch noch Siliziumnitrid, verschiedene Metalle und deren Oxide und Nitride in Frage.
Gemäß Ausführungsbeispielen der Erfindung kann die Ätzstoppschicht zwischen dem Substrat und einer SOI-Schicht angeordnet sein, wobei die SOI-Schicht eine Schichtdicke zwischen 1 µm und 100 µm, oder eine Schichtdicke zwischen 10 µm und 100 µm, oder eine Schichtdicke zwischen 50 µm und 100 µm aufweist. Der Abstand zwischen der tiefsten Stelle der Kavität und der in Tiefenrichtung nächstliegenden Außenseite des Substrats ließe sich somit bis auf wenige Mikrometer verringern. Für eine ausreichende mechanische Stabilität sind Schichtdicken zwischen 1 µm und 100 µm sinnvoll.
Es ist ferner denkbar, dass die Kavitäten an deren in Tiefenrichtung unteren Abschnitt jeweils einen verjüngten Abschnitt aufweisen, der unter Verwendung eines nasschemischen Ätzverfahrens in das Substrat eingebracht wird. Die Verjüngung des unteren Abschnitts der Kavitäten bewirkt eine weitere Erhöhung der Feldliniendichte der magnetischen porösen Strukturen. Das Einbringen dieser Verjüngung ist z.B. mittels anisotropen Ätzens einer Grube mit geneigten Seitenwänden in wässriger KOH- oder TMAH-Lösung vor dem Trockenätzen möglich.
Hierbei wäre es außerdem vorstellbar, dass der verjüngte Abschnitt mit einem Material befüllt wird, das im Vergleich zu den magnetischen Partikeln eine höhere Sättigungsmagnetisierung aufweist. Das zum Befüllen verwendete Material kann beispielsweise ein ferromagnetisches Material sein. Hierdurch kann eine weitere Erhöhung der Feldliniendichte der magnetischen porösen Strukturen erzielt werden. Somit ließe sich beispielsweise durch Auffüllen der sich verjüngenden Kavitäten-Endabschnitte mit Eisen anstelle von NdFeB eine Erhöhung der Feldliniendichte auf mindestens das Doppelte erreichen. Das Befüllen der Kavitäten kann beispielsweise in zwei Schritten ausgeführt werden, wobei die Kavität zuerst mit Eisenpulver teilverfüllt und anschließend mit NdFeB-Pulver vollständig aufgefüllt wird.
Gemäß einer weiteren denkbaren Ausführungsform kann das Substrat ein Basissubstrat und ein Decksubstrat mit mindestens zwei sich vollständig durch dieses Decksubstrat hindurch erstreckenden Öffnungen aufweisen, wobei das Decksubstrat mit dem Basissubstrat zusammengefügt wird, und wobei die Öffnungen in dem Decksubstrat denselben Abstand zueinander aufweisen wie die Abstände der Kavitäten in dem Basissubstrat, so dass bei dem Zusammenfügen des Decksubstrats mit dem Basissubstrat die mindestens zwei Öffnungen in dem Decksubstrat mit den mindestens zwei Kavitäten in dem Basissubstrat zur Deckung kommen. Somit wird ein zweiteiliges Substrat bereitgestellt, deren beide Teile zu dem endgültigen Substrat zusammengefügt werden.
Hierbei wäre es denkbar, dass das Basissubstrat Silizium und das Decksubstrat Kunststoff aufweist. Kunststoff kann einfach prozessiert werden und ist wesentlich kostengünstiger als Silizium.
Gemäß einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens kann das Substrat abschnittsweise oder vollständig entfernt werden, um die magnetischen porösen Strukturen zumindest abschnittsweise freizulegen. Somit kann beispielsweise eine flexible Magnetvorrichtung mit freistehenden magnetischen porösen Strukturen hergestellt werden.
Ferner wird das eingangs genannte Problem mit einer erfindungsgemäßen Vorrichtung gelöst, die unter anderem ein Substrat mit mindestens zwei voneinander beabstandeten Kavitäten aufweist. Jede Kavität weist ein Aspektverhältnis von mindestens 6:1 bei einer Tiefe von mindestens 50 µm auf. Die Kavitäten sind mit magnetischen Partikeln aufgefüllt, die an Berührungspunkten miteinander in Kontakt treten und zwischen den Berührungspunkten Hohlräume bilden. Gegenständlich ist die erfindungsgemäße Vorrichtung von einer herkömmlichen Vorrichtung einfach zu unterscheiden, da ein Teil der magnetischen Partikel an deren Berührungspunkten mittels einer Beschichtung miteinander verbunden sind, und zwar derart, dass die Hohlräume zumindest teilweise von der Beschichtung durchdrungen sind, und die verbundenen magnetischen Partikel dadurch eine magnetische poröse Struktur bilden. Dies unterscheidet sich deutlich von herkömmlichen Vorrichtungen mit darauf abgeschiedenen Magnetschichten.
Gemäß einer Ausführungsform kann jede Kavität ein Aspektverhältnis von mindestens 10:1 aufweisen.
Außerdem ist es denkbar, dass jede Kavität eine laterale Ausdehnung von 250 µm oder weniger, oder von 100 µm oder weniger, oder von 50 µm oder weniger, oder von 25 µm oder weniger aufweist.
Es ist ferner vorstellbar, dass eine Beschichtung auf dem Substrat aufgebracht ist, die sich über die mit den magnetischen Partikeln befüllten Kavitäten erstreckt, um die Kavitäten zu versiegeln.
Die Kavitäten können derart in dem Substrat ausgebildet sein, dass eine in Tiefenrichtung verbleibende Restdicke zwischen der tiefsten Stelle der Kavität und der Außenseite des Substrats 10 µm bis 100 µm beträgt
Außerdem können die Kavitäten an deren in Tiefenrichtung unteren Abschnitt jeweils einen verjüngten Abschnitt aufweisen, der mit einem Material befüllt ist, das im Vergleich zu den magnetischen Partikeln eine höhere Sättigungsmagnetisierung aufweist.
Eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung sieht vor, dass das Substrat ein Basissubstrat und ein Decksubstrat mit mindestens zwei sich vollständig durch dieses Decksubstrat hindurch erstreckenden Öffnungen aufweist, wobei die Öffnungen in dem Decksubstrat denselben Abstand zueinander aufweisen wie die Abstände der Kavitäten in dem Basissubstrat, und wobei das Decksubstrat mit dem Basissubstrat derart zusammengefügt ist, dass die mindestens zwei Öffnungen in dem Decksubstrat mit den mindestens zwei Kavitäten in dem Basissubstrat zur Deckung kommen.
Außerdem schlägt die Erfindung zur Lösung des oben genannten Problems ein System vor, das unter anderem eine vorgenannte Vorrichtung sowie einen Magnetsensor aufweist. Der Magnetsensor kann ausgebildet sein, um die von der Vorrichtung ausgehende Magnetfeldstärke zu bestimmen, indem er beabstandet von dem Substrat und entlang einer Außenseite des Substrats an den porösen Magnetstrukturen vorbei bewegt wird, und zwar auf der Außenseite des Substrats, die der Öffnung der jeweiligen Kavität gegenüberliegt.
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und werden nachstehend erläutert. Es zeigen:

1A bis 1D eine gegenständliche Abbildung zur Beschreibung des erfindungsgemäßen Verfahrens sowie eine Draufsicht (1A) und Seitenansichten einer erfindungsgemäßen Vorrichtung,
2A bis 2C eine weitere gegenständliche Abbildung zur Beschreibung des erfindungsgemäßen Verfahrens sowie Seitenansichten einer erfindungsgemäßen Vorrichtung,
3 ein Diagramm, das die normierte magnetische Flussdichte über das Aspektverhältnis zeigt,
4A bis 4D eine weitere gegenständliche Abbildung zur Beschreibung des erfindungsgemäßen Verfahrens sowie Seitenansichten einer erfindungsgemäßen Vorrichtung,
5A bis 5D eine weitere gegenständliche Abbildung zur Beschreibung des erfindungsgemäßen Verfahrens sowie Seitenansichten einer erfindungsgemäßen Vorrichtung,
6A bis 6D eine weitere gegenständliche Abbildung zur Beschreibung des erfindungsgemäßen Verfahrens sowie Seitenansichten einer erfindungsgemäßen Vorrichtung,
7 eine weitere gegenständliche Abbildung zur Beschreibung des erfindungsgemäßen Verfahrens sowie eine Seitenansicht einer erfindungsgemäßen Vorrichtung,
8A eine Draufsicht auf eine Teststruktur,
8B eine Schnittansicht entlang der in 8A abgebildeten Schnittlinie A-A,
9 ein Diagramm zur Veranschaulichung der magnetischen Feldstärken von Eisen und NdFeB,
10A und 10B eine weitere gegenständliche Abbildung zur Beschreibung des erfindungsgemäßen Verfahrens sowie Seitenansichten einer erfindungsgemäßen Vorrichtung,
11A bis 11C eine weitere gegenständliche Abbildung zur Beschreibung des erfindungsgemäßen Verfahrens sowie Seitenansichten einer erfindungsgemäßen Vorrichtung,
12A eine weitere gegenständliche Abbildung zur Beschreibung des erfindungsgemäßen Verfahrens sowie eine Seitenansicht einer erfindungsgemäßen Vorrichtung, und
12B eine weitere gegenständliche Abbildung zur Beschreibung des erfindungsgemäßen Verfahrens sowie eine Seitenansicht eines erfindungsgemäßen Systems aufweisend eine erfindungsgemäße Vorrichtung und einen Magnetsensor.

Die 1A bis 1D zeigen eine gegenständliche Abbildung zur Veranschaulichung eines erfindungsgemäßen Verfahrens.
1A zeigt in Draufsicht ein Substrat 10 mit zwei voneinander beabstandeten Kavitäten 11a, 11b. Die Kavitäten 11a, 11b sind mittels geeigneter Verfahren in das Substrat 10 eingebracht. Die linke Kavität 11a ist von der rechten Kavität 11b um ein Maß a beabstandet. Dieses Maß a wird zur Erläuterung der folgenden Ausführungsbeispiele auch als Pitch bezeichnet.
1B zeigt eine Seitenansicht des Substrats 10. Wie am Beispiel der linken Kavität 11a gezeigt ist, weist die Kavität 11a eine Tiefe bzw. Eindringtiefe der Länge l sowie eine laterale Ausdehnung der Breite d auf. Das Verhältnis von Länge l zu Breite d wird auch als Aspektverhältnis l/d bezeichnet.
Erfindungsgemäß weist die Kavität 11a eine Tiefe / von mindestens 50 µm auf. Außerdem weist die Kavität 11a erfindungsgemäß ein Aspektverhältnis l/d von mindestens 6:1 auf. Das heißt, die Tiefe l ist mindestens sechs mal so groß wie die laterale Ausdehnung der Breite d.
Bezüglich des Aspektverhältnisses und der Eindringtiefe / gilt das zuvor Gesagte übrigens auch für die rechte Kavität 11b sowie für gegebenenfalls in dem Substrat 10 vorhandene weitere Kavitäten.
Die Kavitäten 11a, 11b weisen eine Öffnung 14 zur Umgebung auf. In diese Öffnung 14 können beispielsweise Partikel eingefüllt werden.
Wie in 1C gezeigt ist, werden die Kavitäten 11a, 11b mit magnetischen Partikeln 12 befüllt. In dem abgebildeten Ausführungsbeispiel werden die Kavitäten 11a, 11b randvoll aufgefüllt, so dass diese bis etwa zur Oberkante der Öffnung 14 der Kavität 11a, 11b reichen.
Die magnetischen Partikel 12 kommen an Berührungspunkten miteinander in Kontakt, wobei sich zwischen den Berührungspunkten Hohlräume ausbilden. Erfindungsgemäß werden die magnetischen Partikel 12 unter Verwendung eines Beschichtungsprozesses, z.B. eines ALD-Prozesses (ALD: Atomic Layer Deposition - Atomlagenabscheidung), beschichtet.
Durch diese Beschichtung verbindet sich zumindest ein Teil der magnetischen Partikel 12 an deren Berührungspunkten, indem die Hohlräume zumindest teilweise von der beim Beschichten erzeugten Schicht durchdrungen werden. Vorzugsweise verbinden sich durch diese Beschichtung alle magnetischen Partikel 12 an deren Berührungspunkten miteinander, indem die Hohlräume vollständig von der beim Beschichten erzeugten Schicht durchdrungen werden.
In 1D ist das Resultat des Beschichtungsprozesses zu sehen. Die miteinander verbundenen magnetischen Partikel 12 bilden eine verfestigte poröse Struktur 13 aus, die ihrerseits magnetisch ist. Somit wird in jeder Kavität 11a, 11b jeweils eine magnetische poröse Struktur 13a, 13b gebildet.
In dem in 1D gezeigten Ausführungsbeispiel sind alle zuvor als loses Partikelgemisch vorliegenden magnetischen Partikel 12 durch die Beschichtung miteinander verbunden worden. Es ist aber auch denkbar, dass lediglich ein Teil der losen Partikel 12 durch die Beschichtung miteinander verbunden werden. Falls nicht miteinander verbundene lose Partikel 12 verbleiben sollten, können diese bei Bedarf auch wieder aus der Kavität 11a, 11b entfernt werden.
Die miteinander verbundenen magnetischen Partikel 12 bilden eine magnetische poröse Struktur 13.
In einigen Ausführungsbeispielen können die Kavitäten 11a, 11b ein Aspektverhältnis von 10:1 und mehr aufweisen. Außerdem können die Kavitäten 11a, 11b eine (Eindring-)Tiefe von 75 µm und mehr, von 85 µm und mehr, oder von 100 µm und mehr aufweisen. Dies ist ein deutlicher Unterschied zu magnetischen Beschichtungen, die mittels gängiger Abscheidungsprozesse auf dem Substrat aufgebracht werden. Durch die erfindungsgemäßen Mindesteindringtiefen in Verbindung mit den erfindungsgemäßen hohen Aspektverhältnissen können magnetische poröse Strukturen 13 erzeugt werden, die eine hohe magnetische Flussdichte aufweisen, deren Betrag um ein Vielfaches höher ist als bei konventionellen abgeschiedenen Strukturen.
2A zeigt eine weitere Seitenansicht einer Vorrichtung zur gegenständlichen Erläuterung von Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Verfahrens. Das abgebildete Substrat 10 weist hier mehrere, beispielhaft sieben, Kavitäten 11a bis 11g auf.
Wie in 2B zu erkennen ist, weist das Substrat 10 eine Oberseite 10a, eine linke Seite 10b, eine rechte Seite 10c und eine Unterseite 10d auf. Die Kavitäten 11a bis 11g erstrecken sich in einer Tiefenrichtung (siehe Pfeil 24) von der Oberseite 10a des Substrats 10 zu dessen gegenüberliegenden Unterseite 10d und weisen dabei eine Eindringtiefe / von mindestens 50 µm auf. Jede Kavität 11a bis 11g weist eine tiefste Stelle 25 auf, bis zu der sich die Kavität 11a bis 11g maximal in das Substrat 10 hinein erstreckt.
Die Kavitäten 11a bis 11g erstrecken sich soweit in das Substrat 10 hinein, dass eine in Tiefenrichtung 24 verbleibende Restdicke h_p zwischen der tiefsten Stelle 25 der Kavität 11a bis 11g und der der tiefsten Stelle 25 gegenüberliegenden Außenseite, hier die Unterseite 10d, des Substrats 10 etwa 10 µm bis 100 µm beträgt.
Anders ausgedrückt weist das Substrat 10 an seiner den Kavitäten 11a bis 11g gegenüberliegenden Seite 10d eine Restdicke h_p auf. Diese Restdicke h_p weist ein Maß von 10 µm bis 100 µm auf.
Alle Kavitäten 11a bis 11g werden mit losen magnetischen Partikeln 12 aufgefüllt. Das Einbringen der losen magnetischen Partikel 12 in die Kavitäten 11a bis 11g kann beispielsweise durch Rakeln erfolgen. Die losen magnetischen Partikel 12 weisen vorzugsweise ein hartmagnetisches Material, insbesondere NdFeB (Neodym-Eisen-Bor) auf. Die losen magnetischen Partikel 12 werden anschließend unter Verwendung eines Beschichtungsprozesses, z.B. eines ALD-Prozesses, beschichtet.
Wie in 2C zu erkennen ist, führt der Beschichtungsprozess dazu, dass sich die losen magnetischen Partikel 12 zu einer magnetischen porösen Struktur 13 verbinden bzw. verfestigen. Außerdem kann eine zusätzliche Beschichtung 16 auf dem Substrat 10 aufgebracht werden. Genauer gesagt wird die zusätzliche Beschichtung 16 auf der die Öffnung 14 der Kavitäten 11a bis 11g aufweisenden Seite des Substrats 10, hier also auf die Oberseite 10a des Substrats 10, aufgebracht. Die zusätzliche Beschichtung 16 erstreckt sich somit über die mit den magnetischen Partikeln 12 befüllten Kavitäten 11a bis 11g, um die Kavitäten 11a bis 11g damit zu versiegeln.
Die zusätzliche Beschichtung 16 kann mittels bekannter Verfahren, z.B. mittels Gasphasenabscheidung, Sputtern und dergleichen auf das Substrat 10 aufgebracht werden. Die zusätzliche Beschichtung 16 kann die Kavitäten 11a bis 11g vor dem Eindringen von z.B. Schmutz, Staub, Feuchtigkeit und dergleichen schützen bzw. versiegeln.
Die zusätzliche Beschichtung 16 kann also z.B. mittels Sputtern, Galvanik oder PECVD auf das Substrat 10 aufgebracht werden und bietet einige Vorteile. Für einen zuverlässigen Schutz vor Korrosion sollten die porösen magnetischen Strukturen 13 zum einen allseitig und vorzugsweise hermetisch versiegelt werden. Zum anderen wird eine wesentliche Verbesserung der magnetischen Eigenschaften erzielt, wenn der magnetische Fluss der magnetischen porösen Strukturen 13 durch Aufbringen einer weichmagnetischen zusätzlichen Beschichtung 16, z.B. Fe oder NiFe, geschlossen werden kann. Die zusätzliche Beschichtung 16 kann auch mehrere Schichten aufweisen, z. B. eine dielektrische und eine weichmagnetische Schicht.
Wie eingangs erwähnt, weist die erfindungsgemäße Anordnung ein Aspektverhältnis l/d auf, das mindestens 6:1, und in manchen Ausführungsbeispielen mindestens 10:1, betragen kann. Ein wesentlicher Vorteil der erfindungsgemäßen Anordnung gemäß den 1 und 2 im Vergleich zum Stand der Technik liegt beispielsweise darin, dass das hohe Aspektverhältnis l/d von bis zu 10:1 und mehr eine hohe magnetische Flussdichte bewirkt. Verstärkt werden kann die Flussdichte des Weiteren durch das Einbringen von hartmagnetischen Partikeln 12 (z.B. NdFeB) in die Kavitäten 11 sowie optional durch das Vorsehen einer zusätzlichen, z.B. weichmagnetischen Beschichtung 16 (2C).
Bei galvanisch abgeschiedenen oder gesputterten magnetischen Strukturen, wie sie im Stand der Technik beschrieben werden, bleiben die Aspektverhältnisse l/d hingegen zumeist deutlich unterhalb von 1.
Wie in 3 dargestellt ist, sorgt aber gerade ein hohes Aspektverhältnis l/d, dafür dass eine hohe magnetische Flussdichte in der Umgebung der magnetischen porösen Strukturen 13 realisiert werden kann.
In 3 ist auf der y-Achse die normierte axiale Magnetflussdichte B_z im Abstand a=100 µm von einem Stabmagneten (entspricht der tiefsten Stelle 25 der Kavität 11) aufgetragen. Auf der x-Achse ist das Aspektverhältnis l/d aufgetragen, und zwar beispielhaft für einen Stabmagneten in Abhängigkeit seiner Länge L zu seinem Durchmesser (Rod diameter) d, wobei verschiedene Durchmesser d zwischen 25 µm und 400 µm betrachtet werden.
Die Kurve 31 zeigt die Magnetflussdichte über das Aspektverhältnis für einen Stabmagneten mit einem Durchmesser von 25 µm. Die Kurve 32 zeigt die Magnetflussdichte über das Aspektverhältnis für einen Stabmagneten mit einem Durchmesser von 50 µm. Die Kurve 33 zeigt die Magnetflussdichte über das Aspektverhältnis für einen Stabmagneten mit einem Durchmesser von 100 µm. Die Kurve 34 zeigt die Magnetflussdichte über das Aspektverhältnis für einen Stabmagneten mit einem Durchmesser von 200 µm. Die Kurve 35 zeigt die Magnetflussdichte über das Aspektverhältnis für einen Stabmagneten mit einem Durchmesser von 400 µm.
So führt also beispielsweise bei einem 50 µm breiten Stabmagneten (vergleichbar mit einer magnetischen porösen Struktur 13) die Erhöhung des Aspektverhältnisses l/d von 0,1 auf 10 zu einer Steigerung der magnetischen Flussdichte um eine Größenordnung. Unter Verwendung des neuen, partikelbasierten Herstellungsverfahrens sind solche Aspektverhältnisse l/d gerade für kleine magnetische poröse Strukturen (d < 100 µm) ohne weiteres möglich. Im Vergleich dazu sind Aspektverhältnisse um 0,1 typisch für galvanische Magnetschichten. Schichtdicken von 1-20 µm sind typische Galvanikdicken. Eine Schichtdicke von 50 µm wäre für Galvanikdicken bereits sehr groß und technisch nur schwer realisierbar, da es durch Folgeprozesse bei erhöhten Temperaturen leicht zu stressbedingter Delamination der galvanischen Strukturen kommen kann. Da der magnetische Effekt aber volumenabhängig ist, schlägt die Erfindung vor, Strukturen mit Abmessungen (I) von mindestens 50 µm, oder auch beispielsweise von über 100 µm, bereitzustellen.
Die Kavitäten 11a bis 11g werden vorzugsweise unter Verwendung eines Trockenätzverfahrens in das Substrat 10 eingebracht. Hierbei kann das Substrat 10 beispielsweise Silizium aufweisen. Erfolgt das Ätzen zeitkontrolliert, kann bis auf eine Restdicke h_p von 50-100 µm geätzt werden. Die Tiefe der geätzten Kavitäten 11 und somit auch h_p kann allerdings erheblich variieren über das Substrat 10. Eine wesentlich geringere und besser definierte Restdicke h_p kann erreicht werden, wenn der Ätzvorgang durch eine Stoppschicht begrenzt wird. Um die Eindringtiefe eines Ätzmittels genau zu kontrollieren, kann also das Substrat 10 zusätzlich eine Ätzstoppschicht aufweisen.
4a zeigt ein derartiges Substrat 10, das eine Ätzstoppschicht 41 aufweist. Wie in 4B zu sehen ist, erstreckt sich die Ätzstoppschicht 41 im Wesentlichen orthogonal zu der Tiefenrichtung 24 der Kavitäten 11.
Mittels der Ätzstoppschicht 41 kann aber nicht nur eine besser definierte Restdicke h_p , sondern auch eine im Vergleich zum Stand der Technik wesentlich geringere Restdicke h_p erzielt werden. Es sind beispielsweise Si-Wafer mit vergrabenen Ätzstoppschichten 41 aus SiO₂ als sogenannte SOI-Substrate (Silicon-On-Insulator Substrat) kommerziell verfügbar.
Die 4A bis 4D beschreiben die Herstellung einer erfindungsgemäßen magnetischen Vorrichtung 40 unter Verwendung eines solchen SOI-Substrats. Das Substrat 10 weist eine Ätzstoppschicht 41 und eine darüber angeordnete SOI-Schicht 42 auf.
Die Ätzstoppschicht 41 ist zwischen dem Substrat 10 und der SOI-Schicht 42 angeordnet. Die Ätzstoppschicht 41 kann Siliziumoxid oder Siliziumnitrid aufweisen. Die Ätzstoppschicht 41 kann aber auch ein Metall, ein Metalloxid oder ein Metallnitrid aufweisen. Die Schichtdicke der vergrabenen Ätzstoppschicht 41 kann prinzipiell zwischen 100 nm und 1 µm liegen.
Die SOI-Schicht 42 kann eine Schichtdicke zwischen 10 µm und 100 µm, oder eine Schichtdicke zwischen 50 µm und 100 µm aufweisen. Der Abstand h_p ließe sich unter Verwendung eines solchen SOI-Substrats, d.h. eines Substrats 10 mit Ätzstoppschicht 41 und SOI-Schicht 42, somit bis auf wenige Mikrometer verringern. Für eine ausreichende mechanische Stabilität sind jedoch SOI-Schichtdicken zwischen 1 µm und 100 µm sinnvoll. Die Dicke der SOI-Schicht 42, die z.B. aus einkristallinem Silizium bestehen kann, ist nahezu beliebig einstellbar.
4A zeigt ein SOI-Substrat, aufweisend ein Substrat 10, eine SOI-Schicht 42 und eine zwischen dem Substrat 10 und der SOI-Schicht angeordnete Ätzstoppschicht 41. Vor dem Einbringen der Kavitäten 11 wird das Substrat 10 zunächst umgedreht, siehe 4B.
In 4B ist zu sehen, wie die Kavitäten 11 unter Verwendung eines Ätzverfahrens in das Substrat 10 eingebracht werden. Das Ätzmittel ätzt die Kavitäten 11 bis zu der Ätzstoppschicht 41.
In 4C ist gezeigt, wie die Kavitäten 11 mit losen magnetischen Partikeln 12 befüllt werden. In dem abgebildeten Beispiel wurden NdFeB Partikel durch Rakeln in die Kavitäten 11 eingebracht. Anschließend werden die losen Partikel 12 unter Verwendung eines ALD-Prozesses verfestigt. In 4C ist außerdem gut zu erkennen, dass mittels der vergrabenen Oxidschicht (SOI-Schicht) 41 der Abstand zwischen der tiefsten Stelle 25 der Kavitäten 11 und der Außenseite 10d des Substrats 10, d.h. die Restdicke h_p , eingestellt werden kann.
In 4D sind die unter Anwendung des Beschichtungsverfahrens verfestigten Partikel 12 abgebildet. Genauer gesagt haben sich die magnetischen losen Partikel 12 zu magnetischen porösen Strukturen 13 verfestigt. Außerdem ist eine zusätzliche Beschichtung 16, die wiederum ein oder mehrere Schichten aufweisen kann, auf das Substrat 10 aufgebracht, und zwar auf der die Öffnungen 14 der Kavitäten 11 aufweisenden Seite 10a des Substrats 10.
Der Herstellungsprozess gemäß den 4A bis 4D ist nicht auf SOI-Substrate beschränkt. Es sind viele andere Materialkombinationen denkbar, um die Restdicke h_p auf diese Weise einzustellen. Anstelle einer einkristallinen SOI-Schicht 42 kann z.B. eine dicke Poly-Silizium-Schicht verwendet werden. Bei hohen Temperaturen lässt sich Poly-Silizium beispielsweise mit Dicken bis zu 50 µm abscheiden. Ebenso könnte man eine galvanisch abgeschiedene Kupferschicht verwenden. Als vergrabene Ätzstoppschicht 41 kommen außer Siliziumoxid auch noch Siliziumnitrid, verschiedene Metalle und deren Oxid und Nitride in Frage.
Die 5A bis 5D zeigen jeweils eine weitere Seitenansicht einer Vorrichtung zur gegenständlichen Erläuterung von Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Verfahrens.
Diese Ausführungsform unterscheidet sich von den zuvor diskutierten Ausführungsformen dadurch, dass die Kavitäten 11 an deren in Tiefenrichtung 24 unteren Abschnitten jeweils einen verjüngten Abschnitt aufweisen, der unter Verwendung eines nasschemischen Ätzverfahrens in das Substrat eingebracht wird.
Zur weiteren Erhöhung der Feldliniendichte können nämlich die zu befüllenden Kavitäten 11 im Bereich ihrer tiefsten Stelle 25 verjüngt werden. Dies ist z.B. durch anisotropes Ätzen einer Grube mit geneigten Seitenwänden in wässriger KOH- oder TMAH-Lösung vor dem Trockenätzen möglich.
In 5A ist ein Substrat 10 abgebildet, das beispielsweise aus Silizium besteht. In das Substrat 10 werden, z.B. durch anisotropes Ätzen in wässriger KOH- oder TMAH-Lösung, Gruben 51 in Form eines Pyramidenstumpfes eingebracht. Die Pyramidenstumpf-artig geformten Gruben 51 weisen geneigte Seitenwände 52, 53 auf.
Anschließend werden die Gruben 51, wie in 5B dargestellt, durch Trockenätzen oder ein anderes geeignetes Verfahren bis zum Erreichen des erfindungsgemäßen Aspektverhältnisses l/d von 6:1 oder mehr vertieft. Somit bilden sich auch hier wieder die Kavitäten 11 in dem Substrat 10 aus. Die zuvor ausgebildete Pyramidenstumpf-artige Form bleibt hierbei jedoch weitestgehend erhalten. Und zwar setzt sich diese Pyramidenstumpf-artige Form beim Trockenätzen in Tiefenrichtung fort, so dass die Kavitäten 11 an deren unterstem Ende 25 die zuvor beschriebenen geneigten Seitenwände 52, 53 aufweisen.
Die geneigten Seitenwände 52, 53 bilden in Kombination mit der jeweils tiefsten Stelle 25 einer Kavität 11 einen verjüngten Abschnitt. Es bildet sich somit also in einem in Tiefenrichtung 24 unteren Abschnitt 54 der Kavitäten 11 ein verjüngter Abschnitt 25, 52, 53 aus. Anders ausgedrückt, weisen die Kavitäten 11 an deren in Tiefenrichtung 24 unteren Abschnitt 54 einen verjüngten Abschnitt 25, 52, 53 auf.
In 5C ist gezeigt, wie die Kavitäten 11 dann wieder mit losen magnetischen Partikeln 12 befüllt werden.
Wie in 5D abgebildet, verfestigen sich die losen magnetischen Partikeln 12 unter Verwendung eines Beschichtungsprozesses zu magnetischen porösen Strukturen 13. Da die magnetischen porösen Strukturen 13 die Form der Kavitäten 11, in der sie sich befinden, annehmen, weisen auch die magnetischen porösen Strukturen 13 an deren unteren Abschnitten einen verjüngten Abschnitt auf.
Außerdem kann auch hier wieder eine zusätzliche Beschichtung, die mehrere Schichten aufweisen kann, auf dem Substrat 10 angebracht werden.
Bei dem unter Bezugnahme auf die 5A bis 5D beschriebenen Ausführungsbeispiel kann es vorkommen, dass die Pyramidenstumpf-artige Form der, z.B. anisotrop geätzten, Gruben 51 durch längeres Trockenätzen verfälscht (verrundet) wird und die Tiefe I der Kavitäten 11, und somit auch die Restdicke h_p , nach dem Trockenätzen stark variiert.
Um dieses Problem zu lösen, lässt sich ein Substrat 10 mit Kavitäten 11 alternativ auch auf die in den 6A bis 6D dargestellte Weise durch Fügen zweier vorprozessierter Ausgangssubstrate 10', 10" herstellen. Diese können dann gemäß 6D weiterbearbeitet werden. Die Öffnungen 61a, 61b in dem zweiten Substrat 10" können alternativ auch erst nach dem Fügen mit dem ersten Substrat 10' erzeugt werden.
6A zeigt ein Decksubstrat 10" und 6B zeigt ein Basissubstrat 10'. Das Basissubstrat 10' entspricht im Wesentlichen dem zuvor mit Bezug auf 5A beschriebenen Substrat 10. Auch das hier abgebildete Basissubstrat 10' weist Gruben 51a, 51b mit jeweils geneigten Seitenwänden 52, 53 auf, so dass sich eine Pyramidenstumpf-artige Form ergibt. Die Gruben 51a, 51b können auch als in das Basissubstrat 10' eingebrachte Kavitäten bezeichnet werden.
Das in 6A abgebildete Decksubstrat 10" weist Öffnungen 61a, 61b auf, die sich vollständig durch das Decksubstrat 10" hindurch erstrecken. Wie mit dem zwischen den 6A und 6B abgebildeten Pfeil 62 dargestellt ist, werden die beiden Substrate, d.h. das Basissubstrat 10' und das Decksubstrat 10", zu einem gemeinsamen Substrat 10 zusammengefügt.
Ein solches zusammengefügtes Substrat 10 ist in 6C abgebildet. Das Substrat 10 weist in diesem Ausführungsbeispiel also ein Basissubstrat 10' und ein damit zusammengefügtes Decksubstrat 10" auf. Die beiden Substrate 10', 10" können beispielsweise mittels Bonden, Löten oder Kleben zu einem gemeinsamen Substrat 10 zusammengefügt werden.
Wie zu erkennen ist, weisen die Öffnungen 61a, 61b in dem Decksubstrat 10" denselben Abstand X₁ zueinander auf, wie die Abstände X₂ der Kavitäten bzw. Gruben 51a, 51b in dem Basissubstrat 10'. Somit kommen beim Zusammenfügen des Decksubstrats 10" mit dem Basissubstrat 10' die Öffnungen 61a, 61b in dem Decksubstrat 10" mit den Kavitäten bzw. Gruben 51a, 51b des Basissubstrats 10' zur Deckung.
Das Basissubstrat 10' bildet somit also gemeinsam mit dem Decksubstrat 10" ein gemeinsames Substrat 10. Die in dem Basissubstrat 10' ausgebildeten Pyramidenstumpf-artigen Kavitäten bzw. Gruben 51a, 51b bilden hierbei zusammen mit den in dem Decksubstrat 10" ausgebildeten durchgehenden Öffnungen 61a, 61b die in dem gemeinsamen Substrat 10 vorgesehenen Kavitäten 11. Diese Kavitäten 11 weisen erfindungsgemäß wiederum eine Tiefe l von mindestens 50 µm bei einem Aspektverhältnis l/d von mindestens 6:1 auf.
Darüber hinaus weisen diese zusammengefügten Kavitäten 11 an deren in Tiefenrichtung 24 unteren Abschnitt jeweils einen verjüngten Abschnitt auf, wie dies zuvor unter Bezugnahme auf die 5A bis 5D bereits erläutert wurde.
Auch diese, sozusagen zweiteiligen Kavitäten 11 werden erfindungsgemäß wieder mit losen magnetischen Partikeln 12 befüllt und anschließend unter Verwendung eines Beschichtungsprozesses zu magnetischen porösen Strukturen 13 verfestigt.
6D zeigt einen weiteren Prozessschritt, bei dem einerseits die zuvor genannten losen magnetischen Partikel 12 zu der magnetischen porösen Struktur 13 verfestigt sind. Andererseits wurde das Basissubstrat 10' bis zu einer Restdicke h_p rückgedünnt. Dies kann beispielsweise durch Schleifen und/oder Polieren oder dergleichen erfolgen.
Es kann von Vorteil sein, bei der Herstellung von Kavitäten 11 gemäß den 6C und 6D, Silizium für das Basissubstrat 10' als Ausgangsmaterial zu verwenden, um einerseits die magnetischen Polaustrittsenden der magnetischen porösen Strukturen 13 möglichst genau zu definieren, und andererseits eine plane und korrosionsbeständige äußere Oberfläche zu erhalten. Das Decksubstrat 10" mit den durchgehenden Öffnungen 61a, 61b könnte hingegen aus Kostengründen, oder um die Herstellung zu vereinfachen, auch aus Kunststoff bestehen.
Wenn das Decksubstrat 10" Kunststoff aufweist, dann könnten die durchgehenden Öffnungen 61a, 61b beispielsweise mittels Bohren in das Decksubstrat 10" eingebracht werden. Wenn das Decksubstrat 10" Silizium aufweist, dann könnten die durchgehenden Öffnungen 61a, 61b beispielsweise unter Verwendung eines Trockenätzverfahrens in das Decksubstrat 10" eingebracht werden. Wenn das Basissubstrat 10' Silizium aufweist, könnten die Kavitäten bzw. Gruben 51a, 51b beispielsweise unter Verwendung eines nasschemischen Ätzverfahrens, z.B. durch anisotropes Ätzen von Silizium in wässriger KOH- oder TMAH-Lösung in das Basissubstrat 10' eingebracht werden.
Wie eingangs bereits erwähnt wurde, sorgen die verjüngten Abschnitte 25, 52, 53 in den unteren Abschnitten 54 der Kavitäten 11 dafür, dass sich die Feldliniendichte an den Austrittsenden der magnetischen porösen Strukturen 13, die sich ja der Form der Kavitäten 11 anpassen und somit ebenfalls einen verjüngten Abschnitt aufweisen, erhöht.
Eine weitere Erhöhung der Feldliniendichte kann erzielt werden, indem der sich verjüngende Teil der magnetischen porösen Strukturen 13 aus einem Material mit höherer Sättigungsmagnetisierung ausgeführt wird. Wie in 7 gezeigt ist, kann hierfür beispielsweise der verjüngte Abschnitt 25, 52, 53 der Kavitäten 11 mit einem, z.B. ferromagnetischen, Material 71 befüllt werden, das im Vergleich zu den magnetischen Partikeln 12 eine höhere Sättigungsmagnetisierung aufweist.
Die in 7 abgebildete Vorrichtung kann beispielsweise in zwei Schritten erzeugt werden, wobei die Kavitäten 11 zuerst mit Eisenpulver teilverfüllt und anschließend mit NdFeB-Pulver aufgefüllt werden. Somit lagert sich das Eisenpulver in den verjüngten Abschnitten 25, 52, 53 der Kavitäten 11 ab, während der Rest der Kavitäten 11 mit NdFeB-Partikeln gefüllt ist.
In 8A ist eine Draufsicht auf eine Teststruktur 81 gezeigt. 8B zeigt eine Schnittansicht der Teststruktur 81 entlang der Schnittlinie A-A. Die Teststruktur 81 weist mehrere voneinander beabstandete Kavitäten 11 auf. Zu Testzwecken wurden die Kavitäten 11 einmal mit NdFeB-Partikeln, und einmal mit Eisenpartikeln befüllt und jeweils mittels eines ALD-Prozesses zu magnetischen porösen Strukturen 13 verfestigt.
In 9 sind die B-H-Kurven für die jeweils unterschiedlich befüllten Teststrukturen 81 dargestellt. Die Kurve 91 wurde mit Eisenpartikeln erzeugt. Die Hysteresekurve 92 bildet das Verhalten von Kavitäten 11 ab, die mit NdFeB-Partikeln befüllt waren. Demnach ließe sich durch Auffüllen von sich verjüngenden Abschnitten mit Eisenpartikeln statt NdFeB-Partikeln eine Erhöhung der Feldliniendichte auf mindestens das Doppelte erreichen.
Die 10A und 10B zeigen eine weitere Vorrichtung zur gegenständlichen Veranschaulichung einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens, bei dem das Substrat 10 abschnittsweise oder vollständig entfernt wird, um die magnetischen porösen Strukturen 13 zumindest abschnittsweise freizulegen.
10A zeigt im Wesentlichen die zuvor mit Bezug auf 4C beschriebene Vorrichtung, wobei ein SOI-Substrat bereitgestellt wird, das ein Siliziumsubstrat 10, eine SOI-Schicht 42 und eine dazwischen vergrabene Ätzstoppschicht 41 aufweist. Die in den Kavitäten 11 eingefüllten magnetischen Partikel 12 wurden bereits zu den magnetischen porösen Strukturen 13 verfestigt.
10B zeigt einen weiteren Prozessschritt, bei dem das Siliziumsubstrat 10 vollständig entfernt wurde, wobei die Ätzstoppschicht 41 und die SOI-Schicht 42 erhalten geblieben sind. Das Siliziumsubstrat 10 kann beispielsweise durch Ätzen in XeF₂-Gasphase entfernt werden. Durch das Entfernen des Siliziumsubstrats 10 sind die magnetischen porösen Strukturen 13 vollständig freigelegt.
Durch ein teilweises Entfernen des Substrats 10, das natürlich auch andere Materialen als Silizium aufweisen kann, würden die magnetischen porösen Strukturen dementsprechend nur teilweise freigelegt werden.
Durch das Freilegen der magnetischen porösen Strukturen 13 kann der Vorrichtung mechanische Flexibilität verliehen werden. Die die Ätzstoppschicht 41 und die SOI-Schicht 42 aufweisende Schichtstruktur kann hierbei als eine ebenfalls flexible Trägerschicht dienen. Auf die freistehenden Abschnitte der magnetischen porösen Strukturen 13 könnte außerdem eine Beschichtung aus z.B. weichmagnetischem Material aufgebracht werden.
Die 11A, 11B und 11C zeigen eine denkbare Alternative zur Herstellung derartiger freistehender Strukturen.
11A zeigt eine Vorrichtung, die im Wesentlichen der zuvor mit Bezug auf 2C diskutierten Vorrichtung entspricht. Das Substrat 10 weist Kavitäten 11 auf, die mit losen magnetischen Partikeln 12 aufgefüllt wurden, die wiederum unter Verwendung eines Beschichtungsprozesses zu magnetischen porösen Strukturen 13 verfestigt wurden. Auf der die Öffnungen 14 der Kavitäten 11 aufweisenden Seite 10a des Substrats 10 wurde eine zusätzliche Beschichtung 16, die mehrere Schichten aufweisen kann, aufgebracht.
In 11B wird ein, vorzugsweise flexibler, Träger 94 aus z.B. Kunststoff oder Metall auf der dem Substrat 10 abgewandten Seite der zusätzlichen Beschichtung 16 angeordnet. Der Träger 94 kann beispielsweise mittels Bonden, Löten oder Kleben auf der zusätzlichen Beschichtung 16 angeordnet werden.
Anschließend kann das Substrat 10, z.B. durch Ätzen in XeF₂-Gasphase, vollständig oder zumindest abschnittsweise entfernt werden. Wie in 11C gezeigt ist, ergibt sich somit wieder eine flexible Vorrichtung mit freistehenden magnetischen porösen Strukturen 13. Die Vorrichtung wurde im Vergleich zu der Abbildung in 11B um 180° gedreht, so dass die magnetischen porösen Strukturen 13 nach oben zeigen.
Die 12A und 12B zeigen eine erfindungsgemäße Vorrichtung 1201 bzw. ein System 1203 aufweisend eine erfindungsgemäße Vorrichtung 1201 sowie einen Magnetsensor 1202.
Zunächst zeigt 12A ein Substrat 10 mit mehreren voneinander beabstandeten Kavitäten 11. In den Kavitäten 11 befinden sich lose magnetische Partikel 12, die unter Verwendung eines Beschichtungsprozesses zu magnetischen porösen Strukturen 13 verfestigt wurden.
Wie bereits zuvor, mit Bezug auf 2B erläutert wurde, weist das Substrat 10 eine Oberseite 10a, eine gegenüberliegende Unterseite 10d, sowie eine linke und eine rechte Seite 10b, 10c auf. Die Oberseite 10a ist diejenige Seite des Substrats 10 von der aus die Kavitäten 11 in das Substrat 10 eingebracht werden. Deshalb befinden sich die Öffnungen 14 der Kavitäten 11 auch auf der Oberseite 10a des Substrats 10.
Die Kavitäten 11 erstrecken sich in einer Tiefenrichtung 24 durch das Substrat 10 hindurch, ausgehend von der Oberseite 10a zu der Unterseite 10d. Jede Kavität 24 weist einen in dieser Tiefenrichtung 24 liegenden unteren Abschnitt 25 auf.
Da die erfindungsgemäße Vorrichtung 1201 mindestens zwei magnetische poröse Strukturen 13 aufweist, kann sie als ein magnetischer Maßstab genutzt werden. 12B zeigt die Verwendung der erfindungsgemäßen Vorrichtung 1201 als einen magnetischen Maßstab. Hier ist ein System 1203 gezeigt, das neben der erfindungsgemäßen Vorrichtung 1201 zusätzlich einen Magnetsensor 1202 aufweist.
Der Magnetsensor 1202 ist ausgebildet, um die von der Vorrichtung 1201 ausgehende Magnetfeldstärke zu bestimmen, indem er beabstandet von dem Substrat 10 und entlang einer Außenseite 10d des Substrats 10 an den porösen magnetischen Strukturen 13 vorbei bewegt wird, und zwar auf derjenigen Außenseite 10d des Substrats 10, die der Öffnung 14 der jeweiligen Kavität 11 gegenüberliegt.
Wie aus einem Vergleich der 12A und 12B ersichtlich wird, ist der magnetische Maßstab 1201 um 180° gedreht, d.h. die Unterseite 10d des Substrats 10 liegt dem Magnetsensor 1202 gegenüber. Die Unterseite 10d des Substrats 10 kann nun auch als Oberseite bezeichnet werden, und die Oberseite 10a des Substrats 10 kann nun auch als Unterseite bezeichnet werden.
Auch die Tiefenrichtung 24 weist dementsprechend in die entgegengesetzte Richtung. Die Tiefenrichtung 24 beschreibt aber dennoch weiterhin die Richtung, in der die Kavitäten 11 in das Substrat 10 eingebracht wurden. Somit weist auch jede Kavität 11 weiterhin einen in Tiefenrichtung 24 unteren Abschnitt 25 auf.
Zwischen diesem in Tiefenrichtung 24 unteren Abschnitt 25 und der diesem Abschnitt nächstgelegenen Außenseite, nämlich der Unterseite 10d, des Substrats 10 stellt sich eine Restdicke h_p ein.
Der Magnetsensor 1202 ist ebendieser Außenseite 10d des Substrats 10 gegenüberliegend angeordnet. Der Magnetsensor 1202 ist um ein Maß hs von dieser Substratseite 10d beanstandet. Wie mit dem Pfeil 1204 angedeutet ist, kann der Magnetsensor 1202 in etwa gleichbleibendem Anstand hs relativ zu der Vorrichtung 1201, d.h. relativ zu den magnetischen porösen Strukturen 13, bewegt werden. Der Magnetsensor 1202 bewegt sich hierbei im Wesentlichen parallel zu der Außenseite 10d des Substrats 10, derer gegenüberliegt.
Da die Beabstandung des Magnetsensors 1202 zu der gegenüberliegenden Außenseite 10d des Substrats 10 vorzugsweise im Bereich weniger Mikrometer liegt, ist es erstrebenswert, die Oberfläche der Substrataußenseite 10d möglichst plan zu gestalten.
Um dies zu erreichen wird bei herkömmlichen Magnetmaßstäben aus dem Stand der Technik die Oberseite 10a des Substrats 10, d.h. die die Öffnung 14 der Kavitäten 11 aufweisende Außenseite 10a des Substrats 10, mit einer zusätzlichen Beschichtung beschichtet. Diese zusätzliche Beschichtung wird dann mittels Schleifen und Polieren planarisiert.
Gemäß der erfindungsgemäßen Verwendung der Vorrichtung 1201 als Magnetmaßstab wird vorgeschlagen, das Substrat 10, wie in den 12A und 12B gezeigt ist, einfach umzudrehen. Da die Rückseite 10d des Substrats 10 in aller Regel plan ist, kann diese Rückseite 10d des Substrats 10 als die dem Magnetsensor 1202 gegenüberliegende Seite genutzt werden. Erfindungsgemäß besteht somit keine Notwendigkeit mehr, eine zusätzliche Beschichtung auf der die Öffnungen 14 der Kavitäten 11 aufweisenden Seite des Substrats 10 aufzubringen und diese Beschichtung anschließend zu planarisieren. Darüber hinaus sind die magnetischen porösen Strukturen 13 mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung 1201 gleichzeitig vor Verunreinigungen und Korrosion geschützt.
Prinzipiell können alle zuvor mit Bezug auf die 1 bis 11 beschriebenen Vorrichtungen als magnetische Maßstäbe gemäß 12B genutzt werden.
Ein Vorteil hierbei ergibt sich insofern, als dass der vertikale Abstand hs zwischen dem Sensor 1202 und den Polaustrittsenden 25 der porösen, hartmagnetischen porösen Polstrukturen 13 verringert werden kann. Je kleiner h_s ist, desto höher ist die magnetische Flussdichte am Ort des Sensors. Das Abstandsmaß h_s wird u.a. vom Abstand h_p zwischen den magnetischen porösen Polstrukturen 13 und der Oberfläche 10d des Magnet-Maßstabs 1201 begrenzt. Neben der Oberseite 10d des Substrats 10 können dies z.B. Schichten sein, die den Maßstab 1201 vor mechanischer Beschädigung und Korrosion schützen, und die bei einem herkömmlichen bekannten Magnet-Maßstab leicht über 200 µm dick werden können.
Bei dem erfindungsgemäßen Magnetmaßstab 1201 sind wesentlich geringere Abstände möglich. Die die Geometrie der magnetischen porösen Polstrukturen 12 definierenden Kavitäten 11 können im Falle eines Si-Substrats 10 z.B. durch Trockenätzen (DRIE) erzeugt werden. Die dabei verbleibende Restdicke h_P zur Unterseite 10d des Wafers 10 kann dabei auf ein Maß von vorzugsweise 10 µm bis 100 µm eingestellt werden, was deutlich geringer ist als die zuvor angesprochene Dicke von 200 µm im Stand der Technik.
Generell können zur Herstellung von Magnet-Maßstäben 1201 auf der Basis poröser hartmagnetischer Formkörper 13 sowohl planare als auch dreidimensional geformte Substrate 10 aus den unterschiedlichsten Materialien verwendet werden, insofern letztere die oben erläuterten erfindungsgemäßen Herstellungsprozesse unbeschadet überstehen.
Wie mit Bezug auf die 10B und 11C beschrieben wurde, kann es außerdem von Vorteil sein, das Substrat 10, in dem die porösen hartmagnetischen Formkörper 13 eingebettet sind, ganz oder teilweise zu entfernen, um dem Magnet-Maßstab 1201 Flexibilität zu verleihen.
Falls bei diesen als Magnet-Maßstab verwendbaren Vorrichtungen in den 10B und 11C die porösen hartmagnetischen Polstrukturen 13 die Oberseite (d.h. die dem Sensor 1202 zugewandte Seite) des Magnet-Maßstabs bilden, sollten diese vorteilhafter Weise durch zusätzliche Maßnahmen geschützt werden. Die in den 10B und 11C abgebildeten Ausführungsformen mit freistehenden magnetischen porösen Strukturen 13 können aber auch wiederum um 180° gedreht werden, so dass die zusätzliche Beschichtung 94 ( 11C) bzw. der Si/SiO-Stack 41, 42 (10B) die Oberseite (d.h. die dem Sensor 1202 zugewandte Seite) bildet.
In dem in 10B abgebildeten Fall kann der Si/SiO-Stack 41, 42 des SOI-Wafers die Oberseite des Magnet-Maßstabs bilden und gleichzeitig eine flexible Trägerschicht bereitstellen. Eine weichmagnetische Abdeckung könnte nach dem Entfernen des Substrats 10 zusätzlich aufgebracht werden.
Mit dem erfindungsgemäßen Magnet-Maßstab ergeben sich außerdem die folgenden Vorteile:

• Es können besonders leistungsfähige magnetische Materialien mit hoher Remanenz- und Koerzitivfeldstärke für den Maßstab verwendet werden, wie z.B. NdFeB, was diesen im Vergleich zum klassischen Magnetband wesentlich unempfindlicher gegen externe Magnetfelder sowie erhöhte Temperaturen macht und ein stärkeres Signal garantiert.
• Der Maßstab kann sowohl auf planaren Substraten als auch auf Bauteilen mit komplexer dreidimensionaler Geometrie aus einer Vielzahl verschiedener Materialien integriert werden.
• Es lassen sich hartmagnetische Strukturen mit besonders hohem Aspektverhältnis und einer dementsprechend verbesserten Feldverteilung herstellen.
• Als Oberfläche des Maßstabs dient eine der Oberflächen des Substrats. Im Falle eines Si-Substrats ist die Oberfläche vollkommen plan. Zudem werden die hartmagnetischen Strukturen auf einfache Weise vor Umwelteinflüssen bzw. Korrosion aller Art geschützt.

Mit einem derartigen erfindungsgemäßen Magnet-Maßstab kann eine magnetische Positionsdetektion mit besonders hoher Auflösung in Geräten und Anlagen aller Art realisiert werden.
Beispielhafte Ausführungsformen der Erfindung stellen ein Verfahren zum Erzeugen eines dreidimensionalen Magnetmaßstabs bereit, wobei

• für Strukturen mit lateralen Abmessungen d bis zu 500 µm Aspektverhältnisse L/d > 1 erzeugt werden können,
• für Strukturen mit lateralen Abmessungen d bis zu 50 µm Aspektverhältnisse L/d > 10 erzeugt werden können,
• der magnetische Fluss der magnetischen Polstrukturen 13 auf ihrer Rückseite mit einer weichmagnetischen Schicht geschlossen werden kann,
• eine Verjüngung der Magnetpole 13 an ihrer Vorderseite erreicht werden kann, z.B. durch eine Kombination aus anisotroper Ätzung und Tiefenätzung,
• die Verjüngung der Magnetpole 13 aus einem ferromagnetischen Material mit höherer Sättigungsmagnetisierung im Vergleich zum hartmagnetischen, die Magnetpole 13 bildenden Material erzeugt werden kann,
• und magnetische Polstrukturen 13 sowohl auf planaren als auch auf dreidimensional geformten Substraten 10 aus den unterschiedlichsten Materialien integriert werden können, insofern die verwendeten Materialien den Herstellungsprozess der porösen Formkörper 13 unbeschadet überstehen.

Die 1 bis 12 wurden zur Veranschaulichung und zur gegenständlichen Beschreibung des erfindungsgemäßen Verfahrens herangezogen. Es versteht sich, dass die 1 bis 12 auch Ausführungsformen von in den Ansprüchen beanspruchten erfindungsgemäßen Vorrichtungen zeigen.
Vorangehend beschriebene Ausführungsbeispiele sind von einer Größe (beispielsweise Durchmesser oder laterale Abmessung) unabhängig. Die magnetischen Partikel 12 können einen Durchmesser von beispielsweise zwischen 1 µm und 20 µm, 2 µm und 15 µm oder zwischen 5 µm und 12 µm aufweisen. Andere magnetische Partikel 12 können beispielsweise einen Durchmesser oder eine laterale Abmessung in einem Bereich von 0,1 µm bis 20 µm, 0,5 µm bis 5 µm oder 0,8 µm bis 1,2 µm aufweisen.
Obwohl vorangehend beschriebene Ausführungsbeispiele so beschrieben wurden, dass die magnetische poröse Struktur 13 Hohlräume aufweist, die zumindest teilweise miteinander verbunden sind, kann, insbesondere bei einer Partikelgröße von <2 µm, mittels des Beschichtungsprozesses auch erreicht werden, dass die poröse Struktur 13 abgedichtet ist, d.h. die Hohlräume zwischen den Partikeln 12 verschlossen sind.
Obwohl vorangehend beschriebene Ausführungsbeispiele so beschrieben wurden, dass das Substrat 10 eine ebene Form aufweist, kann das Substrat 10 auch andere Formen aufweisen. Bspw. kann das Substrat 10 eine gekrümmte Form (etwa eine Kuppelstruktur) oder eine abschnittsweise planare und/oder geknickte Form aufweisen.
Quellen

[1] http://www.interpatent.de/fensterbaufirmen_laengenmessung.html
[2] http://www.bogen-electronic.com/Lineare_Massstaebe.html
[3] http://sensitec.com/deutsch/produkte/winkel/winkelmessung-erlaeuterung.html
[4] Z.-H. Xu et al., „Grooved multi-pole magnetic gratings for high-resolution positioning systems", Japanese Journal of Applied Physics 54, 2015
[5] C. Zhi et al., „A polydimethylsiloxane diaphragm integrated with a sputtered thin film NdFeB magnet", Microsyst Technol (2015) 21:675-681
[6] T. Reimer et al., „Temperature-stable NdFeB micromagnets with high-energy density compatible with CMOS back end of line technology", MRS Advances, February 2016

Claims

Verfahren mit den folgenden Schritten: Bereitstellen eines Substrats (10) und Erzeugen von mindestens zwei voneinander beabstandeten Kavitäten (11a, 11b) in dem Substrat (10), wobei jede Kavität (11) ein Aspektverhältnis (l/d) von mindestens 6:1 bei einer Tiefe (I) von mindestens 50 µm aufweist, Auffüllen der Kavitäten (11) mit magnetischen Partikeln (12), wobei die magnetischen Partikel (12) an Berührungspunkten miteinander in Kontakt treten und zwischen den Berührungspunkten Hohlräume gebildet werden, und Verbinden von zumindest einem Teil der magnetischen Partikel (12) an deren Berührungspunkten durch Beschichten der magnetischen Partikel (12), wobei die Hohlräume zumindest teilweise von der beim Beschichten erzeugten Schicht durchdrungen werden, so dass die verbundenen magnetischen Partikel (12) eine magnetische poröse Struktur (13) bilden.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Einbringen der Kavitäten (11) in das Substrat (10) derart erfolgt, dass jede Kavität (11) ein Aspektverhältnis (l/d) von mindestens 10:1 aufweist.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei das Einbringen der Kavitäten (11) in das Substrat (10) derart erfolgt, dass jede Kavität (11) eine laterale Ausdehnung (d) von 250 µm oder weniger aufweist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei eine Beschichtung (16) auf dem Substrat (10) aufgebracht wird, die sich über die mit den magnetischen Partikeln (12) befüllten Kavitäten (11) erstreckt, um die Kavitäten (11) zu versiegeln.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Kavitäten (11) derart in das Substrat (10) eingebracht werden, dass eine dabei in Tiefenrichtung (24) verbleibende Restdicke (h_p) zwischen der tiefsten Stelle (25) der Kavität (11) und der in Tiefenrichtung (24) nächstliegenden Außenseite (10d) des Substrats (10) 10 µm bis 100 µm beträgt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Kavitäten (11) unter Verwendung eines Trockenätzverfahrens in das Substrat (10) eingebracht werden, und eine Ätzstoppschicht (41) in dem Substrat (10) vorgesehen ist, die sich im Wesentlichen orthogonal zu der Tiefenrichtung (24) der Kavitäten (11) erstreckt.
Verfahren nach Anspruch 6, wobei die Ätzstoppschicht (41) Siliziumoxid, oder Siliziumnitrid, oder ein Metall, oder ein Metalloxid oder ein Metallnitrid aufweist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 6 oder 7, wobei die Ätzstoppschicht (41) zwischen dem Substrat (10) und einer SOI-Schicht (42) angeordnet ist, wobei die SOI-Schicht (42) eine Schichtdicke zwischen 1 µm und 100 µm, oder eine Schichtdicke zwischen 10 µm und 100 µm aufweist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Kavitäten (11) an deren in Tiefenrichtung (24) unteren Abschnitt (54) jeweils einen verjüngten Abschnitt (25, 52, 53) aufweisen, der unter Verwendung eines nasschemischen Ätzverfahrens in das Substrat (10) eingebracht wird.
Verfahren nach Anspruch 9, wobei der verjüngte Abschnitt (25, 52, 53) mit einem Material befüllt wird, das im Vergleich zu den magnetischen Partikeln (12) eine höhere Sättigungsmagnetisierung aufweist.
Verfahren nach Anspruch 9 oder 10, wobei das Substrat (10) ein Basissubstrat (10') und ein Decksubstrat (10") mit mindestens zwei sich vollständig durch dieses Decksubstrat (10") hindurch erstreckenden Öffnungen (61a, 61b) aufweist, wobei das Decksubstrat (10") mit dem Basissubstrat (10') zusammengefügt wird, und wobei die Öffnungen (61a, 61b) in dem Decksubstrat (10") denselben Abstand (X₁) zueinander aufweisen wie ein Abstand (X₂) zwischen mindestens zwei Kavitäten (51a, 51b) in dem Basissubstrat (10'), so dass bei dem Zusammenfügen des Decksubstrats (10") mit dem Basissubstrat (10') die mindestens zwei Öffnungen (61a, 61b) in dem Decksubstrat (10") mit den mindestens zwei Kavitäten (51a, 51b) in dem Basissubstrat (10') zur Deckung kommen.
Verfahren nach Anspruch 11, wobei das Basissubstrat (10') Silizium und das Decksubstrat (10") Kunststoff aufweist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Substrat (10) abschnittsweise oder vollständig entfernt wird, um die magnetischen porösen Strukturen (13) zumindest abschnittsweise freizulegen.
Vorrichtung aufweisend: ein Substrat (10) mit mindestens zwei voneinander beabstandeten Kavitäten (11a, 11b), wobei jede Kavität (11) ein Aspektverhältnis (l/d) von mindestens 6:1 bei einer Tiefe (I) von mindestens 50 µm aufweist, wobei die Kavitäten (11) mit magnetischen Partikeln (12) aufgefüllt sind, die an Berührungspunkten miteinander in Kontakt treten und zwischen den Berührungspunkten Hohlräume bilden, und wobei zumindest ein Teil der magnetischen Partikel (12) an deren Berührungspunkten mittels einer Beschichtung miteinander verbunden sind, und zwar derart, dass die Hohlräume zumindest teilweise von der Beschichtung durchdrungen sind, und die verbundenen magnetischen Partikel (12) dadurch eine magnetische poröse Struktur (13) bilden.
Vorrichtung nach Anspruch 14, wobei jede Kavität (11) ein Aspektverhältnis (l/d) von mindestens 10:1 aufweist.
Vorrichtung nach Anspruch 14 oder 15, wobei jede Kavität (11) eine laterale Ausdehnung (d) von 250 µm oder weniger aufweist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 14 bis 16, wobei eine Beschichtung (16) auf dem Substrat (10) aufgebracht ist, die sich über die mit den magnetischen Partikeln (12) befüllten Kavitäten (11) erstreckt, um die Kavitäten (11) zu versiegeln.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Kavitäten (11) derart in dem Substrat (10) ausgebildet sind, dass eine in Tiefenrichtung (24) verbleibende Restdicke (h_p) zwischen der tiefsten Stelle (25) der Kavität (11) und der dieser tiefsten Stelle (25) benachbarten Außenseite (10d) des Substrats (10) 10 µm bis 100 µm beträgt
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 14 bis 18, wobei die Kavitäten (11) an deren in Tiefenrichtung (24) unteren Abschnitt (54) jeweils einen verjüngten Abschnitt (25, 52, 53) aufweisen, der mit einem Material befüllt ist, das im Vergleich zu den magnetischen Partikeln (12) eine höhere Sättigungsmagnetisierung aufweist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 14 bis 19, wobei das Substrat (10) ein Basissubstrat (10') und ein Decksubstrat (10") mit mindestens zwei sich vollständig durch dieses Decksubstrat (10") hindurch erstreckenden Öffnungen (61a, 61b) aufweist, wobei die Öffnungen (61a, 61b) in dem Decksubstrat (10") denselben Abstand (X₁) zueinander aufweisen wie ein Abstand (X₂) zwischen mindestens zwei Kavitäten (51a, 51b) in dem Basissubstrat (10'), und wobei das Decksubstrat (10") mit dem Basissubstrat (10') derart zusammengefügt ist, dass die mindestens zwei Öffnungen (61a, 61b) in dem Decksubstrat (10") mit den mindestens zwei Kavitäten (51a, 51b) in dem Basissubstrat (10') zur Deckung kommen.
System (1203) aufweisend eine Vorrichtung (1201) gemäß einem der Ansprüche 14 bis 20 und einen Magnetsensor (1202), der ausgebildet ist, um die von der Vorrichtung (1201) ausgehende Magnetfeldstärke zu bestimmen, indem er beabstandet von dem Substrat (10) und entlang einer Außenseite (10d) des Substrats (10) an den porösen Magnetstrukturen (13) vorbei bewegt wird, und zwar auf der Außenseite (10d) des Substrats (10), die der Öffnung (14) der jeweiligen Kavität (11) gegenüberliegt.