JP4274936B2 - 複数の磁気センサを大量生産する方法 - Google Patents

Description

本発明は、多数の磁気センサを大量生産する方法に関する。本発明は特に、本特許出願の出願人の名義の特許出願ＥＰ １ ０５２ ５１９に記載されているタイプの磁気センサに関する。ただしこれに限定されるわけではない。

上記のタイプの磁気センサが、本特許出願に添付の図１の分解斜視図に示されている。全体が符号１で表されているこの磁気センサは、実質的に平行六面体の形状の半導体基板４の表面２に形成されている。磁気センサに関連した電子回路（図示せず）は、半導体基板４の大きな上面２にＣＭＯＳ集積回路によって製造されている。

磁気センサ１は、ＣＭＯＳ集積化プロセス中に基板４の上面２に設けられた金属層で形成された平面励磁コイル６を備えている。コイル６は、実質的に正方形の外側巻線６０によって形成された外周を有する。励磁コイル６のこの他の巻線６２から６８は、外側巻線６０に対して同心に配置されている。図１から分かるとおり、巻線６２から６８の形状も同様に正方形だが、その寸法は次第に小さくなっている。

励磁コイル６の上には強磁性コア８が、典型的には接着によって取り付けられている。この強磁性コア８は、現在市販されている非晶質磁性材料の帯から製造される。

図１から分かるとおり、コア８は、励磁コイル６の外側巻線６０によって形成された正方形の２本の対角線に一致した十字形の形状を有する。したがって、コア８の直交する枝８０および８２の方向を向いた外部磁場Ｈ_EXTの２つの直交成分Ｈ₁およびＨ₂を測定することができる。したがって外部磁場Ｈ_EXTの成分Ｈ₁はコア８の枝８０によって測定され、成分Ｈ₂は直角に交わる枝８２によって測定される。

外部磁場Ｈ_EXTの検出は、二対の共面検出コイル１０、１２および１４、１６によって実施される。半導体基板４の上面２にＣＭＯＳ技術によって適用された第１の２つのコイル１０、１２は、差動配置に従って直列に取り付けられている。平面励磁コイル６の下または平面励磁コイル６と同じ平面に配置されたこれらの２つのコイル１０、１２はそれぞれ、強磁性コア８の枝８０の自由端の一方と向かい合わせに置かれている。したがってこの第１のコイル対１０、１２は外部磁場Ｈ_EXTの成分Ｈ₁を検出する役割を担っている。

他の２つの検出コイル１４、１６は、先に説明した２つのコイル１０、１２と全く同じコイルである。同様に差動配置に従って直列に取り付けられた２つのコイル１４、１６はそれぞれ強磁性コア８の枝８２の自由端の一方と向かい合わせに置かれている。したがって、この第２のコイル対１４、１６は、外部磁場Ｈ_EXTの成分Ｈ₂を検出する役割を持っている。

上記のタイプの磁気センサは特に、検出コイルの平面に平行な平面内の値の小さいまたは非常に小さい磁場を検出する例えば医療用の磁力計に備え付けることを意図したものである。したがってこれらの磁力計は、その上にセンサが製造された基板の中にそれらの関連電子回路が集積化されるＣＭＯＳ集積化技法に従って製造されることが好ましい。

このような磁場検出／測定デバイスの製造は、本出願人が知る限り、今日に至るまで満足には解決されていない大きな課題である。実際、磁気センサに関連した電子回路はＣＭＯＳ技術によって製造され、そのＣＭＯＳ技術は信頼性の高い安価なデバイスを大量に生産することができる十分に確立された一連の電子構成部品設計／製造段階を含む。

しかし一方、その電子回路に関連した磁気センサの製造に関しては話が違う。先に述べたように、これらの磁気センサは特に非晶質強磁性コアを備えている。今のところ、現在使用可能な半導体デバイス製造技法の中に、非晶質構造を有する構成部品を製造できるものはない。これらの技法の中では特に、そのアングロサクソン語系の名称「ｃｈｅｍｉｃａｌ ｖａｐｏｕｒ ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ（気相成長法）」（ＣＶＤ）のほうが知られている気相堆積を挙げることができる。この技法は、適当なガスによって生み出される化学反応を用いて例えば酸化層または窒化層を形成するために、加熱によって昇華させた金属を真空中に蒸発させることを含む。電着または電鋳の名称で知られている別の技法は、電解によってアイテム上に金属層を形成することを含み、２種類のイオンに解離して、それらの移動による電流の通過を保証することができる溶解または融解した化合物に適用される。陽イオンはカソードに向かって導かれ、陰イオンがアノードに向かって導かれる。

したがってＣＭＯＳ集積回路を製造するこれらの技法は、秩序だった結晶構造を有する構成部品しか製造できず、非晶質構造を有する、すなわち結晶格子を持たない本体を開発する代替の解決方法を提案することができない。非晶質材料の層を基板の表面に堆積させることができるいくつかの技法は知られている。しかしこれらの技法は、単一の成分によって構成された単純な化学組成を有する材料しか堆積させることができない。複数の成分を含む磁性材料のようなより複雑な生成物に対しては何ら提案することができない。

特許出願ＥＰ １ ０５２ ５１９に記載されているものなど、本出願の出願人が留保している磁気センサ製造技法は、まず最初に一連の電子回路を半導体ボード上に製造し、次いで複数の個々の電子回路を得るためにこのボードを切断し、最後に、これらの個々の回路上に、フォトリソグラフィおよびエッチングの後に強磁性コアとなる非晶質磁性材料の帯を接着することを含んでいる。

このような技法は、実験段階で使用することはできても、極めて大量の構成部品を迅速にかつ低コストに生産できなければならない産業規模には決して適用できないことは容易に理解されるであろう。

本発明の目的は、外部磁場を感知する領域が非晶質磁性材料で製造された磁気センサを、連続して、同時に確実かつ安価に生産する方法を提案することによって上記の欠点および他の欠点を排除することにある。

そのため、本発明は、半導体基板上に製造された多数の磁気センサを大量生産するための方法であって、これらのセンサが、非晶質磁性材料で製造された少なくとも１つのコアを備えた方法に関する。この方法は、磁性センサに関連した電子回路を集積した後に、非晶質磁性材料の帯を複数の断片に切断し、これらを支持体上に互いに横に並べて配置することによって得られた非晶質磁性材料の膜を半導体基板上に接着し、次いで、前記磁性センサのコアを形成するために前記膜を構造化し、最後に、複数の個々の磁気センサを得るために半導体基板を切断することを特徴とする。

これらの特徴のおかげで、本発明は、磁気センサに結合する予定の電子回路が集積された半導体材料でできたボード上に非晶質コアを有する磁気センサを製造するための全ての操作を可能にする方法を提供する。本発明のおかげで、特に、非晶質磁性材料で製造されたコアを連続生産すること、および全ての磁性センサの製造が完了した後に半導体材料のボードを切断することが可能になる。したがってこのような方法では、大量の磁性センサ、一般に６インチの半導体ボード１枚当たり３０００個程度またはそれ以上のセンサを同時に、極めて信頼性高く低コストで生産することができる。具体的には、コアとコイルの間の可能な不良位置合せを数ミクロン未満に抑えること、ならびに同じボード上、および一連のボード上の磁性センサの特性の均一性を高めることが実現された。これらの特に有利な結果は、本発明に基づいて、複数の例えば市販の非晶質磁性材料の帯を支持体上に互いに横に並べて配置することによって膜を形成し、次いでこの膜を半導体材料のボード上に接着し、次いでこれを、コアを形成するために構造化し、最後に、使用の準備が整った複数の個々のセンサを得るためにこのボードを切断することによって達成される。このような技法はもちろん、電子回路を集積した後に半導体材料のボードを切断し、次いで個々の回路上にコアを１つ１つ構築する従来技術の技法よりもはるかに有利である。

本発明の他の特徴によれば、非晶質磁性材料膜を真空中で半導体基板に接着する。このようにすると、相当な力で半導体基板に膜を貼り付けることができる。この力は、基板への膜の接着を助け、金属層の下に気泡が閉じ込められることを防ぐ。

本発明の他の特徴によれば、非晶質磁性材料膜を、半導体構成部品製造の分野で現在使用されている食刻技法によって構造化する。したがって、コアの低コスト製造を可能にし、これらのコアフィーチャの優れた再現性を保証する信頼性の高い技法が実施される。

本発明の他の特徴および利点は、本発明に基づく方法を実行するための一例を説明した以下の詳細な説明からより明らかに理解されよう。この例は、添付図面に関して、純粋に例示的な非限定的な方法で示したものである。

まず始めに本発明の全体的な概念を説明する。本発明は、支持体上に横に並べて配置した複数の非晶質磁性材料の帯によって非晶質磁性材料の膜を形成し、このようにして得た膜を、製造しようとする磁気センサに関連した電子回路が予め集積されている半導体ボード上に接着することを含む。この接着段階の後、磁気センサの外部磁場を感知する部分を構成するコアを形成するために、この非晶質磁性材料膜をエッチングによって構造化する。これらの特徴のおかげで、非晶質層を製造できないという現在使用可能な半導体デバイス製造技法の課題が解決され、非晶質コアを有する磁気センサの連続生産が可能になる。

本発明は、本出願の出願人の名義の特許出願ＥＰ １ ０５２ ５１９に教示されている磁気センサに関連して説明される。しかし、本発明は、このようなタイプのセンサに限定されるものではないこと、および本発明は、さまざまな形状および寸法の１つまたは複数のコアを備えた全てのタイプの磁気センサに同じように適用されることは言うまでもない。

次に、シリコンなどの半導体材料でできたボードの表面に、非晶質磁性材料で製造された強磁性コアを実装することができる一方法のさまざまな段階を説明する。英語で「ｗａｆｅｒ（ウェハ）」とも呼ばれるシリコン・ボードは一般に６インチの直径を有し、その表面に標準のＣＭＯＳ型の回路を集積している。特に重要なのは、例えば製造所から届けられた未加工のシリコン・ボードをプリント回路に取り付ける準備が整った英語で「ｃｈｉｐ（チップ）」と呼ばれる集積回路に変化させるために実施する必要があるいくつかの段階である。

使用する非晶質磁性材料は、長さ数メートル、幅１インチ（約２．５４ｃｍ）、厚さ１８μｍの帯の形態で現在市販されているものである。最初の段階は、研削によってこの帯の厚さを１８μｍから１１μｍにすることを含む。これによって同時に表面状態を改良し、凹凸を減らすことができる。

次いで、このようにして得た帯を、帯の両面の金属をそれぞれ約１μｍ溶解する穏やかなエッチングにかける。これには、最初の研削段階によって帯の表面に生じた機械応力を除去する効果がある。

帯を準備するこの最初の段階の後、この帯をカットして１本の帯を数本の帯片１８にする。次いでこれらの帯片１８を、単面接着性支持体２０上に横に並べて接着し（図２参照）、それによって、非晶質磁性材料の帯片１８をそれを接着しようとしている半導体基板４の表面を少なくとも覆う表面を形成する。

上記の帯１８のアセンブリを用いて、半導体基板４の形状と形状が一致した非晶質磁性材料膜２２を得るため、膜２２に接着性マスク２４を接着し（図３参照）、このマスク２４を通してエッチングを実施する。非晶質磁性材料膜２２のマスク２４によって保護されていない領域だけを除去する（図４および５参照）。この段階によってさらに、膜２２の中に膜のない領域２６を生じさせる。この領域２６によって、後のフォトリソグラフィ段階の際に、半導体基板４上の位置合せ基準を見ることができる。

エッチング後、接着性基板２０を取り除き、帯１８の保護されていないこの面を洗浄し乾燥させる。膜２２の表面への接着剤の可能な侵入を制限することで接着段階中の保護として使用するため、接着性マスク２４はそのままにしておく。非晶質磁性材料の帯１８が裂ける危険性なしに接着性基板２０を簡単に取り除くことができるようにするためには、この基板２０の接着力が接着性マスク２４の接着力よりも弱い必要がある。

説明のこの段階で、並べて置かれた非晶質磁性材料の帯片１８による本明細書で非晶質磁性材料「膜」２２と呼ぶものの製造は単に、技術的な要請に従ったものであることに留意することが重要である。実際、現時点で、標準シリコン基板の直径に少なくとも等しい幅を有する市販の非晶質磁性帯は存在しない。したがって先に説明した技法に立ち返らざるを得ない。もちろん、もしより幅の広い帯が市販されているのならば、接着支持体上に幅の狭い帯片を接着することを含む段階を省略できるので、それを使用したほうが好ましい。

非晶質磁性材料の帯１８を半導体ボード４に貼り付ける前に、半導体ボード４を、例えばアセトン、次いでイソプロパノールで前もって洗浄し、脱塩水で２度すすいでからクリーン・ルーム内で乾燥させる。次いで、残った湿気を蒸発させるためにボード４をオーブンに入れてもよい。これによって接着剤の接着力が高まる。非晶質磁性材料膜２２を半導体ボード４に接着するのに使用する接着剤２８を調製し、脱気する。これはエポキシ型の接着剤が望ましい。必要ならばこれに、シリコン・マイクロビーズなどの接着促進剤を加えることができる。

適当な量の接着剤２８を半導体ボード４の中央に置き、次いで半導体ボード４を回転プレートの上に載せる。次いで、遠心法によって前記ボード４の表面全体に接着剤２８が均一に分布するように、ボード４を高速で特定の時間、例えば４０００ｒｐｍで４０秒間、回転させる。

接着剤２８の層を塗布した後、接着性マスク２４によって支持された非晶質磁性材料帯１８のアセンブリを半導体ボード４に対して位置を合わせて配置し、次いで、プレッシャ・ローラまたはラミネータによって半導体ボード４の大きな上面２に貼り付ける。これによって、金属層の下に気泡が閉じ込められるのを防ぐことができる。

さらに、接着剤の侵入を防ぐため、例えばＭｙｌａｒ（登録商標）製の補助保護膜を接着性マスク２４上に設けることができる。

非晶質磁性材料帯１８が貼り付けられ、場合によっては上記保護膜によって覆われた接着性マスク２４によって一体に維持された半導体ボード４を真空の袋３０に入れる（図６参照）。袋３０を真空にした後、袋３０を空気が入らないように密封し、次いで周囲を大気圧に戻す。すると大気圧によって、半導体ボード４上の非晶質磁性材料膜２２に力が加えられる。真空を加えている間に帯１８が剥がれることを防ぐために、袋に入れる前に、保護膜の上に保持プレートを置くこともできる。

上記接着剤を６０℃のオーブンの中で少なくとも４８時間、重合させる。

接着が終わったら、真空を加えるための袋３０から半導体ボード４を取り出す。接着性マスク２４を取り外し、次いでプレート４を乾燥しベークする。

次に、図７Ａから７Ｇに関して、磁性センサのコアを形成するための非晶質金属膜２２の構造化を可能にするフォトリソグラフィ段階に関して説明する。

これはまず最初に、非晶質金属膜２２の表面全体にポジ型感光性樹脂層３２を堆積させることから開始される（図７Ａ）。次いで、半導体ボード４に対して適切に位置合せされたフォトエッチング・マスク３４の透明な領域を通過した紫外光によって感光性樹脂層３２を感光させ、感光すべき領域を転写する。次いで、感光性樹脂層３２を現像し、感光性樹脂層３２が最終的に、ボード４上のコア８が位置すべき場所だけを占めるようにする（図７Ｂ）。顕微鏡検査によって、感光性樹脂３２の現像が適切に達成されたことを確認することができる。

本発明に基づく方法の次の段階は金属膜２２を食刻することを含む。このため、ポジ型感光性樹脂層３２によって保護されていない非晶質金属をエッチングするために、半導体ボード４の表面全体に化学食刻液を噴霧する（図７Ｃ）。この段階の間、半導体ボード４をコンベヤ・ベルトに載せて室内を移動させ、そこで、前記ボード４の両面に噴射によってエッチング液を噴霧する。これによってこのエッチング液が絶え間なく更新され、迅速かつ均一なエッチングが保証される。

エッチングは１分半から２分続け、最後に半導体ボード４を脱イオン水ですすぐ。次いで、残っている感光性樹脂層３２を除去する（図７Ｄ）。寸法および表面状態を確認するために、このようにして得た強磁性コア８を電子顕微鏡で観察することができる。

次に、残った接着剤層２８を除去する段階が重要である。これを図７Ｅに関連して説明する。

実際に、半導体ボード４を覆っていた接着剤層２８が全て上記のエッチングに耐えてきた。したがって、センサ１の電気接続用の領域を露出させるためにこの接着剤層２８を除去する必要がある。そのため、ボード４を、エッチング反応物が酸素であるプラズマ・エッチングにかける。処理時間は少なくとも２４０分である。プラズマ・エッチング後に実施した検査によれば、接続領域の表面状態は、磁性センサ１をその上に固定しようとするプリント回路にこれらの電気接続領域を接続するのに通常の技法を使用できる状態であった。

最後に、以降の操作の最中にコア８が損傷を受けず、またはコア８が剥がれることがないように、コア８の上に厚いネガ型感光性樹脂層３６を堆積させる（図７Ｆ）。その際、後に磁気センサ１を前記センサ１をその上に取り付けるプリント回路に接続できるように、感光性樹脂層３６は磁気センサ１の接続領域を覆ってはならない。

残った接着剤層２８は、ネガ型樹脂層３６の堆積の前に除去しなければならないことを理解されたい。これがない場合、この樹脂層３６は基板にうまく接着しない。

ネガ型感光性樹脂３６は遠心法によって半導体ボード４の上に広げ、第２のフォトエッチング・マスク３８を通して露光し、最後に現像する（図７Ｇ）。このようにして、それぞれのコア８の上に、これらのコア８を効果的に保護するための厚さ数十ミクロン程度のネガ型樹脂層３６を堆積させることができる。

最後に、複数の個々の磁気センサ１を得るために半導体ボードを切断する。切断された個々の磁気センサは静電気防止ボックスの中で保管する。

樹脂層３６によって与えられる保護は特に、半導体ボード４の切断、個々の磁気センサの取扱い、および特に最終回路への組付けの際に有用である。

本発明が記載の実施形態に限定されないこと、ならびに本発明の範囲を逸脱しない単純なさまざまな修正および変形が想像できることは言うまでもない。

非晶質磁性材料で製造されたコアを備えた磁気センサの分解透視図である。 切断され単面接着性基板上に接着された非晶質金属の帯を示す図である。 後に図１に示した金属帯をその上に接着する半導体ボードの形状をこの金属帯に付与するために金属帯をエッチングするのに使用する接着性マスクを示す図である。 非晶質磁性材料帯上に接着された図２の接着性マスクを示す図である。 エッチング後の非晶質金属帯を示す図である。 その上に非晶質金属帯が接着され、真空が生み出された袋の中に入れられた半導体ボードを示す図である。 本発明に基づく方法を実行するためのさまざまな段階を示す基本図である。

Claims (17)

1. 半導体基板（４）上に製造された磁気センサ（１）を大量生産する方法において、これらのセンサ（１）が、非晶質磁性材料で製造された少なくとも１つのコア（８）を備えた方法であって、磁性センサ（１）に関連した電子回路を集積した後に、非晶質磁性材料の帯を複数の断片（１８）に切断し、これらを支持体（２０）上に互いに横に並べて配置することによって得られた非晶質磁性材料の膜（２２）を半導体基板（４）上に接着し、次いで、前記磁性センサ（１）のコア（８）を形成するために前記膜を構造化し、最後に、複数の個々の磁気センサ（１）を得るために半導体基板（４）を切断する
   ことを特徴とする方法。
2. 支持体（２０）が単面接着剤によって形成されていることを特徴とする請求項１に記載の方法。
3. 接着する前に、非晶質磁性材料膜（２２）の寸法を接着先の半導体基板（４）の寸法にすることを特徴とする請求項１または２のいずれかに記載の方法。
4. 非晶質磁性材料膜（２２）の寸法を半導体基板（４）の寸法と一致させるために、適切に構成されたマスク（２４）を通して、マスク（２４）によって保護されていない膜（２２）の領域だけが食刻されるようにエッチングを実施することを特徴とする請求項３に記載の方法。
5. 非晶質磁性材料膜（２２）を真空下で半導体基板（４）に接着することを特徴とする請求項１ないし４のいずれかに記載の方法。
6. 非晶質磁性材料膜（２２）を半導体基板（４）に対して位置を合わせて配置し、次いでこれを半導体基板（４）の表面（２）に堆積させ、次いで全体を袋（３０）に入れ、袋を真空にし、次いでこれを空気が入らないように密封し、その後、周囲を大気圧に戻し、大気圧によって、半導体基板（４）上の非晶質磁性材料膜（２２）に力を加えることを特徴とする請求項５に記載の方法。
7. 接着剤（２８）の可能な侵入を防ぐため、袋に入れる前に、非晶質磁性材料膜（２２）の上に保護膜を配置することを特徴とする請求項６に記載の方法。
8. 接着後に、非晶質磁性材料膜（２２）上にポジ型感光性樹脂（３２）の層を堆積させ、次いでこれをフォトエッチング・マスク（３４）を通して露光し、次いで感光性樹脂（３２）を現像し、最後に感光性樹脂（３２）が、半導体基板（４）のコア（８）が位置すべき場所だけを占めることを特徴とする請求項１ないし７のいずれかに記載の方法。
9. 感光性樹脂（３２）の層によって保護されていない非晶質磁性材料（２２）を除去するために、半導体基板（４）の表面全体に化学エッチング液を噴霧することを特徴とする請求項８に記載の方法。
10. 食刻後、半導体基板（４）上にネガ型感光性樹脂（３６）の層を堆積させ、次いでこれを、フォトエッチング・マスク（３８）を通して露光し、次いで感光性樹脂（３６）を現像し、感光性樹脂（３６）のコア（８）の上の部分だけを残し、この部分がコア（８）を保護することを特徴とする請求項９に記載の方法。
11. 半導体基板（４）の全ての表面（２）を依然として覆っている接着剤（２８）をプラズマ・エッチングによって除去することを特徴とする請求項１０に記載の方法。
12. 調製後、非晶質磁性材料膜（２２）を半導体基板（４）に接着するのに使用する接着剤（２８）を脱気し、次いでこれを、遠心法によって前記半導体基板（４）の上に広げることを特徴とする請求項１ないし１１のいずれかに記載の方法。
13. 接着剤（２８）がエポキシ型の接着剤であり、これに接着促進剤を添加することができることを特徴とする請求項１２に記載の方法。
14. 非晶質磁性材料の膜（２２）を接着する前に、最初に半導体基板（４）を洗浄し、次いでこれを、残った湿気を蒸発させるためにオーブンに入れ、これによって接着性を高めることを特徴とする請求項１ないし１３のいずれかに記載の方法。
15. 半導体材料の帯を研削によって薄くし、次いで、帯の両面の少量の金属を溶解させて研削によって表面に生じた機械応力を除去するためにエッチングにかけることを特徴とする請求項１ないし１４のいずれかに記載の方法。
16. 非晶質磁性材料膜（２２）を半導体基板（４）の寸法にするエッチングの実施に使用するマスク（２４）を、前記膜（２２）の自由面に接着することを特徴とする請求項１５に記載の方法。
17. エッチング後に接着性支持体（２０）を取り外し、帯（１８）の保護されていない面を洗浄、乾燥し、マスクとして使用している接着剤（２４）を、後に非晶質磁性材料膜（２２）を半導体基板（４）に接着する際の保護として使用するためにそのままの位置に残すことを特徴とする請求項１６に記載の方法。

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