NL8201846A - Sensor met een magneetveldgevoelig element en werkwijze voor het vervaardigen daarvan. - Google Patents

Description

. t ......

* * ί ΓΗΝ 10.343 1 N.V. Philips' Gloeilanpenfabrieken te Eindhoven "Sensor meteenmagneetveldgevoelig element en werkwijze voor het vervaardigen daarvan.”

De uitvinding heeft betrekking qp een sensor met een .....

substraat dat een magneetveldgevoelig element in dunne filmvorm draagt, waarbij het magneetveldgevoelige element is af gezet qp een zijwand van een^zich in een oppervlak van het substraat uitstrekkende 5 groef en waarbij de noodzakelijke leidingen aanwezig zijn voor het voorzien van electrische verbindingen van het magneetveldgevoelige element met uitwendige ketens.

De uitvinding betreft tevens een werkwijze voor het vervaardigen van een sensor met een magneetveldgevoelig element, üit 10 de Nederlandse octrooiaanvrage nr. 7406962 is een sensor met een magneetveldgevoelig element bekend bij de vervaardiging waarvan in een oppervlak van een substraat een groef met een gedefinieerde vorm is aangebracht waarna onder een eerste hoek met het substraat een hulplaag qp het oppervlak van het substraat ter weerszijden van 15 de groef en qp één wand van de groef is opgedampt, onder een tweede hoek met het substraat een laag magneetveldgevoelig materiaal qp de hulplaag ter weerszijden van de groef en qp de tegenover de genoemde wand gelegen wand van de groef is opgedampt, vervolgens de hulplaag met het zich erop bevindende magneetveldgevoelige materiaal 20 weggeëtst en de qp één wand van de groef overblijvende laag magneet-veldgevoelig materiaal met electrische leidingen verbonden.

Bij de gebruikte techniek van opdampen onder een hoek, waarbij bovendien nog de twee tegenover elkaar liggende wanden van de groef schuin qp het substraatoppervlak staan, kan men niet via de 25 schaduwwerking van één ervan qp de ander een magneetveldgevoelig element met een uniforme dikte aanbrengen. Dit betekent dat een m.b.v. de bekende methode vervaardigde sensor geen magneetveldgevoelig element dat loodrecht qp het substraatoppervlak staat en een uniforme dikte heeft kan hebben. Voor veel toepassingen is een loodrechte stand echter 30 vereist omdat het alleen dan mogelijk is cm één bepaalde component van een magneetveld te meten. Bij een schuine stand van het element kan dat niet, cmdat het substraatoppervlak dan niet meer als uitricht-referentie kan dienen.

8201846 EHN 1-0.343 * 2 1 t 1 *

Een verderf. nadeel van de gebruikte techniek van opdampen onder een hoek is dat de hoogte van het magneetveldgevoelige element niet nauwkeurig ingesteld kan worden. Men meet rekening houden met een spreiding van Q,5^u, waardoor elementen met een hoogte 5 kleiner dan 5 microns er niet voldoende nauwkeurig mee vervaardigd kunnen warden. Sensoren met magneetveldgevoelige elementen met een hoogte kleiner dan 5 microns, en i.h.b. kleiner dan ΐ micron, zijn echter vereist wil men magneetvelden meten die zich "af spelen" in het microngebied. Bijv. het meten van het strooiveld van een 10 magnetische bubble of het meten van het schrijf veld van een magneet-kop.

Het voorgaande houdt ook in dat de onderste rand van het opgedampte element tenminste 0,5 micron van de bodem van de groef verwijderd moet blijven teneinde te voorkomen dat ook qp de bodem van 15 de groef magneetveldgevoelig materiaal wordt opgedampt. Dit materiaal wordt n.1. bij het liften van de hulplaag niet mee verwijderd. In dat geval zou het element uit twee niet in één vlak liggende delen bestaan en daardoor ook weer gevoelig zijn voor magneetveldccmponenten met verschillende richtingen. Het is dus niet mogelijk cm de (nauwkeurig 20 te dimensioneren) diepte van de groef te gebruiken bij het instellen van de hoogte van het element.

De onderhavige uitvinding verschaft nu een sensor met een magneetveldgevoelig element dat met een uniforme dikte over de gehele hoogte van een zijwand van een groef die althans nagenoeg 25 loodrecht staat op het substraat oppervlak is afgezet. Met dit concept is de weg naar "verticale" sensoren met zeer nauwkeurig instelbare, zeer kleine hoogte afmetingen geopend.

- De uitvinding betreft tevens een werkwijze voor het vervaardigen: van een sensor met een magneetveldgevoelig element dat 30 qp de wand van een zich in een. substraatoppervlak uitstrekkende groef is aangebracht.

De werkwijze volgens de uitvinding wordt gekenmerkt door de volgende stappen: het m.b.v. een reactief ionen ets proces in het substraat aanbrengen van een groef met zich althans nagenoeg 35 loodrecht op het substraatoppervlak uitstrékkende zijwanden en met een diepte die overeenkomt met de gewenste hoogte van het aan te brengen magneetveldgevoelige element; het qp het gehele substraatoppervlak, en qp de wanden en de bodem van de groef opbrengen van een laag 8201846 <i , a ·*· EHN 10.343 3 ..... . iragneetveldgevoelig materiaal; het nrb.v. een ionen ets proces met een dwars op het substraat invallende ionentundel verwijderen van de cpgesputterde laag cp het substraatoppervlak en op de bodem van de groef, waarbij tegen de wanden van de groef een laag magneet-5 veldgevoelig materiaal achterblijft; het aanbrengen en electrisch verbinden met twee delen van een qp één van de groefwanden^opge-sputterde laag magneetveldgevoelig materiaal van twee verbindings-geleiders.

Het "integraal'' qp het gehele substraatoppervlak, 10 inclusief de bodem van alle wanden van de groef, ..opbrengen van de laag magneetveldgevoelig materiaal kan via opdampen of sputteren plaats vinden. Omdat alle wanden van de groef worden bedekt, hoeft niet een afschaduwingstechniek te worden gébruikt waarbij het magneetveld-gevoelige materiaal onder een schuine hoek met het substraatoppervlak 15 wordt opgebracht, maar kan het magneetveldgevoelige materiaal met voordeel door middel van sputteren vanaf een tegenover het substraat opgestelde electrode worden opgebracht.

Het daarop volgende etsproces met een ionenbundel maakt het mogelijk cm al het materiaal op het substraatoppervlak en qp de 20 bodem van de groef weg te verwijderen terwijl de wanden van de groef bedekt blijven zonder dat daartoe een hulplaag via een lift-off techniek verwijderd hoeft te warden zoals bij de bekende methode.

De bij toepassing van de bekende methode resulterende gerafelde rand van het magneetveldgevoelige element wordt daardoor voorkanen.

25 Mén kan de verbindingsgéLe'iders achteraf door sputteren, opdampen of galvanisch afzetten qp het substraatoppervlak aanbrengen, maar bij voorkeur brengt men ze vooraf verzonken in het substraatoppervlak aan.

Een uitvoeringsvorm van de werkwijze volgens de 3q uitvinding heeft daartoe als kenmerk, dat in het substraatoppervlak twee kanalen worden geëtst die qp tenminste één plaats een afstand ' hebben die overeenkomt met de gewenste breedte van het aan te brengen magneetveldgevoelige element, dat de kanalen met een electrisch geleidend materiaal gevuld worden en dat m.b.v. het reactief ionen ets 35 Proces * 8201846 H3N 10.343 4 \ « , » een groef in het substraatoppervlak wordt geëtst met een wand die zowel langs de twee kanalen als de genoemde plaats loopt.

Door het toepassen van de bovengenoemde werkwijze die erop berust dat m.b.v. een reactief ionen ets proces groeven met 5 loodrechte wanden in een substraat kunnen warden geëtst, wordt niet alleen een magneetveldgevoelig element verkregen dat op een zich loodrecht qp het substraat oppervlak uitstrekkende wand van een groef is afgezet en een uniforme dikte heeft, maar dat bovendien electrisch contact maakt met twee in kanalen in het substraat oppervlak afgezette 10 geleiders. Hiermee is dus de gewenste sensor tot stand gebracht.

Voor het aanbrengen van een beschermende (kwarts) laag op de reeds afgezette magneetveldgevoelige laag kan men de laatste twee stappen vanheteerdergenoemde proces met het beschermings materiaal in kwestie herhalen.

15 De boven beschreven werkwijze leidt tot fraaie resultaten zolang de hoogte van het magneetveldgevoelige element voldoende groter is dan de dikte. Wordt deze echter van gelijke arde, d.w.z. komt men in het nancmetergebied, dan treden er problemen op. De uitvinding verschaft nu echter ook een zeer elegante methode cm deze 20 problemen te vermijden.

Een alternatieve vorm van de werkwijze volgens de uitvinding voor het vervaardigen van een. sensor met een magneetveldge-voelig element heeft daartoe als kenmerk, dat pp een substraat-oppervlak een laag magneetveldgevoelig materiaal wordt af gezet, 25 dat qp deze laag een laag diëlectrisch materiaal wordt afgezet, dat in de laag diëlectrisch materiaal m.b.v. een reactief ionen ets proces een groef wordt aangebracht met zich althans nagenoeg loodrecht qp het substraatoppervlak uitstrekkende wanden, waarbij de groef niet tot de laag magneetveldgevoelig materiaal reikt, dat de wanden van 30 de groef worden bedekt met een laag electrisch geleidend materiaal, dat de laag diëlectrisch materiaal wordt weggeëtst tot qp de laag magneetveldgevoelig materiaal waardoor een dam met een top van electrisch geleidend materiaal en een voet van magneetveldgevoelig materiaal overblijft, en dat het magneetveldgevoelige materiaal via 'n 35 etsproces . wordt gestructuaard.

De laag magneetveldgevoelig materiaal in de voet van de dam heeft op deze wijze een hoogte die overeenkant met de dikte van de in het begin van het proces afgezette laag en een dikte die 8201846 » ’ · * EHN 10.343 5 overeenkomt met de dikte van de op de groefwand af gezette electriseh. ~ geleidende laag. Daar laagdiktes zo klein als 30-40 nm goed realiseerbaar zijn kunnen sensoren met magneetveldgevoelige elemanten met hoogte en dikte afmetingen van enkele tientallen nm m.b.v. de werkwijze 5 volgens de uitvinding gerealiseerd worden.

Bij een goede materiaal- en suhstraatkeuze zijn zelfs afmetingen in de orde van een tiental monolagen (3 nm) mogelijk.

Een uitvoeringsvorm van de uitvinding zal nader worden toegelicht aan de hand van de tekening, waarin 10 fig. 1a, 1b, 1c, 1d aan de hand van een dwarsdoorsnede door een substraat vier opeenvolgende stappen voor het aanbrengen van een met een geleidermateriaal gevuld kanaal in het substraat tonen; fig. 2a een bovenaanzicht van een substraat toont met twee daarin op de wijze volgens fig. 1 aangebrachte kanalen; 15 fig. 2b hetzelfde bovenaanzicht als fig. 2a toont nadat in het substraat een langwerpige groef is geëtst; fig. 2c hetzelfde bovenaanzicht als fig. 2b toont nadat de wanden van de groef met een laag magneetveldgevoelig materiaal bedekt zijn; 20 fig. 3a, 3b en 3c aan de hand van een aanzicht van een dwarsdoorsnede langs de lijn III-III van het substraat van fig. 2b drie opeenvolgende stappen tonen in het proces van' het bedekken van de wanden van de groef met een laag magneetveldgevoelig materiaal; fig. 4a en 4b aan de hand van een aanzicht van een 25 dwarsdoorsnede langs de lijn 17-17 van het substraat van fig. 2c twee opeenvolgende stappen tonen voor het aanbrengen van een beschermingslaag op de magneetveldgevoelige laag cp de wand van de groef.

fig. 5-12 aan de hand van een doorsnede door een sub-30 straat de verschillende stappen tonen die leiden tot een magneetveldgevoelig element met ultra kleine afmetingen/ fig. 13 schematisch een perspectivisch aanzicht toont van een sensor volgens de uitvinding.

De sensor volgens de uitvinding kan op de volgende wijze 35 gerealiseerd worden:

Een (doorzichtig) SiC^-substraat (1) wordt m.b.v. photolithografische technieken voorzien van een lakpatroon (2) dat als masker fungeert bij het etsen van een kanaal (3) m.b.v. reactive 8201846 « ' EHN 10.343 6 ------ ion etching (KEE), (zie fig. 1a*,.1b.), Lakpatroon (2) fungeert vervolgens als de "te liften" onderlaag bij het vullen van de geëtste groef (3) d.m.v. opdampen van aluminium (4) (zie fig. 1c7,-1d)

Een ander geschikt materiaal is bijv. Au.

5 Fig. 2a toont een substraat (5) waarin twee van zulke met een geleidermateriaal gevulde kanalen (6, 7) zijn aangebracht.

De aldus verkregen structuur wordt rnb.v. photolithografische technieken voorzien van een lakpatroon. Dit wordt als masker gebruikt bij het etsen m.b.v. R.I.E. van een groef (δ) waarin een magneetveld gevoelig 10 element aangebracht zal warden. De werkzame breedte W van het element wordt bepaald door de afstand tussen de twee kanalen (6, 7) (zie fig. 2b) / de hoogte door de diepte van de geëtste groef (8) (zie fig. 3b).

Na het verwijderen van de lak wordt het substraat (5) 15 in zijn geheel bedekt met een dunne laag magneetveldgevoelig materiaal 9 (NiFe of NiCc^. Vervolgens wordt deze laag weer verwijderd m.b.v. sputter etsen of R.I.E. bijv. door de spanning tussen de electrode en het substraat in de sputterklok om te keren. In fig. 2b is de situatie geschetst dat het aluminium is blijven staan na het 20 etsen van de groef (8) zodat één wand van de groef (8) a.h.w. cm de kanalen (6, 7) heen loopt. De groef (8) strekt zich over de gehele breedt van het substraat (5) uit. Deze procedure heeft tot gevolg dat na het etsen tegen de wanden van de groef (8) magneetveldgevoelig materiaal (10) is achtergebleven dat electrisch contact maakt met 25 de in het substraat (5) aangebrachte geleiders (6, 7) (zie fig. 3b). Tenslotte kan het magneetveldgevoelige element (10) nog geïsoleerd worden door bovenstaande procedure te herhalen met een isolator materiaal (bijv. Si02) in plaats van het magneetveldgevoelige materiaal 9 (zie fig. 4a,.4b).

30 Aan de hand van de figuren 5-12 wordt nu een alternatieve uitvoeringsvorm van de werkwijze volgens de uitvinding beschreven.

De nurmers van de verschillende stappen corresponderen met die van de figuren.

I. Op een Silicium substraat (20) wordt een 1 micron dikke kwartslaag 35 (21) aangebracht d.m.v. Chemical Vapor Deposition (CVD). Hierop brengt men een laag (22) aan van magneetveldgevoelig materiaal met dikte "t^". Sputter-depositie of opdampen zijn bij uitstek geschikt voor het aanbrengen van de dunne laag (22). Op de laag (22) wordt 8201846 » H3N 1Q.343 7 __m.b.v. photo-lithografische technieken een masker aangebracht, waar-_____ mee in de geleiderlaag een groef (23) geëtst wordt zoals aangegeven in fig. 5a en 5b. Het etsen kan nat-chemisch geschieden, maar kan ook d.m.v. sputteretsen of Reactive Ion Etchting (RIE). s De groef 23 in de laag (22) zorgt ervoor dat er later tassen de kantaktflappen slechts één magneetveld gevoelig element ligt.

II. Op de laag (22) wordt een Molybdeen-Goud-Molybdeen sandwich gesputterd (ca. 3000 8 dik) waaruit m.b.v. photolithografische technieken en bijv. nat-chemisch etsen kontaktflappen (23, 24) gevormd 10 worden, In het masker kan men de afstand tassen de kantaktflappen (23, 24) en daarmee de werkzame lengte van het magneetveldgevoelige element variëren.

III. Vervolgens wordt een laag kwarts (25) afgezet met een dikte van enkele tienden microns tot max. één micron. Nu volgt cpnieuwa een 15 photolithograf ische stap waarin hetzelfde lakpatroon wordt aangebracht als nodig was cm de groef (23) in de laag (22) te etsen. Dit patroon wordt iets verschoven uitgericht t.o.v. het patroon in de laag (22).

Dit lakpatroon wordt d.m.v. Reactive Ion Etching (RIE) in een CHF^/Ar gasmengsel anisotropp overgebracht in de onderliggende Si02 laag (25).

20 De wandal (26, 27) van de ontstane groef (28) zijn loodrecht. De diepte van de groef (28) bedraagt 50 tot 80% van de dikte van de laag 25.

IV. Het geheel wordt bedekt met een laag Molybdeen (29) d.m.v. sputteren. De steile zijwanden van de groef (28) zullen ook bedekt worden met . Molybdeen (fig. 8). De dikte van deze zijwandbedekking is afhankelijk 25 van de gekozen sputter-cmstandigheden ai bedraagt bijv. de helft van de laagdikte t^ welke op het vlak geneten wordt. De dikte t^ van de zijwand-bedekking bepaalt de uiteindelijke breedte van het mag-neetveldgevoelige element.

V. De laag Molybdeen in het vlak kan d.m.v. RIE in een CF^/C^ plasma 30 (anisotropp) geëtst worden met de situatie als gegeven in fig. 9 als resultaat.

VI. Vervolgens wordt het Molybdeen op de zijwand (26) als masker gebruikt cm het onderliggende Si02 (25) anisotropp te etsen. (RIE in een CHP^/Ar plasma). (fig. 10) De onderliggende magneetveldgevoelige 35 laag (22) fungeert als etsstop.

VII. De nu ontstane dam (28) wordt wederom als masker gebruikt cm de mgneetveldgevoelige laag (22) te structureren (fig. 11 en fig. 12). Hierbij kan men verschillende methoden gebruiken. Belangrijk bij de 8201846 ΕΗΝ 10.343 8 0 " __keuze van de techniek is dat er geen rëdepositie mag plaats vinden... .....

Er blijven in principe twee bruikbare technieken over cm de geleider te structureren: - Reactive Ion Etching: hierbij treedt geen rêdepositie op omdat de 5 gasvormige reactie-producten worden afgepcmpt.

Een voorwaarde is natuurlijk dat de te structureren laag alleen gasvormige reactieproducten vormt.

- Ion-Milling : dit is ion-beam sputteretsen, waarbij de hoek 10 van inval kan afwijken van de bij normaal sputteretsen gebruikelijke 90 graden. Door het kiezen van de goede hoek is het Hogelijk om zijwandbedekking van de dam te voorkomen.

Deze techniek is meer universeel toepasbaar.

15 Tenslotte kan het Molybdeenmasker worden verwijderd. Nat-cbemisch wegetsen is een mogelijkheid/ beter is het cm een "droge" etstechniek aan te wenden, zoals RIE of plasma-etsen in CE^/C^. !

Figuur 13 toont onder a) een perspectivisch aanzicht van een substraat 30 van Si02 waarin een groef 31 met een gedefinieerde 20 diepte h tussen 0,2 en 2^um en met loodrechte zijwanden 32, 33 is geëtst. Het substraat 30 bevat verder twee kanalen 34, 35 die met aluminium gevuld zijn. De wand 32 is, evenals de wand 33, bedekt met een 600 $ dikke laag magneetveldgevoelig materiaal 36. De laag magneetveldgevoelig materiaal 36 op de wand 32 maakt electrisch kontakt 25 met de met aluminium gevulde kanalen 34, 35, waardoor een, magneetveldgevoelig element met een actief gedeelte 37 tussen de kanalen 34, ~ 35 die als verbindingsgeleiders fungeren wordt gevormd. Ondanks een relatief kleine lengte van het actieve gedeelte 37 kan het door de laag 36 op de wand 32 gevormde magneetveldgevoelige element in z'n 30 totaliteit een voldoende lengte hebben om er van verzekerd te zijn dat de as van gemakkelijke magnetisatie ΈΆ evenwijdig aan de longitudi-* nale as van het element ligt.

Figuur 13 toont onder b) een perspectivisch aanzicht van een substraat 40 van silicium dat bedekt is met een laag 41 van 35 si02* 9P ket substraat is met behulp van de onder I-VII hiervoor beschreven stappen een magneetveld-gevoelig element 42 aangebracht dat loodrecht staat op het oppervlak 43 en een zeer geringe hoogte en breedte afmeting bezit. Tevens zijn verbindingsgeleiders 44, 44' 8201846 » * . _% PUN 10.343 9 aangegeven voor verbinding van het element 42 met uitwendige ketens,—

De zeer fijne structuur van het element 42 is verkregen zonder dat daarvoor gecompliceerde belichtingsstappen behoefden te warden uitgevoerd. Op deze wijze zou men ook zeer fijne electrische geleider 5 structuren kunnen realiseren.

In het bovenstaande is steeds gerefereerd aan een magneetveldgevoelig element. Hieronder wordt zowel een magneto-weerstandelarent als een Hall element verstaan.

Een sensor met een magneetveldgevoelig element kan de in 10 figuur 13 onder a) of b) getoonde structuur hebben, of kan deel uit-maken van eemmagnetische juk waarvan de benen de magnetische flux "opzuigen" en naar het magneetveldgevoelige element kanaliseren.

15 20 25 30 35 8201846

Claims (4)

1. 2. Werkwijze voor het vervaardigen van een sensor met een magneetveldgevoelig element dat qp de zijwand van een zich in een substraatoppervlak uitstrekkende groef is af gezet, met het kenmerk, dat hij de volgende stappen cravat; het m.b.v. een reactief ionen ets proces in het substraat aanbrengen van een groef met zich althans 15 nagenoeg loodrecht qp het substraatoppervlak uitstrekkende zijwanden en met een diepte die overeenkomt met de gewenste hoogte van het aan te brengen magneetveldgevoelige element; het cp het gehele substraatoppervlak, en op de wanden en qp de bodem van de groef opbrengen: van een laag magneetveldgevoelig materiaal; het m.b.v. een ionen ets 20 proces met een ' /dwars -. qp het substraat invallende ionenbundel verwijderen van de qpgesputterde laag qp het substraatoppervlak en cp de bodem van de groef, waarbij tegen de wanden van de groef een laag magneetveldgevoelig materiaal achterblijft; het aanbrengen en elec-trisch verbinden net twee delen van een op één van de groefwanden 25 qpgesputterde laag magneetveldgevoelig materiaal van twee verbindings-geleiders.
2. 3. Werkwijze volgens conclusie 2, met het kenmerk, dat in het substraatoppervlak twee kanalen warden geëtst, die qp tenminste één plaats een afstand hebben die overeenkomt met de gewenste breedte 30 van het aan te brengen magneetveldgevoelige element, dat de kanalen met een electrisch geleidend materiaal gevuld worden en dat m.b.v. het reactief ionen ets proces een groef in het substraatoppervlak wordt geëtst met een wand die zowel langs de twee kanalen als de -.genoemde plaats loopt.
3. 4. Werkwijze voor het vervaardigen van een sensor met een magneetveldgevoelig element, met het kenmerk, dat qp een substraatoppervlak een laag magneetveldgevoelig materiaal wordt afgezet, dat qp deze laag een laag diëlectrisch materiaal wordt af gezet, dat in 8201846 * * - S» EHN 10.343 11 _________de laag diëlectrisch materiaal m.b.v. een reactief ionen ets proces een groef wordt aangebracht met zich althans nagenoeg loodrecht op het substraat oppervlak uitstrekkende wanden, waarbij de groef niet tot de laag magneetveldgevoelig materiaal reikt, dat de wanden van 5 de groef worden bedekt net een laag electrisch geleidend materiaal, dat de laag diëlectrisch materiaal wordt weggeëtst tot op de laag magneetveldgevoelig materiaal waardoor een dam met een top van electrisch geleidend materiaal en een voet van magneetveldgevoelig materiaal overblijft, en dat het magneetveldgevoelige materiaal via een 10 etsproces word gestructureerd.
4. 5. Sensor met een substraat dat een magneetveldgevoelig element in dunne filmvorm draagt, waarbij de noodzakelijke leidingen aanwezig zijn voor het voorzien in electrische verbindingen van het magneetveldgevoelige element met uitwendige.ketens, met het kenmerk, 15 dat het het magneetveldgevoelige element althans nagenoeg loodrecht op een oppervlak van het substraat staat. 20 25 30 35 8201846