RU2659877C1

RU2659877C1 - Method of manufacturing magnetoresistive sensor

Info

Publication number: RU2659877C1
Application number: RU2017129310A
Authority: RU
Inventors: Валентин Константинович Гусев; Алексей Викторович Негин; Андрей Иванович Сумский; Сергей Евгеньевич Федоров
Priority date: 2017-08-16
Filing date: 2017-08-16
Publication date: 2018-07-04

Abstract

FIELD: manufacturing technology.

SUBSTANCE: invention relates to the field of automation and can be used in production of tachometers, displacement sensors, instruments for non-contact measurement of electric current, magnetometers, electronic compasses, and etc. Method for producing a magnetoresistive sensor comprises forming on an insulating base, vacuum deposition and photolithography methods of thin film functional sensor elements and polyimide isolation between them, applying collision protection, a Winston bridge, polyimide isolation and an inductor "offset" are formed on the insulating substrate, and the "set/reset" coil, sensor pads and alignment marks are formed on the carrier board, and central coil of the induction coil being output to a corresponding contact area of the carrier board, for which two transits are pierced and the back side of the carrier board is sprayed, and then the insulating substrate is mounted on the carrier board in accordance with the signs of alignment and digests the functional elements of the sensor on the contact areas of the carrier board.

EFFECT: simplification of manufacturing technology, increasing the reliability of the design, increasing the stability of the output voltage of the sensor.

1 cl, 3 dwg, 1 tbl

Description

Изобретение относится к области автоматики и может быть использовано при изготовлении тахометров, датчиков перемещения, приборов для бесконтактного измерения электрического тока, магнитометров, электронных компасов и т.п.The invention relates to the field of automation and can be used in the manufacture of tachometers, displacement sensors, devices for non-contact measurement of electric current, magnetometers, electronic compasses, etc.

Известен способ изготовления магниторезистивного датчика, описанный в патенте США 5952825, кл. G01R 33/22 от 14 сентября 1999 г.A known method of manufacturing a magnetoresistive sensor described in US patent 5952825, CL. G01R 33/22 dated September 14, 1999

Способ заключается в том, что на изолирующей подложке методами вакуумного напыления и фотолитографического травления формируют магниторезистивный мост Уинстона и катушки индуктивности «set/reset» и «offset» с изоляцией между ними путем осаждения пленки нитрида кремния толщиной ~1 мкм. Однако такая изоляция является ненадежной, т.к. она растрескивается вследствие внутренних механических напряжений, особенно когда толщина витков катушек более 1 мкм и для их изоляции требуется еще большая толщина пленки Si₃N₄.The method consists in forming a Winston magnetoresistive bridge and “set / reset” and “offset” inductors with insulation between them by depositing a silicon nitride film ~ 1 μm thick using vacuum deposition and photolithographic etching methods on an insulating substrate. However, such isolation is unreliable because it cracks due to internal mechanical stresses, especially when the thickness of the turns of the coils is more than 1 μm and their insulation requires an even larger thickness of the Si ₃ N ₄ film.

Известен также способ изготовления магниторезистивного датчика №2463688, кл. H01L 43/12 от 23 июня 2011 г. В этом способе осуществляют замену изоляции из Si₃N₄ на полиимидную, причем имидизацию лака проводят в вакууме при приложении магнитного поля вдоль поверхности подложки в направлении оси легкого намагничивания (ОЛН). Однако и в этом случае наблюдается брак по изоляции, особенно во втором слое, т.к. он наносится на первый, обладающий поверхностным зарядом (статический заряд) и, как следствие, притягивающий к себе большое количество посторонних частиц, служащих каналами для пробоя.There is also a known method of manufacturing a magnetoresistive sensor No. 2463688, class. H01L 43/12 dated June 23, 2011. In this method, the insulation of Si ₃ N ₄ is replaced by polyimide, the imidization of the varnish being carried out in vacuum by applying a magnetic field along the surface of the substrate in the direction of the axis of easy magnetization (OLS). However, in this case, there is a marriage of isolation, especially in the second layer, because it is applied to the first one that has a surface charge (static charge) and, as a result, attracts a large number of foreign particles that serve as channels for breakdown.

Используемая в этом способе технология получения моста Уинстона состоит в напылении магниторезистивной структуры Cr-FeNi(FeNiCo)-Ta-FeNi(FeNiCo) и ее фотолитографическом травлении для получения магниторезистивных полосок, напылении проводящего слоя V-Cu-Ni и фотолитографии для получения полюсов Барбера (ПБ), перемычек, проводников и контактных площадок (КП).The technology for producing the Winston bridge used in this method consists in sputtering the magnetoresistive structure of Cr-FeNi (FeNiCo) -Ta-FeNi (FeNiCo) and its photolithographic etching to obtain magnetoresistive strips, sputtering the conductive layer of V-Cu-Ni and photolithography to obtain Barber poles ( PB), jumpers, conductors and contact pads (KP).

Однако по этой технологии необходимо было проводить экспонирование подложки с напыленной магниторезистивной структурой на воздухе для проведения фотолитографии, а затем напыление проводящих слоев в вакуумной камере, что не позволяло создать малое переходное сопротивление между магниторезистивным и проводящим слоями.However, using this technology, it was necessary to expose the substrate with a deposited magnetoresistive structure in air for photolithography, and then spray the conductive layers in a vacuum chamber, which did not allow creating a small transition resistance between the magnetoresistive and conductive layers.

Это сказывается на переходном сопротивлении ПБ, которые, как правило, занимают половину площади магниторезистивной полоски. Это привело к тому, что нестабильность выходного напряжения составляла ~30-50 мкВ, что соответствует разрешающей способности ~30 нТл, которая является недостаточной для использования в соответствующих датчиках.This affects the transition resistance of the PB, which, as a rule, occupy half the area of the magnetoresistive strip. This led to an output voltage instability of ~ 30-50 μV, which corresponds to a resolution of ~ 30 nT, which is insufficient for use in the respective sensors.

Эта задача частично решена в патенте РФ №2617454, кл. H01L 43/12 от 17.02.2016, взятом нами за прототип, в котором магнитную структуру и проводящую структуру напыляют за один цикл откачки, а фотолитографию проводят через совмещенный шаблон. Это позволило снизить нестабильность выходного напряжения моста Уинстона после реализации функции «set/reset» до 3 мкВ.This problem is partially solved in RF patent No. 2617454, class. H01L 43/12 of February 17, 2016, taken by us as a prototype, in which the magnetic structure and the conductive structure are sprayed in one pumping cycle, and photolithography is carried out through a combined template. This made it possible to reduce the instability of the output voltage of the Winston bridge after implementing the set / reset function to 3 μV.

Однако недостатки предыдущего технического решения (брак по изоляции) не были устранены. Кроме того, весь технологический процесс создания полиимидной изоляции является многоступенчатым и трудозатратным. Нестабильность остается все еще достаточно большой, несмотря на заметное снижение влияния переходного сопротивления.However, the shortcomings of the previous technical solution (defective insulation) were not eliminated. In addition, the entire process for creating polyimide insulation is multi-stage and labor-intensive. Instability is still quite large, despite a marked reduction in the effect of transient resistance.

Как показали теоретические и экспериментальные исследования, нестабильность определяется качеством магниторезистивной пленки, переходным сопротивлением и распределением силовых линий магнитного поля, создаваемого катушкой индуктивности «set/reset» над поверхностью подложки. Если два первых условия выполнялись, то третье зависело от топологии катушки индуктивности.As shown by theoretical and experimental studies, instability is determined by the quality of the magnetoresistive film, the transition resistance and the distribution of the magnetic field lines generated by the set / reset inductor above the substrate surface. If the first two conditions were met, then the third depended on the topology of the inductor.

Следует отметить, что для обеспечения функции «set/reset» соответствующая катушка должна иметь межвитковый зазор не более 3-4 мкм (опытный факт), что требует использования дорогостоящего прецизионного фотолитографического оборудования и вакуумных производственных условий, которые используются при изготовлении кремниевых микросхем. Такая инфраструктура и оборудование требуют значительных затрат на их создание и функционирование.It should be noted that to ensure the set / reset function, the corresponding coil should have an inter-turn gap of no more than 3-4 microns (an experimental fact), which requires the use of expensive precision photolithographic equipment and vacuum production conditions that are used in the manufacture of silicon microcircuits. Such infrastructure and equipment require significant costs for their creation and operation.

Более дешевой является технология изготовления пассивной части интегральных схем, но она позволяет получать зазоры между витками не менее 10 мкм, в противном случае наблюдаются замыкания, обусловленные появлением перемычек между витками. Однако катушка индуктивности с такими зазорами не обеспечивает получение магнитного поля вдоль поверхности подложки, т.к. в зазорах силовые линии будут ортогональны полоскам в плечах моста, что будет вносить искажения в намагниченность полосок по ОЛН, а тем самым приведет к большей нестабильности выходного напряжения моста Уинстона после реализации функции «set/reset».Cheaper is the technology for manufacturing the passive part of integrated circuits, but it allows you to get the gaps between the turns of at least 10 microns, otherwise there are short circuits due to the appearance of jumpers between the turns. However, an inductor with such gaps does not provide a magnetic field along the surface of the substrate, because in the gaps, the lines of force will be orthogonal to the strips in the shoulders of the bridge, which will introduce distortions in the magnetization of the strips along the OLS, and thereby lead to greater instability of the output voltage of the Winston bridge after the implementation of the set / reset function.

Техническим результатом предлагаемого способа является упрощение технологии изготовления, повышение надежности конструкции, повышение стабильности выходного напряжения датчика и снижение себестоимости.The technical result of the proposed method is to simplify manufacturing technology, increase the reliability of the structure, increase the stability of the output voltage of the sensor and reduce costs.

Указанный технический результат достигается тем, что в способе изготовления магниторезистивного датчика, включающем формирование на изолирующей подложке методами вакуумного напыления и фотолитографии тонкопленочных функциональных элементов датчика и полиимидной изоляции между ними, нанесение конструктивной защиты, на изолирующей подложке формируют мост Уинстона, полиимидную изоляцию и катушку индуктивности «offset», а катушку индуктивности «set/reset», контактные площадки датчика и знаки совмещения формируют на плате-держателе, причем центральный виток катушки выводят на соответствующую контактную площадку платы-держателя, для чего прошивают два переходных отверстия и пропыляют обратную сторону платы-держателя, а затем изолирующую подложку монтируют на плату-держатель в соответствии со знаками совмещения и разваривают функциональные элементы датчика на контактные площадки платы-держателя.The specified technical result is achieved by the fact that in the method of manufacturing a magnetoresistive sensor, which includes forming thin-film sensor functional elements and polyimide insulation between them on the insulating substrate using vacuum deposition and photolithography methods, applying structural protection, the Winston bridge, polyimide insulation and inductor are formed on the insulating substrate " offset ”, and the“ set / reset ”inductor, contact pads of the sensor and alignment marks form on the holder board, and The central coil of the coil is brought to the appropriate contact pad of the holder board, for which two vias are flashed and the back side of the holder board is flashed, and then the insulating substrate is mounted on the holder board in accordance with the alignment marks and the functional elements of the sensor are welded onto the contact pads of the board- holder.

На фиг. 1 показана изолирующая подложка с мостом Уинстона и катушкой индуктивности «offset» (вид сверху).In FIG. 1 shows an insulating substrate with a Winston bridge and an “offset” inductor (top view).

На фиг. 2 показана плата-держатель с катушкой индуктивности «set/reset».In FIG. 2 shows a card holder with a set / reset inductor.

На фиг. 3 показан датчик в сборе.In FIG. 3 shows the sensor assembly.

На фиг. 1:In FIG. one:

1 - мост Уинстона;1 - Winston Bridge;

2 - изолирующая подложка;2 - insulating substrate;

3-8 - контактные площадки;3-8 - contact pads;

9 - магниторезистивные полоски с ПБ;9 - magnetoresistive strips with PB;

10 - катушка индуктивности «offset».10 - inductor "offset".

На фиг. 2:In FIG. 2:

11 - катушка индуктивности «set/reset»;11 - inductor "set / reset";

12 - плата-держатель;12 - board holder;

13-20 - контактные площадки;13-20 - contact pads;

21, 22 - переходные отверстия;21, 22 - vias;

23 - знаки совмещения.23 - signs of alignment.

Предлагаемый способ был реализован при изготовлении магниторезистивного датчика, обладающего нечетной и линейной передаточной характеристикой и используемого при разработке магнитометров и электронных компасов.The proposed method was implemented in the manufacture of a magnetoresistive sensor having an odd and linear transfer characteristic and used in the development of magnetometers and electronic compasses.

Изготовление моста Уинстона 1 фиг. 1 (первый функциональный элемент датчика) проводилось по способу, суть которого заключается в следующем.The manufacture of Winston Bridge 1 of FIG. 1 (the first functional element of the sensor) was carried out according to the method, the essence of which is as follows.

За один цикл откачки вакуумной камеры на изолирующую подложку 2 напыляют структуру FeNi(FeNiCo)-Ta-Cu-FeNi(FeNiCo), из которой путем фотолитографического травления через совмещенный фотошаблон формируют контур моста Уинстона с рисунком проводящего слоя, включая и КП 3, 6 катушки индуктивности «offset» и КП 4, 5, 7, 8 моста Уинстона.For one cycle of pumping out the vacuum chamber, an FeNi (FeNiCo) -Ta-Cu-FeNi (FeNiCo) structure is sprayed onto an insulating substrate 2, from which the Winston bridge circuit with a pattern of a conductive layer, including KP 3, 6 coils, is formed by photolithographic etching through a combined photomask inductance "offset" and KP 4, 5, 7, 8 of the Winston bridge.

Через другой фотошаблон формируют магниторезистивные полоски 9 из FeNi(FeNiCo)-Ta с ПБ из Си- FeNi(FeNiCo).Magnetoresistive strips 9 of FeNi (FeNiCo) -Ta with PB from Cu-FeNi (FeNiCo) are formed through another photomask.

В качестве магниторезистивного материала в данном изобретении использовался сплав 65%Nil5%Fe20%Co, что позволяло получать линейную передаточную характеристику в диапазоне ±6 Гс.As the magnetoresistive material in the present invention, an alloy of 65% Nil5% Fe20% Co was used, which made it possible to obtain a linear transfer characteristic in the range of ± 6 G.

Изготовление плоской катушки индуктивности «offset» 10 (второй функциональный элемент датчика) и полиимидной изоляции (на фиг. 1 не показана) проводилась по следующей технологии: на поверхность изолирующей подложки 2 со сформированным мостом Уинстона 1 наносили слой изоляционного лака АД-9103 толщиной 2-4 мкм методом центрифугирования и проводили сушку на воздухе со ступенчатым подъемом температуры: 60°C - 10 мин, 80°C - 10 мин и 120°C - 30 мин.The manufacture of a “offset” 10 flat inductor (the second functional element of the sensor) and polyimide insulation (not shown in Fig. 1) was carried out according to the following technology: a layer of insulating varnish AD-9103 2- thick was applied to the surface of insulating substrate 2 with the formed Winston bridge 1 4 microns by centrifugation and drying was carried out in air with a stepwise rise in temperature: 60 ° C - 10 min, 80 ° C - 10 min and 120 ° C - 30 min.

Имидизация полученного изоляционного слоя проводилась при температуре 350-380°C в вакууме при приложении магнитного поля величиной 120-140 Э в плоскости подложки в том же направлении, что и при напылении магниторезистивной структуры, что позволило избежать дисперсии ОЛН, сформированной во время напыления магниторезистивной структуры. После проведения имидизации на поверхность полученного полиимида напыляли проводниковую структуру V-Cu-Ni толщиной 1-1,5 мкм с последующим формированием катушки индуктивности «offset» 10 путем фотолитографического травления. Концы катушки «offset» через переходные отверстия в полиимиде выводились на КП 3,6.The obtained insulating layer was imidized at a temperature of 350–380 ° C in vacuum with a magnetic field of 120–140 Oe applied in the substrate plane in the same direction as in the case of sputtering of the magnetoresistive structure, which avoided the dispersion of the magnetoresistive structures formed during sputtering of the magnetoresistive structure . After imidization, a V-Cu-Ni conductor structure 1-1.5 μm thick was deposited onto the surface of the obtained polyimide, followed by the formation of an “offset” 10 inductor by photolithographic etching. The ends of the “offset” coil through the vias in the polyimide were brought to KP 3.6.

Далее наносили конструктивную защиту (на фиг. 1 не показана), в качестве которой использовали фоторезист ФН-11СК толщиной 1-2 мкм, который задубливали при температуре 180°C.Next, constructive protection was applied (not shown in Fig. 1), which was used as a photoresist FN-11SK with a thickness of 1-2 μm, which was dubbed at a temperature of 180 ° C.

Изготовление плоской катушки индуктивности «set/reset» 11 (третий функциональный элемент) фиг. 2 проводилось на плате-держателе 12 одновременно с КП для разварки функциональных элементов: КП 13, 17 - для катушки «set/reset», КП 14, 18 - для катушки «offset» и КП 15, 16, 19, 20 - для моста Уинстона.Fabrication of a “set / reset” flat inductor 11 (third functional element) of FIG. 2 was carried out on a holder board 12 simultaneously with the gearbox for unpacking the functional elements: gearbox 13, 17 for the set / reset coil, gearbox 14, 18 for the offset coil and gearbox 15, 16, 19, 20 for the bridge Winston.

Для этого напылялась структура V-Cu-Ni толщиной не менее 5 мкм и через фотолитографическую маску проводилось химическое травление рисунка. Такая толщина КП позволяла припаивать выводные концы датчика.To do this, a V-Cu-Ni structure was sprayed with a thickness of at least 5 μm and a chemical etching of the pattern was performed through a photolithographic mask. This thickness of the gearbox allowed soldering the output ends of the sensor.

Для электрического вывода центрального витка катушки индуктивности «set/reset» 11 лазером прошивались два отверстия 21 и 22, которые имели электрическую связь за счет пропыления обратной стороны платы-держателя 12.For the electrical output of the central turn of the “set / reset” 11 inductance coil, two holes 21 and 22 were stitched with a laser, which had an electrical connection due to dusting the back of the holder board 12.

Окончательная сборка датчика фиг. 3 состояла в приклейке изолирующей подложки 2 на плату-держатель 12 в соответствии со знаками совмещения 23 и разварке КП функциональных элементов на соответствующие КП платы-держателя.The final assembly of the sensor of FIG. 3 consisted of gluing the insulating substrate 2 to the holder board 12 in accordance with the alignment marks 23 and to unpack the functional elements KP on the corresponding KP of the holder board.

Как видно, количество операций сократилось вдвое за счет исключения операций по созданию полиимидной изоляции, и кроме того, полностью исключена вероятность пробоя между катушкой индуктивности «set/reset» и другими функциональными элементами датчика через изолирующую подложку (ситалл, поликор, окисленный кремний).As you can see, the number of operations was halved due to the exclusion of operations to create polyimide insulation, and in addition, the probability of breakdown between the set / reset inductor and other functional elements of the sensor through an insulating substrate (glass, polycor, oxidized silicon) was completely eliminated.

Изготовленный таким способом датчик проверялся на стабильность выходного напряжения после воздействия функции «set/reset» (продольное перемагничивание магниторезистивной полоски сначала в одну, а затем в другую стороны).A sensor made in this way was checked for stability of the output voltage after exposure to the set / reset function (longitudinal magnetization reversal of the magnetoresistive strip, first in one direction and then in the other direction).

Нестабильность датчика определялась по изменению выходного напряжения с моста Уинстона после шестикратного воздействия импульсов «set/reset». В этом случае получали

, где i=6, U_set - выходное напряжение моста после воздействия импульса «set», U_reset - выходное напряжение моста после воздействия импульса Reset. Находим изменение текущего напряжения относительно предыдущего Δ_i,i+1=⎪U_i-U_i+1⎪, а затем среднее значение этого изменения:

.The instability of the sensor was determined by changing the output voltage from the Winston bridge after six times the impact of the set / reset pulses. In this case, received

, where i = 6, U _set is the bridge output voltage after the “set” pulse, U _reset is the bridge output voltage after the Reset pulse. We find the change in the current voltage relative to the previous Δ _{i, i + 1} = ⎪U _i -U _{i + 1} ⎪, and then the average value of this change:

.

Нестабильность выходного напряжения, определенная таким способом, составила более 3 мкВ для датчика, изготовленного по прототипу, и менее 1 мкВ для датчика, изготовленного по предлагаемому способу, что повышает разрешающую способность по магнитному полю до 10 нТл вместо 30 нТл.The instability of the output voltage, determined in this way, was more than 3 μV for the sensor manufactured according to the prototype, and less than 1 μV for the sensor manufactured according to the proposed method, which increases the resolution in the magnetic field to 10 nT instead of 30 nT.

Такой эффект достигнут за счет того, что катушка индуктивности «set/reset» находится на удалении от моста Уинстона, равном толщине изолирующей подложки, т.е. не менее 500 мкм, а в прототипе толщина полиимида 2-4 мкм. В связи с этим поверхность моста Уинстона и зазоры между витками не играют существенной роли.This effect was achieved due to the fact that the set / reset inductor is located at a distance from the Winston bridge, equal to the thickness of the insulating substrate, i.e. not less than 500 microns, and in the prototype the thickness of the polyimide is 2-4 microns. In this regard, the surface of the Winston bridge and the gaps between the turns do not play a significant role.

Изготовление опытных партий из 6 ситалловых подложек и 3 кремниевых пластин показало, что брак по изоляции между катушками может составлять от 38% до 60% для ситалловых подложек и от 6,52% до 26% на кремниевых пластинах.The manufacture of pilot batches of 6 glass-ceramic substrates and 3 silicon wafers showed that insulation rejects between coils can be from 38% to 60% for glass-ceramic substrates and from 6.52% to 26% on silicon wafers.

Изготовление датчика по предлагаемому способу полностью исключает этот вид брака, что значительно снижает его себестоимость.The manufacture of the sensor according to the proposed method completely eliminates this type of marriage, which significantly reduces its cost.

Кроме того, для изготовления катушек индуктивности «set/reset» используется более простая технология, не требующая дорогого оборудования и специальных условий чистоты рабочих помещений, т.к. зазоры в 10-16 мкм не сказываются на работоспособности катушки. Это также снижает затраты на оборудование и содержание необходимой инфраструктуры.In addition, for the manufacture of “set / reset” inductors, a simpler technology is used that does not require expensive equipment and special conditions for clean working rooms, because 10-16 micron gaps do not affect coil performance. It also reduces equipment and maintenance costs.

Таким образом, предлагаемый способ позволяет снизить себестоимость датчика и повысить его стабильность по сравнению с прототипом.Thus, the proposed method allows to reduce the cost of the sensor and increase its stability compared to the prototype.

Claims

A method of manufacturing a magnetoresistive sensor, including the formation on the insulating substrate by vacuum deposition and photolithography methods of thin-film functional elements of the sensor and polyimide insulation between them, the application of structural protection, characterized in that the Winston bridge, polyimide insulation and the “offset” inductor are formed on the insulating substrate, and a “set / reset” inductor, contact pads of the sensor and alignment marks are formed on the holder board, the central coil of the coil being output and the corresponding contact pad of the carrier board, which is sewn and two vias propylyayut reverse side of the board and holder, and then the insulating substrate is mounted to the board-holder according to the alignment marks and functional tenderize sensor elements to the contact pads of the carrier board.