Stand der Technik
[0001] Es ist allgemein bekannt, für eine verlustleistungsarme und potentialgetrennte Strommessung aktive Magnetfeldmessungen durchzuführen. Hierzu werden insbesondere aktive Halbleiter-Sensorelemente, wie zum Beispiel Hall-Sensoren eingesetzt. Insbesondere für kleine Ströme bzw. Felder ist die untere Messgrenze limitiert. Um die Sensibilität der Sensoren zur erhöhen, werden in der Regel Flusskonzentratoren verwendet. Diese sind meistens in Form eines makroskopischen Magnetkreises ausgebildet.
Dabei wird der Halbleitersensor in den Luftspalt des Flusskonzentrators gebracht, der das zu messende Magnetfeld einschliesst und aus einem hochpermeablen Material, wie beispielsweise Ferrit oder Micro-Metall, besteht.
[0002] Es sind allgemein auch mikroskopische Flusskonzentratoren bekannt, die beispielsweise durch Aufbringen eines geeigneten Metalls oder Glas realisiert sind. Letzteres erfordert einen hohen Aufwand, wie beispielsweise die Verwendung von Sputteranlagen, und ist problematisch hinsichtlich der Strukturierbarkeit.
Weiterhin sind diese Techniken auf 2D-Strukturen beschränkt.
Vorteile der Erfindung
[0003] Die erfindungsgemässe Vorrichtung zur Sensierung eines Magnetfeldes mit den Merkmalen des Hauptanspruchs haben demgegenüber den Vorteil, dass eine Kunststoffschicht zur Beeinflussung der Flussdichte des zu messenden magnetischen Feldes herangezogen wird, wobei darüberhinaus die Kunststoffschicht zusätzlich noch zur Passivierung des darunter befindlichen Chips vorgesehen ist. Weiterhin ist von Vorteil, dass erfindungsgemäss ein in der Halbleiterherstellung üblicher Stoff als Grundlage der Kunststoffschicht Verwendung findet.
Weiterhin ist von Vorteil, dass die Kunststoffschicht leicht einfach strukturierbar ist, eine ganzflächige Aufbringung auf das Substrat ermöglicht und eine gute Kantenabdeckung gewährleistet.
[0004] Durch die in den abhängigen Ansprüchen aufgeführten Massnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen der im Hauptanspruch angegebenen Vorrichtung möglich.
[0005] Besonders vorteilhaft ist es, dass die Kunststoffschicht derart strukturiert vorgesehen ist, dass sich bei vorgegebenem Magnetfeld eine die magnetische Flussdichte fokussierende oder die magnetische Flussdichte defokussierende Wirkung am Magnetfeldsensor ergibt. Dadurch ist es möglich, die Flussdichte, die am Sensorort gemessen wird, gezielt zu beeinflussen.
[0006] Weiterhin ist es von Vorteil, dass der Magnetfeldsensor auf oder in dem Substrat monolithisch integriert vorgesehen ist.
Dadurch ergibt sich die Möglichkeit einer schnellen und kostengünstigen Massenfertigung der erfindungsgemässen Vorrichtung.
[0007] Weiterhin ist es von Vorteil, dass als Kunststoffschicht eine Polyimidschicht vorgesehen ist, welche die magnetische Flussdichte eines Magnetfeldes beeinflussende Substanz umfasst. Polyimid kann auf verschiedene Wafermaterialien aufgebracht werden und ist damit universell einsetzbar, was sich kostenverringernd auswirkt.
[0008] Weiterhin ist es von Vorteil, dass der Magnetfeldsensor parallel zur Substratebene ausgerichtete Magnetfelder sensiert.
Dadurch wirkt die im Wesentlichen parallel zur Substratebene aufgebrachte Kunststoffschicht vorteilhaft mit dem Magnetfeldsensor zusammen, weil eine solche im Wesentlichen parallel zur Substratebene aufgebrachte Kunststoffschicht insbesondere den magnetischen Fluss parallel zur Substratebene beeinflusst.
[0009] Weiterhin ist es von Vorteil, dass die Kunststoffschicht (25) photostrukturierbar vorgesehen ist. Dadurch sind alle möglichen Formen und Designs von möglichen magnetischen Strukturen in zwei Dimensionen, d.h. auf der Substratoberfläche, und mittels UV-Tiefenlithographie auch in drei Dimensionen, d.h. auch senkrecht zur Substratebene, realisierbar.
[0010] Weiterhin ist es von Vorteil, dass die Kunststoffschicht in mehreren Teilschichten vorgesehen ist, wobei verschiedene Teilschichten die magnetische Flussdichte eines Magnetfeldes unterschiedlich beeinflussen.
Dadurch ist es, insbesondere bei der Verwendung von Polyimid, möglich, durch Verwendung von unterschiedlich mit der die magnetische Flussdichte eines Magnetfeldes beeinflussenden Substanz gefüllten Teilschichten dreidimensionale Strukturen mit Permeabilitätsgradienten zur erzeugen.
Zeichnung
[0011] Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen
<tb>Fig. 1<sep>einen Querschnitt durch einen Chip mit Nitrid- und Micro-Polyimid-Beschichtung,
<tb>Fig. 2<sep>eine Aufsicht auf einen Chip mit fotostrukturierter Micro-Polyimid-Beschichtung, wobei ein Flusskonzentrator mit einem Sensorelement realisiert ist, welches auf laterale, d.h. parallel zur Chipebene verlaufende, Felder empfindlich ist und
<tb>Fig. 3<sep>eine Seitenansicht einer weiteren Ausführungsform der erfindungsgemässen Vorrichtung.
Beschreibung
[0012] In Fig. 1 ist ein Querschnitt durch eine erfindungsgemässe Vorrichtung 10 dargestellt, wobei ein Chip 20 bzw. ein Substrat 20 die Basis für die erfindungsgemässe Vorrichtung 10 bildet. Das Substrat 20 ist erfindungsgemäss insbesondere als Halbleitersubstrat, insbesondere Siliziumsubstrat, vorgesehen. Oberhalb des Substrats 20 ist eine Passivierungsschicht 22 in Fig. 1 dargestellt, wobei die Passivierungsschicht 22 insbesondere als Nitridschicht vorgesehen ist. Oberhalb der Passivierungsschicht 22 ist in Fig. 1 eine erfindungsgemässe Kunststoffschicht 24 dargestellt, die in Fig. 1 noch unstrukturiert dargestellt ist.
Gestrichelt gezeichnet ist in Fig. 1 ein Magnetfeldsensor 30, der erfindungsgemäss in oder auf dem Substrat 20 vorgesehen ist, in Fig. 1 jedoch wegen der Schichten 22 und 24 nicht sichtbar wäre.
[0013] In Fig. 2 ist eine Aufsicht auf die erfindungsgemässe Vorrichtung 10 dargestellt, wobei wiederum das Substrat 20 und der Magnetfeldsensor 30 dargestellt sind. Die Passivierungsschicht 22, die noch in Fig. 1 dargestellt ist, ist in Fig. 2 der Einfachheit halber nicht mehr dargestellt. Die Kunststoffschicht 24 aus der Fig. 1 ist in Fig. 2 strukturiert dargestellt und trägt daher das Bezugszeichen 25. Die Strukturierung der Kunststoffschicht 25 ist in Fig. 2 derart vorgesehen, dass es am Ort des Magnetfeldsensors 30 zu einer Konzentration von Magnetfeldlinien eines Magnetfeldes kommt, die mit dem Bezugszeichen 27 bezeichnet, sind.
Hierbei werden insbesondere Magnetfeldkomponenten betrachtet, die parallel zur Substratebene verlaufen. In einer solchen parallel zum Substrat verlaufenden Ebene ist daher die Kunststoffschicht 25 verbreitert vorgesehen, je grösser der Abstand zum Magnetfeldsensor 30 ist. Auf einer gedachten Linie, die den Magnetfeldsensor 30 schneidet, würde daher die Ausdehnung innerhalb der Substratebene der Kunststoffschicht senkrecht zu der gedachten Linie zunehmen, je grösser die Entfernung zum Magnetfeldsensor 30 ist.
[0014] In Fig. 3 ist die erfindungsgemässe Vorrichtung 10 in Seitenansicht dargestellt. Wiederum ist das Substrat 20, der Magnetfeldsensor 30 und die strukturierte Kunststoffschicht 25 dargestellt.
Der Magnetfeldsensor 30 ist gemäss einer weiteren Ausführungsform gemäss der Fig. 3 zumindest teilweise in einer Ebene mit der Kunststoffschicht 25 derart vorgesehen, dass wenigstens eine Ebene parallel zur Substratebene sowohl die Kunststoffschicht 25 als auch den Magnetfeldsensor 30 schneidet. Gemäss der Ausführungsform der Erfindung gemäss der Fig. 2 ist es vorgesehen, dass der Magnetfeldsensor 30 vollständig in dem Substrat 20 vorgesehen ist und dass die Kunststoffschicht 25 oberhalb, d.h. auf, dem Substrat 20 vorgesehen ist, so dass es eine zur Substratebene parallele Ebene, die sowohl die Kunststoffschicht 25 als auch den Magnetfeldsensor 30 schneidet, nicht gibt.
Beide Ausführungsformen sind gemäss der Erfindung vorgesehen.
[0015] Gemäss der vorliegenden Erfindung ist es insbesondere vorgesehen, einen Standard-Polyimid-Prozess der Halbleiterfertigung mit der Möglichkeit auszustatten, durch Füllen des Polyamids mit einem magnetisch aktiven Material, wie beispielsweise Nickel, gezielt die magnetischen Eigenschaften von Halbleitermagnetfeldsensoren 30 zu verbessern oder den möglichen Einfluss von Magnetfeldern auf elektrische Schaltungen abzuschirmen.
Hierzu wird insbesondere das Polyimid mit einer den magnetischen Fluss eines Magnetfeldes beeinflussenden Substanz ausgestattet, so dass durch die resultierende Vergrösserung - dadurch flusskonzentrierende Wirkung der Kunststoffschicht - oder Verkleinerung - dadurch flussdekonzentrierende Wirkung der Kunststoffschicht - der Permeabilitätszahl der Kunststoffschicht vorhandene Magnetfelder entweder fokussiert oder defokussiert werden; und dies insbesondere in einer Ebene parallel zur Substratebene. Die den magnetischen Fluss beeinflussende Wirkung der Kunststoffschicht wird über die Veränderung der Permeabilitätszahl der Schicht hinaus erfindungsgemäss auch durch eine entsprechend vorgenommene Strukturierung der Kunststoffschicht verstärkt.
Dadurch können vorhandene Felder - insbesondere am Ort des Magnetfeldsensors 30 - konzentriert oder gestreut werden.
[0016] Als magnetisch aktive Substanz mit der die magnetische. Flussdichte eines Magnetfeldes beeinflussenden Eigenschaft ist insbesondere Nickel in Form von kleinen Kugeln oder in einer ähnlichen Ausführungsform vorgesehen. Der Füllgrad (Volumenanteil) an magnetisch aktiver Substanz bestimmt dabei ebenso die Permeabilität wie die Wahl der magnetisch aktiven Substanz.
[0017] Der die Kunststoffschicht 24, 25 bildende Kunststoff, insbesondere Polyimid, der erfindungsgemäss mit der magnetisch aktiven Substanz gefüllt ist, wird in einer gegebenenfalls leicht modifizierten Lackspur auf den Wafer aufgebracht und auf dem Wafer mittels der Lackschleuder gleichmässig verteilt. Anschliessend wird das Polyimid vorgeheizt und vorvernetzt (prebake).
Bei einem anderen verwendeten Kunststoff sind gegebenenfalls entsprechend modifizierte Schritte notwendig. Im Anschluss an die Vorvernetzung folgt beim Polyimid der Ofenschritt zur Aushärtung des Polyimids. Anschliessend kann nach Aufbringung eines Fotolacks das Polyimid strukturiert werden und das überflüssige Polyimid durch Lösungsmittel aufgelöst werden.
[0018] Bei Kunststoffschichten, die eine Mehrzahl von Teilschichten umfassen sollen, werden mehrere Teilschichten bzw. Lagen des mit der magnetisch aktiven Substanz gefüllten Kunststoffes, erfindungsgemäss insbesondere das gefüllte Polyimid oder auch "Micro-PI", nacheinander auf das Substrat 20 bzw. das durch eine Passivierungsschicht passivierte Substrat 20 aufgebracht und gemeinsam ausgeheizt. Der Strukturierungsschritt, insbesondere mittels Photolithographie, erfolgt danach wie oben beschrieben.
Alternativ kann auch auf das bereits photostrukturierte Micro-PI eine weitere Teilschicht aufgebracht und anschliessend photostrukturiert werden.
[0019] Zwischen der Kunststoffschicht 25 und dem Substrat 20 ist erfindungsgemäss insbesondere vorgesehen, den Chip 20 bzw. das Substrat 20 vor mechanischen Beschädigungen durch das Micro-PI mittels einer Siliziumnitridschicht 22 bzw. einer Oxi-Nitrid-Schicht (SiO3N4) zu schützen.
[0020] Bei der Füllung des Kunststoffs mit magnetisch aktiver Substanz ist darauf zu achten, dass der Füllgrad nicht zu hoch gewählt wird, da sonst die Photostrukturierbarkeit deutlich verschlechtert wird. Weiterhin muss der Füllungsgrad aber auch ein Mindestvolumen überschreiten, um die gewünschten magnetischen Effekte zu erzielen.
[0021] Erfindungsgemäss ist es auch vorgesehen, eisenhaltige Werkstoffe als magnetisch aktive Substanz einzusetzen.
Es besteht jedoch hier die Gefahr, dass ein solcher eisenhaltiger Werkstoff das Silizium kontaminiert und unerwünschte Nebeneffekte hervorruft. Ein solches Micro-PI sollte erfindungsgemäss vorrangig relativ am Ende des Herstellungsprozesses zur Herstellung der Vorrichtung 10 verarbeitet werden.