CN100431188C - 基于软磁多层膜巨磁阻抗效应的磁敏器件的制作方法 - Google Patents

Abstract

一种基于软磁多层膜巨磁阻抗效应的磁敏器件的制作方法，属于传感器技术领域。本发明采用薄膜技术和微机电系统(MEMS)技术，对双面氧化的硅片进行处理，得到双面套刻对准符号；采用薄膜技术和MEMS技术制备纳米晶成份的曲折状三明治结构软磁多层膜材料；采用物理刻蚀技术去除底层；采用专用的化学腐蚀液刻蚀纳米晶成份的曲折状三明治结构软磁多层膜，形成磁敏器件；通过选择合适的永磁体对多层膜的巨磁阻抗效应曲线进行偏置，使磁敏器件工作在线性区域。本发明实现整个传感器的薄膜化、小型化，并具有高灵敏度、响应速度快，性能重复性好、温度稳定性好及易于大批量生产。

Description

基于软磁多层膜巨磁阻抗效应的磁敏器件的制作方法

技术领域

本发明涉及的是一种磁敏器件的制作方法，具体是一种基于软磁多层膜巨磁阻抗效应的磁敏器件的制作方法，属于传感器技术领域。

技术背景

随着微电子技术的迅速发展，在汽车电子、机器人技术、生物工程、自动化控制等需要一些新型的、小型化的、高性能的、高灵敏度的和响应速度快的新型磁敏传感器来监测环境周围的参数如：磁场、速度、转速、位移、角度、扭矩等。目前市场上正在使用或开发的磁敏传感器有霍尔(Hall)效应传感器、各向异性磁阻(AMR)效应和巨磁电阻(GMR)效应传感器。霍尔效应传感器是目前应用最广泛的磁敏传感器，可用于汽车发动机转速的测量、点火装置、汽车刹车防抱死系统(ABS)、磁敏开关等，但霍尔器件由于输出信号很弱及温度稳定性很差，其灵敏度受到了极大的限制。新型的硅基磁敏传感器是基于AMR效应的磁敏传感器，是采用微机电系统(MEMS)技术研制的用于测量磁场大小和方向的一个固态器件，但AMR效应的大小只有2％～4％，其磁场灵敏度小于1％/Oe。GMR效应可达80％以上，GMR传感器可以获得更高的信号输出，但驱动磁场很高(300Oe以上)，其磁场灵敏度在1％～2％/Oe。近几年来研究发现，软磁材料在很小的直流磁场下展示巨磁阻抗(Giantmagneto-impedamce，简写为GMI)效应，即当磁场有微小变化时，将会引起软磁材料交流阻抗的巨大变化。人们已经在非晶和纳米晶材料制备的薄膜、多层膜、带材和丝材中获得了很大的巨磁阻抗效应，其磁场灵敏度达2％～300％/Oe，比AMR和GMR传感器高1到2个数量级，是霍尔器件的10～100倍。且GMI传感器具有高灵敏度、响应速度快、体积小等优点，利用材料的这种高灵敏度特性，可制作各种磁控开关、磁敏传感器、位移传感器、角度传感器等，可广泛用于汽车工业、机械、交通运输、保安、电力、自动控制、航空航天等各个行业。

经文献检索发现，K.Mohri等(K.Mohri，T.Uchiyama，L.P.Shen，C.M.Cai，L.V.Panina，Y.Honkura，and M.Yamamoto)在《IEEE TRANSACTION ONMAGNETICS》(VOL.38，NO.5，pp.3063-3068，SEPTEMBER 2002)上发表了“Amorphous wire and CMOS IC-based sensitive micromagnetic sensors utilizingmagnetoimpedance(MI)and stress-impedance(SI)effects(美国电气电子工程学会)”一文，该文提及了基于钴基非晶丝巨磁阻抗效应的新型磁敏传感器。作者采用钴基非晶丝作为磁敏器件，并与CMOS控制电路相连，构成了基于非晶丝巨磁阻抗效应的新型磁敏传感器，其测量磁场的范围为±3Oe，分辨率为1μOe的数量级，工作频率为1MHz。Y.Nishibe等(Y.Nishibe，H.Yamadera，N.Ohta，K.Tsukada，Y.Nonomura)在《SENSORS AND ACTUATORS》(VOL.82，pp.155-160，2000)上发表了“Thin film magnetic field sensor utilizing magneto impedance effect(传感器与执行器)”一文，该文提及了基于FeCoSiB/Cu/FeCoSiB多层膜GMI效应的磁场传感器，多层膜是采用磁控溅射方法制备的，传感器的长度为10mm，宽度为2mm，巨磁阻抗变化率达100％，驱动频率为1MHz，磁场灵敏度为5％/Oe。P.Delooze等(P.Delooze，L.V.Panina，D.J.Mapps，K.Ueno，H.Sano)在《IEEE TRANSACTION ON MAGNETICS》(VOL.40，NO.4，pp.2664-2666，2004)上发表了“Sub-nano tesla resolution differential magnetic field sensor utilizingasymmetrical magnetoimpedance in multilayer films(美国电气电子工程学会)”一文，提及了采用CoFeB/Cu/CoFeB多层膜反对称巨磁阻抗效应的磁场传感器，多层膜是采用磁控溅射方法制备的，多层膜的长度为5mm，宽度40μm，传感器的量程为±1Oe，分辨率为1μOe的数量级。相对于薄膜而言，丝和带材比较容易制备，在其中易于形成理想的磁各向异性，可以获得较为理想的敏感性能。但是丝和薄带在微型化、器件性能的重复性和批量化生产及与检测电路的匹配方面，将会遇到许多问题，例如，丝和薄带在电路中的焊接、安装困难、丝和薄带容易破碎等。而薄膜GMI传感器具有批量化生产及与半导体集成电路相兼容的能力，能大大降低生产成本，因此薄膜材料GMI效应及其传感器的研究成为新型磁敏传感器研究开发的新热点。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种基于软磁多层膜巨磁阻抗效应的磁敏器件的制作方法，使其采用薄膜技术和MEMS技术可以实现其制备工艺与IC工艺兼容，可与配套的检测电路制作在一起，实现整个传感器的薄膜化、小型化，并具有高灵敏度、响应速度快，性能重复性好、温度稳定性好及易于大批量生产。而且，与声表面波(Surface Acoustic Wave，简称SAW)技术结合，可构成无线被动式磁敏传感器，用于检测恶劣环境下与速度、位移、角度等相关物理量的测量。

本发明是通过以下技术方案实现的，本发明的新型磁敏器件的制作方法采用薄膜技术和微机电系统(MEMS)技术，对双面氧化的硅片进行处理，得到双面套刻对准符号，以便曝光时提高对准精度；采用薄膜技术和MEMS技术制备纳米晶成份的曲折状三明治结构软磁多层膜材料；采用物理刻蚀技术去除底层，避免湿法刻蚀工艺带来的钻蚀现象；采用专用的化学腐蚀液刻蚀纳米晶成份的曲折状三明治结构软磁多层膜，形成磁敏器件；通过选择合适的永磁体对多层膜的巨磁阻抗效应曲线进行偏置，使磁敏器件工作在线性区域。

本发明具体制作方法的步骤如下：

1、在清洗处理过的双面氧化的硅片衬底双面甩正光刻胶，然后将光刻胶烘干，光刻胶厚度为5～6μm，光刻胶烘干温度为90～95℃，时间为30～60分钟；将硅片经单面(称为B面)曝光、显影后，在BHF腐蚀液里刻蚀二氧化硅，最后用丙酮去除所有的光刻胶，得到双面套刻对准符号。

2、对硅片另一面(称为A面)进行磁敏器件研制工艺，下面工艺均在A面进行；

3、溅射软磁薄膜，膜厚为2～6μm；

4、溅射Cu底层，厚度100～200nm；

5、甩正光刻胶，光刻胶厚度为8μm，光刻胶烘干温度为90～95℃，时间为30～60分钟，曝光与显影，得到电镀Cu层光刻胶掩膜图形；

6、电镀Cu层，厚度为2～6μm；

7、去正光刻胶、用物理刻蚀方法去除底层Cu层；

8、溅射软磁薄膜，膜厚为2～6μm；

9、甩正光刻胶，光刻胶厚度为8μm，光刻胶烘干温度为120℃，时间为60分钟，曝光与显影；

10、在40℃水浴中，采用专用的腐蚀液，刻蚀软磁薄膜；

11、去正光刻胶，即形成曲折状三明治结构多层膜磁敏器件；

12、将得到的器件在真空炉中300～400℃下磁场退火半小时。

13、采用微细加工技术制备偏置永磁体，永磁体尺寸的大小及产生的磁场强度大小依据多层膜GMI曲线来确定，用环氧胶将永磁体粘贴于软磁多层膜巨磁阻抗效应的磁敏器件的背面(称为B面)，最终形成了软磁多层膜巨磁阻抗效应的磁敏器件。

上述步骤中软磁薄膜为FeCuNbSiB、FeCuNbCrSiB薄膜，其制备工艺为：溅射的薄膜为非晶的薄膜，基底的真空度为8×10^-5Pa，溅射在Ar气环境中进行，溅射时Ar气压和溅射功率分别为4.2Pa和600W，氩气流量为22×10^-3Pa.l/s。溅射过程中沿薄膜的横向施加16kA/m的磁场。

Cu底层的制备工艺为：基底的真空度为4×10^-4Pa，溅射时Ar气压和溅射功率分别为0.67Pa和800W，氩气流量为33.8×10^-3Pa.l/s。

本发明与现有技术相比，具有以下有益的效果：

(1)本发明采用薄膜技术和MEMS技术制备软磁多层膜巨磁阻抗效应器件，具有高的灵敏度和响应速度快等优点及广泛的用途。而且薄膜技术具有与大规模集成电路相兼容的能力，重复性好、成本低，易于大批量生产；又可以通过不同结构来提高其巨磁阻抗效应和磁场灵敏度；

(2)本发明采用纳米晶成份的软磁多层膜材料，可以获得很高的巨磁阻抗效应，避免了采用非晶丝和薄带作为磁敏材料时器件易碎、器件性能重复性差和加工困难及批量化等带来的问题；

(3)本发明改变了传统直线型薄膜结构，而是采用曲折状三明治结构多层膜，可以大大提高多层膜的巨磁阻抗效应及器件的灵敏度；

(4)本发明可以通过改变纳米晶成份的软磁薄膜和铜层的宽度及厚度来提高巨磁阻抗效应，进而提高磁敏器件的灵敏度；

(5)本发明可以通过退火工艺来提高多层膜的巨磁阻抗效应，进而提高磁敏器件的灵敏度。

(6)本发明采用微细加工技术制备偏置永磁体，以实现磁敏器件的线性化；

(7)本发明采用交流驱动方式，可以方便实现滤波、调谐、振荡等。

具体实施方式

以下结合实施例进一步的描述。

本发明的制作方法，具体的讲：

(1)在清洗处理过的双面氧化的硅衬底双面甩正光刻胶，光刻胶厚度为5μm，光刻胶烘干温度为95℃，时间为1小时；单面(称为B面)曝光与显影后，采用BHF腐蚀液刻蚀二氧化硅，刻蚀温度为40℃，然后去光刻胶；

(2)对硅片另一面(称为A面)进行磁敏器件研制工艺，以下均在A面进行；

(3)溅射软磁薄膜F，F为FeCuNbSiB、FeCuNbCrSiB薄膜，薄膜的厚度为2～6μm；

(4)溅射Cu底层，厚度为100～200nm；

(5)甩正光刻胶，光刻胶厚度为8μm，光刻胶烘干温度为90～95℃，时间为30～60分钟，曝光与显影，得到电镀Cu层光刻胶掩膜图形；

(6)电镀Cu层，厚度为2～6μm；

(7)去正光刻胶、用物理刻蚀方法去除底层Cu层；

(8)溅射软磁薄膜F，F为FeCuNbSiB、FeCuNbCrSiB薄膜，膜厚为2～6μm；

(9)甩正光刻胶，光刻胶厚度为8μm，光刻胶烘干温度为120℃，时间为60分钟，曝光与显影；

(10)40℃水浴中，采用专用的腐蚀液，刻蚀软磁薄膜；

(11)去正光刻胶，即形成曲折状三明治结构多层膜磁敏器件；

(12)将得到的器件在真空炉中300℃下磁场退火半小时；

(13)采用微细加工技术制备偏置永磁体，永磁体尺寸的大小及产生的磁场强度大小依据多层膜GMI曲线来确定，用环氧胶将永磁体粘贴于软磁多层膜巨磁阻抗效应的磁敏器件的背面(称为B面)，最终形成了软磁多层膜巨磁阻抗效应的磁敏器件。

利用本发明制作的新型磁敏器件由带SiO₂层的硅衬底、引脚、曲折状三明治结构软磁多层膜和偏置永磁体组成，所述的曲折状三明治结构软磁多层膜由中间的铜层、铜层外围包裹的软磁薄膜构成的曲折状三明治结构，中间铜层的宽度小于软磁薄膜的宽度，被软磁薄膜完全包裹，引脚从多层膜两端的铜层引出，并设置在带SiO₂层的硅衬底上，整个曲折状三明治结构软磁多层膜位于带SiO₂层的硅衬底上。偏置永磁体用微细加工技术制备，并用环氧胶水粘贴于磁敏器件的背面。所述的软磁薄膜为FeCuNbSiB、FeCuNbCrSiB薄膜，宽度为1mm。所述的中间铜层的宽度为0.1～0.8mm。

Claims (4)

1、一种基于软磁多层膜巨磁阻抗效应的磁敏器件的制作方法，其特征在于，具体制作方法的步骤如下：

(1)、在双面氧化的硅片上双面甩正光刻胶，光刻胶厚度为5～6μm，将光刻胶烘干，光刻胶烘干温度为95℃，时间为30分钟；单面B面曝光、显影后，湿法刻蚀SiO₂，形成套刻对准符号；

(2)、在硅片的另一面A面进行磁敏器件研制工艺，下面工艺均在A面进行；溅射软磁薄膜FeCuNbSiB或FeCuNbCrSiB薄膜，厚度为2～6μm；

(3)、溅射Cu底层，厚度为100～200nm；

(4)、甩正光刻胶，光刻胶厚度为8μm，将光刻胶烘干，光刻胶烘干温度为95℃，烘干时间为30分钟，曝光、显影；

(5)、电镀Cu层，厚度为2～6μm；

(6)、去正光刻胶，用物理方法去除Cu底层；

(7)、溅射软磁薄膜FeCuNbSiB或FeCuNbCrSiB薄膜，厚度为2～6μm；

(8)、甩正光刻胶，光刻胶厚度为8μm，光刻胶烘干温度为120℃，烘干时间为60分钟，曝光、显影；

(9)、在40℃的水浴中，采用专用的腐蚀液刻蚀软磁薄膜；

(10)、去正光刻胶、清洗、烘干；

(11)、在真空炉中300～400℃下磁场退火半小时；

(12)、采用微细加工技术制备永磁体，用环氧胶将永磁体粘贴于软磁多层膜巨磁阻抗效应的磁敏器件的B面，最终形成了软磁多层膜巨磁阻抗效应的磁敏器件。

2、如权利要求1所述的基于软磁多层膜巨磁阻抗效应的磁敏器件的制作方法，其特征是，套刻对准符号为曝光提供准确的对准。

3、如权利要求1所述的基于软磁多层膜巨磁阻抗效应的磁敏器件的制作方法，其特征是，所述软磁薄膜FeCuNbSiB或FeCuNbCrSiB的制备工艺为：溅射的薄膜为非晶薄膜，基底的真空度为8×10^-5Pa，溅射在Ar气环境中进行，溅射时Ar气压和溅射功率分别为4.2Pa和600W，氩气流量为22×10^-3Pa.l/s，溅射过程中沿薄膜的横向施加16kA/m的磁场。

4、如权利要求1所述的基于软磁多层膜巨磁阻抗效应的磁敏器件的制作方法，其特征是，所述的Cu底层，其制备工艺为：基底的真空度为4×10^-4Pa，溅射时Ar气压和溅射功率分别为0.67Pa和800W，氩气流量为33.8×10^-3Pa.l/s。