CN101526590A - 一种基于巨磁阻技术的高精度弱磁场传感器及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种纵向结构的巨磁阻传感器及其制备方法。传感器包括基片(1)和其上的绝缘层(2)、夹裹有三明治结构巨磁阻薄膜(4)，特别是巨磁阻薄膜(4)外套装有线圈(8)，线圈(8)和巨磁阻薄膜(4)均由外层绝缘柱(7)裹覆；方法为先后分别多次使用掩模、光刻或离子刻蚀、直流磁控溅射、射频磁控溅射或等离子增强化学气相淀积、半导体薄膜加工工艺于基片上进行刻制、溅射和生成出线圈金属环(5)、金属短棒(6)，金属环(5)、金属短棒(6)周期性排列构成巨磁阻薄膜(4)外置线圈，工作时，恒定电流从电流流入端I流入微线圈，从电流流出端II流出，从而为巨磁阻薄膜(4)提供高精度的偏置磁场，结合巨磁阻薄膜(4)相应度高的特点，利用上述原理制备的纵向结构的巨磁阻传感器具有高的精度和灵敏度，结构简单，易于工业化生产的特点。

Description

一种基于巨磁阻技术的高精度弱磁场传感器及其制备方法

技术领域

本发明提供能够精确探测弱磁场的传感器结构和制备该磁场传感器的方法。该磁场传感器建立在巨磁阻效应理论基础上，采用与半导体器件工艺相兼容的技术(包括：磁控溅射、光刻、等)制作属合金巨磁阻抗三明治结构，制备具有偏转磁场的磁场传感器。该磁场传感器具有低功耗，高的弱磁场探测灵敏度，响应速度快，尺寸小，可靠性高，适合电路集成等特点。

背景技术

精确定位和导航技术已经变成了一项重要的技术手段被广泛的应用于航空航天等精度和准确度要求较高的场合。提供精度高、稳定性好、响应速度快的方向传感器是实现精确制导和导航的前提条件。目前，利用巨磁阻材料在微小的磁场变化下磁阻产生巨大的变化的现象制备弱磁场传感器并将它应用于方向探测是解决上述问题的理想方案。

巨磁电阻效应是近10年来发现的新现象。当在具有巨磁效应的材料中通以恒定的高频电流时，外部微弱的磁场变化就能够引起材料阻抗的明显变化(50％以上)。由于巨磁阻材料优异的磁场敏感性，即使在外加电子线路中不引入任何放大设备的情况下仍然能够保持探测的稳定性和可靠性。可以预见，结合巨磁阻抗效应高灵敏度、高响应度的特点并将之应用于地球磁场的方向辨别，将大幅度提高方向探测的准确度和精确度。

对于巨磁阻材料而言，其电阻随外加磁场的变化关系如图1所示，电阻随外加磁场的方向变化呈对称分布，因此，在未加偏置磁场的情况下，巨磁阻材料本身并不能反应外加磁场的方向信息。如果在该材料外部添加一个偏置磁场将巨磁阻材料的磁阻信号偏置到图1所示的A点，当地球磁场方向同偏置磁场方向相同时，材料磁电阻将大幅度降低，反之，将大幅度升高，磁阻的变化反映出偏置磁场方向同地球磁场的夹角。由于巨磁阻材料在微小的磁场变化下将表现出磁电阻的巨大变化，从而要求偏置磁场的精度较高，在较长时间内磁场变化较小稳定性好，否则偏置磁场本身的误差将为弱磁场的测量带来较大的噪声，影响方向测试的精度。

为了给上述巨磁阻磁场传感器提供高精度，高稳定性的偏置磁场，可以采用在上述金属合金巨磁阻抗三明治结构外绕置线圈，并在线圈内部通以电流以提供所需偏置磁场。在2005年5月31日公告的中国发明专利申请说明书CN 1444049A中披露了一种使用印刷电路板技术的弱磁场传感器及其制造方法中提及通过多层印刷电路板的叠放形成微型线圈的方法，相对而言，该方法能够提供高精度、高稳定性的偏置磁场，但是，利用这种技术制备的巨磁阻传感器相对于集成电路的其它电子元器件而言，体积过大，有悖于集成电路技术小型化、集成化的发展方向。

发明内容

本发明的一个目的在于提供一种建立在巨磁阻理论基础上的纵向巨磁电阻传感器，该传感器能够满足当前电子元器件集成化、小型化的要求。

本发明的另外一个目的是提供一种使用常用的半导体制备技术制备上述巨磁电阻传感器的制备工艺方法，通过光刻、磁控溅射、离子刻蚀等常备半导体工艺来实现器件的小型化和低能耗，并且满足方向测试高精度和高灵敏度的需要。

为了实现上述目的，本发明中使用的巨磁阻材料结构为金属合金巨磁阻抗三明治结构即铁磁层/导电层/铁磁层三层结构，或者是铁磁层/绝缘层/导电层/绝缘层/铁磁层多层结构，其中铁磁层可以是非晶或纳米晶的铁钴硅硼(FeCoSiB)、钴硅硼(CoSiB)、铁铜铌硅硼(FeCuNbSiB)等软磁合金薄膜材料，导电层使用高电导率的金属金或金属银或金属铜或上述材料的多元复合物。相对于单一结构的巨磁阻材料而言，该金属合金巨磁阻抗三明治结构的优点在于既具有导体层的高电导特性，又具有软磁层的优质的软磁特性，在较低频率的磁场作用下即可表现出优异的巨磁阻效应。克服了单层膜只在很高频率下才出现巨磁阻抗效应的劣势，当在该多层膜中通以1～10MHz的高频电流时，中间的导电层将作为电流的主要通路，从而大大降低磁性膜对电流的阻力，外部的磁性层形成了闭合的磁回路，将成为磁通量的主要通路，从而减少杂散磁场和退磁场的影响，提高了材料的磁导率。图1是具有三明治状多层结构FeCoSiB/Cu/FeCoSiB巨磁阻薄膜材料在温度为25℃驱动电流频率为1MHz时，电阻随外部磁场的变化曲线，从图1不难看出上述多层结构的巨磁阻材料磁电阻在磁场作用下变化率接近100％，一般来说，这种结构的巨磁阻材料磁电阻的变化在0-1段由磁性层中软磁材料内畴壁移动决定，1-2段由磁矩转动决定，研究表明，由磁矩转动决定的磁电阻随温度波动不大，因此选用图1中所示的A点为上述巨磁阻磁场传感器磁场偏置点。在上述三明治状多层结构外部通过半导体加工工艺制备出精确的线圈，在具体工作过程中，在线圈中通以恒定电流形成螺线管提供偏置磁场，使上述多层结构偏置到图1所示A点，当地磁场方向同偏置磁场方向相同时，上述巨磁阻传感器磁阻将出现较大的降低，反之，巨磁阻传感器磁电阻将出现较大程度的升高，如果地磁场方向同偏置磁场方向呈一定角度，磁阻变化反应的是地磁场沿偏置磁场方向分量的信号大小，这些信号通过一定的外加电路转换，就可以实现方向信息和位置信息的反馈。

本发明的另外一个目的是提供一种使用常用的半导体制备技术制备上述巨磁电阻传感器的制备工艺方法，特别是制备三明治状多层结构外部偏置线圈的方法，通过常规的半导体制备工艺如光刻、掩模、磁控溅射、离子刻蚀等能够实现小尺寸，高精度半导体器件的制备，图2a-i是根据本发明使用的半导体制备工艺加工纵向巨磁电阻传感器的工艺流程示意：

1)基片清洗，用氮气将基片吹干；基片材料包括：硅、锗、砷化镓、氮化镓、氮化铝、碳化硅等半导体材料，或玻璃、陶瓷、石英或蓝宝石等绝缘体材料。

2)使用射频磁控溅射于基片上溅射出绝缘层2.以绝缘基片材料；

3)在上述基片材料上涂覆一层光刻胶，使用光刻掩模技术在光刻胶上曝光出一定的花样，通过直流磁控溅射制备金属合金巨磁阻抗三明治结构中的导电层，去除光刻胶，并清洗；将经上述处理后的样品重新涂覆一层光刻胶，使用新的掩模版通过光刻技术在光刻胶上曝光出花样，然后，通过射频磁控溅射制备金属合金巨磁阻抗三明治结构中的铁磁层，去除光刻胶形成三明治结构巨磁电阻薄膜4；

4)使用射频磁控溅射工艺于制备内层绝缘圆柱3.使步骤3)中形成的金巨磁阻抗三明治结构与后续工艺中生成的外围线圈绝缘；

5)将经所述步骤4)处理后的样品上涂覆光刻胶，使用光刻掩模技术在光刻胶上曝光出圆形开环结构，使用直流磁控溅射在圆环处溅射高电导率的金属材料，形成金属环5；

6)将经所述步骤5)处理后的样品上涂覆光刻胶，使用光刻掩模技术在光刻胶上圆形开环结构端点A0处曝光出圆形空洞，使用直流磁控溅射在圆形空洞处溅射出金属短棒6，金属短棒6下端在A0处同在步骤5)中生成的金属环5一段相连接，金属棒上端在A1处形成圆形端面；

7)使用射频磁控溅射工艺于制备外层绝缘柱7使经步骤5)、6)形成的金属环和金属短棒绝缘，绝缘层在A2处预留有空洞以保证金属短棒上端在A2处裸露；

8)重复使用光刻掩模技术，在上述外层绝缘柱7上制备金属环5，金属环5在A2处同金属短棒上端连接起来，与下层金属环5形成螺旋结构；

9)重复步骤(5)、(6)、(7)，使得金属合金巨磁阻抗三明治结构周围形成外置线圈8。

通过以上半导体加工工艺形成图3所示结构的弱磁场探测器件，下层螺线阵列，竖直导线，上层螺线阵列构成微尺寸的螺线管，工作时一定大小的直流电流从I端流入从II端流出，通过调节直流电流的大小，可以调整微螺线管内部的磁场到一定数值，从而为微螺线管内部磁电阻传感器提供适当大小的偏置磁场。利用上述结构制备的弱磁场传感器具有精度高，响应快等特性。

上述加工技术与半导体器件工艺相兼容，制备的巨磁电阻磁传感器结构具有体积小，成本低的特点；同时，如果上述磁传感器是在硅片上制备的，可以方便地与其它半导体电路实现集成。

Claims (7)

1、一种纵向结构的弱磁场传感器，包括基片和其上的铁磁体，其特征在于：

(a)所说巨磁阻材料为金属合金巨磁阻抗三明治结构(即铁磁层/导电层/铁磁层或者是铁磁层/绝缘层/导电层/绝缘层/铁磁层)多层薄膜结构，铁磁体为≥两层，所说每两层铁磁体中夹裹有导电层，其中，铁磁体包含非晶或纳米晶的软磁合金单层膜，其组分可以是铁钴硅硼(FeCoSiB)或钴硅硼(CoSiB)或铁铜铌硅硼(FeCuNbSiB)，导电层是具有高电导率的导体材料包含金属金或金属银或金属铜或上述金属组成的合金材料；

(b)所说金属合金巨磁阻抗三明治结构外置有线圈。

2、根据权利要求1所述的弱磁场传感器，其特征是基片材料包括：硅、锗、砷化镓、氮化镓、氮化铝、碳化硅等半导体材料，或玻璃、陶瓷、石英、蓝宝石等绝缘体材料。

3、根据权利要求1所述的纵向弱磁场传感器的制备方法，包括清洁基片和于其上进行的掩模、光刻、直流或射频磁控溅射或等离子增强化学气相淀积工艺等半导体薄膜加工工艺，其特征在于是按以下步骤完成的：

(a)先使用射频磁控溅射于基片上溅射出绝缘层2以绝缘基片材料；

(b)在上述基片材料上涂覆一层光刻胶，使用光刻掩模技术在光刻胶上曝光出一定的花样，通过直流磁控溅射制备金属合金巨磁阻抗三明治结构中的导电层，去除光刻胶，并清洗；

(c)将经所述步骤(b)处理后的样品重新涂覆一层光刻胶，使用新的掩模版通过光刻技术在光刻胶上曝光出花样，然后，通过射频磁控溅射制备金属合金巨磁阻抗三明治结构中的铁磁层，去除光刻胶，并清洗；

(d)使用射频磁控溅射工艺制备内层绝缘柱3使所述步骤(c)中形成的金巨磁阻抗三明治结构与外围线圈绝缘；

(e)将经所述步骤(d)处理后的样品上涂覆光刻胶，使用光刻掩模技术在光刻胶上曝光出圆形开环结构之后，使用直流磁控溅射在圆环处溅射高电导率的金属材料，形成下层金属环5；

(f)将经所述步骤(e)处理后的样品上涂覆光刻胶，使用光刻掩模技术在光刻胶上圆形开环结构端点处曝光出圆形空洞，使用直流磁控溅射在圆形空洞处溅射出金属短棒6，以连接上端圆形开环和下端圆形开环；

(g)使用射频磁控溅射工艺于制备外层绝缘柱7使经所述步骤(e)(f)形成的金属短棒周围绝缘

(h)重复步骤(e)、(f)、(g)，使得金属合金巨磁阻抗三明治结构周围形成外置线圈，以提供偏置磁场。

4、根据权利要求3所述的弱磁场传感器的制备方法，其特征是其特征是铁磁体层中的铁磁体为非晶或纳米晶的铁钴硅硼(FeCoSiB)或钴硅硼(CoSiB)或铁铜铌硅硼(FeCuNbSiB)。

5、根据权利要求3所述的弱磁场传感器的制备方法，其特征是构成竖直金属短棒5的金属材料为金属金或金属银或金属铜。

6、根据权利要求3所述的弱磁场传感器的制备方法，其特征是导电层为由金属金或金属银或金属铜构成。

7、根据权利要求3所述的纵向弱磁场传感器的制备方法，其特征是器件尺寸随光刻工艺精度在100纳米-50微米之间变化。

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