CN107765195A - 生产磁性结构的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种装置以及一种制造装置的方法，除其他之外，所述方法包括：提供基板(10)并在基板(10)内生成至少两个相互空间隔离的腔体(11a、11b)。根据本发明，每个腔体(11)具有至少50μm的深度(l)。以磁粒子(12)填充满腔体(11)，其中磁粒子(12)在接触点处开始彼此接触，以及其中腔体形成在接触点之间。特别地通过涂覆所述磁粒子(12)，所述磁粒子(12)的至少一些在其接触点处彼此相连，其中所述腔体被在涂覆工艺中产生的层至少部分地穿透，从而相连的磁粒子(12)形成磁性多孔结构(13)。

Description

生产磁性结构的方法
技术领域
本发明涉及生产磁性结构的方法、具有磁性结构的装置以及包括具有磁性结构的如此装置与磁性传感器的系统。
背景技术
对于许多技术装置，用于生成特定场方向图的永磁体的三维布置是必不可少的。常常，借助于传统技术难以实现所期望的小型化程度，因为这些传统技术受限于永磁体的机械加工，尤其归因于材料(如，钕铁硼NdFeB)的脆性。本申请描述了生产小型化的磁性布置的可供选择的可能性。
重要的应用范围为用于确定角度、线路以及绝对位置的各种各样的设施和装置中的位置的磁检测。这样的系统由磁性量杆以及被指引跨越其的读头组成。读头多半基于能够以非常高的分辨率水平检测电磁场的磁阻(MR)传感器。
依据应用，这些磁性量杆具有非常不同的几何体。在布线的情况下，典型的量杆通常由安装于由不锈钢制成的载体上的磁带组成(参见【1】和【2】)。这样的磁带以定制方式被编码化(磁性化)在特定设施上。通过磁性化区域的间距(pitch)确定定位准确度。
0.5毫米的间距是现有技术水平。当使用现代MR传感器以及优化的测量算法时，能够实现间距的大约1/1000的分辨率，即0.5毫米的定位准确度。
磁性量杆(例如，以磁性脉冲轮形式)也被用于确定角度(参见【3】)。正如在磁带的情况下，它们被编码化在特定设施上。
磁位置检测的分辨率的进一步改进是相当感兴趣的。所述磁位置检测明显地主要受限于磁性量杆。在此上下文中，已寻求可供选择的技术。
为了解决所述问题，在【4】中给出建议，例如，以由互相分离的硬磁性结构的序列替代上述磁带。在【4】中，借助于利用硅基板上的抗蚀剂掩膜使用电沉积的半导体技术工艺，从宽为200μm的CoNiP带生产这样的量杆。
以此方式，可便利地生产具有微米范围内的间距的量杆。与上述典型的磁带相比的相当大优势在于耗时的顺序编码被省去。互相分离的硬磁性结构可同时被全部磁性化。
然而，此外相对较弱的仅少数硬磁性材料可被电沉积，例如，CoPt、铁铂合金(FePt)或CoNiMnP。此外，超出50μm的层厚度难以实施，因为在升高的温度处执行的任意后续工序可轻易地导致流电结构的压力诱导型层离。
电镀法的替代为溅射法。借助于溅射法，例如，可沉积NdFeB，其硬磁性靠多个因素而优于流电材料的磁性。然而，溅射层多半限于若干微米的厚度。在【5】中描述的具有大约15μm的厚度的溅射的NdFeB磁体是其极端示例。与通过电沉积生产的结构相比的劣势为高沉积温度以及随后需要结构化(图案化)溅射层的事实。
因此，改进已知的小型化磁性结构以达到尽管具有微米范围内的间距，磁性结构仍生成高磁场强度的效果是可取的。
发明内容
根据本发明，通过如下的方法、装置以及系统实现所述目的。
在本发明的方法中，提供了基板。在所述基板内产生至少两个互相空间隔离的腔体。每个腔体具有至少50μm的深度。所述腔体填充有(优选地，完全地充满)磁粒子。在接触点处，所述磁粒子彼此接触，腔体形成于接触点之间。通过使用涂覆(coating)工艺，如ALD(原子层沉积)涂覆工艺涂覆磁粒子。以此方式，至少一些磁粒子彼此连接，尤其是在它们各自的接触点处，因为腔体至少部分地被在涂覆期间产生的层穿透。因此，磁粒子固化以形成磁性多孔结构。因此，每个腔体具有形成于其中的磁性多孔结构。各个磁性多孔结构的尺寸取决于腔体的体积以及其填充度(即，填充在腔体中的粒子的量)。这意味着，如果具有50μm深度的腔体被磁粒子全部充满，以及如果所述粒子借助于涂覆工艺被固化以形成磁性多孔结构，所述磁性多孔结构将因此也具有50μm的厚度(在腔体的深度方向上)。利用本发明的方法，例如，此类硬磁粒子，如NdFeB粒子可被填充到腔体中，该硬磁粒子能够生成比由借助于沉积方法而可被沉积至基板上的其他材料生成的磁场大体更强的磁场。利用电沉积或溅射的磁性结构，长宽比多半保持为明显低于1。即，电沉积或溅射的磁性结构通常具有明显低于50μm的层厚度。然而，利用本发明的方法，提供具有50μm或更大的厚度(在腔体的深度方向上)的磁结构变成可能的。
可行的，腔体被引入基板以使得每个腔体具有至少4:1或6:1或10:1的长宽比。利用本发明的方法，因此可实现上至10:1以及更大的长宽比，这相应地导致在腔体内生成的磁性多孔结构的磁通量密度的增大。长宽比是腔体的深度(即，腔体穿透至基板中的深度)与其(最小)横向扩展的比。相应地，根据本申请的具有50μm(穿透)深度的每个腔体具有达到深度量的四分之一或六分之一或十分之一的横向扩展。本发明的长宽比确保了在腔体内生成的磁性多孔结构具有比沉积材料的磁通量密度明显高的磁通量密度。
然而，高磁通量密度是借助于非常高的所发明的4:1或6:1或10:1的长宽比而实现的。
此外，可想到的是，腔体被引入基板以使得每个腔体具有250μm或更小、或100μm或更小、或50μm或更小、或25μm或更小的横向扩展。即，如果腔体在6:1的长宽比下具有10μm的横向扩展，腔体将具有60μm的深度。与本发明的长宽比结合的所指示的横向扩展因此造成具有明显比现有技术更高的磁通量密度的磁性多孔结构的特别有利的实施。
根据本发明的方法的一个实施例，基板可以具有施加于其上的额外涂层，该涂层延伸跨越填充有磁粒子的腔体，以对腔体进行密封。所述额外涂层可被施加于基板的外侧上，特别地在基板的存在腔体的开孔的外侧上。例如，借助于溅射法、电沉积或借助于PECVD(等离子体增强化学气相沉积法)，所述额外涂层可被施加于磁性多孔结构以及基板上。所述额外涂层可提供抗蚀的可靠保护，例如，如果借助于额外涂层，磁性多孔结构被(优选地，密闭地)密封所有面。此外，利用额外涂层，可在通过应用例如软磁性层，如铁(Fe)或镍铁(NiFe)而可关闭磁性多孔结构的磁通时实现磁性多孔结构的磁性的相当大改进。涂层可包括一个或多个层，例如介电质层和软磁性层。
可想到的是，腔体被引入基板以使得在深度的方向上保持在腔体的最深点与在深度的方向最接近最深点的基板的外侧之间的残余厚度达到为10μm到100μm。换言之，从基板的第一外侧朝向基板的相对第二外侧引导腔体。腔体在此因此从第一外侧延伸至第二外侧，延伸的方向也可被称为深度的方向。腔体在深度的方向上延伸直至恰好使得具有从10μm到100μm的厚度的基板材料保持在腔体的最深点与基板的第二外侧之间的点。因此，腔体的最深点与基板之间的距离被设定。
通过使用干蚀刻法，腔体可被引入基板。此外，蚀刻终止层可被设置在基板内，其基本上正交于腔体的深度方向延伸。蚀刻工艺结束于蚀刻终止层，即，仅上至蚀刻终止层而不会超出蚀刻终止层地形成腔体。借助于蚀刻终止层，可以实现相当小且好地限定在腔体的最深点与在深度的方向上最接近最深点的基板的外侧之间的残余厚度。例如，具有二氧化硅(SiO2)的埋入式蚀刻终止层的硅(Si)晶圆在商业上可被获取作为所谓的SOI(绝缘体上硅薄膜)基板。可由单晶硅组成的SOI层的厚度例如可被设定为几乎具有任意值。
根据实施例，例如，蚀刻终止层可包括二氧化硅或氮化硅。可选地或额外地，蚀刻终止层可包括金属、金属氧化物或金属氮化物。这意味着，本发明的制造工艺并非限制于SOI基板。材料的许多其他组合对于设定在腔体的最深点与在深度的方向上最接近最深点的基板的外侧之间的残余厚度是可行的。例如，取代于单晶硅SOI层，可使用厚多晶硅层。在高温时，可便利地沉积单晶硅以具有上至50μm的厚度。同样地，可使用电沉积铜层。除二氧化硅、氮化硅之外，也可考虑各种各样的金属及其氧化物和氮化物用作埋入式蚀刻终止层。
根据本发明的实施例，蚀刻终止层可被布置在基板和SOI层之间，SOI层具有1μm和100μm之间的层厚度、或10μm和100μm之间的层厚度或50μm和100μm之间的层厚度。在腔体的最深点与在深度的方向上最接近最深点的基板的外侧之间的距离因此可被减小至若干微米。1μm和100μm之间的层厚度对于实现足够的机械稳定性是有用的。
另外，可行的是，腔体在从深度的方向看去的下部具有锥形部，该锥形部在各种情况下通过使用湿化学蚀刻工艺而被引入基板。腔体的下部的锥形化造成磁性多孔结构的场力线密度的进一步增大。例如，在干蚀刻之前，借助于具有倾斜侧壁的沟槽在水状氢氧化钾(KOH)或TMAH(四甲基氢氧化铵)溶液中的各向异性蚀刻，引入所述锥形化是可能的。
在此上下文中，锥形部被填充以具有比磁粒子更高的饱和磁化的材料也将是可行的。例如，被用来填充的该材料可以是铁磁性材料。由此，可实现磁性多孔结构的场力线密度的进一步增大。因此，例如通过用铁取代NdFeB充满锥形化腔体端部，可以实现将场力线密度至少增大至其值的二倍。可以在两个步骤中执行腔体的填充，例如，其中腔体首先被部分地填充以铁粉，且随后被完全地充满以NdFeB粉。
根据进一步可行的实施例，其中基板包括底基板和具有至少两个开孔的盖基板，该至少两个开孔完全延伸通过所述盖基板，其中盖基板被结合至底基板，以及其中盖基板内的开孔具有与底基板内的腔体的距离相等的距离，从而当盖基板被结合至底基板时，盖基板内的至少两个开孔变得与底基板内的至少两个腔体一致。因此，提供两部分基板，其两个部分被结合以形成最终基板。
在此上下文中，底基板包括硅以及盖基板包括塑料也将是可行的。塑料可以以简单方式加工且相比于硅是相当便宜的。
根据本发明的方法的实施例，可部分地或完全地移除基板以暴露磁性多孔结构的至少部分。因此，例如，可制造具有自立(无需支撑物)的磁性多孔结构的柔性磁装置。
此外，可借助于本发明的装置解决在一开始提及的问题，除其他以外，该装置包括：具有至少两个互相空间隔离的腔体的基板。每个腔体具有至少50μm的深度。所述腔体充满磁粒子，所述磁粒子在接触点处彼此接触并在接触点之间形成腔体。至于主题，本发明的装置易于与传统装置区分开，因为，一些磁粒子借助于涂覆在其接触点处彼此连接，特别地，通过涂覆使得腔体被至少部分地穿透，且因此，相连的磁粒子形成磁性多孔结构。这明显地不同于具有沉积于其上的磁性层的传统装置。
根据实施例，每个腔体可具有至少4:1或6:1或10:1的长宽比。
同样，每个腔体具有250μm或更小、或100μm或更小、或50μm或更小、或25μm或更小的横向扩展是可行的。
此外，可想到的是，涂层已被施加于基板上，其跨越填充有磁粒子的腔体而延伸，以密封腔体。
腔体可形成于基板内，以使得在深度的方向上保持在腔体的最深点与基板的外侧之间的残余厚度达到10μm到100μm。
此外，腔体可以各自包括当在深度的方向24看去时在其下部的锥形部，该锥形部被填充以具有比磁粒子更高的饱和磁化的材料。
本发明的装置的实施例规定基板包括底基板和包括至少两个开孔的盖基板，该至少两个开孔完全延伸通过所述盖基板，其中盖基板内的开孔具有与底基板内的腔体的距离相同的相互距离，以及其中盖基板与底基板结合以使得盖基板内的至少两个开孔与底基板内的至少两个腔体一致。
此外，为了解决上述问题，本发明提出一种系统，除了其他之外，该系统包括上述装置以及磁性传感器。磁性传感器可用于以距基板一定距离沿着基板的外侧移动经过多孔磁性结构，特别地在基板的位于各个腔体的开孔的对面的外侧上移动以经过多孔磁性结构而确定从装置发出的磁场强度。
附图说明
附图中描绘了本发明的实施例，且以下将解释本发明的实施例。
图1A-1D示出用于描述本发明的方法以及本发明的装置的俯视图(图1A)和侧视图的图形图像；
图2A-2C示出用于描述本发明的方法以及本发明的装置的侧视图的其他图形图像；
图3示出描绘规范化磁通量密度对长宽比的图表；
图4A-4D示出用于描述本发明的方法以及本发明的装置的侧视图的其他图形图像；
图5A-5D示出用于描述本发明的方法以及本发明的装置的侧视图的其他图形图像；
图6A-6D示出用于描述本发明的方法以及本发明的装置的侧视图的其他图形图像；
图7示出用于描述本发明的方法以及本发明的装置的侧视图的其他图形图像；
图8A示出测试结构的俯视图；
图8B示出沿着描绘与图8A中的相交线A-A的横截面图；
图9示出用于示出铁和NdFeB的磁场强度的图表；
图10A-10B示出用于描述本发明的方法以及本发明的装置的侧视图的其他图形图像；
图11A-11C示出用于描述本发明的方法以及本发明的装置的侧视图的其他图形图像；
图12A示出用于描述本发明的方法以及本发明的装置的侧视图的其他图形图像；以及
图12B示出用于描述本发明的方法以及包括本发明的装置和磁性传感器的本发明的系统的侧视图的其他图形图像。
具体实施方式
图1A-1D示出用于示出本发明的方法的图形图像。
图1A示出包括两个相互空间隔离的腔体11a、11b的基板10的俯视图。借助于适当方法，腔体11a、11b被引入基板10。左手侧腔体11a以测度a与右手侧腔体11b空间隔离。当示出以下实施例时，所述测度a也将被称作间距。
图1B示出基板10的侧视图。如在左手侧腔体11a的示例中示出的，腔体11a包括长为l的深度或穿透的深度以及宽为d的横向扩展。长度l与宽度d的比也被称为长宽比l/d。
根据本发明，腔体11a具有至少50μm的深度l。根据一些实施例，腔体11a还可具有至少4:1或至少6:1或甚至至少10:1的长宽比l/d。这意味着，深度l是宽为d的横向扩展的至少四倍或六倍或甚至十倍大。
关于长宽比以及穿透的深度l，顺便说一句，以上也同样适用于右手侧腔体11b以及可存在于基板10内的其他任意腔体。
腔体11a、11b各自包括朝向其周围的开孔14。例如，粒子可被填充进所述开孔14中。
如在图1C中所示，腔体11a、11b被填充以磁粒子12。在所描绘的实施例中，腔体11a、11b被填充满至边沿，从而所述腔体大致上达至腔体11a、11b的开孔14的上边缘。
在接触点处，所述磁粒子12彼此接触，腔体形成于接触点之间。根据本发明，通过使用涂覆工艺，如ALD工艺，涂覆磁粒子12。
由于所述涂覆，磁粒子12的至少一些在其接触点处彼此连接，因为腔体被在涂覆期间产生的层至少部分地穿透。优选地，作为所述涂覆的结果，所有的磁粒子12在其接触点处彼此连接，因为腔体被在涂覆期间生成的层完全穿透。
图1D示出涂覆工艺的结果。互相连接的磁粒子12形成固化的多孔结构13，其也是有磁性的。因此，各个磁性多孔结构13a、13b在每个腔体11a、11b中形成。
根据图1D中示出的实施例，通过涂覆，之前呈现为粒子的松散混合的所有的磁粒子12现已彼此连接。然而，通过涂覆仅一些松散粒子12彼此连接也是可行的。如果要保持未连接的松散粒子12，如果需要的话，它们也可再次从腔体11a、11b中移除。
互相连接的磁粒子12形成磁性多孔结构13。
在一些实施例中，腔体11a、11b可以具有10:1及更大的长宽比。
此外，腔体11a、11b可以具有75μm及更大、85μm及更大或100μm及更大的(穿透的)深度。与借助于普通沉积工艺已被施加至基板的磁性涂层相比，这是明显区别。由于与上述高长宽比相关的本发明的穿透的最小深度，可以生成具有高磁通量密度的磁性多孔结构13，磁通量密度的量比传统沉积的结构的磁通量密度高许多倍。
图2A示出用于图示地示出本发明的方法的实施例的装置的另一侧视图。在此描绘的基板10包括多个(七个，作为示例)腔体11a-11g。
如在图2B中可看到的，基板10包括上侧10a、左手侧10b、右手侧10c以及下侧10d。腔体11a-11g在深度的方向(参见箭头24)上从基板10的上侧10a延伸至其相对的下侧10d，而呈现出至少50μm的穿透的深度l’。每个腔体11a-11g具有最深点25，腔体11a-11g最大延伸进基板10下至该最深点。
腔体11a-11g延伸进基板10至如此深度，使得在深度的方向24上保持在腔体11a-11g的最深点25与基板10的在最深点25的对面的最外侧(在此为下侧10d)之间的残余厚度hp达到大约10μm到100μm。
换言之，基板10在位于腔体11a-11g的对面的其侧面10d上具有残余厚度hp。所述残余厚度hp具有从10μm到100μm的尺寸。
所有的腔体11a-11g被充满松散磁粒子12。例如，通过在其上使用刮片可执行松散磁粒子12至腔体11a-11g的引入。优选地，松散磁粒子12包括硬磁性材料，特别的，NdFeB。随后，通过使用涂覆工艺，如ALD工艺，涂覆松散磁粒子12。
如在图2C中可看到的，涂覆工艺造成松散磁粒子12连接或固化以形成磁性多孔结构13。此外，额外涂层16可被施加于基板10上。更具体地，额外涂层16被施加于基板10的包括腔体11a-11g的各个开孔14的侧面上，即在当前情况下，被施加于基板10的上侧10a上。额外涂层16因此延伸跨越填充以磁粒子12的腔体11a-11g，以以此密封腔体11a-11g。
可借助于已知方法，例如借助于化学气相沉积、溅射法等，将额外涂层16施加于基板10上。额外涂层16可保护和/或密封腔体11a-11g以免受如泥土、灰尘、湿度等的渗透。
还可借助于如溅射法、电沉积或PECVD，将额外涂层16施加于基板10上，且额外涂层16提供多个优势。一方面，为了实现抗蚀的可靠保护，多孔磁性结构13应被(优选地，密闭地)密封所有面。另一方面，当通过应用软磁性额外涂层16(例如Fe或NiFe)而可关闭磁性多孔结构13的磁通时，实现磁性的相当大的改进。额外涂层16还可包括多个层，如介电质层和软磁性层。
如在一开始提及的，本发明的布置可包括可达到至少4:1或至少6:1或在一些实施例中至少10:1的长宽比l/d。与现有技术相比，图1和2的本发明的布置的实施例的优势在于，例如，上至10:1及更大的高长宽比l/d造成高磁通量密度。通过将硬磁粒子12(如NdFeB)引入腔体11以及额外地通过提供额外的(例如)软磁性涂层16(图2)，可进一步提高通量密度。
然而，利用如在现有技术中描述的电沉积或溅射的磁性结构，长宽比l/d多半保持为明显低于1。
如在图3中所描绘的，上述实施例的至少4:1或6:1或10:1的长宽比l/d可确保可在磁性多孔结构13的周围实施高磁通量密度。
在图3中，在距条状磁体距离a＝100μm处(对应于腔体11的最深点25)的规范化的轴向磁通量密度Bz被标示于y轴上。举例来说，对于条状磁体，作为其长度L对其直径(竿、或杆、直径)d的函数的长宽比l/d被标示于x轴上。其中，考虑在25μm与400μm之间的各种直径d。
曲线31示出用于具有25μm的直径的条状磁体的磁通量密度对长宽比。曲线32示出用于具有50μm的直径的条状磁体的磁通量密度对长宽比。曲线33示出用于具有100μm的直径的条状磁体的磁通量密度对长宽比。曲线34示出用于具有200μm的直径的条状磁体的磁通量密度对长宽比。曲线35示出用于具有400μm的直径的条状磁体的磁通量密度对长宽比。
例如，利用具有宽为50μm的条状磁体(与磁性多孔结构13可比较)，从0.1到10的长宽比l/d的增大造成磁通量密度以一个数量级增大。通过使用新的基于粒子的制造方法，如此长宽比l/d是可能的，尤其对于小的磁性多孔结构(d<100μm)。相比之下，对于流电磁性层，0.1的长宽比是典型的。1-20μm的层厚度是典型的电镀厚度。50μm的层厚度关于电镀厚度早已非常大，且在技术上是非常难以实施的，因为在升高的温度处执行的任意后续过程将轻易地造成流电结构的压力诱导型层离。然而，由于磁效应取决于体积，因此本发明提出结构例如有至少50μm或大于100μm的尺寸(l)的规定。
优选地，当使用干蚀刻工艺时，腔体11a-11g被引入基板10。在此，例如，基板10可包括硅。如果以时控方式执行蚀刻，可执行蚀刻下至50-100μm的残余厚度hp。然而，蚀刻的腔体11的深度以及因此的hp可跨越基板10相当大的变化。如果蚀刻工艺受限于终止层，可实现相当小且更好限定的残余厚度hp。为了准确地控制蚀刻剂的渗透的深度，基板10可因此额外地包括蚀刻终止层。
图4A示出包括蚀刻终止层41的如此基板10。如在图4B中可看到的，蚀刻终止层41基本上正交于腔体11的深度的方向24延伸。
然而，不仅可以实现更好地限定的残余厚度hp，还可以实现相比于现有技术相当小的残余厚度hp。例如，可使用呈所谓的SOI基板形式的具有由SiO2制成的埋入式蚀刻终止层41的Si晶圆。
图4A-4D描述当使用如此SOI基板时的本发明的磁性装置40的制造。基板10包括蚀刻终止层41以及布置于其上的SOI层42。
蚀刻终止层41被布置在基板10和SOI层42之间。蚀刻终止层41可包括二氧化硅或氮化硅。然而，蚀刻终止层41还可包括金属、金属氧化物或金属氮化物。原则上，埋入式蚀刻终止层41的层厚度可在从100nm到1μm的范围内。
SOI层42可包括在从10μm到100μm的范围内的层厚度或在从50μm到100μm的范围内的层厚度。当使用如此的SOI基板(即，具有蚀刻终止层41和SOI层42的基板10)时，距离hp可因此被减小至若干微米。然而，为了确保足够的机械稳定性，在从1μm到100μm的范围内的SOI层厚度是有用的。可由单晶硅组成的SOI层42的厚度(例如)可被设定为几乎任意值。
图4A示出包括基板10、SOI层42以及布置在基板10和SOI层之间的蚀刻终止层41的SOI基板。在引入腔体11之前，基板10最初被翻转，参见图4B。
图4B示出当使用蚀刻方法时腔体11如何被引入基板10。蚀刻剂蚀刻腔体11下至蚀刻终止层41。
图4C示出如何以松散磁粒子12填充腔体11。在示出的示例中，通过在其上使用刮片，NdFeB粒子被引入腔体11。随后，当使用ALD工艺时松散粒子12被固化。图4C还清楚地示出，可借助于埋入式氧化层(SOI层)41设定在腔体11的最深点25与基板10的外侧10d之间的距离，即残余厚度hp。
图4D描绘在涂覆方法的应用下已固化的粒子12。更具体地，磁性松散粒子12已固化以形成磁性多孔结构13。此外，转而包括一个或多个层的额外涂层16被施加于基板10上，具体地，被施加于基板10的包括腔体11的开孔14的侧面10a上。
图4A-4D的制造工艺并不限于SOI基板。对于以此方式设定残余厚度hp，材料的许多组合是可行的。例如，可使用厚多晶硅层取代单晶硅SOI层42。在高温处，多晶硅可被沉积为(例如)具有上至50μm的厚度。同样地，可以使用电沉积的铜层。除二氧化硅、氮化硅以外，可考虑各种金属及其氧化物和氮化物用作埋入式蚀刻终止层41。
图5A-5D各自示出用于图示地示出本发明的方法的实施例的装置的另一侧视图。所述实施例与以上论述的实施例的不同之处在于，腔体11各自包括在从深度的方向24看在其下部处的当使用湿化学蚀刻工艺时而被引入基板的锥形部。
为了进一步增大场力线密度，待填充的腔体11在其最深点25的区域中可以是锥形的。例如，在干蚀刻之前，通过在水KOH或TMAH溶液中各向异性蚀刻具有倾斜侧壁的沟，这是可能的。
例如，图5A示出由硅组成的基板10。例如，通过水KOH或TMAH溶液中的各向异性蚀刻，截棱锥形状的沟槽51被引入基板10。类截棱锥形状的沟槽51包括倾斜侧壁52、53。
如在图5B中描绘的，随后借助于干蚀刻或任意其他适当方法加深沟槽51。以此方式，腔体11再次形成于基板10中。然而，就绝大部分而言，维持之前形成的截棱锥类型的形状。具体地，截棱锥类型的形状在干蚀刻期间在深度的方向上延续，以便腔体11在其最低端25处具有之前描述的倾斜侧壁52、53。
结合腔体11的各自最深点25，倾斜侧壁52、53形成锥形部。因此，锥形部25、52、53形成于当在深度的方向24看去时位于底部/最低部的腔体11的部分54中。换言之，当在深度的方向24看去时，腔体11在其下部的部分54处具有锥形部25、52、53。
图5C示出腔体11然后如何被再次填充以松散磁粒子12。
如在图5D中描绘的，当使用涂覆工艺时，松散磁粒子12固化以形成磁性多孔结构13。由于磁性多孔结构13采取它们位于其中的腔体11的形状，磁性多孔结构13也将在其各自下部具有锥形部。
此外，在当前情况下，可包括多个层的额外涂层也可被施加于基板10上。
在参照图5A-5D描述的实施例中，可能发生(如)各向异性蚀刻的沟槽51的截棱锥类型的形状由于长时间执行的干蚀刻而被篡改或歪曲(变得生硬)，且腔体11的深度l以及因此的残余厚度hp随干蚀刻而强烈地变化。
为了解决此问题，可选地可以以图6A-6D中描绘的方式通过将两个预加工的开始基板10’和10”相结合来制造具有腔体11的基板10。然后可根据图6D进一步加工所述开始基板10’和10”。可选地，第二基板10”内的开孔61a、61b也可随着与第一基板10’的结合而生成。
图6A示出盖基板10”，且图6B示出底基板10’。底基板10’本质上对应于之前参照图5A描述的基板10。在此描绘的底基板10’也包括具有在各种情况下是倾斜的侧壁52、53的沟槽51a、51b，以便截棱锥类型的形状产生。沟槽51a、51b也被称为被引入底基板10’的腔体。
图6A中描绘的盖基板10”包括完全延伸通过盖基板10”的开孔61a、61b。如通过在图6A和图6B之间示出的箭头62描绘的，两个基板，即底基板10’和盖基板10”被结合以形成一个共同基板10。
如此的结合的基板10示出在图6C中。在此实施例中，基板10因此包括彼此结合的底基板10’和盖基板10”。基板10’、10”可被结合在一起，例如，借助于黏结、焊接或胶接以形成一个共同基板10。
如可看到的，盖基板10”内的开孔61a、61b具有与底基板10’内的腔体或沟槽51a、51b的距离X2一样的相互距离X1。因此，当盖基板10”与底基板10’结合时，盖基板10”内的开孔61a、61b变得与底基板10’内的腔体或沟槽51a、51b一致。
因此，底基板10’与盖基板10”一起形成共同基板10。在底基板10’内配置的并类似于截棱锥的腔体或沟槽51a、51b在此与盖基板10”内形成的连续开孔61a、61b一起形成设置在共同基板10内的腔体11。在本发明的一些实施例中，腔体11在至少4:1或6:1或10:1的长宽比l/d的情况下可包括至少50μm的深度l。
此外，当在深度的方向24上看去时，所述结合的腔体11在其各自下部各自包括锥形部，如以上已参照图5A-5D所解释。
根据本发明，在某种程度上，这些两部分腔体11也可被重新填充以松散磁粒子12，且随后在使用涂覆工艺时可被固化以形成磁性多孔结构13。
图6D示出进一步的工艺步骤，其中一方面，上述松散磁粒子被固化以形成磁性多孔结构13，另一方面，底基板10’被向后薄化至残余厚度hp。此可受到(例如)研磨和/或抛光等的影响。
可以有利的是，当根据图6C和6D制造腔体11时，使用硅作为用于底基板10’的开始材料，以在一方面尽可能准确地限定磁性多孔结构13的磁极出口端以及在另一方面获得平坦且耐腐蚀的外表面。然而，出于成本的原因或为了简化制造，包括连续开孔61a、61b的盖基板10”也可由塑料制成。
如果盖基板10”包括塑料，连续开孔61a、61b可通过(例如)钻孔而被引入盖基板10”。如果盖基板10”包括硅，连续开孔61a、61b可通过(例如)使用干蚀刻法而被引入盖基板10”。如果底基板10’包括硅，腔体或沟槽51a、51b可通过使用(例如)湿化学蚀刻法，例如通过在水KOH或TMAH溶液中的硅的各向异性蚀刻而被引入底基板10’。
如一开始已提及的，在腔体11的下部54中的锥形部25、52、53确保存在于(如我们所知的)适于腔体11的各个形状且因此也包括锥形部的磁性多孔结构13的出口端的场力线密度被增大。
通过从具有较高饱和磁化的材料实施磁性多孔结构13的锥形化部分，可实现场力线密度的进一步增大。如图7所示，为此，腔体11的锥形部25、52、53可被填充以如具有比磁粒子12的饱和磁化更高的饱和磁化的铁磁性材料71。
可在两个步骤中制造图7中所述的装置，例如，其中腔体11首先被部分填充以铁粉且随后被NdFeB粉充满。因此，铁粉将沉积于腔体11的锥形部25、52、53内，而剩余腔体11将被填充以NdFeB粉。
图8A示出测试结构81的俯视图。图8B示出沿着相交线A-A的测试结构的横截面图。测试结构81包括彼此空间隔离的多个腔体11。出于测试目的，腔体11一次被填充以NdFeB粒子，一次被填充以铁粒子，且在两种情况下均借助于ALD工艺而被固化以形成磁性多孔结构13。
图9示出用于在各种情况下被不同填充的测试结构81的B-H曲线。通过使用铁粒子生成曲线91。磁滞曲线92表示填充以NdFeB粒子的腔体11的行为。根据此，通过以铁粒子而非NdFeB粒子填充满锥形部，可以实现场力线密度增大为其量的至少两倍。
图10A和10B示出用于图示地示出本发明的方法的另一实施例的另一装置，其中基板10被部分或完全移除以暴露磁性多孔结构13的至少部分。
本质上，图10A示出以上参照图4C描述的装置，其中提供包括硅基板10、SOI层42和埋入其间的蚀刻终止层41的SOI基板。填充进腔体11的磁粒子12已被固化以形成磁性多孔结构13。
图10B示出另一工艺步骤，其中硅基板10已被完全移除而蚀刻终止层41和SOI层42仍保持。可(例如)通过在XeF2气相中蚀刻来移除硅基板10。通过移除硅基板10，可完全暴露磁性多孔结构13。
通过部分地移除明显地也可以包括除硅之外的材料的基板10，将相应地仅部分暴露磁性多孔结构。
通过暴露磁性多孔结构13，装置可具有在其上给予的机械柔韧性。包括蚀刻终止层41和SOI层42的层结构在此也可充当柔性载体层。此外，如软磁性材料的涂层可被施加于磁性多孔结构13的自立部分上。
图11A、11B和11C示出制造自立结构的可行性替代方案。
图11A示出本质上对应于之前参照图2C论述的装置的装置。基板10包括充满松散磁粒子12的腔体11，当使用涂覆工艺时松散磁粒子转而被固化以形成磁性多孔结构13。可包括多个层的额外涂层16已被施加于基板10的包括腔体11的开孔14的侧面10a上。
在图11B中，如塑料或金属的优选柔性载体94布置在额外涂层16的背离基板10的侧面上。例如，载体94可借助于黏结、焊接或胶接而被布置在额外涂层16上。
随后，例如，可借助于在XeF2气相中的蚀刻完全或至少部分地移除基板10。如图11C中所示，因此获得具有自立的磁性多孔结构13的柔性装置。与图11B中的图片相比，装置已被旋转180°，从而磁性多孔结构13指向上。
图12A和12B分别示出本发明的装置1201和包括本发明的装置1201与磁性传感器1202的系统1203。
首先，图12A示出具有多个相互空间隔离的腔体11的基板10。腔体11具有位于其中的松散磁粒子12，当使用涂覆工艺时，松散磁粒子已被固化以形成磁性多孔结构13。
如以上已参照图2B所解释的，基板10包括上侧10a、相对的下侧10d以及左手和右手侧10b、10c。上侧10a为从其将腔体11引入基板10的基板10的一侧。这是腔体11的开孔14为何位于基板10的上侧10a上的原因。
腔体11从上侧10a在深度的方向24上延伸通过基板10并延伸至下侧10d。每个腔体24具有位于于所述深度的方向上的下部25。
由于本发明的装置1201包括至少两个磁性多孔结构13，其可被用作磁性量杆。图12B示出本发明的装置1201作为磁性量杆的使用。在此示出除本发明的装置1201之外还包括磁性传感器1202的系统1203。
磁性传感器1202用于确定从装置1201发出的磁场强度，磁性传感器被以距基板10一定距离沿着基板10的外侧10d移动经过多孔磁性结构13，特别地在基板10的位于各个腔体11的开孔14的对面的外侧10d上移动经过多孔磁性结构13。
正如从图12A和12B的比较变得清楚的，磁性量杆1201被旋转180°，即，基板10的下侧10d位于磁性传感器1202的对面。基板10的下侧10d此时可被称为上侧，基板10的上侧10a此时可被称为下侧。
相应地，深度的方向24也指向相对方向。然而，深度的方向24仍继续描述腔体11已被引入基板10的方向。因此，每个腔体11继续包括当在深度的方向24看去时的下部25。
残余厚度hp存在于当在深度的方向看去时在所述下部25与基板的最接近于所述下部的外侧(即下侧10d)之间。
磁性传感器1202布置在基板10的所述外侧10d的对面。磁性传感器1202以hs的测度与所述基板侧10d空间隔离。如箭头1204所指示的，可相对于装置1201，即相对于磁性多孔结构13以大致不变的距离hs移动磁性传感器1202。在此基本上与基板10的在对面的外侧10d平行地移动磁性传感器1202。
由于磁性传感器1202距基板10的相对的外侧10d的距离优选地在若干微米的范围内，将基板的外侧10d的表面设计为尽可能平坦的是可取的。
为了实现此，在现有技术的传统磁性量杆中，基板10的上侧10a，即基板10的包括腔体的开孔14的外侧10a被涂以额外涂层。然后借助于研磨和抛光将所述额外涂层平坦化。
根据本发明的装置1201作为磁性量杆的使用，建议简单地翻转基板12，如图12A和12B所示。由于基板10的背面10d通常是平坦的，基板10的所述背面10d可被用作位于磁性传感器1202的对面的侧面。根据本发明，因此无需将额外涂层施加于基板10的包括腔体11的开孔14的侧面以及无需随后将所述涂层平坦化。此外，利用本发明的装置1201，同时保护磁性多孔结构13免受污染和腐蚀。
原则上，以上参照图1-11所描述的所有装置可被用作根据图12B的磁性量杆。
在此的优势在于，可减小传感器1202与多孔硬磁性极点结构13的极点出口端25之间的垂直距离hs。hs越小，在传感器位置处的磁通量密度越高。除了其他之外，距离测度hs受限于磁性多孔结构13与磁性量杆1201的表面10d之间的距离hp。除基板10的上侧10d之外，此可为(例如)可保护量杆1201免受机械损害和腐蚀并可轻易地具有超出在传统的已知磁性量杆中的200μm的厚度的层。
在本发明的磁性量杆1201中，相当小的距离是可能的。例如，在Si基板10的情况下，可借助于干蚀刻(DRIE)生成限定磁性多孔极点结构12的几何体的腔体11。在此情况下相对于晶圆10的下侧10d保持的残余厚度hp可被设定为优选地从10μm到100μm的测度，这明显地小于以上提及的现有技术中的200μm的厚度。
通常地，由最丰富的材料制成的平坦且三维形状的结构可用于制造基于多孔硬磁性模制本体13的磁性量杆1201，假设所用的材料耐得住以上所解释的本发明的制造工艺而不受损害。
如参照图10B和11C所述，完全或部分地移除具有多孔硬磁性模制本体13嵌入其中的基板10以对磁性量杆1201给予柔韧度也可以是有利的。
如果在图10B和11C的可用作磁性量杆的所述装置中，多孔硬磁性极点结构13形成磁性量杆的上侧(即，面向传感器1202的一侧)，所述极点结构13应有利地受到采取额外措施的保护。然而，图10B和11C中描绘的包括自立的磁性多孔结构13的实施例转而也可被旋转180°，以便额外涂层94(图11C)和/或Si/SiO堆叠41、42(图10B)形成上侧(即，面向传感器1202的一侧)。
在图10B中描绘的情况下，在提供柔性载体层的同时，SOI晶圆的Si/SiO堆叠41、42可形成磁性量杆的上侧。一旦基板10已被移除，可额外地应用软磁性盖体。
此外本发明的磁性量杆导致以下优势：
·特别地，具有高剩磁水平和矫顽磁场强度的高性能磁性材料可被用作量杆，如NdFe，与典型的磁带相比其在保证较高信号的同时还使得它们对于外部磁场和升高的温度是相当低敏感的。
·量杆可被集成在平坦的基板上以及包括复杂三维几何体且从大量不同材料制成的部件上。
·可制造具有高长宽比和相应被改进的场分布的硬磁性结构。
·基板的表面的一个充当量杆的表面。在Si基板的情况下，表面是完全平坦的。此外，以简单的方式保护硬磁性结构免受任意类型的环境影响和/或腐蚀。
利用如此的本发明的磁性量杆，可在任意类型的装置和设施中实施呈现特别高分辨率水平的磁性位置检测。
本发明的示例性实施例提供生产三维磁性量杆的方法，其中，
·对于具有上至500μm的横向尺寸d的结构，可生产长宽比L/d>1；
·对于具有上至50μm的横向尺寸d的结构，可生产长宽比L/d>10；
·在各种情况下，可在其后侧以软磁性层关闭磁性极点结构13的磁通；
·例如，通过结合各向异性蚀刻和深度蚀刻，可实现磁性极点13在其前侧的锥形化；
·相比于形成磁性极点13的硬磁性材料，可生产从具有较高的饱和磁化水平的铁磁材料制成的磁性极点13的锥形化；
·以及，磁性极点结构13可集成在由最丰富材料制成的平坦且三维形状的基板10上，假设所用材料耐得住制造多孔模制本体13的工艺而不受损害。
图1-12已被用来示出和图示性地描述本发明的方法。应理解的是，图1-12也示出权利要求书中所请求的本发明的装置的实施例。
上述实施例与具体大小(如，直径或横向尺寸)无关。磁粒子12可具有(如)从1μm到20μm、从2μm到15μm或从5μm到12μm的直径。例如，其他磁粒子12可具有范围在从0.1μm到20μm、从0.5μm到5μm或从0.8μm到1.2μm的直径或横向尺寸。
即使上述实施例已被描述为，磁性多孔结构13包括至少部分地彼此连接的腔体，也可以(特别是在粒子大小小于2μm时)借助于涂覆工艺，实现对多孔结构13的密封，即对粒子12之间的腔体的封锁。
即使上述实施例已被描述为，基板10具有平坦的形状，基板10也可以具有其他形状。例如，基板10可以具有弧形(如，穹状结构)或其中部分是平坦的和/或弯曲的形状。
即使已在装置的上下文中描述一些方面，应理解的是，所述方面也可表示相应方法的描述，从而装置的块或结构化部件也可被理解为相应方法步骤或方法步骤的特征。照此类推，已在方法步骤或其上下文中描述的方面也可表示相应装置的相应块或细节或特征的描述。
也可以以除权利要求中所指示的顺序以外的任意其他顺序执行所述方法步骤。
上述实施例仅表示本发明的原理的说明。应理解的是，本领域技术人员将领会到本文中所述的布置和细节的变形或修改。这也是为何意图仅由以下的权利要求的范围限制而不由借助于实施例的描述和论述而已在本文中提出的特定细节限制本发明的原因。
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Claims (21)

1.一种方法，包括：
提供基板(10)并在所述基板(10)内产生至少两个相互空间隔离的腔体(11a、11b)，每个腔体(11)具有至少50μm的深度(l)；
以磁粒子(12)填满腔体(11)，其中所述磁粒子(12)在接触点处开始彼此接触，以及其中腔体形成在所述接触点之间；以及
通过涂覆所述磁粒子(12)而将所述磁粒子(12)的至少一些在其接触点处相连，其中所述腔体被在涂覆期间产生的层至少部分地穿透，从而相连的磁粒子(12)形成磁性多孔结构(13)。
2.根据权利要求1所述的方法，其中所述腔体(11)被引入所述基板(10)以使得每个腔体(11)具有至少4:1或6:1或10:1的长宽比(l/d)。
3.根据权利要求1所述的方法，其中所述腔体(11)被引入所述基板(10)以使得每个腔体(11)具有250μm或更小、或100μm或更小、或50μm或更小、或25μm或更小的横向扩展(d)。
4.根据权利要求1所述的方法，其中所述基板(10)具有施加于其上的涂层(16)，所述涂层(16)延伸跨越填充有所述磁粒子(12)的所述腔体(11)以密封所述腔体(11)。
5.根据权利要求1所述的方法，其中所述腔体(11)被引入所述基板(10)以使得在深度的方向(24)上保持在所述腔体(11)的最深点(25)与在所述深度的方向(24)上最接近所述最深点(25)的所述基板(10)的外侧(10d)之间的残余厚度(hp)达到10μm到100μm。
6.根据权利要求1所述的方法，其中，通过使用干蚀刻方法将所述腔体(11)引入所述基板(10)，以及其中在所述基板(10)内设置基本正交于所述腔体(11)的深度的方向(24)而延伸的蚀刻终止层(41)。
7.根据权利要求6所述的方法，其中所述蚀刻终止层(41)包括二氧化硅、或氮化硅、或金属、或金属氧化物或金属氮化物。
8.根据权利要求6所述的方法，其中，所述蚀刻终止层(41)被布置在所述基板(10)与SOI层(42)之间，所述SOI层(42)具有1μm和100μm之间的层厚度或10μm和100μm之间的层厚度。
9.根据权利要求1所述的方法，其中所述腔体(11)各自包括当在所述深度的方向(24)上看去时在其下部(54)处的使用湿化学蚀刻工艺时被引入所述基板(10)的锥形部(25、52、53)。
10.根据权利要求9所述的方法，其中以具有比所述磁粒子(12)的饱和磁化水平高的饱和磁化水平的材料填充所述锥形部(25、52、53)。
11.根据权利要求9所述的方法，其中，所述基板(10)包括底基板(10’)和盖基板(10”)，所述盖基板(10”)具有完全延伸通过所述盖基板(10”)的至少两个开孔(61a、61b)；其中所述盖基板(10”)与所述底基板(10’)结合，以及其中所述盖基板(10”)内的所述开孔(61a、61b)具有与所述底基板(10’)内的至少两个腔体(51a、51b)之间的距离(X2)相等的距离(X1)，从而当所述盖基板(10”)与所述底基板(10’)结合时，所述盖基板(10”)内的所述至少两个开孔(61a、61b)与所述底基板(10’)内的至少两个腔体(51a、51b)相一致。
12.根据权利要求11所述的方法，其中，所述底基板(10’)包括硅，以及所述盖基板(10”)包括塑料。
13.根据权利要求1所述的方法，其中所述基板(10)被部分地或完全地移除以暴露所述磁性多孔结构(13)的至少部分。
14.一种装置，包括：
包括至少两个互相空间隔离的腔体(11a、11b)的基板(10)，每个腔体(11)具有至少50μm的深度(l)；
其中所述腔体(11)被填满磁粒子(12)，所述磁粒子(12)在接触点处开始彼此接触并在所述接触点之间形成腔体；以及
其中，借助于涂覆，所述磁粒子(12)的至少一些在其接触点处彼此相连，特别地通过涂覆所述腔体被至少部分地穿透，以使得相连的磁粒子(12)因而形成磁性多孔结构(13)。
15.根据权利要求14所述的装置，其中每个腔体(11)具有至少4:1或6:1或10:1的长宽比(l/d)。
16.根据权利要求14所述的装置，其中每个腔体(11)具有250μm或更小、或100μm或更小、或50μm或更小、或25μm或更小的横向扩展(d)。
17.根据权利要求14所述的装置，其中所述基板(10)具有施加于其上的涂层(16)，所述涂层(16)延伸跨越填充有所述磁粒子(12)的所述腔体(11)以密封所述腔体(11)。
18.根据权利要求14所述的装置，其中所述腔体(11)形成在所述基板(10)内以使得在深度的方向(24)上保持在所述腔体(11)的最深点(25)与相邻于所述最深点(25)的所述基板(10)的外侧(10d)之间的残余厚度(hp)达到10μm到100μm。
19.根据权利要求14所述的装置，其中所述腔体(11)各自包括当在所述深度的方向(24)上看去时在其下部(54)处的锥形部(25、52、53)，所述锥形部(25、52、53)被填充有包括比所述磁粒子(12)的饱和磁化水平高的饱和磁化水平的材料。
20.根据权利要求14所述的装置，其中，所述基板(10)包括底基板(10’)和盖基板(10”)，所述盖基板(10”)具有完全延伸通过所述盖基板(10”)的至少两个开孔(61a、61b)；其中所述盖基板(10”)内的所述开孔(61a、61b)具有与所述底基板(10’)内的至少两个腔体(51a、51b)之间的距离(X2)相等的距离(X1)，以及其中所述盖基板(10”)与所述底基板(10’)结合，以使得所述盖基板(10”)内的所述至少两个开孔(61a、61b)与所述底基板(10’)内的至少两个腔体(51a、51b)相一致。
21.一种系统(1203)，包括如权利要求14所述的装置(1201)以及磁性传感器(1202)，所述磁性传感器(1202)用于以距基板一定距离沿着所述基板的外侧移动经过多孔磁性结构，特别地在所述基板的位于各个腔体的开孔的对面的外侧上移动经过多孔磁性结构而确定从所述装置发出的磁场强度。
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