CN117222303A - 具有含减小的矫顽力的软磁合金的传感器器件及制造方法 - Google Patents
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Abstract
本申请公开了具有含减小的矫顽力的软磁合金的传感器器件及制造方法。一种传感器器件,包括基板,该基板包括一个或多个磁传感器元件;在该一个或多个磁传感器元件的顶上的第一弹性材料;磁性层,该磁性层包括通过电镀或通过溅射沉积在第一弹性材料的顶上的软磁金属合金;以及可任选地在磁性层的顶上的第二弹性材料。基板可以是CMOS器件,其具有被封装在两个聚酰亚胺层之间的IMC。可以使用具有在100至300毫特斯拉的范围中的强度的恒定或旋转磁场、在250℃至295℃下对磁性材料退火。软磁合金被布置为集成磁聚集器(IMC)。
Description
本申请是申请日为2017年7月25日、优先权日为2016年7月26日、申请号为201710612222.2,题为“具有含减小的矫顽力的软磁合金的传感器器件及制造方法”的发明专利申请的分案申请。
技术领域
本发明涉及磁传感器以及用于制造此类磁传感器的方法的领域。更具体而言,本发明涉及具有减小的迟滞的磁传感器以及用于制造此类传感器的方法。
背景技术
磁传感器可用于宽泛的应用领域中。磁传感器的一个示例性应用是作为用于控制电动机的角传感器。磁传感器可用于确定磁场的量和/或方向。
已开发了若干种磁传感器设计。一种感兴趣的磁传感器设计基于包括磁性敏感区的半导体基板,该磁性敏感区是通过将磁感测元件以所谓的“水平霍尔元件”的形式嵌入半导体基板中、并通过在半导体基板的顶上布置磁性物质以用于将磁通量从水平方向(平行于半导体基板的表面)朝垂直方向(垂直于所述表面)弯曲来获得的。被布置在磁感测元件附近以用于弯曲磁场线的这种磁性物质在本领域中被称为“集成磁聚集器”(缩写为IMC)并且例如在EP1182461和EP2814065中描述。
磁性材料的问题在于其具有(与磁矫顽力相关的)迟滞,这导致磁场强度测量的不准确性。存在减小磁性材料的矫顽力的需求。
发明内容
本发明的各实施例的目的是提供包括具有减小的矫顽力的软磁合金的传感器器件以及制造此类传感器器件的方法。
这些目的通过根据本发明的各实施例的器件和方法来实现。
在第一方面,本发明提供了一种传感器器件,包括:包括一个或多个磁传感器元件的基板;在基板的顶上的第一弹性材料;磁性层,其包括通过电镀或通过溅射沉积在第一弹性材料的顶上的软磁金属合金;在磁性层的顶上的第二弹性材料。
“包括一个或多个磁传感器元件的基板”可以例如是具有被纳入的磁传感器元件的基板,或者可以例如是具有安装在其上的磁传感器元件的基板。
第一弹性材料可以被沉积在一个或多个磁传感器元件的顶上,或者毗邻于这些传感器元件。
一个或多个磁传感器元件可以是分开的霍尔元件,诸如转移印刷元件,或者可以是嵌入或集成到基板中的传感器元件。基板可以是半导体基板,或者由另一种材料制成的基板。
在半导体材料与磁合金之间施加第一弹性材料或弹性化合物是有益的,因为这减小了施加在磁传感器元件(例如,霍尔元件)上的机械应力,但特别是因为这还减小了施加在磁合金上的机械应力。如本领域中已知的,减小施加在霍尔元件上的机械应力可以减小电压偏移误差。根据本发明的洞察,减小磁合金的机械应力被发现减小矫顽力。发明人强烈认为,后一种效果或者在本领域未知,或者至少不被认为与粒度尺寸相比对矫顽力具有显著影响。
以使得磁合金被完全包围或封装在弹性材料之中或之间的方式在软磁金属合金的顶上施加第二弹性材料是特别有益的。这特别旨在(尤其通过封装)进一步减小施加在磁合金自身上的应力。
尽管不是绝对需要的,但如果第二弹性材料或化合物与第一弹性材料或化合物相同则是一种优点,因为之后在磁性材料上方和下方的层具有相同的热行为。
已发现,封装磁性材料可以将磁性材料中的剪切应力减小若干个数量级。
具体而言,减小磁性材料中的应力可以避免和/或减小应力引发的(例如,与磁矫顽力相关的)磁迟滞的变化,并且由此避免和/或减小对传感器器件的磁场强度测量的不准确性。
此外,根据本发明的各实施例,软磁合金形成器件中的集成磁聚集器。根据本发明的各实施例,该软磁合金的封装可以避免和/或减小集成磁聚集器与感测元件之间的相对对准的变化、和/或集成磁聚集器相对于感测元件的磁场对准属性由于应力(例如,软磁合金中的内部应力)引起的变化,以使得通过本发明的各实施例可以有利地实现稳定和稳健的信号换能。
传感器器件优选地是半导体器件,例如集成半导体器件或者经封装的半导体器件。
软磁合金在形状、尺寸和位置上被布置(例如,被配置,例如,被适配)为集成磁聚集器。磁性层可用作集成磁聚集器,本身在本领域中被称为“IMC”。
在一实施例中,基板包括一个或多个嵌入式传感器元件,并且其中,软磁合金被布置为集成磁聚集器。
在一实施例中,磁传感器元件可以被嵌入基板中以形成水平霍尔元件,并且软磁合金可以被配置并布置成:在磁传感器元件附近将磁通量从平行于基板的表面的水平方向朝垂直于所述表面的垂直方向弯曲。
基板可以是CMOS器件。CMOS技术是选择用于大批量应用的技术,并且允许集成进一步的功能,诸如模拟或数字滤波、模拟或数字处理、等等。在CMOS器件还包括可编程处理器的特定实施例中,传感器器件是“智能传感器器件”。
在一实施例中,第一和/或第二弹性材料或化合物选自由聚酰亚胺、PDMS、PBO、WPR、树脂构成的组。
使用聚酰亚胺是有益的,因为它是公知且标准的能够耐受高温的材料。聚酰亚胺具有非常好的弹性,并且被发现显著地减小磁性材料上的应力。
但是本发明不限于使用聚酰亚胺,并且也可以使用其他材料,诸如例如PDMS、PBO、WPR、树脂,因为它们也具有低刚度,这引起磁合金与半导体器件的其余部分(特别是封装)的解耦。
在一实施例中,软磁合金是Fe-Ni合金或Co-Ni合金或Fe-Co-Ni或Fe-Co合金或Fe-Si合金。
CoNi合金的优点在于这种合金可以容易地被电镀。
Fe-Ni合金可包括至少95%的Fe和Ni原子,以及最多5%的其它原子。
对于Fe-Ni、Fe-Co-Ni和Fe-Co合金,优选地Fe的浓度在按重量10至30%的范围中,例如,在按重量19至25%的范围中,或者甚至在按重量19至22%的范围中。这种合金的矫顽力低并且导磁率高。
可任选地,合金可进一步包括按重量至少1%的钼,这可减小矫顽力的温度依赖性。
根据第二方面,本发明提供了一种生产传感器器件的方法,包括以下步骤:a)提供包括一个或多个磁传感器元件的基板;b)在一个或多个磁传感器元件的顶上沉积第一弹性材料;c)通过电镀或通过溅射在第一弹性材料的顶上施加包括软磁金属合金的磁性层。
通过溅射或电镀来沉积磁合金是有益的,因为这允许产生非常薄的层,这与例如作为分开的结构来生产磁性层(其后续被胶合或以其它方式连接到基板)形成对比。
在半导体材料与磁合金之间施加第一弹性材料或弹性化合物是有益的,因为这减小了施加在磁传感器元件(例如,霍尔元件)上的机械应力,但特别是因为这还减小了施加在磁合金上的机械应力。如本领域中已知的,减小施加在霍尔元件上的机械应力可以减小电压偏移误差。根据本发明的洞察,减小磁合金的机械应力被发现减小矫顽力。发明人强烈认为,后一种效果或者在本领域未知,或者至少不被视为或认为对矫顽力与粒度尺寸相比具有显著影响。
该方法进一步包括如下在步骤b)之后并且在步骤c)之前或之后的步骤d):d)在磁性层的顶上沉积第二弹性材料。
步骤c)包括:将软磁合金布置为集成磁聚集器(IMC)。基板可以是CMOS器件。
在磁性层的顶上施加第二弹性材料或弹性化合物是有益的,因为这特别有利于将磁性材料完全地包围或封装在弹性材料之中或之间。这特别旨在(尤其通过封装)进一步减小施加在磁合金自身上的应力。如上面提到的,发明人认为,机械应力对软磁材料的矫顽力的影响不被认为是显著的,因此基于该新洞察所提出的解决方案被认为是有创造性的。已发现,封装磁性材料可以将磁性材料中的剪切应力减小若干个数量级。
尽管不是绝对需要的,但如果第二弹性材料或化合物与第一弹性材料或化合物相同则是一种优点,因为之后在磁性材料上方和下方的层具有相同的热行为。
在一实施例中,步骤a)可包括:提供包括一个或多个嵌入式传感器元件以形成水平霍尔元件的基板。
在一实施例中,步骤c)可包括:将软磁合金布置并配置成:在磁传感器元件附近将磁通量从平行于基板的表面的水平方向朝垂直于所述表面的垂直方向弯曲。
在一实施例中,步骤b)包括:提供选自由聚酰亚胺、PDMS、PBO、WPR、树脂构成的组的材料或化合物作为第一弹性材料。
在一实施例中,步骤d)包括:提供选自由聚酰亚胺、PDMS、PBO、WPR、树脂构成的组的材料或化合物作为第二弹性材料。
在一实施例中,步骤a)包括:提供包括一个或多个磁传感器元件的基板以及要被电镀的导电层;并且步骤c)包括:通过电镀来施加磁性层。
可任选地,包括硼酸的液体用于硼的共沉积。硼的共沉积可以进一步减小矫顽力。
可任选地,通过共沉积铁氧体颗粒和/或铁氧体纳米颗粒(诸如举例而言FeFeO3或ZnFeO3)来施加磁性层。
铁氧体颗粒或铁氧体纳米颗粒的共沉积可以进一步减小矫顽力,并且可减小矫顽力根据温度的变化。
在一实施例中,步骤c)包括:通过溅射来施加磁性层。
在一实施例中,该方法进一步包括如下在步骤c)之后并且在步骤d)之前或之后的步骤e):e)在存在具有至少部分地使软磁金属合金饱和的密度的磁场的情况下,在250℃至370℃的范围中的温度下对具有磁性层的基板进行退火达10分钟至24小时的范围中的持续时间。
在所述条件下的退火步骤的主要优点在于,它提供了具有含有减小的矫顽力的集成磁聚集器的半导体器件。
在实验期间意外地发现,在存在具有该密度的磁场的情况下在所述温度下进行退火达该持续时间具有显著地减小矫顽力的效果。就发明人所知,没有现有技术文档公开了在如此低的温度下在磁场中进行退火达如此长的时间对矫顽力具有影响。似乎普遍认为应当并且只能够通过减小粒度尺寸来减小矫顽力。
在固定磁场中使用退火、在FeNi合金情况下的实验已显示,与在没有该磁场的情况下进行退火相比矫顽力可以减小大约2倍,并且当在旋转磁场的情况下进行退火时可减小大约5倍。这是重要的改善,并且显著改善了磁场测量的准确性。以此方式生产的器件理想地适用于电流感测应用。
磁传感器元件可包括一个或多个霍尔元件(例如,水平霍尔元件和/或垂直霍尔元件)或由其构成。
在一实施例中,步骤e)包括:使用在100毫特斯拉至300毫特斯拉的范围中的磁场强度,在250℃至295℃的范围中的温度下进行退火达3小时至24小时的范围中的持续时间。
100至300毫特斯拉的值大约是自发磁化场乘以纵横比。
该方法的优点在于,可以使用较低的温度,虽然可能需要较长的持续时间来获得相同的效果。
在一实施例中,步骤e)包括:在存在恒定磁场的情况下进行退火。
这种磁场可以例如通过一个或多个线圈(其中注入恒定的电流)来创建,或者可以例如通过永磁体来创建。
在一实施例中,步骤e)包括:在存在相对于基板旋转的磁场的情况下进行退火。
这种磁场可以例如通过其中动态地切换电流的多个线圈来创建,或者可以例如通过相对于恒定电流流过的线圈物理地旋转CMOS器件来创建、或者可以例如通过相对于永磁体物理地旋转CMOS器件来创建。
在一实施例中,步骤e)包括:通过一个或多个永磁体来生成磁场,并相对于该一个或多个永磁体旋转具有磁合金的基板,或者反之亦然。
鉴于生成至少部分地使磁合金饱和的强磁场所需要的相对高的电流、并且鉴于退火步骤的相对长的持续时间以及相关联的装备和能量成本,与使用线圈和切换的电流来创建变化磁场相对,使用至少一个永磁体来创建磁场、并相对于该至少一个永磁体物理地旋转基板(或反之亦然)是有益的。
本发明的特别和优选方面在所附独立和从属权利要求中阐述。从属权利要求中的技术特征可以与独立权利要求的技术特征以及其他从属权利要求的技术特征适当地结合,而不仅仅是其在权利要求中明确阐明的那样。
本发明的这些以及其他方面从下文所描述的(诸)实施例中将变得显而易见并且将参考这些实施例来进行阐明。
附图说明
图1示出了本领域已知的软磁材料的典型迟滞曲线。
图2示出了根据本发明的生产半导体器件的方法。
图3示出了具有对数个样本的迟滞测量的图形。
图4示出了对于IMC顶上不具有弹性材料(图4a)的测试样本以及对于IMC顶上具有弹性材料的测试样本(图4b)的迟滞测量相对于温度的比较。
图5示出了三个累积分布图,解说了在没有磁场的情况下进行退火(圆形)、在具有恒定磁场的情况下进行退火(方形)、在具有相对于样本旋转的磁场情况下进行退火(菱形)的效果。
图6示出了根据本发明的实施例的传感器器件的示例,示出了磁性层被封装在两个弹性层之间。
这些附图只是示意性而非限制性的。在附图中,出于解说性目的,可将一些元素的尺寸放大且未按比例绘制。权利要求中的任何附图标记不应被解释为限制范围。在不同的附图中,相同的附图标记指相同或相似的元件。
具体实施方式
本发明将针对特定实施例且参考一些附图进行描述,但是本发明不限于此,而是只通过权利要求限定。所描述的附图只是示意性的而非限制性的。在附图中,出于解说性目的,可将一些元素的尺寸放大且未按比例绘制。尺寸和相对尺寸不对应于本发明实践的实际缩减。
此外,说明书中和权利要求中的术语第一、第二等等用于在类似的元素之间进行区分,而不一定用于在时间上、空间上、以排名或任何其他方式描述某个顺序。应该理解,如此使用的这些术语在合适环境下可以互换,并且本文描述的本发明的实施例能够以除了本文描述或解说的之外的其他顺序来操作。
此外,说明书和权利要求中的术语顶、下方等等用于描述性的目的并且不一定用于描述相对位置。应该理解,如此使用的这些术语在合适环境下可以互换,并且本文描述的本发明的实施例能够以除了本文描述或解说的之外的其他取向来操作。
要注意,权利要求中使用的术语“包括”不应被解读为限定于其后列出的手段;它并不排除其他元素或步骤。由此其解读为指定所陈述的特征、整数、步骤或组件的存在,但不排除一个或多个其他特征、整数、步骤或组件,或其群组的存在或添加。因此,措词“一种包括装置A和B的设备”的范围不应当被限定于仅由组件A和B构成的设备。这意味着该设备的唯一与本发明有关的组件是A和B。
贯穿本说明书引述的“一个实施例”或“一实施例”意指结合该实施例描述的特定特征、结构或特性被包括在本发明的至少一个实施例中。由此,短语“在一个实施例中”或“在一实施例中”在贯穿本说明书的各个地方的出现并不一定全部引述同一实施例,但是可能引述同一实施例。此外,在一个或多个实施例中,如本领域普通技术人员会从本公开中显而易见的,特定特征、结构或特性可以用任何合适的方式进行组合。
类似地,应当领会,在本发明的示例性实施例的描述中,出于精简本公开和辅助对各个发明性方面中的一者或多者的理解的目的,本发明的各个特征有时被一起编组在单个实施例、附图或其描述中。然而,这种公开方法不应被解读为反映所要求保护的本发明需要比每项权利要求中所明确记载的更多特征的意图。相反,如所附权利要求反映的,各发明性方面存在于比单个前述公开的实施例的全部特征更少的特征。由此,详细描述之后所附的权利要求由此被明确纳入该详细描述中,其中每一项权利要求本身代表本发明的单独实施例。
此外,尽管本文描述的一些实施例包括其他实施例中所包括的一些特征但没有其他实施例中包括的其他特征,但是不同实施例的特征的组合意图落在本发明的范围内,并且形成如本领域技术人员所理解的不同实施例。例如,在所附的权利要求书中,所要求保护的实施例中的任何实施例均可以任何组合来使用。
在本文所提供的描述中,阐述了众多具体细节。然而应理解,在没有这些具体细节的情况下也可实践本发明的实施例。在其他实例中,公知的方法、结构和技术未被详细示出以免混淆对本描述的理解。
在本发明中,术语“矫顽力”以其通常含义使用,并且指代材料属性,特别指代将被磁化至饱和的铁磁材料消磁所需要的磁场强度。矫顽力以安培每米[A/m]来测量,并且通常由符号“Hc”来指示,并且由BH图中迟滞曲线与水平(H)轴的交点来表示。
术语“软磁”和“硬磁”具有本领域中公认的含义。
在本发明中,“传感器偏移”意指由于(诸)磁性材料的迟滞引起的剩余磁场的测量值。
本发明的发明人面临减小传感器器件(例如,在顶上包括集成磁聚集器(IMC)的CMOS器件)的迟滞的任务。
在文献中寻找解决方案时,他们发现许多文档一致指出:为了减小矫顽力,需要减小磁性材料的粒度尺寸。实验证实,减小粒度尺寸确实有助于减小矫顽力,但是仅减小到某一限度,超过该限度后进一步减小粒度尺寸似乎不再有帮助。
在寻找潜在地减小矫顽力的其他方式时,发明人发现了提供意想不到地良好结果的两种技术。
(1)第一种技术涉及减小施加在磁合金自身上的机械应力。虽然在现有技术中已知在基板(例如,具有钝化层的CMOS基板)的顶上沉积磁合金(例如,NiFe合金)引起“接口处”的机械应力,但是现有技术似乎仅关注施加在磁感测元件(例如,霍尔元件)上的应力以及由该应力引起的“电压偏移”,却似乎完全不知道或者完全忽视了施加在磁合金上的应力对磁性材料的矫顽力具有负面影响。因此坚信本发明的该方面基于新的洞察。当然,一旦认识到,就可以容易地发现通过减小施加在磁性材料上的机械应力来减小矫顽力的解决方案。本文档中的解决方案基于将磁合金至少部分地包围或封装在弹性材料或弹性化合物中。
(2)第二种技术涉及通过退火从被沉积的磁性材料中去除缺陷,但是是在存在磁场的情况下,例如,恒定磁场或者相对于器件旋转的磁场。
要指出,第一种技术(在磁合金下方、或者下方和上方使用弹性材料)和第二种技术(在存在固定或旋转磁场的情况下进行退火)可以分开地或者组合地使用。当组合两种技术时获得最佳结果。
现在参考附图。
图1示出了如本领域已知的软磁材料的典型迟滞曲线。材料的矫顽力Hc由迟滞曲线与水平(H)轴的交点来表示。本发明的主要焦点是减小迟滞曲线的宽度W,或减小矫顽力Hc。
图2解说了生产半导体传感器器件600的方法200,并且图6示出了由此制造的半导体传感器器件600的示例。
传感器器件600包括相对薄的软磁合金层604,例如具有在2μm至200μm的范围中、例如在4μm至100μm的范围中、例如在10μm至40μm的范围中的厚度,例如具有约15μm或者约20μm或者约25μm或者约30μm的厚度。
基板601可以是半导体基板,更具体而言,CMOS器件,但本发明不限于此。软磁材料层604可被适配(例如,成形和取向)用于充当集成磁聚集器IMC。
在第一步骤201中,提供包括一个或多个磁传感器元件602的基板601(例如,包括一个或多个水平霍尔元件的CMOS器件),但是也可使用其他基板和其他磁传感器元件。生产包括一个或多个磁传感器元件的基板(例如,包括一个或多个水平霍尔元件的CMOS器件)的方法在本领域公知,并且因此这里不需要更详细描述。简单地说,CMOS器件通常在顶上具有钝化层,例如,包括氧化硅或氮化硅或者由其构成。但是本发明对其他半导体器件(例如,基于Ge或GaAs)也有效,本发明不限于此。
在步骤202中,在基板601的顶上沉积第一层或弹性材料603或弹性化合物。弹性材料不需要直接沉积在基板的顶上,而是在两者之间可以存在一个或多个中间层。第一弹性材料603可以是聚酰亚胺,但是也可以使用具有相对低的刚度或相对高的弹性的其他弹性材料或化合物。其他合适材料的示例是:PDMS、PBO、WPR、树脂、硅、等等。
使用聚酰亚胺的优点在于聚酰亚胺是高弹性的层,可用于标准旋涂和胶带材料,并且能够耐受高温烘焙步骤。PBO的优点在于其具有较少的吸水。
在步骤203中,优选地通过电镀或通过溅射,在基板601的顶上(优选地在弹性材料或化合物603的顶上)施加包括软磁金属合金604的磁性层。以此方式,可以在基板的顶上沉积薄的软磁材料层604。电镀的优点在于它提供非常精细的粒度尺寸结构,并且它允许构建相对厚的层。替换地,也可以使用溅射,但是它通常需要更多的时间来构建厚的层。合适的磁合金是例如:FeNi合金、FeCoNi合金、FeCo合金、或者CoNi合金。
在可任选的步骤204中,在存在具有至少部分地使软磁金属合金604饱和的密度的磁场的情况下,在250℃至370℃的范围中的温度下对包括基板601和第一弹性层603以及磁性层604的结构进行退火达10分钟至24小时的范围中的持续时间。
在可任选的步骤205中,在软磁合金604的顶上沉积第二层弹性材料或弹性化合物605,以便至少部分地(但是优选完全地)覆盖或封装软磁材料604。已发现,这减小了施加在磁性材料自身上的机械应力(而不是施加在霍尔元件上的应力),并且还发现,这减小了矫顽力的温度依赖性。要注意,步骤204(退火)可以在步骤205(沉积第二弹性层)之前执行,如图2中所示出的,或者在步骤205之后执行。换言之,步骤204和步骤205的顺序可以交换。
优选地,在步骤203中沉积NiFe合金,例如具有Ni(100-x)Fe(x)的组分,其中x在19%至30%的值之间,但是本发明不限于使用该范围。NiFe具有接近零的磁弹性和非常低的磁性晶体各向异性。实验已显示,当磁性材料与其周围环境(通过被夹在足够厚的两个弹性层之间,下层具有至少1μm的厚度,例如大约4μm,并且上层具有至少1μm的厚度,优选地至少5μm,或者至少10μm或至少15μm或至少20μm,例如,大约25μm)实际上机械地解耦时,NiFe合金的实际组分对矫顽力不再有影响或者不再有显著影响。这提供了放松生产容差并实现使用具有较高磁弹性的其他合金的优点。
也可以使用CoFe合金,但具有较高的自发磁化并示出比NiFe更高的磁弹性。
要注意,在实践中,在使用电镀工艺来沉积磁性材料604的情况下,可以施加一个或多个附加层,例如中间层,诸如举例而言粘合层606(例如,40nm溅射的TiW)和导电层607(例如,200nm溅射的Cu或Al)。用于施加此类粘合层和晶种层的合适堆叠和技术在本领域公知,并且因此这里不需要进一步描述。
TiW可以容易地对Cu、NiFe和铝选择性蚀刻。也可以使用Ti而不是TiW,但是其选择性蚀刻不太直接。还可以使用Nb,但它是不太标准的材料。
使用Cu作为导电层607是有益的,因为它具有高的导电性,在水性环境中不容易氧化,并且得到与电镀层的良好粘合,但是本发明不限于Cu,并且也可以使用其他材料,例如金,但是Au更昂贵并且难以蚀刻。
退火温度越高(即,越靠近370°的上限),则达到相同有利结果的持续时间可以越短。例如,下表列出了步骤(c)的合适温度和持续时间组合的一些示例仅作为解说,本发明不限于这些示例。
温度 | 示例性持续时间: |
250℃至275℃ | 12至24小时 |
275℃至295℃ | 3至12小时 |
295℃至305℃ | 1至4小时,例如,大约2小时 |
305℃至345℃ | 30分钟至4小时 |
345℃至370℃ | 10分钟至30分钟 |
通常在烤炉中执行步骤204,该烤炉在第一时段(例如,大约30至60分钟)期间逐渐升温(例如,从大约20℃至大约295℃),随后在第二时段(例如,大约2小时)期间保持在恒定温度(例如,大约在295℃下),并且随后在第三时段(例如,大约2至3小时)期间逐渐冷却。由此,该示例的整个烤炉过程将需要大约4.5至6.0小时,但本发明不限于该特定序列,并且也可以使用其他序列。在整个序列期间(包括升温和冷却时段),可存在固定或旋转磁场。然而,根据本发明的原理,在温度保持相对恒定的“第二持续时间”期间必须存在磁场。
在该方法的变型中,在该示例的所谓“第二时段”期间的温度可以在250℃至370℃的范围或者其任何子范围中变化。
在本发明的特定实施例中,在存在大约150或大约175或大约200或大约225或大约250毫特斯拉的磁场的情况下,在大约1.5小时或大约2.0小时或大约2.5小时期间,在大约290℃或大约300℃或大约310℃下施加退火。虽然表明确说明了所有45个组合:3(温度)x 3(持续时间)x 5(磁场强度)=45个组合,但是为了节省空间,这45个组合中的每一者被认为明确公开。
磁传感器元件602可以例如是所谓的“水平”霍尔元件。使用水平霍尔元件加上IMC而不是垂直霍尔元件是有益的,因为IMC(通过集中磁场线)提供了对信号的无源放大,并且因为水平霍尔元件更容易生产,并提供较高的敏感度和较低的电阻(由此提供较少的热噪声)。
图3示出了对样本执行的迟滞测量的结果。在某一施加的磁场H处,当向上扫描或向下扫描磁场H时,所测量的场B存在差异。该差异被报告为“迟滞”。
图4(a)示出了对于数个测试样本(其中在磁合金的下方施加但不在磁合金的顶上施加弹性材料(聚酰亚胺))的迟滞测量相对于温度的结果。
图4(b)示出了对于类似的测试样本(不同之处在于在磁合金的顶上也施加弹性材料(聚酰亚胺))的迟滞测量相对于温度的结果。
如可以看到的,图4(b)的样本的迟滞比图4(a)的样本的迟滞显著更小、并且更不依赖于温度。
为了完整起见,要提到的是,退火是在具有固定取向(非旋转)的磁场中进行的,并且样本被电镀。
图5示出了三个累积分布图(几乎是直线),解说了以下各项的效果:
-在不存在磁场的情况下进行退火(圆形),
-在存在恒定磁场的情况下进行退火(方形),以及
-在存在相对于样本旋转的磁场的情况下进行退火(菱形)。
所使用的弹性材料是聚酰亚胺。磁性材料的组分是Ni79Fe21,并且该材料被电镀。在200mT磁场的情况下,在290℃下执行退火达2小时。
如可以看到的,在存在平行于基板取向的固定磁场的情况下进行退火具有将矫顽力从大约80A/m(在8个样本上的平均)减小到大约34A/m(平均)的效果,这是2倍以上的改善。并且在存在平行于基板取向的平面中的旋转磁场的情况下进行退火具有将矫顽力从大约80A/m(平均)减小到大约15A/m(平均)的效果。这是5倍的改善,是巨大的。在这些测试期间所使用的旋转速度是大约每7秒1旋转,但是当然也可以使用高于或低于每7秒1旋转的另一旋转速度。总之,器件相对于磁场旋转大约1000次,但可以构想,高于200或者高于100的旋转次数可能已提供了可测量的改善。
图6示出根据本发明的实施例的传感器器件600的示例。在所示出的示例中,磁性层是通过电镀来沉积的。
电镀液体可包含硼酸,其提供使沉积物更平滑的优点。电介质中存在硼并且它与化合物一起沉积提供了增加退火温度而不会过多地影响小的粒度尺寸的机会。大的粒度尺寸还将导致较高的迟滞。
该器件包括基板601,例如,具有磁传感器602(诸如例如,霍尔板)的半导体基板。基板可以是CMOS基板并且可以任选地包括进一步的电路系统。例如通过旋涂,在第一弹性层的基板601的顶上施加例如4μm聚酰亚胺的弹性基底层。在第一弹性层的顶上施加粘合层606,例如40nm溅射的TiW层。在粘合层和导电层607的顶上,例如通过溅射来施加例如200nm的Cu,其可用作为晶种层以供后续电镀。在晶种层的顶上,可以施加软磁材料层(例如,20μmNiFe)。在软磁层604的顶上沉积第二弹性材料或化合物605以便完全地封装软磁材料。
在替换的实施例中,通过溅射而不是通过电镀来沉积磁性层604。在该情况下,可以省略粘合层606和导电晶种层607,并且磁性材料或磁合金604可以直接溅射在第一弹性层603上。
尽管本文档中提到的各实验仅提及FeNi合金,但可以构想,对于任何其它软磁合金(特别是Co-Ni合金、或者Fe-Co-Ni合金、以及Fe-Co合金)也获得相同的有利效果。
尽管上面未明确提到,但在高度方向上(垂直于基板表面)看到的磁合金层的形状可以是基本上平面的,或者可以是弯曲的或可以是波状的等等。这种波状可以甚至进一步减小磁合金的机械应力。
附图标记:
600:传感器器件,601:基板,602:磁传感器元件,
603:第一弹性材料,604:软磁金属合金,
605:第二弹性材料,606:粘合层,607:导电层。
Claims (15)
1.一种传感器器件(600),包括:
-基板(601),所述基板包括一个或多个磁传感器元件(602);
-在所述基板(601)的顶上的第一弹性材料(603);
-磁性层,所述磁性层包括通过电镀或通过溅射沉积在所述第一弹性材料的顶上的软磁金属合金;以及
-在所述磁性层的顶上的第二弹性材料,其特征在于,所述一个或多个磁传感器元件包括一个或多个霍尔元件,
并且其中,所述软磁合金被布置为集成磁聚集器(IMC)。
2.如权利要求1所述的传感器器件,其中,所述磁传感器元件一个或多个水平霍尔元件,或由一个或多个水平霍尔元件组成,并且其中所述软磁合金被配置并布置成:在所述磁传感器元件附近将磁通量从平行于所述基板的表面的水平方向朝垂直于所述表面的垂直方向弯曲。
3.如前述权利要求中的任一项所述的传感器器件,其中,所述第一和/或第二弹性材料或化合物选自由聚酰亚胺、PDMS、PBO、WPR、树脂构成的组。
4.如前述权利要求中的任一项所述的传感器器件,其中,所述软磁合金是Fe-Ni合金或Co-Ni合金或Fe-Co-Ni或Fe-Co合金或Fe-Si合金。
5.一种生产传感器器件的方法,包括如下步骤:
a)提供(201)包括一个或多个磁传感器元件的基板,所述磁传感器元件包括一个或多个霍尔元件;
b)在所述一个或多个磁传感器元件的顶上沉积(202)第一弹性材料;
c)通过电镀或通过溅射在所述第一弹性材料的顶上施加(203)包括软磁金属合金的磁性层,其中,所述步骤c)包括将所述软磁合金布置为集成磁聚集器(IMC)。
6.如权利要求5所述的方法,
进一步包括如下在步骤b)之后并且在步骤c)之前或之后的步骤d):
d)在所述磁性层的顶上沉积(205)第二弹性材料。
7.如权利要求5或6所述的方法,其中,所述步骤a)包括:提供(201)包括一个或多个磁传感器元件的所述基板,所述一个或多个磁传感器元件包括一个或多个水平霍尔元件或由一个或多个水平霍尔元件组成,
并且其中,所述步骤c)包括:将所述软磁合金布置并配置成:在所述磁传感器元件附近将磁通量从平行于所述基板的表面的水平方向朝垂直于所述表面的垂直方向弯曲。
8.如权利要求5-7中的任一项所述的方法,
其中,步骤b)包括:提供选自由聚酰亚胺、PDMS、PBO、WPR、树脂构成的组的材料或化合物作为所述第一弹性材料;和/或
其中,步骤d)包括:提供选自由聚酰亚胺、PDMS、PBO、WPR、树脂构成的组的材料或化合物作为所述第二弹性材料。
9.如权利要求5-8中的任一项所述的方法,
-其中,步骤a)包括:提供包括一个或多个磁传感器元件的基板以及要被电镀的导电层;并且
-其中,步骤c)包括:通过电镀来施加所述磁性层。
10.如权利要求5-8中的任一项所述的方法,
-其中,步骤c)包括:通过溅射来施加所述磁性层。
11.如权利要求5-8中的任一项所述的方法,
进一步包括如下在步骤c)之后并且在步骤d)之前或之后的步骤e):
e)在存在具有至少部分地使所述软磁金属合金饱和的密度的磁场的情况下,在250℃至370℃的范围中的温度下对具有所述磁性层的所述基板进行退火(204)达10分钟至24小时的范围中的持续时间。
12.如权利要求12所述的方法,其中,步骤e)包括:使用在100毫特斯拉至300毫特斯拉的范围中的磁场强度,在250℃至295℃的范围中的温度下进行退火达3小时至24小时的范围中的持续时间。
13.如权利要求11或12所述的方法,其中,步骤e)包括:在存在恒定磁场的情况下进行退火。
14.如权利要求11或12所述的方法,其中,步骤e)包括:在存在相对于所述基板旋转的磁场的情况下进行退火。
15.如权利要求14所述的方法,其中,步骤e)包括:通过一个或多个永磁体来生成磁场,并且相对于所述一个或多个永磁体旋转具有所述磁合金的所述基板,或者反之亦然。
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