CN1541424A - 大量生产多个磁传感器的方法 - Google Patents
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Abstract
大量生产在半导体基体(4)上实施的多个磁传感器(1)的方法，这些传感器(1)包含有至少一个由无定形磁性材料制作的磁芯(8)。这个方法的特征在于：在集成了与此磁传感器(1)相关联的电子线路以后，把无定形磁性材料薄膜(22)粘结在半导体基体(4)上，这层薄膜(22)是由无定形磁性材料的条带得到的，它被切割成许多部段(18)，这些部段相互靠着安置在一个支承板(20)上，然后使该薄膜具有一定的结构，生成该磁传感器(1)的磁芯(8)，最后对此半导体基体(4)进行切割，给出多个独立的磁传感器(1)。
Description
本发明涉及的是大量生产多个磁传感器的方法。具体讲它适合于，然而却不只是适合于，专利申请EP 1 052 519中所述类型的磁传感器，这个专利是以本申请人的名义申请的。
在本专利申请所附的图1中，用透视分解法表示了一种上述类型的磁传感器。这种磁传感器总体上由总体标号1表示，它装在大致为平行六面体形的半导体基体4的表面2上。与此磁传感器相关联的电子线路(未画出)通过CMOS集成在半导体基体4的大的上表面2上而实施。
磁传感器1包含有一个平的激励线圈6，这个激励线圈是在CMOS集成过程中，在基体4的表面2上添加的金属层中生成的。线圈6具有一个由其基本是四方形的外圈60构成的外周边。这个激励线圈6的其他圈62到68相对于外圈60是同心安置的。圈62到68也是四方形，它们的尺寸逐渐减少，正如在图1中可以看到的。
一般是通过粘结把铁磁芯8添加在激励线圈6上面。这个铁磁芯8是由目前市场上可得到的无定形磁性材料条带制作的。
正如在图1中可以看到的，磁芯8为十字形状，它与由激励线圈6的外圈60所构成的四方形的两条对角线相重合。因而可以测量外部磁场HEXT的两个垂直分量H1和H2，这两个分量分别沿着磁芯8的正交分支80和82取向。外部磁场HEXT的分量H1因而是通过磁芯8的分支80来测量的，而分量H2则是通过其垂直分支82来测量的。
外部磁场HEXT的探测是借助于两对共面探测线圈10，12和14，16而实现的。这两个第一线圈10和12是由CMOS技术添加在半导体基体4的上表面2上，它们是按照差动布置串联安装的。这两个线圈10和12安置在平激励线圈6下面，或是安置在与此线圈同一个平面中，每一个线圈都定位在铁磁芯8的分支80的一个自由端的对面。因而第一对线圈10，12的作用是探测外部磁场HEXT的分量H1。
另外两个探测线圈14和16与上面所述两个线圈10和12是同样的。这两个探测线圈14，16也是按照差动布置而串联安装的，它们每一个都安置在铁磁芯8的第二分支82的一个自由端的对面。因此第二对线圈14，16的作用是探测外部磁场HEXT的分量H2。
上述类型的磁传感器特别用来装备磁场计，用于在与探测线圈平面平行的平面中探测非常小的弱磁场，这例如用在医学上。这些磁场计因而最好是按照CMOS集成技术来制作，其相关联的电子线路被集成在基体中，而传感器就制作在此基体上。
生产这样一些用来探测和测量磁场的装置带来了一个重要问题，就申请者所知，这个问题到现在还没有满意地解决。事实上与磁传感器相关联的电子线路是用CMOS技术制作的，这种技术包含有一套设计和生产电子元件的步骤，而这些步骤现在已经非常好地掌握了，能批量地制作可靠便宜的装置。
相反，对于与上述电子线路相关的磁传感器的制作来说，情况就不同了。和上面描述的一样，这些磁传感器特别是包含有无定形铁磁芯。然而没有任何一种生产半导体装置的现时可行技术能制作无定形结构的元件。在这些技术中，特别可以提到的是汽相沉积，它以其英语的命名“ chemical vapour deposition”(CVD)为人所知。它是在真空中使加热升华的金属汽化，以便通过由适当气体产生的化学反应而生成一层，例如，氧化物或氮化物。另一种技术称作电沉积或电镀法，它是通过电解作用在部件上生成一层金属层，这种技术适合于溶液的或熔化的化合物，而这些化合物则是能分解成两类离子，这两类离子保证因其位移而有电流通过，正离子指向阴极，负离子指向阳极。
因此，生产CMOS集成电路的技术只能生产具有有序晶体结构的元件，不能为制作无定形的，也就是说，没有晶体点阵的结构体提出代替的解决方案。然而，我们知道某些技术，能在基体表面上沉积一层无定形材料。但是这些技术只能沉积具有由单一组分构成的简单化学组成的材料。对于比较复杂的产物而言，例如，包含有多个组分的磁性材料，就没能提出任何解决方案。
于是本申请人研究的用来制作磁传感器，例如上面提到专利申请EP 1 052 519中所述的传感器，的技术是首先是在半导体薄片上制作一套电子线路，然后，锯切此半导体薄片，给出许多单个的电子线路，最后，把无定形磁性材料条带粘结在这些单个线路上，这些条带在光刻和化学侵蚀以后，生成铁磁芯。
容易理解，这样的技术，尽管在试验阶段可以使用，但绝不能用在工业规模上，在工业规模上，必须能快速低价地生产非常大量的元件。
本发明的目的是克服上面提到的缺点以及其它缺点，提出一种便宜可靠地成批生产磁传感器的方法，传感器对外磁场敏感的区域是由无定形磁性材料制作的。
为此，本发明涉及的是一种在半导体基体上大量生产多个磁传感器的方法，这些传感器包含有至少一个由无定形磁性材料制作的磁芯。这个方法的特征在于：在集成了与此磁传感器相关联的电子线路以后，把无定形磁性材料薄膜粘结在半导体基体上，这层薄膜是由无定形磁性材料的条带得到的，它被切割成许多部段，这些部段相互靠着安置在一个支承板上，然后使该薄膜具有一定的结构，生成该磁传感器的磁芯，最后对此半导体基体进行切割，给出多个独立的磁传感器。
由于这些特性，本发明得到了一个方法，这个方法能在半导体材料制成的薄片上实现生产带无定形磁芯的磁传感器的所有操作，在这块薄片中则集成了要与该磁传感器相关联的电子线路。由于有了本发明，尤其是可能批量生产由无定形磁性材料制作的磁芯，并可能只是在磁传感器完全完工后才对半导体材料薄片进行锯切。因此这样的一个方法能极度可靠地便宜地同时生产大量的磁传感器，典型的情况是每块6英寸的半导体薄片大约有3000个传感器或更多。尤其是发现，磁芯和线圈之间可能的不对准性不超过几个微米，而且磁传感器的特性在同一块薄片上，甚至在一批薄片上，有大的均匀性。这些特别有利的结果是由于这样一个事实而得到的：按照本发明，用多个无定形磁性材料条带生成一层薄膜，这些条带例如是市场上可以得到的条带，它们并排安置在支承板上，接下来把此薄膜粘结到半导体材料薄片上，然后使它具有一定结构，以便生成磁芯，最后锯切此薄片，给出许多单个的待使用的传感器。这样的技术当然比现有技术更有利，现有技术是在集成了电子线路以后，对半导体材料薄片进行切割，然后在这些单个的电子线路上，一个一个地使这些磁芯具有一定结构。
按照本发明的另一个特点，无定形磁性材料薄膜是在真空中粘结到半导基体上的。因此就保证了此薄膜将以相当大的力紧贴在半导体基体上，这有助于把薄膜粘贴在基体上，能防止气泡被捕获在金属层下面。
按照本发明的再一个特点，无定形磁性材料薄膜是用目前在生产半导体元件的领域内所用的蚀刻技术结构化的。因此可靠地实现了能低价生产磁芯并保证磁芯特性有很好重复性的技术。
下面对实现本发明方法的一个例子进行了详细描述，由这描述中可以看出本发明的其他特点和优点，这个例子纯粹是以解说性和非限定性的方式给出的，它带有附图，其中：
-图1已经引用过，它是磁传感器的透视分解图，这个传感器包含有一个由无定形磁性材料制作的磁芯；
-图2是一个表示无定形金属条带的视图，这些条带切割后粘结在单面粘性的基体上；
-图3是粘性掩膜的一个视图，它用来对图1所示金属条带进行化学侵蚀，以便使这些条带具有半导体薄片的形状，这些条带后来就粘结在这块半导体薄片上；
-图4是图2中粘性掩膜粘结在无定形磁性材料条带上的一个视图；
-图5是一个表示无定形金属条带侵蚀以后的视图；
-图6是一块半导体薄片的视图，它放置在一个建立了真空的袋子中，无定形金属条带就粘结在此半导体薄片上；以及
-图7A到7G是一些原理图，它们图解说明了实现本发明方法的各个步骤。
本发明是来自于一个创新性的总体设想，这个设想是用多个并排安置在一个支承板上的无定形磁性材料条带来组成无定形磁性材料薄膜，并把这样得到的薄膜粘结在半导体薄片上，在这块薄片中先前已经集成了与待生产的磁传感器相关联的电子线路。在这个粘结步骤以后，通过蚀刻法使此无定形磁性材料薄膜具有一定结构，以便生成磁芯，此磁芯组成了磁传感器对外磁场敏感的部分。由于有这些特性，就解决了目前通用于生产半导体器件而不能制作无定形层的技术所带来的问题，使批量生产带无定形磁芯的磁传感器成为可能。
将结合专利申请EP 1 052 519所讲的磁传感器来对本发明进行描述，这个专利是以本申请人的名义申请的。然而不言而喻，本发明绝不局限于这样一种类型的传感器，它同样适合于包含一个或多个磁芯的所有类型的磁传感器，而且其形状和尺寸可以变化。
现在来对这样一个方法的各个步骤进行描述，这个方法能把用无定形磁性材料制作的铁磁芯添加在由半导体材料，例如硅，制作的薄片的表面上。此硅薄片，英语也称为“wafer”，其典型直径为6英寸，其表面上有标准CMOS型的集成电路。我们特别是对这样一些步骤感兴趣：这些步骤必须得以实现，以便把由铸造厂交付的整块硅薄片变成准备好向印刷电路板上安装的集成电路，这些集成电路英语也称为“chips”。
现在市场上可以得到要使用的无定形磁性材料，形状为条带，几米长，一英寸宽，18μm厚。第一个步骤是通过研磨使这些条带变薄，把其厚度从18μm减少到11μm，这也能改善其表面状况，减少其粗糙度。
然后使这样得到的条带经受轻微的化学侵蚀，在条带的每一面都溶解大约一微米的金属，其作用是除去初始的研磨步骤在条带表面上产生的机械应力。
在这个准备条带的初始步骤以后，这些条带之一被切割成几个小段18，这些小段将被并排粘结在单面粘性的支承板20(见图2)上，以生成一个表面，这个表面至少覆盖了半导体基体4的要粘结这些无定形磁性材料条带小段18的表面。
为了用上面提到的全部条带18得到形状与半导体基体4的形状相一致的无定形磁性材料薄膜22，把粘性掩膜24粘结在薄膜22(见图3)上，透过这个掩膜24进行化学侵蚀。只有无定形磁性材料薄膜22的不受掩膜24保护的区域才被蚀刻掉(见图4和5)。这个步骤同时也能在薄膜22中产生一些间隙区域26，这些间隙区域后来能在光刻步骤时使存在于半导体基体4上的对准标记被看见。
在化学侵蚀以后，取下粘性基体20，在没有保护的一侧面上对条带18进行清洗和干燥。粘性掩膜24保持在原位上，以便用来在粘结步骤时通过限制粘结剂向薄膜22的表面上可能的渗透而进行保护。为了能容易地取下粘性基体20而没有撕破无定形磁性材料条带18的危险，基体20必须比粘性掩膜24具有较小的粘结力。
在描述的这个步骤，应着重注意，用同样材料条带小段18的重叠来制作的称之为无定形磁性材料“薄膜”22只是受技术指标的支配。事实上，在目前市场上，没有宽度至少等于标准硅基体直径的无定形磁性条带。因此人们必须依靠上面描述的技术。当然，如果在市场上可以得到较宽条带的话，就将优先使用它们，这是因为它们将能避免把一些较窄条带小段粘结在粘性支承板上的步骤。
在无定形磁性材料条带18被粘结在半导体薄片4上之前，先用例如丙酮，然后是用异丙醇来清洗半导体薄片，再用软化水漂洗两次，最后在无尘室中干燥。接下来把薄片14放置在一个烘箱中，使剩余的水分蒸发，这将改善粘结剂的黏着力。
先制备用来把无定形磁性材料薄膜22粘结在半导体薄片4上的粘结剂28，然后除去气体。这可能涉及的是环氧树脂型粘结剂，如果需要的话，可以向里面加入粘性促进剂，例如二氧化硅微粒。
在半导体薄片4的中心放置上适量的粘结剂28，然后把半导体薄片放置在旋转平台上。接下来使半导体薄片4高速旋转一个特定的时间，例如以4000rpm旋转40秒，使得粘结剂28在该半导体薄片4的整个表面上因离心作用而分布均匀。
在铺设这层粘结剂28以后，通过压力辊或轧机，使由粘性掩膜24所支承的无定形磁性材料条带18的整体相对于半导体薄片4定位，然后铺设在半导体薄片的大的上表面2上，这能避免气泡被捕获在金属层下面。
此外，为了避免粘结剂的穿透，可以在粘性掩膜24上铺设辅助保护薄膜，例如注册为Mylar的薄膜。
把已经铺设了无定形磁性材料条带18的半导体薄片4放在真空袋30(见图6)中，其中这些条带18由可以覆盖上述保护薄膜的粘性掩膜24保持在一起。在真空袋30中建立了真空以后，密封此真空袋，然后转成环境气压。此气压施加一个力，这个力使无定形磁性材料薄膜22紧贴在半导体薄片4上。为了避免施加真空时，条带18开胶，也可以在装入袋子前，在保护薄膜上面放置保持平板。
上述粘结剂的聚合反应在一个60℃的烘箱中进行至少48小时。
当粘结完成时，把半导体薄片4从加真空的袋子30中取出来。取下粘性掩膜24，然后对薄片4进行清洗和干燥。
结合图7A到7G，现在我们感兴趣的是光刻步骤，这个步骤能使无定形金属薄膜22具有一定的结构，以便生成磁传感器的磁芯。
首先开始在无定形金属22(图7A)的薄膜的整个表面上沉积一层正性光敏树脂32。然后通过紫外光透过光蚀掩膜34的透明区域而使这层光敏树脂进行感光，而此掩膜相对于半导体薄片4是适当对准的，此感光作用复制待感光的区域。然后使光敏树脂层32显影，最后此树脂层仅仅占据在半导体薄片4(图7B)上磁芯8应该处在的位置。显微镜检查能确信光敏树脂32的显影是适当完成的。
按照本发明的方法，接下来的步骤是对金属薄膜22进行蚀刻。为此目的，在半导体薄片4的整个表面上喷上化学蚀刻溶液，以便在任何没有被正性光敏树脂层32保护的地方对无定形金属进行侵蚀(图7C)。在这个步骤中，使半导体薄片4在传送带上运动到一个工作室中，在这里射流把化学侵蚀溶液喷洒在半导体薄片4的两个面上，这能让此侵蚀溶液不断更新，保证快速均匀地侵蚀作用。
侵蚀作用进行1分30秒到2分钟。以去离子水对半导体薄片4的漂洗作为结束。然后除去剩余的光敏树脂层32(图7D)。可以对这样得到的铁磁芯8进行电子显微镜观察，以便验证其尺寸以及其表面状态。
现在我们感兴趣的是除去粘结剂28的残余层的步骤，这将结合图7E进行描述。
事实上，覆盖整个半导体薄片4的胶合层28已经阻止了上述化学侵蚀作用。因此必须除去这个粘结剂层28，以便露出传感器1的电连接区域。为此目的，使半导体薄片4经受一次等离子体侵蚀，在这种侵蚀中侵蚀剂是氧。处理至少持续240分钟。等离子体侵蚀后所进行的测试表明，连接区的表面状态是这样的：使得可以使用通常的把这些连接区与印刷电路相连接的技术，而磁传感器1就是要固定在此印刷电路上。
最后，在磁芯8上沉积负性光敏树脂的厚层36，以便在下面的操作(图7F)期间，使磁芯不受损坏，甚至不被揭下来。然而光敏树脂层36必须不覆盖磁传感器1的连接区域，以便后来使磁传感器能连接到其上将要安装磁传感器1的印刷电路上。
将会理解，在沉积负性树脂层36之前，必须把粘结剂28的残余层除去，因为不这样做，树脂层36在基体上将不会很好地贴紧。
通过离心作用把负性光敏树脂36分布在半导体薄片4上，然后透过第二光蚀掩膜38而曝光，最后显影(图7G)。用这种方式，可以在每个磁芯8上面沉积约几十个微米厚的负性树脂层36，以便有效地保护这些磁芯8。
最后，对半导体薄片进行锯切，以便给出许多单个的磁传感器1，然后把它们储存到抗静电的盒子中。
在锯切半导体薄片4期间，在处理这些单个磁传感器期间，尤其是在它最后向线路上组装期间，由树脂层36所赋予的保护作用尤其是有用的。
不言而喻，本发明不局限于刚才所描述过的实施例，在不偏离本发明范围的情况下，可以设想各种简单的改进和变种。
Claims (17)
1.在半导体基体(4)上大量生产多个磁传感器(1)的方法，这些传感器(1)包含有至少一个由无定形磁性材料制作的磁芯(8)，这个方法的特征在于：在集成了与此磁传感器(1)相关联的电子线路以后，把无定形磁性材料薄膜(22)粘结在半导体基体(4)上，这层薄膜(22)是由无定形磁性材料的条带得到的，它被切割成许多部段(18)，这些部段相互靠着安置在一个支承板(20)上，然后使该薄膜具有一定的结构，以便生成该磁传感器(1)的磁芯(8)，最后对此半导体基体(4)进行切割，以便给出多个独立的磁传感器(1)。
2.按照权利要求1所述的方法，其特征在于：支承板(20)是由单面胶带构成的。
3.按照权利要求1或2所述的方法，其特征在于：在粘结以前，使无定形磁性材料薄膜22具有半导体基体(4)的尺寸，该薄膜(22)用来粘结在该半导体基体(4)上。
4.按照权利要求3所述的方法，其特征在于：为了使无定形磁性材料薄膜(22)具有与半导体基体(4)相应的尺寸，透过一个适当形状的掩膜(24)进行化学侵蚀，使得只有薄膜(22)的不受掩膜(24)保护的那些区域才被蚀刻。
5.按照权利要求1到4中的任一项所述的方法，其特征在于：把无定形磁性材料薄膜(22)在真空中粘结到半导体基体(4)上。
6.按照权利要求5所述的方法，其特征在于：使无定形磁性材料薄膜(22)相对于半导体基体(4)定位，然后把它放在半导体基体的表面(2)上，接着，整个放进袋子(30)中，在袋子中做成真空，再把袋子密封，最后恢复环境大气压，环境大气压施加一个力，这个力把无定形磁性材料薄膜(22)紧贴在半导体基体(4)上。
7.按照权利要求6所述的方法，其特征在于：在装入袋子之前，在无定形磁性材料薄膜(22)上面安置一层保护膜，以避免粘结剂(28)重新粘结。
8.按照权利要求1到7中任一项所述的方法，其特征在于：在粘结以后，在无定形磁性材料薄膜(22)上沉积一层正性光敏树脂(32)，然后透过光蚀掩膜(34)对这层树脂晒印，接着使光敏树脂(32)显影，最后树脂仅仅占据在半导体基体(4)上磁芯(8)应该处在的位置。
9.按照权利要求8所述的方法，其特征在于：把化学蚀刻溶液喷洒在半导体基体(4)的整个表面上，以便除去任何没有被光敏树脂层(32)保护的地方的无定形磁性材料(22)。
10.按照权利要求9所述的方法，其特征在于：在蚀刻以后，在半导体基体(4)上沉积一层负性光敏树脂(36)，然后透过光蚀掩膜(38)对此树脂晒印，接着使光敏树脂(36)显影，使树脂只在它所保护的磁芯(8)的上面存在。
11.按照权利要求10所述的方法，其特征在于：用等离子体侵蚀法除去仍旧覆盖半导体基体(4)的整个表面(2)的粘结剂(28)。
12.按照权利要求1到11中任一项所述的方法，其特征在于：在粘结剂准备好以后，对用来把无定形磁性材料薄膜(22)粘结到半导体基体(4)上的粘结剂(28)进行除气，然后通过离心力而使粘合剂(28)分布在该半导体基体(4)上。
13.按照权利要求12所述的方法，其特征在于：粘结剂(28)是环氧树脂类型的粘结剂，可以向其中加入粘性促进剂。
14.按照权利要求1到13中的任一项所述的方法，其特征在于：在粘结无定形磁性材料薄膜(22)之前，首先对半导体基体(4)进行清洗，然后把它放入一个烘箱中，蒸发掉残余的湿气，以改善粘性。
15.按照权利要求1到14中的任一项所述的方法，其特征在于：通过研磨使半导体材料条带变薄，然后使它经受化学侵蚀，以便在此条带的每一侧面溶解少量金属，来除去由研磨而在表面上产生的机械应力。
16.按照权利要求15所述的方法，其特征在于：把用于进行侵蚀的掩膜(24)粘结在该薄膜(22)的自由面上，而此化学侵蚀则使无定形磁性材料薄膜(22)具有半导体基体(4)的尺寸。
17.按照权利要求16所述的方法，其特征在于：在化学侵蚀以后，取下粘性支承板(20)，在没有被保护的一个侧面对条带(18)进行清洗和干燥，用作掩膜的粘合剂(24)仍留在原位，用于随后在把无定形磁性材料薄膜(22)粘结到半导体基体(4)上时起保护作用。
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