DD234752A1

DD234752A1 - Anordnung zur positionierung magnetischer felder

Info

Publication number: DD234752A1
Application number: DD27327285A
Authority: DD
Inventors: Wolfram Scharff; Juergen Waldmann; Horst Ahlers; Andreas Wolf; Hans-Juergen May
Original assignee: Karl Marx Stadt Tech Hochschul
Priority date: 1985-02-14
Filing date: 1985-02-14
Publication date: 1986-04-09

Abstract

Die Anordnung zur Positionierung magnetischer Felder findet Anwendung in der Mikroelektronik, Optoelektronik und Sensortechnik. Ziel und Aufgabe der Erfindung bestehen darin, eine Anordnung zur Positionierung magnetischer Felder auf der Basis von Hallelementen bereitzustellen, die eine hohe Empfindlichkeit der Messung ermoeglicht, mit geringem technologischem Aufwand herstellbar ist und mit der Si-Mikroelektroniktechnologie kompatibel ist, eine hohe laterale Aufloesung besitzt sowie eine elektrische Trennung der Hallelemente vom Substrat sowie eine galvanische Entkopplung und Isolierung untereinander aufweist. Erfindungsgemaess wird die Aufgabe geloest, indem mehrere Hallelemente in einer Si-Schicht auf einem isolierenden Substrat angeordnet sind, aus rekristallisiertem Silicium bestehen und die Steuerelektroden durch Leitbahnen miteinander verbunden sind. Fig. 1

Description

Anwendungsgebiet der Erfindung

Die Anordnung zur Positionierung magnetischer Felder ist in der Mikroelektronik, Optoelektronik und Sensortechnik anwendbar. Charakteristik der bekannten technischen Lösungen

Die direkte Umwandlung einer magnetischen Größe in eine elektrische durch Halbleiterhallelemente unter Verwendung von einkristallinen Halbleiterplättchen aus Silicium, GaAs, InSb und InAs ist bekannt (H.Weiß, „Physik und Anwendung galvanomagnetischer Bauelemente", Vieweg und Sohn, Braunschweig, 1969). Die Verwendung mehrerer solcher Hallplättchen als Hallsensoren zur Positionierung magnetischer Felder besitzt eine Reihe von Nachteilen. So hat solch eine Anordnung eine geringe laterale Auflösung auf Grund der großen Abmessungen der Hallplättchen und eine geringe Empfindlichkeit der Hallspannungen in bezug auf die Magnetfeldänderung, insbesondere bei Verwendung von Siliciumsubstraten auf Grund der geringen Ladungsträgerbeweglichkeit.

Weiterhin ist die Herstellung von einzelnen Hallelementen mit einer entsprechend hohen Empfindlichkeit in polykristallinen InSb- und InAs-Schichten, die auf isolierenden Trägern (z.B. Quarzglas) mit Flüssig-oder Gasphasenverfahren abgeschieden wurden, bekannt (W. Heywang, Sensorik, Springerverlag 1984). Die Erzeugung dieser Hallelemente ist aber durch die komplizierte Schichtabscheidung sehr aufwendig. Die in solch einer Halbleiterschicht erzeugten Hallelemente zur Positionierung von magnetischen Feldern sind außerdem an nachfolgende Verfahrensschritte der Si-bulk-Technologie nicht vollständig kompatibel.

Es ist weiterhin die Herstellung von einzelnen Hallelementen in einkristallinen Silicium-Substraten bekannt, wobei die Hallstrukturen in dünnen Schichtbereichen erzeugt werden, die vom Substrat durch unterschiedlich dotierte Bereiche bzw. durch einen p-n-Übergang getrennt wurden (E. Schoppnies, „Sensoren auf der Grundlage der Si-Planartechnologie", Radio Fernsehen Elektronik 1983, Heft 3, S. 159) und mit einer im Silicium-Substrat befindlichen Verstärker-Schaltung verbunden sind (The Hall Effect and its Applications, Edited by CL. Chien, C. R. Westgate, Plenum Press N. Y. 1979).

In der DE-OS 2804373 werden zwei Hallelemete vorgeschlagen, bei denen die Steuer- und Hallelektroden jeweils um 180 Grad gedreht sind. Dadurch werden magnetische Eigenfelder teilweise kompensiert. Die Verwendung mehrerer solcher Hallelemente als Sensoren zur Positionierung magnetischer Felder hat den Nachteil, daß die elektrische Trennung der Hallelemente vom Substrat sehr aufwendig ist und eine vollständige galvanische Entkopplung und Isolierung untereinander nicht möglich ist.

Ziel der Erfindung

Das Ziel der Erfindung besteht darin, eine Anordnung zur Positionierung magnetischer Felder auf der Basis von Hallelementen bereitzustellen, die eine hohe Empfindlichkeit der Messung ermöglicht, mit geringem technologischem Aufwand herstellbar ist und mit der Si-Mikroelektroniktechnologie kompatibel ist.

Darlegung des Wesens der Erfindung

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Anordnung zur Positionierung magnetischer Felder bereitzustellen, die eine hohe laterale Auflösung besitzt und eine elektrische Trennung der Hallelemente vom Substrat sowie eine galvanische Entkopplung und Isolierung untereinander aufweist.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe gelöst, indem mehrere Hallelemente in einer Si-Schicht auf einem isolierenden Substrat angeordnet sind, aus rekristallisiertem Silicium bestehen und die Steuerelektroden durch Leitbahnen miteinander verbunden

sind. . .

Bei der Verwendung von rekristallisiertem Silicium in Form von dünnen Schichten hat es sich gezeigt, daß eine Elektronenbeweglichkeit erreicht wird, die dem bulk-Material entspricht (etwa 600...750cm²/Vs), und auf Grund der geringen Schichtdicke (1 /xm und geringer) können genügend hohe Hallspannungen erzielt werden entsprechend der Beziehung

Up = 5 mit U - Hall spannung

R - Hallkonstante

B - magnetische Plußstärke ,

I- Steuerstrom

d - Schichtdicke

So ist es möglich, 4 Hallelemente auf den Eckpunkten eines Quadrates auf dem isolierenden Substrat, beispielsweise Quarzglas oder oxydierte Silicium-Substrate, anzuordnen. Durch die unabhängige Messung der Hailspannung an 4 Punkten ist eine genaue Zuordnung bezüglich eines inhomogenen Magnetfeldes möglich, öderes kann die Lage eines magnetischen Körpers genau positioniert werden.

Wird als Substrat eine oxydierte Silicium-Unterlage verwendet, kann im Silicium-Substrat die Auswerteelektronik in Form eines integrierten Schaltkreises nach Entfernung des Oxides außerhalb der Hallelemente in herkömmlicher bulk-Si-Technologie hergestellt und mit den Hallelementen verbunden werden. Dadurch ist eine technologisch einfach zu realisierende Anpassung der Verfahrensschritte zur Herstellung der vom Substrat isolierten Hallelemente und zur Erzeugung der im isolierenden Substrat befindlichen Auswerteelektronik möglich.

Zur besseren räumlichen Positionierung von magnetischen Feldern können jeweils 2 Hallelemente in vertikal verschobenen Ebenen des isolierenden Substrates angeordnet sein, beispielsweise jeweils auf der Vorder- und Rückseite von beidseitig polierten und oxydierten Siliciumsubstraten oder auf verschiedenen Isolatorschichtebenen eines Substrates.

Die Leitbahnen, die die Steuerelektroden verbinden, können aus Metall oder gleichfalls aus rekristallisiertem Silicium bestehen.

Ausführungsbeispiel

Die Erfindung wird an zwei Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigt Fig. 1 eine Anordnung zur Positionierung magnetischer Felder.

Im ersten Ausführungsbeispiel ist auf einem Quarzglassubstrat 1 von 5 χ 5mm² Größe die Siliciumschichtstruktur aufgebracht. Diese Siliciumschichtstruktur 2 besteht aus 4 Hallelementen in Form von Hallkreuzen, die im Abstand von jeweils 400μΓη angeordnet sind. Die Breite der Hallkreuzbahnen beträgt 40μηι, die Länge 150Mm. Die Siliciumschichtstruktur 2 besteht aus mit einem Lichtstreifen rekristallisiertem Silicium der Dicke von 0,5Mm. Das rekristallisierte Silicium ist mit Phosphor inplantiert, so daß der spezifische Widerstand 0,01 Cl cm, die Elektronenbeweglichkeit μ = 700cm²/Vs beträgt. Die Steuereiektroden der Hallkreuze sind durch Aluminiumkontaktelektroden 3 verbunden. Die Hallelektroden der Hallkreuze mit den Aluminiumkontaktelektroden 4 sind jeweils an den auf der Rückseite des Quarzglassubstrates 1 befindlichen integrierten Schaltkreis angeschlossen. Der Schaltkreis dient zur Regulierung des Steuerstromes im Bereich von 0,1 mA bis 10 mA sowie zur Auswertung der von jeden der 4 Hallkreuze gelieferten Hallspannung.

Diese Anordnung ermöglicht die Positionierung eines Körpers in einem inhomogenen Magnetfeld zwischen 2Gauss und 1 500 Gauss durch die Auswertung der Hallspannung der 4 Hallkreuze.

Im zweiten Ausführungsbeispiel sind 8 Hallelemente in Form von Hallkreuzen paarweise jeweils im Abstand von 250^.m längs an einer Kante auf einem beidseitig oxydiertem und poliertem Silicium-Substrat {6 χ 6 mm²) angeordnet. Der Abstand zwischen den zu einem Paar gehörenden Hallkreuzen beträgt ebenfalls 250μιη. Die Geometrie der Hallkreuze und das Schichtmaterial sind das gleiche wie im ersten Ausführungsbeispiel.

-Die beschriebene Hallkreuzanordnung befindet sich ebenfalls auf der Rückseite des beidseitig oxydierten Si-Substrates, allerdings längs der gegenüberliegenden Kante. Die Oxiddicke des oxydierten Siliciüm-Sübstrates beträgt Ίμνη. Die Kontaktelektroden der Steuer- und Hallelektroden sind mit einem integrierten Schaltkreis verbunden, der sich im bulk-Material des Silicium-Substrates auf dessen Oberfläche innerhalb der beiden Kantenbereiche mit den Hallkreuzen befindet. Der Schaltkreis dient zur Regulierung des Steuerstromes (I = 5 mA) sowie zur Auswertung der von jedem der 16 Hallelemente gelieferten Hallspannung. Mit der beschriebenen Anordnung wird ein Elektronenstrahl (Strom I = 100mA, U = 30keV, 0 1 /im) genau positioniert, der parallel zur Oberfläche des Substrates verläuft.

Claims

Patentansprüche:

1. Anordnung zur Positionierung magnetischer Felder/bestehend aus mehreren Hallelementen auf einem isolierenden Substrat, dadurch gekennzeichnet, daß die Hallelemente in einer Siliciumschicht angeordnet sind, aus rekristallisiertem Silicium bestehen und die Steuerelektroden durch Leitbahnen miteinander verbunden sind.
2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß vier Hallelemente auf den Eckpunkten eines Quadrates auf dem isolierenden Substrat angeordnet sind.
3. Anordnung nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß jeweils 2 Hallelemente in vertikal verschobenen Ebenen des isolierenden Substrates angeordnet sind.
4. Anordnung nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Hallelemente mit einer in dem isolierenden Substrat befindlichen Auswerteelektronik in Form eines integrierten Schaltkreises verbunden sind.

Dazu 1 Seite Zeichnung