Stand der Technik
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Es ist allgemein bekannt, für eine verlustleistungsarme und
potentialgetrennte Strommessung aktive Magnetfeldmessungen
durchzuführen. Hierzu werden insbesondere aktive Halbleiter-
Sensorelemente, wie zum Beispiel Hall-Sensoren eingesetzt.
Insbesondere für kleine Ströme bzw. Felder ist die untere
Messgrenze limitiert. Um die Sensibilität der Sensoren zur
erhöhen, werden in der Regel Flusskonzentratoren verwendet.
Diese sind meistens in Form eines makroskopischen
Magnetkreises ausgebildet. Dabei wird der Halbleitersensor
in den Luftspalt des Flusskonzentrators gebracht, der das zu
messende Magnetfeld einschließt und aus einem hochpermeablen
Material, wie beispielsweise Ferrit oder µ-Metall, besteht.
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Es sind allgemein auch mikroskopische Flusskonzentratoren
bekannt, die beispielsweise durch Aufbringen eines
geeigneten Metalls oder Glas realisiert sind. Letzteres
erfordert einen hohen Aufwand, wie beispielsweise die
Verwendung von Sputteranlagen, und ist problematisch
hinsichtlich der Strukturierbarkeit. Weiterhin sind diese
Techniken auf 2D-Strukturen beschränkt.
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Vorteile der Erfindung
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Die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Sensierung eines
Magnetfeldes mit den Merkmalen des Hauptanspruchs haben
demgegenüber den Vorteil, dass eine Kunststoffschicht zur
Beeinflussung der Flussdichte des zu messenden magnetischen
Feldes herangezogen wird, wobei darüberhinaus die
Kunststoffschicht zusätzlich noch zur Passivierung des
darunter befindlichen Chips vorgesehen ist. Weiterhin ist
von Vorteil, dass erfindungsgemäß ein in der
Halbleiterherstellung üblicher Stoff als Grundlage der
Kunststoffschicht Verwendung findet. Weiterhin ist von
Vorteil, dass die Kunststoffschicht leicht einfach
strukturierbar ist, eine ganzflächige Aufbringung auf das
Substrat ermöglicht und eine gute Kantenabdeckung
gewährleistet.
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Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen sind
vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen der im
Hauptanspruch angegebenen Vorrichtung möglich.
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Besonders vorteilhaft ist es, dass die Kunststoffschicht
derart strukturiert vorgesehen ist, dass sich bei
vorgegebenem Magnetfeld eine die magnetische Flussdichte
fokussierende oder die magnetische Flussdichte
defokussierende Wirkung am Magnetfeldsensor ergibt. Dadurch
ist es möglich, die Flussdichte, die am Sensorort gemessen
wird, gezielt zu beeinflussen.
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Weiterhin ist es von Vorteil, dass der Magnetfeldsensor auf
oder in dem Substrat monolithisch integriert vorgesehen ist.
Dadurch ergibt sich die Möglichkeit einer schnellen und
kostengünstigen Massenfertigung der erfindungsgemäßen
Vorrichtung.
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Weiterhin ist es von Vorteil, dass als Kunststoffschicht
eine Polyimidschicht vorgesehen ist, welche die magnetische
Flussdichte eines Magnetfeldes beeinflussende Substanz
umfaßt. Polyimid kann auf verschiedene Wafermaterialien
aufgebracht werden und ist damit universell einsetzbar, was
sich kostenverringernd auswirkt.
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Weiterhin ist es von Vorteil, dass der Magnetfeldsensor
parallel zur Substratebene ausgerichtete Magnetfelder
sensiert. Dadurch wirkt die im wesentlichen parallel zur
Substratebene aufgebrachte Kunststoffschicht vorteilhaft mit
dem Magnetfeldsensor zusammen, weil eine solche im
wesentlichen parallel zur Substratebene aufgebrachte
Kunststoffschicht insbesondere den magnetischen Fluss
parallel zur Substratebene beeinflußt.
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Weiterhin ist es von Vorteil, dass die Kunststoffschicht
(25) photostrukturierbar vorgesehen ist. Dadurch sind alle
möglichen Formen und Designs von möglichen magnetischen
Strukturen in zwei Dimensionen, d. h. auf der
Substratoberfläche, und mittels UV-Tiefenlithographie auch
in drei Dimensionen, d. h. auch senkrecht zur Substratebene,
realisierbar.
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Weiterhin ist es von Vorteil, dass die Kunststoffschicht in
mehreren Teilschichten vorgesehen ist, wobei verschiedene
Teilschichten die magnetische Flussdichte eines Magnetfeldes
unterschiedlich beeinflussen. Dadurch ist es, insbesondere
bei der Verwendung von Polyimid, möglich, durch Verwendung
von unterschiedlich mit der die magnetische Flussdichte
eines Magnetfeldes beeinflussenden Substanz gefüllten
Teilschichten dreidimensionale Strukturen mit
Permeabilitätsgradienten zur erzeugen.
Zeichnung
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Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung
dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher
erläutert. Es zeigen
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Fig. 1 einen Querschnitt durch einen Chip mit Nitrid- und
µ-Polyimid-Beschichtung,
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Fig. 2 eine Aufsicht auf einen Chip mit fotostrukturierter
µ-Polyimid-Beschichtung, wobei ein Flusskonzentrator mit
einem Sensorelement realisiert ist, welches auf laterale,
d. h. parallel zur Chipebene verlaufende, Felder empfindlich
ist und
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Fig. 3 eine Seitenansicht einer weiteren Ausführungsform
der erfindungsgemäßen Vorrichtung.
Beschreibung
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In Fig. 1 ist ein Querschnitt durch eine erfindungsgemäße
Vorrichtung 10 dargestellt, wobei ein Chip 20 bzw. ein
Substrat 20 die Basis für die erfindungsgemäße Vorrichtung
10 bildet. Das Substrat 20 ist erfindungsgemäß insbesondere
als Halbleitersubstrat, insbesondere Siliziumsubstrat,
vorgesehen. Oberhalb des Substrats 20 ist eine
Passivierungsschicht 22 in Fig. 1 dargestellt, wobei die
Passivierungsschicht 22 insbesondere als Nitridschicht
vorgesehen ist. Oberhalb der Passivierungsschicht 22 ist in
Fig. 1 eine erfindungsgemäße Kunststoffschicht 24
dargestellt, die in Fig. 1 noch unstrukturiert dargestellt
ist. Gestrichelt gezeichnet ist in Fig. 1 ein
Magnetfeldsensor 30, der erfindungsgemäß in oder auf dem
Substrat 20 vorgesehen ist, in Fig. 1 jedoch wegen der
Schichten 22 und 24 nicht sichtbar wäre.
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In Fig. 2 ist eine Aufsicht auf die erfindungsgemäße
Vorrichtung 10 dargestellt, wobei wiederum das Substrat 20
und der Magnetfeldsensor 30 dargestellt sind. Die
Passivierungsschicht 22, die noch in Fig. 1 dargestellt
ist, ist in Fig. 2 der Einfachheit halber nicht mehr
dargestellt. Die Kunststoffschicht 24 aus der Fig. 1 ist in
Fig. 2 strukturiert dargestellt und trägt daher das
Bezugszeichen 25. Die Strukturierung der Kunststoffschicht
25 ist in Fig. 2 derart vorgesehen, dass es am Ort des
Magnetfeldsensors 30 zu einer Konzentration von
Magnetfeldlinien eines Magnetfeldes kommt, die mit dem
Bezugszeichen 27 bezeichnet sind. Hierbei werden
insbesondere Magnetfeldkomponenten betrachtet, die parallel
zur Substratebene verlaufen. In einer solchen parallel zum
Substrat verlaufenden Ebene ist daher die Kunststoffschicht
25 verbreitert vorgesehen, je größer der Abstand zum
Magnetfeldsensor 30 ist. Auf einer gedachten Linie, die den
Magnetfeldsensor 30 schneidet würde daher die Ausdehnung
innerhalb der Substratebene der Kunststoffschicht senkrecht
zu der gedachten Linie zunehmen, je größer die Entfernung
zum Magnetfeldsensor 30 ist.
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In Fig. 3 ist die erfindungsgemäße Vorrichtung 10 in
Seitenansicht dargestellt. Wiederum ist das Substrat 20, der
Magnetfeldsensor 30 und die strukturierte Kunststoffschicht
25 dargestellt. Der Magnetfeldsensor 30 ist gemäß einer
weiteren Ausführungsform gemäß der Fig. 3 zumindest
teilweise in einer Ebene mit der Kunststoffschicht 25 derart
vorgesehen, dass wenigstens eine Ebene parallel zur
Substratebene sowohl die Kunststoffschicht 25 als auch den
Magnetfeldsensor 30 schneidet. Gemäß der Ausführungsform der
Erfindung gemäß der Fig. 2 ist es vorgesehen, dass der
Magnetfeldsensor 30 vollständig in dem Substrat 20
vorgesehenen ist und dass die Kunststoffschicht 25 oberhalb,
d. h. auf, dem Substrat 20 vorgesehen ist, so dass es eine
zur Substratebene parallele Ebene, die sowohl die
Kunststoffschicht 25 als auch den Magnetfeldsensor 30
schneidet, nicht gibt. Beide Ausführungsformen sind gemäß
der Erfindung vorgesehen.
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Gemäß der vorliegenden Erfindung ist es insbesondere
vorgesehen, einen Standard-Polyimid-Prozess der
Halbleiterfertigung mit der Möglichkeit auszustatten, durch
Füllen des Polyimids mit einem magnetisch aktiven Material,
wie beispielsweise Nickel, gezielt die magnetischen
Eigenschaften von Halbleitermagnetfeldsensoren 30 zu
verbessern oder den möglichen Einfluss von Magnetfeldern auf
elektrische Schaltungen abzuschirmen. Hierzu wird
insbesondere das Polyimid mit einer den magnetischen Fluss
eines Magnetfeldes beeinflussenden Substanz ausgestattet, so
dass durch die resultierende Vergrößerung - dadurch
flusskonzentrierende Wirkung der Kunststoffschicht- oder
Verkleinerung - dadurch flussdekonzentrierende Wirkung der
Kunststoffschicht - der Permeabilitätszahl der
Kunststoffschicht vorhandene Magnetfelder entweder
fokussiert oder defokussiert werden; und dies insbesondere
in einer Ebene parallel zur Substratebene. Die den
magnetischen Fluss beeinflussende Wirkung der
Kunststoffschicht wird über die Veränderung der
Permeabilitätszahl der Schicht hinaus erfindungsgemäß auch
durch eine entsprechend vorgenommene Strukturierung der
Kunststoffschicht verstärkt. Dadurch können vorhandene
Felder - insbesondere am Ort des Magnetfeldsensors 30 -
konzentriert oder gestreut werden.
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Als magnetisch aktive Substanz mit der die magnetische
Flussdichte eines Magnetfeldes beeinflussenden Eigenschaft
ist insbesondere Nickel in Form von kleinen Kugeln oder in
einer ähnlichen Ausführungsform vorgesehen. Der Füllgrad
(Volumenanteil) an magnetisch aktiver Substanz bestimmt
dabei ebenso die Permeabilität wie die Wahl der magnetisch
aktiven Substanz.
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Der die Kunststoffschicht 24, 25 bildende Kunststoff,
insbesondere Polyimid, der erfindungsgemäß mit der
magnetisch aktiven Substanz gefüllt ist, wird in einer
gegebenenfalls leicht modifizierten Lackspur auf den Wafer
aufgebracht und auf dem Wafer mittels der Lackschleuder
gleichmäßig verteilt. Anschließend wird das Polyimid
vorgeheizt und vorvernetzt (prebake). Bei einem anderen
verwendeten Kunststoff sind gegebenenfalls entsprechend
modifizierte Schritte notwendig. Im Anschluß an die
Vorvernetzung folgt beim Polyimid der Ofenschritt zur
Aushärtung des Polyimids. Anschließend kann nach Aufbringung
eines Fotolacks das Polyimid strukturiert werden und das
überflüssige Polyimid durch Lösungsmittel aufgelöst werden.
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Bei Kunststoffschichten, die eine Mehrzahl von Teilschichten
umfassen sollen, werden mehrere Teilschichten bzw. Lagen des
mit der magnetisch aktiven Substanz gefüllten Kunststoffes,
erfindungsgemäß insbesondere das gefüllte Polyimid oder auch
"µ-PI", nacheinander auf das Substrat 20 bzw. das durch eine
Passivierungsschicht passivierte Substrat 20 aufgebracht und
gemeinsam ausgeheizt. Der Strukturierungsschritt,
insbesondere mittels Photolithographie, erfolgt danach wie
oben beschrieben. Alternativ kann auch auf das bereits
photostrukturierte µ-PI eine weitere Teilschicht aufgebracht
und anschließend fotostrukturiert werden.
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Zwischen der Kunststoffschicht 25 und dem Substrat 20 ist
erfindungsgemäß insbesondere vorgesehen, den Chip 20 bzw.
das Substrat 20 vor mechanischen Beschädigungen durch das µ-
PI mittels einer Siliziumnitridschicht 22 bzw. einer Oxi-
Nitrid-Schicht (SiO3N4) zu schützen.
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Bei der Füllung des Kunststoffs mit magnetisch aktiver
Substanz ist darauf zu achten, dass der Füllgrad nicht zu
hoch gewählt wird, da sonst die Photostrukturierbarkeit
deutlich verschlechtert wird. Weiterhin muss der
Füllungsgrad aber auch ein Mindestvolumen überschreiten, um
die gewünschten magnetischen Effekte zu erzielen.
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Erfindungsgemäß ist es auch vorgesehen, eisenhaltige
Werkstoffe als magnetisch aktive Substanz einzusetzen. Es
besteht jedoch hier die Gefahr, dass ein solcher
eisenhaltiger Werkstoff das Silizium kontaminiert und
unerwünschte Nebeneffekte hervorruft. Ein solches µ-PI
sollte erfindungsgemäß vorrangig relativ am Ende des
Herstellungsprozesses zur Herstellung der Vorrichtung 10
verarbeitet werden.