DE1952160A1 - Duennschicht-Induktoren und Verfahren zu ihrer Herstellung - Google Patents

Duennschicht-Induktoren und Verfahren zu ihrer Herstellung

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DE1952160A1
DE1952160A1 DE19691952160 DE1952160A DE1952160A1 DE 1952160 A1 DE1952160 A1 DE 1952160A1 DE 19691952160 DE19691952160 DE 19691952160 DE 1952160 A DE1952160 A DE 1952160A DE 1952160 A1 DE1952160 A1 DE 1952160A1
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Richard Shield
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Description

DfJ.-INa. DIPU.-INQ. M. SC. DIPU.-PHYS. DR, DIPL.-PHVS. HÖGER - STELLRECHT-GRIESSBACH - HAECKER PATENTANWÄLTE IN STUTTGART
A 37 595 b
9, August 1969
Iy - 121.
Texas Instruments Incorporated 13500 North Central Expressway Dallas, Texas (USA)
Dünnschicht-Induktoren und Verfahren zu ihrer Herstellung
Die Erfindung betrifft Dünnschicht-Induktoren und ein Verfahren zu ihrer Herstellung.
Sie betrifft insbesondere solche Dünnschicht-Induktoren, die sich für integrierte Schaltungen eignen.
Es wird fortlaufend daran gearbeitet, kleine und kleinste elektronische Schaltkreise herzustellen, die auf einem einzigen Halbleiterplättchen untergebracht werden können. Im allgemeinen werden hierzu integrierte Schaltungen zusammen mit den Schichtwiderständen und Kondensatoren verwendet. Efrga"en sich jedoch Schwierigkeiten bei der Herstellung von Spulen mit den gewünschten kleinen Abmessungen und geeigneter Induktivität und gewünschtem Q-Faktor.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen Dünnschicht-Induktor sowie ein Verfahren zu seiner Herstellung
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' OBlGiSNALlNSPECTED
A 37 595 b
anzugeben, der sich für integrierte Schaltkreise eignet und eine gute Induktivität und einen guten Q-Paktor auf v/eist.
Erfindungsgemäß wird dies erreicht durch eine Vielzahl von dünnen Metallstreifen,die auf einem Träger angeordnet und durch eine Isolierung abgedichtet sind, einen über den parallelen Streifen angeordneten Teil aus magnetischem Material, der durch eine zweite Isolierschicht abgedeckt ist, über der eine Vielzahl von parallelen Metallstreifen angeordnet ist, ™ die mit den ersten Metallstreifen verbunden sind, um eine flache Spule um den magnetischen Teil zu bilden.
Der Teil aus magnetischem Material kann in manchen Fällen außer-. halb der durch die Metallstreifen gebildeten flachen Spule angeordnet oder ganz weggelassen werden.
Beispielsweise Ausführungsformen werden nachfolgend anhand der Zeichnung erläutert, in der
Fig. 1 perspektivisch eine erste Schicht paralleler Metallstreifen zeigt. .
Fig. 2 zeigt perspektivisch die Ausführungsform nach Fig. die mit einer Isolierschicht und einem Magneten versehen ist,
Fig. 3 zeigt perspektivisch die Ausführungsform nach Fig. 2, die mit einer weiteren Isolierschicht versehen ist, die durchgehende Löcher aufweist.
Fig. Ij zeigt eine Draufsicht auf den Induktor nach Fig. 3,
der mit einer zweiten Schicht paralleler Metallstreifen versehen ist, die durch die Löcher hindurch mit
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A "57 5Q^ b "
Iy - 4
den unteren Metallstreifen verbunden sind. Pig. 5 zeigt einen Schnitt längs der Linie 5~5 von Pig. 4.
Fig.6 ist eine Draufsicht auf eine weitere Ausführungsform der Erfindung.
Fig.7 ist eine Draufsicht auf noch eine weitere Ausführungsform der Erfindung und
Fig.8 zeigt eine Draufsicht auf die Ausführungsform nach Fig. 7, nachdem die Isolierschichten und der Magnet aufgebracht worden sind.
In Fig. 1 ist ein Halbleiter-Träger 10 gezeigt, auf welchem eine Isolierschicht 12 niedergeschlagen ist. Der Träger 10 kann beispielsweise ein Teil eines polierten Siliziumplättchens sein, auf dessen Oberfläche durch das übliche Silan- oder Dampf-Verfahren eine Oxydschicht, die die Isolierschicht 12 darstellt, gezüchtet worden ist. Auf dem Träger 10 ist in bekannter Weise ein monolytisch integriertes Schalt' 13 gebildet worden. Das integrierte SchalSlement13 ist hier ein üblicher dreifach-durchdiffundierter Transistor, es kann jedoch auch irgendein anderes integriertes Schaftemen .verwendet werden. Eine Vielzahl paralleler Metallstreifen 14a - 14h sind in üblicher Weise auf der Oberfläche der Isolierschicht 12 niedergeschlagen. Ein Ende des Metallstreifens I1Ia :st mit einem Anschluß 15 verbunden, um den Kollektor des Schgif1118111^3 13 mit dem Metallstreifen l4a zu verbinden.
Bei der Herstellung der Metallstreifen I1Ia - l4h wird beispielsweise ein gleichförmiger Metallfilm, z.B. aus Aluminium, auf der gesamten Oberfläche der Isolierschicht 12 und auf dem
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I ·
119 I
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Anschluß 15 aufgedampft. Auf den Metallfilm wird in üblicher Weise ein Photoresist aufgebracht. Die Photoresist-Schicht wird mit Hilfe einer'geeigneten Maske abgedeckt und belichtet, wobei Bereiche in der Form der späteren parallelen Metallstreifen freiliegen. Nach der Belichtung der Photoresist-Schicht wird die letztere in einer geeigneten Entwicklerlösung entwickelt*. Das Siliziumplättchen wird dann in eine geeignete Ätzlösung eingetaucht, um die parallelen Metallstreifen llJa - 14h zu bilden. Das restliche Photoresist wird von den Metallstreifen entfernt. Es können jedoch auch andere Verfahren angewendet werden, um die gewünschte gleichmäßige Anordnung der Metallstreifen zu erhalten*
Die Metallstreifen l*5a - l*ih sind geradlinig und parallel dargestellt, es kann jedoch in manchen Fällen erwünscht sein, sie etwas gekrümmt auszuführen oder schräg zueinander anzuordnen. Anstelle von Aluminium können zur Herstellung der Metallstreifen l*Ja - IHh auch andere Metalle mit hoher Leitfähigkeit, wie Wolfram oder Gold, verwendet werden.
Wie Fig. 2 zeigt, wird dann über den Metallstreifenl&a - IMh eine Oxydschicht 16 in geeigneter Weise aufgebracht, z.B. mit Hilfe einer Elektronenkanone oder einer Silan-Reaktion. jöanaefe ' wird über die mittleren TeMe der Metallstreifen 1% - SM- «iß/ sfeabförmiger Magnet 18 aufgebracht. Hierbei wird eine gliiehförwige Schicht aus magnetischem Metall auf der Oberfläch© der Oxydschicht 16 niedergeschlagene worauf das überschüssig* magnetische Material mit Hilfe des Photoresist-Verfahrengi Äilreh Xtsen entfernt wird. "
Der Magnet 18 besteht aus einem geeigneten Material mit hoher Peroeabilität, wie z.B. Ferrit, oder einem magnetischen Metall. Die Wahl eines geeigneten magnetischen Metalls hängt von ver-
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schiedenen gewünschten Betriebskennzeichen des Induktors, der
' elementes
Betriebsfrequenz des Schalt . u.dgl. ab. Ein geeignetes Material mit hoher Permeabilität ist eine Legierung aus Nickel, Eisen, Kobalt, Mangan und Kupfer, das unter dem Namen Permalloy von der Alleghany Ludlum Steel Corporation, Pittsburg, Pennsylvania, vertrieben wird. Vorteilhafterweise kann auch Ferrit, wie z.B. Bariumferrit, verwendet werden.
Nach der Bildung des Magneten 18 wird eine weitere Oxydschicht in üblicher Weise aufgebracht und der Magnet 18 überdeckt. In den Isolierschichten 20 und 16 wird eine Vielzahl von Durchgangslöchern 22a - 22h und 24b - 24h ausgebildet, um eine Verbindung zu den. oberen Flächen der parallelen Metallstreifen I4a - l4h herzustellen. Die Durchgangslöcher werden mit der Photoresist-• Methode und durch Ätzen hergestellt, wobei eine geeignete Ätzlösung, z.B. eine gepufferte Fluor-Wasserstoffsäure auf die Oxydschichten durch eine entwickelte Photoresist-Schicht aufgebracht wird.
Wie Fig. 4 zeigt, wird eine Vielzahl paralleler Metallstreifen 26a - 26g in üblicher Weise auf der Oxydschicht 20 gebildet, wobei diese Streifen im Winkel zu den unteren Streifen 14a - 14h angeordnet sind. Die Durchgangslöcher 22a - 22h und 24b - 24h werden mit durchgehenden Metallverbindungen ausgefüllt, so daß die gegenüberliegenden Enden benachbarter Metallstreifen l4a 14h jeweils durch die Metallstreifen 26a - 26g verbunden sind. So sind beispielsweise die gegenüberliegenden Enden der benachbarten Metallstreifen l4a und l4b durch den Metallstreifen 26a verbunden.
Auf der Isolierschicht 20 wird ferner ein Anschluß 30 aus Metall gebildet und durch ein metallisches Verbindungsstück mit einem
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Ende des unteren Metallstreifens I4h verbunden. Die beiden Schichten miteinander verbundener Metallstreifen bilden somit eine flache Wicklung oder Spule, die den Magneten 18 umgibt, £ .13
angeschlossen ist. In manchen Fällen kann.es erwünscht sein, den Magneten 18 wegzulassen.
Fig. 5 zeigt einen Querschnitt des fertigen Induktors nach Fig.4 wobei der Magnet 18 zwischen den Isolierschichten 16 und 20 angeordnet und von der Spule aus Metallstreifen umgeben ist. Der obere Metallstreifen 26a ist direkt über ein metallisches Verbindungsstück, das das Durchgangsloch 24b ausfüllt, mit einem Ende des unteren Metallstreifens l4b verbunden. Das andere Ende des unteren Metallstreifens l4b ist mit dem oberen Metallstreifen 26b über ein metallisches Verbindungsstück verbunden, das das DurchgangsIqch 22b ausfüllt» '
Mit Hilfe der Erfindung kann jede gewünschte Zahl von Windungen hergestellt werden. So wurde beispielsweise eine flache Spule, wie sie die Fig. 4 und 5 zeigen, mit einer Breite von etwa 3 mm (0,19 Zoll) und einer Länge von etwa 2,6 mm (0,104 Zoll), die 55 Windungen hatte, hergestellt. Die oberen und unteren M-etallstreifen bestanden aus Aluminium und hatten eine Dicke von etwa 750 m />(30 Mikrozoll). Der Magnet 18 bestand aus der oben beschriebenen Legierung Permalloy, und er hatte eine Dicke im Bereich von etwa 750 m.n (30 Mikrozoll), Die Isolierschichten 16 und 20, die den Magneten l8 umgaben, hatten eine Dicke von etwa 5000 Sngströms. Typische Werte sind bei einem Induktor dieser Abmessungen etwa 47Mikröhenry und 55 0hm. Diese Werte stellen eine beträchtliche Verbesserung gegenüber den bisherigen Induktoren derselben Abmessungen dar.
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Pig. 6 zeigt zwei lineare Induktoren, die gemäß der Erfindung hergestellt wurden,und in Reihe geschaltet sind. Der erste Induktor hat eine Vielzahl unterer Metallstreifen 4Oa - 1IOn und einen Magneten 42, der über einer Isolierschicht und über den Metallstreifen 40a - 40n angeordnet ist. Eine Vielzahl von oberen Metallstreifen 44a - 44n ist über einer Isolierschicht angeordnet, die den Magneten 42 abdeckt. Die Metallstreifen . 44a - 44n sind über Durchgangslöcher, die in den Isolierschichter ausgebildet sind, mit gegenüberliegenden Enden benachbarter Metallstreifen 40a - 40n verbunden. Bei dieser Anordnung sind die unteren Metallstreifen 40a - 4On um einen Winkel zur Vertikalen geneigt, während die oberen Metallstreifen 44a - 44n senkrecht verlaufen. In manchen Fällen kann es erwünscht sein, sowohl die oberen wie auch die unteren Metallstreifen gegen die Senkrechte zu .neigen. Es kann ferner manchmal erwünscht sein, Teile der Metallstreifen gebogen auszuführen.
Das Ende des Metallstreifens 44n ist mit einem metallischen Anschluß 46 verbunden, während das Ende des Metallstreifens 44a mit einem metallischen Anschluß 48 verbunden ist. Der Anschluß 48 ist ferner an ein Ende des Metallstreifens 50a angeschlossen, über*einer Isolierschicht, die einen Magneten 52 überdeckt, ist ferner eine Vielzahl weiterer Metallstreifen 50b - 50n ahge*· ordnet. Eine Isolierschicht trennt den Magneten 52 von unteren Metallstreifen 54a - 54n. Ein metallischer Anschluß-56 ist mit einem Ende des Metallstreifens 50n verbunden. Die Anschlüsse kS und 56 stellen somit die Ausgangsklemmen einer eineigen Spule dar.
Die Fig. 7 und 8 zeigen eine weitere Ausführungsform eines Dünnschicht-Induktors. Hierbei wird eine Vielzahl paralleler Metallstreifen 60a - 60h durch Aufdampfen und Ätzen auf einer
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isolierenden Oxydschicht 61 aufgebracht, die auf einem Halbleiterträger ausgebildet ist. über der Isolierschicht 61 wird ferner eine Vielzahl paralleler Streifen 62a - 62i hergestellt, die in Berührung mit den Enden der Metallstreifen 60a - 60h sind. Auf diese Weise wird auf der isolierenden Oxydschicht .61 eine im wesentlichen einschichtige flache Spule oder Wicklung hergestellt.
Auf die Metallstreifen wird eine zweite Isolierschicht aufgebracht, über der ein Magnet 64 angeordnet wird. Danach wird eine dritte isolierende Oxydschicht 66 auf den Magneten 6k aufgebracht. Die Isolierschichten werden mit Durchgangslöchern versehen, die zu den Enden der Metallstreifen 62a und 62i führen. Auf der Isolierschicht 66 wird ein met aiii s ehe r'Anschluß 68 gebildet, außerdem wird ein metallisches Verbindungsstück hergestellt, um den Anschluß 68 mit dem Ende des Metallstreifens 62a elektrisch zu verbinden. In gleicher Weise wird.-ein metallischer Anschluß 70 auf die isolierende Oxydschicht 66 aufgebracht, der sich durch ein Durchgangsloch erstreckt und elektrisch mit dem Ende des Metallstreifens 62i verbunden ist.
-9 -
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Claims (1)

  1. A 37 595 b
    9. 8. 1$69 - 9 - 19521RH
    Iy -124 ■ f;3C>* |DU
    Patent ^a η sprüche
    Dünnschieht-Induktor, der auf einem Träger ausgebildet ist, gekennzeichnet durch eine erste Lage leitfähiger Streifen (14a - l4h) und durch eine zweite im Abstand zur ersten angeordnete Lage leitfähiger Streifen (26a - 26g), durch
    erster welche die entgegengesetzten Enden benachbarter/Streifen - 14h) miteinander verbunden sind.
    2. Dünnschicht-Induktor nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch einen stabförmigen Magneten (18), der zwischen den ersten (14a - l4h) und den zweiten Streifen (26a - 26g) angeordnet ist.-
    3. Dünnschicht-Induktor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß er mit einem in dem Träger ausgebildeten
    element
    Schalt (13) elektrisch verbunden ist.
    • -
    4. Dünnschieht-Induktor nach einem der vorhergehenden Ansprüche,, gekennzeichnet durch wenigstens eine Isolierschicht (16, 20),j die die mittleren Teile der ersten und zweiten leitfähigen Streifen (l4a - 14h bzw. 26a -*26g) trennt.
    5. Dünnschieht-Induktor nach einem der Ansprüche 2-4, dadurch gekennzeichnet, daß der Magnet (18) isoliert ist und sich über die mittleren Teile der ersten .und zweiten leitfähigen Streifen (14a - 14h bzw. 26a - 26g) erstreckt.
    6. Dünnschieht-Induktor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die leitfähigen Streifen aus Aluminium bestehen.
    - 10 -
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    A 37 595 b
    Iy - 12H
    J. Dünnschicht-Induktor nach einem der Ansprüche 1 - 5» dadurch gekennzeichnet, daß die leitfähigen Streifen aus Wolfram bestehen.
    8. Dünnschicht-Induktor nach einem der Ansprüche 1-5, dadurch gekennzeichnet, daß die leitfähigen Streifen aus Gold bestehen.
    9. Dünnschicht-Induktor nach einem der Ansprüche 1-8, dadurch gekennzeichnet, daß der Magnet aus einer Nickel-Eisen-Legierung besteht.
    10. Dünnschicht-Induktor nach einem der Ansprüche 1-8, dadurch gekennzeichnet, daß der Magnet aus einem Ferrit-Material besteht.
    11. Dünnschicht-Induktor nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Magnet aus Bariumferrit besteht. >
    12. Dünnschicht-Induktor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die leitfähigen Streifen dieselbe Länge haben und parallel zueinander angeordnet sind.
    IJ. Dünnschicht-Induktor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Streifen der ersten Schicht (IHa - IHh, 40a - IfOn, 60a - 60h, 50a - 50n) im Winkel zu den Streifen der zweiten Schicht (26a- 26g, 54a - 5Hn, 62a - 62i) angeordnet sind. .
    lH. Verfahren zur Herstellung von Dünnschicht-Induktoren nach einem der Ansprüche 1 - 13, dadurch gekennzeichnet, daß
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    A 37 595 b
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    Iy -
    eine Vielzahl von dünnen leitfähigen Streifen auf einen Träger aufgebracht wird, daß über diesen Streifen eine Isolierschicht gebildet wird, und daß auf der Isolierschicht leitende Verbindungsstücke gebildet werden, die die entgegengesetzten Enden benachbarter leitfähiger Streifen verbinden, um eine fortlaufende flache Spule zu bilden.
    15· Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß auf die Isolierschicht eine Schicht aus magnetischem Material aufgebracht wird, die sich über die mittleren Teile der leitfähigen Streifen erstreckt, und daß auf diese Schicht aus magnetischem Material eine weitere Isolierschicht aufgebracht wird.
    16. Verfahren nach Anspruch 14 oder 15, dadurch gekennzeichnet, daß in den Isolierschichten Durchgangslöcher ausgebildet werden, die zu den Enden von jedem der leitfähigen Streifen führen, und daß auf die weitere Isolierschicht eine zweite Lage aus leitfähigen Streifen aufgebracht wird, deren Enden sich durch die Durchgangslöcher erstrecken, um gegenüberliegende Enden benachbarter Streifen der ersten Lage zu verbinden, um eine fortlaufende flache spule um die Schicht aus magnetischem Material zu bilden.
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