DE19861304B4

DE19861304B4 - Magnetfeld-Erfassungselement

Info

Publication number: DE19861304B4
Application number: DE19861304.0A
Authority: DE
Inventors: Izuru Shinjo; Yasuyoshi Hatazawa; Tatsuya Fukami; Motohisa Taguchi; Kazuhiko Tsutsumi; Yuuichi Sakai; Naoki Hiraoka
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 1998-05-13
Filing date: 1998-11-26
Publication date: 2014-07-24
Anticipated expiration: 2018-11-27
Also published as: US6239595B1

Abstract

Magnetfeld-Erfassungselement (32, 33), enthaltend: – ein Substrat (1); gekennzeichnet durch – eine auf dem Substrat gebildete integrierte Schaltung (3); – eine auf der integrierten Schaltung (3) gebildete Unterschicht (2); – ein Metallkissen (11), das auf der Unterschicht (2) oder der integrierten Schaltung (3) gebildet ist; – eine zweite Niveaudifferenz-Pufferschicht (36, 14), die auf der Unterschicht (2) und dem Metallkissen (11) gebildet ist, um die Niveaudifferenz zwischen der Oberfläche der Unterschicht (2) und der Oberfläche des Metallkissens (11) auszugleichen; und – ein GMR-Magnetwiderstandselement (9), das auf der zweiten Niveaudifferenz-Pufferschicht (36, 14) gebildet ist.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Magnetfeld-Erfassungselement gemaß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 sowie ein Magnetfeld-Erfassungselement gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 4.
In DE 197 44 090 A1 , Stand der Technik gemäß §3 Absatz 2 Nr. 1 PatG, ist ein magnetischer Sensor beschrieben. Der magnetische Sensor umfasst eine elektrische Hauptschaltung, einen Magneten, der auf der elektrischen Hauptschaltung angeordnet ist, und eine Erfassungseinrichtung, die eine integrierte Schaltung mit einer Magneterfassungseinrichtung aufweist, die aus einem Fühlwiderstand besteht, um ein Signal in der Form einer Spannungsänderung auszugeben, die der Änderung des magnetischen Feldes des Magneten entspricht. Ein Filter dient zum Entfernen eines Rauschanteils eines Signals, das auf eine Verarbeitungsschaltung angewandt wird.
In EP 0 660 127 A2 ist ein Mehrschicht-magnetoresistiver Sensor beschrieben, insbesondere ein magnetoresistiver Sensor, der einen anisotropen magnetoresistiven Effekt AMR ausnützt.
Ferner ist in DE 198 20 692 A1 , Stand der Technik gemaß §3 Absatz 2 Nr. 1 PatG, ein Magnetsensor mit Nutzung eines GMR-Elements beschrieben. Eine Pufferschicht ist auf einem Substrat angeordnet, und uber der Pufferschicht ist eine GMR-Schicht angeordnet. Die GMR-Schicht hat eine Laminatstruktur mit einer abwechselnden magnetischen Schicht und nichtmagnetischen Schicht. Die nichtmagnetischen Schichten enthalten Kupfer, und die magnetischen Schichten und die nichtmagnetischen Schichten sind mit einer Dicke gebildet, mit der sich ein GMR-Magnetwiderstandseffekt ergibt. Die Dicke der Pufferschicht unterscheidet sich von der Dicke jeder der Schichten, die in der Mehrschicht-GMR-Schicht gebildet sind.
Allgemein ist ein Magnetwiderstandselement oder Magnetoresistanzelement (nachstehend als ein MR-Element bezeichnet) ein Element, dessen Widerstand sich in Abhangigkeit von einem Winkel ändert, der durch die Magnetisierungsrichtung eines Dünnfilms aus einem ferromagnetischen Korper (z. B. Ni-Fe oder Ni-Co) und der Richtung eines elektrischen Stroms gebildet wird. Der Widerstand eines derartigen MR-Elements ist minimal, wenn die Richtung eines elektrischen Stroms und die Richtung einer Magnetisierung sich rechtwinklig schneiden, und ist maximal, wenn der von der Richtung eines elektrischen Stroms und der Richtung einer Magnetisierung gebildete Winkel 0° ist, d. h., wenn die Richtungen die gleichen oder vollstandig entgegengesetzt sind. Eine derartige Änderung im Widerstand wird als eine MR-Änderungsrate bezeichnet und ist für Ni-Fe typischerweise 2–3% und für Ni-Co typischerweise 5–6%.
Die 34 und 35 sind eine Seitenansicht bzw. eine perspektivische Ansicht, die den Aufbau einer herkommlichen Magnetfeld-Erfassungseinrichtung zeigen.
Wie in 34 dargestellt umfasst die herkömmliche Magnetfeld-Erfassungseinrichtung eine Drehachse 41, einen magnetischen Drehkörper 42, der wenigstens einen konkaven (ausgenommenen) Abschnitt und einen konvexen (vorspringenden) Abschnitt aufweist und sich synchron zu der Drehung der Drehachse 41 dreht, ein MR-Element 43, das zu dem magnetischen Drehkorper 42 in einem vorgegebenen Abstand angeordnet ist, einen Magneten 44 zum Anwenden eines Magnetfelds auf das MR-Element 43 und eine integrierte Schaltung 45 zum Verarbeiten eines Ausgangs des MR-Elements 43. Das MR-Element 43 weist ein Magnetwiderstandsmuster oder Magnetoresistanzmuster 46 und eine Dünnfilmoberflache (eine magnetisch empfindliche Oberfläche) 47 auf.
In einer derartigen Magnetfeld-Erfassungseinrichtung verursacht eine Drehung des magnetischen Drehkorpers 42 eine Änderung des Magnetfelds, das die Dünnfilmoberflache 47 durchdringt, die die magnetisch empfindliche Oberfläche des MR-Elements 43 ist, was zu einer Änderung in dem Widerstand des Magnetwiderstandsmusters 46 führt.
Da jedoch der Ausgangspegel des MR-Elements als ein Magnetfeld-Erfassungselement, das in einer derartigen Magnetfeld-Erfassungseinrichtung verwendet wird, gering ist, kann die Erfassung nicht hoch genau sein. Um dieses Problem zu lösen ist ein Magnetfeld-Erfassungselement unter Verwendung eines GMR-Magnetwiderstandselements, nachstehend auch als ein GMR-Element bezeichnet, das einen hohen Ausgangspegel aufweist, kurzlich vorgeschlagen worden.
36 ist ein Diagramm, das die Eigenschaften eines herkommlichen GMR-Elements zeigt.
Das GMR-Element, das die Eigenschaften in 36 aufzeigt, ist ein laminierter oder geschichteter Korper (Fe/Cr, Permalloy/Cu/Co/Cu, Co/Cu) als ein sogenannter kunstlicher Gitterfilm, dessen magnetische Schichten und nicht-magnetische Schichten mit Dicken von mehreren Angstrom bis mehreren dutzend Angstrom alternierend aufgeschichtet oder laminiert sind. Dies ist in einem Artikel mit dem Titel ”Magnetic Resistance Effects of Artificial Lattices”, Japan Applied Magnetics Society Transactions, Vol. 15, Nr. 51991, auf den Seiten 813–821 offenbart. Der laminierte Korper weist einen viel großeren MR-Effekt (ein MR-Anderungsrate) als das voranstehend erwahnte MR-Element auf und ist gleichzeitig ein Element, das die gleiche Widerstandsanderung unabhangig von dem Winkel aufweist, der von der Richtung eines externen Magnetfelds und der Richtung eines elektrischen Stroms gebildet wird.
Um eine Änderung des Magnetfelds zu erfassen bildet das GMR-Element im wesentlichen eine magnetisch empfindliche Oberfläche. Elektroden werden an den jeweiligen Enden der magnetisch empfindlichen Oberfläche gebildet, um eine Bruckenschaltung zu bilden. Eine Konstantspannungs- und Konstantstrom-Energiequelle wird mit den zwei aufeinanderzugekehrten Elektroden der Bruckenschaltung verbunden. Die Änderung des Magnetfelds, das auf das GMR-Element wirkt, wird durch Umwandeln einer Widerstandsänderung des GMR-Elements in eine Spannungsanderung erfasst.
Die 37 und 38 sind eine Seitenansicht bzw. eine perspektivische Ansicht, die den Aufbau einer Magnetfeld-Erfassungseinrichtung unter Verwendung eines herkömmlichen GMR-Elements zeigen.
In den 37 und 38 umfasst die Magnetfeld-Erfassungseinrichtung eine Drehachse 41, einen magnetischen Drehkörper 42 als eine Einrichtung zum Bewirken einer Änderung eines magnetischen Felds, wobei der Körper wenigstens einen konkaven Abschnitt und einen konvexen Abschnitt aufweist und synchron mit der Drehung der Drehachse 41 gedreht werden kann, ein GMR-Element 48, das in einem vorgegebenen Abstand zu dem magnetischen Drehkorper 42 angeordnet ist, einen Magneten 44 als eine Magnetfeld-Erzeugungseinrichtung zum Anwenden eines Magnetfelds auf das GMR-Element 48, und eine integrierte Schaltung 45 zum Verarbeiten eines Ausgangs des GMR-Elements 48. Das GMR-Element 48 weist ein Magnetwiderstandsmuster 49 als ein magnetisch empfindliches Muster und eine Dünnfilmoberflache 50 auf.
In einer derartigen Magnetfeld-Erfassungseinrichtung verursacht eine Drehung des magnetischen Drehkörpers 42 eine Änderung des Magnetfelds, das die Dünnfilmoberflache (die magnetisch empfindliche Oberflache) 47 des GMR-Elements 48 durchdringt, was zu einer Änderung des Widerstands des Magnetwiderstandsmusters 49 fuhrt.
39 ist ein Blockschaltbild, das die Magnetfeld-Erfassungseinrichtung unter Verwendung des herkommlichen GMR-Elements zeigt.
40 ist ein Blockschaltbild, das die Einzelheiten der Magnetfeld-Erfassungseinrichtung unter Verwendung des herkommlichen GMR-Elements zeigt.
Die Magnetfeld-Erfassungseinrichtung, die in den 39 und 40 gezeigt ist, ist in einem vorgegebenen Abstand zu dem magnetischen Drehkörper 42 angeordnet und umfasst eine Wheatstone-Brückenschaltung 51 unter Verwendung des GMR-Elements 48, an das von dem Magneten 44 ein Magnetfeld angelegt wird, eine differentielle Verstärkungsschaltung 52 zum Verstärken des Ausgangs der Wheatstone-Brückenschaltung 51, eine Vergleichsschaltung 53 zum Vergleichen des Ausgangs der differentiellen Verstarkungsschaltung 52 mit einem Referenzwert, um ein Signal ”0” oder ”1” auszugeben, und eine Ausgabeschaltung 54, die in Abhangigkeit von dem Ausgang der Vergleichsschaltung 53 schaltet.
41 zeigt ein Beispiel des Aufbaus einer Schaltung der Magnetfeld-Erfassungseinrichtung unter Verwendung des herkommlichen GMR-Elements.
In 41 weist die Wheatstone-Bruckenschaltung 51 auf ihren jeweiligen Seiten GMR-Elemente 48a, 48b, 48c und 48d auf, wobei z. B. die GMR-Elemente 48a und 48c mit einem Energiequellenanschluss VCC verbunden sind, die GMR-Elemente 48 und 48d poliert sind, die andere Enden der GMR-Elemente 48a und 48b mit einer Verbindung 55 verbunden sind, und die anderen Enden der GMR-Elemente 48c und 48d mit einer Verbindung 56 verbunden sind.
Die Verbindung 55 der Wheatstone-Bruckenschaltung 51 ist mit einem invertierenden Eingangsanschluss eines Verstarkers 59 einer differentiellen Verstarkungsschaltung 59 über einen Widerstands 57 verbunden. Die Verbindung 56 ist mit einem nicht-invertierenden Eingangsanschluss des Verstärkers 59 über einen Widerstand 60 verbunden, und ferner ist sie mit einer Spannungsteilerschaltung 62 zum Bilden einer Referenzspannung auf Grundlage der von dem Energiequellenanschluss VCC über einen Widerstand 61 zugeführten Spannung verbunden.
Ein Ausgangsanschluss des Verstärkers 59 ist mit seinem eigenen invertierenden Eingangsanschluss über einen Widerstand 63 verbunden und ferner ist er mit einem invertierenden Eingangsanschluss einer Vergleichsschaltung 64 verbunden. Ein nicht-invertierender Eingangsanschluss der Vergleichsschaltung 64 ist mit einer Spannungsteilerschaltung 66 zum Bilden einer Referenzspannung auf Grundlage der von dem Energiequellenanschluss VCC zugeführten Spannung verbunden, und ferner ist er mit einem Ausgangsanschluss der Vergleichsschaltung 64 über einen Widerstand 67 verbunden.
Ein Ausgabeende der Vergleichsschaltung 64 ist mit einer Basis eines Transistors 69 einer Ausgabeschaltung 68 verbunden. Der Kollektor des Transistors 69 ist mit einem Ausgangsanschluss der Ausgabeschaltung 68 verbunden, und ferner ist er mit dem Energiequellenanschluss VCC über einen Widerstand 71 verbunden. Der Emitter des Transistors 69 ist poliert.
42 zeigt den Aufbau des herkömmlichen Magnetfeld-Erfassungselement.
43 ist ein Diagramm, das die Betriebseigenschaften des herkömmlichen Magnetfeld-Erfassungselements zeigt.
Wie in 42 gezeigt umfasst die Wheatstone-Brücke das GMR-Element 48 (gebildet aus 48a, 48b, 48c und 48d).
Wie in 43 gezeigt, verursacht eine Drehung des magnetischen Drehkorpers 42 eine Anderung des Magnetfelds, das an das GMR-Element 48 (48a bis 48d) angelegt wird, und ein Ausgang entsprechend der konkaven Abschnitte und der konvexen Abschnitte des magnetischen Drehkörpers 42 kann an einem Ausgabeende der differentiellen Verstärkungsschaltung 48 erhalten werden.
Der Ausgang der differentiellen Verstarkungsschaltung 48 wird an die Vergleichsschaltung 64 geführt, mit dem Referenzwert als der Vergleichspegel verglichen, in ein Signal von entweder ”0” oder ”1” umgewandelt, und das Signal wird ferner durch die Ausgabeschaltung 48 in eine Wellenform ausgebildet. Infolgedessen, wie in 43 gezeigt, kann ein Ausgang mit ”0” oder ”1” mit steilen führenden und hinteren Flanken an dem Ausgangsanschluss 70 erhalten werden.
Da jedoch das in dem voranstehend erwähnten Magnetfeld-Erfassungselement verwendete GMR-Element empfindlich ist, ist es erforderlich, z. B. die Oberfläche der Unterschicht zu glatten, auf der das GMR-Element gebildet wird, um vollstandig seine Eigenschaften hervorzubringen. Deshalb ist es z. B. schwierig, das GMR-Element auf der gleichen Oberflache zu bilden, auf der die integrierte Schaltung gebildet ist.
Dies erfordert, dass das GMR-Element und die integrierte Schaltung getrennt gebildet werden und dass sie dann miteinander elektrisch verbunden werden, was zu einer geringen Produktivitat und hohen Herstellungskosten führt.
Da ferner der Ausgang der Vergleichsschaltung von dem Abstand zwischen dem magnetischen Drehkörper und dem Magnetfeld-Erfassungselement abhängt, ist ein Problem dahingehend vorhanden, dass die sogenannten Spalteigenschaften schlecht sind.
Im Hinblick auf die obigen Ausführungen besteht ein technisches Problem der vorliegenden Erfindung in der Schaffung von Magnetfeld-Erfassungselementen unter geringen Kosten, bei einer hohen Produktivität und einer hohen Erfassungsgenauigkeit.
Gemäß einem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird dieses technische Problem gelöst durch ein Magnetfeld-Erfassungselement mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1.
Insbesondere wird gemäß dem ersten Aspekt vorgeschlagen, ein Metallkissen auf einer Laminatstruktur, bestehend aus Substrat, Unterschicht und integrierter Schaltung, auszubilden, und zudem eine zweite Niveaudifferenz-Pufferschicht auf der Unterschicht und dem Metallkissen zu bilden, um die Niveaudifferenz zwischen der Oberfläche der Unterschicht und der Oberfläche des Metallkissens auszugleichen. Ein GMR-Magnetwiderstandselement wird auf der zweiten Niveaudifferenz-Pufferschicht gebildet.
Hierdurch lässt sich die Fläche des Substrats verkleinern, und ein Magnetfeld-Erfassungselement kann mit geringen Kosten erhalten werden. Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass das Magnetfeld-Erfassungselement miniaturisiert ist.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, dass die zweite Niveaudifferenz-Pufferschicht eine Oberfläche aufweist, die durch einen Poliervorgang geglättet ist. Das GMR-Widerstandselement ist auf der geglätteten Oberfläche der zweiten Niveaudifferenz-Pufferschicht gebildet.
Hierdurch ergibt sich ein Vorteil dahingehend, dass ein hochstgenaues Magnetfeld-Erfassungselement erhalten wird.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist zudem vorgesehen, dass die zweite Niveaudifferenz-Pufferschicht ausgebildet ist durch eine Resistschicht oder eine Harzschicht mit einer geglätteten Oberfläche, die durch eine Spinbeschichtung gebildet ist. Das GMR-Magnetwiderstandselement ist auf der geglätteten Oberfläche der Resistschicht oder der Harzschicht gebildet.
Hierdurch ergibt sich ein Vorteil dahingehend, dass sich aufgrund der ebenen Ausbildung des GMR-Magnetwiderstandselements eine hochgenaue Erfassung des Magnetfelds erzielen lasst.
Zudem wird das oben genannte technische Problem gelost durch ein Magnetfeld-Erfassungselement mit den Merkmalen des Patentanspruchs 4.
Gemäß diesem Aspekt wird an einer Oberseite eines Substrats eine Abfolge aus einer Unterschicht und einem hierauf gebildeten GMR-Magnetwiderstandselement gebildet. Auf der Unterseite des Substrats ist eine integrierte Schaltung vorgesehen, zum Ausfuhren einer vorgegebenen arithmetischen Verarbeitung auf der Grundlage einer von dem GMR-Magnetwiderstandselement erfassten Änderung eines Magnetfelds.
Gemäß diesem Aspekt der vorliegenden Erfindung kann die Flache des Substrats verkleinert werden. Hierdurch ergibt sich ein Vorteil dahingehend, dass sich ein Magnetfeld-Erfassungselement mit geringen Kosten erhalten lässt. Ferner ist vorteilhaft, dass das Magnetfeld-Erfassungselement miniaturisiert ist.
Gemäß einer bevorzugten Ausfuhrungsform des zweiten Aspekts ist vorgesehen, dass eine zweite Unterschicht und ein zweites GMR-Magnetwiderstandselement auf der integrierten Schaltung an der Oberseite des Substrats gebildet sind.
Hierdurch lasst sich ein hochstgenaues Magnetfeld-Erfassungselement erhalten. Ferner ist vorteilhaft, dass die Flache des Substrats verringert werden kann, und ein Magnetfeld-Erfassungselement mit geringen Kosten lasst sich unter Miniaturisierung erhalten.
Gemaß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform des zweiten Aspekts ist vorgesehen, dass eine mittlere Oberflachenrauhigkeit der Unterschicht 50 Å oder weniger, bevorzugt zwischen 1 Å und 25 Å, beträgt.
Gemäß dieser Bemaßung der Unterschicht lässt sich ein höchstgenaues Magnetfeld-Erfassungselement erhalten.
Gemaß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform des zweiten Aspekts der vorliegenden Erfindung sind ein differentieller Verstarker und ein Vergleicher auf einer Linie vorgesehen, zum Übertragen eines Ausgangs des GMR-Magnetwiderstandselements an die integrierte Schaltung. Der Vergleicher stellt den Ausgang des differentiellen Verstärkers, unabhangig davon, ob der Abstand zwischen dem GMR-Magnetwiderstandselement und dem von dem GMR-Magnetwiderstandselement für das zu beobachtende Objekt konstant ist, als das Kriterium zum Bestimmen der Position eines zu beobachtenden Objekts ein.
Bevorzugte Ausführungsformen eines Magnetfeld-Erfassungselements gemäß der vorliegenden Erfindung werden nun beschrieben.
In den Zeichnungen zeigen:
1 eine Draufsicht, die den Aufbau eines Magnetfeld-Erfassungselements gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt;
2 eine Querschnittsansicht, die den Aufbau des Magnetfeld-Erfassungselements gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt;
3 eine Seitenansicht, die den Aufbau einer Magnetfeld-Erfassungseinrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt;
4 eine perspektivische Ansicht, die den Aufbau der Magnetfeld-Erfassungseinrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt;
5 ein Blockschaltbild, das schematisch den inneren Aufbau der Magnetfeld-Erfassungseinrichtung gemaß der vorliegenden Erfindung zeigt;
6 ein Diagramm, das die Charakteristiken des Zusammenhangs zwischen der Widerstandsänderungsrate pro Einheit des Magnetfelds und der Oberflächenrauhigkeit der Unterschicht des Magnetfeld-Erfassungselements der vorliegenden Erfindung zeigt;
7 eine Konzeptansicht, die den Herstellungsprozess des Magnetfeld-Erfassungselement gemaß der vorliegenden Erfindung zeigt;
8 eine Konzeptansicht, die den Herstellungsprozess des Magnetfeld-Erfassungselements der vorliegenden Erfindung zeigt;
9 eine Konzeptansicht, die den Herstellungsprozess des Magnetfeld-Erfassungselements gemaß der vorliegenden Erfindung zeigt;
10 eine Konzeptansicht, die den Herstellungsprozess des Magnetfeld-Erfassungselements gemaß der vorliegenden Erfindung zeigt;
11 eine Teilquerschnittsansicht eines weiteren Magnetfeld-Erfassungselements gemäß der vorliegenden Erfindung;
12 eine Teilquerschnittsansicht des weiteren Magnetfeld-Erfassungselements gemaß der vorliegenden Erfindung;
13 eine Querschnittsansicht, die konzeptionell den Herstellungsprozess eines Magnetfeld-Erfassungselements gemaß der Ausfuhrungsform 1 der vorliegenden Erfindung zeigt;
14 eine Querschnittsansicht, die schematisch den Herstellungsprozess des Magnetfeld-Erfassungselements gemaß der Ausführungsform 1 der vorliegenden Erfindung zeigt;
15 eine Querschnittsansicht, die konzeptionell das Magnetfeld-Erfassungselement gemäß der Ausführungsform 1 der vorliegenden Erfindung zeigt;
16 einen wesentlichen Abschnitt eines Magnetfeld-Erfassungselements gemäß einer Ausfuhrungsform 2 der vorliegenden Erfindung;
17 eine Seitenansicht, die den Aufbau einer Magnetfeld-Erfassungseinrichtung gemäß einer Ausfuhrungsform 3 der vorliegenden Erfindung zeigt;
18 eine perspektivische Ansicht, die den Aufbau der Magnetfeld-Erfassungseinrichtung gemaß der Ausfuhrungsform 4 der vorliegenden Erfindung zeigt;
19 eine Konzeptansicht, die den Aufbau im Querschnitt während eines Herstellungsprozesses eines Magnetfeld-Erfassungselements gemäß der Ausführungsform 3 der vorliegenden Erfindung zeigt;
20 eine Konzeptansicht, die den Aufbau im Querschnitt wahrend eines Herstellungsprozesses des Magnetfeld-Erfassungselements gemäß der Ausführungsform 3 der vorliegenden Erfindung zeigt;
21 eine Konzeptansicht, die den Aufbau im Querschnitt während eines Herstellungsprozesses des Magnetfeld-Erfassungselements gemäß der Ausführungsform 3 der vorliegenden Erfindung zeigt;
22 eine Querschnittsansicht, die den Aufbau im Querschnitt eines Magnetfeld-Erfassungselements gemäß einer Ausführungsform 4 der vorliegenden Erfindung zeigt;
23 eine Konzeptansicht, die den Aufbau im Querschnitt des Magnetfeld-Erfassungselements gemäß der Ausführungsform 4 der vorliegenden Erfindung zeigt;
24 den Aufbau der vorderen Oberfläche eines Magnetfeld-Erfassungselements gemäß einer Ausführungsform 5 der vorliegenden Erfindung;
25 den Aufbau der hinteren Oberflache des Magnetfeld-Erfassungselements gemaß der Ausführungsform 5 der vorliegenden Erfindung;
26 eine perspektivische Ansicht des Magnetfeld-Erfassungselements gemäß der Ausfuhrungsform 5 der vorliegenden Erfindung;
27 eine Seitenansicht des Magnetfeld-Erfassungselements gemaß der Ausfuhrungsform 5 der vorliegenden Erfindung;
28 den Aufbau der vorderen Oberfläche eines Magnetfeld-Erfassungselements gemaß einer Ausführungsform 6 der vorliegenden Erfindung;
29 den Aufbau der hinteren Oberflache des Magnetfeld-Erfassungselements gemaß der Ausfuhrungsform 6 der vorliegenden Erfindung;
30 eine perspektivische Ansicht des Magnetfeld-Erfassungselements gemäß der Ausfuhrungsform 6 der vorliegenden Erfindung;
31 eine Seitenansicht des Magnetfeld-Erfassungselements gemaß der Ausführungsform 6 der vorliegenden Erfindung;
32 ein Blockschaltbild, das schematisch den Aufbau einer Magnetfeld-Erfassungseinrichtung gemaß der Ausfuhrungsform 6 der vorliegenden Erfindung zeigt;
33 ein Diagramm, das Betriebseigenschaften des Magnetfeld-Erfassungselements gemäß der Ausfuhrungsform 6 der vorliegenden Erfindung zeigt;
34 eine Seitenansicht, die den Aufbau einer herkommlichen Magnetfeld-Erfassungseinrichtung zeigt;
35 eine perspektivische Ansicht, die den Aufbau der herkömmlichen Magnetfeld-Erfassungseinrichtung zeigt;
36 ein Diagramm, das die Eigenschaften eines herkommlichen GMR-Elements zeigt;
37 eine Seitenansicht, die den Aufbau einer Magnetfeld-Erfassungseinrichtung unter Verwendung eines herkömmlichen GMR-Elements zeigt;
38 eine perspektivische Ansicht, die den Aufbau der Magnetfeld-Erfassungseinrichtung unter Verwendung des herkömmlichen GMR-Elements zeigt;
39 ein Blockschaltbild, das die Magnetfeld-Erfassungseinrichtung unter Verwendung des herkömmlichen GMR-Elements zeigt;
40 ein Blockschaltbild, das die Einzelheiten der Magnetfeld-Erfassungseinrichtung unter Verwendung des herkommlichen GMR-Elements zeigt;
41 ein Beispiel des Aufbaus einer Schaltung der Magnetfeld-Erfassungseinrichtung unter Verwendung des herkömmlichen GMR-Elements;
42 den Aufbau des herkömmlichen Magnetfeld-Erfassungselements; und
43 ein Diagramm, das die Betriebseigenschaften des herkömmlichen Magnetfeld-Erfassungselements zeigt.
Zunächts zeigt 1 eine Draufsicht, die den Aufbau eines Magnetfeld-Erfassungselement gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt. 2 zeigt eine Querschnittsansicht entlang der Schnittlinie A-A in 1. 3 und 4 zeigen eine Seitenansicht bzw. eine perspektivische Ansicht, die den Aufbau einer Magnetfeld-Erfassungseinrichtung gemaß der vorliegenden Erfindung zeigen. 5 zeigt ein Blockschaltbild, das schematisch den inneren Aufbau der Magnetfeld-Erfassungseinrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt.
Wie in den 1 und 2 gezeigt, umfasst eine Magnetfeld-Erfassungselement 28 gemaß der vorliegenden Erfindung eine Verdrahtung 6 und ein GMR-Element 7 auf einer Unterschicht 2, die auf einem Substrat 1 gebildet ist.
Wie in den 3 und 4 gezeigt, umfasst die Magnetfeld-Erfassungseinrichtung einen magnetischen Drehkorper 30, der wenigstens einen konkaven (ausgenommenen) Abschnitt und einen konvexen (vorspringenden) Abschnitt entlang seines außeren Umfangs aufweist und der sich synchron mit der Drehung einer Drehachse 29 dreht, ein Magnetfeld-Erfassungselement 28, das so angeordnet ist, dass es auf den außeren Umfang des magnetischen Drehkörpers 30 in einem vorgegebenen Spalt oder Abstand dazwischen gerichtet ist, einen Magneten 31 zum Anwenden eines Magnetfelds auf ein GMR-Element 7 des Magnetfeld-Erfassungselements 28 und eine integrierte Schaltung 3 zum Verarbeiten eines Ausgangs des GMR-Elements 7.
Das GMR-Element ist auf der gleichen Oberfläche gebildet, auf der die integrierte Schaltung gebildet ist.
Da, wie voranstehend beschrieben, das GMR-Element aus einer superdunnen Filmschicht mit einer Dicke von mehreren Å bis mehreren Dutzend Å gebildet ist, neigt es dazu, von einer geringfügigen Unebenheit der Oberfläche der Unterschicht, auf der das GMR-Element angeordnet ist, beeinflusst zu werden.
Wenn die Unebenheit der Oberflache der Unterschicht beträchtlich ist, zeigt das GMR-Element keinerlei Anderung im Widerstand. Wenn die Oberflache der Unterschicht glatter wird, dann wird die Anderungsrate des Widerstands des GMR-Elements großer. Jedoch muss das Magnetfeld zum Erzeugen der Widerstandsanderung entsprechend großer sein.
6 zeigt ein Diagramm, das die Charakteristiken des Zusammenhangs zwischen der Anderungsrate des Widerstands pro Einheit des Magnetfelds und der Oberflächenrauhigkeit der Unterschicht des Magnetfeld-Erfassungselements zeigt.
Die Anderungsrate des Widerstands pro Einheitsmagnetfeld (nachstehend als die Magnetfeldempfindlichkeit bezeichnet), die in 6 gezeigt ist, zeigt Eigenschaften für den Fall, bei dem für ein Substrat, auf dem ein GMR-Element angeordnet ist, ein Substrat, auf dem eine Unterschicht aus Si, einem Si-thermischen Oxidfilm, Siliziumoxid, Siliziumnitrid, Tantaloxid oder dergleichen durch einen Sputtervorgang (Aufstaubungsvorgang) gebildet ist. Es werden ein Sodaglassubstrat und verschiedene Arten von keramischen Substraten verwendet.
Die Glatte der Oberfläche der Unterschicht kann unter Verwendung eines AFM-Mikroskops (Atomic Force Microscope oder Atomkraftmikroskop) oder dergleichen gemessen werden. Gemaß 6 wird die Glatte durch die durchschnittliche Rauhigkeit (Ra) dargestellt.
Wie 6 zeigt, kann eine große Magnetfeldempfindlichkeit des GMR-Elements erhalten werden, wenn der Durchschnitt der Oberflachenrauhigkeit Ra 50 Å oder weniger ist, und insbesondere kann die beste Magnetfeldempfindlichkeit erhalten werden, wenn der Durchschnitt der Oberflächenrauhigkeit Ra 1 Å oder mehr und 25 Å oder weniger ist.
Ferner ist das GMR-Element mit der integrierten Schaltung über einen Metallfilm, der bei dem Prozess der Bildung der integrierten Schaltung gebildet wird, elektrisch verbunden. In der integrierten Schaltung sind Elemente, wie ein Transistor und ein Widerstand, elektrisch uber einen Metallfilm verbunden, der allgemein aus einem Aluminiumfilm gebildet ist. Das GMR-Element ist mit der integrierten Schaltung elektrisch verbunden, indem dieser Aluminiumfilm in einem vorgegebenen Bereich gebildet wird, der zum Verbinden des GMR-Elements mit der integrierten Schaltung erforderlich ist.
Der Strukturierungsprozess oder Musterbildungsprozess, bei dem eine Verdrahtung aus diesem Aluminiumfilm gebildet wird, wird durch einen Nassätzprozess ausgeführt. Die Verdrahtung kann eine sich verjüngende Form im Querschnitt aufweisen, indem die Eigenschaften eines isotopischen Atzens durch das Nassätzen verwendet werden, und somit kann der Verbindungsabschnitt zwischen dem GMR-Element und dem Aluminiumfilm eine Form aufweisen, die hinsichtlich der Festigkeit vorteilhaft ist.
Die 7 bis 10 zeigen konzeptionelle Ansichten, die den Herstellungsprozess des Magnetfeld-Erfassungselements gemäß der vorliegenden Erfindung zeigen.
Zunachst wird, wie in 7 gezeigt, bei dem Prozess einer Bildung der integrierten Schaltung des Magnetfeld-Erfassungselements 28 ein Metallfilm 4 gebildet, beispielsweise ein Aluminiumfilm, auf der Oberflache der Unterschicht 2 eines Si-thermischen Oxidfilms oder dergleichen, der auf dem Substrat 1, beispielsweise einem Si-Substrat, gebildet ist. Wenn dann die integrierte Schaltung 3 gebildet wird, bleibt ein Abschnitt des Metallfilms 4 ohne die darauf gebildete integrierte Schaltung (auf der rechten Halfte auf dem Substrat 1) unstrukturiert oder ohne Muster.
Dann wird, wie in 8 gezeigt, der Metallfilm 4 in eine vorgegebene Verdrahtung 6 strukturiert, indem ein fotolithographischer Transfer verwendet wird. Danach wird, wie in 9 gezeigt, ein GMR-Elementfilm 5 auf der gesamten Oberfläche gebildet. Wie in 10 gezeigt, wird das GMR-Element 7 unter Verwendung des fotolithographischen Transfers strukturiert.
In dieser Weise wird das GMR-Element 7 auf der Unterschicht 2 gebildet, die auf dem Substrat 1 gebildet ist. Ferner wird ein Abschnitt des Metallfilms 4 zum Bilden der integrierten Schaltung als die Verdrahtung 6 zum elektrischen Verbinden der integrierten Schaltung 3 mit dem GMR-Element 7 verwendet. Deshalb ist es im Gegensatz zu dem herkömmlichen Fall nicht erforderlich, ein GMR-Element, das auf einer Filmoberflache gebildet ist, und eine integrierte Schaltung, die auf einer anderen Filmoberflache gebildet ist, elektrisch zu verbinden, und es ist nicht erforderlich, einen Metallfilm zum Bilden der Verdrahtung neu zu bilden. Demzufolge kann eine hohere Produktivitat und niedrigere Kosten eines Magnetfeld-Erfassungselements 28 und einer Magnetfeld-Erfassungseinrichtung, die das Magnetfeld-Erfassungselement verwendet, erhalten werden.
Da ferner die durchschnittliche Oberflachenrauhigkeit der Unterschicht 2, auf der das GMR-Element 7 gebildet ist, so eingestellt wird, dass sie 50 Å oder weniger und vorzugsweise zwischen 1 Å und 25 Å ist, konnen die Eigenschaften des GMR-Elements 7 verbessert werden und ein höchstgenaues Magnetfeld-Erfassungselement kann bereitgestellt werden.
Da der Metallfilm 4 an dem Verbindungsabschnitt zwischen der Verdrahtung 6 und dem GMR-Element 7 unter Verwendung eines Nassatzprozesses zum Ausführen des Strukturierungsprozesses zum Bilden der Verdrahtung 6 für den Metallfilm 4 in eine zusammenlaufende oder verjüngte Form ausgebildet werden kann, wird ein Bruch an dem Verbindungsabschnitt in einem großen Ausmaß verhindert und somit kann die Zuverlassigkeit des Magnetfeld-Erfassungselements 28 und einer Magnetfeld-Erfassungseinrichtung, die das Magnetfeld-Erfassungselement 28 verwendet, verbessert werden.
Wie oben dargelegt, kann die Verdrahtung 6 in zufriedenstellender Weise mit dem GMR-Element 7 verbunden werden, indem der GMR-Elementfilm 5 als ein großes Magnetwiderstandselement auf dem strukturierten Metallfilm (d. h. der Verdrahtung 6, die in 10 gezeigt ist) und auf der Unterschicht 2 (s. 8 und 9) gebildet wird und der GMR-Elementfilm 5 strukturiert wird.
Jedoch beträgt die Dicke des GMR-Elements 7 ungefähr 500 Å–2000 Å, was relativ dunner als der Metallfilm 4 ist, der die Verdrahtung 6 bildet. Wenn somit der Metallfilm 4 ausreichend dicker ist als das GMR-Element 7, kann der Verbindungszustand an dem Verbindungsabschnitt zwischen der Verdrahtung 6 und dem GMR-Element 7 instabil werden. Dies liegt daran, dass das GMR-Element 7, das dünner als der Metallfilm 4 ist, der die Verdrahtung 6 bildet, aufgrund einer großen Differenz in ihren Niveaus an dem Verbindungsabschnitt brechen kann.
In diesem Fall kann ein ausreichender Verbindungszustand erhalten werden, indem die jeweiligen Oberflächen, auf denen die Verdrahtung 6 und das GMR-Element 7 gebildet sind, im wesentlichen auf die gleiche Höhe eingestellt werden. Eine Beschreibung eines derartigen Verfahrens wird nachstehend durchgeführt.
Die 11 und 12 sind Teilquerschnitte eines Magnetfeld-Erfassungselements gemäß der vorliegenden Erfindung.
Es sei beispielsweise angenommen, dass die Dicke des Metallfilms 4 1 μm beträgt. Wie in 11 gezeigt, wird ein Si-Oxidfilm 8 mit einer Dicke von 1,5 μm als eine erste Niveaudifferenz-Pufferschicht auf der Verdrahtung 6, die durch Strukturieren des Metallfilms 4 gebildet ist, und auf der Unterschicht 2 gebildet.
Dann wird die Oberfläche des Si-Oxidfilms 8 mit ultrafeinen Teilchen, Diamantteilchen und dergleichen, poliert. Wenn die wegzupolierende Dicke ein wenig mehr als 1,5 μm ist, kann die Differenz in den Niveaus zwischen der Oberfläche des Si-Oxidfilms 8 und der Oberflache des Metallfilms 4 zum Bilden der Verdrahtung 6 ausreichend kleiner als die Filmdicke des GMR-Elements 7 gemacht werden und somit konnen die Oberflachen der Verdrahtung 6 und des Si-Oxidfilms 8 fluchtend ausgebildet werden, wie sich der Querschnittsansicht nach der Polierung in 12 entnehmen lässt.
Wenn das GMR-Element 9 auf der Verdrahtung 6 und dem Si-Oxidfilm 8 gebildet wird, nachdem ihre Oberflachen in der obigen Weise fluchtend ausgebildet worden sind, besteht keine Niveaudifferenz zwischen der Verdrahtung 6 und dem GMR-Element 9 an dem Verbindungsabschnitt. Somit kann der Verbindungszustand verbessert werden. Es sei darauf hingewiesen, dass die Oberfläche nach der Polierung ausreichend glatt ist und zufriedenstellende GMR-Elementcharakteristiken erhalten werden können, da die Reibungskörner, die zum Polieren des Si-Oxidfilms 8 verwendet werden, ausreichend fein sind.
In der obigen Beschreibung ist ein Fall beschrieben, bei dem der Si-Oxidfilm 8 verwendet wird. Wenn jedoch eine Isolationsschicht aus Tantaloxid, Siliziumnitrid oder dergleichen verwendet wird, kann der gleiche Effekt wie in der obigen Beschreibung erhalten werden.
Die 13 und 14 sind Querschnittsansichten, die konzeptionell den Herstellungsprozess eines Magnetfeld-Erfassungselements gemäß einer Ausführungsform 1 der vorliegenden Erfindung zeigen.
15 zeigt eine Querschnittsansicht, die konzeptionell das Magnetfeld-Erfassungselement gemäß einer Ausführungsform 1 der vorliegenden Erfindung zeigt.
In der Ausführungsform 1 wird durch Anwenden einer Schutzschicht (Resistschicht) oder einer Harzschicht aus Polyimid, PVSQ (Siliziumleiterpolymer) oder dergleichen als eine erste Niveaudifferenz-Pufferschicht durch eine Dreh- oder Spinbeschichtung die Oberfläche, auf der die Verdrahtung gebildet ist, und die Oberflache, auf dem das GMR-Element gebildet ist, fluchtend ausgebildet.
Beispielsweise wird dann, wenn eine Schutzschicht 10 mit einer Dicke von 2 μm auf die gesamte Oberfläche durch eine Spinbeschichtung aufgebracht wird, nachdem der Metallfilm mit einer Dicke von 1 μm strukturiert worden ist, um die Verdrahtung 6 zu bilden, die Oberflache der Schutzschicht 10 flach ohne eine Niveauunterschied wie in 13 gezeigt.
Dann wird die Oberfläche der Schutzschicht 10 durch eine Schutzschichtveraschung und dergleichen entfernt, um die Schutzschicht 10 gleichmaßig dünn zu machen. Durch Entfernen der Schutzschicht 10, bis die obere Oberfläche der Verdrahtung 6 erscheint, kann die Differenz des Niveaus zwischen der Oberflache der Schutzschicht 10 und der Oberfläche des Metallfilms 4 zum Bilden der Verdrahtung 6 ausreichend kleiner als die Filmdicke des GMR-Elements 9 gemacht werden, wie in 14 gezeigt. Die obere Oberfläche der Verdrahtung 6 mit der Oberflache, auf der das GMR-Element 9 gebildet ist, kann dadurch nach der Schutzschichtveraschung im Querschnitt ausreichend fluchtend ausgebildet werden.
Ein Dunnfilm, beispielsweise ein Si-Oxidfilm mit einer Dicke von beispielsweise 1000 Å, wird auf der gesamten oberen Oberfläche der voranstehend gebildeten Verdrahtung 6 und der Schutzschicht 10 gebildet und der Dünnfilm, der auf der Verdrahtung 6 gebildet ist, wird durch einen fotolithographischen Prozess und einen RIE-(reaktives Ionenatzen)Prozess entfernt, um nur einen Si-Oxidfilm 11 auf der Schutzschicht 10 zuruckzulassen und die Verdrähtung 6 freizulegen (s. 15).
Der Rest des Prozesses, der das GMR-Element 9 bildet, ist ahnlich wie in 15 gezeigt.
In der obigen Beschreibung wird als das Verfahren zum Verdünnen der Schutzschicht 10 eine Schutzschichtveraschung verwendet. Jedoch kann in einer ahnlichen Weise wie bei dem obigen Fall ein RIE-(reaktives Ionenätzen)Verfahren, ein IBE-(Ionenstrahlätzen) Verfahren, ein Nassätzen unter Verwendung eines Atzmittels oder dergleichen die Schutzschicht entfernen.
Da die Schutzschicht leicht durch ein Lösungsmittel oder dergleichen angegriffen wird, wird ferner der Si-Oxidfilm 11 mit einer Dicke von 1000 Å auf der Schutzschicht 10 gebildet, bevor das GMR-Element 9 gebildet wird, um zu verhindern, dass die Schutzschicht 10 entfernt wird, wenn das GMR-Element 9 mit einem Muster versehen wird, d. h. strukturiert wird.
Es sei darauf hingewiesen, dass dann, wenn bei dem Prozess einer Strukturierung des GMR-Elements 9 ein Losungsmittel verwendet wird, das die Schutzschicht nicht auflösen kann, der voranstehend erwähnte Si-Oxidfilm nicht gebildet werden muss.
16 zeigt einen wesentlichen Abschnitt eines Magnetfeld-Erfassungselements gemaß einer Ausfuhrungsform 2 der vorliegenden Erfindung.
Nachdem der GMR-Elementfilm als ein großes Magnetwiderstandselement auf der gesamten oberen Oberflache der Unterschicht 2 und der Verdrahtung 6 gebildet ist, wird in der Ausführungsform 4 ein GMR-Elementfilm 5a, der auf der integrierten Schaltung gebildet ist, nicht entfernt, und das GMR-Element 7 wird strukturiert.
Diese Art von Strukturierung des GMR-Elements 7 wird allgemein durch ein IBE-Verfahren ausgeführt. Wenn, wie gemäß 1 bis 10 erläutert, nur der Abschnitt, der als das GMR-Element 7 verwendet werden soll, zuruckgelassen wird und die Strukturierung ausgeführt wird, und die anderen Abschnitte entfernt werden, können demzufolge Ionenkollisionen die integrierte Schaltung beschadigen. Da jedoch in der Ausfuhrungsform 2 das GMR-Element auf der integrierten Schaltung nicht entfernt wird, wenn das GMR-Element 7 strukturiert wird, kann die integrierte Schaltung vor einer Beschadigung aufgrund von Ionenkollisionen geschutzt werden. Infolgedessen kann die Zuverlassigkeit des Magnetfeld-Erfassungselements verbessert werden.
Die 17 und 18 zeigen eine Seitenansicht bzw. eine Querschnittsansicht, die den Aufbau einer Magnetfeld-Erfassungseinrichtung gemaß einer Ausfuhrungsform 3 der vorliegenden Erfindung zeigen.
In der Ausfuhrungsform 3, wie in den 17 und 18 gezeigt, wird das GMR-Element 9 als ein großes Magnetwiderstandselement auf der integrierten Schaltung 3 gebildet.
Die 19, 20 und 21 zeigen konzeptionelle Ansichten, die den Aufbau im Querschnitt während eines Herstellungsprozesses eines Magnetfeld-Erfassungselements zeigen, das in einer Magnetfeld-Erfassungseinrichtung gemäß einer Ausführungsform 3 der vorliegenden Erfindung verwendet wird.
Wie in 19 gezeigt werden die integrierte Schaltung 3, Metallkissen (Metallpfropfen) 11 und die Unterschicht 2 durch einen fotolithographischen Transfer und ein RIE-Verfahren gebildet. Ferner wird als eine zweite Niveaudifferenz-Pufferschicht ein Si-Oxidfilm 36 auf den gesamten freigelegten oberen Oberflachen der Metallkissen 11 und der oberen Oberfläche der Unterschicht 2 gebildet.
Der Si-Oxidfilm 36 muss dicker ausgebildet werden als die maximale Niveaudifferenz d zwischen den Oberflächen der Unterschicht 2 und der Oberflache der Metallkissen 11 (siehe Pfeile in 19). Beispielsweise ist der Si-Oxidfilm 36 ungefahr zweimal so dick wie die maximale Niveaudifferenz d. Die Oberfläche des Si-Oxidfilms 36 wird in einer ähnlichen Weise wie bei der Ausfuhrungsform 2 glattpoliert.
Hier ist die Dicke Si-Oxidfilms 36, die poliert werden soll, ein wenig kleiner als die maximale Niveaudifferenz d der integrierten Schaltung 3.
Obwohl die 19 bis 21 einen Abschnitt zeigen, bei dem die Metallkissen 11 direkt auf der integrierten Schaltung 3 gebildet sind, sei darauf hingewiesen, dass es auch einen Abschnitt gibt, bei dem die Metallkissen 11 auf der Unterschicht 2, die eine Isolationsschicht ist, gebildet werden, wodurch die Metallkissen 11 und die integrierte Schaltung 3 isoliert werden.
Nachdem ein Poliervorgang ausgeführt wird, wie in 20 gezeigt, wird nur der Si-Oxidfilm 36 auf den Metallkissen 11 durch einen fotolithographischen Transfer und ein RIE-Verfahren entfernt, um Locher 13 über den Metallkissen 11 zu bilden (21 zeigt einen Zustand, bei dem die Locher 13 mit einem Metallfilm 12 gefüllt sind). Dann wird der Metallfilm 12 in den Löchern 13 und auf der gesamten oberen Oberflache des Si-Oxidfilms 36 gebildet. Die Dicke des Metallfilms 12 ist ein wenig größer als die Tiefe der Löcher 13.
Nachdem ein fotolithographischer Transfer ausgefuhrt ist, wird ferner durch Atzen des Metallfilms 12 nur der Metallfilm 12, der auf dem Si-Oxidfilm 36 gebildet ist, entfernt, um den Metallfilm 12 nur innerhalb der Locher 13 und die Locher 13 zuruckzulassen.
Hierbei existiert die Niveaudifferenz, die zwischen der Oberfläche der Unterschicht 2 und der Oberfläche der Metallkissen 11 (s. 19) existiert hat, auf dem Si-Oxidfilm 36 nicht und somit kann der Si-Oxidfilm 36, der eine Oberfläche aufweist, die zum Bilden des GMR-Elements 9 darauf ausreichend glatt ist, gebildet werden.
Wenn dann, wie in 21 gezeigt, das GMR-Element 9 so gebildet wird, dass es mit dem in den Lochern 13 eingebetteten Metallfilm 12 verbunden wird, kann nicht nur das GMR-Element 9 über der integrierten Schaltung 3 gebildet werden, sondern die integrierte Schaltung 3 kann auch elektrisch mit dem GMR-Element 9 verbunden werden.
Da dies ermöglicht, die Fläche des Substrats 1 zu verringern, konnen nicht nur die Kosten herabgesetzt werden, sondern ein Magnetfeld-Erfassungselement 32 und eine Magnetfeld-Erfassungseinrichtung unter Verwendung des Magnetfeld-Erfassungselements 32 können auch miniaturisiert werden.
Da allgemein eine Niveaudifferenz auf der Oberfläche der integrierten Schaltung 3 vorhanden ist und das GMR-Element 9 sogar von einer geringfügigen Niveaudifferenz auf der Oberfläche der Unterschicht 2 stark beeintrachtigt wird, sei darauf hingewiesen, dass diese Niveaudifferenz beseitigt wird, bevor das GMR-Element 9 gebildet wird.
Die 22 und 23 zeigen in konzeptioneller Darstellung im Querschnitt ein Magnetfeld-Erfassungselement gemäß einer Ausführungsform 4 der vorliegenden Erfindung.
In der Ausführungsform 4 wird anstelle des in der Ausfuhrungsform 3 verwendeten Si-Oxidfilms eine Schutzschicht (Resistschicht) als eine zweite Niveaudifferenz-Pufferschicht verwendet, um ein Magnetfeld-Erfassungselement zu bilden.
Nachdem die integrierte Schaltung 3 auf dem Substrat 1 gebildet ist, werden, wie in 22 gezeigt, die Metallkissen 11 zur elektrischen Verbindung mit der integrierten Schaltung 3 gebildet und eine Schutzschicht 14 (eine Resistschicht 14) wird als die zweite Niveaudifferenz-Pufferschicht durch eine Drehbeschichtung auf die freigelegten Oberflächen der Metallkissen 11 und auf der gesamten Oberflache der Unterschicht 2 aufgebracht. Die Dicke der aufgebrachten Schutzschicht 14 ist größer als die maximale Niveaudifferenz d zwischen der Oberflache der Unterschicht 2 und der Oberflache der Metallkissen 11. Dabei wird beispielsweise die Schutzschicht so gebildet, dass sie ungefähr zweimal so dick wie der maximale Niveauunterschied d der Oberflache der integrierten Schaltung 3 ist.
Wie in 22 gezeigt, ist die Oberflache der Schutzschicht 14 wie die zweite Pufferschicht glatt. Ferner wird ein Si-Oxidfilm 15 mit einer Dicke von beispielsweise 1000 Å auf der Schutzschicht 14 gebildet.
Obwohl der Si-Oxidfilm 15 hier verwendet wird, sei darauf hingewiesen, dass ein Film aus irgendeinem anderen geeigneten Material verwendet werden kann.
Als nachstes werden der Si-Oxidfilm 15 und die Schutzschicht 14 auf den Metallkissen 11 entfernt, um die Löcher 13 über den Metallkissen 11 durch einen fotolithographischen Transfer, ein RIE-Verfahren oder eine Schutzschichtveraschung zu entfernen.
Da die Schutzschicht 14 leicht in einem Atzmittel, das zum Bilden der Locher 13 verwendet wird, aufgelost wird, wird der Si-Oxidfilm 15 auf der Schutzschicht 14 gebildet, um zu verhindern, dass außer den Abschnitten zum Bilden der Locher 13 darin die Schutzschicht bei dem Ätzprozess aufgelost wird. Wenn ein Lösungsmittel, das die Schutzschicht 14 nicht auflost, bei dem Ätzprozess verwendet wird, muss der Si-Oxidfilm 8 deshalb nicht gebildet werden.
Dann wird in den Lochern 13 und auf der gesamten Oberflache des Si-Oxidfilms 15 ein Metallfilm 16 gebildet. Die Dicke des Metallfilms 16 ist ein wenig größer als die Tiefe der Locher 13 (dieser Zustand ist nicht gezeigt).
Ferner wird der Metallfilm 16 mit Ausnahme der Abschnitte über den Metallkissen 11 durch einen fotolithographischen Transfer und durch einen Ätzvorgang entfernt.
Infolgedessen können die Löcher 13 über den Metallkissen 11 mit dem Metallfilm 16 gefullt werden, wie in 23 gezeigt.
Der Niveauunterschied, der auf der Oberflache der integrierten Schaltung 3 existiert hat, ist beseitigt worden und somit kann eine Oberflache, die zum Bilden des GMR-Elements 9 darauf glatt genug ist, erhalten werden.
Wie in 23 gezeigt kann das GMR-Element 9 über der integrierten Schaltung 3 durch Bilden des GMR-Elements 9 auf dem Si-Oxidfilm 15 gebildet werden, um somit den Metallfilm 16, der in der Schutzschicht 14 und dem Si-Oxidfilm 15 eingebettet ist, verbunden zu werden.
Infolgedessen wird es möglich, die Fläche des Substrats 1 zu verkleinern und somit können nicht nur die Kosten herabgesetzt werden, sondern ein Magnetfeld-Erfassungselement 33 und eine Magnetfeld-Erfassungseinrichtung unter Verwendung des Magnetfeld-Erfassungselements 33 können auch miniaturisiert werden.
Obwohl ferner in der obigen Beschreibung eine Schutzschicht (Resistschicht) verwendet wird, kann eine Harzschicht aus Polyimid, PVSQ oder dergleichen durch eine Drehbeschichtung angewendet werden, um einen ähnlichen Effekt zu erzielen.
Die 24 und 25 zeigen den Aufbau der vorderen Oberflache bzw. der hinteren Oberflache eines Magnetfeld-Erfassungselements gemaß einer Ausführungsform 5 der vorliegenden Erfindung.
Die 26 und 27 sind eine perspektivische Ansicht bzw. eine Seitenansicht des Magnetfeld-Erfassungselements gemaß einer Ausführungsform 5 der vorliegenden Erfindung.
In der Ausführungsform 5 wird das GMR-Element 9 auf einer unterschiedlichen Ebene als die Ebene des Substrats, wo die integrierte Schaltung gebildet wird, gebildet.
Wie in den 26 und 27 gezeigt wird das Substrat 1, auf dem das GMR-Element 9 gebildet wird, auf einem Substrat 17 als ein zweites Substrat gebildet, so dass die Oberfläche, an der das GMR-Element 9 gebildet wird, von dem Substrat 17 bedeckt ist.
In diesem Fall wird eine Verdrahtung 18, die auf dem Substrat 17 angeordnet ist, elektrisch uber ein Lotmittel 37 mit Metallkissen 19 auf der Oberfläche, an der das GMR-Element 9 des Substrats 1 gebildet wird, integriert verbunden. Ferner werden die Metallkissen 11 auf der Oberflache, an der integrierte Schaltung 3 des Substrats 1 gebildet wird, uber Drahte 20 mit der Verdrahtung 18 auf dem Substrat 17 elektrisch verbunden.
Da in dieser Weise in der Ausführungsform 5 das GMR-Element 9 auf einer anderen Oberfläche als die Oberfläche des Substrats 1 gebildet wird, auf dem die integrierte Schaltung 3 gebildet wird, und ferner Metallkissen 19 fur eine Verbindung vorgesehen sind, kann die Fläche des Substrats 1 verringert werden. Deshalb kann nicht nur ein Magnetfeld-Erfassungselement 34 und eine Magnetfeld-Erfassungseinrichtung unter Verwendung des Magnetfeld-Erfassungselement 34 miniaturisiert werden, sondern auch die Kosten können herabgesetzt werden.
Es sei darauf hingewiesen, dass das Substrat 1 so angeordnet ist, dass die Oberfläche, auf der das GMR-Element 9 gebildet ist, von dem Substrat 17 bedeckt ist. Jedoch kann ein ähnlicher Effekt erzielt werden, indem das Substrat 1 so angeordnet wird, dass das Substrat, auf dem die integrierte Schaltung 3 gebildet wird, von dem Substrat 17 bedeckt wird.
Die 28 und 29 sind eine Vorderansicht bzw. eine hintere Ansicht, die ein Magnetfeld-Erfassungselement gemaß einer Ausführungsform 6 der vorliegenden Erfindung zeigen.
Die 30 und 31 sind eine perspektivische Ansicht bzw. eine Seitenansicht des Magnetfeld-Erfassungselements gemaß einer Ausführungsform 6 der vorliegenden Erfindung.
In der Ausführungsform 6 wird ein GMR-Element 9 auf beiden Oberflächen des Substrats 1 gebildet. Insbesondere wird ein GMR-Element 9 auf der integrierten Schaltung 3 auf der Oberfläche, an der die integrierte Schaltung 3 gebildet wird, ähnlich wie fur den Fall der Ausführungsform 3, gebildet, und es wird auch ein GMR-Element 9 auf der gegenuberliegenden Oberfläche gebildet. Es sei darauf hingewiesen, dass das Verfahren zum Bilden der GMR-Elemente 9 und dergleichen ähnlich wie diejenigen in anderen Ausführungsformen sind.
Wenn ein GMR-Element 9 auf beiden Oberflächen des Substrats 1 gebildet wird, kann in dieser Weise ein hochstgenaues Magnetfeld-Erfassungselement erhalten werden. Ferner gibt es auch Vorteile dahingehend, dass die Flache des Substrats verkleinert werden kann, ein Magnetfeld-Erfassungselement mit geringen Kosten erhalten werden kann und das Magnetfeld-Erfassungselement miniaturisiert werden kann.
32 zeigt ein Blockschaltbild, das konzeptionell den Aufbau einer Magnetfeld-Erfassungseinrichtung gemaß einer Ausfuhrungsform 6 der vorliegenden Erfindung zeigt.
33 ist ein Graph, der Betriebseigenschaften des Magnetfeld-Erfassungselements gemaß einer Ausfuhrungsform 6 der vorliegenden Erfindung zeigt.
Wie in 32 gezeigt ist die Magnetfeld-Erfassungseinrichtung gemaß einer Ausführungsform 6 der vorliegenden Erfindung in einem vorgegebenen Spalt oder Abstand zu einem magnetischen Drehkörper 21 angeordnet und umfasst eine Wheatstone-Brückenschaltung 23 unter Verwendung des GMR-Elements 9, an das ein Magnetfeld von einem Magneten 22 angelegt wird, eine differentielle Verstarkungsschaltung 24 zum Verstarken des Ausgangs der Wheatstone-Bruckenschaltung 23, eine Vergleichsschaltung 25 zum Vergleichen des Ausgangs der differentiellen Verstarkungsschaltung 24 mit einem Referenzwert, um ein Signal von entweder ”0” oder ”1” auszugeben, und eine Ausgabeschaltung 26 zum Umschalten in Abhängigkeit von dem Ausgang des Vergleichsergebnisses 25.
Da der Aufbau der Schaltung der in 32 gezeigten Wheatstone-Bruckenschaltung 32 ahnlich zu einer herkommlichen ist (s. 41), wird die Beschreibung davon weggelassen.
Gemäß 32 verursacht eine Drehung des magnetischen Drehkorpers 21 eine Anderung des Magnetfelds, das an das GMR-Element 9 angelegt wird, das die Wheatstone-Brückenschaltung bildet. Somit kann, wie in 33 gezeigt, ein Ausgang, der den konkaven (ausgenommenen) Abschnitten und den konvexen (vorspringenden) Abschnitten des magnetischen Drehkörpers 21 entspricht, an einem Ausgangsende der differentiellen Verstärkungsschaltung 24 erhalten werden.
Die Punkte A und B sind Ausgangscharakteristiken der differentiellen Verstärkungsschaltung bezuglich einer Anderung des Spalts zwischen dem GMR-Element 9 und dem magnetischen Drehkörper 21, wobei der Ausgang des differentiellen Verstärkers unabhangig von dem Spalt konstant ist.
Durch Einstellen des Referenzwerts der Vergleichsschaltung derart, dass er durch die Punkte A und B geht, kann deshalb der Ausgang der Vergleichsschaltung an einer vorgegebenen Position geandert werden, und zwar unabhängig von dem Spaltbetrag, und somit ist es möglich, die Spalteigenschaften zufriedenstellend zu machen. Demzufolge kann der Betrag einer Drehung des magnetischen Drehkorpers 21 genau erfasst werden.
Da, wie voranstehend beschrieben, in der Ausfuhrungsform 6 das GMR-Element 9 auf einer Oberflache gebildet wird, die nicht die Oberfläche ist, auf der die integrierte Schaltung 3 gebildet wird, kann ein hochstgenaues Magnetfeld-Erfassungselement 35 und eine hochstgenaue Magnetfeld-Erfassungseinrichtung unter Verwendung des Magnetfeld-Erfassungselements 35 erhalten werden. Da ferner die Flache des Substrats verkleinert werden kann, können die Kosten des Magnetfeld-Erfassungselements herabgesetzt werden. Ferner kann durch Verkleinern der Fläche des Substrats das Magnetfeld-Erfassungselement miniaturisiert werden.
Obwohl die Struktur, bei der das GMR-Element 9 auf der unteren Oberfläche gebildet ist, beschrieben worden ist, sei darauf hingewiesen, dass ein ähnlicher Effekt erhalten werden kann, indem die integrierte Schaltung auf der unteren Oberflache gebildet wird.

Claims

Magnetfeld-Erfassungselement (32, 33), enthaltend: – ein Substrat (1); gekennzeichnet durch – eine auf dem Substrat gebildete integrierte Schaltung (3); – eine auf der integrierten Schaltung (3) gebildete Unterschicht (2); – ein Metallkissen (11), das auf der Unterschicht (2) oder der integrierten Schaltung (3) gebildet ist; – eine zweite Niveaudifferenz-Pufferschicht (36, 14), die auf der Unterschicht (2) und dem Metallkissen (11) gebildet ist, um die Niveaudifferenz zwischen der Oberfläche der Unterschicht (2) und der Oberfläche des Metallkissens (11) auszugleichen; und – ein GMR-Magnetwiderstandselement (9), das auf der zweiten Niveaudifferenz-Pufferschicht (36, 14) gebildet ist.
Magnetfeld-Erfassungselement (32) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Niveaudifferenz-Pufferschicht (36) eine Oberfläche aufweist, die durch einen Poliervorgang geglättet ist, und das GMR-Magnetwiderstandselement (9) auf der geglätteten Oberfläche der zweiten Niveaudifferenz-Pufferschicht (36) gebildet ist.
Magnetfeld-Erfassungselement (33) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Niveaudifferenz-Pufferschicht (14) ausgebildet ist durch eine Resistschicht oder eine Harzschicht mit einer geglätteten Oberfläche, die durch eine Spinbeschichtung gebildet ist, und das GMR-Magnetwiderstandselement (9) auf der geglätteten Oberfläche der Resistschicht oder der Harzschicht gebildet ist.
Magnetfeld-Erfassungselement (34), enthaltend: – ein Substrat (1), das sich in einer Substratebene erstreckt, mit einer ersten Substratoberfläche; – eine auf der ersten Substratoberfläche gebildete Unterschicht (2); und – ein auf der Unterschicht (2) gebildetes GMR-Magnetwiderstandselement (9) zum Erfassen einer Änderung eines Magnetfelds; dadurch gekennzeichnet, dass – das Substrat (1) eine zweite Substratoberfläche aufweist, wobei es sich bei der ersten Substratoberfläche und der zweiten Substratoberfläche um gegenüberliegende und zueinander verschiedenen Ebenen des Substrats (1) handelt; und – eine integrierte Schaltung (3) auf der zweiten Substratoberfläche gebildet ist, zum Ausführen einer vorgegebenen arithmetischen Verarbeitung auf Grundlage einer von dem GMR-Magnetwiderstandselement (9) erfassten Änderung eines Magnetfelds.
Magnetfeld-Erfassungselement (34) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass eine weitere Unterschicht (2) und ein weiteres GMR-Magnetwiderstandselement (9) auf der integrierten Schaltung (3) gebildet sind.
Magnetfeld-Erfassungselement (34) nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass eine mittlere Oberflächenrauhigkeit der Unterschicht (2) 50 Å oder weniger beträgt.
Magnetfeld-Erfassungselement (34) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass eine mittlere Oberflächenrauhigkeit der Unterschicht (2) zwischen 1 Å und 25 Å ist.
Magnetfeld-Erfassungselement (34) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass ein differentieller Verstärker (24) und ein Vergleicher (25) auf einer Linie zum Übertragen eines Ausgangs des GMR-Magnetwiderstandselements (9) an die integrierte Schaltung (3) vorgesehen sind, wobei der Vergleicher (25) den Ausgang des differentiellen Verstärkers (24), der unabhängig von dem Abstand zwischen dem GMR-Magnetwiderstandselement (9) und dem von dem GMR-Magnetwiderstandselement (9) zu beobachtenden Objekt konstant ist, als das Kriterium zum Bestimmen der Position eines zu beobachtenden Objekts einstellt.