DE19945855A1 - Mikrospule - Google Patents

Abstract

Eine mit Hilfe der Additivtechnik auf der Oberfläche eines Substrats (1) aufgebaute Spule ist dadurch gekennzeichnet, daß die Leiter (6) der Spule mit einem Isoliermaterial (11) (Achtung: in Anspruch 1 nachtragen) in Kontakt sind, das wenigstens zum Teil aus Diamant oder diamantähnlichem Kohlenstoffmaterial besteht.

Description

Stand der Technik

Die Erfindung betrifft eine Mikrospule, die mit Hilfe der Additivtechnik auf einer Substratoberflä­ che aufgebaut ist. Eine derartige Spule ist in "First Integrated Inductive Proximity Sensor with On-chip CMOS Readout Circuit and Electrodeposi­ ted 1 mm Flat Coil, Ph.A. Passeraub et. al., Proceedings of Eurosensors XII, 1998 beschrieben.

Mikrospulen wie diese sind nur für kleine Ströme geeignet und erreichen nur niedrige Induktivitäten. Sie sind daher zwar für sensorische Zwecke geeig­ net, nicht aber zum Beispiel für Schaltanwendungen, die hohe Ströme und Induktivitäten erfordern. Woll­ te man Mikrospulen der bekannten Bauart für hohe Ströme und Induktivitäten einsetzen, so hätte dies einen extrem großen Verbrauch an Substratoberfläche zur Folge, denn die Induktivität der bekannten Spu­ le läßt sich nur durch Hinzufügen zusätzlicher Wicklungen am äußeren Umfang vermehren, so daß be­ reits aus diesem Grund der Flächenverbrauch propor­ tional mit der Induktivität wächst. Gleichzeitig müßte für eine größere Stromtragfähigkeit der Lei­ terbahnquerschnitt vergrößert werden, was abermals zu einem größeren Flächenverbrauch führen würde.

Zwar ließe sich grundsätzlich der Flächenverbrauch dadurch reduzieren, daß, wie in DE 196 40 676 A1 beschrieben, eine Mikrospule mit mehreren überein­ anderliegenden Ebenen von Leitern gebildet wird, doch ergibt sich bei einem solchen Spulenaufbau das Problem, daß die beim Stromfluß durch die Leiter abfallende Wärme nicht mehr so effektiv dissipiert werden kann wie bei einem einschichtigen Aufbau. Die Strombelastbarkeit einer solchen Spule ist da­ her bei gleichem Leiterquerschnitt geringer als die einer Spule, deren Leiter in einer einzigen Ebene angeordnet sind.

Vorteile der Erfindung

Durch die vorliegende Erfindung wird eine Struktur für eine in Additivtechnik aufgebaute Mikrospule geschaffen, die es erlaubt, Spulen mit hoher Induk­ tivität und geringem Widerstand zu konstruieren, die für Hochstromanwendungen geeignet sind.

Dieser Vorteil wird wesentlich dadurch erreicht, daß die Leiter der Spule mit einem elektrisch iso­ lierenden Körper in Kontakt stehen, der wenigstens einen Anteil an Diamant oder diamantähnlichem Koh­ lenstoffmaterial aufweist. Diamant hat eine extrem hohe Wärmeleitfähigkeit von ca. 20 W/cmK und eine hohe Durchbruchsfeldstärke von ca. 10⁷ V/cm und ist damit gleichermaßen als elektrisches Isolations- und Wärmeleitungsmaterial geeignet. Sogenanntes diamantähnliches Kohlenstoffmaterial (DLC, Diamond­ like carbon) hat mit echtem Diamant die sp³- bezie­ hungsweise sp²-Hybridisierung der Kohlenstoffatome seiner Kristallstruktur gemeinsam und daher ähnlich vorteilhafte Wärmeleitungs- und Isolierungseigen­ schaften.

Um zu verhindern, daß die mit einer solchen Mikro­ spule erzeugbaren, relativ starken Magnetfelder auf benachbarte Schaltungen rückwirken, und auch, um die Induktivität der Spule als solche zu verbes­ sern, ist die Spule vorteilhafterweise von einer Ummantelung aus einem magnetisch abschirmenden Ma­ terial umgeben. Ein solches Material kann zum Bei­ spiel eine Nickel-Eisen- oder Nickel-Kobalt- Legierung sein.

Einer ersten Variante der Erfindung zufolge besteht der Isolierkörper wenigstens stellenweise aus einem Diamantkristalle enthaltendem Gemisch, das als wei­ tere Bestandteile zum Beispiel Oxid-Nitrid oder Po- lymermaterialien aufweisen kann.

Die erfindungsgemäße Spule ist besonders einfach herstellbar, wenn es sich bei dem Gemisch um ein photolithographisch strukturierbares Polymermateri­ al handelt. Dieses Material kann großflächig auf die Substratoberfläche aufgebracht werden, und in im Laufe der Strukturierung in dem Material erzeug­ ten Gräben können die Leiter der Spule, zum Bei­ spiel durch galvanische Techniken, zum Aufwachsen gebracht werden.

Eine zweite bevorzugte Variante der Erfindung sieht vor, daß der Isolierkörper wenigstens eine Schicht aus Diamant- oder diamantähnlichem Kohlenstoffmate­ rial umfaßt, die sich im wesentlichen über den ge­ samten Querschnitt der Spule erstreckt. Einzelne Öffnungen in der Schicht, die ihre Wärmeleitfähig­ keit nicht wesentlich beeinträchtigen, können vor­ handen sein, insbesondere als Durchbrüche für Lei­ terbahnen.

Für eine wirksame Kühlung der Leiter ist die wenig­ stens eine Schicht aus Diamant oder diamantähnli­ chem Kohlenstoffmaterial zweckmäßigerweise in di­ rektem Kontakt mit den zu kühlenden Leitern ange­ ordnet.

Diese zweite Variante ist besonders vorteilhaft bei einem kompakten Aufbau der Spule, bei dem die Lei­ ter in mehreren Ebenen angeordnet sind. In diesem Fall ist jeder Ebene wenigstens eine Schicht aus Diamant oder diamantähnlichem Kohlenstoffmaterial zugeordnet.

Vorzugsweise ist ferner das Substrat, das die Spule trägt, ein Halbleitersubstrat, und die Spule ist an eine unter ihr in dem Substrat angeordnete inte­ grierte Schaltung angeschlossen.

Weitere Vorteile und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausfüh­ rungsbeispielen mit Bezug auf die Figuren.

Figuren

Fig. 1 zeigt in einer perspektivischen An­ sicht und im Schnitt eine Mikrospu­ le auf einem Halbleitersubstrat ge­ mäß einer ersten Ausgestaltung der Erfindung;

Fig. 2 zeigt im Schnitt eine Mikrospule gemäß einer zweiten Ausgestaltung der Erfindung; und

Fig. 3 zeigt verschiedene Stufen der Her­ stellung der Mikrospule aus Fig. 2.

In Fig. 1 ist Bezugszeichen 1 ein Halbleiter­ substrat, das an seiner dem Betrachter zugewandten Flanke 2 im Schnitt dargestellt ist. An der Schnittflanke 2 erkennt man eine im Substrat ausge­ bildete integrierte Schaltung 3, eine Passivie­ rungsschicht 4 sowie eine Deckschicht 5 mit einer spiralförmig darin eingelassenen Leiterbahn 6. Die Deckschicht 5 und die Passivierungsschicht 4 bilden gemeinsam einen Isolierkörper, in den die Leiter­ bahn eingebettet ist.

Die Passivierungsschicht 4 ist hier eine Diamant­ schicht oder diamantähnliche Schicht, die zum Bei­ spiel in einem an sich bekannten Plasmaverfahren auf dem Substrat 1 abgeschieden worden ist. Derar­ tige Abscheideverfahren werden bekanntermaßen zur Erzeugung von verschleißmindernden Beschichtungen auf Werkzeugoberflächen eingesetzt.

Ein Durchbruch 7 in der Passivierungsschicht 4 ist durch Maskieren und Bearbeiten der Schicht mit ei­ nem H₂-Plasma erzeugt.

Durch den Durchbruch steht ein Endabschnitt 8 der Leiterbahn 6 in leitendem Kontakt mit der Oberflä­ che der integrierten Schaltung 3.

Die Leiterbahn 6 befindet sich in direktem Kontakt mit der Oberfläche der Diamantschicht 4 und kann daher über diese hochwirksam Wärme abgeben.

Die Deckschicht 5 kann aus einem Polymermaterial oder aus einem hitzebeständigen anorganischen Oxid- oder Nitridmaterial, gegebenenfalls mit einem An­ teil an Diamantkristallen oder DLC-Material beste­ hen.

Fig. 2 zeigt ein weiterentwickeltes Beispiel einer erfindungsgemäßen Mikrospulen im Schnitt parallel zu ihrer Achse beziehungsweise senkrecht zur Ober­ fläche des Substrats.

Das Substrat 1 ist wiederum ein Halbleitersubstrat mit einer an seiner Oberfläche angeordneten inte­ grierten Schaltung 3. Das Substrat und die Schal­ tung sind mit einer Passivierungsschicht 4 überzo­ gen, die hier in herkömmlicher Weise eine oxidische oder nitridische Zusammensetzung haben kann. Ober­ halb der integrierten Schaltung 3 ist auf dem Substrat eine Mikrospule angeordnet, die - mit Aus­ nahme der zu ihrer elektrischen Versorgung erfor­ derlichen Durchbrüche 7 - ringsum von einer Umhül­ lung 9 mit hoher magnetischer Permeabilität, zum Beispiel aus einer Nickel-Eisen- oder Nickel- Kobalt-Legierung, umgeben ist.

Im Innern der Umhüllung 9 sind Leiter 6 der Mikro­ spule in zwei spiralförmigen Lagen um einen Spulen­ kern 10 angeordnet, der aus dem gleichen Material wie die Umhüllung 9 besteht.

Die Leiter 6 sind innerhalb der Umhüllung 9 in ei­ nen elektrisch isolierenden, wärmeleitenden Körper 11 eingebettet, der als einen wesentlichen Bestand­ teil zumindest einen Anteil an Diamantkristall oder diamantähnlichem Kohlenstoffmaterial enthält. Der Aufbau dieses isolierenden Körpers 11 kann unter­ schiedlich sein, in Abhängigkeit von den Verfah­ rensschritten, die zum Aufbau der Mikrospule auf dem Substrat eingesetzt worden sind. Der Aufbau des isolierenden Körpers 11 ergibt sich aus dem nach­ folgend beschriebenen Verfahren zur Herstellung der Spule.

Die Verfahren gehen jeweils aus von einem Halblei­ tersubstrat mit darin komplett ausgebildeter inte­ grierter Schaltung und einer auf der Oberfläche des Substrats abgeschiedenen Passivierungsschicht, die Durchbrüche 7 für die Durchführung einer Stromver­ sorgung der Spule aufweist (siehe Fig. 3a).

Auf dem Substrat wird eine erste Legierungsschicht abgeschieden, zum Beispiel durch Sputtern, struktu­ riert und geätzt, um den Boden 20 der Umhüllung 9 zu bilden (siehe Fig. 3b).

Eine Diamant- oder DLC-Schicht 21 wird auf dem Bo­ den 20 abgeschieden (Fig. 3c). Die Dicke der Schicht 21 kann aufgrund der hohen Durchschlagsfe­ stigkeit äußerst gering gehalten werden.

Im nächsten Schritt (Fig. 3D) wird eine photo­ strukturierbare Polymerschicht 22 aufgebracht, und in dieser Polymerschicht wird in ihrem Bereich oberhalb der Schicht 21 ein Muster von Gräben 23 erzeugt, deren Verlauf einer Lage der Leiter der zu erzeugenden Spule entspricht.

Um bei einer gegebenen Grundfläche der Spule mög­ lichst starke Ströme führen zu können, ist es wün­ schenswert, einen geringen Widerstand der Leiter und infolgedessen einen großen Leiterquerschnitt zu haben. Dazu ist es notwendig, die Gräben 23 mit ei­ nem hohen Aspektverhältnis zu erzeugen, das heißt die Gräben 23 sollen schmal und tief sein. Zu die­ sem Zweck ist ein Photoresist-Polymermaterial aus Epoxidbasis besonders geeignet.

Ein besonderes Verfahren, das zur Erzeugung von tiefen Gräben mit steilen Wänden in einer Vielzahl von Polymermaterialien geeignet ist, ist in der nicht vorveröffentlichten Patentanmeldung mit dem Aktenzeichen 199 10 984.2 beschrieben. Diesem Ver­ fahren zufolge werden die Gräben 23 erzeugt, indem zunächst auf der Polymerschicht 22 eine Hartstoff­ schicht in an sich bekannter Weise durch Plasmaab­ scheidung, Aufsputtern oder Aufdampfen abgeschieden und strukturiert wird, so daß das Muster der Gräben zunächst in der strukturierten Hartstoffschicht entsteht. Als Hartstoffschicht eignet sich bei­ spielsweise ein aus einem Plasma abgeschiedenes Oxid oder Nitrid wie SiN, TiN oder SiO₂ sowie Me­ tallschichten wie etwa Al.

Die Erzeugung der Gräben 23 der Polymerschicht 22 erfolgt in einer Plasmaätzanlage, zum Beispiel ei­ ner ECR- oder ICP-Ätzanlage unter Verwendung eines sauerstoffhaltigen Ätzgases, vorzugsweise reinem Sauerstoff, mit einem Zusatz an leichtem, ionisier­ barem Gas, zum Beispiel He⁴ oder, besonders bevor­ zugt, He³, oder Wasserstoff. Ionen des Ätzgases werden in Richtung der zu ätzenden, auf eine Tempe­ ratur von -30°C bis -120°C, vorzugsweise -65°C ge­ kühlten Substratoberfläche beschleunigt und tragen Material am Boden der Gräben der Polymerschicht 22 ab. Im Ätzgas sich ungerichtet bewegende Elektro­ nen, die an den Seitenflanken der entstehenden Grä­ ben 23 haften bleiben und dort statische Ladungen aufbauen können, werden mit Hilfe der Ionen des leichten Gases neutralisiert. Auf diese Weise wird vermieden, daß in die Gräben eindringende Ätzgasio­ nen zu den Flanken der Gräben hin abgelenkt werden und diese angreifen. So lassen sich Gräben mit ho­ hem Aspektverhältnis auf einfache Weise erzeugen. Das Ergebnis des Ätzvorgangs ist in Fig. 3d darge­ stellt.

In einem folgenden Verfahrensschritt werden die Gräben 23 sowie der Durchbruch 7 mit Metall aufge­ füllt, um die Leiter 6 der Spule zu bilden (Fig. 3e). Zu diesem Zweck können galvanische Verfahren eingesetzt werden.

Die weitere Fertigung kann in verschiedenen Varian­ ten ablaufen. Einer ersten Variante zufolge werden nach der Erzeugung der Leiter 6 die Reste der Poly­ merschicht 22 beseitigt, so wie dies für Polymer­ schichten aus Photolackmaterial an sich bekannt ist (Fig. 3f). In einem weiteren Verfahrensschritt werden die Leiter 6 mit einer Schicht aus Isolier­ material 24 abgedeckt, mit Ausnahme eines (nicht gezeigten) Durchbruchs für die Kontaktierung einer darüber noch zu erzeugenden, weiteren Lage der Spu­ le. Das isolierende Material 24 besteht zum Bei­ spiel im wesentlichen aus Oxid- oder Nitridmateria­ lien wie etwa Al₂O₃, SiO₂, Si₃N₄, etc., die eine hohe Temperaturbeständigkeit aufweisen. Zur Verbesserung der Wärmeabfuhr von den Leitern 6 der Spule nach außen kann das isolierende Material 24 mit einem Anteil an kristallinem Diamant oder diamantähnli­ chem Material beaufschlagt sein; soweit wirtschaft­ lich, kann das Isoliermaterial 24 sogar überwiegend oder praktisch vollständig aus solchem Material be­ stehen.

Die Schicht 24 kann in Form einer Folie aufgebracht werden, die an die Oberfläche des Substrats 1 ange­ preßt wird, so daß ihr isolierendes Material in die Zwischenräume zwischen den Leitern 6 eindringt; ein Auftrag des Materials 24 durch Aufstreichen einer Paste kommt ebenfalls in Frage.

Wenn das Material der Polymerschicht 22 selber im Rahmen der an die herzustellende Spule gestellten Anforderungen hinreichend temperaturbeständig ist und/oder gutes Wärmeleitvermögen aufweist, kann auf eine Beseitigung dieses Materials auch verzichtet werden, und gemäß einer zweiten Variante des Her­ stellungsverfahrens wird im Anschluß an die Erzeu­ gung der Leiter 6 gemäß Fig. 3e auf die gemeinsame Oberfläche der Leiter 6 und der Polymerschicht 22 eine weitere Schicht 25 aus Diamant oder diamant­ ähnlichem Kohlenstoffmaterial abgeschieden (siehe Fig. 3h), die - abgesehen von einem nicht darge­ stellten Durchbruch - die Leiter 6 gegen die Leiter einer darüber auszubildenden weiteren Spulenlage elektrisch isoliert.

Um eine gute Wärmeleitfähigkeit der Polymerschicht 22 zu erreichen, kann auch diese bereits mit Dia­ mant beaufschlagt sein.

Um weitere Lagen der Spule zu erzeugen, werden die mit Bezug auf die Fig. 3d bis g beziehungsweise 3d, e, h beschriebenen Schritte entsprechenden der Anzahl der zu erzeugenden Lagen wiederholt.

Die Außenseiten der Umhüllung 9 und der Spulenkern 10 werden in einem in einem letzten Verfahrens­ schritt galvanisch abgeschieden, um die in Fig. 2 dargestellte Spulenstruktur zu vollenden.

Claims (9)

1. Spule, die mit Hilfe der Additivtechnik auf ei­ ner Substratoberfläche (1) aufgebaut ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Leiter (6) der Spule mit einem Isolierkörper (4, 5; 11; 21, 22, 24; 25) in Kontakt sind, der wenigstens einen Anteil an Diamant oder diamantähnlichem Kohlenstoffmaterial aufweist.

2. Spule nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Spule von einer Ummantelung (9) aus einem magnetisch abschirmenden Material umgeben ist.

3. Spule nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Isolierkörper (5; 22, 24) wenig­ stens stellenweise aus einem Diamantkristalle ent­ haltenden Gemisch besteht.

4. Spule nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Gemisch ferner ein Oxid-, Nitrid- oder Po­ lymermaterial umfaßt.

5. Spule nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Gemisch ein photolithographisch struktu­ rierbares Polymermaterial umfaßt.

6. Spule nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Isolierkörper wenigstens eine Schicht (21, 25) aus Diamant oder diamantähnlichem Kohlenstoffmaterial umfaßt, die sich im wesentli­ chen über den gesamten Querschnitt der Spule er­ streckt.

7. Spule nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die wenigstens eine Schicht (21, 25) aus Diamant oder diamantähnlichem Kohlenstoffmaterial in direk­ tem Kontakt mit den Leitern (6) angeordnet ist.

8. Spule nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Leiter (6) in mehreren Ebenen an­ geordnet sind, und daß jeder Ebene wenigstens eine Schicht (21, 25) aus Diamant oder diamantähnlichem Kohlenstoffmaterial zugeordnet ist.

9. Spule nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Substrat (1) ein Halbleitersubstrat ist, und daß die Spule an eine unter ihr in dem Substrat (1) angeordnete inte­ grierte Schaltung (3) angeschlossen ist.