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Hall-Element Die Erfindung betrifft ein Hall-Element und ein Verfahren
zu dessen Herstellung, wobei für das Hall-Element eine aufgedampfte Halbleiterschicht
verwendet wird.
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Hall-Elemente finden weitläufig Anwendung zur Feststellung oder Bestimmung
der Stärke eines magnetischen Feldes unter Ausnutzung des Hall-Effektes. Ein herkömmliches
Hall-Element weist einen Einkristall eines Halbleitermaterials mit hoher Trägerbeweglichkeit
auf.
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Der Hall-Effekt kann durch folgende Beziehung ausgedrückt werden:
Dabei bedeutet E eine entstehende Hall-Spannung, R den Hall-Koeffizienten
des Materials, B die angelegte Flußdichte, I den angelegten Strom und t die Dicke
des verwendeten Halbleiters. Man hat bisher versucht, t oder die Dicke des verwendeten
Halbleiter-Einkristalls zu reduzieren, um die Ausgangsspannung des Hall-Elementes
maximal zu machen. Für die erreichbare Dünne gibt es jedoch eine Grenze, und die
minimale Dicke ist beim derzeitigen Stand der Technologie 10 #un, Außerdem sind
Schwierigkeiten dabei aufgetreten, einen Einkristall vergrößerter Fläche zu erhalten.
Wenn das Material zu einer reduzierten Dicke gespalten wird, muß der abgespaltene
Kristall poliert werden, was zu einem Materialverlust führt. Im Hinblick darauf
wurde vorgeschlagen, eine aufgedampfte Dünnschicht aus einem Halbleitermaterial
mit einer hohen Trägerbeweglichkeit zu bilden.
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Wenn eine Dünnschicht durch Aufdampfen gebildet wird, ist der Erhalt
einer Dicke im Bereich von zum möglich.
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Um eine zufriedenstellende Schicht mit einer solchen Dicke zu erzeugen,
muß jedoch die Unebenheit der Oberfläche eines für den Aufdampfprozeß verwendeten
Substrats auf mindestens unterhalb 1,5 Xm reduziert werden. Wenn die aufgedampfte
Schicht einer fotolithografischen Ätzung unterzogen wird, muß die Oberfläche des
Substrates, auf welcher die Dünnschicht gebildet werden soll, in einem geeigneten
Grad aufgerauht werden, um eine Ablösung der
aufgedampften Schicht
zu vermeiden. Eß ist deshalb ersichtlich, daß das Erfordernis für eine reduzierte
Dicke der aufgedampften Schicht und die Anforderung an das Aufdampfsubstrat für
eine bequeme Herstellung und Stabilität im Widerspruch zueinander stehen. Wie aus
obiger Formel hervorgeht, kann das Ausgangssignal dadurch vergrößert werden, daß
der magnetische Fluß konzentriert und dadurch die Größe von B erhöht wird. Dies
kann man dadurch erreichen, daß man ein massives Element verwendet, welches zwischen
einem Paar im dichten Abstand voneinander angeordneter magnetisjerbarer Teile eingebettet
ist. Wenn die Dünnschicht Jedoch auf einem nichtmagnetischen Substrat aufgedampft
wird, kann das magnetisierbare Teil lediglich auf einer Oberfläche der Schicht angeordnet
werden. Obgleich es so scheinen mag, daß die Halbleiterschicht direkt auf einen
elektrisch nicht leitenden, magnetisierbaren Teil aufgedampft werden kann, ist die
Bearbeitung des magnetisierbaren Teils zur Erzeugung einer ausreichend glatten Aufdampffläche
verantwortlich für ein Abblättern, das zu Schwierigkeiten während und nach dem Herstellungsprozeß
führt. Wenn man andererseits einen bestimmten Grad an Unebenheit der Aufdampffliche
erlaubt1 kann eine aufgedampfte Schicht genügend reduzierter Dicke und mit ausreichender
Schichtqualität nicht erhalten werden.
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Es seien einige bekannte Hall-Elemente betrachtet.
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In der britischen Patentschrift 1 015 469 ist die Herstellung eines
Hall-Elementes beschrieben, bei welcher ein Indiumantimon-Einkristall auf eine Dicke
im Bereich von 254/um gebracht und auf einer Ferritscheibe befestigt wird, welche
mit Hilfe von Epoxyharz glatt poliert worden ist, bei welcher das Indiumantimon
auf eine Dünnschicht im Bereich von 12, 7 bis 25,4/um reduziert wird, und zwar durch
Polieren mit einer Diamant-Parallelläppvorrichtung und bei welcher auf dieser ein
weiteres Ferrit befestigt wird. Bei dem in dieser Patentschrift beschriebenen Verfahren
wird ein Polieren des Halbleiters auf eine dünne Schicht verwendet, die nicht auf
eine Dicke von weniger als 10 bis 30 Mikrometer reduziert werden kann, was die Grenze
darstellt, welche mit der Poliermethode erreichbar ist. Als Folge davon kann ein
Hall-Elenent mit einem großen Ausgangssignal nicht hergestellt werden. Zusätzlich
tritt dabei aufgrund der Verwendung des massiven Elementes ein Materialverlust auf.
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In der britischen Patentschrift 926 250 ist das Schneiden eines Indiumantimon-Halbleiter-Einkristalls
auf eine Dicke von weniger als 250 Mikrometer oder sogar unterhalb etwa 60 Mikrometer
beschrieben. Die so erhaltene Halbleiterscheibe wird zur Bildung eines Hall-Elementes
mit Epoxyharz zwischen einem Paar Ferritteilen gehalten. Mit einer Dünnschicht,
die eine solche Dicke aufweist, kann jedoch
ein Element mit großem
Ausgangssignal nicht erhalten werden.
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In der britischen Patentschrift 1 017 033 findet sich die Beschreibung,
daß sich aufgedampfte Schichten aus Hall-Effekt-Material, wie Indiumantimon oder
dergleichen,abwechseln mit Schichten aus ferromagnetischem Material, welches durch
Aufsprühen, Beschichten oder Auftragen auf einem Plastikfilm aufgebracht ist, und
zwar zum Zweck der Informationsaufzeichnung und -w#dergabe. In dieser Patentschrift
ist offenbart, daß die Dicke der ferromagnetischen Schicht im Bereich min 0,02 bis
1 Mikroinch liegt und die Indiumantimon aufweisendenHall-Effekt-Schichten dieselbe
Dicke haben. Eine solche Dicke beträgt 5,1 Angström (0,00051 Mikroneter) bis 255
Angström (0,0255 Mikrometer). Wenn die Dicke extrem unterhalb 0,5 Millimikrometer
reduziert ist, verschlechtert der Oberflächeneiiekt das Verhalten, so daß die Erzeugung
eines großen Ausgangssignals verhindert ist. Eine von den Erfindern der vorliegenden
Anmeldung durchgeführte Untersuchung hat gezeigt, daß das Aufdampfen einer dünnen
Halbleiterschicht direkt auf ein ferromagnetisches Material kein zufriedenstellendes
Ausgangssignal erzielen lassen kann.
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Dies kann man darauf zurückführen, daß das ferromagnetische Material
keine ausreichend glatte Oberfläche aufzuweisen vermag. In der US-Patentschrift
3 082 124 sind Verfahrensparameter wie Temperatur, Druck oder dergleichen angegeben,
welche
während eines Aufdampfprozesses einer dünnen Schicht aus Indiumantimon-Halbleitermaterial
auf einer Glas- oder Keramikplatte verwendet werden. Diese Patentschrift gibt jedoch
keinen brauchbaren Aufbau für dessen Halterung zwischen Ferritteilen an. Es kann
keine ausreichende Flußkonzentration auftreten, wenn die D~unnschicht so zwischen
magnetisierbaren Teilen gehalten wird, daß dazwischen ein Aufdampfsubstrat angeordnet
ist.
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In der deutschen Patentschrift 1 098 581 ist ein Halbleiterbauelement
mit der Wirkung eines magnetischen Widerstandes beschrieben, welches in isolierendem
Material e3ngekapselt ist, und zwar zusammen mit Anschlußdrähten, die an diesem
Element befestigt sind, welches seinerseits zwischen einem Paar Ferritteilen befestigt
ist. Wenn dies auch nicht speziell beschrieben ist, so ergibt sich unzweifelhaft
aus der Darstellung und dem technischen Niveau von 1955, in welchem Jahre diese
Erfindung gemacht worden war, daß das Element einen Einkristall aufweist, dessen
Dicke nicht kleiner als 10 Mikrometer sein kann.
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Aus den obigen Erläuterungen kann man entnehmen, daß beträchtliche
Anstrengungen auf den Erhalt einer Dünnschicht aus Halbleitermaterial mit hoher
Trägerbeweglichkeit gerichtet worden sind, daß es aber nicht gelang, eine Dünnsc
#hicht
ausreichender Qualität und mit einer Dicke im Bereich von 0,5/um bis 1,5/um herzustellen.
Als Folge davon muß bei bekannten Hall-Elementen der Äktiirierungsstrom erhöht werden,
was zu einem vergrößerten Stronverlust führt. Außer~ dem ist das Signal/Rau#ch-Verhältnis
niedrig, was deren Verwendung zur Feststellung eines sehr schwachen magnetischen
Feldes verhindert.
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Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Hall-Element
verfügbar zu machen, bei welchem eine aufgedampfte Schicht aus einem Ealbleiternaterial
mit hoher Trägerbeweglichkeit verwendet ist und welches ausreichend dünn ist und
eine ausreichend große Flmßkonzentrationswirkung aufweist, um ein hohes Ausgangßsignal
zu erzeugen.
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Ferner soll ein Hall-Element verfügbar gemacht werden, welches ein
hohes Ausgangssignal erzeugt und eine gute Stabilität und lange Nutzungsdauer aufweist.
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Weiterhin soll ein Hall-Element verfügbar gemacht werden, welches
ein großes Ausgangssignal erzeugt und eine gute Widerstandsfähigkeit selbst gegenüber
einer sehr feuchten Umgebung aufweist.
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Zudem soll ein Verfahren zur Herstellung eines Hall-Elementes verfügbar
gemacht werden, welches die verwendete
Materialmenge auf einen Minimalwert
reduziert und eine preiswerte Herstellung eines Hall-Elementes mit großem Ausgangssignal
erlaubt.
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Ferner soll eine praktikable Methode zur Herstellung eines Hall-Elementes
verfügbar gemacht werden, mit welcher sich eine Dünnschicht aus Halbleitermaterial
hoher Trägerbeweglichkeit herstellen läßt, welche eine reduzierte Dicke und eine
verbesserte Kristallstruktur aufweist.
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Zur Lösung der Aufgabe werden erfindungsgemäß Eingangs-und Ausgangs
elektroden auf einer Oberfläche einer aufgedampften Dünnschicht aus Halbleitermaterial
hoher Trägerbeweglichkeit, welche eine Dicke von 0,5 bis 1,5/um aufweist, gebildet.
Ein erstes und ein zweites magnetisierbares Teil werden auf den gegenüberliegenden
Oberflächen der aufgedampften Schicht mit einem Elebstoff aufgebracht. Die Verwendung
einer aufgedampften Dünnschicht ermöglicht den Erhalt einer Dicke von weniger als
1,5/um, wodurch ein erhöhtes Ausgangssignal ermöglicht wird, wohingegen der Einfluß
des Oberflächeneffektes verhindert ist, wenn man die Dicke nicht geringer als 0,5/um
macht. Da das erste und das zweite magnetisierbare Teil mittels einer sehr dünnen
Klebstoffschicht auf den gegenüberliegenden Oberflächen der Dünnschicht aufgebracht
werden, erhält man eine ausgezeichnete Flußkonzentratioiiswirkung, welche einenweiteren
Beitrag zur Erhöhung der Größe des Ausgangssignals
liefert.
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Um eine Dünnschicht hoher Qualität zu erzeugen, wird eine glatte,
durch Abspalten erhaltene Oberfläche eines Kristalls als Aufdampfsubstrat verwendet,
welches die Unebenheit auf ein Minimum verringert und eine ausreichende Schicht
qualität selbst bei einer Dicke im Bereich von 0,5 bis 1,5/um sicherstellt. Wenn
man für das Aufdampfsubstrat eine Temperatur wählt, die möglichst hoch ist und vorzugsweise
den Schmelzpunkt des verwendeten Halbleitermaterials erreicht, wird eine aufgedampfte
Schicht erzeugt, die einem Einkristall sehr nahekommt, so daß eine Trägerbeweglichkeit
erhalten wird, welche näherungsweise derjenigen des Einkristalls ist, was die Schichteigenschaften
verbessert.
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Nachdem auf der durch Abspalten erhaltenen Oberfläche des Kristalls
eine ausgezeichnete Halbleiterdünnschicht aufgedampft und das erste magnetisierbare
eil darauf mit einem Klebstoff aufgebracht ist, wird das Anfdampfsubstrat von der
Anordnung abgelöst, womit die aufgedawpfte Dünnschicht auf das erste magnetisierbare
Teil übertragen wird. Ein zweites magnetisierbares Teil wird auf die freiliegende
Oberfläche der aufgedampften Dünnschicht, welche somit vom Substrat befreit ist,
aufgebracht, wodurch es ermöglicht ist, daß die aufgedampfte Schicht zwischen dem
ersten und dem zweiten magnetisierbaren Teil gehalten
wird, und
zwar mit einem sehr geringen Abstand zwischen Dünnschicht und erstem bzw. zweitem
magnetisierbaren Teil. Wenn das Aufdampfsubstrat durch Abblättern entfernt wird,
kann es dank der Tatsache, daß das Substrat eine abgespaltene Oberfläche und somit
glatt ist, ohne Beschädigung der aufgedampften Schicht abgetrennt werden.
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Die aufgedampfte Schicht wird einer fotolithografischen Bearbeitung
unterzogen, nachdem sie auf den ersten magnetisierbaren Teil aufgebracht ist. Eine
solche Bearbeitung ist aufgrund der festen Haftung zwischen beiden ermöglicht und
findet statt, ohne daß eine Beschidigung der Dünnschicht verursacht wird. Da das
erste und das zweite magnetisierbare Teil an der aufgedampften Dünnschicht je mittels
einer Schicht aus dazwischen liegendem Klebstoff befestigt ist, können diese magnetischen
Teile elektrisch leitend sein.
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Gegenüber der im Bereich von 0,5 bis 115/um liegenden Dicke der aufgedampften
Schicht weist die Klebstoffschicht, welche zum Aufbringen des ersten magnetisierbaren
Teils auf der Dünnschicht verwendet wird, eine wesentlich größere Dicke im Bereich
von 50/um auf, um eine ausreichende Haftfestigkeit zu erzeugene Wenn ein Klebstoff
mit Feuchtigkeitswiderstand verwendet wird, wird er noch
durch
die Feuchtigkeit beeinflußt, wenn auch in reduziertem Grad. Wenn das Hall-Element
in einer Umgebung mit relativ hoher Feuchtigkeit verwendet wird, wird der Klebstoff
durch die Feuchtigkeit beeinflußt und verändert seine Dicke, was, wenn auch geringfügig,
eine Unebenheit der daraufliegenden Halbleiterdünnschicht bewirken und eine wesentliche
Beeinträchtigung der Schichteigenschaften zur Folge haben kann. Wenn im verwendeten
Klebstoff Schaum enthalten ist, können dort, wo der Schaum liegt, in der aufgedampften
Dünnschicht Löcher erzeugt werden. Aus diesen Gründen wird eine verstärkende Schicht
aus elektrisch isolierendem, feuchtigkeitsundurchlässigem und relativ hartem anorganischen
Material direkt auf derJenigen Oberfläche der aufgedampften Dümischicht erzeugt,
welche der Oberfläche, auf welcher die Eingangs- und Ausgangselektroden gebildet
sind, gegenüber liegt, insbesondere wenn das Element in einer Umgebung mit schädlicher
Feuchtigkeit verwendet wird. Auf diese Weise wird ein feuchtigkeitsfestes Element
erhalten, und die erhöhte Festigkeit der aufgedampften Schicht ermöglicht deren
Verarbeitung. In gleicher Weise kann eine Schutzschicht aus elektrisch isolierendem,
feuchtigkeitsundurchlässigem anorganischen Material direkt auf derjenigen Oberfläche
der aufgedampften Dünnschicht erzeugt werden, auf welcher die Elektroden gebildet
sind, um die Einfachheit der Herstellung und den Feuchtigkeitswiderstand zu verbessern.
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Im folgenden wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen näher
erläutert. In der zugehörigen Zeichnung zeigen: Fig. 1 einen schematischen Querschnitt,
welcher eine Schichtanordnung aus einer aufgedampften Halbleiterschicht auf einem
Substrat zeigt; Fig. 2 einen schematischen Querschnitt, welcher ein erstes magnetisierbares
Teil zeigt, das auf der in Fig. 1 gezeigten aufgedampften Schicht aufgebracht ist;
Fig. 3 einen schematischen Querschnitt der in Fig. 2 gezeigten Schichtanordnung,
von welcher das Substrat entfernt ist, wobei ds Schichtanordnung in umgekehrter
Position dargestellt ist; iig. 4 eine Draufsicht auf die aufgedampfte Schicht der
Fig. 3, in welcher eine gegebene Konfiguration gebildet ist; Fig. 5 eine Draufsicht,
welche auf der aufgedampften Schicht der Fig. 4 gebildete Elektroden zeigt, Fig.
6 einen schematischen Querschnitt entlang der in Fig. 5 gezeigten Linie A-A; Fig.
7 eine Draufsicht auf die in den Fig. 5 und 6 dargestellte Schichtanordnung, an
welcher ein zweites magnetisierbares Teil und Anschlußdrähte befestigt sind;
Fig.
8 einen schematischen Querschnitt des in Fig. 7 gezeigten erfindungsgemäßen Hall-Elementes,
welches in schützendem Harz eingekapselt ist; Fig. 9 einen schematischen Querschnitt
einer anderen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Hall-Elementes; Fig.10 eine
Draufsicht, teilweise in aufgeschnittener Weise, des in Fig. 9 gezeigten Hall-Elementes.
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Gemäß Fig. 1 ist ein Substrat 1 zum Aufdampfen vorgesehen.
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Beim Aufdampfsubstrat 1 handelt es sich um einen Kristall mit einer
glatten, durch Abspalten erhaltenen Oberfläche, auf welcher das Aufdampfen durchgeführt
wird. Bei dem Kristall kann es sich beispielsweise um Glimmer, Natriumchlorid oder
Kaliumbromid handeln, und er weist vorzugsweise eine Kristallstruktur und eine Gitterkonstante
auf, welche denjenigen des darauf aufzudampfenden Halbleiters nahekommen. Wenn es
sich bei dem aufzudampfenden Halbleiter um Indiumantimon handelt, kann ein Glimmerplättchen
verwendet werden. Für Germanium können Einkristalle aus Natriumchlorid, Kaliumbromid
oder Bariumchlorid verwendet werden. Auf dem Substrat 1 wlrd in Vakuum ein Halbleiter
mit hoher Trägerbeweglichkei, niedergeschlagen, um eine dünne aufgedampfte Schicht
2 des Halbleiters zu bilden.
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Ein für eine solche Aufdampfung geeigneter Halbleiter umfaßt eine
intermetallische Verbindung, wie Indiumantimon,
Indiumarsen oder
dergleichen. Die aufgedampfte Schicht 2 weist vorzugsweise eine Dicke von 0,5 bis
1,5/um auf, und am meisten wird eine Dicke um 1,0zum bevorzugt. Unterhalb 0,5#um
reduziert der Oberflächeneffekt die Trägerbeweglichkeit, wodurch das Ausgangssignal
verringert wird.
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Oberhalb 1,5/um kann ein gewünschter Ausgangswert nicht erreicht werden.
Es ist erwünscht, während des Aufdampfens die Temperatur des Substrats 1 möglichst
hoch zu halten, um es dicht an die Schmelztemperatur des verwendeten Halbleiters
zu bringen. Insbesondere wenn Glimmer als Substrat verwendet wird, kann ein sehr
dünnes Glimmerplättchem erhalten werden, welches längs der Spaltflächen des Kristalls
abgetrennt ist, wodurch es moglich ist, das Substrat gleichmäßig auf eine relativ
hohe Temperatur zu erwärmen.
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Wie Fig. 2 zeigt, ist ein erstes magnetisierbares Teil 4 mit hoher
magnetischer Permeabilität, wie Weichferrit, Permalloy, Siliziumstahl oder dergleichen,
auf der aufgedampften Schicht 2 mit einer Schicht aus Klebstoff 3 befestigt. Die
der Schicht 2 gegenüberliegende Oberfläche des ersten magnetisierbaren Teils 4 weist
eine größere Fläche als die Schicht auf und sollte relativ glatt sein und eine Unebenheit
aufweisen, die beispielsweise kleiner als 1 Mikrometer ist. Eine Ferritscheibe,
wie sie normalerweise
zur Aufdampfung verwendet wird, kann mittels
Sand der Körnigkeit 1200 auf eine derartige Glätte geläppt werden, daß die maximale
Unebenheit kleiner als 0,4 Mikrometer ist. Andererseits kann eine Scheibe mit größerer
Oberflächenunebenheit verwendet werden, die eine maximale Unebenheit von 20 Mikrometern
aufweist, welche durch einfaches Läppen mit Sand der Körnigkeit 400 nach dem Abspalten
der Scheibe erhalten werden kann.
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Ein geeigneter Klebstoff weist ungesättigtes Polyester, Epoxy, Phenol,
Cyanacrylat auf. Vorzugsweise wird ein Klebstoff verwendet, welcher nicht quillt
oder bleicht, wenn er nach dem Härten längere Zeit in Wasser getaucht wird.
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Normalerweise wird ein Zweiflüssigkeits-Reaktions-Epoxykleb stoff
mit verbesserter Feuchtigkeitswiderstandsfähigkeit verwendet, welcher vorzugsweise
einen Härter wie Phtalsäureanhydrid enthält. Der Klebstoff 3 weist eine Schichtdicke
auf, die vorzugsweise möglichst klein ist, die aber aus praktischen Gründen gewöhnlich
im Bereich von 10 bis 100/zum liegt.
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Anschließend wird das Aufdampfsubstrat 1 von der Anordnung entfernt,
wie es Fig. 3 zeigt. Wenn das Substrat 1 Glimmer
umfaßt, kann es
abgestreift werden. Ein aus Natriumchlorid oder Kaliumbromid gebildetes Substrat
kann durch Auflösen in Wasser entfernt werden. Die Verwendung von Glimmer als Substrat
wird nicht nur aufgrund der durch die abgespaltene Oberfläche verfügbaren Glätte
bevorzugt, sondern auch wegen der reduzierten Haftstärke an der aufgedampften Schicht
2, was dessen späteres Entfernen erleichtert. Nach dem Entfernen des Substrats 1
stellt die freiliegende Oberfläche der aufgedampften Schicht 2 eine Spiegeloberfläche
dar, welche den gleichen Glattheitsgrad wie das Substrat 1 hat.
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Wie Fig. 4 zeigt, wird die auf dem ersten magnetisierbaren Teil 4
getragene aufgedampfte Schicht 2 zu einer gewünschten Konfiguration fotogeätzt,
um ein Paar Elektrodenteile 2b und 2c an gegenüberliegenden Seiten eines Stromweges
2a zwischen deren Enden zu bilden. Die Elektrodenteile 2b, 2c sind mit dem Stromweg
2a über Teile reduzierter Breite verbunden. Auf den gegenüberliegenden Enden des
Stromweges 2a und auf den Elektrodenteilen 2b, 2c wird Kupfer, Gold oder Silber
durch Elektroplattieren, Äufdampfen, Aufstäuben oder dergleichen niedergeschgen,
wodurch Elektroden 5a bis 5d gebildet werden, wie 3ie in den Fig. 5 und 6 dargestellt
sind. Der zwischen den Elektroden 5c und 5d liegende Teil des Stromweges 2a bildet
eine empfindliche Fläche P.
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Anschließend wird, wie es in den Fig. 7 und 8 gezeigt ist, ein zweites
magnetisierbares Glied 6 auf der aufgedampften Schicht 2 festgeklebt, indem es je
nach Erfordernis auf einen Teil oder die Gesamtheit der Schicht 2 und einen Teil
der Elektroden 5a bis 5d gelegt und mit einer Schicht aus Klebstoff 7 befestigt
wird. Die in Fig. 7 gezeigte Anordnung, bei welcher das zweite magnetisierbare Teil
6 über den Elektroden 5c, 5d liegt und somit die verbindenden Teile reduzierter
Breite zwischen den Elektroden 5c, 5d und dem Stromweg 2a schützt, ist vorteilhaft
für eine Massenproduktion, da sie eine Verunreinigung oder Beschädigung der aufgedampften
Schicht 2 verhindert, wenn eine Anzahl Hall-Elemente auf einem gemeinsamen magnetisierbaren
Teil 4 gebildet und anschließend in einzelne Elemente zerteilt werden. Das zweite
magnetisierbare Teil 6 kann dasselbe Material aufweisen, welches für das erste magnetisierbare
Teil 4 verwendet worden ist, und es hat vorzugsweise in einer senkrecht zur Ebene
der aufgedampften Schicht 2 verlaufenden Richtung eine größere Höhe, um den Flußkonzentrierungseffekt
zu verbessern.
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Anschlußdrähte 8a bis 8d werden auf die Elektroden 5a,5b, 5c bzw.
5d aufgelötet. Das Material der Anschlußdrähte unterliegt keiner speziellen Beschränkung
und weist gewöhnlich Kovar-Draht auf (eine Legierung aus Eisen,
Nickel
und Kobalt). Der zum zweiten magnetisierbaren Teil 6 weisende Teil des solchermaßen
aufgebauten Hall-Elementes wird in einem Schutzharz 10 eingekapselt, wie es Fig.
8 zeigt. Das Harz 10 kann dem Material der Klebstoffe 3, 7 ähnlich sein.
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Wenn eine hohe Widerstandsfähigkeit gegenüber der Umgebung erforderlich
ist, wird eine verstärkende Schicht 11 aus elektrisch leitendem und feuchtigkeitsundurchlässigem
anorganischen Material direkt auf der aufgedampften Schicht 2 gebildet, wie es in
den Fig. 9 und ?gezeigt ist. Die verstärkende Schicht 11 kann Siliziumdioxid, Siliziummonoxid
oder Siliziumoxid mit Blei zusatz zur Bildung einer gläsernen Zusammensetzung aufweisen
und sie kann gleich jenen Schutzschichten sein, welche derzeit in der Halbleitertechnik
bei der Herstellung von Transistoren und integrierten Schaltungen verwendet werden.
Um eine Schicht mit ausreichender Isoliereigenschaft zu bilden, muß die verstärkende
Schicht 11 mindestens eine Dicke von 0,3/um aufweisen, und sie sollte vorzugsweise
eine Dicke von 0,5/um oder mehr für eine verbesserte Feuchtigkeitswiderstandsfähigkeit
haben. Die verstärkende Schicht 11 wird z.B. durch Vakuumaufdampfung, Ionenplattierung,
Aufstäubung oder ähnliche Methoden auf der gemäß Fig. 1 gebildeten aufgedampften
Schicht 2 niedergeschlagen, und das erste magnetisierbare Teil 4 wird auf der verstärkenden
Schicht 11
aufgebracht. Der anschließende Verfahrensablauf ist
gleich dem oben beschriebenen.
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Wie Fig. 9 zeigt, ist eine weitere Schutzschicht 12 aus elektrisch
isolierendem und nicht magnetischem anorganischen Material direkt auf derjenigen
Oberfläche der aufgedampften Schicht gebildet, welche dem zweiten magnetisierbaren
Teil 6 gegenüberliegt. Zur Bildung der Schutzschicht 12 werden im Anschluß an die
Bildung der Elektroden 5a bis 5d Lotmetalle 9a bis 9d an vorbestimmten Stellen aufgebracht,
an welchen die Anschlußdrähte 8a bis 8t angeschlossen werden sollen, wie es Fig.
9 zeigt. Dann wird das die Schutzschicht 12 bildende anorganische Material, z.B.
durch Aufstäuben, Ionenplattieren, Vakuumaufilampfen oder ähnliche Methoden auf
einem Teil der aufgedampften Schicht 2, nämlich der empfindlichen Fläche P, und,
was mehr vorzuziehen ist, auf deren gesamter Oberfläche einschließlich der Elektroden
5a bis 5d und der Lötmetallstellen 9a bis 9d aufgebracht.
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Das zweite magnetisierbare Teil 6 wird auf der Schutzschicht 12 befestigt
und zwar mit einer dazwischen liegenden Klebstoffschicht 7. Das weitere Verfahren
gleicht dem oben beschriebenen. Zur Verbindung der Anschlußdrähte 8a bis 8d mit
den Elektroden 5a bis 5d können diese Anschlußdrähte auf der Schutzschicht 12 an
Stellen aufgebracht werden, welche den Plätzen des Lötmaterials der zugeordneten
Elektroden
entsprechen, und es kann von oben ein Lötkolben in Berührung
mit der Schutzschicht gebracht werden, um diese zu zerstören, was es ermöglicht,
die Anschlußdrähte auf einfache Weise durch Lötmaterial, welches sich darunter befindet,
mit den zugeordneten Elektroden zu verbinden. Wenn man die Anschlußdrähte 8a bis
8d mit den Elektroden 5a bis 5d -verbindet, bevor das zweite magnetisierbare Teil
6 festgeklebt wird, kann die Möglichkeit einer Beschädigung der aufgedampften Schicht
2 durch die Schutzschicht 12 während deren Befestigungsvorgang minimal gemacht werden.
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Das Material für die Schutzschicht 12 kann dem der verstärkenden Schicht
11 gleichen.
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Die Erfindung wird desweiteren anhand von Beispielen erläutert, die
nur beispielhaften Charakter haben und auf welche die Erfindung nicht beschränkt
sein soll.
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Beispiel 1 Ein Bruchteil eines Indiumantimon-Einkristalls mit einer
Reinheit von 99,99999 % wurde in einem Vakuum von 2,7 x 10 Gmmag auf einer Glimmerscheibe
aufgedampft, welche auf einer Temperatur von etwa 480°C gehalten wurde. Die Glimmerscheibe
hatte eine Dicke von 65 Mikrometern und einen Durchmesser von etwa 60 mm. Bei einer
Aufdampfzeit
von 100 Minuten wurde eine aufgedampfte Indiumantimonschicht
mit einer Dicke von etwa 0,8 Mikrometer erhalten.
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Ein Zweiflüssigkeits-Reaktions-Epoxyklebemittel, das Phtalsäureanhydrid
als Härter enthält, wurde vakuumentschäumt und mit einer Dicke von 50 Mikrometer
aufgebracht wodurch eine erste Klebstoffschicht gebildet wurde. Als erstes magnetisierbares
Teil wurde eine Scheibe aus weichem Ferrit mit hoher magnetischer Permeabilität,
die quadratisch gebildet war und eine Seitenlänge von 30 mm aufwies, mit einem Druck
von nahezu 200 g/cm gegen die erste Xlebstoffschicht gepreßt und fünf Stunden lang
auf eine Temperatur von etwa 600C erwärmt, während sie in borizontaler Lage gehalten
wurde. Anschließend wurde zwei Stunden lang eine Erwärmung auf 1000C aufrechterhalten,
mm den Klebstoff zu härten. Dann wurde die Glimmerscheibe durch Abtrennen vorsichtig
entfernt und ein mit einem druckempfindlichen Gummiklebstoff beschichtetes durchsichtiges
Zelluloseband gegen die freiliegende Fläche der aufgedampften Schicht gedrückt und
abgezogen. Auf diese Weise wurden durch die Haftwirkung des Bandes Glimmerspuren
entfernt, welche auf der aufgedampften Schicht zurückgeblieben waren.
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Mit Hilfe eines Fotoätzverfahrens wurden der Stromweg 2a und die Elektrodenteile
2b, 2c in der Balbleiterschichtgebildet,
und die Elektroden 5a
bis 5d wurden durch stromlosen Kupf erniederschlag erzeugt. Die Breite W1 der empfindlichen
Schicht P betrug 0,4 mm, der Abstand 11 zwischen den Elektroden 5a, 5b betrug 0,80
mm und die Breite W2 der schmalen Verbindungsteile zwischen dem Stromweg 2a und
den Elektroden 5c, 5d betrug 0,20 mm (siehe Fig. 10).
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Eine Anzahl solcher Elementemuster wurde gleichzeitig gebildet. Um
Korrosionswiderstandsfähigkeit zu erzeugen und das Aufbringen des Lötmaterials zu
erleichtern, wurde Jede der Elektroden 5a bis 5d mit einer Schicht aus Silber bedeckt,
welches durch stromlosen Niederschlag aufgebracht wurde. Die gesamte obere Oberfläche
einschließlich der empfindlichen Schicht und der Elektroden wurde mit einem lichtempfindlichen
Harz beschichtet, speziell mit von der Kodak Company hergestelltem KTFR und belichtet,
während Masken neben den Stellen für die Lötmaterialien 9a bis 9d über den entsprechenden
Elektroden angeordnet waren.
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Das ungehärtete lichtempfindliche Harz, welches sich unter den Jeweiligen
Masken befand, wurde entfernt. Darauf wurde die Anordnung in ein geschmolzenes Lotmaterial
enthaltendes Gefäß getaucht, um eine Lotschicht auf den Silberelektroden zu erzeugen.
Nach dem Herausnehmen aus dem Gefäß wurde die zurückgebliebene belichtete und gehärtete
Harzschicht entfernt.
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Als zweites magnetisierbares Teil wurde Weichferrit in
fester
zylindrischer Form mit einer Höhe und einem Durchmesser von je 1,2 mm auf der empfindlichen
Schicht befestigt, und zwar unter Verwendung desselben Klebstoffes, der als erste
Klebstoffschicht verwendet worden ist, und der Klebstoff wurde unter denselben Bedingungen
gehärtet, wie sie beim ersten magnetisierbaren Teil verwendet worden sind.
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Die einzelnen Hall-Elemente wurden unter Verwendung eines Diamantschneidera
getrennt, und Kovar-Drähte mit rechteckigem Querschnitt, die 0,1 mm hoch und 0,3
mm breit waren, wurden auf die Jeweiligen Elektroden eines jeden Elementes aufgelötet.
Jedes Hall-Element wurde dann in einem Schutzharz 10 eingekapselt, welcher denselben
Klebstoff aufwies, wie er bei der Erzeugung der ersten und der zweiten Klebstoffschicht
verwendet wurde, und dieser Klebstoff wurde zur Wärmehärtungsbehandlung fünf Stunden
lang auf 6000 und anschließend zwei Stunden lang auf 10000 erwärmt. Auf diese Weise
wurden zehn Hall-Elemente erhalten.
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Als effektives Ausgangssigna:L oder Hall-Spannung dieser Hall-Elemente
wurden in einer Flußdichte von 1 Kilogauss 372 Millivolt gemessen, wenn am Eingang
ein Nennstrom von 5 Nilliampere anlag.
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Beispiel 2 ~~~ Eine 0,8/um dicke Indiumantimonschicht wurde auf derselben
Glimmerscheibe unter denselben Bedingungen wie in Beispiel 1 aufgedampft. Eine verstärkende
Schicht wurde auf der aufgedampften Halbleiterschicht dadurch gebildet, daß in einem
Vakuum von 3 x 1'O#4mmHg Siliziummonoxid mit einer Reinheit von größer als 99,9
% aufgedampft wurde. Das Aluminiumoxidboot, welches das Siliziummonoxid enthielt,
wurde auf einer Temperatur von 12000C gehalten, und das Aufdampfen wurde 7 minuten
lang aufrechterhalten, was zu einer 0,4 Mikrometer dicken verstärkenden Schicht
führte. Ein Interferenzstreifen, wie er einer Dunnechicht innewohnt, wurde beobachtet,
und wenn die verstärkende Schicht vorsichtig mit einem Finger gerieben wurde, trat
in der verstärkenden Schiebt keine mit bloßem Auge sichtbare Beschädigung auf.
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Unter Verwendung desselben Klebstoffs wie in Beispiel 1 wurde eine
Scheibe aus weichem Ferrit mit hoher magnetischer Permeabilität und gleichen Abmessungen
wie zuvor entsprechend der in Beispiel 1 ausgeführten Methode auf der verstärkenden
Schicht befestigt. Die Dicke der erstem' Klebstoffschicht betrug 40 Mikrometer.
Anschließend wurden zehn Hall-Elemente unter Verwendung derselben Materialien und
Parameter und generell entsprechend dem in Beispiel 1 beschriebenen
Verfahren
erzeugt. Unter denselben Testbedingungen erzeugten diese Hall-Elemente eine Hall-Spannung
von 370 mV.
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Beispiel 3 Bei dem Verfahren nach Beispiel 2 wurde eine Siliziummonoxid
aufweisende Schutzschicht auf der aufgedampften Halbleiterschicht gebildet, und
zwar unter Verwendung derselben Parameter wie für die verstärkende Schicht, bevor
das zweite magnetisierbare Teil befestigt wurde. Anschließend wurde das in Beispiel
2 beschriebene Verfahren befolgt, um Hall-Elemente zu erzeugen, welche unter denselben
Testbedingungen wie Beispiel 1 367 mV ergaben.
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Die in den Beispielen 1 bis 3 erhaltenen Hall-Elemente wurden wiederholten
Feuchtigkeits- und Trocknungszyklen unterworfen, wobei die Hall-Elemente während
eines jeden Zyklus etwa 12 Stunden lang in einer Umgebung von 6500 und einer relativen
Feuchtigkeit von 97 96 und anschließend etwa 12 Stunden lang auf einer Temperatur
von 2500 und einer relativen Feuchtigkeit von 65 % gehalten wurden.
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Nach Beendigung eines jeden Zyklus wurden die Elemente mit einem Mikroskop
untersucht, und dis Ausgangssignale wurden nach zehn Zyklen gemessen. Man stellte
dann fest, daß die gemäß Beispiel 1 erzeugten Hall-Elemente nach 3 Zyklen eine Oberflächenverformung
zeigten, was eine
Bestimmung des Ausgangssignals unmöglich machte,
während die entsprechend den Beispielen 2 und 3 erzeugten Hall-Elemente ohne Änderung
hinsichtlich ihres Zustandes und ihres Ausgangssignals blieben.
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Die obigen Ausführungen zeigen, daß die Erfindung die Möglichkeit
gibt, eine dünne Halbleiterschicht aufzudampfen und zwischen einem Paar in dichtem
Abstand angeordneter magnetisierbarer Teile zu halten, um den Flußkonzentrierungseffekt
zu vergrößern. Bei den obigen Beispielen erzeugten die Elemente eine Hall-Spannung
im Bereich von 370 mV. Im Gegensatz dazu weisen im Handel erhältliche Hall-Elemente
eine Hall-Spannung auf, welche unter denselben Bedingungen im Bereich von 60 bis
80 mV liegt, was die ausgezeichnete Qualität der erfindungsgemäß hergestellten Hall-Elemente
demonstriert. Das hohe Ausgangssignal erlaubt eine Feststellung sehr schwacher Magnetfelder.
Andererseits kanti zum Erhalt desselben Ausgangswertes der Eingangs strom reduziert
werden, so daß der Stromverlust verringert wird. Das Aufbringen der verstärkenden
Schicht erlaubt dessen Verwendung in einer hochfeuchten Umgebung. Die Befestigung
der magnetisierbaren Teile in dichtem Abstand von den entgegengesetzten Oberflächen
der aufgedampften Schicht wird ermöglicht durch das Aufdampfen dieser Schicht auf
der abgespaltenen
Oberfläche des Kristalls und deren Ubertragung
auf eines der magnetisierbaren Teile, welche ohne Beschädigung der aufgedampften
Schicht stattfindet.