DE60312872T2 - Verfahren um ein Element herzustellen welches einen von magnetischem Material umgebenen elektrischen Leiter enthält - Google Patents

Verfahren um ein Element herzustellen welches einen von magnetischem Material umgebenen elektrischen Leiter enthält Download PDF

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Description

  • Gebiet der Erfindung
  • Diese Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Herstellen eines elektrischen Schaltungselements und insbesondere eines Elements, das einen verlängerten elektrischen Leiter umfasst, der von magnetischem Material umgeben ist, das sich zumindest einen Teil des Leiters entlang erstreckt.
  • Hintergrund der Erfindung
  • Ein Umgeben des Leiters eines induktiven Elements mit einem magnetischen Material kann seine Induktivität maßgeblich erhöhen oder seine Größe reduzieren, während eine konstante Induktivität aufrechterhalten wird. Eine Reduzierung in der Induktorgröße ist besonders für mikroskopische Induktoren, die unter Verwendung von halbleiterartigen Herstellungsverfahren, wie z. B. maskengesteuertem Aufbringen und Ätzen von Materialien auf einem Substrat, hergestellt werden, nützlich, da sie zu einer Reduzierung im belegten Chipbereich führt, was es ermöglicht, dass für eine bestimmte Folge von Herstellungsoperationen und eine bestimmte Gesamtsubstrat ("Wafer")-Größe mehr Bauelemente hergestellt werden.
  • Allerdings beschränkt auf Grund ferromagnetischer Resonanz (FMR)-Verluste selbst eine Verwendung von ferromagnetischen Materialien hohen Widerstands die Anwendbarkeit solcher Bauelemente auf deutlich unter 1 GHz. Ein aus galvanisch isolierten ferromagnetischen Nanopartikeln hergestellter Verbund, der einen Metalldraht (insbesondere eine Gerade oder einen Mäander) auf solche Weise beschichtet, dass die einfache Magnetisierungsachse entlang der Drahtachse gesetzt ist, würde helfen, die FMR-Frequenz zu erhöhen und eine volle Ausnutzung dessen ermöglichen, dass man das magnetische Feld lotrecht zu der einfacheren Achse erhält, folglich dass man maximale HF-Magnetresonanz von dem Verbund erhält.
  • Bei der magnetischen Abschirmung handelt es sich um eine weitere Eigenschaft, für die es wünschenswert ist, einen elektrischen Leiter mit magnetischem Material zu umgeben, das sich zumindest einen Teil des Leiters entlang erstreckt. Der magnetische Fluss um den Leiter, der durch Strom erzeugt wird, welcher den Leiter entlang fließt, wird, anstatt auszustrahlen und elektromagnetische Interferenz zu erzeugen, in hohem Grade durch das umgebende magnetische Material eingegrenzt. Das kann in Anwendungen, wo ein Induktor in der Nähe zu anderen Komponenten, die empfindlich auf parasitäre elektromagnetische Felder reagieren, angeordnet ist, besonders nützlich sein.
  • Für die Herstellung von solch eingebetteten Leiterstrukturen werden Prozesslösungen benötigt. Die US-Patentspezifikation 6 254 662 offenbart ein Bilden einer dünnen Schicht aus Magnetlegierungsnanopartikeln zur Datenspeicherung hoher Dichte. Allerdings wird kein Verfahren zum Herstellen eines induktiven Elements offenbart, das einen verlängerten Leiter umfasst, der von magnetischem Material umgeben ist, das sich zumindest einen Teil des Leiters entlang erstreckt.
  • Zusammenfassung der Erfindung
  • Die vorliegende Erfindung stellt ein Verfahren zum Herstellen eines elektrischen Schaltungselements wie in den begleitenden Ansprüchen beschrieben zur Verfügung.
  • Kurze Beschreibung der Zeichnungen
  • 1 ist eine diagrammatische Schnittansicht eines induktiven Schaltungselements, das durch ein Verfahren gemäß einer Ausführungsform der Erfindung hergestellt wird, als Beispiel angegeben;
  • 2 ist eine diagrammatische Fragmentperspektivansicht von magnetischem Material in dem induktiven Schaltungselement von 1;
  • 3 ist ein Graph üblicher ferromagnetischer Resonanzfrequenzen als eine Funktion des Aspektverhältnisses für unterschiedlich geformte Partikel in dem magnetischen Material;
  • 4 stellt Querschnitte durch Teil des induktiven Schaltungselements während aufeinander folgender Schritte in seiner Herstellung durch ein Verfahren gemäß einer Ausführungsform der Erfindung, als Beispiel angegeben, dar;
  • 5 stellt Querschnitte durch Teil des induktiven Schaltungselements während aufeinander folgender Schritte in seiner Herstellung durch ein Verfahren gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung, als Beispiel angegeben, dar;
  • 6 stellt eine Draufsicht und einen Querschnitt durch den Teil des induktiven Schaltungselements nach den Herstellungsschritten von 4 oder 5 dar;
  • 7 ist ein Querschnitt durch den Teil des induktiven Schaltungselements nach einem weiteren Schritt in dem Verfahren zur Herstellung im Anschluss an die Schritte von 4 oder 5; und
  • 8 ist ein Querschnitt durch den Teil des induktiven Schaltungselements nach einem weiteren Schritt in dem Verfahren zur Herstellung im Anschluss an die Schritte von 4 oder 5.
  • Ausführliche Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen Bei dem Herstellungsprozess, der in den Begleitzeichnungen dargestellt wird, handelt es sich um eine Ausführungsform eines Verfahrens zum Herstellen eines elektrischen Schaltungselements, das einen verlängerten elektrischen Leiter 1 umfasst, der von einer Schicht aus magnetischem Material 2 hoher Permeabilität umgeben ist, die sich zumindest einen wesentlichen Teil des Leiters 1 entlang erstreckt. Dieses Herstellungsverfahren für beschichtete Metalldrähte mit magnetischem Verbund ist für Induktoren ge eignet, die im Stande sind, deutlich in den GHz-Frequenzbereich, potentiell so hoch wie 10 GHz, zu arbeiten.
  • In einer Ausführungsform des Prozesses befindet sich das magnetische Material 2 in engem Kontakt mit dem Leiter 1. In einer weiteren Ausführungsform des Prozesses ist der Leiter in dem magnetischen Material 2 eingebettet, ohne vollständig in engem Kontakt mit ihm zu sein. Den elektrischen Leiter 1 eines Induktors auf diese Art mit magnetischem Material hoher Permeabilität in einer dünnen Schicht zu beschichten, erhöht die Induktivität des Schaltungselements wesentlich. Wie in 2 dargestellt wird, wo die magnetische Beschichtung für drei angrenzende parallele Leiterelemente eines Mäanderbauelements in drei Dimensionen dargestellt wird, wobei die Leiter 1 selbst weggelassen sind, um die Richtung des Stromflusses durch einen Punkt für Strom, der in die Ebene der Zeichnung gerichtet ist, und ein X für Strom, der aus der Ebene der Zeichnung kommt, darzustellen, wird der durch den Strom erzeugte magnetische Fluss in jedem Fall kreisförmig um die Länge des Leiters gerichtet und wird deshalb in der magnetischen Schicht 2, die den Leiter umgibt, zurückgehalten, vorausgesetzt, die Schicht 2 ist nicht zu dünn.
  • Diese Konfiguration eines Leiters, eingebettet in magnetischem Material, das ihn umgibt, ist besonders für Induktoren geeignet, wo der Leiter 1 gerade ist oder eine Reihe von geraden parallelen Elementen umfasst, wobei alternierende Enden von angrenzenden Elementen verbunden sind, so dass ein Mäander wie in 1 dargestellt gebildet wird. Kein Nutzen wäre allerdings in den meisten Anwendungen durch eine Spiralkonfiguration des Leiters gewonnen, da die Eingrenzung des magnetischen Felds um jeden Leiter 1 den Effekt der gegenseitigen Induktivität zwischen den Windungen der Spirale, wobei die Selbstkonduktanz der gesamten Spirale erhöht wird, verhindert, dem man gewöhnlich bei Spiralleitern begegnet. Darüber hinaus ist es schwierig, zu gewährleisten, dass die leichte Achse des anisotropen magnetischen Materials immer die Länge eines Spiralleiters 1 entlang gerichtet ist, was notwendig ist, um höchstmögliche Induktivität und Magnetfeldeingrenzung des Bauelements zu gewährleisten. Darüber hinaus stellt eine Spiralkonfiguration aus praktischer Sicht bei einem Herstellen externer Verbindung zu dem inneren Ende der Spirale eine topographische Schwierigkeit dar.
  • Das magnetische Material 2 umfasst nanometergroße Partikel aus ferromagnetischem Material. Geeignete ferromagnetische Materialien umfassen Eisen und eisenbasierte Legierungen mit Cobalt, Nickel und anderen metallischen Elementen.
  • Die ferromagnetische Resonanzfrequenz des magnetischen Materials 2 hängt von dem Aspektverhältnis, von der Dicke zu Seitenabmessungen, von den individuellen Partikeln und dem Volumenbruchmetallmagnetmaterial in der Schicht 2 wie auch dem Drahtaspektverhältnis des Leiters und der Schicht ab. 3 stellt übliche Werte ferromagnetischer Resonanzfrequenzen als eine Funktion von unterschiedlich geformten Partikeln dar, wobei abgeplattete Ellipsoide 3, gestreckte Ellipsoide 4 und Stangen 5 umfasst werden.
  • 4 stellt aufeinander folgende Schritte in einer ersten Ausführungsform eines Verfahrens zum Herstellen des elektrischen Induktorbauelements dar. Eine Schicht aus Polymerphotoresistmaterial wird, zum Beispiel durch "Spinning", auf einem Substrat 6 aufgebracht. Das Photoresist wird bestrahlt, um ein gewünschtes Muster für einen unteren Teil des magnetischen Materials 2 zu definieren. Dann wird das Photoresist geätzt, um unerwünschte Teile der Photoresistschicht zu entfernen und ein Muster 7 entsprechend dem gewünschten unteren Teil des magnetischen Materials 2 zu belassen.
  • In einem zweiten Schritt wird eine Schicht 8 aus Siliciumdioxid (SiO2) auf dem Substrat 6 aufgebracht und planarisiert, um das Siliciumdioxid von oberhalb des Photoresistmusters 7 zu entfernen und eine geeignete planare Oberfläche für die folgenden Schritte zu bilden.
  • In einem dritten Schritt wird unter Verwendung eines Niedertemperaturprozesses, zum Beispiel Galvanisieren, Metall auf dem Siliciumdioxid und über dem Photoresist 7 aufgebracht, um das Photoresist 7 zu wahren. Das aufgebrachte Metall wird maskiert und geätzt, zum Beispiel durch Plasmaätzen, um die gewünschte Form für den Leiter 1 zu definieren. Eine weitere Schicht aus Photoresistpolymer wird dann oberhalb des und über den Leiter 1 und die untere Schicht aus Photoresist 7 aufgebracht und geätzt, um das gewünschte Muster für eine obere Schicht aus dem magnetischen Material 2 zu erzeugen. In einem bevorzugten Beispiel dieser Ausführungsform der Erfindung wird vor dem Aufbringen des Metalls über dem Siliciumdioxid und Photoresist 7 eine Siliciumnitrid- oder Keimschicht aufgebracht, um für den Leiter 1 eine Trägermembran zu bilden, wenn die untere Photoresistschicht 7 anschließend entfernt wird.
  • Es versteht sich, dass es sich bei den Ansichten von 4 um Teile entlang der Länge des Leiters 1 handelt und dass die obere Photoresistschicht und die untere Photoresistschicht 9 und 7 an jeder Seite des Leiters 1 aneinan der angrenzen. Es versteht sich ebenfalls, dass um der Klarheit willen die in den Zeichnungen in 4 dargestellten vertikalen Maße des Bauelements und auch die nachfolgenden Figuren bezüglich der Länge des Leiters 1 übertrieben worden sind.
  • In einem vierten Schritt wird über der unteren Schicht aus Siliciumdioxid 8 und über den Enden des Leiters 1 eine weitere Schicht 11 aus Siliciumdioxid aufgebracht und planarisiert, um sie von dem Photoresist 10 zu entfernen.
  • In einem fünften Schritt werden die Polymerphotoresistopferschichten 10 und 7 durch ein geeignetes Lösungsmittel entfernt, wobei der Leiter 1 hängend belassen wird, wobei er sich, falls gewünscht gestützt von der Membran 9, über die Mitte eines Hohlraums 12 in den Siliciumdioxidschichten 8 und 11 erstreckt.
  • 5 stellt eine weitere Ausführungsform eines Verfahrens zum Herstellen eines elektrischen Induktors dar, das dem Verfahren von 4 mit den folgenden Ausnahmen ähnlich ist.
  • In dem ersten Schritt wird die Schicht 8 aus Siliciumdioxid auf dem Substrat 6 aufgebracht. Die Siliciumdioxidschicht 8 wird dann geätzt, um ein gewünschtes Muster für die untere Schicht aus magnetischem Material 2 zu erzeugen.
  • In einem zweiten Schritt wird ein Polymerphotoresistmaterial aufgebracht, um den Hohlraum, der durch den Ätzprozess des ersten Schritts hinterlassen wurde, zu füllen und die Polymerschicht planarisiert. Das gewählte Polymermaterial ist gegen Maskenlösungsmittel unempfindlich.
  • In einem dritten Schritt wird der Leiter 1 auf der Schicht 8 gebildet, falls gewünscht mit dem Membranträger 9, und eine Schicht aus Siliciumdioxid 10 wird über der un teren Siliciumdioxidschicht 8 und dem Leiter 1 und dem Polymer 7 gebildet.
  • In einem vierten Schritt wird, zum Beispiel unter Verwendung eines Ätzprozesses, der das Metall des Leiters 1 und die Membran 9 bewahrt, ein Teil der Siliciumdioxidschicht 10 über einem Teil des Leiters 1 und über der Opferpolymerschicht 7 entfernt, um einen Hohlraum 13 entsprechend dem gewünschten oberen Teil des magnetischen Materials 2 zu lassen.
  • In einem fünften Schritt wird die Opferpolymerschicht 7 unterhalb des Leiters 1 durch ein geeignetes Lösungsmittel entfernt.
  • Die obere Ansicht von 6 ist eine Draufsicht des Elements, das aus den Prozessen von 4 oder 5 entsteht, die den Leiter 1 darstellt, der sich von einem Ende zu dem anderen über den Hohlraum 12 und in die Siliciumdioxidschichten 8 und 10 erstreckt. Als Beispiel kann die Breite des Leiters 1 aus der Ordnung von 10 Mikron sein, die Dicke der Siliciumdioxidschichten 8 und 10 kann ebenfalls aus der Ordnung von 10 Mikron sein, und die Länge des Leiters 1 innerhalb des Hohlraums 12 ist größer als 50 Mikron. In einem Beispiel dieser Ausführungsform des Prozesses der Erfindung wird eine weitere Schicht aus Harz oder Photoresistmaterial über der Siliciumdioxidschicht 10 mit einer Öffnung 15 entsprechend dem Hohlraum 12 gebildet, wobei die Schicht 14 einen Trichter für eine nachfolgende Einleitung einer Flüssigkeit in den Hohlraum 12 bildet.
  • Dann wird, wie in 7 dargestellt wird, von einer Pipette 17 ein Mikrotropfen 16 an Flüssigkeit in die Trichteröffnung 15 und den Hohlraum 12 geträufelt. Der Mikrotropfen 16 umfasst die in einem flüssigen Dispergiermittel dispergierten Nanopartikel aus magnetischem Material für die magnetische Schicht 2. Die Suspension wird innerhalb der Pipette zurückgehalten oder freigesetzt, um den Mikrotropfen 16 aufzubringen, indem der reduzierte Druck von Inertgas, wie z. B. Argon, oberhalb der Suspension in der Pipette 17 variiert wird.
  • Wie in 8 dargestellt wird, ist es den Nanopartikeln der Suspension möglich, sich um den Leiter 1 in dem Hohlraum 12 zu setzen und das flüssige Dispergiermittel wird dann verdampft. In diesem Beispiel der Ausführungsform der Erfindung wird an den Hohlraum 12 ein magnetisches Feld 18 angelegt, während sich die Nanopartikel setzen und das Dispergiermittel verdampft, so dass die einfache Magnetisierungsachse der magnetischen Schicht 2 die Länge des Leiters 1 entlang gerichtet wird. Das durch den Magnet 18 angelegte magnetische Feld wird auch in bestimmten Ausführungsformen des Prozesses verwendet, um die Anordnung der Nanopartikel mit der magnetischen Schicht 2 zu erhöhen.
  • Anschließend wird eine Schutzschicht 19 aus zum Beispiel Siliciumdioxid oder Siliciumnitrid über der magnetischen Schicht 2 aufgebracht und schließlich wird die Harzschicht 14, die den Trichter bildet, unter Verwendung eines geeigneten Lösungsmittels entfernt.
  • In einer noch weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird, anstatt, dass eine Schicht aus Material 7 unterhalb des Leiters 1 gebildet wird und dieses anschließend entfernt wird, um den Hohlraum 12 zu definieren, um das magnetische Material zur gleichen Zeit unterhalb des Leiters 1 wie oberhalb von ihm aufzunehmen, wie in dem Prozess von 5, vor Aufbringen des Leiters 1 ein Tropfen der Magnetmaterialsuspensionsflüssigkeit in den Hohl raum in der Siliciumdioxidschicht 8 eingebracht und die Nanopartikel wird abgesetzt und das Dispergiermittel wird verdampft, um die untere Hälfte des magnetischen Materials 2 zu bilden. Das magnetische Material wird dann durch eine geeignete Schicht, wie z. B. die Membranschicht 9, geschützt und der Leiter 1 wird über der unteren Schicht aus magnetischem Material aufgebracht. Wie in dem Prozess von 5 und 6 geht der Prozess dann mit der Bildung des oberen Teils 13 des Hohlraums und dem Aufbringen des oberen Teils des magnetischen Materials 2 weiter.

Claims (16)

  1. Verfahren zum Herstellen eines elektrischen Schaltungselements, das einen länglichen elektrischen Leiter (1) umfasst, der von magnetischem Material (2), das sich zumindest einen Teil des Leiters entlang erstreckt, umgeben ist, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eine erste Opferschicht (10) jenseits des und über dem Leiter (1) gebildet wird, wobei zumindest Teil der ersten Opferschicht (10) entfernt wird, um jenseits des und über dem Leiter eine Aussparung (12, 13) zu lassen, wobei ein Fluid (16), das in einem flüssigen Dispergiermittel dispergierte magnetische Nanopartikel umfasst, in die Aussparung (12, 13) eingebracht wird und das Dispergiermittel entfernt wird, wobei die magnetischen Nanopartikel dicht gepackt als zumindest ein Teil des magnetischen Materials (2) in der Aussparung (12, 13) verbleiben.
  2. Verfahren zum Herstellen eines elektrischen Schaltungselements nach Anspruch 1, das umfasst: Bilden einer Trägerschicht (8) mit einem Hohlraum (12) Bilden einer Schicht aus dem magnetischen Material (2) in dem Hohlraum (12); Bilden des elektrischen Leiters (1) über der Schicht aus dem magnetischen Material; und Bilden der ersten Opferschicht (10), die den elektrischen Leiter und die Schicht aus dem magnetischen Material überlappt.
  3. Verfahren zum Herstellen eines elektrischen Schaltungselements, das einen länglichen elektrischen Leiter (1) umfasst, der von magnetischem Material (2), das sich zumindest einen Teil des Leiters entlang erstreckt, umgeben ist, dadurch gekennzeichnet, dass eine erste Opferschicht (10) und eine zweite Opferschicht (7) jenseits des Leiters (1) oberhalb bzw. unterhalb des Leiters gebildet werden, wobei zumindest Teile der Opferschichten (7, 10) entfernt werden, um eine Aussparung (12), die den Leiter umgibt, zu hinterlassen, wobei ein Fluid (16), das in einem flüssigen Dispergiermittel dispergierte magnetische Nanopartikel umfasst, in die Aussparung (12) eingebracht wird und das Dispergiermittel entfernt wird, wobei die magnetischen Nanopartikel dicht gepackt als zumindest ein Teil des magnetischen Materials (2) in der Aussparung (12) verbleiben.
  4. Verfahren zum Herstellen eines elektrischen Schaltungselements nach Anspruch 3, das umfasst: Bilden einer Trägerschicht (8) mit einem Hohlraum (12); Bilden der zweiten Opferschicht (7) in dem Hohlraum; Bilden des elektrischen Leiters (1) über der zweiten Opferschicht (7); und Bilden der ersten Opferschicht (10), die den elektrischen Leiter und die zweite Opferschicht überlappt.
  5. Verfahren zum Herstellen eines elektrischen Schaltungselements nach Anspruch 3 oder 4, wobei die Trägerschicht (8) elektrisch isolierendes Material umfasst und wobei der Leiter (1) über der zweiten Opferschicht (7) und zumindest einem Teil der Schicht aus isolierendem Material (8) aufgebracht wird.
  6. Verfahren zum Herstellen eines elektrischen Schaltungselements nach Anspruch 5, wobei die erste Opferschicht (10) von einer weiteren Schicht aus isolierendem Material (11) umgeben ist, die über der ersten Schicht (8) aus isolierendem Material gebildet wird.
  7. Verfahren zum Herstellen eines elektrischen Schaltungselements nach einem vorangehenden Anspruch, wobei die Opferschicht oder -schichten (7, 10) ein organisches Material umfassen.
  8. Verfahren zum Herstellen eines elektrischen Schaltungselements nach einem vorangehenden Anspruch, wobei die Opferschicht oder -schichten (7, 10) ein Photoresistmaterial umfassen und wobei ein Herstellen der Opferschicht oder -schichten ein Bilden von einer Schicht oder von Schichten aus dem Photoresistmaterial umfasst, wobei das Photoresistmaterial in einem Muster, das die Geometrie der Opferschichten definiert, belichtet wird und Photoresistmaterial selektiv entfernt wird, und wobei das Entfernen der Teile der Opferschichten umfasst, dass sie in einem Lösungsmittel gelöst werden.
  9. Verfahren zum Herstellen eines elektrischen Schaltungselements nach einem vorangehenden Anspruch, wobei oberhalb des Leiters eine weitere Schicht (14) aus Opfermaterial mit zumindest einer Öffnung (15) entsprechend der Aussparung (12) gebildet wird, um das Fluid (16) vor Entfernung des Dispergiermittels zu umfassen.
  10. Verfahren zum Herstellen eines elektrischen Schaltungselements nach einem vorangehenden Anspruch, das umfasst, dass über dem magnetischen Material (2) eine Schutzschicht (19) gebildet wird.
  11. Verfahren zum Herstellen eines elektrischen Schaltungselements nach einem vorangehenden Anspruch, wobei die magnetischen Nanopartikel ferromagnetisch sind.
  12. Verfahren zum Herstellen eines elektrischen Schaltungselements nach einem vorangehenden Anspruch, wobei das magnetische Material (2) eine leichte Magnetisierungsachse darstellt, die sich den Leiter (1) entlang erstreckt.
  13. verfahren zum Herstellen eines elektrischen Schaltungselements nach einem vorangehenden Anspruch, wobei das Entfernen des Dispergiermittels umfasst, dass es verdampft wird.
  14. Verfahren zum Herstellen eines elektrischen Schaltungselements nach einem vorangehenden Anspruch, das umfasst, dass ein magnetisches Feld an das magnetische Material angelegt wird, während das Dispergiermittel entfernt wurde.
  15. Elektrisches Schaltungselement, das durch ein Verfahren nach einem vorangehenden Anspruch hergestellt wurde.
  16. Mäanderartiges induktives Element, das eine Mehrzahl von angrenzenden im Wesentlichen parallelen elektrischen Schaltungselementen nach Anspruch 15 und zumindest eine elektrische Verbindung zwischen benachbarten Enden der elektrischen Leiter (1) der entsprechenden der angrenzenden elektrischen Schaltungselemente umfasst.
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