KR20110060681A - Planar hall resistance sensor and multi axis sensor using a planar hall resistance sensor - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 평면 홀 저항 센서 및 이를 이용한 다축 센서에 관한 것으로, 보다 상세하게는 미세자계 감지가 가능한 평면 홀 저항 센서 및 이를 이용하여 2축 또는 3축 등의 자기센서(또는 지자기센서)로 응용된 다축 센서에 관한 것이다.The present invention relates to a flat Hall resistance sensor and a multi-axis sensor using the same, and more particularly, to a flat Hall resistance sensor capable of detecting a micro magnetic field and a magnetic sensor (or a geomagnetic sensor) such as two or three axes using the same. It relates to a multi-axis sensor.
일반적인 평면 홀 저항 센서는 전압 측정 방향과 흐르는 전류의 방향이 서로 수직이다. 종래의 평면 홀 저항 센서는 흐르는 계측용 전류가 외부 자기장에 의해 영향받은 홀 효과에 의해 발생한 전압을 이용하여 자기 저항을 측정한다. In general planar Hall resistance sensors, the direction of the voltage measurement and the direction of the current flowing are perpendicular to each other. The conventional planar Hall resistance sensor measures the magnetoresistance using the voltage generated by the Hall effect in which the flowing measurement current is affected by an external magnetic field.
종래 평면 홀 저항 센서는 도 1과 같은 성막 패턴을 가지고, 도 2와 같은 십자 형상으로 구성된다. 참조부호 1은 전류방향 패턴을 의미하고, 참조부호 2,3은 전압측정용 패턴을 의미한다.The conventional planar Hall resistance sensor has a film formation pattern as shown in FIG. 1 and is configured in a cross shape as shown in FIG.
이와 같이 구성된 도 1의 종래의 평면 홀 저항 센서는 강자성체인 NiFe, CoFe 등의 단일 박막 또는 이층 박막 구조로 제조된다. 도 1의 종래의 평면 홀 저항 센서는 인가 전류방향에 대해 90도 틀어진 수직 방향으로 출력 전압을 측정하였을 때 0자계를 기점으로 선형적인 출력 특성을 나타낸다. The conventional planar Hall resistance sensor of FIG. 1 configured as described above is manufactured in a single thin film or a two-layer thin film structure such as ferromagnetic NiFe or CoFe. The conventional planar Hall resistance sensor of FIG. 1 exhibits linear output characteristics starting from zero magnetic field when the output voltage is measured in a vertical direction shifted by 90 degrees with respect to the applied current direction.
도 1 및 도 2의 종래의 십자형 평면 홀 저항 센서는 센서의 사이즈가 비교적 크며, 구동 전류도 대략 5㎃정도로 커서 소비전력면에서도 단점을 취하고 있다. 그리고, 최소값 및 최대값의 출력특성의 경우 대략 ±150 ~ ±200㎶ 정도의 낮은 출력특성을 보여준다. 또한, 0자계를 기점으로 선형구간 영역 또한 수 가우스(gauss)이내로 국부적으로 아주 좁은 특성을 가진다.1 and 2, the cross-shaped flat Hall resistance sensor of the related art has a relatively large size and a driving current of about 5 mA, which is disadvantageous in terms of power consumption. In addition, the output characteristics of the minimum value and the maximum value show a low output characteristic of about ± 150 ~ ± 200㎶. In addition, the linear section region from the zero magnetic field is also very narrow locally within the gauss.
본 발명은 상기한 종래의 문제점을 해결하기 위해 제안된 것으로, 기존 평면 홀 저항 센서 대비 사이즈를 획기적으로 줄이고 구동전류를 작게 하여 센서의 소비전략을 줄이고 출력특성을 향상시킨 평면 홀 저항 센서 및 이를 이용한 다축 센서를 제공함에 그 목적이 있다.The present invention has been proposed in order to solve the above-mentioned problems, and the planar Hall resistance sensor which significantly reduces the size compared to the existing planar Hall resistance sensor and reduces the driving current, reduces the consumption strategy of the sensor and improves the output characteristics. The purpose is to provide a multi-axis sensor.
상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 바람직한 실시양태에 따른 평면 홀 저항 센서는, 이층(Bi-layer)형 구조의 센서 박막의 고정층 내부에 비자성층이 적층된다.In order to achieve the above object, in the planar Hall resistance sensor according to the preferred embodiment of the present invention, a nonmagnetic layer is stacked inside a fixed layer of a sensor thin film having a bi-layer structure.
비자성층은 고정층 내부의 반강자성층 및 강자성층 사이에 적층된다.The nonmagnetic layer is laminated between the antiferromagnetic layer and the ferromagnetic layer inside the pinned layer.
비자성층은 Cu, Ta, Ru, Pd 중의 어느 한 비자성물질로 구성된다.The nonmagnetic layer is composed of any one of Cu, Ta, Ru, and Pd.
비자성층은 0.1 ~ 0.8㎚의 두께를 갖는다.The nonmagnetic layer has a thickness of 0.1-0.8 nm.
본 발명의 다른 실시양태에 따른 평면 홀 저항 센서는, 이층(Bi-layer)형 구 조의 센서 박막의 고정층 내부에 비자성층이 적층된 복수의 평면 홀 저항 센서가 어레이된다다.In the planar Hall resistance sensor according to another embodiment of the present invention, a plurality of planar Hall resistance sensors in which a nonmagnetic layer is stacked inside a fixed layer of a sensor thin film having a bi-layer structure are arranged.
여기서, 비자성층은 고정층 내부의 반강자성층 및 강자성층 사이에 적층된다. 비자성층은 Cu, Ta, Ru, Pd 중의 어느 한 비자성물질로 구성된다. 비자성층은 0.1 ~ 0.8㎚의 두께를 갖는다.Here, the nonmagnetic layer is laminated between the antiferromagnetic layer and the ferromagnetic layer inside the pinned layer. The nonmagnetic layer is composed of any one of Cu, Ta, Ru, and Pd. The nonmagnetic layer has a thickness of 0.1-0.8 nm.
한편, 본 발명의 바람직한 실시양태에 따른 다축 센서는, 이층(Bi-layer)형 구조의 센서 박막의 고정층 내부에 비자성층이 적층되고 X,Y축중의 어느 한 축 방향에서의 지자기 감지를 행하는 제 1 평면 홀 저항 센서; 및 제 1 평면 홀 저항 센서에 수직한 방향으로 형성되되, 이층(Bi-layer)형 구조의 센서 박막의 고정층 내부에 비자성층이 적층되고 X,Y축중 남은 한 축 방향에서의 지자기 감지를 행하는 제 2 평면 홀 저항 센서를 포함한다.On the other hand, the multi-axis sensor according to a preferred embodiment of the present invention, the non-magnetic layer is laminated in the fixed layer of the sensor thin film of the bi-layer structure and the first to perform the geomagnetic sensing in any of the axial direction of the X,
비자성층은 고정층 내부의 반강자성층 및 강자성층 사이에 적층된다.The nonmagnetic layer is laminated between the antiferromagnetic layer and the ferromagnetic layer inside the pinned layer.
비자성층은 Cu, Ta, Ru, Pd 중의 어느 한 비자성물질로 구성된다.The nonmagnetic layer is composed of any one of Cu, Ta, Ru, and Pd.
비자성층은 0.1 ~ 0.8㎚의 두께를 갖는다.The nonmagnetic layer has a thickness of 0.1-0.8 nm.
바람직하게, 홀 센서가 Z축 방향의 지자기 감지를 위해 추가로 설치되어도 된다.Preferably, the Hall sensor may be further provided for the geomagnetic detection in the Z-axis direction.
이러한 구성의 본 발명에 따르면, 이층(Bi-layer)형 구조에서 고정층 사이에 비자성체층을 적층시킴으로써 반강자성체층과 강자성체층의 결합력을 줄여주어 센 서의 출력특성을 향상시키게 된다.According to the present invention having such a configuration, by stacking a nonmagnetic layer between fixed layers in a bi-layer structure, the coupling force between the antiferromagnetic layer and the ferromagnetic layer is reduced to improve the output characteristics of the sensor.
어레이 타입의 평면 홀 저항 센서의 구현이 용이하므로 어레이 타입의 평면 홀 저항 센서를 구현하게 되면 센서의 출력 특성을 더욱 향상시키게 된다.Since the array type planar Hall resistance sensor is easy to implement, implementing the array type planar Hall resistance sensor further improves the output characteristics of the sensor.
이층(Bi-layer)형 구조에서 고정층 사이에 비자성체층을 적층시킨 센서 박막을 가진 X,Y 2축용 평면 홀 저항 센서 및 Z축용 홀 센서가 결합된 3축 센서로의 응용이 가능하다.In bi-layer structure, it can be applied to X-Y biaxial flat Hall resistance sensor and Z-axis Hall sensor with sensor thin film in which nonmagnetic layer is laminated between fixed layers.
본 발명에 의하면, 대략 250㎛ 정도의 길이(length)와 대략 50㎛ 정도의 폭을 갖는 사이즈의 센서를 만들 수 있어서 기존 평면 홀 저항 센서 대비 사이즈를 획기적으로 줄이게 된다. According to the present invention, a sensor having a length of about 250 μm and a width of about 50 μm can be manufactured, thereby significantly reducing the size of the conventional flat hall resistance sensor.
또한, 구동전류를 대략 1㎃ 정도로 작게 하여도 충분히 동작가능하므로 센서의 소비전력을 줄이게 된다.In addition, it is possible to operate sufficiently even if the driving current is reduced to about 1 mA, thereby reducing the power consumption of the sensor.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 따른 평면 홀 저항 센서 및 이를 이용한 다축 센서에 대하여 설명하면 다음과 같다. 본 발명의 상세한 설명에 앞서, 이하에서 설명되는 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니된다. 따라서, 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일실시예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.Hereinafter, a planar Hall resistance sensor and a multi-axis sensor using the same according to an exemplary embodiment of the present invention will be described with reference to the accompanying drawings. Prior to the detailed description of the present invention, the terms or words used in the specification and claims described below should not be construed as being limited to the ordinary or dictionary meanings. Therefore, the embodiments described in the specification and the drawings shown in the drawings are only one of the most preferred embodiments of the present invention and do not represent all of the technical idea of the present invention, various modifications that can be replaced at the time of the present application It should be understood that there may be equivalents and variations.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 평면 홀 저항 센서의 센서 박막 구조를 나타낸 도면이다.3 is a diagram illustrating a sensor thin film structure of a planar Hall resistance sensor according to an exemplary embodiment of the present invention.
본 발명의 실시예에 따른 평면 홀 저항 센서의 센서 박막(30)은 이층(Bi-layer)형 구조를 갖는다. 센서 박막(30)은 기판(10)상에 적층된 시드(seed)층(11), 시드층(11)상에 적층된 고정층(12, 13, 14, 15), 및 고정층(12, 13, 14, 15)상에 적층된 캡(cap)층(16)을 포함한다.The sensor
시드층(11)은 예를 들어 Ta 또는 Ti로 구성되고, 대략 3 ~ 10㎚ 정도의 두께로 형성된다. 시드층(11)은 강자성체의 자기 배열을 유도하고 재료의 산화를 방지하며 기판과 자성 박막의 접착력을 향상시키는 등의 역할을 한다.The
고정층(12, 13, 14, 15)은 강자성층(12, 13), 비자성층(14), 및 반강자성층(15)을 포함한다. 강자성층(12)은 시드층(11)상에 적층되고 예를 들어 NiFe로 구성되며 대략 3 ~ 50㎚ 정도의 두께로 형성된다. 강자성층(13)은 강자성층(12)상에 적층되고 예를 들어 CoFe로 구성되며 대략 3 ~ 50㎚ 정도의 두께로 형성된다. 이층(Bi-layer)형 구조에서는 각각의 강자성층(12)(13)은 두께가 50㎚를 초과하게 되면 PHR특성이 현저하게 떨어진다. 비자성층(14)은 강자성층(13)상에 적층되고 예를 들어 Cu, Ta, Ru, Pd 중의 어느 한 비자성물질로 구성되며 대략 0.1 ~ 0.8㎚ 정도의 두께로 형성된다. 실험결과 비자성층(14)의 두께가 0.12㎚일 때 가장 좋은 출력특성을 나타냄을 알 수 있었다. 비자성층(14)의 두께가 0.8㎚를 초과하게 되면 반강자성층(15)과의 교환-결합 이방성이 없어지게 된다. 비자성층(14)을 스페이 서(spacer)층이라고 칭하여도 된다. 반강자성층(15)은 비자성층(14)상에 적층되고 예를 들어 IrMn, NiO, FeMn, PtMn중의 어느 하나로 구성되며 대략 10 ~ 30㎚ 정도의 두께로 형성된다. 반강자성층(15)은 스퍼터링을 통한 박막 증착시 외부 자기장을 가해 주거나 자계중 어닐링 장치를 통하여 제작된 센서를 어닐링할 경우 강자성층(13)과의 교환결합력에 의해 외부 자기장의 방향에 대해 강자성층(13)의 자기 도메인을 하나의 방향으로 고정시켜 역할을 한다.The
캡층(16)은 시드층(11)과 마찬가지로 Ta 또는 Ti 등으로 구성되고, 대략 3 ~ 10㎚ 정도의 두께로 형성된다. 캡층(16)은 시드층(11)과 마찬가지로 강자성체의 자기 배열을 유도하고 재료의 산화를 방지하며 자성 박막의 접착력을 향상시키는 등의 역할을 한다.Like the
이와 같은 센서 박막(30)은 고정층의 강자성층과 반강자성층 사이에 아주 얇은 비자성물질을 삽입함으로써 고정층의 교환결합 이방성 세기를 비자성층(15)의 두께에 따라 조절해 줄 수 있다. 이에 의해 외부 자계에 대한 센서의 출력특성이 향상된다. 다시 말해서, 강자성층(12, 13)과 반강자성층(15) 사이에 비자성층(14)이 삽입됨으로써 고정층의 교환결합 이방성 세기가 작아져서 외부 자계에 더욱 민감하게 센서가 반응한다.The sensor
도 4a 내지 도 4c는 종래 이층(Bi-layer)형 평면 홀 저항 센서와 본 발명의 실시예에 따른 평면 홀 저항 센서의 출력특성을 나타낸 그래프이다. 도 4a는 비자 성층(14)이 없는 통상의 이층(Bi-layer)형 평면 홀 저항 센서의 출력특성을 보여준다. 도 4b는 비자성층(14)의 두께를 0.1㎚로 하여 제작한 본 발명의 실시예의 평면 홀 저항 센서의 출력특성을 보여준다. 도 4c는 비자성층(14)의 두께를 0.2㎚로 하여 제작한 본 발명의 실시예의 평면 홀 저항 센서의 출력특성을 보여준다.4A to 4C are graphs illustrating output characteristics of a conventional bi-layer type planar Hall resistance sensor and a planar Hall resistance sensor according to an exemplary embodiment of the present invention. 4A shows the output characteristics of a conventional Bi-layer planar Hall resistance sensor without the
비자성층(14)이 없는 경우에는 도 4a에서와 같이 ±50 가우스(gauss) 정도로 선형 영역이 커져 있는데, 비자성층(14)이 있는 도 4b 및 도 4c의 경우 선형 영역 구간이 ±50 가우스(gauss) 이내로 줄어 들게 된다. 센서의 최대 및 최소 출력특성은 다소 차이가 나지만, 선형 영역 구간이 좁아지게 되므로 가우스당 출력특성은 비자성층(14)이 없는 센서에 비해 더욱 더 커지게 된다. 본 발명의 실시예의 이층(Bi-layer)형 평면 홀 저항 센서의 선형 영역은 센서의 재료 및 구조에 따라 ±수백 가우스에서부터 ±수 가우스까지 조절이 가능하다.In the absence of the
다시 말해서, 고정층내의 반강자성층 및 강자성층의 두께와 물질에 따라 출력특성이 다소 차이가 나지만, 비자성층(14)의 두께가 증가할수록 0자계를 기점으로 선형 영역 구간은 좁아지는 대신에 센서의 1가우스당 출력특성은 커지게 된다.In other words, the output characteristics vary slightly depending on the thickness and the material of the antiferromagnetic layer and the ferromagnetic layer in the fixed layer. However, as the thickness of the
이와 같이 비자성층(14)의 두께를 조절하게 되면 원하는 자기장 영역 및 출력특성을 가지는 센서를 쉽게 제작할 수 있게 된다. By controlling the thickness of the
도 5는 종래 이층(Bi-layer)형 평면 홀 저항 센서와 본 발명의 실시예에 따른 평면 홀 저항 센서의 출력특성을 함께 나타낸 그래프이다. 도 5에서, 곡선 p1은 본 발명의 실시예에 따른 평면 홀 저항 센서의 출력특성(PHE 전압 프로파일)을 나 타내고, 곡선 p2는 종래 이층(Bi-layer)형 평면 홀 저항 센서의 출력특성(PHE 전압 프로파일)을 나타낸다.5 is a graph showing output characteristics of a conventional bi-layer type flat hall resistance sensor and a flat hall resistance sensor according to an exemplary embodiment of the present invention. In FIG. 5, curve p1 represents the output characteristic (PHE voltage profile) of the planar Hall resistance sensor according to the exemplary embodiment of the present invention, and curve p2 represents the output characteristic of the conventional bi-layer planar Hall resistance sensor. PHE voltage profile).
비자성층(14)을 제외하고는 동일한 센서 박막 구조를 갖는 종래 이층(Bi-layer)형 평면 홀 저항 센서와 본 발명의 실시예에 따른 평면 홀 저항 센서의 출력특성을 비교하여 보면, 종래 이층(Bi-layer)형 평면 홀 저항 센서의 출력특성은 대략 1.6㎶/Oe이고, 본 발명의 실시예에 따른 평면 홀 저항 센서의 출력특성은 대략 12㎶/Oe이다. 이에 의해, 본 발명의 실시예에 따른 평면 홀 저항 센서의 외부 자기장에 대한 센서 감도가 종래의 이층(Bi-layer)형 평면 홀 저항 센서에 비해 우수함을 알 수 있다. Except for the
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 평면 홀 저항 센서의 비자성층의 두께를 조절하여 실험해 본 결과를 나타낸 그래프이다. 도 6은 센서 박막의 각 층의 두께를 Ta(3)/NiFe(10)/Cu(x)/IrMn(10)/Ta(3)로 하되, Cu의 두께를 0.12, 0.18, 0.30, 0.54로 가변시켜 실험하여 보았다. 여기서, ()안의 숫자는 두께를 의미하고 단위는 ㎚이다. Figure 6 is a graph showing the results of the experiment by adjusting the thickness of the nonmagnetic layer of the planar Hall resistance sensor according to an embodiment of the present invention. FIG. 6 shows that the thickness of each layer of the sensor thin film is Ta (3) / NiFe (10) / Cu (x) / IrMn (10) / Ta (3), with Cu thicknesses of 0.12, 0.18, 0.30, and 0.54. The experiment was made to vary. Here, the number in () means the thickness and the unit is nm.
실험 결과, 비자성층의 두께 즉, Cu의 두께를 0.12㎚로 하였을 때가 가장 좋은 특성을 보였다. 도 6에서, 곡선 g1은 Cu의 두께를 0.12㎚로 하였을 경우의 출력특성(PHE 전압 프로파일)을 나타내고, 곡선 g2는 Cu의 두께를 0.18㎚로 하였을 경우의 출력특성(PHE 전압 프로파일)을 나타내고, 곡선 g3은 Cu의 두께를 0.30㎚로 하였을 경우의 출력특성(PHE 전압 프로파일)을 나타내고, 곡선 g4는 Cu의 두께를 0.54㎚로 하였을 경우의 출력특성(PHE 전압 프로파일)을 나타낸다.As a result, the best properties were obtained when the thickness of the nonmagnetic layer, that is, the thickness of Cu was 0.12 nm. In Fig. 6, the curve g1 shows the output characteristics (PHE voltage profile) when the thickness of Cu is 0.12 nm, and the curve g2 shows the output characteristics (PHE voltage profile) when the thickness of Cu is 0.18 nm. Curve g3 shows the output characteristics (PHE voltage profile) when the thickness of Cu is 0.30 nm, and curve g4 shows the output characteristics (PHE voltage profile) when the thickness of Cu is 0.54 nm.
도 7은 본 발명의 실시예에 따른 평면 홀 저항 센서를 어레이 타입으로 구성시킨 구조도이고, 도 8은 도 7의 어레이 타입의 평면 홀 저항 센서의 출력특성을 설명하기 위한 그래프이다.FIG. 7 is a structural diagram illustrating an array type planar Hall resistance sensor according to an exemplary embodiment of the present invention, and FIG. 8 is a graph illustrating output characteristics of the array type planar Hall resistance sensor of FIG. 7.
복수의 평면 홀 저항 센서(100, 110, 120)가 직렬로 어레이된다. 각각의 평면 홀 저항 센서(100, 110, 120)는 상술한 도 3 및 도 4에서 설명한 센서 박막(30) 구조를 가진다. A plurality of planar
이와 같이 어레이 타입의 평면 홀 저항 센서를 취하게 되면 각각의 센서의 특성을 합산하게 되어 최종적인 센서의 출력 특성을 향상시키게 된다. 이는 도 8의 그래프상의 곡선을 보면 쉽게 알 수 있다. 도 8에서 곡선(L1)은 1개의 평면 홀 저항 센서의 출력 특성을 나타낸 것이고, 곡선(L2)은 도 7에서와 같이 3개의 평면 홀 저항 센서(100, 110, 120)를 어레이한 구조의 출력 특성을 나타낸 것이다. 도 7에서와 같이 복수의 평면 홀 저항 센서(100, 110, 120)가 어레이된 구조를 모듈화된 하나의 평면 홀 저항 센서라고 할 수 있다.Taking an array type planar hall resistance sensor in this way adds the characteristics of each sensor to improve the output characteristics of the final sensor. This can be easily seen by looking at the curve on the graph of FIG. In FIG. 8, the curve L1 represents output characteristics of one planar Hall resistance sensor, and the curve L2 is output of a structure in which three planar
도 9는 본 발명의 실시예에 따른 평면 홀 저항 센서가 적용된 2축 센서의 구조도이다. 도 9에서는 X,Y 2축의 지자기를 센싱할 수 있는 2축 센서(평면 홀 저항 센서)를 보여준다. 홀 센서는 X축 및 Y축 방향의 지자기를 감지하게 위해 수직 방향으로 세워져야 되지만, 평면 홀 저항 센서는 센서면에 평행한 방향의 자기장을 감지하므로 수직방향으로 세울 필요가 없다. 그에 따라, 도 9에서와 같이 X축과 Y축 방향의 지자기를 감지하기 위해 평면 홀 저항 센서(200, 210)가 홀 센서를 대신하여 설치된다. 9 is a structural diagram of a biaxial sensor to which a planar Hall resistance sensor according to an exemplary embodiment of the present invention is applied. Figure 9 shows a two-axis sensor (plane Hall resistance sensor) capable of sensing the geomagnetic of the X, Y bi-axis. Hall sensors must be erected in the vertical direction to detect geomagnetism in the X and Y axes, but plane Hall resistance sensors do not need to be erected in the vertical direction because they detect a magnetic field parallel to the sensor plane. Accordingly, in order to detect geomagnetism in the X-axis and Y-axis directions as shown in FIG. 9, planar
도 9와 같은 구조를 제조하기 위해서는, 어느 한 센서(예컨대, 200)의 자성 박막 형성시 Si-웨이퍼 기판 아래에 영구자석을 형성시켜 스퍼터링시 자성 박막이 영구자석의 자계에 의해 정렬되도록 하여 센서(200)를 제작한다. 이후, 다른 센서(210)의 제작시 Si-웨이퍼를 90도로 회전시켜 영구자석의 자계가 90도로 변경되어 자계가 형성되게 하여 자성 박막을 증착하여 센서(210)를 제작한다. In order to manufacture the structure as shown in FIG. 9, when forming a magnetic thin film of one sensor (eg, 200), a permanent magnet is formed under the Si-wafer substrate so that the magnetic thin film is aligned by the magnetic field of the permanent magnet during sputtering. 200). Subsequently, during fabrication of the
다르게는, 어느 한 센서(예컨대, 200)의 자성 박막 형성후에 자계중에서 어닐링을 통하여 센서(200)의 자성 박막을 정렬시킨다. 그 후, 다른 센서(210)의 제작시 영구자석을 통해 센서(200)와는 90도 반대 방향으로 자계가 형성되게 하여 자성 박막을 형성한다.Alternatively, the magnetic thin film of the
이와 같이 X, Y축 센서를 반도체 제조공정을 통해 동일 기판상에 정확하게 수직 배열함으로써 외부 자기장에 대한 정확한 감지 및 사이즈 축소에 기여하게 된다.As such, by arranging the X and Y-axis sensors accurately on the same substrate through a semiconductor manufacturing process, they contribute to accurate sensing and size reduction of an external magnetic field.
도 10은 본 발명의 실시예에 따른 평면 홀 저항 센서가 적용된 3축 센서의 구조도이다. 도 10은 X,Y축 평면 홀 저항 센서 및 Z축 홀 센서를 이용한 3축 지자기센서를 구현한 것이다. 도 10에서는 기존의 InSb 타입의 홀 센서(220)를 2축 평 면 홀 저항 센서(200, 210)와 결합시켰다.10 is a structural diagram of a three-axis sensor to which a planar Hall resistance sensor according to an embodiment of the present invention is applied. FIG. 10 illustrates a three-axis geomagnetic sensor using an X, Y axis plane hall resistance sensor and a Z axis hall sensor. In FIG. 10, the conventional InSb
3축 지자기 센서 통합형으로 Si-웨이퍼 기판을 이용한 홀 센서의 경우, X,Y 2축 평면 홀 저항 센서가 형성되고 남는 공간을 통해 InSb박막을 이용한 홀 센서의 제작이 용이하게 된다.In the case of a Hall sensor using a Si-wafer substrate with an integrated three-axis geomagnetic sensor, a Hall sensor using an InSb thin film can be easily manufactured through the remaining space where the X and Y biaxial planar Hall resistance sensors are formed.
도 11는 본 발명의 실시예에 따른 평면 홀 저항 센서를 제조하는 방법을 예시한 도면으로서, 1축의 평면 홀 저항 센서를 제조하는 방법을 예시하였다.FIG. 11 is a diagram illustrating a method of manufacturing a planar Hall resistance sensor according to an exemplary embodiment of the present invention.
먼저, 기판(20; Si-웨이퍼)을 준비하고(도 11의 (a) 참조), 기판(20)의 상면에 포토 레지스트(PR)(21)를 도포한다(도 11의 (b) 참조). 이어, 식각에 의해 센서 패터닝을 수행한다(도 11의 (c) 참조). 그 후, 자계중에서 자성 박막(22)을 증착(도 11의 (d) 참조)하고 나서 기판(20)상의 포토 레지스트(21)를 제거하면 기판(20)상에 센서 엘리먼트(30; 센서 박막)가 형성된다(도 11의 (e) 참조). 여기서, 자계중에서 자성 박막(22)을 증착(도 11의 (d) 참조)시키는 공정은 스퍼터링시 기판 홀더 밑면에 영구자석을 이용하여 자기장을 인가한다. 만약, 자계중에서 자성 박막(22)을 증착시키는 공정을 사용하지 않는 경우에는 자성박막 증착 및 포토 레지스트 제거후 자장 어닐링 장치를 통하여 제작된 자성박막의 자계중에서의 어닐링 공정을 행한다. 기판(20)상의 포토 레지스트(21)를 제거하는 공정에서는 리프트 오프(lift off)방식을 사용한다. 종래의 에칭 방법의 경우 다층 박막 에칭을 위한 박막 에칭 기기를 찾는 것이 쉽지 않고, 박막 에칭 기기의 농도, 반응시간 등에 의한 오버 에칭 등으로 센서의 동일성에 위해를 가하게 된다. 또한 박막 에칭 공정에서 의 시간도 길어지고 박막 에칭 기기의 장비 운용에서도 센서 단가의 증가 요인이 된다. 종래의 이온 밀링(ion milling)(진공장비)방법의 경우에는 아주 균일한 패터닝 형성은 가능하지만 해당 공정에서의 소요 시간이 길어질 뿐만 아니라 고가의 장비 및 장비 운용으로 센서 단가를 상승시키게 된다.First, a substrate 20 (Si-wafer) is prepared (see FIG. 11 (a)), and a photoresist (PR) 21 is applied to the upper surface of the substrate 20 (see FIG. 11 (b)). . Subsequently, sensor patterning is performed by etching (see FIG. 11C). Subsequently, the magnetic
도 11의 (e)에서와 같이 기판(20)상에 센서 엘리먼트(30)가 형성된 이후에는 재차 포토 레지스트(31)를 그 위에 도포(도 11의 (f) 참조)하고 나서 전극 패터닝을 실시한다(도 11의 (g) 참조). 이어, 그 위에 전극 박막(32)을 증착(도 11의 (h) 참조)한 후에 리프트 오프 방식에 의해 포토 레지스트(31)를 제거하여 전극 패턴을 형성하게 된다(도 11의 (i) 참조). After the
그리고 나서, 그 위에 포토 레지스트(33)를 재차 도포(도 11의 (j) 참조)하고 나서 절연체 패터닝을 실시한다(도 11의 (k) 참조). 이어, 그 위에 절연 박막(34)을 증착(도 11의 (l) 참조)한 후에 리프트 오프 방식에 의해 포토 레지스트(33)를 제거하여 절연막 패턴을 형성하게 된다(도 11의 (m) 참조). Then, the
이와 같이 하게 되면, 본 발명의 실시예의 센서 박막(30)을 가진 1축의 평면 홀 저항 센서에 대한 제조를 완성하게 된다.This completes the manufacture of the uniaxial flat Hall resistance sensor with the sensor
도 12는 도 9의 2축 센서를 제조하는 방법을 예시한 도면으로서, X,Y 2축의 평면 홀 저항 센서를 제조하는 방법을 예시하였다.FIG. 12 is a diagram illustrating a method of manufacturing the biaxial sensor of FIG. 9, and illustrates a method of manufacturing the planar Hall resistance sensor of the X and Y biaxial axes.
먼저, 기판(40; Si-웨이퍼)을 준비하고(도 12의 (a) 참조), 기판(40)의 상면 에 포토 레지스트(PR)(41)를 도포한다(도 12의 (b) 참조). 이어, 식각에 의해 어느 한 센서(X,Y축중 어느 한 축의 센서)를 위한 센서 패터닝을 수행한다(도 12의 (c) 참조). 그 후, 자성 박막(42)을 증착(도 12의 (d) 참조)하고 나서 리프트 오프 방식으로 기판(40)상의 포토 레지스트(41)를 제거하면 기판(40)상에 어느 한 센서의 센서 엘리먼트(30; 센서 박막)가 형성된다(도 12의 (e) 참조). 한편, 도 12의 (d)의 공정이 자장 인가를 통한 자성 박막 증착이 아닐 경우(즉, 자장 인가없이 자성 박막 증착을 한 경우)에는 도 12의 (e)의 공정을 거친 후에 자계중에서의 어닐링 공정(도 12의 (f) 참조)을 실시한다. 그 후, 그 위에 포토 레지스트(43)를 도포(도 12의 (g) 참조)하고 나서 다른 한 센서를 위한 센서 패터닝을 수행한다(도 12의 (h) 참조). First, a substrate 40 (Si-wafer) is prepared (see FIG. 12A), and a photoresist (PR) 41 is applied to the top surface of the substrate 40 (see FIG. 12B). . Subsequently, sensor patterning is performed for any one sensor (the sensor of one of the X and Y axes) by etching (see FIG. 12C). Thereafter, the magnetic
이어, 자계중에서의 자성 박막(44)을 증착(도 12의 (i) 참조)하고 나서 리프트 오프 방식에 의해 기판(40)상의 포토 레지스트(43)를 제거하면 기판(40)상에 다른 한 센서의 센서 엘리먼트(30; 센서 박막)가 형성된다(도 12의 (j) 참조).Subsequently, after depositing the magnetic
도 12의 (j)에서와 같이 기판(40)상에 X,Y축 센서용 센서 엘리먼트(30)가 서로 이격되게 형성시킨 이후에는 재차 포토 레지스트(45)를 그 위에 도포(도 12의 (k) 참조)하고 나서 전극 패터닝을 실시한다(도 12의 (l) 참조). 이어, 그 위에 전극 박막(46)을 증착(도 12의 (m) 참조)한 후에 리프트 오프 방식에 의해 포토 레지스트(45)를 제거하여 전극 패턴을 형성하게 된다(도 12의 (n) 참조). After forming the
그리고 나서, 그 위에 포토 레지스트(47)를 재차 도포(도 12의 (o) 참조)하고 나서 절연체 패터닝을 실시한다(도 12의 (p) 참조). 이어, 그 위에 절연 박 막(48)을 증착(도 12의 (q) 참조)한 후에 리프트 오프 방식에 의해 포토 레지스트(47)를 제거하여 절연막 패턴을 형성하게 된다(도 12의 (r) 참조). Then, the
이와 같이 하게 되면, 본 발명의 실시예의 센서 박막(30)을 가진 X,Y 2축용 평면 홀 저항 센서에 대한 제조를 완성하게 된다.This completes the manufacture of the X, Y biaxial planar Hall resistance sensor with the sensor
도 13은 도 10의 3축 센서를 제조하는 방법을 예시한 도면으로서, X,Y 2축의 평면 홀 저항 센서와 Z축의 홀 센서를 결합시킨 구조를 제조하는 방법을 예시하였다.FIG. 13 is a diagram illustrating a method of manufacturing the 3-axis sensor of FIG. 10, and illustrates a method of manufacturing a structure in which a planar Hall resistance sensor of X and Y axes and a Hall sensor of Z axis are combined.
기판(60; Si-웨이퍼)을 준비하고(도 13의 (a) 참조), 기판(60)의 상면에 포토 레지스트(PR)(61)를 도포한다(도 13의 (b) 참조). 이어, 식각에 의해 X,Y축 센서중 어느 한 센서의 센서 패터닝을 수행한다(도 13의 (c) 참조). 도 13의 (c)에서의 참조부호 62는 패터닝된 형상을 의미한다. 그 후, 자성 박막 증착 및 리프트 오프 방식에 의한 포토 레지스트(61)의 제거를 행하면 도 13의 (d)에서와 같이 어느 한 센서(200)의 센서 엘리먼트가 형성된다. A substrate 60 (Si-wafer) is prepared (see FIG. 13A), and a photoresist (PR) 61 is applied to the upper surface of the substrate 60 (see FIG. 13B). Subsequently, sensor patterning of one of the X and Y axis sensors is performed by etching (see FIG. 13C).
그 후, 기판(60)의 상면에 포토 레지스트(PR)(63)를 재차 도포하고, 식각에 의해 X,Y축 센서중 다른 한 센서의 센서 패터닝을 수행한다(도 13의 (e) 참조). 도 13의 (e)에서의 참조부호 64는 패터닝된 형상을 의미한다. 그 후, 자성 박막 증착 및 리프트 오프 방식에 의한 포토 레지스트(63)의 제거를 행하면 도 13의 (f)에서와 같이 다른 한 센서(210)의 센서 엘리먼트가 형성된다. Thereafter, the photoresist (PR) 63 is applied again to the upper surface of the
이어, 기판(60)의 상면에 포토 레지스트(PR)(65)를 재차 도포하고, 식각에 의해 홀 센서의 패터닝을 수행한다(도 13의 (g) 참조). 도 13의 (g)에서의 참조부호 66은 패터닝된 형상을 의미한다. 그 후, InSb 박막 증착 및 리프트 오프 방식에 의한 포토 레지스트(65)의 제거를 행하면 도 13의 (h)에서와 같이 홀 센서(220)의 센서 엘리먼트가 형성된다. Subsequently, photoresist (PR) 65 is again applied to the upper surface of the
도 13의 (h)에서와 같이 기판(60)상에 X,Y,Z축의 센서 엘리먼트(200, 210, 220)가 형성된 이후에는 재차 포토 레지스트(68)를 그 위에 도포하고 나서 전극 패터닝을 실시한다(도 13의 (i) 참조). 도 13의 (i)에서의 참조부호 68은 패터닝된 형상을 의미한다. 이어, 그 위에 전극 박막(69)을 증착한 후에 리프트 오프 방식에 의해 포토 레지스트(68)를 제거하여 전극 패턴을 형성하게 된다(도 13의 (j) 참조). After the
그리고 나서, 그 위에 포토 레지스트(70)를 재차 도포하고 나서 절연체 패터닝을 실시한다(도 13의 (k) 참조). 이어, 그 위에 절연 박막을 증착한 후에 리프트 오프 방식에 의해 포토 레지스트(70)를 제거하여 절연막 패턴을 형성하게 된다(도 13의 (l) 참조). Then, the
이와 같이 하게 되면, 본 발명의 실시예의 센서 박막(30)을 가진 X,Y 2축용 평면 홀 저항 센서 및 Z축용 홀 센서가 결합된 구조에 대한 제조를 완성하게 된다.By doing so, the X and Y biaxial planar Hall resistance sensors having the sensor
한편, 본 발명은 상술한 실시예로만 한정되는 것이 아니라 본 발명의 요지를 벗어나지 않는 범위내에서 수정 및 변형하여 실시할 수 있고, 그러한 수정 및 변형이 가해진 기술사상 역시 이하의 특허청구범위에 속하는 것으로 보아야 한다.On the other hand, the present invention is not limited only to the above-described embodiments and can be carried out by modifications and variations within the scope not departing from the gist of the present invention, the technical idea that such modifications and variations are also within the scope of the claims Must see
도 1은 종래 평면 홀 저항 센서의 성막 패턴을 예시한 도면이다.1 is a view illustrating a film formation pattern of a conventional planar Hall resistance sensor.
도 2는 종래 평면 홀 저항 센서의 입출력 구조도이다.2 is an input / output structure diagram of a conventional planar hall resistance sensor.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 평면 홀 저항 센서의 센서 박막 구조를 나타낸 도면이다.3 is a diagram illustrating a sensor thin film structure of a planar Hall resistance sensor according to an exemplary embodiment of the present invention.
도 4a 내지 도 4c는 종래 이층(Bi-layer)형 평면 홀 저항 센서와 본 발명의 실시예에 따른 평면 홀 저항 센서의 출력특성을 나타낸 그래프이다.4A to 4C are graphs illustrating output characteristics of a conventional bi-layer type planar Hall resistance sensor and a planar Hall resistance sensor according to an exemplary embodiment of the present invention.
도 5는 종래 이층(Bi-layer)형 평면 홀 저항 센서와 본 발명의 실시예에 따른 평면 홀 저항 센서의 출력특성을 함께 나타낸 그래프이다.5 is a graph showing output characteristics of a conventional bi-layer type flat hall resistance sensor and a flat hall resistance sensor according to an exemplary embodiment of the present invention.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 평면 홀 저항 센서의 비자성층의 두께를 조절하여 실험해 본 결과를 나타낸 그래프이다.Figure 6 is a graph showing the results of the experiment by adjusting the thickness of the nonmagnetic layer of the planar Hall resistance sensor according to an embodiment of the present invention.
도 7은 본 발명의 실시예에 따른 평면 홀 저항 센서를 어레이 타입으로 구성시킨 구조도이다.7 is a structural diagram of a planar Hall resistance sensor according to an exemplary embodiment of the present invention configured as an array type.
도 8은 도 7의 어레이 타입의 평면 홀 저항 센서의 출력특성을 설명하기 위한 그래프이다.FIG. 8 is a graph for describing output characteristics of the array type planar hall resistance sensor of FIG. 7.
도 9는 본 발명의 실시예에 따른 평면 홀 저항 센서가 적용된 2축 센서의 구조도이다.9 is a structural diagram of a biaxial sensor to which a planar Hall resistance sensor according to an exemplary embodiment of the present invention is applied.
도 10은 본 발명의 실시예에 따른 평면 홀 저항 센서가 적용된 3축 센서의 구조도이다.10 is a structural diagram of a three-axis sensor to which a planar Hall resistance sensor according to an embodiment of the present invention is applied.
도 11은 본 발명의 실시예에 따른 평면 홀 저항 센서를 제조하는 방법을 예 시한 도면이다.11 is a view illustrating a method of manufacturing a planar Hall resistance sensor according to an embodiment of the present invention.
도 12는 도 9의 2축 센서를 제조하는 방법을 예시한 도면이다.FIG. 12 is a diagram illustrating a method of manufacturing the biaxial sensor of FIG. 9.
도 13은 도 10의 3축 센서를 제조하는 방법을 예시한 도면이다.FIG. 13 is a diagram illustrating a method of manufacturing the triaxial sensor of FIG. 10.
< 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 >Description of the Related Art
10 : 기판 11 : 시드층10
12 : 강자성층 13 : 강자성층12: ferromagnetic layer 13: ferromagnetic layer
14 : 비자성층 15 : 반강자성층14
16 : 캡층 30 : 센서 박막16: cap layer 30: sensor thin film
Claims (13)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
KR1020090117341A KR20110060681A (en) | 2009-11-30 | 2009-11-30 | Planar hall resistance sensor and multi axis sensor using a planar hall resistance sensor |
Applications Claiming Priority (1)
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KR1020090117341A KR20110060681A (en) | 2009-11-30 | 2009-11-30 | Planar hall resistance sensor and multi axis sensor using a planar hall resistance sensor |
Publications (1)
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ID=44395405
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KR1020090117341A KR20110060681A (en) | 2009-11-30 | 2009-11-30 | Planar hall resistance sensor and multi axis sensor using a planar hall resistance sensor |
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Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN109616570A (en) * | 2018-09-30 | 2019-04-12 | 厦门市三安集成电路有限公司 | A kind of production method of the Hall resistance based on PHEMT |
US10275052B2 (en) | 2014-12-05 | 2019-04-30 | Samsung Electronics Co., Ltd. | Jog dial for electronic device and electronic device provided with same |
-
2009
- 2009-11-30 KR KR1020090117341A patent/KR20110060681A/en not_active Application Discontinuation
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