KR20160102128A - 자기 센서 및 그 제조 방법 - Google Patents

Abstract

고유자율이며 또한 보자력이 작은 자기 집속판을 홀 소자나 회로를 형성한 기판 상에 위치 편차를 작게 배치할 수 있으며, 또한 작업 공정의 증가를 억제한 자기 센서 및 그 제조 방법을 제공한다. 실리콘 기판 상에 홀 소자나 회로를 형성하는 공정에 있어서, 자기 집속판과 동일한 형상 및 크기로 오목하게 패인 패턴으로 이루어지는 자기 집속판 폴더를 형성하고, 상기 자기 집속판 폴더에 홀 소자나 회로를 형성한 실리콘 기판과는 별도의 공정으로 제작한 자기 집속판을 삽입하는 것을 특징으로 하는 자기 센서 및 그 제조 방법으로 하였다.

Description

자기 센서 및 그 제조 방법{MAGNETIC SENSOR AND METHOD OF MANUFACTURING THE SAME}

본 발명은, 자기 집속판을 구비하고, 수직 및 수평 방향의 자계를 검지하는 자기 센서 및 그 제조 방법에 관한 것이다.

홀 소자는 자기 센서로서 비접촉으로의 위치 검지나 각도 검지가 가능하므로 여러 가지 응용에 자주 이용된다.

우선, 홀 소자의 자기 검출 원리에 대해 설명한다. 물질 중에 흐르는 전류에 대해 수직인 자계를 인가하면 그 전류와 자계의 쌍방에 대해 수직인 방향으로 전계(홀 전압)가 발생한다. 그 때문에, 일반적인 홀 소자는, 기판(웨이퍼) 표면에 전류를 흐르게 하여, 수직인 자계 성분을 검출한다.

또한, 고투자율을 갖는 재료로 작성한 자성체 박막과 조합하여, 자성체 박막을 자속의 방향을 바꾸어 홀 소자로 인도하는 자기 집속판으로서 이용함으로써, 수직 방향 자계뿐만 아니라, 수평 방향 자계를 검출하는 것이 가능해지는 것이 알려져 있다.

세로 자장 감도와 가로 자장 감도의 비가 일정한 자기 특성의 편차가 작은 자기 센서를 실현하기 위해서는, 홀 소자와 자기 집속판의 위치 관계가 중요하다(예를 들면, 특허문헌 1 참조).

자기 집속판의 위치 편차의 영향에 의한 자기 특성 편차를 작게 하기 위해, 미리 홀 소자와 회로가 형성된 Si 기판 상에 포토리소그래피 등의 수법을 사용하여 자기 집속판을 패터닝하거나, 자기 집속판을 도금에 의해 형성하거나 하는 방법이 있다(예를 들면, 특허문헌 2 참조). 도 2를 이용하여 일례를 간단히 설명한다.

우선, 도 2(A)에 도시하는 바와 같이, 한 쌍의 홀 소자(2)를, 간격을 두고 P형 반도체 기판(1)의 표면에 형성한다. 홀 소자(2)와 P형 반도체 기판(1)의 표면에는 폴리이미드막 등의 절연체의 보호막(3)을 형성한다.

이어서, 도 2(B)에 도시하는 바와 같이, 자기 집속판의 하지 도전층(11)을 절연체의 보호막(3) 상에 형성한다.

다음에, 도 2(C)에 도시하는 바와 같이, 레지스트를 하지 도전층(11) 상에 도포하여, 자기 집속판을 형성하는 영역의 레지스트를 제거한다.

그리고, 도 2(D)에 도시하는 바와 같이, 도금에 의해 레지스트가 제거된 영역에 자기 집속판(10)을 형성한다.

마지막으로, 도 2(E)에 도시하는 바와 같이, 남아 있는 레지스트를 제거함으로써, 원하는 영역에 자기 집속판(10)을 형성할 수 있다.

또, 홀 소자와 회로가 형성된 Si 기판 상에 자기 집속판의 위치 맞춤을 하기 위한 구조물을 배치하고, 위치 맞춤의 정밀도를 향상시켜 자기 특성의 편차를 작게 하는 방법도 있다(예를 들면, 특허문헌 3 참조).

일본국 특허공개 2012－47708호 공보 일본국 특허공개 2012－151285호 공보 일본국 특허공개 2003－130936호 공보

도금이나 스퍼터링에 의해 자기 집속판을 형성한 경우, 자성체의 보자력 저감이나 고유자율을 실현하기 위해서는 일반적으로, 퀴리점 이상의 고온으로 어닐링할 필요가 있다. 그러나, 홀 소자나 회로 형성 후에 이러한 고온을 자기 집속판에 인가할 수 없어, 유자율이 높고, 보자력이 작은 자기 집속판으로 하는 것이 어렵다.

또, 자기 집속판의 위치 맞춤을 위한 구조물을 배치하는 방법에서는, 위치 맞춤용의 구조물의 형성이나 자기 집속판 배치 후의 구조물의 제거 등의 추가 공정에 의해, 공정이 증가한다는 난점이 있다.

본 발명은, 고유자율이고 또한 보자력이 작은 자기 집속판을 홀 소자나 회로를 형성한 기판 상에 위치 편차를 작게 배치하고 또한 작업 공정의 증가를 억제한 자기 센서의 제조 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.

상기의 과제를 해결하기 위해, 본 발명은 이하와 같은 자기 센서의 제조 방법으로 하였다.

실리콘 기판 상에 홀 소자나 회로를 형성하는 공정에 있어서, 자기 집속판과 동일한 형상 및 크기로 오목하게 패인 패턴, 즉 자기 집속판 폴더를 형성하고, 상기 자기 집속판 폴더에 홀 소자나 회로를 형성한 실리콘 기판과는 별도의 공정으로 제작한 자기 집속판을 삽입하는 것을 특징으로 하는 자기 센서의 제조 방법으로 하였다.

상기 수단을 이용함으로써, 자기 집속판의 위치 편차가 억제되어, 자기 특성의 편차를 작게 할 수 있다. 또, 회로 형성과 동시에 자기 집속판의 위치 맞춤용 자기 집속판 폴더를 형성하므로, 공정의 증가가 없고, 제조 비용을 억제할 수 있다. 또, 자기 집속판과 회로를 별도의 공정으로 제작함으로써, 자성체 막 형성 후, 고온의 어닐링이 가능해지므로, 고유자율이고 저보자력인 자기 집속판을 작성할 수 있어, 보다 고감도 고정밀도의 자기 센서를 실현할 수 있다.

도 1은, 본 발명에 관련된 자기 센서의 제조 방법을 설명하기 위한 주요 부분의 공정순의 단면도이다.
도 2는, 자기 집속판의 도금에 의한 종래의 형성 방법을 설명하기 위한 주요 부분의 공정순의 단면도이다.
도 3은, 본 발명에 관련된 자기 집속판 및 자기 집속판 폴더에 관한 평면도이다.

이하, 도면을 참조하면서 본 발명을 실시하기 위한 형태에 대해 상세하게 설명한다.

도 1은 본 발명에 관련된 실시 형태인 자기 센서의 제조 방법을 설명하기 위한 주요 부분의 공정순의 단면도이다.

우선, 도 1(A)에 도시하는 바와 같이, P형 반도체 기판(1)의 표면에 홀 소자(2)를 포함하는 자기 센서를 구성하는 반도체 회로를 통상의 반도체 제조 프로세스에 의해 형성한다. 홀 소자(2)는, 정사각형 혹은 십자형의 4회 회전축을 갖는 수직 자계 감수부(感受部)와, 그 각 꼭짓점 및 단부에 동일 형상의 표면 n형 고농도 불순물 영역의 수직 자계 검출 제어 전류 입력 단자 및 수직 자계 홀 전압 출력 단자를 갖는 횡형 홀 소자이다. 본 실시 형태에서는, 홀 소자(2)는 한 쌍이고, 1개씩 이격시켜 배치된다. 한 쌍의 홀 소자(2)를 이격시키고 있는 영역을 이격 영역(5)이라고 부른다.

이어서, 도 1(B)에 도시하는 바와 같이, 홀 소자(2)를 포함하는 자기 센서를 구성하는 반도체 회로를 형성한 P형 반도체 기판(1) 상에는 폴리이미드막 등의 절연체의 보호막(3)을 형성한다. 이 보호막(3)의 막두께는 10㎛~30㎛ 정도인 것이 바람직하다. 보호막(3)은, 상방에 배치하는 자기 집속판의 응력을 완화하는 목적도 있지만, 막두께가 너무 두꺼워지면, 홀 소자(2)로부터의 거리가 커지므로 수평 자장 감도가 저하한다.

다음에, 도 1(C)에 도시하는 바와 같이, 절연체의 보호막(3)을 에칭함으로써, 오목형상의 자기 집속판 폴더(3A)를 이격 영역(5)으로부터 홀 소자(2)에 걸쳐 형성한다. 이 때, 자기 집속판 폴더(3A)는 보호막의 막두께의 1/2 정도까지 에칭하여 형성하는 것이 바람직하다. 또, 자기 집속판 폴더(3A)는 자기 집속판(10)과 동일한 크기로 형성하고, 자기 집속판 폴더(3A)의 에지가 홀 소자 상에 걸리도록 하는 것이 바람직하다. 에칭은 P형 반도체 기판(1)의 Pad 개구부를 형성하는 것과 동일한 공정으로 실시할 수 있다.

자기 집속판은 반도체 제조 프로세스와는 별도의 독립적인 공정에 있어서, 도금 등에 의해 박막을 제작하고, 그것을 자기 집속판의 형상으로 가공함으로써 제조한다.

자기 집속판은 퍼멀로이나 슈퍼멀로이 등의 저보자력이고 고투자율을 갖는 연자성체 재료로 제작하는 것이 바람직하다. 여기에서 도금 등에 의해 저보자력이고 고투자율을 갖는 연자성체 박막을 제작하는 경우에는 도금 후에, 고온으로 어닐링하는 것이 바람직하지만, 반도체 기판 상에 도금에 의해 연자성체 박막을 제작하는 경우에서는 이 어닐링 처리가 불가능하므로, 보다 성능이 좋은 연자성체의 자기 집속판을 제작할 수는 없다. 이에 반해, 본 발명과 같이 반도체 기판과 독립적으로 자기 집속판을 형성하는 경우에는 고온 어닐링의 반도체 기판에 대한 영향을 고려할 필요가 없다. 이와 관련하여, 본 발명에 있어서의 자기 집속판(10)의 형성에서는 800~1000℃의 고온 어닐링을 실시한다.

또, 자기 집속판(10)은 자기 집속판 폴더(3A)에 맞추어 동일한 형상으로 가공하여, 무리없이 배치할 수 있는 것이 바람직하다. 박막으로 가공하는 것이 바람직하고, 레이저 가공이나 금형을 이용함으로써 대량으로 가공이 가능하다.

또, 자기 집속판(10)의 막두께는 30~50㎛ 정도인 것이 바람직하다.

도 3은, 본 발명에 관련된 자기 집속판 및 자기 집속판 폴더에 관한 평면도이다. 도시하는 바와 같이, 자기 집속판(10)은, 원, 정사각형, 혹은 십자형 등의 4회 회전축을 갖는 평면형상이고, 외주의 1개소 혹은 복수 개소에 자기 집속판 회전 방향 위치 맞춤용의 오목부 또는 볼록부를 갖고 있다. 또한 자기 집속판 폴더(3A)도 자기 집속판의 자기 집속판 회전 방향 위치 맞춤용의 오목부 또는 볼록부에 맞추어 동일한 형상으로 함으로써 무리없이 자기 집속판을 수납할 수 있다. 일반적으로 박막형상의 자기 집속판은 자기 이방성을 가지므로, 자기 집속판의 회전 방향의 위치를 일정하게 함으로써, 자기 집속판의 결정 방향이 일정해져, 자기 이방성에 의한 자기 특성의 편차를 억제하여, 특성 편차가 작은 자기 센서가 된다.

또, 자기 집속판 회전 방향 위치 맞춤용의 오목부 또는 볼록부는, 홀 소자(2)의 자기 특성에 영향을 주지 않도록 자기 집속판의 크기에 비해 작게 형성하는 것이 바람직하다. 또한 자기 집속판과 자기 집속판 폴더(3A)를 형성한 자기 센서 칩을 부착하였을 때, 자기 집속판 회전 방향 위치 맞춤용의 오목부 또는 볼록부가 홀 소자의 자기 특성에 영향을 주지 않도록 하기 위해, 홀 소자(2)로부터 자기 집속판 회전 방향 위치 맞춤용의 오목부 또는 볼록부가 가능한 한 크게 멀어지도록, 자기 집속판 폴더(3A) 및 자기 집속판 회전 방향 위치 맞춤용의 오목부 또는 볼록부의 위치를 설계하는 것이 바람직하다.

이와 관련하여, 도 3(A)의 자기 집속판(10) 및 자기 집속판 폴더(3A)는, 오리엔테이션 플랫과 유사한, 원형의 일부를 원의 접선과 평행하게 노치함으로써 형성되는 직선(현)부(10A)를 갖는 원형상으로 되어 있다. 도 3(B)의 자기 집속판(10) 및 자기 집속판 폴더(3A)는 오목부(노치)(10B)를 갖는 원형상, 도 3(C)의 자기 집속판(10) 및 자기 집속판 폴더(3A)는 볼록부(10C)를 갖는 원형상, 도 3(D)의 자기 집속판(10) 및 자기 집속판 폴더(3A)는 복수의 볼록부(10D)를 갖는 원형상, 도 3(E)의 자기 집속판(10) 및 자기 집속판 폴더(3A)는 모서리부가 결락된 부(10E)를 갖는 십자형, 도 3(F)의 자기 집속판(10) 및 자기 집속판 폴더(3A)는 오리엔테이션 플랫과 유사한, 원형의 일부를 원의 접선과 평행하게 노치함으로써 형성되는 직선(현)부(10F)를 갖는 도넛형상이다.

그리고, 도 1(D)에 도시하는 바와 같이, 가공한 자기 집속판(10)을, 자기 집속판 폴더(3A)를 형성한 자기 센서 칩에 부착한다. 자기 집속판(10)을 부착할 때에는 절연성의 접착제를 자기 집속판 폴더(3A)에 적하하여 부착하는 것이 바람직하다. 이 부착 시에는, 자기 집속판 폴더(3A)를 형성함으로써 위치 맞춤 정밀도가 향상되고, 칩 본더를 이용하여 자기 집속판(10)을 부착해도 충분히 실장이 가능해진다. 보호막(3)의 두께에 따라, 자기 집속판(10)이 보호막(3)의 표면으로부터 돌출되기도 하고, 자기 집속판(10)이 자기 집속판 폴더(3A) 내에 완전히 들어가기도 한다.

상기 수단을 이용함으로써, 자기 집속판(10)의 위치 편차가 억제되어, 자기 특성의 편차를 작게 할 수 있다. 또, 회로 형성과 동시에 자기 집속판의 위치 맞춤용 자기 집속판 폴더를 형성하므로, 공정의 증가가 없고, 제조 비용을 억제할 수 있다. 또, 자기 집속판과 회로를 별도의 공정으로 제작함으로써, 자성체 막 형성 후, 고온의 어닐링이 가능해지므로, 고유자율이고 저보자력인 자기 집속판을 작성할 수 있어, 보다 고감도 고정밀도의 자기 센서를 실현할 수 있다.

1 : P형 반도체 기판
2 : 홀 소자
3 : 보호막
3A : 자기 집속판 폴더
5 : 이격 영역
10 : 지기 집속판
11 : 하지 도전층
20 : 레지스트

Claims (8)

1. 반도체 기판의 표면에 형성된 홀 소자와, 상기 홀 소자 상에 보호막을 개재하여 설치된 자기 집속판을 구비하는 자기 센서의 제조 방법으로서,
   상기 홀 소자 상에 보호막을 형성하는 공정과,
   상기 보호막을 부분적으로 줄여 오목형상의 자기 집속판 폴더를 형성하는 공정과,
   상기 자기 집속판 폴더를 형성한 상기 반도체 기판과는 별도로, 무관계가 되도록, 자기 집속판을 형성하고, 상기 자기 집속판을 고온 어닐링하는 공정과,
   상기 고온 어닐링한 상기 자기 집속판을 상기 자기 집속판 폴더에 삽입하여 고정하는 공정으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 자기 센서의 제조 방법.
2. 청구항 1에 있어서,
   상기 고온 어닐링하는 공정에 있어서의 처리 온도가 800~1000℃인 것을 특징으로 하는 자기 센서의 제조 방법.
3. 청구항 1에 있어서,
   상기 고온 어닐링한 상기 자기 집속판은, 평면에서 볼 때 원, 정사각형, 혹은 십자형 등의 4회 회전축을 갖는 형상으로 가공되고, 또한 외주의 1개소 혹은 복수 개소에 자기 집속판 회전 방향 위치 맞춤용의 오목부 또는 볼록부가 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 자기 센서의 제조 방법.
4. 청구항 1에 있어서,
   상기 고온 어닐링한 상기 자기 집속판의 평면에서 볼 때의 형상을 상기 자기 집속판 폴더의 평면에서 볼 때의 형상에 맞추어 동일한 형상으로 형성하는 것을 특징으로 하는 자기 센서의 제조 방법.
5. 반도체 기판과
   상기 반도체 기판 표면에 이격 영역을 통해 이격시켜 배치된 한 쌍의 홀 소자와,
   상기 한 쌍의 홀 소자를 덮고, 상기 반도체 기판 상에 형성된 보호막과,
   상기 이격 영역으로부터 상기 한 쌍의 홀 소자의 각각에 걸쳐, 상기 보호막에 형성된 오목형상의 자기 집속판 폴더와,
   상기 자기 집속판 폴더의 오목형상에 맞추어 배치된 자기 집속판을 갖는, 자기 센서.
6. 청구항 5에 있어서,
   상기 자기 집속판은, 외주의 1개소 혹은 복수 개소에 자기 집속판 회전 방향 위치 맞춤용의 오목부 또는 볼록부를 갖는, 자기 센서.
7. 청구항 6에 있어서,
   상기 폴더는, 상기 자기 집속판에 형성된 상기 자기 집속판 회전 방향 위치 맞춤용의 오목부 또는 볼록부에 맞추어 형성된 동형의 볼록부 또는 오목부를 갖는, 자기 센서.
8. 청구항 6에 있어서,
   상기 자기 집속판 회전 방향 위치 맞춤용의 오목부 또는 볼록부는 상기 집속판의 자기 이방성의 방향을 나타내고 있는, 자기 센서.

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