專利名稱：一種基于巨磁阻技術(shù)的高精度弱磁場(chǎng)傳感器及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明提供能夠精確探測(cè)弱磁場(chǎng)的傳感器結(jié)構(gòu)和制備該磁場(chǎng) 傳感器的方法。該磁場(chǎng)傳感器建立在巨磁阻效應(yīng)理論基礎(chǔ)上，釆用與半導(dǎo)體
器件工藝相兼容的技術(shù)(包括磁控濺射、光刻、等)制作屬合金巨磁阻抗 三明治結(jié)構(gòu)，制備具有偏轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的磁場(chǎng)傳感器。該磁場(chǎng)傳感器具有低功耗， 高的弱磁場(chǎng)探測(cè)靈敏度，響應(yīng)速度快，尺寸小，可靠性高，適合電路集成等 特點(diǎn)。
背景技術(shù)：
精確定位和導(dǎo)航技術(shù)已經(jīng)變成了 一項(xiàng)重要的技術(shù)手段被廣泛 的應(yīng)用于航空航天等精度和準(zhǔn)確度要求較高的場(chǎng)合。提供精度高、穩(wěn)定性好、 響應(yīng)速度快的方向傳感器是實(shí)現(xiàn)精確制導(dǎo)和導(dǎo)航的前提條件。目前，利用巨 磁阻材料在微小的磁場(chǎng)變化下磁阻產(chǎn)生巨大的變化的現(xiàn)象制備弱磁場(chǎng)傳感器 并將它應(yīng)用于方向探測(cè)是解決上述問題的理想方案。
巨磁電阻效應(yīng)是近10年來(lái)發(fā)現(xiàn)的新現(xiàn)象。當(dāng)在具有巨磁效應(yīng)的材料中通 以恒定的高頻電流時(shí)，外部微弱的磁場(chǎng)變化就能夠引起材料阻抗的明顯變化 (50%以上)。由于巨磁阻材料優(yōu)異的磁場(chǎng)敏感性，即使在外加電子線路中不 引入任何放大設(shè)備的情況下仍然能夠保持探測(cè)的穩(wěn)定性和可靠性?？梢灶A(yù)見， 結(jié)合巨磁阻抗效應(yīng)高靈敏度、高響應(yīng)度的特點(diǎn)并將之應(yīng)用于地球磁場(chǎng)的方向 辨別，將大幅度提高方向探測(cè)的準(zhǔn)確度和精確度。
對(duì)于巨磁阻材料而言，其電阻隨外加磁場(chǎng)的變化關(guān)系如圖l所示，電阻 隨外加磁場(chǎng)的方向變化呈對(duì)稱分布，因此，在未加偏置磁場(chǎng)的情況下，巨磁 阻材料本身并不能反應(yīng)外加磁場(chǎng)的方向信息。如果在該材料外部添加一個(gè)偏 置磁場(chǎng)將巨磁阻材料的磁阻信號(hào)偏置到

圖1所示的A點(diǎn)，當(dāng)?shù)厍虼艌?chǎng)方向同 偏置磁場(chǎng)方向相同時(shí)，材料磁電阻將大幅度降低，反之，將大幅度升高，磁 阻的變化反映出偏置磁場(chǎng)方向同地球磁場(chǎng)的夾角。由于巨磁阻材料在微小的 磁場(chǎng)變化下將表現(xiàn)出磁電阻的巨大變化，從而要求偏置磁場(chǎng)的精度較高，在 較長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)磁場(chǎng)變化較小穩(wěn)定性好，否則偏置磁場(chǎng)本身的誤差將為弱磁場(chǎng)的 測(cè)量帶來(lái)較大的噪聲，影響方向測(cè)試的精度。
為了給上述巨磁阻磁場(chǎng)傳感器提供高精度，高穩(wěn)定性的偏置磁場(chǎng)，可以釆用在上述金屬合金巨磁阻抗三明治結(jié)構(gòu)外繞置線圈，并在線圈內(nèi)部通以電
流以提供所需偏置磁場(chǎng)。在2005年5月31日公告的中國(guó)發(fā)明專利申請(qǐng)說(shuō)明 書CN 1444049A中披露了 一種使用印刷電路板技術(shù)的弱磁場(chǎng)傳感器及其制造 方法中提及通過(guò)多層印刷電路板的疊放形成微型線圈的方法，相對(duì)而言，該 方法能夠提供高精度、高穩(wěn)定性的偏置磁場(chǎng)，但是，利用這種技術(shù)制備的巨 磁阻傳感器相對(duì)于集成電路的其它電子元器件而言，體積過(guò)大，有悖于集成 電路技術(shù)小型化、集成化的發(fā)展方向
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的一個(gè)目的在于提供一種建立在巨磁阻理論基礎(chǔ)上的 縱向巨磁電阻傳感器，該傳感器能夠滿足當(dāng)前電子元器件集成化、小型化的 要求。
本發(fā)明的另外一個(gè)目的是提供一種使用常用的半導(dǎo)體制備技術(shù)制備上述 巨磁電阻傳感器的制備工藝方法，通過(guò)光刻、磁控濺射、離子刻蝕等常備半 導(dǎo)體工藝來(lái)實(shí)現(xiàn)器件的小型化和低能耗，并且滿足方向測(cè)試高精度和高靈敏 度的需要。
為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明中使用的巨磁阻材料結(jié)構(gòu)為金屬合金巨磁阻 抗三明治結(jié)構(gòu)即鐵磁層/導(dǎo)電層/鐵磁層三層結(jié)構(gòu)，或者是鐵磁層/絕緣層/導(dǎo) 電層/絕緣層/鐵磁層多層結(jié)構(gòu)，其中鐵磁層可以是非晶或納米晶的鐵鈷硅硼 (FeCoSiB)、鈷硅硼(CoSiB)、鐵銅鈮硅硼(FeCuNbSiB)等軟磁合金薄膜材 料，導(dǎo)電層使用高電導(dǎo)率的金屬金或金屬銀或金屬銅或上述材料的多元復(fù)合 物。相對(duì)于單一結(jié)構(gòu)的巨磁阻材料而言，該金屬合金巨磁阻抗三明治結(jié)構(gòu)的
優(yōu)點(diǎn)在于既具有導(dǎo)體層的高電導(dǎo)特性，又具有軟磁層的優(yōu)質(zhì)的軟磁特性，在 較低頻率的磁場(chǎng)作用下即可表現(xiàn)出優(yōu)異的巨磁阻效應(yīng)?？朔藛螌幽ぶ辉诤?高頻率下才出現(xiàn)巨磁阻抗效應(yīng)的劣勢(shì)，當(dāng)在該多層膜中通以1 ~ 10MHz的高頻 電流時(shí)，中間的導(dǎo)電層將作為電流的主要通路，從而大大降低磁性膜對(duì)電流 的阻力，外部的磁性層形成了閉合的磁回路，將成為磁通量的主要通路，從 而減少雜散磁場(chǎng)和退磁場(chǎng)的影響，提高了材料的磁導(dǎo)率。圖l是具有三明治 狀多層結(jié)構(gòu)FeCoSiB/Cu/FeCoSiB巨磁阻薄膜材料在溫度為25。C驅(qū)動(dòng)電流頻 率為lMHz時(shí)，電阻隨外部磁場(chǎng)的變化曲線，從圖1不難看出上述多層結(jié)構(gòu)的 巨磁阻材料磁電阻在磁場(chǎng)作用下變化率接近100%, —般來(lái)說(shuō)，這種結(jié)構(gòu)的 巨磁阻材料磁電阻的變化在0-1段由磁性層中軟磁材料內(nèi)疇壁移動(dòng)決定，l-2段由磁矩轉(zhuǎn)動(dòng)決定，研究表明，由磁矩轉(zhuǎn)動(dòng)決定的磁電阻隨溫度波動(dòng)不大， 因此選用圖1中所示的A點(diǎn)為上述巨磁阻磁場(chǎng)傳感器磁場(chǎng)偏置點(diǎn)。在上述三 明治狀多層結(jié)構(gòu)外部通過(guò)半導(dǎo)體加工工藝制備出精確的線圈，在具體工作過(guò) 程中，在線圈中通以恒定電流形成螺線管提供偏置磁場(chǎng)，使上述多層結(jié)構(gòu)偏
置到圖1所示A點(diǎn)，當(dāng)?shù)卮艌?chǎng)方向同偏置磁場(chǎng)方向相同時(shí)，上述巨磁阻傳感
器磁阻將出現(xiàn)較大的降低，反之，巨磁阻傳感器磁電阻將出現(xiàn)較大程度的升
高，如果地磁場(chǎng)方向同偏置磁場(chǎng)方向呈一定角度，磁阻變化反應(yīng)的是地磁場(chǎng)
沿偏置磁場(chǎng)方向分量的信號(hào)大小，這些信號(hào)通過(guò)一定的外加電路轉(zhuǎn)換，就可
以實(shí)現(xiàn)方向信息和位置信息的反饋。
本發(fā)明的另外一個(gè)目的是提供一種使用常用的半導(dǎo)體制備技術(shù)制備上述
巨磁電阻傳感器的制備工藝方法，特別是制備三明治狀多層結(jié)構(gòu)外部偏置線
圈的方法，通過(guò)常規(guī)的半導(dǎo)體制備工藝如光刻、掩模、磁控濺射、離子刻蝕
等能夠?qū)崿F(xiàn)小尺寸，高精度半導(dǎo)體器件的制備，圖2a-i是根據(jù)本發(fā)明使用 的半導(dǎo)體制備工藝加工縱向巨磁電阻傳感器的工藝流程示意
1) 基片清洗，用氮?dú)鈱⒒蹈?；基片材料包括硅、鍺、砷化鎵、氮 化鎵、氮化鋁、碳化硅等半導(dǎo)體材料，或玻璃、陶瓷、石英或藍(lán)寶石等絕緣 體材料。
2) 使用射頻磁控濺射于基片上濺射出絕緣層2.以絕緣基片材料;
3) 在上述基片材料上涂覆一層光刻膠，使用光刻掩模技術(shù)在光刻膠上曝 光出一定的花樣，通過(guò)直流磁控濺射制備金屬合金巨磁阻抗三明治結(jié)構(gòu)中的 導(dǎo)電層，去除光刻膠，并清洗；將經(jīng)上述處理后的樣品重新涂覆一層光刻膠， 使用新的掩模版通過(guò)光刻技術(shù)在光刻膠上曝光出花樣，然后，通過(guò)射頻磁控 濺射制備金屬合金巨磁阻抗三明治結(jié)構(gòu)中的鐵磁層，去除光刻膠形成三明治 結(jié)構(gòu)巨磁電阻薄膜4;
4) 使用射頻磁控濺射工藝于制備內(nèi)層絕緣圓柱3.使步驟3)中形成的金 巨磁阻抗三明治結(jié)構(gòu)與后續(xù)工藝中生成的外圍線圈絕緣；
5) 將經(jīng)所述步驟4)處理后的樣品上涂覆光刻膠，使用光刻掩模技術(shù)在 光刻膠上曝光出圓形開環(huán)結(jié)構(gòu)，使用直流磁控濺射在圓環(huán)處濺射高電導(dǎo)率的 金屬材料，形成金屬環(huán)5;
6) 將經(jīng)所述步驟5)處理后的樣品上涂覆光刻膠，使用光刻掩模技術(shù)在光刻膠上圓形開環(huán)結(jié)構(gòu)端點(diǎn)AO處曝光出圓形空洞，使用直流磁控濺射在圓形 空洞處濺射出金屬短棒6，金屬短棒6下端在A0處同在步驟5)中生成的金 屬環(huán)5—段相連接，金屬棒上端在Al處形成圓形端面；
7) 使用射頻磁控濺射工藝于制備外層絕緣柱7使經(jīng)步驟5)、 6)形成的 金屬環(huán)和金屬短棒絕緣，絕緣層在A2處預(yù)留有空洞以保證金屬短棒上端在 A2處裸露；
8) 重復(fù)使用光刻掩模技術(shù)，在上述外層絕緣柱7上制備金屬環(huán)5，金屬 環(huán)5在A2處同金屬短棒上端連接起來(lái)，與下層金屬環(huán)5形成螺旋結(jié)構(gòu)；
9) 重復(fù)步驟(5)、 (6)、 (7),使得金屬合金巨磁阻抗三明治結(jié)構(gòu)周圍形 成外置線圈8。
通過(guò)以上半導(dǎo)體加工工藝形成圖3所示結(jié)構(gòu)的弱磁場(chǎng)探測(cè)器件，下層螺 線陣列，豎直導(dǎo)線，上層螺線陣列構(gòu)成微尺寸的螺線管，工作時(shí)一定大小的 直流電流從I端流入從n端流出，通過(guò)調(diào)節(jié)直流電流的大小，可以調(diào)整微螺 線管內(nèi)部的磁場(chǎng)到一定數(shù)值，從而為微螺線管內(nèi)部磁電阻傳感器提供適當(dāng)大 小的偏置磁場(chǎng)。利用上述結(jié)構(gòu)制備的弱磁場(chǎng)傳感器具有精度高，響應(yīng)快等特 性。
上述加工技術(shù)與半導(dǎo)體器件工藝相兼容，制備的巨磁電阻磁傳感器結(jié)構(gòu) 具有體積小，成本低的特點(diǎn)；同時(shí)，如果上述磁傳感器是在硅片上制備的，
可以方便地與其它半導(dǎo)體電路實(shí)現(xiàn)集成。
權(quán)利要求
1、一種縱向結(jié)構(gòu)的弱磁場(chǎng)傳感器，包括基片和其上的鐵磁體，其特征在于(a)所說(shuō)巨磁阻材料為金屬合金巨磁阻抗三明治結(jié)構(gòu)(即鐵磁層/導(dǎo)電層/鐵磁層或者是鐵磁層/絕緣層/導(dǎo)電層/絕緣層/鐵磁層)多層薄膜結(jié)構(gòu)，鐵磁體為≥兩層，所說(shuō)每?jī)蓪予F磁體中夾裹有導(dǎo)電層，其中，鐵磁體包含非晶或納米晶的軟磁合金單層膜，其組分可以是鐵鈷硅硼(FeCoSiB)或鈷硅硼(CoSiB)或鐵銅鈮硅硼(FeCuNbSiB)，導(dǎo)電層是具有高電導(dǎo)率的導(dǎo)體材料包含金屬金或金屬銀或金屬銅或上述金屬組成的合金材料；(b)所說(shuō)金屬合金巨磁阻抗三明治結(jié)構(gòu)外置有線圈。
2、 根據(jù)權(quán)利要求l所述的弱磁場(chǎng)傳感器，其特征是基片材料包括硅、 鍺、砷化鎵、氮化鎵、氮化鋁、碳化硅等半導(dǎo)體材料，或玻璃、陶瓷、石英、 藍(lán)寶石等絕緣體材料。
3、 根據(jù)權(quán)利要求l所述的縱向弱磁場(chǎng)傳感器的制備方法，包括清潔基片 和于其上進(jìn)行的掩模、光刻、直流或射頻磁控濺射或等離子增強(qiáng)化學(xué)氣相淀 積工藝等半導(dǎo)體薄膜加工工藝，其特征在于是按以下步驟完成的(a) 先使用射頻磁控濺射于基片上濺射出絕緣層2以絕緣基片材料；(b) 在上述基片材料上涂覆一層光刻膠，使用光刻掩模技術(shù)在光刻 膠上曝光出一定的花樣，通過(guò)直流磁控濺射制備金屬合金巨磁阻抗三明治結(jié) 構(gòu)中的導(dǎo)電層，去除光刻膠，并清洗；(c) 將經(jīng)所述步驟(b)處理后的樣品重新涂覆一層光刻膠，使用新 的掩模版通過(guò)光刻技術(shù)在光刻膠上曝光出花樣，然后，通過(guò)射頻磁控濺射制 備金屬合金巨磁阻抗三明治結(jié)構(gòu)中的鐵磁層，去除光刻膠，并清洗;(d) 使用射頻磁控濺射工藝制備內(nèi)層絕緣柱3使所述步驟(c)中形成的金巨磁阻抗三明治結(jié)構(gòu)與外圍線圈絕緣；C^nf^^W豕(d)處理后的樣品上涂覆光刻膠，使用光刻掩模技術(shù)在光刻膠上曝光出圓形開環(huán)結(jié)構(gòu)之后，使用直流磁控濺射在圓環(huán)處濺射 高電導(dǎo)率的金屬材料，形成下層金屬環(huán)5;(f )將經(jīng)所述步驟(e)處理后的樣品上涂覆光刻膠，使用光刻掩模 技術(shù)在光刻膠上圓形開環(huán)結(jié)構(gòu)端點(diǎn)處曝光出圓形空洞，使用直流磁控濺射在圓形空洞處濺射出金屬短棒6，以連接上端圓形開環(huán)和下端圓形開環(huán)；(g) 使用射頻磁控濺射工藝于制備外層絕緣柱7使經(jīng)所述步驟(e) (f )形成的金屬短棒周圍絕緣(h) 重復(fù)步驟(e)、 (f)、 (g),使得金屬合金巨磁阻抗三明治結(jié)構(gòu)周圍形成外置線圈，以提供偏置磁場(chǎng)。
4、 根據(jù)權(quán)利要求3所述的弱磁場(chǎng)傳感器的制備方法，其特征是其特征是 鐵磁體層中的鐵磁體為非晶或納米晶的鐵鈷硅硼(FeCoSiB )或鈷硅硼(CoSiB ) 或鐵銅鈮硅硼(FeCuNbSiB)。
5、 根據(jù)權(quán)利要求3所述的弱磁場(chǎng)傳感器的制備方法，其特征是構(gòu)成豎直 金屬短棒5的金屬材料為金屬金或金屬銀或金屬銅。
6、 根據(jù)權(quán)利要求3所述的弱磁場(chǎng)傳感器的制備方法，其特征是導(dǎo)電層為由金屬金或金屬銀或金屬銅構(gòu)成。
7、 根據(jù)權(quán)利要求3所述的縱向弱磁場(chǎng)傳感器的制備方法，其特征是器件 尺寸隨光刻工藝精度在100納米-50微米之間變化。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種縱向結(jié)構(gòu)的巨磁阻傳感器及其制備方法。傳感器包括基片(1)和其上的絕緣層(2)、夾裹有三明治結(jié)構(gòu)巨磁阻薄膜(4)，特別是巨磁阻薄膜(4)外套裝有線圈(8)，線圈(8)和巨磁阻薄膜(4)均由外層絕緣柱(7)裹覆；方法為先后分別多次使用掩模、光刻或離子刻蝕、直流磁控濺射、射頻磁控濺射或等離子增強(qiáng)化學(xué)氣相淀積、半導(dǎo)體薄膜加工工藝于基片上進(jìn)行刻制、濺射和生成出線圈金屬環(huán)(5)、金屬短棒(6)，金屬環(huán)(5)、金屬短棒(6)周期性排列構(gòu)成巨磁阻薄膜(4)外置線圈，工作時(shí)，恒定電流從電流流入端I流入微線圈，從電流流出端II流出，從而為巨磁阻薄膜(4)提供高精度的偏置磁場(chǎng)，結(jié)合巨磁阻薄膜(4)相應(yīng)度高的特點(diǎn)，利用上述原理制備的縱向結(jié)構(gòu)的巨磁阻傳感器具有高的精度和靈敏度，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易于工業(yè)化生產(chǎn)的特點(diǎn)。
文檔編號(hào)H01L43/12GK101526590SQ200810020450
公開日2009年9月9日 申請(qǐng)日期2008年3月6日 優(yōu)先權(quán)日2008年3月6日
發(fā)明者李素云, 瑩 王 申請(qǐng)人:安徽大學(xué)