CC BY
9КРАТКИЕ СООБЩЕНИЯ BRIEF REPORTS
УДК 621.3.049.77.002
Локальное электрохимическое осаждение
пермаллоя на кремниевые пластины с магниторезистивными наноструктурами
С.В. Шаманаев1,Р.Д. Тихонов2, А.А. Черемисинов2, С.С. Генералов2,
Д.В. Горелов2, С.А. Поломошнов2, Ю.В. Казаков2, В.В. Амеличев2
1ООО «НПП «Технология»» (г. Москва) 2НПК «Технологический центр» (г. Москва)
Local Electrochemical Deposition of Permalloy Films on Silicon Wafers with Magnetoresistance Nanostructures
S.V. Shamanaev1, R.D. Tikhonov2, A.A. Cheremisinov2, S.S. Generalov2,
D.V. Gorelov2, S.A. Polomoshnov2, Ju.V. Kazakov2, V. V. Amelichev2
1JSC «NPP «Technology»», Moscow 2SMC «Technological Center», Moscow
Представлены результаты исследований параметров пермаллоевых пленок, полученных методом электрохимического осаждения в локальные области, ограниченные фоторезистивной маской на металлизированной поверхности кремниевой пластины. Получены экспериментальные зависимости магнитных параметров осажденного пермаллоя от времени выдержки электролита. Показана возможность применения осажденных пленок в качестве экранов магнитного поля цифровых изоляторов с гальванической развязкой на основе магниторезистивных наноструктур.
Ключевые слова: пермаллой; электрохимическое осаждение; коэрцитивная сила; магнитная проницаемость; электролит.
The results of the study on the parameters of permalloy films, produced by the electrochemical deposition in the local areas, limited by the photoresist mask on metallic surface of silicon wafer, have been presented. The experimental dependencies of magnetic parameters of the deposited permalloy on the electrolyte excerpt time have been obtained. The possibility of application of the deposited films as the magnetic field screens of the digital isolators with galvanic separation on the basis of magnetic nanostructures has been shown.
Keywords: permalloy, electrochemical deposition, coercivity, magnetic permeability, electrolyte.
© С.В. Шаманаев, Р.Д. Тихонов, А.А. Черемисинов, С.С. Генералов, Д.В. Горелов, С.А. Поломошнов, Ю.В. Казаков, В.В. Амеличев, 2015
Применение элементов из ферромагнитных материалов в составе микроэлектронных приборов может быть использовано для решения двух абсолютно противоположных задач. Первая направлена на усиление магнитного поля в области расположения магниточувствительного элемента, а вторая - на экранирование магнитного поля над элементами, которые не должны подвергаться его воздействию. Для решения первой задачи используют концентраторы магнитного поля, а для решения второй - экраны магнитного поля. В том и другом случае эффективность элементов будет зависеть от магнитных параметров ферромагнитных материалов. Материал концентратора или экрана магнитного поля должен обеспечивать низкую коэрцитивную силу и высокую магнитную проницаемость. Этим требованиям отвечает магнитомягкий материал - пермаллой. Физические свойства пленок пермаллоя определяются методом их получения. Высокая магнитная проницаемость концентратора магнитного поля из пермаллоя достигается при электрохимическом осаждении пленки пермаллоя толщиной 10-15 мкм [1]. Увеличение толщины пленки вопреки ожидаемым результатам не способствует увеличению магнитного потока насыщения, а влияет на относительную магнитную проницаемость, которая уменьшается, как считается, из-за роста напряженности толстых пленок.
Электрохимическая ячейка, описанная в [2], позволяет проводить электрохимическое осаждение на пластины кремния при толщине пленок 10 - 15 мкм с малыми механическими напряжениями, действующими на лежащие ниже наноструктуры.
Используемый электролит представляет собой водный раствор солей элементов для образования пермаллоя NiSO4, Fe2(SO4)3, №02 и добавок комплексообразователя H3ВO3, который облегчает разряд ионов металлов и сахарина C7H5SO4NO3S, обеспечивающего снижение механических напряжений в осаждаемом слое [3].
Образование устойчивых комплексов происходит только при длительной выдержке электролита. В работе [4] проведено фотометрическое исследование спектра оптической плотности растворов в зависимости от состава электролита и установлено, что в растворе образуется большое количество разных комплексов, не изменяющих проводимость электролита, которая определяется ионами основных металлов.
Цель настоящей работы - определение зависимости магнитных свойств осажденных пленок пермаллоя с учетом изменяющегося комплексообразования в растворе электролита.
Толстопленочный концентратор магнитного поля формировался методом электрохимического осаждения пермаллоя с использованием фоторезистивной маски на металлизированную поверхность кристалла при выбранном режиме плотности тока 14 мА^м2 в соответствии с полученной зависимостью магнитных параметров концентратора от толщины осаждаемой пленки пермаллоя при комнатной температуре электролита [3]. При толщине пленки 4 и 12 мкм коэрцитивная сила составляла соответственно 5 и 3,5 Э, магнитный поток намагничивания -20 и 40 нВб. Намагничивание возрастает с увеличением толщины пленки.
В конструкции цифровых изоляторов с гальванической развязкой используется магнитный экран. Локальная область осаждаемого пермаллоя определяется фоторезистивной маской, ограничивающей область на металлизированной основе из никеля. Пленка никеля толщиной 0,2 мкм в данном случае является катодом при электрохимическом осаждении пермаллоя. В качестве анодного электрода применяется никелевая фольга. Значение тока при фиксированной площади осаждения определяет стехиометри-ческий состав пленки пермаллоя и, соответственно, ее магнитные свойства.
Толщина пленок концентраторов магнитного поля измерялась с помощью анализатора микросистем MSA-500. Результаты приведены на рис.1 в зависимости от времени выдержки электролита. Толщина
2
0 5 10 15 20
Время выдержки электролита, дни
Рис. 1. Зависимость толщины пленки от времени выдержки электролита
концентраторов немного уменьшается при увеличении выдержки. Высокая намагниченность связана с составом пленки. На плато - основной плоскости концентратора - состав пленки близок к составу пермаллоя Fe-19%/Ni-81% на всех пластинах с подогревом электролита. Край концентратора немного тоньше и содержит больше железа. Дефекты типа «снег» имеют много железа и примеси Si, Л!, O, S, Р, С, Сг, О.
Порция электролита перед заливкой в электрохимическую ячейку нагревалась до температуры 50, 60, 70 или 80 °С, оптимальной оказалась температура 70оС. Основной параметр процесса - ток через электроды - поддерживался одинаковым. Нагрев электролита улучшает адгезию или уменьшает напряжение в слое, а главное, выравнивает толщину концентраторов. Исследование магнитных характеристик концентраторов магнитного поля в составе пластин проведено на анализаторе магнитных свойств пленок МЕSA-200. При использовании нагретого электролита увеличивается намагниченность и уменьшается коэрцитивная сила. Отжиг пластин до 120 °С не изменяет магнитных свойств полученных концентраторов, что свидетельствует о независимости магнитных свойств от структуры пленки. Магнитные свойства пленки пермаллоя определяются ее составом в отличие от описанных в работе [1].
В качестве анодного электрода при осаждении использовалась никелевая фольга. Перед процессом осаждения фольга зачищалась в неразбавленном травителе Мальцева и в травителе для алюминия. При зачистке анода в травителе для алюминия получается наибольшая намагниченность, что свидетельствует о высокой магнитной проницаемости пленки пермаллоя в концентраторе.
Исследование влияния времени выдержки электролита на характер пленки до проведения процесса осаждения выполнено на образцах, изготовленных с никелевым электродом, протравленным в травителе для алюминия. На восьмой день использования электролита с отбором порции на каждый процесс осаждения на пленке концентратора практически отсутствовали дефекты типа «снега» и электролит имел светлый желто-зеленый цвет. Можно считать эту выдержку оптимальной. При этом наблюдаются наилучшие магнитные свойства пленок. В середине пластины пленка концентратора практически чистая и нет краев, обогащенных железом, что, очевидно, связано с растеканием тока по пластине и краям концентратора. На пластинах с временем выдержки 8-11 дней получены следующие магнитные свойства: магнитный поток намагничивания - 81 нВб, коэрцитивная сила -менее 1 Э.
Нагрев электролита обеспечивает получение ровной пленки пермаллоя толщиной 9,4 мкм и среднеквадратичным отклонением 0,4 мкм. Состав пленок на плато близок к пермаллою на всех пластинах с подогревом электролита.
Выдержка электролита и нагрев электролита, химическая обработка электрода позволяют получать пленки пермаллоя с высокими магнитными параметрами и с малым количеством дефектов на поверхности концентраторов, что необходимо для цифровых изоляторов с гальванической развязкой (рис.2).
Исследование толщины пленок пермаллоя и магнитных свойств проводилось с использованием оборудования ЦКП «Функциональный контроль и диагностика микро- и наносистемной техники НПК «Технологический центр», исследование состава пленочных концентраторов магнитного поля - с использованием оборудования ЦКП «Диагностика и модификация микро-и наноструктур» МИЭТ с помощью энергодисперсионного рентгеновского микроанализатора РЬШр8ХЬ 40.
Работа выполнена при финансовой поддержкеМинобрнауки России (ГК№ 14.427.12.0002).
Литература
1. Wurz M. C., Dinulovic D., Gatzen H.H. Investigation of permeability on electroplated and sputtered permalloy // Proc. 8th Int. Symposium on Materials, Processes and Devices, 206th Meet. of the Electrochemical Society. Honolulu, Hawaii, 2004. - P. 526-536.
2. Электрохимическая ячейка для получения пористых анодных окислов металлов и полупроводников / А.Н. Белов, С.А. Гаврилов, Ю.А. Демидов и др. // Патент РФ №2332528. 2008. Бюл. № 24.
3. Создание интегральных компонентов усиления магнитного сигнала в беспроводной МЭМС на основе магни-торезистивных элементов / В.В. Амеличев, В.В. Аравин, А.Н. Белов и др. // Нано- и микросистемная техника. -2013. - № 3. - С. 29-33.
4. Почкина С.Ю., Ченцова Е.В. Структурные превращения в объеме электролита для осаждения сплава системы цинк-никель-кобальт// Нанотехнологии. Наука и производство. - 2014. - № 4. - С. 43-44.
Шаманаев Сергей Владимирович - генеральный директор ООО «ШШ «Технология» (г. Москва). Область научных интересов: конструирование и производство радиоэлектронной аппаратуры.
Тихонов Роберт Дмитриевич - кандидат технических наук, старший научный сотрудник НПК «Технологический центр» (г. Москва). Область научных интересов: проектирование и исследование биполярных и КМОП интегральных микросхем. E-mail: [email protected]
Черемисинов Андрей Андреевич - кандидат технических наук, заместитель начальника лаборатории НПК «Технологический центр» (г. Москва). Область научных интересов: исследование характеристик биполярных интегральных микросистем.
Генералов Сергей Сергеевич - начальник лаборатории НПК «Технологический центр» (г. Москва). Область научных интересов: исследование и разработка МЭМС.
Горелов Дмитрий Викторович - инженер 1 категории НПК «Технологический центр» (г. Москва). Область научных интересов: исследование и разработка МЭМС.
Поломошнов Сергей Александрович - кандидат технических наук, начальник лаборатории НПК «Технологический центр» (г. Москва). Область научных интересов: физика и технология элементов ИС и МЭМС.
Казаков Юрий Владимирович - младший научный сотрудник НПК «Технологический центр» (г. Москва). Область научных интересов: проектирование и исследование магнито-чувствительных МЭМС.
Амеличев Владимир Викторович - кандидат технических наук, начальник отдела НПК «Технологический центр» (г. Москва). Область научных интересов: моделирование биполярных интегральных микросистем.
Вниманию читателей журнала «Известия высших учебных заведений. Электроника»
• Научной электронной библиотеки: www.elibrary.ru •Национального цифрового ресурса «Рукопт»: WWW.rucont.ru
Поступило после доработки 2 февраля 2015 г.
Л
Оформить годовую подписку на электронную копию журнала можно на сайтах
Ч
J
