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WO2011142416A1 - フラックスゲートセンサの製造方法 - Google Patents

フラックスゲートセンサの製造方法 Download PDF

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WO2011142416A1
WO2011142416A1 PCT/JP2011/060939 JP2011060939W WO2011142416A1 WO 2011142416 A1 WO2011142416 A1 WO 2011142416A1 JP 2011060939 W JP2011060939 W JP 2011060939W WO 2011142416 A1 WO2011142416 A1 WO 2011142416A1
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WO
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magnetic
layer
temperature
manufacturing
forming
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PCT/JP2011/060939
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English (en)
French (fr)
Inventor
賢一 大森
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Fujikura Ltd
Original Assignee
Fujikura Ltd
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Publication date
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Priority to JP2012514828A priority patent/JP5625053B2/ja
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Priority to US13/671,035 priority patent/US20130064991A1/en
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    • H—ELECTRICITY
    • H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H05K—PRINTED CIRCUITS; CASINGS OR CONSTRUCTIONAL DETAILS OF ELECTRIC APPARATUS; MANUFACTURE OF ASSEMBLAGES OF ELECTRICAL COMPONENTS
    • H05K3/00—Apparatus or processes for manufacturing printed circuits
    • H05K3/10—Apparatus or processes for manufacturing printed circuits in which conductive material is applied to the insulating support in such a manner as to form the desired conductive pattern
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01R—MEASURING ELECTRIC VARIABLES; MEASURING MAGNETIC VARIABLES
    • G01R33/00—Arrangements or instruments for measuring magnetic variables
    • G01R33/0052—Manufacturing aspects; Manufacturing of single devices, i.e. of semiconductor magnetic sensor chips
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01R—MEASURING ELECTRIC VARIABLES; MEASURING MAGNETIC VARIABLES
    • G01R33/00—Arrangements or instruments for measuring magnetic variables
    • G01R33/02—Measuring direction or magnitude of magnetic fields or magnetic flux
    • G01R33/04—Measuring direction or magnitude of magnetic fields or magnetic flux using the flux-gate principle

Definitions

  • the present invention relates to a method for manufacturing a fluxgate sensor.
  • the present invention relates to a method for manufacturing a thin film fluxgate sensor employed in an electronic compass used in a mobile phone or the like.
  • a sensor used inside is a thin film fluxgate sensor.
  • FIG. 4 is a plan view showing a schematic configuration of the thin film fluxgate sensor.
  • 5A and 5B are cross-sectional views of the thin film fluxgate sensor shown in FIG.
  • FIG. 5A shows an AA portion of the thin film fluxgate sensor shown in FIG.
  • FIG. 5B shows a BB portion of the thin film fluxgate sensor shown in FIG.
  • the thin film fluxgate sensor includes a first wiring layer 1, a first insulating resin layer 2, a magnetic film 3, a second insulating resin layer 4, and a second wiring. Layer 5.
  • a protective film that normally covers the second wiring layer 5 is also provided.
  • Patent Document 1 and Patent Document 2 The manufacturing method of such a thin film fluxgate sensor is disclosed in Patent Document 1 and Patent Document 2, for example.
  • a metal film such as aluminum (Al) is formed as the first wiring layer 1.
  • an inorganic oxide film such as silicon oxide (SiO 2 ) is formed as the first insulating resin layer 2 by sputtering or chemical vapor deposition (CVD).
  • CVD chemical vapor deposition
  • the magnetic characteristics are deteriorated due to the unevenness of the underlying first wiring layer 1. Therefore, after the first insulating resin layer 2 is formed thick, a flattening process by an etch back method or chemical mechanical polishing (CMP) is required.
  • CMP chemical mechanical polishing
  • etching is performed by a technique such as dry etching.
  • a technique such as dry etching.
  • Patent Document 3 a thin film magnetic sensor using photosensitive polyimide is proposed and disclosed.
  • photosensitive polyimide an etching process for the insulating resin layer becomes unnecessary.
  • photosensitive polyimide unevenness due to the underlying wiring is reduced, and a planarization process for the insulating resin layer becomes unnecessary. Thereby, it becomes possible to manufacture at low cost.
  • FIG. 6A a seed layer is sputtered on the nonmagnetic substrate 10 to form a resist mask, and then electroplating is performed, and the seed layer is removed by etching. Thereby, the 1st wiring layer 1 used as the lower layer wiring of a solenoid coil is formed.
  • FIG. 6B photosensitive polyimide is applied to the first wiring layer 1, exposed, developed, and thermally cured. Thereby, the 1st insulating resin layer 2 which has the opening part 8 to which the wiring of a solenoid coil is connected is formed. Further, as shown in FIG.
  • a magnetic film 3 is formed by sputtering, and a core made of a soft magnetic material is formed by performing lift-off.
  • Heat treatment is performed in a static magnetic field.
  • the magnetic film 3 is covered, photosensitive polyimide is applied, exposed, developed, and thermally cured.
  • the 2nd insulating resin layer 4 which has the opening part 9 to which the wiring of a solenoid coil is connected is formed.
  • the seed layer is sputtered and the resist mask is formed on the second insulating resin layer 4 in the same manner as the first wiring layer 1, and then electroplating is performed to etch the seed layer. Remove with.
  • the second wiring layer 5 serving as the upper layer wiring of the solenoid coil is formed.
  • the second wiring layer 5 is provided with an electrode pad (not shown) for connection to the outside.
  • a protective film (not shown) in which an opening is provided in an electrode portion connected to the outside is formed.
  • FIGS. 7A and 7B The sensor element manufactured as described above is formed by a solenoid-like magnetic coil and a pickup coil.
  • the triangular current shown in the upper part of FIG. 7A is conducted to this magnetic coil.
  • the horizontal axis is time t.
  • a magnetic field H exc is generated around the magnetic coil.
  • the middle part of FIG. 7A is a graph showing changes in the magnetization state of the core excited by the magnetic field H exc of the magnetic coil.
  • the magnetic coil has the BH characteristic shown in FIG. 7B.
  • the exciting current becomes greater than or less than a certain value
  • the magnetization state is saturated and assumes a certain value.
  • a spike-like voltage in the voltage of the pickup coil is generated at the change point of the magnetization state in the core.
  • the magnetization state of the core is as shown by the solid line in the middle of FIG. 7A.
  • the voltage of the pickup coil is shown by the solid line in the lower part of FIG. 7A.
  • the magnetization characteristics also change as shown in FIG. 7B according to the sign of the external magnetic field H ext .
  • FIG. 7B the case where the alternate long and short dash line is H ext > 0 is shown, and the case where the two-dot chain line is H ext ⁇ 0 is shown.
  • the magnetization state of the core also changes as shown in the middle stage of FIG. 7A in accordance with the sign of the external magnetic field H ext .
  • a one-dot chain line indicates a case where H ext > 0, and a two-dot chain line indicates a case where H ext ⁇ 0.
  • the temporal position at which the spike-like voltage is generated in the pickup coil voltage also changes as shown in the lower part of FIG. 7A according to the sign of the external magnetic field H ext .
  • a case where the alternate long and short dash line is H ext > 0
  • a case where the two-dot chain line is H ext ⁇ 0 are shown.
  • the magnitude and direction of the external magnetic field H ext can be determined from the time interval between the pulse-like waveforms of the voltage of the pickup coil.
  • the time t 1 in the lower part of FIG. 7A are represented by the formula (1)
  • the time t 2 is expressed by Equation (2).
  • Hc is the coercivity of the magnetic coil
  • Td is the delay time. Therefore, when (t 2 ⁇ t 1 ) is calculated, the equation (3) is obtained.
  • the linearity of the sensor output depends on the linearity of the current value of the triangular wave with respect to time and the linearity of the magnetic flux density of the core with respect to the excitation magnetic field generated by the magnetic coil and the external magnetic field to be detected.
  • the change in the time interval at which the pickup voltage appears with respect to the external magnetic field changes along the magnetization curve of the magnetic film. Therefore, the deterioration of the linearity of the magnetization curve directly leads to the deterioration of the linearity of the sensor output.
  • a material having excellent magnetization curve linearity is desirable as a material for the magnetic film.
  • examples of such materials include Co-based amorphous materials such as CoFeSiB, CoNbZr, and CoTaZr, and soft magnetic materials such as NiFe and CoFe.
  • Co-based amorphous materials such as CoFeSiB, CoNbZr, and CoTaZr
  • soft magnetic materials such as NiFe and CoFe.
  • the film forming temperature when forming the magnetic film 3 (magnetic layer), the temperature of the heat treatment in the magnetic field, and the temperature of the thermosetting treatment for the polyimide when forming the second insulating resin layer 4 is there.
  • the highest temperature is referred to as “process temperature”.
  • the polyimide is deformed by contraction, and the first The magnetic film 3 formed on the one insulating resin layer is also deformed.
  • Tg glass transition temperature
  • the characteristics of the magnetic film 3 deteriorate. That is, as shown by the magnetization curve (BH curve) in FIG. 8, the linearity of the magnetization curve deteriorates as the coercive force increases.
  • the linearity of the output characteristics of the sensor using the magnetic film in which the linearity of the magnetization curve is thus deteriorated is also deteriorated.
  • the present invention provides a method of manufacturing a fluxgate sensor that does not impair the linearity of the magnetization curve of the magnetic layer (magnetic film).
  • the manufacturing method of the fluxgate sensor includes a first step of forming a first wiring layer on a substrate and a second step of forming a first insulating layer made of a first resin so as to cover the first wiring layer. And a third step of forming a magnetic layer formed on the first insulating layer and forming a core of the fluxgate, and a second step comprising a second resin on the first insulating layer so as to cover the magnetic layer
  • a fluxgate sensor manufacturing method comprising at least a fourth step of forming two insulating layers and a fifth step of forming a second wiring layer on the second insulating layer, wherein the first wiring layer And the second wiring layer are electrically connected to constitute a magnetic coil and a pickup coil, respectively, and at least the temperature of the process in each of the third, fourth and fifth steps is Than the glass transition temperature of the first resin.
  • Comb may be.
  • the glass transition temperature of the first resin may be higher than 300 ° C.
  • the temperature of the process in the third step is the higher one of the first temperature at the time of forming the magnetic layer or the second temperature at the time of heat treatment in a magnetic field performed after forming the magnetic layer. May be the temperature.
  • the third step includes a first process for forming a cobalt-based soft magnetic film by sputtering, and a second process for controlling the induced magnetic anisotropy in the magnetic layer after the heat treatment in the magnetic field. It may consist of
  • the first and second resins may be the same material photosensitive polyimide.
  • the thermosetting temperature of the first resin may be 350 ° C. to 400 ° C.
  • the thermosetting temperature of the second resin may be 250 ° C. to 300 ° C.
  • the method for manufacturing a fluxgate sensor of the present invention it is possible to obtain a fluxgate sensor in which deterioration of linearity of magnetic characteristics due to an increase in coercive force of a magnetic film is suppressed and good output characteristics are maintained. According to the method for manufacturing a fluxgate sensor of the present invention, it is possible to eliminate the influence of the thermosetting temperature when forming the second insulating layer. According to the method for manufacturing a fluxgate sensor of the present invention, a sufficient temperature (250 ° C. to 300 ° C.) can be adopted as the temperature of thermosetting when forming the second insulating layer.
  • the method for manufacturing a fluxgate sensor of the present invention it is possible to cope with the film forming temperature regardless of the magnitude of the temperature of the heat treatment in the magnetic field. According to the method for manufacturing a fluxgate sensor of the present invention, the process of forming the magnetic layer can be clarified. According to the method for manufacturing a fluxgate sensor of the present invention, a resin having a high thermosetting temperature can be employed as the resin for the first insulating layer, unlike the resin for the second insulating layer.
  • the flowchart which shows the procedure in one Embodiment of the manufacturing method of the fluxgate sensor which concerns on this invention.
  • the top view which shows schematic structure of a thin film fluxgate sensor. Sectional drawing of the thin film fluxgate sensor shown in FIG. Sectional drawing of the thin film fluxgate sensor shown in FIG.
  • the figure for demonstrating the manufacturing process of a thin film fluxgate sensor The figure for demonstrating the manufacturing process of a thin film fluxgate sensor.
  • the figure for demonstrating the manufacturing process of a thin film fluxgate sensor The figure for demonstrating the manufacturing process of a thin film fluxgate sensor.
  • the figure for demonstrating the manufacturing process of a thin film fluxgate sensor The figure for demonstrating the manufacturing process of a thin film fluxgate sensor.
  • the figure for demonstrating the principal point of an operation principle The figure for demonstrating the principal point of an operation principle.
  • FIG. 1 is a flowchart showing a procedure of an embodiment of a method for manufacturing a fluxgate sensor of the present invention.
  • a seed layer is sputtered on a nonmagnetic substrate to form a resist mask, and then electroplating is performed, and the seed layer is removed by etching. .
  • the 1st wiring layer 1 used as the lower layer wiring of a solenoid coil is formed.
  • step S2 photosensitive polyimide is applied to the first wiring layer 1, exposed, developed, and thermally cured. Thereby, the 1st insulating resin layer 2 which has the opening part to which the wiring of a solenoid coil is connected is formed.
  • Tg glass transition temperature
  • step S3 after a lift-off resist is formed on the first insulating resin layer 2, the magnetic film 3 is formed by sputtering and lift-off is performed. As a result, a core made of a soft magnetic material is formed.
  • the film-forming temperature at the time of forming the magnetic film 3 is made lower than the glass transition temperature (Tg) of the polyimide adopted for the first insulating resin layer 2.
  • the magnetic film 3 used at this time is preferably a Co-based amorphous material such as CoFeSiB, CoNbZr, or CoTaZr, or a NiFe or CoFe-based soft magnetic material.
  • step S4 a rotating magnetic field is used in order to remove the residual stress incidental to the formation of the soft magnetic film and the non-uniform induced magnetic anisotropy generated by the magnetic field in the sputtering apparatus.
  • Heat treatment is performed in a medium or in a static magnetic field.
  • the temperature in the heat treatment in the magnetic field is set lower than the glass transition temperature (Tg) of the polyimide employed for the first insulating resin layer 2 as in step S3.
  • FIG. 2 shows the relationship between the heat treatment temperature in a magnetic field and the coercive force in a CoNbZr film formed on two types of polyimides having different glass transition temperatures (Tg).
  • FIG. 2 shows two types of polyimides A and B and a silicon substrate.
  • the glass transition temperatures (Tg) of polyimides A and B are 350 ° C. and 320 ° C., respectively.
  • the coercive force increases.
  • the coercive force increases when the temperature exceeds 320 ° C. That is, in any case, when the heat treatment temperature in the magnetic field exceeds the glass transition temperature, the coercive force is increased, which indicates that there is a high possibility of adversely affecting the linearity of the magnetization curve.
  • the underlying polyimide on which the coercive magnetic film is formed is softened by heat treatment at a temperature exceeding the glass transition temperature, and the elastic modulus is significantly reduced. For this reason, the strain due to the stress of the magnetic film formed on the underlying polyimide is remarkably increased. Thereby, it is considered that the anisotropic energy of the magnetic film increases due to the inverse magnetostriction effect, and the coercive force increases.
  • the coercive force remains small even when the heat treatment temperature in the magnetic field is 400 ° C.
  • the heat treatment temperature in the magnetic field is set to 350 ° C. or lower
  • the temperature is set to 320 ° C. or lower.
  • the temperature of the heat treatment in the steps performed after the step of forming the magnetic film is the first insulating resin layer. It is desirable that the temperature is lower than the glass transition temperature of the resin employed in 2.
  • step S5 the magnetic film 3 is covered, photosensitive polyimide is applied, exposed, developed, and thermally cured. Thereby, the second insulating resin layer 4 having an opening to which the wiring of the solenoid coil is connected is formed.
  • the thermosetting temperature at this time is also lower than the glass transition temperature (Tg) of the polyimide employed for the first insulating resin layer 2.
  • Tg glass transition temperature
  • step S6 similarly to the first wiring layer 1, the seed layer is sputtered on the second insulating resin layer 4 to form a resist mask, and then electroplating is performed, and the seed layer is removed by etching. To do.
  • the second wiring layer 5 serving as the upper layer wiring of the solenoid coil is formed.
  • the second wiring layer 5 is provided with an electrode pad (not shown) for connection to the outside.
  • thermosetting temperature is lower than the glass transition temperature (Tg) of the polyimide employed for the first insulating resin layer 2, and the treatment is performed by a rotating magnetic field or a static magnetic field. It is preferable to carry out in a state where is applied.
  • the first wiring layer 1 serving as the lower layer wiring of the solenoid coil and the second wiring layer 5 serving as the upper layer wiring are formed on the first insulating resin layer 2 and the second insulating resin layer 4.
  • the configuration (hereinafter referred to as “configuration A”) that is electrically connected through the respective openings provided in detail has been described.
  • an insulating resin layer composed of the first insulating resin layer 2 and the second insulating resin layer 4 is provided only in the internal space of the solenoid coil composed of the first wiring layer 1 and the second wiring layer 5.
  • the magnetic film 3 may be included by the first insulating resin layer 2 and the second insulating resin layer 4.
  • the second wiring layer 5 is provided along the outer peripheral side surface of the first insulating resin layer 2 and the second insulating resin layer 4 laminated thereon, and is electrically connected to the first wiring layer 1 ( Not shown, hereinafter referred to as “Configuration B”).
  • the first insulating resin layer 2 and the second insulating resin layer 4 are formed so that both ends of the first wiring layer 1 are exposed, and then the resist mask in step S6 is used as the second insulating resin. After forming on the layer 4 and the first wiring layer 1, it can be produced by performing electroplating and removing the seed by etching.
  • the magnetization curve (BH curve) of the magnetic film after the manufacturing process is shown in FIG. Shown in As shown in FIG. 3A, good linearity is maintained. The output characteristics of the sensor at that time are shown in FIG. 3B. As shown in FIG. 3B, if the linearity of the magnetic film is maintained, the output characteristics are also maintained well.
  • the film formation temperature, the heat treatment temperature in the magnetic field, the heat treatment temperature of the second insulating resin layer, and the like are lower than the glass transition temperature (Tg) of the polyimide employed in the first insulating resin layer.
  • Tg glass transition temperature
  • the thermosetting temperature of polyimide is low, it is difficult to ensure sufficient resistance to chemicals during the process. Therefore, the thermosetting temperature is preferably about 250 ° C. to 300 ° C.
  • the assembly process of the sensor module and the solder reflow temperature when the sensor is mounted on the substrate are about 260 ° C.
  • the glass transition temperature of the resin employed for the first insulating resin layer is lower than the solder reflow temperature, the coercive force of the magnetic film increases due to heating during solder reflow, and therefore the linearity of the magnetic characteristics of the sensor deteriorates. Therefore, it is desirable that the glass transition temperature of the resin employed for the first insulating resin layer is sufficiently higher than the solder reflow temperature.
  • the glass transition temperature (Tg) of polyimide used for the first insulating resin layer is preferably 300 ° C. or higher. That is, it is possible to obtain a fluxgate sensor that has excellent reflow temperature resistance and maintains good output characteristics.
  • Tg glass transition temperature
  • the above-described embodiment is an example, and those skilled in the art can conceive various aspects that embody the gist of the invention.
  • the present invention is not limited to this, and for example, a photosensitive resin material such as polybenzoxazole or cresol novolac resin. But you can.
  • the glass transition temperature (Tg) is 300 ° C. or higher, and the material can be thermoset at a temperature of about 250 ° C. to 300 ° C.
  • the thermosetting temperature of the material used for the first insulating resin layer is preferably about 350 ° C. to 400 ° C.
  • the photosensitive polyimide which is a photosensitive material
  • non-photosensitive polyimide is used. May be.
  • This non-photosensitive polyimide generally has a glass transition temperature higher than that of the photosensitive polyimide and exists up to about 400 ° C. Therefore, when non-photosensitive polyimide is employed, the temperature at which the restriction is provided according to the present invention can be set to about 400 ° C.
  • the electroplating method is used as the wiring forming method.
  • electroless plating or a conductive material such as aluminum (Al), gold (Au), or copper (Cu) formed by sputtering is used. It may be formed by etching.
  • the manufacturing method of the present invention can be applied to a thin film fluxgate sensor employed in an electronic compass used for a mobile phone or the like.
  • the manufacturing method of the present invention can be applied to a current sensor that detects a magnetic field generated by a current and measures a current value, or a thin film fluxgate sensor that is employed in a magnetic rotary encoder or linear encoder.
  • the present invention can be applied to a thin film fluxgate sensor employed in a device that detects magnetic particles containing a magnetic material or foreign matter.

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Abstract

　基板上に第一配線層を形成する第１の工程と、前記第一配線層を覆うように第１の樹脂からなる第一絶縁層を形成する第２の工程と、前記第一絶縁層上に形成され、フラックスゲートのコアをなす磁性層を形成する第３の工程と、前記磁性層を覆うように前記第一絶縁層上に第２の樹脂からなる第二絶縁層を形成する第４の工程と、前記第二絶縁層上に第二配線層を形成する第５の工程と、を少なくとも有するフラックスゲートセンサの製造方法であって、前記第一配線層と前記第二配線層とが、磁気コイルと、ピックアップコイルとを各々構成するように電気的に接続され、少なくとも、前記第３、第４及び第５の工程の各々におけるプロセスの温度は、前記第１の樹脂のガラス転移温度よりも低いことを特徴とするフラックスゲートセンサの製造方法。

Description

フラックスゲートセンサの製造方法
　本発明は、フラックスゲートセンサの製造方法に関する。特に、携帯電話等に使用される電子方位計内に採用されている薄膜フラックスゲートセンサの製造方法に関する。
　本願は、２０１０年５月１２日に、日本に出願された特願２０１０－１１０２２９号に基づき優先権を主張し、その内容をここに援用する。
　携帯電話や、ポータブルナビゲーションデバイス、ゲームコントローラ等においては、電子方位計が使用されている。機器全体の小型化を目的として、この電子方位計についても、小型集積化が要望されている。小型集積化の実現手段として、内部に使用するセンサを薄膜フラックスゲートセンサとする手法がある。
　図４は、薄膜フラックスゲートセンサの概略構成を示す平面図である。図５Ａおよび図５Ｂは図４に示した薄膜フラックスゲートセンサの断面図である。図５Ａは図４に示した薄膜フラックスゲートセンサのＡ－Ａ部分を表す。図５Ｂは図４に示した薄膜フラックスゲートセンサのＢ－Ｂ部分を表す。
　図４、図５Ａおよび図５Ｂに示すように、薄膜フラックスゲートセンサは、第一配線層１と、第一絶縁樹脂層２と、磁性膜３と、第二絶縁樹脂層４と、第二配線層５とを備える。なお、図示していないが、通常、第二配線層５を覆う保護膜も備える。
　かかる薄膜フラックスゲートセンサの製造方法は、例えば、特許文献１や特許文献２に開示されている。これらの文献に開示された製造方法においては、第一配線層１として、アルミニウム（Ａｌ）等の金属膜を成形する。その後に、第一絶縁樹脂層２として、酸化ケイ素（ＳｉＯ２）等の無機系酸化膜をスパッタリングや化学気相成長法（ＣＶＤ：Chemical Vapor Deposition）により成膜している。このとき、下地の第一配線層１による凹凸により磁気特性が劣化する。従って、該第一絶縁樹脂層２を厚く成膜した後に、エッチバック法や化学機械研磨（ＣＭＰ：Chemical Mechanical Polishing）による平坦化処理が必要となる。また、第一絶縁樹脂層２および第二絶縁樹脂層４に、下層の第一配線層１との接続をとるための開口部を設ける必要がある。フォトリソグラフィによりレジストパターンを形成した後、ドライエッチング等の手法によりエッチングを行っている。かかるプロセスを採用した場合、工数が多くなるうえに大掛かりな製造装置が必要となる。これにより、センサの製造コストが高くなる。
　そこで、例えば、特許文献３において、感光性ポリイミドを用いた薄膜磁気センサが提案され、開示されている。感光性ポリイミドを採用することにより絶縁樹脂層のエッチング工程が不要になる。更に、感光性ポリイミドを塗布することにより下地配線による凹凸が低減され、絶縁樹脂層に対する平坦化処理の工程が不要になる。これにより、安価に製造することが可能になる。
　以下では、図６Ａ～図６Ｅを参照して、かかる構成の薄膜フラックスゲートセンサの製造方法について、更に全体の概略説明を行う。
　まず、図６Ａのように、非磁性基板１０上にシード層をスパッタリングし、レジストマスクを形成した後、電解めっきを行い、エッチングにより上記シード層を除去する。これにより、ソレノイドコイルの下層配線となる第一配線層１を形成する。
　次に、図６Ｂのように、第一配線層１に対し、感光性ポリイミドを塗布し、露光し、現像し、熱硬化する。これにより、ソレノイドコイルの配線が接続される開口部８を有する第一絶縁樹脂層２を形成する。
　更に、図６Ｃのように、第一絶縁樹脂層２に対し、リフトオフレジストを形成した後に、磁性膜３をスパッタリングにより成膜し、リフトオフを行うことで軟磁性体からなるコアを形成する。
　また次に、軟磁性膜を成膜した際に付帯することとなった残留応力や、スパッタリング装置内の磁場により生じた不均一な誘導磁気異方性を除去するために、回転磁場中、又は静磁場中にて熱処理を行う。
　また更に、図６Ｄのように、磁性膜３を覆って、感光性ポリイミドを塗布し、露光し、現像し、熱硬化する。これにより、ソレノイドコイルの配線が接続される開口部９を有する第二絶縁樹脂層４を形成する。
　続いて、図６Ｅのように、第一配線層１と同様に、第二絶縁樹脂層４に対し、シード層をスパッタリングし、レジストマスクを形成した後、電解めっきを行い、上記シード層をエッチングにより除去する。これにより、ソレノイドコイルの上層配線となる第二配線層５を形成する。なお、この第二配線層５には、外部と接続するための図示しない電極パッドが設けられる。
　最後に、外部と接続する電極部に開口を設けた、図示しない保護膜を形成する。
　ここで、以上の手順で製造された薄膜フラックスゲートセンサの動作原理の要点を、図７Ａ及び図７Ｂを参照して説明する。
　上述のように製造されたセンサ素子は、ソレノイド状の磁気コイルとピックアップコイルで形成される。この磁気コイルに対して、図７Ａの上段に示した三角波電流を導通させる。ただし、図７Ａにおいて、横軸は時間ｔである。これにより磁気コイル周辺に磁界Ｈｅｘｃが発生する。図７Ａの中段は、この磁気コイルの磁界Ｈｅｘｃにより励磁されたコアの磁化状態の変化を示すグラフである。ここで、磁気コイルは、図７Ｂに示すＢ－Ｈ特性を有している。このＢ－Ｈ特性に応じて、励磁電流が一定値以上又は以下になると、磁化状態は飽和して一定値をとる。このとき、図７Ａの下段に示すように、コア内の磁化状態の変化点において、ピックアップコイルの電圧におけるスパイク状の電圧が発生する。
　ここで、外部磁界Ｈｅｘｔが加わっていない場合（Ｈｅｘｔ＝０）、コアの磁化状態は、図７Ａの中段の実線で示したものとなる。ピックアップコイルの電圧は、図７Ａの下段の実線で示したものとなる。
　次に、外部磁界Ｈｅｘｔが加わっている場合（Ｈｅｘｔ＜０またはＨｅｘｔ＞０）を考える。このとき、外部磁界Ｈｅｘｔの正負に応じて、磁化特性も図７Ｂに示すように変化する。図７Ｂにおいて、一点鎖線がＨｅｘｔ＞０の場合を示しており、二点鎖線がＨｅｘｔ＜０の場合を示している。従って、外部磁界Ｈｅｘｔの正負に応じて、コアの磁化状態も図７Ａの中段のように変化する。図７Ａの中段において、一点鎖線がＨｅｘｔ＞０の場合を示しており、二点鎖線がＨｅｘｔ＜０の場合を示している。更に、外部磁界Ｈｅｘｔの正負に応じて、ピックアップコイルの電圧におけるスパイク状の電圧が発生する時間的位置も図７Ａの下段のように変化する。図７Ａの下段において、同様に、一点鎖線がＨｅｘｔ＞０の場合を示しており、二点鎖線がＨｅｘｔ＜０の場合を示している。外部磁界が加わっていない場合に対して、外部磁界Ｈｅｘｔが加わっている場合（Ｈｅｘｔ＜０またはＨｅｘｔ＞０）は、時間的に前後にシフトする。したがって、ピックアップコイルの電圧のパルス状波形同士の時間間隔から、外部磁界Ｈｅｘｔの大きさと向きが分かる。
　このとき、図７Ａの下段における時間ｔ１は式（１）で表され、時間ｔ２は式（２）で表される。ここで、Ｈｃは、磁気コイルの保磁力であり、Ｔｄは、遅延時間である。そこで（ｔ２－ｔ１）を算出すると、式（３）となる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000001
　この式（３）から、磁気コイルの保磁力に起因するヒステリシスの影響を取り除くことができることが分かる。更に、カウンタを用いたデジタル検出が可能である。したがって、アナログ／デジタル変換時の誤差の影響を取り除くことができ、線形性の良好なセンサを構成することができる。
　このとき、センサ出力の線形性は、三角波の電流値の対時間線形性と、磁気コイルにより発生する励磁磁界および検出対象である外部磁界に対するコアの磁束密度の線形性とに依存する。外部磁界に対するピックアップ電圧の現れる時間間隔の変化は、磁性膜の磁化曲線に沿って変化する。そのため、磁化曲線の線形性の悪化は、センサ出力の線形性の悪化に直接的につながる。
　従って、理論的に保磁力は相殺されるとはいうものの、磁化曲線の直線性に優れたものが、磁性膜の材料としては望ましい。かかる材料としては、例えば、ＣｏＦｅＳｉＢやＣｏＮｂＺｒ、ＣｏＴａＺｒなどのＣｏ系アモルファス材料、ならびにＮｉＦｅやＣｏＦｅなどの軟磁性材料が挙げられる。このように、磁化曲線の線形性の優れた軟磁性体をコアに使用した場合、良好な線形性を有するセンサ素子が得られる。
特許第２７３０４６７号公報 国際公開２００７／１２６１６４号パンフレット 特開２００８－２７５５７８号公報
　かかるセンサの製造過程においては、前述のように、感光性ポリイミドによる第一絶縁樹脂層２を形成した後に、熱が加わるいくつかの過程を経る。すなわち、磁性膜３（磁性層）を成膜する際の成膜温度であり、磁場中熱処理の温度であり、また、第二絶縁樹脂層４を形成する際のポリイミドに対する熱硬化処理の温度である。なお、ここでは、各工程で行われる熱処理の温度のうち、もっとも高い温度を「プロセスの温度」と称する。
　ここで、それらの熱処理の温度が、磁性膜が成膜される下地となるポリイミドの第一絶縁樹脂層２のガラス転移温度（Ｔｇ）よりも高いと、ポリイミドが収縮することによって変形し、第一絶縁樹脂層の上に形成された磁性膜３も変形してしまう。その結果、磁性膜３の応力状態が変化するので磁性膜３の特性が悪化する。すなわち、図８の磁化曲線（Ｂ－Ｈ曲線）に示すように、保磁力が増大するのに伴って、磁化曲線の線形性が悪化する。また、このように磁化曲線の線形性が悪化した磁性膜を使用したセンサの出力特性の線形性も悪化する。
　このように出力特性の線形性が悪化したセンサでは、特に、励磁磁界のように正負の磁界を交互に印加する場合において、磁界が、正から負、負から正というように交互に印加されたときに磁束密度の変化が異なる。したがって、外部磁界が重畳されたときのピックアップ電圧の波形に歪が生じ易くなる。また、ヒステリシスコンパレータなどにより電圧基準点を設けて時間を検出する場合、外部磁界の印加により波形の歪が大きくなると、ピックアップ電圧が電圧基準点に達する時間間隔が外部磁界に対して線形でなくなり、センサの出力特性の線形性が著しく悪化する。
　本発明は、磁性層（磁性膜）の磁化曲線の線形性を損なうことのないフラックスゲートセンサの製造方法を提供する。
　フラックスゲートセンサの製造方法は、基板上に第一配線層を形成する第１の工程と、前記第一配線層を覆うように第１の樹脂からなる第一絶縁層を形成する第２の工程と、前記第一絶縁層上に形成され、フラックスゲートのコアをなす磁性層を形成する第３の工程と、前記磁性層を覆うように前記第一絶縁層上に第２の樹脂からなる第二絶縁層を形成する第４の工程と、前記第二絶縁層上に第二配線層を形成する第５の工程と、を少なくとも有するフラックスゲートセンサの製造方法であって、前記第一配線層と前記第二配線層とが、磁気コイルと、ピックアップコイルと、を各々構成するように電気的に接続され、少なくとも、前記第３、第４及び第５の工程の各々におけるプロセスの温度は、前記第１の樹脂のガラス転移温度よりも低くしてもよい。
　前記第１の樹脂のガラス転移温度は３００℃より高くてもよい。
　前記第３の工程におけるプロセスの温度は、該磁性層の成膜時における第一温度、又は、該磁性層を成膜した後に行われる磁場中熱処理時における第二温度のうち、いずれか高い方の温度であってもよい。
　前記第３の工程は、コバルト系軟磁性膜をスパッタ法により成膜する第一プロセスと、前記磁場中熱処理を行い、成膜後の該磁性層における誘導磁気異方性を制御する第二プロセスとからなってもよい。
　前記第１及び第２の樹脂は同一材料の感光性ポリイミドであってもよい。前記第１の樹脂の熱硬化温度は３５０℃乃至４００℃前記第２の樹脂の熱硬化温度は２５０℃乃至３００℃であってもよい。
　本発明のフラックスゲートセンサの製造方法によれば、磁性膜の保磁力の増大に伴う磁気特性の線形性の劣化が抑制され、良好な出力特性が維持されたフラックスゲートセンサが得られる。
　本発明のフラックスゲートセンサの製造方法によれば、第二絶縁層を形成する際の熱硬化の温度の影響も排除することができる。
　本発明のフラックスゲートセンサの製造方法によれば、第二絶縁層を形成する際の熱硬化の温度として、十分な温度（２５０℃～３００℃）が採用できる。
　本発明のフラックスゲートセンサの製造方法によれば、成膜温度と、磁場中熱処理の温度の大小に拘わらず対応できる。
　本発明のフラックスゲートセンサの製造方法によれば、磁性層を形成するプロセスを明確にできる。
　本発明のフラックスゲートセンサの製造方法によれば、第一絶縁層の樹脂としては、第二絶縁層の樹脂とは異なり、熱硬化温度が高いものが採用できる。
本発明に係るフラックスゲートセンサの製造方法の一実施形態における手順を示すフローチャート。 ガラス転移温度（Ｔｇ）の異なる２種類のポリイミド上に成膜したＣｏＮｂＺｒ膜における磁場中熱処理温度と保磁力の関係を示す図。 本発明の製造方法により得られたフラックスゲートセンサの磁性膜の磁化曲線を示す図。 本発明の製造方法により得られたフラックスゲートセンサの出力特性を示す図。 薄膜フラックスゲートセンサの概略構成を示す平面図。 図４に示した薄膜フラックスゲートセンサの断面図。 図４に示した薄膜フラックスゲートセンサの断面図。 薄膜フラックスゲートセンサの製造工程を説明するための図。 薄膜フラックスゲートセンサの製造工程を説明するための図。 薄膜フラックスゲートセンサの製造工程を説明するための図。 薄膜フラックスゲートセンサの製造工程を説明するための図。 薄膜フラックスゲートセンサの製造工程を説明するための図。 動作原理の要点を説明するための図。 動作原理の要点を説明するための図。 従来の薄膜フラックスゲートセンサの課題を説明するため図。
　以下、図面を参照して、本発明の実施の形態について詳細に説明する。
　これより以降の説明では、各工程（ステップ）で印加される温度のうち、もっとも高い温度を「プロセスの温度」と称する。
　図１は、本発明のフラックスゲートセンサの製造方法の一実施形態の手順を示すフローチャートである。
　本発明の一実施形態の製造方法によれば、まず、ステップＳ１において、非磁性基板上にシード層をスパッタリングし、レジストマスクを形成した後、電解めっきを行い、上記シード層をエッチングにより除去する。これにより、ソレノイドコイルの下層配線となる第一配線層１を形成する。
　次に、ステップＳ２において、第一配線層１に対し、感光性ポリイミドを塗布し、露光し、現像し、熱硬化する。これにより、ソレノイドコイルの配線が接続される開口部を有する第一絶縁樹脂層２を形成する。このときの熱硬化温度が高いほど、ポリイミドのガラス転移温度（Ｔｇ）が高くなる。約４００℃以上の温度でポリイミドの熱分解が始まることから、３５０℃～４００℃程度の温度であることが望ましい。
　次に、ステップＳ３において、第一絶縁樹脂層２に対し、リフトオフレジストを形成した後に、磁性膜３をスパッタリングにより成膜し、リフトオフを行う。これにより軟磁性体からなるコアを形成する。ここで、本発明では、磁性膜３を成膜する際の成膜温度を、第一絶縁樹脂層２に採用したポリイミドのガラス転移温度（Ｔｇ）よりも低くする。なお、このとき用いる磁性膜３としては、ＣｏＦｅＳｉＢやＣｏＮｂＺｒやＣｏＴａＺｒなどのＣｏ系アモルファス材料、あるいはＮｉＦｅやＣｏＦｅ系の軟磁性材料が望ましい。
　次に、ステップＳ４において、軟磁性膜を成膜した際に付帯することとなった残留応力や、スパッタリング装置内の磁場により生じた不均一な誘導磁気異方性を除去するために、回転磁場中、又は静磁場中にて熱処理を行う。ここで、本発明では、ステップＳ３と同様に、磁場中熱処理における温度を、第一絶縁樹脂層２に採用したポリイミドのガラス転移温度（Ｔｇ）よりも低くする。
　図２に、ガラス転移温度（Ｔｇ）の異なる２種類のポリイミド上に成膜したＣｏＮｂＺｒ膜における磁場中熱処理温度と保磁力の関係を示す。図２では、２種類のポリイミドＡおよびＢと、シリコン基板の場合について示している。ここで、ポリイミドＡおよびＢのガラス転移温度（Ｔｇ）は、それぞれ、３５０℃および３２０℃である。
　図２に示すように、ポリイミドＡの場合、磁場中熱処理温度が、３５０℃を超えると、保磁力が増大している。ポリイミドＢの場合、当該温度が３２０℃を超えると、保磁力が増大している。つまり、いずれの場合も、磁場中熱処理温度が、ガラス転移温度を超えると、保磁力が増大しており、磁化曲線の線形性に悪影響を及ぼす可能性が高いことを示している。保磁力磁性膜が成膜された下地ポリイミドが、ガラス転移温度を超えた温度で熱処理されることで軟化し、弾性率が著しく低下する。このため、下地ポリイミドの上に成膜された磁性膜の応力による歪が著しく大きくなる。これにより、逆磁歪効果により磁性膜の異方性エネルギーが増大し、保磁力が増大すると考えられる。
　一方、シリコン基板上にＣｏＮｂＺｒ膜を成膜した場合、磁場中熱処理温度を４００℃とした場合でも保磁力は小さいままである。
　以上から、例えばポリイミドＡを採用した場合には、磁場中熱処理温度を３５０℃以下にし、一方、ポリイミドＢを採用した場合には、当該温度を３２０℃以下にする。これにより、磁性膜の磁化曲線における保磁力の増大を抑えることができ、それに伴う線形性の劣化を抑えることができる。また、保持力が増大するという現象は、以上の理由によるものであるから、磁場中熱処理温度だけでなく、磁性膜を形成する工程以降に行われる工程における熱処理の温度も、第一絶縁樹脂層２に採用された樹脂のガラス転移温度よりも低いことが望ましい。
　図１の製造方法の手順に戻り、ステップＳ５において、磁性膜３を覆って、感光性ポリイミドを塗布し、露光し、現像し、熱硬化する。これにより、ソレノイドコイルの配線が接続される開口部を有する第二絶縁樹脂層４を形成する。なお、本発明では、このときの熱硬化温度も、第一絶縁樹脂層２に採用したポリイミドのガラス転移温度（Ｔｇ）よりも低くする。なお、この熱硬化処理は、熱による磁性膜の特性変化を抑制するために、回転磁場又は静磁場を印加した状態で行うことが好ましい。
　続いて、ステップＳ６において、第一配線層１と同様に、第二絶縁樹脂層４に対し、シード層をスパッタリングし、レジストマスクを形成した後、電解めっきを行い、上記シード層をエッチングにより除去する。これにより、ソレノイドコイルの上層配線となる第二配線層５を形成する。なお、この第二配線層５には、外部と接続するための図示しない電極パッドが設けられる。
　最後に、ステップＳ７において、外部と接続する電極部に開口を設けた、図示しない保護膜を形成する。なお、保護膜の形成の際にも、その熱硬化温度は、第一絶縁樹脂層２に採用したポリイミドのガラス転移温度（Ｔｇ）よりも低くし、かつ、その処理は、回転磁場又は静磁場を印加した状態で行うことが好ましい。
　図１に基づき、上述した製造方法においては、ソレノイドコイルの下層配線となる第一配線層１と上層配線となる第二配線層５が、第一絶縁樹脂層２と第二絶縁樹脂層４にそれぞれ設けた開口部を介して電気的に接続される構成（以下、「構成Ａ」と呼ぶ）について詳述した。しかしながら、構成Ａに代えて、第一配線層１と第二配線層５からなるソレノイドコイルの内部空間のみに、第一絶縁樹脂層２と第二絶縁樹脂層４からなる絶縁樹脂層が設けられ、かつ、第一絶縁樹脂層２と第二絶縁樹脂層４によって磁性膜３が内包された構成としても良い。すなわち、第二配線層５が、第一絶縁樹脂層２とこれに積層された第二絶縁樹脂層４の外周側面に沿って設けられ、第一配線層１と電気的に接続される構成（不図示。以下、「構成Ｂ」と呼ぶ）としてもよい。構成Ｂは、たとえば、第一絶縁樹脂層２および第二絶縁樹脂層４を、第一配線層１の両端が露呈するように形成し、次いで、前記ステップＳ６におけるレジストマスクを、第二絶縁樹脂層４および第一配線層１に対して形成した後、電解めっきを行い、前記シードをエッチングにより除去することにより作製することができる。
　磁性膜の材料としてＣｏ８５Ｎｂ１２Ｚｒ３を採用し、上述のような製造方法に基づいて製造したフラックスゲートセンサについて、製造プロセス経過後の磁性膜の磁化曲線（Ｂ－Ｈ曲線）を図３Ａに示す。図３Ａに示すように、良好な線形性が維持されている。また、そのときのセンサの出力特性を図３Ｂに示す。図３Ｂに示すように、磁性膜の線形性が維持されていれば、出力特性も良好に維持されている。
　以上のように、成膜温度、磁場中熱処理の処理温度、第二絶縁樹脂層の熱硬化処理の処理温度等を、第一絶縁樹脂層に採用したポリイミドのガラス転移温度（Ｔｇ）よりも低くすることにより、磁性膜の保磁力の増大に伴う磁気特性の線形性の劣化が抑制され、良好な出力特性が維持されたフラックスゲートセンサが得られる。
　なお、ポリイミドの熱硬化温度が低いと、プロセス中の薬液に対する耐性が十分に確保し難いことから、その熱硬化温度は、２５０℃～３００℃程度が望ましい。また、センサモジュールの組立工程や、センサを基板上に実装する時のはんだリフロー温度は、２６０℃程度である。第一絶縁樹脂層に採用した樹脂のガラス転移温度が、はんだリフロー温度よりも低い場合、はんだリフロー時の加熱によって磁性膜の保磁力が増大するため、センサの磁気特性の線形性が劣化する。したがって、第一絶縁樹脂層に採用する樹脂のガラス転移温度は、はんだリフローの温度よりも十分に高いことが望ましい。
　従って、これらの制約から、第一絶縁樹脂層に採用するポリイミドのガラス転移温度（Ｔｇ）は、３００℃以上が好適となる。すなわち、リフロー温度耐性に優れ、良好な出力特性が維持されるフラックスゲートセンサが得られる。
　なお、上述の実施形態は一例であり、発明の趣旨を具現化する態様は、当業者であれば各種想到可能である。
　例えば、上述の実施形態においては、絶縁樹脂層として、感光性ポリイミドを採用した場合を説明したが、これに限られることはなく、例えば、ポリベンゾオキサゾールや、クレゾールノボラック樹脂等の感光性樹脂材料でもよい。
　しかしながら、工程内の材料管理の観点から、第一絶縁樹脂層と第二絶縁樹脂層とは、同一材料で構成することが望ましい。従って、前述から、その場合には、ガラス転移温度（Ｔｇ）が３００℃以上であり、かつ、２５０℃～３００℃程度の温度で熱硬化可能な材料ということになる。但し、ステップＳ２の説明で述べたように、第一絶縁樹脂層に採用する材料については、熱硬化温度は、３５０℃～４００℃程度が望ましい。
　また、上述の実施形態においては、感光性の材料である感光性ポリイミドで説明したが、フォトリソグラフィやナノインプリント等の微細加工プロセスによりパターン形成が可能なものであれば、非感光性のポリイミドであってもよい。この非感光性ポリイミドは、一般に、感光性ポリイミドよりもガラス転移温度が高く、４００℃程度のものまで存在する。従って、非感光性ポリイミドを採用した場合、本発明により制限を設けた温度を４００℃程度に設定することが可能となる。
　また、上述の実施形態においては、配線形成方法として、電解めっき法を用いたが、無電解めっきや、スパッタ成膜したアルミニウム（Ａｌ）、金（Ａｕ）、銅（Ｃｕ）などの導電材料をエッチングにより形成してもよい。
　以上、本発明の好適な実施形態について説明し例証したが、これらはあくまで発明の例示であって限定的に考慮されるべきものではなく、追加、削除、置換及び他の変更は本発明の範囲を逸脱しない範囲で可能である。即ち、本発明は前述した実施形態により限定されるものではなく、請求項の範囲により限定されるものである。
　本発明の製造方法は、携帯電話等に使用される電子方位計内に採用されている薄膜フラックスゲートセンサに適用することができる。また、本発明の製造方法は、電流の作る磁界を検出して電流値を測定する電流センサや、磁気式のロータリーエンコーダ、リニアエンコーダに採用されている薄膜フラックスゲートセンサに適用することができる。また、磁性材料を含む磁性粒子や異物を検出する装置に採用されている薄膜フラックスゲートセンサに適用することができる。
　１　第一配線層
　２　第一絶縁樹脂層
　３　磁性層（磁性膜）
　４　第二絶縁樹脂層
　５　第二配線層
　８　開口部
　９　開口部
　１０　非磁性基板

Claims (5)

  1. 　基板上に第一配線層を形成する第１の工程と、
    　前記第一配線層を覆うように第１の樹脂からなる第一絶縁層を形成する第２の工程と、
    　前記第一絶縁層上に形成され、フラックスゲートのコアをなす磁性層を形成する第３の工程と、
    　前記磁性層を覆うように前記第一絶縁層上に第２の樹脂からなる第二絶縁層を形成する第４の工程と、
    　前記第二絶縁層上に第二配線層を形成する第５の工程と、
    を少なくとも有するフラックスゲートセンサの製造方法であって、
    　前記第一配線層と前記第二配線層とが、磁気コイルと、ピックアップコイルとを各々構成するように電気的に接続され、
    　少なくとも、前記第３、第４及び第５の工程の各々におけるプロセスの温度は、前記第１の樹脂のガラス転移温度よりも低いことを特徴とするフラックスゲートセンサの製造方法。
  2. 　前記第１の樹脂のガラス転移温度は３００℃より高いことを特徴とする、請求項１に記載のフラックスゲートセンサの製造方法。
  3. 　前記第３の工程におけるプロセスの温度は、該磁性層の成膜時における第一温度、又は、該磁性層を成膜した後に行われる磁場中熱処理時における第二温度のうち、いずれか高い方の温度であることを特徴とする、請求項１に記載のフラックスゲートセンサの製造方法。
  4. 　前記第３の工程は、コバルト系軟磁性膜をスパッタ法により成膜する第一プロセスと、前記磁場中熱処理を行い、成膜後の該磁性層における誘導磁気異方性を制御する第二プロセスとからなることを特徴とする、請求項２に記載のフラックスゲートセンサの製造方法。
  5. 　前記第１及び第２の樹脂は同一材料の感光性ポリイミドであり、前記第１の樹脂の熱硬化温度は３５０℃乃至４００℃、前記２の樹脂の熱硬化温度は２５０℃乃至３００℃であることを特徴とする、請求項１乃至４のいずれか一項に記載のフラックスゲートセンサの製造方法。
     
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