DE3741706A1 - Method for producing spiral thin-film flat coils - Google Patents

Method for producing spiral thin-film flat coils

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Abstract

The invention is based on the object of specifying an improved method for producing spiral flat coils on a substrate. This object is achieved by means of laser-induced chemical deposition of a metal, for example aluminium, from the gaseous state. In the case of a preferred method variant, the metal is directly deposited in the desired pattern on the substrate. The method can be used for producing thin-film magnetic-field sensors. <IMAGE>

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Her­ stellung von spiralförmigen Dünnfilm-Flachspulen nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Derartige Spulenanord­ nungen finden als Magnetfeld-Sensoren besonders als Ma­ gnetköpfe oder Tonköpfe Anwendung.The invention relates to a method for Her adjustment of spiral thin-film flat coils the preamble of claim 1. Such coil arrangement Findings as magnetic field sensors, especially as dimensions gnet heads or clay heads application.

Ein Herstellverfahren, von dem die Erfindung ausgeht, ist aus dem Aufsatz von K. Shiiki, I. Yuitoo and Y. Shiroishi "Fabrication of coils with high aspect ra­ tios for thin-film magnetic heads" J. Vac. Scl. Technol. A 3 ( 5), Sep/Oct 1985, Seite 1996 bis 1999 bekannt. In dem Aufsatz ist ein Verfahren angegeben, mit dem auf einem Substrat aus nichtmagnetischem Material durch mehrere Verfahrensschritte eine dünne spiralförmige Spule aus Aluminium hergestellt wird. Eine dem Aufsatz entnommene Darstellung zur Veranschaulichung der erforderlichen Verfahrensschritte ist in Fig. 1 der Zeichnung widerge­ geben. In den Fig. 1a bis 1f sind dabei weiter unten im einzelnen beschriebene Verfahrensschritte 1 bis 7 dargestellt. Daraus ist zu erkennen, daß eine Reihe von aufwendigen Verfahrensschritten erforderlich sind.A manufacturing process on which the invention is based is based on the article by K. Shiiki, I. Yuitoo and Y. Shiroishi "Fabrication of coils with high aspect ratios for thin-film magnetic heads" J. Vac. Scl. Technol. A 3 (5), Sep / Oct 1985, page 1996 to 1999. The article specifies a method with which a thin spiral coil made of aluminum is produced on a substrate made of non-magnetic material by means of several process steps. A representation taken from the essay to illustrate the required process steps is shown in Fig. 1 of the drawing. In Figs. 1a to 1f are shown in detail below-described process steps 1 to 7. From this it can be seen that a number of complex process steps are required.

In dem genannten Aufsatz wird auch ausgeführt, daß es für die Qualität der herzustellenden Magnetköpfe von großer Bedeutung ist, spiralförmige Spulen mit dünnen eng nebeneinanderliegenden Leiterbahnen herstellen zu können, wobei nach dem bekannten Verfahren eine Leiter­ bahn mit etwa 4 µm Breite bei einem Leiterbahnabstand von etwa 2 µm herstellbar ist.The article also states that it for the quality of the magnetic heads to be manufactured by of great importance is spiral coils with thin produce closely spaced interconnects can, a ladder according to the known method track with a width of about 4 µm with a track spacing of about 2 microns can be produced.

Davon ausgehend liegt der Erfindung die Aufgabe zugrun­ de, ein verbessertes Verfahren anzugeben.Proceeding from this, the invention is based on the object de to provide an improved procedure.

Diese Aufgabe wird bei einem Verfahren zur Herstellung von Dünnfilm-Spulen nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 durch dessen kennzeichnende Merkmale gelöst. Verfahrens­ varianten und vorteilhafte Ausgestaltungen sind in Un­ teransprüchen angegeben.This task is done in a manufacturing process thin-film coils according to the preamble of claim 1 solved by its characteristic features. Procedure variants and advantageous configurations are in Un specified claims.

Die mit der Erfindung vorgeschlagene Laser-Anwendung ermöglicht eine Herstellung von sehr dünnen, z. B. 1 µm dicken und breiten Leiterbahnen mit geringen, z. B. 1 µm breiten Abständen zwischen den Leiterbahnen. Außerdem ergeben sich weniger Verfahrensschritte, insbesondere nach einer bevorzugten Ausgestaltung, bei der nach einem als Laser-Direct-Writing-Verfahren bekannten Verfahren eine selektive laserinduzierte Metallabscheidung erfolgt und damit eine direkte Herstellung der gewünschten Struktur in einem einzigen Verfahrensschritt möglich ist. Mit Ausnahme einer Verfahrensvariante arbeiten die vorgeschlagenen Herstellverfahren allein nach CVD-Ver­ fahren, also ohne naßchemische Verfahrensschritte, so daß sich eine geringere Umweltbelastung ergibt.
The laser application proposed by the invention enables the production of very thin, e.g. B. 1 micron thick and wide traces with small, z. B. 1 µm wide distances between the conductor tracks. In addition, there are fewer process steps, in particular according to a preferred embodiment, in which selective laser-induced metal deposition is carried out using a process known as laser direct writing process, and thus the desired structure can be produced directly in a single process step. With the exception of one process variant, the proposed production processes work solely according to CVD processes, that is to say without wet-chemical process steps, so that there is less environmental pollution.

Weitere Vorteile ergeben sich aus der Beschreibung von Verfahrensvarianten, die in der Zeichnung dargetellt sind.Further advantages result from the description of Process variants shown in the drawing are.

Es zeigen:Show it:

Fig. 1 Schnittbild zur Darstellung von Verfahrens­ schritten nach dem Stand der Technik, Fig. 1 sectional view for showing the process steps according to the prior art,

Fig. 2 Verfahrensschritte nach einer ersten erfin­ dungsgemäßen Verfahrensvariante, Fig. 2 method steps according to a first process variant OF INVENTION to the invention,

Fig. 3 Verfahrensschritte nach einer zweiten Verfah­ rensvariante, Fig. 3 shows method steps according to a second procedural rensvariante,

Fig. 4 Verfahrensschritte nach einer dritten Verfah­ rensvariante. Fig. 4 process steps according to a third procedural variant.

Fig. 1 zeigt in mehreren Herstellstufen einen Schnitt durch ein Substrat und darauf aufgebrachten Schichten, wobei ein Verfahren nach dem Stand der Technik darge­ stellt ist. In Fig. 1a ist ein nichtmagnetisches Sub­ strat 1 dargestellt, auf das in einem ersten Schritt durch Aufspinnen eine Schicht aus Polyimid Resin 2 auf­ gebracht ist und in einem zweiten Schritt eine Molybdän­ schicht 3. Fig. 1b zeigt einen dritten Verfahrens­ schritt, nämlich Strukturieren der Molybdänschicht 3, so daß eine Molybdän-Maske 4 entsteht. Fig. 1c zeigt das Substrat 1 nach einem vierten Verfahrensschritt, in dem das nicht von der Maske 4 bedeckte Resin 2 durch reak­ tives Sputterätzen in CF4/4% O2 entfernt wird. Fig. 1d zeigt das Substrat 1, nach dem in einem fünften Verfah­ rensschritt durch physikalisches Aufdampfen eine leiten­ de Schicht, nämlich eine Aluminiumschicht 5 aufgebracht wurde. Fig. 1e zeigt einen sechsten Verfahrensschritt, wobei ein selektives elektrochemisches Abätzen der Mo­ lybdän-Maske 4 und des darauf befindlichen Aluminiums erfolgt. Fig. 1f zeigt schließlich einen siebten Verfah­ rensschritt, wobei die Oberfläche zum Schutz vor mecha­ nischer Beschädigung ganzflächig mit Resin 2 abgedeckt wird. Fig. 1 shows in several stages of manufacture a section through a substrate and layers applied thereon, a method according to the prior art is Darge. In Fig. 1a, a non-magnetic substrate 1 is shown, on which a layer of polyimide resin 2 is applied by spinning in a first step and a molybdenum layer 3 in a second step. Fig. 1b shows a third method step, namely structuring the molybdenum layer 3 , so that a molybdenum mask 4 is formed. Fig. 1c shows the substrate 1 according to a fourth method step, in which the not covered by the mask 4 Resin 2 is removed by reac tive sputter etching in CF 4/4% O 2. Fig. 1d shows the substrate 1 after the rensschritt in a fifth procedural by physical vapor deposition a lead de layer, namely, an aluminum layer 5 was applied. Fig. 1e shows a sixth process step, wherein a selective electrochemical etching of the Mo lybdenum mask 4 and the aluminum located thereon. Fig. 1f finally shows a seventh procedural step, the entire surface being covered with resin 2 to protect against mechanical damage.

In Fig. 2 ist eine erste Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens dargestellt, wobei Fig. 2a ein Substrat 1 nach einem ersten Verfahrensschritt zeigt, bei dem die Substratoberfläche durchgehend mit einer Aluminium­ schicht 5 nach einem bekannten LPCVD-(Low Pressure Chemi­ cal Vapour Deposition)-Verfahren versehen wird. Geeigne­ te Substrate sind z. B. Keramiken, Teflon oder Kapton, aber auch nichtmagnetische Metalle. In einem zweiten Schritt erfolgt eine Mikro-Materialbearbeitung, wobei mit Hilfe eines Excimer-Lasers (Wellenlänge Lambda = 193 nm bzw. 248 nm) selektiv Aluminium aus der Schicht 5 entfernt wird. Eine spiralförmige Struktur kann dabei durch Bewegen des Laserstrahls in x-Richtung, also in einer gewählten Richtung und gleichzeitiges Drehen des Substrates um eine Rotationsachse senkrecht zur Sub­ stratoberfläche hergestellt werden. Damit entsteht die in Fig. 2b als Schnittbild dargestellte Struktur von Leiterbahnen 6 auf dem Substrat 1.In FIG. 2, a first variant is shown of the inventive method, in which Fig 2a shows a substrate 1 according to a first method step, in which the substrate surface layer continuously with an aluminum 5 by a known LPCVD (Low Pressure Chemi cal vapor deposition). - Procedure is provided. Suitable substrates are e.g. B. ceramics, Teflon or Kapton, but also non-magnetic metals. In a second step, micro-material processing takes place, aluminum being selectively removed from layer 5 with the aid of an excimer laser (wavelength lambda = 193 nm or 248 nm). A spiral structure can be produced by moving the laser beam in the x direction, ie in a selected direction and simultaneously rotating the substrate about an axis of rotation perpendicular to the substrate surface. This creates the structure of conductor tracks 6 on the substrate 1 shown as a sectional view in FIG. 2b.

Fig. 2c zeigt ein Schnittbild nach einem dritten Verfah­ rensschritt, mit dem ebenfalls mit Hilfe eines CVD-Ver­ fahrens auf die hergestellte Flachspule eine Schutz­ schicht 7 aufgebracht wird. Dabei kann auch ein Auffül­ len der Zwischenräume zwischen den Leiterbahnen 6 er­ zielt werden, so daß eine glatte Oberfläche entsteht. Dieser letzte Verfahrensschritt zum Aufbringen einer Schutzschicht kann auch im Anschluß an den jeweils letz­ ten Schritt der nachstehend beschriebenen Verfahrensva­ rianten vorgesehen werden. Fig. 2c shows a sectional view after a third procedural step, with which a protective layer 7 is also applied to the flat coil produced using a CVD method. It can also fill the interstices between the conductor tracks 6 , so that a smooth surface is created. This last process step for applying a protective layer can also be provided following the last step of the process variants described below.

Wenn eine Bewegung des Laserstrahls und des Substrats vermieden werden soll, kann anstelle der beschriebenen Art der Strukturierung nach einer nicht in der Zeichnung dargestellten Abwandlung des Verfahrens auch eine Maske auf der Aluminiumschicht 5 vorgesehen werden, und mit Hilfe eines gepulsten Lasers Aluminium entfernt werden. If a movement of the laser beam and the substrate is to be avoided, instead of the type of structuring described after a modification of the method not shown in the drawing, a mask can also be provided on the aluminum layer 5 and aluminum can be removed with the aid of a pulsed laser.

Fig. 3 zeigt die Verfahrensschritte nach einer zweiten Verfahrensvariante, wobei Fig. 3a einen ersten Schritt zeigt, bei dem übereinstimmend mit dem ersten Schritt des ersten Verfahrens nach Fig. 2a eine Aluminiumschicht 5 auf ein Substrat 1 aufgebracht wird. Danach erfolgt als zweiter Schritt eine Imprägnierung der Oberfläche mit einer organischen Schlichte 8 (Fig. 3b). Ähnlich wie bei der ersten Verfahrensvariante wird nun in einem dritten Schritt eine Mikro-Materialbehandlung durchge­ führt mit Hilfe eines Ar⁺-Lasers (Lambda = 515 nm), je­ doch mit verminderter Laser-Leistung. Mit dieser Behand­ lung wird die Schlichte 8 an denjenigen Stellen ent­ fernt, an denen Zwischenräume zwischen Leiterbahnen 6 entstehen sollen (Fig. 3c). Als vierter Schritt erfolgt anschließend eine konventionelle naßchemische Ätzung des Aluminiums (z. B. mit NaOH), so daß die in Fig. 3d darge­ stellte Struktur entsteht. In einem fünften Schritt wird schließlich die noch auf den Leiterbahnen 6 befindliche Schlichte 8 naßchemisch oder thermisch (z. B. mit Laser) entfernt, wodurch die gewünschte Struktur gemäß Fig. 3e fertiggestellt ist. FIG. 3 shows the process steps according to a second process variant, FIG. 3a showing a first step in which an aluminum layer 5 is applied to a substrate 1 in accordance with the first step of the first process according to FIG. 2a. Then, as a second step, the surface is impregnated with an organic size 8 ( FIG. 3b). Similar to the first method variant, a micro-material treatment is now carried out in a third step with the aid of an Ar⁺ laser (lambda = 515 nm), but with reduced laser power. With this treatment, the size 8 is removed at those points where gaps between conductor tracks 6 are to be created ( FIG. 3c). The fourth step is then a conventional wet chemical etching of the aluminum (z. B. with NaOH), so that the structure shown in Fig. 3d arises. Finally, in a fifth step, the size 8 still located on the conductor tracks 6 is removed by wet chemical or thermal means (for example using a laser), as a result of which the desired structure according to FIG. 3e is completed.

Eine bevorzugte Verfahrensvariante wird nachstehend als dritte Variante beschrieben und ist in Fig. 4 darge­ stellt. Dabei wird eine Flachspule aus Aluminium in ei­ nem einzigen Verfahrensschritt durch sogenanntes Laser- Direct-Writing hergestellt. Eine dazu erforderliche se­ lektive laser-induzierte Aluminiumabscheidung kann pyro­ lytisch erfolgen mit Hilfe eines Infrarot-Lasers oder photolytisch mit Hilfe eines UV-Lasers. Um die gewünsch­ te spiralförmige Leiterbahn herzustellen, muß eine ent­ sprechende Führung des Laserstrahls auf dem Substrat erfolgen, beispielsweise durch Drehung des Substrats bei gleichzeitigem Verschieben des Laserstrahls in einer x-Richtung. Die Verfahrensbedingungen sind ohne Schwie­ rigkeiten einzuhalten, da z. B. ein Gasgemisch aus Tri­ isobutyl-Aluminium verwendet werden kann, das bei etwa 20°C verdampft und wobei der Gasdruck auf etwa 10-1 mbar einzustellen ist. Die laser-induzierte Aluminiumbe­ schichtung erfolgt dabei nach der Brutto-Reaktionsglei­ chung (C4H9)3 Al → Al + 3/2H2 + 3(C4H8). Nach dem La­ ser-Direct-Writing-Verfahren wurden erfolgreiche spiral­ förmige Flachspulen mit etwa 100 Windungen hergestellt, wobei die Aluminiumleiterbahnen etwa 1 µm dick und breit waren und der Abstand der Leiterbahnen etwa 1 µm betrug.A preferred method variant is described below as a third variant and is shown in Fig. 4 Darge. A flat coil made of aluminum is produced in a single process step by so-called laser direct writing. A selective laser-induced aluminum deposition required for this can be carried out pyrolysically with the aid of an infrared laser or photolytically with the aid of a UV laser. In order to produce the desired spiral conductor path, a corresponding guidance of the laser beam must take place on the substrate, for example by rotating the substrate while simultaneously displacing the laser beam in an x direction. The procedural conditions are to be complied with without difficulty, since e.g. B. a gas mixture of tri isobutyl aluminum can be used, which evaporates at about 20 ° C and the gas pressure is set to about 10 -1 mbar. The laser-induced Aluminiumbe coating takes place according to the overall reaction sliding chung (C 4 H 9) 3 Al → Al + 3/2 H 2 + 3 (C 4 H 8). Successful spiral-shaped flat coils with about 100 turns were produced by the laser direct writing method, the aluminum conductor tracks being approximately 1 μm thick and wide and the spacing of the conductor tracks being approximately 1 μm.

Claims (7)

1. Verfahren zur Herstellung von spiralförmigen Dünnfilm-Flachspulen aus einem leitenden Material, ins­ besondere Aluminium, auf einem nichtmagnetischen Sub­ strat, dadurch gekennzeichnet, daß das leitende Material durch laser-induzierte chemische Abscheidung eines Me­ talls, z. B. Aluminium, aus der Gasphase auf das Substrat aufgebracht wird, wobei entweder eine großflächige Ab­ scheidung des Metalls und anschließende Strukturierung nach einem Laser-Verfahren erfolgt oder eine direkte Abscheidung des Metalls in der gewünschten Struktur.1. A process for the production of spiral thin-film flat coils made of a conductive material, in particular aluminum, on a non-magnetic substrate, characterized in that the conductive material by laser-induced chemical deposition of a metal, for. As aluminum, is applied from the gas phase to the substrate, either a large-area separation of the metal and subsequent structuring takes place by a laser process or a direct deposition of the metal in the desired structure. 2. Verfahren nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch nachstehende Verfahrensschritte:
  • - großflächige Beschichtung des Substrats durch Ab­ scheidung eines Metalls, z. B. Aluminium, nach einem LPCVD-(Low Pressure Chemical Vapour Deposition)-Ver­ fahren,
  • - selektive Entfernung des Metalls mit Hilfe eines Excimer-Lasers durch entsprechende Führung des La­ ser-Strahls und/oder Bewegung des Substrats, wobei zur Entfernung von Aluminium ein Laser-Strahl mit Lambda = 193 nm oder 248 nm geeignet ist.
2. The method according to claim 1, characterized by the following process steps:
  • - Large-area coating of the substrate by separation from a metal, eg. B. aluminum, after an LPCVD (Low Pressure Chemical Vapor Deposition) process,
  • - Selective removal of the metal with the aid of an excimer laser by appropriate guidance of the laser beam and / or movement of the substrate, a laser beam with lambda = 193 nm or 248 nm being suitable for removing aluminum.
3. Verfahren nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch nachstehende Verfahrensschritte:
  • - großflächige Beschichtung des Substrats durch Ab­ scheidung eines Metalls, z. B. Aluminium, nach einem LPCVD-(Low Pressure Chemical Vapour Deposition)-Ver­ fahren,
  • - Aufbringen einer Maske, durch die eine herzustel­ lende spiralförmige Metallstruktur abgedeckt wird, und
  • - Entfernung des nicht durch die Maske bedeckten Teils der Beschichtung mit Hilfe eines gepulsten Lasers.
3. The method according to claim 1, characterized by the following process steps:
  • - Large-area coating of the substrate by separation from a metal, eg. B. aluminum, after an LPCVD (Low Pressure Chemical Vapor Deposition) process,
  • - Applying a mask through which a spiral metal structure to be manufactured is covered, and
  • - Removal of the part of the coating not covered by the mask using a pulsed laser.
4. Verfahren nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch nachstehende Verfahrensschritte:
  • - großflächige Beschichtung des Substrats durch Ab­ scheidung eines Metalls, z. B. Aluminium, nach einem LPCVD-(Low Pressure Chemical Vapour Deposition)-Ver­ fahren,
  • - Imprägnieren der metallischen Schicht mit einer organischen Schlichte,
  • - selektive Entfernung der Schlichte an den Stellen, an denen keine Metallisierung gewünscht ist, mit einem Laser-Strahl, z. B. Ar⁺-Laser (Lambda = 515 nm) und
  • - Entfernung der nicht abgedeckten Metallfläche durch naßchemische Ätzung, im Fall einer Aluminiumschicht z. B. mit NaOH.
4. The method according to claim 1, characterized by the following process steps:
  • - Large-area coating of the substrate by separation from a metal, eg. B. aluminum, after an LPCVD (Low Pressure Chemical Vapor Deposition) process,
  • Impregnation of the metallic layer with an organic size,
  • - Selective removal of the size at the points where no metallization is desired with a laser beam, e.g. B. Ar⁺ laser (lambda = 515 nm) and
  • - Removal of the uncovered metal surface by wet chemical etching, in the case of an aluminum layer z. B. with NaOH.
5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich­ net, daß eine selektive laser-induzierte pyrolytische Aluminiumabscheidung auf dem Substrat zur direkten Her­ stellung der spiralförmigen Flachspule erfolgt, wobei während des Abscheidevorgangs der Laserstrahl und/oder das Substrat in geeigneter Weise bewegt wird.5. The method according to claim 1, characterized in net that a selective laser-induced pyrolytic Aluminum deposition on the substrate for direct production position of the spiral flat coil takes place, wherein during the deposition process the laser beam and / or the substrate is moved in a suitable manner. 6. Verfahren nach Anspruch 5, wobei anstelle einer pyrolytischen eine photolytisch erzeugte Aluminiumab­ scheidung erfolgt.6. The method according to claim 5, wherein instead of one pyrolytic a photolytically produced aluminum divorce takes place. 7. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß als zusätzlicher und letzter Verfahrensschritt eine Schutzschicht nach einem CVD-Ver­ fahren auf die hergestellte Flachspule aufgebracht wird, wobei auch Zwischenräume zwischen den Leiterbahnen der Spule durch die Schutzschicht aufgefüllt werden können.7. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that as an additional and last Process step a protective layer after a CVD Ver drive is applied to the flat coil produced, with spaces between the conductor tracks of the Coil can be filled through the protective layer.
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