Laser-Annealing Günstige Magnetsensoren dank maßgeschneiderter Sensorchips

Autor / Redakteur: Markus Müller* / Dipl.-Ing. (FH) Hendrik Härter

Mit einem speziellen Laser-Annealing-Verfahren lässt sich auf einer Fläche von 100 µm² eine gewünschte Magnetorientierung erzeugen. Damit sind flexible Designs für Magnetsensoren möglich.

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Laser-Annealing: Ein Nah-Infrarot-Laser mit Nanosekunden-Pulslänge erlaubt eine präzise Positionierung des Wärmeeintrags.
Laser-Annealing: Ein Nah-Infrarot-Laser mit Nanosekunden-Pulslänge erlaubt eine präzise Positionierung des Wärmeeintrags.
(Bild: 3D-Micromac)

Magnetsensoren finden sich in mobilen Endgeräten, in der Automatisierungstechnik oder VR-Systemen. Doch mit steigender Produktionsmenge nimmt die Zahl der magnetischen Sensoren zu. Für Hersteller der Sensoren bedeutet das nicht nur einen Ausbau von Produktionskapazitäten, sondern auch ein effizienteres Verfahren, mit dem sich der Durchsatz der Sensoren erhöhen lässt.

Erklären lässt sich der Bedarf an Magnetsensoren, wenn man sich folgende Zahlen anschaut: Die Umsatzentwicklung in der Branche der Sensorik und Messtechnik ging in den letzten Jahren fast ausschließlich nach oben. Von 2010 bis 2019 auf 180 Prozent – so das Fazit des Branchenverbands AMA Verband für Sensorik und Messtechnik e.V. [1].

Obwohl 2020 einen Umsatzrückgang verzeichnet hat, wird der Bedarf nach hochempfindlichen Sensoren mittel- und langfristig weiter stark zunehmen: Es sind nicht nur die bereits auf dem Markt befindlichen Produkte wie mobile Endgeräte oder die Automatisierungssysteme in der Industrie, die für einen Wachstumsschub in puncto Sensorchips sorgen. Hinzu kommen zukunftsträchtige Entwicklungen wie Smart Home, autonome Fahrzeuge, KI- oder Internet-of-Things- (IoT-)Anwendungen. Dabei spielen die xMR-Sensoren eine entscheidende Rolle, wie GMR, TMR und AMR.

Darauf verweist unter anderem die „Trendanalyse Sensor-Technologien: Marktentwicklung und Lösungen“ [2]. Der Bericht unterstreicht zudem die Forderung nach einer höheren Leistungsdichte der xMR-Sensoren und der Möglichkeit, sie an die individuellen Anforderungen optimal anpassen zu können. Der etablierte Standardprozess bei der Sensorfertigung stößt dabei an seine Grenzen.

Schwächen der herkömmlichen xMR-Sensor-Programmierung

Im Standardprozess erfolgt die Fertigung der magnetischen Sensorchips in drei Schritten: Magnetisierung, Dicing und Multipackaging. Die auf einen Wafer aufgebrachten Sensoren kommen zunächst in einen magnetischen Glühofen – wo sich ihre Schichten unter Temperatureinfluss und Magnetfeld einheitlich ausrichten. Anschließend trennt man sie vom Wafer ab und setzt die Schichten mit unterschiedlicher Magnetisierungsorientierung nach dem jeweiligen Design zusammen.

Das Vorgehen ist einfach und mehrere Wafer lassen sich per Stapel verarbeiten. Allerdings vergrößert sich das Risiko, dass Ungleichmäßigkeiten hinsichtlich Temperatur oder Magnetfeldbedingungen sowohl innerhalb der Wafer als auch von Wafer zu Wafer auftreten. Ein entscheidender Nachteil liegt darin, dass es nur schwer bis gar nicht möglich ist, verschiedene Teile desselben Wafers für unterschiedliche Programmierbedingungen anzusteuern. Somit lassen sich nicht mehrere separate Sensoren innerhalb eines einzigen Sensorchips herstellen, um auf diesem Weg die Empfindlichkeit zu erhöhen oder die Temperaturstabilität zu verbessern.

Multiple-Die-Ansätze, die diese Schwierigkeiten lösen, sind allerdings teuer und lassen sich nur sehr schwer implementieren. Die Folgen: eine begrenzte Miniaturisierung, geringere Leistung und höhere Kosten. Dazu kommt, dass der Gesamtprozess einschließlich notwendiger Aufheiz- und Abkühlzeiten verhältnismäßig lange dauert, sehr energieintensiv ist und ein Ofen eine große Stellfläche beansprucht [3].

Einsatz von lokalen Widerstandsheizleistungen

Wie ein Sensorchip entsteht. Durch die lokale Bearbeitung entstehen neue Sensordesigns.
Wie ein Sensorchip entsteht. Durch die lokale Bearbeitung entstehen neue Sensordesigns.
(Bild: 3D-Micromac)

Die Flexibilität der Sensorprogrammierung lässt sich über lokale Widerstandsheizleitungen erhöhen, die auf dem Wafer aufgebracht werden. Damit lässt sich die Magnetisierungsrichtung einzelner Sensoren oder Teile davon gezielt einstellen. Eine industrielle Umsetzung ist machbar: Man implementiert und aktiviert die Heizelemente mit standardmäßigen Step-and-Repeat-Probing-Techniken. Ein extern angelegter Elektro- oder Permanentmagnet erzeugt das lokale Magnetfeld. Allerdings ist das Wafer-Probing-Verfahren zeitaufwendig. Eine höhere Fertigungskapazität ist notwendig, um nicht den Gesamtherstellungsprozess zu beeinträchtigen.

Zudem erreichen die elektrischen Kontakte und die Heizleitungen selbst nicht die gewünschten Werte hinsichtlich Reproduzierbarkeit und Zuverlässigkeit. Das wirkt sich nachteilig auf die Homogenität und damit die Qualität der Wafer aus. Die sondenbasierte Heizung benötigt zusätzliche Kontaktpads. Sie blockieren nicht nur die Fläche, sondern es steigt auch die Komplexität des Designs.

Sensorchips mit selektivem Laser-Annealing

Vergleich zwischen traditioneller Fertigung eines magnetischen Sensorchips mit dem selektivem Laser-Annealing.
Vergleich zwischen traditioneller Fertigung eines magnetischen Sensorchips mit dem selektivem Laser-Annealing.
(Bild: 3D-Micromac)

Ein neuer Ansatz basiert auf dem selektiven Laser Annealing. Auf kleinstem Raum von 100 Quadratmikrometern lässt sich die gewünschte Magnetorientierung erzeugen. Somit lassen sich neue und sehr flexibel auf die jeweiligen Anforderungen angepasste Designs gestalten. Der Laserspot heizt genau einen Sensorbereich auf, während darüber hinaus nur die unmittelbare Umgebung von wenigen Mikrometern durch die erzeugte Wärme beeinflusst wird. So lassen sich sich die Abstände zwischen den Sensoren verkleinern und Logikschaltungen näher an bzw. unter den Sensorelementen platzieren. Ein weiteres Plus: Da sich die Laserleistung sehr fein einstellen lässt, erreicht man eine optimale Ausrichtung der Referenzschicht und damit optimierte Sensoreigenschaften über den gesamten Wafer. Dank der hohen Präzision werden keine Schutzschichten beschädigt. Eine rezeptgesteuerte motorisierte Maske dient dazu, die Abmessungen des Spots den aktuellen Sensordimensionen anzupassen.

Einer der Hauptvorteile: Durch die lokale Bearbeitung entstehen neue Sensordesigns. Der selektive Kurzpuls-Laser erlaubt im Gegensatz zum Annealing im Ofen eine präzise Positionierung des Wärmeeintrags an genau der Stelle des Sensors. Mit dem Verfahren lassen sich effiziente Mehrachssensoren und Wheatstone-Bridge-Designs mit kleineren Sensor-Dice erzeugen.

Nah-Infrarot-Laser mit Nanosekunden-Pulslänge

Dieser Lasertyp ist kostengünstig und zuverlässig. Dank der Pulslänge von wenigen Nanosekunden sorgt er für eine gleichmäßige Wärmeausbreitung.

Die Laserpulsenergie ist präzise programmierbar und die gewünschte Erwärmung lässt sich genau einstellen. Ganz ausgelegt auf die Eigenschaften der verschiedenen Materialien sowie für unterschiedliche Sensorbereiche.

Weniger Bearbeitungszeit und höherer Durchsatz

Hinzu kommen geringe Installations- und Verbrauchskosten. Dem dauerhaft beheizten Ofen stehen die zeitlich begrenzten Energieeinträge des Lasers gegenüber. Zudem ist der Flächenverbrauch einer Laseranlage und damit der Footprint um ein Vielfaches geringer. Ein besonders großer Mehrwert liegt in der Effizienzsteigerung. Es gibt nicht mehr drei Verfahrensschritte wie im herkömmlichen Standardprozedere (Magnetisierung, Dicing und Multipackaging), sondern nur das selektive Laser Annealing.

Da das Packaging wegfällt, verkürzt sich die Bearbeitungszeit und der Durchsatz steigt. In welcher Größenordnung die Kosten sinken, hängt von der Wafergröße ab. Man veranschlagt für das Packaging zirka vier US-Cent pro Sensorchip. Für einen Wafer mit 10.000 Sensoren lassen sich 400 US-Dollar einsparen. Dank der höheren Packungsdichte des Laser Annealing liegt die Anzahl der Sensoren pro Wafer fünf bis zehn Prozent höher. Hier ist ein zusätzlicher Kostenvorteil von rund 60 US-Dollar pro Wafer möglich. Die Wartungskosten sind niedrig und einfach berechenbar.

Effizienter und weniger Fehler mit zusätzlichem Magnetsensor

Die Prozesse im Automobilbau sind weitestgehend automatisiert. Dennoch gibt es hier weiter Optimierungspotential durch Sensoren. Beim Karosseriebau von Audi kam wiederholt dazu, dass der eingesetzte Roboter statt einem mehrere Bleche gleichzeitig erfasste, die sich dann so nicht weiterverarbeiten ließen.

Die Folge: Materialverluste, Produktionsunterbrechung, Wartungskosten. Ein zusätzlicher Magnetsensor an seinem Greifarm schaffte Abhilfe. Der Roboter erkennt nun, wenn er mehr als ein Blech aufgenommen hat und trennt die überschüssigen Bleche ab.

Referenzen

[1] „Messtechnik und Sensorik: Branche mit positiven Zahlen“. ELEKTRONIKPRAXIS 2019.

[2] Trendanalyse Sensor-Technologien: Marktentwicklung und Lösungen. ELEKTRONIKPRAXIS 2018.

[3] Betriebliches Vorschlagswesen. Mitarbeiterideen sparen Audi Millionen Euro. Automobil Industrie 2021.

* Markus Müller ist Teamleiter Produktmanagement bei dem Maschinenbauer 3D-Micromac AG in Chemnitz.

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