2.1 Технология изготовления датчиков Холла

Исходным материалом для изготовления датчиков Холла может быть полупроводниковый материал поли - или монокристаллический. В зависимости от способа получения материал может быть в виде слитка, принявшего форму тигля, как это показано на рисунке 3а, если он получен в виде поликристалла, либо в виде монокристалла, выращенного методом направленной кристаллизации, если же это монокристалл, выращенный по методу Чохральского, то слиток имеет вид неправильного цилиндра, как на рисунке 3б. Слиток может быть также в виде длинного (20-30 см) цилиндра, если он получен методом вертикального бестигельного плавления.

Типовой технологический процесс пластины датчика Холла состоит из следующих операций:

1) вырезка пластины,

2) обработка поверхности,

3) пайка либо сварка электродов (в случае датчиков Холла еще симметризация электродов),

4) герметизация.

Опишем последовательно отдельные этапы технологического процесса.

а) б)

Рисунок 3 – Внешний вид а) германиевого поликристаллического слитка, полученного зонной плавкой б) монокристаллического германия, полученного методом Чохральского

1. Пластины вырезаются на типовых станках для резки полупроводниковых материалов. Обычно это станки с вращающимся абразивным кругом, которым режут при помощи карборундового или алмазного порошка.

Чтобы уменьшить потери полупроводникового материала, применяют абразивные круги толщиной 0.2- 0,3 мм. Несмотря на это, при толщине вырезаемых пластин в 200-300 мкм потери материала при резке остаются очень большими. В равной степени сказанное относится также к резке при помощи полотен или проволоки с использованием карборундового или алмазного порошка. Из вырезанных брусков дальнейшей резкой получают прямоугольные пластины с соотношением длин сторон (1:2) -(1:3), поступающие на дальнейшие операции.

2. Обработка поверхности пластин состоит из двух этапов. Первый - это механическая шлифовка и полировка, имеющие целью устранение дефектов, возникших при резке пластин, и одновременно доводку толщины пластин до заданной величины. Толщина вырезанных пластин обычно бывает не меньше чем 200-300 мкм (это обусловлено хрупкостью полупроводниковых материалов), однако конечная толщина пластин находится в пределах от 60 до 200мкм, а в некоторых случаях и тоньше. Примером является технология изготовления кристаллического датчика Холла ВН201, фирмы Белл, который в корпусе достигает толщины 130 мкм.

Шлифовка проводится типичным для полупроводников способом при помощи порошков - карборундовых (SiC), алундовых (Al₂O₃) либо алмазных с соответству­ющим диаметром зерен (от 30 до 0,1 мкм) на плитах стеклянных, металлических, а в конце - на плитах, покрытых специальными тканями. Если нужно шлифовать пластины до толщин, меньших чем 150 мкм, следует предварительно приклеить пластины к керамическому элементу корпуса, чтобы предохранить их от растрески­вания, и дошлифовывать в сборке с керамикой. Затем к пластинам на керамических подложках присоединяются остальные элементы датчика.

Вторым этапом обработки поверхности, не всегда, впрочем, применяемым, является химическое травление, имеющее своей целью окончательную очистку поверхности пластин. Для травления германия и кремния применяются типичная в технологии изготовления транзисторов травящая смесь СР4 (смесь HF: HNO₃: СН₃СООН: Вr), а также кипящая H₂O₂ и др. Однако с точки зрения данных работы следует стремиться к тому, чтобы травление германия или кремния не давало по­верхности с малой скоростью поверхностной рекомбинации. Для интер­металлических соединений травление является менее существенным процессом и не всегда применяется.

3. Следующей операцией является изготовление контактов к пластине. Контакты металл - полупроводниковый материал должны обладать следующими свойствами:

а) контакты должны обладать малым сопротивлением по сравнению с сопротивлением пластины датчика,

б) контакты должны быть линейными по току,

в) холловские контакты при отсутствии магнитного поля должны находиться на эквипотенциальной поверхности.

Первое условие может быть выполнено благодаря со­ответствующему подбору материала контакта, а также технологии изготовления. Для полупроводниковых мате­риалов с большим удельным сопротивлением можно легко выполнить это условие благодаря большой разнице в удельных сопротивлениях полупроводника и металла контакта. Зато в случае антимонида и арсенида индия это гораздо труднее, так как здесь разница в удельных сопротивлениях материалов контакта и пластины в 1000-10 000 раз меньше, чем в случае германия и кремния. Это приводит к значительно большему влиянию сопротивления контактов на общее сопротивление датчика Холла, изготовленного из интерметаллических соединении, по сравнению с датчиками Холла, изготовленными из германия и кремния. В результате имеют место относительно большие потери входной и выходной мощности.

Второе требование к электродам - отсутствие выпрямления и инжекции носителей тока - труднее всего реализовать в германии и кремнии. На этих материалах сравнительно легко получить нелинейные контакты; в то же время в антимониде индия, например, любой контакт будет выпрямляющим лишь при температуре жидкого азота (78° К), тогда как при комнатной температуре тот же самый контакт является уже линейным.

Простым и выгодным способом изготовления контактов к датчикам Холла является непосредственное приваривание проводов к пластине при помощи пропускания импульса тока от соответствующего источника. Преимуществом этого метода является возможность получения симметричных холловских контактов после приваривания двух проводов токовых и одного холловского.