DE102004003369A1 - High-frequency magnetic component has a sequence of ferromagnetic components and anti-ferromagnetic layers - Google Patents

High-frequency magnetic component has a sequence of ferromagnetic components and anti-ferromagnetic layers Download PDF

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Abstract

High-frequency (10 MHz +) electronic component is assembled from a laminar (2) series (3) of magnets in which a ferro-magnetic (f) layer is followed by an anti-ferromagnetic (af) layer. Adjacent layers (a, af) are of different magnetic type and are directly coupled by their mutual magnetic inter-reaction. The sequence (3) of layers (f, af) may be repeated as many times as required.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein magnetisches Bauelement mit hoher Grenzfrequenz, das ein magnetisches Schichtensystem enthält. Ein entsprechendes Bauelement ist der DE 101 11 460 A1 zu entnehmen.The invention relates to a magnetic component with high cutoff frequency, which contains a magnetic layer system. A corresponding component is the DE 101 11 460 A1 refer to.

Das bekannte Bauelement enthält ein Schichtensystem, das mindestens eine Schicht aus weichmagnetischem Material aufweist, der mindestens eine weitere Schicht aus hartmagnetischem Material zugeordnet ist. Zu einer Einstellbarkeit der Permeabilität dieses Schichtensystems mittels der hartmagnetischen Schicht ist diese als eine ein permanentes magnetisches Hintergrundfeld erzeugende Biasschicht für die weichmagnetische Schicht vorgesehen. Das Bauelement ist insbesondere für einen Hochfrequenz-Betrieb in einem Frequenzbereich über 10 MHz geeignet. Sein Schichtensystem ist vorzugsweise in Dünnschichttechnik erstellt.The contains known component a layer system comprising at least one layer of soft magnetic Material having at least one further layer of hard magnetic Material is assigned. To a adjustability of the permeability of this Layer system by means of the hard magnetic layer is this as a bias magnetic field generating permanent bias layer for the provided soft magnetic layer. The device is in particular for a high-frequency operation in a frequency range over 10 MHz suitable. Its layer system is preferably in thin-film technology created.

Bei solchen Bauelementen wie insbesondere Mikroinduktivitäten spielt die Grenzfrequenz der ferromagnetischen Resonanz eine entscheidende Rolle. Diese Größe ist im Wesentlichen proportional zu

Figure 00010001
wobei Ms die Sättigungsmagnetisierung des Materials und Hk dessen Anisotropiefeldstärke bedeuten. Im Allgemeinen versucht man, die Grenzfrequenz durch Erhöhung der Sättigungsmagnetisierung Ms weiter zu erhöhen.In such devices, in particular micro-inductances, the cut-off frequency of the ferromagnetic resonance plays a decisive role. This size is essentially proportional to
Figure 00010001
where M s is the saturation magnetization of the material and H k is its anisotropic field strength. In general, attempts are made to increase the cutoff frequency by increasing the saturation magnetization M s .

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein entsprechendes weiteres Bauelement anzugeben, bei dem die Grenzfrequenz auf einen noch höheren Wert eingestellt werden kann.task It is the object of the present invention to provide a corresponding further component specify that the cutoff frequency is at an even higher value can be adjusted.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß für ein Bauelement mit den eingangs genannten Merkmalen dahingehend gelöst, dass sein Schichtensystem zumindest eine Abfolge einer ferromagnetischen Schicht und einer anti-ferromagnetischen Schichten um fasst, wobei die benachbarten Schichten unterschiedlichen Magnetismustyps über eine direkte Austauschwechselwirkung miteinander gekoppelt sind.These Object is according to the invention for a device solved with the features mentioned above in that its layer system at least one sequence of a ferromagnetic layer and an anti-ferromagnetic layers, the adjacent ones Layers of different types of magnetism via a direct exchange interaction coupled together.

Die erfindungsgemäßen Maßnahmen zielen also auf eine Verstärkung der uni-axialen Anisotropie in dem Schichtensystem ab. Dabei wird die Anisotropie der ferromagnetischen Schicht durch die magnetische Kopplung an die anti-ferromagnetische Schicht entscheidend vergrößert, und zwar wird die Anisotropiefeldstärke, also die Feldstärke, die notwendig ist, die Magnetisierung in eine schwere Richtung zu drehen, um einen Betrag Hb verstärkt. Damit ergibt sich ein Gesamtanisotropiefeld von H = Hk + Hb. Dabei kann die Kopplungsfeldstärke Hb zwischen der ferro- und der anti-ferromagnetischen Schicht in weiten Bereichen durch die Wahl des ferromagnetischen Materials sowie durch die Wahl der Schichtdicke eingestellt werden. Typische Werte für Kopplungsfeldstärken Hb liegen in der Größenordnung von 1000 Oe (≅ 8·104 A/m) bei dünnen ferromagnetischen Schichten. Damit ergibt sich gegenüber der Verwendung bekannter NiFe-Legierungen wie „Permalloy" eine um etwa eine Größenordnung höhere Grenzfrequenz. Durch in bekannter Weise vorzunehmende Aufmagnetisierung und Abkühlung unter die Blocking-Temperatur des anti-ferromagnetischen Materials lassen sich dabei beliebige Magnetisierungsrichtungen einstellen, so dass z.B. auch kreisförmige Induktivitäten auszubilden sind.The measures according to the invention thus aim at an enhancement of the uni-axial anisotropy in the layer system. In this case, the anisotropy of the ferromagnetic layer is decisively increased by the magnetic coupling to the anti-ferromagnetic layer, and indeed the anisotropic field strength, ie the field strength which is necessary to turn the magnetization in a heavy direction, is amplified by an amount H b . This results in a Gesamtisisotropiefeld of H = H k + H b . In this case, the coupling field strength H b between the ferromagnetic and the anti-ferromagnetic layer can be adjusted in a wide range by the choice of the ferromagnetic material and by the choice of the layer thickness. Typical values for coupling field strengths H b are of the order of 1000 Oe (≅ 8 · 10 4 A / m) for thin ferromagnetic layers. This results in an order of magnitude higher cutoff frequency compared to the use of known NiFe alloys such as "permalloy." By magnetizing and cooling below the blocking temperature of the anti-ferromagnetic material in a known manner, any desired magnetization directions can be set, such that, for example Also circular inductances are to be formed.

Vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Bauelements gehen aus den von Anspruch 1 abhängigen Ansprüchen hervor. Dabei kann die Ausführungsform nach Anspruch 1 mit den Merkmalen eines der Unteransprüche oder vorzugsweise auch denen aus mehreren Unteransprüchen kombiniert werden. Demgemäss kann das Bauelement zusätzlich noch folgende Merkmale aufweisen:

  • – Die Abfolge der Schichten kann sich n-fach wiederholen, wobei insbesondere einer Wiederholungsrate n der Abfolge > 2, vorzugsweise > 5 gewählt wird.
  • – Hierbei kann zwischen mindestens zwei Abfolgen eine Zwischenschicht aus elektrisch isolierendem oder schlechtleitendem Material vorgesehen werden. Mit einem derartigen Aufbau können vorteilhaft Wirbelströme unterdrückt werden.
  • – Stattdessen oder zusätzlich kann die mindestens eine antiferromagnetische Schicht aus einem elektrisch isolierenden oder schlecht-leitenden Material wie z.B. aus NiO oder CrO bestehen.
  • – Bevorzugte Materialien für die mindestens eine ferromagnetische Schicht sind CoFe-Legierungen oder amorphe Co-Basislegierungen oder FeN-Legierungen. Insbesondere amorphe Legierungen ermöglichen durch eine vergleichsweise hohe Anisotropie eine weitere Verbesserung der Grenzfrequenz.
  • – Das Bauelement kann als Teil einer Induktivitäts- oder Sensoreinrichtung ausgebildet sein.
  • – Insbesondere zeichnet sich das Bauelement nach einem der durch eine Grenzfrequenz von mindestens 10 MHz, vorzugsweise mindestens 100 MHz, aus.
Advantageous embodiments of the device according to the invention will become apparent from the dependent claims of claim 1. In this case, the embodiment can be combined according to claim 1 with the features of one of the subclaims or preferably also those of several subclaims. Accordingly, the device may additionally have the following features:
  • The sequence of the layers can be repeated n times, wherein in particular a repetition rate n of the sequence> 2, preferably> 5, is selected.
  • - It can be provided between at least two sequences an intermediate layer of electrically insulating or bad conducting material. With such a structure, eddy currents can be advantageously suppressed.
  • Instead or in addition, the at least one antiferromagnetic layer can consist of an electrically insulating or poorly conducting material, such as NiO or CrO.
  • Preferred materials for the at least one ferromagnetic layer are CoFe alloys or amorphous Co-base alloys or FeN alloys. In particular, amorphous alloys allow a further improvement of the cutoff frequency by means of a comparatively high anisotropy.
  • - The component may be formed as part of an inductance or sensor device.
  • - In particular, the device is characterized by one of a cut-off frequency of at least 10 MHz, preferably at least 100 MHz, from.

Die Erfindung wird nachfolgend an Hand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf die Zeichnung noch weiter erläutert. Dabei zeigen derenThe invention will be described below with reference to a preferred embodiment with reference Explanation of the drawing further explained. This show their

1 in schematisierter Form das Schichtensystem eines erfindungsgemäßen Bauelements in Schrägansicht sowie 1 in schematic form, the layer system of a device according to the invention in an oblique view and

2 in einem Diagramm die Anisotropieverhältnisse eines solchen Schichtensystems. 2 in a diagram, the anisotropy ratios of such a layer system.

Beim Aufbau eines Bauelements nach der Erfindung, insbesondere als Teil einer Induktivitäts- oder Sensoreinrichtung, wird von an sich bekannten Ausführungsformen ausgegangen (vgl. z.B. die eingangs genannten DE 101 11 460 A1 ). Nachfolgend wird nur auf sein erfindungsgemäß ausgestaltetes Schichtensystem näher eingegangen. Alle übrigen Teile sind in diesem Zusammenhang Stand der Technik.When constructing a component according to the invention, in particular as part of an inductance or sensor device, it is assumed that embodiments are known per se (cf., for example, the abovementioned DE 101 11 460 A1 ). Below will be discussed in more detail only on his inventively designed layer system. All other parts are state of the art in this context.

Dieses Schichtensystem besteht aus wenigstens einer Abfolge von mindestens einer ferromagnetischen Schicht und mindestens einer anti-ferromagnetischen Schicht, wobei diese benachbarten Schichten unterschiedlichen Magnetismustyps über eine direkte Austauschwechselwirkung miteinander magnetisch gekoppelt sein sollen. Hierdurch lässt sich vorteilhaft eine zusätzliche uni-direktionale Anisotropie einstellen.This Layer system consists of at least one sequence of at least a ferromagnetic layer and at least one anti-ferromagnetic Layer, wherein these adjacent layers of different Magnetismustyps over a direct exchange interaction magnetically coupled together should be. This is possible advantageous an additional Set unidirectional anisotropy.

1 zeigt ein entsprechendes, allgemein mit 2 bezeichnetes Schichtensystem. Es umfasst mindestens eine Abfolge 3 einer ferromagnetischen Schicht f und einer anti-ferromagnetischen Schicht af. Diese Abfolge kann sich n-fach wiederholen, wobei n ≥ 2, vorzugsweise ≥ 5 wählbar ist. Die Dicke df bzw. daf der Schichten f und of liegt im Allgemeinen jeweils zwischen 1 nm und 1 μm. Ferner sind bzgl. des Schichtensystems 2 bezeichnet mit

Ku
eine voreingestellte Anisotropie der ferromagnetischen Schicht(en),
Kud
eine uniaxiale Anisotropie,
Hext
ein äußeres Magnetfeld sowie
m
die Magnetisierung.
1 shows a corresponding, generally with 2 designated layer system. It includes at least one sequence 3 a ferromagnetic layer f and an anti-ferromagnetic layer af. This sequence can be repeated n times, where n ≥ 2, preferably ≥ 5 is selectable. The thickness d f or d af of the layers f and of is generally between 1 nm and 1 μm in each case. Furthermore, regarding the layer system 2 designated with
K u
a preset anisotropy of the ferromagnetic layer (s),
K ud
a uniaxial anisotropy,
H ext
an external magnetic field as well
m
the magnetization.

Bei dem erfindungsgemäß ausgestalteten Schichtensystem 2 entsteht durch eine direkte Austauschkopplung (exchange coupling) an der jeweiligen Grenzfläche zwischen einer ferromagnetischen Schicht f und einer anti-ferromagnetischen Schicht of insbesondere nach einer üblichen Wärmebehandlung in einem Magnetfeld eine uniaxiale Anisotropie Kud. Diese wird zweckmäßigerweise so eingestellt, dass sie in eine Richtung weist, die die Richtung einer eventuelle intrinsisch in den ferromagnetischen Schichten bereits vorhandenen uniaxialen Anisotropie überlagert.In the inventively designed layer system 2 arises by a direct exchange coupling (exchange coupling) at the respective interface between a ferromagnetic layer f and an anti-ferromagnetic layer of, in particular after a conventional heat treatment in a magnetic field, a uniaxial anisotropy K ud . This is suitably adjusted to point in a direction superimposed on the direction of any uniaxial anisotropy intrinsically present in the ferromagnetic layers.

Durch die uniaxiale Anisotropie ergibt sich beim Anlegen eines äußeren Magnetfeldes Hext entlang der Richtung der sogenannten schweren Magnetisierung, d.h. senkrecht zur uniaxia len Anisotropie Kud, ein näherungsweise linearer Verlauf für die Magnetisierung m bis zu einem Wert der magnetischen Sättigung bei der Feldstärke Hk = 2·(Kud + Ku)/Js. Dabei ist mit Js die Sättigungsmagnetisierung bezeichnet.Due to the uniaxial anisotropy results in the application of an external magnetic field H ext along the direction of the so-called heavy magnetization, ie perpendicular to uniaxia len anisotropy K ud , an approximately linear curve for the magnetization m up to a value of magnetic saturation at the field strength H k = 2 · (K ud + K u ) / J s . In this case, J s denotes the saturation magnetization.

Die in 1 dargestellte Ausgestaltungsform des Schichtensystems 2 beinhaltet also eine abwechselnde, n-fach wiederholte Abfolge einer ferro- und einer anti-ferromagnetischen Schicht f bzw. af, wobei entweder mit der einen oder mit der anderen die äußeren Begrenzung des Schichtensystems gebildet sein kann. Es ist also eine Schichtenfolge af – [f – af]n bzw. [f – af]n – f gebildet.In the 1 illustrated embodiment of the layer system 2 Thus, an alternating, n-fold repeated sequence of a ferromagnetic and an anti-ferromagnetic layer f or af, which may be formed either with one or the other, the outer boundary of the layer system. Thus, a layer sequence af - [f - af] n or [f - af] n - f is formed.

Durch die Wahl der beiden Schichtdicken df bzw. daf kann die Größe von Kud in weiten Bereichen variiert und eingestellt werden. Eine weitere Beeinflussung ist außerdem noch durch die Wahl einer Temper-Temperatur und/oder der Temper-Zeit möglich.By choosing the two layer thicknesses d f and d af , the size of K ud can be varied and adjusted in a wide range. A further influence is also possible by the choice of an annealing temperature and / or the annealing time.

2 zeigt in einem Diagramm die Abhängigkeit der Magnetisierung J von der äußeren magnetischen Feldstärke Hext. Bei dem Feldstärkewert Hk der Anisotropiefeldstärke wird die Sättigungsmagnetisierung Js erreicht; d.h., bei diesem Wert wird die Anisotropie überwunden. Aus dem Diagramm ist der zumindest näherungsweise lineare Verlauf der Magnetisierung bis zum Punkt der Sättigung ersichtlich. 2 shows in a diagram the dependence of the magnetization J of the external magnetic field strength H ext . At the field strength value H k of the anisotropy field strength, the saturation magnetization J s is reached; ie, at this value the anisotropy is overcome. The diagram shows the at least approximately linear course of the magnetization up to the point of saturation.

In Abwandlung der in 1 gezeigten Ausführungsform des Schichtensystems 2 kann vorteilhaft zwischen mindestens zwei Abfolgen aus ferromagnetischer und anti-ferromagnetischer Schicht f bzw. of noch eine Zwischenschicht z aus einem elektrisch isolierenden oder schlecht-leitenden Material vorgesehen sein. Es ergibt sich so eine n-fache Abfolge von Schichten z.B. der Form f-af-f-[z-f-af]n-z-f-af-f. Dadurch lassen sich vorteilhaft Wirbelstromverluste reduzieren.In modification of the 1 shown embodiment of the layer system 2 can be advantageously provided between at least two sequences of ferromagnetic and anti-ferromagnetic layer f or of still an intermediate layer z of an electrically insulating or poorly-conductive material. This results in an n-fold sequence of layers, for example of the form f-af-f- [zf-af] n -zf-af-f. This can be advantageous to reduce eddy current losses.

Eine derartige Reduktion von Wirbelströmen kann auch dadurch erreicht werden, dass die mindestens eine anti-ferromagnetische Schicht of selbst aus einem elektrisch isolierenden oder schlecht-leitenden Material besteht. Hierfür geeignete Materialien sind insbesondere NiO und CrO.A Such reduction of eddy currents can also be achieved be that the at least one anti-ferromagnetic layer of even from an electrically insulating or bad-conducting Material exists. Therefor suitable materials are in particular NiO and CrO.

Mit dem erfindungsgemäßen Aufbau eines Schichtensystems in einem magnetischen Bauelement wie insbesondere einer Induktivität oder eines Sensors ist also eine hohe intrinsische Anisotropie zu gewährleisten, wobei die Feldrichtung eines externen Magnetfeldes im Wesentlichen senkrecht zur Richtung der intrinsischen Anisotropie stehen sollte.With the structure of the invention a layer system in a magnetic component such as in particular an inductance or a sensor is therefore to ensure a high intrinsic anisotropy wherein the field direction of an external magnetic field is substantially should be perpendicular to the direction of intrinsic anisotropy.

Claims (9)

Magnetisches Bauelement mit hoher Grenzfrequenz, das ein magnetisches Schichtensystem enthält, dadurch gekennzeichnet, dass das Schichtensystem (2) zumindest eine Abfolge (3) einer ferromagnetischen Schicht (f) und einer anti-ferromagnetischen Schicht (af) umfasst, wobei die benachbarten Schichten (f, af) unterschiedlichen Magnetismustyps über eine direkte Austauschwechselwirkung miteinander gekoppelt sind.Magnetic component with high cut-off frequency, which contains a magnetic layer system, characterized in that the layer system ( 2 ) at least one sequence ( 3 ) of a ferromagnetic layer (f) and an anti-ferromagnetic layer (af), wherein the adjacent layers (f, af) of different magnetism type are coupled to each other via a direct exchange interaction. Bauelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Abfolge (3) der Schichten (f, af) sich n-fach wiederholt.Component according to Claim 1, characterized in that the sequence ( 3 ) of the layers (f, af) are repeated n times. Bauelement nach Anspruch 2, gekennzeichnet durch eine Wiederholungsrate n der Abfolge (3) größer als 2, vorzugsweise größer als 5.Component according to Claim 2, characterized by a repetition rate n of the sequence ( 3 ) greater than 2, preferably greater than 5. Bauelement nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen mindestens zwei Abfolgen (3) eine Zwischenschicht (z) aus elektrisch isolierendem oder schlecht-leitendem Material vorgesehen ist.Component according to Claim 2 or 3, characterized in that between at least two sequences ( 3 ) an intermediate layer (z) of electrically insulating or poorly-conducting material is provided. Bauelement nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine anti-ferromagnetische Schicht (af) aus einem elektrisch isolierenden oder schlecht-leitenden Material besteht.Component according to one of the preceding claims, characterized characterized in that the at least one anti-ferromagnetic layer (af) of an electrically insulating or poorly conductive material consists. Bauelement nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Material der mindestens einen antiferromagnetischen Schicht (af) NiO oder CrO ist.Component according to Claim 5, characterized that the material of the at least one antiferromagnetic layer (af) is NiO or CrO. Bauelement nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Material der mindestens einen ferromagnetischen Schicht (F) eine CoFe-Legierung oder eine amorphe Co-Basislegierung oder eine FeN-Legierung ist.Component according to one of the preceding claims, characterized in that the material of the at least one ferromagnetic layer (F) a CoFe alloy or an amorphous Co base alloy or is a FeN alloy. Bauelement nach einem der vorangehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine Ausbildung als Teil einer Induktivitäts- oder Sensoreinrichtung.Component according to one of the preceding claims, characterized by training as part of an inductance or sensor device. Bauelement nach einem der vorangehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine Grenzfrequenz von mindestens 10 MHz, vorzugsweise mindestens 100 MHz.Component according to one of the preceding claims, characterized by a cut-off frequency of at least 10 MHz, preferably at least 100 MHz.
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