DE102004063497A1 - Magnetische Schichten mit gekreuzten Anisotropien - Google Patents

Abstract

Magnetisches Element, insbesondere Kern oder Joch, für ein elektronisches Bauteil, wobei das Element eine anisotrope magnetische Dünnschicht, insbesondere einer Stärke von weniger als 0,1 Millimeter, aufweist, wobei die Dünnschicht mindestens zwei übereinander angeordnete Einzellagen aufweist und wobei die Einzellagen jeweils magnetisch anisotrop sind und die magnetisch leichte Achse der Anisotropie in jeweils eine andere Richtung zeigt.

Description

• Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein magnetisches Element für ein elektronisches Bauteil, insbesondere zur Verwendung als Kern oder als Joch für eine Spule, wobei das Element eine anisotrope magnetische Dünnschicht, insbesondere einer Stärke von weniger als 0,1 Millimeter, aufweist.
• Solche elektronischen Bauteile in miniaturisierten elektronischen Schaltkreisen, insbesondere Mikroinduktoren, könnten im Hinblick auf eine Verbesserung ihrer Güte und zur Reduktion ihrer Baugröße vorteilhafterweise mit ferromagnetischen Elementen, wie Kernen, ausgestattet werden. Wenn für das Element ferromagnetische Werkstoffe, wie dünne magnetische Schichten, verwendet werden, so ist es anzustreben, das von der Spule erzeugte hochfrequente Wechselfeld parallel zur „schweren" Richtung des magnetischen Kerns auszurichten, da nur in dieser Richtung die Schichten eine Permeabilität >> 1 bei hohen Frequenzen aufweisen. Weitere Randbedingungen bei der Herstellung solcher Mikroinduktoren, beispielsweise die Forderung nach einer Reduktion der Streufelder im Substrat, verhindern jedoch, dass Materialien mit einer uniaxialen Anistropie in der Ebene eingesetzt werden können. So entstehen im Fall von ringförmigen magnetischen Kernen oder im Fall von planaren Spiralspulen bei einer uniaxialen Magnetisierung der magnetischen Schicht nun Bereiche, in denen das anregende Feld nicht mehr parallel zur schweren Richtung liegt und somit die optimale Feldverteilung gestört wird. In der DE 4117878 A1 ist eine solche Spiralspule mit magnetischem Sandwich als planares magnetisches Element offenbart. Der Nachteil solcher Spulen liegt in deren Hochfrequenzeigenschaften und in der Erzeugung starker Streufelder.
• Aufgabe der Erfindung ist es daher, ein solches magnetisches Element mit guten Hochfrequenzeigenschaften zu schaffen, das sich mit einfachen Mitteln kostengünstig und mit angepassten Güten für die Mikroelektronik und die Mikrosystemtechnik herstellen lässt. Weiterhin ist es die Aufgabe, vorteilhafte Einsatzgebiete für das erfindungsgemäße Element zu finden.
• Diese Aufgaben werden gelöst mit dem Element nach Anspruch 1 und mit den Bauteilen nach den Ansprüchen 12 bis 15.
• Der wesentliche Grundgedanke der Erfindung liegt darin, für die Dünnschicht mindestens zwei Einzellagen aus magnetischem Material zu verwenden, wobei jede der Lagen magnetisch anisotrop ist. Die Lagen werden dann so angeordnet, dass die magnetisch leichte Achsen der Anisotropien jeweils in eine andere Richtung zeigen. So wird dem in dem Element durch die Hochfrequenz erzeugten magnetischen Fluss die Möglichkeit gegeben, innerhalb der Einzellagen einen Weg zu finden, der eine möglichst große Komponente parallel zur „schweren" Richtung der Anisotropie aufweist. Erfindungsgemäß kann in entsprechenden Materialien über einen großem Frequenzbereich bis zu einigen GHz eine hohe Permeabilität μ innerhalb des Elementes garantiert werden. Im Falle von Mikrospulen mit ringförmigem Kern ermöglichen die gekreuzten Anisotropien somit eine nahezu optimale Ausrichtung des anregenden Hochfrequenzfeldes mit der Magnetisierung des verwendeten magnetischen Kerns. Daraus resultieren bessere Hochfrequenzeigenschaften, insbesondere verbesserte Güten.
• Schon an dieser Stelle sei hervorgehoben, dass sich die Erfindung vorteilhaft umsetzen lässt, wenn die Einzellagen eine Stärke von weniger als 100 nm, beispielsweise im Bereich zwischen 20 nm und 80 nm und insbesondere von 50 nm, aufweisen. Dabei können die Einzellagen beispielsweise aus FeCoSiB bestehen. Eine Dünnschicht kann zwischen zwei und 100 Einzellagen aufweisen, wobei auch noch mehr Lagen denkbar sind. Insgesamt werden Dimensionen des magnetischen Elementes von einigen, beispielsweise von zwei Mikrometern, angestrebt. Diese Höhe wird zur Verbesserung der Eigenschaften, insbesondere zur Vermeidung von Wirbelstromverlusten, in eine Vielzahl einzelner Lagen mit den genannten Stärken aufgeteilt. Dabei beruht die Erfindung auch auf der Erkenntnis, dass mit dem Herstellen jeder weiteren Einzellage die Anisotropie der ersten Schicht nicht zerstört wird.
• Die Erfindung liegt somit in der Bereitstellung von magnetischen Materialien mit sehr guten Hochfrequenzeigenschaften, die es ermöglichen, kleine Bauteile mit angepassten Güten für Mikroelektronik und Mikrosystemtechnik herzustellen. Grund dafür ist die Verwendung von Schichten mit gekreuzten Anisotropien, die es erlauben beliebige, insbesondere geschlossene Feldführungen zu verwenden (sogenannte Torroide). Die vom Winkel des erregenden Hochfrequenzfeldes stark abhängigen Eigenschaften der magnetischen Schicht können durch Verwenden gekreuzter Magnetisierungsrichtungen entscheidend beeinflusst werden. Hierzu werden die erfindungsgemäßen zwei oder mehreren magnetische Schichten beispielsweise zueinander verdreht übereinander abgeschieden in einem Abscheideprozess, insbesondere in einem Sputterprozess.
• Auch wenn es denkbar ist, die Richtungen der Anisotropien in verschiedenen Richtungen im Raum zu orientieren, so ist es doch wegen der einfachen Herstellung und Handhabung besonders vorteilhaft, sich auf die Ebene zu beschränken. So ist es von Vorteil, wenn die individuelle Magnetisierungsrichtung, insbesondere die leichte Magnetisierungsrichtung, in der Ebene der jeweiligen Einzellage liegt und wenn dann die Magnetisierungsrichtungen zweier übereinander angeordneter Einzellagen um einen Winkel gegeneinander verdreht sind. Diesbezüglich ist es gerade bei der Verwendung von nur wenigen, insbesondere von zwei Einzellagen, von Vorteil, wenn deren magnetische Anisotropien um einen Winkel von etwa 90° gegeneinander verdreht sind.
• Entsprechend der Erfindung werden bei der Herstellung dieser optimierten, durch Dünnschichttechnik fabrizierten induktiven Bauteile Zwei- oder Viellagenschichten mit zueinander verdrehten, insbesondere gekreuzten Magnetisierungsrichtungen (uniaxiale Anisotropien) verwendet. Der Hintergrund der Erfindung liegt somit darin, die gewünschten magnetischen Eigenschaften bei hohen Frequenzen dadurch zu erreichen, dass in keinem Fall die magnetische leichte Richtung parallel zum Hochfrequenzfeld zu zeigt. Durch die Verwendung von Schichten mit verdrehten (gekreuzten) leichten Magnetisierungsrichtungen lassen sich damit komplexe Spulendesigns mit höheren Güten und geringeren Streufeldern realisieren. Durch die Schichtstapel mit gekreuzten Magnetisierungsrichtungen wird vermieden, dass – wie vormals bei der uniaxialen Magnetisierung der magnetischen Schicht – Bereiche existieren, in denen das anregende Feld nicht mehr parallel zur schweren Richtung liegt und die optimale Feldverteilung gestört ist.
• Die magnetischen Einzellagen können unmittelbar aufeinander aufliegen. Im Hinblick auf eine einfache Herstellung und auf die Vermeidung von Wirbelströmen ist es allerdings besonders vorteilhaft, wenn zwischen zwei magnetischen Einzellagen eine Zwischenlage angeordnet ist, die aus dielektrischem Material, beispielsweise einer isolierenden SiO₂-Schicht, besteht. Im Hinblick auf die Herstellung magnetostriktiver-piezoelektrischer Wandler ist es vorteilhaft, wenn die magnetischen Schichten eine piezoelektrische Zwischenschicht einschließen. So ist es gerade beim Einsatz in Dehnungssensoren vorteilhaft, wenn zumindest eine Einzellage aus einem magnetostriktivem Material besteht. Im Fall der magnetostriktiven Dehnungssensoren, die als elektrische Schwingkreise (LC-Schwingkreise) ausgelegt sind, ist eine weitgehend analoge Argumentation gültig. Dabei bildet die mit einer magnetostriktiven Schicht versehene Mikroinduktivität das L, das sich durch die Dehnung über den inversen magnetostriktiven Effekt ändert. Hierbei ergeben sich zwei Gesichtspunkte, die für eine Verwendung von Schichten mit gekreuzten Anistropfen sprechen: Zum Einen müssen die Schichten bei der elektrischen Resonanzfrequenz ferromagnetisch sein (Argumentation entsprechend wie bei den Induktoren), zum Anderen kann dadurch eine Empfindlichkeit auf Dehnungen in allen Raumrichtungen in der Ebene erreicht werden.
• Mikro-Spulen, die in kommerziellen Applikationen auf Platinen (engl.: printed circuit boards) oder in integrierten Schaltungen als planare, spiralförmige Spulen realisiert werden, können erfindungsgemäß mit einem magnetischen Kern versehen werden. Im Verhältnis zu den bislang bekannten „Luftspulen" verbrauchen diese zum Erreichen bestimmter Zielinduktivitäten aufgrund geringerer Windungszahlen bedeutend weniger Raum auf der Platine oder dem Wafer. Zudem wird mit der Erfindung der Nachteil behoben, dass die weite räumliche Ausdehnung der magnetischen Streufelder der Luftspulen zu unerwünschten Beeinflussungen der elektrischen Schaltungen führen können. Mikroinduktoren auf der Basis dünner magnetischer Schichten erhalten mit der Erfindung höhere Güten, die durch geringere Widerstände und eine effizientere Integration der magnetischen Schichten) hervorgerufen werden.
• Die Magnetisierung, also die Anisotropie, einer Einzellage kann durch unterschiedliche Verfahren erzeugt werden. Als besonders vorteilhaft bieten sich an eine Mikrostrukturierung, ein Glühen in einem Magnetfeld, eine Strukturierung des Substrates, auf der die Einzellage abgeschieden ist, ein Anbringen einer hartmagnetischen Schicht in der Nähe des Bauteils und durch ein Abscheiden der Einzellage in einem Magnetfeld.
• Die weichmagnetischen Dünnfilme mit gekreuzten Magnetisierungsrichtungen sind für einen großen Anwendungsbereich, beispielsweise für magnetoelektronische Bauelemente, als Kernmaterialien von Mikrospulen und für (fernabfragbare) magnetoelastische Sensoren interessant. Der Frequenzbereich der Anwendungen liegt zwischen wenigen MHz und einigen GHz.
• Eine vorteilhafte Anordnung ist ein auf einem Substrat in Dünnschichttechnik hergestellter Torroid mit einem magnetischen Kern als magnetische Schichtfolge mit wechselseitig gekreuzten Anisotropien. Zudem lässt sich die Erfindung besonders vorteilhaft in einem Sensor mit einem sensitiven Element umsetzen.
• Nachfolgend wird die Erfindung anhand der Figuren näher erklärt. Es zeigen:
• 1 ein einfaches Sandwich dünner Filme aus amorphen FeCoSiB,
• 2 Hystereseschleifen,
• 3 die Magnetisierung einer Doppelschicht mit gekreuzter Anisotropie,
• 4 eine Messung der Permeabilitäten,
• 5 die Hochfrequenz-Permeabilität einer Doppelschicht mit gekreuzter Anisotropie im Vergleich zu einer Einzellage als Funktion des Anregungswinkels (Winkel des Hochfrequenzfeldes in Bezug zur Schichtkoordinate)
• 6 und 7 einen Torroid.
• Als Ausführungsbeispiel für die erfindungsgemäßen Elemente sei an dieser Stelle das Hochfrequenzverhalten dünner Filme aus amorphen FeCoSiB vorgestellt, die mit gekreuzter Anisotropie übereinander angeordnet sind. Ein solches Element weist zwei annährend gleichartige magnetische Einzellagen aus FeCoSiB einer Stärke von 40nm auf, wobei die uniaxiale Anisotropie der einen Lage um 90° gegenüber der Anisotropie der anderen Lage verdreht ist. Beide Lagen sind in diesem Beispiel durch einen SiO₂ Film der Stärke von 20nm getrennt. In 1 ist ein solches Sandwich schematisch dargestellt. In diesem Fall ist die Bodenschicht 1 aus FeCoSiB auf das Dielektrikum 2 aus SiO₂ mittels eines Sputterprozesses aufgetragen. Nachfolgend wurde die Probe aus der Sputterkammer entnommen und um einen Winkel von 90° verdreht, bevor die Deckschicht 3 ebenfalls durch einen Sputterprozess aufgetragen wurde. Die Richtungen der jeweiligen Anisotropien sind mit den durchgezogenen Pfeilen dargestellt, während der unterbrochen gezeichnete Pfeil die Addition darstellt.
• 2 zeigt die Hystereseschleifen eines 80 nm dünnen Referenz-Films aus amorphen FeCoSiB, wobei das Feld der Anisotropie ungefähr 22 Oe stark ist. Dabei ist mit EA die leichte und mit HA die schwere Achse der Anisotropie bezeichnet. In dem Diagramm nach 3 ist die Magnetisierung einer erfindungsgemäßen Doppelschicht mit gekreuzter Anisotropie. Dabei ist die normierte Permeabilität gegen die applizierte Feldstärke aufgetragen. Die eingesetzen Winkel des Feldes sind im Diagramm ebnso eingetragen. 4 zeigt selbsterklärend eine Messung der Permeabilitäten des FeCoSiB Filmes. Die Permeabilität ist etwa 500, wobei die Resonanzfrequenz bei etwa 1.7 GHz liegt. In 5 ist Winkelabhängigkeit des Realteils der Permeabilität bei 1 GHz einer FeCoBSi-Einzelschicht mit uniaxialer Anisotropie und eines Doppellayers mit gekreuzter Anisotropie dargestellt. Diese Messung verdeutlicht die Unabhängigkeit der Hochfrequenzpermeabilität von der Richtung des anregenden Hochfrequenzfeldes im Fall der Schichten mit gekreuzten Anisotropien.
• In den 6 und 7 ist eine erfindungsgemäße Spule als Toroid gezeigt. Die Skizze nach 6 zeigt einen Toroiden in Dünnschichttechnik, wobei die Lage 4 die untere Metallisierung, die Lage 5 den erfindungsmäßigen Kern und die Lage 6 die obere Metallisierungsebene bezeichnet. Zur Übersichtlichkeit wurden die Isolationen zwischen den Metallisierungen und dem Kern nicht aufgeführt. Die Wicklungszahl in diesem Beispiel ist 50 (6), wobei es vorteilhaft ist Wicklungszahlen N >> 1 zu realisieren. Im Gegensatz zu planaren Spiral-Spulen, die große Streufelder erzeugen, wird durch solch einen Toroid eine optimale Führung des magnetischen Flusses im Inneren der Spule erreicht. Zudem wird die Induktivität L, die proportional N² ist und damit prinzipiell auch die Güte (~ L, ohne ohmsche Widerstandseffekte) signifikant erhöht. Die besondere Induktivitätssteigerung und damit Güteerhöhung der Spule erfolgt durch Verwenden des erfindungsgemäßen magnetischen Kerns, bzw. Jochs.
• Ein Toroid weist im Vergleich zum Solenoid dabei den Vorteil höherer Induktivität und insbesondere die vollständige Führung der Flußlinien im magnetischen Material auf. Die dazu notwendige Bedingung, das magnetische Material nicht entlang der leichten Richtung mit dem Hochfrequenzfeld anzusteuern, läßt sich mit einer uniformen uniaxialen Anisotropie nicht erreichen. Ein im Wafermaßstab praktikables Verfahren ist die Verwendung von Schichten mit gekreuzten Anisotropien. Dabei besteht dieser magnetische Kern aus mehreren, in der Regel von viel mehr als zwei, (voneinander isolierten) magnetischen Schichten, mit jeweils zueinander gekreuzten in der Schichtebene uniaxialen Ansiotropien.

Claims (15)

1. Magnetisches Element, insbesondere Kern oder Joch, für ein elektronisches Bauteil, wobei das Element eine anisotrope magnetische Dünnschicht, insbesondere einer Stärke von weniger als 0,1 Millimeter, aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die Dünnschicht mindestens zwei übereinander angeordnete Einzellagen aufweist, wobei die Einzellagen jeweils magnetisch anisotrop sind und die magnetisch leichte Achse der Anisotropie in jeweils eine andere Richtung zeigt.
2. Element nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die individuelle Magnetisierungsrichtung, insbesondere die leichte Magnetisierungsrichtung, in der Ebene der jeweiligen Einzellage liegt, wobei die Magnetisierungsrichtungen zweier übereinander angeordneter Einzellagen um einen Winkel gegeneinander verdreht sind.
3. Element nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Einzellagen um einen Winkel von etwa 90° gegeneinander verdreht sind.
4. Element nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Einzellagen unmittelbar übereinander angeordnet sind.
5. Element nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Einzellage eine Stärke von weniger als 100 nm aufweist.
6. Element nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass alle Einzellagen aus demselben Material erzeugt sind und nahezu dieselbe Stärke aufweisen.
7. Element nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Einzellagen durch einen Abscheideprozess, insbesondere einen Sputterprozess, erzeugt sind.
8. Element nach einem der vorherigen Ansprüche, gekennzeichnet durch eine Einzellage aus magnetorestriktivem Material, insbesondere für den Einsatz in Dehnungssensoren.
9. Element nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine die Dünnschicht zwischen zwei und 100 Einzellagen aufweist.
10. Element nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen zwei Einzellagen eine Zwischenlage angeordnet ist, die aus einem dielektrischen oder einem piezoelektrischen Material bestehen.
11. Element nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Einzellage aus FeCoSiB besteht und eine Stärke zwischen 20 nm und 80 nm, insbesondere von 50 nm, aufweist.
12. Element nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Magnetisierung (Anisotropie) einer Einzellage erzeugt ist durch eine Mikrostrukturierung und/oder durch ein Glühen in einem Magnetfeld und/oder durch eine Strukturierung des Substrates, auf der die Einzellage abgeschieden ist, und/oder durch ein Anbringen einer hartmagnetischen Schicht in der Nähe des Bauteils und/oder durch ein Abscheiden der Einzellage in einem Magnetfeld.
13. Auf einem Substrat, insbesondere einem Waver, aufgebrachte Spule, die durchdrungen ist von einem Element nach einem der vorherigen Ansprüche.
14. Ein in Dünnschichttechnik hergestellter Toroid mit einem magnetischen Element nach einem der vorherigen Ansprüche 1 bis 12.
15. Sensor mit einem magnetischen Element nach einem der vorherigen Ansprüche.