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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und Werkzeug zum Magnetisieren von zu magnetisierenden Strukturen und insbesondere ein Verfahren und Werkzeug zum Magnetisieren von zu magnetisierenden Strukturen einer magnetoresistiven Struktur.
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Magnetoresistive Strukturen wie beispielsweise AMR-Strukturen (AMR = Anisotropic Magnetoresistance), GMR-Strukturen (GMR = Giant Magnetoresistance) oder TMR-Strukturen (TMR = Tunneling Magnetoresistance) benötigen auf einem jeweiligen Chip eine Vormagnetisierung in verschiedene Richtungen.
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Bisher bekannt sind Verfahren bei denen eine Magnetisierung mit Hilfe eines Lasers durchgeführt wird. Laserimpulse heizen einzelne Sensorelemente nacheinander auf, während ein jeweiliges magnetisches Feld in entsprechender Richtung angelegt ist. Nachteilig daran ist, dass es sich um ein Verfahren handelt, welches teuer und zeitaufwändig ist. Zusätzliche Chips müssen auf dem Wafer vorgesehen werden, um die Laser-Leistung zu kalibrieren. Das Verfahren ist ferner anfällig dafür, dass Inhomogenitäten in der Magnetisierung entstehen aufgrund von Variationen der Absorption und der Dicke der Absorptionsschicht über den Wafer hinweg. Die thermische Last des Lasers kann zusätzlich zu Degradierungen des Sensor-Stapels führen.
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Ein weiteres bekanntes Verfahren ist die Verwendung von integrierten Spulen oder eines integrierten Leiters (Wire-on Chip) zum Erzeugen eines Magnetfelds. Dies erfordert jedoch zusätzliche Herstellungsschritte für die zusätzlichen Schichten.
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Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren und Werkzeug zum Erzeugen einer Magnetisierung in einer zu magnetisierenden Struktur zu schaffen, das kostengünstig und zuverlässig ist.
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Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren nach Anspruch 1 und ein Werkzeug nach Anspruch 9 gelöst.
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Ein Verfahren zum Magnetisieren einer zu magnetisierenden Struktur umfasst ein Positionieren einer Platte mit einer hartmagnetischen Struktur relativ zu der zu magnetisierenden Struktur, wobei die hartmagnetische Struktur eine in die Platte magnetisch eingeprägte Magnetisierung aufweist mit zumindest einem ersten Magnetisierungsbereich mit einer ersten Magnetisierung und einem zweiten Magnetisierungsbereich mit einer zweiten Magnetisierung, wobei die erste Magnetisierung und die zweite Magnetisierung unterschiedliche Magnetisierungsrichtungen aufweisen. Ein Erzeugen einer Magnetisierung in der zu magnetisierenden Struktur wird entsprechend zu den Magnetisierungsrichtungen der ersten und zweiten Magnetisierung durchgeführt.
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Die zu magnetisierende Struktur kann dabei Teil einer magnetoresistiven Stapelstruktur sein.
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Bei einem Ausführungsbeispiel sind der erste Magnetisierungsbereich und der zweite Magnetisierungsbereich jeweils rechteckige Bereiche sind.
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Der erste Magnetisierungsbereich und der zweite Magnetisierungsbereich können jeweils eine Länge von 10 bis 200 μm aufweisen.
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Die erste Magnetisierung und die zweite Magnetisierung können eine Magnetisierung in einer Richtung senkrecht zu einer Hauptoberfläche der Platte mit jeweils entgegengesetzten Magnetisierungsrichtungen aufweisen. Ferner können die erste Magnetisierung und die zweite Magnetisierung eine Magnetisierung in einer Richtung parallel zu einer Hauptoberfläche der Platte mit jeweils unterschiedlichen Magnetisierungsrichtungen aufweisen.
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Das Verfahren kann ferner das Aufheizen der zu magnetisierenden Struktur über eine vorbestimmte Temperatur aufweist, wobei die Platte und die zu magnetisierende Struktur nach einer vorbestimmten Zeitdauer separiert werden, um eine Entmagnetisierung der hartmagnetischen Struktur zu verhindern, wobei die vorbestimmte Zeitdauer zwischen 100 ms und 60 s liegt.
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Die erste Magnetisierung und die zweite Magnetisierung können so ausgebildet sein, dass an der zu magnetisierenden Struktur ein Feld von 100 mT oder weniger erzeugt wird.
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Die Magnetisierung kann dynamisch erfolgen, so dass der Wärmeübergang zwischen hartmagnetischer und zu magnetisierender Struktur begrenzt wird.
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Das Verfahren kann ferner das Kühlen der hartmagnetischen Struktur auf eine vorbestimmte Temperatur aufweisen.
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Ein Werkzeug zum Erzeugen einer permanenten Magnetisierung in einer zu magnetisierenden Struktur während eines Magnetisierungseinprägungsprozesses umfasst ferner eine Platte mit einer magnetisch eingeprägten hartmagnetischen Struktur, wobei die hartmagnetische Struktur zumindest einen ersten Magnetisierungsbereich mit einer ersten Magnetisierung und einen zweiten Magnetisierungsbereich mit einer zweiten Magnetisierung aufweist, wobei die erste Magnetisierung und die zweite Magnetisierung unterschiedliche Magnetisierungsrichtungen aufweisen.
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Der erste Magnetisierungsbereich und der zweite Magnetisierungsbereich können jeweils in einer hartmagnetischen Schicht auf einer Metallplatte oder in einer hartmagnetischen Schicht eines Halbleiterwafers gebildet sein.
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Das Werkzeug kann eine Steuereinrichtung aufweisen, um eine dynamische Prozessierung zu ermöglichen, bei der das Werkzeug nach einer vorbestimmten Zeit von der zu magnetisierenden Struktur separiert wird, um eine Entmagnetisierung der hartmagnetischen Struktur durch Wärme zu verhindern.
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Der erste und zweite Magnetisierungsbereich sind gemäß einem Ausführungsbereich in einer Metallplatte wie z. B. eine Stahlplatte oder Kupferplatte oder in einer hartmagnetischen Struktur eines Halbleiterwafers gebildet.
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Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche sowie der folgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele und Figuren, bei denen:
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1 ein Ablaufdiagramm zum Erzeugen einer Magnetisierung;
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2 eine schematische Draufsicht auf ein beispielhaftes Werkzeug mit einer lateralen Magnetisierung zum Erzeugen einer Magnetisierung; und
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3 einen schematischen Querschnitt eines beispielhaften Werkzeugs mit einer vertikalen Magnetisierung zum Erzeugen einer Magnetisierung zeigt.
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Unter Bezugnahme auf 1 wird nunmehr ein Ausführungsbeispiel eines Verfahrens 100 zum Erzeugen einer Magnetisierung in einer zu magnetisierenden Struktur gezeigt. In einem ersten Schritt 102 wird eine Platte mit einer hartmagnetischen Struktur, die zumindest eine erste und zweite Magnetisierung aufweist, relativ zu der zu magnetisierenden Struktur positioniert. Typischerweise wird die Platte mit der hartmagnetischen Struktur in gewisser Distanz (Zentimeterbereich) der zu magnetisierenden Struktur gebracht und dort exakt positioniert, um anschließend durch eine genaue lineare Bewegung beide Strukturen in exakt positionierten Kontakt zu bringen, um dort ein möglichst großes Magnetfeld für die Erzeugung der Magnetisierung zu erreichen. Durch diese exakte Positionierung zuerst auf Distanz ist es möglich, die Zeitdauer des Kontakts der Strukturen zeitlich genau zu begrenzen. Dadurch wird ein zu großer Wärmeübergang zwischen der gekühlten oder moderat temperierten hartmagnetischen Struktur und der aufgeheizten zu magnetisierenden Struktur verhindert. Die Positionierung und die zeitliche Steuerung kann durch eine entsprechende Steuereinrichtung gesteuert werden.
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Während der Positionierung und bei der nachfolgenden Magnetisierung kann der Wafer von einem Chuck gehalten werden, derart dass der Wafer zwischen dem Chuck und der Platte positioniert ist.
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Bei einem Ausführungsbeispiel kann ein direkter mechanischer Kontakt zwischen der hartmagnetischen Struktur und der zu magnetisierenden Struktur bestehen. Die hartmagnetische Struktur weist vollständig das Muster auf, welches eingeprägt werden soll, ähnlich zu einer magnetischen Festplatte für Computer-Speichervorrichtungen. Das Muster besteht aus magnetischen Bereichen, die beispielsweise rechteckige Bereiche mit einer Größe im Bereich zwischen 10 und 100 μm sein können. Die Richtungen der Magnetisierung in der hartmagnetischen Struktur können in jeder Richtung der Ebene der hartmagnetischen Struktur (In-Plane-Magnetisierung) und senkrecht dazu (vertikale Magnetisierung verlaufen. Das magnetische Muster kann beispielsweiser der einzuprägenden Magnetisierung für eine Brücke aus magnetischen Elementen eines Sensorelements entsprechen. Das magnetische Muster kann auf der Platte vielfach wiederholt sein, z. B. tausendfach, zehntausendfach, je nachdem wie viele Strukturen auf der zu magnetisierenden Struktur (z. B. Wafer) vorhanden sind und gleichzeitig magnetisiert werden sollen.
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Wird beispielsweise eine Magnetisierung für eine magnetoresistive Struktur (AMR-, GMR- oder TMR-Struktur) für einen Sensor erzeugt so wird die hartmagnetische Struktur in Kontakt mit einem Silizium-Wafer gebracht, der zumindest bis zu einer Aufbringung der magnetoresistiven Struktur vorprozessiert ist. Die hartmagnetische Struktur wird präzise ausgerichtet, so dass die gewünschte Magnetisierung von der hartmagnetischen Struktur auf die magnetoresistiven Strukturen auf dem Wafer übertragen wird.
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In einem darauf folgenden Schritt 104 wird die Magnetisierung in der zu magnetisierenden Struktur erzeugt bzw. eingeprägt. Bei dem Beispiel von magnetoresistiven Sensorstrukturen kann dies beispielsweise durch Erwärmen der zu magnetisierenden Struktur über eine Schwelltemperatur (Blockiertemperatur) erfolgen. An jedem Ort eines Sensors auf dem Wafer wird dadurch die sogenannte gepinnte Schicht (Pinned Layer) mit einer Magnetisierung in der gewünschten Richtung ausgerichtet. Die gepinnte Schicht besteht aus einem weichmagnetischen Material und ist ein Teil des magnetischen Stapels eines magnetoresistiven Sensorelements. Gleichzeitig wird die benachbarte antiferromagnetische Phase magnetisiert, die so die gepinnte Schicht stabilisiert. Dies kann bereits mit einem geringen globalen magnetischen Feld von ungefähr 50 mTesla erfolgen.
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Nach dem Erzeugen der Magnetisierung werden der Wafer und die hartmagnetische Struktur unter Beibehaltung des magnetischen Feldes der hartmagnetischen Struktur heruntergekühlt, danach wird eine Separierung des Wafers von der hartmagnetischen Struktur durchgeführt. Als Ergebnis ergibt sich ein Wafer mit magnetoresistiven Strukturen, der vollständig und korrekt vormagnetisiert ist. Abkühlung und Separierung können auch dynamisch ablaufen, falls dies erforderlich ist: Durch den präzise positionierten Kontakt zwischen der gekühlten oder moderat temperierten hartmagnetischen Struktur und der aufgeheizten zu magnetisierenden Struktur kommt es quasi gleichzeitig zur sehr schnell ablaufenden Magnetisierung der antiferromagnetischen Phase und zur Abkühlung des Produktwafers mit den zu magnetisierenden Strukturen. Entscheidend ist die Abkühlung der zu magnetisierenden Struktur unter fortdauernder Einwirkung des magnetischen Feldes und die rasche Separierung, um das Aufheizen und Entmagnetisieren der hartmagnetischen Struktur zu vermeiden.
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Dieser dynamische Prozessablauf lässt sich durch folgende Maßnahmen unterstützen:
- A) Hohe thermische Masse der hartmagnetischen Struktur und der Halterung: Die hartmagnetische Struktur ist eine hartmagnetische, mit einem Muster aufmagnetisierte Schicht. Ein Beispiel wäre eine elektrolytisch abgeschiedene Schicht (100 μm) aus Kobaltpartikeln in einer Matrix. Diese Schicht wird z. B. von einer Kupfer- oder Siliziumplatte getragen, die ihrerseits auf einem Kühlchuck liegt.
- B) Verwendung von Kobaltsamarium(CoSm)-Kacheln als hartmagnetische Struktur: CoSm ist auch unmagnetisiert als flacher rechteckiger Körper verfügbar. Mehrere Kacheln müssen zu einer ausreichenden Größe (Wafergröße) zusammengesetzt werden. CoSm ist magnetisch sehr stabil. Dadurch kann der dynamische Prozessablauf auch langsamer (u. U. quasistatisch) und somit einfacher ablaufen.
- C) Weichmagnetische Zwischenschicht: Die Magnetisierung lässt sich gegen Temperatur stabilisieren, indem die Hartmagnetische Struktur auf einer weichmagnetischen Unterlage (Eisen oder Ferrit) aufgebracht ist. Dadurch wird der Magnetfluss teilweise geschlossen. Diese Doppelschicht wird z. B. von einer Kupfer- oder Siliziumplatte getragen, die ihrerseits auf einem Kühlchuck liegt.
- D) Thermisch isolierende Schutzbeschichtung: Die hartmagnetische Struktur und/oder die zu magnetisierende Struktur wird mit einer thermisch schlechtleitenden Schutzschicht versehen. Für die kurze Zeit des dynamischen Kontaktes der beiden Strukturen soll die Schutzschicht den Wärmeübergang ausreichend herabsetzen, ohne durch den vergrößerten Abstand das Magnetfeld zu stark zu reduzieren.
- E) Geringe thermische Masse der zu magnetisierenden Struktur: Die zu magnetisierende Struktur, der Produktwafer, muss im Moment des Kontaktes eine Temperatur über der Blockingtemperatur aufweisen, soll die hartmagnetische Struktur aber nicht unzulässig erwärmen. Daher muss die thermische Masse der zu magnetisierenden Schicht klein sein. Dies wird erreicht durch eine Trennung des Produktwafers (also der zu magnetisierenden Struktur) vom Heizchuck, unmittelbar vor dem Kontakt mit der hartmagnetischen Struktur. Alternativ kann der Wafer statt mit einem massigen Chuck auch mit Lampen erwärmt werden.
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2 zeigt schematisch ein Werkzeug 200 zum Magnetisieren, welches für das obige Verfahren eingesetzt werden kann. Das Werkzeug 200 weist die bereits oben erwähnte hartmagnetische Struktur 202 auf, in der in jeweiligen Bereichen Magnetisierungen unterschiedlicher Richtungen eingeprägt sind. Stattdessen kann aber auch vertikal in 2 Richtungen magnetisiert werden. Die hartmagnetische Struktur 202 kann eine hartmagnetische Platte wie beispielsweise eine Kupfer- oder Stahlscheibe oder ein Halbleiterwafer (z. B. Siliziumwafer) mit einer ausreichend dicken hartmagnetischen Überzugsschicht sein.
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2 zeigt beispielhaft eine Draufsicht auf zwei rechteckige Magnetisierungsbereiche 204A und 204B, wobei jedoch zum Magnetisieren eines Wafers für einen magnetoresistiven Sensor eine Vielzahl von weiteren Magnetisierungsbereichen vorgesehen sein kann. Das Erzeugen eines jeweiligen Magnetisierungsmusters in der hartmagnetischen Struktur 202 kann z. B. entsprechend zu einem Audio-Magnetisierungsverfahren durch einen Magnetkopf erfolgen, der entlang der hartmagnetischen Struktur geführt wird, um das entsprechende Magnetisierungsmuster zu erzeugen. Die hartmagnetische Struktur 202 sollte eine hohe Remanenz aufweisen, um zumindest ungefähr 50 mTesla am Ort der Sensorelemente auf dem Wafer bei oder über der Blockiertemperatur (typischerweise um 300°C) zu erzeugen. Alternativ erlaubt ein dynamisches Verfahren mit sehr kurzer Kontaktzeit die Magnetisierung ohne eine unzulässige Erwärmung. Innerhalb der hartmagnetischen Struktur 202 weisen die Magnetisierungsbereiche ungefähr 600 mTesla auf. Ein Teil dieses Felds wird ausgekoppelt wenn die weichmagnetische freie Schicht (Free Layer) des magnetoresistiven Sensorstapels in die Nähe der hartmagnetischen Struktur gebracht wird.
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Während 2 einer Ausführungsform mit eingeprägter lateraler Magnetisierung (Magnetisierung parallel zur Hauptoberfläche der Platte) entspricht zeigt 3 einen Querschnitt einer Ausführungsform mit eingeprägter vertikaler Magnetisierung, bei der die hartmagnetische Struktur eine Magnetisierung in Richtung senkrecht zu der Hauptoberfläche der Platte aufweist. Durch entsprechend entgegengesetzte Magnetisierungen in vertikaler Richtung können an der Oberfläche Nord- und Südpole erzeugt werden, so dass auch hier ein Erzeugen von lateralen Magnetisierungen in der zu magnetisierenden Struktur durch die hartmagnetische Struktur möglich ist.
