DE1185741B - Verfahren zur Herstellung eines schnell schaltenden bistabilen magnetischen Duennschicht-Speicherelementes - Google Patents

Verfahren zur Herstellung eines schnell schaltenden bistabilen magnetischen Duennschicht-Speicherelementes

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Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND
DEUTSCHES
PATENTAMT
AUSLEGESCHRIFT
Internat. Kl.: H Ol d
Deutsche Kl.: 21g-31/03
Nummer: 1185 741
Aktenzeichen: J18215 VIII c/21 g
Anmeldetag: 30. Mai 1960
Auslegetag: 21. Januar 1965
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines schnell schaltenden bistabilen magnetischen Dünnschicht-Speicherelementes mit einer Dicke von weniger als 25 μ.
Seit der Entdeckung, daß bestimmte Ferrite in Form von Ringkernen die für die Verwendung als Speicherelemente in Rechenanlagen notwendige rechteckförmige Hystereseschleife aufweisen, hat man versucht, diese Speicherelemente weiter zu verbessern, vor allem auch hinsichtlich höherer Schaltgeschwindigkeiten. Ferritmaterialien mit hoher Schaltgeschwindigkeit würden es beispielsweise ermöglichen, an Stelle der komplizierteren Parallel-Addierschaltung eine Serien-Addierschaltung zu verwenden.
Es ist zwar bekannt, daß bestimmte dünne metallische Filme hohe Schaltgeschwindigkeiten ermöglichen. Ihre Anwendung in Speicheranordnungen, bei denen die Auswahl der Speicherelemente durch Koinzidenzwählimpulse erfolgt, ist jedoch wegen der Empfindlichkeit der Metallfilme gegenüber Halbwählimpulsen noch nicht möglich. Es ist daher erwünscht, ein Speicherelement zu schaffen, daß die Vorteile der gegenwärtig benutzten toroidförmigen Ferritkerne mit denen der dünnen metallischen Filme vereinigt.
Diese der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe wird durch ein Verfahren zur Herstellung eines bistabilen magnetischen Dünnschicht-Speicherelementes mit einer Dicke von weniger als 25 μ gelöst, das zur Erzielung einer praktisch ungescherten Hystereseschleife des Speicherelementes, eines Rechteckigkeitsverhältnisses größer als 0,7 und einer Schaltkonstante in der Größenordnung 0,15 Oe · μβεΰ durch folgende Verfahrensschritte gekennzeichnet ist:
Verfahren zur Herstellung eines
schnell schaltenden bistabilen magnetischen
Dünnschicht-Speicherelementes
Anmelder:
International Business Machines Corporation,
Armonk, N.Y. (V. St. A.)
Vertreter:
Dipl.-Ing. H. E. Böhmer, Patentanwalt,
Böblingen (Württ), Sindelfinger Str. 49
Als Erfinder benannt:
James Merritt Brownlow, Crompond, N.Y.
(V. St. A.)
Beanspruchte Priorität:
V. St. v. Amerika vom 9. Juni 1959 (819 056)
Magnesiumoxyd, Mangansesquioxyd und Eisen(III)-oxyd werden etwa entsprechend der Formel
Mg0.8Mn0.5Fei.7°4
gemischt; diese Mischung wird über mehrere Stunden in einer Kugelmühle naß vermählen, anschließend im Ofen bei etwa 100° C getrocknet und dann in Luft bei einer Temperatur von etwa 1000° C 3 Stunden lang zur Bildung der Spinellstruktur gebrannt;
das gebrannte Produkt wird pulverisiert, mit einem harzartigen Bindemittel, dessen Menge etwa 20 Gewichtsprozent des Spinellpulvers beträgt und einem geeigneten Lösungsmittel gemischt, dessen Menge etwa dem doppelten Gewicht aller trockenen Substanzen entspricht;
diese Mischung wird erneut mehrere Stunden in einer Kugelmühle gemahlen und dann auf einen mit einer dünnen Gelatineschicht versehenen Trägerkörper in dünner Schicht aufgebracht;
diese Schicht wird getrocknet, von der Unterlage getrennt und dann bei einer Temperatur von etwa 1400° C während 5 Minuten gesintert und anschließend langsam auf Raumtemperatur abgekühlt.
Weitere Einzelheiten ergeben sich aus der Beschreibung sowie den nachstehend aufgeführten Zeichnungen:
F i g. 1 bis 1 e zeigen die verschiedenen geometrischen Formen, die das erfindungsgemäße Dünnschicht-Speicherelement aufweisen kann;
Fig. 2 stellt eine bei 60 Hertz aufgenommene
Hystereseschleife der Speicherelemente dar. Die dargestelle Schleife zeigt das in Tabelle I mit der Nr. 103 bezeichnete Speicherelement, das eine Dicke von 9 μ besitzt;
F i g. 2 a zeigt eine ähnliche Schleife für ein 50 μ dickes Element, nämlich für das in Tabelle III mit T 14 A bezeichnete Speicherelement;
Fig. 2b zeigt Kurven des reziproken Wertes der Schaltzeit Ts über der angelegten Feldstärke H für den Körper 103 der Tabelle I (Kurve Ä), für dünne Toroide (Kurve B) und für dicke Toroide (Kurve C); Fig. 3 ist eine schematische Darstellung der bei der Herstellung der Dünnschicht-Speicherelemente gemäß der Erfindung angewendeten Verfahrensschritte.
409 769/285
In F i g. 1 bis 1 e sind einige der geometrischen Formen dargestellt, die das erfindungsgemäße Dünnschicht-Speicherelement aufweisen kann. Die Elemente werden innerhalb bestimmter, nachstehend beschriebener Abmessungen hergestellt. Innerhalb dieser Abmessungen besitzen die Elemente etwa 5mal kleinere Umschaltkonstanten als die zur Zeit als Speicherelemente in Rechnern verwendeten dicken, toroidförmigen Ferritkerne. Außerdem weisen die Elemente nach der Erfindung eine stärker rechteckförmige Hystereseschleife auf, die kleinere Verhältnisse der koinzidenten Auswahlströme gestattet als das jetzt verwendete Verhältnis 2:1. Zum Beispiel kann mit den vorliegenden Speicherelementen das Verhältnis in Koinzidenzstrom-Speicheranordnungen 4 : 3 betragen.
Die Tatsache, daß die magnetischen Dünnschicht-Speicherelemente gemäß der Erfindung eine einachsige Anisotropie in der Ebene des Elementes aufweisen, führt zu einem verbesserten Impulsverhalten, insbesondere zu einem sehr spitzen Ausgangsimpuls. Außerdem wird eine weiter verringerte Empfindlichkeit gegenüber Halbwählimpulsen beobachtet. Durch entsprechende Wahl der geometrischen Abmessungen des Dünnschicht-Speicherelementes kann der bei Elementen mit offenem magnetischem Flußpfad auftretende Effekt der Scherung der Hystereseschleife auf ein Minimum beschränkt werden.
Die bistabilen magnetischen Dünnschicht-Speicherelemente werden gemäß der Erfindung folgendermaßen hergestellt:
Geeignete Metalloxyde, wie z. B. Magnesiumoxyd, Mangansesquioxyd und Eisen(III)-oxyd, werden in passend gewählten Anteilen gemischt, wie sie auch für die zur Zeit in herkömmlichen Ferritsystemen verwendeten dicken Ringkerne üblich sind. Die gemischten Oxyde werden naß in einer Kugelmühle vermählen, getrocknet und zur Bildung der Spinellstruktur in Luft bei etwa 1000° C gebrannt. Die gebrannte Masse wird erneut pulverisiert und mit einem harzartigen Bindemittel, dessen Menge etwa 20 Gewichtsprozent des Spinellpulvers beträgt, und einem geeigneten Lösungsmittel gemischt, dessen Menge etwa dem doppelten Gewicht aller trockenen Substanzen entspricht. Der Prozentsatz des Bindemittels und des Lösungsmittels wird so gewählt, daß die Ferritteilchen einander berühren, aber nicht zusammenballen. Geeignete Binde- und Lösungsmittel sind z. B. Nitrozelluloseharze wie Pyroxilinum und Amylacetat, Alkydharze und Toluol sowie Polyvinylalkohol und Wasser. Die Mischung aus Ferritmaterial, Lösungsmittel und Harz wird erneut 2 bis 10 Stunden lang in der Kugelmühle gemahlen, um sie noch feiner zu zerkleinern, und dann auf eine auf einem Drehtisch befindliche Glas- oder andere geeignete Unterlage aufgegossen oder aufgesprüht und bis zum Trocknen gedreht. Der so entstehende Film wird dann in die gewünschte Größe und Form geschnitten, z. B. in dünne Fasern, Stangen, Stäbe oder Toroide. Danach werden die Teile von der Unterlage getrennt, bevor sie abschließend gesintert werden. Diese Trennung kann leicht dadurch erreicht werden, daß die Glasoberfläche mit einer 1- bis 4%-igen Gelatine-Wasser-Lösung vorbehandelt wird, bevor die Ferritmasse aufgetragen wird. Dann werden die Teile in einen Brennbehälter gebracht, z.B. einen mit Aluminiumoxyd gefütterten Platinbehälter, wobei durch das Aluminiumoxyd das Ankleben der Teile an dem Platin verhindert wird, und danach werden sie bei erhöhter Temperatur von etwa 1400° C 5 Minuten lang gesintert und dann auf Zimmertemperatur abgekühlt, um das Endprodukt zu bilden.
In Verbindung mit dem in F i g. 3 dargestellten Diagramm soll nun das folgende Beispiel das Verfahren veranschaulichen:
Magnesiumoxyd (32,2 g), Mangansesquioxyd (38,7 g) und Eisenoxyd (135,7 g) entsprechend der
Formel Mg018Mn0-5Fe1-7O4
wurden innig gemischt. Die Mischung wurde 10 Stunden lang naß in der Kugelmühle gemahlen, dann 2 Stunden lang bei etwa 100° C im Ofen getrocknet und in Luft 3 Stunden lang bei etwa 1000° C gebrannt. Die Masse wurde dann erneut zu feinem Pulver zermahlen und mit 40 g Pyroxilinum und 500 g Amylacetat gemischt. Der dünne Brei wurde 4 Stunden lang in der Kugelmühle gemahlen, dann auf eine mit einer dünnen Gelatineschicht bedeckte Glasfläche gegossen, auf einen Drehtisch gelegt und trockengeschleudert. Das so entstandene dünne Ferritblatt wurde dann in Streifen zerschnitten, die 19 mm lang, 3 mm breit und 0,01 mm stark waren. Die Ferritstreifen wurden dann durch Auflösung der Gelatine mit warmem Wasser von der Unterlage getrennt. Danach wurden die einzelnen Teile in einen mit Aluminiumoxyd gefütterten Platinbehälter gebracht, 5 Minuten lang bei 1400° C gesintert und langsam auf Zimmertemperatur abgekühlt.
Nach dem oben beschriebenen allgemeinen Verfahren wurden mehrere Dünnschicht-Ferritelemente von verschiedener Zusammensetzung, Größe und Form gemäß Tabelle I hergestellt.
Tabelle II zeigt einige Impulsprüfdaten, die für die Dünnschicht-Ferritelemente der Zusammensetzung
Mgo.S M%5Fei.7°4
mit offenem magnetischem Flußpfad erhalten wurden.
Tabelle III zeigt den Einfluß der Dicke der Dünnschicht-Ferritelemente auf die Form der Hystereseschleife.
Der Störabstand ist definiert als das Verhältnis der Ausgangsspannung, die man erhält, wenn das Speicherelement im ungestörten »1 «-Zustand abgefragt wird, zu der Ausgangsspannung, die ein positiver Halbwählimpuls bei dem im gestörten »0«-Zustand befindlichen Speicherelement hervorruft.
Gemäß den Tabellen weist das Ferrit-Dünnschicht-Speicherelement nach der Erfindung äußerst schnelle Schalteigenschaften sowie einen hohen Grad der Rechteckförmigkeit der Hystereseschleife auf. Insbesondere die Daten in Tabelle II beweisen die Eignung des Elementes für die Verwendung in Koinzidenzstrom-Speicheranordnungen. Für diese Anwendung ist, wie in der Tabelle I für das Verhältnis BT:BS der Elemente 103, 103 A und 103 B gezeigt wird, die verschiedene Verhältnisse von Länge zu Breite aufweisen, zweckmäßigerweise das Verhältnis von Länge zu Breite größer als 5 und die Dicke geringer als 10 μ. Tabelle III zeigt, wie sich eine Vergrößerung der Dicke der Elemente auswirkt. Bei einer Dicke von 50 μ wird die Hystereseschleife beträchtlich geschert. Bei anderen Anwendungen als in Speichersystemen kann man diese Scherwirkung tolerieren und dadurch die sehr schnellen Schalteigenschaften des Elementes ausnutzen.
Tabelle I
Physikalische Eigenschaften der Ferritelemente mit hoher Schaltgeschwindigkeit
Nr. des
Körpers		 Formel der molaren
Zusammensetzung		 Brennbed
Temperatur
(0C)		 ngungen
Zeit
(Minuten)		 (Oe) Bs
(Gauß)		 Br
(Gauß)		 Br
K 		Umschalt-
konstante Sn,
(Oe · μββο) 		Länge L
(mm)		 Breite B
(mm)		 Verhältnis
L
B 		Dicke D
(μ)
103 Mgo,8Mno.5Fei,7°4 1400 5 3,0 3000 2700 0,90 0,12 19 3 6,3 9
103 A Μ8ο,8 Mno,5 Fe1>7O4 1400 5 3,0 3000 2400 0,80 0,15 19 6 3,1 9
103 B Mgo,8Mno>5 Fe1>7O4 1400 5 3,0 3000 2200 0,73 0,15 19 15 1,2 9
103 C Mgo,8MnOi5 Feli7O4 1400 60 2,6 3000 2500 0,83 0,15 10 4 2,5 9
103 D Mgo,8MnO.5Fei,7°4 1400 15 3,2 3000 2700 0,90 0,15 12 6 2,0 9
103 E Mg0,8Mn0,5Fei.7°4 1400 15 3,3 3000 2700 0,90 0,15 10 7,5 1,33 4
103 F Mg0,8Mn0,5Fei,7O4 1400 15 3,3 3000 2400 0,80 0,15 16 6 2,6 4
103 G Mg0,8Mn0,5Fei.7O4 1400 60 2,6 3000 2700 0,90 0,15 12 5 2,4 9
103H Mgo,8MnOi5 Fe117O4 1350 1200 1,6 3000 2700 0,90 0,15 14 5 2,8 9
K194 Mg0,2Mni,0Zn0.3O4 1400 10 2,0 2000 1600 0,80 0,20 13 5 2,6 9
K117 Mn1,29 Cr0065 Ni0 065 Fe158 O4 1400 20 3,0 2500 1750 0,75 0,18 12 5 2,4 9
T14 Cu0,04Mn1>26Feli70O4 1400 20 3,0 2500 1750 0,75 0,12 12 2,5 4,8 9
K133 Mg0,9Ni0,28Ti0,2Fei.G2O4 1400 60 Luft
120CO2 		6,0 2000 1400 0,75 — 12 5 2,4 9
Tabelle II
Nr. des
Körpers		 Länge L
(mm)		 Breite B
(mm)		 L
B' 		Dicke D
(μ)		 Schaltzeit
T
^sec)		 Schaltzeit
T
(μ5βο) 		H0
(Oe)		 Stör
abstand
1031
103 J		 12
7,5		 0,6
0,25		 20
30		 9
3		 0,125
0,095		 1,10
0,250		 3,0
3,0		 8
10
Schwellfeldstärke = maximale Feldstärke, bei der kein irreversibles Schalten auftritt.
Schaltzeit bei einer angelegten Feldstärke von 3 Ho, gemessen als Dauer des Ausgangsimpulses zwischen den 10 % Amplitudenwerten, wenn Rechteckimpulse an das Element angelegt werden.
Schaltzeit für eine angelegte Feldstärke von 2Ho, gemessen in der gleichen Weise.
Tabelle III
Einfluß der Dicke
der streifenförmigen Dünnschicht-Ferritelemente auf die Form der Hystereseschleife
Nr. des
Körpers		 Länge
(mm)		 Breite
(mm)		 Dicke
(μ)		 Grad der Scherung der Schleife
T14A
103 L
103 M		 5
7,5
5		 0,75
0,75
0,75		 50
30
16		 stark geschert (Fig.2a)
geschert
nicht geschert (ähnlich F i g. 2)
Fig. 2b zeigt die Schalteigenschaften des erfindungsgemäßen Dünnschicht-Ferritelementes, und zwar stellt Kurve A die Schalteigenschaften des Körpers 103 dar; Kurve B zeigt die Auswirkung der Verminderung der Stärke von Toroiden, insbesondere bei einem Toroid der durch den Körper 103 dargestellten Zusammensetzung und mit einer Stärke von 18 μ; Kurve C zeigt die Schalteigenschaften von dicken Toroiden (500 μ) derselben Zusammensetzung (103). Bei letzteren sind die Schaltgeschwindigkeiten etwa 5mal kleiner als bei den Elementen gemäß der Erfindung.

Claims (3)

Patentansprüche:
1. Verfahren zur Herstellung eines schnell schaltenden bistabilen magnetischen Dünnschicht-Speichereiementes mit einer Dicke von weniger als 25 μ, gekennzeichnet durch folgende Verfahrensschritte zur Erzielung einer praktisch ungescherten Hystereseschleife des Speicherelementes, eines Rechteckigkeitsverhältnisses größer als 0,7 und einer Schaltkonstante in der Größenordnung von 0,15 Oe ·
Magnesiumoxyd, Mangansesquioxyd und Eisen(III)-oxyd werden etwa entsprechend der Formel
Mg0i8Mn0j5Fe1>7O4
gemischt; diese Mischung wird über mehrere Stunden in einer Kugelmühle naß vermählen, anschließend im Ofen bei etwa 100° C getrocknet und dann in Luft bei einer
Temperatur von etwa 1000° C 3 Stunden lang zur Bildung der Spinellstruktur gebrannt;
das gebrannte Produkt wird pulverisiert, mit einem harzartigen Bindemittel, dessen Menge 20 Gewichtsprozent des Spinellpulvers beträgt und einem geeigneten Lösungsmittel gemischt, dessen Menge etwa dem doppelten Gewicht aller trockenen Substanzen entspricht;
diese Mischung wird erneut mehrere Stunden in einer Kugelmühle gemahlen und dann auf einem mit einer dünnen Gelatineschicht versehenen Trägerkörper in dünner Schicht aufgebracht;
diese Schicht wird getrocknet, von der Unterlage getrennt und dann bei einer Temperatur von etwa 1400° C während 5 Minuten gesintert und anschließend langsam auf Raumtemperatur abgekühlt.
2. Nach dem Verfahren gemäß Anspruch 1 hergestelltes Speicherelement, dadurch gekennzeichnet, daß es stabförmig (z.B. als Flachstab oder hohler Rundstab) mit einem Verhältnis von Länge zu Breite größer als 5 ausgebildet ist.
3. Nach dem Verfahren gemäß Anspruch 1 hergestelltes Speicherelement, dadurch gekennzeichnet, daß es in Form einer geschlossenen oder gelochten Scheibe ausgebildet ist.
In Betracht gezogene Druckschriften:
Journal of Applied Physics, Suppl. zu Band 30, Nr. 4, vom April 1959, S.45S/46S und 60S/61S.
Hierzu 1 Blatt Zeichnungen
409 769/285 1.65 © Bundesdruckerei Berlin
DEJ18215A 1959-06-09 1960-05-30 Verfahren zur Herstellung eines schnell schaltenden bistabilen magnetischen Duennschicht-Speicherelementes Pending DE1185741B (de)

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