DE2052710C2

DE2052710C2 - Magnetischer Dünnschichtkern

Info

Publication number: DE2052710C2
Application number: DE19702052710
Authority: DE
Inventors: Jean-Pierre Seyssinet Lazzari; Igor Grenoble Melnick
Original assignee: Commissariat a lEnergie Atomique CEA
Current assignee: Commissariat a lEnergie Atomique et aux Energies Alternatives CEA
Priority date: 1969-10-28
Filing date: 1970-10-27
Publication date: 1986-08-28
Also published as: BE758054A; DE2052710A1; CH521007A; JPS5115238B1; FR2063694A5; GB1331438A

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen magnetischen Dünnschichtkern der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 vorausgesetzten Art.

Aus C. Heck: »Magnetische Werkstoffe und ihre technische Anwendung«, Hüthig-Verlag Heidelberg 1967, Seiten 86—89, 146—149, 554—557 sind derartige magnetische Dünnschichtanordnungen bekannt, die aus mindestens einer anisotropen Schicht, ζ. Β. aus einer Eisen-Nickel-Legierung, einer Dicke in der Größenordnung von 0,08 μΐη bestehen und parallel zur Vorzugsrichtung eine rechteckförmige Hystereseschleife, jedoch senkrecht zur Vorzugsrichtung eine lineare und geschlossene Schleife aufweisen.

Andererseits ist aus der DE-AS 11 82 438 eine Nickel-Eisenlegierung mit rechteckiger Hystersisschleife bekannt, die ein Ni : Fe-Verhältnis von 60 :40 bis 72 :28 aufweist und noch soviel Chrom enthält, daß der spezifische Widerstand über 40 Mikroohm/cm liegt.

Außerdem sind aus der GB-PS 9 78 329 magnetische Speicherschichten aus Nickel-Eisen-Legierungen mit in diese eindiffundiertem Chromgehalt von etwa 20—30% in einer Dicke der Größenordnung von 0,1 bis 0,2 μπι bekannt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen magnetischen Dünnschichtkern der eingangs vorausgesetzten Art zu entwickeln, der die Bewahrung einer guten Permeabilität, d. h. einer geringen Reluktanz auch bei einer Steigerung der Magnetschichtdicke über 0,5 μΐη ermöglicht.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst.

Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.

Ein Durchgang eines Magnetflusses durch einen magnetischen Kern ist nur möglich, wenn das den Magnetkern bildende Material eine hohe magnetische Permeabilität besitzt und wenn der Querschnitt des den Magnetfluß aufnehmenden Magnetkerns ausreichend ist

Es ist bekannt, daß die magnetisch anisotropen dünnen Schichten in der Achse schwerer Magnetisierung eine große Permeabilität aufweisen, daß jedoch die geringe Dicke der bisher zum Darstellen dieser Eigenschaft bekannten Schichten den Widerstand der Dünnschichtkerne stark erhöht

Die Erfindung wird anhand der in der Zeichnung veranschaulichten Ausführungsbeispiele näher erläutert; darin zeigt

F i g. 1 schematisch eine Probe aus einer magnetisch anisotropen Schicht;

F i g. 2 den Wert des Anisotropiefeldes Hk in A/m als Funktion der Dicke e der Magnetschicht in μπι;

Fig.3 den Wert der Permeabilität einer Fe-Ni-Cr-Schicht als Funktion der Erregungsfrequenz Fin MHz; und
F i g. 4 einen Stapel von zwei dünnen, magnetischen, durch einen gewissen Abstand getrennten Schichten.

In Fig. 1, die eine dünne, anisotrope Schicht aus einem magnetischen Material darstellt, sind die Achse leichter Magnetisierung und die Achse schwerer Magnetisierung der Probe durch die Pfeile 1 bzw. 2 angedeutet. Nach der Richtung 1 leichter Magnetisierung erscheinen positive (+) und negative (—) Ladungen auf den Wänden 3 bzw. 4 der Probe. Diese Ladungen sind um so zahlreicher, je größer die Dicke e der Probe und je kleiner die Breite / der Probe sind. Sie lassen ein Entmagnetisierungsfeld Hd auftreten, das von der Fläche 3 zur Fläche 4 gerichtet ist. Wenn der Wert Hd kleiner oder gleich dem des Koerzitivfeldes H_c der Probe ist, werden die magnetischen Eigenschaften der Schicht nicht gestört, und insbesondere bleibt die Permeabilität erhalten. Wenn im Gegensatz dazu der Wert des Entmagnetisierungsfeldes Hd größer als der des Koerzitivfeldes H_c ist, desorientiert sich die Schicht, und die magnetische Permeabilität wird geringer. Der Wert des Entmagnetisierungsfeldes Hd hängt von den Abmessungen und der Form der Schicht ab. Zwei Fälle können sich nun ergeben, je nachdem, ob die Oberfläche der betrachteten Schicht groß oder klein ist.

Im Fall großer Oberflächen ist der Magnetisierungsvektor praktisch dem längs der Richtung 2 schwerer Magnetisierung angelegten Magnetfeld proportional, und wenn man ein schwaches Anisotropiefeld erhält, ist die Permeabilität bedeutend. Indessen verschlechtern sich, sobald die Schicht eine Dicke von 0,5 μίτι erreicht, ihre magnetischen Eigenschaften, und insbesondere verringen sich die Permeabilität erheblich.

Im Fall dünner Schichten kleiner Oberflächen kann die Magnetisierung nicht senkrecht zur Ebene der Schicht gerichtet werden. Solange die beiden Abmessungen, die Breite / und die Länge L der Probe, im Verhältnis zu der Wanddicke e groß sind, bleibt die Schicht gut orientiert, und die Achsen 1 und 2 leichter bzw. schwerer Magnetisierung sind gut definiert. Wenn jedoch die Dicke eder Schicht im Verhältnis zur Breite / der Probe (Abmessung nach der Achse 1 leichter Magnetisierung) nicht mehr vernachlässigbar ist, wird das Entmagnetisierungsfeld Hd größer als das oder gleich dem Koerzitivfeld Ης. Die Randeffekte sind nun nicht mehr vernachlässigbar; die Schicht desorientiert sich, Wände entstehen, und die Permeabilität geht zurück.

Um eine hohe magnetische Permeabilität in dünnen Schichten zu erhalten, besteht eine bekannte Lösung darin, ein anisotropes Material, z. B. Eisen-Nickel 83-17 (83% Eisen und 17% Nickel) zu wählen, das längs der

Achse schwerer Magnetisierung ausgenutzt wird. Wenn d^:e Dicke der Schicht 0,5 μπι erreicht, verschlechtern sich jedoch die magnetischen Eigenschaften von Eisen-Nickel, und insbesondere verringert sich die Permeabilität erheblich. Eisen-Nickel-Chrom (Eisen-Nickel 83-17 mit Zusatz von 2,5% Chrom) wurde andererseits schon zur Herstellung von Magnetspeichern verwendet, wobei jeder Speicher aus einer dünnen Schicht mit einer Dicke von höchstens 0,4 μπι besteht

Dagegen isßt sich die Eisen-Nickel-Chrom-Legierung zur Herstellung von Magneiköpfen mit geringem Widerstand bis zu Schichtdicken von 3 μπι verwenden. Es wurde festgestellt, dafl eine dünne Schicht aus Fe-Ni-Cr großer Oberfläche ihre magnetischen Eigenschaften bis zu Schichtdicken nahe 3 μίτι beibehält. Die Hystereseschleifen, die man in der Richtung schwerer Magnetisierung bei einer Schicht aus Eisen-Nickel-Chroin mit einer Dicke über 0,5 μπι erhält, sind sehr geschlossen, was zeigt, daß das Material ein Minimum an Verlusten aufweist.

In Fig.2, die den Wert des Anisotropiefeldes Ht in A/m als Funktion der Dicke e der magnetischen Schicht in μπι darstellt, bemerkt man, daß für eine gleiche Schichtdicke der Wert des Anisotropiefeldes des Eisen-Nickels (Kurve a) viel größer als der Wert des Eisen-Nickel-Chroms (Kurve b) ist, was einer viel geringeren Permeabilität entspricht.

Fig.3 zeigt den Wert der Permeabilität μ einer Schicht aus Eisen-Nickel-Chrom mit einer Dicke e von 1 μΐη als Funktion der Erregungsfrequenz F in MHz Die Permeabilität μ ist eine komplexe Größe und läßt sich durch die Beziehung ausdrücken

μ=μ\-}μι·

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in der/= — 1 ist.

Es sind die Werte von μ\, μι und des Moduls von μ (dargestellt durch \μ\\ als Funktion der Erregungsfrequenz F dargestellt. Man stellt fest, daß bei einer Schichtdicke von 1 μίτι der Wert der Permeabilität erheblich bleibt.

Im Fall von geringen Oberflächen, wobei das Entmagnetisierungsfeld aufgrund der Randeffekte größer als das Koerzitivfeld der Schicht wird, wird von einer bekannten Theorie (Journal of Applied Physics, Vol. 36, 1965, S. Π 2-11) Gebrauch gemacht. Nach dieser Theorie betrachtet man (Fig.4) zwei identische Schichten 5 und 6 aus magnetischem Material, die durch einen Abstand dgetrennt und so ausgebildet sind, daß ihr Koerzitivfeld H_c in entgegengesetzten Richtungen orientiert ist. Man bemerkt, daß die Entmagnetisierungsfelder Hd dann in umgekehrter Richtung liegen. So läßt sich infolge der antiparallelen Orientierung der Schichten j und 6 der Wert des Entmagnetisierungsfeldes einer der Schichten von dem der anderen Schicht abziehen und umgekehrt. Wenn der Wert AHd der Differenz der beiden Entmagnetisierungsfelder unter dem Wert des Koerzitivfeldes H_c der betrachteten Schicht liegt, desorientieren sich die Schichten 5 und 6 nicht, sondern im Gegenteil ist die Richtung ihrer Magnetisierung in einer stabilen Lage. Wenn die Dicke e und die Breite 1 der Schichten 5 und 6 festgelegt sind, genügt man der Bedingung AHd<H_a indem man ihren Abstand d festlegt, nachdem man den Wert ihres Entmagnetisierungsfeldes Hd berechnet hat. Tatsächlich findet man einen Grenzwert für d, der nicht überschritten werden darf. Man kann nun den Abstand d unterhalb dieses Grenzwertes bringen, vorausgesetzt, daß die betrachtete Schicht kontinuierlich ist und daß es eine magnetische Unterbrechung zwischen den beiden Schichten 5 und 6 gibt.

Als Ausführungsbeispiel wurde ein Magnetkopf aus zwei Schichten aus Eisen-Nickel-Chrom von je 0,5 μπι Dicke, 300 μπι Breite und 500 μΐη Länge hergestellt, und die beiden Schichten wurden durch ein nichtmagnetisches Material (SiO) von 0,1 μίτι Dicke getrennt. Der Wert des Anisotropiefeldes Hi₁ lag nicht über 318,3 A/m, während Hk bei einer einzigen gleichen Schicht aus Eisen-Nickel-Chrom von 1 μιη Dicke (d. h. für eine insgesamt gleiche Dicke von magnetischem Material) nahe 1273,2 A/m ist. Dieser Wert von 318,3 A/m des Anisotropiefeldes läßt sich für einen Stapel von zahlreichen gleichen magnetischen Schichten unter der Bedingung beibehalten, daß ihre Zahl geradzahlig ist. Mit zwei Schichten aus Fe-Ni-Cr von je 1 μπι Dicke unter Trennung durch eine SiO-Schicht durchgeführte Versuche ergaben gleiche Ergebnisse. Man erhält also Magnetköpfe aus dünnen Schichten mit starker Permeabilität und erreicht solche Abmessungen, bei denen die Entmagnetisierungseffekte die magnetischen Eigenschaften der bekannten Magnetköpfe bereits merklich verändern.

Die magnetischen Dünnschichtkerne gemäß der Erfindung lassen sich vorteilhaft zur Herstellung von integrierten Magnetköpfen verwenden.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Magnetischer Dünnschichtkern für einen Magnetkopf aus wenigstens einer dünnen magnetisch anisotropen Schicht auf der Basis einer Ni-Fe-Legierung, dadurch gekennzeichnet, daß die magnetisch anisotrope Schicht aus einer Fe-Ni-Cr-Legierung mit 83 Teilen Eisen, 17 Teilen Nickel und 2,5 Teilen Chrom besteht und wenigstens 0,5 μίτι dick ist.

2. Magnetischer Dünnschichtkern nach Anspruch

1, dadurch gekennzeichnet daß er aus einer geraden Zahl von untereinander durch Schichten aus nichtmagnetischem Material getrennten magnetisch anisotropen Schichten (5, 6) gebildet ist, die antiparallele, d. h. von Schicht zu Schicht entgegengesetzt gerichtete Entniagnetisierungsfelder aufweisen, und daß die Dicke (d) der nichtmagnetischen Schichten so bemessen ist, daß der Wert des Unterschiedes der Entmagnetisierungsfelder zweier aufeinanderfolgender magnetisch anisotroper Schichten höchstens gleich dem Wert des Koerzitivfeldes H_c jeder magnetisch anisotropen Schicht ist.

3. Magnetischer Dünnschichtkern nach Anspruch

2, dadurch gekennzeichnet, daß die nichtmagnetischen Schichten aus SiO bestehen.