DE2256996B2 - - Google Patents
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Description
Die Erfindung betrifft eine magnetische Anordnung mit einer Schicht aus einem Material, in dem einwandige
Domänen übertragbar sind, und einem feinkörnigen Muster von Elementen zur Bildung einer mehrstufigen,
eine Erfassungsstufe aufweisenden Bahn in der Schicht zur Übertragung von Domänen entlang der Bahn in
Abhängigkeit von einem sich in der Schichtebene umorientierenden magnetischen Feld.
Die Übertragung einwandiger Domänen in einer Schicht aus magnetischem Material längs Kanälen, die
durch ein Muster weichmagnetischer, mit der Schicht verbundener Elemente gebildet sind, ist bekannt (vgl.
US-PS 35 34 347). In solchen Anordnungen wird die Domänen-Übertragung in Abhängigkeit von einem sich
durch Rotation in der Schichtebene umorientierenden gleichförmigen Magnetfeld bewerkstelligt Sie wird
Feldzugriffsbetriebsart genannt.
In der US-PS 36 09 720 ist ein Magnetwiderstandsdetektor für magnetische Domänen beschrieben. Dieser
Detektor ist mit dem erwähnten rotierenden Feld kompatibel, und tatsächlich kann ein kanalbiidendes
Element als das Magnetwidersiandselement des Detektors verwendet werden. In der Praxis führt man ein
Magnetwiderstandselement jedoch dünner aus als die kanalbildenden Elemente, um sowohl den am Magnetwiderstandselement
anliegenden Strom als auch von diesem erzeugte störende Effekte des Feldes und der
Polung zu verringern. Eine optimale Dicke für die Magnetwiderstandselemente liegt bei etwa 30 nm. Die
Übertragungselemente sind andererseits vorzugsweise wesentlich dicker, beispielsweise 300 nm dick. Es würde
so selbstverständlich eine erhebliche Herstellungsvereinfachung sein, wenn das Magnetwiderstandselement des
Detektors und die kanalbildenden Elemente in gleicher Dicke in einem einzigen Photolack-Verfahren (Atzmaskierungsverfahren)
hergestellt werden könnten.
Andererseits ist nicht klar, welche Geometrie des Magnetwiderstandselements die Anwendung eines
solchen Verfahrens ermöglicht Es scheint klar, daß Änderungen des Querschnitts des Elements nur zu
geringen Verbesserungen hinsichtlich des Ausgangssi-
f>o gnals führen, und daß Änderungen der Form den
Übertragungsspielraum gefährden. Ein Magnetwiderstandselement eines Detektors weist üblicherweise eine
30 nm dicke Schicht aus einer weichmagnetischen Ni-Fe-Legierung auf. Dieses Material ist durch einen
dreiprozentigen Magnetwiderstandskoeffizienten und einen Quadratflächenwiderstand von 10 Ω gekennzeichnet.
Eine quadratisch begrenzte 30 nm dicke Ni-Fe-Legierungs-Schicht ergibt im Idealfall ein
Ausgangssignal von 300 mV/mA. Ionenwanderung scheint die zulässige Stromdichte in jedem dieser
Magnetwiderstandselemente zu begrenzen. Deshalb ist in solchen Elementen eine obere Grenze für die
Stromdichte gegeben. Die von einem Magnetwider-Standsdetektor gelieferte Ausgangssignalstärke steigt
jedoch proportional mit der Stromdichte.
Wenn die absolute Signalstärke als einziges wichtigstes
Detektorkriterium betrachtet wird, dann ist eine Vergrößerung des Querschnitts des Elements von einem
erhöhten Strom begleitet, damit eine Erniedrigung der
Detektorstromdichte und eine daraus resultierende Schwächung der Signalstärke vermieden wird. Das
Problem dabei ist, ein verstärktes Ausgangssignal für eine spezielle Stromdichte zu erhalten.
Aufgabe der Erfindung ist es deshalb, die einleitend beschriebene Anordnung so weiterzubilden, daß ein
größeres Ausgangssigna! als bisher erhältlich ist, ohne dabei die Systemkompatibiütät zu beeinträchtigen.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß die aufeinanderfolgenden Stufen vor der und
einschließlich der Erfassungsstufe eine fortschreitend wachsende Zahl von Elementen aufweisen, um zur
Erfassungsstufe übertragene Domänen zu vergrößern.
Eine Vergrößerung der Länge des Magnetwider-Standselements um beispielsweise den Faktor 3 von
etwa der Abmessung einer 6 μπι großen Domäne auf die dreifache Größe führt zu einem erhöhten Ausgangssignal
von etwa 100 auf etwa 300 μν/mA. Weiterhin führt die Erkenntnis, daß das Ausgangssignal von der Dicke
der Fe - Ni-Legierungsschicht unabhängig ist, dazu, daß
das Magnetwiderstandselement (d. h. ein langgestrecktes Element) in das ebenfalls aus dieser Legierung
bestehende Übertragungselementmuster inkorporiert v/erden und mit diesem in einem einzigen photolithographischen
Schritt hergestellt werden kann. Dieses Muster darf jedoch in seinem Wirkungsgrad durch den
Einschluß des Magnetwiderstandselements nicht nachteilig beeinflußt werden.
In der Zeichnung zeigt
F i g. 1 eine schematische Darstellung einer feinkörnigen, für Feldzugriffsbetrieb geeigneten Domänenanordnung,
und
F i g. 2 und 3 schematische Ansichten von Abschnitten
der Anordnung nach F i g. 1.
Für Domänenanordnungen mit Feldzugriffsbetrieb wurden kanalbildende Elemente beschrieben, die
feinkörnig oder feingliedrig ausgebildet sind und eim seitliche Übertragung von Domänen von Kanal zu
Kanal erlauben. Das von den Elementen gebildete Muster ist ein Winkelmuster, wobei die Elemente
seitlich, d. h. quer zur Übertragungsrichtung längs eines Kanals, um etwa den Durchmesser einer Domäne in der
anschließenden Schicht gegeneinander versetzt sind.
Dieser Mustertyp hat den Vorteil, daß Domänen unterschiedlicher Geometrie gleichzeitig vom sich in
der Schichtebene umorientierenden Feld entlang des Kanals übertragen werden, und daß das Muster speziell
mit langgestreckten Magnetwiderstandselementen kompatibel ist.
Es wurde gefunden, daß die Anzahl der seitlich gegeneinander versetzten Elemente in aufeinanderfolgenden
Stufen eines Kanals, der durch ein solches feinkörniges Muster gebildet ist, allmählich von einer
minimalen Anzahl bei einer Eingangsstufe, beispielsweise eines rezirkulierenden Feldzugriffsspeichers, auf eine
maximale Anzahl r.n einer Erfassungsstufe erhöht und dann allmählich wipder auf eine minimale Anzahl
abgesenkt werden kann, was zu einem entsprechenden Anwachsen und einer anschließenden Verringerung der
Größe der seitlichen Abmessungen einer Domäne führt, wenn die Domäne durch die Erfassungsstufe übertragen
wird. Wenn die Elemente der Erfassungsstufe durch ein gemeinsames weichmagnetisches Element miteinander
verbunden sind, dessen Dicke gleich der der kanalbildenden
Elemente ist, und dessen Breite so gewählt ist,
daß es sich sättigt, wenn es mit dem in der Schichtebene
verlaufenden Feld ausgerichtet ist, dann bildet das gemeinsame Element einen langgestreckten Magnetwiderstandsdetektor,
der mit den übrigen Elementen im selben Photoresist-Maskierungsschritt hergestellt werden
kann.
Fig. 1 zeigt eine Einwanddomänen-Anordnung 10 mit dem hier zu beschreibenden Magnetwiderstandsdetektor.
Die Anordnung besteht aus einer Schicht 11 aus einem Material, in dem einwandige Domänen übertragbar
sind. In der Praxis werden die Domänen in der Schicht 11 von einem Vormagnetisierungsfeld auf einem
Nenndiachmesser gehalten. Das Vormagnetisierungsfeld
wird von einer Vormagiitisierungsfeldqueiie
geliefert, die durch den Block 13 in F. g. 1 veranschaulicht
ist.
Eine von Stufe zu Stufe erfolgende Übertragung von Domänen in der Schicht 11 wird erreicht durch ein
perioJisches Belegungsinuster weichmagneüscher Elemente
15, wenn in den Elementen ein Magnetpolmuster in Abhängigkeit vom sich in der Ebene der Schicht 11
umorientierenden Magnetfeld erzeugt wird. Die in F i g. 1 gezeigten Elemente sind V-törrnig ausgebildet
und zur Übertragungsrichtung relativ eng benachbart, so daß ein Winkelmuster nach Art eines Fischgrätmusters
für jede Stufe der Stufenfolge gebildet wird. Das Winkelmuster wiederholt sich von links nach rechts,
wobei von der Eingangsstufe 16 aus bis zur Ausgangsoder Erfassungsstufe 17' die Anzahl der Winkelelemente
einer Stufe in den aufeinanderfolgenden Stufen zunimmt und dann wieder abnimmt.
»Engbenachbarter« Abstand zwischen benachbarten Winkelelementen einer Stufe einer Feldzugriffsanordnung
der in Fig. 1 gezeigten Art bedeutet vorliegend, daß die auf den Winkelelementen erzeugten Pole eine
Domäne gleichzeitig anziehen. Typischerweise ist ein solcher Abstand etwa gleich einem Domänendurchmesser.
Muster dieser Art bilden Domäriepübertragungskanäle,
in denen Domänen unterschiedlicher Längen übertragen werden können, ohne daß hierzu notwendigerweise
gleichzeitig eine Änderung des Vormagnetisierungsfeldes erforderlich ist. Die Übertragung von
Domänen in den Kanälen erfolgt in Abhängigkeit von einem im Uhrzeigersinn rotierenden, in der Schichtebene
verlaufenden Feld, welches von einer Quelle 18 geliefert wird.
Die wachsende Zahl der Winkelelemente in aufeinanderfolgenden Stufen in F i g. 1 ist bei Vorhandensein
eines speziellen V ormagnetisierungsfeldes und eines in
der Schichtebene verlaufenden Feldes derart wirksam, daß sie die Querabmessungen einer übertragenen
Domäne von Stufe zu Stufe vergrößern. So wird beispielsweise eine an der Eingangsstufe 16 eingeführte
Domäne von 6 μπι vergrößert auf etwa 240 μΓΠ durch
Erhöhung der Anzahl der Elemente von drei am Eingang 16 auf vierzig an der Ausgangs- odtr
Erfassungsstufe 17.
Zu Erläuterungiiwecken ist bei 20 in Stufe 17 der
Fig. 1 und in Fig. 2 ein Magnetwiderstandselement gezeigt. Das Element erstreckt sich längs der Scheitel
sämtlicher Elemente 21 dieser Stufe. Die Dicke des Magnetwiderstandselements 20 ist gleich der Dicke
eines Elements 2t und kann daher im selben photolithographischen Verfahrensschritt zusammen mit
den Elementen 21 hergestellt werden. Dieses Element > 20 hat eine Breite, die beispielsweise gleich der der
Elemente 21 ist. Die Breite des Elementes 20 ist so gewählt, daß sich das Element 20 magnetisch sättigt,
wenn das in Schichtebene verlaufende Feld mit ihm ausgerichtet ist. Hierdurch ist sichergestellt, daß die n>
während eines Teils des Übertragungszyklus an den Scheiteln der Elemente 21 erforderlichen magnetischen
Pole auch tatsächlich vorhanden sind. Dies würde nicht der Fall sein, wenn das Element 20 relativ breit wäre
(d. h.: fünfmal so breit wie die Winkel-Elemente 21). ii
Das Element 20 liegt zwischen einer Verbraucherschaltung 22 und Erde. Das Muster der kanalbildenden
Elemente hat Schleifenform, wie dieses in F i g. 1 durch die strichpunktierte Linie 40 angedeutet ist. Tatsächlich
wurde jede Stufe des KUckkehrabschnitts der geschlos- _>n
senen Schleifenbahn 40 zwei oder drei V-förmige Elemente aufweisen. Es empfiehlt sich, die Stromrücklaufbahn
für das Element 20 längs der Bahn 23 in F i g. 1 vorzugsehen. Die Stromrückführbahn kann von einem
elektrischen Leiter 23 (wie in Fig. 1 gezeigt) oder :ί
vorzugsweise von einer weichmagnetischen Ni — Fe- Legierung (wie in Fig. 3 gezeigt) zusammen mit der
photolithographischen Ausformung der Elemente 15,20 und 21 gebildet werden. Fig. 3 zeigt die Geometrie
eines solchen haarnadelförmigen Magnetwiderstandselements
30, welches die Winkelmuster 32 und 33 zweier Stufen eines Kanals zu einem »Fischgrät«-Muster
verbindet.
Wenn für die Erfassung eine weichmagnetische Leiter-Bahn verwendet wird, dann hat die Führung der ü
Rückführbahn durch den symmetrischen Abschnitt des Winkelmusters der der Erfassungsstufe 17 benachbarten
Stufe eine vorteilhafte Auswirkung bezüglich der normalen Domänenübertragung durch ein feinkörniges
Elementen-Muster. So wird das Element 20 unter ■>
<> Steuerung der Steuerschaltung 35 über an die Stege 36 und 37 in F i g. 3 angeschlossene Leiter periodisch
gepulst (einmal je Übertragungszyklus zur Abfrage oder Abtastung des Ausgangssignals). Der auf diese Weise in
der von der Haarnadelbahn gebildeten Schleife erzeugte Strom erzeugt ein Feld (Abfrage), so daß eine
von der Haarnadel umschlossene Domäne ausgedehnt und so ihre Erfassung oder Abtastung durch Unterstützung
ihrer Verlängerung verbessert wird. Die Verwendung eines gepulsten Abfragefeldes beeinträchtigt die
normale Übertragung nicht.
Wenn die Rücki'ührbahn für das gemeinsame Element 20 ebenfalls aus weichmagnetischem Material besteht,
dann ist diese Bahn durch den symmetrischen Abschnitt einer Stufe mit weniger Übertragungselementen,
typischerweise einem Zehntel der Zahl der vom Element 20 in der Stufe gekoppelten Elemente geführt
Diese Ausgestaltung dient zur Vermeidung der Kombination von Signalen zweier Stufen.
Wenn keine geschlossene Schleifenbahn vorgesehen ist, werden die Domänen wie nach US-PS 36 11 331
selektiv in Abhängigkeit von einem Eingangsimpuls gebildet, der von einer Eingangsimpulsquelle 42
geliefert wird.
Die Quellen 13,18 und 42 sowie die Schaltung 22 sind
zur Synchronisation und Betätigung an eine Steuerschaltung 35 angeschlossen. Als Quellen und Schaltun
gen können alle solche Elemente Verwendung finden, dip den hier beschriebenen Betrieb ermöglichen.
Das langgestreckte Magnetwiderstandselement ist ersichtlich kompatibel mit der Geometrie der Elemente
für den normalen Betrieb einer feinkörnigen Übertragungsanordnung für einwandige Domänen. Das folgende
Beispie! zeigt die Vorteile anhand des als Ergebnis einer solchen Ausgestaltung erhaltenen verstärkten
Ausgangssignals: Es wird eine zulässige Stromdichte von IO6 a/cm2 angenommen Das maximale Abtastsignal
ist gegeben durch
I.
worin
i = zulässige Stromdichte.
0 = spez. Widerstand der weichmagnetischen Ni-Fe-Legierung,
Λ.. — λ „A„r..n.. .In, . ~~- \ir.A., — .„_j_ „1. r~i— .1 —
Magnetwiderstandes und
/ = (aktive) Erfassungs-oder Abtastlänge.
/ = (aktive) Erfassungs-oder Abtastlänge.
Unter Verwendung der Parameter für die weichmagnetische Ni- Fe-Legierung
V.
= 0,06 mV/μιπ · /(μηι)
zeigen Versuche, daß das Signal infolge einer Domäne gleich einem Fünftel bis einem Siebtel der von dem in
der Schichtebene verlaufenden Feld erzeugten Spannung ist. Der endgültige Ausdruck wird demzufolge
α! * 0.01 mV -,in /(,um).
Mit anderen Worten, zur Erzeugung eines Signals von einem mV hat der Detektor eine Länge von einem
Hundertstel μπι. Bei einem Ni-Fe-Legierungs-Muster
mit einer Dicke von 0,3 μιτι und einem Stufenabstand
von 20 μπι zur Übertragung von Domänen mit einem
Nenndurchmesser von etwa 6 μπι haben benachbarte Elemente einer Stufe einen Mittelabstand von etwa
6 μπι und eine Breite von 2 μπι. Ein Stapel von 40
Elementen in der Erfassungsstufe liefert ein Ausgangssignal von 1,0 mV für eine 6^m-Domäne, die beispielsweise
in einer epitaktisch aufgewachsenen Schicht aus einem YGdLaYb-Granat von 6 μιτι Dicke übertragen
wird. Der Detektor wird mit Impulsen von 6,5 mA von zwei Mikrosekunden Dauer gepulst. Das in der
Schichtebene verlaufende Feld hat eine Stärke von 20 Oe (Oersted). Mit solchen Ausgestaltungen wurde ein
Übertragungsbetrieb von mehr als 10OkH erzie'4. Ein
Vormagnetisierungsfeld von üblicherweise 80Oe wird verwendet.
Ein Magnetwiderstandsdetektor mit einer einer Domäne von 6 μπι entsprechenden Geometrie erzeugt
vergleichsweise ein Signal von 60 μν in einer gleichen
Umgebung.
Verschiedene Abwandlungen sind möglich. So muß beispielsweise das Magnetwiderstandselement nicht
den Scheiteln des Obertragungsmusters entsprechen. Die Anordnung des Elements hängt von der vorgesehenen Orientierung des in der Schichtebene verlaufenden
Feldes beim Auftreten eines Ausgangssignals ab (d. h,
wenn ein Abfrageimpuls zugeführt wird). Bei der erläuterten Anordnung tritt das Ausgangssigna] bei
entsprechendem Pfeil //in Fig. 1 aufwärts gerichtetem
in der Schichtebene verlaufendem Feld zu einem Zeitpunkt auf, wenn eine Domäne zu einem Scheitel des
Winkelmusters übertragen wird. Wenn ein Ausgangssignal
zu einem Zeitpunkt gewünscht wird, in dem das in der Schichtebene verlaufende Feld in F i g. I nach rechts
gerichtet ist. würde das Magnetwiderstandselement den rechten Kanten der Elemente des Winkelmusters
anstatt der in Fig. I gezeigten Stellung entsprechen.
Weiterhin ist der Schnitt eines gemeinsamen (Magnetwiderstands-)Elements und jedes Winkelelements in
einer Ausgangsstufe vorteilhafterweise rechteckig, um das Ausgangssignal zu maximieren.
Hierzu 1 Blatt Zeichnungen
Claims (10)
- Patentansprüche;!. Magnetische Anordnung, mit einer Schicht aus einem Material, in dem einwandige Domänen übertragbar sind, und einem feinkörnigen Muster von Elementen zur Bildung einer mehrstufigen, eine Erfassungsstufe aufweisenden Bahn in der Schicht zur Übertragung von Domänen entlang der Bahn in Abhängigkeit von einem sich in der Schichtebene umorientierenden magnetischen Feld, dadurch gekennzeichnet, daß die aufeinanderfolgenden Stufen vor der und einschließlich der Erfassungsstufe (17, Fig. 1) eine fortschreitend wachsende Zahl von Elementen aufweisen, um zur Erfassungsstufe übertragene Domänen zu vergrößern.
- 2. Magnetische Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die auf die Erfassungsstufe (17, F i g. 1) folgenden Stufen fortschreitend abnehmende Zahlen von Elementen (15, Fig. 1) aufweisen, um die Abmessung von von der Erfassuogastufe übertragenen Domänen zu verringern.
- 3. Magnetische Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Erfassungsstufe (17, Fig. 1) weichmagnetische Elemente (15, Fig. 1; 21, F i g. 2; 33, F i g. 3) aufweist, die relativ zueinander seitlich versetzt sind und ein.·? erste Breite und Dicke haben, und daß ein gemeinsames weichmagnetisches Element (20, Fig. 1, Fig.2; 30, Fig.3) gleicher Breite und Dicke vorgesehen ist, welches die Elemente verbindet
- 4. Magi^tische Anordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das gemeinsame weichmagnetiscbe Element (20, Fi g. 1,2; 30, F i g. 3) eine solche Querschnittsflächf aufweist, daß es sich magnetisch sättigt, wenn das in der Schichtebene verlaufende Feld (//,Fig. 1) mit ihm ausgerichtet ist
- 5. Magnetische Anordnung nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß die weichmagnetischen Elemente (15, F i g. 1; 21, F i g. 2; 33, F i g. 3) in der Erfassungsstufe (17, Fig. 1) als V-förmige Elemente mit Scheitelpunkten ausgebildet sind und daß das gemeinsame Element (20, Fig. 1, 2; 30, F i g. 3) die Scheitelpunkte der Elemente verbindet
- 6. Magnetische Anordnung nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß bei einer Ausbildung des Musters der Elemente (15, Fig. 1) in einer geschlossenen Schleifenbahn (40, F i g. 1) neben der Erfassungsstufe eine weitere Stufe vorgesehen ist, die ebenfalls weichmagnetische Elemente (15, Fig. 1; 32, Fig.3) erster Dicke und Breite und ein zweites gemeinsames Element (23, Fig. 1) aufweist, welches mit dem gemeinsamen Element der Erfassungsstufe elektrisch gekoppelt ist
- 7. Magnetische Anordnung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die weichmagnetischen Elemente der weiteren Stufe als V-förmige Elemente mit Scheitelpunkten ausgebildet sind und daß das gemeinsame Element (23, Fig. 1) so angeordnet ist, daß es die Scheitelpunkte der Elemente verbindet.
- 8. Magnetische Anordnung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß das zweit« gemeinsame Element (23, Fig. 1) aus elektrisch leitendem Material besteht, und daß die weitere Stufe die der Erfassungsstufe als nächste benachbart liegendeStufe ist.
- 9. Magnetische Anordnung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die weitere Stufe verglichen mit der Erfassungsstufe relativ wenige, weichmagnetische V-förmige Elemente (32, F i g. 3) aufweist
- 10. Magnetische Anordnung nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß eine Schaltung (22, F i g. 1) vorgesehen ist, die dem gemeinsamen Element (20, F i g. 1; 20, c i g. 2; 30,, F i g. 3) der Erfassungsstufe zu dem Zeitpunkt einen Strom einprägt, in dem das in der Schichtebene verlaufende Feld mit dem gemeinsamen Element ausgerichtet ist
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