DE2256996C3 - Magnetische Anordnung - Google Patents

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 Feldzugriffsbetriebsait 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 kanalbildendes Element als das Magnetwiderstandselement 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 selbstverständlich eine; erhebliche Herstellungsvereinfachung sein, wenn das; Magnetwiderstandselement des Detektors und die kanalbildenden Elemente in gleicher Dicke in einem einzigen Photolack-Verfahren (Ätzmaskierungsverfahren) 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 Ausgangssignals 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 Quadratflächen widerstand 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 Ausgangssignal als bisher erhältlich ist, ohne dabei die Systemkompatibilität 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 μ V/m A. 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 werden 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 eine 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 an einer Erfassungsstufe erhöht und dann allmählich wieder 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. Li der Praxis werden die Domänen in der Schicht 11 von einem Vormagnetisievingsfeld auf einem Nenndurchmesser gehalten. Das Vorm. tgnetisierungsfeld wird von einer Vormagnetisierungsfeldquelle geliefert, die durch den Block 13 in F i g. 1 veranschaulicht ist.

Eine von Stufe zu Stufe erfolgende Übertragung von Domänen in der Schicht 11 wird erreicht durch ein periodisches Belegungsmuster weichmagnetische.r 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-förmig 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 Wiiikelelementen einer Stufe einer Feldzugriffsanordnung der in F i g. 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 Domänenübertragungskanäle, 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 Schichteben?. 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 Vormagnetisierungsfeldes 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 μηι vergrößert auf etwa 240 μπι durch Erhöhung der Anzahl der Elemente von drei am Eingang 16 auf "ierzig an der Ausgangs- oder Erfassungsstufe 17.

Zu Erläuterungszwecken ist bei 20 in Stufe 17 der Fig. 1 und in Fig. 2 ein Magnetwiderstandselcment gezeigt. Das Element erstreckt sich längs der Scheitel

sämtlicher Elemente 21 dieser Stufe. Die Dicke des Magnetwiderstandselements 20 ist gleich der Dicke eines Elements 21 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 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). ι >

Das Element 20 liegt zwischen einer Verbraucherschaltung 22 und Erde. Das Muster der kanalbildenden Elemente hat Schleifenform, wie dieses in F i g. I durch die strichpunktierte Linie 40 angedeutet ist. Tatsächlich würde jede Stufe des Rückkehrabschnitts der geschlos- ><i 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 :> 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 S5 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 -to Steuerung der Steuerschaltung 35 über an die Stege 36

1 : Li

die 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 Beispiel zeigt die Vorteile anhand des als Ergebnis einer solchen Ausgestaltung erhaltenen verstärkten Ausgangssignals: Es wird eine zulässige Stromdichte von 10⁶ a/cm² angenommen. Das maximale Abtastsignal ist gegeben durch

signal ' i!

worm

/ = zulässige Stromdichte,

y = spez. Widerstand der weichmagnetischen Ni- Ct* I OfVI

Δρ = Änderung des spez. Widerstands als Folge des

Magnetwiderstandes und
/ = (aktive) Erfassungs-oder Abtastlänge.

Unter Verwendung der Parameter für die weichmagnetische Ni-Fe-Legierung

V.,_fn,i= 0.06 mV/μηι ■ /(μπι)

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

»ι * 0.01 mV·μην/(am).

gepulst (einmal je Übertragungszyklus zur Abfrage oder Abtastung des Ausgangssignals). Der auf diese Weise in der von der Haarnadelbahn gebildeten Schleife -h 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 Rückführbahn 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 Schaltungen können alle solche Elemente Verwendung finden.

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 μπι und einem Stufenabstand von 20 μιη zur Übertragung von Domänen mit einem Nenndurchmesser von etwa 6 μπι haben benachbarte Elemente einer Stufe einen Mittelabstand von etwa

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 YGdLaY_b-Granat von 6 μιη Dicke übertragen wird. Der Detektor wird mit Impulsen von 6.5 mA von zwei Miktosekunden 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 erzielt. 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 Übertragungsmusters 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 Ausgangssignal bei entsprechendem Pfeil Hin Fig. 1 aufwärts gerichtetem in der Schichtebene verlaufendem Feld zu einem Zeitpunkt auf, wenn eine Domäne zu einem Scheitel des

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Winkelmusters übertragen wird. Wenn ein Ausgangs- anstatt der in Fig. 1 gezeigten Stellung entsprechen,

signal zu einem Zeitpunkt gewünscht wird, in dem das in Weiterhin ist der Schnitt eines gemeinsamen (Magnet-

der Schichtebrne verlaufende Feld in Fig. I nach rechts widersiands-)Elements und jedes Winkelelements in

gerichtet ist, würde das Magnetwiderstandselement den einer Ausgangsstufe vorteilhafterweise rechteckig, um

rechten Kanten der Elemente des Winkelmusters -> das Ausgangssignal zu maximieren.

Hierzu I Blatt Zeichnungen

Claims (10)

Patentansprüche:

1. 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 Erfassimgsstufe (17, Fig. 1) folgenden Stufen fortschreitend abnehmende Zahlen von Elementen (15, Fig. 1) aufweisen, um die Abmessung von von der Erfassungsstufe übertragenen Domänen zu verringern.

3. Magnetische Anordnung nach Anspruch 1 oder

2, dadurch gekennzeichnet, daß die Erfassungsstufe (17, F i g. 1) weichmagnetische Elemente (15, Fig.); 21, F i g. 2; 33, F i g. 3) aufweist, die relativ zueinander seitlich versetzt sind und eine 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. Magnetische. Anordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daf das gemeinsame weichmagnetische Element (20, F i g. 1,2; 30, F i g. 3) eine solche Querschnittsfläche aufweist, daß es sich magnetisch sättigt, wenn das in der Schichtebene verlaufende Feld (H, F i g. 1) mit ihm ausgerichtet ist.

5. Magnetische Anordnung nach Anspruch 3 oder

4, dadurch gekennzeichnet, daß die weichmagnetisehen Elemente (15, F i g. 1; 21, F i g. 2; 33, F i g. 3) in der Erfassungsstufe (17, Fig. 1) als V-förmiger 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, Fig. 1) neben der Erfassungsstufe eine weitere Stufe so 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 eo 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 zweite gemeinsa- *>"> me Element (23, Fig. 1) aus elektrisch leitendem Material besteht, und daß die weitere Stufe die der Erfassungsstufe als nächste benachbart liegende

Stufe 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, laß eine Schaltung (22, Fig. 1) vorgesehen ist, die dem gemeinsamen Element (20, Fig. 1; 20, Fig,2; 30, F i g. 3) der Erfassungsstufe zu dem Zeitpunkt einen Strom einprägt, Sn dem das in der Schichtebene verlaufende Feld mit dem gemeinsamen Element ausgerichtet ist