DE2363123C3 - Magnetoresistor Abtastkopf - Google Patents

Magnetoresistor Abtastkopf

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Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen magnetoresistiven Abtastkopf, wie er dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 zu entnehmen ist.
Die Verwendung magnetoresistiver Bauelemente als Abtastköpfe oder Signalwandler ist allgemein bekannt, wie z. B. aus den USA-Patentschriften 34 93 694 und 36 91540. Solche Wandler können wirksam benutzt werden, wenn das Abtastelement bis zu einem Punkt in der Mitte des linearen Bereichs in seiner Widerstandskennlinie, bezogen auf magnetische Feldstärke, vormagnetisiert wird. Während das erste, oben erwähnte USA-Patent Vormagnetisierung anwendet, verwendet es dazu äußere Einrichtungen, d. h. einen Permanentmagneten oder einen Elektromagneten, die vom Abtastelement getrennt angeordnet sind. Ein nichtabgeschirmter magnetoresistiver Abtastkopf hat im allgemeinen ein geringes Auflösungsvermögen. Abschirmung und externe Vorspanneinrichtungen resultieren zwangsläufig in einer Aufzeichnungsvorrichtung, die zu groß ist, um mit den in Miniaturausführung und Massenfabrikation hergestellten Abtastköpfen für große Aufzeichnungsdichte vereinbar zu sein.
Wo ein Maximum an Empfindlichkeit und/oder ein bipolares Ausgangssignal von einem magnetoresistiven Abtastkopf verlangt sind, wird der Abtastkopf im weitgehend linearen Teil seines Betriebsbereiches mit einem konstanten Feld vormagnetisiert, um dann einem zeitveränderlichen, abzutastenden Magnetfeld überlagert zu werden. Alle bekannten Vormagnetisierungseinrichtungen sind, wie gesagt, als vom magnetoresistiven Abtastkopf unabhängig ausgebildet, so daß entweder eine große Anzahl von Herstellungsschritten erforderlich oder eine koniDlexe Struktur der Anordnung
unvermeidlich ist
Bei bisher bekannten Anordnungen (GB-Patentschrift 12 72 044, DE-Offenlegungsschrift 20.24 997) ist es erforderlich, eine besondere isolierende Schicht zwischen der magnetoresistiven Schicht und der permanentmagnetischen Schicht anzuordnen, was natürlich mit entsprechendem Herstellungsaufwand verbunden ist. Andererseits ist mit der DE-Offenlegungsschrift 16 90119 eine magnetfeldabhängige Wider-Standsanordnung gezeigt, bei der ein magnetfeld-abhängiger Halbleiterkörper fest in einen Permanentmagnetkreis eingesetzt ist und zur Isolierung des Halbleiterkörpers Isolierschichten vorgesehen sind, die aus dem Eisen der anliegenden Teile des Permanentmagnetkreises durch Bildung einer isolierenden chemischen Verbindung, insbesondere Oxidierung von Eisen, gebildet sind. Auch diese Anordnung stellt ein Laminat dar, nämlich bestehend aus dem magnetfeldabhängigen Halbleiter und dem Permanentmagneten. Die hier gezeigte, magnetfeldabhängige Widerstandsanordnung ist einmal in ihrer Betriebsweise und zum anderen auch in ihrer Herstellung relativ aufwendig, da einerseits die Ausführungsform und andererseits das zum Aufbau benötigte Material in verschiedenen Abmessungen und unterschiedlichen Formen bereitgestellt werden muß. So besteht der zur Vormagnetisierung des Halbleiterkörpers erforderliche Permanentmagnetkreis aus einem Permanentmagneten, der gegenüber den übrigen Teilen des Magnetkreises, die den Halbleiterkörper umfassen, kleine Permeabilität und große Koerzitivkraft besitzt. Hinzukommt, daß der Halbleiterkörper und der Erregermagnet sich an räumlich gegenüberliegenden Enden des Permanentmagnetkreises befinden. Dies alles erfordert wie gesagt zum Aufbau einen relativ großen
J5 Aufwand, wobei dann noch zum Betrieb des Bauelementes erschwerend hinzukommt, daß die erforderliche Kontaktierung an den Halbleiterkörper nicht so einfach zu bewerkstelligen ist.
Gemäß der Aufgabe vorliegender Erfindung soll jedoch unter Vermeidung obenerwähnter Nachteile eine Anoidnung der eingangs genannter). Art bereitgestellt werden, die eine möglichst einfache Herstellung bei geringstem Aufwand gestattet, so daß sich ein magnetischer Abtastkopf ergibt, der für eine Mikrominiaturisierung und eine Massenfertigung in hervorragender Weise geeignet ist.
Gemäß der Erfindung wird diese Aufgabe gelöst, wie es dem Kennzeichen des Patentanspruchs 1 zu entnehmen ist.
Der Hauptvorteil der Erfindung ist ersichtlich, da das Bauelement ohne Laminierung und/oder Zusammenbau verschiedener Teile des Magnetkreises bereitgestellt werden kann. Damit ist dann der Weg frei für eine weitgehende Miniaturisierung derart gestalteter Magnetköpfe, die auch für Anwendung bei hohen Speicherdichten von z. B. 800 Bits/cm in hervorragendem Maße geeignet sind. Die Erfindung ist also nicht darin zu sehen, daß durch Oberflächenoxidation bei einem Bauelement eine Isolierschicht hergestellt wird,
*>u sondern vielmehr darin, daß zu seiner Bereitstellung ein Körper einfachster Form, bestehend aus nur einem Material, dient, der dann im Herstellungsverfahrensgang noch einer nachträglichen Oberflächenbehandlung unterzogen wird. Das gemäß der Erfindung gebildete
■^ magnetoresistive, streifenförmige Bauelement läßt sich mit seinem Vormagnetisierungselement in ein und demselben photolithographischen Verfahrensschritt herstellen. Dadurch werden extreme Ausrichttoleran-
zen und hochgradig selektive Ätztechnik überflüssig, die sonst bei getrennter Herstellung erforderlich wären. Auch die Kontaktierung am Ni- Fe-Legierungskörper bietet keine besondere Schwierigkeiten und ist leichter herzustellen als an einem Halbleiterkörper.
Alles in allem zeigt also die Erfindung ein recht einfach herzustellendes Halbleiterbauelement, das sich auch in vorteilhafter Weise betreiben läßt.
Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind den Unteransprüchen zu entnehmen.
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden anschließend näher beschrieben. Es zeigt
F i g. 1 den Aufbau eines Abtastkopfes gemäß vorliegender Erfindung,
Fig.2 bis 4 einzelne Ausführungsbeispiel der Erfindung,
F i g. 5 eine typische Widerstandskennlinie eines megnetoresistiven Materials,
F i g. 6 schematisch die Verwendung des erfindungsgemäßen Abtastkopfes in einer Leseschaltung und
F i g. 7 Magnetisierungskurven über Abtastelementen zum Vergleich herkömmlicher Vormagnetisierungsarten mit solchen gemäß der Erfindung.
F i g. 5 zeigt in einer Kurve, wie Permalloymaterial aus Ni-Fe, Ni-Co, Ni-Co—Fe und dergleichen mit niedriger Koerzitivkraft in seinem Widerstand als Funktion des angelegten magnetischen Feldes verändert werden kann. Wenn ein positives Feld + H an ein solches magnetoresistives Material angelegt wird, durchläuft dieses eine Bahn ähnlich der Kurve ABC. Wenn ein negatives Magnetfeld — H angelegt wird, folgt das Material einer Bahn, die durch den Ast AB'C gekennzeichnet ist. Wenn das gewählte magnetoresistive Material im Punkt B vormagnetisiert ist, der innerhalb des linearen Teils dieser Kurve liegt, lassen sich auch kleine positive oder negative magnetische Abweichung vom Ausgangspunkt E leicht unterscheiden. Da bei Herstellung magnetischer Abtastköpfe, die Daten abfühlen, welche mit einer Dichte von etwa 800 Bit pro cm oder mehr gespeichert sind, die Abtastkopfabmessungen von wesentlicher Bedeutung sind, müssen Vormagnetisierungselement wie Abtastelement so klein wie möglich gehalten werden.
F i g. 1 zeigt den magnetoresistiven Abtastkopf 2 der Erfindung, in dem eingeschlossen in eine magnetische Abschirmung 8 das Streifenelement 6 aus Permalloy angeordnet ist. Der selbst vormagnetisierende Abtastkopf besteht aus einer zusammengesetzten Struktur, die noch im Zusammenhang mit den F i g. 2 bis 4 näher erläutert wird. Das das Streifenelement 6 mit den Abmessungen W, L, t von der Abschirmung 8 trennende Bauelement 10 besteht allgemein aus einem Substrat 12.
F i g. 2 zeigt den grundsätzlichen Aufbau der Erfindung. Zur Bildung des gezeigten Bauelements wird dabei so vorgegangen, daß ein Permalloy-Streifenelement 6 mit der Breite Wan seinen beiden Seitenflächen so oxidiert wird, daß an diesen Flächen hartmagnetische Schichtbereiche 14 mit hohen Koerzitivkräften entstehen. Der nicht oxidierte Mittelteil 16 bleibt weichmagnetisch. Die im Mittelteil 16 gezeigten Pfeile deuten die Magnetisierungsrichtung innerhalb der hart- und weichmagnetischen Bereiche während des Betriebs an. Die Koerzitivkraft in den Schichtbereichen 14 muß so groß sein, daß die Streu- oder Datenfeldstärke übertroffen wird, die von einem hier nicht dargestellten magnetischen Speichermedium hervorgerufen weiden kann. F.in solches Speichermedium kann ein Magnetband, eine zum Transport von Einzelwandmagnetdomanen dienende Magnetschicht und dergleichen sein. Die also eine hohe Koerzitivkraft aufweisenden Schichtbereiche 14 behalten also immer ihre Magnetisierung Af* in dargestellter Richtung bei. Der Mittelteil 16 stellt dann als magnetoresistiver Streifen das Abtastelement 16 bereit, der von den Schichtbereichen 14 so vormagnetisiert wird, daß die sonst in der leicht zu magnetisierenden Achse des magnetoresistiven Abtastelements 16 parallel. zum Abtaststrom I liegende Magnetisierung innerhalb der Ebene des Abtastelements 16 um einen Winkel 0=45° gedreht wird. Diese Magnetisierungsdrehung im magnetoresistiven Abtastelement 16 unter Einfluß der Vormagnetisierung der hartmagnetischen Schichtbereiche 14 läßt etwa den Punkt B in der graphischen Darstellung nach F i g. 5 erreichen.
Die Abmessungen für die verschiedenen Komponenten der erfindungsgemäßen Abtastkopfes können wie folgt sein:
Das Substrat 12 kann im vorgegebenen Rahmen von beliebiger Dicke sein.
Die vormagnetisierenden Schichtbereiche 14 sind etwa 200 bis 2000 Ä dick.
Das Abtastelement 16 ist 50 bis 400 Ä dick.
Es ist bedeutsam, daß die vormagnetisierenden Schichtbereiche 14 neben ihren magnetischen Eigenschaften auch noch elektrisch isolierend sind.
Im Ausführungsbeispiel nach Fig. 3 ist nur ein
V) einziger stark koerzitiver Schichtbereich 14 zur Vormagnetisierung des magnetoresistiven Abtastelements 16 vorgesehen. In diesem Falle wird also anstatt der in F i g. 2 gezeigten zwei Schichtbereiche 14 nur ein einzelner Schichtbereich 14 verwendet dessen Kopp-
)5 lungsfeld zur Vormagnetisierung des Abtastelements 16 allerdings stark genug bei entsprechend hoher Koerzitivkraft sein muß. Ein Verfahren zum Bereitstellen der in F i g. 2 und 3 gezeigten Teilschichtstruktur ist im Artikel von CH. Bajorek, M.A, Nicolet und CH.
«) Wilts mit dem Titel »Preferential Oxidation of Fe in Permalloy Films«, erschienen in »Applied Physics Letters«, 15. August 1971, beschrieben. Thermische und zeitliche Kontrolle des Ausmaßes der bevorzugten Oxidation von Fe in einer Ni-Fe-Legierungsschicht
« gestattet die Einstellung der Stärke des Koerzitivfeldes f/cdes Anisotropiefeldes Hk und der Sättigungsmagnetisierung Min relativ großen Bereichen.
Die Oxidschicht auf der Oberseite eines oxidierten Ni-Fe-Legierungsfilmes besteht vorwiegend aus
5<> Eisenoxid. Die Oxidation eines solchen Ni-Fe-Legierungsfilmes resultiert aus dem Entzug von Eisen aus der genannten Legierung, so daß deren Zusammensetzung dann tatsächlich geändert wird. Da die Werte für M, Hc und Hk des Ni-Fe-Legierungsfilmes von der jeweiligen Zusammensetzung abhängig sind, lassen sich demnach obengenannte Parameter durch Veränderung des Oxidationsgrades entsprechend einstellen. Das Anisotropiefeld Hk für Ni- Fe-Legierungsfilme ändert sich z. B. schrittweise mit der Zusammensetzung, wenn der
wi Nickelgehalt über 80% liegt und erreicht ein Minimum, wenn der Nickelgehalt der Zusammensetzung etwa 90% erreicht. Andererseits sind das Koerzitivfeld H1 und die Sättigungsmagnetisierung M stark von der Zusammensetzung abhängig. Bei Veränderung des
• ' NicKelgehalts von 80 auf 100% steigt die Koerzitivkraft /Z1- monoton von weniger ais 1 Oe aut mehr als 100 Oe an, während Mvon 800 G auf 480 G abfällt. Eine weitere Besonderheit von Ni-Fe-Legierungsfilmen ist darin zu
sehen, daß die Koerzitivkraft H1- für einen Nickelgehalt von mehr als 80% außerdem noch von der Dicke des Ni — Fe-Legierungsfilmes abhängt.
So wird z.B. zur Herstellung der in F i g. 2 und 3 gezeigten Schichten eine Permalloyschicht 6 auf ein nicht dargestelltes Substrat niedergeschlagen und ein Schutzüberzug aus Photolack über emtn vorher ausgewählten Teil des Streifenelemcnts 6 angebracht. Durch Erhitzung dieser Struktur auf hohe Temperatur in sauerstoffreicher Atmosphäre wird nur der ungeschützte Teil des Streifenelements 6 oxidiert. Durch diesen Herstellungsschritt werden die Parameter H0, Hk und M je nach Oxidationsgrad verändert. Durch diese Oxidation wird einmal die oxidierte Teilschicht des Streifenelements 6 magnetisch und zum anderen nichtleitend, so daß man keinen besonderen Isolator zwischen Teilschicht 16 und den Teilschichten 14 zu legen braucht.
Andere Behandlungen können denselben Effekt haben wie diese Oxidation: nämlich die Koerzitivkraft anzuheben. Chloride, Sulfate und andere Bestandteile erzeugen diesen Effekt auf chemischen Wege. Ätzmittel haben dieselbe Wirkung durch Aufrauhen der Oberfläche. Auch durch wahlweisen Niederschlag von Materialien, die mit der Schicht in Austausch-Wechselwirkung treten, lassen sich diese Veränderungen erzielen.
F i g. 3 zeigt, wie ein magnetoresistives Abtastelement 16 durch Anlegen eines Feldes von nur einer Seite her vormagnetisiert werden kann. Obwohl die Gleichförmigkeit der Vormagnetisierung über dem Abtastelement 16 nicht so zufriedenstellend ist wie beim oben angeführten Beispiel, ist diese Möglichkeit für einen vertikal liegenden Abtastkopf zu empfehlen, wo die untere Kante des magnetoresistiven Abtastelements 16 möglichst dicht am Aufzeichnungs- bzw. Speichermedium liegen muß. Diese Unterkante kann auch durch den letzten Schliff der Abtastkopffläche bestimmt werden.
Ähnliche Überlegungen gelten auch für die in F i g. 2 und 4 gezeigten vormagnetisierten Strukturen.
Bei Herstellung von selbstausrichtenden und vormagnetisierter. magnetoresistiven A.btastköpfen 2 der hier gezeigten und beschriebenen Art verläuft das Vormagnetisierungsfeld bei Betrieb am Punkt S in F i g. 5 parallel zum Abtastfeld oder rechtwinklig zur Richtung des Abtaststromes. Um jedoch bei der magnetischen Abtastung den sogenannten Barkhausen-Effekt zu vermeiden, muß das magnetische Feld der Teilschichten 14 so orientiert sein, daß eine Komponente dieses Feldes M parallel zur Richtung des Abtaststromes im magnetoresistiven Abtastelement 16 verläuft und eine andere rechtwinklig dazu. Das Vormagneiisierfeld, das parallel zur Richtung des Abtaststromes verläuft, hilft bei Anwendung auf Einzelwandmagnetdomänen, den Effekt der Wanddomänen-Umschaltung (den Barkhaus-Effekt) im magnetoresistiven Abtastelement 16 zu vermindern.
Das Streifenelement 6 besteht für gewöhnlich aus einem Material wie Permalloy, welches mit uniaxialer Anisotropie, d. h. mit einer Achse in leicht zu magnetisierender Richtung, hergestellt werden kann. Der magnetische Zustand des Abtastelements bei Fehlen eines Signals vom Speichermedium wird durch innere Anisotropie, durch Formanisotropie und durch Vormagnetisierung in leicht und schwer zu magnetisierende Achsrichtung bestimmt. Letztere lassen sich so auslegen, daß eine bestimmte innere Anisotropie kompensiert wird. Die Richtung der leicht zu magnetisierenden Achse muß daher nicht unbedingt mit der Stromrichtung übereinstimmen. Außerdem können auch isotropische, magnetoresistive Materialien mit Wa = O für die praktische Verwirklichung dieser Erfindung verwendet werden.
Bei Herstellung der in F i g. 2 bis 4 gezeigten Streifenelemente lassen sich kräftige Magnete dazu benutzen, die Vormagnetisierung Min jeden gewünschten Winkel zwischen 0 und 180' auszurichten. Durch dieses Merkmal wird vorliegende Erfindung besonders vorteilhaft, weil zur Vormagnetisierung eines Abtastelements 16 bisher nur stromführende Schichten verwendet werden, die sich dann nicht für eine derartige vorgebbare Ausrichtung des Vormagnetisierfeldes eignen.
Wird eine hartmagnetische Schicht durch gegenseitige Austauschkopplung zwischen zwei Materialien erzeugt, dann hat eine solche Austauschkopplung verschiedene vorteilhafte Wirkungen für die Vormagnetisierung sehr dünner geschichteter Abtastköpfe. In machen Fällen hat der resultierende Schichtkörper eine Magnetisierungskurve, die bei sonst normalem Verlauf eine große Koerzitivkraft (WJaufweisl.
Die Kurve in Fig. 7A zeigt die Verteilung der Magnetisierungskomponente in Richtung des Abtastfeldes auf dem Abtastkopf mit der Breite W für den Fall, daß das Abtastelement 16 in einem homogenen Vormagnetisierungsfeld liegt. Durch Entmagnetisierungseffekte sind die Kanten des Abtastelementes nicht vormagnetisiert. Daraus ergibt sich, daß Bereiche des Abtastelementes an einem anderen Punkt als in der Nähe des Punktes B von F i g. 7 betrieben werden. Die Kurve in Fig. 7B zeigt die Verteilung für die vorliegende Erfindung und die Talsache, daß da; Abtastelement 16 über seine ganze Breite gleichmäßig vormagnetisiert ist, so daß es überall im linearen Teil dei fl-H-Kurve Fig. 5, betrieben werden kann und dei Wirkungsgrad des Abtastkopfes auf ein Maximuir gebracht ist.
F i g. 6 zeigt schematisch, wie der Abtastkopf gemäfi der Erfindung mit selbstausrichtcnder Vormagnetisic rung zum Abtasten magnetisch gespeicherter Inform;) tion im Zusammenwirken mit dem Speichermedium η benutzt wird. Das in einem der oben beschriebener Ausführungsbeispiele ausgeführte Strcifenelement f enthält das vormagnetisierte Abtastelement 16 ir Abtaststellung zum Speichermedium m. Die Stromquel Ie 22 liefert über den Widerstand 24 einen Vormagneti sierungsstrom Ib an das magnetoresistive Abtastelemen 16. Wenn eine Widerstandsänderung AR im Abtastete ment 16 aufgrund des magnetischen Flusses in dem vor ihm abgefühlten Speichermedium m auftritt, wird eir Spannungssignal I·, ■ zl/? erzeugt, welches über Kondcn sator 28 an den Verstärker 26 weitergeleitet wird. Da: verstärkte Spannungssignal wird vom Detektor 3(
« erfaßt
Bei Abfühlung von Einzelwandmagnetdomänen kön nen die oben für die magnetische Aufzeichnung beschriebenen Abtastköpfe im wesentlichen unverän dert benutzt werden. Die in den Fig. 2 bis 4 gezeigtei
h" Streifenelemente können z. B. das Element 16, wie es ii F i g. 1 der USA-Patentschrift 36 91 540 beschrieben isi ersetzen. Mit vorliegender Erfindung besteht di( Möglichkeit, das Abtastelement 16 in willkürliche Richtung in der Schichtebene vorzumagnetisieren, un
'■; dessen Empfindlichkeit im Hinblick auf eine bestimmt! Art des Einzelwandmagnetdomänentransports auf eii Optimum in vorteilhafter Weise zu steigern.
Herkömmliche magnetoresistive Abtastelement!
sind vormagnetisiert, indem sie der Wirkung eines gleichförmigen Magnetfeldes, beispielsweise von einen-, benachbarten Stromleiter, ausgesetzt sind, Solche Vormagnetisierfelder erzeugen jedoch eine ungleichförmige Magnetisierung des Abtastelement·;, und zwar wegen der Entmagnelisierungseffekte an den Kanten des Abtastelements. An den Kanten eines Abtastelentents geht nämlich die Quermagnetisierung bis zum Wert 0 zurück. Bei vorliegender Erfindung jedoch erzielt die auf selbstausrichtender Vormagnetisierung beruhende Methode eine entsprechend große Magnetisierung an den Kanten des magnetoresistiven Abtastelements 16, so daß man gegenüber bisher eine nahezu gleichförmige Vormagnetisierung über das gesamte
Abtastelement erhält. Außerdem werden mit der eriindungsgemäßen Anordnung Probleme des Stromverbrauchs und dementsprechender Leistungsverlust weilgehend vermieden, die sonst bei Vormagnetisierung durch stromführende Strukturen auftreten und bei Anwendung der TVchnologie dünner Schichten zur Herstellung von Abtastköpfen fast unlösbar werden. Schließlich ist die erfindungsgemäße Struktur bei Herstellung selbstausrichtend, so daß keine genauen Ausrichloperationen zwischen dem Vormagnetisierungselement und dem magnetoresistiven Element bei den entsprechenden Verfahrensschritten vorgenommen werden müssen.
Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (3)

Patentansprüche:
1. Magnetoresistiver Abtastkopf für magnetische Aufzeichnungsträger, bzw. Speichermedien, bestehend aus einer Schichtstruktur mit als Abtastelement dienender magnetoresistiver Schicht, die elektrisch isoliert von zumindest einer permanentmagnetischen, in einer Stärke vormagnetisierten Schicht bedeckt ist, welche gegenüber der Stärke von Aufzeichnungsträger bzw. Speichermedien abzutastender Magnetfelder sehr viel höher ist, dadurch gekennzeichnet, daß das magne'oresistive Abtastelement (16) und der permanentmagnetische Schichtbereich (14) Teilschichten eines einzigen Streifenelements (6) aus ursprünglich magnetoresistivem Material darstellen, indem die permanentmagnetischen Schichtbereiche (14) das OxidationsproJukt eines selektiven Oxidationsvorgangs zur Bildung magnetisch harter Bereiche sind.
2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das magnetoresistive Streifenelement (6) vor Anwenden des selektiven Oxidationsvorgangs zur Bildung der permanentmagnetischen Schichtbereiche (14) insgesamt aus einer Ni-Fe-Legierung besteht.
3. Anordnung nach Anspruch 1 und/oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Abtastelement (16) zwischen zwei oxidierten permanentmagnetischen Schichtbereichen (14) liegt, die jeweils gleiche Magnetisierungsrichtung besitzen.
DE2363123A 1972-12-29 1973-12-19 Magnetoresistor Abtastkopf Expired DE2363123C3 (de)

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