DE2601444A1 - Magnetische anordnung - Google Patents

Description

BLUMBACH . WESER . BERGEN · KRAMER

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Western Electric Company, Incorporated Bonyhard 23-7-39 New York, N. Y. / USA

Magnetische Anordnung

Die Erfindung bezieht sich auf eine magnetische Anordnung mit einer Schicht aus einem Material, in der eine einwandige Domäne von einer zweiten in eine nächstfolgende erste Stellung bewegt werden kann, und einem Muster von Elementen benachbart zu einer Oberfläche der Schicht, die magnetische Pole zu erzeugen vermögen, um einwandige Domänen bei Einwirkung eines sich in der Schichtebene umorientierenden Magnetfeldes zu einer Bewegung in der Schicht zu veranlassen, wobei das Muster erste und zweite aufeinanderfolgende Elemente aufweist, von denen jedes eine erste und eine nächstfolgende zweite

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Stellung definiert, die längs einer Achse der Domänenbewegung ausgerichtet sind.

Der gebräuchlichste Typ einwandiger Magnetisierungsdomänen ist die sogenannte Blasendomäne. Die Blasendomänen sind zylindrische Magnetisierungsgebiete, die in der Ebene ihrer Bewegung mit einem Betriebs-Nenndurchmesser aufrechterhalten werden, der durch ein antiparallel zur Magnetisierungsrichtung der Blase verlaufendes Vormagnetisierungsfeld bestimmt ist. Das üblichste Mittel zur Definition der Ebene der Blasendomänenbewegung ist eine epitaktische Granatschicht, die auf einem unmagnetischen Granat-Einkristall nach bekannten Methoden gezüchtet wurde, obgleich später auch gefunden wurde, daß es möglich ist, Blasendomänen in amorphen Schichten zu verwenden. Die Schicht zeichnet sich durch eine einachsige Anisotropie senkrecht zur Schichtebene aus, sonach sind die Magnetisierung einer Blasendomäne und die Richtung des Vormagnetisierungsfeldes mit der Schichtnormalen ausgerichtet.

Die US-PS 3 534 347 beschreibt eine Methode zum Bewegen von Blasendomänen mit Hilfe eines Küsters weichmagnetischer (hochpermeabler) Elemente, typischerweise aus Permalloy, auf der Oberfläche der epitaktischen Schicht, in welcher sich die Blasendomänen bewegen. Die Elemente werden auf photolithographi-

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schem Wege in einem sich wiederholenden Muster längs der für die Domänenblasenbewegung vorgesehenen Achse erzeugt. Ein magnetisches Treibfeld, das sich in der Ebene der Domänenblasenbewegung durch aufeinanderfolgende Orientierungen hindurch rotiert wird, magnetisiert jene Elemente zeitweilig, die mit dem Feld ausgerichtete längere Abmessungen besitzen. Wenn das Feld rotiert, werden unterschiedliche Elemente des Musters magnetisiert als Folge unterschiedlicher Orientierung ihrer langen Abmessungen. Durch Anordnen der Elemente derart, daß die langen Abmessungen aufeinanderfolgender Elemente in jeder Periode des Musters mit aufeinanderfolgenden Orientierungen des Treibfeldes ausgerichtet sind, kann ein Magnetpolmuster erhalten werden, das sich längs der Achse bewegt. Da ein sich wiederholendes Muster durch die Elemente gebildet ist, wiederholt sich das bewegende Polmuster gleichfalls und kann daher ein Blasendomänen-Muster längs der Achse bewegen. Wenn eine binäre Eins und eine binäre Null beispielsweise durch die Gegenwart bzw. das Fehlen einer Blasendomäne in einer Position dargestellt wird, die jeder Periode des Elementenmusters längs der Achse entspricht, kann Information dargestellt werden als sich längs der Achse bewegend, wenn das Treibfeld rotiert. Da die Blasendomänen vom Treibfeld ohne elektrische Verbindung zum Granat oder zu den Permalloy-

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elementen bewegt werden, wird diese Methode der Blasendomänen-Übertragung allgemein als Feldzugriffsbetrieb bezeichnet.

Das gebräuchlichste Elementenmuster für den Feldzugriffsbetrieb ist derzeit das T/Stabmuster, obgleich auch das Chevron-Muster (Winkelmuster), Y/Stab-Muster, T/X-Muster sowie gekrümmte Muster wie scheibenförmige und blumenblattförmige Elemente, für Blasendomänenübertragung ebenfalls bekannt sind. Typischerweise ist die durch ein Muster vorhandener und fehlender Blasendomänen einer Verteilung anziehender Magnetpole zugeordnet, die durch die Elemente bei sich umorientierendem Feld derart erzeugt werden, daß der nächstfolgende Pol und der nächstvorausgegangene Pol gegenüber einem jeden Bit anziehend bzw. abstoßend gemacht werden. Bei sich umorientierendem Feld werden die Pole, die einer von einer Magnetblase besetzten Stellung entsprechen, typischerweise magnetisch neutral. In jedem Fall bestimmen während der Blasendomänenübertragung die Beziehungen zwischen Verteilung, Intensität und zeitliche Steuerung der nächstvorangehenden, der laufenden und der nächstnachfolgenden Polo einen stabilen Bereich, in dem ein Magnetblasenbetrieb in ler Praxis auftritt. Sonach bestimmen für jedes gegebene Material die Geometrie der Übertragungselemente im allgemeinen diese Beziehungen.

Der stabile Bereich, in dem eine Blasendomänenvorrichtung ar-

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beitet, wird üblicherweise durch ein Kennlinienfeld von Vo rmagnetisierungsfeldstärke gegen die Stärke des (rotierenden) Treibfeldes. Es ist allgemein bekannt, daß in jedem gegebenen Blasendomänenmaterial eine stabile Blasendomäne innerhalb eines Vormagnetisierungsfeldstärkenbereichs existiert; der Bereich liegt zwischen einem hohen Feldstärkewert, bei dem die Blasendomäne radial instabil wird (spontan kollabiert) und einem niedrigen Feldstärkewert, bei dem die Blasendomäne elliptisch instabil wird (streifenförmig ausufert). Der Vormagnetisierungsfeldstärkebereich ist typischerweise 25 Oersted und liegt beispielsweise zwischen 88 Oersteds und 113 Oersteds. Bei einem hohen Vormagnetisierungsfeld ist der BIasendomänendurchmesser kleiner als bei einem niedrigeren Vormagnetisierungsfeld. Die Übertragungselemente haben fixierte Abmessungen, die für ein mittleres Vormagnetisierungsfeld bemessen sind, bei dem die Blasendomäne einen Nenndurchmesser besitzt, um Schwankungen der Betriebsbedingungen insbesondere bei Änderungen des rotierenden Treibfeldes sicherzustellen und um mehrere Speicher (d. h. Speicherchips) mit einem einzigen Treibfeld betreiben zu können. Für eine gegebene Blasendomänenvorrichtung und bei gegebener Vormagnetisierungsfeldstärke und gegebenem Treibfeld bestimmt daher die Geometrie der Übertragungselemente die Betriebsgrenzen.

Eine weitere wesentliche Überlegung bei der Herstellung einer

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praktikablen Blasendomänenvorrichtung ist die "Ausbeute", die als der Prozentsatz hergestellter Speicherchips definiert ist, die bestimmte Betriebskriterien erfüllen. Defekte Vorrichtungen rühren hauptsächlich von Schäden an den Permalloy-Elementen als ein Resultat der Verarbeitung her. Sicherlich wird ein Übertragungsmuster, das gegenüber Defekten unempfindlich ist (und auch in Gegenwart von Defekten noch richtig arbeitet) , beispielsweise Defekte in Form fehlender oder zusätzlicher Permalloy-Gebiete, die Ausbeute erhöhen. Ein Übertragungsmuster, das eine hohe Ausbeute an Chips ermöglicht, die innerhalb vorgeschriebener Betriebsgrenzen betreibbar sind erlaubt auch ein gegenseitiges Abwägen zwischen Ausbeute und Betriebsgrenzen. Deshalb bestimmt, jedenfalls vom praktischen Standpunkt her gesehen, die Geometrie der Übertragungselemente die Ausbeute.

Eine weitere Überlegung für den Entwurf eines Übertragungsmusters ist das für eine gewünschte Polstärke erforderliche Treibfeld. Je niedriger das benötigte Treibfeld ist, desto niedriger ist auch die für den Domänenblasenbetrieb erforderliche Leistung. Jedoch ist die mit einem gegebenen Treibfeld erreichte Polstärke durch die Geometrie und durch die Masse der Übertragungselemente bestimmt. Im allgemeinen und innerhalb praktischer Grenzen gilt für ein Element gegebener Dicke und Form, daß umso größer das Element _t,desto kleiner

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das Entmagnetisierungsfeld ist, das vom Treibfeld zum Erzeugen der Pole zu überwinden ist, die ihrerseits die Blasendomänenbewegung erzeugen. Deshalb gilt für eine Blasendomäne gegebener Größe, daß je größer das Element, desto niedriger das erforderliche Treibfeld oder desto größer die Polstärke für ein gegebenes Treibfeld ist. Ersichtlich ist also die Geometrie des Übertragungselementes ein wichtiger Faktor auch bei der Bestimmung des Leistungsbdarfs des Blasendomänenvorrichtungen.

itere Faktoren werden zunehmend wichtig, wenn Blasendomänenvorrichtungen bei zunehmend höherer Frequenz betrieben werden und wenn zunehmend kleinere Blasendomänen verwendet werden. Beispielsweise wird bei zunehmend höheren Frequenzen die Beweglichkeit der Blasendomänen im magnetischen Material wichtig. Wenn beispielsweise die Blasendomänenbewegung während eines Zyklus des Drehfeldes ungleichförmig ist, könnte eine Blasendomäne sich dicht bei der Beweglichkeitsgrenze des Materials für den einen Teil des Zyklus und für andere Teile des Zykluses weit unterhalb dieser Grenze bewegen. Bei Hochfrequenzbetrieb kann beispielsweise eine Blasendomäne nicht in ihrer nächstfolgenden Stellung zur richtigen Zeit ankommen und kann als Folge hiervon ausgelöscht werden. Eine relativ niedrigere Frequenz könnte deshalb vorgeschrieben sein, um solche Schwierigkeiten zu vermeiden, oder es kann eine vergleichs-

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weise höhere Treibleistung für die Blasendomänen bei der an sich wünschenswerten höheren Frequenz erforderlich sein, als sie erforderlich sein würde bei einem Übertragungsmuster, das die Blasendomänen mit gleichförmigerer Geschwindigkeit bewegte. Der Wunsch nach glatter Blasendomänenbewegung, insoweit diese zu einem niedrigen Treibfeld beiträgt, kann noch besser verstanden werden, wenn man sich vergegenwärtigt, daß das Drehfeld vorteilhaft durch ein Paar Feldspulen erzeugt wird, die Elemente einer abgestimmten Schaltungsanordnung sind. Das Schalten abgestimmter Schaltungen wird zunehmend schwieriger, wenn Leistungsanforderungen und/oder die Frequenz zunehmen.

Die mit der Blasendomänengröße zusammenhängenden Faktoren sind unter anderem eine Frage des mit photolithographischen Methoden erreichbaren Auflösungsvermögens. Die Periode eines Übertragungsmusters liegt im Regelfall bei vier bis fünf BIasendomänendurchmesser (Nenndurchmesser) und erfordert beispielsweise ein stabförmiges und ein T-förmiges Element pro Periode. Derzeit läßt sich mit der Photolithographie ein Auflösungsvermögen von etwa 1,5/um erreichen, wovon das feinste Detail des Übertragungsmusters betroffen ist, beispielsweise der Abstand zwischen einem stabförmigen Element und dem nächstfolgenden T-förmigen Element. Dieser Abstand bestimmt

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das maximale Auflösungsvermögen für das Muster, und Verarbeitungsänderungen verursachen auch Änderungen in diesem Abstand. Folglich kann ein Übertragungs element entwurf, der mit unterschiedlichen Abständen zwischen Elementen für eine gegebene Periode gut arbeitet, mit relativ größerer Kapazität oder Packungsdichte mit Hilfe der derzeitigen photolithographischen Methoden hergestellt werden. Offensichtlich beeinflussen hierbei auch die geometrischen Formen der Übertragungselemente die Grenzen der Betriebsfrequenz und die Packungsdichte.

Detaillierte Untersuchungen der Blasendomänenübertragung haben ergeben, daß während des Betriebes der kritische Punkt die Übertragung einer Blasendomäne vom einen Übertragungselement auf das andere ist. Hinsichtlich dieses Punktes im Übertragungsmuster gilt insbesondere, daß Intensität, Verteilung und zeitliche Steuerung der Pole sowie Form, Abstand und Masse der Permalloybelegung zusammen mit der Domänenbeweglichkeit und Gleichförmigkeit der Domänenbewegung die wichtigsten Faktoren für Betriebsgrenzen und Ausbeute sind.

Aufgabe der Erfindung ist es, diesem Rechnung zu tragen. Gemäß der Erfindung ist diese Aufgabe für die magnetische Anordnung der einleitend beschriebenen Art dadurch gelöst, daß jedes der ersten und zweiten Elemente eine Geometrie besitzt, die

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bei Einwirkung eines sich in der Ebene der Schicht umorientierenden Magnetfeldes einen anziehenden Magnetpol in der ersten Stellung der zweiten Elemente vor der Verringerung der Polstärke des Pols in der zweiten Stellung des ersten Elementes erzeugt und die Geometrie eines jeden Elementes weiterhin so ausgebildet ist, daß sie eine längliche Polkonfiguration für eine sich von einer ersten in eine nächstxolgende zweite Stellung bewegende einwandige Domäne zu erzeugen vermag.

Die erfindungsgemäße magnetische Anordnung hat zahlreiche Vorteile, wie noch ersichtlich wird.

Im nachstehenden ist die Erfindung anhand verschiedener, in der Zeichnung dargestellter Ausführungsformen im einzelnen beschrieben; es zeigen:

Fig. 1 ein schematisches Schaltbild einer Blasendomänenspeicheranordnung mit einem Feldübertragungsmuster für Feldzugriff entsprechend der Erfindung,

Fig. 2 bis 6 schematische Teilansichten de» Anordnung nach Fig. 1 zur Darstellung der verschiedenen Polkonfigurationen während des Betriebes,

Fig. 7, 8, 10, 11, 12 und 13 schematische Darstellungen alternativer Formen für die Elemente des Übertragungs-

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musters nach Fig. 1 mit zugleich dargestellten Blasendomänen während des Betriebes und

Fig. 9 ein Betriebsgrenzendiagramm für die Anordnungen nach Fig. 2 bis 6 im Vergleich zu einer bekannten Anordnung.

Die Erfindung beruht auf der Erkenntnis, daß verbesserte Betriebsgrenzen beim Betrieb von Feldzugriff-Blasendomänenvorrichtungen erreicht werden können, wenn das Übertragungsmuster von einer solchen Geometrie ist, daß, wenn sich das Treibxeld von einer gegebenen in eine nächste Richtung zum Bewegen einer Blasendomäne zwischen Übertragungselementen umorientiert, ein länglicher anziehender Pol in dem Element definiert wird, zu welchem sich die Blasendomäne bewegt, und daß dieser Pol in einem möglichst langen Teil des Zyklus des in der Ebene verlaufenden Treibfeldes vor (also "früh erscheinend" gegenüber) der Neutralisierung des momentanen Pols vorhanden ist. Es wurde auch gefunden, daß ein Übertragungsmuster, das die Polgeometrie während des Überganges einer Blasendomäne von Element zu Element verlängert, richtig zu arbeiten vermag, um die Blasendomäne in eine Stellung eines anziehenden Pols und auch unter stark variierenden Betriebsbedingungen zu bewegen. Deshalb ist eine Materialschicht ein Merkmal der Erfindung, in der die magnetischen Blasendomänen bewegt werden können und an die ein Muster von Elementen angekoppelt

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ist, um die Blasendomänen zu bewegen, wobei das Element eine solche Geometrie hat, daß es, ansprechend auf eine Umorientierung eines in der Ebene der Schicht verlaufenden magnetischen Treibfeldes, eine "früh auftretende" längliche anziehende Polgeometrie im nächstfolgenden Element zu erzeugen vermag, zu dem sich eine Blasendomäne bewegt.

Bei einer Ausführungsform der Erfindung definiert eine Folge asymmetrischer Halbscheibenelemente eine Achse für die Übertragung von Blasendomänen. Die "gerade" Kante jedes HaIbscheibenelementes ist mit der Achse ausgerichtet und endigt beidseits in einem Schenkel, der einen lokalisierten Pol für eine Treibfeldorientierung quer zur Achse definiert. Der Rest der Halbscheibe definiert einen diffusen oder länglichen Pol. Wenn also das in der Ebene verlaufende Feld sich umorientiert, wechseln sich diffuse und lokalisierte Pol ab, um eine Domäne längs der Achse zu bewegen. Aufeinanderfolgende Elemente sind so angeordnet, daß lokalisierte Pole während des Überganges einer Blasendomäne vom einen Element auf das nächstfolgende Element ("Interelement-Bewegung") dahingehend wirksam sind eine früh auftretende Polgeometrie zu erzeugen, die während der Interelement-Bewegung der Domänenblase diese in die Länge zieht. Die Elementform und -anordnung, die eine solche früh auftretende nächstfolgende anziehende Polgeometrie liefert,

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stellt die kontinuierliche Gegenwart eines anziehenden Pols auch während des wichtigen Interelement-Übergangs und auch ein längliches Polmuster zu diesem Zeitpunkt sicher. Die Elementform und -anordnung zum Erhalt einer derartigen Polgeometrie während des Interelement-Übergangs wird als wichtiges Merkmal bevorzugter Ausführungsformen der Erfindung angesehen.

Die asymmetrische Halbscheibe ist gegenüber Defekten und Abstandsänderungen zwischen den Elementen unempfindlich und erlaubt weniger Elemente pro Periode. Folglich können auch relativ hohe Packungsdichten realisiert werden.

Die gerade Kante jedes asymmetrischen Elementes ist auf eine Tiefe zurückgenommen,

die an dem Teil der Scheibe größer ist, der sich näher an jenem Schenkel befindet, von dem aus eine Blasendomäne sich während eines InteisLement-Überganges bewegt. Der Zweck dieser Asymmetrie ist der, unerwünschte Rückwärtsbewegung einer Blasendomäne während der Übertragung von einem Element auf das nächste zu vermeiden. Eine derartige Rückwärtsbewegung kann bei symmetrischen scheibenförmigen Elementen bei niedrigen Vormagnetisierungsfeldern auftreten.

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Fig. 1 zeigt einen Blasendomänenspeicher 10 mit einer Schicht 11 aus einem magnetischen Material, in welchem magnetische Blasendomänen "bewegt werden können. Eine für Domänenblasenbewegung geeignete magnetische Schicht ist eine Granatschicht, die nach Flüssigphasen-Epitaxiemethöden auf einem unmagnetischen Granatsubstrat gezüchtet worden ist, oder ein amorpher Film, wie oben erwähnt, schichten dieses Typus sind durch eine einachsige Anisotropie gekennzeichnet, die außerhalb der Ebene der Schicht, im Regelfall senkrecht hierzu, verlaufen. Eine Blasendomäne in einem solchen Material hat ihre Magnetisierung längs der Schicht ebenennormalen, eine Richtung von der für die vorliegende Beschreibung angenommen sei, daß sie aus der Zeichenebene heraus weise. Der Rest der Schicht hat eine entgegengesetzt gerichtete Magnetisierung, sie weist also in die Zeichenebene hinein. Die Blasendomänen in einer solchen Schicht existieren typischerweise bei Gegenwart eines Vormagnetisierungsfeldes, das antiparallel zur Magnetisierungsrichtung der Blasendomäne gerichtet ist. Die Vormagnetisierungsfeidquelle ist durch den Block 12 in Fig. 1 dargestellt.

Auf der (beschichteten) Oberfläche der Schicht 11 ist ein Belegungsmuster nach üblichen photolithographischen Methoden erzeugt. Das Muster definiert typischerweise eine Reihe Über-

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tragungskanäle in der Schicht 11, von denen ein beispielhafter Kanal 13 dargestellt ist. Das Muster ist durch eine Folge von Elementen 15 gebildet, die, auf ein in der Ebene der Schicht 11 sich drehendes Magnetfeld ansprechend, dahingehend wirksam sind, Blasendomänen von einer Eingangsstelle 16 zu einer Ausgangsstelle 17 zu bewegen. Die Quelle für das in der Ebene verlaufende Feld ist durch den Block 18 dargestellt. Geeignete Eingangs- und Ausgangsschaltungen sind an die Schicht 11 an den Stellen 16 bzw. 17 angekoppelt und sind in der Figur durch die Blöcke 20 und 21 dargestellt.

Die Vormagnetisierungsfeidquelle 12, die Quelle 18 für ein in der Ebene umlaufendes Feld, die Eingangsschaltung 20 und die Verbraucherschaltung 21 stehen unter der Steuerung einer Steuerschaltung 22. Die verschiedenen Quellen und Schaltungen können von jedweder bekannten Bauart sein, die die ihnen hier zugedachte Funktion zu erfüllen vermögen.

Die Elemente des Übertragungsmusters bestehen typischerweise aus Permalloy (eine Nickel-Eisen-Legierung mit 80 % Nickel, Rest Eisen), das ein magnetisch weiches (hochpermeables) Material ist. Bei der dargestellten Ausführungsform sind benachbarte Permalloyelemente des Musters von im allgemeinen halbscheibenförmiger Geometrie mit eingebauter Asymmetrie.

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Die Geometrie eines Elementes kann am leichtesten mit Bezug auf eine gedachte vertikale Achse 25, die durch den Mittelpunkt einer Scheibe geht, beschrieben werden.(siehe Fig. 2). Das Element kann als halbscheibenförmig angesehen werden, da der gekrümmte obere Teil 26 und der "gerade" Grundteil 27 eine solche halbe Scheibe begrenzen (siehe Fig. 2). Die Halbscheibe hat einen fehlenden Teil. Dieser fehlende Teil erstreckt sich von der geraden Seite der Halbscheibe nach innen, und zwar auf der einen Seite weiter als auf der anderen Seite, wodurch das Element 15 bezüglich der Achse 25 asymmetrisch wird. Der Rest der Halbscheibe definiert zwei Schenkelteile 28 und 29, die aufeinanderfolgend von einer Domänenblase während ihrer Übertragung, ansprechend auf ein im Gegenzeigersinn in der Ebene der Schicht 11 rotierendes Feld, eingenommen werden.

Fig. 2 zeigt das in der Schichtebene im Gegenzeigersinn rotierende Feld, es ist durch den gekrümmten Pfeil H_R dargestellt, wobei das Feld nacheinander die Orientierungen A, B, C und D durchläuft. Die Stellungen eines representativen diffusen Pols, der sich hierauf ansprechend, von rechts nach links bewegt, ist in Fig. 3 dargestellt. Die Stellungen für die Pole entsprechend den aufeinanderfolgenden Feldorientierungen treten längs des Randes der Elemente 26 an den umkringelten Teilen C, D, A, B auf. Je nach der Größe des Vor-

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magnetisierungsfeldes sind die Blasendomänen, die sich in diesen Stellungen befinden, kleiner als die Polgebiete oder können diese ganz einnehmen.

Die kritische Phase bei der Elasendomänenübertragung, die die Betriebsgrenzen in der Praxis weitgehend bestimmt, tritt bei der Übertragung einer Blasendomäne vom einen Übertragungselement zum nächstfolgenden Übertragungselement, also während der Phase C in Fig. 2 und 3, auf. Wenn ein länglicher anziehender Pol während der Übertragungsphase in einem benachbarten Element erzeugt wird, bewegt sich eine Blasendomäne, um die Stellung dieses Poles einzunehmen - eine Stellung, die für eine Blasendomäne stark unterstützend ist.

Es sei ein Vormagnetisierungsfeld angenommen, das eine Blase einer Größe erzeugt, um das ganze umkringelte Gebiet A in Fig. 3 einzunehmen. Die Folge der Fig. 3 bis 6 kann dann als eine Domänenblase darstellend betrachtet werden, die sich von der Position A in Fig. 3 nach links längs der Kurve einer Halbscheibe zum Schenkel 29 bewegt, wenn sich das Feld H_R von der Stellung A über die Stellung B in Richtung auf die Stellung C umorientiert. Fig. 4 und 6 zeigen die Blasendomänenstellungen für zwischenliegende Feldorientierungen, wie diese durch die Pfeile H_R in jenen Figuren dargestellt ist. Man sieht, daß die Blasendomäne bei A in Fig. 3 stärker ausge-

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breitet ist, um dann in den Stellungen der Fig. 4 und 5 in der Ausbreitung abzunehmen und schließlich Blasenform anzunehmen, wie dieses in Fig. 6 für ein einzelnes Übertragungselement dargestellt ist. Wenn jedoch ein benachbartes EIe- . ment vorhanden ist, (Fig. 3) wird die weitgehend kreisförmige Gestalt für die Blasendomäne in Fig. 6 unter den angenommenen Vormagnetisierungsbedingungen nie erreicht. Statt dessen nimmt die Blase die bei C in Fig. 3 dargestellte Form an. Das Munster aufeinanderfolgendes Halbscheiben ist daher dahingehend wirksam, eine Polgeometrie länglicher Form an der Übertragungsstelle zwischen den Elementen zu erzeugen und diese längliche Form beizubehalten, v/enn die Übertragung einer Blasendomäne stattfindet. Darüberhinaus ist der Pol am Blasendomänen-Empfangsteil des nächstfolgenden Elementes vor der Neutralisation des derzeitigen Pols vorhanden, um die konstante Gegenwart eines für eine Blasendomäne während des Betriebs günstigen Poles sicherzustellen, wobei der erstere in der Stärke zunimmt, wenn der letztere sich abschwächt und neutral wird.

Als wesentlicher Punkt ist zu beachten, daß die Beziehung zwischen aufeinanderfolgenden Übertragungselementen vorliegend so gewählt ist, um sicherzustellen, daß der Pol, zu dem sich eine Blasendomäne hin bewegt, in jedem Fall bei Auftreten der Bewegung von einem Übertragungselement auf das nächste vor der

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Absohwächung und Neutralisation jenes Pols erzeugt wird, an dessen Stelle die Blasendomäne derzeit sitzt. Gleichfalls ist der Umstand wichtig, daß der Pol am Empfangs element ein länglicher Pol und ein zunehmend stärker werdender Pol ist, wenn die Blasendomäne sich zwischen den Elementen bewegt. Die Gegenwart eines länglichen Pols führt in diesem Falle zu einer Stabilität, die am besten mit derjenigen verglichen werden kann, wie diese beim Sprung einer Person auf eine Plattform im Vergleich zu einem Sprung auf einen Felsen vorhanden ist. Die tatsächliche Geometrie der Blasendomäne (kreisförmig oder länglich) während dieses Sprunges hängt von der Größe des Vormagnetisierungsfeldes ab. In jedem Fall sind während der kritischen Phase (C) des Übertraungsbetriebes ausgesprochen günstige Polkonfigurationen vorhanden.

Im allgemeinen hängt der Betrieb bei niedrigen Vormagnetisierungswerten in gewissem Ausmaß von der Polkonfiguration längs des "geraden" Teils eines scheibenförmigen Elementes ab. Die tatsächliche Geometrie des Elementes ist teilweise von dem Wunsch diktiert, einen konkurrierenden anziehenden Pol zu eliminieren, wenn eine Interelement-Blasendomänenübertragung stattfindet. Der fehlende Abschnitt der Halbscheibe eines jeden Elementes ist speziell so entworfen, daß eine Blasendomäne daran gehindert wird, sich nach rückwärts über die Scheibe

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zu bewegen, statt zur nächstfolgenden Scheibe übertragen zu werden. Wenn die Aussparung an der Basis einer Scheibe nicht vorhanden ist, treten anziehende Pole während der Phase C sämtlich längs der Basis der Scheibe auf und erlauben eine unerwünschte streifig ausufernde Bewegung der Domäne nach rückwärts bei schwachen Vormagnetisierungsbedingungen, so daß Fehler auftreten.

Die Stärke der Pole, die längs der Basis einer nicht ausgeschnittenen Halbscheibe während der Phase C erzeugt wurden, können in gewissem Ausmaß verkleinert werden, wenn ein sinnmetrischer Ausschnitt in der Scheibe vorgesehen wird, wie dieses in Fig. 7 dargestellt ist. Selbstverständlich gilt, daß je tiefer der Ausschnitt ist, desto schwächer die Pole längs der Basis der Scheibe im Vergleich zu jenen am Schenkel 28 der nächstfolgenden Scheibe werden. Leider wird aber die Polstärke an der Spitze der Scheibe während der Phase A umso schwächer, je tiefer der Ausschnitt wird. Es wurde gefunden, daß der asymmetrische Ausschnitt den unerwünschten Effekt der Pole längs der Basis einer Scheibe während der Phase C eliminiert und zugleich die Polstärke wählend der Phase A groß hält. Die symmetrische Scheibe wird typischerweise mit stabförmigen Zwischenelementen benutzt, die so orientiert sind, daß sie einen Übergang zwischen den Elementen während der Phase C unterstützen.

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Fig. 8 zeigt eine Elementen-Geometrie, entsprechend der die Scheiben längs einer Achse 30 schräggestellt sind, um ihren Schenkel 29 mit dem nächstfolgenden Schenkel 28 (parallel) auszurichten, so daß die Polstärke im Schenkel 28 relativ hoch ist, wenn Interelement-Übertragung stattfindet. Im Ergebnis neigt eine Blasendomäne zu einer relativ frühen Änderung von ihrer Form nach Fig. 5 in die bei C in Fig. 3 dargestellte Form beispielsweise für die Feldorientierung (Hn) in Fig. 6 und in Fig. 8 unter den angenommenen (niedrigen) Vormagnetisierungsbedingungen. Die Form der Blasendomäne ist in diesem Fall bei 31 in Fig. 8 dargestellt.

Bei beiden der Ausführungsformen nach Fig. 3 oder 8 wird ein lokalisierter anziehender Pol, der zunehmend stärker und länglicher wird, im empfangenden Schenkel 28 gerade dann erzeugt, wenn ein diffuser Pol geschwächt wird und dazu neigt, in einen lokalisierten Pol im übertragenden Schenkel (29) des nächstvorhergehenden Elementes kondensiert zu werden. Es ist wichtig, daß der empfangende Schenkel (28) anziehend wird, bevor der Pol am (vorausgehenden) Schenkel 29 lokalisiert zu werden sucht, um eine zu übertragende Blasendomäne in einer sie stützenden Umgebung während der Übertragung zu halten.

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Das Auftreten eines anziehenden Pols an der empfangenden Stellung während der Bewegung einer Blasendomäne zwischen den Elementen stellt besonders gute Betriebsbedingungen am oberen Ende des Vormagnetisierungsfeldbereiches sicher. Typischerweise existieren Blasendomänen innerhalb eines Vormagnetisierungsbereiches von etwa 25 Oersted zwischen einem unteren Wert, bei dem streifenförmige Ausuferung auftritt, und einem oberen Wert, bei dem Auslöschung auftritt, wie dieses oben erwähnt wurde. Solange ein starker anziehender Pol an einer empfangenden Stellung vorhanden ist, neigt eine Blasendomäne dazu, sich zu verlängern, also eine längliche Form anzunehmen, und zwar selbst unter sehr hohen Vormagnetisierungen oberhalb des Auslöschwertes. Solange das abgebende Übertragungselement eine diffuse Polanordnung erzeugt, die dazu neigt, eine Blasendomäne gerade vor dem Inteiäement-Übergang in die Länge zu ziehen, wird die Tendenz für eine Blasendomäne, während des Überganges eine längliche Form beizubehalten, verstärkt. Selbst bei einem beim Auslöschungswert befindlichen Vormagnetisierungsfeld würde beispielsweise eine durch die Elemente nach Fig. 3 oder 8 bewegte Blasendomäne bei einem Durchmesser gehalten, der größer ist als der Auslöschdurchmesser. Man sieht also, daß das Vormagnetisierungsfeld deutlich auf oberhalb des Auslöschungswertes liegende Vierte bei Gegenwart der Elemente der in den Fig. 3 oder 8 dargestellten Art angehoben werden kann, bevor eine tatsächliche Blasendomänenauslöschung auftritt.

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Bedeutsame Betriebsgrenzenverbesserungen treten auch am unteren Ende des Vormagnetisierungsbereiches auf. Der typische Fehler bei Feldzugriff-Blasendomänenvorrichtungen, die schwach vormagnetisiert sind, ist ein "Auslaufen" der Blasendomäne längs eines Stabes bei den bekannten T/Stab-Schaltungen und ein streifenförmiges Ausufern nach rückwärts bei symmetrischen scheibenförmigen Elementen. Die asymmetrische Aussparung bei dem Scheibenelement vermeidet diese bei niedriger Vormagnetisierung auftretenden Probleme.

uj.e gesamte Verbesserung der Betriebsgrenzen infolge der
asymmetrisch ausgeschnittenen Scheibe ist unerwartet groß, da sie einen Betrieb in einem Vormagnetisierungsfeldbereich ermöglicht, der von sehr dicht an dem Feldstärkewert für
streifenförmige Domänenausuferung liegenden Werten bis über die Domänenauslöschungsfeldstärke-Werte hinaus beim jeweils betrachteten Material reicht. Bei zahlreichen Versuchsschaltungen wurde ein Betrieb innerhalb eines Bereiches von
30 bis 40 Oersteds in einem Blasendomänenmaterial mit Stabilität sbereichen von etwa 25 Oersted erreicht.

Fig. 9 zeigt ein typisches Betriebsgrenzendiagramm für Blasendomänenschal tungen, die ein T/Stab-Muster bzw. ein Muster

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mit ausgeschnittenen Scheiben verwenden. Die Kurve 40 stellt die Betriebsgrenzen für die T/Stab-Schaltung dar, und die Kurve 41 die Betriebsgrenzen für die Schaltung mit asymmetrischen Scheiben. Eine deutliche Verbesserung ist ersichtlich und liegt bei etwa 17 Oersted für ein typisches Drehfeld von 28 Oersted. Für die T/Stab-Schaltung ist ein Betrieb in einem Bereich von 83 bis 98 Oersted für das Vormagnetisierungsfeld Hg möglich. Für die Scheiben-Schaltung ist ein Betrieb im Bereich von 78 bis 110 Oersted möglich. Die in Fig. 9 noch eingezeichneten Feldstärkewerte Hq und Hg bezeichnen die Auslöschfeldstärke bzw. die Feldstärke für streifenförmige Ausuferung.

Muster mit ausgeschnittenen Scheiben einer Periodizität von 16 Mikrometer sind aufgebaut und in den beschriebenen Betriebsgrenzen geprüft worden. Ein typisches Element einer Prüfschaltung hatte eine Länge L von 14 pm bei einer Höhe H von 8 pn, gemessen an der Scheibenmitte, wie dieses in Fig. 3 dargestellt ist. Der Ausschnitt erstreckte sich über eine Länge L^ von 10 um und war an seiner tiefsten Stelle E^ 6 um tief. Der Spalt zwischen benachbarten Elementen betrug 2 um. Eine Schaltung für nominell 64 000 Bit, die eine Periodizität von 16 tun besitzt, benötigt ein Plättchen von etwa 4,5 x 5»5 mm. Schaltungen dieser Größe werden typischerweise wie die bekannten Haupt- und Nebenschleifenschaltungen betrieben.

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Bei der Haupt- und Nebenschleifenschaltung werden Blasendo-r· mänen in in Form geschlossener Schleifen (Nebenschleifen) vorliegenden Kanälen bewegt, von denen eine Informationsübertragung (Blasendomänenmuster) auf eine Zugriffsschleife (Hauptschleife) an Übertragungsstellen auftritt. Bei diesen Schaltungsanordnungen erfordert der Blasendomänenspeicher üblicherweise spezielle Funktionen zusätzlich zu der Domänenbewegungsfunktion. Eine solche wichtige Funktion ist die Kehre, die den Aufbau einer geschlossenen Schleife für eine Blasendomänenrezirkulation ermöglicht. Die Wichtigkeit der Kehre ist zweifach. Zunächst ist die Geometrie des typischen Übertragungselementes einfach aufgrund geometrischer Erwägungen zu ändern, weil eine Blasendomäne um eine Kurve herum statt längs einer geraden Linie zu bewegen ist. Der zweite Grund ist der, daß die Domänenübergabe üblicherweise an der Kehre erfolgt und die Übergabe- oder Duplizierungsanordnung mit der Kehrengeometrie verträglich sein muß.

Fig. lOzeigt das Permalloyscheibenmuster für eine Blasendomänen-Rezirkulationsschleife 50 mit einer Kehre. Eine Blasendomäne bewegt sich im Gegenzeigersinn in der Schleife 50 ansprechend auf ein sich im Gegenzeigersinn in der Ebene der Blasendomänenschicht umorientierendes und in dieser Ebene verlaufendes Feld. Die Kehre umfaßt fünf Elemente 51, 52, 53,

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und 55* Die Elemente 51, 52, 54 und 55 sind als Stäbe ausgebildet. Stäbe beeinflussen zwar die Betriebsgrenzen insgesamt relativ wenig, wenn sie an einer Kehre benutzt werden, aber sie neigen dazu, die Betriebsgrenzen beachtlich zu reduzieren, wenn sie in jeder Periode des Übertragungsmusters verwendet wurden.

Im allgemeinen werden Stäbe nicht benutzt, weil sie zur Verursachung eines Ausstreifungsfehlers längs eines Stabes bei einem Feld neigen, das größer ist als das Feld für streifenförmige Ausuferung des Materials, wie dieses bereits erwähnt worden ist. Da jedoch sehr wenige Ecken im Vergleich zur Anzahl der Übertragungselemente vorhanden sind, reduziert .die Verwendung von Stäben an einer Ecke das Gesamtbetriebsverhalten nicht nennenswert. Darüberhinaus erlaubt eine Kehre die Anordnung zusätzlicher Stäbe 52 und 53, welche beispielsweise längs des Schenkels 28 des Elementes 53 für einen starken Pol einer in die Kehre eintretenden Blasendomäne sorgen.

Fig. 11 zeigt eine alternative nur aus Scheiben aufgebaute Kehre, die sowohl für das Auftreten einer frühen als auch einer länglichen Polkonfiguration für Blasendomänen an einer Kehre einer geschlossenen Schleife sorgt, wobei sich die Blasen im

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Gegenzeigersinn ansprechend auf ein im Uhrzeigersinn umlaufendes Treibfeld bewegen. Die Einzelscheibe 60 definiert eine Kehre zwischen den asymmetrischen Halbscheiben 61 und 62, die wie in Fig. 10 auch schräggestellt sein können. Die Blasendomäne bewegt sich in diesem Falle längs der Basis des Elementes 60.

Fig. 12 zeigt eine alternative asymmetrische scheibenförmige Geometrie für die Elemente entsprechend einer weiteren Ausführungsform der Erfindung. Die Scheiben nach Fig. 12 sind von winkelförmiger und nicht von glatt verlaufender Geometrie «nd können als asymmetrische Chevron-förmige Elemente der in der gleichlaufenden US-Patentanmeldung Nr. 592 175 vom 1.7.1975 (A. H. Bobeck) beschriebene Art aufgefaßt werden. Die Elemente 135, 136 usw. bilden eine Schleife ähnlich der Schleife 50 in Fig. 10 und der Leiter 141 stellt einen Replizierungsleiter (Duplizierungsleiter) zum Erzeugen einer "Kopie" der Daten in dem Hauptweg M, an den sich die Nebenschleife bei der Kehre 142 dicht annähert. Unabhängig davon, ob die Elemente von glatter (Fig. 2) oder winkelförmiger (Fig. 12) Geometrie sind, ist die Wirkungsweise genau die gleiche. Tatsächlich ist der Glattheitsgrad eines jeden Elementes ein Produkt der Maskierungseinrichtung, die die x-y-Bewegung des Strahles steuert, mit dem die lichtempfindlichen Platten belichtet werden, die dann nach Entwicklung als Masken dienen. Die asymmetrische

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Chevron-Zeichnung beispielsweise der in Fig. 12 gezeichneten Art oder Chevron-Elemente, die beispielsweise gegabelte Endteile zum Erhalt der Asymmetrie besitzen, sind gleichfalls Gegenstand der Erfindung.

Fig. 13 zeigt eine Kehren-Geometrie für ein Element 155, das zur Ausübung zusätzlicher Funktionen wie Replizierung ausgelegt ist. Das Element ist wiederum beispielsweise aus einem Permalloymaterial mit einem Kopfteil, der durch zwei asymmetrische Scheiben gebildet ist, die unter 90° Orientierung aneinander angrenzen, wobei des weiteren ein verlängerter Fortsatz 156 vorgesehen ist, der mit der Achse der Nebenschleife ausgerichtet ist. Der Leiter 157 bildet den Replizierungsleiter für den Haupt-Neben-Schleifenbetrieb. Kehren dieser Art zeichnen sich beispielsweise durch einen Betriebsbereich aus, der sich von etwa 140 bis etwa 170 Oersted erstreckt. Der Betriebsbereich für die Informationsreplizierung ist etwa der gleiche.

Ähnliche Kehrengeometrien haben den verlängerten Fortsatz 156 nicht, und besitzen gleichwohl die sehr hohen Betriebsgrenzene igens chaften.

Wie erwähnt, stellt ein Halbscheiben-Belegungsmuster weniger

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Ansprüche an die Photolithographie und ist gegenüber Defekten unempfindlich. Diesen Punkt verdeutlicht die nachstehende Überlegung für einige Abmessungen in dem Muster. Für ein Muster mit einer Periodizität von 16 um, das Blasendomänen eines Durchmessers von etwa 4 pm überträgt, mißt die pro Periode vorhandene und mit einem Ausschnitt versehene Scheibe etwa 4 pm längs der Basis. Ein Fehler von etwa 2 um kann in vielen Teilen der Scheibe ohne nennenswerten Einfluß auf die Blasendomänenübertragung auftreten. Bei einer T/Stab-Geometrie hat jedes längliche Element eine Breite von nur wenig mehr als 2 pm. Ein 2 pm großer Fehler führt deshalb viel wahrscheinlicher zu fatalen Folgen in einem solchen Muster.

Darüberhinaus ist das Scheibenmuster weniger empfindlich gegenüber dem Abstand zwischen den Elementen. Ein Scheibenmuster kann noch mit größeren oder kleineren Abständen zwischen benachbarten Elementen arbeiten als dieses bei T/Stab-Mustern möglich ist. Deshalb ist eine zu schwache oder zu starke Ätzung (Unter- oder Überätzung), wie sie bei den anzuwendenden photolithographischen Methoden auftreten kann, nur ein untergeordnetes Problem. Die normalen Abstände zwischen den T- und den stabförmigen Elementen sind andererseits so, daß selbst eine kleine Unterätzung oder Überätzung fatale Folgen für die T/Stab-Struktur haben kann.

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Blasendomänenübertragungselemente von halbscheibenförmiger Geometrie der hierin beschriebenen Art sind dahingehend wirk- · sam, eine Blasendomäne längs der Umfanges einer Halbscheibe während der einen Hälfte des Zyklus des in der Ebene rotierenden Feldes zu bewegen, und von Element zu Element während des nächsten Halbzyklus zu übertragen. Die letztere Bewegung geht über eine Entfernung, die typischerweise etwas größer ist als ein Achtel der räumlichen Periodizität des Permalloymusters bei den Versuchsschaltungen.

Diese Bewegung ist vergleichbar mit den T/Stab-Schaltungen, wo eine Blasendomäne etwa einen halben Zyklus lang am empfangenden Ende des T-förmigen Elementes anhält und im Mittelpunkt des T-förmigen Elementes praktisch keine Zeit verbringt. Die Bewegung einer Kette von Scheiben ist ausgeprägt glatter als die bisher erreichte Bewegung bei anderen Elementenformen, was zu einer relativ hohen Betriebsgeschwindigkeit führt. Beispielsweise kann für ein gegebenes Material und gegebener Periodizität eine Vorrichtung mit einer Halbscheibengeometrie bei praktisch der doppelten Geschwindigkeit betrieben werden, wie diese bei einer analogen T/Stab-Geometrie erreichbar ist.

Es sei auch bemerkt, daß bei gegebener Periode nur ein einziges asymmetrisches Halbscheibenelement vorhanden ist. Eine Vorrichtung mit nur einem Element pro Periode kann offensicht-

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lieh ein größeres Element für jede betrachtete Periode als eine Vorrichtung haben, die mehr als ein Element pro Periode erfordert. Hieraus folgt, daß die Treibfelder, die bei asymmetrischen Scheibengeometrien erforderlich sind, kleiner sind als die beispielsweise bei der T/Stab-Geometrie erforderlichen Feldstärken.

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Claims (8)

BLUMBACH · WESER · BERGEN · U^n ZWIRNER . HIRSCH ~ D J ] ^ 4 H PATENTANWÄLTE IN MÜNCHEN UND WIESBADEN Postadresse München: Patentconsult 8 München 60 Radeckestraße 43 Telefon (089)883603/883604 Telex 05-212313 Postadresse Wiesbaden: Patentconsult 62 Wiesbaden Sonnenberger Straße 43 Telefon (06121) 562943/561998 Telex 04-186237 Western Electric Company, Incorporated Bonyhard 23-7-39 Patentansprüche

1. Magnetische Anordnung mit einer Schicht aus einem Material, in der eine einwandige Domäne von einer zweiten in eine nächstfolgende erste Stellung bewegt werden kann, .und einem Muster von Elementen benachbart zu einer Oberfläche der Schicht, die magnetische Pole zu erzeugen vermögen, um einwandige Domänen bei Einwirkung eines sich in der Schichtebene umorientierenden Magnetfeldes zu einer Bewegung in der Schicht zu veranlassen, wobei das Muster erste und zweite aufeinanderfolgende Elemente aufweist, von denen jedes eine erste und eine nächstfolgende zweite Stellung definiert, die längs einer Achse der Domänenbewegung ausgerichtet sind, dadurch gekennzeichnet , daß jedes der ersten und zweiten Elemente eine Geometrie

München: Kramer · Dr.Weser · Hirsch — Wiesbaden: Blumbach · Dr. Bergen · Zwirner

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ORIGINAL INSPECTED

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besitzt, die bei Einwirklang des magnetischen Feldes einen anziehenden Magnetpol in der ersten Stellung des zweiten Elementes vor der Verringerung der Polstärke des Pols in der zweiten Stellung des ersten Elements erzeugt und die Geometrie eines jeden Elementes weiterhin so ausgebildet ist, daß sie eine längliche Polkonfiguration für eine sich von einer ersten in eine nächstfolgende zweite Stellung bewegende einwandige Domäne zu erzeugen vermag.

2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß das erste und zweite Element von einer Geometrie sind, die zur Eliminierung anziehender Magnetpole in Stellungen wirksam sind, die der nächstvorausgehenden der ersten Stellung längs der Achse dicht benachbart sind, wenn das sich in der Schichtebene umorientierende Feld für eine Übergabe einer Domäne von der ersten zu der zweiten Stellung orientiert ist, um dadurch eine unrichtige Domänenbewegung zu vermeiden.

3. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Muster halbscheibenförmige Elemente umfaßt. .

4. Anordnung nach Anspruch 3, dadurch g e k e η η zeichnet, daß das Muster aufeinanderfolgende, ähnliche Halbscheibenelemente aufweist.

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5. Anordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Muster aufeinanderfolgende asymmetrische Halbscheibenelemente aufweist.

6. Anordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Elemente von schräg verlaufender Form sind.

7. Anordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet , daß jedes der Elemente in Schenkeln endigt, deren Längsrichtung quer zu der Achse verläuft.

8. Anordnung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet , daß jedes der Elemente von asymmetrischer halbscheibenförmiger Geometrie ist und in Schenkeln endigt, deren Längsrichtung quer zu der Achse verläuft.

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