DE4425331A1 - Vorrichtung zum magnetfeldgesteuerten Schalten und Verfahren zur Herstellung der Vorrichtung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum magnetfeldge­ steuerten Schalten sowie ein Verfahren zur Herstellung einer derartigen Schaltvorrichtung.

Gegenstand der nicht-vorveröffentlichten deutschen Patentan­ meldung P 43 26 999.0 ist eine besondere Vorrichtung zum ma­ gnetfeldgesteuerten Schalten. Diese Vorrichtung soll folgende Merkmale aufweisen:

• a) Es ist eine Schaltfeldquelle zum Erzeugen eines Schalt­ magnetfeldes _S in einem vorgegebenen Schaltoperationsbe­ reich vorgesehen;
• b) es sind wenigstens ein Schichtpaket mit
  • b1) wenigstens einer Biasschicht mit einer zum Schaltmagnetfeld _S kollinearen und von dessen Feldstärke H_S in dem Schaltoperationsbereich zumindest weitgehend unabhängigen Magnetisierungs _B und
  • b2) wenigstens eine Schaltschicht mit einer Magnetisierung _S, die zumindest mit einer Komponente in einem ersten Feldbereich unterhalb eines ersten Grenzwertes H₁ parallel oder antiparallel und in einem zweiten Feldbereich oberhalb eines zweiten Grenzwertes H₂ antiparallel bzw. parallel zur Magnetisierung _B der Biasschicht gerichtet ist, wobei diese beiden Feldbereiche innerhalb des Schaltoperationsbereiches liegen;
• c) es sind Schalterkontakte an dem Schichtpaket vorgesehen zum Erfassen eines Schaltsignals mit zwei logischen Zu­ ständen, die durch das Schaltfeld _S in dem ersten bzw. dem zweiten Feldbereich eingestellt sind.

Vorteilhaft kann an die Biasschicht auf der von der Schalt­ schicht abgewandten Seite eine Magnetschicht mit einer Magne­ tisierung ₁ magnetisch austauschgekoppelt sein, wobei ins­ besondere zwischen der Biasschicht und der Magnetschicht eine Kopplungsschicht angeordnet ist. Außerdem kann vorteilhaft an die Magnetschicht eine weitere Biasschicht mit einer Magneti­ sierung _B′ magnetisch austauschgekoppelt sein, wobei insbe­ sondere zwischen der Magnetschicht und der weiteren Bias­ schicht ebenfalls eine Kopplungsschicht angeordnet ist.

Bei einer solchen Vorrichtung wird vorzugsweise zum Einstel­ len der beiden Grenzwerte H₁ und H₂ die vektorielle Summe der Produkte aus den Dicken und den Magnetisierungen in einem die Biasschicht und die benachbarte Magnetschicht bzw. die Ma­ gnetschicht und die beiden benachbarten Biasschichten enthal­ tenden Schichtsystem ungleich Null gewählt. Die beiden Grenz­ werte H₁ und H₂ können auch durch die Wahl der Dicke der Schaltschicht eingestellt werden. Darüber hinaus läßt sich ein äußeres Stützfeld _B zum Einstellen der Grenzwerte H₁ und H₂ vorsehen.

Ferner kann vorteilhaft das so gebildete Schichtpaket der Vorrichtung mehrere Schaltschichten und mehrere Biasschichten enthalten, wobei die Magnetisierungen der Biasschichten alle wenigstens annähernd gleichgerichtet sind.

Gemäß einer speziellen Ausführungsform dieser Vorrichtung können wenigstens zwei Schichtpakete vorgesehen sein, die zu einem Mehrfachschichtpaket zusammengefaßt sind. Bei einem solchen Mehrfachschichtpaket können die Magnetisierungen al­ ler Biasschichten des ersten Schichtpaketes parallel oder an­ tiparallel zu den Magnetisierungen aller Biasschichten des zweiten Schichtpaketes gewählt werden.

Bei der vorgeschlagenen Vorrichtung mit mehreren Schichtpake­ ten wird davon ausgegangen, daß alle Schichten der Schichtpa­ kete stapelförmig zu dem gemeinsamen Mehrfachschichtpaket zu­ sammengefaßt werden.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine weitere Aus­ führungsform einer Schaltvorrichtung anzugeben, die minde­ stens zwei Schichtpakete enthält, welche jeweils zumindest die eingangs genannten Merkmale aufweisen. Ferner soll ein Verfahren angegeben werden, mit dem sich eine derartige Vor­ richtung verhältnismäßig einfach realisieren läßt.

Zur Lösung dieser Aufgabe sollen erfindungsgemäß die minde­ stens zwei Schichtpakete auf einem gemeinsamen Trägerkörper nebeneinander und gegenseitig beabstandet angeordnet sein.

Die mit dieser Ausgestaltung der Vorrichtung verbundenen Vor­ teile sind zum einen darin zu sehen, daß die mindestens zwei Schichtpakete direkt thermisch und mechanisch an dem Träger­ körper angekoppelt sind. Ferner wird gegenüber einer gesta­ pelten Version mit mehreren Schichtpaketen die Schwierigkeit vermieden, daß die Qualität des Stapels mit wachsender Dicke abnimmt, so daß häufig die Sensorelemente, die durch ein vom Trägerkörper weiter entfernten Schichtpaket gebildet werden, eine verminderte Empfindlichkeit aufweisen. Bei der erfin­ dungsgemäßen Ausgestaltung treten entsprechende Schwierigkei­ ten nicht auf. Unter Berücksichtigung dieses Vorteils kann man außerdem leichter komplexere Schaltvorrichtungen, in de­ nen sich mehr als zwei Kennlinien überlagern, realisieren.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Vorrichtung ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Ein einfach ausführbares Verfahren zur Herstellung einer ent­ sprechenden Vorrichtung ist dadurch gekennzeichnet, daß unter Zuhilfenahme von an sich bekannten Mikrostruktur-Techniken auf dem Trägerkörper zunächst in einem ersten Bereich das er­ ste Schichtpaket ausgebildet wird und daß anschließend auf dem so gewonnenen Aufbau aus Trägerkörper und erstem Schicht­ paket in entsprechender Weise in einem zweiten Bereich das zweite Schichtpaket ausgebildet wird.

Zur weiteren Erläuterung der Erfindung wird auf die Zeichnung Bezug genommen, in deren

Fig. 1 eine Ausführungsform einer Vorrichtung nach der Erfindung
und in deren

Fig. 2 bis 7 und 8 bis 12 verschiedene Schritte zweier Verfahren zur Herstellung einer solchen Vorrichtung jeweils im Querschnitt schematisch veranschaulicht sind. Da­ bei sind sich entsprechende Teile mit denselben Bezugszeichen versehen.

Bei der in Fig. 1 gezeigten, allgemein mit SV bezeichneten Vorrichtung nach der Erfindung wird von Ausführungsformen zum magnetfeldgesteuerten Schalten ausgegangen, wie sie mit der eingangs genannten Patentanmeldung vorgeschlagen sind. Nicht näher ausgeführte Teile der erfindungsgemäßen Vorrichtung entsprechen diesen vorgeschlagenen Ausführungsformen.

Die Vorrichtung SV enthält eine Schaltmagnetfeldquelle 20 zum Erzeugen eines Schaltmagnetfeldes _S. Ferner ist ein erster Schaltsensor S′ vorgesehen, der ein (erstes) Giant-MR- Schichtpaket ML′ mit wenigstens einer Schaltschicht 2′ und wenigstens einer Biasschicht 6′ sowie an dem Schichtpaket an­ gebrachte Schalterkontakte 11A′ und 11B′ enthält. Die Bias­ schicht 6′ weist eine Magnetisierung _B′ auf, die zum Schaltmagnetfeld _S parallel oder antiparallel gerichtet ist und in einem Schaltoperationsbereich von dessen Feldstärke H_S zumindest weitgehend unabhängig ist. Die Schaltschicht 2′ ist dagegen mit einer vom Schaltmagnetfeld _S beeinflußbaren Ma­ gnetisierung _S′ versehen. Diese Magnetisierung ist in einem ersten Feldbereich unterhalb eines ersten Grenzwertes H_a ent­ weder parallel oder antiparallel zur Magnetisierung _B′ der Biasschicht 6′ gerichtet und in einem zweiten Feldbereich oberhalb eines zweiten Grenzwertes H_b mit H_b < H_a dann anti­ parallel bzw. parallel zu _B gerichtet. Als Feldbereich wird dabei der Bereich aller entsprechenden Feldstärkewerte ver­ standen.

Diese Eigenschaften der magnetischen Schichten des Schichtpa­ ketes ML′ können auf mehrere Arten erreicht werden. In einer Ausführungsform sind eine magnetisch härtere Biasschicht und eine magnetisch weichere Schaltschicht vorgesehen. Vorzugs­ weise ist die Biasschicht mit einer magnetischen Vorzugsachse versehen und entlang dieser Vorzugsachse magnetisiert. In einer weiteren Ausführungsform ist auch in die Schaltschicht eine vorzugsweise zur Magnetisierung der Biasschicht senk­ rechte Vorzugsachse eingeprägt. In dieser Ausführungsform ist die Magnetisierung der Schaltschicht im Übergangsbereich re­ versibel vom Schaltmagnetfeld _S abhängig. Diese verschiede­ nen Ausführungsformen können auch kombiniert werden.

Um nun, ausgehend von diesen grundlegenden Ausführungsformen, die Grenzwerte H_a und H_b innerhalb eines Schaltoperationsbe­ reiches verschieben zu können, kann die Vorrichtung auf fol­ gende Arten ausgebildet werden.

• (i) Es ist ein äußeres Stützfeld _B für die wenigstens eine Schaltschicht vorgesehen, das kollinear zum Schaltmagnetfeld _S gerichtet ist.
• (ii) Es ist ein in dem Schichtpaket erzeugtes internes Stützfeld _B für die wenigstens eine Schaltschicht vorgesehen, das kolinear zum Schaltmagnetfeld _S ist.
• (iii) Die Schaltschicht und die Biasschicht sind magnetisch austauschgekoppelt.

Diese prinzipiellen Ausführungsformen können auch miteinander kombiniert werden.

Eine Möglichkeit zum Erzeugen eines internen Stützfeldes _B und zugleich zur Stabilisierung der Magnetisierung _B einer Biasschicht ist in Fig. 1 jeweils für das Schichtpaket ML′ sowie für ein weiteres Schichtpaket ML′′ eines zweiten Schalt­ sensors S′′ dargestellt. Nachfolgend sei zunächst nur auf das Schichtpaket ML′ eingegangen. In diesem Paket ist an die Biasschicht 6′ vorzugsweise über eine Kopplungsschicht 8′ eine weitere Magnetschicht 10′ antiferromagnetisch angekop­ pelt. Die Magnetisierung ₁′ der Magnetschicht 10′ und die Magnetisierung _B′ der Biasschicht 6′ sind deshalb antipa­ rallel zueinander ausgerichtet. Zum Einstellen des internen Stützfeldes _B′ für die Schaltschicht 2′ ist die vektorielle Summe aus den Produkten dB′_{* B}′ und d₁′_*₁ aus den Schich­ ten dB′ und d₁′ mit den Magnetisierungen _B′ bzw. ₁′ der Biasschicht 6′ bzw. der Magnetschicht 10′ so gewählt, daß ein entsprechend gerichteter Netto-Magnetfluß außerhalb des aus der Biasschicht 6′ und der Magnetschicht 10′ gebildeten Schichtsystems entsteht. Die Schaltschicht 2′ ist vorzugs­ weise über eine Zwischenschicht 4′ von der Biasschicht 6′ ma­ gnetisch weitgehend austauschentkoppelt. Es sind Schalterkon­ takte 11A′ und 11B′ auf der obersten Schicht des Schichtpa­ kets ML′ angeordnet, so daß der Strom im Mittel parallel zu den Schichtebenen fließt. Das Schichtpaket ML′ ist auf einem bekannten Trägerkörper 13, z. B. einem Si-Substrat, in bekann­ ter Weise ausgebildet.

Erfindungsgemäß befindet sich auf diesem Trägerkörper 13 ne­ ben dem Schaltsensor S′ mit dem Schichtpaket ML′ mindestens ein weiterer Schaltsensor S′′ mit einem (weiteren) Schichtpa­ ket ML′′. Dieses weitere Schichtpaket kann entsprechend dem Schichtpaket ML′ aufgebaut sein. Seine einzelnen Teile sind gegenüber den entsprechenden Teilen des Schichtpaketes ML′ jeweils durch einen Doppelstrich als oberer Index unterschie­ den. Zumindest einzelne Schichten des Schichtpaktes ML′′ kön­ nen hinsichtlich ihrer Magnetisierungsverhältnisse und/oder ihrer Dicken gegenüber den entsprechenden Schichten des Schichtpaktes ML′ verschieden sein, so daß dann die Schalt­ kennlinien der beiden Sensoren S′ und S′′ verschieden sind. In der Figur sei angenommen, daß die Magnetisierungen _B′′ und ₁′′ sowie das Biasfeld _B′′ entgegengesetzt gerichtet sind zu _B′ bzw. ₁′ bzw. _B′. Die beiden Schichtpakete ML′ und ML′′ sind gegeneinander um einen solchen Abstand a beabstandet, daß eine gegenseitige magnetische Beeinflussung zumindest weitgehend ausgeschlossen ist.

Bei der erfindungsgemäßen Schaltvorrichtung SV wird davon ausgegangen, daß mindestens zwei mit Schichtpaketen ML′ und ML′′ gebildete Schaltsensoren S′ und S′′ vorgesehen sind. Diese Schaltsensoren sollen vorzugsweise unterschiedliche, im Prin­ zip stufenförmige Kennlinien einer Leitwertfunktion G′ bzw. G′′ haben, wobei im Idealfall gilt:

G′(H_S) = G′₀ + ΔG′ε(H_S-H′′) (1a)
und
G′′(H_S) = G′′₀ + ΔG′′ε(H_S-H′′) (1b)

Dabei sind H_S das magnetische Schaltfeld sowie H′ und H′′ die magnetischen Schaltfeldgrenzwerte der Sensoren S′ und S′′. Ferner ist

ε(H_S-H′) = 0 für H_S < H′
und = 1 für H_S < H′ (1c)

ε(H_S-H′′) ist analog zur Gleichung (1c) zu bilden.

Geht man nun davon aus, daß die beiden Schichtpakete ML′ und ML′′ gemäß einer mit der eingangs genannten Patentanmeldung vorgeschlagenen Ausführungsform aufeinandergestapelt bzw. verschachtelt sind, dann ergibt sich als Antwortfunktion G des kompletten Schalters:

G(H_S) = G′₀ + G′′₀ + ΔG′ε(H_S-H′) + ΔG′′ε(H_S-H′′) (2)

Bei der erfindungsgemäßen Ausführungsform werden die Schalt­ sensoren S′ und S′′ nicht aufeinander, sondern nebeneinander auf einem gemeinsamen Trägerkörper angebracht und entweder parallel oder in Serie geschaltet. Bei einer Parallelschal­ tung ergibt sich die Gleichung (2) für die Antwortfunktion G der gesamten Schaltvorrichtung SV, während im zweiten Fall der Serienschaltung für den Gesamtwiderstand R der Vorrich­ tung gilt:

R(H_S) = R′₀ + R′′₀ + ΔR′ε(H_S-H′) + ΔR′′ε(H_S-H′′) (3)

mit Rⁱ₀ = 1/Gⁱ₀ und ΔRⁱ = 1/(G₀ⁱ + ΔGⁱ) 1/Gⁱ _0,
wobei i = ′ oder ′′. Hierbei muß beachtet werden, daß ΔRⁱ und ΔGⁱ (mit i = ′, ′′) entgegengesetzte Vorzeichen besitzen. Des­ sen ungeachtet ist die Schaltkennlinie in den beiden Fällen gleich.

Nachfolgend werden zwei Verfahren zur Herstellung von erfin­ dungsgemäßen Schaltvorrichtungen anhand der Fig. 2 bis 7 bzw. 8 bis 12 erläutert, wobei an sich bekannte Mikrostruk­ tur-Techniken zum Einsatz kommen:

Verfahren I

Mit bekannten fotolithographischen Techniken wird in einem ersten Schritt auf einem Substrat (Trägerkörper) 13 zu­ nächst eine Fotolackschicht 14 aufgebracht. Mittels einer Lift-Off-Technik wird dann in einem Bereich B′, in dem ein Schaltsensor S′ ausgebildet werden soll, der Fotolack wie­ der entfernt (Fig. 2). Anschließend wird in einem zweiten Schritt auf dem so gewonnenen Aufbau mit der strukturierten Fotolackschicht 14 eine Schichtenfolge 15 abgeschieden, die dem auszubildenden Schichtpaket des Sensors S′ entspricht (Fig. 3). In einem dritten Schritt wird der überflüssige Teil dieser Schichtenfolge einschließlich des darunterlie­ genden Fotolacks entfernt, so daß nur das Schichtpaket ML′ des Schaltsensors S′ übrigbleibt (Fig. 4). In einem vier­ ten Schritt wird dann der Aufbau aus Substrat 13 mit dem Schichtpaket ML′ mit einer Fotolackschicht 16 bedeckt. Diese Lackschicht wird in einem Bereich B′′ wieder entfernt, wo ein weiterer Schaltsensor S′′ angebracht werden soll (Fig. 5). In einem fünften Schritt wird entsprechend dem zweiten Schritt eine Schichtenfolge 17 gemäß dem Aufbau des weiteren Sensors S′′ abgeschieden (Fig. 6). Schließlich wird in einem sechsten Schritt entsprechend dem dritten Schritt der überflüssige Teil der Schichtenfolge 17 und der Fotolackschicht 16 entfernt, so daß sich nun auf dem Substrat 13 nur noch das zweite Schichtpaket ML′′ des weite­ ren Sensors S′′ zusammen mit dem Schichtpaket ML′ des ersten Sensors S′ befindet (Fig. 7).

Verfahren II

In einem ersten Schritt wird auf einem Substrat 13 eine Schichtenfolge 18 abgeschieden, die der des auszubildenden Schichtpakets eines Schaltsensors S′ entspricht. Diese Schichtenfolge wird mit einer Ätzstoppschicht 19 abgedeckt (Fig. 8). In einem zweiten Schritt wird dann die Ätzstopp­ schicht sowie die darunterliegende Schichtenfolge 18 bis auf einem Bereich B′, in dem sich der Sensor S′ befinden soll, entfernt. Es verbleibt so im Bereich B′ ein Schicht­ paket ML′ des Sensors S′ mit einer Abdeckung durch den ent­ sprechenden Rest 19′ der Ätzstoppschicht (Fig. 9). In einem dritten Schritt wird auf diesem Aufbau entsprechend dem ersten Schritt eine Schichtenfolge 28 eines weiteren auszubildenden Schaltsensors S′′ aufgebracht (Fig. 10). An­ schließend wird in einem vierten Schritt auf dieser Schich­ tenfolge 28 eine Fotolackschicht abgeschieden, die dann bis auf einen Rest 29 in einem Bereich B′′, indem sich der Sen­ sor S′′ befinden soll, wieder entfernt wird (Fig. 11) . In einem fünften Schritt wird schließlich das überflüssige Ma­ terial der Schichtenfolge 28 (außerhalb des Bereichs B′′), gegebenenfalls auch die Abdeckungsreste 19′ und 29 der Ätz­ stoppschicht (vgl. Fig. 9) bzw. der Fotolackschicht (vgl. Fig. 11), weggeätzt. Der so zu gewinnende Aufbau mit den beiden Schichtpaketen ML′ und ML′′ der Sensoren S′ und S′′ ist aus Fig. 12 ersichtlich, wobei angenommen ist, daß der Abdeckungsrest 19′ der Ätzstoppschicht auf dem Schichtpaket ML′ noch vorhanden ist.

Abweichend von der in den Figuren dargestellten Ausfüh­ rungsform der Schaltsensoren S′ und S′′ können für diese Sensoren selbstverständlich auch andere, mit der eingangs genannten Patentanmeldung vorgeschlagene Ausführungsformen vorgesehen werden.

Claims (8)

1. Vorrichtung zum magnetfeldgesteuerten Schalten mit folgen­ den Merkmalen:

• a) Es ist eine Schaltfeldquelle (20) zum Erzeugen eines Schaltmagnetfeldes (_S) in einem vorgegebenen Schaltope­ rationsbereich vorgesehen;
• b) es sind wenigstens zwei Schichtpakete (ML′, ML′′) mit je­ weils
  • b1) wenigstens einer Biasschicht (6′, 6′′) mit einer zum Schaltmagnetfeld (_S) kollinearen und von dessen Feldstärke (H_S) in dem Schaltoperationsbereich zumindest weitgehend unabhängigen Magnetisierung (_S′, _S′′), die zumindest mit einer Komponente in einem ersten Feldbereich unterhalb eines ersten Grenzwertes (H₁) parallel oder antiparallel und in einem zweiten Feldbereich oberhalb eines zweiten Grenzwertes (H₂) antiparallel bzw. parallel zur Magnetisierung (_B, _B′′) der Biasschicht (6′, 6′′) gerichtet ist, wobei diese beiden Feldbereiche innerhalb des Schaltoperationsbereiches liegen;
• c) es sind Schalterkontakte (11A′, 11B′, 11A′′, 11B′′) vorgese­ hen zum Erfassung eines Schaltsignals mit zwei logischen Zuständen, die durch das Schaltfeld (_S) in dem ersten bzw. dem zweiten Feldbereich eingestellt sind,

nach Patent . . . (Patentanmeldung P 43 26 999.0), dadurch gekennzeichnet, daß die min­ destens zwei Schichtpakete (ML′, ML′′) auf einem gemeinsamen Trägerkörper (13) nebeneinander und gegenseitig beabstandet angeordnet sind.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Schichtpakete (ML′, ML′′) unterschiedliche Schaltkennlinien haben.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß jedes Schichtpaket (ML′, ML′′) zwei Schalterkontakte (11A′, 11B′ bzw. 11A′′, 11B′′) ent­ hält.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Schichtpakete (ML′, ML′′) an ihren Schalterkontakten (11A′, 11B′ bzw. 11A′′, 11B′′) hin­ tereinandergeschaltet sind.

5. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Schichtpakete (ML′, ML′′) an ihren Schalterkontakten (11A′, 11B′ bzw. 11A′′, 11B′′) pa­ rallelgeschaltet sind.

6. Verfahren zur Herstellung einer Schaltvorrichtung gemäß einer der vorstehenden Ansprüche, dadurch ge­ kennzeichnet, daß unter Zuhilfenahme von Mikro­ struktur-Techniken auf dem Trägerkörper (13) zunächst in einem ersten Bereich (B′) ein erstes Schichtpaket (ML′) aus­ gebildet wird und daß anschließend auf dem so gewonnenen Auf­ bau aus Trägerkörper (13) und erstem Schichtpaket (ML′) in entsprechender Weise in einem zweiten Bereich (B′′) ein weite­ res Schichtpaket (ML′′) ausgebildet wird.

7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekenn­ zeichnet, daß zur Ausbildung jedes der Schichtpa­ kete (ML′, ML′′) die jeweilige Unterlage mit einer Schichten­ folge (15, 17, 18, 28) versehen wird, deren Aufbau dem des auszubildenden Schichtpaketes entspricht, und daß dann diese Schichtenfolge bis auf den Bereich (B′ oder B′′), in dem das Schichtpaket anzuordnen ist, wieder entfernt wird.