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Technisches Gebiet
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Die
vorliegende Erfindung betrifft generell Detektoren magnetischer
Felder oder Flüsse
und insbesondere magnetoresitive Sensoren des Typs, der zum Beispiel
zum Auslesen der auf einem magnetischen Träger aufgezeichneten Daten benutzt
wird. Sie betrifft auch die Magnetowiderstände, die das empfindliche Bauteil dieser
Sensoren bilden. Der Magnetowiderstand der Erfindung, hergestellt
aus dünnen
Schichten nach den Techniken der Mikroelektronik, ist besonders
gut an das Messen von Magnetfeldern von einigen A/m bis mehrere
tausend A/m angepasst. Er kann aufgrund von Magnetfeldern, die in
der Umgebung von Leitern herrschen, auch zur Bestimmung des in diesen
Leitern fließenden
elektrischen Stroms benutzt werden oder zur Herstellung von magnetoresistiven
Kompassen bzw. Bussolen oder auch von diversen Positions- bzw. Lagesensoren.
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Stand der Technik
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Man
weiß,
dass die Funktionsweise der magnetoresistiven Sensoren, die zur
Detektion schwacher Magnetfelder benutzt werden, insbesondere zum
Auslesen von auf einem magnetischen Träger aufgezeichneten Daten,
auf einem Effekt beruht, der als Spontananisotropie-Effekt des Magnetowiderstands
bezeichnet wird. Dieser Effekt, der bei ferromagnetischen Übergangsmetallen
wie Nickel, Kobalt und Eisen und ihren Legierungen auftritt, besteht
aus einer Änderung
der Resistivität
des magnetischen Materials in Abhängigkeit von dem Winkel zwischen
der Richtung des in dem magnetoresistiven Element fließenden Messstroms
und der Magnetisierung des Materials. Eine detailliertere Beschreibung
dieses Effekts findet man in dem Dokument (1), dessen Referenzen
am Ende der vorliegenden Beschreibung angegeben sind. Die relative
Resistivitätsänderung
des magnetischen Materials Δρ/ρ kann bei
Umgebungstemperatur für
Felder der Größenordnung
1000 Alm in den massiven ferromagnetischen Übergangsmetallen 4 bis 5 %
erreichen. Diese Größe reduziert
sich jedoch bis auf 1 oder 2 %, wenn dieselben Materialien als Dünnschichten
mit einer Dicke von 15 bis 30 nm abgeschieden werden. Dieser Dickenbereich
ist der der gegenwärtigen
magnetoresistiven Sensoren, die nach den Techniken von mikroelektronischen
Bauteilen hergestellt werden. Die Empfindlichkeit dieser Sensoren
ist also begrenzt. Außerdem
ist ihr Verhalten nicht linear, da die Resistivitätsänderung
proportional ist zum Quadrat des Kosinus des Winkels zwischen der
Stromrichtung und der Magnetisierung.
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Ein
anderer bei magnetischen Sensoren genutzter Effekt wird als "Riesen-Magnetowiderstandseffekt" oder "Spinventil-Effekt" ("giant magnetoresistance" oder "spin valve effect" bezeichnet). Dieser
Effekt ereignet sich in Multischicht-Strukturen, bestehend aus einer
Abwechslung von Schichten aus ferromagnetischem Übergangsmetall und Schichten
aus nichtmagnetischem Metall, und ist verbunden mit einer Änderung
der relativen Ausrichtung der Magnetisierungen der aufeinandertolgenden
fenomagnetischen Schichten unter dem Einfluss eines zu messenden äußeren Magnetfelds.
Dieser Effekt drückt
sich durch eine Veränderung
der Resistivität
der Struktur aus. Die Dokumente (2) und (3), deren Referenzen am
Ende der vorliegenden Beschreibung angegeben sind, erläutern dieses
Phänomen
detaillierter.
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Das
Dokument (4), ebenfalls am Ende der vorliegenden Beschreibung angegeben,
beschreibt sehr allgemein die Benutzung dieses Magnetowiderstandseffekts
bei der Herstellung von Magnetfeldsensoren. Es spezifiziert auch,
dass die verwendeten magnetischen und nichtmagnetischen Materialien
derart ausgewählt werden
müssen,
dass sich an der Grenzfläche
zwischen dem magnetischen Material und dem nichtmagnetischen Material
eine von ihrem Spin abhängige
Diffusion der Elektronen ereignet.
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Das
Dokument (5) beschreibt eine "Spinventil"-Struktur, die in
dieser Reihenfolge ein Siliciumsubstrat, eine erste fenomagnetische
Schicht aus NiFe, eine nichtmagnetische Schicht aus Kupfer, eine
zweite fenomagnetische Schicht aus NiFe und eine antiferromagnetische
Schicht aus FeMn umfasst.
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Diese
Spinventil-Struktur umfasst also im Wesentlichen zwei fenomagnetische
Schichten, magnetisch nicht gekoppelt und getrennt durch ein nichtmagnetisches
Metall.
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Die
Magnetisierung der ersten magnetischen Schicht, magnetisch "freie" Schicht genannt,
ist frei, dem angelegten Feld zu folgen, während die Magnetisierung der
zweiten Schicht fixiert ist durch Austausch-Anisotropie (anisotropie
d'échange)
mit der antifenomagnetischen Schicht. Wenn sich also das angelegte
Feld verändert, ändert sich
die relative Ausrichtung der Magnetisierungen der beiden Schichten.
Dies hat auch eine Veränderung
des Widerstands der Struktur zur Folge, die bei Feldern unter 1000
A/m und bei Umgebungstemperatur einige Prozent betragen kann.
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Der
niedrige Wert der Veränderung
des elektrischen Widerstands in der Größenordnung von 4 % wird noch
reduziert, wenn die Spinventil-Struktur wegen einer Selbstpolarisation
der "freien" Schicht unter der
Wirkung eines durch den Messstrom erzeugten Magnetfelds von einem
Messstrom durchquert wird. Dieser Messstrom erreicht Werte in der
Größenordnung
von 107 A/cm2.
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Diese
Art von Struktur ermöglicht
nicht, eine Messung mit einer hohen Empfindlichkeit zu realisieren.
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Man
kann auch feststellen (Dokument (5)), dass das zu messende Magnetfeld
parallel zu der Achse leichter Magnetisierung der "freien" magnetischen Schicht
angelegt wird, wobei diese Achse selbst parallel zu der Fixierungsrichtung
der zweiten magnetischen Schicht ist. Daraus resultiert ein quasi
treppenstufenartiges Verhalten des Widerstands der Struktur.
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Das
Dokument (6), dessen Referenzen am Ende der vorliegenden Beschreibung
angegeben sind, betrifft einen magnetoresistiven Sensor, der ebenfalls
den Spinventil-Effekt nutzt, aber bei einer doppelten Spinventil-Struktur.
Diese Struktur umfasst drei magnetische Schichten, voneinander getrennt
durch ein nichtmagnetisches Metall. Die Magnetisierungen der beiden äußeren ferromagnetischen
Schichten werden feststehend und parallel zueinander aufrechterhalten
durch Austausch-Anisotropie mit benachbarten Schichten aus ferromagnetischem
Material, die ihnen jeweils zugeordnet sind. Die zentrale magnetische
Schicht wird durch ein weichmagnetisches Material gebildet und ihre
Magnetisierung ist ohne angelegtes Feld im Wesentlichen senkrecht
zu derjenigen der beiden äußeren Schichten
ausgerichtet. Diese Struktur bietet einen größeren Magnetowiderstandseffekt
als ein einfaches Spinventil. Es ist jedoch nicht leicht, die Magnetisierung
der ersten magnetischen Schicht durch Austausch-Anisotropie zu fixieren.
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Das
antiferromagnetische Material des Dokuments (5) ist eine FeMn-Legierung,
wegen ihren guten Austauschanisotropie-Eigenschaften. Diese Eigenschaften
manifestieren sich jedoch nur, wenn das FeMn sich in seiner kubischen
kristallographischen Phase befindet, mit zentrierten Flächen (cfc).
So ist es notwendig, eine Unterschicht aus NiFe vorzusehen, um der
FeMn-Schicht ihre Eigenschaften zu verleihen und eine gute Fixierung
der ersten ferromagnetischen Schicht des doppelten Spinventils zu
erhalten. Die Notwendigkeit, eine FeMn-Schicht in ihrer kubischen
kristallographischen Phase zu erhalten, kompliziert folglich die
Herstellung solcher Strukturen. Außerdem wird ein Teil des Messstroms
in die NiFe-Unterschicht
abgeleitet, die nichts beiträgt
zu dem Magnetowiderstandseffekt, und die Größe der Veränderung des Widerstands unter
der Wirkung eines magnetischen Feldes ist gering.
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Eine
Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht dann, einen Magnetowiderstand
vorzuschlagen, der nicht die oben genannten Nachteile aufweist.
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Eine
weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, einen
Magnetowiderstand mit guter Empfindlichkeit vorzuschlagen, der eine
starke Veränderung
des Widerstands unter der Wirkung eines angelegten äußeren Magnetfelds
aufweist.
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Noch
eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, einen Magnetowiderstand
vorzuschlagen, dessen Betrieb ermöglicht, sich frei zu machen
von der nachteiligen Auswirkung des Phänomens der Selbstpolarisation,
verursacht durch den Messstrom in den ferromagnetischen Schichten
der Spinventil-Strukturen.
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Schließlich besteht
eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung noch darin, einen Magnetowiderstand, dessen
Herstellung einfach ist, und einen magnetoresitiven Sensor mit einer
guten Empfindlichkeit vorzuschlagen.
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Darstellung der Erfindung
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Zur
Lösung
dieser Aufgaben empfiehlt die Erfindung einen Magnetfeldsensor und
sein Herstellungsverfahren wie in den Ansprüchen definiert.
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Unter
fixierter Magnetisierung versteht man eine Magnetisierung, die im
Wesentlichen konstant bleibt über
den gesamten Bereich der zu messenden Magnetfelder.
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Die
vorgeschlagene Struktur liefert eine deutlich größere Magnetowiderstands-Amplitude als die
Spinventil-Strukturen, die nur zwei magnetische Schichten umfassen.
Die Magnetowiderstands-Amplitude ist um 50 bis 100 % größer als
bei einer einfachen Spinventil-Struktur
infolge des Vorhandenseins von drei magnetischen Schichten anstatt
zwei. Zudem befindet sich die zweite, freie magnetische Schicht
bei dieser Struktur ungefähr
im Zentrum des diesen Multischicht-Magnetowiderstand durchfließenden Stroms.
Daher ist das durch den Messstrom erzeugte Polarisationsfeld in
Höhe dieser
Schicht quasi null, was ihr ermöglicht,
selbst bei Vorhandensein einer großen Stromdichte eine hohe Suszeptibilität oder Empfindlichkeit
zu bewahren.
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Außerdem – bezogen
auf die in dem Dokument (6) beschriebene doppelte Spinventil-Struktur
-, vermeidet die vorliegende Erfindung das Abscheiden einer Unterschicht
aus NiFe und einer ersten Schicht aus FeMn, die nötig ist
zur Fixierung von einer der äußeren Schichten
aus magnetischem Material. Daraus resultiert eine Vereinfachung
der Herstellung. Das Weglassen der Unterschichten aus NiFe und FeMn
ermöglicht auch
eine größere Amplitude
des Magnetowiderstands-Effekts, da kein Strom in diese beiden Unterschichten abgeleitet
wird, das heißt
nicht dem Magnetowiderstands-Effekt entzogen wird.
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Nach
einem Aspekt der vorliegenden Erfindung kann die zweite Schicht
bei Fehlen eines äußeren Magnetfelds
eine Magnetisierung aufweisen, die im Wesentlichen zu der Messrichtung
senkrecht ist, was ermöglicht,
eine linearere Reaktion des Magnetowiderstands auf ein zu messendes
Magnetfeld zu erhalten.
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Die
fixierte Magnetisierung einer der Schichten, der ersten oder der
dritten, kann realisiert werden, indem diese Schicht aus einer Legierung
auf der Basis von Kobalt und Eisen erzeugt wird, die anisotrope
Seltene Erden enthält,
die ihr eine starke Koerzitivkraft verleihen und die auf diese Weise
ermöglichen,
die Magnetisierung dieser Schicht in einer gewünschten Richtung zu "blockieren".
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Eine
andere Möglichkeit
besteht darin, der ferromagnetischen Schicht eine Schicht aus antiferromagnetischem
Material hinzuzufügen,
die Kontakt hat mit ihr, um die Magnetisierung durch Austausch-Anisotropie (anisotropie
d'échange)
zu blockieren.
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Nach
einem weiteren Aspekt der Erfindung kann der Stapel zwischen jeweils
jeder ferromagnetischen Schicht und jeder benachbarten nichtmagnetischen
Schicht Zwischenschichten aus einem Material umfassen, das Kobalt
umfasst.
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Diese
Schichten aus Kobalt oder einer hauptsächlich Kobalt enthaltenden
Legierung ermöglichen,
den Magnetowiderstandseffekt noch zu erhöhen.
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Die
Erfindung schlägt
auch einen Sensor vor, der mit einem wie beschriebenen Magnetowiderstand ausgerüstet ist.
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Dieser
Magnetowiderstand kann nach einem Herstellungsverfahren realisiert
werden, bei dem man durch sukzessives Abscheiden auf einem Substrat
einen Stapel mit einer ersten Schicht aus ferromagnetischem Material
mit einer unter der Wirkung eines elektrischen Stroms ausrichtbaren
Magnetisierung, einer Schicht aus unmagnetischem leitfähigem Material,
einer zweiten Schicht aus einem weich-ferromagnetischen Material,
einer zweiten Schicht aus unmagnetischem leitfähigem Material und einer dritten
Schicht aus ferromagnetischem Material mit einer fixierten Magnetisierung
bildet, wobei während
der Abscheidung der zweiten Schicht aus weich-ferromagnetischem
Material ein Magnetfeld im Wesentlichen senkrecht zu der Messrichtung
angelegt wird, um dieser Schicht eine Achse leichter Magnetisierbarkeit
zu verleihen.
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Weitere
Merkmale und Vorteile der Erfindung gehen besser aus der nachfolgenden,
nicht einschränkenden,
rein erläuternden
Beschreibung hervor, die sich auf die beigefügten Zeichnungen bezieht.
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Kurzbeschreibung der Figuren
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Die 1 ist eine explodierte Ansicht
der hauptsächlichen
funktionellen Schichten eines erfindungsgemäßen Magnetowiderstands;
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die 2 ist eine schematische
Darstellung des durch einen Messstrom in dem Magnetowiderstand erzeugten
Magnetfelds;
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die 3 ist eine Kurve bzw. Kennlinie,
welche die Veränderung
der Spannung an den Anschlüssen eines
erfindungsgemäßen Magnetowiderstands
als Funktion des zu messenden Felds darstellt;
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die 4 ist ein schematischer
Schnitt eines erfindungsgemäßen Magnetowiderstands;
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die 5 ist ein schematischer
Schnitt eines erfindungsgemäßen Magnetowiderstands
und stellt eine Variante in Bezug auf die 4 dar.
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Detaillierte Darstellung
von Ausführungsarten
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Wie
die 1 zeigt, umfasst
die Multischicht-Struktur des Magnetowiderstands im Wesentlichen
drei Schichten 10, 20, 30 auf der Basis
von ferromagnetischen Übergangsmetallen
(wie Eisen, Kobalt, Nickel oder ihre Legierungen), deren Dicken
enthalten sind zwischen einigen Atomebenen und ungefähr zehn
Nanometer. Diese drei magnetischen Schichten werden getrennt durch
zwei Schichten 15, 25 aus einem nichtmagnetischen,
elektrisch gut leitfähigen
Metall, dessen Dicke ausreichend sein muss für eine schwache Kopplung der Magnetisierung
der Schichten durch diese Trennschichten hindurch, aber gleichwohl
deutlich kleiner ist als der mittlere freien Weg der Elektronen
durch das nichtmagnetische Metall hindurch. Der diesen Bedingungen
entsprechende Dickenbereich erstreckt sich von 1,0 nm bis 5 nm.
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Die
Schichten 15, 25, jeweils zwischen einerseits
den Schichten 10 und 20 und andererseits den Schichten 20 und 30 angeordnet,
sind vorzugsweise aus Kupfer, aus Silber oder aus Gold. Diese Wahl
schließt jedoch
andere gut leitfähige
Metalle nicht aus, zum Beispiel Aluminium oder Platin.
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Die
Struktur des Magnetowiderstands und die Materialien, die weiter
unten detailliert werden, werden so ausgewählt, dass sie einen Riesen-Magnetowiderstandseffekt
aufweisen. Dieser Effekt drückt
sich im vorliegenden Fall durch eine große Veränderung der Resistivität aus, wenn
die Ausrichtung der Schichten von einem sogenannten parallelen Zustand,
der dem Zustand entspricht, wo die Schichten 10, 20 und 30 zueinander parallele
Magnetisierungen aufweisen, in einen sogenannten antiparallelen
Zustand wechselt, wo die Magnetisierungen der Schichten 10 und 30 parallel
sind, die Magnetisierung der Schicht 20 aber im Wesentlichen
derjenigen der Schichten 10 und 30 entgegengesetzt
ist.
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Die
Magnetisierung der Schicht 30 ist fixiert, das heißt blockiert
in der zu dem zu messenden Feld parallelen Richtung oder Messrichtung.
Die Fixierung erfolgt durch einen Austauschanisotropie-Effekt mit
einer antifenomagnetischen Schicht 40. Die Schicht 40 ist
zum Beispiel eine antiferromagnetische FeMn-Schicht oder eine fenomagnetische
TbCo-Schicht, abgeschieden
auf der Schicht 30. Die magnetische Fixierung der Schicht 30 kann
auch durch andere, weiter unten beschriebene Mittel realisiert werden.
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Die
Schicht 20 ist eine Schicht aus weichmagnetischem Material,
deren Magnetisierungsrichtung leicht verändert werden kann durch das
zu messende Feld, dem der Magnetowiderstand ausgesetzt ist. Es handelt
sich zum Beispiel um eine Permalloy-Schicht der Zusammensetzung
Ni80Fe20.
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Um
ein lineares Verhalten eines Sensors mit einem erfindungsgemäßen Magnetowiderstand
zu erhalten, ist die Magnetisierung der Schicht 20 vorzugsweise
senkrecht zu der Messrichtung, wenn auf den Magnetowiderstand ein äußeres Null-Feld
angewendet wird. Diese bevorzugte Richtung einer spontanen Ausrichtung
der Magnetisierung der Schicht 20 kann aus Formanisotropieeffekten
des Magnetowiderstand resultieren, wo eine Achse leichter Magnetisierbarkeit
der Schicht 20 parallel ist zu der größeren Länge des Magnetowiderstands.
Unter "Achse leichter
Magnetisierbarkeit" versteht
man eine Achse, die der spontanen Ausrichtungsrichtung der Magnetisierung
des Materials im Null-Feld entspricht.
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Die
bevorzugte Richtung kann auch, wie weiter unten beschrieben, bei
der Bildung der Schicht 20 erzwungen werden.
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Die
Schicht 10 aus einer Legierung auf der Basis von Nickel,
Eisen und vorzugsweise Kobalt weist eine Magnetisierung auf, die
bei Fehlen eines in dem Magnetowiderstand fließenden Stroms nicht fixiert
ist.
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Wenn
hingegen ein elektrischer Strom – hier ein Messstrom – durch
den Magnetowiderstand fließt, richtet
sich die Magnetisierung der Schicht 10 – unter der Wirkung des durch
den elektrischen Strom im Innern des Magnetowiderstands erzeugten
Magnetfelds – entsprechend
einer im Wesentlichen zu der Magnetisierung der Schicht 30 parallelen
Richtung aus. Die Pfeile 1, 2 und 3 der 1 zeigen jeweils die Ausrichtung
der Magnetisierungen der Schichten 10, 20 und 30 bei
Fehlen eines angelegten äußeren Felds
und bei Vorhandensein eines Messstroms J. Der Pfeil 2' zeigt die Magnetisierung
der Schicht 20 bei Präsenz
eines zu messenden Feldes H.
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Der
Pfeil 1 zeigt die Polarisation der Schicht 10 unter
der Wirkung des Messstroms K an. Dieser Effekt wird besser verständlich durch
die 2, in der das Rechteck 100 einen
Querschnitt des Multischicht-Magnetowiderstands senkrecht zu seiner
größeren Achse
und senkrecht zu dem Messstrom J darstellt. Das Rechteck 100 stellt
auch eine gleichmäßige "Schicht" des den Magnetowiderstand
durchquerenden Messstroms J dar.
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Wenn
der elektrische Messstrom J mit einer typischen Stromdichte j der
Größenordnung
5.10
6 – 5.10
7 A/cm
2 durch den
Magnetowiderstand fließt,
erzeugt dieser elektrische Strom im Innern des Sensors ein Magnetfeld
B, das groß sein
kann im Vergleich zur Größenordnung
des Felds B, das man messen will. Nehmen wir an, die Stromdichte
in dem Material sei gleichmäßig (gleich
j), so dass der Strom über
die gesamte Dicke der Multischicht-Struktur eine gleichmäßige "Schicht" 100 bildet, dann
ist das Feld in der Mittelebene P null, das heißt der Ebene, die zu den Außenflächen parallel
ist und sich in der Mitte der Dicke der Multischicht-Struktur befindet,
und nimmt in dem Maße
linear zu, wie man sich von dieser Mittelebene P entfernt, um seinen Höchstwert
an den seitlichen Außenflächen
100a und
100b des
Magnetowiderstands zu erreichen. Mit Hilfe des Ampère-Theorems:
kann man zeigen, dass das
durch die "Stromschicht" des Werts z (z=0
entspricht der Mitelebene) erzeugte Magnetfeld variiert wie H(z)=jz.
Zum Beispiel für
j=2.10
7 A/cm
2, H(z)=0,2z,
wo z in Nanometer, H(z) in kA/m ausgedrückt wird. Für ein Multischicht-System der Gesamtdicke
e=20nm beträgt
das Feld an der Oberfläche
100a oder
100b also
vergleichbar einem zu messenden
Feld von 1 bis 2 kA/m.
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Da
die in der 2 angedeutete
Schicht 20 sich in der Umgebung des Mittelpunkts der durch
den Magnetowiderstand fließenden
Stromschicht J befindet, ist das durch den Messstrom in dieser zentralen
magnetischen Schicht erzeugte Magnetfeld null oder sehr schwach
in Bezug auf das Feld, das man messen will. Daher kann die Magnetisierung
der zentralen Schicht 20 leicht den Veränderungen des angelegten, zu
messenden äußeren Feldes
folgen.
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In
der der Oberflächenschicht 100b benachbarten
Schicht 10 erzeugt der Messstrom hingegen ein größeres Magnetfeld.
Dieses Feld wirkt auf die Magnetisierung dieser Schicht und richtet
sich in einer zu der Messrichtung im Wesentlichen parallelen Richtung
aus.
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Für die üblichen
Messstromwerte ist das Selbstpolarisations-Magnetfeld (N) hingegen
zu schwach, um die Magnetisierungsrichtung der fixierten Schicht 30 zu
beeinflussen.
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Jedenfalls
ist es möglich,
die Fließrichtung
des elektrischen Stroms oder die Anfangsrichtung der Magnetisierungsfixierung
der Schicht 30 so zu wählen,
dass die Magnetisierungen der Schichten 10 und 30 bei Vorhandensein
eines Messstroms in der Größenordnung
von zum Beispiel 2.107 A/m2 und
bei Fehlen eines äußeren Feldes
im Wesentlichen parallel sind.
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Die 3 zeigt die Spannungsänderung
an den Anschlüssen
des Magnetowiderstands als Funktion des zu messenden Feldes. Die
Anschlüsse 70, 72 sind
zum Beispiel in den 4 oder 5 zu sehen. Bei einem Feld
N in der Größenordnung
von 1 kA/m sind die Magnetisierungen der drei magnetischen Schichten 10, 20, 30 parallel.
Die Resistivität
des Magnetowiderstands ist dann minimal und daraus resultiert eine
minimale Spannung Vmin an den Anschlüssen. Bei
einem Feld H der Größenordnung –1 kA/m
ist die Magnetisierung der Schicht 20 umgekehrt in Bezug
auf die Magnetisierungen der Schichten 10 und 30,
die im Wesentlichen parallel zueinander bleiben. Wenn der Wert des
Feldes H zunimmt, nimmt die Resistivität um einige Prozente ab, was
auch zu einer Abnahme der Spannung um ungefähr 1 mV führt. Zwischen den beiden Grenzwerten
Vmax und Vmin ist
die Veränderung
der Spannung im Wesentlichen linear. Eine leichte Asymmetrie in
Bezug auf das Nullfeld kann vorhanden sein, wenn eine magnetische
Kopplung zwischen der Schicht 20 und den Schichten 10 und 30 durch
die nichtmagnetischen Metalle der Schichten 15 und 25 besteht.
Es ist bekannt, dass eine solche magnetische Kopplung bei geringen
Dicken der magnetischen Materialien vorhanden ist. Aber bei Materalien
für die
Schichten 15 und 25, insbesondere Kupfer und Silber,
abgeschieden bei niedriger Temperatur, sowie Gold, nimmt diese Kopplung
schnell ab, wenn die Dicken dieser Schichten 2 nm überschreiten.
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Die 4 und 5 zeigen detaillierter die Struktur von
erfindungsgemäßen Magnetowiderständen in zwei
Ausführungsarten.
Diese Figuren tiefem außerdem
Beispiele der Reihenfolge der Schichten des erfindungsgemäßen Herstellungsverfahrens
von Magnetowiderständen.
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Gleiche
oder ähnliche
Elemente der Figuren tragen übereinstimmende
Bezugszeichen.
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In
dem Beispiel der 4 ist
der Magnetowiderstand auf einem Siliciumsubstrat 6 ausgebildet.
Er umfasst, ausgehend von dem Substrat, sukzessive Schichten, deren
Bezugszeichen, Art und Dicke beispielartig in der nachfolgenden
Tabelle I angegeben sind.
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Die
Schichten des Magnetowiderstands können durch Katodenzerstäubung oder
Sputtern erzeugt werden.
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Wenn
zur Herstellung der Schichten 15 und 25 Silber
verwendet wird, ist es vorteilhaft, das Substrat mit flüssigem Stickstoff
anzukühlen,
um eine gute Struktur dieser Schichten zu erhalten. Zu diesem Thema kann
man sich zum Beispiel auf das Dokument (7) beziehen, das
am Ende der vorliegenden Beschreibung angegeben ist. Wie schon erwähnt, können die
Schichten 15 und 25 auch aus Kupfer oder aus Gold
realisiert werden, was eine Kühlung
des Substrats überflüssig macht.
Diese Materialien haben jedoch im Laufe der anschließenden Wärmebehandlungen
keine so gute thermische Stabilität wie das Silber.
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Erfindungsgemäß wendet
man während
des Abscheiden der Schicht 20 ein zu der Messrichtung im Wesentlichen
senkrechtes Magnetfeld an. Dieses Magnetfeld mit einem Wert in der
Größenordnung
von 800 bis 8000 A/m (10 bis 100 Oe) ermöglicht, in der "zentralen" Schicht 20 eine
Achse leichter Magnetisierung zu induzieren.
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Wie
die 4 zeigt, hat der
Magnetowiderstand auch eine längliche
Form, zum Beispiel eine Stabform, deren Länge L vorzugsweise parallel
ist zu dieser Achse leichter Magnetisierung. Ein Formanisotriopieeffekt
trägt also
auch bei zur Ausrichtung der Magnetisierung der magnetischen Schicht 20 entsprechend
ihrer Achse leichter Magnetisierung. In den Beispielen der 4 und 5 fließt der Messstrom entsprechend
der großen
Länge des
Stabs.
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Die
Magnetisierung der Schicht 30 kann senkrecht zu der Achse
leichter Magnetisierung der Schicht 20 ausgerichtet und
fixiert werden, indem man die Struktur bis auf eine Temperatur erwärmt, die
knapp über der
Néel-Temperatur
der Fe50Mn50-Schicht 41 liegt,
das heißt
einer Temperatur von ungefähr
200 °C,
und dann die Struktur abkühlt,
wobei ein Magnetfeld in der Richtung der erwünschten Magnetisierung angelegt
wird, im vorliegenden Fall im Wesentlichen parallel zu der Messrichtung.
Es sei daran erinnert, dass die Neel-Temperatur die Temperatur ist, unterhalb
der die Spins eines antiferromagnetischen Materials entsprechend
einem antiparallelen Arrangement angeordnet sind.
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Zur
Erläuterung
kann man das Dokument (8) konsultieren, das am Ende der
vorliegenden Beschreibung angegeben ist.
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Nach
einer der 5 entsprechenden
Ausführungsvariante
der Erfindung umfasst der Magnetowiderstand keine antiferromagnetische
Schicht 40. Mit Ausnahme der Schicht 40 ist die
Struktur des Magnetowiderstands also derjenigen der 4 ähnlich.
Jedoch ist die Schicht 30',
die der Schicht 30 der 4 entspricht, eine
Schicht aus einem stark koerzitiven Material, bei dem die Magnetisierung
unempfindlich ist für
jedes äußere Feld
unter ungefähr
10 kA/m. Die Schicht 30' ist
zum Beispiel aus einer Eisen- und Kobaltlegierung, die auch anisotrope
Seltenerden enthält,
ausgewählt
unter Samarium, Neodym, Terbium und Dysprosium.
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Die
Schichten 11, 16, 21 und 26,
deren Vorhandensein gewiss fakultativ ist, stellen jedoch eine interessante
Verbesserung der Erfindung dar. Diese Schichten aus Kobalt oder
Co1–xFex Legierung mit 0≤x≤0,3 und einer Dicke von 0,2 bis
1 nm ermöglichen
nämlich,
die Amplitude des Riesenmagnetowiderstands-Effekts zu vergrößern, ohne
zu große
Zunahme des Sättigungsfelds
oder der Hysteresis der Schicht 20.
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Eine
weitere Verbesserung der Erfindung besteht darin, das Material der
Schichten 10 und 30 durch Kobalt oder kobaltreiche
Legierungen wie Co70Fe30 zu
ersetzen. Die Schicht 20 bleibt jedoch aus einem weichmagnetischen
Material.
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Ein
wie oben beschriebener Magnetowiderstand kann zur Herstellung eines
Magnetowiderstands-Sensors verwendet werden. In diesem Fall können Verbindungen 70, 72,
schematisch dargestellt in der 4,
an den Enden des in Längsrichtung
betrachteten Magnetowiderstands angeordnet werden. Diese Verbindungen
ermöglichen,
eine nicht dargestellte Messschaltung anzuschließen.
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Ein
Messstrom in der Größenordnung
von 2.107A/cm2 ermöglicht,
in Höhe
der Schicht 10 ein Feld der Größenordnung 1600 A/m (20 Oe)
zu erzeugen, das ausreicht, um die Magnetisierung der Schicht 10
im Wesentlichen senkrecht zu derjenigen der Schicht 20 auszurichten.
Die Richtung des Messstroms in dem Sensor wird dann so gewählt, dass
die Magnetisierung der Schichten 10 und 30 parallel
ist und nicht antiparallel.
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IN DER VORLIEGENDEN BESCHREIBUNG
GENANNTE DOKUMENTE
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- (1) D.A. Thompson et al., IEEE Trans. Mag. Mag-11, S. 1039
(1975).
- (2) IEEE Translation Journal on magnetics in Japan, Vol. 7,
Nr. 9, September 1992, "Magnetoresistance
of multilayers" von
H. Yamamoto and T. Shinjo, Seiten 674-684.
- (3) B. DIENY, Journal of Magnetism and magnetic Materials 136
(1994), Seiten 335-359.
- (4) US-A-4 949 039
- (5) Physical review B, Vol 43, Nr. 1, 1. Januar 1991, "Giant magnetoresistance
in soff ferromagnetic multilayers" von B. Dieny et al., Seiten 1297-1300.
- (6) US-A-5 287 238
- (7) FR-A-2 698 965
- (8) US-A-625 343