DE69828073T2 - Verfahren zur erhöhung der arbeitsfrequenz eines magnetkreises und korrespondierender magnetkreis - Google Patents

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Description

  • Technisches Gebiet
  • Die vorliegende Erfindung hat ein Verfahren zur Erhöhung der Arbeitsfrequenz eines Magnetkreises und einen entsprechenden Magnetkreis zum Gegenstand.
  • Sie findet Anwendung bei der Herstellung magnetischer Bauteile, insbesondere induktiver Bauteile (typisch Induktivitäten, einheitlich oder verschiedenartig oder Teil eines Netzwerks auf einem selben Chip mit integrierten Bauteilen), bei der Herstellung von Transformatoren, von Magnetfeldsonden oder Messeinrichtungen einer mit einem Magnetfeld verbundenen Größe, von Aufnahmemagnetköpfen usw.
  • Stand der Technik
  • Bei den induktiven Bauteilen (Induktivitäten, Transformatoren, Magnetköpfen usw.) ist es vorteilhaft, den Magnetfluss durch einen Magnetkreis mit starker Permeabilität zu kanalisieren, denn dies bewirkt entweder einen Leistungsgewinn bei gegebener Baugröße oder eine kleinere Baugröße bei gegebenen Leistungen.
  • Bei den makroskopischen Hochfrequenzbauteilen sind die Magnetkreise im Allgemeinen aus massivem Ferrit, während man bei den integrierten Bauteilen öfters Stapel von Dünnschichten aus ferromagnetischen Legierungen (typisch Fe-Ni) und Isolatoren verwendet. Die Realisierung solcher integrierter Bauteile ist gegenwärtig Gegenstand von Untersuchungen in zahlreichen Laboratorien.
  • Die Miniaturisierung dieser Bauteile ermöglicht, ihre Arbeitsfrequenz zu erhöhen und dabei insbesondere die Phänomene der Übertragung bzw. Ausbreitung und der induzierten Ströme zu reduzieren.
  • Die Leistungen der Isolator/Dünnschichtenlegierungs-Verbundstoffe sind sehr viel höher als die der Ferritbauteile und ermöglichen, einen Betrieb bei Frequenzen vorzusehen, welche den HF-Bereich weit überschreiten. Jedoch haben diese Materialien ihre eigenen Beschränkungen, entweder verbunden mit fundamentalen Phänomenen oder mit der angewandten Technologie. Zwei mit der Technologie verbundene einschränkende Phänomene sind der Haut- bzw. Skineffekt und die dimensionale Resonanz. Beide haben die Wirkung, die effektive Permeabilität des Verbundstoffs zu verringern und sein Frequenzverhalten zu verändern.
  • Das Erste kann klassisch vermieden (oder begrenzt) werden, indem eine Dicke der Schichten des Stapels gewählt wird, die deutlich kleiner ist (oder von gleicher Größenordnung) als die Hauttiefe. Zum Beispiel beträgt die Hauttiefe für die Fe-Ni-Legierung bei 1 GHz 0,2 μm.
  • Das Zweite, verknüpft mit der dimensionalen Resonanz, ist mit der elektromagnetischen Ausbreitung im Innern des Verbundstoffs in den zu den Schichten parallelen Richtungen verbunden. Es kann einerseits begrenzt werden, indem eine ausreichende Isolatordicke zwischen den magnetischen Schichten vorgesehen wird (auf Kosten des nützlichen Füllfaktors), und andererseits, indem die seitlichen Dimensionen der Magnetkreise oder der Magnetkerne begrenzt werden.
  • So muss für eine Frequenz von 1 GHz die Breite des Magnetkreises oder des Magnetkerns aus FeNi sehr viel kleiner sein als 700 μm, was als gerade noch kompatibel ist mit den Integrationsbedingungen.
  • Eine weitere Einschränkung, nicht verbunden mit der Technologie und von fundamentalerer Art, entspricht dem Phänomen der gyromagnetischen Resonanz. Die Frequenz dieser Resonanz bildet nämlich eine Grenze, die über dem Bereich der Nutzfrequenzen liegt, wohl wissend, dass bei den Frequenzen unterhalb der Resonanz die relative Permeabilität praktisch konstant und gleich ihrem statischen Wert ist. Es ist bestens bekannt, dass man bei einer Legierung mit einer gegebenen Zusammensetzung durch einfache Wärmebehandlungen die Permeabilität und die Resonanzfrequenz ändern kann. Die Beschränkung aufgrund der gyromagnetischen Resonanz drückt sich also nicht nur durch die Frequenz aus. Es zeigt sich nämlich, dass das Produkt μs·fr 2 – wo μs der statische Wert der Permeabilität ist und fr die gyromagnetische Resonanzfrequenz für eine Legierung mit gegebener Zusammensetzung -, konstant ist, wenn man durch Behandlungen nach der Abscheidung zugleich μs und fr modifiziert. Dieses Produkt bildet also eine Güteziffer des Materials, die nur von seiner Zusammensetzung abhängt. Es zeigt sich nämlich, dass es praktisch nur von der spontanen Magnetisierung der Legierung abhängt. Für die Fe-Ni-Legierung erhält man: μs·fr 2 = 1300 GHz2.
  • Für einen Verbundstoff mit Füllfaktor η erhält man einfach: μs·fr 2 = η·1300 GHz2.
  • Die Existenz einer solchen Relation zeigt, dass man μs und fr nicht unabhängig modifizieren kann. Insbesondere verlangt ein Betrieb mit immer höheren Frequenzen eine Reduzierung der magnetischen Permeabilität.
  • Bei einer bestimmte Arbeitsfrequenz f versucht man also im Allgemeinen, das Material so zu konditionieren, dass die Resonanzfrequenz fr sehr weit über f liegt. Dies erfordert, dass man das Material an die betreffende Anwendung anpassen kann. Man könnte daran denken, die Resonanzfrequenz durch eine Wärmebehandlung nach der Abscheidung zu modifizieren. Aber diese Technik hat Nachteile: die Kompatibilität ist bei den Herstellungsverfahren der Vorrichtung nicht gewährleistet und auf jeden Fall bleiben die erzielten Veränderungen gering.
  • Die Aufgabe der Erfindung besteht in der Beseitigung dieser Nachteile.
  • Darstellung der Erfindung
  • Es geht darum, die Arbeitsfrequenz eines Magnetkreises zu erhöhen. Unter Erhöhung der Arbeitsfrequenz eines Magnetkreises versteht man die Tatsache, bei der höchsten Frequenz wenigstens das einschränkenste Phänomen zurückzudrängen, das insbesondere die gyromagnetische Resonanz, der Hauteffekt, die dimensionale Resonanz usw. sein kann.
  • Zu diesem Zweck empfiehlt die Erfindung, in den Magnetkreis Trennungen (oder "Intervalle", "Unterbrechungen", "Spalte", "Rillen" oder auf Englisch "gaps") einzuführen, wobei diese Unterbrechungen senkrecht zu der Feldrichtung verlaufen, das heißt senkrecht zu der Mittellinie des Magnetkreises. Diese Unterbrechungen schaffen in dem Material ein sehr effizientes Entmagnetisierungsfeld. Die magnetische Permeabilität wird gesenkt, ohne dass weder die globale Form des Magnetkreises noch das magnetische Material modifiziert werden. Im Falle der Aufnahmemagnetköpfe (bei denen schon wenigstens ein Spalt existiert), kann man zum Beispiel im restlichen Magnetkreis Unterbrechungen hinzufügen, um die Frequenzfestigkeit des magnetischen Materials zu erhöhen. Je mehr senkrechte Unterbrechungen man in den mittleren Fluss einfügt (also in die Mittellinie des Magnetkreises in der Richtung des Feldes), um so stärker wird das Entmagnetisierungsfeld und um so schwächer die Permeabilität des Magnetkreises, wobei sich in demselben Maße seine Frequenzfestigkeit bzw. sein Frequenzverhalten verbessert. Man kann also die Grenz- bzw. Unterbrechungsfrequenz des Magnetkreises an ein Pflichtenheft anpassen und für ein gegebenes Material die für diesen Frequenzbereich bestmögliche Permeabilität erzielen.
  • Erwähnt sei, dass man bei einem magnetischen Bauteil manchmal versucht, die Permeabilität des Magnetkreises zu maximieren, um die Verluste zu minimieren. Aber aufgrund der weiter oben erwähnten Relation, die zeigt, dass das Produkt der Permeabilität mal dem Quadrat der Resonanzfrequenz bei einem gegebenen Material konstant ist, ist die gyrometrische Resonanzfrequenz um so niedriger, je höher die effektive magnetische Permeabilität des Materials ist, was den nutzbaren Frequenzbereich des Bauteils begrenzt. Diese Einschränkung kann störend sein bei Hochfrequenzanwendungen wie der Realisierung von integrierten HF-Induktivitäten (insbesondere für Mobiltelefone), von HF-Transformatoren, von HF-Magnetaufnahmeköpfe usw.
  • Die vorliegende Erfindung hingegen empfiehlt eine Reduzierung der Permeabilität.
  • Genaugenommen hat die vorliegende Erfindung ein Verfahren zur Erhöhung der Arbeitsfrequenz eines Magnetkreises zum Gegenstand, wobei dieses Verfahren dadurch gekennzeichnet ist, dass es darin besteht, in wenigstens einem Teil dieses Kreises Unterbrechungen zu bilden, senkrecht zu der Mittellinie des Magnetkreises.
  • Bei einer vorteilhaften Realisierungsart werden die Unterbrechungen in parallelen Ebenen gebildet.
  • Nach einer anderen Realisierungsart bildet man periodische Unterbrechungen mit einer bestimmten Teilung und einer bestimmten Dicke.
  • Die vorliegende Erfindung umfasst auch einen Magnetkreis, der dadurch gekennzeichnet ist, dass er in wenigstens einem Teil Unterbrechungen aufweist, die senkrecht sind zu der Mittellinie des Magnetkreises und die in parallelen Ebenen angeordnet sind.
  • Bei einer vorteilhaften Variante sind diese Unterbrechungen periodisch.
  • Die Erfindung hat zahlreiche Vorteile:
    • a) Sie ermöglicht, den Nutzungsfrequenzbereich eines Magnetkerns oder eines Magnetkreises, also eines Bauteils, anzupassen und dabei die bestmögliche Permeabilität zu gewährleisten. In der Praxis kann man bei einem gegebenen magnetischen Material für die Unterbrechungen eine Größe und einen Abstand wählen, die so sind, dass insbesondere die gyrometrische Resonanz und die anderen charakteristischen Frequenzen an das Pflichtenheft des Bauteils angepasst sind. Anstatt für jeden gewünschten Frequenzbereich entweder das magnetische Material oder die Form des Magnetkreises zu verändern, kann man so für jede Paarung (Material und Magnetkreis) über einen breiten Bereich möglicher Frequenzen verfügen.
    • b) Sie ist total kompatibel mit den Herstellungsverfahren der Kreise.
    • c) Sie verändert weder die makroskopische Form des Bauteils noch seinen Magnetkreis.
    • d) Sie ermöglicht, für Bauteile mit unterschiedlichen Arbeitsfrequenzen ein selbes magnetisches Material zu verwenden.
  • Kurzbeschreibung der Zeichnungen
  • Die 1 zeigt die Änderungen der gyromagnetischen Resonanz fr als Funktion des Verhältnisses e/p der Dickenelemente (e) zur Teilung (p) der Unterbrechungen;
  • die 2a bis 2e zeigen die Realisierungsschritte eines Teils eines Magnetkreises gemäß einer ersten Variante der Erfindung;
  • die 3a bis 3c zeigen die Realisierungsschritte eines Teils eines Magnetkreises gemäß einer zweiten Variante der Erfindung;
  • die 4 zeigt ein Beispiel eines erfindungsgemäßen Magnetkreises in Ringform;
  • die 5 zeigt ein anderes Beispiel eines erfindungsgemäßen Magnetkreises, angepasst an einen Magnetlesekopf.
  • Detaillierte Darstellung von Realisierungsarten
  • Die Realisierung einer periodisch durch Dickenelemente (e) unterbrochenen magnetischen Schicht, die in der Richtung der Mittellinie des Magnetkreises mit einer räumlichen Periode (p) und einem Material mit einer intrinsischen Permeabilität μ des statischen Werts μs ausgebildet sind, läuft darauf hinaus, künstlich eine Schicht aus Material mit der effektiven Permeabilität μe des statischen Werts μes zu erzeugen, so dass: 1/μes = (1/μs) + (e/p).
  • Wenn (e/p) zunimmt, nimmt 1/μes entsprechend zu, was zeigt, dass μes abnimmt. Die Abnahme von μes wird begleitet von einer korrelativen Zunahme der Resonanzfrequenz entsprechend der Relation: μes·fr 2 = C,wo C eine Konstante ist.
  • Für eine erwünschte Frequenz fr kann man bei Kenntnis der Konstanten C und μs eines Materials die zu realisierende Permeabilität μes berechnen und eine Dicke/Teilungs-Paarung (e, p) finden, welche die Gleichung 1/μes = (1/μs) + (e/p) befriedigt. Der erhaltene Magnetkreis mit seinen Unterbrechungen von entsprechender Dimension und Periodizität hat dann eine Frequenzfestigkeit bis fr.
  • Die vorhergehenden Formeln sind in Wirklichkeit ziemlich approximativ, wobei der Begriff der Permeabilität selbst weniger präzise wird, wenn man sich dem Maßstab der magnetischen Domänen nähert. Um eine bessere Präzision zu erzielen, kann man auch für jedes vorgesehene magnetische Material eine experimentelle Vorrichtung mit Unterbrechungen mit variablen Dimensionen und Periodizitäten realisieren und das Frequenzverhalten bzw. die Frequenzfestigkeit des Magnetkreises genau messen, um schließlich das Optimum zu wählen.
  • Die Erfindung kann sowohl bei einschichtigen Magnetkreisen als auch bei vielschichtigen Magnetkreisen angewendet werden. Die 1 zeigt zum Beispiel die Veränderung der Grenz- bzw. Unterbrechungsfrequenz fc als Funktion des Verhältnisses (e/p) für einen Eisen-Nickel- und Siliciumnitrid-Verbundstoff. Die Relation, welche die Permeabilität μs und die Frequenz fr verbindet, ist in diesem Fall: μs·fr 2 = 1300 (GHz)2.
  • Ohne Unterbrechungen liegt die Frequenz fr etwas unter 1 GHz und nimmt bei Unterbrechungen, deren Dicke ungefähr 1/10 der Teilung (e/p = 10–1) beträgt, bis ungefähr 10 GHz zu.
  • Man kann auch den Einfluss auf die beiden anderen charakteristischen Frequenzen, verbunden mit dem Hauteffekt und der dimensionalen Resonanz, grob bestimmen. Bei einem Magnetkreis von beliebiger Form aber mit periodischen, also gleichmäßig über die Länge des Kreises verteilten Spalten, kann man nämlich davon ausgehen, dass die effektive Permeabilität, definiert durch die Formel 1/μes = 1/μs + e/p, eine lokale Bedeutung annimmt. Man zeigt dann, dass die beiden betreffenden Grenzfrequenzen, nämlich die durch den Hauteffekt verursachte und die durch die dimensionale Resonanz verursachte, jeweils mit
    Figure 00060001
    und mit
    Figure 00060002
    multipliziert werden.
  • Bei all diesen Betrachtungen geht man selbstverständlich davon aus, dass sich bei einem vielschichtigen (viele Lagen umfassenden) Material die Rillen über alle Schichten erstrecken.
  • Die 2a bis 2e zeigen fünf Schritte eines Realisierungsverfahrens eine in einem Substrat vergrabenen magnetische Schicht. In diesem Beispiel ist die magnetische Schicht ein Zweig eines Magnetkreises, der zu einem vertikalen Magnetkopf mit integrierter Spule gehört, wie beschrieben in der Patentanmeldung FR-A-2 745 111. Diese magnetische Schicht ist überdies vielschichtig und die Dicken der verschiedenen Schichten haben in den Figuren nicht denselben Maßstab.
  • In dem Verfahren geht man von einem Substrat 10 aus (2a), das zum Beispiel aus Silicium ist. Man scheidet auf diesem Substrat eine mehrere μm dicke Schicht (12) aus einem isolierenden Material ab, zum Beispiel aus Siliciumoxid. Diese Schicht 12 wird anschließend mit Hilfe einer Maske geätzt, die periodisch beabstandete Öffnungen aufweist. Man erhält dann (2b) Vertiefungen 14, getrennt durch Wände 16. Die Dicke dieser Wände definiert die Dicke e der zukünftigen Unterbrechungen und ihre Periodizität definiert die Teilung p dieser zukünftigen Unterbrechungen.
  • Anschließend scheidet man auf dem Ganzen eine FeNi-Unterschicht 20 ab (2c), zum Beispiel durch Sputtern, und man bildet eine Resistmaske 22, welche die Zone frei lässt, wo man die durch die Unterbrechungen unterbrochene Magnetschicht realisieren will.
  • Anschließend scheidet man die magnetische Schicht 24 ab (2d), zum Beispiel durch elektrolytisches FeNi-Wachstum auf der Unterschicht 20. Dann eliminiert man das Resist, tempert das Ganze eventuell und scheidet eine isolierende Schicht 26 ab, zum Beispiel aus Si3N4.
  • Die Operationen zur Abscheidung einer Unterschicht 20, zur Maskierung, zur Realisierung einer magnetischen Abscheidung 24, zur Eliminierung des Resists und zur Abscheidung einer isolierenden Schicht 26 werden in diesem Realisierungsbeispiel mehrmals wiederholt, um einen Magnetkreis herzustellen, der durch einen Stapel magnetischer Schichten, getrennt durch unmagnetische Schichten, gebildet wird, wobei die zweite magnetische Schicht nicht unbedingt von einer isolierenden Schicht bedeckt wird.
  • Anschließend planarisiert man den derart hergestellten Stapel durch mechanisches oder chemisch-mechanisches Schleifen bzw. Läppen (2e). Man erhält dann eine Folge von magnetischen Blöcken 30, voneinander getrennt durch Unterbrechungen 32.
  • Im Falle eines einschichtigen Magnetkreises lässt man die erste magnetische Schicht 24 auf der Unterschicht 20 zum Beispiel elektrolytisch bis zu einer Höhe aufwachsen, die ausreicht, um die Vertiefungen auszufüllen, und man planarisiert anschließend wie in der 2e nach der Lack- bzw. Resisteliminierung.
  • Die 3a bis 3c zeigen schematisch eine andere Durchführungsart des erfindungsgemäßen Verfahrens. In der 3a geht man von einem Substrat 40 aus (zum Beispiel aus Silicium) und man überzieht dieses Substrat mit eine isolierenden Schicht 42 (zum Beispiel aus SiO2). Anschließend man einen Stapel abwechselnder Schichten ab (3b), nämlich magnetische 44 und isolierende 46. Die magnetischen Schichten können durch Sputtern abgeschieden werden. Die isolierenden Schichten könne aus Si3N4 sein und durch Sputtern abgeschieden werden. Anschließend wird eine Resistmaske 48 mit Öffnungen 50 gebildet.
  • Schließlich bildet man in dem vielschichtigen Stapel durch eine Ätzoperation die Unterbrechungen 52 (3c).
  • Wie vorhergehend kann diese Realisierungsvariante benutzt werden, um ein einschichtiges magnetisches Material zu bilden.
  • Die 4 zeigt ein Beispiel eines erfindungsgemäßen Magnetkreises. Es handelt sich um einen Ring 60, dessen Mittellinie 62 ein Kreis ist. Dieser Kreis weist zu dieser Mittellinie senkrechte, also radiale Unterbrechungen 64 auf. Die Ebene dieser Unterbrechungen dreht sich um 360°, wenn man den Kreis umläuft. Es ist auch eine Wicklung 66 dargestellt.
  • Die 5 zeigt ein weiteres Beispiel eines Magnetkreises und entspricht einem Lesemagnetkopf. Dieser Magnetkreis 70 hat einen runden hinteren Teil und zwei Seitenarme, die sich einander nähern, um einen Spalt 72 zu begrenzen. Die Mittellinie 74 umfasst hinten einen im Wesentlichen kreisförmig Teil und vom zwei sich einander nähernde Zweige. Die Unterbrechungen 76 sind zu dieser Mittellinie senkrecht. Der Magnetkreis wird durch eine Wicklung 78 vervollständigt und steht einem magnetischen Träger 80 gegenüber, in den magnetische Informationen eingeschrieben sind.
  • Diese Beispiel zeigen, dass die Unterbrechungen längs des Magnetkreises nicht unbedingt eine selbe Richtung haben. Diese Richtung kann sich von einem Punkt zum anderen ändern. Sie hängt von der Mittellinie des Magnetkreises ab, also von der Richtung des durch den Magnetkreis kanalisierten Magnetflusses.

Claims (7)

  1. Verfahren zur Erhöhung der Arbeitsfrequenz eines Magnetkreises, dadurch gekennzeichnet, dass es darin besteht, in wenigstens einem Teil dieses Kreises Unterbrechungen (32, 52) zu bilden, senkrecht zu der Mittellinie (62, 74) des Magnetkreises.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, in dem die Unterbrechungen in parallelen Ebenen gebildet werden.
  3. Verfahren nach Anspruch 1, in dem man periodische Unterbrechungen (32, 52) mit einer bestimmten Teilung (p) und einer bestimmten Dicke (e) bildet.
  4. Magnetkreis, dadurch gekennzeichnet, dass er in wenigstens einem Teil Unterbrechungen (32, 52) aufweist, die senkrecht sind zu der Mittellinie (62, 74) des Magnetkreises (60, 70).
  5. Magnetkreis nach Anspruch 4, bei dem die Unterbrechungen (32, 52) periodisch sind.
  6. Magnetkreis nach einem der Ansprüche 4 und 5, bei dem der die Unterbrechungen umfassende Teil des Kreises durch eine einzige Schicht aus magnetischem Material gebildet wird.
  7. Magnetkreis nach einem der Ansprüche 4 und 5, bei dem der Unterbrechungen umfassende Teil des Kreises durch einen Stapel aus abwechselnd magnetischen (44) und isolierenden (46) Schichten gebildet wird.
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