JP4741152B2 - 磁場を測定する装置および磁場を測定する装置を作製する方法 - Google Patents

Description

【０００１】
この発明は、少なくとも一つの第一層アッセンブリと、少なくとも一つの第二層アッセンブリを用いて磁場を測定する装置に関し、前記第一層アッセンブリおよび前記第二層アッセンブリには、それぞれ硬磁性層と、この硬磁性層に接してトンネルバリヤとして働く層と、トンネルバリヤとして働くこの層に接する軟磁性層があり、これ等の層アッセンブリが電気抵抗を測定するブリッジ回路内に配置されている。更に、この発明は磁場を測定する装置を作製する方法にも関し、この方法では第一層アッセンブリと第二層アッセンブリが形成されていて、第一層アッセンブリおよび第二層アッセンブリにはそれぞれ硬磁性層と、この硬磁性層に接してトンネルバリヤとして働く層と、トンネルバリヤとして働く層に接する軟磁性層がある。
【０００２】
この種の装置およびこの種の方法は公知である。刊行物、ＩＮＦＯ ＰＨＹＳ ＴＥＣＨ． 第２４巻、１９９９年１０月、ＢＭＢＦ、ＶＤＩテクノロジーセンター物理的技術には、磁場を測定するこの種の装置をどのように使用できるかが開示されている。好ましい応用分野は、例えば運動を検知して計測することにあり、これは自動車産業や自動化技術でますます重要になっている。この「センサ技術」にはホールセンサが伝統的に使用されている（例えば、自動車でＡＢＳセンサ）。新しいセンサ構想は所謂ジャイヤント磁気抵抗効果（ＧＭＲ効果「ジャイヤント磁気抵抗」）を利用している。この効果は、電子がその量子化されたスピン状態により、磁性層を通過する時、これ等の層の磁化方向に応じて種々に強く散乱されることによる。平行に磁化されている場合には、散乱が反平行に配置された磁化の場合より少ない。このことにより、層アッセンブリが存在する外部磁場に応じて電気抵抗を変化させる。位置センサ技術に対する重要性は、外部磁場が移動部材（例えば、ロボットまたは直線運動する部材も）によって影響を受けることから生じ、この影響は層装置の電気抵抗に生じる。
【０００３】
一方の磁気層を測定層として他方の磁気層を基準層とするように層構造を選択するのが基本である。ＧＭＲ効果に基づく配置では、これ等の磁気層の間にある中間層が金属層である。この層構造で金属中間層を、例えばＡｌ_２Ｏ_３のような薄い電気絶縁層で置き換えると、金属性ＧＭＲ素子中の電流のように、トンネル電流をスイッチングできる磁気トンネル素子が得られる。ＴＭＲ素子の利点は、より大きな信号レベルと、能動領域に対する非常に小さな必要性にある。
【０００４】
抵抗値は計測すべき磁場の値および／または方向を推定するのに重要な量であるから、層アッセンブリの抵抗測定に対して大きな要請がなされている。抵抗値はホィーストンブリッジ回路で特に精密に測定できることが知られている。これは主として必要となる温度補償に起因する。更に、ホィーストンブリッジでは、ゼロ点の周りに対称な出力電圧を利用できる。ホィーストンブリッジの設計では、測定の良さに関して重要であるのは採用する抵抗の精度にある。固定抵抗は実用的に任意な正確さで決めることができる。しかし、ブリッジ回路に多数の層アッセンブリを挿入すると、その電気抵抗も正確に測定もしくは設定できる。
【０００５】
それ故、この発明の課題は、測定に関与する素子の電気特性が正確に既知であるかあるいは設定される、磁場測定装置およびその製作方法を提示することにある。
【０００６】
この課題は請求項１および請求項１２の特徴構成によって解決されている。
【０００７】
この発明は、第二層アッセンブリが、更に、軟磁性層に接する導電性の反強磁性層もしくは軟磁性層に接する導電性の人工反強磁性体を有する上記装置に基づいている。こうして、ホィーストンブリッジ回路に抵抗として使用される第二層アッセンブリは第一層アッセンブリと同様に設計できる。追加的な導電性の反強磁性層によって、第二層アッセンブリは、磁気に無反応となる。第二層アッセンブリのそのような「ピン止め」は磁気シールドに比べて著しい利点を持っている。磁気感度を低下させるためにも使用される後者は、マイクロメーターの範囲の厚い高μ層の被覆を必要とする。これは、部品を作製する場合に著しい難点となる。好ましくは、ブリッジ回路がホィーストンブリッジ回路であるとよい。
【０００８】
この発明の実施態様では、ホィーストンブリッジ回路の四つの抵抗を第一層アッセンブリまたは第二層アッセンブリとして設計し、その場合、少なくとも一つの層アッセンブリを第二層アッセンブリとして設計する。この種の「全ブリッジ」（full bridge）では、測定信号にもっと大きい変位を発生させることができる。
【０００９】
他の実施態様では、ホィーストンブリッジの一つの抵抗を第一層アッセンブリとして設計し、ホィーストンブリッジのもう一つの抵抗を第二層アッセンブリとして設計し、ホィーストンブリッジの別な二つの抵抗を固定抵抗として設計する。両方の固定抵抗は「半ブリッジ」（half bridge）のブリッジ出力信号に寄与しないので、ブリッジの達成可能な変位は減らないが、正確に選択できる固定抵抗によりブリッジのオフセット（ウェハを介した抵抗変動による印加磁場なしでの信号電圧）をより良く低減させることができる。
【００１０】
これはトンネル接点と関連して問題なく実現させることはできないが、層アッセンブリの硬磁性層が非導電性の反強磁性層であることが考えられる。従って、制御される外部磁場により僅かに影響されるだけの基準磁化を供給できる。
【００１１】
層アッセンブリの硬磁性層が非導電性の反強磁性層でピン止めされても有利である。硬磁性層は、こうしてトンネル接点に関して最良の特性を有するが、反強磁性体によるピン止めにより十分な逆磁場安定性が得られるので磁気的な影響が少ないように選択できる。
【００１２】
非導電性の反強磁性層はＮｉＯｘで構成されると好ましい。ＮｉＯｘは非導体として適している。何故なら、トンネル接点内では電流の流れは基板に垂直に進むからである。
【００１３】
他の実施態様では、非導電性の反強磁性層は人工反強磁性体で構成されている。人工反強磁性体（ＡＡＦ）は特に動作温度が高い時に良好な逆磁場安定性を与える。
【００１４】
その場合、人工的な反強磁性体がＣｕおよびＣｏまたはＲｕから成る層システムであると好ましい。Ｃｕ層の厚さを適当に選ぶことによりＣｏ層とＲｕ層の反平行配置が達成され、これは非常に大きな磁場でしか消去できない。更に生じる磁化が小さくなるようにＣｏ層またはＲｕ層の厚さを選べば、人工的な反強磁性体の選択磁化方向を外部磁場内で変化させることが難しい。
【００１５】
好ましくは、導電性の反強磁性層がＩｒＭｎからなるとよい。これにより、機能に必要な電気伝導度や、ピン止めに必要な反強磁性も同時に得られる。
【００１６】
トンネルバリヤがＡｌ₂Ｏ₃であると好ましい。そのような層は電気絶縁性であり、トンネル接点を形成するのに有利に形成されている。この層は好ましくは完全に化学量論的なＡｌ_２Ｏ_３であると好ましい。例えば、この層は硬磁性層上に薄いＡｌ層をスパッターさせて作製できる。次いで、スパッターで付着させたＡｌ層を約３０分間、約１０ミリバールの酸素雰囲気に曝す。その場合、ＵＶ輻射を発生させるため水銀低圧ランプを使用する。ＵＶ輻射は分子状の酸素を反応性の高い原子状の酸素とオゾンに変換させる。酸化は付着させたＡｌのできる限り全てが完全に酸化するように行われるべきである。Ａｌのプラズマ酸化も可能である。
【００１７】
この発明は、共通の方法でこれ等の層アッセンブリを同様に作製し、第二層アッセンブリ上に更に軟磁性層に接する導電性の反強磁性層もしくは軟磁性層に接する導電性で人工的な反強磁性体を配置する方法にある。この方法により、第一層アッセンブリと第二層アッセンブリが同じ抵抗値と同じ電気特性を有することが達成できる。従って、これ等の層アッセンブリはホィーストンブリッジ回路に採用するのに特に適している。
【００１８】
好ましくは、これ等の層アッセンブリを積層により作製するとよい。これは、この種の素子を作製するのに実証済みの方法である。
【００１９】
トンネル接点層システムと同時に付加的な導電性反強磁性層を設けると特に有利である。従って、層アッセンブリの製造プロセスは中断することなく行える。
【００２０】
次いで、仕上がった層アッセンブリは好ましくはブリッジ回路に結線されるとよい。
【００２１】
この発明は、磁場測定がブリッジ回路に関連して磁気層上に導電性の反強磁性層を付加的に取り付けて特に精密に行えるという驚異的な認識に基づいている。その根拠は、取り分け、同じ電気特性の同じ層アッセンブリを基準素子にも磁場感度素子にも使用できる点にある。これは、方法に関しても特に有利である。何故なら、異なる層アッセンブリの付加的な導電性の反強磁性層が同じ作製プロセス内で製造できるからである。
【００２２】
ここで、添付図面を参照し、実施例に基づきこの発明を例示的に説明する。
図１は、この発明による装置に対する第一層アッセンブリを示す。
図２は、この発明による装置に対する第二層アッセンブリを示す。
図３は、この発明による装置を示す。
【００２３】
図１には、この発明による装置の第一層アッセンブリ８が示してある。基板１２の上には、非導電性もしくは導電性の反強磁性層１４、例えば人工的な反強磁性体が配置されている。この層１４は、例えばＮｉＯ_ｘもしくはＩｒＭｎで形成できる。この層の上には硬磁性層１６がある。これには、トンネルバリヤとして働く、例えばＡｌ₂Ｏ₃から成る層１８が続く。最後に、トンネルバリヤとして働く層１８の上には、軟磁性層２０が配置されている。
【００２４】
図２には、この発明による装置内で使用する第二層アッセンブリ１０が示してある。層の配列は、第二層アッセンブリ１０に関して更に軟磁性層２０の上に、例えばＩｒＭｎから成る導電性の反強磁性層２２が配置されることまでは同じである。
【００２５】
軟磁性層２０を含めて、図１と図２の層アッセンブリ８，１０は、同一方法で作製できる。更に、層アッセンブリ８，１０は、特に電気特性に関して層２０まで同一である。
【００２６】
図３には、磁場に依存する抵抗を測定するホィーストンブリッジ２４が示してある。この場合、「半ブリッジ」が重要である。即ち、抵抗Ｒ₃とＲ₄は固定抵抗である。他方、抵抗Ｒ₁とＲ₂は層アッセンブリである。例えば抵抗Ｒ₁に対して図１の層アッセンブリ８を、また抵抗Ｒ₂に対して同じ製造方法で作製される図２の層アッセンブリ１０を選ぶと、抵抗の精密測定、従って磁場の精密測定を実施できる。
【００２７】
上記の説明、図面および請求項に開示するこの発明の特徴構成は、個々にもまた任意の組み合わせでもこの発明を実現するのに重要である。
【図面の簡単な説明】
【図１】 この発明による装置に対する第一層アッセンブリを示す層構成図である。
【図２】 この発明による装置に対する第二層アッセンブリを示す層構成図である。
【図３】 この発明による装置を示す回路図である。

Claims (13)

1. 少なくとも一つの外部磁場に応じて電気抵抗が変化する第一層アッセンブリ（８）と
   少なくとも一つの第二層アッセンブリ（１０）とを備え、
   第一層アッセンブリ（８）および第二層アッセンブリ（１０）がそれぞれ硬磁性層（１６）と、この硬磁性層に接しトンネルバリヤとして働く層（１８）と、トンネルバリヤとして働く層（１８）に接する軟磁性層（２０）を有し、
   これら層アッセンブリ（８，１０）が電気抵抗を測定するブリッジ回路（２４）に配置されている、磁場を測定する装置において、
   第二層アッセンブリ（１０）が、更に、軟磁性層（２０）に接する導電性の反強磁性層（２２）もしくは軟磁性層（２０）に接する導電性の人工反強磁性体を有し、これにより第二層アッセンブリ（１０）が磁気に無反応とされている、ことを特徴とする磁場を測定する装置。
2. ブリッジ回路（２４）はホィーストンブリッジ回路である、ことを特徴とする請求項１に記載の磁場を測定する装置。
3. ホィーストンブリッジ回路（２４）の四つの抵抗は第一層アッセンブリ（８）または第二層アッセンブリ（１０）として設計され、少なくとも一つの層アッセンブリが第二層アッセンブリ（１０）として設計されている、ことを特徴とする請求項１または２に記載の磁場を測定する装置。
4. ホィーストンブリッジの一つの抵抗（Ｒ₁）を第一層アッセンブリ（８）として設計し、
   ホィーストンブリッジ回路（２４）のもう一つの抵抗（Ｒ₂）を第二層アッセンブリ（１０）として設計し、
   ホィーストンブリッジ回路（２４）の別の二つの抵抗（Ｒ₃，Ｒ₄）は固定抵抗として設計されている、
   ことを特徴とする請求項１または２に記載の磁場を測定する装置。
5. 層アッセンブリ（８，１０）の硬磁性層（１６）は非導電性の反強磁性層（１４）でピン止められている、ことを特徴とする請求項１〜４の何れか１項に記載の磁場を測定する装置。
6. 非導電性の反強磁性層（１４）はＮｉＯｘで形成されている、ことを特徴とする請求項５に記載の磁場を測定する装置。
7. 非導電性の反強磁性層（１４）は人工反強磁性体で形成されていることを特徴とする請求項５に記載の磁場を測定する装置。
8. 導電性の反強磁性層（２２）はＩｒＭｎで形成されている、ことを特徴とする請求項１〜７の何れか１項に記載の磁場を測定する装置。
9. トンネルバリヤとして働く層（１８）はＡｌ₂Ｏ₃で形成されている、ことを特徴とする請求項１〜８の何れか１項に記載の磁場を測定する装置。
10. 少なくとも一つの外部磁場に応じて電気抵抗が変化する第一層アッセンブリ（８）および
    少なくとも一つの第二層アッセンブリ（１０）を作製し、
    第一層アッセンブリ（８）および第二層アッセンブリ（１０）がそれぞれ硬磁性層（１６）と、この硬磁性層に接しトンネルバリヤとして働く層（１８）と、トンネルバリヤとして働く層（１８）に接する軟磁性層（２０）を有する、
    磁場を測定する装置を作製する方法において、
    これら層アッセンブリ（８，１０）が共通の方法で同様に作製され、
    第二層アッセンブリ（１０）が磁気に無反応とされるように、第二層アッセンブリ（１０）の上に、更に軟磁性層（２０）に接する一つの導電性の反強磁性層（２２）もしくは軟磁性層（２０）に接する一つの導電性の反強磁体を配置する、
    ことを特徴とする磁場を測定する装置を作製する方法。
11. 層アッセンブリ（８，１０）は、積層により作製される、ことを特徴とする請求項１０に記載の磁場を測定する装置を作製する方法。
12. 付加的な導電性の反強磁性層（２２）は、前記積層と同時に設けられることを特徴とする請求項１１に記載の磁場を測定する装置を作製する方法。
13. 仕上がったこれ等の層アッセンブリ（８，１０）はブリッジ回路（２４）の中に結線される、ことを特徴とする請求項１１または１２に記載の磁場を測定する装置を作製する方法。

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