DE10155423A1 - Homogeneous magnetization of magneto-resistive component exchange-coupled layer systems involves varying relative direction of layer magnetization and saturating field - Google Patents
Homogeneous magnetization of magneto-resistive component exchange-coupled layer systems involves varying relative direction of layer magnetization and saturating fieldInfo
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur homogenen Magnetisierung eines austauschgekoppelten Schichtsystems eines magneto-resistiven Bauelements, insbesondere eines Sensor- oder Logikelements umfassend ein AAF-Schichtsystem und eine eine Schicht des AAF-Schichtsystems austauschkoppelnde antiferromagnetische Schicht. The invention relates to a method for homogeneous Magnetization of an exchange-coupled layer system magneto-resistive component, in particular a sensor or logic elements comprising an AAF layer system and one one layer of the AAF layer system antiferromagnetic layer.
Derartige Bauelemente werden z. B. in Form von Sensorelementen beispielsweise als Magnetfelddetektoren eingesetzt. Ein zentraler Bestandteil bei allen magneto-resistiven Bauelementen ist das Referenzschichtsystem, das als AAF-System (AAF = artifical anti ferromagnetic) ausgebildet ist. Ein derartiges AAF-System ist aufgrund seiner hohen magnetischen Steifigkeit und der relativ geringen Kopplung zum Messschichtsystem durch den sogenannten Orange-Peel-Effekt und/oder durch makroskopische magnetostatische Kopplungsfelder von Vorteil. Ein AAF- System besteht in der Regel aus einer ersten Magnetschicht oder einem Magnetschichtsystem, einer antiferromagnetischen Kopplungsschicht und einer zweiten magnetischen Schicht oder einem magnetischen Schichtsystem, das mit seiner Magnetisierung über die antiferromagnetische Kopplungsschicht entgegengesetzt zur Magnetisierung der unteren Magnetschicht gekoppelt wird. Ein solches AAF-System kann z. B. aus zwei magnetischen Co-Schichten und einer antiferromagnetischen Kopplungsschicht aus Cu gebildet werden. Such components are such. B. in the form of sensor elements used for example as magnetic field detectors. On central component of all magneto-resistive components is the reference layer system, which is known as the AAF system (AAF = artifical anti ferromagnetic). Such a thing AAF system is due to its high magnetic rigidity and the relatively low coupling to the measuring layer system the so-called orange peel effect and / or through Macroscopic magnetostatic coupling fields are an advantage. An AAF System usually consists of a first magnetic layer or a magnetic layer system, an antiferromagnetic Coupling layer and a second magnetic layer or a magnetic layer system, which with its Magnetization via the antiferromagnetic coupling layer opposite to the magnetization of the lower magnetic layer is coupled. Such an AAF system can e.g. B. from two magnetic co-layers and an antiferromagnetic Coupling layer can be formed from Cu.
Um die Steifigkeit des AAF-Systems, also seine Resistenz gegen externe äußere Felder zu verbessern ist es üblich, an der dem Messschichtsystem abgewandten Magnetschicht des AAF- Systems eine antiferromagnetische Schicht anzuordnen. Über diese antiferromagnetische Schicht wird die direkt benachbarte Magnetschicht in ihrer Magnetisierung zusätzlich gepinnt, so dass das AAF-System insgesamt härter wird (exchange pinning oder exchange biasing). About the rigidity of the AAF system, i.e. its resistance against external external fields it is common to improve on the magnetic layer of the AAF facing away from the measuring layer system Systems to arrange an antiferromagnetic layer. about this antiferromagnetic layer becomes the direct one neighboring magnetic layer additionally pinned in its magnetization, making the AAF system harder overall (exchange pinning or exchange biasing).
Die magnetische Steifigkeit des AAF-System korrespondiert mit der Amplitude des angelegten externen Feldes, das zum Drehen der Magnetisierungen der beiden ferromagnetischen Schichten in die gleiche Richtung, also zur Parallelstellung erforderlich ist. Hierüber wird das magnetische Fenster für Winkelsensoranwendungen eines solchen Sensorsystems begrenzt. The magnetic stiffness of the AAF system corresponds to the amplitude of the applied external field, which is used for turning the magnetizations of the two ferromagnetic layers in the same direction, i.e. parallel is required. This is the magnetic window for Angle sensor applications of such a sensor system limited.
Ziel ist es dabei stets, die magnetischen Schichten des AAF- Schichtsystems, das z. B. neben der eingangs genannten Materialkombination auch aus zwei ferromagnetischen CoFe-Schichten und einer dazwischen gebrachten Ru-Schicht bestehen kann, so homogen wie möglich zu magnetisieren, im Idealfall mit einer einzigen homogenen Magnetisierungsrichtung. Die Magnetisierung bei dem in Rede stehenden Bauelement mit dem AAF- Schichtsystem und der zusätzlichen austauschkoppelnden bzw. pinnenden antiferromagnetischen Kopplungsschicht, z. B. aus IrMn, erfolgt derart, dass nach Erzeugen des Schichtstapels der Schichtstapel auf eine Temperatur größer als die blocking-Temperatur der antiferromagnetischen Schicht, also z. B. des IrMn erwärmt wird, wobei währenddessen ein starkes, die beiden magnetischen Schichten des AAF-Schichtsystems sättigendes Magnetfeld anliegt. Dies führt zu einer Ausrichtung der Magnetschichtmagnetisierungen, und aufgrund der Kopplungen auch der Magnetisierung der antiferromagnetischen Schicht. Anschließend wird die Temperatur wieder erniedrigt. Wird nun das externe Einstellmagnetfeld ebenfalls zurückgenommen, so beginnt die Magnetisierung der Magnetschicht, die nicht an die antiferromagnetische Schicht gekoppelt ist, sich aufgrund der AAF-Systemkopplung zu drehen. The aim is always to remove the magnetic layers of the AAF Layer system that z. B. in addition to the above Material combination also from two ferromagnetic CoFe layers and an intermediate Ru layer can exist, so magnetize as homogeneously as possible, ideally with a single homogeneous magnetization direction. The Magnetization of the component in question with the AAF Layer system and the additional exchange coupling or pinning antiferromagnetic coupling layer, e.g. B. from IrMn takes place in such a way that after the layer stack has been generated the layer stack to a temperature greater than that blocking temperature of the antiferromagnetic layer, e.g. B. of the IrMn is heated, during which time a strong, the two magnetic layers of the AAF layer system saturating magnetic field. This leads to alignment the magnetic layer magnetizations, and due to the Couplings also the magnetization of the antiferromagnetic Layer. The temperature is then lowered again. Now the external setting magnetic field too withdrawn, the magnetization of the magnetic layer begins is not coupled to the antiferromagnetic layer due to the AAF system coupling.
Hierbei bilden sich jedoch eine Vielzahl von sogenannten 360°-Wänden in der Magnetisierung der Schicht aus. Diese 360°-Wände, die sich im Rahmen der Durchführung einer Domänenbeobachtung als gewundene, schlängelnde Linien zeigen, bringen eine Reihe von Nachteilen mit sich. So ist beispielsweise das über das Bauelement abgreifbare Signal, beispielsweise ein TMR-Signal bei einem TMR-Bauelement (TMR = tunnel magneto resistive) reduziert. Auch ist das Ummagnetisierungsverhalten der über eine entkoppelnde Schicht, z. B. aus Al2O3, vom AAF-Schichtsystem getrennten Messschicht, z. B. aus Permalloy aufgrund der Streufelder, die über die 360°-Wände, in denen sich die Magnetisierung einmal um 360° dreht, ungünstiger. However, a large number of so-called 360 ° walls form in the magnetization of the layer. These 360 ° walls, which show up as winding, meandering lines when performing a domain observation, have a number of disadvantages. For example, the signal that can be tapped via the component, for example a TMR signal in the case of a TMR component (TMR = tunnel magnetoresistive), is reduced. The magnetic reversal behavior of a decoupling layer, for. B. from Al 2 O 3 , separated from the AAF layer system, z. B. from Permalloy due to the stray fields over the 360 ° walls, in which the magnetization rotates once through 360 °, less favorable.
Der Erfindung liegt damit das Problem zugrunde, ein Verfahren anzugeben, das eine homogene Magnetisierung unter weitgehendster Vermeidung der nachteiligen 360°-Wände ermöglicht. The invention is therefore based on the problem of a method indicate that a homogeneous magnetization under largely avoid the disadvantageous 360 ° walls.
Zur Lösung dieses Problems ist bei einem Verfahren der eingangs genannten Art erfindungsgemäß vorgesehen, dass bei festgelegter Richtung der Magnetisierung der antiferromagnetischen Schicht die magnetischen Schichten des AAF-Schichtsystems in einem Magnetfeld gesättigt und anschließend die Lage der Richtung der Magnetisierung der antiferromagnetischen Schicht und der Richtung des sättigenden Magnetfelds relativ zueinander geändert wird, so dass sie unter einem Winkel α von 0° < α < 180° zueinander stehen, wonach das sättigende Magnetfeld abgeschaltet wird. One method to solve this problem is initially mentioned type provided according to the invention that at fixed direction of magnetization of the antiferromagnetic layer the magnetic layers of the AAF layer system saturated in a magnetic field and then the Location of the direction of magnetization of the antiferromagnetic layer and the direction of the saturating magnetic field is changed relative to each other so that it is under one Angle α of 0 ° <α <180 ° to each other, after which the saturating magnetic field is switched off.
Die Erfindung schlägt mit besonderem Vorteil vor, die Magnetisierung der antiferromagnetischen Pin-Schicht, die aufgrund der sehr starken Austauschkopplung zur daran angrenzenden magnetischen Schicht des AAF-Schichtsystems deren Magnetisierung festhält, und die Richtung des Magnetfelds unter einen Winkel < 180° und > 0° zu bringen, und anschließend das Magnetfeld abzuschalten. Aufgrund der bereits erfolgten Festlegung der Magnetisierungsrichtung der antiferromagnetischen Schicht wird nun die Magnetisierung der angrenzenden magnetischen Schicht des AAF-Systems automatisch in die gleiche Richtung drehen. Aufgrund der Kopplung der zweiten magnetischen Schicht des AAF-Systems über die dazwischen geordnete Kopplungsschicht dreht nun die Magnetisierung der zweiten magnetischen Schicht in die entgegengesetzte Richtung. Aufgrund der Stellung der Richtung der antiferromagnetischen Schichtmagnetisierung und des vorher noch anliegenden sättigenden Magnetfelds zueinander, muss nun jedoch nicht eine Drehung um 180° stattfinden, sondern lediglich um einen deutlich kleineren Winkel. Denn aufgrund der Winkelstellung und des vorher noch anliegenden sättigenden Magnetfelds steht die noch gesättigte Magnetisierung beider magnetischer AAF- Schichten nicht unter einem Winkel von 0 oder 180° zur Magnetisierung der antiferromagnetischen Schicht, sondern unter einem Zwischenwinkel. Lediglich um diesen Zwischenwinkel muss nun die Magnetisierung der zweiten magnetischen AAF-Schicht gedreht werden. Die Magnetisierung wird also bevorzugt ausschließlich in diese eine Richtung, die den kürzeren Drehweg aufweist und folglich ein energetisch günstigeres Drehen zulässt, drehen. Infolgedessen ist ein Zerfallen der Magnetisierung bzw. die Bildung der 360°-Wände ausgeschlossen, die sich primär dann bilden, wenn die Magnetisierung um 180° drehen muss, da in diesem Fall eine Drehung in zwei Richtungen, nämlich von 180° auf 0° bzw. von 180° auf 360° (letztlich nach "links" und "rechts") möglich ist, was zur Wandbildung führt. Durch die Einstellung der Magnetisierungsrichtungen wird also eine Vorzugs-Drehrichtung definiert, in welche die Schichtmagnetisierung dreht, was vorteilhaft zur Vermeidung der 360°-Wände führt. The invention proposes with particular advantage that Magnetization of the antiferromagnetic pin layer due to the very strong exchange coupling to the adjacent one magnetic layer of the AAF layer system Magnetization holds, and the direction of the magnetic field under one Bring angles <180 ° and> 0 °, and then that Switch off magnetic field. Because of the already done Determination of the magnetization direction of the antiferromagnetic Layer is now the magnetization of the adjacent magnetic layer of the AAF system automatically into the same Turn direction. Because of the coupling of the second magnetic layer of the AAF system over the ordered in between Coupling layer now turns the magnetization of the second magnetic layer in the opposite direction. Due to the position of the direction of the antiferromagnetic Layer magnetization and the one previously applied saturating magnetic field to each other, but does not have to Rotation by 180 °, but only by one significantly smaller angle. Because of the angular position and of the saturating magnetic field still present is the still saturated magnetization of both magnetic AAF Do not layer at an angle of 0 or 180 ° to the Magnetization of the antiferromagnetic layer, but under an intermediate angle. Only at this intermediate angle now the magnetization of the second magnetic AAF layer be rotated. Magnetization is therefore preferred only in this one direction, which is the shorter rotation and consequently an energetically more favorable turning allows to rotate. As a result, disintegration is the Magnetization or the formation of the 360 ° walls excluded that form primarily when the magnetization is 180 ° has to turn, because in this case a turn in two directions, namely from 180 ° to 0 ° or from 180 ° to 360 ° (ultimately to "left" and "right") is possible, resulting in wall formation leads. By setting the magnetization directions a preferred direction of rotation is defined in which the Layer magnetization rotates, which is advantageous for avoiding of the 360 ° walls.
Zweckmäßigerweise sollte ein Winkel α von 60° bis 120°, insbesondere von 90° eingestellt werden. Im Falle eines Winkels von 90° muss sowohl die über die antiferromagnetische Schicht gepinnte Magnetisierung der benachbarten AAF-Schicht um 90° drehen, die Magnetisierung der zweiten magnetischen Schicht muss ebenfalls um 90°, jedoch in die andere Richtung drehen. Der Weg ist insgesamt für beide Magnetisierungen relativ kurz, so dass sich eine homogene Magnetisierung einstellt. An angle α should expediently be from 60 ° to 120 °, in particular 90 °. In the case of an angle must be 90 ° both over the antiferromagnetic layer pinned magnetization of the adjacent AAF layer by 90 ° turn, the magnetization of the second magnetic layer must also turn 90 °, but in the other direction. Overall, the path is relative for both magnetizations short, so that a homogeneous magnetization occurs.
Zum Einstellen des Winkels sind mehrere Möglichkeiten im Rahmen der Magnetisierung denkbar. Zum einen kann das Bauelement bezüglich des feststehenden Magnetfelds gedreht werden, alternativ dazu besteht die Möglichkeit, das Magnetfeld bezüglich des feststehenden Bauelements zu bewegen. Schließlich können auch beide bezüglich einander bewegt werden. There are several ways to set the angle Magnetization conceivable. Firstly, the component be rotated with respect to the fixed magnetic field, alternatively there is the possibility of using the magnetic field to move with respect to the fixed component. Finally both can be moved in relation to each other.
Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren ist es möglich, bereits bei der erstmaligen Magnetisierung eines Bauelements die Bildung von 360°-Wänden zu vermeiden. Zu diesem Zweck wird zur Einstellung der Magnetisierung der antiferromagnetischen Schicht die Temperatur über die blocking-Temperatur der Schicht erhöht, wobei das sättigende Magnetfeld während der Temperaturerhöhung anliegt, wonach die Temperatur erniedrigt wird und die Einstellung der Magnetisierung des Schichtsystems erfolgt. Hierbei wird also gleichzeitig die Sättigung der magnetischen Schichten des AAF-Systems und die Einstellung der Magnetisierung der antiferromagnetischen Schicht vorgenommen, die, da die Temperatur über der blocking-Temperatur liegt, sich der Magnetisierungsrichtung der benachbarten magnetischen Schicht des AAF-Systems anpasst. Anschließend wird die Temperatur erniedrigt, so dass die Magnetisierung der antiferromagnetischen Schicht nach Unterschreiten der blocking-Temperatur quasi eingefroren wird. Anschließend erfolgt die Drehung des Bauelements und/oder des Magnetfelds zur Einstellung des Winkels α bei nach wie vor anliegendem Magnetfeld, wonach diese abgeschalten wird und die Magnetisierungen der beiden magnetischen Schichten des AAF-Systems in die beiden unterschiedlichen Richtungen drehen. With the method according to the invention it is already possible the first time a component is magnetized Avoid formation of 360 ° walls. For this purpose Setting the magnetization of the antiferromagnetic Layer the temperature over the blocking temperature of the Layer increased, the saturating magnetic field during the Temperature increase is applied, after which the temperature lowers and the adjustment of the magnetization of the Layer system takes place. Here, the saturation becomes the magnetic layers of the AAF system and the Setting the magnetization of the antiferromagnetic layer made that because the temperature is above the blocking temperature, the direction of magnetization of the adjusts the adjacent magnetic layer of the AAF system. The temperature is then lowered so that the Magnetization of the antiferromagnetic layer after falling below the blocking temperature is virtually frozen. Subsequently the component and / or the magnetic field are rotated to adjust the angle α when still applied Magnetic field, after which it is switched off and the Magnetization of the two magnetic layers of the AAF system turn in the two different directions.
Gleichermaßen ist es mit dem erfindungsgemäßen Verfahren aber auch möglich, ein bereits magnetisiertes Bauelement, das 360°-Wände aufweist, also inhomogen magnetisiert ist, nachträglich zu homogenisieren. Zu diesem Zweck wird die Magnetisierung des AAF-Schichtsystems in einem ausreichend hohen Magnetfeld gesättigt, ohne dass vorher die Temperatur erhöht wird. Nach Sättigung wird das System bezüglich des Magnetfelds gedreht, z. B. um 90° zur ursprünglichen Sättigungsrichtung der antiferromagnetischen Schicht, wobei diese zweckmäßigerweise vorher parallel zum externen Sättigungsmagnetfeld ausgerichtet wurde bzw. das Bauelement entsprechend positioniert wurde. Nach dem Drehen wird das externe Magnetfeld zurückgefahren, so dass die Schichtmagnetisierungen, die trotz der Drehung aufgrund der Sättigung in Richtung des externen Magnetfelds lagen, um die entsprechenden Winkelabschnitte zurückzudrehen. It is the same with the method according to the invention also possible an already magnetized component that Has 360 ° walls, i.e. is magnetized inhomogeneously, to homogenize afterwards. For this purpose the Magnetization of the AAF layer system in a sufficiently high Magnetic field saturated without the temperature rising beforehand becomes. After saturation, the system is Magnetic field rotated, e.g. B. 90 ° to the original Direction of saturation of the antiferromagnetic layer, this expediently beforehand parallel to the external saturation magnetic field was aligned or the component accordingly was positioned. After turning, the external magnetic field retracted so that the layer magnetizations that despite the rotation due to the saturation towards the external Magnetic field were around the corresponding angular sections to turn back.
Neben dem Verfahren betrifft die Erfindung ferner ein magneto-resistives Bauelement, insbesondere ein Sensor- oder Logikelement, das verfahrensgemäß magnetisiert wurde. In addition to the method, the invention further relates to a magneto-resistive component, in particular a sensor or Logic element magnetized according to the process.
Weiterhin betrifft die Erfindung eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens, umfassend eine Aufnahme für ein mindestens ein magneto-resistives Bauelement aufweisendes Substrat sowie eine Magnetfelderzeugungseinrichtung. Die Vorrichtung zeichnet sich dadurch aus, dass die Aufnahme und die Magnetfelderzeugungseinrichtung bezüglich einander drehbar sind. Nach einer ersten Erfindungsausgestaltung kann die Aufnahme ein Drehteller und die Magnetfeldererzeugungseinrichtung feststehend sein, d. h. hier wird das Substrat, an dem naturgemäß eine Vielzahl von Bauelementen ausgebildet sind, bezüglich des feststehenden Magnetfelds gedreht. Alternativ kann die Aufnahme feststehend und die Magnetfelderzeugungseinrichtung drehbar sein. Furthermore, the invention relates to a device for Implementation of the procedure, including an admission for a having at least one magneto-resistive component Substrate and a magnetic field generating device. The The device is characterized in that the recording and the Magnetic field generating device rotatable with respect to each other are. After an initial design of the invention, the Recording a turntable and the Magnetic field generating device to be stationary, i. H. here is the substrate on which naturally a large number of components are formed, rotated with respect to the fixed magnetic field. alternative the recording can be fixed and the Magnetic field generating device can be rotated.
Besonders vorteilhaft ist es, wenn die Aufnahme, gegebenenfalls der Drehteller beheizbar ist, um das Substrat möglichst schnell auf eine Temperatur oberhalb der blocking-Temperatur zu erwärmen, wenn dies erforderlich ist. It is particularly advantageous if the recording, optionally the turntable is heated to the substrate as possible quickly to a temperature above the blocking temperature to heat if necessary.
Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus den im folgenden beschriebenen Ausführungsbeispiel sowie anhand der Zeichnungen. Dabei zeigen: Further advantages, features and details of the invention result from those described below Embodiment and with reference to the drawings. Show:
Fig. 1 eine Prinzipskizze eines erfindungsgemäßen Bauelements während des Aufmagnetisierens mit einer oberhalb der blocking-Temperatur liegenden Temperatur bei anliegendem sättigendem Magnetfeld, Fig. 1 is a schematic diagram of a device according to the invention during the Aufmagnetisierens with a temperature above the blocking temperature temperature with applied saturating magnetic field,
Fig. 2 das Bauelement aus Fig. 1 nach einer Drehung bei feststehendem sättigendem Magnetfeld und vorangegangener Temperaturerniedrigung, Fig. 2 shows the device of FIG. 1 after a rotation with a fixed saturating magnetic field and previous temperature reduction,
Fig. 3 das Bauelement aus Fig. 2 nach Abschalten des Magnetfelds, Fig. 3 shows the device of FIG. 2 after switching off the magnetic field,
Fig. 4 eine Prinzipskizze einer erfindungsgemäßen Vorrichtung einer ersten Ausführungsform, und Fig. 4 is a schematic diagram of an inventive device of a first embodiment, and
Fig. 5 eine Prinzipskizze einer erfindungsgemäßen Vorrichtung einer zweiten Ausführungsform. Fig. 5 is a schematic diagram of an inventive device of a second embodiment.
Fig. 1 zeigt ein erfindungsgemäßes magneto-resistives Bauelement 1. Dieses besteht aus einem sogenannten Referenzschichtsystem 2, das über eine Entkopplungsschicht 3, z. B. Al2O3 von einem weichmagnetischen Messschichtsystem 4 entkoppelt ist. Das Referenzschichtsystem 2 selbst ist auf einem Substrat 5 aufgebaut. Es besteht aus einem AAF-Schichtsystem 6, bestehend aus einer unteren ferromagnetischen Schicht 7, einer oberen ferromagnetischen Schicht 8 und einer zwischen diesen angeordneten, antiparallel koppelnden Kopplungsschicht 9. Die ferromagnetischen Schichten können z. B. aus Co oder CoFe sein, die antiparallel koppelnde Kopplungsschicht kann aus Cu oder aus Ru sein. Der Aufbau eines solchen AAF-Schichtsystems ist hinlänglich bekannt. Fig. 1 shows an inventive magnetoresistive element 1. This consists of a so-called reference layer system 2 , which via a decoupling layer 3 , for. B. Al 2 O 3 is decoupled from a soft magnetic measuring layer system 4 . The reference layer system 2 itself is built on a substrate 5 . It consists of an AAF layer system 6 , consisting of a lower ferromagnetic layer 7 , an upper ferromagnetic layer 8 and an anti-parallel coupling layer 9 arranged between them. The ferromagnetic layers can e.g. B. from Co or CoFe, the antiparallel coupling coupling layer can be made of Cu or Ru. The structure of such an AAF layer system is well known.
Das Referenzschichtsystem 2 umfasst ferner eine unterhalb der unteren ferromagnetischen Schicht 7 vorgesehene antiferromagnetische Schicht 10, z. B. aus Ni, FeMn, IrMn, NiMn, PtMn, CrPtMn, RhMn oder PdMn. Die antiferromagnetische Schicht 10 koppelt die Magnetisierung der darüber befindlichen unteren ferromagnetischen Schicht 7, d. h. diese richtet sich parallel zu den magnetischen Momenten der antiferromagnetischen Schicht im Grenzflächenbereich aus. Hierdurch wird durch exchange biasing die Magnetisierung der ferromagnetischen Schicht 7 gepinnt. Auch diese Funktion bzw. dieser Aufbau ist hinlänglich bekannt. The reference layer system 2 further comprises an antiferromagnetic layer 10 provided below the lower ferromagnetic layer 7 , e.g. B. from Ni, FeMn, IrMn, NiMn, PtMn, CrPtMn, RhMn or PdMn. The antiferromagnetic layer 10 couples the magnetization of the lower ferromagnetic layer 7 located above it, ie this is aligned parallel to the magnetic moments of the antiferromagnetic layer in the interface area. As a result, the magnetization of the ferromagnetic layer 7 is pinned by exchange biasing. This function or structure is also well known.
Zum Einstellen der Magnetisierung der magnetischen Schichten 7 und 8 und auch der Magnetisierung der antiferromagnetischen Schicht 10 wird das Bauelement, das hier nur in Form einer Prinzipskizze als Ausschnitt gezeigt ist, und das normalerweise an einem großflächigen Wafer mit einer Vielzahl weiterer Bauelemente ausgebildet ist, auf eine Temperatur T oberhalb der blocking-Temperatur Tblocking der antiferromagnetischen Schicht 10 erwärmt. Bei einer Temperatur oberhalb der blocking-Temperatur verliert die antiferromagnetische Schicht ihre antiferromagnetischen Eigenschaften. Die magnetischen Momente der Schicht können durch ein externes Magnetfeld ausgerichtet werden. Ein solches externes Magnetfeld H wird angelegt, wobei dieses größer ist als das Sättigungsmagnetfeld HS das benötigt wird, um die Magnetisierungen der magnetischen Schichten 7, 8 zu sättigen. Ersichtlich richten sich die Magnetisierungen der Schichten 7, 8, die durch die langen Pfeile dargestellt sind, parallel zum externen Feld aus, auch die magnetischen Momente der antiferromagnetischen Schicht 10 richten sich entsprechend aus, wobei die grenzflächennahen Momente, die im Grenzflächenbereich zur magnetischen Schicht 7 liegen, parallel dazu koppeln. In order to set the magnetization of the magnetic layers 7 and 8 and also the magnetization of the antiferromagnetic layer 10 , the component, which is shown here only as a cut-out in the form of a schematic diagram, and which is normally formed on a large-area wafer with a large number of further components a temperature T above the blocking temperature T blocking of the antiferromagnetic layer 10 is heated. At a temperature above the blocking temperature, the antiferromagnetic layer loses its antiferromagnetic properties. The magnetic moments of the layer can be aligned by an external magnetic field. Such an external magnetic field H is applied, which is larger than the saturation magnetic field H S that is required to saturate the magnetizations of the magnetic layers 7 , 8 . As can be seen, the magnetizations of the layers 7 , 8 , which are represented by the long arrows, are aligned parallel to the external field, and the magnetic moments of the antiferromagnetic layer 10 are also aligned accordingly, the moments near the interface occurring in the interface area with the magnetic layer 7 lie, couple in parallel.
Anschließend wird die Temperatur erniedrigt, so dass sie unterhalb der blocking-Temperatur Tblocking ist. Bei Unterschreiten der blocking-Temperatur geht die antiferromagnetische Schicht 10 wieder in den antiferromagnetischen Zustand über, die Magnetisierung wird "eingefroren". Das externe Magnetfeld liegt jedoch nach wie vor sättigend an. The temperature is then lowered so that it is below the blocking temperature T blocking . If the blocking temperature is undershot, the antiferromagnetic layer 10 returns to the antiferromagnetic state, and the magnetization is "frozen". However, the external magnetic field is still saturated.
Wie Fig. 2 zeigt erfolgt anschließend eine Drehung um einen Winkel α, wobei α in diesem Fall 90° beträgt. Ersichtlich bleibt die Magnetisierung der antiferromagnetischen Schicht 10 in der vormals eingestellten Richtung, d. h. sie ändert sich trotz des nach wie vor anliegenden externen sättigenden Magnetfelds H nicht. Der Winkel α ist der Winkel, den die Magnetisierungsrichtung der Schicht 10 zum externen Magnetfeld H einnimmt, wie in Fig. 2 eingezeichnet ist. As shown in FIG. 2, there is then a rotation by an angle α, where α is 90 ° in this case. The magnetization of the antiferromagnetic layer 10 remains visible in the previously set direction, ie it does not change despite the external saturating magnetic field H which is still present. The angle α is the angle that the direction of magnetization of the layer 10 makes to the external magnetic field H, as shown in FIG. 2.
Anders als die feststehende Magnetisierung der antiferromagnetischen Schicht 10 drehen sich bei einer Drehung des Bauelements bezüglich des feststehenden externen Magnetfelds die Magnetisierungen der magnetischen Schichten 7 und 8 während der Drehung, d. h. sie verbleiben nach wie vor parallel zum externen Magnetfeld H, wie Fig. 2 deutlich zeigt. Sie stehen also unter einem Winkel zur Richtung der Magnetisierung der antiferromagnetischen Schicht 10, wobei der Winkel ebenfalls α = 90° beträgt. In contrast to the fixed magnetization of the antiferromagnetic layer 10 , when the component rotates with respect to the fixed external magnetic field, the magnetizations of the magnetic layers 7 and 8 rotate during the rotation, that is to say they remain clearly parallel to the external magnetic field H, as shown in FIG. 2 shows. They are therefore at an angle to the direction of magnetization of the antiferromagnetic layer 10 , the angle also being α = 90 °.
Nachfolgend wird, siehe Fig. 3, das externe Magnetfeld abgeschalten. Dies führt dazu, dass in den beiden magnetischen Schichten 7 und 8 unterschiedlich gerichtete Drehprozesse stattfinden. Während sich die Magnetisierung der unteren magnetischen Schicht 7, die benachbart zur antiferromagnetischen Schicht 10 liegt, im gezeigten Beispiel nach rechts und damit parallel zu den grenzflächennahen Momenten der antiferromagnetischen Schicht 10 einstellt, was durch die starke Austauschkopplung zwischen beiden Schichten bedingt ist, dreht die Magnetisierung der magnetischen Schicht 8 aufgrund der Kopplungseigenschaften der Kopplungsschicht 9 in die entgegengesetzte Richtung. In Fig. 3 sind jeweils die Ausgangsstellungen der Magnetisierungen gestrichelt gezeigt, wie sie aus Fig. 2 bekannt sind, die durchgezogenen Pfeile geben die jeweilige Endstellung nach erfolgter Drehung wieder. Ersichtlich drehen beide Magnetisierungen lediglich um einen relativ kleinen Winkel, nämlich um 90°, bedingt durch die vorher eingenommene Stellung des Bauelements bezüglich des externen Magnetfelds, wie bezüglich Fig. 2 beschrieben. Für die jeweilige Magnetisierung der Schichten 7, 8 existiert ein ausgezeichneter kürzester Drehweg, um in die jeweils kopplungsbedingt definierte Stellung zu drehen. Ein Zerfall der Magnetisierung in unterschiedliche Magnetisierungsbereiche bzw. die Bildung von unerwünschten 360°-Wänden wird aufgrund dieser Vorzugsdrehrichtung ausgeschlossen. In the following, see FIG. 3, the external magnetic field is switched off. This means that differently directed turning processes take place in the two magnetic layers 7 and 8 . While the magnetization of the lower magnetic layer 7 , which is adjacent to the antiferromagnetic layer 10 , in the example shown occurs to the right and thus parallel to the moments near the interface of the antiferromagnetic layer 10 , which is due to the strong exchange coupling between the two layers, the magnetization rotates of the magnetic layer 8 due to the coupling properties of the coupling layer 9 in the opposite direction. In Fig. 3, the starting positions of the magnetizations are shown in dashed lines, as are known from Fig. 2, the solid arrows represent the respective end position after rotation. As can be seen, both magnetizations only rotate through a relatively small angle, namely through 90 °, due to the previously assumed position of the component with respect to the external magnetic field, as described with reference to FIG. 2. For the respective magnetization of the layers 7 , 8 there is an excellent shortest path of rotation in order to rotate into the position defined by the coupling. A decay of the magnetization into different magnetization areas or the formation of undesired 360 ° walls is excluded due to this preferred direction of rotation.
Fig. 4 zeigt eine Vorrichtung 11 einer ersten Ausführungsform, die zur Durchführung des bezüglich der Fig. 1-3 beschriebenen Verfahrens dient. Sie umfasst eine Aufnahme 12 in Form eines Drehtellers 13, der wie der Pfeil P zeigt gedreht werden kann. Auf ihm wird ein Substrat 14, an dem eine Vielzahl von Bauelementen mit dem eingangs beschriebenen Schichtsystem ausgebildet sind, angeordnet. Der Drehteller 13 selbst ist zweckmäßigerweise beheizbar. Ihm zugeordnet ist eine Magnetfelderzeugungseinrichtung 15, wie durch die beiden magnetischen Pole N und S angedeutet ist. Zur Durchführung des Verfahrens wird das Substrat 14 auf dem Drehteller 13 positioniert, anschließend erfolgt die starke Erwärmung und das Anlegen des externen sättigenden Magnetfelds, wonach die Abkühlung und anschließende Drehung und letztendlich die Abschaltung des externen Magnetfelds vorgenommen wird, wie bezüglich der Fig. 1-3 ausführlich beschrieben. FIG. 4 shows a device 11 of a first embodiment, which is used to carry out the method described with reference to FIGS. 1-3. It comprises a receptacle 12 in the form of a turntable 13 which , as the arrow P shows, can be rotated. A substrate 14 , on which a multiplicity of components having the layer system described at the outset, is arranged on it. The turntable 13 itself is advantageously heated. A magnetic field generating device 15 is assigned to it, as indicated by the two magnetic poles N and S. To carry out the method, the substrate 14 is positioned on the turntable 13 , followed by the strong heating and the application of the external saturating magnetic field, after which the cooling and subsequent rotation and finally the switching off of the external magnetic field is carried out, as in relation to FIGS. 1- 3 described in detail.
Fig. 5 zeigt eine weitere erfindungsgemäße Vorrichtung 16. Bei dieser ist die Aufnahme 17 als beheizbarer Tisch ausgebildet, der jedoch nicht drehbar ist. Auch auf der Aufnahme 17 ist ein Substrat 18 anzuordnen. Demgegenüber ist die Magnetfelderzeugungseinrichtung 19, die auch hier wieder durch die beiden Pole N und S angedeutet ist, auf einer geeigneten Dreheinrichtung 20, z. B. in Form eines Drehtellers drehbar gelagert, wie der Pfeil P ebenfalls zeigt. Bei dieser Vorrichtung ist ein etwas abgewandeltes Verfahren zur Erzeugung einer homogenen Magnetisierung möglich. Anstelle der bezüglich Fig. 2 beschriebenen Drehung des Bauelements bezüglich des feststehenden Magnetfelds bleibt hier das Bauelement ruhend, während das Magnetfeld zur Einstellung des Winkels α gedreht wird. Fig. 5 shows a further device according to the invention sixteenth In this case, the receptacle 17 is designed as a heatable table which, however, cannot be rotated. A substrate 18 is also to be arranged on the receptacle 17 . In contrast, the magnetic field generating device 19 , which is again indicated by the two poles N and S, on a suitable rotating device 20 , for. B. rotatably in the form of a turntable, as the arrow P also shows. A somewhat modified method for generating a homogeneous magnetization is possible with this device. Instead of the rotation of the component described with reference to FIG. 2 with respect to the fixed magnetic field, the component remains stationary here, while the magnetic field is rotated to set the angle α.
Insgesamt schlägt die Erfindung ein einfach praktikables, keine zusätzlichen Zeit- oder kostenaufwendigen Verfahrensschritte erforderndes Verfahren vor, das die homogene Magnetisierung der relevanten Schichten eines Bauelements oder Bauelementsystems ermöglicht. Overall, the invention proposes a simply practical, no additional time or costly Process steps required process that the homogeneous Magnetization of the relevant layers of a component or Component system enables.
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