Aufgabe der vorliegenden Erfindung
war Bereitstellung einer Möglichkeit,
kostengünstig
und einfach ein magnetisches Bias-Feld oder Hilfsmagnetfeld zu generieren,
das auf einen magnetoresistiven Schichtstapel einwirkt, um damit
magnetoresistive Sensorelemente, insbesondere für den Einsatz in Kraftfahrzeugen,
preiswert und dennoch zuverlässig herstellen
zu können.
Vorteile der
Erfindung
Das erfindungsgemäße magnetoresistive Schichtsystem
hat gegenüber
dem Stand der Technik den Vorteil, dass über die in einer Umgebung des insbesondere
auf der Grundlage des GMR- oder AMR-Effektes arbeitenden magnetoresistiven Schichtstapels
vorgesehene Schichtanordnung ein erhöhtes magnetisches Streufeld
bei gleichzeitig erhöhter
Koerzitivität
oder Koerzitivfeldstärke
bereitgestellt wird, wobei gleichzeitig die Schichtanordnung einfach
und kostengünstig
zu erzeugen bzw. in das Schichtsystem zu integrieren ist. Insbesondere
weist die Schichtanordnung eine sehr dünne Bauform vor allem hinsichtlich
der Dicke der hartmagnetischen Schicht auf.
Daneben ist vorteilhaft, dass die
Schichtanordnung in einem gewissem Rahmen die Möglichkeit bietet, die Stärke des
durch die hartmagnetische und die weichmagnetische Schicht erzeugten
Streufeldes zu variieren, und dass die insbesondere dünne weichmagnetische
Schicht, die an die hartmagnetische Schicht angekoppelt bzw. zu
dieser benachbart angeordnet ist, die Entmagnetisierung der hartmagnetischen
Schicht bei Anlegen eines äußeren magnetischen
Wechselfeldes durch Domänenstreufelder (sogenanntes
"Creeping") verhindert, wie dies in Phys. Rev. Lett., 84, (2000),
Seite 1816 und Seite 3462 beschrieben ist.
Im Übrigen weist ein System aus
einer hartmagnetischen und einer weichmagnetischen Lage generell
eine gegenüber
einer rein hartmagnetischen Schicht erhöhte Magnetisierung, d.h. ein
höheres magnetisches
Moment pro Volumen, auf. Dadurch erhöht sich bei gleicher Gesamtschichtdicke
die Feldstärke
des magnetischen Streufeldes einer Schichtanordnung mit einer hartmagnetischen
und einer weichmagnetischen Schicht, die insbesondere ferromagnetisch
austauschgekoppelt sind, gegenüber
der Feldstärke
lediglich einer hartmagnetischen Schicht.
Vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung
ergeben sich aus den in den Unteransprüchen genannten Maßnahmen.
So weist bei einer ferromagnetisch
austauschgekoppelten Schichtanordnung mit mindestens einer weichmagnetischen
und mindestens einer hartmagnetischen Schicht bei Anlegen eines äußeren Magnetfeldes
mit einer von der Magnetisierungsrichtung abweichenden Orientierung
die weichmagnetische Schicht vorteilhaft eine chirale Magnetisierung
auf, die bei Abschalten des äußeren Feldes
in eine zu der hartmagnetischen Magnetisierung parallele Ausrichtung
zurück springt,
wie dies in IEEE Trans. Magn., 27, (1991), Seite 3588, beschrieben ist.
Insbesondere . wird die Magnetisierung der weichmagnetischen Schicht
kohärent
rotiert und nicht durch Domänennukleation
ummagnetisiert. Somit können
Streufelder anderer oder weiterer weichmagnetischer Schichten (Domänenstreufelder)
in geringer Entfernung die hartmagnetische Schicht nicht entmagnetisieren.
Weiter lässt sich das Konzept des Aufbaus des
magnetoresistiven Schichtsystem problemlos in bestehende magnetoresistive
Sensorelemente oder Schichtsysteme mit GMR-Multilagen, magnetoresistive
Sensorelemente oder Schichtsysteme nach dem Spin-Valve-Prinzip,
AMR-Sensorelemente
oder auch Sensorelemente basierend auf granularen Magnetowiderständen oder
Magnetowiderständen
hervorgerufen durch strukturelle Änderungen von Materialeigenschaften
einfügen
bzw, in die entsprechenden Herstellungsprozesse integrieren. Die
Deposition der einzelnen Schicht des Schichtsystems ist dabei unkritisch
gegenüber
bekannten Einflussfaktoren.
Zeichnungen
Die Erfindung wird anhand der Zeichnungen und
in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigt 1 Magnetisierungskurven verschieden
aufgebauter Schichtanordnungen im Vergleich und 2 einen Schnitt durch ein magnetoresistives Schichtsystem
auf einem Substrat.
Ausführungsbeispiele
Die 2 zeigt
ein Substrat 10 beispielsweise aus Silizium oder Siliziumoxid
auf dem sich über einer
optional vorhandenen Buffer-Schicht 11, beispielsweise
aus Cr, W oder Mo, eine hartmagnetische Schicht 12 und
auf der hartmagnetischen Schicht 12 eine weichmagnetische
Schicht 13 befindet. Diese beiden Schichten 12, 13 bilden
ein Schichtanordnung 15.
Auf der weichmagnetischen Schicht 13 ist ein
an sich bekannter, bevorzugt auf der Grundlage des GMR-Effektes
("Giant Magnetoresistance") oder AMR-Effektes ("Anisotropic Magnetoresistance")
arbeitender magnetoresistiver Schichtstapel 14 vorgesehen.
Bevorzugt weist der Schichtstapel 14 eine Mehrzahl von
Einzelschichten auf, die nach dem Prinzip der gekoppelten Multilagen
oder dem Spin-Valve-Prinzip arbeiten. Schichtstapel 14 und Schichtanordnung 15 sind
somit vertikal integriert und bilden gemeinsam ein magnetoresistives Schichtsystem 5.
Weiter kann der magnetoresistive
Schichtstapel 14 auch aus einem CMR-Material ("Colossal Magnetoresistance"}
wie La0,67Ca0,33MnO3 aufgebaut sein. In diesem Fall weist der
magnetoresistive Schichtstapel 14 ein Material auf, in
dem durch ein Magnetfeld oder auch eine Temperaturänderung
eine strukturelle Änderung
("Jahn-Teller-Effekt") induzierbar ist, die einen elektrischen Übergang
des Materials von einem Leiter bzw. Metall zu einem Isolator bewirkt.
Dadurch können Änderungen
des elektrischen Widerstandes von mehr als 100% auftreten. Überdies
werden unter einem solchen CMR-Material auch "Pulver Magnetowiderstände" ("PMR"
oder "Powder Magnetoresistance") verstanden, bei denen ein Magnetowiderstand
zwischen einzelnen granularen magnetischen Teilchen mit unterschiedlichem
Magnetisierungen entsteht.
Bevorzugt ist auf der hartmagnetischen Schicht 12 eine
ferromagnetisch austauschgekoppelte, dünne, weichmagnetische Schicht 13 deponiert. Dabei
nutzt man aus, dass in einem bestimmten Schichtdickenbereich die
weichmagnetische Schicht 13 sowohl eine erhöhte Koerzitiviät als auch
einen erhöhten
Betrag des magnetischen Streufeldes der Schichtanordnung 15 gewährleistet.
Insbesondere erhöht
die weichmagnetische Schicht 13 bezogen auf eine vergleichbare
Schichtdicke einer rein hartmagnetischen Schicht den Betrag des
Streufeldes überproportional
entsprechend der hohen Sättigungsmagnetisierung
der weichmagnetischen Schicht 13.
Dies erlaubt es, die Schichtanordnung 15 mit einer
jeweils ferromagnetischen jedoch einerseits weichmagnetischen und
andererseits hartmagnetischen Schicht 11, 12 bei
einem gleichen zu generierenden Streufeld und gleicher oder höherer Koerzitivität dünner auszuführen als
eine rein hartmagnetische Schicht mit entsprechenden Parametern
ausgeführt
wäre. Die
so verringerte Dicke erhöht
den elektrischen Widerstand der Schichtanordnung 15 und damit
den GMR-Effekt oder
AMR-Effekt in dem magnetoresistiven Schichtstapel 14, was
auch zu einer verbesserten Sensitivität des Schichtsystems 5 bei einer
Messung von von Außen
auf dieses einwirkenden Magnetfeldern führt.
Im Übrtgen sind die vergleichsweise
teueren hartmagnetischen Materialien der hartmagnetischen Schicht 12 im
Vergleich zu den vergleichsweise preiswerten weichmagnetischen Materialien
der weichmagnetischen Schicht 13 ein relevanter Kostenfaktor,
d.h. die Herstellungskosten für
die Schichtanordnung 15 werden durch den Einsatz der weichmagnetischen
Schicht 13 reduziert. Zudem verhindert die weichmagnetische
Schicht 13 eine Entmagnetisierung der hartmagnetischen
Schicht 12 bei einem anliegenden äußeren magnetischen Wechselfeld.
Bevorzugt wird gemäß 2 eine weichmagnetische
Schicht 13 aus einer CoFe-Legierung wie Co90Fe10, Co, Fe, Ni, einer FeNi-Legierung wie Fe19Ni81 sowie magnetischen
Legierungen, die diese Materialien beinhalten, mit einer Dicke zwischen
1 nm und 50 nm, über
die, wie erläutert,
Eigenschaften der Schichtanordnung 15 einstellbar sind,
auf oder unter der hartmagnetischen Schicht 12 deponiert. Bevorzugt
hat die weichmagnetische Schicht 13 eine Dicke von 1 nm
bis 10 nm. Die hartmagnetische Schicht besteht bevorzugt aus einer
CoCrPt-Legierung wie Co75Cr13Pt12, einer CoSm-Legierung wie Co80Sm20, einer CoCr-Legierung wie Co80Cr20, einer CoCrTa-Legierung wie Co84Cr13Ta3,
einer CoPt-Legierung wie Co50Pt50 oder
einer FePt-Legierung
wie Fe50Pt50. Die
Dicke der hartmagnetischen Schicht 12 liegt bevorzugt zwischen 20
nm und 100 nm.
Bevorzugt befindet sich die weichmagnetische
Schicht 13 zwischen dem magnetoresistiven Schichtstapel 14 und
der hartmagnetischen Schicht 12.
Alternativ zu dem mit Hilfe der 2 erläuterten Beispiel kann auch
eine Mehrzahl von insbesondere unterschiedlich zusammengesetzten und/oder
unterschiedlich dicken weichmagnetischen Schichten 13 vorgesehen
sein, die sich unter oder bevorzugt entsprechend 2 auf der hartmagnetischen Schicht 12 befinden,
und die bevorzugt jeweils eine Dicke zwischen 1 nm und 50 nm, insbesondere 1
nm bis 10 nm, aufweisen und aus den o.g. Materialien bestehen. Weiter
kann die Schichtanordnung 15 auch aus Multilagen von mehreren
weichmagnetischen Schichten 13 und hartmagnetischen Schichten 12 mit
Schichtpaaren entsprechend 2 aufgebaut sein.
Diesen Varianten ist gemein, dass
die ferromagnetisch gekoppelten weichmagnetischen und hartmagnetischen
Schichten 12, 13 stets als Doppel- oder Multilagen
in der Nähe
des magnetoresistiven Schichtstapels 14 deponiert sind.
Technologisch vorteilhaft weil insbesondere einfach
zu realisieren ist die bereits erläuterte Deposition der Schichtanordnung 15 unter
oder über
dem Schichtstapel 14. Alternativ kann die Schichtanordnung 15 jedoch
auch einseitig oder beidseitig neben dem Schichtstapel 14 angeordnet
oder auch in den Schichtstapel 14 integriert sein.
Die 1 zeigt
eine erste Magnetisierungskurve 1, d.h. die Stärke der
Magnetisierung als Funktion eines magnetischen Feldes, für eine ausschließlich hartmagnetische
Schicht, eine zweite Magnetisierungskurve 2 für diese
hartmagnetische Schicht mit einer darauf aufgebrachten, dünnen weichmagnetischen
Schicht und eine dritte Magnetisierungskurve 3 für diese
hartmagnetische Schicht mit einer darauf aufgebrachten, gegenüber der
Kurve 2 dickeren weichmagnetischen Schicht. Die Magnetisierung ist
dabei die Summe magnetischen Momente, d.h. eine erhöhte Magnetisierung
bedeutet auch eine erhöhte
Feldstärke
des Streufeldes.
Man entnimmt aus 1, dass die Schichtanordnung 15 je
nach Wahl der Schichtdicke der weichmagnetischen Schicht eine gegenüber der
rein hartmagnetischen Schicht 12 erhöhte Koerzitivität und erhöhte remanente
Magnetisierung aufweist. Dies beruht darauf, dass die weichmagnetische Schicht 13 aufgrund
des hohen magnetischen Momentes des sie bildenden Materials ein
vergleichsweise hohes Streufeld erzeugt, und dass die Auskoppelung
der weichmagnetischen Schicht 13 an die hartmagnetische
Schicht 12 dieses hohe magnetische Moment in Richtung der
Magnetisierung der hartmagnetischen Schicht 12 ausrichtet.
Dadurch ergibt sich insgesamt eine hohe Feldstärke des Streufeldes.