DE2827429A1

DE2827429A1 - Magnetische duennfilmstruktur mit ferro- und antiferromagnetischem austausch- vorspannungsfilm

Info

Publication number: DE2827429A1
Application number: DE19782827429
Authority: DE
Inventors: Robert Douglas Hempstead; Sol Krongelb; Daniel Andrew Nepela; David Allen Thompson; Erich Phillipp Valstyn
Original assignee: International Business Machines Corp
Current assignee: International Business Machines Corp
Priority date: 1977-06-24
Filing date: 1978-06-22
Publication date: 1979-01-11
Also published as: GB1600098A; US4103315A; JPS6032330B2; FR2395580A1; GB1600099A; IT1113081B; FR2395580B1; GB1600097A; IT7824501A0; JPS59210630A; JPS5410997A; JPS6035813B2

Description

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Anmelderin: . International Business Machines

Corporation, Armonk N.Y., 10504

hz/zi

Magnetische Dünnfilmstruktur mit ferro- und antiferromagnetischem Austausch-Vorspannungsfilm

Die Erfindung betrifft eine geschichtete magnetische Dünnfilmstruktur unter Verwendung von ferro- und antiferromagnetischen Materialien gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 sowie ein Verfahren zur Herstellung einer solchen Struktur.

Solche magnetische Dünnfilmstrukturen sind zur Verwendung in magnetischen Aufzeichnungsköpfen, insbesondere in sogenannten Dünnfilmköpfen mit hochpermeablen Filmen für die Polstücke sowie als magnetische Abschirmungen besonders verwendbar. Darüber hinaus sind diese Dünnfilmstrukturen vorteilhaft einsetzbar in magnetischen Übertragern verschiedener Art, wie beispielsweise induktive oder magnetoresistive Köpfe sowie zur Verwendung in Übertragern.

Erörterung des Standes der Technik;

Magnetische Dünnfilmaufzeichnungsvorrichtungen kleiner physikalischer Abmessungen, wie sie beispielsweise von Chynoweth und Kaiser, AIP Conference Proceedings "2A_, Seite 534 540 (1974) und durch Thompson, AIP Conference Proceedings 24, Seite 528 - 533 (1974) zusammengestellt sind, zeigen die Erscheinung einzelner magnetischer Domänen aufgrund elektrischer und magnetischer Anregung. Die Stärke des magnetischen Feldes, welches notwendig ist, um einen magnetischen Film einer bestimmten Dicke so zu beeinflußen, daß er eine einzige magnetische Domäne enthält, steigt ungefähr

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umgekehrt proportional mit der Verminderung der linearen Abmessungen der Struktur. Dies letztere ist ein Entmagnetisierungseffekt, der sicherstellt, das ein isolierter magnetischer Film eines Durchmessers von einigen 100 ym oder weniger eine Anzahl von Domänen enthält, wenn er eine Dicke von einigen wenigen ym oder weniger aufweist. Wenn ein genügend großes Vorspannfeld an den Film angelegt wird, um somit das Material in einer einzigen magnetischen Domäne zu sättigen, ist das Resultat erreicht, daß die effektive Permeabilität auf einen Wert reduziert ist, der nutzlos niedrig liegt. Ein Weg, um das Problem der niedrigen effektiven Permeabilität zu überwinden, könnte darin bestehen, ein Vielschicht-Struktur dünner Filme aufzubauen, wenn man in der Lage ist, die Richtung des Vorspannfeldes von einer Schicht zur nächsten zu ändern, da dann eine wesentlich kleinere Größe des Vorspannfeldes erforderlich wäre. Jedoch ist bislang ein solcher Weg noch nicht vorhanden bzw. bekannt, um eine Vielzahl von Dünnfilmstrukturen vieler Schichten herzustellen, bei der alternierende Richtungen des Vorspannfeldes in den dünnen Filmen vorhanden sind.

Es ist bekannt, daß die Ablagerung einer dünnen Schichtstruktur aus Mn und NiFe Schichten, wobei eine Schicht jeweils ein magnetisches Vorspannfeld in dem NiFe-FiIm halten kann, durch Entspannen in einem magnetischen Feld bei einer Temperatur von 300 C erreichbar ist, wie dies von Salanski et al in "Stabilization of Microdomain Configurations in Two-Layer Magnetic Films", Sov. Phys.-JETP, Vol. 38, Nr. 5, Mai 1974, Seite 101 Iff beschrieben ist. In dem US-Patent 3 840 898 von Bajorek et al ist ein selbstvorspannender magnetoresistiver Sensor beschrieben, bei dem die harte magnetische Vorspannung durch Austauschkopplung zwischen den beiden Schichten bewirkt werden kann, wenn direkter atomarer Kontakt zwischen den Schichten in dem magnetoresistiven Sen-

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,sor vorhanden ist. Dabei ist ein antiferromagnetisches Material, wie beispielsweise CxFe₂O₃ auf einem Glassubstrat aufgebracht und anschließend wird eine NiFe-Schicht aufgedampft und zwar in einem starken magnetischen Feld, um

1 einen hartmagnetischen zusammengesetzten Film zu erhalten, der eine Permeabilität von 20 oder weniger Oersted aufweist. Glazer et.al beschreiben in "Stabilization of the Ferromagnetic Domain Structure in Thin Films with Exchange Anisotopy", Phys. Metals and Metallography (UdSSR) 26_, Nr. 2, Seite 103 - 110 (1968) die Stabilisierung einer 1000 S dicken 82:18 Ni:Fe Films mit einer 1000 A* dicken Manganschicht unterhalb der NiFe-Schicht bei Abkühlung des Films auf unterhalb der Nee1temperatur, nachdem das Material auf ein Substrat aufgesprüht worden ist. Der Firn wurde entmagnetisiert und dann für 1 1/2 Stunden bei 350 C entspannt. Die Austauschkopplung führt zu einer Stabilisierung der Domänenstruktur.

Glazer et al diskutieren in "Exchange Anisotropy in Thin _: Magnetic Films", Soviet Physics-Solid State, Vol. 8, Nr. 10, iSeite 2413 - 2420 eine durch Vakuum aufgebrachte 450 A* I dicke Manganschicht, auf die eine 800 A* dicke 82:18 Ni:Fe- ^! Schicht aufgebracht wird, die nach der Aufbringung eine ; uniaxiale Anisotropie aufweist. Die Struktur ist in einem . Magnetfeld von 140 Oe in Richtung der leichten Achse bei j 350° C für 30 Minuten entspannt worden und dann auf Raumtem-, peratur bei nach wie vor anliegendem Magnetfeld abgekühlt : worden. Der Zweck des Entspannens lag dabei darin, eine ; antiferromagnetische Schicht aus Mn, Fe und Ni durch gegen-I seitige Eindiffundierung zu erzeugen.

j Massenet et al beschreiben in "Magnetic Properties of Multi-

I layer Films of FeNi-Mn-FeNiCo and of FeNi-Mn", IEEE Trans.

JMagnetics, MAG-1, Seite 63 - 65 (1965) die Austauschkopplung

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zwischen einem Mn-FiIm und einem FeNi-FiIm in einer FeNi-Mn-FeNiCo-Struktur bei 81:19 Fe:Ni und einer Mn-Schicht, die dünner als 150 S ist, mit einer Kopplung zwischen der Magnetisierung der FeNi- und der FeNiCo-Schicht. Die Filme wurden durch Aufdampfen in einem kontinuierlichen Magnetfeld erzeugt, wobei die leichte Achse der Magnetisierung in den verschiedenen Schichten parallel liegt und dann die Struktur auf 280 C aufgeheizt wurde, um vermutlich eine gegenseitige Eindiffundierung von Fe, Mn und Ni zu bewirken, um somit eine antiferromagnetische Schicht zu erzeugen. Eine solche Austauschkopplung ist auch von J. S. Kouvel in J. Phys. Chem. Solids 2±, Seite 529 (1963) erwähnt.

Alle obenstehenden, aus dem Stand der Technik bekannten Verfahren erfordern die Anwendung des Entspannens durch Aufheizen auf hohe Temperaturen, um eine Austauschkopplung zu erzeugen, die aus zwei Gründen jedoch nicht wünschenswert ist. Zum ersten wird dadurch die Permeabilität reduziert, d.h. ein Anstieg der Koerzitivkraft, welche in hohem Maße nicht wünschenswert ist. Der zweite Grund liegt darin, daß in solchen Fällen, in denen eine Schichtung gewünscht wird und aufeinanderfolgende Schichten in entgegengesetze Richtungen vorgespannt werden sollen, das Aufheizen der letzten Schicht in einem magnetischen Feld es verursacht, daß alle Schichten ein Austausch-Vorspannfeld annehmen, das in dieser letzten Richtung orientiert ist, wodurch das Problem der magnetischen Domänen wesentlich gesteigert erscheint.

Eine mehrschichtige Filmstruktur mit mehr als zwei Sätzen von in Austauschkopplung stehenden Filmen ist im Stand der Technik noch nicht beschrieben worden, soweit diese zur Verfügung steht. Dies kann vielleicht darin liegen, daß noch keine Technik zur Verfügung stand, mit der eine solche Struktur bei gleichzeitiger Aufrechterhaltung der hohen Per-

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meabilität erzielbar ist. Weiterhin erscheint es so, daß im Stande der Technik die Möglichkeit oder der Wunsch nach der Reversierung der Vorspannrxchtungen in aufeinanderfolgenden Sätzen von Schichten, die in Austausch-Vorspannfeldern liegen, noch nicht erkannt worden ist.

Wenn magnetische übertrager soweit verkleinert werden, daß sie größenmäßig mit einer magnetischen Domäne vergleichbar sind, dann beginnt man die Anomalien zu erkennen, die in den elektrischen Ausgangssignalen erscheinen, die den Veränderungen in der Domänenstruktur zugeschrieben werden muß, wenn magnetische Felder unterschiedlicher Größe angelegt werden. Schwierigkeiten verursachende, diskontinuierliche Wechsel in der Empfindlichkeit und der Linearität treten in den AusgangsSignalen dieser miniaturisierten übertrager auf und werden als "Barkhausen Rauschen" bezeichnet, obwohl die ursprüngliche Bedeutung dieses Ausdrucks im Grunde auf induzierte Spannungspitzen begrenzt war.

Magnetische Domäneneffekte resultieren aus-der Veränderung in der Position der Domänenwände. Grundsätzlich können diese Effekte eliminiert werden, indem man die Domänenwände eliminiert oder indem man sie örtlich immobil macht. Dies muß jedoch so erfolgen, daß die hohe Permeabilität nicht zerstört wird, die in allen Dünnfilmübertragern notwendig ist, und ohne daß andere Eigenschaften zerstört werden, wie beispielsweise der magnetische Widerstand oder die Korrisionsfestigkeit, die für bestimmte Anwendungen unbedingt erforderlich sind. Drei Lösungswege zur Überwindung dieses Problems sind nachfolgend behandelt.

Der erste Lösungsweg besteht in der Suche nach einem Material, das bei Benutzung in kleinen Übertragern keine Einzelwanddomänen und somit keine Domänenwände aufweist. Dieses Material muß so homogen und isotrop sein, daß seine Magne-

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tisierung sich in Kantennähe so geringfügig verändert, daß die magnetostatische Energie minimiert ist, ohne daß es in Einzelwanddomänen aufbricht. Unglücklicherweise haben alle bekannten Materialien, einschließlich der amorphen, jedoch eine magnetische Anisotropie, die groß genug ist, um die Formierung von Einzelwanddomänen zu verursachen.

Ein zweiter Weg besteht darin, viele Wände zu haben, jedoch die magnetische Anregung unterhalb des Schwellwertes für Wandbewegung zu halten. Induktive Filmköpfe zeigen bei Benutzung für das reine Lesen eine Situation, in der die Anregung ganz klein ist im Vergleich zu dem Wert, der für die Sättigung des magnetischen Filmes notwendig ist. Somit ist es grundsätzlich möglich, magnetische Filme zu benutzen, die eine Koerzitivkraft aufweisen, welche groß genug ist, daß eine Domänenwandbewegung niemals während des Lesens auftritt und eine hohe magnetische Permeabilität nur aus der Rotation der Magnetisierung innerhalb der Domänen mit festen Grenzen auftritt. Jedoch weisen alle bisherigen Filme mit genügend großer Koerzitivkraft, um die Domänenwandbewegung zu unterdrücken, eine niedrige Permeabilität, wie dies auch theoretisch zu erwarten war, auf und sind somit nutzlos, um einen magnetischen Pfad mit niedrigem Widerstand in magnetischen Übertragern herstellen zu können.

Ein dritter Weg zur Vermeidung der Domänenwände besteht darin,; daß man jeden Film in Gestalt einer einzelnen Domäne ausbildet. In sehr dünnen Filmelementen, wie magnetoresistiven Streifen, ist es möglich, dies für gewisse geometrische Abmessungen durch die Nachbarschaft eines permanenten magnetischen Films zu erzielen (siehe US-Patent 3 840 898) oder einen stromleitenden Leiter daneben anzuordnen, um ein effektives Vorspannfeld zu erzeugen. Es gibt jedoch eine Vielzahl von geometrischen Anordnungen, bei denen dies nicht möglich ist. Insbesondere für Übertrager mit relativ

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\ dicken magnetischen Filmen, beispielsweise 1 bis 10 ρ

' dick, wie bei induktiven DünnfilmaufZeichnungsköpfen, ist dieser dritte Weg in Form der beiden Vorspannmöglichkeiten nicht gangbar. Eine Teillösung dieses Problems ist durch Jean Pierre Lazzari und Igor Melnick in "Integrated Magnetic Recording Heads", IEEE Transactions on Magnetics, Vol. MAG-7, Nr. 1, März 1971, Seite 146 - 150 beschrieben, die darin besteht, daß man das magnetische Joch eines induktiven Dünnfilmaufzeichnungskopfes laminiert und somit

: Einzelwanddomänen, die senkrecht zur leichten Achse magnetisiert sind, eliminiert. Jedoch sind von Lazzari et al keine Vorkehrungen getroffen, um eine Vielzahl von Domänen,

. deren Magnetisierung parallel zur leichten Achse liegt, zu vermeiden und somit sind Domänenwände nach wie vor möglich.

Ziel und Zweck der Lehre vorliegender Erfindung ist die Angabe von Materialien, Herstellungsverfahren und Strukturen, die einen in die Lage versetzen, magnetische Filme zu erzeugen, die jeweils als einzelne Domäne anzusprechen sind. Das Ziel der Vorsehung von Einzeldomänen wird unter Ausnutzung der Austauschanisotropie erreicht, um magnetische Filme in einer einzigen Richtung vorzuspannen, die während der Herstellung der Anordnung festgelegt wird. Die Benutzung der Austauschanisotropie zur Steuerung der magnetischen Domänen bedeutet nicht für sich selbst eine neue Erfindung..Glazer et al und Salanski et al (siehe oben) lehren die Verwendung der Austauschanisotropie zur Stabilisierung von magnetischen Domänenkonfigurationen. Jedoch sind die von ihnen angegebenen !Prozeße, Materialien und Strukturen nicht für die Verwendung I bei Dünnfilmstrukturen, insbesondere für magnetische Aufzeichtnungsköpfe gedacht. Weiterhin sind sie nicht zur praktischen Herstellung und Erzielung einer zufriedenstellenden Arbeitsweise von Dünnfilmmagnetübertragern geeignet, wie dies noch erläutert wird.

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Viele Versuche sind unternommen worden, um magnetische Filme mit unidirektionaler Anisotropie zu erhalten. Diese Versuche, soweit sie vor 1971 liegen, sind zusammengestellt von A. Yelon "Interactions in Multilayer Magnetic Films", Physics of Thin Films, Vol. 6, 1971. Grundsätzlich sind zwei Wege eingeschlagen worden, um unidirektionale Anisotropie zu erzielen.

Der erste Weg zur Erhaltung unidirektionaler Anisotropie besteht in der Kopplung eines weichmagnetischen Films in schwacher Form mit einem permanentmagnetischen Film, so daß die Richtung der unidirektionalen Vorspannung durch die Richtung der Magnetisierung des permanentmagnetischen Filmes bestimmt ist. Es gibt eine Anzahl von Problemen, die die praktische Verwendung dieses Weges beschränken. Ein Problem besteht darin, daß es nicht möglich ist, Filme mit hoher Koerzitivkraft herzustellen für die Benutzung als Permanentmagnet in einem solchen Paar, das nicht wesentlich die Dispersion (der Richtung der Magnetisierung) anwachsen läßt und die Permeabilität des weichmagnetischen Filmes vermindert, wenn diese beiden Filme nahe genug aneinandergebracht werden, um die schwache Kopplung zu erzielen, die für die Erzeugung der unidirektionalen Anisotropie notwendig ist. Ein anderes Problem ist die Erzeugung dieser schwachen Kopplung in einer reproduzierbaren Weise. Bei allen diesen Verfahren, die für die Herstellung dieser schwachen Kopplung bekannt sind, wird vermutet, daß dabei dünne Filme erzeugt werden, die Löcher zwischen dem weichmagnetischen und dem permanentmagnetischen Film aufweisen, obwohl in der Literatur einiger Zweifel herrscht, ob nicht etwa auch andere Mechanismen bei einigen Beispielen eine Rolle spielen. Bei all diesen Herstellungsverfahren hat sich jedoch herausgestellt, daß es sehr unterschiedlich wiedergebbare Ergebnisse mit stark veränderlichen Größen der Kopplung und somit nicht reproduzierbare Werte der unidirektionalen Anisotropie gibt. Aus diesen Gründen wird dieser

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Lösungsweg für die Herstellung praktischer magnetischer übertrager für nicht zufriedenstellend angesehen.

Der zweite Weg zur Erhaltung unidirektionaler Anisotropie durch die Austauschwirkung zwischen einem antiferromagnetischen Material und einem ferromagnetischen Material ist hier benutzt. Die meisten Arbeiten, die sich damit beschäftigen, sind an inhomogenen Proben mit sehr dickem Material (bulk samples) vorgenommen worden und somit nicht für die Herstellung von bzw. der Anwendung bei Dünnfilmvorrichtungen geeignet. In der Dünnfilmtechnologie sind Arbeiten über oxydiertes Nickel, Nickeleisen und Kobaltfilme zur Herstellung von Ni-NiO und Co-CoO Grenzschichten gemacht worden. Da 80:20 Ni:Fe das bevorzugte magnetische Material für übertrager ist, sind Veröffentlichungen und Ergebnisse darüber für vorliegende Anmeldung am relevantesten. Nach Bajorek (Journal of Applied Physics k6_, Seite 1376, 1975) wird durch die Oxydierung von 80:20 NisFe unidirektionale Anisotropie erzeugt, jedoch liegt die Ordnungtemperatur, die nachstehend noch definiert wird, unterhalb der Raumtemperatur, wodurch dieses Verfahren für die Anwendung in praktischen Anordnungen nutzlos ist, weil die unidirektionale Anisotropie bei Raumtemperatur zerstört würde. Arbeiten, durch die unidirektionale Anisotropie in Dünnfilmen bei Ordnungstemperaturen oberhalb der Raumtemperatur erzeugt wurden, sind in dem NiFe-NiFeMn-System vorhanden, bei denen NiFeMn üblicherweise durch an den Grenzschichten erfolgende Diffusion zwischen einem NiFe-FiIm und einem überlagerten Mn-FiIm erfolgt (Vergleiche dazu z. B. O. Massenet und R. Montmory, C. R. Acad Sei. 258, 1752 (1964), sowie bereits erwähnt O. Massenet et al, Glazer et al und Salanski et al).

Es sind Versuche gemacht worden, um unter Benutzung dieser Technik unidirektionale Anisotropie zu erzeugen. Die Fig. 1A zeigt die Magnetisierungskurve der leichten Achse für einen Film, der entsprechend der Methode von Glazer et al, Sov.

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Physics - Solid State 8^, Seite 2413 - 2420 (1967) dargestellt sind. Dabei sind Filme aus 100 A^- Mn und 600 S Ni:Fe '■ Permalloy auf einem oxydierten Siliciumsubstrat aufgebracht. j Wie auch bei dem aufgedampften Beispiel, sind die magneti- j sehen Eigenschaften ähnlich denen von konventionellem Perm- j alloy, der 80:20 NiFe-Legierung ohne Mangan (H = 2,4 Oe, ^;

H, = 3,7 Oe). Fig. 1A zeigt ein Kopplungsfeld H von 12Oe ic ex

in Abwesenheit eines angelegten Feldes, gemessen nach einem ' thermischen Diffusionsschritt in dem Herstellprozeß. Fig. 1B [ zeigt die Kurve in Richtung der harten Achse desselben FiI- ! mes. Die kleine Schleife für ein reduziertes Treiberfeld ist in Fig. 1C dargestellt. Die relative Permeabilität | beträgt nur 400. Die Figuren 1A, 1B und 1C haben einen j horizontalen Teilungsmaßstab von 20 Oe pro großer Teilung und einen vertikalen Maßstab von 10 000 Gauß für 4 ITM.

Diese relative Permeabilität ist zu niedrig für den Einsatz in einem magnetischen übertrager. Ebenso sind die notwendigen Temperaturen, um die erforderliche Diffusion auszulösen, die rl 300 C sind, über dem, was für eine dünne Filmstruktur in vielen Übertragern tolerierbar ist. Weiterhin ist dabei kein Weg vorhanden, um eine laminierte Struktur herzustellen mit alternierenden NiFe-Filmen, die in entgegengesetzte Richtungen vorgespannt sind.

Alle diese Prozesse für die Entwicklung einer unidirektionalen Anisotropie beinhalten einen Entspannungsschritt, um Oberflächenoxydation, gegenseitiges Eindiffundieren oder eine Segregation der beiden Phasen zu erzeugen, um damit eine antiferromagnetisch-ferromagnetische Grenzschicht zu erzeugen. Damit sind schwerwiegende Begrenzungen für diese Vorrichtungen gegeben, um die nötigen Temperaturen auszuhalten, ebenso wie bei dem zu verwendenden Material, da die Elemente in dem weichmagnetischen Film so ausgewählt werden müssen, daß ein korrekter antiferromagnetischer Film erzeugt wird oder umgekehrt.

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I In dem US-Patent 3 840 998 von Bajorek et al ist die Verwen-Idung der Austauschkopplung beschrieben, um eine permanent-'magnetische Vorspannschicht für einen magnetoresistiven istreifen zu erzeugen. Dabei wird die Austauschkopplung zwi-Isehen einer antiferromagnetischen Schicht, wie beispielsweise ;01Fe^O₃ und einem weichmagnetischen Material, wie 8O:2O NiFe :beschrieben, um einen permanentmagnetischen Film herzustellen, der dann zur Vorspannung eines zweiten weichmagnetischen iFilmes, dem magnetoresistiven Streifen durch magnetostatische Wechselwirkung zwischen den beiden magnetischen Filmen und/ !Oder durch Austauschkopplung zwischen den beiden magnetischen !Filmen durch eine Isolationsschicht hindurch, beispiels-'weise über Poren in der Isolationsschicht, wie später noch !beschrieben wird, zu benutzen. Nirgendwo in dieser Litera-.turstelle ist eine beabsichtigte Austauschkopplung zwischen jeinem antiferromagnetischen Film und einem magnetoresistiven istreifen, der selbst die weichmagnetischen Eigenschaften jdes magnetoresistiven Streifens aufrechterhält, beschrieben. jDies liegt daran, daß in diesem beschriebenen und oben dargestellten Patent für alle bekannten Prozeße die Austauschkopplung zwischen einem weichmagnetischen Film und einem antiferromagnetischen Film ein Anstieg der Koerzitivkraft des weichmagnetischen Filmes verursacht, was es für die Verwendung als magnetoresistiver Streifen unbrauchbar macht, weil dieser eine niedrige Koerzitivkraft und eine hohe Permeabilität erfordert, ihn andererseits aber nutzbar macht als ein permanentmagnetischer Film für die Vorspannung eines zweiten weichmagnetischen Filmes, der dann der magnetoresistive Streifen ist. Zusätzlich ist dort nirgends eine beabsichtigte und nützliche Ausrichtung der Spins in dem antiferromagnetischen Material beschrieben, was ein wesentlicher Teil vorliegender Erfindung ist. Ohne diese Ausrichtung der Spins in dem anitferromagnetischen Material produziert die Austauschkopplung mit einem weichmagnetischen Film einen Anstieg der Koerzitivkraft des weichmagnetischen

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I Films, was genau das erwünschte Resultat gemäß dieser US- ^:Patentschrift ist. Weiterhin ist kein Unterschied zwischen der Ablagerung eines ferromagnetischen Films auf einem antiferromagnetischen Film und der Umkehrung der Aufwachsrich-Itung gemacht.

;Auf der anderen Seite lehrt vorliegende Erfindung die Wichtig-Ikeit der Ablagerung eines antiferromagnetisehen Films auf j einem ferromagnetischen Film in Anwesenheit eines magneti-I sehen Feldes. Bei der Alternative, wenn der antiferromagneitische Film zuerst aufgewachsen wird, zeigt vorliegende [Erfindung, daß die Austauschkopplungsfilme über eine kriti-I sehe Temperatur, die weiter unten noch als Ordnungstemperatur definiert wird, aufgeheizt werden müssen und daß dann das Abkühlen in einem magnetischen Feld erfolgt, um die erforderliche Ausrichtung der magnetischen Spins in dem antioferromagnetischen Film zu erreichen. Die kritische ' Temperatur ist niedriger als die von Salanski et al und Glazer et al, siehe weiter oben, benutzte Temperatur, um ' eine Diffusion zwischen den Schichten herzustellen.

Magnetoresistive Dünnfilm-Aufzeichnungsköpfe sind insbesondere gegenüber dem Barkhausen Rauschen sehr empfindlich, nicht nur im magnetoresistiven Film selbst, sondern auch in den benachbarten magnetischen Teilen, die für Abschirmoder Auflösungs-Verbesserungszwecke benutzt werden, wie dies in der bereits genannten Literaturstelle von Thompson festgestellt ist. Die Methoden und Materialien gemäß vorliegender Erfindungen können für die Steuerung der magnetischen Domänen in jedem Teil eines solchen Übertragers verwendet werden. Ein kürzlich bekannt gewordene Struktur, die als "Barber-Pol" magnetoresistiver Streifen von Kuijk et al beschrieben ist in einer Arbeit "The Barber Pole - a Linear Magnetoresistive Head", IEEE Transactions on Magnetics, Vol. MAG-11, Nr. 5, September 1975, Seite 1215 - 1217, er-

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fordert eine unidirektionale Vorspannung entlang der Länge Ides Streifens. Dies deshalb, weil Domänen entgegengesetzter j Polarität elektrische Signale von entgegengesetzter Polari-

'tät erzeugen; ein Multi-Domänenstreifen tendiert demnach i
dazu, überhaupt kein Signal abzugeben. Eine Vorspannung mit

IHilfe von Permanentmagneten kann nur für extrem schmale

Spuranordnungen verwendet werden, oder für nicht abgeschirmj
!te Vorrichtungen von niedriger linearer Auflösung. Strom ;in der Kurzschlußvorspannvorrichtung produziert eine nutzibare Vorspannung nur bei sehr hohen Stromdichten. Reine Ausjtausch-Vorspannung, wie es durch vorliegende Erfindung offenjbart wird, stellt Einzelwanddomänen-Verhalten sicher für !die Barber-Polstruktur bei einer breiten Anwendungsmöglichjkeit.

;Aufgabe vorliegender Erfindung ist die Angabe von magnetischen Dünnfilmstrukturen, die Angabe von Herstellungsverfahjren derselben sowie die Angabe von Materialien, bei denen insgesamt das Problem des Barkhausen-Rauschens aufgrund von iDomäneneffekten weitgehend minimiert bzw. gänzlich ausgeschaltet ist und somit die Empfindlichkeit solcher Strukturen gegenüber auch sehr kleinen Nutzsignalen sowie insgesamt die Anwendbarkeit wesentlich verbessert wird.

luxe Lösung dieser Aufgabe ist durch die in den Ansprüchen gekennzeichnete Erfindung gegeben.

Mit der Erfindung wird der entscheidende Vorteil erzielt, daß aufgrund der Auswahl und der Zusammenstellung von ferromagnetischen und antiferromagnetisehen dünnen Materialien bzw. Schichten das Problem der aufgrund der Domänenwandeffekte auftretende Barkhausen-Rauschen ausgeschaltet ist. Dadurch sind solche Strukturen insbesondere für die Verwendung in magnetischen Übertragern und magnetische Aufzeichnungen lesende Anordnungen besonders gut verwendbar.

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!Definitionen:

j

Im folgenden werden einige Begriffe und Ausdrücke definiert, S die in dieser Beschreibung verwendet werden.

I Der Ausdruck "Ordnungstemperatur" wird hierin als die Tempe- !ratur bezeichnet, auf die eine Schichtstruktur einer anti- !ferromagnetischen Schicht, die in direktem Kontakt mit einer j ferromagnetischen Materilaschicht liegt, angehoben und dann I abgefühlt werden kann_f während ein externes magnetisches j Feld anliegt, wobei seine undirektionale Vorspannung wechselt in die Magnetisierungsrichtung der ferromagnetischen Schicht, verursacht durch das extern angelegte Magnetfeld.

Der Ausdruck "gegenseitige Austauschbeziehung", wie sie hier verwendet wird, ist als die gegenseitige Beeinflußung zwischen benachbaten magnetischen Momenten im atomaren Bereich zu verstehen, durch die benachbarte magnetische Momente entweder beide parallel (für Ferromagnetismus) oder antiparallel (für Antiferromagnetismus) sind. Dies ist an sich anzuwenden innerhalb eines einzelnen Materials, bei der Anwendung in vorliegender Beschreibung bezieht sich dies jedoch auf die gegenseitige Beeinflußung zwischen verschiedenen Materialien an der Grenzfläche der beiden benachbarten Schichten.

Der Ausdruck "Barkhausen Rauschen" bezeichnet diskontinuierliche Änderungen in der Empfindlichkeit und der Linearität des Ausgangssignals von dünnen magnetischen Filmübertragern einerseits und andererseits für induzierte Spannungsspitzen.

Der Ausdruck "Koerzitivkraft H " ist ein Maß für die Breite der Magnetisierung gegenüber dem Magnetfeld des Materials. Genauer, in einer Darstellung der Magnetisierung in Abhängig-

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keit vom anliegenden Magnetisierungsfeld, das sich den positiven und negativen Sättigungswerten M , wie beispielsweise in Fig. 1A nähert, geben die Werte bei den Feldstärken H und H_ß an, bei denen die Magnetisierung durch Null geht. Dann ergibt sich für

H ^Hc -

Das "Austausch-Vorspannfeld H " wird als Maß für die Versetzung der Beziehung M-H von der Nullinie des Magnetfelds H bezeichnet. Insbesondere ergibt sich

H ^HE "

Die Erfindung ist in ihrem Aufbau, in ihrem Herstellungsverfahren und in ihren Materialien anschließend anhand der Beschreibung und der in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispiele näher erläutert. Die Figuren zeigen im einzelnen:

Fig. 1A die Magnetisierungskurve in der leichten Achse, wie sie sich aufgrund des weiter oben diskutierten Standes der Technik ergibt;

Fig. 1B zeigt die Magnetisierungskurve in der harten Achse für den in Fig. 1A gezeigten Film;

Fig. 1C zeigt die Magnetisierungskurve für die harte Achse des Films gemäß Fig. 1A, jedoch bei reduziertem Feld H;

Fig. 2 zeigt einen Querschnitt einer laminierten Filmstruktur für einen induktiven oder magnetoresistiven Aufzeichnungskopf;

Fig. 3A zeigt das Feld für Aufbringung einer ersten Schicht von NiFe;

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Fig. 3B zeigt die Felder für die Aufbringung einer Schicht aus FeMn auf die NiFe-Schicht aus Fig. 3A;

Fig. 3C zeigt die Hystereseschleife eines Satzes von

Filmen, die in Übereinstimmung mit der Technik hergestellt sind, die in Verbindung mit den Figuren
3A und 3B beschrieben ist;

Fig. 3D zeigt die Hystereseschleife aus Fig. 3C bei reduziertem Feld H;

Fig. 3E zeigt die Felder für die Aufbringung einer Schicht aus NiFe mit der leichten Achse wie in Fig. 3A;

Fig. 3F zeigt die Felder für eine Schicht aus FeMn aufgebracht bei einem angelegten Feld
Winkel zu der Achse aus Fig. 3E;

bracht bei einem angelegten Feld H in rechten

Fign. 3G zeigen Hystereseschleifen analog zu denen aus
und 3H Fig. 3C und 3D für die Schichten gemäß der Figuren 3E und 3F;

Fig. 4A zeigt in auseinandergezogener Darstellung perspektivisch einen magnetoresistiven Sensor, der auf
einem Substrat mit einer Schicht aus antiferromagnetischem Material angeordnet ist mit einer darauf abgelagerten Sensorschicht, um eine direkte magnetische Vorspannung für die magnetoresistive
Sensorschicht durch direkte gegenseitige Austauschwirkung zu erzielen;

Fig. 4B zeigt in auseinandergezogener perspektivischer
Darstellung einen magnetoresistiven Sensor der
in Fig. 4A dargestellten Art, unter Hinzufügung
einer dazwischenliegenden nichtmagnetischen Schicht

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und einer Schicht von sehr niedrigem koerzitiven Material, das für den Zweck der Abgabe einer Vorspannung vorgesehen ist, resultierend aus dem magnetischen Feld, das durch einen Gleichstrom-Vorspannstrom durch den MR-Sensor erzeugt wird;

Fig. 4C zeigt in auseinandergezogener perspektivischer Darstellung einen ferromagnetischen Film, der auf einem Substrat abgelagert ist mit einer benachbarten Schicht aus antiferromagnetischem Film, gefolgt von einem zweiten ferromagnetischen Film, wobei die leichten Achsen der beiden Filme im rechten Winkel zueinander stehen;

Fig. 4D ist ähnlich der Darstellung von Fig. 4A, wobei die beiden aufeinanderfolgenden ferromagnetischen Filme eine leichte Achse aufweisen, die sich in ihrer Richtung um 135 in den zueinander parallen Ebenen unterscheiden;

Fig. 5 zeigt einen Dünnfilm-Einwindungsinduktivkopf, der eine Abschirmung aus einem magnetischen Material aufweist, welches eine ferromagnetische Schicht mit einer darauf aufgebrachten antiferromagnetischen Schicht aufweist, um anisotrope magnetische Domänen durch Austauschkopplung zu erzielen;

Fig. 6 zeigt eine MehrSchichtanordnung mit alternierenden Schichten von untereinander durch Austauschkopplung verbundene ferromagnetische und antiferromagnetische Materialien, jeweils gefolgt bzw. getrennt durch eine Schicht aus nichtiaagnetischem Material und eine Schicht aus ferromagnetischem Material allein;

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Fig. 7 zeigt ein magnetisches Feld in Abhängigkeit vom Prozentanteil des Mangans in einem NiFe-FiIm, auf dem ein FeMn-FiIm aufgebracht ist und zwar in einer Austausch-Vorspannbeziehung;

Fig. 8 zeigt die B-H-SchleifenverSchiebung in Abhängigkeit von der Substratvorspannung für einen Fe₂O-,-FiIm, der auf einem NiFe-FiIm aufgebracht ist?

Fig. 9A zeigt eine Ansicht eines Barber-Pol magnetoresistiven Kopfes und

Fig. 9B zeigt eine Frontansicht des Kopfes aus Fig. 9A.

Die Anzahl von Domänenwänden in dem Joch eines induktiven Dünnfilmkopfes kann im wesentlichen auf Null reduziert werden, indem die Filme, die das Joch bilden, laminiert werden ;

t und indem die Laminierungsschichten unidirektional aniso- i trop gemacht werden, so daß die leichten Achsen der einzel- 1 nen Laminierungsschichten parallel zum Medium und zur Spalt- j richtung sind und untereinander entgegengesetzt in aufeinan- J derfolgenden Laminierungsschichten sind, wie dies in Fig. 2 j dargestellt ist. Die Laminierung reduziert die magnetostati- J sehe Energie im Ruhezustand auf einen kleinen Wert und ver- \ hindert dadurch die Formierung von in sich geschlossenen ! Einzelwanddomänen, während die unidirektionale Vorspannung j

dafür sorgt, daß jede Laminierungsschicht sich wie eine einzelne Domäne verhält und somit die Formierung von Domänenwänden verhindert wird.

Die unidirektionale Vorspannung kann durch Austauschanisotropie erzielt werden, die an den Grenzschichten zwischen geeignet gewählten ferromagnetischen und antiferromagnetischen Materialien auftritt. Die leichte Achse bzw. Richtung der unidirektionalen Anisotropie wird vorzugsweise durch

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die Richtung bestimmt, in der das ferromagnetische Material 'während der Aufbringung auf das antiferromagnetische Material magnetisiert wird, obwohl sie auch noch auf andere Weise bestimmt werden kann, wie dies später noch beschrieben wird.

In Fig. 2 ist eine Schnittansicht von laminierten Filmen dargestellt, die eine magnetische Abschirmung oder ein Polteil bilden können, die für die Benutzung in einem magnetischen Abtastkopf geeignet sind. Die laminierten Filme, die in Fig. 2 dargestellt sind, können auf folgende Weise hergestellt werden. Eine Schicht 10 aus ferromagnetischem Material, z. B. NiFe, wird auf ein Substrat 9 bei einem angelegten magnetischen Feld parallel zum Medium, d.h. in •der Ebene der Zeichnungsdarstellung, aufgebracht und die .Spaltrichtung ist parallel zu der Ebene der Struktur des 'Substrats 9, so daß auf diese Weise die uniaxiale Anisotropie erzielt wird. Diese uniaxiale Anisotropie ist, obwohl '>sie vorzugsweise begrüßt wird, nicht unbedingt notwendig. Während das Magnetfeld noch anliegt, wird eine dünne Schicht .11 aus einem geeigneten antiferromagnetischen Material auf- :gebracht, das so ausgewählt ist, daß die gewünschte Ausitauschkopplung zwischen dem antiferromagnetischen Material jund dem ferromagnetischen Material vorhanden ist.

!Danach wird eine dünne Schicht 12 von etwa 5 bis 10 nm eines nichtmagnetischen Materials vorzugsweise aufgetragen, um die Austauschkopplung zwischen dem Antiferromagnet und der jnächsten ferromagnetischen Schicht 13 zu vermeiden. Die Richtung des angelegten Magnetfeldes ist nun umgekehrt und !der Prozeß wird wiederholt. Fig. 2 zeigt ein Schnittbild ides laminierten Filmes, wobei die Pfeile 14 bis 17 die !Richtungen der leichten Achse anzeigen. Es können hohe !Permeabilitäten auf diese Weise erzielt werden, wie dies !in den nachfolgend aufgeführten Formeln niedergelegt ist.

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Aufeinanderfolgende Schichten werden in ähnlicher Weise aufgebracht. Die Schichten 13, 24 und 27 sind aus ferromagnetischein Material wie die Schicht 10. Die Schichten 11, 22, 25 und 28 usw. sind alle antiferromagnetische Schichten. Die Schichten 12, 23, 26 usw. sind alle nichtmagnetisch, um die antiferromagnetische Schicht darunter von der nächj sten ferromagnetischen Schicht darüber zu trennen. Im Raum j 19 oberhalb der Schicht 28 ist der Spalt angeordnet, der entweder einen Leiter (isoliert oder nicht) oder einen induktiven Kopf oder einen isolierten magnetoresistiven Streifen für einen magnetoresistiven Kopf enthält, gefolgt durch eine andere Struktur aus den Schichten 10 bis 28 in derselben Folge. Das Material im Spalt 19 dient auch als nichtmagnetische Schicht, in jedem Fall, egal, ob die induktive oder magnetoresistive Variante vorliegt.

Die ferromagnetischen Schichten 10, 13, 24 und 27 haben uniaxiale als auch unidirektionale Anisotropie und das treibende Feld H eines magnetischen Aufzeichnungsmediums steht immer im rechten Winkel zu der leichten Achse. Damit ergibt sich die Energiedichte zu:

E = -K cos θ ⁺ K sin²e -HM sin θ e - u s

wobei K die Konstante für die uniaxiale Anisotropie ist, K_e die Konstante der Austauschanisotropie und θ der Winkel zwischen der Magnetisierung M und der leichen Richtung für ein angelegtes magnetisches Feld H in Richtung der Achse y ist, die rechtwinklig zu der Richtung der unidirektionalen Anisotropie steht. Das Pluszeichen steht für die uniaxiale Anisotropie parallel zu der unidirektionalen Anisotropie und das Minuszeichen steht für die uniaxiale Anisotropie rechtwinklig zu der unidirektionalen Anisotropie, d.h. parallel zum angelegten Feld H.

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j Setzt man δΕ/δθ = O und führt man die Anisotropiefelder

mit H, = 2 K /M und das Austauschkoppelfeld H₀ = K /M_ ί κ. u s e e s

j ein, dann ergibt sich:

H = H_e tan θ ^ H_k sin Θ.

Für den Leseprozeß ist angenommen, daß θ klein bleibt, so daß sich die Vereinfachung ergibt:

H^ (H ⁺ H. ) sin Θ.

4irM 4irM sin θ 4irM

Die Permeabilität μ = = == = -τ= für

H H iH_e + H^j

(H_e + H_k) > 0.

Ein annehmbarer Wert für H, ist 4 Oe und für 80:20 Nickel-Eisen beträgt die Magnetisierung (4ττΜ ) etwa 10 000 Gauß.

H_ kann im Bereich von 0 bis 15 Oe gewählt werden, was zu einer Permeabilität im Bereich von 1 000 bis 2 000 führt, Werte, die für Dünnfilmübertrager akzeptierbar sind.

Fig. 3C zeigt die Magnetisierungs-Hystereseschleife, die M-H-Kurve eines Films, der aufgrund der erfindungsgemäßen Methode hergestellt ist. Ein 50 nm dicker Film aus 80:20 NiFe wird zunächst aufgedampft bei einem angelegten Feld H , wie in Fig. 3A dagestellt, um die leichte Achse LA festzulegen. Danach folgt ein 10 nm dicker Film aus 57:43 FeMn bei demselben angelegten Feld H . Das externe angelegte magnetische Feld H beträgt 60 Oe und die Substrattemperatur beträgt 200° C, wobei dann Austauschkopplung entlang der leichten Achse LA existiert. Fig. 3B zeigt die Richtung des angelegten Feldes H in derselben Richtung

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für die Aufbringung einer Schicht aus FeMn, die die antiferromagnetische Schicht bildet und zu der Richtung der unidirektionalen Anisotropie (UDA) führt, wie dies dargestellt ist.

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j Sowohl die Magnefcisierungskurve in der leichten als auch in ider harten Achsrichtung ist in Fig. 3C dargestellt, mit der kleinen Schleife für die harte Achse in Fig. 3D bei reduziertem Pegel für das treibende Magnetfeld H. Es ist hier j festzuhalten, daß der Film eine Einzelwanddomäne darstellt !in Abwesenheit eines externen Feldes. H beträgt 11 Oe, j während jedoch H nur nur 5 Oe beträgt. Die relative Permeajbilität beträgt 500. Fig. 3E zeigt das Feld H für einen ähnlichen Film mit einer Filmdicke von 50 nm aus 80:20 NiFe, der zuerst aufgedampft wird, gefolgt von einem 10 nm dicken Film aus 63:37 FeMn bei einer Substrattemperatur von 200° C, der anschließend bei einem angelegten externen magnetischen Feld H_ gemäß Fig. 3F abgekühlt wird, wobei das Feld im rechten Winkel zu demjenigen anliegt, das während der Aufbringung der Schicht gemäß der Darstellung in Fig. 3E liegt, so daß die unidirektionale Anisotropie UDA, die aus der Austauschkopplung resultiert, entlang der uniaxialen harten Richtung des NiFe-Filmes aus Fig. 3E liegt. Die Fig. 3G zeigt die Hystereseschleife in Richtung der harten Achse für die Struktur gemäß den Figuren 3E und 3F. Der Film v/eist eine geschlossene Hystereseschleife bei reduziertem Feld H auf, wie in Fig. 3H gezeigt ist und zwar bei allen Anregungsrichtungen. Der Film stellt eine einzelne Domäne in Abwesenheit eines externen Feldes dar, wobei H 5,5 Oe beträgt. Die relative Permeabilität beträgt 2000.

Im nachfolgenden werden allgemeiner der Prozeß und die Materialien zur Erzielung der unidirektionalen Anisotropie beschrieben. Ein Film aus weichmagnetischem Material, wie beispielsweise 80:20 NiFe (Permalloylegierung) wird zunächst auf ein Substrat bei Anliegen eines externen magnetischen Feldes aufgebracht, wobei die Substrattemperatur im Bereich zwischen Raumtemperatur und 300° C liegt und die Dicke im Bereich von 10 nm bis zu einigen hundert nm. Nachfolgend wird ein antiferromagnetisches Material im Verhältnis

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50:50 oder andere Materialien, wie nachstehend noch beschrieben, aufgedampft oder aufgesputtert, ohne daß die Fläche des weichmagnetischen Filmes Luft ausgesetzt wird, da die j sonst resultierende Oxidschicht die Austauschwirkung zwi- ΐ sehen der NiFe-Schicht und dem antiferromagnetischen Film j verhindert würde. Während des Aufbringens des antiferro- ; magnetischen Filmes kann die Richtung des magnetischen \ Feldes dieselbe Richtung haben wie während des Aufbringens · der weichmagnetischen Filmschicht. Wenn das weichmagnetische Material eine induzierte leichte Achse hat, wie dies bei i Permalloy der Fall ist, dann wird die unidirektionale Vor- j spannrichtung entlang der leichten Achse ausgerichtet. Alternativ kann die Richtung des Magnetfeldes geändert werden, um zu veranlassen, daß die unidirektionale Vorspannrichtung im selben Winkel zur leichten Achse des weichmagnetischen Films liegt, da die unidirektionale Vorspannung in derselben Magnetisierungsrichtung des weichmagnetischen Films sein wird, wenn der antiferromagnetische Film aufgelagert wird (wobei das angelegte Feld H aufrechter-

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halten werden muß, bis die Temperatur weniger als T_Q ist :und zwar beim Abkühlen der antiferromagnetischen Schicht), bis der antiferromagnetische Film bis über die kritische 'Temperatur, die vorstehend als Ordnungstemperatur definiert wurde, aufgeheizt wird. Von besonderer Wichtigkeit ist der ¹FaIl, in dem die unidirektionale Vorspannung entlang der ^harten Achse des weichmagnetischen Films liegt. Die Koerzii tivkraft und die Verschiebung der B-H-Kurve des weichmagnetischen Films entlang der Richtung der unidirektionalen Vorspannung werden reduziert und die Permeabilität wird ;erhöht. Diese Reduzierung ist sehr wichtig für die Benutzung j dieses Verfahrens in der Herstellung von Filmen für magneto-I resistive Sensoren.

I Wird die Ordnung des Aufbringens dieser beiden Filme umge-

ι kehrt und ist das Substrat amorph, dann ist keine unidirek-

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jtionale Vorspannung zu beobachten. Ist das Substrat kristal-Ilin, beispielsweise ein vorher aufgebrachter Film aus Kupfer

'oder Palladium, dann wird unidirektionale Vorspannung erreicht, wenn auf mehr als T erhitzt und in Anwesenheit eines Magnetfelds abgekühlt wird, obwohl sie im allgemeinen Iweicher als in der normalen Ordnung der Aufbringung ist.

'Es wird vermutet, daß dies aufgrund der Abhängigkeit von der kristallinen Struktur des Antiferromagneten gegenüber j der Struktur ist, auf der diese aufgebracht wird.

j Ein zweiter weichmagnetischer Film kann auf den Manganlejgierungsfilm aufgedampft werden. Die unidirektionale Vorspannung des zweiten weichmagnetischen Films ist geringer als die des ersten und seine Richtung hängt von der Richj tung des externen magnetischen Feldes ab, das während der Aufdampfung des zweiten weichmagnetischen Films, wenn die Aufbringung unterhalb der Ordnungtemperatur erfolgt. ι Unter Benutzung einer 80:20 NiFe-Legierung für die weich- I magnetischen Filme und 50:50 FeMn für die antiferromagnetische Schicht ist das Folgende erreicht worden: für eine 40 nm NiFe, eine 10 nm bis 100 nm FeMn und eine 30 nm NiFe Struktur waren die Richtungen der unidirektionalen Vorspannung der beiden NiFe-Schichten einander entgegengesetzt, wenn das externe magnetische Feld bei der Aufbringung des zweiten NiFe-Films reversiert wurde. Für eine Dicke der FeMn-Schicht oberhalb von 100 nm wurde keine unidirektionale Vorspannung bei dem zweiten NiFe-FiIm erzielt.

Das Resultat bei Benutzung von entgegengesetzten externen Feldern für aufeinanderfolgende Schichten ist für mehrlagige Abschirmungen bei magnetoresistiven Köpfen oder bei Jochen für induktive Dünnfilmköpfe wichtig, weil es in den aufeinanderfolgenden NiFe-Schichten die Magnetisierung in entgegengesetzte Richtungen zwingt. Dies wiederum eliminiert das Vorhandensein von geschlossenen Einzelwanddomänen,

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was dann der Fall ist,- wenn die Magnetisierung mit allen Schichten in dieselbe Richtung weist.

Bei magnetoresistiven Sensoren ist es wichtig, eine magnetische Vorspannung für das magnetoresistive Filmelement ; vorzusehen. Dies kann durch externe Magnetfelder erfolgen, j oder, wie durch Bajorek. {siehe oben) gezeigt ist, durch ! eine magnetostatische Wechselwirkung mit einer unmittelbar benachbart aufliegenden, permanentmagnetisierten Schicht,

I oder durch eine Kombination von Schichten. Im Stand der

Technik ist kein Hinweis darauf vorhanden, die direkte Austauschkopplung mit dem magnetoresistiven Film zu benutzen, um die Vorspannung zu erzielen, da Mittel für das Erzielen j einer solchen Vorspannung ohne Verminderung der magnetischen Eigenschaften nicht bekannt waren. Die hier beschriebenen Methoden und Materialien ermöglichen dies jedoch. Fig. 4A zeigt einen Sensor mit einem magnetoresistiven Streifen, der die direkte Austauschkopplung als Mittel für die Erzeugung der Vorspannung benutzt.

In Fig. 4A ist ein Substrat 30 dargestellt, auf das ein Dünnfilmstreifen 31 als magnetoresistiver Sensorfilm aufgebracht ist, der vorzugsweise 80:20 NiFe mit einer Dicke von ca. 40 im ist und zwei Anschlüsse 32 aufweist, die in konventioneller Dünnfilmtechnik angebracht sind. Die Leitungen werden mit einer Gleichstrom-Vorspannungsquelle verbunden sowie mit den magnetischen Aufzeichnungs-Schaltkreisen, wie dies in der Dünnfilmtechnologie magnetischer Aufzeichnungstechnik bekannt ist. Unmittelbar und direkt auf dem Streifen 31 ist ein dünner Film eines antiferromagnetisehen Materials 33, wie beispielsweise ein 10 um dicke Schicht aus FeMn, aufgebracht, um die magnetische Vorspannung für den magnetoresistiven Streifen 31 durch die Wirkung der Austauschkopplung mit der Feldstärke H zu erzielen. Dabei wird der Film 33 entweder aufgebracht, während der magneto-

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resistive Streifen 31 durch ein externes magnetisches Feld j magnetisiert wird oder durch Aufheizen der kompleten Struki tür über die Ordnungtemperatur hinaus und anschließendes ; Abkühlen in Gegenwart eines magnetischen Feldes. Die beson-ί dere Richtung der unidirektionalen Anisotropie, die in dem ^: magnetoresistiven Streifen 31 vorgesehen ist, hängt von I den spezifischen Anforderungen des magnetoresistiven Sensors j ab, ist hier jedoch in Richtung der Längsachse des Streifens I vorgesehen. Sie könnte jedoch auch unter einem Winkel von j 45 Vorhandensein, um ein Kompnente des magnetischen Feldes ι vorzusehen der Art für das Vorspannfeld M, wie es durch idie Schicht 35 in Fig. 4B nachstehend beschrieben gezeigt ist. Dabei können die Technik gemäß der Anordnungen aus Fig. 3A und 3B angewendet werden. In Fig. 4B ist ein Substrat 34 gezeigt, auf dem ein dünner longitudinalvorspannender Film 35 eines weichen, hochpermeablen und niedrige Koerzitivkraft aufweisenden Materials aufgebracht ist, wie beispielsweise ein 20 nm dicker NiFe 80:20 Film, der darauf als ein induktives, weichmagnetisches Vorspannmaterial aufgebracht ist, um ein Magnetisierungsfeld M aufgrund des Stromes I_DC zu erzeugen. Ein solches Vorspannmaterial ist in dem US-Patent 3 864 751 beschrieben. Danach wird eine Schicht 36 aus nichtmagnetischem Material, wie beispielsweise SiO „ auf den Vorspannfilm 35 aufgebracht. Anschließend folgt ein magnetoresistiver Streifen 37 mit Leitungen 38, die den Strom I_DC führen, und dann eine antiferromagnetische Schicht 39, wie in Fig. 4A. Die Struktur gemäß der Fig. 4B stellt einen im direkten Austausch vorgespannten magnetoresistiven Sensorstreifen dar, der eine Vorspannfeldstärke Η_βχ aufweist und zusätzlich eine longitudinal weichmagnetisch selbst vorspannende Schicht 35. Durch die Austauschvorspannung H wird das Barkhausen Rauschen vermieden.

Der in Fig. 4A gezeigte magnetoresistive Sensor weist keine magnetische Vorspannung in Querrichtung, d.h. parallel zum

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:magnetischen Signalfeld H_g. . auf, und gibt deshalb ein j ■unipolares, quadratisches Ausgangssignal bei kleinen Sig- j nalen ab. In vielen Anwendungen ist es notwendig, das Aus- ! gangssignal zu linearisieren, was durch Benutzung einer : solchen Vorspannung oder durch Benutzung einer Barber-Pol- · kurzschlußstreifenstruktur, wie sie in Fig. 4A und 4B gezeigt ist, erreicht wird. Die Vorspannung in Querrichtung
kann durch Orientireung des Austauschkopplungsfeldes in
einem Winkel von ca. 45 gegenüber der Richtung, die in Fig. \ 4A gezeigt ist, erzielt werden oder durch Hinzufügen eines ' Permanentmagneten oder einer weichmagnetischen Vorspannschicht. Vom Fabrikationsgesichtspunkt her zeigt die Fig. ^; 4B eine solche Kombination, die den Vorteil hat, daß keine , neuen Materialien in dem Dünnfilm-Auftragsprozeß verwendet j werden, wodurch eine weniger komplexe Dünnfilmaufdampf- ; oder Sputtervorrichtung erforderlich ist. J

Es ist auch möglich, die direkte Austauschkopplung mit einer , magnetostatischen Kopplung zu kombinieren, wie dies in Fig.
:4C gezeigt ist. Dabei ist in diesem Fall das externe magnetische Feld während des Aufbringens des zweiten NiFe-Films
I im rechten Winkel zu dem bei der ersten NiFe-Schicht ausgeirichtet. Die resultierenden unidirektionalen Vorspannungen UDA ■ stehen dann im rechten Winkel zueinander für eine Struktur
;aus einem 20 nm NiFe-FiIm, einem 10 nm FeMn-FiIm und einem
.weiteren 40 nm NiFe-FiIm. Eine solche Technik ist für
die Kombinierung von Austauschanisotropie und einem weich-■magnetischen Vorspannfilm wichtig. Die erste Schicht 40,
die auf das Substrat aufgebracht ist, ist weichmagnetisch
und die Austauschanisotropie mit dem Film 41 aus FeMn
:hilft den weichmagnetischen Film in der Sättigung zu
;halten, während der zweite NiFe-FiIm 42, der als magneto-
;resistives Abtastelement benutzt wird, geschaltet wird.
;Die Austauschanisotropie-Vorspannung der zweiten Schicht
'eliminiert das Barkhausen Rauschen dadurch, daß es sicher-

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stellt, daß die magnetoresistive Schicht eine einzige Einzelwanddomäne bleibt, während sie geschaltet wird.

Andere winkelmäßige Zuordnungen und Beziehungen zwischen unidirektionalen Anisotropien aufeinanderfolgender ferromagnetischer Schichten zusätzlich zu den parallelen und den ^;rechtwinkligen Fällen sind ebenso möglich. Ein besonders !Wichtiger Fall ist in Fig. 4D dargestellt, wo der Winkel ;zwischen den Richtungen der unidirektionalen Anisotropie !zweier NiFe-Filme 50 und 52 135° beträgt. Dies ist wichtig !für die Kombination einer weichmagnetischen Filmvorspannung 'und einer unidirektionalen Anisotropievorspannung in einem magnetoresistiven Kopf, da die unidirektionale Vorspannung für den weichmagnetischen Film 50 dazu beiträgt, diesen Film in der Sättigung zu halten und die unidirektionale Vorspannung für den magnetoresistiven Film 52 hilft diesen Film unt
spannen.

Film unter einem Winkel von 45° zur Stromrichtung I vorzu-

Wenn die weich- und antiferromagnetische Filmstruktur über eine gewisse Temperatur erhitzt wird, die weiter oben als Ordnungstemperatur T bezeichnet ist, und dann unter die Ordnungstemperatur abgekühlt wird, ändert sich die Richtung der unidirektionalen Vorspannung zu jeder Richtung der Magnetisierung der 80:20 NiFe-Permalloylegierung, die auf dem antiferromagnetischen Film aufliegt und die diese besitzt während des Zustandes des Abkühlens auf Werte unterhalb der Ordnungstemperatur. Dieser Effekt kann dazu benutzt werden, um die Richtung der unidirektionalen Kopplung zu ändern, nachdem die Filme oder sogar die ganze Vorrichtung hergestellt wurde. Verschiedene Methoden können zur Einstellung der gewünschten Richtung der Magnetisierung der weichmagnetischen Filme benutzt werden, beispielsweise ein externes Feld, eine Entmagnetisierungsfeld der benachbarten Magnetschichten, Magnetfelder, die durch Strom in benachbarten

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iMetallfilmen oder magnetischen oder nichtmagnetischen Filmen

!erzeugt werden , oder durch jede Kombination vorstehend \

!genannter Mittel. In manchen Fällen kann es ausreichen, ge- j

iwisse Domänenstrukturen einzufrieren, entweder natürlich j

oder durch Wechselstromdemagnetisierung. i

Eine Ausführungsform, die zur Reduzierung des Barkhausen Rauschens benutzt wird und dabei die Fähigkeit des "Einfrierens" einer einheitlichen Domänenstruktur benutzt, ist in Fig. 5 dargestellt. Ein nicht laminierter weichmagnetischer Film 51 (wie beispielsweise 80:20 NiFe) wird auf einem Substrat 50 aufgebracht. Anschließend wird eine antiferromagnetische Schicht 52 auf den NiFe-FiIm ohne anliegendes Magnetfeld aufgebracht. Wenn die Oberfläche der weichmagnetischen Schicht 51 vor Aufbringung der antiferromagnetischen Schicht, beispielsweise durch Luftzufuhr, oxydieren konnte, dann muß diese Oxidschicht vor Aufbringung der antiferromagnetischen Schicht 52 entfernt werden, beispielsweise durch Sputterätzen. Eine Spaltschicht aus Kupfer oder alternativ ein isolierter magnetoresistiver Streifen 53 wird dann aufgebracht, gefolgt durch eine andere weichmagnetische Filmschicht 54 und einem antiferromagnetischen Film 55, wie oben beschrieben. Wenn diese Struktur nach dem Aufbringen der magnetischen Schichten auf mehr als die Ordnungstemperatur erhitzt wird, dann sollte sie in Abwesenheit eines angelegten Magnetfeldes abgekühlt werden, so daß einige Muster von Einzelwanddomänen in jeder ferromagnetischen Filmschicht während der Ordnung der antiferromagnetischen Filme bestehen. Eine einzelne magnetische Domäne kann nicht in jedem magnetischen Schenkel eines Kopfes erzielt werden, bei dem die Schenkel nicht laminiert sind, dies aufgrund des Entmagnetisierungseffekts in einem einzelnen Film, der zu der Bildung von Einzelwanddomänen führt, wie dies weiter oben diskutiert wurde. Da dieses eine Muster geschlossener Domänen das energiemäßig am meisten bevorzugte ist, wird

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es nach jeder Störung (beispielsweise durch magnetische I Felder oder dem Schreib/Lesevorgang auf dem magnetischen '' Medium) wiederhergestellt. Damit ist die Effizienz des ; Schreib/Lesevorgangs stabiler als wenn zufälligerweise : ein Einzelwanddomänenmuster nach einer magnetischen Störung ! geschaffen wird.
!

j Diese Fähigkeit der Ausrichtung der unidirektionalen Aniso- ; tropie sich oberhalb .der Ordnungstemperatur erneut zu orientieren, kann eine Begrenzung der Arbeitstemperaturen I solcher Vorrichtungen bedeuten, die mit unidirektionaler ! Anisotropie ausgerüstet sind, außer die Neuorientierung kann gesteuert werden. Eine besondere laminierte Struktur, I die diese Steuerung ermöglicht, selbst nach der Herstellung, ist in Fig. 6 dargestellt. Diese Struktur ist ähnlich auf-I gebaut derjenigen, die in Fig. 2 dargestellt und in diesem Zusammenhang beschrieben ist, mit der Ausnahme, daß jede ; alternierende weichmagnetische Filmschicht ohne eine unidirektionale Vorspannschicht ausgeführt ist. Insbesondere : sind die folgenden Schichten in Anwesenheit eines angelegten Magnetfeldes aufeinander aufgebracht, wobei das angelegte ; Magnetfeld parallel zu der Richtung der leichten Achse, die I für die Vorrichtung erforderlich ist, liegt: >

1) eine Schicht aus ferromagnetischem Material, z. B. 100 im von NiFe; j

2) eine dünne Schicht aus einem geeigneten antiferromagnetischen Material (ca. 10 nm dick);

3) eine dünne Schicht aus einem nichtmagnetischen Material (ca. 5 - 10 nm dick);

4) eine Schicht aus dem ferromagnetischen Material;

5) eine Schicht aus dem nichtmagnetischen Material;

usw. Somit wird nur jede zweite ferromagnetische Schicht unidirektional vorgespannt durch die Austauschanisotropie.

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Es sei angemerkt, daß die Richtung des angelegten magnetischen Filmes während der Herstellung dieser Struktur nicht reversiert zu werden braucht. Während des Prozesses, der auf die Fabrikation obiger Struktur folgt, diese auf eine Temperatur oberhalb der Ordnungstemperatur erhitzt wird, kann die gewünschte Richtung der unidirektionalen Anisotropie wiederhergestellt werden durch Abkühlung auf unterhalb der Ordnungstemperatur in Anwesenheit eines angelegten magnetischen Feldes in der Richtung, die für die unidirektionale Anisotropie erforderlich ist. Dies stellt sicher, daß die sich abwechselnden ferromagnetischen Schichten, die unidirektional vorgespannt sind, Einzelwanddomänen sind. Die magnetostatische Zwischenbeziehung an den Grenzschichten dieser Struktur zwischen den magnetischen Filmen, und die es nicht sind, bewirkt, daß letztere ebenfalls Einzelwanddomänen sind, mit einer Magnetisierung, die in die entgegengesetzte Richtung der ersten Filme zeigt. Somit weist die in Fig. 6 dargestellte Struktur Einzelwanddomänen in den ferromagnetischen Filmen auf, mit sich abwechselnden Richtungen der Magnetisierungen, ebenso wie die in Fig. 2 dargestellte Struktur, jedoch ohne die Begrenzung der Arbeitstemperaturen wie bei dieser letzten Struktur.

Fig. 6 zeigt eine mehrlagige Struktur mit alternierenden Schichten von in Austauschkoppelwirkung stehenden Ferromagnetika und antiferromagnetischen Materialien zusammen in Schichtstruktur und dann eine Schicht aus ferromagnetischem Material allein mit alternierenden leichten Achsen. Insbesondere ist auf einem Substrat 60 eine Schicht 61 aus ferromagnetischem Material aufgebracht, dem eine leichte Achse durch Anlegen eines externen magnetischen Feldes parallel zum Substrat und zum Spalt aufgedrückt wird, ähnlich der Schicht 10 in Fig. 2. Die Schicht 61 kann 100 nm dick sein und aus 80:20 NiFe bestehen. Danach ist eine dünne Schicht aus antiferromagnetischem Material, die Schicht 62,

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auf der Schicht 61 aufgebracht und zwar in einer Dicke

von ca. 10 nm. Nachfolgend ist eine nichtmagnetische Schicht

63 in einer Dicke von 5 bis 10 nm aufgebracht. Darauf folgt ; eine Schicht 64 aus ferromagnetischem Material auf der ' j

Schicht 63, gefolgt von einer darauf befindlichen Schicht ι aus nichtmagnetischem Material usw., wobei die Schichten 66 i und 71 ferromagnetische Schichten sind, wie die Schicht 61 j und anisotrope Austauschbeziehungen mit den ferromagnetischen j

! i

Schichten 67 und 72 aufweisen und die ferromagnetische ■ Schicht 69 analog der Schicht 64 ist. Nichtmagnetische ;

j Schichten 68 und 73 sind analog zur Schicht 63 und die
nichtmagnetische Schicht 70 entspricht der Schicht 65. Nur ^: jede zweite ferromagnetische Schicht (61, 66 und 71) ist ' unidirektional vorgespannt durch Austauschanisotropie, zu- j mindest im Sinne des direkten Kontaktes. Die alternierenden
Schichten sind durch den Schluß des magnetischen Feldes von
den Schichten 61, 66 und 71 in die Schichten 63 und 79 vorgespannt, wobei dadurch eine Vorspannung in entgegengesetzter Richtung der Pfeile erzeugt ist.

Ein wesentlicher Vorteil dieser Form der Austauschanisotro- j pie liegt darin, daß die richtige Magnetisierung wiederhergestellt oder vorgesehen werden kann, was dann der Fall
sein kann, wenn während der Herstellung eines magnetischen
Übertragers oder irgendeiner anderen Vorrichtung ein Aufheizprozeß notwendig war und diese Form der Mehrschichtstruktur Anwendung findet. Die Magnetisierung wird durch
Abkühlen der Filme bei angelegtem externen Feld in der
richtigen Richtung wiederhergestellt, um die gewünschte
Richtung der Magnetisierung zu erzielen, wenn die Filme
auf unterhalb der Ordnungstemperatur abgekühlt werden, um
die durch die Pfeile in Fig. 6 dargestellte unidirektionale
Anisotropie zu erhalten.

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In den Schichten 61, 66 und 71 gibt es immer eine Komponente der Magnetisierung in der leichten Richtung, so wie in Fig. 2, da das Treiberfeld senkrecht zu dieser Richtung während des Lesens und während des Schreibens in einem Dünnfilmkopf steht. Somit sind die anderen ferromagnetischen Schichten 64 und 69 in entgegengesetzte Richtungen durch magnetostatische Wechselwirkung vorgespannt. Es ist deswegen nicht notwendig, eine Anisotropie-Austauschkopplung zur Steuerung der Magnetfelder in diesen Zwischenschichten 64 und 69 zu haben. Jedoch hängt eine zufriedenstellende Arbeitsweise der Vorspannschichten 64 und 69 von der Größe der Anisotropie ab, die in den Schichten 61, 66 und 71 induziert wird, die ihrerseits anisotrope Eigenschaften haben, welche durch die antiferromagnetxschen Schichten erzeugt wird, mit denen sie in ganz engem Kontakt stehen. Die Größe der Anisotropie magnetischer Natur kann genau durch Veränderung der Dicke der ferromagnetischen Schichten gesteuert werden, da das unidirektionale Anisotropiefeld gegeben ist durch die Gleichung H„ = E/(Mt), wobei E die Energie der Austauschanisotropie, M die Sättigungsmagnetisierung und t die Dicke der ferromagnetischen Schicht ist. Diese Alternative gemäß der Erfindung gibt die Möglichkeit, einen Kopf oder einen übertrager zu bauen mit einem breiten Bereich von Materialien, aus denen für die Herstellung eines laminierten Joches für einen Magnetkopf oder sonstige Vorrichtungen ausgewählt werden kann.

Materialien:

Ein antiferromagnetischer Film, der für die Verwendung in Übereinstimmung mit vorliegender Erfindung geeignet ist, muß aus einem Material sein, welches eine Neeltemperatur T hat, die höher als die Arbeitstemperatur des magnetischen Übertragers bzw. der zu formenden Vorrichtung ist. Dabei ist die Neeltemperatur T diejenige Temperatur, bei der

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ein antiferromagnetisches Material paramagnetisch wird, und sie ist analog der Curietemperatur bei einem ferromagnetischen Material. Es gibt zwei Klassen von Materialien, die bei einer Nee1temperatur T dieser Höhe erfolgreich verwendbar sind. Eine dieser Klassen sind Manganlegierungen, die bei Raumtemperatur in der Gammaphase (kubisch flächenzentriert) stabil sind, insbesondere eine MnFe-Zusammensetzung, die nahe bei 50:50 liegt. Die zweite Klasse enthält antiferromagnetische Oxide wie aFe^O^. Nicht alle Materialien, von denen in der Literatur festgestellt wird, daß sie in fester dickerer Form (bulk form) antiferromagnetisch bei einer hohen Nee!temperatur sind, arbeiten zufriedenstellend oder überhaupt. G. Rassman und H. Wick, Archiv für Eisenhüttenwesen, 3J3/ Seite 115 (1963) berichteten, daß Fe₃Al antiferromagnetisch bei T = 750° K ist. Es wurden jedoch Eisen-Aluminiumfilme bei und nahe der Fe-.Al-Zusammensetzung ausprobiert, die jedoch keine unidirektionale Anisotropie im Endeffekt abgaben. Auch von anderen Legierungen ist berichtet worden, daß sie hohe Werte für T aufweisen, die aber beim Ausprobieren zeigten, daß sie nicht verwendbar sind. Dies sind Al-Cr-Legierungen nahe der AlCr₃ Zusammensetzung, MnPd-Legierungen nahe der MnPd-Zusammensetzung, CrMn-Legierungen von ca. 1 % bis ca. 90 % Mn. Festzuhalten ist, daß weder CrMn noch MnPd eine stabile Gamma -Phase bei Raumtemperatur aufweisen. Es wird vermutet, daß die kristalline und/oder magnetische Spinstruktur dieser Materialien, wenn sie in Filmform aufgedampft oder aufgebracht werden, nicht so sind, wie sie für die Hervorrufung unidirektionaler Anisotropie erforderlich sind.

Aus dem Buch von Hansen (Constitution of Binary Alloys, McGraw-Hill) sind eine Anzahl von binären Legierungen mit Gamma^-Phasen bekannt, die bei Raumtemperatur stabil sind, z.B. : CoMn, CuMn, GeMn, FeMn, MnNi, MnPt und MnRh. Von diesen Materialien erzeugen FeMn, MnNi, MnPt und MnRh uni-

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^; - 39 -

direktionale Anisotropie, wenn sie auf nicht oxidierte Flächen eines 80:20 NiFe-Films aufgedampft werden. Weiterhin sind ternäre und noch höherwertige Legierungen von Mn möglich/ solange sie eine Gamma.. -Phase aufweisen, die bei Raumtemperatur stabil ist. Insbesondere sind NiFeMn-Legierungen mit einem NiFe-Verhältnis von 80:20, 40:60 und 20:80 untersucht und ausprobiert worden und alle erzeugen unidirektionale Anisotropie, wenn sie auf 80:20 NiFe-Filme aufgedampft worden sind. Von allen diesen Manganlegierungen, die ausprobiert wurden, hat sich das FeMn-System als das mit der höchsten Ordnungstemperatur gezeigt.

In Fig. 7 ist die Verschiebung der B-H-Schleife von den

anfänglichen Werten für H und H in der leichten Achse ³ e c

der Koerzitivkraft dargestellt und zwar bei Filmen, die eine 40 nm dicke NiFe-Schicht enthalten, auf der eine 13 nm dicke Schicht von FeMn-Filmen mit unterschiedlichen Fe:Mn-Verhältnissen aufgetragen worden ist, wobei die NiFe-Filme entlang ihrer leichten Achse gesättigt sind. Es ist dabei zu bemerken, daß die Verschiebung in der B-H-Schleife einen Maximalwert bei einer Zusammensetzung von ca. 50:50 aufweist. Dies kann als Bestätigung dafür gewertet werden, daß die unidirektionale Anisotropie ein Ergebnis der Austauschwirkung zwischen antiferromagnetischem FeMn und ferromagnetischem NiFe ist.

Die Veränderung oder das Umklappen der Richtung der unidirektionalen Anisotropie ist beobachtet worden beim Aufheizen der Filme in einem magnetischen Feld, das im rechten Winkel zu der ursprünglichen Richtung der Anisotropie liegt. ^! Bei genügend hohen Temperaturen ist weiterhin beobachtet worden, daß die Richtung der Anisotropie in Richtung auf • die Richtung des angelegten Magnetfeldes sich dreht. Der i Umfang der Drehung nimmt zu, wenn die Temperatur zunimmt, , so daß anstelle eine abrupten Drehung bei einer genau de-

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finierten Ordnungstemperatur sich herausgestellt hat, daß ein Temperaturbereich vorhanden ist, in dem in einem zeitlich genügend großen Interval Rotation auftritt. Dabei wurde eine Standarduntersuchung benutzt, die eine Rotation ; von 90 % in 15 Minuten erbrachte und zwar bei einem 13 nm dicken FeMn-FiIm mit einem Verhältnis von 50:50 für Fe:Mn auf einem 40 nm dicken NiFe (80:20)-Film bei einer Temperatur von 120° C.

Die Notwendigkeit für die richtige kristalline Struktur ι
j wird durch die Ergebnisse bestätigt, die das Aufbringen

j einer 50:50 FeMn-Schicht direkt auf ein amorphes Substrat

und anschließende Aufbringung des NiFe demonstriert. Wenn dies erfolgt/ wird keine unidirektionale Anisotropie erzeugt, selbst dann, wenn die Filme in einem Magnetfeld auf oberhalb der Neeltemperatur des FeMn aufgeheizt werden. Wenn jedoch ein Kupfer- oder Palladiumfilm, die beide eine kubisch flächenzentrierte kristalline Struktur aufweisen, zunächst aufgebracht wird, dann der 50:50 FeMn-FiIm, gefolgt von einem 80:20 NiFe-FiIm, aufgebracht wird, weist der NiFe-FiIm unidirektionale Anisotropie auf. Da 80:20 NiFe ebenfalls kubisch flächenzentriert ist, erscheint es wesentlich, daß das FeMn auf eine Fläche aufgebracht wird, die kubisch flächenzentrierte Struktur hat, um somit dieselbe kristalline Struktur in dem FeMn-FiIm zu erhalten.

Die andere Gruppe antiferromagnetischer Materialien, von denen erwartet wird, unidirektionale Anisotropie zu erzeugen, sind die antiferromagnetischen Oxide wie und NiO. Da CxFe₃O₃ eine höhere Neeltemperatur (677° C) im Vergleich zu NiO (250 C) aufweist, ist zu erwarten, daß CtFe₃O₃ höhere Ordnungstemperaturen mit sich bringt. Es hat sich herausgestellt, daß von einem Fe^O^-Target auf 80:20 NiFe-Filme aufgesputterte Filme unidirektionale Anisotropie in dem NiFe-FiIm erzeugen.

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Um die Ausführbarkeit zu beweisen, sind aufgedampfte Permalloyfilme (80:20 NiFe) einer Dicke von 50 mn, 100 nm und 200 nm für das weichmagnetische Material benutzt worden. Da die Filme aus dem Verdampfer entfernt und in ein Hochfreqeunzsputtersystem verbracht werden mußten, hat sich ein Oxid auf der NiFe-Filmoberfläche während der Aussetzung an Luft gebildet. Dieses Oxid mußte entfernt werden, bevor der Fe₃O₃-FiIm aufgesputtert wurde oder andernfalls wäre die Austauschkopplung zwischen dem Permalloy und dem Fe₃O₃ bei Raumtemperatur verloren gegangen (bei cryogenen Temperaturen kann noch eine Austauschkopplung über Gasoxid erfolgen). Nachdem die NiFe-Filme mit Sputterätzung gesäubert worden sind, ist ein Film durch Hochspannungssuttering von einem Fe₂O₃~Target bei Argongas aufgebracht worden. Von dem resultierenden Film ist erwartet worden, daß es ein aFe„0₃~ FiIm ist, der möglicherweise einige Sauerstoffehlstellen aufweist, was aber nicht geprüft wurde. Während der Sputteraufbringung des Fe₃O₃-FiImS ist die Magnetisierung des NiFe-Filmes durch ein externes Magnetfeld in derselben Richtung, in der die unidirektionale Anisotropie liegen soll, aufrechterhalten worden. Es hat sich herausgestellt, daß die unidirektionale Anisotropie des NiFe-Films als Resultat der Beschichturg mit Fe₃O₃ abhängig von den Sputterbedingungen ist. Insbesondere hat sich eine Abhängigkeit der Verschiebung in der B-H-Schleife des 80:20 NiFe-Films von folgenden Parametern herausgestellt: Target-Spannung und Leistung, Substratvorspann-Spannung, Fe₃O₃-Filmdicke und Filmdicke des NiFe. In Fig. 8 ist die Abhängigkeit der Verschiebung in der B-H-Schleife von der Substrat-Vorspannspannung und der Filmdicke des NiFe-Films dargestellt, wobei die Targetspannung bei -1500 Volt lag, ein 20 pm Argongasdruck herrschte und die Filmdicke des Fe₃O₃-FiInIeS ungefähr 85 nm betrug. Dabei sind drei verschiedene Dicken von 50 nm, 100 nm und 200 nm für die NiFe-Schichten zur Anwendung gekommen. Bei Aufheizung in einem magnetischen Feld im rechten

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Winkel zu der ursprünglichen Richtung der unidirektionalen Anisotropie bei einem Beispiel mit 40 nm dicker 80:20 NiFeschicht und 85 nm dicker Fe₂O^-FiIm (aufgesputtert bei -50 V Substratvorspann-Spannung, -1500 Targetspannung und

;20 ym Argongasdruck) dreht sich die Richtung der unidirek-■tionalen Anisotropie um 90 in 15 Minuten bei einer Temperatur von 150° C.

Obwohl diese Proben durch Aufdampfen der NiFe-Schicht und Aufsputtern der Schicht Fe₃O₃ vorgenommen worden sind, ist das Aufsputtern sowohl der NiFe und Fe₃O₃-Schicht in einem Mehrtargetsputtersystem für die Verbesserung magnetischer Eigenschaften vorzuziehen.

Die gewünschte Koerzitivkraft der ferromagentischen Filme, die durch Austauschkopplung vorgespannt sind, liegt generell unterhalb von ca. 10 Oe. Auf der anderen Seite weisen die Materialien, die in dem oben genanten Patent von Bajorek et al genannt sind, Koerzitivwerte in der Größenordnung von 50 bis 100 Oe Gder 10 H, auf, wobei H_k die Anisotropieenergie darstellt. Die erfindungsgemäß niedrige Koerzitivkraft wird durch die Ausrichtung der Spins in dem antiferromagnetischen Material erreicht, wobei die Ausrichtung mittels des vorstehend beschriebenen erfindungsgemäßen Prozesses erfolgt. Eine hohe Permeabilität von über 500 ist für solche durch Austauschwirkung vorgespannten Filme angestrebt und die Feldstärke H für die Austauschkopplung ist größer als die Koerzitivkraft H in Anwesenheit der Austauschwirkung.

Fig. 9A zeigt eine Draufsicht und Fig. 9B eine Seitanansicht einer Struktur, die die Austausch-Vorspannung für einen Barber-Pol magnetoresistiven Kopf benutzt, der teilweise auf die bereits erwähnte Literaturstelle von Kuijk et al zurückgeht. Ein Substrat 90 ist mit einem dünnen Filmstrei-

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fen 91 aus NiFe 80:20 beschichtet, der einen magnetoresistxven Sensor enthält. Ein dünner Filmstreifen 92 aus antiferromagnetischem Material, wie beispielsweise FeMn ist auf den dünnen Film 91 aufgebracht. Goldanschlußleitungen 93 und 94 und Goldkurzschlußstreifen 95, die diagonal mit den Streifen 91 und 92 ausgerichtet sind, sind auf dem Streifen 92 angeordnet, wobei sich die Leitungen 93 und 94 über das gesamte Substrat 90 hinaus zu nichtdargestellten Anschlüssen erstrecken. Durch vorliegende Erfindung der Benutzung einer Vorspannschicht, die auf Austauschwirkung beruhende vorgespannte ferromagnetische Materialien verwendet, führt zu erheblich verbesserten Resultaten der Arbeitsweise eines Barber-Polkopfes. Dabei ist der zusammengesetzte Streifen, der aus den Schichten 91 und 92 besteht, der Ersatz für die magnetoresistive Schicht bei Kuijk (vergleiche oben). Ein parallel zu der eventuellen Streifenrichtung ausgerichtetes Magnetfeld ist während der Herstellung benutzt, um das unidirektionale Vorspannfeld in dem zusammengesetzten Streifen zu erzeugen, welches zu dem Verhalten entsprechend einer Einzelwanddomäne führt. Das Feld kann während der Aufbringung der Schicht oder danach beim anschließenden Aufheizen über die Ordnungstemperatur hinaus mit nachfolgendem Kühlen angelegt werden. Diese Ausführungsform ist für die Benutzung in Verbindung mit leitenden antiferromagnetischen Materialien geeignet, die das Funktionieren der Kurzschlußstreifen erlauben.

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e e rs e ι te

Claims

PATENTANSPRÜCHE

Geschichtete magnetische Dünnfilmstruktur unter Verwendung von ferromagnetischen und antiferromagnetischen Materialien für die Schichten, dadurch gekennzeichnet, daß die ferromagnetische Schicht in direktem atomaren Kontakt mit der antiferromagnetischen Schicht steht, daß die ferromagnetische Schicht eine Koerzitivkraft H von weniger als ca. 10 Oe und eine unidirektionale magnetische Vorspannung (Anisotropie) aufweist, die durch Austausch-Kopplungswirkung mit der antiferromagnetischen Schicht durch darin geeignet ausgerichtete Spins aufrechterhalten wird, und daß das Austausch-Kopplungsfeld H größer als die Koerzitivkraft H bei Vorhandensein der Austausch-Kopplungswirkung ist.

Magnetische Dünnfilmstruktür nach Anspruch 1_f dadurch gekennzeichnet, daß die ferromagnetische Schicht weichmagnetisch und z.B. eine geeignete NiFe-Legierung ist.

Magnetische Dünnfilmstruktur nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß als antiferromagnetisches Material ein solches verwendet wird, das eine Neel-Temperatur oberhalb der Arbeitstemperatur der Struktur besitzt und aus der Gruppe der Gammaphasen Mn Legierungen, die bei Raumtemperatur in der Gammaphase (kubisch flächenzentriert) stabil sind, besteht, oder das antiferromagnetische Oxide wie aPe₂O₃ und NiO enthält.

Magnetische Dünnfilmstruktur nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Gammaphasen Mn Legierungen binärer, ternärer oder höherer Ordnung mit einem oder mehreren Elementen aus der Gruppe von Pe, Co, Cu, Ge, Ni, Pt und Rh mit Mn sind.

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ORiGIMAL

Magnetische Dünnfilmstruktur nach Anspruch 1 oder einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß ein erstes Paar einer ferro- und antiferromagnetischen Schicht durch eine nichtmagnetische Schicht von einem zweiten Paar einer ferro- und antiferromagnetischen Schicht getrennt angeordnet ist, wobei die nichtmagnetische Schicht zwischen der antiferromagnetischen Schicht des ersten und der ferromagnetisehen Schicht des zweiten Paares liegt.

J6. Magnetische Dünnfilmstruktur nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die nichtmagnetische Schicht zur Bildung eines induktiven Dünnfilmmagnetsensors elektrisch leitend ist.

7. Magnetische Dünnfilmstruktur nach Anspruch 1 oder einem der Ansprüche 2 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die antiferromagnetische Schicht eine separate, homogene Schicht mit einer von der Schichtdicke der ferromagnetischen Schicht unterschiedlichen Schichtdicke ist und

durch Diffusion gebildet ist. . ■

3. Magnetische Dünnfilmstruktur nach Anspruch 1 oder einem ι der Ansprüche 2 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die ' antiferromagnetische Schicht im Vakuum auf die ferromagnetische Schicht aufgebracht ist, wobei an der ferromag- | netischen Schicht ein Magnetfeld angelegt ist, um die j

unidirektionale Anisotropie zu erzeugen. j

j i 5. Magnetische Dünnfilmstruktur nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß zur Bildung eines magnetoresistiven Sensors als ferromagnetische Schicht ein schmaler, länglicher magnetoresistiver Streifen verwendet ist und daß die unidirektionale magnetische Vorspannung eine wesentliche Komponente in Längsrichtung des magnetoresistiven Streifens aufweist.

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10. Magnetische Dünnfilmstruktur nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, daß zur Bildung eines magnetoresistiven Sensors auf das Schichtpaar aus magnetoresistiver ferromagnetischer Schicht und antiferromagnetischer Schicht auf der Seite der antiferromagnetischen Schicht eine dünne, nicht magnetische Schicht und darauf ein dünne Schicht aus ferromagnetisehern Material als magnetische Vorspannschicht angeordnet ist.

11. Magnetische Dünnfilmstruktur nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, daß zur Bildung eines magnetoresistiven Wandlers auf der zweiten Seite der antiferromagnetischen Schicht eine Schicht eines Materials mit niedriger Koerzitivkraft und hoher Permeabilität in derart engem Kontakt angebracht ist, daß durch Austausch-Koppelwirkung zwischen der zweiten Seite der antiferromagnetischen Schicht und dieser ferromagnetischen Schicht in dieser eine derartige unidirektionale magnetische Anisotropie vorliegt und dadurch ein Austausch-Vorspannfeld zur ersten ferromagnetischen Schicht mit einer Richtung erzeugt wird, die im wesentlichen senkrecht zu dem länglichen Sensorstreifen der ersten ferromagnetischen Schicht liegt.

12. Magnetische DünnfiImstruktür nach Anspruch 1 oder einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß auf ein Paar aus einer ferro- und einer antiferromagnetischen Schicht eine nichtmagnetische Schicht und darauf eine Schicht aus Material mit niedriger Koerzitivkraft und hoher Permeabilität sowie mit derartigen Eigenschaften aufgebracht ist, daß eine magnetische Rückflußverbindung zur ferromagnetischen Schicht des Paares besteht.

13. Magnetische Dünnfilmstruktur nach einem der Ansprüche

9 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß zur Bildung einer

Barber-Polanordnung eine dafür geeignete metallische
Kurzschlußstruktur anliegend und in Längsrichtung an j bzw. zu dem magnetoresistiven Streifen aufgebracht ist.

14. Verfahren zur Herstellung einer magnetischen Dünnfilmstruktur gemäß einem oder mehreren der vorstehenden
Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß auf ein Substrat zunächst die ferromagnetische Schicht aus insbesondere
niedrige Koerzitivkraft und hohe Permeabilität aufweisendem Material und darauf die antiferromagnetische
Schicht in direktem atomaren Kontakt bei Anliegen eines Magnetfelds geeigneter Richtung an der Schicht aufgebracht wird.

15. Verfahren nach Anspruch 14 oder einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß nach
Aufbringen eines Schichtpaares dieses auf eine Temperatur oberhalb der Ordnungstemperatur aufgeheizt und beim Abkühlen ein Magnetfeld in der Richtung der gewünschten unidirektionalen Anisotropie aufrechterhalten wird.

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