Ziel dieses Projekts war die Entwicklung neuartiger Dünnschichtsysteme für die Anwendung als Magnetfeldsensoren mit der Besonderheit der Sensitivität gegenüber senkrechten Feldern. Im Rahmen des Projekts sollten auch mikrostrukturierte Proben mit integrierter elektrischer Kontaktierung hergestellt werden; diese sind besonders im Hinblick auf die potentielle Anwendung von großem Interesse.
Magnetische Dünnschichtsysteme, die den Riesenmagnetowiderstand-Effekt (GMR) nutzen, finden vielfach Anwendung in der Magnetfeldsensorik. Für die Entwicklung von neuartigen 3D Magnetfeldsensoren, mit deren Hilfe sich die Magnetisierung in allen drei Raumrichtungen bestimmen lässt, ist die Messung von Feldern senkrecht zur Schichtebene eine wichtige Voraussetzung.
Die Abbildung zeigt einen Teil eines Wafer-Querschnitts nach Fertigstellung. Die Wolfram-Vias, die den elektrischen Kontakt zum GMR-Schichtstapel herstellen, werden vor dem Aufbringen des Stapels durch eine dünne Ruthenium-Schicht vor Oxidation geschützt. Die Leiterbahnen aus einer Aluminium-Kupfer-Legierung werden über Drähte mit dem Trägerchip verbunden. Ohne äußeres Magnetfeld steht die Magnetisierung (weiße Pfeile) der beiden magnetischen Schichten senkrecht zueinander. Die Magnetisierung des free layers kann aber durch ein senkrechtes Magnetfeld (H) parallel zu der des pinning layers gedreht werden. Der Strom, der in Form von Elektronen (blaue Punkte) durch die dünne Kupfer-Schicht fließt, wird dadurch messbar beeinflusst, wie es das Diagramm oberhalb schematisch zeigt. Der elektrische Widerstand des Sensorelements hängt nahezu linear von der Stärke und Richtung des äußeren Magnetfelds ab. (Darstellung ist nicht maßstabsgetreu.) [Quelle: Fabian Ganss, Universität Augsburg]Die Abbildung zeigt einen Teil eines Wafer-Querschnitts nach Fertigstellung. Die Wolfram-Vias, die den elektrischen Kontakt zum GMR-Schichtstapel herstellen, werden vor dem Aufbringen des Stapels durch eine dünne Ruthenium-Schicht vor Oxidation geschützt. Die Leiterbahnen aus einer Aluminium-Kupfer-Legierung werden über Drähte mit dem Trägerchip verbunden. Ohne äußeres Magnetfeld steht die Magnetisierung (weiße Pfeile) der beiden magnetischen Schichten senkrecht zueinander. Die Magnetisierung des free layers kann aber durch ein senkrechtes Magnetfeld (H) parallel zu der des pinning layers gedreht werden. Der Strom, der in Form von Elektronen (blaue Punkte) durch die dünne Kupfer-Schicht fließt, wird dadurch messbar beeinflusst, wie es das Diagramm oberhalb schematisch zeigt. Der elektrische Widerstand des Sensorelements hängt nahezu linear von der Stärke und Richtung des äußeren Magnetfelds ab. (Darstellung ist nicht maßstabsgetreu.) [Quelle: Fabian Ganss, Universität Augsburg]
Das Projekt umfasste die Erprobung und Optimierung eines Schichtsystems mit gekreuzter magnetischer Anisotropie, welches eine hartmagnetische, ferrimagnetische Schicht mit Kompensationspunkt, also mit kompensierter Magnetisierung, beinhaltete. Diese fungiert als sogenannter „pinning layer“. Die Untersuchungen umfassten die Herstellung und Charakterisierung der Schichtsysteme sowie die Mikrostrukturierung ausgewählter optimierter Systeme. Hierzu wurden Wafer mit integrierter Kontaktierung hergestellt und Masken für die weiteren fotolithografischen Bearbeitungsschritte angefertigt.
Die erhaltenen Ergebnisse erlaubten eine Optimierung des pinning layers hinsichtlich seiner magnetischen Eigenschaften und zeigen die prinzipielle Anwendbarkeit des GMR-Schichtsystems zur Messung senkrechter Magnetfelder. Dabei konnten bereits potentielle Probleme im Schichtaufbau und in der folgenden Mikrostrukturierung identifiziert und Lösungen zu deren Vermeidung erarbeitet werden.
![Die Abbildung zeigt einen Teil eines Wafer-Querschnitts nach Fertigstellung. Die Wolfram-Vias, die den elektrischen Kontakt zum GMR-Schichtstapel herstellen, werden vor dem Aufbringen des Stapels durch eine dünne Ruthenium-Schicht vor Oxidation geschützt. Die Leiterbahnen aus einer Aluminium-Kupfer-Legierung werden über Drähte mit dem Trägerchip verbunden. Ohne äußeres Magnetfeld steht die Magnetisierung (weiße Pfeile) der beiden magnetischen Schichten senkrecht zueinander. Die Magnetisierung des free layers kann aber durch ein senkrechtes Magnetfeld (H) parallel zu der des pinning layers gedreht werden. Der Strom, der in Form von Elektronen (blaue Punkte) durch die dünne Kupfer-Schicht fließt, wird dadurch messbar beeinflusst, wie es das Diagramm oberhalb schematisch zeigt. Der elektrische Widerstand des Sensorelements hängt nahezu linear von der Stärke und Richtung des äußeren Magnetfelds ab. (Darstellung ist nicht maßstabsgetreu.) [Quelle: Fabian Ganss, Universität Augsburg]](https://www.forschungsstiftung.bayern.de/wp-content/uploads/1169-1.jpg)
