NL7907217A - Magnetische beldomeinstructuur. - Google Patents

Description

* * * ** PHN 9594 1 N.V. Philips’ Gloeilampenfabrieken te Eindhoven Magnetische beldomeinstructuur.

De uitvinding heeft betrekking op een magnetische beldomeinstructuur bevattende een niet-magnetisch substraat waarop een aantal magnetische lagen zijn aangebracht en wel : een planaire laag zacht magnetisch materiaal met een 5 positieve magnetische anisotropie-konstante waarin magnetische beldomeinen kunnen worden voortbewogen, alsmede een stuurlaag van zacht magnetisch materiaal die grenst aan een hoofdvlak van de planaire laag en tenminste één beldomein-voortbewegingsweg definieert.

Magnetische beldomeingeheugens omvatten in het algemeen één of meer geheugen opslag lussen die plaats bieden aan een aantal enkelwandige magnetische domeinen, elk waarvan één binaire informatie bit vertegenwoordigt. Deze beldomeinen worden langs de lus geroteerd op een gesynchroniseerde en 15 beheerste wijze teneinde toegang tot de opgeslagen informatie mogelijk te maken. Zie bijvoorbeeld het overzichtsartikel "Bubble memories come to the boil" verschenen in Electronics, 2 augustus 1979 biz. 99-109· Een aantal verschillende benaderingen is toegepast bij het formeren van de beldomeinvoortbewegings- 20 wegen of circuits.

Bij zogenaamde "field acces" systemen is het gebruikelijk om een weg of spoor vast te leggen door op de beldomein laag een dunne film patroon aan te brengen dat bestaat uit een reeks geometrische vormen of elementen van een zacht-magnetische 790 7 2 1 7 PHN 9594 2 nikkel-ijzer legering, zodat als een in-vlaks magnetisch drijfveld wordt geroteerd de elementen achtereenvolgens positief en negatief gepolariseerd worden ter voortbeweging of stapsgewijze verplaatsing van de beldomeinen langs de weg.

5 Tot nu toe gebruikte beldomein voortbewegingselementen van nikkel-ijzer zijn onder andere afwisselende T en I vormen, afwisselende Y en I vormen, asymmetrische chevron vormen en C-vormen.

Een nadeel van het gebruik van dergelijke nikkel-ijzer elementen is echter dat de magnetostatische interactie ("kleefkracht") tussen beldomeinen en elementen zo groot is dat een ongestoorde voortbeweging van beldomeinen alleen met hoge draaivelden mogelijk is. Deze "kleefkracht" houdt verband met het feit dat een beldomein zijn omgeving, en ^ met name de nikkel-ijzer elementen, magnetiseert. Dit heeft eenzelfde effect als een permanente magneet die op een ijzeren tafel gelegd wordt.

Aan de uitvinding ligt de opgave ten grondslag een magnetische beldomeinstructuur van de in de aanhef beschreven 20 soort te verschaffen waarin deze storende interactie niet optreedt zodat een relatief zwak draaiveld voldoende is voor een ongestoorde voortbeweging van beldomeinen.

Deze opgave wordt opgelost door een beldomeinstructuur die gekenmerkt wordt doordat hij een stuurlaag van 25 magnetisch materiaal met een negatieve magnetische anisotropie-konstante omvat, welke laag twee sublagen omvat : een eerste, kontinue, sublaag, en een tweede, diskontinue, sublaag die tenminste één beldomein voortbewegingsweg definieert voor het geleiden van 30 de beweging van beldomeinen in de planaire laag onder invloed van een verandering in de oriëntatie van een roterend magnetisch veld met een magnetisatierichting evenwijdig aan het vlak van de planaire laag. De diskontinue sublaag kan ter definiëring van de voortbewegingsweg of wegen voort-35 bewegingselementen, die qua vorm overeenkomen met de bekende, bijvoorbeeld T en I vormige, Y en I vormige, C-vormige of chevron-vormige voortbewegingselementen van nikkel-ijzer bevatten.

7907217 t '* ΡΗΝ 959^ 3

De werking van de beldomeinstructuur volgens de uitvinding berust erop, dat het draaiveld de eerste, kontinue, substuurlaag magnetiseert, waarbij de hele magnetisatie van de laag meedraait. Door exchange koppeling wordt ook de 5 magnetisatie van de tweede, diskontinue, substuurlaag die de voortbewegingsweg definieert, meegedraaid. De kontinue substuurlaag fungeert als het ware als overbrenging, of hefboom, waardoor een relatief zwak draaiveld mogelijk is, terwijl de storende interactie die bij het gebruik van zacht-ma'gnetische 10 voortbewegingselementen van nikkel-ijzer optreedt ontbreekt.

De voordelen van de beldomeinstructuur volgens de uitvinding komen, zoals nog nader zal worden uiteengezet, meer tot hun recht naarmate de dimensies kleiner worden. Xn het bijzonder is hij zeer geschikt voor het voortbewegen 1® van beldomeinen met een diameter van Ijjmof kleiner.

Een eerste voorkeursvorm van de beldomeinstructuur volgens de uitvinding wordt gekenmerkt, doordat de planaire laag en de stuurlaag granaatlagen zijn. Dit biedt de mogelijkheid om, zoals nog nader zal worden uiteengezet, de stuurlaag 20 óf te vormen door ionenimplantatie van de toplaag van de bel- domeinlaag, óf door op de beldomeinlaag een tweede granaat- laag met een iets verschillende samenstelling op te groeien.

Een tweede voorkeursvorm wordt gekenmerkt, doordat de planaire laag bestaat uit een materiaal met een magneto-25 plumbietstructuur en de stuurlaag uit een materiaal dat een hexagonale kristalstructuur paart aan een negatieve aniso-tropie-konstante.

De uitvinding zal bij wijze van voorbeeld nader worden toegelicht aan de hand van de tekening.

30

Fig. 1 is een bovenaanzicht van een deel van een magnetische beldomeinchip en toont een bel-domeinvoortbewegingsstructuur volgens de uitvinding.

Fig. 2 is een doorsnede langs de lijn II-II van fig.

35 1 .

Fig. 3 is een bovenaanzicht van een andere uitvoeringsvorm van de uitvinding.

790 7 2 1 7 » PHN 9594 4

Fig. 4 is een doorsnede langs de lijn IV-IY van fig. 3.

Fig. 5 geeft een roterend in-vlaksveld M weer.

Fig. 6 is een bovenaanzicht van een alternatieve 5 uitvoeringsvorm van de uitvinding.

Fig. 7 is een doorsnede langs de lijn VII-VII van fig. 6.

In figuur 1 is met 1 een deel van een magnetische beldomeinchip aangegeven. Deze bevat een patroon van Y en 10 I-vormige elementen zoals aangegeven met 2,2' respectievelijk 3,3' die een voortbewegingsweg voor een magnetisch beldomein definiëren. De hier getoonde structuur van Y-I vormige elementen maakt een beweging dwars op de lijn II-II mogelijk.

De uitvinding is echter niet beperkt tot het gebruik van Y en I vormige elementen. Deze zijn voornamelijk omwille van de eenvoud getekend. Meer sophisticated elementen zijn bijvoorbeeld C-vormige elementen. Of de beweging in opwaartse of in neerwaartse richting plaatsvindt hangt af van de rotatiezin van een magnetisch draaiveld M (fig. 5) onder 20 u invloed waarvan magnetisch N en Z polen in opeenvolging worden opgewekt aan de uiteinden van de Y en I vormige elementen.

Zoals getoond in figuur 2 bevat de beldomeinchip 1 een substraat 4 gevormd door een schijf die met een be-25 paalde oriëntatie uit een eenkristal is gesneden. Een karakteristiek materiaal hiervoor is zeldzame aard-gallium-granaat of een equivalent materiaal. Het substraat 4 draagt een pla-naire beldomeinlaag 5· Karakteristiek hiervoor is een epitaxiaal neergeslagen zeldzame aard-ijzer-granaatlaag met een dikte 30 van één of enkele microns en een gemakkelijke magnetisatie- richting in een richting loodrecht op het vlak van de laag.

(Dat wil zeggen dat de laag 5 een positieve magnetische ani- sotrope konstante heeft : K^>0.) Ter illustratie is een beldomein 6 in de laag 5 getekend met een magnetisatierichting 35 tegengesteld aan die van de rest van de laag. Direct op de planaire laag 5 bevindt zich een stuurlaag 7 die een kontinue sublaag 8 en een diskontinue sublaag 9 omvat. De sublagen 8 en 9 hebben ten behoeve van de gewenste exchange koppeling bij 790 7 2 1 7 t / PHsr 9594 5 voorkeur elk een dikte van hoogstens 0,5 micron (een dikte van 0,2 micron is zeer geschikt) en hebben een gemakkelijke magnetisatierichting in het vlak van de laag. (Dat wil zeggen dat de lagen 8 en 9 een negatieve magnetische aniso-® tropie konstante hebben : K^, <o.)

Wanneer, zoals aangegeven in figuur 5» beldomein-chip 1 wordt onderworpen aan een roterend in-vlaks magnetisch drijfveld M (aangenomen dat het gebruikelijke biasveld H loodrecht op de laag 5 aanwezig is om het beldomein 6 in stand te houden), dan zal het volgende gebeuren. Het draaiveld M magnetiseert de kontinue laag 8 waarbij de gehele magnetisatie van de laag 8 meedraait. Door exchange koppeling worden ook de delen van de diskontinue laag 9» die de voortbewegingsele- menten vormen, meegdraaid. De laag 9 wekt magnetische polen 15 op analoog aan die van bekende voortbewegingsstructuren van zacht-magnetische nikkel-ijzer-legeringen. De dan optredende storende interactie tussen beldomein en voortbewegingsaLement ("kleven") is hier echter afwezig. De laag 8 werkt als overig brenging of hefboom, waardoor met een zwakker draaiveld volstaan kan worden dan bij gebruik van de conventionele voortbewegingsstructuren. Vaar van de storende interactie meer last wordt ondervonden naarmate de beldomeinen kleiner zijn, komt het voordeel van de onderhavige uitvinding steeds meer naar 25 voren naarmate de beldomein afmetingen kleiner worden. (Voor het voortbewegen van 1 micron beldomeinen is normaliter een draaiveld van 50¾ 100 Oersted nodig. Bij toepassing van de uitvinding zijn draaivelden van tien & een paar tientallen Oersted voldoende.) 30 Een configuratie zoals getoond in figuren 1 en 2 kan op verschillende manieren vervaardigd worden.

Volgens een eerste methode wordt op het een-kristallijne substraat h een beldoraeinlaag 5 gegroeid waarvan het bovenste deel met ionen geïmplanteerd wordt ter vorming van 35 een stuurlaag 7 met in-vlaks magnetisatie. Van de stuurlaag 7 wordt het bovenste deel plaatselijk weggeëtst ter vorming van de voortbewegingselementen 2,3 respectievelijk 2',3' die als eilanden achterblijven. Voor het realiseren van kleine 790 72 1 7

·* V

PHN 9594 6 beldomeinen (doorsnede 1 micron en kleiner) moet het beldo-meinmateriaal een zeer hoge magnetische anisotropie hebben.

In dat geval is het moeilijk om door implanteren de anisotropie konstante van positief* negatief* te maken, g Een mogelijke oplossing is dan om op de eigenlijke beldomeinlaag met hoge (positieve) anisotropie een epilaag met lage (positieve) anisotropie te groeien, waarbij de anisotropie konstante van de epilaag wél gemakkelijk door middel van ionenimplantatie van positief* negatief gemaakt 10 kan worden.

Een tweede methode behelst het op een beldomeinlaag met K y· 0 direct groeien van een laag met K< O. Dit kan bijvoorbeeld door bij het epitaxiaal uit de vloeibare fase groeien van een beldomeinlaag met de nominale samenstelling I5 (Y La)^(FeGa)2 het Ga-gehalte aan het eind van het groeiproces te verhogen.

Waar het bovenstaande betrekking heeft op lagen met een granaat kristalstructuur, hetgeen zowel voor de beldomeinlaag als voor de stuurlaag geldt, heeft een derde methode 20 betrekking op beldomeinlagen van materialen met een magnetoplumbietstructuur, die op zich een positieve anisotropie konstante hebben, een karakteristiek materiaal is in dit verband barium-ferriet (BaFe^O-i^) combinatie met stuur- lagen van een materiaal met een hexagonale kristalstructuur 25 een een negatieve anisotropie konstante. Een karakteristiek materiaal is barium zink ferriet (Ba^Zn^Fe· Op een geschikt substraat wordt hiertoe eerst een dunne laag BaFe^O-j^ met een gemakkelijke magnetisatie as loodrecht op het vlak van de laag aangebracht, en op deze laag wordt een laag 30

Ba2Zn2Fe^2^22 me^ een &ema4kelijke magnetisatie as in het vlak van de laag aangebraeht.

Bij gebruik van al deze methoden wordt als laatste stap lokaal materiaal van het bovenste deel van de stuurlaag weggeëtst om propagatie elementen te vormen.

35

Bij de in figuren 1 en 2 gedeeltelijk getoonde bel-domeinchip is de stuurlaag zodanig opgebouwd, dat de sublaag 9 met het voorbewegingspatroon door de kontinue sublaag 8 van de laag 5 waarin beldomeinen worden voortbewogen is gescheiden.

^907217 PHN 9594 7

Bij de in figuren 3 en 4 getoonde beldomeincliip 11 is dit juist andersom. Een op een substraat 14 aangebracbt beldo-meinlaag 15 is voorzien van een stuurlaag 17 die bestaat uit een kontinue sublaag 18 met in-vlaks magnetisatie die ver-® kregen is door de laag 15 over zijn gehele oppervlakte tot een diepte van bijvoorbeeld 0,5 micron met ionen te implanteren. Door op plaatsen die overeenkomen met een uit elementen 12, 13 respectievelijk 12’, 13' bestaand voortbe-wegingspatroon dieper te implanteren (bijvoorbeeld tot een ^ totale diepte van 1 micron) is een diskontinue sublaag 19 verkregen met voortbewegingselementen die direkt aan de bel-domeinlaag 15 grenzen. De voortbeweging van een beldomein 16 in deze laag 15 vindt op geheel dezelfde wijze plaats als hiervoor beschreven in verband met de in figuren 1 en 2 ge-15 toonde beldomeinchip 1.

Bij de vervaardiging van de in figuren 3 en 4 getoonde beldomeinchip werd ionenimplantatie op 2-nivo’s van een tot een dikte van 2 micron op het eenkristallijne sub-straat 14 gegroeide zeldzame aard-ijzer-granaat laag toegepast. De laag 18 (het 1e nivo) werd verkregen door implantatie 14 + 2 met een dosis van 2x10 Ne - ionen per cm bij 100 KV. Om de verdiepingen 19 (2e nivo) te verkrijgen werd plaatselijk door openingen in een goud-masker 20 heen geïmplanteerd met 14 + 2 25 een dosis van 10 Ne - ionen per cm bij 300-400 KV.

Behalve door het vervaardigen van de in figuren 3 respectievelijk 4 getoonde combinatie van een kontinue sublaag met een diskontinue sublaag bestaande uit voortbewegingselementen met tussenruimten (Engelsï"gapped 2Q propagation elements”) leent de methode van ionenimplantatie op twee nivo1s zich ook zeer goed voor het vervaardigen van __ een combinatie van een kontinue sublaag met een diskontinue / sublaag bestaande uit voortbewegingselementen zonder tussen- / 7 tuimten (Engels : "contiguous propagation elements") zoals 35 getoond in de figuren 6 en 7·

Figuur 6 toont een deel van een beldomeinchip 21 met een beldomeinvoortbewegingsweg 22 die wo^dt gevormd door de omtrek van elkaar overlappende voortbewegingsele- 790 72 1 7 PHN 9594 8 menten 23, 23’ en 23''· Zoals in figuur 7 getoond omvat bel-domeinchip 21 een eenkristallijn substraat 24 waarop een beldomeinlaag 25 is gegroeid. Het bovenste deel van de laag 25 is met ionen geïmplanteerd, en wel op twee nivo's}ten 5 einde een tweedelige stuurlaag 27 volgens de uitvinding te verkrijgen. Tijdens een eerste implantatiestap is de laag 14 + 27 geïmplanteerd met een dosis van bijvoorbeeld 10 Fe -2 ionen per cm ter vorming van de kontinue laag 28 met in-vlaks magnetisatie. Tijdens een tweede implantatiestap ^ is via- openingen 32, 33 enz. in een na de eerste stap aangebracht dun goud masker 30, 31 (2000 S. dik) met dezelfde dosis tot een grotere diepte geïmplanteerd, ter vorming van de uit lokale verdiepingen van de laag 28 bestaande diskontinue sublaag 29 met in-vlaks magnetisatie. Anders gezegd : er is 15 een laag 29 met in-vlaks magnetisatie ontstaan met daarin een voortbewegingspatroon van elkaar overlappende elementen 23, 23’, 23'1 met een gemakkelijke as voor de magnetisatie loodrecht op het vlak van de laag. Bij een dergelijke configuratie kunnen zich als de exchange koppeling tussen de lagen 28 en 29 niet domineert onder invloed van een in-vlaks magneetveld, zogenaamde geladenwanden vormen die radieel van de omtrek van de voortbewegingselementen uitgaan. Wanneer de beldomein-chip 21 aan een in-vlaks draaiveld M (fig. 5) wordt onder-25 worpen, draaien de geladen wanden mee, waardoor ookbeldomein 26 wordt voortbewogen.

Op zich verschilt dit niet van hetgeen bij zogenaamde contiguous-disk bëldomein inrichtingen gebeurt (zie bijvoorbeeld IEEE Transactions on Magnetics, Vol. Mag. 13, No. 6, 3Q November 1977, PP 1944-64). Echter zorgt de alleen bij de bel-domeinchip volgens de uitvinding aanwezige kontinue sublaag 28 met in-vlaks magnetisatie ervoor, dat de dracht van de geladen wanden beperkt is, waardoor de voortbeweging.-van beldomeinen langs een aangrenzende beldomeinweg 34 niet gestoord wordt, 35 ook niet als deze dichtbij ligt. Bij de bekende "contiguous disk" beldoméin inrichtingen hebben de geladai wanden een grote dracht, waardoor de beldomeinwegen niet zeer dicht bij elkaar kunnen liggen.

7907217

Claims (5)

1. Magnetisch, beldomein structuur bevattende een niet- magnetische substraat waarop een aantal magnetische lagen zijn aangebracht, en wel : een planaire laag zacht magnetisch 5 materiaal met een positieve magnetische anisotropie konstante waarin magnetische beldomeinen kunnen worden voortbewogen, alsmede een stuurlaag van zacht magnetisch materiaal die grenst aan een hoofdvlak van de planaire laag en die tenminste één beldomein voortbewegingsweg definieert met het kenmerk, W dat de structuur een stuurlaag van magnetisch materiaal met een negatieve magnetische anisotropie konstante omvat, welke laag twee sublagen omvat : een eerste,kontinue, sublaag, en een tweede, diskontinue, sublaag die tenminste 15 één beldomein voortbewegingsweg definieert voor het geleiden van de beweging van beldomeinen in de planaire laag onder invloed van een verandering in de oriëntatie van een roterend magnetisch veld met een veldrichting evenwijdig aan het vlak van de planaire laag. 20

2. Beldomeinstructuur volgens conclusie 1, met het kenmerk, dat de planaire laag en de stuurlaag granaatlagen zijn.

3· Beldomeinstructuur volgens conclusie 2, met het kenmerk, dat de stuurlaag een ionen-geïmplanteerde granaat-25 laag met dezelfde samenstelling als de planaire laag is.

4. Beldomeinstructuur volgens conclusie 2, met het kenmerk, dat de stuurlaag een granaatlaag is met een samenstelling die verschilt van die van de planaire laag.

5· Beldomeinstructuur volgens conclusie 1, met het 30 kenmerk, dat de planaire laag bestaat uit een materiaal met een magnetoplumbiet-kristalstructuur en de stuurlaag uit een materiaal dat een hexagonale kristalstructuur paart aan een negatieve anisotropie konstante. 7907217 35