Elektromagnetische Sensorik

Spintronik: Kristallisation durch lokales Lasertempern von TMR-Sensorelementen#

Per Laser eingeprägter magnetischer Kontrast einer 5 nm dicken CoFeB-Schicht auf Basis des Exchange Bias Effektes. Der Schriftzug ist nur in einem begrenzten Magnetfeldbereich sichtbar, hier H=15 mT.

Magnetfeldsensoren auf Basis spintronischer Effekte, v.a. dem »giant magnetoresistance«-(GMR)- und »tunneling magnetoresistance«-(TMR)-Effekt, nehmen aufgrund ihrer Performance stetig größere Marktanteile ein. Insbesondere TMR-basierte Systeme stehen seit einigen Jahren am Fraunhofer ENAS im Fokus, bieten sie doch eine wesentlich höhere Sensitivität, kleinere Sensorabmessungen sowie eine höhere Energieeffizienz, und stellen somit eine vielversprechende Technologie für die nächste Sensorgeneration auch für das industrielle Umfeld dar. Um das TMR-Signal zu maximieren, sind CoFeB/MgO-basierte Sensorelemente auf einen Temperschritt angewiesen, welcher sowohl zur Kristallisation, als auch zur Ausrichtung einer Referenzmagnetisierung im Schichtsystem dient. Vor allem die benötigten Temperaturen zur Kristallisation von CoFeB sind oft herausfordernd, u.a. für eine Integration in Smart Systems oder auf flexiblen Substraten, da dieser Schritt typischerweise in einem Vakuumofen unter Einwirkung eines äußeren Magnetfeldes durchgeführt wird. Alternativ kann diese Erwärmung durch Laserbestrahlung erfolgen, welche zudem eine lokal aufgelöste magnetische Strukturierung gestattet und die monolithische Integration von multidimensionalen Sensoren erst ermöglicht. Nun wurde für ein Laserscanverfahren mit effektiven Verweilzeiten im µs-Bereich nachgewiesen, dass auch eine gezielte CoFeB-Kristallisation in Dünnschichtsystemen erreicht werden kann. Dadurch wird großes Potential zur zukünftigen Implementation von TMR-Elementen in Architekturen mit besonderen Temperaturanforderungen entfaltet sowie das Integrationspotential von spintronischen Systemen und deren Anwendungsspektrum deutlich erweitert.

Nutzen für den Kunden: Zugriff auf magnetisches Knowhow und leistungsfähigste Sensortechnologie inkl. deren Systemintegration.