Kurzfassung
Magnetfeldsensoren werden für Kompass-Anwendungen, sowie zur Messung von elektrischen Strömen oder der Position und Geschwindigkeit von Objekten verwendet. Dünnschichtsysteme
basierend auf dem Riesen- oder Tunnelmagnetowiderstand (GMR oder TMR) sind aufgrund der kleinen Größe, der hohen Effektstärke und des niedrigen Stromverbrauchs prädestiniert für mobile Nutzung. Mithilfe der Beschichtung im schrägen Einfall
(OID) können die magnetischen und magnetoresistiven Sensoreigenschaften einfach zugänglich und flexibel auf spezielle Anwendungskriterien maßgeschneidert werden. In dieser Arbeit soll die Nutzung von OID in GMR- und TMR-Sensoren erforscht werden.
Aufbauend auf den OID-GMR Filmen in [Sch16] werden grundlegende Fragen bezüglich magnetischem Kopplungsverhalten und der Sensorstabilität beantwortet. Es wird gezeigt, dass Mikrostrukturierung und die OID-charakteristische Oberflächenwelligkeit das Sensorverhalten nicht beeinträchtigen. Mit mikrostrukturierten Proben werden 10% Effekt erreicht, was die OID-GMR Sensoren zu einer geeigneten und unkomplizierten Lösung für viele Anwendungen macht.
TMR-Sensoren basieren standardmäßig auf der Kombination von FeCoB und isolierendem MgO als Tunnelbarriere. Durch thermisches Ausheilen kristallisiert das FeCoB nach Vorlage der MgO-Struktur. In OID-FeCoB herrscht ein sensibles Anisotropiegleichgewicht das überraschenderweise zu einer Rotation der Vorzugsrichtung der Magnetisierung um 90° in der Ebene führen kann. Mithilfe von Synchrotron-Experimenten zur Korrelation
der strukturellen und magnetischen Eigenschaften wird ein Modell entwickelt, dass die zusätzlichen Anisotropiebeiträge durch das OID erklärt.
Trotz der komplexen Phasenübergänge in FeCoB und der Kombination von welligen Grenzflächen mit einer sensiblen, dünnen Tunnelbarriere wird erstmalig gezeigt, dass OID erfolgreich auf TMR Systeme übertragen werden kann. Die TMR Effektstärke beträgt bereits bis zu 60% bei den ersten mikrostrukturierten Sensoren. Durch Änderungen der Schichtdicke und Beschichtungswinkel werden Sensorparameter eingestellt und neuartige Funktionen ermöglicht. Insgesamt wird gezeigt, dass Beschichtung im schrägen Einfall für TMR Systeme genutzt werden kann um einzigartige und maßgeschneiderte Funktionalitäten zu entwickeln mit weiterhin hoher Effektstärke, Temperaturstabilität und Integrierbarkeit in typische Prozesse. Dies ermöglicht die Herstellung einfacher und an viele Anwendungen anpassbare Magnetowiderstandssensoren.
Magnetic field sensors can be used for compass applications, to measure electrical currents or to determine position and speed of objects. Layered thin-film sensors based on the giant or tunneling magnetoresistance (GMR or TMR) are predestined for portable devices where their small size, high effect strength and low power consumption are crucial. Through the use of oblique-incidence deposition (OID) it is possible to tailor the magnetic and magnetoresistive properties of the sensors in an easy-accessible and flexible way to the needs of an application. The goal of this thesis is to investigate the feasibility of OID in GMR and TMR sensors. Building on the work presented in [Sch16] with extended GMR film samples, fundamental questions regarding magnetic coupling and sensor stability are answered. It is shown that microstructuring and the OID-characteristic wavy surface morphology do not interfere with sensor performance. Overall, around 10% GMR are achieved in microstructured devices, making OID-GMR sensors a suitable and uncomplicated solution for a variety of applications. TMR sensors are based on the material combination of FeCoB and insulating MgO as tunnel barrier. Upon thermal treatment, FeCoB crystallizes guided by the MgO structure as template. Obliquely deposited FeCoB exhibits a sensitive balance of different anisotropy terms that is surprisingly found to induce a rotation of the preferred magnetization axis by 90° in-plane. After synchrotron-based investigations to correlate structural and magnetic properties, a model is developed that explains the additional OID-induced anisotropy contributions. Despite the complex transition of FeCoB and the combination of wavy interfaces with a sensitive ultra-thin tunnel barrier, the OID-approach is for the first time successfully transferred to TMR systems. A high TMR effect strength of up to 60% is achieved in microstructured sensors. By changing the layer thicknesses and deposition angles, sensor parameters are tuned and novel functionalities are implemented. Overall, it is shown that oblique-incidence deposition can be used to prepare TMR systems based on MgO and FeCoB that exhibit unique and adjustable functionalities while maintaining a high effect strength, temperature stability and compatibility to common fabrication processes. This paves the way for customizable and simplified magnetoresistive sensors.