TW200428014A - Method for measuring magnetostriction in magnetoresistive elements - Google Patents

Description

200428014 五、發明說明（1) 一、【發明所屬之技術領域】 本發明係關於一種測量磁致伸縮的方法，特別是一種 在磁阻裝置中測量磁致伸縮的方法。 磁及 所以 中、 構料 結資 一的 量存 測儲 如式 例方 ，性.。 場磁流 磁一 電 量錄的 測記中 須或置 必取裝 1下讀量 術況、測 技情置式 前多位方 先許之的 ί在分接 、 部間 二 化以 在上述情況中，磁效應經常非常微弱’因此需要一個 敏銳的磁感測器。當一磁感測器係根據磁阻效應所提出， 則此磁感測器能夠測量微小的磁場擾動’此外在製造上也 能符合經濟效益。當利用單石積體電路（mono 1 i th i c integrated circuit)的製造技術時，此種基於磁阻材料 之磁感測器能夠以薄膜的形式而被製造，因此不但具有經 濟效益，而且可以達到非常小的尺寸。基於磁阻材料之一 磁感測器被設置，係藉由一磁阻材料被使用作為一電阻 器。其上通過一電流’此電流在此材料上流過一路徑，而 跨越其上之電壓將隨著此材料上此路徑之有效阻抗而改 變。此阻抗值反過來隨著此材料磁化之狀態而改變。當此 磁化係平行於此電流’也就是在異向性磁阻（Anis〇tr〇pic Magnetoresistance，AMR)的情況中，此材料將具有最大 之阻抗’而當此磁化係垂直於此電流，此材料將具有最小 之阻抗。

200428014 五、發明說明（2) 對於巨磁阻（Giant Magnetoresi.stance，GMR)而言， 最大的阻抗在於當鄰近複數個磁性層的磁化的平行準直， 此鄰近複數個磁性層被非磁性介面層所隔開。一自旋閥系 統包含二磁性層’一是自由層（free iayer)，另一是栓層 (pinned layer)’其中此栓層可為一反鐵電層或是一反鐵 電耦合式栓層。

此系統中的電流可在平面上（C J p )或是垂直於平面 (C P P )。C P P的結構一般用於穿遂式元件（穿遂性磁阻， Tunneling Magnetoresistance，TMR)，其中非磁性介面 層包含一絕緣體。 具有一有效磁化之一自由旋轉層在磁阻裝置中 在磁阻材料上之一外部場旋轉其中之磁化方向，：此= 層系統之阻抗。被改變之阻抗所具有之電流，導致— 阻抗器之壓降，此壓降可作為一外部場強度的指標。 在有效磁化方向以及AMR情況中，電流經由材 二：：間具有之一角度，或是在隱或TMR情況中"之 有之-角⑨，此薄膜之有效阻抗將會隨著此角 ::方而改變。然㈤，總體的阻抗，通常不被考量： =到所施予之外部磁場改變所對應之阻抗改變。 的情況中，此改變通常在沿著餘弦平方回應曲線之

200428014 五、發明說明（3) 具有最佳量測，其中此曲線約為一線性函數。 方J工ί : : Ϊ曲線之一線性部分上操作，4電流流動 方向與在無外加場時磁Iμ 古& 角度。此初始角度可藉由盆 壓丄：需要-初始 阻材枓可設置在裝置基板上，以作為人字齒 取 yerringb〇ne)圖案之—連續阻抗器 續連接之斜面，其中此瓴品命& „ t 疋^馬稷數個連 約45度的斜角。接器，伸長方向具有- 的所朝著的方向與此阻抗$ # 、磁場源，此偏壓磁場 阻抗斋之伸長方向之間約為90度。 另外的方法係提供磁阻材料 _ iP)，並以與此線性帶方向約間隔= 此線性帶而力σ入個別之$ _ ° 5越 之電流方向與此帶；ίΠ長f導致流過此磁阻帶 穴UT7个牙之伸長方向之 且 一 。 常稱為—We感測器，而此設計“要-外部偏壓磁場源。 ^ ^ 在磁性記錄頭中，藉由垂直於 一鄰近磁性層之雜散場（stray Π 測層之磁化係對應此感測電流而被 硬磁性材料（硬偏壓層）或是被感測 材料（軟偏壓層）。 感測帶方向而被磁化之 eld)» AMK感測器之感 轉動4 5度。此層可為— 電流所磁化之一軟磁性 200428014 五、發明說明（4) 在dMR或是TMR元件φ ，a 士麻μ ^ 中 自由層之磁化必須被導向而平 行於此帶之方向，—般爽命，1可益士—a 奴术°兑其可藉由在感測器的每一面 放置一硬偏壓層來達成人 逆風藉由反鐵磁性耦合，栓層的磁化 將固疋地垂直此帶之方向。 磁致伸縮為一基本參數，供控制薄膜與多重層之磁性 性質。磁致伸縮描述當磁場倒轉（magnetic 時’ 一磁性材料在長度上的變化。

在磁性記錄元件中，具有被均質磁化之磁性層是重要 的’特別是在感測層堆疊中之感測層（自由層）。在非均質 磁化的區域，例如渦旋（v〇rtices)或是磁域（magnei；ic 、 d 〇 m a i η )，將導致s己錄訊號的不穩定。因此，磁性層將準 直於區域磁場（交換耦合磁場、硬偏壓場）。磁阻之異向性 可導致區域性的非均質。因此，磁阻需要被非常精準地控 制。

在薄膜的磁致彈性（magnet〇eiastic)性質的研究上， 發展出許多種實驗方法。其中之一係藉由所謂懸臂法 (cantilever method)’而進行直接測量。磁化的改變造 成當薄膜導致基板彎折時長度的的改變。舉例來說，在 Journal of Magnetism and Magnetic Materials 136 (1994)之第 189至 196頁中，E. du Tremolet de Lacheisseri e等所發表之"Magnetostriction and

200428014 五、發明說明（5) internal stresses in thin films: the cantilever method revisited"—文中已述及此方法。 另外可行的方法為藉由應變規（strain gauge)方法以 進行間接測量，此應變規方法係在一磁性薄膜中產生機械 應力β磁性之均質性經由磁阻輕合而改變。舉例來說， IEEE Transactions on Magnetics, vol. 25, no. 5, 198 9年九月號，第419 8至420 0頁中，D, Markham等所發表 之"Magnetostr i ct i ve measurement of magnetostriction in Permalloy”一 文中已述及此方法。 曰本專利第6 2 1 0 6 3 8 2 A 2號中述及一種測量一磁性膜 中之磁致伸縮常數的裝置。 在 IEEE Transactions on Magnetics, vol. Mag-16, 11〇.2，1 98 0年三月號，第 43 5至 439頁中，【611>^^1'^& 等提出一種利用小角度磁致旋光（Small Angle Magnetization Rotation，SAMR)的方法，測量一薄型非 晶條帶聚合物（thin amorphous ribbon)之飽和磁致伸 縮。 然而，並無一種已知的方法係直接利用磁感測器之磁 阻效應以測量磁化的改變，藉此反映感測器所在的真實環 境。因此，此類方法仍有改進的必要。

4IBM03118TW.ptd 第10頁 200428014 五、發明說明（6) 三、【發明内容】 本發明之一目的在於提供一種測量磁性元件中磁致伸 縮常數的方法。 本發明主要以及次要的目的與優點，將藉由如申請專 利範圍第1項所述之方法來達成。 本發明之較佳實施例將對應附屬之申請專利範圍而予 已揭示。 四、【實施方式】 本發明中，在基於異向性磁阻（Anisotropic Magnetoresistance，AMR)、巨磁阻（Giant Magnetoresistance’ GMR)、與穿遂性磁阻（Tunneling Magnetoresistance’ TMR)等元件（通稱為XMR)中，例如磁 性記錄頭（r ecord i ng heads )、磁場感測器等，元件中的 磁致伸縮常數（Magnetostriction Constant，簡稱 MS)係 藉由小角度磁致旋光（small angle magnetic rotation) 而被測量。利用感測器之電子訊號以測量一外加場所產生 之磁致旋光。在磁阻（簡稱MR)元件中，利用許多種方法偏 壓一磁化，例如硬偏壓（hard bias)、反鐵磁性交換耦合 (antiferromagnetic exchange coupling)、 Barber Pole 法等。為了測量MS ’所使用之偏壓場（硬偏壓、反鐵磁性

4IBM03118TW.ptd 第11頁 200428014 五、發明說明（7) --- 交換耦合、Barber Pole法），係藉由一額外之外部直流場 (DC field)而能夠被支持，此額外之外部直流場係被對$ 而平行所施予之應力（stress)。若在薄膜中之此應力有所 改變，此感測器之訊號也會因為磁阻式耦合而改變。然 而’此感測器之訊號改變可藉由改變外部直流場而被補 償。由於被遮罩之元件，必須校準此外部場以反映從遮罩 層中之去磁化效應（demagnetizing effect)的影響。可藉 由彎折或其他方法，例如溫度、壓電層等，以在晶片或行 級別（r 〇 w 1 e v e 1)上施予此應力。 本發明所揭示之方法不僅適用於磁性記錄頭，也可以 應用在磁場感測器與磁性隨機存取記憶體（MRAMs)。然 而，為了說明之簡化目的，以下將藉由磁性記錄頭來說明 本發明。 圖1根據本發明之一實施例中，測量一磁致伸縮常數 之設置。首先，將一行或是一晶片1 〇栖入一彎折固定物， 例如一偏轉規（deflection gauge)12’而此行或此晶片具 有形成於其上之XMR元件。接著’如同圖1中所示X軸之方 向，平行此行或是此晶片1 0而施予一直流磁場。另外，如 同圖1中所示Y軸方向，垂直此行或是此晶片1 〇且平行此磁 阻層而施予.一交流磁場。此交流磁場較佳係為一具有頻率 f之正弦波形式。在例如一 XMR元件之磁阻元件中測量一訊 號，此訊號將與上述具有頻率ί之父流磁場之振幅間有一

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200428014 五、發明說明（8) 例如 行或此晶

比例關係。為了簡化，使用一鎖定放大器（10Ck iη amplifier)14’此鎖疋放大器1 4係鎖定此交流磁場之頻 率。接著，在平行X方向之XMR元件中之層上，藉由 利用一微螺絲（micrometer screw)!6，彎折 10而產生一機械應力。微丨@ - ^ UCI 子地控制此螺絲。由於χ 、_、、Ύ 疋8透過線2 〇能夠雷 (magnetoelastic)交互作用，磁性之層中的磁致彈性 反 過來將會導致在鎖定玫 、°生將會改變。 變。最後，藉由一適：：== =號之』改 直流磁場’直到在鎖定 。 、’曰X方向所施加之 同於之前沒有施予機械丄4: f Z到之訊號的值，等 _ „ , 屬力時所測量到的佶 寺 η :動力予此行或此晶片之偏轉規12丄：交流電源 補償直流場 由線=供動力予此XMr元件。如上所述^源34經 定之感剩黯輸出，也就是跨過X::場之激 l36而饋入此鎖定放大器14。—^的電 過匯流排26控制全部的挪量組件。 電恥40能夠透 產生磁場，而一直流電源供應^磁組件 與30，供k供一 X方向之钿趨古 一二裔經由線28

4IBM03118TW.ptd 第13頁 200428014 五、發明說明（9) 磁致伸縮定義如< 方程式1> : 3 1 -λΣ*Ασ =-AHk(7Ms 可知磁致彈性能密度（方程式左邊）相等於異向性磁能密度 (方程式右邊）。 機械應力異向性的改變△ σ ，與應變之改變△ ε = ((△ 1 ) / 1 )(由於此行或此晶片彎折所產生之相對伸長）， 係根據虎克定律（限制於均質以及等向性的材料）而表示如 下： J- -νΑεγ\Ασγ α-ι τ^(Αεγ -νΑεζ)

4IBM03118TW.ptd 第14頁 200428014 五、發明說明（ίο) 從偏轉的機械係數可計算出電壓改變Λσ ，如< 方程 式2> :

以下係供獲得特殊機械係數的方法： 1)從偏轉（圖1中之b)可計算此應變，表示如〈方程式 3> :

其中L為彎折長度（如圖示），d s為基板厚度（如圖 示），應變計（strain gauge)中央為x= 0，以及△ ε γ = 2)利用一雷射光束掃描樣品的表面，以測量表面的曲 率。此雷射光束從此行或此晶片的表面反射至一位置敏感 光學裝置。 根據上述方法步驟2中之表面曲率或是偏轉b可決定應 變△ ε 。

4IBM03118TW.ptd 第15頁 200428014 五、發明說明（π) 測量異向性的場係根據全能量而來，如 < 方程式4 > : E = HXMS cos θ — HYMs sin Θ + 1/?^ sin2 Θ + ^(Ν^)ΜΣ2 sin2 θ 此項包含在外部場（Η x，Η γ )中的能量，單軸異向 性（uniaxial anisotropy)(H k )，以及形式異向性（form anisotropy);其中單軸異向性包含引發異向性（induced anisotropy )與磁阻異向性(magnetostrictive anisotropy)，而此形式異向性將此被測量之層之磁化分 佈納入考量。 根據平衡的條件dE/d= 0，可知〈方程式5> :

_ Hx+Hk+(N—)MS 當一週期性激發場Η γ = H YQ s i η (0 t)，磁化將會大約 在一平衡態上起伏。此磁阻元件之阻抗將隨著相同的頻率 而變4匕。 一機械張力（tension)改變異向性場H k，將反過來導 致磁化起伏的阻抗改變與振幅改變。這些改變將藉由外部

4IBM03118TW.ptd 第16頁 200428014 五、發明說明（12) 場Η x而補償，原本的平衡態將會回復。而可得到下列 < 方 程式6> : λ s的計算是簡單易懂的。應變△ ε將根據方程式3而 計算。接著應變異向性△ σ將從方程式2所推演出。從方程 式1，藉由從方程式4帶入Δσ 與△Hu ，可計算出磁致 伸縮常數。 飽和磁化M S以及彈性係數E以及被視為常數而帶入 方程式1中。 本發明提出直接利用磁感測器的MR效應以測量磁化的 改變。本發明所揭示之方法具有以下優點： 利用一補償方法確保一固定的磁化狀態，可避免因為 在結構化薄膜中區域磁化分佈所導致的錯誤。例如在AMR 中的軟偏壓（softbias)、縱向機械性的硬場（硬偏塵）、或 是交換場等等之偏壓場，與鄰近磁性層之間不會產生任何 影響。 測量是簡單且快速的。

4IBM03118TW.ptd 第17頁 200428014 五、發明說明（13) 磁阻（MR)效應非常敏銳。 感測器元件本身可實施測量。並不需要個別製造之監 視器層。 雖然本發明以實施例揭露如上，然其並非用以I5艮定本 發明，任何熟習此技藝者，在不脫離本發明之精神和範圍 内，當可作各種之更動與潤飾，因此本發明之保護範圍當 視後附之申請專利範圍所界定者為準。

4IBM03118TW.ptd 第18頁 200428014 圖式簡單說明 五、【圖式簡單說明】 所附圖式係為配合說明書解釋本發明。 圖1係根據本發明之一實施例中，測量一磁致伸縮常數之 設置。 ※元件符號說明 晶片10 鎖定放大器1 4 線20 匯流排2 6 電流源34 電腦40 偏轉規12 微螺絲1 6 磁組件2 2 線 28、 30、 32、 36 激發頻率3 8 微螺絲控制單元4 8

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Claims (1)

1. 200428014 六、申請專利範圍 1. 一種直接測量磁阻元件之磁致伸縮常數 (Magnetostriction Constant)的方法，該方法包含: 提供一基板，該基板具有一或複數個磁阻元件； 插入該基板至一彎折裝置； 施加平行於該基板之一直流磁場_ . 蹲阻層； 施加垂直於該基板之一交流磁媒 該一或複數個磁阻元件上之複數個，該交流磁場平行於 從該磁阻中測量一訊號； 該機械Μ力平行於 藉由該彎折裝置施予一機械壓为， 基板；以及 在施予該機械壓力之前，改變好 該訊號為止。 姨直流磁場直到測量到 其中該基板為一行 其中該行或是該晶 2. 如申請專利範圍第1項所述之方法， (row)或是一晶片（wafer)。 3. 如申請專利範圍第2項所述之方法， 片具有複數個磁阻元件。 4.如申請專利範圍第1至3項中任一 由一试螺絲（m i c r 〇 m e t e r +s c r e w)以 喝所述之方法，其中藉 &予該機械張力 5 _如申請專利範圍第4項所述之方法， 控制 其中微螺絲為電子

   第20頁 200428014 六、申請專利範圍 6. 如申請專利範圍第1至3項中任一項所述之方法，其中該 磁阻元件為基於一異向性磁阻（Anisotropic Magnetoresistance，AMR)、巨磁阻（Giant Magnetoresistance，GMR)、或穿遂性磁阻（Tunneling Magnetoresistance，TMR )之感測.器。 7. 如申請專利範圍第4項所述之方法，其中該磁阻元件為 基於一異向性磁阻(Anisotropic Magnetoresistance， AMR)、巨磁阻（Giant Magnetoresistance， GMR)、或穿遂 性磁阻（Tunneling Magnetoresistance，TMR)之感測器。

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