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Thermische Stabilität und Mikrostruktur von GMR-Systemen aus dünnen metallischen Filmen

Ebert, Jörg Heinz :
Thermische Stabilität und Mikrostruktur von GMR-Systemen aus dünnen metallischen Filmen.
[Online-Edition]
TU Darmstadt
[Ph.D. Thesis], (2008)

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Item Type: Ph.D. Thesis
Title: Thermische Stabilität und Mikrostruktur von GMR-Systemen aus dünnen metallischen Filmen
Language: German
Abstract:

Magnetfeldsensoren für die Messung von Drehbewegungen haben in den letzten Jahren in der Automobilindustrie zunehmend an Bedeutung gewonnen. Sensoren basierend auf CoFe/Cu-Multilagen zeigen eine große Änderung des elektrischen Widerstandes in Abhängigkeit äußerer Magnetfelder, den sog. GMR-Effekt, und besitzen daher großes Potenzial für diese Anwendungen. Fortschreitende Miniaturisierung und steigende Anforderungen an Zuverlässigkeit stellen dabei eine Herausforderung an die Kontrolle der Herstellungsprozesse und die Robustheit des Bauteils unter Einsatzbedingungen dar. Daher wurden in der vorliegenden Arbeit Untersuchungen sowohl zur Prozessführung (thermische Kurzzeitstabilität) als auch der Lebensdauer unter Anwendungsbedingungen (Langzeitstabilität) durchgeführt. Weiterhin wurde die Ursache des Versagens mit Hilfe verschiedener Methoden experimentell analysiert. Neben dem Basissystem mit nicht-legierter Cu-Zwischenschicht, das einen mittleren GMR-Effekt von GMR (Cu) = 25,2 % aufwies, wurden Proben untersucht, deren Zwischenschicht mit Ag und Au legiert wurde, um die thermische Stabilität zu verbessern. Die magnetoresistiven Kennlinien dieser Proben wiesen zwar einen kleineren GMR-Effekt vom GMR (Cu-Leg.) = 20,7 % auf, zeichneten sich aber durch eine geringere Hysterese und kleinere Sättigungsfeldstärke aus, so dass das legierte System im Vergleich zu den Proben mit der reinen Cu-Zwischenschicht gleiche Sensitivität S besaß (S = 1,3 %/mT). Um das nanoskalige Schichtpaket gegen Oxidation in der Anwendung zu schützen, musste mittels Plasma-CVD eine Passivierungsschicht aus SiO2 und Si3N4 aufgebracht werden. Die Untersuchungen der Kurzzeitstabilität zeigten, dass beide Systeme eine moderate Wärmebehandlung im Temperaturbereich von 220 °C bis 250 °C für 1 h ohne Schädigung überstehen, wobei sich insbesondere das System mit legierter Zwischenschicht bei 250 °C durch eine Steigerung des GMR-Effektes um GMR  2 % bei konstanter Sensitivität S  1.3 %/mT auszeichnete. Aufgrund dieser Beobachtungen wurde als Prozesstemperatur für die Abscheidung der Passivierungsschicht TCVD = 250 °C festgelegt. Zum Nachweis der Eignung für den automobilen Einsatz wurde eine Langzeitstudie unter verschärften Temperaturbedingungen durchgeführt. Experimentelle Basis waren Messungen der Sensitivität S im „Minor-Loop“ bei verschiedenen Messfeldstärken. Mittels der Arrhenius-Beziehung konnte am Arbeitspunkt AP = 12 mT für die Testsensoren mit reiner Cu-Zwischenschicht bei TEinsatz = 150 °C eine Lebensdauer von tfailure  56 000 h vorhergesagt werden. Die industrielle Anforderung von 40 000 h für Anwendungen unter hoher Belastung (z.B. im Lastkraftwagen) konnte also erfüllt werden. Für TEinsatz = 160 °C beträgt tfailure  21 000 h. Die maximale Lebensdauer des legierten Systems beträgt hingegen tfailure  15 000 h, sodass es für die automobile Anwendung nicht geeignet ist. Die effektive Aktivierungsenergie EA, die das Versagen der Testsensoren in der Langzeitstudie beschreibt, lag in der Größenordnung von 1,4 bis 1,6 eV, was auf Grenzflächendiffusion als geschwindigkeitsbestimmenden Prozess der strukturellen Veränderungen der Multilagenstruktur hindeutet. Diese Veränderungen wurden sowohl am CoFe/Cu-Basissystem, dem System mit legierter Cu-Zwischenschicht, als auch am Fe/Cu-Modellsystem mittels verschiedener Messmethoden wie der Röntgen-Reflektometrie, der Transmissionselektronen-Mikroskopie und der Mößbauer-Spektroskopie identifiziert. Es konnten folgende Stufen gefunden werden: • Proben direkt nach der Herstellung zeichnen sich durch eine Durchmischung der verschiedenen Atomsorten an den Grenzflächen aus. Diese Durchmischung bedingt zusammen mit den begleitenden Gitterstörungen (metastabile Phasenanteile, Leerstellen und Zwischengitteratome) eine Erhöhung des Grundwiderstandes. • Durch Diffusionsprozesse bei moderaten Temperaturen heilen Fehlstellen aus, was zu einer Erhöhung des spinabhängigen Anteils an der Streuung führt und sich in einer messbaren Erhöhung des spinabhängigen Widerstands äußert. • Durch die Wärmebehandlung bei hohen Temperaturen werden die Diffusionsprozesse beschleunigt und es kommt zum Aufbrechen der Schichten und ferromagnetischen Brücken zwischen benachbarten magnetischen Bereichen. Dadurch geht die antiferromagnetische Kopplung verloren, die Proben weisen keinen GMR-Effekt mehr auf. Mittels TEM wurde ein gerichtetes Wachstum über die gleichfalls erkennbaren Grenzflächen der Schichten hinweg nachgewiesen. Im Fall des legierten Systems wurde nachgewiesen, dass sich Silber schon während der Präparation bevorzugt auf der Probenoberfläche ansammelte und sich dort in Form von separierten Teilchen mit der Größe von 5 bis 10 nm ablagerte. Die angestrebte Stabilisierung der Korngrenzen durch eine Segregation von Ag und Au konnte deshalb nicht erreicht werden. Basierend auf den Ergebnissen zu Kurz- und Langzeitstabilität ist es möglich, ein Sensorsystem basierend auf austauschgekoppelten Multilagen bis zur Marktreife zu entwickeln. Aufgrund der Ähnlichkeit im Aufbau lässt sich die Methodik zur Untersuchung der Lebensdauer auch auf „Spin-Valve-Systeme“ übertragen. Da die Dimensionen von Schichtdicken und Korngrößen im Nanometerbereich liegen und damit sehr kurze Diffusionswege große strukturelle Änderungen bewirken, haben die Auswahl der Materialien und die gewählten Abscheidebedingungen jedoch einen entscheidenden Einfluss auf die thermische Stabilität unter Einsatzbedingungen. Daher muss bei jeder Änderung des Materialsystems ein ähnliches Konzept zur Untersuchung der Langzeitstabilität erstellt werden.

Alternative Abstract:
Alternative AbstractLanguage
Magnetic sensors for measuring of rotary motion have gained importance in recent years. Sensors consisting of CoFe/Cu multilayers show a big dependence of electric resistance on the change of an outer magnetic field, the so-called “Giant Magnetoresistance Effect” (GMR). Because of this effect they have a high potential for the industrial use in such applications. Proceeding miniaturization and increasing demands on reliability are challenging the control of manufacturing processes and robustness of the device during the use. Both topics were addressed in this work by studying the short-term and long-term stability of the nanoscale metallic multilayers at elevated temperatures. Reasons and mechanisms for breakdown of the GMR-effect have been analyzed by different physical methods. It was predicted that the use of alloyed intermediate layers consisting of Cu, Ag, and Au should increase the stability at elevated temperatures. The multilayered samples investigated in this work exhibit a GMR effect of GMR (alloy) = 20.7 % which is significantly smaller than the effect of the standard system with pure Cu interlayers (GMR (Cu) = 25.2 %). Although the change in resistance is smaller for the alloyed system the sensitivity S for both are equally at S = 1.3 %/mT. The reason for this is the difference in the characteristic hysteresis curve of the alloyed system which shows less hysteresis and a smaller saturation field. For protection against oxidation during the use a passivation coating consisting of SiO2 and Si3N4 has been deposited by the means of plasma CVD. Typical parameters for this process are times of tshort-term = 1 h in the temperature range of 200 °C ≤ Tshort-term ≤ 250 °C. Experiments on the short-term stability showed that both systems will not break down under these conditions. Especially the alloyed structure was characterized by an increased GMR effect of GMR  2 % and a stable sensitivity S = 1.3 %/mT up to Tshort-term = 250°C. Because of this the passivation coating was deposited at TCVD = 250 °C. The suitability for automotive applications was tested by a long-term study with tightened surrounding conditions. The sensitivity Sminor of the minor loop was set as criterion for the time to failure tfailure. This means that the magnetic field was varied in steps of ± 0.5 mT around predefined working points of different field strengths (WP [mT]). By applying an Arrhenius-relation for the breakdown at the working point WP = 12 mT for test sensors with non-alloyed Cu interlayers it was possible to predict a lifetime of tfailure  56 000 h for Tuse = 150 °C. Target lifetime for the heavy use in freight vehicles of tfailure  40 000 h have been fulfilled. For Tuse = 160 °C lifetime is tfailure  21 000 h. Maximum lifetime for the alloyed systems was determined to be tfailure  15 000 h, meaning that it is not suitable for automotive applications. The effective activation energy EA for the breakdown of the tested sensors of the long-term study was laying in the range of 1.4 eV ≤EA ≤ 1.6 eV, indicating for grain boundary diffusion as the dominating mechanism for the structural changes of the multilayered samples. These changes have been verified by applying different techniques like X-ray Reflectivity, Transmission Electron Microscopy, or Moessbaur Spectroscopy to three different combinations of materials: • the CoFe/Cu basic system • the CoFe/CuAgAu alloyed system • the model system consisting of Fe/Cu multilayers The breakdown of the multilayered systems is passing three main stages: • Samples examined directly after the preparation show mixing of different atomic species at the interfaces. This intermixing goes along with lattice disturbances (e.g. vacancies, interstitial atoms, metastable phases), and together they cause an increased basic electric resistance • At moderate temperatures lattice imperfections are healing out due to diffusion processes. This decreases the basic resistance giving the spin dependent scattering a higher contribution to the total resistance and resulting in a measurable increase of the GMR effect. • At high temperatures the diffusion processes are accelerated leading to breaking up of the multilayered structure and grain growth. Magnetic short cuts are generated between neighboring magnetic layers accompanied by direct magnetic coupling. The antiferromagnetic coupling, which is the basis of the GMR effect in the studied systems, is destroyed. TEM proved a directed growth from the buffer layer to the surface of the samples across the interfaces of different layers. It was also possible to visualize the layered structure in nanoscale dimension by working with a strong over focus. The idea for the use of the alloyed interlayers was to stabilize the structure by segregation of Ag and Au in the grain boundaries. In contrast to this predication Ag was found to be precipitating in particles of the size of 5 to 10 nm on the surface of them sample. The stabilizing function of the alloyed layer could not been proven. The test results of the study of short- and long-term stability demonstrate that it is possible to develop a market-ready sensor system based on exchange coupling multilayers for automotive application. Because of the similarity in the layered structure the same methodology of accelerated lifetime testing can be applied to spin valve systems as well. Due to the nanoscale dimensions of the layers diffusion lengths are very short and even little amount of diffusion can cause a breakdown in the electronic function. The parameters of sample preparation and the selection of the materials have a big influence on the thermal stability under operational conditions. For every change in materials combination and in preparation conditions a study based on this concept has to be carried out to determine the lifetime.English
Uncontrolled Keywords: Cobalt, Copper, Multilayers, Giant Magnetoresistance, Thermal Stability, Exchange Coupling, interfaces, X-Ray Diffraction, Lifetime
Alternative keywords:
Alternative keywordsLanguage
Cobalt, Copper, Multilayers, Giant Magnetoresistance, Thermal Stability, Exchange Coupling, interfaces, X-Ray Diffraction, LifetimeEnglish
Divisions: Fachbereich Material- und Geowissenschaften
Date Deposited: 17 Oct 2008 09:22
Last Modified: 07 Dec 2012 11:53
Official URL: http://elib.tu-darmstadt.de/diss/000938
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-9387
License: Simple publication rights for ULB
Advisors: Hahn, Prof. Dr.- Horst
Refereed: 31 August 2007
URI: http://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/938
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