Abscheidung von Riesenmagnetowiderstands-Sensoren (GMR) auf großen Flächen

Magnetfeldsensoren werden üblicherweise zur Erkennung jeder Art von Bewegung eingesetzt, einschließlich An­näherung, Drehung oder Vibration. Diese Bewegungserkennung wird in verschiedenen Anwendungsbereichen benö­tigt, von der Industrierobotik, über die Prothetik, bis hin zu Virtual- und Augmented-Reality-Anwendungen. Magnetfeld­sensoren, die auf dem Riesenmagnetowiderstandseffekt (Giant Magnetoresistance, GMR) beruhen und mit Hilfe von Dünnschichttechnologien (Dünnschichtabscheidung und lithografische Strukturierung) hergestellt werden, haben durch die Entwicklung von Festplattenlaufwerken mit hoher Kapazität unsere Gesellschaft stark beeinflusst. Sie bilden den wesentlichen Grundstein für die Entwicklung von Cloud-Speichern und sozialen Medien. Magnetische dünne Schichten werden in Leseköpfen von Festplattenlaufwerken, als Informationsbits in magnetischen Arbeitsspeichern (RAM) oder als elektronische Kompasse zur Navigation in Smartphones verwendet.

Die GMR-Technologie stellt hohe Anforderungen an eine Beschichtungsanlage. So erfordern GMR-Stapel, die in der Regel aus mehreren, etwa 1 nm dicken Co- und Cu-Schichten bestehen (Abb. 1), eine Genauigkeit der Schichtdicke von besser als 0,1 nm. Nur so ist es möglich, Hochleistungssensoren herzustellen, welche große Änderungen des elektrischen Wider­stands durch das Magnetfeld anzeigen. Um die Anforderungen an die Abscheidegenauigkeit über große Flächen zu realisieren, werden dünnschichtbasierte Magnetfeld­sensoren normalerweise auf flachen Substraten wie Silizium-Wafern hergestellt und sind entsprechend dick und starr.

Die Nachfrage nach Magnetfeld­sensoren für flexible und tragbare Geräte förderte die Entwicklung von Technologien zur Herstellung solcher hochleistungsfähigen GMR-Sensoren auf Polymerfolien mit einer Materialdicke von 1 μm bis zu 150 μm. Dieser Trend umfasste auch die Entwicklung von mechanisch flexiblen, anisotrop magneto­resistiven (anisotropic magnetoresistive, AMR) Sensoren, Sensoren mit Tunnelmagneto­widerstandseffekt (tunnel magnetoresistance, TMR) und Riesenmagneto­impedanz-Sensoren (giant magnetoimpedance, GMI). Es wurde gezeigt, dass Magnetfeld­sensoren auf Metallbasis sehr gut auf einem Polymerträger haften (Abb. 2) und dieselbe magnetoresistive Leistung aufweisen, unabhängig davon, ob sie auf starren Siliziumwafern oder auf Polymerfilmen unterschiedlicher Dicke hergestellt wurden (Abb. 3). Selbst auf großflächigen Polymer-Substraten können Magnetfeld­sensoren hochpräzise lithografisch struk­tu­riert werden, was eine interessante neue Art von funktionalen Bauteilen für großflächige transparente Elektronik ermöglicht (Abb. 4). Demonstrationen im Labormaßstab zeigten bereits das Potenzial flexibler magneto­elektrischer Bauelemente für das „Internet of Things“ (IoT), „Smart Home“-Anwendungen und für die E-Mobilität.

Wenn Magnetfeld­sensoren auf ultradünnen Polymerfolien (etwa 1 μm dick) hergestellt werden, können sie auf die menschliche Haut aufgebracht werden, um magnetosensitive intelligente Haut zu realisieren. Damit ermöglichen diese Folien eine berührungslose Interaktion mit der Umgebung auf Grundlage der Wechselwirkung mit Magnetfeldern (geomagnetische Felder oder Permanentmagnete). Bedeutung hat diese Technologie z. B. bei Mensch-Maschine-Schnittstellen für virtuelle und erweiterte („augmented“) Realitäten. Berührungslose Interaktivität ist auch dann sinnvoll, wenn Objekte aus Sicherheitsgründen nicht berührt werden sollten, wie beispielsweise während der COVID-19-Pandemie.

Bei der Verarbeitung auf dickeren Folien, wie 100 μm dickem Kapton, lassen sich mechanisch flexible Magnetfeld­sensoren realisieren, die über den gesamten für die Automobilindustrie relevanten Temperaturbereich von -40 bis 165 °C arbeiten können. Dank ihrer Flexibilität und geringen Dicke können solche Magnetfeld­sensoren in einem engen Luftspalt von elektrischen Maschinen und Antrieben eingesetzt werden. Dort überwachen sie deren Leistung in Echtzeit und/oder implementieren eine magnetfeld­basierte Steuerung. Dies kann die Zuverlässigkeit der Systeme verbessern, ihre dynamische Leistungsfähigkeit steigern und die Wartungskosten senken, was für die weitere Entwicklung der E-Mobilität von entscheidender Bedeutung ist.

Die Verwendung eines Polymerträgers, der die GMR-Stapel aufnimmt, ermöglicht eine völlig neue Technologie: die Herstellung von gedruckten Magnetfeld­sensoren. In diesem Verfahren werden die magnetischen Multilagen nach der großflächigen Herstellung vom Träger entfernt und in eine funktionelle magnetosensitive Paste verarbeitet. Diese Paste kann mit Sieb- oder Dispenser-Druckern aufgedruckt werden. Daraus entstehen GMR-basierte gedruckte elektro­magnetische Schalter für interaktive Elektroniken wie Postkarten oder Werbematerialien im Printbereich. Diese ausge­reiften Demonstrationen und Anwendungsideen stimulierten so den Technologietransfer von flexiblen und gedruckten Magnetfeld­sensor-Technologien. Zur Umsetzung von GMR-Mehrschichtstapel auf großformatigen Polymerfolien sind große und extrem präzise Beschichtungsanlagen erforderlich. Mit der scia Multi 300 konnten erfolgreich hoch­leistungs­fähige GMR-Stapeln auf Polymerfolien unterschiedlicher Dicke über Flächen mit einem Durchmesser von bis zu 300 mm hergestellt werden.

Am Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR) kommt die scia Multi 300 zur Produktion flexibler Magneto­elektronik zum Einsatz. Wir bedanken uns insbesondere bei Dr. Denys Makarov, dem Leiter Intelligente Materialien und Funktionselemente (FWID) am HZDR, für die Bereitstellung dieser Application Note.