Magnetische Sensoren gewinnen in verschiedenen Anwendungen wie dem autonomen Fahren, der Gesundheitsfürsorge und der Robotik an Bedeutung, da sie wesentliche Eigenschaften berührungslos und verschleißfrei messen können. Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler der Universität Bielefeld und der Johannes Gutenberg-Universität Mainz entwickeln integrierte Magnetsensoren, die eine lineare, hysteresefreie Reaktion auf alle drei Komponenten eines externen Feldes zeigen. Außerdem wollen wir den Entwicklungsprozess solcher Sensoren erheblich beschleunigen.

Zu diesem Zweck kombiniert das Forschungslabor „Mikroelektronik Bielefeld und Mainz für Magnetfeldsensorik“ theoretische Modellierung mit modernen Dünnschichttechnologien mit Dickengenauigkeiten weit besser als eine einzelne Atomschicht und komplexen Methoden zur Bestimmung der Sensoreigenschaften. Dazu werden umfassende und komplementäre Methoden für die Präparation von Dünnschichtsystemen, deren Charakterisierung hinsichtlich struktureller und magnetischer Eigenschaften sowie für die Untersuchung der Sensoreigenschaften eingesetzt.

Im ForLab MagSens entwickeln wir neuartige, robuste und dedizierte magnetische Sensoren für die Automatisierung/Industrie 4.0 und weitere Anwendungsbereiche unter Verwendung moderner Konzepte in der Material- und Dünnschichtforschung, wie z.B. integriertes Computational Materials Engineering und maschinelles Lernen. Unser Schwerpunkt liegt auf dem Riesen- und Tunnelmagnetowiderstand als Sensorprinzipien und dem Upscaling von Forschungsergebnissen auf industriekompatible Dünnschichtabscheidungssysteme auf 200 mm-Wafern.

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Das Physikalische Institut der Johannes Gutenberg-Universität betreibt mehrere Abscheidungssysteme, die das Wachstum von Epitaxieschichten auf speziellen Substraten sowie die Abscheidung auf Standardwafern ermöglichen. Das leistungsfähigste Abscheidungssystem ist eine Singulus Rotaris Sputteranlage. Sie erlaubt die Installation von 18 verschiedenen Kathodenmaterialien und sorgt für eine homogene Abscheidung auf Wafern mit einer Größe von bis zu 200 mm. Die Abscheidung kann sowohl auf beheizten Substraten als auch in einem Magnetfeld erfolgen, das entweder die magnetischen Eigenschaften homogenisieren oder eine bevorzugte Magnetisierungsrichtung während der Abscheidung einprägen kann. Die Kontrolle der Schichtdicke liegt im Subangstrombereich und die Abscheidungen sind äußerst reproduzierbar. Das Kosputtern von bis zu 4 Kathoden ist möglich, und Gleichstrom- und Hochfrequenz-Sputterverfahren ermöglichen die Abscheidung von leitenden und isolierenden Schichten. Zusätzlich zum Standard-Argon-Gasflusskanal können separate Sauerstoff- und Stickstoffkanäle für das reaktive Sputtern verwendet werden. Die 200-mm-Wafer werden in eine Schleusenkammer in einer Reinraumumgebung geladen und die Abscheidung erfolgt vollautomatisch von Kassette zu Kassette. Kleinere Wafer können über Trägerwafer gehandhabt werden.

Das Institut für Physik der Johannes Gutenberg-Universität betreibt einen Reinraum mit Photolithographie und Elektronenstrahllithographie. Wir können Dünnschicht-Nanostrukturen entweder mit maskenloser Projektions-UV-Lithographie (Durham Microwriter) oder Elektronenstrahllithographie strukturieren. Die optische Projektionslithographie ist sehr vielseitig für Strukturgrößen im Mikrometerbereich. Die höchste Auflösung unter 100nm wird mit der 30kV Elektronenstrahllithographie von Raith erreicht.

Die Abteilung für kondensierte Materie am Institut für Physik ist mit modernsten Geräten zur Materialcharakterisierung ausgestattet. Alle Arten von elektrischen Transportmessungen, von Gleichstrom bis Hochfrequenz, können bei niedrigen bis hohen Temperaturen und mit hohen Magnetfeldern bis zu 17T durchgeführt werden. Für die magnetische Charakterisierung setzen wir ein SQUID-Magnetometer und die Kerr-Mikroskopie ein, und für die Strukturanalyse verwenden wir Röntgenmethoden und Rastersondenmethoden wie AFM und SEM. Eine Liste unserer Ausrüstung finden Sie unter: