一種調(diào)節(jié)巨磁電阻薄膜線性區(qū)域的方法
【專利摘要】一種調(diào)節(jié)巨磁電阻薄膜線性區(qū)域的方法，屬于磁性材料與元器件技術(shù)領(lǐng)域。采用薄膜濺射工藝并在外磁場H的作用下，依次在基片上沉積第一反鐵磁層/第一鐵磁層/第一非磁性層/第二鐵磁層/第二非磁性層/第三鐵磁層/第二反鐵磁層作為巨磁電阻薄膜，第三鐵磁層和第二反鐵磁層的濺射氣壓為0.004?0.08Pa，濺射功率為30?50W，第三鐵磁層的厚度為8?12nm，第二反鐵磁層的厚度為10?18nm。本發(fā)明在超低氣壓下濺射巨磁電阻薄膜探測層中的鐵磁層和反鐵磁層，在不減薄鐵磁層厚度的條件下，使鐵磁層FM2/反鐵磁層AF2產(chǎn)生不同大小的交換偏置場，進(jìn)而在不損失巨磁電阻變化率的條件下實現(xiàn)對巨磁電阻薄膜線性區(qū)域的調(diào)整。
【專利說明】
-種調(diào)節(jié)巨磁電阻薄膜線性區(qū)域的方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明屬于磁性材料與元器件技術(shù)領(lǐng)域，具體設(shè)及一種采用超低氣壓瓣射來調(diào)節(jié) 巨磁電阻薄膜線性區(qū)域的方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 巨磁電阻薄膜由于具有易于集成、成本低等優(yōu)點，已被廣泛應(yīng)用于磁場、電流、位 置、速度、角度等探測領(lǐng)域。在運些領(lǐng)域的應(yīng)用中，其探測的機(jī)理都是基于對磁電阻的測試， 然后轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的磁場、電流、距離、速度等物理量，實現(xiàn)不同物理參量的探測。
[0003] 作為線性探測用的巨磁電阻薄膜其結(jié)構(gòu)一般為第一反鐵磁層(AFl)/第一鐵磁層 (FM1'）/第一非磁性層/第二鐵磁層(FMl)/第二非磁性層/第=鐵磁層(FM2)/第二反鐵磁層 (AF2)。其中，第一反鐵磁層(AFl)/第一鐵磁層(FM1'）/第一非磁性層/第二鐵磁層(FMl)為 參考層，其采用人工反鐵磁結(jié)構(gòu);第S鐵磁層(FM2)/第二反鐵磁層(AF2)為探測層。在實用 化的基于線性巨磁電阻薄膜的傳感器中，需要巨磁電阻薄膜的磁電阻值隨探測量的變化而 線性變化，為實現(xiàn)該目的，巨磁電阻薄膜中參考層（第一反鐵磁層（AFl)/第一鐵磁層 (FM1'）/第一非磁性層/第二鐵磁層（FMl))及探測層（第S鐵磁層（FM2)/第二反鐵磁層 (AF2))的交換偏置場方向需互相垂直，且探測磁場沿參考層中FMl磁矩的取向。W磁場探測 為例(對其他物理參量的探測，如電流、距離、角度等，均可轉(zhuǎn)換為對磁場的探測），需先獲取 該巨磁電阻薄膜隨外磁場變化的線性磁電阻響應(yīng)曲線。該線性磁電阻響應(yīng)曲線是通過W下 原理獲得的：測試磁場與探測層中FM2的磁矩垂直，由于探測層中交換偏置場的作用，F(xiàn)M2的 磁矩將會對測試磁場產(chǎn)生線性變化(具體原理可參看Applied化ysics Letter，83，4372， (2003));根據(jù)巨磁電阻的原理，磁電阻值的變化取決于第二鐵磁層FMl和第S鐵磁層FM2之 間相對角度的變化，因此當(dāng)測試的磁場小于參考層的交換偏置場時，參考層中的FMl的磁矩 取向不會隨外磁場大小的變化而變化，而探測層的FM2層的磁矩會隨測試磁場大小的變化 線性變化，此時FM巧日FM2間的相對夾角也將隨FM2層磁矩的變化產(chǎn)生線性變化，進(jìn)而使磁電 阻值產(chǎn)生線性變化，最終獲得該線性化的磁電阻響應(yīng)曲線。在實際磁場探測中，利用該巨磁 電阻薄膜，由于待測磁場使磁電阻值發(fā)生改變，對照其線性化磁電阻響應(yīng)曲線上相同的磁 電阻變化值即可確定該待測的磁場大小。
[0004] 巨磁電阻薄膜的線性探測區(qū)域取決于探測層中FM2隨外磁場變化的線性區(qū)域，而 該區(qū)域的大小與探測層FM2/AF2形成的交換偏置場大小成正比；研究表明，探測層FM2/AF2 中產(chǎn)生的交換偏置場大小在反鐵磁層厚度固定的情況下是同鐵磁層FM2的厚度成反比。因 此，目前線性化巨磁電阻薄膜都是通過調(diào)整鐵磁層FM2的厚度獲得不同大小的交換偏置場 從而調(diào)節(jié)線性區(qū)域，即探測區(qū)域;而獲得較大的探測范圍需要減薄鐵磁層FM2的厚度，但當(dāng) 探測層中鐵磁層FM2的厚度降低時，會帶來自旋極化損失造成磁電阻變化率降低，降低探測 靈敏度。因此，如能從制備工藝上著手，在不減薄鐵磁層FM2厚度的情況下獲得不同大小的 交換偏置場，即可在不損失巨磁電阻變化率的前提下實現(xiàn)線性區(qū)域的調(diào)整，有助于巨磁電 阻薄膜應(yīng)用范圍的拓展。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明針對【背景技術(shù)】存在的缺陷，提出了一種采用超低氣壓瓣射來調(diào)節(jié)巨磁電阻 薄膜線性區(qū)域的方法。本發(fā)明在〇.〇〇4Pa-〇.08化的超低氣壓下瓣射巨磁電阻薄膜探測層中 的鐵磁層FM2和反鐵磁層AF2(該類線性化巨磁電阻薄膜常規(guī)瓣射氣壓〉0.1化），在不減薄鐵 磁層FM2厚度的條件下，使鐵磁層FM2/反鐵磁層AF2產(chǎn)生不同大小的交換偏置場，進(jìn)而在不 損失巨磁電阻變化率的條件下實現(xiàn)對巨磁電阻薄膜線性區(qū)域的調(diào)整。
[0006] 本發(fā)明的技術(shù)方案如下：
[0007] -種調(diào)節(jié)巨磁電阻薄膜線性區(qū)域的方法，其特征在于，采用薄膜瓣射工藝并在外 磁場H的作用下，依次在基片上沉積第一反鐵磁層(AFl)/第一鐵磁層(FM1'）/第一非磁性 層/第二鐵磁層(FMl)/第二非磁性層/第S鐵磁層(FM2)/第二反鐵磁層(AF2)作為巨磁電阻 薄膜;其中，第S鐵磁層(FM2)和第二反鐵磁層(AF2)的瓣射氣壓為0.004Pa-0.08化，瓣射功 率為30W-50W，第S鐵磁層(FM2)的厚度為8-12nm，第二反鐵磁層(AF2)的厚度為10-18nm。 [000引進(jìn)一步地，所述第一反鐵磁層(AFl)、第一鐵磁層(FM1'）和第二鐵磁層(FM1)的瓣 射氣壓為0. 004Pa-0. 08化，瓣射功率為30W-50W，第一反鐵磁層(AF1)的厚度為10-18皿，第 一鐵磁層(FM1'）的厚度為4-6nm，第二鐵磁層(FMl)4-6nm。
[0009] 進(jìn)一步地，所述第一非磁性層和第二非磁性層的瓣射氣壓為O.lPa，瓣射功率為 30W，第一非磁性層的厚度為4-8A，第二非磁性層的厚度為2-5nm。
[0010] 進(jìn)一步地，所述第一反鐵磁層(AFl)、第一鐵磁層(FM1'）、第一非磁性層、第二鐵磁 層(FM1)、第二非磁性層、第S鐵磁層(FM2)、第二反鐵磁層(AF2)瓣射開始時抽真空至1(T中a W下，瓣射氣體為氣氣等惰性氣體，溫度為室溫。
[0011] 進(jìn)一步地，所述基片為娃基片等。
[0012] 進(jìn)一步地，所述第一鐵磁層(FMr)、第二鐵磁層(FMl)、第S鐵磁層(FM2)材料為 Ni、Fe、Co或Ni/Fe/Co的合金等;所述第一反鐵磁層(AFl)、第二反鐵磁層(AF2)材料為化Mn、 NiMn、IrMruPtMn 等。
[OOU]進(jìn)一步地，所述第一非磁性層為Ru、Cu等，第二非磁性層為Cu等。
[0014]進(jìn)一步地，所述外磁場H方向沿巨磁電磁薄膜膜面長軸方向，大小為500e~3000e。
[0015]本發(fā)明的有益效果為:本發(fā)明在0.004Pa-0.08化的超低氣壓下瓣射巨磁電阻薄膜 探測層中的鐵磁層FM2和反鐵磁層AF2(該類線性化巨磁電阻薄膜常規(guī)瓣射氣壓>0.1化）。當(dāng) 瓣射氣壓降低到0. 〇〇4Pa-〇. 08化之間時，由于在沉積過程中，薄膜的瓣射功率固定，根據(jù)瓣 射定律，為保證祀材在低氣壓下能正常起輝，沉積加速電壓必須增高來滿足功率的需要，運 樣使得瓣射祀材沉積原子能量的增加，到達(dá)基片的沉積原子具有較高的能量;且由于瓣射 氣壓低，基片表面吸附的Ar原子也較少，因此沉積原子能在基片上快速移動而形成均勻致 密的薄膜，使得薄膜平整性、致密度增大，有助于交換偏置場的提高。運樣當(dāng)鐵磁層及反鐵 磁層厚度固定時，探測層中的鐵磁層/反鐵磁層形成的交換偏置場會隨著瓣射氣壓的降低 而增大，如圖1 (a)所示，因此可在不減薄探測層中鐵磁層FM2厚度的條件下，使鐵磁層FM2/ 反鐵磁層AF2產(chǎn)生不同大小的交換偏置場，在與交換偏置場垂直的測試磁場下其磁滯回線 呈現(xiàn)線性變化，并且線性區(qū)域隨著瓣射氣壓的降低而增大，如圖1(b)所示，進(jìn)而可在不損失 巨磁電阻變化率的條件下實現(xiàn)對巨磁電阻薄膜線性區(qū)域的調(diào)整。
【附圖說明】
[0016] 圖1為本發(fā)明不同超低氣壓下制備的鐵磁/反鐵磁雙層薄膜交換偏置場大小隨瓣 射氣壓變化曲線(a) W及測試磁場沿垂直于交換偏置場方向的磁滯回線(b);
[0017] 圖2為本發(fā)明實施例得到的樣品的巨磁電阻測試曲線;樣品1為實施例1得到的巨 磁電阻，樣品2為實施例2得到的巨磁電阻。
【附圖說明】 [001 引
[0019] 下面結(jié)合附圖和實施例，詳述本發(fā)明的技術(shù)方案。
[0020] 實施例1
[0021] -種調(diào)節(jié)巨磁電阻薄膜線性區(qū)域的方法，其特征在于，采用直流瓣射薄膜沉積工 藝并在3000e大小、沿巨磁電阻薄膜膜面長軸方向的外磁場H作用下，依次在娃基片上瓣射 IrMn(15nm)/CoFe(4nm)/Ru(6,4) 乂oFe(5nm)/Cu(3.5nm)/CoFe(12nm)/IrMn(15nm)巨磁電阻 薄膜;其中，第一反鐵磁層IrMn、第一鐵磁層Co化、第二鐵磁層Co化、第立鐵磁層Co化和第二 反鐵磁層IrMn的沉積過程為:瓣射開始時抽真空至ICT 7Pa,然后通入氣氣作為瓣射氣體，在 0.08化瓣射氣壓、30W瓣射功率、室溫條件下瓣射薄膜;第一非磁性層Ru和第二非磁性層Cu 的沉積過程為:瓣射開始時抽真空至ICT7Pa,然后通入氣氣作為瓣射氣體，在0.1 Pa瓣射氣 壓、30W瓣射功率、室溫條件下瓣射薄膜。
[0022] 沉積過程中，為使參考層IrMn( 15]1111)/〔〇。6(4]1111)/&11(()/\)/〔〇。6(5]1111)與探測層 CoFe(12皿)/IrMn(15皿)產(chǎn)生的交換偏置場方向相互垂直，在第二非磁性層化沉積完成后， 旋轉(zhuǎn)外磁場H的方向使其與初始方向呈90度。
[0023] 實施例2
[0024] -種調(diào)節(jié)巨磁電阻薄膜線性區(qū)域的方法，其特征在于，采用直流瓣射薄膜沉積工 藝并在3000e大小、沿巨磁電阻薄膜膜面長軸方向的外磁場H作用下，依次在娃基片上瓣射 ^]\&1(15皿）/〔〇化（4]1111)/反11(6免)/〔〇。6(5皿）/〇1(3. SnmVCoI^ (1化m)/IrMn(ISnm)巨磁電阻 薄膜;其中，第S鐵磁層CoFe和第二反鐵磁層IrMn的沉積過程為:瓣射開始時抽真空至1(T 中曰，然后通入氣氣作為瓣射氣體，在0.008化瓣射氣壓、30W瓣射功率、室溫條件下瓣射薄 膜;第一反鐵磁層IrMn、第一鐵磁層CoFe、第二鐵磁層CoFe的沉積過程為:瓣射開始時抽真 空至ICT 7Pa，然后通入氣氣作為瓣射氣體，在0.1 Pa瓣射氣壓、30W瓣射功率、室溫條件下瓣射 薄膜;第一非磁性層Ru和第二非磁性層化的沉積過程為:瓣射開始時抽真空至1〇-中曰，然后 通入氣氣作為瓣射氣體，在0.1 Pa瓣射氣壓、30W瓣射功率、室溫條件下瓣射薄膜。
[002引沉積過程中，為使參考層IrMn(15nm)/CoFe (4nm)/Ru(6A)/CoFe (5nm)與探測層 CoFe(12皿)/IrMn(15皿)產(chǎn)生的交換偏置場方向相互垂直，在第二非磁性層化沉積完成后， 旋轉(zhuǎn)外磁場H的方向使其與初始方向呈90度。
[0026]圖2為實施例1(樣品1)和實施例2(樣品2)得到的樣品的巨磁電阻測試曲線；由圖2 可知，樣品1的線性區(qū)域為-750e-750e，而樣品2的線性區(qū)域展寬到了-1200e-1200e。由此可 見，在不減薄探測層中鐵磁層厚度的情況下，采用超低氣壓瓣射，并通過改變氣壓的大小， 即可實現(xiàn)對巨磁電阻薄膜線性區(qū)域的調(diào)整。
【主權(quán)項】
1. 一種調(diào)節(jié)巨磁電阻薄膜線性區(qū)域的方法，其特征在于，采用薄膜瓣射工藝并在外磁 場Η的作用下，依次在基片上沉積第一反鐵磁層(AF1)/第一鐵磁層(FM1'）/第一非磁性層/ 第二鐵磁層(FM1)/第二非磁性層/第Ξ鐵磁層(FM2)/第二反鐵磁層(AF2)作為巨磁電阻薄 膜;其中，第Ξ鐵磁層(FM2)和第二反鐵磁層(AF2)的瓣射氣壓為0.004Pa-0.08化，瓣射功率 為30W-50W，第Ξ鐵磁層(FM2)的厚度為8-12nm，第二反鐵磁層(AF2)的厚度為10-18nm。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的調(diào)節(jié)巨磁電阻薄膜線性區(qū)域的方法，其特征在于，所述第一反 鐵磁層(AF1)、第一鐵磁層(FM1'）和第二鐵磁層(FM1)的瓣射氣壓為0.004Pa-0.08化，瓣射 功率為30W-50W，第一反鐵磁層(AF1)的厚度為10-18皿，第一鐵磁層(FM1'）的厚度為4-6皿， 第二鐵磁層(FMl)4-6nm。3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的調(diào)節(jié)巨磁電阻薄膜線性區(qū)域的方法，其特征在于，所述第一非 磁性層和第二非磁性層的瓣射氣壓為O.lPa，瓣射功率為30W，第一非磁性層的厚度為4-8A， 第二非磁性層的厚度為2-5nm。4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的調(diào)節(jié)巨磁電阻薄膜線性區(qū)域的方法，其特征在于，所述第一鐵 磁層(FM1'）、第二鐵磁層(FM1)、第Ξ鐵磁層(FM2)材料為Ni、Fe、Co或Ni/Fe/Co的合金;所述 第一反鐵磁層(AF1)、第二反鐵磁層(AF2)材料為化Μη、NiMn、IrMn、PtMn。5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的調(diào)節(jié)巨磁電阻薄膜線性區(qū)域的方法，其特征在于，所述第一非 磁性層為Ru、化，第二非磁性層為化。6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的調(diào)節(jié)巨磁電阻薄膜線性區(qū)域的方法，其特征在于，所述外磁場 Η方向沿巨磁電磁薄膜膜面長軸方向，大小為500e~3000e。
【文檔編號】H01L43/10GK105845822SQ201610173054
【公開日】2016年8月10日
【申請日】2016年3月23日
【發(fā)明人】唐曉莉, 楊鴻潔, 蘇樺, 鐘智勇, 張懷武
【申請人】電子科技大學(xué)