CN102270736B - 一种用于磁敏传感器的磁性纳米多层膜及其制造方法 - Google Patents

一种用于磁敏传感器的磁性纳米多层膜及其制造方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种用于磁敏传感器的磁性纳米多层膜及其制造方法，该多层膜由下至上依次包括：基片、底层、参考磁性层、中间层、探测磁性层和覆盖层，其中所述参考磁性层具有钉扎结构，用于将探测磁性层磁矩转动的信息转化成电信号，所述探测磁性层具有钉扎结构，用于感应被探测磁场。本发明通过在AFM和FM之间加入插入层减小了直接交换偏置的钉扎效果，并且通过调节该插入层的厚度有效调控间接交换偏置的钉扎效果，以得到在外磁场为零时参考磁性层和探测磁性层的磁矩相互垂直，从而获得具有线性响应的基于GMR或TMR效应的线性磁敏传感器。

Description

一种用于磁敏传感器的磁性纳米多层膜及其制造方法
技术领域
本发明属于自旋电子学材料和磁敏传感器领域，具体地说，涉及一种用于磁敏传感器的磁性纳米多层膜及其制造方法。
背景技术
磁敏传感器无论在数据存储、机械定位、速度检测还是无伤探测等各领域都有很广泛而重要的应用前景。早期的磁敏传感器主要是基于具有霍尔效应的半导体材料和具有磁各向异性磁电阻(AMR)效应的磁性材料来制备，然而这两类材料的磁场灵敏度都较低。随着自旋电子学的发展，基于巨磁电阻效应以及隧穿磁电阻效应的磁敏传感器得到了广泛的研究和应用。其主要原因是由于这两类磁敏传感器的磁场灵敏度较高，并且基于磁电阻效应尤其是巨磁电阻效应和隧穿磁电阻效应制作的器件，其生产工艺能和常规的半导体工艺相兼容，因此在工业上具有非常大的市场和广泛的用途。
目前工业上大量应用的基于GMR和TMR两类磁电阻效应的磁敏传感器(比如：磁硬盘HDD中的磁读头)，基本上是采用埋入永磁薄膜的方法使得自旋阀结构中的自由层(即对外磁场敏感的层)与参考层(即被顶扎层)的磁矩实现90度垂直夹角，因而使自旋阀式的GMR纳米磁性多层膜或者磁性隧道结的磁电阻在外场下具有线性且无磁滞的响应。然而，在使用GMR自旋阀结构和磁性隧道结时需要埋入永磁薄膜的设计和制备方法大大增加了工艺难度和制造成本，而且很难将器件小型化。
发明内容
因此，本发明的目的在于克服上述现有技术的缺陷，提供一种具有线性磁电阻特性的用于磁敏传感器的磁性纳米多层膜及其制造方法。
本发明的上述目的是通过以下技术方案实现的：
根据本发明的第一方面，提供一种用于磁敏传感器的磁性纳米多层膜，由下至上依次包括：
基片；
底层；
参考磁性层；
中间层；
探测磁性层；和
覆盖层；
其中所述参考磁性层具有钉扎结构，用于将探测磁性层磁矩转动的信息转化成电信号，所述探测磁性层具有钉扎结构，用于感应被探测磁场。
在上述磁性纳米多层膜中，所述钉扎结构包括间接钉扎结构，该间接钉扎结构包括反铁磁性层(AFM)/第一铁磁性层(FM1)/非磁性金属层(NM)/第二铁磁性层(FM2)，或者包括反铁磁性层(AFM)/非磁性金属层(NM)/铁磁性层(FM)。
在上述磁性纳米多层膜中，所述钉扎结构包括直接钉扎结构，所述直接钉扎结构包括反铁磁性层(AFM)/铁磁性层(FM)。
在上述磁性纳米多层膜中，所述探测磁性层中反铁磁性层的交换偏置强度低于所述参考磁性层中反铁磁性层的交换偏置强度。
在上述磁性纳米多层膜中，当所述上、参考磁性层均采用间接顶扎结构时，所述探测磁性层中反铁磁性层的布洛赫温度低于所述参考磁性层中反铁磁性层的布洛赫温度。
在上述磁性纳米多层膜中，所述探测磁性层和所述参考磁性层的反铁磁性层由不同反铁磁性材料制成，或由厚度不同的同一反铁磁性材料制成。
在上述磁性纳米多层膜中，所述反铁磁性材料包括具有反铁磁性的合金或氧化物。
在上述磁性纳米多层膜中，所述铁磁性层(FM)、第一铁磁性层(FM1)和第二铁磁性层(FM2)由铁磁性金属或其合金制成，厚度为1～20nm；或由稀磁半导体材料或半金属材料制成，厚度为2.0～50nm。
在上述磁性纳米多层膜中，所述中间层包括非磁性金属层或绝缘势垒层。
在上述磁性纳米多层膜中，所述底层包括由非磁性金属层制成的单层或多层薄膜，厚度为3～50nm。
在上述磁性纳米多层膜中，所述覆盖层包括由金属材料制成的单层或多层薄膜，厚度为2～40nm。
根据本发明的第二方面，提供一种磁性纳米多层膜的制造方法，该方法包括以下步骤：
1)选取基底；
2)在该基底上由下之上依次沉积底层、参考磁性层、中间层、探测磁性层和覆盖层；
3)将步骤2)所得产物在磁场下第一次真空退火，该第一退火温度大于所述参考磁性层中反铁磁性层的布洛赫温度TB1；
4)将步骤3)所得产物在磁场下第二次真空退火，其第二退火温度小于所述参考磁性层中反铁磁性层的布洛赫温度TB1且大于所述探测磁性层中反铁磁性层的布洛赫温度TB2，所述第一次退火及第二次退火的磁场方向相互垂直。
在上述方法中，所述步骤2)中生长参考磁性层的步骤包括：
由下之上依次沉积反铁磁性层(AFM)/第一铁磁性层(FM1)/非磁性金属层(NM)/第二铁磁性层(FM2)，或者沉积反铁磁性层(AFM)/非磁性金属层(NM)/铁磁性层(FM)。
根据本发明的第三方面，提供一种磁敏传感器，包括磁电阻单元和被探测磁场，其中，所述磁电阻单元包括磁性纳米多层膜，该磁性纳米多层膜由下至上依次包括：
基片；
底层；
参考磁性层；
中间层；
探测磁性层；和
覆盖层；
其中所述参考磁性层具有钉扎结构，用于将探测磁性层磁矩转动的信息转化成电信号，所述探测磁性层具有钉扎结构，用于感应被探测磁场；当被探测磁场为零时，所述参考磁性层与探测磁性层的磁矩方向相互垂直。
在上述磁敏传感器中，当外磁场为零时，所述下磁性层的磁矩平行于被探测磁场的方向，所述上磁性层的磁矩垂直于被探测磁场的方向。
在上述磁敏传感器中，所述钉扎结构包括间接钉扎结构，该间接钉扎结构包括反铁磁性层(AFM)/第一铁磁性层(FM1)/非磁性金属层(NM)/第二铁磁性层(FM2)，或者包括反铁磁性层(AFM)/非磁性金属层(NM)/铁磁性层(FM)。
在上述磁敏传感器中，所述钉扎结构包括直接钉扎结构，该直接钉扎结构包括反铁磁性层(AFM)/铁磁性层(FM)。
在上述磁敏传感器中，所述探测磁性层中反铁磁性层的交换偏置强度低于所述参考磁性层中反铁磁性层的交换偏置强度。
在上述磁敏传感器中，当所述上、参考磁性层均采用间接顶扎结构时，所述探测磁性层中反铁磁性层的布洛赫温度低于所述参考磁性层中反铁磁性层的布洛赫温度。
与现有技术相比，本发明的优点在于：
1.简化制作工艺，降低制造成本；
2.有利于器件单元的进一步小型化，易于微加工制备和集成，两次后期带场退火易于进行，工艺难度相对较小；
3.灵敏度和线性工作区域可以通过调节超薄非磁性金属层的厚度而连续改变。
附图说明
图1为本发明的磁性纳米多层膜的示意图；
图2为本发明的磁性纳米多层膜中参考磁性层和探测磁性层的磁矩分布示意图；
图3为根据本发明的实施例1～6的结构A的磁性纳米多层膜的示意图；
图4为根据本发明实施例1的器件电阻与外加磁场(R-H)的测试结果示意图，其中插入图示出磁性隧道结的灵敏度和Ru厚度(tRu)的关系；
图5为根据本发明实施例7～11的结构B的磁性纳米多层膜的示意图；
图6为根据本发明实施例12～16的结构C的磁性纳米多层膜的示意图；
图7为根据本发明实施例17～21的结构D的磁性纳米多层膜的示意图；
图8为根据本发明实施例22～26的结构E的磁性纳米多层膜的示意图；
图9为根据本发明实施例27～31的结构F的磁性纳米多层膜的示意图。
具体实施方式
图1示出根据本发明一实施例的磁性纳米多层膜100，其由下至上依次包括：基片101(简称为SUB)、种子层102(简称为SL)、参考磁性层103、中间层104(简称为Space)、探测磁性层105和覆盖层106(简称为CAP)，其中当外磁场为零时，探测磁性层105的磁矩方向与参考磁性层103的磁矩方向相互垂直。需要说明的是，本发明的参考磁性层指的是用于将探测磁性层磁矩转动的信息转化成电信号的功能磁性层，其在零场下的磁矩平行于被探测磁场的方向，探测磁性层指的是用于感应外磁场的功能磁性层，其在零场下的磁矩垂直于被探测场的方向。以下对各个层进行详细说明。
基片101为Si衬底、SiC、玻璃衬底或Si-SiO2衬底，或者有机柔性衬底等，厚度为0.3～1mm。
种子层(也称底层)102是导电性比较好且和衬底结合较紧密的非磁性金属层(包括单层或者多层)，其材料优选Ta、Ru、Cr、Au、Ag、Pt、Pd、Cu、CuN等，也可以是金属和反铁磁层的复合层，厚度可为3～50nm。
中间层104可以是非磁性金属层或绝缘势垒层。当中间层为非磁性金属层时，所形成的磁性纳米多层膜是用于GMR器件的多层膜结构，该非磁性金属层一般采用Cu、Cr、V、Nb、Mo、Ru、Pd、Ta、W、Pt、Ag、Au或其合金制作，厚度为1～5nm；当中间层为势垒层时，所形成的磁性纳米多层膜是用于TMR器件的多层膜结构，该势垒层一般采用AlOx、MgO、Mg1-xZnxO、AlN、Ta2O5、ZnO、HfO2、TiO2、Alq3、LB有机复合薄膜、GaAs、AlGaAs、InAs等材料制作，优选MgO、AlOx、MgZnO、AlN和Alq3、LB有机复合薄膜，厚度一般在为0.5～5nm。
覆盖层106为不易被氧化且导电性比较好的的金属层(包括单层或者多层复合金属薄膜)，其材料优选Ta、Cu、Al、Ru、Au、Ag、Pt等，厚度为2～40nm，用于保护核心结构不被氧化和腐蚀。
参考磁性层103和探测磁性层105的结构均可以是直接钉扎结构或者间接钉扎结构。“直接钉扎”是指反铁磁材料层AFM直接和铁磁性层FM接触(简写为AFM/FM)，“间接钉扎”是指在反铁磁材料层AFM和铁磁性层FM之间插入一层很薄的非磁性金属层NM(简写为FM/NM/AFM)，或者在二者之间插入复合层NM/FM(简写为FM1/NM/FM2/AFM)。通过在AFM和FM之间加入插入层可以减小二者(即直接交换偏置)的钉扎效果，并且通过调节该插入层的厚度可以有效调控间接交换偏置的钉扎效果。
在上述参考磁性层103和探测磁性层105中，反铁磁性层AFM包括具有反铁磁性的合金材料，优选Pt-Mn、Ir-Mn、Fe-Mn和Ni-Mn，厚度为3～30nm；或具有反铁磁性的氧化物，优选CoO、NiO，厚度为5～50nm。铁磁性层FM采用自旋极化率比较高的铁磁性金属，优选Co、Fe、Ni；或者这些铁磁性金属的合金薄膜，优选Co-Fe、Co-Fe-B、NiFeCr或Ni-Fe(如：Ni81Fe19)等铁磁性合金，厚度为1～20nm；或者是诸如GaMnAs，Ga-Mn-N等稀磁半导体材料，或诸如Co-Mn-Si、Co-Fe-Al、Co-Fe-Si、Co-Mn-Al、Co-Fe-Al-Si、Co-Mn-Ge、Co-Mn-Ga、Co-Mn-Ge-Ga、La1-xSrxMnO3、La1-xCaxMnO3(其中0＜X＜1)等半金属材料，厚度为2.0～50nm。插在铁磁性层FM和反铁磁层AFM之间的超薄非磁性金属层NM一般采用Cu、Cr、V、Nb、Mo、Ru、Pd、Ta、W、Pt、Ag、Au或其合金制作，厚度为0.1～5nm。
因此，本发明的磁性纳米多层膜结构的例子包括但不限于：
结构A：SL/AFM1/FM1/Space/FM2/NM2/AFM2/CAP；
结构B：SL/AFM1/FM1/Space/FM2(1)/NM2/FM2(2)/AFM2/CAP；(此式中的(1)和(2)表示两个FM2层可以是具有不同的厚度的同一材料)
结构C：SL/AFM1/FM1/Space/FM2/AFM2/CAP；
结构D：SL/AFM1/NM1/FM1/Space/FM2/NM2/AFM2/CAP；
结构E：SL/AFM1/NM1/FM1/Space/FM2(1)/NM2/FM2(2)/AFM2/CAP；
结构F：
SL/AFM1/FM1(1)/NM1/FM1(2)/Space/FM2(1)/NM2/FM2(2)/AFM2/CAP，在该结构F的多层膜中，随着NM1厚度的增加，FM1(1)/NM1/FM1(2)可以由反铁磁性耦合到铁磁性耦合变化，并且耦合强度减弱。
优选地，所述的探测磁性层中反铁磁性层的交换偏置强度低于参考磁性层中反铁磁性层的交换偏置强度，使得当在外磁场作用下探测磁性层的磁矩旋转时，参考磁性层的磁矩不会跟着转动，从而有利于获得线性输出特性。其中，当所述探测层和参考层均采用间接顶扎结构时，所述的探测层中反铁磁性层的布洛赫温度应低于参考层中反铁磁性层的布洛赫温度，即如果参考层103和探测层105所使用的是同一种反铁磁材料，那么参考层中的反铁磁层厚度一般要大于探测层中反铁磁层的厚度，这将有利于后期带场退火工艺。
图2为本发明的具有线性磁电阻输出特性的磁性纳米多层膜中参考磁性层和探测磁性层的磁矩分布示意图。设定外磁场H的方向如图所示，当H等于零时，参考磁性层的磁矩mref的方向与H的方向相同，探测磁性层的磁矩md的方向与H(即mref)的方向相互垂直；当外磁场不等于零时，探测磁性层的磁矩md旋转一定的角度
Figure BSA00000147327900071
至md(H)，从而使参考磁性层和探测磁性层的磁矩的夹角由90度变为θ，实现对外磁场H变化的感应。其中，KAF，d表示探测层中反铁磁层对探测层磁矩的钉扎方向，KAF，ref表示参考层中反铁磁层对参考层磁矩的钉扎方向。
由于本发明的上述磁性纳米多层膜实现了探测层中的铁磁性层上侧和参考层中的铁磁性层下侧的两个人工复合反铁磁性层的相对90度方向的垂直钉扎，因此具有线性磁电阻特性，从而无需在使用时埋入永磁薄膜。
根据本发明一实施例的制造上述磁性纳米多层膜的方法，包括以下步骤：
1)选取基底101，通过常规方法例如磁控溅射、激光脉冲沉积等在该基底上依次生长底层102、参考磁性层103、中间层104、探测磁性层105和覆盖层106；
2)将步骤1)所得产物带场第一次退火，其第一退火温度T1大于参考磁性层的反铁磁性层的布洛赫温度TB.rdf；
3)将步骤2)所得产物带场第二次退火，其第二退火温度T2在参考磁性层的反铁磁性层的布洛赫温度TB.rdf和探测磁性层的反铁磁性层的布洛赫温度TB.d之间，其中两次退火的磁场方向相互垂直。
下面给出根据上述本发明实施例的制造方法来制造磁性纳米多层膜的示例。
示例1：
1)选择一个厚度为1mm的Si-SiO2衬底作为基片SUB，并在磁控溅射设备上以真空优于2×10-6Pa，沉积速率为0.1nm/s，沉积时氩气压为0.07Pa的条件，在该基片上沉积Ta(5nm)/Ru(20nm)/Ta(5nm)的种子层SL；
2)在磁控溅射设备上以真空优于2×10-6Pa，沉积速率为0.1nm/s，氩气压为0.07Pa的条件，在种子层SL上沉积IrMn厚度为15nm的第一反铁磁层AF1；
3)在磁控溅射设备上以真空优于2×10-6Pa，沉积速率为0.06nm/s，氩气压为0.07Pa的条件，在第一反铁磁层AF1上沉积厚度为2.5nm的CoFeB的第一铁磁性层FM1；
4)在磁控溅射设备上以真空优于2×10-6Pa，沉积速率为0.07nm/s，氩气压为0.07Pa的条件，在第一铁磁性层FM1上沉积厚度为1.0nm的AlOx作为中间层Space；
5)在磁控溅射设备上以真空优于2×10-6Pa，沉积速率为0.06nm/s，氩气压为0.07Pa的条件，在中间层Space上沉积3nm的CoFeB作为第二铁磁性层FM2；
6)在磁控溅射设备上以真空优于2×10-6Pa，沉积速率为0.1nm/s，氩气压为0.07Pa的条件，在第二铁磁性层FM2上沉积0.04nm的超薄非磁性金属层Ru作为NM层。
7)在磁控溅射设备上以真空优于2×10-6Pa，沉积速率为0.1nm/s，氩气压为0.07Pa的条件，在NM层上沉积6.5nm的IrMn作为第二反铁磁层AFM2。
8)在磁控溅射设备上以真空优于2×10-6Pa，沉积速率为0.1nm/s，氩气压为0.07Pa的条件，在第二反铁磁性层AFM2上沉积Ta(5nm)/Ru(5nm)作为覆盖层CAP。
9)将步骤8)所得薄膜放在真空度为2×10-4Pa的真空带磁场的退火炉中(其中磁场沿膜面某一方向)，在温度为265℃条件下保持1小时，然后降温；
10)将步骤9)所得薄膜放在真空度为2×10-4Pa的真空带磁场的退火炉中(其中磁场方向与第一次磁场的方向垂直，仍在膜面内)，在温度为200℃条件下保持15分钟，然后降温，即得到所需的纳米磁性多层膜，结构如图3所示。
该磁性纳米多层膜结构经过后期微加工工艺，制备成直径是D＝10μm的实心圆形结构。该磁性纳米多层膜结构可用作TMR磁敏传感器的核心检测单元。
按照上述示例1的方法，本发明还制备了NM层在不同厚度下的样品，即将步骤6)中Ru为0.04nm的厚度替换为0.06、0.14、0.16nm的厚度。图4是在这些不同Ru厚度下的磁性隧道结的器件电阻与外加磁场(R-H)的测试结果示意图。从图中可以看到，对于不同的Ru的厚度的磁性隧道结，其磁电阻响应曲线均呈现出对外磁场的线性响应，并且其斜率随着Ru厚度的增加而增加；插入图示意了磁性隧道结的灵敏度和Ru厚度(tRu)的关系，从图中可以看出，通过调节Ru的厚度可以极大地改变灵敏度的大小。
示例2～6：
按照示例1的方法制备示例2～6，不同之处在于各层的成分和厚度(如下表1所示)，两次退火温度根据参考层和探测层中两种反铁磁性层的布洛赫温度来适当确定。
表1
Figure BSA00000147327900091
(除已标注外，列表中其余的厚度单位均为纳米)
对上述示例2～6的磁性隧道结的器件电阻与外加磁场进行了测试，结果表明，示例2～6的磁电阻响应曲线均呈现出对外磁场的线性响应。
示例7～11：
按与示例1类似的方法制备示例7～11，不同之处在于示例7～11的磁性纳米多层膜为结构B，即：SUB/SL/AFM1/FM1/Space/FM2(1)/NM2/FM2(2)/AFM2/CAP，如图5所示，各层的成分和厚度如下表2所示。
表2
Figure BSA00000147327900092
Figure BSA00000147327900101
(除已标注外，列表中其余的厚度单位均为纳米)
对上述示例7～11的磁性隧道结的器件电阻与外加磁场进行了测试，结果表明，示例7～11的磁电阻响应曲线均呈现出对外磁场的线性响应。
示例12～16：
按与示例1类似的方法制备示例12～16，不同之处在于示例12～16的磁性纳米多层膜为结构C，即SUB/SL/AFM1/FM1/Space/FM2/AFM2/CAP，如图6所示，各层的成分和厚度如下表3所示。
表3
Figure BSA00000147327900102
(除已标注外，列表中其余的厚度单位均为纳米)
对上述示例12～16的磁性隧道结的器件电阻与外加磁场进行了测试，结果表明，示例12～16的磁电阻响应曲线均呈现出对外磁场的线性响应。
需要说明的是，对于结构C来说，如果在步骤1)至步骤8)的生长薄膜过程中已经得到参考磁性层和探测磁性层的磁矩互相垂直，那么对后面退火处理的温度则没有要求。换言之，如果参考磁性层和探测磁性层均采用直接钉扎结构，则可以利用本领域公知的方法在沉积多层膜时制备出探测磁性层与参考磁性层的两个磁矩互相垂直的构型，同样能够达到本发明目的。
示例17～21：
按与示例1类似的方法制备示例17～21，不同之处在于示例17～21的磁性纳米多层膜为结构D，即：
SUB/SL/AFM1/NM1/FM1/Space/FM2/NM2/AFM2/CAP，如图7所示，各层的成分和厚度如下表4所示。
表4
Figure BSA00000147327900112
Figure BSA00000147327900121
(除已标注外，列表中其余的厚度单位均为纳米)
对上述示例17～21的磁性隧道结的器件电阻与外加磁场进行了测试，结果表明，示例17～21的磁电阻响应曲线均呈现出对外磁场的线性响应。
示例22～26：
按与示例1类似的方法制备示例22～26，不同之处在于示例22～26的磁性纳米多层膜为结构E，即：
SUB/SL/AFM1/NM1/FM1/Space/FM2(1)/NM2/FM2(2)/AFM2/CAP，如图8所示，各层的成分和厚度如下表5所示。
表5
Figure BSA00000147327900122
Figure BSA00000147327900131
(除已标注外，列表中其余的厚度单位均为纳米)
对上述示例22～26的磁性隧道结的器件电阻与外加磁场进行了测试，结果表明，示例22～26的磁电阻响应曲线均呈现出对外磁场的线性响应。
示例27～31：
按与示例1类似的方法制备示例27～31，不同之处在于示例27～31的磁性纳米多层膜为结构F，即：
SUB/SL/AFM1/FM1(1)/NM1/FM1(2)/Space/FM2(1)/NM2/FM2(2)/AFM2/CAP
如图9所示，各层的成分和厚度如下表6所示。
表6
Figure BSA00000147327900132
Figure BSA00000147327900141
(除已标注外，列表中其余的厚度单位均为纳米)
对上述示例27～31的磁性隧道结的器件电阻与外加磁场进行了测试，结果表明，示例27～31的磁电阻响应曲线均呈现出对外磁场的线性响应。
因为在钉扎结构中铁磁性层的磁矩方向有结构中的反铁磁性层的钉扎方向控制，而反铁磁性层的钉扎方向可以通过薄膜生长时所加的外磁场方向或者后期退火过程中所加的磁场方向控制。本发明的磁性纳米多层膜能够实现线性范围和灵敏度均可以控制的对外场的线性响应磁电阻效应。
在上述实施例中，两次磁场下的退火温度仅为示意性的，如果用TB1和TB2表示分别用于钉扎参考层和探测层的两种反铁磁性层的布洛赫温度，则两次带磁场退火的要求为：第一次退火温度T1＞TB1，第二次退火温度T2要求TB1＞T2＞TB2，并且两次退火的磁场方向相互垂直。由此，本领域技术人员可以根据所选用的具体材料来适当确定本发明各实施例中两次退火的温度，从而通过所述退火工艺得到在外磁场为零时，两个磁性层的磁矩相互垂直，获得具有线性响应的基于GMR或TMR效应的磁性传感器。另外，在本发明的其他实施例中，磁性纳米多层膜经过后期的微纳米加工过程可以加工成尺寸大小从数十纳米到数十微米的不同形状的结构。其形状包括空心或实心的长径比从1∶1到1∶3的椭圆、长宽比从1∶1到1∶3的矩形、以及一些正多边形(边数N＝4，6，8，10，12，16，20，24)，其中优选为实心的圆和正方形。
对于本领域的普通技术人员还应该理解，实施例中所采用的磁控溅射方法仅为示意，还可以使用诸如等离子体气相沉积、低压化学气相沉积等本领域公知的制膜方法来制备上述多层膜；所述沉积速率、真空度、退火温度及时间仅为示意，还可以采用其他工艺条件。
根据本发明实施例，提供一种基于GMR或TMR效应的磁敏传感器，该传感器包括磁电阻单元和被探测磁场，其中所述磁电阻单元包括磁性纳米多层膜，该磁性纳米多层膜由下至上依次包括：基片、底层、参考磁性层、中间层、探测磁性层和覆盖层；其中所述参考磁性层具有钉扎结构，用于将探测磁性层磁矩转动的信息转化成电信号，所述探测磁性层具有钉扎结构，用于感应被探测磁场；当被探测磁场为零时，所述参考磁性层与探测磁性层的磁矩方向相互垂直。磁性纳米多层膜的具体结构及材料如前所述，这里不再详细论述。
本发明利用不同的反铁磁薄膜或者不同厚度的同一种反铁磁性薄膜具有不同的布洛赫温度，并结合两次后期带磁场退火，以得到在外磁场为零时参考磁性层和探测磁性层的磁矩相互垂直，从而得到具有线性响应的基于GMR或TMR效应的线性磁敏传感器。另外，在铁磁性层和反铁磁性层之间通过设置插层以及改变该插层的厚度来调控FM/NM/AFM或FM1(1)/NM/FM1(2)/AFM之间的间接交换偏置，以达到控制线性磁电阻工作范围的大小和灵敏度的高低，从而克服了目前所用磁头中利用埋入永磁铁薄膜的方法产生线性磁电阻效应的复杂工艺。
由于本发明所采用的材料具有很高的磁电阻信号，例如在GMR器件中以CoFe为磁性电极的自旋阀结构能够获得室温高达20％的GMR比值(参见M.Li，et al.，Digest Int.Symp.Magn.Mat.Proc.Devices，2002)；在TMR器件中，目前在以CoFeB为磁性电极的AlOx磁性隧道结中能获得室温80％以上的室温TMR比值(参见H.X.Wei，X.F.Han et al.，J.Appl.Phys.101(2007)09B501)；在以MgO为势垒的磁性隧道结中则能达到600％以上(参见S.Ikeda，H.Ohno et al.，Appl.Phys.Lett.93(2008)082508)，因此基于本发明构思而得到磁敏传感器也具有很高的灵敏度。本发明的磁性纳米多层膜可以应用于较宽领域，例如存储器行业、诸如位移传感器、速度以及角速度传感器的机械行业，还适用于电流传感器、地磁场传感器和医用脑磁图、心磁图传感器，以及诸如基于磁通流量的检漏探头等无伤探测行业等。
尽管参照上述的实施例已对本发明作出具体描述，但是对于本领域的普通技术人员来说，应该理解可以在不脱离本发明的精神以及范围之内基于本发明公开的内容进行修改或改进，这些修改和改进都在本发明的精神以及范围之内。

Claims (19)

1.一种用于磁敏传感器的磁性纳米多层膜，由下至上依次包括：
基片；
底层；
参考磁性层；
中间层；
探测磁性层；和
覆盖层；
其中所述参考磁性层用于将探测磁性层磁矩转动的信息转化成电信号，所述探测磁性层用于感应被探测磁场；
所述参考磁性层和/或所述探测磁性层具有间接钉扎结构；
该间接钉扎结构包括反铁磁性层/非磁性金属层/铁磁性层。
2.根据权利要求1所述的磁性纳米多层膜，其特征在于，所述探测磁性层中反铁磁性层的交换偏置强度低于所述参考磁性层中反铁磁性层的交换偏置强度。
3.根据权利要求2所述的磁性纳米多层膜，其特征在于，当所述探测磁性层和参考磁性层均采用间接钉扎结构时，所述探测磁性层中反铁磁性层的布洛赫温度低于所述参考磁性层中反铁磁性层的布洛赫温度。
4.根据权利要求1所述的磁性纳米多层膜，其特征在于，所述探测磁性层和所述参考磁性层的反铁磁性层由不同反铁磁性材料制成，或由厚度不同的同一反铁磁性材料制成。
5.根据权利要求4所述的磁性纳米多层膜，其特征在于，所述反铁磁性材料包括具有反铁磁性的合金或氧化物。
6.根据权利要求5所述的磁性纳米多层膜，其特征在于，所述反铁磁性的合金包括Pt-Mn、Ir-Mn、Fe-Mn或Ni-Mn，厚度为3～30nm；所述反铁磁性的氧化物包括CoO或NiO，厚度为5～50nm。
7.根据权利要求1所述的磁性纳米多层膜，其特征在于，所述探测磁性层和所述参考磁性层中的非磁性金属层采用Cu、Cr、V、Nb、Mo、Ru、Pd、Ta、W、Pt、Ag、Au或其合金制成，厚度为0.1～5nm。
8.根据权利要求1所述的磁性纳米多层膜，其特征在于，所述铁磁性层由铁磁性金属或其合金制成，厚度为1～20nm；或由稀磁半导体材料或半金属材料制成，厚度为2.0～50nm。
9.根据权利要求8所述的磁性纳米多层膜，其特征在于，所述铁磁性金属包括Co、Fe或Ni，所述铁磁性金属的合金包括Co-Fe、Co-Fe-B、NiFeCr或Ni-Fe，所述稀磁半导体材料包括GaMnAs或Ga-Mn-N，所述半金属材料包括Co-Mn-Si、Co-Fe-Al、Co-Fe-Si、Co-Mn-Al、Co-Fe-Al-Si、Co-Mn-Ge、Co-Mn-Ga、Co-Mn-Ge-Ga、La1-xSrxMnO3或La1-xCaxMnO3,其中0<X<1。
10.根据权利要求1所述的磁性纳米多层膜，其特征在于，所述中间层包括非磁性金属层或绝缘势垒层。
11.根据权利要求10所述的磁性纳米多层膜，其特征在于，所述非磁性金属层采用Cu、Cr、V、Nb、Mo、Ru、Pd、Ta、W、Pt、Ag、Au或其合金制成，厚度为1～5nm。
12.根据权利要求10所述的磁性纳米多层膜，其特征在于，所述绝缘势垒层采用AlOx、MgO、MgZnO、AlN、Ta2O5、ZnO、HfO2、TiO2、Alq3、LB有机复合薄膜、GaAs、AlGaAs、InAs制成，厚度一般在为0.5～5nm。
13.根据权利要求1所述的磁性纳米多层膜，其特征在于，所述底层包括由非磁性金属层制成的单层或多层薄膜，厚度为3～50nm。
14.根据权利要求1所述的磁性纳米多层膜，其特征在于，所述覆盖层包括由金属材料制成的单层或多层薄膜，厚度为2～40nm。
15.一种磁性纳米多层膜的制造方法，该方法包括以下步骤：
1）选取基底；
2）在该基底上由下至上依次沉积底层、参考磁性层、中间层、探测磁性层和覆盖层，所述参考磁性层和/或所述探测磁性层具有间接钉扎结构，该间接钉扎结构包括反铁磁性层/非磁性金属层/铁磁性层；
3）将步骤2）所得产物在磁场下第一次真空退火，该第一次真空退火的温度大于所述参考磁性层中反铁磁性层的布洛赫温度TB1；
4）将步骤3）所得产物在磁场下第二次真空退火，其第二次真空退火的温度小于所述参考磁性层中反铁磁性层的布洛赫温度TB1且大于所述探测磁性层中反铁磁性层的布洛赫温度TB2，所述第一次真空退火及第二次真空退火的磁场方向相互垂直。
16.一种磁敏传感器，包括磁电阻单元和被探测磁场，其特征在于，所述磁电阻单元包括磁性纳米多层膜，该磁性纳米多层膜由下至上依次包括：
基片；
底层；
参考磁性层；
中间层；
探测磁性层；和
覆盖层；
其中所述参考磁性层用于将探测磁性层磁矩转动的信息转化成电信号，所述探测磁性层用于感应被探测磁场；当被探测磁场为零时，所述参考磁性层与探测磁性层的磁矩方向相互垂直；
所述参考磁性层和/或所述探测磁性层具有间接钉扎结构；
该间接钉扎结构包括反铁磁性层/非磁性金属层/铁磁性层。
17.根据权利要求16所述的磁敏传感器，当外磁场为零时，所述参考磁性层的磁矩平行于被探测磁场的方向，所述探测磁性层的磁矩垂直于被探测磁场的方向。
18.根据权利要求16所述的磁敏传感器，其特征在于，所述探测磁性层中反铁磁性层的交换偏置强度低于所述参考磁性层中反铁磁性层的交换偏置强度。
19.根据权利要求16所述的磁敏传感器，其特征在于，当所述探测磁性层和参考磁性层均采用间接钉扎结构时，所述探测磁性层中反铁磁性层的布洛赫温度低于所述参考磁性层中反铁磁性层的布洛赫温度。
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