CN101672903B - 一种惠斯通电桥式自旋阀磁传感器的制备方法 - Google Patents
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Abstract
一种惠斯通电桥式自旋磁阀传感器的制备方法，属于磁性材料与元器件技术领域，涉及自旋阀磁传感器的制备方法。首先在同一基片上制备四个形状和大小相同的自旋阀单元，每个自旋阀单元的初始钉扎场方向一致；然后制备导线及电极；最后利用自旋转移效应改变自旋阀结构的钉扎场方向，即在两个相间隔的自旋阀单元的两端电极之间施加一大于105A/cm2的脉冲电流，脉冲电流的作用时间大于10毫秒，同时施加一强度大于初始钉扎场强度、且方向相反的外磁场。本发明具有工艺简单、易控的特点，所制备的产品成品率比现有的方法更高，同时具有更好的稳定性和传感性能。
Description
技术领域
本发明属于磁性材料与元器件技术领域，涉及磁传感技术，具体涉及一种自旋阀磁传感器的制备方法。
背景技术
磁传感器主要指利用固体元件感知与磁有关的物理量的变化而检测出对象的状态和信息的器件。在巨磁电阻效应发现之前，市场上的磁传感器件主要有半导体霍尔传感器和基于各向异性磁电阻效应的传感器两种。虽然巨磁电阻传感器出现较晚，但它除了具有各向异性磁电阻传感器的优良性能外，磁电阻变化率更高，因而扩大了测量范围和应用面，表现出了更强的竞争能力。
自旋阀结构是一种常用的巨磁电阻效应结构。其基本结构为：自由层(铁磁层F1)/隔离层(非磁性层)/钉扎层(铁磁层F2)/偏置层(反铁磁层)，如图1所示。该自旋阀结构的电阻可表示为：R＝R0-ΔR cos(θ1-θ2)，其中R0为零场下自旋阀结构的电阻值，ΔR为最大磁电阻变化量，θ1、θ2分别为自由层和钉扎层磁矩相对于自由层易轴的夹角。当磁场转动时，自旋阀结构的电阻将产生对应的角度响应，利用该效应可制作出相应的磁传感器。对于在低频情况下工作的磁传感器，一般按惠斯通电桥方式连接四个尺度相同的自旋阀巨磁电阻条，这样不但能除去背景信号的影响，还能抵消温度效应。这样的自旋阀磁传感器被称之为惠斯通电桥式传感器，其结构如图5所示，包括四个自旋阀单元R1、R2、R3和R4，这四个自旋阀单元构成了桥式结构的四臂；而四个电极A、B、C、D构成了电桥的输入和输出端，其中A、B电极为电压输入端，C、D电极为桥式电阻变化测试端。为使该类传感器获得高的灵敏度和最大的输出电压，要求这种惠斯通电桥式自旋阀传感器中四个自旋阀单元的钉扎场方向两两不同，如图2所示。
目前，制备按惠斯通电桥式自旋阀磁传感器的方法通常包括以下几个步骤：首先，利用薄膜沉积工艺并在外磁场作用下在基片上制作四个尺度相同的自旋阀巨磁电阻条R1、R2、R3和R4(如图3所示)，其中，需先在一磁场大小下沉积R1、R4自旋阀单元，再改变磁场方向沉积R2、R3自旋阀单元来使得四个自旋阀单元的钉扎场方向两两不同；其次，利用薄膜沉积工艺制备电极，最终得到惠斯通电桥式自旋阀磁传感器(其结构如图5所示)。由于该方法所制备的四个自旋阀单元是分两步制成的，要求工艺条件控制精度相当高，而先制备的两个单元和后制备的两个单元的工艺条件(外磁场大小和薄膜沉积工艺条件)总会存在一定的差异，这种系统误差使得先制备的两个单元和后制备的两个单元无法严格保证磁学性能上的一致，最终可能导致产品的成品率降低。
发明内容
本发明提供一种惠斯通电桥式自旋磁阀传感器的制备方法，具有工艺简单、易控的特点，所制备的产品成品率比现有的方法更高。所制备的惠斯通电桥式自旋阀传感器具有更好的稳定性和传感性能。
本发明的目的通过下述技术方案实现：
一种惠斯通电桥式自旋磁阀传感器的制备方法，包括以下步骤：
步骤1：采用薄膜沉积工艺并在外磁场作用下，在同一基片上同时制备四个形状和大小相同的自旋阀单元R1、R2、R3和R4(如图3所示)。
采用薄膜沉积工艺沉积自旋阀单元各层薄膜时，所述外磁场方向沿膜面且平行于自旋阀单元长边，大小在50Oe～300Oe之间。所得四个自旋阀单元R1、R2、R3和R4的铁磁层F2和反铁磁层之间由于交换耦合作用，将产生一同外磁场方向一致的钉扎场。
其中：每个自旋阀单元为折线型结构；每个自旋阀单元由铁磁层F1/非磁性层/铁磁层F2/反铁磁层构成。为了增加自旋阀单元与基片之间的晶格匹配性能，可在基片与铁磁层F1之间增加一层缓冲层；同时为了增加自旋阀单元的稳定性能，可在反铁磁层表面增加一层覆盖层。基片可选用Si基片或玻璃基片，缓冲层材料为Ta，反铁磁层(偏置层)材料采用FeMn、NiMn、IrMn、PtMn或NiO，铁磁层F1和铁磁层F2材料采用Ni、Fe、Co或Ni/Fe/Co的合金，非铁磁层(隔离层)材料为Cu，覆盖层材料为Ta。
步骤2：采用薄膜沉积工艺制备导线及电极，得到四个自旋阀单元的钉扎场一致的惠斯通电桥式自旋磁阀传感器。所述导线及电极包括自旋阀单元R1和R3的公共导线及电极A、自旋阀单元R2和R4的公共导线及电极B、自旋阀单元R1和R2的公共导线及电极C以及自旋阀单元R3和R4的公共导线及电极D。
步骤3：改变步骤2所得四个自旋阀单元的钉扎场一致的惠斯通电桥式自旋磁阀传感器中相间隔的两个自旋磁阀单元的钉扎场方向，使其与另外两个相间隔的自旋磁阀单元的钉扎场方向相反。具体方法是：在两个相间隔的自旋阀单元(R2和R3或是R1和R4)的两端电极之间施加一大于105A/cm2的脉冲电流，脉冲电流的作用时间大于10毫秒，同时施加一强度大于步骤1中所述钉扎场强度、且方向相反的外磁场。
由于经过钉扎层的电流为自旋极化电流，当它流经钉扎层(铁磁层F2)/偏置层(反铁磁层)界面时，自旋极化电流所携带的自旋角动量将转移给钉扎层(铁磁层F2)/偏置层(反铁磁层)界面的磁矩，使界面磁矩遭受一力矩作用而改变方向，当该力矩作用足够大时就会使钉扎层(铁磁层F2)/偏置层(反铁磁层)界面磁矩完全反向，产生与初始钉扎场方向正好相反的钉扎场。
本发明的有益效果是：
本发明利用自旋转移效应改变自旋阀结构的钉扎场方向，可在室温下方便的改变惠斯通电桥自旋阀传感器的钉扎场方向，无需通过两次制备的方式来制备不同钉扎场方向的自旋阀单元。另外，由于四个自旋阀单元可一次制备完成，减少了制备的工艺步骤，降低了制备难度，提高了自旋阀单元的一致性，从而使惠斯通电桥式自旋阀传感器具有更好的稳定性和传感性能。
附图说明
图1是自旋阀基本结构示意图。
图2是惠斯通电桥式自旋阀磁传感器等效电路示意图。
图3是本发明制备的惠斯通电桥式自旋阀传感器中自旋阀单元示意图。
图4是本发明制备的惠斯通电桥式自旋阀传感器中导线及电极部分示意图。
图5是本发明制备的惠斯通电桥式自旋阀磁传感器结构示意图。
图6惠斯通电桥式自旋阀传感器中自旋阀单元R2在脉冲电流及外磁场作用前后巨磁电阻曲线。其中图6(a)是自旋阀单元R2在脉冲电流及外磁场作用前的巨磁电阻曲线，图6(b)是自旋阀单元R2在脉冲电流及外磁场作用后的巨磁电阻曲线。
具体实施方式
本发明具体制备惠斯通电桥式自旋阀磁传感器时，即先在Si基片或玻璃基片上涂上正胶，预烘后采用如图3所示的光刻板图光学曝光形成图形，显影后再烘干，将基片送进计算机控制的四靶磁控溅射设备中利用直流磁控溅射沉积薄膜，其中自旋阀单元选用Ta(10nm)/CoFe(6nm)/Cu(4nm)/CoFe(12nm)/IrMn(15nm)/Ta(5nm)结构(每个自旋阀单元宽20微米、长400微米，折线间距40～50微米)。镀制时沿膜面平行于自旋阀单元长边方向施加50Oe～300Oe的外磁场使四个自旋阀单元形成沿外磁场方向的钉扎场。取出用丙酮去胶即在基片上留下了电桥四臂的自旋阀单元图形。然后，采用如图4所示的导线及电极部分光刻板，同样采用薄膜沉积工艺，镀制100nm厚的Al膜作为导线及电极。完成后即形成如图5所示的惠斯通电桥式自旋阀磁传感器。将制备好的惠斯通电桥式自旋阀磁传感器置于电磁铁中，加350Oe的外磁场，且使磁场的方向与自旋阀单元初始钉扎场方向相反，在R2自旋阀单元的两端电极B、C上通以10mA(相当于106A/cm2)的脉冲电流，脉冲电流作用时间为1s，作用完成后，通过对R2自旋阀单元巨磁电阻的测试，如图6所示，可以发现其钉扎场方向发生了完全的翻转；采用相同的方式对R3自旋阀单元的钉扎场进行设置。对R2、R3自旋阀单元设置完成后，即制备出满足应用要求的惠斯通电桥式自旋阀传感器。可见，采用本实施方案，在一次镀制惠斯通电桥式自旋阀传感器四个自旋阀单元的情况下，可方便的设置它们的钉扎场方向，满足应用的要求，简化制备的工艺难度。
Claims (7)
1.一种惠斯通电桥式自旋磁阀传感器的制备方法，包括以下步骤：
步骤1：采用薄膜沉积工艺并在外磁场作用下，在同一基片上同时制备四个形状和大小相同的自旋阀单元R1、R2、R3和R4；
采用薄膜沉积工艺沉积自旋阀单元各层薄膜时，所述外磁场方向沿膜面且平行于自旋阀单元长边，大小在50Oe～300Oe之间；所得四个自旋阀单元R1、R2、R3和R4的铁磁层F2和反铁磁层之间由于交换耦合作用，将产生一同外磁场方向一致的钉扎场；
步骤2：采用薄膜沉积工艺制备导线及电极，得到四个自旋阀单元的钉扎场一致的惠斯通电桥式自旋磁阀传感器；所述导线及电极包括自旋阀单元R1和R3的公共导线及电极A、自旋阀单元R2和R4的公共导线及电极B、自旋阀单元R1和R2的公共导线及电极C以及自旋阀单元R3和R4的公共导线及电极D；
步骤3：改变步骤2所得四个自旋阀单元的钉扎场一致的惠斯通电桥式自旋磁阀传感器中相间隔的两个自旋磁阀单元的钉扎场方向，使其与另外两个相间隔的自旋磁阀单元的钉扎场方向相反；具体方法是：在两个相间隔的自旋阀单元的两端电极之间施加一大于105A/cm2的脉冲电流，脉冲电流的作用时间大于10毫秒，同时施加一强度大于步骤1中所述钉扎场强度、且方向相反的外磁场。
2.根据权利要求1所述的惠斯通电桥式自旋磁阀传感器的制备方法，其特征在于，步骤1中所述基片为Si基片或玻璃基片。
3.根据权利要求1所述的惠斯通电桥式自旋磁阀传感器的制备方法，其特征在于，所述自旋阀单元为折线型结构。
4.根据权利要求1所述的惠斯通电桥式自旋磁阀传感器的制备方法，其特征在于，所述自旋阀单元由铁磁层F1/非磁性层/铁磁层F2/反铁磁层构成。
5.根据权利要求4所述的惠斯通电桥式自旋磁阀传感器的制备方法，其特征在于，在基片与铁磁层F1之间增加一层缓冲层；同时在反铁磁层表面增加一层覆盖层。
6.根据权利要求4所述的惠斯通电桥式自旋磁阀传感器的制备方法，其特征在于，所述铁磁层F1和铁磁层F2材料采用Ni、Fe、Co或Ni/Fe/Co的合金，所述反铁磁层材料采用FeMn、NiMn、IrMn、PtMn或NiO，所述非铁磁层材料为Cu。
7.根据权利要求5所述的惠斯通电桥式自旋磁阀传感器的制备方法，其特征在于，所述铁磁层F1和铁磁层F2材料采用Ni、Fe、Co或Ni/Fe/Co的合金，所述反铁磁层材料采用FeMn、NiMn、IrMn、PtMn或NiO，所述非铁磁层材料为Cu，所述缓冲层和覆盖层材料为Ta。
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