CN101944365A - 一种提高交换偏置薄膜磁性和热稳定性的方法 - Google Patents

一种提高交换偏置薄膜磁性和热稳定性的方法 Download PDF

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Abstract

一种改善交换偏置薄膜性能的制备方法，属于磁性薄膜领域。其特征利用非磁性粒子(纳米氧化物或者金属)稀释AFM材料，调节界面未补偿磁矩的数量和状态，减小AFM材料的晶粒尺寸，提高目前现有交换偏置体系的性能。采用磁控溅射方法制备出具有准确成分的薄膜材料。薄膜结构为：缓冲层/FM/AFM掺杂稀释材料/保护层，溅射前通入镀膜室99.99%纯度氩气0.5～1小时，维持在气压0.1～0.5Pa，稀释材料占AFM的重量百分比为0.1-10%。本方法在进一步降低薄膜制备难度的同时，仍能保证薄膜很薄时具有较高的磁性和热稳定性，以满足磁传感器的性能和产品需求。

Description

一种提高交换偏置薄膜磁性和热稳定性的方法
技术领域
本发明属于磁性薄膜领域，涉及磁电阻薄膜的制备方法，特别是涉及交换偏置薄膜的制备。
背景技术
交换偏置最早由Meiklejohn和Bean于1956年在研究CoO包裹的Co颗粒的磁性能时发现的一种异常磁化行为，即材料在外加磁场下从高于反铁磁层奈尔温度点冷却到低于奈尔温度时，磁滞回线随磁场的变化偏离中心点，同时伴随着矫顽力的增加的磁化现象。在GMR器件的实用化过程中，铁磁（FM）/反铁磁（AFM）交换偏置双层膜起到了重要作用。特别是它提高了高密度磁记录读头的灵敏度，使得磁记录存储密度得到了飞速的发展。它还是目前受到广泛关注的磁随机存储器（MRAM）的基本结构。最近的研究显示，FM/AFM界面耦合还有希望应用于降低自旋极化电流驱动磁矩翻转的电流密度。这些新的应用领域对AFM材料和FM/AFM双层膜体系提出了新的要求，例如更大的偏置场、更高的截止温度和更好的热稳定性。对于FM/AFM界面耦合的深入研究将有助于扩展其应用领域并提供相关的技术支持，并且在基础研究和应用两个方面都具有重要意义和价值。
发明内容
本发明目的是提供一种更大的偏置场和更好的热稳定性的交换偏置薄膜。本发明提出用非磁性粒子（纳米氧化物或者金属）稀释AFM材料，调节界面未补偿磁矩的数量和状态，减小AFM材料的晶粒尺寸，提高目前现有交换偏置体系的性能。
一种提高交换偏置薄膜磁性和热稳定性的方法，其特征是在清洗干净的玻璃基片或硅片上依次沉积缓冲层（5.0～20.0 nm）/FM (5.0～50.0 nm)/ AFM 掺杂稀释材料 (5.0～50.0 nm)/ 保护层（5.0～20.0 nm），其中缓冲层和保护层为Ta、Cu、Au、 NiFeCr等。FM为NiFe、CoFe、(Co/Pt)n等。AFM为PtMn、 IrMn、FeMn、NiO、CoO等。稀释材料为Au、Cu、Pt、Ag、Pb、Bi、ZnO、 Al2O3、MgO等，稀释材料占AFM的重量百分比为0.1-10%。所述的基片表面外加垂直于膜面方向的磁场，大小为100～3000 Oe，所述的基片温度为100～300                                                
Figure 405926DEST_PATH_IMAGE001
，所述的AFM层的沉积温度为10～50 
Figure 2010102761390100002DEST_PATH_IMAGE002
，具体制备过程是在磁控溅射仪中进行，溅射室本底真空度为1×10-4～7×10-5 Pa，溅射时氩气压为0.4～1.6 Pa。
另外，在薄膜制备过程中，溅射前通入镀膜室99.99%纯度氩气0.5～1小时，维持在气压0.1～0.5 Pa；溅射时99.99%纯度的高纯氩气气压为0.4 ～1.6 Pa，溅射沉积速率为0.03～0.33nm/分钟；基片用循环去离子水冷却，平行于基片平面方向加有100～3000 Oe的磁场，以诱发一个易磁化方向，并且基片始终以8～30转/分钟的速率旋转，薄膜厚度由溅射时间控制。
本发明利用非磁性粒子（纳米氧化物或者金属）稀释AFM材料，调节界面未补偿磁矩的数量和状态，减小AFM材料的晶粒尺寸，提高目前现有交换偏置体系的性能。用非磁性粒子（纳米氧化物或者金属）稀释AFM材料，可以改变界面的微结构，制造出大量的未补偿磁矩，同时又保证了AFM内部的各向异性不被破坏，从而提高未补偿磁矩的总量和其中钉扎态磁矩的比例，改善薄膜材料的性能。由于用于稀释AFM的非磁性粒子所占比例对材料性能影响非常大，因此只有找到适当类型、合适比例的非磁性粒子，才能提高薄膜的磁学性能。我们利用非磁性粒子包括（1）金属粒子，如Au, Cu, Pt ，Ag,  Pb, Bi等和（2 ）氧化物粒子，如ZnO, Al2O3, MgO等稀释AFM，提高薄膜性能。本发明的优点在于：成本低，制备简单，适用于未来的生产。
附图说明
图1 在NiFe(10nm)/ FeMn（Pt）(t)薄膜中，交换偏置场（Hex）随Pt插层厚度的变化。
图2 100℃和250℃带场保温半小时，不带场冷却后NiFe(10nm)/ FeMn Pt(t)的交换偏置场（Hex）随Pt插层厚度的变化。
具体实施方式
如图1，溅射工艺条件为：溅射室本底真空度为3×10-5 Pa，溅射时氩气（99.99%）压为0.9Pa。溅射过程中，基片表面外加垂直于膜面方向的磁场，大小为100 Oe，基片以18 r/min的速率旋转；基片温度为100
Figure 2010102761390100002DEST_PATH_IMAGE003
，FeMn层的沉积温度为10 
Figure 949165DEST_PATH_IMAGE003
；
本发明的制备方法如下：
首先将玻璃基片用有机化学溶剂、去离子水以及酒精超声清洗，然后装入溅射室样品基座上。以图1为例，在溅射前，先将基片表面外加垂直磁场调整到700 Oe，基片温度调整到200
Figure 322378DEST_PATH_IMAGE003
。基片表面外加垂直于膜面方向的磁场，大小为700 Oe，基片以18 r/min的速率旋转。溅射室本底真空3×10-5Pa，在溅射时氩气(纯度为99.99%)压为0.9 Pa的条件下依次沉积NiFe、FeMn、Pt，以制备NiFe(10nm)/ FeMn(Pt)薄膜。
从图1中可以看出，在反铁磁FeMn层引入Pt后，在NiFe(10nm)/ FeMn（Pt ）(t)多层膜中，随着Pt层厚度t的增加，薄膜的Hex先增加后减少。当Pt层达到0.33 nm时，薄膜的Hex达到339 Oe，比NiFe(10nm)/ FeMn 多层膜的H ex提高了近170%。这说明，反铁磁层FeMn中引入Pt可以有效地提高NiFe/ FeMn多层膜的H ex。
  用非磁性粒子稀释AFM也可以起到明显的提高热稳定性的效果。我们带诱导场制备了NiFe(10 nm)/FeMn（Pt）0.4nm多层膜，得到了200Oe的交换偏置，不带场100℃退火后Hex降至100Oe，不带场200℃退火后Hex还有50Oe剩余；而NiFe/FeMn薄膜在不带场100℃退火后Hex就已经基本为零（见图2）。

Claims (2)

1.一种提高交换偏置薄膜磁性和热稳定性的方法，其特征是在清洗干净的玻璃基片或硅基片依次沉积缓冲层5.0～20.0nm/FM 5.0～50.0nm/AFM掺杂稀释材料5.0～50.0nm/保护层5.0～20.0nm；其中缓冲层和保护层为Ta、Cu、Au或NiFeCr；FM为NiFe、CoFe或(Co/Pt)n；AFM为PtMn、IrMn、FeMn、NiO或CoO；稀释材料为Au、Cu、Pt、Ag、Pb、Bi、ZnO、Al2O3、或MgO，稀释材料占AFM的重量百分比为0.1-10％；所述的基片表面外加垂直于膜面方向的磁场，大小为100～3000Oe，所述的基片温度为100～300℃，溅射室本底真空度为1×10-4～7×10-5Pa，溅射时氩气压为0.4～1.6Pa。
2.如权利要求1所述的一种提高交换偏置薄膜磁性和热稳定性的方法；其特征是具体制备过程是在磁控溅射仪中进行，溅射室本底真空度为1×10-4～6×10-5Pa，溅射前通入镀膜室99.99％纯度氩气0.5～1小时，维持在气压0.1～0.5Pa；溅射时99.99％纯度的高纯氩气气压为0.4～1.6Pa，溅射沉积速率为0.03～0.33nm/分钟；基片用循环去离子水冷却，平行于基片平面方向加有100～3000Oe的磁场，以诱发一个易磁化方向，并且基片始终以8～30转/分钟的速率旋转，薄膜厚度由溅射时间控制。
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