CN102838081B - 飞秒激光无掩膜法制备磁敏感微结构单元的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种利用飞秒激光无掩膜法制备磁敏感微结构单元的方法，包括以下步骤：（1）按衬底、缓冲层、磁性层、保护层的顺序沉积制作磁性薄膜；（2）利用飞秒激光作为光源，通过计算机精确控制样品台的位置，对磁性薄膜进行无掩膜辐照，得磁敏感微结构单元；其中，飞秒激光的参数为：单脉冲能量5～50μJ；脉冲宽度90～150fs；波长800nm；脉冲频率10～100Hz；样品台移动速度为60～500μm/min；在辐照时根据需要沿平行或垂直于磁性薄膜膜面方向施加0~500Oe的诱导磁场。本方法简单、高效、可控，且无需预先制造掩模。
Description
技术领域
本发明涉及一种利用飞秒激光无掩膜法制备磁敏感微结构单元的方法，属于磁电子器件制造技术领域。
背景技术
目前用于制备基于磁性单层膜或多层膜的微米、亚微米和纳米磁敏感微结构单元的方法主要采用光刻、电子束微影技术、离子束刻蚀及化学反应刻蚀等。其中，光刻技术结合离子束或化学反应刻蚀是微加工工艺中具有较低成本、可大规模生产的工艺；但采用光刻技术制备亚微米级器件比较困难，对制备纳米级器件更是无能为力；电子束微影技术设备要求很高，而且两者均需要预制掩模，工艺复杂，生产周期长，不适合于单件、小批量生产和新产品的试制。
在利用常规激光进行材料加工时，其所能达到的加工分辨率受到经典光学理论衍射极限的限制，难于进行微纳米尺度的加工。飞秒激光是一种以脉冲形式运转的激光，持续时间非常短，具有非常高的瞬时功率。它的出现不仅为研究光与物质相互作用的超快过程提供了手段，也为发展先进的微纳米加工技术提供了不可多得的加工手段。
发明内容
本发明的目的在于：提供一种利用飞秒激光无掩膜法制备磁敏感微结构单元的方法，采用飞秒激光对磁性薄膜进行微细加工，微结构单元的尺寸小于1μm，并且无需预先制作掩膜。
为实现本发明的目的，本发明采用的技术解决方案是该制备方法包括以下步骤：（1）按衬底、缓冲层、磁性层、保护层的顺序沉积制作磁性薄膜；（2）利用飞秒激光作为光源，通过计算机精确控制样品台的位置，对磁性薄膜进行无掩膜辐照，得磁敏感微结构单元；其中，飞秒激光的参数为：单脉冲能量5～50μJ；脉冲宽度90～150fs；波长800nm；脉冲频率10～100Hz；工作台移动速度为60～500μm/min；辐照时根据需要沿平行或垂直于磁性薄膜膜面方向施加0~500Oe的诱导磁场。
其中，衬底为单晶硅或玻璃；缓冲层和保护层根据磁性薄膜的结构和种类确定是否需要；磁性层由单层或多层膜组成，其中，单层膜为磁记录膜或磁致伸缩膜；多层膜为铁磁/反铁磁双层膜或自旋阀结构多层膜或自旋隧道结结构多层膜。
其中，磁敏感微结构单元的形状为三角形、矩形、正六边形、圆形、椭圆形或其它给定图案。
本发明方法与现有技术相比有以下优点：
（1）在利用常规激光进行材料加工时，其所能达到的加工分辨率受到经典光学理论衍射极限的限制，难于进行微纳米尺度的加工，采用本方法实现的加工精度可达到微纳级。
（2）飞秒脉冲激光的脉冲持续时间极短、峰值功率极高，少量多脉冲与磁性薄膜相互作用时，样品表面无氧化现象产生。
（3）本方法采用编程或图形读入识别模式，由计算机控制并实现样品台精确移动，无需预先制作掩膜板，微结构的尺寸小于1μm。
附图说明
图1为二种不同形状图案的磁敏感微结构单元微分相衬度照片。
具体实施方式
下面结合具体实施例进一步说明本发明的技术解决方案，这些实施例不能理解为是对技术方案的限制。
实施例1：依以下步骤制备磁敏感微结构单元
步骤一：利用高真空磁控溅射设备在经过清洗的单晶硅衬底上沉积厚度为5nm的缓冲层Cr、厚度为40nm的铁磁层CoPt得到磁记录薄膜；其中，磁性层的生长条件为：背底真空5×10-6Pa；溅射气压0.3Pa；溅射功率10W；氩气流量20sccm；基片温度100℃；
步骤二、利用飞秒激光作为光源，对磁性薄膜进行辐照，辐照完成后得到单元形状为三角形的磁敏感微结构单元；其中，飞秒激光的参数为：单脉冲能量5μJ；脉冲宽度90fs；波长800nm；脉冲频率50Hz；其中，在辐照时沿垂直于磁性薄膜膜面方向施加500Oe的诱导磁场；通过编程预先设定样品台的移动轨迹，样品台的移动速度为350μm/min。
实施例2：依以下步骤制备磁敏感微结构单元
步骤一、利用高真空磁控溅射设备在经过清洗的玻璃衬底上沉积厚度为500nm的磁性层Tb-Dy-Fe、厚度为5nm的保护层Ta，得到超磁致伸缩薄膜；其中，磁性层的生长条件为：背底真空5×10-6Pa；溅射气压0.5Pa；溅射功率120W；氩气流量20sccm；基片温度300℃；
步骤二、利用飞秒激光作为光源，无需施加诱导磁场对磁性薄膜进行辐照，辐照完成后得到单元形状为矩形的磁敏感微结构单元；其中，飞秒激光的参数为：单脉冲能量50μJ；脉冲宽度100fs；波长800nm；脉冲频率100Hz；通过编程预先设定样品台的移动轨迹，样品台的移动速度为60μm/min。
实施例3：依以下步骤制备磁敏感微结构单元
步骤一、利用高真空磁控溅射设备在经过清洗的单晶硅衬底上沉积厚度为5nm的缓冲层Ta、厚度为5nm的CoFe铁磁层、厚度为12nm的IrMn反铁磁层、厚度为8nm的保护层Ta，得到铁磁/反铁磁双层膜；其中，磁性层的生长条件为：背底真空5×10-6Pa；溅射气压0.3Pa；溅射功率30W；氩气流量20sccm；基片温度室温；
步骤二、利用飞秒激光作为光源，对磁性薄膜进行辐照，辐照完成后得到单元形状为正六边形的磁敏感微结构单元；其中，飞秒激光的参数为：单脉冲能量5μJ；脉冲宽度150fs；波长800nm；脉冲频率50Hz；其中，在辐照时沿平行于磁性薄膜方向施加200Oe的平面诱导磁场；通过编程预先设定样品台的移动轨迹，样品台的移动速度为500μm/min。
实施例4：依以下步骤制备磁敏感微结构单元
步骤一、利用高真空磁控溅射设备在经过清洗的单晶硅衬底上沉积厚度为5nm的缓冲层Ta、厚度为5nm的CoFe铁磁层、厚度为2.5nm的非磁性层Cu、厚度为5nm的CoFe铁磁层、厚度为12nm的IrMn反铁磁层、厚度为8nm的保护层Ta，得到自旋阀结构多层膜；其中，磁性层的生长条件为：背底真空5×10-6Pa；溅射气压0.3Pa；溅射功率30W；氩气流量20sccm；基片温度室温；
步骤二、利用飞秒激光作为光源，对磁性薄膜进行辐照，辐照完成后得到单元形状为圆形的磁敏感微结构单元；其中，飞秒激光的参数为：单脉冲能量20μJ；脉冲宽度120fs；波长800nm；脉冲频率10Hz；其中，在辐照时沿平行于磁性薄膜方向施加250Oe的平面诱导磁场；通过编程预先设定样品台的移动轨迹，样品台的移动速度为150μm/min。
实施例5：依以下步骤制备磁敏感微结构单元
步骤一、利用高真空磁控溅射设备在经过清洗的单晶硅衬底上沉积厚度为5nm的缓冲层Ta、厚度为12nm的IrMn反铁磁层、厚度为5nm的CoFe铁磁层、厚度为1nm的绝缘层AlO x 、厚度为5nm的CoFe铁磁层和厚度为8nm的保护层Ta，得到自旋隧道结结构多层膜；其中，磁性层的生长条件为：背底真空5×10-6Pa；溅射气压0.3Pa；溅射功率30W；氩气流量20sccm；基片温度室温；
步骤二、利用飞秒激光作为光源，对磁性薄膜进行辐照，辐照完成后得到单元形状为椭圆形的磁敏感微结构单元；其中，飞秒激光的参数为：单脉冲能量20μJ；脉冲宽度120fs；波长800nm；脉冲频率10Hz；其中，在辐照时沿平行于磁性薄膜方向施加250Oe的平面诱导磁场；通过编程预先设定样品台的移动轨迹，样品台的移动速度为100μm/min。
本发明的所述实施例仅仅是为了清楚说明本发明所作的举例，而并非是对本发明实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，还可在上述说明的基础上做出其它不同形式的变化或变动，这里无需也无法对所有实施方式予以穷举，而这些属于本发明的精神所引申出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围内。
Claims (2)
1.利用飞秒激光无掩膜法制备磁敏感微结构单元的方法，包括以下步骤：
（1）按衬底、缓冲层、磁性层、保护层的顺序沉积制作磁性薄膜；
（2）利用飞秒激光作为光源，通过计算机精确控制样品台的位置，对磁性薄膜进行无掩膜辐照，得磁敏感微结构单元；其特征在于：衬底为单晶硅或玻璃；磁性层由单层或多层膜组成，其中，单层膜为磁记录膜或磁致伸缩膜；多层膜为铁磁/反铁磁双层膜或自旋阀结构多层膜或自旋隧道结结构多层膜；在第二步中样品台的移动速度为60～500μm/min；飞秒激光的参数为：单脉冲能量5～50μJ；脉冲宽度90～150fs；波长为800nm；脉冲频率10～100Hz；在辐照时根据需要沿平行或垂直于磁性薄膜膜面方向施加0~500Oe的诱导磁场；磁敏感微结构单元的形状为三角形、矩形、正六边形、圆形、椭圆形。
2.根据权利要求1所述的利用飞秒激光无掩膜法制备磁敏感微结构单元的方法，其特征在于所述的磁性薄膜的制作方法是：利用高真空磁控溅射设备在经过清洗的单晶硅或玻璃衬底上沉积缓冲层、磁性层或保护层，其中，磁性层的生长条件为：背底真空5×10-6Pa；溅射气压0.3～0.5Pa；溅射功率10～120W；氩气流量20sccm；基片温度室温～300℃。
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