CN103579495B - 一种用于磁敏传感器的磁性纳米多层膜及其制备方法 - Google Patents

Abstract

一种用于磁敏传感器的磁性纳米多层膜及其制备方法，该磁性纳米多层膜包括由下至上依次叠合的基片、种子层、参考磁性层、中间层、探测磁性层和覆盖层，该参考磁性层用于将该探测磁性层的磁矩转动的信息转化成电信号，该探测磁性层用于感应被探测磁场，该磁性纳米多层膜为半开或闭合的环状结构以使该磁性纳米多层膜沿该环状结构的长度方向形成闭合磁路，该环状结构的宽度远小于该环状结构的边长，以利用该环状结构的形状各向异性和该闭合磁路使该探测磁性层的磁矩沿着该环状结构的边长方向。本发明还公开了该磁性纳米多层膜的制备方法。

Description

一种用于磁敏传感器的磁性纳米多层膜及其制备方法

技术领域

本发明涉及磁敏传感器领域，特别是一种基于不同几何形状的用于磁敏传感器的磁性纳米多层膜及其制备方法。

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（即被钉扎层）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。申请号为“200510135365”，名称为“一种环状磁性多层膜及其制备方法和用途”的中国发明专利申请所公开的环状磁性多层膜，其环状磁性多层膜的形状是圆环形状且必须是闭合的；申请号为“201010195799”，名称为“一种用于磁敏传感器的磁性纳米多层膜及其制造方法”的中国发明专利申请公开的磁性纳米多层膜，其调整两磁性层磁矩方向垂直的方法是在AFM和FM之间加入插入层来调节交换偏置的强度。虽然可简化制作工艺，降低制造成本，有利于器件单元的小型化，但无法避免杂散磁场的干扰，使得磁敏传感器的灵敏度受到一定影响。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种可有效降低杂散磁场以提高磁敏传感器的灵敏度的磁性纳米多层膜及其制备方法。

为了实现上述目的，本发明提供了一种用于磁敏传感器的磁性纳米多层膜，包括由下至上依次叠合的基片、种子层、参考磁性层、中间层、探测磁性层和覆盖层，所述参考磁性层用于将所述探测磁性层的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，其中，所述磁性纳米多层膜为半开或闭合的环状结构以使所述磁性纳米多层膜沿所述环状结构的长度方向形成闭合磁路，所述环状结构的宽度远小于所述环状结构的边长，以利用所述环状结构的形状各向异性和所述闭合磁路使所述探测磁性层的磁矩沿着所述环状结构的边长方向。

上述的磁性纳米多层膜，其中，所述环状结构的宽度为1nm～10mm，所述环状结构的边长为10nm～100mm。

上述的磁性纳米多层膜，其中，所述环状结构为半开或闭合的多边形、矩形、圆形或椭圆形。

上述的磁性纳米多层膜，其中，所述参考磁性层为直接钉扎结构或间接钉扎结构，所述探测磁性层为自由结构、直接钉扎结构或间接钉扎结构。

上述的磁性纳米多层膜，其中，所述间接钉扎结构包括AFM/NM/FM、AFM/NM1/FM1/NM2/FM2、AFM/NM/SAF或AFM/NM1/SAF1/NM2/SAF2，所述直接钉扎结构包括AFM/FM、AFM/SAF或AFM/SAF1/NM/SAF2。

上述的磁性纳米多层膜，其中，所述自由结构包括FM、SAF或SAF1/NM/SAF2。

上述的磁性纳米多层膜，其中，所述的SAF、SAF1及SAF2为人工反铁磁结构，该人工反铁磁结构包括FM1/NM/FM2或FM1/[NM/FM/NM]_N/FM2，其中N≥1，所述FM1、FM2和/或FM的厚度为1～10nm，所述NM的厚度为0.3～5nm。

上述的磁性纳米多层膜，其中，所述环状结构为半开的矩形，所述半开的矩形包括顺序连接的三条整边和一条带缺口的边。

上述的磁性纳米多层膜，其中，所述探测磁性层及所述参考磁性层均为钉扎结构时，所述探测磁性层中的反铁磁性层的交换偏置强度低于所述参考磁性层中的反铁磁性层的交换偏置强度。

上述的磁性纳米多层膜，其中，所述探测磁性层及所述参考磁性层均为钉扎结构时，所述探测磁性层中的反铁磁性层的布洛赫温度低于所述参考磁性层中的反铁磁性层的布洛赫温度。

上述的磁性纳米多层膜，其中，所述探测磁性层和所述参考磁性层的磁矩夹角为0°~360°。

为了更好地实现上述目的，本发明还提供了一种用于磁敏传感器的磁性纳米多层膜的制备方法，用于制造半开或闭合的环状结构的磁性纳米多层膜，其中，包括如下步骤：

S1、沉积形成包括由下至上依次叠合的基片、种子层、参考磁性层、中间层、探测磁性层和覆盖层的磁性纳米多层膜；

S2、在所述磁性纳米多层膜上通过光刻的方法加工出底电极；

S3、在所述底电极上加工出所需的半开或闭合的环状结构的磁性纳米多层膜；

S4、通过沉积金属和光刻工艺加工所述磁性纳米多层膜的顶电极；

S5、对步骤S4制备的磁性纳米多层膜进行真空带磁场退火处理。

上述的磁性纳米多层膜的制备方法，其中，在步骤S5中，所述退火处理包括:

S51、第一次退火，退火温度高于所述参考磁性层的布洛赫温度，所加的磁场方向垂直于所述磁性纳米多层膜的结区的长轴方向；

S52、第二次退火，退火温度低于所述参考磁性层的布洛赫温度，所加的磁场方向沿所述磁性纳米多层膜的结区的长轴方向。

上述的磁性纳米多层膜的制备方法，其中，在步骤S3中包括：

S31、在步骤S1沉积好的磁性纳米多层膜上涂上正性光刻胶，然后利用底电极的掩模版，进行接触式紫外曝光，再利用显影液进行显影，之后用Ar离子刻蚀刻到基片，得到底电极的形状；

S32、在形成所述底电极的磁性纳米多层膜表面涂上光刻胶，再利用所需的半开或闭合的环状结构的所述磁性纳米多层膜的掩模版，进行曝光显影，最后进行Ar离子刻蚀，刻过所述探测磁性层得到所述磁性纳米多层膜的形状以使仅所述探测磁性层具有形状各向异性和闭合磁路结构，或刻过所述参考磁性层得到所述磁性纳米多层膜的形状以使所述探测磁性层和所述参考磁性层都具有形状各向异性和闭合磁路结构；

S33、利用磁控溅射沉积SiO₂层，该SiO₂层用于使多个所述磁性纳米多层膜之间相互绝缘及使所述底电极与即将沉积的顶电极相互绝缘；再把覆盖在所述磁性纳米多层膜上的所述正性光刻胶及所述SiO₂层一同剥离，使所述磁性纳米多层膜的结区暴露。

本发明的技术效果在于：本发明的磁性纳米多层膜采用闭合磁路设计，可以保证杂散磁场大大降低，从而大幅度提高磁敏传感器的灵敏度，且其加工工艺简单，易于实现，制造成本低。

以下结合附图和具体实施例对本发明进行详细描述，但不作为对本发明的限定。

附图说明

图1为本发明一实施例的磁性纳米多层膜的结构示意图；

图2A为本发明一实施例的底电极形状示意图；

图2B为本发明一实施例的底电极和磁性纳米多层膜的形状示意图；

图2C为本发明一实施例的底电极、磁性纳米多层膜、顶电极的形状示意图；

图2D为图2C的横向截面示意图；

图3A-3C为本发明不同形状的磁性纳米多层膜形状示意图；

图4A为本发明中的磁性纳米多层膜的参考磁性层和探测磁性层磁矩方向相互垂直的示意图；

图4B为本发明中的磁性纳米多层膜的参考磁性层和探测磁性层磁矩方向夹角为0°～360°范围内任意角度的示意图；

图5为探测磁性层采用非钉扎的自由结构的半开矩形磁性纳米多层膜经过两次退火后的TMR曲线；

图6为本发明的磁性纳米多层膜的制备方法流程图。

其中，附图标记

1基片

2种子层

3参考磁性层

4中间层

5探测磁性层

6覆盖层

7底电极

8顶电极

9磁性纳米多层膜

D环状结构的宽度

L环状结构的边长

H外磁场

T1第一次退火后的TMR曲线

T2第二次退火后的TMR曲线

S1～S5步骤

具体实施方式

下面结合附图对本发明的结构原理和工作原理作具体的描述：

参见图1，图1为本发明一实施例的磁性纳米多层膜的结构示意图。本发明的用于磁敏传感器的磁性纳米多层膜，包括由下至上依次叠合的基片1、种子层2、参考磁性层3、中间层4、探测磁性层5和覆盖层6，所述参考磁性层3用于将所述探测磁性层5的磁矩转动的信息转化成电信号，所述探测磁性层5用于感应被探测磁场，所述磁性纳米多层膜9为半开或闭合的环状结构以使所述磁性纳米多层膜沿所述环状结构的长度方向形成闭合磁路，所述环状结构的宽度D远小于所述环状结构的边长L，以利用所述环状结构的形状各向异性和所述闭合磁路使所述探测磁性层5的磁矩沿着所述环状结构的边长L方向。本实施例中，所述环状结构的宽度D优选为1nm～10mm，所述环状结构的边长L优选为10nm～100mm。

所述参考磁性层3为直接钉扎结构或间接钉扎结构，该间接钉扎结构可为AFM/NM/FM、AFM/NM1/FM1/NM2/FM2、AFM/NM/SAF或AFM/NM1/SAF1/NM2/SAF2等，该直接钉扎结构可为AFM/FM、AFM/SAF、AFM/SAF1/NM/SAF2等。所述探测磁性层5为自由结构、直接钉扎结构或间接钉扎结构。该间接钉扎结构可为AFM/NM/FM、AFM/NM1/FM1/NM2/FM2、AFM/NM/SAF或AFM/NM1/SAF1/NM2/SAF2，该直接钉扎结构可为AFM/FM、AFM/SAF或AFM/SAF1/NM/SAF2。该探测磁性层5也可以不采用钉扎结构，而采用自由结构例如：FM，SAF或SAF1/NM/SAF2。其中，SAF、SAF1、SAF2为人工反铁磁结构，典型结构为FM1/NM/FM2，包括FM1/[NM/FM/NM]_N/FM2(N≥1)结构。其中FM1、FM2、FM厚度为1～10nm，NM厚度为0.3～5nm，FM1、FM2、FM可以为相同或者不同的磁性材料。在该结构的多层膜中，随着NM厚度的增加，FM1/NM/FM2或者FM1/[NM/FM/NM]_N/FM2(N≥1)可以由反铁磁耦合到铁磁性耦合再到反铁磁耦合的变化，并且耦合强度呈现振荡变化。

在上述磁性纳米多层膜结构中，当探测磁性层5和参考磁性层3均采用钉扎结构时，探测磁性层5中反铁磁层的交换偏置强度一般低于参考磁性层3中反铁磁层的交换偏置强度。当探测磁性层5和参考磁性层3均采用钉扎结构时，探测磁性层5中反铁磁层的布洛赫温度一般低于参考磁性层3中反铁磁层的布洛赫温度。

本发明的参考磁性层3指的是用于将探测磁性层5磁矩转动的信息转化成电信号的功能磁性层，其在零场下的磁矩方向平行于被探测磁场的方向，探测磁性层5指的是用于感应外磁场的功能磁性层，其在零场下的磁矩方向垂直于被探测场的方向。当外磁场H等于零时，参考磁性层3的磁矩mref(H_pin)的方向与H的方向相同，探测磁性层5的磁矩md（H_free）的方向与外磁场H（即mref）的方向相互垂直；当外磁场H不等于零时，探测磁性层5的磁矩md旋转一定的角度φ至md(H)，从而使参考磁性层3和探测磁性层5的磁矩的夹角由90度变为θ，实现对外磁场H变化的感应。

本发明的环状结构磁性纳米多层膜的结构包括但不局限于：

1）SUB/SL/AFM1/NM/FM/Space/SAF/AFM2/CAP；

2）SUB/SL/AFM1/NM1/FM1/Space/FM2/NM2/AFM2/CAP；

3）SUB/SL/AFM1/SAF1/Space/SAF2/AFM2/CAP；

4）SUB/SL/AFM1/FM/Space/SAF/AFM2/CAP；

5）SUB/SL/AFM1/FM1/Space/FM2/NM/AFM2/CAP；

6）SUB/SL/AFM1/FM1/Space/FM2/AFM2/CAP；

7）SUB/SL/AFM/SAF/Space/FM/CAP；

8）SUB/SL/AFM/SAF1/Space/SAF2/CAP；

9）SUB/SL/AFM/FM1/Space/FM2/CAP；

10）SUB/SL/AFM/FM/Space/SAF/CAP；

11）SUB/SL/AFM1/NM1/SAF1/Space/SAF2(1)/NM2/SAF2(2)/AFM2/CAP；

12）SUB/SL/AFM1/NM1/SAF1/Space/SAF2/NM2/AFM2/CAP；

13）SUB/SL/AFM1/SAF1(1)/NM1/SAF1(2)/Space/SAF2(1)/NM2/SAF2(2)/AFM2/CAP；

14）SUB/SL/AFM1/SAF1/Space/SAF2(1)/NM/SAF2(2)/AFM2/CAP；

15）SUB/SL/AFM1/SAF1/Space/SAF2/NM/AFM2/CAP；

16）SUB/SL/AFM1/SAF1/Space/SAF2/AFM2/CAP。

其中，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，厚度优选为1～20nm；或由稀磁半导体材料或半金属材料制成，厚度优选为2～50nm；所述铁磁性层是单层薄膜或由多层薄膜构成的复合薄膜。所述的铁磁性材料可包括：Fe、Co或Ni，或者这些铁磁金属的合金薄膜，或Sm、Gd、Nd等稀土金属，Co-Fe、Co-Fe-B、NiFeCr、Co-Fe-Si-B、Gd-Y或者Ni-Fe（如：Ni₈₁Fe₁₉）等；所述的稀磁半导体材料包括：Mn掺杂的GaAs、InAs、GaN或ZnTe，Fe、Co、Ni、V、Mn掺杂的ZnO、TiO₂、HfO₂和SnO₂；所述的半金属材料包括：Fe₃O₄、CrO₂、Co-Mn-Si、Co-Fe-Al、Co-Fe-Si、Co-Mn-Al、Co-Fe-Mn-Al、Co-Fe-Al-Si、Co-Mn-Ge,、Co-Mn-Ga,、Co-Mn-Ge-Ga、La_1-xSr_xMnO₃或La_1-xGa_xMnO₃(其中0＜x＜1）。反铁磁材料可以是Ir、Fe、Rh、Ni、Pt、Pd或Mn的合金，厚度优选为3～30nm，或者CoO或NiO等氧化物，厚度优选为5～50nm。非磁性金属包括Cu、Cr、V、Nb、Mo、Ru、Pd、Ta、W、Pt、Ag或Au或其合金，厚度优选为0.1～5nm。基片1优选采用Si衬底、SiC、MgO、GaAs、玻璃衬底或者Si-SiO衬底、或者有机柔性衬底等，厚度优选为0.3～1mm。种子层2采用导电性比较好且和衬底结合较紧密的非磁性金属层（包括单层或者多层复合金属薄膜），其材料优选Ta、Ru、Cr、Au、Ag、Pt、Pd、Cu或CuN等，厚度可为3～50nm。中间层4可以是非磁性金属层或绝缘势垒层。当中间层4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或Au或其合金制作，厚度优选为0.5～100nm；当中间层4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AlO_x、MgO、Mg_1-xZn_xO、AlN、Ta₂O₅、ZnO、HfO₂、TiO₂、Alq₃、LB有机复合薄膜、GaAs、AlGaAs或InAs等材料制作，优选MgO、AlO_x、MgZnO、AlN或Alq₃、LB有机复合薄膜，厚度优选为0.5～100nm。覆盖层6采用不易氧化且导电性比较好的金属层（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或Pt等，厚度优选为2～40nm。

参见图3A－3C，图3A-3C为本发明不同形状的环状结构磁性纳米多层膜示意图。所述环状结构可为半开或闭合的多边形、矩形、圆形或椭圆形。其中磁性纳米多层膜采用闭合磁路设计，可以保证杂散磁场大大降低，从而大幅度提高磁敏传感器的灵敏度。本实施例中，所述环状结构例如可为闭合的矩形（图3C），优选为半开的矩形，所述半开的矩形包括顺序连接的三条整边和一条带缺口的边，所述带缺口的边在该缺口的两端还分别连接有两条垂直向外延伸的边（图3A），或者，在该两条垂直向外延伸的边的端部再相向延伸两条线段（图3B），该半开的矩形结构中的缺口优选位于带缺口的边的中间位置，即该半开的矩形结构优选为对称结构。利用形状各向异性和闭合磁路设计使探测磁性层5的磁矩沿着边长L的方向，其中半开的矩形的宽度D远小于每边的边长L，半开的矩形的宽度D优选为1nm～10mm，边长L优选为10nm～100mm。

参见图2A－2D，图2A为本发明一实施例的底电极的形状示意图，图2B为本发明一实施例的底电极和磁性纳米多层膜的形状示意图，图2C为本发明一实施例的底电极、磁性纳米多层膜、顶电极的形状示意图，图2D为图2C的横向截面示意图。所述磁性纳米多层膜还包括外加测量的底电极7和顶电极8，所述底电极7位于所述种子层2，所述磁性纳米多层膜9位于所述底电极7和所述顶电极8之间，所述顶电极8叠合在所述磁性磁性纳米多层膜9上，所述顶电极8和所述底电极7之间相互绝缘。

参见图6，图6为本发明的磁性纳米多层膜的制备方法流程图。本发明的用于磁敏传感器的磁性纳米多层膜的制备方法，用于制备上述的半开或闭合的环状结构的磁性纳米多层膜，包括如下步骤：

步骤S1、沉积形成包括由下至上依次叠合的基片1、种子层2、参考磁性层3、中间层4、探测磁性层5和覆盖层6的磁性纳米多层膜；

步骤S2、在所述磁性纳米多层膜上通过光刻的方法加工出底电极7；

步骤S3、在所述底电极7上加工出所需的半开或闭合的环状结构的磁性纳米多层膜9；

步骤S4、通过沉积金属和光刻工艺加工所述磁性纳米多层膜9的顶电极8；

步骤S5、对步骤S4制备的磁性纳米多层膜进行真空带磁场退火处理。

其中，在步骤S5中，该退火处理包括:

步骤S51、第一次退火，退火温度高于所述参考磁性层3的布洛赫温度，所加的磁场方向垂直于所述磁性纳米多层膜9的结区的长轴方向；

步骤S52、第二次退火，退火温度低于所述参考磁性层3的布洛赫温度，所加的磁场方向沿所述磁性纳米多层膜9的结区的长轴方向。

磁性纳米多层膜采取两次退火的方法，第一次退火的目的是使中间层晶化，改善中间层与铁磁电极的界面质量，从而获得更高的MR值。第二次退火的目的使结区探测磁性层5和参考磁性层3的磁矩方向相互垂直。其中退火的温度范围为0～600℃。当探测磁性层5采用非钉扎的自由结构时，利用形状各向异性和闭合磁路设计使零外磁场时结区探测磁性层5的磁矩方向固定在长轴方向，参考磁性层3采用反铁磁钉扎结构。进行两次退火，第一次退火时的温度高于参考磁性层3反铁磁层的布洛赫温度，所加的磁场方向垂直于结区的长轴方向，第二次退火时的温度低于参考磁性层3反铁磁层的布洛赫温度，所加的磁场方向为沿结区的长轴方向，这样使得零外磁场时结区上参考磁性层3的磁矩方向垂直于长轴方向，探测磁性层5的磁矩方向沿长轴方向，参考磁性层3的磁矩方向垂直于探测磁性层5，可以得到线性的MR曲线。当探测磁性层5采用钉扎结构时，同时利用反铁磁钉扎、形状各向异性和闭合磁路设计使零外磁场时结区探测磁性层5的磁矩方向固定在长轴方向，参考磁性层3采用反铁磁钉扎结构。进行两次退火，第一次退火的温度高于参考磁性层3反铁磁层的布洛赫温度，所加磁场方向为垂直于结区的长轴方向，第二次退火的温度高于探测磁性层5反铁磁的布洛赫温度，低于参考磁性层3反铁磁层的布洛赫温度，所加磁场方向为沿结区的长轴方向，这样使得零外磁场时结区上参考磁性层3的磁矩方向垂直于长轴方向，探测磁性层5的磁矩方向沿长轴方向，探测磁性层5的磁矩方向垂直于参考磁性层3，可以得到线性的MR曲线。

参见图5，图5为探测磁性层采用非钉扎的自由结构的半开矩形磁性纳米多层膜经过两次退火后的TMR曲线。图5显示了探测磁性层5采用非钉扎的自由结构的半开矩形磁性纳米多层膜经过两次退火后的TMR曲线，其中，磁性纳米多层膜的结构为Si-SiO₂/Ta(5)/Ru(30)/Ta(5)/NiFe(5)/IrMn()/CoFe(2.5)/Ru(0.9)/CoFeB(3)/MgO(2.5)/CoFeB(3)/Ta(5)/Ru(5)（单位:nm）。第一次退火曲线T1的退火温度为350℃，所加磁场方向为垂直于磁性纳米多层膜9结区的长轴方向；第二次退火曲线T2的退火温度为100℃，所加磁场方向为沿磁性纳米多层膜9结区的长轴方向。从图中可以看出，第一次退火后的TMR值高达200%，第二次退火后的线性度得到很大提高。基于这种结构和形状的磁性纳米多层膜的磁敏传感器的场灵敏度(，其中R为磁性纳米多层膜的电阻，H为外加磁场)可以达到（1～100）%/mT，在10Hz频率的噪音灵敏度可以达到(0.001～10)nT/(Hz)^1/2。

参见图4A、图4B，图4A为本发明中的磁性纳米多层膜的结区的参考磁性层和探测磁性层磁矩方向相互垂直的示意图，图4B为本发明中的磁性纳米多层膜的结区的参考磁性层和探测磁性层磁矩方向夹角为0°～360°范围内任意角度的示意图。本发明还可包括零场下结区上探测磁性层5和参考磁性层3的磁矩夹角为0～360度范围内任意角度。其中包括探测磁性层5的磁矩方向偏离长轴方向一定角度，及参考磁性层3的磁矩方向沿任意角度。如果需要调节本发明中所涉及结构的中心磁场（在零场或者偏离零场）到不同磁场范围，可以通过另外施加一个横向磁场来实现。这个横向磁场的方向垂直于磁性纳米多层膜9的环状结构结区的长轴方向，同时与底部钉扎磁性层的磁化方向一致(两者之间夹角为0°或者180°)。

其中，在步骤S3中还包括：

步骤S31、在步骤S1沉积好的磁性纳米多层膜上涂上正性光刻胶，然后利用所需的半开或闭合的环状结构的底电极7的掩模版，进行接触式紫外曝光，再利用显影液进行显影，之后用Ar离子刻蚀刻到衬底，得到底电极7的形状；

步骤S32、在形成所述底电极7的磁性纳米多层膜表面涂上光刻胶，再利用所述磁性多层膜9的掩模版，进行曝光显影，最后进行Ar离子刻蚀，刻到种子层2得到所述磁性纳米多层膜9的形状；

步骤S33、利用磁控溅射沉积用于使多个所述磁性纳米多层膜9之间相互绝缘及使所述底电极7与即将沉积的顶电极8相互绝缘的SiO₂层；再把覆盖在所述磁性纳米多层膜9上的所述正性光刻胶及所述SiO₂层一同剥离，使所述磁性纳米多层膜9的结区暴露。

其中，步骤S32的刻蚀只是在加工磁性纳米多层膜时使用，分为两种方法，第一种方法刻过探测磁性层5，第二种方法刻过参考磁性层3。第一种方法只有探测磁性层5具有形状各向异性和闭合磁路结构，第二种方法探测磁性层5和参考磁性层3都具有形状各向异性和闭合磁路结构。只要刻过相应的层即可，也可以多刻一点，应用的时候根据具体需要确定。

以图2C所示半开的矩形结构磁性纳米多层膜为例，其中探测磁性层5采用非钉扎结构，制备的方法包括以下步骤：

(1)选取基片1；

(2)在该基片1上由下之上依次沉积种子层2、参考磁性层3、中间层4、探测磁性层5和覆盖层6；

(3)将制备的磁性多层膜通过光刻的方法加工成如图2A所示的形状，其余部分一直刻透到基片1；

(4)在图2A的形状上曝光出磁性纳米多层膜9的形状，如图2B，其余部分刻到种子层2，用作底电极7。沉积一定厚度的SiO₂用于使底电极7和顶电极8直接绝缘。然后溶胶掀离（Lift-off）去除磁性纳米多层膜9顶部的光刻胶和SiO₂；

(5)在图2B的形状上通过沉积金属和光刻工艺制备出顶电极8，如图2C所示；

(6)将制备好的环状结构磁性纳米多层膜进行真空带磁场退火，其中第一次退火时的温度高于参考磁性层3反铁磁层的布洛赫温度，所加的磁场方向垂直于磁性纳米多层膜9的结区的长轴方向，第二次退火时的温度低于参考磁性层3反铁磁层的布洛赫温度，所加的磁场方向为沿磁性纳米多层膜9的结区的长轴方向。

下面以具体实施例详细说明本发明的环状结构磁性纳米多层膜的结构及其制备方法。

实施例1

利用磁控溅射的方法制备的环状结构磁性纳米多层膜，结构为Si-SiO₂/Ta(5)/Ru(5)/Ta(5)/IrMn(15)/CoFe(2.5)/Ru(0.9)/CoFeB(3)/MgO(1)/CoFeB(10)/Ta(5)/Ru(5)(单位:nm)。沉积时，加1000Oe的平面诱导磁场，因此第一磁性层的磁化方向由反铁磁钉扎层固定，第二磁性层的磁化方向是自由的。

（1）选择一个厚度为1mm的Si-SiO₂衬底作为基片，利用磁控溅射的方法沉积种子层2，Ta(5nm)/Ru(5nm)/Ta(5nm)，沉积速率为0.1nm/s，沉积时Ar气溅射气压为0.07Pa，真空度优于2×10^-6Pa。

（2）利用磁控溅射的方法沉积15nm厚的IrMn作为反铁磁钉扎层AFM，沉积速率为0.1nm/s，沉积时Ar气溅射气压为0.07Pa，真空度优于2×10^-6Pa。

（3）利用磁控溅射的方法沉积CoFe(2.5nm)/Ru(0.9nm)/CoFeB(3nm)作为人工反铁磁层SAF，沉积速率为0.1nm/s，沉积时Ar气溅射气压为0.07Pa，真空度优于2×10^-6Pa。

（4）利用磁控溅射的方法沉积1nm的MgO作为中间层，沉积速率为0.1nm/s，沉积时Ar气溅射气压为0.07Pa，真空度优于2×10^-6Pa。

（5）利用磁控溅射的方法沉积10nm的CoFeB作为探测磁性层，沉积速率为0.1nm/s，沉积时Ar气溅射气压为0.07Pa，真空度优于2×10^-6Pa。

（6）利用磁控溅射的方法沉积Ta(5nm)/Ru(5nm)作为覆盖层，沉积速率为0.1nm/s，沉积时Ar气溅射气压为0.07Pa，真空度优于2×10^-6Pa。

其中，利用微加工工艺加工成如图3所示的磁性纳米多层膜9，并进行真空带磁场退火。

(1)在沉积好的磁性多层膜样品上涂上正性光刻胶(S1813)，旋涂4000转/min，时间1分钟，胶厚约1微米，95度前烘1分钟，然后利用底电极7的掩模版，进行接触式紫外曝光，一般为15-20秒；利用显影液MF319进行显影30秒，在用超纯水定影30秒，后烘1分钟；将样品放入Ar离子刻蚀机中，进行Ar离子刻蚀，刻到衬底层，得到底电极7的形状，刻蚀时间由预先标定好的刻蚀速率以及多层膜的厚度决定；将样品放入丙酮中去除残留的光刻胶。

(2)再在形成底电极7的样品表面涂上光刻胶，为了降低后续溶胶掀离法(lift-off)工艺的难度，选用负型光刻胶(N440)，旋涂4000转/min，时间1分钟，胶厚约4微米，90度前烘5分钟。再利用结区的掩模版，进行曝光200秒，显影液D332中显影2分钟左右，直到样品表面胶的花纹散去，定影30秒；为了保持结区的形状，不需要后烘；最后进行Ar离子刻蚀，刻到种子层2（Ta/Ru/Ta）即可，得到磁性纳米多层膜9的形状。

(3)利用磁控溅射沉积厚度为100nm左右的SiO₂，用于使多个磁性纳米多层膜9相互绝缘，以及使底电极7与即将沉积的顶电极8互相绝缘；再进行溶胶掀离(lift-off)，将上述步骤加工好的环状结构磁性纳米多层膜放入丙酮或去胶剂中，超声去胶，把覆盖在磁性纳米多层膜9上的光刻胶以及SiO₂一同剥离，使磁性纳米多层膜9的结区暴露。

(4)在环状结构磁性纳米多层膜上沉积约80nm厚的Cu和20nm厚的Au作为顶电极8，再次在环状结构磁性纳米多层膜表面涂上正性光刻胶(S1813)，利用顶电极8的掩模版进行曝光，显影定影(前烘曝光时间同底电极7)；再进行Ar离子刻蚀，从而得到磁性纳米多层膜9的顶电极8，将样品放入丙酮中，去除残胶。就此得到制备好的具有磁性纳米多层膜9和外加测量底电极7和顶电极8的环状结构磁性纳米多层膜。

(5)将上述步骤中制备好的环状结构磁性纳米多层膜在真空度为2×10^-4Pa的真空带磁场的退火炉中进行退火，第一次退火温度为350℃，保持一小时，其中磁场方向为垂直于图3中磁性纳米多层膜9结区长轴的方向。第二次退火温度为100℃，保持一小时，其中磁场方向为沿着图3中磁性纳米多层膜9结区长轴的方向。

实施例2～6，除已标注外，列表中其余的厚度单位均为纳米

表1

实施例7～11，除已标注外，列表中其余的厚度单位均为纳米

表2

本发明提供的磁性纳米多层膜可以在任意一种现有的衬底上沉积，利用常规的薄膜制备方法和微加工工艺制备。所述的薄膜沉积方法可以是磁控溅射、分子束外延(MBE)、电子束蒸发、脉冲激光沉积(PLD)、金属有机化学气相沉积(M℃VD)、溶胶—凝胶法(Sol-Gel)、电沉积或者脉冲激光沉积、液相化学反应沉积和高纯度NaCl盐水人工调控结晶等方法。所述的微纳加工工艺可以为光刻法、电子束曝光、金属掩膜法、离子束刻蚀、聚焦离子束刻蚀和化学反应刻蚀等方法。实例中所述沉积速率、真空度、退火温度及时间等仅为示意，还可以采用其他工艺条件。

当然，本发明还可有其它多种实施例，在不背离本发明精神及其实质的情况下，熟悉本领域的技术人员当可根据本发明作出各种相应的改变和变形，但这些相应的改变和变形都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。

Claims (14)

1.一种用于磁敏传感器的磁性纳米多层膜，包括由下至上依次叠合的基片、种子层、参考磁性层、中间层、探测磁性层和覆盖层，所述参考磁性层用于将所述探测磁性层的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，其特征在于，所述磁性纳米多层膜为半开或闭合的环状结构以使所述磁性纳米多层膜沿所述环状结构的长度方向形成闭合磁路，所述环状结构的宽度远小于所述环状结构的边长，以利用所述环状结构的形状各向异性和所述闭合磁路使所述探测磁性层的磁矩沿着所述环状结构的边长方向，所述探测磁性层和所述参考磁性层的磁矩夹角为0°～360°。

2.如权利要求1所述的磁性纳米多层膜，其特征在于，所述环状结构的宽度为1nm～10mm，所述环状结构的边长为10nm～100mm。

3.如权利要求1或2所述的磁性纳米多层膜，其特征在于，所述环状结构为半开或闭合的多边形、圆形或椭圆形。

4.如权利要求1或2所述的磁性纳米多层膜，其特征在于，所述环状结构为矩形。

5.如权利要求3所述的磁性纳米多层膜，其特征在于，所述环状结构为半开的矩形，所述半开的矩形包括顺序连接的三条整边和一条带缺口的边。

6.如权利要求1、2或5所述的磁性纳米多层膜，其特征在于，所述参考磁性层为直接钉扎结构或间接钉扎结构，所述探测磁性层为自由结构、直接钉扎结构或间接钉扎结构。

7.如权利要求6所述的磁性纳米多层膜，其特征在于，所述间接钉扎结构包括AFM/NM/FM、AFM/NM1/FM1/NM2/FM2、AFM/NM/SAF或AFM/NM1/SAF1/NM2/SAF2，所述直接钉扎结构包括AFM/FM、AFM/SAF或AFM/SAF1/NM/SAF2。

8.如权利要求6所述的磁性纳米多层膜，其特征在于，所述自由结构包括FM、SAF或SAF1/NM/SAF2。

9.如权利要求7或8所述的磁性纳米多层膜，其特征在于，所述的SAF、SAF1及SAF2为人工反铁磁结构，该人工反铁磁结构包括FM1/NM/FM2或FM1/[NM/FM/NM]_N/FM2，其中，N≥1，所述FM1、FM2和/或FM的厚度为1～10nm，所述NM的厚度为0.3～5nm。

10.如权利要求1、2、5、7或8所述的磁性纳米多层膜，其特征在于，所述探测磁性层及所述参考磁性层均为钉扎结构时，所述探测磁性层中的反铁磁性层的交换偏置强度低于所述参考磁性层中的反铁磁性层的交换偏置强度。

11.如权利要求1、2、5、7或8所述的磁性纳米多层膜，其特征在于，所述探测磁性层及所述参考磁性层均为钉扎结构时，所述探测磁性层中的反铁磁性层的布洛赫温度低于所述参考磁性层中的反铁磁性层的布洛赫温度。

12.一种用于磁敏传感器的磁性纳米多层膜的制备方法，用于制备半开或闭合的环状结构的磁性纳米多层膜，其特征在于，包括如下步骤：

S1、沉积形成包括由下至上依次叠合的基片、种子层、参考磁性层、中间层、探测磁性层和覆盖层的磁性纳米多层膜，所述磁性纳米多层膜为半开或闭合的环状结构以使所述磁性纳米多层膜沿所述环状结构的长度方向形成闭合磁路，所述环状结构的宽度远小于所述环状结构的边长，以利用所述环状结构的形状各向异性和所述闭合磁路使所述探测磁性层的磁矩沿着所述环状结构的边长方向；

S2、在所述磁性纳米多层膜上通过光刻的方法加工出底电极；

S3、在所述底电极上加工出所需的半开或闭合的环状结构的磁性纳米多层膜；

S4、通过沉积金属和光刻工艺加工所述磁性纳米多层膜的顶电极；

S5、对步骤S4制备的磁性纳米多层膜进行真空带磁场退火处理；

其中，所述探测磁性层和所述参考磁性层的磁矩夹角为0°～360°。

13.如权利要求12所述的磁性纳米多层膜的制备方法，其特征在于，在步骤S5中，所述退火处理包括:

S51、第一次退火，退火温度高于所述参考磁性层的布洛赫温度，所加的磁场方向垂直于所述磁性纳米多层膜的结区的长轴方向；

S52、第二次退火，退火温度低于所述参考磁性层的布洛赫温度，所加的磁场方向沿所述磁性纳米多层膜的结区的长轴方向。

14.如权利要求12或13所述的磁性纳米多层膜的制备方法，其特征在于，在步骤S3中包括：

S31、在步骤S1沉积好的磁性纳米多层膜上涂上正性光刻胶，然后利用底电极的掩模版，进行接触式紫外曝光，再利用显影液进行显影，之后用Ar离子刻蚀刻到基片，得到底电极的形状；

S32、在形成所述底电极的磁性纳米多层膜表面涂上光刻胶，再利用所需的半开或闭合的环状结构的所述磁性纳米多层膜的掩模版，进行曝光显影，最后进行Ar离子刻蚀，刻过所述探测磁性层得到所述磁性纳米多层膜的形状以使仅所述探测磁性层具有形状各向异性和闭合磁路结构，或刻过所述参考磁性层得到所述磁性纳米多层膜的形状以使所述探测磁性层和所述参考磁性层都具有形状各向异性和闭合磁路结构；

S33、利用磁控溅射沉积SiO₂层，该SiO₂层用于使多个所述磁性纳米多层膜之间相互绝缘及使所述底电极与即将沉积的顶电极相互绝缘；再把覆盖在所述磁性纳米多层膜上的所述正性光刻胶及所述SiO₂层一同剥离，使所述磁性纳米多层膜的结区暴露。