CN105845822B - 一种调节巨磁电阻薄膜线性区域的方法 - Google Patents
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Abstract
一种调节巨磁电阻薄膜线性区域的方法,属于磁性材料与元器件技术领域。采用薄膜溅射工艺并在外磁场H的作用下,依次在基片上沉积第一反铁磁层/第一铁磁层/第一非磁性层/第二铁磁层/第二非磁性层/第三铁磁层/第二反铁磁层作为巨磁电阻薄膜,第三铁磁层和第二反铁磁层的溅射气压为0.004‑0.08Pa,溅射功率为30‑50W,第三铁磁层的厚度为8‑12nm,第二反铁磁层的厚度为10‑18nm。本发明在超低气压下溅射巨磁电阻薄膜探测层中的铁磁层和反铁磁层,在不减薄铁磁层厚度的条件下,使铁磁层FM2/反铁磁层AF2产生不同大小的交换偏置场,进而在不损失巨磁电阻变化率的条件下实现对巨磁电阻薄膜线性区域的调整。
Description
技术领域
本发明属于磁性材料与元器件技术领域,具体涉及一种采用超低气压溅射来调节巨磁电阻薄膜线性区域的方法。
背景技术
巨磁电阻薄膜由于具有易于集成、成本低等优点,已被广泛应用于磁场、电流、位置、速度、角度等探测领域。在这些领域的应用中,其探测的机理都是基于对磁电阻的测试,然后转换为相应的磁场、电流、距离、速度等物理量,实现不同物理参量的探测。
作为线性探测用的巨磁电阻薄膜其结构一般为第一反铁磁层(AF1)/第一铁磁层(FM1’)/第一非磁性层/第二铁磁层(FM1)/第二非磁性层/第三铁磁层(FM2)/第二反铁磁层(AF2)。其中,第一反铁磁层(AF1)/第一铁磁层(FM1’)/第一非磁性层/第二铁磁层(FM1)为参考层,其采用人工反铁磁结构;第三铁磁层(FM2)/第二反铁磁层(AF2)为探测层。在实用化的基于线性巨磁电阻薄膜的传感器中,需要巨磁电阻薄膜的磁电阻值随探测量的变化而线性变化,为实现该目的,巨磁电阻薄膜中参考层(第一反铁磁层(AF1)/第一铁磁层(FM1’)/第一非磁性层/第二铁磁层(FM1))及探测层(第三铁磁层(FM2)/第二反铁磁层(AF2))的交换偏置场方向需互相垂直,且探测磁场沿参考层中FM1磁矩的取向。以磁场探测为例(对其他物理参量的探测,如电流、距离、角度等,均可转换为对磁场的探测),需先获取该巨磁电阻薄膜随外磁场变化的线性磁电阻响应曲线。该线性磁电阻响应曲线是通过以下原理获得的:测试磁场与探测层中FM2的磁矩垂直,由于探测层中交换偏置场的作用,FM2的磁矩将会对测试磁场产生线性变化(具体原理可参看Applied Physics Letter,83,4372,(2003));根据巨磁电阻的原理,磁电阻值的变化取决于第二铁磁层FM1和第三铁磁层FM2之间相对角度的变化,因此当测试的磁场小于参考层的交换偏置场时,参考层中的FM1的磁矩取向不会随外磁场大小的变化而变化,而探测层的FM2层的磁矩会随测试磁场大小的变化线性变化,此时FM1和FM2间的相对夹角也将随FM2层磁矩的变化产生线性变化,进而使磁电阻值产生线性变化,最终获得该线性化的磁电阻响应曲线。在实际磁场探测中,利用该巨磁电阻薄膜,由于待测磁场使磁电阻值发生改变,对照其线性化磁电阻响应曲线上相同的磁电阻变化值即可确定该待测的磁场大小。
巨磁电阻薄膜的线性探测区域取决于探测层中FM2随外磁场变化的线性区域,而该区域的大小与探测层FM2/AF2形成的交换偏置场大小成正比;研究表明,探测层FM2/AF2中产生的交换偏置场大小在反铁磁层厚度固定的情况下是同铁磁层FM2的厚度成反比。因此,目前线性化巨磁电阻薄膜都是通过调整铁磁层FM2的厚度获得不同大小的交换偏置场从而调节线性区域,即探测区域;而获得较大的探测范围需要减薄铁磁层FM2的厚度,但当探测层中铁磁层FM2的厚度降低时,会带来自旋极化损失造成磁电阻变化率降低,降低探测灵敏度。因此,如能从制备工艺上着手,在不减薄铁磁层FM2厚度的情况下获得不同大小的交换偏置场,即可在不损失巨磁电阻变化率的前提下实现线性区域的调整,有助于巨磁电阻薄膜应用范围的拓展。
发明内容
本发明针对背景技术存在的缺陷,提出了一种采用超低气压溅射来调节巨磁电阻薄膜线性区域的方法。本发明在0.004Pa-0.08Pa的超低气压下溅射巨磁电阻薄膜探测层中的铁磁层FM2和反铁磁层AF2(该类线性化巨磁电阻薄膜常规溅射气压>0.1Pa),在不减薄铁磁层FM2厚度的条件下,使铁磁层FM2/反铁磁层AF2产生不同大小的交换偏置场,进而在不损失巨磁电阻变化率的条件下实现对巨磁电阻薄膜线性区域的调整。
本发明的技术方案如下:
一种调节巨磁电阻薄膜线性区域的方法,其特征在于,采用薄膜溅射工艺并在外磁场H的作用下,依次在基片上沉积第一反铁磁层(AF1)/第一铁磁层(FM1’)/第一非磁性层/第二铁磁层(FM1)/第二非磁性层/第三铁磁层(FM2)/第二反铁磁层(AF2)作为巨磁电阻薄膜;其中,第三铁磁层(FM2)和第二反铁磁层(AF2)的溅射气压为0.004Pa-0.08Pa,溅射功率为30W-50W,第三铁磁层(FM2)的厚度为8-12nm,第二反铁磁层(AF2)的厚度为10-18nm。
进一步地,所述第一反铁磁层(AF1)、第一铁磁层(FM1’)和第二铁磁层(FM1)的溅射气压为0.004Pa-0.08Pa,溅射功率为30W-50W,第一反铁磁层(AF1)的厚度为10-18nm,第一铁磁层(FM1’)的厚度为4-6nm,第二铁磁层(FM1)4-6nm。
进一步地,所述第一非磁性层和第二非磁性层的溅射气压为0.1Pa,溅射功率为30W,第一非磁性层的厚度为第二非磁性层的厚度为2-5nm。
进一步地,所述第一反铁磁层(AF1)、第一铁磁层(FM1’)、第一非磁性层、第二铁磁层(FM1)、第二非磁性层、第三铁磁层(FM2)、第二反铁磁层(AF2)溅射开始时抽真空至10-7Pa以下,溅射气体为氩气等惰性气体,温度为室温。
进一步地,所述基片为硅基片等。
进一步地,所述第一铁磁层(FM1’)、第二铁磁层(FM1)、第三铁磁层(FM2)材料为Ni、Fe、Co或Ni/Fe/Co的合金等;所述第一反铁磁层(AF1)、第二反铁磁层(AF2)材料为FeMn、NiMn、IrMn、PtMn等。
进一步地,所述第一非磁性层为Ru、Cu等,第二非磁性层为Cu等。
进一步地,所述外磁场H方向沿巨磁电磁薄膜膜面长轴方向,大小为50Oe~300Oe。
本发明的有益效果为:本发明在0.004Pa-0.08Pa的超低气压下溅射巨磁电阻薄膜探测层中的铁磁层FM2和反铁磁层AF2(该类线性化巨磁电阻薄膜常规溅射气压>0.1Pa)。当溅射气压降低到0.004Pa-0.08Pa之间时,由于在沉积过程中,薄膜的溅射功率固定,根据溅射定律,为保证靶材在低气压下能正常起辉,沉积加速电压必须增高来满足功率的需要,这样使得溅射靶材沉积原子能量的增加,到达基片的沉积原子具有较高的能量;且由于溅射气压低,基片表面吸附的Ar原子也较少,因此沉积原子能在基片上快速移动而形成均匀致密的薄膜,使得薄膜平整性、致密度增大,有助于交换偏置场的提高。这样当铁磁层及反铁磁层厚度固定时,探测层中的铁磁层/反铁磁层形成的交换偏置场会随着溅射气压的降低而增大,如图1(a)所示,因此可在不减薄探测层中铁磁层FM2厚度的条件下,使铁磁层FM2/反铁磁层AF2产生不同大小的交换偏置场,在与交换偏置场垂直的测试磁场下其磁滞回线呈现线性变化,并且线性区域随着溅射气压的降低而增大,如图1(b)所示,进而可在不损失巨磁电阻变化率的条件下实现对巨磁电阻薄膜线性区域的调整。
附图说明
图1为本发明不同超低气压下制备的铁磁/反铁磁双层薄膜交换偏置场大小随溅射气压变化曲线(a)以及测试磁场沿垂直于交换偏置场方向的磁滞回线(b);
图2为本发明实施例得到的样品的巨磁电阻测试曲线;样品1为实施例1得到的巨磁电阻,样品2为实施例2得到的巨磁电阻。
附图说明
下面结合附图和实施例,详述本发明的技术方案。
实施例1
一种调节巨磁电阻薄膜线性区域的方法,其特征在于,采用直流溅射薄膜沉积工艺并在300Oe大小、沿巨磁电阻薄膜膜面长轴方向的外磁场H作用下,依次在硅基片上溅射IrMn(15nm)/CoFe(4nm)//CoFe(5nm)/Cu(3.5nm)/CoFe(12nm)/IrMn(15nm)巨磁电阻薄膜;其中,第一反铁磁层IrMn、第一铁磁层CoFe、第二铁磁层CoFe、第三铁磁层CoFe和第二反铁磁层IrMn的沉积过程为:溅射开始时抽真空至10-7Pa,然后通入氩气作为溅射气体,在0.08Pa溅射气压、30W溅射功率、室温条件下溅射薄膜;第一非磁性层Ru和第二非磁性层Cu的沉积过程为:溅射开始时抽真空至10-7Pa,然后通入氩气作为溅射气体,在0.1Pa溅射气压、30W溅射功率、室温条件下溅射薄膜。
沉积过程中,为使参考层IrMn(15nm)/CoFe(4nm)//CoFe(5nm)与探测层CoFe(12nm)/IrMn(15nm)产生的交换偏置场方向相互垂直,在第二非磁性层Cu沉积完成后,旋转外磁场H的方向使其与初始方向呈90度。
实施例2
一种调节巨磁电阻薄膜线性区域的方法,其特征在于,采用直流溅射薄膜沉积工艺并在300Oe大小、沿巨磁电阻薄膜膜面长轴方向的外磁场H作用下,依次在硅基片上溅射IrMn(15nm)/CoFe(4nm)//CoFe(5nm)/Cu(3.5nm)/CoFe(12nm)/IrMn(15nm)巨磁电阻薄膜;其中,第三铁磁层CoFe和第二反铁磁层IrMn的沉积过程为:溅射开始时抽真空至10- 7Pa,然后通入氩气作为溅射气体,在0.008Pa溅射气压、30W溅射功率、室温条件下溅射薄膜;第一反铁磁层IrMn、第一铁磁层CoFe、第二铁磁层CoFe的沉积过程为:溅射开始时抽真空至10-7Pa,然后通入氩气作为溅射气体,在0.1Pa溅射气压、30W溅射功率、室温条件下溅射薄膜;第一非磁性层Ru和第二非磁性层Cu的沉积过程为:溅射开始时抽真空至10-7Pa,然后通入氩气作为溅射气体,在0.1Pa溅射气压、30W溅射功率、室温条件下溅射薄膜。
沉积过程中,为使参考层IrMn(15nm)/CoFe(4nm)//CoFe(5nm)与探测层CoFe(12nm)/IrMn(15nm)产生的交换偏置场方向相互垂直,在第二非磁性层Cu沉积完成后,旋转外磁场H的方向使其与初始方向呈90度。
图2为实施例1(样品1)和实施例2(样品2)得到的样品的巨磁电阻测试曲线;由图2可知,样品1的线性区域为-75Oe-75Oe,而样品2的线性区域展宽到了-120Oe-120Oe。由此可见,在不减薄探测层中铁磁层厚度的情况下,采用超低气压溅射,并通过改变气压的大小,即可实现对巨磁电阻薄膜线性区域的调整。
Claims (6)
1.一种调节巨磁电阻薄膜线性区域的方法,其特征在于,采用薄膜溅射工艺并在外磁场H的作用下,依次在基片上沉积第一反铁磁层(AF1)/第一铁磁层(FM1’)/第一非磁性层/第二铁磁层(FM1)/第二非磁性层/第三铁磁层(FM2)/第二反铁磁层(AF2)作为巨磁电阻薄膜;其中,第三铁磁层(FM2)和第二反铁磁层(AF2)的溅射气压为0.004Pa-0.08Pa,溅射功率为30W-50W,第三铁磁层(FM2)的厚度为8-12nm,第二反铁磁层(AF2)的厚度为10-18nm;
在不改变第三铁磁层(FM2)厚度的条件下,通过采用0.004Pa-0.08Pa的溅射气压溅射第三铁磁层(FM2)和第二反铁磁层(AF2),使第三铁磁层(FM2)/第二反铁磁层(AF2)产生不同大小的交换偏置场,且第三铁磁层(FM2)/第二反铁磁层(AF2)的交换偏置场随溅射气压的降低而增大,进而实现对巨磁电阻薄膜线性区域的调整。
2.根据权利要求1所述的调节巨磁电阻薄膜线性区域的方法,其特征在于,所述第一反铁磁层(AF1)、第一铁磁层(FM1’)和第二铁磁层(FM1)的溅射气压为0.004Pa-0.08Pa,溅射功率为30W-50W,第一反铁磁层(AF1)的厚度为10-18nm,第一铁磁层(FM1’)的厚度为4-6nm,第二铁磁层(FM1)4-6nm。
3.根据权利要求1所述的调节巨磁电阻薄膜线性区域的方法,其特征在于,所述第一非磁性层和第二非磁性层的溅射气压为0.1Pa,溅射功率为30W,第一非磁性层的厚度为第二非磁性层的厚度为2-5nm。
4.根据权利要求1所述的调节巨磁电阻薄膜线性区域的方法,其特征在于,所述第一铁磁层(FM1’)、第二铁磁层(FM1)、第三铁磁层(FM2)材料为Ni、Fe、Co或Ni/Fe/Co的合金;所述第一反铁磁层(AF1)、第二反铁磁层(AF2)材料为FeMn、NiMn、IrMn、PtMn。
5.根据权利要求1所述的调节巨磁电阻薄膜线性区域的方法,其特征在于,所述第一非磁性层为Ru、Cu,第二非磁性层为Cu。
6.根据权利要求1所述的调节巨磁电阻薄膜线性区域的方法,其特征在于,所述外磁场H方向沿巨磁电磁薄膜膜面长轴方向,大小为50Oe~300Oe。
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
C06 | Publication | ||
PB01 | Publication | ||
C10 | Entry into substantive examination | ||
SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
GR01 | Patent grant | ||
GR01 | Patent grant |