CN105866715A - 一种线性各向异性磁阻传感器的制备方法 - Google Patents

一种线性各向异性磁阻传感器的制备方法 Download PDF

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Abstract

一种线性各向异性磁阻传感器的制备方法，属于磁性材料与元器件技术领域。包括以下步骤：a)在基片上制备绝缘层，然后采用光刻工艺曝光出线性各向异性磁阻传感器的单元图形；b)采用薄膜溅射工艺并在外磁场H的作用下，在步骤1处理后的基片上依次沉积铁磁层、反铁磁层，铁磁层和反铁磁层的沉积气压为0.004Pa～0.08Pa，沉积功率为30W～50W，铁磁层的厚度为30～50nm，反铁磁层的厚度为10～15nm；c)制备各向异性磁阻传感器单元电极，得到所述线性各向异性磁阻传感器。本发明采用铁磁/反铁磁双层薄膜作为磁阻薄膜、并在超低气压氛围下溅射磁阻薄膜，可实现扩大线性各向异性磁阻传感器测量范围的目的。

Description

一种线性各向异性磁阻传感器的制备方法
技术领域
本发明属于磁性材料与元器件技术领域，具体涉及一种采用低气压溅射、铁磁层/反铁磁层双层膜结构实现宽测量范围线性各向异性磁阻传感器的制备方法。
背景技术
各向异性磁阻效应(AMR,Anisotropic Magnetoresistance)是指在磁性材料中(如NiFe、CoFe、Co等)，当磁性材料的磁矩与电流的夹角变化时，材料的电阻也随之变化的现象。各向异性磁电阻的大小R满足：R＝R0+ΔRcos2θ(R0：零磁场下的电阻值；ΔR：各向异性磁阻最大变化值；θ：电流方向与磁性层磁化方向的夹角)。线性各向异性磁阻传感器是基于各向异性磁阻效应，利用特定制备条件下磁性材料磁矩取向随外磁场大小变化呈线性，在固定电流大小和方向的前提下，利用磁矩与电流间夹角的线性变化实现对磁场大小的测量。线性各向异性磁阻传感器的结构简单，制备工艺也不复杂，成本较低，是目前磁性传感器家族中重要的一员。
线性各向异性磁阻传感器一般选用长条形磁性材料，在制备过程中使材料的磁矩沿长轴方向排列，测试时将电流方向固定在长轴方向，利用短轴方向磁矩随外磁场的变化呈现线性变化来实现线性传感测量。目前美国Honeywell公司是该类传感器的主要供应商，该类传感器在制备时一般沿薄膜长轴方向施加一诱导磁场，或是在薄膜制备完成后采用磁场退火的方式使长条形传感薄膜的磁矩沿长轴方向取向，此时在传感薄膜的短轴方向即可呈现如图1所示的磁滞回线。图1磁滞回线表明，在-20Oe—20Oe范围内，短轴方向的磁矩随外磁场的改变而呈线性变化，因此当待测量磁矩沿磁性薄膜短轴方向时，通过对各向异性磁阻大小变化即可测量沿短轴方向变化的大小在-20Oe—20Oe范围内的磁场大小。而当外磁场大小在-20Oe—20Oe范围之外时，磁阻传感器中磁性材料的磁化强度饱和，磁矩不再随外磁场变化，传感器的磁阻大小也不再变化，因此该类线性各向异性磁阻传感器的探测范围不能超过短轴方向磁滞回线的饱和磁场，即上述的-20Oe—20Oe范围。由于单层长条形磁性薄膜的磁矩线性变化区域一般在-20Oe—20Oe范围内，因此该类商业化的线性各向异性传感器的传感范围也在-20Oe—20Oe范围。图2为Honeywell公司的HMC1021/1022线性各向异性磁阻传感器典型的传感电压输出曲线(a)及单个传感单元各向异性磁阻变化曲线(b)，输出曲线(a)表明该传感器只能测试-10Oe-10Oe范围内变化的磁场。综上，线性各向异性磁阻传感器由于受制于磁性材料磁矩线性变化区域，而不能实现较大磁场范围的测试，限制了该类传感器的发展及应用范围。因此，若能从制备线性传感器的磁性薄膜制备工艺及结构入手，增大长条形磁性薄膜短轴方向上磁矩的线性变化区域，进而可扩大利用其制备的各向异性磁阻传感器可测量的磁场范围，有利于其应用范围的扩宽，有助于磁传感领域的发展。
发明内容
本发明针对背景技术存在的缺陷，提出了一种宽测量范围的线性各向异性磁阻传感器的制备方法。本发明采用铁磁/反铁磁双层薄膜作为磁阻薄膜、并在超低气压氛围下溅射磁阻薄膜，可实现扩大线性各向异性磁阻传感器测量范围的目的。
本发明的目的通过以下技术方案实现：
一种线性各向异性磁阻传感器的制备方法，包括以下步骤：
步骤1：在基片上制备绝缘层，然后采用光刻工艺曝光出线性各向异性磁阻传感器的单元图形；
步骤2：采用薄膜溅射工艺并在外磁场H的作用下，在步骤1处理后的基片上依次沉积铁磁层、反铁磁层，铁磁层和反铁磁层组成的双层薄膜为传感器的磁阻薄膜，沉积铁磁层和反铁磁层的沉积气压为0.004Pa～0.08Pa，沉积功率为30W～50W，铁磁层的厚度为30～50nm，反铁磁层的厚度为10～15nm；
步骤3：制备各向异性磁阻传感器单元电极，得到所述线性各向异性磁阻传感器。
进一步地，步骤2所述沉积铁磁层和反铁磁层的背底真空小于1×10-5Pa，沉积温度为室温，溅射气体为氩气等惰性气体。
进一步地，步骤1所述基片为硅基片；所述绝缘层为SiO2薄膜等，用于传感单元与基片之间的绝缘。
进一步地，步骤2所述外磁场H方向沿磁阻薄膜膜面长轴方向，大小为50Oe～300Oe。
进一步地，步骤2所述铁磁层材料为Ni、Fe、Co或Ni/Fe/Co的合金等；所述反铁磁层材料为FeMn、NiMn、IrMn、PtMn等。
本发明采用铁磁/反铁磁双层薄膜作为磁阻薄膜，铁磁/反铁磁双层薄膜间由于交换偏置作用，会沿沉积外磁场H方向诱导出沿长轴方向的交换偏置场，交换偏置场的出现会增大磁阻薄膜的各向异性场。当沿磁阻薄膜短轴方向施加测试磁场时，其铁磁层短轴方向磁矩由于交换偏置场出现所带来的大各向异性场，会在较大磁场区间随外磁场大小的变化而线性变化，且变化区间随长轴方向交换偏置场的增大而增大，一般可达上百Oe，因此利用该铁磁/反铁磁双层薄膜可实现展宽线性各向异性传感薄膜测量范围的目的。但在目前商业化各向异性传感器沉积气压下(～10-1Pa)，只有当铁磁层厚度小于20nm时才能在铁磁/反铁磁双层薄膜中诱导出明显的交换偏置场(大于50Oe)，而当铁磁层厚度大于20nm后，交换偏置场会急剧下降，因此，对于各向异性磁阻薄膜铁磁层厚度在30-50nm范围内的薄膜，在目前商业化各向异性传感器常规沉积气压下(～10-1Pa)，是不能在铁磁/反铁磁双层膜中产生大的交换偏置场(大于50Oe)。本发明中将溅射气压降低到0.004Pa-0.08Pa，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已满足功率的需求，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，使得薄膜的平整度、致密度增大，有助于交换偏置场的提高。因此，在0.004Pa-0.08Pa超低气压下制备，能在铁磁层厚度为30-50nm的铁磁/反铁磁双层膜中产生大的交换偏置场，此时，即可利用交换偏置薄膜短轴方向磁矩在较大磁场区间随外磁场大小的变化而线性变化的特性达到展宽线性各向异性传感器测量范围的目的。
本发明的有益效果为：本发明利用超低气压(0.004Pa-0.08Pa)制备铁磁/反铁磁双层薄膜，实现铁磁层厚度在30nm-50nm之间时该双层薄膜仍具有大的交换偏置场，利用该交换偏置场使铁磁层在短轴方向的磁矩在较大磁场区间随外磁场大小的变化而线性变化，实现扩大线性各向异性磁阻传感器测量范围的目的。
附图说明
图1是背景技术提到的典型传感磁性薄膜短轴方向磁滞回线示意图；
图2是Honeywell公司HMC1021/1022线性各向异性传感器输出曲线(a)和单个传感单元各向异性磁阻变化曲线(b)；
图3是线性各向异性传感器版图示意；
图4为本发明实施例1所制备的长条形Co/IrMn磁阻薄膜沿短轴方向的磁滞回线；
图5为本发明实施例1制备的线性各向异性磁阻传感器输出曲线(a)和单个传感单元各向异性磁阻变化曲线(b)；
图6为本发明实施例2制备的线性各向异性磁阻传感器的输出曲线。
具体实施方式
下面结合附图和实施例，详述本发明的技术方案。
一种宽测量范围的线性各向异性磁阻传感器的制备方法，包括以下步骤：
步骤1：在基片上制备绝缘层，然后采用光刻工艺曝光出长条形线性各向异性磁阻传感器单元图形；其中，所述基片为硅基片，所述绝缘层为SiO2薄膜，用于传感单元与基片之间的绝缘。
步骤2：采用直流溅射薄膜沉积工艺并在外磁场H的作用下，在步骤1处理后的基片上依次沉积铁磁层、反铁磁层，铁磁层和反铁磁层组成的双层薄膜为传感器的磁阻薄膜，沉积铁磁层和反铁磁层的沉积气压为0.004Pa～0.08Pa，沉积功率为30W～50W，铁磁层的厚度为30～50nm，反铁磁层的厚度为10～15nm；薄膜沉积完成后，将得到的样品浸泡于丙酮溶液中，待去掉光刻胶后，取出样品，即在基片上沉积得到长条形铁磁层/反铁磁层双层薄膜；
采用直流溅射薄膜沉积工艺沉积铁磁/反铁磁双层膜时，所述外磁场H方向沿磁阻薄膜膜面长轴方向，大小在50Oe～300Oe之间；反铁磁层材料采用FeMn、NiMn、IrMn、PtMn等，铁磁层材料采用具有大各向异性磁阻变化率的Ni、Fe、Co、Ni/Fe/Co的合金等；
步骤3：采用lift-off工艺，利用光刻工艺曝光出各向异性磁阻传感器单元电极图形；
步骤4：采用直流溅射薄膜沉积工艺镀制Au电极；电极镀制完成后，将样品浸泡于丙酮溶液中，待去掉光刻胶后，取出样品，即得到所述线性各向异性磁阻传感器。如图3所示，为线性各向异性磁阻传感器版图。
实施例1
一种宽测量范围的线性各向异性磁阻传感器的制备方法具体包括以下步骤：
步骤1：利用热氧化工艺在Si基片上热氧化一层SiO2薄膜作为绝缘层，然后采用lift-off工艺曝光出长条形线性各向异性磁阻传感器单元图形；长条形传感单元的长轴为2mm，短轴为20μm；
步骤2：采用直流溅射薄膜沉积工艺并在200Oe大小、沿磁阻薄膜膜面长轴方向的外磁场H作用下，在步骤1处理后的基片上依次沉积Co铁磁层、IrMn反铁磁层，Co/IrMn双层薄膜为传感器的磁阻薄膜；沉积铁磁层和反铁磁层的背底真空为1×10-5Pa，温度为室温，溅射气体为氩气，靶材纯度为99.99％，沉积气压为0.03Pa，沉积功率为30W，Co铁磁层的厚度为40nm，IrMn反铁磁层的厚度为12nm；薄膜沉积完成后，将得到的样品浸泡于丙酮溶液中，待去掉光刻胶后，取出样品，即在基片上沉积得到长条形Co/IrMn双层薄膜；所述长条形Co/IrMn双层薄膜沿短轴方向的磁滞回线如图4所示，由图4可知，Co/IrMn双层薄膜沿短轴方向的磁矩在-180Oe-180Oe的范围内随外磁场的变化呈现线性变化；
步骤3：采用lift-off工艺，利用光刻工艺曝光出各向异性磁阻传感器单元电极图形；
步骤4：采用直流溅射薄膜沉积工艺镀制Au电极；电极镀制完成后，将样品浸泡于丙酮溶液中，待去掉光刻胶后，取出样品，即得到所述线性各向异性磁阻传感器。如图3所示，为线性各向异性磁阻传感器版图。
图5为实施例1制备的线性各向异性磁阻传感器传感电压输出曲线(a)和单个传感单元各向异性磁阻变化曲线(b)，由图5可知，实施例1得到的线性各向异性传感器的测试范围为-80Oe-80Oe之间，较目前商业化的该类传感器测试区间(-10Oe-10Oe)有极大的展宽。
实施例2
一种宽测量范围的线性各向异性磁阻传感器的制备方法具体包括以下步骤：
步骤1：利用热氧化工艺在Si基片上热氧化一层SiO2薄膜作为绝缘层，然后采用lift-off工艺曝光出长条形线性各向异性磁阻传感器单元图形；长条形传感单元的长轴为2mm，短轴为20μm；
步骤2：采用直流溅射薄膜沉积工艺并在200Oe大小、沿磁阻薄膜膜面长轴方向的外磁场H作用下，在步骤1处理后的基片上依次沉积Co铁磁层、IrMn反铁磁层，Co/IrMn双层薄膜为传感器的磁阻薄膜；沉积铁磁层和反铁磁层的背底真空为1×10-5Pa，温度为室温，溅射气体为氩气，靶材纯度为99.99％，沉积气压为0.008Pa，沉积功率为30W，Co铁磁层的厚度为30nm，IrMn反铁磁层的厚度为12nm；薄膜沉积完成后，将得到的样品浸泡于丙酮溶液中，待去掉光刻胶后，取出样品，即在基片上沉积得到长条形Co/IrMn双层薄膜；
步骤3：采用lift-off工艺，利用光刻工艺曝光出各向异性磁阻传感器单元电极图形；
步骤4：采用直流溅射薄膜沉积工艺镀制Au电极；电极镀制完成后，将样品浸泡于丙酮溶液中，待去掉光刻胶后，取出样品，即得到所述线性各向异性磁阻传感器。如图3所示，为线性各向异性磁阻传感器版图。
图6为实施例2制备的线性各向异性磁阻传感器传感电压输出曲线，由图6可知，实施例2得到的线性各向异性磁阻传感器的测试范围为-100Oe-100Oe之间，较目前商业化的该类传感器测试区间(-10Oe-10Oe)有极大的展宽。且同实施例1比较可见，通过调整沉积气压，可以实现不同测试区域的调整。
综上，本发明的线性各向异性磁阻薄膜采用超低气压溅射制备(薄膜沉积气压为0.004Pa-0.07Pa，比商业化的该类线性各向异性磁阻薄膜沉积气压低1-2数量级)，且将商业化由单层磁性薄膜制备的线性各向异性磁阻替代为由铁磁/反铁磁双层膜结构实现，达到了展宽线性各向异性磁阻传感器测量范围的目的。

Claims (3)

1.一种线性各向异性磁阻传感器的制备方法，包括以下步骤：
步骤1：在基片上制备绝缘层，然后采用光刻工艺曝光出线性各向异性磁阻传感器的单元图形；
步骤2：采用薄膜溅射工艺并在外磁场H的作用下，在步骤1处理后的基片上依次沉积铁磁层、反铁磁层，铁磁层和反铁磁层组成的双层薄膜为传感器的磁阻薄膜，沉积铁磁层和反铁磁层的沉积气压为0.004Pa～0.08Pa，沉积功率为30W～50W，铁磁层的厚度为30～50nm，反铁磁层的厚度为10～15nm；
步骤3：制备各向异性磁阻传感器单元电极，得到所述线性各向异性磁阻传感器。
2.根据权利要求1所述的线性各向异性磁阻传感器的制备方法，其特征在于，步骤2所述外磁场H方向沿磁阻薄膜膜面长轴方向，大小为50Oe～300Oe。
3.根据权利要求1所述的线性各向异性磁阻传感器的制备方法，其特征在于，步骤2所述铁磁层材料为Ni、Fe、Co或Ni/Fe/Co的合金；所述反铁磁层材料为FeMn、NiMn、IrMn、PtMn。
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