CN112038487B - 一种具有m型磁阻曲线器件的制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种在垂直于衬底表面的磁场下具有M型磁阻曲线的器件的制备方法。该方法基于各向异性磁阻对电流流向与磁场方向之间的夹角非常敏感的特点，通过在沟道中间搭建构型体制作立体的三维复合型沟道，以此来改变沟道电流流向，使沟道电流具有水平与垂直两种流向，从而得到水平磁阻与垂直磁阻相叠加而产生的M型磁阻曲线。该种器件的尺度可在纳米到微米尺度之间调整，并且器件的磁阻特征可以通过改变沟道材料、沟道尺寸、构型物尺寸来调整。该种器件具备尺寸可控、可集成、工艺简单等特点。

Description

一种具有M型磁阻曲线器件的制备方法

技术领域

本发明属于微纳尺度器件技术领域，具体涉及一种在垂直于衬底表面的磁场下具有M型磁阻曲线器件的制备方法。

背景技术

磁性金属薄膜是目前信息存储、信号处理、磁性传感器与磁测量领域最为关键的基础功能材料，并且在新型存储方式与逻辑运算等领域有着广泛的应用前景。这些应用大部分都离不开磁场对材料导电性能的独特影响，具体表现为：在不同的外磁场下，材料本身受外磁场的激发处于不同的磁化状态，这些不同的磁化状态进而可以影响材料本身的电阻率，因此可以通过外部磁场来控制材料本身的电阻。这种电阻受磁场影响而变化的现象被称为磁阻效应，虽然磁阻效应并不受限于磁性材料，但是在磁性材料中磁阻效应的现象更为明显，因此也受到更多的关注，这些磁阻现象包括但不限于各向异性磁阻（AMR）、巨磁电阻（GMR）、隧穿磁阻（TMR）等效应。研究磁性薄膜材料的磁学性能，磁阻-外磁场曲线就显得尤为重要，这些曲线的不同特点就决定了一种材料在不同领域中的实际应用可能性有多大。不同的材料构成、制备工艺、薄膜/多层膜形状等均会影响器件的磁阻特性。目前制备磁性薄膜的方法主要有：分子束外延生长（MBE）、金属有机气相沉积（MOCVD）、磁控溅射（Magnetron Sputtering）、脉冲激光沉积（PLD）、电镀（Electrodeposition）、电子束沉积（Electron Beam Evaporation）、热蒸发沉积（Thermal Evaporation）。

发明内容

本发明的目的在于提出一种在垂直于衬底表面的磁场下具有M型磁阻曲线的器件的制备方法。

本发明的原理如下：利用各向异性磁阻（Anisotropic Magnetoresistance，AMR）效应对磁化方向与电流方向之间的夹角独特而又显著的敏感特性，借助不同电流方向会形成不同磁阻曲线的特点，构造含有两种或多种电流方向的三维立体的沟道器件，使多个磁阻曲线互相叠加，从而得到不同形状的磁阻曲线。

各向异性磁阻效应是一种由自旋轨道耦合效应所引起的现象，与电子（金属中）或载流子（半导体材料中）的各向异性散射有关。具体来说，一般的磁性金属中是s轨道与d轨道中的电子共同承担电流传导的任务，这些轨道在金属处于铁磁状态下会产生能级劈裂现象，导致自旋向上与自旋向下的电子分别处于不同的能带当中。能级劈裂后的s与d价带由于自旋轨道耦合效应产生了混合杂化，导致能带间的散射作用由自旋轨道耦合效应所主导而不再单纯符合某一种价带的规律。这种效应是各向异性的，与磁化方向和电子运动方向之间的夹角紧密相关。这种各向异性表现为：当电子的运动方向与磁化方向是平行（或反平行）时，电子受到的散射最大，即电阻最大；当电子的运动方向与磁化方向垂直时，电子受到的散射最小，即电阻最小。

为说明器件的工作原理，假设在初始状态下，材料的总体磁化方向与电流方向是同向平行或者反平行的，则在初始状态下，材料处于较高阻态，但由于磁畴的存在，材料此时并非为最高阻态。这种假设是合理的，因为对于纳米线（带）型的磁性薄膜材料来说，由于形状各向异性（shape anisotropy）的作用，其易磁化轴通常可以确定是沿长轴方向的，而电流传导方向也可以沿长度方向。下面考虑两种情况：（1）初始磁场方向与电流方向平行，（2）初始磁场与电流方向垂直。对于初始磁场与电流平行的情况，即如（1）所述，还需要再细分为磁场与初始磁化方向同向平行和反向平行两种情况。假设磁场方向与初始磁化方向同向，则磁场的增大会导致初始的磁化方向愈发一致（对于多畴材料来说），材料电阻率会升高，直到材料体内达到最大限度的与外磁场平行的磁化方向，即进入平行方向的饱和状态，达到最高电阻；假设磁场方向与初始磁化方向反向平行，则磁场的增大会引起材料磁化方向发生180°的旋转，在磁化方向旋转过程中，其会经历一次与电流方向垂直的状态，此时电阻处于较低阻态，因此在这种情况下，随着外磁场的增加，电阻会出现一个最低值，表现为先下降到一个最低点然后升高到最高电阻（材料进入饱和态）。那么，综合考虑情况（1），如果外磁场从一种平行方向缓慢变化到其相反的方向，例如从-1T到1T，可以预见到理想情况下对应的磁阻曲线形状应具有一种类似蝴蝶形或翅膀形的特点：先维持高组态不变，然后在零磁场附近出现一个电阻最低值，然后电阻再增大到高组态不变，磁场变化方向相反时则亦然。对于施加垂直磁场的情况，即如（2）所述，初始状态下材料保持较高阻态，随着外加磁场的增加其磁化方向发生转变，愈发趋向于外加磁场方向，当外加磁场足够大的时候，材料磁化方向最大限度地沿外磁场方向，进入垂直方向上的饱和状态，此时的磁化方向与电流方向垂直，达到低阻态。因此在情况（2）下，磁阻呈现出一种类似余弦函数的表现形式：在零磁场或剩磁状态下，电阻处于较高阻态，随着外磁场的增加，磁阻缓慢减小，直到外磁场足够大，材料进入饱和状态，达到低阻态。需要注意的是，情况（1）和（2）中对应的高组态是一致的，但低阻态是不一致的，（1）中的低电阻要比（2）中高，这与磁性材料的磁畴结构有关。此外，磁阻曲线还应具有回滞特性，这种回滞现象是由铁磁性材料磁化的回滞特性所带来的。

本发明提出的一种在垂直于衬底表面的磁场下具有M型磁阻曲线器件的制备方法，包含步骤如下：

1）选择合适的绝缘衬底，通过光刻打开窗口，确定构型体的形状与位置，利用淀积或刻蚀的方法制作构型体，如图1与图5所示。

根据不同的实验要求，可使用的衬底可以不同，但都要求衬底是绝缘的并且需要保证在器件导通器件不会因焦耳热而形变或与任何表面上的材料发生反应，它们可以是Si、SiO₂、云母、蓝宝石、玻璃、塑料、石英等，也可以是导电衬底上覆盖一层绝缘层，可以是SiO₂/低阻Si、氮化硼/低阻Si、碳化硅/低阻Si、绝缘金属氧化物（氧化铁、氧化铜、氧化铝等）/金属（金、银、铜、铁、铝等）等多层结构的衬底。根据所需器件尺寸的不同，可以选择相应的光刻方式，包括紫外光刻、电子束光刻等。

制作的构型体的形状没有限制，可以是长方形、三角形、圆形、正方形、多边形等形。构型体可以是凸起的，通过淀积得到，如图1所示，也可以是一个凹槽，通过刻蚀得到，如图5所示。淀积得到的构型体的材料与制作方式没有要求，可以是金属也可以是非金属，可以使用电子束沉积、热蒸发沉积、磁控溅射、分子束外延等方式。凹槽型的构型体可以通过刻蚀得到，包括湿法腐蚀与干法刻蚀，需要根据不同的衬底材料选择合适的刻蚀方法。图1显示了一个以长方形凸起型的构型体结构。构型体的厚度与深度可根据实验要求而调整，厚度最小在10nm以上。构型体的位置可以位于沟道当中的任意位置，设整个沟道的长度为L，以一侧沟道的起点为原点，则构型体的位置X应该满足0≤X≤L/2（L/2≤X≤L为对称情况）。

此步中的构型体的作用在于：下一步中制作的磁性复合型沟道横跨过构型体，这样一来复合型沟道就具备两部分，即原始沟道部分，该部分电流平行于衬底平面的方向（包括与衬底连接的部分以及在构型体上部的连接部分），另一部分为组合沟道，该部分电流垂直于衬底平面的方向（包括附着在构型体侧壁上的部分）。此种器件要求外加磁场方向为垂直于衬底表面，那么当电流在源漏两极之间导通时，平行于衬底平面部分的复合型沟道中的电流与外磁场垂直，垂直于衬底平面部分的电流与外磁场平行，这两种与磁场不同方向的电流产生的磁阻效应通过串联而相互叠加，从而形成了M型的磁阻曲线。

2）在第一步得到构型体的基础上，进行第二次光刻，此次光刻确定复合型沟道的位置与形状。然后淀积复合型沟道材料形成立体的复合型沟道，要求必须为铁磁性金属材料，复合型沟道可以为单纯一层铁磁性金属材料，也可以为双层或多层铁磁性金属材料，如图2所示。

根据实验要求不同，复合型沟道包含原始沟道部分和组合沟道部分。复合型沟道长度满足复合型沟道横跨构型体的要求。构型体可以不在复合型沟道中央，其可以在复合型沟道之间的任何位置，但复合型沟道两侧需要留出足够的套准空间，为第三步制作金属电极做准备，如图2所示。复合型沟道的宽度可以根据所需电阻的大小来调整，可以为10nm~ 100µm，复合型沟道的厚度可以根据所需的电阻大小来调整，可以为5nm ~ 100µm，其可以小于构型体厚度，但应是构型体厚度的两倍以内，不然磁阻的叠加现象不明显。

复合型沟道材料要求必须为铁磁性金属材料，原因如下：为保证器件的导通性，复合型沟道应为导体，这要求其必须为金属材料；铁磁性的物质在外磁场中的磁化效果比顺磁性、抗磁性等物质要强，更适合制作磁敏感器件。复合型沟道材料可以为铁、钴、镍、锰等金属单质，也可以为具有磁性的各种金属合金，它们可以是铁镍合金、钴镍合金、铁钴合金等二元合金，也可以是三元合金等各种磁性合金。如果使用的复合型沟道材料为不易氧化的金属材料，复合型沟道可以使用单层金属，如果使用的复合型沟道材料为易氧化的金属材料，复合型沟道可以为双层结构，磁性金属位于底层，上层覆盖一层不易氧化的材料作为保护层。根据实验要求，复合型沟道也可以为具有多层结构的多层膜所构成的。调整磁性复合型沟道的材料、形状与厚度，可以影响最终制备器件的磁阻曲线的形状。

3）光刻确定电极的形状与位置，制作电极，复合型沟道电极制作完成后施加垂直于衬底平面的外磁场，就可以在绝缘衬底上得到了具有M型磁阻曲线的器件，器件的最终结构如图4所示（以位于复合型沟道中间的长方形凸起型构型体为例）。

电极应为不易氧化的金属物质且电阻率较低，可以是金、铜、钯、铂等材料。版图要求与复合型沟道部分有重叠，以使电极与复合型沟道可以连接导通。电极可以为单层金属材料，也可以为双层或多层材料，使用双层或多层材料的目的为在金属电极与衬底之间添加一层附着层，以增加电极与衬底之间的附着力，可以为金/铂、金/钯、金/钯/铂等结构。金属电极的厚度不能太小，应在50nm以上，理论上可以不设厚度上限。金属电极的形状与大小可以根据实验要求而调整，可以为正方形、长方形、圆形、三角形等形状。电极端数可以为两端的源漏电极，也可以为四端电极等。

去除非导体的氧化层可以使用湿法腐蚀、离子刻蚀等方法，根据不同的保护层材料来选择，要求去除保护层后不能对金属材料本身造成严重破坏，也不会引入无法去除的反应物。

4）施加垂直于衬底平面的外磁场，所述原始复合型沟道的电流方向与外磁场方向垂直，所述组合复合型沟道的电流方向部分或全部与外磁场平行，磁场的大小要求可以达到±400mT及以上，并可以连续变化。对于没有制作保护层的器件要求测试环境为高真空环境，气压小于10^-4毫托。测试电流小于10mA，原因在于：电流过大会带来热效应，一方面会加剧器件氧化，另一方面会引起复合型沟道电阻的变化，影响磁阻特性的检测。

在器件制备过程中，需要防止复合型沟道部分在此过程中的氧化，不进行加工工艺时可以把器件保存于能够有效隔绝氧气的环境当中，他们可以是真空环境、纯丙酮环境等，保存时还应保持保存环境的洁净，避免有影响器件性能的杂质存在。

针对如果复合型沟道所使用的磁性金属材料为易氧化材料，则应在金属制作完成之后进行此步以防止导电复合型沟道的氧化。根据制作复合型沟道的高宽比不同，本发明提供两种制作方法：如果2）中制作的磁性金属厚度较小，宽度大，高宽比小于0.01，则保护层无需单独的光刻确定位置，可以直接在金属材料制作完成之后，紧接着进行制作，制作方式与磁性金属材料的制作方式一致，达到不出样即完成保护层的制备的效果，如图3所示。如果制作的磁性金属厚度较大，宽度较小，高宽比大于0.1，则需要在2）步完成之后，进行一次光刻，要求此次光刻的版图完全覆盖复合型沟道位置，并留出足够套准空间。对于高宽比介于0.01到0.1之间的情况，可以根据实验要求灵活选择保护层的制作方式。光刻显影之后，在制作保护层前，首先选用合适的方法去除在此次光刻过程中磁性金属表面形成的氧化层，可以为湿法腐蚀、离子刻蚀等方式，需要根据不同的金属材料来选择，要求去除氧化层时不能对金属材料本身造成严重破坏，也不会引入无法去除的反应物。然后进行保护层的制作，制作方式可以为热蒸发沉积、电子束沉积、磁控溅射等方式，这样做的目的为：使保护层可以覆盖磁性金属侧面，以达到对侧面的氧化保护。

保护层材料要求为不易氧化材料，且致密，可以为金、铂、钯等金属材料也可以为氧化硅、氮化硅等非金属材料。保护层厚度不应过厚，可以在2nm ~ 10nm之间。

保护层并不影响器件的性能，因此不是必须的，但没有保护层的器件极易被氧化，可根据实验要求调整。

本发明的技术特点：本发明利用电流与磁场方向不同可以导致不同的磁阻效应这一现象，制作了存在两种电流流向的磁敏感器件，得到了在面外垂直磁场下具有M型磁阻曲线的器件。并且，磁阻曲线的形状可以通过改变复合型沟道材料、调整构型体高度与复合型沟道长度、调整复合型沟道形状等方式进行进一步调节。

附图说明

图1为绝缘衬底上制作构型体的示意图，以凸起长方形为例；

图2为制作磁性导电复合型沟道的示意图，以构型体位于复合型沟道正中间为例；

图3为制作保护层的示意图；

图4为制作电极完成后的示意图，以方形电极为例，也是实例1的效果示意图；

图5为凹槽型的构型体示意图；

图6为以金属电极作为凸起型构型体的示意图，也是实例2的效果示意图;

图7为实例3的效果示意图

图中所有的（a）为三维示意图，（b）为正视方向的示意图，

其中，1—绝缘衬底，2—凸起型构型体，3—原始沟道，4—组合沟道，5—保护层，6—金属电极，7—凹槽型构型体。

具体实施方式

下面通过实例对本发明做进一步说明。需要注意的是，公布实施例的目的在于帮助进一步理解本发明，但是本领域的技术人员可以理解：在不脱离本发明及所附权利要求的精神和范围内，各种替换和修改都是可能的。因此，本发明不应局限于实施例所公开的内容，本发明要求保护的范围以权利要求书界定的范围为准。

实例1：在氧化硅衬底上以镍钴合金作为导电材料的含有凸起型构型体的器件制备。

1）在二氧化硅/硅绝缘衬底上选择合适位置，通过光刻确定构型体形状，利用电子束沉积系统制作构型体：

对氧化硅衬底进行清洁，选择干净的器皿，首先将其浸泡在去离子水中，使用超声波清洗机以最大功率清洗一分钟，取出后用氮气枪吹干；接下来将其浸泡在无水乙醇中，使用超声波清洗机以最大功率清洗半分钟，取出后用氮气枪吹干；最后将其浸泡在纯丙酮中，使用超声波清洗机以最大功率清洗半分钟，取出后用氮气枪吹干。

在二氧化硅衬底上旋涂一层正性光刻胶PMMA（4000rpm，一分钟），在180℃下烘烤2分钟，使用电子束光刻机进行光刻，长方形构型体形状的典型值为长（沿复合型沟道方向）100nm，宽（垂直于复合型沟道方向）500nm。光刻结束后进行显影，使用PMMA专用显影液（8℃）显影一分钟，以异丙醇为定影液，定影一分钟，用氮气枪吹干，然后使用光学显微镜观察显影效果，如果欠显则再重复一次显影流程，每次的显影时间控制在10秒钟，一般总时长在一分钟到一分半之内可以达到最好的显影效果。

显影结束后使用电子束沉积系统，沉积50nm厚的二氧化硅薄膜，淀积厚度的误差控制在±2nm以内。制作完构型体后，进行剥离：将整片基底沉浸在纯丙酮中3分钟以上，然后使用超声波清洗机以最低功率清洗10秒到30秒的时间，使用光学显微镜观察剥离效果，如果有残留物附着在构型体周围的衬底上，则可适当增大功率继续超声清洗10秒到30秒钟，直到构型体周围没有残留杂质存在。

2）以构型体的位置为基准，通过光刻确定复合型沟道的形状与位置，利用电子束沉积系统制作磁性金属材料与保护层：

在已经制作了构型体的衬底上旋涂一层正性光刻胶PMMA（4000rpm，一分钟），在180℃下烘烤2分钟，使用电子束光刻机进行光刻，长方形复合型沟道的版图形状的典型值为长1.4µm，宽300nm。确保复合型沟道部分可以横跨构型体两侧，然后进行显影。使用PMMA专用显影液（8℃）显影一分钟，以异丙醇为定影液，定影一分钟，用氮气枪吹干，然后使用光学显微镜观察显影效果，如果欠显则再重复一次显影流程，每次的显影时间控制在10秒钟，一般总时长在一分钟到一分半之内可以达到最好的显影效果。

显影结束后利用电子束沉积系统，首先沉积一层20nm厚的镍钴合金，沉积过程中保持主腔室的气压在10^-6毫托以下，以防止磁性金属在沉积过程中就发生氧化，淀积薄膜的厚度控制在±2nm以内。待镍钴合金沉积结束之后，关闭电子束系统的高压电源，保持样品在主腔室中不出样。待镍钴合金的靶材冷却后，将目标材料调整为铂（Pt），继续进行第二次淀积，此次淀积的目的是制作保护层，金属铂的目标厚度为2nm。

磁性金属与其保护层都淀积完成之后，进行剥离。将整片基底沉浸在纯丙酮中3分钟以上，然后使用超声波清洗机以最低功率清洗30秒的时间，一般30秒钟的时间足够剥离干净。在此步中不建议多次剥离，这样会使刚制作好的复合型沟道反复暴露在空气中，不利于保存。剥离结束之后可以使用纯丙酮对基片进行液封，直到下一步工艺。

3）以复合型沟道位置为基准，通过光刻确定金属电极的形状与位置，利用电子束沉积系统制作铂/金金属电极：

在已经制作了复合型沟道的衬底上旋涂一层正性光刻胶PMMA（4000rpm，一分钟），在180℃下烘烤2分钟，使用电子束光刻机进行光刻，金属电极的形状的典型值为长50µm，宽50µm，保证电极与复合型沟道重合100nm以上但不超过300nm，然后进行显影。使用PMMA专用显影液（8℃）显影一分钟，以异丙醇为定影液，定影一分钟，用氮气枪吹干，然后使用光学显微镜观察显影效果，如果欠显则再重复一次显影流程，每次的显影时间控制在10秒钟，一般总时长在一分钟到一分半之内可以达到最好的显影效果。

显影结束后利用电子束沉积系统，首先淀积一层2nm的铂，此层为黏附层，增加金与绝缘衬底之间的粘附力。淀积结束后关闭电子束系统的高压电源，保持样品在主腔室中不出样。待铂的靶材冷却后，将目标材料调整为金（Au），继续进行第二次淀积，厚度为200nm。

双层金属电极制作完成后进行剥离，将整片基底沉浸在纯丙酮中3分钟以上，然后使用超声波清洗机以最低功率清洗30秒的时间，一般30秒钟的时间足够剥离干净。

该器件的最终效果如图4所示。

4）施加垂直于样品台的外磁场，磁场大小可以在达到±1T，测量电流不宜过大，可以为1mA甚至更小。

实例2：在氧化硅衬底上以钴/铂多层膜作为导电材料的无构型体的器件制备。

1）在氧化硅/硅衬底上选择合适位置，通过光刻确定电极形状，利用电子束沉积系统制作一对电极：

对氧化硅衬底进行清洁，选择干净的器皿，首先将其浸泡在去离子水中，使用超声波清洗机以最大功率清洗一分钟，取出后用氮气枪吹干；接下来将其浸泡在无水乙醇中，使用超声波清洗机以最大功率清洗半分钟，取出后用氮气枪吹干；最后将其浸泡在纯丙酮中，使用超声波清洗机以最大功率清洗半分钟，取出后用氮气枪吹干。

在二氧化硅衬底上旋涂一层正性光刻胶PMMA（4000rpm，一分钟），在180℃下烘烤2分钟，使用电子束光刻机进行光刻，金属电极的形状的典型值为长60µm，宽60µm，两电极间的距离为10µm。光刻结束后进行显影，使用PMMA专用显影液（8℃）显影一分钟，以异丙醇为定影液，定影一分钟，用氮气枪吹干，然后使用光学显微镜观察显影效果，如果欠显则再重复一次显影流程，每次的显影时间控制在10秒钟，一般总时长在一分钟到一分半之内可以达到最好的显影效果。

显影结束后使用电子束系统，沉积金/铂双层金属电极，沉积厚度铂2nm、金50nm。制作完电极后，进行剥离：将整片基底沉浸在纯丙酮中3分钟以上，然后使用超声波清洗机以最低功率清洗10秒到30秒的时间，使用光学显微镜观察剥离效果，如果有残留物附着在电极周围的衬底上，则可适当增大功率继续超声清洗10秒到30秒钟，直到电极周围没有残留杂质存在。

2）以电极的位置为基准，通过光刻确定复合型沟道的形状与位置，利用电子束沉积系统制作磁性金属材料与保护层，复合型沟道应两端应覆盖在金属电极之上：

在已经制作了电极的衬底上旋涂一层正性光刻胶PMMA（4000rpm，一分钟），在180℃下烘烤2分钟，使用电子束光刻机进行光刻，长方形复合型沟道的版图形状的典型值为长12µm，宽800nm。确保复合型沟道部分可以横跨构型体两侧，然后进行显影，显影过程如上。

显影结束后利用电子束沉积系统制作多层膜，金属钴单质与铂单质分别处于独立的坩埚之中，以0.3nm钴/0.9nm铂的顺序依次重复制作7次，得到钴/铂的多层膜结构。需要保证最后一层沉积的为金属铂，然后紧接着追加沉积一层1nm的铂薄膜作为保护层。多层膜的结构可以使用扫描电镜、电子衍射等手段进行观察。

多层膜与其保护层都淀积完成之后，进行剥离。将整片基底沉浸在纯丙酮中3分钟以上，然后使用超声波清洗机以最低功率清洗30秒的时间，一般30秒钟的时间足够剥离干净。在此步中不建议多次剥离，这样会使刚制作好的复合型沟道反复暴露在空气中，不利于保存。剥离结束之后可以使用纯丙酮对基片进行液封。

3）施加垂直于样品台的外磁场，磁场大小可以在达到±1T，测量电流不宜过大，可以为1mA甚至更小。

实例3：在氧化硅衬底上以钴单质作为导电材料的凹槽型构型体的器件制备。

1）在二氧化硅/硅绝缘衬底上选择合适位置，通过光刻确定构型体形状，利用湿法腐蚀制作构型体：

对氧化硅衬底进行清洁，选择干净的器皿，首先将其浸泡在去离子水中，使用超声波清洗机以最大功率清洗一分钟，取出后用氮气枪吹干；接下来将其浸泡在无水乙醇中，使用超声波清洗机以最大功率清洗半分钟，取出后用氮气枪吹干；最后将其浸泡在纯丙酮中，使用超声波清洗机以最大功率清洗半分钟，取出后用氮气枪吹干。

在二氧化硅衬底上旋涂一层正性光刻胶PMMA（4000rpm，一分钟），在180℃下烘烤2分钟，使用电子束光刻机进行光刻，长方形构型体形状的典型值为长（沿复合型沟道方向）100nm，宽（垂直于复合型沟道方向）500nm。光刻结束后进行显影，使用PMMA专用显影液（8℃）显影一分钟，以异丙醇为定影液，定影一分钟，用氮气枪吹干，然后使用光学显微镜观察显影效果，如果欠显则再重复一次显影流程，每次的显影时间控制在10秒钟，一般总时长在一分钟到一分半之内可以达到最好的显影效果。

显影结束后将整片基片浸泡于氢氟酸缓冲腐蚀液（BHF，HF：NH₄F=1：16）中，以光刻胶为掩膜利用氢氟酸刻蚀二氧化硅衬底，在室温20℃下保持120s，腐蚀过程中不加搅拌等其他操作。腐蚀结束后，将基片用去离子水持续冲洗两分钟以上，然后使用氮气枪吹干。将基片整片浸泡在纯净的丙酮中去除表面的光刻胶，然后可以利用原子力显微镜可以测量腐蚀深度，一般室温下腐蚀120s，凹槽深度在50nm左右。

2）以构型体的位置为基准，通过光刻确定复合型沟道的形状与位置，利用电子束沉积系统制作磁性金属材料与保护层：

在已经制作了凹槽型构型体的衬底上旋涂一层正性光刻胶PMMA（4000rpm，一分钟），在180℃下烘烤2分钟，使用电子束光刻机进行光刻，长方形复合型沟道的版图形状的典型值为长1.4µm，宽300nm。确保复合型沟道部分可以横跨构型体两侧，然后进行显影。使用PMMA专用显影液（8℃）显影一分钟，以异丙醇为定影液，定影一分钟，用氮气枪吹干，然后使用光学显微镜观察显影效果，如果欠显则再重复一次显影流程，每次的显影时间控制在10秒钟，一般总时长在一分钟到一分半之内可以达到最好的显影效果。

显影结束后利用电子束沉积系统，首先沉积一层15nm厚的钴，沉积过程中保持主腔室的气压在10^-6毫托以下，以防止磁性金属在沉积过程中就发生氧化，淀积薄膜的厚度控制在±2nm以内。待金属钴沉积结束之后，关闭电子束系统的高压电源，保持样品在主腔室中不出样。待钴的靶材冷却后，将目标材料调整为铂（Pt），继续进行第二次淀积，此次淀积的目的是制作保护层，金属铂的目标厚度为2nm。

磁性金属与其保护层都淀积完成之后，进行剥离。将整片基底沉浸在纯丙酮中3分钟以上，然后使用超声波清洗机以最低功率清洗30秒的时间，一般30秒钟的时间足够剥离干净。在此步中不建议多次剥离，这样会使刚制作好的复合型沟道反复暴露在空气中，不利于保存。剥离结束之后可以使用纯丙酮对基片进行液封，直到下一步工艺。

3）以复合型沟道位置为基准，通过光刻确定金属电极的形状与位置，利用电子束沉积系统制作铂/金金属电极：

在已经制作了复合型沟道的衬底上旋涂一层正性光刻胶PMMA（4000rpm，一分钟），在180℃下烘烤2分钟，使用电子束光刻机进行光刻，金属电极的形状的典型值为长50µm，宽50µm，保证电极与复合型沟道重合100nm以上但不超过300nm，然后进行显影。使用PMMA专用显影液（8℃）显影一分钟，以异丙醇为定影液，定影一分钟，用氮气枪吹干，然后使用光学显微镜观察显影效果，如果欠显则再重复一次显影流程，每次的显影时间控制在10秒钟，一般总时长在一分钟到一分半之内可以达到最好的显影效果。

显影结束后利用电子束沉积系统，首先淀积一层2nm的铂，此层为黏附层，增加金与绝缘衬底之间的粘附力。淀积结束后关闭电子束系统的高压电源，保持样品在主腔室中不出样。待铂的靶材冷却后，将目标材料调整为金（Au），继续进行第二次淀积，厚度为200nm。

双层金属电极制作完成后进行剥离，将整片基底沉浸在纯丙酮中3分钟以上，然后使用超声波清洗机以最低功率清洗30秒的时间，一般30秒钟的时间足够剥离干净。

该器件的最终效果如图7所示。

施加垂直于样品台的外磁场，磁场大小可以在达到±1T，测量电流不宜过大，可以为1mA甚至更小。

虽然本发明已以较佳实施例披露如上，然而并非用以限定本发明。任何熟悉本领域的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围情况下，都可利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案作出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化及修饰，均仍属于本发明技术方案保护的范围内。

Claims (9)

1.一种在垂直于衬底表面的磁场下具有M型磁阻曲线器件的制备方法，包含如下步骤：

1）在绝缘衬底上制备构型体，所述构型体为凸起或凹槽，构型体的截面形状为长方形、三角形或圆形；

2）在上述构型体上淀积沟道材料形成三维复合型沟道，其中复合型沟道分为原始沟道和组合沟道，所述复合型沟道采用铁磁性金属材料；

3）接着淀积金属电极；

4）施加垂直于衬底平面的外磁场，所述原始沟道的电流方向与外磁场方向垂直，所述组合沟道的电流方向部分或全部与外磁场平行，从而得到具有M型磁阻曲线的器件。

2.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述磁性金属为铁、钴、镍、锰磁性金属单质，或铁镍合金、镍钴合金、铁钴合金磁性金属合金。

3.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述复合型沟道的厚度是构型体厚度的两倍以内。

4.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述绝缘衬底为刚性衬底，采用高阻硅、玻璃、石英、蓝宝石、氧化硅/硅、碳化硅/硅、氮化硼/硅、有机物/硅单层或多层非金属材料。

5.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述绝缘衬底为PDMS薄膜、PET薄膜、PI薄膜、硅橡胶薄膜、硅树脂薄膜柔性绝缘材料。

6.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述金属电极为金、铜、铂、钯、银金属单质或者铂/金、钯/金、铂/钯/金多层金属，所述金属电极的形状为长方形、三角形、圆形。

7.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述复合型沟道和金属电极采用淀积方法为电化学沉积、气相沉积或液相沉积。

8.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，在复合型沟道铁磁性金属材料上覆盖一层不易氧化的材料作为保护层。

9.如权利要求8所述的制备方法，其特征在于，所述保护层为金、铂、钌、多晶硅、氧化硅、氧化铝不易氧化的导体或非导体，所述保护层的厚度为2nm到10nm。

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