专利名称：一种具有线性磁电阻效应的磁性多层膜及其用途的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种具有线性磁电阻效应的磁性多层膜，及其用途。
背景技术：
通常，以巨磁电阻(GMR)和隧穿电阻(TMR)为核心部分的计算机磁头，和包括地磁传感器、位置传感器、速度传感器、加速度传感器等在内的各种磁场传感器，都是利用各种磁效应进行工作的，并且都要求电阻(或电压)随外加磁场的变化呈线性响应，并且要求响应曲线能过零点(外加磁场为零)。
其中，应用霍尔效应(Hall effect)的磁场传感器符合上述要求，并且由于其价格低廉，目前在市场上大部分低灵敏度的磁场传感器都采用这种技术。但是在霍尔效应中，电阻(电压)随外加磁场的变化太小，因此，这类磁场传感器灵敏度低，而且对信号放大的要求较高。对于灵敏度要求较高的磁头已均不再采用这种效应作为工作基础。
各项异性磁电阻效应(AMR)是另一种制备方法简单且成本低廉的工作基础。各项异性磁电阻存在于各种磁性薄膜中，其可达最大3％的磁电阻变化。采用AMR的磁场传感器的整条磁场响应曲线不是线性变化的，仅在零点两侧基本上呈线性。因此可以采取取其间一段的方法加以应用，并且靠后期的信号处理系统修正存在的问题。但是AMR的磁电阻变化小，对磁场响应也不够灵敏，可应用的磁场范围也比较窄。
第三种常见的效应为普通的巨磁电阻效应(GMR)。巨磁电阻具有磁电阻变化大，磁场响应灵敏，磁场适用范围宽等优点，但是，普通的自旋阀结构的巨磁电阻的其整条磁场响应曲线也不呈线性。需要和各项异性磁电阻效应一样，取其中的一段呈线性响应的部分加以应用，并靠信号处理系统加以修正所出现的问题，所以对后段信号处理要求较高。
现有技术中最为理想的具有线性响应的巨磁电阻和隧穿电阻是将上下两个磁电极磁矩相互垂直排布，那么其磁场响应曲线就会呈现出线性变化。目前通用的方法是通过在一个磁电极两端加永磁体的方法，强行修正其磁矩排布方向，使其相互垂直。这种方法具有磁场响应曲线呈线性变化，信号后其处理简单，磁场反应灵敏的优点，但是这种方法的成本较高，目前只有商用计算机磁头采用这种方法。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术中应用霍尔效应的磁场传感器灵敏度低，而且对信号放大的要求较高；各项异性磁电阻效应的磁电阻变化小，对磁场响应也不够灵敏，可应用的磁场范围也比较窄；普通的巨磁电阻效应对后段信号处理要求较高；而采用具有线性响应的巨磁电阻和隧穿电阻需要靠永磁来实现两个磁电极相互垂直，成本较高的缺点，从而提供一种对磁场呈线性响应、且灵敏度高、制作成本低廉的磁性多层膜，及其用途。
本发明的目的是通过如下的技术方案实现的本发明提供一种具有线性磁电阻效应的磁性多层膜，其为基于磁矩垂直于水平面的磁性材料的自旋阀磁电阻器件，如图1所示，包括一衬底1(以下简称SB)，其上依次沉积了缓冲层2(以下简称BL)、第一磁性层3(以下简称FM1)、非磁金属导电层(以下简称NM)或者绝缘层4(以下简称I)、第二磁性层5(以下简称FM2)、反铁磁钉扎层6(以下简称AFM)及覆盖层7(以下简称TL)，即SB/BL/FM1/NM/FM2/AFM/TL或者SB/BL/FM1/I/FM2/AFM/TL，所述的第一磁性层(FM1)的磁矩方向为竖直方向，第二磁性层(FM2)的磁矩方向为水平方向，即第一磁性层(FM1)的磁矩方向与第二磁性层(FM2)的磁矩方向相互垂直。
所述的衬底为SiO，MgO，Al2O3，GaAs，SrTiO3，LaAlO3，或Si。
所述的缓冲层为Ru，Cr，Cu，Pt，Au，Ag，Fe，Ta，Mo，Zr，Nb，或它们的混合物组成所述的缓冲层的厚度为1～50nm。
所述的第一磁性层为PtxCoy，Ptx(CozFe100-z)y，PtxFey，[PtmCon]h，[Ptm(CozFe100-z)n]h，或[PtmFen]h；其中，1nm＜x＜50nm，0.2nm＜y＜5nm，0.1nm＜m＜2nm，0.1nm＜n＜2nm，1＜h＜20，50＜z＜95；或是CoPt合金膜，CoAu多层膜，MnBi合金膜，FePt多层膜，CoPd多层膜等具有垂直各项异性的金属单质或者合金膜；所述的非磁金属导电层为Ru，Cu，Ag，Au，Pt，Cr，Al，Zn，Pd，Zr，Ti，Sc或它们的混合物；所述的非磁金属导电层厚度为0.5～10nm；所述绝缘层为氧化物组成，所述的氧化物包括Al2O3，AlN，MgO，Ta2O5，HfO2；
所述的绝缘层的厚度为0.3～5nm；所述的第二磁性层包括铁磁性材料、半金属磁性材料、和磁性半导体材料；所述的铁磁性材料包括Fe、Co、Ni等3d过渡族磁性金属，Pr、Nd、Sm、Gd、Te、Dy等稀土金属，Co-Fe、Co-Fe-B、Nd-Fe-B、Ni-Fe、Gd-Y等铁磁性合金；所述的半金属磁性材料包括Fe3O4、CrO2、La1-xSrxMnO3(0.16＜x＜1.0)，La1-xCaxMnO3(0.18＜x＜0.5)，或Pr1-xSrxMnO3(0.3＜x＜1.0)和Co2MnSi等Heussler合金；所述的磁性半导体材料包括Fe、Co、Ni、V、Mn掺杂的ZnO、TiO2、HfO2和SnO2，或Mn掺杂的GaAs、InAs、GaN和ZnTe；所述的第二磁性层的厚度为1～10nm；所述的钉扎层为反铁磁性金属及其合金，或反铁磁性人工钉扎材料，优选Cr、Ir-Mn、Pt-Mn、Fe-Mn、Cr-Pt、CoO、NiO、Co/Ru/Co、Co-Fe/Ru/Co-Fe、Co/Cu/Co，或反铁磁性钙钛矿稀土锰氧化物等；所述的钉扎层的厚度为5～20nm；所述的覆盖层为Pt，Ru，Ta或它们的混合物组成；所述的覆盖层的厚度为3～10nm。
本发明是利用常规的薄膜制备手段(例如分子束外延方法，磁控溅射方法，电子束蒸发，激光脉冲沉积法，化学气相沉积法，电镀法，或电化学沉积法)在衬底上制备上述具有线性磁电阻效应的磁性多层膜的。这种结构的磁性多层膜的核心的结构为FM1/NM/FM2或者FM1/I/FM2。如图2所示，这种结构的磁性多层膜，第一磁性层(FM1)的磁矩方向为竖直方向，第二磁性层(FM2)的磁矩方向为水平方向。这样第一磁性层(FM1)的磁矩方向与第二磁性层(FM2)的磁矩方向相互垂直。如果在水平或者竖直方向施加外磁场，第一磁性层(FM1)由于其顶部钉扎层(AFM)的相互作用，其磁矩方向保持不变；第二磁性层(FM2)的磁矩方向则在外磁场的驱动下偏离竖直方向，如图3所示，与第一磁性层(FM1)的磁矩方向产生了一夹角。外磁场的强弱决定了此夹角的大小，因而，夹角的不同可以从宏观上反映出电阻随磁场的强弱变化。撤掉外磁场后，则第二磁性层(FM2)的磁矩方向恢复到原来的竖直方向。
通过调整第二磁性层(FM2)的厚度和形状，可以控制第二磁性层(FM2)的磁矩变化对外加磁场的响应范围及响应方向。
本发明通过一种新结构的磁性多层膜来实现对外加磁场呈线性响应的目的，其磁场响应曲线如图4所示，与现有技术中的第四种方法一样，呈线性变化，且通过零点，并具有很高的灵敏性。本发明不是采用加永磁体的方法使其磁电极相互垂直，而是采用一种较简单的方法，达到同样的目的，因而大幅度地降低了成本。
本发明提供的具有线性磁电阻效应的磁性多层膜可用于磁场传感器和磁头。通常是需将上述对磁场呈线性响应的磁性多层膜进行微加工，得到100纳米到几十微米大小的、具有所需特定形状的磁性多层膜，然后按常规的方法组装成磁场传感器或磁头。
所述的微加工包括常规的紫外曝光、电子束曝光、聚焦粒子束刻蚀、氩离子刻蚀、和化学反应刻蚀方法。
磁性多层膜的形状决定了磁性多层膜对哪个方向施加的磁场进行响应，常用的形状包括线条(长30nm～500μm，宽20nm～500μm)、圆形(直径为20nm～500μm)、椭圆形(长轴为30nm～500μm，短轴为20nm～500μm)、圆环(外径为30nm～500μm，内径为20nm～500μm)、椭圆环(长轴外径为30nm～500μm，短轴外径为20nm～500μm，长轴内径为20nm～500μm，短轴内径为20nm～500μm)。
经过微加工处理过的本发明提供的对磁场呈线性响应的磁性多层膜可用于磁场传感器或磁头的信息采集部分的磁性多层膜。
现有的磁性传感器一般都只能探测水平方向的磁场变化，如果想探测垂直方向的磁场变化，则需要把传感器的衬底立起来。而使用了本发明提供的磁性多层膜的磁场传感器克服了一般传感器只能探测水平方向磁场变化的缺点，在不改变传感器位置和方向的前提下，可以实现垂直方向磁场的测量。其能够分别探测水平，垂直两个方向的磁场变化，而无需改变衬底的位置。对于需要探测两维或者三维方向的传感器来说，本发明将极大的降低成本。同理，使用了本发明提供的磁性多层膜的磁头能够有效的降低制造成本。
图1为本发明提供的具有线性磁电阻效应的磁性多层膜的示意图；其中，1衬底，2缓冲层，3第一磁性层，4非磁金属导电层或者绝缘层，5第二磁性层，6钉扎层，7覆盖层；图2为不加磁场时，本发明提供的具有线性磁电阻效应的磁性多层膜中两个磁性层的磁矩方向的示意图；图3为施加外磁场时，本发明提供的具有线性磁电阻效应的磁性多层膜中两个磁性层的磁矩方向的示意图；
图4为本发明实施例1提供的磁性多层膜对外加磁场的响应曲线。
具体实施例方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步详细地说明实施例1利用磁控溅射的方法制备磁性多层膜。衬底为Si/SiO2，磁性多层膜结构为Ru(5nm)/Pt(10nm)/[Co(0.4nm)/Pt(0.6nm)]5/Co(0.4nm)/Cu(2nm)/Co(3nm)/IrMn(12nm)/Ru(5nm)。磁性多层膜生长条件备底真空5×10-7帕；溅射用高纯度氩气气压0.07帕；溅射功率120瓦；样品架旋转速率20rmp；生长温度室温；生长速率0.3-1.1埃/秒。生长时间薄膜厚度/生长速率。
利用紫外光刻以及氩离子刻蚀的方法进行微加工。紫外光刻条件光刻胶S9918；曝光剂量55mJ/cm2；曝光时间17秒；显影液MF319；显影时间45秒；烘烤时间60秒；烘烤温度95度。氩离子刻蚀条件功率300瓦；氩气压30mTorr。
图形形状为椭圆柱，椭圆长轴长8微米，短轴长4微米，高42纳米。顶电极和底电极之间采用SiO2绝缘。SiO2厚度50纳米。
利用上述制备工艺得到的磁性多层膜对外加磁场的响应曲线如图4所示，其为一对磁场呈线性响应的具有磁场选择性的磁性多层膜。
实施例2利用磁控溅射的方法制备磁性多层膜。衬底为Si/SiO2，磁性多层膜结构为Ru(5nm)/Pt(10nm)/[Co(0.4nm)/Pt(0.6nm)]5/Co(0.4nm)/Cu(2nm)/Co(3nm)/IrMn(12nm)/Ru(5nm)。磁性多层膜生长条件备底真空5×10-7帕；溅射用高纯度氩气气压0.07帕；溅射功率120瓦；样品架旋转速率20rmp；生长温度室温；生长速率0.3-1.1埃/秒。生长时间薄膜厚度/生长速率。
利用紫外光刻和电子束曝光结合氩离子刻蚀的方法进行微加工。紫外光刻条件光刻胶S9918；曝光剂量55mJ/cm2；曝光时间17秒；显影液MF319；显影时间45秒；烘烤时间60秒；烘烤温度95度。电子束曝光条件光刻胶PMMA950；曝光剂量120mJ/cm2；显影液MIBK/IPA；定影液IPA显影时间40秒；定影时间40秒；烘烤时间60秒；烘烤温度180度。氩离子刻蚀条件功率300瓦；氩气压30mTorr。
图形形状为椭圆柱，椭圆长轴长200纳米，短轴长100纳米，高42纳米。顶电极和底电极之间采用SiO2绝缘。SiO2厚度50纳米。
利用上述制备工艺即可得到对磁场呈线性响应的具有磁场选择性的磁性多层膜。
实施例3～6利用与实施例1同样的方法制备磁性多层膜。磁性多层膜的成分列于表1。
表1、对磁场呈线性响应的磁性多层膜的组成
采用与实施例1同样的微加工方法即可得到对磁场呈线性响应的具有磁场选择性的具有一定形状的磁性多层膜。
实施例7～10利用与实施例1同样的方法制备磁性多层膜。磁性多层膜的成分列于表2。
表2、对磁场呈线性响应的磁性多层膜的组成
利用与实施例2同样的微加工方法即可得到对磁场呈线性响应的具有磁场选择性的具有一定形状的磁性多层膜。
实施例11利用磁控溅射的方法制备磁性多层膜。衬底为Si/SiO2，磁性多层膜结构为Ru(5nm)/Pt(10nm)/[Co(0.4nm)/Pt(0.6nm)]5/Co(0.4nm)/Al-O(1nm)/Co(3nm)/IrMn(12nm)/Ru(5nm)。磁性多层膜生长条件备底真空5×10-7帕；溅射用高纯度氩气气压0.07帕；溅射功率120瓦；样品架旋转速率20rmp；生长温度室温；生长速率0.3-1.1埃/秒。生长时间薄膜厚度/生长速率。
利用紫外光刻以及氩离子刻蚀的方法进行微加工。紫外光刻条件光刻胶S9918；曝光剂量55mJ/cm2；曝光时间17秒；显影液MF319；显影时间45秒；烘烤时间60秒；烘烤温度95度。氩离子刻蚀条件功率300瓦；氩气压30mTorr。
图形形状为椭圆柱，椭圆长轴长8微米，短轴长4微米，高42纳米。顶电极和底电极之间采用SiO2绝缘。SiO2厚度50纳米。
利用上述制备工艺即可得到对磁场呈线性响应的具有磁场选择性的磁性多层膜。
实施例12利用磁控溅射的方法制备磁性多层膜。衬底为Si/SiO2，磁性多层膜结构为Ru(5nm)/Pt(10nm)/[Co(0.4nm)/Pt(0.6nm)]5/Co(0.4nm)/Al-O(1.3nm)/Co(3nm)/IrMn(12nm)/Ru(5nm)。磁性多层膜生长条件备底真空5×10-7帕；溅射用高纯度氩气气压0.07帕；溅射功率120瓦；样品架旋转速率20rmp；生长温度室温；生长速率0.3-1.1埃/秒。生长时间薄膜厚度/生长速率。
利用紫外光刻和电子束曝光结合氩离子刻蚀的方法进行微加工。紫外光刻条件光刻胶S9918；曝光剂量55mJ/cm2；曝光时间17秒；显影液MF319；显影时间45秒；烘烤时间60秒；烘烤温度95度。电子束曝光条件光刻胶PMMA950；曝光剂量120mJ/cm2；显影液MIBK/IPA；定影液IPA显影时间40秒；定影时间40秒；烘烤时间60秒；烘烤温度180度。氩离子刻蚀条件功率300瓦；氩气压30mTorr。
图形形状为椭圆柱，椭圆长轴长200纳米，短轴长100纳米，高42纳米。顶电极和底电极之间采用SiO2绝缘。SiO2厚度50纳米。
利用上述制备工艺即可得到对磁场呈线性响应的具有磁场选择性的磁性多层膜。
实施例13～16利用与实施例1同样的方法制备磁性多层膜。磁性多层膜的成分列于表3。
表3、对磁场呈线性响应的磁性多层膜的组成
利用与实施例1同样的微加工方法即可得到对磁场呈线性响应的具有磁场选择性的具有一定形状的磁性多层膜。
实施例17～20利用与实施例1同样的方法制备磁性多层膜。磁性多层膜的成分列于表4。
表4、对磁场呈线性响应的磁性多层膜的组成
利用与实施例2同样的微加工方法即可得到对磁场呈线性响应的具有磁场选择性的具有一定形状的磁性多层膜。
权利要求
1.一种具有线性磁电阻效应的磁性多层膜，其为基于磁矩垂直于水平面的磁性材料的自旋阀磁电阻器件，包括一衬底，其上依次沉积了缓冲层、第一磁性层、非磁金属导电层或者绝缘层、第二磁性层、反铁磁钉扎层及覆盖层，其特征在于所述的第一磁性层的磁矩方向为竖直方向，第二磁性层的磁矩方向为水平方向。
2.如权利要求1所述的具有线性磁电阻效应的磁性多层膜，其特征在于所述的衬底为SiO，MgO，Al2O3，GaAs，SrTiO3，LaAlO3，或Si；所述的缓冲层为Ru，Cr，Cu，Pt，Au，Ag，Fe，Ta，Mo，Zr，Nb或它们的混合物组成；所述的缓冲层的厚度为1～50nm；所述的覆盖层为Pt，Ru，Ta或它们的混合物组成；所述的覆盖层的厚度为3～10nm。
3.如权利要求1所述的具有线性磁电阻效应的磁性多层膜，其特征在于所述的第一磁性层为PtxCoy，Ptx(CozFe100-z)y，PtxFey，[PtmCon]h，[Ptm(CozFe100-z)n]h，或[PtmFen]h；其中，1nm＜x＜50nm，0.2nm＜y＜5nm，0.1nm＜m＜2nm，0.1nm＜n＜2nm，1＜h＜20，50＜z＜95；或是CoPt合金膜，CoAu多层膜，MnBi合金膜，FePt多层膜，CoPd多层膜。
4.如权利要求1所述的具有线性磁电阻效应的磁性多层膜，其特征在于所述的非磁金属导电层为Ru，Cu，Ag，Au，Pt，Cr，Al，Zn，Pd，Zr，Ti，Sc或它们的混合物；所述的非磁金属导电层厚度为0.5～10nm。
5.如权利要求1所述的具有线性磁电阻效应的磁性多层膜，其特征在于所述绝缘层Al2O3，AlN，MgO，Ta2O5，或HfO2；所述的绝缘层的厚度为0.3～5nm。
6.如权利要求1所述的具有线性磁电阻效应的磁性多层膜，其特征在于所述的第二磁性层为铁磁性材料、半金属磁性材料、或磁性半导体材料；所述的第二磁性层的厚度为1～10nm。
7.如权利要求6所述的具有线性磁电阻效应的磁性多层膜，其特征在于所述的铁磁性材料为Fe、Co、Ni、Pr、Nd、Sm、Gd、Te、Dy、Co-Fe、Co-Fe-B、Nd-Fe-B、Ni-Fe、或Gd-Y铁磁性合金；所述的半金属磁性材料为Fe3O4、CrO2、La1-xSrxMnO3(0.16＜x＜1.0)，La1-xCaxMnO3(0.18＜x＜0.5)，Pr1-xSrxMnO3(0.3＜x＜1.0)或Co2MnSi；所述的磁性半导体材料为Fe、Co、Ni、V、Mn掺杂的ZnO、TiO2、HfO2和SnO2，或Mn掺杂的GaAs、InAs、GaN和ZnTe。
8.如权利要求1所述的具有线性磁电阻效应的磁性多层膜，其特征在于所述的钉扎层为反铁磁性金属及其合金，或反铁磁性人工钉扎材料；所述的钉扎层的厚度为5～20nm。
9.如权利要求1所述的具有线性磁电阻效应的磁性多层膜，其特征在于所述的钉扎层为Cr、Ir-Mn、Pt-Mn、Fe-Mn、Cr-Pt、CoO、NiO、Co/Ru/Co、Co-Fe/Ru/Co-Fe、Co/Cu/Co，或反铁磁性钙钛矿稀土锰氧化物。
10.权利要求1～9之一所述的具有线性磁电阻效应的磁性多层膜在磁场传感器和磁头上的应用。
全文摘要
本发明涉及一种具有线性磁电阻效应的磁性多层膜，其为基于磁矩垂直于水平面的磁性材料的自旋阀磁电阻器件，包括一衬底，其上依次沉积了缓冲层、第一磁性层、非磁金属导电层或者绝缘层、第二磁性层、反铁磁钉扎层及覆盖层，所述的第一磁性层的磁矩方向为竖直方向，第二磁性层的磁矩方向为水平方向，即第一磁性层的磁矩方向与第二磁性层的磁矩方向相互垂直。本发明提供的对磁场呈线性响应的磁性多层膜可用于磁场传感器和磁头。使用了本发明提供的磁性多层膜的磁场传感器克服了一般传感器只能探测水平方向磁场变化的缺点，在不改变传感器位置和方向的前提下，可以实现垂直方向磁场的测量。
文档编号G01R33/09GK1967891SQ200510123229
公开日2007年5月23日 申请日期2005年11月15日 优先权日2005年11月15日
发明者魏红祥, 韩秀峰, 赵静, 杜关祥, 王磊, 王荫君 申请人:中国科学院物理研究所