一种自偏置各向异性磁电阻传感单元的制备方法与流程

本发明属于磁性材料与元器件技术领域，涉及磁传感技术，具体涉及一种自偏置各向异性磁电阻传感单元的制备方法。

背景技术：

各向异性磁电阻(anisotropymagnetoresistance,amr)效应是指当电流流经磁性材料时，磁性材料的磁化强度方向如相对于电流方向改变，将会引起磁性材料电阻的变化。各向异性磁电阻效应由于实现所用的材料简单，稳定性高，因而是目前磁传感器家族中采用的一种重点效应，具有广泛的应用空间。

各向异性磁电阻的大小可表示为：r＝r0+δrcos²α，其中r为磁电阻，r0为磁场为零状态下测试到电阻，δr＝r平行-r垂直(r平行为磁性材料磁矩与电流平行时电阻值；r垂直为磁性材料磁矩与电流垂直时电阻值)，α为磁性材料磁矩与电流方向的夹角。由该表达式可见各向异性磁电阻的变化是与cos²α呈正比，因此在零点附近δr变化十分缓慢，不宜用于磁场信号的探测。而当电流的方向与磁性薄膜磁矩的夹角为45°时，在该角度附近磁电阻的变化随外磁场变化接近线性变化，且具有很高的灵敏度，因此当利用各向异性磁电阻效应制备磁电阻线性传感器时，需要使初始磁性材料的磁矩与电流的方向呈45°角，以便获得线性输出及高的灵敏度。

当各向异性磁电阻薄膜制备为磁电阻传感器时，一般采用的是长条形的电阻形式，如图1所示，其长宽比一般为～10:1，尺度在微米量级。在该尺度下，由于薄膜的形状各向异性场作用，磁性薄膜的磁矩将沿长条形电阻薄膜的长轴取向。因而对于该种结构，当电流沿长条形电阻条长轴方向流动时，其初始态磁性薄膜的磁矩方向与电流方向的夹角为0°，不满足磁传感应用的需求。因此，在实际的商业化各向异性磁电阻薄膜传感器的制备中一般采用两种方式使初始态的磁矩方向与电流呈45°角。第一种方法是采用所谓的baber电极结构，如图2所示，在磁电阻长条形薄膜制备完成后制备与长条形电阻呈45°角的电极，使电流的方向与磁矩的初始方向呈45°角，来满足高探测灵敏度与线性度的需求。第二种方法则是直接采用如图1所示长条形电阻条及两端电极的结构，在其上外加直流偏置磁场，如图3所示，利用该直流偏置磁场与长轴方向的各向异性场的共同作用，使具长条形磁性薄膜的磁矩偏离初始的方向，与电流方向实现45°角。

当采用第一种方法时，由于需要在磁阻长条薄膜上制备baber电极，需要对电极进行特殊设计，这增加了设计及工艺难度。而采用第二种方法时，需要单独设计偏置磁场电路或附加永磁偏置磁场，这些都将增加器件的复杂度及体积。因此，如能实现长条形电阻薄膜制备完成后其磁矩自偏置45°，满足初始态电流方向与磁矩45°夹角的需要，将大大降低器件的复杂度，简化器件的设计和制备。

技术实现要素：

针对上述存在的问题或不足，为解决现有长条形电阻薄膜制备完成后使其磁矩偏置45°存在工艺和结构复杂以及体积相对过大的问题。本发明提供了一种自偏置各向异性磁电阻传感单元的制备方法，实现长条形电阻薄膜制备完成后其磁矩自偏置45°，满足初始态电流方向与磁矩45°夹角的需要，且具有结构简单、工艺难度低、易于控制等优点，可以大大的降低该类磁传感单元制备难度。

具体技术方案如下：

一种自偏置各向异性磁电阻传感单元的制备方法，包括以下步骤：

步骤1、选用si/sio2作为基片材料，然后曝光(可采用标准lift-off光刻工艺)出长条形各向异性磁电阻传感单元的单元图形，该长条形各向异性磁电阻传感单元的长短轴比在5：1～15：1之间选取，短轴的线宽在1～20μm之间选取；

步骤2、在步骤1曝光所得基片上依次沉积缓冲层/铁磁层/反铁磁层/覆盖层的各向异性磁电阻传感单元薄膜。在薄膜沉积过程中沿长条形各向异性磁电阻传感单元的短轴加上外磁场h。

采用薄膜沉积工艺沉积长条形各向异性磁电阻传感单元时，所述外磁场h的方向沿膜面，并且平行于长条形单元的短轴方向，大小在50～1000gs之间。所得的铁磁层/反铁磁层各向异性磁电阻薄膜，由于反铁磁层对铁磁层的钉扎作用，会产生沿外磁场(短轴)方向的交换偏置场hex。而由于传感单元选用长短轴比较大的长条形，因此会产生沿长轴方向产生各向异性场hk。当交换偏置场(沿短轴)与各向异性场(沿长轴)大小趋于相等时，此二者的合成场将趋于与长轴呈45°角的方向，使得铁磁层薄膜磁矩沿该合成场方向取向，与沿长轴方向流动的电流正好呈所需的45°夹角。其中交换偏置场的大小可以通过磁性层薄膜的厚度调制，各向异性场的大小可以通过长条形单元长短轴比进行调整。

其中：反铁磁层材料采用femn、nimn、irmn或ptmn金属反铁磁材料，厚度选择为5-20nm；铁磁层采用ni、fe、co或ni/fe/co合金具有各向异性磁电阻的材料，厚度选择为15-40nm。缓冲层采用ta、nifecr或pt，覆盖层选用ta或al2o3材料以保证磁电阻薄膜不被氧化。

步骤3、待步骤2的磁电阻薄膜镀制完成后，采用丙酮或洗胶液去掉光刻胶，获得长条形的各向异性磁电阻传感单元薄膜。

步骤4、在步骤3所得长条形的各向异性磁电阻传感单元上制备长方形或正方形的两端电极，两端电极直接与长条形的各向异性磁电阻薄膜两端相连。

如：采用标准lift-off光刻工艺甩光刻胶后曝光出各向异性磁电阻薄膜的两端电极，将曝光后具有长方形或正方形电极图形的基片置于磁控溅射设备中，采用薄膜沉积工艺在其上沉积电极材料。电极材料选用au、al或cu。电极沉积完成后，采用丙酮或洗胶液去掉光刻胶，获得最终的各向异性磁电阻传感单元，如图4所示。

本发明利用铁磁层/反铁磁层薄膜替代常规的铁磁层薄膜制备各向异性磁电阻传感单元。在制备过程中沿长条形磁电阻传感单元短轴加沉积磁场，由于反铁磁层对铁磁层的钉扎作用，会产生沿外磁场(短轴)方向的交换偏置场hex。而由于传感单元选用长短轴比较大的长条形，会产生沿长轴方向的各向异性场hk。当交换偏置场(沿短轴)与各向异性场(沿长轴)大小趋于相等时，此二者的合成场将趋于与长轴呈45°角，使得铁磁层薄膜磁矩沿该合成场方向取向。其中交换偏置场的大小可以通过磁性层薄膜的厚度调制，各向异性场的大小可以通过长条形单元长短轴比进行调整。此时沿长条形磁电阻薄膜长轴方向通以电流，可使初始态磁矩的取向与沿长轴流动的电流正好呈所需的45°夹角，满足应用的需求。最终本发明通过交换偏置场与各向异性场的共同作用，实现了初始态磁矩45°的自偏置，极大降低了制备难度。

综上所述，本发明实现了长条形电阻薄膜制备完成后其磁矩自偏置45°，满足初始态电流方向与磁矩45°夹角的需要，且具有结构简单、工艺难度低、易于控制、不用额外增加外置磁场设备的优点，可以大大的降低该类磁传感单元制备难度。

附图说明

图1是现有长条形各向异性磁电阻传感单元示意；

图2是现有barber电极结构示意。

图3是现有外加直流偏置磁场结构示意。

图4是本发明制备的自偏置各向异性磁电阻传感单元平面及结构图。

图5为实施例所制备的自偏置各向异性磁电阻传感单元磁阻曲线图。

附图标记：1-缓冲层，2-铁磁层，3-反铁磁层，4-覆盖层。

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。

一种自偏置各向异性磁电阻传感单元的制备方法，包括以下步骤：

步骤1：选用si/sio2作为基片材料，然后采用标准lift-off光刻工艺，曝光出长条形各向异性磁电阻传感单元的单元图形，该长条形各向异性磁电阻传感单元的长轴为50μm，短轴为10μm。

步骤2：将曝光后具有长条形各向异性磁电阻传感单元的基片置于磁控溅射设备中，采用薄膜沉积工艺在基片上沉积ta(5nm)/nife(25nm)/femn(15nm)/ta(5nm)的各向异性磁电阻传感单元薄膜。在薄膜沉积过程中沿长条形各向异性磁电阻传感单元的短轴加上300gs的外磁场。

步骤3：待步骤2的磁电阻薄膜镀制完成后，采用丙酮去掉光刻胶，获得长条形的各向异性磁电阻传感单元。

步骤4：采用标准lift-off光刻工艺，在长条形各向异性磁电阻传感单元上甩上光刻胶，曝光出各向异性磁电阻薄膜的两端电极，两端电极选用正方形，其边长为200μm，直接与长条形的各向异性磁电阻薄膜两端相连。

将曝光后具有正方形电极图形的基片置于磁控溅射设备中，采用薄膜沉积工艺在其上沉积au电极。电极沉积完成后，采用丙酮去掉光刻胶，获得最终的各向异性磁电阻传感单元。

将实施例制备完成的各向异性磁电阻单元置于探针台上，用两个探针分别压于其两个电极上，沿各向异性磁电阻传感单元的长轴方向通以1ma的测试电流，利用赫姆霍兹线圈沿向异性磁电阻传感单元的长轴方向加-20gs-20gs变化的磁场，测量电极两端电压的变化，获得随磁场变化的电阻值，如图5所示。从图中可见该自偏置各向异性磁电阻传感单元在-8～+8gs范围内其电阻值随磁场的变化具有较好的线性度，可用于基于各向异性磁电阻效应的线性磁电阻传感器的制备。

综上可见，本发明实现了长条形电阻薄膜制备完成后其磁矩自偏置45°，满足初始态电流方向与磁矩45°夹角的需要，且具有结构简单、工艺难度低、易于控制、不用额外增加外置磁场设备的优点，大大降低了该类磁传感单元制备难度。