专利名称：一种高灵敏度巨磁电阻材料的制备方法
技术领域：
本发明涉及一种多层膜结构的高灵敏度巨磁电阻材料的制备方法和用本方法制备的高灵敏度巨磁电阻材料，属磁性薄膜制备领域。
1988年M.N.Baibich等人首次在分子束外延生长的铁Fe/铬Cr多层膜中发现了巨磁电阻效应，即在温度4.2K时，2特斯拉外磁场下，砷化镓GaAs(100)/(铁Fe30/铬Cr9)60的多层膜呈现R/R(H=0)=45％的特性，式中R为施加外磁场的电阻值，R(H=0)为外加磁场为零时的电阻值。他们把巨磁电阻效应的机制归结于自旋极化电子在金属多层膜界面处的散射。1991年S.S.P.Parkin等人发现，直流磁控溅射方法制备的钴Co/铜Cu多层膜系统，在室温下也呈现较大的巨磁电阻效应。典型结构为硅Si(100)/铁Fe50/(钴Co10/铜Cu9)16/铜Cu50。在室温下，巨磁电阻效应值为ΔR/Rs=65％，其中ΔR为加施加外磁场时最大电阻值与饱和电阻值之差，Rs为饱和电阻值，但其饱和磁场仍高达10K奥斯特，磁灵敏度小于0.1％/奥斯特，仅与锑化铟InSb等化合物半导体材料的磁灵敏度相似。为了提高金属多层膜的磁灵敏度，B.Dieny等人用同样方法制备了一种自旋阀结构的巨磁电阻效应材料，其灵敏度大大提高，从而使巨磁电阻效应材料在高密度读出磁头和磁敏器件上有了广泛的应用前景。制备这种结构材料的关键是在多层膜的顶层沉积反铁磁性的铁锰FeMn层，以使其与下面的软磁层产生钉扎作用。典型结构为硅Si/2×(钽Ta50/镍铁NiFe60/铜Cu22/镍铁NiFe40/铁锰FeMn70)/钽Ta50，钽Ta分别为非磁性的过渡层和覆盖层。这种结构的ΔR/Rs约为4％，但最高磁灵敏度可达2％/奥斯特。然而，制备自旋阀结构的技术难度较大，因为铁锰FeMn有多种相结构。而诸多相结构中，只有γ-FeMn是反铁磁性的。为了克服上述制备方法的不足，又能获得良好巨磁电阻效应和磁灵敏度高的巨磁电阻材料，本发明提供了一种超高真空电子束蒸发制备具有良好巨磁电阻效应和高磁灵敏度材料的方法。
本发明的目的是采用超高真空电子束蒸发方法，控制、蒸发纯度为99.9％的多种金属靶，制备多层金属膜，从而构建成由过渡层控制的简单三明治结构巨磁电阻材料。
本发明高灵敏度巨磁电阻材料的制备方法中，采用抛光硅片Si或玻璃片为衬底材料；利用具有较大巨磁电阻效应的钴Co/铜Cu/钴Co三明治结构材料为基本单元；选用软磁材料镍铁钴NiFeCo或镍铁NiFe或镍Ni作为过渡层，以提高多层膜材料的矩磁性，制备高灵敏度巨磁电阻材料。制备方法中采用的设备为超高真空电子束蒸发系统，系统中配有二支电子枪，可控制三种或四种靶组份材料的蒸发。蒸发沉积用的金属靶材料镍铁钴NFeiCo或镍铁NiFe、镍Ni、钴Co、铜Cu的纯度均为99.9％。金属多层膜制备工艺中，以抛光硅片Si或玻璃片为衬底，衬底经有机化学溶剂和去离子水超声清洗、冲洗后烘干置入靶室样品基座上。蒸发沉积生长金属薄膜前，先将电子束蒸发系统抽真空。在靶室抽至基本真空度5×10-9毫巴后，再进行电子束蒸发沉积生长金属多层膜。蒸发沉积生长多层膜时，靶室真空度为5×10-8毫巴。蒸发沉积生长金属膜的顺序依次为，先蒸发沉积生长镍铁钴NiFeCo或镍铁NiFe或镍Ni软磁材料过渡层(层厚x=10-70)，再依次蒸发沉积生长钴(层厚y=20-100)磁性材料层，铜(层厚z=20-80)非磁性材料层，钴(层厚h=20-100)磁性材料层，从而构成简单三明治结构Si/SM(x)/Co(y)/Cu(z)/Co(h)的巨磁电阻材料，其中SM为镍铁钴NiFeCo或镍铁NiFe或镍Ni。
用本方法沉积生长的巨磁电阻材料可获得4％以上的巨磁电阻效应值；用本方法沉积生长的巨磁电阻材料，整个多层膜结构的矫顽力小于20奥斯特；用本方法沉积生长的巨磁电阻材料，可获得1％/奥斯特到3％/奥斯特的磁灵敏度，对应的巨磁电阻效应值约5％。
本发明高灵敏度巨磁电阻材料的制备方法的优点显而易见，具有生长工艺简单，重复性好的特点，且各层金属膜结构简单，易于控制。所采用的金属靶材料价格低廉，易于推广应用。制备的多层膜巨磁电阻材料磁灵敏度最佳值比自旋阀结构的最佳值要高50％，对应的巨磁电阻效应值也大。因此，本方法是一种不同于传统方法的超高真空电子束蒸发一定组份靶材料的沉积生长方法，用本方法制备的巨磁电阻材料性能明显优于传统材料。
图1是本发明方法中的电子束蒸发沉积生长系统示意图。其中(1)为超高真空靶室；(2)为样品基座；(3)为衬底材料；(4)为蒸发用靶材料；(5)为蒸发用坩锅。
图2是本发明方法制备成的高灵敏度巨磁电阻材料样品结构示意图。其中(3)为衬底材料；(6)为Co磁性金属层；(7)为顶部磁性Co金属层；(8)为Cu非磁性金属层；(9)为软磁过渡层。
图3是用本方法制备的多层膜中测得的磁滞回线。
图4是用本方法制备的多层膜中测得的磁阻曲线。
下面结合附图详细说明本发明方法的实施例。实施例1本实施例在超高真空电子束蒸发系统(1)中进行蒸发沉积生长巨磁电阻材料。超高真空电子束蒸发系统(1)中配有二支电子枪。纯度均为99.9％的金属靶材料(4)镍铁钴NiFeCo或镍铁NiFe或镍Ni、钴Co、铜Cu分别置于靶室中的三个坩埚(5)中。二支电子枪可分别控制三种靶材料的蒸发。本实施例中的样品衬底材料采用抛光硅片Si(3)，衬底硅片Si(3)先用有机化学溶剂超声清洗，并用去离子水冲洗干净后烘干，放入超高真空电子束蒸发系统(1)的靶室样品座(2)上。在衬底硅片Si(3)上蒸发沉积生长金属多层膜前，先将靶室抽至基本真空，真空度约为5×10-9毫巴。然后再蒸发沉积生长金属膜，蒸发沉积生长金属膜时，靶室的真空度降至约为5×10-8毫巴。本实施例中先蒸发沉积生长的过渡层软磁材料镍Ni(9)的厚度为50，然后依次蒸发沉积生长的磁性层钴Co(6)为70，非磁性材料层铜Cu(8)为50，磁性层钴Co(7)为70。生长金属膜厚度由石英晶振器监控。沉积生长成的巨磁电阻材料为简单三明治结构Si(100)/Ni50/Co70/Cu50/Co70。测试结果为，多层膜的矫顽力为15奥斯特，多层膜的巨磁电阻效应值接近5％，磁灵敏度高达3％/奥斯特。当然，各层的金属膜厚度可控制、优化、组合，从而得到不同结构的高灵敏度巨磁电阻材料。
实施例2本实施例中，除衬底硅片Si(3)改换成玻璃片外，其它均同实施例1。多层膜的巨磁电阻效应值大于4％，磁灵敏度可达1％/奥斯特到3％/奥斯特。
实施例3本实施例中，除过渡层软磁材料镍(9)改用镍铁外，其它均同如上实施例1、2。
实施例4本实施例中，除过渡层软磁材料镍(9)改用镍铁钴外，其它均同如上实施例1、2。
权利要求
1.一种高灵敏度巨磁电阻材料的制备方法，包括超高真空电子束蒸发系统，硅片或玻璃片衬底及衬底的有机化学溶剂和去离子水清洗、烘干工艺，其特征在于，超高真空电子束蒸发系统中配置的二支电子枪控制蒸发镍Ni、钴Co、铜Cu金属靶组份材料。
2.根据权利要求1所述的一种高灵敏度巨磁电阻材料的制备方法，其特征在于，组份靶材料中的镍Ni还可以是镍的合金镍铁钴NiFeCo或镍铁NiFe。
3.根据权利要求1或2所述的一种高灵敏度巨磁电阻材料的制备方法，其特征在于，金属靶组份材料的纯度均为99.9％。
4.根据权利要求1所述的一种高灵敏度巨磁电阻材料的制备方法，其特征在于，向衬底上蒸发沉积生长金属薄膜前的靶室真空度为5×10-9毫巴；蒸发沉积生长金属薄膜时靶室真空度为5×10-8毫巴。
5.根据权利要求1所述的一种高灵敏度巨磁电阻材料的制备方法，其特征在于，薄膜的厚度由石英晶振器原位测量及控制。
6.一种用超高真空电子束蒸发沉积方法制备的多层膜结构的高灵敏度巨磁电阻材料，包括硅片或玻璃片衬底，其特征在于多层膜中有软磁过渡层SM，材料结构为Si/SM(x)/Co(y)/Cu(z)/Co(h)。
7.根据权利要求6所述的一种用超高真空电子束蒸发沉积方法制备的多层膜结构的高灵敏度巨磁电阻材料，其特征在于，材料结构式中的软磁过渡层SM材料为镍(Ni)或镍铁(NiFe)或镍铁钴(NiFeCo)。
8.根据权利要求6所述的一种用超高真空电子束蒸发沉积方法制备的多层膜结构的高灵敏度巨磁电阻材料，其特征在于，材料结构式中的软磁过渡层SM层厚为x=10-70，磁性材料Co层厚y=20-100，非磁性材料Cu层厚为z=20-80，磁性材料Co层厚h=20-100。
9.根据权利要求6或8所述的一种用超高真空电子束蒸发沉积方法制备的多层膜结构的高灵敏度巨磁电阻材料，其特征在于，最佳材料结构式中的软磁过渡层SM层厚为50，磁性材料Co层厚70，非磁性材料Cu层厚为50，磁性材料Co层厚70。
全文摘要
本发明涉及一种多层膜结构的高灵敏度巨磁电阻材料的制备方法和材料。本方法采用超高真空电子束蒸发系统,系统配有二支电子枪,控制蒸发纯度均为99.9%的三种金属靶,从而制备成由软磁过渡层控制的三明治型高灵敏度巨磁电阻材料。本方法生长工艺简单,重复性好,各层金属膜结构简单,易于控制。使用的靶材料价格低廉,制备的多层膜巨磁电阻材料磁灵敏度高,巨磁电阻效应大,是一种不同于传统方法制备巨磁电阻材料的新方法。
文档编号H01F41/14GK1218966SQ9710675
公开日1999年6月9日 申请日期1997年12月2日 优先权日1997年12月2日
发明者沈鸿烈, 李铁, 沈勤我, 邹世昌 申请人:中国科学院上海冶金研究所