专利名称：一种可提高巨磁电阻效应的自旋阀制备方法
技术领域：
本发明属磁电子学和磁记录技术领域，具体涉及一种可提高巨磁电阻效应的自旋阀制备方法。
背景技术：
自从在Fe/Cr多层膜中发现巨磁电阻(GMR)效应以来，巨磁电阻材料在超高密度磁记录等方面具有广阔的应用前景，成为国际上最前沿的研究课题之一。早期人们主要研究的是具有强烈反铁磁耦合的多层膜材料，但是这些巨磁电阻材料的灵敏度非常低。目前受到普遍重视的是弱耦合或无耦合的自旋阀结构材料。自旋阀具有如下的基本结构衬底(Si)/缓冲层/铁磁层/Cu/铁磁层/反铁磁/覆盖层。一般人们使用Co及其合金作为铁磁层，同时有很多反铁磁材料可供选择。
超高密度磁记录的存储密度得到了飞速发展，这得益于目前所用的巨磁电阻器件-自旋阀的应用。过去十余年里，人们一直致力于提高自旋阀的巨磁电阻效应和提高器件的灵敏度。因此寻找新的磁性材料和新的样品制备方法，将在超高密度磁记录领域中具有重要的意义，有助于推动信息存储等高科技领域的发展，并有可能产生巨大的经济效应。
发明内容
本发明的目的是对传统的自旋阀连续制备方法加以改进，提出了一种新的制备自旋阀的方法，以提高自旋阀的巨磁电阻效应。
本发明提出的自旋阀的制备方法，具体步骤如下用真空镀膜方法，在衬底溅射形成缓冲层，停止沉积；10分钟-10小时之后，继续依次溅射铁磁层、Cu层、铁磁层、反铁磁层和覆盖层；其中缓冲层为Ta，厚度为0.5-10纳米，铁磁层采用Fe、Co、Ni或它们的合金之一种，厚度为0.5-10纳米，两层铁磁层之间的隔离层Cu，厚度为1.5-3.5纳米，反铁磁层采用NiO、FeMn、IrMn，PtMn之一种，厚度为2-30纳米，覆盖层采用Ta，厚度为1-20纳米。
本发明在实际操作时可将衬底(Si或玻璃)放入无水酒精和丙酮溶液中，用超声波发生器进行清洗两至三遍。将衬底放进溅射腔内，抽真空，本底真空度降到3.0×10-5Pa以下时(一般真空度越高越好)，通氩气。氩气压通常维持在0.3-0.4Pa。采用直流溅射方式，在玻璃或硅等衬底上制备缓冲层Ta，接着关掉Ta靶和氩气阀门，停止溅射。将溅射系统抽回至3.0×10-5Pa，然后再次通入氩气，并仍保持氩气压在0.3-0.4Pa，启辉Cu靶和铁磁材料(如Co、Fe、Ni等)靶，并依次溅射铁磁层、Cu层、铁磁层三层膜结构，然后再溅射反铁磁层和覆盖层Ta，静置后开腔，取出样品并测量。
本发明方法中，缓冲层和覆盖层Ta的溅射速率可控制为0.5-2/s。铁磁层和隔离层Cu的溅射速率分别控制为0.5-3/s。反铁磁层的溅射速度控制为0.2-3/s，其中NiO的溅射速率可为0.2-1/s，FeMn、IrMn和PtMn的溅射速率为0.5-3/s。
本发明对传统的自旋阀制备方法进行了改进，提出了两步法制备自旋阀。由于该方法对各种自旋阀的性能都有所改善(巨磁电阻提高1-2％)，因此本发明将对超高密度磁记录技术具有重大的潜在应用价值。
图1.玻璃/Ta(5nm)/Co(3.5nm)/Cu(3.5nm)/Co(3.5nm)/FeMn(8nm)/Ta(4nm)自旋阀，比较两种制备方法的巨磁电阻效应。
图2.玻璃/Ta(5nm)/Co(3.5nm)/Cu(3.5nm)/Co(3.5nm)/NiO(30nm)/Ta(4nm)自旋阀，比较两种制备方法的巨磁电阻效应。
图3.Si(100)/Ta(5nm)/Co(3.5nm)/Cu(3.5nm)/Co(3.5nm)/NiO(30nm)/Ta(4nm)自旋阀，比较两种制备方法的巨磁电阻效应。
其中虚线为改进后的巨磁电阻值，实线为传统办法的巨磁电阻值具体实施方式
实施例1玻璃/Ta(5nm)/Co(3.5nm)/Cu(3.5nm)/Co(3.5nm)/FeMn(8nm)/Ta(4nm)自旋阀的制备(括号内数值为厚度，下同)。
用计算机控制的多功能磁控溅射设备制备衬底/Ta(5nm)/Co(3.5nm)/Cu(3.5nm)/Co(3.5nm)/FeMn(8nm)/Ta(4nm)结构的自旋阀，其中采用玻璃作为衬底，FeMn作反铁磁材料。溅射系统的真空度、氩气压力和溅射流程同前。缓冲层和覆盖层Ta的溅射速率1.0/s，Co和Cu的溅射速率分别为2.1/s和1.8/s，FeMn的溅射速率为1.3/s。为了比较，又采用传统的方法制备，用四探针方法测量了样品的巨磁电阻效应。如图1所示给出室温时样品的实验曲线，传统方法和两步法制备的样品的巨磁电阻效应分别为2.5％和4.8％。
实施例2.玻璃/Ta(10nm)/Co(2nm)/Cu(2nm)/Co(2nm)/NiO(30nm)/Ta(4nm)自旋阀的制备。
用计算机控制的多功能磁控溅射设备制备衬底/Ta(10nm)/Co(2nm)/Cu(2nm)/Co(2nm)/NiO(30nm)/Ta(4nm)结构的自旋阀，其中采用玻璃作为衬底，NiO作为反铁磁材料。溅射系统的真空度、氩气压力和溅射流程同前。缓冲层和覆盖层Ta的溅射速率0.5/s，Co和Cu的溅射速率分别为0.8/s和1/s，FeMn的溅射速率为0.45/s。为了比较，又采用传统的方法制备，用四探针方法测量了样品的巨磁电阻效应。如图2所示，室温时样品的实验曲线，传统方法和两步法制备的样品的巨磁电阻效应分别为6.5％和7.8％。
实施例3. Si(100)/Ta(5nm)/Co(10nm)/Cu(2nm)/Co(10nm)/NiO(30nm)/Ta(4nm)自旋阀的制备。
用计算机控制的多功能磁控溅射设备制备了衬底/Ta(5nm)/Co(10nm)/Cu(2nm)/Co(10nm)/NiO(30nm)/Ta(4nm)自旋阀，其中采用Si(100)作为衬底，NiO作为反铁磁材料。溅射系统的真空度、氩气压力和溅射流程同前。缓冲层和覆盖层Ta的溅射速率2/s，Co和Cu的溅射速率分别为3/s，NiO的溅射速率为1/s。为了比较，再采用传统的方法制备，用四探针方法测量了样品的巨磁电阻效应。如图3所示，室温时样品的实验曲线，传统方法和两步法制备的样品的巨磁电阻效应分别为6.2％和7.5％。
本发明中，铁磁层采用Ni或Fe，反铁磁层采用IrMn或PtMn等都能获得与上述实施例类似的结果。
权利要求
1.一种自旋阀的制备方法，其特征在于用真空镀膜方法，在衬底测射形成缓冲层，停止沉积；10分钟-10小时之后，继续依次溅射铁磁层、Cu层、铁磁层、反铁磁层和覆盖层；其中缓冲层为Ta，厚度为0.5-10纳米，铁磁层采用Fe、Co、Ni或它们的合金之一种，厚度为0.5-10纳米，两层铁磁层之间的隔离层Cu，厚度为1.5-3.5纳米，反铁磁层采用NiO、FeMn、IrMn，、PtMn之一种，厚度为2-30纳米，覆盖层采用Ta，厚度为1-20纳米。
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于溅射系统的本底真空度为3.0×10-5Pa以下，氩气气氛，氩气压力为0.3-0.4Pa。
3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于缓冲层和覆盖层Ta的溅射速率为0.5-2/s，铁磁层和隔离层Cu的溅射速率分别为0.5-3/s，反铁磁层的溅射速度为0.2-3/s。
4.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于反铁磁层中，NiO的溅射速率分别为0.2-1/s，FeMn、IrMn和PtMn的溅射速率为0.5-3/s。
5.根权利要求1的所述的制备方法，其特征在于所述衬底为玻璃或单晶硅。
全文摘要
本发明属磁电子学和磁记录技术领域，具体为一种制备自旋阀的新方法。不同于传统的连续生长，首先在衬底上生长一层Ta缓冲层，然后停止溅射，约一段时间之后，继续溅射铁磁/Cu/铁磁，及反铁磁层和覆盖层，其中铁磁可以是铁、钴、镍及其合金，反铁磁可以是铁锰，氧化镍，铱锰及铂锰。由此完成的自旋阀的巨磁电阻效应比连续生长自旋阀的性能得到明显的提高。这种改善的制备方法有助于进一步提高和改善自旋阀巨磁电阻的灵敏度。
文档编号C23C14/18GK1603454SQ20041006758
公开日2005年4月6日 申请日期2004年10月28日 优先权日2004年10月28日
发明者周仕明, 王磊, 杨德政 申请人:复旦大学