专利名称：用于霍尔元件的新型薄膜材料的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种薄膜材料及其制备方法，特别是一种可以应用于霍尔元件磁敏感 活性层的Fe2.95Pt。.。504薄膜材料及其制备方法。
背景技术：
霍尔元件是利用活性层材料的霍尔效应测量磁场的一种磁传感器件，由活性层、 电极及保护它们的封装组成。目前，全世界对霍尔器件的年需求量在10亿只以上，已在无 刷电机、齿轮转速检测、过程控制中的无触点开关、定位开关，汽车的安全装置ABS(防抱死 制动系统)，汽车发动机点火定时，电流电压传感器等领域得到广泛应用。其特点是无触点 传感，可靠性高，用以检测电流电压，无插入损耗，且实现输入和输出信号的完全隔离、无过 载损坏等。在磁性材料及测磁仪器的研究、地磁场图的精确绘制、地质勘探、航海、航空、航 天等领域都有十分重要的用途。 目前，霍尔元件中的活性层材料一般都采用硅、锑化铟、砷化铟等半导体材料，元 件的尺寸较大，在亚毫米量级。又由于半导体材料的载流子浓度、迁移率等特征参数随温 度变化很大，使霍尔元件的霍尔电阻率随温度变化很大，霍尔元件工作温度受到限制。例 如， 一般霍尔元件的工作温度是-40°C到150°C ，如果要在更宽的温度范围内，例如-270°C 到20(TC工作，必须组合使用多种型号的霍尔元件，这就进一步加大了霍尔元件的尺寸，也 使元件成本大大增加。为克服半导体活性层材料体积大、成本高、制备工艺复杂等缺点，必 须寻找一种工作温度宽、体积小、制备简单的替代材料。 磁性薄膜材料中存在反常霍尔效应，某些磁性薄膜的反常霍尔系数已经与常规的 半导体霍尔器件的霍尔系数接近；并且这类材料具有较高的温度稳定性，制备简单，能够克 服半导体霍尔材料工作温度范围窄、制备工艺复杂的缺点，提供了一种新的霍尔元件活性 层材料。以这类磁性薄膜为活性层，霍尔元件的尺寸将降至亚微米量级。
然而，以磁性薄膜作为活性层时也存在一些问题。 一方面，为了尽量减小元器件尺 寸，必须降低活性层的厚度。对于一般的磁性薄膜材料，当厚度减小到一定临界值(一般为 纳米尺度)以下时，材料有可能进入超顺磁态，此时磁化强度大大降低，霍尔电阻率也随之 大大降低，从而有可能使霍尔元件失效；另一方面，作为活性层材料的磁性薄膜一般电阻率 较大，导电性差，因此需要更高的输入电压，这在实际应用中增加了功率损耗，降低了元件 的使用寿命。可见，必须寻找到一种新型的霍尔元件磁性活性层材料，使得其在厚度为纳米 级(500纳米以下)的情况下仍保持较高的霍尔系数、较小的电阻率且具有良好的性能(高 线性度等)。
发明内容
为了解决传统的半导体霍尔元件体积大、工作温度范围窄、导电性差等问题，寻 找一种更加经济实用、能够在更宽的磁场范围内保持线性度的霍尔器件磁敏感层材料， 本发明提供了一种全新的可以作为活性层的纳米多晶薄膜及其制备方法，其化学式为Fe2.95Pt。. 。503。发明人发现，使用该方法制备的Fe2.95Pt。. 。503薄膜在2K-500K温度范围内霍尔 电阻率较高且大小几乎不变，同时该薄膜电阻率较低，导电性好，并且线性度较好，体积小； 即将此？62.95 ^.。503薄膜材料作为活性层应用于霍尔元件中，得到了一种性能优异的全新
的霍尔元件。该？62.9#。.。503薄膜的制备方法简单易行，容易控制，易于产业化，可以作为半
导体的替代材料应用于霍尔元件的磁敏感活性层。所制备的霍尔元件具有性能稳定，检测 范围宽等优点。 本发明提供的纳米晶Fe2.95Pt。.。503薄膜磁敏材料的厚度在4 400纳米，优选薄膜 厚度8 350纳米，最优选10 200纳米。 本发明提供的纳米晶Fe2.95Pt。.。503薄膜磁敏材料的制备方法可以采用磁控溅射、 脉冲激光沉积、离子束溅射、化学气相沉积等常规的薄膜制备方法；电极层可以位于活性层 之下(薄膜与基片之间)，也可以位于活性层之上，电极层材料为金属，厚度可以根据需要 调整，制备方法为常规的薄膜制备方法；活性层和电极的形状可以根据霍尔元件的需要制 备，比如"十"字形，正方形，长方形等；保护层为稳定性较好的材料。 本发明提供的纳米晶Fe2.95Pt。.。503薄膜磁敏材料的制备方法可以经过下述步骤
1)用光刻和掩膜的方法在基片上形成为了沉积薄膜的"十"字形图案，如图l(a) 所示。图中阴影部分为所要沉积的薄膜的图案，图案中心正方形的边长在0. 3 1. 0微米， 中心正方形的四个边上突出部分的长度为0. 2微米； 2)采用通用的超高真空磁控溅射镀膜机，在背底真空度小于5. 0X10—5Pa时，将 纯度大于99. 999%的高纯度的Ar气和02气的混合气体通入真空室，其中Ar气流量为 10sccm， 02气流量为2. 7sccm ; 3)待真空度下降为1. OPa以下，将超高真空闸板阀的开启度设定为20% ;在铁靶 上加以设定为475W的直流功率，在铂靶上加以设定为50W的直流功率，预溅射5分钟；
4)打开铁靶、钼靶和基片的挡板，基片以20转/分钟的速度匀速旋转，控制溅射时 间在0. 5 20分钟成膜，即得到所需的纳米晶Fe2.95Pt。.。503薄膜磁敏材料。
本发明提供的纳米晶？62.95 ^.。503薄膜磁敏材料的制备方法步骤4中，通过控制不 同的溅射时间来控制不同的成膜厚度。 本发明还提供了一种全新的霍尔元件，由在基片上形成的纳米晶Fe2.95Pt。.。503薄 膜磁敏材料作为活性层、金属电极层和保护层构成，金属电极层与活性层接触，保护层直接 覆盖活性层；所述的基片是玻璃、石英、单晶硅或单晶砷化镓。 所述的活性层Fe2.95Pt。.。503磁性薄膜的薄膜厚度在4 400纳米，优选薄膜厚度 8 350纳米，最优选10 200纳米。 所述的活性层是"十"字形。活性层的线度在0. 3 1微米；所述的金属电极层 是钛和金电极层；所述的保护层是二氧化硅保护层；所述的二氧化硅保护层的厚度为50纳 米。 本发明提供的以纳米晶Fe2.95Pt。.。503薄膜磁敏材料为活性层的霍尔元件的制备方 法是经过下述步骤 1)用光刻和掩膜的方法在基片上形成为了沉积薄膜的"十"字形图案，如图l(a) 所示。图中阴影部分为所要沉积的薄膜的图案，图案中心正方形的边长在0. 3 1. 0微米， 中心正方形的四个边上突出部分的长度为0. 2微米；
2)采用通用的超高真空磁控溅射镀膜机，在背底真空度小于5.0X10—5Pa时， 将高纯度的Ar气和02气的混合气体通入真空室，其中Ar气流量为10sccm， 02气流量为 2. 7sccm j 3)待真空度下降为1. OPa以下，将超高真空闸板阀的开启度设定为20% ;在铁靶 上加以设定为475W的直流功率，在铂靶上加以设定为50W的直流功率，预溅射5分钟；
4)打开铁靶、钼靶和基片的挡板，基片以20转/分钟的速度匀速旋转，控制溅射时 间在0. 5 20分钟成膜; 5)通过磁力转轴将样品送到副真空室，取出样品，除去光刻胶；用光刻和掩膜的
方法在基片上正方形Feu5Pt。.。A薄膜的四个边的外侧形成为了沉积四个电极的矩形图
案，如图l(b)所示。图形中的阴影部分为所要沉积的电极的图案。每个电极图案分别与正
方形Fe2.95Pt。.。503薄膜的四个边有0. 15微米的重叠部分。将样品送入真空室，连续制备50
纳米厚的钛层和500纳米厚的金层形成电极，钛靶和金靶均采用直流溅射； 6)通过磁力转轴将样品送到副真空室，取出样品，除去光刻胶；用光刻和掩膜的
方法在基片上正方形Fe^5Pt。.。503薄膜的上方形成为了沉积保护层的正方形图案，正方形
的边长在0. 5 1. 2微米，将Fe2.95Pt。.。503薄膜完全覆盖。将样品送入真空室制备二氧化硅
保护层。二氧化硅靶采用射频溅射，设定溅射功率为200W，溅射时间为10分钟。 本发明提供了一种具有反常霍尔效应的纳米晶Fe2.95Pt。.。503磁性薄膜磁敏材料，
以及一种以纳米晶Fe^5Pt。.。503磁性薄膜磁敏材料为活性层、利用磁性材料反常霍尔效应
原理工作的微型的霍尔元件。其工作温度在2K到500K(即-27rC到227°C )范围内，电阻
率在250 ii Q cm到3500 y Q cm范围内。在2K到500K的工作温度范围内，样品的线性度小
于千分之二，磁场线性度保持在_7kOe到7kOe范围内。 本发明提供的 一 种纳米晶Fe2.95Pt。. 。503薄膜磁敏材料，以及 一 种以纳米晶 Fe2.95Pt。.。503薄膜磁敏材料作为活性层的霍尔元件。所具有的纳米晶Fe2.95Pt。.。503薄膜与传 统的半导体材料相比，具有电阻率低、工作温度范围宽、线性度好、体积小等优点，而且制备 简单，因而在航空、航天、军事等领域具有广阔的应用前景。 文中单位sccm指"standard cubic centimeter per minute，，，艮卩标准状态毫升/ 分(1ml = 1cm3)，标准状态为0°C， latm。
图1阴影部分是制备纳米晶Fe2.95Pt。.。503薄膜活性层和电极的图案。
图2是活性层厚度为200纳米的纳米晶Fe2.95Pt。.。503薄膜磁敏活性层霍尔元件在 不同温度下的霍尔电阻率随磁场的变化。插图(a)是该霍尔元件的饱和霍尔电阻率随温度 的变化关系，插图(b)是该霍尔元件的线性度与温度的关系。
具体实施例方式
下面将通过具体实施例对本发明作进一步的说明。
实施例1 1、活性层图案的制备。用掩膜的方法在石英基片上形成为了沉积薄膜的"十"字 形图案，如图1(a)所示。图中阴影部分无光刻胶，图案中心正方形的边长在l.O微米，中心正方形的四个边上突出部分的长度为0. 2微米； 2、室温下通入氩气和氧气。采用中国科学院沈阳科仪中心的DPS-III型超高真空 磁控溅射镀膜机(自带的计算机控制软件)，在背底真空度小于5. OX 10—5Pa时，将高纯度的 Ar气和02气的混合气体通入真空室。其中Ar气流量为10sccm， 02气流量为2. 7sccm。待 真空度下降为l.OPa左右时，利用设备自带的计算机控制软件，将超高真空闸板阀的开启 度设定为20% ; 3、预溅射。向纯度为99.99X的铁靶上加以设定为475W的直流功率，向纯度为 99. 99%的铂耙上加以设定为50W的直流功率，预溅射5分钟； 4、溅射成膜。打开石英基片的挡板，基片以20转/分钟的速度匀速旋转，控制溅
射时间在10分钟；即得到一定厚度的纳米晶Fe2.95Pt。.。503薄膜磁敏材料。 5、制备电极。通过磁力转轴将样品送到副真空室，取出样品，除去光刻胶；用掩
膜的方法在基片上正方形Fe^5Pt。.。503薄膜的四个边的外侧形成为了沉积四个电极的矩
形图案，如图l(b)所示。图形中的阴影部分未涂光刻胶。每个电极图案分别与正方形
Fe2.95Pt。.。503薄膜的四个边有0. 15微米的重叠部分。将样品送入真空室，连续制备50纳米
厚的钛层和500纳米厚的金层形成电极，钛靶和金靶均采用直流溅射； 6、制备保护层。通过磁力转轴将样品送到副真空室，取出样品，除去光刻胶；用掩
膜的方法在基片上正方形Fe^5Pt。.。503的上方形成为了沉积保护层的正方形图案，正方形
的边长在0. 5 1. 2微米，将Fe2.95Pt。.。503完全覆盖。将样品送入真空室制备二氧化硅保护
层。二氧化硅靶采用射频溅射，利用计算机控制程序，设定溅射功率为200W，溅射时间为10
分钟，得到霍尔元件。 采用Dektak 3表面形貌仪测量得到活性层薄膜厚度为200nm，经过X射线衍射分 析和X射线光电子能谱分析表明薄膜的主要成分为Fe2.95Pt。.。503。 利用美国Quantum Design公司生产的物理性质测量仪PPMS-9，在2K 500K 的温度范围内对霍尔元件的电阻率进行测量。结果表明，样品的电阻率在950y Qcm 1150 ii Qcm范围内，大小和变化范围均小于通常的半导体及FeNi-Si02、 Ni_Si02、 Co_Si02 等颗粒薄膜材料。 利用美国Quantum Design公司生产的物理性质测量仪PPMS-9，在2K 500K的温 度范围内对霍尔元件的饱和霍尔电阻率进行测量，结果见图2插图(a)。饱和霍尔电阻率随 温度的变化反映了霍尔元件性能的稳定性。饱和霍尔电阻率随温度的变化越小，表明霍尔 元件的温度稳定性越强，工作温度范围越宽。结果表明，在2K 500K的温度范围内，饱和 霍尔电阻率的值变化了 12X，而在同样条件下，Ni-Si02颗粒薄膜材料的霍尔电阻率变化了 80%。 利用美国Quantum Design公司生产的物理性质测量仪PPMS-9，在-7kOe到7kOe 的磁场范围内，在2K 500K的温度范围内，对霍尔元件的线性度进行测量。传感器的线性 度表征着器件对不同磁场的测量精度。在_7kOe到7kOe的磁场范围内，每个温度下测得的 本霍尔元件霍尔电阻率与磁场均保持很好的线性关系，结果见图2。为定量表示测量曲线的 线性度，采用线性拟合的方法，得出不同温度下的最大相对误差。在2K 500K的温度范围 内，样品的线性度小于十万分之二，结果见图2插图(b)。
实施例2
1、活性层图案的制备同实施例1步骤1 ;
2 、室温下通入氩气和氧气，同实施例1步骤2 ;
3 、预溅射同实施例1步骤3 ; 4、溅射成膜。打开石英基片的挡板，基片以20转/分钟的速度匀速旋转，控制溅 射时间分别为0. 5分钟、2分钟和20分钟，制得样品I、 II和III ;
5、电极的制备方法同实施例1步骤5 ;
6、保护层的制备方法同实施例1步骤6 ; 采用Dektak 3表面形貌仪测量得到活性层的厚度，结果列于表1中。利用美国Quantum Design公司生产的物理性质测量仪PPMS-9，在2K 500K的温
度范围内对霍尔元件I、 II和III的电阻率进行测量，结果列于表1中。利用美国Quantum Design公司生产的物理性质测量仪PPMS-9，在2K 500K的温
度范围内对霍尔元件的饱和霍尔电阻率进行测量，三个霍尔元件的饱和霍尔电阻率变化范
围分别列于表l中。利用美国Quantum Design公司生产的物理性质测量仪PPMS-9，在_7k0e到7k0e 的磁场范围内，在2K 500K的温度范围内，对霍尔元件的线性度进行测量。三个霍尔元件 的线性度的变化和保持线性度的磁场范围分别列于表1中。
表1霍尔元件I、 II和III的性能参数。
样品编 号活性层厚度 (nm)电阻率 (U Q cm)霍尔电阻率的变化 (%)线性度 (%"保持线性度的磁场 (kOe)
I42300 3500280. 01-7 7
II401720 2260190. 01-7 7
III400250 42081. 2-7 7
8
权利要求
一种纳米晶薄膜磁敏材料，其特征在于化学式为Fe2.95Pt0.05O3，其薄膜厚度在4～400纳米。
2. 如权利要求1所述的纳米晶薄膜磁敏材料，其特征在于薄膜厚度优选8 350纳米。
3. 如权利要求1或2任一所述的纳米晶薄膜磁敏材料，其特征在于所述的薄膜厚度最 优选10 200纳米。
4. 如权利要求1或2任一所述的纳米晶薄膜磁敏材料，其特征在于该纳米晶 Fe2.95Pt。.。503薄膜磁敏材料的制备方法经过下述步骤1) 用光刻和掩膜的方法在基片上形成为了沉积薄膜的"十"字形图案，图案中心正方形 的边长在0. 3 1. 0微米，中心正方形的四个边上突出部分的长度为0. 2微米；2) 采用通用的超高真空磁控溅射镀膜机，在背底真空度小于5. 0X 10—5Pa时，将纯度大 于99. 999%的高纯度的Ar气和02气的混合气体通入真空室，其中Ar气流量为10sccm， 02 气流量为2. 7sccm ;3) 待真空度下降为1. 0Pa以下，将超高真空闸板阀的开启度设定为20% ;在铁靶上加 以设定为475W的直流功率，在铂靶上加以设定为50W的直流功率，预溅射5分钟；4) 打开铁靶、钼靶和基片的挡板，基片以20转/分钟的速度匀速旋转，控制溅射时间在 0. 5 20分钟成膜，即得到所需的纳米晶Fe2.95Pt。.。503薄膜磁敏材料。
5. —种霍尔元件，其特征在于它是由在基片上形成的纳米晶Fe2.95Pt。.。503薄膜磁敏材 料作为活性层、金属电极层和保护层构成，金属电极层与活性层接触，保护层直接覆盖活性 层；所述的基片是玻璃、石英、单晶硅或单晶砷化镓；所述？62.95 ^.。503磁性薄膜的薄膜厚度 在4 400纳米。
6. 如权利要求5所述的霍尔元件，其特征在于所述的活性层Fe2.95Pt。.。503磁性薄膜，薄 膜厚度优选8 350纳米。
7. 如权利要求5或6任一所述的霍尔元件，其特征在于所述的薄膜厚度最优选10 200纳米。
8. 如权利要求5或6任一所述的霍尔元件，其特征在于所述的活性层是"十"字形。
9. 如权利要求5或6任一所述的霍尔元件，其特征在于所述的活性层的线度在0. 3 1微米；所述的金属电极层是钛和金电极层；所述的保护层是二氧化硅保护层；所述的二氧 化硅保护层的厚度为50纳米。
10. 如权利要求5或6任一所述的霍尔元件，其特征在于所述的霍尔元件的制备方法是 经过下述步骤1) 用光刻和掩膜的方法在基片上形成为了沉积薄膜的"十"字形图案，图案中心正方形 的边长在0. 3 1. 0微米，中心正方形的四个边上突出部分的长度为0. 2微米；2) 采用通用的超高真空磁控溅射镀膜机，在背底真空度小于5. 0X 10—5Pa时，将纯度大 于99. 999%的高纯度的Ar气和02气的混合气体通入真空室，其中Ar气流量为10sccm， 02 气流量为2. 7sccm ;3) 待真空度下降为l.OPa以下，将超高真空闸板阀的开启度设定为20% ;在铁靶上加 以设定为475W的直流功率，在铂靶上加以设定为50W的直流功率，预溅射5分钟；4) 打开铁靶、钼靶和基片的挡板，基片以20转/分钟的速度匀速旋转，控制溅射时间在 0. 5 20分钟成膜;5) 通过磁力转轴将样品送到副真空室，取出样品，除去光刻胶；用光刻和掩膜的方法 在基片上正方形Fe^5Pt。.。A薄膜的四个边的外侧形成为了沉积四个电极的矩形图案，每 个电极图案分别与正方形Fe^5Pt。.。A薄膜的四个边有0. 15微米的重叠部分。将样品送入 真空室，连续制备50纳米厚的钛层和500纳米厚的金层形成电极，钛靶和金靶均采用直流6) 通过磁力转轴将样品送到副真空室，取出样品，除去光刻胶；用光刻和掩膜的方法 在基片上正方形Fe2jPt。.。503薄膜的上方形成为了沉积保护层的正方形图案，正方形的边 长在0. 5 1. 2微米，将Fe2.95Pt。.。503薄膜完全覆盖。将样品送入真空室制备二氧化硅保护 层。二氧化硅靶采用射频溅射，设定溅射功率为200W，溅射时间为10分钟。
全文摘要
一种薄膜材料及其制备方法，特别是一种可以应用于霍尔元件磁敏感活性层的Fe2.95Pt0.05O4薄膜材料及其制备方法。所涉及的纳米晶Fe2.95Pt0.05O4磁敏感薄膜厚度在4～400纳米；所涉及的纳米晶Fe2.95Pt0.05O4薄膜与传统的半导体薄膜相比，具有电阻率低、工作温度范围宽、线性度好、体积小等优点，而且制备简单、成本低，因而在航空、航天、军事等领域具有广阔的应用前景。
文档编号H01L43/06GK101789488SQ20101012310
公开日2010年7月28日 申请日期2010年3月12日 优先权日2010年3月12日
发明者刘晖, 李鲁艳, 程雅慧, 罗晓光 申请人:南开大学