專利名稱：利用表面活化劑提高各向異性磁電阻靈敏度的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及磁性薄膜材料領(lǐng)域，特別是涉及高靈敏磁電阻薄膜材料及其制備方法。
背景技術(shù)：
磁電阻材料主要指具有磁電阻效應(yīng)的材料，所謂磁電阻效應(yīng)是指材料在外磁場作用下其電阻值發(fā)生變化的現(xiàn)象。目前實際應(yīng)用中的磁電阻薄膜材料主要有各向異性磁電阻材料、巨磁電阻材料、隧道磁電阻材料等。每種磁電阻材料及器件都有自己的特點，適應(yīng)于相應(yīng)的領(lǐng)域。坡莫合金(NiFe)作為一種傳統(tǒng)的各向異性磁電阻(AMR)材料,具有優(yōu)異的軟磁性能和較好的磁各向異性，這使其在地磁導(dǎo)航領(lǐng)域取得了重要應(yīng)用。近年來，由于對地磁場研究的日益重視,作為非常重要的一類地磁探測材料和器件，NiFe各向異性磁阻薄膜材料和器件又弓I起了人們強(qiáng)烈的研究興趣。NiFe由于其基于各向異性磁電阻效應(yīng)的物理機(jī)制,使得磁電阻效應(yīng)偏低或磁場靈敏度偏小，其AMR值僅在3%左右(VAN ELST H C，Physica，25，708 (1959))。為了實現(xiàn)先進(jìn)的地磁傳感器的高靈敏度和低噪聲等特點，要求NiFe薄膜必須做的很薄，矯頑力很小，且AMR值盡可能大(B. Dieny,M. Li, S. H. Liao, C. Horng, and K. Ju, J. Appl. Phys. 88,4140 (2000))。為了保證超薄的NiFe薄膜具有更大的磁電阻變化率及更高的磁場靈敏度，以適應(yīng)高靈敏度地磁導(dǎo)航磁傳感器的需要，采取適當(dāng)措施改進(jìn)超薄NiFe薄膜的性能成為關(guān)鍵。文獻(xiàn)ff. Y. Lee,M. Toney,P. Tameerug,E. Allen and D. Mauri, J. Appl. phys. 87,6992 (2000)報道，利用NiFeCr或NiCr做種子層制備出12nm厚NiFe薄膜的AMR值在3. 2 %，但熱處理后，磁場靈敏度沒有顯著提高；在文獻(xiàn) L. Ding, J. Teng, Q, Zhan, C. Feng, M. H. Li. G. Han, L. J. Wang,G. H. Yu, S. Y. Wang, AppI. Phys. Lett. 94，162506(2009)中設(shè)計了 Ta/Al203/NiFe/Al203/Ta 結(jié)構(gòu)超薄薄膜，發(fā)現(xiàn)材料及相關(guān)器件的磁場靈敏度與傳統(tǒng)NiFe材料及相關(guān)元件相比有明顯提高，基本上與自旋閥材料靈敏度相當(dāng)。這種結(jié)構(gòu)的各向異性磁電阻薄膜雖然可以用來制作有關(guān)磁電阻器件，但由于該結(jié)構(gòu)最佳性能獲得需要在較高溫度下(380°C)長時間(2h)退火才能實現(xiàn)，在實際生產(chǎn)中這將導(dǎo)致成本大大增加。如何進(jìn)一步提高磁場靈敏度并同時減少退火溫度和退火時間以減少生產(chǎn)成本成為一個亟待解決的問題。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提出將表面活化劑Bi插 入Al2O3與NiFe界面處,并在磁場下進(jìn)行低溫快速退火，由于Bi作為一種表面活化劑可以使其后沉積的NiFe晶粒明顯細(xì)化，在較小飽和場下達(dá)到飽和；同時由于Bi的存在，其對Al2O3與NiFe界面會有一定的改善，增加自旋電子在界面處的鏡面反射作用，使各向異性磁電阻薄膜在較低退火溫度和退火時間下靈敏度即可達(dá)到最大。本發(fā)明是在Ta/Al203/NiFe/Al203/Ta結(jié)構(gòu)中的Al2O3層和NiFe層之間插入少量的表面活化劑Bi，并在磁場下進(jìn)行低溫快速退火，以制備出性能改進(jìn)的各向異性磁電阻薄膜。制備過程是在磁控濺射儀中進(jìn)行。在清洗干凈的單晶硅基片上依次沉積鉭Ta(50 100A)/ 氧化鋁 Al2O3 (10 30A ) / 鉍 Bi (2 5A ) / 鎳鐵 NiFe (70 120A ) / 鉍 Bi (2 5A ) / 氧化鋁Al2O3 (10 30A ) /鉭Ta (50 100A )，Ta層分別作為緩沖層和防氧化保護(hù)層。沉積薄膜時本底真空度為2X 10_5 5X 10_5Pa，濺射時氬氣壓為0. 4 0. 7Pa ；，基片用循環(huán)水冷卻，平行于基片方向加有200 2500e的磁場，以誘發(fā)一個易磁化方向。薄膜制備后立即在真空退火爐中進(jìn)行磁場下退火，退火爐本底真空度為2X 10_5 5X 10_5Pa，退火溫度200 250 °C，退火時間為5 10分鐘，退火場500 8000e。本發(fā)明由于采用表面活化劑Bi插入各向異性磁電阻薄膜中，在低溫短時退火條件下，可以起到細(xì)化晶粒和改善NiFe界面的作用，既可提高各向異性磁電阻薄膜的磁場靈敏度，又可同時降低生產(chǎn)成本，適用于未來超高靈敏磁電阻傳感元件的生產(chǎn)。


圖I為各向異性磁電阻薄膜鉭Ta ( 70A ) /氧化鋁Al2O3 ( 20A ) /鉍Bi(xA)/ 鎳鐵 NiFe ( 90A ) / 鉍 Bi ( X A ) / 氧化鋁 Al2O3 ( 20A ) / 鉭 Ta ( 70A )在 220 V 下退火8分鐘時的磁場靈敏度同插入Bi層厚度X的關(guān)系曲線。
具體實施例方式在磁控濺射儀中制備各向異性磁電阻薄膜。首先將單晶硅基片用有機(jī)化學(xué)溶劑和去離子水超聲清洗，然后裝入濺射室樣品基座上?；醚h(huán)水冷卻，平行于基片方向加有2300e的磁場。濺射室本底真空4X 10_5Pa，在濺射時氬氣壓為0. 5Pa的條件下依次沉積鉭 Ta ( 70A) / 氧化鋁 Al2O3 ( 20A ) / 鉍 Bi ( 4A ) / 鎳鐵 NiFe ( 90A) / 鉍 Bi ( 4A)/氧化鋁A1203( 20A ) /鉭Ta( 70A )。薄膜制備后立即在真空退火爐中進(jìn)行磁場下退火，退火溫度為220°C，退火時間為8分鐘，退火場6000e。從圖1磁場靈敏度同插入Bi層厚度X的關(guān)系曲線中可以看出，插入4A厚的活化劑Bi時各向異性磁電阻薄膜的磁場靈敏度與不插入活化劑Bi時相比提高了 70%以上。
權(quán)利要求
1.一種利用表面活化劑提高各向異性磁電阻靈敏度的方法，在磁控濺射儀中，在清洗干凈的單晶硅基片上依次沉積Ta、A1203、Bi, NiFe, Bi、A1203、Ta，制備后薄膜立即在磁場下進(jìn)行低溫快速退火，其特征在于所述退火爐本底真空度為2X10_5 5X10_5Pa，退火溫度200 250°C，退火時間為5 10分鐘，退火場500 8000e。
2.如權(quán)利要求I所述的利用表面活化劑提高各向異性磁電阻靈敏度的方法，其特征在于，沉積薄膜時各層厚度依次是50 IOOA鉭Ta、10 30A氧化鋁Al203、2 5A鉍Bi、70 120A鎳鐵 NiFe、2 5A鉍 Bi、10 30A氧化鋁 Al2O3 和 50 100A鉭 Ta。
全文摘要
一種利用表面活化劑提高各向異性磁電阻靈敏度的方法，涉及磁性薄膜材料領(lǐng)域。本方法是在清洗干凈的單晶硅基片上依次沉積鉭Ta(50～)/氧化鋁Al2O3(10～)/鉍Bi(2～)/鎳鐵NiFe(70～)/鉍Bi(2～)/氧化鋁Al2O3(10～)/鉭Ta(50～)，并在磁場下進(jìn)行低溫快速退火。本發(fā)明由于采用表面活化劑Bi插入Al2O3與NiFe界面，并進(jìn)行磁場下低溫快速退火，明顯降低了NiFe的飽和場，提高了磁場靈敏度，同時降低了生產(chǎn)成本，適用于未來超高靈敏磁電阻傳感元件的生產(chǎn)。
文檔編號H01F10/14GK102623132SQ201210100658
公開日2012年8月1日 申請日期2012年3月30日 優(yōu)先權(quán)日2012年3月30日
發(fā)明者丁雷, 于廣華, 向道平, 魏要麗 申請人:海南大學(xué)