專利名稱：一種改善各向異性磁電阻坡莫合金薄膜性能的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于磁性薄膜領(lǐng)域，涉及磁電阻薄膜的制備方法，特別是涉及各向異性 磁電阻坡莫合金薄膜的制備。
背景技術(shù)：
各向異性磁電阻(Anisotropic Magnetoresistance， AMR)薄膜材料可用作測量磁 場的磁傳感器。和其它磁場傳感器如霍爾器件、半導(dǎo)體磁敏電阻相比，AMR傳感器 具有靈敏度高、體積小、可靠性高、溫度特性好、工作頻率高、耐惡劣環(huán)境能力強、 以及易于與數(shù)字電路匹配等優(yōu)點。它不僅可以應(yīng)用于信息處理領(lǐng)域，同時在自動控 制、航空航天、導(dǎo)航、軍事等領(lǐng)域都有著廣泛的用途。即使在今天，許多公司和科 研院所仍在拓展AMR器件的應(yīng)用領(lǐng)域。尤其值得強調(diào)的是，AMR薄膜可以在硅片 上大量制備，并直接嵌入商業(yè)化集成電路單元中，因此可以實現(xiàn)磁傳感器和其他電 路或系統(tǒng)部件之間的一體化組裝。
要制成能夠應(yīng)用的磁傳感器，要求在降低AMR薄膜厚度的同時，AMR薄膜仍 有較大的Ap/p值。但是AMR薄膜的Ap/p隨薄膜厚度的減小而急劇下降，如15nm 厚NiFe薄膜的Ap/p小于2M,不利于AMR器件的應(yīng)用。因此，在較小厚度下有較 大Ap/p值的AMR薄膜的制備是一項非常關(guān)鍵的工作，它是AMR器件應(yīng)用的基礎(chǔ)。 目前國際上還在不斷地挖掘AMR薄膜的潛力，提高其磁場靈敏度、降低噪音等，以 擴大其應(yīng)用領(lǐng)域。為了達到這個目的，AMR坡莫合金薄膜必須沉積的更薄，矯頑力 更小，且AMR值盡可能大。通過合適的緩沖層，高溫沉積和退火等方法可以改善坡 莫合金薄膜的性能。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明目的是提供一種薄膜厚度更薄，矯頑力更小，且AMR值更大的各向異性 磁電阻坡莫合金薄膜。
經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)，在制備N^Few薄膜材料過程中，濺射一定厚度的(NkF^9)64Cr36 緩沖層能夠用以誘導(dǎo)強的(111) Ni8iFe^衍射峰，進而提高薄膜材料的AMR性能。 在濺射緩沖層的同時再在Ni8,Few表面沉積Al203納米氧化層，利用納米氧化層的"鏡
面散射"作用改善薄膜中輸運電子的散射途徑，延長電子的自由程，進而達到提高 Ni81Fe19薄膜AMR值的目的。
一種改善各向異性磁電阻坡莫合金薄膜性能的方法，其特征是采用原子百分比， 用(Ni81Fe19) 64&36做緩沖層，在Nis,Few表面沉積Al203納米氧化層。實施方案是， 濺射靶材為N^Few靶，Cr靶，Ta耙，八1203陶瓷靶，緩沖層(Ni81Fe19) 64036是由 NisiFew耙和Cr靶共濺射方法制備，納米氧化層采用直接濺射氧化物靶材的方法。 在濺射前通入鍍膜室99.99%純度氬氣0.5 1小時，維持在氣壓0. 1 0.5 Pa;化學分 析確定最終沉積薄膜成分為81M: 19Fe,并且控制薄膜雜質(zhì)含量小于0.1%。
薄膜結(jié)構(gòu)為(Ni81Fe19) 64Cr36 (1.0 13.0 nm) /Ni8iFe19(10.0 200.0 nm) / A1203 (1.0 3.0nm)/Ta(5.0 9.0nm)，具體制備過程是在磁控濺射儀中進行，在清洗干凈的 玻璃基片或單晶硅基片上依次沉積緩沖層(Ni81Fe19) 64Cr36，然后沉積Ni81Fe19、 A1203 納米氧化層和Ta;Ta層作防氧化保護層。濺射室本底真空度為1X10—5 6Xl(T5Pa， 濺射前通入鍍膜室99.99%純度氬氣0.5 1小時，維持在氣壓0. 1 0.5 Pa;濺射時 99.99%純度的高純氬氣氣壓為0.4 2.7 Pa，濺射沉積速率為0.03 0.33 nm/分鐘； 基片用循環(huán)去離子水冷卻，平行于基片平面方向加有150 300 Oe的磁場，以誘發(fā) 一個易磁化方向，并且基片始終以8 30轉(zhuǎn)/分鐘的速率旋轉(zhuǎn)，薄膜厚度由濺射時間 控制。緩沖層(Ni81Fe19) 64&36亦可用Ta層代替作為緩沖層。
與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明使得在薄膜很薄時，如薄膜為20nmNi81Fe19，具有較高 的各向異性磁電阻值，可以達到2.75%。另外，由于濺射前通入鍍膜室99.99%純度 氬氣0.5 1小時、并維持在氣壓0.1 0.5 Pa，這就有可能使得沉積室壁殘留雜質(zhì)氣 體很少，所以薄膜的各向異性磁電阻AMR值就比沒有采取這種工藝的薄膜AMR值 得到了提高。
本發(fā)明方法制備的薄膜材料能夠使得薄膜很薄時具有較高的各向異性磁電阻值 和低矯頑力、低晶體各向異性、大的磁化強度和低磁致伸縮等綜合性能，以滿足磁 傳感器的性能和產(chǎn)品需求。


圖1中(a)、 (b)曲線分別是以Ta和(Ni81Fe19) 64Cr36為緩沖層的Ni81Fe19 (20 nm) 薄膜的AMR值隨Ta和(Ni81Fe19) 64Cr36厚度z變化的曲線。薄膜結(jié)構(gòu)分別為Ta (z) / Ni81Fe19(20 nm) / Ta(9 nm)禾卩(Ni81Fei9) 64Cr36 (z) /Ni81Fe19(20 nm) / Ta(9畫)。
圖2為Ta(6 nm)/ Ni8iFe19 (20 nm) / A1203 (z)/ Ta (6 nm)薄膜中AMR值隨A1203 厚度z變化的曲線。
具體實施例方式
具體實施例方式在磁控濺射儀中制備各向異性坡莫合金Ni8,Few薄膜。首先將玻 璃基片用有機化學溶劑和去離子水超聲清洗，然后裝入濺射室樣品基座上。基片用 循環(huán)去離子水冷卻，平行于基片方向加有250 Oe的磁場，并且基片始終以18轉(zhuǎn)/分 鐘的速率旋轉(zhuǎn)，濺射沉積速率為0.17nm/分鐘。濺射室本底真空4X10—Spa，濺射前通 入鍍膜室99.99%純度氬氣0.5小時，維持在氣壓0.3 Pa。在濺射時99.99%純度的高 純氬氣氣壓為0.4 Pa的條件下依次沉積6 nm厚度的Ta/50.0 nm厚度的NiyFe,-y。通 過對50.0nmNiyFe咖.y化學分析，找出薄膜成分符合81Ni: 19Fe、并且薄膜雜質(zhì)含量 小于0.1%的情況下所對應(yīng)的NixFe咖.x合金靶。利用這個選出的坡莫合金靶來沉積 N^Fe!9薄膜。緩沖層(Ni81Fe19) 64036是由Ni引Fe^靶和Cr靶共濺射方法制備。從 圖1 (a) Ta(z)/ Ni8iFei9 (20 nm) / Ta (9 nm)中Ni81Fe19 (20 nm)薄膜的AMR值隨Ta 厚度變化的曲線中可以看出隨著z的增加，AMR值先變大后減小，當z-5.4nm 時，薄膜的AMR值最大，為2.23±0. 08 %。圖1 (b)為(Ni81Fe19)64Cr36(z)/Ni81Fei9(20 nm) /Ta(9 nm)中Ni81Fe19 (20 nm)薄膜AMR值隨(Ni81Fe19) 64Cr36厚度化的曲線，可 以看出隨著z的增加，AMR值先變大后減小，當^5.5nm時，薄膜的AMR值最 大，為2.53%。與圖1 (a)相比，比圖1 (a)中以5.4 nm Ta做為緩沖層的Ni81Fe19 (20 nm)薄膜AMR值提高了 13 %。由此可見，(Ni81Fe19) 64036緩沖層比Ta緩沖層 更能提高Ni81Fei9 (20 nm)薄膜AMR值。圖2為Ta(6 nm)/ Ni81Fe19(20 nm)/A1203 (z)/ Ta (6 nm)薄膜中AMR值隨A1203厚度Z變化的曲線?？梢钥闯鲭S著z的增加，AMR 值先變大后減小，當z^.5nm時，薄膜的AMR值最大，為2.20 %。比沒插A1203 時的Ni^Fe！9 (20 nm)薄膜AMR值提高了 10 %左右。由此可見，沉積八1203納米氧 化層能提高Ni81Fe19 (20 nm)薄膜AMR值。結(jié)合二者的優(yōu)勢，我們制備了結(jié)構(gòu)為 (Ni81Fe19) 64Cr36/Ni81Fe19/Al203 /Ta的樣品。在薄膜(M81Fe19) 64Cr36 (5.5 nm) /Ni81Fe19(20 nm) / A1203 (1.5 nm) /Ta(9 nm)中AMR值達到2.75%，與傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)的薄 膜Ta (5 nm) / Ni81Fe19(20 nm) / Ta(9 nm)相比(其AMR值為2.2%)，提高了 25%。
權(quán)利要求
1.一種改善各向異性磁電阻坡莫合金薄膜性能的方法，其特征是采用原子百分比，用(Ni81Fe19)64Cr36做緩沖層，在Ni81Fe19表面沉積Al2O3納米氧化層；實施方案是，緩沖層(Ni81Fe19)64Cr36是由Ni81Fe19靶和Cr靶共濺射方法制備，濺射靶材為Ni81Fe19靶，Cr靶，Ta靶，Al2O3陶瓷靶，其中Al2O3納米氧化層采用直接濺射氧化物靶材的方法；Ni81Fe19靶，Cr靶，Ta靶采用磁控濺射方法，在濺射前通入鍍膜室99.99％純度氬氣0.5～1小時，維持在氣壓0.1～0.5Pa；化學分析確定最終沉積薄膜成分為81Ni:19Fe，并且控制薄膜雜質(zhì)含量小于0.1％。
2、如權(quán)利要求1所述的一種改善各向異性磁電阻坡莫合金薄膜性能的方法，其 特征是薄膜結(jié)構(gòu)為(Ni81Fe19) 64Cr36 (1.0 13.0 nm) /Ni81Fe19(10.0 200.0 nm) / A1203 (1.0 3.0nm)/Ta(5.0 9.0nm),具體制備過程是在磁控濺射儀中進行，在清洗干凈的 玻璃基片或單晶硅基片上依次沉積緩沖層(Ni81Fe19)64Cr36，然后沉積Ni81Fe19、 A1203 納米氧化層和保護層Ta;濺射室本底真空度為lX10—5 6Xl(T5Pa,濺射前通入鍍膜 室99.99%純度氬氣0.5 1小時，維持在氣壓0.1 0.5 Pa;濺射時99.99%純度的高 純氬氣氣壓為0.4 2.7Pa，濺射沉積速率為0.03 0.33nm/分鐘；基片用循環(huán)去離子 水冷卻，平行于基片平面方向加有150 300 Oe的磁場，以誘發(fā)一個易磁化方向， 并且基片始終以8 30轉(zhuǎn)/分鐘的速率旋轉(zhuǎn)，薄膜厚度由濺射時間控制。
全文摘要
一種改善各向異性磁電阻坡莫合金薄膜性能的方法，屬于磁性薄膜領(lǐng)域。其特征是用一定厚度的(Ni₈₁Fe₁₉)₆₄Cr₃₆為緩沖層，用以誘導(dǎo)強的(111)Ni₈₁Fe₁₉衍射峰，同時在Ni₈₁Fe₁₉表面沉積Al₂O₃納米氧化層，利用納米氧化層的“鏡面散射”作用提高Ni₈₁Fe₁₉薄膜的AMR值。采用磁控濺射方法制備出具有準確成分的Ni₈₁Fe₁₉薄膜。薄膜結(jié)構(gòu)為(Ni₈₁Fe₁₉)₆₄Cr₃₆(1～13nm)/Ni₈₁Fe₁₉(10～200nm)/Al₂O₃(1～3nm)/Ta(5～9nm)薄膜，濺射前通入鍍膜室99.99％純度氬氣0.5～1小時，維持在氣壓0.1～0.5Pa，控制薄膜雜質(zhì)含量小于0.1％。本方法在進一步降低薄膜制備難度的同時，仍能保證薄膜很薄時具有較高的各向異性磁電阻值和低矯頑力、低晶體各向異性、大的磁化強度和低磁致伸縮等綜合性能，以滿足磁傳感器的性能和產(chǎn)品需求。
文檔編號C23C14/54GK101373813SQ20081022308
公開日2009年2月25日 申請日期2008年9月26日 優(yōu)先權(quán)日2008年9月26日
發(fā)明者于廣華, 李明華, 蛟 滕, 剛 韓 申請人:北京科技大學