專利名稱：磁體陣列的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及一種磁體陣列，其適用于采用具有多膜層疊固定層的磁阻元件(magnetoresistance element)(所謂的合成自旋閥膜(synthetic spin valvefilm))制造磁傳感器的方法。
背景技術(shù)：
已知的傳統(tǒng)巨磁阻元件(以下以“GMR元件”提及)包括固定層，其包括被釘扎層、以及用于將被釘扎層的磁化釘扎在一固定方向上的釘扎層；自由層，其磁化方向根據(jù)外部磁場變化；以及位于被釘扎層和自由層之間的、由非磁性的電導(dǎo)體制成的隔離層。GMR元件的電阻根據(jù)被釘扎層的磁化方向和自由層的磁化方向之間的角度而變化。換句話說，GMR元件的電阻根據(jù)外部磁場的與被釘扎層的磁化方向排成直線的分量而變化。因此，GMR元件的磁檢測方向與被釘扎層的磁化方向一致。
GMR元件用于例如地磁傳感器這樣的磁傳感器。在這種應(yīng)用中，即使當(dāng)GMR元件暴露于強(qiáng)磁場或高溫時，它的固定層必須具有穩(wěn)定的磁化。如果固定層的磁化變化，GMR元件的電阻特性將會改變。為了達(dá)到該要求，已研制出了一種GMR元件(所謂的合成自旋閥膜)，其中傳統(tǒng)的固定層由多膜層疊固定層代替。
多膜層疊固定層的被釘扎層包括鄰近隔離層的第一鐵磁膜；層疊在第一鐵磁膜上的第二鐵磁膜；以及夾在第一鐵磁膜和第二鐵磁膜之間的交換耦合膜。多膜層疊固定層的釘扎層由反鐵磁體制成，并層疊在第二鐵磁層上。釘扎層與第二鐵磁層交換耦合，從而在一固定方向上釘扎第二鐵磁膜的磁化。第一鐵磁膜和第二鐵磁膜通過交換耦合膜相互交換耦合，由此將第一鐵磁膜的磁化釘扎在一固定方向上(例如，參考日本專利No.2786601(0016段至0024段、及圖5))。
同時，采用GMR元件并適于檢測外部磁場的方向的磁傳感器(例如地磁傳感器)，需要不同磁檢測方向的至少兩個GMR元件。外部磁場的方向與兩個磁場矢量的合成矢量的方向一致，其中該兩個矢量分別由兩個GMR元件檢測，并分別與兩個GMR元件的磁檢測方向排成直線。這種磁傳感器被稱為雙軸磁傳感器。
為了釘扎合成自旋閥膜的被釘扎層的磁化，必須執(zhí)行一個步驟，其中當(dāng)在其上施加非常強(qiáng)的磁場時，元件膜在高溫下被保持預(yù)定的時間段(熱處理工序)。因此，為了減小采用合成自旋閥膜的磁檢測方向不同的兩個GMR元件的雙軸磁傳感器的尺寸，必須在緊鄰的位置處產(chǎn)生方向互不相同(例如方向互相垂直)的兩個強(qiáng)磁場。然而，這種磁場的產(chǎn)生是非常困難的。結(jié)果，采用合成自旋閥膜的小尺寸雙軸磁傳感器在大規(guī)模生產(chǎn)上遭遇困難。
實(shí)用新型內(nèi)容本實(shí)用新型的目的是提供一種制造磁傳感器的方法，其使得使用合成自旋閥膜的小尺寸雙軸磁傳感器的大規(guī)模生產(chǎn)成為可能；提供一種適于該方法的磁體陣列；以及提供一種制造該磁體陣列的方法。
本實(shí)用新型的制造方法適于制造采用巨磁阻元件(GMR元件)的磁傳感器，該巨磁阻元件具有合成自旋閥膜。GMR元件包含固定層，包括被釘扎層、以及用于在固定方向上釘扎被釘扎層的磁化的釘扎層；磁化方向根據(jù)外部磁場變化的自由層；以及位于被釘扎層和自由層之間的且由非磁性的電導(dǎo)體制成隔離層。
固定層是多膜層疊固定層，其被構(gòu)造為被釘扎層包括鄰近隔離層的第一鐵磁膜、層疊在第一鐵磁膜上的第二鐵磁膜、以及夾在第一鐵磁膜和第二鐵磁膜之間的交換耦合膜；釘扎層包含交換偏置膜，其由反鐵磁體制成，鄰近第二鐵磁膜設(shè)置在與交換耦合膜相反的一側(cè)，并適于通過與第二鐵磁膜交換耦合來在固定方向上釘扎第二鐵磁膜的磁化；以及第一鐵磁膜和第二鐵磁膜通過交換耦合膜互相交換耦合。
在由本實(shí)用新型的方法制造的磁傳感器中，至少兩個這樣的GMR元件布置在基板上，并且GMR元件的被釘扎層的磁化方向基本上相互垂直。
本實(shí)用新型的用于制造如此構(gòu)造的磁傳感器的方法包括步驟(1)準(zhǔn)備一磁體陣列；(2)制造具有將成為GMR元件的元件膜的晶片；以及
(3)在各個固定方向上釘扎將成為固定層的膜的磁化。
(1)準(zhǔn)備磁體陣列的步驟按以下方式執(zhí)行準(zhǔn)備包括多個永磁體和由磁性材料制成的薄板磁軛的磁體陣列，每個永磁體具有基本為長方體的形狀，該長方體具有垂直于其軸線截取的基本為正方形形狀的截面，并且每個永磁體具有在垂直于軸線的其相應(yīng)的對立端面上形成的磁極，所述端面具有基本正方形的形狀；所述多個永磁體以一方式設(shè)置，使得其基本正方形的端面的每個的重心與四方格子的格點(diǎn)一致，設(shè)置在四方格子的相同格線上的永磁體使得某個永磁體的端面的一邊基本上與另一永磁體的端面的一邊對齊，所述多個永磁體的端面基本上位于相同的平面上，并且在兩個鄰近的、最靠近的永磁體的端面上產(chǎn)生的磁極在極性上不同；以及磁軛具有按照與所設(shè)置的永磁體基本相同的方式布置的多個通孔，每個通孔包括一正方形部分和多個矩形部分，其中正方形部分具有與永磁體的基本正方形的截面基本相同的形狀，每個矩形部分沿正方形部分(正方形)的一邊的中心部分(central portion)形成并將該中心部分作為其長邊；所述多個永磁體通過所述多個通孔的相應(yīng)正方形部分插入；并且所述多個永磁體的端面所在的平面位于磁軛的上表面和下表面之間。
當(dāng)平視磁體陣列時，向右的磁場從某N極向位于該N極右側(cè)的S極產(chǎn)生；向上的磁場從該N極向位于該N極上側(cè)的S極產(chǎn)生；向左的磁場從該N極向位于該N極左側(cè)的S極產(chǎn)生；向下的磁場從該N極向位于該N極下側(cè)的S極產(chǎn)生。類似地，從位于某S極右側(cè)的N極向該S極產(chǎn)生向左的磁場；從位于該S極上側(cè)的N極向該S極產(chǎn)生一向下的磁場；從位于該S極左側(cè)的N極向該S極產(chǎn)生一向右的磁場；從位于該S極下側(cè)的N極向該S極產(chǎn)生一向上的磁場。與磁場相關(guān)的磁力線沿磁軛、穿過磁軛的矩形部分、以及沿該矩形部分的鄰近區(qū)域經(jīng)過。因此，在磁軛的相鄰矩形部分處、以及矩形部分直接上方(immediately above)部分處產(chǎn)生相互正交的、非常強(qiáng)的磁場。
(2)制造具有將要成為GMR元件的元件膜的晶片的步驟按以下方式執(zhí)行制造晶片，其中在基板上形成元件膜，每個元件膜包括將成為固定層的膜、將成為隔離層的膜、以及將成為自由層的膜。
在這種情況下，晶片可如下制造在基板上布置至少兩個島狀元件膜，每個膜包括將成為固定層的膜、將成為隔離層的膜、以及將成為自由層的膜；平視時，所述至少兩個元件膜形成來使得，當(dāng)一元件膜在相應(yīng)于沿著磁體陣列的某正方形部分的某邊形成的某矩形部分的位置布置(即在其內(nèi)部布置)時，則另一元件膜在相應(yīng)于沿著鄰近該正方形部分的前述邊的該正方形部分的一邊形成的另一矩形部分的位置布置(即在其內(nèi)布置)。
(3)分別在各個固定方向上釘扎將成為固定層的膜的磁化的步驟，按照以下方式執(zhí)行其上形成有元件膜的晶片鄰近磁體陣列布置，使得晶片的平面平行于磁軛的平面，因此將磁軛的矩形部分附近(在該處和/或周圍)產(chǎn)生的磁場施加到晶片上，并將晶片保持在高溫下，借此同時對將要成為固定層的膜進(jìn)行一固定方向上的磁化釘扎。
在于晶片上形成至少兩個島狀的元件膜的情況下，借助于將晶片布置在磁體陣列附近，使得平視時，當(dāng)一元件膜在相應(yīng)于沿著磁體陣列的某正方形部分的某邊形成的某矩形部分的位置布置(即在其內(nèi)部布置)時，另一元件膜在相應(yīng)于沿著鄰近該正方形部分的前述邊的該正方形部分的一邊形成的另一矩形部分的位置布置(即在其內(nèi)布置)，鄰近(在和/或圍繞)磁體陣列的矩形部分產(chǎn)生的磁場被施加到元件膜。元件膜被保持在高溫下，從而同時在各個固定方向上釘扎元件膜的將成為固定層的膜的磁化。
如上所述，在磁體陣列的磁軛的相鄰矩形部分處和矩形部分附近(直接上方)的部分處產(chǎn)生相互正交的、非常強(qiáng)的磁場。因此，在兩個相鄰的元件膜上施加強(qiáng)磁場，從而可以可靠地釘扎元件膜的合成自旋閥膜的被釘扎層的磁化。而且，可形成一個雙軸磁傳感器，其中至少兩個GMR元件相互非?？拷卦O(shè)置在相同基板上，并且GMR元件的合成自旋閥膜的被釘扎層的磁化方向互相垂直。而且，通過利用以上所述的磁體陣列，對于單一晶片上形成的多個元件膜的被釘扎層，能同時(在相同的熱處理過程中)執(zhí)行對磁化的釘扎，從而產(chǎn)生兩個或更多個(大量的)雙軸磁傳感器。因此，能夠以低成本來制造雙軸磁傳感器。
根據(jù)本實(shí)用新型的磁體陣列用在上述制造磁傳感器的方法中。優(yōu)選地，在平視的磁體陣列的磁軛中，在以下位置形成開口，在該位置處，通過連接四方格子的格點(diǎn)形成的正方形的重心位于相應(yīng)的開口內(nèi)(即每個開口被形成為圍繞通過連接四方格子的相鄰格點(diǎn)形成的正方形的重心)。開口可以基本上為圓形。
形成開口的位置是自永磁體的磁極延伸(或發(fā)生)的磁力線相交的位置，具有磁場的不穩(wěn)定性。在這樣的位置形成開口防止了磁力線的交叉，因此消除了磁場的不穩(wěn)定性。因此，可在磁軛的每個矩形部分內(nèi)局部地產(chǎn)生穩(wěn)定的、強(qiáng)的、一致的磁場。結(jié)果，磁體陣列的使用例如允許將成為固定層的膜的磁化的有效釘扎、以及磁傳感器的偏置磁體膜的有效磁化。
優(yōu)選地，如平視那樣，磁軛的每個通孔具有邊緣部分，該邊緣部分基本為圓弧形，并且以一方式形成在通孔的正方形部分的相應(yīng)角落處從而向外膨脹。
在通過例如蝕刻在磁軛中形成方形通孔的情形下，不充分蝕刻導(dǎo)致正方形通孔具有圓角，可能導(dǎo)致永磁體不能通過相應(yīng)的通孔插入的問題。相反，在上述磁軛的制造中，邊緣部分也被蝕刻，這樣永磁體能可靠地通過相應(yīng)的通孔插入。
以上提到的磁體陣列包含由薄板構(gòu)成的陣列基板、排列在陣列基板上的多個永磁體、以及設(shè)置在多個永磁體的上部并由磁性材料的薄板構(gòu)成的磁軛。磁體陣列可通過包括以下步驟的方法制造通過按預(yù)定四方格子陣列在薄板上形成多個凹槽來準(zhǔn)備陣列基板，每個凹槽具有預(yù)定的深度和在形狀上基本與永磁體的端面相同的正方形形狀；通過按預(yù)定的四方格子陣列在磁性材料的薄板中形成多個通孔來準(zhǔn)備磁軛，每個通孔包含正方形部分和矩形部分，該正方形部分在形狀上具有與陣列基板的凹槽基本相同的正方形形狀，每個該矩形部分沿著正方形部分的一邊的中心部分延伸，并使該中心部分作為其長邊；在陣列基板上在凹槽的兩鄰近的平行線之間布置每個棱鏡狀(棱柱)隔離物；以一方式在所述隔離物上設(shè)置該磁軛，使得在平視時，陣列基板的該多個凹槽與磁軛的相應(yīng)的通孔對齊；以一方式經(jīng)過磁軛的相應(yīng)的通孔將多個永磁體插入陣列基板的相應(yīng)凹槽，使得永磁體的下端面鄰接凹槽的相應(yīng)底面，每個永磁體具有基本為長方體的形狀，該長方體具有垂直于其軸線截取的呈正方形的橫截面(正方形橫截面)，該正方形形狀在形狀上與陣列基板的凹槽和磁軛的通孔的正方形部分基本相同，每個永磁體具有在具有正方形形狀的其相應(yīng)的對立端面上產(chǎn)生的磁極；抬升磁軛，直至永磁體的上端面所在的平面位于磁軛的上表面和下表面之間；以及移去隔離物。
優(yōu)選地，準(zhǔn)備磁軛的步驟包括步驟在平視時通過連接四方格子的格點(diǎn)形成的正方形的重心所在的位置，在薄板中形成開口。
優(yōu)選地，在抬高磁軛的步驟中，通過在開口處用工具保持磁軛來抬高磁軛。


通過結(jié)合附圖參考以下優(yōu)選實(shí)施例的詳細(xì)描述，在更好的理解本實(shí)用新型的目的、特征和很多隨之而來的優(yōu)勢時，就能容易的理解本實(shí)用新型其它不同的目的、特征和很多隨之而來的優(yōu)勢，其中圖1所示為本實(shí)用新型磁傳感器(N型)實(shí)施例的俯視圖；圖2所示為本實(shí)用新型另一磁傳感器(S型)實(shí)施例的俯視圖；圖3A所示為圖1所示的第一X軸GMR元件的放大示意性的俯視圖；圖3B所示為沿著圖3A中的1-1線獲取的第一X軸GMR元件的示意性的截面圖；圖4所示為圖3所示的第一X軸GMR元件的膜結(jié)構(gòu)(合成自旋閥膜SAF的結(jié)構(gòu))圖；圖5為曲線圖，示出在X軸方向上變化的磁場中由實(shí)線表示的圖1所示第一X軸GMR元件的電阻變化，以及在Y軸方向上變化的磁場中由虛線表示的電阻變化；圖6A為包括在圖1所示的磁傳感器內(nèi)的X軸磁傳感器的等效電路圖；圖6B為曲線圖，示出存在X軸方向上變化的磁場時，圖6A的X軸磁傳感器的輸出變化；圖7為俯視圖，示出用來釘扎圖1和2所示磁傳感器的被釘扎層的磁化方向的磁體陣列；圖8為局部剖視圖，示出圖7的磁體陣列；圖9為俯視圖，示出圖7的磁體陣列的磁軛；
圖10為示出圖9的磁軛的放大局部俯視圖；圖11為沿圖10的線2-2截取的磁軛的剖視圖；圖12為俯視圖，示出在圖9的磁軛中形成的通孔；圖13為局部剖視圖，示出圖7的磁體陣列的陣列基板；圖14為示出圖7的磁體陣列的陣列基板的俯視圖；圖15為剖視圖，示出用于形成圖13的陣列基板的薄板；圖16為示出圖7的磁體陣列的制造中的步驟的示圖；圖17為示圖，示出圖7的磁體陣列的制造中的另一步驟；圖18為示圖，示出圖7的磁體陣列的制造中的另一步驟；圖19為示圖，示出圖7的磁體陣列的制造中的另一步驟；圖20為示出圖7的磁體陣列的局部剖視圖，用于解釋由磁體陣列產(chǎn)生的磁場；圖21為示出圖7的磁體陣列的俯視圖，用于解釋由磁體陣列產(chǎn)生的磁場；圖22為示出晶片的局部俯視圖，圖1和2的磁傳感器由該晶片制造；圖23為示出磁體陣列和晶片的局部剖視圖，表示在各個固定方向上釘扎圖1和2的磁傳感器的GMR元件的被釘扎層的磁化的方法；圖24為概念示圖，示出在各個固定方向上釘扎圖1和2的磁傳感器的GMR元件的被釘扎層的磁化的方法；圖25為曲線圖，示出針對傳統(tǒng)自旋閥膜、以及通過本實(shí)用新型方法制造的合成自旋閥膜的退火溫度和交換耦合磁場之間關(guān)系的研究結(jié)果；圖26為曲線圖，示出關(guān)于傳統(tǒng)自旋閥膜、以及通過本實(shí)用新型方法制造的合成自旋閥膜的退火溫度和MR比率之間的關(guān)系的研究結(jié)果；圖27為示出用于晶片上的磁傳感器的定位柵格的概念視圖；圖28為示出用于晶片上的磁傳感器的定位柵格的概念視圖；圖29為曲線圖，示出位于圖27和28的晶片上的不同位置、并用圖7的磁體陣列制造的X軸磁傳感器的輸出電壓特性；圖30為曲線圖，示出位于圖27和28的晶片上的不同位置、并用通過從圖7的磁體陣列去除磁軛準(zhǔn)備的磁體陣列制造的X軸磁傳感器的輸出電壓特性；圖31為曲線圖，示出位于圖27和28的晶片上的不同位置、并用圖7的磁體陣列制造的Y軸磁傳感器的輸出電壓特性；圖32為曲線圖，示出位于圖27和28的晶片上的不同位置、并用通過從圖7的磁體陣列去除磁軛準(zhǔn)備的磁體陣列制造的Y軸磁傳感器的輸出電壓特性；圖33為顯示X軸磁傳感器的靈敏度的圖表，所述傳感器位于圖27和28的晶片上的不同位置，并采用圖7的磁體陣列制造；圖34為顯示X軸磁傳感器的靈敏度的圖表，所述傳感器位于圖27和28的晶片上的不同位置，并采用通過從圖7的磁體陣列移去磁軛制備的磁體陣列來制造；圖35為示出X軸磁傳感器的靈敏度的圖表，所述傳感器位于圖27和28的晶片上的不同位置，并采用圖7的磁體陣列制造；圖36為顯示X軸磁傳感器的靈敏度的圖表，所述傳感器位于圖27和28的晶片上的不同位置，并采用通過從圖7的磁體陣列移去磁軛制備的磁體陣列來制造；圖37為示出Y軸磁傳感器的靈敏度的圖表，所述傳感器位于圖27和28的晶片上的不同位置，并采用圖7的磁體陣列制造；圖38為顯示Y軸磁傳感器的靈敏度的圖表，所述傳感器位于圖27和28的晶片上的不同位置，并采用通過從圖7的磁體陣列移去磁軛制備的磁體陣列來制造；圖39為示出Y軸磁傳感器的靈敏度的圖表，所述傳感器位于圖27和28的晶片上的不同位置，并采用圖7的磁體陣列制造；圖40為顯示Y軸磁傳感器的靈敏度的圖表，所述傳感器位于圖27和28的晶片上的不同位置，并采用通過從圖7的磁體陣列移去磁軛制備的磁體陣列來制造；圖41為示出根據(jù)本實(shí)用新型的另一磁傳感器的實(shí)施例的俯視圖；圖42為示出傳統(tǒng)自旋閥膜的結(jié)構(gòu)的圖示；圖43為曲線圖，示出其上施加強(qiáng)磁場之后所觀察到的圖41的磁傳感器的輸出的變化；以及圖44為曲線圖，示出其上施加強(qiáng)磁場之后觀察到的傳統(tǒng)磁傳感器的輸出的變化，該傳感器的元件設(shè)置與圖41的相似，并采用圖42的自旋閥膜。
具體實(shí)施方式
以下將參考附圖詳細(xì)描述本實(shí)用新型的實(shí)施例。首先將描述本實(shí)用新型磁傳感器的一個實(shí)施例。磁傳感器劃分為圖1所示的N型磁傳感器10和圖2所示的S型磁傳感器30。N型和S型磁傳感器10和30通過將在以下描述的制造方法來制造。
除了圖1和2的黑色實(shí)心箭頭代表的被釘扎層的固定磁化方向、以及圖1和2的空白箭頭代表的初始狀態(tài)(不存在外部磁場的狀態(tài))下的自由層的磁化方向外，N型磁傳感器10和S型磁傳感器30采用基本相同的形狀和結(jié)構(gòu)。因此，以下主要討論N型磁傳感器10。
如圖1所示，磁傳感器10包括單一基板(單塊芯片)10a和形成在基板10a上(或之上、上方)的8個GMR元件11到14、以及21到24?；?0a由石英玻璃制成?；?0a是一薄板，平視時，其呈現(xiàn)出具有沿互相正交的X軸和Y軸延伸的邊的矩形形狀(基本為正方形形狀)，其沿垂直于X和Y軸的Z軸具有小的厚度。
除在基板10a上的布置之外，GMR元件11到14、以及21到24具有基本相同的結(jié)構(gòu)。因此，將代表性地描述第一X軸GMR元件11的結(jié)構(gòu)。
如作為第一X軸GMR元件11的俯視圖的圖3A和作為沿著圖3A的線1-1截取的第一X軸GMR元件11的示意性剖視圖的圖3B所示，第一X軸GMR元件11包括在Y軸上延伸的多個窄條部分11a和在窄條部分11a的縱向相對端部(關(guān)于Y軸的相對端部)下面形成的多個偏置磁體膜(bias magnetfilm)11b。
窄條部分11a由合成自旋閥膜SAF形成，其構(gòu)成具有多膜層疊固定層的磁阻元件。偏置磁體膜11b由具有高矯頑磁力(coercive force)和高剩磁率的硬鐵磁材料制成，例如CoCrPt，并且被磁化成永磁體膜。窄條部分11a在偏置磁體膜11b的上表面與偏置磁體膜11b磁耦合。
圖4示出第一X軸GMR元件11的合成自旋閥膜SAF。第一X軸GMR元件11的合成自旋閥膜SAF包括形成在基板10a上的電介質(zhì)層10b(包括布線層)；形成在電介質(zhì)層10b上的自由層F；形成在自由層F上的隔離層S；形成在隔離層S上的固定層P；以及形成在固定層P上的蓋層C。用于磁傳感器10的元件，如晶體管和存儲器等，形成在基板10a內(nèi)或其上。布線層包括在電介質(zhì)層10b內(nèi)。布線層連接元件、焊盤和GMR元件等，從而形成傳感器10。通過焊接到焊盤上表面的Au線，焊盤將磁傳感器10與外部設(shè)備連接。布線層可稱為導(dǎo)線?；?0a和電介質(zhì)層10b合在一起可被稱為“基底”，因?yàn)镚MR元件11到14、以及21到24形成于其上。
自由層F的磁化方向根據(jù)外部磁場的方向而變化。自由層F包括形成在基底(電介質(zhì)層10b)上且具有8nm(80埃)厚度的CoZrNb非晶磁層11-1；形成在CoZrNb非晶磁層11-1上且具有3.3nm(33埃)厚度的NiFe磁層11-2；以及形成在NiFe磁層11-2上且具有約1nm到3nm(10埃到30埃)厚度的CoFe層11-3。CoZrNb非晶磁層11-1和NiFe磁層11-2構(gòu)成軟鐵磁膜。CoFe層11-3防止來自NiFe層11-2的Ni的擴(kuò)散和來自隔離層S的Cu層11-4的Cu的擴(kuò)散。
隔離層S是由Cu制成并具有2.4nm(24埃)厚度的電導(dǎo)膜。
固定層(磁化固定層或者釘扎層)P包括由CoFe制成且厚度為2.5nm(25埃)的第一鐵磁膜11-5；層疊在第一鐵磁膜11-5上、由Ru制成、且厚度為0.8nm至0.9nm(8埃至9埃)的交換耦合膜11-6；層疊在交換耦合膜11-6上、由CoFe制成、且厚度為2.2nm(22埃)的第二鐵磁膜11-7；以及層疊在第二鐵磁膜11-7上、厚度為24nm(240埃)且由Pt含量為45mol％至55mol％的PtMn合金制成的交換偏置膜(反鐵磁膜)11-8。
如以上所述，交換耦合膜11-6夾在第一鐵磁膜11-5和第二鐵磁膜11-7之間。第一鐵磁膜11-5、交換耦合膜11-6、以及第二鐵磁膜11-7構(gòu)成其磁化被釘扎在一固定方向上的被釘扎層，從而磁化方向不會隨外部磁場的變化而變化。交換偏置膜11-8是用于將被釘扎層的磁化釘扎在一固定方向上的釘扎層。
當(dāng)層疊有膜11-5至11-8的元件經(jīng)歷有序化熱處理(一種熱處理工藝)-其中在預(yù)定的高溫對元件施加預(yù)定時間段的預(yù)定的強(qiáng)磁場-時，交換偏置膜11-8與第二鐵磁膜11-7交換耦合，從而將第二鐵磁膜11-7的磁化(磁化矢量)釘扎在一固定方向上。通過交換耦合膜11-6，第一鐵磁膜11-5和第二鐵磁膜11-7互相交換耦合。結(jié)果，第一鐵磁膜11-5的磁化被釘扎在一固定方向上。要注意的是，第一鐵磁膜11-5的磁化方向和第二鐵磁膜11-7的磁化方向相互反平行。例如，在圖1中，當(dāng)在進(jìn)行有序化熱處理同時將磁場的方向設(shè)置在X軸的正向時，第一X軸GMR元件11的第一鐵磁膜11-5的磁化被釘扎在X軸的負(fù)方向上。第一鐵磁膜11-5的磁化方向就是第一X軸GMR元件的被釘扎層的磁化被釘扎的方向。
蓋層C具有1.5nm(15埃)的厚度，并由鈦(Ti)或鉭(Ta)制成。
為了保持自由層F的單軸各向異性，圖3A和3B所示的偏置磁體膜11b在自由層F的縱向上向自由層F施加偏置磁場。在第一X軸GMR元件11中，偏置磁體膜11b在Y軸的負(fù)方向上施加偏置磁場。
如此構(gòu)造的第一X軸GMR元件11具有以下特性。如圖5的實(shí)線所示，在存在沿X軸變化的外部磁場時，第一X軸GMR元件11的電阻在-Hc至+Hc的范圍內(nèi)基本上與外部磁場成比例地變化。如圖5的虛線所示，在存在沿Y軸變化的外部磁場時，第一X軸GMR的電阻基本上恒定。換句話說，第一X軸GMR元件11檢測被釘扎層的磁化被釘扎的方向上的磁場。
第一X軸GMR元件11形成在基板10a上一位置處，該位置位于關(guān)于基板10a的中心部分朝向Y軸負(fù)方向的一側(cè)、并位于關(guān)于X軸的負(fù)方向的基板10a的邊緣部分附近。如上所述，第一X軸GMR元件11的被釘扎層的磁化被釘扎在X軸的負(fù)向。第二X軸GMR元件12形成在基板10a上一位置處，該位置位于關(guān)于基板10a的中心部分朝向Y軸正方向的一側(cè)，并位于關(guān)于X軸的負(fù)方向的基板10a的邊緣部分附近；第二X軸GMR元件12的被釘扎層的磁化被釘扎在X軸的負(fù)向上。第三X軸GMR元件13形成在基板10a上一位置處，該位置位于關(guān)于基板10a的中心部分朝向Y軸正方向的一側(cè)、且在關(guān)于X軸的正方向的基板10a的邊緣部分附近；第三X軸GMR元件13的被釘扎層的磁化被釘扎在X軸的正向。第四X軸GMR元件14形成在基板10a上一位置處，該位置位于關(guān)于基板10a的中心部分朝向Y軸負(fù)方向的一側(cè)、且在關(guān)于X軸的正方向的基板10a的邊緣部分附近；第四X軸GMR元件14的被釘扎層的磁化被釘扎在X軸的正向上。
第一Y軸GMR元件21形成在基板10a上一位置處，該位置位于關(guān)于基板10a的中心部分朝向X軸負(fù)方向的一側(cè)、且在關(guān)于Y軸的正方向的基板10a的邊緣部分附近；第一Y軸GMR元件21的被釘扎層的磁化被釘扎在Y軸的正向上。第二Y軸GMR元件22形成在基板10a上一位置處，該位置位于關(guān)于基板10a的中心部分朝向X軸正方向的一側(cè)、且在關(guān)于Y軸的正方向的基板10a的邊緣部分附近；第二Y軸GMR元件22的被釘扎層的磁化被釘扎在Y軸的正向。第三Y軸GMR元件23形成在基板10a上一位置處，該位置位于關(guān)于基板10a的中心部分朝向X軸正方向的一側(cè)、且在關(guān)于Y軸的負(fù)方向的基板10a的邊緣部分附近；第三Y軸GMR元件23的被釘扎層的磁化被釘扎在Y軸的負(fù)向。第四Y軸GMR元件24形成在基板10a上一位置處，該位置位于關(guān)于基板10a的中心部分朝向X軸的負(fù)方向的一側(cè)、且在關(guān)于Y軸的負(fù)方向的基板10a的邊緣部分附近；第四Y軸GMR元件24的被釘扎層的磁化被釘扎在Y軸的負(fù)向。
接下來將描述包括GMR元件11至14的X軸磁傳感器(用于檢測X方向上的磁場的磁傳感器)、以及包括GMR元件21至24的Y軸磁傳感器(用于檢測Y方向上的磁場的磁傳感器)。
如圖6A的等效電路所示，X軸磁傳感器由第一至第四X軸GMR元件11至14的借助于未示出的導(dǎo)體的全橋連接(full bridge connection)構(gòu)成。在圖6A中，伴隨第一至第四X軸GMR元件11至14的曲線圖，分別顯示出與其鄰近的GMR元件的特性(電阻R隨外部磁場的變化)。曲線圖中出現(xiàn)的Hx代表其強(qiáng)度沿X軸變化的外部磁場(外部磁場的X軸分量)。
在上述構(gòu)造中，第一X軸GMR元件11和第四X軸GMR元件14的連接點(diǎn)、以及第二X軸GMR元件12和第三X軸GMR元件13的連接點(diǎn)分別連接至未示出的恒壓電源的正極和負(fù)極(地)，從而電勢+V(本實(shí)施例中為5V)和電勢-V(本實(shí)施例中為0V)施加到相應(yīng)的連接點(diǎn)。第一X軸GMR元件11和第三X軸GMR元件13的連接點(diǎn)與第四X軸GMR元件14和第二X軸GMR元件12的連接點(diǎn)之間的電勢差V0x被獲取作為傳感器的輸出。結(jié)果，如圖6B所示，X軸磁傳感器輸出電壓V0x，其基本與沿X軸變化的外部磁場Hx成比例，并隨外部磁場Hx增加而減小。
Y軸磁傳感器由第一至第四Y軸GMR元件21至24的通過未示出的導(dǎo)體的全橋連接構(gòu)成。Y軸磁傳感器輸出電壓V0y，其基本與沿Y軸變化的外部磁場Hy成比例，并隨外部磁場Hy增加而減小。N型磁傳感器10如上所述構(gòu)成。
同時，如圖2所示，S型磁傳感器30包括GMR元件31至34、以及41至44。磁傳感器30以與磁傳感器10相似的方式構(gòu)成，并由X軸磁傳感器和Y軸磁傳感器組成。
具體地，磁傳感器30的X軸磁傳感器由第一至第四X軸GMR元件31至34的借助未示出的導(dǎo)體的全橋連接構(gòu)成。磁傳感器30的X軸磁傳感器輸出電壓V0x，其基本與外部磁場Hx成比例，并隨外部磁場Hx增加而增加。磁傳感器30的Y軸磁傳感器由第一至第四Y軸GMR元件41至44的經(jīng)由未示出的導(dǎo)體的全橋連接構(gòu)成。磁傳感器30的Y軸磁傳感器輸出電壓V0y，其基本與外部磁場Hy成比例，并隨外部磁場Hy增加而增加。
接下來，將描述根據(jù)本實(shí)用新型的磁體陣列50的一實(shí)施例。磁體陣列50用于在各個固定方向上釘扎磁傳感器10和30的固定層P的被釘扎層的磁化。如圖7和8所示，磁體陣列50包括磁軛(磁軛板)60、陣列基板70、以及多個永磁體(永久條形磁體)80。
圖9至11示出了磁軛60。圖9為磁軛60的俯視圖；圖10為圖9的放大的局部視圖；圖11為沿圖10的線2-2截取的磁軛60的剖視圖。磁軛60為由磁導(dǎo)率高于空氣的磁導(dǎo)率的磁性材料制成的薄板構(gòu)件，該磁性材料例如為42合金(包括42wt％的Ni的Fe-42Ni合金)。磁軛60可由高飽和度、高磁導(dǎo)率材料制成，例如坡莫合金或硅鋼(片)。
平視時，磁軛60呈現(xiàn)為矩形。在本實(shí)施例中，磁軛60具有0.15mm的厚度。磁軛60包括多個通孔61和多個開口(磁通控制孔)62。如圖12的放大視圖所示，每個通孔61包括單獨(dú)的正方形部分61a、四個矩形部分61b、以及四個邊緣部分(圓弧部分或R部分)61c。
平視時正方形部分61a具有正方形形狀。每個矩形部分61b具有矩形形狀，該矩形形狀沿正方形部分61a的一邊的中心部分形成從而向正方形部分61a的外部膨脹，并使該中心部分作為其長邊(也就是，中心部分形成矩形形狀的一條長邊)。每個邊緣部分61c從正方形部分61a的相應(yīng)的角落部分向正方形部分61a的外部膨脹。更具體地，每個邊緣部分61c呈現(xiàn)為圓弧形狀，其中心RP位于正方形部分61a的對角線CR上。
多個通孔61設(shè)置成四方格子陣列。換句話說，每個通孔61的重心(每個正方形部分61a的重心)與圖10示出的四方格子的格點(diǎn)SP重合。某一通孔61的正方形部分61a的一邊平行于鄰近的通孔61的正方形部分61a的一邊。某通孔61的正方形部分61a的一邊與在該某通孔61相同的列或行中形成的另一通孔61的正方形部分61a的一邊排成直線。類似地，某通孔61的矩形部分61b的一邊與在該某通孔61相同的列或行中形成的另一通孔61的矩形部分61b的一邊排成直線。
開口62形成在如下位置，在該位置，通過連接四方格子的格點(diǎn)SP形成的正方形的重心CP位于相應(yīng)的開口62內(nèi)。即，每個開口62被形成來圍繞通過連接四方格子的臨近的格點(diǎn)SP形成的正方形的重心CP。更具體地，在平視時，每個開口62是圓形通孔，其圓心位于重心CP。
圖13和14所示的陣列基板70由圖15所示的磁性材料(例如，如42合金這樣的坡莫合金)的薄板70a形成。在平視時，陣列基板70在形狀上具有與磁軛60基本相同的矩形形狀。陣列基板70包括多個凹槽70b。平視時，多個凹槽70b位于與磁軛60的通孔61的相應(yīng)正方形部分61a相同的位置。每個凹槽70b在形狀上具有與通孔61的正方形部分61a基本相同的正方形形狀。
每個永久條形磁體80具有長方體的形狀。由垂直于長方體一個中心軸(例如長方體的相對較長的軸)的平面截開的長方體的橫截面在形狀上具有與通孔61的正方形部分61a和陣列基板70的凹槽70b基本相同的正方形形狀。每個永久條形磁體80具有在其相應(yīng)的相對端面附近產(chǎn)生的磁極，其中該相對端面具有正方形形狀。所述多個永久條形磁體80具有基本相同的磁荷(magnetic charge)。永久條形磁體80插入到陣列基板70的相應(yīng)的凹槽70b內(nèi)，并穿過磁軛60的相應(yīng)的正方形部分61a，從而被保持在適當(dāng)位置。永久條形磁體80被設(shè)置來使得兩個鄰近的、最靠近的永久條形磁體80在它們的端面上產(chǎn)生的磁極之間的極性上不同(即兩個鄰近的、最靠近的永磁體的端面上產(chǎn)生的磁極在極性上不同)。
對磁體陣列50的以上描述可總結(jié)如下。磁體陣列50包括多個永久條形磁體80和由磁性材料制成的薄板磁軛60。每個永久條形磁體80具有基本為長方體的形狀。該長方體具有垂直于其軸截取的基本為正方形形狀的橫截面。每個永久條形磁體80具有在其相應(yīng)的對立端面上產(chǎn)生的磁極，其中該端面垂直于該軸具有基本上正方形形狀。
多個永久條形磁體80以一方式設(shè)置，使得其每個基本為正方形的端面的重心與四方格子的格點(diǎn)SP重合，并且設(shè)置在四方格子的相同格線上的永久條形磁體80使得某永久條形磁體80的端面的一邊與另一永久條形磁體80的端面的一邊基本上排成直線。而且，該多個永久條形磁體80以一方式設(shè)置，使得其端面基本出現(xiàn)在相同的平面上，并且兩個鄰近的、最靠近的永久條形磁體80的端面上產(chǎn)生的磁極在極性上不同。
磁軛60具有的多個通孔61基本按與所布置的永久條形磁體80相同的方式布置。每個通孔61包括正方形部分61a和矩形部分61b，其中正方形部分具有與永久條形磁體80的橫截面的基本上正方形形狀基本相同的形狀，且每個矩形部分沿著正方形部分61a的一邊的中心部分形成，并使該中心部分作為其長邊。該多個永久條形磁體80穿過該多個通孔61的相應(yīng)正方形部分61a插入。永久條形磁體80的端面所在的平面位于磁軛60的上表面和下表面之間。
接下來將描述制造磁體陣列50的方法。首先，準(zhǔn)備用于形成磁軛60的板。在板上進(jìn)行蝕刻，從而形成通孔61和開口62。接下來，準(zhǔn)備用于形成陣列基板70的薄板70a(見圖15)。在薄板70a上進(jìn)行蝕刻(半蝕刻)，由此形成凹槽70b(見圖13和14)。
接下來，如圖16的透視圖和圖17的剖視圖所示，玻璃制成的棱鏡狀(棱柱形)隔離物90設(shè)在陣列基板70上。設(shè)置在陣列基板70上的每個隔離物90位于凹槽70b的兩條相鄰平行線之間。在如此設(shè)置的隔離物90中，隔離物90在Z軸上的長度短于永久條形磁體80的其上形成磁極的對立端面之間的長度。
隨后，將磁軛60放置在隔離物90上。在這種情況下，磁軛60以一方式設(shè)置，使得平視時陣列基板70的凹槽70b與磁軛60的通孔61的相應(yīng)的正方形部分61a對齊。為了使設(shè)置工作變得容易，在磁軛60上和陣列基板70上可提供定位標(biāo)記(對準(zhǔn)標(biāo)記)。注意，在圖16中省略了邊緣部分61c。
接下來，如圖17所示，永久條形磁體80穿過相應(yīng)的通孔61插入。該插入工作以一方式進(jìn)行，使得永久條形磁體80的極化的第一側(cè)端面鄰接陣列基板70的凹槽70b的相應(yīng)底面。結(jié)果，永久條形磁體80的極化的第二側(cè)端面(為方便起見以下可被稱為“上表面”)基本在相同的平面出現(xiàn)(在相同平面上)。而且，永久條形磁體80被布置來使得，如在包括永久條形磁體80的上表面的平面上觀察到的那樣，產(chǎn)生在兩個鄰近的、最靠近的永磁體80的端面上的磁極在極性上不同。
結(jié)果，永久條形磁體80的設(shè)置如圖18所示。在這種狀態(tài)下，因?yàn)橛谰脳l形磁體80插入在凹槽70b和磁軛60的通孔61的正方形部分61a內(nèi)，所以阻止了永久條形磁體80在X軸和Y軸方向上的移動。
接下來，借助于利用開口62來抬高(在Z軸的正向上)磁軛60。具體地，磁軛60在通過采用鑷子在兩個開口62處被夾持的同時被抬高。通過利用其它開口62重復(fù)執(zhí)行此抬高工作，從而逐漸抬高整個磁軛60。
如圖19所示，磁軛60的高度(陣列基板70與磁軛60之間的距離)被調(diào)整，從而由永久條形磁體80的上表面(永久條形磁體80的極化的第二側(cè)端面)定義的平面位于磁軛60的上表面60up和下表面60dn之間。換句話說，抬高磁軛60，使得永久條形磁體80的上表面位于磁軛60的厚度范圍之內(nèi)。值得注意的是，磁軛60的上表面60up和由永久條形磁體80的上表面定義的平面可在相同平面上。隨后，移去隔離物90，并相對于陣列基板70固定磁軛60。于是完成了磁體陣列50。
如圖20的局部放大剖視圖和圖21的局部放大俯視圖所示，在如此制造的磁體陣列50中，在永久條形磁體80的上表面(極化的第二側(cè)端面)附近，磁場從N極向鄰近并最靠近各N極的S極產(chǎn)生。
換句話說，當(dāng)如圖21所示地平視磁體陣列50時，從某一N極向位于該N極右側(cè)的S極形成一向右的磁場；從該N極向位于該N極上側(cè)的S極產(chǎn)生一向上的磁場；從該N極向位于該N極左側(cè)的S極產(chǎn)生一向左的磁場；且從該N極向位于該N極下側(cè)的S極產(chǎn)生一向下的磁場。類似地，從位于某一S極右側(cè)的N極向該S極產(chǎn)生一向左的磁場；從位于該S極上側(cè)的N極向該S極產(chǎn)生一向下的磁場；從位于該S極左側(cè)的N極向該S極產(chǎn)生一向右的磁場；以及從位于該S極下側(cè)的N極向該S極產(chǎn)生一向上的磁場。與所述磁場相關(guān)的磁力線沿磁軛60、穿過磁軛60的矩形部分61b、以及在矩形部分61b的直接上方經(jīng)過。因此，當(dāng)注意某一正方形部分61a時，在與該正方形部分61a相關(guān)的相鄰的矩形部分61b的直接上方的部分處(即在沿該正方形部分61a的邊形成的矩形部分61b的直接上方的部分處，其在正方形部分61a中彼此相鄰)局部地產(chǎn)生互相正交的、非常強(qiáng)的磁場。
此外，磁體陣列50具有開口62。如已經(jīng)參考圖10所述的那樣，開口62形成在正方形的重心CP所在的位置處，其中該正方形通過連接四方格子的格點(diǎn)SP所形成，即通過連接磁軛60的通孔61(正方形部分61a)的重心形成。即，每個開口62被形成來使得圍繞由連接四方格子的相鄰格點(diǎn)SP形成的正方形的重心CP。開口62所形成的位置是自永久條形磁體80的磁極延伸(產(chǎn)生)的磁力線交叉的位置，結(jié)果是磁場不穩(wěn)定。在所述位置形成開口62防止了磁力線的交叉，從而消除了磁場的不穩(wěn)定性。這樣，穩(wěn)定的、強(qiáng)的、一致的磁場可在矩形部分61b中和在矩形部分61b的直接上方的部分處局部地產(chǎn)生。
接下來，將描述制造磁傳感器10(30)的方法。
首先，在圖22所示的晶片(石英玻璃或Si基板)10a1上形成圖3(B)和4所示的電介質(zhì)層10b。此時，形成預(yù)定的布線、大規(guī)模集成電路(LSI)、以及未示出的用于預(yù)置自由層F的線圈。晶片10a1在以后的步驟中被沿著由圖22的虛線所表示的切割線CL切割，由此產(chǎn)生基板10a和30a。
其次，形成多個膜(元件膜)M，其將成為GMR元件11到14、21到24、31到34、以及41到44。具體地，形成要成為偏置磁體膜11b的膜。然后在膜11b上形成將成為合成自旋閥膜SAF的膜，每個膜包括成為固定層的膜、成為隔離層的膜、以及成為自由層的膜。此膜沉積工藝通過使用超高真空裝置來進(jìn)行，從而以精確控制的各個厚度連續(xù)層疊組成膜。
構(gòu)圖所述膜，從而形成多個島狀膜M，每個島狀膜具有與窄條部分11a相同的形狀。膜M將成為島狀的GMR元件。膜M以一方式形成在石英玻璃10a1上，使得當(dāng)在以后的步驟中沿圖22的虛線所表示的切割線CL切割石英玻璃10a1，從而形成圖1和2所示的磁傳感器10和30時，膜M設(shè)置在GMR元件11到14、21到24、31到34、以及41到44的位置處。
換句話說，根據(jù)以上所述的工藝，在基板(晶片10a1)上布置至少兩個(多個)島狀元件膜M，每個元件膜M包括將成為合成自旋閥膜SAF的膜。在平視時，該至少兩個元件膜M被形成來使得，當(dāng)一元件膜M布置在與沿磁體陣列50的某一正方形部分61a的某一邊形成的某一矩形部分61b相應(yīng)的位置處(即在其內(nèi)布置)時，另一元件膜M布置在與沿該正方形部分61a的鄰近該正方形部分61a的前述邊的一邊形成的另一個矩形部分61b相應(yīng)的位置處(即在其內(nèi)布置)。
其次，如圖23所示地設(shè)置晶片10a1和磁體陣列50，其中在晶片10a1上形成有膜M。在此布置中，晶片10a1的其上形成膜M的一側(cè)與磁軛60的上表面60up接觸。而且，如圖24所示，晶片10a1和磁體陣列50以一關(guān)系設(shè)置，使得相應(yīng)于磁傳感器10和30的邊的切割線CL的交點(diǎn)CP中的每一個，與一組四個相鄰的永久條形磁體80的重心相重合。結(jié)果，當(dāng)晶片10a1位于磁體陣列50的上表面時，如圖24的箭頭所示，磁場垂直于膜M的窄條部分11a的縱向地施加在膜M上。
而后，以上述關(guān)系設(shè)置的晶片10a1和磁體陣列50在真空中被加熱到250℃至280℃的溫度(優(yōu)選是270℃)，并在該溫度下被保持約3小時。
換句話說，晶片10a1設(shè)置在磁體陣列50附近，從而平視時，當(dāng)一元件膜M布置在與沿磁體陣列50的某一正方形部分61a的某一邊形成的某一矩形部分61b相應(yīng)的位置處(即在其內(nèi)布置)時，另一元件膜M布置在與沿該正方形部分61a的鄰近該正方形部分61a的前述邊的一邊形成的另一個矩形部分61b相應(yīng)的位置處(即在其內(nèi)布置)，磁體陣列50的矩形部分61b附近(在其直接上方的部分處)產(chǎn)生的磁場施加到元件膜M，并且具有元件膜M的晶片10a1被保持在高溫下，從而在各個固定方向上同時釘扎多個元件膜M的將成為固定層的膜(被釘扎層)的磁化。
隨后，讓晶片10a1維持在不加熱情況下，直至晶片10a1冷卻至室溫。然后，將晶片10a1從真空裝置中卸下。形成用于連接膜M的布線等。最后，沿圖22和24所示的切割線CL切割晶片10a1。于是，一次就制造大量圖1和2所示的單片(單芯片)磁傳感器10和30。
如上所述，本實(shí)施例執(zhí)行熱處理工序，其中強(qiáng)磁場通過使用磁體陣列50而局部地產(chǎn)生，并用于釘扎合成自旋閥膜SAF的被釘扎層的磁化方向。磁體陣列50包括磁軛60，矩形部分61b在磁軛60中形成，并用作氣隙。因此，通過使用磁體陣列50，能在矩形部分61b附近的空間中產(chǎn)生強(qiáng)的、一致的磁場，從而合成自旋閥膜SAF的被釘扎層的磁化能可靠地被釘扎在各個固定方向。
而且，在磁體陣列50的磁軛60中，開口62形成在從磁極延伸的磁力線在沒有該開口時將交叉的部分處，該交叉導(dǎo)致磁場的不穩(wěn)定。結(jié)果，磁力線的方向特性變得穩(wěn)定，因此鄰近開口62的磁場能被更大程度地穩(wěn)定。開口62也用來調(diào)節(jié)磁體陣列50的磁軛60和陣列基板70之間的距離(磁軛60的高度)。結(jié)果，因?yàn)榇跑?0在高度方向上的位置能容易且理想地調(diào)節(jié)，所以優(yōu)化的磁場能施加到膜所處的部分，其中該膜將成為被釘扎層，并且其磁化將被釘扎在各個固定方向上。
如以上所述，磁體陣列60在相鄰區(qū)域(在相鄰矩形部分61b的直接上方的部分處)內(nèi)能產(chǎn)生互相交叉的(正交的)、強(qiáng)的一致磁場。因此，能容易地制造采用合成自旋閥膜SAF的雙軸磁傳感器，該合成自旋閥膜SAF具有優(yōu)異的耐熱性、相對于強(qiáng)磁場的優(yōu)異電阻、以及好的溫度特性。
另外，每個通孔61的正方形部分61a具有邊緣部分61c，其以對角地向外膨脹的方式形成在正方形部分61a的相應(yīng)角落處。因此，即使在蝕刻通孔61的工序中正方形部分61a的角落部分未充分蝕刻，永久條形磁體80也能可靠地穿過相應(yīng)的通孔61插入。
圖25的曲線圖示出關(guān)于傳統(tǒng)自旋閥膜SV和以上制造的合成自旋閥膜SAF的退火溫度TA和交換耦合磁場Hua之間關(guān)系的研究結(jié)果。退火溫度TA是一預(yù)定溫度，GMR元件保持在該溫度以退火。更具體地，GMR元件如下退火當(dāng)在與GMR元件的被釘扎層的被釘扎磁化方向相反的方向上，將預(yù)定強(qiáng)度(在圖25的示例中為100Oe)的磁場施加到GMR元件上的同時，通過施加熱而將GMR元件保持在退火溫度TA；隨后，使GMR元件冷卻至室溫。交換耦合磁場Hua即磁場H，它導(dǎo)致當(dāng)在室溫下在與退火后的GMR元件的被釘扎層的被釘扎磁化方向相反的方向上，向退火后的GMR元件施加磁場H時，被釘扎層的磁化方向自最初的固定磁化方向改變。
從圖25中明顯看出，通過本實(shí)施例的方法制造的合成自旋閥膜SAF具有高于傳統(tǒng)自旋閥膜SV的交換耦合磁場Hua的值，并且將交換耦合磁場Hua維持在高水平，直至達(dá)到與傳統(tǒng)自旋閥膜SV相比更高的退火溫度。
圖26的曲線圖示出了關(guān)于傳統(tǒng)自旋閥膜SV和以上制造的合成自旋閥膜SAF的退火溫度TA和MR比率之間的關(guān)系的研究結(jié)果。從圖26明確看出，通過本實(shí)施例的方法制造的合成自旋閥膜SAF具有的MR比率的值高于傳統(tǒng)自旋閥膜SV的，并且將MR比率維持在高水平，直至達(dá)到與傳統(tǒng)自旋閥膜SV相比更高的退火溫度。即，通過本實(shí)施例的方法制造的合成自旋閥膜SAF具有的耐熱性高于傳統(tǒng)自旋閥膜SV。因此，即使磁傳感器10和30的制造包括高溫工藝，如形成保護(hù)膜的工序(鈍化處理)、或在各固定方向上釘扎合成自旋閥膜SAF的固定層的磁化之后的焊接工序，也能獲得具有穩(wěn)定特性的磁傳感器10和30。
接下來，比較兩個磁傳感器之間的性能，一個磁傳感器具有采用包括磁軛60的磁體陣列50制造的合成自旋閥膜SAF(其被釘扎層使得磁化被釘扎在一固定方向上)，另一個磁傳感器具有通過采用從磁體陣列50除去磁軛60得到的磁體陣列制造的合成自旋閥膜SAF。
圖27和28是示意圖，示出用于試驗(yàn)的磁傳感器的晶片上的位置。圖27示出了其上形成有大量膜M的晶片。圖28為圖27示出的一個正方形部分的放大圖。
圖29示出了位于圖27所示的點(diǎn)位置(shot position)(X位置，Y位置)(3，3)、(3，5)、...，(7，5)和(7，7)中圖28所示的芯片位置(X位置，Y位置)(7，7)處的X軸磁傳感器的特性(輸出電壓隨外部磁場的變化)。X軸磁傳感器通過采用包括磁軛60的磁體陣列50制造。圖30示出位于圖27所示的點(diǎn)位置(X位置，Y位置)(3，3)、(3，5)、...，(7，5)和(7，7)中圖28所示的芯片位置(X位置，Y位置)(7，5)處的X軸磁傳感器的特性。該X軸磁傳感器通過采用從磁體陣列50去除磁軛60制備的磁體陣列制造。
從圖29和30之間的比較明顯看出，在通過采用從磁體陣列50除去磁軛60得到的磁體陣列制造的X軸磁傳感器中，形成在點(diǎn)位置(7，3)的X軸磁傳感器與正常X軸磁傳感器相比具有相反的特性曲線；形成在點(diǎn)位置(3，3)的X軸磁傳感器呈現(xiàn)出差的輸出特性。相反，使用包括磁軛60的磁體陣列50制造的X軸磁傳感器具有與點(diǎn)位置無關(guān)的一致的輸出特性。
圖31示出位于圖27所示的點(diǎn)位置(X位置，Y位置)(3，3)、(3，5)、...，(7，5)和(7，7)中圖28所示的芯片位置(X位置，Y位置)(7，8)處的Y軸磁傳感器的特性。該Y軸磁傳感器采用包括磁軛60的磁體陣列50制造。圖32示出位于圖27所示的點(diǎn)位置(X位置，Y位置)(3，3)、(3，5)、...，(7，5)和(7，7)中圖28所示的芯片位置(X位置，Y位置)(7，6)處的Y軸磁傳感器的特性。該Y軸磁傳感器采用從磁體陣列50除去磁軛60得到的磁體陣列制造。
從圖30和31之間的比較明顯看出，在采用從磁體陣列50除去磁軛60得到的磁體陣列制造的Y軸磁傳感器中，形成在點(diǎn)位置(7，3)的Y軸磁傳感器與正常Y軸磁傳感器相比，呈現(xiàn)出反向的特性曲線；形成在點(diǎn)位置(3，3)的Y軸磁傳感器呈現(xiàn)出差的輸出特性。相反，用包括磁軛60的磁體陣列50制造的Y軸磁傳感器呈現(xiàn)出與點(diǎn)位置無關(guān)的一致的輸出特性。
圖33示出了X軸磁傳感器的靈敏度(每單位磁場強(qiáng)度的輸出電壓變化)，其中該磁傳感器位于上述點(diǎn)位置中的芯片位置(7，7)處，并且用包括磁軛60的磁體陣列50制造。圖34示出了X軸磁傳感器的靈敏度，其中該磁傳感器位于上述點(diǎn)位置中的芯片位置(7，5)處，并且用從磁體陣列50除去磁軛60得到的磁體陣列制造。
圖35示出了X軸磁傳感器的靈敏度，其中該磁傳感器位于上述點(diǎn)位置中的芯片位置(7，8)處，并且用包括磁軛60的磁體陣列50制造。圖36示出了X軸磁傳感器的靈敏度，其中該磁傳感器位于上述點(diǎn)位置中的芯片位置(7，6)處，并且用通過從磁體陣列50除去磁軛60得到的磁體陣列制造。
圖37示出了Y軸磁傳感器的靈敏度，其中該磁傳感器位于上述點(diǎn)位置中的芯片位置(7，7)處，并且用包括磁軛60的磁體陣列50制造。圖38示出了Y軸磁傳感器的靈敏度，其中該磁傳感器位于上述點(diǎn)位置中的芯片位置(7，5)處，并且用通過從磁體陣列50除去磁軛60得到的磁體陣列制造。
圖39示出了Y軸磁傳感器的靈敏度，其中該磁傳感器位于上述點(diǎn)位置中的芯片位置(7，8)處，并且用包括磁軛60的磁體陣列50制造。圖40示出了Y軸磁傳感器的靈敏度，其中該磁傳感器位于上述點(diǎn)位置中的芯片位置(7，6)處，并且用通過從磁體陣列50除去磁軛60得到的磁體陣列制造。
從圖33至40明確看出，采用包括磁軛60的磁體陣列50制造的磁傳感器表現(xiàn)出良好的靈敏度。相反，采用不具有磁軛60的磁體陣列制造的磁傳感器包括靈敏度差的磁傳感器。這說明，采用本實(shí)用新型的磁體陣列50制造的雙軸磁傳感器具有極好的耐熱性和極好的輸出特性。
其次，以與上述實(shí)施例相似的方式制造了包括如圖41所示布置的元件的磁傳感器100，其中每個元件包括合成自旋閥膜SAF。還制造了包括元件的磁傳感器100′(未示出)，其中所述元件以與磁傳感器100相似的方式布置，每個元件包括傳統(tǒng)的自旋閥膜(具有圖42所示的膜結(jié)構(gòu))。
磁傳感器100包括GMR元件111到114、以及GMR元件121到124。GMR元件111到114分別相應(yīng)于磁傳感器10的GMR元件11到14。GMR元件121到124分別相應(yīng)于磁傳感器10的GMR元件21到24。圖41示出了GMR元件111到114以及121到124的設(shè)置、被釘扎層的磁化方向、以及無外部磁場時自由層的磁化方向。
利用磁線圈，在X軸的正向和負(fù)向上向磁傳感器100和傳統(tǒng)磁傳感器100′施加強(qiáng)度為20、40、60、80和100(Oe)的磁場。隨后，除去所施加的磁場，并針對X軸和Y軸磁傳感器的輸出電壓檢測磁傳感器100和100′。結(jié)果表示在圖43和44中。從圖43和44的比較明顯看出，根據(jù)本實(shí)用新型的磁傳感器100在其上被施加磁場之后在輸出上幾乎沒有出現(xiàn)變化(見圖43)。相反，傳統(tǒng)磁傳感器100′在其上被施加磁場之后在輸出上出現(xiàn)很大的變化(見圖44)。這說明，在對強(qiáng)磁場的耐受性方面，根據(jù)本實(shí)用新型的磁傳感器100優(yōu)于傳統(tǒng)磁傳感器100′。
也應(yīng)注意到，上述磁傳感器是一種傳感器，其被形成來使得多個所述磁阻效應(yīng)元件(例如GMR元件)被設(shè)置在具有通常為正方形形狀的單芯片(基板)上一平面中，所述磁阻效應(yīng)元件關(guān)于所述通常為正方形的芯片的中心線對稱設(shè)置，且所述多個磁阻效應(yīng)元件中的至少兩個的被釘扎層具有相互交叉的被釘扎的磁化方向(即被釘扎的磁化方向以90度相互交叉)。而且，也注意到，以上的磁傳感器10包括四個所述磁阻效應(yīng)元件，其中該四個所述磁阻效應(yīng)元件通過這四個元件的全橋連接構(gòu)成X軸或Y軸磁傳感器，所述四個元件的被釘扎層的所述被釘扎的磁化方向相互平行。
本實(shí)用新型的實(shí)施例已參照用于制造磁傳感器的方法、磁體陣列、以及用于制造磁體陣列的方法得以描述。然而，本實(shí)用新型不限于此，而是可以以許多其它不脫離本實(shí)用新型主旨的特殊形式體現(xiàn)。例如，當(dāng)要采用磁體陣列50在各個固定方向上釘扎被釘扎層的磁化時，膜M不必被構(gòu)圖?？梢栽诒会斣鷮拥拇呕会斣诟鱾€固定方向上之后構(gòu)圖膜M。
權(quán)利要求1.一種磁體陣列，其特征在于，包含多個永磁體和由磁性材料制成的薄板磁軛，每個永磁體具有基本上長方體的形狀，該長方體具有垂直于其軸截取的基本上為正方形形狀的橫截面，并且每個永磁體具有在其垂直于該軸的具有基本上正方形形狀的相應(yīng)的對立端面上產(chǎn)生的磁極；該多個永磁體以一方式布置，使得其基本上正方形的端面的每一個的重心與四方格子的格點(diǎn)重合，設(shè)置在該四方格子的相同格線上的永磁體使得某一永磁體的該端面的一邊與另一永磁體的該端面的一邊基本排成直線，該多個永磁體的該端面基本在相同的平面上，并且兩個鄰近的、最靠近的永磁體的該端面上產(chǎn)生的磁極在極性上不同；并且該磁軛具有按與所布置的永磁體基本相同的方式布置的多個通孔，每個通孔包括正方形部分和矩形部分，其中該正方形部分具有與該永磁體的該橫截面的該基本上正方形形狀基本相同的形狀，每個該矩形部分沿該正方形部分的一邊的中心部分形成并使該中心部分作為其長邊；該多個永磁體穿過該多個通孔的相應(yīng)的正方形部分插入；并且該多個永磁體的該端面所在的平面位于該磁軛的上表面和下表面之間。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的磁體陣列，其特征在于，在平視時的該磁體陣列的該磁軛中，以一方式形成有開口，使得每個該開口圍繞通過連接該四方格子的相鄰格點(diǎn)形成的正方形的重心。
3.根據(jù)權(quán)利要求1的磁體陣列，其特征在于，在平視時，該磁軛的每個通孔具有邊緣部分，該邊緣部分具有基本上圓弧形狀，并形成在該通孔的該正方形部分的相應(yīng)角落處，從而向外膨脹。
4.根據(jù)權(quán)利要求2的磁體陣列，其特征在于，在平視時，該磁軛的每個通孔具有邊緣部分，該邊緣部分具有基本上圓弧形狀，并形成在該通孔的該正方形部分的相應(yīng)角落處，從而向外膨脹。
專利摘要本實(shí)用新型涉及一種磁體陣列，其包含多個永磁體和由磁性材料制成的薄板磁軛。永磁體為長方體形狀并在其對立端面上形成磁極，其按四方格子陣列方式排列，其端面共面，且兩個最近鄰的永磁體的端面上產(chǎn)生的磁極在極性上不同。磁軛具有以與永磁體相同的方式排列的多個通孔，每個通孔包括正方形部分和矩形部分，該正方形部分的形狀與永磁體的橫截面形狀相同，每個矩形部分沿該正方形部分的一邊的中心部分形成并將該中心部分作為其長邊。該多個永磁體穿過該多個通孔的相應(yīng)的正方形部分插入，且永磁體的端面所在的平面位于磁軛的上表面和下表面之間。本磁體陣列可用于批量制造磁傳感器。
文檔編號H01L43/08GK2791885SQ20052001188
公開日2006年6月28日 申請日期2005年3月11日 優(yōu)先權(quán)日2004年3月12日
發(fā)明者大橋俊幸, 相曾功吉 申請人:雅馬哈株式會社