專利名稱：單一芯片磁性傳感器及其激光加熱輔助退火裝置與方法
技術領域：
本發(fā)明涉及GMR、MTJ (Magnetic Tunnel Junction)自旋閥磁電阻傳感器領域，特別的是一種單一芯片磁性傳感器及其激光加熱輔助退火裝置與方法，能夠輔助GMR、MTJ在較低的磁場下實現(xiàn)釘扎層磁矩的局部翻轉(zhuǎn)，所述方法可以用于在磁性薄膜上制作半橋、全橋、雙軸半橋、雙軸全橋GMR、MTJ磁性傳感器。
背景技術：
磁性隧道結(jié)傳感器(MTJ，Magnetic Tunel Junction)是近年來開始工業(yè)應用的新型磁電阻效應傳感器，它利用的是磁性多層膜材料的隧道磁電阻效應(Tunnel Magnetoresistance),主要表現(xiàn)在磁性多層膜材料中隨著外磁場大小和方向的變化，磁性多層膜的電阻發(fā)生明顯變化，它比之前所發(fā)現(xiàn)并實際應用的AMR(各向異性磁電阻效應)、 具有更大的電阻變化率，同時相對于霍爾效應材料具有更好的溫度穩(wěn)定性.MTJ磁性傳感器具有電阻變化率大，輸出信號幅值大，電阻率高，功耗低，溫度穩(wěn)定性高的優(yōu)點。用MTJ制成的磁場測量器件，比AMR、GMR、霍爾器件具有靈敏度更高、功耗更低、線性更好、動態(tài)范圍更寬、溫度特性更好，抗干擾能力更強的優(yōu)點。此外MTJ還能方便的集成到現(xiàn)有的芯片微加工工藝當中，便于制成體積很小的集成磁場傳感器。在GMR、MTJ磁性傳感器的應用當中，可以有單電阻、參考電阻半橋、推挽式半橋、 參考電阻全橋、推挽式全橋等不同形式。推挽式半橋要求兩個橋臂電阻中的磁性隧道結(jié)的釘扎層磁矩方向相反，而通常沉積在同一硅片上的磁性隧道結(jié)MTJ，由于其磁矩翻轉(zhuǎn)所需要的磁場強度大小相同，因而在同一個硅片上的磁電阻釘扎層磁矩通常都相同。這樣，在同一個硅片上沉積兩個釘扎層磁矩相反的相鄰磁電阻顯得非常困難。而從實際應用的角度來講，推挽式半橋具有比單電阻、參考電阻半橋更高的靈敏度，同時具有溫度補償功能，能夠抑制溫度漂移的影響。即從實際應用的需要來講，推挽式半橋更好。因而在實際應用中，通常從同一硅片或是不同硅片取兩個一致性好的磁電阻，這兩個磁電阻的敏感方向相同(釘扎層方向)，然后將其中一個相對另一個磁電阻翻轉(zhuǎn)180度進行多芯片封裝，構(gòu)成推挽式半橋。這樣的結(jié)果是能夠?qū)崿F(xiàn)推挽式半橋的功能，即提高了檢測靈敏度，具有溫度補償功能， 但是另一方面多芯片封裝，提高了生產(chǎn)成本；實際封裝時不能嚴格的進行180度翻轉(zhuǎn)，即兩個電阻的靈敏度方向不是嚴格的相差180度，使得兩個電阻隨外場變化的輸出特性不相同，出現(xiàn)靈敏度不同，存在比較大的偏置電壓等不對稱問題，這樣在實際應用中就會帶來新的問題。同樣，GMR、MTJ全橋的制備中也會存在同樣的問題，同時，由于MTJ全橋需要四個電阻，這一問題會更為明顯。另外，在雙軸推挽式半橋，雙軸推挽式全橋中，則需要四個不同的芯片，則此時的不對稱性會更加的明顯。因此，尋求一種直接在單一芯片上直接制備推挽式半橋、全橋的方法是一種很自然的想法。而在推挽式橋式磁性傳感器中，由于相鄰的兩個電阻的釘扎層方向相反，相對的兩個電阻的釘扎層方向相同。因此，在單一硅片上制備GMR、 MTJ全橋時，不能采用將GMR、MTJ硅片在同一強磁場中退火來實現(xiàn)。在強磁場中退火，硅片上所有的GMR、MTJ單元的釘扎層都朝向同一個方向。而如果能夠?qū)崿F(xiàn)硅片上GMR、MTJ單元的線掃描翻轉(zhuǎn)或是點對點局域磁矩翻轉(zhuǎn)，則可以非常方便的同一硅片上制備MTJ更好的推挽式雙軸磁場芯片。

發(fā)明內(nèi)容
針對上述問題，本發(fā)明的主要目的是提供一種單一芯片磁性傳感器及其激光加熱輔助退火裝置與方法，在磁性薄膜上制作半橋、全橋、雙軸半橋、雙軸全橋GMR、MTJ磁性傳感器。本發(fā)明采用的技術方案是一種單一芯片磁性傳感器激光加熱輔助退火裝置，它包括
激光源，用于發(fā)射對準磁性薄膜的激光束；
光衰減器，設置在經(jīng)由激光源發(fā)出的激光束的后端；
反光鏡，用于改變經(jīng)由光衰減器衰減后的激光束的傳播方向；
聚焦物鏡，用于將經(jīng)由反光鏡改變方向后的激光束進行聚焦成光斑；
可移動平臺，其上包括有用于夾持磁性薄膜的夾具；
電磁鐵，該電磁鐵設置在可移動平臺上。優(yōu)選地，它還包括CXD相機，反光鏡上具有一條縫隙，所述CXD相機通過反光鏡的縫隙以調(diào)節(jié)反光鏡將光斑對準磁性薄膜。優(yōu)選地，所述夾具上設置有一密封裝置，該密封裝置將磁性薄膜與外界相隔離。優(yōu)選地，所述密封裝置內(nèi)充入保護性氣體。優(yōu)選地，它還包括一控制可移動平臺移動的步進電機，所述步進電機為X、Y方向的雙軸步進電機，Y軸與χ軸相正交。優(yōu)選地，電磁鐵包括沿X軸方向排布的X軸電磁鐵X、沿Y軸方向排布的Y軸電磁鐵Y。優(yōu)選地，它還包括一磁場探測器，所述磁場探測器用于探測電磁鐵的磁場值。優(yōu)選地，它還包括一用于檢測磁性薄膜溫度的溫度傳感器，激光源上還設置有一用于調(diào)節(jié)激光束功率的功率調(diào)節(jié)裝置，所述功率調(diào)節(jié)裝置根據(jù)溫度傳感器采集到的數(shù)據(jù)對激光源進行調(diào)節(jié)。優(yōu)選地，所述的聚焦物鏡上設置有一用于調(diào)節(jié)激光束的調(diào)焦裝置。一種單一芯片磁性傳感器激光加熱輔助退火方法a磁性薄膜在強磁場中退火以使磁性薄膜的釘扎層的磁矩朝向同一個方向；
b將磁性薄膜固定放置在可移動平臺的夾具上；
c打開激光源以發(fā)射出激光束，激光束經(jīng)由光衰減器得以衰減，衰減后的激光束經(jīng)由反光鏡以改變方向，改變方向后的激光束經(jīng)由聚焦物鏡得以聚焦成光斑；
d移動可移動平臺以使激光束聚焦后的光斑對準磁性薄膜以使激光束對磁性薄膜進行加熱；
e調(diào)節(jié)設置在可移動平臺上的電磁鐵的磁場強度以翻轉(zhuǎn)磁性薄膜的加熱區(qū)域的磁疇； f對磁性薄膜進行切片，并將切片好的磁性薄膜連接好并封裝成傳感器芯片。優(yōu)選地，在步驟c中，通過CXD相機觀察反光鏡上的縫隙來調(diào)節(jié)反光鏡的位置。
優(yōu)選地，步驟d和步驟e之間還包括一步驟D，即
D轉(zhuǎn)動反光鏡，改變光斑與磁性薄膜接觸的區(qū)域，以改變磁性薄膜的加熱區(qū)域，調(diào)節(jié)設置在可移動平臺上的電磁鐵的磁力以改變磁性薄膜的加熱區(qū)域的磁疇。優(yōu)選地，步驟d和步驟e之間還包括一步驟D，即D移動可移動平臺以改變光斑與磁性薄膜接觸的區(qū)域，以改變磁性薄膜加熱區(qū)域，調(diào)節(jié)設置在可移動平臺上的電磁鐵的磁力以翻轉(zhuǎn)磁性薄膜的加熱區(qū)域的磁疇。一種單一芯片供推免式半橋用的MTJ或GMR磁性傳感器，它包括沉積在硅片上的一磁性薄膜，所述磁性薄膜具有多個并列排列的第一單元，所述第一單元由兩個MTJ磁電阻元件構(gòu)成，所述兩個MTJ磁電阻元件的磁矩反向相平行。一種單一芯片供雙軸推挽式半橋用的MTJ或GMR磁性傳感器，它包括沉積在硅片上的一磁性薄膜，所述磁性薄膜具有多個并列排列的第二單元，所述第二單元包括四個MTJ 磁電阻元件，位于第一行的兩個磁電阻元件的磁矩方向反向相平行，位于所述第二行的兩個磁電阻元件的磁矩方向反向相平行，并與位于第一行小格內(nèi)的磁矩方向順時針旋轉(zhuǎn)度。一種單一芯片供推挽式全橋用的MTJ或GMR磁性傳感器，它包括沉積在硅片上的一磁性薄膜，所述磁性薄膜具有多個并列排列的第三單元，所述第三單元包括四個呈兩排兩列排列的MTJ磁電阻元件，位于第一列的兩個磁電阻元件的磁矩方向同向且平行，位于第二列的兩個磁電阻元件的磁矩方向相同且與為位于第一列的兩個磁電阻元件的磁矩方向旋轉(zhuǎn)度。一種單一芯片供推挽式全橋用的MTJ或GMR磁性傳感器，它包括沉積在硅片上的一磁性薄膜，所述磁性薄膜具有多個并列排列的第四單元，所述第四單元包括四個MTJ磁電阻元件，位于第一行的兩磁電阻元件內(nèi)的磁矩方向反向相平行，位于第二行的兩磁電阻元件內(nèi)的磁矩方向反向相平行，位于第一列的兩個磁電阻元件內(nèi)的磁矩方向反向相平行。一種單一芯片供雙軸全橋用的MTJ或GMR磁性傳感器，它包括沉積在硅片上的一磁性薄膜，所述磁性薄膜具有多個并列排列的第五單元，所述各第五單元包括第一區(qū)間和與第一區(qū)間相鄰設置的第二區(qū)間，所述第一區(qū)間包括四個呈兩行兩列排列的磁電阻元件， 位于所述第一區(qū)間的第一列兩磁電阻元件內(nèi)的磁矩方向同向相平行，位于所述第一區(qū)間的第二列兩磁電阻元件內(nèi)的磁矩方向相同且與位于第一區(qū)間的第一列兩磁電阻元件的磁矩方向旋轉(zhuǎn)度，所述第二區(qū)間包括四個呈兩行兩列排列的磁電阻元件，位于所述第二區(qū)間的第一行兩磁電阻元件內(nèi)的磁矩方向相同且與位于第一區(qū)間的第一列兩磁電阻元件的磁矩方向順時針旋轉(zhuǎn)度，位于所述第二區(qū)間的第二行的兩磁電阻元件內(nèi)的磁矩方向相同且與位于第一區(qū)間的第二列的兩磁電阻元件的磁矩方向順時針旋轉(zhuǎn)度。一種單一芯片供雙軸全橋用的MTJ或GMR磁性傳感器，它包括沉積在硅片上的一磁性薄膜，所述磁性薄膜具有多個并列排列的第六單元，所述第六單元包括第一區(qū)間和與第一區(qū)間相鄰設置的第二區(qū)間，所述第一區(qū)間包括四個呈兩行兩列排列的磁電阻元件，所述第一區(qū)間的第一行兩磁電阻元件內(nèi)的磁矩反向且相平行，所述第一區(qū)間的第二行兩磁電阻元件內(nèi)的磁矩反向且相平行，且所述第一區(qū)間的第一列兩磁電阻元件內(nèi)的磁矩反向且相平行，所述第二區(qū)間包括四個呈兩行兩列排列的磁電阻元件，所述第二區(qū)間各磁電阻元件內(nèi)的磁矩方向為第一區(qū)間各對應磁電阻元件內(nèi)的磁矩方向逆時針旋轉(zhuǎn)度。以上本發(fā)明所提供的技術方案，本發(fā)明所述的激光加熱輔助退火裝置和方法，能夠在同一個硅片上實現(xiàn)局部加熱和局部磁矩翻轉(zhuǎn)。采用該方法，制得的半橋，半橋雙軸，全橋，全橋，雙軸推挽式傳感器具有靈敏度高，具備推挽橋式傳感器的溫度補償功能和噪聲抵消的特點。同時能夠在同一個硅片上生產(chǎn)半橋，半橋雙軸，全橋，全橋MTJ或GMR傳感器，適合大規(guī)模批量生產(chǎn)，成本低。傳感器的磁電阻匹配度好，一致性高，同時對準精度高，因此， 整體上具有更優(yōu)的性能。


圖1是磁性薄膜的激光加熱輔助退火裝置示意圖。圖2是MTJ磁電阻元件的工作原理示意圖。圖3是磁性薄膜在強磁場中退火的過程示意圖。圖4是推挽式MTJ或GMR半橋磁性傳感器工作原理示意圖。圖5是推挽式MTJ或GMR半橋磁性傳感器的釘扎層的結(jié)構(gòu)示意圖。圖6是雙軸推挽式MTJ或GMR半橋磁性傳感器工作原理示意圖。圖7是雙軸推挽式MTJ或GMR半橋磁性傳感器的釘扎層的結(jié)構(gòu)示意圖。圖8是推挽式MTJ或GMR全橋磁性傳感器結(jié)構(gòu)示意圖。圖9是推挽式MTJ或GMR全橋磁性傳感器的釘扎層的第一結(jié)構(gòu)示意圖。圖10是推挽式MTJ或GMR全橋磁性傳感器的釘扎層的第二結(jié)構(gòu)示意圖。圖11是雙軸推挽式MTJ或GMR全橋磁性傳感器工作原理示意圖。圖12是雙軸推挽式MTJ或GMR全橋磁性傳感器的釘扎層的第一結(jié)構(gòu)示意圖。圖13是雙軸推挽式MTJ或GMR全橋磁性傳感器的釘扎層的第二結(jié)構(gòu)示意圖。附圖中1、釘扎層；2、磁性被釘扎層；3、非磁性氧化層；4、磁性自由層；5、被釘扎層磁矩方向；6、自由層磁矩方向；21、第一橋壁；21A、A半橋的第一橋壁；21B、B半橋的第一橋壁；22、第二橋壁；22A、A半橋的第二橋壁；22B、B半橋的第二橋壁；23、第一方向；23A、A 半橋第一方向J3B、B半橋第一方向；24、第二方向；24A、A半橋第二方向；MB、B半橋第二方向；25、半橋MTJ或GMR敏感方向；31、第一電阻；31A、A全橋第一電阻；31B、B全橋第一電阻；32、第二電阻；32A、A全橋第二電阻；32B、B全橋第二電阻；33、第三電阻；33A、A全橋第三電阻；3!3B、B全橋第三電阻；34、第四電阻；34A、A全橋第四電阻；34B、B全橋第四電阻； 35、第一磁矩方向；35A、A全橋第一磁矩方向；35B、B全橋第一磁矩方向；36、第二磁矩方向； 36A、A全橋第二磁矩方向；36B、B全橋第二磁矩方向；37、第三磁矩方向；37A、A全橋第三磁矩方向；37B、B全橋第三磁矩方向；38、第四磁矩方向；38A、A全橋第四磁矩方向；38B、B全橋第四磁矩方向；39、全橋MTJ或GMR敏感方向；41、磁性薄膜常態(tài)下的釘扎層磁疇的磁矩方向；42、強磁場退火后的磁性薄膜的釘扎層的磁矩方向；60、激光源；61、光衰減器；62、激光束；63、CCD相機；64、反光鏡；65、聚焦物鏡；66、可移動平臺；67、磁性薄膜；68X、X軸向電磁鐵；68Y、Y軸向電磁鐵；69、磁場探測器；70、溫度探測器；71、第一單元；72、第二單元； 81、第三單元；82、第四單元；83、第五單元；84、第六單元。
具體實施例方式下面結(jié)合附圖1-13分別對本發(fā)明的較佳實施例進行詳細闡述，以使本發(fā)明的優(yōu)點和特征能更易于被本領域的技術人員理解，從而對本發(fā)明的保護范圍作出更為清楚明確的界定。如附圖3所示，在外加磁場下磁疇中磁矩方向翻轉(zhuǎn)示意圖。磁性薄膜常態(tài)下的釘扎層的磁疇中磁矩方向41為未經(jīng)磁疇翻轉(zhuǎn)的磁性薄膜磁疇中磁矩指向。在沒有外場的情況下，磁疇中的磁矩是隨機取向的。通過外加磁場H，當磁場H大小達到可以將磁疇中的磁矩翻轉(zhuǎn)到指向同一個方向，即外場方向。如圖3中所示，外加一翻轉(zhuǎn)磁場H后，強磁場退火后的磁性薄膜的釘扎層的磁矩方向42為沿外場方向進行翻轉(zhuǎn)后的磁矩指向。在每個MTJ 元件的磁性釘扎層中，希望磁矩都能指向一個相同的方向。要實現(xiàn)磁矩翻轉(zhuǎn)這一翻轉(zhuǎn)過程，需要滿足兩個條件，即在一定的溫度下，磁場大于相應的翻轉(zhuǎn)磁場Bf，此時，磁疇中的磁矩才能實現(xiàn)翻轉(zhuǎn)。同時，可以看出隨著溫度的升高， 磁疇磁矩翻轉(zhuǎn)所需要的磁場減小，即，溫度越高，只要不破壞材料的結(jié)構(gòu)，不發(fā)生新的相變， 則實現(xiàn)磁矩翻轉(zhuǎn)所需要的磁場越低。這樣，即可以通過加熱，來降低磁疇翻轉(zhuǎn)所需的磁場。 同樣，可以通過局域加熱降低局部的翻轉(zhuǎn)磁場而保持其它區(qū)域的翻轉(zhuǎn)磁場不變。即進行局域加熱后，使局部的溫度升高，使得局部磁疇磁矩翻轉(zhuǎn)磁場降低，而周圍未加熱區(qū)域的磁矩翻轉(zhuǎn)所需磁場保持在一個更大的磁場Bi，則可以通過外加一個磁場B，使Bf<B<Bl，則可以實現(xiàn)局部的磁矩翻轉(zhuǎn)。而激光由于光束的精確定位和聚集性，高強度，能夠非常精確的實現(xiàn)局域加熱，從而實現(xiàn)磁矩的局部翻轉(zhuǎn)來達到對磁性薄膜激光加熱輔助退火。如附圖1所示，一種單一芯片磁性傳感器激光加熱輔助退火裝置，它包括激光源60，用于發(fā)射對準磁性薄膜67的激光束62 ；
光衰減器61，設置在經(jīng)由激光源60發(fā)出的激光束62的后端； 反光鏡64，用于改變經(jīng)由光衰減器61衰減后的激光束62的傳播方向； 聚焦物鏡65，用于將經(jīng)由反光鏡64改變方向后的激光束62聚焦成光斑； 可移動平臺66，其上包括有用于夾持磁性薄膜67的夾具； 電磁鐵，該電磁鐵設置在可移動平臺66上。它還包括CXD相機63，反光鏡64上具有一條縫隙，所述CXD相機63通過反光鏡 64的縫隙來調(diào)節(jié)反光鏡64。所述夾具上設置有一密封裝置，該密封裝置將磁性薄膜67與外界相隔離。所述密封裝置內(nèi)充入保護性氣體。它還包括一控制可移動平臺66移動的步進電機，所述步進電機為X、Y方向的雙軸步進電機。雙軸步進電機可以控制可移動平臺的運動，改變電磁鐵加熱的目標區(qū)域，Y軸與 X軸相正交。電磁鐵包括沿X軸方向排布的X軸電磁鐵68Χ、沿Y軸方向排布的Y軸電磁鐵68Υ。它還包括一磁場探測器69，所述磁場探測器69用于探測電磁鐵的磁場值。它還包括一用于檢測磁性薄膜67溫度的溫度傳感器70，激光源60上還設置有一用于調(diào)節(jié)激光束62功率的功率調(diào)節(jié)裝置，所述功率調(diào)節(jié)裝置根據(jù)溫度傳感器70采集到的數(shù)據(jù)對激光源60進行調(diào)節(jié)。所述的聚焦物鏡65上設置有一用于調(diào)節(jié)激光束62的調(diào)焦裝置。本實施例中，一種單一芯片磁性傳感器激光加熱輔助退火裝置，它包括一激光源 60，用于發(fā)射對準磁性薄膜67的激光束62 ；激光源60上還設置有一用于調(diào)節(jié)激光束62功率的功率調(diào)節(jié)裝置。
它包括光衰減器61，設置在經(jīng)由激光源60發(fā)出的激光束62的后端，將激光源60 發(fā)射的激光束62能量調(diào)節(jié)至合適的范圍。它包括反光鏡64，用于改變經(jīng)由光衰減器61衰減后的激光束62的傳播方向，它還包括CXD相機63，反光鏡64上具有一條縫隙，所述CXD相機63通過反光鏡64的縫隙來調(diào)節(jié)反光鏡64。所述反光鏡64可轉(zhuǎn)動，改變光斑在磁性薄膜的掃描方向，使得光斑可以在X 軸掃描與Y軸掃描之間轉(zhuǎn)換。它包括聚焦物鏡65，用于將經(jīng)由反光鏡64改變方向后的激光束62聚焦成光斑，光斑與磁性薄膜67接觸的范圍即為退火裝置的加工區(qū)域，所述的聚焦物鏡65上設置有一用于調(diào)節(jié)激光束62的調(diào)焦裝置。它包括可移動平臺66，它還包括一控制可移動平臺66移動的步進電機，所述步進電機為X、Y方向的雙軸步進電機，Y軸與X軸相正交。雙軸步進電機可以控制可移動平臺 66的運動，改變電磁鐵加熱的目標區(qū)域其上包括有用于夾持磁性薄膜67的夾具，所述夾具上設置有一密封裝置，該密封裝置將磁性薄膜67與外界相隔離。所述密封裝置內(nèi)充入保護性氣體。一般來說，保護性氣體包括氬氣、氮氣，此為常用技術，并不局限此發(fā)明專利的保護范圍。夾具可以調(diào)節(jié)用于夾持各種尺寸的磁性薄膜67，此為常用技術，并不局限此發(fā)明專利的保護。它包括電磁鐵，該電磁鐵設置在可移動平臺上，電磁鐵包括沿X軸方向排布的X軸電磁鐵68X、沿Y軸方向排布的Y軸電磁鐵68Y，X軸電磁鐵6 和Y軸電磁鐵68Y可改變通過改變其通過電流改變其大小，并通過改X、Y方向的磁場分量大小，改變合成的總磁場的方向和大小。它還包括一磁場探測器69，所述磁場探測器69用于探測電磁鐵產(chǎn)生的磁場值，當磁場探測器69探測到電磁鐵的磁場值不在合適的范圍時，通過自動調(diào)節(jié)其通過電流改變其方向和大小，保證加工的質(zhì)量。它還包括CXD相機63，反光鏡64上具有一條縫隙，所述CXD相機63通過反光鏡 64的縫隙來調(diào)節(jié)反光鏡64。所述反光鏡64可轉(zhuǎn)動，改變光斑在磁性薄膜67的掃描方向。它還包括一用于檢測磁性薄膜67溫度的溫度傳感器70，激光源60上還設置有一用于調(diào)節(jié)激光束62功率的功率調(diào)節(jié)裝置，所述功率調(diào)節(jié)裝置根據(jù)溫度傳感器70采集到的數(shù)據(jù)對激光源60進行調(diào)節(jié)。溫度傳感器70可以為接觸式或非接觸式，當探測到磁性薄膜 67的溫度不在合適的區(qū)域時，通過自動調(diào)節(jié)激光源60的功率調(diào)節(jié)裝置，改變激光束62的功率，使得其溫度在恰當?shù)姆秶鷥?nèi)。一種單一芯片磁性傳感器激光加熱輔助退火方法
a)磁性薄膜67在強磁場中退火以使磁性薄膜67的釘扎層的磁矩朝向同一個方向；
b)將磁性薄膜67固定放置在可移動平臺66的夾具上；
c)打開激光源60以發(fā)射出激光束62，激光束62經(jīng)由光衰減器61得以衰減，衰減后的激光束62經(jīng)由反光鏡64以改變方向，改變方向后的激光束62經(jīng)由聚焦物鏡65得以聚焦成光斑；
d)移動可移動平臺66以使激光束62聚焦后的光斑對準磁性薄膜67以使激光束62對磁性薄膜67進行加熱；
e)調(diào)節(jié)設置在可移動平臺66上的電磁鐵的磁場強度以翻轉(zhuǎn)磁性薄膜67的加熱區(qū)域的
磁疇；f )對磁性薄膜67進行切片，并將切片好的磁性薄膜67連接好并封裝成傳感器。在步驟c)中，通過CXD相機63觀察反光鏡64上的縫隙來調(diào)節(jié)反光鏡64的位置。步驟d和步驟e之間還包括一步驟D1)，即
Dl)轉(zhuǎn)動反光鏡64，改變光斑與磁性薄膜67接觸的區(qū)域，以改變磁性薄膜67的加熱區(qū)域，調(diào)節(jié)設置在可移動平臺66上的電磁鐵的磁力以改變磁性薄膜67的加熱區(qū)域的磁疇。步驟d)和步驟e)之間還包括一步驟D2)，即
D2)移動可移動平臺66以改變光斑與磁性薄膜67接觸的區(qū)域，以改變磁性薄膜67加熱區(qū)域，調(diào)節(jié)設置在可移動平臺66上的電磁鐵的磁力以翻轉(zhuǎn)磁性薄膜67的加熱區(qū)域的磁 本實施例中，一種單一芯片磁性傳感器激光加熱輔助退火方法，其步驟包括
a)磁性薄膜67在強磁場中退火以使磁性薄膜67的釘扎層的磁矩朝向同一個方向；
b)將磁性薄膜67固定放置在可移動平臺66的夾具上；
c)打開激光源60以發(fā)射出激光束62，激光束62經(jīng)由光衰減器61得以衰減，衰減后的激光束62經(jīng)由反光鏡64以改變方向，通過CXD相機63觀察反光鏡64上的縫隙來調(diào)節(jié)反光鏡64的位置，改變方向后的激光束62經(jīng)由聚焦物鏡65得以聚焦成光斑；
d)移動可移動平臺66以使激光束62聚焦后的光斑對準磁性薄膜67以使激光束62對磁性薄膜67進行加熱；
e)調(diào)節(jié)設置在可移動平臺66上的電磁鐵的磁場強度以翻轉(zhuǎn)磁性薄膜67的加熱區(qū)域的磁疇；
f )移動可移動平臺66以改變光斑與磁性薄膜67接觸的區(qū)域，以改變磁性薄膜67加熱區(qū)域，調(diào)節(jié)設置在可移動平臺66上的電磁鐵的磁力以改變磁性薄膜67的加熱區(qū)域的磁
g)對磁性薄膜67進行切片，并將切片好的磁性薄膜67邦定連接并封裝成傳感器芯片。如附圖2所示，MTJ磁電阻元件的工作原理示意圖。MTJ磁電阻元件的結(jié)構(gòu)主要由納米級多層膜組成釘扎層1，磁性被釘扎層2，非磁性氧化物層3，磁性自由層4。被釘扎層磁矩方向如5所示。自由層磁矩方向如6所示。被釘扎層磁矩方向5與自由層磁矩方向6 相互垂直。自由層磁矩方向6隨著外加磁場7的大小和方向的改變而變化。隧道結(jié)MTJ的磁阻隨著自由層磁矩方向6與被釘扎層磁矩方向5的夾角的變化而變化。采用本發(fā)明可以制備出供推挽式半橋用的MTJ或GMR傳感器、供雙軸推挽式半橋用的MTJ或GMR傳感器、供推挽式全橋用的MTJ或GMR傳感器和供雙軸推挽式全橋用的MTJ 或GMR傳感器。如附圖4所示，一種單一芯片推挽式半橋MTJ或GMR傳感器的工作原理示意圖。 圖中兩個相鄰的MTJ或GMR磁電阻第一橋壁2IR-的磁性釘扎層的第一方向23和第二橋壁 22R+的磁性釘扎層的第二方向M相互反平行，隨著沿半橋MTJ或GMR敏感方向25的外磁場變化時，則推挽式半橋中第一橋壁21的電阻R-和第二橋壁22的電阻R+—個變大，一個變小，具有相反的變化關系，即構(gòu)成一個推挽式半橋。如附圖5所示，一種單一芯片供推挽式半橋用的MTJ或GMR磁性傳感器，它是通過物理方法沉積在硅片上的一磁性薄膜67，所述磁性薄膜67具有很多個并列排列的第一單元71所述第一單元71由兩個MTJ磁電阻元件構(gòu)成，所述兩個MTJ磁電阻元件的磁矩反向相平行。如附圖6所示，一種單一芯片供雙軸推挽式半橋用的MTJ或GMR磁性傳感器的工作原理示意圖。一種雙軸推挽式半橋，由兩個敏感方向正交的推挽式半橋A、B組成，A半橋內(nèi)，兩個電阻的釘扎層磁矩A半橋第一方向23A與A半橋第二方向24A反向相平行，B半橋內(nèi)，兩個電阻的釘扎層磁矩B半橋第一方向2 與B半橋第二方向24B反向相平行。兩個半橋A、B的敏感軸正交，分別感應正交的X、Y方向的磁場。如附圖7所示，一種供雙軸推挽式半橋用的MTJ或GMR磁性傳感器，它是通過物理方法沉積在硅片上的一磁性薄膜67，所述磁性薄膜67具有很多個并列排列的第二單元72，所述各第二單元72包括四個MTJ磁電阻元件，位于第一行的兩個磁電阻元件的磁矩方向反向相平行，位于所述第二行的兩個磁電阻元件的磁矩方向反向相平行，并與位于第一行小格內(nèi)的磁矩方向順時針旋轉(zhuǎn)90度。如附圖8所示，推挽式全橋MTJ或GMR傳感器的工作原理示意圖。分別由四個MTJ 或GMR磁電阻組成，分別是第一電阻31R-、第二電阻32R+、第三電阻33R+、第四電阻34R-。 其中第一電阻31R-與第四電阻34R-相對，其磁性釘扎層的第一磁矩方向35和第四磁矩方向38相平行；第二電阻32R+與第三電阻33R+相對，其釘扎層的第二磁矩方向36與第三磁矩方向37相同向平行；且第一電阻31R-的第一磁矩方向35與第二電阻32R+的第二磁矩方向36相反向平行，隨外加沿全橋MTJ或GMR敏感方向39的外磁場，相鄰的兩個橋臂的電阻分別變大或變小，相對的兩個橋臂的兩個電阻同時增大或減小，即構(gòu)成一個推挽式全橋傳感器。它包括兩種結(jié)構(gòu)。 如附圖9所示，第一種單一芯片供推挽式全橋用的MTJ或GMR磁性傳感器，它是通過物理方法沉積在硅片上的一磁性薄膜67，所述磁性薄膜67具有很多個并列排列的第三單元81，所述各第三單元81包括四個呈兩排兩列排列的MTJ磁電阻元件，位于第一列的兩個磁電阻元件的磁矩方向同向且平行，位于第二列的兩個磁電阻元件的磁矩方向相同且與為位于第一列的兩個磁電阻元件的磁矩方向旋轉(zhuǎn)180度。如附圖10所示，第二種單一芯片供推挽式全橋用的MTJ或GMR磁性傳感器，它是通過物理方法沉積在硅片上的一磁性薄膜67，所述磁性薄膜67具有很多個并列排列的第四單元82，所述各第四單元82包括四個MTJ磁電阻元件，位于第一行的兩磁電阻元件內(nèi)的磁矩方向反向相平行，位于第二行的兩磁電阻元件內(nèi)的磁矩方向反向相平行，位于第一列的兩個磁電阻元件內(nèi)的磁矩方向反向相平行。如附圖11所示，供雙軸全橋用的MTJ或GMR磁性傳感器的工作原理示意圖。兩個全橋A、B正交放置，分別感應X、Y方向的磁場，在每個全橋中相鄰的磁電阻釘扎層磁矩方向相平行，相對的磁電阻釘扎層磁矩同向相平行，圖中，A半橋第一磁矩方向35Α與A半橋第四磁矩方向38Α相平行，A半橋第二磁矩方向36Α與A半橋第三磁矩方向37Α相平行，且 A半橋第一磁矩方向35Α與A半橋第三磁矩方向37Α反向相平行；圖中，B半橋第一磁矩方向35Β與B半橋第四磁矩方向38Β相平行，B半橋第二磁矩方向36Β與B半橋第三磁矩方向 37Β相平行，且B半橋第一磁矩方向35Β與B半橋第三磁矩方向37Β反向相平行；且A半橋第一磁矩方向35Α與B半橋第一磁矩方向35Β相正交。它包括兩種結(jié)構(gòu)。如附圖12所示，第一種單一芯片供雙軸全橋用的MTJ或GMR磁性傳感器，它是通過物理方法沉積在硅片上的一磁性薄膜67，所述磁性薄膜67具有很多個并列排列的第五單元83，所述各第五單元83包括包括第一區(qū)間和與第一區(qū)間相鄰設置的第二區(qū)間，所述第一區(qū)間包括四個呈兩行兩列排列的磁電阻元件，位于所述第一區(qū)間的第一列兩磁電阻元件內(nèi)的磁矩方向同向相平行，位于所述第一區(qū)間的第二列兩磁電阻元件內(nèi)的磁矩方向相同且與位于第一區(qū)間的第一列兩磁電阻元件的磁矩方向旋轉(zhuǎn)180度，所述第二區(qū)間包括四個呈兩行兩列排列的磁電阻元件，位于所述第二區(qū)間的第一行兩磁電阻元件內(nèi)的磁矩方向相同且與位于第一區(qū)間的第一列兩磁電阻元件的磁矩方向順時針旋轉(zhuǎn)90度，位于所述第二區(qū)間的第二行的兩磁電阻元件內(nèi)的磁矩方向相同且與位于第一區(qū)間的第二列的兩磁電阻元件的磁矩方向順時針旋轉(zhuǎn)90度。如附圖13所示，第二種單一芯片供雙軸全橋用的MTJ或GMR磁性傳感器，
它是通過物理方法沉積在硅片上的一磁性薄膜67，所述磁性薄膜67具有很多個并列排列的第六單元84，各第六單元84包括第一區(qū)間和與第一區(qū)間相鄰設置的第二區(qū)間，所述第一區(qū)間包括四個呈兩行兩列排列的磁電阻元件，所述第一區(qū)間的第一行兩磁電阻元件內(nèi)的磁矩反向且相平行，所述第一區(qū)間的第二行兩磁電阻元件內(nèi)的磁矩反向且相平行，且所述第一區(qū)間的第一列兩磁電阻元件內(nèi)的磁矩反向且相平行，所述第二區(qū)間包括四個呈兩行兩列排列的磁電阻元件，所述第二區(qū)間各磁電阻元件內(nèi)的磁矩方向為第一區(qū)間各對應磁電阻元件內(nèi)的磁矩方向逆時針旋轉(zhuǎn)90度。上述實施例只為說明本發(fā)明的技術構(gòu)思及特點，其目的在于讓熟悉此項技術的人士能夠了解本發(fā)明的內(nèi)容并據(jù)以實施，并不能以此限制本發(fā)明的保護范圍。凡根據(jù)本發(fā)明精神實質(zhì)所作的等效變化或修飾，都應涵蓋在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種單一芯片磁性傳感器激光加熱輔助退火裝置，其特征在于它包括激光源(60)，用于發(fā)射對準磁性薄膜(67)的激光束(62)；光衰減器(61)，設置在經(jīng)由激光源(60 )發(fā)出的激光束(62 )的后端； 反光鏡(64)，用于改變經(jīng)由光衰減器(61)衰減后的激光束(62)的傳播方向； 聚焦物鏡(65)，用于將經(jīng)由反光鏡(64)改變方向后的激光束(62)進行聚焦成光斑； 可移動平臺(66)，其上包括有用于夾持磁性薄膜(67)的夾具； 電磁鐵，該電磁鐵設置在可移動平臺(66)上。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的輔助退火裝置，其特征在于它還包括C⑶相機(63)，反光鏡 (64)上具有一條縫隙，所述CXD相機(63)通過反光鏡(64)的縫隙以調(diào)節(jié)反光鏡(64)將光斑對準磁性薄膜(67)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的輔助退火裝置，其特征在于所述夾具上設置有一密封裝置， 該密封裝置將磁性薄膜(67)與外界相隔離。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的輔助退火裝置，其特征在于所述密封裝置內(nèi)充入保護性氣體。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的輔助退火裝置，其特征在于它還包括一控制可移動平臺(66)移動的步進電機，所述步進電機為X、Y方向的雙軸步進電機，Y軸與X軸相正交。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的輔助退火裝置，其特征在于電磁鐵包括沿X軸方向排布的X 軸電磁鐵(6 )、沿Y軸方向排布的Y軸電磁鐵(68Y )。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的輔助退火裝置，其特征在于它還包括一磁場探測器(69)，所述磁場探測器(69)用于探測電磁鐵的磁場值。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的輔助退火裝置，其特征在于它還包括一用于檢測磁性薄膜(67)溫度的溫度傳感器(70)，激光源(60)上還設置有一用于調(diào)節(jié)激光束(62)功率的功率調(diào)節(jié)裝置，所述功率調(diào)節(jié)裝置根據(jù)溫度傳感器(70)采集到的數(shù)據(jù)對激光源(60)進行調(diào)節(jié)。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的輔助退火裝置，其特征在于所述的聚焦物鏡(65)上設置有一用于調(diào)節(jié)激光束(62)的調(diào)焦裝置。
10.一種單一芯片磁性傳感器激光加熱輔助退火方法，其特征在于a)磁性薄膜(67)在強磁場中退火以使磁性薄膜(67)的釘扎層的磁矩朝向同一個方向；b)將磁性薄膜(67)固定放置在可移動平臺(66)的夾具上；c)打開激光源(60)以發(fā)射出激光束(62)，激光束(62)經(jīng)由光衰減器(61)得以衰減， 衰減后的激光束(62)經(jīng)由反光鏡(64)以改變方向，改變方向后的激光束(62)經(jīng)由聚焦物鏡(65)得以聚焦成光斑；d)移動可移動平臺(66)以使激光束(62)聚焦后的光斑對準磁性薄膜(67)以使激光束(62)對磁性薄膜(67)進行加熱；e)調(diào)節(jié)設置在可移動平臺(66)上的電磁鐵的磁場強度以翻轉(zhuǎn)磁性薄膜(67)的加熱區(qū)域的磁疇；f)對磁性薄膜(67)進行切片，并將切片好的磁性薄膜(67)連接好并封裝成傳感器芯片。
11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的輔助退火方法，其特征在于在步驟c)中，通過CCD相機(63)觀察反光鏡(64)上的縫隙來調(diào)節(jié)反光鏡(64)的位置。
12.根據(jù)權(quán)利要求10所述的輔助退火方法，其特征在于步驟d)和步驟e)之間還包括一步驟Dl )，即Dl)轉(zhuǎn)動反光鏡(64)，改變光斑與磁性薄膜(67)接觸的區(qū)域，以改變磁性薄膜(67)的加熱區(qū)域，調(diào)節(jié)設置在可移動平臺(66)上的電磁鐵的磁力以改變磁性薄膜(67)的加熱區(qū)域的磁疇。
13.根據(jù)權(quán)利要求10所述的輔助退火方法，其特征在于步驟d)和步驟e)之間還包括一步驟D2)，即D2)移動可移動平臺(66)以改變光斑與磁性薄膜(67)接觸的區(qū)域，以改變磁性薄膜 (67)加熱區(qū)域，調(diào)節(jié)設置在可移動平臺(66)上的電磁鐵的磁力以翻轉(zhuǎn)磁性薄膜(67)的加熱區(qū)域的磁疇。
14.一種單一芯片供推免式半橋用的MTJ或GMR磁性傳感器，其特征在于它包括沉積在硅片上的一磁性薄膜(67)，所述磁性薄膜(67)具有多個并列排列的第一單元(71)，所述第一單元(71)由兩個MTJ磁電阻元件構(gòu)成，所述兩個MTJ磁電阻元件的磁矩反向相平行。
15.一種單一芯片供雙軸推挽式半橋用的MTJ或GMR磁性傳感器，其特征在于它包括沉積在硅片上的一磁性薄膜(67)，所述磁性薄膜(67)具有多個并列排列的第二單元(72)，所述第二單元(72)包括四個MTJ磁電阻元件，位于第一行的兩個磁電阻元件的磁矩方向反向相平行，位于所述第二行的兩個磁電阻元件的磁矩方向反向相平行，并與位于第一行小格內(nèi)的磁矩方向順時針旋轉(zhuǎn)90度。
16.一種單一芯片供推挽式全橋用的MTJ或GMR磁性傳感器，其特征在于它包括沉積在硅片上的一磁性薄膜(67)，所述磁性薄膜(67)具有多個并列排列的第三單元(81)，所述第三單元(81)包括四個呈兩排兩列排列的MTJ磁電阻元件，位于第一列的兩個磁電阻元件的磁矩方向同向且平行，位于第二列的兩個磁電阻元件的磁矩方向相同且與為位于第一列的兩個磁電阻元件的磁矩方向旋轉(zhuǎn)180度。
17.—種單一芯片供推挽式全橋用的MTJ或GMR磁性傳感器，其特征在于它包括沉積在硅片上的一磁性薄膜(67)，所述磁性薄膜(67)具有多個并列排列的第四單元(82)，所述第四單元(82)包括四個MTJ磁電阻元件，位于第一行的兩磁電阻元件內(nèi)的磁矩方向反向相平行，位于第二行的兩磁電阻元件內(nèi)的磁矩方向反向相平行，位于第一列的兩個磁電阻元件內(nèi)的磁矩方向反向相平行。
18.—種單一芯片供雙軸全橋用的MTJ或GMR磁性傳感器，其特征在于它包括沉積在硅片上的一磁性薄膜(67)，所述磁性薄膜(67)具有多個并列排列的第五單元(83)，所述各第五單元(83)包括第一區(qū)間和與第一區(qū)間相鄰設置的第二區(qū)間，所述第一區(qū)間包括四個呈兩行兩列排列的磁電阻元件，位于所述第一區(qū)間的第一列兩磁電阻元件內(nèi)的磁矩方向同向相平行，位于所述第一區(qū)間的第二列兩磁電阻元件內(nèi)的磁矩方向相同且與位于第一區(qū)間的第一列兩磁電阻元件的磁矩方向旋轉(zhuǎn)180度，所述第二區(qū)間包括四個呈兩行兩列排列的磁電阻元件，位于所述第二區(qū)間的第一行兩磁電阻元件內(nèi)的磁矩方向相同且與位于第一區(qū)間的第一列兩磁電阻元件的磁矩方向順時針旋轉(zhuǎn)90度，位于所述第二區(qū)間的第二行的兩磁電阻元件內(nèi)的磁矩方向相同且與位于第一區(qū)間的第二列的兩磁電阻元件的磁矩方向順時針旋轉(zhuǎn)90度。
19. 一種單一芯片供雙軸全橋用的MTJ或GMR磁性傳感器，其特征在于 它包括沉積在硅片上的一磁性薄膜(67)，所述磁性薄膜(67)具有多個并列排列的第六單元(84)，所述第六單元(84)包括第一區(qū)間和與第一區(qū)間相鄰設置的第二區(qū)間，所述第一區(qū)間包括四個呈兩行兩列排列的磁電阻元件，所述第一區(qū)間的第一行兩磁電阻元件內(nèi)的磁矩反向且相平行，所述第一區(qū)間的第二行兩磁電阻元件內(nèi)的磁矩反向且相平行，且所述第一區(qū)間的第一列兩磁電阻元件內(nèi)的磁矩反向且相平行，所述第二區(qū)間包括四個呈兩行兩列排列的磁電阻元件，所述第二區(qū)間各磁電阻元件內(nèi)的磁矩方向為第一區(qū)間各對應磁電阻元件內(nèi)的磁矩方向逆時針旋轉(zhuǎn)90度。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種單一芯片磁性傳感器及其激光加熱輔助退火裝置與方法，它包括:a)磁性薄膜在強磁場中退火以使磁性薄膜的釘扎層的磁矩朝向同一個方向；b)將磁性薄膜固定放置在可移動平臺的夾具上；c)打開激光源以發(fā)射出激光束，激光束經(jīng)由光衰減器得以衰減，衰減后的激光束經(jīng)由反光鏡以改變方向，改變方向后的激光束經(jīng)由聚焦物鏡得以聚焦成光斑；d)移動可移動平臺以使激光束聚焦后的光斑對準磁性薄膜以使激光束對磁性薄膜進行加熱；e)調(diào)節(jié)設置在可移動平臺上的電磁鐵的磁場強度以翻轉(zhuǎn)磁性薄膜的加熱區(qū)域的磁疇。f)對磁性薄膜進行切片，并將切片好的磁性薄膜綁定成一體。
文檔編號H01L43/08GK102208530SQ20111013498
公開日2011年10月5日 申請日期2011年5月24日 優(yōu)先權(quán)日2011年3月3日
發(fā)明者劉明峰, 王建國, 薛松生, 詹姆斯·G·迪克, 雷嘯鋒 申請人:江蘇多維科技有限公司