專利名稱：一種惠斯通電橋式自旋閥磁傳感器的制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于磁性材料與元器件技術(shù)領(lǐng)域，涉及磁傳感技術(shù)，具體涉及一種自旋閥磁傳感 器的制備方法。
背景技術(shù)：
磁傳感器主要指利用固體元件感知與磁有關(guān)的物理量的變化而檢測出對象的狀態(tài)和信息 的器件。在巨磁電阻效應(yīng)發(fā)現(xiàn)之前，市場上的磁傳感器件主要有半導(dǎo)體霍爾傳感器和基于各 向異性磁電阻效應(yīng)的傳感器兩種。雖然巨磁電阻傳感器出現(xiàn)較晚，但它除了具有各向異性磁 電阻傳感器的優(yōu)良性能外，磁電阻變化率更高，因而擴(kuò)大了測量范圍和應(yīng)用面，表現(xiàn)出了更 強(qiáng)的競爭能力。
自旋閥結(jié)構(gòu)是一種常用的巨磁電阻效應(yīng)結(jié)構(gòu)。其基本結(jié)構(gòu)為自由層(鐵磁層Fl)/隔離 層(非磁性層)/釘扎層(鐵磁層F2) /偏置層(反鐵磁層)，如圖l所示。該自旋閥結(jié)構(gòu)的電
阻可表示為i^A-icos的-&)，其中i 。為零場下自旋閥結(jié)構(gòu)的電阻值，W為最大磁電阻
變化量，《、《分別為自由層和釘扎層磁矩相對于自由層易軸的夾角。當(dāng)磁場轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，自旋
閥結(jié)構(gòu)的電阻將產(chǎn)生對應(yīng)的角度響應(yīng)，利用該效應(yīng)可制作出相應(yīng)的磁傳感器。對于在低頻情 況下工作的磁傳感器， 一般按惠斯通電橋方式連接四個(gè)尺度相同的自旋閥巨磁電阻條，這樣 不但能除去背景信號的影響，還能抵消溫度效應(yīng)。這樣的自旋閥磁傳感器被稱之為惠斯通電 橋式傳感器，其結(jié)構(gòu)如圖5所示，包括四個(gè)自旋閥單元R1、 R2、 R3和R4，這四個(gè)自旋閥單 元構(gòu)成了橋式結(jié)構(gòu)的四臂；而四個(gè)電極A、 B、 C、 D構(gòu)成了電橋的輸入和輸出端，其中A、 B電極為電壓輸入端，C、 D電極為橋式電阻變化測試端。為使該類傳感器獲得高的靈敏度和 最大的輸出電壓，要求這種惠斯通電橋式自旋閥傳感器中四個(gè)自旋閥單元的釘扎場方向兩兩 不同，如圖2所示。
目前，制備按惠斯通電橋式自旋閥磁傳感器的方法通常包括以下幾個(gè)步驟首先，利用 薄膜沉積工藝并在外磁場作用下在基片上制作四個(gè)尺度相同的自旋閥巨磁電阻條Rl、 R2、 R3和R4 (如圖3所示)，其中，需先在一磁場大小下沉積R1、 R4自旋閥單元，再改變磁場 方向沉積R2、 R3自旋閥單元來使得四個(gè)自旋閥單元的釘扎場方向兩兩不同；其次，利用薄 膜沉積工藝制備電極，最終得到惠斯通電橋式自旋閥磁傳感器(其結(jié)構(gòu)如圖5所示)。由于該 方法所制備的四個(gè)自旋閥單元是分兩步制成的，要求工藝條件控制精度相當(dāng)高，而先制備的兩個(gè)單元和后制備的兩個(gè)單元的工藝條件(外磁場大小和薄膜沉積工藝條件)總會(huì)存在一定 的差異，這種系統(tǒng)誤差使得先制備的兩個(gè)單元和后制備的兩個(gè)單元無法嚴(yán)格保證磁學(xué)性能上 的一致，最終可能導(dǎo)致產(chǎn)品的成品率降低。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供一種惠斯通電橋式自旋磁閥傳感器的制備方法，具有工藝簡單、易控的特點(diǎn)， 所制備的產(chǎn)品成品率比現(xiàn)有的方法更高。所制備的惠斯通電橋式自旋閥傳感器具有更好的穩(wěn) 定性和傳感性能。
本發(fā)明的目的通過下述技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)-
一種惠斯通電橋式自旋磁閥傳感器的制備方法，包括以下步驟
步驟1:采用薄膜沉積工藝并在外磁場作用下，在同一基片上同時(shí)制備四個(gè)形狀和大小 相同的自旋闊單元R1、 R2、 R3和R4 (如圖3所示)。
采用薄膜沉積工藝沉積自旋閥單元各層薄膜時(shí)，所述外磁場方向沿膜面且平行于自旋閥 單元長邊，大小在50Oe 300Oe之間。所得四個(gè)自旋閥單元R1、 R2、 R3和R4的鐵磁層F2 和反鐵磁層之間由于交換耦合作用，將產(chǎn)生一同外磁場方向一致的釘扎場。
其中每個(gè)自旋閥單元為折線型結(jié)構(gòu)；每個(gè)自旋閥單元由鐵磁層Fl/非磁性層/鐵磁層F2/ 反鐵磁層構(gòu)成。為了增加自旋閥單元與基片之間的晶格匹配性能，可在基片與鐵磁層F1之間 增加一層緩沖層；同時(shí)為了增加自旋閥單元的穩(wěn)定性能，可在反鐵磁層表面增加一層覆蓋層。 基片可選用Si基片或玻璃基片，緩沖層材料為Ta，反鐵磁層(偏置層)材料采用FeMn、MMn、 IrMn、 PtMn或MO，鐵磁層Fl和鐵磁層F2材料采用Ni、 Fe、 Co或Ni/Fe/Co的合金，非鐵 磁層(隔離層)材料為Cu，覆蓋層材料為Ta。
步驟2:采用薄膜沉積工藝制備導(dǎo)線及電極，得到四個(gè)自旋閥單元的釘扎場一致的惠斯 通電橋式自旋磁閥傳感器。所述導(dǎo)線及電極包括自旋閥單元R1和R3的公共導(dǎo)線及電極A、 自旋閥單元R2和R4的公共導(dǎo)線及電極B、自旋閥單元Rl和R2的公共導(dǎo)線及電極C以及 自旋閥單元R3和R4的公共導(dǎo)線及電極D。
步驟3:改變步驟2所得四個(gè)自旋閥單元的釘扎場一致的惠斯通電橋式自旋磁閥傳感器 中相間隔的兩個(gè)自旋磁閥單元的釘扎場方向，使其與另外兩個(gè)相間隔的自旋磁閥單元的釘扎 場方向相反。具體方法是在兩個(gè)相間隔的自旋閥單元(R2和R3或是R1和R4)的兩端電 極之間施加一大于105^0112的脈沖電流，脈沖電流的作用時(shí)間大于10毫秒，同時(shí)施加一強(qiáng)度大于步驟1中所述釘扎場強(qiáng)度、且方向相反的外磁場。
由于經(jīng)過釘扎層的電流為自旋極化電流，當(dāng)它流經(jīng)釘扎層(鐵磁層F2) /偏置層(反鐵磁 層)界面時(shí)，自旋極化電流所攜帶的自旋角動(dòng)量將轉(zhuǎn)移給釘扎層(鐵磁層F2) /偏置層(反鐵 磁層)界面的磁矩，使界面磁矩遭受一力矩作用而改變方向，當(dāng)該力矩作用足夠大時(shí)就會(huì)使 釘扎層(鐵磁層F2) /偏置層(反鐵磁層)界面磁矩完全反向，產(chǎn)生與初始釘扎場方向正好相 反的釘扎場。
本發(fā)明的有益效果是
本發(fā)明利用自旋轉(zhuǎn)移效應(yīng)改變自旋閥結(jié)構(gòu)的釘扎場方向，可在室溫下方便的改變惠斯通 電橋自旋閥傳感器的釘扎場方向，無需通過兩次制備的方式來制備不同釘扎場方向的自旋閥 單元。另外，由于四個(gè)自旋閥單元可一次制備完成，減少了制備的工藝步驟，降低了制備難 度，提高了自旋閥單元的一致性，從而使惠斯通電橋式自旋閥傳感器具有更好的穩(wěn)定性和傳 感性能。
圖l是自旋閥基本結(jié)構(gòu)示意圖。
圖2是惠斯通電橋式自旋閥磁傳感器等效電路示意圖。
圖3是本發(fā)明制備的惠斯通電橋式自旋閥傳感器中自旋閥單元示意圖。
圖4是本發(fā)明制備的惠斯通電橋式自旋閥傳感器中導(dǎo)線及電極部分示意圖。
圖5是本發(fā)明制備的惠斯通電橋式自旋閥磁傳感器結(jié)構(gòu)示意圖。
圖6惠斯通電橋式自旋閥傳感器中自旋閥單元R2在脈沖電流及外磁場作用前后巨磁電 阻曲線。其中圖6 (a)是自旋閥單元R2在脈沖電流及外磁場作用前的巨磁電阻曲線，圖6 (b)是自旋閥單元R2在脈沖電流及外磁場作用后的巨磁電阻曲線。
具體實(shí)施例方式
本發(fā)明具體制備惠斯通電橋式自旋閥磁傳感器時(shí)，即先在Si基片或玻璃基片上涂上正膠， 預(yù)烘后采用如圖3所示的光刻板圖光學(xué)曝光形成圖形，顯影后再烘干，將基片送進(jìn)計(jì)算機(jī)控 制的四靶磁控濺射設(shè)備中利用直流磁控濺射沉積薄膜，其中自旋閥單元選用 Ta(10腿)/CoFe(6腿)/Cu(4nm)/CoFe(12nm)/IrMn(15nm)/Ta(5nm)結(jié)構(gòu)(每個(gè)自旋閥單元寬20
微米、長400微米，折線間距40~50微米)。鍍制時(shí)沿膜面平行于自旋閥單元長邊方向施加50Oe 300Oe的外磁場使四個(gè)自旋閥單元形成沿外磁場方向的釘扎場。取出用丙酮去膠即在基 片上留下了電橋四臂的自旋閥單元圖形。然后，采用如圖4所示的導(dǎo)線及電極部分光刻板， 同樣采用薄膜沉積工藝，鍍制100nm厚的Al膜作為導(dǎo)線及電極。完成后即形成如圖5所示 的惠斯通電橋式自旋閥磁傳感器。將制備好的惠斯通電橋式自旋閥磁傳感器置于電磁鐵中， 加350Oe的外磁場，且使磁場的方向與自旋閥單元初始釘扎場方向相反，在R2自旋閥單元 的兩端電極B、 C上通以10mA (相當(dāng)于106A/cm2)的脈沖電流，脈沖電流作用時(shí)間為ls， 作用完成后，通過對R2自旋閥單元巨磁電阻的測試，如圖6所示，可以發(fā)現(xiàn)其釘扎場方向 發(fā)生了完全的翻轉(zhuǎn)；采用相同的方式對R3自旋閥單元的釘扎場進(jìn)行設(shè)置。對R2、 R3自旋閥
單元設(shè)置完成后，即制備出滿足應(yīng)用要求的惠斯通電橋式自旋閥傳感器?？梢姡捎帽緦?shí)施
方案，在一次鍍制惠斯通電橋式自旋閥傳感器四個(gè)自旋閥單元的情況下，可方便的設(shè)置它們 的釘扎場方向，滿足應(yīng)用的要求，簡化制備的工藝難度。
權(quán)利要求
1、一種惠斯通電橋式自旋磁閥傳感器的制備方法，包括以下步驟步驟1采用薄膜沉積工藝并在外磁場作用下，在同一基片上同時(shí)制備四個(gè)形狀和大小相同的自旋閥單元R1、R2、R3和R4；采用薄膜沉積工藝沉積自旋閥單元各層薄膜時(shí)，所述外磁場方向沿膜面且平行于自旋閥單元長邊，大小在50Oe～300Oe之間；所得四個(gè)自旋閥單元R1、R2、R3和R4的鐵磁層F2和反鐵磁層之間由于交換耦合作用，將產(chǎn)生一同外磁場方向一致的釘扎場；步驟2采用薄膜沉積工藝制備導(dǎo)線及電極，得到四個(gè)自旋閥單元的釘扎場一致的惠斯通電橋式自旋磁閥傳感器；所述導(dǎo)線及電極包括自旋閥單元R1和R3的公共導(dǎo)線及電極A、自旋閥單元R2和R4的公共導(dǎo)線及電極B、自旋閥單元R1和R2的公共導(dǎo)線及電極C以及自旋閥單元R3和R4的公共導(dǎo)線及電極D；步驟3改變步驟2所得四個(gè)自旋閥單元的釘扎場一致的惠斯通電橋式自旋磁閥傳感器中相間隔的兩個(gè)自旋磁閥單元的釘扎場方向，使其與另外兩個(gè)相間隔的自旋磁閥單元的釘扎場方向相反；具體方法是在兩個(gè)相間隔的自旋閥單元的兩端電極之間施加一大于105A/cm2的脈沖電流，脈沖電流的作用時(shí)間大于10毫秒，同時(shí)施加一強(qiáng)度大于步驟1中所述釘扎場強(qiáng)度、且方向相反的外磁場。
2、 根據(jù)權(quán)利要求l所述的惠斯通電橋式自旋磁閥傳感器的制備方法，其特征在于，步驟1中所述基片為Si基片或玻璃基片。
3、 根據(jù)權(quán)利要求l所述的惠斯通電橋式自旋磁閥傳感器的制備方法，其特征在于，所述自旋閥單元為折線型結(jié)構(gòu)。
4、 根據(jù)權(quán)利要求l所述的惠斯通電橋式自旋磁閥傳感器的制備方法，其特征在于，所述自旋閥單元由鐵磁層Fl/非磁性層/鐵磁層F2/反鐵磁層構(gòu)成。
5、 根據(jù)權(quán)利要求4所述的惠斯通電橋式自旋磁閥傳感器的制備方法，其特征在于，在基片與鐵磁層F1之間增加一層緩沖層；同時(shí)在反鐵磁層表面增加一層覆蓋層。
6、 根據(jù)權(quán)利要求4所述的惠斯通電橋式自旋磁閥傳感器的制備方法，其特征在于，所述鐵磁層Fl和鐵磁層F2材料采用Ni、Fe、Co或Ni/Fe/Co的合金，所述反鐵磁層材料采用FeMn、MMn、 IrMn、 PtMn或MO，所述非鐵磁層材料為Cu。
7、 根據(jù)權(quán)利要求5所述的惠斯通電橋式自旋磁閥傳感器的制備方法，其特征在于，所述鐵磁層Fl和鐵磁層F2材料采用Ni、Fe、Co或Ni/Fe/Co的合金，所述反鐵磁層材料采用FeMn、NiMn、 IrMn、 PtMn或NiO，所述非鐵磁層材料為Cu，所述緩沖層和覆蓋層材料為Ta。
全文摘要
一種惠斯通電橋式自旋磁閥傳感器的制備方法，屬于磁性材料與元器件技術(shù)領(lǐng)域，涉及自旋閥磁傳感器的制備方法。首先在同一基片上制備四個(gè)形狀和大小相同的自旋閥單元，每個(gè)自旋閥單元的初始釘扎場方向一致；然后制備導(dǎo)線及電極；最后利用自旋轉(zhuǎn)移效應(yīng)改變自旋閥結(jié)構(gòu)的釘扎場方向，即在兩個(gè)相間隔的自旋閥單元的兩端電極之間施加一大于10<sup>5</sup>A/cm<sup>2</sup>的脈沖電流，脈沖電流的作用時(shí)間大于10毫秒，同時(shí)施加一強(qiáng)度大于初始釘扎場強(qiáng)度、且方向相反的外磁場。本發(fā)明具有工藝簡單、易控的特點(diǎn)，所制備的產(chǎn)品成品率比現(xiàn)有的方法更高，同時(shí)具有更好的穩(wěn)定性和傳感性能。
文檔編號G01R33/09GK101672903SQ200910167729
公開日2010年3月17日 申請日期2009年9月23日 優(yōu)先權(quán)日2009年9月23日
發(fā)明者唐曉莉, 張懷武, 樺 蘇, 荊玉蘭, 鐘智勇 申請人:電子科技大學(xué)