一種線性各向異性磁阻傳感器的制備方法
【專利摘要】一種線性各向異性磁阻傳感器的制備方法，屬于磁性材料與元器件技術領域。包括以下步驟：a)在基片上制備絕緣層，然后采用光刻工藝曝光出線性各向異性磁阻傳感器的單元圖形；b)采用薄膜濺射工藝并在外磁場H的作用下，在步驟1處理后的基片上依次沉積鐵磁層、反鐵磁層，鐵磁層和反鐵磁層的沉積氣壓為0.004Pa～0.08Pa，沉積功率為30W～50W，鐵磁層的厚度為30～50nm，反鐵磁層的厚度為10～15nm；c)制備各向異性磁阻傳感器單元電極，得到所述線性各向異性磁阻傳感器。本發明采用鐵磁/反鐵磁雙層薄膜作為磁阻薄膜、并在超低氣壓氛圍下濺射磁阻薄膜，可實現擴大線性各向異性磁阻傳感器測量范圍的目的。
【專利說明】
一種線性各向異性磁阻傳感器的制備方法
技術領域
[0001]本發明屬于磁性材料與元器件技術領域，具體涉及一種采用低氣壓濺射、鐵磁層/反鐵磁層雙層膜結構實現寬測量范圍線性各向異性磁阻傳感器的制備方法。
【背景技術】
[0002]各向異性磁阻效應(AMR,Anisotropic Magnetoresistance)是指在磁性材料中(如Ni Fe、CoFe、Co等)，當磁性材料的磁矩與電流的夾角變化時，材料的電阻也隨之變化的現象。各向異性磁電阻的大小R滿足:R=Ro+ A Rcos2Q(Rq:零磁場下的電阻值；Δ R:各向異性磁阻最大變化值;Θ:電流方向與磁性層磁化方向的夾角)。線性各向異性磁阻傳感器是基于各向異性磁阻效應，利用特定制備條件下磁性材料磁矩取向隨外磁場大小變化呈線性，在固定電流大小和方向的前提下，利用磁矩與電流間夾角的線性變化實現對磁場大小的測量。線性各向異性磁阻傳感器的結構簡單，制備工藝也不復雜，成本較低，是目前磁性傳感器家族中重要的一員。
[0003]線性各向異性磁阻傳感器一般選用長條形磁性材料，在制備過程中使材料的磁矩沿長軸方向排列，測試時將電流方向固定在長軸方向，利用短軸方向磁矩隨外磁場的變化呈現線性變化來實現線性傳感測量。目前美國Honeywell公司是該類傳感器的主要供應商，該類傳感器在制備時一般沿薄膜長軸方向施加一誘導磁場，或是在薄膜制備完成后采用磁場退火的方式使長條形傳感薄膜的磁矩沿長軸方向取向，此時在傳感薄膜的短軸方向即可呈現如圖1所示的磁滯回線。圖1磁滯回線表明，在_200e—200e范圍內，短軸方向的磁矩隨外磁場的改變而呈線性變化，因此當待測量磁矩沿磁性薄膜短軸方向時，通過對各向異性磁阻大小變化即可測量沿短軸方向變化的大小在_200e—200e范圍內的磁場大小。而當外磁場大小在_200e—200e范圍之外時，磁阻傳感器中磁性材料的磁化強度飽和，磁矩不再隨外磁場變化，傳感器的磁阻大小也不再變化，因此該類線性各向異性磁阻傳感器的探測范圍不能超過短軸方向磁滯回線的飽和磁場，即上述的_200e—200e范圍。由于單層長條形磁性薄膜的磁矩線性變化區域一般在_200e—200e范圍內，因此該類商業化的線性各向異性傳感器的傳感范圍也在_200e—200e范圍。圖2為Honeywell公司的HMC1021/1022線性各向異性磁阻傳感器典型的傳感電壓輸出曲線(a)及單個傳感單元各向異性磁阻變化曲線(b)，輸出曲線(a)表明該傳感器只能測試-lOOe-lOOe范圍內變化的磁場。綜上，線性各向異性磁阻傳感器由于受制于磁性材料磁矩線性變化區域，而不能實現較大磁場范圍的測試，限制了該類傳感器的發展及應用范圍。因此，若能從制備線性傳感器的磁性薄膜制備工藝及結構入手，增大長條形磁性薄膜短軸方向上磁矩的線性變化區域，進而可擴大利用其制備的各向異性磁阻傳感器可測量的磁場范圍，有利于其應用范圍的擴寬，有助于磁傳感領域的發展。
【發明內容】
[0004]本發明針對【背景技術】存在的缺陷，提出了一種寬測量范圍的線性各向異性磁阻傳感器的制備方法。本發明采用鐵磁/反鐵磁雙層薄膜作為磁阻薄膜、并在超低氣壓氛圍下濺射磁阻薄膜，可實現擴大線性各向異性磁阻傳感器測量范圍的目的。
[0005]本發明的目的通過以下技術方案實現:
[0006]一種線性各向異性磁阻傳感器的制備方法，包括以下步驟:
[0007]步驟1:在基片上制備絕緣層，然后采用光刻工藝曝光出線性各向異性磁阻傳感器的單元圖形；
[0008]步驟2:采用薄膜濺射工藝并在外磁場H的作用下，在步驟I處理后的基片上依次沉積鐵磁層、反鐵磁層，鐵磁層和反鐵磁層組成的雙層薄膜為傳感器的磁阻薄膜，沉積鐵磁層和反鐵磁層的沉積氣壓為0.004Pa?0.08Pa，沉積功率為30W?50W，鐵磁層的厚度為30?50nm，反鐵磁層的厚度為10?15nm;
[0009]步驟3:制備各向異性磁阻傳感器單元電極，得到所述線性各向異性磁阻傳感器。
[0010]進一步地，步驟2所述沉積鐵磁層和反鐵磁層的背底真空小于I X 10—5Pa,沉積溫度為室溫，濺射氣體為氬氣等惰性氣體。
[0011 ]進一步地，步驟I所述基片為娃基片;所述絕緣層為Si02薄膜等，用于傳感單元與基片之間的絕緣。
[0012]進一步地，步驟2所述外磁場H方向沿磁阻薄膜膜面長軸方向，大小為500e?3000eo
[0013]進一步地，步驟2所述鐵磁層材料為附、？6、(:0或附/^6/(:0的合金等;所述反鐵磁層材料為FeMn、NiMn、IrMruPtMn 等。
[0014]本發明采用鐵磁/反鐵磁雙層薄膜作為磁阻薄膜，鐵磁/反鐵磁雙層薄膜間由于交換偏置作用，會沿沉積外磁場H方向誘導出沿長軸方向的交換偏置場，交換偏置場的出現會增大磁阻薄膜的各向異性場。當沿磁阻薄膜短軸方向施加測試磁場時，其鐵磁層短軸方向磁矩由于交換偏置場出現所帶來的大各向異性場，會在較大磁場區間隨外磁場大小的變化而線性變化，且變化區間隨長軸方向交換偏置場的增大而增大，一般可達上百Oe，因此利用該鐵磁/反鐵磁雙層薄膜可實現展寬線性各向異性傳感薄膜測量范圍的目的。但在目前商業化各向異性傳感器沉積氣壓下(?10—1Pa),只有當鐵磁層厚度小于20nm時才能在鐵磁/反鐵磁雙層薄膜中誘導出明顯的交換偏置場(大于500e)，而當鐵磁層厚度大于20nm后，交換偏置場會急劇下降，因此，對于各向異性磁阻薄膜鐵磁層厚度在30-50nm范圍內的薄膜，在目前商業化各向異性傳感器常規沉積氣壓下(?10—1Pa),是不能在鐵磁/反鐵磁雙層膜中產生大的交換偏置場(大于500e)。本發明中將濺射氣壓降低到0.004Pa-0.08Pa，由于在沉積過程中，薄膜的濺射功率固定，根據濺射定律，為保證靶材在低氣壓下能正常起輝，沉積加速電壓必須增高已滿足功率的需求，這樣使得濺射靶材沉積原子能量的增加，到達基片的沉積原子具有較高的能量;且由于濺射氣壓低，基片表面吸附的Ar原子也較少，因此沉積原子能在基片上快速移動而形成均勻致密的薄膜，使得薄膜的平整度、致密度增大，有助于交換偏置場的提高。因此，在0.004Pa-0.08Pa超低氣壓下制備，能在鐵磁層厚度為30_50nm的鐵磁/反鐵磁雙層膜中產生大的交換偏置場，此時，即可利用交換偏置薄膜短軸方向磁矩在較大磁場區間隨外磁場大小的變化而線性變化的特性達到展寬線性各向異性傳感器測量范圍的目的。
[0015]本發明的有益效果為:本發明利用超低氣壓(0.004Pa_0.08Pa)制備鐵磁/反鐵磁雙層薄膜，實現鐵磁層厚度在30nm-50nm之間時該雙層薄膜仍具有大的交換偏置場，利用該交換偏置場使鐵磁層在短軸方向的磁矩在較大磁場區間隨外磁場大小的變化而線性變化，實現擴大線性各向異性磁阻傳感器測量范圍的目的。
【附圖說明】
[0016]圖1是【背景技術】提到的典型傳感磁性薄膜短軸方向磁滯回線示意圖；
[0017]圖2是Honeywell公司HMC1021/1022線性各向異性傳感器輸出曲線(a)和單個傳感單元各向異性磁阻變化曲線(b);
[0018]圖3是線性各向異性傳感器版圖示意；
[0019]圖4為本發明實施例1所制備的長條形Co/IrMn磁阻薄膜沿短軸方向的磁滯回線；
[0020]圖5為本發明實施例1制備的線性各向異性磁阻傳感器輸出曲線(a)和單個傳感單元各向異性磁阻變化曲線(b);
[0021]圖6為本發明實施例2制備的線性各向異性磁阻傳感器的輸出曲線。
【具體實施方式】
[0022]下面結合附圖和實施例，詳述本發明的技術方案。
[0023]一種寬測量范圍的線性各向異性磁阻傳感器的制備方法，包括以下步驟:
[0024]步驟1:在基片上制備絕緣層，然后采用光刻工藝曝光出長條形線性各向異性磁阻傳感器單元圖形；其中，所述基片為硅基片，所述絕緣層為S12薄膜，用于傳感單元與基片之間的絕緣。
[0025]步驟2:采用直流濺射薄膜沉積工藝并在外磁場H的作用下，在步驟I處理后的基片上依次沉積鐵磁層、反鐵磁層，鐵磁層和反鐵磁層組成的雙層薄膜為傳感器的磁阻薄膜，沉積鐵磁層和反鐵磁層的沉積氣壓為0.004Pa?0.08Pa，沉積功率為30W?50W，鐵磁層的厚度為30?50nm，反鐵磁層的厚度為10?15nm;薄膜沉積完成后，將得到的樣品浸泡于丙酮溶液中，待去掉光刻膠后，取出樣品，即在基片上沉積得到長條形鐵磁層/反鐵磁層雙層薄膜；
[0026]采用直流濺射薄膜沉積工藝沉積鐵磁/反鐵磁雙層膜時，所述外磁場H方向沿磁阻薄膜膜面長軸方向，大小在5006?30006之間；反鐵磁層材料采用？61]1、祖111、]^111、？丨111等，鐵磁層材料采用具有大各向異性磁阻變化率的N1、Fe、C0、Ni/Fe/C0的合金等；
[0027]步驟3:采用lift-off工藝，利用光刻工藝曝光出各向異性磁阻傳感器單元電極圖形；
[0028]步驟4:采用直流濺射薄膜沉積工藝鍍制Au電極；電極鍍制完成后，將樣品浸泡于丙酮溶液中，待去掉光刻膠后，取出樣品，即得到所述線性各向異性磁阻傳感器。如圖3所示，為線性各向異性磁阻傳感器版圖。
[0029]實施例1
[0030]一種寬測量范圍的線性各向異性磁阻傳感器的制備方法具體包括以下步驟:
[0031]步驟1:利用熱氧化工藝在Si基片上熱氧化一層S12薄膜作為絕緣層，然后采用lift-off工藝曝光出長條形線性各向異性磁阻傳感器單元圖形;長條形傳感單元的長軸為2mm，短軸為 20μηι ；
[0032]步驟2:采用直流濺射薄膜沉積工藝并在2000e大小、沿磁阻薄膜膜面長軸方向的外磁場H作用下，在步驟I處理后的基片上依次沉積Co鐵磁層、IrMn反鐵磁層，Co/IrMn雙層薄膜為傳感器的磁阻薄膜;沉積鐵磁層和反鐵磁層的背底真空為I X 10—5Pa，溫度為室溫，濺射氣體為氬氣，靶材純度為99.99%,沉積氣壓為0.03Pa，沉積功率為30W，Co鐵磁層的厚度為40nm，IrMn反鐵磁層的厚度為12nm;薄膜沉積完成后，將得到的樣品浸泡于丙酮溶液中，待去掉光刻膠后，取出樣品，即在基片上沉積得到長條形Co/IrMn雙層薄膜;所述長條形Co/IrMn雙層薄膜沿短軸方向的磁滯回線如圖4所示，由圖4可知，Co/IrMn雙層薄膜沿短軸方向的磁矩在-1800e-1800e的范圍內隨外磁場的變化呈現線性變化；
[0033]步驟3:采用lift-off工藝，利用光刻工藝曝光出各向異性磁阻傳感器單元電極圖形；
[0034]步驟4:采用直流濺射薄膜沉積工藝鍍制Au電極；電極鍍制完成后，將樣品浸泡于丙酮溶液中，待去掉光刻膠后，取出樣品，即得到所述線性各向異性磁阻傳感器。如圖3所示，為線性各向異性磁阻傳感器版圖。
[0035]圖5為實施例1制備的線性各向異性磁阻傳感器傳感電壓輸出曲線(a)和單個傳感單元各向異性磁阻變化曲線(b)，由圖5可知，實施例1得到的線性各向異性傳感器的測試范圍為-800e_800e之間，較目前商業化的該類傳感器測試區間(-1OOe-1OOe)有極大的展寬。
[0036]實施例2
[0037]一種寬測量范圍的線性各向異性磁阻傳感器的制備方法具體包括以下步驟:
[0038]步驟1:利用熱氧化工藝在Si基片上熱氧化一層S12薄膜作為絕緣層，然后采用lift-off工藝曝光出長條形線性各向異性磁阻傳感器單元圖形;長條形傳感單元的長軸為2mm，短軸為 20μηι ；
[0039]步驟2:采用直流濺射薄膜沉積工藝并在2000e大小、沿磁阻薄膜膜面長軸方向的外磁場H作用下，在步驟I處理后的基片上依次沉積Co鐵磁層、IrMn反鐵磁層，Co/IrMn雙層薄膜為傳感器的磁阻薄膜;沉積鐵磁層和反鐵磁層的背底真空為I X 10—5Pa，溫度為室溫，濺射氣體為氬氣，靶材純度為99.99%,沉積氣壓為0.008Pa，沉積功率為30W，Co鐵磁層的厚度為30nm，IrMn反鐵磁層的厚度為12nm;薄膜沉積完成后，將得到的樣品浸泡于丙酮溶液中，待去掉光刻膠后，取出樣品，即在基片上沉積得到長條形Co/IrMn雙層薄膜；
[0040]步驟3:采用lift-off工藝，利用光刻工藝曝光出各向異性磁阻傳感器單元電極圖形；
[0041]步驟4:采用直流濺射薄膜沉積工藝鍍制Au電極；電極鍍制完成后，將樣品浸泡于丙酮溶液中，待去掉光刻膠后，取出樣品，即得到所述線性各向異性磁阻傳感器。如圖3所示，為線性各向異性磁阻傳感器版圖。
[0042]圖6為實施例2制備的線性各向異性磁阻傳感器傳感電壓輸出曲線，由圖6可知，實施例2得到的線性各向異性磁阻傳感器的測試范圍為-lOOOe-lOOOe之間，較目前商業化的該類傳感器測試區間(-lOOe-lOOe)有極大的展寬。且同實施例1比較可見，通過調整沉積氣壓，可以實現不同測試區域的調整。
[0043]綜上，本發明的線性各向異性磁阻薄膜采用超低氣壓濺射制備(薄膜沉積氣壓為
0.004Pa-0.07Pa，比商業化的該類線性各向異性磁阻薄膜沉積氣壓低1-2數量級)，且將商業化由單層磁性薄膜制備的線性各向異性磁阻替代為由鐵磁/反鐵磁雙層膜結構實現，達到了展寬線性各向異性磁阻傳感器測量范圍的目的。
【主權項】
1.一種線性各向異性磁阻傳感器的制備方法，包括以下步驟: 步驟1:在基片上制備絕緣層，然后采用光刻工藝曝光出線性各向異性磁阻傳感器的單元圖形； 步驟2:采用薄膜濺射工藝并在外磁場H的作用下，在步驟I處理后的基片上依次沉積鐵磁層、反鐵磁層，鐵磁層和反鐵磁層組成的雙層薄膜為傳感器的磁阻薄膜，沉積鐵磁層和反鐵磁層的沉積氣壓為0.004Pa?0.08Pa，沉積功率為30W?50W，鐵磁層的厚度為30?50nm，反鐵磁層的厚度為10?15nm; 步驟3:制備各向異性磁阻傳感器單元電極，得到所述線性各向異性磁阻傳感器。2.根據權利要求1所述的線性各向異性磁阻傳感器的制備方法，其特征在于，步驟2所述外磁場H方向沿磁阻薄膜膜面長軸方向，大小為500e?3000e。3.根據權利要求1所述的線性各向異性磁阻傳感器的制備方法，其特征在于，步驟2所述鐵磁層材料為附、卩6、&3或附/^6/&3的合金;所述反鐵磁層材料為卩61]1、祖111、]^111、？七111。
【文檔編號】G01R33/09GK105866715SQ201610170027
【公開日】2016年8月17日
【申請日】2016年3月23日
【發明人】唐曉莉, 余尤, 蘇樺, 鐘智勇, 張懷武
【申請人】電子科技大學