（微电子学与固体电子学专业论文）自旋阀巨磁阻位移传感器的制备研究.pdf

钏币：兽寸拟 符合合肥工业大学硕 职称) 彩霞 戈名发 纠炙 烈玩 索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文者签名磕，亏雪 签字日期：f 年牛月刁日 学位论文作者毕业后去向： 工作单位： 通讯地址： i i 导师签名： 趣卉 签字日期：“1 年争月上产 电话： 邮编： 移之间的输入输出关系。 关键词：自旋阀；巨磁阻；位移传感器 i i i s p i n v a l v eg i a n tm a g n e t o r e s i s t a n c ep r e p a r a t i o n o fd i s p l a c e m e n ts e n s o r a b s t r a c t s p i n t r o n i c s i san e wd i s c i p l i n er a p i d l yd e v e l o p e ds i n c et h en i n e t i e so fl a s t c e n t u r v g i a n tm a g n e t o r e s i s t a n c e ( g m r ) e f f e c t i n s p i n b a s e d e l e c t r o n i c sh a s a t t r a c t e d g r e a t a t t e n t i o ni nt h eb u s i n e s sa n da c a d e m i cc o m m u n i t y s i n c ei t s d i s c o v e r y ，w i t hs c i e n t i f i ci m p o r t a n c ea n dg r e a tp r a c t i c a lv a l u e s p i n t r o n i cd e v i c e s h a v ea d v a n t a g e so fn o n - v o l a t i l e ，l o wp o w e rc o n s u m p t i o na n dh i g hi n t e g r a t i o n ，a n d m a i n l yu s e di nm a g n e t i cs e n s o r s r a n d o m a c c e s sm e m o r ya n dh i g h 。d e n s i t yr e a d h e a d sa n ds oo n g m rs e n s o r sh a v eb r o a da p p l i c a t i o np r o s p e c t s i na u t o m a t i o n t e c h n o l o g y , h o u s e h o l da p p l i a n c e s ，s a t e l l i t ep o s i t i o n i n g ，n a v i g a t i o n , a u t o m o t i v e i n d u s t r ya n dm e d i c a lc a r e t h i st h e s i si n t r o d u c e dt h ed i s c o v e r ya n dr e s e a r c hd e v e l o p m e n to f t h em a g n e t o r e s i s t a n c ee f f e c t ，a n dt h eg m rs t r u c t u r ea n dm a t e r i a l s t h ep r i n c i p l eo fg i a n t m a g n e t o r e s i s t a n c e e f f e c tw a s d e s c r i b e d b r i e f l y t h e e l e c t r o n t r a n s p o r t c b a r a c t e r i s t i c si ns p i n v a l v em u l t i l a y e ra n dt h ep r i n c i p l eo fr e s i s t a n c ec h a n g eo f g m rs t r u c t u r ei nm a g n e t i cf i e l dw e r ed i s c u s s e di n d e p t h w ed e s i g nt h es p i n - v a l v e g i a n tm a g n e t o r e s i s t i v ed i s p l a c e m e n ts e n s o rs t r u c t u r e ，a n dt h e nu s i n g l - e d i tt h el a y o u t o f l i t h o g r a p h y m a s k sw e r ed e s i g n e d ，t h e m a s k sw e r em a d e b yt h r e e p h o t o l i t h o g r a p h y , p h y s i c a le t c h i n g a n df i l md e p o s i t i o nt h ew h e a t s t o n eb r i d g e s ( c h i p ) c o n s i s t e do ft h eg m r t h i nf i l mr e s i s t o r sa n dm e t a lt h i nf i l mr e s i s t o r sw e r e l a b r i c a t e d t h ee f f e c to fe t c h i n gp a r a m e t e r so ng m r t h i nf i l mr e s i s t o r sa n dt h e o p t i m u me t c h i n gc o n d i t i o nw a so b t a i n e d t h eb r i d g e sw e r ep a c k a g e d a f t e ri vt e s t o fr e s i s t a n c ea n db r i d g eb a l a n c e t h ei n p u t o u t p u tc u r v eb e t w e e nm a g n e t i cf i e l d a n dd i s p l a c e m e n tw a so b t a i n e db yt e s t i n gt h es p i n v a l v eg m r s e n s o rc h i p k e y w o r d s ：s p i n - v a l v e ；g m r ；d i s p l a c e m e n t s e n s o r i v 致谢 首先，我要衷心地感谢我的导师梁齐副教授，感谢梁老师在我读研期间对 我的悉心的指导和鼓励。在我的研究生的学习期间，梁老师为我营造了一个氛 围良好的学习和科研环境，在生活上也给予我极大的关心和照顾。在此谨向梁 老师表示衷心的感谢和崇高的敬意。 感谢合肥工业大学7 年来对我的培养，在工大的7 年是我人生最为重要的 7 年，这段经历将使我终生受益和难忘；感谢南京工业大学章伟教授和无锡魏 如电子科技有限公司给予我的指导、帮助和支持；感谢所有曾经教育和帮助过 我的老师、同事和同学，他们的鼓励和支持使我铭记于心。感谢于百忙之中抽 出时间参加论文评阅和评议的各位专家学者，感谢他们为审阅本文所付出的辛 勤劳动。 最后，我要感谢我的父母、兄弟和我的朋友，感谢他们对我学业的支持， 对我的鼓励和帮助，他们无限的关怀和支持是我前进的最大的动力。 v 作者： 安宁宁 2 0 11 年4 月 2 1 1 惠斯登电桥1 1 2 1 2g m r 位移传感器工作原理1 2 2 2版图设计1 3 2 2 1 自旋阀多层膜电阻率的测量1 3 2 2 2l e d i t 简介及设计版图1 7 第三章g m r 位移传感器芯片的制备2 2 3 1 自旋阀薄膜的制备方法与测试2 2 3 1 1磁控溅射原理2 2 3 1 2g m r 自旋阀多层膜的制备2 2 3 1 3 磁性薄膜的制备2 3 3 1 4g m r 自旋阀薄膜的t e m 测试2 4 3 2 光刻2 5 3 2 1 光刻简介2 5 3 2 2桥路加工过程2 9 3 3 刻蚀。3 3 3 3 1 刻蚀工艺简介3 3 3 3 2 溅射刻蚀机理3 5 3 3 34 2 0 0 s c s 半导体参数测试系统简介3 5 v l v i i 6 9 1 1 l 1 2 2一，t_ 5 6 7 l弘钉钔钒钔舵钙钳钳钻钉钉 插图清单 图1 1f e c r 多层膜磁阻曲线( t = 4 2 k ) 2 图1 2 不同磁化方向的多层膜5 图1 3 典型自旋阀结构5 图1 4 铁磁耦合时电阻处于低阻态的输运特性8 图1 5 铁磁耦合时等效电阻示意图8 图1 6 反铁磁耦合时电阻处于高阻态的输运特性8 图1 7 反铁磁耦合时等效电阻示意图9 图2 1 几种不同型号的g m r 传感器的输出特性曲线1 1 图2 2 惠斯登电桥。1 1 图2 3 本课题巨磁阻桥路示意图1 2 图2 4 g m r 位移传感器原理图13 图2 5 四探针原理图1 4 图2 6l - e d i t 窗口图18 图2 7l - e d i t 所设计版图1 9 图2 8 版图中的一个单元。19 图2 9 两种不同的对准符号j 2 0 图2 1 0 第一块掩膜版。2 0 图2 1 1 第二块掩膜版2 0 图2 1 2 第三块掩膜版2 l 图2 1 3 版图实物图2 1 图3 1 自旋阀多层膜结构示意图。2 3 图3 2 磁控溅射系统2 4 图3 3 自旋阀多层膜透射电镜( t e m ) 图2 5 图3 4 光刻流程。2 5 图3 5k w 二4 a 型台式匀胶机2 7 图3 6b p 一2 b 型烘胶台2 7 图3 7b g - 4 0 1 a 型曝光机2 8 图3 8 电阻桥路加工流程图。3 0 图3 9 一次光刻3 0 图3 1 0 刻蚀未清洗3 0 图3 1 1 刻蚀清洗后3 0 图3 12 二次光刻31 图3 一1 3 金属沉积未清洗3 l 图3 1 4 金属沉积清洗后31 v i i l 图3 15 三次光刻3 2 图3 1 6 沉积电极未清洗3 2 图3 1 7 沉积电极清洗后3 2 图3 18 光亥0 电阻图形3 3 图3 1 9 二次光刻图3 3 图3 2 0g m r 薄膜的溅射刻蚀3 5 图3 2 11 k 电阻的i v 测试曲线3 6 图3 2 2 刻蚀时间与电阻大小的关系3 7 图3 2 3 电阻的i v 测试图3 7 图3 2 4 刻蚀功率与电阻大小的关系3 8 图3 2 54 2 0 0 测试结果，电阻大小为9 3 2 f 2 3 8 图3 2 6 刻蚀氩气压强与电阻大小的关系3 9 图3 2 7 加工的惠斯登电桥。4 0 图4 1 g m r 电阻测试图4 1 图4 2 位移测试原理图4 l 图4 3 电流与位移的关系4 2 图4 4i v 测试结果( a ) 8 7 5 q ( b ) 8 5 2 f 2 4 3 图4 5 器件封装实物图4 3 图5 1 位移与电压关系4 4 图5 2 传感器芯片输出拟合曲线4 5 i x 表格清单 表2 1 不同情况下的修正因子15 表2 2 四探针数据一。1 6 表2 3 四探针数据二1 6 表2 4 四探针数据三1 6 表2 5 四探针数据四1 7 表3 1 刻蚀条件一3 6 表3 2 刻蚀条件二3 7 表3 3 刻蚀条件三3 8 表4 1g m r 电阻与位移关系测试数据4 2 表5 1 电压与位移关系4 4 x 第一章绪论 1 1 磁阻效应简介 1 1 1 磁阻效应的发现与发展 磁阻( m a g n e t o r e s i s t a n c em r ) 效应顾名思义是指，导体在外界磁场作用下 其电阻发生改变的一种自然现象，而对于这种现象，科学家们最早在一百多年 前就做过相当仔细的观测与研究， 18 5 6 年，t h o m s o n 在铁磁多晶体中发现了 各项异性磁电阻效应。但是因为当时的科学技术条件有限，磁阻效应很小，并 没有引起科学家与学者的特别重视；开拓性的进展是在1 9 8 6 年，德国j u l i c h 研究中心的科学家e g r u n b e r g 发现f e c r f e 多层膜系统通过中间的非磁性层作 为媒介，在相邻的铁磁层之间发生交换耦合，形成了反铁磁性磁序；1 9 8 8 年 巴西学者m 。n b a i b i c h 2 j 在( f e c r ) 4 0 超晶格多层膜发现巨磁电阻( g i a n t m a g n e t o r e s i s t a n c e ，g m r ) 效应，他们发现f f e ( 3 n m ) c r ( 0 9 n m ) n 多层膜在4 2 k 的超低温度下，其电阻值随着外加磁场的增加而减小，当外加磁场继续增大， 至2 t 以后，其电阻迅速下降到零磁场时的一半，即使在室温下其电阻也下降 了1 7 ，如图1 ，横坐标表示磁化强度，纵坐标表示磁化后的电阻与没有磁化时 电阻的比值，三根不同颜色的曲线表示不同厚度的f e c r 薄膜层。此后巨磁阻 效应及其材料的基础研究和应用研究迅速成为了人们关注的热点 3 - 7 】。1 9 9 1 年 i b m 做出了新的读出磁头，它是磁阻的各项异性的新成果，它主要是通过感应 碟片上磁场的的变化来读取数据的，同年，d i e n y s 利用反铁磁层交换耦合发现 了低饱和场巨磁电阻效应，并在此基础上提出了自旋阀结构，紧接着在1 9 9 3 年，j o h n s o n 9 】发散性的提出了一个新的构想一自旋晶体管，在此方面，研究人 员也进行不少工作并取得良好成绩【1 0 】；1 9 9 4 年，i b m 公司利用巨磁电阻效 应成功的研制出新的读出磁头，提高了17 倍的磁盘记录密度；到1 9 9 5 年，i b m 宣布制成新的读出头，可以读出每平方英寸3 g b 硬盘面密度的内容，创下了磁 盘记录方面的世界记录【l4 1 。硬盘的储存大小从4 gb 提高到6 0 0gb 或更高，随 后世界纪录就一直被打破【1 5 1 7 1 ，1 9 9 8 年，i b m 公司对外宣布，商品化的g m r 多层膜磁头面密度已经达到每平方英寸5 g b ，而实验室的面密度甚至已经达到 每平方英寸2 0 g b ，在当时引起了巨大的轰动。 自从巨磁电阻效应被发现以来，引起了各国企业界及学术界对它的广泛关 注和高度重视，g m r 效应立即成为当前凝聚态物理5 个热点之一。美国的自然 科学基金会( n s f ) 上提出：自旋电子学科的发展和应用无疑将预示着第四次 工业革命的到来。在我国的香山科学会议上，把巨磁阻效应的研究和应用开发 作为我国即将需要着重发展的七大领域之一，并且制定了巨磁阻这项高新技术 的研究开发计划，但是在国内，因为技术、资金和设备等许多因素，巨磁阻的 基础研究和应用还局限在实验室的水平。由于g m r 磁场传感器灵敏度高、热 尔元 读写 旋子 三层 究了 发现 国科 学家家a l b e r tf e r t 和德国科学家p e t e rg r u n b e r g 获得了诺贝尔物理学奖，这是 对他们发现“巨磁电阻效应”的表彰，他们巨大的贡献所带来的影响力不仅仅在 于基础学科方面，最重要的是在我们的生活方面所带来的巨大改变。其中最典 型的就是电子产品，如笔记本电脑、移动硬盘、m p 3 、数码相机、u 盘等等， 它使小巧的电子产品中能够存储大量的信息，这些都源自于“巨磁阻效应”的伟 大发现，并且这种影响力会随着时间的发展而愈加巨大。 除读出磁头外，利用巨磁阻效应开发出高灵敏度传感器，它们大部分应用 在汽车行业和工业自动化中，包括位移传感器、角度传感器以及转速传感器等 8 1 9 】，与光电等传感器相比，具有功耗小、可靠性高、体积小、能工作于恶劣 的工作条件等优点。集成化g m r 磁场传感器可以替代目前市场上的磁通门计、 a m r 传感器、霍尔元件等。通过和其它磁场传感器的比较可知，已研制出的 g m r 磁场传感器处于领先地位：在惠斯登电桥结构的g m r 多层膜和自旋阀磁 场传感器中，得到最高的线性可测范围( 土2 0 0 0o e ) 。实现了对磁场x y 方向 分量的探测，因而使机器人、机械手智能化成为可能。巨磁电阻( g m r ) 传感 器芯片主要是利用具有巨磁电阻效应的磁性纳米金属多层薄膜材料通过半导体 集成工艺与集成电路相兼容的一类新型元器件。 总之，目前来说无论是对于巨磁阻效应的理论研究方面还是利用其效应在 工业各领域的运用开发方面，一切都还仅仅是一个开端。从理论上来说，它带 2 来了磁电子学的新发展；从工业运用角度上讲，它是传感器、计算机和信息 技术的奠基石。因此，在国内开发、生产以及研究g m r 器件方面，还具有相 当大的经济利益。 1 1 2 磁阻效应的分类 磁电阻效应的产生有不同的物理机制，按不同的物理机制可作如下分类： 正常磁电阻效应( o m r ) 、各向异性磁电阻效应( a m r ) 、巨磁电阻效应( g m r ) 、 庞磁阻效应( c m r ) 、隧穿磁阻效应( t m r ) 下面分别对它们进行简单的介绍： ( 1 ) 正常磁电阻效应( o r d i n a r ym a g n e t o r e s i s t a n c e ，o m r ) 对所有非磁性金属而言，传导电子受到磁场的洛仑兹力的作用而在运动过 程中会偏折，形成螺旋运动曲线，延长了电子的运动路径，从而也会增加电子 之间的碰撞概率，使材料的电阻升高实际中大部分材料的o m r 都比较小， 没有多少实用价值。 ( 2 ) 各向异性磁电阻效应( a n i s o t r o p i cm a g n e t o r e s i s t a n c e ，a m r ) 普遍存在于铁磁金属及其合金材料中，在宏观上各向异性磁电阻效应表现 为：当外加磁场垂直于测试电流方向时所测得的电阻率与外加磁场平行于测试 电流方向所得电阻率不相等。在微观上，其机制是基于电子自旋轨道藕合作用 的自旋相关散射，传导电子受到的阻力与局域电子的自旋相关取向有关。在历 史上，a m r 效应曾经在读出磁头和传感器领域取得过非凡的成就，例如a m r 位移传感器在数控机床和非接触型开关的应用；角度传感器在测速、控速、转 动编码器等领域的应用等，显示出优越的特性：灵敏、可靠、功耗小、小型化、 耐冲击等；同时在磁记录方面也显示出难能可贵的特性。 ( 3 ) 巨磁电阻效应( g i a n tm a g n e t o r e s i s t a n c e g m r ) 巨磁阻效应的发现有2 0 多年的时间了开拓性的进展是在1 9 8 6 年，德国 j u l i c h 【1 研究中心的科学家p o r u n b e r g 发现f e c r f e 多层膜系通过中间的非磁 性层作为媒介，在相邻的铁磁层之间发生交换耦合，形成了反铁磁性磁序【l 】， 到1 9 8 8 年，巴西学者m n b a i b i c h t m 在( f e c r ) 4 0 超晶格多层膜发现巨磁电阻 ( g i a n tm a g n e t o r e s i s t a n c e ，g m r ) 效应，他们发现 f e ( 3 n m ) c r ( 0 9 n m ) n 多层膜 在4 2 k 的超低温度下，其电阻值随着外加磁场的增加而减小，当外加磁场继续 增大，至2 t 以后，其电阻迅速下降到零磁场的一半，即使在室温下也下降了 17 ，这一结果立即引起了人们的广泛关注，而这一现象被称为巨磁电阻效应 ( 4 ) 庞磁阻效应( c o l o s s a lm a g n e t o r e s i s t a n c e ，c m r ) 庞磁阻效应又称超巨磁阻效应，一般存在于钙钛矿结构的锰系陶瓷氧化物 中，在外磁场的作用下电阻会发生显著的下降的现象，且其电阻变化比巨磁阻 大的多，因此被称为庞磁阻效应，研究发现c m r 锰氧化物的物理行为非常复 杂，目前仍然处于探索阶段。最近的研究显示，各种电子相之间的竞争在适当 条件下产生不同尺度的相分离可能是导致c m r 效应的主要原因【2 0 1 。在应用方 面，庞磁阻材料也可以用来开发读写磁头，但是由于其相变温度较低，目前有 很大的使用局限性，实际应用还需要一些努力。 ( 5 ) 隧穿磁阻效应( t u n n e lm a g n e t o r e s i s t a n c e t m r ) 隧穿磁阻效应主要存在于“铁磁层! i p - - 磁绝缘层铁磁层( f e i f e ) ”的多层膜 结构中，颗粒膜也具有此种效应，如c o a 1 o 颗粒膜【2 1 1 。隧穿磁阻效应是磁性 随机存取内存和硬盘中磁性读写头的科学依据，但是有关隧穿磁阻效应的研究 还有许多问题有待解决，例如反铁磁相互作用和反磁滞效应的成因、磁电阻与 偏压的关系等，仍然需要进一步的努力。 1 2 存在巨磁阻效应的几种结构 我们知道，电子既是电荷的载体同时又是自旋的载体。电子作为电荷的载 体，使微电子学在2 1 世纪大发异彩，改变了我们的生活，占领了人们的视野。 而随着1 9 8 8 年巨磁电阻( g m r ) 效应发现以来，通过控制电子的自旋，将使新一 代的电子器件又多了一种控制手段。电子自旋的研究涵盖了金属磁性多层膜、 磁性氧化物、磁性半导体等众多体系，自旋阀是一种多层膜结构，它利用的就 是电子自旋相关散射在外场的作用下通过改变相邻的磁层磁序而获得巨大的磁 阻变化。 1 2 1 多层膜结构 巨磁电阻效应首先是在( f e c r ) 金属多层膜中发现的，同时这也激励了人 们更加努力的去寻找具有更高m r 效应的材料，于是在( f e c r ) 系列g m r 材 料发现不久，人们便在( c o a u ) 系列多层膜中发现了同样的效应【2 2 2 3 1 。在这 里，我们把巨磁电阻变化率定义为： g m r ：丛：坠= 生 ( 1 1 ) r 砟 、 。 其中r a f 是零外磁场时的电阻率，这时候多层膜处于反铁磁耦合排列；r f 是 饱和外磁场时的电阻率，这时候多层膜处于铁磁耦合排列。 实验中人们在( f e c r ) 多层膜系统发现了g m r 之后，随后便在更多多层膜 系统中发现巨磁阻效应。如( c o c u ) 系统，( c o a u ) 系统，( n i f e a g ) 系统，( n i f e c u ) 系统，( c o f e c u ) 系统等，其中多晶( c o c u ) 多层膜系统在4 2 k 和室温下的 m r 值分别达到1 3 0 和7 0 ，而饱和磁场约为( f e c r ) 多层膜的一半【2 4 2 5 1 。 目前发现的多层膜室温g m r 值已达到8 0 。在理论上人们对其结构和原理也 进行了广泛而深入的研究。如以上几种结构，这些多层膜巨磁电阻分别由厚度 为几个纳米的铁磁层( 如f e 、c o 、n i f e 、c o f e 等) 和非铁磁层( 如c r 、c u 、 a u 、a g 等) 相间生长而成，当相邻铁磁层之间的磁矩方向相同时，磁阻较小； 4 层之间的磁矩方向相反时，电阻较大，当加入外磁场之后，相邻磁 改变，磁阻变小。如图1 2 所示：箭头表示铁磁层的磁矩方向，蓝 磁层，黄色层表示非铁磁层。图a 和图c 电阻较小，图b 电阻较大， 薄膜在外磁场作用下电阻将变小，因为外在磁场改变了相邻磁层的 向，电子穿过磁层时所经历的平均自由程变小，从而电阻减小，这 运与电子自旋相关散射有关，因此巨磁电阻效应存在的关键是，导 种自旋取向的传导电子的散射能力比对另一种自旋取向的传导电子 更强。 图1 2 不同磁化方向的多层膜 介绍的金属多层膜都为连续多层膜。除此以外，还有不连续多层膜、 图型式多层膜、多层膜线等不同形式的多层膜也在研究和开发之中。 1 2 2 自旋阀结构 虽然多层膜的巨磁阻效应较大，但因为达到g m r 最大值的饱和磁场值也 较高，例如要使( c o c u ) n 多层膜的磁阻变化达到8 0 ，其饱和磁场要高达1 5 k o e ，所以多层膜的灵敏度并不高。为了解决这个问题，一方面可加快寻找饱 和磁场低的材料，另一方面有的专家学者提出了采用自旋阀( s p i nv a l v e ) 多层膜 结构，它最主要的特点便是对磁场非常敏感、具有较低的饱和磁场、对外磁场 的响应呈线性关系、频率特性好，并且能够有效的抑制巴克豪森噪声，信噪比 较高等，因此具有g m r 效应的自旋阀结构的研究迅速的发展和深入。 t a f e m n n i f e c u n i f e t a 图1 3 典型自旋阀结构 5 冒昌圆 一。因j一!一圈1一 图1 3 是比较典型的自旋阀结构。自旋阀多层膜比较典型的结构包括项、 底部自旋阀和双对称自旋阀。一般情况下，顶部型结构的自旋阀多层膜性能好 于底部型结构的自旋阀多层膜，而双对称型结构的自旋阀多层膜性能又好于顶 部型自旋阀多层膜，主要原因是缓冲层相比较于其他铁磁层、反铁磁层等都较 厚，较厚的缓冲层有利于改善界面的粗糙度和铁磁层结构，双对称型结构的自 旋阀多层膜还可以采用氧化物作为反铁磁材料，比如使用n i o 等，它可以增加 镜像反射，使得电子在铁磁层和非铁磁层的交接界面处的自旋相关散射能力增 强，从而进一步提高磁电阻值，这是双对称型自旋阀一个特殊的优点特色。 自旋阀多层膜按照钉扎与否一般可以分为非钉扎型和钉扎型两类。钉扎型 自旋阀比较常见，如图1 3 所示，一般由铁磁性被钉扎层f m l ( 也称硬磁性层， 即其磁化方向是固定的、不可改变的) 、非磁性隔离层n m 、铁磁性自由层f m 2 ( 也称软磁性层，在磁场下磁化方向比较容易改变的) 和反铁磁性钉扎层a f m 构成【2 6 3 3 】。铁磁性被钉扎层f m l 和铁磁性自由层f m 2 被相对厚一点的非磁性 层所隔离，两磁性层之间相互耦合，可在不同大小的磁场下发生翻转，它们之 间的耦合与中间隔离层的厚度有关，当隔离层的厚度很小( 几个埃左右) 时， 为反铁磁性耦合；当厚度增加到大约二十埃时，它们之间的耦合为弱铁磁性耦 合；继续增加时，耦合在反铁磁性耦合和弱铁磁性耦合之间反复振荡 3 4 3 5 】。a f m 与f m l 双层膜之间发生耦合，使a f m 钉扎f m l ，增大a f m 与f m l 双层膜之 间的矫顽力。自旋阀中间隔离层的厚度选取标准为：能够使两磁性层间的耦合 呈现为弱铁磁耦合或者无耦合状态。非钉扎层的结构较为简单，制备方法容易， 也被称为为矫顽力差异型自旋阀，主要原因是：它的原理直接利用的是两磁性 层的矫顽力的不同 3 6 。3 9 ，由于中间非磁性层较厚，使得层间耦合很弱，两个铁 磁层可以自由翻转，如p y c c o ( p y = n i 8 0 f e 2 0 ) 就是典型的非钉扎型自旋阀。 1 2 3 颗粒膜结构 除了多层膜，部分颗粒膜也具有巨磁阻效应，纳米颗粒膜( g r a n u l a rf i l m ) 是 指把纳米尺寸的颗粒分散于薄膜中而形成的复合材料体系，一般选用在高温下 互不相溶的两种组元构成复合靶材，使得在基片上沉积成复合薄膜时可以形成 一种非均匀相。 颗粒膜的g m r 效应是在1 9 9 2 年被发现的，x i a o 4 0 】和b e r k o w i t z 4 l 】两个研 究组发现了在c o c u 和c o a g 颗粒膜中存在类似于多层膜的巨磁电阻效应，随 后的工作主要集中在磁性金属f e 、c o 、n i 与贵金属c u 、a g 构成的两大系列的 颗粒膜，从平衡态的二元相图可以知道，只要铁磁的成份小于临界值，就可能 形成铁磁性颗粒膜。研究发现在铁族元素所占的体积百分数为15 2 5 之间 时，此时颗粒膜中将产生最大的巨磁电阻效应，铁族元素的颗粒大小都在几个 纳米到十纳米之间，这种类型的颗粒膜要达到最大的磁阻效应通常都需要较大 6 的饱和磁场，超过l t ，因此在商业运用上这是一个难以逾越的鸿沟。颗粒膜的 巨磁电阻效应的原因主要来源于界面的自旋相关散射，这与多层膜类似。 1 3 磁电阻效应原理 自从1 8 5 6 年导体的磁阻现象被发现以来，形成它的原因一直困扰着后来的 专家、学者们，直到量子力学的建立，它的秘密才被科学家所发现，解释出该 现象的成因，但是由于巨磁电阻材料的种类太多，而不同类型的巨磁电阻材料 其作用机理并非一致，因此对这种现象机理的研究仍然需要大量的投入，任重 而道远。 对于一些普通的非铁磁性金属和合金，传导电子的散射是自旋简并的s 电 子间的散射，在铁磁金属中，从量子角度，由于交换的相互作用，电子的能带 劈裂为自旋向上的与自旋向下的两个不同的子带，导致两个子带在能量上有个 偏移，因而费米面处自旋向上电子态密度比自旋向下电子态密度更小，据电子 输运理论可知【4 2 1 ，传导电子的散射几率与费米面附近的能态密度有关，并且正 比于它，因此自旋向下的电子相比较自旋向上的电子具有更大的散射截面和电 阻，从而也导致了铁磁金属中的电子拥有着更独特的与自旋相关的输运特性。 如果在电场的推动下，则铁磁金属中的传导电子流必定是自旋极化的。从白旋 极化和自旋相关的散射出发，为了想改变铁磁金属输运特性，可以通过磁场来 改变自旋向下和自旋向上电子的平均自由程，在电子两次散射之间运动的平均 距离称为平均自由程，我们知道，电子运动过程中的平均自由程越大，则电阻 率越小，反之，则越高，然而，在很多非常薄的材料中，导体中电子的运动路 程却无法达到电子所能达到的最大平均自由程，因为电子在运动过程中很可能 在材料的表面直接发生散射，而不是对其他的微粒发生散射，这样就会导致电 子在那些薄的材料中的平均自由程较短。因此在我们宏观的观察结果中显示就 是：电子在这种材料中运动非常困难，结果就导致导体电阻率增大。我们知道 巨磁阻现象是在金属薄层上，具有被纳米级厚度的非磁层隔开的几十埃厚的磁 层上发生的。研究者发现当把这一薄层中置入一个外加磁场时，薄层的电阻就 会减小，当导体的厚度继续减少，直到仅剩下几个电子层的厚度时，导体的电 阻就会增加。 为什么图1 4 和图1 6 磁化方向的不同会导致电阻率的不同呢? m o r t 在这 里就提出了双电流体模型【4 3 1 ，可以定性的解释这种现象。如上文所说，电子 除了带电荷还拥有另外一种特性自旋，且分为自旋向下和自旋向上两大类， 独立的对电导贡献，并且还认为电子在整个运动过程中其自旋方向不发生变化， 从双电流模型可知：当电子自旋方向反平行于局域磁化方向，则会受到强烈 的散射，电子的平均自由程减小，电阻较大；而当导电电子自旋方向平行于局 域磁化方向时，则会遭受到较弱的散射，电子的平均自由程变大，电阻较小。 相邻两磁层处于相反磁矩时，当电子在某一铁磁层处于低阻 层必然是高阻态，因为每换一个磁层，其磁化方向总是发生 自旋向上或者自旋向下的电子在穿过相邻两铁磁层时，总会 中受到较强的散射，从而呈现高阻状态。相反，如果相邻的 向相同，如图1 4 ，则或者自旋向上电子或者自旋向下电子 使整个电阻呈现出低阻态。这个时候施加外加磁场，则通过 对磁矩方向，从而出现巨磁阻效应。 自旋向左自旋向右 图1 4 铁磁耦合时电阻处于低阻态的输运特性 图1 5 铁磁耦合时等效电阻示意图 - - - - 自旋向左自旋向右 图1 6 反铁磁耦合时电阻处于高阻态的输运特性 图1 7 反铁磁耦合时等效电阻示意图 磁层时，可以认为磁性材料中的自旋向下、向上取向的传 ，如上图所示，在图1 4 中，假设相邻两磁层的磁矩方向 导电电子通过多层膜系统时，一半自旋向右的传导电子在 铁磁层时，将会受到较弱的散射，平均自由程较长，则 ，为r ，在电子穿越很薄的铁磁层时，假设电子自旋不改 一层铁磁层时，同样感受到较小的电阻r ；同时，另外一 子流经自旋阀多层膜时，会遭受到强烈的散射，电子平均 到较大的电阻r ，因为两个不同自旋取向的传导电子对电 因此在流经两个相邻的磁层时，图1 5 为其等效电阻示意 磁层时，电子所感受到的电阻为自旋向左和自旋向右电子 左电子电阻为：2 r ，自旋向右电子电阻为：2 r ，则并联结 果为：2 r r ( r + r ) 。同理，当相邻两铁磁层为反铁磁耦合时，无论是自旋向左 还是自旋向右的电子，在穿过两层铁磁层时，都会感受到一个强散射，一个弱 散射，如图1 - 6 ，例如，自旋向右的电子流经一个铁磁层时，如果这个铁磁层 是向右磁化的，那么此时电子所感受到的就是弱散射，表现为r ，但是由于两 铁磁层是反铁磁耦合的，则另外一个铁磁层一定是向左磁化的，因此，电子在 流经此铁磁层时，遭受到的是较强的散射，表现为r ，所以，自旋向右的电子 在穿过整个系统时所感受到的总电阻为：r + r ，同理另外5 0 自旋向左的自旋 电子感受到的总电阻也是：r + r ，等效电阻示意图如图l 一7 ，则并联电路总电阻 为：( r + r ) 2 。 比较2 r r ( r + r ) 和( r + r ) 2 的大小，明显可以知道在反铁磁耦合的情 况下电阻较大，这就是建立在自旋相关散射概念上的双电流模型，可以对巨磁 阻作出定性的解释。 1 4 本论文的主要内容与研究意义 1 4 1 论文主要内容 本论文主要研究并制备基于巨磁阻效应的位移传感器原型器件，主要内容 如下： 在论文工作的第一阶段，主要学习巨磁阻效应及位移传感器方面的知识。 9 通过查阅大量文献资料了解巨磁阻效应的现象、原理及应用，掌握自旋阀巨磁 电阻材料的结构、制备工艺及其测量位移原理。 论文工作的第二阶段，主要是设计巨磁电阻传感器芯片结构及制作流程， 并利用l e d i t 软件工作设计自旋阀巨磁电阻传感器芯片结构版图。 论文工作的第三阶段主要包括：对利用磁控溅射制备的巨磁阻多层膜的相 关性质进行研究；制作了光刻掩膜版，经过光刻、刻蚀、电子束蒸发、剥离等 一系列半导体工艺技术制备巨磁阻芯片；在刻蚀过程中，经过多次实验，确定 出最佳的刻蚀条件；完成芯片加工后对电阻桥路进行测试，之后进行封装。 将芯片与外围电路结合形成g m r 位移传感器原型器件，测试了该原型器 件的位移与电压的关系。 1 4 2 论文研究意义 在现代工业应用领域，需要即时的获得目标的移动信息从而实现反馈控制， 位移传感器的作用越来越大，在不同的工业领域对位移传感器的精度、测量范 围及环境的适应性等要求亦不相同。目前，各种各样的位移传感器相继出现且 业已成熟，例如有电感式位移传感器、电容式位移传感器、激光位移传感器、 超声波位移传感器等等，它们各有特点，活跃在各行各业的不同领域，但是总 体来说g m r 位移传感器更有优势。首先来说，超声波位移传感器和激光位移 传感器的优点是测量的量程较大，但缺点明显，精度低且设备的体积较大；电 感式位移传感器和电容式位移传感器的优点是分辨率较高，缺点是容易受周围 湿度和温度的影响且其精度与被测物体有较大关系；而光栅位移传感器的缺点 是成本较高、体积较大且易损害，使用成本太高。而巨磁阻位移传感器的优点 十分明显，综合起来可以总结为：生产成本较低，并且具有较高的精度和良好 的分辨率，对环境的适应性强，不易受温度、湿度、震动等不利因素的影响。 超声波位移传感器精度不高，只适合大量程的测量；激光和光栅传感器需 要体积较大的辅助设备，应用不太方便；电感、电容式传感器结构相对较为简 单，但是触点容易磨损，且分辨率不高；而目前，巨磁电阻位移传感器测量位 移灵敏度可达到1r t m 以下。综合巨磁阻位移传感器的各种优点，其具有巨大的 应用价值。 l o 磁阻传感器的输出特性曲线。 图2 1 几种不同型号的g m r 传感器的输出特性曲线 上) 图2 2 惠斯登电桥 l l 在本图形设计中，如图2 。2 ，设r 。为g m r 电阻，为可变电阻，r l ，r 2 ，r 0 为金属电阻，这是一种方案；另外一种是把r ；和r 2 或者r i 和r o 为g m r 电阻， 则剩下的为金属不变电阻。还有另外的设计方案，如r l ，r 2 ，r o 为g m r 电阻， r x 为金属电阻，这种方案与第一种类似；或者r i ，r 2 ，r x ，r o 皆为g m r 可变 电阻，但是在刻蚀之后在其中的一个或者两个、三个电阻上面镀一层坡镆合金， 起屏蔽作用，使它不跟外在的磁场变化而变化；或者r l ，r 2 ，r 。，r o 皆为g m r 可变电阻，即为全桥电路，其中对角线的两组g m r 薄膜的钉扎方向相反，在 外加磁场的作用下两组电阻的阻值朝相反方向变化，从而让电桥受温度影响 更小，而且最重要的是还可以提高电桥的检测灵敏度( 输出电压最大变化量与 输入电压比) 。通过对比发现，最后一种方案灵敏度最高，电阻桥路最平衡，系 统误差最小，因为前面几种在实际的金属电阻沉积过程中，会有很多误差，包 括：系统误差、刻蚀程度误差、电阻沉积厚度误差、计算误差等，但考虑实际 所处条件，如实验设备、技术、难度等，没有采用最后一种。 2 1