磁控溅射法制备IrMn底钉扎自旋阀研究

采用高真空直流磁控溅射的方法,在玻璃衬底上制备了结构为Ta／buffer layer／IrMn／CoFe／Cu／CoFe／NiFe／Ta的IrMn底钉扎自旋阀。研究了NiFe和Cu作为缓冲层对自旋阀磁性能的影响,并对缓冲层厚度进行了参数优化,当缓冲层厚度为2nm时自旋阀各项性能达到最佳。研究了退火制度对底钉扎自旋阀性能的影响,得到了30000e强磁场下200℃保温1h为最佳处理条件。通过结构的改善和工艺的优化,得到的底钉扎自旋阀的磁电阻率8．51％,矫顽场为0．50e,交换偏置场超过8000e。最后对自旋阀的底钉扎和顶钉扎结构进行了比较。     

RIE对巨磁电阻自旋阀磁性能的影响

对巨磁电阻自旋阀磁场传感器制作中的关键技术之一：自旋阀薄膜的反应离子刻蚀(RIE)工艺,进行了试验研究。自旋阀结构为：Ta(3．5nm)／Cu(0．7nm)／NiFe(4．5nm)／CoFe(1nm)／Cu(3nm)／CoFe(2nm)／Ru(0．7nm)／CoFe(2nm)／MnIr(8nm)／Ta(4nm),刻蚀气体为氢氯碳氟化合物(HCFC：Hydro—chloro—fluoro—carbon),气体流量为10．5seem,RF功率为180W,时间为27min。结果表明：RIE技术可以加工出理想的巨磁电阻自旋阀薄膜图形,且加工过程对自旋阀的磁性能影响不大,这些结果对于巨磁电阻自旋阀型集成磁传感器的批量制作具有积极意义。     

自旋阀多层膜磁化翻转场的调控和磁电阻特性

用磁控溅射方法制备Ta/CoFe/Fe/Au/Fe/IrMn/Ta和Ta/CoFe¹/Au/CoFe²/IrMn/Ta两种多层膜结构的自旋阀,并优化各功能层的溅射参数有效调控了磁化翻转场和磁电阻特性。根据TEM确定了样品多层膜的微观结构和膜厚,使用VSM和加磁场四探针法分别测量了样品的磁滞回线和磁电阻(MR)特性曲线。结果表明,样品中隔离层Au的厚度与MR值之间存在振荡衰减的关系;而钉扎层、自由层和被钉扎层的厚度直接影响各膜层的矫顽力和饱和磁化强度等磁学性能,进而改变MR值。各层厚度为6/6/3.8/6/9/6 nm的Ta/CoFe¹/Au/CoFe²/IrMn/Ta结构自旋阀,具有最佳的MR值。     

CrPtMn顶钉扎自旋阀材料的交换耦合作用研究

反铁磁钉扎层和铁磁被钉扎层之间的交换耦合作用是高性能自旋阀材料研究中的一个关键因素。本工作研究了CrPtMn顶钉扎自旋阀材料中的交换耦合场(H_ex)与薄膜沉积条件以及退火处理之间的关系。研究表明: 沉积后的自旋阀材料中的H_ex大小与CrPtMn钉扎层的溅射工作气压关系不大, H_ex 约为7.96×10³ A/m。然而, 经过240℃退火2 h处理后, H_ex呈现出与CrPtMn沉积时的溅射工作气压相关的特性, 随着溅射工作气压的增加而增大。材料退火后的交换耦合场H_ex的温度特性良好, 室温下约为2.39×10⁴ A/m。Hex随着测试温度的升高而逐渐减小, 交换耦合场消失时的失效温度(blocking temperature)为315℃。     

巨磁电阻隔离器中自旋阀材料及结构研究

为得到矫顽力和工作偏置点都合适的自旋阀结构,实验中采用NiFe/CoFe复合层作为自旋阀自由层并通过调节NiFe和CoFe的厚度来控制自旋阀的矫顽力和灵敏度,并通过调节自旋阀中金属隔离层的厚度来控制自旋阀工作偏置点的位置。结果表明得到合适的自旋阀结构。在此基础上,采用光刻剥离工艺,制作两组折线形自旋阀巨磁电阻条样品,其磁化方向分别沿电阻条的长轴和短轴。测试结果表明磁化方向沿电阻条长轴的样品,矫顽力大小和工作偏置点稳定,灵敏度在电阻条宽度很小时有所减小;磁化方向沿电阻条短轴的样品,矫顽力和灵敏度大小稳定,而工作偏置点的位置随着电阻条宽度的减小逐渐偏离自旋阀钉扎场的方向。     

NiFe／Co／Cu／Co结构自旋阀GMR效应及Co夹层的影响研究

用射频磁控溅射发射法成功制备了ＮｉＦｅ／Ｃｕ／Ｃｏ自旋阀多层膜材料,改变Ｃｕ层的厚度,研究材料的ＧＭＲ效应与Ｃｕ层厚度的关系,结果表明Ｃｕ为２．５ｎｍ时样品的ＭＲ值最大,其磁电阻效应ＭＲ可达１．６％,在ＮｉＦｅ和Ｃｕ之间插入一Ｃｏ薄夹层,通过对不同温度厚度Ｃｏ夹层的样品的ＭＲ曲线及磁滞回线的研究,讨论了Ｃｏ夹层对样品磁电阻的影响并分析了原因,结果表明插入适当的Ｃｏ层将提高材料的磁电阻效应,可达２．     

NiO／Co／Cu／Co自旋阀中反铁磁NiO钉扎作用的研究

本文通过研究不同方向外加磁场下ＮｉＯ７０ｎｍ／Ｃｏ５．５ｎｍ／Ｃｕ３．５ｎｍ／Ｃｏ５．５ｎｍ自旋阀结构中磁电阻的变化,探讨了ｉＯ反铁磁层对相邻的Ｃｏ层的钉扎作用。研究发现,材料中的钉扎方向是唯一确定的,只有沿着钉扎方向增大外场,才能获得高的巨磁电阻效应和磁灵敏度。     

利用射频磁控溅射制作高性能铁磁性薄膜的研究

讨论了用射频（ＲＦ）磁控溅射制作铁磁性薄膜工艺，合适的工艺参数能够获得较低的矫顽力Ｈｃ＝６Ｏｅ。用Ｘ射线光电子能谱（ＸＰＳ）和原子力显微镜（ＡＦＭ）研究膜表面情况及氧化深度。     

具有SAF结构的IrMn基自旋阀材料的磁场退火研究

用磁控溅射法制备了被钉扎层为反铁磁(SAF)结构(CoFe/Ru/CoFe)的IrMn基顶钉扎自旋阀材料, 分别采用HRTEM、AFM、XPS对材料的结构和成分进行表征。首先, 制备的自旋阀材料分别在200℃、245℃、255℃、265℃的真空条件(＜10^-5 Pa)下退火4 h, 发现经265℃退火, 自旋阀材料会发生明显的层间扩散, 从而引起磁电阻率的降低。在选择合适退火温度(245℃)的基础上, 研究了退火磁场对自旋阀材料磁电阻率的影响。在245℃的真空环境下, 沿着材料的钉扎方向分别施加大小为80、160、240、400、560 kA/m的磁场退火4 h。实验发现经过80和160 kA/m的磁场退火后, 材料的磁电阻率由退火前的8.80%分别下降到5.87%和6.31%; 经240 kA/m的磁场退火后材料的磁电阻率变为7.91%; 经400 kA/m的磁场退火后磁电阻率增大到9.89%; 经560 kA/m的磁场退火后磁电阻率进一步增大到10.79%, 比退火前增加了22.6%。     

基于非晶软磁层的巨磁电阻单元性能研究

采用剥离工艺制备了单元大小为10μm×18μm的CoNbZr/Co/Cu/Co和NiFe/Co/Cu/Co多层膜结构的3×3自旋阀单元阵列,并测试了自旋阀单元的静态和动态巨磁电阻特性.结果表明CoNbZr层对快速磁场变化具有良好的线性响应特性.与NiFe/Co/Cu/Co自旋阀单元相比,微米尺度的CoNbZr/Co/Cu/Co自旋阀单元具有更良好的自旋电子特性,可以应用到包括MRAM器件在内的自旋电子器件中.     

CoFe/Cu/CoFe/IrMn自旋阀结构多层膜磁化反转过程的研究

通过高真空直流磁控溅射的方法制备了结构为//Ta(5nm)/Co75 Fe25(5nm)/Cu(2.5nm)/Co75Fe25(5nm)/Ir20 Mn80(12nm)/Ta(8nm)的顶钉扎自旋阀结构多层膜,研究了磁场循环次数、反向饱和场等待时间和磁场变化率对自旋阀结构多层膜磁化反转过程的影响.结果表明,磁场循环次数和反向饱和场等待时间对自由层的磁化反转过程没有影响,而在被钉扎层中出现了练习效应和时间效应;磁场变化率对被钉扎层和自由层的前、后支反转场的影响变化趋势相似,但反铁磁层对被钉扎层的反转有一定的影响.     

一种双真空室结构磁控溅射台的研制

本文研制了一种较高档的磁控溅射镀膜设备,用于微电子器件规模化生产过程中的基片表面镀膜.该设备采用双真空室结构,使溅射室始终维持较高的真空度和洁净度,提高镀膜质量和镀膜效率.环绕溅射室设计了3个直流靶和1个射频靶,能够溅射金属膜、介质膜、混合物和化合物薄膜.文中详述了该设备的设计原理、总体结构及工艺控制方法.该磁控溅射台已开发成功并投入使用,替代了同类进口设备.     

Hysteresis-free reactive high power impulse magnetron sputtering

High power impulse magnetron sputtering (HIPIMS) of an Al target in Ar/O₂ mixtures has been studied. The use of HIPIMS is shown to drastically influence the process characteristics compared to conventional sputtering. Under suitable conditions, oxide formation on the target as the reactive gas flow is increased is suppressed, and the hysteresis effect commonly observed as the gas flow is varied during conventional sputtering can be reduced, or even completely eliminated, using HIPIMS. Consequently, stoichiometric alumina can be deposited under stable process conditions at high rates. Possible explanations for this behavior as well as a model qualitatively describing the process are presented.