专利名称：一种磁场测量用巨霍尔效应薄膜材料及其制备方法
技术领域：
本发明涉及一种磁场测量用巨霍尔效应(Giant Hall Effect，GHE)薄膜材料及其 制备方法，具体说，是涉及一种用于薄膜法线方向上磁场测量的巨霍尔效应磁性多层膜材 料及其制备方法。
背景技术：
目前，半导体霍尔器件已广泛的应用于磁场测量和磁性传感器当中，但是半导体 材料本身具有的电阻率高、工作频率低、功耗大、温度系数高以及制作工艺复杂的缺陷限制 了其发展和应用。异常霍尔效应是一种很久以前就被发现的磁电效应，但由于通常的金属材料中异 常霍尔效应很小，因而未引起足够注意。近年来，由于磁性多层膜的研究，发现在磁性金属 多层膜中的异常霍尔效应比普通金属中要高几个数量级。仿照巨磁电阻效应被称为巨霍尔 效应。由于磁性多层膜中采用的是磁性金属材料，其巨霍尔效应具有灵敏度高、温度稳定性 高、电阻率低、制作工艺简单及高频响应好的优点，因此受到越来越多的重视。在采用磁性薄膜的巨霍尔效应传感器测量磁场时，磁性薄膜材料性能的好坏直接 影响到其性能水平和应用范围。随着对磁场测量要求的不断提高和工业实际应用的需要， 一般要求应用于磁场测量的巨霍尔效应磁性多层膜材料要满足以下几点要求1.为了能 有效地测量磁场，要求其霍尔电阻率随磁场的变化关系尽可能的线性；2.能够根据不同的 应用领域要求，其饱和磁场所对应的有效动态范围应尽可能大或是可调；3.为了能够应用 和保持高的信噪比，要求材料本身具有较高的灵敏度；4.基于磁性材料本身的特点，要求 其在垂直于膜面方向要有较小的磁滞，霍尔电阻率的变化具有较小的迟滞；5.材料具有良 好的加工特性，易加工，并应具有能与现有的集成电路微加工(MEMS)工艺相结合的能力， 成本低，能大规模工业化生产。但现有技术中的用于磁场测量的巨霍尔效应薄膜材料的性 能不能很好地满足上述要求。
发明内容
本发明的目的是为了克服现有的半导体霍尔器件的缺陷和现有的用于磁场测量 的巨霍尔效应薄膜材料的性能不足，提供一种线性度和灵敏度能够满足工业应用的性能要 求，可以用于薄膜法线方向上磁场测量的巨霍尔效应磁性多层膜材料，及其一种制备成本 低、能大规模工业化生产的制备方法。为实现上述发明目的，本发明采用的具体技术方案如下本发明提供的磁场测量用巨霍尔效应薄膜材料，为多层膜结构，每层膜的厚度 为纳米级，其结构通式是Fe (abm) /Pt (bnm) / [Coa9Fea (0. 3nm) /Pt (1. 2nm) ] 3/Fe (anm) / Pt (bnm)；其中 a = 0· 4 0· 5，b = 0· 4 0· 8。本发明的磁场测量用巨霍尔效应薄膜材料的最佳结构式是Fe(0.4nm)/ Pt (0. 6nm) / [Co0.9Fe0. ！ (0. 3nm) /Pt (L 2nm) ] 3/Fe (0. 4nm) /Pt (0. 6nm)
本发明的磁场测量用巨霍尔效应薄膜材料的制备方法，是采用直流磁控溅射方 法，依次将薄膜材料 Fe (anm) /Pt (bnm) / [Cotl 9Fea (0. 3nm) /Pt (1. 2nm) ] 3/Fe (anm) /Pt (bnm) 的各层膜溅射沉积到基片上，溅射过程中的本底真空度低于8 X 10_6Pa，溅射气压为0. 5 0. 7Pa。所述基片为硅片。本发明溅射过程中由各靶的溅射功率和时间来控制膜厚，对不同厚度的膜层采用 不同的溅射功率和溅射时间。本发明通过调节膜厚a、b来调整磁性易轴在薄膜的面内方向 上的形状磁各向异性和磁性易轴在薄膜法线方向上的界面磁各向异性，从而得到有效磁各 向异性的磁性易轴沿薄膜面内方向，而且大小可调，最终使薄膜的霍尔电阻率随薄膜法线 方向磁场的变化具有很好的线性，同时具有不同的可供使用的动态工作范围，并能保持其 灵敏度在一个非常高的水平，能满足工业应用的性能要求。本发明除具有以上有益效果外，还具有如下优点1)溅射制得的薄膜本身附着力很大，均勻性很好，无需热处理就具备了很好的稳 定性，进一步简化了制备工艺。2)由于采用磁控溅射法将薄膜沉积在硅片上，传感器单元可以制得很微小，因此 本发明非常方便与芯片的微加工工艺进行集成，便于制成芯片，适合大规模工业化生产。3)由于本发明能够测量薄膜的法线方向上的磁场，因此在最终器件的制备工艺上 可以直接替代现有的半导体霍尔部件。
图1是本发明的巨霍尔效应磁性多层膜的结构示意图；图2(a)是本发明的巨霍尔效应工作原理示意图；图2(b)是本发明的巨霍尔效应薄膜的理想输出特性曲线；图3是本发明的最佳巨霍尔效应薄膜材料(实施例1所制备的材料)的霍尔电阻 率回线。图中101 为 Si 基片、102 为 Fe(anm)层、103 为 Pt (bnm)层、104 为 Co0 9Fe01(OJnm)层、105 为 Pt(l. 2nm)层、106 为 Co0 9Fe01 (0. 3nm)层、107 为 Pt(l. 2nm) 层、108 为 Cotl 9Fea JO. 3nm)层、109 为 Pt (1. 2nm)层、110 为 Fe (anm)层、111 为 Pt (bnm)层； 211、212为电压输出端；213、214为电流输入端；215为电流方向。
具体实施例方式下面结合附图和实施例对本发明进行进一步阐述。先以一个具体的实施例 Fe (0. 4nm) /Pt (0. 6nm) / [Co0 9Fe0. ！ (0. 3nm)/Pt(l. 2nm) ] 3/Fe (0. 4nm) /Pt (0. 6nm)说明本发明 的薄膜材料的制备方法，再给出以同样方法制备的其它实施例及对比例的线性性能指标对 比实验结果。以下为具体实施例Fe (0. 4nm) /Pt (0. 6nm) / [Coa9Fe0.丄(0. 3nm) /Pt (1. 2nm) ] 3/ Fe (0. 4nm) /Pt (0. 6nm)的制备方法1)在三个分离的溅射源上安装直径为3英寸的Fe、Co、Pt溅射靶材；然后将溅射 腔室使用真空泵抽到本底真空度为5X10_6Pa ；取IOmmX IOmm大小的Si片作为基片，将基片放在4英寸的样品架上；将放置有基片的样品架放置到溅射台的进样室，通过进样室再 将样品放置到溅射台中样品台位置；对所有的靶使用30W的功率进行10分钟的预溅射。2)采用直流磁控溅射方法，依次将薄膜材料Fe (0. 4nm) /Pt (0. 6nm) / [Cotl 9Fea ！ (0. 3nm) /Pt (1. 2nm) ] 3/Fe (0. 4nm) /Pt (0. 6nm)的 各层膜溅射沉积到基片上，薄膜结构如图1所示101为Si基片、102为Fe(0. 4nm)层、103 为 Pt(0. 6nm)层、104 为 Cotl 9Fea ！ (0. 3nm)层、105 为 Pt (1. 2nm)层、106 为 Cotl 9Fea ！ (0. 3nm) 层、107 为 Pt (1. 2nm)层、108 为 Co0 9Fe0.丄(0. 3nm)层、109 为 Pt (1. 2nm)层、110 为 Fe (0. 4nm) 层、111 为 Pt (0. 6nm)层；溅射时气压保持0. 6Pa，其中102、110的Fe (0. 4nm)层采用溅射功率20W，103、 111 的 Pt(0. 6nm)层及 105、107、109 的 Pt(l. 2nm)层均采用 30W 溅射功率，104、106、108 的
Coa9Fea ！ (0. 3nm)层采用Co、Fe共溅射法，其中Co溅射功率为33W、Fe溅射功率为4W。3)溅射后对磁性多层膜进行测试，按图2(a)所示的巨霍尔效应工作原理示意图 进行测试测试时沿电流方向215在电流输入端213、214上通以ImA的稳恒电流，在与之 垂直的另一个方向上的电压输出端211、212输出电压，其中电压输出端212的输出电压为 V。ut+，电压输出端211的输出电压为V。ut_，最后输出的霍尔电压V = V。ut+_V。ut_。巨霍尔效应 薄膜的理想电压输出特性曲线如图2(b)所示。4)根据霍尔电阻率的公式
VRh =J-^t
X其中Vy即为电压输出端211、212上输出的霍尔电压，Ix为沿电流方向215通过电 流输入端213、214所通的电流，t为溅射的薄膜的实际厚度，对输出的霍尔电压计算霍尔电 阻率
按薄膜的厚度t = 6. 5nm，输出的电压单位为mV计算。5)经测试，室温下所制备的磁性多层膜的巨霍尔电阻率回线如图3所示。可见 该磁性多层膜性能优良，线性度和灵敏度都达到了很高的水平；所测试的磁性多层膜的巨 霍尔电阻率性能，其线性度在[_160，160]0e范围内为2. 2%，灵敏度保持在16 μ Ω -cm/T, 饱和输出为0· 36μ Ω · cm。根据上述实施例-Fe(0. 4nm) /Pt (0. 6nm) / [Coa9Fe0.丄(0. 3nm) /Pt (1. 2nm) ] 3/ Fe (0. 4nm) /Pt (0. 6nm)的制备方法，制备其它实施例和对比例，所制备的薄膜性能测试数据 对比结果见表1所示。表1 对比例与实施例的霍尔电阻率随磁场变化的线性关系对比
权利要求
一种磁场测量用巨霍尔效应薄膜材料，其特征在于为多层膜结构，每层膜的厚度为纳米级；其结构通式是Fe(a nm)/Pt(b nm)/[Co0.9Fe0.1(0.3nm)/Pt(1.2nm)]3/Fe(a nm)/Pt(b nm)；其中a＝0.4～0.5，b＝0.4～0.8。
2.根据权利要求1所述的磁场测量用巨霍尔效应薄膜材料，其特征在于，其结构式是Fe (0. 4nm) /Pt (0. 6nm) / [Co0 9Fe0. ！ (0. 3nm) /Pt (L 2nm) ] 3/Fe (0. 4nm) /Pt (0. 6nm)。
3.—种根据权利要求1所述的磁场测量用巨霍尔效应薄膜材料的制备方法，其 特征在于采用直流磁控溅射方法，依次将薄膜材料Fe(anm)/ Pt (bnm) / [Co0.9FeO. 1 (0. 3nm) /Pt (1. 2nm) ] 3/Fe (anm) /Pt (bnm)的各层膜溅射沉积到基片 上，溅射过程中的本底真空度低于8 X 10_6Pa，溅射气压为0. 5 0. 7Pa。
4.根据权利要求3所述的磁场测量用巨霍尔效应薄膜材料的制备方法，其特征在于 所述基片为硅片。
全文摘要
本发明公开了一种磁场测量用巨霍尔效应薄膜材料，其为多层膜结构，每层 膜 的 厚 度 为 纳 米 级 ； 其 结 构 通 式 是 Fe(anm)/Pt(bnm)/[Co0.9Fe0.1(0.3nm)/Pt(1.2nm)]3/Fe(anm)/Pt(bnm)；其中a＝0.4～0.5，b＝0.4～0.8。所述的薄膜材料在薄膜的法线方向上加磁场时，霍尔电阻率与磁场之间具有非常好的线性，可供使用的动态工作范围可以调节，同时霍尔灵敏度达到了非常高的水平。本发明材料是采用直流磁控溅射方法，依次将薄膜材料的各层膜溅射沉积到基片上制备而得，具有工艺简单、安全、制备成本低以及可与现有的芯片微加工工艺进行集成的优点，适合大规模工业化生产。
文档编号B32B15/04GK101934608SQ201010233248
公开日2011年1月5日 申请日期2010年7月22日 优先权日2010年7月22日
发明者刘明峰, 吕华, 宋新昌, 王建国, 白建民, 薛松生, 魏福林 申请人:兰州大学