專(zhuān)利名稱(chēng)：一種巨磁阻抗薄膜材料及制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于功能材料技術(shù)領(lǐng)域，涉及巨磁阻抗材料及其制備方法。
背景技術(shù)：
1992年，日本名古屋大學(xué)的毛利佳年雄等，首先在非晶Co7tl 5Fq5Si15Bltl絲中發(fā)現(xiàn)了巨磁阻抗效應(yīng)，并引起了世界各國(guó)科學(xué)家的高度重視，世界各國(guó)紛紛投入研究。其后國(guó)際上研究最多的材料是磁致伸縮系數(shù)近為零的鈷基非晶/納米晶絲、帶，其后發(fā)展到鐵基非晶/納米晶絲和薄帶材料。隨著現(xiàn)代信息技術(shù)的發(fā)展，電子元器件向微型化、集成化方向發(fā)展。與絲和帶狀材料相比較，薄膜材料更容易通過(guò)光刻等技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)器件的微型化，且與集成電路工藝相兼容，所以具有巨磁阻抗效應(yīng)的材料研究迅速擴(kuò)展到薄膜(包括單層薄膜和夾芯層薄膜)材料。對(duì)一個(gè)材料體系而言，要獲得明顯的巨磁阻抗效應(yīng)，必須滿足材料的軟磁性能好(矯頑力小于10e)，在此基礎(chǔ)上還要求(1)面內(nèi)各向異性的取向好，且不能太大 (幾個(gè)Oe左右)；(2)低電阻率(小于100 μ Ω . cm) ； (3)盡可能大的飽和磁化強(qiáng)度；(4)在器件許可的范圍下，厚度盡可能大(微米級(jí))，以降低工作頻率，因?yàn)榫薮抛杩剐?yīng)的最佳值出現(xiàn)在趨膚深度與薄膜厚度相當(dāng)時(shí)，薄膜越厚，越容易在頻率較低的趨膚深度與薄膜厚度相當(dāng)，從而降低對(duì)傳感器驅(qū)動(dòng)與檢測(cè)電路的需求。鑒于此，目前薄膜材料系統(tǒng)多選用軟磁性能優(yōu)異的坡莫合金(磁致伸縮系數(shù)為零的Ni81Fe19(at % )的薄膜體系)。但是對(duì)于坡莫(permalloy)合金薄膜存在一臨界厚度，當(dāng)薄膜的厚度超過(guò)臨界厚度( 300nm，J. B. Youssefet al，Physics Review B69, 174402(2004))后，坡莫合金薄膜中的各向異性逐漸從面內(nèi)轉(zhuǎn)到面外，最后垂直于膜面，從而薄膜的矯頑力急劇增加(從0. IOe增加到幾十Oe)，導(dǎo)致坡莫合金軟磁性能惡化，在微米量級(jí)的坡莫合金薄膜材料觀察不到巨磁阻抗效應(yīng)。R. L. Sommer等(R. L. Sommer et al., Journal of Appllied Physics86，1057 (1999))采用坡莫合金與銀[permalloy/Ag] 1( 構(gòu)成多層薄膜系統(tǒng)，薄膜的總厚度達(dá)到微米，在30MHz觀察到25%的阻抗變化，但是在他們的多層薄膜系統(tǒng)中由于非磁層——銀(Ag)的加入，大大降低了薄膜系統(tǒng)的飽和磁化強(qiáng)度，如果能保證薄膜系統(tǒng)的飽和磁化強(qiáng)度不下降或下降量較少，并能制備微米厚的坡莫合金薄膜系統(tǒng)，有望獲得大的巨磁阻抗效應(yīng)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供一種巨磁阻抗薄膜材料及制備方法，其材料能達(dá)到微米級(jí)厚，并保證具有良好的面內(nèi)各向異性，顯著提高巨磁阻抗效應(yīng)并降低工作頻率；其制備方法簡(jiǎn)單、易控，與常規(guī)薄膜制備工藝相兼容。本發(fā)明技術(shù)方案為一種巨磁阻抗薄膜材料，如圖1、2所示，包括襯底基片1、多層NWe合金薄膜層2 和多層摻Cr的Nii^e合金薄膜層3 ；所述Nii^e合金薄膜層2和摻Cr的Nii^e合金薄膜層3 彼此相間地位于襯底基片表面，形成復(fù)合多層薄膜體系；襯底基片表面的第一合金薄膜層可以是Nii^e合金薄膜層2，也可以是摻Cr的Nii^e合金薄膜層3。所述Nii^e合金薄膜層2 和摻Cr的Nii^e合金薄膜層3厚度不超過(guò)200納米、且數(shù)量級(jí)相當(dāng)；彼此相間的Nii^e合金薄膜層2和摻Cr的NWe合金薄膜層3所形成的多層薄膜體系整體厚度達(dá)到微米量級(jí)。NWe 合金薄膜層2中，NiJe之間的質(zhì)量比為(80 81) (19 20)；摻Cr的Nii^e合金薄膜層3中，NiJe之間的質(zhì)量比為(80 81) (19 20)，且摻雜元素Cr的質(zhì)量占NiJe和 Cr質(zhì)量總和的1% 8%。本發(fā)明提供的巨磁阻抗薄膜材料對(duì)襯底基片1的材料沒(méi)有特別的限定，只要襯底基片表面能夠沉積NWe合金薄膜層2或摻Cr的NWe合金薄膜層3就行，包括各自種硅基半導(dǎo)體材料、陶瓷或玻璃介質(zhì)材料、甚至是各種柔性有機(jī)介質(zhì)材料都可以作為本發(fā)明提供的巨磁阻抗薄膜材料的襯底基片。上述巨磁阻抗薄膜材料的制備方法，包括以下步驟步驟1 在清潔襯底基片1上利用直流或磁控濺射工藝沉積NWe合金薄膜層2或摻Cr的Nii^e合金薄膜層3 ；步驟2 利用直流或磁控濺射工藝，在Nii^e合金薄膜層2表面沉積摻Cr的Nii^e合金薄膜層3，或在摻Cr的NWe合金薄膜層3表面沉積NWe合金薄膜層2 ；步驟3 重復(fù)步驟1和步驟2，直到襯底基片1上沉積的、彼此相間的Nii^e合金薄膜層2和摻Cr的NWe合金薄膜層3所形成的多層薄膜體系整體厚度達(dá)到微米量級(jí)級(jí)為止；所述直流或磁控濺射工藝條件為背底真空< 2X10_7mbar ；氬氣工作氣壓 9X IO"4 9X 10_3mbar，以及沿基片表面施加50 5000e大小的外加磁場(chǎng)；射頻濺射功率 20 200W ；所述Nii^e合金薄膜層2和摻Cr的Nii^e合金薄膜層3厚度不超過(guò)200納米、且數(shù)量級(jí)相當(dāng)；Nii^e合金薄膜層2中，NiJe之間的質(zhì)量比為(80 81) (19 20)；所述摻 Cr的Nii^e合金薄膜層3中，Ni、Fe之間的質(zhì)量比為(80 81) (19 20)，且摻雜元素 Cr的質(zhì)量占Ni、!^e和Cr質(zhì)量總和的1 % 8 %。本發(fā)明所提供的巨磁阻抗薄膜材料，由于間隔分布的摻Cr的NWe合金薄膜層3 的存在，降低了 NWe合金薄膜的飽和磁化強(qiáng)度，從而在兩層薄膜間形成飽和磁化強(qiáng)度梯度，該飽和磁化強(qiáng)度梯度會(huì)在垂直于膜面的方向產(chǎn)生退磁場(chǎng)，退磁場(chǎng)的作用會(huì)使薄膜中的磁矩在薄膜面內(nèi)分布，加上沉積薄膜時(shí)加有外磁場(chǎng)，這樣多層薄膜體系統(tǒng)就會(huì)形成了具有良好取向的面內(nèi)各向異性。再者在沉積每層薄膜時(shí)，都控制薄膜的厚度在臨界厚度以下，這又能阻止各層薄膜的柱狀生長(zhǎng)，從而也能避免薄膜中形成面外各向異性。由于整個(gè)多層薄膜材料系統(tǒng)中，每層均采用的是磁性層，相比磁性層與非磁性層形式的錯(cuò)層薄膜材料體系， 其飽和磁化強(qiáng)度更大，從而可以獲得更大的巨磁阻抗效應(yīng)。本發(fā)明所述的巨磁阻抗薄膜材料為制備具有巨磁阻抗效應(yīng)的微傳感器提供了一種性能更為優(yōu)異的材料選擇。


圖1為本發(fā)明提供的一種巨磁阻抗薄膜材料結(jié)構(gòu)示意圖。圖2為本發(fā)明提供的另一種巨磁阻抗薄膜材料結(jié)構(gòu)示意圖。其中，1表示襯底基片，2表示Nii^e合金薄膜層，3表示摻Cr的Nii^e合金薄膜層。
具體實(shí)施例方式為了保證本發(fā)明所述的巨磁阻抗薄膜材料具有更大的飽和磁化強(qiáng)度以及良好的面內(nèi)各向異性取向，需要優(yōu)化各層厚度小于臨界厚度(對(duì)于Nii^e合金薄膜系統(tǒng)取200nm)， 再有要發(fā)揮飽和磁化強(qiáng)度梯度的作用，需要保證NWe合金薄膜2及摻Cr的NWe合金薄膜 3的厚度相當(dāng)(同一數(shù)量級(jí))。
具體實(shí)施方式
一一種巨磁阻抗薄膜材料的制備方法，包括以下步驟步驟1 在清潔的硅襯底基片1上利用直流或磁控濺射工藝沉積NWe合金薄膜層 2 ；步驟2 利用直流或磁控濺射工藝，在Nii^e合金薄膜層2表面沉積摻Cr的Nii^e合金薄膜層3 ；步驟3 重復(fù)步驟1和步驟2，直到襯底基片1上沉積的、彼此相間的Nii^e合金薄膜層2和摻Cr的NWe合金薄膜層3所形成的多層薄膜體系整體厚度達(dá)到1微米；所述直流或磁控濺射工藝條件為背底真空< 2X10_7mbar ；氬氣工作氣壓為 5 X 10_3mbar，以及沿基片表面施加IOOOe大小的外加磁場(chǎng)；射頻濺射功率100W ；所述Nii^e合金薄膜層2和摻Cr的Nii^e合金薄膜層3厚度為50納米；Nii^e合金薄膜層2中，NiJe之間的質(zhì)量比為81 19;所述摻Cr的Nii^e合金薄膜層3中，NiJe之間的質(zhì)量比為81 19，且摻雜元素Cr的質(zhì)量占Ni、狗和Cr質(zhì)量總和的2%。經(jīng)上述方案所得巨磁阻抗薄膜材料經(jīng)測(cè)試，其矯頑力為0.250e，各向異性場(chǎng)為 50e。利用光刻技術(shù)，刻蝕成10mm*lmm的測(cè)試單元，利用HP4291B阻抗分析儀測(cè)量其阻抗， 其最大磁阻抗變化值在25MHz時(shí)為32%，而在同樣制備工藝下制備的厚度為1 μ m NiFe合金薄膜沒(méi)有顯示出磁阻抗的變化。
具體實(shí)施方式
二一種巨磁阻抗薄膜材料的制備方法，包括以下步驟步驟1 在清潔的硅襯底基片1上利用直流或磁控濺射工藝沉積NWe合金薄膜層 2 ； 步驟2 利用直流或磁控濺射工藝，在Nii^e合金薄膜層2表面沉積摻Cr的Nii^e合金薄膜層3 ；步驟3 重復(fù)步驟1和步驟2，直到襯底基片1上沉積的、彼此相間的Nii^e合金薄膜層2和摻Cr的NWe合金薄膜層3所形成的多層薄膜體系整體厚度達(dá)到1微米；所述直流或磁控濺射工藝條件為背底真空< 2X10_7mbar ；氬氣工作氣壓為 5 X 10_3mbar，以及沿基片表面施加IOOOe大小的外加磁場(chǎng)；射頻濺射功率100W ；所述Nii^e合金薄膜層2和摻Cr的Nii^e合金薄膜層3厚度為100納米；Nii^e合金薄膜層2中，NiJe之間的質(zhì)量比為81 19 ；所述摻Cr的Nii^e合金薄膜層3中，NiJe 之間的質(zhì)量比為81 19，且摻雜元素Cr的質(zhì)量占Ni、狗和Cr質(zhì)量總和的4%。經(jīng)上述方案所得巨磁阻抗薄膜材料經(jīng)測(cè)試，其矯頑力為0.260e，各向異性場(chǎng)為 60e。利用光刻技術(shù)，刻蝕成10mm*lmm的測(cè)試單元，利用HP4291B阻抗分析儀測(cè)量其阻抗， 其最大磁阻抗變化值在25MHz時(shí)為34%。
具體實(shí)施方式
三一種巨磁阻抗薄膜材料的制備方法，包括以下步驟步驟1 在清潔的硅襯底基片1上利用直流或磁控濺射工藝沉積摻Cr的Nii^e合金薄膜層3 ；步驟2 利用直流或磁控濺射工藝，在摻Cr的Nii^e合金薄膜層3表面沉積Nii^e合金薄膜層2 ；步驟3 重復(fù)步驟1和步驟2，直到襯底基片1上沉積的、彼此相間的Nii^e合金薄膜層2和摻Cr的NWe合金薄膜層3所形成的多層薄膜體系整體厚度達(dá)到1微米；所述直流或磁控濺射工藝條件為背底真空< 2X IO-7Hibar ；氬氣工作氣壓為 5 X 10_3mbar，以及沿基片表面施加IOOOe大小的外加磁場(chǎng)；射頻濺射功率100W ；所述Nii^e合金薄膜層2和摻Cr的Nii^e合金薄膜層3厚度為50納米；Nii^e合金薄膜層2中，NiJe之間的質(zhì)量比為81 19;所述摻Cr的Nii^e合金薄膜層3中，NiJe之間的質(zhì)量比為81 19，且摻雜元素Cr的質(zhì)量占Ni、狗和Cr質(zhì)量總和的2%。經(jīng)上述方案所得巨磁阻抗薄膜材料經(jīng)測(cè)試，其矯頑力為0. 180e，各向異性場(chǎng)為 50e。利用光刻技術(shù)，刻蝕成10mm*lmm的測(cè)試單元，利用HP4291B阻抗分析儀測(cè)量其阻抗， 其最大磁阻抗變化值在25MHz時(shí)為35%。
具體實(shí)施方式
四一種巨磁阻抗薄膜材料的制備方法，包括以下步驟步驟1 在清潔的硅襯底基片1上利用直流或磁控濺射工藝沉積摻Cr的Nii^e合金薄膜層3 ；步驟2 利用直流或磁控濺射工藝，在摻Cr的Nii^e合金薄膜層3表面沉積Nii^e合金薄膜層2 ；步驟3 重復(fù)步驟1和步驟2，直到襯底基片1上沉積的、彼此相間的Nii^e合金薄膜層2和摻Cr的NWe合金薄膜層3所形成的多層薄膜體系整體厚度達(dá)到1微米；所述直流或磁控濺射工藝條件為背底真空< 2X IO-7Hibar ；氬氣工作氣壓為 5 X 10_3mbar，以及沿基片表面施加IOOOe大小的外加磁場(chǎng)；射頻濺射功率100W ；所述Nii^e合金薄膜層2和摻Cr的Nii^e合金薄膜層3厚度為100納米；Nii^e合金薄膜層2中，NiJe之間的質(zhì)量比為80 20 ；所述摻Cr的Nii^e合金薄膜層3中，NiJe 之間的質(zhì)量比為80 20，且摻雜元素Cr的質(zhì)量占Ni、狗和Cr質(zhì)量總和的4%。經(jīng)上述方案所得巨磁阻抗薄膜材料經(jīng)測(cè)試，其矯頑力為0. 180e，各向異性場(chǎng)為 60e。利用光刻技術(shù)，刻蝕成10mm*lmm的測(cè)試單元，利用HP4291B阻抗分析儀測(cè)量其阻抗， 其最大磁阻抗變化值在25MHz時(shí)為35%。
具體實(shí)施方式
五一種巨磁阻抗薄膜材料的制備方法，包括以下步驟步驟1 在清潔的硅襯底基片1上利用直流或磁控濺射工藝沉積NWe合金薄膜層 2 ；步驟2 利用直流或磁控濺射工藝，在Nii^e合金薄膜層2表面沉積摻Cr的Nii^e合金薄膜層3 ；步驟3 重復(fù)步驟1和步驟2，直到襯底基片1上沉積的、彼此相間的Nii^e合金薄膜層2和摻Cr的NWe合金薄膜層3所形成的多層薄膜體系整體厚度達(dá)到2微米；所述直流或磁控濺射工藝條件為背底真空< 2X IO-7Hibar ；氬氣工作氣壓為 5 X 10_3mbar，以及沿基片表面施加IOOOe大小的外加磁場(chǎng)；射頻濺射功率100W ；所述Nii^e合金薄膜層2和摻Cr的Nii^e合金薄膜層3厚度為200納米；Nii^e合金薄膜層2中，NiJe之間的質(zhì)量比為80 20 ；所述摻Cr的Nii^e合金薄膜層3中，NiJe 之間的質(zhì)量比為80 20，且摻雜元素Cr的質(zhì)量占Ni、狗和Cr質(zhì)量總和的6%。經(jīng)上述方案所得巨磁阻抗薄膜材料經(jīng)測(cè)試，其矯頑力為0.40e，各向異性場(chǎng)為 6. 50e。利用光刻技術(shù)，刻蝕成10mm*lmm的測(cè)試單元，利用HP4291B阻抗分析儀測(cè)量其阻抗， 其最大磁阻抗變化值在25MHz時(shí)為40%。
具體實(shí)施方式
六一種巨磁阻抗薄膜材料的制備方法，包括以下步驟步驟1 在清潔的硅襯底基片1上利用直流或磁控濺射工藝沉積摻Cr的Nii^e合金薄膜層3 ；步驟2 利用直流或磁控濺射工藝，在摻Cr的Nii^e合金薄膜層3表面沉積Nii^e合金薄膜層2 ；步驟3 重復(fù)步驟1和步驟2，直到襯底基片1上沉積的、彼此相間的Nii^e合金薄膜層2和摻Cr的NWe合金薄膜層3所形成的多層薄膜體系整體厚度達(dá)到2微米；所述直流或磁控濺射工藝條件為背底真空< 2X IO-7Hibar ；氬氣工作氣壓為 5 X 10_3mbar，以及沿基片表面施加IOOOe大小的外加磁場(chǎng)；射頻濺射功率100W ；所述Nii^e合金薄膜層2和摻Cr的Nii^e合金薄膜層3厚度為200納米；Nii^e合金薄膜層2中，NiJe之間的質(zhì)量比為80 20 ；所述摻Cr的Nii^e合金薄膜層3中，NiJe 之間的質(zhì)量比為80 20，且摻雜元素Cr的質(zhì)量占Ni、狗和Cr質(zhì)量總和的6%。經(jīng)上述方案所得巨磁阻抗薄膜材料經(jīng)測(cè)試，其矯頑力為0.40e，各向異性場(chǎng)為 6. 50e。利用光刻技術(shù)，刻蝕成10mm*lmm的測(cè)試單元，利用HP4291B阻抗分析儀測(cè)量其阻抗， 其最大磁阻抗變化值在25MHz時(shí)為40%。從上述實(shí)施方式所得巨磁阻抗薄膜材料的測(cè)試結(jié)果可看出，本發(fā)明提供的巨磁阻抗薄膜材料在低頻05MHz)工作段，最大磁阻抗變化值均超過(guò)30%，為制備具有巨磁阻抗效應(yīng)的微傳感器提供了一種性能更為優(yōu)異的材料選擇。
權(quán)利要求
1.一種巨磁阻抗薄膜材料，包括襯底基片(1)、多層NWe合金薄膜層( 和多層摻Cr 的NWe合金薄膜層(3)；所述NWe合金薄膜層( 和摻Cr的NWe合金薄膜層( 彼此相間地位于襯底基片表面，形成復(fù)合多層薄膜體系；襯底基片表面的第一合金薄膜層是NWe 合金薄膜層(2)或摻Cr的NWe合金薄膜層(3)；所述NWe合金薄膜層( 和摻Cr的NWe 合金薄膜層( 厚度不超過(guò)200納米、且數(shù)量級(jí)相當(dāng)；彼此相間的NWe合金薄膜層(2)和摻Cr的NWe合金薄膜層C3)所形成的多層薄膜體系整體厚度達(dá)到微米量級(jí)；NWe合金薄膜層⑵中，NiJe之間的質(zhì)量比為(80 81) (19 20)；摻Cr的Nii^e合金薄膜層(3) 中，Ni、!^e之間的質(zhì)量比為(80 81) (19 20)，且摻雜元素Cr的質(zhì)量占Ni、!^e和Cr 質(zhì)量總和的1% 8%。
2.一種巨磁阻抗薄膜材料的制備方法，包括以下步驟步驟1 在清潔襯底基片(1)上利用直流或磁控濺射工藝沉積NWe合金薄膜層(2)或摻Cr的Nii^e合金薄膜層(3)；步驟2 利用直流或磁控濺射工藝，在Mi^e合金薄膜層( 表面沉積摻Cr的Mi^e合金薄膜層( ，或在摻Cr的NWe合金薄膜層( 表面沉積NWe合金薄膜層O)；步驟3 重復(fù)步驟1和步驟2，直到襯底基片(1)上沉積的、彼此相間的Nii^e合金薄膜層(2)和摻Cr的NWe合金薄膜層( 所形成的多層薄膜體系整體厚度達(dá)到微米量級(jí)級(jí)為止；所述直流或磁控濺射工藝條件為背底真空< 2X 10_7mbar ；氬氣工作氣壓9X 10_4 9 X 10_3mbar，以及沿基片表面施加50 5000e大小的外加磁場(chǎng)；射頻濺射功率20 200W ； 所述Nii^e合金薄膜層( 和摻Cr的Nii^e合金薄膜層( 厚度不超過(guò)200納米、且數(shù)量級(jí)相當(dāng)；Nii^e合金薄膜層⑵中，NiJe之間的質(zhì)量比為(80 81) (19 20)；所述摻Cr的Nii^e合金薄膜層(3)中，NiJe之間的質(zhì)量比為(80 81) (19 20)，且摻雜元素Cr的質(zhì)量占Ni、!^e和Cr質(zhì)量總和的1% 8%。
全文摘要
一種巨磁阻抗薄膜材料及其制備方法，屬于功能材料技術(shù)領(lǐng)域。巨磁阻抗薄膜材料由襯底基片表面彼此相間的NiFe合金薄膜層和摻Cr的NiFe合金薄膜層形成多層薄膜體系，其中NiFe合金薄膜層Ni、Fe之間的質(zhì)量比為(80～81)∶(19～20)；摻Cr的NiFe合金薄膜層Ni、Fe之間的質(zhì)量比為(80～81)∶(19～20)，且摻雜元素Cr的質(zhì)量占Ni、Fe和Cr質(zhì)量總和的1％～8％；NiFe合金薄膜層和摻Cr的NiFe合金薄膜層厚度不超過(guò)200納米、且數(shù)量級(jí)相當(dāng)，整體厚度達(dá)到微米量級(jí)。本發(fā)明的巨磁阻抗薄膜材料采用具有不同飽和磁化強(qiáng)度的磁性層間隔而成，相比磁性層與非磁性層形式的錯(cuò)層薄膜材料體系，其飽和磁化強(qiáng)度更大，從而可獲得更大的巨磁阻抗效應(yīng)，為制備巨磁阻抗微傳感器提供了一種性能更為優(yōu)異的材料選擇。
文檔編號(hào)H01L43/12GK102231423SQ201110176719
公開(kāi)日2011年11月2日 申請(qǐng)日期2011年6月28日 優(yōu)先權(quán)日2011年6月28日
發(fā)明者劉爽, 唐曉莉, 張懷武, 白飛明, 蘇樺, 賈利軍, 鐘智勇 申請(qǐng)人:電子科技大學(xué)