Vol.21 No.5 柴春林等：自旋阀结构多层膜的热稳定性 ·489· 100F(a) Ta/FeMn/NiFe 扩散的扩散系数和激活能.Fisher认为，如果两 80 层膜之间的扩散主要是沿晶界扩散的话，那么 nC与y之间的关系曲线应该是一条直线.这 28 里，C为沿垂直膜面方向上的原子分数，y为沿 垂直膜面方向的探测深度. 100 (b) Ta/FeMn/NiFe 80 由图3的数据，作出了NFe层和FeMn层 新 6 界面附近(5nm范围内)Mn的lnC-y的关系曲 线，图4所示.从中可以发现，在100-200℃温 30 度范围内，Mn原子的lnC~y"曲线中在离开界 0 100 (c) Ta/FeMn/NiFe 面稍远处有一段呈很好的线性关系，表明在 Ni 80 NFe和FeMn层的互混中Mn原子存在着沿晶 界扩散.在紧靠界面处，由于同时存在体扩散和 40 20 沿晶界扩散，lnC-y不呈线性关系.300℃时在 0 界面附近不存在这种线性关系，实际上此时不 00510152025303540 但有晶界扩散，而且由于温度较高，晶内扩散的 探针深度nm 作用己不能忽略. 图3 Ta/NiFe/FeMn/Ta多层膜经过不同温度退火后， 3.6F。。 AES得到的沿垂直膜面方向的成分分布图.(a)0.4Pa, 3.2x°。 。100℃ ·200℃ 300℃；b)0.4Pa,200℃；()0.4Pa,100℃. 2.8 300℃ 约为20nm,表明NiFe已经完全穿透了FeMn层， 是2g 而且扩散到了Ta层，这自然要影响FeMn的磁 2.0 性 1.6 1.2 样品在热处理时要发生2个过程，即内应力 7072747678808284868890 的消除和层间原子的互扩散，在镀膜时由于基 y /nm 片温度较低，成膜速率又较快，因而在膜内存在 较大的内应力，这些应力的存在，使钉扎场降 图4经不同温度退火后，NiFe/FeMn界面附近Mn 低.退火能有效地降低内应力，提高钉扎场的大 原子的lnCy关系曲线 小回：另一方面，由图1可见，各层由纳米柱状晶 3结论 构成，晶界垂直于层界面.随着退火温度的升 研究了以反铁磁性合金FeMn为钉扎层的 高，不同层之间的原子互扩散（包括晶内扩散和 自旋阀的热稳定性.低于200℃的退火能有效 沿晶界扩散)会随之加剧.对于铁锰合金，不同 的提高钉扎场；退火温度高于200℃时，自旋阀 的Fe/Mn原子数比所表现出的反铁磁性会有很 的钉扎场下降，其他性能也要恶化.在300℃时 大差异，Fe/Mn原子数比约为l时反铁磁性最 钉扎场降为零，从而GMR现象消失.AES的结 强，因而钉扎效应最佳，原子间的扩散能改变 果表明，在200℃以下时薄膜中的扩散主要是 FeMn层的成分，影响钉扎场的大小.在l00℃ 时内应力的释放可能还不明显，但界面上沿晶 沿晶界扩散；在300℃时体扩散的作用不能忽 略 界的扩散已经发生，因此钉扎场降低；在100 ~200℃间时，内应力得到较大的释放，其对钉 参考文献 扎场的有利影响要强于扩散的不利作用，使得 1 Alexander M.Zeltser,Katalin Pentek.Thermal Stability 钉扎场变大：当温度高于200℃，膜内应力大部 of CoFe,Co and NiFe/Co Spin-valves.IEEE Trans,1998, 分得到释放，但由于扩散加刷，必然影响到Fe 344):1417 和Mn的原子数比，削弱FeMn层的反铁磁性， 2 Li Shuxiang,Yan Minglang,Yu Chengtao,et al.Effect of Interface on the Properties of Ti/NiFe Thin Films.J Appl 使得FeMn层的钉扎作用减弱，在300℃时钉扎 Phys,1994,75(10):6504 作用完全消失， 3 Mishin Y,Chr Herzig,Bernardini J,et al.Grain Boundary 利用AES深度分析结果，可以计算沿晶界 Diffusion:Fundamentals to Recent Developments.Inter-V bl j l N O 一 5 柴春林等 : 自旋阀结构多层膜 的热稳 定性 … ( a) 丫雀瘩 扩 散 的扩散 系数和 激 活能 . iF s h er 认为 , 如 果 两 层膜之 间的扩散主 要是沿 晶界扩 散的话 , 那么 in C 与尹之 间的关系 曲线应该是一 条直线 . 这 里 , C 为沿垂直膜面方 向上的原子分数 , y 为沿 垂 直膜面方 向的探测 深度 `3] . 由 图 3 的数据 , 作 出了 N 正 e 层和 F e M n 层 界面 附近 (5 nI 范 围 内)M n 的 in C 一 尹 , 的关系 曲 线 , 图 4 所 示 . 从 中可 以发现 , 在 1 0 、 2 0 ℃ 温 度 范围 内 , M n 原子 的 in c 一 尹 , 曲线 中在 离开 界 面 稍 远 处有 一 段 呈 很好 的线 性 关系 , 表 明在 N IF e 和 eF M n 层 的互混 中 M n 原子 存在着沿 晶 界扩散 . 在紧靠界面处 , 由于 同 时存 在体扩 散和 沿 晶界扩散 , in C 一 尹 , 不呈线性关系 . 3 0 ℃ 时在 界面 附 近不存 在这种线 性关系 , 实际 上此 时不 但有 晶界扩散 , 而且 由于温度较高 , 晶内扩散 的 作用 已不能忽 略 . 甘nn ùUnO ù ǎùnUXù 1nU O 月呀 2 1二. 200864 撼尔吸芝卜 08642 探 针深 度 加m O o材 图 3 r 目N 扭习甲eM 。 门血 多层膜经过不 同温 度退 火后 , A E S 得到 的 沿垂直 膜面方 向的成分分 布图 . a( ) .0 4 P a, 3 0 ℃ ; ( b ) .0 4 aP 声o ℃ ; (c) .0 4 aP ,l o ℃ . 约为 2 0 nr , 表明 N 正e 己经完全穿透 了 eF M n 层 , 而且扩 散到 了 aT 层 , 这 自然 要影响 eF M n 的磁 性 . 样 品在热处理时要发生 2 个过程 , 即 内应力 的消除和层 间原子 的互扩 散 . 在镀膜 时由于 基 片温度较低 , 成膜速率又较快 , 因而在膜 内存在 较大 的 内应力 , 这些应 力的存 在 , 使钉扎场 降 低 . 退火 能有效地降低 内应力 , 提高钉扎场的大 小 〔2 , ; 另一方面 , 由图 1 可 见 , 各层 由纳米柱状晶 构 成 , 晶界垂直 于 层 界 面 . 随着 退火温度 的升 高 , 不 同层之 间 的原子互扩散 (包括 晶 内扩 散和 沿 晶界扩 散)会 随之加剧 . 对 于铁锰合金 , 不 同 的 Fe 爪如 原子数 比所 表现 出 的反 铁磁性会有 很 大差异 , F e 迎吐n 原子 数 比约为 l 时反铁磁性最 强 , 因 而 钉 扎效应最佳 . 原子 间的扩散能 改变 Fe M n 层 的成分 , 影 响钉扎场 的大小 . 在 10 0 ℃ 时 内应力 的释 放可 能还不 明显 , 但 界面上沿 晶 界 的扩散 已 经 发生 , 因 此钉扎 场 降低 ; 在 10 一2 0 0 ℃ 间时 , 内应力得 到较大 的释放 , 其对钉 扎场 的有利影 响要强 于扩 散 的不 利作用 , 使得 钉扎场 变大 ; 当 温度 高于 2 0 ℃ , 膜 内应力大部 分得 到释 放 , 但 由于扩散 加剧 , 必 然影 响到 eF 和 M n 的原子数 比 , 削弱 eF M n 层 的反铁 磁性 , 使得 eF M n 层 的钉扎作用 减弱 , 在 3 0 ℃ 时钉扎 作用完全 消失 . 利用 A E S 深度 分析结 果 , 可 以计算沿 晶 界 3 . 6 3 . 2 2 . 8 勺 2 . 4 口 10 0℃ 2 0 0 ℃ 0 `U, 4 … `, ,1 .1 70 7 2 74 7 6 78 80 82 84 8 6 8 8 9 0 产 加m “ 图 4 经 不同 温度退 火 后 , N 评e lF e M n 界面 附近 M n 原 子 的 in C , 产 关 系 曲线 3 结论 研究 了 以 反 铁磁性合 金 eF Mh 为钉 扎层 的 自旋 阀的热 稳定性 . 低于 2 0 ℃ 的退 火能有效 的提高钉扎场 ; 退火温度 高于 2 0 ℃ 时 , 自旋 阀 的钉扎场下 降 , 其他性 能也要恶化 . 在 3 0 ℃ 时 钉扎场 降为零 , 从而 G M R 现 象消 失 . A E S 的结 果表 明 , 在 2 0 ℃ 以下 时薄膜 中的扩散 主要是 沿晶界扩散 ; 在 3 0 ℃ 时体扩 散的作用 不能忽 略 . 参 考 文 献 1 A l e x an d e r M , Z e lst e ’r K a at 1i n P e nt e k . T h e mr a l S at b i l iyt o f C o F e , C o an d N 正e /C o S Pi n . v a l v e s . IE E E 升an s , 19 9 8 , 3 4( 4 ) : 1 4 1 7 2 L I Sh ux ian g , Y如 M in g l an g , uY C h e n gat o , et a l . E fe e t o f nI te 而 e e o n ht e rP o pe rt i e s o f T诩i F e T h in F il m s . J A P PI P h y s , 1 994 , 75( 10) : 65 04 3 M i s h i n Y, Chr He rz ig , B em ar d l n i J , et a l . G ar i n B o un d ayr D i肋 s i o n : Fun d aJ 旧 e n at l s ot R e e e nt D e v e l o Pm e n t s . Int e r -