D0I:10.13374/j.issn1001-053x.1999.05.047 第21卷第5期 北京科技大学学报 Vol.21 No.5 1999年10月 Journal of University of Science and Technology Beijing 0ct.1999 自旋阀结构多层膜的热稳定性 柴春林) 于广华》 林清英” 卢政启》 赖武彦) 朱逢吾) 1)北京科技大学材料科学与工程学院，北京1000832)钢铁研究总院，北京100081 3)中科院物理所，北京100080 摘要研究了Si/Ta/NiFe/Cu/Nfe/FeMn/Ta结构的自旋阀的热稳定性及层间扩散问题.高分 辨电镜(HREM)观察表明，各层呈柱状晶生长.低于200℃退火能有效地提高钉扎场.高于200℃ 退火后，钉扎场下降，300℃时降为零，利用俄歇电子能谱仪(AES)研究了在相同的条件下制备 的基片Ta/NiFe/FcMn/Ta结构多层膜.结果表明，2O0℃以下时薄膜层之间主要发生沿晶界的扩 散，300℃时体扩散的作用不能忽略. 关键词自旋阀：热稳定性：沿晶界扩散 分类号TM271 自旋阀结构多层膜，由于其较高的磁场灵 1样品的制备和测量 敏度和良好的线性响应，成为新一代硬盘读头 的主要选择材料. 自旋阀多层膜是用磁控溅射法制成的，基 目前，用作自旋阀钉扎层的材料有很多种， 片用水冷却.在经过清洗后的单晶硅基片上依 如FeMn,NiMn,CrMn,NiO等，其中，FeMn仍旧 次镀Ta(10nm)NiFe(5nm)/Cu(2.5nm)NiFe(3 是研究得较多的一种材料.这主要是由于其钉 nm)/FeMn(10nm)/Ta(6nm)(第1类样品)和Ta(20 扎场较大，第1个自旋阀的钉扎场约在20kAs nm)/NiFe(15nm)/FeMn(15nm)/Ta(20nm)(第2类 以上，目前已能达到32kA/s左右.自旋阀的应 样品)2种类型的多层膜.制备第2类样品是为 用不仅与其磁场灵敏度有关，而且还与其热稳 了在研究NiFe和FeMn之间的扩散时，尽可能 定性有很大关系， 减少其他原子的干扰.另外AES的探测精度大 把自旋阀结构的多层膜制作成计算机硬盘 约在1nm,这要求每个单层厚度不能太薄，为 读头的加工过程要经历约250℃的热处理，在 此，应增加NiFe被钉扎层和FeMn钉扎层的厚 此温度下，自旋阀各层之间要发生互扩散，使其 度. 性能恶化，甚至GMR(Giant Magnetoresistance)现 镀膜前本底真空大于5×10Pa,溅射工作 象消失，因此，研究自旋阀的热稳定性问题显得 氩气压为0.4Pa,各种金属材料的溅射速率在 十分重要. 0.14~0.2nm/s之间.溅射时基片上加有1600A/m 本文主要研究了Si/Ta/NiFe/.Cw/NiFe/FeMn/ 的磁场.将这2种膜进行相同条件的真空退火， Ta结构的自旋阀的热稳定性及层间扩散问题. 真空度大于4×10-6Pa,退火温度分别为100， 利用高分辨电镜(HREM)观察了各层晶体生长 150,200,250和300℃，退火时间为1h.在退火 状况，经过真空退火后测定了交换偏场与温度 过程中，沿Nife的易轴方向加有1600Am的磁 之间的关系.为了研究NiFe/FeMn之间的热扩 场.用标准四探针法测量退火后的第1类样品 散，在相同的条件下制备了基片/Ta/NiFe/FeMn/ 的磁电阻，并用振动样品磁强计(VSM)测量磁 Ta结构的多层膜.在经相同的条件退火后，利 滞回线，得到了交换偏场.用俄歇电子能谱仪分 用俄歇电子能谱仪(AES)研究了NiFe/FeMn层 析第2类样品，获得了沿垂直膜面方向的成分 之间的互扩散，并利用Fisher模型分析了NiFe/ 分布曲线. FeMn层之间的互扩散现象. 2实验结果和讨论 1999-05-26收稿柴春林男，28岁，博士生 图l为Ta/NiFe/Cu/NiFe/FeMn/Ta自旋阀多第 21 卷 第 5 期 1 9 , 9 年 10 月 北 京 科 技 大 学 学 报 J o u r n a l o f U n i v e r s i yt o f S c i e n e e a n d eT e h n o l o gy B e ij i n g V 61 . 2 1 N O 一 5 O Ct . 1 9 9 9 自旋 阀结 构 多层膜 的热稳 定 性 柴春林 ” 于广华 ” 林清英 ” 卢政启 ” 赖 武彦 ” 朱逢吾 ” l ) 北京科技大学材料科 学与 工程学 院 , 北 京 10 0 0 83 2 ) 钢铁研究总 院 , 北京 100 0 8 1 3 ) 中科 院物 理所 , 北京 10 0 0 5 0 摘 要 研究了 5 1八初N IF ce/ u N/ i eF 压e M 可几 结构 的 自旋 阀的热 稳定性及层 间扩散问题 . 高分 辨 电镜 ( H R E M ) 观察表 明 , 各层呈 柱状晶生长 . 低 于 2 0 ℃退 火能有效地提 高钉 扎场 . 高于 20 ℃ 退火后 , 钉扎场 下 降 , 3 0 ℃ 时降为 零 . 利用 俄歇 电子 能谱 仪 ( A E s) 研究 了在相 同的条件 下制备 的基 片门泊ZN IF礴 e M nf aT 结 构多层膜 . 结果 表 明 , 20 ℃ 以下 时薄膜层之 间主 要发 生沿 晶界 的扩 散 , 3 0 ℃ 时体扩 散 的作 用不 能忽 略 . 关键词 自旋 阀; 热 稳定 性 ; 沿 晶界扩 散 分类号 T M 2 7 1 自旋 阀结构多层膜 , 由于 其较高 的磁 场灵 敏度和 良好 的线性 响应 , 成为新一 代硬盘 读头 的主要选 择材料 . 目前 , 用作 自旋 阀钉扎层 的材料 有很多种 , 如 F e M n , N IM n , C r M n , N IO 等 , 其 中 , F e M n 仍 旧 是研究得较多 的一 种材料 . 这 主 要是 由于 其钉 扎场较 大 , 第 1 个 自旋 阀的钉 扎场约在 20 k A/ s 以上 , 目前 已 能达到 32 kA s/ 左右 . 自旋 阀的应 用 不仅与其磁场灵敏 度有关 , 而 且 还与其 热稳 定性有很大关 系 . 把 自旋阀结构的多层膜制作成计 算机硬盘 读头的加工过程 要经历 约 2 50 ℃ 的热 处 理 , 在 此温度下 , 自旋 阀各层 之 间要 发 生 互 扩散 , 使其 性能恶化 , 甚至 G M R (G i ant M a , e t o r e s i s ta n e e )现 象消失 . 因此 , 研究 自旋阀的热稳 定性 问题显 得 十分重要 . 本文主要研 究 了 S订T留N IFe /C t正N IF e用 e M 可 aT 结构的 自旋阀的热稳定性及层 间扩散 问题 . 利用高分辨 电镜 ( H R E M ) 观察 了 各层 晶体 生长 状 况 , 经 过真 空退 火后测定 了交 换偏场与温 度 之间 的关系 . 为 了研究 NI eF 下e M n 之 间的热扩 散 , 在相 同的条件下 制备 了基 片您盯N IeF 压 e M 川 aT 结构的多层膜 . 在 经相 同 的条件退 火后 , 利 用俄歇 电子能谱仪 (AE s) 研究 了 NI eF 邝 e M n 层 之 间的互 扩散 , 并利用 iF s he : 模型 分 析 了 NI Fe/ eF M n 层之 间的互扩 散现象 . 1 样 品 的制备和 测 量 自旋阀多层 膜 是用磁控溅射法 制成 的 , 基 片用 水冷却 . 在经过清洗 后 的单 晶硅 基片上依 次镀 aT ( 10 mn )加iFe ( s mn ) /C u ( 2 . s mn )N/ i F e ( 3 nr )下e M n ( 1o mn 户妞( 6 mn ) (第 l 类样 品 )和 aT ( 2 0 mn )N/ iF e ( 1 s mn )压e M n ( 1 s mn ) /几( 2 0 urn )(第 2 类 样 品 ) 2 种类 型 的多层膜 . 制备第 2 类 样品 是为 了在研 究 N IF e 和 Fe M n 之 间的扩 散时 , 尽可 能 减少其 他原子 的干 扰 . 另 外 A E S 的探测 精度大 约 在 I ln , 这 要求每个单层 厚度不 能 太 薄 , 为 此 , 应增 加 N IF e 被 钉扎层 和 eF M h 钉 扎层 的厚 度 . 镀膜 前本底真 空 大于 x5 1-0 , aP , 溅 射工 作 氢气 压 为 .0 4 Pa , 各种金 属 材料 的 溅射速 率在 0 . 1 4一 .0 2 n m / s 之间 . 溅射时基片上加有 1 6 0 A /m 的磁场 . 将这 2 种膜进行 相 同条件 的真空退火 , 真 空 度 大于 x4 lo “ P a , 退火 温度 分别 为 10 , 1 5 0 , 2 0 0 , 2 5 0 和 3 0 0 oC , 退火 时间为 1 h . 在退 火 过程 中 , 沿 N IF e 的易轴 方 向加 有 1 6 0 户以m 的磁 场 . 用标准 四探 针法测量 退火后 的第 1 类样 品 的 磁 电 阻 , 并 用 振 动 样 品磁 强 计 (V S M ) 测 量磁 滞 回线 , 得到 了交换偏场 . 用 俄 歇 电子 能谱仪分 析 第 2 类样 品 , 获得 了沿垂 直 膜面方 向的成分 分 布 曲线 . 2 实验结 果和 讨论 19 99 一 0 5 一 2 6 收稿 柴春林 男 , 28 岁 , 博士 生 图 1 为 1’a/ N IF e/ C LI/ N IF e 下e M可aT 自旋 阀多 DOI: 10. 13374 /j . issn1001 -053x. 1999. 05. 047