1 引言

　　1988年，Fe/Cr超晶格中的巨磁電阻(GMR)效應被發現，為磁傳感器領域帶來了一場深遠的革命。不久，一種具有低飽和場巨磁電阻效應的自旋閥結構被提出，基于這種自旋閥結構的磁傳感器具有靈敏度高、功耗小、體積小、可靠性高、耐惡劣環境等優點，能夠廣泛地被應用于工業自動化和汽車工業中。

　　在基于自旋閥結構的傳感器中，MR和矯頑力是兩個非常重要的性能指標。在自旋閥薄膜的制備過程中，通常選取軟磁和硬磁材料的組合作為自旋閥的自由層，從而增加自由層的自旋散射幾率，提高MR。但是硬磁材料的引入將導致自由層矯頑力的增加，從而將影響傳感器的測量精度。本文從理論和實驗兩方面研究了自旋閥自由層的矯頑力特性，通過弱磁場下的橫向退火工藝降低傳感器芯片的矯頑力，同時通過建立一種自旋閥自由層的單疇模型來解釋退火實驗的結果。

　　2 試驗

　　采用直流磁控濺射法在硅襯底上制備了 IrMn頂釘扎自旋閥薄膜，自旋閥薄膜的各層厚度(nm)為：Ta(5)/NiFeCr(2.5)/NiFe(3)/CoFe(1)/Cu(1.8)/CoFe(3.5)/IrMn(11)/Ta(5)。

　　薄膜制備采用美國Kun J Lesker公司的CMS-A六靶磁控濺射系統。濺射時在基底平面內加上大小為50 Oe的磁場，使自旋閥薄膜形成易磁化軸。在經過光刻、離子刻蝕、去膠、正膠剝離等一系列工序后，最終制成了一組基于自旋閥結構的GMR磁傳感器芯片，其中自旋閥磁阻條的寬度為25 μm，每個磁電阻單元共有20個磁阻條串聯而成，每個磁阻條的長度為750 μm。

　　將制成的樣品依次在通有氮氣的退火爐中進行退火處理，采用不同的退火條件，退火溫度的范圍選取在100～200℃，退火磁場的范圍選取在100～300 Oe，保溫時間均為30 min。外磁場方向垂直于自旋閥薄膜自由層的易磁化軸，升溫和降溫的速率約為10℃/min。

　　3 結果與討論

　　3.1 實驗結果

　　將制成的傳感器芯片進行測試，MR為10.234%，矯頑力為1.347 Oe，如圖1所示。從圖中可以看出，較大的矯頑力造成線性區(工作區)內同一磁場對應不同的電阻值，這一現象在實際傳感器的測量應用中會帶來較大的誤差。因此在芯片其他性能不受影響的前提下，應設法將其降至最低。

　　在芯片的制備過程中，濺射薄膜時基底上50 Oe的恒定誘導磁場，使自旋閥薄膜的反鐵磁層沿此方向形成釘扎場，同時使自由層沿此方向形成易磁化軸。在實際應用中，被檢測磁場的方向需要與釘扎場的方向一致，即在自由層的易軸方向上，被檢測磁場通過改變自由層磁矩的大小和方向以產生MR效應。于是，芯片的矯頑力即為自旋閥自由層的易磁化軸方向的矯頑力。但是，當被檢測磁場沿易磁化軸方向施加時，磁化方向的改變是依靠磁疇疇壁的移動，為不可逆移動，矯頑力較大；而當被檢測磁場沿難磁化軸方向施加時，磁化方向的改變是依靠磁疇磁化方向的轉動，為可逆轉動，矯頑力較小。因此，應設法將自由層的難磁化軸轉至釘扎場的方向，以降低矯頑力。利用退火工藝，在垂直于自由層易磁化軸的方向上施加一個恒定的磁場，可以誘導自由層的易磁化軸向退火磁場的方向旋轉，同時使自由層的難磁化軸轉至釘扎場方向，這樣就能夠達到降低芯片矯頑力的目的。

　　實驗中，當退火溫度為150℃，退火磁場為120 Oe時，芯片的矯頑力降至最小值，為0.182 Oe，此時芯片的MR為9.426％，略有降低。

　　3.2 模型分析

　　根據鐵磁學的理論，自旋閥自由層的飽和磁化強度(MFM)、外加磁場(H)和易磁化軸之間的角度關系可以用圖3中的單疇模型來表示。

　　自由層鐵磁材料的能量EFM可以表示為EFM=EZ+Eani+Eshape。其中EZ=-MFMHcos(θFM-θH)為外加磁場下鐵磁材料的Zeeman能量；Eani=0.5MFMHksin2θFM為感生各項異性能；Fshape=4(M2FMtFM/ω)sin2θFM為形狀各項異性能。其中tFM為自由層的厚度；Hk為感生各項異性場，ω為自由層樣品的寬度。對于鐵磁材料，Eani和Eshape是出現矯頑力的原因。

　　鐵磁材料的矯頑力特性可以通過Meff-H曲線得到，Meff=MFMcos(θFM-θH)為鐵磁材料的有效磁化強度。θFM隨H發生變化，對于給定的H，當θFM使鐵磁材料的能量達到極小值時，系統達到穩定。所以可以根據能量極小的方法，求出在不同的H下使鐵磁材料的能量達到極小值時的θFM。另外，根據磁疇連續轉動假設，新的θFM為最接近初始θFM的極小值點。這樣便可以得到自旋閥的Meff-H曲線。

　　當自由層鐵磁材料的能量EFM對θFM的一階偏導數為0、二階偏導數大于0時，能量達到極小值。根據實際芯片中薄膜的參數，選取MFM=980 emu/cm3，Hk=4 Oe，tFM=6.5 nm，ω=25μm，設定縱軸為歸一化的等效磁化強度Meff/MFM，利用Matlab軟件計算鐵磁材料的Meff-H曲線，圖4和圖5分別給出了θH=0°和θH=90°時的情況。

　　可以看出，利用自旋閥自由層單疇模型計算得到的結果與實驗中退火前后的結果是一致的，這說明了自旋閥自由層中易磁化軸的方向對芯片矯頑力的大小有著十分重要的影響。

　　4 結論

　　在基于自旋閥結構的磁傳感器芯片中，自旋閥自由層易磁化軸的方向與芯片的矯頑力有著密切的聯系。當自由層易磁化軸的方向平行于被檢測的外磁場方向時，芯片的矯頑力最大。利用弱磁場下的橫向退火工藝，將自由層易磁化軸的方向在平面內旋轉，使其在實際應用時垂直于外磁場的方向(即難磁化軸平行于外磁場的方向)，當退火溫度為150℃，退火磁場為120 Oe時，芯片的矯頑力降至0.182 Oe，并且MR沒有明顯的降低，這種低矯頑力的GMR芯片可以滿足高精度線性測量的需要。