[发明专利]激光退火提高铁磁/反铁磁双层膜交换偏置场热稳定性方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种激光退火提高铁磁/反铁磁双层膜交换偏置场热稳定性的方法，属于磁电子器件制造技术领域。

背景技术

1956年，Meiklejohn和Bean首次在Co/CoO双层膜中，发现了交换偏置效应。近年来，基于交换偏置效应的磁电子器件在磁电阻读出磁头、磁随机存储器、磁传感器等方面获得成功应用，对社会经济和国防建设的发展产生了巨大的影响。

通常情况下，铁磁/反铁磁双层膜体系要获得稳定的交换偏置场必须进行高温磁场退火处理（大于反铁磁层材料的奈耳温度）。然而，在进行高温磁场退火时，由于长时间的高温作用会导致铁磁/反铁磁界面处的化学元素发生扩散，从而导致畴壁钉扎的松弛和耦合场的减小。近年来，国外有许多著名的研究机构先后开展了磁性薄膜材料的高温快速退火研究，希望利用400℃以上的高温、短时（<5min）加热来减缓磁性薄膜层间的化学元素扩散。由于交换偏置场的热稳定性强烈地依赖于材料的界面特性，任何影响界面特性的因素都将会影响到铁磁/反铁磁双层膜交换偏置场的热稳定性。这种工艺不可避免地造成基片的高温及快速冷却，缓冲层内的应力及缓冲层与基片间热膨胀系数失配对磁性材料的性能产生一定的影响。

激光快速退火技术是近年来刚发展起来的一项新技术，与传统退火工艺相比，具有以下优点：(1)结晶速度快，约为1m/s，退火组织结构质量高；(2)可实现三维定域退火，激光退火便于准确定位处理，不影响周边和下方结构的性能；(3)退火周期短，一般为0.1μ s~10s，不需要高真空环境；(4)可在较低的基体温度下进行退火，基体变形小。目前，激光快速退火已成功地应用于半导体行业，以调整薄膜的晶体结构、控制杂质元素的扩散等。

发明内容

本发明的目的在于：提供一种激光快速退火提高铁磁/反铁磁双层膜交换偏置场的热稳定性方法，利用激光快速退火，在短时间内迅速地将铁磁/反铁磁双层膜加热到奈耳温度以上，热驱动的时间较短，化学元素扩散几乎来不及发生，抑制铁磁/反铁磁界面处化学元素的扩散行为，从而提高铁磁/反铁磁双层膜交换偏置场的热稳定性。

本发明的技术解决方案是该方法包括以下步骤：

（1）按衬底、缓冲层、磁性层、保护层的顺序采用物理气相沉积法（PVD），制作铁磁/反铁磁双层膜；

（2）利用连续波激光或脉冲激光作为光源，对双层膜进行激光快速退火；其中，在激光快速退火时，施加100~500Oe的平面诱导磁场；其中，激光快速退火的工艺参数为：输出功率2～10W，扫描速度5～20cm/s。

其中，所述的铁磁层为CoFe、NiFe或Co，反铁磁层为IrMn或FeMn。

其中，铁磁/反铁磁双层膜的制作方法是：利用高真空磁控溅射设备在经过清洗的单晶硅衬底上沉积缓冲层、磁性层、保护层，得铁磁/反铁磁双层膜；其中，缓冲层Ta厚度为5nm，铁磁层厚度为5nm，反铁磁层厚度为10～15nm，保护层Ta厚度为8nm；其中，铁磁/反铁磁双层膜的生长条件为：背底真空5×10^-6Pa；溅射气压0.3Pa；溅射功率30W；氩气流量20sccm；基片温度室温。

本发明的方法工艺简单，操作容易，效果显著，可应用于基于铁磁/反铁磁双层膜的巨磁阻电阻传感器、磁性随机存取存储器、磁记录器件等。

具体实施方式

下面结合具体实施例进一步说明本发明的技术解决方案，这些实施例不能理解为是对技术方案的限制。

实施例1：利用高真空磁控溅射设备在经过清洗的单晶硅衬底上沉积厚度为5nm的缓冲层Ta、厚度为5nm的CoFe铁磁层、厚度为12nm的IrMn反铁磁层、厚度为8nm的保护层Ta；其中，铁磁/反铁磁双层膜的生长条件为：背底真空5×10^-6Pa；溅射气压0.3Pa；溅射功率30W；氩气流量20sccm；基片温度室温；对铁磁/反铁磁双层膜采用连续波激光进行激光快速退火处理，退火的同时沿平行于膜面的方向施加300Oe的平面诱导磁场，激光快速退火的工艺参数为：输出功率6W，扫描速度10cm/s。经激光快速退火后的CoFe/IrMn双层膜的交换偏置场的热稳定性得到明显提高。