磁致電阻效應元件及其製造方法和使用方法
2023-06-13 05:43:51 4
專利名稱：磁致電阻效應元件及其製造方法和使用方法
技術領域：
本發明涉及用於傳感器等中的磁致電阻效應元件，特別涉及利用了巨磁致電阻效應的磁致電阻效應元件、及其製造方法和使用方法。
背景技術：
磁致電阻效應元件具有電阻值按照磁場方向和強度的變化而變化的特性。作為使用了這樣的磁致電阻效應元件的傳感器，可以舉出，例如，把設置有偏置磁鐵的磁致電阻效應元件串聯連接並施加電壓，在利用外部電路檢測其中點電壓變化的同時，通過進行信號處理來檢測旋轉體的轉速的旋轉檢測傳感器等。
作為磁致電阻效應元件，有在半導體基板上形成了霍爾元件和控制電路的霍爾IC、使用了鎳一鐵合金(Ni-Fe)或鎳一鈷合金(Ni-Co)等鐵磁性材料薄膜元件的器件，或者使用了銻化銦(InSb)等半導體磁致電阻元件的器件。與此不同，近年來，為了得到更大的磁致電阻效應，已把構成為將厚度約幾nm的磁性薄膜與非磁性金屬薄膜交替地層疊起來的巨磁致電阻效應元件(GMR元件)，用於旋轉檢測傳感器和位置檢測傳感器中。
作為這樣的磁致電阻效應元件，不僅提案了把磁性體膜與金屬非磁性薄膜層疊的結構，還提案了各種結構。下面，簡單地說明由把上述磁性體膜與金屬非磁性薄膜層疊的金屬人工晶格膜結構構成的磁致電阻效應元件的製造方法。
最初，利用濺射等在基板上把磁性薄膜與金屬非磁性薄膜層疊起來並通過光刻工藝形成作成了預定圖形形狀的金屬人工晶格膜。在該金屬人工晶格膜的兩端部上形成用於施加電壓的電極，在其中央部形成用於取出中點電位的電極。進而，形成保護膜，以覆蓋形成有電極的金屬人工晶格膜，由此製造磁致電阻效應元件。當把磁性薄膜和金屬非磁性薄膜設定成適當的厚度時，反鐵磁性結在相鄰的磁性薄膜間通過金屬非磁性薄膜而起作用。此時，磁性薄膜的磁化方向互相相反。在與金屬人工晶格膜的面平行地施加磁場時，磁性薄膜的磁化方向與所施加的磁場方向相同，金屬人工晶格膜的電阻值降低。通過檢測出施加這樣的磁場所引起電阻值的變化，可作為傳感器來利用。
下面，說明把這樣的磁致電阻效應元件用於旋轉檢測傳感器中時的工作原理。
與如齒輪那樣在圓周上以一定間隔形成了凹凸的磁性旋轉體接近，設置以半橋或全橋組成的金屬人工晶格膜和用於提供偏置磁場的永久磁鐵。在此狀態下使磁性旋轉體旋轉時，由於永久磁鐵的磁場方向按照凹凸而變化，所以施加到金屬人工晶格膜上的磁場方向和大小發生變化。由於金屬人工晶格膜的電阻值按照該變化而發生變化，所以橋中點的電壓變化。利用與外部連接的處理電路對於該電壓的變化進行處理，由此，能夠作為脈衝狀的信號取出，由此能夠檢測轉速。
但是，汽車的電子控制技術急速發展，需要用於控制汽車的各種傳感器。由於汽車在室外、苛刻的環境中使用，所以在把磁致電阻效應元件應用於汽車用途中時，即使在發動機室等苛刻的氣氛環境下也要求特性穩定而且不劣化。
利用了巨磁致電阻效應的磁致電阻效應元件的場合，由於磁致電阻變化率大，所以作為汽車用傳感器是有希望的。但是，磁致電阻效應元件為了在包含發動機室的高溫環境下保持其大的磁致電阻變化率而且確保高可靠性，必須改善直接顯現磁致電阻效應的磁檢測膜的高溫穩定性。因此，改善磁檢測膜本身的材料、保護膜的材料、及其製造工序，是個課題。
對於磁檢測材料作了各種研究。例如，在特開平8-83937號公報中示出了，為了得到更大的磁致電阻變化率，在自旋閥型磁致電阻效應元件中作為磁性薄膜使用由鎳(Ni)為5～40原子％、鈷(Co)為30～95原子％、剩餘元素為鐵(Fe)構成的鐵磁性薄膜層；由鎳(Ni)為24～35原子％、鈷(Co)為80～90原子％、剩餘元素為鐵(Fe)構成的鐵磁性體薄膜；或者，由鎳(Ni)為≤20％原子、鈷(Co)為80～90原子％、剩餘元素為鐵(Fe)構成的鐵磁性薄膜層的情況。通過使用這樣的材料，磁致電阻變化率增大，而且，還能夠改善耐蝕性。
此外，為了改善這樣的磁致電阻效應元件的可靠性，對於保護膜材料及其製造工序也進行了研究。例如，在特開2001-203407號公報中，描述了作為金屬人工晶格型的磁致電阻效應元件的保護膜，使用聚醯亞胺的情況。但是，完全未描述使用聚醯亞胺所引起的、對於磁致電阻效應元件的特性的影響等。
而且，在特開平10-326919號公報中示出，在使用表現出巨磁致電阻效應的磁檢測膜的磁致電阻效應元件中，作為其保護膜使用聚醯亞胺的情況。此外，還能夠通過使該聚醯亞胺的厚度變化來使施加在磁性膜(磁致電阻效應膜)上的應力變化。此外，還描述了在聚醯亞胺與磁性膜(磁致電阻效應膜)間設置二氧化矽(SiO2)和氧化鋁(Al2O3)等薄膜層，對磁性膜(磁致電阻效應膜)進行雙重保護的情況。但是，作為使聚醯亞胺的厚度變化來使磁性膜的應力變化的方法，如果為了減小應力而減薄聚醯亞胺的厚度，則與磁性膜(磁致電阻效應膜)耐蝕性的降低有聯繫。但是，它對在能夠保證耐蝕性的厚度下減小應力的方法未特別描述。此外，在設置二氧化矽(SiO2)和氧化鋁(Al2O3)等薄膜層對磁性膜(磁致電阻效應膜)進行雙重保護的方法中，存在著產生這些薄膜層的應力所引起的特性變動的可能性。
對此，本發明人發現，在使用由現有結構構成的磁致電阻效應元件時，與室溫時相比，磁致電阻變化率在約150℃的高溫氣氛下大幅度地降低。而且，還發現了在這樣的高溫下長期保存和使用時，電阻值隨時間變化。
發明內容
本發明的目的在於，基於上述的認識，提供耐熱性良好、並具有磁致電阻變化率大的特性的磁致電阻效應元件。
本發明的磁致電阻效應元件，包括基板；在該基板上的一部分上，把磁性薄膜與金屬非磁性薄膜交替地層疊兩層或更多層，且以預定的圖形形狀形成的金屬人工晶格膜；在該基板上，覆蓋金屬人工晶格膜而形成的第一保護膜；以及在第一保護膜上形成的第二保護膜，第一保護膜的殘餘應力實質上為零，第二保護膜由具有阻止水分透過能力的材料構成。
由此，能夠實現即使在約150℃的高溫狀態下也不產生磁滯、特性不劣化、耐熱性方面良好的磁致電阻效應元件。此外，由於耐蝕性也良好，所以可得到在汽車等苛刻的環境中也能夠使用的磁致電阻效應元件。
而且，本發明的磁致電阻效應元件構成為，在上述結構中，磁性薄膜由包含鎳(Ni)、鐵(Fe)和鈷(Co)的合金構成，金屬非磁性薄膜為銅(Cu)或銀(Ag)中的任一種。由此，能夠實現可以增大磁致電阻變化率、可以得到充分的輸出的磁致電阻效應元件。
此外，本發明的磁致電阻效應元件，包括基板；在該基板上的一部分上，把磁性薄膜與金屬非磁性薄膜層疊至少兩層或更多層，且以預定的圖形形狀形成的金屬人工晶格膜；以及在基板上，覆蓋金屬人工晶格膜而形成的保護膜，磁性薄膜為合金膜，由鎳(Ni)、鐵(Fe)和鈷(Co)構成，其原子數的組成比為鎳(Ni)為1～5原子％、鈷(Co)為50～95原子％、剩餘元素為鐵(Fe)。
由此，即使在高溫下磁致電阻變化率也不劣化，而且能夠顯著減小特性的隨時間變化。推測這是因為通過減小了鎳(Ni)的組成比，能夠控制在高溫下容易產生的鎳(Ni)擴散。
此外，本發明的磁致電阻效應元件的特徵在於在上述結構中，磁性薄膜為合金膜，其原子數的組成比為鎳(Ni)∶鈷(Co)∶鐵(Fe)＝4∶90∶6。由此，能夠實現耐熱性方面良好、而且還可以不產生磁性薄膜導致的磁滯、高溫穩定性良好的磁致電阻效應元件。
此外，本發明的磁致電阻效應元件的特徵在於在上述結構中，金屬非磁性薄膜由銅(Cu)或銀(Ag)中的任一種構成。由此，能夠實現可以增大磁致電阻變化率、可以得到充分的輸出的磁致電阻效應元件。
此外，本發明的磁致電阻效應元件的特徵在於保護膜包括在包含金屬人工晶格膜上的基板上形成的第一保護膜；以及在第一保護膜上形成的第二保護膜，第一保護膜的殘餘應力實質上為零，第二保護膜由具有阻止水分透過能力的材料構成。由此，能夠實現耐熱性和耐蝕性方面良好、不產生磁滯所引起的特性劣化的磁致電阻效應元件。
此外，本發明的磁致電阻效應元件的特徵在於第一保護膜由一氧化矽(SiO)、二氧化矽(SiO2)、氮化矽(SiNx)或氮化氧化矽(SiON)中的任一種構成，第二保護膜由聚醯亞胺構成。由此，能夠實現耐熱性和耐蝕性方面良好、不產生磁滯所引起的特性劣化的磁致電阻效應元件。
此外，本發明的磁致電阻效應元件的特徵在於磁性薄膜的磁致伸縮為零。由此，能夠實現可以防止產生磁性薄膜導致的磁滯、在高溫下特性也穩定的磁致電阻效應元件。
此外，本發明的磁致電阻效應元件的特徵在於基板由陶瓷構成。由此，能夠實現廉價的、適合於高溫下使用的磁致電阻效應元件。
此外，本發明的磁致電阻效應元件構成為，基板為玻璃層已釉化了的釉面陶瓷基板，金屬人工晶格膜在玻璃層上形成。由此，由於可以得到表面平滑性良好的陶瓷基板，所以即使形成金屬人工晶格膜，基特性離散性也小，而且能夠改善製造成品率。
此外，本發明的磁致電阻效應元件的特徵在於玻璃層中包含的鈉離子(Na+)、鉀離子(K+)、氯離子(Cl-)的混入量中的任一個都≤10ppm。由此，能夠防止這些離子混入所引起的金屬人工晶格膜的電阻值和磁特性的變化。
此外，本發明的磁致電阻效應元件的特徵在於第一保護膜中包含的鈉離子(Na+)、鉀離子(K+)、氯離子(Cl-)的混入量中的任一個都≤10pmm。由此，能夠防止這些離子混入所引起的金屬人工晶格膜的電阻值和磁特性的變化。
此外，本發明的磁致電阻效應元件的製造方法，包括在基板上的一部分上，把磁性薄膜與金屬非磁性薄膜交替地層疊兩層或更多層，且形成預定圖形形狀的金屬人工晶格膜的工序；在基板上，形成覆蓋金屬人工晶格膜、且殘餘應力實質上為零的第一保護膜的工序；以及在第一保護膜上，形成具有阻止水分透過能力的第二保護膜的工序。由此，能夠製造耐蝕性方面良好、不產生保護膜導致的磁滯的磁致電阻效應元件。
此外，本發明的磁致電阻效應元件的製造方法中，構成金屬人工晶格膜的磁性薄膜為合金膜、由鎳(Ni)、鈷(Co)和鐵(Fe)構成，其原子數的組成比是，上述鎳(Ni)為1～5原子％、鈷(Co)為50～95原子％，剩餘元素為鐵(Fe)，且金屬非磁性膜是銅(Cu)或銀(Ag)，把該磁性薄膜與該金屬非磁性膜交替地層疊起來。由此，能夠得到耐熱性和耐腐蝕性方面良好、至少不產生第一保護膜導致的磁滯的磁致電阻效應元件。
此外，本發明的磁致電阻效應元件的製造方法中，形成第一保護膜的工序是，把基板溫度設定於200℃～250℃的範圍內，利用濺射法或蒸鍍法來形成一氧化矽(SiO)、二氧化矽(SiO2)、氮化矽(SiNx)或氮化氧化矽(SiON)中的任一種的方法構成。由此，利用大量生產性好的成膜方法，能夠得到耐腐蝕性方法良好、且不產生保護膜導致的磁滯的磁致電阻效應元件。
此外，本發明的磁致電阻效應元件的特徵在於在≥150℃的環境中使用。由此，在高溫下也得到與室溫同等的電阻值變化率，此外，可減小金屬人工晶格膜的特性的隨時間變化。
此外，本發明的使用方法，是在≥150℃的環境中使用的方法，在高溫下磁致電阻變化率降低得也小，能夠穩定地使用。
圖1A為本發明實施方式的磁致電阻效應元件的平面圖。
圖1B為沿著圖1A示出的A-A線的剖面圖。
圖2為用於說明該實施方式的磁致電阻效應元件的金屬人工晶格膜的詳細結構的剖面圖。
圖3為示出使用4個該實施方式的金屬人工晶格膜，按照橋路結構製作的磁致電阻效應元件的模式圖。
具體實施例方式
下面，參照附圖，詳細地說明本發明的實施方式。圖1A為本發明實施方式的磁致電阻效應元件的平面圖，圖1B為沿著圖1A示出的A-A線的剖面圖。圖2為用於說明圖1A和圖1B示出的磁致電阻效應元件的金屬人工晶格膜部分的詳細結構的剖面圖。圖1A、圖1B和圖2中，對於相同的要素標以相同的符號。
本實施方式的磁致電阻效應元件的結構為，把由磁性膜與金屬非磁性膜層疊而構成的金屬人工晶格膜用作磁檢測膜。在板狀基板1的一個面上，對玻璃層2進行了釉化。作為該基板1可使用氧化鋁陶瓷、氧化鋯陶瓷、玻璃與氧化鋁的混合陶瓷等，只要是把氧化物粉末和氮化物粉末燒結來製作的陶瓷就可以使用。而且，作為基板1也可以使用矽晶片、玻璃板、石英板或燒結得非常緻密而形成鏡面狀態的陶瓷板。但是，由於矽不是絕緣材料，特別是在汽車用途等高溫下使用時，磁致電阻效應由於基板的電阻值降低而劣化，所以需要設置絕緣層。再有，氧化鋁陶瓷通過對玻璃層進行釉化能夠得到平滑的表面，而且，由於廉價所以是優選的基板。
此外，作為進行了釉化的玻璃層2，一般在陶瓷表面作為進行釉化的材料使用了硼酸鉛玻璃或無鹼、無鉛的硼酸玻璃等，只要是不含鹼、氯(Cl)的材料就可以使用。
在基板1的玻璃層2上設有4個取出電極3，其一部分與金屬人工晶格膜4導通，作為用於與外部設備(未圖示)連接的端子而起作用。該取出電極3使用鎳鉻(NiCr)合金是優選的，但是，也可以用金(Au)、銅(Cu)、鎳(Ni)等，只要是一般用作布線用導體的材料就可以使用。
金屬人工晶格膜4如圖示那樣，在玻璃層2上和取出電極3的部分表面上以矩形形狀形成，分別與設置在四個角上的取出電極3電連接。再有，如果本實施方式那樣的連接結構採取橋路，則檢測方法按下述那樣進行。即，構成為，通過在處於對角線上的某兩個電極3上施加電壓，把其餘兩個電極3間的差動輸出作為電壓取出，檢測磁場的變化。
如從圖2看出的那樣，該金屬人工晶格膜4由磁性薄膜7與金屬非磁性薄膜8相層疊的結構構成。在本實施方式的磁致電阻效應元件的金屬人工晶格膜4中，把磁性薄膜7與金屬非磁性薄膜8分別層疊兩層作成四層的結構，但是，層疊數不限定於此。也可以是三層或更多層，為了增大磁致電阻變化率，希望作成10層左右。
磁性薄膜7是由鎳(Ni)、鐵(Fe)和鈷(Co)構成的合金。用原子數％表示其組成比時，如果鈷(Co)為50原子％～95原子％、鎳(Ni)為1原子％～5原子％、剩餘元素為鐵，則在能夠增大磁致電阻變化率且能夠提高耐蝕性這一點上，是優選的。優選地，鎳(Ni)為1原子％～4原子％。如果定為這樣的鎳(Ni)組成範圍，就能夠進一步改善隨時間變化的特性。推測這是因為可以抑制在高溫氣氛下的鎳(Ni)擴散。此外，優選地，作為該組成比設定成磁致伸縮為0的條件。更優選地，原子數組成比為鎳(Ni)∶鐵(Fe)∶鈷(Co)＝4∶6∶90。只要是這樣的組成比，磁致伸縮就是0，磁致電阻變化率也大，而且還可顯著改善耐熱性。
希望金屬非磁性薄膜8使用銅(Cu)或銀(Ag)。把該磁性薄膜7與金屬非磁性薄膜8層疊、並且，加工成預定的圖形形狀，由此來形成金屬人工晶格膜4。
第一保護膜5形成為覆蓋金屬人工晶格膜4，使用從一氧化矽(SiO)、二氧化矽(SiO2)、氮化矽(SiNx)或氮化氧化矽(SiON)中選擇的一種材料來形成。通過適當地設定製膜時的溫度條件，可形成該第一保護膜5而使殘餘應力為零。在第一保護膜5上形成第二保護膜6，聚醯亞胺是適合的材料，但是，只要是作為半導體的表面保護膜使用的有機材料就可以使用。如圖示那樣，在本實施方式中把第一保護膜5和第二保護膜6形成為大致只覆蓋金屬人工晶格膜4，通過這樣來形成能夠更加降低應力的影響。
說明作為兩層結構的保護膜時的作用和效果。作為汽車用途來使用時，需要經得起苛刻的環境。但是，在這樣的條件下，在把迄今使用的聚醯亞胺作成保護膜時，耐熱性是良好的，但是發現了，在磁致電阻效應元件中產生磁滯，得不到所希望的磁致電阻變化。這顯然是，在磁致伸縮為零的條件下來製作金屬人工晶格膜4時，即使設法作到不產生磁滯但是作為金屬人工晶格膜4本身還是產生了磁滯。在對該原因進行了調查之後，弄清楚這是由於在聚醯亞胺硬化產生殘餘應力，金屬人工晶格膜4受到其影響。
作為第一保護膜5例如利用濺射或蒸鍍二氧化矽(SiO2)來形成時，通常產生壓縮應力。但是，本發明人發現了，如果按後述那樣在成膜時把基板溫度設定為200℃～250℃，就能夠作到殘餘應力為零。結果，可以使加到金屬人工晶格膜4上的應力為零。此外，作為第二保護膜6在使用例如聚醯亞胺時，在硬化時聚醯亞胺產生應力，但是，該應力被第一保護膜5吸收，對金屬人工晶格膜4實質上幾乎不造成影響。其結果，能夠使保護膜導致的磁滯不存在。
再有，在此描述為「應力實質上為零」，但是，這是作為在利用測定基板的撓度和計算應力的方法等一般的應力測定方式進行測定時應力大致為零的狀態，且應力是金屬人工晶格膜不產生磁滯的那種程度的大小這樣的意義上來使用的。
此外，第二保護膜6由於例如也可以使用聚醯亞胺，所以即使在汽車用途等高溫、高溼的環境中也能夠充分保護金屬人工晶格膜4，可以確保磁致電阻效應元件的可靠性。
下面，說明本實施方式的磁致電阻效應元件的製造方法。使用玻璃料在氧化鋁等陶瓷的表面上進行釉化，準備形成了玻璃層2的基板1。通過掩模蒸鍍在該基板1的玻璃層2上形成取出電極3，使其成為圖示那樣的圖形形狀。再有，在取出電極3的圖形形狀複雜時，也可以採取不使用掩模而是在全部表面上蒸鍍構成取出電極的薄膜後，使用光刻來得到預定的圖形形狀的方法。此外，也可以通過濺射來形成構成取出電極的薄膜。
接著，利用濺射在玻璃層2上以與取出電極3的一部分重疊的方式，以預定的厚度形成並交替地層疊磁性薄膜7與金屬非磁性薄膜8。如果全部層疊數為10層左右，就能夠得到充分的磁致電阻變化率。通過這樣層疊，以預定的形狀來製作金屬人工晶格膜4。有時不是在玻璃層2上的整個表面上形成金屬人工晶格膜4，而是需要以預定的圖形形狀來形成。作為該形成方法，也可以在形成磁性薄膜7和金屬非磁性薄膜8時，使用掩模進行成膜(所謂的掩模成膜方式)，以便以預定的圖形形狀來形成這些薄膜。此外，也可以在玻璃層2上形成了磁性薄膜7與金屬非磁性薄膜8的預定的層疊膜以後，利用光刻以預定的圖形形狀進行蝕刻加工。作為該蝕刻方法不僅可以使用溼蝕刻、幹蝕刻，而且可以使用離子研削等方法。
接著，形成第一保護膜5。作為該形成方法，通過濺射或蒸鍍使用從一氧化矽(SiO)、二氧化矽(SiO2)、氮化矽(SiNx)或氮化氧化矽(SiON)中選擇的一種材料來形成。通過在成膜時把基板溫度設定為200℃～250℃，就能夠使內部的殘餘應力為零。
然後，在第一保護膜5上形成第二保護膜6。作為第二保護膜6，例如利用旋轉塗敷來塗布聚醯亞胺樹脂，如果在300℃下加熱、使之硬化，就能夠得到把聚醯亞胺作成了保護膜的結構。利用這樣的製造方法來製作本實施方式的磁致電阻效應元件。
下面，說明該磁致電阻效應元件的工作。金屬人工晶格膜4具有其電阻值根據所施加的磁場方向和大小而改變的特性。因此，如果磁場的方向和磁場的大小根據被檢測構件的位置而改變，則磁致電阻效應4的電阻值與被檢測構件的位置對應地變化。其結果，能夠檢測被檢測構件的位置。
在實際使用時，大多把4個或更多個金屬人工晶格膜4構成橋路來使用，以便不受在無磁場狀態下電阻值的離散性和溫度所引起的電阻值變化等影響。或者，有時也把兩個金屬人工晶格膜4串聯連接，作成取出中點電位的半橋電路來使用。
圖3為示出使用4個這樣的金屬人工晶格膜，按照橋路結構製作的磁致電阻效應元件的圖。圖3中，把金屬人工晶格膜4a、4b的一端共同連接取出電極3b。此外，把金屬人工晶格膜4c、4d的一端同樣共同地連接到取出電極3c。此外，把金屬人工晶格膜4a、4c的另一端互相間共同連接、並與取出電極3a連接。把金屬人工晶格膜4b、4d的另一端互相間也同樣地共同連接、並也與取出電極3d連接。通過這樣進行連接來製作構成橋路的磁致電阻效應元件。使4個金屬人工晶格膜4配置在玻璃層2上，以預定的布線圖形電連接這4個金屬人工晶格膜4，即可製成該磁致電阻效應元件。此時，如果布線圖形與取出電極使用相同的材料並且同時進行製作，就能夠高效率地進行製造。由於如果作成這樣的橋路結構就能夠抵銷溫度變動和電阻值的離散性，所以是高精度的，而且能夠大幅度地改善溫度穩定性。
如上述那樣，由於本實施方式的磁致電阻元件即使在約150℃的高溫狀態下磁致電阻變化率也大，而且不產生磁滯，所以能夠在汽車發動機箱等苛刻的環境中使用。
再有，通過使用氧化鋁這樣的剛體作為基板，即使在使用時外力施加到基板上，基板也把該外力吸收了，能夠防止應力施加在金屬人工晶格膜上。再有，在此，所謂「剛體」是作為與「撓性體」相對的術語來使用的，指那些對於通常使用時的外力其內部變形小到在實用上可以忽略的程度的物體。
此外，進行了釉化的玻璃層的厚度，只要是能夠得到平滑的面的厚度，就不特別限制。在一般的氧化鋁等陶瓷中，由於表面凹凸比較大，所以為了得到平滑的表面，需要≥10μm的厚度。實際上，使用把玻璃層作成各種厚度的基板來製作磁致電阻效應元件，在溫度為121℃、溼度為80％、2個氣壓的高溫高溼環境中進行PCBT試驗，評價了磁致電阻變化率的劣化特性。其結果發現，如果作成厚度≥10μm，就能夠不產生劣化。另一方面，當加厚玻璃層的厚度時不僅生產性降低，而且應力增大在基板上產生撓度，因此，是不優選的。從這些方面出發，優選地，玻璃層的厚度約為10μm～40μm。而且，考慮到製造的離散性等時，更加優選地，為≥20μm。
還弄清楚了，在玻璃層中包含鈉離子(Na+)、鉀離子(K+)、氯離子(Cl-)時，特別是在高溫下這些離子擴散到金屬人工晶格膜中與金屬人工晶格膜中的元素結合，使其特性發生變化。在根據實驗求出這些離子含量的上限值以後，發現了，如果上限值分別≤10ppm，則即使在約150℃的實用條件下磁致電阻變化率也不產生劣化。
再有，在作為基板1使用矽晶片時，需要選擇能夠使在基板表面上形成的絕緣層中的鈉離子(Na+)、鉀離子(K+)、氯離子(Cl-)的含量分別≤10ppm的材料和成膜法。此外，在作為基板1的玻璃板、石英板或鏡面狀態的陶瓷板上直接形成金屬人工晶格膜4時，需要使這些材料中的鈉離子(Na+)、鉀離子(K+)、氯離子(Cl-)的含量分別≤10ppm。即，只要使與金屬人工晶格膜4接觸的基板1或玻璃層2中的鈉離子(Na+)、鉀離子(K+)、氯離子(Cl-)的含量分別≤10ppm，即可。
而且，對於第一保護膜也同樣，在膜中包含鈉離子(Na+)、鉀離子(K+)、氯離子(Cl-)時，特別是在高溫下這些離子擴散到金屬人工晶格膜中與金屬人工晶格膜中的元素結合，使其特性發生變化。因此，弄清楚了，只要使這些離子的含量也≤10ppm，即可。
再有，如果使玻璃層和第一保護膜這二者中的鈉離子(Na+)、鉀離子(K+)、氯離子(Cl-)的含量都分別≤10ppm，就能夠更加改善特性的劣化。此外，如果對於在製造工序中通過汙染混入的鈉離子(Na+)、鉀離子(K+)、氯離子(Cl-)也加以防止，就能夠進一步穩定化。
再有，在不像本實施方式那樣設置兩層保護膜的結構而是只設置一層保護膜時，只要使該只一層的保護膜包含的鈉離子(Na+)、鉀離子(K+)、氯離子(Cl-)的含量分別≤10ppm，即可。同樣，在是設置三層或更多層的保護膜的結構時，只要至少使與金屬人工晶格膜4接觸的保護膜包含的鈉離子(Na+)、鉀離子(K+)、氯離子(Cl-)的含量分別≤10ppm，即可。即，只要使與金屬人工晶格膜接觸的保護膜中的鈉離子(Na+)、鉀離子(K+)、氯離子(Cl-)的含量分別≤10ppm，即可。
如上所述，本實施方式的磁致電阻效應元件，在汽車等高溫高溼的環境中也可以使用，在≥150℃～≤聚醯亞胺等樹脂的長時間耐熱溫度即200℃的環境中也能夠使用。
產業上的利用可能性本發明的磁致電阻效應元件，由於在高溫狀態下也不產生磁滯、特性劣化小、耐熱性和耐蝕性方面也良好，所以作為汽車用途等在苛刻的環境中使用的傳感器等是有用的。
權利要求
1.一種磁致電阻效應元件，其特徵在於包括基板；在該基板上的一部分上，把磁性薄膜與金屬非磁性薄膜交替地層疊兩層或更多層且以預定的圖形形狀形成的金屬人工晶格膜；在上述基板上，覆蓋上述金屬人工晶格膜而形成的第一保護膜；以及在上述第一保護膜上形成的第二保護膜，上述第一保護膜的殘餘應力實質上為零，上述第二保護膜由具有阻止水分透過能力的材料構成。
2.根據權利要求1所述的磁致電阻效應元件，其特徵在於上述磁性薄膜由包含鎳(Ni)、鐵(Fe)和鈷(Co)的合金構成，上述金屬非磁性薄膜為銅(Cu)或銀(Ag)中的任一種。
3.一種磁致電阻效應元件，其特徵在於包括基板；在該基板上的一部分上，把磁性薄膜與金屬非磁性薄膜層疊至少兩層或更多層且以預定的圖形形狀形成的金屬人工晶格膜；以及在上述基板上，覆蓋上述金屬人工晶格膜而形成的保護膜，上述磁性薄膜為包含鎳(Ni)、鐵(Fe)和鈷(Co)，且其原子數的組成比為鎳(Ni)為1～5原子％、鈷(Co)為50～95原子％、剩餘元素為鐵(Fe)的合金膜。
4.根據權利要求3所述的磁致電阻效應元件，其特徵在於上述磁性薄膜為原子數的組成比為鎳(Ni)∶鈷(Co)∶鐵(Fe)＝4∶90∶6的合金膜。
5.根據權利要求3或權利要求4所述的磁致電阻效應元件，其特徵在於上述金屬非磁性薄膜由銅(Cu)或銀(Ag)中的任一種構成。
6.根據權利要求3～權利要求5中的任一項所述的磁致電阻效應元件，其特徵在於上述保護膜包括在包含上述金屬人工晶格膜的上述基板上形成的第一保護膜；以及在上述第一保護膜上形成的第二保護膜，上述第一保護膜的殘餘應力實質上為零，上述第二保護膜由具有阻止水分透過能力的材料構成。
7.根據權利要求1或權利要求6所述的磁致電阻效應元件，其特徵在於上述第一保護膜由一氧化矽(SiO)、二氧化矽(SiO2)、氮化矽(SiNx)或氮化氧化矽(SiON)中的任一種構成，上述第二保護膜由聚醯亞胺構成。
8.根據權利要求1～權利要求4中的任一項所述的磁致電阻效應元件，其特徵在於上述磁性薄膜的磁致伸縮為零。
9.根據權利要求1或權利要求3所述的磁致電阻效應元件，其特徵在於上述基板由陶瓷構成。
10.根據權利要求9所述的磁致電阻效應元件，其特徵在於上述基板為玻璃已釉化了的釉面陶瓷基板，上述金屬人工晶格膜是在上述玻璃層上形成的。
11.根據權利要求10所述的磁致電阻效應元件，其特徵在於上述玻璃層中包含的鈉離子(Na+)、鉀離子(K+)、氯離子(Cl-)的混入量中的任一個都≤10ppm。
12.根據權利要求1、權利要求6或權利要求7所述的磁致電阻效應元件，其特徵在於上述第一保護膜中包含的鈉離子(Na+)、鉀離子(K+)、氯離子(Cl-)的混入量中的任一個都≤10pmm。
13.一種磁致電阻效應元件的製造方法，其特徵在於包括在基板上的一部分上，把磁性薄膜與金屬非磁性薄膜交替地層疊兩層或更多層，且形成預定圖形形狀的金屬人工晶格膜的工序；在上述基板上，形成覆蓋上述金屬人工晶格膜且殘餘應力實質上為零的第一保護膜的工序；以及在上述第一保護膜上，形成具有阻止水分透過能力的第二保護膜的工序。
14.根據權利要求13所述的磁致電阻效應元件的製造方法，其特徵在於上述磁性薄膜為由鎳(Ni)、鈷(Co)和鐵(Fe)構成的合金，其原子數的組成比為，上述鎳(Ni)為1～5原子％、鈷(Co)為50～95原子％，剩餘元素為鐵(Fe)，上述金屬非磁性膜是銅(Cu)或銀(Ag)，把上述磁性薄膜與上述金屬非磁性膜交替地層疊起來而構成上述金屬人工晶格膜。
15.根據權利要求13所述的磁致電阻效應元件的製造方法，其特徵在於形成上述第一保護膜的工序為，把上述基板的溫度設定於200℃～250℃的範圍內，利用濺射法或蒸鍍法來形成一氧化矽(SiO)、二氧化矽(SiO2)、氮化矽(SiNx)或氮化氧化矽(SiON)中的任一種。
16.根據權利要求1或權利要求3所述的磁致電阻效應元件，其特徵在於在≥150℃的環境中使用。
17.一種磁致電阻效應元件的使用方法，其特徵在於在≥150℃的環境中使用根據權利要求1或權利要求6所述的磁致電阻效應元件。
全文摘要
提供一種磁致電阻效應元件及其製造方法和使用方法，該磁致電阻效應元件包括在基板(1)上的一部分上，把磁性薄膜與金屬非磁性薄膜交替地層疊兩層或更多層，以預定的圖形形狀形成的金屬人工晶格膜(4)；覆蓋金屬人工晶格膜(4)而形成的第一保護膜(5)；以及在第一保護膜(5)上形成的第二保護膜(6)，第一保護膜(5)的殘餘應力實質上為零，第二保護膜(6)由具有阻止水分透過能力的材料構成。由此，能夠實現即使在高溫狀態下也不產生磁滯、特性不劣化、耐熱性和耐蝕性方面良好的磁致電阻效應元件，在汽車用等苛刻的環境中也能夠適用。
文檔編號H01F41/32GK1682386SQ0382129
公開日2005年10月12日 申請日期2003年9月12日 優先權日2002年9月13日
發明者西脇英謙, 尾中和弘, 林信和 申請人:松下電器產業株式會社