真空蒸鍍法製備巨磁阻抗薄膜的方法

2023-05-03 19:27:36 1

專利名稱：真空蒸鍍法製備巨磁阻抗薄膜的方法
技術領域：
本發明屬於光學薄膜製備技術領域、具體是一種真空蒸鍍法製備巨磁 阻抗薄膜的方法。
背景技術：
巨磁阻抗(Giant Magneto - impedance, GMI)效應是指軟磁材料 在高頻交流驅動下其交流阻抗隨外加直流磁場的變化而發生顯著變化的現 象。很多研究表明，具有顯著GMI效應的非晶或納米晶絲(約l,)，可以 同日中滿足新型微型磁傳自所需的諸多^^牛。利用GMI元件所製成的諧振 蕩電路可以製作成新型的GMI效應磁傳 ，這種傳感器比其他磁效應傳 感 有更高的磁通檢測率和靈敏度。隨著信息技術的普及，各種信息設 備、汽車和工業機器人一類機電設備，電力電子設備，醫療電子設備和工 業測試設備的發展，都對磁傳感器提出了越來越高的要求。利用巨磁阻抗 效應製作的磁傳感器在工程控制方面擁有廣闊的應用前景。
目前報導的有關製備具巨磁阻抗效應的單層或多層薄膜方法中皆用磁 濺射法，還未提及利用真空蒸鍍法製備的實用有效的方法，主要原因是目 前利用蒸鍍法制該類膜普遍存在的層間附著力弱、緻密性和均勻性差及實 現各向異性困難的缺點。

發明內容
本發明的目的在於提供一種層間附著力強、緻密性和均勻性好、實現 各向異性容易的真空蒸鍍法製備巨磁阻抗薄膜的方法。
實現本發明目的的技術方案是這樣的:採用可蒸鍍各種高低熔點的金屬和氧化物材料的真空 機，在10—4 10—3帕的低氣壓環境下，對玻璃基片橫 向兩側附加磁鐵，使得在鍍膜的整個過程讓待鍍玻璃基片始終處於O. 01T 0.2T的穩定磁場當中，再對巨磁阻抗薄膜材料的蒸發源進行加熱，使其蒸發 成蒸氣原子，澱積到待鍍玻璃基片表面上形成在短方向具有橫向辨由磁各向 異性的薄膜；
在前述的鍍膜整個過程中玻璃基片所處的穩定磁場的強度可以為 0. 01T 0. 03T;
還有前述的巨磁阻抗薄膜材料蒸發源敲eSiB合金材料其原子比可以 為Fe(純度為99. 9yo):Si(純度為99. 9%):8(純度為99. 9%)等於77. 5:7. 5:15; 前述的待鍍玻璃基片可以是經過包括以下6個步驟清洗的
(1) 將基片用稀土拋光粉打磨；
(2) 將基片放置於玻璃或石英杯中，加入配比為:氨水:雙氧水:去離子 水為1 1. 2:2 3:5 6的清洗液，放在電爐上加熱煮沸10 20併中，然後 用去離子水衝洗乾淨；
(3) 在杯中加入配比為鹽酸:雙氧水:去離子水為1 1. 2:2 3:8 10 的清洗液，同樣煮沸10 12辦中後用去離子水衝洗乾淨；
(4) 將基片放入超聲波清洗機的清洗槽中，在常溫下進行超聲波拋動清 洗3 10分鐘、關閉超聲波，常溫下對玻璃繼續拋動清洗3 5分鐘、開啟 超聲波，7K溫控制在5(TC 75'C，對基片拋動清洗3 8倂中左右，關閉超 聲波後再對基片拋動清洗3 5射巾。清洗介質採用去離子水；
(5) 方j(A氮氣爐中烘乾待用；
(6) 最後的清洗工作是鍍前在真空艙內進行。用放置在真空艙內的離子 槍轟擊基片的表面5 10分鐘。
所述的步驟(l)中的拋光粉可以是稀土拋光粉。 所述的步驟(2)中的清洗液配比可以為氨水:雙氧水:去離子水為1:2 2.5:5 6。
所述的步驟(3)中的清洗液配比可以為鹽酸:雙氧水:去離子水為l 1.2:2 2.5:8 10。
所述的步驟(4)可以是將基片放入超聲波清洗機的清洗槽中，在常溫下進行超聲波拋動清洗3 10分鐘、關閉超聲波，常溫下對玻璃繼續拋動清 洗3 5辦中、開啟超聲波，7jC鵬審贓55'C 65"C，對基片拋動清洗3 8 分鐘左右，關閉超聲波後再對基片拋動清洗3 5 ^H+。清洗介質採用去離 子水。
所述的步驟中(5)中放入氮氣爐中烘乾的時間可以為10 20辦中 本發明的的真空蒸鍍法製備巨磁阻抗薄膜的方法，是依照真空蒸發鍍
膜原理在價格低廉的真空蒸鍍鍍膜機中採用了對玻璃基片橫向兩側附加磁
鐵，使得其在鍍膜的整個過程始終處於穩定磁場當中和補償式控制蒸鍍薄
膜材料的原子量比蒸鍍製得各向異性巨磁阻抗薄膜的，具有工藝簡單易行，
製備成本低廉，成品薄膜的合金成分與期望比例一致性好，而Si02基片清
洗的方式，解決了 Si02基片普遍存在的表面附著力差、成膜不牢固等問題，
使製得的FeSiB薄膜均勻、緻密、穩定、牢固。


圖1是本發明的真空蒸鍍法製備巨磁阻抗薄膜的方法實施例一製備的 FeSiB單層薄膜GMI的測量電路圖
圖2是本發明的真空蒸鍍法製備巨磁阻抗薄膜的方法實施例一製備的 大±央FeSiB薄膜的橫向和縱向的磁滯回線
具體實施例方式
實施例一
本發明的真空蒸鍍法製備巨磁阻抗薄膜材料的方法在製備FeSiB單層 薄膜時，我們採用的是DMDE-450型f鵬機，帶有磁偏轉270。電子槍及膜 厚控制儀，可蒸鍍各種高低熔點的金屬和氧化物材料。首先對Si02基片進 行以下步驟的清洗(l)將基片用拋光粉打磨，打磨基片的拋光粉宜用稀土 拋光粉。建議用氧化鈽拋光粉，它粒度細，磨削力強，拋艦度快，亮度 好且易清洗。氧化鈰之所以是極有效的拋光用化合物，是因為它能用化學分解和機械摩擦二種形式同時拋光基片；(2)將基片放置於石英或玻璃杯中， 加入配比為:氨水:雙氧水:去離子水=1 1. 2:2 2. 2:5 6的清洗液，放在 電爐上加熱煮沸10 20 iH中，然後用去離子水衝洗乾淨，氨水:雙氧水:去 離子水的比例可以是1:2:5或1:3:6;放在電爐上加熱煮沸的時間15 ^!中 左右，不宜少於10倂中，否則會影響效果；(3)在杯中加入配比為:鹽酸 雙氧水:去離子7>1 1.2:2 2.5:8 10的清洗液,同樣煮沸10 12射中 後用去離子水衝洗乾淨，鹽酸:雙氧水:去離子水的比例可以是1:2:8或 1:3:8;放在電爐上加熱煮沸的時間15分鐘左右，不宜少於10辦巾(同 (2)); (4)將基片放入超聲波清洗機的清洗槽中，在常溫下進行超聲波拋動 清洗3 10女H巾、關閉超聲波，常溫下對玻璃繼續拋動清洗3 5麼H巾、開 啟超聲波，水溫控制在5(TC 75T:，對基片拋動清洗3 8 ^H中左右，關閉 超聲波後再對基片拋動清洗3 5分鐘。清洗介質採用去離子水將玻璃方^A 超聲波清洗機的清洗槽中，在常溫下進行超聲波拋動清洗5彌左右、關 閉超聲波，常溫下對玻璃繼續拋動清洗5分鐘左右、開啟超聲波，水溫控 制在6(TC左右，對基片拋動清洗5分鐘左右，關閉超聲波後再對玻璃拋動 清洗5分鐘左右、仍保持水溫6(TC左右，基片由慢拉提升裝置進行慢拉， 慢拉提升的時間為5射中左右；(5)方j(A氮氣爐中烘乾待用，烘乾的時間為 10分鐘左右；(6)最後的清洗工作是鍍前在真空艙內進行。用放置在真空 艙內的離子槍轟擊基片的表面5 10分鐘，特別注意的是把基片放進真空 艙內的過程中要避免空氣中的灰塵和垃圾再黏附在鏡片表面。用放置在真 空艙內的離子槍轟擊基片的表面(用氬離子)，使玻璃基片表面吸附的異 物產生脫附或分解，最後被真空泵抽走，達到清洗目的。
DMDE-450型真空鍍膜機以高真空油擴散泵為主機，可獲得l(r l(r帕的 低氣壓環境。FeSiB薄膜材料的原子比為77.5:7.5:15,材料已事先按此比例
7製得合金。再採用了讓玻璃基片始終處在一個穩定的磁場當中的方法。具體
是在玻璃基片橫向兩側加永久磁鐵，衝知.2T的穩定磁場，使得在鍍膜的整 個過程中玻璃基片一直受到這個穩定磁場的作用，當真空室的真空度達到 5 X10—3帕時，對蒸發源進行加熱，利用電子槍轟擊事先放置在坩堝內的材料， 在玻璃基底上製得FeSiB薄膜。通過這樣製得的薄膜在短方向具有橫向辨由 磁各向異性的。
本實驗採用HP4294A型阻抗分析儀(可測頻率範圍為lMHz—l 10MHz)測 量。把製得的FeSiB薄膜玻璃基片接AHP4294A型阻抗分析儀進行縱向驅動， 驅動電流10mA，頻率為lMHz 110MHz，外磁場由Helmholtz線圈提供，改變外 磁場的大小，由阻抗儀測得薄膜的巨磁阻抗值。通過改變驅動電流方向和外 磁場方向，得到四種測量結果。取出兩種具有比較明顯的巨磁阻抗效應的測 量方式，與在蒸鍍的過程中不加磁場製得的各向同性薄膜進行分析比較。
測量電路如圖2-5所示，取FeSiB薄膜樣品放在驅動線圈(驅動線圈直 徑0>=1. 5ram，選用直徑為0. 07咖的漆包線繞制200匝而成)內組成一個等 效的阻抗元件[43]，由4294A Precision I即edance Analyzer (精密阻抗分析 儀)提供10mA的交變電tM過驅動線圈，產生一個與薄帶軸向平行的交流 驅動場，這種驅動方式稱為縱向驅動。直流外磁場由直徑中O二200ram的 Helmlloltz線圈(Hellnholtz線圈由0. 29nnn漆包線繞制650距而成)產 生，方向沿薄帶的長軸方向，為減小地磁場的影響，直流外磁場與地磁場 方向垂直。測量時樣品均放於Helmholtz線圈正中勻場區(其中心勻強磁場 區的磁場強度公式Hex=58. 4464XI (0e) ， 10e約為79. 57747A/m)。
測量結果及討論
採用LDJ Model-10000 B-H回線儀測量FeSiB薄膜的軟磁磁性。圖2-6
8給出了大±央FeSiB薄膜的橫向和縱向的磁滯回線。(a)磁場施加在薄膜的橫 向，(b)磁場施加在薄膜的縱向。可以看出，大塊FeSiB薄膜具有明顯的磁 各向異性，薄膜的易軸沿FeSiB薄膜的橫向。易軸和難軸的矯頑力分別為 56A/m和40A/nT]。 實施例二
本發明的真空蒸鍍法製備巨磁阻抗薄膜材料的方法在製備 FeSiB/Cu/FeSiB多層膜薄膜時，採用的也是DMDE-450型^E機，帶有磁 偏轉270°電子槍及膜厚控制儀，可蒸鍍各種高低熔點的金屬和氧化物材 料。Si02基片清洗也相同，也是在10"4 10—3帕的低氣壓環境。也採用了讓 玻璃基片始終處在一個穩定的磁場當中的方法。具體是在玻璃基片橫向兩 側加7乂久磁鐵，提供0.2T的穩定磁場，使得在鄉莫的旨過程中玻璃基片 一直受到這個穩定磁場的作用，FeSiB薄膜材料的原子比為77. 5:7. 5:15， 材料已事先按此比例製得合金。當真空室的真空度達到5X1(T帕時，對蒸 發源進行加熱，禾擁電子槍轟擊事先放置在柑堝內的材料，在玻璃基底上 製得FeSiB薄膜層，然後同樣的條件下，換上Cu蒸發源，在FeSiB薄膜層 上蒸鍍上Cu層，在再換上FeSiB薄膜材料蒸發源，在Cu層上蒸鍍上外面 包圍的FeSiB薄膜層，這樣就在玻璃基片上製得短方向具有橫向單軸磁各 向異性的FeSiB/Cu/FeSiB多層膜，使FeSiB與Cu與FeSiB形成夾心形式。
權利要求
1、一種真空蒸鍍法製備巨磁阻抗薄膜的方法，它是採用可蒸鍍各種高低熔點的金屬和氧化物材料的真空鍍膜機，在10-4～10-3帕的低氣壓環境下，對巨磁阻抗薄膜材料的蒸發源進行加熱，使其蒸發成蒸氣原子，澱積到待鍍玻璃基片表面上形成薄膜的，其特徵在於在玻璃基片橫向兩側附加磁鐵，使得在鍍膜的整個過程待鍍玻璃基片始終處於0.01T～0.2T的穩定磁場當中。
2、 如權利要求1所述的真空蒸鍍法製備巨磁阻抗薄膜的方法，其特 徵在於玻璃基片所處穩定磁場的強度為O. 01T 0. 03T。
3、 如權利要求1或2所述的真空蒸鍍法製備巨磁阻抗薄膜的方法， 其特徵在於所述的巨磁阻抗薄膜材料是FeSiB合金薄膜材料其原子比 為Fe (純度為99.9%) :Si (純度為99.9%) :B (純度為99. 9%)等於 77.5:7.5:15。
4、 如權利要求3所述的真空蒸鍍法製備巨磁阻抗薄膜的方法，其特 徵在於所述的待鍍玻璃基片是經過包括以下6個步驟清洗的(1) 將基片用稀土拋光粉打磨；(2) 將基片放置於容器中加入配比為:氨水:雙氧水:去離子水為1 1. 2:2 3:5 6的清洗液，加熱煮沸10 20分鐘，然後用去離子水衝洗幹 淨；(3) 再置於容器中加入配比為鹽酸雙氧水去離子水為l 1.2:2 3:8 10的清洗液，同樣煮沸10 12分鐘後用去離子水衝洗幹 淨；(4) 將基片放入超聲波清洗機的清洗槽中，在常溫下進行超聲波拋動 清洗3 10分鐘、關閉超聲波，常溫下對玻璃繼續拋動清洗3 5分鐘、 開啟超聲波，7jC溫控制在5(TC 75'C ，對基片拋動清洗3 8分鐘左右， 關閉超聲波後再對基片拋動清洗3 5分鐘。清洗介質採用去離子水；(5) 放入氮氣爐中烘乾待用；(6) 蒸鍍前在真空艙內，用離子槍轟擊基片的表面5 10分鐘。
5、 如權利要求4所述的真空蒸鍍制合金薄膜用Si02基片清洗方法，其特徵在於步驟(l)中的拋光粉是稀土拋光粉。
6、 如權利要求5所述的真空蒸鍍制合金薄膜用Si02基片清洗方汰 其特徵在於步驟(2)中的清洗液配比為氨水:雙氧水:去離子水為1:2 2. 5:5 6。
7、 如權利要求6所述的真空蒸鍍制合金薄膜用Si02基片清洗方法， 其特徵在於步驟(3)中的清洗液配比為鹽酸:雙氧水:去離子水為l 1.2:2 2. 5:8 10。
8、 如權利要求7所述的真空蒸鍍制合金薄膜用Si02基片清洗方法， 其特徵在於步驟(4)中將基片放入超聲波清洗機的清洗槽中，在常溫下 進行超聲波拋動清洗3 10分鐘、關閉超聲波，常溫下對玻璃繼續拋動 清洗3 5分鐘、開啟超聲波，水溫控制在55'C 65'C，對基片拋動清洗 3 8分鐘左右，關閉超聲波後再對基片拋動清洗3 5分鐘。清洗介質 採用去離子水。
9、 如權利要求8所述的真空蒸鍍制合金薄膜用Si02基片清洗方法， 其特徵在於步驟中(5)中放入氮氣爐中烘乾的時間為10 20分鐘。
全文摘要
本發明涉及一種真空蒸鍍法製備巨磁阻抗薄膜的方法。它採用可蒸鍍各種高低熔點的金屬和氧化物材料的真空鍍膜機，SiO2基片經拋光打磨；氨水∶雙氧水∶去離子水混合液煮沸，去離子水衝淨；鹽酸∶雙氧水∶去離子水混合液煮沸去離子水衝淨；超聲波和無超聲波去離子水介質常溫、加溫拋洗；入氮氣爐烘乾；在真空艙內離子槍轟擊表面清洗。在低氣壓環境下，對玻璃基片附加磁鐵，使待鍍玻璃基片在鍍膜的整個過程始終處於穩定磁場當中，並用補償式控制蒸鍍薄膜材料的原子量比，使蒸鍍製得的成品薄膜的合金成分與期望比例一致性好的短方向具有橫向單軸磁各向異性的薄膜。具有工藝簡單易行，製備成本低廉，成品薄膜的合金成分與期望比例一致性好，製得的FeSiB薄膜均勻、緻密、穩定、牢固的特點。
文檔編號C23C14/24GK101665911SQ20081012043
公開日2010年3月10日 申請日期2008年9月4日 優先權日2008年9月4日
發明者旭 萬, 劉蘊濤, 晶 葉, 應朝福, 彭保進 申請人:浙江師範大學