制造自旋开关薄膜的方法和制造磁阻效应磁头的方法 【技术领域】
本发明涉及一种制造自旋开关薄膜(a spin valve film)的方法，该自旋开关薄膜是一种磁阻效应元件。本发明还涉及一种制造磁阻效应磁头的方法，该磁阻效应磁头结合有一个自旋开关薄膜，该自旋开关薄膜作为一个磁敏感元件，用于对从磁性记录介质发射出的磁性信号进行检测。
背景技术
磁阻效应元件(在下文中称作MR元件)利用所谓的“磁阻效应”，也就是电阻的变化，这种电阻变化是由于外界磁场的强度和方向发生变化所引起的。例如，MR元件被作为磁敏感元件用于磁头中，对来自于磁性记录介质的信号磁场进行检测。包括有一个MR元件的磁头通常被称作“磁阻效应式磁头”(在下文中称作MR头)。
迄今为止，已经使用了利用各向异性磁阻效应的MR元件。但是，它们具有较小的磁阻变化率(MR比)。因此，希望能够提供一种具有较大MR比的MR元件。
巨MR元件(在下文中称作“GMR元件”)被推荐用作具有较大MR比的MR元件，其中，每个巨MR元件均使用了一个自旋开关薄膜。
GMR元件具有一个自旋开关薄膜，该自旋开关薄膜包括有一对磁性层和一个位于这对磁性层之间的非磁性层。其利用了所谓的“巨磁阻效应”，即流过自旋开关薄膜表面地所谓“感应电流”的电导率变化，其取决于所述磁性层的磁化轴之间的相对角度。
更具体地说，一个自旋开关薄膜包括有一个反铁磁层、一个固定磁化层、一个自由磁化层以及一个非磁性层，它们相互叠置。固定磁化层已经在将一个交换耦合磁场(a exchange-coupling magnetic field)作用于该固定磁化层与反铁磁层之间时，沿着一个规定方向被磁化。自由磁化层的磁化方向会根据外部磁场发生变化。非磁性层用于将所述固定磁化层与自由磁化层相互磁性隔离开来。
当将一个外部磁场作用于GMR元件上时，自由磁化层的磁化方向会根据外部磁场的强度和方向发生变化。当该自由磁化层的磁化方向与固定磁化层的磁化方向反向平行时，在该自旋开关薄膜上流动的读出电流(sensecurrent)将达到最大值。当该自由磁化层的磁化方向与固定磁化层的磁化方向平行时，在该自旋开关薄膜上流动的读出电流将达到最小值。
当具有规定值的读出电流被供送到一个包括有这样一个GMR元件的磁头(在下文中称作“GMR头”)中时，在GMR元件中流动的读出电流将根据来自于磁性记录介质的信号磁场而以电压的形式发生变化。对读出电流的电压的这种变化进行检测，从而可以从磁性记录介质读取出一个磁性信号。
所述GMR头需要具有较大的MR比，以便以更高的密度将数据记录到磁性记录介质上。为此目的，可以将作为自旋开关薄膜中的非磁性层的铜薄膜制得更薄。
但是，如果所述铜薄膜，即非磁性层被制得更薄，那么将会增大固定磁化层与自由磁化层之间的层间耦合。这将使得，在GMR头开始工作之前，难以设定一个偏压点。
所需要的是，所述铜薄膜为26埃或者更厚，从而使得层间耦合比如为20Oe(奥斯特)或者更小。所述铜薄膜不能抑制流过大的电流，而是具有较高的导电性，并且允许大的电流流过。这将会造成较大的泄漏损失。因此，所述自旋开关薄膜的MR比会下降很多。
最近的研究表明，当在一个溅射设备中的腔室内，借助于在较小压力下进行的溅射工艺来形成一个即将被加工成一非磁性层的铜薄膜时，由于残留气体，比如氧气、氢气等的压力和成分的作用，该铜薄膜的表面光洁度会得以提高。另一方面，固定磁化层与自由磁化层之间取决于所述铜薄膜的表面粗糙度的静态磁性耦合下降，以减少所述层间耦合。也就是说，固定磁化层与自由磁化层之间的层间耦合可以通过降低所述腔室内的真空度来减小，而并非提高真空度。
但是，通过利用所述腔室内的残留气体来降低固定磁化层与自由磁化层之间层间耦合的方法几乎无法实际应用，因为难以保持所述残留气体处于相同的状态。该方法几乎无法提高生产率。
在成分、背底压力(back pressure)等方面，可以保持所述腔室内的残留气体处于相同的状态。即使在这种情况下，如果真空度下降，那么自旋开关薄膜中反铁磁层的性能也会下降。如果所述反铁磁层由PtMn，PdPtMn等制成，那么该反铁磁层可以获得良好的性能，并且可以通过提高所述腔室内的真空度而被制得更薄，其中，所述反铁磁层最为常用的材料是Mn基反铁磁性材料。
因此，自旋开关薄膜通常在所述腔室内在较高真空的条件下形成，使得所述反铁磁层具有良好性能。但是，在不增大固定磁化层与自由磁化层之间的层间耦合的条件下，极其难以将所述铜薄膜(即非磁性层)制成所需的薄度。
【发明内容】
本发明因前述问题而作出。本发明的一个目的在于提供一种制造一种自旋开关薄膜的方法，其中，即使铜薄膜，即反铁磁层很薄，也能够抑制固定磁化层与自由磁化层之间的层间耦合，并且反铁磁层可以在比以前更高真空的条件下形成。本发明的另一目的在于提供一种制造一种磁阻磁头的方法，该磁阻磁头结合有一个自旋开关薄膜，该自旋开关薄膜用作一个磁敏感元件，以对从磁性记录介质发射出的磁性信号进行检测。
为了达到第一个目的，提供了一种方法，该方法被设计成用于制造一种自旋开关薄膜，该自旋开关薄膜包括：一个反铁磁层；一个固定磁化层，该层利用一个作用于该固定磁化层与反铁磁层之间的交换耦合磁场而在一个规定方向上被磁化；一个自由磁化层，该自由磁化层具有一个与外部磁场相一致的磁化方向；以及一个由铜薄膜制成的非磁性层，该非磁性层用于将所述固定磁化层与自由磁化层磁性隔离开来，这些薄层在至少一个基底上相互叠置。该方法包括：在一个薄膜形成溅射腔室内借助于在较小压力下进行的溅射工艺，在所述基底上形成一些薄层，这些薄层中的最后一层是用作非磁性层的铜薄膜；将所述基底暴露于一个气体暴露腔室(a gas-exposure chamber)内；以及在所述薄膜形成溅射腔室内，在所述基底上形成自旋开关薄膜的其余薄层。
该方法使用了两个腔室，即薄膜形成溅射腔室和气体暴露腔室。因此，可以在薄膜形成溅射腔室内保持极高的真空，并且被导入气体辐射腔室内的表面活化气体可以保持较高的可重复性。
在薄膜形成溅射腔室内，一些薄层被形成在所述基底上，这些薄层中的最后一层是用作非磁性层的铜薄膜。在气体暴露腔室内，所述基底被置于对所述铜薄膜的表面进行活化的气体气氛中，从而使得该铜薄膜的表面光洁平整。另外，可以在比以前更高真空的条件下，在所述基底上形成所述反铁磁层。
因此，即使位于固定磁化层与自由磁化层之间并且用作非磁性层的铜薄膜被制得很薄，也可以抑制所述薄层之间的层间耦合。另外，所述反铁磁层可以具有良好性能。因此，易于制造一种高质量的自旋开关薄膜，这种自旋开关薄膜具有较高的磁阻变化率。
为了实现另一目的，提供了一种方法，该方法被设计来制造一种磁阻效应磁头，该磁阻效应磁头包括有一个自旋开关薄膜，该自旋开关薄膜作为一个磁敏感元件，用于对从磁性记录介质发射出的磁性信号进行检测。该自旋开关薄膜包括：一个反铁磁层；一个固定磁化层，该层利用一个作用于该固定磁化层与反铁磁层之间的交换耦合磁场而在一个规定方向上被磁化；一个自由磁化层，该自由磁化层具有一个与外部磁场相一致的磁化方向；以及一个由铜薄膜制成的非磁性层，该非磁性层将所述固定磁化层与自由磁化层磁性隔离开来，这些薄层在至少一个基底上相互叠置。该方法包括通过下述步骤来制取所述自旋开关薄膜：在一个薄膜形成溅射腔室内借助于在较小压力下进行的溅射工艺，在所述基底上形成一些薄层，这些薄层中的最后一层是用作非磁性层的铜薄膜；在一个充满气体的气体暴露腔室内将所述基底暴露于一种气体气氛中，其中，所述气体对所述铜薄膜的表面进行活化；以及，在所述薄膜形成溅射腔室内，在所述基底上形成所述自旋开关薄膜中的其余薄层。
在根据本发明制造一种磁阻效应磁头的方法中，在形成所述自旋开关薄膜的过程中使用了两个腔室，即薄膜形成溅射腔室和气体暴露腔室。因此，可以在薄膜形成溅射腔室内保持极高的真空，并且被导入气体暴露腔室内的表面活化气体可以保持较高的可重复性。
在薄膜形成腔室内，一些薄层被形成在所述基底上，这些薄层中的最后一层是用作非磁性层的铜薄膜。在气体暴露腔室内，所述基底被暴露于一种对所述铜薄膜的表面进行活化的气体气氛中，从而使得该铜薄膜的表面光洁平整。此外，可以在比以前更高的真空下，在所述基底上形成所述反铁磁层。
因此，即使位于固定磁化层与自由磁化层之间并且用作非磁性层的铜薄膜被制得很薄，也可以抑制所述薄层之间的层间耦合。另外，反铁磁层可以获得好的性能。结果，易于制造一种高质量的磁阻效应磁头，这种磁阻效应磁头具有较高的自旋开关薄膜磁阻变化率。
通过下面对实施例的描述，本发明的其它目的和本发明的具体优点将会更为清楚明白。
【附图说明】
图1是一个BSV型和一个BSSV型自旋开关薄膜的剖视图；
图2是一个TSV型和一个TSSV型自旋开关薄膜的剖视图；
图3是一个DSV型和一个DSSV型自旋开关薄膜的剖视图；
图4是一个溅射设备的示意图；
图5A是一个曲线图，示出了气体流速与自旋开关薄膜样本1的MR比之间的关系，图5B是一个曲线图，图示了气体流速与样本1的Rsq.之间的关系，而图5C也是一个曲线图，代表了气体流速与样本1的ΔRsq.之间的关系；
图6是一个曲线图，描绘了气体流速与自旋开关薄膜样本1的层间耦合Hin之间的关系；
图7A是一个曲线图，示出了外部磁场H与自旋开关薄膜样本1的MR比之间的关系，而图7B是图7A中的一个经放大部分，示出了外部磁场的零区域；
图8A是一个曲线图，代表了外部磁场H与一个传统自旋开关薄膜的MR比之间的关系，而图8B是图8A中的一个经放大部分，示出了外部磁场的零区域；
图9A是一个曲线图，示出了气体流速与自旋开关薄膜样本2的MR比之间的关系，图9B是一个曲线图，图示了气体流速与样本2的Rsq.之间的关系，而图9C也是一个曲线图，代表了气体流速与样本2的ΔRsq.之间的关系；
图10是一个曲线图，代表了气体流速与自旋开关薄膜样本2的层间耦合Hin之间的关系；
图11A是一个曲线图，示出了外部磁场H与自旋开关薄膜样本2的MR比之间的关系，而图11B是图11A中的一个经放大部分，示出了外部磁场的零区域；
图12A是一个曲线图，代表了外部磁场H与一个传统自旋开关薄膜的MR比之间的关系，用于与样本2进行对比，而图12B是图12A中的一个经放大部分，示出了外部磁场的零区域；
图13A是一个曲线图，示出了当持续15秒钟导入氧气时，外部磁场H与自旋开关薄膜样本3的MR比之间的关系，而图13B是图13A中的一个经放大部分，示出了外部磁场的零区域；
图14A是一个曲线图，代表了当持续30秒钟导入氧气时，外部磁场H与自旋开关薄膜样本3的MR比之间的关系，而图14B是图14A中的一个经放大部分，示出了外部磁场的零区域；
图15A是一个曲线图，图示了当持续120秒钟导入氧气时，外部磁场H与自旋开关薄膜样本3的MR比之间的关系，而图15B是图15A中的一个经放大部分，示出了外部磁场的零区域；
图16是一个曲线图，示出了在自旋开关薄膜样本4中观测到的铜薄膜厚度与层间耦合Hin之间的关系；
图17A是一个曲线图，图示了气体流速与自旋开关薄膜样本4的MR比之间的关系，图17B是一个曲线图，图示了气体流速与样本4的Rsq.之间的关系，而图17C也是一个曲线图，代表了气体流速与样本4的ΔRsq.之间的关系；
图18A是一个曲线图，示出了当铜薄膜的厚度为2.0纳米时，外部磁场H与样本4的MR比之间的关系，而图18B是图18A中的一个经放大部分，示出了外部磁场的零区域；
图19A是一个曲线图，示出了当铜薄膜的厚度为2.2纳米时，外部磁场H与样本4的MR比之间的关系，而图19B是图19A中的一个经放大部分，示出了外部磁场的零区域；
图20A是一个曲线图，示出了当铜薄膜的厚度为2.9纳米时，外部磁场H与样本4的MR比之间的关系，而图20B是图20A中的一个经放大部分，示出了外部磁场的零区域；
图21A是一个曲线图，示出了外部磁场H与自旋开关薄膜样本5的MR比之间的关系，而图21B是图21A中的一个经放大部分，示出了外部磁场的零区域；
图22A是一个曲线图，示出了外部磁场H与传统自旋开关薄膜的MR比之间的关系，用于与样本2进行对比，而图22B是图22A中的一个经放大部分，示出了外部磁场的零区域；
图23A、23B、23C和23D是曲线图，均示出了外部磁场H与自旋开关薄膜样本6的MR比之间的关系。图23A示出了在形成一个钽(Ta)薄膜之后观测到的关系；图23B示出了在形成一个NiFe薄膜之后观测到的关系；图23C示出了在形成一个铜(Cu)之后当所述基底被暴露于一种表面活化气体气氛中时观测到的关系；而图23D示出了在形成一个铜薄膜之后当所述基底没有被暴露于一种表面活化气体气氛中时观测到的关系；
图24是一个曲线图，代表了样本6中结合的PtMn薄膜的X射线相对强度与NiFe薄膜的X射线相对强度之间的关系；以及
图25是利用本发明制造而成的一个磁阻效应磁头的端部视图。
【具体实施方式】
下面，将参照所附图详细地描述一种根据本发明制造一种自旋开关薄膜的方法和一种根据本发明制造一种磁阻效应磁头的方法。
首先，将对根据本发明制造一种自旋开关薄膜的方法进行描述。
比如，正如在图1中所示出的那样，利用该方法制造来的自旋开关薄膜可以是所谓的“底部型自旋开关(BSV)型”，或者是所谓的“底部型合成自旋开关(BSSV)型”。该自旋开关薄膜形成在基底1上。它是一个多层结构，包括有一个底层2、一个反铁磁层3、一个固定磁化层4、一个非磁性层5、一个自由磁化层6以及一个保护层7。所述薄层3、4、5、6和7以所述顺序在所述基底上一层在另一层上地叠置。
基底1由硬质的无磁性绝缘材料制成，比如Al2O3、Al2O3-TiC(Altic)、类金刚石碳(DLC)等。
底层2和保护层7被设置成能够防止该自旋开关薄膜的单位电阻增大。它们由诸如钽等制成。
反铁磁层3由反铁磁性材料制成，比如Pt-Mn合金，Pd-Pt-Mn合金，Ir-Mn合金，Rh-Mn合金，Ni-Mn合金，Co-Mn合金，Fe-Mn合金，Cr-Mn-Pt合金等。
固定磁化层4由具有良好软磁性能的材料制成，比如Ni-Fe合金，Co-Fe合金，Co-Ni-Fe合金等。该固定磁化层4可以是一个多层结构，包括有由这些合金形成的薄层。可选择地，薄层4也可以是一个所谓的“叠层含铁结构”，包括有由这些合金制成的薄层和比如由钌等制成的非磁性层，它们交替地相互叠置。邻接反铁磁层3设置的固定磁化层4，在一个作用于该固定磁化层4与反铁磁层3之间的交换耦合磁场的作用下，沿着一个固定方向被磁化。
非磁性层5由一种具有高导电性的无磁性材料铜制成。
自由磁化层6由具有良好软磁性能的磁性材料制成，比如Ni-Fe合金，Co-Fe合金，Co-Ni-Fe合金等。此外，该薄层6可以是一个多层结构，包括有由这些合金制成的薄层。利用非磁性层5将该薄层6与固定磁化层4磁性隔离开来。因此，在该薄层6中，磁化方向可以容易地相对于一个弱的外部磁场发生变化。
所述自旋开关薄膜并不局限于前述结构。相反，其比如可以是一种所谓的“顶部型自旋开关薄膜(TSV)”或者一种所谓的“顶部型合成自旋开关薄膜(TSSV)”。正如在图2中所示出的那样，任意一种类型的自旋开关薄膜均是形成在一个基底1上的多层结构。其包括有一个底层2、一个自由磁化层6、一个非磁性层5、一个固定磁化层4、一个反铁磁层3以及一个保护层7。所述薄层2、6、5、4、3和7以所述顺序在所述基底上一层在另一层上地叠置。
可选地，所述自旋开关薄膜可以是一种所谓的“双自旋开关薄膜(DSV)”或者一种所谓的“双合成自旋开关薄膜(DSSV)”。正如在图3中所示出的那样，任意一种类型的自旋开关薄膜均是形成在一个基底1上的多层结构。其包括有一个底层2、一个反铁磁层3、一个固定磁化层4、一个非磁性层5、一个自由磁化层6、另外一个非磁性层5，另外一个固定磁化层4，另外一个反铁磁层3以及一个保护层7。这些薄层以所述顺序在所述基底上一层在另一层上地叠置。
当将一个外部磁场作用于由此构造而成的自旋开关薄膜上时，自由磁化层6中磁化方向将根据该外部磁场的强度和方向发生变化。当磁化方向与自由磁化层6中的磁化方向反向平行时，该自旋开关薄膜中流动的电流阻抗最大。相反，当磁化方向与自由磁化层6中的磁化方向平行时，该自旋开关薄膜中流动的电流阻抗最小。
因此，所述自旋开关薄膜的电阻会根据作用于该薄膜上的外部磁场发生变化。从而，可以通过读取电阻的变化来对外部磁场进行检测。
在根据本发明的方法中，自旋开关薄膜通过利用这样一种如图4中所示的溅射设备20来制取。需要注意的是，图4是溅射设备20的一个示意图。
溅射设备20是一种公知类型的“直流磁控管溅射设备”。该设备20包括有四个腔室。这四个腔室是：一个基底存储腔室21，一个薄膜形成溅射腔室22，一个气体暴露腔室23和一个基底输送腔室24。
基底存储腔室21位于基底输送腔室24的附近。基底被运送到该基底存储腔室21内，和从该基底存储腔室21内运送出来。该基底存储腔室21可以借助于一个真空泵(未示出)降低其内部的压力。可以降压至大约5×10-7乇(Torr)的真空度。
薄膜形成溅射腔室22被设计来在较高的真空中执行溅射工艺。该腔室22位于基底输送腔室24的附近。
薄膜形成溅射腔室22中包括有一对电极，即一个阴极25和一个阳极26，它们相互正对。在阴极25上安置有一个靶，该靶由用于前述自旋开关薄膜中的一个薄层的材料制成。在阳极26上安置有一个基底1，所述自旋开关薄膜将形成在该基底1上。
薄膜形成溅射腔室22具有一个出气口27和一个进气口28。该腔室22可以借助于一个真空泵(未示出)通过出气口27减小其内部的压力，达到大约5×10-9乇的真空度。在对薄膜形成溅射腔室22内的真空度进行调整的同时，可以通过进气口28将氩气导入该腔室22内。通过改变质量流来对气体的流速进行控制。除了氩气之外的其它惰性气体，比如氖气、氪气或者氙气，也可以被导入薄膜形成溅射腔室22内。
在薄膜形成溅射腔室22内，在氩气气氛中向位于阴极25上的靶施加一个负电势，并且向位于阳极26上的基底1施加一个正电势，以在所述基底1上形成一个自旋开关薄膜。在阴极25与阳极26(即一对电极)之间形成电势差。电势差会引起辉光放电。辉光放电又会使得氩气粒子被离子化，该氩粒子对所述靶进行轰击。通过利用电离后的氩气粒子进行轰击，所述靶会发射出粒子。这些微粒淀积在基底1上，形成所述自旋开关薄膜中的一个薄层。在薄膜形成溅射腔室22内，可以进行所谓的“逆向溅射工艺”来对基底1进行蚀刻处理。
气体暴露腔室23是这样一个腔室，在该腔室内，所述基底1可以暴露在一种气体气氛中。该腔室23位于基底输送腔室24的附近。
气体暴露腔室23具有一个出气口29和一个进气口30。该腔室23可以借助于一个真空泵(未示出)通过出气口29降低其内部的压力，达到大约1×10-8乇的真空度。在对气体暴露腔室23内的真空度进行调整的同时，可以通过进气口30将能够对铜薄膜的表面进行活化的气体导入该腔室内。通过改变质量流来对导入的气体量进行控制。
用于对所述铜薄膜的表面进行活化的气体例如是氧气、氢气、氮气等。所述气体可以是一种包含有这些示例性气体中至少一种的混合气体。(在下文中，用于对铜薄膜的表面进行活化的气体将被称作“表面活化气体”)。
通过进气口，可以将诸如氩气、氖气、氪气或者氙气这样的惰性气体导入气体暴露腔室23内。
假设在气体暴露腔室23内产生了高真空。那么，在通过控制质量流来对导入的气体量进行调节的同时，经由进气口30导入的表面活化气体的过调量(overshoot)会变得相对较大。
就这一点来说，所希望的是，在将表面活化气体供送到气体暴露腔室23内之前，将一种惰性气体导入到该腔室23内。利用这种方式，可以将腔室23内的真空度降低至合适的值。
从而，当通过进气口30将表面活化气体导入气体暴露腔室23内时，表面活化气体的过调量会减少。这样，就可以通过控制质量流来对导入的气体量进行调节。在本实施例中，所用惰性气体是氩气。
基底输送腔室24被设置来在基底存储腔室21、薄膜形成溅射腔室22和气体暴露腔室23之间对基底1进行运送。该腔室24中包括有一个自动机械31，该自动机械31能够将基底1运送到各个腔室内。基底输送腔室24可以借助于一个真空泵(未示出)降低其内部的压力，达到大约1×10-8乇的真空度。
下面，将对通过利用前面所述的溅射设备20来制造自旋开关薄膜的方法进行描述。假设所述自旋开关薄膜是形成在基底1上的BSSV型自旋开关薄膜，并且包括有一个3纳米厚的钽薄膜或者说底层2；一个20纳米厚的PtMn薄膜或者说反铁磁层3；形成固定磁化层4的一个1.5纳米厚的CoFe薄膜、一个0.8纳米厚的钌薄膜及一个2.0纳米厚的CoFe薄膜；一个2.2纳米厚的铜薄膜或者说非磁性层5；形成自由磁化层6的一个0.5纳米厚的CoFe薄膜和一个4纳米厚的NiFe薄膜；以及一个3纳米厚的钽薄膜或者说保护层7。这些薄膜以所述顺序一层在另一层上地叠置。
为了制取这种自旋开关薄膜，基底1被置于基底存储腔室21内。
接着，自动机械31在基底输送腔室24内移动，将基底1从基底存贮腔室21运送到薄膜形成溅射腔室22中。在该薄膜形成溅射腔室22内，基底1被置于阳极26上。在设置于该薄膜形成溅射腔室22内的阴极25上，已经安置有六个靶。它们是：一个钽靶，一个PtMn靶，一个NiFe靶，一个钌靶，一个CoFe靶以及一个铜靶。
在薄膜形成溅射腔室22内，执行加压溅射(press sputtering)，以防止对前述的靶的污染。同时，也防止在该薄膜形成溅射前述22内对基底1的污染。另外，可以执行逆向溅射工艺来对基底1的表面进行活化处理。
在薄膜形成溅射腔室22内，利用溅射工艺，以所述顺序一层在另一层上地制取一个钽薄膜(底层2)，一个PtMn薄膜(反铁磁层3)，一个NiFe薄膜，一个钌薄膜，一个CoFe薄膜以及一个铜薄膜(非磁性层5)。注意，所述NiFe薄膜、钌薄膜以及CoFe薄膜形成了固定磁化层4。
接下来，自动机械31会在基底输送腔室24内移动，将基底1从薄膜形成溅射腔室22运送到气体暴露腔室23内。基底1被暴露在一种包含有一种表面活化气体的气体气氛中。所述铜薄膜，或者说非磁性层5的表面会变得平整。
在所述基底1被运送到气体暴露腔室23内之前或者之后，将表面活化气体导入气体暴露腔室23内。在本方法中，所述气体在基底1被运送到气体暴露腔室23内之后导入，并且所用表面活化气体是氧气。
随后，自动机械31将基底1从气体暴露腔室23运送到基底输送腔室24内。在于基底输送腔室24内移动的同时，自动机械31将基底1运送回薄膜形成溅射腔室22内。在该薄膜形成溅射腔室22内，利用溅射工艺，在非磁性层5，即具有平整表面的铜薄膜上以所述顺序一层在另一层上地形成一个CoFe薄膜和一个NiFe薄膜，以及一个钽薄膜或者保护层7，其中，所述CoFe薄膜和NiFe薄膜形成自由磁化层6。从而，在所述基底1上形成所述自旋开关薄膜。
接下来，自动机械31会在基底输送腔室24内移动，将基底1从薄膜形成溅射腔室22运送到基底输送腔室24内。随后，该自动机械31又将基底1从腔室24运送至基底存储腔室21内。带有形成于其上的自旋开关薄膜的基底1被从基底存储腔室21输送出来。
正如前面叙述的那样，在本方法中使用了两个腔室，即薄膜形成溅射腔室22和气体暴露腔室23。这不仅能够在薄膜形成溅射腔室22内保持极高的真空，而且能够获得被导入气体暴露腔室23内的表面活化气体的高可重复性。
当在薄膜形成溅射腔室22内所述铜薄膜或者说自旋开关薄膜中的非磁性层5被形成在基底1上之后，基底1在气体暴露腔室23内被暴露于包含有表面活化气体的气氛中。由于表面活化气体对铜薄膜的表面进行活化处理，所以该铜薄膜的表面变得平整。在薄膜形成溅射腔室22内，可以在很高的真空下在所述基底1上形成反铁磁层3。
从而，即使位于固定磁化层4与自由磁化层6之间的铜薄膜(即非磁性层5)相对较薄，也可以抑制该层4与6之间的层间耦合。此外，所述反铁磁层可以具有良好性能。从而，利用该方法易于制造一种具有高MR比的自旋开关薄膜。
<对气体流速的相关性>
利用根据本发明的方法，通过以不同的流速将表面活化气体导入气体暴露腔室23内，来生产自旋开关薄膜。对由此生产出来的自旋开关薄膜的MR比(ΔRsq./Rsq.)进行测定。还对各个自旋开关薄膜中固定磁化层4与自由磁化层6之间的层间耦合Hin进行测定，以确定Hin对气体流速的依赖关系。
为了进行对比，如同传统方法中那样在没有将基底1运送到气体暴露腔室23内的条件下生产出一些自旋开关薄膜，并且在尽管将基底运送到了气体暴露腔室23内但没有将该基底1暴露在一种表面活化气体气氛中的条件下，制造另外一些自旋开关薄膜。同样，也对这些自旋开关薄膜的MR比、Hin以及Hin对气体流速的依赖关系进行测定。
在该示例中，将BSSV型自旋开关薄膜制为样本1。该样本1包括有：一个底层2，即3纳米厚的钽薄膜；一个反铁磁层3，即20纳米厚的PtMn薄膜；一个固定磁化层4，该固定磁化层4由一个1.5纳米厚的CoFe薄膜、一个0.9纳米厚的钌薄膜以及一个2纳米厚的CoFe薄膜构成；一个非磁性层5，即2.2纳米厚的铜薄膜；一个自由磁化层6，该自由磁化层6由一个0.5纳米厚的CoFe薄膜和一个4纳米厚的NiFe薄膜构成；以及一个保护层7，即3纳米厚的钽薄膜。所述薄层2、3、4、5、6和7以所述顺序一层在另一层上地在一个Si-O基底1上形成。
在形成所述反铁磁层3的过程中，在于265℃的气氛下施加一个10KOe磁场的同时，持续四个小时进行热处理。将氧气用作表面活化气体。在流速已经被调节到一个特定值的条件下，持续30秒钟将氧气导入气体暴露腔室23内。
对由此制造来的样本1进行测定。结果如图5A、5B、5C和图6所示。图5A是一个表示气体流速与MR比之间关系的曲线图。图5B是一个图示气体流速与Rsq.之间关系的曲线图。图5C是一个代表气体流速与ΔRsq.之间关系的曲线图。图6是一个描绘气体流速与层间耦合Hin之间关系的曲线图。
在图5A、5B、5C和图6中，示出了两个点A和B。点A与如同传统方法中那样在没有将基底1运送到气体暴露腔室23内的条件下制取的自旋开关薄膜有关。点B与在尽管将基底1运送到了气体暴露腔室23内但没有将该基底1暴露于表面活化气体气氛中的条件下制取的自旋开关薄膜有关。
正如由图5A、5B、5C和图6中的结果所看到的那样，无论气体流速如何，如果氧气被导入气体暴露腔室23内，那么Rsq.大大下降。这是因为用作表面活化气体的氧气改善了铜薄膜，即非磁性层5的表面状态。更确切地说，氧气降低了所述铜薄膜的表面粗糙度，增强了弹性散射，导致Rsq.下降。由于MR比与Rsq.成比例增大很多，所以可以认为所述铜薄膜，即非磁性层5已经生长成具有一个洁净的界面。由此可以明白，尽管Rsq.下降，但是ΔRsq.可以增大。
正如图6中的测定结果所显示的那样，随着氧气被导入气体暴露腔室23内并且在该腔室23内的量增大，层间耦合Hin将逐步下降。从而，如果在所述铜薄膜，即非磁性层5已经形成之后将基底1暴露在表面活化气体气氛中，那么固定磁化层4与自由磁化层6之间的层间耦合Hin可以下降到一个所需的值。
如同传统方法中那样在没有将基底1运送到气体暴露腔室23内的条件下制取一个自旋开关薄膜。在这种情况下，MR比大约为7.3％(参见图5A中示出的点A)。相反，在尽管将基底1运送到气体暴露腔室23内但没有将该基底1暴露于表面活化气体气氛中的条件下制取的自旋开关薄膜，其MR比大约为7.7％(参见图5B中示出的点B)。这很可能是因为，由于气体暴露腔室23和基底输送腔室24内的真空低于薄膜形成溅射腔室22内的真空，所以残留在所述腔室内的水、氢气、氧气等会被所述薄膜吸收的缘故。
图7A和7B示出了外部磁场H与MR比之间的关系，这是对通过以4sccm的最大流速供应所述气体而制取的样本1，即本发明中的一种自旋开关薄膜进行测定所获得的。为了进行对比，图8A和8B示出了外部磁场H与一种等同于样本1的自旋开关薄膜的MR比之间的关系，但该自旋开关薄膜如同传统制造方法中那样在没有将基底1运送到气体暴露腔室23内的条件下得以形成。图7B是图7A中的一个经放大部分，示出了外部磁场的零区域。同样，图8B是图8A中的一个经放大部分，也示出了外部磁场的零区域。
正如在图7A、7B、8A和8B中所示出的那样，与传统的自旋开关薄膜(图8A和8B)相比，本发明中的自旋开关薄膜(图7A和7B)显现出了更好的磁学特性。
另外，将TSSV型自旋开关薄膜制成本实施例中的样本2。样本2中的各个自旋开关薄膜均包括有：一个底层2，即3纳米厚的钽薄膜；一个自由磁化层6，该自由磁化层6由一个4纳米厚的NiFe薄膜和一个0.5纳米厚的CoFe薄膜构成；一个非磁性层5，即2.2纳米厚的铜薄膜；一个固定磁化层4，该固定磁化层4由一个2纳米厚的CoFe薄膜、一个0.9纳米厚的钌薄膜和一个1.5纳米厚的CoFe薄膜构成；一个反铁磁层3，即20纳米厚的PtMn薄膜；以及一个保护层7，即3纳米厚的钽薄膜。所述薄层2、6、5、4、3和7以所述顺序一层在另一层上地形成在一个Si-O基底1。
在形成所述反铁磁层3的过程中，在于265℃的气氛下施加一个10KOe磁场的同时，持续四个小时进行热处理。利用氧气作为表面活化气体。在已经被调节到一个特定值的流速下，持续30秒钟将氧气导入气体暴露腔室23内。
对由此制造来的自旋开关薄膜样本2进行测定。结果如图9A、9B、9C和图10所示。图9A是一个表示气体流速与MR比之间关系的曲线图。图9B是一个表示气体流速与Rsq.之间关系的曲线图。图9C是一个代表气体流速与ΔRsq.之间关系的曲线图。图10是一个描绘气体流速与层间耦合Hin之间关系的曲线图。
在图9A、9B、9C和图10中，示出了两个点A和B。点A与如同传统方法中那样在没有将基底1运送到气体暴露腔室23内的条件下制取的自旋开关薄膜有关。而点B与在尽管将基底1运送到了气体暴露腔室23内但没有将该基底1暴露于一种表面活化气体气氛中的条件下制取的自旋开关薄膜有关。
正如在图9A、9B和9C中所示的结果那样，无论气体的流速如何，如果氧气被导入气体暴露腔室23内，那么如同样本1那样，Rsq.大大下降。在导入的氧气量下降到4sccm之后，Rsq.增大。这很可能是因为，由于导入的氧气过量而产生氧化的缘故。
同时，MR比也大大提高。当氧气以大约1sccm的量导入时，MR比达到最大值。同样，当氧气以大约1sccm的量导入时，ΔRsq.最大。
正如图10中的测定结果所显示的那样，随着氧气被导入气体暴露腔室23内并且在该腔室23内的量增大，层间耦合Hin会逐步下降。从而，如果在所述铜薄膜，即非磁性层5已经形成之后，基底1被暴露在一种表面活化气体气氛中，那么固定磁化层4与自由磁化层6之间的层间耦合Hin可以下降到一个所需的值。
图11A和11B是两个代表外部磁场H与样本2的MR比之间关系的曲线图，其中，样本2即根据本发明通过以4sccm的流速导入气体而制造来的自旋开关薄膜。为了进行对比，图12A和12B示出了外部磁场H与一种等同于样本2的自旋开关薄膜的MR比之间的关系，但该自旋开关薄膜如同传统制造方法中那样在没有将基底1运送到气体暴露腔室23内的条件下得以形成。图11B是图11A中的一个经放大部分，示出了外部磁场的零区域。同样，图12B是图12A中的一个经放大部分，也示出了外部磁场的零区域。
正如在图11A、11B、12A和12B中所示出的那样，与传统的自旋开关薄膜(图12A和12B)相比，本发明中的自旋开关薄膜(图11A和11B)显现出了更好的磁学特性。
<对气体反应时间的相关性>
利用根据本发明的方法，通过持续不同的时间周期将表面活化气体导入气体暴露腔室23内，生产出一些自旋开关薄膜。对由此生产出来的自旋开关薄膜的磁学特性进行测试，从而确定出磁学特性对气体反应时间的依赖关系。
在本示例中，将BSSV型自旋开关薄膜制成样本3。该样本3包括有：一个底层2，即3纳米厚的钽薄膜；一个反铁磁层3，即20纳米厚的PtMn薄膜；一个固定磁化层4，该固定磁化层4由一个1.5纳米厚的CoFe薄膜、一个0.9纳米厚的钌薄膜和一个2纳米厚的CoFe薄膜构成；一个非磁性层5，即2.2纳米厚的铜薄膜；一个自由磁化层6，该自由磁化层6由一个0.5纳米厚的CoFe薄膜和一个4纳米厚的NiFe薄膜构成；以及一个保护层7，即3纳米厚的钽薄膜。所述薄层2、3、4、5、6和7以所述顺序一层在另一层上地形成在一个Si-O基底1上。
在形成所述反铁磁层3的过程中，在于265℃的气氛下施加一个10KOe磁场的同时，持续四个小时进行热处理。利用氧气作为表面活化气体。以4sccm的流速、或者以一特定的流速将氧气导入气体暴露腔室23内，气体以该特定的流速导入以形成样本1以获得最大MR比。
通过持续15秒钟、30秒钟和120秒钟导入氧气，即表面活化气体，来制造自旋开关薄膜样本3。对由此制造的各个自旋开关薄膜测定外部磁场H与MR比之间的关系。结果如图13A、13B、14A、14B、15A和15B所示。
图13A和13B是两个特性曲线，表示了外部磁场H与通过持续15秒钟导入氧气而制造来的自旋开关薄膜的MR比之间的关系。图13B是图13A中的一个经放大部分，示出了外部磁场的零区域。图14A和14B是两个特性曲线，代表了外部磁场H与通过持续30秒钟导入氧气而制造来的自旋开关薄膜的MR比之间的关系。图14B是图14A中的一个经放大部分，示出了外部磁场的零区域。图15A和15B是两个特图，图示了外部磁场H与通过持续120秒钟导入氧气而制造来的自旋开关薄膜的MR比之间的关系。图15B是图15A中的一个经放大部分，也示出了外部磁场的零区域。
正如图13A、13B、14A、14B、15A和15B中的测定结果所示，尽管导入氧气持续了不同的时间周期，但是自旋开关薄膜的磁学特性未发生大变化。显然，气体反应时间对MR比(ΔRsq./Rsq.)和层间耦合Hin产生影响，但是影响非常小。可以发现，重要的是对气体的流速或气体压力进行控制。
<对薄膜厚度的相关性>
再有，利用根据本发明的方法生产一些自旋开关薄膜，这些薄膜在铜薄膜，即非磁性层5的厚度上不同。对各个自旋开关薄膜中作用于固定磁化层4与自由磁化层6之间的层间耦合Hin进行测定，以确定出层间耦合Hin对所述铜薄膜厚度的依赖关系。如同样本1那样，对这些自旋开关薄膜的MR比(ΔRsq./Rsq.)进行测试。
为了进行对比，如同传统制造方法中那样在没有将基底1运送到气体暴露腔室23内的条件下制取一些自旋开关薄膜。
在本示例中，将BSSV型自旋开关薄膜制成样本4。该样本4包括有：一个底层2，即3纳米厚的钽薄膜；一个反铁磁层3，即20纳米厚的PtMn薄膜；一个固定磁化层4，该固定磁化层4由一个1.5纳米厚的CoFe薄膜、一个0.9纳米厚的钌薄膜和一个2纳米厚的CoFe薄膜构成；一个非磁性层5，即厚度为1.6至2.9纳米的铜薄膜；一个自由磁化层6，该自由磁化层6由一个0.5纳米厚的CoFe薄膜和一个4纳米厚的NiFe薄膜构成；以及一个保护层7，即3纳米厚的钽薄膜。所述薄层2、3、4、5、6和7以所述顺序一层在另一层上地形成在一个Si-O基底1上。
在形成所述反铁磁层3的过程中，在于265℃的气氛下施加一个10KOe磁场的同时，持续四个小时进行热处理。利用氧气作为表面活化气体。以4sccm的流速，或者是以在样本1中导入气体来获得最大MR比的流速，持续30秒钟将氧气导入气体暴露腔室23内。
图16和图17A、17B、17C示出了样本4的测定结果。图16是一个代表铜薄膜(即非磁性层5)的厚度与层间耦合Hin之间关系的特性曲线。曲线X代表了在利用根据本发明的方法制取的薄膜中观测到的关系。曲线Y代表了如同传统方法中那样在没有将基底1运送到气体暴露腔室23内的条件下制取的薄膜中观测到的关系。图17A是一个图示铜薄膜厚度与MR比之间关系的特性曲线。图17B是一个示出铜薄膜厚度与Rsq.之间关系的特性曲线。图17C是一个描绘铜薄膜厚度与ΔRsq.之间关系的特性曲线。
正如图16中的测定结果和曲线X与曲线Y的比较所示出的那样，对于铜薄膜，即非磁性层5，没有观察到层间耦合Hin中的太大差异。尽管如此，所述铜薄膜，即非磁性层5越薄，利用本发明制造来的自旋开关薄膜的层间耦合就越小。正如从图16中所看到的那样，与如同传统方法中那样在没有将基底1运送到气体暴露腔室23内的条件下制取的自旋开关薄膜相比，本发明中的自旋开关薄膜具有较小的层间耦合Hin。
这很可能是因为，在用作表面活化气体的氧气的作用下，所述铜薄膜，即非磁性层5的表面状态得以改善的缘故。在这个方面，需要注意的是，层间耦合Hin由两个分量组成。第一分量是随着铜薄膜的厚度发生变化的量子动力分量。第二分量是由于界面粗糙度导致的桔皮效应(orange-peel effect)而引起铁磁耦合的分量。似乎是，随着所述铜薄膜的表面状态在基底被暴露在表面活化气体气氛中时得以改善，所述第二分量下降。
如果在所述铜薄膜或者说非磁性层5形成之后基底1被暴露在一种表面活化气体气氛中，那么可以抑制作用于固定磁化层4与自由磁化层6之间的层间耦合。因此，如果层间耦合Hin等于或者小于被认为不会产生实际问题的20奥斯特，则所述铜薄膜或者说非磁性层5可以被制得很薄，从迄今为止被看作是一个标准值的大约2.9纳米至大约2.2纳米。
正如图17A、17B和17C中的测定结果所示出的那样，Rsq.和ΔRsq.可以分别提高大约6％和大约23％。从而，MR比可以增大大约16％。这非常有助于产生较大的输出。
样本4中的自旋开关薄膜是利用本发明中的方法制取的，该自旋开关薄膜具有用作非磁性层5的铜薄膜，并且该铜薄膜具有大约2.0纳米、2.2纳米、2.9纳米的不同厚度。在样本4的各个自旋开关薄膜中观测到的外部磁场H与MR比之间的关系，在图18A、18B、19A、19B、20A和20B中示出。
图18A和18B是两个特性曲线，表示了外部磁场H与具有2.0纳米厚铜薄膜的自旋开关薄膜的MR比之间的关系。图18B是图18A中的一个经放大部分，示出了外部磁场的零区域。图19A和19B是两个特性曲线，代表了外部磁场H与具有2.2纳米厚铜薄膜的自旋开关薄膜的MR比之间的关系。图19B是图19A中的一个经放大部分，示出了外部磁场的零区域。图20A和20B是特性曲线，示出了外部磁场H与具有2.9纳米厚铜薄膜的自旋开关薄膜的MR比之间的关系。图20B是图20A中的一个经放大部分，示出了外部磁场的零区域。
正如从图18A、18B、19A、19B、20A和20B中的测定结果所看出的那样，在任何一个具有一个2.0纳米厚的铜薄膜(即非磁性层5)的自旋开关薄膜中，图17A中所示出的MR比提高，但图16中所示出的层间耦合Hin下降。该自旋开关薄膜无法获得如同具有一个2.2纳米厚的铜薄膜的自旋开关薄膜和具有一个2.9纳米厚的铜薄膜的自旋开关薄膜那样的良好磁学特性(MR曲线)。如果用作非磁性层5的铜薄膜的厚度为1.83纳米或者更薄，那么图17A中所示出的MR比将下降非常多。这很可能是因为，由于所述铜薄膜为1.83纳米或者更薄，图16中所示出的层间耦合Hin明显增大的缘故。由于层间耦合Hin增大，所以外部磁场H旋动自由磁化层6的磁化方向，这相应地旋动固定磁化层4的磁化方向。
<对铜薄膜分割状况的相关性>
制造一些自旋开关薄膜，各个自旋开关薄膜均通过将铜薄膜或者说非磁性层5分割成多个部分并且通过将基底1暴露于一种表面活化气体气氛中而制成。对这些自旋开关薄膜的磁学特性进行测定，以确定出所述铜薄膜的分割如何对各个自旋开关薄膜的磁学特性造成影响。
在本示例中，将BSSV型自旋开关薄膜制成样本5。该样本5中的各个自旋开关薄膜均包括有：一个底层2，即3纳米厚的钽薄膜；一个反铁磁层3，即20纳米厚的PtMn薄膜；一个固定磁化层4，该固定磁化层4由一个1.7纳米厚的CoFe薄膜、一个0.9纳米厚的钌薄膜和一个2.2纳米厚的CoFe薄膜构成；一个非磁性层5，即一个1.2纳米厚的铜薄膜和一个1.2纳米厚的铜薄膜；一个自由磁化层6，该自由磁化层6由一个1纳米厚的CoFe薄膜和一个2纳米厚的NiFe薄膜；以及一个保护层7，即3纳米厚的钽薄膜。所述薄层2、3、4、5、6和7以所述顺序一层在另一层上地形成在一个Si-O基底1上。
在形成各个自旋开关薄膜中反铁磁层3的过程中，在于265℃的气氛下施加一个10KOe磁场的同时，持续四个小时进行热处理。利用氧气作为表面活化气体。以1sccm的流速，持续30秒钟将氧气导入气体暴露腔室23内。
在所述第一铜薄膜，即非磁性层5形成之后，各个自旋开关薄膜的基底1均被运送到气体暴露腔室23内并且暴露在表面活化气体气氛中。对由此制取的样本5中的自旋开关薄膜进行检测，以确定出外部磁场H与MR比之间的关系。结果如图21A和21B中所示。图21B是图21A中的一个经放大部分，示出了外部磁场的零区域。
为了进行对比，图22A和22B示出了外部磁场H与等同于样本5的自旋开关薄膜的MR比之间的关系，但是这些自旋开关薄膜如同传统制造方法那样在没有将基底1运送到气体暴露腔室23内的条件下制取。图22B是图22A中的一个经放大部分，示出了外部磁场的零区域。
正如图21A、21B、22A和22B中的测定结果所显示的那样，通过将铜薄膜或者非磁性层5分隔成多个部分并且通过将基底1暴露在表面活化气体气氛中所制取的各个自旋开关薄膜显现出了良好的磁学特性。另外，如同在具有所述铜薄膜，即非磁性层5的基底1被暴露于一种表面活化气体气氛中的情况下那样，可以抑制作用于固定磁化层4与自由磁化层6之间的层间耦合Hin。
<对暴露于气体中的分界面的相关性>
制造一些自旋开关薄膜，各个自旋开关薄膜均通过在一个除用作非磁性层5的铜薄膜之外的位置处，将基底1暴露于表面活化气体气氛中而制成。对这些自旋开关薄膜的磁学特性进行测试，从而确定出基底1被暴露于表面活化气体气氛中的交界面如何对各个自旋开关薄膜的磁学特性造成影响。
将TSV型自旋开关薄膜制成本实施例中的样本6。该样本6中的各个自旋开关薄膜均包括有：一个底层2，即3纳米厚的钽薄膜；一个自由磁化层6，该自由磁化层6由一个4纳米厚的NiFe薄膜和一个2纳米厚的CoFe薄膜构成；一个非磁性层5，即2.2纳米厚的铜薄膜；一个固定磁化层4，该固定磁化层4由一个2纳米厚的CoFe薄膜构成；一个反铁磁层3，即20纳米厚的PtMn薄膜；以及一个保护层7，即3纳米厚的钽薄膜。所述薄层2、6、5、4、3和7以所述顺序一层在另一层上地形成在一个Si-O基底1上。
在形成各个自旋开关薄膜中反铁磁层3的过程中，在于265℃的气氛下施加一个2KOe磁场的同时，持续四个小时进行热处理。利用氧气作为表面活化气体。以30sccm的流速，持续30秒钟将氧气导入气体暴露腔室23内。
在所述Ta薄膜，即底层2形成之后，将样本6中一些自旋开关薄膜的基底1运送到气体暴露腔室23内并且暴露于表面活化气体气氛中。对以这种方式制取的样本6中的自旋开关薄膜进行测试，来确定出外部磁场H与MR比之间的关系。结果如图23A所示。
此外，在所述NiFe薄膜，即自由磁化层6形成之后，将样本6中其它一些自旋开关薄膜的基底1运送到气体暴露腔室23内并且暴露于表面活化气体气氛中。对以这种方式制取的样本6中的自旋开关薄膜进行测试，来确定出外部磁场H与MR比之间的关系。结果如图23B中所示。
为了进行对比，在所述铜薄膜，即非磁性层5形成之后，将样本6中另外一些自旋开关薄膜内的基底1运送到气体暴露腔室23内并且暴露于表面活化气体气氛中。对以这种方式制取的样本6中的自旋开关薄膜进行测试，以确定出外部磁场H与MR比之间的关系。结果如图23C所示。
另外，制取出一些自旋开关薄膜，除了这些自旋开关薄膜如同传统制造方法中那样在没有将基底1运送到气体暴露腔室23内的条件下制取之外，这些自旋开关薄膜与样本6相同。对这些自旋开关薄膜进行测试，以确定出外部磁场H与MR比之间的关系。结果如图23D所示。
正如图23A、23B、23C和23D中的测定结果所示出的那样，与如同传统制造方法中那样在不将基底1送到气体暴露腔室23中的条件下形成的任何自旋开关薄膜相比，并与通过在铜薄膜(即非磁性层5)形成之后将基底1暴露于表面活化气体气氛中制取出的任何自旋开关薄膜相比，通过在钽薄膜或者NiFe薄膜形成之后将基底1暴露于表面活化气体气氛中制取的自旋开关薄膜，显现出了较低的MR比。因此，优选是在铜薄膜，即非磁性层5已经形成之后，将基底1暴露于表面活化气体气氛中。
通过在钽薄膜或者NiFe薄膜形成之后将基底1暴露于表面活化气体气氛中制取出的自旋开关薄膜，具有较低的MR比。这很可能是由于晶体取向受到损害或者在基底1中混入了杂质的缘故。
为了对晶体取向的变化进行评价，执行了X光衍射分析以确定出PtMn薄膜或者反铁磁层3的X射线相对强度与NiFe薄膜或者自由磁化层6的X射线相对强度之间的关系。结果如图24中所示。
如图24中的测定结果所示，在基底1如同本发明中那样在铜薄膜形成之后被暴露于一种表面活化气体气氛的情况下，PtMn薄膜和NiFe薄膜的X射线相对强度未减小。在基底1如同传统方法中那样没有被暴露于一种表面活化气体气氛中的情况下，PtMn薄膜和NiFe薄膜的X射线相对强度未减小。
相反，在钽薄膜和NiFe薄膜形成之后基底1被暴露于一种表面活化气体的情况下，PtMn薄膜和NiFe薄膜的X射线相对强度大大下降。可以认为，NiFe薄膜的晶体取向对自由磁化层6的软磁性能造成影响。也可以认为，PtMn薄膜的晶体取向对反铁磁层3的性能造成影响。另外，就此而言，显然所希望的是，在铜薄膜或者非磁性层5已经形成之后将基底1暴露于表面活化气体气氛中。
下面将对一种根据本发明制造根据一种磁阻效应磁头的方法进行描述。
该方法被设计来制造一种图25所示类型的磁阻效应磁头40(在下文中称作“MR头”)。首先，将对根据本发明的MR头40进行描述。图25是所述MR头40的示意性端部视图，从与一个磁性记录介质相对的侧面观察。在下面的描述中，将对每个元件例示具体的材料、特定的尺寸和厚度、以及特定的薄膜形成工艺。尽管如此，所述组件的材料和尺寸并不局限于这些具体示例。
所述MR头40包括有一个基底41、一个第一非磁性层42、一个第一软磁性薄膜43、一个第二非磁性层44、一个第三无磁性薄膜45、一个自旋开关薄膜46、一对电极薄膜47a和47b、一个第四无磁性薄膜48以及一个第二软磁性薄膜49。第一非磁性层42，或者说底层被设置在基底41上。第一软磁性薄膜43，或者说下部屏蔽层被设置在第一非磁性层42上。第二非磁性层44，或者说下部屏蔽层被设置在第一非磁性层42上，并且具有一个与第一软磁性薄膜43相平齐设置的上表面。第三无磁性薄膜45，或者说底层间隔件(under-layer gap)形成在第一软磁性薄膜43和第二软磁性薄膜44上。自旋开关薄膜46被设置在第三无磁性薄膜45上。自旋开关薄膜46与电极薄膜47a和47b构成了一个磁阻效应元件(在下文中称作“MR元件”)。第四无磁性薄膜48形成在第三无磁性薄膜45上，将均形成在该无磁性薄膜45上的电极薄膜47a和47b覆盖起来，并且用作一个上层间隔件。第二软磁性薄膜49被设置在第四无磁性薄膜48上，位于自旋开关薄膜46正上方，并且用作一个上部屏蔽层。
在该MR头40中，分别用作下层间隔件和上层间隔件的第三无磁性薄膜45和第四无磁性薄膜48，被设置在分别用作下部屏蔽层和上部屏蔽层的第一软磁性薄膜43与第二软磁性薄膜49之间。因此，第三无磁性薄膜45与第四无磁性薄膜48形成了一个复制间隙(a reproduction gap)，同时，自旋开关薄膜46，即MR元件，位于它们之间。
在该MR头40上，设置有一个用作记录头的感应头。该感应头包括有一个第五无磁性薄膜50、一个薄膜线圈(未示出)以及一个第三软磁性薄膜51。第五无磁性薄膜50被设置在用作一个下层芯子(a lower-layer core)的第二软磁性薄膜49上。薄膜50在与记录介质相对的侧面上具有规定的厚度。所述薄膜线圈被包埋在第五无磁性薄膜50中。第三软磁性薄膜51在所述薄膜线圈的中部邻接第二软磁性薄膜49，并且用作一个上层芯子。在第三软磁性薄膜51上形成有一个第六无磁性薄膜52，该第六无磁性薄膜52用作一个保护层。
在所述感应头中，分别用作下层芯子和上层芯子的第二软磁性薄膜49和第三软磁性薄膜51构成了一个磁性芯子。第五无磁性薄膜50被设置在第二软磁性薄膜49与第三软磁性薄膜51之间，从而形成了一个磁性间隙。
在该MR头40中，经由所述那对电极薄膜47a和47b向用作MR元件的自旋开关薄膜46供送一个恒定的读出电流，来复制来自于磁性记录介质的磁性信号。自旋开关薄膜46的电阻根据从磁性记录介质发射出的信号磁场变化。因此，供送至自旋开关薄膜46上的读出电流的电压根据该自旋开关薄膜46的电阻的变化而变化。从而，该MR头40可以通过测定读出电流的电压变化，来对从磁性记录介质发射出的信号磁场进行检测。
为了在磁性记录介质上记录下磁性信号，将一个与该信号对应的电流供送至感应头中的薄膜线圈上。从由该薄膜线圈产生的磁场延伸出来的磁通，将穿过由第二软磁性薄膜49和第三软磁性薄膜51构成的磁性芯子。从而，所述感应头在第二软磁性薄膜49与第三软磁性薄膜51之间的间隔内产生一个泄漏磁场。该泄漏磁场作用于该介质，从而在该磁性记录介质上记录下所述磁性信号。
下面，将对如何制造所述MR头40进行描述。首先，制备一个形如平板的基底41，该基底41由诸如Al2O3-TiC(Altic)等硬质非磁性材料制成。在一个主要表面上对该基底41进行镜面抛光。
接着，在基底41的该主要表面上形成一个第一无磁性薄膜42，或者说底层。该第一无磁性薄膜42是一个厚度大约为5微米的Al2O3薄膜。对该薄膜42进行抛光，使得其具有一个光洁表面。
在第一无磁性薄膜42上形成一个第一软磁性薄膜43，或者说下部磁性屏蔽层。该第一软磁性薄膜43可以由具有良好软磁性能的材料制成，比如Fe-Al-Si合金(铁硅铝磁合金)，Fe-Si-Ru-Ga合金或者Fe-Ta-N合金。在本实施例中，第一软磁性薄膜43借助于利用抗蚀剂构图的干式蚀刻工艺由铁硅铝磁合金制成，并且其厚度大约为3至5微米。
在第一软磁性薄膜43上形成一个第二无磁性薄膜44，其中，第一软磁性薄膜43已经形成在第一无磁性薄膜42上。该第二无磁性薄膜44可以由诸如类金刚石碳(DLC)或者Al2O3这样的非磁性材料制成。更确切地说，薄膜44借助于高频溅射由类金刚石碳(DLC)制成，并且其厚度大约为3至5微米。该第二无磁性薄膜44可以在将一个外部磁场作用于该结构的同时而制取，以对所述第一软磁性薄膜43的磁学特性进行控制。
对第二无磁性薄膜44进行抛光处理，显露出包埋于该第二无磁性薄膜44内的第一软磁性薄膜43。经过如此抛光处理，第二无磁性薄膜44的表面将与第一软磁性薄膜43的表面相平齐。
所希望的是，对第二无磁性薄膜44进行抛光处理，直至该薄膜44和第一软磁性薄膜43的表面粗糙度下降到1纳米或者更低。如果薄膜43和44得以如此抛光处理，那么第三无磁性薄膜45将被制成具有很高的厚度精度。
接着，在第一软磁性薄膜43和第二无磁性薄膜44上形成第三无磁性薄膜45，其中，第一软磁性薄膜43和第二无磁性薄膜44的表面相互平齐。第三无磁性薄膜45通过高频等离子体工艺由类金刚石碳(DLC)制成，并且其厚度为0.3至0.5微米。该第三无磁性薄膜45可以在将一个外部磁场作用于该结构的同时制取，以便对第一软磁性薄膜43的磁学特性进行控制。所希望的是，对该第三无磁学薄膜45进行抛光处理，直至该薄膜45的表面粗糙度下降到1纳米或者更低。如果薄膜45得以如此抛光处理，那么自旋开关薄膜46和一对电极薄膜47a和47b将被制成具有很高的厚度精度，从而该MR头40可以以很高的效率对信号进行重现。
利用根据本发明的方法，在第三无磁性薄膜45上形成一个自旋开关薄膜46，或者说一个磁阻效应元件，该方法已经在前面进行了描述。
也就是说，通过利用前述的溅射设备20来形成所述自旋开关薄膜46。更具体地说，按所述顺序依次形成一个底层2，即3纳米厚的钽薄膜；一个反铁磁层3，即20纳米厚的PtMn薄膜；一个固定磁化层4，该固定磁化层4由一个1.5纳米厚的CoFe薄膜、一个0.8纳米厚的钌薄膜和一个2.0纳米厚的CoFe薄膜构成；一个非磁性层5，即2.2纳米厚的铜薄膜；一个自由磁化层6，该自由磁化层6由一个0.5纳米厚的CoFe薄膜和一个4纳米厚的NiFe薄膜构成；以及一个保护层7，即3纳米厚的钽薄膜。
当所述铜薄膜，或者说非磁性层5已经在溅射设备20的薄膜形成溅射腔室22内形成之后，基底41被运送到气体暴露腔室23内。在该气体暴露腔室23内，基底41被暴露于一种表面活化气体气氛中。所述铜薄膜的表面因而得以活化。该铜薄膜，或者说非磁性层5的表面变得光洁平整。在薄膜形成溅射腔室22内，反铁磁层3可以在较高真空的条件下制取。
利用这种方法，即使位于固定磁化层4与自由磁化层6之间的铜薄膜，即非磁性层5被制得较薄，也可以抑制层4与6之间的层间耦合。另外，所述反铁磁层可以具有良好的性能。因此，可以提供一种在MR比方面得以改善的高质量自旋开关薄膜。
接下来，在自旋开关薄膜46的端部上形成一对电极薄膜47a和47b。电极薄膜47a和47b均由诸如铜这样的导电材料制成。它们通过气相沉积、溅射等分别形成在自旋开关薄膜46的两个端部处。
随后，在第三无磁性薄膜45上形成一个第四无磁性薄膜48，或者说上部间隔件，其中，在第三无磁性薄膜45上形成有自旋开关薄膜46和电极薄膜47a和47b。该第四无磁性薄膜48由诸如Al2O3这样的无磁性绝缘材料制成，并且通过溅射等形成。
在第四无磁性薄膜48上形成一个第二软磁性薄膜49，该第二软磁性薄膜49既用作一个上部屏蔽层，也用作一个下层芯子。如同第一软磁性薄膜43那样，该第二软磁性薄膜49也由软磁性材料制成。
在第二软磁性薄膜49上形成一个第五非磁性膜50。该第五非磁性膜50由诸如Al2O3这样的无磁性绝缘材料制成，并且借助于诸如溅射工艺而形成。在第五非磁性膜50中形成一个薄膜线圈(未示出)。该薄膜线圈是一个螺旋线圈，在其中部位于第二软磁性薄膜49与第三软磁性薄膜51(在后面描述)之间的接合处。
在第五非磁性层50上形成一个第三软磁性薄膜51，该第三软磁性薄膜51用作一个上层芯子。如同第一软磁性薄膜43和第二软磁性薄膜49那样，该第三软磁性薄膜51也由优质的软磁性材料制成。该第三软磁性薄膜51在所述薄膜线圈的中部处与第二软磁性薄膜49接触。
接着，在基底41的整个表面上形成一个第六无磁性薄膜52，该第六无磁性薄膜51用作一个防护薄膜。该第六无磁性薄膜52也由诸如Al2O3这样的无磁性绝缘材料制成，并且通过溅射工艺等形成。
利用本发明的方法，易于制造一种具有较高MR比的磁阻效应磁头。
正如前面所述那样，即使位于一个固定磁化层与一个自由磁化层之间并且用作一个非磁性层的铜薄膜被制得很薄，本发明也能够抑制作用于所述薄层之间的层间耦合。此外，本发明可以在较高的真空中形成一个反铁磁层。因此，本发明易于制造一种高质量的自旋开关薄膜，这种自旋开关薄膜具有较高的磁阻变化比率。本发明还易于制造一种高质量的磁阻效应磁头，该磁阻效应磁头包括有这样一个自旋开关薄膜，该自旋开关薄膜被用作一个磁敏感元件，用于对从磁性记录介质发射出的磁性信号进行检测。
权利要求书
(按照条约第19条的修改)
1.一种制造自旋开关薄膜的方法，该自旋开关薄膜包括：一个反铁磁层；一个固定磁化层，该层利用一个作用于该固定磁化层与反铁磁层之间的交换耦合磁场而在一个规定方向上被磁化；一个自由磁化层，该自由磁化层具有一个与外部磁场相一致的磁化方向；以及一个由铜薄膜制成的非磁性层，该非磁性层将固定磁化层与自由磁化层磁性隔离开，这些层一层在另一层上地叠置在至少一个基底上，所述方法包括：
在一个薄膜形成溅射腔室内借助于在减压条件下进行的溅射工艺，在所述基底上形成一些层，这些层的最后一层是用作非磁性层的具有2.0至2.6nm厚度的铜薄膜，并在一个充满气体的气体暴露腔室内将所述基底暴露于一种气体气氛中，其中，所述气体对所述铜薄膜的表面进行活化；以及
在所述薄膜形成溅射腔室内，在所述基底上形成所述自旋开关薄膜的其余层。
2.根据权利要求1所述的制造自旋开关薄膜的方法，其中，在所述基底上以所述顺序一层在另一层上地至少形成所述反铁磁层、固定磁化层、非磁性层和自由磁化层。
3.根据权利要求1所述的制造自旋开关薄膜的方法，其中，在所述基底上以所述顺序一层在另一层上地至少形成所述自由磁化层、非磁性层、固定磁化层和反铁磁层。
4.根据权利要求1所述的制造自旋开关薄膜的方法，其中，在所述基底上以所述顺序一层在另一层上地至少形成所述反铁磁层、固定磁化层、非磁性层、自由磁化层、非磁性层、固定磁化层和反铁磁层。
5.根据权利要求1所述的制造自旋开关薄膜的方法，其中，在将对所述铜薄膜表面进行活化的气体导入气体暴露腔室内之前，将一种惰性气体导入该气体暴露腔室内。
6.根据权利要求1所述的制造自旋开关薄膜的方法，其中，所述对铜薄膜的表面进行活化的气体至少包括选自由氧气、氢气和氮气组成的组中的一种气体。
7.根据权利要求1所述的制造自旋开关薄膜的方法，其中，所述反铁磁层由包括锰的反铁磁性材料制成。
8.一种制造磁阻效应磁头的方法，该磁阻效应磁头包括有一个自旋开关薄膜，该自旋开关薄膜作为一个磁敏感元件，用于对从磁性记录介质发射出的磁性信号进行检测，所述自旋开关薄膜包括有：一个反铁磁层；一个固定磁化层，该层利用一个作用于该固定磁化层与反铁磁层之间的交换耦合磁场而在一个规定方向上被磁化；一个自由磁化层，该自由磁化层具有一个与外部磁场相一致的磁化方向；以及一个由铜薄膜制成的非磁性层，该非磁性层将固定磁化层与自由磁化层磁性隔离开，这些层一层在另一层上地叠在至少一个基底上，所述方法包括通过下述步骤形成所述自旋开关薄膜：
在一个薄膜形成溅射腔室内借助于在减压条件下进行的溅射工艺，在所述基底上形成一些层，这些层的最后一层是用作非磁性层的具有2.0至2.6nm厚度的铜薄膜，并在一个充满气体的气体暴露腔室内将所述基底暴露于一种气体气氛中，其中，所述气体对所述铜薄膜的表面进行活化；以及
在所述薄膜形成溅射腔室内，在所述基底上形成所述自旋开关薄膜的其余层。
9.根据权利要求8所述的制造磁阻效应磁头的方法，其中，在所述基底上以所述顺序一层在另一层上地至少形成所述反铁磁层、固定磁化层、非磁性层和自由磁化层。
10.根据权利要求8所述的制造磁阻效应磁头的方法，其中，在所述基底上以所述顺序一层在另一层上地至少形成所述自由磁化层、非磁性层、固定磁化层和反铁磁层。
11.根据权利要求8所述的制造磁阻效应磁头的方法，其中，在所述基底上以所述顺序一层在另一层上地至少形成所述反铁磁层、固定磁化层、非磁性层、自由磁化层、非磁性层、固定磁化层和反铁磁层。
12.根据权利要求8所述的制造磁阻效应磁头的方法，其中，在将对铜薄膜表面进行活化的气体导入气体暴露腔室内之前，将一种惰性气体导入该气体暴露腔室内。
13.根据权利要求8所述的制造磁阻效应磁头的方法，其中，对所述铜薄膜的表面进行活化的气体至少包括选自由氧气、氢气和氮气组成的组中的一种气体。
14.根据权利要求8所述的制造磁阻效应磁头的方法，其中，所述反铁磁层由包括锰的反铁磁性材料制成。