材料合成与制备—巨磁电阻多层膜.ppt

巨磁电阻薄膜制备方法 ——磁控溅射法 材料科学与工程戴川 一、巨磁电阻效应 1.2007年诺贝尔物理学奖颁给了法国科学家阿尔贝·费尔(左)和德国科学家彼得·格林贝格尔（右）。 2.阿尔贝·费尔和彼得·格林贝格尔1988年各自独立发现了一种全新的物理效应-巨磁电阻效应，即一个微弱的磁场变化可以在巨磁电阻系统中产生很大的电阻变化。 3.巨磁电阻效应：磁性材料的电阻率在有外磁场作用时较之无外磁场作用时存在巨大变化的现象。它产生于层状的磁性薄膜结构中，这种结构是由铁磁材料和非铁磁材料薄层交替叠合而成。 二、薄膜物理制备方法 1.真空蒸发镀膜 2.溅射镀膜 3.离子束镀膜 4.分子束外延技术 5.脉冲激光沉积技术 三、薄膜的化学制备方法 1.化学气相沉积（CVD） 2.化学溶液制备技术 2.1 化学反应镀膜 2.2 溶胶-凝胶（Sol-Gel）法 2.3 阳极氧化法 2.4 电镀法 2.5 喷雾热分解法 3.薄膜的软溶液制备技术 四、磁控溅射方法 电子在电场的作用下加速飞向基片的过程中与Ar原子发生碰撞，电离出大量的Ar离子和电子，电子飞向基片，在此过程中不断和Ar原子碰撞，产生更多的Ar离子和电子。Ar离子在电场的作用下加速轰击靶材，溅射出大量的靶材原子，呈中性的靶原子（或分子）沉积在基片上成膜。 溅射过程即为入射离子通过一系列碰撞进行能量和动量交换的过程。 靶材 基片 V (0) E + Ar Ar+ - e - e - e + Ar+ 4.1 溅射原理 4.2 一般溅射沉积方法的缺点： 1.溅射方法沉积薄膜的沉积速率较低； 2.溅射所需的工作气压较高，由此造成气体分子对薄膜污染的可能性提高。 为了提高沉积速度、降低工作气体压力，发展了磁控溅射技术。 4.3 磁控溅射的优点 稳定性好 重复性好 均匀性好 高速 低温 应用广泛 金属 非金属 金属化合物 非金属化合物 4.4 影响溅镀效率的因素 磁场分布 溅射速率 沉积速率 工作气压 工作电压 溅射功率 靶基距 五、三种磁控溅射方法 1.射频（RF）磁控溅射 2.直流（DC）磁控溅射 3.中频（MF）磁控溅射 * 5.1 射频（RF）磁控溅射 射频磁控溅射的特点： 电流大，溅射速率高，产量大 膜层与基体的附着力比较强 向基片的入射能量低，避免了 基片温度的过度升高 大功率的射频电源价格较高 ，对 于人身防护也成问题 。 装置较复杂，存在绝缘、屏蔽、 匹配网络装置与安装、电极冷却 等多种装置部件 。 射频溅射不适于工业生产应用 。 1-磁极 2-屏蔽罩 3-基片 4-基片加热装置 5-溅射靶 6-磁力线 7-电场 8-挡板 9-匹配网络 10-电源 11-射频发生器 右图为射频磁控溅射实验装置示意图。 * 5.2 直流（DC）磁控溅射 1-磁极 2-屏蔽罩 3-基片 4-基片加热装置 5-溅射靶 6-磁力线 7-电场 8-挡板 直流磁控溅射装置图与射频磁控溅射装置图相比，其不需要外部复杂的网络匹配装置和昂贵的射频电源装置，适合溅射导体或者半导体材料。现已经在工业上大量使用。 ⅰ. 直流磁控溅射的特点 ⅱ. 靶材 直流磁控溅射沉积薄膜一般用平面靶。 圆形平面靶： η≤15% 矩形平面靶： η～30% * 5.3 中频（MF）磁控溅射 中频交流磁控溅射可用在单个阴极靶系统中。 工业上一般使用孪生靶溅射系统。 * 旋转靶的优点 靶材利用率最高可达 70% 以上 靶材有更长的使用寿命 更快的溅射速率 杜绝靶中毒现象 5.4中频（MF）磁控溅射 * 5.5 三种磁控溅射对比 DC MF RF 电源价格 便宜 一般 昂贵 靶材 圆靶/矩形靶 平面靶/旋转靶 实验室一般用圆平面靶 靶材材质要求 导体 无限制 无限制 抵御靶中毒能力 弱 强 强 靶材利用率 15％ / 30％ 30％ / 70％ 应用 金属 金属/化合物 工业上不采用此法 易打弧，不稳定 在反应溅射中要严格控制反应气体流量 工作稳定， 无打弧现象， 溅射速率快 6. 多层膜的制备 对于巨磁电阻多层膜结构，每层膜的厚度都纳米尺度，并且薄膜表面均匀性以及晶粒结构对其性能影响很大，采用直流磁控溅射方法是目前科研领域制备多层膜主要制备方法之一，归因于制备过程中可控性较好，容易得到结构稳定，性能良好的薄膜结构，从而能很好地提高薄膜材料的磁敏感性。 谢谢大家！