ДАТЧИК ХОЛЛА ДЛЯ ЛОКАЛЬНОЙ МАГНИТОМЕТРИИ Российский патент 2008 года по МПК G01R33/07 

Изобретение относится к области приборостроения, в частности к тонкопленочным датчикам на основе экстраординарного эффекта Холла, и может быть использовано в микроэлектронике при измерении и регистрации локальных магнитных полей и величин электрического тока, а также при разработке микроэлектронных устройств нового поколения.

Известен метод регистрации магнитного поля нанообъектов методом магнитной силовой микроскопии (A.M.Алексеев, А.Ф.Попков, Магнитно-силовая Микроскопия (МСМ). NT-MDT & ГосНИИ Физических Проблем, Москва. URL http://ru.ntmdt.ru/SPM-Techniques/SPM-Methodology/Magnetic_Force_Microscopy_MFM/text45.html). Метод основан на регистрации взаимодействия магнитного кантилевера с магнитным полем поверхности образца. Визуализация магнитного поля поверхности образца проводится при помощи достаточно сложного оборудования, например сканирующего зондового микроскопа "Solver MFM" (NT-MDT http://www.ntmdt.com).

Однако данный прибор не дает возможности определить полярность намагниченности поверхности образца, а определение величины магнитного поля при помощи подобных приборов возможно только по косвенным признакам и с небольшой точностью. Недостатком данного метода является также возможность изменения намагниченности как кантилевера, так и исследуемого образца из-за их магнитного взаимодействия.

Известен датчик магнитного поля, включающий изолирующую подложку и проводящую тонкую пленку, помещенную на подложке. Тонкая пленка состоит из ферромагнитного материала, в частности никеля (Ni). Тонкая пленка также имеет удельное электрическое сопротивление и толщину пленки, не большие чем пороговая толщина, при которой удельное сопротивление является в основном равным 150% удельного сопротивления массивного материала. Датчик также включает проводники, присоединенные к тонкой пленке для введения тока в пленку и измерения напряжения, сгенерированного поперек тонкой пленки, зависящего от введенного тока. (Патент USA 2002.0180429 A1, МКИ G01R 33/6, 5 декабря 2002 года).

Однако подобный датчик при толщине пленки 10 нм имеет низкое значение чувствительности ˜10 Ом/Тл, а пленка Ni обладает заметным гистерезисом (˜5 Гс), что затрудняет применение подобного датчика для измерения малых магнитных полей, меняющихся по направлению. Чувствительность датчика также ограничивается небольшой величиной коэффициента экстраординарного эффекта Холла для Ni, равной 5,21.10^-10 м³/Кл.

Известен датчик Холла из тонкой пленки полупроводника GaAs для локального измерения магнитного поля. Ширина токопроводящей полосы в данном датчике равна 1 мкм. (Characterization of individual nanomagnets by the local Hall effect. F.G.Monzon, D.S.Patterson, M.L.Roukes. Journal of Magnetism and Magnetic Materials 195 (1999) 19-25).

Однако чувствительность такого датчика при комнатной температуре не превышает 80 Ом/Тл, а уменьшение ширины токопроводящей полосы приведет к уменьшению чувствительности в силу физических причин.

Известен датчик магнитного поля, включающий изолирующую подложку, помещенную на нее токопроводящую полосу из ферромагнитной пленки из сплава железо-платина, потенциальные и токоподводящие контакты. В качестве изолирующей подложки используют стекло. Тонкая пленка толщиной 15-25 А (1,5-2,5 нм), нанесенная с помощью ионного распыления, состоит из ферромагнитного материала, в качестве которого взят сплав, имеющий состав - Fe₄₂Pt₅₈, и имеет ширину токопроводящих полос от 500 нм до 8 мм. Материал данного состава обладает значительно более высоким, по сравнению с Ni, коэффициентом экстраординарного эффекта Холла (˜4.10^-8 м³/Кл). (Extraordinary Hall effect in Fe-Pt alloy thin films and fabrication of micro Hall devices. M.Watanabe, T.Masumoto, M.Watanabe, T.Masumoto. Thin Solid Films, 405, (2002), 92-97).

Однако максимальная полученная чувствительность датчиков (50 Ом/Тл) недостаточно высока. Причем при уменьшении ширины токопроводящей полос чувствительность датчика уменьшается. Так, даже при ширине токовой дорожки 8 мм максимальный полученный сигнал был равен 120 мВ при плотности тока 5.10⁴ А/см².

Предлагаемое изобретение решает задачу улучшения характеристик датчиков Холла, в частности повышения его чувствительности, локальности и уменьшения влияния датчика на объект измерения.

Техническим результатом при этом является получение датчиков Холла для локальной магнитометрии со следующими характеристиками: чувствительность - не ниже 100 Ом/Тл, размер рабочей области - не больше 4×10^-14 м², при этом отсутствует влияние собственного магнитного поля в направлении, совпадающем с направлением тестируемого магнитного поля

Поставленная задача решается тем, что в датчике Холла для локальной магнитометрии, включающем подложку, помещенную на нее токопроводящую полосу из ферромагнитной пленки из сплава железо-платина, потенциальные и токоподводящие контакты, новым является то, что в качестве сплава железо-платина используют сплав состава Fe_0,44Pt_0,56-Fe_0,56Pt_0,44, причем толщина токопроводящей полосы составляет 1-5 нанометров.

Для локальной магнитометрии наиболее оптимальными размерами ширины токопроводящей полосы и ширины потенциальных контактов являются размеры, равные 10-200 нанометрам.

Нами экспериментально установлено, что чувствительность тонкопленочного датчика Холла из сплава Fe-Pt нелинейно зависит от толщины пленки и имеет максимум в области 2 нм при составе сплава Fe-Pt, близком к Fe_0,5Pt_0,5. (фиг.2).

Подложка может быть как изолирующей (стекло, сапфир, окись кремния на кремнии и т.п.), так и полупроводниковой (кремний, нитрид алюминия, нитрид алюминия на кремнии...).

Выполнение датчика согласно изобретению позволяет увеличить его чувствительность не ниже 100 Ом/Тл и размер рабочей области - не больше 4×10^-14 м², при этом отсутствует влияние собственного магнитного поля в направлении, совпадающем с направлением тестируемого магнитного поля.

На фиг.1 представлен общий вид предлагаемого датчика.

На фиг.2 показана зависимость чувствительности заявляемого датчика в зависимости от толщины токопроводящей полосы.

На фиг.3 приведена фотография в растровом электронном микроскопе линейки датчиков Холла, изготовление которых описано в примере 1.

На фиг.4 приведена фотография в растровом электронном микроскопе линейки датчиков Холла, изготовление которых описано в примере 2.

На фиг.5 приведена структура одиночного датчика.

На фиг.6-9 приведены типичные характеристики полученных датчиков Холла на различных подложках.

На подложке 1 расположена токопроводящая полоса 2 из ферромагнитной пленки из сплава железо-платина, соединенная с потенциальными 3 и токоподводящими контактами 4.

Датчик работает следующим образом.

Через расположенные на подложке 1 токоподводящие контакты 4 по токопроводящей полосе 2 пропускают электрический ток (I). При появлении внешнего магнитного поля (В) происходит отклонение носителей тока в токопроводящей полосе 2 и на потенциальных контактах 3 появляется электрическое напряжение (V_H), которое и регистрируется. Любой намагниченный образец имеет в разных точках в своей поверхности разную намагниченность и, следовательно, разную магнитную индукцию. При перемещении датчика Холла для локальной магнитометрии по поверхности образца он проходит над точками с разной магнитной индукцией и выдает разный сигнал. Пространственное разрешение при этом определяется площадью рабочей области датчика - шириной токопроводящей полосы 2 (w₁) и потенциальных контактов 3 (w₂).

Приведенные ниже примеры иллюстрируют, но не ограничивают применение данного изобретения.

Пример 1.

Структуры датчиков Холла изготовляли при помощи электронной литографии. На подложку из стекла напыляли пленку из сплава Fe_0,44Pt_0,56 толщиной 1 нм, наносили двухслойный электронный резист, прорисовывали структуры датчиков, включающих в себя токопроводящие полосы, потенциальные и токоподводящие контакты так, чтобы ширина токопроводящей полосы и ширина потенциальных контактов были равны 10 нанометрам. Затем проявляли проэкспонированную структуру, проводили чистку проявленных участков от остатков резиста в плазме и осуществляли лазерное напыление пленки AlN на полученную структуру в электронном резисте, который затем удаляли. После чего проводили ионное травление в аргоне. При этой операции удаляется тонкая пленка FePt, не защищенная нитридом алюминия. Токопроводящие полосы, потенциальные и токоподводящие контакты при этом защищены пленкой AlN и сохраняются.

Полученные датчики имели чувствительность не ниже 100 Ом/Тл и размер рабочей области не больше 4×10-14 м², при этом отсутствовало влияние собственного магнитного поля в направлении, совпадающем с направлением тестируемого магнитного поля (Фиг.3).

Пример 2.

Аналогично изготавливали структуры датчиков с защитой из алмазоподобной пленки. На подложку из окиси кремния напыляли пленку из сплава Fe_0,56Pt_0,44 толщиной 5 нм, наносили двухслойный электронный резист, прорисовывали токоподводящие контакты. После этого напыляли пленку Fe_0,56Pt_0,44 толщиной 20 нм на область токоподводящих контактов. Затем удалялся электронный резист. После этого в сканирующем электронном микроскопе прорисовывались токопроводящая полоса и потенциальные контакты, при этом под электронным пучком осаждалась алмазоподобная пленка. Ширина токоподводящей полосы и потенциальных контактов составила 100 нм. При такой технологии ширина токопроводящей полосы и потенциальных контактов датчика определяется только шириной электронного луча в электронном микроскопе. После чего проводили ионное травление в аргоне. При этой операции удаляется тонкая пленка FePt, не защищенная алмазоподобной пленкой. Токопроводящие полосы и потенциальные контакты при этом защищены алмазоподобной пленкой и сохраняются.

Полученные датчики имели чувствительность не ниже 100 Ом/Тл и размер рабочей области не больше 4×10-14 м², при этом отсутствовало влияние собственного магнитного поля в направлении, совпадающем с направлением тестируемого магнитного поля (Фиг.4).

Пример 3.

То же, что в примере 2, только подложку из окиси кремния напыляли пленки из сплава Fe_0,42Pt_0,58 толщиной 0.5 нм, наносили двухслойный электронный резист, прорисовывали токоподводящие контакты. После этого напыляли пленку Fe_0,56Pt_0,44 толщиной 20 нм на область токоподводящих контактов. Затем удалялся электронный резист. После этого в сканирующем электронном микроскопе прорисовывались токопроводящая полоса и потенциальные контакты, при этом под электронным пучком осаждалась алмазоподобная пленка. Ширина токоподводящей полосы и потенциальных контактов составила 100 нм. При такой технологии ширина токопроводящей полосы и потенциальных контактов датчика определяются только шириной электронного луча в электронном микроскопе. После чего проводили ионное травление в аргоне. При этой операции удаляется тонкая пленка FePt, не защищенная алмазоподобной пленкой. Токопроводящие полосы и потенциальные контакты при этом защищены алмазоподобной пленкой и сохраняются. Полученные датчики имели чувствительность 50 Ом/Тл, при этом внутреннее сопротивление датчика было 10 МОм, остаточное сопротивления составляло 1,5 кОм, что не позволяет его применять для измерений с использованием стандартной аппаратуры.

Пример 4.

То же, что в примере 2, только подложку из окиси кремния напыляли пленки из сплава Fe_0,58Pt_0,42 толщиной 5.5 нм, наносили двухслойный электронный резист, прорисовывали токоподводящие контакты. После этого напыляли пленку Fe_0,56Pt_0,44 толщиной 20 нм на область токоподводящих контактов. Затем удалялся электронный резист. После этого в сканирующем электронном микроскопе прорисовывались токопроводящая полоса и потенциальные контакты, при этом под электронным пучком осаждалась алмазоподобная пленка. Ширина токоподводящей полосы и потенциальных контактов составила 200 нм. При такой технологии ширина токопроводящей полосы и потенциальных контактов датчика определяется только шириной электронного луча в электронном микроскопе. После чего проводили ионное травление в аргоне. При этой операции удаляется тонкая пленка FePt, не защищенная алмазоподобной пленкой. Токопроводящие полосы и потенциальные контакты при этом защищены алмазоподобной пленкой и сохраняются. Полученные датчики имели чувствительность 50 Ом/Тл.

Пример 5.

На подложку из кремния, покрытого слоем окиси кремния толщиной 0,3 мкм, наносили двухслойный электронный резист, прорисовывали структуры датчиков, включающих в себя токопроводящие полосы, потенциальные и токоподводящие контакты так, чтобы ширина токопроводящей полосы и ширина потенциальных контактов были равны 160 нанометрам. Затем проявляли проэкспонированную структуру, проводили чистку проявленных участков от остатков резиста в плазме и осуществляли лазерное напыление пленки Fe_0,56Pt_0,44 на полученную структуру в электронном резисте, который затем удаляли. Характеристика датчика приведена на фиг.6. При толщине ферромагнитной токопроводящей полосы, равной 1.5 нм, чувствительность равна 280 Ом/Тл.

Ширина ферромагнитной токопроводящей полосы и потенциальных контактов составляет 160 нм.

Пример 6.

Датчик изготовлен как в примере 5. В качестве подложки использовался сапфир (Al₂O₃). Характеристика датчика приведена на фиг.7. При толщине ферромагнитной токопроводящей полосы, равной 1.5 нм, чувствительность равна 300 Ом/Тл. Ширина ферромагнитной токопроводящей полосы и потенциальных контактов составляет 200 нм.

Пример 7.

Датчик изготовлен как в примере 5. В качестве подложки использовался кремний, покрытый слоем нитрида алюминия толщиной 30 нм. Характеристика датчика приведена на фиг.8. При толщине ферромагнитной токопроводящей полосы, равной 2 нм, чувствительность равна 160 Ом/Тл. Ширина ферромагнитной токопроводящей полосы и потенциальных контактов составляет 200 нм.

Пример 8.

Датчик изготовлен как в примере 5. В качестве подложки использовался кремний. Характеристика датчика приведена на фиг.9. При толщине ферромагнитной токопроводящей полосы, равной 2 нм, чувствительность равна 280 Ом/Тл. Ширина ферромагнитной токопроводящей полосы и потенциальных контактов составляет 120 нм.

Изобретение относится к области приборостроения, в частности к тонкопленочным датчикам на основе экстраординарного эффекта Холла, и может быть использовано в микроэлектронике при измерении и регистрации локальных магнитных полей и величин электрического тока, а также при разработке микроэлектронных устройств нового поколения. Датчик Холла для локальной магнитометрии включает подложку, помещенную на нее токопроводящую полосу из ферромагнитной пленки из сплава железо-платина, потенциальные и токоподводящие контакты, при этом в качестве сплава железо-платина используют сплав состава Fe_0,44Pt_0,56 - Fe_0,56Pt_0,44, причем толщина токопроводящей полосы составляет 1-5 нанометров. Для локальной магнитометрии наиболее оптимальными размерами ширины токопроводящей полосы и ширины потенциальных контактов являются размеры, равные 10-200 нанометрам. Техническим результатом является получение датчиков Холла для локальной магнитометрии со следующими характеристиками: чувствительность - не ниже 100 Ом/Тл, размер рабочей области - не больше 4×10^-14 м², при этом отсутствует влияние собственного магнитного поля в направлении, совпадающем с направлением тестируемого магнитного поля. 1 з.п. ф-лы, 9 ил.

1. Датчик Холла для локальной магнитометрии, включающий помещенную на подложку токопроводящую полосу из ферромагнитной пленки из сплава железо-платина, потенциальные и токоподводящие контакты, отличающийся тем, что в качестве сплава железо-платина используют сплав состава Fe_0,44Pt_0,56-Fe_0,56Pt_0,44, причем толщина токопроводящей полосы составляет 1-5 нм.2. Датчик Холла для локальной магнитометрии по п.1, отличающийся тем, что ширина токопроводящей полосы и ширина потенциальных контактов равны 10-200 нм.