[科普中国]-磁隧道结制备工艺

磁隧道结制备工艺是指制备隧道结所涉及的工艺技术。利用金属掩模法制备磁性隧道结，可用于快速优化实验和工艺条件，采用光刻技术中的刻槽和打孔方法及去胶掀离方法制备的磁性隧道结，经过适当的退火处理后可以获得较高的TMR。

磁隧道结磁隧道结（MTJ）是指在两块铁磁薄片之间夹一层厚度约为0.1nm的极薄绝缘层，构成所谓的结元件。在铁磁材料中，由于量子力学交换作用，铁磁金 属的 3d轨道局域电子能带发生劈裂，使费米面附近自旋向上和向下的电子具有不同的能态密度。 在 MTJ中，TMR效应的产生机理是自旋相关 的隧穿效应。MTJ的一般结构为铁磁层 /非磁绝缘 层 /铁磁层(FM/I/FM) 的三明治结构。饱和磁化时，两铁磁层的磁化方向互相平行，而通常两铁磁层的矫顽力不同，因此反向磁化时，矫顽力小的铁磁层磁 化矢量首先翻转，使得两铁磁层的磁化方向变成反 平行。电子从一个磁性层隧穿到另一个磁性层的隧穿几率与两磁性层的磁化方向有关。

磁隧道结制备工艺简介用于制备微米、亚微米和纳米磁性隧道结、磁性隧道结阵列、TMR磁读出头和MRAM方法有光刻和电子束曝光以及离子束刻蚀、化学反应刻蚀、聚焦离子束刻蚀等，其中光刻技术结合离子束刻蚀是微加工工艺中具有较低成本、可大规模生产的首选工艺。因此研究光刻技术结合离子束刻蚀方法制备磁性隧道结，通过优化实验条件，制备出高质量的微米和亚微米磁性隧道结具有很大的实际应用意义。另外，在优化制备磁性隧道结的工艺条件时，金属掩模法仍具有低成本、省时省力、见效快的优点。一般情况下，利用狭缝宽度为60-100μm的金属掩模法从制备磁性隧道结样品到完成TMR测试，只须3-6h因此金属掩模法制备磁性隧道结，既可用于快速优化实验和工艺条件，也可以作为采用复杂工艺和技术制备微米、亚微米或纳米磁性隧道结之前的预研制方法。

利用金属掩模法制备磁性隧道结，既可用于快速优化实验和工艺条件，又可以作为采用复杂工艺和技术制备微米、亚微米或纳米磁性隧道结之前的预研制方法。而采用光刻技术中的刻槽和打孔方法及去胶掀离方法制备的磁性隧道结，经过适当的退火处理后可以获得较高的TMR、较低的RS值以及较小的反转场和较高的偏置场。这样的隧道结，可以用于制备MRAM的存储单元或其他磁敏传感器的探测单元。

相关工艺技术光刻胶及光刻工艺光刻胶是一种耐蚀刻的薄膜材料。光刻胶在紫外光源辐射之后，溶解度会与未曝光时不同。硅基电路制备中，光刻胶以液态状态旋涂在样片上，而后烘干挥发去除溶剂成为光刻胶膜。光刻胶的主要作用，是将掩膜板图形转移到样片上旋涂的光刻胶上，以及用于做隔离层保护其他材料，例如刻蚀等。光刻胶的质量决定了加工的线宽，也就是制造精度。

在光学实验的曝光过程中，为了达到图形转移的目的，必须将光照辐射在光敏材料上。在光学曝光的过程中，将材料性质改变，在样片的表面产生辐照图形。这样，光刻板上的目标图案就被复制到了样片上。正性光刻胶在和显影液的反应中，受到光照辐射的部分溶解速度远远大于未受到光照辐射的部分。而负性光刻胶反之，在显影液中没有受到光照辐射的区域被溶解掉，受到光照辐射的部分被保留。正性光刻胶相对于负性光刻胶，优点是生成图形分辨率高，覆盖台阶能力较强，遗留残胶的情况较少等。相比后者，前者在实验中有着更广泛的应用。1

溅射工艺具体的溅射工艺包括很多种类。各种类型的溅射工艺可以单独使用，也可以根据使用的条件和要求，结合使用。

磁控溅射是现代手段中比较先进的溅射方法，其淀积速率较高，工作气体压力较低，相比其他方法有着极大的优越性。如图是磁控溅射原理图。溅射靶的表面上方的电场，和磁场方向相互垂直，这样可以将电子的轨迹限制在溅射靶的表面附近。从而，电子碰撞的效率和电离的效率都较高，不会去轰击阳极衬底。在实际的溅射仪设计中，溅射靶的后方会放置一个永久磁体线圈，这样就实现了从溅射靶表面穿出磁力线。最后，变成与电场方向垂直的方向返回靶材表面。图中带箭头的线条就是磁力线的方向。

一般的溅射淀积方法淀积速率低和工作气压高的缺点。在较低的气压下，溅射原子被散射的几率减小，从而减少了成膜的污染，提高了如射到衬底表面的原子的能量。所以磁控溅射方法比一般溅射方法的溅射速率高出一个数量级，而且成膜质量相对一般溅射方法也有着较大的改善。

剥离工艺剥离工艺有着非常明显的优势，其工艺过程简单方便，易于操作。并且，剥离工艺避免了干法刻蚀和湿法刻蚀中，腐蚀剂对样片的站污和损坏。当然，剥离工艺也存在其缺点。剥离工艺过程中存在的最大问题就是侧壁材料。由于材料淀积后，剥离过程不会把图形边缘的侧壁材料一同剥离掉，所以所得的图形容易存在边缘整齐的问题。另外，剥离工艺也存在着随着牺牲层的去除，离开样品表面的目标材料重新附着在样片上，以及由于牺牲层和溶剂反应不佳，导致的牺牲层难以剥离掉的情况。2

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陈红 - 副教授 - 西南大学