Este documento descreve o processo de fabricação de spin valves, incluindo a estrutura das camadas, a deposição de materiais, fotolitografia, caracterização e aplicações. O documento fornece detalhes técnicos sobre cada etapa do processo de fabricação.

1. SPIN VALVES FABRICATION
Ana Sabino e Paula Antunes
Mestrado Integrado em Engenharia Biomédica
Micro e Nanofabricação
2º semestre
2009/2010
Orientadora: Verónica
Sabino, A.; Antunes, P. 1

2. O que é uma spin valve?
Estrutura, em camadas, constituída por
materiais magnéticos e não magnéticos
(espaçador) cuja resistência eléctrica depende
do estado de spin dos electrões, que pode ser
controlado por um campos magnético
externo.
À medida que o campo magnético atravessa
a amostra, dois estados distintos podem
existir:
- Magnetizações da camada paralela
- Magnetizações da camada anti-paralela
Os materiais usados possuem diferentes coercividades
magnéticas, dando origem a curvas de histere. Devido a
diferentes caoercividades uma das camadas (“soft”) altera a
sua polaridade sob campos magnéticos fracos enquanto que
a outra (“hard”) altera a sua polaridade sob campos
magnéticos fortes.
Sabino, A.; Antunes, P. 2

3. Aplicações
Sabino, A.; Antunes, P. 3

4. Máscara
Estrutura optimizada desenhada
em Autocad (medidas em um)
8 spin valves
por coluna
4 colunas
por die
30 dies na
amostra
Sabino, A.; Antunes, P. 4

5. Amostra
TiW (150Å)
Å) Antioxidante
Ta (20Å)
Å)
MnIr (60Å)
Å) Camada antiferromagnética
Espessura total da
CoFe @90° (22Å)
Å) Camada presa pelo MnIr spin valve
Cu (20Å)
Å) Espaçador 337 Å
CoFe (20Å)
Å) Camada livre
NiFe (25Å)
Å)
Ta (20Å)
Å)
Info: SV 146
Camada de passivação (evitar curto-
Al2O3 (500Å)
Å circuito visto que a bolacha de silício MR = 4.9%
é um dieléctrico) Hf = 5 Oe
Silício Suporte Hc = 4 Oe
He > 300 Oe
Sabino, A.; Antunes, P. 5

6. 1ª Exposição 11 de Maio
Definição da spin valve
Como colar a amostra na bolacha…
pinned
free
4 passos
1-

7. 2-
Curvas de velocidades de rotação
3-
Alinhamento
PR +
• Nominal laser power is 120 mW Luz
• The minimum step of this system is 0.2 Stack
Marca de alinhamento
μm, and the minimum feature is 0.8 μm Silício
4-
Após este passo… Verificar a revelação ao microscópio com o filtro! Não expor a amostra à luz para o
caso de necessitarmos revelar mais.
Sabino, A.; Antunes, P. 7

8. Ion Milling
Etching
Rádio frequência Alvo
Grelha
rotativo
positiva
Técnica utilizada para arrancar
os átomos de metal depositados
previamente na amostra (stack)
por transferência de momento
quando os iões de Ar colidem
Gás
Árgon Arn+
com este.
Plasma
(Ar, e- e Arn+) Grelha
negativa
Ângulo da amostra: 70°
Rotação : 40%
O PR protege as áreas de filme que queremos.
Sabino, A.; Antunes, P. 8

9. PR strip
O PR que não foi exposto ao laser é removido pelo resist strip. • 65 ºC
• Ultrassons
Se for muito intenso ou durante muito
tempo podemos danificar a estrutura
20x 50x 100x
Sabino, A.; Antunes, P. 9

10. Definição dos contactos
Os contactos de alumínio estarão
conectados a cada uma das spin
valves. São eles que transportam a
informação da spin valve até ao
local de leitura (quadrados sem
óxido)
Sabino, A.; Antunes, P. 10

11. 2ª Exposição
Definição dos contactos
2ª layer da máscara – pistas de alumínio.
Alinhamento die a die para evitar deslocamentos pois com uma amostra tão
grande um ligeiro desvio é o suficiente para que os contactos não ficquem bem
posicionados.
Sabino, A.; Antunes, P. 11

12. Deposição de Al e TiW
Realizamos 3 módulos
Módulo 2: 1min de soft sputter etch
Módulo 4: 1min e 20seg de deposição
de alumínio (3000 Å)
Módulo 3: 27seg de deposição de
titânio tungsténio
Sabino, A.; Antunes, P. 12

13. Aluminum Lift-off
Incompleto
Completo
10x 50x 100x
Sabino, A.; Antunes, P. 13

14. Caracterização
Perfilómetro Resistividade
z/Å
l
t
d
m²
x/Å
Ωm Ω m m² m m
A/ ρ/Ω
Amostra l/m d/m t/m V/V I/A R/Ω
m2 m
Al (3000Å) 1.00E- 4.00E- 3.00E- 1.2E- 3.00E- 1.00E- 3.00E- 3.60E-
+TiW(150Å) 02 03 10 12 03 02 01 11
Sabino, A.; Antunes, P. 14

15. Camada de passivação
A camada de passivação (óxido) cobre
toda a die menos nos locais de leitura.
Se ficar danificada na zona dos pads de
ouro, tal provocará curto-circuito entre
o ouro e o alumínio e ficará inutilizável.
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16. Deposição Al2O3 e SiO2
Definição da camada de passivação
Duas camadas:
Alumina (Al2O3): 1000 Å
Silica (SiO2): 2000 Å
Deposition time Thickness Gas flow Base pressure Power Source Machine
Al2O3 1h30min 1000 Å 45 sccm 10 -7 Torr 200 W UHV2
SiO2 90min 2000 Å 20 sccm 10 -7 Torr 140 W Alcatel
Sabino, A.; Antunes, P. 16

17. Elipsometria
É uma técnica óptica versátil para
averiguação das propriedades dieléctricas (
indice de refracção complexo e função
dieléctrica) de filmes finos. O filme tem que
ser transparente.
Comprimento de onda fixo a 632,8 nm
Ângulo fixo a 70°
Amostra Espessura esperada /Å Delta/° Psi/° Tu /Å Nu
Al2O3 1000 53,79 55,14 1015 1,645
SiO2 2000 255,16 19,08 2362 1,488
Sabino, A.; Antunes, P. 17

18. Lift-off do óxido
Lift-off incompleto
Óxido Alumínio
Lift-off completo
100x 50 x
Sabino, A.; Antunes, P. 18

19. PADS de ouro
A camada de ouro será a camada de interface entre o que se pretende medir e o
sensor. Está poderá ser funcionalizada para estudos químicos/biológicos.
Para uma optimização da distribuição desta camada pela die foram experimentadas 5
máscaras.
4
1 3
2
5
Sabino, A.; Antunes, P. 19

20. Deposição de Au
50 Å de Crómio e 200 Å de Ouro
Deposition
Deposition time Thickness Gas flow Base pressure
Pressure
Cr 1 min 50 Å 20 Sccm 10 -7 Torr 3.36 mT
Au 11 min 200 Å 20 Sccm 10 -7 Torr 3.36 mT
Au lift-off Ouro
Alumínio
Óxido
Sabino, A.; Antunes, P. 20

21. Lift-off concluido
1 2 3 4 5
50x
100x
Sabino, A.; Antunes, P. 21

22. Dicing
Cortar as amostras em dies individuais (30). Para proteger
as amostras primeiro fazemos coating com photoresist
(recipe 6/2) e este só é retirado quando a die em questão
for utilizada. É usada uma serra de diamante e todo o
processo é arrefecido com água. A amostra foi construída
com 400 um de intervalo entre cada die (espessura da
serra).
Sabino, A.; Antunes, P. 22

23. Spotting
Spotting é um processo em que são colocadas gotas de um liquido sobre uma superfície.
No nosso caso foram colocadas uma ou duas gotas de quatro soluções diferentes sob
os pads de ouro das spin valves.
Como realizamos cinco geometrias diferentes para os pads de ouro, o spotting
destinava-se a comprovar qual a mais adequada para os estudos que estão a
decorrer
Sample Drop volume Material spotted Check
Tris EDTA pH7.4 10
60 pl ok
mM*
60 pl DNA negative control* ok
For each die Colocamos as spin valves em ustrip e
2 X 60 pl DNA positive control* ok
60 pl DNA positive control* ok
depois no UVO cleaner para as
preparar para o spotting. Para além
Result
de as deixar limpas o UVO cleaner
100X100 Bad torna a camada de passivação
150X150 Good ligeiramente hidrofóbica o que
Continuo Good
13X40
facilita o spotting.
Need chemistry for check
2* 2.5X40
Sabino, A.; Antunes, P. 23

24. Resultados do spotting
Sabino, A.; Antunes, P. 24

25. Curva de transferência
Ao realizarmos a curva de transferência chegamos à conclusão que a orientação das spin
valves não era a desejada e como tal procedemos a um processo denominado annealing para
rodar a pinned layer 90º e assim já foi possível obter a curva de transferência.
pinned
free
Magnetic range /
Sample I/A R/Ω MR % Check
Oe
1e-3 760 [-140:20:140] 5.8 no
Sabino, A.; Antunes, P. 25

26. Annealing
Magnetic
I/A R/Ω MR % Check
Time of range / Oe
Maximum Temperature
maximum Field [-
Temperature Rate 1e-3 760
140:20:140]
5.4 yes
temperature
280°C 5°C/min 20 min 1T
Sabino, A.; Antunes, P. 26

27. Wire Bonding
Material Loop Force Time Power
Aluminium 3-4 3 3 3/35
Wire bonding é um método utilizado para
ligar um circuito integrado a uma placa de
circuito impresso (PCB), na fabricação de semi
condutores.
Utiliza-se fio de alumínio (susceptivel a
ultrassons)
Thermosonic Bonding: processo une dois
materiais recorrendo ao aqueciimento
resultante da pressão e ultrassons aplicados
(solda).
Sabino, A.; Antunes, P. 27

28. Plataforma electrónica
MR%
5.898 5.7369 5.6221 5.4321
5.6415 5.6652 5.4342 -
5.7001 5.6889 5.5977 5.552
5.6368 5.6718 5.5412 5.5089
5.7002 - 0 0
5.637 5.7167 0 0
5.6949 0.01 0 0
5.7432 5.8482 0 0
Resistance (Ohm)
743.93 767.08 736.25 742.23
732.00 763.69 728.65 -
739.48 748.70 740.62 772.20
737.53 762.87 777.09 745.74
734.39 - 1605.07 1605.07
750.74 782.14 1605.07 1605.07
758.01 999.37 1605.07 1605.07
781.81 771.41 1605.07 1605.07
Sabino, A.; Antunes, P. 28

29. Problemas em algumas Dies
Aluminio corruido – o
reagente de revelação é
etchante de aluminio
Sabino, A.; Antunes, P. 29