1 概述

          与传统的块状磁性材料相比，磁膜有许多新奇异常的性能。随着电子整机及其元器件的多功能、轻量小型化、模块化，磁膜的作用与地位尤显突出。磁性单层膜、多层膜和纳米磁性材料，已成为当前磁学基础、应用研究和新材料开发的中心课题。

对磁性薄膜基本特性的探索始于20世纪初。其后，以高密度小型化磁存储器为目标，掀起了金属薄膜基础、制备工艺及其应用开发的热潮。到1970年代初，采用液相外延（LPE）工艺生长磁性石榴石单晶薄膜成功，推进了磁泡存储器的实用化；用溅射工艺沉积非晶过渡金属稀土（RE-TM）化合物，找到了磁光存储的实用材料。接着，用真空蒸镀、溅射和电镀的连续金属薄膜磁介质、磁头和磁传感器材料应用产品相继上市，迎来了磁性薄膜的全面实用化阶段。随着磁膜生长工艺的成熟，微观磁性表征手段和纳米制造技术的进步，正推动着微型器件、平面感性器件、磁电子器件、磁性MEMS及整体集成、封装技术的大发展。

2 实用磁膜产品简介

2.1连续薄膜磁记录介质——磁带和磁盘

   1979年，日本松下电器公司率先向市场推出Co系金属薄膜微型盒式高保真录音磁带［1］，接着又推出了金属薄膜高密度高速录相带。此乃系采用高真空斜方蒸镀法，沉积在聚酯（PET）薄膜带基上的金属膜产品。1983年，溅射沉积的Co系金属薄膜磁盘间性。1990年，IBM公司用溅射工艺制得5层CoPrCr合金磁膜（层厚12~40nm）用作硬盘，使HDD面记录密度提高到1×109bit/inch2，次年，日立公司宣布这种HDD达到了2×109bit/ubch2。

表1中列出了当前实用的主要薄膜磁记录介质，制备工艺及基本性能［3］。

2.2薄膜磁头

2.2.1薄膜磁写入头

典型的高密度记录薄膜磁头，采用溅射沉积坡莫合金膜（厚2~3μm），磁头间隙宽200nm，于1979年实用化。合金材料有Ni81-Fe19和Ni50Fe50两种，其饱和磁感应强度Bs≥1.0T，电阻率ρ≈40μΩ·cm。通过添加少量Cr或Ti、In、Rn等元素，可减少因合金腐蚀导致的磁导率下降。此外，也使用Mumetal高导合金和Sendust合金薄膜。

2.2.2 AMR和GMR薄膜读出磁头

应用NiCo、NiFe金属薄膜各向异性磁电阻（AMR）效应检测磁场的磁场传感器，在1975年就用作磁记录中的信息读出磁头［4］。由于这种薄膜磁头的灵敏度高，容易集成化，故很快得到普及，尤其在高档音像设备和高密度数据存储器中的应用更为广泛。这类磁膜仍采用真空蒸镀等工艺沉积在硅或玻璃基片上，再用光刻技术使之图形化，制成磁头。

应用人工格多层膜互磁电阻（GMR）效应的HDD读出磁头，由IBM公司开发成功，于1997年底开始推向市场，使系统面记录密度达到1Gb/inch2［5］。目前，HDD用GMR磁头的年销量达数亿只，面记录密度已提高到100Gb/inch2以上。这种磁头由自由磁层、间隔层和永磁化钉紧层构成，如NiFe/Cu/CoFe/Ru/CoFe/PtMn叠层，被称之为自旋阀（SV-）GMR元件。给元件两端加上电极，在其间施加电压；当电流平行或垂直膜面时，薄膜磁场引起电阻急剧变化，改变电压以高灵敏度检测磁场的变化。其分辨可达0.01 Oe/±20Oe，响应速度为1MHz。

2.3 非晶、纳米晶金属薄膜的应用

2.3.1溅射非晶RF-TM合金薄膜可擦磁光盘［6］

1988年，采用溅射沉积RF-TM合金（TbFeCo单层或ToFeCo/GdFeCo/GdTeFeCo多层）膜的可擦重写型磁光盘存储器及驱动器在日本索尼等多家公司相继问世。之后，纷纷向市场推出不同规格的单面、双面记录磁光盘驱动器产品，使长期梦寐以求的高密度磁光记录技术变成了新的信息存储产业，用于广播电视、计算机工作站、宇航记录系统和海量文档贮存等领域。

2.3.2 非晶薄膜磁头

零磁致伸缩Co基（如CoFe-SiB等）非晶合金具有高层（0.85~1.1T）、低Hc（0.48A/m）和高μi（60000,50Hz）等特点，而且耐磨性好，故用作磁头材料，优于传统结晶金属和铁氧体材料。1980年，TDK公司用快淬这种合金薄带作音频磁头，首次实现商品化；接着推出VTR录音头、磁卡读出头等非晶产品。不久，使用溅射沉积CoNbZr、CoTaHf、Fe-Zr系非晶合金薄膜的窄缝隙MIG磁头，先后被用作8mm录相机、R-DAT、2英寸录相金属软盘和HDD等设备中。

2.3.3纳米晶薄膜磁头

将溅射铁基（Fe-M-C,N）非晶合金薄膜在其晶化温度（~550℃）热处理后，获得Bs=1.4~1.7T，μi(1MHz)=5000~6000的纳米晶材料。这种材料耐热温度高达700℃，是比较理想的磁头材料。1988年，阿尔卑斯公司率先制成Fe-M-C（M=Ti，Zr，Hf，V，Nb，Ta）纳米晶薄膜并投入批生产，实际用作MIG录相磁头R-DAT薄膜磁头［6］。此后，采用纳米晶多层膜（如FeSi/NiFe，FeHfC/Fe等）的磁头相继实用化。

2.4 微型磁敏元件及传感器

2.4.1 AMR元件及磁传感器

   利用蒸镀Co-Ni、Ni-Fe、系金属薄膜各向异性格磁电阻（AMR）效应的MR元件，于1975年在日本索尼公司开发成功，实际用作读出磁头（见2-2-2）、无触点磁敏开关、磁尺、位移传感器，旋转编码器、电流传感器等多种产品［7］，在家用电器、办公自动化设备、工业控制、汽车和交通管制等领域获得广泛的应用；在美国，还将其大量用于军事和宇航系统。

2.4.2 SV-GMR磁敏元件及传感器阵列。

   1995年，美国NVE公司开始制造和销售SV-GMR电桥元件，1997年推出制作在半导体芯片上的数字式GMR传感器；IBM公司的HDD GMR读出磁头商品化；紧接着霍尼韦原、Microswith等公司先后也开始成功GMR电流、位移、位置、旋转角度等传感器产品，用作液压汽缸活塞位置测控、电机检测、轴承编码、交通管制、飞机导航、导弹制导、动能训练飞弹试验等各个领域。由于这种GMR元件灵敏度高，可采用MEMS技术批量生产，故容易制成智能型传感器阵列［8］。现正在应用这种元件开发生物传感器阵，用于DNA检测和环境监测。

2.4.3 GMI和SI磁敏元件及传感器［9］

   给经过适当处理的富Co非晶合金细丝加上高频（＞10KHz）电流和外部磁场，其阻抗变化率（△Z/Z）高达100~300%，毛利教授等人把这种现象称作互磁阻抗（GMI）效应。后来，在图形化(Ni-Fe)薄膜和Co73Si12B5(2μm)/Cu(3μm)/cO73Si12B5(2μm)非晶多层结构中，看到了类似的现象。日本政府与产学研部门组成联合机构，开发出GMI元件及高灵敏度微型磁传感器——电子罗盘，速度传感器，转矩传感器，压力传感器，电流传感器，近接开关，毫高斯计等产品，获得广泛应用。

应力阻抗（SI）元件，是利用在给冷拉强力退火的负磁致伸缩非晶Co-Si-B细丝（φ2μm~30μm）通以高频或光脉冲电流发生强的趋肤效应时，丝阻抗随外加应力剧烈变化现象工作的磁敏元件。用这种元件与CMOS IC多谐振荡电路构成的加速度传感器和高灵敏应变传感器（应变系数高达4000），于20世纪末上市。

2.5 使用Ni-Zn铁氧体薄膜的GHz噪声抑制器［10］

2003年，NEC Tokin公司采用低温(＜90°镀膜工艺，成功制出铁氧体薄膜（厚1~3μm），并用作GHz频段传导噪声抑制器。实用的膜有两种：（1）用旋转喷镀法，将铁氧体膜直接沉积到印刷电路板（PCB）上的50Ω微带线上，在3GHz测得传导噪声衰减量达67%，而反射损耗Sn＜7%。（2）将Ni-Zn铁氧体膜旋转喷镀到柔性聚酯膜衬底上，再切割成所需尺寸和形状，粘贴到噪声发生处，抑制噪声。这两种噪声抑制体的厚度，比市售金属粉与聚合物的复合板（厚~50μm）薄，最适合手机、笔记本电脑、数码相机等数字电器使用。

2.6 磁光非互易器件用RIG膜［11］

稀土-铁石榴石（RIG）是磁光非互易器件关键结构元件——法拉第转子用材料。1980年代早期，用掺Ga或Gd、Tb、Al等元素的YIG，或纯YIG块状单晶作法拉第转子，与激光二极管构成依赖偏振光的磁光隔离器，用以保护光源。这种器件体积大，性能差，工作波长受限。1980年代中期，运用LPE单晶薄膜生长工艺，经改进，生长出厚度达300μm的铋置换铁石榴石（BiIG）膜，并开发成功不依赖偏光的掺铒光纤放大器用在线型光隔离器、光环行器。之后，对这种膜的成份多方调整，找到了适合不同工作波长的多种磁光非互易器件用优质法拉第转子材料，如TbLuBiIG(λ=633nm)、TbBiIG(=1.55μm)、LaSmBiIG(λ=1.31μm)等磁膜。除用作光隔离器、环行器外，使用RIG膜的可调光衰减器、有源增益均衡器、光开关等产品也于20世纪末实用化，在光纤通信等领域得到广泛的应用。

3 新型磁膜材料的开发

3.1 高频金属软磁膜［12］

为射频（800MHz~6GHz）平面电感器、变压器和抗EMI元件开发具有高Bs、高ρ和适当高Hk的磁膜材料，可实用的多为非晶或纳米晶金属软磁膜，如CoNbZr，CoFeB，NiFe/FeCo/NiFe，FeCoN等合金单层、多层膜。同时，正在研制射频/微波单片集成传输线器件用单晶Fe/GaAs、Fe/GaAs/Fe、Fe/SiO2，NiFe/SiO2等多层膜。

3.2 永磁薄膜［13］

永磁薄膜研制的重点对象是Nd-Fe-B系、Sm-Co系和高HkL1o有序FePt系合金，制备工艺有溅射、脉冲激光沉积（PLD）。Nd-Fe-B合金膜已达到如下磁性能：Br=1.06T，Hc=1.52MA/m，(BH)max=216kJ/m3， 矩形比~1；磁控溅射在SiN/Si基片上的Sm-Co永磁膜，有Hc=2T。纳米晶FePt膜的Hk高达7×107尔格/厘米3，用PLD法沉积到（001）取向单晶MgO等基片上的膜，Hc=5.6T，格外引人注目。

3.3 低温制作铁氧体膜

    MMIC需用低温制作的铁氧体膜，以使与半导体工艺兼用。采用旋转喷镀法，在90℃以下制得的NiZn铁氧体薄膜，已成功地用作GHz频段的电磁噪声抑制器。但用作微波器件，需制出低损耗的磁膜。除了旋转喷镀工艺外，据称，用PLD法可以制作各种氧化物膜，包括磁性石榴石、尖晶石和元角晶系铁氧体，沉积速率可达5μm/h以上，而且性能良好。

3.4 巨磁致伸缩薄膜［14］

以RE-TM合金为基础材料，包括Tb-Fe、Tb-Dy-Fe、Tb-Co、Sm-Fe-B单层膜和TbFe/Fe、TbFe/FeCo、TbFe/FeCoBSi等多层膜，现用溅射、闪蒸、PLD工艺，可制出λs=700×10-6的实用膜，所需饱和磁场Hs=100kA/m。

3.5 稀释磁性半导体（DMS）膜［15］

DMS是制作磁电子器件理想的新材料。目前，研究最多的是Ⅲ-V族化合物，包括（Ga,Mn）As、(Im,Mn)As、(Ga,Mn)P、(Ga,Mn)N等。还有掺Co的SnO、和TiO2。这些薄膜可用MBE、PLD等工艺制得。