CN111033778A - 交换耦合膜以及使用该交换耦合膜的磁阻效应元件及磁检测装置 - Google Patents
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Abstract
提供固定磁性层的磁化的方向反转的磁场(Hex)较大、高温条件下的稳定性高、并且强磁场耐性优的交换耦合膜。交换耦合膜(10)为，反强磁性层(2)和固定磁性层(3)和自由磁性层(5)层叠而成，反强磁性层(2)由PtCr层(2A)和XMn层(2B)(其中，X是Pt或Ir)构成，XMn层(B)与固定磁性层(3)接触，固定磁性层(3)是铁、钴、铁钴合金或铁镍合金。
Description
技术领域
本发明涉及交换耦合膜以及使用该交换耦合膜的磁阻效应元件及磁检测装置。
背景技术
具备反强磁性层和固定磁性层的交换耦合膜，被作为磁阻效应元件、磁检测装置使用。在专利文献1中，关于磁性记录用介质，记载了通过将作为强磁性层的Co合金与作为反强磁性层的各种合金组合能够构成交换耦合膜。作为反强磁性层，例示了CoMn、NiMn、PtMn、PtCr等的合金。
现有技术文献
专利文献
专利文献：日本特开2000－215431号公报
发明内容
发明要解决的课题
关于磁检测装置，在将磁效应元件向基板安装时，需要对焊料进行回流处理(熔融处理)，另外，磁检测装置有时被用在如引擎的周边那样的高温环境下。因此，磁检测装置中使用的交换耦合膜，为了能够在较宽的动态范围中检测磁场，优选的是，固定磁性层的磁化的方向反转的磁场(Hex)较大，且高温条件下的稳定性较高。
专利文献1是涉及作为磁性记录介质而使用的交换耦合膜的文献，所以关于使用了交换耦合膜的磁检测装置的高温条件下的稳定性，并未记载。
另外，最近，即使是被配置在大输出马达等强磁场产生源的附近并被施加强磁场的环境下，也要求固定磁性层的磁化的方向不易受影响，即要求强磁场耐性。
本发明的目的在于，提供固定磁性层的磁化的方向反转的磁场(Hex)较大、且高温条件下的稳定性较高、并且强磁场耐性优的交换耦合膜以及使用该交换耦合膜的磁阻效应元件及磁检测装置。
用于解决课题的手段
为了解决上述课题而提供的本发明，作为一个形态，而提供一种交换耦合膜，由反强磁性层和固定磁性层层叠而成，上述反强磁性层由PtCr层和XMn层构成，其中，X是Pt或Ir，上述XMn层与上述固定磁性层接触，上述固定磁性层是铁、钴、钴铁合金或镍铁合金。
本发明在其他的一个形态中，提供一种交换耦合膜，由反强磁性层和固定磁性层层叠而成，上述反强磁性层由PtCr层和XMn层构成，其中，X是Pt或Ir，上述XMn层与上述固定磁性层接触，上述固定磁性层是第1磁性层和中间层和第2磁性层层叠而成的自钉扎构造，上述第1磁性层及上述第2磁性层是铁、钴、钴铁合金或镍铁合金。
图5是说明本发明的交换耦合膜的磁化曲线的磁滞回线的图。通常，软磁体的M－H曲线(磁化曲线)作出的磁滞回线，如图5的用点线所示那样，将H轴与M轴的交点(外部磁场(磁场)H＝0A/m，磁化M＝0A/m)作为中心而为对称的形状，但是本发明的交换耦合膜的磁滞回线，由于对固定磁性层作用了交换耦合磁场Hex，因此如图5的实线所示那样为根据Hex的大小而沿着H轴平移后的形状。交换耦合膜的固定磁性层，由于该Hex越大则即使被施加外部磁场、磁化的方向也不易反转，因此强磁场耐性变得良好。
另外，本发明的交换耦合膜，通过采用反强磁性层由PtCr层和XMn层(其中，X是Pt或Ir)构成的构成，由此特别地，高温环境下的Hex变大。因此，本发明的交换耦合膜在高温环境下具有优秀的强磁场耐性。
并且，在与各种组分的金属材料之间可获得较大的Hex。交换耦合磁场Hex通过反强磁性层与固定磁性层的相互作用而产生的结果是，本发明的反强磁性层，交换耦合磁场Hex可能适当产生的固定磁性层的组分的种类多样并且组分范围广。具体而言，不仅仅是钴铁合金(CoFe合金)或镍铁合金(NiFe合金)，以至于铁(Fe)、钴(Co)，都能够作为构成固定磁性层的材料而使用。因此，实现了提高固定磁性层的设计上的自由度。特别地，铁(Fe)及钴(Co)以及具有与这些金属相近的组分的合金(举出例如90CoFe合金、10CoFe合金等。)与其他的组分的合金(举出例如40CoFe。)相比，磁致伸缩常数低。因此，通过用这些材料构成固定磁性层，由此不易发生起因于基于磁致伸缩的应力而交换耦合磁场Hex的磁化方向变化的不良情况。
在上述的交换耦合膜中，可以是，上述PtCr层的膜厚比上述XMn层的膜厚大。在该情况下，存在上述PtCr层的膜厚同上述PtMn层的膜厚与上述IrMn层的膜厚的总和之比为5：1～100：1是优选的情况。
本发明作为其他的一个形态，而提供一种磁阻效应元件，其特征在于，层叠有上述的交换耦合膜与自由磁性层。
本发明作为其他的一个形态，而提供一种磁检测装置，其特征在于，具备上述的磁阻效应元件。
上述的磁检测装置，在同一基板上具备多个上述的磁阻效应元件，多个上述磁阻效应元件包含上述固定磁化方向不同的磁阻效应元件。
发明的效果
根据本发明，提供高温条件下的稳定性提高、并且强磁场耐性优的交换耦合膜。因此，如果使用层叠有本发明的交换耦合膜与自由磁性层而成磁阻效应元件，则能够成为即使被置于高温环境下、强磁场环境下也稳定的磁检测装置。
另外，能够使用各种金属作为固定磁性层，所以根据磁检测装置中要求的性质而进行设计时的自由度高。
附图说明
图1是表示本发明的第1实施方式的交换耦合膜10的膜构成的说明图。
图2是表示本发明的第2实施方式的交换耦合膜20的膜构成的说明图。
图3是本发明的实施方式的磁传感器30的电路框图。
图4是表示磁传感器30中使用的磁检测元件11的俯视图。
图5是本发明的交换耦合膜的磁化曲线的磁滞回线的说明图。
图6是说明实施例1～4及比较例1～3的交换耦合膜40的膜构成的说明图。
图7是表示实施例1～4及比较例1～3的交换耦合膜的温度与Hex的关系的图表。
图8是表示图7的交换耦合膜的各温度下的Hex除以室温的Hex而得到的标准化Hex的图表。
图9是表示实施例1～6的交换耦合膜的各温度下的Hex除以室温的Hex而得到的标准化Hex的图表。
图10是表示实施例7～8及比较例4的交换耦合膜的Hex的图表。
图11是表示实施例7～8及比较例4的交换耦合能的图表。
图12是表示CoFe合金中的Fe量(at％)与饱和磁致伸缩常数的关系的图表。
具体实施方式
＜第1实施方式＞
图1示出了使用了本发明的第1实施方式的交换耦合膜10的磁检测元件11的膜构成。
磁检测元件11从基板的表面起，以基底层1、反强磁性层2、固定磁性层3、非磁性材料层4、自由磁性层5及保护层6的顺序层叠并成膜而成。反强磁性层2由PtCr层2A和XMn层(其中，X是Pt或Ir)2B层构成，XMn层2B与固定磁性层3接触。上述各层例如通过溅射工序、CVD工序而成膜。反强磁性层2与固定磁性层3是本发明的第1实施的方式的交换耦合膜10。
磁检测元件11是利用了所谓的单自旋阀式的巨磁阻效应(GMR效应)的层叠元件，电阻以固定磁性层3的固定磁化的向量与自由磁性层5的根据外部磁场而变化的磁化的向量之间的相对关系而变化。
基底层1用NiFeCr合金(镍铁铬合金)、Cr或者Ta等形成。在本实施方式的交换耦合膜10中，为了提高固定磁性层3的磁化的方向反转的磁场(以下，也适当称为“Hex”)，NiFeCr合金是优选的。
反强磁性层2是由PtCr层2A和XMn层2B(其中，X是Pt或Ir)构成的层叠构造。为了提高Hex，优选反强磁性层2的PtCr层2A的膜厚D1比XMn层2B的膜厚D2大。膜厚D1与膜厚D2之比(D1：D2)更优选为5：1～100：1，进一步优选为10：1～50：1。
根据提高Hex的观点，PtCr层2A优选为PtXCr100－X(X是45at％以上62at％以下)，更优选为PtXCr100－X(X是50at％以上57at％以下)。根据同样的观点，XMn层2B优选为PtMn层。
在本实施方式中，对反强磁性层2进行退火处理并规范化，使在反强磁性层2与固定磁性层3间(界面)产生交换耦合。通过基于交换耦合的磁场(交换耦合磁场)，提高交换耦合膜10的Hex，并且提高强磁场耐性。
固定磁性层3用Fe(铁)、Co(钴)、CoFe合金(钴铁合金)或NiFe合金(镍铁合金)形成。CoFe合金及NiFe合金通过提高Fe的含有比例，从而提高顽磁力。固定磁性层3是有助于自旋阀式的巨磁阻效应的层，固定磁性层3的固定磁化方向P延伸的方向是磁检测元件11的灵敏度轴方向。
交换耦合膜10无论固定磁性层3中的Fe含有比例为如何，都可获得较高的Hex。这是由于具备上述的层叠构造的反强磁性层2与多种强磁性材料交换耦合。
图12是表示CoFe合金中的Fe量(at％)与饱和磁致伸缩常数的关系的图表(引用自O.V.Auwers and H.Neumann.Wiss.Veroffentlich,Siemens 14(1935)93.)。如该图表所示，CoFe合金的基于组分的差异的磁致伸缩不同。在饱和磁致伸缩常数为正的情况下，若对磁致伸缩常数为正的磁性膜施加拉伸应力，则磁性膜的磁化容易以(磁致伸缩常数×应力)朝向拉伸应力的方向。原因在于，这样能量下降(磁致伸缩常数×应力)。磁致伸缩零的磁性膜无论施加怎样的应力都不产生基于应力的能量差，因此应力耐性强。对磁传感器的元件施加各种各样的应力，因此为了避免磁化方向根据应力而变化，低磁致伸缩是优选的情况多。
如上所述，根据磁致伸缩的观点有时交换耦合膜10产生设计上的制约。但是，交换耦合膜10在例如使用了CoFe合金作为固定磁性层3的情况下，不依赖于其组分而在Fe含有比例0～100at％的宽范围中获得较高的Hex。这样，交换耦合膜10能够使用多种金属(具体而言，例示纯铁(Fe)、纯钴(Co)。)、合金作为固定磁性层3，因此能够使用的材料的选择幅度宽，与以往相比在设计上的自由度较高这一点上是优秀的。
非磁性材料层4能够使用Cu(铜)、Ru(钌)等形成。
自由磁性层5，其材料及构造不被限定，但例如能够使用CoFe合金(钴铁合金)、NiFe合金(镍铁合金)等作为材料，能够形成为单层构造、层叠构造、层叠亚铁构造(日语：積層フェリ構造)等。
保护层6能够使用Ta(钽)等形成。
另外，在要成膜出交换耦合膜10的PtCr层2A等合金层时，既可以同时供给形成合金的多种金属(PtCr层2A的情况下为Pt及Cr)，也可以交替地供给形成合金的多种金属。作为前者的具体例而举出形成合金的多种金属的同时溅射，作为后者的具体例而举出不同种类的金属层的交替层叠。存在形成合金的多种金属的同时供给与交替供给相比对于提高Hex而言是优选的情况。
＜第2实施方式＞
图2示出了对使用了本发明的第2实施方式的交换耦合膜20的磁检测元件(磁阻效应元件)21的膜构成进行表示的说明图。在本实施方式中，对于与图1所示的磁检测元件11功能相同的层附以相同的符号，并省略说明。
图2所示的第2实施方式的磁检测元件21与图1的磁检测元件11的差异点在于，交换耦合膜20由自钉扎构造的固定磁性层3与反强磁性层2接合而构成的点、及非磁性材料层4和自由磁性层5与固定磁性层3相比在基底层1侧形成的点。
磁检测元件21也是利用了所谓的单自旋阀型的巨磁阻效应的层叠元件。电阻以固定磁性层3的第1磁性层3A的固定磁化的向量与自由磁性层5的根据外部磁场而变化的磁化的向量之间的相对关系而变化。
固定磁性层3为用第1磁性层3A及第2磁性层3C和位于这二层之间的非磁性中间层3B构成的自钉扎固定构造。第1磁性层3A的固定磁化方向P1与第2磁性层3C的固定磁化方向P2由于相互作用而反向平行。与非磁性材料层4相邻的第1磁性层3A的固定磁化方向P1是固定磁性层3的固定磁化方向。该固定磁化方向P1延伸的方向是磁检测元件11的灵敏度轴方向。
第1磁性层3A及第2磁性层3C用Fe(铁)、Co(钴)、CoFe合金(铁钴合金)或NiFe合金(镍铁合金)形成。CoFe合金及NiFe合金通过提高Fe的含有比例，从而提高顽磁力。与非磁性材料层4相邻的第1磁性层3A是有助于自旋阀式的巨磁阻效应的层。
非磁性中间层3B用Ru(钌)等形成。由Ru构成的非磁性中间层3B的膜厚优选是
或
能够作为本实施方式的自钉扎构造的固定磁性层3中的第1磁性层3A及第2磁性层3C使用的材料的选择幅度宽，与第1实施方式同样，与以往相比设计上的自由度高。
＜磁传感器的构成＞
图3中示出了组合了图1所示的磁检测元件11的磁传感器(磁检测装置)30。在图3中，将固定磁化方向P(参照图1)不同的磁检测元件11，分别标注11Xa、11Xb、11Ya、11Yb的不同的符号进行区别。磁传感器30中，磁检测元件11Xa、11Xb、11Ya、11Yb被设置于同一基板上。
图3所示的磁传感器30具有全桥电路32X及全桥电路32Y，在同一基板上具备多个磁检测元件11(参照图1)。全桥电路32X具备2个磁检测元件11Xa和2个磁检测元件11Xb，全桥电路32Y具备2个磁检测元件11Ya和2个磁检测元件11Yb。磁检测元件11Xa、11Xb、11Ya、11Yb都具备图1所示的磁检测元件11的交换耦合膜10的膜构造。在不将它们特别区别的情况下，以下适当记为磁检测元件11。
全桥电路32X和全桥电路32Y，是为了使检测磁场方向不同，而使用了图3中以箭头表示的固定磁化方向不同的磁检测元件11的电路，且检测磁场的机构相同。因此，以下，对使用全桥电路32X检测磁场的机构进行说明。
全桥电路32X是第1串联部32Xa与第2串联部32Xb并联地连接而构成的。第1串联部32Xa是磁检测元件11Xa与磁检测元件11Xb串联地连接而构成的，第2串联部32Xb是磁检测元件11Xb与磁检测元件11Xa串联地连接而构成的。
对构成第1串联部32Xa的磁检测元件11Xa与构成第2串联部32Xb的磁检测元件11Xb共用的电源端子33，赋予电源电压Vdd。构成第1串联部32Xa的磁检测元件11Xb与构成第2串联部32Xb的磁检测元件11Xa共用的接地端子34被设定为接地电位GND。
构成全桥电路32X的第1串联部32Xa的中点35Xa的输出电位(OutX1)与第2串联部32Xb的中点35Xb的输出电位(OutX2)的差动输出(OutX1)－(OutX2)作为X方向的检测输出(检测输出电压)VXs而被获得。
全桥电路32Y也与全桥电路32X同样地起作用，从而第1串联部32Ya的中点35Ya的输出电位(OutY1)与第2串联部32Yb的中点35Yb的输出电位(OutY2)的差动输出(OutY1)―(OutY2)，作为Y方向的检测输出(检测输出电压)VYs而被获得。
如图3中以箭头所示那样，构成全桥电路32X的磁检测元件11Xa及磁检测元件11Xb的灵敏度轴方向与构成全桥电路32Y的磁检测元件11Ya及各磁检测元件11Yb的灵敏度轴方向互相正交。
图3所示的磁传感器30中，各个磁检测元件11的自由磁性层5的方向以模仿外部磁场H的方向的方式变化。此时，电阻值以固定磁性层3的固定磁化方向P与自由磁性层5的磁化方向的向量的关系而变化。
例如，若设为外部磁场H在图3所示的方向上起作用，则构成全桥电路32X的磁检测元件11Xa中灵敏度轴方向与外部磁场H的方向一致，因此电阻值变小，另一方面，磁检测元件11Xb中灵敏度轴方向与外部磁场H的方向相反，因此电阻值变大。根据该电阻值的变化，检测输出电压VXs＝(OutX1)－(OutX2)成为极大。随着外部磁场H相对于纸面向右方向变化，检测输出电压VXs变低。并且，在外部磁场H相对于图3的纸面成为向上方向或向下方向时，检测输出电压VXs成为零。
另一方面，在全桥电路32Y中，外部磁场H如图3所示那样相对于纸面向左方向时，在全部的磁检测元件11中，自由磁性层5的磁化的方向相对于灵敏度轴方向(固定磁化方向P)正交，因此磁检测元件11Ya及磁检测元件11Xb的电阻值相同。因此，检测输出电压VYs是零。图3中外部磁场H相对于纸面向下方向起作用时，全桥电路32Y的检测输出电压VYs＝(OutY1)―(OutY2)成为极大，随着外部磁场H在相对于纸面的上方向上变化，检测输出电压VYs变低。
这样，外部磁场H的方向变化，则伴随于此全桥电路32X及全桥电路32Y的检测输出电压VXs及VYs也变动。因此，基于从全桥电路32X及全桥电路32Y获得的检测输出电压VXs及VYs，能够检测检测对象的移动方向、移动量(相对位置)。
图3示出了构成为能够检测X方向及与X方向正交的Y方向的磁场的磁传感器30。但是，也可以采用仅具备仅对X方向或Y方向的磁场进行检测的全桥电路32X或全桥电路32Y的构成。
图4中示出了磁检测元件11Xa和磁检测元件11Xb的平面构造。图3和图4中，BXa－BXb方向是X方向。图4的(A)、(B)中以箭头示出了磁检测元件11Xa、11Xb的固定磁化方向P。磁检测元件11Xa与磁检测元件11Xb，固定磁化方向P是X方向，且互为反方向。
如图4所示，磁检测元件11Xa和磁检测元件11Xb具有条纹形状的元件部12。元件部12的长度方向朝向BYa－BYb方向。多条元件部12平行而配置，相邻的元件部12的图示右端部经由导电部13a而连接，相邻的元件部12的图示右端部经由导电部13b而连接。在元件部12的图示右端部和图示左端部，导电部13a、13b彼此交错地连接，元件部12连结为所谓的蜿蜒(日语：ミアンダ)形状。磁检测元件11Xa、11Xb的、图示右下部的导电部13a与连接端子14a一体化，图示左上部的导电部13b与连接端子14b一体化。
各元件部12是多个金属层(合金层)层叠而构成的。图1中示出了元件部12的层叠构造。另外，各元件部12也可以是图2所示的层叠构造。
另外，在图3和图4所示的磁传感器30中，能够将磁检测元件11置换为图2所示的第2实施方式的磁检测元件21。
实施例
图6是说明实施例1～4及比较例1～3的交换耦合膜40的膜构成的说明图。形成具备该图所示的构成的交换耦合膜，测定出温度与Hex的关系。
(实施例1)
形成具备以下的构成的交换耦合膜40，在温度350℃、磁场强度1kOe的条件下进行5小时退火处理，将固定磁性层3和反强磁性层2的磁化固定。在以下的实施例及比较例中()内的数值表示膜厚
基板/基底层1：NiFeCr(42)/反强磁性层2：Pt51at％Cr49at％(280)/Pt50at％Mn50at％(20)/固定磁性层3：Co90at％Fe10at％(100)/保护层6：Ta(90)
(实施例2)
将具备与实施例1相同的构成的交换耦合膜40，在使温度从实施例1的350℃变更为400℃、磁场强度1kOe的条件下进行5小时退火处理，将固定磁性层3和反强磁性层2的磁化固定。
(实施例3)
形成将实施例1中的反强磁性层2的Pt51at％Cr49at％(280)/Pt50at％Mn50at％(20)变为Pt54at％Cr46at％(280)/Pt50at％Mn50at％(10)的交换耦合膜40，在使温度从实施例1的350℃变更为400℃、磁场强度1kOe的条件下进行5小时退火处理，将固定磁性层3和反强磁性层2的磁化固定。
(实施例4)
形成将实施例1中的反强磁性层2的Pt51at％Cr49at％(280)/Pt50at％Mn50at％(20)变为Pt54at％Cr46at％(280)/Pt50at％Mn50at％(20)的交换耦合膜40，将温度从实施例1的350℃变更为400℃，将固定磁性层3和反强磁性层2的磁化固定。
(比较例1)
形成将实施例1中的反强磁性层2的Pt51at％Cr49at％(280)/Pt50at％Mn50at％(20)变为Pt50at％Mn50at％(300)的交换耦合膜40，在使退火处理的温度从实施例1的350℃变更为400℃、磁场强度1kOe的条件下进行5小时退火处理，将固定磁性层3和反强磁性层2的磁化固定。
(比较例2)
形成将实施例1中的反强磁性层2的Pt51at％Cr49at％(280)/Pt50at％Mn50at％(20)变为Ir20at％Mn80at％(80)的交换耦合膜40，在使温度从实施例1的350℃变更为400℃、磁场强度1kOe的条件下进行5小时退火处理，将固定磁性层3和反强磁性层2的磁化固定。
(比较例3)
形成将实施例1中的反强磁性层2的Pt51at％Cr49at％(280)/Pt50at％Mn50at％(20)变为Pt51at％Cr49at％(300)的交换耦合膜40，在使温度从实施例1的350℃变更为400℃、磁场强度1kOe的条件下进行5小时退火处理，将固定磁性层3和反强磁性层2的磁化固定。
关于实施例1～4及比较例1～3的交换耦合膜40，将对伴随着温度的变化的Hex的变化进行测定而得到的结果示于表1～3。表1～表3中示出了，使用VSM(振动样品磁强计)测定出各实施例、比较例的交换耦合膜的各温度下的磁化曲线、并根据获得的磁滞回线而求出的交换耦合磁场Hex(单位：Oe)及各温度下的Hex除以室温的Hex而得到的标准化Hex。
表1
表2
表3
图7是表示实施例1～4及比较例1～3的交换耦合膜40的温度与Hex的关系的图表。如将表1～3汇总后的图7的图表所示那样，实施例1～4的交换耦合膜40，高温条件下的Hex的值高。
图8是表示图7的交换耦合膜的各温度下的Hex除以室温的Hex而得到的标准化Hex的图表。如该图所示，实施例1～4的交换耦合膜40，在300℃的高温环境下的Hex是在室温下的Hex的约75～85％，从室温的减少比例小。
如图7及图8的图表所示，具备PtCr层和PtMn层作为反强磁性层2的实施例1～4的交换耦合膜40，与具备仅由PtMn、IrMn或PtCr层构成的反强磁性层2的比较例1～3的交换耦合膜40相比较，室温及高温条件下的Hex的值高，并且伴随温度上升的Hex的减少比例小。
(实施例5)
形成具备以下的构成的以下的交换耦合膜，在磁场强度1kOe、温度350℃的条件下进行20小时退火处理，将固定磁性层3和反强磁性层2的磁化固定。
基板/基底层1：NiFeCr(42)/非磁性材料层4：[Cu(40)/Ru(10)]/固定磁性层3：Co60at％Fe40at％(100)/反强磁性层2：Pt50at％Mn50at％(12)/Pt51at％Cr49at％(280)/保护层6：Ta(90)
(实施例6)
形成将实施例5中的反强磁性层2的Pt50at％Mn50at％(12)/Pt51at％Cr49at％(280)变为Pt50at％Mn50at％(18)/Pt51at％Cr49at％(280)的交换耦合膜，与实施例5同样地，在磁场强度1kOe、温度350℃的条件下进行20小时退火处理，将固定磁性层3和反强磁性层2的磁化固定。
关于实施例5～6的交换耦合膜，使用VSM(振动样品磁强计)，测定出交换耦合磁场Hex(单位：Oe)，并将其除以室温的Hex而得到的标准化Hex示于表4。
表4
图9是表示实施例1～6的交换耦合膜的各温度下的Hex除以室温的Hex而得到的标准化Hex的图表。如将表4的结果汇总后的该图表所示，使用Co60at％Fe40at％作为固定磁性层3的实施例5～6，与使用Co90at％Fe10at％作为固定磁性层3的实施例1～4同样，高温稳定性良好。
(实施例7)
使固定磁性层3中的Fe量X(at％)变化为0、10、20、30、40、50、60、70、80、90及100，形成具备以下的构成的交换耦合膜，在温度350℃、磁场强度1kOe的条件下进行20小时退火处理，将固定磁性层3和反强磁性层2的磁化固定。
基板/基底层1：NiFeCr(40)/非磁性中间层4：[Cu(40)/Ru(10)]/固定磁性层3：Co(100－Xat％)FeXat％(50)/反强磁性层2：Pt48at％Mn52at％(20)/Pt51at％Cr49at％(280)/保护层6：Ta(50)
(实施例8)
形成与实施例7相同的交换耦合膜，在将温度从实施例7的350℃变为400℃、磁场强度1kOe的条件下进行20小时退火处理，将固定磁性层3和反强磁性层2的磁化固定。
(比较例4)
将固定磁性层3中的Fe量X(at％)变化为0、10、20、30、40、50、60、70、80、90及100，而形成具备以下的构成的交换耦合膜，在温度350℃、磁场强度1kOe的条件下进行20小时退火处理，将固定磁性层3和反强磁性层2的磁化固定。
基板/基底层1：NiFeCr(40)/非磁性中间层4：[Cu(40)/Ru(10)]/固定磁性层3：Co(100－Xat％)FeXat％(50)/反强磁性层2：Ir22at％Mn78at％(80)/保护层6：Ta(50)
关于实施例7～8及比较例4的交换耦合膜，将使用VSM(振动样品磁强计)，测定出交换耦合磁场Hex(单位：Oe)的结果示于表5，将每单位面积的交换耦合能(erg/cm2)示于表6。
表5
Hex(交换耦合磁场、Oe)
表6
交换耦合能(erg/cm2)
图10及图11是表示实施例7～8和比较例4的交换耦合膜的交换耦合磁场Hex(Oe)及交换耦合能(erg/cm2)的图表。如将表5及表6汇总后的这些图表所示，可知，使用Pt48at％Mn52at％(20)/Pt51at％Cr49at％(280)作为反强磁性层2的交换耦合膜，即使在使用Co(100－Xat％)FeXat％(50)(X＝0～100)作为固定磁性层3的情况下，交换耦合磁场Hex及交换耦合能也变高。这样，通过使用由PtCr层和XMn层(其中，X是Pt或Ir)构成的反强磁性层2，由此使用各种金属作为固定磁性层3，可获得交换耦合磁场Hex高的交换耦合膜10。因此，能够使例如磁致伸缩等的性质优先地、决定作为固定磁性层3而使用的CoFe合金，所以交换耦合膜10的设计上的自由度高。
符号说明
1：基底层
2：反强磁性层
2A：PtCr层
2B：XMn层
3：固定磁性层
3A：第1磁性层
3B：非磁性中间层
3C：第2磁性层
4：非磁性材料层
5：自由磁性层
6：保护层
10、20、40：交换耦合膜
11、11Xa、11Xb，11Ya、11Yb：磁检测元件
12：元件部
13a、13b：导电部
14a、14b：连接端子
21：磁检测元件(磁阻效应元件)
30：磁传感器(磁检测装置)
32X：全桥电路
32Xa，32Ya：第1串联部
32Xb，32Yb：第2串联部
32Y：全桥电路
33：电源端子
34：接地端子
35Xa、35Xb、35Ya、35Yb：中点
D1、D2：膜厚
GND：接地电位
H：外部磁场
Hex：交换耦合磁场
M：磁化
P、P1、P2：固定磁化方向
Vdd：电源电压
Claims (7)
1.一种交换耦合膜，其特征在于，
由反强磁性层和固定磁性层层叠而成，
上述反强磁性层由PtCr层和XMn层构成，其中，X是Pt或Ir，
上述XMn层与上述固定磁性层接触，
上述固定磁性层是铁、钴、钴铁合金或镍铁合金。
2.一种交换耦合膜，其特征在于，
由反强磁性层和固定磁性层层叠而成，
上述反强磁性层由PtCr层和XMn层构成，其中，X是Pt或Ir，
上述XMn层与上述固定磁性层接触，
上述固定磁性层是第1磁性层和中间层和第2磁性层层叠而成的自钉扎构造，
上述第1磁性层及上述第2磁性层是铁、钴、钴铁合金或镍铁合金。
3.如权利要求1或2所述的交换耦合膜，其中，
上述PtCr层的膜厚比上述XMn层的膜厚大。
4.如权利要求3所述的交换耦合膜，其中，
上述PtCr层的膜厚与上述XMn层的膜厚之比为5：1～100：1。
5.一种磁阻效应元件，其特征在于，
层叠有权利要求1至4中任一项所述的交换耦合膜与自由磁性层而成。
6.一种磁检测装置，其特征在于，
具备多个权利要求5所述的上述磁阻效应元件。
7.如权利要求6所述的磁检测装置，其中，
在同一基板上具备多个权利要求5所述的上述磁阻效应元件，
多个上述磁阻效应元件包括固定磁化方向不同的磁阻效应元件。
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Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2000251225A (ja) * | 1999-03-03 | 2000-09-14 | Read Rite Smi Kk | スピンバルブ磁気抵抗センサ及び薄膜磁気ヘッド |
| KR20040104133A (ko) * | 2003-06-03 | 2004-12-10 | 한국과학기술연구원 | Ｍｎ계 반강자성 합금을 이용한 거대자기저항 스핀밸브 박막 |
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Family Cites Families (12)
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| JP2003031870A (ja) * | 2001-07-19 | 2003-01-31 | Alps Electric Co Ltd | 交換結合膜及び前記交換結合膜を用いた磁気検出素子 |
| JP2003338644A (ja) * | 2001-11-19 | 2003-11-28 | Alps Electric Co Ltd | 磁気検出素子及びその製造方法 |
| JP2003318463A (ja) * | 2002-04-23 | 2003-11-07 | Alps Electric Co Ltd | 交換結合膜及びこの交換結合膜の製造方法並びに前記交換結合膜を用いた磁気検出素子 |
| JP2007026481A (ja) * | 2005-07-12 | 2007-02-01 | Tdk Corp | 薄膜磁気ヘッド、ヘッドジンバルアセンブリおよびハードディスク装置 |
| JP2008283207A (ja) * | 2005-10-19 | 2008-11-20 | Toshiba Corp | 磁気抵抗効果素子、磁気ランダムアクセスメモリ、電子カード及び電子装置 |
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| JP6597542B2 (ja) * | 2016-09-26 | 2019-10-30 | 株式会社村田製作所 | 積層型電子部品 |
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Patent Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2000251225A (ja) * | 1999-03-03 | 2000-09-14 | Read Rite Smi Kk | スピンバルブ磁気抵抗センサ及び薄膜磁気ヘッド |
| KR20040104133A (ko) * | 2003-06-03 | 2004-12-10 | 한국과학기술연구원 | Ｍｎ계 반강자성 합금을 이용한 거대자기저항 스핀밸브 박막 |
| CN109716547A (zh) * | 2016-08-10 | 2019-05-03 | 阿尔卑斯阿尔派株式会社 | 交换耦合膜以及使用该交换耦合膜的磁阻效应元件及磁检测装置 |
Non-Patent Citations (1)
| Title |
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| B. DAI 等: ""Improved exchange bias of PtCr antiferromagnets with FeMn or Mn addition"" * |
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| GR01 | Patent grant | ||
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