CN111542937A - 位置检测元件以及使用其的位置检测装置 - Google Patents

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Abstract

提供具备交换耦合磁场大的交换耦合膜的位置检测元件、以及在高温环境下的检测精度良好的位置检测装置。对于具备具有固定磁性层(4)和在固定磁性层(4)层叠的反强磁性层(5)的交换耦合膜(10)的位置检测元件(11)，反强磁性层(5)具备X(Cr‑Mn)层，该X(Cr‑Mn)层含有选自由铂族元素以及Ni组成的组的一种或者两种以上的元素X、以及Mn及Cr，X(Cr‑Mn)层具有：作为距固定磁性层(4)相对较近的第1区域(R1)的PtMn层(5A)、和作为距固定磁性层(4)相对较远的第2区域(R2)的PtCr层(5B)，第1区域(R1)中的Mn含有量高于第2区域(R2)中的Mn含有量。

Description

位置检测元件以及使用其的位置检测装置
技术领域
本发明涉及一种在汽车的方向盘的旋转角度的检测等中使用的位置检测元件、以及使用其的位置检测装置。
背景技术
作为检测对象物的位置的位置检测元件，使用了GMR(Giant Magneto Resistiveeffect，巨磁阻效应)元件、TMR(Tunnel Magneto Resistance effect，隧道磁阻效应)元件等磁阻效应元件。作为位置检测装置的检测精度下降的原因之一，列举了，磁阻效应元件的固定磁性层(pinned layer，固定层)的磁化方向因设置于检测对象物的磁石等的磁场的影响导致从规定的方向稍微发生变化。特别地，反强磁性膜的交换耦合磁场随着温度上升而减小，因此，与反强磁性膜正进行交换耦合的固定磁性层的磁化方向在高温环境下容易变化。因此，为了提高在高温环境下的位置检测装置的检测精度，优选地，使用具备交换耦合磁场大且温度特性良好的反强磁性膜的磁阻效应元件，来作为位置检测元件。作为磁阻效应元件的反强磁性膜，例如公开了PtMn、IrMn的示例(专利文献1、专利文献2)。
在先技术文献
专利文献
专利文献1：日本特开2002-303536号公报
专利文献2：日本特开2011-47930号公报
发明内容
发明要解决的课题
最近，位置检测装置有时在高温环境下使用，因此，要求即使在高温环境下也维持高的检测精度。为了较高地维持在高温条件下的检测精度，需要将磁阻效应元件的固定磁性层的磁化方向保持为规定方向来进行维持。
然而，对于具备专利文献1中记载的PtMn或专利文献2中记载的IrMn作为反强磁性膜的磁阻效应元件，交换耦合的大小是不充分的。因此，在高温环境下，固定磁性层的磁化方向产生从规定方向的偏移，成为在高温条件下的位置检测装置的精度下降的一个原因。
本发明的目的在于，提供一种为了位置检测元件、以及在高温环境下的检测精度良好的位置检测装置，该位置检测元件为了抑制固定磁性层的磁化方向受到外部磁场、设置于检测对象物的磁石等的磁场的影响而从规定方向发生变化，具备交换耦合磁场大的交换耦合膜。
用于解决课题的手段
为了解决上述课题而提供的本发明，在一个方式中，是一种位置检测元件，在基于根据检测对象的位置的不同而变化的磁场的位置检测中使用，其特征在于，所述位置检测元件具备：具有固定磁性层和在所述固定磁性层层叠的反强磁性层的交换耦合膜，所述反强磁性层具备X(Cr-Mn)层，该X(Cr-Mn)层含有选自由铂族元素以及Ni组成的组的一种或者两种以上的元素X、以及Mn及Cr，所述X(Cr-Mn)层具有：距所述固定磁性层相对较近的第1区域、和距所述固定磁性层相对较远的第2区域，所述第1区域中的Mn含有量高于所述第2区域中的Mn含有量。
图1是说明本发明所涉及的位置检测元件所具备的交换耦合膜的磁化曲线的磁滞回线的图。通常，软磁性体的M-H曲线(磁化曲线)所形成的磁滞回线成为以H轴与M轴的交点(磁场H＝0A/m，磁化M＝0A/m)为中心而对称的形状，然而如图1所示，由于交换耦合磁场Hex对固定磁性层起作用，因此，上述交换耦合膜的磁滞回线成为对应于Hex的大小而沿着H轴偏移了的形状。对于交换耦合膜的固定磁性层，该Hex越大，则即使施加外部磁场，磁化的朝向也难以反转。因此，成为因设置在检测对象的磁石的磁场等的影响而导致的从规定方向的磁化方向的变化被抑制了的良好的固定磁性层。
当通过沿着该H轴偏移了的磁滞回线的中心(该中心的磁场强度相当于交换耦合磁场Hex。)与磁滞回线的H轴截距的差而定义的顽磁力Hc小于交换耦合磁场Hex的情况下，即使施加外部磁场而交换耦合膜的固定磁性层在沿着该外部磁场的方向上被磁化，然而如果外部磁场的施加结束，则能够通过与顽磁力Hc相比相对较强的交换耦合磁场Hex使固定磁性层的磁化的方向一致。即，在交换耦合磁场Hex和顽磁力Hc的关系是Hex>Hc的情况下，交换耦合膜具有良好的强磁场耐性。因此，难以受到在外部磁场、检测对象物设置的磁石等的磁场的影响。
在上述交换耦合磁场Hex和顽磁力Hc的关系显著的情况下，如图1所示，残留磁场M0对饱和磁化Ms的比(M0/Ms)成为负的值。即，如果M0/Ms为负的值，则交换耦合膜具有更良好的强磁场耐性，若M0/Ms是负的值且其绝对值越大则交换耦合膜越具有特别优异的强磁场耐性。
本发明的位置检测装置所具有的交换耦合膜设为如下结构，即反强磁性层具备X(Cr-Mn)层，所述X(Cr-Mn)层具有第1区域和第2区域，且所述第1区域中的Mn含有量高于所述第2区域中的Mn含有量，由此，交换耦合磁场Hex容易变得比顽磁力Hc大，交换耦合具有优异的强磁场耐性。在优选的一个方式中，实现了M0/Ms成为负的值并且使其绝对值增大，因此，具有优异的强磁场耐性。
还可以是，在上述位置检测元件中，所述第1区域与所述强磁性层相接。
还可以是，在上述位置检测元件中，所述第1区域具有Mn含有量对Cr含有量的比即Mn/Cr比为0.3以上的部分。该情况下，优选地，所述第1区域具有所述Mn/Cr比为1以上的部分。
还可以是，作为上述位置检测元件的具体一个方式，所述反强磁性层是PtCr层、和与所述PtCr层相比距所述固定磁性层近的X0Mn层(其中，X0是选自由铂族元素以及Ni组成的组的一种或者两种以上的元素)层叠而构成的。
还可以是，作为上述位置检测元件的具体例，所述反强磁性层是PtCr层和PtMn层按该顺序层叠而构成的，以使所述PtMn层距所述固定磁性层近。该情况下，还可以与所述PtMn层相比距所述固定磁性层近地进一步层叠IrMn层。该结构符合上述X0Mn层具有PtMn层和IrMn层的层叠构造的情况。
本发明作为另一方式，提供一种位置检测元件，根据因检测对象的位置的不同而变化的磁场，来检测所述检测对象的位置，其特征在于，所述位置检测元件具备：具有固定磁性层和在所述固定磁性层层叠的反强磁性层的交换耦合膜，所述反强磁性层具有：X1Cr层(其中，X1是选自由铂族元素以及Ni组成的组的一种或者两种以上的元素)和X2Mn层(其中，X2是选自由铂族元素以及Ni组成的组的一种或者两种以上的元素，能够与X1相同或者不同)交替地层叠而得的三层以上的交替层叠构造。
还可以是，在上述位置检测元件中，所述X1是Pt，所述X2是Pt或者Ir。
还可以是，所述反强磁性层具有：由X1Cr层和X2Mn层构成的单元被层叠多个而得的单元层叠部。此外，还可以是，所述反强磁性层除了所述单元层叠部之外，还在所述固定磁性层侧具备所述X1Cr层或者所述X2Mn层。在这些情况下，还可以是，所述单元层叠部中的所述X1Cr层以及所述X2Mn层分别是相同的膜厚，所述X1Cr层的膜厚大于所述X2Mn层的膜厚。此时，有时优选地，所述X1Cr层的膜厚与所述X2Mn层的膜厚的比是5:1～100:1。
本发明作为另一方式，提供一种位置检测元件，在基于根据检测对象的位置的不同而变化的磁场的位置检测中使用，其特征在于，所述位置检测元件具备：具有固定磁性层和在所述固定磁性层层叠的反强磁性层的交换耦合膜，所述反强磁性层具备X(Cr-Mn)层，该X(Cr-Mn)层含有选自由铂族元素以及Ni组成的组的一种或者两种以上的元素X、以及Mn及Cr，所述X(Cr-Mn)层具有：距所述强磁性层相对较近的第1区域、和距所述强磁性层相对较远的第2区域，当将Bi+离子作为一次离子，使用飞行时间型二次离子质量分析法测定所述X(Cr-Mn)层，来求出与Mn相关的7种离子的检测强度对与Cr相关地测定的8种离子中除去Cr+后的7种离子的检测强度的比即第1强度比时，所述第1区域中的所述第1强度比高于所述第2区域中的所述第1强度比，在所述第2区域的整个区域含有Mn。此外，在本说明书中，第1强度比有时也被记载为“I-Mn/Cr”。
本发明作为另一方式，提供一种位置检测装置，在根据对应于检测对象的位置而变化的磁场的所述检测对象的位置的检测中使用，其特征在于，具备：在所述检测对象安装的磁石；以及上述的位置检测元件。还可以是，所述检测对象是旋转体，所述位置检测装置检测所述旋转体的旋转角度。还可以是，该位置检测装置在同一基板上具备多个所述位置检测元件，多个所述位置检测元件中包含所述固定磁性层的固定磁化方向不同的位置检测元件。
发明效果
根据本发明，提供一种即使在高温环境下也抑制固定磁性层的磁化方向从规定方向偏移的位置检测元件。因此，若使用本发明的位置检测元件，则能够设为即使放置在高温环境下也检测精度良好的位置检测装置。
附图说明
图1是说明本发明所涉及的位置检测元件中的交换耦合膜的磁化曲线的磁滞回线的图。
图2是表示本发明的第1实施方式所涉及的位置检测元件的结构的说明图。
图3是深度曲线的一例。
图4是将图3的深度曲线的一部分放大而得的曲线。
图5是使横轴的范围与图4相等地表示基于图4而求出的Cr含有量对Mn含有量的比(Mn/Cr比)的图表。
图6是表示本发明的第1实施方式的变形例所涉及的位置检测元件的结构的说明图。
图7是表示本发明的第2实施方式所涉及的位置检测元件的结构的说明图。
图8是表示本发明的第2实施方式的变形例所涉及的位置检测元件的结构的说明图。
图9是本发明的第1实施方式所涉及的磁传感器的电路框图。
图10是表示在磁传感器中使用的位置检测元件的俯视图。
图11是表示使用了本发明的实施方式所涉及的磁传感器的位置检测装置的结构的说明图。
图12是表示使用了本发明的实施方式所涉及的磁传感器的位置检测装置的另一结构的说明图。
图13是在高温(200℃、250℃)环境下的可靠性试验方法的说明图。
图14是表示实施例1至6以及比较例1至2的可靠性试验(200℃)的结果的图表。
图15是表示实施例3、5、6以及比较例1的可靠性试验(250℃)的结果的图表。
图16是关于实施例7至8以及比较例3至4，表示测定温度和交换耦合磁场的关系的图表。
图17是利用室温的交换耦合磁场使图16的各温度下的交换耦合磁场标准化而得的图表。
图18是关于实施例9至14以及比较例5至6，表示残留磁化(M0)/饱和磁化(Ms)的图表。
图19是关于实施例9至14以及比较例5至6，表示交换耦合磁场(Hex)/顽磁力(Hc)的图表。
图20是交换耦合膜(B)的深度曲线。
图21是在通过退火处理而成为交换耦合膜(B)之前的层叠构造体(未退火处理)的深度曲线。
图22的(a)是通过退火处理成为交换耦合膜(A)之前的层叠构造体(未退火处理)的Mn所相关的7种离子的检测强度的总和、以及与Cr相关的7种离子的检测强度的总和的深度曲线；(b)是层叠构造体(未退火处理)的I-Mn/Cr(第1强度比)的深度曲线。
图23的(a)是与交换耦合膜(A)的Mn相关的7种离子的检测强度的总和、以及与Cr相关的7种离子的检测强度的总和的深度曲线；(b)是交换耦合膜(A)的I-Mn/Cr的深度曲线。
图24的(a)是通过退火处理成为交换耦合膜(B)之前的层叠构造体(未退火处理)的Mn所相关的7种离子的检测强度的总和、以及与Cr相关的7种离子的检测强度的总和的深度曲线。
图25的(a)是与交换耦合膜(A)的Mn相关的7种离子的检测强度的总和、以及与Cr相关的7种离子的检测强度的总和的深度曲线；(b)是交换耦合膜(A)的I-Mn/Cr的深度曲线。
具体实施方式
<第1实施方式所涉及的位置检测元件>
图2是表示本发明的第1实施方式所涉及的、使用了交换耦合膜10的位置检测元件11的膜结构的说明图。
位置检测元件11是从基板的表面起按基底层1、自由磁性层2、非磁性材料层3、固定磁性层4、PtMn层5A、PtCr层5B以及保护层6的顺序层叠而成膜的。通过PtMn层5A和PtCr层5B按该顺序层叠而得的层叠构造，构成反强磁性层5。固定磁性层4和反强磁性层5构成交换耦合膜10。
位置检测元件11的各层利用例如溅射工序、CVD工序来成膜。当对合金层进行成膜时，可以同时供给形成合金的多种金属(例如，在PtMn层5A的情况下，Pt以及Mn)，还可以交替地供给形成合金的多种金属。作为前者的具体例，列举了形成合金的多种金属的同时溅射；作为后者的具体例，列举了不同种类的金属膜的交替层叠。有时，形成合金的多种金属的同时供给相比于交替供给而言，对于提高交换耦合磁场Hex来说是优选的。
位置检测元件11是利用了所谓的单个自旋阀式的巨磁阻效应(GMR效应)的层叠元件，电阻以自由磁性层2的因外部磁场的不同而变化的磁化的向量和固定磁性层4的固定磁化的向量的相对关系而变化。
反强磁性层5在成膜后通过被退火处理而有序化，与固定磁性层4进行交换耦合，在固定磁性层4发生交换耦合磁场Hex。如后述那样，通过退火处理，构成反强磁性层5的各层的结构原子相互扩散。通过该交换耦合磁场Hex，能够使具备交换耦合膜10的位置检测元件11的强磁场耐性提高。
本实施方式所涉及的交换耦合膜10所具备的反强磁性层5具有X(Cr-Mn)层，该X(Cr-Mn)层含有：选自由铂族元素以及Ni组成的组的一种或者两种以上的元素X、以及Mn及Cr。对于从图2中示出的层叠构造得到的反强磁性层5，元素X是Pt，因此，成为Pt(Cr-Mn)层。该Pt(Cr-Mn)层具有：距固定磁性层4相对较近的第1区域、和距固定磁性层4相对较远的第2区域，第1区域中的Mn含有量高于第2区域中的Mn含有量。具有这样的构造的Pt(Cr-Mn)层通过层叠的PtMn层5A以及PtCr层5B受到退火处理来形成。利用通过一边进行溅射一边进行表面分析而得到构成元素的深度方向的含有量分布(深度曲线)，能够对该构造进行确认。
图3是本实施方式所涉及的交换耦合膜10的深度曲线的一例。图3中示出的深度曲线是，从针对具备以下结构的膜，在15kOe的磁场中在350℃下进行20小时退火处理了的膜而得的。()内的数值表示膜厚
Figure BDA0002558029380000081
基板/基底层：NiFeCr(40)/非磁性材料层：[Cu(40)/Ru(20)]/固定磁性层：Co40at％Fe60at％(20)/反强磁性层[IrMn层：Ir22at％Mn78at％(10)/PtMn层：Pt50at％Mn50at％(16)/PtCr层：Pt51at％Cr49at％(300)]/保护层：Ta(100)
图3的深度曲线具体地是通过从保护层侧一边进行氩气溅射一边通过俄歇电子分光装置进行表面分析而得的，由在深度方向上的Pt、Ir、Cr以及Mn的含有量分布而构成。基于氩气的溅射速度利用SiO2换算来求取，是1.1nm/分。
图4是将图3的一部分放大而得的图。关于图3以及图4的任意一个，为了确认固定磁性层以及非磁性材料层的深度位置，将Co(固定磁性层的构成元素之一)的含有量分布以及Ru(构成非磁性材料层的反强磁性层侧的元素)的含有量分布也包含在深度曲线中。
如图3所示，反强磁性层的厚度是30nm左右，具备X(Cr-Mn)层，该X(Cr-Mn)层含有作为选自由铂族元素以及Ni组成的组一种或者两种以上的元素X的Pt以及Ir、和Mn以及Cr，具体地，由(Pt-Ir)(Cr-Mn)层构成。并且，X(Cr-Mn)层((Pt-Ir)(Cr-Mn)层)具有：距固定磁性层相对较近的第1区域R1、和距固定磁性层相对较远的第2区域R2，第1区域R1中的Mn含有量高于第2区域R2中的Mn含有量。这样的构造能够通过将由XCr构成的层以及由XMn构成的层等适当层叠来形成多层层叠体，并对该多层层叠体进行上述那样的退火处理而得到。
图5是使横轴的范围与图4相等地表示根据通过深度曲线而求出的各深度的Mn含有量以及Cr含有量而算出的、Mn含有量对Cr含有量的比(Mn/Cr比)的图表。根据图5中示出的结果，在本说明书中，将Mn/Cr比成为0.1的深度设为第1区域R1和第2区域R2的边界。即，在反强磁性层中，在距固定磁性层近的区域中，将Mn/Cr比为0.1以上的区域定义为第1区域R1；将反强磁性层中的除了第1区域以外的区域定义为第2区域。根据该定义，在图3中示出的深度曲线中，第1区域R1和第2区域R2的边界位于深度44.5nm左右。
Mn/Cr比大这一情况不仅会对交换耦合磁场Hex的大小造成影响，而且Mn/Cr比越大，则Hex/Hc的值是正的值且绝对值越容易变大。具体地，优选地，第1区域R1具有Mn/Cr比为0.3以上的部分；更优选地，具有Mn/Cr比为0.7以上的部分；特别优选地，具有Mn/Cr比为1以上的部分。
这样，由于在第1区域R1相对较多地含有Mn，因此，本实施方式所涉及的位置检测元件11能够使高的交换耦合磁场Hex发生。另一方面，在第2区域R2中，由于Mn含有量低，相对地Cr含有量高，因此，反强磁性层5具有高的阻隔温度Tb。因此，本实施方式所涉及的固定磁性层4即使放置于高温环境下，固定磁性层4的磁化方向也难以从规定方向而变化。在上述的说明中，相对于PtCr层在固定磁性层4侧层叠的X0Mn层(其中，X0是选自由铂族元素以及Ni组成的组的一种或者两种以上的元素)层是PtMn层5A，然而并不限定于此。
图6是表示本发明的第1实施方式的变形例所涉及的位置检测元件的结构的说明图。如该图中示出的那样，还可以在与反强磁性层5的PtMn层5A相比距固定磁性层4近的位置进一步层叠IrMn层5C。该情况下，上述的X0Mn层由PtMn层5A和IrMn层5C构成。
通过具备反强磁性层由IrMn层5C、PtMn层5A和PtCr层5B构成的层叠构造，残留磁场M0对饱和磁化Ms的比(M0/Ms)成为负的值，其绝对值容易变大。此时，交换耦合膜10的磁滞回线整体在交换耦合磁场的磁化的朝向上偏移，并且顽磁力Hc变小。其结果，得到不仅Hex大，而且强磁场耐性优异的交换耦合膜10。
从交换耦合膜10具有优异的强磁场耐性的观点来看，优选地，M0/Ms是-0.05以下，更优选地是-0.10以下，进一步优选地是-0.15以下，特别优选地是-0.20以下。
从提高交换耦合膜10的强磁场耐性的观点来看，有时，优选地PtMn层5A的膜厚是
Figure BDA0002558029380000101
以上，在作为X0Mn层具备IrMn层C的情况下，有时优选地其膜厚为
Figure BDA0002558029380000102
以上，有时优选地PtMn层5A的膜厚和IrMn层C的膜厚的总和是
Figure BDA0002558029380000103
以上。通过满足这些条件的至少一者，上述M0/Ms成为负的值且其绝对值变大的倾向显著。
固定磁性层4由CoFe合金(钴-铁合金)形成。CoFe合金通过提高Fe的含有比例，顽磁力变高。固定磁性层4是对自旋阀式的巨磁阻效应有贡献的层，固定磁性层4的固定磁化方向P所延伸的方向是位置检测元件11的灵敏度轴方向。从提高交换耦合膜10的强磁场耐性的观点来看，有时，优选地，固定磁性层4的膜厚是
Figure BDA0002558029380000104
以上且
Figure BDA0002558029380000105
以下。
基底层1以及保护层6例如由钽(Ta)构成。自由磁性层2其材料以及构造不受限定，然而，例如作为材料，能够使用CoFe合金(钴-铁合金)、NiFe合金(镍-铁合金)等，并能够作为单层构造、层叠构造、层叠亚铁构造等来形成。非磁性材料层3能够使用Cu(铜)等来形成。
在上述本实施方式所涉及的位置检测元件11(参照图2)的反强磁性层5中，以PtMn层5A与固定磁性层4相接的方式来层叠，并在该PtMn层5A层叠了PtCr层5B，然而，PtMn层5A是X0Mn层(其中，X0是选自由铂族元素以及Ni组成的组的一种或者两种以上的元素)的具体的一例。即，位置检测元件11示出了X0Mn层是单层构造且X0是Pt的情况下的方式。X0还可以是Pt以外的元素，X0Mn层还可以是多个层层叠而构成的。作为这样的X0Mn层的具体例，列举了X0Mn层由IrMn层构成的情况、或者如图6中示出的位置检测元件12那样从距固定磁性层4近的侧起将IrMn层以及PtMn层按该顺序层叠的情况。此外，作为另一具体例，列举了从距固定磁性层4近的侧起将PtMn层、IrMn层以及PtMn层按该顺序层叠的情况。
在上述本实施方式所涉及的位置检测元件11、12中，具有在固定磁性层4层叠反强磁性层5的构造，然而，还可以层叠顺序相反地具有在反强磁性层5层叠固定磁性层4的构造。
<第2实施方式所涉及的位置检测元件>
图7是概念性地表示本发明的第2实施方式所涉及的位置检测元件的构造的说明图。在本实施方式中，针对与图2中示出的位置检测元件11功能相同的层，赋予相同的符号，并省略说明。
第2实施方式所涉及的位置检测元件111具有固定磁性层4和反强磁性层51构成交换耦合膜101等的与第1实施方式所涉及的位置检测元件11共通的基本构造，然而反强磁性层51的构造与位置检测元件11的反强磁性层5是不同的。
反强磁性层51是X1Cr层51A和X2Mn层51B交替地被层叠三层而得的交替层叠构造(其中，X1以及X2分别是选自由铂族元素以及Ni组成的组的一种或者两种以上的元素，X1和X2可以相同，也可以不同)。这些各层例如利用溅射工序、CVD工序来成膜。反强磁性层51在成膜后通过被退火处理而有序化，与固定磁性层4进行交换耦合，在固定磁性层4发生交换耦合磁场Hex。通过该交换耦合磁场Hex，能够使具备交换耦合膜101的位置检测元件111的强磁场耐性提高。
在图7中，作为X1Cr层51A和X2Mn层51B层叠三层以上而得的交替层叠构造的一个方式，示出了X1Cr层51A/X2Mn层51B/X1Cr层51A的三层构造，即X1Cr层51A与固定磁性层4相接的反强磁性层51。然而，还可以设为，将X1Cr层51A和X2Mn层51B替换了的X2Mn层51B/X1Cr层51A/X2Mn层51B的三层构造。在该三层构造的情况下，X2Mn层51B与固定磁性层4相接。关于反强磁性层51所涉及的层数为4以上的情况的方式，后文描述。
在X1Cr层51A距固定磁性层4最近的情况下，使保护层6侧的X1Cr层51A的膜厚D1大于与固定磁性层4相接的X1Cr层51A的膜厚D3，从提高交换耦合磁场Hex的观点来看是优选的。此外，反强磁性层51的X1Cr层51A的膜厚D1优选地大于X2Mn层51B的膜厚D2。更优选地，膜厚D1与膜厚D2的比(D1:D2)是5:1～100:1，进一步优选地是10:1～50:1。更优选地，膜厚D1与膜厚D3的比(D1:D3)是5:1～100:1，进一步优选地是10:1～50:1。
此外，当X2Mn层51B距固定磁性层4最近即X2Mn层51B/X1Cr层51A/X2Mn层51B的三层构造的情况下，还可以使距固定磁性层4最近的X2Mn层51B的膜厚D3和保护层6侧的X2Mn层51B的膜厚D1相等。
从提高交换耦合磁场Hex的观点来看，优选地，X1Cr层51A的X1是Pt；优选地，X2Mn层51B的X2是Pt或者Ir，更优选地是Pt。在将X1Cr层51A设为PtCr层的情况下，优选地是PtXCr100-X(X是45at％以上且62at％以下)，更优选地是PtXCr100-X(X是50at％以上且57at％以下)。从同样的观点来看，优选地，X2Mn层51B是PtMn层。
图8中示出了表示本发明的第2实施方式的变形例所涉及的位置检测元件112的膜结构的说明图。在本例中，针对与图7中示出的位置检测元件111功能相等的层赋予相同符号，并省略说明。在位置检测元件112中，固定磁性层4和反强磁性层51构成交换耦合膜101A。
图8中示出的位置检测元件112与图7的位置检测元件111不同的方面是如下方面：反强磁性层52所涉及的层数是4以上，并具有由X1Cr层51A和X2Mn层51B(参照图7)构成的单元被层叠多个而得的单元层叠部。在图8中，具有：从由X1Cr层51A1和X2Mn层51B1构成的单元层叠部5U1到由X1Cr层51An和X2Mn层51Bn构成的单元5Un进行n层层叠而得的单元层叠部5U1～5Un(n为2以上的整数)。
单元层叠部5U1～5Un中的X1Cr层5A1、…X1Cr层51An分别是相同的膜厚D1，X2Mn层5B1、…X2Mn层51Bn也分别是相同的膜厚D2。通过将相同结构的单元层叠部5U1～5Un层叠，并对得到的层叠体进行退火处理，实现了使交换耦合膜101A的固定磁性层4发生高的交换耦合磁场Hex以及高的顽磁力Hc，并且提高反强磁性层52的高温稳定性。
此外，图8的反强磁性层52由单元层叠部51U1～51Un和X1Cr层51A构成，且X1Cr层51A与固定磁性层4相接，然而，也可以由单元层叠部51U1～51Un和X2Mn层51B构成，且X2Mn层51B与固定磁性层4相接。在后者的情况下，与固定磁性层4相接的X2Mn层51B所邻接的各单元的层叠顺序与图8相反，即成为从固定磁性层4侧起X1Cr层51A1/X2Mn层51B1/…/X1Cr层51An/X2Mn层51Bn。或者，还可以是反强磁性层52仅由单元层叠部51U1～51Un构成。在从仅由单元层叠部51U1～51Un构成的层叠体而形成的反强磁性层52中，根据各单元的层叠顺序来决定X2Mn层51B1或者X1Cr层51A1的哪一个与固定磁性层4相接。
单元层叠部51U1～51Un的层叠数能够根据反强磁性层52、膜厚D1以及膜厚D2的大小来设定。例如在膜厚D2是
Figure BDA0002558029380000121
膜厚D1是
Figure BDA0002558029380000122
Figure BDA0002558029380000131
的情况下，为了提高高温环境下的交换耦合磁场Hex，优选地层叠数为3～15，更优选地是5～12。
作为本实施方式的位置检测元件11的示例，形成具备以下的结构的层叠构造体，在温度350℃、磁场强度15kOe的条件下进行20小时退火处理，将固定磁性层4和反强磁性层5的磁化固定，得到以下的交换耦合膜(A)以及(B)。()内的数值表示膜厚
Figure BDA0002558029380000132
[交换耦合膜(A)]
基板/基底层1：NiFeCr(40)/非磁性材料层3〔Cu(40)/Ru(10)〕/固定磁性层4：Co60at％Fe40at％(20)/反强磁性层5：单元层叠部51U1～51U7：〔Pt48at％Mn52at％(6)/Pt51at％Cr49at％(34)的7层层叠〕/保护层6：〔Ta(90)/Ru(20)〕
[交换耦合膜(B)]
形成了将上述交换耦合膜(A)的反强磁性层5变更成以下的结构而得的层叠构造体。
X1Cr层51A：Pt51at％Cr49at％(6)/单元层叠部51U1～51U7：〔Pt48at％Mn52at％(6)/Pt51at％Cr49at％(34)的7层层叠〕
针对交换耦合膜(B)，通过从保护层6侧一边进行氩气溅射一边通过俄歇电子分光装置进行表面分析(测定面积：71μm×71μm)，得到在深度方向上的Pt、Cr以及Mn的含有量分布(深度曲线)。基于氩气的溅射速度利用SiO2换算来求取，是1.0nm/分。
图20是交换耦合膜(B)的深度曲线。为了确认固定磁性层4以及非磁性材料层3的深度位置，将Fe(固定磁性层4的构成元素之一)以及Ta(构成保护层6的反强磁性层5侧的元素)也包含在深度曲线中。如图20所示，在交换耦合膜(B)的深度曲线中，在从深度35nm左右到深度55nm左右的范围，识别到实质上并未受到固定磁性层4的影响以及保护层6的影响的、仅反映出反强磁性层5的组成的深度范围。作为该深度范围的平均值，测定了Pt、Cr以及Mn的含有量。其结果，为如下那样。
Pt：65.5at％
Cr：28.5at％
Mn：4.2at％
从该结果确认出，反强磁性层5的Pt含有量是30at％以上。因此，认为，反强磁性层5具有面心立方晶格(fcc)构造。
此外，当根据上述的结果求出Mn含有量对Cr含有量的比率(Mn/Cr比)时，是0.15。上述的深度范围是与由Pt48at％Mn52at％(6)/Pt51at％Cr49at％(34)构成的单元被层叠7层而得的单元层叠部对应的部分。若针对该由Pt48at％Mn52at％(6)/Pt51at％Cr49at％(34)构成的单元来算出Pt、Cr以及Mn的含有量，则为如下那样。
Pt：50.6at％
Cr：41.7at％
Mn：7.8at％
基于这些含有量的Mn/Cr比是0.19。若考虑在退火处理中的各元素(Pt、Cr以及Mn)的移动容易度的差异、深度曲线的测定精度，则可以说，测定出的Mn/Cr比与形成层叠构造体时的设计值大体上相近。
为了确认，针对提供交换耦合膜(B)的层叠构造体(未进行退火处理的层叠构造体)也同样地求出深度曲线。将其结果表示在图21中。如图21所示，在通过一边进行氩气溅射一边通过俄歇电子分光装置进行表面分析的方法而得的深度曲线中，并未得到在上述单元被层叠7层而构成的单元层叠部中Mn含有量或Cr含有量对应于单元的重复而变动的结果。即，确认出，该深度曲线的分辨率未达到4nm。
因此，使用飞行时间型二次离子质量分析法(TOF－SIMS)，将Bi+离子作为一次离子对100μm×100μm的区域进行照射来检测二次离子，使用O2+离子作为铣削离子来得到深度曲线。平均铣削速率是约
Figure BDA0002558029380000141
/秒。
作为与Mn相关的离子，检测到Mn+、MnO+等7种离子，作为与Cr相关的离子，检测到Cr+、CrO+等8种离子。对于这些离子中的Cr+，检测灵敏度过高，未能进行定量的评价。另外，对于Pt+，检测灵敏度过低，未能进行定量的评价。因此，求出与Mn相关的7种离子的检测强度的总和的深度曲线、以及与Cr相关的7种离子(即，从与Cr相关地测定的8种离子中除去Cr+后的7种离子)的检测强度的总和的深度曲线，根据这些结果，将各深度处的检测强度比(“与Mn相关的7种离子的检测强度的总和”/“与Cr相关的7种离子的检测强度的总和”)作为“I－Mn/Cr”，来求出该深度曲线。此外，在本说明书中，也将I-Mn/Cr称为“第1强度比”。
将针对通过退火处理而成为交换耦合膜(A)之前的层叠构造体来测定这些深度曲线而得的结果，示出在图22的(a)以及图22的(b)中。此外，将针对通过退火处理而成为了交换耦合膜(A)的层叠构造体而测定出的结果示出在图23的(a)以及图23的(b)中。
如图22的(a)所示，通过使用TOF-SIMS，在深度曲线中能够确认基于单元层叠部的结构(交替层叠构造)的Mn强度的变动以及Cr强度的变动。在基于这些结果的图22的(b)中示出的I-Mn/Cr的深度曲线中，确认了与单元层叠部中的各单元的层叠对应的I-Mn/Cr的变动，并且确认出，在距固定磁性层4近的侧存在与其他区域相比I-Mn/Cr相对较高的区域。
该倾向在通过退火处理进行有序化而得的交换耦合膜中也观察到了。
如图23的(a)所示，通过退火处理，在构成单元层叠部的各单元的内部以及层叠的多个单元间产生Mn以及Cr的相互扩散，图23的(a)中识别到的基于单元层叠部的构成(交替层叠构造)的、与Mn相关的离子的检测强度的变动以及与Cr相关的离子的检测强度的变动未被识别到。因此，在I-Mn/Cr的深度曲线中未识别到规则的变动。
另一方面，明确确认出，在距固定磁性层4近的区域存在与其他区域相比I-Mn/Cr相对较高的区域。这样，确认出，交换耦合膜(A)所具备的由X(Cr-Mn)层(Pt(Cr-Mn)层)构成的反强磁性层5具有距固定磁性层4相对较近的第1区域R1和距固定磁性层4相对较远的第2区域R2，以及第1区域R1中的I-Mn/Cr比第2区域R2中的I-Mn/Cr高。此外，还确认出，在所述第2区域的整个区域含有Mn。
如图24的(a)、(b)以及图25的(a)、(b)所示，在提供交换耦合膜(A)的层叠构造体以及交换耦合膜(A)中观察到的倾向在提供交换耦合膜(B)的层叠构造体以及交换耦合膜(B)中也被确认。
从与图25的(b)中以细虚线示出的交换耦合膜(A)的结果的对比可明确，交换耦合膜(B)的第1区域R1中的I-Mn/Cr变得低于交换耦合膜(A)的第1区域R1中的I-Mn/Cr。这被认为，反映出，在与提供交换耦合膜(A)的层叠构造体的对比下，交换耦合膜(B)是由具有在距固定磁性层4最近的位置进一步设置Pt51at％Cr49at％(6)而得的结构的层叠构造体而形成的。
此外，在本实施例中，由具备由X1Cr层(PtCr层)和X2Mn层(MnCr层)构成的单元被层叠多个而得的单元层叠部的层叠构造体，来形成具备第1区域R1中的I-Mn/Cr相对较高的反强磁性层5的交换耦合膜，然而并不限定于此。还可以由通过在距固定磁性层4近的侧层叠由Mn构成的层或者富含Mn的合金层(示例了Ir22at％Mn78at％层。)，并使该层层叠由XCrMn构成的层而得的层叠构造体，来形成交换耦合膜。
<磁检测装置>
接下来，说明第1实施方式所涉及的磁检测装置所具备的位置检测传感器(磁传感器)。在图9中示出了组合了图2中所示的位置检测元件11的磁传感器30。在图9中，将灵敏度轴方向S(在图9中，利用黑箭头示出的。)不同的位置检测元件11分别赋予11Xa、11Xb、11Ya、11Yb的不同符号来区分。在磁传感器30中，将位置检测元件11Xa、11Xb、11Ya、11Yb设置在同一基板上。
图9中所示的磁传感器30具有全桥电路32X以及全桥电路32Y。全桥电路32X具备两个位置检测元件11Xa和两个位置检测元件11Xb，全桥电路32Y具备两个位置检测元件11Ya和两个位置检测元件11Yb。位置检测元件11Xa、11Xb、11Ya、11Yb均是图9中示出的位置检测元件11，在不对它们进行特别区分的情况下，以下，适当记述为位置检测元件11。
全桥电路32X和全桥电路32Y为了使检测磁场方向不同，使用了在图9中利用黑箭头示出的灵敏度轴方向S不同的位置检测元件11，对磁场进行检测的机构是相同的。因此，在以下，使用全桥电路32X来说明对磁场进行检测的机构。
在图9中，位置检测元件11Xa、11Xb的偏置施加方向B均朝向BYa-BYb方向BYa侧。另一方面，位置检测元件11Ya、11Yb的偏置施加方向B均朝向BXa-BXb方向BXa侧。
将第1串联部32Xa和第2串联部32Xb并联连接来构成全桥电路32X。第1串联部32Xa是将位置检测元件11Xa和位置检测元件11Xb串联连接而构成的，第2串联部32Xb是将位置检测元件11Xb和位置检测元件11Xa串联连接而构成的。
对构成第1串联部32Xa的位置检测元件11Xa、和构成第2串联部32Xb的位置检测元件11Xb共用的电源端子33，施加电源电压Vdd。构成第1串联部32Xa的位置检测元件11Xb、和构成第2串联部32Xb的位置检测元件11Xa共用的接地端子34被设定为接地电位GND。
将构成全桥电路32X的第1串联部32Xa的中点35Xa的输出电位(OutX1)、和第2串联部32Xb的中点35Xb的输出电位(OutX2)的差动输出(OutX1)-(OutX2)，设为X方向的检测输出(检测输出电压)VXs来得到。
全桥电路32Y也与全桥电路32X同样地起作用，由此，将第1串联部32Ya的中点35Ya的输出电位(OutY1)、和第2串联部32Yb的中点35Yb的输出电位(OutY2)的差动输出(OutY1)―(OutY2)，设为Y方向的检测输出(检测输出电压)VYs来得到。
如图9中利用黑箭头所示的那样，构成全桥电路32X的位置检测元件11Xa以及位置检测元件11Xb的灵敏度轴方向S与构成全桥电路32Y的位置检测元件11Ya以及各位置检测元件11Yb的灵敏度轴方向S相互正交。
在图9中示出的磁传感器30中，位置检测元件11的自由磁性层2(参照图2)在未被施加来自外部的磁场H的状态下，处于在沿着偏置施加方向B的方向上被磁化的状态。若施加外部磁场H，则各个位置检测元件11的自由磁性层2的磁化的朝向以模仿外部磁场H的方向的方式发生变化。此时，电阻值以固定磁性层4的固定磁化方向(灵敏度轴方向S)和自由磁性层2的磁化方向的向量的关系而发生变化。
例如，若设为磁场H在图9所示的方向上起作用，则在构成全桥电路32X的位置检测元件11Xa中，磁场H的方向与灵敏度轴方向S一致，因此电阻值变小；另一方面，在位置检测元件11Xb中，磁场H的方向与灵敏度轴方向是相反朝向，因此电阻值变大。通过该电阻值的变化，检测输出电压VXs＝(OutX1)-(OutX2)成为极大。随起磁场H相对于纸面变化成向右(BXa-BXb方向BXb侧的朝向)，检测输出电压VXs不断变低。并且，若磁场H相对于图9的纸面而变得向上(BYa-BYb方向BYa侧的朝向)或者向下(BYa-BYb方向BYb侧的朝向)，则检测输出电压VXs成为零。
另一方面，在全桥电路32Y中，当磁场H如图9所示相对于纸面向左(BXa-BXb方向BXa侧的朝向)时，在全部的位置检测元件11中，自由磁性层的磁化的朝向(成为模仿偏置施加方向B的朝向)与灵敏度轴方向S(固定磁化方向)正交，因此，位置检测元件11Ya以及位置检测元件11Xb的电阻值是相同的。因此，检测输出电压VYs是零。在图9中，若磁场H相对于纸面向下(BYa-BYb方向BYb侧的朝向)起作用，则全桥电路32Y的检测输出电压VYs＝(OutY1)―(OutY2)成为极大，随起磁场H相对于纸面变化成向上(BYa-BYb方向BYa侧的朝向)，检测输出电压VYs不断变低。
这样，若磁场H的方向变化，则随之全桥电路32X以及全桥电路32Y的检测输出电压VXs以及VYs也发生变动。因此，能够根据从全桥电路32X以及全桥电路32Y得到的检测输出电压VXs以及VYs，来检测检测对象的移动方向、移动量(相对位置)。
在图9中示出了被构成为能够检测X方向和与X方向正交的Y方向的磁场的磁传感器30。然而，还可以设为具备仅检测X方向或者Y方向的磁场的仅全桥电路32X或者全桥电路32Y的结构。此外，还可以设为具备仅由第1串联部32Xa、第2串联部32Xb、第1串联部32Ya、第2串联部32Yb的任一个构成的半桥电路的结构。
图10中示出了位置检测元件11Xa和位置检测元件11Xb的平面构造。图9和图10的BXa-BXb方向是X方向。在图10的(A)、(B)中，利用箭头示出了位置检测元件11Xa、11Xb的固定磁化方向P。在位置检测元件11Xa和位置检测元件11Xb中，固定磁化方向P是X方向，是相互相反的朝向。该固定磁化方向P是与灵敏度轴方向S相等的朝向。
如图10所示，位置检测元件11具有条纹形状的元件部102。各元件部102层叠多个金属层(合金层)而构成巨磁阻效应(GMR)膜。元件部102的长边方向朝向BYa-BYb方向。元件部102被配置成多条平行，相邻的元件部102的图示右端部(BYa-BYb方向BYa侧的端部)经由导电部103a而连接，相邻的元件部102的图示左端部(BYa-BYb方向BYa侧的端部)经由导电部103b而连接。在元件部102的图示右端部(BYa-BYb方向BYa侧的端部)和图示左端部(BYa-BYb方向BYa侧的端部)，导电部103a、103b相互交错地连接，元件部102被连结成所谓的蜿蜒形状。位置检测元件11Xa、11Xb的、图示右下部的导电部103a与连接端子104a一体化，图示左上部的导电部103b与连接端子104b一体化。
图11是表示使用了本发明实施方式所涉及的磁传感器30的位置检测装置40的结构的说明图。该图中所示的本实施方式的位置检测装置40根据伴随着检测对象即旋转轴41的旋转而产生的来自旋转磁石42的磁场的变化，来检测旋转轴41的位置，并具备具有多个上述位置检测元件11的磁传感器30。
如图11所示，位置检测装置40被设置成磁传感器30与在旋转轴41安装的圆筒状的旋转磁石42对置。在旋转轴41与汽车的转向轴一体地旋转的情况下，位置检测装置40成为对转向轴的旋转角度进行检测的旋转角度检测装置。
旋转磁石42的N极和S极被极化而起磁，将N极和S极连结的方向是旋转轴41的径方向。在旋转轴41与汽车的转向轴一体地旋转的情况下，若旋转操作方向盘，则与所述操作对应地转向轴进行旋转，与转向轴的旋转对应地旋转轴41以及旋转磁石42进行旋转。此时，磁传感器30的位置并不变化，因此，旋转磁石42和磁传感器30的相对位置变化，外部磁场的方向变化。如参照图9而说明的那样，位置检测装置40的磁传感器30具备固定磁性层的固定磁化方向不同的位置检测元件11。各位置检测元件11的电阻对应于外部磁场变化而变化，由此，作为从桥电路输出的电压变化来读出。通过根据该电压变化的输出(电压变化信号)来进行规定的运算，来检测方向盘的操舵角。
图12是表示使用了本发明的实施方式所涉及的磁传感器30的位置检测装置60的结构的说明图。该图中示出的位置检测装置60具备在检测对象61安装的磁石62、和磁传感器30。与上述的位置检测装置40同样地，磁传感器30检测伴随着检测对象61的移动而变化的来自磁石62的磁场，由此，来检测检测对象61的位置。
以上说明的实施方式是为了使本发明的理解容易而记载的，并不是为了限定本发明而记载的。因此，上述实施方式中公开的各要素是也包含属于本发明的技术性范围的全部设计变更、等价物的主旨。例如，在上述的交换耦合膜中，PtMn层5A与固定磁性层4相接，即在层叠的固定磁性层4上直接层叠PtMn层5A，然而还可以在PtMn层5A和固定磁性层4之间层叠含有Mn的其他层(例示了Mn层以及IrMn层5C。)。此外，在上述实施方式中，以相比于反强磁性层5、51、52，固定磁性层4位于距基底层1近的位置的方式来层叠，然而还可以以相比于固定磁性层4，反强磁性层5、51、52位于距基底层1近的位置的方式来层叠。
实施例
以下，通过实施例等，进一步具体地说明本发明，然而本发明的范围并不受限定于这些实施例等。
(实施例1)
制造了具备以下膜结构的位置检测元件12(参照图6)。在以下的实施例以及比较例中，()内的数值表示膜厚
Figure BDA0002558029380000201
将位置检测元件12在350℃下进行20小时退火处理，使在固定磁性层4和反强磁性层5之间产生交换耦合。
基板/基底层1：NiFeCr(40)/自由磁性层2：[Ni81.5at％Fe18.5at％(15)/Co90at％Fe10at％(20)]/非磁性材料层3：Cu(30)/固定磁性层4：Co90at％Fe10at％(24)/非磁性材料层3：Ru(4)/固定磁性层4：Co60at％Fe40at％(18)/反强磁性层5：[IrMn层5C：Ir80at％Mn20at％(6)/PtMn层5A：Pt50at％Mn50at％(12)/PtCr层5B：Pt51at％Cr49at％(300)]/保护层6：[Ta(100)/Ru(20)]
(实施例2～6)
除了将反强磁性层5：[IrMn层5C：Ir80at％Mn20at％(6)/PtMn层5A：Pt50at％Mn50at％(12)/PtCr层5B：Pt51at％Cr49at％(300)]变更成以下那样以外，与实施例1同样地制造位置检测元件12、112，在相同条件下进行退火处理，使固定磁性层4和反强磁性层5之间产生交换耦合。
实施例2：[IrMn层5C：Ir80at％Mn20at％(6)/PtMn层5A：Pt50at％Mn50at％(14)/PtCr层5B：Pt51at％Cr49at％(300)]
实施例3：[IrMn层5C：Ir80at％Mn20at％(8)/PtMn层5A：Pt50at％Mn50at％(12)/PtCr层5B：Pt51at％Cr49at％(300)]
实施例4：[IrMn层5C：Ir80at％Mn20at％(8)/PtMn层5A：Pt50at％Mn50at％(14)/PtCr层5B：Pt51at％Cr49at％(300)]
实施例5：[单元层叠部51U1～51U7：[PtMn层51B：Pt50at％Mn50at％(6)/PtCr层51A：Pt51at％Cr49at％(34)的7层构造]]
实施例6：[PtCr层51A：Pt51at％Cr49at％(6)/单元层叠部51U1～51U7：[PtMn层51B：Pt50at％Mn50at％(6)/PtCr层51A：Pt51at％Cr49at％(34)的7层构造]]
(比较例1～2)
除了将实施例1中的反强磁性层5：[IrMn层5C：Ir80at％Mn20at％(6)/PtMn层5A：Pt50at％Mn50at％(12)/PtCr层5B：Pt51at％Cr49at％(300)]变更成以下那样以外，与实施例1同样地制造位置检测元件，在相同条件下进行退火处理，使固定磁性层和反强磁性层之间产生交换耦合。
比较例1：Ir20at％Mn80at％(80)
比较例2：Pt51at％Cr49at％(300)
<高温环境下的可靠性试验>
图13是在高温(200℃、250℃)环境下的可靠性试验方法的说明图。
针对实施例1～6以及比较例1～2的位置检测元件12、112，在200℃条件下，如图13所示相对于固定磁性层4(参照图2)的磁化方向(固定磁化方向P)而在下述的表1所示的磁场施加角度θ(从0°到360°每次变更45°)的方向上，施加80mT的磁场100小时之后，算出位置检测元件12的检测角度以何种程度发生了变动。对于检测角度的测定，在200℃环境下的可靠性试验前后，在使温度回到室温之后，使60mT的磁场旋转360°来对位置检测元件12、112施加，并测定输出波形。在200℃可靠性试验的前后，实施相同的测定，并解析与试验前相对的波形的变化，由此，算出在200℃可靠性试验中元件的检测角度以何种程度发生了变动。针对各实施例以及比较例，将分别测定60～70个位置检测元件12、112而得的结果的平均值，表示在表1以及图14中。
[表1]
Figure BDA0002558029380000221
针对实施例3、5、6以及比较例1的位置检测元件12、112的每一个，将可靠性试验中的温度条件变更成250℃，并将从0°到360°来变更磁场施加角度θ的角度设为每次90°，除此以外，将与上述的200℃同样地测定出的结果的平均值表示在表2以及图15中。
[表2]
Figure BDA0002558029380000222
如表1～2以及图14～15所示的那样，相比于比较例1～2的位置检测元件，实施例1～6的位置检测元件12、112每一个均是基于可靠性试验的检测角度的变动量小，并在高温条件下具备高的检测精度。由于实施例1～6的结果是良好，因此，认为，位置检测元件12、112具备以下四个优异性质：
(1)室温下固定磁性层4和反强磁性层5之间的交换耦合磁场大。
(2)交换耦合磁场的温度特性良好，即在高温条件下能够维持大的交换耦合磁场。(3)交换耦合磁场/顽磁力确实大。(4)残留磁化/饱和磁化是负的值且绝对值大。
<交换耦合磁场的大小、以及其温度特性>
因此，关于以下的实施例以及比较例，测定了固定磁性层4和反强磁性层5之间的交换耦合磁场的大小、以及其温度特性。
(实施例7)
制造了具备以下膜结构的位置检测元件12，在350℃下进行20小时退火处理，使在固定磁性层4和反强磁性层5之间产生交换耦合。
基板/基底层1：NiFeCr(42)/非磁性材料层3：[Cu(40)/Ru(20)]/固定磁性层4：Co60at％Fe40at％(100)/反强磁性层5：[IrMn层5C：Ir22at％Mn78at％(6)/PtMn层5A：Pt50at％Mn50at％(12)/PtCr层5B：Pt51at％Cr49at％(300)]/保护层6：Ta(100)
(实施例8)
除了将反强磁性层5：[IrMn层5C：Ir22at％Mn78at％(6)/PtMn层5A：Pt50at％Mn50at％(12)/PtCr层5B：Pt51at％Cr49at％(300)]变更成以下的结构以外，与实施例7同样地制造位置检测元件112，在相同条件下进行退火处理，使固定磁性层4和反强磁性层5之间产生交换耦合。
实施例8：[PtCr层51A：Pt51at％Cr49at％(6)/单元层叠部51U1～51U7：[PtMn层51B：Pt50at％Mn50at％(6)/PtCr层51A：Pt51at％Cr49at％(34)的7层构造]]
(比较例3)
制造了具备以下膜结构的位置检测元件，在350℃下进行20小时退火处理，使在固定磁性层和反强磁性层之间产生交换耦合。
基板/基底层：NiFeCr(42)/非磁性材料层：[Cu(40)/Ru(20)]/固定磁性层：Co60at％Fe40at％(100)/反强磁性层：Ir22at％Mn78at％(80)/保护层：Ta(100)
(比较例4)
制造了具备以下膜结构的位置检测元件，在350℃下进行20小时退火处理，使在固定磁性层和反强磁性层之间产生交换耦合。
基板/基底层：NiFeCr(42)/反强磁性层：Pt51at％Cr49at％(300)/固定磁性层：Co90at％Fe10at％(100)/保护层：Ta(90)
图16是关于实施例7、8以及比较例3、4，表示测定温度和交换耦合磁场的关系的图表。图17是将图16的各测定温度下的交换耦合磁场除以室温的交换耦合磁场而标准化了的图表。如图16所示，对于实施例7、8的位置检测元件12、112，室温下的固定磁性层4和反强磁性层5之间的交换耦合磁场大至比较例3、4的约2倍左右以上。实施例7、8的位置检测元件12、112即使在高温环境下也维持相比于比较例3、4而言大的交换耦合磁场，具备良好的温度特性。此外，通过对单元进行层叠，能够在宽的温度范围下增大交换耦合磁场，并且能够抑制在高温环境下的交换耦合磁场的下降。
此外，作为反强磁性层具备Pt51at％Cr49at％的比较例4相比于作为反强磁性层具备Ir22at％Mn78at％的比较例3，在高温条件下的交换耦合磁场大。然而，如图14所示，具备Pt51at％Cr49at％的比较例2相比于具备Ir20at％Mn80at％的比较例1，试验后的检测角度的变动量大。根据这些结果，认为，检测角度的变动量的大小并不是仅由交换耦合磁场的大小来决定的。除了对检测角度的变动量的大小造成影响的交换耦合磁场的大小以外，作为所考虑的要因，列举了交换耦合磁场/顽磁力、以及残留磁化/饱和磁化。
<交换耦合磁场/顽磁力、以及残留磁化/饱和磁化>
因此，关于以下的实施例以及比较例，为了评价交换耦合磁场/顽磁力、以及残留磁化/饱和磁化，测定固定磁性层4的VSM曲线，求出交换耦合磁场(Hex)、顽磁力(Hc)、饱和磁化(Ms)以及残留磁化(M0)(参照图1)。
(实施例9)
制造了具备以下膜结构的位置检测元件12，在350℃下进行20小时退火处理，使在固定磁性层4和反强磁性层5之间产生交换耦合。
基板/基底层1：NiFeCr(42)/非磁性材料层3：[Cu(40)/Ru(20)]/固定磁性层4：Co60at％Fe40at％(20)/反强磁性层5：[IrMn层5C：Ir22at％Mn78at％(6)/PtMn层5A：Pt50at％Mn50at％(12)/PtCr层5B：Pt51at％Cr49at％(300)]/保护层6：Ta(100)
(实施例10～14)
除了将反强磁性层5：[IrMn层5C：Ir22at％Mn78at％(6)/PtMn层5A：Pt50at％Mn50at％(12)/PtCr层5B：Pt51at％Cr49at％(300)]变更成以下那样以外，与实施例9同样地制造位置检测元件12、112，在相同条件下进行退火处理，使固定磁性层4和反强磁性层5之间产生交换耦合。
实施例10：[IrMn层5C：Ir22at％Mn78at％(6)/PtMn层5A：Pt50at％Mn50at％(14)/PtCr层5B：Pt51at％Cr49at％(300)]
实施例11：[IrMn层5C：Ir22at％Mn78at％(8)/PtMn层5A：Pt50at％Mn50at％(12)/PtCr层5B：Pt51at％Cr49at％(300)]
实施例12：[IrMn层5C：Ir22at％Mn78at％(8)/PtMn层5A：Pt50at％Mn50at％(14)/PtCr层5B：Pt51at％Cr49at％(300)]
实施例13：[单元层叠部51U1～51U7：[PtMn层51B：Pt50at％Mn50at％(6)/PtCr层51A：Pt51at％Cr49at％(34)的7层构造]]
实施例14：[PtCr层51A：Pt51at％Cr49at％(6)/单元层叠部51U1～51U7：[PtMn层51B：Pt50at％Mn50at％(6)/PtCr层51A：Pt51at％Cr49at％(34)的7层构造]]
(比较例5～6)
除了将实施例9中的反强磁性层5：[IrMn层5C：Ir22at％Mn78at％(6)/PtMn层5A：Pt50at％Mn50at％(12)/PtCr层5B：Pt51at％Cr49at％(300)]变更成以下那样以外，与实施例6同样地制造位置检测元件，在相同条件下进行退火处理，使固定磁性层和反强磁性层之间产生交换耦合。
比较例5：Ir20at％Mn80at％(80)
比较例6：Pt51at％Cr49at％(300)
将实施例9～14以及比较例5～6的测定结果表示在表2、图18以及图19中。
[表3]
Figure BDA0002558029380000261
如表3以及图18所示，相比于比较例5、6，实施例9～14每一个均是残留磁化M0/饱和磁化Ms在负的方向上大。认为，该性质对检测角度的变动量的抑制造成影响。
此外，如表3以及图19所示，相比于比较例5、6，实施例9～14每一个均是交换耦合磁场Hex/顽磁力Hc大。认为，该性质也对检测角度的变动量的抑制造成影响。
此外，作为反强磁性层具备Ir22at％Mn78at％的比较例5相比于作为反强磁性层具备Pt51at％Cr49at％的比较例6，残留磁化M0/饱和磁化Ms在负方向上大，并且交换耦合磁场Hex/顽磁力Hc大。具备Pt51at％Cr49at％的比较例2相比于具备Ir20at％Mn80at％的比较例1，试验后的检测角度的变动量大，结果(参照图14)，能够理解为，是由于除了交换耦合磁场的大小以及其温度特性之外，残留磁化M0/饱和磁化Ms、以及交换耦合磁场Hex/顽磁力Hc也产生影响。
符号说明
1：基底层
2：自由磁性层
3：非磁性材料层
4：固定磁性层
5：反强磁性层
5A：PtMn层(X(Cr-Mn)层、X0Mn层)
5B：PtCr层(X(Cr-Mn)层)
5C：IrMn层(X0Mn层)
5U1：单元层叠部
5Un：单元
6：保护层
10：交换耦合膜
11、11Xa、11Xb、11Ya、11Yb、12：位置检测元件
30：磁传感器
32X、32Y：全桥电路
32Xa、32Ya：第1串联部
32Xb、32Yb：第2串联部
33：电源端子
34：接地端子
35Xa、35Xb、35Ya、35Yb：中点
40：位置检测装置
41：旋转轴(检测对象、旋转体)
42：旋转磁石
51：反强磁性层
51A、51A1、…、51An：X1Cr层
51B、51B1、…、51Bn：X2Mn层
52：反强磁性层
60：位置检测装置
61：检测对象
62：磁石
101、101A：交换耦合膜
102：元件部
103a、103b：导电部
104a、104b：连接端子
111、112：位置检测元件
D1、D2、D3：膜厚
GND：接地电位
H：磁场
Hc：顽磁力
Hex：交换耦合磁场
M0：残留磁场
Ms：饱和磁化
P：固定磁化方向
R1：第1区域
R2：第2区域
S：灵敏度轴方向
Vdd：电源电压
θ：磁场施加角度。

Claims (17)

1.一种位置检测元件，在基于根据检测对象的位置的不同而变化的磁场的位置检测中使用，其特征在于，
所述位置检测元件具备：具有固定磁性层和在所述固定磁性层层叠的反强磁性层的交换耦合膜，
所述反强磁性层具备X(Cr-Mn)层，该X(Cr-Mn)层含有选自由铂族元素以及Ni组成的组的一种或者两种以上的元素X、以及Mn及Cr，
所述X(Cr-Mn)层具有：距所述固定磁性层相对较近的第1区域、和距所述固定磁性层相对较远的第2区域，
所述第1区域中的Mn含有量高于所述第2区域中的Mn含有量。
2.根据权利要求1所述的位置检测元件，其特征在于，
所述第1区域与所述固定磁性层相接。
3.根据权利要求1或2所述的位置检测元件，其特征在于，
所述第1区域具有Mn含有量对Cr含有量的比即Mn/Cr比为0.3以上的部分。
4.根据权利要求3所述的位置检测元件，其特征在于，
所述第1区域具有所述Mn/Cr比为1以上的部分。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的位置检测元件，其特征在于，
所述反强磁性层是PtCr层、和与所述PtCr层相比距所述固定磁性层近的X0Mn层层叠而构成的，其中，X0是选自由铂族元素以及Ni组成的组的一种或者两种以上的元素。
6.根据权利要求1至4中任一项所述的位置检测元件，其特征在于，
所述反强磁性层是PtCr层和PtMn层按PtCr层和PtMn层的顺序层叠而构成的，以使所述PtMn层距所述固定磁性层近。
7.根据权利要求6所述的位置检测元件，其特征在于，
与所述PtMn层相比距所述固定磁性层近地进一步层叠IrMn层。
8.一种位置检测元件，根据对应于检测对象的位置而变化的磁场，来检测所述检测对象的位置，其特征在于，
所述位置检测元件具备：具有固定磁性层和在所述固定磁性层层叠的反强磁性层的交换耦合膜，
所述反强磁性层具有：X1Cr层和X2Mn层交替地层叠而得的三层以上的交替层叠构造，其中，X1是选自由铂族元素以及Ni组成的组的一种或者两种以上的元素，X2是选自由铂族元素以及Ni组成的组的一种或者两种以上的元素，能够与X1相同或者不同。
9.根据权利要求8所述的位置检测元件，其特征在于，
所述X1是Pt，所述X2是Pt或者Ir。
10.根据权利要求8或9所述的位置检测元件，其特征在于，
所述反强磁性层具有：由X1Cr层和X2Mn层构成的单元被层叠多个而得的单元层叠部。
11.根据权利要求10所述的位置检测元件，其特征在于，
所述反强磁性层除了所述单元层叠部之外，还在所述固定磁性层侧具备所述X1Cr层或者所述X2Mn层。
12.根据权利要求10或11所述的位置检测元件，其特征在于，
所述单元层叠部中的所述X1Cr层以及所述X2Mn层分别是相同的膜厚，所述X1Cr层的膜厚大于所述X2Mn层的膜厚。
13.根据权利要求12所述的位置检测元件，其特征在于，
所述X1Cr层的膜厚与所述X2Mn层的膜厚的比是5:1～100:1。
14.一种位置检测元件，在基于根据检测对象的位置的不同而变化的磁场的位置检测中使用，其特征在于，
所述位置检测元件具备：具有固定磁性层和在所述固定磁性层层叠的反强磁性层的交换耦合膜，
所述反强磁性层具备X(Cr-Mn)层，该X(Cr-Mn)层含有选自由铂族元素以及Ni组成的组的一种或者两种以上的元素X、以及Mn及Cr，
所述X(Cr-Mn)层具有：距所述强磁性层相对较近的第1区域、和距所述强磁性层相对较远的第2区域，
当将Bi+离子作为一次离子，使用飞行时间型二次离子质量分析法测定所述X(Cr-Mn)层，来求出与Mn相关的7种离子的检测强度对与Cr相关地测定的8种离子中除去Cr+后的7种离子的检测强度的比即第1强度比时，
所述第1区域中的所述第1强度比高于所述第2区域中的所述第1强度比，
在所述第2区域的整个区域含有Mn。
15.一种位置检测装置，在根据对应于检测对象的位置而变化的磁场的所述检测对象的位置的检测中使用，其特征在于，
所述位置检测装置具备：
在所述检测对象安装的磁石；以及
权利要求1至14中任一项所述的位置检测元件。
16.根据权利要求15所述的位置检测装置，其特征在于，
所述检测对象是旋转体，
所述位置检测装置检测所述旋转体的旋转角度。
17.根据权利要求15或16所述的位置检测装置，其特征在于，
在同一基板上具备多个所述位置检测元件，
多个所述位置检测元件包含所述固定磁性层的固定磁化方向不同的位置检测元件。
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