DE60006594T2

DE60006594T2 - Magnetfilm mit hohem elektrischem Widerstand

Info

Publication number: DE60006594T2
Application number: DE60006594T
Authority: DE
Inventors: Masayoshi Ikoma-shi Hiramoto; Hirosuke Suita-shi Mikami; Yasuhiro Nara-shi Iwano; Hiroyasu Sennan-gun Tsuji; Hiroshi Kyotanabe-shi Sakakima
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Holdings Corp
Priority date: 1999-01-18
Filing date: 2000-01-18
Publication date: 2004-09-23
Anticipated expiration: 2020-01-19
Also published as: US6379810B1; DE60006594D1; EP1020878A1; EP1020878B1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen magnetischen Film mit hohem Widerstand, der bei Komponenten magnetischer Anwendungen, wie bspw. bei einem magnetischen Aufzeichnungskopf, einem magnetischen Wiedergabekopf, einem magnetischen Sensor unter Einschluß eines magnetischen Impedanzsensors, einer magnetischen Spule, einem Induktors, einem Transformator und einer magnetischen Abschirmung, verwendet wird.
In den letzten Jahren war der Bedarf an magnetischen Vorrichtungen hoher Frequenz hoch, und es sind magnetische Materialien erforderlich, die bei einer Frequenz von 100 MHz oder darüber ausgezeichnete weichmagnetische Eigenschaften aufweisen. Bei einem magnetischen Material, das bei einer so hohen Frequenz verwendet wird, muß der Verlust, hauptsächlich infolge von Wirbelströmen und der ferromagnetischen Resonanz, klein sein. Mit anderen Worten ist in Hinblick auf die Materialeigenschaften hauptsächlich ein hoher spezifischer elektrischer Widerstand oder eine hohe magnetische Sättigungsflußdichte erforderlich.
Herkömmlich ist in der offengelegten japanischen Patentveröffentlichung (Tokkai-Hei) Nr. 4-21739 ein Verbundmaterial vorgeschlagen, das durch Bilden eines Oxids auf den Oberflächen magnetischer Metallteilchen und Sintern von diesem, um eine hohe magnetische Sättigungsflußdichte von etwa 1 T oder mehr zu erreichen, erhalten wird. Als das Oxid sind in der offengelegten japanischen Patentveröffentlichung (Tokkai-Hei) Nr. 6-120020 Mg-O, Ca-O, Si-O, Al-O, Ti-O oder dergleichen vorgeschlagen.
Andererseits zeigen Forschungen an FeNbCuSiB oder dergleichen, die in Japan Metal Association Journal 53 (1989) 241 veröffentlicht sind, daß die weichmagnetischen Eigenschaften durch Miniaturisieren der einen magnetischen Körper bildenden magnetischen Kristallkörner auf etwa 20 nm oder weniger verbessert werden können. Weiterhin ist in der offengelegten japanischen Patentveröffentlichung (Tokkai-Hei) Nr. 7-86035 ein FeM'NO (M' = Be, Mg, Al, Si, Ca usw.)-Material vorgeschlagen, das durch Sputtern als ein Material gebildet wird, das sowohl verbesserte weichmagnetische Eigenschaften als auch eine hohe magnetische Sättigungsflußdichte aufweist, die unter Verwendung des Verbundmaterials und Bewirken eines so hohen Miniaturisierungsniveaus erreicht werden.
Das im Stand der Technik vorgeschlagene herkömmliche FeM'NO-Material wird durch zweiphasige Trennung in Fe-Mikrokristalle mit einer bcc-Kristallstruktur und eine M'Ooder M'N-Verbindung, die die Korngrenze davon bildet, durch selektive Oxidation oder selektive Nitrierung eines M'-Elements erzeugt, die durch eine Differenz der freien Energie der Oxid- oder Nitridbildung zwischen Fe- und M'-Elementen hervorgerufen wird, die den Film während des Sputterns bilden.
Das Sputtern ist jedoch eine Technik, die ein Zielelement auf ein atomares oder molekulares Niveau zerlegt und eine Synthese auf einem Substrat bewirkt. Zusätzlich ist es ziemlich schwierig, eine vollständige Zweiphasentrennung der Elemente nur durch die Energie während des Sputterns zu bewirken. Es ist daher unvermeidlich, daß ein Fe-Mikrokristall des FeM'NO-Materials unmittelbar nach der Bildung des Films in Form einer Festlösung mit einem O-, N- oder M'-Element vorliegt. Selbst wenn Mikrokristalle, die Fe als eine Hauptkomponente aufweisen, eine bcc-Struktur aufweisen, wird die Magnetostriktionskonstante des Materials aus diesem Grund groß und erreicht 1 × 10^–5 oder mehr, oder die magnetische Kristallanisotropieenergie von Fe wird groß. Demgemäß verschlechtern sich die weichmagnetischen Eigenschaften. Wenn diese Materialien daher für industrielle Anwendungen herzustellen sind, ist es selbst bei einer kleinen Diskrepanz der Zusammensetzung oder dergleichen schwierig, in einem großen Bereich die Magnetostriktion auf einen niedrigen Wert zu regeln und die weichmagnetischen Eigenschaften auf hohe Werte zu regeln.
Die vorstehend beschriebenen Punkte ergaben sich als Ergebnis der Untersuchungen der Erfinder der vorliegenden Erfindung an magnetischen Filmen, wie FeSiO, FeMgO oder dergleichen.
Die Zweiphasentrennung kann durch Erhöhen der Substrattemperatur während der Bildung eines FeM'NO-Films oder Ausführen einer Wärmebehandlung nach der Bildung des Films weiter fortgesetzt werden. Weil die Temperaturen für diese Wärmebehandlungen jedoch im allgemeinen 400°C oder mehr betragen, verschlechtern sich die weichmagnetischen Eigenschaften infolge großer Kristallkörner, oder der Film kann nicht in einer Vorrichtung verwendet werden, die einen Niedertemperaturprozeß bei einer Temperatur, die kleiner als diese Temperatur ist, benötigt. Weiterhin ist allgemein bekannt, daß die optimale Beziehung zwischen der magnetischen Sättigungsflußdichte und dem spezifischen elektrischen Widerstand zwischen magnetischen Vorrichtungen, selbst Vorrichtungen desselben Typs, abhängig von der Größe, der verwendeten Frequenz oder dergleichen, verschieden ist. Nichtsdestoweniger ist kein herkömmliches Verfahren zur optimalen Einstellung dieser Eigenschaften bekannt.
Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht daher in Anbetracht des vorstehend Erwähnten darin, einen magnetischen Film bereitzustellen, der einen hohen Widerstand, eine niedrige Magnetostriktion und hohe weichmagnetische Eigenschaften aufweist und in praktischen Aspekten, wie der Einstellung der Eigenschaften, ausgezeichnet ist.
Zum Lösen der vorstehenden Aufgabe wird der magnetische Film gemäß der vorliegenden Erfindung durch eine Zusammensetzungsformel T_aM_bX_cN_dO_e ausgedrückt (wobei a, b, c, d und e Atomprozente repräsentieren und Werte sind, die die folgenden Gleichungen erfüllen: a + b + c + d + e = 10045 ≤ a ≤ 85,
5,5 ≤ b ≤ 28,
0,5 ≤ c ≤ 16,
6 ≤ b + c ≤ 28,5,
0,4 < b/c ≤ 56,
0 ≤ d ≤ 10, und
8 ≤ d + e ≤ 40,
wobei T (1) Fe oder (2) ein Metall mit nicht weniger als 30 Atomprozent Fe ist und zumindest ein ausgewähltes aus der Gruppe mit Co und Ni ist, wobei M zumindest eines ist, das ausgewählt ist aus der Gruppe mit Be, Mg, Ca, Sr und Ba und wobei X zumindest eines ist, das ausgewählt ist aus der Gruppe mit Y, Ti, Zr, Hf, V, Nb, Ta und Lanthanoid). Der magnetische Film weist hauptsächlich magnetische Metallkristallkörner auf, die einen durchschnittlichen Kristallkorndurchmesser von nicht mehr als 15 nm und ein Korngrenzenprodukt haben. Die Hauptkomponente der magnetischen Metallkristallkörner ist das T. Das Korngrenzenprodukt enthält zumindest ein Oxid oder ein Nitrid aus dem M und dem X. Der magnetische Film hat eine magnetische Sättigungsflußdichte von nicht weniger als 0,8 T und einen spezifischen elektrischen Widerstand von nicht weniger als 80 μΩcm.
Lanthanoid betrifft speziell La, Ce, Pr, Nd, Pm, Sm, Eu, Gd, Tb, Dy, Ho, Er, Tm, Yb und Lu. Es ist bevorzugt, daß das Korngrenzenprodukt die magnetischen Metallkristallkörner im wesentlichen trennt. In dieser Beschreibung bezeichnet "Hauptkomponente" eine Komponente, die in einem Anteil von mehr als 50 Atomprozent, vorzugsweise mehr als 70 Atomprozent, vorhanden ist. Der magnetische Film gemäß der vorliegenden Erfindung kann Verunreinigungen inerter Elemente, wie Ne, Ar, Kr, Xe oder dergleichen, in einem Anteil von nicht mehr als 1 Atomprozent aufweisen. Falls die Verunreinigungen C, B, F, S, P oder dergleichen sind, kann der magnetische Film gemäß der vorliegenden Erfindung sie in einem Anteil von nicht mehr als 5 Atomprozent enthalten.
In der nachstehenden Beschreibung bedeutet% für ein Zusammensetzungsverhältnis Atomprozent.
M und X bilden nur verhältnismäßig schwer eine Festlösung mit T. Beide Elemente sind dadurch gekennzeichnet, daß sie eine kleinere freie Energie für eine Oxid- oder Nitridbildung als T aufweisen. Von diesen hat M gewöhnlich eine große freie Energie für die Oxidbildung und X gewöhnlich eine große freie Energie für die Nitridbildung. Wenn ein Film in dem vorstehend erwähnten Zusammensetzungsbereich erzeugt wird, ist die Erhöhung der Magnetostriktion und der magnetischen Kristallanisotropieenergie infolge der Festlösung der Elemente in dem erhaltenen magnetischen Film verhältnismäßig klein, weil M oder X, das eine Festlösung in den magnetischen Metallkristallkörnern bildet, nur in einem kleinen Anteil vorhanden ist. Weiterhin bildet M oder X ein Oxid oder Nitrid, so daß das Kornwachstum hauptsächlich magnetischer Kristallkörner unterdrückt wird oder eine Korngrenze mit einem hohen Widerstand gebildet wird.
In diesem Fall werden gemäß der vorliegenden Erfindung Kombinationsverhältnisse von M oder X und Sauerstoff und Stickstoff ausgewählt, die den vorstehend beschriebenen entsprechen. Daher kann die Breite der Korngrenze oder das Beschichtungsverhältnis magnetischer Kristallkörner gesteuert werden, so daß die magnetische Sättigungsflußdichte und der spezifische elektrische Widerstand ebenso wie die weichmagnetischen Eigenschaften aus weiten Bereichen ausgewählt werden können.
M, das ein Erdalkalimetall ist, ist im allgemeinen recht reaktiv, so daß es bevorzugt ist, daß es für eine industrielle Handhabung in Form einer stabilen Verbindung verwendet wird. Falls M beispielsweise Ca ist, ist es zweckmäßiger, daß es für die Handhabung in Form von CaO vorliegt und bevorzugter ein Oxid von M und X, wie CaTiO₃ oder CaZrO₃, statt Ca allein ist.
Die Erfinder der vorliegenden Erfindung haben beispielsweise experimentell bestätigt, daß in einem Fall, in dem Fe und CaTiO₃ in einer Ar-Atmosphäre gesputtert wurden, der magnetische Film O in einem größeren Anteil enthielt als durch das stöchiometrische Verhältnis festgelegt ist. Dieses überschüssige O bildet eine Festlösung mit Fe, so daß die Magnetostriktion zunehmen kann. Eine übermäßige Bildung der Festlösung mit Fe kann jedoch, beispielsweise durch Hinzufügen von X wie bspw. Ti, unterdrückt werden. Auf diese Weise kann die Magnetostriktion verringert werden. Es wurde auch experimentell bestätigt, daß dies nicht nur bei Ca der Fall ist, sondern für alle M-Elemente ein übliches Phänomen ist, wie vorstehend beschrieben wurde. Demgemäß kann die Magnetostriktion des magnetischen Films durch eine selektive Reaktion von M und X mit unterschiedlichen freien Energien für die Oxid- und Nitridbildung, wobei überschüssiges O und N in T gelöst sind, unterdrückt werden.
Die untere Grenze für den Anteil von T beträgt 45%, um sicherzustellen, daß die magnetische Sättigungsflußdichte 1 T oder mehr beträgt. Die obere Grenze beträgt 85%, um ausreichend M, X, O und N zur Miniaturisierung von T bereitzustellen.
Der Gesamtanteil von M und X beträgt zur Miniaturisierung von T wenigstens 6%, und er beträgt höchstens 28,5%, um die magnetische Sättigungsflußdichte ausreichend hoch zu halten.
Der Anteil von M beträgt 5,5% oder mehr, und der Anteil von X beträgt 0,5% oder mehr, um die Wirkung zu gewährleisten. Weiterhin liegt das Verhältnis von M zu X im Bereich von 0,4 bis 56, so daß der spezifische Widerstand auf verschiedene Werte geregelt werden kann, ohne die weichmagnetischen Eigenschaften zu beeinträchtigen. Es wird angenommen, daß dies auf die Tendenz zurückzuführen ist, daß der magnetische Film unter Verwendung eines M-O-Oxids die weichmagnetischen Eigenschaften selbst dann bereitstellen kann, wenn er einen verhältnismäßig niedrigen spezifischen Widerstand aufweist, und der magnetische Film unter Verwendung eines X-O-Oxids die weichmagnetischen Eigenschaften erzeugt, wenn er einen verhältnismäßig hohen spezifischen Widerstand aufweist.
Der Anteil von O und N beträgt wenigstens 8%, um sicherzustellen, daß der spezifische elektrische Widerstand (spezifische Widerstand) 80 μΩcm oder mehr beträgt. Das N-Element ermöglicht eine Steuerung des spezifischen elektrischen Widerstands in einem weiten Bereich, weil es in bezug auf hinzugefügten Anteil ein kleineres Widerstandszunahmeverhältnis aufweist als das O-Element. Wenn der Gesamtanteil von O und N weiterhin 40% übersteigt, wird die Kristallkorngrenze zu dick, so daß die Austauschwechselwirkung zwischen magnetischen Kristallkörnern abgeschwächt wird und sich die weichmagnetischen Eigenschaften verschlechtern, wenngleich der Widerstand hoch wird.
Diese und andere Vorteile der Erfindung werden Fachleuten beim Lesen und Verstehen der folgenden detaillierten Beschreibung verständlich werden.
Es ist beim magnetischen Film der vorliegenden Erfindung bevorzugt, daß er eine durch eine Zusammensetzungsformel Fe_aMg_bX_cN_dO_e ausgedrückte Zusammensetzung hat (wobei a, b, c, d und e Atomprozente darstellen und Werte sind, die die folgenden Gleichungen erfüllen), und X wie vorstehend ist: a + b + c + d + e = 10050 ≤ a ≤ 85,
5,5 ≤ b ≤ 25,5,
0,5 ≤ c ≤ 11,
6 ≤ b + ≤ 26,
1 < b / ≤ 51,
0 ≤ d ≤ 10, und
8 ≤ d + e ≤ 35.
Diese bevorzugte Ausführungsform kann einen magnetischen Film mit einem besonders hohen spezifischen Widerstand, weichmagnetischen Eigenschaften und einer hohen magnetischen Sättigungsflußdichte (1 T oder mehr) bereitstellen.
Es ist verhältnismäßig schwer, eine Festlösung von Mg mit Fe oder einer intermetallischen Verbindung von Mg mit Fe zu bilden. Daher ist die durch die Festlösung mit Fe hervorgerufene Erhöhung der Magnetostriktion und der magnetischen Kristallanisotropieenergie gering, und die Phasentrennung nicht nur zwischen Fe und Mg-O oder Mg-N, sondern auch von Fe und Mg selbst, kann die Miniaturisierung des Fe-Kristalls selbst dann erreichen, wenn ein verhältnismäßig kleiner Gesamtanteil nichtmagnetischer Elemente hinzugefügt wird. Daher können sowohl die hohe magnetische Sättigungsflußdichte als auch die weichmagnetischen Eigenschaften erreicht werden.
Weiterhin bilden Mg und X ein Oxid oder ein Nitrid, so daß das Kornwachstum, hauptsächlich von magnetischen Kristallkörnern, unterdrückt wird, und sie bilden eine Korngrenze mit einem hohen spezifischen Widerstand. Wenn insbesondere Mg mit X kombiniert wird, das für die Oxid- oder Nitridbildung eine andere freie Energie oder eine andere Diffusionsrate in α-Fe als Mg aufweist, kann der Anteil des in Fe gelösten O oder überschüssigen N so gesteuert werden, daß die Magnetostriktion angepaßt wird.
Die untere Grenze für den Fe-Anteil ist für eine große magnetische Sättigungsflußdichte vorzugsweise 50%. Die Obergrenze ist 85%, um ausreichend M, X, O und N für die Miniaturisierung von Fe und einen hohen Widerstand des Films bereitzustellen.
Der Gesamtanteil von Mg und X beträgt für die Miniaturisierung von Fe und einen hohen Widerstand des Films wenigstens 6%. Der Anteil von X beträgt 0,5% oder mehr, um die Wirkung zu gewährleisten.
Weiterhin ist der Anteil von Mg nicht kleiner als derjenige von X, so daß der spezifische Widerstand in einem breiten Bereich gesteuert werden kann. Der Anteil von O und N beträgt wenigstens 8%, um sicherzustellen, daß der spezifische elektrische Widerstand (spezifische Widerstand) wenigstens 80 μΩcm beträgt. Das N-Element ermöglicht die Steuerung des spezifischen elektrischen Widerstands in einem weiten Bereich, weil es in bezug auf den hinzugefügten Anteil ein kleineres Widerstandserhöhungsverhältnis aufweist als das O-Element. Weiterhin beträgt der Gesamtanteil von O und N angesichts der magnetischen Sättigungsflußdichte vorzugsweise 35% oder weniger.
Es ist bevorzugt, daß der magnetische Film durch eine Zusammensetzungsformel ausgedrückt wird, bei der e + q × d ≤ (b + c × n) × 1,35 erfüllt ist (wobei b, c, d und e den vorstehend erwähnten gleichen, n ein Wert im Bereich 1–2,5 ist, der durch ein Oxid XO_n definiert ist, wobei X bei seiner maximalen Valenz liegt und q ein gewichtetes Mittel eines Gesamtbetrags von einem M-Element und einem X-Element ist, das durch Gewichtung mit den folgenden Werten erhalten wird: 2,5 für V, Nb und Ta, 2 für Ti, Zr, Hf, Ce, Pr und Tb und 1,5 für andere Elemente).
Die bevorzugte Ausführungsform kann sowohl eine niedrige Magnetostriktion als auch einen hohen Widerstand erreichen.
In der vorstehenden Gleichung sollte b im Interesse der Genauigkeit als b × 1 angesehen werden. Dies beruht auf dem Verhältnis von M zu O in einem Oxid MO mit der maximalen Valenz (insbesondere wenigstens einem, das aus der aus BeO, MgO, CaO, SrO und BaO bestehenden Gruppe ausgewählt ist).
Wenn in der vorstehenden Gleichung d = 0 ist (in dem magnetischen Film ist kein Stickstoff enthalten), gilt e ≤ (b + c × n) × 1, 35 .
Andererseits ändert sich für ein Oxid mit der maximalen Valenz von X das Verhältnis zu Sauerstoff abhängig von X. Daher ändert sich n auch abhängig von X. Wenn beispielsweise wie in dem vorstehend beschriebenen Fall von q X gleich Y, La oder dergleichen ist, ist n gleich 1,5 und n gleich 2 für Ti, Zr, Hf oder dergleichen und ist n gleich 2,5 für V, Nb oder Ta.
Wenn X 2 oder mehr Elementarten enthält, ist n ein atom-gewichtetes Mittel (ein durch Gewichtung auf der Grundlage von Atomprozenten erhaltenes Mittel).
Wenn e + q × d (b + c × n) × 1,35 übersteigt, ist die Magnetostriktion gewöhnlich groß.
Es ist bevorzugter, daß ein Index e im Bereich von (b + c × n) × 0,9 ≤ e + q × d ≤ (b + c × n) × 1,1 liegt. Weiterhin können sowohl eine niedrige Magnetostriktion als auch ein hoher Widerstand und weichmagnetische Eigenschaften und eine hohe magnetische Sättigungsflußdichte erreicht werden. Wenn d = 0 ist, ist die vorstehende Gleichung hierbei (b + c × n) × 0,9 ≤ e ≤ (b + c × n) × 1,1.
In dem magnetischen Film gemäß der vorliegenden Erfindung ist es bevorzugt, daß X wenigstens eines ist, das aus der aus Zr, Nb, Hf und Ta bestehenden Gruppe ausgewählt ist, weil die Magnetostriktion durch das Hinzufügen erheblich verringert ist. Der Gehalt davon liegt bevorzugter im Bereich 0,5 ≤ c ≤ 5, wenn ein spezieller Brennpunkt auf der magnetischen Sättigungsflußdichte liegt.
Weiterhin können in dem magnetischen Film nicht mehr als 5% T durch wenigstens ein ausgewähltes aus der aus Ru, Rh, Ir, Pd, Pt, Ag und Au bestehenden Gruppe ersetzt werden. Insbesondere kann ein magnetischer Film mit einer magnetischen Sättigungsflußdichte von 1,4 T oder mehr eine hohe Korrosionsbeständigkeit aufweisen. Es ist bevorzugt, daß der Ersetzungsanteil 0,5% oder mehr beträgt, um die Korrosionsbeständigkeit zu verbessern. Es ist andererseits bevorzugt, daß der Ersetzungsanteil 5% oder weniger beträgt, um die Verringerung der magnetischen Sättigungsflußdichte zu unterdrücken.
Es ist weiterhin bevorzugt, daß der magnetische Film der vorliegenden Erfindung einen Bereich aufweist, in dem die Zusammensetzung in bezug auf zumindest das M-Element im wesentlichen periodisch in einer Richtung senkrecht zum Film geändert ist, weil die weichmagnetischen Eigenschaften zusammen mit einer hohen magnetischen Sättigungsflußdichte leicht erreicht werden können.
In dem magnetischen Film der vorliegenden Erfindung ist es bevorzugt, daß der Zyklus der Zusammensetzungsänderung senkrecht zum Film nicht größer als 10 nm ist, weil der Film mit höheren weichmagnetischen Eigenschaften versehen werden kann.
Es ist bevorzugt, den magnetischen Film der vorliegenden Erfindung herzustellen, indem M und O hauptsächlich durch Sputtern eines Oxids von M dem magnetischen Film zugeführt werden, weil die magnetischen Kristallkörner mit einem kleineren Anteil hinzugefügten M und O miniaturisiert werden können.
Es ist bevorzugt, den magnetischen Film der vorliegenden Erfindung durch Sputtern eines Verbundziels herzustellen, in dem ein Metall und eine Verbindung angeordnet sind, während ein Substrat in mindestens zwei Richtungen bezüglich des Verbundziels bewegt wird, wodurch der Film auf dem Substrat gebildet wird, weil ein Film mit einer gleichmäßigen Zusammensetzung selbst in einem verhältnismäßig großen Bereich hergestellt werden kann.
Es ist weiterhin bevorzugt, den magnetischen Film der vorliegenden Erfindung durch Sputtern eines Verbundziels, wobei ein Metall und eine Verbindung in derselben Elektrode angeordnet sind, oder durch Sputtern eines Metallziels und eines Verbundziels auf wenigstens zwei Elektroden herzustellen, während eine Vorspannung an ein Substrat angelegt ist, wodurch der Film auf dem Substrat gebildet wird, weil es leicht wird, hauptsächlich den Anteil von O oder N in dem magnetischen Film so zu steuern, daß er in einem bevorzugten Bereich liegt.
Weiterhin wird der magnetische Film gemäß der vorliegenden Erfindung mit ausgezeichneten weichmagnetischen Eigenschaften versehen, indem eine Wärmebehandlung bei einer Temperatur von nicht mehr als 350°C ausgeführt wird, nachdem der Film gebildet worden ist.
Der magnetische Dünnfilm mit der Struktur und der Zusammensetzung der vorliegenden Erfindung läßt sich am besten durch ein Bedampfungsverfahren in einer Atmosphäre mit einem niedrigen Gasdruck bilden. Zu den bevorzugten Bedampfungsverfahren gehören typischerweise Sputtertechniken, wie Hochfrequenz-Magnetronsputtern, Gleichspannungs-Sputtern, Sputtern eines gegenüberliegenden Ziels und Ionenstrahlsputtern, eine reaktive Sputtertechnik, bei der ein Einführabschnitt für reaktives Gas in der Nähe eines Substrats bereitgestellt ist, oder ein reaktives Bedampfungsverfahren, bei dem ein Einführabschnitt für reaktives Gas in der Nähe eines Substrats bereitgestellt ist und ein Lösungsabschnitt zum Lösen eines Bedampfungsmaterials bereitgestellt ist.
Wenn eine Sputtertechnik verwendet wird und insbesondere wenn ein Oxid oder ein Nitrid als eine Versorgungsquelle eines Sauerstoff- oder Stickstoffelements verwendet wird, sind die folgenden Sputtertechniken bevorzugt. Bei einer ersten bevorzugten Sputtertechnik wird ein Verbundziel verwendet, bei dem ein Metall oder eine Legierung, ein Oxid, ein Nitrid und ein hinzuzufügendes Element, wie ein Metallelement, je nach Eignung auf derselben Elektrode angeordnet werden. Ihre Zusammensetzungen werden anhand der Zusammensetzung des magnetischen Films gemäß der vorliegenden Erfindung bestimmt, nachdem der Film gebildet wurde. Eine weitere bevorzugte Technik ist das gemeinsame Sputtern, bei dem Ziele eines Metalls, einer Legierung, eines Oxids oder eines Nitrids in einer Mehrzahl von Elektroden angeordnet werden und gleichzeitig eine Entladung ausgeführt wird, so daß Elemente gleichzeitig einem Substrat zugeführt werden. Eine weitere bevorzugte Technik ist das Tandem-Sputtern, bei dem sich ein Substrat der Reihe nach unmittelbar über Zielen eines Metalls, einer Legierung, eines Oxids oder eines Nitrids bewegt, die auf einer Mehrzahl von Elektroden angeordnet sind.
Wenn das Verbundziel verwendet wird, ist es bevorzugt, einen Film zu bilden, während das Substrat selbst in wenigstens zwei Richtungen bewegt wird, damit kein Einfluß durch die Filmzusammensetzungsverteilung in dem Substrat entsprechend den Orten, an denen sich additive Pellets befinden, auftritt. Dies ist auch beim gemeinsamen Sputtern und beim Tandem-Sputtern für eine gleichmäßige Zusammensetzung bevorzugt.
Wenn das Tandem-Sputtern ausgeführt wird, kann weiterhin eine bevorzugte Struktur für eine Zusammensetzungsänderung gebildet werden, indem die Rate der Filmbildung von jedem Ziel und die Verweilzeit oder die Vorbeilaufzeit des Substrats über jedem Ziel eingestellt werden. In ähnlicher Weise kann diese Zusammensetzungsänderung erreicht werden, indem der Einfallswinkel auf die Ziele periodisch geändert wird oder ein reaktives Gas periodisch während des Sputterns eingeleitet wird. Bei all diesen Verfahren kann durch Bildung des Films eine einachsige Anisotropie auf dem magnetischen Film gebildet werden, während ein Magnetfeld in einer Richtung auf das Substrat angewendet wird oder eine Wärmebehandlung bei etwa 350°C oder weniger ausgeführt wird, während ein Magnetfeld in einer Richtung angelegt ist.
Beispiele
Nachstehend wird die vorliegende Erfindung anhand nicht einschränkender Beispiele beschrieben.
In den folgenden Beispielen werden magnetische Filme unter Verwendung eines HF-Magnetronsputterns hergestellt. Die in der folgenden Beschreibung angegebene Substrattemperatur liegt im Bereich von der Zimmertemperatur bis etwa 100°C. Dies ist eine natürliche Temperaturerhöhung, die durch die Energie während der Bildung des Films hervorgerufen wird, und bevorzugte magnetische Dünnfilme können in den Beispielen der vorliegenden Erfindung bei einer Temperatur von 300 °C oder weniger hergestellt werden. Die Filmstruktur wurde durch Röntgenbeugung (XRD) und ein Transmissionselektronenmikroskop (TEM) beobachtet. Die Zusammensetzung wurde durch Elektronensonden-Mikroanalyse (EPMA) analysiert, und die Koerzitivkraft wurde mit einer BH-Schleifensonde ausgewertet. Die magnetische Sättigungsflußdichte wurde durch Schwingungsprobenmagnetometrie (VSM) untersucht.
Beispiel 1
Die Ergebnisse der Untersuchung von Fe_aMg_bX_cN_dO_e-Filmen sind nachstehend dargestellt. Die Bedingungen, unter denen die Filme gebildet wurden, waren die folgenden:
Substrat: nichtmagnetisches Keramiksubstrat, ein Si-Substrat oder ein C-Substrat (das Si-Substrat und das C-Substrat wurden zur Analyse der Zusammensetzung verwendet)
Substrattemperatur: Zimmertemperatur – 100 °C
Ziel: ein 5 × 5 mm messender SiO₂- oder MgO-Chip oder Mg₃N₂-Chip und ein 5 × 5 mm messender Metallelementchip wurden so auf einem 3 Zoll (1 Zoll = 2,54 cm) messenden Fe-Ziel angeordnet, daß die in der nachstehenden Tabelle 1 angegebenen Zusammensetzungen erhalten werden konnten.
Zielgröße: 3 Zoll
Entladungsgasdruck: 8 mTorr (1 Torr = 133 Pa)
Entladungsleistung: 200 W
Sputtergas: Ar
In den Tabellen 1 und 2 sind die magnetischen Eigenschaften und die Zusammensetzungen magnetischer Filme nach Ausführung einer Wärmebehandlung bei 250°C in einem Vakuum dargestellt. Die Dicke aller magnetischer Filme betrug 1 μm.
Tabelle 1
Tabelle 2
Wie in den Tabellen 1 und 2 dargestellt ist, ist ein Element zu Materialien auf FeMgO-Basis hinzugefügt. Wenn Si oder Al, das eine hohe Fähigkeit aufweist, eine Festlösung mit Fe zu bilden, hinzugefügt ist, ist die Magnetostriktion nicht verringert (Proben aa bis ae). Wie in den Proben af bis aq dargestellt ist, verringert selbst ein Anteil von 0,5% die Magnetostriktion und erhöht den spezifischen Widerstand, wenn ein Element hinzugefügt ist, das nur schwer eine Festlösung mit Fe bildet.
Zusätzlich wurde die gleiche Wirkung beobachtet, wenn in der gleichen Weise die Wirkung des Hinzufügens eines Lanthanoids untersucht wurde, das nur schwer eine Festlösung mit Fe bildet. Insbesondere war die Wirkung von Zr, Nb, Hf oder Ta auf die Verringerung der Magnetostriktion erheblich.
Die magnetische Sättigungsflußdichte aller magnetischer Filme der Proben af bis ay betrug 1 T oder mehr, und der durch Röntgenbeugung erhaltene mittlere Kristallkorndurchmesser der magnetischen Kristallkörner betrug 15 nm oder weniger. Eine TEM-Beobachtung der Probe am erzeugte die folgenden Ergebnisse. Die Mikroteilchen von α-Fe waren im wesentlichen mit einem Korngrenzenprodukt bedeckt und hatten eine Verbundstruktur, bei der die Mikroteilchen voneinander getrennt waren. Das Korngrenzenprodukt wies eine geringe Kristallinität auf, so daß es als amorph betrachtet wurde. Die Zusammensetzung des Korngrenzenprodukts enthielt zumindest ein Oxid von Mg und Nb.
Als nächstes wurden verschiedene Zusammensetzungen in bezug auf die magnetischen Eigenschaften unter Verwendung von Ar-Gas oder einem Ar-Gas enthaltenden Mischgas und einer geeigneten Menge O₂ oder N₂ als Sputtergas untersucht.
Tabelle 3 zeigt die magnetischen Eigenschaften und die Zusammensetzungen magnetischer Filme, nachdem eine Wärmebehandlung bei 250°C in einem Vakuum ausgeführt wurde. Die Dicke aller magnetischer Filme betrug 1 μm.
In Tabelle 3 hatten Proben, für die keine Beschreibung hinsichtlich einer unzureichenden Eigenschaft vorlag, eine Koerzitivkraft von 2 Oe (1 Oe = 79,58 A/m) oder weniger, einen spezifischen elektrischen Widerstand von 80 μΩcm oder mehr, eine magnetische Sättigungsflußdichte von 1 T oder mehr und eine Magnetostriktionskonstante von 0,7 × 10^–5 oder weniger. Die nicht erfüllte Eigenschaft ist in Tabelle 3 als eine unzureichende Eigenschaft dargestellt.
In Tabelle 3 gleichen a, b, c, d, e und n den vorstehend beschriebenen.
Tabelle 3
Tabelle 3 gibt an, daß in dem Fall, in dem der magnetische Film durch eine Zusammensetzungsformel Fe_aMg_bX_cN_dO_e ausgedrückt ist (wobei die Indizes a, b, c, d und e Atomprozente darstellen und X zumindest ein ausgewähltes aus der aus Y, Ti, Zr, Hf, V, Nb, Ta und Lanthanoid bestehenden Gruppe ist), weichmagnetische Eigenschaften mit einem hohen Widerstand und einer hohen magnetischen Sättigungsflußdichte erhalten werden können, wenn die folgenden Gleichungen erfüllt sind: a + b + c + d + e = 100, 50 ≤ a ≤ 85, 5,5 ≤ b ≤ 25,5, 0,5 ≤ c ≤ 11, 6 ≤ b + c ≤ 26, 1 ≤ b/c ≤ 51, 0 ≤ d ≤ 10 und 8 ≤ d + e ≤ 35.
Röntgenbeugungs- und TEM-Beobachtungen zeigten, daß diese magnetischen Filme im wesentlichen aus magnetischen Metallkristallkörnern mit einem durchschnittlichen Kristallkorndurchmesser von 15 nm oder weniger und Korngrenzenprodukten, die die magnetischen Metallkristallkörner im wesentlichen bedecken, bestehen. Die magnetischen Metallkristallkörner bestehen hauptsächlich aus α-Fe, und die Korngrenzenprodukte enthielten zumindest ein Oxid oder ein Nitrid von M und X.
Wenn e + q × d ≤ (b + c × n) × 1,35 erfüllt ist, kann gleichzeitig eine niedrige Magnetostriktion erhalten werden. Wenn insbesondere (b + c × n) × 0,9 ≤ e + q × d ≤ (b + c × n) × 1,1 gilt, werden ausgezeichnete weichmagnetische Eigenschaften mit einer Magnetostriktionskonstanten von 0,5 × 10^–5 oder weniger erhalten.
Wenn die Probe bv mit der Probe bw verglichen wurde, hatte die Probe bv eine bessere Koerzitivkraft.
Wenn Fe in den durch die vorstehende Zusammensetzungsformel ausgedrückten Beispielen bis zu 5% durch zumindest ein ausgewähltes aus der aus Ru, Rh, Ir, Pd, Pt, Ag und Au bestehenden Gruppe ersetzt wurde, verbesserte sich die Korrosionsbeständigkeit ohne eine erhebliche Verschlechterung der magnetischen Sättigungsflußdichte und der magnetischen Eigenschaften.
Im vorstehenden Beispiel wurden die magnetischen Filme bei Zimmertemperatur gebildet. Es wurde jedoch auch bestätigt, daß die magnetischen Filme hergestellt werden können, wenn die Substrattemperatur für die Bildung der Filme durch Wasserkühlung verringert wird oder wenn die Substrattemperatur 200 °C oder weniger, vorzugsweise 150 °C oder weniger beträgt.
Weiterhin wurde in dem vorstehenden Beispiel eine Wärmebehandlung bei 250°C in einem Vakuum ausgeführt. Es wurde jedoch auch bestätigt, daß weichmagnetische Eigenschaften unmittelbar nach Bildung des Films auftraten, und die weichmagnetischen Eigenschaften wurden bei der Wärmebehandlung von bis zu 350°C nicht erheblich geändert.
Es wurde auch bestätigt, daß die magnetischen Filme in dem vorstehenden Beispiel mit einer einachsigen magnetischen Anisotropie versehen wurden, wenn die Filme in einem einachsigen Magnetfeld gebildet wurden oder eine Wärmebehandlung in einem einachsigen Magnetfeld bei einer Temperatur von 150°C bis 350°C ausgeführt wurde. Dadurch können in dem Fall, in dem diese magnetischen Filme auf eine Vorrichtung angewendet werden, in der eine Magnetisierung in zumindest einer Richtung der Achse schwerer Magnetisierung bewirkt ist, hohe Eigenschaften mit einem verringerten Wirbelstromverlust oder Resonanzverlust bei einer Hochfrequenz von 100 MHz oder darüber erreicht werden.
Im vorstehenden Beispiel wurde ein Verbundziel verwendet, bei dem ein MgO-Chip in einem Ziel angeordnet ist. Es wurde jedoch bestätigt, daß dieselben magnetischen Filme auch durch eine sogenannte reaktive Sputtertechnik hergestellt werden können, bei der beispielsweise ein gesintertes FeMgX-Ziel in einem Mischgas von Ar und O₂ gesputtert wird.
Im vorstehenden Beispiel wurde das Sputtern ausgeführt, während das Substrat in bezug auf das Ziel befestigt war. Es wurde jedoch bestätigt, daß für manche Zusammensetzungen die Gleichmäßigkeit der Zusammensetzung verbessert wurde und die magnetischen Eigenschaften, wie die Magnetostriktion, weiter verbessert wurden, wenn die Filme auf einem sich in wenigstens zwei Richtungen bewegenden Substrat gebildet wurden, wobei die Substratposition beispielsweise in bezug auf das Verbundziel gedreht wurde oder das Substrat horizontal oder vertikal in bezug auf das Ziel verschoben wurde.
Weiterhin kann der Sauerstoffanteil in den Filmen bei der Sputtertechnik, bei der das Verbundziel verwendet wird, wobei ein Metall und eine Verbindung in geeigneter Weise wie im vorstehenden Beispiel auf derselben Elektrode angeordnet sind, oder bei der Sputtertechnik, bei der ein Metallziel und ein Verbundziel auf wenigstens zwei verschiedenen Elektroden verwendet werden, gesteuert werden, wenn die Filme gebildet werden, während eine Vorspannung an das Substrat angelegt wird. Daher kann der Zusammensetzungsanteil von O in dem Film so gesteuert werden, daß er im bevorzugten Bereich gemäß der vorliegenden Erfindung liegt, und es können die weichmagnetischen Eigenschaften, wie die Magnetostriktion, gesteuert werden.
Beispiel 2
Als nächstes werden nachstehend die Ergebnisse der Untersuchung von Fe_aM_bX_cN_dO_e-Filmen dargestellt. Die Bedingungen, unter denen die Filme gebildet wurden, waren die folgenden:
Substrat: nichtmagnetisches Keramiksubstrat oder ein Si-Substrat (das Si-Substrat wurde für die Analyse der Zusammensetzung verwendet)
Substrattemperatur: Zimmertemperatur – 100 °C
Ziel: ein 5 × 5 mm messender gesinterter Oxidchip und ein 5 × 5 mm messender Metallelementchip wurden so auf einem 3 Zoll messenden Fe-Ziel angeordnet, daß die Zusammensetzungen in der nachstehenden Tabelle 4 erreicht werden konnten (ein Teil des verwendeten Oxidchips hatte einen kleineren Sauerstoffanteil als derjenige des stöchiometrischen Verhältnisses, und er hatte Sauerstoffdefekte).
Zielgröße: 3 Zoll
Entladungsgasdruck: 8 mTorr
Entladungsleistung: 200 W
Sputtergas: Ar oder Ar + O₂
Tabelle 4 zeigt die magnetischen Eigenschaften und die Zusammensetzungen magnetischer Filme, nachdem eine Wärmebehandlung bei 250°C in einem Vakuum ausgeführt wurde. Die Dicke aller magnetischer Filme betrug 1 μm.
In Tabelle 4 hatten Proben, für die keine Beschreibung hinsichtlich einer unzureichenden Eigenschaft vorlag, eine Koerzitivkraft von 2 Oe oder weniger, einen spezifischen elektrischen Widerstand von 80 μΩcm oder mehr, eine magnetische Sättigungsflußdichte von 1 T oder mehr und eine Magnetostriktionskonstante von 0,7 × 10^–5 oder weniger. Die Eigenschaft, die nicht erfüllt ist, ist in Tabelle 4 als eine unzureichende Eigenschaft dargestellt.
Tabelle 4
Tabelle 4 gibt an, daß in dem Fall, in dem der magnetische Film durch eine Zusammensetzungsformel Fe_aM_bX_cN_dO_e ausgedrückt ist (wobei die Indizes a, b, c, d und e Atomprozente darstellen und M zumindest ein ausgewähltes aus der aus Be, Mg, Ca, Sr und Ba bestehenden Gruppe sowie X zumindest ein ausgewähltes aus der aus Y, Ti, Zr, Hf, V, Nb, Ta und Lanthanoid bestehenden Gruppe ist), weichmagnetische Eigenschaften mit einem hohen Widerstand und einer hohen magnetischen Sättigungsflußdichte erhalten werden können, wenn die folgenden Gleichungen erfüllt sind: a + b + c + d + e = 100, 45 ≤ a ≤ 85, 5,5 ≤ b ≤ 28, 0,5 ≤ c ≤ 16, 6 ≤ b + c ≤ 28,5, 0,4 ≤ b/c ≤ 56, 0 ≤ d ≤ 10 und 8 ≤ d + e ≤ 40.
Röntgenbeugungs- und TEM-Beobachtungen zeigten, daß diese magnetischen Filme im wesentlichen aus magnetischen Metallkristallkörnern mit einem durchschnittlichen Kristallkorndurchmesser von 15 nm oder weniger und Korngrenzenprodukten, die die magnetischen Metallkristallkörner im wesentlichen bedecken, bestehen. Die magnetischen Metallkristallkörner bestehen hauptsächlich aus α-Fe, und die Korngrenzenprodukte enthielten zumindest ein Oxid oder ein Nitrid von M und X.
Wenn e + q × d ≤ (b + c × n) × 1,35 erfüllt ist, kann gleichzeitig eine niedrige Magnetostriktion erhalten werden. Wenn insbesondere (b + c × n) × 0,9 ≤ e + q × d ≤ (b + c × n) × 1,1 gilt, werden ausgezeichnete weichmagnetische Eigenschaften mit einer Magnetostriktionskonstanten von 0,5 × 10^–5 oder weniger erhalten.
Wenn Fe in den durch die vorstehende Zusammensetzungsformel ausgedrückten Beispielen bis zu 5% durch zumindest ein ausgewähltes aus der aus Ru, Rh, Ir, Pd, Pt, Ag und Au bestehenden Gruppe ersetzt wurde, verbesserte sich die Korrosionsbeständigkeit ohne eine erhebliche Verschlechterung der magnetischen Sättigungsflußdichte und der magnetischen Eigenschaften.
Wenn weiterhin ein magnetisches Metall, bei dem Fe in dem vorstehenden Beispiel bis zu 70% durch Co oder Ni ersetzt ist, verwendet wird, können eine ausgezeichnete magnetische Sättigungsflußdichte und ein hoher Widerstand und weichmagnetische Eigenschaften in den gleichen Zusammensetzungsbereichen wie vorstehend angegeben erhalten werden.
Im vorstehenden Beispiel wurden die magnetischen Filme bei Zimmertemperatur gebildet. Es wurde jedoch auch bestätigt, daß die magnetischen Filme hergestellt werden können, wenn die Substrattemperatur für die Bildung der Filme durch Wasserkühlung verringert wird oder wenn die Substrattemperatur 200°C oder weniger, vorzugsweise 150 °C oder weniger beträgt.
Weiterhin wurde in dem vorstehenden Beispiel eine Wärmebehandlung bei 250°C in einem Vakuum ausgeführt. Es wurde jedoch auch bestätigt, daß weichmagnetische Eigenschaften unmittelbar nach Bildung des Films auftraten, und die weichmagnetischen Eigenschaften wurden bei der Wärmebehandlung von bis zu 350°C nicht erheblich geändert.
Es wurde auch bestätigt, daß die magnetischen Filme in dem vorstehenden Beispiel mit einer einachsigen magnetischen Anisotropie versehen wurden, wenn die Filme in einem einachsigen Magnetfeld gebildet wurden oder eine Wärme behandlung in einem einachsigen Magnetfeld bei einer Temperatur von 150°C bis 350°C ausgeführt wurde. Dadurch können in dem Fall, in dem diese magnetischen Filme auf eine Vorrichtung angewendet werden, in der eine Magnetisierung in zumindest einer Richtung der Achse schwerer Magnetisierung bewirkt ist, hohe Eigenschaften mit einem verringerten Wirbelstromverlust oder Resonanzverlust bei einer Hochfrequenz von 100 MHz oder darüber erreicht werden.
Im vorstehenden Beispiel wurde ein Verbundziel verwendet, bei dem ein MgO-Chip in einem Ziel angeordnet ist. Es wurde jedoch bestätigt, daß dieselben magnetischen Filme auch durch eine sogenannte reaktive Sputtertechnik hergestellt werden können, bei der beispielsweise ein gesintertes FeMgX-Ziel in einem Mischgas von Ar und O₂ gesputtert wird. Im vorstehenden Beispiel wurde das Sputtern ausgeführt, während das Substrat in bezug auf das Ziel feststehend war. Es wurde jedoch bestätigt, daß für manche Zusammensetzungen die Gleichmäßigkeit der Zusammensetzung verbessert wurde und die magnetischen Eigenschaften, wie die Magnetostriktion, weiter verbessert wurden, wenn die Filme auf einem sich in wenigstens zwei Richtungen bewegenden Substrat gebildet wurden, wobei die Substratposition beispielsweise in bezug auf das Verbundziel gedreht wurde oder das Substrat horizontal oder vertikal in bezug auf das Ziel verschoben wurde.
Weiterhin kann der Sauerstoffanteil in den Filmen bei der Sputtertechnik, bei der das Verbundziel verwendet wird, wobei ein Metall und eine Verbindung in geeigneter Weise wie im vorstehenden Beispiel auf derselben Elektrode angeordnet sind, oder bei der Sputtertechnik, bei der ein Metallziel und ein Verbundziel auf wenigstens zwei verschiedenen Elektroden verwendet werden, gesteuert werden, wenn die Filme gebildet wurden, während eine Vorspannung an das Substrat angelegt wurde. Daher kann der Zusammensetzungsanteil von O in dem Film so gesteuert werden, daß er im bevorzugten Bereich gemäß der vorliegenden Erfindung liegt, und es können die weichmagnetischen Eigenschaften, wie die Magnetostriktion, gesteuert werden.
Beispiel 3
Magnetische FeMgHfO-Filme wurden unter Verwendung einer Tandem-Sputtertechnik hergestellt, bei der ein Substrat zwischen Positionen unmittelbar oberhalb zweier verschiedener Ziele bewegt wird, während die beiden Ziele mit verschiedenen Elektroden entladen werden. Die Bedingungen, unter denen die Filme gebildet wurden, waren die folgenden:
Substrat: nichtmagnetisches Keramiksubstrat, ein Si-Substrat (das Si-Substrat wurde zur Analyse der Zusammensetzung verwendet)
Substrattemperatur: Wasserkühlung
Ziel: Verbundziel, bei dem ein 5 × 5 mm messender Hf-Chip auf einem 4 Zoll messenden Fe-Ziel und einem 4 Zoll messenden Mg-Ziel angeordnet war.
Entladungsgasdruck: 5 mTorr
Entladungsleistung: 200 W für das Fe-Verbundziel und 300 W für das Mg-Ziel
Sputtergas: Ar allein, wenn das Substrat oberhalb des Fe + Hf-Ziels lag, und Ar + O₂, wenn das Substrat oberhalb des Mg-Ziels lag.
Durch Ändern des Bewegungszyklus des Substrats wurde die Durchgangszeit je Durchgang über jedem der Ziele (im wesentlichen die Filmbildungzeit für einen Durchgang) geändert und wurde der Filmbildungszyklus der FeHf-Schicht und der MgO-Schicht geändert.
Die Gesamtfilmzusammensetzung aller magnetischer Filme war im wesentlichen durch Fe_61,5Mg₁₆Hf_1,5O₂₁ gegeben. Zum Vergleich wurde unter Verwendung eines auf einem Fe-Ziel angeordneten MgO-Chips und Hf-Chips Fe_61,5Mg₁₆Hf_1,5O₂₁ ohne einen Zyklus hergestellt (d.h. die Zykluslänge entspricht der Dicke des Films). Tabelle 5 zeigt die magnetischen Eigenschaften und die Zusammensetzungen magnetischer Filme nach Ausführung einer Wärmebehandlung bei 250 °C in einem Vakuum. Die Dicke aller magnetischer Filme betrug 1 μm.
Tabelle 5
Ein Korrosionsbeständigkeitstest wurde auf den magnetischen Filmen aus Tabelle 5 durch Eintauchen der Filme in 0,1molares Salzwasser ausgeführt. Die Ergebnisse bestätigten, daß bei einer Verkürzung des Zyklus die Korrosionsbeständigkeit höher war. Weiterhin wurden in einem Film mit einer Filmbildungs-Zykluslänge von 10 nm oder weniger sowohl eine geringe Magnetostriktion als auch ein hoher Widerstand erhalten. Wenn diese Filme in Hinblick auf die Zusammensetzungsänderung in Filmdickenrichtung mit einem Auger-Tiefenprofil untersucht wurden, wurde das Ergebnis erhalten, daß sich die Probe ef kaum von der Probe ea unterschied, daß jedoch für die Proben ee und ed hauptsächlich die Zusammensetzung von Mg geändert war. Diese Ergebnisse zeigen, daß der magnetische Film ausgezeichnete weichmagnetische Eigenschaften und einen hohen Widerstand aufweisen kann, wenn sich die Zusammensetzung des M-Elements in Filmdickenrichtung ändert und der Zyklus der Zusammensetzungsänderung 10 nm oder weniger beträgt.
In dem vorstehenden Beispiel wird ein Film hergestellt, dessen Zusammensetzung durch Tandem-Sputtern geändert wurde. Andere Experimente zeigten jedoch, daß ähnliche Strukturen und magnetische Eigenschaften durch reaktives Impulssputtern erhalten wurden, wobei ein Sauerstoffgas periodisch eingeleitet wird, während ein gesintertes FeHfMg-Ziel mit einem Ar-Gas entladen wird.
Es wurde weiterhin bestätigt, daß die gleichen Wirkungen nicht nur in den vorstehend erwähnten Zusammensetzungsbeispielen, sondern auch bei anderen Zusammensetzungen erhalten wurden, solange die Zusammensetzung in den bevorzugten Zusammensetzungsbereichen gemäß der vorliegenden Erfindung liegt.

Claims

Magnetischer Film, der durch eine Zusammensetzungsformel T_aM_bX_cN_dO_e ausgedrückt ist (wobei a, b, c, d und e Atomprozente repräsentieren und Werte sind, die die folgenden Gleichungen erfüllen: a + b + c + d + e = 100 45 ≦ a ≦ 85, 5,5 ≦ b ≦ 28, 0,5 ≦ c ≦ 16, 6 ≦ b + c ≦ 28, 5, 0,4 < b/c ≦ 56, 0 ≦ d ≦ 10 , und 8 ≦ d + e ≦ 40, wobei T (1) Fe oder (2) ein Metall mit nicht weniger als 30 Atomprozent aus Fe ist und zumindest ein ausgewähltes aus der Gruppe mit Co und Ni ist, wobei M zumindest eines ist, das ausgewählt ist aus der Gruppe mit Be, Mg, Ca, Sr und Ba, und wobei X zumindest eines ist, das ausgewählt ist aus der Gruppe mit Y, Ti, Zr, Hf, V, Nb, Ta und Lanthanoid), wobei der magnetische Film magnetische Metallkristallkörner aufweist, die einen durchschnittlichen Kristallkorndurchmesser von nicht mehr als 15 mm und ein Korngrenzenprodukt haben, wobei die Hauptkomponente der magnetischen Metallkörner das T ist, das Korngrenzenprodukt zumindest ein Oxid oder ein Nitrid aus dem M und dem X enthält, und der magnetische Film eine magnetische Sättigungsflußdichte von nicht weniger als 0,8 T und einen elektrischen Widerstand von nicht weniger als 80 μΩcm hat.
Magnetischer Film nach Anspruch 1, bei dem der magnetische Film ausgedrückt ist durch eine Zusammensetzungsformel Fe_aMg_bX_cN_dO_e (wobei a, b, c, d und e Atomprozente repräsentieren und Werte sind, die die folgenden Gleichungen erfüllen) und eine magnetische Sättigungsflußdichte von nicht weniger als 1T hat: a + b + c + d + e = 10050 ≦ a ≦ 85, 5,5 ≦ b ≦ 25, 5, 0,5 ≦ c ≦ 11, 6 ≦ b + c ≦ 26, 1 ≦ b/c ≦ 51, 0 ≦ d ≦ 10 , und 8 ≦ d + e ≦ 35.
Magnetischer Film nach Anspruch 1 oder 2, der durch eine Zusammensetzungsformel ausgedrückt ist, in der e + q × d ≦ (b + c × n) × 1,35 erfüllt ist (wobei b, c, d und e dieselben wie vorstehend sind, n ein Wert in einem Bereich von 1 bis 2,5 ist, der durch ein Oxid XO_n definiert ist, wobei X bei seiner maximalen Valenz ist, q ein gewichtetes bzw. gewogenes Mittel eines Gesamtbetrages von einem M-Element und einem X-Element ist, die durch Gewichtung mit den folgenden Werten erhalten sind: 2,5 für V, Nb und Ta, 2 für Ti, Zr, Hf, Ce, Pr und Tb und 1,5 für andere Elemente).
Magnetischer Film nach Anspruch 3, der durch eine Zusammensetzungsformel, in der (b + c × n) × 0,9 ≦ e + q × d (b + c × n) × 1,1 ist (wobei b, c, d, e, n und q dieselben wie vorstehend sind), ausgedrückt ist.
Magnetischer Film nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei dem X zumindest ein aus einer Gruppe ausgewähltes ist, die Zr, Nb, Hf und Ta umfaßt.
Magnetischer Film nach einem der Ansprüche 1 bis 5, bei dem nicht mehr als 5 Atomprozent von T mit zumindest einem ersetzt ist, das ausgewählt ist aus einer Gruppe mit Ru, Rh, Ir, Pd, Pt, Ag und Au.
Magnetischer Film nach einem der Ansprüche 1 bis 6, mit einen Bereich, in dem eine Zusammensetzung unter Berücksichtigung zumindest des M-Elements im wesentlichen periodisch in einer Richtung senkrecht zu dem Film geändert ist.
Magnetischer Film nach Anspruch 7, bei dem ein Zyklus der Zusammensetzungsänderung nicht mehr als 10 mm beträgt.
Magnetischer Film nach einem der Ansprüche 1 bis 8, der durch Versorgung von M und O für den magnetischen Film hauptsächlich durch Sputtern eines Oxids des M erzeugt ist.
Magnetischer Film nach einem der Ansprüche 1 bis 8, der durch Sputtern eines Verbundziels erzeugt ist, wobei ein Metall und eine Verbindung angeordnet sind, während ein Substrat in zumindest zwei Richtungen relativ zu dem Verbundziel bewegt wird, wodurch der Film auf dem Substrat gebildet wird.
Magnetfilm nach einem der Ansprüche 1 bis 8, der durch Sputtern eines Verbundziels erzeugt ist, wobei ein Metall und eine Verbindung in einer gleichen Elektrode angeordnet sind oder durch Sputtern eines Metallziels und eines Verbundziels auf zumindest zwei Elektroden, während eine Vorspannung an einem Substrat angelegt ist, wodurch der Film auf dem Substrat gebildet wird.
Magnetfilm nach einem der Ansprüche 9 bis 11, der durch Ausführen einer Wärmebehandlung bei einer Temperatur von nicht mehr als 350° erstellt wird, nachdem der Film gebildet ist.