JP2002074654A

JP2002074654A - 機能素子の製造方法および機能素子

Info

Publication number: JP2002074654A
Application number: JP2000252841A
Authority: JP
Inventors: Keiichi Sato; 慶一佐藤; Tetsuya Roppongi; 哲也六本木; Jun Nakagawa; 準中川; Mamoru Yoshimoto; 護吉本
Original assignee: TDK Corp
Current assignee: TDK Corp
Priority date: 2000-08-23
Filing date: 2000-08-23
Publication date: 2002-03-15

Abstract

(57)【要約】【課題】互いに孤立した微小な磁性体が記録ビットを
構成するパターンド媒体において、極めて微小でかつ形
状の揃った孤立磁性体を設けることにより、高記録密度
を実現すると共に、孤立磁性体の特性ばらつきを軽減す
る。また、上記孤立磁性体と同様に極めて微小でかつ形
状の揃った機能体を備える機能素子を提供する。【解決手段】単結晶からなる基板上に、機能性材料か
ら構成される孤立機能体を少なくとも１つ有する機能素
子を製造する方法であって、線状機能体を形成する工程
と、この線状機能体の一部を除去することにより、この
線状機能体の長軸方向を短縮して前記孤立機能体を形成
する工程とを有する機能素子の製造方法。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、磁気素子等の機能
素子およびその製造方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】大容量記憶装置、特にハードディスクド
ライブ装置は、高データ転送速度、高速アクセス、高信
頼性、低価格等の点から大容量化、高密度化が著しく進
展している。面記録密度の向上は、磁気記録層中に形成
する記録磁区の微小化によって達成され、現在１平方イ
ンチ当たり５ギガビットを超え、１０ギガビットから１
００ギガビットを目指した開発が進んでいる。

【０００３】記録再生を行う磁気ヘッドとしては、イン
ダクティブヘッドを記録ヘッドとし、磁気抵抗効果型ヘ
ッド（ＭＲヘッド）を再生ヘッドとして、これらをスラ
イダに搭載した複合型磁気ヘッドが用いられている。Ｍ
Ｒヘッドは、周方向における単位長さでの磁束変化によ
って出力が決まるため、原理的にはトラック幅をいくら
狭くしても出力が減少しない。そのためＭＲヘッドを使
用することにより、狭トラック化が見込める。さらに高
記録密度が見込める巨大磁気抵抗効果型ヘッド（ＧＭＲ
ヘッド）についても、同様のことがいえる。

【０００４】しかし、トラック幅があまりに狭くなる
と、隣接する記録トラックの磁気信号による干渉（クロ
ストーク）が大きくなるので、再生信号の劣化が問題と
なる。また、記録ビット長の短縮によっても面記録密度
を向上できるが、記録ビット長を短くすると、隣接ビッ
ト間における磁気信号の干渉（パーシャルイレージャ）
が大きくなり、再生信号の劣化が問題となるほか、熱揺
らぎによる磁化情報の消失が生じやすくなる。

【０００５】特開平９−２９７９１８号公報には、トラ
ック幅と最短ビット規定長とを２辺の長さとする矩形領
域からなる記録部を複数設け、この複数の記録部が隙間
部により互いに分離して配置されており、記録部で情報
の蓄積を行う磁気記録媒体が記載されている。この媒体
は、いわゆるパターンド媒体である。パターンド媒体で
は、記録部を構成する１つの孤立磁性体に対し１ビット
の記録を行う。そのため、パターンド媒体では、クロス
トークやパーシャルイレージャ、熱揺らぎによる再生信
号の劣化を低減でき、理論的には１Tbit/in²以上の超高
密度記録も可能である。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】パターンド媒体の利点
を十分に発揮させるためには、記録ビットを構成する孤
立磁性体の微小化が必要である。しかし、パターンド媒
体では、孤立磁性体の形成にフォトリソグラフィー法を
用いることが一般的であるため、フォトリソグラフィー
法における分解能の制約を受け、最小寸法が５０nm以下
であるパターンを形成することは困難である。

【０００７】また、リソグラフィーにおいてポジ型レジ
ストを用いる場合には、マスクとして微細な矩形のレジ
ストパターンを形成する必要があるが、このようなレジ
ストパターンは基板に対する接着面積が小さいために剥
離しやすく、また、幅の狭い長方形のレジストパターン
は倒れやすい。一方、ネガ型レジストは、ポジ型レジス
トに比べ、微細なパターンを作製すること自体が困難で
ある。また、微小な孤立磁性体をリソグラフィー法によ
り形成した場合、レジストのパターニングおよびエッチ
ング時には矩形となるように条件を設定しているにもか
かわらず、孤立磁性体の平面形状を矩形とすることが困
難であり、孤立磁性体は角が丸まった平面形状となりや
すい。そのため、平面形状が矩形である場合に比べ体積
が小さくなり、十分な磁気特性が得られなくなる。ま
た、この角の丸まりの程度がばらつくため、孤立磁性体
の体積にばらつきが生じ、その結果、磁気特性もばらつ
いてしまう。

【０００８】なお、孤立した微小な磁性体を形成する際
に生じるこのような問題は、パターンド媒体を製造する
場合のほか、リソグラフィー法を用いて磁気ヘッドの磁
極を形成する際にも生じる。

【０００９】本発明は、互いに孤立した微小な磁性体が
記録ビットを構成するパターンド媒体において、極めて
微小でかつ形状の揃った孤立磁性体を設けることによ
り、高記録密度を実現すると共に、孤立磁性体の特性ば
らつきを軽減することを目的とする。また、本発明は、
上記孤立磁性体と同様に極めて微小でかつ形状の揃った
機能体を備える機能素子を提供することを目的とする。

【００１０】

【課題を解決するための手段】上記目的は、下記（１）
〜（１６）の本発明により達成される。（１）基板上に、機能性材料から構成される孤立機能
体を少なくとも１つ有する機能素子を製造する方法であ
って、線状機能体を形成する工程と、この線状機能体の
一部を除去することにより、この線状機能体の長軸方向
を短縮して前記孤立機能体を形成する工程とを有する機
能素子の製造方法。（２）前記線状機能体の一部を除去する際に前記基板
の一部も除去することにより、前記基板に溝を形成する
上記（１）の機能素子の製造方法。（３）単結晶からなる前記基板の表面に線状の段差を
形成し、この段差を構成する斜面の上に機能性材料を成
長させることにより、前記線状機能体を形成する上記
（１）または（２）の機能素子の製造方法。（４）単結晶からなる基板上に、機能性材料から構成
される孤立機能体を少なくとも１つ有し、前記基板が線
状の段差を有し、この段差を構成する斜面に接して前記
孤立機能体が存在し、前記孤立機能体の長軸方向の長さ
が５μm以下、短軸方向の長さが５０nm以下である機能
素子。（５）前記孤立機能体が２以上存在し、隣り合う孤立
機能体間に存在する前記基板表面に、前記段差と直交す
る溝が存在する上記（４）の機能素子。（６）前記孤立機能体の外周の一部と前記基板との境
界付近において、相対的に濃度が高くなる元素が存在す
る上記（４）または（５）の機能素子。（７）前記基板がペロブスカイト型酸化物から構成さ
れている上記（４）〜（６）のいずれかの機能素子。（８）前記基板が強誘電性を有し、前記孤立機能体が
導電性を有する上記（４）〜（７）のいずれかの機能素
子。（９）前記孤立機能体が強誘電性を有する上記（４）
〜（７）のいずれかの機能素子。（１０）前記孤立機能体１つあたり１ビットの強誘電
性記録がなされる上記（８）または（９）の機能素子。（１１）前記孤立機能体が磁性を有する上記（４）〜
（７）のいずれかの機能素子。（１２）前記孤立機能体１つあたり１ビットの磁気記
録がなされる上記（１１）の機能素子。（１３）前記孤立機能体を磁化する手段を有する上記
（１２）の機能素子。（１４）前記孤立機能体の磁化を検出する手段を有す
る上記（１２）または（１３）の機能素子。（１５）磁気ヘッドとして用いられる上記（１１）の
機能素子。（１６）上記（１）〜（３）のいずれかの方法により
製造された上記（４）〜（１６）のいずれかの機能素
子。

【００１１】

【作用および効果】フォトリソグラフィー法を用いて孤
立磁性体を形成する場合、まず、基板表面に磁性体層と
レジスト層とを形成し、レジスト層をパターン露光して
潜像を形成した後、現像することにより、レジスト層を
パターニングする。次いで、パターニングしたレジスト
層をマスクとして湿式ないし乾式でエッチングを行い、
孤立磁性体を形成する。すなわち、この方法では、レジ
ストパターンを利用して、孤立磁性体を２次元的に一挙
にパターニングする。そのため、この方法では、現像時
および／またはエッチング時にレジストパターンの角が
丸まってしまう。また、レジストパターンと基板との接
着面積が小さくなるため、レジストパターンが基板から
剥離しやすい。また、レジストパターンの倒れが発生し
やすいという問題もある。その結果、孤立磁性体の平面
形状を矩形とすることが難しく、また、孤立磁性体の体
積にばらつきが生じたり、孤立磁性体の形成不良が生じ
やすい。

【００１２】これに対し本発明では、基板上に微小な孤
立磁性体を形成するに際し、まず、比較的長い線状磁性
体を形成する。次いで、この線状磁性体を集束イオンビ
ーム技術等を用いて切断することにより、孤立磁性体を
形成する。そのため本発明では、孤立磁性体の角の丸ま
りが抑制される。その結果、本発明の製造方法を利用す
ることにより、孤立磁性体の配設密度を確保したままそ
の体積を大きくすることができ、また、孤立磁性体の体
積のばらつきを抑えることができる。また、レジストパ
ターンの剥離や倒れに伴う孤立磁性体の形成不良も生じ
ない。

【００１３】本発明の好ましい態様では、線状磁性体を
形成するに際し、まず、単結晶基板に複数の平坦面(テ
ラス，terrace)と、隣り合う平坦面同士を連結する線状
の微小な段差(ステップ，step)とを設け、その上から蒸
着法等の気相成長法により磁性材料を付着させる。一般
に、段差と平坦面との境界において原子の吸着エネルギ
ーが高くなるため、段差に沿って原子が配列しやすい
が、さらに、基板の構成材料、平坦面に露出する結晶面
および吸着する元素を適切に選択することにより、基板
に付着した原子が平坦面で核形成することなく、平坦面
上を拡散して段差部にトラップされて結晶化するように
なる。このとき、磁性材料の付着時間を制御することに
より基板面の被覆率を１未満とすれば、線状磁性体が得
られる。この方法では、幅５０nm以下の極めて狭幅の線
状磁性体を形成することができる。

【００１４】このようにして形成した狭幅の線状磁性体
を、集束イオンビーム技術等を用いて切断すれば、著し
く微小で、かつ、寸法ばらつきの小さい孤立磁性体を形
成することができる。

【００１５】本発明は、パターンド媒体等の磁気素子に
限らず適用可能である。すなわち、圧電性、誘電性、強
誘電性等の磁性以外の機能性をもつ孤立機能体を形成す
る場合でも、同様な効果が実現する。すなわち、極めて
微小な孤立機能体が形成でき、かつ、孤立機能体の平面
寸法を矩形に近い形状とすることができるので、高特性
で性能の安定した機能素子を得ることができる。

【００１６】なお、単結晶基板に段差および平坦面を形
成し、この段差を利用して量子細線を形成することは、
例えば特開平８−８３８０２号公報、第２３回日本応用
磁気学会学術講演概要集,p216(1999)、第４７回応用物
理学会関係連合講演会講演予稿集28a-ZL-9に記載され
ている。ただし、これらには著しく狭い幅の量子細線を
形成することだけしか記載されておらず、例えばパター
ンド媒体に適用可能な、適当な幅をもち、かつ２次元的
に配列した多数の孤立機能体を形成する手段については
全く記載されていない。

【００１７】

【発明の実施の形態】図１〜図３に、本発明の機能素子
の製造方法を説明するための斜視図を示す。この磁気素
子は、前記したパターンド媒体である。

【００１８】この製造方法では、まず、図１に示すよう
に、単結晶からなる基板２を用意する。この基板２の表
面は、複数の平坦面２１と、隣り合う平坦面間を接続す
る斜面２２とで構成される。すなわち、隣り合う平坦面
は互いに高さが異なり、これらを斜面２２から構成され
る線状の段差が接続する。次に、図２に示すように、斜
面２２の上に機能性材料を成長させることにより、線状
機能体３を形成する。斜面２２上に線状機能体３が形成
されるメカニズムは前述したとおりである。

【００１９】単結晶基板に段差を形成する方法として
は、以下に説明する２種の方法が好ましい。

【００２０】第１の方法では、前記特開平８−８３８０
２号公報に記載されているように、単結晶から所定の角
度で基板を切り出した後、必要に応じて化学的機械的研
磨等により表面を平坦化し、次いで、熱処理を施す。結
晶面上での原子の拡散係数および拡散のための活性化エ
ネルギーは、結晶面ごとに異なる。そのため、熱処理を
施したとき、その熱処理条件に対応した、熱的に安定な
結晶方位指数をもつ原子面が優先的に形成され、これが
平坦面２１となる。基板２の表面がこの平坦面２１を構
成する結晶面から傾いている場合、平坦面２１の幅はこ
の傾き角に対応し、かつ、隣り合う平坦面間には斜面２
２が形成される。斜面２２の高さは、熱的に安定な前記
原子面の結晶格子中での繰り返し周期によって決定され
る。したがって、基板２の切り出し角および／または平
坦化の際の研磨条件を制御することにより、所望の組み
合わせで平坦面２１および斜面２２を形成することがで
きる。

【００２１】段差形成のための熱処理条件は、形成した
い平坦面２１および斜面２２の構成に基づき、基板の構
成材料等に応じて適宜決定すればよく、例えば、熱処理
温度は、通常、３００〜１６００℃の範囲から、また、
熱処理時間は、通常、０．５〜２４時間の範囲から選択
することが好ましい。具体的には、アルミナ単結晶基板
を用いる場合には、通常、８００〜１２００℃、好まし
くは９５０〜１０５０℃の範囲内の温度で、通常、０．
５〜１０時間、好ましくは３〜５時間熱処理を施す。

【００２２】第２の方法では、単結晶からなる基板２の
表面の一部を物理的および／または化学的に除去するこ
とにより、段差を形成する。具体的には、単結晶から所
定の角度で切り出し、必要に応じて平坦化処理を施した
基板２の表面に、集束イオンビーム（ＦＩＢ）技術やリ
ソグラフィー技術等の加工技術を用いて溝を形成し、こ
の溝を構成する側面の一方または両方を、線状機能体を
形成するための前記斜面として利用する。なお、本発明
の製造方法においてリソグラフィー技術を用いる場合、
パターニングのための露光には、ｉ線、ｇ線、ＫｒＦや
ＡｒＦ等のエキシマレーザー、Ｘ線、電子線などのいず
れを用いてもよい。

【００２３】なお、基板２は剛体である必要はなく、単
結晶膜であってもよい。その場合、単結晶、結晶配向
体、非晶質等からなる剛性の支持基板上に単結晶膜を形
成し、この単結晶膜を基板２として用いる。

【００２４】斜面２２上に線状機能体をエピタキシャル
成長させる方法では、線状機能体の幅を斜面２２の配列
間隔より小さくできる。したがって、第２の方法におい
て、分解能が比較的低い加工技術で溝を形成した場合で
も、これらの加工技術自体で線状機能体をパターニング
する場合に比べ、線状機能体の幅をより狭くすることが
できる。

【００２５】熱処理によって基板２表面に段差を形成す
る第１の方法は、段差の配列間隔およびその位置精度
が、基板２の単結晶からの切り出し精度および平坦化処
理の精度に大きく影響を受けるため、段差を設計どおり
に配列させるためには、高精度の加工が必要である。こ
れに対し、基板２に溝を形成することにより斜面を設け
る第２の方法は、段差の形成位置の制御が比較的容易で
ある。ただし、第２の方法においても、線状機能体を斜
面上に選択的に成長させるためには、平坦面および斜面
をそれぞれ構成する結晶面の厳密な管理が必要であるこ
とは、第１の方法と同様である。

【００２６】斜面２２の高さは、線状機能体３が乱れな
く成長できるように適宜決定すればよいが、好ましくは
０．１〜１００nm、より好ましくは０．２〜１０nmであ
る。斜面が低すぎると、平坦面２１に垂直な方向にエピ
タキシャル成長が生じやすく、その結果、線状機能体３
の幅制御が困難となる。一方、斜面が高すぎると、斜面
２２の面積が広くなるため、斜面２２の面内において結
晶成長が複数箇所で生じ、その結果、線状機能体３の形
成が困難となる。段差の配列間隔は、線状機能体に要求
される配列間隔に応じて適宜決定すればよいが、本発明
では線状機能体の幅を狭くできることを特徴とするの
で、配列間隔も比較的狭く、例えば５〜２００nm、特に
１０〜１００nmの範囲内に設定することが好ましい。

【００２７】線状機能体３を構成する磁性材料としては
強磁性体および反強磁性体が挙げられ、強磁性体として
は硬磁性体または軟磁性体が挙げられる。具体的には、
Ｆｅ ₂Ｏ₃、Ｆｅ₃Ｏ₄等の酸化鉄、ＭＯ・Ｆｅ₂Ｏ₃（Ｍ
は、Ｍｎ、Ｎｉ、Ｃｏ、Ｃｕ、Ｚｎ等の２価の金属）で
示される亜鉄酸塩、窒化鉄、ＮｉＯ、ＭｎＯ、金属単
体、合金などが挙げられる。金属単体ないし合金として
は、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｆｅまたはこれらの少なくとも１種を
含有する合金であることが好ましく、特に、Ｃｏ、Ｃｏ
−Ｃｒ、Ｃｏ−Ｃｒ−Ｔａ、Ｃｏ−Ｃｒ−Ｐｔ、Ｃｏ−
Ｐｔ、Ｆｅ−Ｃｏ、Ｆｅ−Ｃｏ−Ｐｔ、Ｘ−Ｙ−Ｃｏ
（ＸはＤｙ、ＧｄおよびＴｂの少なくとも１種、ＹはＬ
ａ、Ｐｒ、ＮｄおよびＳｍの少なくとも１種）のいずれ
か１種が好ましい。また、磁性材料のほか、例えば酸化
亜鉛等の誘電性材料、金属や導電性酸化物等の導電性材
料、ペロブスカイト化合物等の誘電性ないし強誘電性材
料を用いることもできる。すなわち、誘電性、強誘電
性、圧電性、導電性等の磁性以外の機能性を利用するこ
ともできる。

【００２８】基板２の構成材料および平坦面２１を構成
する結晶面は、機能素子に要求される機能、線状機能体
３の構成材料および成長させたい結晶面などに応じて適
宜決定すればよい。基板構成材料は特に限定されず、機
能素子の機能に応じて適宜選択すればよい。例えば基板
２に電気絶縁性かつ非磁性であることが要求される場合
には、基板２は例えばアルミナ単結晶やペロブスカイト
型酸化物の単結晶から構成することができる。ペロブス
カイト型酸化物からなる単結晶基板２は、平坦面２１と
斜面２２とで吸着エネルギーの差を大きくできるため、
線状機能体３の形成が容易となる。基板２に用いるペロ
ブスカイト型酸化物は特に限定されず、例えばＳｒＴｉ
Ｏ₃、ＬａＡｌＯ₃、ＮｂＧａＯ₃等の各種ペロブスカイ
ト型酸化物のいずれであってもよい。また、基板２に導
電性が要求される場合には、例えばＳｉ単結晶や導電性
酸化物の単結晶を用いることができる。

【００２９】具体的には、例えば基板２にアルミナ単結
晶を用いる場合、平坦面２１は（０００１）面であるこ
とが好ましい。また、基板２にペロブスカイト酸化物を
用いる場合、平坦面２１はＳｒＴｉＯ₃（１００）面で
あることが好ましい。これらの場合、斜面２２に露出す
る結晶面は特に限定されず、アルミナ（０００１）面や
ＳｒＴｉＯ₃（１００）面と交差する任意の面であって
よい。また、これらの場合、線状機能体３の構成材料も
特に限定されないが、酸化物磁性材料であれば例えばＦ
ｅ₃Ｏ₄を好ましく用いることができる。

【００３０】このようにして基板２表面に線状機能体３
を形成した後、図３に示すように、この線状機能体３の
一部を除去することにより長軸方向を短縮し、孤立機能
体３０とする。図３では、集束イオンビーム技術を用い
て、線状機能体３をその長軸方向と直交する方向に切断
するように除去し、前記長軸方向に配列した複数の孤立
機能体３０を形成している。このとき、集束イオンビー
ムにより基板２も除去されるため、基板２には、前記段
差と直交する溝２３が形成される。ただし、線状機能体
３の一部を除去する際に、集束イオンビームの単位面積
当たりの照射時間を抑えることにより、基板２には影響
を与えず線状機能体３だけを切断することも可能であ
る。例えば、基板２をアルミナ単結晶から構成し、線状
機能体３をＮｉＯやＦｅ₃Ｏ₄等から構成した場合、基板
２は相対的に硬度が高く線状機能体３は相対的に硬度が
低いため、基板２に影響を与えず線状機能体３だけを選
択的に除去することが容易となる。

【００３１】線状機能体の形成に単結晶基板の段差を用
いる上記方法を利用した場合、線状機能体の幅を著しく
小さくできる。したがって、通常、線状機能体の一部除
去により、孤立機能体の短辺を形成することになる。

【００３２】なお、線状機能体３の一部を除去する手段
は特に限定されず、集束イオンビームのほか、リソグラ
フィー技術を用いることもできる。リソグラフィー技術
を用いる場合、まず、線状機能体３が存在する基板２の
表面をレジスト層で被覆する。次いで、レジスト層をリ
ソグラフィー技術によりパターニングして、線状機能体
３と交差する線状の溝を形成する。次いで、パターニン
グされたレジスト層をマスクとして、例えばイオンミリ
ング、逆スパッタ等のドライエッチング技術により上記
溝内の線状機能体３を除去する。

【００３３】また、マスク形成後、線状機能体３の機能
を阻害しない元素をスパッタリング法により付着させて
線状体を形成することによっても、線状機能体３の一部
除去が可能である。この場合、上記線状体の形成初期
に、高運動エネルギーをもって基板２表面に飛来する元
素が線状機能体３をエッチングするため、線状機能体３
が切断され、その上に上記線状体が形成されることにな
る。スパッタリング法により付着させる元素としては、
線状機能体３を磁性元素から構成する場合には例えばＴ
ｉ等の非磁性金属元素が挙げられる。

【００３４】線状機能体３の一部除去に、集束イオンビ
ーム技術を用いるか、または、スパッタリング法により
線状体を形成する方法を用いた場合には、その痕跡が機
能素子に残存することになる。すなわち、Ｇａイオンを
利用する集束イオンビーム装置により線状機能体３のエ
ッチングを行うと、エッチングした領域にＧａイオンが
注入される。その結果、隣り合う孤立機能体３０、３０
間に、Ｇａが存在することになる。また、Ｔｉからなる
線状体をスパッタリング法により形成する場合には、隣
り合う孤立機能体３０、３０間にＴｉが存在することに
なる。したがって、これらの場合、隣り合う孤立機能体
間にＧａ、Ｔｉが相対的に高濃度で存在し、かつ、高濃
度領域は孤立機能体の外周全域ではなく、孤立機能体の
短辺同士の間にだけ存在することになる。線状機能体３
を一部除去する際に溝２３が形成される場合には、この
溝２３内にこれらの元素が高濃度で存在することにな
る。したがって、このような高濃度領域が検出されれ
ば、本発明により製造された機能素子であることが確認
できる。

【００３５】なお、隣り合う孤立機能体間の距離は、集
束イオンビーム装置等の切断手段の精度ないし分解能に
依存するため、通常、７nm以上となる。

【００３６】本発明において孤立機能体の平面形状は、
ほぼ矩形とすることができるが、線状機能体の一部除去
に利用する方法によっては、角部がラウンド形状となる
こともある。ただし、その場合でも、角部の曲率半径
は、通常、孤立機能体の短辺の１／２以下となり、１／
４以下とすることも容易である。すなわち、孤立機能体
が設計値より短くなることはなく、通常はかなり矩形に
近くなる。このように本発明では、従来の方法、すなわ
ち、リソグラフィー法を用い、線状機能体を経ることな
く孤立機能体を一挙にパターニングする方法、に比べ、
角部の曲率半径は著しく小さくなる。

【００３７】孤立機能体の平面寸法は特に限定されず、
孤立機能体の用途に応じて適宜決定すればよい。ただ
し、本発明は微小かつ矩形性の高い孤立機能体を形成で
きることが特徴なので、通常、短軸方向および長軸のい
ずれにおいても、孤立機能体の長さは５μm以下、好ま
しくは５００nm以下である。なお、孤立機能体の平面形
状は正方形であってもよい。ただし、単結晶基板の段差
を利用して線状機能体を形成する方法では、極めて幅の
狭い線状機能体を形成できるので、この方法を用いた場
合には、孤立機能体の短軸方向の長さは５０nm以下、好
ましくは２０nm以下である。なお、単結晶基板の段差を
利用して形成した線状機能体は、長さ５μm以下とはな
らないので、本発明法を利用しない限り、長さ５μm以
下の孤立機能体を形成することはできない。

【００３８】孤立機能体の短軸長さは、蒸着時間等の蒸
着条件を制御することにより調整できる。ただし、孤立
機能体の機能を実用的に活用するためには、孤立機能体
の幅が結晶格子数で１０以上あることが好ましいことか
ら、孤立機能体の幅は好ましくは２nm以上、より好まし
くは５nm以上である。

【００３９】一方、孤立機能体の長軸長さは、集束イオ
ンビーム等のエッチング技術の精度ないし分解能に依存
し、長軸長さを短くしていくと、孤立機能体の厚さや形
状が設計値から外れやすい。また、孤立機能体の長軸長
さのばらつき量、すなわち線状機能体の除去長さのばら
つきも、エッチング技術の精度ないし分解能に依存す
る。ばらつき量が同じであっても長軸長さが大きいほど
ばらつき（の比率）は小さくなる。このような理由か
ら、孤立機能体の長軸長さは、好ましくは５０nm以上、
より好ましくは１００nm以上である。

【００４０】孤立機能体の厚さは特に限定されず、孤立
機能体に要求される各種機能性などに応じて適宜決定す
ればよく、好ましくは０．１〜５０nm、より好ましくは
０．５〜５nmの範囲内で適宜決定すればよい。孤立機能
体が薄すぎると、磁性等の機能が発現しにくくなる。一
方、孤立機能体が厚すぎると、エッチング時間が長くな
り、また、エッチング量が多くなるため、エッチングの
際に高分解能が得られず、その結果、孤立機能体の微細
化が困難となる。

【００４１】本発明の機能素子は、孤立機能体を硬磁性
体から構成することにより、孤立機能体１つあたり１ビ
ットの記録がなされる磁気記録媒体として用いることが
できる。また、軟磁性体からなる孤立機能体を１または
２以上設けることにより、面内磁化型または垂直磁化型
の誘導型薄膜ヘッドに適用でき、その場合、例えばトラ
ック幅２０nm以下の超狭トラックヘッドとすることが可
能である。また、磁気抵抗効果材料からなる孤立機能体
を設けることにより、磁気抵抗効果型ヘッドに適用でき
る。また、孤立機能体を反強磁性材料から構成すれば、
スピンバルブ型磁気抵抗効果型ヘッドに適用できる。

【００４２】本発明の機能素子を磁気記録媒体に適用す
る場合、孤立機能体を図３に示すように配置することに
より、前記したパターンド媒体として用いることができ
る。また、本発明では、記録情報を保持する孤立機能体
に加え、孤立機能体を磁化する手段および／または孤立
機能体の磁化を検出する手段を設けてもよい。

【００４３】孤立機能体を磁化する手段を併設した構成
例を、図４に示す。図４に示す機能素子は、非磁性かつ
電気絶縁性の基板２上に、保磁力が例えば１００Oe程度
の磁性体からなる孤立機能体３０を設け、その上に非磁
性かつ電気絶縁性の絶縁層４を設け、その上に線状の導
線５を設けたものである。導線５は、その長軸方向が孤
立機能体３０の長軸方向と直交するように配置されてい
る。この機能素子において導線５の長軸方向に電流を流
すと、導線５の周囲に発生する磁界により、孤立機能体
３０がその長軸方向に磁化され、電流を切った後も磁化
は保持される。そして、導線５に流す電流の向きを反転
させることにより、孤立機能体３０の磁化方向を反転さ
せることができる。さらに、例えば磁気抵抗効果素子か
らなる検出手段を孤立機能体の上に設けることにより、
孤立機能体の磁化方向を読みとることができる。

【００４４】図４において、絶縁層４は例えばアルミナ
から構成すればよく、その厚さは０．１nm以上とするこ
とが好ましい。また、導線５はＡｕ等の導電性材料から
構成すればよく、その厚さは例えば１０nm程度、幅は例
えば２００nm程度とすればよい。孤立機能体３０以外の
構造は、半導体装置の製造などに利用される従来の方法
により形成することが可能である。

【００４５】孤立機能体を磁性体から構成する場合、孤
立機能体は単磁区構造であることが好ましい。単磁区構
造とすれば、孤立機能体を構成する結晶粒径を大きくす
ることができるので、熱擾乱による磁化の劣化を抑える
ことができる。また、単磁区構造とすれば、磁化のスイ
ッチング速度を高速化することができる。

【００４６】本発明の機能素子では、孤立機能体を被覆
する保護層を基板上に設けてもよい。本発明を磁気記録
媒体や磁気ヘッドに適用する場合、この保護層を設ける
ことにより、磁気ヘッドや磁気記録媒体との接触から孤
立機能体を保護することができる。保護層は例えばＣや
ＳｉＯ₂等から構成すればよく、スパッタリング法等で
形成すればよい。潤滑層は公知の潤滑剤から構成すれば
よく、スピンコート法等により形成すればよい。

【００４７】次に、本発明の機能素子を強誘電性記録素
子に適用する場合について説明する。強誘電体は、ある
しきい値電圧で分極が反転する材料である。強誘電体を
用いる場合、ＡＦＭ（原子間力顕微鏡）プローブやＳＴ
Ｍ（走査型トンネル顕微鏡）プローブなどにより強誘電
体にパルス電圧を印加し、電圧が印加された領域だけ分
極を一方向に揃える、あるいは分極を反転させることに
より、情報の書き込みを行う。情報の読み出しには、強
誘電体の圧電効果、焦電効果、電気光学効果、分極反転
時の電流検出などが利用可能である。

【００４８】強誘電性記録素子の第１の態様では、孤立
機能体３０を導電性材料から構成して上部電極とし、基
板２をペロブスカイト型酸化物等の強誘電性材料から構
成し、基板２の裏面側（孤立機能体３０形成面の反対
面）に導電層を設けて下部電極とする。そして、上部電
極（孤立機能体３０）と下部電極（導電層）との間に電
圧を印加することにより、基板２の孤立機能体３０直下
の領域だけを分極反転させる。

【００４９】強誘電性記録素子の第２の態様では、孤立
機能体３０を強誘電性材料から構成し、基板２を導電性
材料から構成して下部電極とする。そして、導電性プロ
ーブを上部電極とし、この上部電極と下部電極（基板
２）との間に電圧を印加することにより、孤立機能体３
０を分極反転させる。なお、第２の態様において、基板
２を電気絶縁性材料からなる単結晶薄膜とし、その下面
に下部電極を設けてもよい。その場合の下部電極は、導
電性単結晶膜等の薄膜であってもよく、剛性をもつ導電
板であってもよい。

【００５０】以上では、線状機能体の形成に、単結晶基
板に形成した段差を利用する方法を説明した。この方法
は、著しく幅の狭い線状機能体を形成できる点で優れて
いる。ただし本発明の基本的な効果は、まず、線状機能
体を形成し、次いで、その一部を除去して孤立機能体を
形成する工程により実現するので、線状機能体の形成に
は他の方法を用いてもよい。他の方法としては、例えば
リソグラフィー技術を用いる方法が挙げられる。この方
法を用いる場合、まず、図５に示すように、基板２上
に、機能性材料からなる機能層１０３を形成する。この
基板２は、単結晶である必要はない。次いで、この機能
層１０３上に、リソグラフィー技術により線状のレジス
トパターンを形成し、このレジストパターンをマスクと
して機能層１０３をドライエッチングし、次いで、レジ
ストパターンを剥離することにより、図６に示すような
線状機能体３を形成する。次に、線状機能体３の一部を
前記した各種方法を用いて除去することにより、図７に
示すように孤立機能体３０を形成すればよい。なお、図
８は、図５〜図７に示す方法により孤立機能体３０を形
成し、かつ、図４と同様に孤立機能体を磁化する手段を
併設した機能素子を示す。

【００５１】

【実施例】基板２として単結晶アルミナを用い、これを
１０００℃で４時間熱処理することにより、図１に示す
ような段差を形成した。斜面２２は、高さ０．２nm、配
列間隔１００nmであった。平坦面２１に現れた結晶面は
（０００１）面であった。

【００５２】次いで、Ｍｎ−Ｚｎ−Ｆｅ系酸化物を蒸着
することにより、図２に示すように線状機能体３を形成
した。この線状機能体は、幅２０nm、厚さ０．５nmであ
った。この線状機能体はＭｎ−Ｚｎ−Ｆｅフェライトで
あり、平坦面２１に平行な結晶面は（１１１）面であっ
た。この（１１１）面の格子間隔は０．２nmであった。

【００５３】次に、線状機能体３を集束イオンビーム装
置によりエッチングすることにより、図３に示すように
孤立機能体３０を有する機能素子を得た。このエッチン
グの際に基板２もエッチングされ、溝２３が形成され
た。この孤立機能体３０の幅は２０nm、長さは５００nm
であり、長さ方向の配列ピッチは７００nmであった。

【００５４】この機能素子において、孤立機能体３０の
幅方向をトラック延在方向とした場合、線記録密度は２
５０kBPIとなる。一方、孤立機能体３０の長さ方向をト
ラック延在方向とした場合、さらに高い線記録密度が達
成でき、かつ、トラック密度は２５０kTPIとなる。

【００５５】この機能素子の原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）
像を、図９に示す。図９において、右上に存在するグレ
ーティング状のものが基板に形成された溝であり、隣り
合う溝間に、この溝とほぼ直交する孤立機能体が多数配
列している。なお、溝内をエネルギー分散型Ｘ線分析
（ＥＤＸ）および微小オージェ電子分光分析（マイクロ
ＡＥＳ）により分析したところ、溝内にＧａの存在が認
められた。

【００５６】なお、基板２としてＳｒＴｉＯ₃（１０
０）単結晶基板２を用いた場合でも、孤立機能体の形成
が可能であった。まず、この基板２に熱処理を施して、
平坦面２１と、高さ０．４nm、配列間隔１００nmの斜面
２２とを形成した。次いで、基板２の表面に、幅２０n
m、厚さ１nmの線状機能体３を形成した。この線状機能
体はＭｎ−Ｚｎ−Ｆｅフェライトであり、平坦面２１に
平行な結晶面は（１００）面であった。この線状機能体
を集束イオンビーム装置によりエッチングすることによ
り、孤立機能体３０を有する機能素子が得られた。

【図面の簡単な説明】

【図１】段差を形成した基板を示す斜視図である。

【図２】図１に示す段差上に線状機能体を形成した状態
を示す斜視図である。

【図３】図２に示す線状機能体を形状加工して孤立機能
体を形成した状態を示す斜視図である。

【図４】孤立機能体を磁化する手段を設けた機能素子を
示す斜視図である。

【図５】機能層を形成した基板を示す斜視図である。

【図６】図５に示す機能層を形状加工して線状機能体を
形成した状態を示す斜視図である。

【図７】図６に示す線状機能体を形状加工して孤立機能
体を形成した状態を示す斜視図である。

【図８】孤立機能体を磁化する手段を設けた機能素子を
示す斜視図である。

【図９】基板上に形成された微細なパターンを示す図面
代用写真であって、本発明の機能素子の原子間力顕微鏡
（ＡＦＭ）像である。

【符号の説明】

２基板２１平坦面２２斜面２３溝３線状機能体３０孤立機能体４絶縁層５導線１０３機能層

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁷ 識別記号ＦＩテーマコート゛(参考）Ｈ０１Ｆ 41/34 Ｈ０１Ｆ 41/34 Ｈ０１Ｌ 43/08 Ｈ０１Ｌ 43/08 Ｚ 43/12 43/12 // Ｈ０１Ｆ 10/20 Ｈ０１Ｆ 10/20 (72)発明者中川準東京都中央区日本橋一丁目13番１号ティーディーケイ株式会社内 (72)発明者吉本護神奈川県相模原市相模大野４−２−５− 1012 Ｆターム(参考） 5D006 BB01 BB07 CB04 CB07 DA04 EA02 5D033 BA07 BA51 DA01 DA05 DA07 DA31 5D034 BA02 BA16 CA06 DA07 5D112 AA02 AA05 AA16 BA02 BA04 BA09 BB01 FA09 5E049 AB03 AB09 BA06 BA12 DB04 DB10 HC01

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】基板上に、機能性材料から構成される孤
立機能体を少なくとも１つ有する機能素子を製造する方
法であって、線状機能体を形成する工程と、この線状機能体の一部を除去することにより、この線状
機能体の長軸方向を短縮して前記孤立機能体を形成する
工程とを有する機能素子の製造方法。
【請求項２】前記線状機能体の一部を除去する際に前
記基板の一部も除去することにより、前記基板に溝を形
成する請求項１の機能素子の製造方法。
【請求項３】単結晶からなる前記基板の表面に線状の
段差を形成し、この段差を構成する斜面の上に機能性材
料を成長させることにより、前記線状機能体を形成する
請求項１または２の機能素子の製造方法。
【請求項４】単結晶からなる基板上に、機能性材料か
ら構成される孤立機能体を少なくとも１つ有し、前記基
板が線状の段差を有し、この段差を構成する斜面に接し
て前記孤立機能体が存在し、前記孤立機能体の長軸方向
の長さが５μm以下、短軸方向の長さが５０nm以下であ
る機能素子。
【請求項５】前記孤立機能体が２以上存在し、隣り合
う孤立機能体間に存在する前記基板表面に、前記段差と
直交する溝が存在する請求項４の機能素子。
【請求項６】前記孤立機能体の外周の一部と前記基板
との境界付近において、相対的に濃度が高くなる元素が
存在する請求項４または５の機能素子。
【請求項７】前記基板がペロブスカイト型酸化物から
構成されている請求項４〜６のいずれかの機能素子。
【請求項８】前記基板が強誘電性を有し、前記孤立機
能体が導電性を有する請求項４〜７のいずれかの機能素
子。
【請求項９】前記孤立機能体が強誘電性を有する請求
項４〜７のいずれかの機能素子。
【請求項１０】前記孤立機能体１つあたり１ビットの
強誘電性記録がなされる請求項８または９の機能素子。
【請求項１１】前記孤立機能体が磁性を有する請求項
４〜７のいずれかの機能素子。
【請求項１２】前記孤立機能体１つあたり１ビットの
磁気記録がなされる請求項１１の機能素子。
【請求項１３】前記孤立機能体を磁化する手段を有す
る請求項１２の機能素子。
【請求項１４】前記孤立機能体の磁化を検出する手段
を有する請求項１２または１３の機能素子。
【請求項１５】磁気ヘッドとして用いられる請求項１
１の機能素子。
【請求項１６】請求項１〜３のいずれかの方法により
製造された請求項４〜１６のいずれかの機能素子。