JP2004163419A - 磁気センサ、同磁気センサの製造方法及び同製造方法に適したマグネットアレイ - Google Patents

磁気センサ、同磁気センサの製造方法及び同製造方法に適したマグネットアレイ Download PDF

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Abstract

【課題】 フリー層の磁区の磁化の向きを安定して維持し得る磁気抵抗効果素子を備えた磁気センサを提供すること。
【解決手段】 この磁気センサは、ピンド層とフリー層とを含む幅狭帯状部１１ａ…１１ａを備えた磁気抵抗効果素子を含んでいる。フリー層の両端部下方には、同フリー層に所定の向きのバイアス磁界を発生させる永久磁石からなるバイアス磁石膜１１ｂ…１１ｂと、前記フリー層に近接して設けられ所定条件下での通電により前記バイアス磁界と同一の向きの磁界を同フリー層に加える初期化用コイル３１とが形成されている。また、バイアス磁石膜の着磁とピンド層の磁化の向きの固定は、複数の永久磁石を正方格子の格子点に配設するとともに各永久磁石の磁極の極性が最短距離を隔てて隣接する他の磁極の極性と異なるように構成されたマグネットアレイによって形成される磁界によりなされる。
【選択図】 図２

Description

本発明は、ピンド層とフリー層とを含んでなる磁気抵抗効果素子を用いた磁気センサ、同磁気センサの製造方法及び同製造方法に適したマグネットアレイに関する。
従来から、磁化の向きが所定の向きにピン（固定）されたピンド層と、磁化の向きが外部磁界に応じて変化するフリー層とを備え、ピンド層の磁化の向きとフリー層の磁化の向きの相対関係に応じた抵抗値を呈する巨大磁気抵抗素子（ＧＭＲ素子）等の磁気抵抗効果素子が磁気センサに応用されている。このような磁気センサにあっては、微小な外部磁界を精度良く検出するために、同外部磁界が同磁気センサに加わっていない場合のフリー層の各磁区の磁化の向きを所定の向き（以下、この所定の向きを「初期状態の向き」とも称呼する。）に安定的に維持する必要がある。
そこで、一般には、薄膜のフリー層の平面視での形状を長方形とするとともに、同長方形の長辺（長軸）を前記初期状態の向きに一致させることにより、磁化の向きが長手方向に揃う形状異方性を利用して同フリー層の各磁区の磁化の向きを同初期状態の向きに一致させるようにしている。また、外部磁界が消滅したときにフリー層の各磁区の磁化の向きが長期安定的に前記初期状態の向きに復帰するように、フリー層の長手方向の両端部に永久磁石膜であるバイアス磁石膜を配し、同バイアス磁石膜によって同初期状態の向きの磁界を同フリー層に加えるようになっている（例えば、特許文献１を参照。）。
特開２００２−２９９７２８（図４２〜図４４）
このような、フリー層とバイアス磁石膜の磁化の様子を、同フリー層と同バイアス磁石膜の平面図である図１７を参照しながら説明する。図１７において、フリー層１００はＸ軸方向に長手方向を有するように形成されていて、同長手方向の両端に一対のバイアス磁石膜１０１，１０２が配設されている。
これらの膜を形成した段階においては、図１７（Ａ）の矢印にて示したように、フリー層１００及びバイアス磁石膜１０１，１０２の各磁区の磁化の向きはフリー層の長手方向の向きである初期状態の向きに揃っていない。フリー層１００及びバイアス磁石膜１０１，１０２がこのような状態にある磁気センサに対し、フリー層の長手方向と直交する方向（Ｙ軸方向）において大きさが変化する外部磁界を印加して同磁気センサの抵抗値を調べると、図１８（Ａ）に示したように、ヒステリシスが発生する。このことから明らかなように、フリー層１００及びバイアス磁石膜１０１，１０２の磁化の向きが同フリー層の長手方向に揃っていない磁気センサにおいては、外部磁界が「０」近傍であるときの抵抗値が図１８（Ａ）に矢印にて示した範囲内で変動することになり、その結果、同磁気センサは微小磁界を精度良く検出することができない。
次に、フリー層１００及びバイアス磁石膜１０１，１０２が図１７（Ａ）に示した状態にある磁気センサに対してフリー層１００の長手方向（Ｘ軸正方向）にバイアス磁石膜１０１，１０２の保磁力Ｈｃよりも大きさが大きい磁界を印加し、フリー層１００の初期化とバイアス磁石膜１０１，１０２の着磁とを行うと、図１７（Ｂ）に示したように、同フリー層１００及び同バイアス磁石膜１０１，１０２の各磁区の磁化の向きは初期状態の向きに一致する。
このような状態にある磁気センサに対してＹ軸方向においてバイアス磁石膜１０１，１０２の保磁力よりも小さい範囲内で大きさが変化する外部磁界を印加すると、フリー層１００の各磁区の磁化の向きは図１７（Ｃ）に示したように変化し、その後、同外部磁界を消滅させると同フリー層１００の各磁区の磁化の向きは図１７（Ｂ）と同じように図１７（Ｄ）に示した初期状態の向きに復帰する。この場合、磁気センサの抵抗値を調べると、図１８（Ｂ）に示したように、ヒステリシスが低減して外部磁界が「０」近傍であるときの同抵抗値が略一定となる。従って、フリー層１００の初期化、及びバイアス磁石膜１０１，１０２の着磁を行った磁気センサは、微小磁界を精度良く検出可能となる。
しかしながら、かかる磁気センサ（フリー層１００の初期化、及びバイアス磁石膜１０１，１０２の着磁を行った磁気センサ）にバイアス磁石膜１０１，１０２の保磁力よりは小さいが比較的大きい大きさを有し、且つ初期状態の向きとは反対の向き（Ｘ軸負方向）に主成分を有する外部磁界が印加されると、フリー層の各磁区の磁化は図１９（Ａ）に示した状態から図１９（Ｂ）に示した状態へと変化し、その後、同外部磁界を消滅させても、図１９（Ｃ）に示したように、同フリー層１００の各磁区の磁化の向きが初期状態の向きへ一致（復帰）しなくなる。この結果、磁気センサは再び外部磁界の変化に対してヒステリシスを有するようになり、磁界の検出精度が悪化してしまうという問題がある。
従って、本発明の目的の一つは、大きな外部磁界が加わった後においても、検出精度を良好に維持することが可能な磁気センサを提供することにある。また、本発明の他の目的は、上記バイアス磁石膜の着磁を効率的に行うことができる磁気センサ、同磁気センサの製造方法及び同製造方法に適したマグネットアレイを提供することにある。
本発明の特徴は、ピンド層とフリー層とを含む磁気抵抗効果素子を含んでなる磁気センサが、前記フリー層の両端に配設されるとともに同フリー層に所定の向きのバイアス磁界を発生させる永久磁石からなるバイアス磁石膜と、前記フリー層に近接して設けられ所定条件下での通電により前記バイアス磁界と同一方向の磁界を同フリー層に加える初期化用コイルとを備えたことにある。
これによれば、初期化用コイルは所定条件下にて通電され、フリー層の各磁区の磁化の向きをバイアス磁石膜によるバイアス磁界と同一の向きに戻すための初期化用磁界を発生させるので、強い磁界が磁気センサに加わる等の何らかの理由によりフリー層の各磁区の磁化の向きが乱された場合であっても、これを修正することができ、その結果、磁界に対する抵抗値変化にヒステリシスを有さず、長期に渡り微小磁界をも精度良く検出することが可能な磁気センサが提供され得る。
本発明の他の特徴は、ピンド層とフリー層と同フリー層に対しバイアス磁界を付与する永久磁石からなるバイアス磁石膜とを基板上に有し同ピンド層の磁化の向きと同フリー層の磁化の向きがなす相対角度に応じて抵抗値が変化する磁気抵抗効果素子を備えた磁気センサの製造方法が、複数の永久磁石を正方格子の格子点に配設するとともに各永久磁石の磁極の極性が最短距離を隔てて隣接する他の磁極の極性と異なるように構成したマグネットアレイを準備する工程と、前記ピンド層となる膜と前記フリー層となる膜と前記バイアス磁石膜となる膜とを含む島状の素子膜を複数個だけ前記基板上に点在させてなるウエハを製造する工程と、前記ウエハと前記マグネットアレイとが所定の相対的位置関係を有するように同ウエハを同マグネットアレイに近接配置し、同マグネットアレイの磁極のうちの一の磁極と同磁極と最短距離を隔てて隣接する同マグネットアレイの磁極のうちの他の磁極との間に形成される磁界を利用して前記複数の素子膜の前記バイアス磁石膜となる膜の着磁を行う工程とを含んだことにある。
上記マグネットアレイは、複数の永久磁石を正方格子の格子点に配設し、各永久磁石の磁極の極性が平面視において（同一平面内で）最短距離を隔てて隣接する他の磁極の極性と異なるように構成されている。従って、マグネットアレイの上方において、同マグネットアレイの平面視で、一つのＮ極から同Ｎ極の右側に存在するＳ極へ右方向の磁界、同Ｎ極から同Ｎ極の上側に存在するＳ極へ上方向の磁界、同Ｎ極から同Ｎ極の左側に存在するＳ極へ左方向の磁界、及び同Ｎ極から同Ｎ極の下側に存在するＳ極へ下方向の磁界が形成される（図１３を参照）。同様に、あるＳ極に対しては、このＳ極の右側に存在するＮ極から左方向の磁界、このＳ極の上側に存在するＮ極から下方向の磁界、このＳ極の左側に存在するＮ極から右方向の磁界、及びこのＳ極の下側に存在するＮ極から上方向の磁界が形成される。
上記方法は、このような磁界を形成するマグネットアレイに対し、前記ピンド層となる膜と前記フリー層となる膜と前記バイアス磁石膜となる膜とを含む島状の素子膜を複数個だけ前記基板上に点在させてなるウエハを所定の相対的位置関係をもって近接配置し、同マグネットアレイにより形成される上述した磁界を利用して前記複数の素子膜の前記バイアス磁石膜となる膜の着磁を行う。従って、単一基板上でバイアス磁石膜の着磁方向が互いに交差（この場合は、直交）してなる磁気センサを効率的に製造することができる。
より具体的には、前記ウエハを製造する工程は、前記複数の素子膜の各フリー層となる膜を長軸と短軸とを備えた形状となるように形成するとともに、少なくとも同複数の素子層のフリー層となる膜の一つの長軸と他のフリー層となる膜の長軸とが直交するように同複数の素子膜の各フリー層となる膜を形成し、且つ、前記バイアス磁石膜となる膜を同各フリー層となる膜の長軸方向の両端部に形成する工程を含み、前記バイアス磁石膜となる膜の着磁を行う工程における前記所定の相対的位置関係は、前記マグネットアレイにより形成される磁界により、同バイアス磁石膜となる膜の磁化の向きを同バイアス磁石膜が両端に形成された前記フリー層となる膜の長軸方向に一致させる前記ウエハと同マグネットアレイとの相対的位置関係である。
また、この場合において、前記ウエハと前記マグネットアレイとが前記所定の相対的位置関係とは異なる相対的位置関係を有するように同ウエハを同マグネットアレイに近接配置し、同マグネットアレイにより形成される前記磁界を利用して前記複数の素子膜の前記ピンド層となる膜の磁化の向きをピンする工程を含むことが好適である。
これによれば、バイアス磁石膜となる膜の着磁に使用するマグネットアレイをピンド層の磁化の向きを固定する際にも使用できるので、単一基板上でピンド層の磁化の向きが互いに交差（この場合は、直交）してなる磁気センサ（直交する向きの磁界をそれぞれ検出することができる２軸磁気センサ）を効率的且つ安価に製造することができる。
また、本発明によれば、略直方体形状であって同直方体の一つの中心軸に直交する断面の形状が略正方形である複数の永久磁石を、同略正方形を有する端面の重心が正方格子の格子点に一致するように配設するとともに、同配設された各永久磁石の磁極の極性（同端面に現れる磁極の極性）が最短距離を隔てて隣接する他の永久磁石の磁極の極性（同端面に現れる磁極の極性）と異なるように構成したマグネットアレイが提供される。
即ち、このマグネットアレイは、前記複数の永久磁石が、それぞれの前記略正方形を有する端面の重心が正方格子の格子点に一致し、それぞれの前記略正方形を有する端面の辺は同一列上の他の端面の辺と略同一線上に存在し、同端面が略同一平面上に存在し、且つ、同端面の磁極の極性が最短距離を隔てて隣接する他の永久磁石の端面の磁極の極性と異なるように配設されたマグネットアレイである。
上述したように、かかるマグネットアレイを用いれば、例えば、上記２軸磁気センサの各バイアス磁石膜となる膜の着磁及び／又は各ピンド層となる層の磁化の向きの固定を効率的に行うことができるので、同２軸磁気センサを安価に製造することができる。
また、このマグネットアレイは、「略直方体形状であって同直方体の一つの中心軸に直交する断面の形状が略正方形であり且つ同中心軸に直交する同略正方形の端面に磁極が形成された永久磁石を複数個備えたマグネットアレイであって、前記複数の永久磁石は、それぞれの前記略正方形を有する端面の重心が正方格子の格子点に一致するように配置されるとともに、前記正方格子の任意の一列上に配置された前記複数の永久磁石のうちの一つの永久磁石の前記端面の一辺が同じ列上に配置された他の永久磁石の前記端面の一辺と略同一線上に存在し、前記複数の永久磁石の端面の総てが略同一平面上に存在し、且つ、前記複数の永久磁石のうちの最短距離を隔てて互いに隣接する二つの永久磁石の端面に形成された磁極の極性が異なるように、配置されたマグネットアレイ」でもあり、上記磁気センサのバイアス磁石膜等の着磁を行う際に好適に使用され得る。
更に、「略直方体形状であって同直方体の一つの中心軸に直交する断面の形状が略正方形であり且つ同中心軸に直交する同略正方形の端面に磁極が形成された永久磁石を複数個備えるとともに、磁性材料からなる薄板状のヨークを備えたマグネットアレイであって、前記複数の永久磁石は、それぞれの前記略正方形を有する端面の重心が正方格子の格子点に一致するように配置されるとともに、前記正方格子の任意の一列上に配置された前記複数の永久磁石のうちの一つの永久磁石の前記端面の一辺が同じ列上に配置された他の永久磁石の前記端面の一辺と略同一線上に存在し、前記複数の永久磁石の端面の総てが略同一平面上に存在し、且つ、前記複数の永久磁石のうちの最短距離を隔てて互いに隣接する二つの永久磁石の端面に形成された磁極の極性が異なるように、配置され、前記ヨークは、前記配置された複数の永久磁石と略同一の位置に同永久磁石の前記略正方形を有する断面と略同一形状の複数の貫通孔を備え、同貫通孔に同永久磁石が挿入されて前記永久磁石の端面が存在する平面が同ヨークの上面と下面の間に存在するように配置されたマグネットアレイ」は、上記磁気センサのバイアス磁石膜等の着磁を行う際に好適に使用され得る。
このマグネットアレイは磁性材料からなるヨークを備えるから、永久磁石からの磁力線を所望の箇所に導くことが可能となる。従って、このマグネットアレイにより、磁気センサのバイアス磁石膜の着磁等を効果的に行うことができる。
この場合、前記ヨークは、前記複数の貫通孔のうちの最短距離を隔てて互いに隣接する貫通孔同士の間に、エアギャップとなる貫通穴が形成されることが好適である。
このマグネットアレイは、最短距離を隔てて隣接する貫通孔同士の間（それら二つの貫通孔には互いに磁極の極性が異なる永久磁石の端面が挿入される）にエアギャップとなる貫通穴が形成されているから、磁束は貫通穴内及び貫通穴の直近部分の空間に集中する。換言すると、マグネットアレイは、局所的な狭い空間領域に、大きさが大きく且つ方向が一定である磁場をもたらすことができる。従って、このマグネットアレイにより、磁気センサのバイアス磁石膜の着磁等を効果的に行うことができる。
前記ヨークは、平面視で前記正方格子の各格子点同士を結んで形成される正方形の重心を包囲する位置に開口が形成されてなることも好適である。
このマグネットアレイは、上述した貫通穴のみでなく開口をも備えている。この開口が形成された位置は、各格子点同士を結んで形成される正方形の重心を包囲する位置である。この位置は、各磁極からの磁力線が交差して磁界が不安定となる部分である。従って、開口により磁界の不安定さが解消される。この結果、最短距離を隔てて隣接する異極の磁極間に生じる磁界が直線的となり、より安定した強い一様な磁界を前記貫通穴の近傍部分に局所的に発生させることができる。この理由により、かかるマグネットアレイによれば、磁気センサのバイアス磁石膜の着磁等を効果的に行うことができる。
更に、前記ヨークの各貫通孔は、平面視で前記永久磁石の略正方形を有する断面と略同一の正方形の正方形部と、同正方形部の各角部から同正方形の外方に膨出したマージン部と、を備えることが好適である。
ヨークに対し、エッチングにより正方形の貫通孔を形成する場合、エッチングが不十分であると、正方形の角部が円弧状となって永久磁石を挿入できない恐れがある。これに対し、上記ヨークにおいては、マージン部もエッチングされるので、永久磁石を貫通孔内に確実に挿入することができる。
以下、本発明による磁気センサの実施形態について図面を参照しながら説明する。この磁気センサは、後述する製造方法によってＮタイプとＳタイプとに別れる。図１は、Ｎタイプの磁気センサ１０とＳタイプの磁気センサ５０とを並べたものの平面図である。Ｎタイプの磁気センサ１０とＳタイプの磁気センサ５０は、図１に黒塗りの矢印にて示したピンド層の固定された磁化の向き、及び図１に白抜きの矢印にて示したフリー層の初期状態の磁化の向き等が互いに異なる点を除き実質的に同一の形状・構成を有している。従って、以下、Ｎタイプの磁気センサ１０を主として説明する。
磁気センサ１０は、図１に示したように、平面視で互いに直交するＸ軸及びＹ軸に沿った辺を有する長方形状（略正方形状）であって、Ｘ軸及びＹ軸に直交するＺ軸方向に小さな厚みを有する石英ガラスからなる単一のチップ（単一基板）１０ａと、図３に示した基板１０ａの上に積層された複数の絶縁層１０ｂ（この絶縁層の中には配線層が含まれる。）と、同絶縁層１０ｂの最上層１０ｂ１の上に形成された合計で８個のＧＭＲ素子１１〜１４，２１〜２４と、合計で８個の初期化用コイル３１〜３４，４１〜４４とを含んで構成されている。
第１Ｘ軸ＧＭＲ素子１１は、チップ１０ａのＹ軸方向略中央部下方でＸ軸負方向端部近傍に形成されていて、図１の黒塗りの矢印にて示したように、ピンド層のピンされた磁化の向きはＸ軸負方向となっている。第２Ｘ軸ＧＭＲ素子１２は、チップ１０ａのＹ軸方向略中央部上方でＸ軸負方向端部近傍に形成されていて、図１の黒塗りの矢印にて示したように、ピンド層のピンされた磁化の向きはＸ軸負方向となっている。第３Ｘ軸ＧＭＲ素子１３は、チップ１０ａのＹ軸方向略中央部上方でＸ軸正方向端部近傍に形成されていて、図１の黒塗りの矢印にて示したように、ピンド層のピンされた磁化の向きはＸ軸正方向となっている。第４Ｘ軸ＧＭＲ素子１４は、チップ１０ａのＹ軸方向略中央部下方でＸ軸正方向端部近傍に形成されていて、図１の黒塗りの矢印にて示したように、ピンド層のピンされた磁化の向きはＸ軸正方向となっている。
第１Ｙ軸ＧＭＲ素子２１は、チップ１０ａのＸ軸方向略中央部左方でＹ軸正方向端部近傍に形成されていて、図１の黒塗りの矢印にて示したように、ピンド層のピンされた磁化の向きはＹ軸正方向となっている。第２Ｙ軸ＧＭＲ素子２２は、チップ１０ａのＸ軸方向略中央部右方でＹ軸正方向端部近傍に形成されていて、図１の黒塗りの矢印にて示したように、ピンド層のピンされた磁化の向きはＹ軸正方向となっている。第３Ｙ軸ＧＭＲ素子２３は、チップ１０ａのＸ軸方向略中央部右方でＹ軸負方向端部近傍に形成されていて、図１の黒塗りの矢印にて示したように、ピンド層のピンされた磁化の向きはＹ軸負方向となっている。第４Ｙ軸ＧＭＲ素子２４は、チップ１０ａのＸ軸方向略中央部左方でＹ軸負方向端部近傍に形成されていて、図１の黒塗りの矢印にて示したように、ピンド層のピンされた磁化の向きはＹ軸負方向となっている。
各ＧＭＲ素子１１〜１４，２１〜２４は、チップ１０ａにおける配置が異なる点を除き、互いに実質的に同一の構造を備えている。従って、以下、第１Ｘ軸ＧＭＲ素子１１を代表例として、その構造について説明する。
第１Ｘ軸ＧＭＲ素子１１は、平面図である図２、及び、図２の１−１線に沿った平面にて第１Ｘ軸ＧＭＲ素子１１を切断した概略断面図である図３に示したように、スピンバルブ膜ＳＶからなりＹ軸方向に長手方向を有する複数の幅狭帯状部１１ａ…１１ａと、各幅狭帯状部１１ａの長手方向（Ｙ軸方向）両端部の下方に形成されたＣｏＣｒＰｔ等の硬質強磁性体であって、高保磁力、高角型比を有する材質からなるバイアス磁石膜（硬質強磁性体薄膜層であって着磁により永久磁石膜となる膜）１１ｂ…１１ｂとを備えている。各幅狭帯状部１１ａ…１１ａは、各バイアス磁石膜１１ｂ…１１ｂの上面にてＸ軸方向に伸びて隣接する幅狭帯状部１１ａと接合して所謂「つづら折れ状」に形成されるとともに、同各バイアス磁石膜１１ｂ…１１ｂの上面において同各バイアス磁石膜１１ｂ…１１ｂと磁気的に結合している。
第１Ｘ軸ＧＭＲ素子１１のスピンバルブ膜ＳＶは、図４に膜構成を示したように、基板であるチップ１０ａの上に順に積層されたフリー層（自由層）Ｆ、膜厚が２．４ｎｍ（２４Å）のＣｕからなる導電性のスペーサ層Ｓ、固着層（ピン層）Ｐ、及び膜厚が２．５ｎｍ（２５Å）のチタン（Ｔｉ）又はタンタル（Ｔａ）からなるキャッピング層Ｃからなっている。
フリー層Ｆは、外部磁界の向きに応じて磁化の向きが変化する層であり、基板１０ａの直上に形成された膜厚が８ｎｍ（８０Å）のＣｏＺｒＮｂアモルファス磁性層１１−１と、ＣｏＺｒＮｂアモルファス磁性層１１−１の上に形成された膜厚が３．３ｎｍ（３３Å）のＮｉＦｅ磁性層１１−２と、ＮｉＦｅ磁性層１１−２の上に形成された１〜３ｎｍ（１０〜３０Å）程度の膜厚のＣｏＦｅ層１１−３とからなっている。ＣｏＺｒＮｂアモルファス磁性層１１−１とＮｉＦｅ磁性層１１−２は軟質強磁性体薄膜層を構成している。ＣｏＦｅ層１１−３はＮｉＦｅ層１１−２のＮｉ、及びスペーサ層ＳのＣｕ１１−４の拡散を防止するものである。
固着層（ピン層）Ｐは、膜厚が２．２ｎｍ（２２Å）のＣｏＦｅ磁性層１１−５と、Ｐｔを４５〜５５ｍｏｌ％含むＰｔＭｎ合金から形成した膜厚が２４ｎｍ（２４０Å）の反強磁性膜１１−６とを重ね合わせたものである。ＣｏＦｅ磁性層１１−５は、着磁（磁化）された反強磁性膜１１−６に交換結合的に裏打されることにより磁化（磁化ベクトル）の向きがＸ軸負方向にピン（固着）されるピンド層を構成している。
バイアス磁石膜１１ｂ…１１ｂは、フリー層Ｆの一軸異方性を維持するため、同フリー層Ｆに対して同フリー層Ｆの長手方向であるＹ軸負方向（図１及び図２の白抜き矢印にて示した方向）にバイアス磁界を与えている。
このように構成された第１Ｘ軸ＧＭＲ素子１１は、図５の実線にて示したように、Ｘ軸に沿って変化する外部磁界に対し、−Ｈｃ〜＋Ｈｃの範囲において、同外部磁界に略比例して変化する抵抗値を呈し、図５の破線にて示したように、Ｙ軸に沿って変化する外部磁界に対しては略一定の抵抗値を呈する。
次に初期化用コイル３１〜３４，４１〜４４について説明する。初期化用コイル３１〜３４，４１〜４４は、図１及び図３に示したように、ＧＭＲ素子１１〜１４，２１〜２４のそれぞれの略直下において絶縁層の最上層１０ｂ１を介して下層の絶縁層１０ｂ２内に埋設されている。初期化用コイル３１〜３４，４１〜４４は、互いに同一形状を有するとともに、各対応する直上のＧＭＲ素子との相対位置関係も互いに同一であり、図１に白抜きの矢印に示した方向の初期化用磁界を各対応するＧＭＲ素子に加えるようになっている。
以下、初期化用コイル３１を代表例として説明すると、この初期化用コイル３１は、平面視における外形が略長方形となるように巻回され、同平面視で第１Ｘ軸ＧＭＲ素子１１の直下において同第１Ｘ軸ＧＭＲ素子１１の幅狭帯状部１１ａの長手方向と直交する方向（Ｘ軸方向）に直線的に延びる複数の初期化用磁界発生部３１ａ…３１ａを有している。また、初期化用コイルの一の端部３１ｂ及び他の端部３１ｃは、定電圧源の正極及び負極とそれぞれ接続されていて、初期化用コイル３１には所定の条件が成立したときに所定の電流が通電され、図１に白抜きの矢印で示したように、第１Ｘ軸ＧＭＲ素子１１の幅狭帯状部１１ａに対しＹ軸負方向の初期化用磁界を印加するようになっている。
次に、上記ＧＭＲ素子１１〜１４及びＧＭＲ素子２１〜２４によりそれぞれ構成されるＸ軸磁気センサ（Ｘ軸方向を磁界検出方向とする磁気センサ）及びＹ軸磁気センサ（Ｙ軸方向を磁界検出方向とする磁気センサ）について説明すると、Ｘ軸磁気センサは、図６（Ａ）に等価回路を示したように、第１〜第４Ｘ軸ＧＭＲ素子１１〜１４が図１に図示しない導線を介してフルブリッヂ接続されることにより構成されている。なお、図６（Ａ）において、第１〜第４Ｘ軸ＧＭＲ素子１１〜１４の各々に隣接した位置に示されたグラフは、各グラフに隣接したＧＭＲ素子の特性（外部磁界に対する抵抗値Ｒの変化）を示している。この点は、図７〜図９について同様である。これらのグラフ中のＨｘ，Ｈｙは、それぞれＸ軸，Ｙ軸にそって大きさが変化する外部磁界を示している。
このような構成において、第１Ｘ軸ＧＭＲ素子１１と第４Ｘ軸ＧＭＲ素子１４の接続点，及び第２Ｘ軸ＧＭＲ素子１２と第３Ｘ軸ＧＭＲ素子１３の接続点が、それぞれ図示しない定電圧源の正極，及び負極（グランド）に接続され、電位+Ｖ（本例では５（Ｖ）），及び電位-Ｖ（本例では０（Ｖ））がそれぞれ付与される。そして、第１Ｘ軸ＧＭＲ素子１１と第３Ｘ軸ＧＭＲ素子１３の接続点と、第４Ｘ軸ＧＭＲ素子１４と第２Ｘ軸ＧＭＲ素子１２の接続点の電位差Ｖoxがセンサ出力として取り出される。この結果、Ｘ軸磁気センサは、図６（Ｂ）に示したように、Ｘ軸に沿って変化する外部磁界Ｈｘに略比例して変化する出力電圧Ｖoxを示すようになっている。
Ｙ軸磁気センサは、図７（Ａ）に等価回路を示したように、第１〜第４Ｙ軸ＧＭＲ素子２１〜２４が図１に図示しない導線を介してフルブリッヂ接続されることにより構成されている。そして、第１Ｙ軸ＧＭＲ素子２１と第４Ｙ軸ＧＭＲ素子２４の接続点，及び第２Ｙ軸ＧＭＲ素子２２と第３Ｙ軸ＧＭＲ素子２３の接続点が、それぞれ図示しない定電圧源の正極，及び負極（グランド）に接続され、電位+Ｖ（本例では５（Ｖ）），及び電位-Ｖ（本例では０（Ｖ））がそれぞれ付与される。また、第１Ｙ軸ＧＭＲ素子２１と第３Ｙ軸ＧＭＲ素子２３の接続点と、第４Ｙ軸ＧＭＲ素子２４と第２Ｙ軸ＧＭＲ素子２２の接続点の電位差Ｖoyがセンサ出力として取り出される。この結果、Ｙ軸磁気センサは、図７（Ｂ）に示したように、Ｙ軸に沿って変化する外部磁界Ｈｙに略比例して変化する出力電圧Ｖoyを示すようになっている。以上が、Ｎタイプの磁気センサ１０の構成である。
一方、Ｓタイプの磁気センサ５０は、図１に示したように、ＧＭＲ素子５１〜５４，６１〜６４と、初期化用コイル７１〜７４，８１〜８４とを含んでいて、磁気センサ１０と同様な構成を有し、Ｘ軸磁気センサ及びＹ軸磁気センサを備えている。
即ち、磁気センサ５０のＸ軸磁気センサは、図８（Ａ）の等価回路図に示したように、第１〜第４Ｘ軸ＧＭＲ素子５１〜５４が図１に図示しない導線を介してフルブリッヂ接続されることにより構成されている。このような構成において、第１Ｘ軸ＧＭＲ素子５１と第４Ｘ軸ＧＭＲ素子５４の接続点，及び第２Ｘ軸ＧＭＲ素子５２と第３Ｘ軸ＧＭＲ素子５３の接続点が、それぞれ図示しない定電圧源の正極，及び負極（グランド）に接続され、電位+Ｖ（本例では５（Ｖ）），及び電位-Ｖ（本例では０（Ｖ））がそれぞれ付与される。そして、第１Ｘ軸ＧＭＲ素子５１と第３Ｘ軸ＧＭＲ素子５３の接続点と第４Ｘ軸ＧＭＲ素子５４と第２Ｘ軸ＧＭＲ素子５２の接続点の間の電位差Ｖoxがセンサ出力として取り出される。この結果、Ｘ軸磁気センサは、図８（Ｂ）に示したように、Ｘ軸に沿って変化する外部磁界Ｈｘに略比例して変化する出力電圧Ｖoxを示すようになっている。
また、磁気センサ５０のＹ軸磁気センサは、図９（Ａ）に等価回路を示したように、第１〜第４Ｙ軸ＧＭＲ素子６１〜６４が図１に図示しない導線を介してフルブリッヂ接続されることにより構成されている。そして、第１Ｙ軸ＧＭＲ素子６１と第４Ｙ軸ＧＭＲ素子６４との接続点，及び第２Ｙ軸ＧＭＲ素子６２と第３Ｙ軸ＧＭＲ素子６３との接続点が、それぞれ図示しない定電圧源の正極，及び負極（グランド）に接続され、電位+Ｖ（本例では５（Ｖ）），及び電位-Ｖ（本例では０（Ｖ））がそれぞれ付与される。また、第４Ｙ軸ＧＭＲ素子６４と第２Ｙ軸ＧＭＲ素子６２の接続点と、第１Ｙ軸ＧＭＲ素子６１と第３Ｙ軸ＧＭＲ素子６３との接続点の間の電位差Ｖoyがセンサ出力として取り出される。この結果、Ｙ軸磁気センサは、図９（Ｂ）に示したように、Ｙ軸に沿って変化する外部磁界Ｈｙに略比例して変化する出力電圧Ｖoyを示すようになっている。
次に、上記のように構成される磁気センサ１０，５０の製造方法について説明する。まず、平面図である図１０に示したように、後に基板１０ａ，５０ａとなる長方形の石英ガラス（ウエハ）１０ａ１の上に、各絶縁層１０ｂを所定の配線又はＬＳＩの形成とともに積層し、初期化用コイル３１〜３４，４１〜４４，７１〜７４，８１〜８４を絶縁層１０ｂ２内に形成した後に最上層である絶縁層１０ｂ１を形成する（図１〜図３を参照。）。
次いで、上記ＧＭＲ素子１１〜１４，２１〜２４，５１〜５４，６１〜６４を構成する膜Ｍを島状に複数形成する。具体的に述べると、上記バイアス磁石膜１１ｂを形成し、その上に上記ＧＭＲ素子１１〜１４，２１〜２４，５１〜５４，６１〜６４を構成する膜Ｍを形成する。この成膜は、超高真空装置を用いて精密な厚さに連続積層で行われる。膜Ｍはパターニングされ、島状のＧＭＲ素子となる部分が複数形成される。これらの膜Ｍは、石英ガラス１０ａ１が後の切断工程により図１０の破線に沿って切断されて図１に示した個々の磁気センサ１０，５０に分割されたとき、同図１に示したＧＭＲ素子１１〜１４，２１〜２４，５１〜５４，６１〜６４の各位置に配置されるように形成される。
次に、平面図である図１１に示したように、正方形の貫通孔が正方格子状に複数個だけ設けられた（即ち、Ｘ軸及びＹ軸に平行な辺を有する正方形の貫通孔が、同Ｘ軸及び同Ｙ軸にそって互いに等距離を隔てて設けられた）長方形の金属プレート９１を準備し、同金属プレート９１の各貫通孔に同貫通孔と略同一の正方形断面を有する直方体形状の永久棒磁石９２…９２を、同永久棒磁石９２…９２の磁極が形成される端面が同金属プレート９１と平行になるように、挿入する。このとき、永久棒磁石９２…９２の各端面を含む平面において、最短距離で隣接する磁極の極性が異なるように同永久棒磁石９２…９２を配置する。なお、永久棒磁石９２…９２の各磁荷の大きさは全て略等しいものを使用する。
次に、Ｘ−Ｚ平面に沿った断面を示した図１２に示したように、厚さが約０．５ｍｍであって前記金属プレート９１と略同一形状の長方形を有する透明な石英ガラスからなるプレート９３を準備し、永久棒磁石９２…９２の上面（前記磁極が形成された端面と反対側の面）とプレート９３の下面を接着剤により接着し、金属プレート９１を下方から取り去る。この段階で、永久棒磁石９２…９２とプレート９３とにより、略直方体形状であって同直方体の一つの中心軸に直交する断面の形状が略正方形である複数の永久磁石を、同略正方形を有する端面の重心が正方格子の格子点に一致するように配設するとともに、同配設された各永久磁石の磁極の極性が最短距離を隔てて隣接する他の永久磁石の磁極の極性と異なるように構成したマグネットアレイＭＡが形成される。
図１３は、上記永久棒磁石９２…９２を四個だけ取り出した状態を示す斜視図である。この図から明らかなように、永久棒磁石９２…９２の端面（前記磁極が形成された端面）では、一つのＮ極から同Ｎ極に最短距離で隣接するＳ極に向かう９０°ずつ方向が異なる磁界が形成されている。本実施形態においては、この磁界をＧＭＲ素子１１〜１４，２１〜２４，５１〜５４，６１〜６４の各バイアス磁石膜１１ｂ〜１４ｂ，２１ｂ〜２４ｂ，５１ｂ〜５４ｂ，６１ｂ〜６４ｂの着磁のための磁界、及び各固着層Ｐ（固着層Ｐのピンド層）の磁化の向きを固定する際の磁界として使用する。
即ち、先ず、図１４に示したように、ＧＭＲ素子となる膜Ｍが形成された石英ガラス１０ａ１を、同ＧＭＲ素子となる膜Ｍが形成された面がプレート９３の上面と接するように配置し、プレート９３と石英ガラス１０ａ１とをクランプＣにより互いに固定する。このとき、後に磁気センサ１０，５０となる部分を同磁気センサ１０，５０の各２個分だけに着目して拡大した平面図である図１５に示したように、同磁気センサ１０，５０の各辺となる石英ガラス１０ａ１の切断線ＣＬの各交点ＣＰが永久棒磁石９２…９２の夫々の重心と一致するように、同石英ガラス１０ａ１とマグネットアレイＭＡを相対的に配置する。従って、図１５に矢印にて示したように、プレート９３の上面に石英ガラス１０ａ１が載置された状態においては、ＧＭＲ素子となる各膜Ｍに、同各膜Ｍの幅狭帯状部の長手方向の磁界が加わる。
本実施形態においては、かかる磁界を利用してバイアス磁石膜１１ｂ〜１４ｂ，２１ｂ〜２４ｂ，５１ｂ〜５４ｂ，６１ｂ〜６４ｂの着磁を行うとともに、フリー層Ｆの各磁区の磁化の向きを初期状態における向きに一致させる。即ち、フリー層Ｆの各磁区の磁化を初期化する。
次に、ＧＭＲ素子となる膜Ｍが形成された石英ガラス１０ａ１とマグネットアレイＭＡ（プレート９３）の相対位置関係を図１６の平面図に示したように変更し、同ＧＭＲ素子となる膜Ｍが形成された面がプレート９３の上面と接するように配置する。このとき、磁気センサ１０，５０の各辺となる石英ガラス１０ａ１の切断線ＣＬの各交点ＣＰが互いに隣接する４つの永久棒磁石９２…９２の重心の夫々と一致するように、同石英ガラス１０ａ１とマグネットアレイＭＡを相対的に配置する。従って、図１６に矢印にて示したように、プレート９３の上面に石英ガラス１０ａ１が載置された状態においては、ＧＭＲ素子となる各膜Ｍに同各膜Ｍの幅狭帯状部の長手方向と直交する向きの磁界が加わる。
本実施形態においては、かかる磁界を利用して固着層Ｐ（固着層Ｐのピンド層）の磁化の向きを固定する熱処理（規則化熱処理）を行う。即ち、図１６に示した状態で、プレート９３と石英ガラス１０ａ１とをクランプＣにより互いに固定し、真空中でこれらを２５０℃〜２８０℃に過熱し、その状態で４時間ほど放置する。
その後、石英ガラス１０ａ１を取り出し、各膜Ｍを接続する配線等を形成し、最後に図１０等に示した破線（切断線ＣＬ）に沿って石英ガラス１０ａ１を切断する。以上により、図１に示した磁気センサ１０，５０が一時に多数個製造される。
以上、説明したように、上記実施形態は、フリー層Ｆの長手方向の両端に配設されるとともに同フリー層に所定の向き（同フリー層の長手方向）のバイアス磁界を発生させる永久磁石からなるバイアス磁石膜１１ｂ…１１ｂを備えているので、外部磁界が存在しない状態におけるフリー層の各磁区の磁化の向きを安定して所定の向きに維持することができる。
また、初期化用コイル３１〜３４，４１〜４４が所定条件下にて通電され、フリー層の各磁区の磁化の向きをバイアス磁石膜によるバイアス磁界の向きと同一の向き（即ち、フリー層の長手方向）に戻すための初期化用磁界を発生するので、強い磁界がフリー層に加わることにより同フリー層の各磁区の磁化の向きが乱された場合であっても、同磁化の向きを確実に初期状態へと戻すことができる。この結果、磁気センサ１０，５０は、外部磁界の変化に対して同外部磁界が「０」近傍であるときに発生するヒステリシスを小さく維持できるので、微小磁界を長期に渡り精度良く検出することができる。
更に、上述した製造方法の実施形態によれば、複数の永久磁石を正方格子の格子点に配設するとともに各永久磁石の磁極の極性が最短距離を隔てて隣接する他の磁極の極性と異なるように構成したマグネットアレイＭＡが準備され、このマグネットアレイＭＡが形成する磁界によりフリー層の各磁区の磁化の向きの初期化及びバイアス磁石膜の着磁と、ピンド層となる磁性層の磁化の向きをピンさせるピニングとが行われる。従って、磁界検出方向が異なる（互いに直交する）複数のＧＭＲ素子を単一チップ上に効率的かつ容易に形成することができ、少なくとも互いに直交する方向で大きさが変化する磁界の各々を検出し得る単一チップからなる磁気センサを安価に製造することができる。
なお、上記実施形態においては、バイアス磁石膜（マグネット膜）をパターニングした後にＧＭＲ膜（ＧＭＲ素子となる膜）Ｍを形成し、このＧＭＲ膜Ｍをパターニングした後に規則化熱処理を行っていた。しかしながら、この規則化熱処理は、ＧＭＲ膜Ｍのパターニングの前に行ってもよい。更に、バイアス磁石膜をＧＭＲ膜Ｍの後に形成してもよい。
次に、本発明による磁気センサの他の実施形態（第２実施形態）について説明する。この磁気センサには、前述した磁気センサと同様、図２１に平面図を示したＮタイプと図２２に平面図を示したＳタイプとがある。Ｎタイプの磁気センサ１１０とＳタイプの磁気センサ１５０は、図２１及び図２２に黒塗りの矢印にて示したピンド層の固定された磁化の向き及び白抜きの矢印にて示したフリー層の初期状態の磁化の向きが互いに異なる点を除き実質的に同一の形状・構成を有している。なお、図２１及び図２２において、初期化用コイルの図示は省略されている。
Ｎタイプの磁気センサ１１０は、Ｎタイプの磁気センサ１０のＧＭＲ素子及び初期化用コイルの配置が異なる点を除き、磁気センサ１０と同一の構造を備えている。即ち、磁気センサ１１０は、単一のチップ１０ａと同じ単一のチップ１１０ａと、絶縁層１０ｂと同じ絶縁層と、同絶縁層の最上層の上に形成された合計で８個のＧＭＲ素子１１１〜１１４，１２１〜１２４と、合計で８個の初期化用コイルとを含んで構成されている。ＧＭＲ素子１１１〜１１４，１２１〜１２４と８個の初期化用コイルとの相対位置関係は、ＧＭＲ素子１１〜１４，２１〜２４と初期化用コイル３１〜３４，４１〜４４との相対位置関係と同一である。また、ＧＭＲ素子１１１〜１１４は、ＧＭＲ素子１１〜１４と同様に、フルブリッジ接続されてＸ軸磁気センサを構成する。ＧＭＲ素子１２１〜１２４は、ＧＭＲ素子２１〜２４と同様に、フルブリッヂ接続されてＹ軸磁気センサを構成する。
第１Ｘ軸ＧＭＲ素子１１１は、チップ１１０ａのＹ軸方向略中央部でＸ軸負方向端部近傍に形成されている。第２Ｘ軸ＧＭＲ素子１１２は、チップ１１０ａのＹ軸方向略中央部で第１Ｘ軸ＧＭＲ素子１１１よりも僅かな距離だけＸ軸正方向に離れた位置に形成されている。第３Ｘ軸ＧＭＲ素子１１３は、チップ１１０ａのＹ軸方向略中央部でＸ軸正方向端部近傍に形成されている。第４Ｘ軸ＧＭＲ素子１１４は、チップ１１０ａのＹ軸方向略中央部で第３Ｘ軸ＧＭＲ素子１１３よりも僅かな距離だけＸ軸負方向に離れた位置に形成されている。第１〜第４Ｘ軸ＧＭＲ素子１１１〜１１４の各長手方向は、Ｙ軸方向となっている。
第１Ｙ軸ＧＭＲ素子１２１は、チップ１１０ａのＸ軸方向略中央部でＹ軸正方向端部近傍に形成されている。第２Ｙ軸ＧＭＲ素子１２２は、チップ１１０ａのＸ軸方向略中央部で第１Ｙ軸ＧＭＲ素子１２１よりも僅かな距離だけＹ軸負方向に離れた位置に形成されている。第３Ｙ軸ＧＭＲ素子１２３は、チップ１１０ａのＸ軸方向略中央部でＹ軸負方向端部近傍に形成されている。第４Ｙ軸ＧＭＲ素子１２４は、チップ１１０ａのＸ軸方向略中央部で第３Ｙ軸ＧＭＲ素子１２３よりも僅かな距離だけＹ軸正方向に離れた位置に形成されている。第１〜第４Ｙ軸ＧＭＲ素子１２１〜１２４の各長手方向は、Ｘ軸方向となっている。
Ｓタイプの磁気センサ１５０は、Ｓタイプの磁気センサ５０のＧＭＲ素子及び初期化用コイルの配置が異なる点を除き、磁気センサ５０と同一の構造を備えている。即ち、磁気センサ１５０は、単一のチップ５０ａと同じ単一のチップ１５０ａと、絶縁層１０ｂと同じ絶縁層と、同絶縁層の最上層の上に形成された合計で８個のＧＭＲ素子１５１〜１５４，１６１〜１６４と、合計で８個の初期化用コイルとを含んで構成されている。ＧＭＲ素子１５１〜１５４，１６１〜１６４と８個の初期化用コイルとの相対位置関係は、ＧＭＲ素子５１〜５４，６１〜６４と初期化用コイル７１〜７４，８１〜８４との相対位置関係と同一である。また、ＧＭＲ素子１５１〜１５４は、ＧＭＲ素子５１〜５４と同様に、フルブリッジ接続されてＸ軸磁気センサを構成する。ＧＭＲ素子１６１〜１６４は、ＧＭＲ素子６１〜６４と同様に、フルブリッヂ接続されてＹ軸磁気センサを構成する。
第１〜第４Ｘ軸ＧＭＲ素子１５１〜１５４の基板１５０ａに対する位置関係は、第１〜第４Ｘ軸ＧＭＲ素子１１１〜１１４の基板１１０ａに対する位置関係と同様である。第１〜第４Ｘ軸ＧＭＲ素子１５１〜１５４の各長手方向は、Ｙ軸方向となっている。また、第１〜第４Ｙ軸ＧＭＲ素子１６１〜１６４の基板１５０ａに対する位置関係は、第１〜第４Ｙ軸ＧＭＲ素子１２１〜１２４の基板１１０ａに対する位置関係と同様である。第１〜第４Ｙ軸ＧＭＲ素子１６１〜１６４の各長手方向は、Ｘ軸方向となっている。
次に、上記のように構成された磁気センサ１１０，１５０の製造方法について説明する。この製造方法においては、前述したマグネットアレイＭＡと、マグネットアレイＭＡとは別のマグネットアレイＭＢとを使用する。
先ず、前述した方法によりマグネットアレイＭＡを準備するとともに、以下に述べる方法でマグネットアレイＭＢを準備する。このマグネットアレイＭＢの製造方法の説明に先立ち、マグネットアレイＭＢを構成する各部品について説明する。マグネットアレイＭＢは、ヨーク（ヨーク板）２００と、アレイ用基板２１０と、複数の永久磁石（永久棒磁石）２３０とから構成されている。
ヨーク２００は、図２３乃至図２５に示されている。図２３はヨーク２００の部分平面図、図２４は図２３の部分拡大図、図２５は図２４の２−２線に沿った平面にてヨーク２００を切断した断面図である。このヨーク２００は、空気より高い透磁率を有する磁性材料（例えば４２アロイ（Ｆｅ−４２Ｎｉ合金）等）からなる薄板体である。ヨーク２００は、望ましくは、高飽和高透磁率材料（例えば、パーマロイ(permalloy)やケイ素鋼板(silicon steel(sheet))）からなっていてよい。ヨーク２００の平面形状は長方形である。ヨーク２００の板厚は、この例では０．１５ｍｍである。ヨーク２００は、複数の貫通孔２０１を備えている。貫通孔２０１は、平面視で略正方形状を有している。複数の貫通孔２０１は、正方格子状に配列されている。即ち、各貫通孔２０１の重心は、図２４に示した正方格子点ＳＰに一致している。平面視において、貫通孔２０１の任意の一辺は、隣接する貫通孔２０１の一つの辺と平行となっている。換言すると、貫通孔２０１の任意の一辺は、その貫通孔２０１と同一列上に形成された他の貫通孔２０１の一辺と同一直線上に存在している。
各貫通孔２０１は、一つの貫通孔２０１の平面形状を示した図２６に示したように、平面視において正方形部２０１ａとマージン部（円弧状部、Ｒ部）２０１ｂとを備えた形状を有している。正方形部２０１ｂの形状は正方形である。マージン部２０１ｂは、正方形部２０１ｂの各角部から同正方形の外方に膨出している。より具体的に述べると、マージン部２０１ｂの外形は、正方形部２０１ａの対角線ＣＲ上に中心ＲＰを備える円弧形状となっている。
互いに最短距離を隔てて隣接する貫通孔２０１同士の間にはエアギャップとなる貫通穴２０２が形成されている。貫通穴２０２の形状は、平面視で略長方形である。貫通穴２０２の長辺は、同貫通穴２０２に隣接する貫通孔２０１の正方形部２０１ｂの一辺と平行である。貫通穴２０２の長辺の長さは、正方形部２０１ａの一辺の長さと略同一の長さ又は同正方形部２０１ａの一辺の長さより僅かに短い長さである。貫通穴２０２の短辺の長さは、ＧＭＲ素子１１１〜１１４，１２１〜１２４，１５１〜１５４，１６１〜１６４となる膜Ｍの長手方向の長さよりも大きい。
ヨーク２００は、また、開口（磁束制御穴）２０３を備えている。開口２０３は、平面視において、前記正方格子の各格子点ＳＰ同士を結んで形成される正方形の重心ＳＱを包囲する位置に形成されている。開口２０３は、平面視において、重心ＳＱを中心とする円形形状を有している。
図２７及び図２８に示されたアレイ用基板２１０は、図２９に示した磁性材料（例えば、パーマロイ）からなる薄板体２１０ａを加工した基板である。アレイ用基板２１０は、平面視でヨーク２００と略同一の形状を備えている。アレイ用基板２１０は、複数の溝２１０ｂを備えている。複数の溝２１０ｂは、平面視において、ヨーク２００の貫通孔２０１と同一箇所（同一位置）に設けられている。溝２１０ｂの形状は、貫通孔２０１の正方形部２０１ａと略同一の形状である。
永久棒磁石２３０（図３１を参照。）は、直方体形状を有している。永久棒磁石２３０は、その直方体の相対的に長い中心軸に直交する平面で切断した断面の形状が、貫通孔２０１（及び溝２１０ｂ）と略同一の正方形状となっている。永久棒磁石２３０の磁極は、前記正方形状を有する両方の端面近傍に形成されている。複数の永久棒磁石２３０の各磁荷の大きさは全て略等しい。
次に、マグネットアレイＭＢの製造方法について述べる。先ず、ヨーク２００となる板体を準備し、この板体に対してエッチングを施すことによって貫通孔２０１、貫通穴２０２及び開口２０３を形成する。次に、アレイ用基板２１０となる薄板体２１０ａを準備し、この薄板体２１０ａに対してエッチング（ハーフエッチング）を施すことにより溝２１０ｂを形成する。
次に、斜視図である図３０及び断面図である図３１に示したように、アレイ用基板２１０の上に、角柱状のスペーサ２２０を配置する。スペーサ２２０は、アレイ用基板２１０の複数の溝２１０ｂからなる任意の一列と、その列に平行且つ隣接する列を構成する複数の溝２１０ｂとの間に配置される。スペーサ２２０がこのように配置されたとき、同スペーサ２２０のＺ軸方向長さは、永久棒磁石２３０の磁極が形成される両端面間の長さよりも短い。なお、図３０においては、マージン部２０１ｂは省略されている。
続いて、スペーサ２２０の上にヨーク２００を配置する。このとき、ヨーク２００の貫通孔２０１（の正方形部２０１ａ）とアレイ用基板２１０の溝２１０ｂとが平面視で一致するようにヨーク２００を配置する。換言すると、ヨーク２００がスペーサ２２０の上に配置された状態において、溝２１０ｂと貫通孔２０１とがＺ軸方向内にて揃っている。なお、このような配置を容易に行うことができるようにするため、ヨーク２００及びアレイ用基板２１０に位置決めのためのマーク（アライメントマーク）を設けておいてもよい。
次に、複数の永久棒磁石２３０をヨーク２００の複数の貫通孔２０１にそれぞれ挿入する。この永久棒磁石２３０挿入時において、永久棒磁石２３０の一の磁極が形成される一の端面をアレイ用基板２１０の溝２１０ｂの上面に当接させる。この結果、複数の永久棒磁石２３０の他の磁極が形成される他の端面（以下、便宜上「上面」とも称呼する。）が、略同一平面内（同一平面上）に存在するように配置される。また、このとき、永久棒磁石２３０の上面を含む前記平面において、最短距離で隣接する磁極の極性が異なるように同永久棒磁石２３０を配置する。この結果、永久棒磁石２３０は、図３２に示したように配置される。この状態において、永久棒磁石２３０のＸ軸方向及びＹ軸方向への移動は、永久棒磁石２３０が溝２１０ｂとヨーク２００の貫通孔２０１とに挿入されていることにより、阻止される。
次に、ヨーク２００の開口２０３を利用しながらヨーク２００を上方（Ｚ軸正方向）に持ち上げる。より具体的に述べると、ピンセットを用いて二つの開口２０３を挟みながらヨーク２００を持ち上げる。このような動作を、他の開口２０３を用いて繰り返し、ヨーク２００の全体を徐々に持ち上げる。このとき、図３３に示したように、永久棒磁石２３０の上面（複数の永久棒磁石２３０の磁極が形成された他の端面の総て）が形成する平面が、ヨーク２００の上面２００ｕｐと下面２００ｄｎの間の位置となるように、ヨーク２００の高さ（アレイ用基板２１０からの距離）を調整する。換言すると、ヨーク２００の板の厚み内に永久棒磁石２３０の上面が位置するように、ヨーク２００を持ち上げる。なお、ヨーク２００の上面２００ｕｐと永久棒磁石２３０の上面が形成する平面が一致していてもよい。その後、スペーサ２２０を抜き取るとともに、ヨーク２００をアレイ用基板２１０に対して固定する。以上により、マグネットアレイＭＢが完成する。
図３４は、マグネットアレイＭＢの永久棒磁石２３０…２３０を四個だけ取り出した状態を示す斜視図である。この図から明らかなように、永久棒磁石２３０…２３０の上面（前記磁極が形成された端面）では、一つのＮ極から同Ｎ極に最短距離で隣接するＳ極に向かう９０°ずつ方向が異なる磁界が形成されている。本実施形態においては、このマグネットアレイＭＢによりもたらされる磁界をＧＭＲ素子１１１〜１１４，１２１〜１２４，１５１〜１５４，１６１〜１６４の各バイアス磁石膜の着磁のための磁界として使用する。
このマグネットアレイＭＢは、最短距離を隔てて隣接する磁極の極性が異なる永久棒磁石２３０（の上面）同士の間にエアギャップとなる貫通穴２０２が形成されている。これにより、図３５に示したように、磁束は貫通穴２０２内及び貫通穴２０２の直近部分の空間に集中する。換言すると、マグネットアレイＭＢは、局所的な狭い空間領域（貫通穴２０２の近傍領域）に、大きさが大きく且つ方向が一定である磁場をもたらすことができる。
図３６及び図３７は、マグネットアレイＭＢ及びマグネットアレイＭＡにおける平面視での磁束の様子を矢印にてそれぞれ表した図である。この両図を比較することにより理解されるように、マグネットアレイＭＢは、上述した貫通穴２０２のみでなく、開口２０３をも備えているので、最短距離を隔てて隣接する異極の永久棒磁石２３０の間に生じる磁界が直線的となり、マグネットアレイＭＡよりも安定した強い一様な磁界を局所的に発生させることができる。
以上によりマグネットアレイＭＡ及びＭＢが準備できたので、以下、磁気センサ１１０及び１５０の具体的製造方法について説明する。
先ず、後にＧＭＲ素子１１１〜１１４，１２１〜１２４，１５１〜１５４，１６１〜１６４となる膜Ｍを形成した基板（石英ガラス、後に説明する図３９に示された基板１１０ａ１であるウエハ）を準備する。この基板は、図１０に示した基板１０ａ１と同様にして形成される。また、基板に形成された膜Ｍは、この基板が後の切断工程により切断されたとき、図２１及び図２２に示した個々の磁気センサ１１０，１５０が形成されるように配置される。
次に、ＧＭＲ素子となる膜Ｍが形成された前述の基板とマグネットアレイＭＡ（プレート９３）とを図３８の平面図に示したように配置し、それらの相対位置関係を固定する。このとき、ＧＭＲ素子となる膜Ｍが形成された基板の面がプレート９３の上面と接するように配置する（図１４を参照。）。更に、磁気センサ１１０，１５０の各辺となる基板の切断線ＣＬの各交点ＣＰが互いに隣接する４つの永久棒磁石９２…９２の重心の夫々と一致するように、同基板とマグネットアレイＭＡを相対的に配置する。従って、図３８に矢印にて示したように、マグネットアレイＭＡの上面に基板が載置された状態において、ＧＭＲ素子となる各膜Ｍに同各膜Ｍの幅狭帯状部の長手方向と直交する向きの磁界が加わる。
この第２実施形態においては、かかる磁界を利用して固着層Ｐ（固着層Ｐのピンド層）の磁化の向きを固定する熱処理を行う。即ち、図３８に示した状態で、プレート９３と基板とをクランプにより互いに固定し（図１４を参照。）、真空中でこれらを２５０℃〜２８０℃に過熱し、その状態で４時間ほど放置する。
次いで、図３９に示したように、ＧＭＲ素子となる膜Ｍが形成された基板１１０ａ１を、同ＧＭＲ素子となる膜Ｍが形成された面がマグネットアレイＭＢのヨーク２００の上面２００ｕｐと接するように配置する。このとき、部分拡大平面図である図４０に示したように、磁気センサ１１０，１５０の各辺となる基板１１０ａ１の切断線ＣＬの各交点ＣＰが永久棒磁石２３０…２３０の夫々の重心と一致するように、基板１１０ａ１とマグネットアレイＭＢを相対的に配置する。このとき、ＧＭＲ素子となる各膜Ｍは、平面視でヨーク２００の開口２０２の内側に配置される。この結果、ヨーク２００の上面２００ｕｐに基板１１０ａ１が載置された状態において、図４０に矢印にて示したように、ＧＭＲ素子となる各膜Ｍに対し同各膜Ｍの幅狭帯状部の長手方向の磁界が加わる。
この第２実施形態においては、かかる磁界を利用してバイアス磁石膜の着磁を行うとともに、フリー層の各磁区の磁化の向きを初期状態における向きに一致させる。即ち、フリー層の各磁区の磁化を初期化する。
その後、基板１１０ａ１を取り出し、各膜Ｍを接続する配線等を形成し、最後に図３８及び図４０に示した切断線ＣＬに沿って基板１１０ａ１を切断する。以上により、図２１に示したモノリシック（単一チップ）の磁気センサ１１０及び図２２に示したモノリシック（単一チップ）の磁気センサ１５０が一時に多数個製造される。
このように、第２実施形態においては、マグネットアレイＭＢを使用して強い磁界を局所的に発生させ、この磁界によってＧＭＲ素子のバイアス磁石膜の着磁を行う。マグネットアレイＭＢは、エアギャップとして機能する貫通穴２０２が形成されたヨーク２００を備えている。従って、マグネットアレイＭＢを使用することにより貫通穴２０２の近傍の空間に強い一様な磁界を生成することができるので、保磁力が大きい磁性材料をバイアス磁石膜に使用した場合でも、このバイアス磁石膜を確実に着磁させることがでる。その結果、外乱（例えば、大きな外部磁界）が加わった後においても、フリー層の磁化が初期の向きに安定的に復帰する高信頼性の磁気センサ１１０，１５０が提供され得る。
更に、マグネットアレイＭＢのヨーク２００には、各磁極からの磁力線が交差して磁界が不安定となる部分に開口２０３が形成されている。この結果、磁力線の方向性が安定するので、前記貫通穴２０２の近傍における磁界をより安定させることが可能となる。また、開口２０３は、マグネットアレイＭＢのアレイ用基板２１０とヨーク２００との距離（ヨーク２００の高さ）を調整する際に利用される。この結果、ヨーク２００の位置が高さ方向において容易に且つ理想的に調整され得るので、着磁しようとするＧＭＲ素子のバイアス磁石膜が位置する部分に、最適な磁界を発生させることが可能となる。
加えて、マグネットアレイＭＢのヨーク２００の貫通孔２０１は、正方形ではなく、正方形の各角部から同正方形の外方に膨出したマージン部２０１ｂを備えた形状を有している。従って、エッチングにより貫通孔２０１を形成したとき、角部のエッチングが不十分な場合であっても、永久棒磁石２３０を貫通孔２０１内に確実に挿入することができる。なお、このようなマージン部を溝２１０ｂの角部に設けても良い。
本発明は上記実施形態に限定されることはなく、本発明の範囲内において種々の変形例を採用することができる。例えば、図２０に第１Ｘ軸ＧＭＲ素子３０１を代表例として示したように、幅狭帯状部３０１ａは、その両端部下方に配設されたバイアス磁石膜３０１ｂ…３０１ｂの上部にて分離していてもよい。また、初期化用コイル３０２は、中心点Ｐ１及び中心点Ｐ２をそれぞれ有するスパイラルコイル３０２−１及び３０２−２が接続されてなるダブルスパイラル型のコイルであってもよい。この場合、第１ＸＧＭＲ素子３０１は中心点Ｐ１及びＰ２の間に配置され、この結果、同第１ＸＧＭＲ素子３０１の下方を通過する初期化用コイル３０２の各導線部には互いに並行で同一方向（各幅狭帯状部３０１ａの長手方向と直交する向き）に電流が流れ、前記初期化用の磁界を発生する。また、初期化用コイルは多層コイルであってもよく、トロイダルコイルであってもよい。更に、初期化用コイルの発生する初期化用磁界とは直交する方向に各ＧＭＲ素子の機能を検査するための検査用磁界を発生する検査用コイルが、同初期化用コイルの上方又は下方（Ｚ軸方向）の前記絶縁層内に併設されてもよい。
本発明の磁気センサの実施形態の平面図である。 図１に示した第１Ｘ軸ＧＭＲ素子の概略拡大平面図である。 図２に示した第１Ｘ軸ＧＭＲ素子を同図２の１−１線に沿った平面にて切断した概略断面図である。 図２に示した第１Ｘ軸ＧＭＲ素子のスピンバルブ膜構成を示す図である。 図１に示した第１Ｘ軸ＧＭＲ素子のＸ軸方向にて変化する磁界に対する抵抗値の変化を実線で示し、Ｙ軸方向にて変化する磁界に対する抵抗値の変化を破線で示したグラフである。 （Ａ）は図１に示した磁気センサが備えるＸ軸磁気センサの等価回路図であり、（Ｂ）は同Ｘ軸磁気センサのＸ軸方向にて変化する磁界に対する出力の変化を示したグラフである。 （Ａ）は図１に示した磁気センサが備えるＹ軸磁気センサの等価回路図であり、（Ｂ）は同Ｙ軸磁気センサのＹ軸方向にて変化する磁界に対する出力の変化を示したグラフである。 （Ａ）は図１に示した磁気センサが備える別のＸ軸磁気センサの等価回路図であり、（Ｂ）は同Ｘ軸磁気センサのＸ軸方向にて変化する磁界に対する出力の変化を示したグラフである。 （Ａ）は図１に示した磁気センサが備える別のＹ軸磁気センサの等価回路図であり、（Ｂ）は同Ｙ軸磁気センサのＹ軸方向にて変化する磁界に対する出力の変化を示したグラフである。 図１に示した磁気センサを製造する途中のスピンバルブ膜が形成された石英ガラスの平面図である。 図１に示した磁気センサを製造する際に使用するマグネットアレイを準備するための金属プレート、及び同金属プレートに挿入された永久棒磁石を示した平面図である。 図１に示した磁気センサを製造する際に使用するマグネットアレイの断面図である。 図１２に示したマグネットアレイの磁石の一部を取り出した斜視図である。 図１に示した磁気センサを製造する工程の一つを示した図である。 図１に示した磁気センサの各ＧＭＲ素子のバイアス磁石膜を着磁する方法を示した概念図である。 図１に示した磁気センサの各ＧＭＲ素子のピンド層の磁化の向きをピンする方法を示した概念図である。 ＧＭＲ素子のフリー層とバイアス磁石膜の磁化の様子を示した平面図であり、（Ａ）はバイアス磁石膜の着磁前の状態、（Ｂ）はバイアス磁石膜の着磁後の状態、（Ｃ）は外部磁界が加わった状態、（Ｄ）は外部磁界が消滅した後の状態を示した図である。 （Ａ）はバイアス磁石膜の着磁前の状態におけるＧＭＲ素子の外部磁界に対する抵抗値の変化を示したグラフ、（Ｂ）はバイアス磁石膜の着磁後の状態におけるＧＭＲ素子の外部磁界に対する抵抗値の変化を示したグラフである。 ＧＭＲ素子のフリー層とバイアス磁石膜の磁化の様子を示した平面図であり、（Ａ）はバイアス磁石膜の着磁後で外部磁界が加わっていない状態、（Ｂ）は強い外部磁界が加わった状態、（Ｃ）は強い外部磁界が消滅した後の状態を示した図である。 本発明による磁気センサの他の実施形態における第１Ｘ軸ＧＭＲ素子の概略拡大平面図である。 本発明の他の磁気センサ（Ｎタイプ）の実施形態の平面図である。 本発明の他の磁気センサ（Ｓタイプ）の実施形態の平面図である。 本発明によるマグネットアレイＭＢのヨークの部分平面図である。 図２３に示したヨークの部分拡大図である。 図２４の２−２線に沿った平面にてヨークを切断した断面図である。 図２３に示したヨークの一つの貫通孔の平面図である。 本発明によるマグネットアレイＭＢのアレイ用基板の断面図である。 図２７に示したアレイ用基板の部分平面図である。 図２７に示したアレイ用基板の元となる薄板体である。 マグネットアレイＭＢを製造する一工程を示した図である。 マグネットアレイＭＢを製造する一工程を示した図である。 マグネットアレイＭＢを製造する一工程を示した図である。 マグネットアレイＭＢを製造する一工程を示した図である。 マグネットアレイＭＢの磁石の一部とヨークとを取り出した斜視図である。 マグネットアレイＭＢの部分断面図である。 マグネットアレイＭＢによる磁界を説明するための同マグネットアレイＭＢの平面図である。 マグネットアレイＭＡによる磁界を説明するための同マグネットアレイＭＡの平面図である。 図２１及び図２２に示した磁気センサの各ＧＭＲ素子のピンド層の磁化の向きをピンする方法を示した概念図である。 図２１及び図２２に示した磁気センサの各ＧＭＲ素子のバイアス磁石膜を着磁する際のマグネットアレイＭＢと基板との位置関係を示した断面図である。 図２１及び図２２に示した磁気センサの各ＧＭＲ素子のバイアス磁石膜を着磁する方法を示した概念図である。
符号の説明
１０，５０…磁気センサ、１１〜１４，２１〜２４，５１〜５４，６１〜６４…ＧＭＲ素子、１１ａ〜１４ａ，２１ａ〜２４ａ，５１ａ〜５４ａ，６１ａ〜６４ａ・・・幅狭帯状部、１１ｂ〜１４ｂ，２１ｂ〜２４ｂ，５１ｂ〜５４ｂ，６１ｂ〜６４ｂ…バイアス磁石膜、３１〜３４，４１〜４４，７１〜７４，８１〜８４…初期化用コイル、ＭＡ…マグネットアレイ。

Claims (9)

  1. ピンド層とフリー層とを含む磁気抵抗効果素子を含んでなる磁気センサであって、前記フリー層の両端に配設されるとともに同フリー層に所定の向きのバイアス磁界を発生させる永久磁石からなるバイアス磁石膜と、前記フリー層に近接して設けられ所定条件下での通電により前記バイアス磁界と同一の向きの磁界を同フリー層に加える初期化用コイルとを備えた磁気センサ。
  2. ピンド層とフリー層と同フリー層に対しバイアス磁界を付与する永久磁石からなるバイアス磁石膜とを基板上に有し同ピンド層の磁化の向きと同フリー層の磁化の向きがなす相対角度に応じて抵抗値が変化する磁気抵抗効果素子を備えた磁気センサの製造方法であって、
    複数の永久磁石を正方格子の格子点に配設するとともに各永久磁石の磁極の極性が最短距離を隔てて隣接する他の磁極の極性と異なるように構成したマグネットアレイを準備する工程と、
    前記ピンド層となる膜と前記フリー層となる膜と前記バイアス磁石膜となる膜とを含む島状の素子膜を複数個だけ前記基板上に点在させてなるウエハを製造する工程と、
    前記ウエハと前記マグネットアレイとが所定の相対的位置関係を有するように同ウエハを同マグネットアレイに近接配置し、同マグネットアレイの磁極のうちの一の磁極と同磁極と最短距離を隔てて隣接する同マグネットアレイの磁極のうちの他の磁極との間に形成される磁界を利用して前記複数の素子膜の前記バイアス磁石膜となる膜の着磁を行う工程とを含む磁気センサの製造方法。
  3. 請求項２に記載の磁気センサの製造方法において、
    前記ウエハを製造する工程は、前記複数の素子膜の各フリー層となる膜を長軸と短軸とを備えた形状となるように形成するとともに、少なくとも同複数の素子層のフリー層となる膜の一つの長軸と他のフリー層となる膜の長軸とが直交するように同複数の素子膜の各フリー層となる膜を形成し、且つ、前記バイアス磁石膜となる膜を同各フリー層となる膜の長軸方向の両端部に形成する工程を含み、
    前記バイアス磁石膜となる膜の着磁を行う工程における前記所定の相対的位置関係は、前記マグネットアレイにより形成される磁界により、同バイアス磁石膜となる膜の磁化の向きを同バイアス磁石膜が両端に形成された前記フリー層となる膜の長軸方向に一致させる前記ウエハと同マグネットアレイとの相対的位置関係である磁気センサの製造方法。
  4. 請求項３に記載の磁気センサの製造方法であって、更に、
    前記ウエハと前記マグネットアレイとが前記所定の相対的位置関係とは異なる相対的位置関係を有するように同ウエハを同マグネットアレイに近接配置し、同マグネットアレイにより形成される前記磁界を利用して前記複数の素子膜の前記ピンド層となる膜の磁化の向きをピンする工程を含む磁気センサの製造方法。
  5. 略直方体形状であって同直方体の一つの中心軸に直交する断面の形状が略正方形であり且つ同中心軸に直交する同略正方形の端面に磁極が形成された永久磁石を複数個備えたマグネットアレイであって、
    前記複数の永久磁石は、それぞれの前記略正方形を有する端面の重心が正方格子の格子点に一致するように配置されるとともに、前記正方格子の任意の一列上に配置された前記複数の永久磁石のうちの一つの永久磁石の前記端面の一辺が同じ列上に配置された他の永久磁石の前記端面の一辺と略同一線上に存在し、前記複数の永久磁石の端面の総てが略同一平面上に存在し、且つ、前記複数の永久磁石のうちの最短距離を隔てて互いに隣接する二つの永久磁石の端面に形成された磁極の極性が異なるように、配置されたマグネットアレイ。
  6. 略直方体形状であって同直方体の一つの中心軸に直交する断面の形状が略正方形であり且つ同中心軸に直交する同略正方形の端面に磁極が形成された永久磁石を複数個備えるとともに、磁性材料からなる薄板状のヨークを備えたマグネットアレイであって、
    前記複数の永久磁石は、それぞれの前記略正方形を有する端面の重心が正方格子の格子点に一致するように配置されるとともに、前記正方格子の任意の一列上に配置された前記複数の永久磁石のうちの一つの永久磁石の前記端面の一辺が同じ列上に配置された他の永久磁石の前記端面の一辺と略同一線上に存在し、前記複数の永久磁石の端面の総てが略同一平面上に存在し、且つ、前記複数の永久磁石のうちの最短距離を隔てて互いに隣接する二つの永久磁石の端面に形成された磁極の極性が異なるように、配置され、
    前記ヨークは、前記配置された複数の永久磁石と略同一の位置に同永久磁石の前記略正方形を有する断面と略同一形状の複数の貫通孔を備え、同貫通孔に同永久磁石が挿入されて前記永久磁石の端面が存在する平面が同ヨークの上面と下面の間に存在するように配置されたマグネットアレイ。
  7. 請求項６に記載のマグネットアレイであって、
    前記ヨークは、前記複数の貫通孔のうちの最短距離を隔てて互いに隣接する貫通孔同士の間に、エアギャップとなる貫通穴が形成されたマグネットアレイ。
  8. 請求項７に記載のマグネットアレイであって、
    前記ヨークは、平面視で前記正方格子の各格子点同士を結んで形成される正方形の重心を包囲する位置に開口が形成されてなるマグネットアレイ。
  9. 請求項６乃至請求項８の何れか一項に記載のマグネットアレイであって、
    前記ヨークの各貫通孔は、平面視で前記永久磁石の略正方形を有する断面と略同一の正方形の正方形部と、同正方形部の各角部から同正方形の外方に膨出したマージン部と、を備えてなるマグネットアレイ。
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