JP2006510884A - 磁気抵抗エレメント内の磁気ひずみを測定するための方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 磁気抵抗エレメントの磁気ひずみ定数を直接測定するための方法を提供する。
【解決手段】 この方法は、１）１つまたは複数の磁気抵抗エレメントを担持する基板を用意するステップと、２）前記基板を曲げ治具に挿入するステップと、３）前記基板に平行なＤＣ磁界を加えるステップと、４）前記基板に垂直で前記エレメントの磁気抵抗層に平行な交番磁界を加えるステップと、５）前記エレメントからの信号を測定するステップと、６）前記基板を曲げることにより、前記基板に平行な機械的応力を加えるステップと、７）前記機械的応力を加える前に測定された信号に到達するまで、前記ＤＣ磁界を変化させるステップとから構成される。

Description

本発明は一般に磁気ひずみ（magnetostriction）定数の測定に関する。より具体的には、本発明は磁気抵抗デバイス内のこのような測定に関する。

磁界を測定する必要がある状況は数多く存在する。このような状況としては、ある構造の磁化部分の位置または近接性を測定すること、記憶された磁気情報の応答（reactant）、電流流路内に測定装置を設ける必要なしに電流の流れを測定することなどがある。

このような状況の磁気効果の多くは比較的小さいものであり、したがって、高感度磁気センサを必要とする。このような小さい磁界摂動を感知可能な磁気センサで、経済的に製作できるものは、磁気抵抗効果を基礎として提供されるものである。このような磁気抵抗材料ベースの磁気センサは、モノリシック集積回路製作技法を使用して薄膜として製作することができ、経済的のみならず、極めて小さいサイズのものにすることもできる。磁気抵抗材料ベースの磁気センサは、抵抗器として使用すべき磁気抵抗材料を設けることによって配置される。電流はそこを通過し、その両端間の電圧は、電流が流れる流路上の材料の実効抵抗に依存することになる。次に、その抵抗値は、材料の磁化の状態に依存することになる。磁化が電流の流れに平行である場合、異方性磁気抵抗（ＡＭＲ）のケースでは、材料は最大抵抗を示すことになり、電流の流れに垂直な磁化の場合は最小抵抗を示すことになる。

巨大磁気抵抗（ＧＭＲ）では、最大抵抗は、非磁性インターフェース層によって分離された隣接する磁性体層の磁化が平行アライメントの場合である。スピン・バルブ・システムは、自由層とピン固定層（pinned layer）という２つの磁性体層から構成され、そのピンニングは、反強磁性体層によってまたは反強磁性結合ピンニング層によって行うことができる。

このようなシステム内の電流は、平面内（ＣＩＰ）にある場合もあれば、平面に垂直（ＣＰＰ）である場合もある。ＣＰＰ構造は、通常、トンネル・デバイス（トンネル磁気抵抗：ＴＭＲ）で使用され、その場合、非磁性インターフェース層は絶縁体から構成される。

磁気抵抗デバイスには、実効磁化を有する自由回転層（free rotating layer）が存在する。磁気抵抗材料に作用する外部磁界は、結果として層状システムの抵抗を変化させるように、その磁化方向を回転させることになる。電流を伝える抵抗の変化により、抵抗器の両端間で電圧降下変化が発生し、それは外部磁界の大きさを示すものとして感知することができる。

このような薄膜の実効抵抗は、ＡＭＲケースでは実効磁化方向と材料を通る電流の流れの方向との間の角度の余弦の２乗として、ＧＭＲまたはＴＭＲケースでは隣接層の角度の余弦として変化することになる。しかし、全抵抗は、通常、関心のあるものではなく、むしろ、加えられた外部磁界の変化に応じた抵抗の変化の方に関心がある。ＡＭＲケースでは、この変化は２乗余弦応答曲線に沿ったポイントで最も適切に測定される場合が多く、その曲線は線形関数に近似する。

応答曲線のこのような線形部分に関する操作を行うためには、外部から加えられた磁界がないときに電流の流れの方向と磁化の公称方向との間の初期角度が存在することが必要である。これは、バイアス配置の代替方法で実施することができる。磁気抵抗材料は、連続的に接続された複数斜面からなる「ヘリンボーン」パターンまたは作用の連続抵抗器としてデバイス基板上に配置することができ、斜面の角度は抵抗器の延長方向に対して約４５°である。その場合、抵抗器の延長方向に対して９０°の方向に向けられるバイアス磁界（magnetic bias field）のソースを設けなければならない。

もう１つの方法は、磁気抵抗材料の線形ストリップを設けることであるが、ストリップの方向に対して４５°の角度でそのストリップの両端間に別個に導体を追加することである。これは、事実上、ストリップ自体の延長方向に対してある角度で磁気抵抗ストリップ内に電流を流すものである。この後者の構成は、その構成のために「バーバー・ポール（barber pole）」センサと呼ばれる場合が多く、このような配置はバイアス磁界の外部ソースの必要性を解消することができる。

磁気記録ヘッドでは、ＡＭＲセンサの感知層の磁化は、センサ・ストリップの方向に垂直に磁化された隣接磁性体層の浮遊磁界によってセンス電流（sense current）に対して４５°だけ回転する。この層は、センス電流によって磁化された硬磁性材料（ハード・バイアス層）または軟磁性材料（ソフト隣接層）とすることができる。

ＧＭＲまたはＴＭＲエレメントでは、自由層の磁化は、ストリップ方向に対して平行に向けなければならない。これは、通常、センサの両側に配置されたハード・バイアス層によって行われる。ピン固定層の磁化は、反強磁性結合により、ストリップ方向に垂直に固定されることになる。

磁気ひずみは、薄膜および多層の磁気特性を制御するための必須パラメータである。磁気ひずみは、磁化の反転による磁性材料の長さの変化を表すものである。

磁気記録エレメントでは、均一に磁化された磁性体層、特に感知層スタック内の感知層（自由層）を有することが重要である。渦または磁区のような不均一に磁化された領域は、記録信号に不安定性を引き起こす。したがって、磁性体層は局所磁界（交換結合磁界（exchange coupling field）、ハード・バイアス磁界（hard bias field））によって配向される。局所的不均一は、磁気ひずみ異方性によって引き起こされる可能性がある。したがって、磁気ひずみは非常に精密に制御しなければならない。

薄膜の磁気弾性特性を調査するために様々な実験方法が開発されている。そのうちの１つは、いわゆる「カンチレバー方式」による直接測定である。磁化が変化すると長さが変化し、それが薄膜とともに基板の曲げを引き起こす。これは、たとえば、Journal of Magnetism and Magnetic Materials 136（１９９４年）の１８９〜１９６ページに掲載されたE. duTremolet de Lacheisserie他による「Magnetostriction and internal stresses in thin films: the cantilever methodrevisited」に記載されている。

もう１つの可能性はひずみゲージ方式による間接測定であり、これは磁性薄膜に機械的応力を発生させるものである。磁気異方性は磁気ひずみ結合によって変化する。これは、たとえば、１９８９年９月発行のIEEE Transactions on Magnetics、第２５巻、第５号の４１９８〜４２００ページに掲載されたD. Markham他による「Magnetostrictive measurement of magnetostriction in Permalloy」に記載されている。

磁性薄膜の磁気ひずみ定数を測定するための装置は、日本国公開特許公報特開昭６２−１０６３８２号にも開示されている。

１９８０年３月発行のKenji Narita他によるIEEE Transactions on Magnetics、Mag-16巻、第２号の４３５〜４３９ページでは、小角度磁化回転（Small-Angle Magnetization Rotation：ＳＡＭＲ）により薄いアモルファス・リボンの飽和磁気ひずみを測定するための方法を開示している。

しかし、センサの実環境を反映するように磁気センサの磁気抵抗効果を直接使用して磁化の変化を測定する方法はまったく知られていない。したがって、依然として、このような方法の改良が必要である。
特開昭６２−１０６３８２号 Journal of Magnetismand Magnetic Materials 136（１９９４年）の１８９〜１９６ページに掲載されたE. du Tremoletde Lacheisserie他による「Magnetostrictionand internal stresses in thin films: the cantilever method revisited」 １９８９年９月発行のIEEETransactions on Magnetics、第２５巻、第５号の４１９８〜４２００ページに掲載されたD. Markham他による「Magnetostrictive measurement of magnetostriction in Permalloy」 １９８０年３月発行のKenjiNarita他によるIEEE Transactions onMagnetics、Mag-16巻、第２号の４３５〜４３９ページ

したがって、本発明の一目的は、磁気エレメントの磁気ひずみ定数を測定するための方法を提供することにある。

上記その他の目的および利点は、請求項１に開示された方法によって達成される。

本発明の有利な諸実施形態は従属請求項に開示されている。

本発明では、磁気記録ヘッド、磁界センサなどのような異方性磁気抵抗（ＡＭＲ）ベースのエレメント、巨大磁気抵抗（ＧＭＲ）ベースのエレメント、またはトンネル磁気抵抗（ＴＭＲ）（一般にＸＭＲ）ベースのエレメントにおける磁気ひずみ定数（ＭＳ）を小角度磁化回転（ＳＡＭＲ）によって測定する。センサの電気信号を使用して、外部磁界によって引き起こされた磁化回転を測定する。磁気抵抗（ＭＲ）デバイスでは、様々な方法、たとえば、ハード・バイアス、反強磁性交換結合、バーバー・ポールなどによって磁化にバイアスをかける。提案されたＭ_s測定の場合、加えられた応力に平行に位置合せしなければならない追加の外部ＤＣ磁界（ＨＤＣ）によって、バイアス磁界（ハード・バイアス、ソフト・バイアス、交換磁界）を支持することができる。薄膜内の応力が変化した場合、磁気ひずみ結合のためにセンサ信号も変化することになる。しかし、センサ信号の変化は、外部ＤＣ磁界を変化させることによって補償することができる。シールド・エレメントの場合、シールド層からの減磁効果の影響を反映するために、外部磁界を較正しなければならない。応力は、曲げることにより、または、たとえば、温度、ピエゾ層（piezo layer）などのような任意のその他の手段により、ウェハまたはロー（row）・レベルで加えることができる。

本発明による方法は、磁気記録ヘッドに適用可能であるだけでなく、磁界センサおよび磁気ランダム・アクセス・メモリ（ＭＲＡＭ）でも使用することができる。しかし、簡単にするために、以下の説明では磁気記録ヘッドに関して説明する。

図１は、本発明の方法により磁気ひずみ定数を測定するための装備を概略的に示している。まず第一に、曲げ治具、たとえば、デフレクション・ゲージ１２にローまたはウェハ１０を挿入し、そのローまたはウェハはその上に形成されたＸＭＲエレメントを担持する。次に、ローまたはウェハ１０に平行に、すなわち、図１に示すＸ軸の方向にＤＣ磁界を加える。また、ローまたはウェハ１０に垂直かつ磁気抵抗層に平行に、すなわち、図１に示すＹ軸の方向に交番磁界を加える。この交番磁界は好ましくは周波数ｆを有する正弦波である。磁気抵抗エレメント、たとえば、ＸＭＲエレメントで信号を測定し、この信号は周波数ｆを有する交番磁界の振幅に比例する。これを単純に実行するために、交番磁界の周波数にロックされるロックイン増幅器１４を使用することができる。次に、ローまたはウェハ１０を曲げることにより、たとえば、マイクロメータねじ１６により、Ｘ方向に平行にＸＭＲエレメントの層内に機械的応力を発生させる。このねじは、「マイクロねじ制御ユニット」４８によって線２０を介して電子的に制御することができる。ＸＭＲエレメントのセンサ層内の磁気弾性相互作用により、磁気異方性が変化することになる。次に、これは、ロックイン増幅器１４で測定される信号の振幅に変化をもたらすことになる。最後に、ロックイン増幅器での測定信号が機械的応力を加えずに測定された値にもう一度到達するまで、Ｘ軸の方向に加えられたＤＣ磁界を適切な制御回路によって変化させる。ロー／ウェハ・デフレクション固定具１２の上の磁石アセンブリ２２には、線２８および３０を介して、Ｙ方向の磁界発生のためのＡＣ電源４２およびＸ方向のＤＣ補償磁界を発生するためのＤＣ電源２４によって電力供給される。ＸＭＲエレメントには、線３２を介して定電流源３４によって電力供給する。ＸＭＲ抵抗器の両端間の電圧であるセンス出力は線３６を介してロックイン増幅器１４に供給され、すでに前述した通り、ＡＣ磁界の励起周波数３８にロックされる。この測定アセンブリ全体は、バス２６を介してコンピュータ４０によって制御することができる。

磁気ひずみλ_sは以下の式によって定義される。

これは、磁気弾性エネルギー密度（式の左側）が磁気異方性エネルギー密度（式の右側）に等しいことを意味する。

フックの法則（均一かつ等方性の材料に制限される）により、機械的応力異方性Δσの変化は、ひずみの変化Δε＝Δｌ／ｌ（ローまたはウェハを曲げることによって発生する伸び率）に関連する。

電圧の変化Δσはデフレクションの機械的パラメータから計算される。

以下の方法を使用して、特別な機械的パラメータを求めることができる。

１）ひずみは、以下の式により、デフレクション（図１のｂ）から計算することができる。

式中、Ｌは曲げ長さであり（図１を参照）、ｄ_sは基板の厚さであり（図１を参照）、ひずみゲージの中心でｘ＝０であり、Δε_y＝０である。

２）サンプル表面上をレーザ・ビームでスキャンすることにより表面曲率を測定する。レーザは、ローまたはウェハ表面から位置検知光学装置に反射する。

ひずみΔεは、デフレクションｂまたは２）の表面曲率から決定される。

異方性の磁界の測定は全エネルギーから得られる。

この項は、外部磁界のエネルギー（Ｈ_x、Ｈ_y）、誘導異方性および磁気ひずみ異方性からなる一軸異方性（Ｈ_k）、ならびに測定すべき層の磁化の分布を考慮に入れた形状異方性（form anisotropy）を含む。

平衡の条件ｄＥ／ｄ＝０から次式が得られる。

周期励起磁界がＨ_y＝Ｈ_yoｓｉｎ（Φｔ）である場合、磁化は平衡状態付近で変動することになる。磁気抵抗エレメントの抵抗は同一周波数で変化する。

機械的応力は異方性磁界Ｈ_kを変化させる。次に、これは、抵抗の変化と磁化の変動の振幅の変化を引き起こす。これらの変化は外部磁界Ｈ_xによって補償され、元の平衡状態が回復される。以下の式が適用される。

λ_sの計算は簡単である。ひずみΔεは、たとえば（ＩＩＩ）から計算することができる。次に、応力異方性Δσは（ＩＩ）から導出される。磁気ひずみ定数は、Δσ、（ＩＶ）から導かれるΔＨ_k,σを挿入することにより、（Ｉ）から計算することができる。

飽和磁化Ｍ_sと弾性定数Ｅおよびνは、定数として式（Ｉ）に挿入される。

本発明は、磁化変化の測定に磁気センサのＭＲ効果を直接使用することを提案するものである。本発明による方法は以下の利点を有する。
−補償法の使用により固定磁化状態が保証され、これにより構造化薄膜内の局所磁化分布によるエラーが回避される。バイアス磁界、たとえば、異方性磁気抵抗センサ（ＡＭＲ）内のソフト・バイアス、長さ方向の磁気的にハードな磁界（ハード・バイアス）、または隣接磁性体層の交換磁界は、いかなる影響も及ぼさない。
−この測定は単純で高速である。
−ＭＲ効果は非常に敏感である。
−この測定はセンサ・エレメント自体で実行することができる。個別に製造されるモニタ層を設ける必要はまったくない。

本発明の方法により磁気ひずみ定数を測定するための装備を概略的に示す図である。

Claims (6)

1. 磁気抵抗エレメントの磁気ひずみ定数を直接測定するための方法であって、
   １つまたは複数の磁気抵抗エレメントを担持する基板を用意するステップと、
   前記基板を曲げ治具に挿入するステップと、
   前記基板に平行なＤＣ磁界を加えるステップと、
   前記基板に垂直で前記エレメントの磁気抵抗層に平行な交番磁界を加えるステップと、
   前記エレメントからの信号を測定するステップと、
   前記基板を曲げることにより、前記基板に平行な機械的応力を加えるステップと、
   前記機械的応力を加える前に測定された信号に到達するまで、前記ＤＣ磁界を変化させるステップと、
   を特徴とする、方法。
2. 前記基板がローまたはウェハである、請求項１に記載の方法。
3. 前記ローまたはウェハが複数の磁気抵抗エレメントを担持する、請求項２に記載の方法。
4. 前記機械的応力がマイクロメータねじによって加えられる、請求項１ないし３のいずれか１項に記載の方法。
5. 前記マイクロメータねじが電子的に制御される、請求項４に記載の方法。
6. 前記磁気抵抗エレメントが、異方性磁気抵抗（ＡＭＲ）ベースのセンサ、巨大磁気抵抗（ＧＭＲ）ベースのセンサ、またはトンネル磁気抵抗（ＴＭＲ）ベースのセンサである、請求項１ないし５のいずれか１項に記載の方法。

Images