JP2011149825A - 薄膜磁気センサ及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】ＧＭＲ膜−薄膜ヨーク間の電気的及び磁気的コンタクトが良好であり、感度が良好で、製造中又は使用中に高温に曝されてもヒステリシスの増大が少ない薄膜磁気センサ及びその製造方法を提供すること。
【解決手段】以下の構成を備えた薄膜磁気センサ及びその製造方法。（１）前記薄膜磁気センサは、ＧＭＲ膜１２と、ＧＭＲ膜１２の両端に接続された薄膜ヨーク１４ａ、１４ｂとを備えている。（２）薄膜ヨーク１４ａ、１４ｂは、外側ヨーク１６ａ、１６ｂと、内側ヨーク１８ａ、１８ｂとを備えている。（３）外側ヨーク１６ａ、１６ｂは、結晶系又は微結晶系の軟磁性材料からなり、成膜後かつＧＭＲ膜１２成膜前に加熱することにより得られる。（４）内側ヨーク１８ａ、１８ｂの長さＬ₂は、外側ヨーク１６ａ、１６ｂの厚さｔ₁以上薄膜ヨーク１４ａ、１４ｂの全長の５０％以下である。
【選択図】図２

Description

本発明は、薄膜磁気センサ及びその製造方法に関し、さらに詳しくは、自動車の車軸、ロータリーエンコーダ、産業用歯車等の回転情報の検出、油圧式シリンダ／空気式シリンダのストロークポジション、工作機械のスライド等の位置・速度情報の検出、工業用溶接ロボットのアーク電流等の電流情報の検出、地磁気方位コンパスなどに好適な薄膜磁気センサ及びその製造方法に関する。

磁気センサは、電磁気力（例えば、電流、電圧、電力、磁界、磁束など。）、力学量（例えば、位置、速度、加速度、変位、距離、張力、圧力、トルク、温度、湿度など。）、生化学量等の被検出量を、磁界を介して電圧に変換する電子デバイスである。磁気センサは、磁界の検出方法に応じて、ホールセンサ、異方的磁気抵抗（ＡＭＲ： Anisotropic Magneto-Resistiity）センサ、巨大磁気抵抗（ＧＭＲ： Giant MR）センサ等に分類される。

これらの中でもＧＭＲセンサは、
（１）ＡＭＲセンサに比べて電気比抵抗の変化率の最大値（すなわち、ＭＲ比＝△ρ／ρ_０（△ρ＝ρ_Ｈ−ρ_０：ρ_Ｈは、外部磁界Ｈにおける電気比抵抗、ρ_０は、外部磁界ゼロにおける電気比抵抗））が極めて大きい、
（２）ホールセンサに比べて抵抗値の温度変化が小さい、
（３）ＧＭＲ効果を有する材料が薄膜材料であるために、マイクロ化に適している、
等の利点がある。そのため、ＧＭＲセンサは、コンピュータ、電力、自動車、家電、携帯機器等に用いられる高感度マイクロ磁気センサとしての応用が期待されている。

ＧＭＲ効果を示す材料としては、強磁性層（例えば、パーマロイ等）と非磁性層（例えば、Ｃｕ、Ａｇ、Ａｕ等）の多層膜、あるいは、反強磁性層、強磁性層（固定層）、非磁性層及び強磁性層（自由層）の４層構造を備えた多層膜（いわゆる、「スピンバルブ」）からなる金属人工格子、強磁性金属（例えば、パーマロイ等）からなるｎｍサイズの微粒子と、非磁性金属（例えば、Ｃｕ、Ａｇ、Ａｕ等）からなる粒界相とを備えた金属−金属系ナノグラニュラー材料、スピン依存トンネル効果によってＭＲ（Magneto-Resistivity）効果が生ずるトンネル接合膜、ｎｍサイズの強磁性金属合金微粒子と、非磁性・絶縁性材料からなる粒界相とを備えた金属−絶縁体系ナノグラニュラー材料等が知られている。

これらの内、スピンバルブに代表される多層膜は、一般に、低磁界における感度が高いという特徴がある。しかしながら、多層膜は、種々の材料からなる薄膜を高精度で積層する必要があるために、安定性や歩留まりが悪く、製作コストを抑えるには限界がある。そのため、この種の多層膜は、専ら付加価値の大きなデバイス（例えば、ハードディスク用の磁気ヘッド）にのみ用いられ、単価の安いＡＭＲセンサやホールセンサとの価格競争を強いられる磁気センサに応用するのは困難であると考えられている。また、多層膜間の拡散が生じやすく、ＧＭＲ効果が消失しやすいため、耐熱性が悪いという大きな欠点がある。

一方、ナノグラニュラー材料は、一般に、作製が容易で、再現性も良い。そのため、これを磁気センサに応用すれば、磁気センサを低コスト化することができる。特に、金属−絶縁体系ナノグラニュラー材料は、
（１）その組成を最適化すれば、室温において１０％を越える高いＭＲ比を示す、
（２）電気比抵抗ρが桁違いに高いので、磁気センサの超小型化と低消費電力化が同時に実現可能である、
（３）耐熱性の悪い反強磁性膜を含むスピンバルブ膜と異なり、高温環境下でも使用可能である、
等の利点がある。しかしながら、金属−絶縁体系ナノグラニュラー材料は、低磁界における磁界感度が非常に小さいという問題がある。そのため、このような場合には、ＧＭＲ膜の両端に軟磁性材料からなるヨークを配置し、ＧＭＲ膜の磁界感度を上げることが行われる。

ＧＭＲ膜の両端に軟磁性材料からなるヨークを配置した薄膜磁気センサ及びその製造方法については、従来から種々の提案がなされている。
例えば、特許文献１には、
（１）基板表面に突起を形成し、
（２）突起の両側に薄膜ヨークを形成し、
（３）突起先端面及びこれに隣接する薄膜ヨークの表面にＧＭＲ膜を形成する
薄膜磁気センサの製造方法が開示されている。
同文献には、このような方法により、
（ａ）ギャップ長間に、均一な膜厚を有するＧＭＲ膜を形成できる点、及び、
（ｂ）薄膜磁気センサの電気的及び磁気的特性が安定化する点、
が記載されている。

また、特許文献２には、ＧＭＲ膜と基板の間にバリア層が形成された薄膜磁気センサが開示されている。
同文献には、ＧＭＲ膜と基板の間にバリア層を設けると、アニール処理後のＧＭＲ膜の電気抵抗Ｒの変化率及び磁気抵抗変化率のアニールによる変化が、ＧＭＲ膜単独の場合とほぼ同等になる点が記載されている。

さらに、特許文献３には、ＧＭＲ膜の両端に軟磁性薄膜が形成され、さらに軟磁性薄膜の下面に硬磁性薄膜が形成された薄膜磁気センサが開示されている。
同文献には、硬磁性薄膜を用いて軟磁性薄膜にバイアス磁界を印加すると、外部磁界の大きさ及び極性を同時に検出できる点が記載されている。

特開２００４−３６３１５７号公報 特開２００６−３５１５６３号公報 特開２００３−７８１８７号公報

ＧＭＲ膜の両端を薄膜ヨークで挟んだ磁気センサにおいて、ＧＭＲ膜と薄膜ヨークとの間の良好な電気的及び磁気的コンタクトを得るためには、先にＧＭＲ膜を形成し、後から薄膜ヨークを形成するのが好ましい。また、この種の磁気センサにおいて、センサの感度は、主に薄膜ヨークの形状と磁気特性により決定される。薄膜ヨークに用いられる軟磁性材料は、アモルファス系の材料と、結晶系又は微結晶系の材料に大別される。

これらの内、アモルファス系の材料は、室温で成膜するだけで必要な性能が得られ、軟磁気特性を向上させるための熱処理が不要であるという特徴がある。しかしながら、磁気センサを実装する際には、半田リフローなどで高温（通常、２５０℃程度）に曝されることが多い。また、磁気センサの用途によっては、１００℃程度の温度で長時間使用されることもある。そのため、アモルファス系の材料を用いた磁気センサにおいては、製造中又は使用中の加熱によりアモルファスの結晶化が進行し、ヒステリシスが増大するという問題がある。

一方、薄膜ヨークの材料として結晶系又は微結晶系の材料を用いると、このような問題を解決することができる。しかしながら、結晶系又は微結晶系の軟磁性膜は、一般に、良好な軟磁気特性（高い透磁率や低い保磁力など）を得るためには高温での熱処理が必要である。そのため、ＧＭＲ膜及び薄膜ヨークをこの順に成膜する場合において、薄膜ヨークの軟磁気特性を向上させるための熱処理を行うと、熱処理によってＧＭＲ膜が破壊され、正常なセンサが得られないという問題がある。例えば、ＧＭＲ膜がナノグラニュラー材料からなる場合、高温での熱処理により電気比抵抗ρが著しく増大し、ＭＲ比が著しく低下する。

本発明が解決しようとする課題は、ＧＭＲ膜−薄膜ヨーク間の電気的及び磁気的コンタクトが良好であり、しかも、感度が良好な薄膜磁気センサ及びその製造方法を提供することにある。
また、本発明が解決しようとする他の課題は、製造中又は使用中に高温に曝されてもヒステリシスの増大が少ない薄膜磁気センサ及びその製造方法を提供することにある。
さらに、本発明が解決しようとする他の課題は、ＧＭＲ膜がナノグラニュラー材料からなる場合であっても、感度低下やヒステリシスの増大が少ない薄膜磁気センサ及びその製造方法を提供することにある。

上記課題を解決するために本発明に係る薄膜磁気センサは、以下の構成を備えていることを要旨とする。
（１）前記薄膜磁気センサは、
巨大磁気抵抗効果を有するＧＭＲ膜と、
前記ＧＭＲ膜の両端に電気的に接続された軟磁性材料からなる薄膜ヨークと
を備えている。
（２）前記薄膜ヨークは、
前記ＧＭＲ膜に対して外側に設けられた第１の軟磁性材料からなる外側ヨークと、
前記ＧＭＲ膜と前記外側ヨークとの間に設けられた第２の軟磁性材料からなる内側ヨークと
を備えている。
（３）前記第１の軟磁性材料は、結晶系又は微結晶系の軟磁性材料からなり、
前記薄膜磁気センサは、
（ａ）前記外側ヨーク、前記ＧＭＲ膜、及び、前記内側ヨークの順に成膜し、
（ｂ）前記ＧＭＲ膜を成膜する前に、前記外側ヨークの軟磁気特性を向上させるための熱処理を行うことにより得られるものからなる。
（４）前記内側ヨークの長さＬ₂は、それぞれ、次の（ａ）式及び（ｂ）式を満たす。
Ｌ₂／ｔ₁≧１ ・・・（ａ）
Ｌ₂×１００／(Ｌ₁＋Ｌ₂)≦５０ ・・・（ｂ）
但し、ｔ₁は前記外側ヨークの厚さ、Ｌ₁は前記外側ヨークの長さ。

また、本発明に係る薄膜磁気センサの製造方法は、巨大磁気抵抗効果を有するＧＭＲ膜と、前記ＧＭＲ膜の両端に電気的に接続された薄膜ヨークとを備えた薄膜磁気センサの製造方法であって、以下の工程を備えていることを要旨とする。
（１）基板表面に、前記薄膜ヨークの一部を構成する内側ヨークの長さＬ₂がそれぞれ（ａ）式及び（ｂ）式の関係を満たすように、第１の軟磁性材料からなる一対の外側ヨークを形成する外側ヨーク形成工程。
Ｌ₂／ｔ₁≧１ ・・・（ａ）
Ｌ₂×１００／(Ｌ₁＋Ｌ₂)≦５０ ・・・（ｂ）
但し、ｔ₁は前記外側ヨークの厚さ、Ｌ₁は前記外側ヨークの長さ。
「前記第１の軟磁性材料」とは、結晶系又は微結晶系の軟磁性材料をいう。
（２）前記外側ヨークを加熱し、前記外側ヨークの軟磁気特性を向上させる熱処理工程。
（３）一対の前記外側ヨークの間に前記ＧＭＲ膜を形成するＧＭＲ膜形成工程。
（４）一対の前記外側ヨークと前記ＧＭＲ膜との間に、それぞれ、第２の軟磁性材料からなる前記内側ヨークを形成する内側ヨーク形成工程。

薄膜ヨークを感磁方向に沿って外側ヨークと内側ヨークに２分割し、外側ヨーク、ＧＭＲ膜及び内側ヨークの順に成膜すると、ＧＭＲ膜−薄膜ヨーク間に良好な電気的及び磁気的コンタクトが得られる。
さらに、外側ヨークの材料として、結晶系又は微結晶系の軟磁性材料（第１の軟磁性材料）を用い、外側ヨークの成膜後かつＧＭＲ膜の成膜前に熱処理すると、ＧＭＲ膜を破壊することなく、薄膜ヨークの軟磁気特性を高めることができる。また、製造中又は使用中に磁気センサが高温に曝されても、ヒステリシスが増大することもない。

本発明の一実施の形態に係る薄膜磁気センサの平面図である。 本発明に係る薄膜磁気センサの製造方法の工程図である。 従来の薄膜磁気センサの製造方法の工程図である。 アモルファス系の材料からなる薄膜ヨークを備えた従来の薄膜磁気センサを高温に加熱する前（図４（ａ））及び加熱した後（図４（ｂ））のＭＲ特性の一例である。 ヒステリシス量ΔＨmaxの定義を説明するための概念図である。

以下、本発明の一実施の形態について詳細に説明する。
［１． 薄膜磁気センサ］
図１に、本発明に係る薄膜磁気センサの平面図を示す。図１において、薄膜磁気センサ１０は、巨大磁気抵抗効果を有するＧＭＲ膜１２と、ＧＭＲ膜１２の両端に電気的に接続された軟磁性材料からなる薄膜ヨーク１４ａ、１４ｂとを備えている。

［１．１． ＧＭＲ膜］
［１．１．１． 材料］
ＧＭＲ膜１２は、外部磁界の変化を電気抵抗Ｒの変化として感じ、結果的に電圧の変化として検出するためのものであり、巨大磁気抵抗（ＧＭＲ）効果を有する材料からなる。外部磁界の変化を高い感度で検出するためには、ＧＭＲ膜１２のＭＲ比の絶対値は、大きいほど良い。ＧＭＲ膜１２のＭＲ比の絶対値は、具体的には、５％以上が好ましく、さらに好ましくは、１０％以上である。

また、ＧＭＲ膜１２は、薄膜ヨーク１４ａ、１４ｂと直接、電気的に接続されるので、ＧＭＲ膜１２には、薄膜ヨーク１４ａ、１４ｂより高い電気比抵抗ρを有するものが用いられる。一般に、ＧＭＲ膜１２の電気比抵抗ρが小さすぎると、薄膜ヨーク１４ａ、１４ｂ間が電気的に短絡するので好ましくない。一方、ＧＭＲ膜１２の電気比抵抗ρが高すぎる場合には、ノイズが増加し、外部磁界の変化を電圧変化として検出するのが困難となる。ＧＭＲ膜１２の電気比抵抗ρは、具体的には、１０³μΩｃｍ以上１０¹²μΩｃｍ以下が好ましく、さらに好ましくは、１０⁴μΩｃｍ以上１０¹¹μΩｃｍ以下である。

このような条件を満たす材料には、種々の材料があるが、中でも上述した金属−絶縁体系ナノグラニュラー材料が特に好適である。金属−絶縁体系ナノグラニュラー材料は、高いＭＲ比と高い電気比抵抗ρを有するだけでなく、僅かな組成変動によってＭＲ比が大きく変動することがないので、安定した磁気特性を有する薄膜を、再現性良く、かつ低コストで作製することができるという利点がある。

ＧＭＲ膜１２として用いられる金属−絶縁体系ナノグラニュラー材料としては、具体的には、
（１）Ｃｏ−Ｙ₂Ｏ₃系ナノグラニュラー合金、Ｃｏ−Ａｌ₂Ｏ₃系ナノグラニュラー合金、Ｃｏ−Ｓｍ₂Ｏ₃系ナノグラニュラー合金、Ｃｏ−Ｄｙ₂Ｏ₃系ナノグラニュラー合金、ＦｅＣｏ−Ｙ₂Ｏ₃系ナノグラニュラー合金等の酸化物系ナノグラニュラー合金、
（２）Ｆｅ−ＭｇＦ₂、ＦｅＣｏ−ＭｇＦ₂、Ｆｅ−ＣａＦ₂、ＦｅＣｏ−ＡｌＦ₃等のフッ化物系ナノグラニュラー合金、
などがある。

［１．１．２． 形状及び寸法］
ＧＭＲ膜１２の形状及び寸法は、特に限定されるものではなく、目的とする磁界感度が得られるように定める。一般に、抵抗値は抵抗体の長さに比例し、断面積に反比例する。そのため、ＧＭＲ膜１２の長さＬ_Gを長くし、その膜厚（図１の紙面に対して垂直方向の長さ）を薄くし、あるいはその横幅Ｗを狭くするほど、電気抵抗Ｒを大きくすることができる。この電気抵抗Ｒを大きくすることにより、デバイスの消費電力を下げることができる。しかし、ＧＭＲ膜１２の電気抵抗Ｒが高くなりすぎると、増幅器との間でインピーダンス不良を起こす場合がある。

［１．２． 薄膜ヨーク］
［１．２．１． 構成］
薄膜ヨーク１４ａ、１４ｂは、ギャップを介して対向しており、ＧＭＲ膜１２は、ギャップ内又はその近傍において、薄膜ヨークと電気的に接続される。
ここで、「ギャップ近傍」とは、薄膜ヨーク１４ａ、１４ｂ先端に発生する増幅された大きな磁界の影響を受ける領域をいう。薄膜ヨーク１４ａ、１４ｂ間に発生する磁界は、ギャップ内が最も大きくなるので、ＧＭＲ膜１２は、ギャップ内に形成するのが最も好ましいが、ＧＭＲ膜１２に作用する磁界が実用上十分な大きさであるときは、その全部又は一部がギャップ外（例えば、薄膜ヨーク１４ａ、１４ｂの上面側又は下面側）にあっても良いことを意味する。

図１に示す例において、薄膜ヨーク１４ａ、１４ｂは、それぞれ、ＧＭＲ膜１２に対して外側に設けられた第１の軟磁性材料からなる外側ヨーク１６ａ、１６ｂと、ＧＭＲ膜１２と外側ヨーク１６ａ、１６ｂとの間に設けられた第２の軟磁性材料からなる内側ヨーク１８ａ、１８ｂとを備えている。すなわち、薄膜ヨーク１４ａ、１４ｂは、感磁方向に沿って２分割されている。この点が、従来の薄膜磁気センサとは異なる。
なお、「感磁方向」とは、ＧＭＲ膜１２の磁界感度が最大となるときの外部磁界印加方向をいう。

［１．２．２． 材料］
薄膜ヨーク１４ａ、１４ｂは、ＧＭＲ膜１２の磁界感度を高めるためのものであり、軟磁性材料からなる。弱磁界に対する高い磁界感度を得るためには、薄膜ヨーク１４ａ、１４ｂには、透磁率μ及び／又は飽和磁化Ｍｓの高い材料を用いるのが好ましい。具体的には、その透磁率μは、１００以上が好ましく、さらに好ましくは、１０００以上である。また、その飽和磁化Ｍｓは、５（ｋＧａｕｓｓ）以上が好ましく、さらに好ましくは、１０（ｋＧａｕｓｓ）以上である。
本発明において、薄膜ヨーク１４ａ、１４ｂは、感磁方向に沿って２分割されているので、それらの材料には、上記の条件に加えて、以下の条件を備えている必要がある。

［１．２．２．１． 外側ヨークの材料］
外側ヨーク１６ａ、１６ｂを構成する第１の軟磁性材料は、結晶系又は微結晶系の軟磁性材料からなる。結晶系又は微結晶系の軟磁性材料は、一般に、成膜直後には良好な軟磁気特性が得られない（透磁率が低い、保磁力が大きいなど）。軟磁気特性を向上させるためには、成膜後に熱処理を行う必要がある。一方、ＧＭＲ膜１２をある臨界温度以上に加熱すると、ＧＭＲ膜１２のＭＲ特性が低下する。結晶系又は微結晶系の軟磁性材料の磁気特性を向上させるための熱処理温度は、一般に、ＧＭＲ膜１２の特性が劣化し始める臨界温度より高い。
そのため、本発明に係る薄膜磁気センサ１０は、後述するように、
（ａ）外側ヨーク１６ａ、１６ｂ、ＧＭＲ膜１２、及び、内側ヨーク１８ａ、１８ｂの順に成膜し、
（ｂ）ＧＭＲ膜１２を成膜する前に、外側ヨーク１６ａ、１６ｂの軟磁気特性を向上させるための熱処理を行う、
ことにより得られる。

第１の軟磁性材料としては、具体的には、
（ａ）４０〜９０％Ｎｉ−Ｆｅ合金、Ｆｅ₇₄Ｓｉ₉Ａｌ₁₇、Ｆｅ₁₂Ｎｉ₈₂Ｎｂ₆、Ｆｅ_75.6Ｓｉ_13.2Ｂ_8.5Ｎｂ_1.9Ｃｕ_0.8、Ｆｅ₈₃Ｈｆ₆Ｃ₁₁、Ｆｅ₈₅Ｚｒ₁₀Ｂ₅合金、Ｆｅ₉₃Ｓｉ₃Ｎ₄合金、Ｆｅ₇₁Ｂ₁₁Ｎ₁₈合金、
（ｂ）４０〜９０％Ｎｉ−Ｆｅ合金／ＳｉＯ₂多層膜、
（ｃ）Ｆｅ_71.3Ｎｄ_9.6Ｏ_19.1ナノグラニュラー合金、Ｃｏ₇₀Ａｌ₁₀Ｏ₂₀ナノグラニュラー合金、Ｃｏ₆₅Ｆｅ₅Ａｌ₁₀Ｏ₂₀ナノグラニュラー合金、
（ｄ）Ｃｏ₃₅Ｆｅ₃₅Ｍｇ₁₀Ｆ₂₀ナノグラニュラー合金
などが好適である。
外側ヨーク１６ａ、１６ｂは、これらのいずれか１種の材料からなっていても良く、あるいは、２種以上の材料からなっていても良い。

［１．２．２．２． 内側ヨークの材料］
内側ヨーク１８ａ、１８ｂを構成する第２の軟磁性材料は、特に限定されるものではなく、結晶系又は微結晶系の軟磁性材料、あるいは、アモルファス系の軟磁性材料のいずれであっても良い。

第２の軟磁性材料としては、具体的には、
（ａ）４０〜９０％Ｎｉ−Ｆｅ合金、Ｆｅ₇₄Ｓｉ₉Ａｌ₁₇、Ｆｅ₁₂Ｎｉ₈₂Ｎｂ₆、Ｆｅ_75.6Ｓｉ_13.2Ｂ_8.5Ｎｂ_1.9Ｃｕ_0.8、Ｆｅ₈₃Ｈｆ₆Ｃ₁₁、Ｆｅ₈₅Ｚｒ₁₀Ｂ₅合金、Ｆｅ₉₃Ｓｉ₃Ｎ₄合金、Ｆｅ₇₁Ｂ₁₁Ｎ₁₈合金、
（ｂ）４０〜９０％Ｎｉ−Ｆｅ合金／ＳｉＯ₂多層膜、
（ｃ）Ｆｅ_71.3Ｎｄ_9.6Ｏ_19.1ナノグラニュラー合金、Ｃｏ₇₀Ａｌ₁₀Ｏ₂₀ナノグラニュラー合金、Ｃｏ₆₅Ｆｅ₅Ａｌ₁₀Ｏ₂₀ナノグラニュラー合金、
（ｄ）Ｃｏ₃₅Ｆｅ₃₅Ｍｇ₁₀Ｆ₂₀ナノグラニュラー合金、
（ｅ）(Ｃｏ₉₄Ｆｅ₆)₇₀Ｓｉ₁₅Ｂ₁₅アモルファス合金、Ｃｏ₈₈Ｎｂ₆Ｚｒ₆アモルファス合金、
などが好適である。
内側ヨーク１８ａ、１８ｂは、これらのいずれか１種の材料からなっていても良く、あるいは、２種以上の材料からなっていても良い。
これらの中でも、(Ｃｏ₉₄Ｆｅ₆)₇₀Ｓｉ₁₅Ｂ₁₅、Ｃｏ₈₈Ｎｂ₆Ｚｒ₆などのアモルファス系の軟磁性材料は、室温で成膜するだけで高い特性が得られるので、内側ヨーク１８ａ、１８ｂを構成する材料として好適である。

［１．２．３． 形状及び寸法］
内側ヨーク１８ａ、１８ｂの長さＬ₂は、それぞれ、次の（ａ）式及び（ｂ）式を満たしている必要がある。
Ｌ₂／ｔ₁≧１ ・・・（ａ）
Ｌ₂×１００／(Ｌ₁＋Ｌ₂)≦５０ ・・・（ｂ）
但し、ｔ₁は外側ヨーク１６ａ、１６ｂの厚さ、
Ｌ₁は外側ヨーク１６ａ、１６ｂの長さ。

Ｌ₂が短くなりすぎると、外側ヨーク１６ｂ、１６ｂとＧＭＲ膜１２の間に、健全な内側ヨーク１８ａ、１８ｂを形成するのが困難となる。従って、Ｌ₂／ｔ₁は、１以上である必要がある。Ｌ₂／ｔ₁は、さらに好ましくは３以上、さらに好ましくは５以上である。
一方、Ｌ₂が長くなりすぎると、薄膜ヨーク１４ａ、１４ｂ全体の特性が内側ヨーク１８ａ、１８ｂの特性に支配される傾向が強くなる。そのため、薄膜ヨーク１４ａ、１４ｂ全体の軟磁気特性が低下し、あるいは、製造中又は使用中にヒステリシスが増大するおそれがある。従って、薄膜ヨーク１４ａ、１４ａの全長に対する内側ヨーク１８ａ、１８ｂの長さの割合（＝Ｌ₂×１００／(Ｌ₁＋Ｌ₂)）は、５０％以下である必要がある。内側ヨーク１８ａ、１８ｂの長さの割合は、さらに好ましくは４０％以下、さらに好ましくは３０％以下である。

特に、内側ヨーク１８ａ、１８ｂの長さＬ₂は、それぞれ、次の（ｂ'）式を満たしているのが好ましい。
Ｌ₂×１００／(Ｌ₁＋Ｌ₂)≦２０ ・・・（ｂ'）
（ｂ'）式を満たしている場合、薄膜ヨーク１４ａ、１４ｂ全体の特性は、ほぼ外側ヨーク１６ａ、１６ｂの特性に支配される。そのため、第１の軟磁性材料として上述した材料を用い、かつ外側ヨーク１６ａ、１６ｂに対して適切な熱処理を施すと、内側ヨーク１８ａ、１８ｂの材質によらず、薄膜ヨーク１４ａ、１４ｂ全体の軟磁気特性が向上し、しかも製造中又は使用中にヒステリシスが増大するおそれも少ない。

薄膜ヨーク１４ａ、１４ｂの幅Ｗは、特に限定されるものではなく、目的に応じて最適な値を選択することができる。また、図１に示す例において、薄膜ヨーク１４ａ、１４ｂは、一定の幅Ｗを有する矩形状に描かれているが、これは単なる例示であり、その形状はこれに限定されるものではない。
例えば、薄膜ヨーク１４ａ、１４ｂは、両端からＧＭＲ膜１２に向かって、幅Ｗが連続的又は段階的に減少していても良い。薄膜ヨーク１４ａ、１４ｂの幅を連続的又は段階的に減少させると、より多くの磁束をＧＭＲ膜１２に集めることができるので、磁界感度が向上するという利点がある。
薄膜ヨーク１４ａ、１４ｂの厚さ（すなわち、外側ヨーク１６ａ、１６ｂの厚さｔ₁及び内側ヨーク１８ａ、１８ｂの厚さｔ₂）も特に限定されるものではなく、目的に応じて最適な値を選択することができる。
さらに、薄膜ヨーク１４ａ、１４ｂの形状は、左右対称であることが望ましいが、上述の条件を満たす限りにおいて左右非対称であっても良い。

［２． 薄膜磁気センサの製造方法］
図２に、本発明に係る薄膜磁気センサの製造方法の工程図を示す。図２において、薄膜磁気センサの製造方法は、外側ヨーク形成工程と、熱処理工程と、ＧＭＲ膜形成工程と、内側ヨーク形成工程とを備えている。

［２．１． 外側ヨーク形成工程］
外側ヨーク形成工程は、基板２０表面に、内側ヨーク１８ａ、１８ｂの長さＬ₂がそれぞれ（ａ）式及び（ｂ）式の関係を満たすように、第１の軟磁性材料からなる一対の外側ヨーク１６ａ、１６ｂを形成する工程である（図２（ａ））。
Ｌ₂／ｔ₁≧１ ・・・（ａ）
Ｌ₂×１００／(Ｌ₁＋Ｌ₂)≦５０ ・・・（ｂ）
但し、ｔ₁は外側ヨーク１６ａ、１６ｂの厚さ、Ｌ₁は外側ヨーク１６ａ、１６ｂの長さ。

薄膜ヨーク１４ａ、１４ｂが左右対称である場合、外側ヨーク１６ａ、１６ｂのヨーク間距離Ｌ_Yが（ｃ）式の関係を満たすように、第１の軟磁性材料からなる一対の外側ヨーク１６ａ、１６ｂを形成する。
２ｔ₁＋Ｌ_G≦Ｌ_Y≦２Ｌ₁＋Ｌ_G ・・・（ｃ）
但し、ｔ₁は外側ヨーク１６ａ、１６ｂの厚さ、
Ｌ₁は外側ヨーク１６ａ、１６ｂの長さ、
Ｌ_Gは一対の外側ヨーク１６ａ、１６ｂの間に形成されるＧＭＲ膜１２の長さ。

薄膜ヨーク１４ａ、１４ｂが左右対称である場合、Ｌ_Y、Ｌ₂及びＬ_Gの間には、次の（ｄ）式の関係が成り立つ。（ｃ）式は、（ａ）式、（ｂ）式、及び、（ｄ）式から求められる。
Ｌ_Y＝２Ｌ₂＋Ｌ_G ・・・（ｄ）

また、内側ヨーク１８ａ、１８ｂの長さＬ₂は、それぞれ、さらに次の（ｂ'）式を満たしているのが好ましい。
Ｌ₂×１００／(Ｌ₁＋Ｌ₂)≦２０ ・・・（ｂ'）

薄膜ヨーク１４ａ、１４ｂが左右対称である場合、外側ヨーク１６ａ、１６ｂのヨーク間距離Ｌ_Yは、（ｃ'）式を満たしているのが好ましい。（ｃ'）式は、（ａ）式、（ｂ’）式、及び、（ｄ）式から求められる。
２ｔ₁＋Ｌ_G≦Ｌ_Y≦２(Ｌ₁／４)＋Ｌ_G ・・・（ｃ'）

基板２０は、少なくともその表面が非磁性絶縁材料であれば良い。
基板２０の材料としては、具体的には、
（ａ）ガラス、アルミナ、ＭｇＯ、石英、サファイア、
（ｂ）表面にＳｉＯ₂膜が形成されたシリコン、表面にアルミナ膜が形成されたアルミナ・チタンカーバイド、
（ｃ）表面に非磁性絶縁材料からなる薄膜が形成された非磁性金属材料、
などがある。
外側ヨーク１６ａ、１６ｂの形成方法は特に限定されるものではなく、種々の薄膜形成方法を用いることができる。第１の軟磁性材料の詳細については、上述した通りであるので、説明を省略する。

［２．２． 熱処理工程］
熱処理工程は、外側ヨーク１６ａ、１６ｂを加熱し、外側ヨーク１６ａ、１６ｂの軟磁気特性を向上させる工程である（図２（ｂ））。
外側ヨーク１６ａ、１６ｂの熱処理温度は、第１の軟磁性材料の種類に応じて最適な温度を選択する。熱処理温度は、通常、３００〜１２００℃である。
例えば、ＧＭＲ膜１２がナノグラニュラー材料からなる場合、ＧＭＲ膜１２をこの温度域で加熱すると、電気比抵抗ρが増大し、ＭＲ比が低下する。これは、ナノグラニュラー粒子が粗大化し、粒子界面の絶縁膜の厚さが厚くなるためと考えられる。ナノグラニュラー材料以外のＧＭＲ膜（例えば、多層膜）においても層間の原子拡散により、ある臨界温度以上に加熱すると、ＧＭＲ膜の特性が劣化する。

［２．３． ＧＭＲ膜形成工程］
ＧＭＲ膜形成工程は、一対の外側ヨーク１６ａ、１６ｂの間にＧＭＲ膜１２を形成する工程である（図２（ｃ））。
ＧＭＲ膜１２の形成方法は、特に限定されるものではなく、種々の薄膜形成方法を用いることができる。ＧＭＲ膜１２の詳細については、上述した通りであるので、説明を省略する。

［２．４． 内側ヨーク形成工程］
内側ヨーク形成工程は、一対の外側ヨーク１６ａ、１６ａとＧＭＲ膜１２との間に、それぞれ、第２の軟磁性材料からなる内側ヨーク１８ａ、１８ｂを形成する工程である。
内側ヨーク１８ａ、１８ｂの形成方法は、特に限定されるものではなく、種々の薄膜形成方法を用いることができる。
図２に示す例において、内側ヨーク１８ａ、１８ｂは、
（ａ）基板２０の表面全面に、第２の軟磁性材料からなる薄膜１８'を形成し（図２（ｄ））、
（ｂ）薄膜１８'の不要部分をエッチングにより除去する（図２（ｅ））、
ことにより形成される。
第２の軟磁性材料の詳細については、上述した通りであるので、説明を省略する。

［３． 薄膜磁気センサ及びその製造方法の作用］
ＧＭＲ膜の両端を薄膜ヨークで挟んだ磁気センサにおいて、その感度は、主に薄膜ヨークの形状と磁気特性により決定される。薄膜ヨークには、従来、アモルファス系の軟磁性材料が用いられている。これは、アモルファス軟磁性材料は室温で成膜するだけで所望の性能が得られ、軟磁気特性を向上させるための熱処理を施す必要がないためである。
アモルファス軟磁性材料を薄膜ヨークに用いた従来の薄膜磁気センサは、図３に示すように、
（ａ）基板表面にＧＭＲ膜を形成し（図３（ａ））、
（ｂ）基板表面全面に、アモルファス軟磁性膜を形成し（図３（ｂ））、
（ｃ）アモルファス軟磁性膜の不要部分をエッチングにより除去し、薄膜ヨークを形成する（図３（ｃ））
ことにより製造されている。この方法により、ＧＭＲ膜と薄膜ヨークとの間の良好な電気的及び磁気的コンタクトを容易に得ることができるので、薄膜磁気センサをバラツキなく良好に製造することができる。

薄膜磁気センサのヨーク材料としては、飽和磁化及び透磁率が大きいこと、並びに、保磁力が小さいことが求められる。特に、保磁力については、センサ特性のヒステリシスを左右する重要な因子である。ヒステリシスが検出感度に対して無視できない程度に大きいと、外部の磁場の方向が変わったときに磁場の強さを正しく検知できなくなってしまうという機能上の問題が生じる。

アモルファス系の軟磁性材料は、優れた軟磁気特性を示し、保磁力も小さい。そのため、成膜直後（加熱前）は、図４（ａ）に示すように、ヒステリシスも小さい。
しかしながら、アモルファスは準安定構造であり、結晶のような安定構造ではないので、熱に対しては不安定ある。そのため、ある程度の高温に曝されると結晶化が進行し、所定の特性が得られなくなるという問題がある。特に、保磁力については、高温に曝されることによって極端に高くなる。
磁気センサを実際に使用する場合、実装時に半田リフローなどで高温（通常、２５０℃程度）に曝されたり、１００℃程度の温度で長時間使用することがある。このような状況では、図４（ｂ）に示すように、アモルファスの結晶化が進行し、ヒステリシスが増大する。

この現象は、特にアモルファス材料で顕在化する現象である。そのため、軟磁性材料として結晶系や微結晶系の材料を用いることで上述の問題を解決できると期待される。
しかしながら、結晶系や微結晶系の軟磁性膜をスパッタなどのドライ成膜法で作製した場合、成膜直後の軟磁性膜は、軟磁気特性が低い（透磁率が低く、保磁力が大きい）。良好な軟磁気特性を得るためには、成膜後に高温の熱処理が必要となる。この時の熱処理温度は、一般にＧＭＲ膜の特性が劣化し始める臨界温度より高い。そのため、ＧＭＲ膜及び薄膜ヨークをこの順で形成する場合において、薄膜ヨークの軟磁気特性を上げるためにセンサの熱処理を行うと、ＧＭＲ膜が壊れ、正常なセンサを作ることができない。

これに対し、薄膜ヨークを感磁方向に沿って２分割し、製造プロセスの最初に結晶系又は微結晶系の軟磁性材料からなる外側ヨークを形成し、所定の温度で熱処理を行うと、良好な軟磁気特性を持つ外側ヨークが得られる。次いで、ＧＭＲ膜及び内側ヨークをこの順で形成すると、ＧＭＲ膜を壊すことなく、ＧＭＲ膜と薄膜ヨークの間に良好な電気的・磁気的コンタクトが得られる。しかも、内側ヨークの長さＬ₂を最適化すると、薄膜ヨーク全体の磁気特性が外側ヨークにより支配される。そのため、製造中又は使用中に内側ヨークが高温に曝され、この部分の磁気特性が悪化してもヨーク全体の性能への影響を無視することができる。また、これによって、高温に曝された後であっても、センサとして正常に動作させることができる。

（実施例１）
［１． 試料の作製］
図２に示す手順に従い、図１に示す薄膜磁気センサ１０を作製した。基板２０には熱酸化膜（ＳｉＯ₂）を形成したシリコンを用い、外側ヨーク１６ａ、１６ｂには、Ｎｉ₈₀Ｆｅ₂₀を用いた。また、ＧＭＲ膜１２にはＦｅＣｏ−ＭｇＦ₂ナノグラニュラー合金、内側ヨーク１８ａ、１８ｂには、アモルファス合金(Ｃｏ₉₄Ｆｅ₆)₇₀Ｓｉ₁₅Ｂ₁₅を用いた。
Ｌ₁及びＬ₂は、それぞれ、０〜２７０μｍ及び１０〜３００μｍの範囲で変化させた。Ｗは、２０μｍ又は１００μｍとした。さらに、外側ヨーク１６ａ、１６ａの厚さｔ₁、及び、内側ヨーク１８ａ、１８ｂの厚さｔ₂は、いずれも１μｍとした。

［２． 試験方法］
得られた薄膜磁気センサを２００℃×６０分で加熱する前及び加熱した後において、それぞれ、ＭＲ特性を評価した。測定されたＭＲ波形から、ヒステリシス量を求めた。図５に示すように、同一ＭＲ比におけるFowardとBackwardの磁界Ｈの差ΔＨを逐次求め、その最大値ΔＨmaxをヒステリシス量と定義した。

［３． 結果］
表１に、その結果を示す。なお、表１には、各センサの履歴も併せて示した。表１より、以下のことがわかる。
（１）Ｌ₁＝０である場合、すなわち、薄膜ヨーク全体がアモルファス系材料からなる場合、加熱前のヒステリシス量ΔＨmaxは小さいが、加熱によりヒステリシス量ΔＨmaxが著しく増大する。
（２）内側ヨークの長さの割合（＝Ｌ₂×１００／(Ｌ₁＋Ｌ₂)）が５０％以下になると、加熱前後におけるヒステリシス量ΔＨmaxの差が小さくなる。
（３）内側ヨークの長さの割合が２０％以下になると、加熱前後におけるヒステリシス量ΔＨmaxの差がほぼゼロになる。
（４）ヨークの幅Ｗ及びヨークの全長（Ｌ₁＋Ｌ₂）によらず、上記（１）〜（３）の傾向が認められる。

（実施例２）
［１． 試料の作製］
図２に示す手順に従い、図１に示す薄膜磁気センサ１０を作製した。外側ヨーク１６ａ、１６ｂには、後述する種々の材料を用いた。また、内側ヨーク１８ａ、１８ｂには、アモルファス合金(Ｃｏ₉₄Ｆｅ₆)₇₀Ｓｉ₁₅Ｂ₁₅を用いた。基板２０とＧＭＲ膜１２は、実施例１と同様の材料を使用した。
各部の寸法は、Ｌ₁＝８０μｍ、Ｌ₂＝２０μｍ、Ｗ＝２０μｍ、ｔ₁＝ｔ₂＝１μｍとした。
［２． 試験方法］
実施例１と同様の手順に従い、２００℃×６０分加熱前後におけるヒステリシス量ΔＨmaxを求めた。

［３． 結果］
表２に、その結果を示す。なお、表２には使用した外側ヨークの材料も併せて示した。表２より、以下のことがわかる。
（１）外側ヨークの材料としてアモルファス系の軟磁性材料を用いた場合（試料Ｎｏ．２１）、加熱前のヒステリシス量ΔＨmaxは小さいが、加熱によってヒステリシス量ΔＨmaxが著しく増大する。
（２）外側ヨークの材料として、熱処理が施された結晶系又は微結晶系の軟磁性材料を用いた場合（試料Ｎｏ．２２〜２９）、外側ヨークの材料によらず、加熱前後におけるヒステリシス量の差ΔＨmaxがほぼゼロになる。

以上、本発明の実施の形態について詳細に説明したが、本発明は、上記実施の形態に何ら限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内で種々の改変が可能である。

本発明に係る薄膜磁気センサは、自動車の車軸、ロータリーエンコーダ、産業用歯車等の回転情報の検出、油圧式シリンダ／空気式シリンダのストロークポジション、工作機械のスライド等の位置・速度情報の検出、工業用溶接ロボットのアーク電流等の電流情報の検出、地磁気方位コンパスなどに用いることができる。
また、ＧＭＲ膜とその両端に配置された薄膜ヨークを備えた磁気抵抗素子は、磁気センサとして特に好適であるが、磁気抵抗素子の用途は、これに限定されるものではなく、磁気メモリ、磁気ヘッド等としても用いることができる。

１０ 薄膜磁気センサ
１２ＧＭＲ膜
１４ａ、１４ｂ 薄膜ヨーク
１６ａ、１６ｂ 外側ヨーク
１８ａ、１８ｂ 内側ヨーク

Claims (6)

1. 以下の構成を備えた薄膜磁気センサ。
   （１）前記薄膜磁気センサは、
   巨大磁気抵抗効果を有するＧＭＲ膜と、
   前記ＧＭＲ膜の両端に電気的に接続された軟磁性材料からなる薄膜ヨークと
   を備えている。
   （２）前記薄膜ヨークは、
   前記ＧＭＲ膜に対して外側に設けられた第１の軟磁性材料からなる外側ヨークと、
   前記ＧＭＲ膜と前記外側ヨークとの間に設けられた第２の軟磁性材料からなる内側ヨークと
   を備えている。
   （３）前記第１の軟磁性材料は、結晶系又は微結晶系の軟磁性材料からなり、
   前記薄膜磁気センサは、
   （ａ）前記外側ヨーク、前記ＧＭＲ膜、及び、前記内側ヨークの順に成膜し、
   （ｂ）前記ＧＭＲ膜を成膜する前に、前記外側ヨークの軟磁気特性を向上させるための熱処理を行うことにより得られるものからなる。
   （４）前記内側ヨークの長さＬ₂は、それぞれ、次の（ａ）式及び（ｂ）式を満たす。
   Ｌ₂／ｔ₁≧１ ・・・（ａ）
   Ｌ₂×１００／(Ｌ₁＋Ｌ₂)≦５０ ・・・（ｂ）
   但し、ｔ₁は前記外側ヨークの厚さ、Ｌ₁は前記外側ヨークの長さ。
2. 前記内側ヨークの長さＬ₂は、それぞれ、さらに次の（ｂ'）式を満たす請求項１に記載の薄膜磁気センサ。
   Ｌ₂×１００／(Ｌ₁＋Ｌ₂)≦２０ ・・・（ｂ'）
3. 前記第１の軟磁性材料は、
   （ａ）４０〜９０％Ｎｉ−Ｆｅ合金、Ｆｅ₇₄Ｓｉ₉Ａｌ₁₇、Ｆｅ₁₂Ｎｉ₈₂Ｎｂ₆、Ｆｅ_75.6Ｓｉ_13.2Ｂ_8.5Ｎｂ_1.9Ｃｕ_0.8、Ｆｅ₈₃Ｈｆ₆Ｃ₁₁、Ｆｅ₈₅Ｚｒ₁₀Ｂ₅合金、Ｆｅ₉₃Ｓｉ₃Ｎ₄合金、Ｆｅ₇₁Ｂ₁₁Ｎ₁₈合金、
   （ｂ）４０〜９０％Ｎｉ−Ｆｅ合金／ＳｉＯ₂多層膜、
   （ｃ）Ｆｅ_71.3Ｎｄ_9.6Ｏ_19.1ナノグラニュラー合金、Ｃｏ₇₀Ａｌ₁₀Ｏ₂₀ナノグラニュラー合金、Ｃｏ₆₅Ｆｅ₅Ａｌ₁₀Ｏ₂₀ナノグラニュラー合金、及び、
   （ｄ）Ｃｏ₃₅Ｆｅ₃₅Ｍｇ₁₀Ｆ₂₀ナノグラニュラー合金
   から選ばれるいずれか１以上である請求項１又は２に記載の薄膜磁気センサ。
4. 前記第２の軟磁性材料は、アモルファス系の軟磁性材料からなる請求項１から３までのいずれかに記載の薄膜磁気センサ。
5. 巨大磁気抵抗効果を有するＧＭＲ膜と、前記ＧＭＲ膜の両端に電気的に接続された薄膜ヨークとを備えた薄膜磁気センサの製造方法であって、以下の工程を備えた薄膜磁気センサの製造方法。
   （１）基板表面に、前記薄膜ヨークの一部を構成する内側ヨークの長さＬ₂がそれぞれ（ａ）式及び（ｂ）式の関係を満たすように、第１の軟磁性材料からなる一対の外側ヨークを形成する外側ヨーク形成工程。
   Ｌ₂／ｔ₁≧１ ・・・（ａ）
   Ｌ₂×１００／(Ｌ₁＋Ｌ₂)≦５０ ・・・（ｂ）
   但し、ｔ₁は前記外側ヨークの厚さ、Ｌ₁は前記外側ヨークの長さ。
   「前記第１の軟磁性材料」とは、結晶系又は微結晶系の軟磁性材料をいう。
   （２）前記外側ヨークを加熱し、前記外側ヨークの軟磁気特性を向上させる熱処理工程。
   （３）一対の前記外側ヨークの間に前記ＧＭＲ膜を形成するＧＭＲ膜形成工程。
   （４）一対の前記外側ヨークと前記ＧＭＲ膜との間に、それぞれ、第２の軟磁性材料からなる前記内側ヨークを形成する内側ヨーク形成工程。
6. 前記内側ヨークの長さＬ₂は、それぞれ、さらに次の（ｂ'）式を満たす請求項５に記載の薄膜磁気センサの製造方法。
   Ｌ₂×１００／(Ｌ₁＋Ｌ₂)≦２０ ・・・（ｂ'）

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