JP2014525138A - 磁歪層システム - Google Patents

Abstract

磁歪層システムは、反強磁性体（ＡＦＭ）層およびその上に直接配置される磁歪強磁性体（ＦＭ）層を含む、少なくとも１つの層順序を含み、層順序は交換バイアス（ＥＢ）磁場と関連し、外部磁場の不存在下で、ＦＭ層のＥＢの誘導された磁化の度合いが、８５％〜１００％にあり、そしてＥＢ磁場方向と磁歪方向（磁歪方向はＡＦＭ層とＦＭ層とに平行な面において外部磁場がない場合に最大の圧磁計数を有する）とにより囲まれる角度α_ｏｐｔは１０°〜８０°である、磁歪層システムが提案される。
【選択図】図２

Description

本発明は、磁歪層システムおよびその製造方法に関する。本発明は、磁電気センサーにも関する。

物質の磁歪は、外部磁場の作用によるその物質の形状および／または体積の変化を示す。形状の変化の場合、この変化は、体積を維持する磁場方向（ジュール磁歪）に垂直な長さにおける変化に付随して起こる印加磁場の方向の長さにおける変化により表される。その長さは、物質の関数として、磁場方向において増加または減少し、それは正磁歪または負磁歪という。

原則として、磁歪は、全ての強磁性体またはフェリ磁性体の場合にも想定されうる。いくつかにおいて、磁歪の広がりは、十分に大きい「磁歪物質」として技術的に重要なことを成し遂げた。例として、強磁性の遷移物質（Ｆｅ、Ｎｉ、Ｃｏ）およびそれらの合金、希土類元素（Ｔｂ、Ｄｙ、Ｓｍ）と強磁性の遷移金属（例えば、ＴｂＦｅ_２、ＳｍＦｅ_２、ＴｂＤｙＦｅ）との化合物またはさまざまな部位に元素Ｆｅ、Ｃｏ、ＢまたはＳｉを主に含有する強磁性ガラス（いわゆる磁性金属ガラス（ｍａｇｎｅｔｉｃ ｍｅｔ ｇｌａｓｓｅｓ））が挙げられる。

外部磁場に沿った磁気元素の双極子の整列は、長さにおける磁歪の変化の原因とされている。現在わかっているものに関して、それは、室温で最大２．５ｍｍ／ｍ＝２５００ｐｐｍを意味しうる。しかしながら、最大およそ１０％より大きく延長することは、磁場に誘導されたマルテンサイト変形の再配列による強磁性体の形状記憶合金において成し遂げられる。

原則の問題として、磁歪は、外部磁場の強度の一次関数として起こらない。むしろ、そこには、例えば、物質の長さのさらなる変化が見いだされえないことに基づく飽和磁場強度Ｈ_Ｓが存在する。したがって、すべての元素の双極子はすでに磁場方向に完全に整列し、磁場強度においてさらなる増加はもはや物質の反応の原因とならない。

さらに、磁歪は磁場の逆転に対して不変であり、すなわち、磁化の同時の始動形態にあり、そしてヒステリシス効果を考慮することなく、反対方向を示す同じ磁場強度を有する２つの磁場は長さにおいて同じ変化を示す。

磁歪曲線λ（Ｈ）は、物質内の領域分布における変化の理由で磁界強度Ｈを有する磁場方向に沿って物質（または物質製のもの）の長さにおける磁歪の変化を記載する。

磁気ヒステリシスのない最も単純な場合において、λ（Ｈ）は、原点を通り抜け（磁場なしで変更しない）、Ｈ＝０に対称である。Ｈ（＞｜Ｈ_Ｓ｜）の大きな絶対値のため、（正または負の）飽和値とみなされる。文献において「圧磁係数」と言われる、その微分係数のｄλ／ｄＨにおいて、Ｈ＝±Ｈ_Ｂに達することは、Ｈ＝０とＨ＝±Ｈ_Ｓの２つの極値との間を示す。結果的に、磁歪曲線の変曲点に位置していること、およびこれらの変曲点の周囲にあること（Ｈ＝±Ｈ_Ｂ−磁歪についての小さな磁場変化）はおよそ線形および最大感度である。

普通、磁歪物質は、程度の差はあるが明白なヒステリシスも示し、したがって、磁歪曲線の経路も履歴に従う。特に、外部場において循環するとき、具体的な磁界強度Ｈ_０はより大きいまたはより小さい磁場から接近されるかどうかに違いがあることがわかる。長さλ＜（Ｈ_０）およびλ＞（Ｈ_０）に２つの測定可能な変化があるが、Ｈ＝０に対称性を示す：λ＜（Ｈ_０）＝λ＞（−Ｈ_０）およびλ＜（−Ｈ_０）＝λ＞（Ｈ_０）も示す。

例えば、磁歪で圧電性の物質層、いわゆる電磁気複合層から多層複合材料を製造することは特許文献１に開示されている。とりわけ、それらは、圧電性物質に機械的結合により、磁歪物質の長さを変化させるのにうまく適合しており、そしてその電気分極状態における変化の原因となる。その構造を原因とする電荷シフト（ピエゾ効果）は、測定可能な電場または直接磁歪を検出し、したがって間接的に外部磁場を検出する測定電圧を生じる。そのような複合材料は、通常、略して、磁電気センサーまたはＭＥセンサーと呼ばれる磁場センサーの基礎を形成しうる。

米国特許出願公開第２００４／０１２６６２０（Ａ１）号

極小の磁場が検出される場合、つまり、極めて感度の高い磁歪層は製造され、十分な 量の磁歪物質はこの目的のために提供されるに違いない。すべての専門的知識は、立方ミリメートルの大きさ次数の物質の体積はピコ・テスラの流束密度を検出するのに適切であることを示す。まず、小さい磁場用の「交換バイアス」ＭＥセンサーを製造することは、上述したことに関して、数十ナノメートルに限定される磁歪層厚さを用いることに有望であるようには見えない。

用語「ゼロ磁場における圧磁係数」は、以下で、磁歪層を特徴づけるため用いられる。本願明細書において、このことは、外部磁場の不存在下で、または概してゼロ磁場においてｄλ／ｄＨの絶対値を意味する。

本発明の目的は、極めて感度の高いＭＥセンサーを製造するのに好適な磁歪層システムを規定することである。

上記目的は、少なくとも１つの反強磁性体（ＡＦＭ）層およびその表面に直接配置される磁歪強磁性体（ＦＭ）層を含み、ゼロ磁場においてＦＭ層のＥＢの誘導された磁化の度合いは８５％超および１００％未満であり、ＥＢ磁場方向と磁歪方向とにより囲まれる層の面における角度α_ｏｐｔはゼロ磁場における最大圧磁係数（１０°〜８０°である）である交換バイアス（ＥＢ）磁場を表す、層システムにより成し遂げられる。

上述の最大圧磁係数は、通常、永久磁石で支持されている同じ物質の磁歪層の圧磁係数として同じ桁の大きさである。

本発明は、ゼロ磁場において、この磁気異方性がＥＢ磁場により導入される前である場合、圧磁係数は、磁歪が（磁歪方向に）発生するＦＭ層中の方向の関数であるという知見に基づく。この点において、ゼロ磁場における圧磁係数は、層の面におけるこの方向とＥＢ磁場方向に囲まれている角度の関数である。ＥＢ磁場方向またはＥＢ磁場方向に直角に配置されている方向のいずれにも有意に一致しない方向は、最大であると推測される。この方向は最大圧磁係数を測定することにより確認されうる。

磁化の度合いはＭ（Ｈ）／Ｍ（Ｈ_Ｓ）（飽和磁化を特定する外部場ＨおよびＭ（Ｈ_Ｓ）に測定されうる磁化を規定するＭ（Ｈ）の割合）として説明される。結果的に、ゼロ磁場における磁化の度合いはＭ（Ｈ＝０）／Ｍ（Ｈ_Ｓ）である。

本発明の層システムは、０．８５＜Ｍ（Ｈ＝０）／Ｍ（Ｈ_Ｓ）＜１の特徴を示し、したがって、少なくとも１つのＦＭ層の正味の磁化（磁気層モーメント）を示す。磁化の度合いは、まず、上記方向および層モーメントの絶対値を決定し、次いでこの方向に沿っている磁気ヒステリシス曲線を記録することにより測定されうる。層モーメントの方向は同時の印加される交換バイアス磁場の方向である。

本発明の層システムは、縦座標のＨ＝０の一方において、すでにおよそ完全な磁化を示す交換バイアス磁場方向におけるヒステリシス曲線により特徴づけられる。特に、ゼロ磁場においてさえ、少なくとも１つの磁歪のＦＭ層はすでに交換バイアスにより少なくとも８５％磁化されている。しかしながら、これは、とても強固で、元素磁石の移動度の欠如は意図する磁歪に悪影響を有するＥＢピンニングとすでになっているであろうから、完全に磁化されないだろう。したがって、層システムにおける本発明に係るＥＢ磁場Ｈ_ＥＢの設定の絶対値の選択は上限である。

本発明の層システムは、ＥＢ磁場の方向と角度α_ｏｐｔを囲む層の面における方向に沿ってゼロ磁場における最大圧磁係数を示し、α_ｏｐｔは１０°〜８０°である。好ましい実施形態は、角度α_ｏｐｔが角度４５°〜７５°にあるという事実にみられうる。その角度は、ＥＢ磁場の絶対値により間接的に決定される。その範囲において言及される角度の限界は、Ｈ_ＥＢの有利な限度を表す。

本発明の層システムを用いる場合、特に、小漂遊磁界のみまたは無漂遊磁界でさえ内在する支持磁場ならびにゼロ磁場における高圧磁係数および高磁電気の電圧係数を示すＭＥセンサーはが製造されうる。このようなＭＥセンサーは、層システムのＥＢ磁場の方向と角度α_ｏｐｔを実質的に囲む所定の測定方向を示す。この角度は、少なくとも１０°および最大８０°である。好ましくは４５°〜７５°となる。

ＭＥセンサーを製造するため、専門家の知識の範囲で互いの上に複数回、本発明の層システムを堆積させて、よって積層を形成することも可能である。発明的に設定された交換バイアスを有するＡＦＭ／ＦＭ二重層を繰り返す間に非磁性中間層を提供することは有利でありうる。中間層の目的は、以下でさらに説明される。

本発明は、以下の図を用いることによってもより詳細に説明される。
ＥＢ磁場の方向において交換バイアス（ＥＢ）より支持される磁歪層を含む積層のヒステリシス曲線を示す図である。 圧磁係数に依存する角度を示す、磁場方向とＥＢ磁場方向の間の異なる角度の図１の積層の磁歪曲線を示す図である。 ＥＢ担持型の磁歪層と永久磁石による支持される磁歪層との間の漂遊磁界の計算された比較を示す図である。 本発明の実施形態に係る層システムを示す図である。 本発明の実施形態に係る磁電気センサーを示す図である。 本発明の実施形態に係る方法のフローチャートを示す図である。

（実施形態の詳細な説明）
ＭＥセンサーの感度の重要な態様は、小さい磁場に対する磁歪の大きさである（ナノテスラ未満、１テスラ＝μ０×１０，０００エルステッド）。第２の態様は、磁場において変化する電圧応答の線形性である。もしコンポジットの磁歪層が、極めて小さい磁場が磁歪曲線の変曲点の領域に通常あるように比較可能な圧磁係数ｄλ／ｄＨを測定されることを示すように連続的に配置されうる場合、測定タスクという意味の最適化がされる。

磁歪層と平行して、いわゆる支持磁場を配置するのが有利でありうる。支持磁場は一時的に一定であり、センサーの領域において、磁歪が最適化される方向に沿って相同および拡大する。ＭＥセンサーに対して、これは、測定磁場の一成分が平行して決定される測定方向ある。支持磁場は、磁気バイアス磁場とも呼ばれ、上記したものに従って、全体の層においてできる限り絶対値Ｈ_Ｂを示す。

「支持されていない」（すなわち、支持磁場に影響を受けない）磁歪層および前もって磁化されていない磁歪層は、Ｈ＝０に対称な磁歪曲線を示し、そしてゼロ磁場において実質的にゼロの圧磁係数を示す。対照的に、先行技術に係る強度Ｈ_Ｂの支持磁場が磁歪層に設定される場合、元素の双極子−磁気異方性の配列のエネルギー的に好ましい望ましい方向が存在し、そして圧磁係数は、ゼロ磁場において方向の関数である。したがって、支持磁場の方向においてその圧磁係数は最も大きい値であると推測させる。

支持磁場は、電磁的に、または永久磁石の物質により生成され得る。支持磁場の電磁的な生成の場合、センサー配列の信号をノイズにする新しいノイズ源が導入される。磁歪層の端または内部でさえ直接配列される永久磁石の開発は、極めて小さい測定フィールドを検出しうるいわゆる「自己バイアス」ＭＥセンサーの製造を可能とする（例えば欧州特許出願０７２９１２２（Ａ１））。

しかしながら、「自己バイアス」（内在する支持磁場）を有する現在公知の全磁歪層は、ゼロとは異なり、したがってそれらの周辺に漂遊磁界を生成もする正味の磁化を表す。このことは、欠点であり、特に複数の磁歪の元素がごく近傍に配列され、例えば、空間分解された磁場測定のＭＥセンサー中に配列される。加えて、センサーの一体的な統合および支持フィールドの発生器はさらなる小型化の課題があるが、支持磁場の配置に関するセンサーの移動は結果的に別のノイズ源を結果として最も小さな磁場でさえ不均一性のものとする。

ＭＥセンサーアレイは、応用の重要な分野における以前のＳＱＵＩＤ技術をすぐ代替しうる生体磁気検出器の新たな生成のための良い候補である。例えば、試験用ヒトの心臓電流（ｃａｒｄｉａｃ ｃｕｒｒｅｎｔ）の磁場または脳波の磁場も検出され得、好ましくは空間分解され、異なる場成分を用い、原則として、電流分布を生成するために計算しなおされもする（源の再構築）。将来、装置（例えば人口装置）の制御でさえ、磁気的に検出された脳波パターンを用いて、予測されうる。しかしながら、ＳＱＵＩＤを超伝導化することは、極度の冷却に依存し、ＭＥセンサーは、室温でさえピコテスラの値に感度の値を実現する。漂遊磁界を使いこなす問題は、いまだ解決されていない。

Ｖｏｐｓａｒｏｉｕらの研究の「Ａ ｎｅｗ ｍａｇｎｅｔｉｃ ｒｅｃｏｒｄｉｎｇ ｒｅａｄ ｈｅａｄ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ｂａｓｅｄ ｏｎ ｔｈｅ ｍａｇｎｅｔｏ−ｅｌｅｃｔｒｉｃ ｅｆｆｅｃｔ（磁気電気効果に基づく新たな磁気記録読み取りヘッド技術）」（Ｊ．Ｐｈｙｓ．Ｄ：Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．、２００７年、第４０巻、ｐ．５０２７〜５０３３）は、先行技術に係る、磁気抵抗を経る代わりに小型ＭＥセンサーを経た磁気記憶媒体から読み出すことを提案する。

記憶媒体（その配向性はビットを表す）により影響を受ける比較的大きな磁気モーメントは、磁歪物質のとても薄い層においてさえ、長さにおいて圧電駆動（型）に測定可能な変化の原因となりうる。このため、磁歪層は好ましい動作点に至らされるべきである。これは、磁歪強磁性体（ＦＭ）層の上部または下部に直接配列されている反強磁性体（ＡＦＭ）層を用いて、交換の相互作用により成し遂げることができる。

ＦＭ／ＡＦＭ交換相互作用は、文献において「交換バイアス」（ＥＢ）と言及され、１９５６年の発見以来、理論的実験的に徹底的に研究されている。今まで、それはどのように生じるか一般的なモデルは存在しないが、それがＡＦＭおよびＦＭフェーズの間のインターフェース効果であるということが既成の事実として考えられている。それ自体、ＥＢ効果は、実質的に、磁気交換により決定される短い範囲を有する（ほとんどの物質において数〜数十ナノメートル）。

例えば、「磁気ランダムアクセスメモリ」（ＭＲＡＭ）または磁気読取ヘッド用の「磁気トンネル接合」を製造するとき、ＥＢ効果は、とりわけデジタル保存技術における磁気層のいわゆる「ピンニング」に有益である。「ピンニング」により、かつて構築されたＦＭ層の磁化は固定または安定化されている。これは、例えば、ＦＭ層中の双極子の配向を固定するために、磁場（「フィールドアニーリング」）中のＦＭ／ＡＦＭ二重層を、まずキュリー温度以下に落ちている温度に冷却することにより起こる。ＡＦＭ層の双極子も、ネール温度以下にさらに冷却して配列し、したがって、ＦＭ層において、磁気、一方向異方性を製造する。ＦＭ層における双極子のねじれまたは反りは異方性に沿った磁気ヒステリシス曲線のシフトにおけるもっとも明らかな結果としてのさらなる違いにより作られる。シフト_ＥＢの拡大は交換バイアスフィールド（強度）とみなされる。

交換バイアスのさらなる情報および反強磁性物質を用いた拡大テーブル（特に、表２〜４）は、Ｎｏｇｕｅｓ（ノゲス）およびＳｃｈｕｌｌｅｒ（シューラー）による同じ名前の概説記事から集められうる（Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｍａｇｎｅｔｉｓｍ ａｎｄ Ｍａｇｎｅｔｉｃ Ｍａｔｅｒｉａｌｓ、１９９９年、第１９２巻、ｐ．２０３−２３２）。

磁気抵抗の測定用の試験電流なしで済ます磁気読取ヘッドのための概念は限定されたエネルギー電池に依存する携帯端末機用に非常に魅力的である。

どうやら、ＭＥセンサーは、ＡＦＭの支持磁場を示すことは知られていない。「自己バイアス」ＭＥセンサーは、とりわけ、とても小さい磁場を検出するために調査されているので、上記概念を実行するときに予測されうるいくつかの問題は驚くべきことではない。

ＥＢ効果がより大きくなれば、磁歪のＦＭ層はより薄くなる。きわめて薄いＦＭ層は、普通、Ｈ_ＥＢを用いて一方向に完全にピンニングされ、種々の１００Ｏｅの桁の大きさにおいて十分である。実際のところ、このようにして固定された層はもはや関連する磁場に磁歪を示さず、ピンニングの方向においても示さない。

周知のように、Ｈ_ＥＢはＦＭ層の層厚さの増加と共に減少する。ＦＭ層は、磁歪に好ましく配置されている領域をＡＦＭ／ＦＭインターフェースの近くに示しうる。しかしながら、さらに離れた層の領域は、ＥＢは届かない。ＥＢを用いるＦＭ層の同質の磁化を達成するため、ＦＭ層の大きすぎる厚さを選択するのは好ましくない。

磁歪層は、アクチュエータ用または磁歪センサーとして圧電層と組み合わせて用いられる。両方の場合において、効果（アクチュエータ）または感度（磁電気センサー）の大きさは、磁歪層の層厚さに対応する。

本発明の出発点は、ＡＦＭ／ＦＭ二重層で設定されるＥＢ磁場の絶対値の知見であり、現在の知識において、一般に理論的に予測され得ないが、後に、磁気ヒステリシス曲線を用いて実験により決定されうるだけである。ＥＢ磁場の方向だけは、アニーリングフィールドの方向を選択することによりあらかじめ正確に設定されうる。しかしながら、ＥＢ磁場の絶対値はＦＭ層の層厚さを変更することにより変更され、層厚さが増加したときに減少する。

Ｖｏｐｓａｒｏｉｕらがまず採用される場合、ＥＢ磁場は、その絶対値Ｈ_ＥＢが、ＥＢ磁場の方向において感度を設定するために、圧磁係数が最大になり、支持磁界強度Ｈ_Ｂに正確に対応するように生み出される。しかしながら、Ｈ_ＥＢおよびＨ_Ｂは、ＦＭ層の厚さの両方が変化するので、互いに独立に変化され得ず、そしてＨ_ＥＢ＝Ｈ_Ｂの状況は任意の層厚さのために満たされ、もし、これがそのようにされる場合、実質的な実装はなんて複雑であろう。

本発明の中核的要素は、それゆえ、ＥＢ磁場により規定された磁気状態に導かれうる磁歪のＦＭ層を含むＡＦＭ／ＦＭ層システムを作成し、次いでＥＢ磁場の磁歪より層面における別の方向に沿った磁歪を見ることである。これはゼロ磁場における最大圧磁係数により特徴づけられる方向を明らかにし、１０°〜８０°にあるＥＢ磁場方向を伴った角度α_ｏｐｔを包囲する。α_ｏｐｔは、好ましくは４５°〜７５°にある。

本発明の層システムは、例えばスパッタリングなどの物理気相堆積方法を用いて製造されうる。

先行技術において、ＡＦＭ層の厚さは、ＡＦＭ層の厚さにおいてさらなる増加がＦＭ層においてもはやＥＢ磁場の絶対値に影響しないように選択されうる。２、３ナノメートルの層厚さは、普通、このために十分である。しかしながら、ＡＦＭ層厚さも、それが、安定な反強磁性体相を形成しうる場合のみ、より小さくなるように選択される。先行技術は、ＦＭ層を固定するためできるだけ最大のＥＢ磁場を得ようと努力している。しかしながら、本発明において、上限のあるＥＢ磁場の強度は便利である。ＦＭ層の厚さの厚さは交換バイアス磁界強度Ｈ_ＥＢを決定する。

予備実験により、本発明の意味の交換バイアスはＡＦＭ／ＦＭ層システムの物質の具体的な選択を設定され、そしてどちらの層厚さはこれを達成するために必要であるかの選択を設定されうるかの問題において、当業者は容易に明確さを得うる。

例えば、当業者は、ＦＭ層の厚さの異なるサンプルのセットであるが、同一の調製されたＡＦＭ層を製造し、それを次々に、キュリー温度およびネール温度で磁場において同一条件アニールし、次いで、例えば、アニーリング方向に沿って振動試料磁力計を用いてヒステリシス曲線を記録しうる。

まずアニール条件にサンプルをさらし、いくつかの磁気分極を反転させ、いわゆる交換バイアスのトレ−ニング効果を構成することを勧める。結果的に、ＥＢ磁場は２、３回の循環中に安定な最終値に導かれる。

その後、サンプルのヒステリシスの試験は、１以上のサンプルはすでに磁化飽和近くのゼロ磁場にあることを示す少なくとも１つの従来のいくつかのヒステリシス曲線となるだろう。本発明において、８５％の最少の磁化の度合いは定義された磁化状態に不可欠である。

本発明に係る好ましいサンプルは、ゼロ磁場におけるサンプルの少なくとも８５％のＦＭ層の磁化に十分な絶対値の観点から最少のＥＢ磁場を示すことがちょうど生じるものである。この制限の結果として、ＥＢ磁場は、双極子がもはや移動性でないであろうし、もはや小さい磁場に影響を受け得ない大きさのでない。好適な層の厚さは、記載されている予備調査から本発明の層システムに直接生じうる。

第一実施形態として、発明の層システムは以下のとおり理解されうる：

２ｎｍの厚さのタンタル層およびその上に配置された２ｎｍの厚さの銅層は、反強磁性のためのシード層を形成する。その上に、一般に、好ましくは３ｎｍ〜８ｎｍ、特に好ましくかつ本明細書における一例として５ｎｍの厚さを有するＭｎ_７０Ｉｒ_３０（ａｔ％）からなるＡＦＭ層を堆積する。磁歪ＦＭ物質Ｆｅ_５０Ｃｏ_５０は、一般に、好ましくは１５ｎｍ〜２５ｎｍ、特に好ましくはかつ本明細書における一例として２０ｎｍの厚さを有する層においてＡＦＭ層の上に配置される。

一方では、実質的にいかなる基板上にもＡＦＭ相を形成する多結晶性ＡＦＭ物質があり、他方、この目的のため基板の具体的な結晶秩序（「テクスチャー」）を必要とするものがある。もしテクスチャーが存在しない場合、結晶秩序は、追加のシード層を配置することにより回避されうる。実施形態において、ナノ結晶性タンタルは、基板のテクスチャーを「消去」する課題があり、またはその上に配置された物質を見えなくする課題がある。その後、その上に堆積された銅層は、マンガン−イリジウム合金において、ＡＦＭ相を形成するための好ましい基板を提供する。

実施形態の層システムは、Ｇ．Ｒｅｉｓｓ，Ｄ．Ｍｅｙｎｅｒｓ，“Ｌｏｇｉｃ ｂａｓｅｄ ｏｎ ｍａｇｎｅｔｉｃ ｔｕｎｎｅｌ ｊｕｎｃｔｉｏｎｓ”，Ｊ．Ｐｈｙｓ．： Ｃｏｎｄｅｎｓ．Ｍａｔｔｅｒ １９（２００７），１６５２２０（１２ｐｐ）の論文に開示されている物質と同じ選択性を示しうる。

タンタルの「テクスチャー消去」効果は層順序の繰り返しの間にも生じるので、第一実施形態の層システムは、繰り返しにより積層として形成されうる。すべての繰り返しにおいて、タンタルは磁歪のＦＭ層の上に配置される。

第二実施形態として、Ｔａ／Ｃｕ／Ｍｎ_７０Ｉｒ_３０／Ｆｅ_５０Ｃｏ_５０層システムを全４０の繰り返しを有する磁歪積層は、第一実施形態において記載されているように、理解されている。１２００ｎｍの全厚さ、磁歪物質によって形成される体積の３分の２を示す。したがって、平方センチメートルの断面につき、１０^８μｍ^３の磁歪物質は、薄膜技術の手段で製造される好感度ＭＥセンサーの従来のデザインのフレームにある基板に堆積されうる。

本発明の層システムは、基板（例えば、シリコンウェーハ）をコーティングし、次いで、全体的に基板からコーティングを除去することにより製造されうる。したがって、任意の基板なしで形成されうる。

以下の概説表において、本発明を理解するのに好適なさらなる物質系が列挙されている。層の厚さ（特に、Ｈ_ＥＢを設定するためのもの）およびゼロ磁場における最大圧磁係数を有するＥＢ磁場方向に対する角度は、さらに上述されているようなサンプルを用いて測定されうる。表中の元素の後ろの添え字は、原子パーセントにおける混合比を示す。さらなる言及は表の脚注に集めている。

図１は、交換バイアスを配置したときに用いられるアニーリングフィールドの方向における第二実施形態に係る積層の、測定したヒステリシス曲線を示す。印加されたＥＢ磁場に起因してＨ＝０で縦座標の片側の積層における少なくとも８５％のＦＭ層の磁化の存在は本発明の層システムの特徴である。

すでに述べたように、当業者は積層の形成に精通している。同様に、例えば、当業者は、米国特許出願公開第２０１１／０６２９５５（Ａ１）号で開示されたＭＥセンサーは、交互に配置している複数の磁歪のおよび圧電層のいずれの場合も含む積層として実施されている。それゆえ、交互に配置している圧電層と発明の磁歪層とのシステムを示すＭＥセンサーの製造もできる。

代案として、上記のとおり、本発明の層システムの繰り返しとして形成される磁歪積層を、個々の圧電層に全体として、磁歪積層を結合し、ＭＥセンサーを形成することも可能である。この可能性は、金属性／伝導性磁歪の場合にかなりより単純なリソグラフィー構成となる点で好ましい。

第二実施形態に係る積層の磁歪は、印加されたＥＢ磁場の方向に対して０＜α≦９０°異なる角度で試験される場合、磁歪曲線は、関数としてシフトし、そしてその定性的な経路にも変化することがわかる

図２は、角度α_ｏｐｔ＝３６°、５４°、７２°および９０°についての、ＥＢ方向に対して回転する方向に平行の、第二実施形態の測定された磁歪曲線を示す。ＦＭ層の双極子が磁歪をもたらす磁場の方向に配向され、特に正確に直角である場合、本願明細書において９０°の場合は磁歪曲線の公知の対称形態と対応する。他の場合において、非対称かつ特に程度の差はあるが強く上昇するｄλ／ｄＨはＨ＝０で見られうる。本願明細書において、ゼロ磁場において最も大きな圧磁係数ｄλ／ｄＨを有する方向はα_ｏｐｔ＝５４°で測定される。

印加されたＥＢ磁場（方向は、層システムが終了した後でさえ、Ｈに対するヒステリシス曲線の最大のシフトの発生を用いる任意の場合において決定されうる）の方向の、最大圧磁係数が、ゼロ磁場において、１０°〜８０°、好ましくは４５°〜７５°である角度α_ｏｐｔの測定されうる層の面における方向からのずれは、本発明の層システムのさらなる特徴である。

角度α_ｏｐｔの精密な値は、一般用語において述べることはできないが、具体的な層システム（物質および層厚さを特定するとき）は、磁歪の角度の解決される実験を用いて測定されるに違いない。しかしながら、精密な値は、層システムのために一度だけ決定される。すでに知られているものからわずかにずれている層システムが製造されるとき、α_ｏｐｔの適応は必要であるかもしれない。

その後、α_ｏｐｔが設定されうるという事実に起因して、印加されたＥＢ磁場の正確な絶対値は、あまり重要ではない。Ｈ_ＥＢが必要よりもわずかに大きく設定される場合、特に、少なくとも１つのＦＭ層の磁化の度合いがゼロ磁場において８５％を超過するように設定される場合、ゼロ磁場における最大圧磁係数を有する方向は、したがってわずかに大きい角度α_ｏｐｔに見いだされる。

ゼロ磁場において発明的な方法でＦＭ層の好適な磁化の度合いに生じさせるＥＢ磁場を設定するため、いくつかの可能性、例えば、事前試験におけるいくつかのサンプルがある場合、間隔４５°〜７５°に角度α_ｏｐｔを持っていく、これらの可能性の間を選択することが有利である。

ある意味では、α_ｏｐｔを探す行為は、支持方向におけるＥＢ磁場の微調整に相当する。今まで、Ｖｏｐｓａｒｏｉｕらの場合にそのような微調整の不在は、実質的な実装を妨げた。本明細書に記載されている手段を用いることは、ゼロ磁場における高圧磁係数を有する「ＥＢ磁場−担持型」磁歪層システムは、現在、製造されかつ利用されうる。

極めて小さい測定磁場のためのＭＥセンサーを製造するため、十分磁歪物質を有するために、ＥＢ磁場−担持型積層を製造することに依存しなければならない。ヒステリシス曲線のシフトとゼロ磁場における圧磁係数の角度依存における状況は、本発明の個々の層システムと層システムの複数の繰り返しを含む積層に等しくあてはまる。実際、積層上のヒステリシスおよび磁歪を測定するのはさらに簡単である。通常、ＥＢ磁場は、製造が終わった後に積層に認識されるだけである。したがって、角度α_ｏｐｔは確認されない。

ＭＥセンサーの場合に、基板は、従来、例えば長方形のストリップ（例えば、Ｓｉ製または圧電性物質でまず被覆されているガラス製でも）である。当該基板は、それ自体片持ち形態で形成されている圧電物質でもありうる。例えば、その複合材料の底部と頂部は電圧を分岐させる電極を用いて接続されている。

ＭＥセンサーも、磁歪が用いられ、そしてこのため最大の感度を示すに違いないように設定された軸を示す。長方形のストリップの場合に、これは、例えばより長い軸である。発明の積層が圧電物質上に配列された後、支持磁場は、磁場内でアニーリングにより印加される。代替として、内因性の支持磁場は、例えば、磁場中のスパッタリングにより磁歪物質の体積中に生成されもする。すべての場合に、ＭＥセンサーの設定された軸に対して、角度α_ｏｐｔについて、ＥＢ磁場の方向を決定する磁場を回転させる必要がある。このようにして、磁歪層システムは、特に定義した方向に正確に従って、上記ストリップの例において、ゼロ磁場における最大圧磁係数を示し、それゆえ、例えば、縦軸、したがって、ＭＥセンサーの測定方向を意図している。

代替として、積層は、例えば、前もって、電気的に接触された圧電を伴って提供される２次元の基板（例えば、ウェーハ）上の大きな領域上に塗布されうる。全ウェーハは、その後アニーリングフィールドにおいて処置され、次いで、細長い形状のＭＥセンサーに個片化されうる。プロセスにおいて、個片化の方向、つまり、個片化されたストリップの長軸の方向は、最も感度の高いＭＥセンサーが得られるアニーリングフィールドを伴う角度α_ｏｐｔを含んでいなければならない。

本願明細書に開示されている磁歪層システムは、永久磁石を解消することにより積極的に減少した正味の磁化の本質的な利点を有する。各磁歪層において元素の双極子の好ましい整列が磁化の正味のモーメントを生成することに注意することは、交換バイアスにより導入される異方性だけである。しかしながら、これは、そうでなければ支持磁場に必要とされる永久磁石の磁界強度と比べて小さい。この上部に、双極子配列の均一性、すなわち、支持磁場の均一性は、特に、先行技術と比較して改善されているＥＢ効果により保障されている。

漂遊磁界は、相当な労力でのみ測定されうるので、数的モデルの算出は、本発明の効果を説明するのに、本願明細書において十分であるだろう。図３は、強磁性体の近くに、計算された磁界分布を示し、磁歪の長方形のストリップは、ａ）本発明のＥＢバイアス磁化の縦軸（ｘ軸）、ｂ）永久磁石の縦軸に沿った主な磁場方向での永久磁石の配列に平行である。ＡｌＮｉＣｏの永久磁石の大きさは、強磁性体の長方形のストリップの位置で平均５Ｏｅの量の磁場であるように選択され、±１０％超で変動しない。第二の隣接した長方形のストリップまたはセンサーの中心（ｘ＝０）における磁場は、ａ）の場合におよそ２ｎＴ、そしてｂ）の場合におよそ１００ｎＴに達する。

図４は、本発明の実施形態に係る層順序４００を示し、上部に電気的に接続できる圧電物質４０２が配置されている２次元の基板４０１を示す。圧電物質４０２の上部に、複数の反強磁性体層４０３、４０５および複数の磁歪強磁性体層４０４、４０６の変更した層順序からなる層システムが配置されている。

図５は、本発明の実施形態に係る磁電気センサーを示す。センサー５００は上記の層順序４００を示す。電気的に接触された圧電物質は、リード線５０３を用いて、圧電物質を受信する回路５０１に接続されている。回路５０１は、インターフェース５０２を用いて外部読取装置に接続されうる。

図６は、本発明の実施形態に係るＭＥセンサーの製造方法のフローチャートを示す。段階６０１において、２次元の基板は、電気的に接触された圧電物質で被覆されている。段階６０２において、上記の層システムが利用され、ＥＢ磁場の方向が外部磁場を事前に設定することにより決定される。段階６０３において、ＭＥセンサーの測定方法は、反強磁性体層および磁歪強磁性体層に平行な面における方向として定義され、圧電係数は外部磁場の不存在下で最大である。段階６０４において、被覆された２次元の基板は、その後、長方形のストリップを形成するように個片化され、その後ストリップの長軸は測定方向とみなされ、そして予備実験で知られている事前に公知のＥＢ磁場の角度α_ｏｐｔの方向を伴って囲んでいる。

「含む（ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ）」および「示す（ｅｘｈｉｂｉｔｉｎｇ）」は他の要素または段階を排除せず、「ａ」または「ａｎ」は複数を排除しないことが加えて指摘される。さらに、上記の実施形態の一つを参照して記載されている特徴部または段階は上記の他の実施形態の他の特徴部または段階と組み合わせて用いられもする。請求項における参照数字は限界として理解されるべきでない。

Claims (13)

1. 反強磁性体（ＡＦＭ）層（４０３、４０５）および
   その表面に直接配置される磁歪強磁性体（ＦＭ）層（４０４、４０６）
   を含む、少なくとも１つの層順序を含む層システム（４０３、４０４、４０５、４０６）であって、
   前記層順序が交換バイアス（ＥＢ）磁場と関連し、
   外部磁場の不存在下で、前記ＦＭ層のＥＢの誘導された磁化の度合いが、８５％〜１００％にあり、
   ＥＢ磁場方向と磁歪方向（磁歪方向は前記ＡＦＭ層と前記ＦＭ層とに平行な面において外部磁場がない場合に最大の圧磁計数を有する）とにより囲まれる角度α_ｏｐｔが１０°〜８０°である、層システム。
2. 前記角度α_ｏｐｔが、４５°〜７５°である、請求項１に記載の層システム。
3. 少なくとも１つの層順序のＡＦＭ層の厚さが３ｎｍ〜８ｎｍである、請求項１または２に記載の層システム。
4. 少なくとも１つの層順序のＦＭ層の厚さが１５ｎｍ〜２５ｎｍである、請求項１〜３のいずれか１項に記載の層システム。
5. 層順序におけるＡＦＭ層の厚さ：ＦＭ層の厚さの比が１：８〜１：２である、請求項１〜４のいずれか１項に記載の層システム。
6. 層システムにおける異なる層順序の前記ＡＦＭ層の厚さおよび前記ＦＭ層の厚さが同一である、請求項５に記載の層システム。
7. ＡＦＭ層およびＦＭ層からなる少なくとも１つの層順序が基板のないものとして具現化される、請求項１〜６のいずれか１項に記載の層システム。
8. 少なくとも１つの層順序のＡＦＭ層が、Ｍｎ_７０Ｉｒ_３０、Ｐｔ_５０Ｍｎ_５０、Ｆｅ_５０Ｍｎ_５０を含むリストから選択される物質からなるまたは含む、請求項１〜７のいずれか１項に記載の層システム。
9. 少なくとも１つの層順序のＦＭ層が、Ｃｏ_５０Ｆｅ_５０、Ｃｏ_４０Ｆｅ_４０Ｂ_２０、Ｆｅ_７０Ｃｏ_８Ｂ_１２Ｓｉ_１０、Ｔｂ_３５Ｆｅ_６５を含むリストから選択される物質からなるまたは含む、請求項１〜８のいずれか１項に記載の層システム。
10. 少なくとも１つの圧電層との機械的結合において、請求項１〜９のいずれか１項に記載の層システムの少なくとも１つにより特徴づけられる磁場を測定する磁電気（ＭＥ）センサーであって、前記センサーの所定の測定方向が、前記層システムのＥＢ磁場の方向と実質的に前記角度α_ｏｐｔを囲む、センサー。
11. 少なくとも以下の方法段階を含む請求項１０に記載のＭＥセンサーの製造方法であって、前記方法は、
    ｉ）２次元の基板（４０１）を電気的に接触された圧電物質（４０２）で被覆する工程；
    ｉｉ）請求項１〜９のいずれか１項に記載の層システム（４０３、４０４、４０５、４０６）を塗布し、外部磁場を前もって設定して、前記ＥＢ磁場の方向が決定される工程；
    ｉｉｉ）前記ＭＥセンサーの測定方向、前記反強磁性方向および磁歪強磁性体層に平行な面にある測定方向を決定する工程を含み、ならびに圧電係数は外部磁場の不存在下でＥＢ磁場の方向においてより大きい。
12. 前記測定方向が、反強磁性体層および磁歪強磁性体層に平行な面における方向として設定され、前記圧電係数は外部磁場の不存在下で最大である、請求項１１に記載の方法。
13. 被覆された２次元の基板を長方形のストリップに個片化する工程、前記ストリップの長軸が測定方向に拡大する工程、および予備実験でわかっている前もってわかっている角度α_ｏｐｔをＥＢ磁場の方向で囲む工程、の方法段階をさらに有する、請求項１１に記載の方法。

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