JP2021502708A - 永久磁石、磁場センサ、及び永久磁石の製造方法 - Google Patents
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Abstract
Description
−反強磁性層、
−反強磁性層への交換結合によって磁化方向が設定される強磁性層を備え、この強磁性層は、
・反強磁性層と接触しており、又は厚さが2nm未満の中間強磁性副層によって反強磁性層から単に分離されており、厚さは2nmより厚く、少なくとも部分的に結晶化された鉄とコバルトの合金である第1のタイプの強磁性材料から形成される、第1の副層と、
・第1の副層によって反強磁性層から分離されており、厚さは2nmより厚く、第2のタイプの強磁性材料で形成される、第2の副層と、
を備える。
本発明は、この要望を満たすことを目的とする。
これらの図において、同じ符号は、同じ要素を示すために用いられている。この説明の残りの部分では、当業者に周知の特徴及び機能については詳細には説明されない。
−AとBは、この層又は副層を構成する化学元素の記号であり、
−インデックスxは、層又は副層内の要素Aの割合であり、
−インデックスyは、層又は副層内の要素Bの割合である。
図1は、磁場センサ10を示す。このセンサ10は、永久磁石の構造以外は、特許出願US2070503724A1の図8を参照して説明されたセンサと同一である。したがって、そのようなセンサの実施形態の例を示すため、このセンサの一般的な構造については簡単な説明のみが与えられる。
−直交方向X及びYに平行な水平面に本質的沿って存在する基板12、及び
−基板12上に形成された3つの単軸磁力計(single-axis magnetometers)14〜16。
−基板12に対してそれぞれ移動可能な永久磁石20〜22、及び
−永久磁石の動きをそれぞれ対応する電流又は電圧の変化に変換できる変換器(transducers)24〜26。
−反強磁性層がハッチングされている、
−強磁性層の磁気モーメントの方向は矢印で表されている、
−スタックの中央にある波線は、このスタックの中間部分が表示されていないことを示している、
−さまざまな層の間における厚さの比率は、図を見やすくするために考慮されていない、
−スタックの長さLとスタックの高さとの比率は、スタックの縦方向の図形のサイズを小さくするために考慮されていない。
−N回繰り返されるパターン34、
−次に、典型的に、反強磁性層36の場合、
−次に、当該スタックの上部に堆積されたカプセル化層(encapsulation layer)38。
−反強磁性層40、
−反強磁性層40への交換結合により磁化方向が設定される(pinned)強磁性層42。
−マンガン合金、
−NiO、及び
−Fe2O3。
−強磁性層が反強磁性層上に直接堆積されている、又は
−全体の厚さが0.5nm未満、好ましくは0.4nm又は0.2nm未満の1つ(又は複数)の非常に薄い非磁性層によって反強磁性層から単に分離されている。
したがって、本明細書において、「反強磁性層と接触する強磁性層」又は「反強磁性層と接触する強磁性副層」という表現は、強磁性層又は強磁性副層が反強磁性層に直接機械的接触を行う場合だけを意味するのではなく、この層又はこの副層が反強磁性層から、その全体の厚さが0.5nm未満の1つ又は複数の非磁性層によってのみ分離される場合も意味する。
−第1のタイプの強磁性材料で形成された副層44、
−第2のタイプの強磁性材料で形成された副層46、及び
−第1のタイプの強磁性材料で形成された副層48。
−構造a):鉄原子は立方体の頂点を占め、コバルト原子は各面の中心を占める。
−構造b):鉄原子は立方体の頂点と立方体の水平面の中心を占め、コバルト原子は立方体の各垂直面の中心を占める。
−構造c):コバルト原子は立方体の頂点を占め、鉄原子は各面の中心を占める。
ここで、鉄とコバルトの合金の「面心立方結晶」とは、その構造に関係なく、すべての面心立方結晶を意味する。
ここで、割合P1及び割合P2は、単位面積又は単位体積あたりの面心立方結晶の数である。通常、割合P1は割合P2の1.1倍又は1.3倍である。
−Jexはerg/cm2で表される(1erg/cm2=10−3ジュール/m2)
−Msは、emu/cm3(1emu/cm3=103A/m)で表される飽和時の磁化(magnetization at saturation)である。
−eFは、センチメートルで表される強磁性層の厚さである。
−Hexは、エルステッドで表される交換磁場である。
ここで、No.1〜3の磁石のそれぞれは、ステップ72を除いて図3のプロセスを実施することによって製造された。したがって、実験された磁石は構造化されておらず、したがって特定の方向に長くなっていない。実験測定を簡略化するため、それぞれの永久磁石はパターン34を1つだけ含んでいる。さらに、これらの永久磁石の製造において、ステップ74の後、磁石は、上記の表に示す最初の熱処理が行われる前に、400℃を超える温度での熱処理を受けていない。
磁石No.1:Ta 5/Ru 3/Pt50Mn50 30/Co80Fe20(T1) 20/Pt50Mn50 30/Ta 10
磁石No.2:Ta 5/Ru 3/Pt50Mn50 30/Co80Fe20(T2) 20/Pt50Mn50 30/Ta 10
磁石No.3:Ta 5/Ru 3/Pt50Mn50 30/Co80Fe20(T1) 6/Co80Fe20(T2) 8/Co80Fe20(T1) 6/Pt50Mn50 30/Ta 10。
−強磁性層が材料T2のみで構成されている場合(磁石No.2)よりも、熱処理による磁場Hexの劣化がはるかに少なく、
−強磁性層が材料T1のみで構成されている場合(磁石No.1)よりも、熱処理による磁場Hcの劣化がはるかに少なく、
−強磁性層が材料T1のみで構成されている場合(磁石No.1)、又は材料T1のみで構成されている場合(磁石No.2)よりも、熱処理による方形度の劣化がはるかに少ない。
−材料T1で形成された強磁性副層86、
−材料T2で形成された強磁性副層88、及び
−材料T1で形成された強磁性副層90。
−反強磁性層94、
−反強磁性層94への交換結合により磁化方向が設定される強磁性層96、
−「スペーサー」とも呼ばれる非磁性層98、
−強磁性層96への反強磁性RKKY結合(antiferromagnetic RKKY (Ruderman-Kittel-Kasuya-Yosida) coupling)によって磁化方向が設定される強磁性層100、
−スペーサーを形成する非磁性層102、及び
−積層された当該パターンの直上に位置する別のパターン92の反強磁性層94への交換結合によって磁化方向が設定される、強磁性層104。
−強磁性層104の直上に位置する反強磁性層と接触する、材料T1で形成された副層112、及び
−層104の磁化方向を設定する反強磁性層の反対側に位置する、材料T2で形成された副層114。
−反強磁性層40と副層44との間に介在する副層124、及び
−その直上に位置する反強磁性層40と副層48との間に介在する副層126。
パターンの変形例:
強磁性層の他の多くの実施形態が可能である。たとえば、強磁性層は、材料T2で形成された単一の副層の代わりに、互いに直接積層された材料T2で形成された複数の副層を含むことができる。同様に、材料T1で形成された副層は、材料T1で形成された複数の副層が互いに直接積層されたスタックで置き換えられ得る。
−e44=2.5nm、e46=15nm、e48=2.5nm、
−e44=5nm、e46=10nm、e48=5nm、又は
−e44=7.5nm、e46=5nm、e48=7.5nm。
パターンには他の構造も可能である。たとえば、この特許出願で与えられた教示は、特許出願US2017053724A1の図6〜8に記載されたさまざまなパターンに適用される。
イオンビームスパッタリングによる堆積の代わりに他のスパッタリング堆積プロセスが使用されてもよい。たとえば、マグネトロン陰極スパッタリング(magnetron cathode sputtering)による堆積、又は三極管陰極スパッタリング(TCS;triode cathode sputtering)による堆積、又は他の陰極スパッタリング法(other cathode sputtering methods)が使用されてもよい。使用するスパッタリングプロセスが何であれ、材料T1及び材料T2の堆積速度の比は、必要に応じて、材料T1及び材料T2を得るために、上記のように調整される。
材料T1及び材料T2で形成された副層を使用することにより、永久磁石の熱安定性を、特に高温での熱処理に関して改善することができる。
−強磁性層が材料T2のみで構成されている場合(磁石No.2)よりも、熱処理による磁場Hexの劣化がはるかに少なく、
−強磁性層が材料T1のみで構成されている場合(磁石No.1)よりも、熱処理による磁場Hcの劣化がはるかに少なく、
−強磁性層が材料T1のみで構成されている場合(磁石No.1)、又は材料T2のみで構成されている場合(磁石No.2)よりも、熱処理による方形度の劣化がはるかに少ない。
Claims (13)
- −反強磁性層(40;94)と、
−前記反強磁性層への交換結合によって磁化方向が設定される強磁性層(42;84;96、104;122)と、を備え、
前記強磁性層は、
・前記反強磁性層と接触しており、又は厚さが2nm未満の中間強磁性副層(124、126)によって前記反強磁性層から単に分離されており、厚さが2nmより厚く、少なくとも部分的に結晶化された鉄とコバルトの合金である第1のタイプの強磁性材料で形成される、第1の副層(44、48、86、90、108、112)と、
・前記第1の副層によって前記反強磁性層から分離されており、厚さが2nmより厚く、第2のタイプの強磁性材料で形成される、第2の副層(46;88;110、114)と、を備え、
前記第2のタイプの強磁性材料もまた、鉄とコバルトの合金であり、面心立方結晶の割合が、前記第1のタイプの強磁性材料の面心立方結晶の割合より低いことを特徴とする、永久磁石。 - −前記第1のタイプの強磁性材料の鉄の割合は、原子パーセントで、前記第2のタイプの強磁性材料の鉄の原子パーセントでの割合に等しい。
−前記第1のタイプの強磁性材料のコバルトの割合は、原子パーセントで、前記第2のタイプの強磁性材料のコバルトの原子パーセントでの割合に等しい、請求項1に記載の永久磁石。 - −前記第1の副層(44、48)は、スパッタリング堆積プロセスを用いて形成され、
−前記第2の副層(46)は、同じスパッタリング堆積プロセスを用いて形成され、前記第2の副層の堆積速度は、前記第1の副層の堆積速度よりも5倍遅い、請求項2に記載の永久磁石。 - −前記第1のタイプの強磁性材料では、鉄の割合とコバルトの割合とは、原子パーセントで、それぞれ40%未満と60%超過であり、
−前記第2のタイプの強磁性材料では、鉄の割合とコバルトの割合とは、原子パーセントで、それぞれ50%超過と50%未満である、請求項1に記載の永久磁石。 - 前記第2のタイプの強磁性材料中の鉄の割合とコバルトの割合とは、原子パーセントで、それぞれx%とy%に等しく、xが60〜70の間であり、yが30〜40の間である、請求項1〜4の何れか一項に記載の永久磁石。
- −前記永久磁石は、積層方向に互いに直接積層されたN個のパターン(34;82;92;120)、Nは2以上の整数、のスタックを備え、
各パターンは、
−反強磁性材料で形成された前記反強磁性層の実施例、
−強磁性材料で形成され、このパターンの前記反強磁性層の実施例への交換結合によって磁化方向が設定される前記強磁性層の実施例、
を備え、
−すべての前記パターンの前記強磁性層のさまざまな実施例の磁化方向は、すべて互いに同じである、請求項1〜5の何れか一項に記載の永久磁石。 - −N−1パターンの前記強磁性層の実施例の磁化方向は、スタック内で直接隣接するパターンの前記反強磁性層の実施例への交換結合によって設定され、
−これらのN−1パターンのそれぞれにおける前記強磁性層の実施例のそれぞれは、前記隣接するパターンの前記反強磁性層の実施例と接触する、又は強磁性材料で形成された厚さが2nm未満の中間副層によって前記隣接するパターンの前記反強磁性層の当該実施例から単に分離されている第3の副層(48;90)を備え、前記第2の副層(46;88)は前記第1の副層と前記第3の副層(44、48;86、90)との間に挿入され、前記第3の副層の厚さは2nmより厚く、前記第3の副層は前記第1のタイプの強磁性材料で形成されている、請求項6に記載の永久磁石。 - Nは、5又は10以上の整数である、請求項6又は7に記載の永久磁石。
- 前記第1のタイプの強磁性材料における面心立方結晶の割合が、前記第2のタイプの強磁性材料における面心立方結晶の割合よりも1.1倍高い、請求項1〜8の何れか一項に記載の永久磁石。
- 強磁性材料で形成された前記中間副層(124、126)の厚さは1nm未満である、請求項1〜9の何れか一項に記載の永久磁石。
- −「基板の平面」と呼ばれる平面に本質的に沿って存在する基板(12)と、
−測定される磁場の振幅の変化又は磁場の方向の変化に応じて前記基板に対して移動可能な少なくとも1つの永久磁石(20〜22)と、
−前記永久磁石の動きを、測定される磁場の振幅又は方向を表す電気量に変換可能な、前記基板に固定された変換器(24〜25)と、
を備え、
前記永久磁石は、請求項1〜10の何れかに記載されている通りであることを特徴とする、磁場センサ。 - 積層方向に互いに積層された以下を備えるスタックを形成すること(70)を備え:
−反強磁性層、及び
−以下を備える強磁性層、
・前記反強磁性層と接触しており、又は、強磁性材料で形成された厚さが2nm未満の中間副層によって前記反強磁性層から分離されており、厚さが2nmより厚く、少なくとも部分的に結晶化された鉄とコバルトの合金である第1のタイプの強磁性材料で形成される、第1の副層、
・前記第1の副層によって前記反強磁性層から分離されており、厚さが2nmより厚く、第2のタイプの強磁性材料で形成される、第2の副層、
前記第2のタイプの強磁性材料もまた、鉄とコバルトの合金であり、面心立方結晶の割合が、前記第1のタイプの強磁性材料の面心立方結晶の割合より低いことを特徴とする、請求項1〜10の何れか一項に記載の永久磁石の製造方法。 - スタックを形成するステップが以下を含む、
−スパッタリング堆積プロセスを用いて前記第1の副層を堆積し、
−同じスパッタリング堆積プロセスを用いて前記第2の副層を堆積し、前記第2の副層の堆積速度は前記第1の副層の堆積速度よりも5倍遅い、請求項12に記載の永久磁石の製造方法。
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2018
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