JP2571062B2 - 高周波帯域用軟磁性膜及びその製造方法 - Google Patents

高周波帯域用軟磁性膜及びその製造方法

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Description

【発明の詳細な説明】 (産業上の利用分野) 本発明は高周波帯域で使用する軟磁性薄膜及びその製
造方法に関するものである。
(従来の技術) 近年高周波領域に使用する軟磁性材料の需用は相当多
くなっている。高周波領域に使用する材料としては,例
えば磁気ヘッド材料,又高周波域の各種ノイズを削除す
るインピーダンス素子などが代表的なものである。
(本発明が解決しようとする問題点) これらの材料はこれまで主に高周波特性の良好なフェ
ライトが主に使用されている。しかしながらフェライト
には各種問題が存在する。
まず第1に,飽和磁化量MSが低い。その為に磁気ヘッ
ド材の場合は高保磁力材料には書き込めない。又ノイズ
フィルター素子としてはインピーダンスが低く,その為
材料の容積が大きくなり,IC基板等への自動挿着がむず
かしいなど大きさからくる制約があった。
第2に,周波数特性が高周波領域で劣化しやすい。そ
の為に高磁気記録密度システムに使用する場合,書き込
みが十分でなく読み出しの出力を十分に得られない。又
ノイズ素子としては今後発生すると予想される高周波帯
域でのノイズを押さえるのには不十分であるなどの欠点
があり,本質的な磁気特性の改善が必要が要望されてい
る。
(問題点を解決する為の手段) 本発明の高周波数領域用軟磁性膜は,ハロゲンガスの
反応性成膜法による膜内へのハロゲン元素の含有及びハ
ロゲン元素の連続的周期的な変化を有する多層膜を形成
したものである。
すなわち本発明によれば,反応性成膜法により形成さ
れたハロゲン元素(Qであらわす)をx at%,添加元素
(M)をy at%(但しy=0を含む),強磁性元素
(R)を(100−x−y)at%有する堆積膜であって,x
+yが10at%以上50at%以下の範囲にある場合に, 該堆積膜がその厚さ方向に,xが25at%以下のアモルフ
ァス構造の軟磁性層とxが55at%以上80at%以下の結晶
質構造の高抵抗の非磁性層とが交互に配置されているこ
とを特徴とする高周波帯域用軟磁性膜が得られる。
又本発明によれば,加熱により供給される強磁性元素
及び添加元素にハロゲンガスを反応性ガスとして作用さ
せて高周波帯域用軟磁性膜を形成する方法であって,前
記供給される強磁性元素及び添加元素を供給する供給部
への出力を変えて成膜速度を多様に変化させ,これによ
り堆積膜の組成を変えてアモルファス構造の軟磁性の層
と結晶質構造の非磁性の層を交互に配列した多層膜とす
ることを特徴とする,高周波帯域用軟磁性膜の製造方向
が得られる。
上記の様な薄膜は,反応性成膜法によって得ることが
できる。本発明ではハロゲンガスであるF,Cl,Br,Iを含
有することにより,強磁性元素であるFe,Ni,Coをベース
としたアモルファス構造及び非結晶構造の薄膜が多層構
造で作製された。ここで反応性成膜法とはそれによって
生成される化合物薄膜及び金属薄膜の少なくとも1つの
組成は気相となっている状態で行なわれる成膜技術であ
る。
成膜方法としては,例えばrf,dc,対向ターゲット,イ
オンビーム,クラスターイオンビーム,トライマグ等ス
パッター法及び蒸着法が上げられる。ここで反応性スパ
ッター法について説明する。反応性スパッタリングの金
属原子と反応性ガスが化合する場所は,一般にはターゲ
ットと基板上で起ると考えられている。勿論放電空間中
での衝突化合も発生するが3次元空間内の衝突となり,
基板面上での移動原子の衝突のような2次元空間での衝
突やターゲットへのイオン等の衝突などと比較して頻度
が小さく,プラズマの温度が高く,たとえクラスター同
士や原子同士の衝突が起っても化合により生じた熱エネ
ルギーの逃げ場がなくて結局すぐに分解することにな
る。勿論,この衝突と化合,分解のプロセスにおいて,
原子の飛翔するエネルギーが減少すると考えて差しつか
えない。その為,基板への原子の衝突エネルギーも未反
応に比較すると弱くなる。つまり,高速粒子が堆積膜内
に格子間原子として入り込んだり堆積膜の表面原子をは
じきとばして膜内の原子配列に格子間原子として押し込
む釘打ち効果(peening effect)が弱くなる。その結
果,圧縮または引張応力などの内部応力が変化すること
が挙げられる。その為,反応性スパッター法では,成膜
条件にもよるが,柱状晶(コラム)構造の成長が押えら
れ,代りにラミネート層の形状が認められるなど,いわ
ゆる多層膜構造の形成が容易になる。
そこで本発明では,先にも述べたように,反応性ガス
の量,及び堆積原子の供給源の出力を周期的連続的に変
えることにより,膜厚方向にハロゲン元素の多い層と金
属元素の多い層を周期的に変えたハロゲン元素含有の多
層膜を得るようにしたものである。
このような構成の本発明になる高周波帯域用磁性材料
の磁気特性への影響について説明する。
(A)スパッタリングレートの向上効果がある。つまり
ハロゲン元素がターゲット面に打ちつけられると,ター
ゲットの構成元素と反応し,ハロゲン元素のない場合に
比較して,スパッタリングレートが向上する。勿論,成
膜条件を適切に選ばなければならない。
(B)としてソフトランディング効果がある。通常のrf
スパッタ,dcスパッタにおいてはArイオンの衝撃による
ターゲットからの金属イオンの飛び出しとサブストレー
トへの飛翔が生じる。これらのイオンと電子がサブスト
レートへ直接到達する(ハードランディング)ことによ
り,サブストレート上に方向性を有する柱状晶が成長す
る。ハロゲンガス反応性スパッタにおいてはFガスを使
用した場合,ターゲットとサブストレート間に侵入した
Fガスにより金属プラズマがFイオンと結合と解離を繰
り返し,エネルギーを失う。その結果,サブストレート
上のコラムの成長が起らず,サブストレートに平行な層
状組織が形成されやすい。以上のことは磁気特性の測定
からも確かめられた。
(C)次に磁気特性に対する有効性について説明する。
ハロゲン元素はアモルファス形成元素である。ハロゲン
元素,F,Cl,Br,Iを含有することにより,強磁性元素Fe,C
o,Niをベースとしたアモルファス構造を有する磁性薄膜
が作製される。アモルファス構造はハロゲン元素含有量
25at%以内で形成され,25〜80at%では結晶性ハロゲン
化合物の形成が始まる。軟磁性材料の磁気特性を得る為
には0.1〜5at%の含有量が適当である。又高抵抗の絶縁
膜である55〜80at%のハロゲン元素の含有量において非
磁性膜を作成することができる。
第2図に本発明になる熱処理前の多層膜Fe−B−Fサ
ンプル(10mmφ)の磁化容易方向,困難方向のM−Hル
ープを示した。又,サンプルを容易方向,困難方向に20
mm幅×20mm長さに切断して長さ方向に磁場中熱処理を行
ない,長さ方向のM−H曲線を測定した。
第3図にこのM−Hループを示した。なお(a)は磁
化容易軸方向に切断した場合を示し,(b)は磁化困難
軸方向に切断した場合を示している。
(D)本発明により成膜したアモルファス及び結晶性の
積層効果,さらに反応性スパッタリングにより,膜内部
に組織的異方性を生じる。その為熱処理方法を適切に選
択することでその実効透磁率の周波数依存性は10MHz以
上の高周波領域まで一定な値を示す。
第4図にFe−B−F膜(膜厚1.23μm)の磁化容易方
向,困難方向のμe−特性を示した。困難軸方向に切
断したサンプルのμe−特性は10MHz以上の周波数領
域までほぼ一定の周波数特性を示すのに対して,容易軸
方向に切断したサンプルについてはなだらかに減少して
おり,高周波領域では低い特性である。以上のデータよ
り磁化困難軸方向のμe−特性が高周波帯域で使用し
得る磁気特性であり,これらの特性は磁気ヘッド材料,
及びインピーダンス素子として有用な特性である。
(実施例) 以下に本発明の一実施例について説明する。
実施例1 第5図に示した様な対向ターゲットDCスパッタ装置を
使用して対向ターゲット2にCoZrNbターゲットを取り付
ける。rfターゲット4にはFeF3ハロゲン化合物粉末をプ
レス成型して使用する。真空槽1内を5×10-7Torrまで
真空引きした後Arガスを6より導入し,槽内が2×10-3
Torrになる様に調節する。ハロゲンガス発生用rf電極5
の出力を例えば40W,200Wと周期的に変化させる。その変
化と連動してCoZrNbの接着しているDC電極2の出力を0.
4A,2.0Aの間で第6図に示す様に連続的かつ周期的に変
化させる。
第1図は上記のような成膜方法により数μmの膜を堆
積させた場合における堆積膜厚み方向の組成変化を,EPM
Aにより分析した結果を模式的に示した図である。組成
のCo及びFが周期的に変化していることがよく分る。そ
の結果成膜時の磁気特性として第7図に示す様な保磁力
0.4Oe,Ms:14500GのM−Hループと,磁化困難軸方向はH
cのヒステリシスがほとんど見られないM−Hループが
得られた。このCoZrNbF多層膜を適切な条件で回転磁場
中熱処理を施すことで第8図に示す様な高周波領域まで
一定のμe12000の磁気特性が得られた。比較の為に
同図に代表的フェライトの高周波特性を示した。1MHz以
上で大きな差が生じている。
以上の多層膜をWSPタイプのヘッド(主磁極励磁型単
磁極ヘッド)に加工してCo,Crのスパッタ膜媒体を用い
て録再特性を求めたところ,再生出力で大幅な高出力が
得られた。このことはヘッドギャップを狭めることが
でき,より高密度記録が可能となり,トラック幅を狭
くでき,ヘッド面と磁気記録媒体のスペーシングがよ
り広くできヘッドと媒体間のトライボロジ(境界面摩
擦)が改善され耐久性が向上するを意味する。
表1に本発明になる組成と製造条件,磁気特性(Bs,
μe at10MHz,Hc,Br/Bs)についてその実施例を示した。
実施例2 インピーダンス素子への応用は主に電気抵抗の大きな
フェライト材料が使われている。ノイズ対策用に使われ
るフェライト材料は従来のトランス用の材質とは若干異
なり減衰させたい高周波領域で大きなインピーダンスを
持つ必要がある。従来のフェライト材は1MHz付近までは
良好なインピーダンス特性を有するが10MHzの領域では
3分の1ないし4分の1に減少してしまう。さらにフェ
ライトの実効透磁率は10MHzの領域でμe≒700と低く,
高周波域まで大きなμeが望まれている。
本発明では以上の要求から薄膜インピーダンス素子
(薄膜ノイズフィルター)を得ることもできた。使用し
た膜組成は(Co Zr Nb)96F4:軟磁性膜と(Co Zr Nb)
40F60:絶縁層の多層膜である。膜の構成は第9図(a)
及び(b)に示す様な構成となっており,電気導電膜
(Cu膜)10が電気絶縁膜(SiO2膜)9でカバーされ,さ
らに軟磁性多層膜8でサンドウィッチされている。なお
(a)は位置Bの断面図,(b)は位置Aの断面図を示
している。この様な構成からなるノイズフィルター素子
のインピーダンス特性は 1MHz インピーダンス = 500(Ω) 10MHz インピーダンス =1500 50MHz インピーダンス =1400 100MHz インピーダンス =1300 500MHz インピーダンス =1100 と良好な周波数依存性を示した。
又,このインピーダンス素子の変形例として第9図の
素子を並列に並べることは可能である。さらに軟磁性
層,電気絶縁膜,電気伝導膜の積層順を電気絶縁膜をは
さんで軟磁性層を内側に電気伝導膜を外側に配置するこ
とは容易に変えられる。
以上説明した2つの実施例においては,添加物元素と
してNbを用いた例を示したが,B,C,Al,Si,P,Ti,V,Cr,Mn,
Zr,Moのいずれか1種又は2種の組合せを用いた場合に
ついても本発明が適用できることはいうまでもない。
(発明の効果) 以上の説明から分るように,ハロゲンガスを使用した
反応性成膜法に適用した高周波帯域用磁性材料において
は,ハロゲンガスによるスパッタリング及びデポジショ
ンレートが向上し,スパッタ速度が大となって製品のコ
ストダウンにつながり量産性が向上し,又,ハロゲンガ
スによる金属プラズマイオンのサブストレートへのソフ
トランディング効果が生じて柱状晶の発生が少なく,更
に,ハロゲンガス含有によるアモルファス構造が形成さ
れるので低保持力,高角型性の軟磁性材料が得られ,高
F含有膜は非磁性で電気絶縁性を示す。以上に加えて,
本発明により成膜した軟磁性材料は,熱処理を加えるこ
とで高周波域での良好な実効透磁率の周波数依存性が得
られる。
【図面の簡単な説明】
第1図は本発明の一実施例である高周波帯域用軟磁性膜
の厚み方向の組成CoFの変化を示す図,第2図は熱処理
前のFe−B−F膜のM−H曲線を示す図,第3図は切断
方向(磁化容易方向,磁化困難方向)に磁場中熱処理し
たサンプルのM−Hループを示す図,第4図はFe−B−
F膜(1.23μmt)の磁化容易方向,困難方向切断片のμ
e−特性を示す図,第5図はハロゲンガス反応性対向
dcスパッタ装置の概略図,第6図はハロゲンガス反応性
成膜装置のrf電極及びdc電極へ印加する出力変化を示す
図,第7図はCoZrNbF多層膜の成膜時のM−Hループを
示す図,第8図はCoZrNbF多層膜のμe−特性を示す
図,第9図は薄膜インピーダンス素子の模式図である。 記号の説明:1は真空槽,2はdcターゲット電極,3はガラス
基板,4はフロライド粉末ターゲット,5はrf電極,6はAr導
入口,7は基板,8は軟磁性膜,9は電気絶縁膜,10は電気導
電膜をそれぞれあらわしている。

Claims (3)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】反応性成膜法により形成されたハロゲン元
    素(Qであらわす)をx at%,添加元素(M)をy at%
    (但しy=0を含む),強磁性元素(R)を(100−x
    −y)at%有する堆積膜であって,x+yが10at%以上50
    at%以下の範囲にある場合に, 該堆積膜がその厚さ方向に,xが25at%以下のアモルファ
    ス構造の軟磁性層とxが55at%以上80at%以下の結晶質
    構造の非磁性層とが交互に配置されていることを特徴と
    する高周波帯域用軟磁性膜。
  2. 【請求項2】xの値が0.1at%ないし5at%であることを
    特徴とする前記特許請求の範囲(1)の高周波帯域用軟
    磁性膜。
  3. 【請求項3】加熱により供給される強磁性元素及び添加
    元素にハロゲンガスを反応性ガスとして作用させて高周
    波帯域用軟磁性膜を形成する方法であって,前記供給さ
    れる強磁性元素及び添加元素を供給する供給部への出力
    を変えて成膜速度を多様に変化させ,これにより堆積膜
    の組成を変えてアモルファス構造の軟磁性の層と結晶質
    構造の非磁性の層を交互に配列した多層膜とすることを
    特徴とする,高周波帯域用軟磁性膜の製造方法。
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