JP2761267B2 - 軟磁性合金膜 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ この発明は、磁気ヘッド等に適した軟磁性合金膜に関
する。

［従来の技術］ 磁気記録の分野においては、記録密度を高めるために
磁気テープ等の記録媒体の高保磁力化が推進されている
が、それに対応する磁気ヘッドの材料として飽和磁束密
度（Bs）の高いものが要求されている。

従来の高飽和磁束密度の軟磁性材料（膜）として、Fe
-Si-Al合金（センダスト）が代表的なものであるが、近
年、強磁性金属元素であるCoを主体とする非晶質の合金
膜が開発されている。

また最近の試みとして、Feを主成分とする微細結晶か
らなる合金膜（Fe−C,Fe-Si等）により、Feの結晶磁気
異方性の影響（軟磁性に対する悪影響）を結晶の微細化
により軽減し、高飽和磁束密度でかつ軟磁気特性の優れ
た膜を得た例がある。

［発明が解決しようとする課題］ ところで磁気ヘッドを組み込んだ装置は小型化、軽量
化する傾向にあり、移動に伴う振動にさらされたり、悪
環境のもとで使用されたりすることが多くなっている。
そこで磁気ヘッドには磁気特性が優秀であって、磁気テ
ープに対する耐摩耗性が優れていることは勿論、温度や
腐食性の雰囲気中での耐用性、すなわち耐環境性や耐振
動性等が高いことが要求されている。そのためギャップ
形成やケースへの組み込み等をガラス溶着で行うことが
必要となり、磁気ヘッドの素材はヘッドの製造工程にお
けるガラス溶着工程の高温に耐え得ることが必要であ
る。

しかしながら、上記従来の軟磁性合金膜においてセン
ダストからなるものは、飽和磁束密度が約10000G程度で
あり、今後一層の高密度化の要求に対しては不充分であ
る。またCo系のアモルファス合金膜は13000G以上の高い
飽和磁束密度のものも得られている。ところが従来のア
モルファス合金の飽和磁束密度を高くしようとすると、
アモルファス形成元素であるTi,Zr,Hf,Nb,Ta,Mo,W等の
添加量を少なくする必要があり、これらの添加量を少な
くすると、アモルファス構造の安定性が低下し、ガラス
溶着に必要な温度（約500℃以上）には耐え得ない問題
がある。

さらにFeを主成分とする微細結晶からなる上記合金膜
（Fe−C,Fe-Si等）は、高温で結晶成長を起こし、軟磁
気特性が劣化する（Fe−Ｃの場合、400℃が最大）ため
に、やはりガラス溶着に適したものとは言い難い。

この発明は上記課題を解決し、高い飽和磁束密度と良
好な熱安定性とを合わせ持ち、かつ高い初透磁率を示す
軟磁性合金膜を提供することを目的としている。

［課題を解決するための手段］ 請求項１に記載した発明は上記課題を解決するため
に、組成式がFe_aV_cC_eで示され、組成比a,c,eは原子％で
50≦ａ≦94、５≦ｃ≦30、１＜ｅ≦25、ａ＋ｃ＋ｅ＝10
0なる関係を満足させるとともに、その金属組織の50％
以上が平均粒径0.08μｍ以下の結晶粒からなり、その一
部にＶの炭化物の結晶相を含ませたものである。

請求項２に記載した発明は上記課題を解決するため
に、請求項１に記載した金属組織を平均粒径0.08μｍ以
下の結晶粒と非晶質組織からなるようにし、その一部に
Ｖの炭化物の結晶相を含むようにしたものである。

請求項３に記載した発明は上記課題を解決するため
に、組成式がFe_aV_cM_dC_eで示され、ＭはTi,Zr,Hf,Nb,Ta,
Mo,Wのうち１種または２種以上からなる金属元素または
その混合物であり、組成比a,c,d,eは原子％で50≦ａ≦9
6、0.5≦ｃ≦30、0.5≦ｄ≦30、１＜ｅ≦25、ａ＋ｃ＋
ｄ＋ｅ＝100なる関係を満足させるとともに、その金属
組織の50％以上が平均粒径0.08μｍ以下の結晶粒からな
り、その一部にＶおよび元素Ｍの炭化物の結晶相を含ま
せたものである。

請求項４に記載した発明は上記課題を解決するため
に、請求項３に記載した金属組織を平均粒径0.08μｍ以
下の結晶粒と非晶質組織からなるようにし、その一部に
Ｖおよび元素Ｍの炭化物の結晶相を含むようにしたもの
である。

請求項５に記載した発明は上記課題を解決するため
に、組成式がFe_aT_bV_cC_eで示され、ＴはCo,Niのうち１種
または２種以上からなる金属元素またはその混合物であ
り、組成比a,b,c,eは原子％で、50≦ａ≦94、0.1≦ｂ≦
10、５≦ｃ≦30、１＜ｅ≦25、ａ＋ｂ＋ｃ＋ｅ＝100な
る関係を満足させるとともに、その金属組織の50％以上
が平均粒径0.08μｍ以下の結晶粒からなり、その一部に
Ｖの炭化物の結晶相を含ませたものである。

請求項６に記載した発明は上記課題を解決するため
に、請求項５に記載した金属組織を平均粒径0.08μｍ以
下の結晶粒と非晶質組織からなるようにし、その一部に
Ｖの炭化物の結晶相を含むようにしたものである。

請求項７に記載した発明は上記課題を解決するため
に、組成式がFe_aT_bV_cM_dC_eで示され、ＴはCo,Niのうち１
種または２種以上からなる金属元素またはその混合物で
あり、ＭはTi,Zr,Hf,Nb,Ta,Mo,Wのうち１種または２種
以上からなる金属元素またはその混合物であり、組成比
a,b,c,d,eは原子％で、50≦ａ≦96、0.1≦ｂ≦10、0.5
≦ｃ≦30、0.5≦ｄ≦30、１＜ｅ≦25、ａ＋ｂ＋ｃ＋ｄ
＋ｅ＝100なる関係を満足させるとともに、その金属組
織の50％以上が平均粒径0.08μｍ以下の結晶粒からな
り、その一部にＶおよび元素Ｍの炭化物の結晶相を含ま
せたものである。

請求項８に記載した発明は上記課題を解決するため
に、請求項７に記載した金属組織を平均粒径0.08μｍ以
下の結晶粒と非晶質組織からなるようにし、その一部に
Ｖまたは元素Ｍの炭化物の結晶相を含むようにしたもの
である。

以下にこの発明をさらに詳細に説明する。

上記合金膜の生成方法としては、合金膜をスパッタ、
蒸着等の薄膜形成装置により作製する。スパッタ装置と
しては、RF2極スパッタ、DCスパッタ、マグネトロンス
パッタ、３極スパッタ、イオンビームスパッタ、対向タ
ーゲット式スパッタ等の既存のものを使用することがで
きる。またＣを膜中に添加する方法としては、ターゲッ
ト板上にグラファイトのペレットを配置して複合ターゲ
ットとし、これをスパッタする方法、あるいはＣを含ま
ないターゲット（Fe−Ｖ系、Fe−Ｖ−Ｍ系、Fe−Ｔ−Ｖ
系、Fe−Ｔ−Ｖ−Ｍ系）を用い、Ar等の不活性ガス中に
メタン（CH₄）等の炭化水素ガスを混合したガス雰囲気
でスパッタする反応性スパッタ法等を用いることがで
き、特に反応性スパッタ法では膜中のＣ濃度の制御が容
易であるので所望のＣ濃度の優れた膜を得ることができ
る。

このようにして作製したままの膜はアモルファス相を
かなりの割合で含んだものであり、不安定であるので40
0〜700℃程度に加熱する熱処理を施すことによって微細
結晶を析出させる。なおこの熱処理を静磁界中あるいは
回転磁界中で行うことにより、より優れた軟磁気特性を
得ることができる。またこの熱処理は磁気ヘッドの製造
工程におけるガラス溶着工程と兼ねて行うことができ
る。

なお、上記微細結晶の析出工程は完全に行なわれる必
要はなく、微細結晶が相当数（50％以上）析出していれ
ば良いので、アモルファス成分が特性向上の障害となる
ことは少ない。

以下、上記のように成分を限定した理由について述べ
る。

Feは主成分であり、磁性を担う元素であって、少なく
ともフェライト（Bs≒5000G）以上の飽和磁束密度を得
るためには、ａ≧50at％が必要である。また良好な軟磁
気特性を得るためにはａ≦94at％でなければならない
が、Ｖと元素Ｍとが複合添加されている場合には、ａ≦
96at％とすることができる。

元素Ｔは、磁歪の調整の目的で添加する元素である。
Fe−Ｖ−（Ｍ）−Ｃ膜の場合、V,M,C濃度によって異な
るが、熱処理温度が低いと磁歪が正になり、熱処理温度
が高いと磁歪が負になる。高い熱処理温度（ガラス溶着
温度）を必要とする場合、磁歪を正にする効果のあるN
i,Coを適量添加することにより、磁歪をほぼ０にするこ
とができる。なお熱処理温度が適当な場合、元素Ｔの添
加は特に必要ないが、V,（Ｍ）およびＣの濃度の選択範
囲を広げるためには元素Ｔの添加が好ましく、その添加
は正の磁歪が＋10^-5台以上まで大きくならないようにｂ
≦10at％としなくてはならない。

Ｖおよび元素Ｍは軟磁気特性を良好にするために必要
であり、またＣと結合して炭化物の微細結晶を形成す
る。良好な軟磁気特性を維持するためには、Ｖを単独で
添加する場合、ｃ≧5at％とする必要があるが、Ｖと元
素Ｍとを複合添加する場合は、Ｖと元素Ｍとの総量が2a
t％以上となれば良い。Ｖおよび元素Ｍの添加が多すぎ
ると飽和磁束密度および軟磁気特性の低下を招くので、
Ｖおよび元素Ｍの添加量は30at％以下とする必要があ
る。

Ｃは軟磁気特性を良好にするため、および耐熱性を向
上させるために必要であり、Ｃは元素Ｍと結合して炭化
物の微細結晶を形成する。良好な軟磁気特性、および熱
的安定性を維持するためには、ｅ≧0.5at％とする必要
があるが、多すぎると飽和磁束密度および軟磁気特性の
低下を招くのでｅ≦25at％とする必要がある。

Ｖおよび元素Ｍの炭化物の微細結晶は磁壁のピンニン
グサイトとして働き、透磁率の高周波特性を向上させる
働きがあるとともに、膜中に均一に分散させることでFe
の微細結晶が熱処理により成長して軟磁性を損なうこと
を防止する働きがある。つまりFeの結晶粒が成長して大
きくなると結晶磁気異方性の悪影響が大きくなり、軟磁
気特性が悪化するが、Ｖおよび元素Ｍの炭化物の微細結
晶がFeの粒成長の障壁として働くことにより軟磁気特性
の悪化が防止される。

そして金属組織の50％以上が0.08μｍ以下の微細結晶
からなっているので、非晶質に比べて熱的安定性に優れ
ており、添加元素を少なくすることができ、また非晶質
に比べFe原子１個あたりの磁気モーメントが大きくな
り、その結果、飽和磁束密度を高くすることができる。

［作用］ 上記軟磁性合金膜においては、その組成がFeを主体と
して、飽和磁束密度を低下させる成分の添加が制限さ
れ、また非晶質に比べFe原子１個あたりの磁気モーメン
トが大きくなっているので、最高約17000Gという高い飽
和磁束密度が得られる。またＶ、元素ＭおよびＣが含ま
れているとともに、金属組織が微細な結晶粒からなって
おり、結晶磁気異方性による軟磁性への悪影響が軽減さ
れるので、良好な軟磁気特性が得られる。さらにＶおよ
び元素Ｍの炭化物が析出してFeを主成分とする結晶粒の
成長を抑えるので、ガラス溶着工程において600℃以上
に加熱されても、結晶粒が粗大化することがない。

［実施例］ （実施例１） RF2極スパッタ装置を用いて第１表に示した組成の合
金膜を膜厚５〜６μｍで形成した。

これにはFeターゲット上にＶ、元素Ｍ、元素Ｔおよび
グラファイトのペレットを適宜配置して構成した複合タ
ーゲットを用い、Arガス中でスパッタする方法を用い
た。膜中のＶ、元素Ｍ、元素ＴおよびＣ濃度の調整はペ
レットの枚数を変えることにより変化させた。

成膜後、静磁場中において550℃に20分間保持、ある
いは無磁場中において550℃に20分保持した。

上記のようにして製造された合金膜（サンプルＡない
しサンプルＤ）とスパッタにより成膜したセンダスト合
金膜（サンプルＥ）について、熱処理後における飽和磁
束密度（Bs）と透磁率（μ）および保磁力（Hc）の測定
と磁歪定数（λｓ）の測定を行った。

以上の結果を第１表に併せて示した。

なお第１表においてサンプルＡは請求項１記載の軟磁
性合金膜、サンプルＢは請求項３記載の軟磁性合金膜、
サンプルＣは請求項５記載の軟磁性合金膜、サンプルＤ
は請求項７記載の軟磁性合金膜である。

第１表の結果から、サンプルＡないしサンプルＤ（実
施例）の軟磁性合金膜は、いずれも従来例のセンダスト
膜に比べて、極めて高い飽和磁束密度Bsを示すことが確
認できた。そして、一般に13000G以上の飽和磁束密度を
示す従来のアモルファス合金膜おいて本実施例の軟磁性
合金膜に施したと同等の条件の熱処理（550℃、20分）
を施すと、結晶化により透磁率が100以下にまで低下す
ることを考慮すると、これら実施例の軟磁性合金膜は非
常に熱安定性に優れたものであるといえる。

したがってこの発明の請求項１ないし請求項８記載の
軟磁性合金膜が高温の熱処理を受けても高い透磁率を示
す優秀な合金膜であることが明らかである。

ところがサンプルＡの軟磁性合金膜は、透磁率および
保磁力等の軟磁気特性がセンダスト膜に比べてやや劣っ
ている。これはＶの一部をTa等で置換することによりサ
ンプルＢの軟磁性合金膜のごとく改善することができ、
センダスト膜と同等かそれ以上の軟磁性を得ることがで
きるようになる。

また、サンプルＡおよびサンプルＢの合金膜の550℃
熱処理後の磁歪定数は０に近い負の値であるが、磁気ヘ
ッドのコア材として使用する場合には、膜に加わる応力
によっては、磁気異方性の関係で、正の磁歪定数をもつ
方が好都合な場合もある。この場合、サンプルＡおよび
サンプルＢの合金膜のFeの一部をCoで置換することによ
り、サンプルＣおよびサンプルＤの軟磁性合金膜のよう
に正の磁歪定数を示すように調整することができる。こ
の磁歪定数の調整は、ある程度のものであればCo,Ni等
を添加する以外にＶ、元素Ｍ、Ｃ濃度の制御によっても
行うことができる。

また、第１図には、実施例１の軟磁性合金膜（Fe_70.3
V_14.7C_15.0）の成膜したままの状態（as deposited）の
膜のＸ線回折パターン（）と、550℃、20分間の熱処
理を施した後の膜のＸ線回折パターン（）とを併せて
示した。

第１図中、のＸ線回折パターンにおいては、非晶質
特有のハローパターンを示しており、この状態での飽和
磁束密度は、第１表に示した値よりも低く、軟磁気特性
も良好でない。これに対して熱処理を施した後ののＸ
線回折パターンでは結晶質のパターンを示している。し
かしながらbcc-Feの回折ピークはブロードしているの
で、bcc-Feの（100）ピークの半値幅からbcc-Feの平均
結晶粒径を計算すると、約90〜100Åとなり、非常に微
細な結晶であることが確認できる。

またのパターン中には、V₄C₃のブロードした回折ピ
ークも観測できる。高い温度の熱処理を施しても、Feの
結晶粒が粗大化しないのは、熱的に安定なＶの炭化物の
微細結晶が、膜中に均一に分散し、これがFe結晶の成長
を妨げているためである。Fe結晶が微細になれば、Feが
持つ結晶磁気異方性が巨視的、すなわち平均的に低下
し、異方性分散が小さくなり、その結果として軟磁性が
良好になると考えられる。

［発明の効果］ 以上説明したようにこの発明は、Feを主成分とし、金
属組織の50％以上が平均粒径0.08μｍ以下の微細な結晶
粒からなる軟磁性合金膜であり、飽和磁束密度を低下さ
せる成分の添加が制限され、また非晶質に比べFe原子あ
たりの磁気モーメントが大きくなっているので、センダ
スト合金膜よりも高い飽和磁束密度であって、最高約17
000Gという高い飽和磁束密度が得られる。

またＶ、元素Ｍ（Ti,Zr,Hf,Nb,Ta,Mo,W）およびＣと
いう軟磁性を良好とする成分が添加されるとともに、金
属組織が微細な結晶粒からなり、結晶磁気異方性による
軟磁性への悪影響が軽減されるので、良好な軟磁気特性
が得られる。

さらに従来のアモルファス合金膜とは異なり、無磁場
中で熱処理を施しても高い初透磁率を発揮する膜を得る
ことができる。

また微細な結晶粒からなるとともに、添加されたＶ、
元素ＭがＣと炭化物を形成するので、ガラス溶着工程に
おいて600℃以上に加熱されても結晶粒が粗大化するこ
とがなく、上記特性を維持するので、信頼性の高い中〜
高融点のガラスをヘッドのギャップ形成等に使用するこ
とができ、磁気ヘッドの信頼性向上につながる。

さらに熱安定性に優れ、良好な軟磁気特性を示すこと
から、高密度記録に要求される高い性能を有する磁気ヘ
ッドの素材として好適である。

またこの発明の合金膜は従来のアモルファス合金膜と
異なり、無磁場での熱処理によっても十分に高い透磁率
を得ることができるために、ガラス溶着等の工程の簡略
化を計ることができる。

また上記組成に加えて元素Ｔ（Co,Ni）を添加するこ
とにより、磁歪を調整してさらに上記の効果を高め、ま
た磁気ヘッド製造時に生じる加工歪や溶着ガラスにより
生じる熱歪による逆磁歪効果で膜の磁気特性が劣化しな
いようにすることができるものである。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明の実施例の膜のＸ線回折パターンを示
すグラフである。

Claims (8)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】組成式がFe_aV_cC_eで示され、組成比a,c,eは
   原子％で 50≦ａ≦94、５≦ｃ≦30、1.0＜ｅ≦25、ａ＋ｃ＋ｅ＝1
   00なる関係を満足させるとともに、その金属組織の50％
   以上が平均粒径0.08μｍ以下の結晶粒からなり、その一
   部がＶの炭化物の結晶相を含むことを特徴とする軟磁性
   合金膜。
2. 【請求項２】金属組織が平均粒径0.08μｍ以下の結晶粒
   と非晶質組織からなり、その一部にＶの炭化物の結晶相
   を含むことを特徴とする請求項１記載の軟磁性合金膜。
3. 【請求項３】組成式がFe_aV_cM_dC_eで示され、ＭはTi,Zr,H
   f,Nb,Ta,Mo,Wのうち１種または２種以上からなる金属元
   素またはその混合物であり、組成比a,c,d,eは原子％で 50≦ａ≦96、0.5≦ｃ≦30、0.5≦ｄ≦30、1.0＜ｅ≦2
   5、ａ＋ｃ＋ｄ＋ｅ＝100なる関係を満足させるととも
   に、その金属組織の50％以上が平均粒径0.08μｍ以下の
   結晶粒からなり、その一部がＶの炭化物の結晶相を含む
   ことを特徴とする軟磁性合金膜。
4. 【請求項４】金属組織が平均粒径0.08μｍ以下の結晶粒
   と非晶質組織からなり、、その一部にＶおよび元素Ｍの
   炭化物の結晶相を含むことを特徴とする請求項３記載の
   軟磁性合金膜。
5. 【請求項５】組成式がFe_aT_bV_cC_eで示され、ＴはCo,Niの
   うち１種または２種以上からなる金属元素またはその混
   合物であり、組成比a,b,c,eは原子％で 50≦ａ≦94、0.1≦ｂ≦10、５≦ｃ≦30、1.0＜ｅ≦25、
   ａ＋ｂ＋ｃ＋ｅ＝100なる関係を満足させるとともに、
   その金属組織の50％以上が平均粒径0.08μｍ以下の結晶
   粒からなり、その一部にＶの炭化物の結晶相を含むこと
   を特徴とする軟磁性合金膜。
6. 【請求項６】金属組織が平均粒径0.08μｍ以下の結晶粒
   と非晶質組織からなり、その一部にＶの炭化物の結晶相
   を含むことを特徴とする請求項５記載の軟磁性合金膜。
7. 【請求項７】組成式がFe_aT_bV_cM_dC_eで示され、ＴはCo,Ni
   のうち１種または２種以上からなる金属元素またはその
   混合物であり、ＭはTi,Zr,Hf,Nb,Ta,Mo,Wのうち１種ま
   たは２種以上からなる金属元素またはその混合物であ
   り、組成比a,b,c,d,eは原子％で 50≦ａ≦96、0.1≦ｂ≦10、0.5≦ｃ≦30、0.5≦ｄ≦3
   0、1.0＜ｅ≦25、ａ＋ｂ＋ｃ＋ｄ＋ｅ＝100なる関係を
   満足させるとともに、その金属組織の50％以上が平均粒
   径0.08μｍ以下の結晶粒からなり、その一部にＶおよび
   元素Ｍの炭化物の結晶相を含むことを特徴とする軟磁性
   合金膜。
8. 【請求項８】金属組織が平均粒径0.08μｍ以下の結晶粒
   と非晶質組織からなり、その一部にＶおよび元素Ｍの炭
   化物の結晶相を含むことを特徴とする請求項７記載の軟
   磁性合金膜。