JP3545160B2

JP3545160B2 - 磁気ヘッド用磁性薄膜の製造方法とその磁性薄膜および磁気ヘッド

Info

Publication number: JP3545160B2
Application number: JP5576097A
Authority: JP
Inventors: 勝 ▲稜▼野; 正司道嶋; 一義今江; 健松田; 昌則享保
Original assignee: Sharp Corp
Current assignee: Sharp Corp
Priority date: 1996-06-05
Filing date: 1997-03-11
Publication date: 2004-07-21
Anticipated expiration: 2017-03-11
Also published as: JPH1055915A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は磁気ヘッドに用いるための磁性薄膜に関し、特に、アルミニウムとシリコンを含む鉄合金磁性薄膜の製造方法とその磁性薄膜自体ならびにその磁性薄膜を用いた磁気ヘッドに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
一般に、高い保磁力を有する磁気記録媒体に対して用いるための磁気ヘッドには、記録時に高い飽和磁束密度を有することが要求される。他方、再生時には十分な再生感度を得るために、磁気ヘッドは高い周波数において高い透磁率を有することが求められる。したがって、従来では、スパッタリングなどによって形成されたセンダスト層などを含む磁性薄膜が、磁気ヘッド用磁性薄膜として用いられてきた。このセンダストとは、典型的には約５ｗｔ％のアルミニウムと約９ｗｔ％のシリコンを含む鉄合金を言うが、この典型的な組成を含むある組成範囲内の磁性鉄合金もセンダストと呼ばれる。
【０００３】
ところで、スパッタリングなどによって形成されたセンダスト膜のように１Ｔ程度の飽和磁束密度を有する磁性薄膜では、デジタルビデオに用いられるような１２０ｋＡ／ｍ以上の保磁力を有する記録媒体に対しては記録能力の不足が生じる。
【０００４】
そこで、窒素やメタンガスを含む雰囲気中でスパッタリングなどによって成膜されたＦｅＴａＮやＦｅＡｌＳｉＣ等の微細構造を含む磁性薄膜が研究開発されている。これらの磁性薄膜においては、基本的には、鉄膜中に窒化物や炭化物を析出させることによって鉄の結晶粒径を小さくし、鉄自身が有している磁気異方性を低減することによって軟磁気特性を向上させるメカニズムを採用している。
【０００５】
また、特公平５−３９０８７は、ＦｅＡｌＳｉ膜に窒素を僅かに含有させることによって高い飽和磁束密度，高硬度および高透磁率が得られることを報告している。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
前述のような微細構造を有する磁性薄膜は、その磁気特性が成膜プロセスに依存するところがある。たとえば、磁気特性向上のメカニズムから考えれば、成膜直後の膜の組織をできるだけ均一にしておき、その後の熱処理によって微細構造を安定化させることが望ましい。成膜直後の膜の組織を均一にしておくためには、その膜をアモルファス状態にすることが最善と考えられる。しかし、成膜直後にアモルファス状態の磁性薄膜を得るためには、スパッタリングを成膜法として採用する以外にないと言っても過言ではなく、すなわち、成膜方法が膜成長速度の遅いスパッタリング法に限定されてしまうことになる。
【０００７】
また、窒素を僅かに磁性薄膜中に含有させる場合においても、反応スパッタリング法が用いられており、成膜速度が遅いことに代わりはない。
【０００８】
そこで、本発明は、大きな飽和磁束密度と高い透磁率を兼ね備えた磁性薄膜を効率的に提供することを目的としている。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
本発明によれば、磁気ヘッド用磁性薄膜は、基板を用意し、２〜５ｗｔ％のアルミニウムと２５〜３０ｗｔ％のシリコンを含む鉄合金タブレットを窒素雰囲気中で蒸発させることにより、２〜６ｗｔ％のアルミニウムと４〜８ｗｔ％のシリコンを含む鉄合金層を基板上に堆積することによって作製される。
【００１２】
【発明の実施の形態】
本発明者たちは、センダストのセカンドピークを含む特定の組成領域内の組成を有する磁性薄膜を窒素雰囲気中の蒸着によって形成した場合に、透磁率の改善された磁性薄膜が得られることを見出した。
【００１３】
アルミニウムとシリコンを含む鉄合金であるバルクのセンダストにおいては、約５．５ｗｔ％のアルミニウムと約９．５ｗｔ％のシリコンを含む組成において最も高い透磁率ピークが得られ、これはセンダストのファーストピークと呼ばれる。バルクのセンダストにおいては、また、約５．５ｗｔ％のアルミニウムと約６．５ｗｔ％のシリコンを含む組成において第２の高い透磁率ピークが得られ、これはセンダストのセカンドピークと呼ばれる。
【００１４】
このセカンドピークに対応する組成を有するバルクのセンダストは、ファーストピークに対応する組成を有するバルクのセンダストに比べて、低い透磁率を有しているが大きな飽和磁束密度を有している。したがって、センダストのセカンドピークに対応する組成を含む特定の組成領域内の組成を有する鉄合金薄膜の透磁率を改善することができれば、大きな飽和磁束密度と高い透磁率を兼ね備えた磁性薄膜を得ることができると期待し得る。このように大きな飽和磁束密度と高い透磁率を兼ね備えた磁性薄膜は、高い保磁力を有する記録媒体に対して好ましく用いられ得る磁気ヘッド用磁性薄膜として用いることができる。
【００１５】
図１においては、本発明の実施の形態による磁性薄膜が概略的な断面図で図解されている。図１（Ａ）の磁性薄膜は、セラミックス基板１上に窒素プラズマ雰囲気中で蒸着によって形成された鉄合金薄膜２と、その上に形成されたＳｉＯ_２の保護膜３を含んでいる。この鉄合金膜２は、２〜６ｗｔ％のアルミニウムと４〜８ｗｔ％のシリコンを含み得る。基板１としては、セラミックスに限られず、膨張係数がセンダストと同じくらいであれば、他の材料をも用いることができる。たとえば、フェライト等との複合磁気材料を形成する場合には、基板としては当然にフェライトが用いられる。しかし、現実には、センダストよりも熱膨張係数が大きな基板を安定して使用することは容易ではなく、センダストより少し熱膨張係数の小さなセラミックス基板を用いることが好ましい。
【００１６】
図１（Ｂ）の磁性薄膜は、基板１上に、鉄合金膜２とＳｉＯ_２膜３との対が２対積層された構造を有している。このような鉄合金膜２とＳｉＯ_２膜３との対を任意の数の対だけ基板１上に積層してもよいことは言うまでもない。
【００１７】
図２は、図１に示されるような磁気ヘッド用磁性薄膜を製造するための成膜装置を概略的な断面図で示している。図２において、蒸着装置９内に、セラミックス基板１がセットされ、鉄合金膜２が窒素プラズマ雰囲気中の蒸着によって基板１上に成長させられる。このとき、ヒータ７によって基板１を３００℃の温度に加熱し、蒸着装置９内に所定の圧力のＮ_２ガスが導入される。その後、蒸着装置９内に配置された銅製のコイル５にＤＣ電源８から電圧が印加された状態で、別に設けられたフィラメント１０を熱して熱電子１０Ａを供給することによって、窒素プラズマ５Ａがコイル５の近傍に発生させられる。窒素プラズマ５Ａが発生している状態において、コイル５にかかっているＤＣ電圧は約５０Ｖで、電流は約３００ｍＡである。この状態で、るつぼ１２中に入れられた鉄合金タブレット６に、フィラメント１０からエミットされた熱電子１０Ａを照射することによって、基板１の表面に鉄合金膜が形成される。鉄合金タブレット６は、たとえば、４ｗｔ％のアルミニウムと２７．５ｗｔ％のシリコンを含んでいる。鉄合金膜の成長速度は２００〜５００ｎｍ／ｍｉｎの範囲内に設定され、成長した鉄合金膜２の厚さは２〜４μｍの範囲内に設定される。ここで、成膜速度は、生産性の観点からだけでなく、鉄合金層の窒化を目的としていないことからも、比較的速くすることが好ましい。なお、図２中のシャッタ１１は、蒸発させられた蒸気流の通過を制御するために用いられる。
【００１８】
ところで、得られる鉄合金膜２の組成と鉄合金タブレット６の組成とは一致せず、鉄合金膜２の組成は鉄合金タブレット６の組成のみならず鉄合金膜２の堆積条件に依存して変化する。たとえば、２〜６ｗｔ％のアルミニウムと４〜８ｗｔ％のシリコンを含む鉄合金膜２を得るためには、２〜５ｗｔ％のアルミニウムおよび２５〜３０ｗｔ％のシリコンを含む組成範囲の鉄合金タブレット６を用いることができる。
【００１９】
アルミニウムとシリコンを含む鉄合金膜２が形成された後に、その鉄合金膜２上に保護膜３が形成される。図１においてはＳｉＯ_２の保護膜３が形成されているが、その他の絶縁体膜も保護膜として用いることができる。
【００２０】
具体的な例として、鉄合金膜２とＳｉＯ_２膜の対を基板１上に４対積層した後に７００℃で真空熱処理して磁気ヘッド用磁性薄膜が形成された。このようにして得られた磁気ヘッド用磁性薄膜における鉄合金膜２は、２〜６ｗｔ％のアルミニウム，４〜８ｗｔ％のシリコンを含む組成を有し得ることが、組成分析の結果として判明した。
【００２１】
図３は、このような磁性薄膜における飽和磁束密度と保磁力との関係を示している。すなわち、図３のグラフの横軸は飽和磁束密度（Ｔ）を表わし、縦軸は保磁力（Ｏｅ）を表わしている。このグラフにおいて注目すべきことは、飽和磁束密度が約１．５Ｔ弱近傍の値を有するときに保磁力が最小になることである。このことから、鉄合金膜２は、１．４〜１．６Ｔの範囲内の飽和磁束密度を有するのが好ましいことがわかる。また、そのような磁性薄膜において、実際に磁気ヘッドにおいて安定して用いられ得るものは、絶対値で２×１０^−６以下の飽和磁歪を有するものであった。
【００２２】
上述のように、本発明においては鉄合金膜２が窒素プラズマ雰囲気中において蒸着によって形成されるが、発明者たちがこの鉄合金膜２をＸ線などによる構造解析や蛍光Ｘ線分析で調べた結果、鉄合金膜２内に窒化物が形成されているという証拠は見出し得なかった。
【００２３】
図４は、鉄合金膜２の蒸着中における窒素プラズマ雰囲気のためのＮ_２流量と得られた鉄合金膜２の透磁率との関係を示している。すなわち、図４のグラフの横軸はＮ_２流量（ｓｃｃｍ）を表わし、縦軸は透磁率を対数メモリで表わしている。このグラフから明らかなように、窒素流量が約１０ｓｃｃｍ近傍にあるときに透磁率の最大値を示すことが注目されるべきである。窒素流量が１０ｓｃｃｍのときの蒸着チャンバ内の圧力は約３×１０^−２Ｐａであり、蒸着中の窒素雰囲気の圧力は１．３×１０^−２〜６．５×１０^−２Ｐａの範囲内にあるのが好ましいことがわかる。
【００２４】
以上の例では基板温度が３００℃の条件の下で鉄合金膜２が形成されたが、以下の例においては鉄合金膜２の磁気特性に対する基板温度の影響が検討される。
【００２５】
窒素プラズマ雰囲気中の成膜においては、基板温度が３００℃の場合に基板表面に平行な鉄合金膜２の膜面は（１１１）面配向する傾向が強く、基板温度を上昇させれば（１１０）面配向する傾向が強まる。しかし、いずれの場合においても、鉄合金膜２の磁気特性は、窒素プラズマ雰囲気が存在しない高真空中で形成された同一組成の鉄合金膜に比べて向上した。この理由を検討するために、窒素プラズマ雰囲気中で成膜された鉄合金膜と高真空中で成膜された同一組成の鉄合金膜の断面を薄い酸でエッチングした後に観察した。
【００２６】
図５（Ａ）と（Ｂ）は、それぞれ高真空中で成膜されたセンダスト膜と窒素プラズマ雰囲気中で成膜されたセンダスト膜の断面のＳＥＭ（走査型電子顕微鏡）観察結果を模式的に図解している。通常、センダスト膜を堆積すれば、図５中の縦線３２で示したように柱状構造（コラムナー状態）に成長しているのが観察される。ＳＥＭ観察では、２次電子像を見ていることになるので、図中に符号３１で示したように、２次電子を放出しにくい凹みの領域３１が観察される。このような凹み領域３１は、密度が低い領域がエッチングによって凹部になったものと考えられる。
【００２７】
図５（Ａ）は高真空中で堆積されたセンダスト膜の断面を示しており、図５（Ｂ）は窒素プラズマ雰囲気中で堆積されたセンダスト膜の断面を表わしている。これらの断面において凹み領域３１を比較すれば、明らかに、高真空中で堆積されたセンダスト膜（Ａ）に比べて窒素プラズマ雰囲気中で堆積されたセンダスト膜（Ｂ）における方が凹み領域３１の少ないことがわかる。このような凹み領域３１に対応する低密度領域の少ないことが、高真空中で堆積されたセンダスト膜より窒素プラズマ雰囲気中で堆積されたセンダスト膜の磁気特性が優れている理由であると考えられる。なお、このような効果を得るためには必ずしも窒素雰囲気がプラズマ化される必要はなく、通常の窒素ガス雰囲気の下での蒸着によっても同様な効果が得られる。
【００２８】
図６は、本発明によって得られる磁性薄膜の磁気特性を従来の磁性薄膜と比較して示すグラフである。このグラフにおいて、横軸は周波数（ＭＨｚ）を対数目盛りで表わしており、縦軸は実効透磁率を対数目盛りで表わしている。曲線ＡとＢは本発明に従って窒素プラズマ雰囲気中でそれぞれ３５０℃と３００℃の基板温度の下で蒸着によって形成された磁性薄膜の透磁率を表わし、曲線Ｃは高真空中で蒸着によって形成された先行技術によるセンダスト膜の透磁率を表わしている。なお、曲線Ａ，ＢおよびＣによって表わされたセンダスト膜は、いずれも同じ組成と２．５μｍの厚さを有している。図６のグラフから、本発明に従って窒素プラズマ雰囲気中で蒸着によって形成されたセンダスト膜は、先行技術によるセンダスト膜に比べて、磁気ヘッド用の磁性薄膜としてさらに好ましく用いられ得ることが理解されよう。
【００２９】
なお、以上の実施の形態においては、ＤＣプラズマが用いられる例が説明されたが、ＲＦ（高周波）プラズマを用いても同様な効果が得られる。
【００３０】
次に、本発明による磁性薄膜を用いて形成される磁気ヘッドの例を説明する。上述のような磁性薄膜を磁気ヘッドに用いる場合、１対の磁性体または非磁性体の基板上に形成された磁性薄膜の積層方向を横断する面を互いに非磁性体薄膜を介して突き合わせて、磁気ギャップを形成させる。ギャップ面に面する近傍のみにアモルファスやセンダストなどの金属材料を用いて、これ以外の部分には耐摩耗性に優れたフェライトを用いたＭＩＧ（ＭｅｔａｌＩｎＧａｐ）と呼ばれる複合ヘッドも実用化されている。なお、磁性薄膜のみで磁気回路を構成することもできる。
【００３１】
図７は、磁性薄膜が磁気回路を構成する磁気ヘッドの斜視図である。図７において、１対の基板２０および２１の側面に本発明による磁性薄膜ＭＦを形成し、これらの基板２０と２１が突き合わされている。テープ走行面ＴＳ上でギャップＧを形成するために、その突き合わせ面には極めて薄い非磁性体が介在させられている。ギャップ面におけるトラック幅の両側には、通常はガラス２３が埋められている。テープ（図示せず）がテープ走行面ＴＳ上を右から左（または逆方向）に移動するとき、コイル２２を介して信号が出力される。なお、図７においてはアジマス記録のためにギャップＧの角度がトラックに対して直角の関係からずらされている。ここで、基板２０と２１としてフェライトを用いれば、図７のヘッドはＭＩＧヘッドになる。
【００３２】
図７に示されているようなヘッドの場合には、磁性薄膜ＭＦの厚さによってほぼトラック幅が決定されるので、図１に示されているような鉄合金膜２とＳｉＯ_２保護膜３との対を１対だけ含むかまたは複数対含む構造を用いるかは、トラック幅を考慮して選択することができる。
【００３３】
図８は、本発明による磁性薄膜を含む磁気ヘッドの磁気効率を従来のセンダスト磁気ヘッドと比較して示すグラフである。このグラフの横軸は周波数（ＭＨｚ）を対数目盛りで表わしており、縦軸は記録効率比（ｄＢ）を表わしている。すなわち、本発明による磁性薄膜を含む磁気ヘッドの記録効率は、従来のセンダスト磁気ヘッドを０ｄＢにした場合の比率として表わされている。図８から、本発明による磁性薄膜を含む磁気ヘッドは、従来のセンダスト磁気ヘッドに比べて１ｄＢ以上記録効率が向上していることがわかる。なお、図８の測定においては、ドラム式のヘッド特性測定装置を用いて、磁気テープとして保磁力１２０ｋＡ／ｍ程度の蒸着磁気テープが用いられた。
【００３４】
なお、本発明の磁性薄膜を含む磁気ヘッドはＶＴＲ用に限られるものではなく、高い保磁力を有する記録媒体を用いるあらゆる磁気記録装置において用いることができる。すなわち、本発明による磁性薄膜が用いられる磁気ヘッドの形態は、図７に示されたものに限られるものではない。
【００３５】
【発明の効果】
以上のように、本発明によれば、大きな飽和磁束密度と高い透磁率とを兼ね備えた磁気ヘッド用磁性薄膜を窒素雰囲気中の蒸着によって効率的に製造して提供することができ、その磁性薄膜を用いることによって高い保磁力を有する磁気記録媒体に対して好ましく用いられ得る磁気ヘッドを得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による磁性薄膜を示す概略的な断面図である。
【図２】本発明による磁性薄膜の製造方法を説明するための蒸着装置の概略的な断面図である。
【図３】本発明による磁性薄膜における飽和磁束密度と保磁力との関係を示すグラフである。
【図４】本発明による蒸着中の窒素プラズマ雰囲気の圧力と得られた磁性薄膜の透磁率との関係を示すグラフである。
【図５】先行技術による磁性薄膜との比較において本発明による磁性薄膜の断面のＳＥＭ観察の状態を示す概念図である。
【図６】本発明による磁性薄膜と先行技術による磁性薄膜における透磁率の周波数依存性を示すグラフである。
【図７】本発明による磁気ヘッドの一例を示す斜視図である。
【図８】本発明による磁性薄膜を含む磁気ヘッドと従来のセンダスト磁気ヘッドとの間における記録効率の関係を示すグラフである。
【符号の説明】
１基板
２アルミニウムとシリコンを含む鉄合金膜
３ＳｉＯ_２保護膜
５銅製コイル
５Ａ窒素プラズマ
６鉄合金タブレット
７ヒータ
８ＤＣ電源
９蒸着装置
１０フィラメント
１０Ａ熱電子
１１シャッタ
２０，２１磁気ヘッド基板
２２コイル
２３ガラス
ＭＦ磁性薄膜
Ｇ磁気ギャップ
ＴＳテープ走行面

Claims

基板を用意し、
２〜５ｗｔ％のアルミニウムと２５〜３０ｗｔ％のシリコンを含む鉄合金タブレットを窒素雰囲気中で蒸発させることにより、２〜６ｗｔ％のアルミニウムと４〜８ｗｔ％のシリコンを含む鉄合金層を前記基板上に堆積することを特徴とする磁気ヘッド用磁性薄膜の製造方法。
前記鉄合金層の堆積速度が２００〜５００ｎｍ／ｍｉｎであることを特徴とする請求項２に記載の磁気ヘッド用磁性薄膜の製造方法。
前記鉄合金層を蒸着するときの前記窒素雰囲気の圧力が１．３×１０^-2〜６．５×１０^-2Ｐａの範囲内にあることを特徴とする請求項１または２に記載の磁気ヘッド用磁性薄膜の製造方法。
前記請求項１から３のいずれかの製造方法によって製造されていることを特徴とする磁気ヘッド用磁性薄膜。
１．４〜１．６Ｔの飽和磁束密度を有することを特徴とする請求項４に記載の磁気ヘッド用磁性薄膜。
絶対値が２×１０^-6以下の飽和磁歪を有することを特徴とする請求項４または５に記載の磁気ヘッド用磁性薄膜。
前記鉄合金層上に形成された絶縁体の保護層をさらに含むことを特徴とする請求項４から６のいずれかの項に記載の磁気ヘッド用磁性薄膜。
前記鉄合金層と前記絶縁体保護層との対が複数対積層されていることを特徴とする請求項７に記載の磁気ヘッド用磁性薄膜。
請求項４から８のいずれかの項に記載の磁気ヘッド用磁性薄膜を含むことを特徴とする磁気ヘッド。