JP3756204B2 - 高磁気抵抗の多層磁気構造および変換器と、その製造方法 - Google Patents

Description

【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、高い磁気抵抗を有する金属の多層磁気構造(structure magnetique multicouche metallique、以下、ＭＭＭＳと略記）と、その製造方法とに関するものである。
この多層磁気構造ＭＭＭＳは低磁場の変換器またはセンサー(capteur) 、磁気記録ヘッド（磁気抵抗読取りヘッド）、テープ、チケット、カード、ディスク等の媒体に磁気の形で記録されたコード化情報を読み取る回転デコーダまたは直線デコーダ等の変換器またはセンサーの製造で用いられる。
本発明はこれら変換器またはセンサーにも関するものである。
本発明のＭＭＭＳは磁束ガイドの製造でも用いることができる。
【０００２】
【従来の技術】
公知のＭＭＭＳは非磁性金属層を介して磁性金属層を積層した積層体で形成されている。非磁性層の厚さは磁性層間に反強磁性結合ができるような値にする。この多層磁気構造に磁界が加わると、各磁性層の磁化が反平行状態から平行状態に変わって多層磁気構造中の電気抵抗が減少する。これが磁気抵抗効果である。
従って、多層磁気構造の抵抗を測定することによって磁界を測定することができ、反対に磁界を測定することによって電気抵抗を測定することができる。
飽和磁界 “Ｈｓ" とは、磁界が存在しない初期の状態で反平行であった各磁性層の磁化を互いに平行に配向させるのに十分な（多層磁気構造に加えられる）磁界として定義される。
【０００３】
均一な電流が通過する反強磁性結合を有する多層磁気構造ＭＭＭｓでの磁気抵抗 “ＭＲ" は下記の比として定義される：
△ρ／ρ＝〔ρ（Ｈ＝０）−ρ（Ｈ＝Ｈｓ）〕／ρ（Ｈ＝０）
（ここで、Ｈは印加した磁場の値を表し、ρ（Ｈ＝０）は磁場ゼロでの多層磁気構造ＭＭＭＳの抵抗であり、ρ（Ｈ＝Ｈｓ）は飽和磁界に等しい磁界が存在する時の抵抗である）
また、Ｒが多層磁気構造ＭＭＭＳの抵抗とすると下記が成立する：
Δρ／ρ＝ΔＲ／Ｒ
磁気抵抗構造体、従って磁気抵抗効果変換器の感度 “α" は均一な磁界を印加して得られる磁気抵抗の変化として定義され、下記の式を満足する：
α＝（ｄ（ΔＲ／Ｒ）／ｄＨ）_H<Hs
磁性層および非磁性層の厚さは最大の磁気抵抗が得られるように、換言すれば最低の飽和磁界に対して最大のΔＲ／Ｒ値が得られるように正確に調節する必要がある。
【０００４】
多層構造を有する磁気抵抗効果変換器(capteur) またはセンサーは欧州特許第EP-A-442407(参考文献１）、フランス国特許第ＦＲ−Ａ−2648942 号（参考文献２) および米国特許第4949039 号（参考文献３）に記載されている。
また、磁気抵抗多層構造体の製造方法は下記文献に記載されている：
(1) Physical Review B, Vol. 44, No.10, 9 月、1991『振動の層間交換および Fe／Cu多層中の磁気抵抗』 “ Oscillatory interlayer exchange and magne toresistance in Fe/Cu multilayers " F. Petroff達、pp 5355-5357（参考文献４）
(2) Appl. Phys. lett. 60(4), 1月、1992『巨大磁気抵抗中での振動及び (Ni₈₁ Fe₁₉/Cu)_n 多層中の反強磁性結合』“ Oscillation in giant magnetoresist ance and antiferromagnetic coupling in (Ni₈₁Fe₁₉/Cu)_n multilayers" S. S. P. Parkin, pp 512-514 （参考文献５）
(3) Journal of Magnetism and Magnetic Materials 94 (1991), L1-L5, 『振動の層間結合およびCo／Cu多層中の巨大磁気抵抗』“Oscillatory interlayer coupling and giant magnetoresistance in Co/Cu multilayers" by D. H. Mosca 達（参考文献６）
(4) Physical Review Letters, vol. 66, No. 16, ４月、1991『銅薄層を通した振動する磁気交換結合』“Oscellatory magnetic exchange coupling throug h thin copper layers" S.S.P. Parkin 達、pp 2152-2155（参考文献７）
(5) Journal of the Physical Society of Japan, vol.60, No.9, 9月、1991, pp 2827-2830『蒸着およびＭＢＥにより成長させたCu／銀多層の巨大磁気抵抗および振動する磁気結合』 “Giant magnetoresistance and oscillatory magnetic coupling of evaporated and MBE-grown Co/Ag multilayers" S. Araki 達（参考文献８）
(6) J. Appl. Phys. 70(8), 10月、1991『Ag−Niの超格子構造のＸ線回折の研究』“X-ray diffraction study of silver-nickel superlattices" B. Rodmac q, pp 4194-4201 （参考文献９）
(7) IEEE Transactions on magnetics, vol.28, No.5, September 1992『イオンビームスパッタリングにより形成されたNi−Fe／Cuの多層における巨大磁気抵抗』“Giant magnetoresistance in Ni-Fe/cu multilayers formed by ion beam sputtering" by R. Nakatani et al, pp 2688-2670（参考文献10）
(8) Appl. Phys. Lett. 61(15), 10月、1992 『Cu／Ag多層フィルム：磁気特性におけるアニーリングの役割』 “Co/Ag multilayer film: role of anneali ng on the magnetic properties" L. F. Schelp 達、pp1858-1860 （参考文献11）
【０００５】
この磁気多層構造ＭＭＭＳで主に使用される磁性金属は鉄（参考文献１〜４、７参照）、鉄とニッケルの合金Fe−Ni（参考文献３、５、10）、コバルト（参考文献１、６〜８、11）およびニッケル（参考文献９）である。
【０００６】
また、この磁気多層構造ＭＭＭＳで使用される非磁性材料は導電性が高くなけれはならない。最も良く使用されるものは銅（参考文献１、４〜７および10）である。さらに、クロム（参考文献２、４）、金（参考文献３、５）、ルテニウム（参考文献４、６）も考えられ、最近は銀（参考文献８、９、11）が使用されている。
【０００７】
磁性ヒステリシスがある磁気多層構造ＭＭＭＳもある。そうした磁気多層構造を有する変換器は外部の磁気妨害が強くなると不安定になり易い。これは特に参考文献６および11の多層構造の場合にいえる。
【０００８】
さらに、変換器の最終製造段階で多層磁気構造を 300℃に達する温度サイクルで加熱する必要があるような変換器の特殊用途もある。事実、変換器を製造する場合には、各種の層すなわち絶縁層、導電層磁性層等を積層する必要があるが、大抵の場合、これら層はＭＭＭＳ層に高温で堆積する必要がある。
公知の構造では、このような温度サイクルを行うと磁気抵抗が低下（参考文献５、７）し、飽和磁界が安定または増加（参考文献５）する。しかし、参考文献11ではアニーリングをすると磁気抵抗が増加するが、それで得られた特性は低磁場センサーでは使用できないと記載されている。
さらに、公知の多層磁気構造を用いた変換器の製造では 150℃〜300 ℃の温度範囲にしか耐えることができない。例えば、NiFe／Cu構造（参考文献５）の場合では、150 ℃での温度処理で磁気抵抗が大幅に低下し、飽和磁界はほとんど変化しない。
従って、300 ℃までの温度サイクルに耐えることができる新規な多層磁気構造の開発が必要である。
【０００９】
また、センサー用の保持性磁界Ｈｃが極端に高い（800 Ａ／ｍ以上、従って、約 10 Oe）多層構造がある（参考文献４、６、８、11）。また、他の構造（参考文献９）は磁気抵抗が小さ過ぎるか、飽和磁界が大き過ぎる（参考文献４、７〜11）か、その両方であったり、透磁率が極端に小さい（200 未満）。これまでは磁性層間の反強磁性結合は飽和磁界Ｈｓを過剰に増加させるものであった。
許容可能な磁気特性を有する公知の多層構造で、アニーリングを行った時に磁気特性が向上するものはない。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の目的は上記の欠点のない多層磁気構造、特に、150 ℃以上の温度でアニーリングしても磁気特性が低下せず、逆に良くなるような、磁気抵抗変換器で使用可能な磁気特性に優れた多層磁気構造を提供することにある。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
上記問題点がない多層磁気構造を製造するためには、磁性層と非磁性層との混和性をある程度抑える必要がある。すなわち、反強磁性結合となるような非磁性層の最適厚さは極めて薄い（約１ｎｍ）ため、例えば多層磁気構造を用いて変換器を製造する際の高温での化学的混合や非導電性非磁性層に起因する強磁性結合が磁性層間に直接生じないようにする必要がある。従って、本発明で用いられる原理は非磁性金属層と磁性層とを混和させないことにある。
【００１２】
本発明は非磁性金属材料の層によって互いに隔てられた磁性材料の層の積層体で形成された金属の多層磁気構造において、磁性材料がFeNi、FeNiCoおよびNiCoよりなる群の中から選択される合金であり且つ非磁性材料が銀であることを特徴とする多層磁気構造を提供する。
【００１３】
【作用】
上記合金のFeの組成は原子比で50％以下である。
FeNiの場合には、原子比でNiを50〜99％、Feを１〜50％含む合金、好ましくはNiの原子比が90％以下であるFeNi合金、一般にはFe₁₉Ni₈₁を使用するのが好ましい。
多層磁気構造の磁性層の数は用途（変換器、磁束ガイド）に応じて 5,000以下で変えることができる。各磁性層の厚さは 0.5〜50ｎｍ、好ましくは１〜２ｎｍにするのが好ましい。Ag層の厚さは 0.5〜５ｎｍにするのが好ましい。
磁性層および非磁性層は例えば単結晶または多結晶性のシリコン、ガリウムヒ素、ガラス、プラスティック、ポリマーおよび電気絶縁体で被覆された金属等の任意の基板上に堆積させることができる。
【００１４】
本発明は、上記多層磁気構造の製造方法にも関するものである。本発明方法の必須の特徴は磁性層および非磁性層を金属蒸気を室温以下の温度で基板上に凝縮させて堆積させることにある。この堆積には陰イオンスパッタリングを用いるのが好ましいが、蒸着を用いることもでき、堆積は一般に−196 ℃から−50℃、好ましくは−196 ℃から−150 ℃で行う。
本発明方法を用いることによって磁性層と非磁性層との間の分離がより良くなり、これらの層の混和が防止できる。堆積を室温以上で行うと、銀中に小さい磁性材料の粒が形成されたり、層間の分離が維持されない等の好ましくない現象が起こる。
【００１５】
使用する材料と堆積方法を選択することによって、下記のような非常に優れた磁気特性を有する多層構造が得られる：
(1) 0.15 以上の高い磁気抵抗
(2) 400 Oe 以下の低い飽和磁界（約 32 kA／ｍ）
(3) １Oe以下、ほぼ０に近いシステリシス
(4) Ｈ＝Ｈｓまでの全磁場で直線的に応答
(5) 高い透磁率（200 以上) 温度約20℃
【００１６】
公知の多層構造で上記の特性を全て備えたものはなく、大抵のものは参考文献４および７〜11に記載の構造のように磁気抵抗が低過ぎるか、飽和磁界が高過ぎる。その他の参考文献６〜11に記載のものはヒステリシスが大き過ぎる。
参考文献５に記載のFe₁₉Ni₈₁／Cu構造のみが上記の特性を有する。しかし、この性能は薄い変換器を製造する際に必要な 150〜300 ℃のアニーリング温度で損なわれてしまう。
【００１７】
本発明の多層構造の性能はこれまで考えられた全ての多層構造より良く、しかも、アニーリングで向上する。すなわち、本発明では磁気抵抗は 150〜300 ℃の臨界温度 (この臨界温度は使用する層の厚さに依存する) までは増加し、それ以降は減少し、飽和磁界は温度の上昇と共に減少し、アニーリング後でも低ヒステリシス（１Oe以下）が維持され、直線応答性も維持される。しかも、アニーリング後に透磁率が大幅に上昇する。このことは本発明の多層構造を変換器で使用する上で特に重要である。
【００１８】
本発明の磁気構造は温度 150℃〜300 ℃でアニーリングするのが有利である。アニーリング温度は使用する層の厚さで決まる。
こうして得られる磁気構造は変換器用の高感度かつ高透磁率の磁気抵抗として使用できるとともに、磁束ガイド用として使用することができる。
【００１９】
本発明は、さらに、非磁性金属材料の層によって互いに隔てられた磁性材料の層の積層体を有する磁気抵抗効果多層変換器において、磁性材料がFeNi、FeNiCoおよびNiCoよりなる群の中から選択される合金であり且つ非磁性材料が銀であることを特徴とする変換器にも関するものである。
以下、添付の図面を参照して本発明の実施例を説明するが、本発明が下記実施例に限定されるものではない。
【００２０】
【実施例】
図１で参照番号２で示した本発明の多層磁気構造は、シリコン基板４を有し、このシリコン基板４上にはAgの導電層６と、FeNi、FeNiCoまたはCoNi合金の磁性層８とが交互に堆積されている。
この積層構造の品質を良くするために、基板４上には磁性結合層12(couche d'accrochage magnetique)（例えばFe) または非磁性結合層(couche d'accrochagenon nmagnetique)（SiＯ₂ またはSi₃ Ｎ₄)を堆積させるのが好ましい。
導電層６の厚さは0.5 〜５ｎｍであり、磁性層８の厚さは一般に１〜２ｎｍである。
磁性層と非磁性層との積層体10は２〜5000層で構成される。この層数は用途によって変わり、例えば、読取りヘッドでは厚さ 1.2ｎｍのFeNi層を 220層と、厚さ１ｎｍのAg層を 220層使用する。
【００２１】
本発明では導電層６および磁性層８は、基板４を−196 ℃から−50℃、例えば−196 ℃から−150 ℃に保ちながら陰極スパッタリング法等で堆積される。
公知の構造と違って、本発明の磁気構造は 300℃以下の温度でのアニーリング後 (アニーリング温度は層の厚さに依存する) に高い磁気抵抗、低い飽和保磁力（低Ｈｃ）および高い透過率を示す。
すなわち、本発明では、厚さ1.2 ｎｍのFeNi層と１ｎｍのAg層との交互層から成る 200層の積層体を温度 290℃でアニーリングして得られる軟質材料は保磁力Ｈｃが 0.5 Oe （約40Ａ／ｍ）と低く、感度がＭＡ／ｍ当たりのα＝19と高く、周波数１ＭＨｚ当たりの磁気透過率はμ＝1500と高い。
【００２２】
図２は従来法および本発明の各種多層構造の感度をアニーリング温度の関数で比較したものである。各曲線はＭＡ／ｍ当たりのΔＲ／Ｒの変化をアニーリング温度Ｔ（℃）の関数で表している。なお、感度は室温に戻した後に測定したものである。
曲線ａは厚さが 1.6ｎｍのFe₁₉Ni₈₁層と厚さが 1.3ｎｍのAg層とからなる 200層の積層体の場合であり、曲線ｂは厚さが 1.2ｎｍのFe₁₉Ni₈₁層と厚さが 1.1ｎｍのAg層とで構成される 200層の積層体の場合であり、曲線ｃは厚さが1.5 ｎｍのFe₁₉Ni₈₁と厚さが 0.9ｎｍのCu層とからなる 200層の積層体の場合である（参考文献５参照）。
【００２３】
本発明の磁気構造の感度は、公知の構造とは違って、一定の温度 (この温度は磁性層および非磁性層の厚さの関数である) まではアニーリング温度と共に上昇する。換言すれば、本発明では一定の温度までアニーリングすることによって磁気構造の感度を向上させることができる。
【００２４】
加熱アニーリングの影響は、各種積層体について温度を変えてアニーリングした場合の磁気抵抗比ΔＲ／Ｒと飽和磁界の値Ｈｓとを示す下記〔表１〕からも明らかである。
〔表１〕から分かるように、公知の構造の場合にはアニーリング温度の上昇に伴って磁気抵抗は減少するが、本発明の構造ではアニーリング温度の上昇に伴って磁気抵抗は増加する。さらに、公知構造ではアニーリング温度によって飽和磁界はほとんど変化しないが、本発明構造では減少するという利点がある。
すなわち、公知の多層構造とは反対に、FeNi／AgのみならずFeNiCo／AgおよびNiCo／Ag構造がアニーリング後に向上する高い性能を示す。
【００２５】
こうした予測し得なかった結果は、実施例１のFe₁₉Ni₈₁／Ag構造の温度20℃での磁気抵抗ＭＲの変化を印加磁界の関数で表した図３からも明らかである。図３の曲線ｇおよびｈは 250℃でアニーリングを行う前と後での磁気抵抗ＭＲの変化を表している。
曲線ｇとｈとを比較すると、アニーリングは磁気抵抗を増加させ、抵抗率を減少させ、飽和磁界を減少させるということ、しかも、ヒステリシスはゼロのままで直線性が維持されるということが分かる。
アニーリングにより性能が向上するということから、Ag層とFeNi層とは混ざり合わないということを示している。NiCo／Ag構造およびFeNiCo／Ag構造の場合も同様のことが言える。
【００２６】
さらに、アニーリングによって多層構造の磁気透過率が大幅に向上するということも分かった。すなわち、 1.2ｎｍのFeNi層と、 1.1ｎｍのAg層とからなる厚さ５μｍの構造の場合、堆積させただけの未処理の材料の１ＭＨｚでの磁気透過率値μは50であるが、約 290℃でアニーリングすると、約40Ａ／Ｍ（＝0.5 Oe）の弱い保磁性磁場での磁気透過率が1500以上になる。この軟質磁気層の効果は磁束ガイドの製作および感度の高い透過性の磁気抵抗として使用する場合に極めて重要である。
【００２７】
この結果は磁気透過率の変化を印加磁界の周波数Ｆ（ＭＨｚ）の関数で表した図４から確認することができる。図４の曲線ｉおよびｊはアニーリングの前と後とで得られた磁気透過率を示している。この場合の構造は図３の場合と同じ層構成を採用した。
磁気透過率を強くすると感知された磁束が増加するので、磁気抵抗性変換器の感度を向上させることができる。
公知の多層構造と比べたFeNi／Ag、FeNiCo／AgまたはNiCo／Agの構造の特性は全く予測は不可能であり、これらの構造はこれまでに試みられたこととない。
驚くべきことに、本発明の磁気構造では、最適化をしていない磁気抵抗変換器ーで得られる信号のゲインは公知の構造で得られるものよりファクターが10以上高くなる。
【００２８】
【実施例】
磁気ディスクに磁区の形で記憶されている情報を読み取るためのFeNi／Ag磁気抵抗変換器を作った。この磁気抵抗変換器は長さ１mm、幅７μｍ、厚さ0.5 μｍである。FeNi層は厚さ 1.2ｎｍのFe₁₉Ni₈₁層であり、Ag層の厚さは 1.1ｎｍにした。磁場ゼロでのこの変換器の抵抗は73オームであり、全磁気抵抗（Ｈ＝０からＨ＝Ｈｓまで) は10％であった。基板はシリコンにした。
誘導磁気ヘッドを用いて幅 1.2 mm の磁気トラックを予め磁気ディスクに形成した。磁気ディスクの特性は以下の通り：
Ｍｒδ： 560ガウスｘμｍ（45ｋＡ）（ここで、Ｍｒは残留磁化であり、δは磁気フィルムの厚さである）
Ｈｃ ： 800 Oe （63Ａ／ｍ）
磁区の幅：50μｍ
磁気ディスク回転速度： 0.2ｍ／秒
【００２９】
以上の条件下で、上記磁気抵抗変換器に35ミリアンペアの電流 (電流密度10⁶ Ａ／cm²)を印加して２つのピーク間が80ミリボルトの信号を得た。
【００３０】
また、抵抗変換器と同じ磁気構造を用いて磁束ガイドを作った。その飽和磁化は 100〜300 ＫＡ／ｍで、透過率は周波数１ＭＨｚで約1000、磁気ヒステリシスは１Oe（79Ａ／ｍ）以下であった。
従って、同一蒸着室で同じターゲットからの陰極スパッタリングによって磁気抵抗変換器と、この磁気抵抗変換器に磁界線を収束させた磁束ガイドとを製造することができる。
【００３１】
【表１】

【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の多層構造の概念的な縦断面図。
【図２】 公知の多層構造および本発明の多層構造のＭＡ／ｍ当たりの感度ΔＲ／Ｒの変化を温度Ｔ（℃）の関数で表したグラフ。
【図３】 本発明構造のアニーリング前および後での磁気抵抗の変化を印加磁界Ｈ（ｋＡ／ｍ）の関数で表したグラフ。
【図４】 本発明構造のアニーリング前および後での磁気透過率μの変化を印加磁気周波数Ｆ（ＭＨｚ）の関数で表したグラフ。
【記号の説明】
２ 多層磁気構造 ４ 基板
６ 非磁性層 ８ 磁性層
10 積層体 12 結合層

Claims (3)

1. 磁性層間に反強磁性結合が存在するような厚さの非磁性金属材料の層(6)によって互いに隔てられた磁性材料の層(8)の積層体(10)を有する金属の多層磁気構造体の製造方法において、
   磁性材料としてＦｅＮｉ、ＦｅＮｉＣｏおよびＮｉＣｏより成る群の中から選択される合金を使用し、非磁性材料として銀を使用し、陰イオンスパッタリング法を用いてこれらの金属の蒸気を、−196 ℃から−50℃の温度の基板(4)上で凝縮させて磁性層(8)と非磁性層(6)とを堆積させることを特徴とする方法。
2. 基板上に予め堆積された磁性または非磁性の結合層(12)上に上記積層体(10)を形成する請求項１に記載の方法。
3. 上記積層体(10)を温度 150〜300 ℃でアニーリングする請求項１または２に記載の方法。

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