JP3823051B2

JP3823051B2 - 磁性薄膜およびその熱処理方法

Info

Publication number: JP3823051B2
Application number: JP2001380191A
Authority: JP
Inventors: 正幸権田
Original assignee: Alps Electric Co Ltd
Current assignee: Alps Alpine Co Ltd
Priority date: 2001-04-10
Filing date: 2001-12-13
Publication date: 2006-09-20
Anticipated expiration: 2021-12-13
Also published as: JP2002373808A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、所定の合金を用いて磁性薄膜構造とすることで強磁性を有する磁性薄膜に関するものである。また、その磁性薄膜の製造に不可欠な熱処理条件を規定した磁性薄膜の熱処理方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
バルク材料のＮｉ−Ｍｎを主体とする合金においては、原子％で５０％Ｍｎ近傍のＮｉ−Ｍｎ合金は反強磁性を示し、原子％で２０ａｔ％から４０ａｔ％のＭｎを有するＮｉ_３Ｍｎ系合金は強磁性を示すことがＢｏｚｏｒｔｈ等に報告されている。このＮｉ_３Ｍｎ系合金では、面心立方体のＮｉ中にＭｎが配列し、３５０℃から５５０℃の間の温度で熱処理を加えることにより、規則正しいスピン配列が乱されるため、磁気特性や抵抗値、キュリー点が変化することが知られていた。前記公知文献ではこのバルク材料は熱処理温度が高いほど強磁性の特性が劣化する（磁化等の低下）ことが記載されている。しかしながら、Ｎｉ−Ｍｎを主体とする合金を用いた磁性薄膜に対しては報告されておらず、バルク材料の使用について詳細な検討はされていない。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
したがって、本発明の目的は上記のように、バルク材料では公知であるＮｉ−Ｍｎ系合金を用いながら、所定の薄膜の多層構造で強磁性となる磁性薄膜、およびその熱処理条件との関係を明らかにして提供するものである。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
上記の課題は、基板上に下地膜を形成した後、Ｎｉ−Ｍｎ系合金の磁性膜を形成し、真空中または非酸化性雰囲気中で熱処理を行なうことにより解決できることを見出した。
【０００５】
即ち、本発明の磁性薄膜は基板と、前記基板上に形成された下地膜と、前記下地膜上に形成された強磁性膜を備える磁性薄膜であって、前記強磁性膜はマンガン量が１５ａｔ％以上且つ４０ａｔ％以下で残部ニッケルおよび不可避不純物を有するＮｉ−Ｍｎ系合金であり、前記下地膜は、タンタル、チタン、ニオブのいずれか一種以上で構成されることを特徴とする。好ましくは、前記強磁性膜はマンガン量が１５〜４０ａｔ％で残部ニッケルおよび不可避不純物からなるＮｉ−Ｍｎ系合金とする。これにより優れた強磁性特性を持つ磁性薄膜が実現される。マンガン量のさらに好ましい範囲は１７ａｔ％以上且つ３０ａｔ％以内、さらには１８ａｔ％以上且つ２２ａｔ％以内とする。バルク材ではマンガン量が約２２％の時に最も高い強磁性を示すが、本発明のように磁性薄膜にするとそのマンガン量(Ｍｎ量)の最適値は若干低くなる。また、強磁性膜は５ｎｍ以上且つ５００ｎｍ以下の厚さで形成されていることが好ましい。あまりに薄いと磁性薄膜として強磁性の特性が不足する。また厚さが５００ｎｍを超えても同様である。好ましくは１０ｎｍ以上且つ３００ｎｍ以下、さらに好ましくは１５ｎｍ以上且つ１５０ｎｍ以下の厚さとすることで飽和磁化の向上が可能である。また、下地膜は厚いほど飽和磁化が低下する傾向にあるため、目安として０．１ｎｍ以上且つ１００ｎｍ以下の範囲とすることが好ましい。
【０００６】
また、本発明の磁性薄膜は、下地膜にタンタル（Ｔａ）、チタン（Ｔｉ）、ニオブ（Ｎｂ）のいずれか一種以上を用いる。この下地膜構成とＮｉ−Ｍｎ系合金の強磁性膜からなる薄膜層により結晶配向性や膜質が改善され、優れた強磁性特性が実現される。
【０００７】
ここで、“基板”とは下地膜や磁性膜を被着させるための部材であり、単に板状やウェハー形状のものに限らず、電気機器、電子機器、電気部品もしくは電子部品の基板や筐体や基体等を含む。要は、下地膜と磁性膜を支持して所要の磁気特性を得られるものが基板に相当する。“磁性薄膜”は非磁性膜と強磁性膜を有する多層膜を含む。また、下地膜を備えるとともに高い飽和磁化（例えば１００ｍＴ以上）を有する場合、ＮｉＭｎ系合金はＮｉとＭｎを主としたものに第３の元素を添加させたものであっても良く、本発明の一部と言える。但し、発明者の実験に依るとＮｉとＭｎから成る組成が最も良い。
【０００８】
また、本発明の磁性薄膜は、基板上に、タンタル、チタン、ニオブのいずれか一種以上で構成された下地膜を形成し、前記下地膜上にマンガン量が１５〜４０ａｔ％で残部ニッケルおよび不可避不純物からなるＮｉ−Ｍｎ系合金の強磁性膜を形成し、その後真空中または非酸化性雰囲気中で４００〜７００℃の熱処理を施すことが好ましい。大気中の熱処理では酸化されてしまうため好ましくない。真空中で行うことにより、Ｎｉ−Ｍｎ磁性膜の規則正しいスピン配列が乱されることにより、優れた磁性薄膜が実現される。さらにマンガン量（Ｍｎ量）が１７〜３０ａｔ％の強磁性膜においては熱処理温度により２つの顕著な強磁性（飽和磁化）特性ピークが発現する。このピークを発現させる好ましい熱処理温度範囲は４００〜４８０℃および５５０〜６８０℃である。従来のバルク材では行なわない５５０〜６８０℃の熱処理温度の方がさらに強磁性特性が高い傾向にある。
【０００９】
また、前記Ｎｉ−Ｍｎ系合金の結晶方位の[２２０]面と[１１１]面の比（[２２０]／[１１１]Ｘ線強度比）が熱処理前で０．２以上０．６以下であり、熱処理後は０．５以上であることが好ましい。Ｍｎ量が多い場合と少ない場合を比較すると、Ｍｎ量の少ない方が飽和磁気を大きくなる傾向がある。Ｘ線強度比についても低Ｍｎ化により、大きくなり熱処理前より低下する度合いが改善される傾向にある。そこで、本発明の他の磁性薄膜として、熱処理後に[２２０]／[１１１]Ｘ線強度比が０．５以上であるものを挙げる。
【００１０】
本発明では基板上に下地膜、強磁性膜を一層ずつ形成しているが、下地膜と強磁性膜を交互に複数層重ねるようにしても良い。また、本発明の磁性薄膜は図２、３に示すように熱処理温度により強磁性が発現したり減衰したりするのでスイッチング用の素子としての用途の適用も考えられる。基板は少なくとも片面が表面研磨されたもの、あるいは、さらに約１μｍの酸化膜層を付加したものがよい。基板組成は実施例においてはＳｉ基板を用いているが熱膨張係数などを考慮の上、公知のものであれば適宜使用可能である。
【００１１】
本発明の下地膜、強磁性膜の作製には既知の成膜方法を採用できる。例えば、通常のマグネトロンスパッタ法、対向ターゲットスパッタ法等を用いることができる。
【００１２】
【発明の実施の形態】
次に本発明の磁性薄膜を実施例によって具体的に説明するが、これら実施例により本発明が限定されるものではない。
（実施例1）
片面が研磨され、表面に1μｍ厚の酸化処理を施したＳｉウエハを基板に用い、スパッタ装置内に設置し、下地膜用にＴａターゲットを、磁性膜用に８０ａｔ％Ｎｉ−２０ａｔ％Ｍｎ、７５ａｔ％Ｎｉ−２５ａｔ％Ｍｎ、６０ａｔ％Ｎｉ−４０ａｔ％Ｍｎターゲットをそれぞれスパッタ装置内に設置した。装置内を３×１０^-5Ｐａ以下まで排気した後、Ａｒガスを１００ｍｌ／ｓｅｃ流し、装置内の圧力を０．４５Ｐａに保ち、放電出力２００Ｗで放電させて基板洗浄（基板表面のクリーニング）を６０ｓｅｃ行った。放電出力１５０Ｗに設定し、下地膜に用いるＴａターゲットに放電させて基板上にＴａ下地膜を５０ｎｍ成膜した。その後、８０ａｔ％Ｎｉ−２０ａｔ％Ｍｎターゲットに放電させ、磁性膜を３００ｎｍ形成し、本発明の磁性薄膜（発明品１−１）を得た。また、磁性膜のＭｎ量による影響を比較するため、７５ａｔ％Ｎｉ-２５ａｔ％Ｍｎ組成の磁性膜を有する磁性薄膜（発明品１−２）、６０ａｔ％Ｎｉ−４０ａｔ％Ｍｎ組成の磁性膜を有する磁性薄膜（発明品１−３）をそれぞれ製造した。なお、本明細書では、８０ａｔ％Ｎｉ−２０ａｔ％Ｍｎターゲットとは、磁性膜の組成を８０ａｔ％Ｎｉ−２０ａｔ％Ｍｎにするターゲット材を表している。従って、実際のターゲットのＭｎ組成は２０ａｔ％超で用意した。成膜条件にもよるが、ターゲットの組成に比べて磁性膜の組成ではＭｎが減少するためである。
また、熱処理温度による影響を調査するため、各々の磁性薄膜に対して、真空熱処理炉を用いて熱処理温度を１００℃〜７００℃の所定の温度で各々実験を行なった。熱処理時間３ｈｒで、試料の酸化防止のため、６．７×１０^- ^３Ｐａ以下の真空中で熱処理を行い、特性を評価した。図２に熱処理温度と飽和磁化との関係を示す。横軸は熱処理温度（℃）であり、縦軸は飽和磁化Ｂｓ（ｍＴ）である。
【００１３】
（比較例１）
Ｍｎ量による影響を比較するため、比較実験を行なった。実施例1と同様のＳｉ基板を用い、スパッタ装置内に設置し、下地膜用にＴａターゲットを、磁性膜用に５０ａｔ％Ｎｉ−５０ａｔ％Ｍｎターゲットをそれぞれスパッタ装置内に設置した。装置内を３×１０^-5Ｐａ以下まで排気した後、Ａｒガスを１００ｍｌ／ｓｅｃ流し、装置内の圧力を０．４５Ｐａに保ち、放電出力２００Ｗで放電させ基板洗浄を６０ｓｅｃ行った。放電出力１５０Ｗに設定し、下地膜に用いるＴａターゲットに放電させて基板上にＴａ下地膜を５０ｎｍ成膜した。その後、５０ａｔ％Ｎｉ−５０ａｔ％Ｍｎターゲットに放電させ、磁性膜を３００ｎｍ形成し、比較用の磁性薄膜（比較品１）を得た。
また、熱処理温度による影響を調査するため、比較品１の磁性薄膜に対して、真空熱処理炉を用いて熱処理温度を１００℃〜７００℃の所定の温度で各々実験を行なった。熱処理時間３ｈｒで、試料の酸化防止のため、６．７×１０^- ^３Ｐａ以下の真空中で熱処理を行い、特性を評価した。図２に熱処理温度と飽和磁化との関係を示す。
【００１４】
発明品１−１は４２０〜４８０℃および５６０〜６８０℃で熱処理を行なうことにより、飽和磁化が２１０ｍＴ以上得られた。さらに５８０〜６６０℃では３００ｍＴ以上、５９０〜６４０℃では４００ｍＴ以上が得られた。また、発明品１−２では４３０〜３７０℃および５６０〜６８０℃で熱処理を行なうことにより、飽和磁化が２１０ｍＴ以上得られた。さらに５８０〜６５０℃では３００ｍＴ以上が得られた。対して比較品１は１００から７００℃の温度範囲内で熱処理を加えても飽和磁化の向上が見られず、発明品より劣ることがわかる。
【００１５】
また、発明品１−１および１−２と比較品１について、磁気特性をＶＳＭ（試料振動型磁力計）を用いて評価した。評価条件は印加磁界８００ｋＡ／ｍである。Ｘ線回折により結晶配向性を測定した。図４に熱処理温度とＸ線回折による磁性膜を構成するＮｉ−Ｍｎを主体とする合金（磁性膜）の結晶方位の[２２０]面と[１１１]面の比、[２２０]／[１１１]Ｘ線強度比の関係を示す。
発明品１−１、１−２は熱処理温度により[２２０]／[１１１]Ｘ線強度比が流動的に変化する。特に３００℃から５００℃までは[２２０]／[１１１]Ｘ線強度比が０．２以上と急激に増加する。比較品１は１００℃から７００℃の温度で熱処理を加えてもＸ線強度比に変化が見られない。
【００１６】
（実施例２）
実施例1と同様のＳｉ基板を用い、スパッタ装置内に設置し、下地膜用にＴｉターゲットを、磁性膜用に７５ａｔ％Ｎｉ−２５ａｔ％Ｍｎターゲットをそれぞれスパッタ装置内に設置した。装置内を３×１０^-5Ｐａ以下まで排気した後、Ａｒガスを１００ｍｌ／ｓｅｃ流し、装置内の圧力を０．４５Ｐａに保ち、放電出力２００Ｗで放電させて基板洗浄を６０ｓｅｃ行った。放電出力１５０Ｗに設定し、下地膜に用いるＴｉターゲットに放電させ基板上にＴｉ下地膜を５０ｎｍ成膜した。その後、７５ａｔ％Ｎｉ−２５ａｔ％Ｍｎターゲットに放電させ、磁性膜を３００ｎｍ形成し、本発明の磁性薄膜（発明品２）を得た。
また、熱処理温度による影響を調査するため、発明品２の磁性薄膜に対して、真空熱処理炉を用いて熱処理温度を１００℃〜７００℃の所定の温度で各々実験を行なった。熱処理時間３ｈｒで、試料の酸化防止のため、６．７×１０^- ^３Ｐａ以下の真空中で熱処理を行い、特性を評価した。図３に熱処理温度と飽和磁化との関係を示す。
【００１７】
（実施例３）
実施例1と同様のＳｉ基板を用い、スパッタ装置内に設置し、下地膜用にＮｂターゲットを、磁性膜用に７５ａｔ％Ｎｉ−２５ａｔ％Ｍｎターゲットをそれぞれスパッタ装置内に設置した。装置内を３×１０^-5Ｐａ以下まで排気した後、Ａｒガスを１００ｍｌ／ｓｅｃ流し、装置内の圧力を０．４５Ｐａに保ち、放電出力２００Ｗで放電させて基板洗浄を６０ｓｅｃ行った。放電出力１５０Ｗに設定し、下地膜に用いるＮｂターゲットに放電させ基板上にＮｂ下地膜を５０ｎｍ成膜した。その後、７５ａｔ％Ｎｉ−２５ａｔ％Ｍｎターゲットに放電させ、磁性膜を３００ｎｍ形成し、本発明の磁性薄膜（発明品３）を得た。
また、熱処理温度による影響を調査するため、発明品３の磁性薄膜に対して、真空熱処理炉を用いて熱処理温度を１００℃〜７００℃の所定の温度で各々実験を行なった。熱処理時間３ｈｒで、試料の酸化防止のため、６．７×１０^- ^３Ｐａ以下の真空中で熱処理を行い、特性を評価した。図３に熱処理温度と飽和磁化との関係を示す。
【００１８】
（比較例２）
比較のため、下地膜を形成しないで基板に直接磁性膜を形成した。実施例1と同様のＳｉ基板を用い、スパッタ装置内に設置し、磁性膜用に７５ａｔ％Ｎｉ−２５ａｔ％Ｍｎターゲットをスパッタ装置内に設置した。装置内を３×１０^-5Ｐａ以下まで排気した後、Ａｒガスを１００ｍｌ／ｓｅｃ流し、装置内の圧力を０．４５Ｐａに保ち、放電出力２００Ｗで放電させて基板洗浄を６０ｓｅｃ行った。放電出力１５０Ｗに設定し、磁性膜に用いる７５ａｔ％Ｎｉ-２５ａｔ％Ｍｎターゲットに放電させ、磁性膜を３００ｎｍ形成し、比較用の磁性薄膜（比較品２）を得た。
また、熱処理温度による影響を調査するため、比較品２の磁性薄膜に対して、真空熱処理炉を用いて熱処理温度を１００℃〜７００℃の所定の温度で各々実験を行なった。熱処理時間３ｈｒで、試料の酸化防止のため、６．７×１０^- ^３Ｐａ以下の真空中で熱処理を行い、特性を評価した。図３に熱処理温度と飽和磁化との関係を示す。
【００１９】
図３において、発明品１−２では４３０〜３７０℃および５６０〜６８０℃で熱処理を行なうことにより、飽和磁化が２１０ｍＴ以上得られた。さらに５８０〜６５０℃では３００ｍＴ以上が得られた。発明品２は４３０〜３７０℃および５６０〜６８０℃で熱処理を行なうことにより、飽和磁化が２１０ｍＴ以上得られた。さらに５８０〜６５０℃では３００ｍＴ以上が得られた。また、発明品３では５５０〜６４０℃で熱処理を行うことで飽和磁化が１００ｍＴ以上得られ、さらに５７０〜６３０℃では３００ｍＴ以上、５８０〜６２０℃では４００ｍＴ以上が得られた。対して比較品２は４５０℃で熱処理を行った時に飽和磁化が最も高くなるが２００ｍＴに止まり、発明品より劣ることがわかる。
【００２０】
（実施例４）
実施例1と同様のＳｉ基板を用い、スパッタ装置内に設置し、下地膜用にＴａターゲットを、磁性膜用に７５ａｔ％Ｎｉ−２５ａｔ％Ｍｎターゲットをそれぞれスパッタ装置内に設置した。装置内を３×１０^-5Ｐａ以下まで排気した後、Ａｒガスを１００ｍｌ／ｓｅｃ流し、装置内の圧力を０．４５Ｐａに保ち、放電出力２００Ｗで放電させて基板洗浄を６０ｓｅｃ行った。下地膜の厚さによる影響を見るため、放電出力１５０Ｗに設定し、下地膜に用いるＴａターゲットに放電させ、基板上にＴａ下地膜を１０ｎｍから５００ｎｍまでの所定の膜厚で各々基板に成膜した後、７５ａｔ％Ｎｉ-２５ａｔ％Ｍｎ磁性膜を３００ｎｍ成膜し複数の磁性薄膜（発明品４）を得た。その後、真空熱処理炉を用いて、熱処理温度４５０℃、熱処理時間３ｈｒで、試料の酸化防止のため、６．７×１０^- ^３Ｐａ以下の真空中で熱処理を行い特性を評価した。図５に下地膜の厚さと飽和磁化との関係を示す。
【００２１】
Ｔａ下地膜の厚みを変えた発明品４は、下地膜が厚くなるにしたがい、飽和磁化が低下する。ただし下地膜厚が０ｎｍ（下地膜厚無し）では図３に示すように十分な磁気特性が得られない。
【００２２】
（実施例５）
実施例1と同様のＳｉ基板を用い、スパッタ装置内に設置し、下地膜用にＴａターゲットを、磁性膜用に７５ａｔ％Ｎｉ−２５ａｔ％Ｍｎターゲットをそれぞれスパッタ装置内に設置した。装置内を３×１０^-5Ｐａ以下まで排気した後、Ａｒガスを１００ｍｌ／ｓｅｃ流し、装置内の圧力を０．４５Ｐａに保ち、放電出力２００Ｗで放電させて基板洗浄を６０ｓｅｃ行った。放電出力１５０Ｗに設定し、下地膜に用いるＴａターゲットに放電させ、基板上にＴａ下地膜を３００ｎｍ形成した。次に、磁性膜の厚さによる影響を見るため、７５ａｔ％Ｎｉ-２５ａｔ％Ｍｎターゲットに放電し、１０ｎｍから５００ｎｍまでの所定の膜厚で各々基板に磁性膜を成膜し、複数の磁性薄膜（発明品５）を得た。その後、真空熱処理炉を用いて、熱処理温度４５０℃、熱処理時間３ｈｒで、試料の酸化防止のため、６．７×１０^- ^３Ｐａ以下の真空中で熱処理を行い特性を評価した。図６に磁性膜の厚さと飽和磁化との関係を示す。
【００２３】
磁性膜の厚みを変えた発明品５は、磁性膜厚がある程度まで増加すると、飽和磁化が若干減少する傾向を示すが、少なくとも磁性膜の厚さが３００ｎｍまでは高い飽和磁化が得られる。膜厚を厚くしても５００ｎｍまでは飽和磁化１３０ｍＴ程度が得られる。図示を省略したが、さらに膜厚を厚くしていくと飽和磁化がより急激に低下し、膜剥離や製造コストが高くなるという問題も生じるため、最大膜厚を５００ｎｍとすることが実用的である。
膜厚を１０ｎｍまで薄くしても高い飽和磁化を得ることができる。ただし、膜厚を薄くし過ぎると、膜厚の均一性を制御することが困難になり、強磁性の効果が期待できなくなる。均一性を制御するには厚さを５ｎｍ以上にするとよい。
即ち、厚さ５ｎｍから５００ｎｍの磁性膜とすることで磁気特性を得ると共に膜厚均一性もしくは製造コスト抑制に優れた磁性薄膜を実現することができる。さらに、より好ましくは厚さ１０ｎｍから３００ｎｍとすることで特に磁気特性に優れた磁性薄膜を実現することができる。
【００２４】
（実施例６）
実施例１と同様の条件で、磁性膜用に８５ａｔ％Ｎｉ−１５ａｔ％Ｍｎターゲットを用い、本願に係る磁性薄膜を形成したところ、発明品１−２や発明品１−３に比べて高い飽和磁化を得ることができた。
【００２５】
【発明の効果】
上述のように、本発明の磁性薄膜によれば、Ｎｉ−Ｍｎ系合金を所定の構成で磁性薄膜にして、所定の温度で熱処理することにより強磁性特性を有する優れた磁性薄膜を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の磁性薄膜を説明するための要部断面図である。
【図２】磁性薄膜の磁性膜Ｍｎ量による飽和磁化の熱処理温度依存性を示したグラフである。
【図３】磁性薄膜の下地膜の材質別による飽和磁化の熱処理温度依存性を示したグラフである。
【図４】Ｎｉ-Ｍｎ磁性膜のＸ線強度比（[２２０]／[１１１]）の熱処理温度依存性を示したグラフである。
【図５】Ｔａ／Ｎｉ−Ｍｎ系の磁性薄膜の下地膜の厚さによる飽和磁化を示したグラフである。
【図６】Ｔａ／Ｎｉ−Ｍｎ系の磁性薄膜の磁性膜の厚さによる飽和磁化を示したグラフである。
【符号の説明】
１基板、
２下地膜、
３Ｎｉ-Ｍｎ系合金の磁性膜。

Claims

基板と、前記基板上に形成された下地膜と、前記下地膜上に形成された強磁性膜を備える磁性薄膜であって、前記強磁性膜はマンガン量が１５ａｔ％以上且つ４０ａｔ％以下で残部ニッケルおよび不可避不純物を有するＮｉ−Ｍｎ系合金であり、前記下地膜は、タンタル、チタン、ニオブのいずれか一種以上で構成されることを特徴とする磁性薄膜。
前記強磁性膜は５ｎｍ以上且つ５００ｎｍ以下の厚さで形成されている請求項１に記載の磁性薄膜。
前記Ｎｉ−Ｍｎ系合金の結晶方位の[２２０]面と[１１１]面の比（[２２０]／[１１１]Ｘ線強度比）が熱処理前で０．２以上０．６以下であり、熱処理後は０．５以上である請求項１または２に記載の磁性薄膜。
基板上に、タンタル、チタン、ニオブのいずれか一種以上で構成された下地膜を形成し、前記下地膜上にマンガン量が１５〜４０ａｔ％で残部Ｎｉおよび不可避不純物を有するＮｉ−Ｍｎ系合金の強磁性膜を形成し、その後真空中または非酸化性雰囲気中で４００〜７００℃の範囲内で熱処理を施すことを特徴とする磁性薄膜の熱処理方法。