JP3930362B2 - 磁気抵抗比の温度係数が小さい磁気抵抗膜 - Google Patents

磁気抵抗比の温度係数が小さい磁気抵抗膜 Download PDF

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【0001】
【産業上の利用分野】
本発明は、磁気抵抗比の温度係数が小さい磁気抵抗膜、およびそれを用いた磁界センサに関する。
【0002】
【従来の技術】
種々の磁界検出のために、ホール素子,フラックスゲート素子,磁気インピーダンス効果(MI)素子、または磁気抵抗(MR)素子などが用いられている。これらの磁界センサは磁界を計測することはもちろん、サーボモーター、ステッピングモーター、ロータリーエンコーダー、水道流量計などの回転センサ、あるいは地磁気測定センサとしても広く利用されている。また、磁気記録の分野では記録密度の高密度化を実現するために、異方的磁気抵抗効果(AMR)を利用した読み出し用ヘッドや、金属人工格子の巨大磁気抵抗効果(GMR)を利用したスピンバルブヘッドが用いられている。
【0003】
自動車用のペダル踏み込み角度や位置の検出、また車速計測のための回転センサ等の車載用センサにも、上記の磁界センサが多く用いられている。これらの車載用センサには、−50〜+120℃程度の温度範囲で温度変化による出力の変化がほとんど無い事が求められる。AMR材料やGMR材料は、磁気抵抗効果の温度変化(温度係数)が大きく、車載用のセンサに用いるために電気的に大幅な補正が必要となる。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】
車載用各種センサの磁界センサに用いられている従来のAMR材料やGMR材料は、磁気抵抗比(MR比)の温度係数が±3000ppm/℃程度と非常に大きい.このため電気的に補正が必要になるが,この補正によっても高い精度を確保することは困難である。材料のMR比の温度変化が小さく、且つMR比の大きな材料が存在すれば、電気的な補正は必要なく、高い精度の磁界センサが得られる。また、電気回路は大幅に簡略化され、製造コストも低減されることが期待される。
【0005】
本発明は上記の事情を鑑みてなされたものであって、MR比の温度係数が小さく、且つ大きなMR比を有する磁気抵抗薄膜材料およびそれを用いた磁界センサを提供することを目的とする。
【0006】
【課題を解決するための手段】
本発明者らは、上記課題を解決すべく鋭意検討した結果、一般式(Fel−a−bCoNi100−x−y−zで表わされ、MはBe,Mg,Al,Si,Ca,Ti,V,Cr,Sr,Zr,Nb,Mo,Ba,Hf,Ta,W,希土類元素のうちから選択される1種または2種以上の元素からなるナノグラニュラー薄膜で、−50〜+120℃の温度範囲におけるMR比の温度係数が±500ppm/℃以内の組成範囲が存在することを見出し、本発明を完成するに至った
【0007】
すなわち、本発明の特徴とするところは次の通りである。
第1発明は,一般式(Fel−a−b Co Ni100−x−y−zで表わされ,MはBe,Mg,Al,Si,Ca,Ti,V,Cr,Sr,Zr,Nb,Mo,Ba,Hf,Ta,W,希土類元素のうちから選択される1種または2種以上の元素であり,かつ組成比a,b,x,y,zは原子比率で,
0≦a≦1
0≦b≦0.5
10≦x≦30
0≦y≦50
≦z≦50
30≦x+y+z≦60
である組成からなり、5%以上の磁気抵抗比を有し、−50〜+120℃の温度範囲における磁気抵抗比の温度係数が±500ppm/℃以下であり、絶縁体マトリックスにナノメーターサイズの磁性グラニュールが分散したナノグラニュラー構造であることを特徴とする磁気抵抗比の温度係数が小さい磁気抵抗膜を提供する
0008
発明は,一般式(Fel−aCo100−x−zで表わされ、MはBe,Mg,Al,Ca,Sr,Baのうちから選択される1種または2種以上の元素であり,かつ組成比a,x,zは原子比率で、
0≦a≦1
10≦x≦30
20≦z≦50
30≦x+z≦60
である組成からなり、5%以上の磁気抵抗比を有し、−50〜+120℃の温度範囲における磁気抵抗比の温度係数が±500ppm/℃以内であり、絶縁体マトリックスにナノメーターサイズの磁性グラニュールが分散したナノグラニュラー構造であることを特徴とする磁気抵抗比の温度係数が小さい磁気抵抗膜を提供する。
0009
発明は、電気比抵抗値が10μΩcm以上で、かつ保磁力が30Oe以下であることを特徴とする第1発明または第2発明に記載の磁気抵抗比の温度係数が小さい磁気抵抗膜を提供する。
0010
発明は,100℃以上800℃以下の温度で熱処理したことを特徴とする第1発明ないし第発明のいずれか1に記載の磁気抵抗比の温度係数が小さい磁気抵抗膜を提供する。
0011
発明は,第1発明ないし第発明のいずれか1に記載の磁気抵抗比の温度係数の小さな磁気抵抗膜からなる磁界センサを提供する。
0012
【作用】
本発明の磁気抵抗膜は、ナノサイズの金属微粒子(グラニュール)が主にFe,Co,Niあるいはそれらの合金からなり、それを取り囲む酸化物あるいはフッ化物からなる絶縁体の薄い粒界相からなるナノグラニュラー構造膜になっていることが必要である。これらのナノグラニュラー膜の磁気抵抗効果は、絶縁性粒界相を通過するトンネル電流が、粒界相を挟んで隣り合う磁性グラニュールの磁化の向きによって変化するスピン依存トンネル伝導によって発現する。また、これらの膜のスピン依存トンネル伝導は微細なグラニュールの帯電効果に大きく依存している。グラニュールの粒径が非常に小さい(2nm以下)場合は、室温付近においても帯電効果によってMR比が温度によって変化する。しかし、ある程度以上粒径が大きい場合は室温付近では帯電効果の影響は少なく、MR比は温度によって変化しない。一方、粒径が大きく(5nm以上)なるとMR比は減少する。膜中のグラニュールの粒径は、膜組成に大きく依存する。このことから膜中の粒界相を形成するM,OおよびFの量が、x>30,y>50またはz>50であるか、x≦30,y≦50且つz≦50であってもx+y+z>60である場合は、ナノグラニュールの粒径が小さくMR比の温度係数が±500ppm/℃の範囲を超えて大きくなり、適当でない。一方,M,OおよびFが,x<10またはx+y+z<30である場合は、グラニュールの粒径が大きくなるのでMR比が小さい。30≦x+y+z≦60の範囲では、MR比が5%以上で、且つMR比の温度係数が正から負に変化するので、MR比の温度係数が小さく、完全に0を示す組成も存在する。
0013
膜の電気比抵抗が10μΩcm未満の膜では、電流は部分的につながった金属グラニュールを自由に流れ、トンネル伝導は起こらないので磁気抵抗効果は生じない。また、磁化曲線と磁気抵抗効果の磁界依存性が密接に関係しているために、本発明の磁気抵抗膜の磁化曲線の保磁力は、30Oe以下であることが望ましい。これらの薄膜はスパッタ法によって作製することができ、その場合には、例えばRFスパッタ成膜装置を用い、純Fe、純Ni、純Coあるいは合金円板上に酸化物あるいはフッ化物等のチップを均等に配置した複合ターゲットを用いて行なうか、金属ターゲットと酸化物あるいはフッ化物ターゲットを同時にスパッタして行う。この際導入されるガスは、純Ar(アルゴン)あるいはAr+O(酸素)等の混合ガスを用いる。
0014
【実施例】
本発明を具体的に図を用いてさらに詳しく説明する。
〔実施例〕薄膜の作製と評価
コンベンショナルタイプのRFスパッタ装置あるいはRFマグネトロンスパッタ装置を用い、直径80〜100mmの純Fe、純Co、純Niあるいは合金円板上に金属チップをのせたターゲットと酸化物あるいはフッ化物ターゲットを同時にスパッタすることにより、薄膜を作製した。スパッタ成膜に際しては純ArあるいはAr+O混合ガスを用いた。膜厚のコントロールは成膜時間を加減することによって行い、約1μmになるように調節した。基板には、約0.5mm厚のコーニング社製#7059ガラスあるいはSiウエハを用いた。尚、基板は間接水冷あるいは100〜800℃の任意の温度に加熱した。成膜時のスパッタ圧力は1〜60mTorrで、スパッタ電力は100〜200Wである。スパッタガスにAr+O混合ガスを用いる場合は、アルゴンに対する酸素の流量比を1〜10%の範囲で種々選択し、膜中の酸素濃度を変えた。さらに、作製した薄膜試料には、100〜800℃の温度で種々の熱処理を施した。
0015
前記のようにして作製した薄膜試料は,直流4端子法を基本とする電気比抵抗の測定装置を用い、−50〜120℃の範囲で温度を変えて電気比抵抗値(ρ)と0〜15kOeの磁界中でのMR比を測定した。また磁化曲線は試料振動型磁化測定装置(VSM)で測定し、膜組成はラザフォード後方散乱法(RBS)あるいはエネルギー分散型分光分析法(EDS)によって決定した。また、膜の構造は、X線回折法(XRD)によって観察した。
0016
前記の方法で作製した薄膜と諸特性を表1および表2に示す。
0017
【表1】
Figure 0003930362
0018
【表2】
Figure 0003930362
0019
図1には、(Fe0.6Co0.4100−x−zMg膜の膜中のx+z量とMR比およびMR比の温度係数との関係を示す.温度係数が±500ppm/℃以内を示す領域は金属グラニュールの組成やMの種類によって変動するが、ここではおおよそ30≦x+z≦60の範囲で得られている。そして約x+z=50付近で0を示しそれ以下で正、以上で負の値を示す。
0020
表1に示したサンプルは本発明の組成範囲の膜である。表2に示す通り、これらのサンプルのMR比の温度係数は±500ppm/℃以内であり、MR比はいずれも5%以上である。そして、電気比抵抗はいずれも10μΩcm以上で、トンネル伝導に起因した磁気抵抗効果を示すことがわかる。また、保磁力(Hc)は30Oeを大きく下回っており、センサ材料に好適である。図2に試料番号17の膜のX線回折図形を示す。2θが27°および41°付近には主にMgFからなるフッ化物相からのピーク、また2θが44°付近には膜中の磁性金属グラニュールに対応するブロードなピークが観察される。以上のことから、この膜が微細な磁性金属微粒子とフッ化物相の2相からなるグラニュラー構造を有していることがわかる。
0021
図3には、試料番号17の熱処理温度とMR比およびMR比の温度係数の関係を示す。温度係数は、熱処理によって0に近づく。一方、MR比は800℃を超える温度で5%未満となり、適当でない。
0022
本発明の高電気抵抗磁気抵抗膜は、MR比の温度係数が小さく、且つMR比が大きく、電気抵抗も高いので、温度変化が小さいことが必要な自動車用などの磁界センサ素子および当該磁界センサ素子からなる磁界センサ、または回転角度および位置センサに好適である。
0023
尚、希土類元素とは、Sc(スカンジウム),Y(イットリウム)およびランタン系元素を表し、添加効果は均等である。
0024
【発明の効果】
本発明の高電気抵抗磁気抵抗膜は、絶縁物マトリックスにナノメーターサイズの磁性グラニュールが分散したナノグラニュラー合金薄膜であり、−50〜+120℃におけるMR比の温度係数が±500ppm/℃以内であり、且つ室温で5%以上の磁気抵抗比を示す。このため、温度変化を補正するための電気回路や工夫が必要なく、自動車用などの磁界センサ素子および当該磁界センサ素子からなる磁界センサ、または回転角度および位置センサ等に好適であり、その工業的意義は大きい。
【図面の簡単な説明】
【図1】 (Fe0.6Co0.4100−x−zMg合金膜のMR比の−50〜+120℃におけるMR比およびMR比の温度係数と膜中のx+z量との関係を示す特性図である。
【図2】 (Fe0.5Co0.547Mg1736合金膜の構造を示すX線回折図形である。
【図3】 (Fe0.5Co0.547Mg1736合金膜の熱処理温度とMR比およびMR比の温度係数の関係を示す特性図である。

Claims (5)

  1. 一般式(Fe1−a−bCoNi100−x−y−zで表わされ、MはBe,Mg,Al,Si,Ca,Ti,V,Cr,Sr,Zr,Nb,Mo,Ba,Hf,Ta,W,希土類元素のうちから選択される1種または2種以上の元素であり,かつ組成比a,b,x,y,zは原子比率で、
    0≦a≦1
    0≦b≦0.5
    10≦x≦30
    0≦y≦50
    ≦z≦50
    30≦x+y+z≦60
    である組成からなり、5%以上の磁気抵抗比を有し、−50〜+120℃の温度範囲における磁気抵抗比の温度係数が±500ppm/℃以内であり、絶縁体マトリックスにナノメーターサイズの磁性グラニュールが分散したナノグラニュラー構造であることを特徴とする磁気抵抗比の温度係数が小さい磁気抵抗膜。
  2. 一般式(Fel−aCo100−x−zで表わされ,MはBe,Mg,Al,Ca,Sr,Baのうちから選択される1種または2種以上の元素であり、かつ組成比a,x,zは原子比率で、
    0≦a≦1
    10≦x≦30
    20≦z≦50
    30≦x+z≦60
    である組成からなり,5%以上の磁気抵抗比を有し,−50〜+120℃の温度範囲における磁気抵抗比の温度係数が±500ppm/℃以内であり、絶縁体マトリックスにナノメーターサイズの磁性グラニュールが分散したナノグラニュラー構造であることを特徴とする磁気抵抗比の温度係数が小さい磁気抵抗膜。
  3. 電気比抵抗値が10μΩcm以上で、かつ保磁力が30 Oe以下であることを特徴とする請求項1または請求項2に記載の磁気抵抗比の温度係数が小さい磁気抵抗膜。
  4. 100℃以上800℃以下の温度で熱処理したことを特徴とする請求項1ないし請求項のいずれか1項に記載の磁気抵抗比の温度係数が小さい磁気抵抗膜。
  5. 請求項1ないし請求項のいずれか1項に記載の磁気抵抗比の温度係数の小さな磁気抵抗膜からなる磁界センサ。
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