JP4337209B2 - 永久磁石薄膜およびその製造方法 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、永久磁石薄膜およびその製造方法に関する。特に、本発明は、小型モータ、マイクロアクチュエータ、磁気抵抗素子へのバイアス磁界印加素子、磁気記録媒体等に好適に用いられる永久磁石薄膜に関する。
【０００２】
【従来の技術】
各種電気機器の小型化が進む中で、永久磁石薄膜を用いたマイクロモータやマイクロアクチュエータなどの開発が進められている。この種のデバイスのサイズや性能は、永久磁石薄膜の磁気特性に左右される。このため、永久磁石薄膜の材料として、最大磁気エネルギー積の高いＮｄ−Ｆｅ−Ｂ系磁石材料やＳｍ−Ｃｏ系磁石材料が注目され、その研究開発が盛んに行われている。なかでも、Ｎｄ−Ｆｅ−Ｂ系磁石材料の主相を構成する正方晶Ｎｄ₂Ｆｅ₁₄Ｂ化合物は、その飽和磁化がＳｍＣｏ₅やＳｍ₂Ｃｏ₁₇の飽和磁化よりも大きいため、高性能永久磁石薄膜の材料として注目されている。
【０００３】
しかし、バルク状永久磁石の場合、最大エネルギー積が４００ｋＪ／ｍ³を超えるＮｄ−Ｆｅ−Ｂ系磁石が作製され、商品化されているのに対し、正方晶Ｎｄ₂Ｆｅ₁₄Ｂ化合物を主体とする永久磁石薄膜は、磁化および保磁力の両立を向上させることが困難であるため、現在、実用化に至っていない状況にある。
【０００４】
永久磁石薄膜の場合に、磁化および保磁力の両方を向上させることが困難である原因のひとつは、薄膜堆積技術によって形成したＮｄ−Ｆｅ−Ｂ系磁石の磁気異方性が粉末冶金的手法等の方法によって作製されたバルク状永久磁石に比較して低い点にある。
【０００５】
粉末冶金法による場合は、磁石粉末の成形体を作製する際、磁界中で磁石粉末の配向を実行したり、すべり変形を利用することによって、比較的容易に強い磁気的な異方性を材料に付与することが可能である。
【０００６】
薄膜堆積技術による場合、結晶成長の異方性を利用した垂直磁化膜の製作例が例えばＦ．Ｊ．Ｃａｄｉｅｕ，ｅｔ ａｌ，ＩＥＥＥ Ｔｒａｎｓ． Ｍａｇｎ． ２２（１９８６）ｐ．７５２等に開示されている。しかし、その技術的な完成度は粉末冶金法で用いられている異方性化技術の水準に達していないと考えられる。
【０００７】
また、Ｋ．Ｄ．Ａｙｅｌｓｗｏｒｔｈ ｅｔ ａｌ．, Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆＭａｇｎｅｔｉｓｍ ａｎｄ Ｍａｇｎｅｔｉｃ Ｍａｔｅｒｉａｌｓ ８２（１９８９）ｐ．４８に開示されているように、正方晶Ｒ₂Ｆｅ₁₄Ｂ化合物を主相とする薄膜には、しばしば希土類金属酸化物などの意図しない不純物相の混入や生成が発生する。このことも、永久磁石薄膜の特性改善を阻む要因となっている。
【０００８】
このため、永久磁石薄膜の特性改善を意図した種々の試みがなされてきた。例えば、特開平７−６９１６号公報は、希土類合金磁性薄膜の上に保護膜を配した永久磁石薄膜を開示している。また特開平９−２１９３１３号公報は、希土類合金磁性薄膜の上下に保護膜を配した永久磁石薄膜を開示している。
【０００９】
これらの保護膜は、希土類合金磁性薄膜と大気または基板との間での反応を防止し、それによって希土類合金磁性薄膜の磁気特性が劣化しないようにする機能を発揮している。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記従来技術では、希土類合金磁性膜と基板または大気とが直接に接触することによって生じる反応を抑制し、そのような反応に起因する磁性膜の変質を防止することを目的としていたため、希土類合金磁性膜の金属組織が充分に制御されていなかった。そのため、保磁力は、正方晶Ｒ₂Ｆｅ₁₄Ｂ化合物が本来持つ結晶磁気異方性エネルギーから期待される値よりも低く、また、十分な残留磁束密度も得られていない。
【００１１】
永久磁石薄膜を実用化するためには、そのエネルギー積を現状よりも向上させる必要がある。そのためには、堆積した希土類合金磁性層の金属組織を制御し、その磁気異方性を更に向上させる必要がある。
【００１２】
本発明は、かかる事情に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、金属組織を制御することによって高い保磁力と高い残留磁束密度を併せ持つ高性能永久磁石薄膜を提供することにある。また、本発明の他の目的は、そのような永久磁石薄膜を用いた回転機および磁気記録媒体を提供することにある。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
本発明による永久磁石薄膜は、高融点金属層と希土類合金磁性層とが交互に積層された４層以上の積層構造を備えた永久磁石薄膜であって、前記高融点金属層は、Ｔｉ、Ｖ、Ｃｒ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｈｆ、Ｔａ、およびＷからなる群から選択された少なくとも１種類の材料から形成されており、５ｎｍ以上５０ｎｍ以下の厚さを有し、前記希土類合金磁性層は、主たる構成相が正方晶Ｒ₂Ｆｅ₁₄Ｂ（ＲはＮｄおよび／またはＰｒ）であり、５０ｎｍ以上５００ｎｍ以下の厚さを有していることを特徴とする。
【００１４】
好ましい実施形態では、前記希土類合金磁性層が磁気異方性を有している。
【００１５】
前記希土類合金磁性層の面内方向の残留磁束密度（Ｂ_r1）に対する前記面内方向に垂直な方向の残留磁束密度（Ｂ_r2）の比（Ｂ_r2／Ｂ_r1）が２以上であることが好ましい。
【００１６】
前記積層構造に含まれる前記希土類合金磁性層の数は３以上であることが好ましい。
【００１７】
前記積層構造に含まれる前記希土類合金磁性層の合計厚さ（ｔ_m）に対する高融点金属層の合計厚さ（ｔ_n）の比率（ｔ_n／ｔ_m）が、０．０１≦（ｔ_n／ｔ_m）≦０．３を満足することが好ましい。
【００１８】
ある好ましい実施形態では、前記積層構造を支持する基板と前記積層構造との間に、緩衝層が形成されている。
【００１９】
好ましい実施形態では、前記緩衝層が、Ｔｉ、Ｖ、Ｃｒ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｈｆ、Ｔａ、およびＷからなる群から選択された少なくとも１種類の材料から形成されている。
【００２０】
好ましい実施形態では、前記積層構造の最上層に保護層が形成される。
【００２１】
前記保護層は、Ｔｉ、Ｖ、Ｃｒ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｈｆ、Ｔａ、およびＷからなる群から選択された少なくとも１種類の材料から形成されているものであってもよい。
【００２２】
本発明による永久磁石薄膜の製造方法は、３００℃以上の融点を有する材料から形成された基板を用意する工程と、Ｔｉ、Ｖ、Ｃｒ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｈｆ、Ｔａ、およびＷからなる群から選択された少なくとも１種類の材料から形成され、５ｎｍ以上５０ｎｍ以下の厚さを有する高融点金属層と、主たる構成相が正方晶Ｒ₂Ｆｅ₁₄Ｂ（ＲはＮｄおよび／またはＰｒ）であり、５０ｎｍ以上５００ｎｍ以下の厚さを有する希土類合金磁性層とが交互に積層された４層以上の積層構造を前記基板上に形成する工程とを包含する。
【００２３】
ある好ましい実施形態では、前記積層構造を前記基板上に形成する工程において、前記基板の温度を３００℃以上８００℃以下の範囲に調整しながら前記希土類合金磁性層を形成する。
【００２４】
前記積層構造を前記基板上に形成する工程において、前記基板の温度を３００℃未満に調整しながら前記希土類合金磁性層を形成し、前記積層構造を前記基板上に形成した後、前記積層構造を４００℃以上８００℃以下の温度に加熱するようにしてもよい。
【００２５】
好ましい実施形態では、前記積層構造の形成中または形成後に、前記積層構造に対して磁界を印加する工程を包含している。
【００２６】
本発明による回転機は、上記の何れかの永久磁石薄膜を備えていることを特徴とする。
【００２７】
本発明による磁気記録媒体は、上記の何れかの永久磁石薄膜を備えていることを特徴とする。
【００２８】
【発明の実施の形態】
本発明者は、主たる構成相が正方晶Ｒ₂Ｆｅ₁₄Ｂ化合物（ＲはＮｄおよび／またはＰｒ）であるＲ−Ｆｅ−Ｂ系合金層と、高融点金属からなる層とを交互に重ねた種々の積層膜について、永久磁石特性の検討を行った。その結果、Ｒ−Ｆｅ−Ｂ系合金層の金属組織は、Ｒ−Ｆｅ−Ｂ系合金層の上下に配置された高融点金属層の種類やＲ−Ｆｅ−Ｂ系合金層自身の厚さによって強く影響されることを見出し、本発明を想到するに至った。
【００２９】
本発明による永久磁石薄膜は、高融点金属層と希土類合金磁性層とが交互に積層された４層以上の積層構造を備えた永久磁石薄膜である。高融点金属層は、Ｔｉ、Ｖ、Ｃｒ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｈｆ、Ｔａ、およびＷからなる群から選択された少なくとも１種類の材料から形成されており、５ｎｍ以上５０ｎｍ以下の厚さを有している。また、希土類合金磁性層は、主たる構成相が正方晶Ｒ₂Ｆｅ₁₄Ｂであり、５０ｎｍ以上５００ｎｍ以下の厚さを有している。ここで、Ｒは、Ｎｄ、Ｐｒ、またはＮｄとＰｒの両方を含むものである。Ｆｅの一部は、ＣｏやＮｉ等の遷移金属元素と置換していても良い。
【００３０】
本発明者は、上記のような積層構造を採用することによって、薄膜でありながらも、強い垂直磁気異方性と高い保磁力の両方を達成した永久磁石を作製できることを見出した。
【００３１】
以下、図１を参照しながら、本発明の永久磁石薄膜について、その好ましい実施形態を詳細に説明する。図１は、本実施形態における永久磁石薄膜の断面構成を示している。
【００３２】
図１に示される永久磁石薄膜は、高融点金属層２、４、６、８、および１０と希土類合金磁性層３、５、７、９、および１１とが交互に積層された１０層の積層構造を備えており、この積層構造が基板１の上に設けられている。
【００３３】
高融点金属層２、４、６、８、および１０は、Ｔｉ、Ｖ、Ｃｒ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｈｆ、Ｔａ、およびＷからなる群から選択された少なくとも１種類の材料から形成されており、５ｎｍ以上５０ｎｍ以下の厚さを有している。
【００３４】
希土類合金磁性層３、５、７、９、および１１の主たる構成相は、正方晶Ｒ₂Ｆｅ₁₄Ｂ（ＲはＮｄおよび／またはＰｒ）であり、その厚さは５０ｎｍ以上５００ｎｍ以下に調整されている。本永久磁石においては、このハード磁性相である正方晶Ｒ₂Ｆｅ₁₄Ｂ化合物が磁気的性質を主に担う。なお、高保磁力を有する永久磁石薄膜が必要とされる場合、各希土類合金磁性層の特に好ましい厚さは、５０ｎｍ以上２００ｎｍ以下である。また、積層構造中の希土類合金磁性層の数は３以上であることが好ましい。
【００３５】
上記の積層構造中において、上下に重なり合う２つの希土類合金磁性層（例えば、磁性層３と磁性層５）の間には、必ず、薄い高融点金属層（例えば、高融点金属層４）が設けられている。本実施形態では、最下層に位置する希土類合金磁性層３と基板１との間にも、高融点金属層２が存在しているが、この高融点金属層２は省略しても良い。また、図１の例では、最上層に位置する希土類合金磁性層１１上には高融点金属層が形成されていないが、この希土類合金磁性層１１上に他の高融点金属層を設けても良い。
【００３６】
希土類合金磁性層の磁気異方性を向上させるという観点からは、高融点金属層の材料は任意では無く、Ｔｉ、Ｖ、Ｃｒ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｈｆ、Ｔａ、およびＷからなる群から選択された少なくとも１種類の材料から形成されている必要がある。希土類合金磁性層中のＲ₂Ｆｅ₁₄Ｂ化合物は、堆積時または熱処理時に、上記の材料から形成された高融点金属層と接していると、その磁化容易軸を基板面に対して垂直な方向に配向させる傾向がある。言いかえると、上記の高融点金属層は、希土類合金磁性層の磁気異方性を高め、面に垂直な残留磁束密度Ｂ_rを向上させる機能を有している。
【００３７】
更に、これらの高融点金属層４、６、８、および１０は、永久磁石薄膜中の希土類合金を膜厚方向に分断することによって、正方晶Ｒ₂Ｆｅ₁₄Ｂ化合物の結晶成長を抑えるように働く。その結果、希土類合金磁性層３、５、７、９、および１１の各々においては微細な金属組織が形成され、保磁力が向上することになる。図２は、単一の希土類合金層１２を基板１上に形成した従来の永久磁石薄膜の断面構成を示している。図１および図２からわかるように、本実施形態の希土類合金磁性層３、５、７、９、および１１の合計厚さは、図２の希土類合金磁性層１２の厚さと略同じであるが、図１における希土類合金磁性層３、５、７、９、および１１の各々は高融点金属層４、６、８、および１０の存在によって分断されている。その結果、希土類合金磁性層３、５、７、９、および１１において、正方晶Ｒ₂Ｆｅ₁₄Ｂ化合物の結晶成長が抑制され、その結晶組織が充分に微細化される。このことは、保磁力の増大に大いに寄与することとなる。
【００３８】
なお、高融点金属層２、４、６、８、および１０の各々の厚さが５ｎｍを下回ると、上述した結晶配向効果が十分に発現しないことがわかった。一方、高融点金属層２、４、６、８、および１０の各々の厚さが５０ｎｍを超えると、非磁性の高融点金属原子が希土類合金磁性層中に多く溶け込み、磁性層の結晶磁気異方性エネルギーを減少させてしまうおそれがあることもわかった。
【００３９】
また、上下の希土類合金磁性層によって挟まれた高融点金属層４、６、８、および１０が厚くなりすぎると、上下２層の希土類合金磁性層間の磁気的結合が弱くなるため好ましくない。この磁気的結合の問題は、高融点金属層が積層構造の最下層に位置している場合や最上層に位置している場合には特に問題にならない。そのような位置にある高融点金属層は、むしろ保護層としての機能が重要になるため、５０ｎｍを超える厚さを有していても良い。
【００４０】
なお、希土類合金磁性層の厚さに対する高融点金属層の厚さの比率が大きくなりすぎると、Ｔｉ、Ｖ、Ｃｒ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｈｆ、Ｔａ、およびＷが強磁性や常磁性でないために積層膜全体の磁化が低下するので好ましくない。このため、ひとつの永久磁石薄膜を構成する希土類合金磁性層３、５、７、９、および１１の合計厚さ（ｔ_m）に対する高融点金属層２、４、６、８、および１０の合計厚さ（ｔ_n）の比率（ｔ_n／ｔ_m）は、０．０１≦（ｔ_n／ｔ_m）≦０．３を満足することが好ましい。
【００４１】
Ｒ−Ｆｅ−Ｂ系合金の三元状態図には、多くの熱平衡相及び準安定相の存在が知られているが、本発明の永久磁石薄膜では、Ｒ−Ｆｅ−Ｂ合金層が主に正方晶Ｒ₂Ｆｅ₁₄Ｂ化合物で構成されている。正方晶Ｒ₂Ｆｅ₁₄Ｂ化合物は、Ｒ−Ｆｅ−Ｂ系合金三元系で知られている化合物中、結晶磁気異方性エネルギーが最も大きく、従って高い保磁力を実現する。このために、希土類合金磁性層に占めるＲ₂Ｆｅ₁₄Ｂ化合物の割合は、できるだけ大きいことが望ましい。
【００４２】
また、保磁力は、Ｒ₂Ｆｅ₁₄Ｂ化合物の金属組織や結晶粒子径にも依存することが知られている。保磁力を向上させるには、結晶を微細化することによって磁壁の移動を妨げることが望ましい。本発明による永久磁石薄膜では、前述のように、希土類合金磁性層が高融点金属層によって膜厚方向に分断されているため、正方晶Ｒ₂Ｆｅ₁₄Ｂの結晶成長が各磁性層の厚さによって制限される。故に、希土類合金磁性層を調整することによって、Ｒ₂Ｆｅ₁₄Ｂ化合物の結晶粒径を最適化し、保磁力を増加させることができる。
【００４３】
前述したように、希土類合金磁性層が厚すぎると、正方晶Ｒ₂Ｆｅ₁₄Ｂ結晶粒が粗大化するため、保磁力が低下し、また、結晶成長の配向性も乱れるため、磁化も低下してしまう。従って、各希土類合金磁性層の厚さは５００ｎｍ以下であることが好ましい。一方、各希土類合金磁性層の厚さが薄すぎると、積層構造全体に占める非磁性層の存在比率が高くなる傾向があるため、積層構造全体の平均磁化レベルが低下するので好ましくない。各希土類合金磁性層の厚さは５０ｎｍ以上であることが好ましい。
【００４４】
以下、本発明による永久磁石薄膜の製造方法の実施形態を説明する。
【００４５】
まず、３００℃以上の融点を有する材料から形成された基板を用意する。基板は、積層構造の形成中、または、その後に、３００℃以上の熱処理を受けることになる。そのため、基板の材料は、３００℃以上の融点を持ち、上記の熱処理に耐える必要がある。更に、基板は、薄膜形成中や加熱処理中に雰囲気ガスや堆積した材料と反応しにくく、化学的に安定な材料から形成されていることが好ましい。このような基板として、Ｓｉウェハ、Ｍｏ板、ステンレス、各種鋼鈑、サファイヤ板、石英板、ガラス板、Ａｌ₂Ｏ₃−ＴｉＣ複合セラミックス板などを好適に用いることができる。
【００４６】
なお、基板自身の材料が希土類合金磁性層と反応しやすい場合でも、そのような反応を抑制する緩衝層で基板上面を覆っていれば問題ない。そのような緩衝層として、Ｔｉ、Ｖ、Ｃｒ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｈｆ、Ｔａ、およびＷからなる群から選択された少なくとも１種類の材料から形成された高融点金属層を用いても良いし、他の安定な膜を用いて良い。なお、緩衝層の厚さは、５０ｎｍ以下に制限されない。
【００４７】
本発明では、スパッタ法などの薄膜堆積技術を用いて、高融点金属層と希土類合金磁性層とを交互に積層させた構造を基板上に形成する。積層構造を基板上に形成する工程において、基板の温度を３００℃以上８００℃以下の範囲に調整する方法と、積層構造を基板上に形成する工程では、基板の温度を３００℃未満に調整し、積層構造を基板上に形成した後に、４００℃以上８００℃以下の熱処理を行う方法の何れを採用しても良い。
【００４８】
積層構造形成時における基板加熱方法は任意であり、例えばシースヒータや赤外線ランプヒータによって直接または間接的に基板を加熱してもよい。また、積層構造形成後に行う加熱処理は、永久磁石薄膜を酸化しないように真空中または不活性ガス雰囲気中で実行することが望ましい。この加熱処理の時間は、熱処理温度によっても異なるが、例えば、熱処理温度が６００℃のとき、０．２〜２時間程度の加熱処理を行うことが好ましい。
【００４９】
希土類合金磁性層を構成する希土類金属、または希土類金属を含む合金は、容易に酸化するため、堆積工程は堆積装置内の雰囲気を高真空または不活性ガスとすることが望ましい。好ましい薄膜堆積方法としては、スパッタ法の他、真空蒸着法やレーザーアブレーション法などが挙げられる。これらの方法によって堆積された層の化学的、物理的、金属組織的特性は、堆積工程時の諸条件に左右される。Ｒ−Ｆｅ−Ｂ系合金は非晶質化しやすいので、堆積時の基板温度を前述の範囲に制御するか、または、堆積後の加熱処理によって、結晶化する必要がある。
【００５０】
本発明の永久磁石薄膜を回転機などに応用する場合は、基板材料は化学的に安定でしかもヨーク材として適当な材料、例えば、珪素鋼鈑やパーマロイ板などを用いることが望ましい。
【００５１】
本発明の永久磁石薄膜を磁気記録媒体に応用する場合は、永久磁石薄膜の上にダイヤモンド状カーボンなどからなる保護膜を設けることが望ましい。この記録媒体を垂直磁気記録用媒体として用いる場合は、永久磁石薄膜と基板との間にＮｉ−Ｐやパーマロイ膜などの裏打ち層を設けることが望ましい。
【００５２】
【実施例】
以下、本発明の実施例を説明する。
【００５３】
（実施例１）
本実施例では、まず、５５０℃に加熱したＡｌ₂Ｏ₃−ＴｉＣセラミック基板の上に、ＤＣダイオードマグネトロンスパッタ装置で、Ｔａ、Ｍｂ、Ｚｒ、Ｔｉ層のいずれか一種からなる高融点金属層とＮｄ−Ｆｅ−Ｂ合金層（希土類合金磁性層）とを交互に積層した複数の試料を作製した。本実施例では、全ての試料について、Ｎｄ−Ｆｅ−Ｂ合金層の合計厚さを１０００ｎｍ（２００ｎｍ×５）とした。各試料における積層構造および磁気特性を下記の表１に示す。
【００５４】
【表１】

【００５５】
ここで、試料Ｎｏ．２〜８は、本発明の実施例であり、試料Ｎｏ．１、および試料Ｎｏ．９〜１３は比較例である。
【００５６】
Ｔａ、Ｍｂ、Ｚｒ、Ｔｉ層の形成は、それぞれ、純金属ターゲットを用い、投入電力３〜６Ｗ／ｃｍ²、Ａｒ圧力０．５Ｐａ、堆積速度０．１〜０．８ｎｍ／ｓの条件で行った。、Ｎｄ−Ｆｅ−Ｂ合金層の形成は、ターゲットに原子比でＮｄ₁₄Ｆｅ₇₁Ｂ₁₅の組成を有する鋳造合金を用い、投入電力１０Ｗ／ｃｍ²、Ａｒ圧力０．５Ｐａ、堆積速度３ｎｍ／ｓの条件で行った。
【００５７】
試料は、スパッタ装置のチャンバー内で冷却した後、取り出し、試料振動型磁力計で膜面内方向と膜面に垂直な方向の磁化曲線を測定した。そのデータをもとに、Ｎｄ−Ｆｅ−Ｂ合金層のみが一様に磁化されるものと仮定して特性値を計算し、それによって得た残留磁束密度Ｂ_rと保磁力Ｈ_cJを表１に示している。
【００５８】
なお、表１における「積層構造」の欄に記載されている「基板／［Ｔｉ（２０ｎｍ）／Ｎｄ−Ｆｅ−Ｂ（２００ｎｍ）］×５」の標記は、「厚さ２０ｎｍのＴｉ層と厚さ２００ｎｍのＮｄ−Ｆｅ−Ｂ合金層を交互に積層した構造が基板上に形成されており、その積層構造中に含まれるＴｉ層およびＮｄ−Ｆｅ−Ｂ合金層の層数が何れも５である」ということを示している。
【００５９】
表１からわかるように、実施例の保磁力Ｈ_cJは、いずれも、単層のＮｄ−Ｆｅ−Ｂ合金層のみを形成した比較例（試料Ｎｏ．１）の保磁力Ｈ_cJに比べて大きい。また、実施例では、膜面内方向の残留磁束密度Ｂ_r1よりも膜面に垂直な方向の残留磁束密度Ｂ_r2が高く、いわゆる垂直磁気異方性が示されている。特に、試料Ｎｏ．３〜７の場合、膜面内方向の残留磁束密度Ｂ_r1に対する膜面に垂直な方向の残留磁束密度Ｂ_r2の比率（Ｂ_r2／Ｂ_r1）は５以上の高い値となっている。
【００６０】
試料Ｎｏ．１の比較例の磁化曲線を図３に示し、試料Ｎｏ．３の実施例の磁化曲線を図４に示す。これらの磁化曲線を比較すると明らかなように、実施例における垂直方向の残留磁束密度Ｂ_r2は単層のＮｄ−Ｆｅ−Ｂ合金層における垂直方向の残留磁束密度Ｂ_r2に比べて著しく高くなっており、垂直磁気異方性が向上していることがわかる。
【００６１】
（実施例２）
本実施例では、５５０℃に加熱したＡｌ₂Ｏ₃−ＴｉＣセラミック基板の上に、ＤＣダイオードマグネトロンスパッタ装置で、２０ｎｍのＴａ層と２００ｎｍのＰｒ−Ｆｅ−Ｂ合金層を交互にそれぞれ５層積層した試料と、Ｐｒ−Ｆｅ−Ｂ合金層のみを１０００ｎｍの厚さに形成した試料を作製した。各試料について、積層構造および磁気特性を下記の表２に示す。
【００６２】
【表２】

【００６３】
ここで、試料Ｎｏ．１５が本発明の実施例であり、試料Ｎｏ．１４が比較例である。
【００６４】
Ｔａ層の形成は、純金属のターゲットを用い、投入電力６Ｗ／ｃｍ²、Ａｒ圧力０．５Ｐａ、堆積速度０．８ｎｍ／ｓの条件で行った。Ｐｒ−Ｆｅ−Ｂ合金層の形成は、ターゲットに原子比でＰｒ₁₄Ｆｅ₇₂Ｂ₁₄の組成を有する鋳造合金を用い、投入電力１０Ｗ／ｃｍ²、Ａｒ圧力０．５Ｐａ、堆積速度３ｎｍ／ｓの条件で行った。
【００６５】
試料は、スパッタ装置のチャンバー内で冷却した後、取り出し、試料振動型磁力計で膜面内方向と膜面に垂直な方向の磁化曲線を測定した。そのデータをもとに、Ｐｒ−Ｆｅ−Ｂ合金層のみが一様に磁化されるものと仮定して特性値を計算し、それによって得た残留磁束密度と保磁力を表２に示している。
【００６６】
表２からわかるように、実施例の保磁力Ｈ_cJは、単層のＰｒ−Ｆｅ−Ｂ合金層のみを形成した比較例（試料Ｎｏ．１４）の保磁力Ｈ_cJに比べて大きい。また、実施例では、面内方向の残留磁束密度Ｂ_r1よりも面に垂直な方向の残留磁束密度Ｂ_r2が極めて高く、垂直磁気異方性が示されている。
【００６７】
（実施例３）
本実施例では、水冷したＡｌ₂Ｏ₃−ＴｉＣセラミック基板上に、ＤＣダイオードスパッタリング法によって２０ｎｍのＴａ層と２００ｎｍのＮｄ−Ｆｅ−Ｂ合金層を交互にそれぞれ５層積層した試料と、Ｎｄ−Ｆｅ−Ｂ合金層のみ１０００ｎｍ成膜した試料を作製した。各試料について、積層構造および熱処理条件を下記の表３に示す。
【００６８】
【表３】

【００６９】
ここで、試料Ｎｏ．１７が本発明の実施例であり、試料Ｎｏ．１６が比較例である。
【００７０】
Ｔａ層の形成は、純金属のターゲットを用い、投入電力６Ｗ／ｃｍ²、Ａｒ圧力０．５Ｐａ、堆積速度０．８ｎｍ／ｓの条件で行った。Ｎｄ−Ｆｅ−Ｂ合金層の形成は、ターゲットに原子比でＮｄ₁₄Ｆｅ₇₁Ｂ₁₅の組成を有する鋳造合金を用い、投入電力１０Ｗ／ｃｍ²、Ａｒ圧力０．５Ｐａ、堆積速度３ｎｍ／ｓの条件で行った。
【００７１】
試料に対して、真空中で６００℃、１時間の熱処理を行った。その後、試料振動型磁力計を用いて、この試料の膜面内方向と膜面に垂直方向の磁化曲線を測定した。そのデータをもとに、Ｎｄ−Ｆｅ−Ｂ合金層のみが一様に磁化されるものと仮定して特性値を計算し、それによって得た残留磁束密度と保磁力を表４に示す。
【００７２】
【表４】

【００７３】
表４からわかるように、実施例の保磁力Ｈ_cJは、単層のＮｄ−Ｆｅ−Ｂ合金層のみを形成した比較例（試料Ｎｏ．１６）の保磁力Ｈ_cJに比べて格段に大きい。また、実施例では、面内方向の残留磁束密度Ｂ_r1よりも面に垂直な方向の残留磁束密度Ｂ_r2が極めて高く、垂直磁気異方性が示されている。
【００７４】
以上説明してきたように、本発明の永久磁石薄膜は、高い保磁力と垂直磁気異方性を発揮することができる。
【００７５】
このような本発明の永久磁石薄膜を回転機に組み込み、定格条件で動作させたところ、良好な特性が得られた。また、そのトルクを測定したところ、従来の膜に比べて上昇していた。一方、本発明による永久磁石薄膜を磁気記録媒体に使用したところ、高出力、高Ｓ／Ｎ比が得られた。
【００７６】
【発明の効果】
本発明によれば、正方晶Ｒ₂Ｆｅ₁₄Ｂ化合物の結晶配向性が向上し、膜面に垂直な方向に高い残留磁束密度を持つ異方性磁石を実現することができる。また、本発明によれば、正方晶Ｒ₂Ｆｅ₁₄Ｂ化合物の金属組織が微細化するため、保磁力の向上を達成することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態における永久磁石薄膜を示す断面図である。
【図２】従来の永久磁石薄膜を示す断面図である。
【図３】表１における試料Ｎｏ．１の比較例の磁化曲線を示すグラフである。横軸が外部磁界の大きさを示し、縦軸が磁化強度を示している。
【図４】表１における試料Ｎｏ．３の実施例の磁化曲線を示すグラフである。横軸が外部磁界の大きさを示し、縦軸が磁化強度を示している。
【符号の説明】
１ 基板
２、４、６、８、１０ 高融点金属層
３、５、７、９、１１、１２ 希土類合金磁性層

Claims (14)

1. 高融点金属層と希土類合金磁性層とが交互に積層された４層以上の積層構造を備えた永久磁石薄膜であって、
   前記高融点金属層は、Ｔａから形成されており、５ｎｍ以上５０ｎｍ以下の厚さを有し、
   前記希土類合金磁性層は、主たる構成相が正方晶Ｒ₂Ｆｅ₁₄Ｂ（ＲはＮｄおよび／またはＰｒ）であり、５０ｎｍ以上５００ｎｍ以下の厚さを有し、かつ、磁気異方性を有していることを特徴とする永久磁石薄膜。
2. 前記希土類合金磁性層の面内方向の残留磁束密度（Ｂ_r1）に対する前記面内方向に垂直な方向の残留磁束密度（Ｂ_r2）の比（Ｂ_r2／Ｂ_r1）が２以上であることを特徴とする請求項１に記載の永久磁石薄膜。
3. 前記積層構造に含まれる前記希土類合金磁性層の数が３以上であることを特徴とする請求項１または２に記載の永久磁石薄膜。
4. 前記積層構造に含まれる前記希土類合金磁性層の合計厚さ（ｔ_m）に対する前記高融点金属層の合計厚さ（ｔ_n）の比率（ｔ_n／ｔ_m）が、０．０１≦（ｔ_n／ｔ_m）≦０．３を満足することを特徴とする請求項１から３の何れかに記載の永久磁石薄膜。
5. 前記積層構造を支持する基板と前記積層構造との間に、緩衝層が形成されていることを特徴とする請求項１から４の何れかに記載の永久磁石薄膜。
6. 前記緩衝層は、Ｔｉ、Ｖ、Ｃｒ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｈｆ、Ｔａ、およびＷからなる群から選択された少なくとも１種類の材料から形成されていることを特徴とする請求項５に記載の永久磁石薄膜。
7. 前記積層構造の最上層に保護層が形成されていることを特徴とする請求項１から４の何れかに記載の永久磁石薄膜。
8. 前記保護層は、Ｔｉ、Ｖ、Ｃｒ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｈｆ、Ｔａ、およびＷからなる群から選択された少なくとも１種類の材料から形成されていることを特徴とする請求項７に記載の永久磁石薄膜。
9. ３００℃以上の融点を有する材料から形成された基板を用意する工程と、
   Ｔａから形成され、５ｎｍ以上５０ｎｍ以下の厚さを有する高融点金属層と、主たる構成相が正方晶Ｒ₂Ｆｅ₁₄Ｂ（ＲはＮｄおよび／またはＰｒ）であり、５０ｎｍ以上５００ｎｍ以下の厚さを有し、かつ磁気異方性を有している希土類合金磁性層とが交互に積層された４層以上の積層構造を前記基板上に形成する工程と
   を包含する永久磁石薄膜の製造方法。
10. 前記積層構造を前記基板上に形成する工程では、前記基板の温度を３００℃以上８００℃以下の範囲に調整しながら前記希土類合金磁性層を形成することを特徴とする請求項９に記載の永久磁石薄膜の製造方法。
11. 前記積層構造を前記基板上に形成する工程では、前記基板の温度を３００℃未満に調整しながら前記希土類合金磁性層を形成し、
    前記積層構造を前記基板上に形成した後、前記積層構造を４００℃以上８００℃以下の温度に加熱することを特徴とする請求項９に記載の永久磁石薄膜の製造方法。
12. 前記積層構造の形成中または形成後に、前記積層構造に対して磁界を印加する工程を包含している請求項９から１１の何れかに記載の永久磁石薄膜の製造方法。
13. 請求項１から８の何れかに記載の永久磁石薄膜を有する回転機。
14. 請求項１から８の何れかに記載の永久磁石薄膜を有する磁気記録媒体。

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