JP4490720B2 - 軟磁性薄膜、その製造方法及び磁気ヘッド - Google Patents

Description

本発明は、ＶＣＲ（Ｖｉｄｅｏ Ｃａｓｓｅｔｔｅ Ｒｅｃｏｒｄｅｒ）、磁気ディスク記録装置などに用いる磁気ヘッド用の軟磁性薄膜、その製造方法及び磁気ヘッドに関するものである。

近年、記録装置の小型化、大容量化への要請から磁気記録の高密度化を図るために、記録媒体の高保磁力化と磁気ヘッドの狭トラック化が推し進められ、それに伴う高転送レート化のために、磁気ヘッドの動作周波数の広帯域化が進められている。高保磁力媒体を飽和記録するためには高飽和磁束密度を持つ記録ヘッド磁極用の軟磁性薄膜が必要である。実際に、ＨＤＤ（Ｈａｒｄ Ｄｉｓｋ Ｄｒｉｖｅ）等の固定ディスク装置においては、記録密度の向上とともに、記録ヘッド磁極材料は、飽和磁束密度Ｂｓが５ｋＧのフェライトから１０ｋＧのＮｉ_８１Ｆｅ_１９、１６ｋＧのＮｉ_５０Ｆｅ_５０へと変遷してきた。

今後、記録密度の向上を図るためには、より大きな飽和磁束密度Ｂｓをもつ軟磁性薄膜が必要である。Ｆｅ−Ｃｏ薄膜は２５〜３５ａｔ％Ｃｏ組成において２４．５ｋＧという高い飽和磁束密度Ｂｓを持つが、磁歪が３〜８ｘ１０^−５と大きく軟磁気特性の導出が容易ではない。スタンフォード大学のＳ．Ｘ．Ｗａｎｇらは、Ｎｉ−Ｆｅ薄膜を下地膜とし、かつＦｅ−Ｃｏ成膜中に窒素を添加することによって、飽和磁束密度Ｂｓ＝２４．５ｋＧ、強磁性共鳴周波数ｆｒ＝１．５ＧＨｚが実現できることを報告している（例えば、非特許文献１参照。）。

この報告を契機として、Ｎｉ−Ｆｅ薄膜を下地膜とすることによって高い飽和磁束密度Ｂｓを持つＦｅ−Ｃｏ軟磁性薄膜材料の研究が精力的に行われてきた。富士通の池田らは、Ｆｅ_８０Ｃｏ_２０とＡｌ_２Ｏ_３とで構成されるターゲットを用い飽和磁束密度Ｂｓ＝２２ｋＧ、保持力Ｈｃ＝１Ｏｅの磁気特性を持つ軟磁性薄膜を開発した（例えば、非特許文献２参照。）。秋田県高度技術研究所の新宅らは、Ｆｅ−Ｃｏ材料に微量のＡｌ_２Ｏ_３を添加し、さらに下地膜としてＮｉ−Ｆｅ薄膜あるいはＣｏ−Ｚｒ−Ｎｂ薄膜からなる軟磁性下地膜を用いることによって、飽和磁束密度Ｂｓが２４ｋＧと大きく保持力Ｈｃが１Ｏｅ以下の軟磁性薄膜を開発することに成功している（例えば、非特許文献３参照。）。

磁気ヘッドの動作周波数の広帯域化に関しては、磁気ヘッド材料の有効透磁率μ'の周波数特性を改善することが必要である。理論的には、飽和磁束密度Ｂｓと異方性磁界Ｈｋとを大きくすることによって、共鳴周波数ｆｒを大きくし共鳴損失を小さくでき、優れたμ'の周波数特性を実現できる。電気磁気材料研究所の大沼らは、Ｃｏ−Ａｌ−Ｏグラニュラー構造膜が、１ＧＨｚ以上の共鳴周波数ｆｒを示し、５００ＭＨｚにおけるμ'が１００という特性を有することを報告しているが、飽和磁束密度Ｂｓが１０ｋＧ程度と小さい（例えば、非特許文献４参照。）。
エス．エックス．ワン、エヌ．エックス．サン、エム．やまぐち、エス．やぶかみ著：ネイチャー、第４０７巻、頁１５０−１５１、２０００（Ｓ．Ｘ．Ｗａｎｇ，N．X．Ｓｕｎ，Ｍ．Ｙａｍａｇｕｃｈｉ ａｎｄ Ｓ．Ｙａｂｕｋａｍｉ：Ｎａｔｕｒｅ，Ｖｏｌ．４０７，ｐｐ．１５０−１５１，２０００） エス．いけだ、アイ．たがわ、ワイ．うえはら、ティー．くぼみや、ジェイ．かね、エム．かけい、エイ．ちかざわ著：アイイーイーイー、トランザクションズ オン マグネティックス、第３８巻、５号、頁２２１９-２２２１，２００２（Ｓ．Ｉｋｅｄａ，Ｉ．Ｔａｇａｗａ，Ｙ．Ｕｅｈａｒａ，Ｔ．Ｋｕｂｏｍｉｙａ，Ｊ．Ｋａｎｅ，Ｍ．Ｋａｋｅｉ，Ａ．Ｃｈｉｋａｚａｗａ：ＩＥＥＥ Ｔｒａｎ Ｍａｇｎ．，Ｖｏｌ．３８，Ｎｏ．５，pp．２２１９-２２２１，２００２） 新宅、山川、大内著：電子情報通信学会技術研究報告，ＭＲ２００２−２０，２００２ 大沼、三谷、藤森、増本著：日本応用磁気学会誌，第２０巻，２号，頁４８９−４９２，１９９６

しかしながら、このような従来の軟磁性薄膜の製造技術では、記録ヘッド用の軟磁性薄膜として高い飽和磁束密度Ｂｓと高い共鳴周波数ｆｒを有するものが必要であるが、非磁性下地膜上にＦｅ−Ｃｏ−Ａｌ−Ｏ磁性膜を成膜しても高い飽和磁束密度Ｂｓと高い共鳴周波数ｆｒを有する軟磁性薄膜を製造することは困難であるという問題があった。

本発明はこのような問題を解決するためになされたもので、非磁性下地膜を用いた場合でも飽和磁束密度Ｂｓが２３ｋＧ以上、共鳴周波数ｆｒが１ＧＨｚ以上の特性を実現することが可能な軟磁性薄膜、その製造方法及び磁気ヘッドを提供するものである。

以上の点を考慮して、請求項１に係る発明は、基板上に下地膜としてＡｌ膜を形成し、前記Ａｌ膜上にＦｅ−Ｃｏ−Ａｌ−Ｏ磁性膜が形成されている構成を有している。

この構成により、非磁性下地膜を用いた場合でも飽和磁束密度Ｂｓが２３ｋＧ以上、共鳴周波数ｆｒが１ＧＨｚ以上の特性を有することが可能な軟磁性薄膜を実現することができる。

また、請求項２に係る発明は、請求項１において、前記下地膜の膜厚が、０．５ｎｍ以上５ｎｍ以下の範囲のいずれかの厚さである構成を有している。
この構成により、請求項１の効果に加え、軟磁性特性を好適にすることが可能な軟磁性薄膜を実現することができる。

また、請求項３に係る発明は、請求項１または請求項２において、前記Ｆｅ−Ｃｏ−Ａｌ−Ｏ磁性膜が、Ａｌ膜を中間層として複数層分離されて積層されている構成を有している。
この構成により、請求項１または請求項２の効果に加え、Ａｌ膜を中間層とすることによって、Ｎｉ−Ｆｅ膜では不可能な磁区制御ができると共に、中間層を構成する元素Ａｌが非磁性体であるため、隣り合う磁性膜の端部の漏れ磁束を減らすことができ、透磁率の低下、ノイズの発生といった磁区構造に起因する課題を回避することが可能な軟磁性薄膜を実現することができる。

また、請求項４に係る発明は、請求項１ないし請求項３のいずれか１項において、前記軟磁性薄膜が、２５０℃から４２０℃までの温度範囲内で磁場中熱処理して製造された構成を有している。

この構成により、請求項１ないし請求項３のいずれか１項の効果に加え、成膜時又は熱処理時に印加する磁界方向によって、その磁化容易軸方向を所望の方向に設定することが可能な軟磁性薄膜を実現することができる。

また、請求項５に係る発明は、磁気ヘッドの軟磁性薄膜として、請求項１ないし請求項４のいずれか１項に記載の軟磁性薄膜を用いた構成を有している。

この構成により、非磁性下地膜を用いた場合でも飽和磁束密度Ｂｓが２３ｋＧ以上、共鳴周波数ｆｒが１ＧＨｚ以上の特性を有する高性能の軟磁性体を有する磁気ヘッドを実現することができる。

また、請求項６に係る発明は、請求項１ないし請求項３のいずれか１項に記載の軟磁性膜を、２５０℃から４２０℃までの温度範囲内で磁場中熱処理する方法である。

この方法により、非磁性下地膜を用いた場合でも飽和磁束密度Ｂｓが２３ｋＧ以上、共鳴周波数ｆｒが１ＧＨｚ以上の特性を有する軟磁性薄膜を生成することができると共に、成膜時又は熱処理時に印加する磁界方向によって、その磁化容易軸方向を所望の方向に設定することができる。

本発明は、非磁性下地膜を用いた場合でも飽和磁束密度が２３ｋＧ以上、共鳴周波数が１ＧＨｚ以上の特性を実現することができるという効果を有する軟磁性薄膜、その製造方法及び磁気ヘッドを提供することができるものである。

以下、本発明の実施の形態について、図面を用いて説明する。

（第１の実施の形態）
図１は、本発明の第１の実施の形態に係る軟磁性薄膜の断面構造を概念的に示す図である。図１において、軟磁性薄膜は、基板１１０上に成膜された、下地膜１２０及び磁性膜１３０によって構成される。ここで、下地膜１２０としては、Ａｕ膜、Ａｇ膜、Ａｌ膜及びＲｕ膜のうちのいずれかを用い、磁性膜１３０としては、Ｆｅ−Ｃｏ−Ａｌ−Ｏ磁性膜を用いるものとする。基板１１０としては、表面酸化膜付のシリコンウェハー、コーニング７０５９（商標）又はアルミナチタンカーバイトなどを用いることができる。なお、下地膜１２０として、前述のもの以外にＮｉ−Ｆｅ膜、Ｔａ膜、Ｗ膜、Ｍｇ膜、Ｃｒ膜、Ｔｉ膜、Ｚｒ膜、Ｖ膜、Ｈｆ膜等を用いてもよい。

以下に、本発明の第１の実施の形態に係る軟磁性薄膜の製造方法について説明する。

成膜には、米国ＩｏｎＴｅｃｈ．社製、ホローカソード型イオンソースを用いた。ターゲットには純度９９．９９％の（Ｆｅ_７５Ｃｏ_２５）_９９（Ａｌ_２Ｏ_３）_１［ａｔ．％］を使用し、装置内を２x１0^−８Ｔｏｒｒ以下まで真空排気した後、ビーム電圧を１２００Ｖ、ビーム電流を１２０ｍＡに設定し、クリプトンガス圧を０．８x１0^−４Ｔｏｒｒとなるように導入して成膜した。また、成膜に用いる基板をターゲットと平行に設置し、毎分５回転で自転させた。また、マグネットを基板上に設置し１５０Ｏｅの磁界を基板に印加しながら成膜した。堆積した膜の膜厚は１０〜６００ｎｍとし、成膜後、５x１0^−７Ｔｏｒｒ以下の真空中において１ｋＯｅの磁界を印加しながら２５０〜５００℃で１時間熱処理した。

作製した軟磁性薄膜の飽和磁束密度Ｂｓと保磁力Ｈｃとを、振動試料型磁力計を使用して測定した。なお、本実施の形態では飽和磁束密度Ｂｓを磁界２５０Ｏｅにおける磁束密度Ｂ_２５０で評価した。また、高周波透磁率は、パーミアンスメータを使用して１０ＭＨｚから２ＧＨｚにおける複素透磁率μ'−ｊμ"（μ'実部、μ"虚部）として測定した。また、以上の磁気特性は、いずれも磁化容易軸方向と直交する方向すなわち磁化困難軸方向について測定した。

図２は、本発明の第１の実施の形態に係る軟磁性薄膜の実施例１〜２６の製造情報及びその諸特性を示す図である。図３は、軟磁性薄膜の実施例に対する比較例２７〜４６の諸特性を示す図である。ここで、軟磁性薄膜におけるＦｅ−Ｃｏ−Ａｌ−Ｏ薄膜の膜厚は、１００ｎｍである。なお、図２及び図３中の「下地膜」の欄内の右側の欄に示す数字は、下地膜の膜厚であり、その単位はｎｍである。また、μ'３００ＭＨｚとして示された数値は、３００ＭＨｚにおける複素透磁率の実部μ'の値である。さらに、図２及び図３中の記号「−」は測定不能を示し、「熱処理温度」の欄における「なし」という記載は、熱処理がないことを示す。

図２及び図３に示す結果に基づいて、概ね以下の事実が示される。
（１）Ａｕ膜、Ａｇ膜、Ａｌ膜及びＲｕ膜のうちのいずれかを膜厚０．５ｎｍから５ｎｍの下地膜とすることによって、Ｆｅ−Ｃｏ−Ａｌ−Ｏ薄膜はＢ_２５０＞２２ｋＧ、Ｈｃ＜６．０Ｏｅ、ｆｒ＞１．６ＧＨｚの特性が熱処理なしで得られる（実施例１〜１５参照）。
（２）Ａｕ膜、Ａｇ膜、Ａｌ膜及びＲｕ膜のうちのいずれかを膜厚０．５ｎｍから５ｎｍの下地膜とするＦｅ−Ｃｏ−Ａｌ−Ｏ薄膜に対して、２５０℃から４２０℃の熱処理を施すことによって、Ｈｃは３．５Ｏｅ以下に低下し、μ'３００ＭＨｚは１０００以上に増大する（実施例１６〜２０、２２〜２６参照）。
（３）膜厚２ｎｍのＮｉ−Ｆｅ膜を下地膜とすることによって、Ｆｅ−Ｃｏ−Ａｌ−Ｏ薄膜はＢ_２５０＝２２ｋＧ、Ｈｃ＝４．６Ｏｅ、ｆｒ＝１．７ＧＨｚの特性が熱処理なしで得られる（比較例２９参照）。
（４）膜厚２ｎｍのＮｉ−Ｆｅ膜を下地膜とするＦｅ−Ｃｏ−Ａｌ−Ｏ薄膜に対して、２５０℃から４２０℃の熱処理を施すことによって、Ｈｃは２．５Ｏｅ以下に低下し、μ'３００ＭＨｚは８５０以上に増大する（比較例３０〜３４参照）。
（５）Ｔａ、Ｍｇ、Ｗ、Ｃｒ、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｖ及びＨｆのうちのいずれかを下地膜とするＦｅ−Ｃｏ−Ａｌ−Ｏ薄膜は、熱処理によってＨｃが低下するが２５Ｏｅ以上と大きい（比較例２７、２８、３５〜４８参照）。

以上のことから、Ａｕ膜、Ａｇ膜、Ａｌ膜及びＲｕ膜のうちのいずれかを下地膜とする場合に、Ｎｉ−Ｆｅ薄膜と同様、軟磁気特性が改善されることが明らかである。

図４は、本発明の第１の実施の形態に係る軟磁性薄膜の特性のＡｇ膜の膜厚依存性を示す図である。図４に示すＡｇ膜厚依存性は、軟磁性薄膜を構成するＦｅ−Ｃｏ−Ａｌ−Ｏ薄膜の膜厚が１００ｎｍのものである。図４に示すように、０．５ｎｍ以上のＡｇ薄膜を堆積することによってＦｅ−Ｃｏ−Ａｌ−Ｏ薄膜の磁気特性が大幅に改善され、Ｈｃ＜６Ｏｅ、μ'３００ＭＨｚ＞４３０といった軟磁気特性が得られることがわかる。なお、これらＡｇ薄膜を下地膜とするＦｅ−Ｃｏ−Ａｌ−Ｏ薄膜の飽和磁束密度Ｂｓは、２３ｋＧ以上であり、共鳴周波数ｆｒは１．６ＧＨｚ以上であった。

図５は、図４に示す特性を有する上記の試料を３５０℃で１時間熱処理した後の特性を示す図である。図４及び図５から、３５０℃で１時間熱処理することによって軟磁気特性は改善され、膜厚０．５ｎｍから５ｎｍのＡｇ下地膜を用いたときにＨｃ＜２．２Ｏｅ、μ'３００ＭＨｚ＞１１７０といった特性が得られることがわかる。なお、これらＡｇ薄膜を下地膜とするＦｅ−Ｃｏ−Ａｌ−Ｏ薄膜の熱処理後の飽和磁束密度Ｂｓは、２３ｋＧ以上であり、共鳴周波数ｆｒは１．８ＧＨｚ以上であった。

図６は、図２に示す本発明の実施例２０の複素透磁率μ'−jμ"の周波数特性を示す図である。図６に示す複素透磁率は、１ｍＯｅ_０−ｐの磁場を印加して計測されたものである。複素透磁率の実部μ'は、１０ＭＨｚから１．５ＧＨｚの周波数において１０００〜１５００の範囲内にあり、虚部μ"が極大となる周波数すなわち強磁性共鳴周波数は、１．７ＧＨｚ程度であることがわかる。

以上説明したように、本発明の第１の実施の形態に係る軟磁性薄膜及びその製造方法は、Ａｕ膜、Ａｇ膜、Ａｌ膜及びＲｕ膜のうちのいずれかを下地膜として用いることとしたため、非磁性下地膜を用いた場合でも飽和磁束密度Ｂｓが２３ｋＧ以上、共鳴周波数ｆｒが１ＧＨｚ以上の特性を実現することができる。

また、Ａｕ膜、Ａｇ膜、Ａｌ膜及びＲｕ膜のうちのいずれかの下地膜の膜厚を０．５ｎｍから５ｎｍとすることによって、軟磁性薄膜の軟磁性特性を好適にすることができる。

さらに、本発明の軟磁性薄膜は、２５０℃から４２０℃までの温度範囲内で熱処理を施すことによって軟磁気特性が改善され、ヘッド作製プロセス時の処理温度、例えば約２８０℃に対する耐熱性を有する。

（第２の実施の形態）
図７（ａ）に示すように、磁性膜１３０が単層の磁性膜によって形成される場合、磁束の漏れが最小となるように磁性膜１３０の面内で磁束のループが形成され、磁性膜の端部で磁化の向き７０１の異なる磁区が形成される。特に、磁性膜のサイズが小さくなって、磁性膜の幅と膜厚が同じオーダーになると、反磁場すなわち形状磁気異方性は磁気特性を決める支配的な要因となる。

このような場合に、磁性膜１３０を非磁性体、例えばＡｕ膜、Ａｇ膜、Ａｌ膜及びＲｕ膜のうちのいずれかを中間層７０２とする多層構造とすることによって、非磁性の中間層７０２を介して隣り合う２層のＦｅ−Ｃｏ−Ａｌ−Ｏ磁性膜７０３ａ、７０３ｂの端部では、お互いの磁化方向を反対にして静磁的に結合し、漏れ磁束すなわち反磁場エネルギーを減らすことが可能となる（図７（ｂ））。このように、多層膜では磁区構造が簡単になり、容易軸に平行な磁化を持つ領域が大幅に増える。一般に、単層膜に対して多層膜の方が高い透磁率を持ち、周波数特性も優れている。

本発明の軟磁性薄膜の磁化容易軸方向は、成膜時の磁場印加方向あるいは熱処理時の磁場印加方向に対して平行である。したがって、磁化容易軸方向を所望の方向に設定可能である。実施例２６の試料は、成膜時の磁化容易軸方向に対して直交する方向に磁界を設定して熱処理を施して、磁化容易軸方向を９０度回転させたものである。なお、磁場印加における熱処理の温度としては、本発明の第１の実施の形態において示した熱処理温度、すなわち２５０℃から４２０℃までの温度範囲内の温度とすることができる。

前述の実施例２６の試料においてもＢ_２５０＝２３．５ｋＧ、Ｈｃ＝２．８Ｏｅ、ｆｒ＝１．７ＧＨｚの特性が得られている。この様な特性を有することは、本発明を磁気ヘッドに適用する場合に非常に有用なものである。以下では、図８に概念的に示す垂直磁気記録ヘッドを例にとり説明する。図８に示す垂直磁気記録ヘッドでは、垂直記録媒体８０１、リターンヨーク８０３及び記録磁極８０４から磁気回路が構成され、垂直記録媒体８０１に磁化８０２が記録されるようになっている。ここで、図８においてＷで示されたトラック幅方向を磁化容易軸に平行とすることによって、記録磁極８０４からの磁界強度を大きくでき、垂直記録媒体８０１への記録感度を向上することが可能となる。

以上説明したように、本発明の第２の実施の形態に係る軟磁性薄膜、その製造方法及び軟磁性薄膜を用いた磁気ヘッドは、Ａｕ膜、Ａｇ膜、Ａｌ膜及びＲｕ膜のうちのいずれかの非磁性体膜を中間層とすることによって、Ｎｉ−Ｆｅ膜では不可能な磁区制御が可能となる。

また、本発明の多層膜は、中間層を構成する元素であるＡｕ、Ａｇ、Ａｌ及びＲｕのうちのいずれかが非磁性体であるため、隣り合う磁性膜の端部の漏れ磁束を減らすことができ、透磁率の低下、ノイズの発生といった磁区構造に起因する課題を回避することができる。

また、本発明の軟磁性薄膜は、成膜時又は熱処理時に印加する磁界方向によって、その磁化容易軸方向を所望の方向に設定できる。これによって、軟磁性薄膜を垂直磁気ヘッドの磁極に使用する場合、その磁化容易軸方向をトラック幅方向と平行とすることによって、記録磁極からの磁界強度を向上でき、垂直媒体への記録感度を高めることが可能となる。

本発明の第１の実施の形態に係る軟磁性薄膜の断面構造を概念的に示す図である。 本発明の第１の実施の形態に係る軟磁性薄膜の実施例等の製造情報及びその諸特性を示す図である。 本発明の第１の実施の形態に係る軟磁性薄膜の比較例等の製造情報及びその諸特性を示す図である。 本発明の第１の実施の形態に係る軟磁性薄膜の特性の、Ａｇ膜の膜厚依存性を示す図である。 図４に示す特性を有する試料を３５０℃で１時間熱処理した後の特性を示す図である。 図２に示す本発明の実施例２０の複素透磁率μ'−jμ"の周波数特性を示す図である。 本発明の第２の実施の形態に係る磁性膜１３０の概念的な構造及びその効果を説明するための図である。 垂直磁気記録ヘッドの概念的な構造を示す図である。

符号の説明

１１０ 基板
１２０ 下地膜
１３０ 磁性膜
７０１ 磁化の向き
７０２ 中間層
７０３ａ、７０３ｂ Ｆｅ−Ｃｏ−Ａｌ−Ｏ磁性膜
８０１ 垂直記録媒体
８０２ 磁化
８０３ リターンヨーク
８０４ 記録磁極

Claims (6)

1. 基板上に下地膜としてＡｌ膜を形成し、前記Ａｌ膜上にＦｅ−Ｃｏ−Ａｌ−Ｏ磁性膜が形成されていることを特徴とする軟磁性薄膜。
2. 前記下地膜の膜厚は、０．５ｎｍ以上５ｎｍ以下の範囲のいずれかの厚さであることを特徴とする請求項１に記載の軟磁性薄膜。
3. 前記Ｆｅ−Ｃｏ−Ａｌ−Ｏ磁性膜は、Ａｌ膜を中間層として複数層分離されて積層されていることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の軟磁性薄膜。
4. ２５０℃から４２０℃までの温度範囲内で磁場中熱処理して製造されたことを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれか１項に記載の軟磁性薄膜。
5. 軟磁性薄膜として、請求項１ないし請求項４のいずれか１項に記載の軟磁性薄膜を用いたことを特徴とする磁気ヘッド。
6. 請求項１ないし請求項３のいずれか１項に記載の軟磁性膜を、２５０℃から４２０℃までの温度範囲内で磁場中熱処理することを特徴とする軟磁性薄膜の製造方法。

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