JP5643714B2

JP5643714B2 - 磁歪測定装置

Info

Publication number: JP5643714B2
Application number: JP2011099135A
Authority: JP
Inventors: 和彦沖田
Original assignee: Tohoku Steel Co Ltd
Current assignee: Tohoku Steel Co Ltd
Priority date: 2011-04-27
Filing date: 2011-04-27
Publication date: 2014-12-17
Anticipated expiration: 2031-04-27
Also published as: JP2012230034A

Description

本発明は、磁歪測定装置に関する。

従来、薄い磁性膜の磁歪を測定する方法として、磁性膜を載せた基板を機械的に曲げ、このときの磁気異方性磁界の変化を測定することにより、測定を行う方法がある（例えば、非特許文献１参照）。この方法によれば、実用的な基板の自由層（ｆｒｅｅｌａｙｅｒ）の磁歪を効果的に測定することができる。

K. Okita, K. Ishiyama and H.Miura, "Magnetostriction measurement of GMR films on practicalsubstrates", Journal of Physics, Conf. Ser., 2010年, 200, 112008

しかしながら、巨大磁気抵抗効果（ＧＭＲ）膜を使用した一般的なハードディスク（ＨＤＤ）の読み取りヘッドは、Ｎｉ−Ｆｅシールド層に覆われているため、非特許文献１に記載の磁歪測定方法では、マイナーループ（ｍｉｎｏｒｌｏｏｐ）での抵抗−磁場曲線（Ｒ−Ｈｃｕｒｖｅ）の測定が困難であるという課題があった。その代替としてシールド層に覆われた固定層（ｐｉｎｎｅｄｌａｙｅｒ）の磁歪を測定するためには、シールド層中の磁性材料を飽和可能な強磁場を使用する必要がある。

本発明は、このような課題に着目してなされたもので、強磁場を使用して、シールド層に覆われた磁性膜の磁歪を測定可能な磁歪測定装置を提供することを目的としている。

上記目的を達成するために、本発明に係る磁歪測定装置は、湾曲手段と磁場発生手段とを有し、前記湾曲手段は、磁性膜を有する板体を湾曲可能に支持するよう構成され、前記磁場発生手段は、４つの電磁石と、４つの磁路延長部材とを有し、各電磁石は、前記湾曲手段により支持された前記板体の両面側および左右の側方にそれぞれ配置され、各磁路延長部材は、両隣の電磁石の芯に接続して１本に収束するよう、各電磁石の間から１つずつ伸びて、前記湾曲手段により支持された前記板体の両面側に２つずつ配置され、各磁路延長部材の先端が前記板体の両面側で前記板体との間に隙間をあけて、前記板体の表面に沿って所定の間隔をあけて配置されるとともに、それぞれ前記板体の反対面側に配置された対応する磁路延長部材の先端に対して前記板体を挟んで対向するよう配置されていることを特徴とする。

本発明に係る磁歪測定装置は、湾曲手段により板体を支持した状態で使用される。各電磁石の芯に接続して伸びた各磁路延長部材の先端が、板体の両面側で板体との間に隙間をあけて板体を挟んで対向するよう配置されているため、対向する各磁路延長部材の先端が異なる極性になるよう各電磁石に電流を流すことにより、板体の表面に対して平行又は垂直方向の磁界を容易に発生させることができる。磁界を発生させた後、プローブ等を磁性膜に電気的に接触させて、磁性膜の抵抗を測定することにより、抵抗−磁場曲線を得ることができる。また、板体が磁性膜をシールド層で覆ったものであっても、電磁石の電流を調整することにより、磁性膜を飽和可能な強磁場を発生させることができ、抵抗−磁気曲線を得ることができる。
また、本発明に係る磁歪測定装置は、各磁路延長部材の先端が、板体の両面側で板体の表面に沿って所定の間隔をあけて配置されているため、その各磁路延長部材の先端が異なる極性になるよう電磁石に電流を流すことにより、板体の表面に対して平行方向の磁界を容易に発生させることができる。また、各磁路延長部材の先端が、板体の反対面側に配置された対応する磁路延長部材の先端に対して板体を挟んで対向するよう配置されているため、板体の表面に対して垂直方向の磁界を発生させることができる。このことから、全ての電磁石について電流を調整し、各磁路延長部材の極性やその強度を調整することにより、各磁路延長部材の先端を含み板体の表面に垂直な面内で、任意の方向の磁界を容易に発生させることができる。

本発明に係る磁歪測定装置は、湾曲手段により板体を湾曲させて磁性膜の抵抗を測定することにより、湾曲時の抵抗−磁場曲線を得ることができる。また、湾曲手段により、板体にかかる荷重を変化させて、板体の湾曲率を様々に変えた状態での抵抗−磁場曲線を得ることにより、磁性膜の磁歪を測定することができる。このように、本発明に係る磁歪測定装置によれば、強磁場を使用して、シールド層に覆われた磁性膜の磁歪をシールド層に邪魔されることなく測定することができる。

本発明に係る磁気抵抗評価装置は、板体の任意の位置で磁界を形成可能に、板体と各磁路延長部材の先端とが相対的に移動可能に構成されていることが好ましい。磁性膜を有する板体の例としては、Ｎｉ−Ｆｅシールド層で覆われた、巨大磁気抵抗効果（ＧＭＲ）膜を使用したハードディスク（ＨＤＤ）の読み取りヘッドが挙げられる。

本発明に係る磁歪測定装置で、前記湾曲手段は、支持する前記板体の周縁部の複数箇所を、前記板体の一方の表面側で支持する周縁支持手段と、前記板体の中心部の１または複数箇所を、前記板体の他方の表面側で支持する中心支持手段とを有し、前記板体が湾曲するよう、前記周縁支持手段または前記中心支持手段の少なくともいずれか一方が前記板体を所定の力で押すよう構成されていることが好ましい。この場合、一方の表面側に向かって凸状になるよう、板体を容易に湾曲させることができる。

このときの磁歪の測定原理を、図１に示す。
磁性膜（ＭａｇｎｅｔｉｃＴｈｉｎＦｉｌｍ）に機械的な応力が印加されたとき、磁性膜の磁化の方向は、歪エネルギーλ_Ｓ・σにより変化させられる。ここで、λ_Ｓは磁性膜の飽和磁歪定数であり、σは磁性膜に印加された応力である。この現象は、逆磁歪効果と呼ばれている。

図１に示すように、板体が磁性膜を載せた基板（Ｓｕｂｓｔｒａｔｅ）から成り、これに荷重（ＡｐｐｌｉｅｄＬｏａｄ）Ｇをかけて湾曲させる。ここで、基板の幅をＷ、厚みをｔ、中心支持手段の２つの支持点（ＬｏｗｅｒＫｎｉｆｅＥｄｇｅ）の間隔をＬ１、周縁支持手段の２つの支持点（ＵｐｐｅｒＫｎｉｆｅＥｄｇｅ）の間隔をＬ２とする。このとき、異方性エネルギーは歪エネルギーに等しいと仮定できるため、σ、板体の歪ε、λ_Ｓは、以下のようになる。

ここで、ΔＨ_ｋはσにより導入される異方性磁界の偏差であり、Ｍ_Ｓは飽和磁化である。また、Ｅ_ｓｕｂおよびＥ_ｆｉｌｍは、それぞれ基板および磁性膜のヤング率であり、基板および磁性膜はフックの法則に従うと仮定している。また、κ＝（２Ｍ_Ｓ・Ｗ・ｔ^２・Ｅ_ｓｕｂ）／｛９（Ｌ２−Ｌ１）・Ｅ_ｆｉｌｍ｝である。（４）式から、磁性膜が弾性変形を示す範囲では、ＧとΔＨ_ｋとの関係を示すグラフの傾きから、λ_Ｓを計算することができる。こうして、本発明に係る磁歪測定装置は、磁性膜の磁歪を測定することができる。

本発明に係る磁歪測定装置は、湾曲手段により支持された板体の一方の面側の各磁路延長部材の先端の間から磁性膜に電気的に接触可能に伸びるプローブを有することが好ましい。この場合、各電磁石により磁界を発生させたまま、プローブを磁性膜に電気的に接触させて測定することができる。これにより、測定精度をより高めることができる。

また、本発明に係る磁歪測定装置において、磁場発生手段は、湾曲手段により支持された板体に平行な基準面、および、その基準面に垂直かつ互いに垂直な２つの面に対して面対称を成す構成から成ることが好ましい。この場合、各電磁石により発生する磁界の向きや大きさを高精度かつ容易に調整することができる。これにより、測定精度をさらに高めることができる。磁界の向きや大きさをより高精度に調整できるよう、板体の表面に沿って配置された磁路延長部材の先端の間隔と、板体を挟んで対向するよう配置された磁路延長部材の先端の間隔とが同じ間隔であることが好ましい。

本発明によれば、強磁場を使用して、シールド層に覆われた磁性膜の磁歪を測定可能な磁歪測定装置を提供することができる。

本発明に係る磁歪測定装置の（ａ）基板の側面図、（ｂ）磁歪の測定原理を示す側面図である。本発明の実施の形態の磁歪測定装置の（ａ）側面図、（ｂ）板体付近の拡大側面図である。図２に示す磁歪測定装置により得られる（ａ）理想的な抵抗−磁場曲線から異方性磁界の偏差Ｈ_ｋを求める説明図、（ｂ）実際の抵抗−磁場曲線からＨ_ｋを求める説明図である。図２に示す磁歪測定装置により得られた（ａ）抵抗−磁場曲線を示すグラフ、（ｂ）異方性磁界の偏差Ｈ_ｋと、磁性膜に印加された応力σとの関係を示すグラフである。

以下、図面に基づき、本発明の実施の形態について説明する。
図２乃至図４は、本発明の実施の形態の磁歪測定装置を示している。
図２に示すように、磁歪測定装置１０は、支持台１１と磁場発生手段１２と湾曲手段１３とを有している。磁歪測定装置１０は、支持台１１から所定の高さの水平面上に、測定対象となる磁性膜を有する板体１を配置するよう構成されている。

図２に示すように、磁場発生手段１２は、支持台１１の上に載置されており、４つの電磁石２１と、ヨークから成る４つの磁路延長部材２２とを有している。各電磁石２１は、水平面に配置された板体１の上下両面側および左右の側方にそれぞれ配置されている。各電磁石２１は、中心軸が一つの垂直面内に入るよう配置されている。また、板体１の上下に配置された電磁石２１は、中心軸が水平方向に伸び、板体１の左右に配置された電磁石２１は、中心軸が垂直方向に伸びるよう配置されている。

各磁路延長部材２２は、両隣の電磁石２１の芯に接続して１本に収束するよう、各電磁石２１の間から１つずつ、板体１に向かって伸びるよう設けられている。各磁路延長部材２２は、板体１の上下両面側に２つずつ配置されている。各磁路延長部材２２は、それぞれの先端２２ａが板体１の上下両面側で、板体１の表面に沿って所定の間隔をあけて配置されている。また、各磁路延長部材２２は、それぞれの先端２２ａが板体１の反対側に配置された対応する磁路延長部材２２の先端２２ａに対して、板体１を挟んで対向するよう配置されている。

磁場発生手段１２は、板体１の表面に沿って配置された磁路延長部材２２の先端２２ａの間隔と、板体１を挟んで対向するよう配置された磁路延長部材２２の先端２２ａの間隔とが同じ間隔になっている。磁場発生手段１２は、板体１の下面側に配置された電磁石２１の芯に接続された２つの磁路延長部材２２の下端部で、支持台１１に固定されている。

湾曲手段１３は、上部支持部材２３と周縁支持手段２４と中心支持手段２５と荷重手段２６とを有している。上部支持部材２３は、板体１の上面側に配置された電磁石２１の芯に接続された２つの磁路延長部材２２の上端部に架け渡されるよう設けられている。周縁支持手段２４は、上部支持部材２３から下方に吊り下げられるようにして設けられている。周縁支持手段２４は、下端に設けられた水平板２４ａと、水平板２４ａの下面から下方に向かって突出した１対の突起２４ｂを有している。各突起２４ｂは、各磁路延長部材２２の先端２２ａを含む垂直面内に、板体１の上面側の２つの磁路延長部材２２の先端２２ａを間に挟むよう、所定の間隔を開けて設けられている。周縁支持手段２４は、常態で、突起２４ｂの先端が板体１の上面に接するよう設けられている。

中心支持手段２５は、上方に向かって伸びるよう、支持台１１に固定されている。中心支持手段２５は、上端に設けられた支持柱２５ａと、支持柱２５ａにかかる荷重を測定可能に支持柱２５ａと支持台１１との間に設けられたロードセル２５ｃとを有している。支持柱２５ａは、尖端２５ｂが、各磁路延長部材２２の先端２２ａを含む垂直面内で、板体１の下面側の２つの磁路延長部材２２の先端２２ａの間に位置するよう設けられている。中心支持手段２５は、支持柱２５ａの尖端２５ｂが板体１の下面に接するよう設けられている。荷重手段２６は、上部支持部材２３の上部に回転可能に設けられ、左右に回すことにより、ねじ機構で周縁支持手段２４を上昇させたり下降させたりするよう構成されている。

湾曲手段１３は、周縁支持手段２４の各突起２４ｂと、中心支持手段２５の支持柱２５ａの尖端２５ｂとの間に板体１を配置することにより、板体１を支持するようになっている。湾曲手段１３は、板体１を適切に配置することにより、支持した板体１の上面側の周縁部の２箇所を周縁支持手段２４の各突起２４ｂで支持し、板体１の下面側の中心部の１箇所を中心支持手段２５の支持柱２５ａの尖端２５ｂで支持するようになっている。また、湾曲手段１３は、荷重手段２６により周縁支持手段２４を下降させて下方に向かって押し出すことにより、板体１を上に凸に湾曲させるようになっている。湾曲手段１３は、湾曲したときに板体１にかかる荷重を、ロードセル２５ｃで測定可能になっている。

次に、作用について説明する。
磁歪測定装置１０は、湾曲手段１３により板体１を支持した状態で使用される。各磁路延長部材２２の先端２２ａが、板体１の両面側で板体１の表面に沿って所定の間隔をあけて配置されているため、その各磁路延長部材２２の先端２２ａが異なる極性になるよう電磁石２１に電流を流すことにより、板体１の表面に対して平行方向の磁界を容易に発生させることができる。また、各磁路延長部材２２の先端２２ａが、板体１の反対面側に配置された対応する磁路延長部材２２の先端２２ａに対して板体１を挟んで対向するよう配置されているため、板体１の表面に対して垂直方向の磁界を発生させることができる。このため、全ての電磁石２１について電流を調整し、各磁路延長部材２２の極性やその強度を調整することにより、各磁路延長部材２２の先端２２ａを含み板体１の表面に垂直な面内で、任意の方向の磁界を容易に発生させることができる。

磁界を発生させた後、プローブ等を磁性膜に電気的に接触させて、磁性膜の抵抗を測定することにより、抵抗−磁場曲線を得ることができる。このとき、板体１が磁性膜をシールド層で覆ったものであっても、電磁石２１の電流を調整することにより、磁性膜を飽和可能な強磁場を発生させることができ、抵抗−磁気曲線を得ることができる。

磁性膜の磁歪を測定するには、湾曲手段１３により板体１を湾曲させて磁性膜の抵抗を測定し、湾曲時の抵抗−磁場曲線を作成する。作成した抵抗−磁場曲線から、Ｈ_ｋを求める。ここで、図３（ａ）に示すように、Ｈ_ｋは、磁性膜の固定層中のスピンを回転可能な異方性エネルギーに相当する磁場として定義される。自由層（ＦＬ）と固定層（ＰＬ）のスピンは、図３（ａ）中のａ点では逆向き、ｂ点では垂直、ｃ点では平行である。このことから、回転領域（図３（ａ）中の斜線の範囲；ＲｏｔａｔｉｎｇＡｒｅａ）は、Ｈ_ｋ×ΔＲで求められる。

実際には、回転領域は次式で計算される。これは、実際の抵抗−磁気曲線は図３（ａ）に示すような単純な形をしておらず、強磁場での抵抗−磁気曲線の右側の領域が飽和していないためである。図３（ｂ）に示すように、回転領域は、自由層と固定層のスピンが逆向きの点から、垂直になる点までの積分で求められる。

求められた回転領域の面積をΔＲ／２で割ることにより、Ｈ_ｋが求められる。こうして、図３に基づいて、抵抗−磁場曲線から、Ｈ_ｋを求めることができる。同様にして、湾曲手段１３により、板体１にかかる荷重Ｇを変化させて、板体１の湾曲率を様々に変えた状態での抵抗−磁場曲線を作成し、それぞれＨ_ｋを求める。こうして求められたＨ_ｋと、各Ｈ_ｋに対応する荷重Ｇ（または応力σ）との関係をプロットし、その曲線の傾きΔＨ_ｋ／Ｇ（またはΔＨ_ｋ／Δσ）から、（４）式に基づいて、λ_Ｓを求める。ここで、図２に示すように、磁歪測定装置１０では、Ｌ１＝０である。このようにして、磁歪測定装置１０を使用して、磁性膜の磁歪を測定することができる。

磁歪測定装置１０によれば、強磁場を使用して、シールド層に覆われた磁性膜であっても、磁歪を測定することができる。また、セラミックス製のウエハに実装された読み取りヘッドの磁歪は、ガラス基板やシリコン基板上に加工されたものの磁歪とは異なっているため、セラミックス製のウエハに実装された読み取りヘッドの磁歪を測定可能な磁歪測定装置１０は、実用的である。磁歪測定装置１０は、実用的な基板に実装された読み取り装置の応力効果を調べるのに最適である。

測定対象として、読み取りヘッドとして使用される、磁性膜が２つのシールド層で覆われたデュアルスピンバルブを用いた。シールド層は、ＮｉとＦｅの合金であるパーマロイ（ｐｅｒｍａｌｌｏｙ）で形成されている。測定対象の磁性膜の厚みは、０．０２５μｍである。また、測定対象を載せる基板として、径６インチ、厚さ１．２ｍｍのＡｌＴｉＣ材の基板を使用した。板体１は、この基板に測定対象を載せたものから成る。電気抵抗の測定には、ケースレーインスツルメンツ（株）社製の「ソースメータ２６０１」を使用した。板体１を湾曲させる最大応力は、５０ＭＰａとした。磁場は、板体１の表面に沿った方向に、最大４０００エルステッド（Ｏｅ）まで変化させた。

板体１にかけた荷重が０ｋｇのとき、および４１．１ｋｇ（４０３Ｎ）のときに得られた抵抗−磁場曲線を、図４（ａ）に示す。図４（ａ）に示すように、荷重をかけて湾曲させることにより、固定層のＨ_ｋが増加していることが確認された。

次に、板体１に印加する応力σを５段階に変えたときの、Ｈ_ｋとσとの関係をプロットした結果を、図４（ｂ）に示す。図４（ｂ）に示すように、Ｈ_ｋとσとの関係は、ほぼ直線で表されることが確認された。図４（ｂ）には、最小二乗法により求められた近似直線、およびその式も示している。この直線の傾きから、（１）式および（４）式に基づいてλ_Ｓを求めると、λ_Ｓ＝−１．０５５７×１０^−４となる。

１板体
１０磁歪測定装置
１１支持台
１２磁場発生手段
１３湾曲手段
２１電磁石
２２磁路延長部材
２２ａ先端
２３上部支持部材
２４周縁支持手段
２４ａ水平板
２４ｂ突起
２５中心支持手段
２５ａ支持柱
２５ｂ尖端
２５ｃロードセル
２６荷重手段

Claims

湾曲手段と磁場発生手段とを有し、
前記湾曲手段は、磁性膜を有する板体を湾曲可能に支持するよう構成され、
前記磁場発生手段は、４つの電磁石と、４つの磁路延長部材とを有し、
各電磁石は、前記湾曲手段により支持された前記板体の両面側および左右の側方にそれぞれ配置され、
各磁路延長部材は、両隣の電磁石の芯に接続して１本に収束するよう、各電磁石の間から１つずつ伸びて、前記湾曲手段により支持された前記板体の両面側に２つずつ配置され、各磁路延長部材の先端が前記板体の両面側で前記板体との間に隙間をあけて、前記板体の表面に沿って所定の間隔をあけて配置されるとともに、それぞれ前記板体の反対面側に配置された対応する磁路延長部材の先端に対して前記板体を挟んで対向するよう配置されていることを
特徴とする磁歪測定装置。
前記湾曲手段は、支持する前記板体の周縁部の複数箇所を、前記板体の一方の表面側で支持する周縁支持手段と、前記板体の中心部の１または複数箇所を、前記板体の他方の表面側で支持する中心支持手段とを有し、前記板体が湾曲するよう、前記周縁支持手段または前記中心支持手段の少なくともいずれか一方が前記板体を所定の力で押すよう構成されていることを特徴とする請求項１記載の磁歪測定装置。