JP6353901B2 - 磁性材料 - Google Patents

Description

政府支援の声明
本開示は、米国科学財団によって授与された認可番号：ＣＭＭＩ−１２２９０４９の政府支援でなされた。米国政府は、本開示に対して一定の権利を有する。

本発明は、概して磁性材料に関する。特に、本発明は、優れた飽和磁化および保磁力を有するマンガン（Ｍｎ）系磁性材料に関する。

磁性材料は、磁気記録媒体、トンネル型磁気抵抗素子、磁気抵抗ランダムアクセスメモリ、微小電気機械システム（ＭＥＭＳ）などの広範囲の分野のデバイスに使用されている。近年、これらのデバイスは、より高性能であることが要求され、それゆえ、磁性材料の磁気特性の向上が要求されている。

希土類元素を含有する磁性材料は、一般に、大きな磁気異方性を示すことが知られている。高性能磁性材料の例としては、ネオジウム化合物（Ｎｄ_２Ｆｅ_１４Ｂ化合物）を含有する磁性材料がある（特許文献１参照）。

特開２００９−７０８５７号公報

希土類元素は高価であり、その供給は不安定な傾向がある。そのため、できるだけ使用される希土類元素の量を減少させることが望ましい。本発明は、希土類元素を用いない高性能磁性材料を提供する。

本発明のある観点では、１００ｎｍ以下の厚さを有し、０℃以上かつ２００℃以下の温度範囲で、１０^７ｅｒｇ／ｃｃ以上の一軸磁気異方性定数と１５ｋＯｅ以上の保磁力とを示し、４００ｅｍｕ／ｃｃ以上の室温飽和磁化を示す二元、三元、四元、又は五元のＭｎ−Ｘ磁性材料（Ｘは、Ａｌ、Ｂｉ、Ｇａ、およびＲｈから選択される少なくとも１つの元素を表す）を提供する。

前記磁性材料は、アモルファス基板上に形成されてもよい。また、前記磁性材料は、好ましくは、アルゴン雰囲気でスパッタリング法で形成される。また、前記磁性材料は、好ましくは、６ＭＧＯｅ以上の最大エネルギー積を有する。

実施例１の測定結果を表す図である。 実施例２の測定結果を表す図である。 実施例３の測定結果を表す図である。 実施例４の測定結果を表す図である。 実施例５の測定結果を表す図である。 実施例６の測定結果を表す図である。 実施例７の測定結果を表す図である。 実施例８の測定結果を表す図である。 比較例１の測定結果を表す図である。 比較例２の測定結果を表す図である。 比較例３の測定結果を表す図である。

これより、本発明について、詳細に説明する。本発明の範囲は、発明を実施するための以下の例に限定されないことは、理解されたい（以下、これらの例は、「実施形態」と称する）。本発明の構成的特徴は、以下に記述される実施形態のものに限定されず、当業者によって容易に考えられる構成的特徴、実質的に同一な構成的特徴、および、等価な構成的特徴を含む。

希土類元素を含有しない磁性材料の例として、マンガン（Ｍｎ）系材料がある。マンガンは、希土類元素と比較して豊富であり、原料コストおよび供給に関して、希土類元素に対し有利である。Ｍｎ−Ａｌ、Ｍｎ−Ｂｉ、Ｍｎ−Ｇａ、および、Ｍｎ−Ｒｈは、室温で強磁性を示すことが知られている。Ｍｎ−Ａｌ、Ｍｎ−Ｂｉ、および、Ｍｎ−Ｇａは、希土類元素を含有していないにも関わらず、大きな磁気異方性を示す。そのため、Ｍｎ系材料は、磁石用材料の有望な候補である。Ｍｎ系材料の元素の好ましい組合せの例としては、Ｍｎ−Ａｌ、Ｍｎ−Ｂｉ、Ｍｎ−Ｇａ、および、Ｍｎ−Ｒｈなどの二元化合物、Ｍｎ−Ａｌ−Ｂｉ、Ｍｎ−Ａｌ−Ｇａ、Ｍｎ−Ａｌ−Ｒｈ、Ｍｎ−Ｂｉ−Ｇａ、Ｍｎ−Ｂｉ−Ｒｈ、および、Ｍｎ−Ｇａ−Ｒｈなどの三元化合物、Ｍｎ−Ａｌ−Ｂｉ−Ｇａ、Ｍｎ−Ａｌ−Ｂｉ−Ｒｈ、Ｍｎ−Ａｌ−Ｇａ−Ｒｈ、および、Ｍｎ−Ｂｉ−Ｇａ−Ｒｈなどの四元化合物、および、Ｍｎ−Ａｌ−Ｂｉ−Ｇａ−Ｒｈなどの五元化合物が挙げられる。本発明のある実施形態における磁性材料は、上述の元素以外の元素を単数または複数含んでもよい。

０℃以上かつ２００℃以下の温度範囲においては、前記磁性材料は、１０^７ｅｒｇ／ｃｃ以上の一軸磁気異方性定数、および、１５ｋＯｅ以上の保磁力を示す。また、前記磁性材料は、４００ｅｍｕ／ｃｃ以上の室温飽和磁化を示す。そのため、前記磁性材料は、希土類元素を含有する既存の磁性材料に代わって用いられることができる。向上した性能を有する磁性材料が求められていることを考えると、最大エネルギー積は、６ＭＧＯｅ以上であることが好ましい。

前記磁性材料の厚さは、１００ｎｍ以下であることが好ましい。１００ｎｍを超える厚さであると、保磁力は低下し、磁気特性は悪化する。

磁性材料の製造方法
本発明のある実施形態における磁性材料は、次のように作製される。まず、原料として、ターゲット材料を用意する。当該ターゲット材料としては、所望の組成を有するＭｎ−Ｘ合金ターゲット材料を使用する。各元素のスパッタ率は異なり、それゆえに、ターゲット材料の組成は好ましく調整されるため、スパッタリングで作製された膜の組成は、ターゲット材料の組成から逸脱してもよい。あるいは、ＭｎとＸの単一元素ターゲットが用意され適切な速度でスパッタリングが行われてもよい。あるいは、合金ターゲットおよび単一元素ターゲットが組み合わされて使用され適切な速度でスパッタリングが行われてもよい。酸素は磁性材料の保磁力を悪化させるため、できるだけ酸素は除去することが好ましい。ターゲット材料中の酸素含有量は、できるだけ低下させることが好ましい。

ターゲット材料は、保管中にその表面から酸化を受ける。したがって、ターゲット材料を使用する前に、ターゲット材料は、清浄表面をさらすために十分にスパッタリングされていることが好ましい。

膜がスパッタリングによって形成される基板は、様々な金属、ガラス、シリコン、セラミックなどで構成されてよい。製造コストの観点からは、ガラス基板などの低コストアモルファス基板が好ましい。

できるだけ酸素のような不純物元素は除去することが望ましいので、スパッタリングを実施するための成膜システムの真空チャンバーは、好ましくは、１０^−６Ｔｏｒｒ以下、より好ましくは、１０^−８Ｔｏｒｒ以下である。ターゲット材料を使用する前に、ターゲット材料は、清浄表面をさらけ出すべく、十分にスパッタリングされている必要がある。したがって、成膜システムは、真空状態で作動可能であり基板とターゲット材料との間に位置した遮蔽機構を有することが好ましい。スパッタリング法は、マグネトロンスパッタリング法が好ましい。磁性材料との反応による不純物の発生を防ぐために、アルゴンが雰囲気ガスとして使用される。スパッタリング電源は、ＤＣ（直流）又はＲＦ（高周波）でよく、ターゲット材料に応じて適切に選択されることができる。

膜は、上述のターゲット材料および基板を使用することで形成される。膜形成方法の例としては、膜が２つ以上のターゲットを同時に使用することで形成される同時スパッタリング法や、多層膜を堆積するためにターゲットが１つ１つ使用される多層膜法がある。磁性材料の厚さは、好ましくは、１００ｎｍ以下である。

磁性材料の厚さは、スパッタリング電源、時間、および、アルゴン雰囲気圧を調整することで、所望の厚さに設定することができる。当該厚さを調整するために、成膜速度は、事前に計測される必要がある。成膜速度は、ある特定の時間長さで形成された膜の厚みを測定することで、見積もることができる。接触式段差計法、X線反射率法、エリプソメトリまたは同様の方法が測定方法として、通常使用される。また、水晶振動子膜厚計（ｑｕａｒｔｚ ｔｈｉｃｋｎｅｓｓ ｍｏｎｉｔｏｒ）を成膜システムに取り入れることも可能である。

スパッタリング中は、基板は室温で維持される。膜が形成された後に、アニーリングが当該膜を結晶化するために実施される。あるいは、基板は、堆積される際に膜が結晶化されることができるように、スパッタリング中に加熱されてもよい。基板は、より好ましくは、できるだけ酸化を抑制するために、真空又は不活性ガス雰囲気で加熱される。

Ｍｎ−Ｘ磁性材料の酸化を抑制すべく、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｒｕ、Ｔａなどで構成された保護膜が、Ｍｎ−Ｘ磁性材料上に形成されてもよい。当該保護膜は、Ｍｎ−Ｘ磁性材料の堆積の完了後、かつ、アニーリング前に形成される。あるいは、当該保護膜は、アニーリング後に形成されてもよい。

実施例
これより、本発明は、その範囲を限定しない実施例および比較例を介して、より詳細に説明される。

Ｍｎ単一元素ターゲットおよびＢｉ単一元素ターゲットが、ターゲット材料として使用された。アモルファス石英ガラス基板が、堆積が行われる基板として使用された。

１０^−８Ｔｏｒｒ以下の真空を形成でき、１つのチャンバー内に２つ以上のスパッタリング機構を有するシステムが、成膜システムとして使用された。上述のターゲット材料と、保護膜を形成するためのＲｕターゲット材料とが、当該成膜システム内に積載された。スパッタリングは、マグネトロンスパッタリング法およびＤＣ電源を用いることで、アルゴン雰囲気で実施された。当該ＤＣ電源の電力および堆積時間は、試料の所望の構造に応じて調整された。

ＤＣ電源の電力および当該アルゴン雰囲気圧は、Ｍｎ堆積速度が０．０２ｎｍ／ｓで、Ｂｉ堆積速度が０．０７ｎｍ／ｓとなるように調整された。膜は、ターゲット材料が１つ１つスパッタされる多層膜法で形成された。

ＭｎＢｉ多層膜が堆積された後に、当該多層膜は、結晶化ＭｎＢｉ膜を形成するために真空中でアニールされた。そして、当該ＭｎＢｉ膜は、真空中で室温まで冷却され、Ｒｕ膜が、保護膜としてその上に堆積された。作製された試料およびその磁気特性は、下記の表中に詳述されている。

当該試料の磁気特性は、外部磁場を膜表面に垂直な方向に印加することで、交番磁界勾配型磁力計（ＡＧＭ）により測定した。

＊保磁力の数値は、１８ｋＯｅの最大磁場で得られた数値である。＊＊磁化数値は、Ｈ＝１８ｋＯｅで得られた。

実施例と比較例とを比較すると、高い磁気特性は、ＭｎＢｉ多層膜の堆積後にアニーリングを実施することで得られることがわかる。

また、高い保磁力を有する磁性薄膜は、厚さを１００ｎｍ以下に調整することで作製可能であることがわかった。

Claims (4)

1. １００ｎｍ以下の厚さを有し、０℃以上かつ２００℃以下の温度範囲で、１０^７ｅｒｇ／ｃｃ以上の一軸磁気異方性定数と１５ｋＯｅ以上の保磁力とを示し、４００ｅｍｕ／ｃｃ以上の室温飽和磁化を示す二元のＭｎ−Ｂｉ磁性材料。
2. 前記磁性材料は、アモルファス基板上に形成される請求項１に記載の磁性材料。
3. 前記磁性材料は、アルゴン雰囲気でスパッタリング法により形成される請求項１または２に記載の磁性材料。
4. 最大エネルギー積は、６ＭＧＯｅ以上である請求項１に記載の磁性材料。