JP7104068B2 - 位置検出素子およびにこれを用いた位置検出装置 - Google Patents
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Description
しかし、特許文献1に記載のPtMnや特許文献2に記載のIrMnを反強磁性膜として備えた磁気抵抗効果素子は交換結合の大きさが十分ではない。このため、高温環境下において固定磁性層の磁化方向に所定方向からのずれが生じ、高温条件下における位置検出装置の精度低下の一因となっていた。
図2は、本発明の第1の実施形態に係る交換結合膜10を使用した位置検出素子11の膜構成を示す説明図である。
位置検出素子11は、基板の表面から、下地層1、フリー磁性層2、非磁性材料層3、固定磁性層4、PtMn層5A、PtCr層5Bおよび保護層6の順に積層されて成膜されている。PtMn層5AとPtCr層5Bとがこの順番に積層された積層構造により反強磁性層5が構成されている。固定磁性層4と反強磁性層5が交換結合膜10を構成する。
図7は、本発明の第2の実施形態に係る位置検出素子の構造を概念的に示す説明図である。本実施形態では、図2に示す位置検出素子11と機能が同じ層に同じ符号を付して、説明を省略する。
[交換結合膜(A)]
基板/下地層1:NiFeCr(40)/非磁性材料層3〔Cu(40)/Ru(10)〕/固定磁性層4:Co60at%Fe40at%(20)/反強磁性層5:ユニット積層部51U1~51U7:〔Pt48at%Mn52at%(6)/Pt51at%Cr49at%(34)の7層積層〕/保護層6:〔Ta(90)/Ru(20)〕
[交換結合膜(B)]
上記交換結合膜(A)の反強磁性層5を以下の構成に変更した積層構造体を形成した。
X1Cr層51A:Pt51at%Cr49at%(6)/ユニット積層部51U1~51U7:〔Pt48at%Mn52at%(6)/Pt51at%Cr49at%(34)の7層積層〕
Cr:28.5at%
Mn:4.2at%
この結果から、反強磁性層5のPtの含有量は30at%以上であることが確認された。したがって、反強磁性層5は面心立方格子(fcc)構造を有していると考えられる。
Pt:50.6at%
Cr:41.7at%
Mn:7.8at%
図23(a)に示されるように、アニール処理によって、ユニット積層部を構成する各ユニットの内部および積層された複数のユニット間でMnおよびCrの相互拡散が生じ、図23(a)において認められたユニット積層部の構成(交互積層構造)に基づくMnに関するイオンの検出強度の変動およびCrに関するイオンの検出強度の変動は認められなかった。このため、I-Mn/Crのデプスプロファイルでは規則的な変動は認められなかった。
続いて、第1の実施形態に係る磁気検出装置が備える位置検出センサ(磁気センサ)について説明する。図9に、図2に示す位置検出素子11を組み合わせた磁気センサ30が示されている。図9では、感度軸方向S(図9では黒矢印にて示されている。)が異なる位置検出素子11を、それぞれ11Xa,11Xb,11Ya,11Ybの異なる符号を付して区別している。磁気センサ30では、位置検出素子11Xa,11Xb,11Ya,11Ybが同一基板上に設けられている。
以下の膜構成を備えた位置検出素子12(図6参照)を製造した。以下の実施例および比較例では()内の数値は膜厚(Å)を示す。位置検出素子12を350℃で20時間アニール処理し、固定磁性層4と反強磁性層5との間に交換結合を生じさせた。
基板/下地層1:NiFeCr(40)/フリー磁性層2:[Ni81.5at%Fe18.5at%(15)/Co90at%Fe10at%(20)]/非磁性材料層3:Cu(30)/固定磁性層4:Co90at%Fe10at%(24)/非磁性材料層3:Ru(4)/固定磁性層4:Co60at%Fe40at%(18)/反強磁性層5:[IrMn層5C:Ir80at%Mn20at%(6)/PtMn層5A:Pt50at%Mn50at%(12)/PtCr層5B:Pt51at%Cr49at%(300)]/保護層6:[Ta(100)/Ru(20)]
反強磁性層5:[IrMn層5C:Ir80at%Mn20at%(6)/PtMn層5A:Pt50at%Mn50at%(12)/PtCr層5B:Pt51at%Cr49at%(300)]を以下のように変更した以外は、実施例1と同様に位置検出素子12,112を製造し、同条件でアニール処理し、固定磁性層4と反強磁性層5との間に交換結合を生じさせた。
実施例2:[IrMn層5C:Ir80at%Mn20at%(6)/PtMn層5A:Pt50at%Mn50at%(14)/PtCr層5B:Pt51at%Cr49at%(300)]
実施例3:[IrMn層5C:Ir80at%Mn20at%(8)/PtMn層5A:Pt50at%Mn50at%(12)/PtCr層5B:Pt51at%Cr49at%(300)]
実施例4:[IrMn層5C:Ir80at%Mn20at%(8)/PtMn層5A:Pt50at%Mn50at%(14)/PtCr層5B:Pt51at%Cr49at%(300)]
実施例5:[ユニット積層部51U1~51U7:[PtMn層51B:Pt50at%Mn50at%(6)/PtCr層51A:Pt51at%Cr49at%(34)の7層構造]]
実施例6:[PtCr層51A:Pt51at%Cr49at%(6)/ユニット積層部51U1~51U7:[PtMn層51B:Pt50at%Mn50at%(6)/PtCr層51A:Pt51at%Cr49at%(34)の7層構造]]
実施例1における反強磁性層5:[IrMn層5C:Ir80at%Mn20at%(6)/PtMn層5A:Pt50at%Mn50at%(12)/PtCr層5B:Pt51at%Cr49at%(300)]を以下のように変更した以外は、実施例1と同様に位置検出素子を製造し、同条件でアニール処理し、固定磁性層と反強磁性層との間に交換結合を生じさせた。
比較例1:Ir20at%Mn80at%(80)
比較例2:Pt51at%Cr49at%(300)
図13は高温(200℃,250℃)環境下における信頼性試験方法の説明図である。
実施例1~6および比較例1~2の位置検出素子12,112のそれぞれについて、200℃条件下において80mTの磁界を100時間、図13に示すように、固定磁性層4(図2参照)の磁化方向(固定磁化方向P)に対して、下記の表1に示した磁界印加角度θ(0°から360°まで45°ずつ変更)の方向に印加した後、位置検出素子12の検出角度がどれだけ変動したかを算出した。検出角度の測定は、200℃環境下における信頼性試験前後において、温度を室温に戻した後、位置検出素子12,112に対して60mTの磁界を360°回転させて印加し出力波形を測定した。200℃信頼性試験の前後で同じ測定を実施し、試験前に対する波形の変化を解析することにより、200℃信頼性試験で素子の検出角度がどれだけ変動したかを算出した。各実施例および比較例についてそれぞれ、60~70個の位置検出素子12,112を測定した結果の平均値を表1および図14に示す。
(1)室温における固定磁性層4と反強磁性層5との間の交換結合磁界が大きい。(2)交換結合磁界の温度特性が良好、すなわち高温条件下において大きな交換結合磁界を維持できる。(3)交換結合磁界/保磁力が正に大きい。(4)残留磁化/飽和磁化が負の値であり絶対値が大きい。
そこで、以下の実施例および比較例について、固定磁性層4と反強磁性層5との間の交換結合磁界の大きさ、およびその温度特性を測定した。
(実施例7)
以下の膜構成を備えた位置検出素子12を製造し、350℃で20時間アニール処理して、固定磁性層4と反強磁性層5との間に交換結合を生じさせた。
基板/下地層1:NiFeCr(42)/非磁性材料層3:[Cu(40)/Ru(20)]/固定磁性層4:Co60at%Fe40at%(100)/反強磁性層5:[IrMn層5C:Ir22at%Mn78at%(6)/PtMn層5A:Pt50at%Mn50at%(12)/PtCr層5B:Pt51at%Cr49at%(300)]/保護層6:Ta(100)
反強磁性層5:[IrMn層5C:Ir22at%Mn78at%(6)/PtMn層5A:Pt50at%Mn50at%(12)/PtCr層5B:Pt51at%Cr49at%(300)]を以下の構成に変更した以外は、実施例7と同様に位置検出素子112を製造し、同条件でアニール処理し、固定磁性層4と反強磁性層5との間に交換結合を生じさせた。
実施例8:[PtCr層51A:Pt51at%Cr49at%(6)/ユニット積層部51U1~51U7:[PtMn層51B:Pt50at%Mn50at%(6)/PtCr層51A:Pt51at%Cr49at%(34)の7層構造]]
以下の膜構成を備えた位置検出素子を製造し、350℃で20時間アニール処理して、固定磁性層と反強磁性層との間に交換結合を生じさせた。
基板/下地層:NiFeCr(42)/非磁性材料層:[Cu(40)/Ru(20)]/固定磁性層:Co60at%Fe40at%(100)/反強磁性層:Ir22at%Mn78at%(80)/保護層:Ta(100)
以下の膜構成を備えた位置検出素子を製造し、350℃で20時間アニール処理して、固定磁性層と反強磁性層との間に交換結合を生じさせた。
基板/下地層:NiFeCr(42)/反強磁性層:Pt51at%Cr49at%(300)/固定磁性層:Co90at%Fe10at%(100)/保護層:Ta(90)
そこで、以下の実施例および比較例について、交換結合磁界/保磁力および残留磁化/飽和磁化を評価するために、固定磁性層4のVSM曲線を測定し、交換結合磁界(Hex)、保磁力(Hc)、飽和磁化(Ms)および残留磁化(M0)を求めた(図1参照)。
以下の膜構成を備えた位置検出素子12を製造し、350℃で20時間アニール処理して、固定磁性層4と反強磁性層5との間に交換結合を生じさせた。
基板/下地層1:NiFeCr(42)/非磁性材料層3:[Cu(40)/Ru(20)]/固定磁性層4:Co60at%Fe40at%(20)/反強磁性層5:[IrMn層5C:Ir22at%Mn78at%(6)/PtMn層5A:Pt50at%Mn50at%(12)/PtCr層5B:Pt51at%Cr49at%(300)]/保護層6:Ta(100)
反強磁性層5:[IrMn層5C:Ir22at%Mn78at%(6)/PtMn層5A:Pt50at%Mn50at%(12)/PtCr層5B:Pt51at%Cr49at%(300)]を以下のように変更した以外は、実施例9と同様に位置検出素子12,112を製造し、同条件でアニール処理して、固定磁性層4と反強磁性層5との間に交換結合を生じさせた。
実施例10:[IrMn層5C:Ir22at%Mn78at%(6)/PtMn層5A:Pt50at%Mn50at%(14)/PtCr層5B:Pt51at%Cr49at%(300)]
実施例11:[IrMn層5C:Ir22at%Mn78at%(8)/PtMn層5A:Pt50at%Mn50at%(12)/PtCr層5B:Pt51at%Cr49at%(300)]
実施例12:[IrMn層5C:Ir22at%Mn78at%(8)/PtMn層5A:Pt50at%Mn50at%(14)/PtCr層5B:Pt51at%Cr49at%(300)]
実施例13:[ユニット積層部51U1~51U7:[PtMn層51B:Pt50at%Mn50at%(6)/PtCr層51A:Pt51at%Cr49at%(34)の7層構造]]
実施例14:[PtCr層51A:Pt51at%Cr49at%(6)/ユニット積層部51U1~51U7:[PtMn層51B:Pt50at%Mn50at%(6)/PtCr層51A:Pt51at%Cr49at%(34)の7層構造]]
実施例9における反強磁性層5:[IrMn層5C:Ir22at%Mn78at%(6)/PtMn層5A:Pt50at%Mn50at%(12)/PtCr層5B:Pt51at%Cr49at%(300)]を以下のように変更した以外は、実施例6と同様に位置検出素子を製造し、同条件でアニール処理して、固定磁性層と反強磁性層との間に交換結合を生じさせた。
比較例5:Ir20at%Mn80at%(80)
比較例6:Pt51at%Cr49at%(300)
また、表3および図19に示すように、実施例9~14はいずれも、比較例5,6よりも交換結合磁界Hex/保磁力Hcが大きかった。この性質も検出角度の変動量の抑制に影響したものと考えられる。
2 :フリー磁性層
3 :非磁性材料層
4 :固定磁性層
5 :反強磁性層
5A :PtMn層(X(Cr-Mn)層、X0Mn層)
5B :PtCr層(X(Cr-Mn)層)
5C :IrMn層(X0Mn層)
5U1 :ユニット積層部
5Un :ユニット
6 :保護層
10 :交換結合膜
11,11Xa,11Xb,11Ya,11Yb,12:位置検出素子
30 :磁気センサ
32X,32Y:フルブリッジ回路
32Xa,32Ya:第1の直列部
32Xb,32Yb:第2の直列部
33 :電源端子
34 :接地端子
35Xa,35Xb,35Ya,35Yb:中点
40 :位置検出装置
41 :回転軸(検出対象、回転体)
42 :回転磁石
51 :反強磁性層
51A,51A1,・・・,51An :X1Cr層
51B,51B1,・・・,51Bn :X2Mn層
52 :反強磁性層
60 :位置検出装置
61 :検出対象
62 :磁石
101,101A:交換結合膜
102 :素子部
103a,103b:導電部
104a,104b:接続端子
111,112:位置検出素子
D1,D2,D3:膜厚
GND :接地電位
H :磁界
Hc :保磁力
Hex :交換結合磁界
M0 :残留磁界
Ms :飽和磁化
P :固定磁化方向
R1 :第1領域
R2 :第2領域
S :感度軸方向
Vdd :電源電圧
θ :磁界印加角度
Claims (21)
- 検出対象の位置によって変化する磁界に基づく位置検出に用いられる位置検出素子であって、
固定磁性層と前記固定磁性層に積層された反強磁性層とを有する交換結合膜を備えており、
前記反強磁性層は、白金族元素およびNiからなる群から選ばれる一種または二種以上の元素XならびにMnおよびCrを含有するX(Cr-Mn)層を備え、
前記X(Cr-Mn)層は、前記固定磁性層に相対的に近位な第1領域と、前記固定磁性層から相対的に遠位な第2領域とを有し、
前記第1領域におけるMnの含有量は、前記第2領域におけるMnの含有量よりも高く、
前記交換結合膜において、422℃で測定された交換結合磁界を22℃で測定された交換結合磁界で除した規格化交換結合磁界が0.34以上であること
を特徴とする位置検出素子。 - 前記反強磁性層は、PtCr層と、前記PtCr層よりも前記固定磁性層に近位なX0Mn層(ただし、X0は白金族元素およびNiからなる群から選ばれる一種または二種以上の元素)とが積層されてなる、請求項1に記載の位置検出素子。
- 前記反強磁性層は、PtCr層とPtMn層とがこの順番で前記PtMn層が前記固定磁性層に近位になるように積層されてなる、請求項1に記載の位置検出素子。
- 検出対象の位置によって変化する磁界に基づく位置検出に用いられる位置検出素子であって、
固定磁性層と前記固定磁性層に積層された反強磁性層とを有する交換結合膜を備えており、
前記反強磁性層は、白金族元素およびNiからなる群から選ばれる一種または二種以上の元素XならびにMnおよびCrを含有するX(Cr-Mn)層を備え、
前記X(Cr-Mn)層は、前記固定磁性層に相対的に近位な第1領域と、前記固定磁性層から相対的に遠位な第2領域とを有し、
前記第1領域におけるMnの含有量は、前記第2領域におけるMnの含有量よりも高く、
前記反強磁性層は、PtCr層と、前記PtCr層よりも前記固定磁性層に近位で前記固定磁性層に接するように積層されたX0Mn層(ただし、X0は白金族元素およびNiからなる群から選ばれる一種または二種以上の元素)との2層からなることを特徴とする位置検出素子。 - 前記反強磁性層は、PtCr層とPtMn層との2層からなり、前記PtMn層が前記固定磁性層に接するように積層されてなる、請求項4に記載の位置検出素子。
- 検出対象の位置によって変化する磁界に基づく位置検出に用いられる位置検出素子であって、
固定磁性層と前記固定磁性層に積層された反強磁性層とを有する交換結合膜を備えており、
前記反強磁性層は、白金族元素およびNiからなる群から選ばれる一種または二種以上の元素XならびにMnおよびCrを含有するX(Cr-Mn)層を備え、
前記X(Cr-Mn)層は、前記固定磁性層に相対的に近位な第1領域と、前記固定磁性層から相対的に遠位な第2領域とを有し、
前記第1領域におけるMnの含有量は、前記第2領域におけるMnの含有量よりも高く、
前記反強磁性層は、PtCr層とPtMn層とがこの順番で前記PtMn層が前記固定磁性層に近位になるように積層されてなり、
前記PtMn層よりも前記固定磁性層に近位にさらにIrMn層が積層されたことを特徴とする位置検出素子。 - 前記第1領域が前記固定磁性層に接している、請求項1から請求項6のいずれか1項に記載の位置検出素子。
- 前記第1領域は、Mnの含有量のCrの含有量に対する比であるMn/Cr比が0.3以上の部分を有する、請求項1から請求項7のいずれか1項に記載の位置検出素子。
- 前記第1領域は、前記Mn/Cr比が1以上である部分を有する、請求項8に記載の位置検出素子。
- 検出対象の位置に応じて変化する磁界に基づいて前記検出対象の位置を検出する位置検出装置であって、
固定磁性層と前記固定磁性層に積層された反強磁性層とを有する交換結合膜を備えており、
前記反強磁性層は、X1Cr層(ただし、X1は白金族元素およびNiからなる群から選ばれる一種または二種以上の元素)とX2Mn層(ただし、X2は白金族元素およびNiからなる群から選ばれる一種または二種以上の元素であって、X1と同じでも異なっていてもよい)とが交互に積層された三層以上の交互積層構造を有し、
前記交換結合膜において、422℃で測定された交換結合磁界を22℃で測定された交換結合磁界で除した規格化交換結合磁界が0.34以上であることを特徴とする位置検出素子。 - 前記反強磁性層は、前記X1Cr層と前記X2Mn層とからなるユニットが複数積層されたユニット積層部を有する、請求項10に記載の位置検出素子。
- 検出対象の位置に応じて変化する磁界に基づいて前記検出対象の位置を検出する位置検出装置であって、
固定磁性層と前記固定磁性層に積層された反強磁性層とを有する交換結合膜を備えており、
前記反強磁性層は、X1Cr層(ただし、X1は白金族元素およびNiからなる群から選ばれる一種または二種以上の元素)とX2Mn層(ただし、X2は白金族元素およびNiからなる群から選ばれる一種または二種以上の元素であって、X1と同じでも異なっていてもよい)とが交互に積層された三層以上の交互積層構造を有し、
前記反強磁性層は、前記X1Cr層と前記X2Mn層とからなるユニットが複数積層されたユニット積層部を有することを特徴とする位置検出装置。 - 前記ユニット積層部における、前記X1Cr層および前記X2Mn層は、それぞれ同じ膜厚である、請求項11または請求項12に記載の位置検出装置。
- 前記X2Mn層の膜厚よりも大きい膜厚を有する前記X1Cr層を備える、請求項11から請求項13のいずれか1項に記載の位置検出装置。
- 検出対象の位置に応じて変化する磁界に基づいて前記検出対象の位置を検出する位置検出装置であって、
固定磁性層と前記固定磁性層に積層された反強磁性層とを有する交換結合膜を備えており、
前記反強磁性層は、X1Cr層(ただし、X1は白金族元素およびNiからなる群から選ばれる一種または二種以上の元素)とX2Mn層(ただし、X2は白金族元素およびNiからなる群から選ばれる一種または二種以上の元素であって、X1と同じでも異なっていてもよい)とが交互に積層された三層以上の交互積層構造を有し、
前記X2Mn層の膜厚よりも大きい膜厚を有する前記X1Cr層を備えることを特徴とする位置検出装置。 - 前記X1Cr層の膜厚と前記X2Mn層の膜厚との比が、5:1~100:1である、請求項14または請求項15に記載の位置検出素子。
- 前記X1がPtであり、前記X2がPtまたはIrである、請求項10から請求項16のいずれか1項に記載の位置検出素子。
- 検出対象の位置によって変化する磁界に基づく位置検出に用いられる位置検出素子であって、
固定磁性層と前記固定磁性層に積層された反強磁性層とを有する交換結合膜を備えており、
前記反強磁性層は、白金族元素およびNiからなる群から選ばれる一種または二種以上の元素XならびにMnおよびCrを含有するX(Cr-Mn)層を備え、
前記X(Cr-Mn)層は、前記固定磁性層に相対的に近位な第1領域と、前記固定磁性層から相対的に遠位な第2領域とを有し、
Bi+イオンを一次イオンとする飛行時間型二次イオン質量分析法を用いて前記X(Cr-Mn)層を測定して、Crに関して測定される8種類のイオンのうちCr+を除いた7種のイオンの検出強度に対するMnに関する7種類のイオンの検出強度の比である第1強度比を求めたときに、
前記第1領域における前記第1強度比が前記第2領域における前記第1強度比よりも高く、
前記第2領域の全域にMnを含有し、
前記交換結合膜において、422℃で測定された交換結合磁界を22℃で測定された交換結合磁界で除した規格化交換結合磁界が0.34以上であること
を特徴とする位置検出素子。 - 検出対象の位置に応じて変化する磁界に基づいた、前記検出対象の位置の検出に用いられる位置検出装置であって、
前記検出対象に取り付けられた磁石と、
請求項1から請求項18のいずれか1項に記載の位置検出素子とを備えた位置検出装置。 - 前記検出対象が回転体であり、前記回転体の回転角度を検出する請求項19に記載の位置検出装置。
- 同一基板上に前記位置検出素子を複数備えており、
複数の前記位置検出素子は、前記固定磁性層の固定磁化方向が異なるものが含まれる請求項19または請求項20に記載の位置検出装置。
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