JP7203598B2 - 磁気センサおよび磁気センサの製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、磁気センサおよび磁気センサの製造方法に関する。

公報記載の従来技術として、非磁性基板上に形成された硬磁性体膜からなる薄膜磁石と、前記薄膜磁石の上を覆う絶縁層と、前記絶縁層上に形成された一軸異方性を付与された一個または複数個の長方形状の軟磁性体膜からなる感磁部とを備えた磁気インピーダンス効果素子が存在する（特許文献１参照）。

特開２００８－２４９４０６号公報

ところで、磁気インピーダンス効果により磁界を感受する感受素子を備えた磁気センサでは、感受素子に供給する電流が高周波領域である場合に感度が低下する場合がある。例えば、磁気インピーダンス効果により磁界を感受する感受素子を備えた磁気センサでは、感度を向上させるために、感受素子の長さを長くしたり、感受素子の数を多くしたりする場合がある。しかしながら、磁気センサ感受素子の長さを長くしたり、数を多くしたりしても、低周波領域での感度は向上するものの、高周波領域での感度が低下し、所望とする感度が得られない場合がある。

本発明は、磁気インピーダンス効果を用いた磁気センサにおいて、供給する電流が高周波領域である場合の感度の低下を抑制することを目的とする。

本発明が適用される磁気センサは、非磁性の基板と、前記基板上に積層される複数の軟磁性体層と、複数の当該軟磁性体層の間に積層され当該軟磁性体層と比べて導電性が高い導電体層とを備え、長手方向と短手方向とを有し、当該長手方向と交差する方向に一軸磁気異方性を有し、磁気インピーダンス効果により磁界を感受する感受素子と、前記感受素子の前記長手方向の端部に対向するように当該感受素子と同一平面上に形成された一対の平板状のヨークとを備え、前記ヨークは、複数の前記軟磁性体層と当該軟磁性体層の間に積層される前記導電体層とを備える。
ここで、前記感受素子および前記ヨークは、それぞれの前記軟磁性体層が、Ｒｕ又はＲｕ合金から構成される反磁界抑制層による反強磁性結合構造を有していることを特徴とすることができる。
また、前記感受素子は、前記導電体層を複数有することを特徴とすることができる。
さらに、前記基板と前記感受素子の前記軟磁性体層との間に積層され、硬磁性体で構成され面内方向に磁気異方性を有する薄膜磁石をさらに備え、前記感受素子は、前記長手方向が前記薄膜磁石の発生する磁界の方向を向くことを特徴とすることができる。
さらにまた、前記磁気センサの側面には、前記薄膜磁石のＮ極およびＳ極が露出していることを特徴とすることができる。
また、他の観点から捉えると、本発明が適用される磁気センサの製造方法は、非磁性の基板上に、Ｃｏを含む硬磁性体からなり、磁気異方性が面内方向に制御された薄膜磁石を形成する薄膜磁石形成工程と、前記基板上に複数の軟磁性体層と、当該軟磁性体層と比べて導電性が高い導電体層とを交互に積層し、前記薄膜磁石の発生する磁束が透過する方向と交差する方向に一軸磁気異方性を有する感受素子を形成する感受素子形成工程と、前記感受素子と同一平面上に、前記薄膜磁石の発生する磁束を当該感受素子に誘導する、一対の平板状のヨークを形成するヨーク形成工程とを含み、前記ヨーク形成工程は、前記複数の前記軟磁性体層と当該軟磁性体層の間に積層される前記導電体層とを備える前記ヨークを形成する。

本発明によれば、磁気インピーダンス効果を用いた磁気センサにおいて、供給する電流が高周波領域である場合の感度の低下を抑制することができる。

（ａ）～（ｂ）は、実施の形態１が適用される磁気センサの一例を説明する図である。 磁気センサの感受部における感受素子の長手方向に印加された磁界と感受部のインピーダンスとの関係を説明する図である。 一層の軟磁性体層から構成される従来の磁気センサについて、供給する電流の周波数と、磁界Ｈの変化量ΔＨに対するインピーダンスＺの変化量ΔＺ（ΔＺ／ΔＨ）との関係を示した図である。 本実施の形態の磁気センサによる作用を説明するための図であって、本実施の形態の磁気センサについて、供給する電流の周波数と、磁界Ｈの変化量ΔＨに対するインピーダンスＺの変化量ΔＺ（ΔＺ／ΔＨ）との関係を示した図である。 （ａ）～（ｅ）は、磁気センサの製造方法の一例を説明する図である。 （ａ）、（ｂ）は、実施の形態２が適用される磁気センサの一例を説明する図である。 （ａ）、（ｂ）は、実施の形態３が適用される磁気センサの一例を説明する図である。

以下、添付図面を参照して、本発明の実施の形態について説明する。
［実施の形態１］
（磁気センサ１の構成）
図１（ａ）～（ｂ）は、実施の形態１が適用される磁気センサ１の一例を説明する図である。図１（ａ）は、平面図、図１（ｂ）は、図１（ａ）におけるＩＢ－ＩＢ線での断面図である。
図１（ｂ）に示すように、実施の形態１が適用される磁気センサ１は、非磁性の基板１０上に設けられた硬磁性体（硬磁性体層１０３）で構成された薄膜磁石２０と、薄膜磁石２０に対向して積層され、軟磁性体（下層軟磁性体層１０５ａ、上層軟磁性体層１０５ｂ）および軟磁性体層１０５と比べて導電性の高い導電体（導電体層１０６）で構成されて磁場を感受する感受部３０とを備える。以下の説明では、二層の軟磁性体層（下層軟磁性体層１０５ａ、上層軟磁性体層１０５ｂ）をそれぞれ区別しない場合には、単に軟磁性体層１０５と表記する。
なお、磁気センサ１の断面構造については、後に詳述する。

ここで硬磁性体とは、外部磁界によって磁化されると、外部磁界を取り除いても磁化された状態が保持される、いわゆる保磁力の大きい材料である。一方、軟磁性体とは、外部磁界によって容易に磁化されるが、外部磁界を取り除くと速やかに磁化がないか又は磁化が小さい状態に戻る、いわゆる保磁力の小さい材料である。

なお、本明細書においては、磁気センサ１を構成する要素（薄膜磁石２０など）を二桁の数字で表し、要素に加工される層（硬磁性体層１０３など）を１００番台の数字で表す。そして、要素の数字に対して、要素に加工される層の番号を（ ）内に表記する。例えば薄膜磁石２０の場合、薄膜磁石２０（硬磁性体層１０３）と表記する。図においては、２０（１０３）と表記する。他の場合も同様である。

図１（ａ）により、磁気センサ１の平面構造を説明する。磁気センサ１は、一例として四角形の平面形状を有する。ここでは、磁気センサ１の最上部に形成された感受部３０及びヨーク４０を説明する。感受部３０は、平面形状が長手方向と短手方向とを有する短冊状である複数の感受素子３１と、隣接する感受素子３１をつづら折りに直列接続する接続部３２と、電流供給のための電線が接続される端子部３３とを備える。ここでは、４個の感受素子３１が、長手方向が並列するように配置されている。また、本実施の形態の磁気センサ１では、感受素子３１が、磁気インピーダンス効果素子である。
感受素子３１は、例えば長手方向の長さが約１ｍｍ、短手方向の幅が数１００μｍ、厚さ（軟磁性体層１０５と導電体層１０６とを合わせた厚さ）が０．５μｍ～５μｍである。感受素子３１間の間隔は、５０μｍ～１５０μｍである。

接続部３２は、隣接する感受素子３１の端部間に設けられ、隣接する感受素子３１をつづら折りに直列接続する。図１（ａ）に示す磁気センサ１では、４個の感受素子３１が並列に配置されているため、接続部３２は３個ある。感受素子３１の数は、感受（計測）したい磁界の大きさなどによって設定される。よって、例えば感受素子３１が２個であれば、接続部３２は１個である。また、感受素子３１が１個であれば、接続部３２を備えない。なお、接続部３２の幅は、感受部３０に流す電流によって設定すればよい。例えば、接続部３２の幅は、感受素子３１と同じであってもよい。

端子部３３は、接続部３２で接続されていない感受素子３１の２個の端部にそれぞれ設けられている。端子部３３は、感受素子３１から引き出す引き出し部と、電流を供給する電線を接続するパッド部とを備える。引き出し部は、２個のパッド部を感受素子３１の短手方向に設けるために備えられている。引き出し部を設けずパッド部を感受素子３１に連続するように設けてもよい。パッド部は、電線を接続しうる大きさであればよい。なお、感受素子３１が４個であるため、２個の端子部３３は図１（ａ）において左側に設けられている。感受素子３１の数が奇数の場合には、２個の端子部３３を左右に分けて設ければよい。

そして、感受部３０の感受素子３１、接続部３２及び端子部３３は、二層の軟磁性体層１０５（下層軟磁性体層１０５ａ、上層軟磁性体層１０５ｂ）と導電体層１０６とにより一体に構成されている。軟磁性体層１０５及び導電体層１０６は、導電性であるので、一方の端子部３３から他方の端子部３３に、電流を流すことができる。
なお、感受素子３１の長さ及び幅、並列させる個数など上記した数値は一例であって、感受（計測）する磁界の値や用いる軟磁性体材料などによって変更してもよい。

さらに、磁気センサ１は、感受素子３１の長手方向の端部に対向して設けられたヨーク４０を備える。ここでは、感受素子３１の長手方向の両端部に対向してそれぞれが設けられた２個のヨーク４０ａ、４０ｂを備える。なお、ヨーク４０ａ、４０ｂをそれぞれ区別しない場合には、ヨーク４０と表記する。ヨーク４０は、感受素子３１の長手方向の端部に磁力線を誘導する。このため、ヨーク４０は磁力線が透過しやすい軟磁性体（軟磁性体層１０５）を含んで構成されている。この例では、感受部３０及びヨーク４０は、二層の軟磁性体層１０５（下層軟磁性体層１０５ａ、上層軟磁性体層１０５ｂ）と導電体層１０６とにより構成されている。なお、感受素子３１の長手方向に磁力線が十分透過する場合には、ヨーク４０を備えなくてもよい。

磁気センサ１の大きさは、平面形状において数ｍｍ角である。なお、磁気センサ１の大きさは、他の値であってもよい。

次に、図１（ｂ）により、磁気センサ１の断面構造を説明する。磁気センサ１は、非磁性の基板１０上に、密着層１０１、制御層１０２、硬磁性体層１０３（薄膜磁石２０）、絶縁層１０４、軟磁性体層１０５と導電体層１０６とからなる感受部３０及びヨーク４０が、この順に配置（積層）されて構成されている。

基板１０は、非磁性体からなる基板であって、例えばガラス、サファイアといった酸化物基板やシリコン等の半導体基板、あるいは、アルミニウム、ステンレススティール、ニッケルリンメッキを施した金属等の金属基板等が挙げられる。
密着層１０１は、基板１０に対する制御層１０２の密着性を向上させるための層である。密着層１０１としては、Ｃｒ又はＮｉを含む合金を用いるのがよい。Ｃｒ又はＮｉを含む合金としては、ＣｒＴｉ、ＣｒＴａ、ＮｉＴａ等が挙げられる。密着層１０１の厚さは、例えば５ｎｍ～５０ｎｍである。なお、基板１０に対する制御層１０２の密着性に問題がなければ、密着層１０１を設けることを要しない。なお、本明細書においては、Ｃｒ又はＮｉを含む合金の組成比を示さない。以下同様である。

制御層１０２は、硬磁性体層１０３で構成される薄膜磁石２０の磁気異方性が膜の面内方向に発現しやすいように制御する層である。制御層１０２としては、Ｃｒ、Ｍｏ若しくはＷ又はそれらを含む合金（以下では、制御層１０２を構成するＣｒ等を含む合金と表記する。）を用いるのがよい。制御層１０２を構成するＣｒ等を含む合金としては、ＣｒＴｉ、ＣｒＭｏ、ＣｒＶ、ＣｒＷ等が挙げられる。制御層１０２の厚さは、例えば１０ｎｍ～３００ｎｍである。

薄膜磁石２０を構成する硬磁性体層１０３は、Ｃｏを主成分とし、Ｃｒ又はＰｔのいずれか一方又は両方を含む合金（以下では、薄膜磁石２０を構成するＣｏ合金と表記する。）を用いることがよい。薄膜磁石２０を構成するＣｏ合金としては、ＣｏＣｒＰｔ、ＣｏＣｒＴａ、ＣｏＮｉＣｒ、ＣｏＣｒＰｔＢ等が挙げられる。なお、Ｆｅが含まれていてもよい。硬磁性体層１０３の厚さは、例えば１μｍ～３μｍである。

制御層１０２を構成するＣｒ等を含む合金は、ｂｃｃ（body-centered cubic（体心立方格子））構造を有する。よって、薄膜磁石２０を構成する硬磁性体（硬磁性体層１０３）は、ｂｃｃ構造のＣｒ等を含む合金で構成された制御層１０２上において結晶成長しやすいｈｃｐ（hexagonal close-packed（六方最密充填））構造であるとよい。ｂｃｃ構造上にｈｃｐ構造の硬磁性体層１０３を結晶成長させると、ｈｃｐ構造のｃ軸が面内に向くように配向しやすい。よって、硬磁性体層１０３によって構成される薄膜磁石２０が面内方向に磁気異方性を有するようになりやすい。なお、硬磁性体層１０３は結晶方位の異なる集合からなる多結晶であり、各結晶が面内方向に磁気異方性を有する。この磁気異方性は結晶磁気異方性に由来するものである。

なお、制御層１０２を構成するＣｒ等を含む合金及び薄膜磁石２０を構成するＣｏ合金の結晶成長を促進するために、基板１０を１００℃～６００℃に加熱するとよい。この加熱により、制御層１０２を構成するＣｒ等を含む合金が結晶成長しやすくなり、ｈｃｐ構造を持つ硬磁性体層１０３が面内に磁化容易軸を持つように結晶配向されやすくなる。つまり、硬磁性体層１０３の面内に磁気異方性が付与されやすくなる。

絶縁層１０４は、非磁性の誘電体で構成され、薄膜磁石２０と感受部３０との間を電気的に絶縁する。絶縁層１０４を構成する誘電体としては、ＳｉＯ₂、Ａｌ₂Ｏ₃、ＴｉＯ₂等の酸化物、又は、Ｓｉ₃Ｎ₄、ＡｌＮ等の窒化物等が挙げられる。また、絶縁層１０４の厚さは、例えば０．１μｍ～３０μｍである。

感受部３０における感受素子３１は、長手方向に交差する方向、例えば直交する短手方向（幅方向）に一軸磁気異方性が付与されている。なお、長手方向に交差する方向とは、長手方向に対して４５°を超えた角度を有すればよい。
感受素子３１を構成する軟磁性体（下層軟磁性体層１０５ａ、上層軟磁性体層１０５ｂ）としては、Ｃｏを主成分とした合金に高融点金属Ｎｂ、Ｔａ、Ｗ等を添加したアモルファス合金（以下では、感受素子３１を構成するＣｏ合金と表記する。）を用いるのがよい。感受素子３１を構成するＣｏ合金としては、ＣｏＮｂＺｒ、ＣｏＦｅＴａ、ＣｏＷＺｒ等が挙げられる。感受素子３１を構成する軟磁性体（下層軟磁性体層１０５ａ、上層軟磁性体層１０５ｂ）の厚さは、例えば、それぞれ０．２μｍ～２μｍである。図１（ｂ）に示す例では、下層軟磁性体層１０５ａの厚さと上層軟磁性体層１０５ｂの厚さが互いに等しいが、互いに異なっていてもよい。

感受素子３１を構成する導電体（導電体層１０６）としては、導電性が高い金属または合金を用いることが好ましく、導電性が高く且つ非磁性の金属または合金を用いることがより好ましい。具体的には、感受素子３１を構成する導電体（導電体層１０６）としては、アルミニウム、銅、銀等の金属を用いるのがよい。感受素子３１を構成する導電体（導電体層１０６）の厚さは、例えば、１０ｎｍ～５００ｎｍである。感受素子３１を構成する導電体（導電体層１０６）の厚さは、後述する感受素子３１の抵抗Ｒや感受する磁界の値等が所望の値となるよう、軟磁性体層１０５として用いる感受素子３１を構成するＣｏ合金や導電体層１０６として用いる導電体の種類等によって変更できる。

密着層１０１、制御層１０２、硬磁性体層１０３、及び絶縁層１０４は、平面形状が四角形（図１（ａ）参照）になるように加工されている。そして、露出した側面のうち、対向する二つの側面において、薄膜磁石２０がＮ極（図１（ｂ）における（Ｎ））及びＳ極（図１（ｂ）における（Ｓ））となっている。なお、薄膜磁石２０のＮ極とＳ極とを結ぶ線が、感受部３０における感受素子３１の長手方向に向くようになっている。ここで、長手方向に向くとは、Ｎ極とＳ極とを結ぶ線と長手方向とがなす角度が４５°未満であることをいう。なお、Ｎ極とＳ極とを結ぶ線と長手方向とがなす角度は、小さいほどよい。

磁気センサ１において、薄膜磁石２０のＮ極から出た磁力線は、一旦磁気センサ１の外部に出る。そして、一部の磁力線が、ヨーク４０ａを介して感受素子３１を透過し、ヨーク４０ｂを介して再び外部に出る。そして、感受素子３１を透過した磁力線が透過しない磁力線とともに薄膜磁石２０のＳ極に戻る。つまり、薄膜磁石２０は、感受素子３１の長手方向に磁界を印加する。
なお、薄膜磁石２０のＮ極とＳ極とをまとめて両磁極と表記し、Ｎ極とＳ極とを区別しない場合は磁極と表記する。

なお、図１（ａ）に示すように、ヨーク４０（ヨーク４０ａ、４０ｂ）は、基板１０の表面側から見た形状が、感受部３０に近づくにつれて狭くなっていくように構成されている。これは、感受部３０に磁界を集中させる（磁力線を集める）ためである。つまり、感受部３０における磁界を強くして感度のさらなる向上を図っている。なお、ヨーク４０（ヨーク４０ａ、４０ｂ）の感受部３０に対向する部分の幅を狭くしなくてもよい。

ここで、ヨーク４０（ヨーク４０ａ、４０ｂ）と感受部３０との間隔は、例えば１μｍ～１００μｍであればよい。

（磁気センサ１の作用）
続いて、磁気センサ１の作用について説明する。図２は、磁気センサ１の感受部３０における感受素子３１の長手方向に印加された磁界と感受部３０のインピーダンスとの関係を説明する図である。図２において、横軸が磁界Ｈ、縦軸がインピーダンスＺである。感受部３０のインピーダンスＺは、２個の端子部３３間に高周波電流を流して測定される。

図２に示すように、感受部３０のインピーダンスＺは、感受素子３１の長手方向に印加する磁界Ｈが大きくなるにしたがい大きくなる。しかし、印加する磁界Ｈが感受素子３１の異方性磁界Ｈｋより小さい範囲において、磁界Ｈの変化量ΔＨに対してインピーダンスＺの変化量ΔＺが急峻な部分（ΔＺ／ΔＨが大きい）を用いれば、磁界Ｈの微弱な変化をインピーダンスＺの変化量ΔＺとして取り出すことができる。図２では、ΔＺ／ΔＨが大きい磁界Ｈの中心を磁界Ｈｂとして示している。つまり、磁界Ｈｂの近傍（図２で矢印で示す範囲）における磁界Ｈの変化量（ΔＨ）が高精度に測定できる。磁界Ｈｂは、バイアス磁界と呼ばれることがある。

ところで、磁気インピーダンス効果素子として一層の軟磁性体層から構成される感受素子を備える従来の磁気センサでは、供給する電流の周波数が高いと、磁界Ｈの変化量ΔＨに対するインピーダンスＺの変化量ΔＺ（ΔＺ／ΔＨ）が低下する場合がある。言い換えると、従来の磁気センサでは、供給する電流の周波数が高いと、磁界Ｈの変化に対する感度が低下する場合がある。
図３は、一層の軟磁性体層１０５から構成される（すなわち、図１（ｂ）に示した導電体層１０６を有していない）従来の磁気センサ１について、供給する電流の周波数と、磁界Ｈの変化量ΔＨに対するインピーダンスＺの変化量ΔＺ（ΔＺ／ΔＨ）との関係を示した図である。なお、以下では、従来の磁気センサ１についても、図１（ａ）～（ｂ）に示した本実施の形態の磁気センサ１と同様の構成については、同じ符号を用いて説明を行う。

図３では、感受素子３１の長手方向に沿った長さ（以下、単に長さと表記する。）、および並列させる感受素子３１の個数を異ならせた３種類の磁気センサについて、供給する電流の周波数と、磁界Ｈの変化量ΔＨに対するインピーダンスＺの変化量ΔＺ（ΔＺ／ΔＨ）との関係を示している。
具体的には、図３の従来例１（１ｍｍ、１２個）は、長さ１ｍｍの感受素子３１を、並列に１２個有している磁気センサ１に関するグラフである。また、図３の従来例２（１ｍｍ、３０個）は、長さ１ｍｍの感受素子３１を、並列に３０個有している磁気センサ１に関するグラフである。さらに、図３の従来例３（２ｍｍ、３０個）は、長さ２ｍｍの感受素子３１を、並列に３０個有している。なお、従来例１～従来例３に示した磁気センサ１のそれぞれの感受素子３１は、Ｃｏ₈₅Ｎｂ₁₂Ｚｒ₃からなり、幅２０μｍ、厚さ１．５μｍである。従来例１～従来例３に示した磁気センサ１は、感受素子３１の長さ、および並列させる感受素子３１の個数以外の構成は互いに等しい。

図３に示すように、一層の軟磁性体層１０５から構成される（すなわち、図１（ｂ）に示した導電体層１０６を有していない）従来の磁気センサ１では、感受素子３１に流す電流の周波数が低い場合（例えば１００ＭＨｚ未満）には、周波数が高くなるにつれて磁界Ｈの変化量ΔＨに対するインピーダンスＺの変化量ΔＺ（ΔＺ／ΔＨ）が大きくなる一方で、感受素子３１に流す電流の周波数が高い場合（例えば１００ＭＨｚ以上）には、磁気センサ１の感度が低下する傾向がある。この傾向は、図３の従来例２や従来例３のように、感受素子３１の長さが長いほど、または並列させる感受素子３１が多いほど顕著である。

このような高周波電流を供給した場合の磁気センサ１の感度の低下は、並列する感受素子３１同士の間隙や、感受素子３１（感受部３０）とヨーク４０との間隙で生じる浮遊容量の影響によるものと推測される。付言すると、磁気センサ１におけるインピーダンスＺのうち、虚部の容量性成分（容量性リアクタンス）が大きくなることの影響によるものと推測される。
そして、磁気センサ１において、感受素子３１の長さを長くしたり、並列させる感受素子３１の個数を多くしたりすると、感受素子３１同士の間隙や感受素子３１（感受部３０）とヨーク４０との間隙が多くなるため、浮遊容量の影響が大きくなりやすい。この結果、磁気センサ１の感度の低下が顕著になるものと考えられる。

ここで、磁気センサ１において感受素子３１の抵抗をＲ、浮遊容量をＣとし、感受素子３１を抵抗Ｒと浮遊容量Ｃとの並列回路とすると、この磁気センサ１の緩和周波数ｆ₀は、以下の式（１）のように表される。ここで、緩和周波数ｆ₀は、インピーダンスＺの実部（レジスタンス）が減衰し且つ虚部（リアクタンス）が極小値をとる周波数であって、感受素子３１の感度が低下し始める周波数に相当する。
ｆ₀＝１／２πＲＣ …（１）
式（１）によれば、磁気センサ１の高周波領域での感度を向上させるためには、すなわち、緩和周波数ｆ₀を大きくするためには、感受素子３１の抵抗Ｒまたは浮遊容量Ｃを小さくする必要がある。

これに対し、本実施の形態の磁気センサ１では、感受素子３１が、軟磁性体層１０５と、軟磁性体層１０５と比べて導電性の高い導電体層１０６とが積層された構成となっている。これにより、感受素子３１が導電体層１０６を備えない場合と比べて、感受素子３１の抵抗Ｒが低くなり、磁気センサ１の高周波領域での感度を向上させることができる。

図４は、本実施の形態の磁気センサ１による作用を説明するための図であって、本実施の形態の磁気センサ１について、供給する電流の周波数と、磁界Ｈの変化量ΔＨに対するインピーダンスＺの変化量ΔＺ（ΔＺ／ΔＨ）との関係を示した図である。

図４において、供給する電流の周波数と、磁界Ｈの変化量ΔＨに対するインピーダンスＺの変化量ΔＺ（ΔＺ／ΔＨ）との関係を示す本実施の形態の例１および例２の磁気センサ１は、感受部３０（感受素子３１）が導電体層１０６を備える以外は上述した従来例１の磁気センサ１と同様の構成を有している。
具体的には、例１の磁気センサ１は、感受部３０（感受素子３１）が、厚さ０．７５μｍのＣｏ₈₅Ｎｂ₁₂Ｚｒ₃からなる下層軟磁性体層１０５ａと上層軟磁性体層１０５ｂとの間に、厚さ１００ｎｍのアルミニウムからなる導電体層１０６を積層した構造を有している。また、例２の磁気センサ１は、感受部３０（感受素子３１）が、厚さ０．５μｍのＣｏ₈₅Ｎｂ₁₂Ｚｒ₃からなる下層軟磁性体層１０５ａと上層軟磁性体層１０５ｂとの間に、厚さ１００ｎｍのアルミニウムからなる導電体層１０６を積層した構造を有している。

ここで、軟磁性体層１０５（感受素子３１を構成するＣｏ合金）の一例であるＣｏ₈₅Ｎｂ₁₂Ｚｒ₃の電気抵抗率は、約２５０μΩ・ｃｍであり、導電体層１０６（感受素子３１を構成する導電体）の一例であるアルミニウムの電気抵抗率は、約２．５μΩ・ｃｍである。
これにより、例１および例２に示す本実施の形態の磁気センサ１では、感受部３０（感受素子３１）が厚さ１００ｎｍのアルミニウムからなる導電体層１０６を備えることで、導電体層１０６を備えない従来例１の磁気センサ１と比べて、感受素子３１の抵抗Ｒが１０分の１程度に低下する。

この結果、本実施の形態の磁気センサ１では、式（１）で示した緩和周波数ｆ₀が上昇し、図４に示すように、感受素子３１に流す電流の周波数が高い場合（例えば１００ＭＨｚ以上）であっても、磁界Ｈの変化量ΔＨに対するインピーダンスＺの変化量ΔＺ（ΔＺ／ΔＨ）の低下が抑制される。言い換えると、本実施の形態の磁気センサ１では、感受素子３１に流す電流の周波数が高い場合（例えば１００ＭＨｚ以上）であっても、感度の低下が抑制される。

また、図示は省略するが、本実施の形態の磁気センサ１では、感受素子３１が導電体層１０６を備え抵抗Ｒが低下することで、感受素子３１が導電体層１０６を備えない場合と比べて、高周波領域においてインピーダンスＺの実部（レジスタンス）および虚部（リアクタンス）が上昇する。このため、本実施の形態の磁気センサ１では、高周波電流を供給した場合の表皮効果をより強めることができる。

なお、上述した式（１）によれば、感受素子３１の抵抗Ｒを小さくする他、感受素子１３の浮遊容量Ｃを小さくすることによっても、緩和周波数ｆ₀を大きくし、高周波領域での磁気センサ１の感度を向上させることができる。
しかしながら、感受素子３１の浮遊容量Ｃを小さくするためには、例えば隣接する感受素子３１同士の距離や感受部３０とヨーク４０との距離、並列させる感受素子３１の個数等を変更する必要がある。言い換えると、磁気センサ１の平面形状等を大きく変える必要がある。
これに対し、本実施の形態によれば、磁気センサ１の平面形状等を変更せずに、感受素子３１の積層構造のみを変更することで、磁気センサ１の高周波領域での感度を向上させることができる。

（磁気センサ１の製造方法）
次に、磁気センサ１の製造方法の一例を説明する。
図５（ａ）～（ｅ）は、磁気センサ１の製造方法の一例を説明する図である。図５（ａ）～（ｅ）は、磁気センサ１の製造方法における工程を示す。なお、図５（ａ）～（ｅ）は、代表的な工程であって、他の工程を含んでいてもよい。そして、工程は、図５（ａ）～（ｅ）の順に進む。図５（ａ）～（ｅ）は、図１（ａ）のＩＢ－ＩＢ線での断面図に対応する。

基板１０は、前述したように、非磁性材料からなる基板であって、例えばガラス、サファイアといった酸化物基板やシリコン等の半導体基板、あるいは、アルミニウム、ステンレススティール、ニッケルリンメッキを施した金属等の金属基板である。基板１０には、研磨機などを用いて、例えば曲率半径Ｒａが０．１ｎｍ～１００ｎｍの筋状の溝又は筋状の凹凸が設けられていてもよい。なお、この筋状の溝又は筋状の凹凸の筋の方向は、硬磁性体層１０３によって構成される薄膜磁石２０のＮ極とＳ極とを結ぶ方向に設けられているとよい。このようにすることで、硬磁性体層１０３における結晶成長が、溝の方向へ促進される。よって、硬磁性体層１０３により構成される薄膜磁石２０の磁化容易軸がより溝方向（薄膜磁石２０のＮ極とＳ極とを結ぶ方向）に向きやすい。つまり、薄膜磁石２０の着磁をより容易にする。

ここでは、基板１０は、一例として直径約９５ｍｍ、厚さ約０．５ｍｍのガラスとして説明する。磁気センサ１の平面形状が数ｍｍ角である場合、基板１０上には、複数の磁気センサ１が一括して製造され、後に個々の磁気センサ１に分割（切断）される。図５（ａ）～（ｅ）では、中央に表記する一個の磁気センサ１に着目するが、左右に隣接する磁気センサ１の一部を合わせて示す。なお、隣接する磁気センサ１間の境界を一点鎖線で示す。

図５（ａ）に示すように、基板１０を洗浄した後、基板１０の一方の面（以下、表面と表記する。）上に、密着層１０１、制御層１０２、硬磁性体層１０３及び絶縁層１０４を順に成膜（堆積）して、積層体を形成する。

まず、Ｃｒ又はＮｉを含む合金である密着層１０１、Ｃｒ等を含む合金である制御層１０２、及び、薄膜磁石２０を構成するＣｏ合金である硬磁性体層１０３を順に連続して成膜（堆積）する。この成膜は、スパッタリング法などにより行える。それぞれの材料で形成された複数のターゲットに順に対面するように、基板１０を移動させることで密着層１０１、制御層１０２及び硬磁性体層１０３が基板１０上に順に積層される。前述したように、制御層１０２及び硬磁性体層１０３の形成では、結晶成長を促進するために、基板１０を例えば１００℃～６００℃に加熱するとよい。

なお、密着層１０１の成膜では、基板１０の加熱を行ってもよく、行わなくてもよい。基板１０の表面に吸着している水分などを除去するために、密着層１０１を成膜する前に、基板１０を加熱してもよい。

次に、ＳｉＯ₂、Ａｌ₂Ｏ₃、ＴｉＯ₂等の酸化物、又は、Ｓｉ₃Ｎ₄、ＡｌＮ等の窒化物等である絶縁層１０４を成膜（堆積）する。絶縁層１０４の成膜は、プラズマＣＶＤ法、反応性スパッタリング法などにより行える。

そして、図５（ｂ）に示すように、感受部３０が形成される部分及びヨーク４０（ヨーク４０ａ、４０ｂ）が形成される部分を開口とするフォトレジストによるパターン（レジストパターン）１１１を、公知のフォトリソグラフィ技術により形成する。

続いて、図５（ｃ）に示すように、感受素子３１を構成するＣｏ合金である下層軟磁性体層１０５ａ、軟磁性体層１０５と比較して導電性の高い導電体である導電体層１０６、及び感受素子３１を構成するＣｏ合金である上層軟磁性体層１０５ｂを順に成膜（堆積）する。軟磁性体層１０５（下層軟磁性体層１０５ａ、上層軟磁性体層１０５ｂ）及び導電体層１０６の成膜は、例えばスパッタリング法を用いて行える。

次に、図５（ｄ）に示すように、レジストパターン１１１を除去するとともに、レジストパターン１１１上の軟磁性体層１０５（下層軟磁性体層１０５ａ、上層軟磁性体層１０５ｂ）及び導電体層１０６を除去（リフトオフ）する。これにより、軟磁性体層１０５及び導電体層１０６により構成される感受部３０及びヨーク４０（ヨーク４０ａ、４０ｂ）が形成される。つまり、感受部３０とヨーク４０とが、軟磁性体層１０５及び導電体層１０６の成膜により同時に形成される。

この後、軟磁性体層１０５には、感受部３０における感受素子３１の幅方向に一軸磁気異方性を付与する。この軟磁性体層１０５への一軸磁気異方性の付与は、例えば３ｋＧ（０．３Ｔ）の回転磁場中における４００℃での熱処理（回転磁場中熱処理）と、それに引き続く３ｋＧ（０．３Ｔ）の静磁場中における４００℃での熱処理（静磁場中熱処理）とで行える。この時、ヨーク４０を構成する軟磁性体層１０５にも同様の一軸磁気異方性が付与される。しかし、ヨーク４０は、磁気回路としての役割を果たせばよく、一軸磁気異方性が付与されていても、一軸磁気異方性が付与されていなくてもよい。

次に、薄膜磁石２０を構成する硬磁性体層１０３を着磁する。硬磁性体層１０３に対する着磁は、静磁場中又はパルス状の磁場中において、硬磁性体層１０３の保磁力より大きい磁界を、硬磁性体層１０３の磁化が飽和するまで印加することで行える。
この後、図５（ｅ）に示すように、基板１０上に形成された複数の磁気センサ１を個々の磁気センサ１に分割（切断）する。つまり、図１（ａ）の平面図に示したように、平面形状が四角形になるように、基板１０、密着層１０１、制御層１０２、硬磁性体層１０３、絶縁層１０４、軟磁性体層１０５及び導電体層１０６を切断する。すると、分割（切断）された硬磁性体層１０３の側面に薄膜磁石２０の磁極（Ｎ極及びＳ極）が露出する。こうして、着磁された硬磁性体層１０３は、薄膜磁石２０になる。この分割（切断）は、ダイシング法やレーザカッティング法などにより行える。

なお、図５（ｅ）の複数の磁気センサ１を個々の磁気センサ１に分割する工程の前に、基板１０上において隣接する磁気センサ１の間の密着層１０１、制御層１０２、硬磁性体層１０３、絶縁層１０４、軟磁性体層１０５及び導電体層１０６を、平面形状が四角形（図１（ａ）に示した磁気センサ１の平面形状）になるようにエッチング除去してもよい。そして、露出した基板１０を分割（切断）してもよい。
また、図５（ａ）の積層体を形成する工程の後に、密着層１０１、制御層１０２、硬磁性体層１０３、絶縁層１０４を、平面形状が四角形（図１（ａ）に示した磁気センサ１の平面形状）になるように加工してもよい。
なお、図５（ａ）～（ｅ）に示した製造方法は、これらの製造方法に比べ、工程が簡略化される。

このようにして、磁気センサ１が製造される。なお、軟磁性体層１０５への一軸異方性の付与及び／又は薄膜磁石２０の着磁は、図５（ｅ）の磁気センサ１を個々の磁気センサ１に分割する工程の後に、磁気センサ１毎又は複数の磁気センサ１に対して行ってもよい。

なお、制御層１０２を備えない場合には、硬磁性体層１０３を成膜後、８００℃以上に加熱して結晶成長させることで、面内に磁気異方性を付与することが必要となる。しかし、第１の実施の形態が適用される磁気センサ１のように、制御層１０２を備える場合には、制御層１０２により結晶成長が促進されるため、８００℃以上のような高温による結晶成長を要しない。

また、感受部３０の感受素子３１への一軸異方性の付与は、上記の回転磁場中熱処理及び静磁場中熱処理で行う代わりに、感受素子３１を構成するＣｏ合金である軟磁性体層１０５の堆積時にマグネトロンスパッタリング法を用いて行ってもよい。マグネトロンスパッタリング法では、磁石（マグネット）を用いて磁界を形成し、放電によって発生した電子をターゲットの表面に閉じ込める（集中させる）。これにより、電子とガスとの衝突確率を増加させてガスの電離を促進し、膜の堆積速度（成膜速度）を向上させる。このマグネトロンスパッタリング法に用いられる磁石（マグネット）が形成する磁界により、軟磁性体層１０５の堆積と同時に、軟磁性体層１０５に一軸異方性が付与される。このようにすることで、回転磁場中熱処理及び静磁場中熱処理で行う一軸異方性を付与する工程が省略できる。

［実施の形態２］
続いて、本発明の実施の形態２について説明する。図６（ａ）、（ｂ）は、実施の形態２が適用される磁気センサ２の一例を説明する図である。図６（ａ）は、平面図、図６（ｂ）は、図６（ａ）のＶＩＢ－ＶＩＢ線での断面図である。ここでは、図１（ａ）、（ｂ）に示した磁気センサ１と同様の構成については同様の符号を用い、詳細な説明は省略する。

実施の形態２の磁気センサ２は、実施の形態１の磁気センサ１と同様に、感受部３０およびヨーク４０が、軟磁性体層１０５（下層軟磁性体層１０５ａ、上層軟磁性体層１０５ｂ）および導電体層１０６を有している。
また、実施の形態２の磁気センサ２は、下層軟磁性体層１０５ａおよび上層軟磁性体層１０５ｂの厚さ方向の中央部に、反磁界抑制層１０７（下層反磁界抑制層１０７ａ、上層反磁界抑制層１０７ｂ）を有している。具体的には、磁気センサ２では、下層軟磁性体層１０５ａは、下層反磁界抑制層１０７ａにより厚さ方向に分割されている。同様に、磁気センサ２では、上層軟磁性体層１０５ｂは、上層反磁界抑制層１０７ｂにより厚さ方向に分割されている。以下の説明では、二層の反磁界抑制層１０７（下層反磁界抑制層１０７ａ、上層反磁界抑制層１０７ｂ）をそれぞれ区別しない場合には、単に反磁界抑制層１０７と表記する。

反磁界抑制層１０７は、Ｒｕ又はＲｕ合金により構成される。ここで、Ｒｕ又はＲｕ合金からなる反磁界抑制層１０７（下層反磁界抑制層１０７ａ、上層反磁界抑制層１０７ｂ）の膜厚を、それぞれ０．４ｎｍ～１．０ｎｍ又は１．６ｎｍ～２．６ｎｍの範囲とする。これにより、反磁界抑制層１０７（下層反磁界抑制層１０７ａ、上層反磁界抑制層１０７ｂ）により分割される下層軟磁性体層１０５ａおよび上層軟磁性体層１０５ｂのそれぞれが、反強磁性結合（ＡＦＣ：Antiferromagnetically Coupled）構造となる。この結果、反磁界が抑制され、感受素子３１の感度が向上する。

実施の形態２の磁気センサ２では、実施の形態１の磁気センサ１と同様に、感受部３０（感受素子３１）が導電体層１０６を有することで、導電体層１０６を備えない場合と比べて、感受素子３１の抵抗Ｒが低下する。これにより、感受素子３１に流す電流の周波数が高い場合（例えば１００ＭＨｚ以上）であっても、磁界Ｈの変化量ΔＨに対するインピーダンスＺの変化量ΔＺ（ΔＺ／ΔＨ）の低下が抑制される。

［実施の形態３］
続いて、本発明の実施の形態３について説明する。図７（ａ）、（ｂ）は、実施の形態３が適用される磁気センサ３の一例を説明する図である。図７（ａ）は、平面図、図７（ｂ）は、図７（ａ）のＶＩＩＢ－ＶＩＩＢ線での断面図である。ここでは、図１（ａ）、（ｂ）に示した磁気センサ１と同様の構成については同様の符号を用い、詳細な説明は省略する。

実施の形態３の磁気センサ３は、感受部３０およびヨーク４０が、四層の軟磁性体層１０５（第１軟磁性体層１０５ｃ、第２軟磁性体層１０５ｄ、第３軟磁性体層１０５ｅ、第４軟磁性体層１０５ｆ）と、三層の導電体層１０６（第１導電体層１０６ａ、第２導電体層１０６ｂ、第３導電体層１０６ｃ）を備えている。具体的には、磁気センサ３の感受部３０およびヨーク４０は、第１軟磁性体層１０５ｃ、第１導電体層１０６ａ、第２軟磁性体層１０５ｄ、第２導電体層１０６ｂ、第３軟磁性体層１０５ｅ、第３導電体層１０６ｃおよび第４軟磁性体層１０５ｆが、順に積層されている。
以下の説明では、四層の軟磁性体層１０５（第１軟磁性体層１０５ｃ、第２軟磁性体層１０５ｄ、第３軟磁性体層１０５ｅ、第４軟磁性体層１０５ｆ）をそれぞれ区別しない場合には、単に軟磁性体層１０５と表記する。同様に、三層の導電体層１０６（第１導電体層１０６ａ、第２導電体層１０６ｂ、第３導電体層１０６ｃ）をそれぞれ区別しない場合には、単に導電体層１０６と表記する。

実施の形態３の磁気センサ３では、実施の形態１の磁気センサ１と同様に、感受部３０（感受素子３１）が導電体層１０６を有することで、導電体層１０６を備えない場合と比べて、感受素子３１の抵抗Ｒが低下する。これにより、感受素子３１に流す電流の周波数が高い場合（例えば１００ＭＨｚ以上）であっても、磁界Ｈの変化量ΔＨに対するインピーダンスＺの変化量ΔＺ（ΔＺ／ΔＨ）の低下が抑制される。
なお、実施の形態３の磁気センサ３において、軟磁性体層１０５および導電体層１０６の層数は特に限定されるものではない。すなわち、感受部３０の最下層および最上層が軟磁性体層１０５により構成されていれば、軟磁性体層１０５及び導電体層１０６はそれぞれ５層以上および４層以上であってもよい。

以上、本発明の実施の形態について説明したが、本発明は本実施の形態に限定されるものではない。本発明の趣旨に反しない限りにおいては様々な変形や組み合わせを行っても構わない。

１、２、３…磁気センサ、１０…基板、２０…薄膜磁石、３０…感受部、３１…感受素子、３２…接続部、３３…端子部、４０、４０ａ、４０ｂ…ヨーク、１０１…密着層、１０２…制御層、１０３…硬磁性体層、１０４…絶縁層、１０５…軟磁性体層、１０６…導電体層、１０７…反磁界抑制層

Claims (6)

1. 非磁性の基板と、
   前記基板上に積層される複数の軟磁性体層と、複数の当該軟磁性体層の間に積層され当該軟磁性体層と比べて導電性が高い導電体層とを備え、長手方向と短手方向とを有し、当該長手方向と交差する方向に一軸磁気異方性を有し、磁気インピーダンス効果により磁界を感受する感受素子と、
   前記感受素子の前記長手方向の端部に対向するように当該感受素子と同一平面上に形成された一対の平板状のヨークと
   を備え、
   前記ヨークは、複数の前記軟磁性体層と当該軟磁性体層の間に積層される前記導電体層とを備える磁気センサ。
2. 前記感受素子および前記ヨークは、それぞれの前記軟磁性体層が、Ｒｕ又はＲｕ合金から構成される反磁界抑制層による反強磁性結合構造を有していることを特徴とする請求項１に記載の磁気センサ。
3. 前記感受素子は、前記導電体層を複数有することを特徴とする請求項１または２に記載の磁気センサ。
4. 前記基板と前記感受素子の前記軟磁性体層との間に積層され、硬磁性体で構成され面内方向に磁気異方性を有する薄膜磁石をさらに備え、
   前記感受素子は、前記長手方向が前記薄膜磁石の発生する磁界の方向を向くことを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の磁気センサ。
5. 前記磁気センサの側面には、前記薄膜磁石のＮ極およびＳ極が露出していることを特徴とする請求項４に記載の磁気センサ。
6. 非磁性の基板上に、Ｃｏを含む硬磁性体からなり、磁気異方性が面内方向に制御された薄膜磁石を形成する薄膜磁石形成工程と、
   前記基板上に複数の軟磁性体層と、当該軟磁性体層と比べて導電性が高い導電体層とを交互に積層し、前記薄膜磁石の発生する磁束が透過する方向と交差する方向に一軸磁気異方性を有する感受素子を形成する感受素子形成工程と、
   前記感受素子と同一平面上に、前記薄膜磁石の発生する磁束を当該感受素子に誘導する、一対の平板状のヨークを形成するヨーク形成工程と
   を含み、
   前記ヨーク形成工程は、前記複数の前記軟磁性体層と当該軟磁性体層の間に積層される前記導電体層とを備える前記ヨークを形成する磁気センサの製造方法。

Images