JPH0427106A - 鉄系磁性多層膜 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 産業上の利用分野 本発明は、大きな磁性抵抗変化率を有し、該特性につい
ての再現性が優れて安定しており、かつ動作磁場が小さ
く、磁界センサや磁気抵抗効果型ヘッドとして有用な鉄
系磁性多層膜に関するものである。

従来の技術 金属の原子径オーダーの厚さで周期的に積層された薄膜
は、バルク状の金属とは異なった特性を示すため、近年
人工格子という新素材として注目されるようになってき
た。

この人工格子の１種として、単結晶基体上に強磁性金属
層と反強磁性金属層とを交互に積層しｔ；磁性多層膜が
あり、これまで、鉄−クロム型、ニッケルークロム型及
び鉄−マンガン型多層膜（特開昭６０−１８９９０６号
公報）などが知られている。また、鉄−クロム型につい
ては極低温（４，２Ｋ）において４０％をも超える磁気
抵抗変化を示すという報告もある（フィジカル、レビュ
ー、レターズ、６１巻、２４７２ページ、１９８８年）
。

これらの磁性多層膜の主な用途は磁気抵抗効果素子であ
り、ビデオムーヒーのシリンダー近傍に配置してテープ
走行の際のテープを検出するためのセンサのみならず広
く磁場を検出するためのセンサや磁気抵抗型ヘッドなど
として利用が可能である。

ところで、磁気抵抗効果素子については、室温における
磁気抵抗変化率が大きく、動作磁場か小さいことが要求
されるが、これまで知られている単層型鉄ニツケル合金
及びコバルトニッケル合金磁性膜は、動作磁場は小さく
微少磁場の検出には好都合であるが、磁気抵抗変化率は
２〜３％と小さい。またＦｅ　−Ｃｒ型多層膜は磁気抵
抗変化率は大きいものの動作磁場が約２０ｋＯｅと極め
て大きく、いずれも利用範囲が制限されるのを免れない
。

また、鉄−クロム型多層膜において、鉄とクロム層の界
面での各元素の拡散状態について厳密な制御はなされて
おらず、したがって、膜構造や成膜条件等による効果に
ついては、これまで何も知られてはいなかった。

般に、鉄とクロムの２つの元素を交互に積層して鉄−ク
ロム型多層膜を形成する場合、界面での各々の元素の拡
散状態について厳密な制御を行わないと、鉄とクロム層
の層間１：厚さ１２Å以上の鉄クロム合金層が介在して
しまい、磁気特性の著しい劣化を免れない。

発明が解決しようとする課題 本発明は、磁気抵抗効果素子に要求される特性、すなわ
ち大きい磁気抵抗変化特性、該特性についての優れて安
定した再現性及び小さい動作磁場を備えた鉄系磁性多層
膜を得ることを目的としてなされたものである。

課題を解決するだめの手段 本発明者らは、前記の磁気抵抗効果素子としての要求特
性を満たした鉄系磁性多層膜を開発するために、鋭意研
究を重ねた結果、基体にクロムと鉄とを交互に蒸着積層
して鉄系磁性多層膜を形成させる際に、該基体温度を所
定温度に保持することにより、クロム層と鉄層の境界面
に鉄クロム合金層が所定厚さで形成されること、及び該
鉄クロム合金層を介してその上下に形成された鉄とクロ
ム層、及び鉄と鉄層の磁気的な結合がもたらされ、その
目的が達成されることを見出し、この知見に基づいて本
発明をなすに至った。

すなわち、本発明は、基体上に鉄クロム合金層を介して
クロム層と鉄屑を交互に任意の順序で積層して成る多層
構造の磁性膜において、前記鉄クロム合金層の厚さを２
〜１０人に調整したことを特徴とする鉄系磁性多層膜及
び基体上に、基体温度を５０〜３５０°Ｃの範囲の温度
に保持してクロムと鉄を交互に任意の順序で複数回蒸着
することを特徴とする前記鉄系磁性多層膜の製造方法を
提供するものである。

以下、本発明の詳細な説明する。

本発明に用いる基体は特に制限されず、例えば酸化マグ
ネシウム、ガラス、ケイ素単結晶、ガリウムーヒ素単結
晶なとが用いられる。

本発明においては、各鉄層及び／又は各クロム層の厚さ
は一定である必要はなく、また一定にする場合には、各
鉄屑の厚さを一定にし、各クロム層の厚さも一定にして
もよいし、また、各鉄層の厚さを一定にして各クロム層
の厚さのみを変えてもよいし、また、逆に各クロム層の
厚さを一定にして各鉄屑の厚さのみを変えてもよい。さ
らに必要ならば各クロム層と各鉄屑の両方の厚さを同時
に変えることもできる。また、鉄クロム合金層の厚さは
鉄層及びクロム層の厚さや蒸着条件等により変わる。

本発明の鉄系磁性多層膜においては、それを構成するク
ロム層の厚さを６〜６０人、好ましくは８〜３０Ａの範
囲内で、鉄屑の厚さを２０〜２００人、好ましくは２５
〜８０人の範囲内で、かつ鉄クロム合金層の厚さを２〜
１０人の範囲内でそれぞれ選ぶ必要かある。クロム層の
厚さが６人未満では連続膜として成膜することか不可能
となるし、６０人を超えると層間の距離か遠くなって層
間の磁気的結合作用が失われる。また、鉄層の厚さか２
０人未満では、核層か室温で強磁性を示さなくなるし、
２００人を超えると層間の距離が遠くなって層間での磁
気的結合作用が失われる。さらに、鉄クロム合金層の厚
さについては、それを２人未満とすることは現実には極
めて困難であるし、それが１０人を超えると磁気特性が
低下するのを免れない。

多層構造の繰り返し回数は５〜１００回、好ましくは２
０〜８０回の範囲とするのが好ましい。繰り返し回数が
５回未満では多層化による効果の向上が十分ではなく磁
気抵抗変化率が小さいし、１００回を超えると膜質が劣
化して磁気抵抗変化率が小さくなる。

次に、添付図面に従って本発明をさらに詳細に説明する
。

第１図は、本発明の鉄系磁性多層膜の１例の構造を示す
拡大断面図であって、この図においては基体Ａの上に、
クロム層Ｂ、、　ＢＩ　Ｂｓ、　Ｂａ、　Ｂｓと鉄層Ｃ
１，Ｃ２，Ｃｓ、　Ｃ４，Ｃｓとがそれぞれの各層境界
面間の鉄クロム合金層ＤＩ、　Ｂ２．　Ｄ、、　Ｄａ、
　Ｄｓ、　Ｂ６．　Ｄ？。

Ｄ、、　Ｄ、を介して交互に積層されている。そして、
これらの層の中のクロム層Ｂｌ＋　Ｂｚ、　Ｂ３．　Ｂ
４．　ＢＳはいずれも同じ層厚を有しているが、鉄層の
Ｃ＋、　Ｃｓ。

Ｃ６とＣ，、Ｃ，とは異なった層厚を有している。

第２図は、第１図と異なった例の拡大断面図であって、
この図においては、クロム層ＢＩ＋　Ｂ２．Ｂ３＋Ｂ４
＋　Ｂｓはいずれも同じ層厚を有するが、鉄層Ｃ１゜Ｃ
ｍ、　Ｃ１，Ｃ４はすべて異なった層厚を有している。

これらの図において、クロム層と鉄層の関係を逆にする
こともできる。

第３図は、第１図及び第２図とは異なつＩ；さらに別の
例の拡大断面図であって、この図においては、クロム層
Ｂｌ＋　Ｂｚ、　Ｂｓはいずれも同じ層厚を有し、また
鉄層Ｃ，，Ｃ，、Ｃ，もいずれも同じ層厚を有している
。

第１図及び第２図のように、クロム層又は鉄層の各層の
層厚を異なったものとすることにより、磁気抵抗効果素
子としての特性を著しく向上させることができる。例え
ば、第１図に示す積層体を形成させた多層膜においてク
ロム層を１０人で一定とし、鉄層を３０人で一定とし、
鉄クロム合金層を６人とした場合、磁化は１４ｋｏｅの
印加磁場で漸く飽和し、磁気抵抗変化率は室温で７〜８
％であるが、クロム層の中のＢｌ＋　Ｂｓ、　Ｂｓを２
０人に変えると、磁化は８　ｋｏｅの印加磁場で飽和し
、磁気抵抗変化率は室温で９％以上になる。

このように層厚を変えることにより動作磁場が小さくな
り、磁気抵抗変化率が大きくなるのは、反強磁性体とし
てのクロムの中間層を介して上下に隣合って存在する強
磁性体としての鉄の層同士の間に磁気的結合力が働き、
その境界面に生じている高い磁気モーメントのエネルギ
ー状態において電子が磁気散乱されるが、この境界面に
生じる高いエネルギー状態が、鉄層自体の厚さや中間層
のクロム層の厚さにより影響されるためと考えられる。

したがって、これは通常の鉄系磁性多層膜においてみら
れる強磁性体の異方性磁気抵抗効果（例えば特公平２−
８４７０号公報参照）とは異なる現象であり、これを利
用すればクロム反強磁性体層を通しての鉄強磁性体の磁
気的結合力を制御することも可能である。

前記した各偶とは異なって、必要ならば各層の層厚を同
時に異なったものとしてもよいし、また３種以上の異な
った層厚の組み合わせを用いてもよい。

本発明の鉄系磁性多層膜を製造するには、前記した適当
な基体、例えば酸化マグネシウム、ガラス、ケイ素単結
晶、ガリウムーヒ素単結晶などの上に、該基体温度を５
０〜３５０°Ｃの範囲の温度に保持して、所定のクロム
物質及び鉄物質とを、任意の順序で、真空蒸着法、化学
蒸着法など慣用の方法により蒸着させる。この際各層の
厚さを膜厚計により測定しながら、基体上への物質の蒸
着量をシャッターの開閉により制御するのが有利である
。

このようにして、クロム層−鉄クロム合金層−鉄層ある
いは鉄層−鉄クロム合金層−クロム層から成る層構造体
がその各層所定の厚さで形成される。

次いで、クロムと鉄を交互に任意の順序で蒸着する操作
を繰り返すことにより積層し、これを必要な厚さになる
まで継続して、成膜する。従って、最終の蒸着層は前記
第１図のような鉄層あるいは前記第２図のようなりロム
層になる。通常、最終的な全体の厚さは０．０１〜１μ
ｍの範囲内で選ばれる。

特に有利な基体は、酸化マグネシウム系のもの、特にＭ
ｇ０（１００）単結晶基板である。このものは取り扱い
やすく、磁気抵抗変化率が他の基体に比べて大きいので
望ましい。

基体温度が前記所定範囲を逸脱すると、鉄クロム合金層
の厚さの制御が不十分となる。特に有利な基体温度は、
酸化マグネシウム基体の場合で１００〜３００°Ｃ１ガ
ラス基体の場合で５０〜２５０°Ｃである。

発明の効果 本発明の鉄系磁性多層膜は、大きい磁気抵抗変化特性、
該特性についての優れて安定した再現性及び小さい動作
磁場を有しているので、磁界センサや磁気抵抗効果型ノ
＼ツドとして有用である。

実施例 次に実施例によって、本発明をさらに詳細に説明する。

各試料の磁気特性として磁気抵抗変化率を次のとおり測
定した。

試料の形状を０．３Ｘ　１．０＋＋＋ｍ２の短冊状とし
、４端子法で抵抗を測定した。磁場は７　ｋｏｅまで印
加し、測定電流は３０〜３００μＡの範囲とし、測定温
度は室温及び７７°にとした 実施例１ 到達圧力５ｘ　１ｏ−”　Ｔｏｒｒの真空槽内に耽○（
１００）単結晶基体を置き、蒸着材料として純度９９．
９９％の鉄とクロムを用い、電子銃により、蒸着圧力２
×１０−’Ｔｏｒｒにおいて、基体上に先ずクロム層を
、次いで鉄層をそれぞれ蒸着させた。この際、基体温度
を厳密に１１０°Ｃに保つことで鉄層とクロム層の両者
の境界面で形成されるＦｅＣｒ合金層の厚さを２人にな
るように制御した。この際、各層厚は水晶式膜厚計でモ
ニターし、シャッターを開閉することにより制御した。

このようにして得られたクロム層の厚さは１３人、鉄屑
の厚さは２１人であった。

この蒸着操作を３０回繰り返すことにより厚さ０．１１
μｍの鉄系磁性多層膜を得た。

実施例２ 到達圧力４　Ｘ　１０−”　Ｔｏｒｒ、蒸着圧力８　Ｘ
　１０−　”　Ｔｏｒｒ。

基体温度１６０°Ｃ１境界面で形成されるＦｅＣｒ合金
層の厚さを３人になるように制御したこと以外は実施例
１と同様にして、厚さ０，１１μｍ１各クロム層の厚さ
１３人、各鉄層の厚さ２１人の鉄系磁性多層膜を得た。

実施例３ 到達圧力４　Ｘ　１０−”　Ｔｏｒｒ、基体温度２６０
°Ｃ１境界面で形成されるＦｅＣｒ合金層の厚さを５人
になるように制御したこと以外は実施例１と同様にして
、厚さ０，１１μｍ１各クロム層の厚さ１３人、各鉄屑
の厚さ２１人の鉄系磁性多層膜を得た。

実施例４ 到達圧力３　Ｘ　１０−”　Ｔｏｒｒ、基体温度３２０
℃、境界面で形成されるＦｅＣｒ合金層の厚さを６人に
なるように制御したこと以外は実施例１と同様にして、
厚さ０，１１μｍ、各クロム層の厚さ１３人、各鉄層の
厚さ２１人の鉄系磁性多層膜を得た。

実施例５ 蒸着圧力３　Ｘ　１０′−９Ｔｏｒｒ、基体温度５２°
Ｃとしたこと以外は実施例１と同様にして、厚さ０．１
１μｍ１各クロム層の厚さ１３人、各鉄屑の厚さ２１人
の鉄系磁性多層膜を得た。

実施例６〜１０ 基体をガラス基体に代え、境界面で形成されるＦｅＣｒ
合金層の厚さをそれぞれ３．５．６．８及び２人になる
ように制御したこと以外はそれぞれ対応する実施例１〜
５と同様にして厚さ０．１１μｍ、各クロム層の厚さ１
３人、各鉄層の厚さ２１人の鉄系磁性多層膜を得た。

比較例１ 到達圧力３　Ｘ　１０−”Ｔｏｒｒ、基体温度４２０°
Ｃ１境界面で形成されるＦｅＣｒ合金層の厚さを１２人
になるように制御したこと以外は実施例１と同様にして
、厚さ０．１１μｍ１各クロム層の厚さ１３人、各鉄層
の厚さ２１人の鉄系磁性多層膜を得た。

比較例２ 基体をガラス基体に代え、境界面で形成されるＦｅＣｒ
合金層の厚さを１４人になるように制御したこと以外は
比較例１と同様にして、厚さ０．１１μｍ１各クロム層
の厚さ１３人、各鉄層の厚さ２１人の鉄系磁性多層膜を
得た。

比較例３ 到達圧力４　Ｘ　１０−”　Ｔｏｒｒ、蒸着圧力３　Ｘ
　１０−’Ｔｏｒｒ。

基体温度５５０°Ｃ１境界面で形成されるＦｅＣｒ合金
層の厚さを２０人になるように制御したこと以外は実施
例１と同様にして、厚さ０．１１μｍ１各クロム層の厚
さ１３人、各鉄屑の厚さ２１人の鉄系磁性多層膜を得た
。

比較例４ 基体をガラス基体に代え、境界面で形成されるＦｅＣｒ
合金層の厚さを２２人になるように制御したこと以外は
比較例３と同様にして、厚さＯ−０−１１ｐ各クロム層
の厚さ１３Ａ、各鉄層の厚さ２１人の鉄系磁性多層膜を
得た。

各実施例及び比較例の試料について、その磁気抵抗変化
特性を求めた。その結果を次表に示す。

また、この表に示した各試料について、ＦｅＣｒ合金層
の厚さと磁気抵抗変化率との関係及び基板温度と磁気抵
抗変化率との関係をそれぞれ第４図及び第５図に示す。

これら図中の実線ＡはＭｇＯ基体を用いた場合であり、
また破線Ｂはガラス基体を用いた場合である。

この表から明らかなように、鉄層とクロム層の間に形成
される鉄クロム合金層の厚さを厳密に２〜ｌＯ人の範囲
に調整することによって、磁気抵抗変化率の大きい鉄系
磁性多層膜を生成することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図ないし第３図は本発明の鉄系磁性多層膜の構造例
を示す断面図、第４図及び第５図は各実施例及び比較例
の磁性多層膜について、ＦｅＣｒ合金層の厚さと磁気抵
抗変化率との関係及び基板温度と磁気抵抗変化率との関
係をそれぞれ示すグラフである。 図中Ａは基体、Ｂｌ＋　Ｂ２＋　Ｂ３．　Ｂ４．Ｂｓは
クロム層、ＣＩ＋　Ｃｚ、　Ｃ３，Ｃ４，Ｃ５は鉄層、
ＤＩ、Ｄ２．Ｄ３．ＤＩ、Ｄａ。 Ｄａ、　Ｄ７＋　Ｄａ、　Ｄｓは鉄クロム合金層である
。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １　基体上に鉄クロム合金層を介してクロム層と鉄層を
   交互に任意の順序で積層して成る多層構造の磁性膜にお
   いて、前記鉄クロム合金層の厚さを２〜１０Åに調整し
   たことを特徴とする鉄系磁性多層膜。 ２　鉄層の厚さ２０〜２００Å及びクロム層の厚さ６〜
   ６０Åを有する請求項１記載の鉄系磁性多層膜。 ３　基体温度を５０〜３５０℃の範囲の温度に保持して
   成膜したものである請求項１又は２記載の鉄系磁性多層
   膜。 ４　基体上に、基体温度を５０〜３５０℃の範囲の温度
   に保持してクロムと鉄を交互に任意の順序で複数回蒸着
   することを特徴とする請求項１又は２記載の鉄系磁性多
   層膜の製造方法。