JPH05271885A - 軟磁性合金薄膜およびその製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】高い飽和磁束密度および透磁率を示す、しかも
低価格のFe基軟磁性合金薄膜およびその製造方法を提供
する。 【構成】一般式、Fe_100-x-y-z Cu_x Ｐ_y Ｃ_z で表され、
平均粒径が 500Å以下の微細な結晶粒と非晶質相との混
合組織であるFe基軟磁性合金薄膜およびその製造方法。
ただし、上記一般式のｘ、ｙおよびｚは原子％で、 0.1≦ｘ≦３、1 ≦ｙ≦23、 0.1≦ｚ≦15、５≦ｙ＋ｚ
＜10 である。 上記の一般式で表される組成中のFeは、一定条件の基
で、その一部をMo、Zr、Nb、Ｗ、Cr、Ti、Ｖ、Si、Ge、
Ga、RuおよびAlで置換することができる。 【効果】本発明によるFe基軟磁性合金薄膜は、飽和磁束
密度が高く、かつ高透磁率である。この薄膜は、結晶相
を含むので熱的安定性にも優れ、さらに、高価な元素を
必須成分としておらず、経済性にも優れている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は、磁気ヘッド等の材料
に用いられる高飽和磁束密度、高透磁率を有する鉄基軟
磁性合金薄膜に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来、磁気ヘッド材料にはパーマロイな
どの結晶合金やCo−Fe−Si−Ｂ非晶質合金が広く使用さ
れてきた。これらの合金では透磁率は高いが飽和磁束密
度は低い。近年、高保磁力媒体による記録密度の向上の
ため、高保磁力媒体に対応した飽和磁束密度の高い軟磁
性材料が求められている。

【０００３】本出願人による特開平３−253545号公報に
示す発明は、高飽和磁束密度で優れた軟磁性材料を求め
る試みの一つである。その内容は、一般式Fe_100-x-y-z
Cu_xＰ_y Ｃ_z （ただし、 0.1≦ｘ≦３、1 ≦ｙ≦23、 0.
1≦ｚ≦15、10≦ｙ＋ｚ≦25）で表される組成を有し、
液体急冷法または気相成長法で作成した非晶質薄帯また
は薄膜を結晶化熱処理し、微細粒結晶を得ることを特徴
としている。

【０００４】上記の特開平３−253545号公報で比較材と
して採用したFe−Si−Ｂ−Nb−Cu系合金では、磁気ヘッ
ド材料への応用としてスパッター法により作成した非晶
質薄膜を熱処理により微細結晶化することが試みられて
いる (日立金属技報、VOL.7、P.7-12、1991参照) 。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】前記の特開平３−2535
45号公報の発明は、主にトランスの磁心材料に適した磁
性合金に関するものである。近年開発が進められている
薄膜磁気ヘッド材料等では、薄膜であることに加え、さ
らに高い飽和磁束密度が要求されるようになってきてい
る。

【０００６】また、前記のFe−Si−Ｂ−Nb−Cu系合金に
おいて薄膜化を行った場合では、飽和磁束密度は若干向
上するものの依然として比較的小さい。また、成分とし
て高価なＢを含んでいるため価格的にも不利である。

【０００７】Fe−Cu−Ｐ−Ｃ系合金では、気相急冷法に
よる薄膜の磁気特性は未だ十分には明らかにされていな
い。しかも、このFe−Cu−Ｐ−Ｃ系の軟磁性合金を磁気
ヘッド材へ応用しようとする場合には、厚さが10μｍ以
下の薄膜として作成することが要求される。

【０００８】本発明の目的は、上記の問題点を解決し、
高い飽和磁束密度および透磁率を示す、しかも低価格の
Fe基軟磁性合金薄膜を提供することにある。

【０００９】

【課題を解決するための手段】本発明は、「一般式、Fe
_100-x-y-z Cu_x Ｐ_y Ｃ_z で表され、平均粒径が 500Å以
下の微細な結晶粒と非晶質相との混合組織であるFe基軟
磁性合金薄膜およびその製造方法」を要旨とする。

【００１０】ただし、上記一般式のｘ、ｙおよびｚは原
子％で、 0.1≦ｘ≦３、1 ≦ｙ≦23、 0.1≦ｚ≦15、５≦ｙ＋ｚ
＜10 である。

【００１１】上記の一般式で表される組成中のFeは、そ
の一部を次の元素で置換することができる。なお、下記
の各元素の原子％は、合金全体を 100原子％とした場合
の原子％である。

【００１２】 原子％で、それぞれ３％以下のMo、Z
r、Nb、Ｗ、Cr、TiおよびＶの中の１種以上の元素。た
だし、これら７元素の中の２種以上を使用する場合は、
その合計含有量を３原子％以下とする。

【００１３】 原子％で、５％未満のSi、それぞれ５
％以下のGe、Ga、およびRu、ならびに３％以下のAlの中
の１種以上。ただし、２種以上の場合はその合計含有量
は５原子％以下とする。

【００１４】さらに上記およびの両群から選択した
元素でFeを置換することもできる。

【００１５】このような本発明合金を一般式で示すと下
記のとおりである。

【００１６】(1) Fe_100-x-y-z-a Cu_x Ｐ_y Ｃ_z Mb_a (2) Fe_100-x-y-z-c Cu _x Ｐ_y Ｃ_z (3) Fe_{100-x-y-z-a-c} Cu _xＰ_y Ｃ_z Mb_a (4) Fe_100-x-y-z-d Cu_x Ｐ_y Ｃ_z Md_d (5) Fe_{100-x-y-z-a-d} Cu_x Ｐ_y Ｃ_z Mb_a Md_d (6) Fe_{100-x-y-z-d-c} Cu _xＰ_y Ｃ_z Md_d (7) Fe_{100-x-y-z-a-d-c} Cu _xＰ_y Ｃ_z Mb_a Md_d ただし、Mbは、Mo、Zr、Nb、Ｗ、Cr、TiおよびＶの１種
または２種以上、Mdは、Si、Ge、Ga、RuおよびAlの１種
または２種以上を意味する。

【００１７】添字のｘ、ｙ、ｚ、ａ、ｃおよびｄは全て
原子％であり、ｘ、ｙおよびｚは、 0.1≦ｘ≦３、 1≦ｙ≦23、 0.1≦ｚ≦15、５≦ｙ＋ｚ
＜10 の範囲である。ａは３以下、ｄは、MdがSiの場合は５未
満、Ge、GeおよびRuの場合は５以下、Alの場合は３以下
である。

【００１８】上記の本発明合金薄膜は、気相急冷法によ
り製造する。

【００１９】本発明の合金薄膜では、その厚さを 0.1〜
10μｍの膜厚とする。このような薄膜は気相急冷法によ
ってのみ作成が可能である。膜厚が 0.1μｍ未満の極薄
膜では、薄すぎるために軟磁気特性が急激に劣化するの
で磁気材料としての用をなさない。また、10μｍを越え
て厚くなると薄膜作成に長時間を要し、そのために基板
温度が上昇してその温度の影響を受けることにより、不
必要な結晶化を招く恐れもある。従って、膜厚は 0.1〜
10μｍが望ましい範囲である。

【００２０】

【作用】以下、前記のように組成および組織を限定した
理由を説明する。なお、特にことわりのない限り％は原
子％を意味する。

【００２１】Fe：高い飽和磁束密度を確保するためFeを
主体とする組成とする。

【００２２】Cu：非晶質から磁気特性の優れた微細結晶
粒を析出させるのに寄与する。Cuが 0.1％未満では微細
結晶粒が十分に晶出せず、３％を超えると最初の非晶質
化が困難になる。従って、適正なCu量は 0.1％以上、３
％以下である。即ち、前記一般式において 0.1≦ｘ≦３
とするのがよい。

【００２３】ＰおよびＣ：これらの元素は、結晶化に先
だって非晶質合金を製造する際にその非晶質化に寄与す
る。これらの元素の合計含有量が５％未満ではこの目的
は達成されない。

【００２４】また、合計含有量が10％以上では飽和磁束
密度がやや低下する傾向がある。従って、前記一般式に
おいて、５≦ｙ＋ｚ＜10としなければならない。

【００２５】なお、Ｐは１〜23％、Ｃは 0.1〜15％の範
囲とするのがよい。即ち、前記一般式において、1 ≦ｙ
≦23、 0.1≦ｚ≦15とし、この範囲で５≦ｙ＋ｚ＜10と
なるように調整する。

【００２６】Mo、Zr、Nb、Ｗ、Cr、TiおよびＶ：これら
の元素は、非晶質相から析出する結晶粒の微細化に寄与
する。この効果を得るためには、それぞれ３％以下の範
囲でFeと置換するのがよい。しかし、Mo、CrおよびTiが
それぞれの上限値を超えると飽和磁束密度が低下し、Z
r、NbおよびＷがそれぞれの上限値を超えると粗大な結
晶粒の金属間化合物が生成して微細結晶相への結晶化が
困難になる。またＶが３％を超えると最初の非晶質化が
困難になる。これらの元素は１種でも、また２種以上組
み合わせてでも使用できる。

【００２７】２種以上を用いる場合は、その合計含有量
を３％以下としなければならない。合計含有量が３％を
超えると飽和磁束密度が低下するからである。

【００２８】Si、Ge、Al、GaおよびRu：これらの元素
は、結晶磁気異方性を減少させるのに寄与する。ただ
し、Siが５％以上になると飽和磁束密度の低下を招く。
また、Ge、GaおよびRuがそれぞれ５％を超えた場合も飽
和磁束密度が低下する。ー方、Alが３％を超えると非晶
質化が困難になる。

【００２９】これらの元素も二種以上複合添加してよい
が、その場合、合計含有量は５％以下でなければならな
い。５％を超えると飽和磁束密度が低下する。

【００３０】本発明合金薄膜は、平均粒径が 500Å以下
の微細結晶粒とその周囲の非晶質相との混合組織から成
る。微細結晶粒とは、ｂｃｃ相のFe固溶体を主体とする
ものであるが、 Fe₃Ｐ、添加元素の酸化物、炭化物、各
種の金属間化合物が含まれる場合がある。これら金属間
化合物等は磁気特性を悪くする場合があるから、できる
だけ存在しない方がよいが、それらの粒径が小さく、か
つ少量であれば存在も許容される。

【００３１】上記の本発明合金薄膜の組織は、非晶質相
から適切な熱処理によって微細結晶相を析出させること
によって得られる。その析出の程度によって、結晶相と
非晶質相の混合比率が異なってくる。結晶相の比率が高
い程、磁気特性は向上するが、結晶相がおよそ30体積％
以上であれば、実用上十分な特性が得られる。なお、最
終的に到達し得る結晶相よりも低い温度において出現す
る結晶相、即ち、非晶質相から結晶化が進行していく中
間段階で得られる結晶相を準安定ｂｃｃ相と呼ぶことが
ある。

【００３２】本発明の薄膜となる合金を構成する結晶相
は、その平均粒径が 500Å以下でなければならない。 5
00Åを超えると、結晶粒界等による磁壁のピニングのた
めに磁気特性が悪化するからである。

【００３３】これまでに述べた組成と組織をもつ本発明
合金は、次のようにして製造することができる。

【００３４】まず、所定の組成の合金ターゲットを作製
する。このターゲットをレーザー蒸着等の真空蒸着法、
あるいはイオンビーム・スパッタリング、高周波スパッ
タリング等のスパッタリング法を用いた気相急冷法で処
理して、所定の基板上に非晶質薄膜を得る。この非晶質
合金を、窒素、Arのような不活性ガス中または真空中で
熱処理して微細結晶相を析出させる。熱処理の温度は、
組成によって定まる結晶化開始温度（Tx）を測定してお
き、その温度近傍とする。Txは昇温速度によっても異な
り、例えば20℃／分の昇温速度の場合、Txは 300〜420
℃である。この温度以上であれば結晶化が速やかに進行
するが、低温域では結晶化に時間がかかり、また析出し
た結晶粒も大きくなるから、高温域で短時間の処理を行
う方が望ましい。ただし、 500℃を超える温度になると
金属間化合物が析出し保磁力が大きくなるから、熱処理
温度の上限は 500℃までとするのがよい。望ましい温度
範囲は 300〜500 ℃である。

【００３５】熱処理のヒートパターンとしては、一定温
度での保持、所定温度までの加熱−冷却 (一定温度での
保持なし) 等、種々の形態をとりうる。一定温度で保持
する場合は、その保持温度までの昇温速度を 100℃／分
以上にすると極めて微細な結晶粒が得られる。これより
遅い冷却速度でもCuなどの添加成分の効果によって、微
細結晶粒が得られ、この場合は、敢えて一定温度での保
持は必要としない。また、一定温度で保持する場合、そ
の時間が長すぎると結晶が粗大化するから、３時間以内
が望ましい。

【００３６】

【実施例】

〔試験１〕所定の組成の合金ターゲットを作製し、表１
に示す種々の非晶質薄膜を通常のバッチ式高周波（Ｒ
Ｆ）２極スパッター法により、10^-5Pa程度のバックグラ
ウンド圧のもとで、Arを用いてターゲットをスパッター
し、膜厚５μｍの薄膜を作成した。基板はパイレックス
・ガラスあるいはカプトン・フィルムを用いた。

【００３７】作成した試料の結晶化開始温度(Tx)を、示
差熱分析（10℃/min) 測定により求めた。その後、これ
らの非晶質薄帯を真空中で結晶化開始温度＋10℃まで10
℃/minの昇温速度で加熱し、１分間保持して急冷した。

【００３８】表１には、熱処理後の各薄膜の平均結晶粒
径、結晶化度（結晶相の割合、％）、実効透磁率および
飽和磁束密度を併せて示している。平均結晶粒径は、透
過型電子顕微鏡観察を行い、50個以上の結晶粒を抽出し
て測定し平均して求めた。結晶化度は、Ｘ線回折のピー
ク強度比から求めた。実効透磁率は８の字コイル法を用
いて５MHz で、飽和磁束密度は振動試料型磁力計(VSM)
を用いて、それぞれ測定した。

【００３９】表１に示すFe−Si−Ｂ−Nb−Cu系合金薄膜
の比較例は、高周波（ＲＦ）マグネトロンスパッタ装置
を用い、合金ターゲット上にFe、Cu、Nbチップを配置す
ることによって種々の膜組成の試料を作成し、成膜後 5
00〜700 ℃の間で窒素雰囲気中30分の保持を行う方法に
よって作成した、膜厚２μｍのFe−Si−Ｂ−Nb−Cu微細
結晶薄膜について、上記と同様の測定を実施したもので
ある。

【００４０】本発明による合金薄膜は、いずれもこの比
較例よりも高い飽和磁束密度を示している。

【００４１】

【表１】

【００４２】〔試験２〕表２に示す組成の非晶質薄膜
を、試験１と同様の条件でＲＦ２極スパッター法により
作成した。その後、試料の結晶化開始温度以上の表２に
示す各温度で、各保持時間保持して急冷した。昇温速度
は10℃/minとした。

【００４３】これらの熱処理後の各薄膜の平均結晶粒
径、実効透磁率、飽和磁束密度を実施例１と同じ方法で
測定した。これらの結果を表２に示す。

【００４４】表２に示すFe−Si−Ｂ−Nb−Cu系合金薄膜
の比較例も、試験１の比較例と同様の条件で作成したも
のである。

【００４５】本発明による合金薄膜は、やはり、いずれ
もこの比較例よりも高い飽和磁束密度を示している。

【００４６】

【表２】

【００４７】

【発明の効果】本発明によるFe基軟磁性合金薄膜は、飽
和磁束密度が高く、かつ高透磁率である。この薄膜は、
結晶相を含むので熱的安定性にも優れ、さらに、高価な
元素を必須成分としておらず、経済性にも優れている。

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】一般式、Fe_100-x-y-z Cu_x Ｐ_y Ｃ_z で表さ
   れる組成を有し、平均粒径が 500Å以下の微細な結晶粒
   と非晶質相との混合組織であることを特徴とする軟磁性
   合金薄膜。ただし、ｘ、ｙおよびｚは原子％で、 0.1≦ｘ≦３、1 ≦ｙ≦23、 0.1≦ｚ≦15、５≦ｙ＋ｚ
   ＜10 である。
2. 【請求項２】Feの一部が、原子％でそれぞれ全体の３％
   以下のMo、Zr、Nb、Ｗ、Cr、TiおよびＶの１種以上（た
   だし、２種以上の場合は、合計で３％以下）で置換され
   た組成を有し、微細な結晶粒と非晶質相との混合組織で
   あることを特徴とする請求項１に記載の軟磁性合金薄
   膜。
3. 【請求項３】Feの一部が、原子％で全体の５％未満のS
   i、それぞれ５％以下のGe、GaおよびRuならびに３％以
   下のAlの１種以上で置換されており、Si、Ge、Ga、Ruお
   よびAlの合計含有量が５原子％以下である組成を有し、
   微細な結晶粒と非晶質相との混合組織であることを特徴
   とする請求項１または２に記載の軟磁性合金薄膜。
4. 【請求項４】請求項１または２または３に記載の組成の
   合金にエネルギーを照射して気化または剥離させ、前記
   気化または剥離した合金成分を基板上に堆積させること
   を特徴とする軟磁性合金薄膜の製造方法。