JPH07142249A

JPH07142249A - 磁性体薄膜

Info

Publication number: JPH07142249A
Application number: JP28693893A
Authority: JP
Inventors: Masayoshi Hiramoto; 雅祥平本; Osamu Inoue; 修井上; Koichi Kugimiya; 公一釘宮
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Holdings Corp
Priority date: 1993-11-16
Filing date: 1993-11-16
Publication date: 1995-06-02

Abstract

(57)【要約】【目的】成膜直後から軟磁気特性に優れ、耐熱処理性
に優れ、高飽和磁束密度を有する磁性体薄膜を得る。【構成】非磁性基板上に、５０ｎｍ層厚の磁性層をＦ
ｅ−Ａｌ−Ｓｉ合金をターゲットとしたマグネトロンス
パッタで、基板温度と放電ガス圧を変えアニール後、形
成する。磁性層形成後に、スパッタガス中に間欠的に酸
素を導入することで酸化物からなる５ｎｍ厚さの分離層
を形成する。交互に１０層づつ積層し、合計約５５０ｎ
ｍの膜厚の積層磁性体薄膜を作製する。各磁性層の磁化
容易軸方向がほぼ平行であると、優れた軟磁気特性を示
す。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、磁気ヘッドをはじめ、
トランス、各種フィルター、可飽和リアクトル、チョー
クコイル、各種センサ等磁気回路を利用する電子部品、
電子機器などに使用する磁性材料に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】高転送レートを要求されるＨＤＴＶ用磁
気ヘッドや、小型化が進む磁気回路部品には、数十ＭＨ
ｚで軟磁気特性の優れた磁性体薄膜が望まれている。

【０００３】これまで数ＭＨｚまでの周波数領域では、
主に渦電流損失による初透磁率の低下があり、スパッタ
リングや蒸着などの薄膜化技術を用いて、磁性体の高抵
抗化または磁性体と絶縁体の積層化が広く提案されてき
た。

【０００４】一方、数十ＭＨｚ以上の領域においては、
渦電流損失とともに、強磁性共鳴による損失が大きな問
題となる。強磁性共鳴周波数は、磁性体の飽和磁束密度
Ｂｓと異方性磁界を大きくすることで高めることができ
る。従って、従来より異方性を付与したＣｏ系非晶質薄
膜や、これと絶縁物質を積層した軟磁性薄膜が提案され
てきた。特に高周波特性に優れ、磁気的に等方性を持つ
もののに中には、無磁場中アニールでミクロな異方性を
増加させたものや、各磁性層ごとに磁化容易軸方向を変
化させた、磁性体と絶縁体の積層磁性体薄膜などが提案
されてきた。これら非晶質薄膜に一軸面内異方性を誘導
する方法としては、薄膜作成またはアニール時に静磁場
を印加することが知られている。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】ヘッドまたはインダク
タ等に使用する場合には、Ｃｏ系非晶質膜よりも飽和磁
束密度の大きなＦｅ系軟磁性膜が望ましい。しかしなが
らＦｅ系軟磁性膜は一般に結晶質で、静磁場中での成膜
や熱処理では異方性がつきにくいという課題があった。

【０００６】また、従来の各磁性層ごとに磁化容易軸方
向を変化させた積層磁性体薄膜の場合、各磁性層は各層
間における相互作用による軟磁気特性の劣化を防ぐた
め、絶縁層を厚くすることで各磁性層が磁気的に独立し
ている構成を取っており、必然的に主磁性体に対する非
磁性体の体積割合が大きくなるため、見かけの飽和磁束
密度や初透磁率を著しく減少させるという課題があっ
た。

【０００７】また、従来の異方性を付与した非晶質磁性
体薄膜の場合、微結晶を析出させるために200 ℃以上で
熱処理する必要があり、他のＩＣ部品を実装した基板上
に成膜できないという課題があった。

【０００８】本発明は、薄膜形成直後及び熱処理後の何
れにおいても優れた軟磁気特性を示し、また高周波領域
に於いても高初透磁率を維持し、１．３〜１．９Ｔの高
飽和磁束密度を有する磁性体薄膜を提供することを目的
とする。

【０００９】

【課題を解決するための手段】前記目的を達成するため
に、本発明の第一の磁性体薄膜は、磁性体薄膜を構成す
る柱状もしくは実質的に回転楕円体である複数の磁性結
晶粒子の短辺方向の長さの平均値が２以上４０ｎｍ以下
の範囲であり、前記磁性体薄膜の膜面がＸ軸、Ｙ軸、Ｚ
軸を主軸とする直交座標系のＸ−Ｙ平面上にあり、Ｙ−
Ｚ平面と各磁性結晶粒子の長辺方向が略平行であり、か
つ磁性体薄膜の磁化容易軸方向が、Ｘ−Ｙ平面上で、Ｘ
軸方向を中心にした±π／４の範囲内にあるという構成
を備えたものである。

【００１０】本発明の第二の磁性体薄膜は、上記の構成
を持つ磁性体薄膜からなる複数の磁性層と、酸化物また
は窒化物からなる分離層とが交互に積層し、前記各磁性
層の磁化容易軸方向が略平行であるという構成を備えた
ものである。

【００１１】また、本発明の第三の磁性体薄膜は、第一
の磁性体薄膜からなる複数の磁性層と、酸化物または窒
化物からなる分離層とが交互に積層し、各磁性層の磁化
容易軸方向が互いに異なっており、膜全体の磁化容易軸
方向が等方的に分散されているという構成を備えたもの
である。この構成においては、Ｎ枚の磁性層のうち隣合
う磁性層の磁化容易軸方向のなす角θラジアンが他の磁
性層となす角より小さく、かつ実質的にθ＝π／Ｎであ
ることが好ましい。

【００１２】また、前記第二及び第三の磁性体薄膜の構
成においては、一部の磁性層を構成する各磁性結晶粒子
の長辺方向、及び磁性体薄膜の膜面とのなす角の平均値
がπ／３ラジアンより小さく、残りの磁性層を構成する
各磁性結晶粒子の長辺方向と、前記磁性体薄膜の膜面と
のなす角の平均値がπ／３ラジアンより大きいことが好
ましい。

【００１３】また、前記第二及び第三の磁性体薄膜の構
成においては、磁性層が、Ｆｅの酸化物生成自由エネル
ギーより低い酸化物生成自由エネルギーをもつ物質、お
よびＦｅの窒化物生成自由エネルギーより低い窒化物生
成自由エネルギーをもつ物質から選ばれる少なくとも一
種類の物質を含む磁性層であることが好ましい。

【００１４】また、前記第二及び第三の磁性体薄膜の構
成においては、分離層が、磁性層に含まれる元素及び酸
素または窒素を含む物質から選ばれる少なくとも１種を
含む分離層であることが好ましい。また、磁性層の平均
膜厚Ｄ１が３００〜５ｎｍ、分離層の平均膜厚Ｄ２が１
０〜０．０５ｎｍで、Ｄ１／Ｄ２≧３の関係をみたすこ
とが好ましい。

【００１５】

【作用】前記本発明の第一の磁性体薄膜によれば、磁性
体薄膜を構成する柱状もしくは実質的に回転楕円体であ
る複数の磁性結晶粒子の短辺方向の長さの平均値が２〜
４０ｎｍ以下の範囲であり、前記磁性体薄膜の膜面がＸ
軸、Ｙ軸、Ｚ軸を主軸とする直交座標系のＸ−Ｙ平面上
にあり、Ｙ−Ｚ平面と各磁性結晶粒子の長辺方向が略平
行であり、かつ磁性体薄膜の磁化容易軸方向が、Ｘ−Ｙ
平面上で、Ｘ軸方向を中心にした±π／４の範囲内にあ
ることにより、高周波において軟磁気特性に優れた磁性
体薄膜を達成できる。

【００１６】また、本発明の第二の磁性体薄膜によれ
ば、上記の構成を持つ磁性体薄膜からなる複数の磁性層
と、酸化物または窒化物からなる分離層とが交互に積層
し、前記各磁性層の磁化容易軸方向が略平行であること
により、静磁エネルギーを低め軟磁気特性に優れた積層
磁性体薄膜を達成できる。

【００１７】また、本発明の第三の磁性体薄膜によれ
ば、各磁性層の磁化容易軸方向が互いに異なり、磁性体
薄膜全体の磁化容易軸方向が等方的に分散されているこ
とにより、等方的な磁気特性に優れた積層磁性体薄膜を
達成できる。

【００１８】また、Ｎ枚の磁性層のうち隣合う磁性層の
磁化容易軸方向のなす角θラジアンが他の磁性層となす
角より小さく、かつ実質的にθ＝π／Ｎであるという本
発明の好ましい構成によれば、磁性層間の静磁エネルギ
ーを低め、軟磁気特性に優れた積層磁性体薄膜を達成で
きる。また、一部の磁性層を構成する各磁性結晶粒子の
長辺方向、及び磁性体薄膜の膜面とのなす角の平均値が
π／３ラジアンより小さく、残りの磁性層を構成する各
磁性結晶粒子の長辺方向と、前記磁性体薄膜の膜面との
なす角の平均値がπ／３ラジアンより大きいという本発
明の好ましい構成によれば、膜面に垂直な交換結合を低
めることができる。

【００１９】また、磁性層が、Ｆｅの酸化物生成自由エ
ネルギーより低い酸化物生成自由エネルギーをもつ物
質、およびＦｅの窒化物生成自由エネルギーより低い窒
化物生成自由エネルギーをもつ物質から選ばれる少なく
とも一種類の物質を含む磁性層であるという本発明の好
ましい構成によれば、良好な軟磁気特性を示す磁性体薄
膜を達成できる。

【００２０】また、分離層が、磁性層に含まれる元素及
び酸素または窒素を含む物質から選ばれる少なくとも１
種を含む分離層であるという本発明の好ましい構成によ
れば、層間相互拡散、及び格子定数のミスフィットや熱
膨張係数の相違などに起因する界面の局所応力緩和の点
で好ましい。また、磁性層の平均膜厚Ｄ１が３００〜５
ｎｍ、分離層の平均膜厚Ｄ２が１０〜０．０５ｎｍで、
Ｄ１／Ｄ２≧３の関係をみたすという本発明の好ましい
構成によれば、軟磁気特性に優れた磁性体薄膜を達成で
きる。

【００２１】

【実施例】本実施例の磁性体薄膜は磁性体粒子の入射角
度を制御した蒸着法、または磁性体粒子の入射角度を制
御した蒸着中に酸素または窒素を間欠的に供給した反応
性蒸着法により製造できる。

【００２２】本実施例の磁性体薄膜は柱状、または実質
的に回転楕円体である結晶粒子が、長辺方向に対して互
いに、ほぼねじれの位置または平行関係を保ち集合した
粒子群より構成され、短辺方向でかつ膜面内方向に容易
磁化軸が生じる特徴を持つ。これは粒子が短辺方向で微
細化したために、膜面内でかつ短辺方向で交換相互作用
が働く距離内に含まれる粒子数が、長辺方向よりも飛躍
的に多くなり短辺方向の実効的な磁気異方性が、長辺方
向の形状異方性による磁気異方性よりも小さくなること
による。各結晶粒子の短辺の長さの平均値は２〜４０ｎ
ｍであることが好ましい。

【００２３】また磁化容易軸の方向を限定した磁性層
と、膜厚を限定した窒化物または酸化物の分離層を積層
することや、このような積層磁性体薄膜の磁性層の一部
を膜に垂直方向の粒径がより大きい磁性結晶粒子からな
る層と置き換えることで、膜に垂直に働く交換結合を弱
め、磁性層間の静磁エネルギーを下げ、さらに磁性層間
に流れる渦電流損失を抑えられ、軟磁気特性が向上す
る。また分離層には磁性層に含まれる元素が含有される
ために、成膜直後より界面応力が小さく、軟磁気特性に
優れる。また熱処理後も、相互拡散による磁性体の非磁
性化、組成ずれ、界面における局所応力が小さく、耐熱
処理性が高い。

【００２４】本実施例の磁性体薄膜の磁性層に適用され
る物質としては、特に限定はないが、例えばＦｅ、Ｃ
ｏ、Ｎｉ、Ｆｅ−Ｃｏ、Ｃｏ−Ｎｉ、Ｆｅ−Ｎｉ、Ｆｅ
−Ｃｏ−Ｎｉ等の磁性体金属、または以上の磁性体金属
中に、酸化物生成自由エネルギー又は窒化物生成自由エ
ネルギーがＦｅより低い値を持つ元素、例えばＡｌ、Ｓ
ｉ、Ｔａ、Ｔｉ、Ｍｇ、Ｚｒ、Ｍｎ、Ｃａ、Ｃｒ、Ｂ、
Ｖ等から選ばれた少なくとも一種の元素を含む磁性体合
金であることが望ましい。また耐食性を高めるために以
上の元素中に１ａｔ．％以下のＣｕを添加することも望
ましい。

【００２５】本実施例の磁性体薄膜の分離層に適応され
る物質としては、層間相互拡散、及び格子定数のミスフ
ィットや熱膨張係数の相違などに起因する界面の局所応
力緩和のために、磁性層に含まれる、少なくとも一種類
の元素を含んでいる窒化物または酸化物であることが望
ましく、特に磁性層に含まれる磁性金属元素を含むこと
が望ましい。分離層の厚みＤ２は、上下の磁性層間の交
換結合が磁性層面内より小さく、磁性層間で静磁結合が
できる、１０〜０．０５ｎｍ程度であることが望まし
い。また、分離層の厚みＤ１は、成膜された柱状もしく
は実質的に回転楕円体である結晶粒子のサイズの均質性
が高くなる３００〜５ｎｍ程度であることが望ましい。
さらに薄膜全体ではＤ１／Ｄ２≧３の関係で表される程
度に磁性層が多いことが望ましい。

【００２６】本実施例の磁性体薄膜の製造方法は、例え
ばＭＢＥ、レーザーアブレイション、スパッタ等の蒸着
法や、メッキ等、何れの薄膜化技術を用いても実現でき
るが、工業的効率、作成の容易さの点で、例えばイオン
ビームスパッタや対向ターゲット式スパッタ、マグネト
ロンスパッタに代表されるスパッタリング法が望まし
い。

【００２７】本実施例の磁性体積層薄膜は１．３〜１．
９Ｔの高飽和磁束密度を有し、且つ低保持力で初透磁率
の高周波特性がよいので、基盤上に形成し磁気ヘッドと
して用いることで、高保持力媒体に、高密度信号を記録
することができる。さらに耐熱性、耐摩耗性に優れた特
性を持つために、磁気ヘッドの経時劣化が小さい。

【００２８】本実施例の磁性体薄膜は高飽和磁束密度を
有し、１００℃以下の成膜温度で作成可能で、しかも成
膜直後の状態より優れた軟磁気特性を有するので、ＩＣ
基板上に、他のＩＣ電子回路部品とともに実装できるマ
イクロインダクタ素子として用いると特に効果がある。

【００２９】次に、具体的実施例を説明する。実施例中
に示す組成は、ＩＣＰ、ＲＢＳ及びＥＰＭＡ、ＥＤＳの
分析に加え、酸化、窒化による重量増の計測を組み合わ
せることで評価した。また結晶粒子の形状、サイズ等、
磁性体薄膜の微細構造はＴＥＭ、またはＳＥＭ観察より
判定した。以下に示す磁性層及び分離層の膜厚は、それ
ぞれ単層の成膜速度から計算した値、またはＴＥＭ、Ｓ
ＥＭ観察から求めた値を用いている。アニールの条件は
特に断らない限り無磁場の真空中で５００℃、１時間行
った。初透磁率μは１ｍＯｅの励磁による８の字コイル
法で測定した。

【００３０】（実施例１）Ｆｅ−Ａｌ−Ｓｉ合金をター
ゲットとしたマグネトロンスパッタで、基板温度と放電
ガス圧、基板に入射するスパッタ粒子の方向を変えて、
アニール後に（表１）に示すような特徴を持つ磁性体薄
膜を非磁性基板上に形成した。なおそれぞれの薄膜を構
成する、各磁性体結晶粒子は柱状、または実質的に回転
楕円体であった。（表１）中、粒子の長辺方向の長さの
平均値をｔ１、短辺方向の長さの平均値をｔ２、長辺方
向が膜面に対してなす平均的な角度をαとした。また、
すべての磁性体薄膜の各結晶粒子の長辺方向は膜面に対
して垂直なある平面にほぼ平行になっていた。以下この
平面を配向平面と呼ぶ。また配向平面はスパッタ粒子の
入射方向に平行な平面でもある。この配向平面をＹ−Ｚ
平面、膜面をＸ−Ｙ平面とした直交座標系に置いて、Ｘ
軸方向及びＹ軸方向それぞれに励磁した初透磁率μをμ
(X) 、μ(Y) とした。なお磁性体薄膜の膜厚はそれぞれ
５００ｎｍである。

【００３１】

【表１】

【００３２】（表１）に示すように実施例ａ、ｂ、ｃの
磁性体薄膜ではμ(Y) の値が、μ(X)より大きくＸ軸方
向を容易磁化軸とする異方性が形成されている。一方比
較例ａではμ(X) 、μ(Y) の値がともに低くむしろＹ軸
方向に容易磁化軸が形成されていると考えられる。また
比較例ｂ、ｃではμ(X) 、μ(Y) の値に顕著な差はな
く、ほぼ等方的であるが１００ＭＨｚでの値はともに低
い。

【００３３】以上のことから薄膜を構成する柱状もしく
は実質的に回転楕円体である各磁性結晶粒子の長辺方向
の長さの平均値ｔ１、短辺方向の長さの平均値ｔ２が、
ｔ２＜ｔ１を満たし、ｔ２が４０ｎｍ以下の範囲であ
り、Ｘ軸、Ｙ軸、Ｚ軸を主軸とする直交座標系のＸ−Ｙ
平面内に薄膜の膜面があり、Ｙ−Ｚ平面と各磁性結晶粒
子の長辺方向がほぼ平行であるとき、磁化容易軸方向が
Ｘ軸方向である磁性体薄膜は高周波において優れた軟磁
気特性を示すことが分かった。

【００３４】（実施例２）実施例ａとして５０ｎｍの層
厚を持つ磁性層と、５ｎｍ厚さの酸化物からなる分離層
を、交互に１０層づつ積層し、合計約５５０ｎｍの膜厚
の積層磁性体薄膜を以下のように作製した。まず磁性層
としてＦｅ−Ａｌ−Ｓｉ合金をターゲットとしたマグネ
トロンスパッタで、基板温度と放電ガス圧を変え、アニ
ール後に（表２）に示すような特徴を持つ磁性体薄膜
を、非磁性基板上に形成した。なお、各磁性体結晶粒子
は柱状、または実質的に回転楕円体であった。（表２）
中、磁性体結晶粒子の長辺方向の長さの平均値をｔ１、
短辺方向の長さの平均値をｔ２、長辺方向が膜面となす
平均的な角度をαとしている。またすべての磁性層の各
結晶粒子の長辺方向は膜面に対して垂直な平面にほぼ平
行になっていた。この平面を配向平面Ａとする。また分
離層は所定の膜厚の磁性層を形成後に、スパッタガス中
に間欠的に酸素を導入することで連続して形成した。

【００３５】比較例ａとして上記実施例ａの積層磁性体
薄膜の１０層の磁性層の内、５層が膜面に垂直な配向平
面Ｂに平行な結晶粒子で構成され、残りの５層が膜面に
垂直な別の配向平面Ｃに平行な結晶粒子で構成された、
積層磁性体薄膜を、基板に入射するスパッタ粒子の方向
を変えることで形成した。なお配向平面Ｂと配向平面Ｃ
は互いにπ／４（ラジアン）をなすように構成した。

【００３６】また比較例ｂとして、上記実施例ａの磁性
層の構造を持ち、分離層の無い単層の磁性体薄膜、５０
０ｎｍを形成した。なお上記実施例ａで配向平面Ａに垂
直な方向をＸ軸方向とし、膜面に平行で配向平面Ａに平
行な方向をＹ軸方向とする。また上記比較例ａで配向平
面Ｂと配向平面Ｃの何れともπ／８（ラジアン）をなす
平面を平均配向平面Ｄとし、膜面に平行で平均配向平面
Ｄに平行な方向をＹ軸方向とする。Ｙ軸方向に励磁した
初透磁率μをμ(Y) とする。

【００３７】

【表２】

【００３８】（表２）に示すように、本実施例の積層磁
性体薄膜は、磁性層と、酸化物からなる分離層とが交互
に積層することで、さらに軟磁気特性が向上し、特に各
磁性層の磁化容易軸方向がほぼ平行に揃っているときに
優れた軟磁気特性を示した。また分離層としてその他の
物質を検討した結果、酸化物の他、窒化物等、弱磁性ま
たは非磁性を示す物質であれば同様の特性が得られるこ
とが分かった。また初透磁率および抗磁力の面内の方向
依存性を綿密に調べた結果、実施例ａおよび比較例ａの
磁化容易軸方向は配向平面Ａに垂直なＸ軸方向にあり、
また比較例ｂの容易磁化軸方向は配向平面Ｂと配向平面
Ｃそれぞれに垂直な２方向に分かれていた。

【００３９】以上の結果から、実施例１で優位性を確か
めた磁性体薄膜からなる磁性層と、酸化物または窒化物
からなる分離層とが、交互に積層しており、各磁性層の
磁化容易軸方向がほぼ平行に揃っている積層磁性体薄膜
はその困難軸方向の軟磁気特性が高周波においても優れ
ていることが分かった。

【００４０】（実施例３）実施例ａとして５０ｎｍの層
厚を持つ磁性層と、５ｎｍのＳｉＯ₂膜できた分離層
を、交互に１０層づつ積層し、合計約５００ｎｍの膜厚
を持ち、容易磁化軸方向を膜面内で等方的に分散させた
磁性体積層薄膜を以下のように作成した。まず磁性層と
してＦｅ−Ａｌ−Ｓｉ合金をターゲットとしたマグネト
ロンスパッタで、各磁性層ごとに、基板に入射するスパ
ッタ粒子の方向を変え、アニール後に以下（表３）のよ
うな特徴を持つ積層磁性体薄膜を形成した。

【００４１】磁性体結晶粒子は柱状、または実質的に回
転楕円体であった。構成する磁性層ごとに長辺方向の配
向を揃えた結晶粒子群となっており、それぞれ膜面に対
して垂直な異なる配向平面にほぼ平行になるように並ん
でいた。これらの１０種類の異なる配向平面を配向平面
Ａ〜Ｊとする。配向平面Ａ〜Ｊは膜面に対して等方的に
分散された方位を向いており、磁化容易軸方向も等方的
に分散されていた。（表３）中、磁性体結晶粒子の長辺
方向の長さの平均値をｔ１、短辺方向の長さの平均値を
ｔ２とし、長辺方向が基板となす平均的な角度をαで表
している。

【００４２】比較例ａとして実施例ａの積層磁性体薄膜
の各磁性層の粒子の配向平面が膜面に対して同一方向を
向いた積層磁性体薄膜を形成した。この積層磁性体薄膜
のｔ１、ｔ２、αは（表３）に示す通りである。

【００４３】比較例ｂとして（表３）に示すｔ１、ｔ
２、αを持つ単層の磁性体薄膜５００ｎｍを作成した。
なお上記実施例ａ及び比較例ｂでは膜面に平行な任意方
向にＸ軸方向をとり、膜面に平行でＸ軸方向に垂直にＹ
軸方向をとる。また上記比較例ａで膜面に平行で配向平
面に垂直な方向をＸ軸方向とし、膜面に平行で配向平面
に平行な方向をＹ軸方向とする。

【００４４】Ｘ軸方向及びＹ軸方向の初透磁率μをそれ
ぞれμ(X) 、μ(Y) とした。但し、実施例ａについては
それぞれ平均値を記載している。

【００４５】

【表３】

【００４６】（表３）に示すように実施例ａの１０ＭＨ
ｚでのμ(Y) は、比較例ａの約１／５程度になっている
が、明らかに膜面内の異方性が少ない。同様に異方性が
小さい比較例ｂに比べても高周波での劣化も少ない。い
ずれの測定周波数も、スキンデプスが５００ｎｍ以上で
あるために、渦電流による共鳴損失はほとんど無視でき
ることから、比較例ｂの高周波での初透磁率の劣化は強
磁性共鳴によるものと考えられる。

【００４７】以上から、本実施例の磁性体積層薄膜で、
各磁性層の磁化容易軸方向が互いに異なっており、積層
膜全体では等方的に分散されている場合、高周波におい
ても等方性に優れた軟磁気特性を示すことが分かる。ま
た分離層としてその他の物質を検討した結果、Ｃｕ膜の
他、窒化物、酸化物等、弱磁性または非磁性を示す物質
であれば同様の特性が得られることが分かった。

【００４８】（実施例４）実施例ａとして５０ｎｍの層
厚を持つ磁性層と、２ｎｍの窒化物できた分離層を、交
互に１０層づつ積層し、合計約５００ｎｍの膜厚を持
ち、隣合う磁性層の膜面内の容易磁化軸方向がなす角が
π／１０（ラジアン）であるように等方的に分散させた
磁性体積層薄膜を以下のように作製した。まず磁性層と
してＦｅ−Ａｌ−Ｓｉ合金をターゲットとしたマグネト
ロンスパッタで、基板温度と放電ガス圧、及び各磁性層
ごとに、基板に入射するスパッタ粒子の方向を変え、ア
ニール後に以下（表４）のような特徴を持つ磁性体薄膜
を形成した。

【００４９】磁性体結晶粒子は柱状、または実質的に回
転楕円体であった。構成する磁性層ごとに長辺方向の向
きを揃えた結晶粒子群となっており、それぞれ膜面に対
して垂直な異なる配向平面にほぼ平行に並んでいた。こ
れらの１０種類の異なる配向平面を、基板に近い磁性層
の配向平面から順に、配向平面Ａ１〜Ｊ１とする。配向
平面Ａ１を基準に、配向平面Ａ１と配向平面Ｂ１は＋π
／１０（ラジアン）の角をなし、配向平面Ａ１と配向平
面Ｃ１は＋２π／１０（ラジアン）を、配向平面Ａ１と
配向平面Ｄ１は＋３π／１０（ラジアン）をなすような
順で、それぞれの隣合う磁性層の配向平面同士は、π／
１０（ラジアン）の角度をなすように等方的に分散さ
れ、結果として、磁化容易軸方向もπ／１０（ラジア
ン）ごとに等方的に分散されていた。（表４）中、磁性
体結晶粒子の長辺方向の長さの平均値をｔ１、短辺方向
の長さの平均値をｔ２で、長辺方向が基板となす平均的
な角度をαで表している。分離層は所定の膜厚の磁性層
を形成後に、スパッタガス中に間欠的に窒素を導入する
ことで連続して形成した。

【００５０】比較例ａとして実施例ａの積層磁性体薄膜
の磁性層の配向平面が隣合わない２層で同一で、５つの
異なる配向平面Ａ２〜Ｅ２が等方的に分散されており、
隣合う磁性層の配向平面同士がなす角は、π／５（ラジ
アン）で、磁化容易軸方向もπ／５（ラジアン）ごとに
等方的に分散された積層磁性体薄膜を形成した。

【００５１】比較例ｂとして実施例ａの積層磁性体薄膜
の磁性層の配向平面が隣合う２層で同一で、配向平面を
共有する隣合う２層の、５つの異なる配向平面Ａ３〜Ｅ
３が等方的が分散されており、配向平面を共有しない隣
合う２層の配向平面同士がなす角は、π／５（ラジア
ン）で、磁化容易軸方向もπ／５（ラジアン）ごとに等
方的に分散された積層磁性体薄膜を形成した。

【００５２】比較例ａ、ｂの積層磁性体薄膜のｔ１、ｔ
２、αは（表４）に示す通りである。なお上記実施例ａ
及び比較例ａ、ｂでは膜面に平行な任意方向にＸ軸方向
をとり、膜面に平行でＸ軸方向に垂直な方向をＹ軸方向
とした。

【００５３】Ｘ軸方向及びＹ軸方向の平均的な初透磁率
μをそれぞれμ(X) 、μ(Y) とした。

【００５４】

【表４】

【００５５】（表４）に示すように実施例ａ、及び比較
例ａ，ｂともに高周波で初透磁率の低下はほとんどない
が、初透磁率の値は実施例ａ、比較例ｂ、比較例ａの順
に大きい。これは隣合う磁性層の磁化容易軸方向がなす
角が小さいほど、静磁エネルギーを小さくするように静
磁結合が働いているためであると思われる。

【００５６】以上から、本実施例の磁性体積層薄膜で、
各磁性層の磁化容易軸方向が互いに異なっており、積層
膜全体では等方的に分散されている場合、隣合う磁性層
のそれぞれの磁化容易軸方向がなす角θ（ラジアン）が
他の磁性層となす角より小さくなるように並んでおり、
磁性層の枚数をＮ枚とした場合、前記θが約θ＝π／Ｎ
で表せる積層磁性体薄膜は特に優れた軟磁気特性を示す
ことが分かった。

【００５７】（実施例５）実施例ａ，ｂ、及び比較例ａ
〜ｄとしてとして６０ｎｍの層厚を持つ磁性層と、１ｎ
ｍの酸化物できた分離層を、交互に積層し、合計約2000
ｎｍの膜厚を持つ積層磁性体薄膜を以下のように作製し
た。まず非磁性基板上にＦｅ−Ｓｉ合金をターゲットと
するマグネトロンスパッタで、柱状、または実質的に回
転楕円体とみなせる形状をした磁性体結晶粒子群よりな
る磁性層を形成した。なお磁性体結晶粒子の長辺方向の
長さをｔ１、短辺方向の長さをｔ２、長辺が膜面となす
角度をα１とする。この磁性層６０ｎｍと、Ｆｅ−Ｓｉ
合金をターゲットとして酸素ガスとの反応性スパッタで
形成した１ｎｍの分離層とを交互に積層し、再表面に分
離層を形成した単位積層膜、約1000ｎｍ形成した。続い
て基板に入射するスパッタ粒子の方向を変え、磁性体結
晶粒子の長辺が膜面とα２の角度をなすように作成した
磁性層を６０ｎｍ形成し、再び分離層、磁性層の順で上
記単位積層膜1000ｎｍを形成した。

【００５８】実施例、比較例ともに磁性層を構成する磁
性体結晶粒子は長辺方向の向きを揃えた結晶粒子群とな
っており、それぞれ膜面に対して垂直な配向平面にほぼ
平行になっていた。

【００５９】比較例及び実施例の積層磁性体薄膜のｔ
１、ｔ２、α１、α２は（表５）に示す通りである。な
お上記実施例及び比較例では膜面に平行で配向平面に平
行な方向をＹ軸方向とした。

【００６０】Ｙ軸方向の初透磁率μをそれぞれμ(Y) と
した。

【００６１】

【表５】

【００６２】（表５）に示すように本実施例の積層磁性
体薄膜で、一部の磁性層を構成する各磁性結晶粒子の長
辺方向と、薄膜の膜面内とのなす角の平均値がπ／３
（ラジアン）より小さく、残りの磁性層を構成する各磁
性結晶粒子の長辺方向と、薄膜の膜面内とのなす角の平
均値がπ／３（ラジアン）より大きいとき、軟磁気特性
が特に優れていることが分かる。これは、積層磁性体薄
膜が1000ｎｍ程度に厚くなったことで、結晶粒子の短辺
方向に働く交換相互作用が膜面に垂直方向に働き、容易
磁化方向の膜面に垂直な成分が大きくなったためである
と考えられる。

【００６３】なお、このような構造の積層磁性体薄膜の
作成方法として、比較例ａに示したように柱状または回
転楕円体の磁性体結晶粒子が、膜面をπ／３（ラジア
ン）以上の角度をなす積層磁性体膜中に、適宜３〜１０
ｎｍ程度の厚みを持つ磁性層元素を含んだ酸化物または
窒化物層を形成し、アニールすると窒化物または酸化物
層の中から、薄膜の膜面内とのなす角の平均値がπ／３
（ラジアン）より小さい磁性体が焼結し、磁性体との積
層界面へ酸素または窒素の拡散による分離層の形成が行
われ、本実施例の磁性体薄膜を磁性層とした積層磁性体
薄膜で、一部の磁性層を構成する各磁性結晶粒子の長辺
方向と、薄膜の膜面内とのなす角の平均値がπ／３（ラ
ジアン）より小さく、残りの磁性層を構成する各磁性結
晶粒子の長辺方向と、薄膜の膜面内とのなす角の平均値
がπ／３（ラジアン）より大きい積層磁性体薄膜が容易
に形成できることが分かった。また本実施例の積層磁性
体薄膜で、各磁性層の磁化容易軸方向を分散させ、積層
磁性体薄膜全体で等方的になるようにした場合も、一部
の磁性層を構成する各磁性結晶粒子の長辺方向と、薄膜
の膜面内とのなす角の平均値がπ／３（ラジアン）より
小さく、残りの磁性層を構成する各磁性結晶粒子の長辺
方向と、薄膜の膜面内とのなす角の平均値がπ／３（ラ
ジアン）より大きいとき、軟磁気特性が向上する効果が
あることが分かった。

【００６４】（実施例６）実施例ａ〜ｃ、及び比較例ａ
として５０ｎｍの層厚を持つ磁性層と、５ｎｍの磁性層
の酸化物できた分離層を、１０層ずつ交互に積層し、合
計約５００ｎｍの膜厚を持つ積層磁性体薄膜を以下のよ
うに作製した。

【００６５】まず磁性層として、長辺方向の長さをｔ１
が７０ｎｍ、短辺方向の長さをｔ２が３０ｎｍとする柱
状、または実質的に回転楕円体である磁性体結晶粒子の
長辺が、膜面となす角度がπ／８になるように５０ｎｍ
形成した。この磁性層を、酸素ガスとの反応性スパッタ
で形成した１ｎｍの分離層と交互に積層し、積筋生体薄
膜を作成した。実施例、比較例ともに磁性層を構成する
磁性体結晶粒子は長辺方向の向きを揃えた結晶粒子群と
なっており、それぞれ膜面に対して垂直な配向平面にほ
ぼ平行になっていた。なお実施例ａはＦｅ−Ａｌ合金
を、実施例ｂはＦｅ−Ｓｉ合金を、実施例ｃはＦｅ−Ｔ
ｉ合金を、比較例ａはＦｅ−Ｃｕ合金を、比較例ｂはＦ
ｅをそれぞれターゲットとして用いた。また比較例ｃと
してＦｅ−Ｔｉ合金をターゲットとして用いた、上記と
同じ構造を持つ磁性層と、Ａｌを分離層にした積層磁性
体薄膜を作成した。また比較例ｄとしてＦｅ−Ｔｉ合金
をターゲットとして用いた、上記と同じ構造を持つ磁性
層と、Ｓｉを分離層にした積層磁性体薄膜を作成した。
ＥＤＳで分析したアニール後の各磁性層の組成を（表
６）に示す。なお上記実施例及び比較例では膜面に平行
で配向平面に平行な方向をＹ軸方向とした。Ｙ軸方向の
１０ＭＨｚの初透磁率μをそれぞれμ(Y) とした。

【００６６】

【表６】

【００６７】（表６）に示すように、アニール後、比較
例ａ〜ｄでは磁性層内にターゲットとは異なる元素が存
在しており、ＴＥＭ観察の結果と併せて考えると、これ
らの元素は分離層から拡散して来たものと考えられる。
一方、実施例ａ〜ｃではこれらの拡散元素がほとんどな
い。従って比較例での初透磁率の低下は磁性層と分離層
の相互拡散により、内部応力の増加、粒成長、非磁性元
素によるピンニング等が起こったことによると考えられ
る。

【００６８】以上から本実施例の積層磁性体積層膜の磁
性層が酸化物生成自由エネルギーがＦｅより低い物質、
又は窒化物生成自由エネルギーがＦｅより低い物質で、
分離層が前記磁性層に含まれる少なくとも一種の元素を
含む酸化物である時、５００℃程度でアニールをしても
良好な軟磁気特性が得られることが分かる。また本実施
例の積層磁性体薄膜で、各磁性層の磁化容易軸方向を分
散させ、積層磁性体薄膜全体で等方的になるようにした
場合も、磁性層が酸化物生成自由エネルギーがＦｅより
低い物質、又は窒化物生成自由エネルギーがＦｅより低
い物質で、分離層が前記磁性層に含まれる少なくとも一
種の元素を含む酸化物である時、５００℃程度でアニー
ルをしても軟磁気特性の劣化が無いことが分かった。

【００６９】（実施例７）３〜５００ｍの平均膜厚Ｄ１
を持つ磁性層と、０．２ｎｍの平均膜厚Ｄ２を持つ酸化
物できた分離層を、交互に積層し、合計約1000ｎｍの膜
厚を持つ積層磁性体薄膜を以下のように作製した。

【００７０】まず非磁性基板上に、柱状、または実質的
に回転楕円体である磁性体結晶粒子の集合からなる３〜
５００ｎｍの平均膜厚Ｄ１を持つ磁性層を、Ｆｅ−Ａｌ
−Ｓｉ合金をターゲットとするマグネトロンスパッタで
形成し、この磁性層と同合金をターゲットと酸素ガスと
の反応性スパッタで形成した０．２ｎｍの平均膜厚Ｄ２
をもつ分離層を交互に積層し、積層磁性体薄膜を作成し
た。磁性層を構成する磁性体結晶粒子は長辺方向の向き
を揃えた結晶粒子群となっており、それぞれ膜面に対し
て垂直な配向平面にほぼ平行になっていた。なお長辺方
向の長さをｔ１、短辺方向の長さをｔ２、結晶粒子の長
辺が膜面となす角をαとし、成膜直後の値を（表７）
に、アニール後を（表８）中に示す。

【００７１】つぎに５０ｍの平均膜厚Ｄ１を持つ磁性層
と、平均して０．０２〜２０ｎｍの平均膜厚Ｄ２を持つ
酸化物からなる分離層を、交互に積層し、合計約1000ｎ
ｍの膜厚を持つ積層磁性体薄膜を以下のように作製し
た。

【００７２】まず非磁性基板上に、柱状、または実質的
に回転楕円体である磁性体結晶粒子の集合からなる、５
０ｎｍの平均膜厚Ｄ１の磁性層を、Ｆｅ−Ａｌ−Ｓｉ合
金をターゲットとするマグネトロンスパッタで形成し
た。この磁性層と同合金ターゲットと酸素ガスとの反応
性スパッタで形成した０．０２〜２０ｎｍの平均膜厚Ｄ
２を持つ分離層を交互に積層し、積層磁性体薄膜を作成
した。磁性層を構成する磁性体結晶粒子は長辺方向の向
きを揃えた結晶粒子群となっており、それぞれ膜面に対
して垂直な配向平面にほぼ平行になっていた。なお磁性
体結晶粒子は、長辺方向の長さｔ１を７０ｎｍ、短辺方
向の長さｔ２を３０ｎｍとし、長辺が膜面となす角αが
π／４であるような形状をしていた。

【００７３】膜面に平行で配向平面に平行な方向をＹ軸
方向とし、１０ＭＨｚでのＹ軸方向の初透磁率μをそれ
ぞれμ(Y) とした。

【００７４】

【表７】

【００７５】

【表８】

【００７６】（表７）より本実施例の積層磁性体薄膜は
成膜直後から優れた軟磁気特性を持ちさらに熱処理によ
って、応力緩和などが起こり軟磁気特性が向上すること
が分かる。

【００７７】磁気ヘッドを始めとする磁性部品への応用
を考えた場合、初透磁率が1000程度以上必要であるため
に、本実施例の積層磁性体薄膜では、磁性層の平均膜厚
Ｄ１が５〜３００ｎｍの範囲内で、分離層の平均膜厚Ｄ
２が０．０５〜１０ｎｍの範囲内であることが望まし
い。また、Ｄ１／Ｄ２≧３である程度に磁性層が厚いこ
とが望ましい。またその他の検討から、分離層は酸化物
の他、窒化物等の弱磁性体、非磁性体でも同様な傾向を
示すことが分かった。また本実施例の磁性体薄膜を磁性
層とした積層磁性体薄膜で、各磁性層の磁化容易軸方向
を分散させ、積層磁性体薄膜全体で等方的になるように
した場合も、磁性層の平均膜厚が５〜３００ｎｍの範囲
内で、分離層の平均膜厚が０．０５〜１０ｎｍの範囲内
である時に軟磁気特性が優れていることが分かった。

【００７８】

【発明の効果】以上説明した通り、本発明の第一の磁性
体薄膜によれば、磁性体薄膜を構成する柱状もしくは実
質的に回転楕円体である複数の磁性結晶粒子の短辺方向
の長さの平均値が２以上４０ｎｍ以下の範囲であり、Ｘ
軸、Ｙ軸、Ｚ軸を主軸とする直交座標系のＸ−Ｙ平面上
に前記磁性体薄膜の膜面があり、Ｙ−Ｚ平面と各磁性結
晶粒子の長辺方向が略平行であり、磁性層の磁化容易軸
方向が、Ｘ−Ｙ平面内で、Ｘ軸方向を中心にした±π／
４の範囲内にあることにより、異方性をつけにくい結晶
質性のＦｅ系磁性体にも成膜直後から容易に一軸異方性
がつけられるために、高周波でも初透磁率の劣化が小さ
く、高飽和磁束密度を有する磁性体を得ることができ
る。

【００７９】また、本発明の第二の磁性体薄膜によれ
ば、前記第一の磁性体薄膜からなる複数の磁性層と、酸
化物または窒化物からなる分離層とが交互に積層し、前
記磁性層の磁化容易軸方向が略平行であることにより、
静磁エネルギーを下げ、膜に垂直方向の交換エネルギー
を減少でき、軟磁気特性をさらに向上できる効果があ
る。

【００８０】また、本発明の第三の磁性体薄膜によれ
ば、前記第一の磁性体薄膜からなる複数の磁性層と、酸
化物または窒化物からなる分離層とが交互に積層し、各
磁性層の磁化容易軸方向が互いに異なっており、膜全体
の磁化容易軸方向が等方的に分散されていることによ
り、膜全体の静磁エネルギーが最小になるので、高飽和
磁束密度を有し、等方性に優れ、高周波領域でも軟磁気
特性が優れるという顕著な効果もある。また、Ｎ枚の磁
性層のうち隣合う磁性層の磁化容易軸方向のなす角θラ
ジアンが他の磁性層となす角より小さく、かつ実質的に
θ＝π／Ｎであると、等方的な磁気特性に優れた磁性体
薄膜を達成できる。

【００８１】また、一部の磁性層を構成する各磁性結晶
粒子の長辺方向、及び磁性体薄膜の膜面とのなす角の平
均値がπ／３ラジアンより小さく、残りの磁性層を構成
する各磁性結晶粒子の長辺方向と、前記磁性体薄膜の膜
面とのなす角の平均値がπ／３ラジアンより大きいと、
膜面に垂直な交換結合を低めることができる。

【００８２】また、磁性層が、Ｆｅの酸化物生成自由エ
ネルギーより低い酸化物生成自由エネルギーをもつ物
質、およびＦｅの窒化物生成自由エネルギーより低い窒
化物生成自由エネルギーをもつ物質から選ばれる少なく
とも一種類の物質を含む磁性層であると、耐熱処理性に
優れ、また耐腐食性、耐摩耗性が優れるという顕著な効
果もある。

【００８３】また、分離層が、磁性層に含まれる元素及
び酸素または窒素を含む物質から選ばれる少なくとも１
種を含む分離層であると、耐熱処理性に優れ、また耐腐
食性、耐摩耗性が優れるという顕著な効果もある。

【００８４】また、磁性層の平均膜厚Ｄ１が５〜３００
ｎｍ、分離層の平均膜厚Ｄ２が０．０５〜１０ｎｍで、
Ｄ１及びＤ２がＤ１／Ｄ２≧３の関係をみたすと、軟磁
気特性に優れた磁性体薄膜を達成できる。

【００８５】従って、本発明の磁性体薄膜を磁気ヘッド
として使用することにより、高保持力媒体に高密度信号
を記録でき、一方、ＩＣ基板上に磁気回路部品として実
装することで電子機器全体の小型化ができる。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】磁性体薄膜を構成する柱状もしくは実質
的に回転楕円体である複数の磁性結晶粒子の短辺方向の
長さの平均値が２以上４０ｎｍ以下の範囲であり、前記
磁性体薄膜の膜面がＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸を主軸とする直交
座標系のＸ−Ｙ平面上にあり、Ｙ−Ｚ平面と各磁性結晶
粒子の長辺方向が略平行であり、かつ磁性体薄膜の磁化
容易軸方向が、Ｘ−Ｙ平面上で、Ｘ軸方向を中心にした
±π／４の範囲内にある磁性体薄膜。
【請求項２】請求項１に記載の磁性体薄膜からなる複
数の磁性層と、酸化物または窒化物からなる分離層とが
交互に積層し、前記各磁性層の磁化容易軸方向が略平行
である磁性体薄膜。
【請求項３】請求項１に記載の磁性体薄膜からなる複
数の磁性層と、酸化物または窒化物からなる分離層とが
交互に積層し、各磁性層の磁化容易軸方向が互いに異な
っており、膜全体の磁化容易軸方向が等方的に分散され
ている磁性体薄膜。
【請求項４】Ｎ枚の磁性層のうち隣合う磁性層の磁化
容易軸方向のなす角θラジアンが他の磁性層となす角よ
り小さく、かつ実質的にθ＝π／Ｎである請求項３に記
載の磁性体薄膜。
【請求項５】一部の磁性層を構成する各磁性結晶粒子
の長辺方向、及び磁性体薄膜の膜面とのなす角の平均値
がπ／３ラジアンより小さく、残りの磁性層を構成する
各磁性結晶粒子の長辺方向と、前記磁性体薄膜の膜面と
のなす角の平均値がπ／３ラジアンより大きい請求項２
〜４いずれかに記載の磁性体薄膜。
【請求項６】磁性層が、Ｆｅの酸化物生成自由エネル
ギーより低い酸化物生成自由エネルギーをもつ物質、お
よびＦｅの窒化物生成自由エネルギーより低い窒化物生
成自由エネルギーをもつ物質から選ばれる少なくとも一
種類の物質を含む磁性層である請求項２〜５いずれかに
記載の磁性体薄膜。
【請求項７】分離層が、磁性層に含まれる元素及び、
酸素または窒素を含む物質から選ばれる少なくとも一種
を含む分離層である請求項２〜６いずれかに記載の磁性
体薄膜。
【請求項８】磁性層の平均膜厚Ｄ１が３００〜５ｎ
ｍ、分離層の平均膜厚Ｄ２が１０〜０．０５ｎｍで、Ｄ
１／Ｄ２≧３の関係で表される請求項２〜７いずれかに
記載の磁性体薄膜。