JPH1022125A - 磁気ヘッド用磁性膜 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 ＦｅＳｉ（１１１）など体心立方構造（ｂｃ
ｃ系）のＦｅ系合金（１１１）により、積層磁気ヘッド
やＭＩＧヘッド等のコア材料として使用可能な磁性膜を
得ることである。 【解決手段】 Ｓｉ（１１１）基板上に対向ターゲット
スパッタにより、体心立方構造のＦｅ系合金（１１１）
磁性層と体心立方構造の（１１１）非磁性層を交互にエ
ピタキシャル成長させて積層して、合金磁性膜を多層構
造に構成することにより、磁性層間の膜厚方向の磁気の
相互交換作用を切断して、磁化を薄い膜厚の磁性層１層
ごとの膜面内に存在できるようにし、磁性膜全体の厚さ
が厚くても軟磁性を呈することを可能にさせた。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、たとえば磁気記録
装置などの磁気ヘッドに用いられる磁性膜に関し、特に
体心立方構造のＦｅ系合金磁性層と非磁性層とを、結晶
面を所定方向に配向させて交互に積層した多層構造の磁
気ヘッド用磁性膜に関する。

【０００２】

【従来の技術】近年、磁気記録の分野においては、記録
信号の高密度化に伴い、高い保磁力と残留磁束密度とを
有するメタル系の磁気記録媒体が使用されるようになっ
て来ており、このため磁気記録および／または再生を行
なう磁気ヘッドのコア材料には、高い飽和磁束密度およ
び透磁率を有することが要求されている。しかし、軟磁
性膜として最も広く使用されるフェライトは、満足の行
く特性を得にくいので、最近ではＦｅ−Ｓｉ−Ａｌ系合
金の磁性膜やＦｅ系の高飽和磁性密度を有する合金の磁
性膜が、積層磁気ヘッドなどのコア材料として急速に注
目を浴びている。

【０００３】従来、体心立方構造（ｂｃｃ系）を有する
Ｆｅ系合金の、たとえばＦｅＳｉ（１１１）合金は、磁
性歪ゼロ組成（Ｆｅ−７ｗｔ％Ｓｉ付近）で高い透磁率
を持つ、すなわち高い軟磁性を示すことが理論上知られ
ている。たとえばＦｅＳｉ（１１１）合金を体心立方構
造を有するＳｉ（１１１）基板上にエピタキシャル成長
させた合金磁性膜は、軟磁性を示すことが確認されてい
る（特開平６−１６８８２１、特開平６−１６３３０
３）。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、ＦｅＳ
ｉ（１１１）合金磁性膜は、３００ｎｍ以下の薄い膜で
ないと高い透磁性を示さない。従来、磁気ヘッドの中に
は積層型やＭＩＧ型などの磁気ヘッドがあるが、このう
ち積層磁気ヘッド、たとえばハードディスク用の磁気ヘ
ッドは、トラック幅が２〜３μｍ必要である。すなわち
磁性膜の膜厚として２〜３μｍ必要であり、これより薄
いと情報の書き込みができない。また、ＭＩＧヘッドの
場合でも磁性膜が薄いと、書き込み、読み出し能力が劣
化するので、少なくとも１μｍ以上必要である。

【０００５】従って、Ｓｉ（１１１）基板上にＦｅＳｉ
（１１１）合金をエピタキシャル成長させた合金磁性膜
は、これら積層磁気ヘッドやＭＩＧヘッド等のコア材料
として使用するには不適当である問題があった。

【０００６】本発明の目的は、Ｆｅ−Ｓｉ、Ｆｅ−Ｓｉ
−Ａｌ、Ｆｅ−Ｎｉ、Ｆｅ−Ａｌ、Ｆｅ−Ｃｏ、Ｆｅ−
Ｇａなどの体心立方構造（ｂｃｃ系）を有するＦｅ系合
金（１１１）磁性層を多層化して備えた、積層磁気ヘッ
ドやＭＩＧヘッド、シリコンプレーナヘッド（Silicon
Planer Head ）等のコア材料として使用可能な磁気ヘッ
ド用磁性膜を提供することである。

【０００７】

【課題を解決するための手段】上記目的は、本発明にか
かる磁気ヘッド用磁性膜にて達成される。要約すれば、
本発明は、基板上に体心立方構造のＦｅ系合金（１１
１）磁性層と体心立方構造の（１１１）非磁性層を交互
にエピタキシャル成長させて、多層に積層したことを特
徴とする磁気ヘッド用磁性膜である。好ましくは、磁性
層１層の厚さが１０ｎｍ以上２５０ｎｍ以下、より好ま
しくは１０ｎｍ以上２００ｎｍ以下、非磁性層１層の厚
さが１０ｎｍ以上４００ｎｍ以下とされる。Ｆｅ系合金
（１１１）磁性層の材料が、Ｆｅ−Ｓｉ−Ａｌ、Ｆｅ−
Ｓｉ、Ｆｅ−Ｎｉ、Ｆｅ−Ａｌ、Ｆｅ−ＣｏおよびＦｅ
−Ｇａよりなる群から選ばれる。（１１１）非磁性層の
材料が、Ｃｒ、Ｖ、ＭｏおよびＷよりなる群から選ばれ
る。基板がＳｉ、Ｇｅ、ＧａＰ、ＡｌＰ、ＧａＡｓ、Ｚ
ｎＳｅ、ＡｌＡｓ、ＣｄＳおよびＩｎＰよりなる群から
選ばれる単結晶（１１１）基板とされる。

【０００８】

【発明の実施の形態】本発明者は、積層磁気ヘッドやＭ
ＩＧヘッド等のコア材料として使用することができるＦ
ｅＳｉ（１１１）合金磁性膜を得るべく鋭意研究を重ね
た。その結果、磁性膜中に非磁性層を入れて多層構造に
すれば、磁性層間の膜厚方向の磁気の相互交換作用を切
断して、磁化を薄い膜厚の磁性層１層ごとの膜面内に存
在させることができるので、磁性膜全体の厚さが厚くて
も、軟磁性を呈させることができるはずであることに思
い至った。そこで、Ｓｉ（１１１）基板上に、体心立方
構造のＦｅＳｉ（１１１）磁性層と体心立方構造のＣｒ
（１１１）非磁性層（Ｃｒは３８℃以下で反強磁性であ
る。３８℃より高温では常磁性）を交互にエピタキシャ
ル成長させて積層した多層構造の磁性膜、つまりエピタ
キシャル多層膜を得たところ、このエピタキシャル多層
膜は、高透磁率が得られることが確認された。

【０００９】従来、たとえば特開平２−５０３０９、特
開昭５９−９６５１９は、磁気ヘッドのコア材料とし
て、磁性層と非磁性層とを多層化することにより軟磁性
膜を得ることを開示しているが、いずれも、パーマロイ
系やナノクリスタル系の磁性膜であって、本発明が対象
とするようなエピタキシャル成長させたＦｅ系合金の磁
性膜についてではない。また、特開平６−３０２８７
７、特開平６−６１０４８に開示された磁気素子乃至磁
気ヘッドは、エピタキシャル多層膜の軟磁性膜を用いた
磁気抵抗効果素子や磁気抵抗効果薄膜磁気ヘッドであっ
て、本発明の磁性膜が対象とするような積層磁気ヘッド
やＭＩＧヘッドではない。

【００１０】本発明は、Ｆｅ系合金による多層構造の磁
性膜において、積層磁気ヘッドやＭＩＧヘッドのコア材
料として使用できる磁性膜を達成したのである。

【００１１】以下、本発明について詳細に説明する。

【００１２】本発明において、磁性層を形成するＦｅ系
合金は、Ｆｅと同様、体心立方晶（ｂｃｃ系）の結晶構
造を有する種類とされる。たとえばＦｅ−Ｓｉ、Ｆｅ−
Ｓｉ−Ａｌ、Ｆｅ−Ｎｉ、Ｆｅ−Ａｌ、Ｆｅ−Ｃｏ、Ｆ
ｅ−Ｇａ等が挙げられる。体心立方構造を有するＦｅ系
合金磁性層によれば、容易に軟磁性膜としての好ましい
特性が得られる。

【００１３】Ｆｅ系合金の各磁性層の表面は、（１１
１）の結晶面に配向していることが必要である。磁性層
表面の配向面が（１１１）面になっていれば、（１１
１）面内で磁化が回転した場合、面内の異方性エネルギ
ーが結晶磁気異方性Ｋ１の影響を受けず、しかも等方磁
歪を示すからである。従って、特別に膜面に対して垂直
方向に向きやすい垂直磁気異方性を付与しない限り、磁
化は磁性層個々の面内に向き、面内の異方性エネルギー
が小さいため、磁性膜全体で高透磁率を発揮する軟磁性
膜を得ることができるようになる。

【００１４】非磁性層は、Ｆｅ系合金磁性層と同様、体
心立方晶の結晶構造を有し、結晶面が（１１１）面に配
向していることが必要である。非磁性層の材料として
は、Ｃｒ、Ｖ、Ｍｏ、Ｗ等を使用することができる。非
磁性層が体心立方構造以外の結晶構造を有していたり、
（１１１）面以外の面に配向している場合は、たとえ合
金磁性層をエピタキシャル成長させたとしても、非磁性
層上に（１１１）面配向の合金磁性層を積層することが
できない。

【００１５】合金磁性層および非磁性層を積層する基板
としては、Ｓｉ、Ｇｅ、ＧａＰ合金、ＡｌＰ合金、Ｇａ
Ａｓ合金、ＺｎＳｅ合金、ＡｌＡｓ合金、ＣｄＳ合金、
ＩｎＰ合金などのダイヤモンド構造もしくはセン亜鉛構
造を有する単結晶基板、あるいはこれらの単結晶下地膜
を有する基板が使用することができる。本発明では、基
板上に（１１１）Ｆｅ系合金磁性層および（１１１）非
磁性層を成膜するのであるから、単結晶基板または単結
晶下地膜の結晶面は（１１１）面に配向していることが
必要である。

【００１６】磁性層の１層の膜厚は１０ｎｍ以上２５０
ｎｍ以下である。磁性層１層の膜厚が２５０ｎｍを超え
ると、磁化を磁性層１層の膜面内に存在させることがで
きず、透磁率が１０００より低くなり劣化する。磁性層
１層の膜厚を１０ｎｍ以上２００ｎｍ以下とすると、透
磁率が約２０００以上と高透磁率が得られ好ましい。一
方、１０ｎｍ未満であると、成膜が不均一となり、均一
な磁性層を得ることができない。

【００１７】非磁性層１層の膜厚は磁性層１層の膜厚以
下とされ、この厚さは磁性層１層の厚さに応じて変更し
うるが、最低１０ｎｍは必要である。非磁性層１層の膜
厚さが１０ｎｍを下回ると、透磁率が劣化する。非磁性
層１層の膜厚が厚くなれば、多層構造の磁性膜全体の磁
化を低減するだけなので、非磁性層１層の膜厚を無用に
厚くする必要はない。非磁性層の積層数は磁性層と同程
度される。

【００１８】基板上への磁性層および非磁性層の積層
は、磁性層から始めて非磁性層、磁性層の順に繰り返し
て磁性層または非磁性層で終了しても、あるいは非磁性
層から始めて磁性層、非磁性層の順に繰り返して非磁性
層または磁性層で終了しても、エピタキシャル成長すれ
ばいずれでもよい。

【００１９】磁性層および非磁性層を成膜する前に基板
の表面を清浄化することが重要である。基板の清浄化
は、弗化水素、フッ化アンモニウム水溶液中への浸漬
や、水素イオン、水素原子の照射による水素終端処理
や、高真空中の加熱による洗浄処理を施すことができ
る。

【００２０】基板上に磁性層および非磁性層を積層する
前に、基板上にはＡｌ₂ Ｏ₃ 等の非磁性酸化物のバッフ
ァ層を設けることができる。バッファ層は２度以上に分
けたエピタキシャル成長により、２層以上に形成するこ
とができる。

【００２１】Ｆｅ系合金（１１１）磁性層および（１１
１）非磁性層の成膜には、マグネトロンスパッタ、ＥＣ
Ｒスパッタ、イオンビームスパッタおよび対向ターゲッ
トスパッタなど、各種のスパッタ法が使用できるが、な
かでも対向ターゲットスパッタが、結晶性の良好なエピ
タキシャル成長膜を得る上で最も適している。

【００２２】対向ターゲット式のスパッタ時、基板にＤ
Ｃバイアスを印加することができる。（１１１）単結晶
基板または単結晶下地（１１１）を有する基板を用いた
場合には、ＤＣバイアスの印加なしでもエピタキシャル
成長を一応達成することができるが、ＤＣバイアスを印
加することにより、（１１１）磁性層および（１１１）
非磁性層を良好な結晶性でエピタキシャル成長させるこ
とができる。このＤＣバイアスは−１０Ｖ〜−５０Ｖ程
度が適当である。

【００２３】本発明の実施例について説明する。

【００２４】実施例１ 次の条件で成膜を行なった。

【００２５】 スパッタ方式：対向ターゲット式 基板 ：鏡面研摩された単結晶Ｓｉ（１１１）基板 基板の清浄化：４０％フッ化アンモニウム溶液中で洗浄。洗浄温度２０℃ 基板温度 ：３００℃ ターゲット ：Ｆｅ−９ｗｔ％Ｓｉ（１１１）合金ターゲット、 Ｃｒターゲット 陰極電圧 ：５００Ｗ アルゴン圧 ：１ｍＴｏｒｒ ＤＣバイアス：−３０Ｖ 成膜速度 ：Ｆｅ−７ｗｔ％Ｓｉ（１１１）磁性層：２０ｎｍ／ｍｉｎ Ｃｒ（１１１）非磁性層：４０ｎｍ／ｍｉｎ

【００２６】対向ターゲット式スパッタリング装置内
に、ターゲットと基板とを距離１５０ｍｍとなるように
設置した後、Ａｒガス雰囲気中で上記の成膜条件でＤＣ
スパッタすることにより、Ｓｉ（１１１）基板上にＦｅ
−７ｗｔ％Ｓｉ（１１１）層の磁性層、Ｃｒ（１１１）
層の非磁性層を交互に、Ｆｅ−７ｗｔ％Ｓｉ（１１１）
層を４層、Ｃｒ（１１１）層を３層エピタキシャル成長
して、多層構造の合金磁性膜を作製した。合金磁性膜
は、各Ｆｅ−７ｗｔ％Ｓｉ（１１１）層の膜厚を１２０
ｎｍとし、各Ｃｒ（１１１）層の膜厚を５ｎｍ、１０ｎ
ｍ、２０ｎｍ、４０ｎｍに変えた４種類とした。

【００２７】なお、Ｃｒ（１１１）は、Ｓｉ（１１１）
に対し格子の不整合性が大きいため、Ｓｉ（１１１）基
板上にＣｒ（１１１）層から成膜した場合、Ｃｒ（１１
１）層、Ｆｅ−７ｗｔ％Ｓｉ（１１１）層をエピタキシ
ャル成長することができなかった。

【００２８】得られた多層構造の合金磁性膜について、
８の字コイル法により透磁率μの周波数特性を測定し
た。その結果を図１に示す。図１中のＣｒ（１１１）層
の各膜厚は成膜速度から換算したものである。図１に示
されるように、多層構造の合金磁性膜の透磁率を高くす
るためには、Ｃｒ（１１１）層の膜厚（１層）が１０ｎ
ｍ以上あればよく、特にＣｒ（１１１）層の膜厚が１０
ｎｍ〜４０ｎｍの間で最も高いレベルの透磁率を示す。

【００２９】また、得られた合金磁性膜についてＸ線回
折を行ない、Ｆｅ−７ｗｔ％Ｓｉ（１１１）層およびＣ
ｒ（１１１）層の（２２２）ピークの半値幅（ＦＷＨ
Ｍ）を測定した。各Ｃｒ（１１１）層の膜厚に対するＦ
ｅ−７ｗｔ％Ｓｉ（１１１）層およびＣｒ（１１１）層
の（２２２）ピークの半値幅（ＦＷＨＭ）の測定結果を
図２に示す。比較のために、合金磁性膜の全膜厚と同じ
膜厚（４８０ｎｍ）の単層のＦｅ−７ｗｔ％Ｓｉ（１１
１）合金磁性膜を作製し、同様に測定した。

【００３０】図２に示されるように、本発明にかかる多
層構造の合金磁性膜では、各Ｃｒ層の膜厚が増すにつれ
て、Ｆｅ−７ｗｔ％Ｓｉ（１１１）層およびＣｒ（１１
１）層の（２２２）ピークの半値幅が狭くなっており、
Ｆｅ−７ｗｔ％Ｓｉ（１１１）層、Ｃｒ（１１１）層の
結晶性が単層構造の合金磁性膜（ｍｏｎｏ−Ｌ ＦｅＳ
ｉ）の結晶性よりも良くなっていることがわかる。従っ
て、Ｆｅ−７ｗｔ％Ｓｉ（１１１）層とＣｒ（１１１）
層の多層構造とすることにより、単層膜よりも厚い膜厚
までエピタキシャル成長できることが示された。

【００３１】実施例２実施例１と同様にして、Ｓｉ（１
１１）基板上にＦｅ−７ｗｔ％Ｓｉ（１１１）層の磁性
層とＣｒ（１１１）層の非磁性層を交互に、Ｆｅ−７ｗ
ｔ％Ｓｉ（１１１）層を４層、Ｃｒ（１１１）層を３層
エピタキシャル成長して、多層構造の合金磁性膜を作製
した。合金磁性膜は、各Ｆｅ−７ｗｔ％Ｓｉ（１１１）
層の膜厚を１００ｎｍ〜４７０ｎｍ、各Ｃｒ（１１１）
層の膜厚を２０ｎｍとした。

【００３２】得られた合金磁性膜についてフェライトヨ
ーク法により周波数２ＭＨｚで平均透磁率μavを測定し
た。図３に平均透磁率μavと磁性層１層あたりの膜厚と
の相関を示す。磁性層の各膜厚は成膜速度から換算した
ものである。

【００３３】図３に示されるように、Ｆｅ−７ｗｔ％Ｓ
ｉ（１１１）層の磁性層１層あたりの膜厚が厚くなるに
従い、平均透磁率μavが減少する。Ｆｅ−７ｗｔ％Ｓｉ
（１１１）層１層あたりの膜厚が約１８０ｎｍまでは、
多層構造の合金磁性膜の平均透磁率μavは３０００以上
でほぼ一定である。Ｆｅ−７ｗｔ％Ｓｉ（１１１）層１
層あたりの膜厚が約２００ｎｍ以下で多層構造の合金磁
性膜の平均透磁率μavが約２０００以上となる。多層構
造の合金磁性膜全体の平均透磁率μavを約１００００以
上とするには、Ｆｅ−７ｗｔ％Ｓｉ（１１１）層の磁性
層１層あたり膜厚を２５０ｎｍ以下とする必要がある。

【００３４】なお、磁性層１層あたりの膜厚が薄けれ
ば、積層の繰り返し回数が増して非磁性層の体積が増
し、多層膜全体の磁化を低減するだけで無意味である。
従って必要以上に薄い必要はなく、成膜の均一性を考慮
すると、磁性層１層あたりの膜厚の下限は１０ｎｍであ
る。

【００３５】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
基板上に体心立方構造のＦｅ系合金（１１１）磁性層と
体心立方構造の（１１１）非磁性層とを交互にエピタキ
シャル成長して積層したので、磁性層間の膜厚方向の磁
気の相互交換作用を切断して、磁化を磁性層１層ごとの
膜面内に存在させることができる。従って、磁性膜全体
の厚さが厚くても、磁性膜に軟磁性を呈させることがで
き、積層磁気ヘッドやＭＩＧヘッド等のコア材料として
使用することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施例１で作製した多層構造の合金磁
性膜における透磁率μの周波数特性の測定結果を示すグ
ラフである。

【図２】多層構造の合金磁性膜についてのＸ線回折によ
る（２２２）ピークの半値幅（ＦＷＨＭ）の測定結果を
比較例とともに示すグラフである。

【図３】本発明の実施例２で作製した多層構造の合金磁
性膜におけるＦｅ７ｗｔ％Ｓｉ（１１１）層１層あたり
の膜厚と平均透磁率μavの測定結果を示すグラフであ
る。

Claims (7)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 基板上に体心立方構造のＦｅ系合金（１
   １１）磁性層と体心立方構造の（１１１）非磁性層を交
   互にエピタキシャル成長させて、多層に積層したことを
   特徴とする磁気ヘッド用磁性膜。
2. 【請求項２】 前記Ｆｅ系合金（１１１）磁性層１層の
   厚さが１０ｎｍ以上２５０ｎｍ以下である請求項１の磁
   気ヘッド用磁性膜。
3. 【請求項３】 前記Ｆｅ系合金（１１１）磁性層１層の
   厚さが１０ｎｍ以上２００ｎｍ以下である請求項１の磁
   気ヘッド用磁性膜。
4. 【請求項４】 前記（１１１）非磁性層１層の厚さが１
   ０ｎｍ以上４０ｎｍ以下である請求項１〜３のいずれか
   の項に記載の磁気ヘッド用磁性膜。
5. 【請求項５】 前記Ｆｅ系合金（１１１）磁性層の材料
   が、Ｆｅ−Ｓｉ、Ｆｅ−Ｓｉ−Ａｌ、Ｆｅ−Ｎｉ、Ｆｅ
   −Ａｌ、Ｆｅ−ＣｏおよびＦｅ−Ｇａよりなる群から選
   ばれる請求項１〜４のいずれかの項に記載の磁気ヘッド
   用磁性膜。
6. 【請求項６】 前記（１１１）非磁性層の材料が、Ｃ
   ｒ、Ｖ、ＭｏおよびＷよりなる群から選ばれる請求項１
   〜５のいずれかの項に記載の磁気ヘッド用磁性膜。
7. 【請求項７】 前記基板がＳｉ、Ｇｅ、ＧａＰ、Ａｌ
   Ｐ、ＧａＡｓ、ＺｎＳｅ、ＡｌＡｓ、ＣｄＳおよびＩｎ
   Ｐよりなる群から選ばれる単結晶（１１１）基板である
   請求項１〜６のいずれかの項に記載の磁気ヘッド用磁性
   膜。