JPS6032330B2 - 磁気薄膜構造体 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は磁気的信号を読み書きする為の磁気記録ヘッド
に適した磁気薄膜構造体に関するものであり、更に具体
的に言えば磁極片、磁気シールドに適した高透磁率の磁
気薄膜構造体に関するものである。

本発明は変成器のような任意の薄膜磁気トランスジュー
サにも関係がある。例えば母Ｐ Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ
Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎ鮮 ２４号（１９７４王発行）第
５３４頁乃至５４０頁に掲載されたＣｈｙｎｏｗｅｔｈ
氏及びＫａｉｓｅｒ氏の論文及び同謎第５２８頁乃至５
３３頁に掲載されたＴｈｏｍｐｓｏｎ氏の論文に見られ
るような小さい物理的寸法の薄膜磁気記録装置は電気的
及び磁気的励起に応答して個々の磁区（ドメィン）の効
果を呈する。予定の厚さの磁気薄膜に単一滋区を含ませ
るようにするのに必要な磁界の強さは構造の直線的寸法
の減少にほぼ反比例して増加する。それは減磁効果によ
るものであって、直径が数百倍ミクロン或いはそれ以下
の絶縁された磁気薄膜は若しもその厚さが数ミクロン或
いはそれ以下であるなら幾つかの磁区を含むことを保証
する。材料を飽和させ単一滋区にするのに十分な程強い
バイアス磁界が薄膜に印加されると、有効な透磁率は役
立たない程低い値へ減少される結果となる。低有効透過
率の問題を打開する１つの方法は、若しもバイアス磁界
の方向を層から層へと交番させることが可能なら、薄膜
の多層構造を作ることである。何故ならばその場合には
遥かに小さいバイアス磁界しか必要とされていないから
である。しかし従来は薄膜のバイアスの方向が交番した
多層薄膜構造を作る目的で使用可能の或いは既知の方法
がなかった。各一層宛のＭｎ層及びＮｉ−Ｆｅの層のサ
ンドウィッチ状付着物は磁界中で３００つ０の温度で糠
鈍することによりバイアス磁界を支持しうろことが、ソ
ビエト物理学会誌ＪＥＴＰ、第３袋巻第５号（１９７４
年５自発行）第１０１１頁以下に掲載されたＳａｌａｎ
ｓｋｉ氏等の論文「２層磁気膜に於けるマイクロドメィ
ン構成の安定化」によって知られている。

「自己バイアス磁気抵抗感知器」と題する米国特許第３
８４０８９８号は若しも磁気抵抗性感知器の層間に直援
的な原子的接触があるならば２つの層の間の交換結合に
より強い磁気バイアスを与えうろことを教示している。
ガラス基体上へＮｉ−Ｆｅを付着しそれに続いて強い磁
界中でＱＦｅ２０３のような反強磁性材料が付着される
と、２碇或いはそれ以下の透磁率を持った磁気的に強力
な混成膜が作られる。Ｐｈｙｓ．Ｍｅｔａｌｓ ａｎｄ
Ｍｅｔａｌｌｏｇｒａｐｈｙ（ＵＳＳＲ）２６、＃２
（１９６母手発行）第１０３頁乃至１１０頁に掲載され
たＧｌａｚｅｒ氏等の論文「交換異方性を有する薄膜に
於ける強磁性磁区機造の安定化」はネール温度（反強磁
性体の常磁性状態への磁気転移温度）を介しての膿冷却
体として基上へ１０００オングストロームの厚さのマン
ガン層を「吹付け」した上に１０００オングストローム
の厚さの８２：１８組成のＮｉ：Ｆｅ膜を付着した安定
化法を教示している。その膜は滅滋ごれ然る後３５００
０に於て１．虫時間に亘つて暁鈍された。その交換結合
が滋区構造の安定化をもたらす。ＳｏｖｉｅｔＰｈ＄ｉ
ｃｓ−ＳｏｌｉｄＳｔａに第８巻、第１び号、第２４１
３頁乃至２４２０頁に掲載されたＧｌａｚｅｒ氏等の論
文「磁気薄膜に於ける交換異方性」は４５０オングスト
ロームの厚さのマンガン層を付着し、それに続いて８０
０オングストロームの厚さの単一異方性を有する８２：
１８の比率のＮｉ：Ｆｅ層を付着することを論じている
。

それは容易軸に沿った１４０ェルステッドの磁界中で３
５０℃の温度で３０分間暁鈍され、そして磁界を印加し
たまま炉内で室温まで冷却された。競錨の目的は相互の
相間拡散によりマンガン（Ｍｎ）、Ｆｅ及びＮｉの反強
磁性層を形成することである。ｌＥＥＥ Ｔｒａｎｓａ
ｃｔｉｏｎ Ｍａｇｎｅｔｉｃｓ、ＭＡＧ−１、６３一
６５（１９６３玉）に掲載されたＭａｓｓｅｎｅｔ氏等
の「ＦｅＮｉ−Ｍｎ−ＦｅｎｉＣｏ及びＦｅＮｉ−Ｍｎ
の多層膜の磁気的性質」と題する論文は８１：１９のＦ
ｅ：Ｎｉ比を有するＦｅＮｉ層とＦｅＮｉＣｏ層の磁化
の間を結合する１５０オングストロームよりも薄いＭｎ
層とを有するＦｅＮｊ−Ｍｎ−ＦｅＮｉＣｏ構造に於け
るＭｎ膜とＦｅＮｉ膜との間の交換結合を教示している
。その膜は種々の層に磁気的に並行な容易方向を有する
連続磁界中で蒸着され、そしてＦｅ、Ｍｎ及びＮｉの相
間拡散を生じて反強磁性層を形成するであろう所の２８
０つ０まで加熱されることにより作られる。そのような
交換結合はＰｈｙｓ．Ｃｈｅｍ．Ｓｏｌｉｄｓ誌２４、
５２９（１９６３年発行）に掲載されたＪ．Ｓ．Ｋｏｕ
ｖｅｌ、Ｊ．氏の論文も参照されたい。上記の従来技術
はすべて、交換結合を生じさせるため高い温度へ加熱す
ることによる焼鈍の採用を必要としている。これは下記
の２つの理由で望ましくない。第１に、それは透磁率を
減少させる、即ち非常に望ましくない所の保磁力を増大
させる。第２に、成層化が希望され且つ相次ぐ層が反対
方向にバイアスされるべき場合には、磁界中で最後の層
を焼鈍するとすべての層が「同一方向に配向された交換
バイアス磁界」を受取るようなことになり、それが滋区
の問題を悪化させる。２組以上の交換結合膜を有する多
層膜構造は上記従来技術のどれにも開示されていない。

これは高い透磁率を維持しつつそのような構造を得るた
めの技術が得られていないであろうと思われる。更に従
来技術は交換バイアス膜の相次ぐ層に於けるバイアス方
向を反転することの可能性乃至有望性を認識していない
ことが明らかである。磁気トランスジューサが磁区の寸
法に匹敵する程に微小化されると、その電気的出力に異
常が見え始め、それは印加磁界の強さが変化するとき滋
区構造の変化に寄与しうる。感度及び直線性の厄介な不
連続的な変化がこれらの微小化されたトランスジューサ
の出力に生じる。これを「バルクハウゼン雑音」と呼ぶ
ことにする（この言葉の本来の意味は譲起電圧スパイク
に対して規定されたものであるがここではこのように用
いる）。磁区効果は磁壁の位置の変化から生じる。

従って概念的に言えばその効果は磁壁を除去することに
より或いはそれを不動性にすることにより除去可能であ
る。これはすべての薄膜トランスジューサの設計上要請
される所の高透磁率を破壊することなく、しかも特殊な
設計上要請される所の磁気抵抗性或し、は耐食性などの
他の性質を破壊することなく達成されなければならない
。この問題に対して下記の３つの手法が考えられる。第
１の手法は（微小トランスジューサに用いる場合には）
閉鎖磁区を持たず従って磁壁を持たない材料を探すこと
である。

この材料は、その磁化が切断されて開鏡磁区になること
ないこ静磁気的ェネルギを最小化しうるように縁辺近く
で滑かに変化する程に均一且つ等方性のものでなければ
ならない。残念ながら既知のすべての材料（非晶資材料
を含めて）は閉鎖磁区を形成させるのに十分な程大きい
磁気的異方性を持っている。第２の手法は沢山の磁壁を
持ってもよいがしかし磁気的励起を磁壁運動の関値以下
に保つことである。

誘導性薄膜ヘッドが議取りにのみ使用される場合、それ
は励起が磁気薄膜を飽和させるのに必要とされる量に較
べて全く小さい所の事態のよい例である。従って読取り
中に磁壁運動が決して起ずしかも高い透磁率が固定され
た辺境を有る滋区内で磁化の回転からのみもたらされる
程大きい保磁力を有する磁気膜を用いることは概念的に
可能である。しかし磁壁運動を阻止するように十分高い
保磁力が与えられた既存の膜のすべて低透磁率を持ち（
理論的に予期された通り）、かくて磁気トランスジュー
サに於て低リラクタンス（磁気抵抗）径路を形成するこ
とがない。第３の手法は各膜を回避することである。

極めて薄い膜素子（磁気抵抗性条片のようなもの）に於
ては、隣接した永久磁石膜（米国特許第３８４０８９８
号）或いは有効なバイアス磁界を作るための電流を導く
導体を使用することにより、或る配置でこれを達成する
ことが可能である。

しかしこれが実施し得ないような配置が沢山ある。具体
的に言うと、薄膜誘導性記録ヘッドのような比較的厚い
磁気膜（例えば１乃至１０ム肌の厚さのもの）を有する
トランスジューサに対しては、これらの２つのバイアス
形態の形をとるこの第３の対策は不可能である。この問
題に対する部分的な解決策がｍＥＥ Ｔｒａｎｓａｃｔ
ｉｏｎＳ ｏｎ ＭａｇｎｅｔｉｃＳ Ｖｏｌ．ＭＡＧ
−７、第１号（１９７１年３自発行）第１４６頁乃至１
５０頁に掲載されたＪｅａｎＰｉｅｎｅいｚｚａｒｉ及
び１ｇｏｒＭｅｌｎｉｃｋ両氏の「集積磁気記録ヘッド
Ｊと題する論文に示されている。同論文は薄膜謙導性記
録ヘッドの磁気ヨークを層板化すると容易軸に対して垂
直に磁化される所の閉鎖磁区を除去できることを示して
いる。しかし容易軸に並行な磁化で多数の磁区を阻止す
ることが上記凶ｚｚａｒｉ氏等の論文には教示されてお
らず、従って磁壁は依然として生じうるのである。本発
明の教示に従うと、単一滋区の磁気膜を作りうる材料、
プロセス及び構造が提供される。

単一磁区提供の目的はデバイスの製造中限定される所の
独特な方向に磁気膜をバイアスするため交換異方性を利
用することにより達成される。磁区を制御するのに交予
袋異方性を用いることそれ自身は新規な発明ではない。
前述のＧｌａｚｅｒ氏等の論文及びＳａｌａｎｓｋｉ氏
等の論文は磁区形態を安定化するため交換異方性を利用
することを教示している。しかしそれらの論文によって
教示されたプロセス、材料及び構造は薄膜磁気記録ヘッ
ドとは関係がない。その上更にそれらは以下に論述され
るように薄膜磁気トランスジューサの製造のためには実
際的でなく且つ満足に働かない。単一方向性の異万性を
有する磁気膜を得るために多くの試みがなされてきた。

１９７１年より前の試みは、Ｐｈ＄ｉｃｓｏｆｍｉｎＦ
ｉｌｍｓ、第６巻（１９７１年発行）の「多層磁気膜に
於ける相互作用」と題するＹｅｌｏｎ氏の論文で知るこ
とが出来る。

単一方向性の異万性を達成するために基本的に２つの手
法が採られている。単一方向性の異万性を得るための第
１の手法は、単一方向性バイアスの方向が永久磁石膜の
磁化方向によって決定されるように軟強磁性膜を永久磁
石膜と弱く結合することである。

この手法の実際的な使用を制限する多数の問題がある。
１つは対の状態で永久磁石として使用するための高保磁
力の膜を作る能力がないことであり、それは磁化方向の
散乱を実質的に増大せず、しかも単一方向性異方性を発
生するのに必要とされる弱い結合を得るために２つの膜
が十分倭近して配置されたとき軟磁気膜の透磁率を低め
る。

他の問題はこの弱い結合を再現可能な方法で作ることで
ある。この弱い結合を作るための既知のすべてのプロセ
スは軟磁気膜及び永久磁石膜間にピンホールを持った薄
膜が形成される（少数の事例に於ては何か他の機構が関
与しているのかどうか上記文献では若干の凝間があるけ
れども）ものと信じられる。しかしこれらのすべてのプ
ロセスは、欧磁気膜に対して極めて再現不能の（高度に
変り易い）結合強度及び再現不能量の単一方向性の異万
性を与えることがわかった。これらの理由により、この
手法は磁気トランスジューサを実際に作るのには不満足
なものであると信じられる。単一方向性の異方性を得る
ための第２の手法は反強磁性材料とここで使用されたよ
うな強磁性材料との間の交換相互作用を介することであ
る。

この作用の大部分は不均質なバルク試料（極めて厚い材
料）に対してなされており、薄膜デバイスを作るのには
適用できない。薄膜に於てはＮｉ−Ｎｉ○及びＣｏ−Ｃ
ｏｏ界面を作るのに酸化ニッケル、ニッケル−鉄、及び
コバルトの薄膜が使用された。８０：２０のＮｉＦｅが
トランスジューサ用の磁気薄膜に適しているので、それ
に関連したデータが本発明にとって最も関係深い。

ＪｏｕｍａｌｏｆＡｐｐｌｉｅｄＰｈｙｓｉｃｓ ４６
、１３７６（１９７５王発行）のＢａＰｒｅｋ氏の論文
によれば８０：２０ＮｉＦｅの酸化は単一方向性の異方
性を作るけれども規則配列温度（定義の項で後述される
）が室温より低く、そしてその単一方向性の異方性は室
温に於て破壊されるのでこのプロセスは実際デバイスを
作るのに役立たない。室温よりも高い規則配列温度で薄
膜に単一方向性の異方性を作り得た作品はＮｉＦｅ−Ｎ
ｉＦｅＭｎ系であった。ここでＮｉＦｅＭｎはＮｉＦｅ
薄膜及び重畳されたＭｈ薄膜の間の界面拡散によって普
通に作られる（Ａｃａｄ．Ｓｃｉ．２斑、１７５２、１
９６４年発行のＭａｓｓｅｎｔ及びＭｏｎｔｍｏｒｙ両
氏の論文、前述のＭａｓｓｅｎｅｔ氏等の論文、前述の
Ｇｌａｚｅｒ氏等の論文、前述のＳａｌａｎｓｋｉ氏等
の論文を参照されたい）。この技術を用いて単一方向性
の異万性を作る試みがなされた。

第ＩＡ図はＳｏｖ．Ｐｈ淡ｉｃｓ−ＳｏＭＳねｔｅ ８
、第２４１３頁乃至２４２０頁（１９６７年発行）に掲
載されたＳＩａｚｅｒ氏等の方法に従って作られた薄膜
の容易軸磁化曲線を示す。その薄膜は酸化シリコン基体
上に付着された１００オングストロームのＭｎと６００
オングストロームのパーマロイＮｉ：Ｆｅ合金であった
。蒸着されたとき、その磁気的性質はマンガンを含まな
い普通のパーマロィン８０：２０ＮｉＦｅ合金の性質（
Ｈｃ＝２．４０ｅェルステツド、Ｈｋ＝３．７ェルステ
ッド）と類似であった。第ＩＡ図は印加磁界のない場合
に熱拡散工程後に観察された１２ヱルステッドの結合磁
界Ｈｅｘを示す。第ＩＢ図は同じ膜の困難軸曲線を示す
。減少された駆動磁界に対するマイナー・ループが第Ｉ
Ｃ図に示されている。相対的透磁率は僅か４００である
。第ＩＡ，ＩＢ，ＩＣ図は２０ェルステッド単位で表示
された水平目盛と４汀Ｍに対して１００００ガウスの垂
直目盛を有する。この相対的透磁率は磁気トランスジュ
ーサに有用であると言うには低すぎる。

更に所望の拡散を生じさせるのに必要な温度（之３００
ｏｏ）は多くのトランスジューサの薄膜構造が許容しう
る温度を超えている。その上更に、反対方向にバイアス
された交番ＮｉＦｅ膜で成層構造を作る方法がない。単
一方向性の異万性を生じさせるためのこれらのプロセス
はすべて表面酸化、相間拡散或いは反強磁性−強磁性界
面を作るための２つの相の分晶作用を生じさせるための
燐鈍工程を含んでいる。これはそのデバイス及び使用さ
れるべき材料に対し、関与温度に耐えるよう厳しい制限
を課する。何故ならば軟強磁性膜中の成分は正しい反強
磁性膜を作るために選択されなければならずその逆も又
同じだからである。米国特許第３８４０８９８号（第２
欄第１３行、第４欄第１餅；、第６欄第５３行、第７欄
第２餅；、及びクレーム７及び８を参照されたい。

磁気的にバイアスされた材料は反強磁性である。）はＭ
庇条片として永久磁石バイアス層を作るため交換結合を
使うことを教示している。それらはＱＦｅ２０３のよう
な反強磁性層と８０：２０ＮｉＦｅのような欧磁性材料
との間に永久磁石膜を作るため交換結合の使用を教示し
ている。その永久磁石膜は絶磁層を介して（例えば以下
に説明これるように絶縁層のピンホールを介して）２つ
の磁気膜間の静磁気的相互作用により第２の軟磁気膜（
ＭＲ条片）をバイアスするのに用いられる。反強磁性膜
とＭＲ条片それ自身との間の故意の交換結合がＭＲ条片
の磁気的性質を維持することはどこにも教示されていな
い。何故ならこれは、既知のすべてのプロセスに対する
上述のような米国特許では、軟磁気膜の保磁力の増大を
生じさせる反強磁性膜と軟磁気膜との間の交換結合がそ
れをＭＲ条片（低保持力及び高透磁率であることを要す
る）として役に立たなくするがしかし、上記米国特許に
示されたようなＭ股条片であってもよい所の第２欧磁気
膜をバイアスするための永久磁石膜としては役立つよう
にするからである。それに加えて本発明の本質的な部分
である所の反強磁性材料のスピンの意味ある整合につい
て前記従来技術はどこにも開示していない。反強磁性の
スピンのこの整合なしでは、軟強磁性膜との交換結合は
鰍磁気膜の保磁力の増加をもたらす。それは正に米国特
許第３８４０８９８号が達成することを望んだ所の結果
である。その上更に反強磁性膜の上面に強磁性膜を付着
することと付着の逆順序との間の区別がなされていない
。他方本発明は磁界の存在下に強磁性膜上に反強磁性膜
を付着することの重要性を教示する。代案として、若し
も反強磁性膜が先ず付着されるなら、本発明は交換結合
された膜が規則配列温度として下記に限定された臨界温
度より上まで加熱されなければならず且つ反強磁性膜中
に所望の磁気スピン整合を達成するため磁界中で冷却す
ることが許されなければならない。この臨界温度は層間
で拡散を生じさせるために前述のＳａｌａｎｓｋｉ氏等
及びＧｌａｚｅｒ氏等によって用いられた温度よりも低
い。磁気抵抗性膜それ自身ばかりでなく、磁気抵抗性薄
膜記録ヘッドは取りわけバルクハウゼン雑音の影響を受
け易いが、シールド或いは分解熊向上の目的で（前述の
Ｔｈｏｍｐｓｏｎ）用いられた任意の隣接磁気部材に於
ても同様である。

本発明の方法及び材料はこれらのトランスジューサの任
意部分の磁区制御のために使用可能である。しかしｍＥ
ＥＴｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓ ｏｎＭａｇｎｅｔｉｃｓ
、Ｖｏｌ．ＭＡＧ−１１、第５号（１９７３王９自発行
）第１２１５頁乃至１２１７頁に掲載されたＫｕｉｉｋ
氏等の「バーバ−・ポールーリニャ磁気抵抗ヘッド」と
題する論文に紹介されて最近「バーバー・ポ−ル」磁気
抵抗性条片として知られた構造は、条片の長さ方向に沿
って単一方向性のバイアスを必要とする点で独特である
。これは反対磁性の磁区が反対極性の電気信号を発生し
、多重磁区条片は全く信号を発生しないように働くから
である。極めて狭いトラックの装置或いは低直線性分解
能のシールドされない装置に対してのみ永久磁石バイア
スを使用しうる。短絡バイアス電流は極めて高い電流密
度に於てのみ有効なバイアスを発生する。本発明で教示
されたような交換バイアスのみが広範囲の適用に亘つて
バーバー・ポール構造に対する単一磁区の振舞を保証で
きる。本発明に従うと磁気薄膜構造は反強磁性材料の第
２の層と直接原子的接触した強磁性材料より成る第１の
層を含んだ層のサンドウィッチを成し、上記第１の層は
約１０ェルステッドより少ない保磁力と、反強磁性材料
に於けるスピンの整合により設けられた第２の層との交
換相互作用関係により支えられた単一方向性磁気バイア
スと、上記交換相互作用の存在下に保磁力Ｈｃよりも大
きい交換結合磁界Ｈｅとを持っている。

更に本発明に従うと反強磁性材料はガンマ相（面心立方
構造）で室温に於て安定なＭｎガンマ相合金と、ＱＦｅ
２０３及びＮｉＯを含む反強磁性酸化物とより成る群か
ら選択されたトランスジュ−サの動作温度を越えるネー
ル温度を有する。

更に具体的に言えばＭｎガンマ相合金はＦｅ、Ｃｏ、Ｃ
ｕ、＆、Ｎｉ、Ｐｔ及びＲｈとＭｈより成る群から選択
された元素との２成分、３成分及びより高いレベルの合
金である。更に、非磁性材料の第３の層が第１及び第２
の層に接触して設けられ、且つ強磁性材料の第４の層及
び反強磁性材料の第５の層が相互に直接原子的接触状態
にされ、第４及び第５の層は第３の層の対向側にあり、
第５の層は反強磁性材料のスピンの整合により設けられ
た第４の層との交換相互作用関係により支えられた単一
方向性バイアス方向を有する。

その構造は磁気的トランスジューサより成り且つその非
磁性材料は譲導性薄膜磁気的感知器を形成する所の導体
を含むのが望ましい。更に第２の層は拡散によって形成
される反強磁性層から区別される程の可成りの厚さを有
する別個の均一な層にされることが望ましい。代案とし
て、第２の層は真空付着された薄い反強磁性層であって
単一方向性の異万性を与えるため第１の層に対して磁界
が印加されている間に付着される。

望ましくは、第１の層は延長された狭い磁気抵抗性感知
器条片であり、単一方向性の磁気バイアスはその磁気抵
抗性感知器条片の長さに沿った実質的成分を持つのが望
ましい。その上更に第２の層は第１の層とは反対の第２
の表面を持ち、非磁性材料の薄膜は第２の表面に接触し
、強磁性バイアス材料の薄膜は第２の表面とは反対側の
非磁性薄膜と直接に接触するのが望ましい。それに代え
て、条片の実施例に於てバーバー・ポール短絡金属化構
造が上記条片の長さに沿い且つ隣接して付着される。変
形例では、第２の層は第１の層とは反対の第２の表面を
持ち、第２の層の第２の表面と密接な交換バイアス関係
の低保磁力高透磁率材料の強磁性薄膜を含み、その強磁
性薄膜に単一方向性磁気異方性を持ち、それによって交
換結合バイアス磁界が強磁性薄膜から第１の膜へと第１
の層の延長された感知器条片の長さに垂直な実質的成分
を持つ方向に与えられる。基本的な発明の他の局面に於
て、磁気薄膜構造は、第２の層と接触して設けられた非
磁性材料の第３の層と「第１の層から磁気的異方性特性
を適応する復帰磁束鎖交を有する第３の層の反対表面と
接触した低保磁力高透磁率強磁性材料の第４の層とを含
む。

非磁性材料の第５の層は第４の層の反対表面と接触して
おり、強磁性材料の第６の薄層は第５の層と俊触し然も
反強磁性材料の第７の層と直薮的に原子接触し、第６の
層は約１０ェルステッドよりも４・さし、保磁力と反強
磁性材料のスピンの整合により与えられた第７の層と交
換相互作用関係により支えられた単一方向性磁気バイア
スと交換相互作用の存在下に保磁力Ｈｃよりも大きし、
交換結合磁界Ｈｅとを持つのが望ましい。本発明の更に
他の局面では、反強磁性である所の第２の材料と直接原
子的接触した１０ェルステッドより小さい低保磁力を有
する第１の材料より成り、反強磁性材料のスピンの整合
により与えられる材料間の交換相互作用関係と交換相互
作用の存在下に保磁力Ｈｃよりも大きい交換結合磁界Ｈ
ｃとを有する材料の組成が与えられる。一般的に言って
すべての特徴は薄膜磁気記録へッド‘こ使用するのに適
合している。

本発明に従う磁気薄膜トランスジューサは反強磁性材料
の層と直線的に接触した敏材料の層を含む第１の対の層
を含む複数の層より成るサンドウィッチを含み、その軟
材料は反強磁性材料との交換相互関係、第１の対の層上
に付着された非磁性層、反強磁性材料の第２の層と直接
的に接触した状態の敏磁性材料の第２の層を含む第２の
対の層によって支えられた単一方向性バイアス方向を有
する。

鰍材料の第２の層は反強磁性材料の第２の層との交換相
互作用関係によって支えられた単一方向性バイアス方向
を有する。更に本発明によれば第１及び第２の対の層の
単一方向性バイアス方向では反対方向である。

本発明の他の局面では第２の対の層は‐単一の強磁性層
によって置換される。本発明の更に他の局面では非磁性
層は誘導性磁気記録ヘッドのための薄膜導体より成り、
その第２の対の層は初めから述べられたようにされる。

本発明の更に他の局面ではバーバ−・ポール構造が反強
磁性材料によってバイアスされた強磁性交換によりバイ
アスされる。定義 「規則配列（Ｏｒｄｅｒｉｎｇ）温度」なる用語は、強
磁性材料の層と直接的に接触した反強磁性材料層のサン
ドウィッチに対して加熱され且つ外部的に印加される磁
界中で冷却されそれによってその単一方向性バイアスが
外部的に印加された磁界によって発生された（強磁性層
の）磁化方向へ変わるようにする温度のことを、ここで
はそのように呼ぶことにする。

「交換相互作用関係」なる用語は原子的尺度での近隣磁
気モーメント間の相互作用であってこれらの近接磁気モ
ーメントが並行（強磁性に対して）或いは反並行（反強
磁性に対して）の何れかになるようにする作用を指す。

これは任意の単一方向性内で適用するが、本発明で用い
られるときは隣接層間の界面に於て異なった材料間の相
互作用を指すのに用いられる。「バルクハウゼン雑音」
は誘起電圧スパイクと同機に薄膜磁気トランスジューサ
の出力の感度及び直線性の不連続変化を指すのに用いら
れる。

「保磁力Ｈｃ」は材料の磁化対磁化磁界の量を示す。更
に具体的に言えば、例えば第ＩＡ図に見られるような磁
化対正及び負の飽和値Ｍｓに接近する所の磁化磁界を示
す図に於て、若しも磁化が零を通過する値を磁界Ｈ＾及
びＨＢで表わすならばＨＣ＝ｌ生す三ｌで与えられる。

「交換バイアス磁界ＨＥ」はＨ＝○軸からのＭ一日関係
の偏差の量である。

更に具体的に言えばＨＥ：ｌ生号生ｌで与えられる。

誘導性薄膜ヘッドのヨークに於ける磁壁の数は、第２図
に示すようにヨークを形成する膜を成層化し、且つ個々
の成層の容易軸方向が媒体及びギャップ方向に対して並
行且つ相次ぐ成層に於て相互に反対になるように単一方
向性異方性をなすようにすることにより、実質的に完全
に零に減少されうる。

成層は静的状態の静磁気ェネルギを４・さし、値へ減少
し、それによって閉鎖磁区の形成を阻止する。それに反
して単一方向性バイアスは各成層が単一磁区として振舞
うようにし、かくて磁壁の形成を阻止する。単一方向性
バイアスは交換異方性によって達成可能であり、それは
適切に選択された強磁性材料及び反強磁性材料間の界面
に於て生じる。

単一方向性異方性の容易方向は反強磁性材料の付着最中
に強磁性材料が磁化される所の方向によって決定される
のが望ましいけれども、それは後述のように後で決定す
ることが可能である。第２図の成層膜の断面図は磁気ヘ
ッド感知器で使用するのに適した磁気シールド或いはポ
ール・ピースを具備して示されている。

第２図に示された成層膜は下記の方法で作りうる。強磁
性材料例えばＮｉＦｅの層１０が、単一軸異方性を生じ
させるように基体９の構造の面に並行なギャップ方向及
び媒体（頁の面）に並行な磁界を印加して、基体９の上
に付着される。この単一軸異方性は望ましいとは言え必
須ではない。磁界が依然として印加されている間に適切
な反強磁性材料の薄層１１が付着される。薄層１１はそ
れと強磁性材料１０との間に所望の量の交換結合が生じ
るように選択されなければならない。次に非磁性材料の
薄層１２（５０乃至１００オングストローム）が反強磁
性材料と次の強磁性層１３との間の交換結合を阻止する
ために付着されるのが望ましい。印加される磁界方向は
今や反転されそしてプロセスが反復される。第２図は成
層化された膜の断面を示し、矢印１４−１７は容易方向
を指示する。下記に列挙される式に示されるように高透
磁率が達成可能である。相次ぐ層が同様に付着される。

層１３，２４及び２７は層１０のような強磁性材料で構
成される。層１１，２２，２５及び２８等はすべて反強
磁性材料である。層１２，２３，２６等はすべてその下
の強磁性層をその上方の次の強磁性層から離隔するため
の非磁性材料である。層２８の上方の空間１９には導体
（絶縁されたもの或いはされていないもの）或いは誘導
性ヘッドの何れかが収容されたギャップが配置されるか
或いは同じ順序で層１０から２８へ至る別の構造で追従
された磁気抵抗ヘッドのための絶縁ＭＲ条片が配置され
る。ギャップ１９内の材料は又、誘導性或いは磁気抵抗
性の何れの場合にも「非磁性一層として働く。強磁性層
１０，１３，２４及び２７は単一方向性異方性‘よかり
か単軸性をも持ち、磁気記録媒体の駆動磁界日‘ま常に
容易藤に対して直角である。

従ってェネルギ密度はＥ＝−Ｋｅｃｏｓ８±Ｋｕｓｉｎ
２８−ＨＭＳｓｉｎ８但しＫｕは単軸異方性定数、Ｋｅ
は交異方性定数、川ま軸ｙに沿って指向された印加磁界
日に対する磁化Ｍと容易方向との間の角度であって、そ
れは単一方向性異方性の方向に垂直である。

正符号は単一方向性異方性に並行な単軸異方性に対する
ものであり、負符号は単一方向性異方性に垂直な（即ち
磁界日に並行な）単軸異方性に対するものである。ａＥ
／ａ８＝０と置き異方性磁界を導入し、Ｈｋ＝狐ｕ／Ｎ
Ｌ、交換結合磁界Ｈｅ＝Ｋｅ／ＭＳと置くと、Ｈ＝Ｈｃ
ｔａｎａ士Ｈｋｓｉｎ８ 読取りプロセスのためには０が小さい値に留まるものと
仮板されて日３（Ｈｅ±Ｈｋ）ｓｉｎ８ （Ｈｅ±Ｈｋ）＞０に対する透磁率 仏＝こぎ−４汀ＭＳＳｉｎ８−４汀Ｍ 一 日 −（比±Ｈｋ） Ｈｋに対する合理的な値は４ヱルステッドであり、８０
：２０のＮｊＦｅについては磁化（４汀Ｍｓ）は約１０
０００ガウスである。

Ｈｅは薄膜トランスジューサに可能なｌｏｏ０乃至２０
００の範囲の透磁力をもたらす所の０乃至１５ェルステ
ッドの範囲になしうる。第３Ｃ図は本発明の方法に従っ
て作られた薄膜の磁化ヒステリシス（Ｍ一日）ループを
示す。８０：２州ｉＦｅの厚さ５００オングストローム
の膜が第３Ａ図に示されるように容易軸ＥＡを発生する
印加磁界Ｈａｐｐ中で先ず蒸着され、それに続いて同じ
磁界Ｈａｐｐ中で５７：４犯ｅＭｎの厚さ１００オング
ストロームの膜が蒸着される。

外部磁界Ｈａｐｐは６０ェルステッドであり基体温度は
容易軸に沿って交換結合の存在下に２００００である。
第３Ｂ図は図示のように単一方向性（ＵＤＡ）を導くＦ
ｅＭｎ反強磁性層の付着中の同一方向のＨａｐｐの磁界
を示す。容易軸曲線及び困難軸曲線の両者が第３Ｃ図に
示され、Ｈ駆動レベルが減少されたときの困難軸マイナ
ー・ループが第３Ｄ図に示される。その膜は外部磁界の
存在しない場合単一磁区であるこ・とに注意されたい。
Ｈｅは１１ェルステツドであるがＨｃは５ェルステツド
しかない。相対的透磁率は５００である。第３Ｅ図は同
様な膜の磁界Ｈａｐｐを示す。その膜は先ず黍着された
８０：２０ＮｉＦｅの厚さ５００オングストロームの膜
でありそれに続いて２００℃の基体温度に於て６３：３
７ＦｅＭｎの厚さ１００オングストロームの膜が付着さ
れ、交換結合からもたらされる所のＵＤＡ（単一方向怪
異方性）が第３Ｅ図のＮｉＦｅ膜の単軸困難方向に沿う
ように、第３８図の付着最中に用いられた角度に対して
直角な第３Ｆ図の外部磁界Ｈａｗの下で冷却される。第
３Ｇ図は第３Ｅ図及び第３Ｆ図の構造に対する困難軸ヒ
ステリシスループを示す。その膜はすべての励磁方向に
於て第３日図に示されたような減少されたＨ磁界に対す
る閉成されたヒステリシスループを持つ。その膜は５．
５ェルステッドのＨｅを有する外部磁界の存在しない状
態で単一磁区である。相対的透磁率は２０００である。
更に一般的に、単一方向性異方性を達成するために使用
されるプロセス及び材料について説明する。

８０：２州ｉＦｅ（パーマロィ合金）のような軟磁性材
料の膜が温室から３００こ０までの範囲の基体温度で外
部磁界中で先ず蒸着或いはスパッタ付着されて、１００
オングストローム乃至数千オングストロームの範囲の厚
さにされる。

それに続いて５０：５０のＦｅＭｎのような反強磁性膜
或いは以下に説明されるような他の材料が欧磁気膜の表
面が空気にさらされることなく（何故なら結果の酸化物
層はＮｉＦｅ膜と反強磁性膜との間の交換相互作用を禁
止するからである。）黍着或いはスパッタ付着される。
反強磁性膜の付着最中の磁界の方向は軟強磁性膜の付着
最中に使用されたのと同一方向のものであってもよい。
若しも欧磁性材料パーマロィＮｉＦｅ合金のような誘起
容易軸を持つならば、これは容易軸に沿った単一方向性
バイアスに整合する。それに代えて、磁界の方向は欧磁
気膜の容易と或る角度になるように単一方向性バイアス
を生じさせるように変更されうる。何故なら単一方向性
バイアスは反強磁性膜が付着されたとき軟磁気膜の磁化
の方向になるからである。反強磁性膜が規則配列温度と
して前記に定義された臨界温度より上へ加熱されなけれ
ば、反強磁性層が冷却するとき温度がＴ。より低くなる
まで磁界日が印加状態にされなければならい。特に重要
なものは、単一方向性バイアスが軟磁気膜の困難軸に沿
っている所のこの種類の場合である。単一方向性バイア
スの方向に沿った欧磁気膜のＢ−日曲線の片寄り及び保
磁力が共に減少されそして透磁率が増大される。この減
少はこのプロセスを磁気抵抗性感知器用の膜を作る場合
に使用するため取りわけ重要である。若しもこれら２つ
の膜の付着の順序が反転されるなら、そして基体が非晶
質（アモルファス）であるならば、単一方向性バイアス
は観察されない。

若しも基体が結晶質例えば予め付着された銅或いはパラ
ジウムの膜であるならば、Ｔ。より高温に加熱され且つ
磁界中で冷却されるときは単一方向性バイアスが得られ
る。そうは言っても一般に正規の付着順序のものよりも
弱くなる。これは付着される表面の構造上に反強磁性の
結晶質構造に依存することに起因するものと信じられる
。第２の欧磁気膜がマンガン合金膜上に蒸着されうる。
第２の欧磁気膜の単一方向性バイアスは第１のものより
も小さく、その方向は若しもその付着が規則配列温度よ
り下の温度で行なわれるならば第２の欧磁気膜の蒸着最
中の方向に依存する。欧磁気膜用に８０：２０ＮｉＦｅ
合金を、そして反強磁性層用に５０：５岬ｅＭｎを使用
すると、下記のものが得られる。４００オングストロー
ムのＮｉＦｅ、ｌｏｏ乃至１０００オングストロームの
ＦｅＭｎ、及び３００オングストロームのＮｉＦｅに対
しては２つのＮｉＦｅウヱハのための単一方向性バイア
スは外部磁界が第２のＮｉＦｅ膜に対して反転されたと
き、相互に反対である。

１０００オングストロームを越える厚さのＦｅＭｎに対
しては第２のＮｉＦｅ膜に対する単一方向性バイアスは
得られなかった。

次の層に対して反対の外部磁界を用いる結果は、次のＮ
ｊＦｅ層が反対方向を指示する磁化を持つように強制す
るので、ＭＲヘッド或いは薄膜誘導性ヘッド用のヨーク
のための多層シールドとして重要である。

これはひいては若しもすべての層の磁化が同一向を指示
するならば存在する所の閉鎖磁区を除去する。磁気抵抗
性感知器に於ては磁気抵抗性膜素子用の磁気バイアスの
付与が重要である。

これは外部磁界によって、或いは前述の米国特許第３８
４０８９８号によって教示されたように隣接の永久的に
磁化された層或いは層の組合わせでの静磁気的相互作用
によって、付与されうる。従来技術はバイアスを与える
ために磁気抵抗性膜に対して直接的交換結合を用いるこ
とを教示していない。何故ならば磁気的性質の縞退なし
にそのようなバイアスを付与する手段が未知であったか
らである。本発明で開示された方法及び材料がこれを可
能にしたのである。第４Ａ図はバイアス手段として直接
的交換結合を用いた磁気抵抗性条片感知器を示す。第４
Ａ図には、従来の薄膜材料技術によりＭ旧条片３１へ接
続された一対の電気導線３２を有する厚さ約４００オン
グストロームの８０：２０ＮｉＦｅであるのを可とする
磁気抵抗性感知器膜（ＭＲセンサ）の薄膜条片３１がそ
の上に付着された基体３０が示されている。導線は薄膜
磁気記録技術に於て周知の態様で磁気記録電子回路及び
ＤＣバイアス源へ接続されるのに適合している。条片３
１の直上には、交換結合磁界日交換によりＭ町条片３１
の磁気バイアスを供与するように、ＦｅＭｎの厚さ１０
０オングストロームの層のような反強磁性材料の薄膜３
３が付着される。それはＭＲ条片３１が外部磁界源によ
って磁化されている間にその膜３３を付着するか、或い
は完成した構造を規則配列温度よりも高温に加熱し且つ
外部磁界の存在下に冷却するかの何れかによる。ＭＲ条
片３１に与えられる単一方向性異方性の特定方向は使用
されるＭＲ感知器の特定の要求によって決まるのである
が、条片の長さに沿って図示されている。以下に説明さ
れるように第４Ｂ図の層３５によって与えられる如きバ
イアス磁界を有する磁界成分を与えるため４５０の角度
にしてもよい。第３Ａ図及び第３Ｂ図の技術も使用可能
である。第４Ｂ図に於て基体３４は、電流ｌｏｏに応答
して磁化磁界Ｍを供与する誘導性欧磁気バイアス材料と
してその上に付着された厚さ２００オングストロームの
８０：２側ｉＦｅ膜のような軟質、高透磁率（低保磁力
）材料の長手方向バイアス用薄膜３５を持つ。そのよう
なバイアス用材料は米国特許第３８６４７５１号に開示
されている。次にＳｉ０２のような非磁性材料の層３６
がバイアス用膜３５の上に付着される。次に導線３８を
有するＭＲ感知器条片３７及び反強磁性層３９が夫々が
第４Ａ図の場合と同じ理由で付着される。第４Ｂ図の構
造はバイアス日交換と長手方向鰍質自己バイアス層３５
とを有する直接交換バイアスＭＲ感知条片を供与する。
バイアス日交換はバルクハウゼン雑音を排除する。第４
Ａ図に示された磁気抵抗性感知器は横断磁気バイアス（
即ち磁気信号磁界日信号に対して並列なバイアス）を持
たず、従って微小信号にして単一極性の方形出力を発生
する。多くの適用に於て、そのようなバイアスの使用に
より或いは第４Ａ図及び第４Ｂ図に示されたようなバー
バー・ポール短絡バー構造の使用により、出力を直線化
する必要がある。横断バイアスは第４Ａ図に示された方
向から凡そ４５０に交換結合磁界を方向づけることによ
り、或いは他の永久磁石或いは磁気的に軟質のバイアス
層を付加することにより与えることが可能である。製造
上の見地から第４８図はそのような組合わせの１つを示
しており、それは新たな材料が薄膜付着プロセスに追加
されないことにより余り複雑でない薄膜蒸着方式或いは
スパッタリング方式しか必要としないと言う利点を持て
）。第４Ｃ図に示されたような磁気抵抗性結合で直接的
交換結合を組合わせることも可能である。

第４Ｃ図には第２のＮｉＦｅ膜のための製造中に印加さ
れる外部磁界が第１のＮｉＦｅ層に対する外部磁界と直
角にされ、結果の単一方向性バイアスは２００オングス
トロームＮｊＦｅ、１００オングストロームＦｅＭｎ、
４００オングストロームＮｉＦｅに対して直角になる。
この技術は組合わされた交芋鶏異方性及び敏質膜バイア
スのために重要である。基体上に付着される最初の層４
０‘ま欧質バイアス層であり、ＦｅＭｎの膜４１での交
換異方性は第２のＮｉＦｅ膜４２（磁気抵抗性感知のた
めに使用される）がスイッチされている間は飽和状態に
その敏質膜を保つように働く。第２の交換異方性バイア
スはそれがスイッチされている間にＭＲ層が単一磁区を
維持することを保証することによりバルクハウゼン雑音
を排除する。並行及び垂直の例に加えて、相次ぐ強磁性
層の単一方向性異方性間の他の角度関係も又可能である
。

１つの特に重要な例が第４Ｄ図に示される。

同図に於て２つのＮｉＦｅ膜５０及び５２のための単一
方向性異方性に対する方向間の角度は１３５０である。
これは、軟質膜５０のための単一方向性バイアスが飽和
状態にその膜を保つのを助けＭ眼膜５２のための単一方
向性バイアスが電流方向１に対して４５０にその膜をバ
イアスするのを助けるので、ＭＲへッド‘こ於ける組合
わされた欧質膜単一方向性異方性のために有用である。
若しも欧質及び反強磁性膜構造が規則配列温度として既
に定義されたような或る温度より高温に加熱され然る後
規則配列温度より低温に冷却されるなら、単一方向性バ
イアスの方向は、規則配列温度より下へ冷却する段階中
に反強磁性膜に隣接した８０：２０ＮｉＦｅパーマロイ
合金の磁化が持っている方向へ変わる。

この効果は膜が作られた後で単一方向性結合の方向を変
えるのに使用可能である。軟質膜の磁化、外部磁界、隣
接磁気層の減磁磁界、磁性或いは非磁性何れかの隣接金
属膜によって運ばれている電流により発生される磁界、
或いは上言己のものの任意の組合わせ、に対し所望の方
向を確立するため幾つかの方法を使用しうる。或る場合
には自然に或いはＡＣ減磁により形成された若干の磁区
構造に於て「凍結」するのに十分である。１つの独特な
磁区構造に於て「凍結」する能力を用いる所のバルクハ
ゥゼン雑音を減少するために使用された１つの実施例が
第５図に示される。

成層化されない軟磁気膜（８０：２皿ｉＦｅのようなも
の）５１が基体５０上に付着される。その次に反強磁性
層５２が磁界を印加しない状態でＮｉＦｅ上に付着され
る。若しも鰍磁気層５１の表面が反強磁性層の付着前に
（例えば空気にさらすことにより）酸化されうる状態に
あったならば、その酸化層は反強磁性層５２が例えばス
パッタ食刻により付着される前に除去されなければなら
ない。銅或いは代案として絶縁されたＭＲ条片のギャッ
プ層５３が付着され、それに続いて他の軟強磁性膜５４
及び反強磁性膜５５が前述のように付着された。若しも
磁気層の付着に続いてこの構造が規則配列温度により加
熱されたなら、次に閉鎖磁区の若干のパターンが反強磁
性膜の規則配列最中に強磁性膜の各々に存在するように
印加磁界の不存在下に冷却されなければならない。単一
膜の減磁効果は前述のように閉鎖磁区を導入すると云う
理由で滋脚が成層化されていないヘッドの磁脚の各々に
は単一磁区が達成され得ない。閉鎖磁区のこの１つのパ
ターンは今や最もェネルギ的に好都合であるので、任意
の動揺（外部磁界或いは磁気媒体上の読み書きによって
生じるような動揺）が除去された後に再度設定される。
従って磁気的読み書き効率は若しも磁気的動揺の後に新
たな閉鎖磁区パターンが（ランダムに）発生されるなら
、遥かに安定である。規則配列温度以上に再指向するた
めの単一方向性異方性の指示のためのこの能力は再指向
が制御されない限り単一方向怪異方性を与えて作られる
デバイスの処理温度に制限を議すことがありうる。デバ
イスが作られた後でさえもこの制御を可能にする所の１
つの特定の成層化された構造が第６図に示される。この
構造はすべての交番した欧強磁性膜が単一方向性バイア
ス層なしで作られていることを除き第２図に示され（且
つ上記に説明され）た所のものと同様に構成される。具
体的に言えば、製造されつつあるデバイスに必要とされ
る容易軸方向に対して並行な印加磁界の存在下に下記の
層が付着される。｛１） 強磁性材料例えば厚さ１００
０オングストロームのＮｉＦｅの層（２｝ 適当な反強
磁性材料（厚さ約１００オングストローム）の薄層（３
ー 非磁性材料（厚さ５０乃至１００オングストローム
）の薄層‘４｝ 強磁性材料の層 ｛５）非磁性材料の層等。

従ってすべての他の強磁性層は交≠奥異方性によって単
一方向性にバイアスされる。

印加磁界の方向はこの構造の製造中には反転される必要
がないことに注意されたい。若しも上記の構造の製造に
引続く処理最中に規則配列温度以上に加熱されるなら、
単一方向怪異方性の所望の方向は単一方向性異方性のた
めに必要とされる方向の印加磁界の存在下に規則配列温
度以下へ冷却することにより再設定される。これは単一
方向的にバイアスされた所の交番強磁性層が単一磁区に
なることを保証する。単一方向性異方性によってバイア
スされる強磁性膜とバイアスされない強磁性膜との間の
この構造の縁に於ける静磁気相互作用が、前者の膜の磁
化に対して反対方向に指向する磁化で後者の膜も又単一
磁区となるように仕向ける。かくて第６図の構造はその
処理温度に制限を課することなく第２図の構造と全く同
じ交番方向磁化で単一磁区強磁性膜を持つ。第６図は交
換結合された強磁性材料及び反強磁性材料が一緒になっ
てサンドウィッチ状になった交番層と交番容易軸を有す
る強磁性材料単独の層とを有する多層構造を示す。

更に具体的に言えば、基体６０‘こは第２図の層１０と
同様に基体及びギャップに並行な外部磁界を用いること
により与えられた容易軸を持つ強磁性材料の層６１が形
成される。層６１は８０：２０ＮｉＦｅから成る１００
０オングストロームの厚さのものでもよい。次に反強磁
性材料の薄層６２が層６１上に約１００オングストロー
ムの厚さに付着される。次に薄層６３が５０乃至１００
オングストロームの厚さに付着される。

次に強磁性材料の層６４が層６３上に付着され、その上
に非磁性材料の層６５が付着される。同様にして、強磁
性層６７及び７２と交千鶏異方性関係を有する強磁性層
（層６１と同様）である所の層６６及び７１、層６４と
類似の強磁性層６９が付着される。非磁性層６８及び７
３は層６３と類似しており、非磁性層７０は層６５と類
似している。他の強磁性層６１，６６，７１だけが交換
異方性によって単一方向性に（少くとも直接的接触の方
向に）バイアスされる。交番層は層６１，６６，７１か
ら層６４，６９への磁界の閉鎖によりバイアスされ、そ
れによって矢印と反対の方向にバイアスを与える。この
形態の交≠鶏異方性の重要な利点は正しい磁化が復帰さ
れるか或いは与えられることが可能であり、この形態の
多重層を用いる任意の他のデバイス或いは磁気トランス
ジュ−サの製造に必要とされる任意の加熱が事情次第で
追従されることである。

磁化は所望の磁化方向を達成するのに適正な方向に外部
磁界が印加されている間に膜を冷却することにより復帰
され、その間に膜は第６図に矢印で示された単一方向性
異方性を発生するため規則配列温度以下に冷却する。層
６１，６６，７１に於ては、駆動磁界は薄膜ヘッドに於
ける読み書き最中のその方向に対して直角であるから、
第２図のように常に容易方向の磁化の成分が存在する。

従って他の強磁性層６４及び６９は静磁気的相互作用に
より反対方向にバイアスされる。従ってこれらの中間層
６４及び６９は磁界を制御するために交換結合異方性を
持つ必要がない。しかしバイアス層６４及び６９の満足
な動作は密接に接触する反強磁性層によって誘起された
異万性特性を持つ所の層６１，６６，７１に誘起される
異方性の大きさに依存する。磁気的性質の異万性のその
ような大きさは強磁性層の厚さを変えることにより正確
に制御可能である。何故ならば単一方向性異方性磁界Ｈ
Ｂ＝Ｅ／（Ｍｓｔ）によって与えられるからである。但
しＥは交換異方‘性ェネルギ、ＮＬ‘ま飽和磁化、ｔは
強磁性層の厚さである。この代案実施例は磁気ヘッド用
の成層ヨークをどのようにして設計するかの決定をなす
に際してヘッド或いはトランスジューサ設計者に広い範
囲の材料選択の自由を与える。材料本発明に従って使用
するのに適した反強磁性膜は磁気トランスジューサの動
作温度よりも高い強磁性材料に対するキューリ温度に類
似したネール温度Ｔｎ（反強磁性材料が常磁性になる温
度）を持つ材料で作らなければならない。

高いネール温度Ｔｎで動作することがわかった材料は２
種類ある。第１の種類はガンマ相（面心立方）の室温に
於て安定なマンガン合金、取りわけ５０：５０の組成に
近いＦｅＭｎである。他の種類はＱＦｅ２０３のような
反強磁性酸化物より成る。文献に示されているすべての
材料がバルクの形態で反強磁性を持ち高いネール温度で
働くわけではない。例えばＦｅ３ＡＩはＴｎ＝７５ＯＫ
で反強磁性であるとＥｉｓｅ血雌ｔｔｅｎｗ、３３、１
１５（１９６３年発行）に○．Ｒａｓｓｍａｎ氏及び日
．Ｗｉｃｋ氏によって報告されたが、Ｆｅ３ＡＩ組成の
、及びそれに近い鉄・アルミニウム膜は単一方向性裏方
性を与えなかった。

他の合金も高い値のＴｎを持つものと報告されているが
、しかしそれらを試験してみると役に立たない。それら
の合金はＮＣｒ２組成に近いＡＩ・Ｃｒ合金、ＭｎＰｄ
組成に近いＭｍＰｄ合金、約１％乃至９０％のＭｎを含
有するＣｒＭｎ合金などである。ＣｒＭｎもＭ中ｄも室
温に於て安定なガンマＭｎ相を持たないことに注意され
たい。薄膜形状に蒸着されたときこれらの材料の結晶学
的及び／或いは磁気スピン構造は単一方向性異方性を作
るのに必要とされる所のものではないと信じられる。Ｍ
ｃ Ｇｒａｗ一日ｉｉｌ社刊、Ｈａｎ ｓｅｎ氏著の「
ＣｏｎｓｔｉｔｕｔｉｏｎｏｆＢｉｎａひＡｌｌｏｙｓ
」によれば室温で安定なガンマＭ叫相を有する多数の２
元合金であり、例えばＣｏＭｎ、Ｃ山Ｍｎ、ＣＥＭｎ、
ＦｅＭｎ、ＭｎＮｉ、ＭｎＰｔ、Ｍ派ｈがある。

これらの材料のうちＦｅＭｎ、Ｍ州ｉ、ＭｎＰｔ及びＭ
舵ｈは８０：２０ＮｉＦｅ膜の未酸化表面上に蒸着され
ると単一方向性異方性を生じる。その上更にＭｎの２成
分及びそれより高い成分数の合金は室温でガンマＭｎ相
を持つ限り可能である。具体的に言うとＮｉＦｅＭｎ合
金が８０：２０、４０：６０及び２０：８０のＮｉＦｅ
比率で試験された。８０：２０ＮｉＦｅ膜上に蒸着され
たときすべて単一方向怪異方性を生じた。

試験されたこれらすべてのＭｎ合金のうちＦｅＭｎ系が
最高の規則配列温度を示した。第７図には元のＨｅから
のＢ−日曲線の移行を示し、Ｈｃは１３０オングストロ
ームの厚さの可変Ｆｅ：Ｍｎ比率のＦｅＭｎ膜にそれら
の容易軸に沿って飽和ＮｉＦｅ膜が付着された４００オ
ングストロームの厚さのＮｉＦｅ膜の容易軸保磁力であ
る。

Ｂ−日曲線の移行はＪｏｕｍａＩ ＡｐｐｌｉｅｄＰｈ
＄ｉｃｓ誌３４、１０４６（１９６３年刊）に掲載され
た所のＣ．Ｋｉｍｂａｌｌ氏、Ｗ．Ｄ．戊ｒｂｅｒ氏、
Ａ．〜ｍｔｔ氏によって測定されたＦｅＭｎに於ける超
微細磁界とほぼ同じ組成に於てピークを持つことに注意
されたい。これは単一方向性異方性反強磁性ＦｅＭｎと
強磁性ＮｉＦｅとの間の交換作用の結果であることが確
認のために引用された。単一方向性異方性の方向のスイ
ッチングが元来の異万性方向に対して直角の磁界中で膜
を加熱することにより観察された。

十分高い温度のとき、異方性の方向は印加磁界の方向に
向って回転することが観察された。温度が増加されるに
つれて回転の割合が増加されるので、良好に限定された
規則配列温度に於ける急回転の代りに、回転が十分に長
い時間期間に亘つて生じる所の温度の範囲が生じること
がわかった。使用された標準検体は１５分間に９０ｏ回
転した。そして４００オングストロームの厚さのＮｉＦ
ｅ（８０：２０）膜上の５０：５価ｅ：Ｍｎ比を有する
１３０オングストロームの厚さのＦｅＭｎ膜は１２０ｏ
ｏに於て１５分間に９００の回転を生じた。正しい結晶
学的構造のための要件は非結晶質（アモルファス）基体
上に直接５０：５岬ｅＭｎを付着し然る後ＮｉＦｅを付
着することの結果により実証される。これが実行される
と、膜はＦｅＭｎのネール温度以上の磁界中で加熱され
たとしても単一方向性異方性が発生されない。しかし若
しも銅或いはパラジウムの膜（両方共面心立方結晶構造
を持つ）が先ず付着され次いで５０：５価ｅＭｎ膜及び
８０：２皿ｉＦｅ膜が順に付着されるなら、ＮｉＦｅ膜
は単一方向性異方性を持たない。８０：２０ＮｉＦｅも
又面心立方体であるので、ＦｅＭｎ膜に同じ結晶構造を
得るためには面心立方体構造を有する表面上にＦｅＭｎ
が付着されることが重要なようである。

単一方向性異方性を生じることが期待される他の種類の
反強磁性材料はＱＦｅ２０３及びＮｉ○のような反強磁
性酸化物である。ＱＦｅ２０３はＮｉ○（２５０℃）と
比較して高いネール温度（６７７０）を持つので、ＱＦ
ｅ２０３はより高い規則配列温度を生じることが期待さ
れる。８０：２０ＮｉＦｅ上にＦｅ２０３ターゲットか
らスパッタされた膜はＮｉＦｅ膜に単一方向性異方性を
生じることが示されている。

実現可能性を検証するために厚さ５００、１０００、及
び２０００オングストロームの蒸着パーマロィ膜（８０
：２皿ｉＦｅ）が欧磁気材料として使用された。

膜は黍着器から取出されて汁スパッタ装置に教壇されな
ければならなかったので、空気にさらされている間にＮ
ｉＦｅ膜表面上に天然の酸化物が形成された。この天然
の酸化物はＦｅ２０３膜がスパッタされる前に除去され
なければならなかった。さもなければその酸化物は室温
に於てパーマロィとＦｅ２０３との間の交換結合を阻害
する（極低温に於ては天然の酸化物を介して交換結合が
生じる可能性が依然として存在する）。ＮｉＦｅ膜がス
パッタ食刻された後にアルゴンガス中でＦｅ２０３ター
ゲットからげスパッタにより膜が付着される。出来た膜
はおそらく若干酸素不足のＱＦｅ２０３であることが予
想されるが、これは確認されていない。Ｆｅ２０３膜の
スパッタ付着最中は、ＮｉＦｅ膜の磁化が単一方向性異
方性が存在すべき方向と同一方向の外部磁界によって維
持された。このＦｅ２０３の上塗りの結果としてのＮｉ
Ｆｅ膜の単一方向性異方性は、スパッタリング条件に依
存することがわかった。具体的り言えば８０：２側ｉＦ
ｅ膜のＢ−日曲線のシフトはターゲット電圧及び電力、
基体バイアス電圧、Ｆｅ２０３膜厚及びＮｉＦｅ膜厚に
依存することがわかった。第８図には−１５００ボルト
のターゲット電圧、２０山肌アルゴンガス圧力、凡そ８
５０オングストロ−ムのＦｅ２０３濃厚のときの基体バ
イアス電圧及びＮｉＦｅ膜厚に対するＢ−日曲線のシフ
トの依存性が示される。４００オングストロームの厚さ
の８０：２０ＮｉＦｅ、８５０オングストロームの厚さ
のＦｅ２０３（一５０ボルトの基体バイアス電圧、一１
５００ボルトのターゲット電圧、及び２０仏ののアルゴ
ンガス圧力に於てスパッタされた）の試料に対し単一方
向性異方性の元来方向に直角の磁界下で加熱したとき、
単一方向性異方性の方向が１５０００に於て１５分間に
９００ スイッチした。

これらの試料はＮｉＦｅを蒸着し且つＦｅ２０３をスパ
ッタリングすることにより作られたが、磁気的性質を改
善するには多重ターゲット・スパッタリング装置でＮｉ
Ｆｅ及びＦｅ２０３の両方をスパッタするのが望ましい
。低保磁力の基準 交換バイアスされた強磁性膜の所望の保磁力は一般に約
１０ェルステッドよりも低い。

他方、前述の米国特許第３８４０８９８号は５０乃至１
００ェルステッドの或いはＨｋ（異方性ェネルギ）の１
ぴ音の高い保磁力を持った。低い保磁力は本発明に従う
前述のプロセスにより反強磁性材料に於けるスピンの整
合によって供与される。５００を越える高透磁率も又そ
のような交換バイアスされた膜にとって望ましく、交換
結合磁界Ｈｅは交換相互作用の存在下で保磁力Ｈｃより
も大きくあるべきである。第９Ａ図は前述のＫｕｊｉｋ
氏等の手法に部分的に基礎を置いたバーバ−・ポール磁
気抵抗性ヘッドのため交換バイアスを用いた構造の平面
図であり、第９８図はその立面図である。基体９０は磁
気抵抗感知器を構成するＮｉＦｅ８０：２０の薄膜条片
９１で被覆される。ＦｅＭｎのような反強磁性材料の薄
膜条片９２が薄膜９１の上に付着される。金の接続導体
９３及び９４と、条片９１及び９２に斜めに整合された
金の短絡榛９５とが基体９０を横切ってパッド（図示せ
ず）へ延びる導体９３及び９４と共に条片９２上に付着
される。本発明者は交換バイアスされた強磁性材料より
なるバイアス層の使用がバーバー・ポール・ヘッドの動
作の著しく改善された結果をもたらすことを発見した。
層９１及び９２より成る混成条片カギＫｕｉ水氏等の磁
気抵抗性層と取換えられている。最後の条片方向と並行
な方向に整合された磁界が混成条片に於ける単一方向性
バイアス磁界を誘起するために製造中使用され、それが
単−磁区の振舞を呈するように作用する。規則配列温度
より高温に加熱し且つ冷却することにより付着最中或い
はその後に磁界が印加されうる。この実施例は短絡棒が
機能することを許す所の導電性反強磁性材料と関連づけ
て使用するのに適している。

【図面の簡単な説明】

第ＩＡ図は従来技術に従って作られた膜の容易軸磁化曲
線を示し、第ＩＢ図は第ＩＡ図の膜の困難軸磁化曲線を
示し、第ＩＣ図は駆動磁界日を減じたときの第ＩＡ図の
膜の困難磁化曲線を示し、第２図は誘導性或いは磁気抵
抗性の記録ヘッドのための成層化された膜構造の断面を
示し、第３Ａ図はＮｉＦｅの第１の層の付着のための磁
界を示し、第３Ｂ図は第３Ａ図のＮｉＦｅ層上にＦｅＭ
ｎの層を付着するための磁界を示し、第３Ｃ図は第３Ａ
図及び第３Ｂ図に関連して述べられた技術に従って作ら
れた一組の膜のヒステリシスループを示し、第３Ｄ図は
減少された駆動磁界日での第３Ｃ図のヒステリシスルー
プを示し、第３Ｅ図は第３Ａ図の場合のような容易軸を
有するＮｉＦｅ層の付着のための磁界を示し、第３Ｆ図
は第３Ｅ図の容易軸に対して直角の印加磁界Ｈａｐｐと
共に付着されたＦｅＭｎ層の磁界を示し、第３Ｇ図及び
第３日図は第３Ｅ図及び第３Ｆ図の層に対する第３Ｃ図
及び第３Ｄ図に類似したヒステリシスループを示し、第
４Ａ図は基体上に付着された磁気抵抗性感知器であって
直接的交換相互作用により磁気抵抗性感知器の直接的磁
気バイアスを与えるためその感知器上に反強磁性材料の
層が付着された所のものの分解斜視図を示し、第４Ｂ図
は第４Ａ図に示されたものの変形のＭＲ感知器であって
Ｍ旧感知器を通るＤＣバイアス電流により発生される磁
界の結果としてバイアスを与える目的で設けられた保持
力が極めて低い材料の層と中間的非磁性層とを付加した
ものの分解斜視図を示し、第４Ｃ図は反強磁性膜の隣接
層及び第２の強磁性膜（両方の腰は直角方向の容易軸を
持つ）と共に基体上に付着された強磁性膜の分解斜視図
を示し、第４０図は第４Ａ図と類似した図であるが２つ
の相次ぐ強磁性膜が夫々の並行面内で１３５０だけ方向
が異つた容易軸を持つものを示し、第５図は交換結合に
より異万性滋区を与えるように反強磁性層がその上に付
着された強磁性層を含んだ磁性材料のシールドを有する
薄膜単巻誘導性ヘッドを示し、第６図は交換結合された
強磁性材料及び反強磁性材料の交番層がサンドウィッチ
状になり非磁性材料の層及び強磁性材料単独の層が引い
て付着された多層構造を示し、第７図では交換バイアス
された関係でその上にＦｅＭｎが付着されたＮｊＦｅ膜
に対する磁界対マンガン百分率のグラフ、第８図はＮｉ
Ｆｅ膜上に付着されたＦｅ２０３膜に対するＢ−１１曲
線シフト対基体バイアス電圧のグラフ、第９Ａ図はバー
バー・ポールＭＲヘッドの平面図、第９Ｂ図は第９Ａ図
のヘッドの正面図である。 第２図に於て、９・・・・・・基体、１０・・・・・・
強磁性材料層（例えばＮｉＦｅの層）、１１・・・・・
・反強磁性材料層、１２・・・・・・非磁性材料層、１
３・・・・・・強磁性材料層、１４，１５，１６，１７
……容易磁化方向、２２・・・・・・反強磁性材料層、
２３・・・・・・非磁性材料層。 ＦＩＧ．ＩＡ ＦＩＧ．」Ｂ ＦＩＧ．」Ｃ ＦＩＧ．２ ＦＩＧ．３Ａ ＦＩＧ．３８ ＦＩＧ．３Ｃ ＦＩＧ．３０ ＦＩＧ．ＳＥ ＦＩＧ．３Ｆ ＦＩＧ．３Ｇ ＦＩＧ．３日 Ｆ！Ｇ．４Ａ ＦＩＧ．４８ ＦＩＧ．４Ｃ ＦＩＧ．４Ｄ ＦＩＧ．５ ＦＩＧ．６ ＦＩＧ．７ ＦＩＧ．８ ＦＩＧ．９Ａ ＦＩＧ．９８

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 軟質強磁性材料の第１の層と、該第１の層と直接原
   子的に接触した反強磁性材料の第２の層とを含み、上記
   第１の層は上記反強磁性材料のスピンの整合により与え
   られ且つ上記第２の層との交換相互作用関係により維持
   される単一方向性磁気バイアス、及び上記交換相互作用
   の存在下に保磁力Ｈｃよりも大きい交換結合磁界Ｈｅを
   持つことを特徴とするサンドウイツチ状の磁気薄膜構造
   体。 ２ 上記反強磁性材料はガンマ相（面心立方）に於て室
   温度で安定なＭｎガンマ相合金とαＦｅ＿２Ｏ＿３及び
   ＮｉＯを含む反強磁性酸化物とからなる群から選択され
   上記構造体の動作温度よりも高いネール温度を有するこ
   とを特徴とする特許請求の範囲第１項記載の磁気薄膜構
   造体。 ３ 上記Ｍｎガンマ相合金はＦｅ、Ｃｏ、Ｃｕ、Ｇｅ、
   Ｎｉ、Ｐｔ及びＲｈより成る群から選択された元素とＭ
   ｎとの２成分、３成分及びそれより高レベルの合金であ
   ることを特徴とする特許請求の範囲第２項記載の磁気薄
   膜構造体。 ４ 上記第２の層は拡散により形成される反強磁層から
   区別されるような実質的厚さを有する別個の均一な層で
   あることを特徴とする特許請求の範囲第１項記載の磁気
   薄膜構造体。 ５ 上記第２の層は上記単一方向性異方性を与えるため
   上記第１の層に対して磁界が印加されている間に真空付
   着薄膜反強磁性層が付着されることを特徴とする特許請
   求の範囲第１項記載の磁気薄膜構造体。