WO2004086427A1 - 垂直磁気異方性を有するＦｅＰｔ磁性薄膜とその製造方法 - Google Patents

垂直磁気異方性を有するＦｅＰｔ磁性薄膜とその製造方法 Download PDF

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Toshiyuki Shima
Koki Takanashi
Kazuhiro Hono
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Definitions

  • the invention of this application relates to a FePt magnetic thin film having perpendicular magnetic anisotropy and a method for producing the same.
  • the properties required of a magnetic recording medium include a magnetically isolated fine particle structure, the fine particles overcome thermal agitation, and a unidirectional orientation.
  • a magnetically isolated fine particle structure the fine particles overcome thermal agitation, and a unidirectional orientation.
  • magnetic recording becomes unstable due to the presence of a critical grain where thermal disturbance is dominant at room temperature.
  • FePt ordered alloys also have applications as magnets due to their high uniaxial magnetic anisotropy.
  • FePt has better corrosion resistance and oxidation resistance than Nd and Sm based rare earth magnets.
  • an element is added to improve corrosion resistance and oxidation resistance, but the added element deteriorates the magnetic properties.
  • FePt is very advantageous because there is no need for additional elements, and the magnetic properties of FePt itself are reflected in the magnet properties. If such thin-film magnets with excellent corrosion resistance are realized, ultra-compact electromagnetic components, micro-magnets for micromachines, dental attachments, medical treatments that locally apply a magnetic field to nerves, etc. Pumps for drug delivery systems to be administered Application to is expected.
  • the L10 structure is thermodynamically stable at room temperature, but the FePt thin film formed by sputtering is transformed into an ordered structure because it does not pass through the rule-disorder transformation point that exists at high temperatures in the manufacturing process. (To make it regular) For this reason, to obtain an L10 ordered structure, a high-temperature process exceeding 50 (TC is necessary, such as forming a film on a heated substrate or heat-treating an irregular alloy thin film after film formation. Materials currently used for hard disk drives do not have such high temperature resistance, and high-temperature processes are a major obstacle from a practical viewpoint.
  • Non-Patent Document 2 Patent Document 1
  • this low-temperature synthesis has a film thickness dependence, and that the film thickness must be at least 100 nm.
  • Non-Patent Document 1 M. Wat anabe, M. Homia and T. Masumoto, Trans.
  • Non-Patent Document 2 Y.K. Taka ashi, ⁇ . Ohnuia, and K. Hono, Jpn.
  • Patent Document 1 JP-A-2003-99920 DISCLOSURE OF THE INVENTION
  • the invention of this application solves the above-mentioned problems of the prior art, enables a film to be formed at a lower temperature, and furthermore, has a new perpendicular magnetic anisotropy. It is an object of the present invention to provide a new FePt magnetic thin film and a manufacturing method thereof. The invention of this application solves the above-mentioned problems.
  • the atomic composition is represented by the following formula:
  • the invention of the present application provides the above FePt magnetic thin film, which has an L10 structure with a film thickness of less than lOOim.
  • a FePt magnetic thin film characterized by being formed on a single crystal substrate or an oxide underlayer on the surface thereof, and fourth, a transition metal or noble metal as an underlayer. FePt magnetic thin films formed through one or more of these thin layers, and fifthly, FePt magnetic thin films characterized in that the thin layer is a single layer or a multi-layer, Sixth, the thin layer is composed of one or more of Fe, Ag, Ni, Co, and Cr, and one or more of Au, Pt, and Cu. And a FePt magnetic thin film characterized by comprising:
  • the invention of this application relates to a method for producing a FePt magnetic thin film as described above, which comprises a single crystal substrate, a substrate provided with an oxide underlayer, or a transition metal or a noble metal as an underlayer.
  • a method for producing a FePt magnetic thin film is characterized by forming a sputtering film at a temperature of 240 to 500 on a substrate provided with a thin layer of one or more of the above.
  • the following provides a method for producing a FePt magnetic thin film characterized by being formed by sputtering.
  • the invention of this application has been completed based on completely new knowledge obtained as a result of the study by the inventors. That is, in making the FeP t thin Ri by the sputtering method, the composition Fe 5 Q Pt 5. By shifting the (at.%) Stoichiometry toward the Pt-rich side, low-temperature synthesis of ordered FePt alloy thin films that are oriented perpendicular to the film surface and have large crystal magnetic anisotropy is possible.
  • the composition of FePt ordered at low temperature Focusing on the dependence, it is possible to form FePt thin films over a wide composition range at a practical substrate temperature by using the sputtering method.There is no dependency on the thickness of the FePt thin film, and even for ultrathin films of 10 plates or less.
  • FePt with L10 structure can be grown.
  • FIG. 1 is a diagram showing an X-ray diffraction pattern of the FePt thin film of Example 1.
  • FIG. 2 is a diagram showing a magnetization curve in Example 2.
  • Figure 3 is a diagram showing the composition dependence of the a-plane and c-axis plane spacing, c / a (axial ratio), order S, and magnetocrystalline anisotropy constant Ku of the FePt thin film in Example 3. is there.
  • FIG. 4 is a view showing an X-ray diffraction pattern of the Fe 38 Pt 62 thin film in Example 4.
  • FIG. 5 is a diagram showing a magnetization curve of the FePt thin film in Example 5.
  • FIG. 6 is a diagram showing an X-ray diffraction pattern of the Fe 38 Pt 62 thin film in Example 6.
  • FIG. 7 is a diagram showing a magnetization curve of the Fe 38 Pt 62 thin film in Example 7.
  • FIG. 8 is a view showing an X-ray diffraction pattern of the Fe 38 Pt 62 thin film in Example 8.
  • FIG. 9 is a diagram showing an X-ray diffraction pattern in Example 9.
  • FIG. 10 is a diagram showing a magnetization curve in the ninth embodiment.
  • FIG. 11 is a diagram illustrating a relationship between Ku and lattice mismatch in the tenth embodiment.
  • FIG. 12 is a diagram showing the temperature dependence of the magnetization in Example 11;
  • FIG. 13 is a diagram showing the relationship between the Fe concentration and the Curie temperature Tc in Example 11; BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
  • the FePt magnetic thin film in the invention of this application needs a composition region exhibiting high uniaxial magnetic anisotropy. Therefore, it is necessary to alloy set formed of FeP t phase (atomic ratio) Fe x P t 1 0 0 _ s at 19 ⁇ x ⁇ 52. Considering industrial applications to microelectronic components, it is desirable to make the film thickness as thin as possible. According to the invention of this application, unlike the conventional method, a film thickness of 100 dragons is not required.
  • a thin film having an L10 structure can be formed.
  • GaAs (001) such that the recited that B also as a preferred single crystal substrate, various glass substrates such as non-single crystal Even in the case of using such a material, the orientation control becomes easy by disposing an underlayer of an oxide such as MgO or ZnO on the surface of these substrates.
  • the viewpoint of controlling the orientation of the FePt phase and promoting the ordering is also taken into consideration.
  • one of a transition metal or a noble metal as an underlayer is provided on a substrate (preferably a single crystal substrate or a substrate having an oxide underlayer).
  • FePt magnetic thin film The formation of a film is also considered.
  • the thin layer in this case may be a single layer or a multilayer, but the thin layer is a layer composed of one or more of Fe, Ag, Ni, Co, and Cr (this can be referred to as a seed layer). And a layer composed of one or more of Au, Pt, and Cu (which can be referred to as a buffer layer) is considered as a more preferable form.
  • a film thickness of 0.2 to 2 mn is considered, and for a single buffer layer, a film thickness of 5 to 50 nm is considered suitable.
  • the orientation of the FePt thin film can be controlled by setting the composition and film forming conditions.
  • the FePt layer on the MgO (001) single crystal substrate is orientation-controlled without using an underlayer such as a seed layer and a buffer layer.
  • the ordering proceeds in the temperature range of ⁇ 500.
  • the Ar (argon) gas pressure is preferably set in a range of 3 mTorr to 40 mTorr to form the sputtering film.
  • the FePt magnetic thin film of the invention of this application is manufactured by a sputtering method at a lower temperature than in the past, however, in order to realize an ordered phase and a large uniaxial magnetic anisotropy during FePt film formation. Requires a certain substrate temperature. On the other hand, from a practical viewpoint, the process temperature needs to be low. For this purpose, it is necessary to form the film at a substrate temperature in the range of 240 to 500, but the greatest feature of the invention of this application is that low-temperature synthesis at 300 or lower is possible.
  • the characteristics of the FePt thin film of the invention of the present application are utilized, that is, low-temperature synthesis of an ordered FePt alloy thin film having a Curie temperature Tc lower than the Parc value in the Pt-rich side composition region is possible. It can be seen that Tc can be arbitrarily controlled by adjusting the composition.
  • a Fe seed layer and a Pt buffer layer are formed at a room temperature of 40 mn on a MgO (001) single crystal substrate with Ar gas pressure ImTorr at 40 mn room temperature.
  • a sputtering film was formed at an Ar gas pressure of 5 mTorr and a film thickness of 18 nni at 300.
  • Figure 1 shows the X-ray diffraction pattern of the obtained FePt thin film.
  • Fig. 3 shows that, as in Example 1, a Fe seed layer was formed on a MgO (001) single crystal substrate at lnm and a Pt buffer layer was formed at room temperature at 40nm. Fe x Pt 1 Q deposited in.
  • the dependence of the _ x phase on the a-axis and c-axis directions, the ratio of the c-axis to the a-axis cZa, the order S, and the magnetocrystalline anisotropy constant Ku are shown.
  • the spacing between c-planes decreases monotonically, and then keeps a constant value in the range of 38 ⁇ x ⁇ 68.
  • Fig. 4 shows that, as in Example 1, an Fe seed layer was formed on a MgO (001) single crystal substrate at lnm, and a buffer layer of several metals and alloys was formed at room temperature at 40nm.
  • the X-ray diffraction pattern of the Fe 3 8 Pt 6 2 thin film formed with a film thickness of 18 ⁇ as 300 is shown.
  • Au, AuPt, and Pt were selected for the buffer layer. No matter which buffer layer is used, diffraction lines from other planes are not visible, and the (001) and (003) diffraction peaks, which are the superlattice reflection lines of the FePt phase, can be clearly observed. From this, it was clarified that low-temperature synthesis of a FePt ordered alloy thin film having an L10 structure was possible by selecting a buffer layer with a small lattice mismatch with FePt.
  • Fe 3 8 Pt 6 2 thin film easy axis of magnetization has a direction perpendicular to the film surface, the crystal magnetic anisotropy constant which is calculated from the magnetization curve, Fe 5 2 Pt 4 It can be seen that the value is larger than that of the eight thin films.
  • Au which has a lattice misfit with FePt larger than Pt
  • the crystal magnetic anisotropy is greater than when using a Pt buffer layer due to the influence of the strain from the underlayer. You can see that it is doing. This indicates that the anisotropy can be controlled by selecting one buffer.
  • FIG. 6 shows that an Fe shield layer was formed on an MgO (001) single crystal substrate and a Pt buffer layer was formed at a room temperature of 40 l ⁇ room temperature in the same manner as in Example 1.
  • the X-ray diffraction pattern of the Fe 38 Pt 62 thin film formed by changing the film thickness t at 300 is shown.
  • the thickness t of the FePt layer was changed from 9 ⁇ to 54.
  • the (001) and (003) diffraction peaks which are the superlattice reflection lines of the FePt phase, are observed.
  • a FePt ordered alloy thin film having an L10 structure is obtained.
  • the peak intensity due to the L10 ordered structure increases with the increase in film thickness, and it is considered that a FePt thin film with higher order is obtained.
  • FIG. 7 shows that, as in Example 1, a Fe shield layer was formed on a MgO (001) single crystal substrate at lnm and a Pt buffer layer was formed at room temperature of 40 ⁇ .
  • the magnetization curve of the Fe 38 Pt 62 thin film formed by changing the thickness is shown.
  • the thickness t of the FePt layer was changed from 9 to 54nin. Regardless of the thickness of any FePt layer, it was confirmed that the easy axis of magnetization was in the direction perpendicular to the film surface and that it had uniaxial magnetic anisotropy.
  • the crystal magnetic anisotropy is increasing because the saturation of the magnetization in the hard axis direction (in this case, the in-plane direction of the film) becomes worse due to the increase in the film thickness.
  • Fig. 8 shows that, as in Example 1, a Fe shield layer was formed on a MgO (001) single crystal substrate by lmn, and a single Au buffer layer was formed at room temperature of 40 nm.
  • the X-ray diffraction pattern of the Fe 38 Pt 62 thin film formed with a thickness of 18 nm is shown.
  • the (001) and (003) diffraction peaks, which are the superlattice reflection lines of the FePt phase, can be observed from the X-ray diffraction pattern of the Fe 38 Pt 62 thin film at a substrate temperature of 24 (TC). It is clear that the ordering proceeds when the substrate temperature during film formation is 240 or more.
  • FIG. 9 illustrates an X-ray diffraction pattern of this thin film.
  • FexPti In 00 _ x, x 52 (stoichiometric composition)
  • shows that the thin film of chi 38 (non-stoichiometric composition).
  • the solid line shows the magnetization curve measured in the direction perpendicular to the film surface
  • the broken line shows the result measured in the direction in the film surface.
  • a Fe seed layer (1 level), a Pt buffer layer (40 ⁇ ) and an FePt thin film (18 ⁇ ) were formed on a MgO (OOl) substrate by UHV-magnetron sputtering under Ar gas pressure of 5 mTorr and temperature of 300. Filmed. At this time, the following six types of compositions were used, and the degree dependence of the magnetization in each case was evaluated.
  • Figure 12 shows the temperature dependence of the magnetization in a low-temperature synthesized FePt thin film using one Pt buffer.
  • This, in the composition region of the Pt-rich side, the high degree of order and high magnetic anisotropy, and than Parc value FePt ordered alloy thin film having a low have Curie temperatures it can be seen that synthesized at low temperature 0
  • FIG. 13 shows a change in the Curie temperature Tc which is dependent on the Fe concentration X (at.%) Of a low-temperature synthesized FePt thin film using one Pt buffer.
  • the Tc value is consistent with the literature value of the irregular phase (ASM, International, USA, (1995), P-371). I have.
  • At X 52 near the stoichiometric composition, it takes an intermediate value between the Tc of the ordered phase and the Tc of the disordered phase, indicating that the ordering has not progressed sufficiently.
  • the invention of this application provides a FePt thin film having a large uniaxial magnetic anisotropy by a process at a lower temperature in addition to a simple process.
  • a very advantageous technology will be provided compared to the conventional technology.
  • Hard disk drives are particularly important among information storage devices. Yes, there is already a market for large-capacity magnetic recording media, but the contribution of the invention of this application to this market will be very large.

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Abstract

原子組成比が、次式FexPt100-x(19<x<52)で表わされるFePt磁性薄膜とし、より低い温度での成膜が可能とされ、しかも垂直磁気異方性を有する新しいFePt磁性薄膜とその製造方法とする。

Description

明 細 書 垂直磁気異方性を有する FeP t磁性薄膜とその製造方法 技術分野
この出願の発明は、 垂直磁気異方性を有する FeP t 磁性薄膜とその製 造方法に関するものである。 背景技術
近年の高度情報化社会の発展に伴い、 大量の情報を処理 ·記憶するこ とのできる超高密度磁気記録媒体の開発が切望されている。磁気記録媒 体に必要とされる特性には、 磁気的に孤立した微粒子構造であること、 この微粒子が熱擾乱に打ち勝つこと、一方向に配向していることが挙げ られる。 特に、 磁気記録媒体の高密度化には、 強磁性粒子のサイズを低 減化する必要がある。 しかしながら、 強磁性微粒子のサイズを低減させ ると、 室温において熱擾乱が支配的になる臨界粒怪が存在するため、 磁 気記録が不安定になる。 このような観点から、 巨大な一軸結晶磁気異方 性（Ku=7. 0 x l07erg/cc)を有する L 10構造 FeP t規則合金は ナノサイズ の超微細粒子であっても強磁性を維持でき、 このため次世代の超高密度 磁気記録媒体用材料として多くの注目を集めている。
FePt 規則合金はその高い一軸磁気異方性より磁石としての用途もあ る。 FeP tは Ndや Sm系などの希土類磁石と比較して、耐食性および耐酸 化性に優れている。希土類磁石では耐食性や耐酸化性の向上のために元 素を添加するが、 この添加元素により磁気特性が劣化する。 しかし FeP t では添加元素の必要が無く、 FeP tそのものの磁気特性が磁石特性に反映 されるため、 非常に有利である。 このような耐食性に優れた薄膜磁石が 実現されれば、 超小型電磁気部品、 マイクロマシン用超小型磁石、 歯科 用アタッチメント、神経等に局部的に磁界を印加する医科療法や体内へ 微小量の薬品を投与するドラッグデリバリーシステム用のポンプなど への応用が期待される。
だが、 L 10構造は室温において熱力学的に安定であるが、 スパッタ法 により作製した FePt薄膜は、 その作製過程において高温に存在する規 則一不規則変態点を経ていないため規則構造に変態する （規則化する） ことができない。 このため、 L10規則構造を得るためには加熱した基板 上に成膜をおこなう、 または成膜後の不規則合金薄膜を熱処理するなど、 通常 50(TCを超える高温プロセスが必要となる。 しかしながら、 現在ハ 一ドディスク装置に使用されている材料はそのような高温に対する耐 性を有しておらず、高温プロセスは実用的な観点から大きな障害となつ ている。
近年、そのプロセス温度を低減されるための合成法が多く報告されて いるが、 これらの低温合成法は、 第三元素添加による磁気特性の低下、 結晶配向制御、 プロセスの複雑化などの問題が生じる。 また、 これらの 合成法の多くが主に化学量論組成の Fe 5。Pt 5 Q または Fe-r ichの組成 でおこなわれている （非特許文献 1 )。
また最近、 高橋らは 300でに加熱した基板にスパッ夕成膜をおこなう ことにより L 10構造を持つ FeP t薄膜を低温合成することに成功してい るが （非特許文献 2、 特許文献 1 ) その後の研究により、 この低温合 成には膜厚依存性があり、 膜厚が lOOnm以上でなければ規
則化が進みにくいことがわかつてきた。
非特許文献 1 ： M. Wat anabe, M. Homia and T. Masumoto, Trans.
J. Magn. Magn. Mater. 177, 1231 (1998) )。
非特許文献 2 : Y. K. Taka ashi, Μ. Ohnuia, and K. Hono, Jpn.
J. Appl. Phys. 40, L367 (2001)
特許文献 1 ： 特開 2003- 99920号公報 発明の開示
そこでこの出願の発明は、以上のとおりの従来技術の問題点を解消し、 より低い温度での成膜が可能とされ、 しかも垂直磁気異方性を有する新 しい FePt磁性薄膜とその製造方法を提供することを課題としている。 この出願の発明は、 上記の課題を解決するものとして、 第 1には、 原 子組成が、 次式
FexPt 1 0 0 _x
( 19< x <52)
で表わされることを特徴とする' FePt磁性薄膜を提供する。
また、 この出願の発明は、 第 2には、 lOOim未満の膜厚で L 10構造を 有することを特徴とする上記の FePt磁性薄膜を提供する。
第 3には、単結晶基板またはその表面の酸化物下地層の上に成膜され ていることを特徵とする FePt磁性薄膜を、 第 4には、 下地層としての 遷移金属おょぴ貴金属のうちの 1種または 2種以上による薄層を介し て成膜されている FePt磁性薄膜を、 第 5には、 薄層が、 単層または多 層であることを特徴とする FePt磁性薄膜を、 第 6には、 薄層が、 Fe、 Ag、 Ni、 Coおよび Crのうちの 1種または 2種以上からなる層と、 Au、 Pt、 および Cuのうちの 1種または 2種以上からなる層とにより構成さ れていることを特徵とする FePt磁性薄膜を提供する。
そして、 この出願の発明は、 第 7には、 以上の FePt磁性薄膜の製造 方法であって、 単結晶基板、 酸化物下地層を設けた基板、 あるいは下地 層としての遷移金属おょぴ貴金属のうちの 1種または 2種以上による 薄層を設けた基板に、温度 240 〜 500 の範囲でスパッ夕成膜すること を特徴とする FePt磁性薄膜の製造方法を、第 8には、温度 300で以下で スパッタ成膜することを特徴とする FePt磁性薄膜の製造方法を提供す る。
以上のとおりのこの出願の発明は、発明者による検討の結果得られた 全く新しい知見に基づいて完成されている。 すなわち、 スパッタ法によ り FeP t薄膜を作製する際に、 組成を Fe 5 Q Pt 5。 （at . % ) の化学量論組 成から Pt-rich側にずらすことにより、 膜面垂直方向に配向し、 かつ結 晶磁気異方性が大きい FePt規則合金薄膜の低温合成を可能としている。 すなわち、 この出願の発明では、 低温における FePt の規則化の組成 依存性に着目し、 スパッタ法を用いて実用的な基板温度において広範囲 な組成領域の FePt薄膜の成膜を可能とし、 FePt薄膜の膜厚依存性がな く、 10皿以下の超薄膜においても L10構造の FePtを成腠可能としてい る。 さらに基板とェピタキシャル成長させることにより、 膜面垂直方向 に一軸磁気異方性を有する L10構造 FePt薄膜を創製することにより成 功している。従来の低温製造法と比して、 FePt相の組成を変化させるだ けの簡便な手法により、 配向制御された L10構造 FePt規則合金薄膜が 低温で作製できることが大きな違いである。 また、 この簡便な手法によ り非常に大きな結晶磁気異方性を実現している。 図面の簡単な説明
図 1は、実施例 1の FePt薄膜の X線回折パターンを示した図である。 図 2は、 実施例 2における磁化曲線を示した図である。
図 3は、 実施例 3における FePt 薄膜の a軸と c軸方向の面間隔、 c/a (軸比）、 規則度 S、 および結晶磁気異方性定数 Kuの組成依存度 を示した図である。
図 4は、 実施例 4における Fe38Pt62薄膜の X線回折パターンを示し た図である。
図 5は、 実施例 5における FePt薄膜の磁化曲線を示した図である。 図 6は、 実施例 6における Fe38Pt62薄膜の X線回折パターンを示し た図である。
図 7は、 実施例 7における Fe38Pt62薄膜の磁化曲線を示した図であ る。
図 8は、 実施例 8における Fe38Pt62薄膜の X線回折パターンを示し た図である。
図 9は、 実施例 9における X線回折パターンを示した図である。 図 1 0は、 実施例 9における磁化曲線を示した図である。
図 1 1は、 実施例 1 0における Ku と格子不整合との関係を示した図 である。 図 1 2は、 実施例 1 1における磁化の温度依存性を示した図である。 図 1 3は、実施例 1 1における Fe濃度とキュリー温度 Tcとの関係を 示した図である。 発明を実施するための最良の形態
この出願の発明は上記のとおりの特徴をもつものであるが、以下にそ の実施の形態について説明する。
まず、 この出願の発明における FeP t磁性薄膜については、 高い一軸 磁気異方性をしめす組成領域が必要である。そのため、 FeP t相の合金組 成 （原子比） を FexP t 1 0 0 _sで 19< x < 52とすることが必要である。 また、 超小型電子部品などへの工業的な応用を考慮すると、 膜厚をで きるだけ薄くすることが望ましい。 この出願の発明によれば、 従来法と 異なり、 100龍の膜厚を必要とせず
、 2 nmから lOOninの範囲で L 10構造の薄膜を成膜することができる。 基板上に成膜される FeP t 薄膜に磁気異方性を付与するためには、 結 晶方向を制御することが必要とされるが、 これは単結晶基板を還択する ことで容易に可能となる。磁化容易軸を垂直に配向させるには MgO (001) のほかに NaC l (OO D . GaAs (001)などが好適な単結晶基板として挙げられ る B また、 単結晶以外のガラス基板等の各種のものを用いた場合におい ても、 MgOまたは ZnO等の酸化物の下地層をこれら基板の表面に配設す ることにより配向制御が容易となる。
この出願の発明においては、 FeP t薄膜の成膜に際しては、 基板、 そし てその表面上に配設される酸化物やその他の物質からなる下地層の選 択が重要となる。
規則相が得られる FeP t相に対する基板や下地層の選択については、 FePt相の配向制御および規則化の促進の観点も考慮される。この出願の 発明においては、 このような観点から、 基板 （好適には単結晶基板また は酸化物下地層を有する基板） の上に、 下地層としての、 遷移金属また は貴金属のうちの 1種または 2種以上による薄層を介して FePt磁性薄 膜を成膜することも考慮される。
この場合の薄層は単層または多層でよいが、 薄層が、 Fe、 Ag、 Ni、 Co および Cr のうちの 1種または 2種以上からなる層 （これをシード層と 呼ぶことができる） と、 Au、 P t、 および Cu のうちの 1種または 2種以 上からなる層 （バッファ一層と呼ぶことができる） とにより構成されて いることがより好適な形態として考慮される。シード層については、 0. 2 から 2 mnの膜厚が、 また、 バッファ一層については、 5〜50οιの膜厚 が好適なものとして考慮される。
これらの遷移金属の貴金属の下地層については、 FeP t層との格子不整 合の大きな下地層を選択することで、 Pt リツチ側組成領域において、 よ り高い規則度および大きな垂直磁気異方性が得られることが考慮され る。 また、 選択する下地層により異方性の制御が可能である。
もちろん、 以上のような下地層の配設は必ずしも必要ではない。 FePt 相の規則化の観点から、組成や成膜条件を設定することで、 FeP t薄膜の 配向制御が可能とされる。 たとえば、 後述の実施例にも示したように、 シード層やバッファ一層という下地層を用いなくとも MgO (001)単結晶 基板上の FeP t層は配向制御され、 P t リツチ側組成領域において 240で 〜500 の温度範囲で規則化が進行する。 この際の配向制御のために、 たとえば好適には Ar (アルゴン） ガス圧を 3 mTorr〜40mTorrの範囲 としてスパッ夕成膜することが考慮される。
この出願の発明の FeP t磁性薄膜は、 従来に比べてより低い温度での スパッタ法により製造されるが、 FeP t成膜時において、規則相および大 きな一軸磁気異方性を実現するためにはある程度の基板温度が必要と なる。一方、実用的な観点からはプロセス温度は低温である必要がある。 そのためには基板温度を 240でから 500 の範囲として成膜する必要が あるが、 300で以下での低温合成が可能なことがこの出願の発明の最大 の特徵である。
また、 高保磁力を有する材料を記録媒体に応用した場合、 情報の書き 込み （磁化の反転） に対して高磁場が必要となる。 そこで、 熱アシスト 型磁気記録方式が提案されている。記録媒体をレーザー光などで局所的 に加熱することにより、 キユリ"温度付近まで磁性体の温度を上昇させ、 部分的に磁化 （情報） を消失させる。 このときに外部から磁場を印加し ておくことにより、 冷却後にその磁場の向きに磁化することができる。 このような情報記録方式の動向を考慮すると、 キュリー温度を制御する ことは、 熱アシスト方式の磁気記録などへの応用に際して重要となる。 そこで、 この出願の発明の FePt 薄膜の特徴が生かされることになる。 すなわち、 Pt リツチ側組成領域において、パルク値よりも低いキュリー 温度 Tcを有する FePt規則合金薄膜の低温合成が可能とされることであ る。 また組成を調整することにより、 任意に Tc を制御することができ るしとでめる。
そこで以下に実施例を示し、 さらに詳しく説明する。 もちろん、 以下 の例によって発明が限定されることはない。 実施例
<実施例 1>
到達真空度 1X10- 9Torr以下の UHV対応マグネトロンスパッタリング 装置を用い MgO (001)単結晶基板上に Arガス圧 ImTorrで Feシード層 を 1皿、 Ptバッファ一層を 40mn室温で成膜し、 その後基板温度 300 として Arガス圧 5mTorrで 18nniの膜厚でスパッ夕成膜した。 図 1は、 得られた FePt薄膜の X線回折パターンを示したものである。 FexPt100 一 X相は、 X = 68(a), 62 (b)， 52(c) , 45(d), 38(e) , 34(f)， 30(g) , 19(h) の組成となっている。 (00η)の回折ピークのみを観測できることから、 MgO (001)基板上に FePt 層が MgO (001)〃FePt (001)の方位関係を持って 成長していることがわかる。すべての組成の FePt薄膜において FePt相 の基本反射線である（002)および（004)回折ピークと、 バッファ一層の Pt (002)と（004)回折ピークが観測される。 x<45の FePt薄膜において、 FePt の超格子反射線である（001)および（003)回折ピークを観測するこ とができ、 L10構造の FePt規則合金が得られていることが確認される。 x=38の FePt薄膜において超格子反射線の積分強度が最も大きくなり、 規則化が最も進行していることがわかる。 化学量論組成である Fe^Pt 50薄膜では超格子反射線が観測されず、 化学量論組成の FePt薄膜にお いては 300でという基板温度は規則化をするには低い温度であることが わかる。 しかしながら FePt薄膜の組成を Pt-rich側にずらすことで規 則化が進行し、 300での基板温度においても L10規則構造が得られてい ることがわかる。 低温では、 ί9<χ<52の組成領域で FePtの規則化が 進行することが明らかとなった。
ぐ実施例 2 >
実施例 1と同様にして、 MgO (001)単結晶基板上に Feシード層を 1皿、 Ptバッファー層を 40皿室温で成膜し、その後基板温度 300 として FePt 層を 1811111の膜厚で成膜した。 図 2には、 試料の膜面内方向および膜面 垂直方向に測定した磁化曲線を示したものである。 FexPt1 ()。_x相は、 X =52 (a) , 45(b), 38(c), 34 (d) , 30 (e) , 19 ）の組成となっている。 χ =52の FePt薄膜は膜面内方向が磁化容易軸となっているが、 Xを減少 させるにつれて磁化容易軸が膜面垂直方向に変化していることがわか る。 x=38の FePt薄膜の膜面内方向と膜面垂直方向の磁化曲線によつ て囲まれた領域から算出した結晶磁気異方性定数 Kuは 1.8Xl07erg/cc と非常に大きな値であった。 19<x<52の組成領域において、膜面垂直 方向に一軸磁気異方性を有する FePt 薄膜が合成可能であることを明ら かにした。
ぐ実施例 3 > .
図 3には、 実施例 1と同様にして、 MgO (001)単結晶基板上に Fe シー ド層を lnm、 Pt バッファ一層を 40nm 室温で成膜し、 その後基板温度 300でとして 18mnの膜厚で成膜した FexPt1 Q。_x相の a軸と c軸方向の面 間隔、 その c軸と a軸の軸比 cZa、 規則度 S、 および結晶磁気異方性 定数 Kuの組成依存性を示した。 Xを 38まで増加させることで、 c面の 面間隔は単調に減少し、 その後 38≤x≤68 の範囲では一定の値を保つ ている。 一方、 a面の面間隔は 38≤xの範囲で一定値をとつており、 X ≥38においては減少している。 c Z aからは結晶格子の歪の程度を評価 することができる。 c / aの値は X = 38 において極小値である 0. 955 を示し、 そのときに S、 Ku共に極大値をとっていることがわかる。
ぐ実施例 4 >
図 4には、 実施例 1と同様にして、 MgO (001)単結晶基板上に Fe シー ド層を l nm、 数種の金属 ·合金のバッファ一層を 40nm室温で成膜し、 その後基板温度 300 として 18ηπιの膜厚で成膜した Fe 3 8 Pt 6 2薄膜の X 線回折パターンを示した。 バッファ一層は Au、 AuPt、 および Ptを選択 した。 いずれのバッファ一層を用いても、 他の面からの回折線は見えず FePt 相の超格子反射線である（001)および（003)回折ピークを明瞭に観 測することができる。 このことより、 FePtとの格子ミスフィッ卜の小さ なバッファ一層を選択することで、 L10構造を有する FePt規則合金薄膜 の低温合成が可能であることを明らかにした。
<実施例 5 >
図 5には、 実施例 1と同様にして、 MgO (001)単結晶基板上に Fe シー ド層を l nm、バッファ一層を 40胆室温で成膜し、その後基板温度 300 として 18ηπιの膜厚で成膜した FePt薄膜の磁化曲線を示した。バッファ —層は Au、 AuPt、 および Ptを選択した。
Figure imgf000011_0001
0。― xの組成は X = 38ま たは 52とした。 いずれのバッファ一層を用いた場合において、 Fe 3 8Pt 6 2薄膜の磁化容易軸が膜面垂直方向となっており、磁化曲線から算出さ れる結晶磁気異方性定数は、 Fe 5 2 Pt 4 8薄膜のそれよりも大きな値とな つていることがわかる。 また、 FePt との格子ミスフィットが Ptよりも 大きい Au をバッファ一層として選択した場合、 下地層からの歪の影響 により、 Pt のバッファ一層を用いた場合よりも きな結晶磁気異方性を 有していることがわかる。 このことから、 バッファ一層の選択により異 方性を制御することが可能であることがわかる。
<実施例 6 >
図 6には、 実施例 1と同様にして、 MgO (001)単結晶基板上に Fe シ一 ド層を l mii、 Pt バッファ一層を 40ιιπι 室温で成膜し、 その後基板温度 300でとして膜厚 tを変化させて成膜した Fe38Pt62薄膜の X線回折パ ターンを示した。 FePt層の膜厚 tは 9ηπιから 54践と変化させた。 いず れの膜厚においても、 FePt 相の超格子反射線である（001)および（003) 回折ピークが観測されることから、 L10構造を有する FePt規則合金薄膜 が得られている。 また膜厚の増加により L10規則構造に起因するピーク 強度が増加していることから、 より規則度の高い FePt 薄膜が得られて いると考えられる。
ぐ実施例 7 >
図 7には、 実施例 1と同様にして、 MgO (001)単結晶基板上に Fe シ一 ド層を lnm、 Pt バッファ一層を 40ηπι 室温で成膜し、 その後基板温度 300でとして膜厚 tを変化させて成膜した Fe38Pt62薄膜の磁化曲線を 示す。 FePt 層の膜厚 tは 9 から 54ninと変化させた。 いずれの FePt 層の膜厚においても、磁化容易軸が膜面垂直方向となっており一軸磁気 異方性を持っていることが確認される。 また膜厚の増加により困難軸方 向 （この場合、 膜面内方向） の磁化の飽和性が悪くなつていることから 結晶磁気異方性が増加していると考えられる。
<実施例 8>
図 8には、 実施例 1と同様にして、 MgO (001)単結晶基板上に Fe シ一 ド層を lmn、 Au バッファ一層を 40nm室温で成膜し、 その後基板温度 240でと 300でとして 18nmの膜厚で成膜した Fe38Pt62薄膜の X線回折 パターンを示した。 基板温度 24(TCの Fe38Pt62薄膜の X線回折パター ンから、 FePt相の超格子反射線である（001)および（003)回折ピークを観 測することができる。 このことから、 成膜時の基板温度が 240 以上の 条件において規則化が進行することが明らかとなった。
ぐ実施例 9 >
MgO (001)単結晶基板に対し、 Arガス圧 5mTorr、 温度 300での条件下 に UHVマグネト
ロンスパッタリングにより、 FePt薄膜を 18mn厚みで直接に成膜した。 図 9は、 この薄膜の X線回折パターンを例示したものである。 FexPti 00_xにおいて、 x=52 (化学量論組成）、 χ=38 (非化学量論組成） の 薄膜のものを示している。
MgO (001)基板上に成膜した FePt薄膜の結果から、 FePt (00η)回折ピー クのみ観測される
ことから、 試料薄膜が（001)配向していることが確認される。 化学量論 組成付近の Fe52Pt48薄膜では、 明瞭な FePt (001)および（003)超格子反 射線を観測することができず、 規則化が進行していない。 しかしながら Pt リッチ側の組成領域である Fe38Pt62薄膜においては、 明瞭な超格子 反射線を観測することができ、 L10規則構造が形成されていることが確 認される。
また図 10 は、 実線が膜面垂直方向に測定した磁化曲線、 破線が膜面 面内方向に測定した結果を示した図である。 Fe52Pt48薄膜では、 膜面 垂直方向への垂直磁気異方性を有していないが、 Pt リツチ側の組成であ る Fe3 SPt62薄膜では、 Ku=2.7Xl07erg/ccという大きな垂直磁気異方 性を有している。
たとえば以上の結果から、 シード層およぴパッファー層を用いなくと も、 MgO (001)単結晶基板上に FePt層の配向制御を行うことにより、 FexPt 100-x(in at. %) で 19< 2c<52の Pt リッチ側組成領域において、 240 〜500 の温度範囲で規則化が進行することがわかる また、 このとき 配向制御を行うために、 成膜中の Ar ガス圧は SmTorr から 40mTorr とすることが好ましいことも確認されている。
ぐ実施例 10>
実施例 1と同様にして、各種の下地層を有する FePt薄膜を作成した。 これら薄膜について、 格子不整合の影響について検討した。 図 11 はそ の結果を示したものであって、 Pt リツチ側の組成領域である Fe38Pt62 薄膜では、 格子不整合の大きな下地層を用いることにより、 より大きな 一軸磁気異方性エネルギーが得られること、 一方、 化学量論組成付近の Fe52Pt48薄膜では、 垂直磁気異方性を得るための最適な下地層との格 子不整合が存在することがわかる。 ぐ実施例 11>
MgO(OOl)基板に， UHV—マグネトロンスパッ夕により、 Arガス圧 5 mTorr、 温度 300での条件下に、 Feシード層 （1賤）、 Ptバッファ一層 (40η ) および FePt薄膜 （18ηπι) を成膜した。 この際の組成は、 次の 6種類とし、 各々の場合の磁化の 度依存性を評価した。
F exP t 100_x: x=30, 34， 38, 45, 52, 62
図 12は、 この Ptバッファ一層を用いた低温合成 FePt薄膜における 磁化の温度依存性を示したものである。高い規則度および大きなー軸磁 気異方性を有していた Fe38Pt62薄膜の Tcは 320 である。 これは、 化 学量論組成のパルク試料において報告されている Tc = 480で (Phys.Z., 36 (1935) 544)よりも低い値である。 これより、 Pt リッチ側の 組成領域において、 高規則度 ·高磁気異方性、 およびパルク値よりも低 いキュリー温度を有する FePt 規則合金薄膜が低温で合成できることが わかる 0
また、 図 13は、 Ptバッファ一層を用いた低温合成 FePt薄膜の Fe濃 度 X (at. %) に俊存したキュリー温度 Tcの変化を示したものである。 X線回折パターンより不規則構造であると考えられる X =62 の試料で は、 Tc の値が不規則相の文献値（ASM, International, USA, (1995), P-371)と一致している。化学量論組成付近である X = 52では、規則相の Tcと不規則相の Tcの中間値をとつており、 十分に規則化が進行してい ないことがわかる。 x=38 において、 規則相の文献値とほぼ一致する Tcの値が得られている。 産業上の利用可能性
以上詳しく説明したとおり、 この出願の発明によって、 簡便なプロセ スであることに加え、 より低温でのプロセスによって、 大きな一軸磁気 異方性を有する FePt薄膜が提供される。 磁気記録媒体としての薄膜に ついて、 従来に比べて大変に有利な技術が提供されることになる。
情報ストレージデバイスの中でもハードディスク装置は特に重要で あり、 大容量磁気記録媒体を期待する市場が既に存在しているが、 この 市場に対するこの出願の発明の寄与は大変に大きなものとなる。

Claims

請求の範囲
1 . 原子組成が、 次式
FexPt 1 0 0 -x
( 19< x <52)
で表わされることを特徴とする FePt磁性薄膜。
2 . lOOnm未満の膜厚で L10構造を有することを特徴とする請求項 1 の FePt磁性薄膜。
3 . 単結晶基板またはその表面の酸化物下地層の上に成膜されている ことを特徴とする請求項 1または 2の FePt磁性薄膜。
4 . 下地層としての遷移金属および貴金属のうちの 1種または 2種以 上による薄層を介して成膜されている請求項 3の FePt磁性薄膜。
5 . 薄層が、単層または多層であることを特徴とする請求項 4の FePt 磁性薄膜。
6 . 薄層が、 Fe、 Ag、 Ni、 Coおよび Crのうちの 1種または 2種以上 からなる層と、 Au、 Pt、 および Cu のうちの 1種または 2種以上からな る層とにより構成されていることを特徵とする請求項 5の FePt磁性薄 膜
7 . 請求項 1ないし 6のいずれかの FePt磁性薄膜の製造方法であつ て、 単結晶基板、 酸化物下地層を設けた基板、 あるいは下地層としての 遷移金属および貴金属のうちの 1種または 2種以上による薄層を設け た基板に、温度 240 ：〜 500での範囲でスパッ夕成膜することを特徴とす る FePt磁性薄膜の製造方法。
8 . 温度 300で以下でスパッ夕成膜することを特徴とする請求項 7の FePt磁性薄膜の製造方法。
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