JP2001237473A - Composite magnetic thin film - Google Patents
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Abstract
Description
【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
【0001】[0001]
【発明の属する技術分野】本発明は外部磁界により、抵
抗が変化する磁気抵抗効果薄膜や、寸法が変化する磁歪
膜等の磁性薄膜に関するものであり、本発明の構成を採
択することにより高感度な磁界センサや低磁界動作のア
クチュエータ等を実現することが可能となる。BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a magnetic thin film such as a magnetoresistive thin film whose resistance changes due to an external magnetic field and a magnetostrictive film whose size changes, and which has high sensitivity by adopting the structure of the present invention. It is possible to realize a simple magnetic field sensor, a low magnetic field operation actuator, and the like.
【0002】[0002]
【従来の技術】グラニュラー系合金磁性膜は、磁界セン
サに用いられる巨大磁気抵抗効果膜(GMR膜)の中で
も、単層膜で使用することができる。そのためグラニュ
ラー系合金磁性膜は、他のGMR膜と比べて形成方法が
極めて簡便である。2. Description of the Related Art A granular alloy magnetic film can be used as a single layer film among giant magnetoresistance effect films (GMR films) used for a magnetic field sensor. Therefore, the method of forming the granular alloy magnetic film is extremely simple as compared with other GMR films.
【0003】このようなグラニュラー系合金磁性膜につ
いて、特開平8−316548号公報や、特開平10−
308320号公報等に開示のごとく磁性金属微粒子が
非磁性絶縁体マトリックス中に分散された薄膜では、電
気伝導は磁性金属粒子間の伝導電子のトンネル効果によ
って生じており、多数のトンネル接合が多くつながった
多重構造を形成している。例えば、CoAlO膜では、
粒径2〜3nmのCoが分散し、Co粒子間のAl酸化
物の厚さは約1nmであることが知られている。このよ
うなグラニュラー膜は8%程度の磁気抵抗変化(MR
比)を示す。しかしながら、抵抗が変化するのに必要な
磁界は1MA/m程度と非常に大きく、磁場感度として
は低いものであった。[0003] Such a granular alloy magnetic film is disclosed in Japanese Patent Application Laid-Open No. 8-316548 and Japanese Patent Application Laid-Open
In a thin film in which magnetic metal fine particles are dispersed in a nonmagnetic insulator matrix as disclosed in Japanese Patent No. 308320 or the like, electric conduction is generated by a tunnel effect of conduction electrons between the magnetic metal particles, and many tunnel junctions are connected. Multiplex structure. For example, in a CoAlO film,
It is known that Co having a particle size of 2 to 3 nm is dispersed, and the thickness of the Al oxide between Co particles is about 1 nm. Such a granular film has a magnetoresistance change (MR) of about 8%.
Ratio). However, the magnetic field required to change the resistance was as large as about 1 MA / m, and the magnetic field sensitivity was low.
【0004】このようなGMR膜の磁場感度を高める方
法として、特開平11−274599号公報や、「まて
りあ」第37巻、第9号745ページにおいては三谷ら
が、フォトリソグラフィ技術を用いる方法を開示してい
る。すなわち、図5に示されるように、基体110上に
膜厚(数μm)と同程度の空隙G1(ギャップG1)を
有する軟磁性膜構造120を形成し、その上にグラニュ
ラー膜130を形成している。この複合構造は、軟磁性
体膜120のギャップG1の中にグラニュラー膜130
がおかれていることからGranular-In-Gap (GIG)と呼ば
れている。当該「まてりあ」文献において、NiFe軟
磁性膜ギャップ内に形成されたCoYOグラニュラー膜
は0.2kA/mの外部磁界で飽和しており、磁界感度
はCoYO単層膜の200倍にまで改善されたことが報
告されている。As a method for increasing the magnetic field sensitivity of such a GMR film, Mitani et al. Use a photolithography technique in JP-A-11-274599 and in "Materia", Vol. 37, No. 9, page 745. A method is disclosed. That is, as shown in FIG. 5, a soft magnetic film structure 120 having a gap G1 (gap G1) substantially equal to the film thickness (several μm) is formed on a base 110, and a granular film 130 is formed thereon. ing. This composite structure includes the granular film 130 in the gap G1 of the soft magnetic film 120.
Is called Granular-In-Gap (GIG). In the "Materia" document, the CoYO granular film formed in the NiFe soft magnetic film gap is saturated by an external magnetic field of 0.2 kA / m, and the magnetic field sensitivity is improved to 200 times that of the CoYO single layer film. Has been reported.
【0005】一方、第21回日本応用磁気学会学術講演
概要集、307ページ(1997年)、電気学会マグネ
ティクス研究会資料、MAG−96−84、61ページ
(1996年)には、斜めスパッタ法により形成された
磁性膜は、面内に方向性をもつ繊維状組織が形成される
こと、さらにそのような微細構造により成膜された磁性
膜の電気抵抗や異方性、および磁気抵抗効果特性が変化
することが、本願発明者を含む研究者らにより報告され
ている。On the other hand, the 21st Annual Meeting of the Japan Society of Applied Magnetics, 307 (1997), IEICE Magnetics Research Group, MAG-96-84, page 61 (1996), describes the oblique sputtering method. The magnetic film formed by the method has a directional fibrous structure in the plane, and the electrical resistance and anisotropy of the magnetic film formed by such a fine structure, and the magnetoresistance effect characteristics Have been reported by researchers including the present inventors.
【0006】また、外部磁界により大きな寸法変化を示
す磁歪材料として、希土類―遷移金属合金が知られてい
る。当該希土類―遷移金属合金は、例えば特開昭63−
308980号や、特開平4−99006号公報に述べ
られているように、動作磁界が大きい。すなわち異方性
磁界が大きいことが大きな課題であった。このような課
題を解決するために特開昭63−308980号公報に
は、軟磁性膜膜との積層構造とすることにより低磁界動
作を実現させることができる旨の提案がなされている。
しかしながら、その改善は僅かなものといえる。また、
特開平4−99006号公報には、高磁界で大きな磁歪
を示す材料よりも、低磁界で比較的大きな磁歪を示す材
料を選択することが提案されている。[0006] A rare earth-transition metal alloy is known as a magnetostrictive material which shows a large dimensional change due to an external magnetic field. The rare earth-transition metal alloy is disclosed in, for example,
As described in Japanese Patent Application Laid-Open No. 308980 and Japanese Patent Application Laid-Open No. 4-99006, the operating magnetic field is large. That is, a large problem is that the anisotropic magnetic field is large. In order to solve such a problem, Japanese Patent Application Laid-Open No. 63-308980 proposes that a low magnetic field operation can be realized by using a laminated structure with a soft magnetic film.
However, the improvement is marginal. Also,
Japanese Patent Application Laid-Open No. Hei 4-99006 proposes to select a material exhibiting relatively large magnetostriction in a low magnetic field, rather than a material exhibiting large magnetostriction in a high magnetic field.
【0007】これらの磁歪膜は、その寸法変化により発
生する力が強く、小型化が容易なことから、超小型の機
械、マイクロマシンの動力源等としての期待が大きい。[0007] These magnetostrictive films have a strong force generated due to dimensional changes and are easy to miniaturize, and thus are expected to be used as power sources for ultra-compact machines and micromachines.
【0008】[0008]
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、前述
の、フォトリソグラフィ技術を用いるGIG構造は、そ
の作製のために微細加工を要する。そのために、簡便に
作製出来るというグラニュラーGMR膜本来の大きな利
点が半減してしまっていた。また、ギャップの大きさも
数ミクロンオーダーと大きい。However, the above-mentioned GIG structure using the photolithography technique requires fine processing for its fabrication. Therefore, the original great advantage of the granular GMR film that it can be easily manufactured has been reduced by half. Also, the size of the gap is as large as several microns.
【0009】さらに、斜めスパッタ法による繊維状組織
を有するグラニュラーGMRは、その構造に起因する異
方性制御効果により、磁界感度を高めることが可能であ
ることは知られていたが、その改善効果は僅かであっ
た。Further, it has been known that the granular GMR having a fibrous structure obtained by the oblique sputtering method can increase the magnetic field sensitivity by the effect of controlling the anisotropy caused by its structure. Was slight.
【0010】また、一般的に、大きな磁歪を示す磁性材
料は、大きな磁界を印加しなくては、その特性が発現し
ないという問題があることは既に述べた通りである。Also, as described above, a magnetic material exhibiting a large magnetostriction generally has a problem that its characteristics are not exhibited unless a large magnetic field is applied.
【0011】このような実状のもとに本発明は創案され
たものであり、その目的はフォトリソグラフィ等の手法
を用いることなく、高感度の各種機能性の複合磁性薄膜
を提供することにある。The present invention has been made under such circumstances, and an object of the present invention is to provide a highly sensitive composite magnetic thin film having various functions without using a method such as photolithography. .
【0012】[0012]
【課題を解決するための手段】このような課題を解決す
るために、本発明は、基板上に成膜された下地磁性体膜
と、当該下地磁性体膜の上に形成された上層磁性体膜を
有する複合磁性薄膜であって、前記上層磁性体膜は、そ
の飽和磁界強度が下地磁性体膜の飽和磁界強度の10倍
以上であり、前記下地磁性体膜は、薄膜の面内で方向性
を有する凹凸構造を有してなるように構成される。In order to solve the above problems, the present invention provides an underlayer magnetic film formed on a substrate, and an overlayer magnetic film formed on the underlayer magnetic film. A composite magnetic thin film having a film, wherein the upper magnetic film has a saturation magnetic field strength of at least 10 times the saturation magnetic field strength of the underlying magnetic film, and the underlying magnetic film is oriented in the plane of the thin film. It is configured to have a concave-convex structure having a property.
【0013】また、前記下地磁性体膜の表面抵抗率は、
面内で方向依存性を有し、最大表面抵抗率を(ρma
x)、最小表面抵抗率を(ρmin)とするとき、(ρma
x)を示す方向と(ρmin)を示す方向がほぼ直交してい
るように構成される。The surface resistivity of the underlayer magnetic film is
It has direction dependence in the plane, and the maximum surface resistivity is (ρma
x), when the minimum surface resistivity is (ρmin), (ρma
It is configured such that the direction indicating (x) and the direction indicating (ρmin) are substantially orthogonal.
【0014】また、前記(ρmax)/(ρmin)の比は
1.10以上となるように構成される。The ratio (ρmax) / (ρmin) is configured to be 1.10.
【0015】また、前記(ρmax)の値は50Ω/□以
上となるように構成される。The value of (ρmax) is set to be 50 Ω / □ or more.
【0016】また、前記上層磁性体膜は、その比抵抗が
前記下地磁性体膜の比抵抗の100倍以上であり、かつ
巨大磁気抵抗効果(GMR効果)を示してなるように構
成される。Further, the upper magnetic film is configured so that its specific resistance is at least 100 times the specific resistance of the underlying magnetic film and exhibits a giant magnetoresistance effect (GMR effect).
【0017】また、前記上層磁性体膜は、磁気抵抗効果
膜として構成される。The upper magnetic film is formed as a magnetoresistive film.
【0018】また、前記上層磁性体膜は、絶対値(1×
10―5)以上の飽和磁歪を示す磁性膜(磁歪膜)とし
て構成される。The upper magnetic film has an absolute value (1 ×
10-5 ) The magnetic film (magnetostrictive film) exhibiting the above-mentioned saturation magnetostriction.
【0019】また、前記凹凸構造を備える下地磁性体膜
は、当該下地磁性体膜を構成する堆積粒子が基板面に対
して入射角度50〜80度の範囲内で入射できるような
状態で真空成膜された磁性膜として構成される。The underlying magnetic film having the uneven structure is vacuum-formed in such a state that the deposited particles constituting the underlying magnetic film can be incident on the substrate surface at an incident angle of 50 to 80 degrees. It is configured as a coated magnetic film.
【0020】また、前記凹凸構造を備える下地磁性体膜
は、当該下地磁性体膜を構成する堆積粒子が基板面に対
して入射角度50〜80度の範囲内で入射できるような
状態で真空成膜された後、その表面がエッチング処理さ
れ、凹部に位置する下地磁性体膜が少なくとも部分的に
除去されてなるように構成される。The underlying magnetic film having the uneven structure is formed under vacuum in such a state that the deposited particles constituting the underlying magnetic film can be incident on the substrate surface at an incident angle of 50 to 80 degrees. After the film is formed, the surface thereof is subjected to an etching treatment, and the underlying magnetic film located in the concave portion is at least partially removed.
【0021】また、本発明は、基板上に成膜された下地
磁性体膜と、当該下地磁性体膜の上に形成された上層磁
性体膜を有する複合磁性薄膜であって、前記下地磁性体
膜は、当該下地磁性体膜を構成する堆積粒子が基板面に
対して入射角度50〜80度の範囲内で入射できるよう
な状態で真空成膜された磁性膜であり、前記上層磁性体
膜は、その飽和磁界強度が下地磁性体膜の飽和磁界強度
の10倍以上であるように構成される。The present invention also relates to a composite magnetic thin film having a base magnetic film formed on a substrate and an upper magnetic film formed on the base magnetic film. The film is a magnetic film formed in a vacuum so that the deposited particles constituting the base magnetic film can be incident on the substrate surface within an incident angle range of 50 to 80 degrees, and the upper magnetic film is Are configured such that the saturation magnetic field strength is at least 10 times the saturation magnetic field strength of the underlying magnetic film.
【0022】上記の本発明を用いることにより、極めて
小さいなナノオーダーのギャップに外部磁界が集中する
ために、磁界感度の高い磁性薄膜が得られる。ギャップ
形成方法も極めて簡便である。By using the above-mentioned present invention, a magnetic thin film having high magnetic field sensitivity can be obtained because an external magnetic field is concentrated on an extremely small nano-order gap. The gap forming method is also very simple.
【0023】[0023]
【発明の実施の形態】以下、本発明の具体的実施の形態
について詳細に説明する。DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS Hereinafter, specific embodiments of the present invention will be described in detail.
【0024】図1には、本発明の複合磁性薄膜1の第1
の実施の形態が示される。図2には、本発明の複合磁性
薄膜2の第2の実施の形態が示される。図2に示される
第2の実施の形態は、図1に示される第1の実施の形態
よりも好適な態様であるが、本発明を理解するに際して
は膜厚の概念が図1の方が分かり易いので、図1を中心
に説明を行う。FIG. 1 shows the first composite magnetic thin film 1 of the present invention.
Is shown. FIG. 2 shows a second embodiment of the composite magnetic thin film 2 of the present invention. The second embodiment shown in FIG. 2 is a more preferable embodiment than the first embodiment shown in FIG. 1. However, in understanding the present invention, the concept of the film thickness in FIG. Since it is easy to understand, description will be made mainly on FIG.
【0025】図1に示されるように、本発明の複合磁性
薄膜1は、基板10の上に成膜された下地磁性体膜20
と、当該下地磁性体膜20の上に形成された上層磁性体
膜30を有する複合磁性薄膜である。As shown in FIG. 1, a composite magnetic thin film 1 of the present invention comprises a base magnetic film 20 formed on a substrate 10.
And a composite magnetic thin film having an upper magnetic film 30 formed on the underlying magnetic film 20.
【0026】以下、下地磁性体膜20の構成および成膜
方法、ならびに上層磁性体膜30の構成、ならびにこれ
らの膜の積層構造等について、順次説明する。Hereinafter, the structure and method of forming the underlying magnetic film 20, the structure of the upper magnetic film 30, the laminated structure of these films, and the like will be sequentially described.
【0027】下地磁性体膜20の構成 図1に示されるように、下地磁性体膜20は、薄膜の面
内で方向性を有する凹凸構造を備えている。すなわち、
図1における(α)−(α)方向(紙面の左右方向)に
向けて、凹部21と凸部22を交互に繰り返す凹凸構造
(方向性を有する凹凸構造)を備えている。ちなみに、
図1における凹部21および凸部22の紙面の奥行き方
向の形態は、模式的に形状として表すならば、図4に示
さされるように実質的にその凹部21および凸部22形
態をほぼ維持した状態で紙面の奥行き方向に延びた形態
となっている。 Configuration of Underlayer Magnetic Film 20 As shown in FIG. 1, the underlayer magnetic film 20 has a concavo-convex structure having directivity in the plane of the thin film. That is,
A concavo-convex structure (a concavo-convex structure having directionality) in which concave portions 21 and convex portions 22 are alternately repeated in the (α)-(α) direction (left-right direction on the paper surface) in FIG. By the way,
When the shape of the concave portion 21 and the convex portion 22 in FIG. 1 in the depth direction of the paper surface is schematically represented, the shape of the concave portion 21 and the convex portion 22 is substantially maintained as shown in FIG. In this state, it extends in the depth direction of the paper.
【0028】本発明の下地磁性体膜の表面抵抗率は、面
内で方向依存性を有する。すなわち、図4を例に取れば
(α)−(α)方向において最大値を示し、それに対し
てほぼ直交する方向(約90°±10°の角度)で最小
値を示す。この現象は下地磁性体膜が方向性のある凹凸
構造を有していることに起因しており、本発明の大きな
特徴である。そして、表面抵抗率の最大値を(ρmax:
最大表面抵抗率)、表面抵抗率の最小値を(ρmin:最
小表面抵抗率)とするとき、(ρmax)/(ρmin)の値
が1.10以上となる状態の方向性のある凹凸構造下地
磁性体膜とすることが望ましい。本発明の目的である上
層磁性膜の磁界感度の向上を確実に実現するためであ
る。上記(ρmax)/(ρmin)の値は、1.20以上が
好ましく、さらに好ましくは1.30以上である。The surface resistivity of the underlayer magnetic film of the present invention has direction dependence in the plane. That is, taking FIG. 4 as an example, the maximum value is shown in the (α)-(α) direction, and the minimum value is shown in a direction substantially perpendicular thereto (an angle of about 90 ° ± 10 °). This phenomenon is attributable to the fact that the underlying magnetic film has a directional uneven structure, which is a major feature of the present invention. Then, the maximum value of the surface resistivity is defined as (ρmax:
When the minimum value of the surface resistivity is (ρmin: minimum surface resistivity) and the value of (ρmax) / (ρmin) is 1.10 or more, the directional uneven structure base has a directionality. It is desirable to use a magnetic film. This is to reliably improve the magnetic field sensitivity of the upper magnetic film, which is the object of the present invention. The value of (ρmax) / (ρmin) is preferably 1.20 or more, more preferably 1.30 or more.
【0029】また、下地磁性体膜の上記表面抵抗率の最
大値(ρmax)の値は、50Ω/□以上、好ましくは1
00Ω/□以上であれば本発明の効果を最大限に発揮で
きるようになる。この値の上限に特に制限はないが、通
常100万Ω/□程度である。The maximum value (ρmax) of the surface resistivity of the underlayer magnetic film is 50Ω / □ or more, preferably 1Ω / □.
If it is 00Ω / □ or more, the effect of the present invention can be maximized. The upper limit of this value is not particularly limited, but is usually about 1 million Ω / □.
【0030】なお、上層磁性体膜として酸化物磁性体膜
を選択し成膜した場合には、下地磁性体膜が、その上層
磁性体膜の成膜の際に酸化して、その表面抵抗率が増大
することもある。すなわち、下地磁性体膜のみで評価し
た時の表面抵抗率が120Ω/□だったものが、その上
に酸化物磁性層を成膜した後に、複合磁性薄膜として、
その表面抵抗率が50万Ω/□になりうることもある。
このような場合には、下地磁性体膜の比抵抗が上昇した
ことを示しているが、本発明においては、下地磁性体膜
の表面抵抗率は、実質的に評価可能な、下地磁性体膜の
成膜完了時点での表面抵抗率を用いる。When an oxide magnetic film is selected and formed as the upper magnetic film, the underlying magnetic film is oxidized when the upper magnetic film is formed, and its surface resistivity is increased. May increase. That is, when the surface resistivity was 120Ω / □ when only the base magnetic film was evaluated, an oxide magnetic layer was formed thereon, and then a composite magnetic thin film was formed.
The surface resistivity may be 500,000 Ω / □.
In such a case, it is indicated that the specific resistance of the underlying magnetic film has increased. However, in the present invention, the surface resistivity of the underlying magnetic film can be substantially evaluated. The surface resistivity at the time of completion of the film formation is used.
【0031】凹部21および凸部22を備える凹凸構造
は、図1に示されるように、好ましい態様として、凹凸
構造を形成する幅方向(α方向)に測定した表面プロフ
ァイルによる最高膜厚を(Tmax)、最低膜厚を(Tmi
n)としたとき、最高膜厚(Tmax)が、3〜100n
m、好ましくは、5〜50nmとされる。As shown in FIG. 1, the uneven structure having the concave portions 21 and the convex portions 22 preferably has a maximum film thickness (Tmax) based on a surface profile measured in the width direction (α direction) in which the uneven structure is formed. ), Minimum film thickness (Tmi
n), the maximum film thickness (Tmax) is 3 to 100 n
m, preferably 5 to 50 nm.
【0032】さらに、好ましい態様として、前記最高膜
厚(Tmax)と最低膜厚を(Tmin)との比である(Tma
x)/(Tmin)の値が5を超えるように形成され((T
max)/(Tmin)>5)、好ましくは10を超えるよう
に形成される((Tmax)/(Tmin)>10)。In a preferred embodiment, the ratio of the maximum film thickness (Tmax) to the minimum film thickness (Tmin) is (Tma).
x) / (Tmin) exceeds 5 ((T
max) / (Tmin)> 5), preferably more than 10 ((Tmax) / (Tmin)> 10).
【0033】また、本発明では、図2に示される第2の
実施の形態のごとく凹部21に位置する下地磁性体膜2
0を完全に除去して基板10が露出した状態をも本発明
の好適な凹凸構造として認識しているために、(Tmi
n)=0のとき、(Tmax)/(Tmin)の上限値は無限
大となる。Further, according to the present invention, as shown in the second embodiment shown in FIG.
0 is completely removed, and the state where the substrate 10 is exposed is also recognized as a preferred concavo-convex structure of the present invention.
When n) = 0, the upper limit of (Tmax) / (Tmin) is infinite.
【0034】上記の最高膜厚(Tmax)が、3nm未満
では、下地膜そのものとしての存在価値がなくなり、下
地膜20としてこの上に形成される上層磁性体膜30に
与える影響が小さくなり、動作磁界を低減させるという
本願の効果が小さくなってしまうという傾向が生じる。
また、最高膜厚(Tmax)が、100nmを超えると、
本願所望の凹凸構造を形成する製造工程において、後述
する自己陰影効果が小さくなり所望の凹凸構造が得られ
ないという不都合が生じる傾向がある。When the maximum film thickness (Tmax) is less than 3 nm, the underlying film itself has no value, and its influence on the upper magnetic film 30 formed thereon as the underlying film 20 is reduced. There is a tendency that the effect of the present invention of reducing the magnetic field is reduced.
When the maximum film thickness (Tmax) exceeds 100 nm,
In the manufacturing process for forming the desired concavo-convex structure in the present application, there is a tendency that the self-shading effect, which will be described later, is reduced and a desired concavo-convex structure cannot be obtained.
【0035】また、上記の(Tmax)/(Tmin)の値が
5以下となると、凹凸構造が不十分で、凹凸構造により
形成されるいわゆるギャップG(図1、図2)間を流れ
る磁束が弱くなってしまう傾向がある。そのため、動作
磁界を低減させるという本発明の効果が小さくなり、か
つ、磁気抵抗効果膜として使用した場合には、電流が下
地層を中心に流れるためにいわゆるMR効果も小さくな
ってしまう傾向がある。When the value of (Tmax) / (Tmin) is 5 or less, the uneven structure is insufficient, and the magnetic flux flowing between the so-called gaps G (FIGS. 1 and 2) formed by the uneven structure is reduced. It tends to be weak. Therefore, the effect of the present invention of reducing the operating magnetic field is reduced, and when the film is used as a magnetoresistive effect film, the current tends to flow around the underlying layer, so that the so-called MR effect tends to be reduced. .
【0036】また、前記方向性を有する凹凸構造は、好
ましい態様として、その下地磁性体膜の幅方向に測定し
た表面プロファイルによる凹凸の凸部のピーク間平均長
さを(Tpp)とするとき、0.2×(Tmax)<(Tp
p)<20×(Tmax)の関係を満たすように形成され
る。特に好ましくは(Tmax)<(Tpp)<5×(Tma
x)である。凸部のピーク間平均長さ(Tpp)の値が、
0.2×(Tmax)以下となると、ギャップ構造が不安
定でギャップG間での短絡部が多発し、ギャップGとし
ての機能を果たさなくなってしまう傾向が生じる。ま
た、凸部のピーク間平均長さ(Tpp)の値が、0.2×
(Tmax)以上となると、ギャップG間を流れる磁束が
弱くなり動作磁界を低減させるという本願の効果が小さ
くなってしまう傾向が生じる。In a preferred embodiment, the uneven structure having the directivity has a peak-to-peak average length (Tpp) of the protrusions of the unevenness based on the surface profile measured in the width direction of the underlying magnetic film. 0.2 × (Tmax) <(Tp
p) <20 × (Tmax). Particularly preferably, (Tmax) <(Tpp) <5 × (Tma
x). The value of the average length between peaks (Tpp) of the projections is
If the value is 0.2 × (Tmax) or less, the gap structure is unstable, and there are many short circuits between the gaps G, and the function as the gap G tends to be lost. Further, the value of the average length between peaks (Tpp) of the convex portions is 0.2 ×
When it exceeds (Tmax), the magnetic flux flowing between the gaps G becomes weak, and the effect of the present invention of reducing the operating magnetic field tends to decrease.
【0037】なお、後述のごとく本発明における凹凸構
造は、実質的に自然に形成されるものであり、そのばら
つきは大きい。このため、本発明における凹凸表面形状
に関する数値は、その10点平均値を示しており、個々
の測定ではその平均値から大きく外れる場合もある。具
体的な凹凸構造の評価方法としては、原子間力顕微鏡
(AFM)による面状態(2次元)観察を行い、その代
表的な場所の断面プロファイルデータを用いている。As will be described later, the concavo-convex structure in the present invention is formed substantially spontaneously, and its variation is large. For this reason, the numerical value relating to the uneven surface shape in the present invention indicates the average value of the ten points, and the individual measurement may deviate significantly from the average value. As a specific method for evaluating the concavo-convex structure, surface state (two-dimensional) observation by an atomic force microscope (AFM) is performed, and cross-sectional profile data of a representative place is used.
【0038】このような下地磁性体膜20は、以下の要
領で成膜することが好ましい。It is preferable to form such a base magnetic film 20 in the following manner.
【0039】下地磁性体膜20の成膜 本発明においては、手間のかかる高価なフォトリソグラ
フィ等の手法を用いること無く、自然に形成される面内
で方向性を有する凹凸構造を利用する。そのため、ギャ
ップGの大きさは、従来のフォトリソグラフィ等の技術
的限界を超えたナノオーダーの大きさ、構造をとる。本
発明における「方向性を有する凹凸構造」とは、すでに
上述したとおりであるが、さらに追加説明するならば図
4に示されるごとく、面内のある特定方向にそって“繊
維状”、“筋状”、“うね状”等で表現される凹凸が平
行して多数形成されているナノ構造のことである。[0039] In the film formation present invention the underlying magnetic layer 20, without using a method such as expensive photolithography laborious, utilizes an uneven structure having a directional in a plane which is naturally formed. For this reason, the size of the gap G takes a nano-order size and structure that exceeds the technical limits of conventional photolithography and the like. The “irregular structure having directionality” in the present invention is as described above, but if further described, as shown in FIG. 4, “fibrous”, “ It is a nanostructure in which a large number of irregularities expressed as "streaks" and "ridges" are formed in parallel.
【0040】しかしながら、基本的に自然に形成される
構造のため、その構造は、完全なものでは無く、例え
ば、ある1本の凸部22を見れば、方向性が乱れて斜め
となり他の凸部22と接触し一体化している部分、途中
で途切れている部分等々も多数存在する。また、粒子が
1方向に結合し並んで凸部を形成しているような構造も
含まれる。凸部が途中で途切れている場合もある。すな
わち、微視的に見ると決して面内に方向性を有する構造
とは見えない場合も本発明の凹凸構造に含まれる。しか
し、巨視的にみれば、面内で方向性を有する凹凸構造が
認められる。ただし、本発明においては極めて微細な構
造を取り扱っているために巨視的といっても100〜1
000nm程度のレンジでの表面プロファイルを指して
いる。However, since the structure is basically formed naturally, the structure is not perfect. For example, if one convex portion 22 is viewed, the direction is disturbed and the other convex portion becomes oblique. There are many parts that are in contact with and integrated with the part 22, and parts that are interrupted on the way. Further, a structure in which particles are combined in one direction to form a convex portion is also included. The projection may be interrupted in the middle. That is, when viewed microscopically, the case where the structure having no in-plane directivity is never seen is also included in the uneven structure of the present invention. However, macroscopically, a concavo-convex structure having directionality in a plane is recognized. However, in the present invention, since an extremely fine structure is handled, it is 100 to 1 even if it is macroscopic.
It refers to the surface profile in the range of about 000 nm.
【0041】以上のように本発明の実際の微細構造は極
めて複雑である(図1〜4に示した構造は、本発明の構
成や効果をわかり易く説明するために模式的に表したも
のである)。As described above, the actual fine structure of the present invention is extremely complicated (the structures shown in FIGS. 1 to 4 are schematically shown for easy understanding of the structure and effect of the present invention. ).
【0042】このため、例えば、原子間力顕微鏡を用い
て、下地磁性体膜20表面プロファイルを評価すると、
図4に示されるような比較的明瞭な方向性を有する構造
において、(α)−(α)方向に走査した場合、短周期
で大きな凹凸が見られる.これに対して、(α)−
(α)方向に直角に走査した場合、凹凸は見られない。
しかしながら、凸部22が完全に平行でなく、部分的に
曲がっている構造の場合には、(α)−(α)方向に直
角に走査した場合にも大きな凹凸が見られる。この凹凸
の最高膜厚および最低膜厚は、(α)−(α)方向に走
査した場合と全く同じであるが、その凸部ピークの平均
長さは(α)−(α)方向に走査した場合に比べて長く
なり、長周期となる。すなわち、走査方向により凹凸の
周期が異なるという現象が見られる。For this reason, when the surface profile of the underlying magnetic film 20 is evaluated using, for example, an atomic force microscope,
In a structure having relatively clear directionality as shown in FIG. 4, when scanning in the (α)-(α) direction, large irregularities are seen in a short period. On the other hand, (α) −
When scanning at right angles to the (α) direction, no irregularities are seen.
However, in the case of a structure in which the projections 22 are not completely parallel and are partially bent, large irregularities are observed even when scanning is performed at right angles to the (α)-(α) direction. The maximum film thickness and the minimum film thickness of the unevenness are exactly the same as in the case of scanning in the (α)-(α) direction, but the average length of the peak of the projection is scanned in the (α)-(α) direction. It becomes longer than the case where it did, and becomes a long cycle. That is, there is a phenomenon that the period of the unevenness differs depending on the scanning direction.
【0043】このような、面内で方向性を有する凹凸構
造は、真空中で斜め方向から入射した粒子が、基板10
上に堆積する際の、初期過程におけるいわゆる自己陰影
効果により形成することが出来る。例えば、スパッタ成
膜による本発明の凹凸構造は、図3(a)に示されるよ
うに基板10の平面とターゲット50の平面との配置角
度θ(基板10平面の垂直方向を基準とした入射角θと
同じ)が50〜80度の場合、好ましくは55〜70度
の場合に得られる。Such a concavo-convex structure having directionality in a plane has a structure in which particles incident from a diagonal direction in a vacuum are
It can be formed by the so-called self-shading effect in the initial stage when depositing on the top. For example, as shown in FIG. 3A, the concavo-convex structure of the present invention formed by sputtering forms an arrangement angle θ between the plane of the substrate 10 and the plane of the target 50 (the incident angle with respect to the vertical direction of the plane of the substrate 10). (same as θ) is 50 to 80 degrees, preferably 55 to 70 degrees.
【0044】入射角θが50度未満となると自己陰影効
果が弱く、良好な方向性構造が得られない。また、入射
角θが80度を超えると、成膜効率が悪くかつ面内分布
が大きくなり実用に適さなくなる。When the incident angle θ is less than 50 degrees, the self-shading effect is weak, and a good directional structure cannot be obtained. If the incident angle θ exceeds 80 degrees, the film forming efficiency is poor and the in-plane distribution is large, which is not suitable for practical use.
【0045】本発明に用いられる下地磁性体膜20の材
質としては、飽和磁界が小さい、すなわち一般的に軟磁
性体として知られている各種の金属薄膜を用いる。例え
ば、Ni、Fe、Co、NiFe、NiFeP、CoF
e、CoNiFe、CoFeP、NiFeMo、FeZ
rN、FeN、FeSiAl等が使用可能である。これ
らの軟磁性体薄膜の飽和磁界は、20〜800A/m程
度である。As the material of the base magnetic film 20 used in the present invention, various metal thin films having a small saturation magnetic field, that is, generally known as a soft magnetic material are used. For example, Ni, Fe, Co, NiFe, NiFeP, CoF
e, CoNiFe, CoFeP, NiFeMo, FeZ
rN, FeN, FeSiAl and the like can be used. The saturation magnetic field of these soft magnetic thin films is about 20 to 800 A / m.
【0046】なお、飽和磁界は各種の方法で測定が可能
であるが、振動試料型磁力計(VSM)を用いて測定す
ることにより簡便におおよその値を知ることが可能であ
る。本発明における飽和磁界は、外部から磁界を加えた
場合、磁化が90%飽和する磁界強度として定義され
る。Although the saturation magnetic field can be measured by various methods, an approximate value can be easily obtained by measuring using a vibrating sample magnetometer (VSM). The saturation magnetic field in the present invention is defined as the magnetic field intensity at which the magnetization is 90% saturated when an external magnetic field is applied.
【0047】なお、本発明の方向性を有する凹凸構造
は、高周波マグネトロンスパッタ法以外の、DCスパッ
タ法、イオンビームスパッタ法、蒸着法等の各種の真空
成膜法により形成することが可能である。なかでも、特
にスパッタ法が好ましい。これは、スパッタ法における
成膜粒子の持つエネルギーが本発明の凹凸構造をつくる
うえで特に適しているためである。換言すれば、本発明
で好ましい自己陰影効果による凹凸構造が発現しやすい
ためである。The uneven structure having directivity according to the present invention can be formed by various vacuum film forming methods such as a DC sputtering method, an ion beam sputtering method and an evaporation method other than the high-frequency magnetron sputtering method. . Among them, a sputtering method is particularly preferable. This is because the energy of the film-forming particles in the sputtering method is particularly suitable for forming the uneven structure of the present invention. In other words, this is because a concavo-convex structure due to the self-shading effect preferable in the present invention is easily developed.
【0048】さらに、例えば、スパッタ法によるスパッ
タ成膜においては、用いる雰囲気ガスの種類、ガス圧
力、投入電力、基板温度等の各種の要因により形成され
る凹凸構造の形状は異なる。例えば、アルゴンガスを用
い、基板/ターゲットの配置角度θを60度に設定した
場合には、ガス圧力が2.67Pa(2mTorr)の
時に最も効果的に良好な凹凸構造が形成される。Further, for example, in the sputter film formation by the sputtering method, the shape of the concavo-convex structure formed differs depending on various factors such as the type of atmospheric gas to be used, gas pressure, input power, and substrate temperature. For example, when the arrangement angle θ between the substrate and the target is set to 60 degrees using an argon gas, the most effective and favorable uneven structure is formed when the gas pressure is 2.67 Pa (2 mTorr).
【0049】本発明のギャップG構造が形成された凹凸
構造の下地磁性体膜の比抵抗は、750μΩcm以上、特
に好ましくは1000μΩcm以上とされる。本発明の凹
凸構造を備える下地磁性体膜20は、面内で方向性を有
しているが、そのギャップGには、バラツキがあり部分
的にギャップGを構成する凹部21に磁性体膜が残りギ
ャップ両側の下地磁性体膜の凹部の部分で短絡している
のが通常である。このため比抵抗は無限大とはならず、
ある有限の値を示す。なお、本発明における比抵抗と
は、磁性体膜の平均膜厚を用いて計算したもので、最も
値が高くなる方向で測定した値である。The resistivity of the underlying magnetic film having the concavo-convex structure having the gap G structure according to the present invention is at least 750 μΩcm, particularly preferably at least 1000 μΩcm. The underlying magnetic film 20 having the concavo-convex structure of the present invention has directionality in the plane, but the gap G varies, and the magnetic film is formed in the concave portion 21 which partially forms the gap G. Normally, a short circuit occurs at the concave portions of the underlying magnetic film on both sides of the remaining gap. For this reason, the specific resistance does not become infinite,
Indicates a finite value. The specific resistance in the present invention is calculated using the average film thickness of the magnetic film, and is a value measured in a direction in which the value becomes highest.
【0050】本発明においては、図3(a)に示される
ように基板10上に下地磁性体膜を所望角度の斜めスパ
ッタにより堆積させ、凹凸構造を形成した後に、図3
(b)に示されるようなエッチング処理、すなわち表面
から所望の厚さの膜を均一に除去する操作を行うことが
好ましい。エッチング処理は、例えば、真空中でアルゴ
ンガスを用いたイオンミリング装置等により行えばよ
い。このエッチング処理により凹凸構造のギャップを形
成する凹部21に、僅かに成膜されていた磁性体膜(図
3(a)の状態)を完全に除去することが可能となり、
本発明のGIG効果発現により好ましいギャップを有す
る下地磁性体膜の形状が作製される。エッチング処理に
より最終的な凹凸構造を形成した複合磁性薄膜が、図2
に示されている。In the present invention, as shown in FIG. 3A, a base magnetic film is deposited on the substrate 10 by oblique sputtering at a desired angle to form an uneven structure.
It is preferable to perform an etching treatment as shown in (b), that is, an operation of uniformly removing a film having a desired thickness from the surface. The etching process may be performed by, for example, an ion milling device using an argon gas in a vacuum. This etching process makes it possible to completely remove the magnetic film (the state shown in FIG. 3A) that has been slightly formed in the concave portion 21 forming the gap of the concave-convex structure.
According to the GIG effect of the present invention, the shape of the underlying magnetic film having a preferable gap is produced. The composite magnetic thin film having the final uneven structure formed by the etching process is shown in FIG.
Is shown in
【0051】下地磁性体膜20の成膜条件によっては、
エッチング処理を行う前には、図3(a)に示されるよ
うにギャップG間、つまり凹部21を形成する個所にも
僅かに磁性体膜が成膜されているために、下地磁性体膜
20は低い比抵抗となる。この場合にも、図3(b)に
示されるように表面から所望の厚さの膜を均一に除去す
るエッチング処理を行うことで、750μΩcm以上、さ
らには1000μΩcm以上の高い比抵抗が簡易かつ確実
に得られ、本発明の効果を最大限に発揮できるようにな
る。Depending on the conditions for forming the underlying magnetic film 20,
Before the etching process, as shown in FIG. 3A, since the magnetic film is slightly formed between the gaps G, that is, the portions where the concave portions 21 are formed, the base magnetic film 20 is formed. Has a low specific resistance. Also in this case, as shown in FIG. 3B, by performing an etching process for uniformly removing a film having a desired thickness from the surface, a high specific resistance of 750 μΩcm or more, and further, 1000 μΩcm or more can be easily and reliably achieved. And the effect of the present invention can be maximized.
【0052】上層磁性体膜30の構成 上層磁性体膜30は、実質的に上記の凹凸構造を有する
下地磁性体膜20の上に形成される。 Configuration of Upper Magnetic Film 30 The upper magnetic film 30 is formed substantially on the underlying magnetic film 20 having the above-mentioned uneven structure.
【0053】なお上述のごとく、下地磁性体膜20の凹
部21には、磁性体膜が除去され存在していない部分を
つくることが良好なギャップGを形成する上で好適な態
様である(図2)。そのため、厳密にいえば、凹凸構造
を有するといっても下地磁性体膜20の凹部には磁性体
膜が存在しないこともあるが、この態様をも含めて凹凸
構造を有する下地磁性体膜20と称する。従って、上層
磁性体膜30は部分的に凹部に位置する基板の上に直接
形成されていることもある。それゆえ、本発明で「下地
磁性体膜の上に上層磁性体膜を形成」といった場合、こ
の態様をも勿論含む。As described above, it is preferable to form a portion where the magnetic film is not present in the concave portion 21 of the underlying magnetic film 20 in order to form a good gap G (FIG. 2). Therefore, strictly speaking, the magnetic film may not exist in the concave portion of the underlying magnetic film 20 even though it has an uneven structure, but the underlying magnetic film 20 having the uneven structure also includes this mode. Called. Therefore, the upper magnetic film 30 may be formed directly on the substrate partially located in the concave portion. Therefore, in the present invention, "formation of the upper magnetic film on the underlying magnetic film" naturally includes this aspect.
【0054】下地磁性体膜20として用いられる軟磁性
薄膜は、前述のように、比較的、小さな飽和磁界を示
す。面内で方向性を有する凹凸構造の軟磁性薄膜(下地
磁性体膜20)が、いわゆる尾根状に伸びる筋構造に対
して直角方向(図1のα方向)からの外部磁界Hexによ
り磁化されると、その凹部21には軟磁性合金薄膜の磁
化に相当する磁界が作用する。このため、凹部21の個
所に埋没するように形成された上層磁性体膜30は、そ
の軟磁性薄膜(下地磁性体膜20)から作用する強い磁
界により、磁化される。すなわち、上層磁性体膜30
が、軟磁性薄膜(下地磁性体膜20)の飽和磁界とほぼ
同じ磁界強度で磁化されることになる。As described above, the soft magnetic thin film used as the underlying magnetic film 20 exhibits a relatively small saturation magnetic field. The soft magnetic thin film (underlying magnetic film 20) having a concavo-convex structure having directionality in the plane is magnetized by an external magnetic field Hex from a direction perpendicular to the so-called ridge-like muscle structure (α direction in FIG. 1). Then, a magnetic field corresponding to the magnetization of the soft magnetic alloy thin film acts on the concave portion 21. Therefore, the upper magnetic film 30 formed so as to be buried in the recess 21 is magnetized by a strong magnetic field acting from the soft magnetic thin film (the underlying magnetic film 20). That is, the upper magnetic film 30
Is magnetized with the same magnetic field intensity as the saturation magnetic field of the soft magnetic thin film (underlying magnetic film 20).
【0055】このため、上層磁性体膜30として構成さ
れる機能膜を、例えば、巨大な磁気抵抗効果を示す磁性
薄膜や、大きな飽和磁歪を示す磁性薄膜として構成した
場合には、これらの各膜を、小さな磁界で駆動すること
ができる。つまり、高感度化が可能となる。For this reason, when the functional film constituted as the upper magnetic film 30 is constituted, for example, as a magnetic thin film exhibiting a giant magnetoresistance effect or a magnetic thin film exhibiting a large saturation magnetostriction, each of these films is used. Can be driven with a small magnetic field. That is, high sensitivity can be achieved.
【0056】本発明の効果が顕著に現れるようにするた
めには、上層磁性体膜30の飽和磁界強度は、下地磁性
体膜20の飽和磁界強度の10倍以上、好ましくは20
倍以上、特に好ましくは100倍以上とするのがよい。
この場合の上限に特に定めはない。In order for the effect of the present invention to be remarkable, the saturation magnetic field strength of the upper magnetic film 30 should be at least 10 times, preferably 20 times, the saturation magnetic field strength of the underlying magnetic film 20.
It is preferably at least twice, particularly preferably at least 100 times.
There is no particular upper limit in this case.
【0057】本発明において、上層磁性体膜30として
好適に用いられる巨大磁気抵抗効果膜(GMR膜)とし
ては、公知の各種の組成、構造の膜を用いることが可能
である。中でも、特に好ましくはグラニュラー系の膜の
ように成膜が簡単な膜である。このような巨大磁気抵抗
効果膜(GMR膜)の場合に、特に本発明の主点の1つ
である“簡便”なことが発揮される。特に、好ましくは
金属―酸化物系のグラニュラーGMR膜であり、当該膜
の比抵抗が、下地磁性体膜20の比抵抗に比べて100
倍以上であることが望ましい。この上限に特に制限はな
いが、下限値未満では、電流が下地磁性体膜20に分流
してしまうためGMRの効果を有効に使用することが出
来なくなる傾向が生じる。In the present invention, as the giant magnetoresistance effect film (GMR film) suitably used as the upper magnetic film 30, films having various known compositions and structures can be used. Among them, a film that is easy to form, such as a granular film, is particularly preferable. In the case of such a giant magnetoresistive film (GMR film), "simple" which is one of the main points of the present invention is exhibited. In particular, a metal-oxide based granular GMR film is preferable, and the specific resistance of the film is 100 times smaller than that of the underlying magnetic film 20.
It is desirable that the number be twice or more. The upper limit is not particularly limited, but if it is less than the lower limit, the current is shunted to the underlying magnetic film 20 and the GMR effect tends to be unable to be used effectively.
【0058】また、本発明において、上層磁性体膜30
として好適に用いられる磁歪膜としては、特に大きな磁
歪、特に飽和磁歪の絶対値が1×10―5以上を示す磁
歪膜が好ましい。飽和磁歪の絶対値が1×10―5未満
となると、工業的利用の範囲が限定されてしまう。飽和
磁歪の絶対値の上限については特に制限はない。In the present invention, the upper magnetic film 30
As the magnetostrictive film preferably used as the above, a magnetostrictive film having a particularly large magnetostriction, particularly a saturated magnetostriction having an absolute value of 1 × 10 −5 or more is preferable. If the absolute value of the saturation magnetostriction is less than 1 × 10 −5 , the range of industrial use is limited. There is no particular upper limit on the absolute value of the saturation magnetostriction.
【0059】このような磁歪膜として、特に好ましい組
成は、Ni、NiFe、FeB系や、特に超磁歪材料と
して知られている各種の合金、例えばRTx(R:希土
類元素の1種以上、T:遷移金属元素、x=1.5〜
3)で表される希土類―遷移金属系の合金膜である。例
えば、TbFe3,Tb0.3Dy0.7Fe1.9が
良く知られている。Particularly preferred compositions for such a magnetostrictive film include Ni, NiFe, FeB and various alloys known as giant magnetostrictive materials, for example, RTx (R: one or more rare earth elements, T: Transition metal element, x = 1.5-
This is a rare earth-transition metal alloy film represented by 3). For example, TbFe 3 and Tb 0.3 Dy 0.7 Fe 1.9 are well known.
【0060】なお、本発明に用いられる上層磁性体膜3
0としては、上記に記述した巨大磁気抵抗効果膜や磁歪
膜に限定されるものではなく(これらは好適例として例
示)、動作磁界の大きな各種の機能性磁性膜に適用可能
である。つまり、本発明は、動作磁界の大きな磁気光学
薄膜等の各種の機能性磁性薄膜の動作磁界を低減させる
ためにも有効でもある。また、ナノスケールのギャップ
を有することから、圧電体の電極として本願における下
地膜構造を用いることで、低電圧での駆動を実現するこ
とも可能である。The upper magnetic film 3 used in the present invention
The value of 0 is not limited to the giant magnetoresistive film and the magnetostrictive film described above (these are exemplified as preferred examples), and can be applied to various functional magnetic films having a large operating magnetic field. That is, the present invention is also effective for reducing the operating magnetic field of various functional magnetic thin films such as a magneto-optical thin film having a large operating magnetic field. Further, since there is a nano-scale gap, driving at a low voltage can be realized by using the base film structure of the present invention as a piezoelectric electrode.
【0061】膜の積層構造 本発明の複合磁性薄膜は、上記のシンプルな2層磁性層
の積層構造に加えて、さらに2層積層磁性膜を繰り返し
の1単位として考え、これらを複数単位、積層するよう
にして複合磁性薄膜を形成してもよい。すなわち、基板
側から、凹凸構造の軟磁性体膜20/上層磁性体膜30
/凹凸構造の軟磁性体膜20/上層磁性体膜30/凹凸
構造の軟磁性体膜20/上層磁性体膜層30/……と順
次、積層を繰り返す構造の複合磁性薄膜である。これに
より、上層磁性体膜30のトータル膜厚を厚くすること
が可能となる。積層回数(繰り返し単位)に特に制限は
無いが、一般には、基本構造(凹凸構造の軟磁性体膜2
0/上層磁性体膜30)を500回程度くらいまで繰り
返すことが好ましい。500回を超えると所望の凹凸の
軟磁性体膜20の微細構造が形成されにくくなり、本発
明の複合磁性薄膜としての機能が十分でなくなるおそれ
がある。 Laminated Structure of Film In the composite magnetic thin film of the present invention, in addition to the above-described laminated structure of a simple two-layer magnetic layer, a two-layer laminated magnetic film is considered as one repetitive unit. Thus, a composite magnetic thin film may be formed. That is, from the substrate side, the soft magnetic film 20 having an uneven structure / the upper magnetic film 30
/ A soft magnetic film 20 having an uneven structure / an upper magnetic film 30 / a soft magnetic film 20 having an uneven structure / an upper magnetic film layer 30 /... As a result, the total thickness of the upper magnetic film 30 can be increased. Although the number of laminations (repeating unit) is not particularly limited, generally, the basic structure (the soft magnetic film 2 having an uneven structure) is generally used.
0 / upper magnetic film 30) is preferably repeated about 500 times. If it exceeds 500 times, it becomes difficult to form the fine structure of the soft magnetic film 20 having desired irregularities, and the function as the composite magnetic thin film of the present invention may not be sufficient.
【0062】基板10の構成 上記下地磁性体膜20および上層磁性体膜30が積層さ
れる基板10の材質は、有機系の材料や無機系の材料を
問わず特に制限はない。好適な具体例としては、ポリイ
ミド、ポリカーボネート、ポリエチレンテレフタレート
などの有機系の材料や、シリコン、ガラス、チタン、ア
ルミニウムなどの無機系の材料が挙げられる。さらに、
これらの基板上に、アルミナ、酸化シリコン、ポリイミ
ド等の膜が形成されていても差し支えない。例えば、磁
界センサとして用いる場合に、予め信号処理のための半
導体回路の上に、酸化シリコン膜を設け、平坦化処理を
行ったものを基板として、この上に本発明の複合磁性薄
膜を用いた磁界センサ素子部を設けることも可能であ
る。 Structure of the Substrate 10 The material of the substrate 10 on which the base magnetic film 20 and the upper magnetic film 30 are laminated is not particularly limited, regardless of an organic material or an inorganic material. Preferred specific examples include organic materials such as polyimide, polycarbonate, and polyethylene terephthalate, and inorganic materials such as silicon, glass, titanium, and aluminum. further,
A film of alumina, silicon oxide, polyimide or the like may be formed on these substrates. For example, when used as a magnetic field sensor, a silicon oxide film was provided on a semiconductor circuit for signal processing in advance, and a substrate subjected to planarization was used as a substrate, and the composite magnetic thin film of the present invention was used thereon. It is also possible to provide a magnetic field sensor element.
【0063】なお、上層磁性体膜30の上には、公知の
種々の保護層を形成してもよい。Incidentally, various known protective layers may be formed on the upper magnetic film 30.
【0064】[0064]
【実施例】以下に具体的実施例を示し、本発明をさらに
詳細に説明する。The present invention will be described in more detail with reference to specific examples below.
【0065】下地磁性体膜20の成膜 下記の要領で、ガラス基板(松波ガラスS1225)の
上に、下地磁性体膜20を形成した。[0065] In the deposition procedure follows the underlying magnetic layer 20, on a glass substrate (Matsunami Glass S1225), thereby forming a base magnetic film 20.
【0066】Ni80−Fe20またはCoZrNbの
ターゲットを下地磁性体膜20形成用ターゲット材料と
して用い、マルチターゲット高周波マグネトロンスパッ
タ装置(島津製作所HSR−551型)にて、ガラス基
板上に下地磁性体膜20を成膜した。成膜に際し、成膜
中のArガス圧力は0.3Pa(2mTorr)、投入
電力は300Wとした。下記表1に示されるように、ガ
ラス基板10を、ターゲットに対して20〜70度まで
の間で、目的とするサンプル作製に合わせて種々傾きを
変えるとともに、成膜時間を変化させ、種々の形態から
なる下地磁性体膜付き基板サンプルを作製した。Using a target of Ni80-Fe20 or CoZrNb as a target material for forming the base magnetic film 20, the base magnetic film 20 is formed on a glass substrate by a multi-target high-frequency magnetron sputtering apparatus (HSR-551 type, Shimadzu Corporation). A film was formed. During the film formation, the Ar gas pressure during the film formation was 0.3 Pa (2 mTorr), and the input power was 300 W. As shown in Table 1 below, the glass substrate 10 was tilted at various angles from 20 to 70 degrees with respect to the target in accordance with the target sample production, and the film forming time was varied to change the inclination. A substrate sample with a base magnetic film having a shape was prepared.
【0067】これらの下地磁性体膜付き基板サンプルに
ついては、下記表1に示されるように、さらに、下地磁
性体膜の表面をエッチング処理した。すなわち、エッチ
ング用ガスとしてアルゴンガスを用い、ビーム電流15
mA、ビーム電圧400V、加速電圧250V、ガス厚
0.3Pa(2mTorr)にて最大25分間のミリン
グ処理(エッチング処理)を行った。上述のごとく下地
磁性体膜の構成は下記表1に示される。As shown in Table 1 below, the surface of the base magnetic film was subjected to an etching treatment for these substrate samples with the base magnetic film. That is, an argon gas is used as an etching gas,
Milling treatment (etching treatment) was performed at a maximum of 25 minutes at mA, a beam voltage of 400 V, an acceleration voltage of 250 V, and a gas thickness of 0.3 Pa (2 mTorr). As described above, the configuration of the underlying magnetic film is shown in Table 1 below.
【0068】上層磁性体膜30として巨大磁気抵抗効果
膜(GMR膜)の成膜 上記の各種の条件下で作製された下地磁性体膜付きのガ
ラス基板の上に、CoSmO組成からなるグラニュラー
GMR膜を作製した。すなわち、Coターゲット上に、
Sm2O3チップを配置した複合ターゲットを用いてCo
SmO磁性体膜を下地磁性体膜付きのガラス基板の上に
スパッタ成膜した。この際の複合ターゲットと基板との
角度は平行とし、Arガス圧力は1.2Pa(9mTo
rr)、投入電力は300Wとした。他のグラニュラー
GMR膜としてCoAlO磁性体膜やCoYO磁性体膜
も同様の手法で作製した。 Giant magnetoresistance effect as the upper magnetic film 30
Formation of Film (GMR Film) A granular GMR film made of a CoSmO composition was formed on a glass substrate with a base magnetic film formed under the above-described various conditions. That is, on the Co target,
Using a composite target on which an Sm 2 O 3 chip is placed, Co
An SmO magnetic film was formed by sputtering on a glass substrate provided with a base magnetic film. At this time, the angle between the composite target and the substrate is parallel, and the Ar gas pressure is 1.2 Pa (9 mTo
rr), the input power was 300 W. As other granular GMR films, CoAlO magnetic films and CoYO magnetic films were prepared in the same manner.
【0069】このようにしてGMR膜として機能する各
種の複合磁性薄膜サンプル(実施例サンプルI−1〜I
−3、比較例サンプルI−1〜I−3)を作製した。な
お、比較例サンプルの中には下地磁性体膜を設けないも
の(比較例サンプルI−1)も作製した。上層磁性体膜
の構成は下記表2に示される。In this way, various composite magnetic thin film samples functioning as GMR films (Example samples I-1 to I-1)
-3, Comparative Example Samples I-1 to I-3). In addition, the comparative sample having no underlying magnetic film (Comparative Sample I-1) was also manufactured. The structure of the upper magnetic film is shown in Table 2 below.
【0070】上層磁性体膜30として磁歪膜の成膜 上記の各種の条件下で作製された下地磁性体膜付きのガ
ラス基板の上に、SmFe組成からなる磁歪膜を作製し
た。この際のターゲットと基板の角度は平行とるように
配置し、Arガス圧力は、2.0Pa(15mTor
r)、投入電力は400Wとした。このようにして磁歪
膜として機能する各種の複合磁性薄膜サンプル(実施例
サンプルII−1〜II−2、比較例サンプルII−1)を作
製した。なお、比較例サンプルは下地磁性体膜を設けな
いものとした。上層磁性体膜の構成は下記表2に示され
る。Formation of Magnetostrictive Film as Upper Magnetic Film 30 A magnetostrictive film having an SmFe composition was formed on a glass substrate with a base magnetic film formed under the above-described various conditions. At this time, the angle between the target and the substrate was set to be parallel, and the Ar gas pressure was 2.0 Pa (15 mTorr).
r), the input power was 400 W. Thus, various composite magnetic thin film samples (Example samples II-1 to II-2, Comparative example sample II-1) functioning as a magnetostrictive film were produced. The comparative sample was not provided with a base magnetic film. The structure of the upper magnetic film is shown in Table 2 below.
【0071】これらの各種の複合磁性薄膜サンプルにつ
いて、下記の要領で(1)各層の膜厚、(2)下地磁性
体膜の表面プロファイル(凹凸状態)、(3)合金組
成、(4)抵抗評価およびMR評価、ならびに(5)磁
歪評価を行った。For these various composite magnetic thin film samples, (1) film thickness of each layer, (2) surface profile of the underlying magnetic film (unevenness), (3) alloy composition, and (4) resistance Evaluation and MR evaluation, and (5) magnetostriction evaluation were performed.
【0072】(1)各層の膜厚、および(2)下地磁性
体膜の表面プロファイル(凹凸状態)の測定 膜厚、および表面プロファイルの測定は、原子間力顕微
鏡(AFM)を用いて行った(AFM観察)。これらの
測定は、サンプル形態により必要に応じて、下地磁性体
膜成膜後、下地磁性体膜表面のエッチング処理後、およ
び上層磁性体層形成後に行った。 (1) Film thickness of each layer, and (2) underlying magnetism
Measurement of Surface Profile (Unevenness) of Body Film The measurement of the film thickness and the surface profile was performed using an atomic force microscope (AFM) (AFM observation). These measurements were performed as necessary after the formation of the underlying magnetic film, after the etching treatment of the surface of the underlying magnetic film, and after the formation of the upper magnetic layer, depending on the sample form.
【0073】なお、上層磁性体膜の膜厚は、同条件で下
地膜のないガラス基板上に成膜した膜厚とした。The film thickness of the upper magnetic film was a film thickness formed on a glass substrate having no underlying film under the same conditions.
【0074】(3)合金組成 合金組成は、エネルギー分散型X線分光装置(EDX)
および電子線プローブマイクロアナライザー(EMP
A)を用い評価した。なお、上層磁性体膜の合金組成
は、同条件で下地膜のないガラス基板上に成膜した時の
組成で求めた。(3) Alloy composition The alloy composition was determined by an energy dispersive X-ray spectrometer (EDX).
And electron probe microanalyzer (EMP
It evaluated using A). The alloy composition of the upper magnetic film was determined by the composition when the film was formed on a glass substrate having no underlayer under the same conditions.
【0075】(4)抵抗評価およびMR評価 抵抗評価は、直流4端子法にて、またMR評価は同様に
直流4端子法にて外部から磁界を印加しながら室温で行
った。結果を下記表に示されるように比抵抗、表面抵抗
率、MR変化率、およびMR感度で表した。(4) Resistance Evaluation and MR Evaluation Resistance evaluation was performed by a DC four-terminal method, and MR evaluation was similarly performed at room temperature by applying a magnetic field from the outside by a DC four-terminal method. The results were expressed as specific resistance, surface resistivity, MR change rate, and MR sensitivity as shown in the table below.
【0076】(5)磁歪評価 磁歪評価は、光てこ法にて評価した。結果を下記表3に
示されるように磁歪および磁歪感度で表した。(5) Evaluation of magnetostriction The magnetostriction was evaluated by the optical lever method. The results were expressed in terms of magnetostriction and magnetostriction sensitivity as shown in Table 3 below.
【0077】上記の各評価結果を表1〜3に示す。特
に、複合磁性薄膜としての特性評価は表3に示した。Tables 1 to 3 show the results of the above evaluations. In particular, Table 3 shows the evaluation of characteristics as a composite magnetic thin film.
【0078】[0078]
【表1】 [Table 1]
【0079】[0079]
【表2】 [Table 2]
【0080】[0080]
【表3】 [Table 3]
【0081】なお、表3には示されていないが、本発明
の複合磁性薄膜と、従来法のフォトリソグラフィ手法に
よる複合磁性薄膜との比較をしたところ、本発明の複合
磁性薄膜のMR感度は、従来法のフォトリソグラフィ手
法による複合磁性薄膜と概ね同等、磁歪感度は2倍であ
った。そして、本発明の複合磁性薄膜の作製に要する時
間は、従来法のそれと比べて1/5、本発明の複合磁性
薄膜の作製に要するコストは、従来法のそれと比べて1
/3となった。Although not shown in Table 3, a comparison between the composite magnetic thin film of the present invention and a composite magnetic thin film obtained by a conventional photolithography method showed that the MR sensitivity of the composite magnetic thin film of the present invention was The magnetostriction sensitivity was twice as high as that of a composite magnetic thin film formed by a conventional photolithography method. The time required for manufacturing the composite magnetic thin film of the present invention is 1/5 of that of the conventional method, and the cost required for manufacturing the composite magnetic thin film of the present invention is 1/5 as compared with that of the conventional method.
/ 3.
【0082】[0082]
【発明の効果】上記の結果より本発明の効果は明らかで
ある。すなわち、本発明は、基板上に成膜された下地磁
性体膜と、当該下地磁性体膜の上に形成された上層磁性
体膜を有する複合磁性薄膜であって、前記上層磁性体膜
は、その飽和磁界強度が下地磁性体膜の飽和磁界強度の
10倍以上であり、前記下地磁性体膜は、薄膜の面内で
方向性を有する凹凸構造を有してなるように構成されて
いるので、各種機能磁性薄膜の高感度化を図ることがで
きる。製法も極めて簡便である。The effects of the present invention are clear from the above results. That is, the present invention is a composite magnetic thin film having a base magnetic film formed on a substrate and an upper magnetic film formed on the base magnetic film, wherein the upper magnetic film is The saturation magnetic field strength is at least 10 times the saturation magnetic field strength of the underlying magnetic film, and the underlying magnetic film is configured to have a concavo-convex structure having directionality in the plane of the thin film. In addition, it is possible to increase the sensitivity of various functional magnetic thin films. The production method is also very simple.
【図1】本発明の複合磁性薄膜の第1の実施の形態を摸
式的に示した断面図である。FIG. 1 is a sectional view schematically showing a first embodiment of a composite magnetic thin film of the present invention.
【図2】本発明の複合磁性薄膜の第2の実施の形態を摸
式的に示した断面図である。FIG. 2 is a sectional view schematically showing a second embodiment of the composite magnetic thin film of the present invention.
【図3】図3(a),(b)は、それぞれ、本発明の複
合磁性薄膜の製造方法を説明するための摸式的断面図で
ある。FIGS. 3A and 3B are schematic cross-sectional views for explaining a method of manufacturing a composite magnetic thin film of the present invention.
【図4】本発明の複合磁性薄膜の下地磁性体膜の全体概
念が分かるように描いた斜視図である。FIG. 4 is a perspective view drawn so that the general concept of the underlying magnetic film of the composite magnetic thin film of the present invention can be understood.
【図5】従来例を説明するための断面図である。FIG. 5 is a sectional view for explaining a conventional example.
1,2…複合磁性薄膜 10…基板 20…下地磁性体膜 21…凹部 22…凸部 30…上層磁性体膜 G…ギャップ 1, 2 ... composite magnetic thin film 10: substrate 20: base magnetic film 21: concave portion 22: convex portion 30: upper magnetic film G: gap
Claims (10)
該下地磁性体膜の上に形成された上層磁性体膜を有する
複合磁性薄膜であって、 前記上層磁性体膜は、その飽和磁界強度が下地磁性体膜
の飽和磁界強度の10倍以上であり、 前記下地磁性体膜は、薄膜の面内で方向性を有する凹凸
構造を有してなることを特徴とする複合磁性薄膜。1. A composite magnetic thin film having a base magnetic film formed on a substrate and an upper magnetic film formed on the base magnetic film, wherein the upper magnetic film is The composite magnetic thin film, wherein the saturation magnetic field strength is at least 10 times the saturation magnetic field strength of the underlying magnetic film, and the underlying magnetic film has an uneven structure having directionality in the plane of the thin film. .
で方向依存性を有し、最大表面抵抗率を(ρmax)、最
小表面抵抗率を(ρmin)とするとき、(ρmax)を示す
方向と(ρmin)を示す方向がほぼ直交している請求項
1に記載の複合磁性薄膜。2. The surface resistivity of the underlayer magnetic film has direction dependency in a plane, and when the maximum surface resistivity is (ρmax) and the minimum surface resistivity is (ρmin), (ρmax) The composite magnetic thin film according to claim 1, wherein the direction indicating (ρmin) is substantially orthogonal to the direction indicating (ρmin).
0以上である請求項2に記載の複合磁性薄膜。3. The ratio of (ρmax) / (ρmin) is 1.1.
3. The composite magnetic thin film according to claim 2, which is 0 or more.
ある請求項2または請求項3に記載の複合磁性薄膜。4. The composite magnetic thin film according to claim 2, wherein the value of (ρmax) is 50 Ω / □ or more.
下地磁性体膜の比抵抗の100倍以上であり、かつ巨大
磁気抵抗効果(GMR効果)を示してなる請求項1ない
し請求項4のいずれかに記載の複合磁性薄膜。5. The upper magnetic film has a specific resistance which is 100 times or more the specific resistance of the underlying magnetic film and exhibits a giant magnetoresistance effect (GMR effect). 5. The composite magnetic thin film according to any one of 4.
ある請求項1ないし請求項5のいずれかに記載の複合磁
性薄膜。6. The composite magnetic thin film according to claim 1, wherein said upper magnetic film is a magnetoresistive film.
―5)以上の飽和磁歪を示す磁性膜(磁歪膜)である請
求項1ないし請求項5のいずれかに記載の複合磁性薄
膜。7. The method according to claim 1, wherein the upper magnetic film has an absolute value (1 × 10
-5 ) The composite magnetic thin film according to any one of claims 1 to 5, which is a magnetic film (magnetostrictive film) exhibiting the above-described saturation magnetostriction.
当該下地磁性体膜を構成する堆積粒子が基板面に対して
入射角度50〜80度の範囲内で入射できるような状態
で真空成膜された磁性膜である請求項1ないし請求項7
のいずれかに記載の複合磁性薄膜。8. The underlayer magnetic film having the uneven structure,
8. A magnetic film formed in a vacuum state in such a manner that deposited particles constituting the underlying magnetic film can be incident on the substrate surface at an incident angle of 50 to 80 degrees.
A composite magnetic thin film according to any one of the above.
当該下地磁性体膜を構成する堆積粒子が基板面に対して
入射角度50〜80度の範囲内で入射できるような状態
で真空成膜された後、その表面がエッチング処理され、
凹部に位置する下地磁性体膜が少なくとも部分的に除去
されてなる請求項1ないし請求項8のいずれかに記載の
複合磁性薄膜。9. The magnetic underlayer film having the uneven structure,
After a vacuum film is formed in such a state that the deposited particles constituting the base magnetic film can be incident on the substrate surface at an incident angle of 50 to 80 degrees, the surface is etched.
9. The composite magnetic thin film according to claim 1, wherein the underlying magnetic film located in the recess is at least partially removed.
当該下地磁性体膜の上に形成された上層磁性体膜を有す
る複合磁性薄膜であって、 前記下地磁性体膜は、当該下地磁性体膜を構成する堆積
粒子が基板面に対して入射角度50〜80度の範囲内で
入射できるような状態で真空成膜された磁性膜であり、 前記上層磁性体膜は、その飽和磁界強度が下地磁性体膜
の飽和磁界強度の10倍以上であることを特徴とする複
合磁性薄膜。10. A base magnetic film formed on a substrate,
A composite magnetic thin film having an upper magnetic film formed on the underlying magnetic film, wherein the deposited particles forming the underlying magnetic film have an incident angle of 50 with respect to a substrate surface. A magnetic film formed in a vacuum so that light can be incident within a range of up to 80 degrees, wherein the upper magnetic film has a saturation magnetic field strength of 10 times or more the saturation magnetic field strength of the base magnetic film. A composite magnetic thin film characterized by the following.
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