JP3506364B2 - Magnetic thin film and magnetic head using the same - Google Patents
Magnetic thin film and magnetic head using the sameInfo
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Description
【0001】[0001]
【発明の属する技術分野】本発明は、ハ−ドディスク装
置(HDD)の記録ヘッド、磁気再生ヘッド、磁気イン
ピ−ダンスセンサ−を始めとする磁気センサ−や、磁気
コイル、インダクタ−等の磁気回路部品等で用いられる
高飽和磁束密度の磁性薄膜、およびこのような磁性薄膜
を用いた磁気ヘッドに関するものである。BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to magnetic sensors such as recording heads, magnetic reproducing heads and magnetic impedance sensors of hard disk drives (HDD), magnetic sensors such as magnetic coils and inductors. The present invention relates to a magnetic thin film having a high saturation magnetic flux density used in circuit components and the like, and a magnetic head using such a magnetic thin film.
【0002】[0002]
【従来の技術】近年、HDDの記録最高周波数の伸びは
著しく、また高密度記録媒体は高保磁力化に向かってい
る。このために、記録ヘッド材料には高い飽和磁束密度
とともに高い抵抗率ρ、さらに微細な形状に加工後も適
度な一軸異方性を持ち、高周波帯域における透磁率μが
高い磁性材料が要求されている。2. Description of the Related Art In recent years, the maximum recording frequency of HDDs has been remarkably increased, and high-density recording media are becoming higher in coercive force. Therefore, the recording head material is required to be a magnetic material having a high saturation magnetic flux density, a high resistivity ρ, a proper uniaxial anisotropy even after being processed into a fine shape, and a high magnetic permeability μ in a high frequency band. There is.
【0003】[0003]
【発明が解決しようとする課題】これらの要求に応える
ために、発明者らは、M1X1A1/M2X2A2 (Mは磁
性金属、Xは非磁性金属あるいは半金属、AはOまたは
N)で示される多層膜を開発した(特願平10−249
360号)。ところが、M1X1A1/M2X2A2多層膜
は、磁性層中の元素X1および中間層中の元素X2の含有
量が少ない組成領域で高周波帯域における透磁率が低い
というさらに改善すべき課題があった。In order to meet these demands, the present inventors have established that M 1 X 1 A 1 / M 2 X 2 A 2 (M is a magnetic metal, X is a non-magnetic metal or semimetal, A has developed a multilayer film represented by O or N (Japanese Patent Application No. 10-249).
360). However, the M 1 X 1 A 1 / M 2 X 2 A 2 multilayer film has a low magnetic permeability in a high frequency band in a composition region in which the content of the element X 1 in the magnetic layer and the content of the element X 2 in the intermediate layer are small. There was a problem to be further improved.
【0004】本発明は、上記課題を解決し、特に、X1
の含有量が少ない組成領域においても高周波帯域におけ
る透磁率が改善された高飽和磁束密度の磁性薄膜、およ
びこの磁性薄膜を用いた磁気ヘッドを提供することを目
的とする。The present invention solves the above problems and, in particular, X 1
An object of the present invention is to provide a magnetic thin film having a high saturation magnetic flux density with improved magnetic permeability in a high frequency band even in a composition region containing a small amount of H, and a magnetic head using the magnetic thin film.
【0005】[0005]
【課題を解決するための手段】前記目的を達成するため
に、本発明の磁性薄膜は、組成式(MaXb)100-dA
d(但し、MはFe、CoおよびNiから選ばれる少な
くとも1種の磁性金属であり、XはMg、Ca、Sr、
Ba、Si、Ge、Sn、AlおよびGa、ならびにF
e、CoおよびNiを除く遷移金属から選ばれる少なく
とも1種の元素、AはOおよびNから選ばれる少なくと
も1種の元素、a、bおよびdは、2≦b≦8、a+b
=100、0≦d≦10を満たす範囲の数値)により示
され、一層当たりの厚みDmが、50nm≦Dm≦50
0nmの範囲にある磁性層と、前記Mと、前記Xと、前
記磁性層よりも多くの酸素とを含有し、一層当たりの厚
みDnが、2nm≦Dn≦10nmの範囲にある中間層
とが交互に積層されたことを特徴とする。In order to achieve the above object, the magnetic thin film of the present invention has a composition formula (M a X b ) 100-d A
d (where M is at least one magnetic metal selected from Fe, Co and Ni, and X is Mg, Ca, Sr,
Ba, Si, Ge, Sn, Al and Ga, and F
e, at least one element selected from transition metals other than Co and Ni, A is at least one element selected from O and N, a, b and d are 2 ≦ b ≦ 8, a + b
= 100, a numerical value in the range of 0 ≦ d ≦ 10), and the thickness Dm per layer is 50 nm ≦ Dm ≦ 50.
A magnetic layer having a range of 0 nm, the M, the X, and an oxygen amount larger than that of the magnetic layer, and an intermediate layer having a thickness Dn per layer in the range of 2 nm ≦ Dn ≦ 10 nm. It is characterized in that they are alternately laminated.
【0006】なお、本明細書において、遷移金属とは、
3A族元素〜7A族元素、8族元素、1B族元素および
2B族元素をいうものとする。また、添え字a、b、d
および後出のcは、すべて原子%を示すための数値であ
る。In the present specification, the transition metal is
The group 3A element to the group 7A element, the group 8 element, the group 1B element, and the group 2B element are meant. Also, subscripts a, b, d
Further, c described later is a numerical value for indicating all atomic%.
【0007】本発明の磁性薄膜は、上記のように、Xが
少ない(bが小さい)組成領域とすることにより、高い
飽和磁束密度を実現している。その一方、bを小さくす
ることで生じやすくなる磁性層間の磁性結晶粒の直接的
な結合を、上記範囲の厚みを有する磁性層および中間層
を用いることにより抑制している。その結果、強い静磁
結合が実現され、高周波特性が改善されたと考えられ
る。As described above, the magnetic thin film of the present invention realizes a high saturation magnetic flux density by having a composition region containing a small amount of X (small b). On the other hand, direct coupling of the magnetic crystal grains between the magnetic layers, which tends to occur when b is reduced, is suppressed by using the magnetic layer and the intermediate layer having the thickness within the above range. As a result, it is considered that strong magnetostatic coupling was realized and high-frequency characteristics were improved.
【0008】本発明の磁性薄膜において、Mは、具体的
には、Fe、FeCo合金またはFeCoNi合金であ
ることが好ましい。In the magnetic thin film of the present invention, M is preferably Fe, FeCo alloy or FeCoNi alloy.
【0009】磁性層中に含まれるXおよびAは、耐食性
を向上させる、磁性金属の結晶粒を微細化する、磁性結
晶粒の結晶磁気異方性を低減させる、磁歪を小さくす
る、といった効果のうち少なくとも一つを提供する。例
えば、MがFeの場合、Xとしては、それぞれの添加量
にもよるが、Zn、Pt、Rh、Ru等は耐食性を高
め、Cr、Ge、Ga、V、Al、Si、Ti、Moは
結晶磁気異方性を低減させ、Ti、Si、Snは磁歪を
下げる。Xは、1種類でも効果があるが、2種以上の複
合添加でも、さらに結晶粒径を下げる作用が顕著にな
る。さらにAを添加することにより、結晶粒径をより微
細化し、軟磁気特性を向上させることができる。X and A contained in the magnetic layer have the effects of improving the corrosion resistance, refining the crystal grains of the magnetic metal, reducing the magnetocrystalline anisotropy of the magnetic crystal grains, and reducing the magnetostriction. Provide at least one of them. For example, when M is Fe, X, which depends on the amount of each added, Zn, Pt, Rh, Ru, etc. enhance corrosion resistance, and Cr, Ge, Ga, V, Al, Si, Ti, Mo The crystal magnetic anisotropy is reduced, and Ti, Si and Sn reduce the magnetostriction. Even if one kind of X is effective, even if two or more kinds of X are added in combination, the effect of further reducing the crystal grain size becomes remarkable. By further adding A, the crystal grain size can be made finer and the soft magnetic characteristics can be improved.
【0010】しかし、bが8より大きくなる程度にXを
添加したり、dが10よりも多くなる程度にAを添加す
ると、飽和磁束密度(Bs)が著しく低下する。However, when X is added to the extent that b is larger than 8 or A is added to the extent that d is larger than 10, the saturation magnetic flux density (Bs) is remarkably lowered.
【0011】上記磁性薄膜においては、磁性層の厚み
(Dm)が50nmより小さくなるとBsの低下が著し
くなる。一方、Dmが500nmより大きくなると十分
な静磁結合を実現できない。静磁結合が十分でないと、
例えば磁性薄膜が最短幅数百nm程度に微細加工された
状態において、良好な高周波特性が得られない。また、
中間層の厚み(Dn)が2nmよりも小さくなると、磁
性層間の分離が不十分となり軟磁気特性が劣化する。一
方、Dnが10nmよりも大きくなると磁性層間の静磁
結合が弱まるとともにBsの低下が顕著になる。In the above magnetic thin film, when the thickness (Dm) of the magnetic layer is smaller than 50 nm, the Bs is remarkably reduced. On the other hand, if Dm is larger than 500 nm, sufficient magnetostatic coupling cannot be realized. If the magnetostatic coupling is not enough,
For example, in a state where the magnetic thin film is finely processed to have a minimum width of about several hundreds nm, good high frequency characteristics cannot be obtained. Also,
When the thickness (Dn) of the intermediate layer is smaller than 2 nm, the separation between the magnetic layers becomes insufficient and the soft magnetic characteristics deteriorate. On the other hand, when Dn is larger than 10 nm, the magnetostatic coupling between the magnetic layers is weakened and the decrease of Bs becomes remarkable.
【0012】本発明の磁性薄膜においては、磁性層が窒
素(N)を含有するときには、この磁性層中に、γ’-
Fe4Nの非晶質または微結晶が含まれると、磁性薄膜
の軟磁気特性そのものを改善することが可能となる。こ
れは、磁性層中に形成されたFe4N非晶質あるいは微
結晶が、成膜時および熱処理時の磁性結晶粒の粒成長を
抑制し、磁性層全体の見かけの結晶磁気異方性を抑制す
るいわゆる微細化効果が生じるためと考えられる。In the magnetic thin film of the present invention, when the magnetic layer contains nitrogen (N), γ'- is contained in the magnetic layer.
When the amorphous or fine crystal of Fe 4 N is contained, it becomes possible to improve the soft magnetic property itself of the magnetic thin film. This is because the Fe 4 N amorphous or microcrystal formed in the magnetic layer suppresses the grain growth of the magnetic crystal grains during the film formation and the heat treatment, and reduces the apparent magnetocrystalline anisotropy of the entire magnetic layer. It is considered that this is because a so-called miniaturization effect is generated.
【0013】また、本発明の磁性薄膜においては、磁性
層が、組成式(Ma(Si100-cX’ c)b)100-dOd(但
し、X’はGe、Sn、AlおよびGa、ならびにF
e、CoおよびNiを除く遷移金属から選ばれる少なく
とも1種の元素、bは3≦b≦8、cは0≦c≦50を
満たす範囲の数値)により示され、一層当たりの厚みD
mが、
50nm≦Dm≦150nm
の範囲にあることが好ましい。In the magnetic thin film of the present invention, the magnetic
The layer has a composition formula (Ma(Si100-cX ’ c)b)100-dOd(However
X'is Ge, Sn, Al and Ga, and F
Less selected from transition metals excluding e, Co and Ni
Both are one element, b is 3 ≦ b ≦ 8, and c is 0 ≦ c ≦ 50.
The thickness per layer D
m is
50 nm ≦ Dm ≦ 150 nm
It is preferably in the range of.
【0014】このように、磁性層内に含まれるSiおよ
びX’の含有量を上記範囲とすることにより、主として
磁性層の磁性結晶粒内に一部固溶するSiのために、磁
性結晶粒の結晶磁気異方性を下げるとともに、磁歪の増
大を最小に押さえることができる。その結果、高周波帯
域でも優れた透磁率を有する磁性薄膜を実現できる。As described above, by setting the contents of Si and X ′ contained in the magnetic layer within the above range, the magnetic crystal grains are mainly formed due to Si partially dissolved in the magnetic crystal grains of the magnetic layer. It is possible to reduce the crystal magnetic anisotropy and to minimize the increase in magnetostriction. As a result, it is possible to realize a magnetic thin film having excellent magnetic permeability even in a high frequency band.
【0015】また、特に、酸化物生成自由エネルギーが
Fe、Co、Niよりも小さいSi、Ge、Al、G
a、Ti、V、Cr等の元素(7A族元素、8族元素お
よび1B族元素を除く上記X)が磁性層に所定量含有さ
れることにより、中間層の熱安定性が向上する。これ
は、磁性層中の上記元素が、中間層に含まれ熱的に不安
定なM元素の酸化物から磁性層内に向かって拡散する酸
素元素を、中間層近傍で捕まえることにより磁性層内部
への拡散を抑制するためであると考えられる。また、生
成した酸化物が、中間層からの酸素拡散を抑制するバリ
ア層として作用するためでもあると考えられる。Further, in particular, Si, Ge, Al, and G whose oxide formation free energy is smaller than that of Fe, Co, and Ni.
The thermal stability of the intermediate layer is improved by containing a predetermined amount of an element such as a, Ti, V, or Cr (the above X excluding the 7A group element, the 8 group element, and the 1B group element) in the magnetic layer. This is because inside the magnetic layer, the above-mentioned elements in the magnetic layer trap oxygen elements, which are contained in the intermediate layer and diffuse from the thermally unstable oxide of the M element, into the magnetic layer in the vicinity of the intermediate layer. It is thought that this is to suppress the diffusion into It is also considered that the generated oxide also acts as a barrier layer that suppresses oxygen diffusion from the intermediate layer.
【0016】この磁性薄膜においては、bが3より少な
いと、Si等による結晶磁気異方性エネルギ−の低減効
果が十分には得られず、熱安定性にも欠けることとな
る。またcが50よりも大きくなると上述のSiによる
効果が十分には得られない。In this magnetic thin film, when b is less than 3, the effect of reducing the crystal magnetic anisotropy energy due to Si or the like cannot be sufficiently obtained, and the thermal stability is also insufficient. Further, when c is larger than 50, the above-mentioned effect of Si cannot be sufficiently obtained.
【0017】上記磁性薄膜においては、MがFeである
ことが好ましい。高い飽和磁束密度とともに比較的低い
磁歪を実現し易いからである。このような磁性材料をH
DDの記録ヘッド部に用いると、ディスクとの接触等に
伴って生じる記録ノイズを抑制することができる。In the above magnetic thin film, M is preferably Fe. This is because it is easy to realize a relatively low magnetostriction together with a high saturation magnetic flux density. Such magnetic material is
When used in a DD recording head unit, it is possible to suppress recording noise caused by contact with a disk or the like.
【0018】また、上記磁性薄膜においては、磁性層
が、柱状または針状の磁性結晶粒を含み、この磁性結晶
粒の平均結晶幅dw(基板面に平行な面での平均結晶粒
径)が、
5nm≦dw≦100nm
の範囲にあることが好ましい。さらに高い飽和磁束密度
と高周波帯域におけるさらに優れた透磁率が実現できる
からでる。dwを5nmよりも小さくすると、結晶粒の
粒界が増大してBsの低下が顕著になる。一方、dwを
100nmよりも大きくすると、例えば磁性薄膜を最短
幅が数百nmとなる程度に微細加工して使用する場合、
結晶粒径のサイズと最短幅が同程度になる。このため
に、磁性薄膜の磁化困難軸方向が、磁性結晶粒の磁化困
難軸の影響を強く受けるために、デバイスとして好まし
い方向に磁化困難軸を形成することが困難となる。In the above magnetic thin film, the magnetic layer contains columnar or needle-like magnetic crystal grains, and the average crystal width dw (average crystal grain size in a plane parallel to the substrate surface) of the magnetic crystal grains is , 5 nm ≦ dw ≦ 100 nm is preferable. This is because a higher saturation magnetic flux density and a higher magnetic permeability in the high frequency band can be realized. When dw is smaller than 5 nm, the grain boundaries of crystal grains increase and the Bs decreases significantly. On the other hand, when dw is set to be larger than 100 nm, for example, when the magnetic thin film is used after being finely processed to have a shortest width of several hundreds nm,
The size of the crystal grain size and the shortest width are similar. Therefore, the hard axis direction of the magnetic thin film is strongly influenced by the hard axis direction of the magnetic crystal grains, and it is difficult to form the hard axis direction in a direction preferable for the device.
【0019】上記磁性薄膜においては、中間層が、平均
結晶粒径dgを
1nm≦dg<Dn
の範囲とする微結晶粒を含むことが好ましい。このよう
な微結晶粒の一部が中間層に含まれていてもよい。上記
微結晶粒のサイズがDn以上になると、磁性層間の分離
が困難となって磁性薄膜の軟磁気特性が劣化する。な
お、中間層は、基本的には非晶質でもよいが、上記のよ
うに、中間層幅よりも小さな微結晶を含む形態とするこ
とにより、微結晶を核として成長する柱状あるいは針状
の結晶が微細化しやすく、上記好ましい平均結晶幅を有
する磁性層を形成することができる。In the above magnetic thin film, the intermediate layer preferably contains fine crystal grains having an average crystal grain size dg in the range of 1 nm ≦ dg <Dn. A part of such fine crystal grains may be included in the intermediate layer. When the size of the fine crystal grains is Dn or more, it becomes difficult to separate the magnetic layers, and the soft magnetic characteristics of the magnetic thin film deteriorate. The intermediate layer may be basically amorphous, but as described above, by adopting a form including microcrystals smaller than the width of the intermediate layer, a columnar or needle-like shape that grows with the microcrystals as nuclei is formed. Crystals are easily miniaturized, and a magnetic layer having the above preferable average crystal width can be formed.
【0020】また、上記磁性薄膜においては、中間層上
に形成された磁性層における前記中間層側から前記磁性
層の厚みの1/3までを初期形成層とすると、前記初期
形成層が、前記磁性層の酸素および窒素の合計含有率よ
りも高い酸素および窒素の合計含有率を有することが好
ましい。このような磁性薄膜では、初期形成層が酸素お
よび/または窒素により微細化されているために、主と
して初期形成層を核として成長する残りの磁性層におけ
る磁性結晶粒の結晶幅が全体に微細化される。従って、
磁性薄膜の軟磁気特性が向上するとともに、磁性層全体
に酸素および窒素を多く含有させた膜よりも、Bsを高
く維持することが可能となる。In the above magnetic thin film, if the initial formation layer is from the intermediate layer side of the magnetic layer formed on the intermediate layer to 1/3 of the thickness of the magnetic layer, the initial formation layer is It is preferable to have a total oxygen and nitrogen content higher than the total oxygen and nitrogen content of the magnetic layer. In such a magnetic thin film, since the initially formed layer is made finer by oxygen and / or nitrogen, the crystal width of the magnetic crystal grains in the remaining magnetic layer that grows mainly using the initially formed layer as a nucleus is made finer as a whole. To be done. Therefore,
The soft magnetic characteristics of the magnetic thin film are improved, and Bs can be maintained higher than that of the film in which the entire magnetic layer contains a large amount of oxygen and nitrogen.
【0021】また、上記磁性薄膜においては、磁性層一
層当たりの最短膜幅をDfwとすると、
Dm≦Dfw≦30μm
であることが好ましい。ここで、最短膜幅とは、膜面内
方向における磁性層の最短部の長さを意味する。このよ
うな磁性薄膜では、微細な形状に加工しても高周波帯域
における良好な特性を実現できる。Further, in the above magnetic thin film, when the shortest film width per one magnetic layer is Dfw, it is preferable that Dm ≦ Dfw ≦ 30 μm. Here, the shortest film width means the length of the shortest portion of the magnetic layer in the in-plane direction of the film. With such a magnetic thin film, good characteristics in a high frequency band can be realized even if processed into a fine shape.
【0022】Dfwが、磁性層一層の膜厚Dmよりも短
くなると、反磁界によって磁化が膜面内近傍から膜面に
垂直の方向へと傾く傾向が生まれ、軟磁気特性が劣化す
る。また、上記のようにDfwを30μm以下とするこ
とにより、磁性層内の磁化の向きが最短膜幅方向に向き
やすくなり、その結果、微細化された磁性薄膜の磁化方
向をサイズによって制御して強磁性共鳴による高周波特
性の劣化を抑制することができる。When Dfw is shorter than the film thickness Dm of one magnetic layer, the demagnetizing field tends to cause magnetization to tilt from the vicinity of the film surface to the direction perpendicular to the film surface, deteriorating the soft magnetic characteristics. Further, by setting Dfw to 30 μm or less as described above, the magnetization direction in the magnetic layer is easily oriented in the shortest film width direction, and as a result, the magnetization direction of the miniaturized magnetic thin film is controlled by the size. It is possible to suppress deterioration of high frequency characteristics due to ferromagnetic resonance.
【0023】また、上記目的を達成するために、本発明
の磁気ヘッドは、上記磁性薄膜を含むことを特徴とす
る。In order to achieve the above object, the magnetic head of the present invention is characterized by including the above magnetic thin film.
【0024】[0024]
【発明の実施の形態】本発明の磁性薄膜は、低ガス圧雰
囲気において形成することが好ましい。このような成膜
法としては、特に限定するものではないが、例えば高周
波(RF)マグネトロンスパッタリング法、直流(D
C)スパッタリング法、対向タ−ゲットスパッタリング
法、イオンビ−ムスパッタリング法等に代表されるスパ
ッタリング法や、各種の蒸着法を挙げることができる。BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION The magnetic thin film of the present invention is preferably formed in a low gas pressure atmosphere. Such a film forming method is not particularly limited, but for example, a radio frequency (RF) magnetron sputtering method, a direct current (D)
C) A sputtering method represented by a sputtering method, a facing target sputtering method, an ion beam sputtering method, and various vapor deposition methods can be mentioned.
【0025】例えばスパッタリング法による場合には、
まず、磁性層、中間層それぞれの成膜後の組成を考慮し
て合金タ−ゲットの組成を決定し、この合金ターゲット
を、不活性ガス中でスパッタリングして基板上に磁性層
と中間層とを交互に成膜することにより、磁性薄膜を製
造することができる。この場合、合金タ−ゲット上に、
添加元素ペレットを配置してスパッタリングしてもよ
く、添加元素の一部をガス状態で装置内に導入する反応
性スパッタリング法を適用してもよい。なお、放電を行
う電極は、組成によっては1基でも構わない。For example, when the sputtering method is used,
First, the composition of the alloy target is determined in consideration of the compositions of the magnetic layer and the intermediate layer after film formation, and the alloy target is sputtered in an inert gas to form the magnetic layer and the intermediate layer on the substrate. A magnetic thin film can be manufactured by alternately forming the above. In this case, on the alloy target,
Sputtering may be performed by disposing the additive element pellets, or a reactive sputtering method in which a part of the additive element is introduced into the apparatus in a gas state may be applied. The number of electrodes for discharging may be one, depending on the composition.
【0026】このようなスパッタリング法を適用する場
合には、放電ガス圧、放電電力、基板の温度、基板のバ
イアス状態、タ−ゲット上および基板近傍の磁場値、タ
−ゲット形状、基板への入射粒子の方向、ならびに放電
ガスの種類といった成膜条件を制御することにより、形
成する磁性薄膜の構造とともに、見かけの熱膨張係数、
基板とタ−ゲットとの位置による膜特性の相違等を制御
することができる。成膜直後の磁性薄膜は必要に応じ
て、磁界中または無磁界中において所定の温度で熱処理
してもよい。この場合、熱処理雰囲気は、真空中あるい
は不活性ガス中が好ましく、熱処理温度は100〜35
0℃が好ましい。When such a sputtering method is applied, the discharge gas pressure, the discharge power, the temperature of the substrate, the bias state of the substrate, the magnetic field value on and near the target, the shape of the target, and the target shape. By controlling the film formation conditions such as the direction of incident particles and the type of discharge gas, the structure of the magnetic thin film to be formed and the apparent thermal expansion coefficient,
It is possible to control the difference in film characteristics due to the positions of the substrate and the target. The magnetic thin film immediately after the film formation may be heat-treated at a predetermined temperature in a magnetic field or no magnetic field, if necessary. In this case, the heat treatment atmosphere is preferably vacuum or inert gas, and the heat treatment temperature is 100 to 35.
0 ° C is preferred.
【0027】以上に説明したような磁性薄膜は、磁気セ
ンサー、磁気回路部品等の磁気デバイスに好適に用い得
るが、特に、MIG(Metal In Gap)ヘッド、LAMヘ
ッド(積層型ヘッド;Lamination Head)およびハード
ディスク用ヘッド等の磁気ヘッドとして好適に用いるこ
とができる。The magnetic thin film as described above can be preferably used for magnetic devices such as magnetic sensors and magnetic circuit parts, but in particular, MIG (Metal In Gap) heads and LAM heads (Lamination Heads). And a magnetic head such as a hard disk head.
【0028】以下、このような磁気ヘッドの例について
図面を参照しながら説明する。An example of such a magnetic head will be described below with reference to the drawings.
【0029】図1に示したMIGヘッドは、フェライト
からなる磁気コア1の磁気ギャップ4近傍に、本発明の
磁性薄膜2を備えている。磁気ギャップ4は、両側より
ガラス3により挟持されている。また、孔6は、図示を
省略する電磁コイルを通過させるために形成されたもの
である。The MIG head shown in FIG. 1 is provided with the magnetic thin film 2 of the present invention near the magnetic gap 4 of the magnetic core 1 made of ferrite. The magnetic gap 4 is sandwiched by the glass 3 from both sides. Further, the hole 6 is formed to pass an electromagnetic coil (not shown).
【0030】図2に示したLAMヘッドは、非磁性体1
1により本発明の磁性薄膜16が挟持された構造を有し
ている。磁性薄膜16は、絶縁層17との積層体として
用いられる。この積層体は、磁気ギャップ12と直交す
るように形成され、また積層された断面がテープ走行面
13に面するように配置されている。この磁気ヘッドに
も、図1の磁気ヘッドと同様、電磁コイルを巻き付ける
ための孔14が形成される。The LAM head shown in FIG.
1 has a structure in which the magnetic thin film 16 of the present invention is sandwiched. The magnetic thin film 16 is used as a laminate with the insulating layer 17. This laminated body is formed so as to be orthogonal to the magnetic gap 12, and is arranged so that the laminated cross section faces the tape running surface 13. Similar to the magnetic head of FIG. 1, this magnetic head also has holes 14 for winding the electromagnetic coil.
【0031】図3に示したハードディスク用ヘッドは、
基板40上に、再生下部シールド膜39、再生下部ギャ
ップ膜38、GMR(Giant Magnetoresistance)膜3
3および硬質磁性膜35、再生上部ギャップ膜34、再
生上部シールド膜兼下部記録磁極36、記録ギャップ膜
32が順に形成されている。また、硬質磁性膜35と再
生上部ギャップ膜34との間には、GMR部33に向か
って両側から端子37が介在している。さらに、記録ギ
ャップ膜32上には、所定の膜厚42を備え、幅を記録
幅41とする上部記録磁極31が形成されている。The hard disk head shown in FIG.
A reproducing lower shield film 39, a reproducing lower gap film 38, and a GMR (Giant Magnetoresistance) film 3 are formed on a substrate 40.
3, a hard magnetic film 35, a reproducing upper gap film 34, a reproducing upper shield film / lower recording magnetic pole 36, and a recording gap film 32 are sequentially formed. Further, terminals 37 are interposed between the hard magnetic film 35 and the reproducing upper gap film 34 from both sides toward the GMR portion 33. Further, on the recording gap film 32, an upper recording magnetic pole 31 having a predetermined film thickness 42 and having a recording width 41 is formed.
【0032】本発明の磁性薄膜を用いた磁気ヘッドで
は、高周波帯域、特に50MHz以上の磁気記録におい
て優れた記録特性を実現できる。With the magnetic head using the magnetic thin film of the present invention, excellent recording characteristics can be realized in the high frequency band, especially in magnetic recording of 50 MHz or more.
【0033】[0033]
【実施例】以下の実施例において、各薄膜は、RFマグ
ネトロンスパッタリング法、あるいはDCマグネトロン
スパッタリング法を用いて作製した。膜構造はX線回折
(XRD)を用いて測定し、透過型電子顕微鏡(TE
M)を用いて観察した。組成分析はEPMAにより評価
した。また、透磁率は1タ−ンコイル、飽和磁束密度は
VSMにより評価した。以下、実施例の詳細を記す。EXAMPLES In the following examples, each thin film was formed by using the RF magnetron sputtering method or the DC magnetron sputtering method. The film structure was measured using X-ray diffraction (XRD), and the transmission electron microscope (TE
M) was used for observation. The composition analysis was evaluated by EPMA. The magnetic permeability was evaluated by 1-turn coil, and the saturation magnetic flux density was evaluated by VSM. The details of the examples will be described below.
【0034】(実施例1)本実施例では、磁性層をFe
(Si)N、中間層をFe(Si)ONとする磁性薄膜
を中心に、高周波での透磁率が最適となる組成範囲、磁
性層厚、中間層厚、微細構造等について調査した。な
お、( )内の成分はサンプルによっては含まれない。Example 1 In this example, the magnetic layer is made of Fe.
Focusing on a magnetic thin film having (Si) N and Fe (Si) ON as the intermediate layer, the composition range, the magnetic layer thickness, the intermediate layer thickness, the fine structure, etc., in which the magnetic permeability at the high frequency is optimized were investigated. The components in parentheses are not included depending on the sample.
【0035】成膜条件は次の通りである。
基板:非磁性セラミックス基板
基板温度:200℃
タ−ゲット:FeまたはFeSi合金タ−ゲット
成膜時基板:回転
タ−ゲットサイズ:3インチ
放電ガス圧:3mTorr
放電電力:300W
スパッタリングガス
:磁性層Ar+N2:窒素流量比(N2/(Ar+N2))6
%
:中間層Ar+O2+N2:酸素流量比(O2/(Ar+
O2))25%The film forming conditions are as follows. Substrate: Non-magnetic ceramic substrate Substrate temperature: 200 ° C. Target: Fe or FeSi alloy target Target film forming substrate: Rotating target Size: 3 inches Discharge gas pressure: 3 mTorr Discharge power: 300 W Sputtering gas: Magnetic layer Ar + N 2 : Nitrogen flow rate ratio (N 2 / (Ar + N 2 )) 6
%: Intermediate layer Ar + O 2 + N 2 : Oxygen flow rate ratio (O 2 / (Ar +
O 2 )) 25%
【0036】膜の形成は、同一の磁性薄膜に関しては同
一のFeターゲットまたはFeSi合金タ−ゲットを使
用しながら、磁性層はAr+N2混合ガス雰囲気中で、
中間層はこの雰囲気にさらに連続的にO2ガスを導入す
ることにより実施した。このようにして、膜厚100n
mの磁性層(Fe(Si)N)と、膜厚6nmの中間層
(Fe(Si)ON)とを交互に10層ずつ積層して、
膜厚約1μmの磁性多層膜を作製した。いずれの磁性多
層膜においても、中間層には磁性層よりも多くの酸素が
含まれていた。また比較のために、厚さ1μmの単層の
磁性層からなる単層膜を作製した。The formation of the film is carried out by using the same Fe target or FeSi alloy target for the same magnetic thin film while the magnetic layer is in an Ar + N 2 mixed gas atmosphere.
The intermediate layer was formed by further continuously introducing O 2 gas into this atmosphere. In this way, the film thickness is 100n
m magnetic layers (Fe (Si) N) and 6 nm-thick intermediate layers (Fe (Si) ON) are alternately laminated by 10 layers,
A magnetic multilayer film having a thickness of about 1 μm was produced. In each of the magnetic multilayer films, the intermediate layer contained more oxygen than the magnetic layer. For comparison, a single-layer film made of a single magnetic layer having a thickness of 1 μm was prepared.
【0037】磁性層を(FeaSib)100-dNd(ただ
し、a+b=100、0≦d≦10)なる組成式で表し
た場合のbの値と、単層膜および多層膜の10MHzに
おける初透磁率との関係を表1に示す。When the magnetic layer is represented by a composition formula of (Fe a Si b ) 100-d N d (where a + b = 100, 0 ≦ d ≦ 10), the value of b and the single layer film and the multilayer film Table 1 shows the relationship with the initial magnetic permeability at 10 MHz.
【0038】 (表1) ―――――――――――――――――― 透磁率 サンプル b (10MHz) 単層膜 多層膜 ―――――――――――――――――― aa 0 1500 500 ab 1 1500 1000 ac 2 1700 3000 ad 3 2000 4000 ae 5 2000 4000 af 8 1500 3500 ――――――――――――――――――[0038] (Table 1) ―――――――――――――――――― Permeability Sample b (10MHz) Single layer film Multilayer film ―――――――――――――――――― aa 0 1500 500 ab 1 1500 1000 ac 2 1700 3000 ad 3 2000 4000 ae 5 2000 4000 af 8 1500 3500 ――――――――――――――――――
【0039】表1に示したように、bが2以上であるサ
ンプルac〜サンプルafの多層膜において、高い透磁
率が得られた。また、いずれのサンプルにおいても、飽
和磁束密度Bsは1.7T以上であった。なお、磁性層
内のN含有率を示すdは、いずれのサンプルにおいても
3〜10程度であった。As shown in Table 1, in the multilayer films of sample ac to sample af in which b is 2 or more, high magnetic permeability was obtained. Further, in all the samples, the saturation magnetic flux density Bs was 1.7 T or more. The d, which represents the N content in the magnetic layer, was about 3 to 10 in all the samples.
【0040】また、表1に示した測定値は成膜直後の値
であるが、作製したサンプルを300℃で熱処理した後
も、基本的な傾向は表1と同じであった。The measured values shown in Table 1 are the values immediately after the film formation, but the basic tendency was the same as in Table 1 even after the manufactured sample was heat-treated at 300 ° C.
【0041】また、成膜時の基板温度を室温に変更して
作製したところ、いずれのサンプルも初透磁率が1〜5
割程度減少した。X線回折により膜の微細構造を調べた
結果、基板温度を200℃として作製した磁性膜は、い
ずれもγ’-Fe4Nの非晶質または微結晶の回折線が観
察された。一方、室温で作製した膜からはこれらの回折
線がほとんど観察されなかった。従って、磁性層中に
γ’-Fe4Nが存在することが好ましいことがわかる。When the substrate temperature at the time of film formation was changed to room temperature, all samples had an initial magnetic permeability of 1 to 5.
It decreased by about 50%. As a result of examining the fine structure of the film by X-ray diffraction, diffraction lines of γ′-Fe 4 N amorphous or microcrystalline were observed in all the magnetic films produced at a substrate temperature of 200 ° C. On the other hand, these diffraction lines were hardly observed from the film prepared at room temperature. Therefore, it is preferable that γ'-Fe 4 N is present in the magnetic layer.
【0042】なお、上記磁性薄膜は、bの値が8より多
くても多層化による透磁率の向上が確認できたが、Bs
は1.6T程度までに低下した。In the above magnetic thin film, it was confirmed that even if the value of b was more than 8, the improvement of the magnetic permeability due to the multilayer structure was obtained.
Decreased to about 1.6T.
【0043】また、上記と同様、厚さ100nmの磁性
層と厚さ6nmの中間層とを積層した磁性薄膜を、ター
ゲットの組成およびスパッタリングガスを変更して種々
成膜した結果、(MaXb)100-dAd(MはFe、Coお
よびNiから選ばれる少なくとも1種の磁性金属、Xは
Mg、Ca、Sr、Ba、Si、Ge、Sn、Alおよ
びGaならびに前記Mを除く遷移金属から選ばれる少な
くとも1種の元素、AはOおよびNの少なくとも1種、
a、b、cは2≦b≦8、a+b=100、0≦d≦1
0)の組成範囲である磁性層と、前記Mおよび前記Xを
含有し、かつ前記磁性層よりも酸素を多く含有する中間
層とを用いると、優れた高周波特性が得られることが確
認できた。[0043] Further, similar to the above, the magnetic thin film and a magnetic layer and a thickness of 6nm the intermediate layer is laminated with a thickness of 100 nm, result of various film deposition by changing the composition and the sputtering gas of the target, (M a X b ) 100-d Ad (M is at least one magnetic metal selected from Fe, Co and Ni, X is Mg, Ca, Sr, Ba, Si, Ge, Sn, Al and Ga and transitions other than M) At least one element selected from metals, A is at least one of O and N,
a, b, c are 2 ≦ b ≦ 8, a + b = 100, 0 ≦ d ≦ 1
It has been confirmed that excellent high frequency characteristics can be obtained by using a magnetic layer having a composition range of 0) and an intermediate layer containing M and X and containing more oxygen than the magnetic layer. .
【0044】さらに、N2流量比を変化させてdが上記
範囲となるように作製した単層膜と多層膜とを比較した
ところ、多層膜においては、透磁率が窒素含有率の影響
を受けにくいことが明らかになった。このように、多層
膜においては、窒素含有率が広い範囲で優れた透磁率を
示すために、量産時、特に比較的大面積で磁性薄膜を形
成する場合に、歩留まりの向上が期待できる。Further, when the single-layer film and the multi-layer film produced so that d falls within the above range by changing the N 2 flow rate ratio, the magnetic permeability of the multi-layer film is affected by the nitrogen content. It turned out to be difficult. As described above, since the multilayer film exhibits excellent magnetic permeability in a wide range of nitrogen content, it is expected that the yield will be improved during mass production, particularly when a magnetic thin film is formed in a relatively large area.
【0045】次に、bの値を2に固定し、成膜時の放電
ガス圧を0.8mTorr〜8mTorrの範囲で変化させて多層
膜を作製し、その透磁率について調査した。その他の成
膜条件は上記と同じである。Next, the value of b was fixed at 2, the discharge gas pressure during film formation was changed within the range of 0.8 mTorr to 8 mTorr to prepare a multilayer film, and its magnetic permeability was investigated. Other film forming conditions are the same as above.
【0046】作製した磁性膜の膜断面のTEM観察によ
り、それぞれの結晶サイズを調べた。成膜した多層膜の
磁性層は、柱状ないし針状の磁性結晶粒を母相としてお
り、磁性結晶粒の高さは磁性層の厚みとほぼ一致してい
た。Each crystal size was examined by TEM observation of the cross section of the produced magnetic film. The magnetic layer of the formed multilayer film had columnar or needle-shaped magnetic crystal grains as a mother phase, and the height of the magnetic crystal grains was substantially equal to the thickness of the magnetic layer.
【0047】磁性結晶粒の結晶幅と10MHzにおける
初透磁率との関係を表2に示す。ここで、磁性結晶粒の
結晶幅dwは、柱状晶を円柱と仮定した場合にはその柱
の直径、回転楕円体と仮定した場合にはその楕円体の短
軸の長さを記している。なお、断面TEMで観察できる
TEM写真は、柱状の任意の断面を見ているために、測
定した長さに4/π倍した値を結晶幅dwとすることに
より、膜面に平行に観察した場合の結晶粒のサイズへの
補正を行った。Table 2 shows the relationship between the crystal width of the magnetic crystal grains and the initial magnetic permeability at 10 MHz. Here, the crystal width dw of the magnetic crystal grains indicates the diameter of the column when the columnar crystal is assumed to be a cylinder, and the length of the minor axis of the ellipsoid when it is assumed to be a spheroid. Note that the TEM photograph that can be observed by the cross-sectional TEM was observed in parallel with the film surface by setting the crystal width dw to a value obtained by multiplying the measured length by 4 / π, since a columnar arbitrary cross-section is seen. In this case, the size of the crystal grain was corrected.
【0048】 (表2) ―――――――――――――――――― サンプル 結晶幅 透磁率 dw[nm] (10MHz) ―――――――――――――――――― ba 4 300 bb 5 1000 bc 10 4000 bd 20 3000 be 100 2000 bf 200 400 ――――――――――――――――――[0048] (Table 2) ―――――――――――――――――― Sample crystal width Permeability dw [nm] (10MHz) ―――――――――――――――――― ba 4 300 bb 5 1000 bc 10 4000 bd 20 3000 be 100 2000 bf 200 400 ――――――――――――――――――
【0049】表2に示したように、磁性層中に柱状また
は針状の磁性結晶粒が含まれ、その磁性結晶粒の平均結
晶幅dwが、5nm≦dw≦100nmの範囲にあると
きに優れた高周波特性が得られることが確認された。As shown in Table 2, when the magnetic layer contains columnar or acicular magnetic crystal grains, and the average crystal width dw of the magnetic crystal grains is in the range of 5 nm ≦ dw ≦ 100 nm, it is excellent. It was confirmed that high frequency characteristics were obtained.
【0050】次に、bの値を3に固定して、磁性層の厚
みと中間層の厚みとを種々変更して多層膜の初透磁率を
調査した。その他の成膜条件は上記と同じである。結果
を表3および表4に示す。Next, the value of b was fixed at 3, and the thickness of the magnetic layer and the thickness of the intermediate layer were variously changed, and the initial magnetic permeability of the multilayer film was investigated. Other film forming conditions are the same as above. The results are shown in Tables 3 and 4.
【0051】 (表3) ―――――――――――――――――――――― サンプル 磁性層膜厚 中間層膜厚 透磁率 Dm[nm] Dn[nm] (10MHz) ―――――――――――――――――――――― ca 30 6 3000 cb 50 6 5000 cc 100 6 4000 cd 500 6 3000 ce 600 6 2000 ――――――――――――――――――――――[0051] (Table 3) ―――――――――――――――――――――― Sample Magnetic layer thickness Intermediate layer thickness Permeability Dm [nm] Dn [nm] (10MHz) ―――――――――――――――――――――― ca 30 6 3000 cb 50 6 5000 cc 100 6 4000 cd 500 6 3000 ce 600 6 2000 ――――――――――――――――――――――
【0052】表3に示したように、磁性層の膜厚が50
nm≦Dm≦500nmの範囲で優れた高周波特性を得
ることができた。一方、サンプルceの透磁率は表1に
示した単層膜の透磁率と同程度であり、サンプルcaに
おいては飽和磁束密度の低下が大きくなった。As shown in Table 3, the thickness of the magnetic layer is 50.
Excellent high frequency characteristics could be obtained in the range of nm ≦ Dm ≦ 500 nm. On the other hand, the magnetic permeability of the sample ce was about the same as the magnetic permeability of the single-layer film shown in Table 1, and the saturation magnetic flux density was significantly reduced in the sample ca.
【0053】 (表4) ―――――――――――――――――――――― サンプル 磁性層膜厚 中間層膜厚 透磁率 Dm[nm] Dn[nm] (10MHz) ―――――――――――――――――――――― da 100 1 300 db 100 2 2500 dc 100 6 4000 dd 100 10 3000 de 100 15 1500 ――――――――――――――――――――――[0053] (Table 4) ―――――――――――――――――――――― Sample Magnetic layer thickness Intermediate layer thickness Permeability Dm [nm] Dn [nm] (10MHz) ―――――――――――――――――――――― da 100 1 300 db 100 2 2500 dc 100 6 4000 dd 100 10 3000 de 100 15 1500 ――――――――――――――――――――――
【0054】表4に示したように、中間層の膜厚が2n
m≦Dn≦10nmの範囲で優れた高周波特性を得るこ
とができた。一方、サンプルdaは、TEM観察の結
果、磁性結晶粒が十分分離できていないことが確認され
た。また、サンプルdeにおいては初透磁率が単層膜以
下であり、飽和磁束密度の低下も著しい。As shown in Table 4, the thickness of the intermediate layer is 2n.
Excellent high frequency characteristics could be obtained in the range of m ≦ Dn ≦ 10 nm. On the other hand, in the sample da, as a result of TEM observation, it was confirmed that the magnetic crystal grains were not sufficiently separated. Further, in the sample de, the initial magnetic permeability is equal to or less than that of the single layer film, and the saturation magnetic flux density is significantly reduced.
【0055】以上の結果から、優れた飽和磁束密度と磁
気特性とを得るためには、50nm≦Dm≦500nm
かつ2nm≦Dn≦10nmであることが好ましいこと
が確認できた。From the above results, in order to obtain excellent saturation magnetic flux density and magnetic characteristics, 50 nm ≦ Dm ≦ 500 nm
Moreover, it was confirmed that it is preferable that 2 nm ≦ Dn ≦ 10 nm.
【0056】(実施例2)本実施例では、磁性層をFe
(Si)(O)、中間層をFe(Si)Oとする磁性薄
膜を中心に、高周波での透磁率が最適となる組成範囲、
磁性層厚、中間層厚、微細構造等について調査した。な
お、( )内の成分はサンプルによっては含まれない。Example 2 In this example, the magnetic layer is made of Fe.
A composition range in which the magnetic permeability at high frequencies is optimal, centering on a magnetic thin film containing (Si) (O) and Fe (Si) O as the intermediate layer,
The magnetic layer thickness, the intermediate layer thickness, the fine structure, etc. were investigated. The components in parentheses are not included depending on the sample.
【0057】成膜条件は次の通りである。
基板:非磁性セラミックス基板
基板温度:室温
タ−ゲット:FeターゲットまたはFeSi合金タ−ゲ
ット
成膜時基板:固定
タ−ゲットサイズ:3インチ
放電ガス圧:8mTorr
放電電力:300W
スパッタリングガス
:磁性層Ar
:中間層Ar+O2:酸素流量比(O2/(Ar+O2))=
25%The film forming conditions are as follows. Substrate: Non-magnetic ceramic substrate Substrate temperature: room temperature Target: Fe target or FeSi alloy target During film formation Substrate: Fixed target Size: 3 inches Discharge gas pressure: 8 mTorr Discharge power: 300 W Sputtering gas: Magnetic layer Ar : Intermediate layer Ar + O 2 : Oxygen flow rate ratio (O 2 / (Ar + O 2 )) =
25%
【0058】膜の形成は、同一の磁性薄膜に関しては同
一のFeターゲットまたはFeSi合金タ−ゲットを使
用しながら、磁性層はArガス雰囲気中で、中間層はこ
の雰囲気にさらに連続的にO2ガスを導入することによ
り実施した。このようにして、膜厚100nmの磁性層
(Fe(Si)(O))と、膜厚6nmの中間膜(Fe
(Si)O)とを交互に10層ずつ積層して、膜厚約1
μmの磁性多層膜を作製した。いずれの磁性多層膜にお
いても、中間層には磁性層よりも多くの酸素が含まれて
いた。For forming the film, the same Fe target or FeSi alloy target was used for the same magnetic thin film, the magnetic layer was in an Ar gas atmosphere, and the intermediate layer was further continuously O 2 in this atmosphere. It was carried out by introducing gas. Thus, the magnetic layer (Fe (Si) (O)) having a film thickness of 100 nm and the intermediate film (Fe (Fe)) having a film thickness of 6 nm are formed.
(Si) O) and 10 layers are alternately laminated to obtain a film thickness of about 1
A μm magnetic multilayer film was prepared. In each of the magnetic multilayer films, the intermediate layer contained more oxygen than the magnetic layer.
【0059】磁性層を(FeaSib)100-dOd(ただ
し、a+b=100、0≦d≦10)なる組成式で表し
た場合のbの値と、10MHzおよび300MHzにお
ける初透磁率および飽和磁束密度との関係を表5に示
す。When the magnetic layer is represented by a composition formula of (Fe a Si b ) 100-d O d (where a + b = 100, 0 ≦ d ≦ 10), the value of b and the initial magnetic permeability at 10 MHz and 300 MHz. Table 5 shows the relationship with the saturation magnetic flux density.
【0060】 (表5) ――――――――――――――――――――― サンプル b 透磁率 Bs (10MHz) (300MHz) [T] ――――――――――――――――――――― ea 0 150 150 2.03 eb 2 200 200 1.98 ec 3 500 400 1.95 ed 5 1500 800 1.87 ee 7 1900 1000 1.82 ef 8 2300 1200 1.79 ―――――――――――――――――――――[0060] (Table 5) ――――――――――――――――――――― Sample b Permeability Bs (10MHz) (300MHz) [T] ――――――――――――――――――――― ea 0 150 150 2.03 eb 2 200 200 1.98 ec 3 500 400 1.95 ed 5 1500 800 1.87 ee 7 1900 1000 1.82 ef 8 2300 1200 1.79 ―――――――――――――――――――――
【0061】表5に示したように、bが3以上であるサ
ンプルec〜サンプルefにおいて、高い透磁率と高飽
和磁束密度が得られた。なお、磁性層内のO含有率を示
すdは、いずれのサンプルにおいても平均して0〜3程
度であった。磁性層作製中にO2ガスを導入していない
にも拘わらず、O元素が存在する場合があるのは、中間
層作製時の残留酸素によるものと考えられる。As shown in Table 5, in samples ec to ef in which b was 3 or more, high magnetic permeability and high saturation magnetic flux density were obtained. It should be noted that d indicating the O content in the magnetic layer was about 0 to 3 on average in all the samples. It is considered that the O element may exist even though the O 2 gas is not introduced during the production of the magnetic layer due to the residual oxygen during the production of the intermediate layer.
【0062】また、表5に示した測定値は成膜直後の値
であるが、作製したサンプルを300℃で熱処理した後
も、基本的な傾向は表5と同じであった。また、熱処理
すると、10MHzでの透磁率は2〜3割向上し、30
0MHzの透磁率はやや減少するか、同程度であった。
10MHzでの透磁率の向上には、磁性薄膜の構造緩和
等が寄与し、また300MHzでの透磁率の変化には、
熱処理による膜の比抵抗の減少が影響していると考えら
れる。The measured values shown in Table 5 are the values immediately after the film formation, but the basic tendency was the same as in Table 5 even after the manufactured sample was heat-treated at 300 ° C. Also, when heat-treated, the magnetic permeability at 10 MHz is improved by 20 to 30%,
The magnetic permeability at 0 MHz was slightly reduced or was about the same.
Structural relaxation of the magnetic thin film contributes to the improvement of the magnetic permeability at 10 MHz, and the change of the magnetic permeability at 300 MHz is
It is considered that the decrease in the specific resistance of the film due to the heat treatment has an effect.
【0063】なお、上記磁性薄膜は、bの値が8より多
くても多層化による透磁率の向上が確認できたが、Bs
は1.7T程度までに低下した。In the above magnetic thin film, it was confirmed that even if the value of b was more than 8, the improvement of the magnetic permeability due to the multilayer structure was obtained.
Fell to about 1.7T.
【0064】透磁率の高いサンプルefと透磁率の低い
サンプルeaとの断面TEMを観察して比較した。その
結果、サンプルefでは、磁性層は結晶幅を約30〜4
0nmとする柱状結晶からなり、中間層は1〜2nm程
度の微結晶をわずかに含む非晶質を母相とする構造を有
することがわかった。また、磁性層において当該磁性層
を成膜した中間層側から約1/3までの厚さに相当する
初期形成層では、粒界が酸素リッチになっていた。一
方、サンプルeaでは、磁性層は結晶幅を約60〜70
nmとする柱状結晶からなり、一部では中間層を突き抜
けた粒成長がみられた。またこの中間層内には粒径7n
m以上の微結晶質が一部成長していた。The cross-section TEM of the sample ef having a high magnetic permeability and the sample ea having a low magnetic permeability were observed and compared. As a result, in the sample ef, the magnetic layer has a crystal width of about 30-4.
It was found that the intermediate layer was composed of columnar crystals having a thickness of 0 nm, and the intermediate layer had a structure in which an amorphous phase slightly containing fine crystals of about 1 to 2 nm was used as a mother phase. Further, in the initial formation layer corresponding to a thickness of about 1/3 from the intermediate layer side where the magnetic layer was formed in the magnetic layer, the grain boundary was rich in oxygen. On the other hand, in the sample ea, the magnetic layer has a crystal width of about 60 to 70.
It was composed of columnar crystals having a size of nm, and grain growth that penetrated the intermediate layer was observed in part. Also, the grain size is 7n in this intermediate layer.
Part of the crystallites of m or more had grown.
【0065】サンプルefとサンプルeaとの比較か
ら、Siは中間層の不必要な結晶化を抑制するとともに
磁性層の結晶を分離する作用を有していると考えられ
る。また、初期形成層内の酸素は磁性結晶粒の幅方向の
粒成長を抑制する作用を有していると考えられる。From the comparison between sample ef and sample ea, it is considered that Si has the effect of suppressing unnecessary crystallization of the intermediate layer and separating the crystals of the magnetic layer. Further, it is considered that oxygen in the initial formation layer has an effect of suppressing grain growth in the width direction of magnetic crystal grains.
【0066】次に、成膜時における基板温度を室温(サ
ンプルfa)または200℃(サンプルfb)とした磁
性薄膜を、300[Oe]の一軸磁界中で熱処理を行
い、10MHzでの初透磁率を調査した。なお、磁性層
のSi量は上記サンプルeeと同じ7%とした。また、
これらサンプルの成膜時には、基板を回転させることに
より、漏れ磁界等による異方性の影響を取り除いてい
る。その他の成膜条件は、表5に示したサンプルと同
様、上記と同じである。結果を表6に示す。Next, the magnetic thin film whose substrate temperature at the time of film formation was room temperature (sample fa) or 200 ° C. (sample fb) was heat-treated in a uniaxial magnetic field of 300 [Oe] to obtain an initial magnetic permeability at 10 MHz. investigated. The amount of Si in the magnetic layer was set to 7%, which is the same as the sample ee. Also,
At the time of film formation of these samples, the influence of anisotropy due to a leakage magnetic field or the like is removed by rotating the substrate. Other film forming conditions are the same as above, like the samples shown in Table 5. The results are shown in Table 6.
【0067】 (表6) ――――――――――――――――――――――――― 熱処理温度による透磁率(10MHz) ――――――――――――――――――――――――― 熱処理温度 200℃ 250℃ 300℃ 350℃ サンプルfa 2000 3200 3800 1200 サンプルfb 3800 4000 4000 3000 ―――――――――――――――――――――――――[0067] (Table 6) ――――――――――――――――――――――――― Permeability according to heat treatment temperature (10MHz) ――――――――――――――――――――――――― Heat treatment temperature 200 ℃ 250 ℃ 300 ℃ 350 ℃ Sample fa 2000 3200 3800 1200 Sample fb 3800 4000 4000 3000 ―――――――――――――――――――――――――
【0068】表6に示したように、基板温度を200℃
として成膜したサンプルfbは、いずれの熱処理温度に
おいても高い透磁率を示すことがわかる。それぞれのサ
ンプルの成膜直後の断面TEM観察を行ったところ、磁
性層はいずれも柱状結晶で形成されており、この結晶幅
は30〜40nm程度であった。また特にサンプルfb
は、サンプルfaに比べ、中間層内にFeが母組成であ
ると考えられる1〜6nm程度の微結晶が観察された。
サンプルfbにおいて、基板温度が高いにも拘わらず結
晶幅が室温の成膜と同じように小さいのは、この微結晶
を核としたランダムな結晶成長が原因していると考えら
れる。このように、中間層内に適度な結晶質が存在する
ことが重要であると考えられる。As shown in Table 6, the substrate temperature was 200 ° C.
It can be seen that the sample fb formed as above exhibits high magnetic permeability at any heat treatment temperature. Cross-sectional TEM observation of each sample immediately after film formation revealed that the magnetic layers were all formed of columnar crystals, and the crystal width was about 30 to 40 nm. Also, especially the sample fb
In comparison with Sample fa, fine crystals of about 1 to 6 nm in which Fe is considered to be the mother composition were observed in the intermediate layer.
In the sample fb, the fact that the crystal width is as small as the film formation at room temperature despite the high substrate temperature is considered to be due to the random crystal growth with the fine crystals as nuclei. As described above, it is considered important that an appropriate crystalline substance exists in the intermediate layer.
【0069】次に、Feタ−ゲット上に、Si、Alチ
ップを所定量配置することにより、組成式(Fea(S
i100-cAlc)b)100-dOd(但し、a+b=100、
0≦d≦10)により示される厚さ100nmの磁性層
(FeSi(Al)(O))と、厚さ6nmの中間層
(FeSi(Al)O)とを積層した多層膜を作製し、
10MHzでの初透磁率と、cの値との関係を調査し
た。なお、bの値は5に固定した。その他の成膜条件
は、表5のサンプルと同様、上記のとおりである。結果
を表7に示す。Next, by arranging a predetermined amount of Si and Al chips on the Fe target, the composition formula (Fe a (S
i 100-c Al c ) b ) 100-d O d (provided that a + b = 100,
0 ≦ d ≦ 10) and a 100 nm-thick magnetic layer (FeSi (Al) (O)) and a 6 nm-thick intermediate layer (FeSi (Al) O) are laminated to form a multilayer film,
The relationship between the initial permeability at 10 MHz and the value of c was investigated. The value of b was fixed at 5. Other film forming conditions are as described above, like the samples in Table 5. The results are shown in Table 7.
【0070】 (表7) ――――――――――――――――――― サンプル c c/(100-c) 透磁率 (10MHz) ――――――――――――――――――― ga 0 0 1500 gb 23.1 0.3 1600 gc 33.3 0.5 1800 gd 44.4 0.8 1500 ge 50.0 1.0 1200 gf 54.5 1.2 600 ―――――――――――――――――――[0070] (Table 7) ――――――――――――――――――― Sample c c / (100-c) Permeability (10MHz) ――――――――――――――――――― ga 0 0 1500 gb 23.1 0.3 1600 gc 33.3 0.5 1800 gd 44.4 0.8 1500 ge 50.0 1.0 1200 gf 54.5 1.2 600 ―――――――――――――――――――
【0071】表7に示したように、cの値が0≦c≦5
0のサンプルga〜サンプルgeにおいて高い透磁率を
得ることができた。As shown in Table 7, the value of c is 0≤c≤5.
A high magnetic permeability could be obtained in sample ga to sample ge of 0.
【0072】また、上記と同様、厚さ100nmの磁性
層と厚さ6nmの中間層とを積層した磁性薄膜を、ター
ゲットの組成およびスパッタリングガスを変更して種々
成膜した結果、(Ma(Si100-cXc)b)100-dOd(M
はFe、CoおよびNiから選ばれる少なくとも1種の
磁性金属、XはGe、Sn、AlおよびGaならびに前
記Mを除く遷移金属から選ばれる少なくとも1種の元
素、a、b、cは3≦b≦8、a+b=100、0≦c
≦50、0≦d≦10)の組成範囲である磁性層と、前
記Mおよび前記Xを含有し、かつ前記磁性層よりも酸素
を多く含有する中間層とを用いると、優れた高周波特性
が得られることが確認できた。[0072] Further, similar to the above, the magnetic thin film and a magnetic layer and a thickness of 6nm the intermediate layer is laminated with a thickness of 100 nm, result of various film deposition by changing the composition and the sputtering gas of the target, (M a ( Si 100-c X c ) b ) 100-d O d (M
Is at least one magnetic metal selected from Fe, Co, and Ni, X is at least one element selected from Ge, Sn, Al, and Ga, and transition metals other than M, and a, b, and c are 3 ≦ b. ≦ 8, a + b = 100, 0 ≦ c
When a magnetic layer having a composition range of ≦ 50, 0 ≦ d ≦ 10) and an intermediate layer containing M and X and containing more oxygen than the magnetic layer are used, excellent high frequency characteristics are obtained. It was confirmed that it could be obtained.
【0073】次に、上記と同様のFeSi(O)/Fe
SiO多層膜におけるbの値を5から7に変更し、また
磁性層の厚みと中間層の厚みと種々変更して磁性多層膜
を作製し、初透磁率について調査した。また成膜時には
基板を回転させることにより、漏れ磁界等による異方性
の影響を除去している。その他の成膜条件は表5のサン
プルと同様、上記条件と同じである。結果を表8および
表9に示す。Next, the same FeSi (O) / Fe as described above is used.
The value of b in the SiO multilayer film was changed from 5 to 7, and the thickness of the magnetic layer and the thickness of the intermediate layer were variously changed to prepare a magnetic multilayer film, and the initial magnetic permeability was investigated. Further, during film formation, the influence of anisotropy due to a leakage magnetic field or the like is removed by rotating the substrate. Other film forming conditions are the same as the above conditions, like the samples in Table 5. The results are shown in Tables 8 and 9.
【0074】 (表8) ―――――――――――――――――――――― サンプル 磁性層膜厚 中間層膜厚 透磁率 Dm[nm] Dn[nm] (10MHz) ―――――――――――――――――――――― ha 30 6 4000 hb 50 6 5000 hc 100 6 3200 hd 150 6 1300 he 200 6 500 ――――――――――――――――――――――[0074] (Table 8) ―――――――――――――――――――――― Sample Magnetic layer thickness Intermediate layer thickness Permeability Dm [nm] Dn [nm] (10MHz) ―――――――――――――――――――――― ha 30 6 4000 hb 50 6 5000 hc 100 6 3200 hd 150 6 1300 he 200 6 500 ――――――――――――――――――――――
【0075】表8に示したように、磁性層の膜厚が50
nm≦Dm≦150nmの範囲で優れた高周波特性を得
ることができた。なお、サンプルhaは、透磁率は大き
いが飽和磁束密度の低下が大きかった。As shown in Table 8, the thickness of the magnetic layer is 50
Excellent high frequency characteristics could be obtained in the range of nm ≦ Dm ≦ 150 nm. The sample ha had a large magnetic permeability but a large decrease in the saturation magnetic flux density.
【0076】 (表9) ―――――――――――――――――――――― サンプル 磁性層膜厚 中間層膜厚 透磁率 Dm[nm] Dn[nm] (10MHz) ―――――――――――――――――――――― ia 100 1 400 ib 100 2 1500 ic 100 6 3200 id 100 10 2000 ie 100 15 1000 ――――――――――――――――――――――[0076] (Table 9) ―――――――――――――――――――――― Sample Magnetic layer thickness Intermediate layer thickness Permeability Dm [nm] Dn [nm] (10MHz) ―――――――――――――――――――――― ia 100 1 400 ib 100 2 1500 ic 100 6 3200 id 100 10 2000 ie 100 15 1000 ――――――――――――――――――――――
【0077】表9に示したように、磁性層の膜厚が2n
m≦Dm≦10nmの範囲で優れた高周波特性を得るこ
とができた。なお、サンプルiaでは、TEM観察の結
果、磁性結晶粒が十分分離できていないことがわかっ
た。またサンプルieでは飽和磁束密度の低下が著し
い。As shown in Table 9, the thickness of the magnetic layer is 2n.
Excellent high frequency characteristics could be obtained in the range of m ≦ Dm ≦ 10 nm. In addition, in the sample ia, it was found from the TEM observation that the magnetic crystal grains were not sufficiently separated. Further, in the sample ie, the saturation magnetic flux density is remarkably reduced.
【0078】以上の結果から、優れた飽和磁束密度と磁
気特性とを得るためには、50nm≦Dm≦150nm
かつ2nm≦Dn≦10nmであることが好ましいこと
が確認できた。From the above results, in order to obtain excellent saturation magnetic flux density and magnetic characteristics, 50 nm ≦ Dm ≦ 150 nm
Moreover, it was confirmed that it is preferable that 2 nm ≦ Dn ≦ 10 nm.
【0079】(実施例3)本実施例では、磁性薄膜の最
短膜幅Dfwに対する高周波特性を調査した。磁性薄膜
としては(実施例2)のサンプルeeを用いた。まず、
このサンプルの磁性薄膜を、最短膜幅が50μm〜10
μm、またサンプルの困難軸方向が長さ10mmの長手
方向になるようにフォトリソグラフィー技術を用いてス
トライプ状に微細加工した。続いて、膜長さ方向が磁化
容易軸方向となるように、300[Oe]の一軸磁界中
において250℃で熱処理した。Example 3 In this example, the high frequency characteristics of the magnetic thin film with respect to the shortest film width Dfw were investigated. The sample ee of Example 2 was used as the magnetic thin film. First,
The shortest film width of the magnetic thin film of this sample is 50 μm to 10 μm.
μm, and the sample was microfabricated into stripes by photolithography so that the hard axis direction was 10 mm in the longitudinal direction. Subsequently, heat treatment was performed at 250 ° C. in a uniaxial magnetic field of 300 [Oe] so that the film length direction was the easy axis of magnetization.
【0080】微細加工後と微細加工後に熱処理を施した
それぞれのサンプルの膜幅の長手方向の300MHzで
の初透磁率について調べた。結果を表10に示す。The initial magnetic permeability at 300 MHz in the longitudinal direction of the film width of each sample subjected to heat treatment after microfabrication and after heat treatment after microfabrication was examined. The results are shown in Table 10.
【0081】 (表10) ―――――――――――――――――――――― サンプル 最短幅 透磁率 透磁率 Dfw 加工後 熱処理後 [μm] (300MHz) (300MHz) ―――――――――――――――――――――― ia 50 1500 700 ib 30 1400 1100 ic 20 1300 1000 id 10 1200 1000 ――――――――――――――――――――――[0081] (Table 10) ―――――――――――――――――――――― Sample shortest width Permeability Permeability After Dfw processing After heat treatment [μm] (300MHz) (300MHz) ―――――――――――――――――――――― ia 50 1500 700 ib 30 1400 1100 ic 20 1300 1000 id 10 1200 1000 ――――――――――――――――――――――
【0082】以上のように最短幅が30μm以下のサン
プルは、磁界印加方向が磁化容易軸となるように、本来
透磁率が向上する方向と直交する方向に熱処理を施した
にも拘わらず、高い透磁率を維持していることがわか
る。この結果と(実施例2)の表6の結果とを併せて考
えると、磁性層一層あたりの厚みをDm、最短膜幅をD
fwとすると、Dm≦Dfw≦30μmが満たされる磁
性薄膜では、微細な形状へと加工しても高い周波数特性
を実現できることがわかる。As described above, the sample having the shortest width of 30 μm or less is high in spite of being subjected to the heat treatment in the direction orthogonal to the direction in which the magnetic permeability is originally improved so that the magnetic field applying direction becomes the easy axis of magnetization. It can be seen that the magnetic permeability is maintained. Considering this result together with the result of Table 6 in (Example 2), the thickness per magnetic layer is Dm and the shortest film width is Dm.
If fw is set, it is understood that a magnetic thin film satisfying Dm ≦ Dfw ≦ 30 μm can realize high frequency characteristics even if processed into a fine shape.
【0083】[0083]
【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
高周波での軟磁気特性に優れ、高い飽和磁束密度を有す
る磁性薄膜を提供することができる。この磁性薄膜は、
300℃以下の低温プロセスで提供できる。また、特
に、微細形状に加工した後にも、好ましい磁化困難軸方
向が安定で、優れた高周波特性を示すという顕著な効果
がある。As described above, according to the present invention,
It is possible to provide a magnetic thin film having excellent soft magnetic characteristics at high frequencies and having a high saturation magnetic flux density. This magnetic thin film
It can be provided by a low temperature process of 300 ° C or lower. In addition, there is a remarkable effect that the preferable hard axis direction is stable and excellent high frequency characteristics are exhibited even after processing into a fine shape.
【0084】また、本発明によれば、上記磁性薄膜を磁
気ヘッドに用いることにより、量産性に優れた高記録密
度用磁気記録ヘッドを実現できるばかりではなく、磁気
記録装置の小型化、軽量化や、装置の低消費電力化を達
成することができる。Further, according to the present invention, by using the above magnetic thin film for a magnetic head, not only a magnetic recording head for high recording density which is excellent in mass productivity can be realized, but also a magnetic recording device can be made smaller and lighter. Moreover, low power consumption of the device can be achieved.
【図1】 本発明の磁気ヘッドの一形態であるMIGタ
イプの磁気ヘッドの斜視図である。FIG. 1 is a perspective view of a MIG type magnetic head which is one form of the magnetic head of the present invention.
【図2】 本発明の磁気ヘッドの一形態であるLAMタ
イプの磁気ヘッドの斜視図と部分拡大図である。FIG. 2 is a perspective view and a partially enlarged view of a LAM type magnetic head which is one form of the magnetic head of the present invention.
【図3】 本発明の磁気ヘッドの一形態であるハードデ
ィスク用磁気ヘッドの部分断面図である。FIG. 3 is a partial cross-sectional view of a magnetic head for a hard disk, which is one form of the magnetic head of the present invention.
1 磁気コア 2 磁性薄膜 4 磁気ギャップ 11 非磁性体 12 磁気ギャップ 16 磁性薄膜 17 絶縁層 31 上部記録磁極 32 記録ギャップ膜 33 GMR膜 34 再生上部ギャップ膜 35 硬質磁性膜 36 再生上部シールド膜兼下部記録磁極 38 再生下部ギャップ膜 39 再生下部シールド膜 1 magnetic core 2 Magnetic thin film 4 magnetic gap 11 Non-magnetic material 12 magnetic gap 16 Magnetic thin film 17 Insulation layer 31 upper recording magnetic pole 32 recording gap film 33 GMR film 34 Playback upper gap film 35 Hard magnetic film 36 reproducing upper shield film and lower recording magnetic pole 38 Reproduction lower gap film 39 Reproduction lower shield film
フロントページの続き (56)参考文献 特開 昭62−35604(JP,A) 特開 平10−223435(JP,A) (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) H01F 10/12 G11B 5/127 G11B 5/31 H01F 10/30 Continuation of the front page (56) References JP 62-35604 (JP, A) JP 10-223435 (JP, A) (58) Fields investigated (Int.Cl. 7 , DB name) H01F 10 / 12 G11B 5/127 G11B 5/31 H01F 10/30
Claims (9)
Fe、CoおよびNiから選ばれる少なくとも1種の磁
性金属であり、XはMg、Ca、Sr、Ba、Si、G
e、Sn、AlおよびGa、ならびにFe、Coおよび
Niを除く遷移金属から選ばれる少なくとも1種の元
素、AはOおよびNから選ばれる少なくとも1種の元
素、a、bおよびdは、2≦b≦8、a+b=100、
0≦d≦10を満たす範囲の数値)により示され、 一層当たりの厚みDmが、 50nm≦Dm≦500nm の範囲にある磁性層と、 前記Mと、前記Xと、前記磁性層よりも多くの酸素とを
含有し、 一層当たりの厚みDnが、 2nm≦Dn≦10nm の範囲にある中間層とが交互に積層されたことを特徴と
する磁性薄膜。1. A composition formula (M a X b ) 100-d Ad (where M is at least one magnetic metal selected from Fe, Co and Ni, and X is Mg, Ca, Sr, Ba, Si, G
e, Sn, Al and Ga, and at least one element selected from transition metals other than Fe, Co and Ni, A is at least one element selected from O and N, and a, b and d are 2 ≦. b ≦ 8, a + b = 100,
0 ≦ d ≦ 10), and the thickness Dm per layer is in the range of 50 nm ≦ Dm ≦ 500 nm, the magnetic layer, M, X, and more magnetic layers than the magnetic layer. A magnetic thin film comprising oxygen and an intermediate layer having a thickness Dn per layer in the range of 2 nm ≦ Dn ≦ 10 nm alternately laminated.
Fe4Nの非晶質または微結晶を含む請求項1に記載の
磁性薄膜。2. The magnetic layer contains nitrogen, and γ′-
The magnetic thin film according to claim 1, comprising Fe 4 N amorphous or microcrystalline.
c)b)100-dOd(但し、X’はGe、Sn、Alおよび
Ga、ならびにFe、CoおよびNiを除く遷移金属か
ら選ばれる少なくとも1種の元素、bは3≦b≦8、c
は0≦c≦50を満たす範囲の数値)により示され、 一層当たりの厚みDmが、 50nm≦Dm≦150nm の範囲にある請求項1に記載の磁性薄膜。3. The magnetic layer has a composition formula (M a (Si 100-c X ′
c ) b ) 100-d O d (where X ′ is at least one element selected from Ge, Sn, Al and Ga, and transition metals other than Fe, Co and Ni, and b is 3 ≦ b ≦ 8, c
Is a numerical value in the range of 0 ≦ c ≦ 50), and the thickness Dm per layer is in the range of 50 nm ≦ Dm ≦ 150 nm.
に記載の磁性薄膜。4. The magnetic thin film according to claim 1, wherein M is Fe.
を含み、前記磁性結晶粒の平均結晶幅dwが、 5nm≦dw≦100nm の範囲にある請求項1〜4のいずれかに記載の磁性薄
膜。5. The magnetic layer contains columnar or needle-shaped magnetic crystal grains, and the average crystal width dw of the magnetic crystal grains is in the range of 5 nm ≦ dw ≦ 100 nm. Magnetic thin film.
記載の磁性薄膜。6. The magnetic thin film according to claim 1, wherein the intermediate layer contains fine crystal grains having an average crystal grain size dg in the range of 1 nm ≦ dg <Dn.
記中間層側から前記磁性層の厚みの1/3までを初期形
成層とすると、前記初期形成層が、前記磁性層の酸素お
よび窒素の合計含有率よりも高い酸素および窒素の合計
含有率を有する請求項1〜6のいずれかに記載の磁性薄
膜。7. The initial formation layer is defined as an initial formation layer which is from the intermediate layer side to 1/3 of the thickness of the magnetic layer in the magnetic layer formed on the intermediate layer. The magnetic thin film according to any one of claims 1 to 6, which has a higher total content of oxygen and nitrogen than the total content of.
膜。8. The magnetic thin film according to claim 1, wherein the shortest film width Dfw per one magnetic layer is in the range of Dm ≦ Dfw ≦ 30 μm.
膜を含むことを特徴とする磁気ヘッド。9. A magnetic head comprising the magnetic thin film according to claim 1. Description:
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