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JP6930230B2 - Metal-Insulation System Nanogranular Thin Film and Thin Film Magnetic Sensor - Google Patents
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Metal-Insulation System Nanogranular Thin Film and Thin Film Magnetic Sensor Download PDF

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Description

本発明は、金属−絶縁体系ナノグラニュラー薄膜、及び薄膜磁気センサに関し、さらに詳しくは、耐熱性に優れた金属−絶縁体系ナノグラニュラー薄膜、及びこれを用いた薄膜磁気センサに関する。 The present invention relates to a metal-insulation system nanogranular thin film and a thin film magnetic sensor, and more particularly to a metal-insulation system nanogranular thin film having excellent heat resistance and a thin film magnetic sensor using the same.

磁気センサは、電磁気力(例えば、電流、電圧、電力、磁場、磁束など。)、力学量(例えば、位置、速度、加速度、変位、距離、張力、圧力、トルク、温度、湿度など。)、生化学量等の被検出量を、磁場を介して電圧に変換する電子デバイスである。磁気センサは、磁場の検出方法に応じて、ホールセンサ、異方性磁気抵抗(AMR: Anisotropic Magneto-Resistance)センサ、巨大磁気抵抗(GMR: Giant Mangneto-Resistance)センサ等に分類される。 Magnetic sensors include electromagnetic forces (eg, current, voltage, power, magnetic field, magnetic flux, etc.), dynamics (eg, position, speed, acceleration, displacement, distance, tension, pressure, torque, temperature, humidity, etc.), It is an electronic device that converts a detected amount such as a biochemical amount into a voltage via a magnetic field. Magnetic sensors are classified into Hall sensors, Anisotropic Magneto-Resistance (AMR) sensors, Giant Mangneto-Resistance (GMR) sensors, and the like, depending on the method of detecting the magnetic field.

これらの中でもGMRセンサは、
(1)AMRセンサに比べて電気比抵抗の変化率の最大値(すなわち、MR比=△ρ/ρ0(△ρ=ρH−ρ0:ρHは、外部磁場Hにおける電気比抵抗、ρ0は、外部磁場ゼロにおける電気比抵抗))が極めて大きい、
(2)ホールセンサに比べて抵抗値の温度変化が小さい、
(3)巨大磁気抵抗効果を有する材料が薄膜材料であるために、マイクロ化に適している、
等の利点がある。そのため、GMRセンサは、コンピュータ、電力、自動車、家電、携帯機器等に用いられる高感度マイクロ磁気センサとしての応用が期待されている。
Among these, the GMR sensor is
(1) The maximum value of the rate of change of the electrical specific resistance compared to the AMR sensor (that is, MR ratio = Δρ / ρ 0 (Δρ = ρ H −ρ 0 : ρ H is the electrical specific resistance in the external magnetic field H, ρ 0 is the electrical specific resistance)) at zero external magnetic field,
(2) The temperature change of the resistance value is smaller than that of the Hall sensor.
(3) Since the material having a giant magnetoresistive effect is a thin film material, it is suitable for micronization.
There are advantages such as. Therefore, the GMR sensor is expected to be applied as a high-sensitivity micromagnetic sensor used in computers, electric power, automobiles, home appliances, portable devices and the like.

GMR効果を示す材料としては、強磁性層(例えば、パーマロイ等)と非磁性層(例えば、Cu、Ag、Au等)の多層膜、あるいは、反強磁性層、強磁性層(固定層)、非磁性層及び強磁性層(自由層)の4層構造を備えた多層膜(いわゆる、「スピンバルブ」)からなる金属人工格子、強磁性金属(例えば、パーマロイ等)からなるnmサイズの微粒子と、非磁性金属(例えば、Cu、Ag、Au等)からなる粒界相とを備えた金属−金属系ナノグラニュラー材料、スピン依存トンネル効果によってMR(Magneto-Resistance)効果が生ずるトンネル接合膜、nmサイズの強磁性金属合金微粒子と、非磁性・絶縁性材料からなる絶縁マトリックスとを備えた金属−絶縁体系ナノグラニュラー材料等が知られている。 Examples of the material exhibiting the GMR effect include a multilayer film of a ferromagnetic layer (for example, Permaloi) and a non-magnetic layer (for example, Cu, Ag, Au, etc.), an antiferromagnetic layer, a ferromagnetic layer (fixed layer), and the like. Metal artificial lattice consisting of a multilayer film (so-called "spin valve") having a four-layer structure of a non-magnetic layer and a ferromagnetic layer (free layer), and nm-sized fine particles made of ferromagnetic metal (for example, Permalloy) , Metal-metal nanogranular material with grain boundary phase made of non-magnetic metal (eg Cu, Ag, Au, etc.), tunnel junction film in which MR (Magneto-Resistance) effect is produced by spin-dependent tunnel effect, nm size There are known metal-insulation system nanogranular materials including fine ferromagnetic metal alloy fine particles and an insulation matrix made of a non-magnetic / insulating material.

これらの内、スピンバルブに代表される多層膜は、一般に、低磁場における感度が高いという特徴がある。しかしながら、多層膜は、種々の材料からなる薄膜を高精度で積層する必要があるために、安定性や歩留まりが悪く、製作コストを抑えるには限界がある。そのため、この種の多層膜は、専ら付加価値の大きなデバイス(例えば、ハードディスク用の磁気ヘッド)にのみ用いられ、単価の安いAMRセンサやホールセンサとの価格競争を強いられる磁気センサに応用するのは困難であると考えられている。また、多層膜間の拡散が生じやすく、GMR効果が消失しやすいため、耐熱性が悪いという大きな欠点がある。 Of these, multilayer films typified by spin valves are generally characterized by high sensitivity in low magnetic fields. However, since it is necessary to laminate thin films made of various materials with high accuracy, the multilayer film has poor stability and yield, and there is a limit in suppressing the manufacturing cost. Therefore, this type of multilayer film is used exclusively for high value-added devices (for example, magnetic heads for hard disks), and is applied to magnetic sensors that are forced to compete with low-priced AMR sensors and Hall sensors. Is considered difficult. In addition, diffusion between the multilayer films is likely to occur, and the GMR effect is likely to disappear, so that there is a major drawback that heat resistance is poor.

一方、ナノグラニュラー材料は、一般に、作製が容易で、再現性も良い。そのため、これを磁気センサに応用すれば、磁気センサを低コスト化することができる。特に、金属−絶縁体系ナノグラニュラー材料は、
(1)その組成を最適化すれば、室温において10%を越える高いMR比を示す、
(2)電気比抵抗ρが桁違いに高いので、磁気センサの超小型化と低消費電力化が同時に実現可能である、
(3)耐熱性の悪い反強磁性膜を含むスピンバルブ膜と異なり、高温環境下でも使用可能である、
等の利点がある。しかしながら、金属−絶縁体系ナノグラニュラー材料は、低磁場における磁場感度が非常に小さいという問題がある。そのため、巨大磁気抵抗薄膜の両端に軟磁性薄膜を配置し、巨大磁気抵抗薄膜の磁場感度を上げることも行われる。
On the other hand, nanogranular materials are generally easy to manufacture and have good reproducibility. Therefore, if this is applied to a magnetic sensor, the cost of the magnetic sensor can be reduced. In particular, metal-insulation system nanogranular materials
(1) If the composition is optimized, a high MR ratio exceeding 10% is exhibited at room temperature.
(2) Since the electrical resistivity ρ is an order of magnitude higher, it is possible to realize ultra-miniaturization and low power consumption of the magnetic sensor at the same time.
(3) Unlike spin valve membranes containing antiferromagnetic membranes with poor heat resistance, they can be used even in high temperature environments.
There are advantages such as. However, the metal-insulation system nanogranular material has a problem that the magnetic field sensitivity in a low magnetic field is very small. Therefore, soft magnetic thin films are arranged at both ends of the giant magnetoresistive thin film to increase the magnetic field sensitivity of the giant magnetoresistive thin film.

このような金属−絶縁体系ナノグラニュラー材料、及びこれを用いた薄膜磁気センサについては、従来から種々の提案がなされている。
例えば、特許文献1には、フッ化物からなる絶縁物マトリックスにナノメーターサイズの磁性グラニュールが分散したナノグラニュラー合金薄膜が開示されている。
同文献には、このようなナノグラニュラー合金薄膜は、室温で3%以上の磁気抵抗比を示し、105μΩcm以上の電気比抵抗を有する点が記載されている。
Various proposals have been made conventionally for such a metal-insulation system nanogranular material and a thin film magnetic sensor using the same.
For example, Patent Document 1 discloses a nanogranular alloy thin film in which nanometer-sized magnetic granules are dispersed in an insulating matrix made of fluoride.
The same document, such nano-granular alloy thin film showed more than 3% magnetoresistance ratio at room temperature, it has been described that it has an electrical resistivity of more than 10 5 .mu..OMEGA.cm.

特許文献2には、一般式(Fel-a-bCoaNib)100-w-x-y-zwxyz(但し、LはRu、Rh、Pd、Os、Ir、及びPtからなる群から選ばれるいずれか1以上の元素、MはBe、Mg、Al、Si、Ca、Ti、V、Cr、Mn、Sr、Zr、Nb、Mo、Ba、Hf、Ta、W、及び希土類元素からなる群から選ばれるいずれか1以上の元素、0≦a≦1、0<b≦0.5、0≦w≦50、10≦x≦40、0≦y≦50、0≦z≦50、30≦x+y+z≦70)で表されるグラニュラー膜が開示されている。
同文献には、このようなグラニュラー膜は、室温において3%以上の磁気抵抗効果を有し、且つ104μΩcm以上の高い電気比抵抗を有する点が記載されている。
Patent Document 2, the general formula (Fe lab Co a Ni b) 100-wxyz L w M x O y F z ( where, L is selected Ru, Rh, Pd, Os, Ir, and from the group consisting of Pt Any one or more elements, M is from the group consisting of Be, Mg, Al, Si, Ca, Ti, V, Cr, Mn, Sr, Zr, Nb, Mo, Ba, Hf, Ta, W, and rare earth elements. Any one or more selected elements, 0 ≦ a ≦ 1, 0 <b ≦ 0.5, 0 ≦ w ≦ 50, 10 ≦ x ≦ 40, 0 ≦ y ≦ 50, 0 ≦ z ≦ 50, 30 ≦ x + y + z The granular film represented by ≦ 70) is disclosed.
The same document, such granular film has been described that it has a 3% or more has a magnetic resistance effect, and 10 4 .mu..OMEGA.cm higher than the electrical resistivity at room temperature.

特許文献3には、組成式Co48.7Al12.2Mn13.825.3で表されるグラニュラー膜が開示されている。
同文献には、このグラニュラー膜のMR比が4.8%であり、電気比抵抗が1.38×105μΩcmである点が記載されている。
Patent Document 3 discloses a granular film represented by the composition formula Co 48.7 Al 12.2 Mn 13.8 O 25.3.
The same document, the MR ratio of the granular film is 4.8%, the point electrical resistivity is 1.38 × 10 5 μΩcm is described.

特許文献4には、ナノグラニュラー膜ではないが、Co−Fe−B合金膜からなる自由層と、MgOからなるトンネル絶縁層と、Co−Fe−B合金膜/Ru膜/Co−Fe合金膜/Ir−Mn合金膜からなる固着層との積層体からなり、外部から磁界を印加しない状態において前記自由層と前記固着層の磁化の膜面への投影成分が互いに直交している磁気抵抗効果素子が開示されている。
同文献には、このような構成によって、ヒステリシスを抑制することができる点が記載されている。
Patent Document 4 describes a free layer made of a Co-Fe-B alloy film, a tunnel insulating layer made of MgO, a Co-Fe-B alloy film / Ru film / Co-Fe alloy film / A magnetoresistive sensor composed of a laminate of a fixed layer made of an Ir—Mn alloy film, in which the projection components of the magnetization of the free layer and the fixed layer on the film surface are orthogonal to each other in a state where no magnetic field is applied from the outside. Is disclosed.
The document describes that such a configuration can suppress hysteresis.

特許文献5には、ナノグラニュラー膜ではないが、トンネルバリア層を二つの強磁性層で挟んだ構造からなる強磁性トンネル接合であって、トンネルバリア層がスピネル構造を有する非磁性物質からなる強磁性トンネル接合体が開示されている。
同文献には、このような強磁性トンネル接合体は、
(a)アモルファスAlOxバリア層を用いた場合より抵抗がかなり小さく、かつ、より大きなTMRが得られる点、及び、
(b)MgOバリアを用いた場合より、スパッタ法で高品質のトンネルバリア及びトンネル接合が得られる点
が記載されている。
Patent Document 5 states that although it is not a nanogranular film, it is a ferromagnetic tunnel junction having a structure in which a tunnel barrier layer is sandwiched between two ferromagnetic layers, and the tunnel barrier layer is a ferromagnetic material made of a non-magnetic material having a spinel structure. Tunnel junctions are disclosed.
In the same document, such a ferromagnetic tunnel junction is described.
(A) The resistance is considerably smaller than when the amorphous AlO x barrier layer is used, and a larger TMR can be obtained.
(B) It is described that a high quality tunnel barrier and tunnel junction can be obtained by the sputtering method as compared with the case where the MgO barrier is used.

特許文献6には、Co2Fe(Al1-xSix)(但し、0<x<1)で表される組成を有する強磁性粒子と、前記強磁性粒子の周囲に充填されたAl23からなる絶縁マトリックスとを備えた金属−絶縁体系ナノグラニュラー薄膜が開示されている。
同文献には、このような金属−絶縁体系ナノグラニュラー材料は、相対的に高いMR比を示す点が記載されている。
Patent Document 6 describes ferromagnetic particles having a composition represented by Co 2 Fe (Al 1-x Si x ) (however, 0 <x <1) and Al 2 filled around the ferromagnetic particles. A metal-insulation system nanogranular thin film with an insulation matrix consisting of O 3 is disclosed.
The document describes that such metal-insulation system nanogranular materials exhibit a relatively high MR ratio.

さらに、特許文献7には、(Fe1-xCox)100-z(B1-ySiy)z(但し、0≦x≦1、0<y≦0.5、7≦z≦15)で表される組成を有する強磁性粒子と、前記強磁性粒子の周囲に充填されたMg−F系化合物からなる絶縁マトリックスとを備えた金属−絶縁体系ナノグラニュラー材料が開示されている。
同文献には、(Mg−F)−FeCo系ナノグラニュラー材料において、所定量のB及び/又はSiを添加すると、加熱後の電気比抵抗の増加率が相対的に小さくなる点が記載されている。
Further, Patent Document 7 states that (Fe 1-x Co x ) 100-z (B 1-y S y ) z (where 0 ≦ x ≦ 1, 0 <y ≦ 0.5, 7 ≦ z ≦ 15). ), And a metal-insulation system nanogranular material including an insulating matrix composed of Mg—F compounds packed around the ferromagnetic particles is disclosed.
The document describes that in a (Mg-F) -FeCo-based nanogranular material, when a predetermined amount of B and / or Si is added, the rate of increase in electrical resistivity after heating becomes relatively small. ..

現在実用化されているMgF2−FeCo系ナノグラニュラー膜を用いた磁気センサは、室温では高い特性を示すが、高温に曝されると電気比抵抗の上昇や出力低下などの特性変化が生じる。一方、特許文献7に記載されているように、(Mg−F)−FeCo系ナノグラニュラー材料に所定量のB及び/又はSiを添加すると、高温に曝された時の特性変化を小さくすることができる。しかし、B及び/又はSiを添加した(Mg−F)−FeCo系ナノグラニュラー材料であっても、さらに過酷な環境下で用いられる産業機械や車載部品に用いた場合には、特性変化が大きくなる。 Magnetic sensors using MgF 2- FeCo nanogranular films that are currently in practical use exhibit high characteristics at room temperature, but when exposed to high temperatures, characteristic changes such as an increase in resistivity and a decrease in output occur. On the other hand, as described in Patent Document 7, when a predetermined amount of B and / or Si is added to the (Mg-F) -FeCo-based nanogranular material, the change in characteristics when exposed to a high temperature can be reduced. can. However, even if the (Mg-F) -FeCo-based nanogranular material to which B and / or Si is added is used for industrial machines and in-vehicle parts used in a harsher environment, the characteristic change becomes large. ..

特開2001−094175号公報Japanese Unexamined Patent Publication No. 2001-094175 特開2002−344042号公報JP-A-2002-344042 特開平10−092639号公報Japanese Unexamined Patent Publication No. 10-092639 特開2013−229444号公報Japanese Unexamined Patent Publication No. 2013-229444 国際公開第2010/119928号International Publication No. 2010/11992 特開2012−015221号公報Japanese Unexamined Patent Publication No. 2012-015221 特許第5447796号公報Japanese Patent No. 5447996

本発明が解決しようとする課題は、耐熱性が高い新規な金属−絶縁体系ナノグラニュラー薄膜、及びこれを用いた薄膜磁気センサを提供することにある。 An object to be solved by the present invention is to provide a novel metal-insulation system nanogranular thin film having high heat resistance, and a thin film magnetic sensor using the same.

上記課題を解決するために本発明に係る金属−絶縁体系ナノグラニュラー薄膜は、
強磁性粒子と、
前記強磁性粒子の周囲に充填されたMgAlxy(1.6≦x≦2.4、3.2≦y≦4.8)からなる絶縁マトリックスと
を備えていることを要旨とする。
本発明に係る薄膜磁気センサは、本発明に係る金属−絶縁体系ナノグラニュラー薄膜を備えていることを要旨とする。
In order to solve the above problems, the metal-insulation system nanogranular thin film according to the present invention is
With ferromagnetic particles
It is summarized as that and an insulating matrix in which the consist is filled around the ferromagnetic particles were MgAl x O y (1.6 ≦ x ≦ 2.4,3.2 ≦ y ≦ 4.8).
It is a gist that the thin film magnetic sensor according to the present invention includes the metal-insulation system nanogranular thin film according to the present invention.

絶縁マトリックスとして、MgF2のようなフッ化物、あるいは、Al23やMgOのような酸化物を用いた金属−絶縁体系ナノグラニュラー薄膜は、耐熱性が低く、200℃を超える温度域では特性変化が大きくなる。一方、絶縁マトリックスとしてMgAlxyを用いると、400℃を超える温度域でも特性変化が少ない。 Metal-insulation system nanogranular thin films using fluoride such as MgF 2 or oxides such as Al 2 O 3 and MgO as the insulation matrix have low heat resistance, and their characteristics change in the temperature range exceeding 200 ° C. Becomes larger. On the other hand, when Mg Al x O y is used as the insulation matrix, there is little change in characteristics even in a temperature range exceeding 400 ° C.

MgAl24−Fe60Co40薄膜(実施例1、熱処理無し、熱処理温度200℃、熱処理温度400℃)、及びMgF2−Fe60Co40薄膜(比較例1、熱処理無し)の暴露温度と電気比抵抗変化率(ρ(@T℃)/ρ0)との関係を示す図である。Exposure temperature of MgAl 2 O 4- Fe 60 Co 40 thin film (Example 1, no heat treatment, heat treatment temperature 200 ° C., heat treatment temperature 400 ° C.) and MgF 2- Fe 60 Co 40 thin film (Comparative example 1, no heat treatment) It is a figure which shows the relationship with the electrical resistivity change rate (ρ (@T ° C) / ρ 0). MgAl24−Fe60Co40薄膜(実施例1、熱処理無し、熱処理温度200℃、熱処理温度400℃)、及びMgF2−Fe60Co40薄膜(比較例1、熱処理無し)の暴露温度と磁気抵抗比(MR比)(H=10[kOe]、23℃)との関係を示す図である。Exposure temperature of MgAl 2 O 4- Fe 60 Co 40 thin film (Example 1, no heat treatment, heat treatment temperature 200 ° C., heat treatment temperature 400 ° C.) and MgF 2- Fe 60 Co 40 thin film (Comparative example 1, no heat treatment) It is a figure which shows the relationship with the magnetic resistance ratio (MR ratio) (H = 10 [koe], 23 degreeC). 実施例1(熱処理温度400℃)、実施例3(熱処理温度600℃)、実施例4(熱処理温度600℃)及び比較例1(熱処理無し)で得られた金属−絶縁体系ナノグラニュラー薄膜のMR曲線である。MR curves of the metal-insulation system nanogranular thin film obtained in Example 1 (heat treatment temperature 400 ° C.), Example 3 (heat treatment temperature 600 ° C.), Example 4 (heat treatment temperature 600 ° C.) and Comparative Example 1 (no heat treatment). Is.

以下、本発明の一実施の形態について詳細に説明する。
[1. 金属−絶縁体系ナノグラニュラー薄膜]
本発明に係る金属−絶縁体系ナノグラニュラー薄膜は、
強磁性粒子と、
前記強磁性粒子の周囲に充填されたMgAlxy(1.6≦x≦2.4、3.2≦y≦4.8)からなる絶縁マトリックスと
を備えている。
Hereinafter, an embodiment of the present invention will be described in detail.
[1. Metal-Insulation System Nano Granular Thin Film]
The metal-insulation system nanogranular thin film according to the present invention is
With ferromagnetic particles
And an insulating matrix in which the consist is filled around the ferromagnetic particles were MgAl x O y (1.6 ≦ x ≦ 2.4,3.2 ≦ y ≦ 4.8).

[1.1. 強磁性粒子]
本発明において、強磁性粒子の組成は、特に限定されない。
強磁性粒子としては、例えば、
(a)(Fe1-xCox)100-yy合金(但し、Z=B及び/又はSi、0≦x≦1、0≦y≦20)、
(b)Co2Fe(Al1-xSix)合金(但し、0≦x≦1)、
(c)Co2MnZ合金(但し、Z=Al、Si、及びGeからなる群から選ばれるいずれか1以上の元素)、及び、
(d)Fe2CrSi合金
などがある。金属−絶縁体系ナノグラニュラー薄膜は、これらのいずれか1種の強磁性粒子を含むものでも良く、あるいは、2種以上を含むものでも良い。
これらの中でも、強磁性粒子は、(Fe1-xCox)100-yy合金、又はCo2Fe(Al1-xSix)合金が好ましい。これらは、MgAlxy中に分散させた時に、高いMR比を示す。
[1.1. Ferromagnetic particles]
In the present invention, the composition of the ferromagnetic particles is not particularly limited.
As ferromagnetic particles, for example
(A) (Fe 1-x Co x) 100-y Z y alloy (where, Z = B and / or Si, 0 ≦ x ≦ 1,0 ≦ y ≦ 20),
(B) Co 2 Fe (Al 1-x Si x ) alloy (however, 0 ≦ x ≦ 1),
(C) Co 2 MnZ alloy (provided that any one or more elements selected from the group consisting of Z = Al, Si, and Ge) and
(D) Fe 2 CrSi alloy and the like. The metal-insulation system nanogranular thin film may contain any one of these ferromagnetic particles, or may contain two or more of them.
Among these, the ferromagnetic particles are preferably a (Fe 1-x Co x ) 100-y Z y alloy or a Co 2 Fe (Al 1-x Si x ) alloy. These, when dispersed in MgAl x O y, it exhibits a high MR ratio.

[1.1.1. (Fe1-xCox)100-yy合金]
強磁性粒子の第1の具体例は、(Fe1-xCox)100-yy合金からなる。xは、強磁性粒子に含まれるFe及びCoに対するCoの原子比を表す。強磁性粒子は、Feのみ又はCoのみを含むものでも良く、あるいは、Fe−Co合金でも良い。高いMR比を得るためには、xは、0以上0.9以下が好ましい。xは、さらに好ましくは、0.2以上0.6以下である。
[1.1.1. (Fe 1-x Co x) 100-y Z y Alloy
The first specific example of ferromagnetic particles consists of a (Fe 1-x Co x ) 100-y Z y alloy. x represents the atomic ratio of Co to Fe and Co contained in the ferromagnetic particles. The ferromagnetic particles may contain only Fe or only Co, or may be an Fe—Co alloy. In order to obtain a high MR ratio, x is preferably 0 or more and 0.9 or less. x is more preferably 0.2 or more and 0.6 or less.

yは、(Fe1-xCox)100-yy合金に含まれるB及びSiの総添加量(at%)を表す。Fe−Co合金に対してB及び/又はSiを添加すると、加熱に伴う電気比抵抗の増加を抑制することができる。zは、さらに好ましくは、5at%以上、さらに好ましくは、7at%以上である。
一方、zが過剰になると、MR比が低下する。従って、zは、20at%以下が好ましい。zは、さらに好ましくは、15at%以下である。
y represents (Fe 1-x Co x) The total amount of B and Si contained in the 100-y Z y alloy (at%). When B and / or Si is added to the Fe—Co alloy, the increase in resistivity due to heating can be suppressed. z is more preferably 5 at% or more, still more preferably 7 at% or more.
On the other hand, when z becomes excessive, the MR ratio decreases. Therefore, z is preferably 20 at% or less. z is more preferably 15 at% or less.

強磁性粒子に含まれるB及びSiに対するSiの原子比(=Si/(B+Si))は、特に限定されるものではなく、目的に応じて任意に選択することができる。すなわち、強磁性粒子は、Bのみ又はSiのみを含むものでも良く、あるいは、BとSiの双方を含むものでも良い。B及びSiは、いずれも加熱に伴う電気比抵抗の増加を抑制する作用がある。特に、Bは、Siに比べて電気抵抗の増加を抑制する作用が大きいので、少量の添加で大きな効果が得られる。少量の添加で高い効果を得るためには、Si/(B+Si)比は、0.5以下が好ましい。Si/(B+Si)比は、好ましくは、0.3以下、さらに好ましくは、0である。 The atomic ratio of Si to B and Si contained in the ferromagnetic particles (= Si / (B + Si)) is not particularly limited and can be arbitrarily selected depending on the intended purpose. That is, the ferromagnetic particles may contain only B or Si only, or may contain both B and Si. Both B and Si have an effect of suppressing an increase in resistivity due to heating. In particular, B has a greater effect of suppressing an increase in electrical resistance than Si, so that a large effect can be obtained by adding a small amount. In order to obtain a high effect with a small amount of addition, the Si / (B + Si) ratio is preferably 0.5 or less. The Si / (B + Si) ratio is preferably 0.3 or less, more preferably 0.

BやSiは、原子半径が小さいために、強磁性粒子と絶縁性マトリックスの間隙に侵入しやすい。BやSiを添加することによって強磁性粒子の粒成長が抑制されるのは、これらの元素が強磁性粒子と絶縁性マトリックスの界面に侵入し、強磁性粒子同士の凝集を妨げるためと考えられる。B及びSi以外でこれらと同様の機能を持つ元素としては、例えば、C、Al、Pなどがある。
また、強磁性粒子の粒成長を抑制するためには、原子半径の小さな元素に代えて、強磁性粒子の表面に熱処理を施しても拡散しにくい元素を存在させても良い。強磁性粒子の表面に拡散しにくい元素があると、絶縁マトリックス中を強磁性粒子が移動しづらくなり、強磁性粒子同士の凝集が妨げられる。このような機能を持つ元素としては、例えば、Ti、V、Zr、Nb、Mo、Hf、Ta、Wなどがある。
Since B and Si have a small atomic radius, they easily penetrate into the gap between the ferromagnetic particles and the insulating matrix. It is considered that the reason why the grain growth of the ferromagnetic particles is suppressed by adding B and Si is that these elements invade the interface between the ferromagnetic particles and the insulating matrix and prevent the aggregation of the ferromagnetic particles. .. Examples of elements other than B and Si having the same functions as these include C, Al, P and the like.
Further, in order to suppress the grain growth of the ferromagnetic particles, an element that is difficult to diffuse even if the surface of the ferromagnetic particles is heat-treated may be present instead of the element having a small atomic radius. If there is an element that is difficult to diffuse on the surface of the ferromagnetic particles, it becomes difficult for the ferromagnetic particles to move in the insulating matrix, and the aggregation of the ferromagnetic particles is hindered. Examples of elements having such a function include Ti, V, Zr, Nb, Mo, Hf, Ta, and W.

[1.1.2. Co2Fe(Al1-xSix)合金]
強磁性粒子の第2の具体例は、Co2Fe(Al1-xSix)合金からなる。Co2Fe(Al1-xSix)(以下、「CFAS」とも言う)は、一方の電子スピンが金属的なバンド構造を持ち、他方の電子スピンが絶縁体的なバンド構造を持つ、いわゆる「ハーフメタル強磁性体」である。
CFASの単位胞は、8つの体心立方格子を重ね合わせた構造を持つ。規則構造を持つCFASの単位胞において、Co(X原子)は、各体心立方格子の体心の位置を占有し、Fe又は(Si、Al)は、各体心立方格子の頂点の位置を占有している。
[1.1.2. Co 2 Fe (Al 1-x Si x ) alloy]
A second specific example of ferromagnetic particles consists of a Co 2 Fe (Al 1-x Si x ) alloy. Co 2 Fe (Al 1-x Si x) ( hereinafter, also referred to as "CFAS"), one of the electronic spin has a metallic band structure, the other electron spin has an insulating body specific band structure, so-called It is a "half-metal ferromagnet".
The CFAS unit cell has a structure in which eight body-centered cubic lattices are superposed. In a CFAS unit cell having a regular structure, Co (X atom) occupies the position of the body center of each body-centered cubic lattice, and Fe or (Si, Al) occupies the position of the apex of each body-centered cubic lattice. Occupy.

CFASの結晶構造には、
(イ)Co(X原子)、Fe(Y原子)及び(Si、Al)(Z原子)がそれぞれ各体心立方格子の位置を不規則に占有しているA2構造と、
(ロ)Co(X原子)が各体心立方格子の体心の位置を占有し、Fe(Y原子)及び(Si、Al)(Z原子)が、それぞれ各体心立方格子の頂点を不規則に占有しているB2構造(XY)と、
(ハ)Co(X原子)が各体心立方格子の体心の位置を占有し、Fe(Y原子)及び(Si、Al)(Z原子)が、岩塩構造を形成するように各体心立方格子の頂点を規則的に占有しているL21型構造(X2YZ、いわゆる「ホイスラー合金」又は「フルホイスラー合金」)と、
が知られている。
L21型構造を持つホイスラー合金は、一般にキュリー温度が室温以上であるため、ハーフメタル強磁性体として有望視されている。本発明において、CFASは、(イ)〜(ハ)のいずれの結晶構造を持つものでも良い。
For the crystal structure of CFAS,
(A) A2 structure in which Co (X atom), Fe (Y atom) and (Si, Al) (Z atom) occupy the positions of each body-centered cubic lattice irregularly.
(B) Co (X atom) occupies the position of the body center of each body-centered cubic lattice, and Fe (Y atom) and (Si, Al) (Z atom) do not have the vertices of each body-centered cubic lattice. The B2 structure (XY) occupied by the rules and
(C) Co (X atom) occupies the position of the body center of each body centered cubic lattice, and Fe (Y atom) and (Si, Al) (Z atom) form each body center so as to form a rock salt structure. L2 1 type structure (X 2 YZ, so-called "Whisler alloy" or "Full Whistler alloy") that regularly occupies the apex of the cubic lattice,
It has been known.
The Whistler alloy having an L2 1 type structure is generally regarded as a promising half-metal ferromagnet because the Curie temperature is above room temperature. In the present invention, CFAS may have any of the crystal structures (a) to (c).

xは、強磁性粒子に含まれるSi及びAlの原子比を表す。文献:T.M.Nakatani et al., Journal of Applied Physics 102, 033916(2007)にあるように、x=0又は1である場合、相対的に大きなMR比は得られない。
一般に、xが大きくなるほど、高いMR比が得られる。これは、スピン分極率が大きくなるためである。従って、xは、0.3以上が好ましい。
一方、xが大きくなりすぎると、かえってMR比が低下する。これは、スピン分極率が小さくなるためである。従って、xは、0.7以下が好ましい。
これらの中でも、Co2Fe(Si0.5Al0.5)は、強磁性粒子として好適である。これは、x=0.5で最もスピン分極率が大きくなるためである。
x represents the atomic ratio of Si and Al contained in the ferromagnetic particles. Reference: As described in TM Nakatani et al., Journal of Applied Physics 102, 033916 (2007), when x = 0 or 1, a relatively large MR ratio cannot be obtained.
Generally, the larger x is, the higher the MR ratio is obtained. This is because the spin polarizability becomes large. Therefore, x is preferably 0.3 or more.
On the other hand, if x becomes too large, the MR ratio will rather decrease. This is because the spin polarizability becomes small. Therefore, x is preferably 0.7 or less.
Among these, Co 2 Fe (Si 0.5 Al 0.5 ) is suitable as ferromagnetic particles. This is because the spin polarizability becomes the largest at x = 0.5.

[1.1.3. Co2MnZ合金]
強磁性粒子の第3の具体例は、Co2MnZ合金からなる。Co2MnZ合金は、L21型構造を有するホイスラー合金の一種である。Co2MnZ合金としては、例えば、Co2MnGe、Co2MnSn、Co2MnSi、Co2MnGa、Co2MnAl、Co2MnSbなどが知られている。これらの中でも、Co2MnZ合金は、Co2MnAl、Co2MnSi、及びCo2MnGe、並びに、これらの2種以上からなる固溶体又は混合物が好ましい。これは、相対的にMR比が高いためである。
[1.1.3. Co 2 MnZ alloy]
A third specific example of ferromagnetic particles is made of a Co 2 MnZ alloy. The Co 2 MnZ alloy is a type of Whistler alloy having an L2 1 type structure. As the Co 2 MnZ alloy, for example, Co 2 MnGe, Co 2 MnSn, Co 2 MnSi, Co 2 MnGa, Co 2 MnAl, Co 2 MnSb and the like are known. Among these, the Co 2 MnZ alloy is preferably Co 2 MnAl, Co 2 MnSi, and Co 2 MnGe, and a solid solution or mixture composed of two or more of these. This is because the MR ratio is relatively high.

[1.1.4. Fe2CrSi合金]
強磁性粒子の第4の具体例は、Fe2CrSi合金からなる。Fe2CrSi合金は、ハーフメタル強磁性体の一種である。
[1.1.4. Fe 2 CrSi alloy]
A fourth specific example of ferromagnetic particles is made of a Fe 2 CrSi alloy. Fe 2 CrSi alloy is a kind of half metal ferromagnet.

[1.2. 絶縁マトリックス]
絶縁マトリックスは、強磁性粒子の周囲に充填されている。本発明において、絶縁マトリックスは、MgAlxyからなる。MgAlxyは、他の材料に比べて、金属−絶縁体系ナノグラニュラー薄膜の耐熱性を向上させる効果が大きい。MgAlxyは、スピネル(MgAl24)をベースとする酸化物であるが、成膜条件によっては、結晶質及び/又は化学量論組成とならない場合がある。
[1.2. Insulation matrix]
The insulating matrix is packed around the ferromagnetic particles. In the present invention, the insulation matrix is made of MgAl x O y . MgAl x O y, compared to other materials, metal - a large effect of improving the heat resistance of the insulator system nano granular thin film. The MgAl x O y, is a oxide based spinel (MgAl 2 O 4), the deposition conditions may not become crystalline and / or stoichiometric composition.

xは、Mgに対するAlの原子比を表す。xが小さくなりすぎると、MR比が小さくなり、あるいは、電気比抵抗変化率が大きくなる。従って、xは、1.6以上である必要がある。xは、好ましくは、1.8以上、さらに好ましくは、1.9以上である。
一方、xが大きくなりすぎると、MR比が小さくなり、あるいは、電気比抵抗変化率が大きくなる。従って、xは、2.4以下である必要がある。xは、好ましくは、2.2以下、さらに好ましくは、2.1以下である。
x represents the atomic ratio of Al to Mg. If x becomes too small, the MR ratio becomes small or the resistivity change rate becomes large. Therefore, x needs to be 1.6 or more. x is preferably 1.8 or more, more preferably 1.9 or more.
On the other hand, if x becomes too large, the MR ratio becomes small or the electrical resistivity change rate becomes large. Therefore, x needs to be 2.4 or less. x is preferably 2.2 or less, more preferably 2.1 or less.

yは、Mgに対するOの原子比を表す。yが小さくなりすぎると、MR比が小さくなり、あるいは、電気比抵抗変化率が大きくなる。従って、yは、3.2以上である必要がある。yは、好ましくは、3.6以上、さらに好ましくは、3.8以上である。
一方、yが大きくなりすぎると、MR比が小さくなり、あるいは、電気比抵抗変化率が大きくなる。従って、yは、4.8以下である必要がある。yは、好ましくは、4.4以下、さらに好ましくは、4.2以下である。
y represents the atomic ratio of O to Mg. If y becomes too small, the MR ratio becomes small or the resistivity change rate becomes large. Therefore, y needs to be 3.2 or more. y is preferably 3.6 or more, more preferably 3.8 or more.
On the other hand, if y becomes too large, the MR ratio becomes small or the electrical resistivity change rate becomes large. Therefore, y needs to be 4.8 or less. y is preferably 4.4 or less, more preferably 4.2 or less.

[1.3. 強磁性粒子の含有量]
強磁性粒子の含有量は、特に限定されない。一般に、強磁性粒子の含有量が少なすぎると、電気比抵抗が著しく増大し、磁場の変化を電流の変化として検出するのが困難となる。従って、強磁性粒子の含有量は、10vol%以上が好ましい。強磁性粒子の含有量は、好ましくは、20vol%以上、さらに好ましくは、30vol%以上である。
一方、強磁性粒子の含有量が過剰になると、強磁性粒子同士が接触し、トンネル磁気抵抗効果が得られない。従って、強磁性粒子の含有量は、70vol%以下が好ましい。強磁性粒子の含有量は、好ましくは、60vol%以下、さらに好ましくは、50vol%以下である。
[1.3. Content of ferromagnetic particles]
The content of the ferromagnetic particles is not particularly limited. In general, if the content of ferromagnetic particles is too small, the electrical resistivity increases significantly, making it difficult to detect changes in the magnetic field as changes in current. Therefore, the content of ferromagnetic particles is preferably 10 vol% or more. The content of the ferromagnetic particles is preferably 20 vol% or more, more preferably 30 vol% or more.
On the other hand, if the content of the ferromagnetic particles becomes excessive, the ferromagnetic particles come into contact with each other and the tunnel magnetoresistive effect cannot be obtained. Therefore, the content of ferromagnetic particles is preferably 70 vol% or less. The content of the ferromagnetic particles is preferably 60 vol% or less, more preferably 50 vol% or less.

[1.4. 電気比抵抗変化率]
本発明に係る金属−絶縁体系ナノグラニュラー薄膜は、従来の薄膜に比べて耐熱性が高い。材料組成及び製造条件を最適化すると、電気比抵抗変化率は、10以下となる。材料組成等をさらに最適化すると、電気比抵抗変化率は、5以下、あるいは、2以下となる。
[1.4. Electrical resistivity change rate]
The metal-insulation system nanogranular thin film according to the present invention has higher heat resistance than conventional thin films. When the material composition and manufacturing conditions are optimized, the rate of change in resistivity becomes 10 or less. When the material composition and the like are further optimized, the rate of change in resistivity becomes 5 or less, or 2 or less.

ここで、「電気比抵抗変化率」とは、次の式(1)で表される値をいう。
電気比抵抗変化率=ρ(@400℃)/ρ0 ・・・(1)
但し、
ρ(@400℃)は、前記金属−絶縁体系ナノグラニュラー薄膜を400℃で0.5時間加熱する暴露処理を行った後の23℃、外部磁場H=ゼロ[Oe]における電気比抵抗、
ρ0は、前記暴露処理前の前記金属−絶縁体系ナノグラニュラー薄膜の23℃、外部磁場H=ゼロ[Oe]における電気比抵抗。
Here, the "electric resistivity change rate" means a value represented by the following equation (1).
Electrical resistivity change rate = ρ (@ 400 ° C) / ρ 0 ... (1)
However,
ρ (@ 400 ° C.) is the electrical resistivity at 23 ° C. and an external magnetic field H = zero [Oe] after an exposure treatment in which the metal-insulation system nanogranular thin film is heated at 400 ° C. for 0.5 hours.
ρ 0 is the electrical resistivity of the metal-insulation system nanogranular thin film before the exposure treatment at 23 ° C. and an external magnetic field H = zero [Oe].

なお、ここでいう「暴露処理」とは、ナノグラニュラー構造の発達を目的として行われる熱処理(後述する「熱処理工程」における熱処理)、あるいは、ヨークの磁気特性の向上を目的として行われる熱処理ではなく、所定のMR特性を示す薄膜が完成した後に、薄膜に対して事後的に行われる加熱処理をいう。この点は、後述するMR比、及び電気比抵抗についても同様である。 The "exposure treatment" here is not a heat treatment performed for the purpose of developing a nanogranular structure (heat treatment in the "heat treatment step" described later) or a heat treatment performed for the purpose of improving the magnetic properties of the yoke. A heat treatment performed on a thin film after the completion of a thin film exhibiting predetermined MR characteristics. This point is the same for the MR ratio and the electrical resistivity, which will be described later.

[1.5. MR比]
本発明に係る金属−絶縁体系ナノグラニュラー薄膜において、材料組成及び製造条件を最適化すると、MR比は、3%以上となる。材料組成等をさらに最適化すると、MR比は、6%以上、あるいは、9%以上となる。
本発明に係る金属−絶縁体系ナノグラニュラー薄膜は、成膜直後及び熱処理後だけでなく、400℃で0.5時間加熱する暴露処理を行った後においても、このような高いMR比を示すものが好ましい。
[1.5. MR ratio]
In the metal-insulation system nanogranular thin film according to the present invention, the MR ratio becomes 3% or more when the material composition and the production conditions are optimized. When the material composition and the like are further optimized, the MR ratio becomes 6% or more, or 9% or more.
The metal-insulation system nanogranular thin film according to the present invention exhibits such a high MR ratio not only immediately after film formation and after heat treatment, but also after an exposure treatment of heating at 400 ° C. for 0.5 hours. preferable.

ここで、「MR比」とは、(1)式で表される値(最大MR比)を言う。
MR比(%)=|ρ−ρ0|×100/ρ0 ・・・(1)
但し、
ρ0は、23℃、外部磁場H=ゼロ[kOe]であるときの薄膜の電気比抵抗。
ρは、23℃、外部磁場H=10[kOe]であるときの薄膜の電気比抵抗。
Here, the "MR ratio" means a value (maximum MR ratio) represented by the equation (1).
MR ratio (%) = | ρ-ρ 0 | × 100 / ρ 0 ... (1)
However,
ρ 0 is the electrical resistivity of the thin film when the external magnetic field H = zero [koe] at 23 ° C.
ρ is the electrical resistivity of the thin film when the external magnetic field H = 10 [koe] at 23 ° C.

[1.6. 電気比抵抗]
一般に、薄膜中の強磁性粒子の含有量が多くなるほど、強磁性粒子同士が接触する確率が高くなり、薄膜の電気比抵抗が低下する。高いトンネル磁気抵抗効果を得るためには、薄膜の電気比抵抗は、1×105μΩ・cm以上が好ましい。
一方、薄膜中の磁性粒子の含有量が少なくなりすぎると、電気比抵抗が著しく増大し、磁界の変化を電流の変化として検出するのが困難となる。従って、薄膜の電気比抵抗は、5×1011μΩ・cm以下が好ましい。
本発明に係る金属−絶縁体系ナノグラニュラー薄膜は、成膜直後及び熱処理後だけでなく、400℃で0.5時間加熱する暴露処理を行った後においても、このような適度な電気比抵抗を示すものが好ましい。
ここで「電気比抵抗」とは、23℃、外部磁場H=ゼロ[kOe]における値をいう。
[1.6. Electrical resistivity]
In general, the higher the content of ferromagnetic particles in a thin film, the higher the probability that the ferromagnetic particles will come into contact with each other, and the lower the resistivity of the thin film. To obtain a high tunneling magnetoresistance effect, the electrical resistivity of the thin film, or 1 × 10 5 μΩ · cm is preferable.
On the other hand, if the content of the magnetic particles in the thin film becomes too small, the electrical resistivity increases remarkably, and it becomes difficult to detect the change in the magnetic field as the change in the current. Therefore, the electrical resistivity of the thin film is preferably 5 × 10 11 μΩ · cm or less.
The metal-insulation system nanogranular thin film according to the present invention exhibits such an appropriate resistivity not only immediately after film formation and after heat treatment, but also after an exposure treatment of heating at 400 ° C. for 0.5 hours. Those are preferable.
Here, the "electric resistivity" means a value at 23 ° C. and an external magnetic field H = zero [koe].

[2. 薄膜磁気センサ]
本発明に係る薄膜磁気センサは、本発明に係る金属−絶縁体系ナノグラニュラー薄膜を備えている。
薄膜磁気センサにおいて、金属−絶縁体系ナノグラニュラー薄膜は、磁気の変化を電流の変化として検出するための磁性層に用いられる。
金属−絶縁体系ナノグラニュラー薄膜は、基板表面に形成される。また、金属−絶縁体系ナノグラニュラー薄膜の両端には、電流を検出するための電極が形成される。さらに、低磁場における磁場感度を向上させるために、金属−絶縁体系ナノグラニュラー薄膜と電極の間に、軟磁性材料からなる薄膜(薄膜ヨーク)が形成される場合もある。
[2. Thin film magnetic sensor]
The thin film magnetic sensor according to the present invention includes the metal-insulation system nanogranular thin film according to the present invention.
In a thin film magnetic sensor, a metal-insulation system nanogranular thin film is used as a magnetic layer for detecting a change in magnetism as a change in current.
The metal-insulation system nanogranular thin film is formed on the surface of the substrate. Further, electrodes for detecting an electric current are formed at both ends of the metal-insulation system nanogranular thin film. Further, in order to improve the magnetic field sensitivity in a low magnetic field, a thin film (thin film yoke) made of a soft magnetic material may be formed between the metal-insulation system nanogranular thin film and the electrode.

本発明において、薄膜磁気センサの構造及び各部の材料は、特に限定されるものではなく、目的に応じて任意に選択することができる。
例えば、基板には、ガラス、熱酸化膜付きSiなどを用いることができる。
また、薄膜ヨークを形成する場合、薄膜ヨークには、40〜90%Ni−Fe合金、Fe74Si9Al17、Fe12Ni82Nb6、Co88Nb6Zr6アモルファス合金、(Co94Fe6)70Si1515アモルファス合金、Fe75.6Si13.28.5Nb1.9Cu0.8、Fe83Hf611、Fe85Zr105合金、Fe93Si34合金、Fe711118合金、Fe71.3Nd9.619.1ナノグラニュラー合金、Co70Al1020ナノグラニュラー合金、Co65Fe5Al1020合金などを用いることができる。
In the present invention, the structure of the thin film magnetic sensor and the material of each part are not particularly limited, and can be arbitrarily selected depending on the intended purpose.
For example, glass, Si with a thermal oxide film, or the like can be used as the substrate.
When forming a thin film yoke, the thin film yoke contains 40 to 90% Ni-Fe alloy, Fe 74 Si 9 Al 17 , Fe 12 Ni 82 Nb 6 , Co 88 Nb 6 Zr 6 amorphous alloy, (Co 94 Fe). 6 ) 70 Si 15 B 15 Amorphous Alloy, Fe 75.6 Si 13.2 B 8.5 Nb 1.9 Cu 0.8 , Fe 83 Hf 6 C 11 , Fe 85 Zr 10 B 5 Alloy, Fe 93 Si 3 N 4 Alloy, Fe 71 B 11 N 18 Alloys, Fe 71.3 Nd 9.6 O 19.1 nanogranular alloys, Co 70 Al 10 O 20 nanogranular alloys, Co 65 Fe 5 Al 10 O 20 alloys and the like can be used.

[3. 金属−絶縁体系ナノグラニュラー薄膜の製造方法]
[3.1. 薄膜形成工程]
金属−絶縁体系ナノグラニュラー薄膜は、
(イ)強磁性粒子と同一組成の金属円板上に絶縁物のチップ(Al23チップとMgOチップ、又は、MgAl24チップ)を載せた複合ターゲットを用いてスパッタする方法、
(ロ)強磁性金属ターゲットと絶縁物ターゲットを用い、基板に同時にスパッタする同時スパッタ法、
(ハ)強磁性金属ターゲットと絶縁物ターゲットを用い、基板や窓付きシャッター等を公転させて基板に交互にスパッタするタンデム法
などにより製造することができる。
金属と絶縁物の体積比や基板加熱温度等の成膜条件を最適化することにより、薄膜形成工程のみでも金属と絶縁物の生成エネルギーの違いによりナノグラニュラー構造を得ることができる。但し、金属と絶縁物の体積比や基板加熱温度等の成膜条件が適切でない場合には、ナノグラニュラー構造をとらずに連続膜となることもある。
[3. Metal-Insulation System Manufacturing Method of Nanogranular Thin Film]
[3.1. Thin film formation process]
Metal-insulation system Nanogranular thin film
(A) A method of sputtering using a composite target in which an insulating chip (Al 2 O 3 chip and Mg O chip or Mg Al 2 O 4 chip) is placed on a metal disk having the same composition as the ferromagnetic particles.
(B) Simultaneous sputtering method, in which a ferromagnetic metal target and an insulator target are used and sputtered onto a substrate at the same time.
(C) Using a ferromagnetic metal target and an insulating target, it can be manufactured by a tandem method or the like in which a substrate, a shutter with a window, or the like is revolved and alternately sputtered onto the substrate.
By optimizing the film formation conditions such as the volume ratio of the metal and the insulator and the heating temperature of the substrate, a nanogranular structure can be obtained by the difference in the generation energy of the metal and the insulator only in the thin film forming step. However, if the film forming conditions such as the volume ratio of the metal and the insulator and the substrate heating temperature are not appropriate, a continuous film may be formed without adopting the nanogranular structure.

[3.2. 熱処理工程]
薄膜形成工程でも述べたように、成膜条件を最適化すると、成膜のみによってもナノグラニュラー構造を形成することができる。しかしながら、成膜後に熱処理を行うと、強磁性粒子の粒径が最適化され、絶縁物の結晶性が向上し、MR比が向上する場合がある。また、薄膜形成工程においてナノグラニュラー構造を取らず、連続膜となった薄膜に対して熱処理を行うと、熱により強磁性粒子が凝集しナノグラニュラー構造をとり、かつ、絶縁物の結晶性が向上し、MR比が向上するそのため、得られた薄膜の熱処理を行っても良い。強磁性金属がホイスラー合金の場合には、成膜後に熱処理を行うと、ホイスラー合金の規則度が向上してB2構造やL21構造などになり、MR比が向上する場合がある。
[3.2. Heat treatment process]
As described in the thin film forming step, if the film forming conditions are optimized, the nanogranular structure can be formed only by the film forming. However, if the heat treatment is performed after the film formation, the particle size of the ferromagnetic particles may be optimized, the crystallinity of the insulator may be improved, and the MR ratio may be improved. Further, when the thin film formed as a continuous film is heat-treated without taking a nanogranular structure in the thin film forming step, ferromagnetic particles are aggregated by heat to form a nanogranular structure, and the crystallinity of the insulator is improved. Therefore, the obtained thin film may be heat-treated because the MR ratio is improved. When the ferromagnetic metal is a Whistler alloy, if heat treatment is performed after the film formation, the regularity of the Whistler alloy is improved to form a B2 structure, an L2 1 structure, or the like, and the MR ratio may be improved.

一般に、熱処理温度が低すぎると、実用的な時間内にMR比を向上させることができない。
一方、熱処理温度が高すぎると、強磁性粒子と絶縁材料が相互拡散し、ナノグラニュラー構造が崩壊する場合がある。熱処理温度は、通常、150℃〜800℃である。
Generally, if the heat treatment temperature is too low, the MR ratio cannot be improved within a practical time.
On the other hand, if the heat treatment temperature is too high, the ferromagnetic particles and the insulating material may mutually diffuse and the nanogranular structure may collapse. The heat treatment temperature is usually 150 ° C. to 800 ° C.

熱処理時間は、熱処理温度に応じて最適な時間を選択する。一般に、熱処理温度が高くなるほど、短時間でMR比を向上させることができる。熱処理時間は、通常、0.5時間〜10時間である。 The optimum heat treatment time is selected according to the heat treatment temperature. Generally, the higher the heat treatment temperature, the shorter the MR ratio can be improved. The heat treatment time is usually 0.5 to 10 hours.

[4. 薄膜磁気センサの製造方法]
薄膜磁気センサは、
(イ)基板表面に所定の組成を有する薄膜を形成する工程と、
(ロ)エッチング法、リフトオフ法などを用いて、薄膜の不要部分を除去する工程と、
を繰り返すことにより製造することができる。
[4. Manufacturing method of thin film magnetic sensor]
Thin film magnetic sensor
(B) A step of forming a thin film having a predetermined composition on the surface of the substrate, and
(B) The process of removing unnecessary parts of the thin film by using the etching method, lift-off method, etc.
Can be manufactured by repeating.

金属−絶縁体系ナノグラニュラー薄膜の両端に軟磁性材料からなるヨークが配置された薄膜磁気センサの場合、通常、ヨーク形成後、ヨークの磁気特性を向上させるために熱処理を行う。一般に、熱処理温度が高くなるほど、ヨークの特性が向上し、高いMR比が得られる。一方、熱処理温度が高すぎると、金属−絶縁体系ナノグラニュラー薄膜の電気比抵抗が極端に増大し、かえってMR比が低下する。
最適な熱処理温度は、ヨークの組成や要求される特性等により異なる。通常、熱処理温度は、150〜800℃である。
熱処理時間は、熱処理温度に応じて、最適な時間を選択する。一般に、熱処理温度が高くなるほど、短時間で磁気特性を向上させることができる。通常、熱処理時間は、0.5〜10時間である。
Metal-Insulation System In the case of a thin film magnetic sensor in which yokes made of soft magnetic material are arranged at both ends of a nanogranular thin film, heat treatment is usually performed after forming the yoke in order to improve the magnetic properties of the yoke. Generally, the higher the heat treatment temperature, the better the characteristics of the yoke and the higher the MR ratio can be obtained. On the other hand, if the heat treatment temperature is too high, the electrical resistivity of the metal-insulation system nanogranular thin film increases extremely, and the MR ratio decreases.
The optimum heat treatment temperature depends on the composition of the yoke, the required characteristics, and the like. Generally, the heat treatment temperature is 150 to 800 ° C.
The optimum heat treatment time is selected according to the heat treatment temperature. Generally, the higher the heat treatment temperature, the shorter the magnetic properties can be improved. Usually, the heat treatment time is 0.5 to 10 hours.

[5. 作用]
絶縁マトリックスとして、MgF2のようなフッ化物、あるいは、Al23やMgOのような酸化物を用いた金属−絶縁体系ナノグラニュラー薄膜は、耐熱性が低く、200℃を超える温度域では特性変化が多くなる。一方、絶縁マトリックスとしてMgAlxyを用いると、400℃を超える温度域でも特性変化が少ない。
[5. Action]
Metal-insulation system nanogranular thin films using fluoride such as MgF 2 or oxides such as Al 2 O 3 and MgO as the insulation matrix have low heat resistance, and their characteristics change in the temperature range exceeding 200 ° C. Will increase. On the other hand, when Mg Al x O y is used as the insulation matrix, there is little change in characteristics even in a temperature range exceeding 400 ° C.

(実施例1〜5、比較例1〜3)
[1. 試料の作製]
タンデム法を用いて、基板表面に金属−絶縁体系ナノグラニュラー薄膜を作製した。一部の薄膜については、成膜後に、ナノグラニュラー構造の発達等を目的とする熱処理を行った。熱処理温度は200℃〜700℃とし、熱処理時間は、0.5時間とした。
絶縁マトリックスには、MgAl24(実施例1〜5)、MgF2(比較例1)、Al23(比較例2)、又は、MgO(比較例3)を用いた。
また、強磁性粒子には、Fe60Co40(実施例1、比較例1〜3)、Fe54Co3610合金(実施例2)、Co2FeAl0.5Si0.5(CFAS)合金(実施例3)、Co2MnSi合金(実施例4)、又は、Fe2CrSi合金(実施例5)を用いた。
(Examples 1 to 5, Comparative Examples 1 to 3)
[1. Preparation of sample]
A metal-insulation nanogranular thin film was prepared on the surface of the substrate using the tandem method. After film formation, some thin films were heat-treated for the purpose of developing a nanogranular structure. The heat treatment temperature was 200 ° C. to 700 ° C., and the heat treatment time was 0.5 hours.
As the insulation matrix, MgAl 2 O 4 (Examples 1 to 5), MgF 2 (Comparative Example 1), Al 2 O 3 (Comparative Example 2), or MgO (Comparative Example 3) was used.
The ferromagnetic particles include Fe 60 Co 40 (Example 1, Comparative Examples 1 to 3), Fe 54 Co 36 B 10 alloy (Example 2), and Co 2 FeAl 0.5 Si 0.5 (CFAS) alloy (Example 2). 3), Co 2 MnSi alloy (Example 4), or Fe 2 CrSi alloy (Example 5) was used.

[2. 評価]
[2.1. 電気比抵抗変化率]
得られた薄膜を種々の温度T℃で0.5時間加熱する暴露処理を行った後、電気比抵抗変化率(ρ(@T℃)/ρ0)を測定した。図1に、MgAl24−Fe60Co40(実施例1、熱処理無し、熱処理温度200℃、熱処理温度400℃)、及びMgF2−Fe60Co40(比較例1、熱処理無し)の暴露温度と電気比抵抗変化率との関係を示す。
[2. evaluation]
[2.1. Electrical resistivity change rate]
The obtained thin films were exposed to heating at various temperatures of T ° C. for 0.5 hours, and then the resistivity change rate (ρ (@T ° C.) / ρ 0 ) was measured. FIG. 1 shows exposure of MgAl 2 O 4- Fe 60 Co 40 (Example 1, no heat treatment, heat treatment temperature 200 ° C., heat treatment temperature 400 ° C.) and MgF 2- Fe 60 Co 40 (Comparative Example 1, no heat treatment). The relationship between the temperature and the rate of change in electrical resistivity is shown.

比較例1は、約200℃までは電気比抵抗変化率が漸増したが、大きな変化はなかった。しかし、暴露温度が200℃を超えると、電気比抵抗変化率が急増した。一方、実施例1は、熱処理の有無にかかわらず、暴露温度を400℃としても、電気比抵抗変化率は微増に留まった。これは、MgAl24は熱安定性が高く、強磁性粒子の移動・凝集が起こりにくかったためと考えられる。 In Comparative Example 1, the rate of change in electrical resistivity gradually increased up to about 200 ° C., but there was no significant change. However, when the exposure temperature exceeded 200 ° C., the rate of change in electrical resistivity increased sharply. On the other hand, in Example 1, the rate of change in electrical resistivity was only slightly increased even when the exposure temperature was 400 ° C. regardless of the presence or absence of heat treatment. It is considered that this is because MgAl 2 O 4 has high thermal stability and it is difficult for ferromagnetic particles to move and aggregate.

[2.2. MR比]
得られた薄膜を種々の温度T℃で0.5時間加熱する暴露処理をした後、室温でのMR比を測定した。図2に、MgAl24−Fe60Co40(実施例1、熱処理無し、熱処理温度200℃、熱処理温度400℃)、及びMgF2−Fe60Co40(比較例1、熱処理無し)の暴露温度と磁気抵抗比(MR比)(H=10k[Oe]、23℃)との関係を示す。
[2.2. MR ratio]
The obtained thin films were exposed to heating at various temperatures of T ° C. for 0.5 hours, and then the MR ratio at room temperature was measured. FIG. 2 shows exposure of MgAl 2 O 4- Fe 60 Co 40 (Example 1, no heat treatment, heat treatment temperature 200 ° C., heat treatment temperature 400 ° C.) and MgF 2- Fe 60 Co 40 (Comparative Example 1, no heat treatment). The relationship between the temperature and the magnetic resistance ratio (MR ratio) (H = 10k [Oe], 23 ° C.) is shown.

比較例1は、約200℃までは暴露温度の上昇と共にMR比が向上した。これは、暴露処理によって強磁性粒子の粒径が最適化され、絶縁物の結晶性が向上したためと考えられる。しかし、暴露温度が200℃を超えると、MR比が急減した。一方、実施例1は、熱処理の有無にかかわらず、暴露温度を400℃としても、MR比の急激な低下は生じなかった。これは、MgAl24は熱安定性が高く、強磁性粒子の移動・凝集が起こりにくかったためと考えられる。 In Comparative Example 1, the MR ratio improved as the exposure temperature increased up to about 200 ° C. It is considered that this is because the particle size of the ferromagnetic particles was optimized by the exposure treatment and the crystallinity of the insulator was improved. However, when the exposure temperature exceeded 200 ° C., the MR ratio sharply decreased. On the other hand, in Example 1, the MR ratio did not decrease sharply even when the exposure temperature was set to 400 ° C. regardless of the presence or absence of heat treatment. It is considered that this is because MgAl 2 O 4 has high thermal stability and it is difficult for ferromagnetic particles to move and aggregate.

[2.3. 電気的特性の材料依存性]
図3に、実施例1(熱処理温度400℃)、実施例3(熱処理温度600℃)、実施例4(熱処理温度600℃)及び比較例1(熱処理なし)で得られた金属−絶縁体系ナノグラニュラー薄膜のMR曲線を示す。表1に、実施例1〜5、及び比較例1〜3で得られた金属−絶縁体系ナノグラニュラー薄膜のMR比(H=10[kOe]、23℃)、及び400℃で暴露処理した後の23℃での電気比抵抗変化率(=ρ(@400℃)/ρ0)を示す。表1中、「S」、「A」、「B」は合格であることを表し、「C」は不合格であることを表す。図3及び表1より、以下のことがわかる。
[2.3. Material dependence of electrical properties]
FIG. 3 shows the metal-insulation system nanogranular obtained in Example 1 (heat treatment temperature 400 ° C.), Example 3 (heat treatment temperature 600 ° C.), Example 4 (heat treatment temperature 600 ° C.) and Comparative Example 1 (no heat treatment). The MR curve of the thin film is shown. Table 1 shows the MR ratios (H = 10 [koe], 23 ° C.) of the metal-insulation system nanogranular thin films obtained in Examples 1 to 5 and Comparative Examples 1 to 3 and after exposure treatment at 400 ° C. The rate of change in electrical resistivity at 23 ° C. (= ρ (@ 400 ° C.) / ρ 0 ) is shown. In Table 1, "S", "A", and "B" indicate pass, and "C" indicates fail. From FIG. 3 and Table 1, the following can be seen.

(1)強磁性粒子としてFe60Co40又はCFASを用い、かつ、絶縁マトリックスとしてMgAl24を用いた場合、暴露処理前のMR比は9%以上となった。
(2)強磁性粒子としてFe60Co40を用いた場合であっても、絶縁マトリックスとしてMgF2、Al23、又はMgOを用いた時には、電気比抵抗変化率が大きい。これは、強磁性粒子が移動・凝集し、強磁性粒子間距離が増大したためと考えられる。
(3)実施例1は、適切な熱処理によって、電気比抵抗変化率が低下(耐熱性が向上)した。これは、熱処理により強磁性粒子の移動・凝集が予め行われたことにより、再度熱をかけても強磁性粒子の移動・凝集が起こりにくかったためと考えられる。
(4)すべての試料について、熱処理の有無によらず、400℃暴露前後の電気比抵抗は、1×105〜1×1011μΩ・cmの範囲内となった。
(1) When Fe 60 Co 40 or CFAS was used as the ferromagnetic particles and Mg Al 2 O 4 was used as the insulating matrix, the MR ratio before the exposure treatment was 9% or more.
(2) Even when Fe 60 Co 40 is used as the ferromagnetic particles, the rate of change in electrical resistivity is large when Mg F 2 , Al 2 O 3 , or Mg O is used as the insulating matrix. It is considered that this is because the ferromagnetic particles move and aggregate and the distance between the ferromagnetic particles increases.
(3) In Example 1, the rate of change in electrical resistivity was reduced (heat resistance was improved) by appropriate heat treatment. It is considered that this is because the movement / agglutination of the ferromagnetic particles was performed in advance by the heat treatment, so that the movement / agglutination of the ferromagnetic particles was difficult to occur even if heat was applied again.
(4) For all the samples, the resistivity before and after exposure to 400 ° C. was in the range of 1 × 10 5 to 1 × 10 11 μΩ · cm regardless of the presence or absence of heat treatment.

Figure 0006930230
Figure 0006930230

以上、本発明の実施の形態について詳細に説明したが、本発明は上記実施の形態に何ら限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内で種々の改変が可能である。 Although the embodiments of the present invention have been described in detail above, the present invention is not limited to the above embodiments, and various modifications can be made without departing from the gist of the present invention.

本発明に係る金属−絶縁体系ナノグラニュラー薄膜は、磁気センサ、磁気メモリ、磁気ヘッド等の材料として用いることができる。
本発明に係る薄膜磁気センサは、自動車の車軸、ロータリーエンコーダ、産業用歯車等の回転情報の検出、油圧式シリンダ/空気式シリンダのストロークポジション、工作機械のスライド等の位置・速度情報の検出、工業用溶接ロボットのアーク電流等の電流情報の検出、地磁気方位コンパスなどに用いることができる。
The metal-insulation system nanogranular thin film according to the present invention can be used as a material for a magnetic sensor, a magnetic memory, a magnetic head, or the like.
The thin-film magnetic sensor according to the present invention detects rotation information of automobile axles, rotary encoders, industrial gears, etc., stroke positions of hydraulic cylinders / pneumatic cylinders, position / speed information of machine tool slides, etc. It can be used for detecting current information such as arc current of industrial welding robots and for geomagnetic orientation compass.

Claims (8)

強磁性粒子と、
前記強磁性粒子の周囲に充填されたMgAlxy(1.6≦x≦2.4、3.2≦y≦4.8)からなる絶縁マトリックスと
を備えた金属−絶縁体系ナノグラニュラー薄膜。
With ferromagnetic particles
It said metal and a dielectric matrix of packed around the ferromagnetic particles were MgAl x O y (1.6 ≦ x ≦ 2.4,3.2 ≦ y ≦ 4.8) - insulator system nano granular thin film.
前記強磁性粒子は、
(a)(Fe1-xCox)100-yy合金(但し、Z=B及び/又はSi、0≦x≦1、0≦y≦20)、
(b)Co2Fe(Al1-xSix)合金(但し、0≦x≦1)、
(c)Co2MnZ合金(但し、Z=Al、Si、及びGeからなる群から選ばれるいずれか1以上の元素)、及び、
(d)Fe2CrSi合金
からなる群からえらばれるいずれか1以上の合金からなる請求項1に記載の金属−絶縁体系ナノグラニュラー薄膜。
The ferromagnetic particles are
(A) (Fe 1-x Co x) 100-y Z y alloy (where, Z = B and / or Si, 0 ≦ x ≦ 1,0 ≦ y ≦ 20),
(B) Co 2 Fe (Al 1-x Si x ) alloy (however, 0 ≦ x ≦ 1),
(C) Co 2 MnZ alloy (provided that any one or more elements selected from the group consisting of Z = Al, Si, and Ge) and
(D) The metal-insulation system nanogranular thin film according to claim 1, which is composed of any one or more alloys selected from the group consisting of Fe 2 CrSi alloys.
前記強磁性粒子は、Co The ferromagnetic particles are Co 22 MnZ合金(但し、Z=Al、Si、及びGeからなる群から選ばれるいずれか1以上の元素)からなる請求項1に記載の金属−絶縁体系ナノグラニュラー薄膜。The metal-insulation system nanogranular thin film according to claim 1, which comprises an MnZ alloy (provided that any one or more elements selected from the group consisting of Z = Al, Si, and Ge). 次の式(1)で表される電気比抵抗変化率が10以下である請求項1から3までのいずれか1項に記載の金属−絶縁体系ナノグラニュラー薄膜
電気比抵抗変化率=ρ(@400℃)/ρ0 ・・・(1)
但し、
ρ(@400℃)は、前記金属−絶縁体系ナノグラニュラー薄膜を400℃で0.5時間加熱する暴露処理を行った後の23℃、外部磁場H=ゼロ[Oe]における電気比抵抗、
ρ0は、前記暴露処理前の前記金属−絶縁体系ナノグラニュラー薄膜の23℃、外部磁場H=ゼロ[Oe]における電気比抵抗。
The metal-insulation system nanogranular thin film according to any one of claims 1 to 3, wherein the resistivity change rate represented by the following formula (1) is 10 or less = ρ (@ 400). ℃) / ρ 0・ ・ ・ (1)
However,
ρ (@ 400 ° C.) is the electrical resistivity at 23 ° C. and an external magnetic field H = zero [Oe] after an exposure treatment in which the metal-insulation system nanogranular thin film is heated at 400 ° C. for 0.5 hours.
ρ 0 is the electrical resistivity of the metal-insulation system nanogranular thin film before the exposure treatment at 23 ° C. and an external magnetic field H = zero [Oe].
前記電気比抵抗変化率が2以下である請求項4に記載の金属−絶縁体系ナノグラニュラー薄膜。 The metal-insulation system nanogranular thin film according to claim 4, wherein the resistivity change rate is 2 or less. 400℃で0.5時間で加熱する暴露処理を行う前、及び前記暴露処理後の23℃におけるMR比が、いずれも3%以上である
請求項1から5までのいずれか1項に記載の金属−絶縁体系ナノグラニュラー薄膜。
The MR ratio at 23 ° C. before the exposure treatment of heating at 400 ° C. for 0.5 hour and after the exposure treatment is 3% or more.
The metal-insulation system nanogranular thin film according to any one of claims 1 to 5.
400℃で0.5時間加熱する暴露処理を行う前、及び前記暴露処理後の23℃における電気比抵抗が、いずれも、1×105μΩ・cm以上5×1011μΩ・cm以下である
請求項1から6までのいずれか1項に記載の金属−絶縁体系ナノグラニュラー薄膜。
The electrical resistivity at 23 ° C. before and after the exposure treatment of heating at 400 ° C. for 0.5 hours is 1 × 10 5 μΩ · cm or more and 5 × 10 11 μΩ · cm or less.
The metal-insulation system nanogranular thin film according to any one of claims 1 to 6.
請求項1から7までのいずれか1項に記載の金属−絶縁体系ナノグラニュラー薄膜を備えた薄膜磁気センサ。 A thin film magnetic sensor comprising the metal-insulation system nanogranular thin film according to any one of claims 1 to 7.
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