JP7535261B2 - 希土類化合物及びこれを用いた磁気記録媒体並びにこれらの製造方法 - Google Patents
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Description
[2] 前記主相中のホウ素の含有量と前記粒界相中のホウ素の含有量の差の絶対値が、1.0原子%以上である[1]に記載の希土類化合物。
[3] 前記R1が、少なくともSmを含む、[1]又は[2]に記載の希土類化合物。
[4] 実質的にTi、V、Mo、Nb、Cr、及び、Wのいずれも含有しない[1]~[3]のいずれかに記載の希土類化合物。
[5] 前記TがFe、及び、Coである、[1]~[4]のいずれかに記載の希土類化合物。
[6] 所定の方向に沿って、結晶方位、及び、磁化容易軸からなる群より選択される少なくとも一方が優先配向している[1]~[5]のいずれかに記載の希土類化合物。
希土類化合物
[7] 前記aが、6.0~10.0原子%である、[1]~[6]のいずれかに記載の希土類化合物。
[8] 磁性層に[1]~[7]のいずれかに記載の希土類化合物を用いた磁気記録媒体。
[9] 前記磁性層の結晶方位が、[001]方向に優先配向している[8]に記載の磁気記録媒体。
[10] 基板上に[1]~[7]のいずれかに記載の希土類化合物を含有する磁性層をスパッタリング法によって製造する方法であって、前記基板を250~400℃に加熱して、前記希土類化合物を構成する元素(R1、R2、T、及び、M)を含むターゲットをスパッタした後、前記基板加熱温度未満の温度で冷却する方法。
このため、本発明によれば、優れた保磁力を有する希土類化合物を提供することができ、この希土類化合物を、キュリー点が低くかつ高い磁気異方性を示す媒体材料として、磁気記録媒体の磁性層に用いることができる。
また、本発明によれば、この希土類化合物を含有する磁性層をスパッタリング法によって簡便に製造することができる。
以下に記載する構成要件の説明は、本発明の代表的な実施形態に基づいてなされることがあるが、本発明はそのような実施形態に制限されるものではない。
なお、本明細書において、「~」を用いて表される数値範囲は、特に断らない限り「~」の前後に記載される数値を下限値及び上限値として含有する範囲を意味する。
本発明の実施形態に係る希土類化合物(以下、「本実施形態の希土類化合物」ともいう。)は、全体組成が、式1:(R1 (1-x)R2 x)aTbMcで表され、ThMn12型の結晶相を主相とし、前記主相間に存在するアモルファスの粒界相を有する。
ここで、上記式中、R1は、Sm、Pm、Er、Tm、及び、Ybからなる群より選択される少なくとも1種の元素であり、R2は、Zr、La、Ce、Pr、Nd、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、及び、Luからなる群より選択される少なくとも1種の元素であり、TはFe、Co、及び、Niからなる群より選択される少なくとも1種の元素であり、Mはホウ素であり、xは、0~0.5の数であり(0≦x≦0.5)、aは6.0~13.7原子%の数であり(6.0≦a≦13.7)、cは0原子%より大きく、12原子%以下の数であり(0<c≦12)、bは、100-a-c原子%で表される数である。
本実施形態の希土類化合物の全体組成は、(R1 (1-x)R2 x)aTbMcで表される。
本明細書において、「全体組成」は、ICP発光分光分析装置(Inductivity coupled plasma optical emission spectrometer ; ICP-OES)により求められ、その測定方法は後述する実施例に記載したとおりである。
式1中、R1は、Sm(サマリウム)、Pm(プロメチウム)、Er(エルビウム)、Tm(ツリウム)、及び、Yb(イッテルビウム)からなる群より選択される少なくとも1種の元素(以下、「特定希土類元素」ともいう。)である。R1の特定希土類元素は、1種を単独で用いてもよく、2種以上を併用してもよい。
本実施形態の希土類化合物は、スティーブンス因子が正である元素を含有するため、優れた磁気特性を有する。
従って、本実施形態の希土類化合物は、R1として、少なくともSmを含有することが好ましい。
式1中、R2は、Zr(ジルコニウム)、Y(イットリウム)、La(ランタン)、Ce(セリウム)、Pr(プラセオジム)、Nd(ネオジム)、Eu(ユウロピウム)、Gd(ガドリニウム)、Tb(テルビウム)、Dy(ジスプロシウム)、Ho(ホルミウム)、及び、Lu(ルテチウム)からなる群より選択される少なくとも1種(以下、「特定元素」ともいう。)である。R2の特定元素は、1種を単独で用いてもよく、2種以上を併用してもよい。
このうち、Y、及び、Ce(中でも、Ce(IV)が好ましい。)は、それ自体は磁性を有さない元素であるものの、希土類化合物がR2として上記を含有することによって、得られる希土類化合物は優れた安定性を有する。
なお、下限としては特に制限されないが、本実施形態の希土類化合物は、R2を含有していなくてもよい。すなわち、本実施形態の希土類化合物においては、0≦x≦0.5であり、0≦x≦0.4が好ましく、0≦x≦0.3がより好ましい。
式1中、Tは、Fe(鉄)、Co(コバルト)、及び、Ni(ニッケル)からなる群より選択される少なくとも1種の元素である。これらは鉄族元素に分類され、常温、及び、常圧において、強磁性を示す点で共通の性質を有する。従って、TとしてのFe、Co、及び、Niは互いに置換可能であり、Tとしては上記鉄族元素を単独で用いてもよく、2種以上を併用してもよい。
全体組成中のTの含有量としては、上述したa、及び、後述するcとの関係で100-a-cを満足すれば特に制限されないが、一般に50~95原子%が好ましく、60~85原子%がより好ましい。
TとしてCoを含有する場合、希土類化合物の磁化がより向上し、キュリー温度がより上昇する。言い換えると、本実施形態の希土類化合物では、TとしてのCoの含有量を調整することによって、磁気特性を損なわずにキュリー点を制御することができる。
なかでも、より優れた本発明の効果を有する希土類化合物が得られる点で、本実施形態の希土類化合物の全体組成としては、式3:(Sm1-xR2 x)a(FepCo1-p)bMcで表されることがより好ましい。このとき、pは、0.5~1.0の数であり、好ましくは、0.9~1.0の数である。
Mはホウ素(ホウ素元素、B)である。全体組成中のホウ素の含有量としては、0原子%より大きく、12原子%以下が好ましい。
しかし、本発明者らは上記のような技術常識にとらわれずに、様々な元素の可能性を多面的な視点で検討してきた。その努力の結果、所定量のホウ素を含有する式1で表される全体組成を有する希土類化合物であれば、優れた保磁力を有することを見出し、本発明を完成させた。
なお、上記主相が2種以上の除外元素を含有する場合、上記2種以上の除外元素の合計が上記数値範囲内であることが好ましい。
より優れた本発明の効果が得られやすい点で、本実施形態の希土類化合物は、ThMn12型の結晶相を主相とし、α-Fe、α-(Fe,Co)、Sm(FeCo)7、及び、Sm2(FeCo)17相等を他の結晶相とする構造であることが好ましい。
なお、本明細書において、主相とは希土類化合物のX線回折測定において、検出されるピーク強度が最も大きい相を意味する。
すなわち、本実施形態の希土類化合物は、磁気異方性を有する希土類化合物であることが好ましい。
本実施形態の希土類化合物は、ThMn12型の結晶相を有しており、この結晶方位、及び/又は、磁化容易軸が所定の方向に優先配向していると、より優れた本発明の効果を有する希土類化合物が得られやすい。
本実施形態の希土類化合物は、ThMn12型の結晶相以外の相(すでに説明したα-Fe相等)を有していてもよく、この場合、α-Fe相に由来するピークは、ThMn12型の結晶相の所定の結晶方位等に由来するピークには含まれない。
本実施形態の希土類化合物は、優れた保磁力を有するため、キュリー点が低くかつ高い磁気異方性を示す媒体材料として、磁気記録媒体の磁性層に好ましく用いることができる。
図1は、本発明の実施形態に係る磁気記録媒体(以下、「本実施形態の磁気記録媒体」ともいう。)の層構造を示す模式図である。
図1において、本実施形態の磁気記録媒体10(垂直磁気記録媒体)は、基板20上に、熱吸収層30、下地層40、及び、磁性層50をこの順に備えている。
基板加熱温度は、上述した構造を有する本実施形態の磁気記録媒体がより効率的に得られる観点で、250~400℃が好ましく、300~350℃がより好ましい。
また、磁性層50の成膜(磁性層50の積層)後、基板加熱温度未満の温度で冷却することが好ましい。これにより、本実施形態の磁気記録媒体の効果をより確実に得ることができる。なお、上記基板加熱温度未満の温度で冷却する際の冷却手段及び冷却時間は特に制限されない。例えば、磁性層50の成膜後、基板20の加熱及び冷却を行わずに、自然冷却してもよい。上記自然冷却の場合、基板加熱温度の値や成膜装置のチャンバ内の雰囲気等によって異なるが、例えば、基板加熱温度が300~350℃の条件では、約20~50分後に基板20の温度は約50~70℃まで低下する。
また、磁性層50の成膜後、基板加熱手段の温度を、基板加熱温度未満の温度に設定し、所定時間保持することで基板20を冷却してもよい。この場合において、基板加熱手段の設定温度は上記基板加熱温度未満の温度であれば任意の温度であってよく、保持時間も任意の時間であってよい。
また、上述した基板加熱手段による冷却と自然冷却を組み合わせてもよい。
さらに、磁性層50の成膜後、窒素ガス等の冷却媒体を用いて基板20を冷却してもよく、これにより、より短い製造時間で本実施形態の磁気記録媒体を得ることができる。上記冷却媒体を用いる冷却の場合、冷却媒体の種類や基板加熱温度の値等によって異なるが、例えば窒素ガスを用いた場合、数分~10分程度で基板20の温度は20℃程度まで低下する。
なお、上述した冷却条件について、磁性層50の成膜時の基板加熱温度と冷却終了時の基板温度(基板20の温度)との差を冷却時間で除算して得られる平均冷却速度(℃/分)のおおよその目安としては、約3~85℃/分であってよい。
以下の実施例に示す材料、使用量、割合、処理内容、処理手順等は、本発明の趣旨を逸脱しない限り適宜変更することができる。従って、本発明の範囲は以下に示す実施例により限定的に解釈されるべきものではない。
薄膜の作製には、DCマグネトロンスパッタ法を用いた。
0.167Pa(1.30mTorr)のAr雰囲気下、超高真空(UHV)対応のDCマグネトロンスパッタ装置のチャンバ内の圧力を10-8Pa以下とし、MgO(100)単結晶基板を700℃で20分間熱処理し、表面を清浄化した。その後、325℃の基板温度にて、このMgO(100)単結晶基板上に、下地層として、Sm(Fe0.8Co0.2)12と格子ミスマッチの小さいV(厚み=20nm)を配置した(以下、上記下地層を配置したMgO(100)単結晶基板を単に「基板」ともいう。)。
続いて、上記と同じ325℃の基板温度にて、Sm、Fe、Fe50Co50、Fe80B20ターゲットを同時にスパッタすることによりSm(Fe0.8Co0.2)12B層を成膜した。更に、酸化防止のためキャップ層としてV(厚み=10nm)を堆積した。
すなわち、同じ厚みの膜であっても、成膜レートを制御することでホウ素の導入量を制御でき、成膜レートを一定とすれば、一定のホウ素含有量を有し膜の厚みの異なる試料を成膜することもできる。なお、本発明者らの予備実験によれば、上記の材料、成膜条件、及び、成膜装置を用いて、基板上に5nm以上の厚みを有するSm(Fe0.8Co0.2)12B層を成膜することができることが確認されている。また、必要に応じて、Sm(Fe0.8Co0.2)12B層の厚みを5nm未満とすることも可能である。
まず、試料を石英ビーカーに採取し、硝酸と水との1:1(体積)溶液の5ml、塩酸と水との1:1(体積)溶液の10ml、及び、硫酸と水との1:1(体積)溶液の3mlを加え、120℃で30分間加熱して溶解させ、放冷後100mlに定容した。この溶液中の各元素の含有量をアジレント社製ICP-OES装置「720-ES ICP-OES」により測定した。
ホウ素(B)の導入(目標)量を0体積%から1.5体積%まで変化させて、基板上に100nmの厚みを有するSm(Fe0.8Co0.2)12B膜を作製した。以下では、Bの含有量が0体積%である試料(Sm(Fe0.8Co0.2)12膜;例1)、及び、Bの含有量が0.5体積%である試料(Sm(Fe0.8Co0.2)12B0.5膜;例2)の特性について説明する。
図2(b)によれば、Bが0.5体積%である例2の膜は、例1の膜に匹敵する強い垂直異方性を示し、例1の膜を有意に上回る1.2Tの保磁力を示した。また、ゼロ磁場での残留磁化は1.50Tであった。加えて、300~500K(27~227℃)の温度範囲における例2の膜の保磁力の温度係数(β)は、-0.22%/℃と計算された。従来報告されている異方性Nd-Fe-B系磁石の保磁力の温度係数(β)は約-0.4~-0.6%/℃であるので、例2の膜に関して得られた上記温度係数の絶対値は従来のNd-Fe-B系磁石よりも非常に小さく、このことは、本発明の実施形態に係る希土類化合物を含有する膜が、従来のNd-Fe-B系磁石に比べて保磁力の熱安定性に優れることを示している。
これに対して、図3(b)(例2の膜)では、柱状のSmFe12系結晶粒が確認された。この柱状粒の平均粒径は、約40~50nmであり、高さと幅(平均粒径)の比率は、約2.5:1(平均アスペクト比約2.5)であった。また、この柱状粒を主相として、主相間に一定の幅(約1nm以上)を有する粒界相が存在する構造であることがわかる。
これらのBF-TEM像から、本発明の実施形態に係る希土類化合物を含有する膜では、所定量のホウ素が添加されることにより、主相のThMn12型の結晶相(1-12相)が柱状成長すると共に柱状結晶相間に一定の厚みを有する粒界相が形成され、このような微細構造によって高い保磁力が発揮されることが示唆された。
図5(b)によれば、例2の膜では、不均一なCoの分布が確認され、Coの濃度が低い部分は、図3(b)に示すBF-TEM像を参照して説明した粒界相に対応する部分であることが確認された。なお、エネルギー分散型X線分析装置の検出限界により、STEM-EDS像からはBの分布に関する情報は得られていない。
より具体的には、図7(b)によれば、Bは、主相(1-12相)及び粒界相(GB)の両方に分布し、特に粒界相に偏って分布する(偏在している)ことがわかる。言い換えると、例2の膜では、主相とは元素組成が明確に異なる粒界相が存在し、当該粒界相は、B濃化相であることが確認された。なお、図7(b)に示す組成プロファイルに基づいて計算された粒界相におけるBの含有量は、約10.3原子%であった。
次に、上記例2と同様の材料、及び、成膜装置を用いて、100nmの厚みを有し、Bの含有量が0.5体積%である試料(Sm(Fe0.8Co0.2)12B0.5膜)を作製した。例3では、成膜条件として、Sm(Fe0.8Co0.2)12B層の成膜時の基板温度を350℃とし、Vのキャップ層(10nm)を堆積した後の温度条件を以下の(a)~(i)のように設定して、計9種類の試料を作製した。
(a)自然冷却(30分間で60℃まで冷却)
(b)窒素ガスによる冷却(4分間で20℃まで冷却後、30分間保持)
(c)200℃で60分間保持した後、自然冷却(30分間で50℃まで冷却)
(d)250℃で60分間保持した後、自然冷却(30分間で60℃まで冷却)
(e)300℃で60分間保持した後、自然冷却(30分間で65℃まで冷却)
(f)350℃で60分間保持した後、自然冷却(30分間で65℃まで冷却)
(g)400℃で60分間保持した後、自然冷却(30分間で70℃まで冷却)
(h)450℃で60分間保持した後、自然冷却(30分間で70℃まで冷却)
(i)500℃で60分間保持した後、自然冷却(30分間で80℃まで冷却)
図13(b)によれば、保磁力(Hc)は、保持温度が350℃以上の加熱条件(Annealing)において減少することが確認された。
図13(c)によれば、ゼロ磁場での残留磁化比(Mr/Ms)は、保磁力と同様に、保持温度が350℃以上の加熱条件(Annealing)において減少することが確認された。
図13(d)によれば、垂直異方性(Ku)は、保持温度が350℃以上の加熱条件(Annealing)において増加するものの、保持温度が500℃の条件(i)では減少することが確認された。
次に、上記例2と同様の材料、及び、成膜装置を用いて、膜の厚みを20nmから200nmまで変化させて、Bの含有量が5.0体積%である試料(Sm(Fe0.8Co0.2)12B膜)を作製した。
また、上記例2と同様の材料、及び、成膜装置を用いて、ホウ素(B)の導入(目標)量を0体積%から8.0体積%まで変化させて、50nmの厚みを有する試料(Sm(Fe0.8Co0.2)12B膜)を作製した。
(002)及び(004)からの回折線(図中、下向き白三角印で示す。)の強度は膜の厚みの増加とともに増加する。一方で、65°付近に観測される第2相(α-Fe、Sm(FeCo)7、Sm2(FeCo)17)からの回折線(図中、下向き黒三角印で示す。)の強度は膜の厚みによって変化しなかった。
一方、cは30nmの4.75Åまで減少し、その後、4.75Åの一定値を示した。c/aは30nmまで減少するが、その後、一定値を示した。
黒色の丸のプロットがホウ素の含有量が5体積%となるよう成膜条件を調整して得られた試料、黒色の四角のプロットがSm(Fe0.8Co0.2)12にCu拡散をしたもの、黒色の三角のプロットがSm(Fe0.8Co0.2)12にCu-Ga拡散をしたものである。
黒色の実線、黒色の破線2本の計3本は商用のNd2Fe14B磁石(NMX-36(Dy含有量8%)、NMX-43(Dy含有量4%)、NMX-52(Dyフリー))の温度依存性を表している。図18によれば、Sm(FeCo)12磁石はNd2Fe14B磁石よりも小さい温度依存性を示すことがわかる。Sm(FeCo)12磁石の中でも、ホウ素を5体積%含む試料は全温度領域にわたって高い保磁力を示し、300~700Kの温度範囲における保磁力の温度係数(β)は最も低い値(-0.15%/K)であった。
図21によれば、Bが0体積%では強い垂直異方性を示している。保磁力は0.14Tである。
図21によれば、Bの含有量の増加とともに面直方向の保磁力が増加し、Bの含有量が5.0体積%で0.75Tの保磁力を示した。また、上記においては1.59Tの高い磁化を示した。更に、面内成分も増加した。
図22には、膜の厚みを一定とした薄膜の磁化(Ms)、ゼロ磁場での残留磁化比(Mr/Ms)、保磁力(Hc)、及び、垂直異方性(Ku)のBの含有量への依存性を示した。なお、図22には、例13~21のB導入目標量とは異なる成膜条件で作製した試料の結果も併せて示した。
20 基板
30 熱吸収層
40 下地層(配向制御層)
50 磁性層(垂直磁気記録層)
Claims (10)
- 全体組成が、式1:(R1 (1-x)R2 x)aTbMc
(上記式中、R1は、Sm、Pm、Er、Tm、及び、Ybからなる群より選択される少なくとも1種の元素であり、R2は、Zr、Y、La、Ce、Pr、Nd、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、及び、Luからなる群より選択される少なくとも1種の元素であり、TはFe、Co、及び、Niからなる群より選択される少なくとも1種の元素であり、Mはホウ素であり、xは、0~0.5の数であり、aは6.0~13.7原子%の数であり、cは0原子%より大きく、12原子%以下の数であり、bは、100-a-c原子%で表される数である。)
で表され、ThMn12型の結晶相を主相とし、前記主相間に存在するアモルファスの粒界相を有する希土類化合物。 - 前記主相中のホウ素の含有量と前記粒界相中のホウ素の含有量の差の絶対値が、1.0原子%以上である請求項1に記載の希土類化合物。
- 前記R1が、少なくともSmを含む、請求項1又は2に記載の希土類化合物。
- 実質的にTi、V、Mo、Nb、Cr、及び、Wのいずれも含有しない請求項1~3のいずれか一項に記載の希土類化合物。
- 前記TがFe、及び、Coである、請求項1~4のいずれか一項に記載の希土類化合物。
- 所定の方向に沿って、結晶方位、及び、磁化容易軸からなる群より選択される少なくとも一方が優先配向している請求項1~5のいずれか一項に記載の希土類化合物。
- 前記aが、6.0~10.0原子%である、請求項1~6のいずれか一項に記載の希土類化合物。
- 磁性層に請求項1~7のいずれか一項に記載の希土類化合物を用いた磁気記録媒体。
- 前記磁性層の結晶方位が、[001]方向に優先配向している請求項8に記載の磁気記録媒体。
- 基板上に請求項1~7のいずれか一項に記載の希土類化合物を含有する磁性層をスパッタリング法によって製造する方法であって、
前記基板を250~400℃の基板加熱温度に加熱して、前記希土類化合物を構成する元素(R1、R2、T、及び、M)を含むターゲットをスパッタした後、前記基板加熱温度未満の温度で冷却する方法。
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