DE68914100T2 - Weichmagnetischer Mehrschichtfilm und mit einem derartigen weichmagnetischen Mehrschichtfilm versehener Magnetkopf. - Google Patents

Description

• Die Erfindung betrifft einen weichmagnetischen Mehrschichtfilm mit einer Anzahl kristalliner Hauptschichten und einer Anzahl amorpher Sekundärschichten, wobei die Schichten abwechselnd angebracht sind und der magnetische Bestandteil der Hauptschichten hauptsächlich ausschließlich Fe ist. Die Erfindung bezieht sich gleichfalls auf einen mit einem derartigen weichmagnetischen Mehrschichtfilm versehenen Magnetkopf.
• Ein weichmagnetischer Mehrschichtfilm dieser Art ist aus Abstract Nr. F1-04 auf Seite 366 des Auszügenbuches der ICMFS-12-Konferenz bekannt, die in Le Creusot im Jahre 1988 abgehalten wurde. Insbescndere wird an dieser Literaturstelle ein Mehrschichtfilm beschrieben, bei dem die Hauptschichten aus kristallinem Fe und die Sekundärschichten aus amorphem CoNbZr bestehen. Diese Schichten sind mittels Zerstäubungsabscheidung abwechselnd angebracht. Die amorphen Sekundärschichten dienen zum Einschränken der Korngröße der Kristallite der Hauptschicht. Der bekannte Mehrschichtfilm besitzt einige gute weichmagnetische Eigenschaften wie eine hohe Sättigungsmagnetisierung (Bs), eine geringe Koerzitivkraft (Hc) und eine hohe magnetische Permeabilität (u). So besitzt der bekannte Mehrschichtfilm, der eine Gesamtdicke von 0,5 um hat und aus abwechselnd angebrachten Schichten mit einer Dicke von 10 nm kristallinem Fe und 5 nm dickem amorphem Co86,2Nb9,6Zr4,2 besteht, eine Sättigungsmagnetisierung von 1,8 T, eine Koerzitivkraft von 60 A/m und eine Permeabilität von wenigstens 2000 in der Frequenzstrecke bis zu 20 MHz.
• Anmelderin hat festgestellt, daß der bekannte weichmagnetische Mehrschichtfilm den Nachteil hat, daß seine Magnetostriktionskonstante (λs) groß ist. Ihr Absolutwert ist sogar bedeutend größer als die einzelnen Werte von kristallinem Fe und amorphem CoNbZr. So wurde gefunden, daß ein aus 40 Schichten mit einer Dicke von 5 nm amorphem Co86,2Nb9,6Zr4,2 und 40 Schichten mit einer Dicke von 10 nm kristallinem Fe bestehender Mehrschichtfilm, wobei die beide Schichtarten abwechselnd angebracht wurden, eine Magnetostriktionskonstante von + 10.10&supmin;&sup6; besitzt. Die Magnetostriktionskonstante des kristallinen Fe und des amorphen CoNbZr betragen -5.10&supmin;&sup6; bzw. +0,2.10&supmin;&sup6;. Auf der Basis der zwei letztgenannten Werte und auf der Basis der Dicken der einzelnen Schichten darf eine Magnetostriktionskonstante von -2.4.10&supmin;&sup6; für die Mehrschicht erwartet werden. Der gefundene Wert der Magnetostriktionskonstante ist daher wesenflich größer als der erwartete Wert. Wenn der bekannte Mehrschichtfilm in einem Magnetkopf angewandt wird, bildet der hohe Wert der Magnetostriktionskonstante ein ernsthaftes Problem, da eine Erhöhung der Magnetostriktionskonstante eine Herabsetzung des Signal/Rauschabstands (SNR-Verhältnis) bewirkt. Daher wird bei der Herstellung von Mehrschichtfilmen, die in Magnetköpfen benutzt werden, angestrebt, den Absolutwert der Magnetostriktionskonstante des Films möglichst klein zu halten, vorzugsweise kleiner als 5.10&supmin;&sup6;.
• Der bekannte Mehrschichtfilm hat außerdem den Nachteil, daß der Wert der Magnetostriktionskonstante sich nach einer Wärmebehandlung stark erhöht zeigt. So zeigt sich die Magnetostriktionskonstante des in dem obigen Absatz genannten Mehrschichtfilms sich auf einen Wert von +30.10&supmin;&sup6; gut verdreifacht, nachdem der Film während einer Stunde einer Heizbehandlung auf 300ºC ausgesetzt wurde. Insbesondere bei Verwendung weichmagnetischer Mehrschichtfilme in Magnetköpfen ist dies nachteilig, da es zur Zeit üblich ist, derartige Wärmebehandlungen bei de Bearbeitung eines derartigen Films im Magnetkopf zu benutzen.
• Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen weichmagnetischen Mehrschichtfilm zu schaffen, die obige Nachteile nicht hat. So bezweckt die Erfindung das Schaffen eines weichmagnetischen Mehrschichtfilms mit einer Magnetostriktionskonstante, deren Absolutwert kleiner als 5.10&supmin;&sup6; und vorzugsweise gleich oder nahezu gleich Null ist. Nach einer anderen Aufgabenstellung schafft die Erfindung einen weichmagnetischen Mehrschichtfilm, deren Magnetostriktionskonstante nahezu von Wärmebehandlungen unabhängig ist. Der Erfindung liegt weiter die Aufgabe zugrunde, einen weichmagnetischen Mehrschichtfilm mit einer hohen Sättigungsmagnetisierung (Bs) zu schaffen, die vorzugsweise größer ist als 1,4 T. Der Erfindung liegt außerdem die Aufgabe zugrunde, einen weichmagnetischen Mehrschichtfilm mit einer niedrigen Koerzitivkraft (Hc) zu schaffen, die vorzugsweise kleiner ist als 100 A/m. Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist es, eine weichmagnetische Mehrschicht mit einer hohen magnetischen Permeabilität (u) zu schaffen, die in der Frequenzstrecke über 10 MHz vorzugsweise größer als 1000 ist.
• Diese und weitere Aufgaben werden mit einem weichmagnetischen Mehrschichtfilm eingangs erwähnter Art erreicht, der erfindungsgemäß dadurch gekennzeichnet ist, daß der magnetische Bestandteil der Sekundärschichten zumindest aus 90 At. % an Fe besteht. Bei Anwendung derartiger Sekundärschichten in einem Mehrschichtfilm der eingangs erwähnten Art zeigt sich der Absolutwert der Magnetostriktionskonstante überraschend niedrig. Weiter hat es sich gezeigt, daß Wärmebehandlungen kaum oder gar keinen Einfluß auf diesen niedrigen Wert haben.
• Obige erfindungsgemäße Maßnahme basiert auf der von Anmelderin gewonnenen Erkenntnis, daß auf den Grenzflächen von Haupt- und Sekundärschichten Diffusionsschichten entstehen, u.a. durch Vermischung von Ionen bei der Zerstäubungsabscheidung. Diese Diffusionsschichten üben einen großen Einfluß auf den Wert der Magnetostriktion des Mehrschichtfilms aus. So werden im bekannten Mehrschichtfilm Diffusionsschichten gebildet, die sowohl Fe als auch Co als magnetische Bestandteile in bedeutenmden Mengen enthalten. Eine derartige mehrere magnetische Elemente enthaltende Diffusionsschicht hat allgemein eine hohe positive Magnetostriktionskonstante, die der Konzentration der Ionenpaare der verschiedenen magnetischen Elemente proportional ist und ihren Höchstwert erreicht, wenn diese Elemente in einem Eins-zu- eins-Verhältnis vorhanden sind (70.10&supmin;&sup6; für Fe/Co und 25.10&supmin;&sup6; für Fe/Ni). Die Tatsache des Anstiegs der Magnetostriktion des bekannten Mehrschichtfilms nach einer Wärmebehandlung erscheint in Übereinstimmung mit dem erwähnten Erkenntnis. Zu erwarten ist, daß die Dicke der erwähnten Diffusionsschicht nach einer derartigen Wärmebehandlung und daher auch die Magnetostriktion des bekannten Mehrschichtfilms größer geworden ist. Ausgehend von dieser Erkenntnis enthält der erfindungsgemäße Mehrschichtfilm in der Hauptschicht ausschließlich oder nahezu ausschließlich Fe als magnetisches Element Auf diese Weise wird erreicht, daß die Diffusionsschicht im wesentlichen oder ausschließlich Fe als magnetisches Element und in der Sekundärschicht ausschließlich oder nahezu ausschließlich Fe als magnetisches Element enthält. Eine derartige Diffusionsschicht hat eine niedrige Magnetostriktionskonstante, so daß der Mehrschichtfilm ebenfalls eine niedrige Magnetostriktionskonstante besitzt. Durch die Ergänzung mit einer geringen Co- und/oder Ni-Menge (bis zu 10 At.% der Gesamtmenge magnetischer Elemente) kann die Curie-Temperatur der Sekundärschicht erhöht werden, was unter bestimmten Umständen für die Eigenschaften des Gesamtmehrschichtfilms vorteilhaft sein kann. Auch schafft diese Ergänzung die Möglichkeit zum Induzieren einer geringen Anisotropie in dieser amorphen Schicht. Eine derartige geringe Co- und/oder Ni-Menge hat einen sehr geringen Einfluß auf den Wert der Magnetostriktionskonstante.
• Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Mehrschicht ist dadurch gekennzeichnet, daß die Sekundärschicht ausschließlich Fe als magnetischen Bestandteil enthalt. Derartige Mehrschichtfilme weisen die niedrigsten Magnetostriktionswerte und die höchsten Sättigungsmagnetisierungen auf.
• Ein anderes Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Mehrschichtfilm ist dadurch gekennzeichnet, daß die Sekundarschicht ebenfalls wenigstens eines der Metalloide enthält, die aus der Gruppe gewählt sind, die aus Si, P, B und C besteht, wobei der Gesamtmetalloidgehalt der Sekundärschicht mindestens 15 und höchstens 30 At. % beträgt. Die erwähnten Metalloide fördern die amorphe Struktur der Fe-reichen Sekundärschicht. Wenn der Metalloidengehalt der Sekundärschicht größer ist als 30 At. %, sinkt die Gesamtsättigungsmagnetisierung dieser Schicht bedeutend. Dies ist für die Sättigungsmagnetisierung der Mehrschichtfilm nachteilig. Wenn der Metalloidengehalt kleiner ist als 15 At.%, ist es schwierig, den amorphen Zustand der Sekundärschicht zu erhalten.
• Ein anderes bevorzugtes Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Mehrschichtfilms ist dadurch gekennzeichnet, daß die Sekundärschicht ebenfalls wenigstens eines der Übergangselemente enthält, die aus der Gruppe gewählt sind, die besteht aus Ru, Rh, Pr, Pd, Cu, Ag, Au, Nb, Ti, Cr, Mo, V, W und Ta. Durch Ergänzung mit einem oder mehreren dieser Elemente ist es möglich, den Magnetostriktionswert der Sekundärschicht einigermaßen zu beeinflussen, so daß die Gesamtmagnetostriktion des Mehrschichtfilms nahezu Null oder gleich Null gemacht werden kann. Weiter kann Ergänzung mit einem oder mehreren dieser Elemente die mechanischen Eigenschaften des Mehrschichtfilms (Verschleiß, Korrosionsempfindlichkeit) vorteilhaft beeinflussen. Zum Hochhalten der Sättigungsmagnetisierung des Mehrschichtfilms beträgt die Ergänzung mit diesen Übergangselementen vorzugsweise höchstens 10 At.%.
• Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Mehrschichtfilms ist dadurch gekennzeichnet, daß die Dicke der Hauptschicht zwischen 5 nm und 40 nm liegt. Bei einer Dicke der Hauptschicht größer als oder gleich 40 nm können die Kritallite eine größte Abmessung erhalten, die größer ist als die Dicke der Bloch-Wand des Materials, aus dem die Hauptschicht besteht. Hierdurch wird der Einfluß der magnetischen Anisotropie (K) der Hauptschicht groß, was von einer niedrigen magnetischen Permeabilität u begleitet wird. Wenn das weichmagnetische Material in einem Magnetkopf verwendet wird, ist dies sehr unerwünscht. Bei einer Dicke der Hauptschicht unter oder gleich 4 nm nimmt sogar bei einer Mindestdicke der Sekundärschicht die Sättigungsmagnetisierung des Mehrschichtfilms wesentlich ab. Die Hauptschichten des Mehrschichtfilms sollen nahezu ausschließlich Fe als magnetischen Bestandteil enthalten. Hierunter sei verstanden, daß die Hauptschichten zumindest 95 At.%, vorzugsweise zumindest 98 At.% an Fe als magnetischen Bestandteil enthalten. Eine geringe Co- und/oder Ni-Menge in den Hauptschichten erhöht die Magnetostriktion und die Sättigungsmagnetisierung geringfügig. Bessere Ergebnisse werden erhalten, wenn die Hauptschichten ausschließlich Fe als magnetisches Element enthalten. Die besten Ergebnisse werden jedoch mit Hauptschichten verwirklicht, die ausschließlich Fe enthalten.
• Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Mehrschichtfilms ist dadurch gekennzeichnet, daß die Dicke der Sekundärschicht zumindest 2 und höchstens 6 nm beträgt. Es hat sich gezeigt, daß, wenn die Dicke der Sekundärschicht kleiner als etwa 2 nm gewählt wird, die Kristallite der Hauptschicht durch die Sekundärschicht hindurch wachsen. Hierdurch entstehen in dem Mehrschichtfilm Kristallite, deren größte Abmessung die Dicke der Bloch-Wand des kristallinen Materials übertrifft. Wie im vorigen Absatz erwähnt, wird dies von einem wesentlichen Rückgang in der magnetischen Permeabilität des Mehrschichtfilms begleitet. Wenn die Dicke der amorphen Sekundärschicht größer als 6 nm gewählt wird, erhält man einen weichmagnetischen Mehrschichtfilm mit einer verhältnismäßig niedrigen Sättigungsmagnetisierung.
• Die erfindungsgemäßen magnetischen Mehrschichten können u.a. in Transformatoren verwendet werden. Vorzugsweise wird der Mehrschichtfilm jedoch in Magnetköpfen angewandt.
• Die Erfindung bezieht sich gleichfalls auf einen derartigen Magnetkopf, der mit einem erfindungsgemäßen Mehrschichtfilm versehen ist. Diese Art von Magnetköpfen kann bei magnetischen Aufzeichnungsmedien optimal angewandt werden, wie z.B. Magnetbändern und Magnetplatten, wobei die Verwirklichung einer hohen Informationsdichte erzielt wird, wie dies beispielsweise bei Videogeräten der Fall ist.
• Die Erfindung wird nachstehend anhand der Zeichnung und anhand einiger Ausführungsbeispiele näher erläutert. Es zeigt die Figur einen Magnetkopf, der mit dem erfindungsgemäßen weichmagnetischen Mehrschichtfilm versehen ist.
Ausführungsbeispiel
• Ein weichmagnetischer Mehrschichtfilm wurde auf einem Glassubstrat hergestellt. Das Substrat wurde auf einer drehbaren Substrathalterung eines Ionenbündelabscheidungsgeräts befestigt, das in einer Vakuumkammer aufgestellt wurde. Die Vakuumkammer wurde evakttiert, so daß p < 5.10&supmin;&sup7; Torr beträgt. Beim Anbringen der Mehrschicht wurde ein Ar-Gasstrom durch die Vakuumkammer geführt, wobei der Ar-Druck auf p < 1.5 10&supmin;&sup4; Torr gehalten wurde. Für die Hauptschichten wurde ein Fe-Target und für die Sekundärschicht eine Fe-reiche Legierungstarget mit der für die Sekundärschicht erwünschten Zusammensetzung verwendet. Durch computergesteuerte Drehung der Targethalterung konnten beide Zerstäubungstargets abwechselnd in dem Ionenbündel (1,5 kV, 80 mA) positioniert werden.
• In den Tabellen 1 und 2 wird eine Anzahl von Mehrschichtfilmen mit einer Gesamtdicke (ausschließlich des Substrats) von 0,5 um beschrieben, die auf obige Weise hergestellt wurden. In Tabelle 1 werden die Zusammensetzung und die Dicke d (nm) der Hauptschichten (H) und der Sekundärschichten (N) wiedergegeben, und in Tabelle 2 wird eine Anzahl wichtiger magnetischer Werte des aus diesen Haupt- und Sekundärschichten aufgebauten Mehrschichtfilms wiedergegeben, wie der Wert der Sättigungsmagnetisierung Bs (T), der Koerzitivkraft Hc (A/m), der magnetischen Permeabilität um (bei 2 MHz gemessen) und der Magnetostriktionskonstante (Tabelle 2). Der Wert der Magnetostriktionskonstante wurde vor (&lambda;s) und nach (&lambda;'s) einer Wärmebehandlung in einer Stunde auf 350ºC gemessen. TABELLE 1: TABELLE 2:
• Aus den Tabellen ist ableitbar, daß die weichmagnetischen Mehrschichtfilme einen niedrigen bis sehr niedrigen Magnetostriktionswert besitzen, der häufig kleiner ist als 5.10&supmin;&sup6;. Die Tabelle zeigt weiter, daß die Wärmebehandlung nur eine geringe Änderung des Magnetostriktionswerts bewirkt. Weiter ist aus der Tabelle ersichtlich, daß, wenn eine Zwischenschichtdicke von weniger als 2 nm gewählt wird, der Mehrschichtfilm eine verhältnismäßig hohe Koerzitivkraft und eine niedrige Permeabilität aufweist (Beispiele 12 und 13). Wenn die Hauptschicht dünner als 4 nm ist, sinkt die Sättigungsmagnetisierung ab (Beispiel 14). Wenn die Hauptschicht dünner ist als oder gleich 40 nm, sinkt die Permeabilität wesentlich ab (Beispiele 15, 16 und 17).
• In der Figur ist ein erfindungsgemäßer Magnetkopf mit einem erfindungsgemäßen weichmagnetischen Mehrschichtfilm dargestellt. Der Magnetkopf besteht aus zwei Kernteilen 1 und 2, die aus je zwei Substratteilen 3 und 4 bzw. 5 und 6 aufgebaut sind. Der Kernteil 1 ist mit einer Spulenkammer 7 versehen, durch die eine Spule 8 gewickelt ist. Mit dieser Spule kann ein elektrisches Schreib-, Lese- oder Löschsignal gesteuert werden. Zwischen den Substratteilen der Kernteile befindet sich eine Schicht des weichmagnetischen Mehrschichtfilms 9 (typische Dicke 10 um). Zwischen den beiden Kernteilen 1 und 2 befindet sich der Spalt 10, der eine typische Lange von etwa 0,25 um hat.
• Bei der Herstellung des beschriebenen Magnetkopfs werden die Kernteile auf übliche Weise mit Thermokompression aus je zwei Substratteilen hergestellt. Hierzu wird ein Substratteil, der aus einem keramischen Material wie beispielsweise Glas oder Ferrit bestehen kann, mit einem Mehrschichtfilm versehen. Dieser Substratteil und ein Substratteil ohne Film werden an den zu verbindenden Seiten mit zwei dünnen Schichten aus Mo bzw. Au versehen (Gesamtdicke beispielsweise 0,05 um). Durch Thermokompression (typische Temperaturen 250...350ºC) wird zwischen den beiden Substratteilen eine (Au) Diffusionsverbindung hergestellt. Auch ist es möglich, auf diese Weise zwei mit einem Mehrschichtfilm versehene Substrate miteinander zu einem Kernteil zu verbinden. In diesem Fall befinden sich die Au/Mo-Schichten zwischen zwei Mehrschichtfilmen.
• Die gegenseitige Verbindung von zwei Kernteilen zu einem Magnetkopf kann ebenfalls mit Thermokompression erfolgen. In diesem Fall wird ein Spalt erhalten, dessen gewünschte Lange von der Dicke der auf den Kernteilen angebrachten Mo/Au- Schicht abhängig ist. Die Verbindung von Substratteilen und Kernteilen kann jedoch auch auf andere Weise verwirklicht werden, wie beispielweise mittels Verkleben. In der Praxis hat es sich jedoch gezeigt, daß die Spaltiänge eines Magnetkopfs, bei dem die Kernteile verklebt sind, oft schwer steuerbar ist.

Claims (7)

1. Weichmagnetischer Mehrschichtfilm mit einer Anzahl kristalliner Hauptschichten und einer Anzahl amorpher Sekundarschichten, wobei die Schichten abwechselnd angebracht sind und der magnetische Bestandteil der Hauptschichten hauptsächlich ausschließlich Fe ist, dadurch gekennzeichnet, daß der magnetische Bestandteil der Sekundärschichten aus wenigstens 90 At. % an Fe zusammengesetzt ist.

2. Weichmagnetischer Mehrschichtfilm nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Sekundärschicht nur Fe als magnetischen Bestandteil enthält.

3. Weichmagnetischer Mehrschichtfilm nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Sekundärschicht außerdem wenigstens eines der gewählten Nichtmetalle aus der Gruppe enthält, die aus Si, P, B und C besteht, wobei der Gesamt- Nichtmetallinhalt der Sekundärschicht zumindest 15 und höchstens 30 At. % beträgt.

4. Weichmagnetischer Mehrschichtfilm nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Sekundärschicht außerdem wenigstens eines der gewählten Übergangselemente aus der Gruppe enthält, die aus Ru, Rh, Pr, Pd, Cu, Ag, Au, Nb, Ti, Cr, Mo, V, W und Ta besteht.

5. Weichmagnetischer Mehrschichtfilm nach einem oder mehreren der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Dicke der Hauptschicht im Bereich zwischen 4 nm und 40 nm liegt.

6. Weichmagnetischer Mehrschichtfilm nach einem oder mehreren der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Dicke der Sekundärschicht zumindest 2 und höchstens 6 nm beträgt.

7. Magnetkopf mit einem weichmagnetischen Mehrschichtfilm nach einem oder mehreren der vorangehenden Ansprüche.