JP2001237473A

JP2001237473A - 複合磁性薄膜

Info

Publication number: JP2001237473A
Application number: JP2000369803A
Authority: JP
Inventors: Mitsuteru Inoue; 光輝井上; Toshitaka Fujii; 壽崇藤井; Osamu Shinoura; 治篠浦
Original assignee: TDK Corp
Current assignee: TDK Corp
Priority date: 1999-12-14
Filing date: 2000-12-05
Publication date: 2001-08-31

Abstract

(57)【要約】【課題】高感度の各種機能性の複合磁性薄膜を提供す
ることにある。【解決手段】基板上に成膜された下地磁性体膜と、
当該下地磁性体膜の上に形成された上層磁性体膜を有す
る複合磁性薄膜であって、前記上層磁性体膜は、その飽
和磁界強度が下地磁性体膜の飽和磁界強度の１０倍以上
であり、前記下地磁性体膜は、薄膜の面内で方向性を有
する凹凸構造を有してなるように構成する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は外部磁界により、抵
抗が変化する磁気抵抗効果薄膜や、寸法が変化する磁歪
膜等の磁性薄膜に関するものであり、本発明の構成を採
択することにより高感度な磁界センサや低磁界動作のア
クチュエータ等を実現することが可能となる。

【０００２】

【従来の技術】グラニュラー系合金磁性膜は、磁界セン
サに用いられる巨大磁気抵抗効果膜（ＧＭＲ膜）の中で
も、単層膜で使用することができる。そのためグラニュ
ラー系合金磁性膜は、他のＧＭＲ膜と比べて形成方法が
極めて簡便である。

【０００３】このようなグラニュラー系合金磁性膜につ
いて、特開平８−３１６５４８号公報や、特開平１０−
３０８３２０号公報等に開示のごとく磁性金属微粒子が
非磁性絶縁体マトリックス中に分散された薄膜では、電
気伝導は磁性金属粒子間の伝導電子のトンネル効果によ
って生じており、多数のトンネル接合が多くつながった
多重構造を形成している。例えば、ＣｏＡｌＯ膜では、
粒径２〜３ｎｍのＣｏが分散し、Ｃｏ粒子間のＡｌ酸化
物の厚さは約１ｎｍであることが知られている。このよ
うなグラニュラー膜は８％程度の磁気抵抗変化（ＭＲ
比）を示す。しかしながら、抵抗が変化するのに必要な
磁界は１ＭＡ／ｍ程度と非常に大きく、磁場感度として
は低いものであった。

【０００４】このようなＧＭＲ膜の磁場感度を高める方
法として、特開平１１−２７４５９９号公報や、「まて
りあ」第３７巻、第９号７４５ページにおいては三谷ら
が、フォトリソグラフィ技術を用いる方法を開示してい
る。すなわち、図５に示されるように、基体１１０上に
膜厚（数μｍ）と同程度の空隙Ｇ１（ギャップＧ１）を
有する軟磁性膜構造１２０を形成し、その上にグラニュ
ラー膜１３０を形成している。この複合構造は、軟磁性
体膜１２０のギャップＧ１の中にグラニュラー膜１３０
がおかれていることからGranular-In-Gap (GIG)と呼ば
れている。当該「まてりあ」文献において、ＮｉＦｅ軟
磁性膜ギャップ内に形成されたＣｏＹＯグラニュラー膜
は０．２ｋＡ／ｍの外部磁界で飽和しており、磁界感度
はＣｏＹＯ単層膜の２００倍にまで改善されたことが報
告されている。

【０００５】一方、第２１回日本応用磁気学会学術講演
概要集、３０７ページ（１９９７年）、電気学会マグネ
ティクス研究会資料、ＭＡＧ−９６−８４、６１ページ
（１９９６年）には、斜めスパッタ法により形成された
磁性膜は、面内に方向性をもつ繊維状組織が形成される
こと、さらにそのような微細構造により成膜された磁性
膜の電気抵抗や異方性、および磁気抵抗効果特性が変化
することが、本願発明者を含む研究者らにより報告され
ている。

【０００６】また、外部磁界により大きな寸法変化を示
す磁歪材料として、希土類―遷移金属合金が知られてい
る。当該希土類―遷移金属合金は、例えば特開昭６３−
３０８９８０号や、特開平４−９９００６号公報に述べ
られているように、動作磁界が大きい。すなわち異方性
磁界が大きいことが大きな課題であった。このような課
題を解決するために特開昭６３−３０８９８０号公報に
は、軟磁性膜膜との積層構造とすることにより低磁界動
作を実現させることができる旨の提案がなされている。
しかしながら、その改善は僅かなものといえる。また、
特開平４−９９００６号公報には、高磁界で大きな磁歪
を示す材料よりも、低磁界で比較的大きな磁歪を示す材
料を選択することが提案されている。

【０００７】これらの磁歪膜は、その寸法変化により発
生する力が強く、小型化が容易なことから、超小型の機
械、マイクロマシンの動力源等としての期待が大きい。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、前述
の、フォトリソグラフィ技術を用いるＧＩＧ構造は、そ
の作製のために微細加工を要する。そのために、簡便に
作製出来るというグラニュラーＧＭＲ膜本来の大きな利
点が半減してしまっていた。また、ギャップの大きさも
数ミクロンオーダーと大きい。

【０００９】さらに、斜めスパッタ法による繊維状組織
を有するグラニュラーＧＭＲは、その構造に起因する異
方性制御効果により、磁界感度を高めることが可能であ
ることは知られていたが、その改善効果は僅かであっ
た。

【００１０】また、一般的に、大きな磁歪を示す磁性材
料は、大きな磁界を印加しなくては、その特性が発現し
ないという問題があることは既に述べた通りである。

【００１１】このような実状のもとに本発明は創案され
たものであり、その目的はフォトリソグラフィ等の手法
を用いることなく、高感度の各種機能性の複合磁性薄膜
を提供することにある。

【００１２】

【課題を解決するための手段】このような課題を解決す
るために、本発明は、基板上に成膜された下地磁性体膜
と、当該下地磁性体膜の上に形成された上層磁性体膜を
有する複合磁性薄膜であって、前記上層磁性体膜は、そ
の飽和磁界強度が下地磁性体膜の飽和磁界強度の１０倍
以上であり、前記下地磁性体膜は、薄膜の面内で方向性
を有する凹凸構造を有してなるように構成される。

【００１３】また、前記下地磁性体膜の表面抵抗率は、
面内で方向依存性を有し、最大表面抵抗率を（ρma
x）、最小表面抵抗率を（ρmin）とするとき、（ρma
x）を示す方向と（ρmin）を示す方向がほぼ直交してい
るように構成される。

【００１４】また、前記（ρmax）／（ρmin）の比は
１．１０以上となるように構成される。

【００１５】また、前記（ρmax）の値は５０Ω／□以
上となるように構成される。

【００１６】また、前記上層磁性体膜は、その比抵抗が
前記下地磁性体膜の比抵抗の１００倍以上であり、かつ
巨大磁気抵抗効果（ＧＭＲ効果）を示してなるように構
成される。

【００１７】また、前記上層磁性体膜は、磁気抵抗効果
膜として構成される。

【００１８】また、前記上層磁性体膜は、絶対値（１×
１０^―５）以上の飽和磁歪を示す磁性膜（磁歪膜）とし
て構成される。

【００１９】また、前記凹凸構造を備える下地磁性体膜
は、当該下地磁性体膜を構成する堆積粒子が基板面に対
して入射角度５０〜８０度の範囲内で入射できるような
状態で真空成膜された磁性膜として構成される。

【００２０】また、前記凹凸構造を備える下地磁性体膜
は、当該下地磁性体膜を構成する堆積粒子が基板面に対
して入射角度５０〜８０度の範囲内で入射できるような
状態で真空成膜された後、その表面がエッチング処理さ
れ、凹部に位置する下地磁性体膜が少なくとも部分的に
除去されてなるように構成される。

【００２１】また、本発明は、基板上に成膜された下地
磁性体膜と、当該下地磁性体膜の上に形成された上層磁
性体膜を有する複合磁性薄膜であって、前記下地磁性体
膜は、当該下地磁性体膜を構成する堆積粒子が基板面に
対して入射角度５０〜８０度の範囲内で入射できるよう
な状態で真空成膜された磁性膜であり、前記上層磁性体
膜は、その飽和磁界強度が下地磁性体膜の飽和磁界強度
の１０倍以上であるように構成される。

【００２２】上記の本発明を用いることにより、極めて
小さいなナノオーダーのギャップに外部磁界が集中する
ために、磁界感度の高い磁性薄膜が得られる。ギャップ
形成方法も極めて簡便である。

【００２３】

【発明の実施の形態】以下、本発明の具体的実施の形態
について詳細に説明する。

【００２４】図１には、本発明の複合磁性薄膜１の第１
の実施の形態が示される。図２には、本発明の複合磁性
薄膜２の第２の実施の形態が示される。図２に示される
第２の実施の形態は、図１に示される第１の実施の形態
よりも好適な態様であるが、本発明を理解するに際して
は膜厚の概念が図１の方が分かり易いので、図１を中心
に説明を行う。

【００２５】図１に示されるように、本発明の複合磁性
薄膜１は、基板１０の上に成膜された下地磁性体膜２０
と、当該下地磁性体膜２０の上に形成された上層磁性体
膜３０を有する複合磁性薄膜である。

【００２６】以下、下地磁性体膜２０の構成および成膜
方法、ならびに上層磁性体膜３０の構成、ならびにこれ
らの膜の積層構造等について、順次説明する。

【００２７】下地磁性体膜２０の構成図１に示されるように、下地磁性体膜２０は、薄膜の面
内で方向性を有する凹凸構造を備えている。すなわち、
図１における（α）−（α）方向（紙面の左右方向）に
向けて、凹部２１と凸部２２を交互に繰り返す凹凸構造
（方向性を有する凹凸構造）を備えている。ちなみに、
図１における凹部２１および凸部２２の紙面の奥行き方
向の形態は、模式的に形状として表すならば、図４に示
さされるように実質的にその凹部２１および凸部２２形
態をほぼ維持した状態で紙面の奥行き方向に延びた形態
となっている。

【００２８】本発明の下地磁性体膜の表面抵抗率は、面
内で方向依存性を有する。すなわち、図４を例に取れば
（α）−（α）方向において最大値を示し、それに対し
てほぼ直交する方向（約９０°±１０°の角度）で最小
値を示す。この現象は下地磁性体膜が方向性のある凹凸
構造を有していることに起因しており、本発明の大きな
特徴である。そして、表面抵抗率の最大値を（ρmax：
最大表面抵抗率）、表面抵抗率の最小値を（ρmin：最
小表面抵抗率）とするとき、（ρmax）／（ρmin）の値
が１．１０以上となる状態の方向性のある凹凸構造下地
磁性体膜とすることが望ましい。本発明の目的である上
層磁性膜の磁界感度の向上を確実に実現するためであ
る。上記（ρmax）／（ρmin）の値は、１．２０以上が
好ましく、さらに好ましくは１．３０以上である。

【００２９】また、下地磁性体膜の上記表面抵抗率の最
大値（ρmax）の値は、５０Ω／□以上、好ましくは１
００Ω／□以上であれば本発明の効果を最大限に発揮で
きるようになる。この値の上限に特に制限はないが、通
常１００万Ω／□程度である。

【００３０】なお、上層磁性体膜として酸化物磁性体膜
を選択し成膜した場合には、下地磁性体膜が、その上層
磁性体膜の成膜の際に酸化して、その表面抵抗率が増大
することもある。すなわち、下地磁性体膜のみで評価し
た時の表面抵抗率が１２０Ω／□だったものが、その上
に酸化物磁性層を成膜した後に、複合磁性薄膜として、
その表面抵抗率が５０万Ω／□になりうることもある。
このような場合には、下地磁性体膜の比抵抗が上昇した
ことを示しているが、本発明においては、下地磁性体膜
の表面抵抗率は、実質的に評価可能な、下地磁性体膜の
成膜完了時点での表面抵抗率を用いる。

【００３１】凹部２１および凸部２２を備える凹凸構造
は、図１に示されるように、好ましい態様として、凹凸
構造を形成する幅方向（α方向）に測定した表面プロフ
ァイルによる最高膜厚を（Ｔmax）、最低膜厚を（Ｔmi
n）としたとき、最高膜厚（Ｔmax）が、３〜１００ｎ
ｍ、好ましくは、５〜５０ｎｍとされる。

【００３２】さらに、好ましい態様として、前記最高膜
厚（Ｔmax）と最低膜厚を（Ｔmin）との比である（Ｔma
x）／（Ｔmin）の値が５を超えるように形成され（（Ｔ
max）／（Ｔmin）＞５）、好ましくは１０を超えるよう
に形成される（（Ｔmax）／（Ｔmin）＞１０）。

【００３３】また、本発明では、図２に示される第２の
実施の形態のごとく凹部２１に位置する下地磁性体膜２
０を完全に除去して基板１０が露出した状態をも本発明
の好適な凹凸構造として認識しているために、（Ｔmi
n）＝０のとき、（Ｔmax）／（Ｔmin）の上限値は無限
大となる。

【００３４】上記の最高膜厚（Ｔmax）が、３ｎｍ未満
では、下地膜そのものとしての存在価値がなくなり、下
地膜２０としてこの上に形成される上層磁性体膜３０に
与える影響が小さくなり、動作磁界を低減させるという
本願の効果が小さくなってしまうという傾向が生じる。
また、最高膜厚（Ｔmax）が、１００ｎｍを超えると、
本願所望の凹凸構造を形成する製造工程において、後述
する自己陰影効果が小さくなり所望の凹凸構造が得られ
ないという不都合が生じる傾向がある。

【００３５】また、上記の（Ｔmax）／（Ｔmin）の値が
５以下となると、凹凸構造が不十分で、凹凸構造により
形成されるいわゆるギャップＧ（図１、図２）間を流れ
る磁束が弱くなってしまう傾向がある。そのため、動作
磁界を低減させるという本発明の効果が小さくなり、か
つ、磁気抵抗効果膜として使用した場合には、電流が下
地層を中心に流れるためにいわゆるＭＲ効果も小さくな
ってしまう傾向がある。

【００３６】また、前記方向性を有する凹凸構造は、好
ましい態様として、その下地磁性体膜の幅方向に測定し
た表面プロファイルによる凹凸の凸部のピーク間平均長
さを（Ｔpp）とするとき、０．２×（Ｔmax）＜（Ｔp
p）＜２０×（Ｔmax）の関係を満たすように形成され
る。特に好ましくは（Ｔmax）＜（Ｔpp）＜５×（Ｔma
x）である。凸部のピーク間平均長さ（Ｔpp）の値が、
０．２×（Ｔmax）以下となると、ギャップ構造が不安
定でギャップＧ間での短絡部が多発し、ギャップＧとし
ての機能を果たさなくなってしまう傾向が生じる。ま
た、凸部のピーク間平均長さ（Ｔpp）の値が、０．２×
（Ｔmax）以上となると、ギャップＧ間を流れる磁束が
弱くなり動作磁界を低減させるという本願の効果が小さ
くなってしまう傾向が生じる。

【００３７】なお、後述のごとく本発明における凹凸構
造は、実質的に自然に形成されるものであり、そのばら
つきは大きい。このため、本発明における凹凸表面形状
に関する数値は、その１０点平均値を示しており、個々
の測定ではその平均値から大きく外れる場合もある。具
体的な凹凸構造の評価方法としては、原子間力顕微鏡
（ＡＦＭ）による面状態（２次元）観察を行い、その代
表的な場所の断面プロファイルデータを用いている。

【００３８】このような下地磁性体膜２０は、以下の要
領で成膜することが好ましい。

【００３９】下地磁性体膜２０の成膜本発明においては、手間のかかる高価なフォトリソグラ
フィ等の手法を用いること無く、自然に形成される面内
で方向性を有する凹凸構造を利用する。そのため、ギャ
ップＧの大きさは、従来のフォトリソグラフィ等の技術
的限界を超えたナノオーダーの大きさ、構造をとる。本
発明における「方向性を有する凹凸構造」とは、すでに
上述したとおりであるが、さらに追加説明するならば図
４に示されるごとく、面内のある特定方向にそって“繊
維状”、“筋状”、“うね状”等で表現される凹凸が平
行して多数形成されているナノ構造のことである。

【００４０】しかしながら、基本的に自然に形成される
構造のため、その構造は、完全なものでは無く、例え
ば、ある１本の凸部２２を見れば、方向性が乱れて斜め
となり他の凸部２２と接触し一体化している部分、途中
で途切れている部分等々も多数存在する。また、粒子が
１方向に結合し並んで凸部を形成しているような構造も
含まれる。凸部が途中で途切れている場合もある。すな
わち、微視的に見ると決して面内に方向性を有する構造
とは見えない場合も本発明の凹凸構造に含まれる。しか
し、巨視的にみれば、面内で方向性を有する凹凸構造が
認められる。ただし、本発明においては極めて微細な構
造を取り扱っているために巨視的といっても１００〜１
０００ｎｍ程度のレンジでの表面プロファイルを指して
いる。

【００４１】以上のように本発明の実際の微細構造は極
めて複雑である（図１〜４に示した構造は、本発明の構
成や効果をわかり易く説明するために模式的に表したも
のである）。

【００４２】このため、例えば、原子間力顕微鏡を用い
て、下地磁性体膜２０表面プロファイルを評価すると、
図４に示されるような比較的明瞭な方向性を有する構造
において、（α）−（α）方向に走査した場合、短周期
で大きな凹凸が見られる．これに対して、（α）−
（α）方向に直角に走査した場合、凹凸は見られない。
しかしながら、凸部２２が完全に平行でなく、部分的に
曲がっている構造の場合には、（α）−（α）方向に直
角に走査した場合にも大きな凹凸が見られる。この凹凸
の最高膜厚および最低膜厚は、（α）−（α）方向に走
査した場合と全く同じであるが、その凸部ピークの平均
長さは（α）−（α）方向に走査した場合に比べて長く
なり、長周期となる。すなわち、走査方向により凹凸の
周期が異なるという現象が見られる。

【００４３】このような、面内で方向性を有する凹凸構
造は、真空中で斜め方向から入射した粒子が、基板１０
上に堆積する際の、初期過程におけるいわゆる自己陰影
効果により形成することが出来る。例えば、スパッタ成
膜による本発明の凹凸構造は、図３（ａ）に示されるよ
うに基板１０の平面とターゲット５０の平面との配置角
度θ（基板１０平面の垂直方向を基準とした入射角θと
同じ）が５０〜８０度の場合、好ましくは５５〜７０度
の場合に得られる。

【００４４】入射角θが５０度未満となると自己陰影効
果が弱く、良好な方向性構造が得られない。また、入射
角θが８０度を超えると、成膜効率が悪くかつ面内分布
が大きくなり実用に適さなくなる。

【００４５】本発明に用いられる下地磁性体膜２０の材
質としては、飽和磁界が小さい、すなわち一般的に軟磁
性体として知られている各種の金属薄膜を用いる。例え
ば、Ｎｉ、Ｆｅ、Ｃｏ、ＮｉＦｅ、ＮｉＦｅＰ、ＣｏＦ
ｅ、ＣｏＮｉＦｅ、ＣｏＦｅＰ、ＮｉＦｅＭｏ、ＦｅＺ
ｒＮ、ＦｅＮ、ＦｅＳｉＡｌ等が使用可能である。これ
らの軟磁性体薄膜の飽和磁界は、２０〜８００Ａ／ｍ程
度である。

【００４６】なお、飽和磁界は各種の方法で測定が可能
であるが、振動試料型磁力計（ＶＳＭ）を用いて測定す
ることにより簡便におおよその値を知ることが可能であ
る。本発明における飽和磁界は、外部から磁界を加えた
場合、磁化が９０％飽和する磁界強度として定義され
る。

【００４７】なお、本発明の方向性を有する凹凸構造
は、高周波マグネトロンスパッタ法以外の、ＤＣスパッ
タ法、イオンビームスパッタ法、蒸着法等の各種の真空
成膜法により形成することが可能である。なかでも、特
にスパッタ法が好ましい。これは、スパッタ法における
成膜粒子の持つエネルギーが本発明の凹凸構造をつくる
うえで特に適しているためである。換言すれば、本発明
で好ましい自己陰影効果による凹凸構造が発現しやすい
ためである。

【００４８】さらに、例えば、スパッタ法によるスパッ
タ成膜においては、用いる雰囲気ガスの種類、ガス圧
力、投入電力、基板温度等の各種の要因により形成され
る凹凸構造の形状は異なる。例えば、アルゴンガスを用
い、基板／ターゲットの配置角度θを６０度に設定した
場合には、ガス圧力が２．６７Ｐａ（２ｍＴｏｒｒ）の
時に最も効果的に良好な凹凸構造が形成される。

【００４９】本発明のギャップＧ構造が形成された凹凸
構造の下地磁性体膜の比抵抗は、７５０μΩcm以上、特
に好ましくは１０００μΩcm以上とされる。本発明の凹
凸構造を備える下地磁性体膜２０は、面内で方向性を有
しているが、そのギャップＧには、バラツキがあり部分
的にギャップＧを構成する凹部２１に磁性体膜が残りギ
ャップ両側の下地磁性体膜の凹部の部分で短絡している
のが通常である。このため比抵抗は無限大とはならず、
ある有限の値を示す。なお、本発明における比抵抗と
は、磁性体膜の平均膜厚を用いて計算したもので、最も
値が高くなる方向で測定した値である。

【００５０】本発明においては、図３（ａ）に示される
ように基板１０上に下地磁性体膜を所望角度の斜めスパ
ッタにより堆積させ、凹凸構造を形成した後に、図３
（ｂ）に示されるようなエッチング処理、すなわち表面
から所望の厚さの膜を均一に除去する操作を行うことが
好ましい。エッチング処理は、例えば、真空中でアルゴ
ンガスを用いたイオンミリング装置等により行えばよ
い。このエッチング処理により凹凸構造のギャップを形
成する凹部２１に、僅かに成膜されていた磁性体膜（図
３（ａ）の状態）を完全に除去することが可能となり、
本発明のＧＩＧ効果発現により好ましいギャップを有す
る下地磁性体膜の形状が作製される。エッチング処理に
より最終的な凹凸構造を形成した複合磁性薄膜が、図２
に示されている。

【００５１】下地磁性体膜２０の成膜条件によっては、
エッチング処理を行う前には、図３（ａ）に示されるよ
うにギャップＧ間、つまり凹部２１を形成する個所にも
僅かに磁性体膜が成膜されているために、下地磁性体膜
２０は低い比抵抗となる。この場合にも、図３（ｂ）に
示されるように表面から所望の厚さの膜を均一に除去す
るエッチング処理を行うことで、７５０μΩcm以上、さ
らには１０００μΩcm以上の高い比抵抗が簡易かつ確実
に得られ、本発明の効果を最大限に発揮できるようにな
る。

【００５２】上層磁性体膜３０の構成上層磁性体膜３０は、実質的に上記の凹凸構造を有する
下地磁性体膜２０の上に形成される。

【００５３】なお上述のごとく、下地磁性体膜２０の凹
部２１には、磁性体膜が除去され存在していない部分を
つくることが良好なギャップＧを形成する上で好適な態
様である（図２）。そのため、厳密にいえば、凹凸構造
を有するといっても下地磁性体膜２０の凹部には磁性体
膜が存在しないこともあるが、この態様をも含めて凹凸
構造を有する下地磁性体膜２０と称する。従って、上層
磁性体膜３０は部分的に凹部に位置する基板の上に直接
形成されていることもある。それゆえ、本発明で「下地
磁性体膜の上に上層磁性体膜を形成」といった場合、こ
の態様をも勿論含む。

【００５４】下地磁性体膜２０として用いられる軟磁性
薄膜は、前述のように、比較的、小さな飽和磁界を示
す。面内で方向性を有する凹凸構造の軟磁性薄膜（下地
磁性体膜２０）が、いわゆる尾根状に伸びる筋構造に対
して直角方向（図１のα方向）からの外部磁界Ｈexによ
り磁化されると、その凹部２１には軟磁性合金薄膜の磁
化に相当する磁界が作用する。このため、凹部２１の個
所に埋没するように形成された上層磁性体膜３０は、そ
の軟磁性薄膜（下地磁性体膜２０）から作用する強い磁
界により、磁化される。すなわち、上層磁性体膜３０
が、軟磁性薄膜（下地磁性体膜２０）の飽和磁界とほぼ
同じ磁界強度で磁化されることになる。

【００５５】このため、上層磁性体膜３０として構成さ
れる機能膜を、例えば、巨大な磁気抵抗効果を示す磁性
薄膜や、大きな飽和磁歪を示す磁性薄膜として構成した
場合には、これらの各膜を、小さな磁界で駆動すること
ができる。つまり、高感度化が可能となる。

【００５６】本発明の効果が顕著に現れるようにするた
めには、上層磁性体膜３０の飽和磁界強度は、下地磁性
体膜２０の飽和磁界強度の１０倍以上、好ましくは２０
倍以上、特に好ましくは１００倍以上とするのがよい。
この場合の上限に特に定めはない。

【００５７】本発明において、上層磁性体膜３０として
好適に用いられる巨大磁気抵抗効果膜（ＧＭＲ膜）とし
ては、公知の各種の組成、構造の膜を用いることが可能
である。中でも、特に好ましくはグラニュラー系の膜の
ように成膜が簡単な膜である。このような巨大磁気抵抗
効果膜（ＧＭＲ膜）の場合に、特に本発明の主点の１つ
である“簡便”なことが発揮される。特に、好ましくは
金属―酸化物系のグラニュラーＧＭＲ膜であり、当該膜
の比抵抗が、下地磁性体膜２０の比抵抗に比べて１００
倍以上であることが望ましい。この上限に特に制限はな
いが、下限値未満では、電流が下地磁性体膜２０に分流
してしまうためＧＭＲの効果を有効に使用することが出
来なくなる傾向が生じる。

【００５８】また、本発明において、上層磁性体膜３０
として好適に用いられる磁歪膜としては、特に大きな磁
歪、特に飽和磁歪の絶対値が１×１０^―５以上を示す磁
歪膜が好ましい。飽和磁歪の絶対値が１×１０^―５未満
となると、工業的利用の範囲が限定されてしまう。飽和
磁歪の絶対値の上限については特に制限はない。

【００５９】このような磁歪膜として、特に好ましい組
成は、Ｎｉ、ＮｉＦｅ、ＦｅＢ系や、特に超磁歪材料と
して知られている各種の合金、例えばＲＴｘ（Ｒ：希土
類元素の１種以上、Ｔ：遷移金属元素、ｘ＝１．５〜
３）で表される希土類―遷移金属系の合金膜である。例
えば、ＴｂＦｅ_３，Ｔｂ_０．３Ｄｙ_０．７Ｆｅ_１．９が
良く知られている。

【００６０】なお、本発明に用いられる上層磁性体膜３
０としては、上記に記述した巨大磁気抵抗効果膜や磁歪
膜に限定されるものではなく（これらは好適例として例
示）、動作磁界の大きな各種の機能性磁性膜に適用可能
である。つまり、本発明は、動作磁界の大きな磁気光学
薄膜等の各種の機能性磁性薄膜の動作磁界を低減させる
ためにも有効でもある。また、ナノスケールのギャップ
を有することから、圧電体の電極として本願における下
地膜構造を用いることで、低電圧での駆動を実現するこ
とも可能である。

【００６１】膜の積層構造本発明の複合磁性薄膜は、上記のシンプルな２層磁性層
の積層構造に加えて、さらに２層積層磁性膜を繰り返し
の１単位として考え、これらを複数単位、積層するよう
にして複合磁性薄膜を形成してもよい。すなわち、基板
側から、凹凸構造の軟磁性体膜２０／上層磁性体膜３０
／凹凸構造の軟磁性体膜２０／上層磁性体膜３０／凹凸
構造の軟磁性体膜２０／上層磁性体膜層３０／……と順
次、積層を繰り返す構造の複合磁性薄膜である。これに
より、上層磁性体膜３０のトータル膜厚を厚くすること
が可能となる。積層回数（繰り返し単位）に特に制限は
無いが、一般には、基本構造（凹凸構造の軟磁性体膜２
０／上層磁性体膜３０）を５００回程度くらいまで繰り
返すことが好ましい。５００回を超えると所望の凹凸の
軟磁性体膜２０の微細構造が形成されにくくなり、本発
明の複合磁性薄膜としての機能が十分でなくなるおそれ
がある。

【００６２】基板１０の構成上記下地磁性体膜２０および上層磁性体膜３０が積層さ
れる基板１０の材質は、有機系の材料や無機系の材料を
問わず特に制限はない。好適な具体例としては、ポリイ
ミド、ポリカーボネート、ポリエチレンテレフタレート
などの有機系の材料や、シリコン、ガラス、チタン、ア
ルミニウムなどの無機系の材料が挙げられる。さらに、
これらの基板上に、アルミナ、酸化シリコン、ポリイミ
ド等の膜が形成されていても差し支えない。例えば、磁
界センサとして用いる場合に、予め信号処理のための半
導体回路の上に、酸化シリコン膜を設け、平坦化処理を
行ったものを基板として、この上に本発明の複合磁性薄
膜を用いた磁界センサ素子部を設けることも可能であ
る。

【００６３】なお、上層磁性体膜３０の上には、公知の
種々の保護層を形成してもよい。

【００６４】

【実施例】以下に具体的実施例を示し、本発明をさらに
詳細に説明する。

【００６５】下地磁性体膜２０の成膜下記の要領で、ガラス基板（松波ガラスＳ１２２５）の
上に、下地磁性体膜２０を形成した。

【００６６】Ｎｉ８０−Ｆｅ２０またはＣｏＺｒＮｂの
ターゲットを下地磁性体膜２０形成用ターゲット材料と
して用い、マルチターゲット高周波マグネトロンスパッ
タ装置（島津製作所ＨＳＲ−５５１型）にて、ガラス基
板上に下地磁性体膜２０を成膜した。成膜に際し、成膜
中のＡｒガス圧力は０．３Ｐａ（2ｍＴｏｒｒ）、投入
電力は３００Ｗとした。下記表１に示されるように、ガ
ラス基板１０を、ターゲットに対して２０〜７０度まで
の間で、目的とするサンプル作製に合わせて種々傾きを
変えるとともに、成膜時間を変化させ、種々の形態から
なる下地磁性体膜付き基板サンプルを作製した。

【００６７】これらの下地磁性体膜付き基板サンプルに
ついては、下記表１に示されるように、さらに、下地磁
性体膜の表面をエッチング処理した。すなわち、エッチ
ング用ガスとしてアルゴンガスを用い、ビーム電流１５
ｍＡ、ビーム電圧４００Ｖ、加速電圧２５０Ｖ、ガス厚
０．３Ｐａ（２ｍＴｏｒｒ）にて最大２５分間のミリン
グ処理（エッチング処理）を行った。上述のごとく下地
磁性体膜の構成は下記表１に示される。

【００６８】上層磁性体膜３０として巨大磁気抵抗効果
膜（ＧＭＲ膜）の成膜上記の各種の条件下で作製された下地磁性体膜付きのガ
ラス基板の上に、ＣｏＳｍＯ組成からなるグラニュラー
ＧＭＲ膜を作製した。すなわち、Ｃｏターゲット上に、
Ｓｍ₂Ｏ₃チップを配置した複合ターゲットを用いてＣｏ
ＳｍＯ磁性体膜を下地磁性体膜付きのガラス基板の上に
スパッタ成膜した。この際の複合ターゲットと基板との
角度は平行とし、Ａｒガス圧力は１．２Ｐａ（９ｍＴｏ
ｒｒ）、投入電力は３００Ｗとした。他のグラニュラー
ＧＭＲ膜としてＣｏＡｌＯ磁性体膜やＣｏＹＯ磁性体膜
も同様の手法で作製した。

【００６９】このようにしてＧＭＲ膜として機能する各
種の複合磁性薄膜サンプル（実施例サンプルＩ−１〜Ｉ
−３、比較例サンプルＩ−１〜Ｉ−３）を作製した。な
お、比較例サンプルの中には下地磁性体膜を設けないも
の（比較例サンプルＩ−１）も作製した。上層磁性体膜
の構成は下記表２に示される。

【００７０】上層磁性体膜３０として磁歪膜の成膜上記の各種の条件下で作製された下地磁性体膜付きのガ
ラス基板の上に、ＳｍＦｅ組成からなる磁歪膜を作製し
た。この際のターゲットと基板の角度は平行とるように
配置し、Ａｒガス圧力は、２．０Ｐａ（１５ｍＴｏｒ
ｒ）、投入電力は４００Ｗとした。このようにして磁歪
膜として機能する各種の複合磁性薄膜サンプル（実施例
サンプルII−１〜II−２、比較例サンプルII−１）を作
製した。なお、比較例サンプルは下地磁性体膜を設けな
いものとした。上層磁性体膜の構成は下記表２に示され
る。

【００７１】これらの各種の複合磁性薄膜サンプルにつ
いて、下記の要領で（１）各層の膜厚、（２）下地磁性
体膜の表面プロファイル（凹凸状態）、（３）合金組
成、（４）抵抗評価およびＭＲ評価、ならびに（５）磁
歪評価を行った。

【００７２】（１）各層の膜厚、および（２）下地磁性
体膜の表面プロファイル（凹凸状態）の測定膜厚、および表面プロファイルの測定は、原子間力顕微
鏡（ＡＦＭ）を用いて行った（ＡＦＭ観察）。これらの
測定は、サンプル形態により必要に応じて、下地磁性体
膜成膜後、下地磁性体膜表面のエッチング処理後、およ
び上層磁性体層形成後に行った。

【００７３】なお、上層磁性体膜の膜厚は、同条件で下
地膜のないガラス基板上に成膜した膜厚とした。

【００７４】（３）合金組成合金組成は、エネルギー分散型Ｘ線分光装置（ＥＤＸ）
および電子線プローブマイクロアナライザー（ＥＭＰ
Ａ）を用い評価した。なお、上層磁性体膜の合金組成
は、同条件で下地膜のないガラス基板上に成膜した時の
組成で求めた。

【００７５】（４）抵抗評価およびＭＲ評価抵抗評価は、直流４端子法にて、またＭＲ評価は同様に
直流４端子法にて外部から磁界を印加しながら室温で行
った。結果を下記表に示されるように比抵抗、表面抵抗
率、ＭＲ変化率、およびＭＲ感度で表した。

【００７６】（５）磁歪評価磁歪評価は、光てこ法にて評価した。結果を下記表３に
示されるように磁歪および磁歪感度で表した。

【００７７】上記の各評価結果を表１〜３に示す。特
に、複合磁性薄膜としての特性評価は表３に示した。

【００７８】

【表１】

【００７９】

【表２】

【００８０】

【表３】

【００８１】なお、表３には示されていないが、本発明
の複合磁性薄膜と、従来法のフォトリソグラフィ手法に
よる複合磁性薄膜との比較をしたところ、本発明の複合
磁性薄膜のＭＲ感度は、従来法のフォトリソグラフィ手
法による複合磁性薄膜と概ね同等、磁歪感度は２倍であ
った。そして、本発明の複合磁性薄膜の作製に要する時
間は、従来法のそれと比べて１／５、本発明の複合磁性
薄膜の作製に要するコストは、従来法のそれと比べて１
／３となった。

【００８２】

【発明の効果】上記の結果より本発明の効果は明らかで
ある。すなわち、本発明は、基板上に成膜された下地磁
性体膜と、当該下地磁性体膜の上に形成された上層磁性
体膜を有する複合磁性薄膜であって、前記上層磁性体膜
は、その飽和磁界強度が下地磁性体膜の飽和磁界強度の
１０倍以上であり、前記下地磁性体膜は、薄膜の面内で
方向性を有する凹凸構造を有してなるように構成されて
いるので、各種機能磁性薄膜の高感度化を図ることがで
きる。製法も極めて簡便である。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の複合磁性薄膜の第１の実施の形態を摸
式的に示した断面図である。

【図２】本発明の複合磁性薄膜の第２の実施の形態を摸
式的に示した断面図である。

【図３】図３（ａ），（ｂ）は、それぞれ、本発明の複
合磁性薄膜の製造方法を説明するための摸式的断面図で
ある。

【図４】本発明の複合磁性薄膜の下地磁性体膜の全体概
念が分かるように描いた斜視図である。

【図５】従来例を説明するための断面図である。

【符号の説明】

１，２…複合磁性薄膜１０…基板２０…下地磁性体膜２１…凹部２２…凸部３０…上層磁性体膜Ｇ…ギャップ

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】基板上に成膜された下地磁性体膜と、当
該下地磁性体膜の上に形成された上層磁性体膜を有する
複合磁性薄膜であって、前記上層磁性体膜は、その飽和磁界強度が下地磁性体膜
の飽和磁界強度の１０倍以上であり、前記下地磁性体膜は、薄膜の面内で方向性を有する凹凸
構造を有してなることを特徴とする複合磁性薄膜。
【請求項２】前記下地磁性体膜の表面抵抗率は、面内
で方向依存性を有し、最大表面抵抗率を（ρmax）、最
小表面抵抗率を（ρmin）とするとき、（ρmax）を示す
方向と（ρmin）を示す方向がほぼ直交している請求項
１に記載の複合磁性薄膜。
【請求項３】前記（ρmax）／（ρmin）の比が１．１
０以上である請求項２に記載の複合磁性薄膜。
【請求項４】前記（ρmax）の値が５０Ω／□以上で
ある請求項２または請求項３に記載の複合磁性薄膜。
【請求項５】前記上層磁性体膜は、その比抵抗が前記
下地磁性体膜の比抵抗の１００倍以上であり、かつ巨大
磁気抵抗効果（ＧＭＲ効果）を示してなる請求項１ない
し請求項４のいずれかに記載の複合磁性薄膜。
【請求項６】前記上層磁性体膜は、磁気抵抗効果膜で
ある請求項１ないし請求項５のいずれかに記載の複合磁
性薄膜。
【請求項７】前記上層磁性体膜は、絶対値（１×１０
^―５）以上の飽和磁歪を示す磁性膜（磁歪膜）である請
求項１ないし請求項５のいずれかに記載の複合磁性薄
膜。
【請求項８】前記凹凸構造を備える下地磁性体膜は、
当該下地磁性体膜を構成する堆積粒子が基板面に対して
入射角度５０〜８０度の範囲内で入射できるような状態
で真空成膜された磁性膜である請求項１ないし請求項７
のいずれかに記載の複合磁性薄膜。
【請求項９】前記凹凸構造を備える下地磁性体膜は、
当該下地磁性体膜を構成する堆積粒子が基板面に対して
入射角度５０〜８０度の範囲内で入射できるような状態
で真空成膜された後、その表面がエッチング処理され、
凹部に位置する下地磁性体膜が少なくとも部分的に除去
されてなる請求項１ないし請求項８のいずれかに記載の
複合磁性薄膜。
【請求項１０】基板上に成膜された下地磁性体膜と、
当該下地磁性体膜の上に形成された上層磁性体膜を有す
る複合磁性薄膜であって、前記下地磁性体膜は、当該下地磁性体膜を構成する堆積
粒子が基板面に対して入射角度５０〜８０度の範囲内で
入射できるような状態で真空成膜された磁性膜であり、前記上層磁性体膜は、その飽和磁界強度が下地磁性体膜
の飽和磁界強度の１０倍以上であることを特徴とする複
合磁性薄膜。