JPH0729735A

JPH0729735A - 強磁性磁気抵抗効果合金膜

Info

Publication number: JPH0729735A
Application number: JP5193033A
Authority: JP
Inventors: Akimi Iwade; 暁美岩出; Takenobu Sato; 武信佐藤
Original assignee: Tohoku Tokushuko KK; Tohoku Steel Co Ltd
Current assignee: Tohoku Tokushuko KK; Tohoku Steel Co Ltd
Priority date: 1993-07-09
Filing date: 1993-07-09
Publication date: 1995-01-31

Abstract

(57)【要約】【目的】記憶型磁気センサに用いられる強磁性磁気抵
抗効果合金膜において、残留電圧が大きく、かつ残留電
圧を安定に保持するために必要な大きさの保磁力を有
し、異方性磁気抵抗効果（△ρ／ρ）の大きなＮｉ−Ｆ
ｅ−Ｃｏ三元合金からなる強磁性磁気抵抗効果合金膜を
提供すること。【構成】Ｎｉ−Ｆｅ−Ｃｏ三元合金からなる強磁性磁
気抵抗効果合金膜は、図１に示すＮｉ−Ｆｅ−Ｃｏ三元
合金状態図において、Ｎｉ含有量が７０重量％、Ｃｏ含
有量が２５．５重量％及びＦｅ含有量が４．５重量％の
組成のＡ点、Ｎｉ含有量が４５重量％、Ｃｏ含有量が５
０．５重量％及びＦｅ含有量が４．５重量％の組成のＢ
点、Ｎｉ含有量が３９．９９重量％、Ｃｏ含有量が６０
重量％及びＦｅ含有量が０．０１重量％の組成のＣ点並
びにＮｉ含有量が６５重量％、Ｃｏ含有量が３４．９９
重量％及びＦｅ含有量が０．０１重量％の組成のＤ点に
よって囲まれた範囲内のＮｉ、Ｆｅ及びＣｏ並びに０．
１重量％以下の不純物よりなるものである。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、Ｎｉ−Ｆｅ−Ｃｏ三元
合金からなる強磁性磁気抵抗効果合金膜に関し、特に記
憶型磁気センサ素子の用途に好適なＮｉ−Ｆｅ−Ｃｏ三
元合金からなる強磁性磁気抵抗効果合金膜に関する。

【０００２】

【従来の技術】近年、強磁性磁気抵抗効果合金膜を用い
た磁気センサや磁気ヘッド、および磁気バブル検出素子
等の開発が急速に進展し、磁気センサはサーボモータや
ロータリーエンコーダの磁界センサ、また流量計等にす
でに実用化されている。その中でも記憶型磁気センサ
は、センサ素子に対して印加される外部磁界が消失して
も、最終的にセンサ素子に印加された磁界の方向を検出
することができる点に特徴があり、流量計等に好適であ
る。

【０００３】従来の記憶型磁気センサにおいては、磁石
がセンサ素子に対して移動することによってセンサ素子
に印加される磁界の方向が変化する。これにともなって
センサ素子の電気抵抗が変化し、出力電圧が変化する。
センサ素子は互いに直交する二組の強磁性磁気抵抗効果
合金膜がブリッジ状にパターニングされているため、磁
石とセンサ素子が水平に並んだ状態が出力電圧特性にお
ける原点である。出力電圧特性については、横軸を磁石
の位置をとり、縦軸を出力電圧をとって、磁石がセンサ
素子より上へ移動した場合に出力電圧を正とし、また下
へ移動した場合に出力電圧を負とすると、磁石がセンサ
素子より上へ移動した場合には、出力電圧は、磁石が遠
ざかるにつれて増加し、やがて飽和する。また磁石がセ
ンサ素子より下へ移動した場合には、出力電圧は磁石が
遠ざかるにつれて減少し、やがて飽和する。磁石の移動
によりセンサ素子に印加される磁界が消失しても、セン
サ素子は、正又は負の出力電圧を残留した状態なので、
この残留電圧の極性により、センサ素子に対して、磁石
が上下何れかの側に位置するかを判定することができ
る。

【０００４】このような記憶型磁気センサに用いられる
強磁性磁気抵抗効果合金膜の特性は、通常の磁気センサ
に用いられる強磁性磁気抵抗効果合金膜の特性と異なる
ものであり、つまり、通常の磁気センサに用いられる強
磁性磁気抵抗効果合金膜の特性は、異方性磁気抵抗効果
（△ρ／ρ）が大きく、磁界に対するヒステリシスが小
さいことが要求されるのに対し、記憶型磁気センサに用
いられる強磁性磁気抵抗効果合金膜の特性は、異方性磁
気抵抗効果△ρ／ρは通常の磁気センサと同様に大きい
方が望ましいが、磁界に対するヒステリシスは逆に大き
いことが要求される。また、記憶型磁気センサにおいて
は、大きな残留電圧を示すことが必要であり、残留電圧
を安定して保持するためには、ある値以上に保磁力が大
きいことが必要とされている。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】異方性磁気抵抗効果
（△ρ／ρ）は、消磁状態における比抵抗をρとし、飽
和磁化が電流方向に対して垂直なときの比抵抗と飽和磁
化が電流方向に対して平行なときの比抵抗の差を△ρと
したとき、ρに対する△ρの比△ρ／ρによって示され
る。従来から広範に用いられている強磁性磁気抵抗効果
合金膜としては、ニッケル（Ｎｉ）含有量が８２重量
％、鉄（Ｆｅ）含有量が１８重量％の組成のＮｉ−Ｆｅ
合金であるパーマロイがある。パーマロイ膜は、膜厚が
４０ｎｍのときに、異方性磁性磁気抵抗効果（△ρ／
ρ）が、２．７５％であり、また、膜厚が２５０ｎｍの
ときに、異方性磁性磁気抵抗効果（△ρ／ρ）が、３．
４３％であり、さらに、保磁力は数エルステッド（０
ｅ）以下と非常に小さい。したがって、パーマロイ膜
は、残留電圧が小さく、また外乱磁界の影響を受け易い
ものである。

【０００６】パーマロイより異方性磁気抵抗効果の大き
い合金膜材料として、Ｎｉ−Ｃｏ−Ｆｅ合金がある。例
えば、Ｎｉが７６乃至８６重量％、Ｃｏが１０乃至２０
重量％Ｆｅが０乃至７重量％の組成を有するＮｉ−Ｃｏ
−Ｆｅ合金の場合、異方性磁気抵抗効果（△ρ／ρ）
は、最大値で４乃至５％に達する（「日本応用磁気学会
学術講演概要集」第１３回、１９８９年発行、第４９３
頁）。しかし、この組成近傍のＮｉ−Ｆｅ−Ｃｏ三元合
金膜は、飽和磁歪λ_sが大きいため、外部応力の印加に
よって異方性が誘起され、残留電圧が小さくなったり、
保磁力が増大して感度が低下するなどの欠点がある。

【０００７】

【課題を解決するための手段】本発明は記憶型磁気セン
サに用いられる強磁性磁気抵抗効果合金膜において、残
留電圧が大きく、かつ残留電圧を安定に保持するために
必要な大きさの保磁力を有し、異方性磁気抵抗効果（△
ρ／ρ）の大きなＮｉ−Ｆｅ−Ｃｏ三元合金膜を提供す
ることを目的としている。

【０００８】記憶型磁気センサに用いられる強磁性磁気
抵抗効果合金膜において、残留電圧の大きさは、飽和時
の出力電圧の値で規格化した残留電圧Ｖ_R／Ｖ_Sが５０％
以上であることが必要であり、大きな残留電圧を得るに
は、保磁力を大きくすることにより強磁性磁気抵抗効果
の磁界に対するヒステリシスを大きくすれば良いという
考え方がある。しかし、本発明者らは、残留電圧を大き
くするためには単に保磁力を大きくするだけでは不十分
であり、一軸異方性の付いていない、磁化が等方的な膜
にすることが重要であることを見出した。

【０００９】ところで、一軸異方性の付いていない、磁
化が等方的な膜にすることは、成膜時のみならず、セン
サを実装する際にも、外部からの応力によって異方性が
誘起されることなく、磁化が等方的な状態を保っていな
ければならないため、飽和磁歪λ_Sの小さい組成を選ぶ
必要があり、これによって外部応力による感度の低下を
防ぐことができる。このような考えに基づいて、本発明
者らは、種々の組成のＮｉ−Ｆｅ−Ｃｏ三元合金膜につ
いて蒸着条件を変えて等方的な膜を作成し、残留電圧、
保磁力、異方性磁気抵抗効果およびそれらの応力依存性
を調査した。

【００１０】その結果、Ｎｉ−Ｆｅ−Ｃｏ三元合金から
なる強磁性磁気抵抗効果合金膜において、Ｎｉ−Ｆｅ−
Ｃｏ三元合金は、Ｎｉ含有量が３９．９重量％乃至７０
重量％、Ｃｏ含有量が２５．５重量％乃至６０重量％並
びにＦｅ含有量が０．０１重量％乃至４．５重量％並び
に不純物含有量が０．０１重量％以下の組成であり、特
に、該Ｎｉ−Ｆｅ−Ｃｏ三元合金は、図１に示すＮｉ−
Ｆｅ−Ｃｏ三元合金状態図において、Ｎｉ含有量が７０
重量％、Ｃｏ含有量が２５．５重量％及びＦｅ含有量が
４．５重量％の組成のＡ点、Ｎｉ含有量が４５重量％、
Ｃｏ含有量が５０．５重量％及びＦｅ含有量が４．５重
量％の組成のＢ点、Ｎｉ含有量が３９．９９重量％、Ｃ
ｏ含有量が６０重量％及びＦｅ含有量が０．０１重量％
の組成のＣ点並びにＮｉ含有量が６５重量％、Ｃｏ含有
量が３４．９９重量％及びＦｅ含有量が０．０１重量％
の組成のＤ点によって囲まれた範囲内のＮｉ、Ｆｅ及び
Ｃｏ並びに０．１重量％以下の不純物よりなるものにつ
いて、磁化が等方的となる条件で成膜することにより、
残留電圧が大きく、また、保磁力が２５乃至８０Ｏｅ
で、さらに異方性磁気抵抗効果の大きいＮｉ−Ｆｅ−Ｃ
ｏ三元合金からなる強磁性磁気抵抗効果合金膜を実現で
きることを実験的に見出し、本発明に到達した。

【００１１】即ち、本発明の要旨は、Ｎｉ−Ｆｅ−Ｃｏ
三元合金からなる強磁性磁気抵抗効果合金膜において、
Ｎｉ−Ｆｅ−Ｃｏ三元合金は、図１に示すＮｉ−Ｆｅ−
Ｃｏ三元合金状態図において、Ｎｉ含有量が７０重量
％、Ｃｏ含有量が２５．５重量％及びＦｅ含有量が４．
５重量％の組成のＡ点、Ｎｉ含有量が４５重量％、Ｃｏ
含有量が５０．５重量％及びＦｅ含有量が４．５重量％
の組成のＢ点、Ｎｉ含有量が３９．９９重量％、Ｃｏ含
有量が６０重量％及びＦｅ含有量が０．０１重量％の組
成のＣ点並びにＮｉ含有量が６５重量％、Ｃｏ含有量が
３４．９９重量％及びＦｅ含有量が０．０１重量％の組
成を示すＤ点によって囲まれた範囲内のＮｉ、Ｆｅ及び
Ｃｏ並びに０．１重量％以下の不純物よりなるものであ
ることを特徴とする強磁性磁気抵抗効果合金膜にある。

【００１２】本発明において、残留電圧への外乱磁界に
よる影響を防ぐためには保磁力は２５乃至８０エルステ
ッドが良く、特に４０エルステッド前後が最適である。
また感度を上げるためには異方性磁気抵抗効果（△ρ／
ρ）が３．５％以上となるものが望ましい。

【００１３】本発明において、前述のように優れた特性
を有するＮｉ−Ｆｅ−Ｃｏ三元合金の強磁性磁気抵抗効
果合金膜は、２０乃至４００ｎｍの膜厚を有しており、
その形状は、幅に比して長さが十分に長い形状、例えば
ストリップ状又はストライプ状にでき、例えばパターニ
ング等により容易に作製することができる。

【００１４】本発明において、Ｎｉ、Ｆｅ及びＣｏの組
成範囲は、種々の組成を有するＮｉ−Ｆｅ−Ｃｏ三元合
金を実験的に作製し、それらのＮｉ−Ｆｅ−Ｃｏ三元合
金についてそれぞれ、無負荷状態と圧縮応力を印加した
状態における異方性磁気抵抗効果△ρ／ρ（％）、異方
性の有無、飽和時の出力電圧の値で規格化した残留電圧
Ｖ_R／Ｖ_S、保磁力を測定することにより求めた。その結
果、本発明のＮｉ−Ｆｅ−Ｃｏ三元合金は、図１におい
て、組成Ａ点（Ｎｉ含有量：７０重量％、Ｃｏ含有量：
２５．５重量％及びＦｅ含有量：４．５重量％）と組成
Ｂ点（Ｎｉ含有量：４５重量％、Ｃｏ含有量：５０．５
重量％及びＦｅ含有量：４．５重量％）とを結ぶ線Ａ
Ｂ、組成Ｂ点と組成Ｃ点（Ｎｉ含有量：３９．９９重量
％、Ｃｏ含有量：６０重量％及びＦｅ含有量：０．０１
重量％）とを結ぶ線ＢＣ、組成Ｃ点と組成Ｄ（Ｎｉ含有
量：６５重量％、Ｃｏ含有量：３４．９９重量％及びＦ
ｅ含有量：０．０１重量％）点とを結ぶ線ＣＤ、及び組
成Ｄ点と組成Ａ点とを結ぶ線ＤＡにより囲まれた範囲内
のＮｉ、Ｆｅ及びＣｏ並びに０．１重量％以下の不純物
を有するものである。

【００１５】本発明のＮｉ−Ｆｅ−Ｃｏ三元合金の強磁
性磁気抵抗効果合金膜においては、Ｆｅの含有量が増加
するとその保磁力が小さくなるので、２５乃至８０エル
ステッドの保磁力を得るために、例えば第１表より、Ｆ
ｅの含有量を４．５重量％以下とすることが必要であ
る。つまり、図１における直線ＡＢ直線ＣＤによって挟
まれた領域である。また本発明のＮｉ−Ｆｅ−Ｃｏ三元
合金の強磁性磁気抵抗効果合金膜において、Ｃｏの含有
量は増加すると合金膜の異方性磁気抵抗効果が大きくな
り、Ｃｏの組成比が１５重量％以上とすることによりパ
ーマロイ合金膜よりも大きな異方性磁気抵抗効果を示す
ものとすることができる。

【００１６】しかし、Ｆｅの含有量が４．５重量％の場
合においては、Ｃｏの含有量が２５．５重量％未満の範
囲及びＦｅを殆ど含まない場合におけるＣｏの含有量が
３５重量％未満の範囲、つまり図１の組成Ａ（Ｎｉ：７
０ｗｔ％，Ｆｅ：４．５ｗｔ％，Ｃｏ：２５．５ｗｔ
％）と組成Ｄ（Ｎｉ：６５ｗｔ％，Ｆｅ：０．０１ｗｔ
％，Ｃｏ：３４．９９ｗｔ％）を結ぶ直線ＡＤよりＣｏ
の少ない範囲の組成を有するＮｉ−Ｆｅ−Ｃｏ三元合金
の強磁性磁気抵抗効果合金膜においては、圧縮応力の印
加により異方性が誘起され、印加磁界を０に戻したとき
の残留電圧が小さくなってしまう。また、Ｆｅの含有量
が４．５重量％の場合におけるＣｏの含有量が５０．５
重量％を超える範囲及びＦｅを殆ど含まない場合におけ
るＣｏの含有量が６０％を超える範囲、つまり、図１の
組成Ｂ（Ｎｉ：４５ｗｔ％，Ｆｅ：４．５ｗｔ％，Ｃ
ｏ：５０．５ｗｔ％）と組成Ｃ（Ｎｉ：３９．９９ｗｔ
％，Ｆｅ：０．０１ｗｔ％，Ｃｏ：６０ｗｔ％）を結ぶ
直線ＢＣよりＣｏの多い範囲の組成を有するＮｉ−Ｆｅ
−Ｃｏ三元合金の強磁性磁気抵抗効果合金膜において
も、前記と同様に圧縮応力の印加により残留電圧が低下
する。

【００１７】したがって、本発明のＮｉ−Ｆｅ−Ｃｏ三
元合金からなる強磁性磁気抵抗効果合金膜は、図１にお
いて、直線ＡＢ、直線ＢＣ、直線ＣＤ及び直線ＤＡによ
って囲まれ、斜線が描かれている領域内の組成であり、
圧縮応力を印加した状態における、異方性磁気抵抗効果
△ρ／ρが３．５％以上で、かつＶ_R／Ｖ_Sが５０％以上
を示す。

【００１８】

【作用】本発明によるＮｉ−Ｆｅ−Ｃｏ三元合金からな
る強磁性磁気抵抗効果合金膜は、図１に示すように、Ｎ
ｉ−Ｆｅ−Ｃｏ状態図において、組成Ａの点、組成Ｂの
点、組成Ｃの点及び組成Ｄの点によって囲まれた範囲内
のＮｉ、Ｆｅ及びＣｏ並びに０．１重量％以下の不純物
よりなるので、通常実用に供される薄膜ストリップ状、
もしくはストライプ状にパターニングされた形状におい
て、残留電圧を大きくでき、また比較的保磁力を大きく
できて、さらに同種合金と比較して異方性磁気抵抗効果
を大きくすることができる。

【００１９】

【実施例】以下に、本発明の実施の態様について、例を
あげて説明するが、本発明は、これらの例及び説明によ
り、何ら限定されるものではない。本発明のＮｉ−Ｆｅ
−Ｃｏ三元合金の強磁性磁気抵抗効果合金膜（例１乃至
例６）実施例について、夫々、無負荷状態と圧縮応力を
印加した状態における異方性磁気抵抗効果△ρ／ρ
（％）、異方性の有無、飽和時の出力電圧の値で規格化
した残留電圧Ｖ_R／Ｖ_S、保磁力を測定することにより求
めた。その測定結果を次の第１表に示す。

【００２０】第１表において、比較例（例７乃至例１
１）には、前記刊行物（「日本応用磁気学会学術講演概
要集」第１３回、１９８９年発行、第４９３頁）に開示
されたＮｉ含有量が８０重量％、Ｆｅ含有量が５重量
％、Ｃｏ含有量が１５重量％の組成を有する公知のＮｉ
−Ｆｅ−Ｃｏ三元合金の磁気抵抗効果合金膜を、例７と
した。なお、第１表中の異方性において、異方性磁化容
易方向が圧縮応力を印加した方向である場合、これを異
方性有り（平行）と表示し、磁化容易方向が圧縮応力を
印加した方向と垂直である場合、これを異方性有り（垂
直）と表示した。

【００２１】第１表試料組成圧縮応力 △ρ／ρ 異方性（重量％）の印加（％）Ｎｏ．ＮｉＦｅＣｏ１ 65.95 4.00 29.98 無し 4.7 無し有り 4.3 有り（平行）２ 64.97 1.00 33.98 無し 4.9 無し有り 4.6 有り（平行）３ 55.97 4.00 39.98 無し 4.8 無し有り 4.8 無し４ 52.93 0.03 46.97 無し 4.8 無し有り 4.8 無し５ 44.97 5.00 49.97 無し 3.8 無し有り 3.8 有り（垂直）６ 40.98 1.00 57.97 無し 3.9 無し有り 3.9 有り（垂直）７ 79.95 5.00 14.99 無し 4.6 無し有り 3.6 有り（平行）８ 34.98 9.99 54.97 無し 3.0 無し有り 3.0 有り（垂直）９ 78.45 18.99 2.50 無し 3.3 有り有り 3.3 有り（平行）１０ 65.97 18.99 14.99 無し 2.9 有り有り 2.8 有り（垂直）１１ 61.96 11.99 25.98 無し 3.8 有り有り 3.7 有り

【００２１】第１表（続き）試料Ｖ_R／Ｖ_S 保磁力合否Ｎｏ．（％）（Ｏｅ）１ 81 33 合 62 45 合２ 83 42 合 68 45 合３ 75 30 合 75 30 合４ 84 38 合 84 38 合５ 78 32 合 70 42 合６ 84 63 合 80 68 合７ 83 27 否 0.9 53 否８ 64 20 否 26 40 否９ 37 3 否 27 6 否１０ 12 7 否 10 14 否１１ 21 17 否 20 17 否表１において、試料１乃至６は本発明の実施例であり、
試料７乃至１１は比較例である。

【００２２】なお、表１に示される例において、Ｎｉ−
Ｆｅ−Ｃｏ三元合金の強磁性磁気抵抗効果膜の試料は、
夫々、第１表の組成欄に示されるＮｉ、Ｆｅ及びＣｏの
配合組成を有する一つの蒸着源から電子ビーム真空蒸着
法により蒸着して得たものである。この蒸着時の基板温
度は、磁化が等方的でかつ異方性磁気抵抗効果の大きい
膜を得るために、４００℃の温度に保持された。基板は
パイレックスガラスを用い、試料の形状は３．０×１５
ｍｍの短冊形であり、試料の膜厚は約５０ｎｍであっ
た。Ｎｉが８０重量％、Ｆｅが５重量％、Ｃｏが１５重
量％の組成を有する公知のＮｉ−Ｆｅ−Ｃｏ三元合金膜
（前記の刊行物に開示された公知材料）を、比較例とし
た。

【００２３】本発明のＮｉ−Ｆｅ−Ｃｏ三元合金強磁性
磁気抵抗効果膜においては、比較例に比して、保磁力が
大きく、また、異方性磁気抵抗効果も大きくでき、さら
に、残留電圧を大きくすることができる。本発明のＮｉ
−Ｆｅ−Ｃｏ三元合金の強磁性磁気抵抗効果合金膜は、
圧縮応力を印加した状態における、異方性磁気抵抗効果
△ρ／ρが３．５％以上で、かつＶ_R／Ｖ_Sが５０％以上
を示す。

【００２４】

【発明の効果】本発明によるＮｉ−Ｆｅ−Ｃｏ三元合金
からなる強磁性磁気抵抗効果合金膜は、そのＮｉ−Ｆｅ
−Ｃｏ三元合金が、図１に示すように、Ｎｉ−Ｆｅ−Ｃ
ｏ状態図において、組成Ａの点、組成Ｂの点、組成Ｃの
点及び組成Ｄの点によって囲まれた範囲内のＮｉ、Ｆｅ
及びＣｏ並びに０．１重量％以下の不純物よりなるの
で、通常実用に供される薄膜ストリップ状、もしくはス
トライプ状にパターニングされた形状において、残留電
圧が大きくて、また比較的保磁力が大きく、さらに同種
合金と比較して異方性磁気抵抗効果が大きいため、流量
計等に用いられる記憶型磁気センサとして極めて好適で
ある。本発明のＮｉ−Ｆｅ−Ｃｏ系三元合金からなる強
磁性磁気抵抗効果合金膜は、構成元素であるＮｉ、Ｆｅ
及びＣｏの蒸気圧が比較的近いため、工業的に再現性良
く得ることができるという利点も有している。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明のＮｉ−Ｆｅ−Ｃｏ三元合金強磁性磁気
抵抗効果膜の組成を示すＮｉ−Ｆｅ−Ｃｏ三元合金状態
図である。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】Ｎｉ−Ｆｅ−Ｃｏ三元合金からなる強磁
性磁気抵抗効果合金膜において、Ｎｉ−Ｆｅ−Ｃｏ三元
合金は、図１に示すＮｉ−Ｆｅ−Ｃｏ三元合金状態図に
おいて、Ｎｉ含有量が７０重量％、Ｃｏ含有量が２５．
５重量％及びＦｅ含有量が４．５重量％の組成のＡ点、
Ｎｉ含有量が４５重量％、Ｃｏ含有量が５０．５重量％
及びＦｅ含有量が４．５重量％の組成のＢ点、Ｎｉ含有
量が３９．９９重量％、Ｃｏ含有量が６０重量％及びＦ
ｅ含有量が０．０１重量％の組成のＣ点並びにＮｉ含有
量が６５重量％、Ｃｏ含有量が３４．９９重量％及びＦ
ｅ含有量が０．０１重量％の組成を示すＤ点によって囲
まれた範囲内のＮｉ、Ｆｅ及びＣｏ並びに０．１重量％
以下の不純物よりなるものであることを特徴とする強磁
性磁気抵抗効果合金膜。