JPH11214219A

JPH11214219A - 薄膜磁石およびその製造方法

Info

Publication number: JPH11214219A
Application number: JP2910198A
Authority: JP
Inventors: Tetsuya Hidaka; 徹也日高; Akira Fukuno; 亮福野
Original assignee: TDK Corp
Current assignee: TDK Corp
Priority date: 1998-01-27
Filing date: 1998-01-27
Publication date: 1999-08-06

Abstract

(57)【要約】【課題】安価で、しかも磁石特性の高い薄膜磁石を提
供する。【解決手段】希土類元素を含有する硬質磁性相と、Ｆ
ｅおよび／またはＣｏを含有する軟質磁性相とを含み、
膜面内方向において互いに隣接する硬質磁性相と軟質磁
性相とが存在し、スパッタ法などの物理的気相堆積法に
より形成されたものである交換スプリング薄膜磁石。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、極小サイズのモー
タなどに適用される薄膜磁石と、その製造方法とに関す
る。

【０００２】

【従来の技術】最近、加工技術の向上や、ミリサイズ以
下のマイクロマシンの需要の高まりから、極めて小さな
サイズのモータなどが必要とされるようになってきてい
る。モータを小型化するためには、厚さが薄く、かつ単
位体積あたりの性能が優れた磁石が必要とされる。

【０００３】薄い磁石の作製方法としては、例えば、焼
結磁石を研削加工する方法、ゴム磁石をロールなどによ
り圧延加工する方法などが挙げられる。しかし、焼結磁
石を研削する場合、機械的強度の低下、酸化や加工歪み
による特性劣化などの問題が生じるため、３００μm程
度以下の厚さとすることは困難である。一方、ゴム磁石
は、磁石粉末をゴムや樹脂の中に分散した構成であり、
磁石粉末の体積占有率が低いため、高特性が得られな
い。したがって、薄型化すると磁石特性の低下が著し
く、実用に耐えなくなる。

【０００４】これに対し、特開平９−２６６１１３号公
報では、従来の希土類磁石を上回る磁石特性が得られる
交換スプリング磁石を、薄膜磁石に適用することを提案
している。一般に交換スプリング磁石とは、磁化の大き
い軟質磁性相と保磁力の大きい硬質磁性相とが、交換相
互作用により磁気的に結合することで、高エネルギー積
が得られる磁石である。同公報では、このような交換ス
プリング磁石を薄膜化するために、それぞれ厚さ１〜７
００nmの硬磁性層と軟磁性層とをスパッタ法により積層
し、両者を交換結合させた複合構造としている。このよ
うに薄膜磁石を交換スプリング構造とすることにより、
焼結磁石の研削による薄膜磁石や薄型ゴム磁石などに比
べて磁石特性を高くすることができる。例えば、同公報
の実施例２では、硬磁性層をＳｍ（Ｃｏ，Ｆｅ，Ｃｕ，
Ｚｒ）₇とし、軟磁性層をＦｅ−Ｃｏとして、保磁力iＨ
c＝１２０kA/m（１．５kOe）、最大エネルギー積(BH)ma
x＝１５５kJ/m³（１９．５MGOe）の磁石が得られてお
り、実施例３では、硬磁性層をＳｍ₂Ｆｅ₁₇Ｎ₃とし、軟
磁性層をＦｅとして、保磁力iＨc＝５３０kA/m（６．６
kOe）、最大エネルギー積(BH)max＝２５０．７kJ/m
³（３１．３MGOe）の磁石が得られており、実施例６の
試料No.５では、硬磁性層をＮｄ−Ｆｅ−Ｃｏ−Ａｌ−
Ｇａ−Ｂ系組成とし、軟磁性層をＦｅ−Ｃｏとして、
保磁力iＨc＝１０７０．８kA/m（１３．４kOe）、最大
エネルギー積(BH)max＝２０７．５kJ/m³（２５．９MGO
e）の磁石が得られている。また、このように薄膜磁石
の製造にスパッタ法を利用すれば、磁石を組み込む装置
との一体化を接着などの手法を用いずに行えるため、工
程の簡素化が可能である。

【０００５】しかし、軟磁性層と硬磁性層とをスパッタ
法により積層することで交換スプリング磁石を実現する
方法では、複数のターゲットを交互にスパッタする必要
があるので、ターゲットの枚数が多くなり、また、スパ
ッタ装置が高価になってしまうという問題がある。ま
た、この方法では、軟磁性層と硬磁性層との界面の構造
を制御することが難しいので、高性能の薄膜磁石を安定
して生産することが困難であるという問題もある。

【０００６】ところで、特開平４−９９０１０号公報に
も、スパッタ法により希土類合金薄膜磁石を形成する方
法が記載されているが、同公報には交換スプリング磁石
についての記載はない。同公報の実施例において作製さ
れている薄膜磁石は、Ｎｄ−Ｆｅ−Ｂ系およびＰｒ−Ｆ
ｅ−Ｂ系の希土類合金磁石である。この実施例において
最も高い最大エネルギー積(BH)maxは１４MGOeであり、
そのときの希土類元素（Ｒ）含有率は１８原子％であ
る。一方、この実施例においてＲ含有率の最も低い値は
９原子％であるが、このときの(BH)maxは８MGOeにすぎ
ない。Ｒ₂Ｆｅ₁₄Ｂ中に占めるＲの比率、すなわち化学
量論組成におけるＲの含有率は１１．７６原子％なの
で、同公報の実施例で作製されている希土類合金薄膜磁
石では、Ｒ₂Ｆｅ₁₄Ｂに加え、これよりもＲリッチな相
が存在するときに(BH)maxが高くなり、これよりもＲプ
アな相が存在するときに(BH)maxが低くなると考えられ
る。交換スプリング磁石では、硬質磁性相であるＲ₂Ｆ
ｅ₁₄Ｂのほかにα−Ｆｅ相などからなる軟質磁性相が比
較的多量に存在するので、磁石全体の組成は化学量論組
成に比べＲプアとなるが、そのときの磁石特性はＲリッ
チの場合よりも高くなる。したがって、同公報の実施例
で作製している薄膜磁石は、交換スプリング構造とはな
っていないことが明らかである。なお、同公報の実施例
におけるＲ含有率が９原子％の薄膜磁石は、組成からみ
てα−Ｆｅ相が存在する可能性もあるが、それにもかか
わらず交換スプリング磁石となっていないのは、硬質磁
性相および軟質磁性相の少なくとも一方の結晶粒径が大
きすぎるためと考えられる。

【０００７】上記特開平４−９９０１０号公報に記載さ
れた方法では、積層膜とする必要がないため、スパッタ
ターゲットの枚数が少なくて済み、スパッタ装置も単純
な構造のものを使用できる。しかし、交換スプリング磁
石ではないので、高磁気特性を得るためにはＲ含有率を
高くしなければならず、原料コストが高くなってしま
う。また、交換スプリング構造の薄膜磁石に比べ、理論
的に期待される磁石特性も低い。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】本発明の目的は、安価
で、しかも磁石特性の高い薄膜磁石を提供することであ
る。

【０００９】

【課題を解決するための手段】このような目的は、下記
（１）〜（１４）のいずれかの構成により達成される。（１）希土類元素を含有する硬質磁性相と、Ｆｅおよ
び／またはＣｏを含有する軟質磁性相とを含み、膜面内
方向において互いに隣接する硬質磁性相と軟質磁性相と
が存在し、物理的気相堆積法により形成されたものであ
る薄膜磁石。（２）硬質磁性相の平均結晶粒径が５〜５００nmであ
り、軟質磁性相の平均結晶粒径が５〜６０nmである上記
（１）の薄膜磁石。（３）厚さが０．０１〜３００μmである上記（１）
または（２）の薄膜磁石。（４）硬質磁性相の磁化容易軸が配向している上記
（１）〜（３）のいずれかの薄膜磁石。（５）保磁力が３kOe以上である上記（１）〜（４）
のいずれかの薄膜磁石。（６）最大エネルギー積が１２MGOe以上である上記
（１）〜（５）のいずれかの薄膜磁石。（７）硬質磁性相がＲ（Ｒは、Ｙを含む希土類元素の
少なくとも１種である）、Ｔ（Ｔは、Ｆｅ、またはＦｅ
およびＣｏである）およびＢを含有し、軟質磁性相がＴ
を含有する上記（１）〜（６）のいずれかの薄膜磁石。（８）硬質磁性相がＲ（Ｒは、希土類元素の１種以上
であり、Ｓｍを必ず含む）、Ｔ（Ｔは、Ｆｅ、またはＦ
ｅおよびＣｏである）およびＮを含有し、軟質磁性相が
Ｔを含有する上記（１）〜（６）のいずれかの薄膜磁
石。（９）硬質磁性相がＲ（Ｒは、希土類元素の１種以上
である）およびＣｏを含有し、軟質磁性相がＣｏを含有
する上記（１）〜（６）のいずれかの薄膜磁石。（１０）表面に保護膜を有する上記（１）〜（９）の
いずれかの薄膜磁石。（１１）上記（１）〜（１０）のいずれかの薄膜磁石
を製造する方法であって、物理的気相堆積法を利用し、
硬質磁性相構成元素と軟質磁性相構成元素とを同時に基
板上に堆積させる工程を有する薄膜磁石の製造方法。（１２）前記物理的気相堆積法がスパッタ法である上
記（１１）の薄膜磁石の製造方法。（１３）前記スパッタ法において、表面に薄膜磁石が
形成される基板の温度を３００〜８００℃とする上記
（１２）の薄膜磁石の製造方法。（１４）硬質磁性相構成元素と軟質磁性相構成元素と
を同時に基板上に堆積させた後、３００〜８００℃で熱
処理を施す上記（１１）〜（１３）のいずれかの薄膜磁
石の製造方法。

【００１０】

【作用および効果】前記特開平９−２６６１１３号公報
記載の硬磁性薄膜は、硬磁性層と軟磁性層とをスパッタ
法により交互に積層して交換スプリング構造とする。す
なわち、同公報記載の硬磁性薄膜は、膜面に垂直な方向
においてだけ硬質磁性相と軟質磁性相とが隣接する構造
となる。

【００１１】これに対し本発明では、交換スプリング構
造の薄膜磁石を製造するに際し、硬質磁性相構成元素と
軟質磁性相構成元素とを、基板上に同時に堆積させる。
この方法を利用して得られる薄膜磁石の最終的な組織構
造は、硬質磁性相と軟質磁性相とが膜内にほぼ均一に分
散したものとなる。すなわち、膜面内方向において互い
に隣接する硬質磁性相と軟質磁性相とが存在することに
なる。このような組織構造により交換スプリング磁石と
しての特性が発現するので、上記特開平４−９９０１０
号公報記載の薄膜磁石よりも希土類元素使用量が少ない
にもかかわらず、同等以上の磁石特性が得られる。

【００１２】また、本発明では、前記特開平９−２６６
１１３号公報に記載されたような積層構造とする必要が
ないので、例えばスパッタ法を利用する場合、ターゲッ
ト数が少なくて済み、また、複数のターゲットを使用す
る場合でも交互にスパッタする必要がないので、スパッ
タ装置の構成が単純で済み、製造コストが低くなる。ま
た、本発明では、スパッタ膜形成後の熱処理あるいはス
パッタ時の基板加熱により、硬質磁性相と軟質磁性相と
からなる複合組織を形成するため、両相の界面が滑らか
となる。これに対し、前記特開平９−２６６１１３号公
報に記載されている方法、すなわち、軟質磁性相からな
る層と硬質磁性相からなる層とをスパッタ法により積層
する方法では、両相の界面を滑らかに形成するための条
件が厳しいため、高磁石特性が得られるとしても、それ
を安定して得ることは難しい。

【００１３】

【発明の実施の形態】薄膜磁石本発明の薄膜磁石は、希土類元素を含有する硬質磁性相
と、Ｆｅおよび／またはＣｏを含有する軟質磁性相とを
含む希土類交換スプリング磁石である。

【００１４】高保磁力を得るためには、軟質磁性相の平
均結晶粒径を好ましくは５〜６０nm、より好ましくは５
〜４０nmとする。磁石中には結晶磁気異方性が高い硬質
磁性相と飽和磁化が高い軟質磁性相とが存在し、軟質磁
性相が微細であるため両相の界面が多くなって交換相互
作用の効果が大きくなり、高保磁力が得られると考えら
れる。軟質磁性相の平均結晶粒径が小さすぎると飽和磁
化が低くなってしまい、大きすぎると保磁力および角形
性が低くなってしまう。

【００１５】軟質磁性相と硬質磁性相との区別および各
相の組成は、透過型電子顕微鏡による部分組成分析（Ｔ
ＥＭ−ＥＤＸ）により調べることができる。なお、軟質
磁性相は一般に不定形である。

【００１６】軟質磁性相の平均結晶粒径は、画像解析に
より算出する。まず、エッチング等を利用して測定用磁
石片を作製し、その測定対象領域中に含まれている軟質
磁性相について、結晶粒の数ｎおよび各結晶粒の断面積
の合計Ｓを、画像解析により算出する。そして、軟質磁
性相の結晶粒１個あたりの平均断面積Ｓ／ｎを算出し、
面積がＳ／ｎである円の直径Ｄを平均結晶粒径とする。
すなわち、平均結晶粒径Ｄは、式 π（Ｄ／２）²＝Ｓ／ｎから求める。なお、測定対象領域は、ｎが５０以上とな
るように設定することが好ましい。

【００１７】薄膜磁石中における軟質磁性相の割合は、
好ましくは１０〜９０体積％、より好ましくは１０〜８
０体積％である。軟質磁性相の割合が低すぎても高すぎ
ても良好な磁石特性が得られにくくなり、特に最大エネ
ルギー積が低くなりやすい。軟質磁性相の割合は、磁石
断面の透過型電子顕微鏡写真を用いて、いわゆる面積分
析法により求める。この場合、断面積比が体積比とな
る。

【００１８】硬質磁性相の平均結晶粒径は、好ましくは
５〜５００nm、より好ましくは５〜１００nmである。硬
質磁性相の平均結晶粒径が小さすぎる場合には結晶性が
不十分であり、高保磁力が得られにくい。一方、硬質磁
性相の平均結晶粒径が大きすぎると、軟質磁性相との界
面の面積が減少することにより交換相互作用が小さくな
るので、残留磁束密度が小さくなり、また、角形比（Ｈ
ｋ／ＨcJ）が低くなる。また、硬質磁性相の平均結晶粒
径が大きすぎると、後述する希土類窒化磁石に本発明を
適用する場合には窒化処理に要する時間が長くなるとい
う問題が生じる。硬質磁性相の平均結晶粒径は、軟質磁
性相の平均結晶粒径と同様にして算出する。

【００１９】なお、上記Ｈｋは、磁気ヒステリシスルー
プの第２象限において磁束密度が残留磁束密度の９０％
になるときの外部磁界強度である。Ｈｋが低いと高い最
大エネルギー積が得られない。Ｈｋ／ＨcJは、磁石性能
の指標となるものであり、磁気ヒステリシスループの第
２象限における角張りの度合いを表わす。固有保磁力Ｈ
cJが同等であってもＨｋ／ＨcJが大きいほど磁石中のミ
クロ的な保磁力の分布がシャープとなるため、着磁が容
易となり、かつ着磁ばらつきも少なくなり、また、最大
エネルギー積が高くなる。そして、磁石使用時の外部か
らの減磁界や自己減磁界の変化に対する磁化の安定性が
良好となり、磁石を含む磁気回路の性能が安定したもの
となる。

【００２０】硬質磁性相は、磁化容易軸が配向している
ものであることが好ましい。

【００２１】磁石中には、上記した硬質磁性相および軟
質磁性相に加え、他の相が含まれていてもよい。ただ
し、磁性をもたない異相の比率は、磁石全体の５体積％
以下であることが好ましい。

【００２２】磁石の厚さは、好ましくは３００μm以
下、より好ましくは１００μm以下とする。磁石が厚す
ぎると、適用する機器の小型化が難しくなる。磁石厚さ
の下限は特になく、交換スプリング磁石としての機能が
阻害されない程度の厚さを確保すればよいが、通常、
０．０１μm以上の厚さとする。

【００２３】薄膜磁石の形状は特に限定されず、断面が
直線状または弧状の板状体や、円筒等の筒状体などのい
ずれであってもよい。なお、筒状の薄膜磁石は、円柱状
等の柱状体を回転させながらスパッタや蒸着を行うこと
により、形成することができる。

【００２４】本発明の薄膜磁石では、適切な組成を選択
し、かつ組織構造を上記のように制御することにより、
３kOe以上の保磁力と、１２MGOe以上の最大エネルギー
積とを得ることができる。また、磁気的に異方性化する
ことにより、さらに高い磁石特性を得ることも可能であ
る。

【００２５】次に、本発明の薄膜磁石の組成について、
説明する。

【００２６】本発明の薄膜磁石において、硬質磁性相お
よび軟質磁性相の各組成は特に限定されないが、通常、
硬質磁性相は、少なくともＲおよびＣｏ（Ｒは希土類元
素である）または少なくともＲおよびＦｅを主成分とす
ることが好ましく、軟質磁性相は、α−Ｆｅ、Ｆｅ−Ｃ
ｏ、Ｆｅ−ＢまたはＦｅ−Ｎを主成分とすることが好ま
しい。

【００２７】両磁性相の好ましい組み合わせとしては、
例えば以下に説明するものが挙げられる。

【００２８】（１）硬質磁性相がＲ（Ｒは、Ｙを含む希
土類元素の少なくとも１種である）、Ｔ（Ｔは、Ｆｅ、
またはＦｅおよびＣｏである）およびＢを含有し、軟質
磁性相がＴを含有する薄膜磁石この薄膜磁石は、Ｒ₂Ｔ₁₄Ｂ系の交換スプリング磁石で
ある。Ｒ₂Ｔ₁₄Ｂ系焼結磁石では、Ｒリッチ相が液相と
なって流動することにより焼結反応が進行するため、全
体組成が一般にＲ₂Ｔ₁₄ＢよりもＲリッチとなるが、本
発明の薄膜磁石では、硬質磁性相が実質的にＲ₂Ｔ₁₄Ｂ
から構成され、かつ、軟質磁性相が実質的にＴから構成
されるため、全体組成はＲ₂Ｔ₁₄ＢよりもＲプアとな
る。

【００２９】この薄膜磁石における各元素の好ましい含
有量は、Ｒ：４〜１０原子％、Ｂ：５〜２５原子％であり、残部が実質的にＴである。

【００３０】Ｒとしては、Ｎｄ、Ｐｒ、Ｔｂのうち少な
くとも１種、特にＮｄが好ましく、さらにＤｙを含むこ
とが好ましいが、これらに加え、Ｌａ、Ｃｅ、Ｇｄ、Ｅ
ｒ、Ｈｏ、Ｅｕ、Ｐｍ、Ｔｍ、Ｙｂ、Ｙのうち１種以上
を含んでもよい。希土類元素の原料としては、ミッシュ
メタル等の混合物を用いることもできる。Ｒ含有量が少
なすぎると硬質磁性相が少なくなって高保磁力が得られ
にくくなる。一方、Ｒ含有量が多すぎると、高残留磁束
密度が得られにくくなるほか、コストアップを招く。

【００３１】Ｔ中のＣｏ量は３０原子％以下とすること
が好ましい。

【００３２】Ｂ含有量が少なすぎると高保磁力が得られ
なくなり、Ｂ含有量が多すぎると高残留磁束密度が得ら
れなくなる。

【００３３】保磁力を改善するために、元素Ｍ^I（Ｍ
^Iは、Ａｌ、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｍｇ、Ｓｉ、Ｃｕ、Ｃ、Ｎ
ｂ、Ｓｎ、Ｗ、Ｖ、Ｚｒ、Ｔｉ、ＭｏおよびＧａの１種
以上である）を添加してもよいが、元素Ｍ^Iの添加量が
１０原子％を超えると、磁化の低下が問題となる。

【００３４】なお、軟質磁性相は、ｂｃｃ構造のＴ相で
ある。具体的には、実質的にα−Ｆｅ相であるか、α−
Ｆｅ相のＦｅの一部がＣｏ、Ｂ、Ｒ等で置換されたも
の、例えばＦｅ₃Ｂ、Ｆｅ₂Ｂ等のＦｅ−Ｂ系化合物など
であるか、これらの混相であると考えられる。

【００３５】（２）硬質磁性相がＲ（Ｒは、希土類元素
の１種以上であり、Ｓｍを必ず含む）、Ｔ（Ｔは、Ｆ
ｅ、またはＦｅおよびＣｏである）およびＮを含有し、
軟質磁性相がＴを含有する薄膜磁石この薄膜磁石は、希土類窒化磁石である。この薄膜磁石
には、Ｒ、ＴおよびＮのほか、さらに元素Ｍ^II（Ｍ
^IIは、Ｚｒ、Ｔｉ、Ｖ、Ｃｒ、Ｎｂ、Ｈｆ、Ｔａ、Ｍ
ｏ、Ｗ、Ａｌ、Ｃ、ＰおよびＧａから選択される少なく
とも１種の元素である）を含有することが好ましい。

【００３６】硬質磁性相はＲ、ＴおよびＮを主体とし、
六方晶系のＴｂＣｕ₇型結晶構造および／またはＴｈ₂Ｚ
ｎ₁₇型結晶構造をもち、これらの結晶構造に窒素が侵入
した構造である。ＴｂＣｕ₇型結晶構造では、Ｒは主と
してＴｂサイトに、Ｔは主としてＣｕサイトに存在す
る。Ｍ^IIは、元素によっても異なるが、主としてＴｂサ
イトに存在し、Ｃｕサイトに存在する場合もある。ま
た、Ｍ^IIは、軟質磁性相であるｂｃｃ構造Ｔ相に固溶す
ることもあるが、Ｍ^IIとＴとで別の化合物を形成するこ
ともある。Ｔｈ₂Ｚｎ₁₇型結晶構造では、Ｒは主として
Ｔｈサイトに、Ｔは主としてＺｎサイトに存在する。Ｍ
^IIが置換するサイトは、Ｍ^IIの種類によって異なると考
えられる。

【００３７】軟質磁性相はｂｃｃ構造のＴ相および／ま
たはＮを含有するＴ相である。ｂｃｃ構造Ｔ相は、実質
的にα−Ｆｅ相であるか、α−Ｆｅ相のＦｅの一部がＣ
ｏ、Ｍ^II、Ｒ等で置換されたものであるか、これらの混
相であると考えられる。また、Ｎを含有するＴ相は、窒
素の固溶体および／またはＴの窒化物などから構成され
ると考えられる。

【００３８】なお、磁石中には、上記した硬質磁性相お
よび軟質磁性相以外の結晶相として、Ｆｅ₃Ｚｒ相など
が含まれることがある。

【００３９】Ｒの含有量は好ましくは４〜９原子％、よ
り好ましくは５〜７．５原子％である。Ｎの含有量は好
ましくは１０〜２０原子％、より好ましくは１２〜１８
原子％、さらに好ましくは１３〜１８原子％、最も好ま
しくは１３．５〜１８原子％である。Ｍ^IIの含有量は好
ましくは１〜１０原子％、より好ましくは２．５〜５原
子％である。そして、残部が実質的にＴである。

【００４０】Ｒの含有量が少なすぎると、保磁力が低く
なる。一方、Ｒの含有量が多すぎるとｂｃｃ構造Ｔ相の
量が少なくなって磁石特性が低くなり、また、高価なＲ
を多量に使用することになるため、安価な磁石が得られ
なくなる。Ｓｍ以外のＲとしては、Ｙ、Ｌａ、Ｃｅ、Ｐ
ｒ、Ｎｄ、Ｅｕ、Ｇｄ、Ｔｂ、Ｄｙ、Ｈｏ、Ｅｒ、Ｔ
ｍ、Ｙｂ、Ｌｕ等の１種以上を用いることが好ましい。
硬質磁性相はＴｂＣｕ₇型やＴｈ₂Ｚｎ₁₇型の結晶構造に
窒素が侵入した構成であり、このような硬質磁性相では
ＲがＳｍであるときに最も高い結晶磁気異方性を示す。
Ｓｍの比率が低いと結晶磁気異方性が低下し保磁力も低
下するため、Ｒ中のＳｍ比率は、好ましくは５０原子％
以上、より好ましくは７０原子％以上とする。

【００４１】Ｎ含有量が少なすぎると、キュリー温度の
上昇、保磁力の向上、角形比の向上、飽和磁化の向上お
よび最大エネルギー積の向上が不十分となり、Ｎ含有量
が多すぎると、残留磁束密度が低下する傾向を示すと共
に角形比が低くなって最大エネルギー積も低くなる。Ｎ
含有量はガス分析法などにより測定することができる。

【００４２】元素Ｍ^IIが含まれないと、成膜時あるいは
結晶化のための熱処理時に軟質磁性相の粗大な結晶粒が
析出しやすくなる。これを均質で微細な組織構造とする
ためには、適当な条件で熱処理を施せばよいが、このと
きに許容される条件の幅が狭いため、元素Ｍ^IIは基本的
に含有されることが好ましい。また、元素Ｍ^IIを添加す
ることにより保磁力も向上する。ただし、Ｍ^IIの含有量
が多すぎると、残留磁束密度が低くなってしまう。

【００４３】上記各元素を除いた残部が実質的にＴであ
る。Ｔは、Ｆｅであるか、あるいはＦｅおよびＣｏであ
る。Ｃｏの添加は特性を向上させるが、Ｔ中のＣｏの比
率は５０原子％以下であることが好ましい。Ｃｏの比率
が５０原子％を超えると残留磁束密度が低くなってしま
う。

【００４４】（３）硬質磁性相がＲ（Ｒは、希土類元素
の１種以上である）およびＣｏを含有し、軟質磁性相が
Ｃｏを含有する薄膜磁石この薄膜磁石における好ましい組成は、Ｒ：６〜１５原子％であり、残部が実質的にＣｏである。なお、Ｃｏの一部
をＦｅやＣｕ等の他の遷移元素で置換してもよいが、磁
気特性の低下を抑えるためには、これらの元素によるＣ
ｏの置換率を５０原子％以下とすることが好ましい。

【００４５】Ｒとしては、Ｓｍ、Ｙ、Ｌａ、Ｃｅ、Ｐ
ｒ、Ｎｄ、Ｅｕ、Ｇｄ、Ｔｂ、Ｄｙ、Ｈｏ、Ｅｒ、Ｔ
ｍ、Ｙｂ、Ｌｕ等の１種以上が好ましく、少なくともＳ
ｍが含まれることがより好ましい。

【００４６】硬質磁性相は、実質的にＲ₂Ｃｏ₁₇、ＲＣ
ｏ₇またはＲＣｏ₅から構成されるか、これらの少なくと
も２種を含む混相であり、軟質磁性相は、実質的にＣｏ
から構成される。なお、各相においてＣｏの一部が、上
記したような他の元素で置換されていてもよい。

【００４７】なお、上記（１）〜（３）に示す薄膜磁石
中には、上記した各元素のほか、微量添加物ないし不可
避的不純物として、例えば酸素、炭素、水素などが含ま
れていてもよい。

【００４８】保護膜希土類磁石は酸化されやすいので、薄膜磁石の表面には
保護膜を設けることが好ましい。

【００４９】保護膜の構成は特に限定されず、磁石組成
に応じて適切な組成を選択し、十分な保護効果が得られ
るように厚さを決定すればよい。保護膜の具体例として
は、金属膜、例えば、Ｔｉ、Ｔａ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｎｉ等
からなる膜；無機化合物膜、例えば、ＴｉＮ、ＦｅＮ、
ＣｒＮ等の遷移金属窒化物膜や、ＮｉＯ、ＦｅＯ等の遷
移金属酸化物膜；有機化合物膜、例えば、エポキシ樹
脂、フェノール樹脂、ポリウレタン、ポリエステル等か
らなる樹脂膜などが挙げられる。保護膜を金属や無機化
合物から構成する場合、厚さは０．０１〜１０μm程度
とすることが好ましく、保護膜を有機化合物から構成す
る場合、厚さは３〜１０μmとすることが好ましい。

【００５０】基板本発明の薄膜磁石は、後述するように、スパッタ法など
の物理的気相堆積法を用いて基板上に形成される。基板
としては、ガラスや非磁性セラミックスなどの非磁性体
や、Ｆｅ等の磁性体などのいずれを用いてもよい。例え
ば、磁気回路を構成するヨークを基板として利用するこ
とも可能である。

【００５１】下地層薄膜磁石と基板との間には、必要に応じ下地層を設けて
もよい。磁石組成に応じた適当な下地層を設けることに
より、後述するスパッタ時の基板加熱による薄膜磁石の
磁気的な異方性化を促進することが可能である。下地層
構成元素としては、例えばＴｉ、Ｍｏ、Ｃｒ、Ｔａ、Ｓ
ｉ、Ｗなどが好ましく、薄膜磁石の組成に応じ、格子定
数のマッチングなどを考慮して適宜選択すればよい。下
地層の厚さは、１０〜１００nm程度とすることが好まし
い。

【００５２】製造方法次に、本発明の薄膜磁石の製造方法を説明する。

【００５３】本発明の薄膜磁石を製造するに際しては、
物理的気相堆積法を利用し、硬質磁性相構成元素と軟質
磁性相構成元素とを同時に基板上に堆積させる。

【００５４】物理的気相堆積法としては、スパッタ法、
蒸着法またはイオンプレーティング法が好ましく、特
に、スパッタ法が好ましい。

【００５５】スパッタ法における条件は特に限定され
ず、Ａｒ等の希ガス雰囲気中において、硬質磁性相構成
元素と軟質磁性相構成元素とを含有するターゲットを用
いて、あるいはこれら元素の少なくとも１種を含有する
複数のターゲットを用いて、スパッタを行えばよい。な
お、前述したＲ、ＴおよびＮを含有する薄膜磁石を製造
する際には、スパッタ雰囲気中に窒素を導入して反応性
スパッタを行い、窒化物薄膜を直接形成することも可能
であるが、通常は、スパッタにより合金薄膜を形成した
後、後述する窒化処理を施す構成とする。

【００５６】スパッタ法における基板温度は特に限定さ
れないが、基板温度を制御することにより薄膜磁石の結
晶性および結晶配向を制御することが可能である。例え
ば、基板温度を室温付近にした場合には、ほぼ均質なア
モルファス状の薄膜が得られるため、結晶化および相分
離のための熱処理が必須であるが、基板加熱を行った場
合には、硬質磁性相と軟質磁性相とが分離した薄膜を形
成することができる。結晶化のためには、基板温度を好
ましくは３００℃以上、より好ましくは４００℃以上と
する。ただし、基板温度が高すぎると、結晶相の成長に
より交換相互作用が働きにくくなって高保磁力が得られ
にくくなるので、基板温度は好ましくは８００℃以下、
より好ましくは７５０℃以下とする。また、基板温度を
このような範囲内において制御することにより、硬質磁
性相の磁化容易軸を配向させることも可能である。

【００５７】基板加熱により硬質磁性相の磁化容易軸を
配向させる方法は、前述したＲ₂Ｔ₁ ₄Ｂ系組成およびＲ
−Ｔ−Ｎ系組成に適用することが好ましい。この方法に
おける配向方向は磁石組成によって異なり、また、配向
条件（下地層の種類、基板温度等）の影響も受けるが、
通常、Ｒ₂Ｔ₁₄Ｂ系組成では薄膜磁石主面にほぼ垂直と
なり、Ｒ−Ｔ−Ｎ系組成では薄膜磁石の面内方向とな
る。

【００５８】また、前述したＲ−Ｃｏ系組成では、基板
加熱ではなく成膜時の配向用磁場印加により磁化容易軸
を配向させることが好ましい。この場合の配向方向は、
通常、印加した磁場の方向となる。

【００５９】アモルファス状の薄膜を形成した後、結晶
化のための熱処理を施す。この熱処理の条件は、所望の
結晶組織が得られるように、組成に応じて適宜決定すれ
ばよいが、通常、処理温度は好ましくは３００〜８００
℃、より好ましくは４００〜７５０℃とし、処理時間は
好ましくは０．０１〜１０時間、より好ましくは０．０
５〜５時間とする。熱処理は、薄膜の酸化を防ぐために
Ａｒ、Ｈｅ等の不活性ガス雰囲気中や真空中で行うこと
が好ましい。この熱処理により、硬質磁性相または窒化
により硬質磁性相となる相と、軟質磁性相とが析出す
る。熱処理温度が低すぎると、結晶化および相分離が不
十分となりやすい。一方、熱処理温度が高すぎると、軟
質磁性相が成長しすぎて保磁力が低下しやすくなり、ま
た、組成によっては異相が生じやすくなる。

【００６０】なお、スパッタ法により形成した薄膜が結
晶化している場合でも、必要に応じ熱処理を施してもよ
い。例えば、熱処理を施すことにより、異相を削減ない
し消去することが可能である。このような結晶組織制御
のための熱処理は、上記した結晶化のための熱処理と同
様な条件で行えばよい。

【００６１】前述したＲ、ＴおよびＮを含有する薄膜磁
石を作製する場合には、通常、結晶化のための熱処理後
に、窒化処理を施す。なお、結晶組織制御のための熱処
理を行う場合には、この熱処理の後に窒化処理を施す。
窒化処理は、窒素ガス雰囲気中で薄膜に熱処理を施すこ
とにより行う。この窒化処理により、ＴｂＣｕ₇型結晶
等の結晶相中に窒素原子が侵入して侵入型の固溶体が形
成され、硬質磁性相となる。窒化処理の際の処理温度
は、好ましくは３５０〜７００℃、より好ましくは３５
０〜６００℃であり、処理時間は、好ましくは０．１〜
３００時間である。窒素ガスの圧力は、０．１気圧程度
以上とすることが好ましい。なお、窒化処理に高圧窒素
ガスを用いたり、窒素ガス＋水素ガスを用いたり、アン
モニアガスを用いたりすることもできる。

【００６２】用途本発明の薄膜磁石の用途は特に限定されず、小型化が要
求される各種機器に適用することができる。例えば、超
小型モータのステータや、永久磁石バイアス型のＭＲヘ
ッド（磁気抵抗効果型ヘッド）のバイアス磁界印加用磁
石、小型アクチュエータ、磁気センサなどに好適であ
る。モータのステータに適用する場合には、膜面に垂直
に磁化容易軸を配向させたものが好ましく、バイアス磁
界印加用薄膜に適用する場合には、膜の面内方向に磁化
容易軸を配向させたものが好ましい。

【００６３】

【実施例】実施例１下記表１に示される薄膜磁石サンプルを、ＲＦマグネト
ロンスパッタ法を利用して作製した。まず、真空槽内を
６×１０^-6Torr以下まで減圧し、次に、プレスパッタを
１５分間行ってターゲット表面の酸化物を除去した後、
合金薄膜を形成した。なお、ターゲットは、アーク溶解
により製造した合金インゴットを粉砕した後、ホットプ
レスすることにより製造した。基板にはガラスを用い
た。基板の加熱は行わなかった。スパッタ雰囲気は５mT
orrのＡｒガスとし、投入電力は２５０Wとした。

【００６４】このようにして得られた合金薄膜は、厚さ
１μmであり、すべてアモルファス状態であった。

【００６５】次に、各合金薄膜に、結晶化のための熱処
理を施し、薄膜磁石サンプルとした。表１に、熱処理の
最適条件、すなわち、最も高い最大エネルギー積が得ら
れたときの条件を示す。各サンプルの組成（全体組成）
を表１に示す。組成は、ＩＣＰにより調べた。

【００６６】これらのサンプルの残留磁化（σ_r）、保
磁力（ＨcJ）、最大エネルギー積［(BH)max］を、ＶＳ
Ｍにより測定した。測定方向は膜面に平行な方向とし
た。結果を表１に示す。なお、表１に示す磁気特性は、
熱処理を最適条件で行った場合のものである。

【００６７】各サンプルをＸ線（Ｃｕ−Ｋα線）回折お
よびＴＥＭ−ＥＤＳにより調べたところ、硬質磁性相
（Ｎｄ₂Ｆｅ₁₄Ｂ型結晶相）と軟質磁性相（ｂｃｃ構造
α−Ｆｅ相）とを含む多結晶複合組織となっており、ア
モルファス相は実質的に消失していた。ＴＥＭ−ＥＤＸ
により求めた軟質磁性相の平均結晶粒径およびサンプル
中の軟質磁性相の存在比率を、表１に示す。なお、各サ
ンプルの硬質磁性相の平均結晶粒径は、２０〜５０nmの
範囲にあった。

【００６８】

【表１】

【００６９】表１から、単層のスパッタ膜において高特
性の交換スプリング磁石が実現することがわかる。

【００７０】実施例２下記表２に示される薄膜磁石サンプルを作製した。

【００７１】まず、ターゲットの組成を変更したほかは
実施例１と同条件で合金薄膜を形成した。得られた合金
薄膜は、厚さ１μmであり、すべてアモルファス状態で
あった。

【００７２】次に、各合金薄膜に、結晶化のための熱処
理を施した。表２に、熱処理条件を示す。この熱処理条
件は、表１と同様に最適条件である。

【００７３】次に、各薄膜に窒化処理を施し、薄膜磁石
サンプルとした。窒化処理は、窒素ガス雰囲気中におい
て４００℃で１０時間加熱することにより行った。各サ
ンプルの組成を表２に示す。組成は、ＩＣＰにより調べ
た。ただし、Ｎ量はガス分析により求めた。

【００７４】各サンプルをＸ線（Ｃｕ−Ｋα線）回折お
よびＴＥＭ−ＥＤＳにより調べたところ、硬質磁性相
（ＴｂＣｕ₇型結晶相またはＴｈ₂Ｚｎ₁₇型結晶相）と軟
質磁性相（ｂｃｃ構造α−Ｆｅ相）とを含む多結晶複合
組織となっており、アモルファス相は実質的に消失して
いた。なお、硬質磁性相がＴｈ₂Ｚｎ₁₇型結晶相であっ
たのは、サンプルNo.２０６だけであった。ＴＥＭ−Ｅ
ＤＸにより求めた軟質磁性相の平均結晶粒径およびサン
プル中の軟質磁性相の存在比率を、表２に示す。なお、
各サンプルの硬質磁性相の平均結晶粒径は、２０〜５０
nmの範囲にあった。

【００７５】これらのサンプルの磁気特性を実施例１と
同様にして測定した。結果を表２に示す。なお、表２に
示す磁気特性は、熱処理を最適条件で行った場合のもの
である。

【００７６】

【表２】

【００７７】表２から、この組成系においても、単層の
スパッタ膜において高特性の交換スプリング磁石が実現
することがわかる。

【００７８】実施例３下記表３に示される薄膜磁石サンプルを作製した。

【００７９】まず、ターゲットの組成を変更したほかは
実施例１と同条件で合金薄膜を形成した。得られた合金
薄膜は、厚さ１μmであり、すべてアモルファス状態で
あった。

【００８０】次に、各合金薄膜に、結晶化のための熱処
理を施し、薄膜磁石サンプルとした。表３に、熱処理条
件を示す。この熱処理条件は、表１と同様に最適条件で
ある。各サンプルの組成を表３に示す。組成は、ＩＣＰ
により調べた。

【００８１】各サンプルをＸ線（Ｃｕ−Ｋα線）回折お
よびＴＥＭ−ＥＤＳにより調べたところ、硬質磁性相
（Ｓｍ₂Ｃｏ₁₇型結晶相および／またはＳｍＣｏ₇型結晶
相）と軟質磁性相（Ｆｅ相、Ｃｏ相、Ｆｅ−Ｃｏ相）と
を含む多結晶複合組織となっており、アモルファス相は
実質的に消失していた。ＴＥＭ−ＥＤＸにより求めた軟
質磁性相の平均結晶粒径およびサンプル中の軟質磁性相
の存在比率を、表３に示す。なお、各サンプルの硬質磁
性相の平均結晶粒径は、２０〜６０nmの範囲にあった。

【００８２】これらのサンプルの磁気特性を実施例１と
同様にして測定した。結果を表３に示す。なお、表３に
示す磁気特性は、熱処理を最適条件で行った場合のもの
である。

【００８３】

【表３】

【００８４】表３から、この組成系においても、単層の
スパッタ膜において高特性の交換スプリング磁石が実現
することがわかる。

【００８５】なお、スパッタの際に基板を５５０℃に加
熱したほかは上記実施例１および実施例２と同様にして
薄膜磁石サンプルを作製したところ、硬質磁性相の磁化
容易軸の配向が認められた。配向の方向は、実施例１の
組成のサンプルでは膜面に垂直な方向であり、実施例２
の組成のサンプルでは、膜の面内方向であった。また、
スパッタの際に基板の面内方向に３kOeの磁場を印加し
たほかは上記実施例３と同様にして薄膜磁石サンプルを
作製したところ、面内方向に磁化容易軸の配向が認めら
れた。

【００８６】以上の実施例から、本発明の効果が明らか
である。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】希土類元素を含有する硬質磁性相と、Ｆ
ｅおよび／またはＣｏを含有する軟質磁性相とを含み、
膜面内方向において互いに隣接する硬質磁性相と軟質磁
性相とが存在し、物理的気相堆積法により形成されたも
のである薄膜磁石。
【請求項２】硬質磁性相の平均結晶粒径が５〜５００
nmであり、軟質磁性相の平均結晶粒径が５〜６０nmであ
る請求項１の薄膜磁石。
【請求項３】厚さが０．０１〜３００μmである請求
項１または２の薄膜磁石。
【請求項４】硬質磁性相の磁化容易軸が配向している
請求項１〜３のいずれかの薄膜磁石。
【請求項５】保磁力が３kOe以上である請求項１〜４
のいずれかの薄膜磁石。
【請求項６】最大エネルギー積が１２MGOe以上である
請求項１〜５のいずれかの薄膜磁石。
【請求項７】硬質磁性相がＲ（Ｒは、Ｙを含む希土類
元素の少なくとも１種である）、Ｔ（Ｔは、Ｆｅ、また
はＦｅおよびＣｏである）およびＢを含有し、軟質磁性
相がＴを含有する請求項１〜６のいずれかの薄膜磁石。
【請求項８】硬質磁性相がＲ（Ｒは、希土類元素の１
種以上であり、Ｓｍを必ず含む）、Ｔ（Ｔは、Ｆｅ、ま
たはＦｅおよびＣｏである）およびＮを含有し、軟質磁
性相がＴを含有する請求項１〜６のいずれかの薄膜磁
石。
【請求項９】硬質磁性相がＲ（Ｒは、希土類元素の１
種以上である）およびＣｏを含有し、軟質磁性相がＣｏ
を含有する請求項１〜６のいずれかの薄膜磁石。
【請求項１０】表面に保護膜を有する請求項１〜９の
いずれかの薄膜磁石。
【請求項１１】請求項１〜１０のいずれかの薄膜磁石
を製造する方法であって、物理的気相堆積法を利用し、
硬質磁性相構成元素と軟質磁性相構成元素とを同時に基
板上に堆積させる工程を有する薄膜磁石の製造方法。
【請求項１２】前記物理的気相堆積法がスパッタ法で
ある請求項１１の薄膜磁石の製造方法。
【請求項１３】前記スパッタ法において、表面に薄膜
磁石が形成される基板の温度を３００〜８００℃とする
請求項１２の薄膜磁石の製造方法。
【請求項１４】硬質磁性相構成元素と軟質磁性相構成
元素とを同時に基板上に堆積させた後、３００〜８００
℃で熱処理を施す請求項１１〜１３のいずれかの薄膜磁
石の製造方法。