DE3852142T2 - Stickstoffhaltiger magnetischer Legierungsfilm. - Google Patents

Stickstoffhaltiger magnetischer Legierungsfilm.

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Description

    GEBIET DER ERFINDUNG UND STAND DER TECHNIK 1. GEBIET DER ERFINDUNG
  • Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein weiches magnetisches Material, das geeignet ist für einen Kern eines magnetischen Kopfes oder dergleichen, und insbesondere für einen magnetischen Legierungsfilm, der Stickstoff enthält.
  • 2. BESCHREIBUNG DES STANDES DER TECHNIK
  • Bisher wurde versucht, magnetische Legierungsfilme, die Stickstoff (N) enthalten, durch reaktives Sputtern bzw. Aufstäuben von N&sub2; oder Sputtern bzw. Aufstäuben unter Verwendung eines Nitrid-Ziels herzustellen. Zum Beispiel sind ein Nitridlegierungsfilm, der aus Fe, Co, Ni und glasbildenden Elementen, wie z. B. B, Si, Al, P und C hergestellt ist (der in den japanischen veröffentlichten ungeprüften Patentanmeldungen mit den Nummern Sho 54-94428 und 60-15261 gezeigt ist) und ein Eisennitridfilm (der in dem Journal of Applied Physics (J. Appl. Phys.) 53 (11), S. 8332 (1982) gezeigt ist) gut bekannt.
  • Im Fall des ersteren, zum Beispiel in einem Fe-B-N- Nitrid, das durch Nitrifizieren einer Fe-B-Legierung hergestellt ist, steigt eine senkrechte magnetische Anisotropie an, und dadurch wird eine weiche magnetische Eigenschaft der Fe-B- Legierung zerstört und eine Koerzivkraft Hc davon wird groß. Gleichzeitig verringert sich eine Sättigungsmagnetisierung 4πMs mit dem Ansteigen eines N-Anteils. Wenn auf der anderen Seite im Falle eines Fe-N-Films der letzteren Art der Fe-N- Film eine kleine Menge von N enthält, steigt ein Wert von 4πMs im Vergleich mit dem Fe-Film an, aber die Koerzivkraft Hc ist groß, und dadurch zeigt der Fe-N-Film keine weiche magnetische Eigenschaft.
  • Die EP-A-0 002 712 beschreibt amorphe Legierungsfilme mit Zusammensetzungen (Co&sub7;&sub8;Fe&sub5;B&sub1;&sub7;)xN100-x und (Fe&sub8;&sub0;B&sub2;&sub0;)xM100-x. Diese Filme können alternierende Schichten von stickstoffarmen Schichten und stickstoffreichen Schichten aufweisen. Weiterhin wird ein Erhitzen der magnetischen Legierungsfilme für eine Stunde bei 400ºC erwähnt, welche die strukturellen und magnetischen Eigenschaften und die magnetothermische Stabilität des Films nicht beeinflußt. Schichten mit einer Dicke > 200 nm werden in Betracht gezogen.
  • AUFGABE UND ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
  • Die vorliegende Erfindung zielt darauf ab, die obengenannten Probleme zu lösen und einen stickstoffhaltigen magnetischen Legierungsfilm zu schaffen, der eine kleine Koerzivkraft Hc und eine wünschenswerte weiche magnetische Eigenschaft hat, die nicht durch den konventionellen magnetischen Nitrid-Legierungsfilm realisiert werden kann.
  • Der magnetische Legierungsfilm gemäß der vorliegenden Erfindung ist der Legierungsfilm, der durch die Merkmale des Anspruchs 1 definiert ist. Er kann auf der Basis von z. B. einem geschichteten Legierungsfilm hergestellt werden, der aufweist:
  • einen amorphen Legierungsfilm, der durch die folgende Formel dargestellt wird:
  • Ta Mb Xc (1)
  • und
  • einen Nitrid-Legierungsfilm, der durch die folgende Formel dargestellt wird:
  • wobei T, M, X und N die gleichen Elemente sind wie in Anspruch 1 beschrieben, die Indices a, b, c und d jeweils Atomprozente der Elemente T, M, X und N angeben, und
  • die Werte von a, b, c und d durch den folgenden Ausdruck definiert werden:
  • Die Werte von a', b', c' und d' von Ausdruck (5) von Anspruch 1 sind gemittelte Werte. Da jeder Bestandteil des Films in einer Richtung der Filmdicke in der Zusammensetzung bzw. Konzentration moduliert ist, liegt in einigen Teilen des Films der Anteil bzw. die Konzentration nicht notwendigerweise in dem durch Gleichung (5) gezeigten Bereich.
  • Wie oben beschrieben, ist der magnetische Film der vorliegenden Erfindung der stickstoffhaltige magnetische Legierungsfilm mit einer konzentrationsmäßig modulierten Struktur, die durch den Ausdruck (3) von Anspruch 1 dargestellt ist, und er kann auf Basis des geschichteten magnetischen Legierungsfilms hergestellt werden, der durch Übereinanderschichten der Legierungsfilme, die in den Formeln (1) und (2) dargestellt sind, hergestellt ist. Er hat eine hohe Verschleißbeständigkeit und Korrosionsbeständigkeit und eine weiche magnetische Eigenschaft, die für den Kern eines magnetischen Kopfs oder dergleichen geeignet ist. Im Gegensatz dazu zeigt ein bezüglich seiner Konzentration nicht modulierter Nitrid-Film keine weiche magnetische Eigenschaft.
  • Gewünschte Zusammensetzungen des amorphen Legierungsfilms und des Nitridfilms werden durch die Gleichungen (4) und (5) definiert. Ein Grund für die Definition ist im folgenden beschrieben:
  • Um einen amorphen Legierungsfilm mit dem durch den Ausdruck (1) gezeigten Aufbau in einem amorphen Zustand zu erhalten, muß die folgende Bedingung erfüllt sein:
  • b + c ≥ 10 (6).
  • Um eine hinreichend hohe Sättigungsmagnetisierung zu erreichen, ist eine durch den folgenden Ausdruck definierte Bedingung vorzuziehen:
  • c ≤ 30, b ≤ 20 (7).
  • Da ein Gesamtwert von a, b und c wie folgt ist:
  • a + b + c = 100 (8),
  • ist ein Bereich von a durch die Ausdrücke (6) und (7) wie folgt definiert:
  • 70 ≤ a ≤ 90 (9).
  • Zusätzlich kann, soweit die durch den Ausdruck (6) definierte Bedingung erfüllt ist, entweder b oder c gleich 0 sein. Es ist jedoch tatsächlich wünschenswert, daß c nicht 0 ist (c≠0), da in dem Fall von b=0 und c≠0 eine Curietemperatur niedrig ist, und die Eigenschaft durch ein Erhitzen bei vergleichsweise niedriger Temperatur im Vergleich mit der Bedingung von b≠0 und c=0 verbessert ist.
  • Der Nitrid-Legierungsfilm, der durch die Gleichung (2) dargestellt ist, wird durch Nitridieren des Legierungsfilms, der durch die Gleichung (1) gezeigt wird, erreicht. Um eine Stabilität der Struktur zu erreichen und eine Verringe rung der Sättigungsmagnetisierung zu verhindern, muß die folgende Bedingung erfüllt sein:
  • d < 30 (10).
  • Um die Verschleißbeständigkeit durch die Nitridierung zu verbessern, muß die folgende Bedingung erfüllt sein:
  • d &ge; 1 (11).
  • Obwohl der durch den Ausdruck (2) dargestellte magnetische Nitrid-Legierungsfilm eine hohe Verschleißbeständigkeit und Korrosionsbeständigkeit zeigt, zeigt er nicht eine solche exzellente weiche magnetische Eigenschaft wie die durch den Ausdruck (1) gezeigte amorphe Legierung. Es wurde jedoch festgestellt, daß der geschichtete Legierungsfilm, der durch Schichten des amorphen Legierungsfilms von Ausdruck (1) und des magnetischen Nitridlegierungsfilms von Ausdruck (2) hergestellt wird, eine weiche magnetische Eigenschaft zeigt, und insbesondere wird, wenn die folgende Bedingung erfüllt wird, eine exzellente weiche magnetische Eigenschaft realisiert:
  • t < 100 nm (1000 Å) (12),
  • wobei t die Schichtdicke des geschichteten Films ist.
  • Eine Verbesserung der weichen magnetischen Eigenschaften wird nicht nur durch einen geschichteten Film eines Nitridfilms und eines Nicht-Nitridfilms erreicht, sondern auch durch einen in der Konzentration modulierten Nitridfilm, bei dem Stickstoff bezüglich der Konzentration moduliert ist.
  • Der oben genannte geschichtete Film kann zum Beispiel durch ein Sputter- bzw. Aufstäubverfahren hergestellt werden, wobei Stickstoffgas periodisch in die Kammer während des Aufstäubens eingeführt wird. Darüberhinaus kann zum Beispiel der in der Zusammensetzung modulierte Film durch Erhitzen des obengenannten geschichteten Films bei einer geeigneten Temperatur hergestellt werden, wobei eine Diffusion von Stickstoff und anderen Bestandelementen zwischen den Schichten erreicht wird. In einem solchen in seiner Zusammensetzung modulierten Film sind im allgemeinen, wenn Stickstoff (N) in seiner Konzentration moduliert wird, andere Bestandselemente in einem gewissen Ausmaß konzentrationsmäßig moduliert, und als ein Ergebnis wird die Zusammensetzung in der Richtung der Filmdicke nicht gleichmäßig. Vorzugsweise ist die mittlere Zusammensetzung bezüglich der Elementgruppen T, M, und X in dem Konzentrationsbereich von Ausdruck (4). Bezüglich des mittleren Gehalts von Stickstoff (N) ist, um eine gewünschte Verschleißbeständigkeit zu erreichen, die folgende Bedingung erfordert:
  • d' &ge; 1 (13),
  • und um eine Verschlechterung der Sättigungsmagnetisierung zu verhindern, ist die folgende Bedingung erforderlich:
  • d' &le; 20 (14).
  • Aus den obengenannten Bedingungen wird Gleichung (5) gewonnen.
  • Die weiche magnetische Eigenschaft des in seiner Zusammensetzung modulierten Films wird verbessert, wenn die Modulationswellenlänge &lambda; der Zusammensetzung klein wird, und insbesondere unter der folgenden Bedingung wird eine exzellente weiche magnetische Eigenschaft erreicht,
  • &lambda; < 100 nm (1000 Å) (15).
  • KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
  • Fig. 1a und Fig. 1b sind Diagramme, die ein Tiefenprofil von Co und N eines geschichteten magnetischen Legierungsfilms, der eine Basis zum Herstellen eines Films der vorliegenden Erfindung ist, und eines in seiner Zusammensetzung modulierten magnetischen Legierungsfilms der vorliegenden Erfindung zeigen, die durch Auger-Elektronenspektroskopie (AES) gemessen sind.
  • Fig. 2a ist eine perspektivische Ansicht eines Probekopfchips für einen Verschleißbeständigkeitstest. Fig. 2b ist eine Schnittansicht, die ein Meßverfahren einer teilweisen Verschleißmenge (&Delta;1) des Probekopfs nach einem Laufbetrieb des Bandes von 500 Stunden zeigt.
  • BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSF0RMEN
  • Im folgenden werden Beispiele beschrieben, die Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung sind.
  • (Beispiel 1)
  • Ein amorpher Legierungsfilm aus Co&sub6;&sub7;Mn&sub1;&sub2;B&sub2;&sub1; wurde unter Verwendung einer RF-Dioden-Aufstäubvorrichtung hergestellt, wobei ein Co-Mn-B-Legierungsziel bei 1,1 x 10&supmin;² Torr Druck eines Argongases gesputtert (aufgestäubt) wurde. Dann wurde N&sub2;-Gas zu dem oben genannten Ar-Gas gemischt, um ein gemischtes Gas von 1,2 x 10&supmin;² Torr Gesamtdruck zu schaffen, und es wurde aufgesputtert, um dadurch einen Nitrid-Legierungsfilm herzustellen. Die Zusammensetzung des Nitrid-Legierungsfilms war Co&sub6;&sub0;Mn&sub1;&sub0;B&sub1;&sub8;N&sub1;&sub2; bei einer Analyse. Als nächstes wurde ein geschichteter Film aus Nitrid-Film und Nicht-Nitrid-Film hergestellt, in dem ein Aufstäub- bzw. Sputterverfahren unter einer Bedingung durchgeführt wurde, daß ein Ar-Gas-Partialdruck bei 11 x 10&supmin;² Torr festgehalten wurde, und N&sub2;-Gas von 0,1 x 10&supmin;² Torr Partialdruck periodisch mit dem Ar-Gas gemischt wurde. Darüberhinaus wurden durch die Änderung der Periode des Beimischens von N&sub2;-Gas beschichtete Filme hergestellt, die aus den Nitrid-Schichten und den Nicht-Nitrid-Schichten mit unterschiedlicher Schichtdicke bestanden. Die magnetischen Eigenschaften dieser Filme wurden gemessen und verglichen. Die Resultate sind in Tabelle 1 gezeigt. TABELLE 1 Beispiel (wie hergestellt) Schichtdicke der jeweiligen Schichten (0,1 nm (Å)) Koerzivkraft Hc (79,6 A/m (Oe)) Sättigungsmagnetisierung (10&supmin;&sup4; T (Gauss)) Vergleichsbeispiel wie oben 10000 (einzelne Schicht)
  • Wie in Tabelle 1 gezeigt ist, ist, wenn t (die Schichtdicke einer Schicht) unterhalb 100 nm (1000 Å) liegt, die Koerzivkraft Hc des beschichteten Films bemerkenswert klein, und er zeigt eine exzellente weiche magnetische Eigenschaft; und wenn t oberhalb 100 nm (1000 Å) liegt, werden die weichen magnetischen Eigenschaften verschlechtert. Andererseits zeigt der konventionelle einschichtige Nitridfilm keine weiche magnetische Eigenschaft unabhängig von der Filmdicke. Darüberhinaus ist die Sättigungsmagnetisierung 4&pi;Ms des beschichteten Films von einem mittleren Wert zwischen demjenigen des Nicht-Nitrid-Films und des Nitrid-Films.
  • Dann wurden diese Filme für 10 Minuten bei 400ºC erhitzt. Die magnetischen Eigenschaften von ihnen sind in Tabelle 2 gezeigt. Fig. 1a zeigt ein Tiefenprofil (durch AES gemessen) von Co und N der Probe F (vor dem Erhitzen). Fig. 1b zeigt das Tiefenprofil von Co und N der Probe F' (nach dem Erhitzen). Wie durch die Tiefenprofile von Fig. 1a und Fig. 1b klar gezeigt ist, wurde festgestellt, daß der beschichtete Film, der bei seiner Herstellung eine vielschichtige Struktur hat, durch eine durch das Erhitzen hervorgerufene Diffusion vom Element N zwischen den Schichten in einen bezüglich seiner Zusammensetzung modulierten Film überführt wird. Die Wellenlänge &lambda; der Modulation der Zusammensetzung bzw. konzentrationsmäßigen Modulation ist in Tabelle 2 gezeigt. Wie in Tabelle 2 gezeigt ist, verschwindet die weiche magnetische Eigenschaft nicht, auch wenn der aus einer Schichtstruktur bestehende Film in den bezüglich seiner Zusammensetzung modulierten Film überführt wird. Je kleiner die Wellenlänge &lambda; der Modulation der Zusammensetzung wird, desto kleiner wird die Koerzivkraft Hc; und insbesondere wird eine exzellente weiche magnetische Eigenschaft realisiert, wenn &lambda; unterhalb 200 nm (2000 Å) ist. Ein erhitzter, bezüglich seiner Zusammensetzung modulierter Film mit einem kleinen &lambda; zeigt eine Tendenz, daß die Sättigungsmagnetisierung 4&pi;Ms größer ist als der mittlere Wert des aus dem Nitrid-Film und Nicht-Nitrid-Film bestehenden geschichteten Films. TABELLE 2 Beispiel (nach dem Erhitzen) Wellenlänge &lambda; (0,1 nm (Å)) der Modulation der Zusammensetzung Koerzivkraft Hc (79,6 A/m (Oe)) Sättigungsmagnetisierung 4&pi;Ms (10&supmin;&sup4; T (Gauss)) Vergleichsbeispiel Beispiel der vorliegenden Erfindung wie oben etwa 4000
  • (Beispiel 2)
  • Durch das gleiche Verfahren wie in Beispiel 1 wurden Nitrid-Filme und Nicht-Nitrid-Filme mit 40 um Dicke hergestellt unter Verwendung eines Ziels aus Co&sub7;&sub1;Fe&sub5;Si&sub1;&sub2;B&sub1;&sub2; und Ändern des N&sub2;-Partialdruckverhältnisses &eta;). Das Verhältnis &eta; wird durch den folgenden Ausdruck definiert: N&sub2;-Gaspartialdruck Gasdruck
  • Dann wurden geschichtete Filme dieser Nitrid-Schichten und Nicht-Nitrid-Schichten durch periodisches Ändern von &eta; hergestellt, wobei jede Schicht eine Schichtdicke t von etwa 20 nm (200 Å) hat.
  • Darüberhinaus wurden resultierende geschichtete Filme für 10 Minuten bei 450ºC erhitzt, um dadurch in ihrer Zusammensetzung modulierte Filme zu erreichen. Die magnetische Eigenschaft und die Verschleißbeständigkeit dieser resultierenden Filme sind in Tabelle 3 gezeigt. TABELLE 3 Betrag des teilweisen Verschleisses &Delta;1 (0,1nm (Å)) Korrosionsbeständigkeit etwa 200 beinahe vom Substrat abgelöst (nicht meßbar) Film mit einer einzelnen Schicht geschichteter Film In seiner Zusammensetzung modulierter Film
  • In Tabelle 3 ist für &eta; des in seiner Zusammensetzung modulierten Films ein gemittelter Wert gezeigt. Und der Strich (&supmin;) wird über die Figur des Wertes &eta; gesetzt. Zusätzlich wird ein Betrag der teilweisen Abnutzung wie folgt gemessen:
  • Wie in Fig. 2a gezeigt, wurde der Legierungsfilm 1 durch Substrate sandwichartig umgeben, und er wurde in die Form eines Kopf-Chips gearbeitet und in einem Videorekorder-Deck angebracht. Nach einer Bandlaufzeit von 500 Stunden wurde der Betrag &Delta;1 des teilweisen Verschleisses, der in Fig. 2b gezeigt ist, gemessen.
  • Die Korrosionsbeständigkeit wurde ermittelt, indem jede Probe zur Hälfte für 24 Stunden in Wasser getaucht wurde, und der Grad der Änderung der Farbe am Grenzteil bestimmt wurde. Wenn eine Änderung der Farbe insgesamt nicht festgestellt wurde, wurde die Korrosionsbeständigkeit mit bewertet. Wenn eine Änderung der Farbe nicht wesentlich festgestellt wurde, wurde sie als bewertet. Wenn eine Änderung der Farbe in einem kleinen Umfang festgestellt wurde, wurde sie als &Delta; bewertet. Wenn eine Änderung der Farbe klar festgestellt wurde, wurde sie als X bewertet.
  • Probe 0, die unter einer Bedingung von &eta; = 30 hergestellt wurde, blätterte von dem Substrat 2 ab. Ein Grund dafür scheint zu sein, daß sich in dem Film eine Spannung aufbaute. Dementsprechend konnten die Eigenschaften nicht gemessen werden. Auf der anderen Seite trat kein Abblättern bei der Probe T auf, die ein in der Zusammensetzung modulierter Film ist, der hergestellt wurde, indem der geschichtete Film erhitzt wurde, wobei &lambda; etwa 40 nm (400 Å) wurde.
  • Aus Tabelle 3 wird festgestellt, daß bei einem geschichteten Film, wenn &eta; > 1 (%) ist, und bei einem in seiner Zusammensetzung modulierten Film, wenn > als (%) ist, die Verschleißbeständigkeit und die Korrosionsbeständigkeit verbessert sind. Um eine bemerkenswerte Abnahme der Sättigungsmagnetisierung und ein Abblättern des Legierungsfilms zu verhindern, ist es darüberhinaus wünschenswert, daß &eta; unterhalb 30% (für den geschichteten Film) und unterhalb von % (für den in seiner Zusammensetzung modulierten Film) liegt.
  • (Beispiel 3)
  • Einschichtige amorphe Legierungsfilme, einschichtige Nitrid-Legierungsfilme, geschichtete Legierungsfilme und in ihrer Zusammensetzung modulierte Nitrid-Legierungsfilme wurden durch verschiedene Arten von Legierungszielen hergestellt, auf die gleiche Weise wie bei den Beispielen 1 und 2. Die Eigenschaften dieser Filme sind in Tabelle 4 gezeigt. TABELLE 4 Zusammensetzung des Ziels 4&pi;Ms (10&supmin;&sup4; T (Gauss)) teilw. Betrag der Abnutzung &Delta;1 (0,1nm (Å)) Korrosionsbeständigkeit eine Schicht etwa 300 beinahe 0 eine Schicht etwa 500 beinahe 0
  • Wie oben erwähnt, ist der stickstoffhaltige magnetische Legierungsfilm der vorliegenden Erfindung einem einfachen (einschichtigen) magnetischen Nitrid-Legierungsfilm in seinen magnetischen Eigenschaften überlegen, und er ist auch einem einfachen (einschichtigen) amorphen Legierungsfilm bezüglich der Korrosionsbeständigkeit und Verschleißbeständigkeit überlegen. Dementsprechend hat er bessere wünschenswerte Eigenschaften für das Material eines magnetischen Kopfes oder dergleichen.

Claims (1)

  1. Ein stickstoffhaltiger magnetischer Legierungsfilm auf einem Substrat, der durch die folgende Formel dargestellt wird:
    wobei
    T wenigstens ein Element aus der Gruppe ist, die aus Fe, Co, Ni und Mn besteht,
    M wenigstens ein Element aus der Gruppe ist, die aus Ti, Zr, Hf, Nb, Ta, Cr, Mo, W, Re und Ru besteht,
    x wenigstens ein Element aus der Gruppe ist, die aus B, Si, Ge und Al besteht,
    N Stickstoff ist, und
    die Indizes a', b', c' und d' mittlere Atomprozente jeweils der Elemente T, M, X und N wiedergeben, und
    die Werte von a', b', c' und d' durch die folgenden Ausdrücke definiert sind:
    wobei die Konzentration von wenigstens Stickstoff (N) und wenigstens einem Element aus der Gruppe, die aus T, M und X besteht, in dem stickstoffhaltigen magnetischen Legierungsfilm in einer Richtung der Filmdicke periodisch verändert wird, wobei der Film stickstoffreiche und stickstoffarme Bereiche aufweist, die miteinander diffundiert sind, und wobei die Veränderung bzw. Modulation der Zusammensetzung des Films, durch die Wellenlänge &lambda; definiert, unterhalb 200 nm (2000 Å) ist.
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