KR100272980B1 - 자성체 박막 및 그것을 사용한 자기 헤드 - Google Patents

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모리시타 요이찌
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Abstract

본 발명은 고주파대역에서도 뛰어난 자기특성을 보이는 결정질계의 자성체 박막 및 그것을 사용한 자기헤드에 관한 것으로, 자성결정입자를 모상(母相, parent phase)으로 하는 자성체 박막에 있어서, 제1방향을 따르는 자성결정입자의 평균결정사이즈가 제1방향과 직교하는 제2방향을 따르는 자성결정입자의 평균결정사이즈보다 작은 영역을 포함하고, 제1방향을 따르는 자화를 제2방향을 따르는 자화보다 작은 외부 자계에 의해 실시할 수 있는 자성체 박막으로 한다.

Description

자성체 박막 및 그것을 사용한 자기 헤드
본 발명은 자성체 박막에 관한 것으로, 특히 자기 임피던스 센서 등의 자기 센서, 자기코일 및 인덕터 등의 자기회로부품, 자기기록헤드 및 자기재생헤드에 적합한 연자성 자성체 박막에 관한 것이다. 또한, 본 발명은 이와 같은 자성체 박막을 사용한 자기헤드에 관한 것이다.
최근, 자기기록헤드, 자기임피던스센서, 마이크로 인덕터와 같은 자기회로부품 등의 연자성 재료가 사용되는 자기 디바이스 전반에 대해 수 MHz 내지 수 GHz의 고주파 대역에 있어서 뛰어난 자기특성과 고포화 자기밀도를 양립시키는 자성 재료가 요구되어 왔다. 이와 같은 고주파 대역에서는 자벽 공명, 강자성 공명 등에 기인하는 손실에 의해 자기특성이 열화되는 것이 공지되어 있다. 종래, 이와 같은 열화를 방지하기 위해, 예를들면 퀴리 온도가 낮은 Co계 비정질 박막재료에서는 막면 내부에서의 자벽수를 줄이고, 강자성 공명 주파수를 높이기 위해 자장중에서 열처리 또는 성막함으로써 재료 내부에 강한 일축이방성을 부여하는 수법이 채택되었다(치다야MAG-94-95 p77-83). 또, 퀴리온도가 높은 Fe 또는 FeCo계 결정질재료는 상기의 수법외에 막면 내부의 역자외 효과를 이용해서 일축이방성 자계를 부여하는 방법이 채택되었다.
자성체의 비투자율μr′ 및 강자성 공명 주파수fK는 간단하게는 다음식에 의해 주어지는 것이 공지되어 있다.
여기서 4πMs는 포화자화, HK는 재료에 부여된 일축이방성 자계, γ는 자이로 자기 정수이다.
(2)식에서 알 수 있듯이, 고주파대역 자기 디바이스에는 포화 자화 또는 일축이방성 자계가 높은 것이 요구된다. 일반적으로 Co계 비정질 재료는 포화 자화가 10kG 정도로 낮기 때문에, 높은 일축이방성 자계가 필요해진다. 그러나, (1)식에서 알 수 있듯이, 일측이방성 자계가 높으면 비투자율이 작은 값이 되어 버린다. 또, 이와 같은 비정질계 재료는 고보자력(高保磁力) 매체에 대한 자기기록에는 충분할 정도로 자화되지 않는다.
한편, 높은 포화 자화를 가진 Fe계 또는 FeCo계 결정질 재료는 퀴리 온도가 높기 때문에, 자장중에 의한 열처리나 성막을 실시해도 충분한 일축이방성 자계를 부여할 수 없다. 또, 이방성의 크기도 제어하기 어렵다.
특히 자성체 박막의 제조에 많이 사용되는 마그네트론 스퍼터링법은, 타겟으로부터의 누설자계가 일정하지 않기 때문에, 가장 적합한 일축이방성의 부여가 곤란하다. 또, 내부 음력과 포화자왜의 적에 비례하는 역자왜 효과에 의해 부여가능한 일축이방성 자계는 막형상에 의한 응력분포의 제한을 받는다. 또, 높은 포화자왜가 자기특성 그 자체를 저하시킨다.
최근 자기 디바이스의 소형화 진전에 따라 자성체 재료는 이제까지 이상으로 미세한 패턴으로 가공되는 경향이 있다. 예를들면 MIG헤드(Metal In GaP 헤드)나 하드디스크용 헤드와 같은 자기 헤드에서 자성체 박막은 수백 nm∼수 ㎛ 정도의 직방체 형상으로 가공된다. 이와 같은 형상은 형상이방성이 상대적으로 저하되기 때문에, 자화는 특정면 내부에서의 회전 이외에도 변동하기 쉬워진다.
특히, 소위 입상재료에서는 포화자속밀도는 높지만, 막 구조가 3차원적으로 등방이 된다. 따라서, 자화 회전방향의 자유도가 크기 때문에 자화 회전면의 제어가 곤란하였다. 또한, 미소영역에 있어서의 자기이방성을 외부 자계에 의해 균일하게 부여하는 것도 곤란하였다.
본 발명은 이러한 종래의 과제를 감안하여 고주파 대역에서도 뛰어난 자기특성을 보이는 결정질계의 자성체 박막 및 그것을 사용하는 자기 헤드를 제공하는 것을 목적으로 한다.
제1도는 본 발명에 따른 자기헤드의 일실시형태인 MIG 타입 자기헤드의 사시도.
제2도는 본 발명에 따른 자기헤드의 일실시형태인 LAM 타입 자기헤드의 사시도와 부분확대도.
제3도는 본 발명에 따른 자기헤드의 일실시형태인 하드디스크용 자기헤드의 부분단면도.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명
1 : 자기 코어 2 : 자성체 박막
4 : 자기 갭 11 : 비자성체
12 : 자기 갭 16 : 자성체 박막
17 : 절연층 31 : 상부 기록 자극
32 : 기록 갭막 33 : GMR막
34 : 재생 상부 갭막 35 : 경질 자성막
36 : 재생 상부 실드막겸 하부 기록 자극
38 : 재생 하부 갭막 39 : 재생 하부 실드막
상기 목적을 달성하기 위해 본 발명의 자성체 박막은, 자성결정입자를 모상으로 하는 자성체 박막에 있어서, 제1방향을 따르는 상기 자성결정입자의 평균결정사이즈가 이 제1방향과 직교하는 제2방향을 따르는 상기 자성결정입자의 평균결정사이즈보다 작은 영역을 포함하고, 상기 제1방향을 따르는 자화를 상기 제2방향을 따르는 자화보다 작은 외부 자계에 의해 실시할 수 있는 것을 특징으로 한다.
이와 같은 자성체 박막에 있어서는, 상기 영역에 있어서 제1방향을 따르는 자성결정입자간의 자기적인 상호작용이 제2방향을 따르는 자성결정입자간의 자기적인 상호 작용보다 커진다. 그리고, 이 자성결정입자의 자기적인 상호작용을 이용함으로써, 고주파영역에서도 뛰어난 자기 특성을 보이는 자성체 박막을 얻을 수 있다. 이 자성체 박막은, 예를들면 1T 이상의 높은 포화자속밀도를 가질 수 있는 것이다.
또, 상기 목적을 달성하기 위해 본 발명의 자기헤드는 상기에 기재한 자성체 박막을 포함하는 것을 특징으로 한다.
상술한 바와 같이, 본 발명의 자성체 박막은, 그 바람직한 형태에 있어서는 제1방향에 있어서의 자성결정입자의 평균결정사이즈가 제2방향에 있어서의 자성결정입자의 평균결정사이즈보다 작은 영역을 포함하고 있다. 여기서, 상기 평균결정사이즈는 예를들면 상기 양 방향을 포함하는 면에 있어서 각각의 방향을 따르는 결정 입자길이의 평균치이다.
이 영역은 적어도 자성결정입자간에 자기적인 상호작용이 미치는 범위를 포함하는 것이 바람직하다. 이 범위는 자성결정입자에 의해 변화하지만, 일반적으로 상기 영역은, 예를들면 박막내의 제1방향 및 제2방향을 포함하는 면 내부의 직경 100nm 이상의 범위, 좀더 바람직하게는 직경 300nm 이상의 범위를 포함하는 것이 바람직하다. 이와 같이 국소적으로 결정의 크기가 이방적인 분포를 갖는 자성체 박막에 있어서는 국소적인 자기이방성이 발생한다. 어떤 결정입자에 대한 교환상호작용의 크기는 그 결정입자로부터 소정 거리의 범위내에 존재하는 결정입자의 수에 영향을 받기 때문이다.
이 자기이방성에 의해 상호작용의 영향하에 있는 결정입자군은 외관상 하나의 독립된 결정입자와 같이 거동하며, 그 결과 추가로 주위 영역의 자성결정입자에 영향을 미친다. 이렇게 해서 국소적인 자기이방성이 자성체 박막 전체의 자기이방성 발현에 기여한다. 자성체 박막 전체에 나타나는 자기이방성은 외관상으로는 작은 경우도 있다. 그러나, 자성결정입자군이 일제히 자화 회전을 시작할 때에는 국소적인 자기이방성이 지배적이 되리라 생각된다. 따라서, 국소적인 자기이방성이 강한 상기 자성체 박막에 의하면 높은 강자성 공명 주파수를 얻을 수 있다.
상기 자성체 박막에 있어서는, 특정한 영역내뿐만 아니라 박막 전체에 있어서 자성결정입자의 평균결정사이즈의 관계가 상기 소정 관계를 만족하는 것이 바람직하다. 이 바람직한 예에 의하면 자성체 박막 전체에 균일하게 이방성 자계가 발생하고, 강자성 공명 주파수가 높아질 뿐만 아니라, 자성체 박막내의 자벽수가 감소되기 때문에, 자벽공명도 억제할 수 있다. 따라서, 고주파 대역에 있어서 좀더 뛰어난 연자기특성을 얻을 수 있다.
상기와 같은 평균결정사이즈의 관계는 자성체 박막의 소정 면에 있어서의 자성결정입자 형상의 이방성을 관찰함으로써 확인할 수 있다. 예를들면, 기판과의 경계면과 평행한 면을 자화 회전면으로 하는 자성체 박막의 경우, 이 면에 나타난 자성결정입자의 짧은 쪽 방향은 바람직하게는 소정 방향(제1면 내부방향)으로 배향되어 있다. 한편, 자성결정입자의 긴 쪽 방향은 제1면 내부방향과 직교하는 방향(제2면 내부방향)으로 배향하고 있다. 이와 같은 자성체 박막에 있어서는 제1면 내부방향이 자화 용이축이 되고, 제2면 내부방향이 자화 곤란축이 된다. 제2면 내부방향에 있어서는 자성결정입자간의 상호작용이 상대적으로 낮아지고, 결정자기이방성의 캔슬링도 상대적으로 저하되기 때문이다. 단, 자화 회전면은 자성체 박막의 사용형태에 의존하며, 상기 면 내부방향에 한정되는 것은 아니다.
상기 자성체 박막에 포함된 자성결정입자는 서로 교환상호작용을 미칠 수 있는 결정사이즈를 가지는 것이 바람직하다. 이 자성결정입자의 평균결정사이즈는 바람직하게는 상기 제1방향에 대해 2nm 이상 200nm 이하, 좀더 바람직하게는 2nm이상 100nm 이하이다. 2nm 미만에서는 충분한 자화가 발현되기 힘들어지고, 200nm를 초과하면 결정입자간의 상호작용이 저하된다.
본 발명의 자성체 박막은 그 바람직한 형태에 있어서는, 상기 제1방향 및 상기 제2방향을 포함하는 단면에 있어서, 적어도 하나의 방향을 따르는 자성결정입자의 평균결정사이즈가 2nm 이상 200nm 이하, 보다 바람직하게는 2nm 이상 100nm 이하이고, 자성결정입자중 적어도 하나가 등가인 결정면의 평균방위(결정면의 법선방향)가 소정 방향으로 배향되는 영역을 포함하고 있다. 이와 같은 자성결정입자에 있어서 결정방위의 배향성은 자성결정입자간의 상호작용에 이방성을 초래하게 된다.
이 영역은 상기와 같이 박막내의 제1방향 및 제2방향을 포함하는 면 내부의 직경 100nm 이상의 범위, 좀더 바람직하게는 직경 300nm 이상의 범위를 포함하는 것이 바람직하다. 이와 같이 각 자성결정입자에 있어서 특정한 결정면(예를들면 (110)면)이 국소적으로 배향되는 자성체 박막에 있어서는, 국소적인 자기이방성이 발생한다. 따라서, 상기와 같이 이런 형태의 자성체 박막에 있어서도 높은 강자성 공명 주파수를 얻을 수 있다. 또, 이 자성체 박막에 있어서도, 특정한 영역내 뿐만 아니라, 박막 전체에서 특정한 방향으로의 자성결정입자의 평균결정사이즈가 2nm 이상 200nm 이하이고 특정한 결정면이 소정 방향으로 배향되는 것이 바람직하다.
또, 결정방위가 배향성을 갖는 자성체 박막에 있어서는, 결정자기 이방성에 기인하는 각 자성결정입자의 자화 곤란축도 배향성을 갖는다. 이 자성체 박막에 있어서는 이 자화 곤란축이 자성체 박막의 자화 곤란축을 따라 배향되는 것이 바람직하다. 더욱 강한 자기이방성을 얻을 수 있기 때문이다.
상기에서는 평균결정사이즈 또는 결정방위가 배향성을 갖는 자성체 박막에 대해 설명했으나, 본 발명의 자성체 박막은 평균결정사이즈와 결정방위의 쌍방이 배향성을 갖는 자성체 박막이어도 상관없다. 예를들면, 결정방위가 배향성을 갖는 자성체 박막에 있어서는 평균결정사이즈가 2nm 이상 200nm 이하가 되는 방향이 상기 제1방향인 것이 바람직하다.
본 발명의 자성체 박막은, 예를들면 대략 바늘형상 또는 대략 기둥형상의 자성결정입자를 기판상에 성장시킴으로써 실현할 수 있다. 이 대략 바늘형상 또는 대략 기둥형상의 자성결정입자는 그 긴 쪽 방향이 소정 방향으로 배향되어 있는 것이 바람직하며, 이 배향방향이 기판과의 경계면(기판의 표면)에 대해 경사진 것이 바람직하다.
이 기울기의 정도는 특별히 한정되는 것은 아니지만, 예를들면 기판과의 경계면 법선방향과, 상기 긴 쪽 방향이 이루는 각도에 의해 표시되며, 5°이상 45°이하가 바람직하다.
또, 상기 기울기의 정도는 기판과의 경계면과 수직한 단면에서 관찰하면, 이하의 관계가 성립하는 범위인 것이 바람직하다.
0≤｜αe｜＜｜αh｜＜π/2[rad](90°)
여기서 αe는 자화 용이축과 평행하고 기판과의 경계면과 수직한 단면에 있어서 자성결정입자의 긴 쪽 방향과 상기 경계면의 법선방향이 이루는 각도이며, αh는 자화 곤란축과 평행하고 상기 경계면과 수직한 단면에 있어서 자성결정입자의 긴 쪽 방향과 상기 경계면의 법선방향이 이루는 각도이다.
상기 기울기는 이하의 관계가 성립되는 범위가 더욱 바람직하다.
0≤ ｜αe｜＜｜αh｜ ≤π/4[read](45°)
대략 바늘형상 또는 대략 기둥형상의 자성결정입자가 기판과의 경계면에 대해 기운 상태에서 성장하면, 기판과의 경계면에 대해 평행한 막면(예를들면 박막의 표면)에 있어서는, 자성결정입자가 긴 입자형상으로 관찰된다. 따라서, 박막의 표면에는 바람직하게는 짧은 쪽 방향이 제1면 내부방향으로 배향하고, 긴 쪽 방향이 제1면 내부방향과 직교하는 제2면 내부방향으로 배향된 자성결정입자군이 관찰된다. 이와 같은 형태에 있어서 자화 회전면이 기판과의 경계면과 평행한 면이 되는 경우, 상기에서 설명한 바와 같이, 결정자기 이방성 캔슬링의 강약에 의해 제1면 내부방향은 자화 용이축이 되고, 제2면 내부방향은 자화 곤란축이 된다.
자화 회전면이 기판과의 경계면에 대해 평행한 막면이 되는 경우, 이 면에 있어서의 대략 바늘형상 또는 대략 기둥형상의 자성결정입자의 평균결정폭(결정입자가 짧은 쪽 방향의 평균결정사이즈)은 2nm 이상 200nm 이하가 바람직하고, 2nm 이상 100nm 이하가 좀더 바람직하다.
상기 자성체 박막에 있어서는 기판으로부터의 거리에 의해 결정구조가 변화되는 경우가 있다. 이와 같은 변화를 이용하여 대략 바늘형상 또는 대략 기둥형상의 자성결정입자의 평균결정사이즈를 조정해도 된다. 구체적으로는 기판과의 경계면으로부터(이 경계면의 법선방향으로) 500nm 이하의 범위내에 있어서 자성결정입자의 짧은 쪽 방향의 평균결정사이즈를 d1, 기판과의 경계면으로부터 500nm를 초과하는 범위에 있어서 자성결정입자의 짧은 쪽 방향의 평균결정사이즈를 d2라고 하면 dl＞ d2로 하는 것이 바람직하다.
또, 기판과의 경계면으로부터 500nm를 이하의 범위에서는 자성결정입자의 짧은 쪽 방향의 평균결정사이즈를 2nm 이상 200nm 이하로 하고, 한편 기판과의 경계면으로부터 500nm를 초과하는 범위에서는 자성결정입자의 짧은 쪽 방향의 평균결정사이즈를 2nm 이상 100nm 이하로 하는 것이 바람직하다.
상기 자성체 박막에 있어서는 기판과의 경계면과 평행한 면에 있어서의 자성결정입자간의 간격이 상기 면에 있어서 자성결정입자의 긴 쪽 방향보다 짧은 쪽 방향에 있어서 작은 것이 바람직하다. 즉, 예를들면 박막 표면에 있어서 자성결정입자의 짧은 쪽 방향(제1면 내부방향)의 결정입자 사이보다 긴 쪽 방향(제2면 내부방향)의 결정입자 사이에 개재물이 많아서 짧은 쪽 방향에서는 자성결정입자가 꽉 막혀 있는 상태가 바람직하다. 개재물이 존재하면 자성결정입자간의 교환상호작용이 억제되기 때문이다.
상기 자성체 박막에 있어서는 대략 바늘형상 또는 대략 기둥형상의 자성 결정입자가 아니라, 이와 같은 자성결정입자를 조합하여 형성된 다지형상체(다지형상의 자성결정입자)가 포함되어 있어도 된다. 이 경우에도, 상기와 같이, 다지형상의 줄기부분을 구성하는 주축의 자성결정입자 및 가지부분을 구성하는 대략 바늘형상 또는 대략 기둥형상의 자성결정입자를 기판과의 경계면과 평행한 면에서 관찰했을 때, 그 면 내부에 있어서 자성결정입자간의 상호작용으로 배향성이 발생하는 것이 바람직하다. 따라서, 예를들면 가지부를 구성하는 자성결정입자의 형상, 개수, 성장해 나가는 각도 등이 상기 면 내부방향에 따라 다르도록 다지형상의 자성결정입자를 형성하는 것이 바람직하다.
다지형상의 자성결정입자가 포함되는 경우에는 대략 바늘형상 또는 대략 기둥형상의 자성결정입자와 같이 다지형상체의 줄기부(주축)가 배향되어 있는 방향이 기판에 대해 기울어져 있는 것이 바람직하다.
또, 상기 자성체 박막에 있어서는 특별히 제한되지는 않지만, 기판과의 경계면과 평행한 면을 자화 회전면으로 하는 것이 바람직하다. 또, 자화 회전면으로서 적어도 기판과의 경계면과 수직한 면을 포함하는 것이 바람직하다.
이상에 설명한 자성체 박막에 의하면, 바람직하게는 1T 이상의 높은 포화자속밀도를 유지하면서 자장중 열처리를 행하지 않아도 이방성 자계를 발생시킬 수 있다.
또, 이상에 설명한 자성체 박막은 단층의 박막으로 사용해도 되는데, 목적으로 하는 자기특성에 따라 다른 박막과 적층함으로써 다층 막으로 사용해도 된다.
예를들면, 이와 같은 적층체는 상기 자성체 박막으로 이루어진 자성층과, 산화물, 탄화물, 질화물 및 붕화물로부터 선택되는 것중 적어도 하나를 포함하는 중간막을 포함하는 것이 바람직하다. 중간층은 적어도 자성층과 기판 사이에 형성된다. 특히, 자성층과 중간층을 번갈아 적층한 자성체 박막에 의하면, 강자성 공명주파수의 제어를 쉽게 할 수 있다. 중간막의 절연효과에 의해 자성막내의 과전류를 억제할 수 있기 때문이다. 또, 1층당 막두께를 저감함으로써 자화 회전면으로부터의 자화의 불필요한 상승을 억제할 수 있기 때문에 고주파 대역에서의 뛰어난 자기특성을 실현하는 것이 쉬워진다. 또, 자기헤드, 자기회로부품 등 각종 자기디바이스에서 요구되는 미세가공을 하더라도 자기이방성이 분산되기 어려워진다. 형상이방성이나 내부응력 등이 영향이 미치기 어려워지기 때문이다.
또, 상기 자성체 박막은 중간층에 Mn보다 산화물 생성 에너지 및 질화물 생성에너지중에서 선택되는 적어도 한쪽의 생성에너지가 높은 원소를 5원자% 이상 함유하는 것이 바람직하다. 미세패턴을 형성할 때에도 자성막과 중간충의 에칭레이트 차가 작아져서 미세가공을 하기 쉽기 때문이다. 상기 원소로는, 구체적으로는 Fe, Co, Ni, Cu, Ru, Rh, Pd, Ag, Os, Ir, Pt, Au, Zn 및 Cr중에서 선택되는 적어도 하나의 원소를 이용할 수 있다.
또, 상기 자성체 박막은 중간층과 자성층 사이에 하지층을 포함하고, 상기 하지층이 Fe 및 상기 자성층중에서 선택되는 적어도 한쪽의 표면자유에너지 이하의 표면자유 에너지를 가지는 것이 바람직하다. 이 바람직한 예에 의하면, 중간층의 종류에 상관없이 자성층에 있어서 자성결정입자의 바람직한 형상 또는 사이즈를 실현하기가 쉬워진다. 하지층의 막두께는 0.1nm 이상이 바람직하다. 하지층으로는 Al, Ba, Ca, Mg, Si, Ti, V, Zn, Ga 및 Zr중에서 선택되는 적어도 한가지 원소의 산화물, 질화물, 탄화물 혹은 붕화물 및/또는 C, Al, Si, Ag, Cu, Cr, Mg, Au, Ga 및 Zn중에서 선택되는 적어도 하나의 물질을 이용할 수 있다.
또, 상기 자성체 박막은 중간층과 자성층 사이에 하지층을 포함하고, 상기 하지층이 자성결정입자 및 비정질 자성체중에서 선택되는 적어도 한쪽을 모상으로 하는 것이 바람직하다. 이와 같은 미세결정입자를 이용하면 중간충의 종류에 상관없이 자성층에 있어서 자성결정입자의 바람직한 형상 또는 사이즈를 실현하는 것이 용이해진다. 미세결정입자의 평균결정사이즈는 100nm 이하가 바람직하다. 또, 상기와 같이 하지층의 막두께는 0.1nm 이상이 바람직하다. 또, 하지층에 질소 및 산소 중 적어도 한쪽을 5원자% 이상 함유시키면 자성층과의 경계면이 안정되어 바람직하다.
이상에 설명한 바와 같은 자성체 박막은, 자기센서, 자기회로부품 등의 자기디바이스에 적절히 사용할 수 있으나, 특히 MIG(Metal In Gap) 헤드, LAM헤드(적층형 헤드;Lamination Head) 및 하드디스크용 헤드 등의 자기헤드로서 적절히 사용할 수 있다.
이하, 이와 같은 자기헤드의 예에 대해 도면을 참조하면서 설명한다.
제1도에 도시한 MIG헤드는 페라이트로 이루어진 자기코어(1)의 자기갭(4) 근방에 본 발명의 자성체 박막(2)을 구비하고 있다. 자기갭(4)은 양측에서 유리(3)에 의해 끼워져 있다. 또한, 구멍(6)은 도시하지 않은 전자코일을 통과시키기 위해 형성된 것이다.
제2도에 도시한 LAM헤드는 비자성체(11)에 의해 본 발명의 자성체 박막(16)이 끼워진 구조를 갖추고 있다. 자성체 박막(16)은 절연층(I7)과의 적층체로 사용된다. 이 적층체는 자기갭(12)과 직교하도록 형성되며, 또 적층된 단면이 테이프주행면(13)에 면하도록 배치되어 있다. 이 자기헤드에도 제1도의 자기헤드와 같이, 전자코일을 감기 위한 구멍(14)이 형성된다.
제3도에 도시한 하드 디스크용 헤드는, 기판(40)상에 재생하부실드막(39), 재생하부갭막(38), GMR(Giant Magnetoresistance)막(33) 및 경질자성막(35), 재생상부갭막(34) 재생상부실드막겸 하부기록자극(37), 기록갭막(32)이 차례로 형성되어 있다. 또, 경질자성막(35)과 재생상부갭막(34) 사이에는 GMR부(33)를 향해 양측에서 단자(37)가 끼워진다. 또, 기록갭막(32)상에는 소정의 막두께(42)를 구비하고, 폭을 기록폭(41)으로 하는 상부기록자극(31)이 형성되어 있다.
이와 같이 본 발명의 자성체 박막을 자기헤드, 특히 자성체 박막과 절연층을 적층하여 사용하는 LAM헤드, 페라이트를 코어로 하는 MIG헤드 또는 하드디스크용 기록헤드로서 사용함으로써, 고주파대역에서도 기록 에러가 적은 자기헤드를 얻을 수 있다. LAM헤드에서는, 성막하는 자성체 박막의 이방성 방향을 기판면과 평행한 면 내부방향으로 등방적으로 분산시킴으로써, 뛰어난 고주파대역에서의 특성을 얻을 수 있다. 또, MIG헤드에서는 페라이트 기판면에 대해 평행한 면 내부방향으로 이방성을 부여함으로써 기록재생특성이 향상된다. 또, 하드디스크용 헤드에서는 기판면에 대해 평행한 면 내부방향으로 이방성을 부여함으로써 기록능력이 향상된다.
본 발명의 자성체 박막은 전착법, 초급냉법, 기상성막법 등 종래부터 이용되어 온 어떤 수법을 이용하더라도 실현할 수 있으나, 필요로 하는 막두께가 수십 nm에서 수㎛의 범위일 때에는 저가스압 분위기에 있어서의 기상성막법에 의해 제조하는 것이 바람직하다. 기상성막법으로는, 예를들면 고주파 마그네트론 스퍼터링법(RF스퍼터링법), 직류마그네트론 스퍼터링법(DC스퍼터링법), 대향타겟 스퍼터링법,이온빔 스퍼터링법 등으로 대표되는 스퍼터링법이 바람직하다. 특히 DC마그네트론 스퍼터링법을 이용하면 기판온도가 실온 이하이더라도 성막 직후부터 뛰어난 연자기 특성을 보이는 재료를 얻기가 쉬워진다.
스퍼터링법에 의해 본 발명의 자성체 박막을 형성하기 위해서는, 먼저 포화자속밀도, 연자기특성, 자성 재료의 저항치, 내식성 등을 고려하여 자성체 박막의 조성을 결정하고, 또 조성의 편의를 고려하여 스퍼터링 타겟의 조성을 결정한다. 그리고, 자성체 박막과 합금 타밋을 불활성가스중에서 스퍼터링하여 기판상에 성막하거나 혹은 금속타겟상에 첨가원소 펠릿을 배치하여 이것들을 동시에 스퍼터링하여 성막하거나 혹은 첨가물의 일부를 가스상태에서 장치내에 도입하여 반응성 스퍼터링을 행하며 성막한다. 여기서 방전가스압, 방전전력, 기판의 온도, 기판의 바이어스 상태, 타겟 상측이나 기판 근방의 자장치, 타겟의 형상 및 기판에 대한 입사입자 방향의 어느 한쪽을 변화시킴으로써, 본 발명의 자성체 박막의 구조와 함께 외관의 열팽창계수, 막의 자기특성 등을 제어할 수 있다.
또, 성막한 자성체 박막을 다양한 디바이스로서 가공할 때의 프로세스 온도의 최고치를 고려하여 그 온도에서 내부 응력이 최저가 되도록 성막 직후의 내부응력을 제어하는 것이 바람직하다. 또, 본 발명의 자성체 박막의 자기이방성을 좀 더 높일 필요가 있을 경우, 자장중 열처리나 자계중 성막과 병용하는 것도 가능하다.
사용하는 기판으로는, 예를들면 자성체 박막을 MIG헤드에 가공하는 경우에는 페라이트 기판을 사용하고, LAM헤드에 가공하는 경우에는 비자성 절연기판을 사용한다. 또, IC회로부품으로 사용하는 경우에는 실리콘 웨이퍼 등을 기판으로 사용한다. 각각의 기판에는 필요에 따라 미리 기판과 자성막의 반응 방지, 결정상태의 제어, 부착력 향상 등을 위해 하지층이나 배리어막을 형성해도 된다.
이하. 본 발명을 실시예에 따라 좀더 상세하게 설명하겠는데, 본 발명은 이하의 실시예에 의해 한정되는 것은 아니다. 예를들면, 이하의 실시예에서는 자성체 박막에 열처리를 가하고 있는데 이 열처리는 필수 공정이 아니다.
이하의 실시예중 막 구조는 X선회절(XRD), 투과형 전자현미경(TEM) 및 고분해능 주사형 전자현미경(HR-SEM)을 이용해서 조사했다. 실시예중에서 설명한 자성결정입자란, 주로 TEM의 밝은 시야상과 어두운 시야상의 비교에 의해 결정학적으로 거의 동일한 결정방위를 가진다고 생각되는 연속된 결정영역을 가리킨다. 또, 조성분석은 EPMA(Electron Probe Microanalysis) 및 RBS(래더포드 후방산란분석)를 이용하고, 특히 미소영역의 조성은 TEM에 딸린 EDS(Energy Dispersion Spectroscopy)를 이용해서 조사했다. 또, 항자력은 BH루프 트레이서 및 SQUID(Superconducting Quantum Interference Device)를 이용하고, 포화자속밀도는 VSM(진동시료 자력계)을 이용하고, 수MHz에서 수GHz에 걸친 대역의 투자율은 원 턴 코일을 이용하여 조사했다. 이하 본 발명의 실시예의 상세를 기술한다.
[실시예 1]
본 실시예에 있어서, 자성체 박막은 RF마그네트론 스퍼터링법으로 성막했다. 자성체 박막은 방전가스압, 기판온도, 기판에 대한 입자의 입사각 등 스퍼터링 조건을 변경하고, 또 타겟의 조성, 반응가스의 유량을 변경하여 성막했다. 또, 기판은 타겟으로부터의 누설자장의 영향을 거의 무시할 수 있는 위치에 배치했다. 또, 이하의 각 샘플의 자성체 박막의 막두께는 모두 3㎛으로 했다. 자기특성은 480℃에서의 열처리후에 측정했다. 결과를 표 1에 나타냈다.
· 샘플aa∼az, ba∼bz, ca-cf는 다음의 조건에서 성막했다.
기판:비자성 세락믹스기판, 3mm직경의 원반형상
기판 입사각:0도, 15도 또는 30도
기판 온도:실온
자성막 타겟:합금 타겟
타겟 사이즈:3인치
방전가스압:.1-4mTorr
스퍼터 주(主)가스:Ar
질소 유량비:2∼4%
산소 유량비:0∼2%
방전 전력:400W
또, 기판입사각은 기판표면의 법선과 스퍼터링된 입자가 기판에 입사되는 방향 사이의 각도에 의해 표시한다.
· 샘플dg∼dj는 상기 조건에서 다음의 조건을 변경하여 성막했다.
자성막 타겟:표중에 기재한 원소로 이루어진 합금 타겟
질소 유량비:2∼4%→0%로 변경
산소 유량비:0∼2%→0%로 변경
· 샘플dk∼dm은 상기 조건에서 다음의 조건을 변경하여 성막했다.
기판온도:실온→300℃로 변경
표 1에 나타낸 이방성 자계는 기판 표면과 평행한 방향(박막의 표면과 평행한 방향)에 있어서 직교하는 2방향에서 측정한 포화자계 차이의 최대치를 나타낸 것이다.
얻어진 자성체 박막의 기판 표면과 수직한 막단면을 관찰하면, 자성체 박막은 대략 바늘형상 또는 대략 기둥형상으로 성장한 자성결정입자군을 모상이라 하고 있다. 또, 이 자성결정입자군은 기판에 대한 입자의 입사각 방향으로 성장하고 있다.
입사각을 15도 또는 30도로 형성한 샘플aa∼cf 박막의 표면을 관찰하면, 자성결정입자군은 긴 쪽 방향이 일정한 방향으로 배향된 긴 입자 형상의 집합체로서 관찰되었다. 이 때 자성결정입자의 긴 쪽 방향이 자화 곤란축에, 짧은 쪽 방향이 자화 용이축에 대응하고 있다.
자성결정입자는 입사각을 15도 내지 30도로 크게 함으로써, 더욱 기울어서 성장하며, 그 결과 박막 표면에서 관찰되는 자성결정입자군의 장단변 비율은 확대되었다. 또, 표 1에 나타낸 바와 같이, 입사각을 크게 함에 따라서 이방성 자계도 커졌다. 그러나, 입사각을 45도보다 크게 하면 장단변 비율은 반대로 작아지고, 이방성 자계도 작아지는 경향을 보였다. 또, 입사각이 90도에 가까워짐에 따라 연자기 특성이 열화되는 경향이 관찰되었다. 따라서, 기판에 대한 입자의 입사각은 5도 이상 45도 이하가 바람직하다.
또, 입사각을 15도 또는 30도로 형성한 샘플aa∼cf 기판과 평행한 막면에 있어서, 자성결정입자의 평균결정폭(짧은 쪽 방향의 평균결정사이즈)은 2nm∼100nm이었다. 이 평균결정폭은 박막의 두께에 따라 변화하며, 기판표면으로부터 500nm 이하의 영역에서는 2nm∼200nm의 범위인데 반해, 기판표면으로부터 500nm를 넘는 영역에서는 2nm∼100nm의 범위였다.
한편, 샘플dg 및 dh의 평균결정폭은 25Onm∼300nm 정도이고, 샘플dk~dm의 평균결정폭은 210nm∼230nm 정도였다. 또한, 샘플di 및 dj에 있어서는 비정질상이 관찰되며 함유된 결정입자의 결정폭은 최대 2nm정도였다. 이들 샘플에서는 입사각을 조정해도 강한 이방성 자계는 얻어지지 않았다. 이와 같이 평균결정폭이 2nm∼200nm인 것이 이방성 자계를 발생시키기 위해 바람직하다는 것이 확인되었다.
커다란 이방성 자계를 나타내는 입사각을 30도로 형성한 샘플aa∼cf의 자성체 박막을 기판 표면과 수직하고 자성결정입자의 성장방향과 평행한 막단면에서 관찰하면, 셰도 효과에 의한 것이라 생각되는 결정입자간의 간격이 관찰되었다. 이 결정입자의 간격에는 이방성이 있으며, 상기 자성체 박막을 기판과 평행한 막단면에서 관찰하면, 상기 간격의 영향으로 인해 자성결정입자의 긴 쪽 방향에 있어서의 결정입자간의 간격이 짧은 쪽 방향에 있어서 결정입자간의 간격보다 커졌다. 바꿔말하면 자성결정입자는 짧은 쪽 방향에 있어서 보다 빈틈없이 패킹되어 있는 상태였다. 표 1에 나타낸 결과를 보았을 때 이와 같은 결정입자의 패킹상태의 이방성도 이방성 발현에 기여하고 있다고 생각된다.
또, 샘플aa∼cf(기판입사각 0°를 제외한다)의 자성체 박막의 포화자속밀도는 1.3∼1.9T였다.
이상의 샘플에 있어서 O, N을 B, C로 일부 치환 혹은 전부 치환한 경우에도 거의 같은 자기특성과 결정구조의 상관을 얻을 수 있었다.
또 상기 자성체 박막을 DC마그네트론 스퍼터링법으로 제조했던 바, 방전 가스압을 0.5∼2mTorr, 투입전력을 100W로 변경함으로써, 거의 같은 조성과 결정구조를 얻을 수 있으며, 또 이 방법에 의해 성막한 자성체 박막은 성막 직후부터 이방성 자계와 뛰어난 연자기 특성을 보이는 것이 확인되었다. 또, 이들 자성체 박막은 520℃의 열처리후에도 연자기 특성을 보였다. 또, 이들 자성체 박막의 이방성 자계는 막두께가 30nm 정도까지 얇아진 경우에토 똑같이 관찰되었다.
[실시예 2]
본 실시예에 있어서는 실시예 1에서 제조한 자성체 박막의 미세가공에 따른 자기이방성 변화를 조사했다. 가공후의 자성체 형상은 3×3×3㎛으로 했다. 또, 본 실시예에 있어서는 기판면 내방향 및 기판면 수직방향의 포화자계를 측정하고, 자화 곤란축 방향의 값에서 자화 용이축 방향의 값을 뺌으로써 이방성 자계를 구했다. 포화자계의 측정에는 SQUID를 이용했다. 결과를 표 2에 나타냈다.
· 실시예 1의 샘플al∼as(기판입사각:0도 또는 15도)를 다음의 조건에서 가공했다.
기판:비자성 세라믹 기판
가공법:다이싱 소
막형상:3×3×3㎛
절삭각:기판면과 수직
측정방위:X축(가공전 막상태에서의 막면 내부 자화 곤란축 방향)
측정방위:Y축(가공전 막상태에서의 막면 내부 용이 자화축 방향)
측정방위:Z축(가공전 막상태에서의 막면수직방향)
이방성자계: ｜X축의 포화자계-Y축의 포화자계｜, X-Y로 표기
｜Z축의 포화자계-Y축의 포화자계｜, Z-Y로 표기
여기서 막면이란 기판표면과 평행한 면이다.
또, 비교를 위해 실시예 1의 샘플dg(기판입사각:15도)을 상기와 같이 가공했다.
또, 실시예 1의 샘플di 및 dj(기판입사각:15도)를 성막 직후에 자장중에서 열처리하여 각각 60e, 70e의 이방성 자계를 부여하고, 샘플ea 및 eb로 했다.
표 2에 나타낸 바와 같이, 기판 표면에 대해 자성결정입자가 비스듬하게 성장한 자성체 박막을 가공한 자성체(입사각이 15도인 샘플al∼as)는 자화 용이축 방향을 Y축으로 하면 그것과 직각으로 교차하는 X축 및 Z축 방향 모두 자화 곤란축이 된다. 이와 같은 자성체에 있어서는 X축의 자기이방성이 비교적 작기 때문에, X축 방향에 외부 자계를 부여하면 자화 회전은 주로 XY면 내부에서 일어난다. 따라서, 입사각이 15도의 샘플al∼as는 막면 내부에서 높은 투자율이 필요한 고주파용 디바이스의 자성 부분에 적합하다.
한편, 기판표면에 대해 자성결정입자가 수직으로 성장한 자성체 박막을 가공한 자성체(입사각 0도의 샘플al∼as)에서는 X축, Y축 모두 자화 용이축으로 간주하게 하기 때문에 막면수직방향으로 높은 투자율이 필요한 고주파용 디바이스의 자성부분에 적합하다.
샘플dg에서는 Z축방향의 이방성 자계는 비교적 크지만, 용이 자화 방향의 자성결정폭이 100nm보다 상당히 두껍기 때문에, 충분한 세기의 이방성 자계가 발현되지는 않는다. 또, 샘플ea 및 eb와 같이, 자장중 처리한 비정질 자성체는 미세가공 전에 6 또는 70e였던 이방성 자계가 가공후에 작아지고 있다. 이와 같이 자장중의 열처리에 의해 부여한 이방성 자계는 미세가공한 후 저하의 정도가 크다.
이방성 자계가 강한 입사각 0도의 샘플al∼as에서는 자화 곤란축 방향인 z축 방향을 따르는 평균결정방위가 ＜110＞ 축이고, 자화 용이방향인 X축, Y축 방향에 대해서는 무배향상태였다. 이와같이 자성결정입자의 소정 결정축(결정면)이 일정한 방향으로 배향되어 있는 것이 이방성 자계의 발현을 위해서는 좀더 바람직하다. 또, 입사각 15도의 샘플al∼as에서는 입사각 0도의 샘플al∼as과는 달리, 기판면과 수직방향으로 배향되어 있는 면이 (110)면으로부터 편의되어 있다. ＜110＞ 축은 결정자기이방성의 자화 곤란축 방향이다. 따라서, 강한 이방성을 발현하기 위해서는 자성체의 자화 곤란축 방향과, 자성체를 구성하는 자성결정입자의 결정자기이방성의 자화 곤란축 방향과의 일치가 바람직하다는 것을 알 수 있다.
[실시예 3]
본 실시예에서는 RF마그네트론 스퍼터링법을 이용하여 성막한 자성체 박막에 대해 방전가스압 등의 스퍼터링 조건에 의해 변화하는 결정형상 등의 막구조와 자기특성의 관계를 조사했다. 결과를 표 3에 정리해서 나타냈다. 결정형상은 SEM 또는 TEM에 의한 관찰로 평가했다. 또, 이하 샘플의 막두께는 3㎛으로 하고, 자기 특성은 520℃ 진공중에서의 열처리후의 값이다. 또, 이방성 자계의 값은 하기에 조건으로 나타낸 바와 같이 타겟의 긴 쪽 방향의 포화자계로부터 짧은 쪽 방향의 포화자계를 뺀 차이에 의해 나타냈다.
· 샘플은 다음의 조건에서 성막했다.
기판:비자성 세라믹 기판, 자기 측정시에는 3mm 직경의 원반형상으로 가공
기판 온도:수냉
자성막 타겟:FeAlSiTi합금 타겟
타겟 사이즈:5인치 x 15인치
방전가스압:2 ∼8mTorr
스퍼터 주가스:Ar
질소 유량비:2%
산소 유량비:1%
방전 전력:2kW
샘플ja∼jc에 있어서는 대략 바늘형상 또는 대략 기둥형상의 자성결정입자 및 대략 기둥형상부 또는 대략 바늘형상부의 결정입자에 의해 구성되는 다지형상의 자성결정입자를 모상으로 하는 구조를 가지고 있다. 표 3에 나타낸 바와 같이, 방전가스압이 높아짐에 따라서, 타겟이 긴 쪽 방향을 자화 곤란축으로 하고, 짧은 쪽 방향을 자화 용이축으로 하는 이방성 자계가 강해졌다.
이들 샘플막의 자화 용이축 및 자화 곤란축과 평행한 단면에서 구조를 비교했던 바, 어떤 단면이라도 가스압이 높아질수록 다지형상의 주축(줄기부)으로부터 성장하고 있는 가지부의 체적, 개수 및 줄기부와 가지부가 이루는 각의 크기중 어느 하나가 커지고 있으며, 그 경향은 자화 곤란축 방향에서 좀더 강하게 보여졌다.
또, 대략 바늘형상 또는 대략 기둥형상의 자성결정입자의 평균결정폭(짧은 쪽 방향의 평균결정사이즈)는 2∼100nm의 범위에 들어갔다. 평균결정폭은 가스압이 높을수록 커지는 경향이 있다. 또, 기판표면근방 500nm까지의 영역에서는, 다지형상은 작고 기판 표면의 법선방향에 대해 비스듬하게 성장한 기둥형상 결정이 많이 관찰되었다. 이 기판면에 대한 기둥형상결정의 성장방향은 일정하지 않으며, 그 평균결정폭은 2-200nm의 범위에 들어갔다.
한편, 샘플jd∼if, ka 및 kc에 있어서는 자성결정입자가 대략 바늘형상 또는 대략 기둥형상의 결정입자만으로 구성되어 있다. 샘플kc에서는 이방성 자계는 크지만, 항자력이 높아서 연자기 특성이 열화되었다. 샘플kc 결정입자의 형상은 기둥형상이고, 이 기둥형상의 결정폭은 200nm를 초과하였다. 한편 샘플ka은 바늘형상의 결정입자에 의해 구성되어 있다.
또, 모든 샘플의 포화자속밀도는 1.3∼1.4T였다.
샘플ja∼jf의 기판 표면과 평행한 면의 구조를 어두운 시야에서 관찰했던바, 10Onm 정도 이상의 길이를 가진 영역에 있어서, 결정 방위가 일치하는 결정입자 단면이 점재되어 있으며, 이것은 다지형상을 이루는 자성결정입자의 줄기부 및 가지부의 결정입자 단면임이 확인되었다. 또, 이 결정입자 단면은 기판의 긴 쪽 방향(타겟의 긴 쪽 방향)을 따라 길어졌다. 이와 같이 상기 샘플에서는 기판 표면과 평행한 면(자화 회전면)에 있어서, 평균결정사이즈가 이방적인 분포를 가지고 있다.
또, 기판 표면과 평행한 면에 있어서의 결정입자 단면의 어두운 시야상의 회절선이 이 면과 거의 수직한 결정면으로부터 전자선 회절인 것을 고려하면, 자화회전면과 평행한 면 내부에 있어서의 일정한 영역(예를들면 적어도 100nm의 범위를 포함하는 영역)에 있어서 결정방위가 면 내부의 방향에 대해 이방적인 분포를 가지는 것이 이방성 발현을 위해서는 바람직하다.
또, 자화 곤란축 방향에서는, 막면 내부에 있어서 이 방향으로 이방성을 가지며 성장한 다지형상의 자성결정입자에 의해 결정방위가 비교적 고른 영역이 형성되었다. 이와 같이 자화 곤란축 방향을 따르는 평균결정방위가 자화 용이축 방향을 따르는 평균결정방위보다 높은 배향성을 가지는 것이 바람직하다.
또, 자성결정입자의 다지형상은 기판에 입사하는 입자의 입사각이 주기적으로 변화하는, 예를들면 기판과 타겟이 상대적으로 이동하면서 성막하는 수단을 이용하더라도 실현할 수 있음이 확인되었다. 이 경우, 이동방향 및 타겟의 형상으로부터 기판에 입사하는 입자의 입사각에 이방성을 부여하는 것이 중요하다. 예를들면 기판에 대해 타겟이 회전하는 카르셀 타입의 스퍼터링 장치를 이용하는 경우, 입사입자는 90도보다 작아지지 않으면 충분한 이방성을 얻을 수 없다는 것이 확인되었다.
또, 상기에서 나타낸 원소로 이루어진 자성체 박막 이외에 실시예 1에서 나타낸 조건에서 제조할 수 있는 자성체라도 상기와 같은 결과를 얻을 수 있다는 것이 확인되었다. 이와 같이 본 발명의 자성체 박막의 특성은 조성 의존성이 아니라 구조의존성 효과에 의하는 바가 크다. 또, 다지형상의 주축이 기판면에 대해 비스듬하게 배향성을 부여해도 이방성은 증대할 수 있음을 확인했다.
또, 상기 자성체 박막을 DC마그네트론 스퍼터링법으로 제조했던 바, 거의 같은 조성과 결정구조를 얻을 수 있으며, 더욱이 이 방법에 의해 성막한 자성체 박막은 성막 직후부터 이방성 자계와 뛰어난 연자기 특성을 보이는 것이 확인되었다.
또, 이들 자성체 박막은 500℃의 열처리후에도 연자성 특성을 나타냈다. 또, 이들 자성체 박막의 이방성 자계는 막두께가 30nm 정도까지 얇아진 경우에도 똑같이 관찰되었다.
[실시예 4]
본 실시예에서는 RF마그네트론 스퍼터링법을 이용하여 방전가스압, 기판온도등, 기판입사각의 스퍼터조건 및 첨가원소, 반응가스유량비를 바꿔서 조성 및 결정형상 등의 막구조, 공명 주파수를 조사했다. 또, 기판은 타겟으로부터의 누설 자장의 영향을 거의 무시할 수 있는 위치에 배치하여 성막했다. 또, 공명 주파수는 μ”가 최대가 되는 주파수로 했다. 표 4의 강자성 공명 주파수의 계산치(fk)는 100nm 단층막의 이방성 자계와 포화 자화를 이용하여 다음식에 의해 구했다.
fk= (γ/2π) (4πMs · Hk)1/2
· 샘플fl∼fs는 다음 조건에서 성막했다.
구성:표중의 자성체(막두께:100nm)와, Al203(막두께:50nm)의 적층막(자성층 2층, 비자성층은 하지층을 포함하여 2층, 자성층/하지층/Al203층/자성층/하지층/Al203층/기판)
기판:비자성 세라믹기판, 10mm 직경의 원반형상
기판입사각:15도
기판온도:실온
자성막 타겟:합금 타겟
타겟 사이즈:3인치
방전가스압:3mTorr
스퍼터 주가스:Ar
질소 유량비:2∼4%
방전 전력:400W
· 샘플gl∼gs는 다음의 조건에서 성막했다.
구성:표중의 자성체(막두께:100nm)와, Al203(막두께:50nm)의 적층막(자성층 2층, 비자성층은 하지층을 포함하여 2층, 자성층/하지층/Al2O3층/자성층/하지층/Al203층/기판)
기판:비자성 세라믹기판, 10mm 직경의 원반형상으로 가공
기판온도:수냉
자성막 타겟:합금 타겟
타겟 사이즈:5인치×15인치
방전가스압:5mTorr
스퍼터 주가스:Ar
질소 유량비:2∼4%
방전 전력:2kW
또, 비교를 위해 상기와 같은 조건에 의해 다음 구성의 막도 성막했다(표 4에서는 「단층막」으로 나타냈다).
구성:표중의 자성체 단층막(막두께:100nm), 하지층, Al203층(막두께:50nm), (자성층/하지층/Al203층/기판)
여기서 하지충은 표중 자성체의 질화물로 이루어진 미결정 및 비정질에 의해 구성되는 두께 1nm의 층으로 했다.
자성체 박막은 샘플f1∼fs에 대해서는 대략 바늘형상 또는 대략 기둥형상의 자성결정입자가 입사되어 오는 방향으로 성장했다. 한편, 샘플gl -gs에 대해서는 대략 바늘형상 또는 대략 기둥형상의 자성결정입자 및 이것들이 조합된 다지형상의 자성결정입자가 다지형상의 주축(줄기부)이 기판면으로 기울어지도록 성장하였다. 특히 타겟의 중앙부에 대향하는 위치에 배치된 기판에 성막된 것에 관해서는 줄기부가 타겟의 긴 쪽 방향으로 비교적 무작위로 기울어서 성장하였다.
상기 샘플에 있어서, 평균결정폭은 2∼200nm의 범위였다. 표 4의 결과에서 단층막의 μ”의 최대주파수는 계산치와 거의 일치하는 값이 되고 있음을 알 수 있다. 한편, 중간측과 적층된 자성체 박막은 계산치의 강자성 공명 주파수보다 높은 공명 주파수를 얻을 수 있다. 이와 같이 자성층을 중간층과 적층하면 자성체 박막의 강자성 공명 주파수가 단층 막보다 커지는 효과를 얻을 수 있다.
또, 상기 자성체 박막을 리프트 오프법을 이용해서 50㎛×2000㎛×막두께의 단책형상으로 가공하고, 각각 μ”가 최대가 되는 주파수를 조사했던 바, 10mm 직경의 샘플에 비해 단층 샘플에서는 μ”가 넓게 확대되었다. 이와 같이 중간층과의 적층 구조는 자성체 박막의 미세가공시에도 일축내부응력 등의 자기이방성 분산 요인을 저감시킬 수 있다.
중간층 및 자성층의 두께를 변화시켜서 그 적층효과를 조사했던 바, 사용하는 주파수가 수백 MHz∼수 GHz대인 경우, 재료의 저항율에 의해서도 변화하지만, 자성체 두께가 10nm∼3㎛의 범위, 또 중간층의 두께가 1nm∼100nm의 범위에서 적층효과가 있음이 확인되었다. 특히 GHz대에서는 중간층 두께는 10∼100nm인 것이 효과적이다.
중간층 재료로는 사용주파수대에 있어서 최초투자율이 10 이하인 재료가 바람직하고, 또 저항이 200μΩ㎝ 이상의 탄화물, 산화물, 질화물, 또는 붕화물이 특히 바람직하다. 특히 Al, Ba, Ca, Mg, Si, Ti, V, Zn, Ga 및 Zr중에서 선택되는 적어도 한가지 원소의 탄화물, 붕화물, 산화물 또는 질화물이 바람직하다. 또, 평균결정입자직경이 100nm 이하의 미결정 자성체 또는 비정질 자성체를 중간층 또는 하지층(자성층 바로 아래에 형성하는 층)으로 이용하는 경우, 본 발명의 효과를 얻기 위해 바람직한 결정구조를 실현하기가 쉽다. 또, 이들 물질을 단층 자성층의 하지층으로 이용하는 경우에도 같은 효과가 확인되었다.
또, 평균결정입자직경이 100nm 이하의 미결정 자성체, 혹은 비정질 자성체중에 질소 또는 산소를 5원자% 이상 함유시키면, 자성층과의 경계면이 안정된다. 또, 하지층의 두께로는 성막하는 기판의 평탄화에도 따르지만, 0.1nm∼30nm의 범위로 하면 상기 바람직한 평균결정폭을 가진 자성체의 결정구조를 얻기가 쉽다.
다음에 표중의 실시예 샘플의 중간층(Al203)중에 Fe, Co, Ni, Cu, Ru, Rh,Pd, Ag, Os, Ir, Pt, Au, Zn, Cr 등의 Mn보다 산화물 또는 질화물생성자유에너지가 높은 원소가 1∼10원자% 정도 함유되도록 제조했다. 각각의 샘플을 RIE(반응성 이온 에칭)를 이용해서 1㎛×1㎛×막두께의 형상으로 가공했던 바, Al203만의 중간층을 가진 샘플에서는 자성막과 중간층의 에칭레이트 차이로 인한 단차가 약간 발생했다. 한편, 상기 원소를 첨가한 중간층에 있어서는, 특히 첨가원소량이 5원자% 이상의 샘플에 있어서 상기 단차형상을 충분히 적게 할 수 있다. 이와 같이 Mn보다 산화물 또는 질화물생성자유에너지가 높은 원소의 첨가에 의해 미세가공시의 형상제어가 쉬워진다는 것이 확인되었다.
[실시예 5]
제1도와 같은 MIG헤드를 제조했다. 결과를 표 5에 나타냈다.
· 헤드 사양
트랙폭:17㎛
갭 깊이:12.5㎛
갭 길이:0.2㎛
턴수N:16
페라이트상의 배리어막:알루미나 3nm
자성막두께:4.5㎛
· C/N특성
상대속도=10.2m/s
기록재생주파수=20.9MHz
테이프:MP테이프
· 자성체부의 제조 조건
· 실시예 A
기판:페라이트 기판
기판 입사각:0도 또는 15도
기판 온도:실온
자성막 타겟:복합 타겟
타겟 사이즈:3인치
방전가스압:3mTorr
스퍼터 주가스:Ar
질소유량비:2∼4%
방전전력 :400W
· 실시예 B
기판:페라이트 기판
기판 온도:수냉
자성막 타겟:합금 타겟
타겟 사이즈: 5인치×15인치
방전가스압:5mTorr
스퍼터 주가스:Ar
질소유량비:2~4%
방전전력:2kW
실시예 A는 제1도에 나타낸 페라이트부에 대해 입사각을 15도로 함으로써 막면내부에 자기이방성을 형성한 것이지만, 이 경우의 헤드 출력은 자화 곤란축이 막면내부에 형성되어 있으면, 그 방향으로 거의 영향을 받지 않아서 우수한 값을 나타냈다. 그러나, 실시예 A에서 기판에 대한 입사각을 0도로 한 경우의 헤드 출력은 분명히 낮아졌다. 또, 실시예 B에서 자성막은 대략 기둥형상 또는 대략 바늘형상, 또는 다지형상을 가진 자성체가 막면 내부에서 자기이방성을 가지도록 성막되어 있다. 이 경우에도 실시예 A에서 입사각을 15도로 했을 때와 같이, 출력 향상이 확인되었다. 또, 상기 조성 이외에도 상기의 결정구조를 가진 자성체 박막을 사용함으로써 헤드 출력이 향상되는 것도 확인되었다.
다음에 제2도와 같은 LAM형 헤드를 제조했다. 사용한 자성체는 실시예 1에서 사용한 샘플aa∼cf(입사각 15도)의 자성체로 했다. 다음에, 두께 500nm의 상기 자성체와 두께 5nm의 Al2O3를 번갈아 적층하고, 3㎛의 자성체 박막(제2도의 16)을 제조했다. 또, 이 자성체 박막과 두께 150nm의 Al203(제2도의 17)를 번갈아 적층하여 전체적으로 약 19㎛의 두께를 가진 적층자성체(A타입)를 제조했다.
또, 구성되는 자로(磁路)내의 면 내부 이방성이 동일방향이 되도록 자성체 박막을 성막했다. 이 두께 3㎛의 면 내부 이방성 방향이 가지런한 자성체 박막을 서로의 자화 곤란축 방향이 60도씩 편의되도록 두께 150nm의 Al203와 적층함으로써, 전체적으로 약 19㎛의 두께를 가진 적층 자성체(B타입)를 제조했다. 각각의 적층체를 사용한 LAM헤드의 기록재생특성의 주파수 의존성(10MHz 내지 40MHz)을 조사했던 바, B타입의 적층자성체를 사용한 헤드에서는, 모두 2∼3dB 높은 값을 나타냈다. 또, 자성체 박막(16)으로서 면 내부에서 자기이방성을 나타내는 다지형상의 자성결정입자를 포함하는 자성체를 Al203와 적층한 헤드에 관해서도 면 내부에서 자기이방성이 등방이 되도록 제조하면 뛰어난 기록재생특성을 얻을 수 있었다.
다음에, 제3도에 나타낸 바와 같은 하드디스크용 헤드를 제조했다. 자극(磁極)(31)에 상기 실시예 1 및 실시예 3에 있어서 바람직한 특성이 얻어진 본 발명의 두께 200nm∼1000nm의 자성체 박막과, 두께 5∼50nm의 Al203또는 SiO2를 번갈아 적층하고, 전체적으로 두께 4㎛(도면중 42에 상당)으로 한 적층 자성체를 사용했다. 또, 기록폭(41)은 500nm로 했다. 각각의 자성층은 자화 곤란축이 제3도에 있어서의 면수직방향이 되도록 성막했다. 이렇게 해서 얻어진 헤드 모두에서 고기록 밀도를 실현할 수 있다.
또, 본 발명의 자기이방성을 가진 자성체 박막은 하드디스크용 헤드의 재생상부 실드막겸 하부 기록자극(36) 혹은 재생하부실드막(39)에 사용함으로써, 비트에러가 좀더 적은 자기기록헤드를 실현할 수 있다. 또, Al203또는 SiO2중에 Mn보다 산화물 또는 질화물생성자유에너지가 높은 원소를 5원자% 이상 함유시킴으로써 헤드의 형상 가공이 좀더 용이해지는 것이 확인되었다.
이상과 같이 본 발명의 자성체 박막에서는 자성결정입자를 모상이라 하고, 제1방향을 따르는 자성결정입자간의 자기적인 상호작용이 제1방향과 직교하는 제2방향을 따르는 자성결정입자간의 자기적인 상호작용보다 큰 자성체 박막으로 함으로써, 종래의 자장중 열처리법이나 자계중 성막법을 이용하지 않고, 고포화 자속밀도를 가진 연자성체에 대해 높은 일축이방성을 부여할 수 있다. 그 결과 자성체 박막내의 자벽수를 감소시켜서 강자성 공명 주파수를 높이는 것이 가능해지며, 고주파 자기 디바이스에서 요구되는 수 MHz에서 수 GHz에 이르는 고주파대역에 있어서도 뛰어난 연자기 특성을 얻을 수 있다. 또한, 본 발명의 구조를 가진 자성체 박막을 자기헤드의 메탈코어에 사용함으로써, 고주파 대역에서의 자기 기록의 에러 레이트를 현저하게 개선시킬 수 있다.

Claims (21)

  1. 자성결정입자를 모상으로 하는 자성체 박막에 있어서, 제1방향을 따르는 상기 자성결정입자의 평균결정사이즈가 이 제1방향과 직교하는 제2방향을 따르는 상기 자성결정입자의 평균결정사이즈보다 작은 영역을 포함하고, 상기 제1방향을 따르는 자화를 사이 제2방향을 따르는 자화보다 작은 외부 자계에 의해 실시할 수 있는 것을 특징으로 하는 자성체 박막.
  2. 제1항에 있어서, 상기 제1방향을 따르는 자성결정입자의 평균결정사이즈가 2nm 이상 200nm 이하인 것을 특징으로 하는 자성체 박막.
  3. 제1항에 있어서, 상기 영역내에 있어서의 상기 제1방향 및 상기 제2방향을 포함하는 단면에 있어서 적어도 하나의 방향을 따르는 자성결정입자의 평균결정사이즈가 2nm 이상 200nm 이하이고, 상기 영역내에서 자성결정입자중 적어도 하나가 같은 결정면의 평균방위가 소정 방향으로 배향하고 있는 것을 특징으로 하는 자성체 박막.
  4. 제3항에 있어서, 자성결정입자의 결정자기이방성에 기인하는 자화 곤란축이 자성체 박막의 자화 곤란축을 따라 배향되어 있는 것을 특징으로 하는 자성체 박막.
  5. 제1항에 있어서, 상기 영역이 상기 제1방향 및 상기 제2방향을 포함하는 면에서 직경이 100nm 이상의 범위를 포함하는 것을 특징으로 하는 자성체 박막.
  6. 제1항에 있어서, 대략 바늘형상 또는 대략 기둥형상의 자성결정입자를 포함하는 것을 특징으로 하는 자성체 박막.
  7. 제6항에 있어서, 상기 자성결정입자의 긴 쪽 방향이 소정 방향으로 배향되어 있는 것을 특징으로 하는 자성체 박막.
  8. 제7항에 있어서, 상기 자성결정입자의 긴 쪽 방향이 배향되어 있는 방향이 기판과의 경계면에 대해 기울어져 있는 것을 특징으로 하는 자성체 박막.
  9. 제8항에 있어서, 상기 자성결정입자의 긴 쪽 방향이 배향되어 있는 방향과, 기판과의 경계면 법선방향이 5°이상 45°이하의 각도를 가진 것을 특징으로 하는 자성체 박막.
  10. 제8항에 있어서, 자화 용이축과 평행하고 기판과의 경계면과 수직한 단면에 있어서 자성결정입자의 긴 쪽 방향과 상기 경계면의 법선방향이 이루는 각도를 αe, 자화 곤란축과 평행하고 상기 경계면과 수직한 단면에 있어서 상기 긴 쪽 방향과 상기 법선방향이 이루는 각도를 αh라 하면, 이하의 관계가 성립되는 것을 특징으로 하는 자성체 박막.
    0≤ ｜αe｜＜｜αh｜ ＜π/2[rad]
  11. 제7항에 있어서, 기판과의 경계면과 평행한 면에 있어서 자성결정입자간의 간격이 자성결정입자의 짧은 쪽 방향보다 긴 쪽 방향에 있어서 큰 것을 특징으로 하는 자성체 박막.
  12. 제1항에 있어서, 적어도 2개의 대략 바늘형상 또는 대략 기둥형상의 자성결정입자로 이루어진 다지형상체를 포함하는 것을 특징으로 하는 자성체 박막.
  13. 제1항에 있어서, 기판과의 경계면으로부터 500nm 이하의 범위에 있어서 자성결정입자의 짧은 쪽 방향의 평균결정사이즈를 d1, 기판과의 경계면으로부터 500nm를 넘는 범위에 있어서 자성결정입자의 짧은 쪽 방향의 평균결정사이즈를 d2라 하면, d1＞d2의 관계가 성립하는 것을 특징으로 하는 자성체 박막.
  14. 제1항에 있어서, 기판과의 경계면으로부터 500nm 이하의 범위에 있어서 자성결정입자의 짧은 쪽 방향의 평균결정사이즈가 2nm 이상 200nm 이하이고, 기판과의 경계면으로부터 500nm를 넘는 범위에 있어서는 자성결정입자의 짧은 쪽 방향의 평균결정사이즈가 2nm 이상 100nm 이하인 것을 특징으로 하는 자성체 박막.
  15. 제1항에 있어서, 기판과의 경계면과 평행한 면을 자화 회전면으로 하는 것을 특징으로 하는 자성체 박막.
  16. 제1항에 있어서, 자화 회전면으로서 적어도 기판과의 경계면에 수직한 면을 포함하는 것을 특징으로 하는 자성체 박막.
  17. 청구항 1에 기재한 자성체 박막으로 이루어진 자성층과 산화물, 질화물, 탄화물 및 붕화물중에서 선택되는 적어도 하나를 포함하는 중간층을 포함하는 것을 특징으로 하는 자성체 박막.
  18. 제17항에 있어서, 상기 중간층에 Mn보다도 산화물 생성 에너지 및 질화물 생성에너지중에서 선택되는 적어도 한쪽의 생성에너지가 높은 원소를 5원자% 이상 함유하는 것을 특징으로 하는 자성체 박막.
  19. 제17항에 있어서, 상기 중간층과 상기 자성층 사이에 하지층을 포함하며, 상기 하지층이 Fe 및 상기 자성층중에서 선택되는 적어도 한쪽의 표면자유에너지 이하의 표면자유 에너지를 가진 것을 특징으로 하는 자성체 박막.
  20. 제17항에 있어서, 상기 중간층과 자성층 사이에 하지층을 포함하고, 상기 하지층이 자성결정입자 및 비정질 자성체중에서 선택되는 적어도 한쪽을 모상으로 하는 것을 특징으로 하는 자성체 박막.
  21. 제1항 내지 제20항의 어느 한항에 기재된 자성체 박막을 포함하는 것을 특징으로 하는 자기 헤드.
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