(57)【要約】【課題】  膜厚が小さい薄膜に適用する場合でも高い磁歪λｓを持つ薄膜磁歪素子を提供することを目的とする。【解決手段】  薄膜を有する薄膜磁歪素子である。薄膜はＦｅ，Ｃｏ，ＴｂおよびＯを主に含む。薄膜が表面傾斜組成膜と、内部均一組成膜と、内部傾斜組成膜と、を有する。薄膜が形成される基板から薄膜の最表面に向かって、内部傾斜組成膜、内部均一組成膜、表面傾斜組成膜の順番に位置する。内部均一組成膜は、内部傾斜組成膜および表面傾斜組成膜と接する。（Ｃｏ濃度＋Ｆｅ濃度）／（Ｔｂ濃度）で算出される原子数比を（Ｃｏ，Ｆｅ）／Ｔｂとして、内部均一組成膜における（Ｃｏ，Ｆｅ）／Ｔｂの平均値が４．０以上６．０以下である。内部傾斜組成膜における（Ｃｏ，Ｆｅ）／Ｔｂの最大値が１００を超える。【選択図】  図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
薄膜を有する薄膜磁歪素子であって、
前記薄膜はＦｅ，Ｃｏ，ＴｂおよびＯを主に含み、
前記薄膜が表面傾斜組成膜と、内部均一組成膜と、内部傾斜組成膜と、を有し、
前記薄膜が形成される基板から前記薄膜の最表面に向かって、前記内部傾斜組成膜、前記内部均一組成膜、前記表面傾斜組成膜の順番に位置し、
前記内部均一組成膜は、前記内部傾斜組成膜および前記表面傾斜組成膜と接し、
（Ｃｏ濃度＋Ｆｅ濃度）／（Ｔｂ濃度）で算出される原子数比を（Ｃｏ，Ｆｅ）／Ｔｂとして、
前記内部均一組成膜における（Ｃｏ，Ｆｅ）／Ｔｂの平均値が４．０以上６．０以下であり、
前記内部傾斜組成膜における（Ｃｏ，Ｆｅ）／Ｔｂの最大値が１００を超えることを特徴とする薄膜磁歪素子。
【請求項２】
前記内部均一組成膜におけるＯ濃度が平均で１６ａｔ％以上１８ａｔ％以下である請求項１に記載の薄膜磁歪素子。
【請求項３】
前記薄膜における（Ｃｏ濃度／Ｆｅ濃度）で算出される原子数比が平均で１．００以上１．２２以下である請求項１または２に記載の薄膜磁歪素子。
【請求項４】
前記表面傾斜組成膜の最表面におけるＯ濃度が６６ａｔ％以上８０ａｔ％以下である請求項１〜３のいずれかに記載の薄膜磁歪素子。
【請求項５】
前記内部傾斜組成膜におけるＯ濃度の最小値が５ａｔ％以下である請求項１〜４のいずれかに記載の薄膜磁歪素子。
【請求項６】
前記表面傾斜組成膜が貴金属元素を含み、
前記表面傾斜組成膜における前記貴金属元素の濃度の最大値が２０ａｔ％以上である請求項１〜５のいずれかに記載の薄膜磁歪素子。
【請求項７】
前記内部傾斜組成膜が貴金属元素を含み、
前記内部傾斜組成膜における前記貴金属元素の濃度の最大値が２０ａｔ％以上である請求項１〜６のいずれかに記載の薄膜磁歪素子。
【請求項８】
スパッタリングによりＦｅ，Ｃｏ，ＴｂおよびＯを含む薄膜を成膜する工程と、前記薄膜を真空中、４００℃〜６５０℃でアニールする工程と、を有する請求項１〜７のいずれかに記載の薄膜磁歪素子の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、薄膜磁歪素子およびその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
薄膜磁歪素子に含まれる薄膜は外部磁場を印加すると変形するという磁歪効果を有する。また、薄膜磁歪素子に含まれる薄膜は応力を印加すると透磁率や磁気抵抗が変化する逆磁歪効果も有する。特許文献１には逆磁歪効果を利用したＴＭＲ歪みセンサが記載されている。
【０００３】
特に逆磁歪効果を利用した薄膜磁歪素子においては、高い磁歪λｓおよび薄い膜厚が求められている。特許文献２には、Ｒ−Ｃｏ−Ｆｅ系の超磁歪材料が記載されている。特許文献３には、Ｓｍ−Ｆｅ系の超磁歪材料が記載されている。
【０００４】
また、非特許文献１および非特許文献２には、膜厚が数ｎｍ程度の場合でも薄膜磁歪素子に適用可能な薄膜として、Ｃｏ−Ｆｅ系、Ｃｏ−Ｆｅ−Ｂ系、Ｆｅ−Ｂ系の軟磁性薄膜が記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００２−１４８１３２号公報
【特許文献２】特開２００５−３４０４２９号公報
【特許文献３】特開２００９−２３１３４９号公報
【非特許文献】
【０００６】
【非特許文献１】Ｊ．Ｍａｔｅｒ．Ｓｃｉ．（２００７）  ４２：３８４−３８８
【非特許文献２】日本磁気学会  第２１９回研究会試料  ２０１８，ｐ３３
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかし、特許文献２および特許文献３に記載した超磁歪材料を厚さ１μｍ未満の薄膜に適用する場合には、薄膜の磁歪λｓが大幅に低下する。また、非特許文献１および非特許文献２に記載した軟磁性薄膜の磁歪λｓも十分な高さではない。
【０００８】
本発明は、このような実状に鑑みてなされ、膜厚が小さい薄膜に適用する場合でも高い磁歪λｓを持つ薄膜磁歪素子を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明に係る薄膜磁歪素子は、薄膜を有し、
前記薄膜はＦｅ，Ｃｏ，ＴｂおよびＯを主に含み、
前記薄膜が表面傾斜組成膜と、内部均一組成膜と、内部傾斜組成膜と、を有し、
前記薄膜が形成される基板から前記薄膜の最表面に向かって、前記内部傾斜組成膜、前記内部均一組成膜、前記表面傾斜組成膜の順番に位置し、
前記内部均一組成膜は、前記内部傾斜組成膜および前記表面傾斜組成膜と接し、
（Ｃｏ濃度＋Ｆｅ濃度）／（Ｔｂ濃度）で算出される原子数比を（Ｃｏ，Ｆｅ）／Ｔｂとして、
前記内部均一組成膜における（Ｃｏ，Ｆｅ）／Ｔｂの平均値が４．０以上６．０以下であり、
前記内部傾斜組成膜における（Ｃｏ，Ｆｅ）／Ｔｂの最大値が１００を超えることを特徴とする。
【００１０】
本発明に係る薄膜磁歪素子は、上記の特徴を有することで、高い磁歪λｓを持つ薄膜磁歪素子となる。
【００１１】
前記内部均一組成膜におけるＯ濃度が平均で１６ａｔ％以上２１ａｔ％以下であることが好ましい。
【００１２】
前記薄膜における（Ｃｏ濃度／Ｆｅ濃度）で算出される原子数比が平均で１．００以上１．２２以下であることが好ましい。
【００１３】
前記表面傾斜組成膜の最表面におけるＯ濃度が６６ａｔ％以上８０ａｔ％以下であることが好ましい。
【００１４】
前記内部傾斜組成膜におけるＯ濃度の最小値が５ａｔ％以下であることが好ましい。
【００１５】
前記表面傾斜組成膜が貴金属元素を含んでもよく、
前記表面傾斜組成膜における前記貴金属元素の濃度の最大値が２０ａｔ％以上であってもよい。
【００１６】
前記内部傾斜組成膜が貴金属元素を含んでもよく、
前記内部傾斜組成膜における前記貴金属元素の濃度の最大値が２０ａｔ％以上であってもよい。
【００１７】
前記薄膜磁歪素子の製造方法は、スパッタリングによりＦｅ，Ｃｏ，ＴｂおよびＯを含む薄膜を成膜する工程と、前記薄膜を真空中、４００℃〜６５０℃でアニールする工程と、を有する。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１Ａ】本発明の一実施形態に係る薄膜素子の概略図である。
【図１Ｂ】本発明の他の実施形態に係る薄膜素子の概略図である。
【図２】実施例７における各元素の存在割合を示すグラフである。
【図３】比較例３における各元素の存在割合を示すグラフである。
【図４】実施例５〜７および比較例４における磁界の強さと磁歪との関係を表すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
以下、本発明を実施形態に基づき説明する。
【００２０】
本実施形態に係る薄膜磁歪素子の模式図を図１Ａに示す。図１Ａに示す薄膜磁歪素子１は、基板１１上に薄膜１２が形成されている。薄膜１２は内部傾斜組成膜１２Ｃ、内部均一組成膜１２Ｂ、表面傾斜組成膜１２Ａからなる。そして、基板１１に近い側から最表面に向かって、内部傾斜組成膜１２Ｃ、内部均一組成膜１２Ｂ、表面傾斜組成膜１２Ａの順番に位置している。
【００２１】
基板１１の材質には特に制限はないが、基板１１としてＳｉ単結晶からなる基板を用いることが入手容易性およびコスト性に優れている。また、他材質の基板を用いてもよい。
【００２２】
薄膜１２はＦｅ，Ｃｏ，ＴｂおよびＯを主に含む。「Ｆｅ，Ｃｏ，ＴｂおよびＯを主に含む」とは、Ｆｅ，Ｃｏ，ＴｂおよびＯの合計濃度が８０ａｔ％以上であることを指す。
【００２３】
薄膜１２は表面傾斜組成膜１２Ａ、内部均一組成膜１２Ｂ、内部傾斜組成膜１２Ｃからなる三重膜構造を有する。三重膜構造を有することで、各膜の間に界面が存在する。特に内部均一組成膜１２Ｂと内部傾斜組成膜１２Ｃとの間に界面が存在することで、薄膜１２が高い磁歪λｓを有する。なお、表面傾斜組成膜１２Ａが存在することで、内部均一組成膜１２Ｂと内部傾斜組成膜１２Ｃとが酸化しにくくなる。
【００２４】
薄膜１２の厚みには特に制限はなく、薄膜磁歪素子の用途に応じて決定すればよい。ただし、薄膜１２の磁歪λｓは薄膜１２の厚みに反比例する傾向にある。例えば、薄膜１２の厚みを１０ｎｍ以上５０ｎｍ以下とすることで、４８ｐｐｍ以上の磁歪λｓが得られる。
【００２５】
以下、各膜の組成について具体的に説明する。
【００２６】
表面傾斜組成膜１２Ａの最表面（薄膜１２の最表面）から表面傾斜組成膜１２Ａと内部均一組成膜１２Ｂとの界面までの間では、Ｏ濃度が概ね単調に減少し、ＦｅとＣｏとＴｂとの合計濃度が概ね単調に増加する。また、Ｏ濃度の増加とＦｅとＣｏとＴｂとの合計濃度の減少とが同時に発生しない。例えば、最表面から見て、初めてＯ濃度が減少せず、かつ、ＦｅとＣｏとＴｂとの合計濃度が増加しない部分を表面傾斜組成膜１２Ａと内部均一組成膜１２Ｂとの界面とすることができる。Ｏ濃度は、表面傾斜組成膜１２Ａの最表面（薄膜１２の最表面）では、６６ａｔ％以上８０ａｔ％以下であってもよい。表面傾斜組成膜１２Ａと内部均一組成膜１２Ｂとの界面では、１６ａｔ％以上２１ａｔ％以下であってもよい。逆に、ＦｅとＣｏとＴｂとの合計濃度は、表面傾斜組成膜１２Ａの最表面（薄膜１２の最表面）では、１６ａｔ％以上２１ａｔ％以下であってもよい。表面傾斜組成膜１２Ａと内部均一組成膜１２Ｂとの界面では、６６ａｔ％以上８０ａｔ％以下であってもよい。
【００２７】
表面傾斜組成膜１２Ａの厚みには特に制限はない。例えば１ｎｍ以上１０ｎｍ以下であってもよい。
【００２８】
内部均一組成膜１２Ｂでは、Ｆｅ濃度、Ｃｏ濃度、Ｔｂ濃度およびＯ濃度がそれぞれ概ね均一である。例えば、内部均一組成膜１２ＢにおけるＦｅ濃度の最大値および最小値は、内部均一組成膜１２ＢにおけるＦｅ濃度の平均値との差の絶対値が、Ｆｅ濃度の平均値の７％以下である。Ｃｏ濃度、Ｔｂ濃度およびＯ濃度についても同様である。
【００２９】
さらに、（Ｃｏ濃度＋Ｆｅ濃度）／（Ｔｂ濃度）で算出される原子数比を（Ｃｏ，Ｆｅ）／Ｔｂとして、内部均一組成膜１２Ｂにおける（Ｃｏ，Ｆｅ）／Ｔｂの平均値が４．０以上６．０以下である。内部均一組成膜１２Ｂにおける（Ｃｏ，Ｆｅ）／Ｔｂの平均値は好ましくは５．０以上６．０以下である。（Ｃｏ，Ｆｅ）／Ｔｂの平均値が上記の範囲内、特に４．０以上であることにより、高い磁歪λｓを有する。これに対し、内部均一組成膜１２Ｂにおける（Ｃｏ，Ｆｅ）／Ｔｂの平均値が低すぎる場合、すなわちＴｂが過剰に含まれる場合には、磁歪λｓが著しく低下する。なお、内部均一組成膜１２Ｂにおける（Ｃｏ，Ｆｅ）／Ｔｂの平均値が高すぎる場合には、保磁力が増大しやすい。
【００３０】
薄膜１２における（Ｃｏ濃度／Ｆｅ濃度）の原子数比には特に制限はない。例えば、（Ｃｏ濃度／Ｆｅ濃度）の原子数比の平均値が１．００以上１．２２以下であってもよく、１．０８以上１．２２以下であることが好ましい。（Ｃｏ濃度／Ｆｅ濃度）の原子数比の平均値が上記の範囲内、特に１．０８以上である場合には、特に薄膜１２の保磁力が低下しやすくなる。また、特に１．２２以下である場合には、特に薄膜１２の磁歪λｓが高くなりやすくなる。
【００３１】
内部均一組成膜１２ＢにおけるＯ濃度には特に制限はない。例えば、Ｏ濃度の平均値が１６ａｔ％以上１８ａｔ％以下であってもよい。Ｏ濃度の平均値が上記の範囲内である場合には、特に薄膜１２の保磁力が低下しやすくなる。
【００３２】
内部均一組成膜１２Ｂの厚みには特に制限はない。例えば５ｎｍ以上５０ｎｍ以下である。
【００３３】
内部傾斜組成膜１２Ｃの内部であって、内部均一組成膜１２Ｂと内部傾斜組成膜１２Ｃとの界面近傍の部分では、内部均一組成膜１２Ｂの内部よりもＦｅとＣｏとＴｂとの合計濃度が１．５ａｔ％以上、高くなる。このことにより、内部均一組成膜１２Ｂと内部傾斜組成膜１２Ｃとの界面を決定することができる。内部傾斜組成膜１２Ｃでは、膜内にＣｏ濃度およびＦｅ濃度が極大点を有し、Ｔｂ濃度およびＯ濃度が極小点を有する傾向にある。そして、（Ｃｏ，Ｆｅ）／Ｔｂの最大値が１００を超える。好ましくは１２０以上、さらに好ましくは１５０以上である。（Ｃｏ，Ｆｅ）／Ｔｂの最大値が１００を超えることにより、内部均一組成膜１２Ｂと内部傾斜組成膜１２Ｃとの間に界面があることの効果が十分に大きくなり、磁歪λｓが大きくなる。（Ｃｏ，Ｆｅ）／Ｔｂの最大値の上限には特に制限はない。例えば２００以下である。
【００３４】
内部傾斜組成膜１２ＣにおけるＯ濃度の最小値は５ａｔ％以下であってもよく、２ａｔ％以下であることが好ましい。Ｏ濃度の最小値が十分に低いことで磁歪λｓが大きくなりやすい。
【００３５】
内部傾斜組成膜１２Ｃの厚みには特に制限はない。例えば１ｎｍ以上５ｎｍ以下である。
【００３６】
薄膜１２と基板１１（または、後述する貴金属元素からなる薄膜）との界面の決定方法には特に制限はない。例えば、ＳＥＭによる観察や目視による観察により決定してもよい。また、薄膜１２における各元素の含有量から決定してもよい。例えば、ＦｅとＣｏとＴｂとＯとの合計濃度が３０ａｔ％以上である部分を薄膜１２としてもよい。
【００３７】
薄膜１２における各元素の含有量を分析する方法には特に制限はない。例えば、Ｘ線光電子分光法（ＸＰＳ）により分析することができる。スパッタエッチングに用いられるガスやエッチング速度については、適宜設定してよい。また、ＸＰＳによる分析で薄膜１２が三重膜構造となっているか否かを確認することができる。例えば、図２は後述する実施例７であり、薄膜１２が三重膜構造となっていることが確認できる。一方、図３は後述する比較例３であり、内部傾斜組成膜１２Ｃが存在しない二重膜構造となっていることが確認できる。
【００３８】
また、薄膜１２は、貴金属元素を含んでもよい。貴金属元素の種類には特に制限はない。例えば、Ｍｏ，Ｒｈ，Ｔａが挙げられる。特にＭｏが挙げられる。表面傾斜組成膜１２Ａが貴金属元素を含むことが好ましい。具体的には、表面傾斜組成膜１２Ａは、前記貴金属元素の濃度が２０ａｔ％以上である部分を有することが好ましい。表面傾斜組成膜１２Ａが貴金属元素を含むことにより、磁歪λｓの経時劣化が小さくなる。また、内部傾斜組成膜１２Ｃが貴金属元素を含むことが好ましい。具体的には、内部傾斜組成膜１２Ｃは、前記貴金属元素の濃度が２０ａｔ％以上である部分を有することが好ましい。内部傾斜組成膜１２Ｃが貴金属元素を含むことにより、磁歪λｓの経時劣化が小さくなる。また、表面傾斜組成膜１２Ａにおける前記貴金属元素の濃度の最大値は、内部均一組成膜１２Ｂにおける前記貴金属元素の濃度の最小値よりも５ａｔ％以上、大きいことが好ましい。内部傾斜組成膜１２Ｃにおける前記貴金属元素の濃度の最大値は、内部均一組成膜１２Ｂにおける前記貴金属元素の濃度の最小値よりも５ａｔ％以上、大きいことが好ましい。
【００３９】
薄膜磁歪素子の製造方法 
次に、薄膜磁歪素子１の製造方法について説明するが、薄膜磁歪素子１の製造方法は以下に示す方法に限定されない。
【００４０】
まず、内部傾斜組成膜１２Ｃに前記貴金属元素を含ませる場合には、基板１１（例えば単結晶Ｓｉウェハー）に対して前記貴金属元素からなる薄膜を成膜する。前記貴金属元素からなる薄膜の成膜方法には特に制限はない。例えば、スパッタリング法、蒸発法、イオンプレート法などが例示される。また、成膜時に使用する原料には微少な不純物や副成分が含まれている場合があるが、薄膜の性能を大きく損なわない程度の量であれば特に問題はない。
【００４１】
そして、薄膜１２を成膜する。薄膜１２の成膜方法には特に制限はないが、スパッタリング法により行うことが、生産性が高いため好ましい。
【００４２】
まず、ターゲットとしてＴｂ，Ｃｏ，Ｆｅを含むターゲットを基板１１とともに成膜装置内に設置する。Ｔｂ単体、Ｃｏ単体、および、Ｆｅ単体の３つのターゲットを設置してもよく、複数種類の金属の合金からなるターゲットを設置してもよい。Ｔｂ単体、Ｃｏ単体、および、Ｆｅ単体の各ターゲットをそれぞれ設置することが、各ターゲットのパワーおよび成膜時間を個別に制御できるため好ましい。以下、Ｔｂ単体、Ｃｏ単体、および、Ｆｅ単体の３つのターゲットを設置する場合について説明する。
【００４３】
次に、３つのターゲットから同時に成膜することで、Ｔｂ，Ｃｏ，ＦｅおよびＯからなる薄膜１２を成膜する。なお、成膜時の雰囲気中のＯによりＴｂ単体のターゲットが酸化されるため、成膜時にＴｂ単体のターゲットからＴｂとＯとがはじき出される。のときに、各ターゲットのパワーおよび成膜時間を制御することで、薄膜１２の組成を制御できる。なお、成膜時間は例えば１秒以上２０００秒以下とすることができ、パワーは例えば１０Ｗ以上２００Ｗ以下とすることができる。また、成膜前の気圧は例えば１×１０−６Ｐａ以上２×１０−６Ｐａ以下とすることができる。また、成膜中には成膜装置内にＡｒガスを導入させてもよく、Ａｒガスの分圧を０．２Ｐａ以上２Ｐａ以下としてもよい。また、成膜時に使用する原料には微少な不純物や副成分が含まれている場合があるが、薄膜の性能を大きく損なわない程度の量であれば特に問題はない。
【００４４】
次に、表面傾斜組成膜１２Ａに前記貴金属元素を含ませる場合には、薄膜１２に対して前記貴金属元素からなる薄膜を成膜する。前記貴金属元素からなる薄膜の成膜方法には特に制限はない。例えば、スパッタリング法、蒸発法、イオンプレート法などが例示される。また、成膜時に使用する原料には微少な不純物や副成分が含まれている場合があるが、薄膜の性能を大きく損なわない程度の量であれば特に問題はない。なお、前記貴金属元素からなる薄膜の成膜は、後述するアニールの後に行ってもよい。
【００４５】
そして、薄膜１２を真空中でアニールする。このアニールにより、薄膜１２が内部傾斜組成膜１２Ｃ、内部均一組成膜１２Ｂ、表面傾斜組成膜１２Ａからなる三重膜構造となる。アニール時の温度は４００℃以上６５０℃以下とする。アニール時間には特に制限はないが、薄膜１２が内部傾斜組成膜１２Ｃ、内部均一組成膜１２Ｂ、表面傾斜組成膜１２Ａからなる三重膜構造となる時間とする。具体的には、３０分以上１２０分以下とする。
【００４６】
アニールを行わなくても、薄膜１２がＦｅ、ＣｏおよびＯとともにＴｂを含む場合には表面傾斜組成膜１２Ａが生じる。しかし、内部傾斜膜１２Ｃが生じず、磁歪λｓも低くなる。また、アニールを行ってもアニール温度が低すぎる場合には、内部傾斜組成膜１２Ｃと内部均一組成膜１２Ｂとの間の界面がうまく形成できず、内部傾斜組成膜１２Ｃにおける（Ｃｏ，Ｆｅ）／Ｔｂの最大値が低くなりすぎ、磁歪λｓも十分に高くなりにくい傾向にある。
【００４７】
また、アニール温度が高すぎる場合には、アニール温度が内部均一組成膜１２Ｂのキュリー温度より高くなる。さらに、アニール温度が内部傾斜組成膜１２Ｃのキュリー温度より高くなる。その結果、薄膜１２は完全に磁気を失い、磁歪λｓも０になる。
【００４８】
なお、アニールにより薄膜１２が上記の三重膜構造となるのは、以下のメカニズムによると考えられる。
【００４９】
まず、Ｆｅ、Ｃｏ、および、Ｔｂのうち、希土類元素であるＴｂが最もＯと反応して酸化物となりやすい。したがって、ＴｂがＯと優先的に反応する。なお、薄膜１２がＴｂを含む場合に表面傾斜組成膜１２ａが生じるのは、薄膜１２の最表面のＴｂが酸化されるためである。
【００５０】
次に、酸化されたＴｂ分子同士が凝集する。
【００５１】
上記のＴｂの酸化および酸化されたＴｂ分子の凝集はアニールにより促進される。その結果、薄膜１２の中央部に酸化されたＴｂ分子が凝集され高濃度化するのに対し、特に基板１１に近い部分では酸化されたＴｂ分子が低濃度化する。その結果、基板１１の近くに界面が生じ、内部傾斜組成膜１２Ｃと内部均一組成膜１２Ｂとが形成される。
【００５２】
また、前記貴金属元素からなる薄膜を成膜する場合には、前記貴金属元素からなる薄膜の成膜時、薄膜１２の成膜時、および／または、アニール時に前記貴金属元素からなる薄膜から薄膜１２へ前記貴金属が拡散する。その結果、薄膜１２、特に表面傾斜組成膜１２Ａおよび／または内部傾斜組成膜１２Ｃの内部に前記貴金属元素が含まれる。
【００５３】
以上、本発明の実施形態について説明してきたが、本発明はこうした実施形態に何等限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々異なる態様で実施し得ることは勿論である。例えば、図１Ｂに示すように、薄膜１２の最表面に保護膜１４として貴金属元素からなる薄膜が付着していてもよく、薄膜１２と基板１１との間に保護膜１４として貴金属元素からなる薄膜が存在し、保護膜１４が薄膜１２および基板１１に付着していてもよい。この場合であっても、薄膜１２における磁歪λｓの経時劣化が小さくなる。
【００５４】
また、本発明の薄膜磁歪素子の用途には特に制限はない。特に、薄膜の厚みを薄くしても高い磁歪を有することを利用した用途に好適に用いられる。例えば、高感度力センサ、高感度歪みセンサ、ＧＭＲ歪みセンサ、ＴＭＲ歪みセンサ、磁歪発電デバイス、複合高感度磁気センサなどが挙げられる。
【実施例】
【００５５】
以下、本発明を、さらに詳細な実施例に基づき説明するが、本発明は、これら実施例に限定されない。
【００５６】
実験例１
実験例１では、図１Ａに記載された概略図の態様である薄膜磁歪素子を作製した。まず、成膜装置内に基板１１を設置した。基板１１としては単結晶Ｓｉウェハ―（６ｍｍ×４０ｍｍ×０．５２５ｍｍ）を用いた。なお、後述するスパッタリングでは、６ｍｍ×４０ｍｍの面に薄膜を形成した。
【００５７】
次に、スパッタリングで厚さ５ｎｍのＭｏ膜を形成した。次に、厚さ約５０ｎｍである薄膜１２を成膜した。比較例２以外の薄膜１２はＴｂ，Ｃｏ，Ｆｅ，Ｏを含むようにした。具体的には、ターゲットとしてＴｂ単体、Ｃｏ単体、および、Ｆｅ単体の３つのターゲットを準備した。次に、３つのターゲットに与えるパワーを２０Ｗ〜２００Ｗの間で適宜制御し、成膜時間を１００秒〜２０００秒の間で適宜制御してスパッタリングを行った。また、成膜前の気圧が１×１０−６Ｐａとし、成膜中にはＡｒガスを０．５Ｐａとなるようにした。また、薄膜１２における（Ｃｏ濃度／Ｆｅ濃度）の平均値が原子数比で１．０８となるようにした。さらに、薄膜１２における（Ｃｏ，Ｆｅ）／Ｔｂの平均値が表１の均一組成膜１２Ｂにおける（Ｃｏ，Ｆｅ）／Ｔｂの平均値となるようにした。次に、スパッタリングで厚さ５ｎｍのＭｏ膜を形成した。なお、比較例２の薄膜１２はＴｂを含まない。そして、（Ｃｏ濃度／Ｆｅ濃度）の平均値が原子数比で１．０８となるようにした。
【００５８】
次に、比較例２を除く各実施例および比較例ではアニール処理を行った。アニール処理の温度は６５０℃、アニール処理の時間は１時間、アニール処理時の酸素分圧は１０−６Ｐａとした。アニール処理は、酸素分圧を四重極質量分析器（ＱＭＳ）により確認しながら実施した。
【００５９】
このアニール処理により、薄膜１２が表面傾斜組成膜１２Ａ、内部均一組成膜１２Ｂ、内部傾斜組成膜１２Ｃからなる三重膜構造を有することになる。そして、表面傾斜組成膜１２Ａと内部均一組成膜１２Ｂとの間、および、内部均一組成膜１２Ｂと内部傾斜組成膜１２Ｃとの間に界面が生成する。以下、表面傾斜組成膜１２Ａを単に膜１２Ａと記載する場合がある。内部均一組成膜１２Ｂを単に膜１２Ｂと記載する場合がある。内部傾斜組成膜１２Ｃを単に膜１２Ｃと記載する場合がある。さらに、Ｍｏ膜からＭｏが薄膜１２の内部に拡散する。
【００６０】
次に、各実施例および比較例のサンプルの磁歪を測定した。磁歪の測定は光梃子法にて行った。磁歪測定機としてはＬａｆｏｕｄａ社磁歪測定装置ＬＡＭＢＤＡ０９を用いた。まず、得られたサンプルの一端を固定した。次に、サンプルの固定していない側の端（以下、自由端ともいう）にレーザー光を照射しながら、サンプルに０Ｏｅから８０Ｏｅまでの磁界を印加した。磁界の印加により、自由端の位置が変化した。自由端の位置の変化量を変位センサにより測定した。そして、薄膜の磁歪を算出した。本実験例では、８０Ｏｅの磁界を印加した際の磁歪が４８ｐｐｍ以上である場合を良好とした。
【００６１】
磁歪λｓの算出は下記の数式により行った。なお、ｋ：装置定数、ｔｓ：基板の厚み、Ｅｓ：基板のヤング率、Ｖｓ：基板のポアソン比、ｔｆ：薄膜の厚み、Ｅｆ：薄膜のヤング率、Ｖｆ：薄膜のポアソン比、Ｄ：自由端の位置の変化量（歪みの大きさ）、である。
【００６２】
【数１】
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【００６３】
なお、磁歪の算出に用いた基板１１のヤング率は１６９ＧＰａ、ポアソン比は０．２６である。また、薄膜１２のヤング率は９０ＧＰａ、ポアソン比は０．３０とした。なお、上記の薄膜１２のヤング率は振動リード法に関する文献（吉野誠司、名古屋大学博士論文、１９９０）に記載されたアモルファス希土類―鉄族合金薄膜の組成依存性(室温)から推測した値である。
【００６４】
次に、各実施例および比較例のサンプルの磁気特性を測定した。まず、各サンプルを６ｍｍ×６ｍｍに加工した。次に、振動試料型磁力計（ＶＳＭ）（東英工業株式会社製）により、各サンプルの薄膜１２のＭ−Ｈ磁化曲線を作製した。そして、保磁力を算出した。なお、本実験例では、保磁力が低いことは必須ではないが、保磁力が５０Ｏｅ以下である場合を良好とした。また、全ての実施例の薄膜１２において、磁化容易軸が面内方向であることを確認した。
【００６５】
次に、比較例２を除いて、薄膜１２における各元素の含有量をＸ線光電子分光法（ＸＰＳ）により分析した。スパッタエッチングにはＡｒイオンを用いた。エッチング速度は、各実施例の薄膜１２が三重膜構造となっていることが確認でき、さらに、下表１に記載した各元素の濃度等が確認できる速度とした。
【００６６】
そして、各実施例および比較例の薄膜１２について、膜１２Ａの最表面における酸素濃度、膜１２Ｂにおける（Ｃｏ，Ｆｅ）／Ｔｂの平均値、膜１２Ｂにおける酸素濃度の平均値、膜１２における（Ｃｏ濃度／Ｆｅ濃度）の原子数比での平均値、膜１２Ｃにおける（Ｃｏ，Ｆｅ）／Ｔｂの最大値、膜１２Ｃにおける酸素濃度の最小値を確認した。結果を下表１に示す。なお、比較例２は薄膜１２の中に界面が存在しない単層膜である。しかし、下表１では便宜上、薄膜１２における（Ｃｏ，Ｆｅ）／Ｔｂの平均値を膜１２Ｂにおける（Ｃｏ，Ｆｅ）／Ｔｂの平均値とした。また、薄膜１２における（Ｃｏ濃度／Ｆｅ濃度）の原子数比での平均値を膜１２Ｂにおける（Ｃｏ濃度／Ｆｅ濃度）の原子数比での平均値とした。
【００６７】
【表１】
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【００６８】
表１より、膜１２Ｂにおける（Ｃｏ，Ｆｅ）／Ｔｂの平均値が４／１〜６／１である実施例１〜３では、特に膜１２Ｂと膜１２Ｃとの間に適切な界面が生成し、膜１２Ｃにおける（Ｃｏ，Ｆｅ）／Ｔｂの最大値が１００を超えた。その結果、磁歪が４８ｐｐｍ以上の高磁歪となった。
【００６９】
また、膜１２Ｂにおける（Ｃｏ，Ｆｅ）／Ｔｂの平均値が５／１〜６／１である実施例２、３は実施例１と比較して保磁力も十分に低くなった。
【００７０】
これに対し、膜１２Ｂにおける（Ｃｏ，Ｆｅ）／Ｔｂの平均値が３／１である比較例１は、膜１２Ｂと膜１２Ｃとの間に適切な界面が生成されず、膜１２Ｃにおける（Ｃｏ，Ｆｅ）／Ｔｂの最大値が１００以下となった。その結果、磁歪が著しく低くなった。さらに、比較例１は１層のみからなる薄膜である比較例２と比べても磁歪が低くなった。
【００７１】
（実験例２）
実験例２では、薄膜１２における（Ｃｏ濃度／Ｆｅ濃度）の平均値が原子数比で１．１７となるようにした。また、薄膜１２における（Ｃｏ，Ｆｅ）／Ｔｂの平均値が５／１になるようにした。さらに、アニール温度を各薄膜で変化させた。上記の点以外は実験例１と同様に試料を作製した。結果を表２に示す。
【００７２】
【表２】
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【００７３】
表２より、アニール温度が４００℃以上６５０℃以下である実施例５〜７は膜１２Ｂと膜１２Ｃとの間に適切な界面が生成され、膜１２Ｃにおける（Ｃｏ，Ｆｅ）／Ｔｂの最大値が１００を超えた。そして、磁歪が４８ｐｐｍ以上の高磁歪となった。
【００７４】
また、膜１２Ｃにおけるアニール温度が４００℃以上５００℃以下である実施例５、６は膜１２Ｃにおける（Ｃｏ，Ｆｅ）／Ｔｂの最大値が１８０以下となった。この結果、アニール温度が高く膜１２Ｃにおける（Ｃｏ，Ｆｅ）／Ｔｂが２００である実施例７と比較して保磁力も十分に低くなった。なお、実施例７のＸＰＳによる分析結果を図２に示す。
【００７５】
これに対し、アニールを行わなかった比較例３は膜１２Ｃが存在せず、磁歪が著しく低くなった。なお、比較例３のＸＰＳによる分析結果を図３に示す。
【００７６】
また、アニール温度が３００℃である比較例４は、膜１２Ｂと膜１２Ｃとの間に適切な界面が生成されず、膜１２Ｃにおける（Ｃｏ，Ｆｅ）／Ｔｂの最大値が１００以下となった。その結果、磁歪が低くなった。
【００７７】
（実験例３）
実験例３では、薄膜１２における（Ｃｏ濃度／Ｆｅ濃度）の平均値を変化させ、薄膜１２における（Ｃｏ濃度／Ｆｅ濃度）の平均値以外のＸＰＳ分析結果が実質的に同一になるようにした。上記の点以外は実験例１と同条件で実施した。なお、アニール温度は６５０℃とした。結果を表３に示す。
【００７８】
【表３】
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【００７９】
表３より、薄膜１２における（Ｃｏ濃度／Ｆｅ濃度）の平均値を変化させても、膜１２Ｂと膜１２Ｃとの間に適切な界面が生成され、膜１２Ｃにおける（Ｃｏ，Ｆｅ）／Ｔｂの最大値が１００を超えた各実施例は、磁歪が４８ｐｐｍ以上の高磁歪となった。
【００８０】
また、薄膜１２における（Ｃｏ濃度／Ｆｅ濃度）の平均値が１．０８〜１．２２である実施例８、９は（Ｃｏ濃度／Ｆｅ濃度）の平均値が１．０８未満である実施例８ａ〜８ｃと比較して保磁力が低くなった。さらに、（Ｃｏ濃度／Ｆｅ濃度）の平均値が１．０８超である実施例１０と比較して磁歪λｓが高くなった。
【００８１】
（実験例４）
実施例５〜７および比較例４について、磁界（Ｍａｇｎｅｔｉｃ  ｆｉｅｌｄ）を１０Ｏｅ〜８０Ｏｅの範囲で変化させた場合の磁歪（ｍａｇｎｅｔｏｓｔｒｉｃｔｉｏｎ）の変化を測定した。結果を図４に示す。
【００８２】
図４より、磁界が小さい場合には、膜１２Ｃにおける（Ｃｏ，Ｆｅ）／Ｔｂの最大値が低い比較例でも、実施例と同等程度の磁歪となり得ることがわかった。また、特に磁界が大きい場合に、膜１２Ｃにおける（Ｃｏ，Ｆｅ）／Ｔｂの最大値が高い実施例の磁歪が、比較例の磁歪と比較して大きくなることが確認できた。
【符号の説明】
【００８３】
１・・・薄膜磁歪素子
１１・・・基板
１２・・・薄膜
１２Ａ・・・表面傾斜組成膜
１２Ｂ・・・内部均一組成膜
１２Ｃ・・・内部傾斜組成膜
１４・・・保護膜
【図１Ａ】
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【図１Ｂ】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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