(57)【要約】【課題】スピンゼーベック素子での変換効率を高めることを可能とした磁性膜の形成方法を提供する。【解決手段】酸素を含み絶縁性を有した磁性材料が主成分である２つの磁性膜ＭＦを形成することであって、少なくとも一方の磁性膜ＭＦは非晶質の状態である２つの磁性膜ＭＦを形成することと、２つの磁性膜を互いに対向させた状態で２つの磁性膜ＭＦを加熱することによって、非晶質の状態である磁性膜ＭＦを結晶化させることと、を含む。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
酸素を含み絶縁性を有した磁性材料が主成分である２つの磁性膜を形成することであって、少なくとも一方の前記磁性膜は非晶質の状態である前記２つの磁性膜を形成することと、
前記２つの磁性膜を互いに対向させた状態で前記２つの磁性膜を加熱することによって、前記非晶質の状態である前記磁性膜を結晶化させることと、を含む
磁性膜の形成方法。
【請求項２】
前記磁性膜を結晶化させることは、前記２つの磁性膜を互いに接触させた状態で、前記２つの磁性膜を加熱する
請求項１に記載の磁性膜の形成方法。
【請求項３】
前記２つの磁性膜を形成することは、前記主成分の組成が互いに等しい前記２つの磁性膜を形成する
請求項１または２に記載の磁性膜の形成方法。
【請求項４】
前記２つの磁性膜を形成することは、非晶質の状態である前記２つの磁性膜を形成する
請求項３に記載の磁性膜の形成方法。
【請求項５】
前記２つの磁性膜を加熱することは、前記２つの磁性膜を６００℃以上１２００℃以下に含まれる温度に加熱する
請求項１から４のいずれか一項に記載の磁性膜の形成方法。
【請求項６】
前記２つの磁性膜の主成分は、イットリウム鉄ガーネットである
請求項１から５のいずれか一項に記載の磁性膜の形成方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、スピンゼーベック効果による熱電変換素子に用いられる磁性膜の形成方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
熱を電力に変換し、かつ、電力を熱に変換する熱電変換素子として、スピンゼーベック効果を用いた素子であるスピンゼーベック素子が知られている。スピンゼーベック素子は、絶縁性を有した磁性体と、この磁性体と界面を形成する常磁性体とを備え、絶縁性を有した磁性体は、例えばフェリ磁性体である。スピンゼーベック素子では、フェリ磁性体と常磁性体との積層方向に沿って温度差が形成されると、フェリ磁性体と常磁性体との界面の近傍に、界面の法線方向に沿うスピン流が誘起される。誘起されたスピン流は常磁性体に注入され、常磁性体における逆スピンホール効果によってスピン流が起電力に変換される（例えば、特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１６−４２５４６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
こうしたスピンゼーベック素子には、熱電変換のより高い素子が求められている。そのため、スピンゼーベック素子の磁性体として用いることが可能な磁性膜には、スピンゼーベック素子に用いたときに、スピンゼーベック素子における熱電変換の効率を高めるような特性を有した膜であることが求められている。なお、こうした事情は、絶縁性を有した磁性体がフェリ磁性体である場合に限らず、強磁性体および反強磁性体のいずれかである場合にも共通している。
本発明は、スピンゼーベック素子での変換効率を高めることを可能とした磁性膜の形成方法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】
【０００５】
上記課題を解決するための磁性膜の形成方法は、酸素を含み絶縁性を有した磁性材料が主成分である２つの磁性膜を形成することであって、少なくとも一方の前記磁性膜は非晶質の状態である前記２つの磁性膜を形成することと、前記２つの磁性膜を互いに対向させた状態で前記２つの磁性膜を加熱することによって、前記非晶質の状態である前記磁性膜を結晶化させることと、を含む。
【０００６】
上記構成によれば、非晶質の状態である磁性膜を加熱して結晶化させるときに、互いに対向する２つの磁性膜の両方において、表面における酸素の脱離が生じる。これにより、一方の磁性膜の表面に生じた酸素の欠損が、他方の磁性膜の表面から脱離した酸素によって補われやすい。そのため、加熱による酸素の欠損が非晶質の状態から結晶化させた磁性膜の表面において抑えられた分だけ、磁性膜の表面における平坦性が高められる。それゆえに、磁性膜がスピンゼーベック素子を構成する磁性体として用いられたときに、磁性膜の表面が常磁性体と構成する界面においてスピン流が起電力に変換されやすくなり、結果として、スピンゼーベック素子での変換効率が高められる。
【０００７】
上記磁性膜の形成方法において、前記磁性膜を結晶化させることは、前記２つの磁性膜を互いに接触させた状態で、前記２つの磁性膜を加熱してもよい。
【０００８】
上記構成によれば、２つの磁性膜が互いに接しているため、非晶質の状態から結晶化された磁性膜の表面における酸素の欠損が、その磁性膜と対向する磁性膜から脱離した酸素によってより補われやすくなる。
【０００９】
上記磁性膜の形成方法において、前記２つの磁性膜を形成することは、前記主成分の組成が互いに等しい前記２つの磁性膜を形成してもよい。
【００１０】
上記構成によれば、２つの磁性膜の各々における主成分の組成が互いに等しいため、２つの磁性膜間での酸素の脱離の状態が等しくなりやすい。結果として、非晶質の状態から結晶化された磁性膜での酸素の欠損が、その磁性膜と対向する磁性膜から脱離した酸素によってより補われやすくなる。
【００１１】
上記磁性膜の形成方法において、前記２つの磁性膜を形成することは、非晶質の状態である前記２つの磁性膜を形成してもよい。
【００１２】
上記構成によれば、スピンゼーベック素子を構成する磁性体として２つの磁性膜の両方を用いることができるため、磁性膜の形成効率、ひいては、スピンゼーベック素子の生産効率を高めることができる。
【００１３】
上記磁性膜の形成方法において、前記２つの磁性膜を加熱することは、前記２つの磁性膜を６００℃以上１２００℃以下に含まれる温度に加熱してもよい。
【００１４】
上記構成によれば、６００℃以上の温度で磁性膜を加熱することによって、磁性膜の結晶化を確実に進めることができ、かつ、１２００℃以下の温度で磁性膜を加熱することによって、磁性膜の結晶化する速度が過度に高くなることが抑えられ、結果として、磁性膜の表面における表面粗さが高くなることが抑えられる。
【００１５】
上記磁性膜の形成方法において、前記２つの磁性膜の主成分は、イットリウム鉄ガーネットであってもよい。
【００１６】
上記構成によれば、非晶質の状態から結晶化された磁性膜の表面においてイットリウム、鉄、および、酸素を含む結晶から脱離した酸素が、その磁性膜に対向する他の磁性膜から脱離した酸素によって補われ、結果として、磁性膜の表面における平坦性が高められる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】磁性膜を形成する工程に用いられるスパッタ装置を模式的に示すブロック図。
【図２】磁性膜を加熱する工程に用いられるアニール装置を模式的に示すブロック図。
【図３】スピンゼーベック素子の模式的な構成を示す断面図。
【図４】Ｘ線回折装置によって得られた試験例１のＸ線回折スペクトルと試験例２のＸ線回折スペクトルとを示す図。
【図５】電子スピン共鳴装置によって得られた試験例１の強磁性共鳴スペクトルと試験例２の強磁性共鳴スペクトルとを示す図。
【図６】（ａ）試験例１のＧＧＧ基板における表面を原子間力顕微鏡によって解析した図、（ｂ）試験例１のＹＩＧ膜における表面を原子間力顕微鏡によって解析した図。
【図７】（ａ）試験例２のＧＧＧ基板における表面を原子間力顕微鏡によって解析した図、（ｂ）試験例２のＹＩＧ膜における表面を原子間力顕微鏡によって解析した図。
【図８】電子スピン共鳴装置によって得られた試験例５の強磁性共鳴スペクトルと試験例６の強磁性共鳴スペクトルとを示す図。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
図１から図８を参照して、磁性膜の形成方法を具体化した一実施形態を説明する。以下では、磁性膜の形成方法、および、試験例を順に説明する。
【００１９】
［磁性膜の形成方法］
図１および図２を参照して、磁性膜の形成方法を説明する。
磁性膜の形成方法は、２つの磁性膜を形成することと、非晶質の状態である磁性膜を結晶化させることとを含む。２つの磁性膜を形成することは、少なくとも一方の磁性膜が非晶質の状態である２つの磁性膜を形成する。非晶質の状態である磁性膜を結晶化させることは、２つの磁性膜を互いに対向させた状態で２つの磁性膜を加熱することによって、非晶質の状態である磁性膜を結晶化させる。
【００２０】
こうした方法によれば、非晶質の状態である磁性膜を加熱して結晶化させるときに、互いに対向する２つの磁性膜の両方において、表面における酸素の脱離が生じる。これにより、一方の磁性膜の表面に生じた酸素の欠損が、他方の磁性膜の表面から脱離した酸素によって補われやすい。そのため、加熱による酸素の欠損が非晶質の状態から結晶化された磁性膜の表面において抑えられた分だけ、磁性膜の表面における平坦性が高められる。それゆえに、磁性膜がスピンゼーベック素子を構成する磁性体として用いられたときに、磁性膜の表面が常磁性体と構成する界面においてスピン流が起電力に変換されやすくなり、結果として、スピンゼーベック素子での変換効率が高められる。
【００２１】
磁性膜を形成することは、例えば、図１に示されるスパッタ装置を用いて行われる。
図１が示すように、スパッタ装置１０は、磁性膜を形成するための成膜空間を区画する真空槽１１を備え、真空槽１１内には、磁性膜ＭＦの形成される基板Ｓを支持する支持部１２が位置している。支持部１２は、例えば基板Ｓを支持するステージである。真空槽１１のなかで、支持部１２と対向する位置には、ターゲット１３が位置し、ターゲット１３はバッキングプレート１４を介して真空槽１１に固定されている。バッキングプレート１４には、ターゲット１３に電圧を印加するためのターゲット電源１５が接続されている。バッキングプレート１４に対してターゲット１３側とは反対側には、ターゲット１３のなかで、成膜空間に露出する面に磁場を形成する磁気回路１６が位置している。
【００２２】
なお、図１では、図示の便宜上、ターゲット１３の全体とバッキングプレート１４の全体とが、成膜空間内に位置しているが、ターゲット１３とバッキングプレート１４とのうち、少なくともターゲット１３の被スパッタ面が成膜空間に露出していればよい。
【００２３】
バッキングプレート１４は金属製であり、例えば銅などによって形成されている。ターゲット１３の主成分は、基板Ｓに形成された磁性膜ＭＦの主成分になる。磁性膜ＭＦの主成分は、酸素を含み絶縁性を有した磁性体であり、磁性体には、例えば、フェリ磁性体、強磁性体、および、反強磁性体のいずれかを用いることができる。磁性膜ＭＦの主成分がフェリ磁性体であるとき、磁性膜ＭＦの主成分は、イットリウム鉄ガーネット（３Ｙ２Ｏ３・５Ｆｅ２Ｏ３：ＹＩＧ）であることが好ましい。この場合には、ターゲット１３の主成分がＹＩＧであればよい。
【００２４】
なお、磁性膜ＭＦの主成分には、ＹＩＧに限らず、例えば、化学式Ｒ３Ｆｅ５Ｏ１２で示されるガーネットフェライトを用いることができる。Ｒ３Ｆｅ５Ｏ１２におけるＲは、Ｙ、Ｃａ、Ｌａ、Ｃｅ、Ｐｒ、Ｎｄ、Ｓｍ、Ｎｄ、Ｓｍ、Ｅｕ、Ｔｂ、Ｄｙ、Ｈｏ、Ｅｒ、Ｔｍ、Ｔｂ、Ｌｕ、および、Ｂｉから構成される群から選択される少なくとも１つである。また、磁性膜ＭＦの主成分には、ＣｏＦｅ２Ｏ４（ＣＦＯ）、ＮｉＦｅ２Ｏ４、および、Ｆｅ３Ｏ４などを用いることができる。磁性膜ＭＦの主成分が各材料であるときには、ターゲット１３の主成分が、磁性膜ＭＦの主成分と同じ材料であればよい。
【００２５】
なお、ターゲット１３において、ターゲット１３の主成分は、９９．０質量％以上９９．９９質量％以下の割合で含まれていればよい。また、磁性膜ＭＦにおいて、磁性膜ＭＦの主成分は、９９．０質量％以上９９．９９質量％以下の割合で含まれていればよい。
【００２６】
磁性膜ＭＦの主成分がＹＩＧであるとき、基板Ｓの形成材料は、ガドリニウムガリウムガーネット（Ｇｄ３Ｇａ５Ｏ１２：ＧＧＧ）であることが好ましく、ＧＧＧ結晶における面方位が（１００）、（１１０）、および、（１１１）のいずれかであることがより好ましい。ＹＩＧの格子定数とＧＧＧの格子定数との差が小さいため、基板Ｓ上に形成された磁性膜ＭＦの表面における平坦性が高められる。
【００２７】
なお、磁性膜ＭＦの主成分が上述したＹＩＧ以外の材料のいずれかであるときには、基板Ｓの材料として、磁性膜ＭＦの主成分として選択された材料と格子定数の差が小さい材料を選択することが好ましい。
【００２８】
スパッタ装置１０は、排気部１７とガス供給部１８とをさらに備えている。排気部１７は、成膜空間を所定の圧力まで減圧する。排気部１７は、例えば各種のポンプおよびバルブを含んでいる。ガス供給部１８は、成膜空間内にプラズマを生成するためのガスを供給する。ガス供給部１８の供給するガスは、例えばアルゴンガスなどの希ガスであってもよいし、酸素を含む酸素含有ガスであってもよい。ガス供給部１８は、所定の流量でガスを供給するマスフローコントローラーであり、スパッタ装置１０の外部に位置するボンベに接続されている。
【００２９】
こうしたスパッタ装置１０では、支持部１２に基板Ｓが配置されると、排気部１７によって成膜空間内が所定の圧力にまで減圧される。次いで、ガス供給部１８から所定のガスが供給された後に、ターゲット電源１５からターゲット１３に電圧が印加されることによって、成膜空間中のガスからプラズマが生成される。結果として、ターゲット１３がスパッタされ、基板Ｓの表面に磁性膜ＭＦが形成される。スパッタ装置１０では、ターゲット１３のスパッタが行われているときに、基板Ｓにおける温度の制御を行っていない。言い換えれば、スパッタ装置１０では、ターゲット１３のスパッタが行われているときに、スパッタ粒子からの入熱以外に基板Ｓに対して熱エネルギーを与えていない。これによって、基板Ｓの表面には、非晶質の状態の磁性膜ＭＦが形成される。
【００３０】
２つの磁性膜を形成することは、上述したスパッタ装置１０を用いて、主成分の組成が互いに等しい２つの磁性膜を形成し、また、非晶質の状態である２つの磁性膜を形成する。なお、２つの磁性膜ＭＦにおいて、いずれか一方のみが非晶質の状態であってもよい。すなわち、一方の磁性膜ＭＦは非晶質の状態であり、他方の磁性膜ＭＦは結晶化していてもよい。また、非晶質の状態を有する磁性膜ＭＦの主成分を構成する元素の種類と、他方の磁性膜ＭＦの主成分を構成する元素の種類とが、互いに等しい一方で、２つの磁性膜ＭＦ間において組成比が互いに異なってもよい。さらには、２つの磁性膜ＭＦは、酸素を含み絶縁性を有した磁性膜であれば、非晶質の状態を有した磁性膜ＭＦの主成分を構成する元素の種類と、他方の磁性膜ＭＦの主成分を構成する元素の種類とは互いに異なってもよい。
【００３１】
なお、非晶質の状態を有する磁性膜ＭＦの主成分が上述したＹＩＧであるときには、他方の磁性膜ＭＦにおける主成分は、イットリウム、鉄、および、酸素から構成されることが好ましく、ＹＩＧであることがより好ましく、非晶質の状態を有するＹＩＧであることがさらに好ましい。
【００３２】
磁性膜ＭＦを結晶化させることは、例えば、図２に示されるアニール装置を用いて行われる。
図２が示すように、アニール装置２０は、磁性膜ＭＦを加熱するための加熱空間を区画する収容槽２１を備え、収容槽２１内は大気圧に保たれている。収容槽２１内には、第１支持部２２と第２支持部２３とが位置し、第１支持部２２と第２支持部２３とは互いに対向している。第１支持部２２は、磁性膜ＭＦが形成された基板Ｓを支持する。第１支持部２２は、例えば基板Ｓを支持するステージである。第２支持部２３は、第１支持部２２と同様、磁性膜ＭＦが形成された基板Ｓを支持する。第２支持部２３は、例えば基板Ｓを支持するステージである。
【００３３】
第１支持部２２および第２支持部２３のいずれか一方が支持する基板Ｓに形成された磁性膜ＭＦが、非晶質の状態を有した磁性膜である。この場合には、磁性膜ＭＦを加熱することにおいて、２つの磁性膜ＭＦの各々における主成分の組成が互いに等しく、かつ、非晶質の状態である２つの磁性膜ＭＦを対向させた状態で、磁性膜ＭＦを加熱する。
【００３４】
磁性膜ＭＦの加熱が行われるときには、２つの磁性膜ＭＦの各々における主成分の組成が互いに等しいため、２つの磁性膜ＭＦ間での酸素の脱離の状態が等しくなりやすい。結果として、非晶質の状態から結晶化された磁性膜ＭＦでの酸素の欠損が、その磁性膜ＭＦと対向する磁性膜ＭＦから脱離した酸素によって補われやすくなる。また、スピンゼーベック素子を構成する磁性体として２つの磁性膜ＭＦの両方を用いることができるため、磁性膜ＭＦの形成効率、ひいては、スピンゼーベック素子の生産効率を高めることができる。また、２つの磁性膜ＭＦの主成分がＹＩＧであるため、非晶質の状態から結晶化された磁性膜ＭＦの表面においてイットリウム、鉄、および、酸素を含む結晶から脱離した酸素が、その磁性膜ＭＦに対向する他の磁性膜ＭＦから脱離した酸素によって補われ、結果として、磁性膜ＭＦの表面における平坦性が高められる。
【００３５】
第１支持部２２と第２支持部２３とが対向する方向において、第１支持部２２と第２支持部２３との間の距離は、第１支持部２２と第２支持部２３とに磁性膜ＭＦが１つずつ配置されたときに、２つの磁性膜ＭＦが互いから離間する距離であってもよいし、２つの磁性膜ＭＦが互いに接触する距離であってもよい。すなわち、磁性膜ＭＦを加熱するときに、一方の磁性膜ＭＦの表面と他方の磁性膜ＭＦの表面との間の距離である面間距離Ｄは、０であってもよいし、０よりも大きくてもよい。面間距離Ｄは、例えば０．５ｍｍ以下であることが好ましい。なお、面間距離Ｄは、２つの磁性膜の加熱によって一方の磁性膜ＭＦから脱離した酸素が、他方の磁性膜ＭＦの表面に到達することが可能な距離であればよい。
【００３６】
面間距離Ｄは上述したなかでも０であることが好ましく、すなわち、磁性膜ＭＦを結晶化させるときには、２つの磁性膜ＭＦを互いに接触させることが好ましい。２つの磁性膜ＭＦを互いに接触させた状態で磁性膜ＭＦを加熱することによって、一方の磁性膜ＭＦの表面における酸素の欠損が、他方の磁性膜ＭＦから脱離した酸素によってより補われやすくなる。
【００３７】
アニール装置２０は、加熱部２４をさらに備えている。加熱部２４は、例えば、赤外線ランプ、遠赤外線ランプ、抵抗加熱によって発熱する発熱体を含む加熱機構、および、誘導加熱によって発熱する発熱体を含む機構などのいずれかであればよい。磁性膜ＭＦの加熱において、加熱部２４は、磁性膜ＭＦを６００℃以上１２００℃以下に含まれる温度に加熱することが好ましい。
【００３８】
６００℃以上の温度で磁性膜ＭＦを加熱することによって、磁性膜ＭＦの結晶化を確実に進めることができ、かつ、１２００℃以下の温度で磁性膜ＭＦを加熱することによって、磁性膜ＭＦの結晶化する速度が過度に高くなることが抑えられ、結果として、磁性膜ＭＦの表面における表面粗さが高くなることが抑えられる。
【００３９】
アニール装置２０が磁性膜ＭＦを加熱するときの磁性膜ＭＦの温度は、磁性膜ＭＦの結晶化が可能であれば、６００℃よりも低くてもよい。また、磁性膜ＭＦの温度が１２００℃よりも高くてもよく、この場合であっても、２つの磁性膜ＭＦが互いに対向する状態で磁性膜ＭＦの加熱が行われることにより、磁性膜ＭＦが加熱空間に開放された状態で磁性膜ＭＦの加熱が行われる場合と比べて、磁性膜ＭＦの表面における平坦性を高めることは可能である。
【００４０】
こうしたアニール装置２０では、大気圧下、すなわち収容槽２１内に酸素が存在する状態で、互いに対向する２つの磁性膜が加熱される。これにより、磁性膜ＭＦには、磁性膜ＭＦの主成分が結晶化するだけの熱エネルギーが与えられることによって、加熱前は非晶質の状態であった磁性膜ＭＦが、加熱によって結晶化される。
【００４１】
なお、アニール装置２０は、加熱空間内に酸素ガスを供給する酸素ガス供給部と、加熱空間内を排気する排気部とを備えてもよい。酸素ガス供給部は、酸素ガスを所定の流量で加熱空間に供給するマスフローコントローラーであればよく、酸素ガス供給部は、アニール装置２０の外部に位置するボンベに接続されていればよい。排気部は、例えば各種のボンベおよびバルブを含んでいればよい。
【００４２】
なお、上述したスパッタ装置１０とアニール装置２０とは、ゲートバルブや他の処理装置を介して互いに接続されることによって、１つの装置における一部として機能してもよい。また、スパッタ装置１０とアニール装置２０とは、２つの装置が配置される空間において互いに独立して位置する装置であってもよい。
【００４３】
図３が示すように、基板Ｓに形成された磁性膜ＭＦの表面に、常磁性体から形成される常磁性膜ＰＭを形成することによって、スピンゼーベック素子３０を得ることができる。常磁性膜ＰＭの形成材料には、例えば、白金（Ｐｔ）、金（Ａｕ）、イリジウム（Ｉｒ）、パラジウム（Ｐｄ）、タングステン（Ｗ）、タンタル（Ｔａ）、モリブデン（Ｍｏ）、および、ニオブ（Ｎｂ）などを用いることができる。こうした常磁性膜ＰＭの形成には、磁性膜ＭＦと同様、例えば図１を参照して先に説明したスパッタ装置１０に準じた構成を有したスパッタ装置を用いることができる。
【００４４】
基板Ｓの厚さは、例えば２５０μｍ以上７５０μｍ以下であることが好ましく、磁性膜ＭＦの厚さは、例えば２０ｎｍ以上１０００ｎｍ以下であることが好ましく、常磁性膜ＰＭの厚さは、例えば２ｎｍ以上８ｎｍ以下であることが好ましい。
【００４５】
加熱後の磁性膜ＭＦの表面であって、常磁性膜ＰＭが形成される面における二乗平均平方根高さＲｑは、０．０４ｎｍ以上０．１０ｎｍ以下であることが好ましい。磁性膜ＭＦの二乗平均平方根高さＲｑは、ＪＩＳ  Ｂ  ０６０１（ＩＳＯ  ４２８７）に準拠した方法によって測定することができる。また、磁性膜ＭＦの表面は、１つの方向に沿って並ぶ複数のテラスと、２つのテラスを繋ぐステップとから構成されることが好ましい。磁性膜ＭＦの表面と対向する平面視において、複数のテラスが並ぶ方向に沿う各テラスの長さがテラス幅であり、テラス幅は５０ｎｍ以上であることが好ましい。なお、磁性膜ＭＦの表面における二乗平均平方根高さＲｑ、および、テラス幅は、原子間力顕微鏡によって得た表面の画像から得ることができる。
【００４６】
本願発明者らは、スピンゼーベック素子３０に用いられる磁性膜ＭＦの形成方法について鋭意研究するなかで、以下のことを見出した。すなわち、本願発明者らは、非結晶の状態である磁性膜ＭＦを加熱によって結晶化させるときに、２つの磁性膜ＭＦを対向させた状態で各磁性膜ＭＦを加熱することによって、磁性膜ＭＦの表面における平坦性が高められ、ひいては、磁性膜ＭＦを備えるスピンゼーベック素子３０における変換効率が高められることを見出した。
【００４７】
スピンゼーベック素子３０では、常磁性膜ＰＭと磁性膜ＭＦとの積層方向に沿って温度差が形成されると、磁性膜ＭＦと常磁性膜ＰＭとの界面の近傍に、界面の法線方向に沿うスピン流が誘起される。表面の平坦性が高められた磁性膜ＭＦでは、こうしたスピン流の誘起が表面の状態によって妨げられにくく、また、誘起されたスピン流が常磁性膜ＰＭに注入されることも妨げられにくいため、スピンゼーベック素子３０での変換効率が高められると考えられる。
【００４８】
なお、磁性膜ＭＦの表面における二乗平均平方根高さＲｑが０．０４ｎｍ以上０．１０ｎｍ以下であること、および、テラス幅が５０ｎｍ以上であることによって、スピンゼーベック効果を高める上で好ましい程度に磁性膜ＭＦの表面における平坦性を高めることができる。
【００４９】
［試験例］
図４から図８を参照して試験例を説明する。
［試験例１］
面方位が（１１０）であり、長さが１０ｍｍであり、幅が５ｍｍであり、かつ、厚さが０．５ｍｍであるＧＧＧ基板を２枚準備した。そして、ＹＩＧが主成分であるターゲットを有したスパッタ装置を用いて、各基板の表面に４０ｎｍの厚さを有し、かつ、非晶質の状態であるＹＩＧ膜を形成した。このとき、プラズマを生成するためのガスとしてアルゴンガスを用いた。また、成膜空間内の圧力を０．１Ｐａに設定し、各基板の温度は、基板に対するスパッタ粒子の入熱による温度とした。
【００５０】
次いで、各ＧＧＧ基板に形成されたＹＩＧ膜が互いに接するように、一方のＧＧＧ基板に他方のＧＧＧ基板を重ねた状態で、２枚のＧＧＧ基板を赤外線ランプ炉に配置し、ＹＩＧ膜を加熱した。このとき、赤外線ランプ炉の温度を８５０℃に設定し、加熱時間を２００秒に設定した。なお、赤外線ランプ炉の温度はＹＩＧ膜の温度と見なすことができる。これにより、ＧＧＧ基板と、結晶化したＹＩＧ膜との積層体である試験例１の積層体を得た。
【００５１】
［試験例２］
ＹＩＧ膜を加熱するときに、ＧＧＧ基板に形成されたＹＩＧ膜を他のＹＩＧ膜とは対向しない状態で赤外線ランプ炉が区画する加熱空間に露出させた以外は、試験例１と同じ方法によって、試験例２の積層体を得た。
【００５２】
［試験例３］
試験例１の積層体に対して、ＹＩＧ膜の表面に５ｎｍの厚さを有したＰｔ膜を形成した以外は、試験例１と同じ方法によって、試験例３のスピンゼーベック素子を得た。
【００５３】
［試験例４］
試験例２の積層体に対して、ＹＩＧ膜の表面に５ｎｍの厚さを有したＰｔ膜を形成した以外は、試験例２と同じ方法によって、試験例４のスピンゼーベック素子を得た。
【００５４】
［Ｘ線回折スペクトル］
Ｘ線回折装置（Ｄ８  Ｄｉｓｃｏｖｅｒ、ブルカー社製）を用いて、試験例１の積層体におけるＸ線回折スペクトルと、試験例２の積層体におけるＸ線回折スペクトルとを得た。
図４が示すように、試験例１の積層体におけるＸ線回折スペクトルでは、２θが約８９．４５°にＧＧＧ（８８０）のピークが認められ、２θが約８９．９５°にＹＩＧ（８８０）のピークが認められた。また、試験例２の積層体におけるＸ線回折スペクトルでも、試験例１の積層体におけるＸ線回折スペクトルと同様、２θが約８９．４５°にＧＧＧ（８８０）のピークが認められ、２θが約８９．９５°にＹＩＧ（８８０）のピークが認められた。
【００５５】
このように、試験例１のＹＩＧ膜、および、試験例２のＹＩＧ膜の各々における結晶の状態はほぼ等しいことが認められた。
【００５６】
［強磁性共鳴スペクトル］
電子スピン共鳴装置（ＪＥＳ  ＦＡ２００、日本電子（株）製）を用いて、試験例１の積層体における強磁性共鳴（ＦＭＲ）スペクトルと、試験例２の積層体における強磁性共鳴（ＦＭＲ）スペクトルをと得た。
【００５７】
図５が示すように、試験例１の積層体における吸収線幅であって、一次微分曲線の一対のピーク間は４Ｏｅであることが認められ、試験例２の積層体における吸収線幅は４．５Ｏｅであることが認められた。すなわち、試験例１の積層体における吸収線幅が試験例２の積層体における吸収線幅よりも小さいことが認められた。こうした吸収線幅の差は、試験例１のＹＩＧ膜の表面における表面粗さが小さいために、言い換えればＹＩＧ膜の表面における結晶格子の乱れが抑えられているためであると考えられる。
【００５８】
［表面状態］
原子間力顕微鏡（Ｅ−ＳＷＥＥＰ、（株）日立ハイテクサイエンス製）を用いて、試験例１の積層体と試験例２の積層体とにおいて、表面の状態を解析した。なお、試験例１および試験例２の各々において、ＹＩＧ膜が形成される前におけるＧＧＧ基板の表面の状態と、加熱後のＹＩＧ膜における表面の状態とを解析した。
【００５９】
図６（ａ）は試験例１におけるＧＧＧ基板の表面の状態に対応する画像であり、図６（ｂ）は試験例１におけるＹＩＧ膜の表面の状態に対応する画像である。
図６（ａ）が示すように、試験例１におけるＧＧＧ基板の表面では、所定の方向に沿ってステップとテラスとが周期的に形成されていることが認められた。また、図６（ｂ）が示すように、試験例１におけるＹＩＧ膜の表面では、ＧＧＧ基板の表面における方向とほぼ同じ方向であり、かつ、ほぼ同じ周期でステップとテラスとが形成されていることが認められた。また、テラス幅の平均値が６０ｎｍであり、複数のステップにおけるテラス幅の最小値が５０ｎｍであり、最大値が１８０ｎｍであることが認められた。
【００６０】
図７（ａ）は試験例２におけるＧＧＧ基板の表面の状態に対応する画像であり、図７（ｂ）は試験例２におけるＹＩＧ膜の表面に対応する画像である。
図７（ａ）が示すように、試験例２におけるＧＧＧ基板の表面では、試験例１におけるＧＧＧ基板の表面と同様、所定の方向に沿ってステップとテラスとが周期的に形成されていることが認められた。これに対して、図７（ｂ）が示すように、試験例２におけるＹＩＧ膜の表面では、周期的に並ぶステップとテラスとは認められなかった。
【００６１】
また、試験例１のＹＩＧ膜における二乗平均平方根高さＲｑは０．０８ｎｍであることが認められ、試験例２のＹＩＧ膜における二乗平均平方根高さＲｑは０．１５ｎｍであることが認められた。すなわち、試験例１のＹＩＧ膜の表面における表面粗さが、試験例２のＹＩＧ膜の表面における表面粗さよりも小さいことが認められた。
【００６２】
［スピンゼーベック効果］
試験例３のスピンゼーベック素子におけるスピンゼーベック効果と、試験例４のスピンゼーベック素子におけるスピンゼーベック効果とを、以下の方法を用いて測定した。すなわち、Ｐｔ膜におけるＹＩＧ膜に接する面とは反対側の面と、ＧＧＧ基板におけるＹＩＧ膜に接する面とは反対側の面との間の温度差を６Ｋとしたときに、Ｐｔ膜における電圧を測定した。そして、電圧の大きさを、ＹＩＧ膜の長さと温度勾配とによって規格化した。
【００６３】
これにより、試験例３のスピンゼーベック素子における電圧は、０．４μＶ／Ｋであることが認められ、試験例４のスピンゼーベック素子における電圧は、０．２μＶ／Ｋであることが認められた。このように、試験例３のスピンゼーベック素子では、ＹＩＧ膜の表面における平坦性が高められることによって、試験例４のスピンゼーベック素子に比べて、変換効率が高められたことが認められた。
【００６４】
［試験例５］
面方位が（１１１）であり、長さが１０ｍｍであり、幅が５ｍｍであり、かつ、厚さが０．５ｍｍである（Ｇｄ，Ｃａ）３（Ｇａ，Ｍｇ，Ｚｒ）５Ｏ１２（ＳＧＧＧ）基板を２枚準備した。そして、ＢｉＹ２Ｆｅ５Ｏ１２（Ｂｉ‐ＹＩＧ）が主成分であるターゲットを有したスパッタ装置を用いて、各基板の表面に８０ｎｍの厚さを有し、かつ、非晶質の状態であるＢｉ‐ＹＩＧ膜を形成した。このとき、プラズマを生成するためのガスとしてアルゴンガスを用いた。また、成膜空間内の圧力を０．１Ｐａに設定し、各基板の温度は、基板に対するスパッタ粒子の入熱による温度とした。
【００６５】
次いで、各ＳＧＧＧ基板に形成されたＢｉ‐ＹＩＧ膜が互いに接するように、一方のＳＧＧＧ基板に他方のＳＧＧＧ基板を重ねた状態で、２枚のＳＧＧＧ基板を赤外線ランプ炉に配置し、Ｂｉ‐ＹＩＧ膜を加熱した。このとき、赤外線ランプ炉の温度を６５０℃に設定し、加熱時間を２００秒に設定した。なお、赤外線ランプ炉の温度はＢｉ‐ＹＩＧ膜の温度と見なすことができる。これにより、ＳＧＧＧ基板と、結晶化したＢｉ‐ＹＩＧ膜との積層体である試験例５の積層体を得た。
【００６６】
［試験例６］
Ｂｉ‐ＹＩＧ膜を加熱するときに、ＳＧＧＧ基板に形成されたＢｉ‐ＹＩＧ膜を他のＢｉ‐ＹＩＧ膜とは対向しない状態で赤外線ランプ炉が区画する加熱空間に露出させた以外は、試験例５と同じ方法によって、試験例６の積層体を得た。
【００６７】
［強磁性共鳴スペクトル］
電子スピン共鳴装置（ＪＥＳ  ＦＡ２００、日本電子（株）製）を用いて、試験例５の積層体における強磁性共鳴（ＦＭＲ）スペクトルと、試験例６の積層体における強磁性共鳴（ＦＭＲ）スペクトルとを得た。
図８が示すように、試験例５における吸収線幅は１３．４Ｏｅであり、試験例６における吸収線幅は１３．７Ｏｅであることが認められた。すなわち、試験例５の積層体における吸収線幅は、試験例６の積層体における吸収線幅よりも小さいことが認められた。また、試験例５におけるスペクトルは一対のピークのみを有する一方で、試験例６におけるスペクトルは複数対のピークを有することが認められた。
【００６８】
以上説明したように、磁性膜の形成方法における一実施形態によれば、以下に列挙する効果を得ることができる。
（１）一方の磁性膜ＭＦの表面に生じた酸素の欠損が、他方の磁性膜ＭＦの表面から脱離した酸素によって補われやすいため、加熱による酸素の欠損が非晶質の状態から結晶化させた磁性膜ＭＦの表面において抑えられた分だけ、磁性膜ＭＦの表面における平坦性が高められる。それゆえに、磁性膜ＭＦがスピンゼーベック素子３０を構成する磁性体として用いられたときに、磁性膜ＭＦの表面が常磁性体と構成する界面においてスピン流が起電力に変換されやすくなり、結果として、スピンゼーベック素子３０での変換効率が高められる。
【００６９】
（２）２つの磁性膜ＭＦが互いに接しているため、非晶質の状態から結晶化させた磁性膜ＭＦの表面における酸素の欠損が、その磁性膜ＭＦと対向する磁性膜ＭＦから脱離した酸素によってより補われやすくなる。
【００７０】
（３）２つの磁性膜ＭＦの各々における主成分の組成が互いに等しいため、２つの磁性膜ＭＦ間での酸素の脱離の状態が等しくなりやすい。結果として、非晶質の状態から結晶化された磁性膜ＭＦでの酸素の欠損が、その磁性膜ＭＦと対向する磁性膜ＭＦから脱離した酸素によってより補われやすくなる。
【００７１】
（４）スピンゼーベック素子３０を構成する磁性体として２つの磁性膜ＭＦの両方を用いることができるため、磁性膜ＭＦの形成効率、ひいては、スピンゼーベック素子３０の生産効率を高めることができる。
【００７２】
（５）６００℃以上の温度で磁性膜ＭＦを加熱することによって、磁性膜ＭＦの結晶化を確実に進めることができ、かつ、１２００℃以下の温度で磁性膜ＭＦを加熱することによって、磁性膜ＭＦの結晶化する速度が過度に高くなることが抑えられ、結果として、磁性膜ＭＦの表面における表面粗さが高くなることが抑えられる。
【００７３】
（６）非晶質の状態から結晶化された磁性膜ＭＦの表面においてイットリウム、鉄、および、酸素を含む結晶から脱離した酸素が、その磁性膜ＭＦに対向する他の磁性膜ＭＦから脱離した酸素によって補われ、結果として、磁性膜ＭＦの表面における平坦性が高められる。
【００７４】
上記実施形態、および、変形例から導かれる技術的思想を付記する。
［付記１］
酸素を含み絶縁性を有した磁性材料が主成分である磁性膜であって、
表面を含み、
前記表面における二乗平均平方根高さが０．１０ｎｍ以下であり、
前記表面と対向する平面視において、前記表面は、１つの方向に沿って並ぶ複数のテラスと、２つの前記テラスを繋ぐステップとから構成され、
前記１つの方向に沿う前記テラスの長さは、５０ｎｍ以上である
磁性膜。
【００７５】
上記付記１によれば、高い平坦性を有した磁性膜であるため、磁性膜がスピンゼーベック素子を構成する磁性体として用いられたときに、磁性膜の表面が常磁性体と構成する界面においてスピン流が起電力に変換されやすくなり、結果として、スピンゼーベック素子での変換効率が高められる。
【符号の説明】
【００７６】
１０…スパッタ装置、１１…真空槽、１２…支持部、１３…ターゲット、１４…バッキングプレート、１５…ターゲット電源、１６…磁気回路、１７…排気部、１８…ガス供給部、２０…アニール装置、２１…収容槽、２２…第１支持部、２３…第２支持部、２４…加熱部、３０…スピンゼーベック素子、Ｄ…面間距離、Ｓ…基板、ＭＦ…磁性膜、ＰＭ…常磁性膜。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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