(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
組織中にIrが存在し、このIrはIrMn合金を介して分散され、前記IrとIrMn合金にはそれぞれIr相およびIrMn合金相を有すると共に、前記Ir相の外側にIrMn合金相が接合しており、
Feが前記IrMn合金相に含有されており、組織中に、Fe相、あるいは、FeMn相、又は、Fe相、及び、FeMn相が存在し、
組織中に含まれるＦｅ比は、１．５ｗｔ％〜２２．５２ｗｔ％、Ｉｒ比は３６．２ｗｔ％〜４６．６ｗｔ％、Ｍｎ比は４１．２８ｗｔ％〜５２．４ｗｔ％の範囲内であり、Ｆｅ比、Ｉｒ比及びＭｎ比を合わせて１００ｗｔ％であることを特徴とするIrMn系合金成膜用ターゲット。
【請求項２】
請求項１において、抗折強度が15ｋｇ／ｃｍ2以上を有することを特徴とするIrMn系合金成膜用ターゲット。
【請求項３】
請求項１または２において、含有酸素量が3000ｐｐｍ以下であることを特徴とするIrMn系合金成膜用ターゲット。
【請求項４】
請求項１〜３のいずれかにおいて、90％以上の相対密度を有することを特徴とするIrMn系合金成膜用ターゲット。
【請求項５】
請求項１〜４のいずれかに記載されたIrMn系合金成膜用ターゲットを用いて形成されたことを特徴とする反強磁性膜。
【請求項６】
請求項５において、前記反強磁性膜に電流供給端子を設け、磁界検出素子の機能を付与したことを特徴とする反強磁性膜。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、反強磁性を有するIrMn系合金の成膜用ターゲットと、それを用いた反強磁性膜に関するものであり、特に磁気記録装置などに適用される磁気抵抗効果型磁気ヘッドの検出部の磁区制御などに適用される反強磁性膜に係わるものである。
【０００２】
【従来の技術】
パソコン等の外部記憶装置に使用されているハードディスクドライブによって代表される磁気記録分野では、大容量、高記録密度化が年率20〜30％以上の大きな伸びを示している。情報を磁気ディスクに書き込み／読み出す磁気ヘッドにとってみても、その方式、構成等は目まぐるしく変化し、変革が進んでいる。現在、磁気ディスク上に書き込まれる情報密度は2〜3Gbit／in2に達しており、磁気ヘッドとして電磁誘導方式では書き込み／読み出しが困難になっていしまい、そのため読み出し専用ヘッドとして磁気抵抗効果を利用した磁気抵抗効果型ヘッドが考え出され、主流を占めるに至ってきた。
【０００３】
さて、この磁気抵抗効果型ヘッドの検出部には、強磁性体であるパーマロイ等の磁性薄膜による磁気抵抗効果が利用されているが、強磁性材に特有な磁区あるいは磁壁が薄膜中に存在のため、バルクハウゼンノイズが発生し、実用化の上で大きな障害になっていた。このため、磁性薄膜を単磁区化する実用的な方法が多方面から検討され、多くの対策方法が盛んに行われている。それらのなかで、有用な解決方法として強磁性体薄膜による磁気抵抗効果膜と反強磁性膜との交換結合現象を利用して、磁気抵抗効果膜の磁区を特定方向に制御する方法が提案されている。このように、強磁性と反強磁性の薄膜を２層以上重ねる多層膜は、交換結合膜と称せられている。強磁性膜に積層される反強磁性膜としては、γ-FeMnあるいはNiO等の合金系があるが、特許番号第2,672,802号公報に開示されているIrMn系合金が、交換結合磁界強さ、ブロッキング温度、耐食性等の点で好適である旨が記載され、注目を浴びるようになってきた。
【０００４】
IrＭｎ系合金膜は反強磁性を有するため、強磁性合金膜上に隣接して膜を形成すれば、原子間の相互作用による磁気的な結合を生じ、強磁性合金膜の磁化方向を制御するという特異な現象を発生する。この物性現象を利用すれば、磁気抵抗効果型ヘッドの検出部を形成する磁気抵抗効果膜のバルクハウゼンノイズを抑制でき、磁気抵抗効果型磁気ヘッドの性能を格段に向上できることが予想される。実際、強磁性膜としてパーマロイあるいはCo−Fe等が用いられ、反強磁性膜としてγ-FeMnあるいはNiO等が知られてる。一方、IrMn系合金膜は成膜中に特定方向に磁場を印加して成膜すれば、成膜後、磁場中での熱処理を施さなくても高い交換結合磁界が得られ、良好な強磁性膜の磁化方向制御を行えることから注目されていた。IrMn系合金の反強磁性膜はスパッタリング等の成膜方法で形成されるが、それに使用されるターゲット素材は、真空溶解法あるいは所望組成のIrMn合金粉末を加圧焼結する粉末冶金法により作製される。次に、ターゲット素材は機械加工して所望の形状寸法に仕上げられて、ターゲットとしてスパッタ装置に組み込まれる。このようなターゲットは主としてＡｒのような不活性ガスイオンの雰囲気中でスパッタリング工程に適用され、磁気ヘッドの検出部等の形成が行われる。
【０００５】
さて、上述したIrMn系合金成膜用ターゲットは真空溶解法あるいは粉末冶金法で作製されることが知られており、以下その製法について述べることにする。まず、真空溶解法では原料のIr,Mnおよび必要とするその他の合金成分を所望組成に配合し、真空炉中に設置したジルコニアあるいはアルミナ製耐火物からできている坩堝に原料を装入する。その後、真空炉を１０-2〜１０-3Ｔｏｒｒ程度まで減圧した後、耐火坩堝の外周に設置したコイルに高周波電流を通電して原料に電磁誘導による渦電流を発生させ、渦電流によるジュール熱を発生させ加熱溶解を行う。真空溶解を行ったIrMn系合金融体を、同じく真空炉中に設置した鋳型に注ぎ真空鋳造を行い、加工素材を作製する。さらに、機械あるいは研磨加工工程を経て、適当な形状寸法に加工してスパッタリング用ターゲットを得る。
【０００６】
一方、粉末冶金法を適用した製造法では、ガスアトマイズ法等で所望組成のIrMn合金粉末を作製した後、これを熱間静水圧プレス法（HIP）等の加圧焼結法を用いて、ターゲット素材を作製する。このように作製した加工素材は旋盤、研削盤等の機械加工され、所望のターゲット形状に仕上げて使用される。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
真空溶解法または粉末焼結法を用いて、スパッタリング用合金ターゲットを作製するのは広く用いられる製造方法であるが、IrMn系合金素材は機械的に脆いIrMn系金属間化合物相よって構成される。このような脆性材料によるターゲットは、スパッタリング放電中加熱され急速に温度上昇または局部加熱されるため、温度分布の不均一による熱応力が増大してターゲットに割れを引き起こすという問題点がある。スパッタ放電中にターゲットに割れを生ずると、この割れの部分にプラズマが集中してしまい、その結果スパッタリングターゲットのメタルボンディング材のIr等の蝋材が露出し、この蝋材がターゲット材と同時にスパッタされることになるため、成膜された反強磁性膜が汚染されて必要な特性の反強磁性膜を得ることができない。
【０００８】
一方、IrMn系合金を粉末法で作製した場合、Mnは酸素との親和力が大きいため、粉末の作製時に粉末表面が酸化し、厚い酸化膜層を形成してしまう。この酸化層が厚く形成された原料粉末を用いた場合、加圧焼結時にこの酸化物層が中間に介在して原料粉間の原子の相互拡散を妨害するため、焼結性が悪くなり、その結果ターゲット用素材として必要な相対密度90％以上を得ることが困難であった。また、焼結体の相対密度が90％以下の場合、焼結体内部の空隙は連なって存在するようになり、焼結体外部と繋がってしまい、表面あるいは内部に細かい空腔を生じることになる。このような焼結体を機械加工すると、加工液が焼結体内部に浸透したり、あるいは残留する原因になる。さらに、加工液による材料の汚染を促進したり、加工液が焼結体の酸化を進行させる原因にもなる。
【０００９】
酸素含有量の高いターゲットを使用してスパッタリングした場合、酸化物、特にMnの酸化物はターゲット表面に残留すると共に、絶縁物であるため電荷がトラップされ表面に滞留することになる。このため、ターゲットの電位分布が一様でなくなり、場所によっては急激に変化する不均一分布になる。スパッタ時にターゲット近傍は均一な電位分布、即ち電界分布が得られなくなり、スパッタリング放電時に異常放電を招き安定した放電を継続出来ない。つまり、成膜装置内で安定したプラズマ状態が得られないことである。また、高含有酸素の材料をスパッタ成膜した場合、酸素は成膜中に取り込まれることになり、強磁性膜上に反強磁性膜がエピタキシ成長することを阻害する。反強磁性膜のエピタキシ成長が阻害されると、強磁性膜との交換結合磁界は低下し、磁化方向を制御することは困難となり、予定した特性が得られない。さらに、成膜組成とターゲット組成が一致しないため、予定した特性を得ることが難しく、また制御することが困難であった。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
以上、従来技術の課題を記述したが、次にその解決手段を詳しく述べることにする。本発明の本質はターゲット材の構成元素であるＩｒとＭｎが金属間化合物を形成することに起因する点、およびＭｎが非常に酸化し易い元素ある点にある。このような従来技術の問題点と条件の特異性を加味して、本発明を想到するに至ったものである。
【００１１】
本発明では、ターゲットの組織をIr相とその外周側にIrMn合金相あるいはIrMn多元合金相で接合されている複合組織と規定したところに特長がある。これは焼結体の機械的強度を低下させる主因であるＭｎ相およびＭｎ合金相の割合を少なくし、機械的に強度の低いＭｎ相あるいはＭｎ合金相にクラックが生じた場合でも、Ir相でクラックの進展を食止めることができる。これは脆性および抗折強度を大幅に改善できるものである。同時に、スパッタ放電時の熱応力によってターゲットに割れが生ずるのを防止することも可能である。従来法である真空溶解による完全合金型ターゲットと本発明のターゲットの機械的な強度である抗折強度で比較したところ、完全合金型のターゲットは5〜10kg／cm2の抗折強度であったのに対し、本発明のターゲットは15kg／cm2以上の抗折強度を有していることがわかった。IrMn系合金ターゲットの組織中にIr相を存在させ、さらにIr相の外側をIrMn合金相で接合されていることが本発明の本質であるが、組織中にIrが存在しIrMn合金を介して分散される形態がより本発明を表現したものと言える。このように組織をIr相とIrMn合金相に分けてターゲットを作製することは、従来のターゲットでは組織が単相であるため、本発明のような機能および効果は期待できないことは、以上の説明から容易に理解できるところである。
【００１２】
前述した本発明によるターゲットを用いて反強磁性膜を作製することは、本発明の究極的な目的ではあるが、その組成について言及する。磁気抵抗効果型ヘッドの検出部を構成する交換結合膜を構成する場合、その組成はIrYMn1-Yで表すことができ、0.02≦Y≦0.8at%の範囲で交換結合磁界を大きくできる。さらに、0.05≦Y≦0.4at%では高温域における交換結合力を確保でき、より好ましい範囲である。交換結合膜を構成する強磁性膜との関係もあるが、反強磁性の膜厚は15nm以下が適しており、好ましくは3〜10nmである。
【００１３】
次に、IrMn合金にFe、Ni、Cu、Ta、Hf、Pd、Ti、Nb、Cr、W、Zr、Mo、Re、Co、Ru、Ptの群から選ばれた少なくとも１種が含有されるIrMn系多元合金において、組織中にIr相を存在させ、このIr相の外側をIrMn合金あるいはIrMn多元合金相で接合することである。IrMn合金に上記したFe以下の添加元素を加えることは、更なる耐食性の向上を目的としたものであり、本発明の実施しうる範囲である。
【００１４】
本発明に係わる第三の点は、前記のIrMn系合金成膜用ターゲットは、15kg／cm2以上の抗折強度を有し、スパッタ放電時の熱応力によっても割れが発生し難いことを特徴とする。このような特性は、ターゲット素材の機械加工時にその有用性を発揮するものである。即ち、従来材では脆い材質であったため、機械加工時に正確な仕上げが出来ず、表面の状態も不良であり、特性の良い薄膜を形成することが困難であった。しかし、本発明によってこのような不具合は解消できるものである。
【００１５】
本発明では、IrMn系合金成膜用ターゲットの含有酸素量を3000ppm以下、かつ相対密度を90％以上にすることを特徴とするものである。ターゲット材中の酸素量を3000ppm以下と規定した理由は、含有酸素が主としてMnの酸化物として存在することになる。Mnの酸化物は電気伝導性が無い絶縁体であるため、スパッタ放電中には電荷が蓄積されることになる。蓄積された電荷はある限界に達すると、酸化物から電荷が急激に放電されるため、スパッタ中に異常放電を生ずることとなる。ターゲット中の含有酸素量が3000ppmを超える値に達すると、安定したスパッタ放電を継続することが最早困難となり、スパッタ膜厚を厳密に制御することも不可能となる。3000ppmの限界値は実験と経験則から算定したものである。
【００１６】
また、異常放電発生時にスピッティング現象を併発し、溶融したターゲット金属元素が膜面上に付着し凝固するため、異物が非常に多い膜となる。このような膜の表面異物は素子の歩留まりを著しく低下させるため、磁気記録用ヘッドの製造上重大なな問題であった。しかし、本発明者等はIrMn系合金成膜用ターゲットの含有酸素を3000ppm、さらに好ましくは2500ppm以下にすれば、スパッタリング時の異常放電を完全に抑えることはできないにしても、安定したスパッタ放電を維持することが可能であり、安定した膜厚の制御が出来ると同時に、表面異物の発生を実用上問題のない程度に抑えることが可能であることを見いだした。
【００１７】
ターゲットの相対密度は高いほど好ましいことは当然であるが、実用上の限界値を検討すると、90％以上が特性および経済性の分岐点である。真空溶解法に比べると、本発明による方法ではターゲット中に空隙を生じやすい。このため、相対密度に影響するパラメータを適宜選び試験したところ、相対密度が90％以上であれば、ターゲット中の空隙は孤立して存在するようになり、機械加工時に材料中に加工液の浸透を抑えることが可能となり、結果としてターゲット用素材の酸化を抑えられる点、また加工液による材質の汚染を防止できる。
【００１８】
さらに、本発明は強磁性膜上に酸素量3000ppm以下に制御した低酸素のIrMn系合金成膜用ターゲットを用いて反強磁性膜を形成した交換結合膜を含むものである。本発明者らは含有酸素量3000ppm以下、90％以上の相対密度を有するIrMn合金成膜用ターゲットと含有酸素量5000ppmで、かつ相対密度が85％のIrMn系合金成膜用ターゲットを用いて比較を行った。成膜の特性評価したところ、酸素含有量の高いターゲットによる交換結合膜は、含有酸素量の低いターゲットを用いたものと比較すると、強磁性膜との交換結合磁界が小さいことが判明した。さらに、成膜した膜を透過型電子顕微鏡を用いてミクロ解析を行ったところ、含有酸素量の少ない方のターゲットで成膜したものは、強磁性膜上に良好にエピタキシー成長しているが、含有酸素の多いターゲットで成膜した膜は、エピタキシー成長が一部阻害されていることが観察できた。IrMn系合金ターゲット中の含有酸素は、ターゲット側ではスパッタ粒子として原子状態で存在すると考えられるが、これが基板上に到達して再びMnと結びつき、酸化物を形成する。このＭｎ酸化物が、強磁性膜上にIrMn系合金膜がエピタキシー成長するのを妨げ、結果として強磁性膜と反強磁性膜間の交換結合磁界が低下する原因である。
【００１９】
次に製造方法について言及する。良好なIrMn系合金成膜用ターゲットを実現するための製造方法としては、Ir粉末、Mn粉末、Mn−Ｘ合金粉末あるいはＸ粉末、（ＸはFe、Ni、Cu、Ta、Hf、Pd、Ti、Nb、Cr、W、Zr、Mo、Re、Co、Ru、Ptの群から選ばれた少なくとも１種）を所望量配合した後、混合する工程を経て、混合粉末の液相発現温度より低い温度で加圧焼結を行うことを特徴とするするものである。
【００２０】
本発明の製造方法として、Ir粉末、Mn粉末、Mn−Ｘ合金粉末、あるいはＸ粉末を配合、混合する。この混合粉末を液相発現温度より低い温度で加圧焼結を行ってターゲット用素材を作製する最大の理由は以下の通りである。本発明の基本的組織であるをIr相の外側をIrMn相によって結合するようにするために、Ir粉末は必ず単独で配合し、残りの元素は単独かあるいは合金粉末の形で配合する必要がある。原料混合粉末の液相発現温度以下で加圧焼結を行うことによって、加圧焼結時に液相が生じた場合、粉末を保持するためのモールド型や、金属製の缶と液相が反応し、良好な焼結体を得ることは困難となる。相対密度90％以上の高密度の焼結体をうるための具体的な焼結条件としては、液相発現温度以下10℃から200℃以内の温度範囲内、さらに具体的には温度1235℃から1045℃の範囲内、圧力は100kg／cm2以上で加圧焼結を行うのが望ましい。
【００２１】
【発明の実施の形態】
以下本発明を詳細に説明する。
（参考例） 参考例及び比較例のスパッタリングターゲットの製造条件を表１に示す。表１中、試料１から試料８については、平均粒径５０μｍのＩｒ粉末、およびＭｎ粉末を所望組成に秤量、配合し、混合ミルを用いて均一に混合した後、ホットプレス法あるいはＨＩＰ法を用いて加圧焼結を行った。
【００２２】
【表１】
0004002659.tif 000002
【００２３】
加圧焼結法としてＨＩＰ法を用いた場合は、原料粉末を軟鋼製の容器に充填した後、軟鋼製容器内を真空引きし、さらに４００℃まで加熱した後５時間放置し原料粉末の脱気処理を行った。脱気処理完了後、軟鋼製容器を密封し、容器をＨＩＰ装置内に入れ、圧力１０００〜１３００Ｋｇｆ／ｃｍ2、温度１０５０〜１２３０℃で加圧焼結を行った。
【００２４】
比較例の試料９では、真空溶解、鋳造により表記の組成のインゴットを作製し、これをハンマーにより適当な大きさに砕いた後、ディスクミルを用いて平均粒径５０μｍまで粉砕を行った。なお、粉砕中は粉末の酸化を防ぐため、ディスクミル容器内を真空引きした後、内部をArガスで置換して、不活性ガス雰囲気にした。以上のようにして得たIrMn合金粉末は、HIP法を用いて加圧焼結を行った。加圧焼結条件は圧力１３００Ｋｇ／ｃｍ2，温度１２００℃である。比較例１０では、真空鋳造法を用いてIrMn合金の作製を行った。上記のように作成した素材は、相対密度、酸素含有量、抗折強度を測定するとともに、スパッタ放電安定性、薄膜組成、磁気特性評価およびスパッタ時の割れの発生状況を評価するため、スパッタリングターゲットを機械加工して作成した。作成したターゲットはスパッタリング装置に装着し、Ａｒガス圧５×１０-3Ｔｏｒｒ、ターゲットへの直流印可電力１５Ｗ／ｃｍ2の条件で直流スパッタを行って、膜厚１０００Åの薄膜組成分析用の試料を作成し、薄膜組成をEPMAを用いて分析を行った。
【００２５】
磁気特性特性の評価については、同一スパッタチャンバー内でシリコン基板上に、純Ｃｏ膜を２５Å成膜を行った後、前記のスッパタ条件でNiMn系反強磁性合金膜を２００Å成膜をした後、IrMn合金膜の酸化を防止するため、Taを５０Å成膜し、交換結合磁界測定用の薄膜試料を作成した。作成した試料は振動試料型磁力計を用いて交換結合の測定を行った。スパッタ時の放電安定性、及びターゲットの割れの発生状況の評価は、Arガス圧５×１０-3Torr、ターゲットへの直流印加電力２０Ｗ／ｃｍ2の条件で５時間連続してスパッタ放電を行って、スパッタ放電時の異常放電発生回数をアーキングモニターでカウントすると同時に、試験後にターゲット表面の観察を割れの有無を調査した。
【００２６】
評価結果を纏めて表２示す。参考例は何れの試料も９０％以上の良好な相対密度、含有酸素量２５００ｐｐｍ以下、１６Ｋｇ／ｃｍ2以上の抗折強度を有しているのに対し、比較例である試料７、試料９は８０％台と相対密度が低く、また含有酸素量も４５００ｐｐｍ以上と非常に多い事が分かる。また抗折強度も６ｋｇ／ｃｍ2以下と非常に脆くなっていることが判明した。真空鋳造法で作成した試料１０に関しては相対密度、含有酸素量とも良好であったが、抗折強度は９Ｋｇ／ｃｍ2と低い値を示した。なお、試料８は焼結中に液相を生じたため評価することはできなかった。
【００２７】
【表２】
0004002659.tif 000003
【００２８】
交換結合磁界の結果について、薄膜組成の近い参考例の試料２と比較例の９の結果を比較すると、ほぼ同じ薄膜組成であるにも拘わらず本発明の４００Oeに対し、１３０Oeと低くなり、参考例のターゲットで作成した薄膜は良好な交換結合磁界を有することが分かる。
【００２９】
異常放電回数の評価、及びスパッタ後の割れの発生状況に関しては、参考例のターゲットの異常放電発生回数は１分当たり１回以下の非常に低い値でかつ、試験後ターゲットに割れの発生は無かったが、相対密度が低く、かつ含有酸素量も多い比較例の試料９は１分当たり５回と異常放電回数も多く、連続放電開始後１時間経過した後、ターゲットに割れを生じた。比較例の１０については、安定した試験の途中の段階までは安定したスパッタ放電が継続したが、連続放電開始後２時間でターゲットに割れを生じた。
【００３０】
（実施例） 実施例を表３に示す。実施例では、Ir粉末、Ｍｎ粉末以外に第三元素、第四元素を添加するため、純金属粉末、あるいは、それらの合金粉末を原料粉末として使用した。ホットプレス、HIPによる加圧焼結、及びターゲットの機械加工は実施例１に準じて行っている。なお、試料１９は加圧焼結中に液相を生じ良好な燒結体を得ることは出来なかった。
【００３１】
【表３】
0004002659.tif 000004
【００３２】
実施例の評価結果を表４に示す。本発明のターゲットはいずれの試料も９０％以上の相対密度を有し、かつ抗折強度、薄膜組成、スパッタ放電安定性、ターゲットの割れ等、全ての点で良好な特性を有するのに対し、比較例の試料は、何らかの点で問題を有することが分かる。さらに、薄膜組成がほぼ等しい試料１２と比較例２４の交換結合磁界について見てみると、本発明の試料１２が４００Oeもの値を示しているのに対し、比較例の２４は１９０Oeと半分以下の値示しておらず本発明のターゲットをIrMn系合金反強磁性膜の成膜に使用する良好な磁気特性が得られることがわかる。作製した試料に電流供給端子を設け、磁界検出素子を形成した。低磁界の信号で十分大きな信号を得ることができ本発明を実施すれば、従来にない高感度な磁界検出センサを提供可能となる。これは記録密度2〜3Gbit/in2以上の磁気抵抗効果型磁気ヘッドの検出部を構成できることは、以上の検討結果より明らかである。
【００３３】
【表４】
0004002659.tif 000005
【００３４】
【発明の効果】
ＩｒＭｎ合金、あるいはＩｒＭｎＦｅ合金ターゲットの製造に際し、その組織を複合組織とする事で機械加工性にすぐれ、またターゲットとして使用した場合の放電安定性が良好で放電時の熱応力によっても割れを生じ難い反強磁性合金成膜用ターゲットが得られる。また、高い交換結合力を持つ磁気抵抗効果膜を作製でき、感度の良好な磁気ヘッド等の検出素子を提供することができる。