計測自動制御学会東北支部第160回研究集会（1996．5．24）
資料番号160−5スパッタ法による感温磁性薄膜の作製と特性価

PreparationandCharacterizationofTemperature−
SensitiveMagneticThinFilmbySputteringMethod○石井 修，安宍善史，島津誠一・，長田 洋，千葉茂樹，菊地 孝，関享士朗
00samuIshii，YoshifumiAjisIli，SeiichiShimazu，Hiro5hiOsada，
ShigekiCIliba，TakashiKikuchi，KyoshiroSeki
岩手大学

Iwate University

キーワード：感温磁性膜（temperature・SenSitiveGlm），ス′でッタ法（sputteringmethod）．
マイクロセンサ〔microsensor）

連絡先：〒020 岩手県盛岡市上田4・3・5 岩手大学工学部電気電子工学科
電子システム工学講座

関享士郎，Tel．0196（21）6380 Fax．0196（21）6呂80．E−mail：Seki＠msv．cc．iwate−u．aC．jp

2感温磁性薄膜THFl・2）

1括音

一般に．電気機器に使用される磁性材料

感温磁性薄膜TMFは，スパッタリング

は，機器の発熱や周囲の温度変化などによと熱処理の行程を経て作製される．Mn・Zn

る磁気特性の変動の小さいことが要求され系フェライト巷ターゲットとしたRFスパる．しかし，使用温度範囲で磁性材料の特ッタにより，Si基板上にMn．Zn，Feの複性を急変させて，計i軋 制御，情報，エネ合金属膜を形成させ，熱処理により磁気構ルギー変換などの分野に利用する研究も進造の結晶休に成長させる．

TMFの磁気的性質を左右するパラメーめられてきている．

本研究では，温度依存性をもつ，感温磁タは，ターゲットに用いるMn−Zn系フェラ性薄膜（Temperature・SensitiveMagnetic

イトの成分比，スパッタ時におけるRFパThinFilm：以下TMFと略す）の作製と感ワーやスパッタ時間，雰囲気および雰囲気

温アモルファス膜を用いた光センサの構成

圧．熱処理時における温度，時間，熱処理について検討を行った．

雰囲気などが挙げられる，こ甲ため本研究では．主に熱処理時間をパラメータとして1変化させ，TMFの磁気的性質を測定した．

雰囲気を酸素として炉内に100ml／minの2．1THFの作製行程割合で流し，薄膜中の金属原子と酸素原子

Fig．1にTMFの作製工程を示す・キュを再結合させ，また，完全固化したスパッリー温度Tc＝aO（ロC）のMn・Zn系フェラ

タ薄膜に熱エネルギーを加えることによりイトをターゲットとして，RFスパッタリン再結晶化させる．

グによりスパッタ薄膜を作製する．次にス

バルクフェライトの圃相反応は800〜パッタ薄膜に熱処理を施すとTMFが作製1050凸Cの間で生じるため，スパッタ膜の熱される．

処理温度は1000日cとする．また．実際の本研究ではTMFの熱人力に対するセン

バルクフェライトは・仮焼成を1〜4時間行サとしての活用を指■標にするため，TMFのい，固相反応巷進めている．これにさらにキュリー温度を室温付近にすることを目標

本焼成の工程があるので．全体として2〜7にした．このため，ターゲットとTMFの時間程度の焼成によりMn，Fe，Znの3元特性が同一になるものと仮定して，ターゲ系からフェライト成分の生成を行っているットにキュリー温度Tc＝30〔白C〕のMn−Znと考えられる，これを考慮して本研究でのバルクフェライトを用いて薄膜の作製を行

スパッタ薄膜の熱処理時間は1〜8時間とう．

する．

2．2熟処理

3THFの特性評価

スパッタで化合物ターゲットを用いる場

TMFの特性評価は，表面観察に走査型電合，純ガス雰囲気中でスパッタを行うと，子顕微鏡（SEM）．組成分析にエネルギー

膜組成はターゲットと比較してガス成分元分散型Ⅹ線分光法（EDX〕，構造分析にⅩ素が欠乏しやすい．本研究では，スパッタ

繰回折装置，磁気特性の測定に振動試料型膜が酸素不足であることが予想される．ま

磁力計〔vSM）を用いた．

た，薄膜の形成時にはスパッタ粒子は高温

Fig．2（a〕は熱処理前のTMFのSEM気相から基板上の室温固相へと急冷される像である．同園より表面は非常に平滑であことになる．これにより，スパッタ薄膜はることがわかる．Fig．2〔b〕は熱処理を4非晶質である可能性が高い．

時間行ったTMFのSEM像である．無数のこれらを考慮し，熱処理工程では熱処理微細なクラックがみられる．

20J上m（a）noannealing O））annealinghr4hours
Fig．1Preparationpro丘1eofTMF

Fig．2SEMimagesofTMF
2

Fig．3は熱処理を4時間行ったTMFのⅩ

線回折図である．同国より熱処理行程にてTMFはスピネル構造をとるようになるこ

Fig．4〔a）は熱処理前のTMFのM−H曲線である．ほとんど磁化をもっていないことがわかる．Fig．4（b）は熱処理を4時間nU︵M日＼音且苫とがわかる．

行ったTMFのM−H曲線である．これにより熱処理行程にてTMFに磁化が与えられることがわかる．磁界Hが500〔Oe）のと−500

500O

きの磁化Mの値巷Msとして，熱処理時間H（Oe）によるMsの変化を示したものがFig．5で（a）noannealingある．今回作成した試料では．熱処理時間7時間のTMFのMsが最が大きい．
より，熱処理前のTMFはほとんど温度依存性を持たないことがわかる．Fig．4〔b）

は熱処理を4時間行ったTMFのM・H曲線

nU︵m喜＼昌且苫

温度依存性に着目した場合，Fig．4〔a）であるが，これにより熱処理行程にて温度依存性が与えられることがわかる．試料温度が10ロCのとさのMsの値を1として試料O温度の上昇に伴う Msの変化の割合を示しH（Oe）

たのがFig．6である・熱処理時間が長くなO））annealingatlOOO℃砧r4hour
Fig．4M−HcurveofTMF

るに伴い温度依存性が強まるなどといった︻s．d且AヒS之山卜呂卜可甲虫

傾向ほ確認で菖ない．

40l︵M2J＼昌且S苫nU

O nU

つJnUつ︼l40

2β【deg．】

50

ユ4

占AnnealTime（hour）

Fig．3Ⅹ・RaydifEractionpatternOfTMF Fig．5ThevariationinMsasafunctionof

afterannealingfbr4hours

the annealing time38l

POt＝．d已 ＃AMP,C心■己0．8

SubstI・ate

享d∽∽ 苫、読0．6 苫

2040

Fig．7Layoutdfamorphousmagneticphoto

Sampl巳「陀mp．［OC］Sen島OrAMPS

イズは4mmx15mmの長方形である．磁Fig．6ThevariationinrateofchangeinMs性膜は厚さが20J上mのフレーク状となっ

asafunctionoft，heE；amPletemperature

4感温磁性膜を用いた光センサ3）ており．バインダとしてエポキシ樹脂を用AMPS（Amorphous Magnetic Photo

いた．磁性膜の表面に放射吸収物質RAをSensor〕は光エネルギーを吸収して磁気特塗布するとAMPSが作製される．AFの組性が変化する光磁気変換素子である．従来

成は主成分がFe−P−Cr系アモルファスであの受光素子には，．光導電効果．光起電力効る．従来，熟型電気式検出器の受光面に塗果．光電子放射効果および焦電効果などを布または付着させて吸収率を高くするため利用したものがありそれぞれ実用されていに，金．亜鉛．白金などの金属黒やカーボる．これらはいずれも受光部の電気的特性ンブラックなどの放射吸収物質かある．こか光によって変化する性質を利用したもの

れらはいずれも高い吸収率と熱伝導率を有である．これに対し，AMPSはその磁気特している．ここでは，白金黒とカーボンブ性であるレラクタンスの温度依存性を利用ラックを用いた．

光を照射して変化するAMPSの磁気特した変換素子である，MPSは感温アモル
ファス磁性膜の表面に放射吸収物質を塗布性を検出するために，Fig．8に示すホールしたもので，広い範囲におよぶ波長の光エ素子法を考案した．装置は，基板鼠 ホーネルギーを吸収する．その結果，素子温度

ル素子H，U字形磁心M．巻線N．ケースが上昇し磁気特性であるレラクタンスが増Cにより構成される．Mを巻線Nを介して大する．この変化をホール素子読み出し法

一定交流電圧で励磁すると，Mの磁極からにより，光を電圧に変換することができる．

磁束￠が発生し，M−H−S−PS−S・Mなる磁気4．11光センサの構成回路を形成するため．Hよりホール素子の出力電圧VHが発生する．光LがAMPSにTMFの応用例の一つとして．光センサを示す．Fig．7はAMPSの概略である．AMPS照射されるとAMPSがそのエネルギーをはアモルファス磁性膜AF（Amo叩hous吸収して素子温度を上昇させるのでレラクmagneticFilm）にバインダを添付して，プタンスが増大する．磁気回路中では磁束がラスチック基板Sに固着させた厚膜で，サ一定であるため，AMPSのレラクタンスの4増加により磁束◎が減少し，その結果VHも減少する．この変化を次段の信号処理回路SPに導く．光信号読み出しには．磁気ヘッドによる方法も考えられるが．この方法は磁気ヘッドをAMPSの上部に設置するため，光の入射が妨げられる恐れかある．
ホール素子法は入射角度に関係なく光を照射できること，読み出し部をAMPSの下部ばかりではなく左右に設置することができる，

5轄貫

このようにスパッタ法を用い，熱処理を加えることにより温度依存性を持つ磁性薄膜が得られた．しかしTMFを光センサヘ

Fig．8Schematicoflight−magnetic

応用する場合．温度依存性や透磁率の面で問題が残るが作製時のパラメータ，特に熱処理行程にて改善が可能であるものと考える．

以上，感温磁性薄膜の作製と感温磁性膜を用いた光センサの構成について検討を行った．
文献1〕長田 洋．安宍 善史，菊地 孝．田山 典男，関 享士郎，菊地 新喜：感温磁性薄膜センサの作製と基礎特性，日本応用磁気学会
誌Vol．20，No凰565／568（1996）
2） Hiroshi Osada， Kyoshiro Seki，
Ilidetoshi 批1tSuki， Shinki Kikuchi，KoichiMurakami：TemperaturerSensitive
Xagnetic Thin−Film for ≠icro Sensor，
1EEE Trans． Xagn．． Vol．3l， No．6，3164／3166，November1995

3〕長田 洋，安宍 菩史，関 享士郎，松木 菓敏，菊地 新書：アモルファス磁性体
受光素子の構成と基礎特性，計測自動制御学
会論文集Vol．32，No且151／155（1996）

conver呂iononAMPS