DE69738612T2

DE69738612T2 - Sputtertarget

Info

Publication number: DE69738612T2
Application number: DE69738612T
Authority: DE
Inventors: Takashi Minato-ku Yamanobe; Naomi Zama-shi FUJIOKA; Takashi Yokohama-shi ISHIGAMI; Nobuo Minato-ku KATSUI; Hiromi Kawasaki-shi FUKE; Kazuhiro Minato-Ku SAITO; Hitoshi Yokosuka-shi IWASAKI; Masashi Minato-ku Sahashi; Takashi Minato-ku WATANABE
Original assignee: Toshiba Corp; Toshiba Materials Co Ltd
Current assignee: Toshiba Corp; Toshiba Materials Co Ltd
Priority date: 1996-11-20
Filing date: 1997-11-20
Publication date: 2009-07-09
Anticipated expiration: 2017-11-21
Also published as: EP0897022A4; TW479075B; CN1590580A; CN1209847A; EP0897022A1; WO1998022636A1; US6165607A; JP3387934B2; CN100336934C; CN1194116C; KR100315556B1; SG88758A1; DE69738612D1; JP3386747B2; JP2000160332A; EP0897022B1; EP1780301A2; KR19990077377A; EP1780301A3

Description

Technisches Gebiet
Diese Erfindung betrifft ein Sputter-Target.
Stand der Technik
Bis jetzt wird als ein Wiedergabe-Magnetkopf für die magnetische Aufzeichnung mit hoher Dichte ein Magnetkopf (MR-Kopf) unter Verwendung eines Elements, das die magnetische Widerstandsänderung zeigt (im Nachfolgenden als MR-Element bezeichnet), untersucht. Gegenwärtig wird für eine Schicht, die die magnetische Widerstandsänderung zeigt (MR-Schicht), eine Ni₈₀Fe₂₀-Legierung (Atom-%) (Permalloy) oder dergleichen, die eine anisotrope magnetische Widerstandsänderung (AMR, anisotropic magneto-resistance) zeigt, allgemein verwendet. Da die AMR-Schicht eine kleine Änderungsrate der magnetischen Widerstandsänderung von etwa 3% besitzt (MR-Änderungsrate), zieht als ein alternatives Material für das Schichtmaterial mit magnetischer Widerstandsänderung eine Schicht mit einem künstlichen Gitter und eine Spinnventil-Schicht, wie etwa (Co/Cu)n und dergleichen, die die Riesenmagnetoresistenz (GMR, giant magneto-resistance) zeigen, die Aufmerksamkeit auf sich.
Da die AMR-Schicht magnetische Domänen besitzt, wird in einem MR-Element unter Verwendung einer AMR-Schicht das von der Gegenwart der magnetischen Domänen herrührende Barkhausen-Rauschen bei der Umsetzung in die praktische Anwendung ein Nachteil. Deshalb werden verschiedene Mittel untersucht, um eine AMR-Schicht als einzelne Domäne herzustellen. Als ein Verfahren unter diesen gibt es eine Methode, in dem die magnetischen Domänen in einer AMR-Schicht in eine bestimmte Richtung gelenkt werden, indem man Austauschkopplung zwischen der AMR-Schicht, die ein ferromagnetisches Material ist, und einer Schicht aus einem anti-ferromagnetischen Material ausnutzt. Als ein anti-ferromagnetisches Material in diesem Fall ist eine γ-FeMn-Legierung soweit bekannt (siehe als Beispiel die Beschreibung von US 4,103,315 , die Beschreibung von US 5,014,147 und die Beschreibung von US 5,315,468 ).
Daneben umfasst eine Spinnventil-Schicht eine Sandwichschicht, die eine Laminat-Struktur besitzt, die aus einer ferromagnetischen Lage/einer unmagnetischen Lage/einer ferromagnetischen Lage gebildet wird, und wobei durch Aufprägen einer Magnetisierung auf eine ferromagnetische Lage ein GMR erhalten wird. Zum Aufprägen einer Magnetisierung einer anderen ferromagnetischen Lage der Spinnventil-Schicht wird im Allgemeinen eine Technologie verwendet, die die Austauschkopplung zwischen einer anti-ferromagnetischen Schicht und einer ferromagnetischen Schicht ausnutzt. Als ein aufbauendes Material der Schicht aus dem anti-ferromagnetischen Material ist in diesem Fall eine γ-FeMn-Legierung allgemein in Verwendung.
Eine γ-FeMn-Legierung hat jedoch eine schlechte Korrosionsbeständigkeit. Insbesondere wird es durch Wasser leicht korrodiert. Da ein MR-Element, das eine Schicht aus einem anti-ferromagnetischen Material verwendet, die aus einer γ-FeMn-Legierung besteht, insbesondere durch Wasser in der Luft, während dem Bearbeitungsschritt hin zu einer Gestalt eines Bauteils oder zur Gestalt eines Kopfes leicht korrodiert wird, neigt die Austauschkopplungskraft mit einer MR-Schicht als Folge dieser Korrosion somit dazu, dass sie über die Zeit allmählich schlechter wird.
Für eine zwischen einer Schicht aus einem anti-ferromagnetischen Material und einer Schicht aus einem ferromagnetischen Material gebildeten Austauschkopplungsschicht ist es vom Standpunkt der Zuverlässigkeit erforderlich, dass die Austauschkopplungskraft 200 Oe oder mehr bei z. B. 393 K ist. Um eine Austauschkopplungskraft von 200 Oe oder mehr bei 393 K zu verwirklichen, ist es zusätzlich zu einer Austauschkopplungskraft bei Raumtemperatur erforderlich, dass die Temperaturabhängigkeit der Austauschkopplungskraft gut ist. Was die Temperaturabhängigkeit der Austauschkopplungskraft angeht, ist es wünschenswert, dass die Sperrtemperatur, bei welcher die Austauschkopplungskraft zwischen einer Schicht aus einem ferromagnetischen Material und einer Schicht aus einem anti-ferromagnetischen Material verloren geht, so hoch als möglich ist. Eine γ-EeMn-Legierung liegt jedoch in der Sperrtemperatur bei niedrigen 443 K, und auch die Temperaturabhängigkeit der Austauschkopplungskraft davon ist sehr schlecht.
Außerdem wird in US 5,135,468 beispielsweise eine θ-Mn-Legierung, wie etwa eine NiMn-Legierung, die eine Kristallstruktur eines flächenzentrierten tetragonalen Kristallsystems besitzt, als eine Schicht aus einem anti-ferromagnetischen Material beschrieben. Wenn eine anti-ferromagnetische Materialschicht, die aus der θ-Mn-Legierung besteht, verwendet wird, zeigt sich, dass die Austauschkopplungskraft zwischen der anti-ferromagnetischen Materialschicht und der ferromagnetischen Materialschicht sich nicht verschlechtert.
Außerdem wird als eine anti-ferromagnetische Materialschicht mit einer hohen Sperrtemperatur, großen Austauschkopplungskraft und ausgezeichneten Korrosionsbeständigkeit eine IrMn-Legierung vorgeschlagen, die eine Kristallstruktur eines flächenzentrierten tetragonalen Kristallsystems besitzt. Als eine anti- ferromagnetische Materialschicht, die die gleiche Kristallstruktur besitzt, ist außer der γ-FeMn-Legierung eine γ-Mn-Legierung, wie etwa eine PtMn-Legierung oder eine RhMn-Legierung bekannt (siehe US 4,103,315 , US 5,315,468 ).
Wie oben beschrieben, sind Mn-Legierungen, wie etwa eine IrMn-Legierung, PtMn-Legierung, RhMn-Legierung, NiMn-Legierung, PdMn-Legierung und CrMn-Legierung, ausgezeichnet in der Korrosionsbeständigkeit und können außerdem in der Sperrtemperatur der Austauschkopplungsschicht verstärkt werden. Somit ziehen sie die Aufmerksamkeit als ein anti-ferromagnetisches Material auf sich, das dazu in der Lage ist, die Langzeitzuverlässigkeit des MR-Elements zu verstärken.
Als ein Verfahren zum Bilden einer anti-ferromagnetischen Materialschicht wird jetzt das Sputter-Verfahren allgemein verwendet. Unter Verwendung eines Sputter-Targets, das jedes Element umfasst, das die oben beschriebenen Mn-Legierungen aufbaut, wird eine anti-ferromagnetische Materialschicht durch ein Sputterverfahren in eine Schicht umgeformt. Eine anti-ferromagnetische Materialschicht, die mit einem herkömmlichen Sputter-Target in eine Schicht umgeformt wird, neigt jedoch dazu, eine inhomogene Schichtzusammensetzung in einer gebildeten Schichtebene zu bilden. In einer solchen zwischen einer anti-ferromagnetischen Materialschicht und einer ferromagnetischen Materialschicht gebildeten Austauschkopplungsschicht gibt es das Problem, dass man eine ausreichende Austauschkopplungskraft nicht erhalten kann. Zusätzlich besteht als ein anderes Problem, dass ein MR-Element und ein MR-Kopf, die eine solche Austauschkopplungsschicht verwenden, dazu neigen, auf der anti-ferromagnetischen Materialschicht von den anderen Bestandteilsschichten nachteilig beeinflusst zu werden, so dass sich seine Austauschkopplungsleistungsfähigkeit verschlechtert.
Außerdem neigt das herkömmliche Sputter-Target dazu, eine große Zusammensetzungsabweichung zwischen der Filmzusammensetzung, die im Anfangszustand des Sputterns gesputtert wird, und der Zusammensetzung, die man am Ende der Standzeit erhält, zu verursachen. Eine solche zeitliche Veränderung der Schichtzusammensetzung der anti-ferromagnetischen Materialschicht kann ebenfalls Ursache dafür sein, dass sich die Austauschkopplungsleistungsfähigkeit verschlechtert.
Das erste Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, eine Schichtzusammensetzung und eine Schichtqualität einer anti-ferromagnetischen Materialschicht zu stabilisieren, die eine Mn-Legierung umfasst, die ausgezeichnet in der Korrosionsbeständigkeit und der thermischen Eigenschaft ist, und ein Sputter-Target mit einer geringeren Zusammensetzungsabweichung bis zum Ende der Standzeit bereitzustellen. Das zweite Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, ein Sputter-Target bereitzustellen, das dazu in der Lage, reproduzierbar eine anti-ferromagnetische Materialschicht zu bilden, deren Austauschkopplungskraft bei Zimmertemperatur und im Hochtemperaturbereich stabil ist, und eine anti-ferromagnetische Materialschicht bereitzustellen, die eine solche Leistungsfähigkeit besitzt. Das dritte Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, unter Verwendung einer in dieser Leistungsfähigkeit ausgezeichneten anti-ferromagnetischen Materialschicht ein Bauteil mit magnetischer Widerstandsänderung bereitzustellen, das es ermöglicht, eine stabile Leistungsfähigkeit und eine stabile Ausgangsleistung reproduzierbar zu erhalten.
Offenbarung der Erfindung
Das Sputter-Target der vorliegenden Erfindung besteht im Wesentlichen aus Mn und zumindest einem R-Element, das ausgewählt ist aus einer Gruppe aus Ni, Pd, Pt, Co, Rh, Ir, V, Nb, Ta, Cu, Ag, Au, Ru, Os, Cr, Mo, W und Re, wobei das Sputter-Target als zumindest ein Teil des Targetgefüges zumindest ein Element einschließt, das ausgewählt ist aus einer Gruppe einer Legierungsphase und einer Verbindungsphase, die zwischen den R-Elementen und Mn gebildet sind, und wobei der Sauerstoffgehalt davon 1 Gew.-% oder weniger (einschließlich 0) beträgt.
Das Sputter-Target ist außerdem durch Mn gekennzeichnet, das sich von dem unterscheidet, welches die Legierungsphase und die Verbindungsphase bildet, und einen Korndurchmesser von 50 μm oder weniger besitzt.
In einem Sputter-Target der vorliegenden Erfindung ist es außerdem wünschenswert, dass der Kohlenstoffgehalt 0,3 Gew.-% oder weniger (einschließlich 0) beträgt und seine relative Dichte 90% oder mehr ist. Das Sputter-Target der vorliegenden Erfindung umfasst beispielsweise 30 Atom-% oder mehr an Mn. Das Sputter-Target der vorliegenden Erfindung kann außerdem zumindest ein Element umfassen, das ausgewählt ist aus einer Gruppe aus Be, Ti, Zr, Hf, Zn, Cd, Al, Ga, In, Si, Ge, Sn und N.
Eine anti-ferromagnetische Materialschicht kann in eine Schicht umgebildet werden, indem man das oben beschriebene Sputter-Target der vorliegenden Erfindung sputtert.
Das Element mit magnetischer Widerstandsänderung kann gebildet werden, indem es die oben beschriebene anti-ferromagnetische Materialschicht umfasst. Das Element mit magnetischer Widerstandsänderung umfasst beispielsweise die oben beschriebene anti-ferromagnetische Materialschicht und eine ferromagnetische Materialschicht, die mit der anti-ferromagnetischen Materialschicht austauschgekoppelt ist. Außerdem umfasst das Element mit magnetischer Widerstandsänderung die oben beschriebene anti-ferromagnetische Materialschicht, eine mit der unferromagnetischen Materialschicht austauschgekoppelte erste ferromagnetische Lage, und eine zweite ferromagnetische Lage, die mit der ersten ferromagnetischen Lage über eine anti-magnetische Lage gestapelt angeordnet ist. Das Element mit magnetischer Widerstandsänderung kann beispielsweise in einem Magnetkopf angewendet werden. Das Element mit magnetischer Widerstandsänderung kann in einem Gerät zur magnetischen Aufzeichnung, wie etwa ein MRAM, und einem Magnetsensor verwendet werden.
In der vorliegenden Erfindung ist das R-Element in einem Sputter-Target als eine zwischen Mn gebildete Legierungsphase oder Verbindungsphase verteilt. Durch Verteilen des R-Elements in einem Targetgefüge als die mit Mn gebildete Legierungsphase oder Verbindungsphase kann eine Zusammensetzung innerhalb des Targets homogen gemacht werden. Außerdem kann auch das Targetgefüge so hergestellt werden, dass es sich einem homogenen Zustand annähert. Insbesondere können die Zusammensetzung und das Gefüge in der Homogenität durch Verteilen des R-Elements als die zwischen Mn gebildete Legierungsphase oder Verbindungsphase verstärkt werden, wenn eine Gesamtzusammensetzung eines Targets reich an Mn ist.
Außerdem kann durch Einstellen des Sauerstoffgehalts in einem Sputter-Target auch 1 Gew.-% oder weniger auf einfache Weise eine hohe Verdichtung davon erzielt werden, selbst wenn das Sputter-Target eine an Mn reiche Targetzusammensetzung besitzt. Eine Verringerung des Sauerstoffgehalts des Sputter-Targets und dessen Verdichtung tragen stark dazu bei, dass eine damit gebildete anti-ferromagnetische Materialschicht gereinigt und dessen Sauerstoffgehalt niedrig gemacht wird. Außerdem tragen sie zur Verstärkung der Schichtqualität und Schichtzusammensetzung (Abweichung von der Targetzusammensetzung) der anti-ferromagnetischen Materialschicht bei.
Durch Bilden eines Sputterfilms eines anti-ferromagnetischen Materials durch Sputtern des oben beschriebenen Sputter- Targets der vorliegenden Erfindung kann man eine anti-ferromagnetische Materialschicht stabil erhalten, die eine ausgezeichnete Homoogenität innerhalb ihrer Schichtebene hat. Außerdem kann man durch Homogenisieren der Zusammensetzung und des Gefüges des Sputter-Targets wirkungsvoll unterdrücken, dass die Zusammensetzung zwischen dem Anfangszustand des Sputter-Targets bis zum Ende dessen Standzeit abweicht. Die Verringerung des Sauerstoffgehalts des Sputter-Targets und die hohe Verdichtung davon können die gleiche Wirkung haben.
Wie oben beschrieben, kann man durch Verwenden des Sputter-Targets der vorliegenden Erfindung eine anti-ferromagnetische Materialschicht reproduzierbar erhalten, die innerhalb ihrer Schichtebene ausgezeichnet ist sowohl in der Stabilität der Schichtzusammensetzung als auch in der Homogenität der Schichtzusammensetzung. Durch Bilden einer Austauschkopplungsschicht durch Laminieren einer solchen anti-ferromagnetischen Materialschicht mit beispielsweise einer ferromagnetischen Materialschicht kann eine Leistungsfähigkeit stabil erhalten werden, die ausgezeichnet ist in einer ausreichenden Austauschkopplungskraft, guten Korrosionsbeständigkeit, Wärmebeständigkeit und dergleichen.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
1 ist eine Schnittdarstellung, die eine Struktur eines Beispiels einer Austauschkopplungsschicht unter Verwendung einer anti-ferromagnetischen Materialschicht der vorliegenden Erfindung zeigt;
2 ist eine Schnittdarstellung, die eine Struktur eines Beispiels eines Element mit magnetischer Widerstandsänderung der vorliegenden Erfindung zeigt;
3 ist eine Schnittansicht, die eine Modifizierung des in 2 dargestellten Elements mit magnetischer Widerstandsänderung zeigt;
4 ist eine Schnittansicht, die eine Struktur eines anderen Beispiels eines Elements mit magnetischer Widerstandsänderung der vorliegenden Erfindung zeigt;
5 ist eine Schnittansicht, die eine Struktur eines Beispiels eines Magnetkopfes unter Verwendung eines Elements mit magnetischer Widerstandsänderung der vorliegenden Erfindung zeigt;
6 ist eine Schnittansicht, die ein Modifizierungsbeispiel eines in 5 gezeigten Magnetkopfes zeigt.
7 ist eine grafische Darstellung, die die Zusammensetzungsabhängigkeit der Austauschkopplungskraft von anti-ferromagnetischen Materialschichten zeigt, die in Schichten unter Verwendung von Sputter-Targets umgeformt wurden, die gemäß dem Ausführungsbeispiel 3 der vorliegenden Erfindung gebildet wurden.
8 ist eine grafische Darstellung, die Ergebnisse eines Korrosionsbeständigkeitstests der Austauschkopplungsschichtproben zeigt, die unter Verwendung der Sputter-Targets, die man gemäß der Ausführungsform 7 der vorliegenden Erfindung erhalten hat, in Schichten umgeformt wurden.
9 ist eine grafische Darstellung, die Messergebnisse von Austauschvorkräften der Austauschkopplungsschichtproben zeigt, die unter Verwendung der gemäß der Ausführungsform 7 der vorliegenden Erfindung gebildeten Sputtertargets in Schichten umgeformt wurden.
10 ist eine grafische Darstellung, die Messergebnisse der Sperrtemperaturen der Austauschkopplungsschichtproben zeigt, die unter Verwendung der gemäß der Ausführungsform 7 der vorliegenden Erfindung erhaltenen Sputter-Targets in Schichten umgeformt wurden.
Weg zum Ausführen der Erfindung
Ausführungsformen zum Ausführen der vorliegenden Erfindung werden im Folgenden beschrieben.
Als ein erstes Beispiel eines Sputter-Targets der vorliegenden Erfindung kann ein Sputter-Target angeführt werden, das im Wesentlichen aus Mn und zumindest einem R-Element besteht, welches aus einer Gruppe ausgewählt ist aus Ni, Pd, Pt, Co, Rh, Ir, V, Nb, Ta, Cu, Ag, Au, Ru, Os, Cr, Mo, W und Re. Eine anti-ferromagnetische Materialschicht, die eine RMn-Legierung umfasst, welche in eine Schicht unter Verwendung eines Sputter-Targets der vorliegenden Erfindung umgeformt wurde, kann beispielsweise als eine Austauschkopplungsschicht verwendet werden, indem man sie mit verschiedenen ferromagnetischen Materialschichten laminiert.
In einem Sputter-Target der vorliegenden Erfindung wird der Mn-Gehalt vorzugsweise wenigstens auf 10 Atom-% oder mehr eingestellt, obwohl der Mn-Gehalt auf der Grundlage einer Kombination mit dem R-Element passend eingestellt werden kann. Wenn der Mn-Gehalt zu niedrig ist, kann eine ausgezeichnete Austauschkopplungskraft nicht erhalten werden. Wenn im Gegensatz der Gehalt an dem R-Element zu niedrig ist, tendiert die Korrosionsbeständigkeit dazu, sich zu verschlechtern. Somit soll der Mn-Gehalt vorzugsweise in dem Bereich von 10 bis 98 Atom-% eingestellt werden. Die vorliegende Erfindung ist im Besonderen wirkungsvoll für ein Sputter-Target, das eine Zusammensetzung umfasst, die reich an Mn ist, wie etwa 30 Atom-% oder mehr des Mn-Gehalts.
Ein bevorzugterer Bereich des Mn-Gehalts wird auf der Grundlage eines ausgewählten R-Elements eingestellt. Wenn das R-Element Ir, Rh, Au, Ag, Co, Ru, Re ist, ist es z. B. bevorzugt, dass der Mn-Gehalt in dem Bereich von 40 bis 98 Atom-% eingestellt wird, und weiter bevorzugt, dass er in dem Bereich von 60 bis 95 Atom-% eingestellt wird. Eine RMn-Legierung, die das oben beschriebene R-Element einschließt, stabilisiert sich im Allgemeinen in einer Kristallstruktur eines flächenzentrierten kubischen Kristallsystems in dem oben beschriebenen Zusammensetzungsbereich. Da eine RMn-Legierung, die einen flächenzentrierten kubischen Kristallstrukturanteil als einen Teil davon umfasst, eine besonders hohe Neel-Temperatur besitzt (die Temperatur, wo ein anti-ferromagnetisches Material seinen Anti-Ferromagnetismus verliert), kann eine Sperrtemperatur einer Austauschkopplungsschicht stark verbessert werden.
Zusätzlich kann, wenn das R-Element Ni, Pd ist, die thermische Stabilität verstärkt werden, wenn die Kristallstruktur ein flächenzentriertes tetragonales Kristallsystem annimmt. Deshalb ist es für den Mn-Gehalt bevorzugt, ihn in einem solchen Zusammensetzungsbereich einzustellen, wo sich die Kristallstruktur stabilisiert, nämlich 30 bis 70 Atom-% Mn-Gehalt. Wenn das R-Element Cr ist, nimmt die RMn-Legierung eine raumzentrierte kubische Kristallstruktur und eine raumzentrierte tetragonale Kristallstruktur an, und der Mn-Gehalt muss vorzugsweise in dem Bereich von 30 bis 70 Atom-% eingestellt werden. Wenn das R-Element Pt ist, kann sowohl eine flächenzentrierte kubische Kristallstruktur als auch eine flächenzentrierte tetragonale Kristallstruktur ausgezeichnet in thermischer Stabilität sein. In diesem Fall muss der Mn-Gehalt vorzugsweise im Bereich von 30 bis 98% eingestellt werden, und bevorzugter in einem Bereich von 60 bis 95% eingestellt werden.
Ein Sputter-Target der vorliegenden Erfindung kann außer den oben beschriebenen R-Elementen zumindest eine Elementart (A-Element) einschließen, die ausgewählt ist aus einer Gruppe aus Be, Ti, Zr, Hf, Zn, Cd, Al, Ga, In, Si, Ge, Sn und N. Obwohl eine aus einer RMn-Legierung bestehende anti-ferromagnetische Materialschicht auf der Grundlage des oben beschriebenen Zusammensetzungsbereichs und der Kristallstruktur im Vergleich mit einer herkömmlichen FeMn-Legierung eine ausgezeichnete Korrosionsbeständigkeit zeigen kann, kann die Korrosionsbeständigkeit durch Einschließen solcher Zusatzkomponenten weiter verstärkt werden. Wenn zu viel von dem A-Element zugegeben wird, tendiert die Austauschkopplungskraft allerdings dazu, sich zu verschlechtern. Die Verbindungsmenge des A-Elements muss vorzugsweise auf 40 Atom-% oder weniger, weiter vorzugsweise auf 30 Atom-% oder weniger, eingestellt werden.
Ein Sputter-Target der vorliegenden Erfindung umfasst, zumindest als einen Teil des Targetgefüges, zumindest ein Element, das ausgewählt wird aus einer Gruppe aus einer zwischen dem R-Element und Mn gebildeten Legierungsphase und einer zwischen diesen gebildeten Verbindungsphase.
Ein Sputter-Target, das man durch Kombinieren des R-Elements und Mn erhält, ist im Allgemeinen schwierig mit einem Pulver-Sinterverfahren und dergleichen zu verdichten, und weiterhin noch schwieriger darin, das R-Element gegenüber Mn gleichförmig zu verteilen. Wenn ein Mn-reicher Zusammensetzungsbereich verwendet wird, tendiert die Verteilung des R-Elements im Besonderen dazu, von der Homogenität abzuweichen.
In einer solchen Kombination zwischen dem R-Element und Mn ist das R-Element der vorliegenden Erfindung in einem Sputter-Target als eine zwischen Mn gebildete Legierungsphase oder Verbindungsphase verteilt. Wenn beispielsweise Ir als das R-Element angewendet wird, kann IrMn₃ als eine Verbindungsphase dazwischen angeführt werden. Durch Verteilen des R-Elements in das Targetgefüge als eine an Mn-reiche Legierungsphase oder Verbindungsphase und dadurch Verringern des in einer Einzelphase vorliegenden R-Elements auf ein Mindestmaß, kann eine Zusammensetzung in dem Target homogen gemacht werden. Außerdem nähert sich das Targetgefüge (metallurgisches Gefüge) ebenfalls einem homogenen Zustand an. Wenn die gesamte Zusammensetzung des Targets reich an Mn ist, können insbesondere die Homogenität der Zusammensetzung und des Gefüges verbessert werden, indem man das R-Element als eine dazwischen gebildete Legierungsphase oder Verbindungsphase verteilt.
Wenn zwei oder mehr Elementarten als das R-Element verwendet werden, können nun eine Legierungsphase und eine Verbindungsphase, die zwischen den R-Elementen und Mn gebildet werden, irgendwelche Legierungen oder Verbindungen sein, die entweder zwischen jeweils dem R-Element und Mn oder zwischen zwei oder mehr Arten des R-Elements und Mn gebildet sind. Beispielsweise können beliebig eine oder mehrere binäre Legierungen oder binäre Verbindungen, die zwischen IR und Mn, Rh und Mn, gebildet werden, und tertiäre Legierungen und tertiäre Verbindungen, die zwischen Ir und Rh und Mn gebildet werden, vorliegen, wenn Ir und Rh als das R-Element ausgewählt werden.
Zusätzlich kann Mn, das sich von demjenigen unterscheidet, das die oben beschriebene Legierungsphase und Verbindungsphase bildet, als eine Einzelphase von Mn vorliegen. In der vorliegenden Erfindung muss, obwohl ein Teil des R-Elements als eine Einzelphase vorliegen darf, ein Teil davon aus den oben genannten Gründen vorzugsweise so klein wie möglich gehalten werden.
Außerdem muss anderes, verbleibendes Mn, das sich von demjenigen unterscheidet, das die oben beschriebene Legierungsphase und Verbindungsphase bildet, vorzugsweise einen Korndurchmesser (Korngröße) von 50 μm oder weniger besitzen. Wenn der Durchmesser eines in einer Einzelphase verbleibenden Mn-Korns groß ist, kann außerdem von einem mikroskopischen Standpunkt aus gesagt werden, dass Mn abgesondert wird. Um eine von einer solchen Absonderung von Mn herrührende Inhomogenität der Zusammensetzung und des Gefüges zu beseitigen, muss in einer Einzelphase vorliegendes Mn-Korn vorzugsweise einen Maximaldurchmesser von 50 μm oder weniger besitzen. Zusätzlich ist es bevorzugt, dass ein mittlerer Durchmesser des Mn-Korns in einem Bereich von 10 bis 40 μm liegt.
Den Durchmesser des Mn-Korns klein zu machen, ist besonders wirkungsvoll, wenn eine Target-Zusammensetzung reich an Mn ist. Da der Sauerstoffgehalt zunehmen kann, wenn der mittlere Durchmesser des Mn-Korns zu klein ist, ist es jedoch bevorzugt, den mittleren Durchmesser auf 10 μm oder mehr einzustellen. Bevorzugter ist es, den maximalen Durchmesser des Mn-Korns auf 30 μm oder weniger einzustellen. Der Korndurchmesser (Korngröße) von Mn bedeutet hier einen Durchmesser des kleinsten, das Mn-Korn umgebenden Kreises.
Durch Bilden einer anti-ferromagnetischen Materialschicht unter Verwendung des oben beschriebenen Sputter-Targets der vorliegenden Erfindung kann die anti-ferromagnetische Materialschicht mit ausgezeichneter Homogenität der Schichtzusammensetzung in einer Schichtebene auf stabile Weise erhalten werden. Die Zusammensetzung des Sputter-Targets und dessen Gefüge homogen zu machen, ist auch wirkungsvoll beim Unterdrücken von Zusammensetzungsabweichungen vom Anfangszustand des Sputterns bis zum Ende der Standzeit. Wie oben beschrieben, kann eine anti-ferromagnetische Materialschicht, die ausgezeichnet in der Stabilität der Schichtzusammensetzung ist, reproduzierbar erhalten werden, indem man das Sputter-Target der vorliegenden Erfindung anwendet. Die erhaltene anti-ferromagnetische Materialschicht ist außerdem ausgezeichnet in der Homogenität der Schichtzusammensetzung in einer Schichtebene.
Es ist außerdem bevorzugt, dass ein Sputter-Target der vorliegenden Erfindung 1 Gew.-% oder weniger (einschließlich 0) an Sauerstoff in dem Sputter-Target enthält. Wenn der Sauerstoffgehalt des Targets zu groß ist, wird die Zusammensetzungskontrolle von Mn insbesondere während der Sinterung schwierig, und ebenso kann der Sauerstoffgehalt der anti-ferromagnetischen Materialschicht, die durch ein Schicht-Sputterverfahren gebildet wird, zunehmen. Dies kann die Leistungsfähigkeit der anti-ferromagnetischen Materialschicht verschlechtern. Wenn der Sauerstoffgehalt in dem Target groß ist, wird außerdem die Verdichtung des Targets schwierig. Zusätzlich zu einer schlechten Bearbeitbarkeit tendiert das Target außerdem dazu, während dem Sputtern Risse zu bilden. Bevorzugter ist der Sauerstoffgehalt 0,7 Gew.-% oder weniger, 0,1 Gew.-% oder weniger ist noch bevorzugter.
Wenn ein Kohlenstoffgehalt in einem Target zu groß ist, ist ferner die Tendenz, dass die Defekte, wie etwa Risse während der Sinterung und plastischen Formung auftreten. Zusätzlich verschlechtert sich eine solche Leistungsfähigkeit wie ein Austauschkopplungs-Magnetfeld und eine Sperrtemperatur der erhaltenen anti-ferromagnetischen Materialschicht. Deshalb muss der Kohlenstoffgehalt in dem Target vorzugsweise auf 0,3 Gew.-% oder weniger (einschließlich 0) eingestellt werden. Bevorzugter ist der Kohlenstoffgehalt 0,2 Gew.-% oder weniger, und 0,01 Gew.-% ist noch bevorzugter.
Durch Verringern des Sauerstoffgehalts und des Kohlenstoffgehalts in einem Sputter-Target kann das Target insbesondere auf einfache Weise verdichtet werden, selbst wenn die Targetzusammensetzung reich an Mn ist. Das Sputtertarget gering an Sauerstoffgehalt und gering an Kohlenstoffgehalt zu machen, trägt außerdem dazu bei, eine hohe Reinigung, Schichtqualität und Schichtzusammensetzung (Abweichung von der Target-Zusammensetzung) der unter Verwendung des Sputter-Targets in eine Schicht umgeformten anti-ferromagnetischen Materialschicht zu verstärken. Dies kann eine solche Leistungsfähigkeit wie ein Austauschkopplungs-Magnetfeld der anti-ferromagnetischen Materialschicht und deren Sperrtemperatur verbessern.
Die Dichte des Sputter-Targets der vorliegenden Erfindung muss vorzugsweise 90% oder mehr auf der Grundlage der relativen Dichte des Sputter-Targets sein. Wenn die Dichte des Sputter-Targets zu niedrig ist, ist die Tendenz, dass während dem Sputtern aufgrund der ungleichmäßigen Entladung an schadhaften Bereichen Teilchen auftreten. Wenn die Teilchen in der anti-ferromagnetischen Materialschicht dispergiert werden, kann zusätzlich zur Verschlechterung der Leistungsfähigkeit auch die Ausbeute abnehmen. Bevorzugter ist die relative Dichte 95% oder mehr.
Indem man irgendeine unter den Konstitutionen, in denen ein Teil der Target-Zusammensetzung in der Legierungsphase oder Verbindungsphase gebildet wird, und den Konstitutionen, in denen der Sauerstoffgehalt auf 1 Gew.-% oder weniger verringert wird, erfüllt, können in dem Sputter-Target der vorliegenden Erfindung zudem zumindest gewünschte Wirkungen erhalten werden. Im Besonderen ist es jedoch bevorzugt, beide dieser Konstitutionen zu erfüllen.
Zum Herstellen des Sputter-Targets der vorliegenden Erfindung kann sowohl ein Sinterverfahren als auch ein Schmelzverfahren angewendet werden. Wenn man jedoch die Herstellungskosten und Rohmaterialausbeute betrachtet, ist es bevorzugt, das Sinterverfahren anzuwenden.
Wenn man das Sinterverfahren bei der Herstellung der Sputter-Targets der vorliegenden Erfindung anwendet, ist es zuerst bevorzugt, Rohmaterialpulver (bzw. Rohmaterialpulver aus den R-Elementen und Mn) so fein als möglich zu verwenden, um das oben beschriebene Target-Gefüge (metallurgisches Gefüge, das eine Legierungsphase und eine Verbindungsphase umfasst) zu erhalten. Durch Verwenden des R-Elementpulvers, wie etwa feinem IR-Pulver, und des feinen Mn-Pulvers, kann beispielsweise ein homogener Mischungszustand vor dem Sintern erhalten werden, und die Reaktion zwischen den R-Elementen und Mn kann verstärkt werden. Dies trägt zur Erhöhung der Produktionsmenge der Legierungsphase und der Verbindungsphase, die zwischen den R-Elementen und Mn gebildet werden, während der Sinterung bei. Außerdem ist diese darin wirkungsvoll, einen feinen Korndurchmesser von in einer Einzelphase verbleibenden Mn zu erzeugen.
Wenn jedoch die Teilchendurchmesser des jeweiligen Rohmaterialpulvers der R-Elemente und Mn zu klein sind, nimmt der Sauerstoffgehalt in der Rohmaterialstufe zu, so dass sich der Sauerstoffgehalt in dem Target erhöht. Da Mn dazu tendiert, Sauerstoff zu absorbieren, ist es insbesondere wünschenswert, den Teilchendurchmesser unter Berücksichtigung davon einzustellen. Berücksichtigt man dies, ist es bevorzugt, die mittleren Teilchendurchmesser des Rohmaterialpulvers der R-Elemente im Bereich von 20 bis 50 μm einzustellen. Daneben ist der mittlere Teilchendurchmesser des Rohmaterialpulvers aus Mn vorzugsweise auf 100 μm oder weniger einzustellen, insbesondere vorzugsweise im Bereich von 40 bis 50 μm einzustellen.
Als Nächstes werden die Rohmaterialpulver aus den oben beschriebenen R-Elementen und Mn in einem vorbestimmten Anteil zusammengemischt und werden vollständig vermischt. Zum Ausführen der Mischoperation der Rohmateriapulver können verschiedene Arten bekannter Mischverfahren, wie etwa Kugelmühle, V-Mischer, angewendet werden. In diesem Fall ist es wichtig, die Mischbedingungen so einzustellen, dass sowohl eine Kontamination aus Metallvereinigungen als auch die Zunahme der Sauerstoffmenge vermieden wird. Was den Sauerstoff in dem Rohmaterialpulver angeht, kann eine kleine Menge Kohlenstoff als ein Desoxidationsmittel eingesetzt werden, um den Sauerstoffgehalt weiter zu verringern. Da jedoch, wie oben beschrieben, Kohlenstoff selbst eine Verschlechterung der Leistungsfähigkeit in einer Schicht aus einer anti-ferromagnetischen Materialschicht verursachen kann, ist es bevorzugt, die Bedingungen so einzustellen, dass der Kohlenstoffgehalt in dem Target 0,3 Gew.-% oder weniger ist.
Wenn beispielsweise das Kugelmahlen angewendet wird, ist es, um Kontamination aus Metallverunreinigungen zu vermeiden, vorteilhaft, einen Container und Kugeln zu verwenden, die aus Harz (beispielsweise Nylon) bestehen oder eine Innenverkleidung aus freundlichem Material, wie etwa dem gleichen Material wie das Rohmaterialpulver, anzuwenden. Insbesondere ist es bevorzugt, Material in gleicher Qualität wie das Rohmaterialpulver anzuwenden. Außerdem ist im Inneren des Mischbehälters vorzugsweise eine Vakuumatmosphäre oder eine Atmosphäre, die durch ein Inertgas ersetzt ist, um während des Mischens auftretende Adsorption oder Absorption von in dem Behälter eingeschlossenen Gaskomponenten durch das Rohmaterialpulver zu verhindern. Wenn ein anderes Mischverfahren als das Kugelmahlverfahren angewendet wird, ist es bevorzugt, die identischen präventiven Verfahren anzuwenden, um die Kontamination aus Verunreinigungen zu vermeiden.
Die Mischdauer wird entsprechend dem Mischverfahren, der Pulverzugabemenge, dem Fassungsvermögen des Mischbehälters und dergleichen passend eingestellt. Wenn die Mischdauer zu kurz ist, kann ein homogen gemischtes Pulver nicht erhalten werden. Wenn im Gegensatz dazu die Mischdauer zu lang ist, ist die Tendenz, dass die Verunreinigungsmenge zunimmt. Somit wird die Mischdauer unter Berücksichtigung dessen bestimmt. Wenn beispielsweise der Mischvorgang mit der Kugelmahlmethode unter einer Bedingung eines Mischbehälters von 10 l Fassungsvermögen und 5 kg zugegebenem Pulver ausgeführt wird, wird die Mischdauer geeigneterweise so eingestellt, dass sie etwa 48 Stunden beträgt.
Als Nächstes erhält man das Target-Rohmaterial durch Sintern des Mischpulvers aus dem Rohmaterialpulver der oben beschriebenen R-Elemente und dem Rohmaterialpulver von Mn. Das Sintern wird vorzugsweise mit einem Heißpressverfahren oder einem HIP-Verfahren ausgeführt, wodurch man einen Sinterkörper hoher Dichte erhalten kann. Obwohl die Sintertemperatur gemäß dem Typ des Rohmaterialpulvers festgelegt ist, ist es bevorzugt, sie in dem Bereich von 1.150 bis 1.200°C einzustellen, was unmittelbar unter dem Schmelzpunkt von Mn (1.244°C) liegt, um die Reaktion insbesondere zwischen den R-Elementen und Mn zu verstärken. Durch Sintern des Mischpulvers unter einer solchen hohen Temperatur kann die Menge der zwischen den R-Elementen und Mn gebildeten Legierungsphase oder Verbindungsphase in dem Sputter-Target erhöht werden. Das heißt, die in einer Einzelphase vorliegenden R-Elemente können verringert werden. Der Druck während dem Heißpressen oder dem Durchführen des HIP wird vorzugsweise auf 20 MPa oder mehr eingestellt, unter dem der Sinterkörper verdichtet werden kann.
Das erhaltene Target-Rohmaterial wird mechanisch in eine vorbestimmte Gestalt gebracht. Durch Verbinden dieses Target-Materials mit einer Grundplatte mit beispielsweise einem niedrig-schmelzenden Lötmittel, kann ein Sputter-Target der vorliegenden Erfindung erhalten werden.
Durch Anwenden eines solchen Sinterverfahrens, das die oben beschriebenen Bedingungen erfüllt, kann mit geringeren Herstellungskosten als bei einem später beschriebenen Schmelzverfahren ein Sputter-Target auf stabile Weise hergestellt werden, in dem die Legierungsphase oder die Verbindungsphase zwischen den R-Elementen und Mn existiert und der Sauerstoffgehalt und der Kohlenstoffgehalt verringert sind. Zusätzlich gibt es den anderen Vorteil, dass, wenn das Sinterverfahren angewendet wird, die Ausbeute an Edelmetall-Rohmaterial höher ist, als wenn das Schmelzverfahren angewendet wird.
Wenn ein Sputter-Target der vorliegenden Erfindung durch Anwenden eines Schmelzverfahrens hergestellt wird, wird zuerst durch Mischen der R-Elemente und Mn in einem vorbestimmten Verhältnis erhaltenes gemischtes Rohmaterial geschmolzen. Zum Schmelzen des gemischten Rohmaterials kann ein herkömmlicher elektrischer Induktionsofen verwendet werden. Wenn der Schmelzvorgang mit einem Induktionsverfahren ausgeführt wird, muss es vorteilhafterweise unter einem verringerten Druck (in einer Vakuumatmosphäre) geschmolzen werden, um das Verdampfen der Verunreinigungen zu verstärken. Wenn es jedoch wünschenswert ist, die Veränderung der Zusammensetzung aufgrund der Verdampfung von Mn und dergleichen zu unterdrücken, kann das Schmelzen in einer inerten Gasatmosphäre ausgeführt werden. Außerdem kann in Abhängigkeit von der Gestalt des Rohmaterials ein Bogenschmelzverfahren oder ein Elektronenstrahlschmelzverfahren verwendbar sein.
Ein mit dem oben beschriebenen Schmelzverfahren erhaltener Block wird, beispielsweise nach plastischem Formen, mechanisch in eine vorbestimmte Targetgestalt gebracht. Indem man dies mit einer Grundplatte mit einem niedrigschmelzenden Lötmittel verbindet, kann ein Sputter-Target der vorliegenden Erfindung erhalten werden. Auch durch Anwenden des Schmelzverfahrens kann, wie auf identische Weise mit dem oben beschriebenen Sinterverfahren, ein Sputter-Target hergestellt werden, in dem die zwischen den R-Elementen und Mn gebildete Legierungsphase oder Verbindungsphase existiert und sowohl der Sauerstoffgehalt als auch der Kohlenstoffgehalt verringert sind.
Eine anti-ferromagnetische Materialschicht kann durch Anwenden des oben beschriebenen Sputter-Targets der vorliegenden Erfindung durch ein herkömmlichen Sputterverfahren in eine Schicht umgeformt werden. Wie oben beschrieben, ist die unter Verwendung des Sputter-Targets der vorliegenden Erfindung gebildete anti-ferromagnetische Materialschicht ausgezeichnet in der Stabilität der Schichtzusammensetzung und in der Homogenität der Schichtzusammensetzung in der Schichtebene. Wenn sie als eine Austauschkopplungsschicht durch Aufeinanderstapeln mit einer ferromagnetischen Materialschicht verwendet wird, wird eine solche anti-ferromagnetische Materialschicht stabil gebildet, die ausgezeichnet ist in der Leistungsfähigkeit, wie etwa einer ausreichenden Austauschkopplungskraft, guter Korrosionsbeständigkeit und guter thermischer Beständigkeit.
Eine anti-ferromagnetische Materialschicht kann als eine Austauschkopplungsschicht verwendet werden, indem man sie beispielsweise mit einer ferromagnetischen Materialschicht stapelt. 1 ist ein Diagramm, das schematisch ein Beispiel einer Austauschkopplungsschicht zeigt, die man dadurch erhält, dass man eine unter Verwendung der vorliegenden Erfindung erhaltene anti-ferromagnetische Materialschicht verwendet. Eine auf einem Substrat 1 gebildete Austauschkopplungsschicht 2 umfasst eine gestapelte Schicht einer anti-ferromagnetischen Materialschicht 3 und einer ferromagnetischen Materialschicht 4. Die gestapelte Schicht kann auf eine solche Weise gebildet werden, dass die anti-ferromagnetische Materialschicht 3 und die ferromagnetische Materialschicht 4 zumindest teilweise gestapelt sind, um eine Austauschkopplung dazwischen zu verursachen.
Wenn eine Bedingung erfüllt ist, die eine Austauschkopplung verursacht, kann zusätzlich eine dritte Lage zwischen der anti-ferromagnetischen Materialschicht 3 und der ferromagnetischen Materialschicht 4 eingebracht werden. Außerdem kann je nach Verwendung eine Reihenfolge für das Aufeinanderstapeln der anti-ferromagnetischen Materialschicht 3 und der ferromagnetischen Materialschicht 4 festgelegt werden, und die anti-ferromagnetische Materialschicht 3 kann als eine obere Seite gebildet werden.
Eine Austauschkopplungsmaterialschicht kann durch Aufeinanderstapeln einer Vielzahl anti-ferromagnetischer Materialschichten 3 und ferromagnetischer Materialschichten 4 gebildet werden.
Die Filmdicke der anti-ferromagnetischen Materialschicht 3, die aus einer RMn-Legierung (oder RMnA-Legierung) besteht, ist nicht auf einen besonderen Wert beschränkt, wenn sie in dem Bereich ist, die Anti-Ferromagnetismus verursacht, um eine große Austauschkopplungskraft zu erhalten, vorzugsweise muss sie auf eine Dicke eingestellt werden, die dicker ist als die der ferromagnetischen Materialschicht 4. Wenn die anti-ferromagnetische Materialschicht 3 oberhalb der ferromagnetischen Materialschicht 4 aufgestapelt wird, hat die Dicke davon von einem Standpunkt der Stabilität der Austauschkopplungskraft und dergleichen nach Wärmebehandlung vorzugsweise in dem Bereich von 3 bis 15 nm zu sein, und ist weiter vorzugsweise auf 10 nm oder weniger einzustellen. Zusätzlich hat die Dicke der ferromagnetischen Materialschicht 4 vom gleichen Standpunkt aus vorzugsweise im Bereich von 1 bis 3 nm zu sein. Wenn im Gegensatz dazu die anti-ferromagnetische Materialschicht 3 unter die ferromagnetische Materialschicht 4 gestapelt wird, hat die Dicke der ferromagnetischen Materialschicht 3 vorzugsweise im Bereich von 3 bis 50 nm zu sein, und die der ferromagnetischen Materialschicht 4 hat vorzugsweise im Bereich von 1 bis 7 nm zu liegen.
Für die ferromagnetische Materialschicht 4 können eine ferromagnetische Lage verschiedener Arten von aus Fe, Co, Ni oder Legierungen davon bestehende Einzellagenstrukturen, eine magnetische Multilayerschicht und eine granulare Schicht, die ferromagnetische Eigenschaft zeigen, verwendet werden. Insbesondere können eine Schicht mit anisotroper magnetischer Widerstandsänderung (AMR-Schicht) und eine Schicht mit Riesenmagnetoresistenz (GMR-Schicht), wie etwa eine Spinnventilschicht, eine Schicht mit künstlichem Gitter und eine granulare Schicht, angeführt werden. Da unter diesen ferromagnetischen Materialien insbesondere durch Stapeln von Co oder einer Co-Legierung und einer anti-ferromagnetischen Materialschicht 3, die eine RMn-Legierung umfasst, eine Austauschkopplungsschicht 2 mit einer überaus hohen Sperrtemperatur erhalten werden kann, wird dies somit bevorzugt angewendet.
Die Austauschkopplungsschicht 2 des oben beschriebenen Beispiels kann wirkungsvoll zum Eliminieren von Barkhausen-Rauschen der ferromagnetischen Materialschicht in einem Element mit magnetischer Widerstandsänderung (MR-Element) oder zur Fixierung der Magnetisierung der ferromagnetischen Materialschicht in einer Schicht mit einem künstlichen Gitter oder einer Spinnventilschicht verwendet werden. Jedoch ist die Anwendung der anti-ferromagnetischen Materialschicht und der diese verwendenden Austauschkopplungsschicht 2 nicht auf das MR-Element beschränkt, sondern ist auch auf verschiedenen Wegen anwendbar, beispielsweise wie in der Regulierung der magnetischen Anisotropie in verschiedenen Magnetkreisen, wie etwa einem aus der ferromagnetischen Materialschicht bestehenden Magnetjoch, anwendbar.
Als Nächstes wird ein Beispiel eines Elements mit magnetischer Widerstandsänderung (MR-Element) unter Verwendung der oben beschriebenen Austauschkopplungsschicht in Bezug auf 2 bis 5 erklärt. Obwohl das MR-Element wirkungsvoll beispielsweise in einem Wiedergabeelement eines Magnetkopfes für ein magnetisches Aufzeichnungsgerät, wie etwa einem HDD oder einem Magnetfeld-detektierenden Sensor, eingesetzt werden kann, ist es außer dem obigen ebenfalls wirkungsvoll in einem Magnetspeichergerät, wie etwa einem Magnetoresistenz-Speicher (MRAM = Magnetwiderstands-Random-Access-Speicher) anwendbar.
2 ist eine Beispielstruktur eines AMR-Elements 5, in dem die Austauschkopplungsschicht der vorliegenden Erfindung zur Eliminierung des Barkhausen-Rauschens der anisotropen Magnetoresistenz-Schicht (AMR-Schicht) angewendet wird. Das AMR-Element 5 umfasst als die ferromagnetische Materialschicht eine AMR-Schicht 6, die aus einem ferromagnetischen Material, wie etwa Ni₈₀Fe₂₀ und dergleichen besteht, dessen elektrischer Widerstand in Abhängigkeit von dem zwischen einer Richtung eines elektrischen Stroms und eines magnetischen Moments der magnetischen Schicht bestimmten Winkel variiert. Auf beiden Randbereichen der AMR-Schicht 6 sind jeweils anti-ferromagnetische Materialschichten 3 aufgestapelt. Diese AMR-Schicht 6 und diese anti-ferromagnetischen Materialschichten 3 bilden eine Austauschkopplungsschicht, und auf der AMR-Schicht 6 wird von der anti-ferromagnetischen Materialschicht 3 eine magnetische Vorbeladung aufgebracht.
Zusätzlich werden auf beiden Randabschnitten der AMR-Schicht 6 ein Paar von Elektroden 7 ausgebildet, die aus Cu, Ag, Au, Al oder Legierungen davon bestehen und elektrisch mit der AMR-Schicht durch die anti-ferromagnetische Materialschicht 3 verbunden sind, und durch dieses Paar von Elektroden 7 wird ein elektrischer Strom (Abtaststrom) an die AMR-Schicht 6 angelegt. Die AMR-Schicht 6, die anti-ferromagnetischen Materialschichten 3 und ein Paar von Elektroden 7 bilden zusammen ein AMR-Element 5. Außerdem können die Elektroden 7 so gebildet werden, dass sie einen direkten Kontakt mit der AMR-Schicht 6 bilden. Des Weiteren werden diese Bestandselemente auf einer Hauptoberfläche des Substrats 1 ausgebildet, das beispielsweise aus Al₂O₃·TiC besteht.
In dem oben beschriebenen AMR-Element 5 wird unter Ausnutzen einer Austauschkopplung zwischen der AMR-Schicht 6 und der anti-ferromagnetischen Materialschicht 3 der AMR-Schicht 6 eine magnetische Vorbelegung aufgegeben, um magnetische Domänen zu kontrollieren, und durch das Kontrollieren der magnetischen Domäne der AMR-Schicht 6 wird das Auftreten von Barkhausen-Rauschen unterdrückt. Das Aufbringen der magnetischen Vorbelegung auf die AMR-Schicht 6 durch die anti-ferromagnetische Materialschicht 3 kann, wie in 3 gezeigt, durch Bilden der anti-ferromagnetischen Materialschicht 3 auf der AMR-Schicht 6 in einer gestapelten Weise durch eine das magnetische Austauschvorfeld kontrollierende Schicht 8 ausgeführt werden, wodurch Austauschkopplung zwischen dieser AMR-Schicht 6 und der anti-ferromagnetischen Materialschicht 3 durch die das magnetische Austauschvorfeld kontrollierende Schicht 8 hergestellt wird. In diesem Fall kann ein Paar von Elektroden 7 teilweise auf beiden Randabschnitten der anti-ferromagnetischen Materialschicht 3 aufgestapelt werden.
Da, wie oben beschrieben, die grundlegende Leistungsfähigkeit der anti-ferromagnetischen Materialschicht 3, die aus einer RMn-Legierung und dergleichen besteht, vollständig und stabil gezeigt werden kann, und da die Austauschkopplungskraft bei Raumtemperatur und im Hochtemperaturbereich stabil erhalten werden kann, kann das Auftreten des Barkhausen-Rauschens reproduzierbar unter verschiedenen Bedingungen unterdrückt werden, wenn die anti-ferromagnetische Materialschicht beim Einbringen der magnetischen Vorbelegung in die AMR-Schicht 6 des AMR-Elements 5 verwendet wird.
4 zeigt ein Konstruktionsbeispiel eines GMR-Elements 9, das durch Anwenden der unter Verwendung der vorliegenden Erfindung erhältlichen anti-ferromagnetischen Materialschicht hergestellt wurde, um die ferromagnetische Lage einer Riesenmagnetoresistenz-Schicht (GMR-Schicht) magnetisch zu fixieren. Das GMR-Element 9 umfasst als die ferromagnetische Materialschicht eine Multilayer-Schicht mit einer zwischen einer ferromagnetischen Lage/einer unmagnetischen Lage/einer ferromagnetischen Lage gebildeten Sandwich-Struktur, eine durch Aufstapeln einer Spinnventil-Schicht gebildete Multilayer-Schicht, in der der elektrische Widerstand in Abhängigkeit von dem zwischen den Magnetisierungen dieser ferromagnetischen Materialschichten gebildeten Winkel variiert, oder die ferromagnetische Lage und die unmagnetische Lage, und eine GMR-Schicht 10, die eine Schicht mit künstlichem Gitter umfasst, welche GMR zeigt. Ein in 4 gezeigtes GMR-Element 9 umfasst eine GMR-Schicht (Spinnventil-GMR-Schicht) 10, die eine Spinnventilschicht umfasst. Diese Spinnventil-GMR-Schicht 10 besitzt eine Sandwich-Struktur, die aus einer ferromagnetischen Materiallage 11/einer unmagnetischen Lage 12/einer ferromagnetischen Lage 13 gebildet ist, worin auf die oberseitige ferromagnetische Lage 13 eine anti-ferromagnetische Materialschicht 3 laminiert ist. Die ferromagnetische Lage 13 und die anti-ferromagnetische Materialschicht 3 bilden eine Austauschkopplungsschicht. Die oberseitige ferromagnetische Lage 13 ist eine sogenannte aufprägende Schicht, die durch eine Austauschkopplungskraft mit der anti-ferromagnetischen Materialschicht 3 fest verbunden ist. Daneben ist die unterseitige ferromagnetische Lage 11 eine sogenannte freie Lage, die in der Magnetisierungsrichtung gemäß einem magnetischen Signalfeld (externes magnetisches Feld) von einem magnetischen Aufzeichnungsmedium und dergleichen variiert. Zusätzlich können die Spinnventil-GMR-Schicht 10, die aufprägende Schicht und die freie Schicht in ihren Positionen umgedreht sein.
Je nach Notwendigkeit, kann die ferromagnetische Lage 11 auf einer magnetischen Substratlage (oder unmagnetischen Substratlage) 14 gebildet sein. Die magnetische Substratlage 14 kann aus einer Art magnetischer Schicht oder einer Laminatschicht verschiedener Arten magnetischer Schichten gebildet sein. Insbesondere kann als eine magnetische Substratlage 14 ein amorphes weichmagnetisches Material oder ein weichmagnetisches Material einer flächenzentriert kubischen Kristallstruktur, wie etwa eine NiFe-Legierung, eine NiFeCo-Legierung, und magnetische Legierungen mit verschiedenen Arten zusätzlicher Elemente verwendet werden. Außerdem zeigt das Bezugszeichen 15 in der Figur eine Schutzschicht, die aus Ta und dergleichen besteht und je nach Notwendigkeit gebildet wird.
Auf beiden Randabschnitten der Spinnventil-(GMR)-Schicht 10 ist ein Paar von Elektroden 7 aus Cu, Ag, Au, Al oder Legierungen davon ausgebildet, und über dieses Elektrodenpaar wird an die Spinnventil-GMR-Schicht 10 ein elektrischer Strom (elektrischer Abtaststrom) angelegt. Aus dieser Spinnventil-GMR-Schicht 10 und einem Paar Elektroden 7 wird das GMR-Element 9 aufgebaut. Zusätzlich können die Elektroden 7 unterhalb der Spinnventil-GMR-Schicht 10 ausgebildet sein.
Da, wie oben beschrieben, die primäre Leistung einer anti-ferromagnetischen Materialschicht 3, die aus einer solchen RMn-Legierung besteht, vollständig und stabil gezeigt werden kann, und auf stabile Weise eine ausreichende Austauschkopplungskraft bei Raumtemperatur und im Hochtemperaturbereich erreicht werden kann, wird in einem GMR-Element 9 vom Spinnventiltyp der magnetische Fixierungszustand der Aufprägeschicht stabil und stark, und somit können ausgezeichnete GMR-Eigenschaften auf stabile Weise erhalten werden, wenn eine anti-ferromagnetische Materialschicht der vorliegenden Erfindung für die Fixierung der Magnetisierung einer ferromagnetischen Schicht auf einer Seite verwendet wird.
Als Nächstes wird mit Bezug auf 5 und 6 ein Beispiel eines Wiedergabe-MR-Kopfes und eines magnetischen Aufzeichnungs-/Wiedergabe-Kombinationskopfes unter Verwendung davon beschrieben, wobei ein MR-Element (ein GMR-Element z. B.) des oben beschriebenen Beispiels angewendet wird.
Wie in 5 gezeigt, wird auf einer Hauptoberfläche eines Substrates 21, das aus Al₂O₃·TiC und dergleichen besteht, über eine aus Al₂O₃ und dergleichen bestehende Isolationsschicht 22 eine unterseitige magnetische Abschirmlage 23 gebildet, die aus einem weichmagnetischen Material besteht.
Auf der unterseitigen magnetischen Abschirmlage 23 wird durch eine unterseitige magnetische Wiedergabelücke 24, die aus einer unmagnetischen Isolationsschicht, wie etwa Al₂O₃, besteht, ein beispielsweise in 4 gezeigtes GMR-Element 9 gebildet.
Bezugszeichen 25 in der Figur ist eine hartmagnetische Schicht (harte Vorbelegungsschicht), die aus einer CoPt-Legierung und dergleichen besteht, welche ein magnetisches Vorfeld auf die Spinnventil-GMR-Schicht 10 aufbringt. Die Vorbelegungsschicht kann durch die anti-ferromagnetische Materialschicht aufgebracht sein. Ein Paar von Elektroden 7 ist auf der hartmagnetischen Schicht 25 ausgebildet, und die Spinnventil-GMR-Schicht 10 und ein Paar von Elektroden 7 sind über die hartmagnetische Schicht 25 elektrisch verbunden. Die hartmagnetische Schicht 25, die das magnetische Vorfeld an die Spinnventil-GMR-Schicht 10 anlegt, wie in 6 gezeigt, kann vorab auf der unterseitigen magnetischen Wiedergabelücke 24 ausgebildet sein. In diesem Fall wird auf der unterseitigen magnetischen Wiedergabelücke 24, die ein Paar hartmagnetischer Schichten 25 einschließt, die Spinnventil-GMR-Schicht 10 ausgebildet, und darauf wird ein Paar von Elektroden 7 gebildet.
Auf dem GMR-Element 9 wird eine oberseitige magnetische Wiedergabelücke 26 gebildet, die aus einer unmagnetischen isolierenden Schicht, wie etwa Al₂O₃, besteht. Des Weiteren wird darauf eine oberseitige magnetische Abschirmlage 27 gebildet, die aus einem weichmagnetischen Material besteht, wodurch ein GMR-Kopf 28 vom Abschirmtyp aufgebaut wird, der als ein Wiedergabekopf funktioniert.
Auf einem magnetischen Wiedergabekopf, der aus dem GMR-Kopf 28 vom Abschirmtyp besteht, wird ein magnetischer Aufzeichnungskopf ausgebildet, der einen Dünnschicht-Magnetkopf 29 vom Induktionstyp umfasst. Eine oberseitige magnetische Abschirmlage 27 des GMR-Kopfs 28 vom Abschirmtyp arbeitet gleichzeitig als ein unterer magnetischer Aufzeichnungspol des Dünnschicht-Magnetkopfes 29 vom Induktionstyp. Auf dem unteren magnetischen Aufzeichnungspol 27, der gleichzeitig als die oberseitige magnetische Abschirmlage dient, wird über eine magnetische Aufzeichnungslücke 30, die aus einer unmagnetischen Isolationsschicht, wie etwa Al₂O₃ besteht, ein in einer vorbestimmten Gestalt gemusterter magnetischer Aufzeichnungspol 31 ausgebildet.
Mit einem einen solchen GMR-Kopf 28 vom Abschirmtyp umfassenden Wiedergabekopf und einen Dünnschicht-Magnetkopf 29 vom Induktionstyp umfassenden Aufzeichnungskopf wird ein magnetischer Aufzeichnungs-/Wiedergabe-Kombinationskopf 32 aufgebaut. Zusätzlich kann der obere Aufzeichnungs-/Magnetpol 31 durch Einbetten in einem Graben gebildet werden, der in einer auf einer Aufzeichnungs-Magnetlücke ausgebildeten Isolationsschicht, die aus SiO₂ und dergleichen besteht, angeordnet ist, wodurch eine enge Spur reproduzierbar verwirklicht werden kann. Der magnetische Aufzeichnungs-/Wiedergabe-Kombinationskopf 32 kann durch Formgebung oder eine Trennoperation, die beispielsweise einen Halbleiterprozess ausnutzen, gebildet werden.
In dem GMR-Kopf 28 vom Abschirmtyp des magnetischen Aufzeichnungs-/Wiedergabe-Kombinationskopfs, der in dem obigen Beispiel beschrieben ist, kann eine große Austauschkopplungskraft und eine hohe Sperrtemperatur einer zwischen der anti-ferromagnetischen Materialschicht, die eine RMn-Legierung umfasst, und der gezeigten ferromagnetischen Materialschicht gebildeten Austauschkopplungsschicht vollständig genutzt werden. Außerdem kann ein magnetischer Aufzeichnungs-/Wiedergabe-Kombinationskopf auf gleiche Weise gebildet werden, selbst wenn ein AMR-Element der vorliegenden Erfindung in einem Wiedergabemagnetkopf angewendet wird.
Als Nächstes werden konkrete Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung und deren bewertete Ergebnisse erläutert.
Ausführungsform 1, 2
Als Rohmaterialpulver der R-Elemente wurden Ir-Pulver, Pt-Pulver, Rh-Pulver, Ni-Pulver, Pd-Pulver, Ru-Pulver, Au-Pulver von jeweils einem mittleren Teilchendurchmesser von 20 μm hergestellt. Daneben wird für das Mn-Rohmaterialpulver ein Mn-Pulver mit einem mittleren Teilchendurchmesser von 40 μm hergestellt. Nachdem das jeweilige Rohmaterialpulver gemäß dem Mischverhältnis (Rohmaterialzusammensetzung), das jeweils in Tabelle 1 gezeigt ist, vermischt wurde, wird der Mischvorgang mit einer aus Nylon bestehenden Kugelmühle ausgeführt, um eine Kontaminierung mit Metallverunreinigungen zu verhindern. Der jeweils Mischvorgang wird 48 Stunden lang unter einem verringerten Druck ausgeführt.
Diese jeweils gemischten Pulver werden unter einem Druck von 25 MPa unter Verwendung einer Vakuum-Heißpressanlage gesintert. Der Heißpressvorgang wird bei 1.150°C unmittelbar unterhalb der Schmelztemperatur von Mn ausgeführt.
Bestandteilphasen des jeweils erhaltenen Target-Materials werden innerhalb dessen Ebene mit einem XRD- und einem EPMA-Verfahren untersucht. Als Ergebnis bestätigt sich, dass jedes Targetmaterial eine zwischen den R-Elementen und Mn gebildete Legierungsphase und Verbindungsphase einschließt. Die Hauptlegierungsphase und die Hauptverbindungsphase des jeweiligen Targetmaterials sind in Tabelle 1 gezeigt. Außerdem wurde der Korndurchmesser des als Einzelphase vorliegenden Mn mit einer SEM-Methode untersucht. Die Korngröße von Mn in jedem Targetmaterial beträgt maximal 30 μm und im Mittel 20 μm.
Nach dem Bearbeiten des oben beschriebenen jeweiligen Targetmaterials in eine Targetgestalt wird eine Grundplatte daran angelötet, um jeweils ein Sputtertarget herzustellen. Nach dem Einsetzen des jeweiligen Sputtertargets in ein Hochfrequenz-Magnetron-Sputtergerät wird eine anti-ferromagnetische Materialschicht in eine Schicht in einem Magnetfeld ohne Erwärmung des Substrats umgeformt. Die anti-ferromagnetische Materialschicht wird in einer Schicht gebildet, so dass sie eine Austauschkopplungsschicht bildet.
Insbesondere werden auf einem Si(100)-Substrat, das mit einer thermisch oxidierten Schicht belegt ist, eine Ta-Substratschicht mit einer Dicke von 5 nm, eine ferromagnetische Materialschicht auf Co-Basis mit einer Dicke von 5 nm und anti-ferromagnetische Materialschichten verschiedener Zusammensetzungen mit einer Dicke von 15 nm aufeinander folgend gebildet.
Auf diese Weise wird jede Austauschkopplungsschicht hergestellt. Auf dieser Stufe wird die Austauschvorkraft gemessen. Da im Hinblick auf eine Ni₅₀Mn₅₀-Schicht und eine Pd₅₀Mn₅₀-Schicht ohne Wärmebehandlung die Austauschkopplungskraft nicht erhalten werden kann, wird ihre Austauschvorkraft nach Wärmebehandlung bei einer Bedingung von 270°C und 5 Stunden gemessen. Erhaltene Werte sind in Tabelle 1 gezeigt (Ausführungsform 1).
Als eine andere Ausführungsform der vorliegenden Erfindung (Ausführungsform 2) werden mit den identischen Vorgängen, mit der Ausnahme, dass Mn-Pulver mit einem mittleren Teilchendurchmesser von 150 μm verwendet wird, jeweils Sputter-Targets der gleichen Zusammensetzung hergestellt. Jedes Sputter-Target gemäß der Ausführungsform 2 wird als identisch mit der Ausführungsform 1 bewertet. Die Ergebnisse sind gleichzeitig in Tabelle 1 gezeigt (Ausführungsform 2).
Dann werden die Bestandteilsphasen eines jeden Sputter-Targets gemäß der Ausführungsform 2 innerhalb seiner Ebene mit einem XRD-Verfahren und einem EPMA-Verfahren analysiert. Es zeigten sich mit der Ausführungsform 1 identische Legierungsphasen oder Verbindungsphasen, jedoch stellte sich die Korngröße von Mn als 100 μm im Maximum, 40 μm im Minimum und 80 μm im Mittel heraus, wenn mit einer SEM-Methode gemessen wurde.

Als ein Vergleichsbeispiel der vorliegenden Erfindung wird ferner unter Verwendung eines jeden Rohmaterialpulvers, das in der Ausführungsform 1 und der Ausführungsform 2 angewendet wurde, und unter identischer Bearbeitung wie in Ausführungsform 1 und Ausführungsform 2, mit der Ausnahme, dass die Heißpress-Temperatur auf eine Temperatur (1.000°C) eingestellt wird, wo keinerlei Legierungsphasen und Verbindungsphasen gebildet werden, jeweils jedes Sputter-Target mit identischer Zusammensetzung hergestellt. Wenn jedes Sputter-Target gemäß dem Vergleichsbeispiel 1 innerhalb seiner Ebene im Hinblick auf die Bestandteilphase mit einer XRD-Methode und einer EPMA-Methode analysiert wird, gibt es keine Legierungsphase oder Verbindungsphase. Tabelle 1

Proben-Nr.	Rohmaterialzusammensetzung (Atom-%)	Target-Zusammensetzung (Atom-%)	primäre Legierungsphase	primäre Verbindungsphase	Austausch-Vorkraft (× 80 A/m)
Proben-Nr.	Rohmaterialzusammensetzung (Atom-%)	Target-Zusammensetzung (Atom-%)	primäre Legierungsphase	primäre Verbindungsphase	Ausführungsform 1	Ausführungsform 2	Vgl.-Bsp. 1
1	Ir22, Mn78	Ir₂₂Mn₇₈	IrMn-Legierung	IrMn₃	250	180	170
2	Pt18, Mn82	Pt₁₈Mn₈₂	PtMn-Legierung	PtMn₃	190	140	140
3	Rh20, Mn80	Rh₂₀Mn₈₀	RhMn-Legierung	RhMn₃	210	150	140
4	Ir20, Mn80	Ir₂₀Mn₈₀	IrMn-Legierung	IrMn₃	260	180	170
5	Ni40, Mn60	Ni₄₀Mn₆₀	NiMn-Legierung	NiMn	250	180	180
6	Pd40, Mn60	Pd₄₀Mn₆₀	PdMn-Legierung	PdMn	180	130	120
7	Pt20, Pd20, Mn60	Pt₂₀Pd₂₀Mn₆₀	PtPdMn-Legierung	(Pt,Pd)Mn-Verbindung	250	220	210
8	Pt20, Ru20, Mn60	Pt₂₀Ru₂₀Mn₆₀	PtRuMn-Legierung	(Pt,Ru)Mn-Verbindung	230	200	180
9	Pd20, Ru20, Mn60	Pd₂₀Ru₂₀Mn₆₀	PdRuMn-Legierung	(Pd,Ru)Mn-Verbindung	200	170	160
10	Au10, Pt10, Mn80	Au₁₀Pt₁₀Mn₈₀	AuPtMn-Legierung	(Au,Pt)Mn-Verbindung	180	160	160
11	Rh10, Ru10, Mn80	Rh₁₀Ru₁₀Mn₈₀	RhRuMn-Legierung	(Rh,Ru)Mn-Verbindung	240	210	200
12	Rh10, Pt10, Mn80	Rh₁₀Pt₁₀Mn₈₀	RhPtMn-Legierung	(Rh,Pt)Mn-Verbindung	240	200	210

Wie aus Tabelle 1 deutlich wird, zeigten alle der Austauschkopplungsschichten, die die anti-ferromagnetischen Materialschichten einschließen, welche unter Verwendung des Sputter-Targets der vorliegenden Erfindung in Schichten geformt wurden, große Austauschkopplungskräfte, so dass sich eine ausgezeichnete Leistungsstärke zeigt. Im Gegensatz dazu kann man in dem Fall, wo jede Austauschkopplungsschicht unter Verwendung eines jeden Sputter-Targets des Vergleichsbeispiels gebildet wurde, nur eine kleine Austauschkopplungskraft erhalten.

Als Nächstes wird eine Zusammensetzungsveränderung untersucht, die den Ablauf der Sputterdauer einer jeden anti-ferromagnetischen Materialschicht gemäß der oben beschriebenen Ausführungsform 1 begleitet. Die Variation der Zusammensetzung wird durch Messen der Zusammensetzungen der anti-ferromagnetischen Materialschicht in der Anfangsstufe des Sputterns (nach 1 Stunde) und der anti-ferromagnetischen Materialschicht, die nach 20 Stunden Sputtern gebildet ist, mit einer Röntgenfluoreszenzanalysemethode untersucht. Die Ergebnisse sind in Tabelle 2 dargestellt. Tabelle 2

	Proben-Nr.	Target-Zusammensetzung (Atom-%)	Abweichung der Filmzusammensetzung (Atom-%)
	Proben-Nr.	Target-Zusammensetzung (Atom-%)	nach 1 Stunde	nach 20 Stunden
Ausführungsform 1	1	Ir₂₂Mn₇₈	Ir₂₂Mn₇₈	Ir_21,8Mn_78,2
	2	Pt₁₈Mn₈₂	Pt₁₈Mn₈₂	Pt_18,3Mn_81,7
	3	Rh₂₀Mn₈₀	Rh₂₀Mn₈₀	Rh_19,5Mn_80,5
	4	Ir₂₀Mn₈₀	Ir₂₀Mn₈₀	Ir_20,3Mn_79,7
	5	Ni₄₀Mn₆₀	Ni₅₀Mn₅₀	Ni_49,5Mn_50,5
	6	Pd₄₀Mn₆₀	Pd₅₀Mn₅₀	Pd4_9,5Mn_50,5
Ausführungsform 2	1	Ir₂₂Mn₇₈	Ir₂₅Mn₇₅	Ir₃₀Mn₇₀
Vergl. Bsp. 1	1	Ir₂₂Mn₇₈	Ir₂₁Mn₇₉	Ir₂₇Mn₇₃

Was eine anti-ferromagnetische Materialschicht (IrMn-Legierungsschicht), die in eine Schicht durch Anwenden eines Sputter-Targets gemäß der Probe 1 der Ausführungsform 1 umgeformt wurde, und eine anti-ferromagnetische Materialschicht (IrMn-Legierungsschicht), die in eine Schicht unter Verwendung eines Sputter-Targets des Vergleichsbeispiels 1 umgeformt wurde, wird außerdem die Zusammensetzungsverteilung innerhalb einer Schichtebene untersucht. Die Messungen wurden auf einem Si-Substrat in einem zentralen Punkt (A-Punkt) und anderen vier Punkten (Punkte B, C, D, E), die 3 cm vom zentralen Punkt zum Umfang hin entlang von Diagonalen voneinander getrennt sind, ausgeführt. Die erhaltenen Ergebnisse sind in Tabelle 3 gezeigt. Tabelle 3

	Targetzusammensetzung (Atom-%)	Ir-Zusammensetzung in jedem Punkt innerhalb eines Substrat (Atom-%)
	Targetzusammensetzung (Atom-%)	Punkt A	Punkt B	Punkt C	Punkt D	Punkt E
Ausführungsform 1	Ir₂₂Mn₇₈	22,0	21,8	21,7	21,6	21,5
Vergleichsbeispiel 1	Ir₂₂Mn₇₈	25,0	23,8	23,5	24,1	23,4

Wie aus Tabelle 2 und Tabelle 3 deutlich wird, zeigt eine unter Verwendung eines Sputter-Targets der vorliegenden Erfindung gebildete anti-ferromagnetische Materialschicht eine kleine, den Ablauf der Sputterzeit begleitende Abweichung in der Zusammensetzung, und hat eine ausgezeichnete Homogenität der Zusammensetzungsverteilung innerhalb einer Substratebene.
Ausführungsform 3
Mit einem identischen Verfahren wie in der Ausführungsform 1 werden IrMn-Targets, RhMn-Targets bzw. PtMn-Targets verschiedener Zusammensetzungen hergestellt. Mit jedem der diese verschiedenen Zusammensetzungen aufweisenden IrMn-Targets, RhMn-Targets, PtMn-Targets wird eine Austauschkopplungsschicht auf die identische Weise wie in Ausführungsform 1 hergestellt. Die Austauschkopplungskraft einer jeden Austauschkopplungsschicht wird gemessen, und die Abhängigkeit der Zusammensetzung von der Austauschkopplungskraft wird untersucht. Das Ergebnis ist in 7 dargestellt.
Wie aus 7 deutlich wird, ist es so zu verstehen, dass jede Austauschkopplungsschicht, die eine anti-ferromagnetische Materialschicht umfasst, welche unter Verwendung eines Sputter-Targets der vorliegenden Erfindung in eine Schicht umgeformt ist, eine ausreichende Austauschkupplungskraft in einem weiten Zusammensetzungsbereich zeigt.
Ausführungsform 4
Mit einem identischen Vorgang wie in Ausführungsform 1, mit der Ausnahme, dass Mn-Pulver, das einen in Tabelle 4 gezeigten mittleren Teilchendurchmesser besitzt, verwendet wird, wird ein Sputter-Target hergestellt, das sich jeweils in dem in Tabelle 4 gezeigten Teilchendurchmesser unterscheidet.

Der Sauerstoffgehalt eines jeden erhaltenen Sputter-Targets wird gemessen und, nach dem Umformen in eine Schicht auf identische Weise wie in Ausführungsform 1, wird die Austauschvorkraft gemessen. Außerdem wird mit der identischen Methode wie der von Ausführungsform 1 die Verteilung der Zusammensetzung innerhalb einer Schichtebene untersucht. Die Ergebnisse sind in Tabelle 4 gezeigt. Tabelle 4

Proben-Nr.	Targetzusammensetzung (Atom-%)	mittlerer Teilchendurchmesser des Mn-Pulver-Rohmaterials (μm)	Korngröße der Mn-Teilchen im Target (μm)		IR-Zusammensetzung in jedem Punkt innerhalb eines Substrats (Atom-%)					Austauschvorkraft (× 80 A/m)
Proben-Nr.	Targetzusammensetzung (Atom-%)		Durchschnitt	Maximum	Punkt A	Punkt B	Punkt C	Punkt D	Punkt E	Austauschvorkraft (× 80 A/m)
1	IR₂₂Mn₇₈	10	< 10	< 10	22,0	21,7	21,6	21,7	21,5	200
2	IR₂₂Mn₇₈	40	20	30	22,0	21,8	21,6	21,5	21,6	250
3	IR₂₂Mn₇₈	80	30	40	22,3	22,0	22,2	21,8	22,0	250
4	IR₂₂Mn₇₈	150	80	130	25,0	23,8	23,5	24,1	23,4	240

Wie aus Tabelle 4 deutlich wird, zeigen die in Schichten umgeformte Schichtzusammensetzungen, bei denen Mn-Körner verwendet werden, die groß in der maximalen Größe und der mittleren Größe sind, große Abweichungen in ihren Substratebenen, wodurch verständlich ist, dass diese Targets Probleme bei Massenproduktion verursachen. Im Gegensatz dazu zeigen die Schichten, die man unter Verwendung der Sputter-Targets erhält, die klein in ihrer maximalen Korngröße und mittleren Korngröße sind, im Hinblick auf die Zusammensetzungsabweichung in ihren Substratebenen keine Probleme, aber ihre Austauschvorkräfte tendieren dazu, abzunehmen.
Ausführungsform 5
Jedes in Tabelle 5 gezeigte Sputter-Target wird unter Anwendung eines Sinterverfahrens hergestellt, welches identisch mit der Ausführungsform 1 bzw. abweichend davon mit dem Schmelzverfahren ist. Die Bearbeitbarkeit und die Gaskomponentenkonzentrationen (eingeschlossene Gaskonzentrationen von sowohl Sauerstoff als auch Kohlenstoff) eines jeden Sputter-Targets werden untersucht. Außerdem werden nach dem Bilden der Austauschkopplungsschicht auf identische Weise wie in Ausführungsform 1 die Austauschvorkraft und die Sperrtemperatur einer jeden Austauschkopplungsschicht gemessen. Diese Ergebnisse sind in Tabelle 5 gezeigt. Zudem sind die Bestandteilphasen eines jeden Sputter-Targets gemäß der Ausführungsform 3 identisch mit jenen der Ausführungsform 1.

Als ein Vergleichsbeispiel 2 der vorliegenden Erfindung wird daneben jedes Sputter-Target mit dem Sinterverfahren hergestellt, das identisch ist mit dem der oben beschriebenen Ausführungsformen, mit der Ausnahme, dass Rohmaterialpulver angewendet wird, das verhältnismäßig reich an Kohlenstoff-Verunreinigungsmenge ist, und der Mischvorgang in Luft durchgeführt wird. Außerdem wird jedes Sputter-Target mit dem Schmelzverfahren hergestellt, das identisch ist mit dem der oben beschriebenen Ausführungsformen, mit der Ausnahme, dass das Rohmaterialpulver eingesetzt wird, das verhältnismäßig reich an Kohlenstoffverunreinigungen ist, und die Entgasungszeit während dem Schmelzen kürzer eingestellt wird, als jene der Ausführungsformen. Was jedes Sputter-Target gemäß dem Vergleichsbeispiel angeht, werden die Bearbeitbarkeit, Gaskomponentenkonzentrationen und die Austauschvorkraft der Austauschkopplungsschicht gemessen. Diese Ergebnisse sind auch in Tabelle 5 gezeigt. Tabelle 5

	Target-Zusammensetzung (Atom-%)	Herstellungsverfahren	Gaskomponentenkonzentration (Gew.-%)		Austauschvorkraft (× 80 A/m)	Sperrtemperatur (°C)
	Target-Zusammensetzung (Atom-%)	Herstellungsverfahren	Sauerstoff	Kohlenstoff	Austauschvorkraft (× 80 A/m)	Sperrtemperatur (°C)
Ausführungsform 5	Ir₂₂Mn₇₈	Sinterverfahren	0,600	0,200	250	290
	Ir₂₂Mn₇₈	Schmelzverfahren	0,028	0,005	250	280
	Pt₁₈Mn₈₂	Sinterverfahren	0,580	0,160	180	390
	Pt₁₈Mn₈₂	Schmelzverfahren	0,025	0,005	180	400
Vergleichsbeispiel 2	Ir₂₂Mn₇₈	Sinterverfahren	3,120	1,010	180	210
	Ir₂₂Mn₇₈	Schmelzverfahren	1,580	0,980	180	200
	Pt₁₈Mn₈₂	Sinterverfahren	2,140	1,220	130	350
	Pt₁₈Mn₈₂	Schmelzverfahren	1,760	0,790	130	360

Wie aus Tabelle 5 deutlich wird, kann durch Anwenden der Sputter-Targets der vorliegenden Erfindung, in denen sowohl der Sauerstoffgehalt als auch der Kohlenstoffgehalt verringert wird, die Leistungsfähigkeit der Austauschkupplungsschichten, die die unter Verwendung davon hergestellten anti-ferromagnetischen Materialschichten umfassen, verstärkt werden.
Ausführungsform 6
In dieser Ausführungsform werden mit einer zwischen einer anti-ferromagnetischen Materialschicht, die in eine Schicht unter Verwendung eines identischen Sputter-Targets, wie in Beispiel 1, umgeformt wird, und einer ferromagnetischen Materialschicht, jeweils ein GMR-Element, das jeweils eine in 4 oder 6 gezeigte Spinnventilschicht umfasst, und Magnetköpfe unter Verwendung davon hergestellt.
In der Spinnventil-GMR-Schicht 10 werden Co₉₀Fe₁₀-Schichten mit einer Dicke von 3 nm bzw. 2 nm für die ferromagnetischen Schichten 11 bzw. 13 und eine Kupferschicht einer Dicke von 3 nm für die unmagnetische Lage 12 verwendet. Jede Co₉₀Fe₁₀-Schicht, die nun in eine Schicht umgeformt wurde, umfasst eine Kristallstruktur eines flächenzentrierten kubischen Kristallsystems. Für eine anti-ferromagnetische Materialschicht 3 wird jede anti-ferromagnetische Materialschicht (Filmdicke von 8 nm), die gemäß der oben beschriebenen Ausführungsform 1 oder Ausführungsform 3 hergestellt ist, verwendet.
Zusätzlich wird für die magnetische Substratlage 14 eine zwischen einer Co₈₈Zr₅Nb₇-Schicht der Dicke von 10 nm und einer Ni₉₀Fe₂₀-Schicht einer Dicke von 2 nm gebildete Laminatschicht verwendet, für die Elektrode 7 wird eine Cu-Schicht einer Dicke von 0,1 nm verwendet bzw. für die Schutzschicht 15 wird eine Ta-Schicht einer Dicke von 26 nm verwendet. Außerdem wird für die hartmagnetische Lage 25 eine Co₈₃Pt₁₇-Schicht einer Dicke von 40 nm verwendet.
Die Schichtbildung der ferromagnetischen Lagen 11, 13, der unmagnetischen Lage 12 und der anti-ferromagnetischen Materialschicht 3 wird in einem Magnetfeld ausgeführt, außerdem wird durch deren Wärmebehandlung in einem Magnetfeld danach der Austauschkopplung zwischen der ferromagnetischen Lage 13 und der anti-ferromagnetischen Materialschicht 3 eine uniaxiale magnetische Anisotropie aufgegeben. Außerdem wird die magnetische Substratlage 14 nach der Schichtbildung in dem Magnetfeld ebenfalls wärmebehandelt, und es wird eine uniaxiale magnetische Anisotropie aufgegeben, und durch Magnetisieren der hartmagnetischen Lage 25 wird die uniaxiale magnetische Anisotropie weiter verstärkt. Schließlich werden durch Bearbeiten des Bauteils in einem herkömmlichen Halbleiterprozess ein GMR-Element und ein Magnetkopf unter Verwendung davon hergestellt.
Während ein externes Magnetfeld von außen an die gemäß der vorliegenden Ausführungsform hergestellten GMR-Elemente angelegt wird, wird ihre Leistungsfähigkeit in Reaktion auf das Magnetfeld geprüft. Man kann einen stabilen Output auf einem Pegel gleich oder mehr als dem eines GMR-Elements erhalten, in dem eine γ-FeMn--Legierung in der anti-ferromagnetischen Materialschicht verwendet wird. Außerdem wird kein Barkhausen-Rauschen aufgrund der Verschiebung von magnetischen Domänenwänden festgestellt. Im Vergleich mit dem GMR-Element, in dem eine γ-FeMn-Legierung für die anti-ferromagnetische Materialschicht verwendet wird, kann außerdem aufgrund der ausgezeichneten Korrosionsbeständigkeit der anti-ferromagnetischen Materialschicht, zusätzlich zu der hohen Sperrtemperatur in der Austauschkopplungsschicht und großen Austauschkopplungskraft, ein hochempfindliches GMR-Element mit hoher Ausbeute hergestellt werden, in dem ein stabiler Output verwirklicht werden kann.
Außerdem wurde in einem Magnetkopf, der ein solches GMR-Element umfasst, eine 0,1 μm Tiefe ermöglicht werden, wenn eine stark korrosionsbeständige anti-ferromagnetische Materialschicht auf Basis von IrMn verwendet wird, was aufgrund der Korrosion unmöglich ist, wenn FeMn angewendet wird, so dass man auf diese Weise einen hoch reproduzierbaren Output erhalten kann.
Ausführungsform 7
Sputter-Targets wurden mit einem identischen Prozess wie in der Ausführungsform 1 unter Verwendung einer IrMn-Legierung bzw. von IrMn-Legierungen mit einem Zusatz eines zusätzlichen Elementes aus Ge, Si, Ga, Al, Zn, Hf, Zr, Ti hergestellt.
Nach Herstellung einer jeden Austauschkopplungsschichtprobe mit einem identischen Verfahren wie in der Ausführungsform 1 wurde mit jedem so erhaltenen Sputter-Target ein Korrosionsbeständigkeitstest an jeder Probe ausgeführt. In dem Korrosionsbeständigkeitstest wurde nach Eintauchen einer jeden oben erhaltenen Probe in Wasser für 24 Stunden das Auftreten eines Korrosionskerns gemessen. Die Ergebnisse sind in 8 gezeigt.
Als Vergleichsbeispiel der vorliegenden Erfindung werden Proben unter Anwendung von anti-ferromagnetischen Materialschichten, die aus (Fe_0,5Mn_0,5)_89,5Ir_10,5-Legierung und einer Fe₅₀Mn₅₀-Legierung anstelle von einer IrMn-Legierung bestehen, dem identischen Korrosionsbeständigkeitstest unterzogen. Die Ergebnisse sind in 8 gezeigt.
Wie aus den in 8 gezeigten Ergebnissen des Korrosionsbeständigkeitstests klar wird, stellt sich heraus, dass durch Zugabe anderer Elemente zu der IrMn-Legierung das Auftreten eines Korrosionskerns verringert wird.
Zusätzlich sind in 9 und 10 Messergebnisse des magnetischen Austauschvorfeldes und der Sperrtemperatur einer jeden Probe gezeigt. Wie aus 9 und 10 klar wird, wird sowohl das magnetische Austauschvorfeld als auch die Sperrtemperatur verstärkt.
Gemäß einem Sputter-Target der vorliegenden Erfindung kann eine anti-ferromagnetische Materialschicht, die eine in der Korrosionsbeständigkeit und thermischen Leistungsfähigkeit ausgezeichnete Mn-Legierung umfasst, in ihrer Schichtzusammensetzung und Schichtqualität stabilisiert werden. Deshalb kann eine anti-ferromagnetische Materialschicht, in der man auf stabile Weise eine ausreichende Austauschkopplungskraft erhalten kann, reproduzierbar verwirklicht werden. Eine solche anti- ferromagnetische Materialschicht kann wirkungsvoll in einem Element mit magnetischer Widerstandsänderung und dergleichen angewendet werden. Außerdem kann mit einem Element mit magnetischer Widerstandsänderung, das die anti-ferromagnetische Materialschicht anwendet, reproduzierbar sowohl eine stabile Leistungsfähigkeit als auch der Output erhalten werden.

Claims

Sputtertarget im wesentlichen bestehend aus Mn und wenigstens einer Art eines Elements R ausgewählt aus der Gruppe von Ni, Pd, Pt, Co, Rh, Ir, V, Nb, Ta, Cu, Ag, Au, Ru, Os, Cr, Mo, W und Re, wobei das Sputtertarget wenigstens ein Element ausgewählt aus einer Gruppe von einer Legierungsphase und einer Verbindungsphase umfaßt, die zwischen dem Element R und Mn als wenigstens ein Teil der Targettextur gebildet wird, und der Sauerstoffgehalt des Sputtertargets 1 Gew.-% oder weniger (einschließlich 0) beträgt.
Sputtertarget gemäß Anspruch 1, wobei der Maximaldurchmesser eines Mn-Korns, das weder die Legierungsphase noch die Verbindungsphase darstellt, 50 μm oder weniger beträgt.
Sputtertarget gemäß Anspruch 2, wobei der mittlere Korndurchmesser eines Mn-Korn im Bereich von 10 bis 40 μm liegt.
Sputtertarget gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei der Sauerstoffgehalt des Sputtertargets 0,7 Gew.-% oder weniger (einschließlich 0) beträgt.
Sputtertarget gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei der Sauerstoffgehalt des Sputtertargets 0,1 Gew.-% oder weniger (einschließlich 0) beträgt.
Sputtertarget gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei der Kohlenstoffgehalt des Sputtertargets 0,3 Gew.-% oder weniger (einschließlich 0) beträgt.
Sputtertarget gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei der Kohlenstoffgehalt des Sputtertargets 0,2 Gew.-% oder weniger (einschließlich 0) beträgt.
Sputtertarget gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei der Kohlenstoffgehalt des Sputtertargets 0,01 Gew.-% oder weniger (einschließlich 0) beträgt.
Sputtertarget gemäß einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei die relative Dichte des Sputtertargets 90% oder mehr beträgt.
Sputtertarget gemäß einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei der Mn-Gehalt im Bereich von 10 bis 98 Atom-% liegt.
Sputtertarget gemäß einem der Ansprüche 1 bis 10, wobei der Mn-Gehalt 30 Atom-% oder mehr beträgt.
Sputtertarget gemäß einem der Ansprüche 1 bis 11, wobei der Mn-Gehalt im Bereich von 30 bis 70 Atom-% liegt.
Sputtertarget gemäß einem der Ansprüche 1 bis 11, wobei der Mn-Gehalt im Bereich von 30 bis 98 Atom-% liegt.
Sputtertarget gemäß einem der Ansprüche 1 bis 11, wobei der Mn-Gehalt im Bereich von 60 bis 95 Atom-% liegt.
Sputtertarget gemäß einem der Ansprüche 1 bis 14, wobei eine einzelne Phase des Mn-Korns, in der der Korndurchmesser 50 μm überschreitet, in dem Sputtertarget nicht vorliegt.
Sputtertarget gemäß einem der Ansprüche 1 bis 15, ferner umfassend wenigstens eine Art eines Elements ausgewählt aus der Gruppe von Be, Ti, Zr, Hf, Zn, Cd, Al, Ga, In, Si, Ge, Sn und N.