磁気センサ素子及びその製造方法
【課題】均一なバイアス磁界が得られる磁気センサ素子を提供する。
【解決手段】非磁性基板１上に形成された硬磁性体膜２と、硬磁性体膜２の上を覆う絶縁層３と、絶縁層３上に形成された軟磁性体膜４とを有し、硬磁性体膜２の着磁方向は、軟磁性体膜４の長手方向に対し角度θを有していることを特徴とする磁気センサ素子。非磁性基板１を上から見た平面視において、前記硬磁性体膜２が形成された領域は、前記軟磁性体膜４が形成された領域よりも広い範囲にあり、かつ前記軟磁性体膜４が形成された領域はすべて前記硬磁性体膜２が形成された領域に重なっていることが好ましい。
【解決手段】非磁性基板１上に形成された硬磁性体膜２と、硬磁性体膜２の上を覆う絶縁層３と、絶縁層３上に形成された軟磁性体膜４とを有し、硬磁性体膜２の着磁方向は、軟磁性体膜４の長手方向に対し角度θを有していることを特徴とする磁気センサ素子。非磁性基板１を上から見た平面視において、前記硬磁性体膜２が形成された領域は、前記軟磁性体膜４が形成された領域よりも広い範囲にあり、かつ前記軟磁性体膜４が形成された領域はすべて前記硬磁性体膜２が形成された領域に重なっていることが好ましい。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、高感度の磁気センサとして知られる薄膜型磁気インピーダンス効果素子その他の磁気センサ素子に関するものであり、従来この種の素子は、例えば、地磁気を検出して方位を示す電子コンパス、ロータリーエンコーダ、生体磁気計測などに利用されている。
【背景技術】
【０００２】
従来、磁気インピーダンス効果素子は、正負の磁界に対して対称にインピーダンスが変化する特性を有する。従って、磁界０付近で正負の磁界を検出するためには、インピーダンス変化が直線的になるよう、バイアス磁界を磁気インピーダンス効果素子に付与する必要がある。バイアス磁界の印加方法としては、巻き線コイル、薄膜コイル、シート状磁石、バルク磁石、薄膜磁石による方法が知られている。
【０００３】
各方法における問題点は以下のとおりである。
１．巻き線コイルによるバイアス磁界印加では、素子の小型化が困難であり、構造が複雑になったり、消費電力が大きくなるといった問題がある。
２．薄膜コイルによるバイアス磁界印加では、構造が複雑になったり、消費電力が大きくなるといった問題がある。
３．シート状磁石やバルク磁石によるバイアス磁界印加では、磁界強度の制御が困難であることや、組立工程が複雑になったり、機械的強度が得難いといった問題がある。
４．薄膜磁石によるバイアス磁界印加では、磁界強度の制御が困難であるといった問題がある。
【０００４】
ここで、磁石によるバイアス磁界印加で磁界強度の制御が困難である原因は、磁石の特性によりバイアス磁界の大きさが決まってしまうため、磁石自体の特性ばらつきに起因するバイアス磁界のばらつきを補正することが困難であるからである。
【特許文献１】特許第３２１０９３３号公報
【特許文献２】特許第３６５０５７５号公報
【特許文献３】特許第３６５６０１８号公報
【特許文献４】特許第３６０２９８８号公報
【特許文献５】特開２００４−３３３２１７号公報
【特許文献６】特開２００２−５５１４８号公報
【特許文献７】特開２００２−４３６４９号公報
【特許文献８】特開２００２−４３６４８号公報
【特許文献９】特開２００２−４３６４７号公報
【特許文献１０】特開２００２−３３２１０号公報
【非特許文献１】日本応用磁気学会誌、第２１巻、第６４９−６５２頁、１９９７年
【非特許文献２】日本応用磁気学会誌、第２８巻、第１３２−１３５頁、２００４年
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、均一なバイアス磁界が得られる磁気センサ素子を提供することを課題とする。
また、本発明は、バイアス磁界のばらつきを容易に補正することが可能な磁気センサ素子の製造方法を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
前記課題を解決するため、本発明は、非磁性基板上に形成された硬磁性体膜と、硬磁性体膜の上を覆う絶縁層と、絶縁層上に形成された軟磁性体膜とを有し、前記硬磁性体膜の着磁方向は、前記軟磁性体膜の長手方向に対し角度を有していることを特徴とする磁気センサ素子を提供する。
本発明の磁気センサ素子は、非磁性基板を上から見た平面視において、前記硬磁性体膜が形成された領域は、前記軟磁性体膜が形成された領域よりも広い範囲にあり、かつ前記軟磁性体膜が形成された領域はすべて前記硬磁性体膜が形成された領域に重なっているものであることが好ましい。
【０００７】
本発明の磁気センサ素子において、前記硬磁性体膜の形状は、非磁性基板を上から見た平面視において、円形又は楕円形であることが好ましい。
前記硬磁性体膜は、Ｃｏ又はＦｅを主成分とし、Ｐｔ及びＣｒのいずれか一方又は両方を含む金属膜であることが好ましい。
前記硬磁性体膜は、Ｐｔ組成比が３５〜５５％のＬ１０規則構造を有したＦｅＰｔを主成分とする金属膜であることが好ましい。
【０００８】
また、本発明は、非磁性基板上に面内等方性を有する硬磁性体膜と、硬磁性体膜の上を覆う絶縁層と、絶縁層上に形成され平面形状が長手方向を有する形状である軟磁性体膜を形成する工程と、前記軟磁性体膜に対して、回転磁場中熱処理およびそれに引き続く静磁場中熱処理により前記軟磁性体膜の幅方向に沿う一軸異方性を付与する工程と、前記硬磁性体膜に対して、静磁場中またはパルス状の磁場中にて前記軟磁性体膜の長手方向から角度を付けた方向に着磁する工程とを有することを特徴とする磁気センサ素子の製造方法を提供する。
【発明の効果】
【０００９】
本発明の磁気センサ素子によれば、硬磁性体膜が形成された領域が、軟磁性体膜が形成された領域よりも広い範囲にあるので、硬磁性体膜の端部に発生する反磁界の影響が軟磁性体膜に及ぶのを避けることができ、軟磁性体膜に均一なバイアス磁界を印加することができる。
【００１０】
また、軟磁性体膜の下部に、絶縁層を介して硬磁性体膜が形成されているため、硬磁性体膜の発生する磁界により、軟磁性体膜に対して無電力でバイアス磁界を印加することができる。これにより、磁界０付近で線形な出力を得ることができる。軟磁性体膜よりも広い範囲にある硬磁性体膜が軟磁性体膜の下側に配されているので、軟磁性体膜と外部の導通を取るときに軟磁性体膜から直接導通を取ることができ、絶縁層の開口を設ける必要はなく、工程数を削減することができる。
【００１１】
本発明の磁気センサ素子の製造方法によれば、軟磁性体膜に対して該軟磁性体膜の長手方向に沿う一軸異方性を付与した後に、硬磁性体膜に対して、静磁場中またはパルス状の磁場中にて前記軟磁性体膜の長手方向から角度を付けた方向に着磁するので、着磁方向の角度を微調整することにより、着磁した硬磁性体膜から発生する磁界のうち軟磁性体膜の長手方向の成分のみがバイアス磁界として働くようになる。これにより、軟磁性体膜および硬磁性体膜の作製時の寸法ばらつきや特性ばらつきに起因する軟磁性体膜の出力特性ばらつき及び硬磁性体膜のバイアス磁界のばらつきを補正することができる。
【００１２】
硬磁性体膜の平面形状を、円形又は楕円形とすることで形状異方性に起因する端部での磁界の不均一性を低減できる。これにより、硬磁性体膜からの発生磁界の絶対値は、磁気センサ素子の感磁方向と硬磁性体膜の着磁方向との角度θによらず一定となるため、角度θによるバイアス磁界の制御を、より正確に行うことができる。
【００１３】
硬磁性体膜として、ＦｅＰｔ、ＣｏＰｔ、ＣｏＣｒＰｔ等の膜面内に等方的な磁気特性を有する硬磁性体膜を用いることにより、硬磁性体膜に着磁する方向によるバイアス磁界の制御を、より正確に行うことができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
以下、最良の形態に基づき、図面を参照して本発明を説明する。
図１及び図２に、本発明の磁気センサ素子の一形態例を示す。また、図３に、本発明の磁気センサ素子の別の形態例を示す。図１（ａ）においては、硬磁性体膜２が非磁性基板１上に形成されていることを分かりやすく示すため、絶縁層３の一部の図示を切り欠いて硬磁性体膜２の一部が露出したように図示し、切り欠いた断面には斜線（ハッチング）を施している。なお、実際の磁気センサ素子では、このような切り欠き部はなく、硬磁性体膜２の上はすべて絶縁層３で覆われている。本形態例の磁気センサ素子は、例えば磁気インピーダンス効果素子（ＭＩ素子）、磁気抵抗素子（ＭＲ素子）、巨大磁気抵抗効果素子（ＧＭＲ素子）などとすることができる。
【００１５】
本形態例の磁気センサ素子は、非磁性基板１と、非磁性基板１の上に形成された硬磁性体膜２と、硬磁性体膜２の上を覆う絶縁層３と、絶縁層３上に形成された軟磁性体膜４とを有する。非磁性基板１は、非磁性体からなる基板であれば特に限定されない。例としては、シリコン等の半導体基板や、ガラス等の基板が挙げられる。
【００１６】
硬磁性体膜２は、硬磁性体からなる薄膜を着磁によって薄膜磁石としたものであり、軟磁性体膜４にバイアス磁界を付与するため設けられる。硬磁性体膜２を構成する材料としては、Ｃｏ又はＦｅを主成分とし、Ｐｔ及びＣｒのいずれか一方又は両方を含む金属膜が好ましく、その具体例としては、ＦｅＰｔ、ＣｏＰｔ、ＣｏＣｒＰｔ等の硬磁性金属（合金）が挙げられる。特に、ＦｅＰｔ、ＣｏＰｔ、ＣｏＣｒＰｔ（これらの式では、合金の組成比は特に示していない。）等の膜面内に等方的な磁気特性を有する硬磁性体膜を用いることにより、硬磁性体膜に着磁する方向によるバイアス磁界の制御を、より正確に行うことができる。
【００１７】
また、硬磁性体膜として、Ｐｔ組成比が３５〜５５％のＬ１０規則構造を有したＦｅＰｔ（以下「Ｌ１０規則構造を有したＦｅＰｔ」を「Ｌ１０ＦｅＰｔ」と略記する場合がある。）を主成分とする金属膜を用いることができる。Ｌ１０ＦｅＰｔからなる金属膜は、例えば、スパッタ等によりＦｅＰｔを成膜した後、６００℃以上の温度で熱処理することによって、設けることができる。Ｐｔ組成比が３５〜５５％（より好ましくはＰｔ組成比が４０〜５５％）であるＦｅＰｔは、適切な成膜温度もしくは熱処理条件により、Ｌ１０規則構造（合金相）となり、大きな異方性エネルギーを有し、面内異方性を有する角型比の良好な薄膜磁石となることが知られている。このようなＬ１０ＦｅＰｔは、スパッタリングにより形成することができ、薄膜ＭＩ素子の作製プロセスとの親和性が高く、バイアス用磁石とＭＩ素子の集積化が可能になる。
【００１８】
絶縁層３は、硬磁性体膜２と軟磁性体膜４との間を絶縁するため、非磁性の絶縁体からなる。絶縁体としては、ＳｉＯ２やＡｌ２Ｏ３等の金属酸化物、Ｓｉ３Ｎ４やＡｌＮ等の金属窒化物等が挙げられる。
【００１９】
軟磁性体膜４は、軟磁性体からなる薄膜に、一軸異方性を付与したものである。軟磁性体膜４の平面形状は、長手方向を有する形状であり、具体的には例えば長方形状である。軟磁性体膜４の一軸異方性の方向は幅方向に付与されており、軟磁性体膜４の長手方向に沿う磁界に対して感度を有する。軟磁性体膜４を構成する軟磁性体としては、一軸異方性を付与できるものであれば特に限定されないが、例えばＣｏ８５Ｎｂ１２Ｚｒ３が挙げられる。
【００２０】
例えば図１に示す磁気センサ素子の場合、略長方形の平面形状を有する軟磁性体膜４が複数、長手方向を互いに平行にして配置され、隣接する軟磁性体膜４をその端部同士でつづら折り形状になるように良導電膜５を介して、長手方向と垂直な幅方向（図１（ｂ）における左右方向）に電気的に接続したものである。また、複数の軟磁性体膜４を直列に接続した両端には、外部と導通するための電極６が設けられている。良導電膜５および電極６は、例えば金（Ａｕ）、銀（Ａｇ）、銅（Ｃｕ）、アルミニウム（Ａｌ）等の良導体から構成することができる。
【００２１】
本形態例の磁気センサ素子において、硬磁性体膜２は、図１（ｂ）に示すように、軟磁性体膜４の略長方形の長手方向すなわち感磁方向から角度θの方向に、一様に着磁されている。また、軟磁性体膜４は、略長方形の幅方向に一軸異方性が付与されている。
【００２２】
本形態例の磁気センサ素子においては、非磁性基板１を上から見た平面視（図１（ｂ）および図３（ｂ）を参照。）において、硬磁性体膜２が形成された領域は、軟磁性体膜４が形成された領域よりも広い範囲にあり、かつ軟磁性体膜４が形成された領域はすべて硬磁性体膜２が形成された領域に重なっている。これにより、硬磁性体膜２の端部に発生する反磁界の影響が軟磁性体膜４に及ぶのを避けることができ、軟磁性体膜４に均一なバイアス磁界を印加することができる。
【００２３】
硬磁性体膜２が形成された領域は、図２に示すように、軟磁性体膜４の長手方向の端部よりも１０〜２００μｍ広い領域を有することが望ましい。すなわち、軟磁性体膜４の長手方向の一方の端部から硬磁性体膜２の端部に達するまでの基板表面に沿う距離Ａが１０〜２００μｍであるとともに、軟磁性体膜４の長手方向の他方の端部から硬磁性体膜２の端部に達するまでの基板表面に沿う距離Ｂが１０〜２００μｍであることが望ましい。
【００２４】
また、軟磁性体膜４の下部に、絶縁層３を介して硬磁性体膜２が形成されているため、硬磁性体膜２の発生する磁界により、軟磁性体膜４に対して無電力でバイアス磁界を印加することができる。これにより、磁界０付近で線形な出力を得ることができる。
【００２５】
図１（ｂ）に示す磁気センサ素子の場合、非磁性基板を上から見た平面視における硬磁性体膜２の平面形状は長方形である。また、図３（ｂ）に示す磁気センサ素子の場合、非磁性基板を上から見た平面視における硬磁性体膜２の平面形状は楕円形である。
【００２６】
図３に示すように、硬磁性体膜２の平面形状は円形または楕円形である場合、硬磁性体膜２の形状異方性を低減することができ、角度を有して着磁した際の硬磁性体膜２からの発生磁界の絶対値の変化が小さくなるため、バイアス磁界の大きさをより正確に制御するのに好適である。
なお、本発明において硬磁性体膜２の平面形状が長方形、円形、または楕円形であるとは、おおよその形状であっても良い。すなわち、それぞれ略長方形、略円形、または略楕円形である場合を含むものとする。
【００２７】
面内で等方的な磁気特性を有する硬磁性体膜２の平面形状を円形またはそれに近い形状にすることで、着磁方向の角度θに対してバイアス磁界の強度がコサインカーブ状に変化するため、バイアス磁界の制御性がよく、着磁角度θによるＭＩ素子の長手方向成分の発生磁界を、より正確に制御することができる。
【００２８】
次に、本発明の磁気センサ素子の製造方法について説明する。
まず、非磁性基板１上に面内等方性を有する硬磁性体膜２と、硬磁性体膜２の上を覆う絶縁層３と、絶縁層３上に配される軟磁性体膜４を、順次形成する。
【００２９】
所望の平面形状を有する硬磁性体膜２を形成する方法としては、例えばフォトリソグラフィーにより硬磁性体膜２に対応する部分が開口したレジストパターンを非磁性基板１上に設け、硬磁性金属のスパッタ等により、硬磁性体膜２を成膜したのち、レジストを除去してリフトオフによりパターニングする方法が挙げられる。
硬磁性体膜２の上を覆う絶縁層３の形成方法としては、プラズマＣＶＤ等の手法により絶縁体を全面に成膜する方法が挙げられる。
【００３０】
軟磁性体膜４を形成する方法としては、例えばフォトリソグラフィーによりレジストパターンを絶縁層３上に設け、軟磁性金属のスパッタ等により、軟磁性体膜４を成膜したのち、レジストを除去してリフトオフによりパターニングする方法が挙げられる。
また、複数の軟磁性体膜４の間を導通して直列接続するための良導体膜５および両末端の電極６のパターンを形成する方法としては、良導体をスパッタ等により成膜し、得られた良導体膜の上にフォトリソグラフィーによりレジストパターンを設けた後、ウエットエッチングにより良導体膜をパターニングする方法が挙げられる。
【００３１】
本発明によれば、軟磁性体膜４よりも広い範囲にある硬磁性体膜２が、軟磁性体膜４の下側に配されているので、軟磁性体膜４と外部の導通を取るときに絶縁層３の上に設けた電極６を介して軟磁性体膜４と導通を取ることができる。もし、硬磁性体膜２を軟磁性体膜４の上側に配したならば、軟磁性体膜４は絶縁層３の下となり、軟磁性体膜４と導通を取るためには絶縁層３の開口を設ける必要があるが、本発明では軟磁性体膜４は絶縁層３の上にあり、絶縁層３の開口を設ける必要がないので、工程数を削減することができる。
【００３２】
次に、軟磁性体膜４に対して、軟磁性体膜４の幅方向に沿う一軸異方性を付与する。一軸異方性の付与方法としては、例えば４００℃、３ｋＧの条件で回転磁場中熱処理およびそれに引き続いて静磁場中熱処理を行う方法が挙げられる。回転磁場中熱処理では、成膜中に軟磁性体膜４に導入された不均一な異方性を緩和することができ、静磁場中熱処理では、軟磁性体膜４に印加した磁界の方向に一軸異方性を付与することができる。
【００３３】
次に、硬磁性体膜２に対して、静磁場中またはパルス状の磁場中にて軟磁性体膜４の長手方向から角度を付けた方向に着磁する。硬磁性体膜２に着磁する方法としては、硬磁性体膜２の保磁力よりも大きい、パルス状または直流の磁界を印加する方法が挙げられる。この着磁工程を経ることで、硬磁性体膜２は薄膜磁石となり、軟磁性体膜４に対してバイアス磁界を印加する働きをもつ。しかしながら、着磁をいつも一定の条件で行うのでは、製造時の膜の外形寸法のばらつき、膜厚のばらつき、成膜時の膜質や組成のばらつきなどにより、薄膜磁石の特性がばらつき、軟磁性体膜４に印加されるバイアス磁界もばらつきを持つことになる。
【００３４】
このばらつきを補正するため、本発明においては、軟磁性体膜４の感磁方向からθの角度を付けて硬磁性体膜２に着磁する。長手方向を有する軟磁性体膜からなる磁気インピーダンス効果素子においては、幅方向には感度をもたず、長手方向にのみ感度を有するため、硬磁性体膜２の着磁方向が軟磁性体膜４の感磁方向からθの角度をもつと、硬磁性体膜２から発生する磁界のうち感磁方向成分のみがバイアス磁界として働く。このため、角度θを調整しながら硬磁性体膜２に着磁を行うことにより、軟磁性体膜４に必要なバイアス磁界を正確に印加することが可能となる。ここで、角度θは、膜の寸法や膜質等のばらつき等を考慮して、着磁方向の角度を微調整することにより、調整することができる。また、０〜３６０°の範囲の中では、角度θが９０°または２７０°であると（すなわち、感磁方向と着磁方向が垂直の場合）、バイアス磁界の感磁方向成分が０となるので、角度θは、９０°の奇数倍（９０°、２７０°）を除いた角度から選択する。
【００３５】
硬磁性体膜２は、角度θの調整により任意の方向に着磁できることが望ましい。このため、硬磁性体膜２として、ＦｅＰｔ、ＣｏＰｔ、ＣｏＣｒＰｔ等の膜面内に等方的な磁気特性を有する硬磁性体膜を用いることにより、硬磁性体膜２への着磁方向によるバイアス磁界の制御を、より正確に行うことができる。
【００３６】
さらに、硬磁性体膜２の平面形状を、図３に示すように円形又は楕円形として形状異方性を除去することにより、硬磁性体膜２からの発生磁界の絶対値は、角度θによらず一定となるため、角度θによるバイアス磁界の制御を、より正確に行うことができる。
【００３７】
なお、本発明においては、軟磁性体膜４には、その幅方向に沿う一軸異方性を付与するものとしたが、その代わりに、軟磁性体膜４に、長手、あるいは任意の角度方向に沿う一軸異方性を付与するものとしても良い。この場合も、硬磁性体膜２に対して、磁気センサ素子の感磁方向、すなわち軟磁性体膜４の長手方向から角度θを付けた方向に着磁する。これにより、着磁した硬磁性体膜２から発生する磁界のうち軟磁性体膜４の長手方向の成分のみがバイアス磁界として働くようになる。
【００３８】
本発明の磁気センサは、軟磁性体膜に交流電流を通電したときのインピーダンスの変化を検出するＭＩセンサのほか、軟磁性体膜に直流電流を通電したときの抵抗の変化を検出するＭＲセンサやＧＭＲセンサなどに対しても適用可能である。
【００３９】
軟磁性体膜は、軟磁性体膜と非磁性金属膜または非磁性絶縁体膜との積層膜であっても良い。例えば、ＣｏＮｂＺｒ／Ａｌ／ＣｏＮｂＺｒやＮｉＦｅ／Ａｕ／ＮｉＦｅ等の３層構造とした磁気インピーダンス効果素子や、Ｆｅ／Ｃｒ、Ｃｏ／Ｃｕ等の多層膜金属人工格子からなる巨大磁気抵抗効果素子などであっても良い。
【実施例】
【００４０】
以下、実施例をもって本発明を具体的に説明する。なお、本発明は、これらの実施例のみに限定されるものではない。図４（ａ）は、この実施例により作製する磁気インピーダンス効果素子の上面図であり、図４（ｂ）は図４（ａ）のＴ−Ｔ線に沿う断面図である。
【００４１】
フォトリソグラフィーにより硬磁性体膜２に対応する部分が略長方形状に開口したレジストパターンを、シリコンからなる非磁性基板１上に設け、Ｐｔ組成比が５０％であるＦｅＰｔをスパッタにより成膜したのち、レジストを除去してリフトオフにより硬磁性体膜２を略長方形状にパターニングする。スパッタ成膜したＦｅＰｔを６００℃以上の温度で熱処理することにより、Ｌ１０規則構造を有するＦｅＰｔ（Ｌ１０ＦｅＰｔ）を得る。
【００４２】
続いて、プラズマＣＶＤによりＳｉＯ２を、硬磁性体膜２の上を覆うように、非磁性基板１上の全面に成膜し、硬磁性体膜２の上を覆う絶縁層３を形成する。
【００４３】
続いて、フォトリソグラフィーによりレジストパターンを絶縁層３上に設け、Ｃｏ８５Ｎｂ１２Ｚｒ３をスパッタにより成膜したのち、レジストを除去してリフトオフにより略長方形状の軟磁性体膜４を形成する。
また、Ａｌをスパッタにより成膜した後、複数の軟磁性体膜４の間を導通して直列接続するための良導電膜５および両末端に外部接続用のボンディングパッドを有する電極６のパターンを、フォトリソグラフィーにより形成する。
【００４４】
次に、基板上に形成した軟磁性体膜４に対して、４００℃、３ｋＧの条件で回転磁場中熱処理およびそれに引き続いて同条件での静磁場中熱処理を行い、軟磁性体膜４の作る長方形の幅方向に一軸異方性を付与することで、薄膜型ＭＩ素子を得る。
【００４５】
次に、ＭＩ素子の長手方向（感磁方向）から角度θを付けた方向に、１０ｋＯｅの磁界を印加することで、硬磁性体膜２を着磁する。硬磁性体膜２は、この着磁工程を経ることにより、薄膜磁石となり、ＭＩ素子に対してバイアス磁界を印加する働きをもつ。しかしながら、着磁をいつも一定の条件で行うのでは、製造時の膜の外形寸法のばらつき、膜厚のばらつき、スパッタ成膜時の膜質や組成のばらつきなどにより、薄膜磁石の特性がばらつき、軟磁性体膜４に印加されるバイアス磁界もばらつきを持つことになる。このばらつきを補正するため、軟磁性体膜４の感磁方向からθの角度を付けて硬磁性体膜２に着磁する。
【００４６】
上記方法にて作製された磁気センサ素子において、シリコン基板のサイズは２．５ｍｍ×０．７ｍｍであり、その上２．４ｍｍ×０．６ｍｍの領域に、Ｌ１０ＦｅＰｔが成膜されている。ＦｅＰｔの膜厚は、１．３μｍまたは２．８μｍである。
【００４７】
その上にＰＥ−ＣＶＤにより全面に成膜したＳｉＯ２を介して、Ｃｏ８５Ｎｂ１２Ｚｒ３およびＡｌ電極からなるＭＩ素子が形成されている。ＭＩ素子は、図４（ａ）に示すように、２本の略長方形の軟磁性体膜４のパターンが電気的に直列に接続され、１ターンのメアンダ形状をなしている。この軟磁性体膜４の厚さは１μｍ、略長方形の軟磁性体膜４の幅は３０μｍである。また、軟磁性体膜４は、基板１の短尺方向（図４（ａ）の上下方向）に長手方向が向くように、５００μｍの長さで形成されている。
【００４８】
（薄膜磁石の膜厚による磁界−インピーダンス特性の変化）
図５は、ＦｅＰｔ膜厚を１．３μｍまたは２．８μｍとし、磁石の着磁方向をＭＩ素子の長手方向とし、１０ｋＯｅで着磁した際のＭＩ素子の磁界−インピーダンス特性である。図５のグラフ中、「ＦｅＰｔ１．３μｍ」はＦｅＰｔ膜厚を１．３μｍとしたＭＩ素子の磁界−インピーダンス特性であり、「ＦｅＰｔ２．８μｍ」はＦｅＰｔ膜厚を２．８μｍとしたＭＩ素子の磁界−インピーダンス特性であり、「ＦｅＰｔなし」はＦｅＰｔ膜を省略して作製したＭＩ素子の磁界−インピーダンス特性である。
【００４９】
図５のグラフから、ＦｅＰｔをＭＩ素子の下部に配置することにより、インピーダンスのピークとなる磁界が正磁界側にシフトしており、ＦｅＰｔ薄膜磁石により有効なバイアス磁界が印加されていることがわかる。このとき、ＦｅＰｔの残留磁束密度は、膜厚１．３μｍのもので１．０テスラ、膜厚２．８μｍのもので０．６テスラであり、バイアス磁界のシフト量は、膜厚１．３μｍのもので１３エルステッド（１３Ｏｅ）、膜厚２．８μｍのもので１８エルステッド（１８Ｏｅ）であった。このことから、バイアス磁界のシフト量は、薄膜磁石の残留磁束密度と膜厚に概ね比例すると考えられる。したがって、ＦｅＰｔ成膜時の膜厚ばらつきや、成膜条件に起因するＦｅＰｔの磁気特性のばらつきなどにより、ＭＩ素子に印加されるバイアス磁界がばらつくことが考えられる。
【００５０】
（薄膜磁石の着磁方向による磁界−インピーダンス特性の変化）
そこで、このバイアス磁界のばらつきを補正するため、硬磁性体膜を、軟磁性体膜の長手方向に対し角度θをつけた方向に着磁することが考えられる。図６に、ＦｅＰｔを着磁する際の磁界方向を、ＭＩ素子の感磁方向から角度θ（ここで、θ＝０°、３０°、４５°、６０°、または９０°）を付けたときのＭＩ素子の磁界−インピーダンス特性を示す。図６のグラフから、着磁角度が０°から９０°の間で、バイアス磁界が徐々に変化していることがわかる。
【００５１】
図７は、バイアス磁界を０°方向に着磁したときのバイアス磁界で規格化したときの、着磁角度とバイアス磁界との関係の一例である。着磁された磁石から発生する磁界の余弦成分が軟磁性体膜に対しバイアス磁界として働くため、着磁角度に対してコサインカーブを描くように変化していることがわかる。コサインカーブから外れているのは、薄膜磁石の形状による反磁界のため、着磁角度と磁石の磁化の向きにずれが生じているためと考えられる。この実施例では、上述したように、薄膜磁石の形状を略長方形状としたが、これを円形とすることにより、着磁角度と磁石の磁化の向きにずれが生じるのを抑制することができ、バイアス磁界が着磁角度に対してコサインカーブを描くように変化する。
【産業上の利用可能性】
【００５２】
本発明は、例えば、地磁気を検出して方位を示す電子コンパス、ロータリーエンコーダ、生体磁気計測など、高感度の磁気センサに利用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００５３】
【図１】本発明の磁気センサ素子の一形態例を示す図面であり、（ａ）は斜視図、（ｂ）は平面図である。
【図２】図１（ｂ）のＳ−Ｓ線に沿う断面図である。
【図３】本発明の磁気センサ素子の別の形態例を示す図面であり、（ａ）は斜視図、（ｂ）は平面図である。
【図４】実施例に係る磁気センサ素子を示す図面であり、（ａ）は上面図、（ｂ）は（ａ）のＴ−Ｔ線に沿う断面図である。
【図５】薄膜磁石の膜厚に対する磁界−インピーダンス特性の一例を示すグラフである。
【図６】薄膜磁石の着磁角度に対する磁界−インピーダンス特性の一例を示すグラフである。
【図７】着磁角度とバイアス磁界との関係の一例を示すグラフである。
【符号の説明】
【００５４】
θ…軟磁性体膜の感磁方向と硬磁性体膜の着磁方向とが非磁性基板の表面において成す角度、１…非磁性基板、２…硬磁性体膜、３…絶縁層、４…軟磁性体膜、５…良導電膜、６…電極。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、高感度の磁気センサとして知られる薄膜型磁気インピーダンス効果素子その他の磁気センサ素子に関するものであり、従来この種の素子は、例えば、地磁気を検出して方位を示す電子コンパス、ロータリーエンコーダ、生体磁気計測などに利用されている。
【背景技術】
【０００２】
従来、磁気インピーダンス効果素子は、正負の磁界に対して対称にインピーダンスが変化する特性を有する。従って、磁界０付近で正負の磁界を検出するためには、インピーダンス変化が直線的になるよう、バイアス磁界を磁気インピーダンス効果素子に付与する必要がある。バイアス磁界の印加方法としては、巻き線コイル、薄膜コイル、シート状磁石、バルク磁石、薄膜磁石による方法が知られている。
【０００３】
各方法における問題点は以下のとおりである。
１．巻き線コイルによるバイアス磁界印加では、素子の小型化が困難であり、構造が複雑になったり、消費電力が大きくなるといった問題がある。
２．薄膜コイルによるバイアス磁界印加では、構造が複雑になったり、消費電力が大きくなるといった問題がある。
３．シート状磁石やバルク磁石によるバイアス磁界印加では、磁界強度の制御が困難であることや、組立工程が複雑になったり、機械的強度が得難いといった問題がある。
４．薄膜磁石によるバイアス磁界印加では、磁界強度の制御が困難であるといった問題がある。
【０００４】
ここで、磁石によるバイアス磁界印加で磁界強度の制御が困難である原因は、磁石の特性によりバイアス磁界の大きさが決まってしまうため、磁石自体の特性ばらつきに起因するバイアス磁界のばらつきを補正することが困難であるからである。
【特許文献１】特許第３２１０９３３号公報
【特許文献２】特許第３６５０５７５号公報
【特許文献３】特許第３６５６０１８号公報
【特許文献４】特許第３６０２９８８号公報
【特許文献５】特開２００４−３３３２１７号公報
【特許文献６】特開２００２−５５１４８号公報
【特許文献７】特開２００２−４３６４９号公報
【特許文献８】特開２００２−４３６４８号公報
【特許文献９】特開２００２−４３６４７号公報
【特許文献１０】特開２００２−３３２１０号公報
【非特許文献１】日本応用磁気学会誌、第２１巻、第６４９−６５２頁、１９９７年
【非特許文献２】日本応用磁気学会誌、第２８巻、第１３２−１３５頁、２００４年
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、均一なバイアス磁界が得られる磁気センサ素子を提供することを課題とする。
また、本発明は、バイアス磁界のばらつきを容易に補正することが可能な磁気センサ素子の製造方法を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
前記課題を解決するため、本発明は、非磁性基板上に形成された硬磁性体膜と、硬磁性体膜の上を覆う絶縁層と、絶縁層上に形成された軟磁性体膜とを有し、前記硬磁性体膜の着磁方向は、前記軟磁性体膜の長手方向に対し角度を有していることを特徴とする磁気センサ素子を提供する。
本発明の磁気センサ素子は、非磁性基板を上から見た平面視において、前記硬磁性体膜が形成された領域は、前記軟磁性体膜が形成された領域よりも広い範囲にあり、かつ前記軟磁性体膜が形成された領域はすべて前記硬磁性体膜が形成された領域に重なっているものであることが好ましい。
【０００７】
本発明の磁気センサ素子において、前記硬磁性体膜の形状は、非磁性基板を上から見た平面視において、円形又は楕円形であることが好ましい。
前記硬磁性体膜は、Ｃｏ又はＦｅを主成分とし、Ｐｔ及びＣｒのいずれか一方又は両方を含む金属膜であることが好ましい。
前記硬磁性体膜は、Ｐｔ組成比が３５〜５５％のＬ１０規則構造を有したＦｅＰｔを主成分とする金属膜であることが好ましい。
【０００８】
また、本発明は、非磁性基板上に面内等方性を有する硬磁性体膜と、硬磁性体膜の上を覆う絶縁層と、絶縁層上に形成され平面形状が長手方向を有する形状である軟磁性体膜を形成する工程と、前記軟磁性体膜に対して、回転磁場中熱処理およびそれに引き続く静磁場中熱処理により前記軟磁性体膜の幅方向に沿う一軸異方性を付与する工程と、前記硬磁性体膜に対して、静磁場中またはパルス状の磁場中にて前記軟磁性体膜の長手方向から角度を付けた方向に着磁する工程とを有することを特徴とする磁気センサ素子の製造方法を提供する。
【発明の効果】
【０００９】
本発明の磁気センサ素子によれば、硬磁性体膜が形成された領域が、軟磁性体膜が形成された領域よりも広い範囲にあるので、硬磁性体膜の端部に発生する反磁界の影響が軟磁性体膜に及ぶのを避けることができ、軟磁性体膜に均一なバイアス磁界を印加することができる。
【００１０】
また、軟磁性体膜の下部に、絶縁層を介して硬磁性体膜が形成されているため、硬磁性体膜の発生する磁界により、軟磁性体膜に対して無電力でバイアス磁界を印加することができる。これにより、磁界０付近で線形な出力を得ることができる。軟磁性体膜よりも広い範囲にある硬磁性体膜が軟磁性体膜の下側に配されているので、軟磁性体膜と外部の導通を取るときに軟磁性体膜から直接導通を取ることができ、絶縁層の開口を設ける必要はなく、工程数を削減することができる。
【００１１】
本発明の磁気センサ素子の製造方法によれば、軟磁性体膜に対して該軟磁性体膜の長手方向に沿う一軸異方性を付与した後に、硬磁性体膜に対して、静磁場中またはパルス状の磁場中にて前記軟磁性体膜の長手方向から角度を付けた方向に着磁するので、着磁方向の角度を微調整することにより、着磁した硬磁性体膜から発生する磁界のうち軟磁性体膜の長手方向の成分のみがバイアス磁界として働くようになる。これにより、軟磁性体膜および硬磁性体膜の作製時の寸法ばらつきや特性ばらつきに起因する軟磁性体膜の出力特性ばらつき及び硬磁性体膜のバイアス磁界のばらつきを補正することができる。
【００１２】
硬磁性体膜の平面形状を、円形又は楕円形とすることで形状異方性に起因する端部での磁界の不均一性を低減できる。これにより、硬磁性体膜からの発生磁界の絶対値は、磁気センサ素子の感磁方向と硬磁性体膜の着磁方向との角度θによらず一定となるため、角度θによるバイアス磁界の制御を、より正確に行うことができる。
【００１３】
硬磁性体膜として、ＦｅＰｔ、ＣｏＰｔ、ＣｏＣｒＰｔ等の膜面内に等方的な磁気特性を有する硬磁性体膜を用いることにより、硬磁性体膜に着磁する方向によるバイアス磁界の制御を、より正確に行うことができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
以下、最良の形態に基づき、図面を参照して本発明を説明する。
図１及び図２に、本発明の磁気センサ素子の一形態例を示す。また、図３に、本発明の磁気センサ素子の別の形態例を示す。図１（ａ）においては、硬磁性体膜２が非磁性基板１上に形成されていることを分かりやすく示すため、絶縁層３の一部の図示を切り欠いて硬磁性体膜２の一部が露出したように図示し、切り欠いた断面には斜線（ハッチング）を施している。なお、実際の磁気センサ素子では、このような切り欠き部はなく、硬磁性体膜２の上はすべて絶縁層３で覆われている。本形態例の磁気センサ素子は、例えば磁気インピーダンス効果素子（ＭＩ素子）、磁気抵抗素子（ＭＲ素子）、巨大磁気抵抗効果素子（ＧＭＲ素子）などとすることができる。
【００１５】
本形態例の磁気センサ素子は、非磁性基板１と、非磁性基板１の上に形成された硬磁性体膜２と、硬磁性体膜２の上を覆う絶縁層３と、絶縁層３上に形成された軟磁性体膜４とを有する。非磁性基板１は、非磁性体からなる基板であれば特に限定されない。例としては、シリコン等の半導体基板や、ガラス等の基板が挙げられる。
【００１６】
硬磁性体膜２は、硬磁性体からなる薄膜を着磁によって薄膜磁石としたものであり、軟磁性体膜４にバイアス磁界を付与するため設けられる。硬磁性体膜２を構成する材料としては、Ｃｏ又はＦｅを主成分とし、Ｐｔ及びＣｒのいずれか一方又は両方を含む金属膜が好ましく、その具体例としては、ＦｅＰｔ、ＣｏＰｔ、ＣｏＣｒＰｔ等の硬磁性金属（合金）が挙げられる。特に、ＦｅＰｔ、ＣｏＰｔ、ＣｏＣｒＰｔ（これらの式では、合金の組成比は特に示していない。）等の膜面内に等方的な磁気特性を有する硬磁性体膜を用いることにより、硬磁性体膜に着磁する方向によるバイアス磁界の制御を、より正確に行うことができる。
【００１７】
また、硬磁性体膜として、Ｐｔ組成比が３５〜５５％のＬ１０規則構造を有したＦｅＰｔ（以下「Ｌ１０規則構造を有したＦｅＰｔ」を「Ｌ１０ＦｅＰｔ」と略記する場合がある。）を主成分とする金属膜を用いることができる。Ｌ１０ＦｅＰｔからなる金属膜は、例えば、スパッタ等によりＦｅＰｔを成膜した後、６００℃以上の温度で熱処理することによって、設けることができる。Ｐｔ組成比が３５〜５５％（より好ましくはＰｔ組成比が４０〜５５％）であるＦｅＰｔは、適切な成膜温度もしくは熱処理条件により、Ｌ１０規則構造（合金相）となり、大きな異方性エネルギーを有し、面内異方性を有する角型比の良好な薄膜磁石となることが知られている。このようなＬ１０ＦｅＰｔは、スパッタリングにより形成することができ、薄膜ＭＩ素子の作製プロセスとの親和性が高く、バイアス用磁石とＭＩ素子の集積化が可能になる。
【００１８】
絶縁層３は、硬磁性体膜２と軟磁性体膜４との間を絶縁するため、非磁性の絶縁体からなる。絶縁体としては、ＳｉＯ２やＡｌ２Ｏ３等の金属酸化物、Ｓｉ３Ｎ４やＡｌＮ等の金属窒化物等が挙げられる。
【００１９】
軟磁性体膜４は、軟磁性体からなる薄膜に、一軸異方性を付与したものである。軟磁性体膜４の平面形状は、長手方向を有する形状であり、具体的には例えば長方形状である。軟磁性体膜４の一軸異方性の方向は幅方向に付与されており、軟磁性体膜４の長手方向に沿う磁界に対して感度を有する。軟磁性体膜４を構成する軟磁性体としては、一軸異方性を付与できるものであれば特に限定されないが、例えばＣｏ８５Ｎｂ１２Ｚｒ３が挙げられる。
【００２０】
例えば図１に示す磁気センサ素子の場合、略長方形の平面形状を有する軟磁性体膜４が複数、長手方向を互いに平行にして配置され、隣接する軟磁性体膜４をその端部同士でつづら折り形状になるように良導電膜５を介して、長手方向と垂直な幅方向（図１（ｂ）における左右方向）に電気的に接続したものである。また、複数の軟磁性体膜４を直列に接続した両端には、外部と導通するための電極６が設けられている。良導電膜５および電極６は、例えば金（Ａｕ）、銀（Ａｇ）、銅（Ｃｕ）、アルミニウム（Ａｌ）等の良導体から構成することができる。
【００２１】
本形態例の磁気センサ素子において、硬磁性体膜２は、図１（ｂ）に示すように、軟磁性体膜４の略長方形の長手方向すなわち感磁方向から角度θの方向に、一様に着磁されている。また、軟磁性体膜４は、略長方形の幅方向に一軸異方性が付与されている。
【００２２】
本形態例の磁気センサ素子においては、非磁性基板１を上から見た平面視（図１（ｂ）および図３（ｂ）を参照。）において、硬磁性体膜２が形成された領域は、軟磁性体膜４が形成された領域よりも広い範囲にあり、かつ軟磁性体膜４が形成された領域はすべて硬磁性体膜２が形成された領域に重なっている。これにより、硬磁性体膜２の端部に発生する反磁界の影響が軟磁性体膜４に及ぶのを避けることができ、軟磁性体膜４に均一なバイアス磁界を印加することができる。
【００２３】
硬磁性体膜２が形成された領域は、図２に示すように、軟磁性体膜４の長手方向の端部よりも１０〜２００μｍ広い領域を有することが望ましい。すなわち、軟磁性体膜４の長手方向の一方の端部から硬磁性体膜２の端部に達するまでの基板表面に沿う距離Ａが１０〜２００μｍであるとともに、軟磁性体膜４の長手方向の他方の端部から硬磁性体膜２の端部に達するまでの基板表面に沿う距離Ｂが１０〜２００μｍであることが望ましい。
【００２４】
また、軟磁性体膜４の下部に、絶縁層３を介して硬磁性体膜２が形成されているため、硬磁性体膜２の発生する磁界により、軟磁性体膜４に対して無電力でバイアス磁界を印加することができる。これにより、磁界０付近で線形な出力を得ることができる。
【００２５】
図１（ｂ）に示す磁気センサ素子の場合、非磁性基板を上から見た平面視における硬磁性体膜２の平面形状は長方形である。また、図３（ｂ）に示す磁気センサ素子の場合、非磁性基板を上から見た平面視における硬磁性体膜２の平面形状は楕円形である。
【００２６】
図３に示すように、硬磁性体膜２の平面形状は円形または楕円形である場合、硬磁性体膜２の形状異方性を低減することができ、角度を有して着磁した際の硬磁性体膜２からの発生磁界の絶対値の変化が小さくなるため、バイアス磁界の大きさをより正確に制御するのに好適である。
なお、本発明において硬磁性体膜２の平面形状が長方形、円形、または楕円形であるとは、おおよその形状であっても良い。すなわち、それぞれ略長方形、略円形、または略楕円形である場合を含むものとする。
【００２７】
面内で等方的な磁気特性を有する硬磁性体膜２の平面形状を円形またはそれに近い形状にすることで、着磁方向の角度θに対してバイアス磁界の強度がコサインカーブ状に変化するため、バイアス磁界の制御性がよく、着磁角度θによるＭＩ素子の長手方向成分の発生磁界を、より正確に制御することができる。
【００２８】
次に、本発明の磁気センサ素子の製造方法について説明する。
まず、非磁性基板１上に面内等方性を有する硬磁性体膜２と、硬磁性体膜２の上を覆う絶縁層３と、絶縁層３上に配される軟磁性体膜４を、順次形成する。
【００２９】
所望の平面形状を有する硬磁性体膜２を形成する方法としては、例えばフォトリソグラフィーにより硬磁性体膜２に対応する部分が開口したレジストパターンを非磁性基板１上に設け、硬磁性金属のスパッタ等により、硬磁性体膜２を成膜したのち、レジストを除去してリフトオフによりパターニングする方法が挙げられる。
硬磁性体膜２の上を覆う絶縁層３の形成方法としては、プラズマＣＶＤ等の手法により絶縁体を全面に成膜する方法が挙げられる。
【００３０】
軟磁性体膜４を形成する方法としては、例えばフォトリソグラフィーによりレジストパターンを絶縁層３上に設け、軟磁性金属のスパッタ等により、軟磁性体膜４を成膜したのち、レジストを除去してリフトオフによりパターニングする方法が挙げられる。
また、複数の軟磁性体膜４の間を導通して直列接続するための良導体膜５および両末端の電極６のパターンを形成する方法としては、良導体をスパッタ等により成膜し、得られた良導体膜の上にフォトリソグラフィーによりレジストパターンを設けた後、ウエットエッチングにより良導体膜をパターニングする方法が挙げられる。
【００３１】
本発明によれば、軟磁性体膜４よりも広い範囲にある硬磁性体膜２が、軟磁性体膜４の下側に配されているので、軟磁性体膜４と外部の導通を取るときに絶縁層３の上に設けた電極６を介して軟磁性体膜４と導通を取ることができる。もし、硬磁性体膜２を軟磁性体膜４の上側に配したならば、軟磁性体膜４は絶縁層３の下となり、軟磁性体膜４と導通を取るためには絶縁層３の開口を設ける必要があるが、本発明では軟磁性体膜４は絶縁層３の上にあり、絶縁層３の開口を設ける必要がないので、工程数を削減することができる。
【００３２】
次に、軟磁性体膜４に対して、軟磁性体膜４の幅方向に沿う一軸異方性を付与する。一軸異方性の付与方法としては、例えば４００℃、３ｋＧの条件で回転磁場中熱処理およびそれに引き続いて静磁場中熱処理を行う方法が挙げられる。回転磁場中熱処理では、成膜中に軟磁性体膜４に導入された不均一な異方性を緩和することができ、静磁場中熱処理では、軟磁性体膜４に印加した磁界の方向に一軸異方性を付与することができる。
【００３３】
次に、硬磁性体膜２に対して、静磁場中またはパルス状の磁場中にて軟磁性体膜４の長手方向から角度を付けた方向に着磁する。硬磁性体膜２に着磁する方法としては、硬磁性体膜２の保磁力よりも大きい、パルス状または直流の磁界を印加する方法が挙げられる。この着磁工程を経ることで、硬磁性体膜２は薄膜磁石となり、軟磁性体膜４に対してバイアス磁界を印加する働きをもつ。しかしながら、着磁をいつも一定の条件で行うのでは、製造時の膜の外形寸法のばらつき、膜厚のばらつき、成膜時の膜質や組成のばらつきなどにより、薄膜磁石の特性がばらつき、軟磁性体膜４に印加されるバイアス磁界もばらつきを持つことになる。
【００３４】
このばらつきを補正するため、本発明においては、軟磁性体膜４の感磁方向からθの角度を付けて硬磁性体膜２に着磁する。長手方向を有する軟磁性体膜からなる磁気インピーダンス効果素子においては、幅方向には感度をもたず、長手方向にのみ感度を有するため、硬磁性体膜２の着磁方向が軟磁性体膜４の感磁方向からθの角度をもつと、硬磁性体膜２から発生する磁界のうち感磁方向成分のみがバイアス磁界として働く。このため、角度θを調整しながら硬磁性体膜２に着磁を行うことにより、軟磁性体膜４に必要なバイアス磁界を正確に印加することが可能となる。ここで、角度θは、膜の寸法や膜質等のばらつき等を考慮して、着磁方向の角度を微調整することにより、調整することができる。また、０〜３６０°の範囲の中では、角度θが９０°または２７０°であると（すなわち、感磁方向と着磁方向が垂直の場合）、バイアス磁界の感磁方向成分が０となるので、角度θは、９０°の奇数倍（９０°、２７０°）を除いた角度から選択する。
【００３５】
硬磁性体膜２は、角度θの調整により任意の方向に着磁できることが望ましい。このため、硬磁性体膜２として、ＦｅＰｔ、ＣｏＰｔ、ＣｏＣｒＰｔ等の膜面内に等方的な磁気特性を有する硬磁性体膜を用いることにより、硬磁性体膜２への着磁方向によるバイアス磁界の制御を、より正確に行うことができる。
【００３６】
さらに、硬磁性体膜２の平面形状を、図３に示すように円形又は楕円形として形状異方性を除去することにより、硬磁性体膜２からの発生磁界の絶対値は、角度θによらず一定となるため、角度θによるバイアス磁界の制御を、より正確に行うことができる。
【００３７】
なお、本発明においては、軟磁性体膜４には、その幅方向に沿う一軸異方性を付与するものとしたが、その代わりに、軟磁性体膜４に、長手、あるいは任意の角度方向に沿う一軸異方性を付与するものとしても良い。この場合も、硬磁性体膜２に対して、磁気センサ素子の感磁方向、すなわち軟磁性体膜４の長手方向から角度θを付けた方向に着磁する。これにより、着磁した硬磁性体膜２から発生する磁界のうち軟磁性体膜４の長手方向の成分のみがバイアス磁界として働くようになる。
【００３８】
本発明の磁気センサは、軟磁性体膜に交流電流を通電したときのインピーダンスの変化を検出するＭＩセンサのほか、軟磁性体膜に直流電流を通電したときの抵抗の変化を検出するＭＲセンサやＧＭＲセンサなどに対しても適用可能である。
【００３９】
軟磁性体膜は、軟磁性体膜と非磁性金属膜または非磁性絶縁体膜との積層膜であっても良い。例えば、ＣｏＮｂＺｒ／Ａｌ／ＣｏＮｂＺｒやＮｉＦｅ／Ａｕ／ＮｉＦｅ等の３層構造とした磁気インピーダンス効果素子や、Ｆｅ／Ｃｒ、Ｃｏ／Ｃｕ等の多層膜金属人工格子からなる巨大磁気抵抗効果素子などであっても良い。
【実施例】
【００４０】
以下、実施例をもって本発明を具体的に説明する。なお、本発明は、これらの実施例のみに限定されるものではない。図４（ａ）は、この実施例により作製する磁気インピーダンス効果素子の上面図であり、図４（ｂ）は図４（ａ）のＴ−Ｔ線に沿う断面図である。
【００４１】
フォトリソグラフィーにより硬磁性体膜２に対応する部分が略長方形状に開口したレジストパターンを、シリコンからなる非磁性基板１上に設け、Ｐｔ組成比が５０％であるＦｅＰｔをスパッタにより成膜したのち、レジストを除去してリフトオフにより硬磁性体膜２を略長方形状にパターニングする。スパッタ成膜したＦｅＰｔを６００℃以上の温度で熱処理することにより、Ｌ１０規則構造を有するＦｅＰｔ（Ｌ１０ＦｅＰｔ）を得る。
【００４２】
続いて、プラズマＣＶＤによりＳｉＯ２を、硬磁性体膜２の上を覆うように、非磁性基板１上の全面に成膜し、硬磁性体膜２の上を覆う絶縁層３を形成する。
【００４３】
続いて、フォトリソグラフィーによりレジストパターンを絶縁層３上に設け、Ｃｏ８５Ｎｂ１２Ｚｒ３をスパッタにより成膜したのち、レジストを除去してリフトオフにより略長方形状の軟磁性体膜４を形成する。
また、Ａｌをスパッタにより成膜した後、複数の軟磁性体膜４の間を導通して直列接続するための良導電膜５および両末端に外部接続用のボンディングパッドを有する電極６のパターンを、フォトリソグラフィーにより形成する。
【００４４】
次に、基板上に形成した軟磁性体膜４に対して、４００℃、３ｋＧの条件で回転磁場中熱処理およびそれに引き続いて同条件での静磁場中熱処理を行い、軟磁性体膜４の作る長方形の幅方向に一軸異方性を付与することで、薄膜型ＭＩ素子を得る。
【００４５】
次に、ＭＩ素子の長手方向（感磁方向）から角度θを付けた方向に、１０ｋＯｅの磁界を印加することで、硬磁性体膜２を着磁する。硬磁性体膜２は、この着磁工程を経ることにより、薄膜磁石となり、ＭＩ素子に対してバイアス磁界を印加する働きをもつ。しかしながら、着磁をいつも一定の条件で行うのでは、製造時の膜の外形寸法のばらつき、膜厚のばらつき、スパッタ成膜時の膜質や組成のばらつきなどにより、薄膜磁石の特性がばらつき、軟磁性体膜４に印加されるバイアス磁界もばらつきを持つことになる。このばらつきを補正するため、軟磁性体膜４の感磁方向からθの角度を付けて硬磁性体膜２に着磁する。
【００４６】
上記方法にて作製された磁気センサ素子において、シリコン基板のサイズは２．５ｍｍ×０．７ｍｍであり、その上２．４ｍｍ×０．６ｍｍの領域に、Ｌ１０ＦｅＰｔが成膜されている。ＦｅＰｔの膜厚は、１．３μｍまたは２．８μｍである。
【００４７】
その上にＰＥ−ＣＶＤにより全面に成膜したＳｉＯ２を介して、Ｃｏ８５Ｎｂ１２Ｚｒ３およびＡｌ電極からなるＭＩ素子が形成されている。ＭＩ素子は、図４（ａ）に示すように、２本の略長方形の軟磁性体膜４のパターンが電気的に直列に接続され、１ターンのメアンダ形状をなしている。この軟磁性体膜４の厚さは１μｍ、略長方形の軟磁性体膜４の幅は３０μｍである。また、軟磁性体膜４は、基板１の短尺方向（図４（ａ）の上下方向）に長手方向が向くように、５００μｍの長さで形成されている。
【００４８】
（薄膜磁石の膜厚による磁界−インピーダンス特性の変化）
図５は、ＦｅＰｔ膜厚を１．３μｍまたは２．８μｍとし、磁石の着磁方向をＭＩ素子の長手方向とし、１０ｋＯｅで着磁した際のＭＩ素子の磁界−インピーダンス特性である。図５のグラフ中、「ＦｅＰｔ１．３μｍ」はＦｅＰｔ膜厚を１．３μｍとしたＭＩ素子の磁界−インピーダンス特性であり、「ＦｅＰｔ２．８μｍ」はＦｅＰｔ膜厚を２．８μｍとしたＭＩ素子の磁界−インピーダンス特性であり、「ＦｅＰｔなし」はＦｅＰｔ膜を省略して作製したＭＩ素子の磁界−インピーダンス特性である。
【００４９】
図５のグラフから、ＦｅＰｔをＭＩ素子の下部に配置することにより、インピーダンスのピークとなる磁界が正磁界側にシフトしており、ＦｅＰｔ薄膜磁石により有効なバイアス磁界が印加されていることがわかる。このとき、ＦｅＰｔの残留磁束密度は、膜厚１．３μｍのもので１．０テスラ、膜厚２．８μｍのもので０．６テスラであり、バイアス磁界のシフト量は、膜厚１．３μｍのもので１３エルステッド（１３Ｏｅ）、膜厚２．８μｍのもので１８エルステッド（１８Ｏｅ）であった。このことから、バイアス磁界のシフト量は、薄膜磁石の残留磁束密度と膜厚に概ね比例すると考えられる。したがって、ＦｅＰｔ成膜時の膜厚ばらつきや、成膜条件に起因するＦｅＰｔの磁気特性のばらつきなどにより、ＭＩ素子に印加されるバイアス磁界がばらつくことが考えられる。
【００５０】
（薄膜磁石の着磁方向による磁界−インピーダンス特性の変化）
そこで、このバイアス磁界のばらつきを補正するため、硬磁性体膜を、軟磁性体膜の長手方向に対し角度θをつけた方向に着磁することが考えられる。図６に、ＦｅＰｔを着磁する際の磁界方向を、ＭＩ素子の感磁方向から角度θ（ここで、θ＝０°、３０°、４５°、６０°、または９０°）を付けたときのＭＩ素子の磁界−インピーダンス特性を示す。図６のグラフから、着磁角度が０°から９０°の間で、バイアス磁界が徐々に変化していることがわかる。
【００５１】
図７は、バイアス磁界を０°方向に着磁したときのバイアス磁界で規格化したときの、着磁角度とバイアス磁界との関係の一例である。着磁された磁石から発生する磁界の余弦成分が軟磁性体膜に対しバイアス磁界として働くため、着磁角度に対してコサインカーブを描くように変化していることがわかる。コサインカーブから外れているのは、薄膜磁石の形状による反磁界のため、着磁角度と磁石の磁化の向きにずれが生じているためと考えられる。この実施例では、上述したように、薄膜磁石の形状を略長方形状としたが、これを円形とすることにより、着磁角度と磁石の磁化の向きにずれが生じるのを抑制することができ、バイアス磁界が着磁角度に対してコサインカーブを描くように変化する。
【産業上の利用可能性】
【００５２】
本発明は、例えば、地磁気を検出して方位を示す電子コンパス、ロータリーエンコーダ、生体磁気計測など、高感度の磁気センサに利用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００５３】
【図１】本発明の磁気センサ素子の一形態例を示す図面であり、（ａ）は斜視図、（ｂ）は平面図である。
【図２】図１（ｂ）のＳ−Ｓ線に沿う断面図である。
【図３】本発明の磁気センサ素子の別の形態例を示す図面であり、（ａ）は斜視図、（ｂ）は平面図である。
【図４】実施例に係る磁気センサ素子を示す図面であり、（ａ）は上面図、（ｂ）は（ａ）のＴ−Ｔ線に沿う断面図である。
【図５】薄膜磁石の膜厚に対する磁界−インピーダンス特性の一例を示すグラフである。
【図６】薄膜磁石の着磁角度に対する磁界−インピーダンス特性の一例を示すグラフである。
【図７】着磁角度とバイアス磁界との関係の一例を示すグラフである。
【符号の説明】
【００５４】
θ…軟磁性体膜の感磁方向と硬磁性体膜の着磁方向とが非磁性基板の表面において成す角度、１…非磁性基板、２…硬磁性体膜、３…絶縁層、４…軟磁性体膜、５…良導電膜、６…電極。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
非磁性基板上に形成された硬磁性体膜と、硬磁性体膜の上を覆う絶縁層と、絶縁層上に形成された軟磁性体膜とを有し、
前記硬磁性体膜の着磁方向は、前記軟磁性体膜の長手方向に対し角度を有していることを特徴とする磁気センサ素子。
【請求項２】
非磁性基板を上から見た平面視において、前記硬磁性体膜が形成された領域は、前記軟磁性体膜が形成された領域よりも広い範囲にあり、かつ前記軟磁性体膜が形成された領域はすべて前記硬磁性体膜が形成された領域に重なっていることを特徴とする請求項１に記載の磁気センサ素子。
【請求項３】
前記硬磁性体膜の形状は、非磁性基板を上から見た平面視において、円形又は楕円形であることを特徴とする請求項２に記載の磁気センサ素子。
【請求項４】
前記硬磁性体膜は、Ｃｏ又はＦｅを主成分とし、Ｐｔ及びＣｒのいずれか一方又は両方を含む金属膜であることを特徴とする請求項１ないし３のいずれかに記載の磁気センサ素子。
【請求項５】
前記硬磁性体膜は、Ｐｔ組成比が３５〜５５％のＬ１０規則構造を有したＦｅＰｔを主成分とする金属膜であることを特徴とする請求項１ないし３のいずれかに記載の磁気センサ素子。
【請求項６】
非磁性基板上に面内等方性を有する硬磁性体膜と、硬磁性体膜の上を覆う絶縁層と、絶縁層上に形成され平面形状が長手方向を有する形状である軟磁性体膜を形成する工程と、
前記軟磁性体膜に対して、回転磁場中熱処理およびそれに引き続く静磁場中熱処理により前記軟磁性体膜の長手方向に沿うもしくは幅方向に沿う一軸異方性を付与する工程と、
前記硬磁性体膜に対して、静磁場中またはパルス状の磁場中にて前記軟磁性体膜の長手方向から角度を付けた方向に着磁する工程と、
を有することを特徴とする磁気センサ素子の製造方法。
【請求項１】
非磁性基板上に形成された硬磁性体膜と、硬磁性体膜の上を覆う絶縁層と、絶縁層上に形成された軟磁性体膜とを有し、
前記硬磁性体膜の着磁方向は、前記軟磁性体膜の長手方向に対し角度を有していることを特徴とする磁気センサ素子。
【請求項２】
非磁性基板を上から見た平面視において、前記硬磁性体膜が形成された領域は、前記軟磁性体膜が形成された領域よりも広い範囲にあり、かつ前記軟磁性体膜が形成された領域はすべて前記硬磁性体膜が形成された領域に重なっていることを特徴とする請求項１に記載の磁気センサ素子。
【請求項３】
前記硬磁性体膜の形状は、非磁性基板を上から見た平面視において、円形又は楕円形であることを特徴とする請求項２に記載の磁気センサ素子。
【請求項４】
前記硬磁性体膜は、Ｃｏ又はＦｅを主成分とし、Ｐｔ及びＣｒのいずれか一方又は両方を含む金属膜であることを特徴とする請求項１ないし３のいずれかに記載の磁気センサ素子。
【請求項５】
前記硬磁性体膜は、Ｐｔ組成比が３５〜５５％のＬ１０規則構造を有したＦｅＰｔを主成分とする金属膜であることを特徴とする請求項１ないし３のいずれかに記載の磁気センサ素子。
【請求項６】
非磁性基板上に面内等方性を有する硬磁性体膜と、硬磁性体膜の上を覆う絶縁層と、絶縁層上に形成され平面形状が長手方向を有する形状である軟磁性体膜を形成する工程と、
前記軟磁性体膜に対して、回転磁場中熱処理およびそれに引き続く静磁場中熱処理により前記軟磁性体膜の長手方向に沿うもしくは幅方向に沿う一軸異方性を付与する工程と、
前記硬磁性体膜に対して、静磁場中またはパルス状の磁場中にて前記軟磁性体膜の長手方向から角度を付けた方向に着磁する工程と、
を有することを特徴とする磁気センサ素子の製造方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【公開番号】特開２００８−１９７０８９（Ｐ２００８−１９７０８９Ａ）
【公開日】平成２０年８月２８日（２００８．８．２８）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００８−４８８０（Ｐ２００８−４８８０）
【出願日】平成２０年１月１１日（２００８．１．１１）
【出願人】（０００００５１８６）株式会社フジクラ (4,463)
【出願人】（５９１１０８１７８）秋田県 (126)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２０年８月２８日（２００８．８．２８）
【国際特許分類】
【出願日】平成２０年１月１１日（２００８．１．１１）
【出願人】（０００００５１８６）株式会社フジクラ (4,463)
【出願人】（５９１１０８１７８）秋田県 (126)
【Ｆターム（参考）】
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