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(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】公開特許公報(A)
(11)【公開番号】P2023027013
(43)【公開日】2023-03-01
(54)【発明の名称】正方晶系薄膜構造体
(51)【国際特許分類】
H01F 10/28 20060101AFI20230221BHJP
H01F 10/14 20060101ALI20230221BHJP
H10N 50/10 20230101ALI20230221BHJP
G11B 5/706 20060101ALI20230221BHJP
G11B 5/65 20060101ALI20230221BHJP
H01F 1/06 20060101ALI20230221BHJP
【ＦＩ】
H01F10/28
H01F10/14
H01L43/08 Z
G11B5/706
G11B5/65
H01F1/06 180
【審査請求】未請求
【請求項の数】9
【出願形態】ＯＬ
(21)【出願番号】P 2022125090
(22)【出願日】2022-08-04
(31)【優先権主張番号】P 2021132407
(32)【優先日】2021-08-16
(33)【優先権主張国・地域又は機関】JP
【国等の委託研究の成果に係る記載事項】（出願人による申告）平成２６年度、国立研究開発法人新エネルギー・産業技術総合開発機構「次世代自動車向け高効率モーター用磁性材料技術開発」委託研究、産業技術力強化法第１７条の適用を受ける特許出願
(71)【出願人】
【識別番号】000004260
【氏名又は名称】株式会社デンソー
(71)【出願人】
【識別番号】504157024
【氏名又は名称】国立大学法人東北大学
(71)【出願人】
【識別番号】504171134
【氏名又は名称】国立大学法人 筑波大学
(74)【代理人】
【識別番号】110001128
【氏名又は名称】弁理士法人ゆうあい特許事務所
(72)【発明者】
【氏名】西尾 隆宏
(72)【発明者】
【氏名】藏 裕彰
(72)【発明者】
【氏名】伊藤 啓太
(72)【発明者】
【氏名】高梨 弘毅
(72)【発明者】
【氏名】市村 匠
(72)【発明者】
【氏名】柳原 英人
【テーマコード（参考）】
5D006
5E040
5E049
5F092
【Ｆターム（参考）】
5D006BB01
5D006BB05
5D006BB06
5D006BB07
5E040AA11
5E040AA19
5E040BD05
5E040CA01
5E040CA06
5E049AA01
5E049AA07
5E049BA01
5E049BA06
5E049CB01
5E049DB04
5F092AB01
(57)【要約】
【課題】より特性の優れた構造の正方晶系薄膜構造体を提供する。
【解決手段】（１１０）面方位の主表面を少なくとも一部に有し、立方晶もしくは正方晶系に属する結晶構造を有した支持基板１０と、支持基板１０における（１１０）面方位の主表面上に形成され、主表面に接する面内において一軸の面内配向を有する正方晶系薄膜２０と、を備える。
【選択図】図１Ａ
【解決手段】（１１０）面方位の主表面を少なくとも一部に有し、立方晶もしくは正方晶系に属する結晶構造を有した支持基板１０と、支持基板１０における（１１０）面方位の主表面上に形成され、主表面に接する面内において一軸の面内配向を有する正方晶系薄膜２０と、を備える。
【選択図】図１Ａ
【特許請求の範囲】
【請求項1】
（１１０）面方位の主表面を少なくとも一部に有し、立方晶もしくは正方晶系に属する結晶構造を有した支持基板（１０）と、
前記支持基板における（１１０）面方位の前記主表面上に形成され、前記主表面に接する面内において一軸の面内配向を有する正方晶系薄膜（２０）と、を有している、正方晶系薄膜構造体。
前記支持基板における（１１０）面方位の前記主表面上に形成され、前記主表面に接する面内において一軸の面内配向を有する正方晶系薄膜（２０）と、を有している、正方晶系薄膜構造体。
【請求項2】
前記支持基板は立方晶系に属する結晶構造を有し、
前記支持基板における前記主表面の（１１０）面方位、と前記正方晶系薄膜における（１１０）面方位および（１０１）面方位それぞれでのＲＭＳ不整合度の差分であるＲＭＳ不整合度差が１．９％以下である、請求項１に記載の正方晶系薄膜構造体。
前記支持基板における前記主表面の（１１０）面方位、と前記正方晶系薄膜における（１１０）面方位および（１０１）面方位それぞれでのＲＭＳ不整合度の差分であるＲＭＳ不整合度差が１．９％以下である、請求項１に記載の正方晶系薄膜構造体。
【請求項3】
前記支持基板はＳｒＴｉＯ３、ＬａＡｌＯ３、ＭｇＯのいずれか１つにより構成されている、請求項１に記載の正方晶系薄膜構造体。
【請求項4】
前記支持基板はＬａＡｌＯ３で構成されている、請求項３に記載の正方晶系薄膜構造体。
【請求項5】
前記正方晶系薄膜における前記主表面に接する面内での（００１）配向率が６０％以上である、請求項１に記載の正方晶系薄膜構造体。
【請求項6】
前記正方晶系薄膜は、Ｆｅ、Ｎｉ、Ｎを元素として含む材料の薄膜である、請求項１に記載の正方晶系薄膜構造体。
【請求項7】
前記正方晶系薄膜は、ＦｅＮｉＮの薄膜またはＬ１０型の規則構造を有するＬ１０型のＦｅＮｉ規則合金の薄膜である、請求項１に記載の正方晶系薄膜構造体。
【請求項8】
（１１０）面方位の主表面を少なくとも一部に有し、立方晶もしくは正方晶系に属する結晶構造を有した支持基板（１０）と、
前記支持基板における（１１０）面方位の前記主表面上に形成され、前記主表面に接する面内において一軸の面内配向を有する正方晶系薄膜（２０）と、を有し、
前記支持基板はＬａＡｌＯ３で構成されており、
前記正方晶系薄膜は、ＦｅＮｉＮの薄膜またはＬ１０型の規則構造を有するＬ１０型のＦｅＮｉ規則合金の薄膜である、正方晶系薄膜構造体。
前記支持基板における（１１０）面方位の前記主表面上に形成され、前記主表面に接する面内において一軸の面内配向を有する正方晶系薄膜（２０）と、を有し、
前記支持基板はＬａＡｌＯ３で構成されており、
前記正方晶系薄膜は、ＦｅＮｉＮの薄膜またはＬ１０型の規則構造を有するＬ１０型のＦｅＮｉ規則合金の薄膜である、正方晶系薄膜構造体。
【請求項9】
前記正方晶系薄膜は、島状構造であり、それぞれの島の外表面のうち少なくとも１つの面が｛１１１｝面である、請求項１ないし８のいずれか１つに記載の正方晶系薄膜構造体。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、支持基板上に正方晶系薄膜を備えた正方晶系薄膜構造体に関し、例えば正方晶系薄膜として、ＦｅＮｉＮもしくはＬ１０型の規則構造を有するＬ１０型のＦｅＮｉ規則合金の薄膜を備えるものに適用して好適である。
【背景技術】
【0002】
Ｌ１０型の規則構造を有するＦｅＮｉ（鉄－ニッケル）規則合金は、高い磁気異方性を有しており、レアアースや貴金属を全く使用しない磁石材料および磁気記録などの磁気デバイス材料として期待されている。ＳＴＯ（チタン酸ストロンチウム：ＳｒＴｉＯ３）の支持基板上に、窒素プラズマ中のＭＢＥ（分子線エピタキシー法）により作製したＦｅＮｉＮ薄膜を脱窒素することで、Ｌ１０型のＦｅＮｉ規則合金薄膜を形成できる（非特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【0003】
【非特許文献1】K. Ito et al., "Epitaxial L10-FeNi films with high degree of order and large uniaxial magnetic anisotropy fabricated by denitriding FeNiN films", Applied Physics Letters. 116, 242404(2020)
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0004】
しかしながら、非特許文献１に開示されている製造方法を用いて、主表面が（１００）面方位となっている支持基板に対してＦｅＮｉＮ薄膜を成膜すると、ＦｅＮｉＮのｃ軸が９０°交差するバリアントが２種類できてしまうことが確認された。これは、（１００）面での結晶構造が中心軸を中心とした４回対称になっているためであり、立方晶構造のそれぞれ辺に対してｃ軸が交差するようにＦｅＮｉＮが成長するため、マルチバリアント状態になる。このときの各バリアントの寸法は～５ｎｍとなっていた。
【0005】
結晶方位軸が直交するマルチバリアント状態であると、磁気特性、電気特性、光学特性などが優れた配向方向の特性と、悪い配向方向の特性とが平均化され、本来シングルバリアント状態で得られる特性を利用することができないなどの課題がある。例えば結晶磁気異方性定数Ｋｕを例に挙げると、直交するバリアント間では平均化された値になり、結晶磁気異方性が低下する。
【0006】
なお、ここでいう「バリアント」とは、支持基板上に正方晶系薄膜を成膜した際に、正方晶系薄膜の持つ結晶方位のことであり、「シングルバリアント」は結晶方位を１つの軸方向にのみ持ち、「マルチバリアント」は結晶方位を複数の軸方向に持っていることを意味する。正方晶系薄膜の全域が「シングルバリアント」である必要はないが、「マルチバリアント」で尚かつ各バリアントの寸法が小さいと、優位となるバリアントが無いため、特性が平均化されることで良好な特性が得られなくなる。このため、より良好な特性を得るためには、シングルバリアントの寸法が大きく得られることが重要となる。
【0007】
本発明は上記点に鑑みて、より特性の優れた構造の正方晶系薄膜構造体を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【0008】
上記目的を達成するため、請求項１に記載の正方晶系薄膜構造体は、（１１０）面方位の主表面を少なくとも一部に有し、立方晶もしくは正方晶系に属する結晶構造を有した支持基板（１０）と、支持基板における（１１０）面方位の主表面上に形成され、主表面に接する面内において一軸の面内配向を有する正方晶系薄膜（２０）と、を備える。
【0009】
このように、（１１０）面方位の主表面を少なくとも一部に有する立方晶もしくは正方晶系に属する結晶構造の支持基板を用いて、支持基板上に正方晶系薄膜を成膜することで、正方晶系薄膜の結晶がシングルバリアントとなるようにできる。したがって、より特性の優れた構造の正方晶系薄膜構造体とすることが可能となる。
【0010】
なお、各構成要素等に付された括弧付きの参照符号は、その構成要素等と後述する実施形態に記載の具体的な構成要素等との対応関係の一例を示すものである。
【図面の簡単な説明】
【0011】
【図1A】本発明の一実施形態にかかる正方晶系薄膜構造体の断面図である。
【図2A】比較例にかかる正方晶系薄膜構造体の断面図である。
【図3】（ａ）は、ＳＴＯの結晶構造の斜視図、（ｂ）、（ｃ）は、それぞれ、ＳＴＯ（１００）およびＳＴＯ（１１０）について各面を法線方向から見たときの結晶構造を示した図である。
【図4】（ａ）は、ＦｅＮｉＮの結晶構造の斜視図、（ｂ）は、斜視図中に（１１０）面をハッチングで示した図、（ｃ）、（ｄ）は、それぞれ、ＦｅＮｉＮ（１００）およびＦｅＮｉＮ（１１０）について各面を法線方向から見たときの結晶構造を示した図である。
【図5】ＳＴＯ（１００）とＦｅＮｉＮ（１００）との整合の様子を模式的に示した図である。
【図6】支持基板をＭｇＯ（１１０）、ＳＴＯ（１１０）、ＬＡＯ（１１０）で構成する場合の各材質とＦｅＮｉＮ（１１０）との格子不整合度とそのＲＭＳ（二乗平均平方根）不整合度を示した図表である。
【図7】（ａ）は、ＦｅＮｉＮの結晶構造の斜視図中に（１１０）面と（１０１）面をハッチングで示した図、（ｂ）は、ＦｅＮｉＮの（１１０）配向の様子を示した図、（ｃ）は、ＦｅＮｉＮの（１０１）配向の様子を示した図である。
【図8】支持基板をＭｇＯ（１１０）、ＳＴＯ（１１０）、ＬＡＯ（１１０）で構成する場合の各材質とＦｅＮｉＮ（１０１）との格子不整合度とそのＲＭＳ不整合度を示した図表である。
【図9】支持基板をＭｇＯ（１１０）、ＳＴＯ（１１０）、ＬＡＯ（１１０）で構成する場合の立方晶格子定数とＲＭＳ不整合度との関係を示した図である。
【図10】立方晶格子定数と（１１０）と（１０１）面方位でのＲＭＳ不整合度の差との関係を示した図である。
【図11】比較例１および実施例１～５における面内配向および面内（００１）配向率と面内（１１０）配向率の結果を纏めた図表である。
【図12】比較例１および実施例１～３における正方晶系薄膜の表面に対する法線方向にＸ線の散乱ベクトルがくるようにＸ線を入射したときのＸ線回折パターンを示した図である。
【図13】比較例１および実施例１～３における正方晶系薄膜の表面の面内の一方向にＸ線の散乱ベクトルがくるようにＸ線を入射したときのＸ線回折パターンを示した図である。
【図15】ＦｅＮｉＮの主要ピークをまとめた図表である。
【図16】Ｌ１０型のＦｅＮｉ規則合金薄膜とした正方晶系薄膜の面内での磁気特性を調べた結果を示す図である。
【図17】実施例４、５にかかる正方晶系薄膜構造体の断面図である。
【図18】実施例４についてＬＡＯ（１００）基板の［１－１０］軸方向から透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ）による断面観察結果を示した図である。
【図20】実施例４にかかるＬ１０型のＦｅＮｉ規則合金薄膜とした正方晶系薄膜の面内での３００Ｋにおける磁気特性を調べた結果を示す図である。
【図21】実施例４にかかるＬ１０型のＦｅＮｉ規則合金薄膜とした正方晶系薄膜の面内での１０Ｋにおける磁気特性を調べた結果を示す図である。
【図22】実施例４、５における磁気特性を示す表である。
【図23】実施例５にかかるＬ１０型のＦｅＮｉ規則合金薄膜とした正方晶系薄膜の面内での３００Ｋにおける磁気特性を調べた結果を示す図である。
【図24】ＭｇＯの結晶構造を面心立方格子を基本単位格子で記載した図である。
【発明を実施するための形態】
【0012】
以下、本発明の実施形態について図に基づいて説明する。なお、以下の各実施形態相互において、互いに同一もしくは均等である部分には、同一符号を付して説明を行う。
【0013】
【0014】
図１Ａに示すように、本実施形態の正方晶系薄膜構造体は、支持基板１０上に正方晶系薄膜２０を形成したもので構成されている。
【0015】
支持基板１０は、立方晶もしくは正方晶系に属する結晶構造を有し、正方晶系薄膜２０と接する界面の少なくとも一部が（１１０）面方位とされている。例えば、支持基板１０としては、ＳＴＯ（１１０）、ＬＡＯ（１１０）、ＭｇＯ（１１０）を用いることができる。ＳＴＯについては、立方晶格子定数が０．３９０５ｎｍとなっている。ＬＡＯについては、立方晶格子定数が０．３７９ｎｍとなっている。ＭｇＯについては、立方晶格子定数が０．４２１３ｎｍとなっている。
【0016】
なお、ＬＡＯは、アルミン酸ランタン（ＬａＡｌＯ３）であり、ＭｇＯは酸化マグネシウムである。ＳＴＯ、ＬＡＯ、ＭｇＯの後に記載した（１１０）は、これらによって支持基板１０を構成する場合の支持基板１０の主表面の面方位が（１１０）であることを意味している。ここでは、（１１０）を挙げているが、後述する（１００）、（００１）等についても同様である。
【0017】
正方晶系薄膜２０は、図１Ａおよび図１Ｂに示すように、支持基板１０の主表面に接した一面において、一軸の面内配向を有した薄膜である。正方晶系薄膜２０は、一軸の面内配向として、矢印は［００１］方向を示し、矢印方向に（００１）配向、支持基板１０との界面に対して（１１０）配向している。より詳しくは、垂直方向には（００１）配向しておらず、正方晶系薄膜２０は、同一方向に配向したバリアントが含まれる成分割合である面内（００１）配向率が６０％以上になっており、好ましくは７０％以上になっている。さらに、面内で９０°回転した面内（１１０）配向率が６０％以上になっており、好ましくは７０％以上になっている。例えば、正方晶系薄膜２０としては、Ｆｅ、Ｎｉ、Ｎを元素として含む材料の薄膜、Ｌ１０型の規則構造を有するＬ１０型のＦｅＮｉ規則合金の薄膜が挙げられる。
【0018】
Ｆｅ、Ｎｉ、Ｎを含む材料の薄膜としては、例えばＦｅＮｉＮがある。ＦｅＮｉＮの場合、ＦｅＮｉＮ（１００）ではａ軸での格子定数が０．４００２ｎｍとなっており、ＦｅＮｉＮ（００１）ではｃ軸での格子定数が０．３７１３ｎｍとなっている。正方晶系薄膜２０をＦｅＮｉＮの薄膜とする場合、支持基板１０に対して窒素プラズマ中においてＦｅＮｉを蒸着する手法や、Ｆｅ層とＮｉ層を交互に蒸着したのち窒化処理を行う手法などによってＦｅＮｉＮの薄膜を得ることができる。また、正方晶系薄膜２０をＦｅＮｉＮで構成する場合、Ｆｅ２Ｎｉ２Ｎ、ＦｅＮｉ、酸化物などＦｅＮｉＮ以外の成分が含まれていても良い。
【0019】
また、正方晶系薄膜２０をＬ１０型の規則構造を有するＬ１０型のＦｅＮｉ規則合金の薄膜とする場合、ＦｅＮｉＮの薄膜を成膜した後に、脱窒素処理を行うことでＬ１０型のＦｅＮｉ規則合金の薄膜を得ることができる。正方晶系薄膜２０をＬ１０型のＦｅＮｉ規則合金の薄膜とすれば、正方晶系薄膜構造体がＦｅＮｉ超格子を含むＦｅＮｉ規則合金構造体となる。このようなＦｅＮｉ規則合金構造体は、磁石材料および磁気記録、磁気センサ等のデバイス材料に適用可能であり、高い保磁力を有した磁性特性に優れたものとなる。
【0020】
ここで、本実施形態の正方晶系薄膜構造体と従来のようにＳＴＯ（１００）の主表面に正方晶系薄膜を形成する場合について比較して説明する。ここでは、支持基板をＳＴＯ、正方晶系薄膜をＦｅＮｉＮとする場合を例に挙げる。また、以下の説明では、ＳＴＯ（１００）の主表面に正方晶系薄膜を形成する構造を比較構造という。
【0021】
図２Ａに示すように、ＳＴＯ（１００）の支持基板Ｊ１０の上に正方晶系薄膜Ｊ２０を形成した比較構造においては、図２Ｂに示すように、ＦｅＮｉＮのｃ軸が９０°交差するバリアントが２種類できてしまう。ＴＥＭ（透過電子顕微鏡）観察などを行ったところ、各バリアントの寸法が～５ｎｍと小さな微細化したものになっていた。
【0022】
図３中の（ａ）に示すように、ＳＴＯは、立方晶の結晶構造を有している。このため、比較構造において支持基板Ｊ１０に用いられているＳＴＯ（１００）は、図３中の（ｂ）に示すように中心軸を中心として９０°回転するごとに同じ格子構造になる４回対称になる。これに対して、本実施形態の構造において支持基板１０に用いられているＳＴＯ（１１０）は、図３中の（ｃ）に示すように中心軸を中心として１８０°回転するごとに同じ格子構造になる２回対称になる。
【0023】
一方、図４中の（ａ）に示すように、ＦｅＮｉＮは正方晶の結晶構造を有しており、Ｎｉが配置されるレイヤーとＦｅおよびＮが配置されるレイヤーを備えている。そして、図４中の（ｃ）に示すように、ＦｅＮｉＮ（１００）については、ＳＴＯ（１００）に近い結晶構造となる。なお、図４中の（ｂ）に示した（１１０）面の法線方向から見たＦｅＮｉＮ（１１０）の結晶構造は、図４中の（ｄ）に示したように、ＳＴＯ（１００）とは異なった表面配列となる。
【0024】
図５に示すように、支持基板Ｊ１０としてＳＴＯ（１００）を使用した比較構造においては、ＳＴＯ（１００）における各軸とＦｅＮｉＮ（１００）におけるａ軸とが整合し、支持基板Ｊ１０上にＦｅＮｉＮ（１００）がエピタキシャル成長させられることになる。そして、ＳＴＯ（１００）は立方晶であるため、互いに直交する各軸の原子配列および格子定数は同じになっている。したがって、立方晶で主表面が（１００）面方位となる支持基板Ｊ１０を使用してＦｅＮｉＮを成長させる場合、ＦｅＮｉＮと整合する軸方向が２通り、つまり成長方向が二方向存在することになる。このため、図２Ａおよび図２Ｂに示すように、正方晶系薄膜Ｊ２０を構成するＦｅＮｉＮのｃ軸が９０°交差するバリアントが２種類できている。
【0025】
これに対して、支持基板１０としてＳＴＯ（１１０）を使用した本実施形態の構造では、ＳＴＯ（１１０）において、ＦｅＮｉＮと整合するのがｃ軸だけに限定される。したがって、立方晶で主表面が（１１０）面方位となる支持基板１０を使用してＦｅＮｉＮを成長させる場合、ＦｅＮｉＮと整合する軸方向が１通り、つまり成長方向が一方向のみに限定される。このため、図１Ａおよび図１Ｂに示すように、正方晶系薄膜２０を構成するＦｅＮｉＮのｃ軸が単方向に向いたシングルバリアントになる。
【0026】
このように、（１１０）面方位の立方晶もしくは正方晶系に属する結晶構造の支持基板１０を用いて、支持基板１０上に正方晶系薄膜２０を成膜することで、正方晶系薄膜２０の結晶がシングルバリアントとなるようにできる。したがって、より特性の優れた構造の正方晶系薄膜構造体とすることが可能となる。なお、正方晶系薄膜２０の全域においてシングルバリアントである必要は無く、寸法が大きなシングルバリアント、例えば３０ｎｍ以上のものが得られていれば良い。つまり、部分的に他のバリアントの部分があっても良いが、その部分の寸法よりもシングルバリアントの部分の寸法の方が十分に大きくなっていれば良い。
【0027】
また、ここでは支持基板１０をＳＴＯ（１１０）とする場合を例に挙げたが、ＭｇＯ（１１０）、ＬＡＯ（１１０）とする場合と比較しながら、材質毎のバリアントの低減効果について説明する。
【0028】
図６は、支持基板１０を立方晶酸化物であるＭｇＯ（１１０）、ＳＴＯ（１１０）、ＬＡＯ（１１０）で構成する場合の各材質とＦｅＮｉＮ（１１０）との格子不整合度とそのＲＭＳ不整合度を示している。図中のＦｅＮｉＮ（１１０）［００１］は、ＦｅＮｉＮ（１１０）における［００１］軸方向において不整合度を調べたことを意味している。同様に、図中のＦｅＮｉＮ（１１０）［１－１０］は、ＦｅＮｉＮ（１１０）における［１－１０］軸方向において不整合度を調べたことを意味している。また、ＲＭＳ不整合度は、ＦｅＮｉＮ（１１０）［００１］における不整合度とＦｅＮｉＮ（１１０）［１－１０］における不整合度を二乗平均平方根（Root Mean Square）したものである。ＲＭＳ不整合度は、［００１］軸方向および［１－１０］軸方向において、全体としてどれだけ格子不整合が生じているかを示す指標となる。
【0029】
この図に示されるように、ＦｅＮｉＮ（１１０）［００１］においては、不整合度の絶対値が小さい順に、ＬＡＯ（１１０）、ＳＴＯ（１１０）、ＭｇＯ（１１０）となっている。また、ＦｅＮｉＮ（１１０）［１－１０］においては、ＭｇＯ（１１０）とＬＡＯ（１１０）について不整合度の絶対値が大きく、ＳＴＯ（１１０）について不整合度の絶対値が小さくなっている。ＲＭＳ不整合度については、ＳＴＯ（１１０）が最も小さくなっており、次いでＬＡＯ（１１０）で、最も大きいのがＭｇＯ（１１０）となる。
【0030】
ここで示したＭｇＯ（１１０）、ＳＴＯ（１１０）、ＬＡＯ（１１０）のいずれを支持基板１０として用いても、大きな寸法のシングルバリアントを得ることができる。そして、基本的には、ＦｅＮｉＮ（１１０）における［００１］軸方向および［１－１０］軸方向の不整合度の絶対値が小さいほど、バリアントの低減効果を高くすることができると考えられる。
【0031】
しかしながら、実験を行い、ＭｇＯ（１１０）、ＳＴＯ（１１０）、ＬＡＯ（１１０）を支持基板１０として用いて、正方晶系薄膜２０としてＦｅＮｉＮを成長したところ、ＳＴＯ（１１０）よりもＬＡＯ（１１０）の方がバリアントの低減効果が高かった。これは、（１１０）面方位を用いて正方晶系薄膜２０を成長した場合、（１０１）面も成長し得るためであると考えられる。
【0032】
図７中の（ａ）に示すように、ＦｅＮｉＮにおいて、（１１０）面は、図中実線ハッチングで示され、（１０１）面は、図中破線ハッチングで示される。図７中の（ｂ）は、（１１０）配向のＦｅＮｉＮを示しており、この図はＳＴＯ［１１０］およびＦｅＮｉＮ［１１０］方向からみたものであり、ＦｅＮｉＮの結晶構造の下方に（１１０）面方位の支持基板１０が配置されていて、その上にＦｅＮｉＮが（１１０）面で成長した場合の結晶構造を示している。この図に示すように（１１０）配向でＦｅＮｉＮが成長した場合、ｃ軸が一意に決定する。一方、図７中の（ｃ）は、（１０１）配向のＦｅＮｉＮを示しており、この図はＳＴＯ［１１０］方向およびＦｅＮｉＮ［０１０］方向からみたものであり、ＦｅＮｉＮの結晶構造の下方に（１１０）面方位の支持基板１０が配置されていて、その上にＦｅＮｉＮが（１０１）面で成長した場合の結晶構造を示している。この図に示すように（１０１）配向でＦｅＮｉＮが成長した場合、ｃ軸の二方向の成長が有り得、マルチバリアントになり得る。
【0033】
このため、ＦｅＮｉＮ（１０１）方向に成長しないのが望ましい。（１０１）面についてＦｅＮｉＮが成長しないようにするためには、ＦｅＮｉＮ（１０１）とのＲＭＳ不整合度がある程度大きくなっている必要がある。
【0034】
図８は、支持基板１０を立方晶酸化物であるＭｇＯ（１１０）、ＳＴＯ（１１０）、ＬＡＯ（１１０）で構成する場合の各材質とＦｅＮｉＮ（１０１）との格子不整合度とそのＲＭＳ不整合度を示している。図中のＦｅＮｉＮ（１０１）［０１０］は、ＦｅＮｉＮ（１０１）における［０１０］軸方向において不整合度を調べたことを意味している。同様に、図中のＦｅＮｉＮ（１０１）［－１０１］は、ＦｅＮｉＮ（１０１）における［－１０１］軸方向において不整合度を調べたことを意味している。また、ＲＭＳ不整合度は、ＦｅＮｉＮ（１０１）［０１０］における不整合度とＦｅＮｉＮ（１０１）［－１０１］における不整合度を二乗平均平方根したものである。ＲＭＳ不整合度は、［０１０］軸方向および［－１０１］軸方向において、全体としてどれだけ格子不整合が生じているかを示す指標となる。
【0035】
この図に示されるように、ＦｅＮｉＮ（１０１）［０１０］においては、不整合度の絶対値が小さい順に、ＳＴＯ（１１０）、ＭｇＯ（１１０）、ＬＡＯ（１１０）となっている。また、ＦｅＮｉＮ（１０１）［－１０１］においては、不整合度の絶対値が小さい順に、ＳＴＯ（１１０）、ＬＡＯ（１１０）、ＭｇＯ（１１０）となっている。そして、ＲＭＳ不整合度については、ＳＴＯ（１１０）が最も小さくなっており、次いでＬＡＯ（１１０）、最も大きいのがＭｇＯ（１１０）となる。
【0036】
ＦｅＮｉＮ（１１０）を成長させるには、ＲＭＳ不整合度が低い方が良く、その意味では、図６に示したように、ＳＴＯ（１１０）が好ましい。しかしながら、ＦｅＮｉＮ（１０１）を成長させないようにするには、ＲＭＳ不整合度が高い方が良く、ＳＴＯ（１１０）よりもＬＡＯ（１１０）やＭｇＯ（１１０）の方が良い。このため、実験結果としては、ＳＴＯ（１１０）を用いるよりもＬＡＯ（１１０）を用いた方が、よりバリアントの低減効果が高くなったと言える。
【0037】
ＦｅＮｉＮ（１１０）とＦｅＮｉＮ（１０１）それぞれについて、支持基板１０としてＭｇＯ（１１０）、ＳＴＯ（１１０）、ＬＡＯ（１１０）を用いた場合の立方晶格子定数とＲＭＳ不整合度との関係を調べたところ、図９に示す結果が得られた。また、立方晶格子定数とＲＭＳ不整合度差、つまりＦｅＮｉＮ（１１０）とＦｅＮｉＮ（１０１）それぞれでのＲＭＳ不整合度を差分との関係を調べたところ、図１０に示す結果が得られた。なお、ＲＭＳ不整合度の差分は、得たい配向方向のＲＭＳ不整合度から得たくない配向のＲＭＳ不整合度を差し引いた値、ここではＦｅＮｉＮ（１１０）ＲＭＳ不整合度からＦｅＮｉＮ（１０１）ＲＭＳ不整合度を差し引いた値である。
【0038】
図９に示されるように、立方晶格子定数とＲＭＳ不整合度との間には相関があると考えられる。ＦｅＮｉＮ（１１０）、ＦｅＮｉＮ（１０１）のいずれの場合も、ＳＴＯ（１１０）の立方晶格子定数である０．３９０５ｎｍ近辺で最もＲＭＳ不整合度が小さくなり、それよりも立方晶格子定数が小さくまたは大きくなると、ＲＭＳ不整合度が増加する。ただし、立方晶格子定数がＳＴＯ（１１０）の値よりも小さくなると、ＲＭＳ不整合度差が小さくなる。すなわち、ＳＴＯ（１１０）ではＲＭＳ不整合度差が１．９７％発生しているが、ＬＡＯ（１１０）ではＲＭＳ不整合度差がほぼ０％になる。
【0039】
元々、ＦｅＮｉＮ（１１０）およびＦｅＮｉＮ（１０１）のＲＭＳ不整合度が同じであったとすれば、表面エネルギーの安定性等の観点からＦｅＮｉＮ（１１０）の方がＦｅＮｉＮ（１０１）よりも生成され易い。このため、ＦｅＮｉＮ（１１０）が多少大きくなったとしても、（１１０）面方位および（１０１）面方位それぞれでのＲＭＳ不整合度の差分であるＲＭＳ不整合度差が小さいことで、ＦｅＮｉＮ（１１０）が優先して生成されたと考えられる。
【0040】
したがって、ＲＭＳ不整合度差がより小さい立方晶系の結晶構造とすれば、配向を制御でき、例えばＦｅＮｉＮ（１１０）が優先して生成され、よりシングルバリアントを得ることができて、バリアントの低減効果を高めることが可能となる。具体的には、ＳＴＯ（１１０）の場合の１．９７％よりも小さな１．９％以下、立方晶格子定数で言えば、０．３９０５ｎｍよりも小さな０．３９ｎｍ以下の立方晶形の結晶構造とすれば、ＳＴＯ（１１０）よりも高いバリアントの低減効果が得られる。
【0041】
なお、ここでは立方晶系の結晶構造を有する支持基板１０の材質として、ＳＴＯ（１１０）、ＬＡＯ（１１０）、ＭｇＯ（１１０）を例に挙げたが、これに限るものではない。図９、図１０は、立方晶の格子定数からＲＭＳ不整合度、ＲＭＳ不整合度差を計算し、近似曲線として記載したものである。ＳＴＯ（１１０）、ＬＡＯ（１１０）、ＭｇＯ（１１０）の計算結果もプロットしてある。この近似曲線は、ある材質の立方晶格子定数に対応するＲＭＳ不整合度、ＲＭＳ不整合度差を示しており、ＳＴＯ（１１０）、ＬＡＯ（１１０）、ＭｇＯ（１１０）以外の材質についても、立方晶格子定数とＲＭＳ不整合度、ＲＭＳ不整合度差の関係は概ねこの近似曲線に対応した関係になる。このため、ＳＴＯ（１１０）、ＬＡＯ（１１０）、ＭｇＯ（１１０）以外の材質であっても、ＳＴＯ（１１０）の場合の１．９７％よりも小さな１．９％以下の立方晶系の結晶構造とすれば、ＳＴＯ（１１０）よりも高いバリアントの低減効果が得られる。
【実施例0042】
次に、ＳＴＯ（１００）を用いた比較構造を比較例１とし、実施例１～３として、ＳＴＯ（１１０）、ＭｇＯ（１１０）、ＬＡＯ（１１０）をそれぞれ用いてＦｅＮｉＮを成長させた。具体的には、支持基板１０の温度を３５０℃とし、Ｆｅ、Ｎｉおよび高周波（ＲＦ）Ｎ２の同時供給によるＭＢＥ法により、支持基板１０上に正方晶系薄膜２０としてＦｅＮｉＮ膜を２０ｎｍエピタキシャル成長させた。成長装置のチャンバー内へのＮ２流量を１．０ｓｃｃｍ、ＲＦ入力を２８０Ｗとした。それら比較例１および実施例１～３について図１１を参照して説明する。なお、図１１に示す結果については、後述する図１２～図１４に示すＸ線回折の結果に基づいて得られたものである。
【0043】
（比較例１）
まず、比較構造を作製し、ＦｅＮｉＮ面直配向方向と面内（００１）配向率を調べた。その結果、図１１に示すように、基板に対して面直方向は（１００）配向であり（００１）は面直方向にないことが分かる。面内（００１）配向率については５７．５％になっていた。つまり、面内に［００１］方向にバリアントが二つ直交する、マルチバリアント状態になっていることが確認された。
まず、比較構造を作製し、ＦｅＮｉＮ面直配向方向と面内（００１）配向率を調べた。その結果、図１１に示すように、基板に対して面直方向は（１００）配向であり（００１）は面直方向にないことが分かる。面内（００１）配向率については５７．５％になっていた。つまり、面内に［００１］方向にバリアントが二つ直交する、マルチバリアント状態になっていることが確認された。
【0044】
（実施例１）
実施例１として、ＳＴＯ（１１０）で構成された支持基板１０を用いて正方晶系薄膜２０としてＦｅＮｉＮを成膜し、ＦｅＮｉＮ面直配向方向と面内（００１）配向率を調べた。その結果、図１１に示すように基板に対して面直の配向方向は（１１０）であり（００１）は面直方向にないことが分かる。面内（００１）配向率は７２．７％であった。これは比較例１と比較して面内の（００１）配向が高いことを示している。さらに、（１１０）面内配向率は６９．７％であり、（１１０）配向を示すことが分かった。
実施例１として、ＳＴＯ（１１０）で構成された支持基板１０を用いて正方晶系薄膜２０としてＦｅＮｉＮを成膜し、ＦｅＮｉＮ面直配向方向と面内（００１）配向率を調べた。その結果、図１１に示すように基板に対して面直の配向方向は（１１０）であり（００１）は面直方向にないことが分かる。面内（００１）配向率は７２．７％であった。これは比較例１と比較して面内の（００１）配向が高いことを示している。さらに、（１１０）面内配向率は６９．７％であり、（１１０）配向を示すことが分かった。
【0045】
（実施例２）
実施例２として、ＭｇＯ（１１０）で構成された支持基板１０を用いて正方晶系薄膜２０としてＦｅＮｉＮを成膜し、ＦｅＮｉＮ面直配向方向と面内（００１）配向率を調べた。その結果、図１１に示すように、面直の基板配向方向は（１１０）であり、（００１）は面直方向にないことが分かる。面内（００１）配向率は７２．７％であった。これは比較例１と比較して（００１）配向が高いことを示している。さらに、面内（１１０）配向率は６９．７％であり、（１１０）配向を示すことが分かった。
実施例２として、ＭｇＯ（１１０）で構成された支持基板１０を用いて正方晶系薄膜２０としてＦｅＮｉＮを成膜し、ＦｅＮｉＮ面直配向方向と面内（００１）配向率を調べた。その結果、図１１に示すように、面直の基板配向方向は（１１０）であり、（００１）は面直方向にないことが分かる。面内（００１）配向率は７２．７％であった。これは比較例１と比較して（００１）配向が高いことを示している。さらに、面内（１１０）配向率は６９．７％であり、（１１０）配向を示すことが分かった。
【0046】
（実施例３）
実施例３として、ＬＡＯ（１１０）で構成された支持基板１０を用いて正方晶系薄膜２０としてＦｅＮｉＮを成膜し、ＦｅＮｉＮ面直配向方向と面内（００１）配向率を調べた。その結果、図１１に示すように、面直の基板配向方向は（１１０）であり、（００１）は面直方向にないことが分かる。面内（００１）配向率は９８．１％であった。これは比較例１と比較して（００１）配向が高いことを示している。さらに、面内（１１０）配向率は９５．９％であり、実施例１や実施例２と比較して高い（１１０）配向を示すことが分かった。つまり、面内（００１）配向率と面内（１１０）配向率とが両方共に高い値となっており、実施例１～３の中では最も大きな寸法のシングルバリアントが得られていることが確認された。
実施例３として、ＬＡＯ（１１０）で構成された支持基板１０を用いて正方晶系薄膜２０としてＦｅＮｉＮを成膜し、ＦｅＮｉＮ面直配向方向と面内（００１）配向率を調べた。その結果、図１１に示すように、面直の基板配向方向は（１１０）であり、（００１）は面直方向にないことが分かる。面内（００１）配向率は９８．１％であった。これは比較例１と比較して（００１）配向が高いことを示している。さらに、面内（１１０）配向率は９５．９％であり、実施例１や実施例２と比較して高い（１１０）配向を示すことが分かった。つまり、面内（００１）配向率と面内（１１０）配向率とが両方共に高い値となっており、実施例１～３の中では最も大きな寸法のシングルバリアントが得られていることが確認された。
【0047】
比較例１および実施例１～３について、複数の方向からＸ線を入射し、Ｘ線回折パターンを調べた。具体的には、Ｘ線回折の散乱ベクトルが正方晶系薄膜２０の表面に対する法線方向、つまり支持基板１０の主表面に対する法線方向（以下、第１方向という）と、主表面に接する正方晶系薄膜２０の面内の二方向について、Ｘ線を入射してＸ線回折パターンを調べた。面内の二方向は、面内において直交する二方向であり、以下、そのうちの一方向を第２方向といい、第２方向と垂直なもう一方向を第３方向という。
【0048】
図１２～図１４は、比較例１および実施例１～３それぞれについて、第１～第３方向それぞれにＸ線を入射したときのＸ線回折パターンを示している。図１２は、正方晶系薄膜２０の表面に対する法線方向である第１方向にＸ線回折の散乱ベクトルがくるようにＸ線を入射しているため、正方晶系薄膜２０の表面の法線方向の結晶構造を反映したＸ線回折パターンとなる。また、図１３、図１４は、正方晶系薄膜２０の表面の面内である第２、第３方向に対してＸ線回折の散乱ベクトルがくるようにＸ線を入射しているため、正方晶系薄膜２０の表面の面内方向の結晶構造を反映したＸ線回折パターンとなる。比較例１について第２方向は基板の［００１］方向を選び、第３方向は、基板対称性から回折強度は００２と２００が入れ替わるだけであり、図１４中には比較例１のＸ線回折パターンを示していない。実施例１～３については、第２方向は基板の［００１］方向を選ぶと、第３方向は、基板の［１１０］方向に対応することになる。Ｘ線回折測定については、１０ｍｍ角で厚み０．５ｍｍの支持基板１０に対してＦｅＮｉＮを成膜させたのち、第１～第３方向それぞれについて波長λ＝０．１５４１８ｎｍのＣｕＫａ線を照射して行った。角度２θ（degree）については、３８～７２°の範囲において０．０２°刻みで実施した。
【0049】
まず、ＦｅＮｉＮの主要なＸ線回折ピークは、図１５のように示される。例えば、（２００）は、角度２θ（degree）が４５．３１７°がピークになるということを示している。この図に示したピークとなり得る角度２θ（degree）について近傍の１．０°の角度範囲内にピークが現れるかどうか判定している。回折強度バックグラウンドや誤差については、例えばＦｅＮｉＮや基板のピークの無い５３－５７°の範囲で求めた。ピーク強度の算出はピークトップ周りの０．１°の範囲で平均をとって、ピーク強度としている。ピーク強度が回折強度バックグラウンドより高ければ、その角度２θ（degree）での方向に配向している方向があると言うことができる。また、（００１）や（１１０）の回折ピークは回折強度が弱い為、結晶構造の決定には使用していない。
【0050】
図１３中に正方晶系薄膜２０の表面の面内における面内（００１）配向率を示してある。面内（００１）配向率については、面内の配向度合を見るために算出した。面内（００１）配向率については、ＦｅＮｉＮ（２００）やＦｅＮｉＮ（００２）などの基本反射の現れるピークについて、ピーク強度を求め、それらピーク強度をそれぞれ合計して（００１）配向方向の占める割合を算出した。つまり、回折強度バックグラウンドや誤差ではない、支持基板１０に由来のものでないＦｅＮｉＮ（２００）やＦｅＮｉＮ（２２０）などの基本反射の現れるピークに基づいて面内（００１）配向率を求めている。
また、図１４中に正方晶系薄膜２０の表面の面内における面内（１１０）配向率を示してある。面内（１１０）配向率については、第３方向の面内の配向度合を見るために算出しおり、比較例１については基板の対称性から除外している。面内（１１０）配向率については、ＦｅＮｉＮ（２２０）やＦｅＮｉＮ（２０２）などの基本反射の現れるピークについて、ピーク強度を求め、それらピーク強度のうち（２２０）配向方向の占める割合を算出した。つまり、回折強度バックグラウンドや誤差ではない、支持基板１０に由来のものでないＦｅＮｉＮ（２００）やＦｅＮｉＮ（２２０）などの基本反射の現れるピークに基づいて面内（１１０）配向率を求めている。
また、図１４中に正方晶系薄膜２０の表面の面内における面内（１１０）配向率を示してある。面内（１１０）配向率については、第３方向の面内の配向度合を見るために算出しおり、比較例１については基板の対称性から除外している。面内（１１０）配向率については、ＦｅＮｉＮ（２２０）やＦｅＮｉＮ（２０２）などの基本反射の現れるピークについて、ピーク強度を求め、それらピーク強度のうち（２２０）配向方向の占める割合を算出した。つまり、回折強度バックグラウンドや誤差ではない、支持基板１０に由来のものでないＦｅＮｉＮ（２００）やＦｅＮｉＮ（２２０）などの基本反射の現れるピークに基づいて面内（１１０）配向率を求めている。
【0051】
ＦｅＮｉＮの場合、支持基板１０をＳＴＯ（１００）とする場合であればその整数ｎ倍である（ｎ００）、例えば（２００）、ＳＴＯ（１１０）とする場合であればその整数ｎ倍である（ｎｎ０）、例えば（２２０）においてピークが現れるのが好ましい。また、整数倍でない（２０２）にピークが現れると、マルチバリアント状態になっていることを意味する。
【0052】
図１２を見てみると、比較例１では、ＦｅＮｉＮ（２００）においてピークが現れているが、ＦｅＮｉＮ（００２）にはピークが現れていない。これは、（１００）面に垂直な方向に対してａ軸が平行に出ていることを示しており、ＳＴＯ（１００）面内と垂直にｃ軸がほぼ存在していないことを表す。
【0053】
また、実施例１～３では、すべてＦｅＮｉＮ（２２０）においてピークが現れており、ＦｅＮｉＮ（００２）などの他の方向に対応する角度２θ（degree）ではピークが現れていない。特に、実施例３では、（２２０）においてピークの強度が大きく現れている。
【0054】
一方、図１３を見てみると、比較例１では、ＦｅＮｉＮ（２００）とＦｅＮｉＮ（００２）の２つでピークが現れている。これは、ＳＴＯ（１００）面内で異なる方向のｃ軸が存在していること、つまり図２Ａおよび図２Ｂに示したように、ＦｅＮｉＮのｃ軸が９０°交差するバリアントが２種類できていることを意味している。そして、ＦｅＮｉＮ（２００）とＦｅＮｉＮ（００２）の２つのピークの強度がほぼ等しくなっていることから、２つの方向のｃ軸がほぼ等しく現れていて、各バリアントがほぼ等しく発生していることが判る。
【0055】
実施例１～３についても、ＦｅＮｉＮ（２００）とＦｅＮｉＮ（００２）の２つでピークが現れているが、２つのピークに差が出ている。これは、より強度が大きなピークに対応する方向に配向していることを意味しており、大きな寸法のシングルバリアントが得られていることが判る。また、図１４を見てみても、これと同様のことが判る。そして、配向率については、図１３および図１４に記載したように、比較例１が６０％未満であったのに対して、実施例１～３はいずれも６０％以上、殆どが７０％以上になっていた。特に、支持基板１０をＬＡＯで構成した場合には、９５％以上という高い面内（００１）配向率が得られており、大きな寸法のシングルバリアントが得られていることが示されている。
【0056】
さらに、ＬＡＯ（１１０）で構成して支持基板１０の主表面上にＦｅＮｉＮを成膜した後に脱窒素処理を行い、正方晶系薄膜２０をＬ１０型のＦｅＮｉ規則合金薄膜としてから正方晶系薄膜２０の面内での磁気特性を調べた。図１６は、その結果を示しており、ｃ軸と平行方向での磁気特性とｃ軸と垂直方向での磁気特性を示している。支持基板１０の上に正方晶系薄膜２０としてＬ１０型のＦｅＮｉ規則合金薄膜を形成した試料を用意し、外部磁場を印加掃引して、Ｍ／Ｍｓの変化を測定した。
【0057】
図１６に示すように、ｃ軸の平行方向と垂直方向それぞれの磁気特性が全く異なっている。Ｌ１０型のＦｅＮｉ規則合金の結晶構造は、Ｆｅ層とＮｉ層の積層構造によって構成されており、積層方向において磁化し易いという特性を有している。このため、ｃ軸と平行方向、つまりＦｅ層とＮｉ層の積層方向においては小さな磁場を印加しただけでＭ／Ｍｓが大きな値になり、磁化し易くなっていて、ｃ軸と垂直方向においては大きな磁場を印加しないとＭ／Ｍｓが大きな値にならず、磁化し難くなっている。このことから、Ｌ１０型のＦｅＮｉ規則合金薄膜を面内配向性の高い結晶にできていることが判る。なお、Ｍは磁化、Ｍｓは飽和磁化を示している。
【0058】
次に、実施例４、５について説明する。実施例４、５は、支持基板１０としてＬＡＯ（１１０）を用いて、ＬＡＯ（１１０）上にＦｅＮｉ膜を成膜し、アンモニアガス雰囲気での窒化処理によりＦｅＮｉＮ膜とした後に、水素ガス雰囲気で脱窒素処理を行うことで得られる。具体的には、支持基板１０の温度を４００℃として、ＦｅＮｉ合金ターゲット５０：５０ａｔｍ％を用いた高周波（ＲＦ）スパッタリングにより、支持基板１０上にＦｅＮｉ膜を実施例４では１６．６ｎｍ、実施例５では１２．７ｎｍ成膜した。その後、上記のＦｅＮｉ薄膜試料を、アンモニアガス雰囲気中で３２５℃で２０時間窒化処理した後、さらに３７５℃１０時間窒化処理を行い、ＦｅＮｉＮを形成した。このとき、実施例４、５について、ＦｅＮｉＮ面直配向方向、面内（００１）配向率および面内（１１０）配向率を調べたところ図１１に示す結果が得られた。その後、水素ガス雰囲気中で２００℃で２時間脱窒素処理を行うことで、支持基板１０上にＬ１０型のＦｅＮｉ規則合金の正方晶系薄膜２０が形成された実施例４、５のサンプルを得た。
【0059】
（実施例４）
実施例４として、ＬＡＯ（１１０）で構成された支持基板１０を用いて正方晶系薄膜２０として成膜、窒化処理したＦｅＮｉＮについて、ＦｅＮｉＮ面直配向方向と面内（００１）配向率を調べた。その結果、図１１に示すように、基板に対して面直の配向方向は（１１０）である。面内（００１）配向率は９３．２％であった。これは比較例１と比較して（００１）配向率が高いことを示している。さらに、面内（１１０）配向率は１００％であり、実施例１～３と比較して高い（１１０）配向を示すことが分かった。つまり、面内（００１）配向率と面内（１１０）配向率とが両方共に高い値であり、実施例１～２より高い配向、すなわち広いシングルバリアント領域が得られていることが確認された。なお、ＦｅＮｉＮからの脱窒素反応がＦｅとＮｉの規則構造を維持するトポタクティック反応であることから、ＦｅＮｉＮから脱窒素後した後のＬ１０型のＦｅＮｉ配向率もＦｅＮｉＮと同様の配向率が得られていると考えられる。
実施例４として、ＬＡＯ（１１０）で構成された支持基板１０を用いて正方晶系薄膜２０として成膜、窒化処理したＦｅＮｉＮについて、ＦｅＮｉＮ面直配向方向と面内（００１）配向率を調べた。その結果、図１１に示すように、基板に対して面直の配向方向は（１１０）である。面内（００１）配向率は９３．２％であった。これは比較例１と比較して（００１）配向率が高いことを示している。さらに、面内（１１０）配向率は１００％であり、実施例１～３と比較して高い（１１０）配向を示すことが分かった。つまり、面内（００１）配向率と面内（１１０）配向率とが両方共に高い値であり、実施例１～２より高い配向、すなわち広いシングルバリアント領域が得られていることが確認された。なお、ＦｅＮｉＮからの脱窒素反応がＦｅとＮｉの規則構造を維持するトポタクティック反応であることから、ＦｅＮｉＮから脱窒素後した後のＬ１０型のＦｅＮｉ配向率もＦｅＮｉＮと同様の配向率が得られていると考えられる。
【0060】
また、実施例４は、例えば図１７に示すように、支持基板１０上に複数の島状構造体２１が点在してなる正方晶系薄膜２０が形成されていることが判明した。具体的には、脱窒素後の試料を集束イオンビーム（ＦＩＢ）加工により薄片化して断面出しを行い、ＬＡＯ（１１０）の［１－１０］軸方向から試料の高分解能断面ＴＥＭ観察を行った。その結果、正方晶系薄膜２０は、図１８に示すように、島状構造体２１が（１１０）、（１１１）、（１１－１）のＦｅＮｉ単結晶であることを反映した面を有し、｛１１１｝面を少なくとも１つ以上有していることが判明した。なお、図１８では、正方晶系薄膜２０を構成する１つの粒子の結晶面を分かり易くするため、その上面および側面に矢印およびミラー指数を付している。なお、｛１１１｝の表記は、６種の等価な面（１１１）、（１１－１）、（１－１１）、（１－１－１）、（－１－１１）、（－１－１－１）を表している。また、島状構造体２１が｛１１１｝面を少なくとも１つ以上有するとは、その外表面に６種の等価な面（１１１）、（１１－１）、（１－１１）、（１－１－１）、（－１－１１）、（－１－１－１）のいずれかに該当する面を１つ以上有することをいう。なお、本明細書においては、ミラー指数の表記における『－』は、例えば図１８に示すように、その直後の指数上に記載されるバーを意味する。
【0061】
実施例４にかかる正方晶系薄膜２０は、ＬＡＯ（１１０）の支持基板１０上に、厚みが３０ｎｍ程度のＦｅＮｉの島状構造体２１が多数形成され、これらの島状構造体２１が群島をなすように点在した島状構造であった。なお、ここでいう「点在」とは、複数の島状構造体２１のそれぞれが互いに距離を隔てて配置される場合のほか、一部の島状構造体２１同士が接触し、他の島状構造体２１が距離を隔てて配置される場合を含む。そして、正方晶系薄膜２０を構成する複数の島、すなわちＦｅＮｉの島状構造体２１は、それぞれ、ＬＡＯ（１１０）の［１－１０］軸方向から見たとき、その外表面のうち支持基板１０のとは反対側に位置する上面が（１１０）面であった。また、正方晶系薄膜２０をなすＦｅＮｉの島状構造体２１は、その上面に隣接する側面が｛１１１｝面であり、外表面のうち少なくとも１つの面が｛１１１｝面であった。
【0062】
また、図１８において破線で示す支持基板１０に対する厚み方向２０ｎｍ×支持基板１０に対する平面方向５０ｎｍのサイズのＸＩＸ領域についてＦＦＴによる逆格子パターン解析を行った結果を図１９に示す。なお、図１９では、白点で示す反射の回折スポットパターンの一部にミラー指数を付している。図１９において、白点は基本反射の回折スポットパターンと超格子反射の回折スポットパターンからなっており、特に明るい白点が基本反射の回折スポットを示し、図中の白抜き矢印の先端が指す白点が超格子反射の回折スポットを示している。実施例４は、図１９に示すように、００１、１１０の超格子反射の回折スポットが明瞭に観察される一方で、他の超格子反射の回折スポットについては明瞭に観察されなかった。この結果は、少なくとも２０ｎｍ×５０ｎｍのサイズの観察範囲においてはＬ１０－ＦｅＮｉの島状構造体２１の配向方向が揃っており、少なくとも２０ｎｍ×５０ｎｍ以上の広いシングルバリアント領域が得られたことを示している。
【0063】
【0064】
なお、磁気特性は、３００Ｋでは振動試料型磁力計（ＶＳＭ）を用いて測定し、１０Ｋでは超伝導量子干渉計（ＳＱＵＩＤ）を用いて測定を行った。なお、ＶＳＭはVibrating Sample Magnetometerの略であり、ＳＱＵＩＤはSuperconducting Quantum Interference Deviceの略である。
【0065】
実施例４は、図２０に示すように、３００Ｋにおいては、ｃ軸面内平行方向に外部磁場を印加した場合は、ｃ軸面内垂直方向や基板面直に外部磁場を印加したときよりも小さい外部磁場の印加によりＭ／Ｍｓが飽和した。これにより、実施例４では、磁化容易軸が面内ｃ軸方向にあることが分かった。ここでいう、ｃ軸面内平行方向とは、Ｌ１０型のＦｅＮｉ薄膜面内のｃ軸方向、すなわちＬＡＯ［００１］方向に対して平行方向であり、ｃ軸面内垂直方向とは、当該ｃ軸方向に対する垂直方向、すなわちＬＡＯ［１－１０］方向である。また、基板面直方向とは、Ｌ１０型のＦｅＮｉ薄膜面直方向、すなわちＬＡＯ［１１０］方向である。つまり、実施例４では、ｃ軸と平行方向、すなわちＦｅ層とＮｉ層の積層方向に磁化し易く、磁気配向性の高いＬ１０型のＦｅＮｉ規則合金薄膜が形成されていることがわかる。また、実施例４は、図２１に示すように、ｃ軸面内平行方向がｃ軸面内垂直方向よりも小さい外部磁場の印加によってＭ／Ｍｓが大きくなって飽和しおり、１０Ｋにおいても３００Ｋと同様の磁気配向の傾向であった。
【0066】
実施例４は、図２２に示すように、Ｍｓが３００Ｋでは１．３６Ｔ（テスラ＝Ｗｂ／ｍ２）、１０Ｋでは１．５９Ｔであった。実施例４は、３００Ｋにおける保磁力Ｈｃ（単位：ｋＡ／ｍ）がｃ軸面内平行方向、ｃ軸面内垂直方向、基板面直方向でそれぞれ２１０、５０、３０であった。また、実施例４は、１０Ｋにおける保磁力Ｈｃがｃ軸に対して面内平行方向では２８０、ｃ軸に対して面内垂直方向では９０であった。このことから、実施例４は、１０Ｋおよび３００Ｋのいずれにおいても、ｃ軸面内平行方向において高い保磁力を有し、磁気配向性および保磁力特性が優れた正方晶系薄膜構造体であることがわかる。
【0067】
（実施例５）
実施例５について、実施例４と同様に、ＦｅＮｉＮ面直配向方向と面内（００１）配向率を調べた。その結果、図１１に示すように、実施例５では、面直の基板配向方向は（１１０）である。面内（００１）配向率は９５．５％であり、比較例１と比較して（００１）配向が高かった。さらに、実施例５では、面内（１１０）配向率は１００％であり、実施例４と同様に、実施例１～２と比較して高い（１１０）配向を示し、実施例１～２より高い配向、すなわち広いシングルバリアント領域が得られていることが確認された。
実施例５について、実施例４と同様に、ＦｅＮｉＮ面直配向方向と面内（００１）配向率を調べた。その結果、図１１に示すように、実施例５では、面直の基板配向方向は（１１０）である。面内（００１）配向率は９５．５％であり、比較例１と比較して（００１）配向が高かった。さらに、実施例５では、面内（１１０）配向率は１００％であり、実施例４と同様に、実施例１～２と比較して高い（１１０）配向を示し、実施例１～２より高い配向、すなわち広いシングルバリアント領域が得られていることが確認された。
【0068】
実施例５について、３００Ｋにおける磁気特性評価を行った。その結果、実施例５は、図２３に示すように、ｃ軸面内平行方向がｃ軸面内垂直方向よりも小さい外部磁場の印加によりＭ／Ｍｓが大きな値となり飽和し、ｃ軸面内平行方向に磁化容易軸を持つことが分かった。このことから、実施例５は、実施例４と同様に、Ｆｅ層とＮｉ層の積層方向において磁化し易く、磁気配向性の高いＬ１０型のＦｅＮｉ規則合金薄膜が形成されていることがわかる。また、実施例５は、図２２に示すように、３００ＫにおいてＭｓが１．３２Ｔ、Ｈｃがｃ軸面内平行方向、ｃ軸面内垂直方向、基板面直方向でそれぞれ３２０、６０、９０であった。この結果は、実施例５が実施例４と同様に、ｃ軸面内平行において高い保磁力を有し、磁気配向性および保磁力特性が優れた正方晶系薄膜構造体であることを示している。
【0069】
実施例４、５において実施例１～３と同等以上の保磁力が得られている理由としては、実施例１～３は、正方晶系薄膜２０が１つの連続膜として形成される一方、実施例４、５の正方晶系薄膜２０が島状構造であることに起因すると考えられる。具体的には、内部磁化方向と異なる方向に外部磁場を印加した際に生じる磁壁が、ナノメートルオーダの凹凸構造などによるピンニング効果によって、連続膜と比較して移動しにくくなり、内部磁化が外部磁場に対して変わりにくくなる。この磁壁のピンニング効果によって保磁力がより向上したと推定される。
【0070】
また、実施例４、５は、正方晶系薄膜２０が（１１０）、（１１１）などの特定の結晶面が広い領域を占めており、群をなす島状構造体２１がそれぞれ単結晶に近い形で孤立化していると言える。したがって、実施例４、５は、島状構造体２１の表面付近のアモルファス構造や結晶粒界に起因する軟磁性相の発生が抑制された構造と言える。その結果、実施例４、５は、正方晶系薄膜２０において磁化反転の起点となる軟磁性成分の割合が減少した構造であり、高い保磁力が得られていると考えられる。
【0071】
なお、上記では、ＬＡＯ（１１０）を支持基板１０として、実施例４、５を作製した場合を代表例として説明したが、これに限定されるものではない。ＳＴＯ（１１０）やＭｇＯ（１１０）などの立方晶もしくは正方晶系に属する結晶構造体を支持基板１０として用いた場合であっても、実施例４、５と同様の基本構成の正方晶系薄膜構造体が得られることが期待される。
【0072】
（他の実施形態）
本開示は、上記した実施形態に準拠して記述されたが、当該実施形態に限定されるものではなく、様々な変形例や均等範囲内の変形をも包含する。加えて、磁性材料に限定されるものではなく、様々な組み合わせや形態、さらには、それらに一要素のみ、それ以上、あるいはそれ以下、を含む他の組み合わせや形態をも、本開示の範疇や思想範囲に入るものである。
本開示は、上記した実施形態に準拠して記述されたが、当該実施形態に限定されるものではなく、様々な変形例や均等範囲内の変形をも包含する。加えて、磁性材料に限定されるものではなく、様々な組み合わせや形態、さらには、それらに一要素のみ、それ以上、あるいはそれ以下、を含む他の組み合わせや形態をも、本開示の範疇や思想範囲に入るものである。
【0073】
例えば、上記実施形態では、支持基板１０を構成する立方晶もしくは正方晶系に属する結晶構造体として、ＳＴＯ（１１０）、ＬＡＯ（１１０）、ＭｇＯ（１１０）を例に挙げたが、他の材質で支持基板１０を構成しても良い。その場合でも、支持基板１０の主表面を（１１０）面として、その上に正方晶系薄膜２０を成膜することにより、上記実施形態で説明した効果を得ることができる。特に、ＲＭＳ不整合度差がＳＴＯ（１１０）の場合の１．９７％よりも小さな１．９％以下、立方晶格子定数で言えば、０．３９０５ｎｍよりも小さな０．３９ｎｍ以下の立方晶形の結晶構造とすれば、ＳＴＯ（１１０）よりも高いバリアントの低減効果が得られる。
【0074】
また、上記実施形態では、（１１０）面方位の主表面を有した支持基板１０について説明したが、支持基板１０の表面全面が（１１０）面方位の主表面とされていなくても良い。つまり、少なくとも正方晶系薄膜２０と接する界面が（１１０）面方位の主表面を有した支持基板１０であれば良い。
【0075】
さらに、上記実施形態では、支持基板１０の構成材料として、（１１０）面方位の主表面を有した立方晶系の材料を主に説明したが、正方晶系を構成材料とする場合にも、上記と同様の効果が得られる。
【0076】
また、ＭｇＯなど立方晶系塩化ナトリウム型の２種の元素で構成される結晶構造では、最小単位格子ではなく、ＳＴＯなどの立方晶系ペロブスカイト型の３種の元素で構成される結晶構造と統一的に記載するため、図２４のように面心立方格子を基本単位格子で記載した。
【0077】
（本発明の特徴）
［請求項１］
（１１０）面方位の主表面を少なくとも一部に有し、立方晶もしくは正方晶系に属する結晶構造を有した支持基板（１０）と、
前記支持基板における（１１０）面方位の前記主表面上に形成され、前記主表面に接する面内において一軸の面内配向を有する正方晶系薄膜（２０）と、を有している、正方晶系薄膜構造体。
［請求項２］
前記支持基板は立方晶系に属する結晶構造を有し、
前記支持基板における前記主表面の（１１０）面方位、と前記正方晶系薄膜における（１１０）面方位および（１０１）面方位それぞれでのＲＭＳ不整合度の差分であるＲＭＳ不整合度差が１．９％以下である、請求項１に記載の正方晶系薄膜構造体。
［請求項３］
前記支持基板はＳｒＴｉＯ３、ＬａＡｌＯ３、ＭｇＯのいずれか１つにより構成されている、請求項１または２に記載の正方晶系薄膜構造体。
［請求項４］
前記支持基板はＬａＡｌＯ３で構成されている、請求項３に記載の正方晶系薄膜構造体。
［請求項５］
前記正方晶系薄膜における前記主表面に接する面内での（００１）配向率が６０％以上である、請求項１ないし４のいずれか１つに記載の正方晶系薄膜構造体。
［請求項６］
前記正方晶系薄膜は、Ｆｅ、Ｎｉ、Ｎを元素として含む材料の薄膜である、請求項１ないし５のいずれか１つに記載の正方晶系薄膜構造体。
［請求項７］
前記正方晶系薄膜は、ＦｅＮｉＮの薄膜またはＬ１０型の規則構造を有するＬ１０型のＦｅＮｉ規則合金の薄膜である、請求項１ないし５のいずれか１つに記載の正方晶系薄膜構造体。
［請求項８］
（１１０）面方位の主表面を少なくとも一部に有し、立方晶もしくは正方晶系に属する結晶構造を有した支持基板（１０）と、
前記支持基板における（１１０）面方位の前記主表面上に形成され、前記主表面に接する面内において一軸の面内配向を有する正方晶系薄膜（２０）と、を有し、
前記支持基板はＬａＡｌＯ３で構成されており、
前記正方晶系薄膜は、ＦｅＮｉＮの薄膜またはＬ１０型の規則構造を有するＬ１０型のＦｅＮｉ規則合金の薄膜である、正方晶系薄膜構造体。
［請求項９］
前記正方晶系薄膜は、島状構造であり、それぞれの島の外表面のうち少なくとも１つの面が｛１１１｝面である、請求項１ないし８のいずれか１つに記載の正方晶系薄膜構造体。
［請求項１］
（１１０）面方位の主表面を少なくとも一部に有し、立方晶もしくは正方晶系に属する結晶構造を有した支持基板（１０）と、
前記支持基板における（１１０）面方位の前記主表面上に形成され、前記主表面に接する面内において一軸の面内配向を有する正方晶系薄膜（２０）と、を有している、正方晶系薄膜構造体。
［請求項２］
前記支持基板は立方晶系に属する結晶構造を有し、
前記支持基板における前記主表面の（１１０）面方位、と前記正方晶系薄膜における（１１０）面方位および（１０１）面方位それぞれでのＲＭＳ不整合度の差分であるＲＭＳ不整合度差が１．９％以下である、請求項１に記載の正方晶系薄膜構造体。
［請求項３］
前記支持基板はＳｒＴｉＯ３、ＬａＡｌＯ３、ＭｇＯのいずれか１つにより構成されている、請求項１または２に記載の正方晶系薄膜構造体。
［請求項４］
前記支持基板はＬａＡｌＯ３で構成されている、請求項３に記載の正方晶系薄膜構造体。
［請求項５］
前記正方晶系薄膜における前記主表面に接する面内での（００１）配向率が６０％以上である、請求項１ないし４のいずれか１つに記載の正方晶系薄膜構造体。
［請求項６］
前記正方晶系薄膜は、Ｆｅ、Ｎｉ、Ｎを元素として含む材料の薄膜である、請求項１ないし５のいずれか１つに記載の正方晶系薄膜構造体。
［請求項７］
前記正方晶系薄膜は、ＦｅＮｉＮの薄膜またはＬ１０型の規則構造を有するＬ１０型のＦｅＮｉ規則合金の薄膜である、請求項１ないし５のいずれか１つに記載の正方晶系薄膜構造体。
［請求項８］
（１１０）面方位の主表面を少なくとも一部に有し、立方晶もしくは正方晶系に属する結晶構造を有した支持基板（１０）と、
前記支持基板における（１１０）面方位の前記主表面上に形成され、前記主表面に接する面内において一軸の面内配向を有する正方晶系薄膜（２０）と、を有し、
前記支持基板はＬａＡｌＯ３で構成されており、
前記正方晶系薄膜は、ＦｅＮｉＮの薄膜またはＬ１０型の規則構造を有するＬ１０型のＦｅＮｉ規則合金の薄膜である、正方晶系薄膜構造体。
［請求項９］
前記正方晶系薄膜は、島状構造であり、それぞれの島の外表面のうち少なくとも１つの面が｛１１１｝面である、請求項１ないし８のいずれか１つに記載の正方晶系薄膜構造体。
【符号の説明】
【0078】
１０ 支持基板
２０ 正方晶系薄膜
２０ 正方晶系薄膜
【図1A】
【図1B】
【図2A】
【図2B】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
【図8】
【図9】
【図10】
【図11】
【図12】
【図13】
【図14】
【図15】
【図16】
【図17】
【図18】
【図19】
【図20】
【図21】
【図22】
【図23】
【図24】