(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】特許公報(B2)
(11)【特許番号】
(24)【登録日】2024-11-13
(45)【発行日】2024-11-21
(54)【発明の名称】正方晶系薄膜構造体
(51)【国際特許分類】
H01F 10/14 20060101AFI20241114BHJP
H01F 1/06 20060101ALI20241114BHJP
G11B 5/65 20060101ALI20241114BHJP
G11B 5/73 20060101ALI20241114BHJP
G11B 5/64 20060101ALI20241114BHJP
【ＦＩ】
H01F10/14 ZNM
H01F1/06 180
G11B5/65
G11B5/73
G11B5/64
【請求項の数】
9
(21)【出願番号】P 2021132412
(22)【出願日】2021-08-16
(65)【公開番号】P2023026949
(43)【公開日】2023-03-01
【審査請求日】2023-10-11
【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
(73)【特許権者】
【識別番号】000004260
【氏名又は名称】株式会社デンソー
(73)【特許権者】
【識別番号】504157024
【氏名又は名称】国立大学法人東北大学
(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】伊藤 啓太
(72)【発明者】
【氏名】高梨 弘毅
【審査官】右田 勝則
(56)【参考文献】
【文献】特開２０１６－００９７５３（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２０１８－０４９８８０（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２０１８－１９７１７９（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２０２０－１３２９７６（ＪＰ，Ａ）
【文献】米国特許出願公開第２０１６／０３７２６５７（ＵＳ，Ａ１）
【文献】米国特許出願公開第２０１８／００８３０６５（ＵＳ，Ａ１）
【文献】米国特許出願公開第２０１８／０３４２６４４（ＵＳ，Ａ１）
【文献】米国特許出願公開第２０２１／０２７７５０６（ＵＳ，Ａ１）
【文献】国際公開第２０１５／０５３００６（ＷＯ，Ａ１）
(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)
Ｈ０１Ｆ １０／１４
Ｈ０１Ｆ １／０６
Ｇ１１Ｂ ５／６５
Ｇ１１Ｂ ５／７３
Ｇ１１Ｂ ５／６４
(57)【特許請求の範囲】
【請求項1】
（１００）面に対して所定のオフ角とされると共に、単原子層ステップ（１１）が形成された主表面を有し、立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前記主表面上に形成され、スリット（２１）が形成された、前記単原子層ステップに対応する幅を持ったＬ１０型のＦｅＮｉ規則合金にて構成されるＦｅＮｉ規則合金薄膜（２０）と、を有し、
前記支持基板は、オフ方向における１μｍ当たりの前記単原子層ステップの数が６以上である、正方晶系薄膜構造体。
【請求項2】
（１００）面に対して所定のオフ角とされると共に、単原子層ステップ（１１）が形成された主表面を有し、立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前記主表面上に形成され、スリット（２１）が形成された、前記単原子層ステップに対応する幅を持ったＬ１ ０ 型のＦｅＮｉ規則合金にて構成されるＦｅＮｉ規則合金薄膜（２０）と、を有し、
前記支持基板における前記オフ角が０．１°以上かつ４５°未満である、正方晶系薄膜構造体。
【請求項3】
（１００）面に対して所定のオフ角とされた主表面を有し、立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前記主表面上に形成され、スリット（２１）が形成された、Ｌ１ ０ 型のＦｅＮｉ規則合金にて構成されるＦｅＮｉ規則合金薄膜（２０）と、を有し、
前記支持基板における前記オフ角が０．１°以上かつ４５°未満である、正方晶系薄膜構造体。
【請求項4】
前記支持基板における前記オフ角が０．１°以上かつ４５°未満である、請求項１に記載の正方晶系薄膜構造体。
【請求項5】
前記支持基板における前記オフ角が０．１°以上かつ１２．５°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6】
前記支持基板における前記オフ角が０．１°以上かつ０．５°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7】
前記支持基板は、ＳｒＴｉＯ３で構成されている、請求項１ないし６のいずれか１つに記載の正方晶系薄膜構造体。
【請求項8】
前記ＦｅＮｉ規則合金薄膜には、前記スリットとして、前記ＦｅＮｉ規則合金薄膜の厚みの１／２以上の深さのものが形成されている、請求項１ないし７のいずれか１つに記載の正方晶系薄膜構造体。
【請求項9】
前記ＦｅＮｉ規則合金薄膜は、１７ｎｍ以上の寸法のシングルバリアントを有している、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】
【文献】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リ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、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、（１００）面に対して所定のオフ角とされると共に単原子層ステップ（１１）が形成された主表面を有し、立方晶系に属する結晶構造を有した支持基板（１０）と、支持基板における主表面上に形成され、スリット（２１）が形成された、単原子層ステップに対応する幅を持ったＬ１０型のＦｅＮｉ規則合金にて構成されるＦｅＮｉ規則合金薄膜（２０）と、を有している。また、支持基板は、オフ方向における１μｍ当たりの単原子層ステップの数が６以上になっている。
【0009】
このように、支持基板として主表面が（１００）面に対してオフ角を有したオフ基板を用いて、支持基板上にＦｅＮｉ規則合金薄膜を成膜することで、ＦｅＮｉ規則合金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2】（ａ）は、ＳＴＯの結晶構造の斜視図、（ｂ）、（ｃ）は、それぞれ、ＳＴＯ（１００）およびオフ角を設けたＳＴＯについてオフ角を設ける前の主表面の法線方向から見たときの図、（ｄ）は、ｂ軸方向から見た結晶構造の単位格子を示した図、（ｅ）は、（ｃ）からオフ角を付ける前の主面で結晶構造を区切って、Ｓｒ－Ｏ面が最表面である場合の、オフ角を設ける前の主表面の法線方向から見たときの図である。
【図3A】比較例にかかる正方晶系薄膜構造体の断面図である。
【図4】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5】比較例１～３および実施例１、２についての測定条件および測定結果をまとめた図表である。
【図6A】実施例１の主表面のＡＦＭ（原子間力顕微鏡）像である。
【図6B】実施例２の主表面のＡＦＭ像である。
【図6C】実施例２のＦｅＮｉ規則合金薄膜の断面のＴＥＭ（透過電子顕微鏡）像である。
【図7】オフ角と保磁力Ｈｃとの関係を示したグラフである。
【図8】ＦｅＮｉ規則合金薄膜のバリアントサイズを調べる際に用いた断面ＴＥＭ像である。
【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Ｌ１０型の規則構造を有するＬ１０型のＦｅＮｉ規則合金薄膜２０を形成したもので構成されている。
【0015】
支持基板１０は、立方晶系に属する結晶構造を有し、ＦｅＮｉ規則合金薄膜２０と接する側の主表面が（１００）面方位に対して所定のオフ角を有したオフ基板とされており、主表面にはオフ角に基づく単原子層ステップ１１が存在している。例えば、支持基板１０としては、ＳＴＯ（１００）に対して［０１０］方向にオフ角を有したオフ基板を用いることができる。支持基板１０をオフ基板で構成することで、ＳＴＯの主表面での結晶構造の対称性を低下させること、つまり４回対称では無くなるようにすることができる。このため、ＦｅＮｉ規則合金薄膜２０を形成する際の前駆体となるＦｅ、Ｎｉ、Ｎを含む金属、例えばＦｅＮｉＮを成長させる際に、ＦｅＮｉＮと整合する方向が１方向となるようにできる。つまり、ＳＴＯ（１００）の表面上にＦｅＮｉＮを成長させる際には整合する方向が２方向となるが、ＳＴＯ（１００）に対してオフ角を有した主表面上にＦｅＮｉＮを成長させることで、そのうちの一方について整合し易くなるようにできる。これにより、マルチバリアントで成長することが抑制され、各単原子層ステップ１１の間にシングルバリアントで成長するようにできる。
【0016】
なお、ＳＴＯの後に記載した（１００）は、ＳＴＯの面方位が（１００）であることを意味している。本実施形態の場合、支持基板１０について、主表面がＳＴＯ（１００）に対してオフ角を有したものとしているが、これは主表面が（１００）面方位に対してオフ角を有していることを意味している。また、以下では支持基板１０の主表面の法線ベクトルを（１００）面に投影したベクトルの方向をオフ方向と呼ぶ。
【0017】
図２中の（ａ）に示すように、ＳＴＯは立方晶構造を有している。このため、ＳＴＯ（１００）の結晶構造を上面視すると、図２中の（ｂ）に示す構造になる。これに対して、本実施形態の支持基板１０については、主表面がＳＴＯ（１００）に対してオフ角を有した状態になっているため、主表面に対する法線方向から支持基板１０を構成するＳＴＯを見ると、図２中の（ｃ）に示す構造になる。つまり、図２中の（ｃ）に示すように、ＳＴＯの結晶中の各層の原子が完全には重ならない状態となる。ここで、例えば図２（ｄ）に示すように、オフ角をつける前の主表面で結晶構造を区切って、Ｓｒ－Ｏ面が最表面であるとすると、図２中の（ｅ）に示すようにＳｒに注目すると単原子層ステップが形成され、図２中の（ｂ）のようなＳＴＯ（１００）の場合には立方晶格子定数が０．３９０５ｎｍとなるが、図２中の（ｅ）の構造だと、オフ方向において結晶の格子定数が実効的に伸びた状態になる。
【0018】
支持基板１０として使用されるオフ基板のオフ角については、角度が付いていれば大きさは任意であるが、ＳＴＯの主表面での結晶構造の対称性を低下させる程度のオフ角となるように、０．１°以上かつ４５°未満、好ましくは１２．５°以下にしている。このようにオフ角を設定することで、ＦｅＮｉＮのａ軸と整合し得る２つの方向のうちの一方について、より整合させやすくでき、その方向においてシングルバリアントを作成し易くなる。
【0019】
ただし、オフ角が大きくなりすぎると単原子層ステップ１１の数が多くなると共に、単原子層ステップ１１の間隔が狭くなる。これを考慮してオフ角を設定するのがより好ましい。
【0020】
単原子層ステップ１１の間隔は、ＦｅＮｉ規則合金薄膜２０の形成幅に関係する。Ｌ１０型のＦｅＮｉ規則合金の単磁区サイズは５０～２００ｎｍであり、その単磁区サイズ以下では磁区ドメインを作りにくく、多磁区状態になりにくい。すなわち、単原子層ステップ１１の間隔が狭い方が磁区ドメインを作りにくく、多磁区になりにくい。また、Ｌ１０型のＦｅＮｉ規則合金の単磁区サイズより大きいと、磁化した方向が反対方向を向いた磁区を発生させて多磁区状態が形成されやすくなってしまうため、それができない条件とするのが一番保磁力Ｈｃを高くすることが知られている。すなわち、単原子層ステップ１１の間隔が単磁区サイズよりも大きくないことが好ましい。ただし、単原子層ステップ１１の間隔が単磁区サイズより小さすぎると、熱揺らぎによって磁化反転が発生し易くなり、反って保磁力Ｈｃが小さくなってしまう。このため、Ｌ１０型のＦｅＮｉ規則合金の前駆物質となるＦｅＮｉＮはこのサイズとなるように、単原子層ステップ１１の間隔が単磁区サイズの５０～２００ｎｍ程度以下となり、かつ、小さくなり過ぎないように、所定範囲当たりの平均ステップ数が所定範囲の数となるようにしている。
【0021】
平均ステップ数については、例えば１μｍ当たりのステップ数の平均値として表され、オフ角を０．１°以上にすると６程度になる。１μｍ当たりのステップ数が６の場合、単原子層ステップ１１の間隔が１６７ｎｍになるため、単磁区サイズとなる。したがって、単原子層ステップ１１の間隔が単磁区サイズ以下となるように、１μｍ当たりの平均ステップ数が６以上、つまりオフ角を０．１°以上にするのが好ましい。また、単原子層ステップ１１の間隔が単磁区サイズよりも小さくなりすぎないように、平均ステップ数が２０、つまりオフ角を０．５°以下にするのが好ましい。
【0022】
ＦｅＮｉ規則合金薄膜２０は、Ｌ１０型の規則構造を有するＬ１０型のＦｅＮｉ規則合金によって構成されている。支持基板１０の主表面上にＬ１０型のＦｅＮｉ規則合金薄膜２０を備えれば、正方晶系薄膜構造体は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。
【0023】
ＦｅＮｉ規則合金薄膜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軸の面内配向を有した薄膜である。具体的には、ＦｅＮｉ規則合金薄膜２０は、主に、支持基板１０の主表面に形成された単原子層ステップ１１の間に形成されており、各単原子層ステップ１１と対応する位置にスリット２１が形成されたものとなっている。スリット２１は、各単原子層ステップ１１と対応する位置に形成されているが、単原子層ステップ１１と完全に一致する位置に形成されているとは限らず、すべての単原子層ステップ１１と対応して形成されていない場合もある。スリット２１は、各単原子層ステップ１１からオフ方向と同方向もしくは反対方向にずれて形成されている場合もあるが、単原子層ステップ１１のレイアウトに対応したレイアウトで形成される。また、スリット２１は、ＦｅＮｉ規則合金薄膜２０を厚み方向に貫通して設けられる場合もあるが、ＦｅＮｉ規則合金薄膜２０の厚みの１／２以上の深さで形成される。
【0024】
そして、支持基板１０のオフ方向に対して直交する方向をｃ軸として、ｃ軸方向が平行になるようにしてスリット２１で区画されたＦｅＮｉ規則合金薄膜２０の各部が並んでいる。
【0025】
このＦｅＮｉ規則合金薄膜２０は、支持基板１０の主表面上に、Ｆｅ、Ｎｉ、Ｎを元素として含む材料の薄膜、例えばＦｅＮｉＮを成膜したのち、脱窒素処理を実施することによって製造される。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。ＦｅＮｉＮの薄膜を形成する場合、支持基板１０に対して窒化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。
【0026】
また、ＦｅＮｉ規則合金薄膜２０をＦｅＮｉＮから形成する場合、支持基板１０にオフ角を設けているため、ＦｅＮｉＮ（１００）との格子不整合が減少する。具体的には、支持基板１０にオフ角を設けていない場合には、ＳＴＯ（１００）とＦｅＮｉＮ（１００）との格子不整合が２．４８４％になるが、例えば支持基板１０に［０１０］方向にオフ角０．２５°を設けると、ＳＴＯとＦｅＮｉＮ（１００）との格子不整合が２．４８３％に減少する。一方、支持基板１０にオフ角を設けていない場合には、ＳＴＯ（１００）とＦｅＮｉＮ（００１）との格子不整合が４．９１７％になるが、支持基板１０にオフ角０．２５°を設けると、ＳＴＯとＦｅＮｉＮ（００１）との格子不整合が４．９１８％に増加する。このため、ＦｅＮｉＮのｃ軸が単原子層ステップ１１に平行、つまりオフ方向に直交する方向になりやすくなる。
【0027】
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、ＳＴＯで構成した支持基板１０に対してＦｅＮｉＮ薄膜を形成した場合を例に挙げる。また、以下の説明では、ＳＴＯ（１００）の主表面にＦｅＮｉＮ薄膜を形成する構造を比較構造という。
【0028】
図３Ａに示すように、ＳＴＯ（１００）に対してオフ角を有さない基板で構成された支持基板Ｊ１０の上にＦｅＮｉＮ薄膜Ｊ２０を形成した比較構造においては、図３Ｂ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。
【0029】
図２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２中の（ｂ）から判るように、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に用いられている主表面が（１００）に対して［０１０］方向にオフ角を有した構造では、図２中の（ｅ）から判るように、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回対称に近い状態になる。
【0030】
図４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。
【0031】
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３Ａおよび図３Ｂに示すように、ＦｅＮｉＮ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。
【0032】
これに対して、支持基板１０として（１００）面に対して例えば［０１０］方向にオフ角を有したＳＴＯのオフ基板を使用すると、ＦｅＮｉＮと整合するのが１軸だけに限定される。具体的には、ＳＴＯ（１００）に対してオフ角１２．５°を有した主表面では、ＦｅＮｉＮ（１００）との格子不整合がオフ角を有さない場合に２．４８０％であったものが０．０５０％に減少する。一方、ＦｅＮｉＮ（００１）との格子不整合は、オフ角を有さない場合に４．９１７％であったものがオフ角１２．５°を有した場合には７．１７０％に増加する。したがって、支持基板１０として（１００）面に対してオフ角を有したＳＴＯ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、ＦｅＮｉＮのｃ軸が単方向に向いたシングルバリアントになり、それから脱窒素処理を行って得たＬ１０型のＦｅＮｉ規則合金で構成されたＦｅＮｉ規則合金薄膜２０も、図１Ａおよび図１Ｂに示すようにｃ軸が単方向に向いたシングルバリアントになる。
【0033】
このように、支持基板１０として主表面が（１００）面に対してオフ角を有したオフ基板を用いて、支持基板１０上にＦｅＮｉ規則合金薄膜２０を成膜することで、ＦｅＮｉ規則合金薄膜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、ＦｅＮｉ規則合金薄膜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１７ｎｍ以上、好ましくは３０ｎｍ以上のものが得られていることが好ましい。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ることが好ましい。
【実施例】
【0034】
次に、図３Ａおよび図３Ｃに示す比較構造についてＦｅＮｉ膜の成膜条件を変更した比較例１～３と、支持基板１０として（１００）面に対して［０１０］方向にオフ角を有した主表面のＳＴＯを用いてＦｅＮｉ膜の成膜条件を変更した実施例１、２について検討を行った。図５は、その結果を示した図表である。図中、「形態」は、成膜方法に基づくＦｅＮｉ膜の形態、「ＦｅＮｉ比」はＦｅＮｉＮ膜中に含まれるＦｅとＮｉとの比、「支持基板」は、支持基板１０、Ｊ１０として使用した基板の種類を示している。「平均ステップ」は、支持基板１０、Ｊ１０の１μｍ当たりの単原子層ステップの数の平均値であり、オフ角を有するオフ基板ではオフ方向、オフ角を有していない基板ではステップの並んでいる方向における１μｍ当たりの単原子層ステップ数を測定している。「スリット」は、ＦｅＮｉ膜中のスリット２１の存在の有無を示している。「窒化脱窒素」は、ＦｅＮｉ膜の成膜の際に窒化処理や脱窒素処理を行っているか否かを示している。「設計膜厚」は、ＦｅＮｉ膜の平均膜厚である。「Ｌ１０（ＴＥＭ）」は、ＴＥＭ画像解析によりＬ１０型の構造が確認されたか否かを示している。「Ｈｃ［Ｏｅ］」や「Ｈｃ［ｋＡ／ｍ］」は、異なる単位で保磁力を示したものである。「１０ＫでのＨｃ［Ｏｅ］」や「１０ＫでのＨｃ［ｋＡ／ｍ］」は、熱揺らぎがほぼ無い極低温の保磁力として、１０Ｋ（ケルビン）の保磁力を示したものである。
【0035】
比較例１では、窒素プラズマ中においてＦｅとＮｉを同時に蒸着することで、ＦｅＮｉＮ膜を形成している。比較例２、３および実施例１、２では、ＦｅとＮｉを原子層毎に交互に蒸着してＦｅＮｉ膜を形成している。いずれの場合にも、ＦｅＮｉ比は、５０：５０であった。
【0036】
比較例１～３では、支持基板Ｊ１０としてＳＴＯ（１００）のオフ角の無い基板を用い、実施例１、２では、支持基板１０としてＳＴＯ（１００）に対してそれぞれ０．１０°と０．２５°のオフ角を設けたオフ基板を用いた。比較例１～３では、平均ステップ数が２であったのが、実施例１では平均ステップ数が６、実施例２では平均ステップ数が１０であった。基板表面を完全に平坦面にするのは困難であるため、比較例１～３でも単原子層ステップが存在しているが、オフ角を有していないため、平均ステップ数は実施例１、２と比較して十分に少なくなっているし、ステップの形成位置もランダムであった。一方、実施例１、２に用いたオフ角を有するＳＴＯについては、図６Ａおよび図６Ｂに示すように概ね等間隔で単原子層ステップ１１を有した状態となっていた。また、図６Ｃに示すように、実施例１ではＦｅＮｉ規則合金薄膜２０に単原子層ステップ１１と対応する位置にスリット２１が形成されていることが確認されており、実施例２についても同様であった。
【0037】
比較例１については、ＦｅＮｉ膜にスリットが形成されておらず、比較例２、３および実施例１、２についてはスリットが形成されていた。例えば、実施例２については、図７の断面ＴＥＭ像に示されるように、ＦｅＮｉ膜で構成されるＦｅＮｉ規則合金薄膜２０に対して厚みの１／２以上の深さのスリット２１が形成されていた。スリットの形成位置については、単原子層ステップの幅に対応していた。
【0038】
また、窒化処理や脱窒素処理については、比較例１では脱窒素処理のみを行い、比較例２ではいずれも行わず、比較例３、実施例１、２では、両方とも行った。設計膜厚については、比較例１のみＦｅＮｉ膜の成膜の形態が異なっているため、１０ｎｍとなっているが、比較例２、３および実施例１、２では２５ｎｍとした。さらに、Ｌ１０（ＴＥＭ）については、比較例２のみＬ１０型の構造が確認されなかったが、比較例１、３および実施例１、２についてはＬ１０型の構造が確認された。
【0039】
保磁力Ｈｃ［Ｏｅ］については、比較例１が１２６［Ｏｅ］、比較例２が３８０［Ｏｅ］、保磁力Ｈｃ［ｋＡ／ｍ］については、比較例１が１０．０［ｋＡ／ｍ］、比較例２が３０．２［ｋＡ／ｍ］と小さな値であった。つまり、ＳＴＯ（１００）を支持基板Ｊ１０として用いてＦｅＮｉ膜を形成する場合に、脱窒素処理のみを行っただけの場合や窒化処理と脱窒素処理を共に行わなかった場合には、小さな保磁力Ｈｃしか得られなかった。
【0040】
比較例３については、保磁力Ｈｃ［Ｏｅ］が２３９０［Ｏｅ］、保磁力Ｈｃ［ｋＡ／ｍ］が１９０．２［ｋＡ／ｍ］と大きな値であった。つまり、ＳＴＯ（１００）を支持基板Ｊ１０として用いてＦｅＮｉ膜を形成しているものの、窒化処理および脱窒素処理を行っているため、大きな保磁力Ｈｃが得られた。
【0041】
一方、実施例１については、保磁力Ｈｃ［Ｏｅ］が２４２０［Ｏｅ］、保磁力Ｈｃ［ｋＡ／ｍ］が１９２．６［ｋＡ／ｍ］であった。さらに、実施例２については、保磁力Ｈｃ［Ｏｅ］が２５２０［Ｏｅ］、保磁力Ｈｃ［ｋＡ／ｍ］が２００．５［ｋＡ／ｍ］であった。保磁力Ｈｃを高くできれば、より特性の優れた構造の正方晶系薄膜構造体になる。比較例３においても、窒化処理および脱窒素処理を行うことで、大きな保磁力Ｈｃが得られているが、より大きな保磁力Ｈｃが得られれば、より特性の優れた構造の正方晶系薄膜構造体にできる。そして、実施例１、２のように、支持基板１０としてＳＴＯ（１００）に対してオフ角を設けたオフ基板を用いると、オフ角を有さない基板を用いた場合よりも、更に大きな保磁力Ｈｃを得ることができる。したがって、支持基板１０としてＳＴＯ（１００）に対してオフ角を設けたオフ基板を用いることで、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になる。
【0042】
また、図５に示した比較例３および実施例１、２に基づいてオフ角の大きさと保磁力Ｈｃ［Ｏｅ］との関係をプロットすると、図７に示すグラフが得られる。この図に示すように、オフ角が大きくなるほど保磁力Ｈｃが大きくなるという傾向がある。これは、オフ角が大きくなるほどＳＴＯの主表面での結晶構造の対称性が低下し、４回対称では無くなるためと考えられる。さらにステップ間隔が単磁区サイズに近づいていく効果も働いていると考えられる。したがって、オフ角を大きくすることで、高い保磁力Ｈｃが得られる正方晶系薄膜構造体にできる。
【0043】
ただし、上記したように、オフ角が大きすぎると、単原子層ステップ１１の数が多くなり、単原子層ステップ１１の間隔が狭くなる。このため、ＳＴＯの主表面での結晶構造の対称性を低下させつつ、ある程度のＦｅＮｉ規則合金薄膜２０の形成幅を確保するために、オフ角を４５°未満、好ましくは１２．５°以下にすると良い。より好ましくは、０．５°以下にするとより好ましい。
【0044】
また、図８に示す断面ＴＥＭ像を用いて、ＦｅＮｉ規則合金薄膜２０のバリアントサイズについて調べた。具体的には、収束イオンビーム（ＦＩＢ）加工により、薄片化した断面試料について、ＳＴＯ［００１］方向から高分解能ＴＥＭ観察を行った。スキャン範囲を１７ｎｍとし、そのスキャン範囲で得られたＴＥＭ像をフーリエ変換（ＦＦＴ）解析したところ、Ｌ１０－ＦｅＮｉ（００１）回折スポット、つまりＦｅＮｉがｃ軸の配向していることを示すスポットを確認した。
【0045】
【0046】
各図中において、格子状に並ぶ明るい点が基本反射のパターン、格子の１つの正方形状に並ぶ基本反射回折スポットパターンの中心に位置する白抜き矢印の先端の白点が超格子反射の回折スポットパターンを示している。この超格子反射の回折スポットパターンが現れている場合は、Ｌ１０－ＦｅＮｉのｃ軸が紙面に対して垂直になっていることを示している。
【0047】
また、図９Ａ中において、黒塗り矢印で示した隣り合う基本反射回折スポットパターンの間に位置する白点はｃ軸が面内に横たわっている状態、つまり図中の左右方向を積層方向としてＦｅＮｉの結晶の積層構造が配置されていて、その方向にｃ軸が位置している状態を表している。図８中の領域Ａについては、Ｌ１０－ＦｅＮｉのｃ軸が紙面に対して垂直になっている超格子反射回折スポットのパターンだけでなく、図中の左右方向にもｃ軸があることが示されている。このことは、２つの方向に配向していることを意味しており、領域Ａについてはマルチバリアントになっていることが判る。一方、図８中の領域Ｂ、Ｃについては、Ｌ１０－ＦｅＮｉのｃ軸が紙面に対して垂直になっている超格子反射の回折スポットパターンだけが現れている。このことは、１つの方向に配向していることを意味しており、領域Ｂ、Ｃについてはシングルバリアントになっていることが判る。
【0048】
このように、超格子反射の回折スポットのパターンが１７×１７ｎｍ以上にわたって現れており、少なくともこの回折スポットパターンを作る１７ｎｍ以上の寸法のシングルバリアントが得られている。具体的に測定すると、シングルバリアントの寸法が３０ｎｍ以上となっていた。このような大きな寸法でシングルバリアントが得られていることからも、上記したような大きな値の保磁力Ｈｃが得られていると考えられる。
【0049】
以上説明したように、ＦｅＮｉ規則合金薄膜２０を構成するＦｅＮｉの一部がマルチバリアントになっていても、より広い範囲においてシングルバリアントが得られている。したがって、支持基板１０として主表面が（１００）面に対してオフ角を有したオフ基板を用いて、支持基板１０上にＦｅＮｉ規則合金薄膜２０を成膜することで、ＦｅＮｉ規則合金薄膜２０の結晶がシングルバリアントとなるようにできると言える。
【0050】
（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。
【0051】
例えば、上記実施形態では、支持基板１０を構成する立方晶系に属する結晶構造体として、ＳＴＯ（１００）に対して所定のオフ角を有したオフ基板を例に挙げたが、他の材質で支持基板１０を構成しても良い。例えば、ＬＡＯ（１００）、ＭｇＯ（１００）などの金属酸化物に対して所定のオフ角を有したオフ基板を支持基板１０として使用しても良い。オフ角方向も[０１０]方向に限定されるものではなく、例えば[０１０]方向から面内に３０°回転させる方向など対称性を下げる方向であればよい。
【符号の説明】
【0052】
１０ 支持基板
２０ ＦｅＮｉ規則合金薄膜
２０ ＦｅＮｉ規則合金薄膜
【図1A】
【図1B】
【図2】
【図3A】
【図3B】
【図4】
【図5】
【図6A】
【図6B】
【図6C】
【図7】
【図8】
【図9A】
【図9B】
【図9C】
