磁場中熱處理爐及用其進行熱處理的方法
2023-05-23 12:28:31
專利名稱：磁場中熱處理爐及用其進行熱處理的方法
技術領域：
本發明涉及一種在MR(磁阻)磁頭、GMR(大磁阻)磁頭、MGMR(磁性隨機存取存儲器)等的製造過程中，對形成它們的薄片基板等在磁場中進行熱處理的熱處理爐及用其進行熱處理的方法。
背景技術：
磁頭一般具有在基板上疊置多個強磁性層的構造。例如，GMR磁頭具有在強磁性層之間形成非磁性絕緣層的構造。另外，MRAM磁頭有從基板一側順序地具有反強磁性層、固定磁性層、非磁性導電層及自由磁性層地構造。固定磁性層以整體單一方向被磁化。
為了把固定磁性層磁化成單一方向，在基板上形成磁性薄膜後必須要在磁場中進行熱處理。通常需要施加0.5T(特斯拉)以上的定向磁場，根據固定磁性層的材質，還需要超過1.0T的定向磁場。為了在薄片基板上施加定向磁場，現有技術中使用如圖15所示的真空熱處理爐。該真空熱處理爐由帶有冷卻管112的磁場發生線圈113、設置在線圈113內側的高頻線圈114以及保持設置在高頻線圈114內側的多個薄片基板110的真空容器106構成。
但是，該磁場中熱處理爐的磁場發生機構由電磁鐵構成，為了產生1.0T以上的磁場，線圈中需要流過500-800A的大電流，安全性不好。不僅需要使用大電流的設備，而且還需要用於產生磁場的高額的電費，另外，為消除由大電流而產生的熱，還必須使用大量冷卻水。因此，處理成本很高。此外，由於上述構成中漏磁也相當大，考慮到對人體的危險性，除設備空間之外，不僅需要留出確保安全的較大空間，還需要用鐵及坡莫合金鐵等磁性體圍住裝置以阻止對周圍的電子設備的影響。
使用超導線圈時，不需使用大量電力就可以產生磁場。在使用超導線圈時，與電磁鐵相比，勵磁電流消耗得到抑制，但卻必須經常耗費維持超導狀態的液體氮或氦，運行成本較高。另外，在使用超導線圈的方式中，磁場變動時，在局部超導狀態變為常導狀態而使線圈發熱，放置時，裝置整體的超導狀態就完全崩潰。另外，超導線圈可以產生數T或數10T的強磁場，與電磁鐵同樣的是強的漏磁範圍與該磁場強度成比例地增大。因此，存在著與電磁鐵相同的漏磁場問題。
作為不使用勵磁電流就可以適宜地改變磁場強度的方式來說，還有由具有大致相同磁力但磁化方向不同的多個永久磁鐵扇形體組合而成的ハルバツハ型磁性迴路。例如參照，「Joumal of Applied Physics Vol.86，No.11，1 December 1999」及「Joumalof Applied Physics Vol.64，No.10，15 Novermber 1988」、及日本特開平6-224027號。
圖16中示出一例ハルバツハ型磁性迴路。圖16所示的圓形ハルバツハ型磁性迴路由可相對旋轉的內側環狀永久磁鐵組合體1及外側環狀永久磁鐵組合體2構成。內側環狀永久磁鐵組合體1及外側環狀永久磁鐵組合體2處於如圖16(a)所示的位置時，內側環狀永久磁鐵組合體1的磁場方向與外側環狀永久磁鐵組合體2的磁場方向相同。因此，在內側環狀永久磁鐵組合體1的中空部20內，具有由內側環狀永久磁鐵組合體1產生的磁場與由外側環狀永久磁鐵組合體2產生的磁場合成的磁場強度的如箭頭方向示出的合成磁場。
如圖16(b)所示，在從圖16(a)的位置使外側環狀永久磁鐵組合體2旋轉180度的狀態下，由於內側環狀永久磁鐵組合體1的磁性迴路產生的磁場與外側環狀永久磁鐵組合體2的磁性迴路產生的磁場的磁化方向相反而相互抵消。因此，在中空部20內，磁場基本為零。這樣，磁場的大小可以通過調整兩圓筒的迴轉角度從基本為零而調整到最大。
在熱處理件具有磁阻膜的薄片基板的情況下，為了可靠地提高磁阻效果，不但通常需要1.0T以上的較大的磁場，而且還需要使磁場相對於磁性膜的磁化方向平行且均勻。但是，在現有技術的有電磁鐵的熱處理爐中，不能產生與磁性膜平行的均勻磁場。
發明內容
因此，本發明的目的是提供一種可以在產生均勻的平行磁場的同時降低漏磁場的、安全性較高的小型高精度的磁場中熱處理爐。
本發明的另一個目的是提供一種使用這種磁場中熱處理爐對熱處理件進行磁場中熱處理的方法。
本發明中發現並想到，在將多個熱處理件在磁場中一起進行熱處理時，通過在加熱熱處理件的機構的外周上設置冷卻機構，可以使用作為磁場發生機構的永久磁鐵，另外，通過使用作為磁場發生機構的雙重圓筒型ハルバツハ型磁性迴路，可以在熱處理中的熱處理件的徑向高精度地施加均勻的平行磁場。
本發明第一方面磁場中熱處理爐包括(a)磁場發生機構，其由一個環狀永久磁鐵組合體構成，該環狀永久磁鐵組合體由具有使磁通沿直徑方向定向分布的磁化方向的多個永久磁鐵扇形體組成環狀；(b)熱處理機構，其位於所述環狀永久磁鐵組合體中空部內、從外側依次設有冷卻機構、加熱機構及熱處理容器。該熱處理容器包含保持多個熱處理件的熱處理用保持器。
所述環狀永久磁鐵組合體最好具有120mm以上的內徑及300mm以上的外徑，且具有100mm以上的軸線方向長度。另外，所述環狀永久磁鐵組合體最好越往半徑方向外側其軸線方向越短。
構成所述環狀永久磁鐵組合體的各永久磁鐵扇形體最好具有1.1T以上的殘留磁通密度和1114kA/m(14kOe)以上的頑磁力。
所述環狀永久磁鐵組合體的軸線方向長度H1和外徑D2最好滿足2≤D2/H1≤10的條件。
本發明第二方面的磁場中熱處理爐包括(a)磁場發生機構，其包括外側環狀永久磁鐵組合體，其由具有使磁通沿直徑方向定向分布的磁化方向的多個永久磁鐵扇形體組成環狀，內側環狀永久磁鐵組合體，其設置在所述外側環狀磁鐵組合體內側且由具有使磁通沿直徑方向定向分布的磁化方向的多個永久磁鐵扇形體組成環狀，(b)熱處理機構，其位於所述內側環狀永久磁鐵組合體的中空部內、並從外側依次設有冷卻機構、加熱機構及熱處理容器。其熱處理容器包含保持多個熱處理件的熱處理用保持器。
在第一及第二方面的磁場中熱處理爐中，熱處理爐內最好是真空，但對真空度沒有限定。另外，熱處理爐內也可以包含少量惰性氣體。
在第一及第二方面的磁場中熱處理爐中，所述冷卻機構最好具有冷卻液流過的冷卻管及在所述冷卻管的外周設置在所述內側環狀永久磁鐵組合體的內側的散熱板。
在第一及第二方面的磁場中熱處理爐中，所述磁場發生機構的軸線方向的磁場中心最好與插入所述熱處理容器內的熱處理件集合體的軸線方向的磁場中心基本一致。
所述外側環狀永久磁鐵組合體與所述內側環狀永久磁鐵組合體可以相對旋轉，且最好不改變在所述中空部內熱處理的熱處理件與內側環狀永久磁鐵組合體的相對方向。由於所述內側環狀永久磁鐵組合體及所述外側環狀永久磁鐵組合體可以相對旋轉，因此所述中空部內的磁場強度可以在0-2T的範圍內增減。
所述內側環狀永久磁鐵組合體的內徑最好為120mm以上，所述外側環狀永久磁鐵組合體的外徑最好為300mm以上，且所述內側環狀永久磁鐵組合體或所述外側環狀永久磁鐵組合體的軸線方向的長度最好為100mm以上。
在本發明的另一希望的實施例中，所述內側環狀永久磁鐵組合體及所述外側環狀永久磁鐵組合體具有不同的軸線方向長度。
在本發明的又一希望的實施例中，所述內側環狀永久磁鐵組合體和/或所述外側環狀永久磁鐵組合體越往半徑方向外側其軸線方向越短。
構成所述外側環狀永久磁鐵組合體及所述內側環狀永久磁鐵組合體的各永久磁鐵扇形體最好具有1.1T以上的殘留磁通密度和1114kA/m(14kOe)以上的頑磁力。
所述內側環狀永久磁鐵組合體的軸線方向長度H1和所述外側環狀永久磁鐵組合體的外徑D2最好滿足2≤D2/H1≤10的條件。
本發明使用上述磁場中熱處理爐對多個熱處理件同時進行熱處理的方法包括以下工序(1)在所述中空部內的徑向的磁場實際上變為零的所述內側環狀永久磁鐵組合體和所述外側環狀永久磁鐵組合體的相對旋轉位置，將疊積多個所述熱處理件的熱處理用保持器插入所述熱處理容器內；(2)在通過使所述外側環狀永久磁鐵組合體相對所述內側環狀永久磁鐵組合體旋轉而使所述中空部內存在規定的磁場的狀態下，通過所述加熱機構對所述熱處理容器內的熱處理件熱處理的同時，由所述冷卻機構對所述磁場發生機構進行冷卻；(3)在所述熱處理件的熱處理結束之後，在所述中空部內的徑向的磁場實際上變為零的所述內側環狀永久磁鐵組合體與所述外側環狀永久磁鐵組合體的相對旋轉位置，從所述熱處理容器中取出多個熱處理物品。
所述熱處理件最好為表面形成磁性膜的薄片基板。
最好在多個所述熱處理件的集合體的軸線方向的中心與所述磁場發生機構的軸線方向的磁場中心基本一致的位置，將所述熱處理件集合體保持在所述熱處理容器內。
最好在所述熱處理容器內實際為真空狀態下進行熱處理。
圖1(a)是表示本發明第一方面的磁場中熱處理爐的一實例的縱剖面圖1(b)是表示本發明第二方面的磁場中熱處理爐的一實例的縱剖面圖2(a)是示意地表示在本發明磁場中熱處理爐的磁場發生機構中外側環狀永久磁鐵組合體及內側環狀永久磁鐵組合體的各永久磁鐵扇形體的磁化方向一致時的剖面圖2(b)是示意地表示在本發明磁場中熱處理爐的磁場發生機構中外側環狀永久磁鐵組合體及內側環狀永久磁鐵組合體的各永久磁鐵扇形體的磁化方向基本相反時的剖面圖2(c)是示意地表示在本發明磁場中熱處理爐的磁場發生機構中外側環狀永久磁鐵組合體相對內側環狀永久磁鐵組合體以角度α旋轉時的剖面圖3是表示內側環狀永久磁鐵組合體及外側環狀永久磁鐵組合體的另一種組合的實例的剖面圖4是表示內側環狀永久磁鐵組合體及外側環狀永久磁鐵組合體的又一種組合的實例的剖面圖5是表示內側環狀永久磁鐵組合體及外側環狀永久磁鐵組合體的再一種組合的實例的剖面圖6(a)是表示內側環狀永久磁鐵組合體及外側環狀永久磁鐵組合體的軸線方向關係的一實例的剖面圖6(b)是表示內側環狀永久磁鐵組合體及外側環狀永久磁鐵組合體的軸線方向關係的另一實例的剖面圖6(c)是表示內側環狀永久磁鐵組合體及外側環狀永久磁鐵組合體的軸線方向關係的又一實例的剖面圖7是表示沿環狀永久磁鐵組合體的軸線方向的中空部內的磁場強度分布的曲線圖8是表示中空部內的磁通密度相對磁性迴路的外徑及軸線方向長度的依存性的曲線圖9是表示外側環狀永久磁鐵組合體相對內側環狀永久磁鐵組合體的旋轉角度與合成磁場的振角的關係的曲線圖10是表示由多個永久磁鐵片構成永久磁鐵扇形體的一實例的平面圖及剖面圖11是表示由多個永久磁鐵片構成永久磁鐵扇形體的另一實例的平面圖12(a)是表示永久磁鐵扇形體的斷面形狀的一實例的平面圖及剖面圖12(b)是表示永久磁鐵扇形體的斷面形狀的另一實例的平面圖及剖面圖13是表示由磁化方向不同的兩種永久磁鐵構成的環狀永久磁鐵組合體的一實例的平面圖14是表示在圓周方向由8個永久磁鐵扇形體構成的環狀永久磁鐵組合體和由12個永久磁鐵扇形體構成的環狀永久磁鐵組合體中，環狀永久磁鐵組合體的中空部內的軸線上的磁通密度與從環狀永久磁鐵組合體中心的軸線方向距離之間的關係的曲線圖15是表示具有電磁鐵的現有技術的磁場中熱處理爐的示意剖面圖16(a)是ハルバツハ型磁性迴路、表示外側環狀永久磁鐵組合體及內側環狀永久磁鐵組合體的永久磁鐵扇形體的磁化方向一致的情況的示意剖面圖。
圖16(b)是ハルバツハ型磁性迴路、表示外側環狀永久磁鐵組合體及內側環狀永久磁鐵組合體的永久磁鐵扇形體的磁化方向大體相反的情況的示意剖面圖。
具體實施例方式
如圖1(a)所示，本發明的第一方面的磁場中熱處理爐在由熱處理容器6和加熱機構5構成的熱處理機構的外周通過冷卻機構3設置環狀永久磁鐵組合體1，因此可以以較低成本穩定地在水平面內產生一個方向的均勻磁場。
另外，如圖1(b)所示，本發明的第二方面的磁場中熱處理爐，通過在熱處理容器6和加熱機構5構成的熱處理機構的外周藉助於冷卻機構3具有磁場發生機構，可以在集中於軸線方向較為有限範圍內的水平面內以較低成本穩定地產生一個方向的均勻磁場。該磁場發生機構具有由內側環狀永久磁鐵組合體1及外側環狀磁鐵組合體2構成的雙重圓筒式的ハルバツハ型磁性迴路。另外，中空部20內的磁場強度可以任意調節。從而，可以一次性地熱處理多枚較薄的大直徑(例如6-8英寸或更大)的磁性膜薄片基板A。
在第二方面的磁場中熱處理爐中，構成磁場發生機構的內側環狀永久磁鐵組合體1及外側環狀永久磁鐵組合體2可以彼此間相對自由迴轉，但最好不改變熱處理件A與內側環狀永久磁鐵組合體1彼此間相對的方向。例如，最好使熱處理件A與內側環狀永久磁鐵組合體1同時不旋轉。或者，可以使熱處理件A與內側環狀永久磁鐵組合體1同時旋轉，並使外側環狀永久磁鐵組合體2相對它們旋轉。通過使同心狀的雙重環狀磁性迴路1，2相對地旋轉，合成了由內外側環狀永久磁鐵組合體1，2所產生的磁場，在中空部20內獲得任意的合成磁場強度。這樣，在各環狀永久磁鐵組合體1，2的磁場強度為1T時，隨著外側環狀永久磁鐵組合體2的旋轉，中空部20內的水平面內的平行磁場在大致為0-2T的範圍內變動。
為使在磁場中熱處理的部件的質量穩定，將熱處理件A向熱處理爐6插入及取出時，最好中空部20內的磁場強度實際上為零。所謂磁場強度的術語「實際上為零」是指磁場強度小到幾乎不會影響熱處理物品的磁化的程度。當外側環狀永久磁鐵組合體2相對於內側環狀永久磁鐵組合體1旋轉時，內側環狀永久磁鐵組合體1的中空部20內的合成磁場如圖9所示地旋轉，並在大約0-2T的範圍內變化。
從而，本發明的熱處理方法有如下工序(1)使外側環狀永久磁鐵組合體2旋轉，以便外側環狀永久磁鐵組合體2產生的磁場與內側環狀永久磁鐵組合體1產生的磁場的方向成正相反，熱處理件A在磁場強度大體為零的狀態下插入熱處理容器6內，並將熱處理件A設置在由兩環狀永久磁鐵組合體1、2的磁性迴路產生的合成磁場的軸線方向的中心處，(2)使外側環狀永久磁鐵組合體2旋轉，並在將磁場強度調整到所希望的強度的狀態下對熱處理件A進行熱處理，(3)熱處理結束後，在使附加磁場強度如前所述地再次在實際上為零的狀態下，將熱處理件A從熱處理容器中取出。這時，若將熱處理件A固定並使內側環狀永久磁鐵組合體1旋轉，由於加在熱處理件A的磁場變動，會出現熱處理件A的磁特性波動或劣化。因此，最好不改變中空部20內的熱處理的物品A與內側環狀永久磁鐵組合體1之間相對的方向。
將兩環狀永久磁鐵組合體1、2產生的磁場進行矢量合成。因此，在內側環狀永久磁鐵組合體1及外側環狀永久磁鐵組合體2所產生的磁場強度同時為例如0.5T的情況下，外側環狀永久磁鐵組合體2相對內側環狀永久磁鐵組合體1的旋轉角度α與合成磁場的振角θ的關係如圖9所示。這樣，在使內側環狀永久磁鐵組合體1旋轉以使磁場強度變化的情況下，磁場方向最終變為成正相反的方向(180°)。但是，在外側環狀永久磁鐵組合體2旋轉的情況下，合成磁場的振角θ最大為90°。在熱處理結束後磁場實際上歸零期間，為了向熱處理物品A施加一定方向的磁場，與兩環狀永久磁鐵組合體1、2的合成磁場的方向相一致，使內側環狀永久磁鐵組合體1或熱處理用保持器10旋轉。
如果使內側環狀永久磁鐵組合體1和外側環狀永久磁鐵組合體2之間無間隙且以同心圓狀配置，可以出現一個環狀磁性迴路。如果內側環狀永久磁鐵組合體1和外側環狀永久磁鐵組合體2之間有間隙，在兩者之間磁阻增大，內側環狀永久磁鐵組合體1的中空部20內的磁場強度降低。因此，在內側環狀永久磁鐵組合體1與外側環狀永久磁鐵組合體2之間無間隙的情況下，磁場發生機構的尺寸最小。從而，磁場發生機構的性能是由內側環狀永久磁鐵組合體1的內徑及外側環狀永久磁鐵組合體2的外徑來決定的。
在要進行熱處理的薄片的直徑為30mm、且確保薄片外周與真空容器6內壁之間的間隙為10mm的情況下，真空容器6的內徑為50mm。真空容器6的壁厚例如為5mm，加熱器5的厚度例如為5mm，冷卻機構3的厚度例如為20mm，因此，在各部件之間的間隙合計為10mm時，內側環狀永久磁鐵組合體1的內徑為120mm。
永久磁鐵的殘留磁通密度Br為1.45T時，中空部20內的磁場強度超過1T，如圖8所示，在內側環狀永久磁鐵組合體1的內徑D0為120mm的情況下，環狀永久磁鐵組合體的外徑D最好在300mm以上，其軸線方向的長度H則最好在100mm以上。
根據「Journal of Applied Physics Vol.86，No.11，1 December 1999」，內側環狀永久磁鐵組合體的中空部的磁場強度B按照B＝Br/(Ro/Ri)(式中Ri為中空部的半徑，Ro為外側環狀永久磁鐵組合體的外半徑。)計算。摸擬計算磁場強度的結果表明，磁場強度如圖8所示地隨環狀永久磁鐵組合體1軸線方向的長度而變化，環狀永久磁鐵組合體1較短時，中空部20內的磁場強度較小。由此結果可以看出，為使中空部20內的磁通密度為1T以上，外側環狀永久磁鐵組合體2的軸線方向長度及內側環狀永久磁鐵組合體1的軸線方向長度必須同時為100mm以上。
為了降低漏磁通，外側環狀永久磁鐵組合體2在軸線方向的長度最好比內側環狀永久磁鐵組合體1的短。此外，通過使內側環狀永久磁鐵組合體1和/或外側環狀永久磁鐵組合體2越在半徑方向外側越小，可以進一步降低軸線方向的漏磁場。利用這種構造，可以減小環狀磁性迴路的漏磁通，實現磁性迴路小型化及輕量化。
如圖3所示，為了使磁性迴路小型化，最好使內側環狀永久磁鐵組合體1的軸線方向的長度H1小於外側環狀永久磁鐵組合體2的H2。為確保相同長度的均勻磁場區域，與增大環狀永久磁鐵組合體的半徑相比，增加長度更有效，因此，可以進一步減小設置面積。
在內側環狀永久磁鐵組合體1及外側環狀永久磁鐵組合體2上使用的永久磁鐵具有1.1T以上的殘留磁通密度和1114kA/m(14kOe)以上的頑磁力，且內側環狀永久磁鐵組合體1的軸線方向長度H1和外側環狀永久磁鐵組合體2的外徑D2最好滿足2≤D2/H1≤10的條件。該比值D2/H1越大，均勻磁場就將在軸線方向的更大範圍內產生。如在該範圍內，就可以減少環狀永久磁鐵組合體1，2全體的重量，並產生較大的磁場。
在本發明的磁場中熱處理爐中，熱處理機構如圖1所示包括冷卻機構3，其帶有設置於有鏡面殼內的冷卻管4；加熱機構5，其由埋設在石英玻璃內的碳加熱器等構成；真空容器6，其由透明的石英玻璃構成。可多枚載置熱處理件A的熱處理用保持器10被插入真空容器6內。通過該熱處理機構，很容易使熱處理件A集合體的中心與由內側環狀永久磁鐵組合體1及外側環狀永久磁鐵組合體2構成的磁場發生機構的磁場中心保持一致。另外，由於在加熱機構5及磁場發生機構之間具有冷卻機構3，阻斷了熱對永久磁鐵的影響。因此，儘管熱處理溫度為250～300℃，永久磁鐵也不會出現由熱引起的劣化。另外，也可以將熱處理機構置於氮氣等非氧化性環境中。
用於內側環狀永久磁鐵組合體1及外側環狀永久磁鐵組合體2的永久磁鐵，可以是例如Ba鐵素體系磁鐵，Sr鐵素體系磁鐵，添加La及Co鐵素體系磁鐵等的鐵素體磁鐵，另外，還可以是Nd-Fe-B系磁鐵，Sm-Co系磁鐵，Sm-Fe-N系磁鐵等稀土類系磁鐵等，但最好是具有高殘留磁通密度的Nd-Fe-B系磁鐵。永久磁鐵不限於燒結磁鐵，也可以是粘結磁鐵。由於Nd-Fe-B系磁鐵耐熱溫度低，用於現有技術的熱處理爐較困難，但通過在熱處理機構和磁場發生機構之間設置冷卻機構3，就可以適用於本發明的磁場中熱處理爐。
在熱處理中持續施加磁場的情況下，由於沒有必要調整磁場，因此，也可以在內側環狀永久磁鐵組合體1的外側不配置外側環狀永久磁鐵組合體2。
實施例1
圖1所示的本發明磁場中熱處理爐的磁場發生機構具有內側環狀永久磁鐵組合體1及外側環狀永久磁鐵組合體2，並由Nd-Fe-B系永久磁鐵形成。該Nd-Fe-B系磁鐵使構成各磁性迴路1、2的永久磁鐵扇形體任一個都具有1.4T的殘留磁通密度及1192kA/m的頑磁力。圖2表示了內側環狀永久磁鐵組合體1及外側環狀永久磁鐵組合體2的橫斷面構造。
在該例中，內側環狀永久磁鐵組合體1由總共為12個不同磁性方向的3種扇形永久磁鐵扇形體11、12及13沿圓周方向配置形成。扇形永久磁鐵扇形體11、12及13具有同一形狀，因此扇形的中心角為30°。另外，外側環狀永久磁鐵組合體2也同樣由12個不同磁性方向的3種扇形永久磁鐵扇形體21、22及23沿圓周方向配置形成。扇形永久磁鐵扇形體21、22及23也具有同一形狀，因此扇形的中心角為30°。另外，可以將各永久磁鐵扇形體11、12、13、21、22及23的水平斷面形狀做成梯形，以取代扇形。
在各環狀永久磁鐵組合體1、2中的多個永久磁鐵扇形體，磁化方向幾乎與磁通的流束一致，並組合成環狀，以使磁通沿直徑方向流過中空部內。因此，內側環狀永久磁鐵組合體1及外側環狀永久磁鐵組合體2的合成磁場(由箭頭示出)沿半徑方向施加到中空部20。
在該例中，內側環狀永久磁鐵組合體1的內徑D0為360mm，外徑D1為560mm。另外，外側環狀永久磁鐵組合體2的外徑D2為1200mm。兩環狀永久磁鐵組合體1、2的軸線方向長度(高度)H為420mm。為使內側環狀永久磁鐵組合體1與外側環狀永久磁鐵組合體2可以相對自由旋轉，兩者之間有少許間隙。內側環狀永久磁鐵組合體1被固定。作為外側環狀永久磁鐵組合體2的驅動機構(未圖示)，是在外側環狀永久磁鐵組合體2的保持部件15的下部設置齒輪(未圖示)，並使該齒輪與伺服電機等接合。因此，外側環狀永久磁鐵組合體2可以相對內側環狀永久磁鐵組合體1旋轉。
本實施例的熱處理機構具有水冷機構3，其帶有內表面經電鍍處理以形成鏡面的不鏽鋼板；電加熱器5，其加熱在真空容器6內的熱處理件A；真空容器6，其由設置在電加熱器5內側的內徑約為220mm的石英玻璃構成。在水冷機構3內具有水冷管4。除了水冷管4之外，水冷機構3也可以具有散熱板，該散熱板可以設置在水冷管4與內側環狀永久磁鐵組合體1之間。由於真空中的加熱以輻射熱為主，因此構成真空容器6的石英玻璃最好是透明的。由於熱處理件A設定為6～8英寸的薄片基板，真空容器6的內徑最好是約170～220mm。
真空容器6的一端由密封部件7密封，另一端由密封用陽螺紋部8和密封用陰螺紋部9密封。在密封用陰螺紋部9的軸19上具有用於將熱處理件A保持在真空容器6的大致中央部位的熱處理用保持器10。
熱處理用保持器10將用於載置如形成磁性膜的薄片基板的託架沿軸線方向以大約6mm的間隔配置25枚。熱處理用保持器10可以在真空容器6內在水平面內自由旋轉。當為調整磁場而使外側環狀永久磁鐵組合體2旋轉時，內側環狀永久磁鐵組合體1與外側環狀永久磁鐵組合體2的合成磁場也必然旋轉。從而，為了防止合成磁場相對熱處理件A旋轉，最好使熱處理用保持器10旋轉，以使熱處理件A經常與合成磁場同方向。
利用熱處理用保持器10的上端、中央及下端所帶有的熱電偶對溫度進行測定，並對電加熱器5的溫度進行PID控制。在密封部件7上具有吸氣口。排氣口與設置在真空容器6上部的真空泵(未圖示出)連接，真空容器6內維持真空狀態。例如，在熱處理件A形成磁性薄膜的基板的情況下，最好在大約1×10-5～1×10-6Pa的真空狀態下進行熱處理。吸氣口與高壓氮儲氣瓶連接，根據需要使真空容器6內為惰性氣氛。
如圖2(b)所示，直到中空部20內的磁場基本為零的位置，使外側環狀永久磁鐵組合體2旋轉。介於非磁性絕緣層之間帶有疊置多個強磁性層的磁性膜的多個薄片基板排列在熱處理用保持器10的託架上，並插入真空容器6內。這時，重疊的基板整體的中心與內側環狀永久磁鐵組合體1及外側環狀永久磁鐵組合體2的中心基本一致。
把密封用陰螺紋部9與密封用陽螺紋部8接合併使真空容器6內呈氣密狀態後，真空容器6由真空泵進行排氣，達到1×10-5～1×10-6pa的真空度。將薄片基板與內側環狀永久磁鐵組合體1的相對位置固定後，只使外側環狀永久磁鐵組合體2旋轉。由於在中空部20內作用有所希望大小的合成磁場，外側環狀永久磁鐵組合體2可以如圖2(c)所示地相對內側環狀永久磁鐵組合體1隻旋轉所希望的角度α。
在冷卻水在冷卻管4內流動的同時，使薄片基板由電加熱器5加熱並以5℃/min的速度升溫。在300℃±％的溫度下保持30-60分鐘，然後，真空容器6內的溫度以2℃/min的速度下降，在薄片溫度為150℃以下時，再如圖2(b)所示，調節內側環狀永久磁鐵組合體1與外側環狀永久磁鐵組合體2的角度α，使磁場基本為零。
表1
注(1)磁通密度的均勻度由(Tmax-Tmin)/Tmax算出。
由表1可以確認，中空部20內的磁場在軸線方向的磁場中心±5％以內是均勻的。如圖7所示，從具有薄片基板的兩環狀磁性迴路的軸線方向的長度(420mm)的中央±80mm的範圍內可以獲得10％以下的均勻磁場強度。各測定位置的磁場的斜向角度全部在2°以內。用進行這種磁場中熱處理的薄片基板形成的磁頭的磁特性良好，不良率為零。
沿軸線方向距磁性迴路端面350mm的位置的漏磁場減小到10mT以下，另外，距磁性迴路側面1m的位置的漏磁場也減小到1mT以下。
實施例2
如圖3所示，除了改變外側環狀永久磁鐵組合體2A與內側環狀永久磁鐵組合體1A軸線方向的長度，並使薄片基板不與內側環狀永久磁鐵組合體1A一起旋轉以外，其它的與實施例1相同進行磁場中熱處理。各環狀永久磁鐵組合體由12個不同磁性方向的3種扇形永久磁鐵扇形體沿圓周方向配置形成。各永久磁鐵扇形體的磁化方向與圖2所示的相同。
作為8英寸的薄片基板的磁場中熱處理爐，內側環狀永久磁鐵組合體1A的內徑D0為360mm，外徑D1為560mm。另外，外側環狀永久磁鐵組合體2A的外徑D2為1100mm。內側環狀永久磁鐵組合體1A軸線方向長度H1為420mm，外側環狀永久磁鐵組合體2A的軸線方向長度H2為500mm。
表2
注(1)磁通密度的均勻度由(Tmax-Tmin)/Tmax算出。
如表2所示，在中空部20內可以獲得±5％以下的均勻磁場強度。另外，在對磁場強度的變化進行測定後，確認可以在距離長度為420mm的內側環狀永久磁鐵組合體1A的軸線中心±80mm的範圍內獲得±5％以內的均勻磁場強度。薄片基板最好設置在該範圍內。如果薄片基板保持在該範圍以外，由於磁場均勻度降低，由該薄片基板得到的磁頭的特性劣化。各測定位置的磁場斜向角度全部在2°以內。利用本實施例進行磁場中熱處理的薄片基板形成的磁頭的磁特性良好，廢品率為零。在熱處理結束後薄片溫度變為50℃以下的狀態，即便不使內側環狀永久磁鐵組合體1A與薄片基板旋轉、磁場實際為零，得到的磁頭仍具有良好的性能。
與實施例1相比，實施例2的外側環狀永久磁鐵組合體在軸線方向大約長19％，半徑方向大約短10％，但是，就外側環狀永久磁鐵組合體來說，實施例2比實施例1的重量稍輕。從而，實施例2的磁場發生裝置的設置面積比實施例1小，均勻磁場區域加長。
比較例1
除將加熱器5設置在兩個環狀永久磁鐵組合體1、2的軸線方向外側之外，其它與實施例1相同，進行磁場中熱處理實驗。在熱處理用保持器10的各個位置，溫度分布產生偏差，各磁頭的磁特性也發生波動。
比較例2
除取下冷卻裝置3之外，其它與實施例1相同，進行磁場中熱處理實驗。在熱處理用保持器10的各個位置不會產生溫度分布偏差，但熱處理中熱會使內側環狀永久磁鐵組合體1的永久磁鐵減磁，不能獲得足夠的磁場強度。
實施例3
與實施例1一樣，分別使用具有由圖2表示的磁化方向的12個永久磁鐵扇形體構成的內側環狀永久磁鐵組合體1及外側環狀永久磁鐵組合體2的磁場中熱處理爐。內側環狀永久磁鐵組合體1的內徑D0為360mm，外徑D1為560mm。另外，外側環狀永久磁鐵組合體2的外徑D2為1100mm。兩環狀永久磁鐵組合體1、2的軸線方向長度(高度)H為420mm。
由於在內側環狀永久磁鐵組合體1的殼體11下部設有齒輪，內側環狀永久磁鐵組合體1由電機帶動可以相對於外側環狀永久磁鐵組合體2及薄片基板旋轉。從而薄片基板與內側環狀永久磁鐵組合體1的相對位置發生變化。除此以外，與實施例1相同。
中空部20的磁場與表2相同，在軸線方向中心具有±5％以下的均勻強度。對沿軸線方向的長度H的磁場強度的變動進行測定後，在距離軸線方向長度H的中央±80mm的範圍內可以獲得±5％以下的均勻磁場強度。各個測定位置的磁場斜向角度在2°以內。利用本實施例進行磁場中熱處理的薄片基板形成的磁頭的磁特性良好，但比實施例1及2要低。
實施例4
圖4表示內側環狀永久磁鐵組合體1B及外側環狀永久磁鐵組合體2B組合的另一實例。外側環狀永久磁鐵組合體2B的軸線方向長度(高度)比內側環狀永久磁鐵組合體1B的短。另外，在圖5的實例中，外側環狀永久磁鐵組合體2C的軸線方向長度(高度)比內側環狀永久磁鐵組合體1C的短，此外，內外環狀永久磁鐵組合體1C、2C的軸線方向長度朝著半徑方向外側逐漸變短。根據這種構造，可以進一步降低軸線方向的漏磁場。由此，可以實現環狀永久磁鐵組合體的小型化及輕量化，也可以使磁場中熱處理爐整體變低。
圖6(a)表示外側環狀永久磁鐵組合體2配置成比內側環狀永久磁鐵組合體1在軸線方向離熱處理件的薄片A的待機位置遠ΔL的實例。內側環狀永久磁鐵組合體1及外側環狀永久磁鐵組合體2具有相同的軸線方向的長度L。
圖6(b)與圖6(a)相同，表示外側環狀永久磁鐵組合體2配置成離薄片A的待機位置遠ΔL、且外側環狀永久磁鐵組合體2的軸線方向的長度L2比內側環狀永久磁鐵組合體1的軸線方向長度L1短的實例。內側環狀永久磁鐵組合體的軸線長度L1為1000mm，外側環狀永久磁鐵組合體的軸線方向長度L2分別為600mm、800mm、1000mm，並對中空部20內的磁通密度及沿軸線方向距離環狀永久磁鐵組合體的端面150mm位置的漏磁通密度進行模擬。結果如表3所示。中空部20的內徑為300mm、內側環狀永久磁鐵組合體1的外徑D1為450mm、外側環狀永久磁鐵組合體的外徑D2為670mm。
表3
由表3可以看出，兩個環狀永久磁鐵組合體1、2的軸線方向長度相同情況下的漏磁場大約為0.14T，但外側環狀永久磁鐵組合體2的長度在800mm以下時，漏磁場為0.1以下，即減小35％以下。另外，在外側環狀永久磁鐵組合體2的長度為600mm時，漏磁場進一步減小。外側環狀永久磁鐵組合體2的長度為800mm時的中空部20中心處的磁通密度與1000mm時相比只小3％。因此，可以認為對漏磁場的減小來說，外側環狀永久磁鐵組合體2的長度的影響較大。在想在軸線方向減小漏磁場的情況下，如圖6(c)所示，使內外環狀永久磁鐵組合體1、2的下端對齊，最好使外側環狀永久磁鐵組合體2的上端比內側環狀永久磁鐵組合體1的上端低ΔL的距離。
隨著內側環狀永久磁鐵組合體1的內徑加大，磁性迴路的各永久磁鐵扇形體由一個永久磁鐵片構成就變得很困難。因此，最好通過組合多個永久磁鐵片來構成各永久磁鐵扇形體。圖10示出了一例環狀磁性迴路的永久磁鐵扇形體。在該例中，永久磁鐵扇形體由沿半徑方向配置的3個永久磁鐵片構成，一般也可以使用兩個以上的永久磁鐵片。內側的永久磁鐵片具有外半徑Ra及軸線方向長度La，中央的永久磁鐵片具有內半徑Ra、外半徑Rb及軸線方向長度Lb，外側永久磁鐵片具有內半徑Rb、外半徑Rc及軸線方向長度Lc。各永久磁鐵片的軸線方向長度La＞Lb＞Lc，且朝向外側逐漸變短。
圖11示出了組合第一永久磁鐵片41及第二永久磁鐵片42的永久磁鐵扇形體的實例。在圖示的實例中，分別將第一及第二永久磁鐵片41、42每兩個組合在一起，奇數個組合也可以。圖中的箭頭表示各永久磁鐵片的磁化方向。
在永久磁鐵扇形體較小的情況下，可以由一個永久磁鐵片構成。為了減小漏磁場，例如，如圖12(a)及圖12(b)所示，永久磁鐵的軸線方向斷面最好大致為梯形。
在上述的各實施例中，對磁化方向不同的3種永久磁鐵進行組合併分別用於內側環狀永久磁鐵組合體1及外側環狀永久磁鐵組合體2，但也可以構成如圖13所示的由磁化方向不同的兩種永久磁鐵43、44來構成磁性迴路。
在各環狀永久磁鐵組合體1、2中，一圈的永久磁鐵扇形體的數量最好為8個以上。對具有120mm的內徑及200mm的外徑的環狀永久磁鐵組合體的中空部的磁場(T)進行測定。圖14示出了環狀永久磁鐵組合體軸線方向長度(mm)與磁場(T)(中空部中心的磁通密度)的關係。由圖14可知，中空部20的磁場在一圈的永久磁鐵扇形體有12個要比8個增大5％。
在本說明書中使用了術語「磁場中熱處理」，但該熱處理可稱為「退火」。
在本發明的磁場中熱處理爐中，由於可以對多個磁性膜基板這樣的熱處理件均勻地施加平行磁場，因此可以使熱處理過的磁性膜基板的質量穩定一致。另外，可以相對於中空部的熱處理件調整磁場強度。本發明的磁場中熱處理爐或不需要用於減小漏磁場的磁屏蔽，因此可以使裝置整體小型化。另外，也不需要產生磁場的電力，從而降低了設備成本及運行成本，而且也沒有產生磁場用的線圈發熱帶來的問題。
也可以在設置在內側環狀永久磁鐵組合體的中空部內的冷卻機構中流動著足夠量的冷卻水，使永久磁鐵的特性不會由熱處理溫度而變差。因此，本發明的磁場中熱處理爐運行成本低。
權利要求
1、一種磁場中熱處理爐，其特徵在於，包括(a)磁場發生機構，其包括一個環狀永久磁鐵組合體，其由具有使磁通沿直徑方向定向分布的磁化方向的多個永久磁鐵扇形體組成環狀；(b)熱處理機構，其位於所述環狀永久磁鐵組合體中空部內，並從外側依次設有冷卻機構、加熱機構及熱處理容器，其熱處理容器包含保持多個熱處理件的熱處理用保持器。
2、如權利要求1所述的磁場中熱處理爐，其特徵在於，所述熱處理容器為真空容器。
3、如權利要求1或2所述的磁場中熱處理爐，其特徵在於，所述冷卻機構包括冷卻管，其中流有冷卻液；散熱板，其在所述冷卻管的外周設置於所述內側環狀永久磁鐵組合體的內側。
4、如權利要求1至3中任一項所述的磁場中熱處理爐，其特徵在於，所述磁場發生機構的軸線方向的磁場中心與插入所述熱處理容器內的多個熱處理件集合體的軸線方向的中心基本一致。
5、如權利要求1至4中任一項所述的磁場中熱處理爐，其特徵在於，所述環狀永久磁鐵組合體具有120mm以上的內徑及300mm以上的外徑，且具有100mm以上的軸線方向長度。
6、如權利要求1至5中任一項所述的磁場中熱處理爐，其特徵在於，所述環狀永久磁鐵組合體越往半徑方向外側其軸線方向越短。
7、如權利要求1至6中任一項所述的磁場中熱處理爐，其特徵在於，構成所述環狀永久磁鐵組合體的各永久磁鐵扇形體具有1.1T以上的殘留磁通密度和1114kA/m(14kOe)以上的頑磁力。
8、如權利要求1至7中任一項所述的磁場中熱處理爐，其特徵在於，所述環狀永久磁鐵組合體的軸線方向長度H1和外徑D2滿足2≤D2/H1≤10的條件。
9、一種磁場中熱處理爐，其特徵在於，包括(a)磁場發生機構，其包括外側環狀永久磁鐵組合體，其由具有使磁通沿直徑方向定向分布的磁化方向的多個永久磁鐵扇形體組成環狀；內側環狀永久磁鐵組合體，其設置在所述外側環狀磁鐵組合體內側且由具有使磁通沿直徑方向定向分布的磁化方向的多個永久磁鐵扇形體組成環狀；(b)熱處理機構，其位於所述內側環狀永久磁鐵組合體的中空部內，並從外側依次設有冷卻機構、加熱機構及熱處理容器，其熱處理容器包含保持多個熱處理件的熱處理用保持器。
10、如權利要求9所述的磁場中熱處理爐，其特徵在於，所述熱處理容器為真空容器。
11、如權利要求9或10所述的磁場中熱處理爐，其特徵在於，所述冷卻機構包括冷卻管，其中流有冷卻液；散熱板，其在所述冷卻管的外周設置於所述內側環狀永久磁鐵組合體的內側。
12、如權利要求9至11中任一項所述的磁場中熱處理爐，其特徵在於，所述磁場發生機構的軸線方向的磁場中心與插入所述熱處理容器內的熱處理件集合體的軸線方向的中心基本一致。
13、如權利要求9至12中任一項所述的磁場中熱處理爐，其特徵在於，所述內側環狀永久磁鐵組合體相對於所述熱處理件不改變方向，所述內側環狀永久磁鐵組合體及所述外側環狀永久磁鐵組合體可以相對旋轉。
14、如權利要求9至13中任一項所述的磁場中熱處理爐，其特徵在於，所述內側環狀永久磁鐵組合體及所述外側環狀永久磁鐵組合體可以相對旋轉，且所述中空部內的磁場可以在0-2T的範圍內增減。
15、如權利要求9至14中任一項所述的磁場中熱處理爐，其特徵在於，所述內側環狀永久磁鐵組合體的內徑為120mm以上，所述外側環狀永久磁鐵組合體的外徑為300mm以上，且所述內側環狀永久磁鐵組合體或所述外側環狀永久磁鐵組合體的軸線方向長度為100mm以上。
16、如權利要求9至15中任一項所述的磁場中熱處理爐，其特徵在於，所述內側環狀永久磁鐵組合體及所述外側環狀永久磁鐵組合體具有不同的軸線方向長度。
17、如權利要求9至16中任一項所述的磁場中熱處理爐，其特徵在於，所述內側環狀永久磁鐵組合體和/或所述外側環狀永久磁鐵組合體在半徑方向外側在軸線方向較短。
18、如權利要求9至17中任一項所述的磁場中熱處理爐，其特徵在於，構成所述外側環狀永久磁鐵組合體及所述內側環狀永久磁鐵組合體的各永久磁鐵扇形體具有1.1T以上的殘留磁通密度和1114kA/m(14kOe)以上的頑磁力。
19、如權利要求9至18中任一項所述的磁場中熱處理爐，其特徵在於，所述內側環狀永久磁鐵組合體的軸線方向長度H1與所述外側環狀永久磁鐵組合體的外徑D2滿足2≤D2/H1≤10的條件。
20、一種磁場中熱處理方法，其使用磁場中熱處理爐對多個熱處理件同時進行熱處理，其中所述磁場中熱處理爐包括(a)磁場發生機構，其包括外側環狀永久磁鐵組合體，其由具有使磁通沿直徑方向定向分布的磁化方向的多個永久磁鐵扇形體組成環狀；內側環狀永久磁鐵組合體，其設置在所述外側環狀磁鐵組合體內側且由具有使磁通沿直徑方向定向分布的磁化方向的多個永久磁鐵扇形體組成環狀；(b)熱處理機構，其位於所述內側環狀永久磁鐵組合體的中空部內，並從外側依次設有冷卻機構、加熱機構及熱處理容器，其熱處理容器包含保持多個熱處理件的熱處理用保持器，其特徵在於，包括以下工序(1)在所述中空部內的徑向的磁場實際上變為零的所述內側環狀永久磁鐵組合體與所述外側環狀永久磁鐵組合體的相對旋轉位置，將疊積多個所述熱處理件的熱處理用保持器插入所述熱處理容器內；(2)在通過使所述外側環狀永久磁鐵組合體相對所述內側環狀永久磁鐵組合體旋轉而使所述中空部內存在規定的磁場的狀態下，通過所述加熱機構對所述熱處理容器內的熱處理件熱處理的同時，由所述冷卻機構對所述磁場發生機構進行冷卻；(3)在所述熱處理件的熱處理結束之後，所述中空部內的徑向的磁場實際變為零的所述內側環狀永久磁鐵組合體與所述外側環狀永久磁鐵組合體的相對旋轉位置，從所述熱處理容器中取出多個熱處理物品。
21、如權利要求20所述的方法，其特徵在於，所述熱處理件是在表面形成磁性膜的薄片基板。
22、如權利要求20或21所述的方法，其特徵在於，在多個所述熱處理件的集合體的軸線方向的中心與所述磁場發生機構的軸線方向的磁場中心基本一致的位置，將所述熱處理件集合體保持在所述熱處理容器內。
23、如權利要求20到22中任一項所述的方法，其特徵在於，在所述熱處理容器內實際為真空的狀態下進行熱處理。
全文摘要
一種磁場中熱處理爐,其內外環狀永久磁鐵組合體的軸線方向的磁場中心與熱處理容器內的熱處理件集合體的軸線方向的中心基本一致。該熱處理爐包括:(a)磁場發生機構,該磁場發生機構包括:外側環狀永久磁鐵組合體,其由具有使磁通沿直徑方向定向分布的磁化方向的多個永久磁鐵扇形體組成環狀;內側環狀永久磁鐵組合體,其設置在所述外側環狀磁鐵組合體內側且由具有使磁通沿直徑方向定向分布的磁化方向的多個永久磁鐵扇形體組成環狀;(b)熱處理機構,該熱處理機構位於內側環狀永久磁鐵組合體的中空部內,並從外側依次設有冷卻機構、加熱機構及熱處理容器,該熱處理容器包含保持多個熱處理件的熱處理用保持器。
文檔編號H05B6/22GK1389879SQ0212170
公開日2003年1月8日 申請日期2002年4月17日 優先權日2001年4月17日
發明者慄山義彥, 牛嶋誠, 東康幸 申請人:日立金屬株式會社