CN1236959A - 软磁膜、软磁多层膜及其制造方法以及使用这些膜的磁体元件 - Google Patents
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Abstract
本发明是在基片1上形成Fe－N系薄膜2,使主相是α－Fe和γ’－Fe4N,α－Fe和γ’－Fe4N相的晶粒细微化到10nm以下,并且与膜面平行的α－Fe的晶面(110)和γ’ －Fe4N的晶面(200)的间隔,与无晶格畸变的状态相比更为伸展,γ’－Fe4N的晶面(111)的间隔与无晶格畸变的状态相比更为收缩,基于这样的组织,形成具有优异软磁性的高饱和磁通密度的软磁膜、软磁多层膜以及使用这些膜的磁体元件,满足电子设备的小型化、薄型化、轻型化以及高性能化的要求。
Description
本发明涉及液晶电视用天线、脉冲电机、扼流圈、变压器、电感器、躁声滤波器、电磁干扰抑制体、磁阻元件、磁头等的磁心材料等所用的软磁膜、软磁多层膜、软磁膜和软磁多层膜的制造方法、以及使用这些膜的磁体元件。
近年来，个人计算机和电子笔记本、移动电话等信息通信设备快速发展。并且，作为支持高度信息化(多媒体)社会的技术，处理文字、声音、静止图象、动态图象等各种数据的高功能信息通信设备预计将形成大规模市场。
基于这种背景，要求信息通信设备小型化、薄型化、轻型化以及高性能化。然而，构成信息通信设备的部件中，由于LSI技术的进展，半导体元件早已薄膜部件化、集成化从而实现了小型化。但是，作为磁体元件，还存在取决于部件薄膜化和集成化的小型化和薄型化的问题。
因此，最近随着液晶电视用天线、脉冲电机、扼流圈、电感器、变压器、磁头、消除躁声的阻抗元件、电磁干扰抑制体等的磁体元件的小型化、薄型化以及高性能化的要求，需要高性能的磁性材料。因此，作为使用这些磁体元件的磁心材料，要求容易获得高饱和磁化和良好的软磁性、薄的形状。因而，强烈期望薄膜化，对开发使用具有高饱和磁化的软磁薄膜作为磁心材料的薄膜磁体元件的要求很高。
以往，作为针对上述用途的磁心材料，使用铁硅铝磁性合金、坡莫合金、硅钢等结晶合金和钴基非晶合金。但是，为了适应磁体元件的小型化、薄型化、以及高性能化，需要高饱和磁通密度和优异的软磁性两方面特性兼备、具有更高性能的高饱和磁化的软磁薄膜。
但是，上述铁硅铝磁性合金和坡莫合金等结晶合金、以及钴基非晶合金，具有优异的软磁性，但存在饱和磁通密度较低、约为1T的问题。硅钢结晶合金的饱和磁通密度高，但存在软磁性较差的问题。
作为具有2T以上的高饱和磁通密度的材料，已经研究开发了Fe-N系薄膜，然而例如特开昭64-15907号公报和特开平3-246913号公报中的无论哪个公报公开的Fe-N系薄膜，其矫顽力Hc均在10e(79.5775A/m)以上，所以不能获得可以用于上述薄膜磁体元件的良好软磁性。
为了解决上述问题，本发明的目的在于提供一种兼备高饱和磁通密度和优异的软磁性两方面特性，性能更高的软磁膜、软磁多层膜及其制造方法。并且，通过使用这种软磁膜或软磁多层膜的磁心材料，实现磁体元件的小型化、薄型化以及高性能化。
针对上述Fe-N系薄膜，本发明人进行深入了的研究，结果发现，使主相是α-Fe和γ’-Fe4N,α-Fe和γ’-Fe4N相的晶粒细微化，并且与膜面平行的α-Fe的晶面(110)和γ’-Fe4N的晶面(200)的间隔，与无晶格畸变的状态相比更为伸展，γ’-Fe4N的晶面(111)的间隔与无晶格畸变的状态相比更为收缩，基于这样的组织，在具有高饱和磁通密度的Fe-N系薄膜中，获得呈现优异软磁性的高饱和磁通密度的软磁膜。这些相的存在可由X射线衍射法确认。
根据本发明的软磁膜，是含有Fe和N的软磁膜，主相是α-Fe和γ’-Fe4N,α-Fe相和γ’-Fe4N相的平均晶粒尺寸在10nm以下，并且与膜面平行的α-Fe的晶面(110)和γ’-Fe4N的晶面(200)的间隔，是比无晶格畸变的状态更为伸展的状态，γ’-Fe4N的晶面(111)的间隔是比无晶格畸变的状态更为收缩的状态。
按此构成，从上述研究结果可知，能够实现兼备高饱和磁通密度和优异软磁性两方面特性、性能更高的软磁膜。
根据本发明另一方案的软磁膜，其特征在于，具有在Si薄膜上形成有含Fe和N的软磁薄膜的双层结构，软磁薄膜的主相是α-Fe和γ’-Fe4N,α-Fe相和γ’-Fe4N相的平均晶粒尺寸在10nm以下，并且与膜面平行的α-Fe的晶面(110)和γ’-Fe4N的晶面(200)的间隔，是比无晶格畸变的状态更为伸展的状态，γ’-Fe4N的晶面(111)的间隔是比无晶格畸变的状态更为收缩的状态。
这样，本发明人依据实验证实了，通过在Si薄膜上形成上述软磁薄膜，可以具有更优异的软磁性。
根据本发明的软磁多层膜，包括含Fe和N的软磁膜，软磁膜的主相是α-Fe和γ’-Fe4N,α-Fe相和γ’-Fe4N相的平均晶粒尺寸在10nm以下，并且与膜面平行的α-Fe的晶面(110)和γ’-Fe4N的晶面(200)的间隔，是比无晶格畸变的状态更为伸展的状态，γ’-Fe4N的晶面(111)的间隔是比无晶格畸变的状态更为收缩的状态，所述软磁膜与非磁性膜相互层叠。
按上述构成的软磁多层膜，即使磁体层厚，也可以抑制层叠的磁体膜间的磁感应所产生涡流的发生，所以能够提供高频特性优异的磁心材料。
根据本发明又一方案的软磁多层膜，包括含Fe和N的软磁薄膜，软磁薄膜的主相是α-Fe和γ’-Fe4N,α-Fe相和γ’-Fe4N相的平均晶粒尺寸在10nm以下，并且与膜面平行的α-Fe的晶面(110)和γ’-Fe4N的晶面(200)的间隔，是比无晶格畸变的状态更为伸展的状态，γ’-Fe4N的晶面(111)的间隔是比无晶格畸变的状态更为收缩的状态，具有在Si薄膜上形成所述软磁薄膜的双层结构的软磁膜与非磁性膜相互层叠。
按上述构成的软磁多层膜，即使磁体层厚，也可以抑制层叠的磁体膜间的磁感应所产生涡流的发生，所以能够提供高频特性优异的磁心材料。
根据本发明，所述软磁膜或所述软磁多层膜的制造方法，包括在冷却的基片上形成所述软磁膜或所述软磁多层膜的工序。
这样，通过在冷却的基片上形成所述软磁膜或所述软磁多层膜，在刚一成膜之后的状态下，可以不存在γ’-Fe4N相，仅形成晶格伸展的α-Fe的微晶相。
根据本发明，所述软磁膜或所述软磁多层膜的制造方法，包括在300℃以下对在冷却基片上形成的所述软磁膜或所述软磁多层膜进行热处理的工序。
这样，通过在300℃以下的温度对在冷却基片上形成的所述软磁膜或所述软磁多层膜进行热处理，可以形成具有如下组织的软磁膜，即与膜面平行的α-Fe的晶面(110)和γ’-Fe4N的晶面(200)的间隔，与无晶格畸变的状态相比更为伸展，γ’-Fe4N的晶面(111)的间隔与无晶格畸变的状态相比更为收缩。
磁心中含有所述软磁膜或者所述软磁多层膜的磁体元件，最好是选自下列集合中的任何一种：液晶电视所用天线、电磁干扰抑制体、躁声滤波器、脉冲电机、扼流圈、变压器、电感器、磁性阻抗元件和磁头。所述软磁膜或者所述软磁多层膜，具有所述优异的磁特性，所以适合用于选用的磁体元件的小型化、薄型化以及高性能化。
本发明的新颖特征无非是特别记载于权利要求书的范围的内容，通过参考附图的以下详细说明，可以更清楚地理解评价涉及构成和内容双方的本发明，以及其他目的和特征。
图1是本发明实施例1的软磁薄膜的剖面图。
图2是本发明实施例1中制备的Fe-N系薄膜的热处理温度与矫顽力的关系图。
图3展示了本发明实施例1中制备的Fe-N系薄膜的X射线衍射图形相对于热处理温度的变化。
图4是本发明实施例1中制备的Fe-N系薄膜的热处理温度与平均晶粒尺寸的关系图。
图5展示了本发明实施例1中制备的Fe-N系薄膜的晶格畸变相对于热处理温度的变化。
图6展示了本发明实施例1中制备的Fe-N系薄膜的γ’-Fe4N的(200)晶面和(111)晶面的X射线衍射强度与α-Fe的(110)晶面的X射线衍射强度的相对强度，相对于热处理温度的变化。
图7展示了本发明实施例1中制备的软磁膜的导磁率的频率特性。
图8是本发明实施例2的软磁膜的剖面图。
图9是本发明实施例3的软磁膜的剖面图。
图10是本发明实施例4的软磁多层膜的剖面图。
图11是软磁多层膜的其他实施方式的剖面图。
图12是软磁多层膜的其他实施方式的剖面图。
图13是软磁多层膜的其他实施方式的剖面图。
图14是本发明实施例5的躁声滤波器的一种实施方式的透视图。
图15是作为根据本发明的磁体元件的躁声滤波器其他实施方式的透视图。
图16是图14所示躁声滤波器其他实施方式的透视图。
图17是作为根据本发明的磁体元件的薄膜变压器一种实施方式的透视图。
图18是作为根据本发明的磁体元件的薄膜电感器一种实施方式的平面图。
图19是图18所示具有导体膜的薄膜电感器的部分剖面图。
图20是作为根据本发明的磁体元件的薄膜磁头一种实施方式的平面图。
图21是图20所示薄膜磁头的部分剖面图。
图22是则根据本发明的磁体元件的薄膜磁头其他实施方式的部分剖面图。
图23是作为根据本发明的磁体元件的磁电阻元件一种实施方式的平面图。
图24是图23所示磁电阻元件的剖面图。
附图的一部分或者全部是通过以图示为目的的概括展示进行描述的，并非是要忠实地描述其中所示的要素的实际相对大小和位置。
以下，参考图1-图9说明根据本发明的软磁膜的优选实施例1-3。
《实施例1》
本发明人采用高频2极溅射装置，以纯铁为靶，利用在氩气中导入N2气的反应性溅射法，制备如图1所示的Fe-N系薄膜2。图1中，在水冷的Si基片1上形成膜厚1μm的Fe-N系薄膜2。在1×10-3帕斯卡以下的真空中，在48kA/m的静磁场中，于220℃-350℃的温度范围内，对制备的Fe-N系薄膜2进行1小时的热处理。
图2是沿难磁化轴方向测量制备的Fe-N系薄膜2的矫顽力Hc相对于热处理温度的变化曲线。
如图2所示，从刚一成膜之后的状态到220℃的热处理温度，矫顽力呈现650A/m以上的高值，但是在230℃的热处理使矫顽力急剧降低，呈现15A/m以下的低值。直到300℃一直维持这种低矫顽力。而且，在310℃以上的热处理温度矫顽力值急剧增加，在350℃呈现约650A/m的高值。
呈现这种优异软磁性的Fe-N系薄膜2的饱和磁通密度，在230℃-300℃的热处理下约为2T。
图3是制备的Fe-N系薄膜2的X射线衍射图形相对于热处理温度的变化曲线。
如图3所示，在刚一成膜之后的状态，不存在γ’-Fe4N相，仅观测到晶格伸展的α-Fe的(110)晶面的比较宽的衍射峰。在出现良好的软磁性(15A/m以下的矫顽力)的230℃的热处理下，观测到γ’-Fe4N的(111)和(200)晶面的宽衍射峰。
随着热处理温度的上升，α-Fe和γ’-Fe4N的晶面的衍射强度变强，但是直到维持低矫顽力的300℃的热处理，衍射峰都是宽的。此时，α-Fe取向在(110)晶面上。
在软磁性受损的350℃的热处理下，α-Fe和γ’-Fe4N的晶面的衍射强度明显变强，可见γ’-Fe4N的衍射强度比α-Fe的强。
根据这些X射线衍射结果，采用德拜-谢乐公式，计算γ’-Fe4N的(111)、(200)晶面以及α-Fe的(110)晶面的平均晶粒尺寸。
图4是平均晶粒尺寸相对于热处理温度的变化曲线。如图4所示，α-Fe相和γ’-Fe4N相共存，在获得良好软磁性的230-300℃的热处理温度范围，α-Fe相和γ’-Fe4N相的平均晶粒尺寸都在10nm以下。但是，在软磁性受损的350℃的热处理下，可见α-Fe相和γ’-Fe4N相的平均晶粒尺寸都在10nm以上。
以下，采用下式评价与膜面平行的γ’-Fe4N的(111)、(200)晶面以及α-Fe的(110)晶面的晶格畸变。
以dF表示薄膜晶面间隔、以d表示在ASTM卡所示的整体晶面间隔(无晶格畸变的状态)，通过下式(1)表示晶格畸变ε。
ε(％)=(dF-D)×100/d……(1)
图5是晶格畸变相对于热处理温度的变化曲线。在晶格畸变ε的值中，正值表示伸展状态，负值表示收缩状态。如图5所示，在获得良好软磁性的230-300℃的热处理温度范围，可见α-Fe(110)和γ’-Fe4N(200)的晶面间隔，比无晶格畸变的状态伸展了2％以下，γ’-Fe4N(111)的晶面间隔比无晶格畸变的状态收缩了1.5％以下。在软磁性受损的350℃的热处理下，可见γ’-Fe4N(200)、γ’-Fe4N(111)以及α-Fe(110)的晶面间隔全部收缩。
图6是γ’-Fe4N的(200)晶面和(111)晶面的X射线衍射强度与α-Fe(110)晶面的X射线衍射强度的相对强度比IFeN/IFe，相对于热处理温度的变化曲线。如上所述，在获得良好软磁性(15A/m以下的矫顽力)的230-300℃的热处理温度范围，如图6所示，可见γ’-Fe4N(111)晶面和γ’-Fe4N的(200)晶面都是IFeN/IFe的值在1以下。在软磁性受损的350℃的热处理下，IFeN/IFe值约为1.4。
以下，测量软磁膜的导磁率的频率特性。图7是在250℃进行1小时热处理的Fe-N系薄膜2的导磁率频率特性的曲线。利用1匝线圈法，在10MHz-1GHz的频带区，沿软磁膜的难磁化轴方向进行导磁率的测量。如图7所示，获得了导磁率的实数部分μ’在50MHz为1700、在200MHz为1000以上、在1GHz为100以上的高导磁率。并且，导磁率的虚数部分μ”在300Mhz的高频带区也有峰位置。
利用波长分散型微量分析仪(XMA)分析的结果，这种软磁膜的组成是Fe为80％(原子)、N为20％(原子)。
并且，如上所述，这种软磁膜的主相是α-Fe和γ’-Fe4N,α-Fe相和γ’-Fe4N相的平均晶粒尺寸在10nm以下，并且与膜面平行的α-Fe的(110)晶面和γ’-Fe4N的(200)晶面的间隔比无晶格畸变的状态更为伸展，γ’-Fe4N的(111)晶面的间隔比无晶格畸变的状态更为收缩。
《实施例2》
以下，参考附图8说明根据本发明的软磁性薄膜的实施例2。图8是实施例2的软磁性薄膜的剖面图。如图8所示，在Si和Ti-Mg-Ni-O系陶瓷基片3上，形成50nm的Si薄膜4，在该Si薄膜4上，利用与上述实施例1相同的反应性溅射法，制备膜厚1μm的Fe-N系薄膜5。在1×10-3帕斯卡以下的真空中，在48kA/m的静磁场下，于250℃的温度对制备的Fe-N系薄膜5进行1小时的热处理。这种具有在Si薄膜4上形成有Fe-N系薄膜5的双层结构的软磁性薄膜，在难磁化方向的矫顽力，与上述实施例1的膜厚1μm的单层Fe-N系薄膜比较地列于表1。表1中，基片使用Si的情况与使用陶瓷的情况做比较。
表1
| 基片 | 单层膜 | 双层膜 |
| Si | 5A/m | 5A/m |
| 陶瓷 | 42A/m | 5A/m |
如表1所示，在Si基片上形成的单层Fe-N系薄膜的矫顽力，是5A/m的较小值，这与具有在Si基片上形成Si薄膜、并在其上形成Fe-N系薄膜的双层结构的软磁性薄膜的矫顽力等同。
但是，在陶瓷基片上形成的单层Fe-N系薄膜的矫顽力是42A/m，具有在陶瓷基片上形成Si薄膜、在该Si薄膜上形成Fe-N系薄膜的双层结构的软磁性薄膜，与在Si基片上形成单层Fe-N系薄膜具有等同的5A/m的低矫顽力。
在具有基片上形成Si薄膜、在其上形成Fe-N系薄膜的双层结构的软磁性薄膜中，为了实现优异的软磁性，作为基片并不限于使用陶瓷基片的情况，基片材料使用玻璃和有机物膜等也可以具有同样的效果。
并且，Si薄膜的厚度并不限于50nm，任意的膜厚也可以获得同样的效果。
《实施例3》
以下，参考附图9说明根据本发明的软磁性薄膜的实施例3。图9是实施例3的软磁性薄膜的剖面图。如图9所示，在Al2O3-TiC基片6上形成Al2O3薄膜7，在其上形成50nm的Si薄膜8a。在该Si薄膜8a上形成膜厚0.5μm的Fe-N系薄膜9，并在其上形成5nm的Si薄膜8b，在其上再形成膜厚0.5μm的Fe-N系薄膜9。在1×10-3帕斯卡以下的真空中，在48kA/m的静磁场中，于260℃的温度下对如此制备的多层结构的软磁性薄膜进行1小时的热处理。
这种软磁性薄膜在难磁化方向的矫顽力是15A/m。与在Al2O3-TiC基片上形成Al2O3薄膜、并在其上形成单层膜厚1μm的Fe-N系薄膜的情况的矫顽力值49A/m比较，可知上述多层结构的软磁性薄膜的软磁性有很大改善。
并且，所述软磁性薄膜，即使含有数个％(原子)的选自Ti、Ta、Hf、Zr、V、Mo、W、Cr、Al、Si、Ru和Rh中的至少一种元素、或者含有微量的其他元素，只要不与本发明的目的抵触，也不会存在问题。
《实施例4》
以下参考图10-图13说明根据本发明的软磁性多层膜的实施例。
图10是本发明实施例4的软磁性多层膜的一种实施方式的剖面图。此软磁性多层膜11的基本结构是，在基片12的表面上形成实施例1的图1所示单层Fe-N系薄膜的软磁性薄膜，或者具有在实施例2的图8所示Si薄膜上形成Fe-N系薄膜的双层结构的软磁性薄膜，或者在形成多层的具有双层结构的软磁性薄膜的实施例3的多层结构的软磁性薄膜内，至少1种软磁性薄膜13和非磁性薄膜14相互层叠构成。对膜的层叠数量、各膜的膜厚、并无特别限制，可以根据要求的特性适当地设置。
软磁性多层膜可以是，单层Fe-N系薄膜构成的软磁性薄膜，具有在Si薄膜上形成Fe-N系薄膜的双层结构的软磁性薄膜，或者在形成多层的具有双层结构的软磁性薄膜的软磁性薄膜内，构成膜厚不同的至少1种软磁性薄膜13和/或非磁性薄膜14。
图11中，非磁性膜14呈现具有2种膜厚的状态，膜厚0.5-50nm的非磁性膜14a和膜厚50-500nm的非磁性膜14b。并且图12展示了软磁性薄膜13的膜厚呈现3种不同的软磁性薄膜13a、13b、13c的一种实施方式，图13展示了软磁性薄膜13和非磁性膜14双方包含各自不同膜厚的一种实施方式。其中，图11-图13中，a、b、c的符号表示其所指膜的膜厚相同。这些实施例中，软磁性薄膜13的膜厚最好是5-5000nm。
可以采用高频2极溅射装置，以纯铁为靶，通过在Ar气中导入N2气的反应法，形成所述软磁性薄膜13。可以通过调整气氛中的N2气分压，来获得适当的软磁性薄膜13中所含氮。
这里，作为非磁性膜14，可以使用SiO2、Al2O3、AlN、BN、TiN、SiC、Cu、C或Ti、或者Ta、Nb、Zr或Hf的氮化物、氧化物、碳化物等。非磁性膜14和Si薄膜，最好采用与软磁性薄膜13相同的高频溅射法，与软磁性薄膜13连续地形成层叠。
《实施例5》
以下，参考图14-图24说明本发明的磁体元件的实施例5，其中采用上述实施例说明的软磁性薄膜或者软磁性多层膜。
图14是作为根据实施例5的磁体元件一种实施方式的躁声滤波器的透视图。此躁声滤波器20中，在非磁性基片21的表面上形成的下部软磁体膜22a上，由Cu、Al等导体形成的多个棒状导体24，彼此间保持基本等间隔，在SiO2等绝缘体23中棒状导体24的断面位置纵横配置形成复合体。这样，与绝缘体23的上面和两侧面接触的上部软磁膜22b和上述下部软磁膜22a，围成复合体。
下部软磁膜22a和上部软磁膜22b，可以是单层软磁膜，具有在Si薄膜上形成Fe-N系薄膜的双层结构的软磁性薄膜，或形成多层具有双层结构的软磁性薄膜的软磁性薄膜。并且，可以是所述软磁性薄膜和非磁性膜相互层叠构成的软磁性多层膜。
图15展示了躁声滤波器另一实施方式。如图15所示，包含一条导体34的躁声滤波器30，是利用在非磁性基片31表面上形成的下部软磁膜32a、与绝缘体33的上面和两侧面接触的上部软磁膜32b，包围导体34和绝缘体33而构成的。
下部软磁膜32a和上部软磁膜32b，可以是单层软磁膜，具有在Si薄膜上形成软磁性薄膜的双层结构的软磁性薄膜，或形成多层具有双层结构的软磁性薄膜的软磁性薄膜。并且，可以是如上所述构成的软磁性薄膜和非磁性膜相互层叠构成的软磁性多层膜。
构成这种软磁性薄膜的Fe-N系薄膜的组成范围最好是，1-25％(原子)的N、75-99％(原子)的Fe。
这样，作为根据本发明的磁体元件一种实施方式的躁声滤波器，包括棒状导体34、覆盖此导体34的绝缘体33、下部软磁膜32a、上部软磁膜32b。下部软磁膜32a和上部软磁膜32b夹持绝缘体33，而且围绕绝缘体33表面那样配置着。下部软磁膜32a和上部软磁膜32b主相是α-Fe和γ’-Fe4N,α-Fe相和γ’-Fe4N相的平均晶粒尺寸在10nm以下，并且与膜面平行的α-Fe的晶面(110)和γ’-Fe4N的晶面(200)的间隔，比无晶格畸变的状态更为伸展，γ’-Fe4N的晶面(111)的间隔比无晶格畸变的状态更为收缩。
其中，如图16所示，实施例5的躁声滤波器，可以采用在非磁性基片21上纵横配置多个躁声滤波器20a-20d的实施方式。
并且，作为实施例5的磁体元件一种实施方式的电磁干扰抑制体，在聚酰亚胺等有机物膜的基片上，或者形成单层软磁性薄膜，或者形成在Si薄膜上形成有Fe-N系薄膜的双层结构的软磁性薄膜，或者形成进一步形成多层具有这种双层结构的软磁性薄膜的软磁性薄膜，或者形成所述软磁性薄膜和非磁性膜相互层叠构成的软磁性多层膜。
并且，实施例5的电磁干扰抑制体最好是，主相是α-Fe和γ’-Fe4N,α-Fe相和γ’-Fe4N相的平均晶粒尺寸在10nm以下，并且与膜面平行的α-Fe的晶面(110)和γ’-Fe4N的晶面(200)的间隔，比无晶格畸变的状态更为伸展，γ’-Fe4N的晶面(111)的间隔比无晶格畸变的状态更为收缩。
图17是作为根据本发明的磁体元件一种实施方式的薄膜变压器。此薄膜变压器40具有如下层叠结构，在玻璃、Si晶片等非磁性基片41一部分表面上，按照图示从下面顺序地，形成下部软磁膜42、绝缘膜43、次级线圈44、绝缘膜43、初级线圈45、绝缘膜43、导体46、绝缘膜43、上部软磁膜48。由上部软磁膜48基本覆盖这种层叠结构，引线端47从上部软磁膜48和非磁性基片41之间向外延伸。其中次级线圈44、初级线圈45、和导体46由Cu等导体材料构成，绝缘膜43由SiO2等构成。如图17简化所示，初级线圈45和次级线圈44，在水平方向(与层叠面平行的方向)卷绕构成，根据预定的比例设定卷绕比。
这样，作为根据本发明的磁体元件的一种实施方式的薄膜变压器40，包括在与借助绝缘膜43层叠的层叠面平行的面内卷绕的初级线圈45和次级线圈44，借助绝缘膜43夹持这些初级线圈45和次级线圈44而配置的下部软磁膜42和上部软磁膜48。这些下部软磁膜42和上部软磁膜48最好是，主相是α-Fe和γ’-Fe4N,α-Fe相和γ’-Fe4N相的平均晶粒尺寸在10nm以下，并且与膜面平行的α-Fe的晶面(110)和γ’-Fe4N的晶面(200)的间隔，比无晶格畸变的状态更为伸展，γ’-Fe4N的晶面(111)的间隔比无晶格畸变的状态更为收缩。
图17所示下部软磁膜42和上部软磁膜48，是用于形成薄膜变压器的磁心，如上述实施例那样，可以是单层软磁性薄膜，具有在Si薄膜上形成有Fe-N系薄膜的双层结构的软磁性薄膜，进一步形成多层具有这种双层结构的软磁性薄膜的软磁性薄膜。并且下部软磁膜42和上部软磁膜48也可以是所述软磁性薄膜和非磁性膜相互层叠构成的软磁性多层膜。构成这种软磁性薄膜的Fe-N系薄膜的组成范围最好是，1-25％(原子)的N、75-99％(原子)的Fe。
图18和图19是薄膜电感器的一种实施方式。此薄膜电感器是Si芯片搭载型微扼流圈中的Si芯片上的薄膜电感器，图18是该薄膜电感器仅有一层导体膜54的平面图。图19是具有图18的导体膜54的薄膜电感器50的剖面图。图19中，薄膜电感器50具有如下层叠结构，在IC封装51上的Si芯片55上，按照图从上面顺序地形成SiO2膜56、下部软磁膜52、SiO2等的绝缘膜53、具有Cu或Al等在层叠面方向卷绕的图形的导体膜54、上部软磁膜58。
这样，作为根据本发明的磁体元件一种实施方式的薄膜电感器50，具有层叠结构，包括在与层叠面方向平行的面上卷绕的薄膜线圈的导体膜54，夹持它们而配置的下部软磁膜52和上部软磁膜58。下部软磁膜52和上部软磁膜58最好是，主相是α-Fe和γ’-Fe4N,α-Fe相和γ’-Fe4N相的平均晶粒尺寸在10nm以下，并且与膜面平行的α-Fe的晶面(110)和γ’-Fe4N的晶面(200)的间隔，比无晶格畸变的状态更为伸展，γ’-Fe4N的晶面(111)的间隔比无晶格畸变的状态更为收缩。
这些下部软磁膜52和上部软磁膜58，是用于形成薄膜电感器50的磁心，如上述实施例那样，可以是单层软磁性薄膜，具有在Si薄膜上形成有Fe-N系薄膜的双层结构的软磁性薄膜，形成多层具有这种双层结构的软磁性薄膜的软磁性薄膜。并且软磁膜52和58，也可以是所述软磁性薄膜和非磁性膜相互层叠构成的软磁性多层膜。构成这些软磁性薄膜的Fe-N系薄膜的组成范围最好是，1-25％(原子)的N、75-99％(原子)的Fe。
图20和图21是作为根据本发明的磁体元件一种实施方式的薄膜磁头。图20是此薄膜磁头的平面图，图21是图20所示薄膜磁头60沿线ⅩⅩⅠ-ⅩⅩⅠ的剖面图。此薄膜磁头60，在Al2O3-TiC等绝缘基片61的表面上，按照图中顺序，形成下部软磁膜62、Al2O3、SiO2等构成的磁隙层65、SiO2等的绝缘层63、铜等构成的薄膜线圈64、上部软磁膜68、Al2O3等构成的保护层66。
图22展示了薄膜磁头另一实施方式。此薄膜磁头70与图20所示薄膜磁头60不同之处在于，下部软磁膜62和磁屏蔽心层77之间夹入绝缘层73，绝缘层73的一部分夹入磁电阻效应元件79。这种薄膜磁头70是搭载屏蔽型的磁电阻效应型磁头(以下称为“MR磁头”)作为重放专用磁头搭载的实施方式，利用下部软磁膜62和屏蔽磁心77对磁电阻效应元件79进行磁屏蔽。磁电阻效应元件79可以由坡莫合金薄膜、CoO/NiFe/Cu/NiFe、CoMnB/Co/Cu/Co等磁电阻材料形成。这里针对屏蔽型MR磁头进行了说明，但也可以是磁轭型MR磁头。
如上所述，作为根据本发明的磁体元件一种实施方式的薄膜磁头60、70，包括在层叠面方向卷绕的薄膜线圈64、借助绝缘层63夹持薄膜线圈64而配置的软磁膜62、68。这里，软磁膜62、68最好是，主相是α-Fe和γ’-Fe4N,α-Fe相和γ’-Fe4N相的平均晶粒尺寸在10nm以下，并且与膜面平行的α-Fe的(110)晶面和γ’-Fe4N的晶面(200)的间隔，比无晶格畸变的状态更为伸展，γ’-Fe4N的(111)晶面的间隔比无晶格畸变的状态更为收缩。
软磁膜62、68是用于形成薄膜磁头60、70的磁心，如上述实施例那样，可以是单层软磁性薄膜，可以是具有在Si薄膜上形成有Fe-N系薄膜的双层结构的软磁性薄膜，也可以是形成多层具有这种双层结构的软磁性薄膜的软磁性薄膜。并且软磁膜62、68，也可以是所述软磁性薄膜和非磁性膜相互层叠构成的软磁性多层膜。构成软磁性薄膜62、68的Fe-N系薄膜的组成范围最好是，1-25％(原子)的N、75-99％(原子)的Fe。
本实施例针对薄膜磁头进行了说明，但是本发明并不仅限于此，作为磁头可以是叠层层气隙中的金属(MIG)型、主磁极励磁型，或者其他形式的磁头。
图23和图24展示了磁性阻抗元件一种实施方式。图23是此磁性阻抗元件的平面图，图24是图23所示磁性阻抗元件80沿线ⅩⅩⅣ-ⅩⅩⅣ的剖面图。
如图23和图24所示，磁性阻抗元件80，是利用在非磁性基片81表面上形成的下部软磁膜82、与Cu等棒状非磁性导电体83的上面和两侧面接触上部软磁膜84，覆盖非磁性导电体83而构成。
下部软磁膜82和上部软磁膜84最好是，主相是α-Fe和γ’-Fe4N,α-Fe相和γ’-Fe4N相的平均晶粒尺寸在10nm以下，并且与膜面平行的α-Fe的(110)晶面和γ’-Fe4N的晶面(200)的间隔，比无晶格畸变的状态更为伸展，γ’-Fe4N的(111)晶面的间隔比无晶格畸变的状态更为收缩。
图23和图24所示下部软磁膜82和上部软磁膜84，是用于形成磁性阻抗元件的磁心，如上述实施例那样，可以是单层软磁性薄膜，可以是具有在Si薄膜上形成有Fe-N系薄膜的双层结构的软磁性薄膜，也可以是形成多层具有这种双层结构的软磁性薄膜的软磁性薄膜。并且下部软磁膜82和上部软磁膜84，也可以是所述软磁性薄膜和非磁性膜相互层叠构成的软磁性多层膜。构成这种软磁性薄膜的Fe-N系薄膜的组成范围最好是，1-25％(原子)的N、75-99％(原子)的Fe。
磁心中包含上述软磁膜或者软磁多层膜的磁体元件，可以用于液晶电视所用天线、电磁干扰抑制体、躁声滤波器、脉冲电机、扼流圈、变压器、电感器、磁性阻抗元件和磁头等。由此，磁体元件可以实现小型化、薄型化和高性能化，因而适合于各种设备的使用。
从以上实施例中详细说明的可知，本发明具有以下效果。亦即，根据本发明，主相是α-Fe和γ’-Fe4N,α-Fe相和γ’-Fe4N相的平均晶粒尺寸在10nm以下，并且与膜面平行的α-Fe的(110)晶面和γ’-Fe4N的(200)晶面的间隔，比无晶格畸变的状态更为伸展，γ’-Fe4N的(111)晶面的间隔比无晶格畸变的状态更为收缩，包括单层软磁性薄膜，或者具有在Si薄膜上形成上述Fe-N系薄膜的双层结构的软磁性薄膜，或者是形成多层具有这种双层结构的软磁性薄膜的软磁性薄膜，或者是所述软磁性薄膜和非磁性膜相互层叠构成的软磁性多层膜，具有高饱和磁通密度和优异的软磁性。由此，使用这些高性能软磁膜或者软磁性多层膜的磁体元件具有优异的磁特性。
根据本发明的软磁膜和软磁膜的制造方法，可以容易地并且确切地形成具有优异软磁性的膜体。
虽然以具有发明程度的详细内容说明了优选的形式，但是这种优选形式的公开内容应该能够在构成细节上变化，在不脱离权利要求的发明范围和构思的条件下，可以实现各要素的组合和顺序的变化。
Claims (19)
1．一种软磁膜，其特征在于，该软磁膜含有Fe和N，主相是α-Fe和γ’-Fe4N,α-Fe相和γ’-Fe4N相的平均晶粒尺寸在10nm以下，并且与膜面平行的α-Fe的晶面(110)和γ’-Fe4N的晶面(200)的间隔，是比无晶格畸变的状态更为伸展的状态，γ’-Fe4N的晶面(111)的间隔是比无晶格畸变的状态更为收缩的状态。
2．一种软磁膜，其特征在于，包括含有Fe和N的软磁性薄膜，主相是α-Fe和γ’-Fe4N,α-Fe相和γ’-Fe4N相的平均晶粒尺寸在10nm以下，并且与膜面平行的α-Fe的晶面(110)和γ’-Fe4N的晶面(200)的间隔，是比无晶格畸变的状态更为伸展的状态，γ’-Fe4N的晶面(111)的间隔是比无晶格畸变的状态更为收缩的状态，具有所述软磁性薄膜形成在Si薄膜上的双层结构。
3．根据权利要求2的软磁膜，其特征在于，形成多层具有在Si薄膜上形成有软磁膜的双层结构的软磁膜。
4．根据权利要求1、2或3的软磁膜，其特征在于，γ’-Fe4N的(200)晶面和(111)晶面的X射线衍射强度，与平行于膜面的α-Fe的(110)晶面的X射线衍射强度的相对强度总共在1以下。
5．一种软磁膜，其特征在于，根据权利要求1、2或3中记载的软磁膜的组成范围是1-25％(原子)的N、75-99％(原子)的Fe。
6．根据权利要求1、2或3的软磁膜，其特征在于，形成软磁膜的基片是Si。
7．一种软磁多层膜，其特征在于，是含有Fe和N的软磁膜，主相是α-Fe和γ’-Fe4N,α-Fe相和γ’-Fe4N相的平均晶粒尺寸在10nm以下，并且与膜面平行的α-Fe的晶面(110)和γ’-Fe4N的晶面(200)的间隔，是比无晶格畸变的状态更为伸展的状态，γ’-Fe4N的晶面(111)的间隔是比无晶格畸变的状态更为收缩的状态，所述软磁膜与非磁性膜相互层叠。
8．一种软磁多层膜，其特征在于，包括含有Fe和N的软磁性薄膜，主相是α-Fe和γ’-Fe4N,α-Fe相和γ’-Fe4N相的平均晶粒尺寸在10nm以下，并且与膜面平行的α-Fe的晶面(110)和γ’-Fe4N的晶面(200)的间隔，是比无晶格畸变的状态更为伸展的状态，γ’-Fe4N的晶面(111)的间隔是比无晶格畸变的状态更为收缩的状态，是具有在Si薄膜上形成所述软磁性薄膜的双层结构的软磁膜，所述软磁膜与非磁性膜相互层叠。
9．一种软磁膜的制造方法，该方法是，根据权利要求1、2或3的软磁膜的制造方法，其特征在于，包括在冷却基片上形成所述软磁膜的工序。
10．一种软磁膜的制造方法，该方法是，根据权利要求1、2或3的软磁膜的制造方法，其特征在于，包括在300℃下对所述软磁膜进行热处理的工序。
11．一种软磁膜的制造方法，该方法是，根据权利要求1,2或3的软磁膜的制造方法，其特征在于包括：在冷却基片上形成所述软磁膜的工序，和在300℃下对所述软磁膜进行热处理的工序。
12．一种软磁膜的制造方法，该方法是，根据权利要求7或8的软磁多层膜的制造方法，其特征在于，包括在冷却基片上形成所述软磁多层膜的工序。
13．一种软磁膜的制造方法，该方法是，根据权利要求7或8的软磁多层膜的制造方法，其特征在于，包括在300℃下对所述软磁多层膜进行热处理的工序。
14．一种软磁膜的制造方法，该方法是，根据权利要求7或8的软磁多层膜的制造方法，其特征在于包括；在冷却基片上形成所述软磁多层膜的工序，和在300℃下对所述软磁多层膜进行热处理的工序。
15．一种磁体元件，其特征在于，包括含有Fe和N的软磁膜，主相是α-Fe和γ’-Fe4N,α-Fe相和γ’-Fe4N相的平均晶粒尺寸在10nm以下，并且与膜面平行的α-Fe的晶面(110)和γ’-Fe4N的晶面(200)的间隔，是比无晶格畸变的状态更为伸展的状态，γ’-Fe4N的晶面(111)的间隔是比无晶格畸变的状态更为收缩的状态，磁心中含有所述软磁膜。
16．一种磁体元件，其特征在于，包括含有Fe和N的软磁性薄膜，所述软磁性薄膜的主相是α-Fe和γ’-Fe4N,α-Fe相和γ’-Fe4N相的平均晶粒尺寸在10nm以下，并且与膜面平行的α-Fe的晶面(110)和γ’-Fe4N的晶面(200)的间隔，是比无晶格畸变的状态更为伸展的状态，γ’-Fe4N的晶面(111)的间隔是比无晶格畸变的状态更为收缩的状态，是具有在Si薄膜上形成所述软磁性薄膜的双层结构的软磁膜，磁心中含有所述软磁膜。
17．一种磁体元件，其特征在于，包括含有Fe和N的软磁膜，主相是α-Fe和γ’-Fe4N,α-Fe相和γ’-Fe4N相的平均晶粒尺寸在10nm以下，并且与膜面平行的α-Fe的晶面(110)和γ’-Fe4N的晶面(200)的间隔，是比无晶格畸变的状态更为伸展的状态，γ’-Fe4N的晶面(111)的间隔是比无晶格畸变的状态更为收缩的状态，所述软磁膜与非磁性膜相互层叠成软磁多层膜，磁心中含有所述软磁多层膜。
18．一种磁体元件，其特征在于，包括含有Fe和N的软磁性薄膜，主相是α-Fe和γ’-Fe4N,α-Fe相和γ’-Fe4N相的平均晶粒尺寸在10nm以下，并且与膜面平行的α-Fe的晶面(110)和γ’-Fe4N的晶面(200)的间隔，是比无晶格畸变的状态更为伸展的状态，γ’-Fe4N的晶面(111)的间隔是比无晶格畸变的状态更为收缩的状态，具有所述软磁性薄膜形成在Si薄膜上的双层结构的软磁膜，与非磁性膜相互层叠成软磁多层膜，磁心中含有所述软磁多层膜。
19．根据权利要求15、16、17或18的磁体元件，构成液晶电视所用天线、电磁干扰抑制体、躁声滤波器、脉冲电机、扼流圈、变压器、电感器、磁性阻抗元件或者磁头。
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