CN1801410A - 磁性薄膜及其形成方法、磁性元件以及电感器和磁性元件的制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供具有高共振频率，高频特性优异的磁性薄膜以及高频特性优异的磁性元件以及电感器。在衬底2上设置平面线圈4以及磁性薄膜1，在连接用端子J1，J2之间形成电感器。相对于衬底2的表面，沿着倾斜方向使磁性薄膜1中的倾斜生长磁性层11晶体生长成柱状(倾斜生长磁性体12)。在该倾斜生长磁性层11中，为了使倾斜生长磁性体12软磁化，向倾斜生长磁性体12混入绝缘体13。使得倾斜生长磁性层11显示出面内晶体磁各向异性，同时提高该面内晶体磁各向异性，增加各向异性磁场。能够只通过倾斜生长磁性层11的晶体生长方向来改变各向异性磁场Hk，从而增加各向异性磁场Hk，提高磁性薄膜1的共振频率fr而不降低饱和磁化强度4πMs。

Description

磁性薄膜及其形成方法、磁性元件以及电感器和磁性元件的制造方法

【技术领域】

本发明涉及在GHz频带的高频特性良好的磁性薄膜及其形成方法、具有这种磁性薄膜的磁性元件以及电感器和磁性元件的制造方法。

【背景技术】

近年，作为集成受动部件，需要薄膜电感器或薄膜变压器等平面型磁性元件在高频应用，随之就需要在GHz频带中高频特性良好的磁性薄膜。

作为提高磁性薄膜的高频特性的方针，可以列举提高共振频率或抑制高频电流损失等途径。其中，为了提高磁性薄膜的共振频率，根据下述公式(1)，需要增大各向异性磁场Hk以及饱和磁化强度4πMs的值。

【数1】

$f_r=\frac{\mathrm{\γ}}{2\mathrm{\π}}\sqrt{4\mathrm{\π}{H}_K{\·M}_s}\·\·\·\left(1\right)$

(f_r：共振频率，γ：旋磁常数，H_k：各向异性磁场，M_s：饱和磁化强度)

作为向磁性薄膜提供该各向异性磁场Hk的技术，以前一直以来都是利用在磁场中对磁性薄膜进行热处理的技术(例如，参照专利文献1)，最近，还利用在磁场中对磁性层进行成膜的技术(例如，参照专利文献2)。

另外，当把这样的磁性薄膜实际应用于磁性元件时，重要的是不仅各向异性磁场Hk的值要大，而且能够根据使用目的或用途随意地控制该值。

例如，在非专利文献1中，公开了在(Co_1-xFe_x)-Al-O磁性薄膜中，通过变化钴(Co)和铁(Fe)的组成而控制各向异性磁场Hk的技术。

【专利文献1】特开平5-114530号公报

【专利文献2】特开2002-20864号公报

【非专利文献1】大沼等二人，“具有高电阻率的(Co_1-xFe_x)-Al-O粒状薄膜的磁致伸缩和软磁性质”，Journal of Applied Physics，American Institute ofPhysics，1999年4月15日，第85卷，第8号，第4574-4576页。

【发明内容】

然而，在上述专利文献1的技术中，能够提供的各向异性磁场Hk最大为约15×10³/4π[A/m](＝19Oe)，并不能提供更大的各向异性磁场Hk和提高共振频率fr。另外，在上述专利文献2的技术中，虽然能够提供各向异性磁场Hk，但是并不能随意地控制该值。

此外，在上述非专利文献1的技术中，虽然能够随意地控制各向异性磁场Hk，但是，如该文献的图1(c)、(d)所示，如果利用Co和Fe的组成而改变各向异性磁场Hk(图1(d))，随之还会改变饱和磁通密度Bs(与饱和磁化强度4πMs意义相同)(图1(c))。即，随着各向异性磁场Hk增加，饱和磁通密度Bs降低，最终根据上述式(1)，共振频率fr几乎没有变化，并不能提高该值。

像这样，通过上述那样的技术使磁性薄膜的各向异性磁场变化的现有技术难以获得具有高共振频率、高频特性优异的磁性薄膜。因此，难以获得高频特性优异的磁性元件。

本发明是鉴于上述问题而完成的，其第1个目的是提供具有高共振频率、高频特性优异的磁性薄膜及其形成方法。

另外，本发明的第2个目的是提供高频特性优异的磁性元件以及电感器和磁性元件的制造方法。

使本发明的磁性薄膜成为如下所述的膜：具有含有绝缘材料和通过混入该绝缘材料而软磁化的磁性材料，形成于衬底上，且相对于叠层面沿着倾斜方向晶体生长成柱状的倾斜生长磁性层。

在这里，所谓“软磁化”是指不论绝缘材料混入前的磁特性，即不论磁性材料显示软磁性还是硬磁性，通过混入绝缘材料而使其变得与混入前相比显示出软磁性倾向，并且不论其程度。另外，所谓“叠层面”是指叠层多层膜而得到的面，通常与衬底面平行。此外，所谓“柱状”并不限于文字上所述的柱的形状，而是表示具有长轴和短轴的形状。

本发明的磁性元件具备线圈和设置在该线圈单侧的磁性薄膜，该磁性薄膜具有含有绝缘材料和通过混入该绝缘材料而软磁化的磁性材料，并且相对于叠层面沿着倾斜方向晶体生长成柱状的倾斜生长磁性层。

本发明的电感器具有上述结构的磁性元件。

在本发明的磁性薄膜、磁性元件以及电感器中，倾斜生长磁性层相对于叠层面沿着倾斜方向晶体生长成柱状，从而根据其方向控制面内磁各向异性。即，在与垂直于叠层面的方向之间具有角度，从而产生强烈的面内磁各向异性。另外，在倾斜生长磁性层中，为了软磁化向磁性材料中混入绝缘材料，从而促进磁性材料的微晶化，增强面内结晶磁各向异性，并且提高磁性薄膜的电阻率，抑制磁性薄膜中的电流损失。

可以使本发明的磁性薄膜进一步具有含有上述绝缘材料以及上述磁性材料，并且相对于叠层面沿垂直方向晶体生长成柱状的垂直生长磁性层。在该情况下，可以在这些倾斜生长磁性层和垂直生长磁性层的层之间具有绝缘层。另外，可以具有多层倾斜生长磁性层，在这些多层的倾斜生长磁性层的层之间具有绝缘层。

在本发明的磁性元件中，可以使磁性薄膜的至少一方进一步具有含有上述绝缘材料以及上述磁材料，并且相对于叠层面沿垂直方向晶体生长成柱状的垂直生长磁性层。另外，还可以使磁性薄膜的至少一方在倾斜生长磁性层和垂直生长磁性层的至少一层间或者当具有多层倾斜磁性层时在这些多层倾斜生长磁性层之间具有绝缘层。

当如上述那样具有垂直生长磁性层及绝缘层而构成的情况下，通过绝缘层能够阻断高频电流，抑制过电流损失。此外，通过磁性层间的静磁结合，能够抑制闭合磁畴(或者三角磁畴)的产生，提高软磁特性。最终能够提高高频下的磁导率或性能指数(Q＝μ′(磁导率的实部)/μ″(磁导率的虚部))。

在本发明的磁性薄膜中，具有多层倾斜生长磁性层，还可以使至少一对倾斜生长磁性层的晶体生长方向与叠层面平行的分量相互大致正交。另外，在这些相邻的一对倾斜生长磁性层中，优选使一方倾斜生长磁性层中的晶体生长方向与叠层面形成的角度，从叠层面的这一端到另一端缓慢增大，并且，使另一方的倾斜生长磁性层中的晶体生长方向与叠层面形成的角度，从叠层面的另一端到这一端缓慢增大。像上述那样，当从叠层面的一端到另一端，使相邻的一对倾斜生长磁性层中的晶体生长方向与叠层面形成的角度相互发生相反的变化而构成时，能够减少这些角度相对于叠层面上的位置的偏差。

在本发明的磁性元件中，优选使磁性薄膜设置在线圈的两侧，并夹着这些线圈。此时，在分别对应于设置在线圈两侧的一对磁性薄膜的一对倾斜生长磁性层中，还可以使晶体生长方向平行于叠层面的分量相互大致垂直。另外，还可以使分别对应于设置在线圈两侧的一对磁性薄膜的一对倾斜生长磁性层，以垂直于叠层面的截面上的线圈中心面为基准，相互形成面对称。另外，在这些相邻的一对倾斜生长磁性层中，优选构成如下形态：使一方倾斜生长磁性层中的晶体生长方向与叠层面形成的角度，从叠层面的这一端到另一端缓慢增大，并且，使另一方的倾斜生长磁性层中的晶体生长方向与叠层面形成的角度，从叠层面的另一端到这一端缓慢增大。由此使一对倾斜生长磁性层中的晶体生长方向与叠层面形成的角度从叠层面的一端向另一端相互发生相反的变化而构成时，能够减少这些角度相对于叠层面上的位置的偏差。

在本发明的磁性薄膜以及磁性元件中，优选上述磁性材料含有铁(Fe)或钴铁(CoFe)而构成。

本发明的磁性薄膜的形成方法包括如下第1叠层工序：在衬底上方，使其含有绝缘材料和通过混入该绝缘材料而软磁化的磁性材料，相对于叠层面沿着倾斜方向使之结晶生长成柱状，叠层第1倾斜生长磁性层。

本发明的磁性元件的制造方法包括如下2个叠层工序：在衬底的一侧，使其含有绝缘材料和通过混入该绝缘材料而软磁化的磁性材料，相对于叠层面沿着倾斜方向使之结晶生长成柱状，形成第1倾斜生长磁性薄膜的第1叠层工序，和在该第1倾斜生长磁性薄膜的与衬底相反一侧，使其含有上述绝缘材料和上述磁性材料，相对于叠层面沿着倾斜方向使之结晶生长成柱状，形成第2倾斜生长磁性薄膜的第2叠层工序。

在本发明的磁性薄膜的形成方法中，优选包含在第1倾斜生长磁性层的上方，使其含有上述绝缘材料和上述磁性材料，相对于叠层面沿着倾斜方向使之结晶生长成柱状，叠层第2倾斜生长磁性层的第2叠层工序，并且在上述第1叠层工序和上述第2叠层工序之间，含有使衬底沿面内方向旋转180°的工序。

在这里所谓“沿面内方向旋转180°”不但指使衬底沿面内方向自转的情况，还表示使衬底沿面内方向公转的情况。

在本发明的磁性元件的制造方法中，优选在上述第1叠层工序和上述第2叠层工序之间，包含使衬底沿面内方向旋转180°的工序。

当在第1叠层工序和第2叠层工序之间包括这样的工序时，在第1倾斜生长磁性层以及第2倾斜生长磁性层中，晶体生长方向相对于衬底表面或第1倾斜生长磁性层的表面所形成的角度，从衬底的一端向另一端形成彼此相反的变化，从而能够减少这些角度相对于衬底上的位置的偏差。

【发明效果】

利用本发明的磁性薄膜或者磁性薄膜的形成方法，相对于叠层面沿倾斜方向使倾斜生长磁性层晶体生长成柱状，并且在该倾斜生长磁性层中的磁性材料中混入绝缘材料，从而能够使得倾斜生长磁性层显示出面内结晶磁各向异性，同时能够增强该面内结晶磁各向异性，并能够增加各向异性磁场。因此，能够不改变磁性薄膜的组成，只通过倾斜生长磁性层的晶体生长方向来改变各向异性磁场，从而能够增加各向异性磁场而不减少饱和磁化强度，并能够提高磁性薄膜的共振频率。因此，能够获得高频特性优异的磁性薄膜。

另外，利用本发明的磁性元件、电感器、或磁性元件的制造方法，使磁性薄膜的倾斜生长磁性层相对于叠层面沿倾斜方向晶体生长成柱状，同时在该倾斜生长磁性层的磁性材料中混入绝缘材料，从而能够使得倾斜生长磁性层显示出面内结晶磁各向异性，同时能够增强该面内结晶磁各向异性，并能够增加各向异性磁场。因此，能够不改变磁性薄膜的组成，只通过倾斜生长磁性层的晶体生长方向来改变各向异性磁场，从而能够增加各向异性磁场而不减少饱和磁化强度，并能够提高磁性薄膜的共振频率。因此，能够获得高频特性优异的磁性薄膜，并能够制成高频特性优异的磁性元件或电感器。

另外，利用本发明的磁性薄膜、磁性薄膜的形成方法、磁性元件、电感器或者磁性元件的制造方法，通过向磁性材料混入绝缘材料而提高磁性薄膜的电阻率，能够抑制磁性薄膜中的过电流损失，进一步提高高频特性(性能指数)。

特别地，当本发明的磁性薄膜具有垂直生长磁性层或绝缘层而进行构成的情况下，通过控制倾斜生长磁性层的膜厚，能够控制各向异性磁场的强度。

另外，当根据本发明的磁性元件或电感器，在磁性薄膜具有垂直生长磁性层或绝缘层而进行构成的情况下，通过磁性层间的静磁结合而抑制闭合磁畴(或者三角磁畴)的产生，从而提高软磁特性。最终能够提高高频下的磁导率或性能指数(Q＝μ′(磁导率的实部)/μ″(磁导率的虚部))。

另外，尤其当通过本发明的磁性薄膜或磁性薄膜的形成方法，从叠层面的一端到另一端，使相邻一对的倾斜生长磁性层中的晶体生长方向与叠层面形成的角度相互发生相反的变化而构成时，能够减少这些角度相对于叠层面上的位置的偏差，从而能够提高制造时的成品率，降低生产成本。

此外，尤其通过本发明的磁性元件、电感器或磁性元件的制造方法，在线圈的两侧设置一对磁性薄膜，在分别对应于这一对磁性薄膜的一对倾斜生长磁性层中，当从线圈延伸面的一端到另一端，使晶体生长方向与线圈延伸面形成的角度相互发生相反的变化而构成时，能够减少这些角度相对线圈延伸面上的位置的偏差，从而能够提高制造时的成品率，降低生产成本。

【具体实施方式】

以下，参照附图，对实施发明的最佳方式(以下简称实施方式)进行详细描述。

[实施方式1]

图1模式化地描述作为本发明实施方式1的磁性元件的电感器10的结构，(A)表示俯视图，(B)模式化地表示(A)中A-A部分的向视剖面图。该电感器10具有衬底2、在该衬底2上形成的绝缘层3A以及磁性薄膜1及在磁性薄膜1上形成螺旋形的平面线圈4和在磁性薄膜1上覆盖平面线圈4而形成的绝缘层3B。

衬底2是由例如玻璃衬底、陶瓷材料衬底、半导体衬底或者树脂衬底等构成。作为陶瓷材料，列举例如氧化铝、氧化锆、炭化硅、氮化硅、氮化铝、块滑石、莫来石、堇青石、镁橄榄石、尖晶石以及铁氧体等。另外，绝缘层3A、3B例如由氧化硅(SiO₂)等绝缘性陶瓷材料、感光聚酰亚胺、感光环氧化物或者BCB(苯并环丁烷)等构成。平面线圈4例如通过镀铜或溅射等构成。另外，从该平面线圈4的两端，分别将连接用端子J1，J2引向衬底2的外部。

磁性薄膜1如后面所述由相对于衬底2的表面(以及平面线圈4延伸存在的线圈延伸面，以下同)沿着倾斜方向生长成柱状的倾斜生长磁性层11构成，从而显示出较高的面内结晶磁各向异性。而且，通过使磁性薄膜1具有这样的结构，如后面所述使得其具有高共振频率，从而在GHz频带具有优异的高频特性。

如此，在电感器10中，在衬底2上设置平面线圈4，并且通过绝缘层3而设置磁性薄膜1，从而在连接端子J1，J2之间形成电感器。而且，通过在该电感器10中并列设置多个平面线圈4，可以形成变压器。

图2模式化地描述磁性薄膜1的剖面结构。该磁性薄膜1成为在衬底2上叠层倾斜生长磁性层11而形成的结构。

倾斜生长磁性层11由倾斜生长磁性体12及绝缘体13组成，如图2所示，是在倾斜生长磁性体12中混入绝缘体13而构成的。

倾斜生长磁性体12是由通过混入绝缘体13而软磁化的磁性材料而构成，其中，优选为强磁性材料铁(Fe)或钴铁(CoFe)。这是因为这些强磁性材料具有高饱和磁化强度，因此，无论怎么软磁化，仍然保持高饱和磁化强度，从而获得更高的共振频率fr。

另外，如图3所示，该倾斜生长磁性体12相对于衬底2的表面沿着倾斜方向(如果取图3中的xy平面为与衬底2的表面平行的线圈延伸面，则与该xy面形成一定的角度θ)生长成柱状。该倾斜生长磁性体12的柱状结晶的大小例如在短轴方向约15nm左右、在长轴方向约500nm左右。通过倾斜生长磁性体12的这种晶体生长，使得如后面所述通过倾斜生长磁性层11而表现出面内结晶磁各向异性。而且，通过改变在倾斜生长磁性体12中的晶体生长方向与线圈延伸面所形成的角度(图3的角度θ)，还能够控制该面内结晶磁各向异性的大小。

绝缘体13例如由氧化铝(Al₂O₃)、氧化硅(SiO₂)、氧化锆(ZrO₂)、氧化钇(Y₂O₃)、氧化钛(TiO₂)、氧化铪(HfO₂)、氧化铈(CeO₂)等氧化物、氟化镁(MgF₂)、氟化钙(CaF₂)、氟化钡(BaF₂)等氟化物、氮化铝(AlN)、氮化硼(BN)、氮化硅(Si₃N₄)等氮化物等构成。该绝缘体13起到像上述那样对倾斜生长磁性体12进行软磁化，同时提高磁性薄膜1的电阻率的作用。具体地讲，起到像后述那样促进倾斜生长磁性体12的微晶化、提高软磁特性，并且抑制在磁性薄膜1中的高频电流损失的作用。

由于这样的结构，在本实施方式的磁性薄膜1中，倾斜生长磁性层11相对于衬底2的表面沿着倾斜方向晶体生长成柱状(由倾斜生长磁性体12构成)，因此，在该方向上和在线圈延伸面内与之垂直的方向上的磁特性不同。

并且，可以认为这种结构的倾斜生长磁性层11表现出面内结晶磁各向异性的原因在于倾斜生长磁性体12的形状磁各向异性或应力各向异性等。

另外，在倾斜生长磁性层11中，通过向倾斜生长磁性体12混入绝缘体13，把倾斜生长磁性体12软磁化，并且提高磁性薄膜1的电阻率。即，由于含有晶界存在的绝缘体13，使倾斜生长磁性层11的结晶细碎化，促进倾斜生长磁性体12的微晶化，并且提高电阻率，抑制磁性薄膜1中的电流损失。因此，抑制由于通过倾斜生长磁性层11增强面内结晶磁各向异性(各向异性磁场增加)而引起的共振频率的高频化以及由高频电流引起的损失。

在本实施方式的磁性薄膜1中，如图4所示，除了含有倾斜生长磁性体12的倾斜生长磁性层11，还可以具有包含相对于与衬底2平行的线圈延伸面沿垂直方向生长成柱状的垂直生长磁性体15的垂直生长磁性层14而进行构成。通过设置这样的垂直生长磁性层14，阻止在倾斜生长磁性层11中倾斜生长磁性体12沿倾斜方向生长结晶，从而进一步增加各向异性磁场。如果沿倾斜方向晶体生长过度，就会促进倾斜生长磁性体12的单晶化，而减少了各向异性磁场。另外，通过改变倾斜生长磁性层11的膜厚(图4中的膜厚d1)和垂直生长磁性层14的膜厚(图4中的膜厚d2)的比例，可以随意地控制各向异性磁场的大小。而且，未必需要向该垂直生长磁性层14混入绝缘体13。这是因为与倾斜生长磁性层11的情况不同，没有必要促进垂直生长磁性体15的微晶化。

接着，参照图5，以磁性薄膜1的形成方法为核心，描述具有这种结构的磁性薄膜1的电感器10的制造方法的一个例子(当磁性薄膜是(Co₃₀Fe₇₀)_0.983Al_0.107O时)。图5模式化地表示磁性薄膜1的形成方法的一个例子。

本实施方式的磁性薄膜1通过真空薄膜形成方法形成，容易对氧化物等进行成膜，因此，特别优选通过溅射法形成。更具体地讲，可以利用RF测射、DC测射、磁控测射、离子束测射、感应耦合RF等离子体辅助测射、ECR测射、对向靶式测射等。而且，在以下的说明中，对通过溅射法形成磁性薄膜1的情况进行描述，溅射法是本实施方式的一个具体例子，还能够应用其他真空薄膜形成方法(例如，蒸镀法等)。

首先，在衬底2上形成磁性薄膜1。为此，固定由上述材料形成的衬底2，按照箭头T所示那样，沿倾斜方向(角度θ；例如30°～60°左右)将倾斜生长磁性层11的材料(即，倾斜生长磁性体12的材料(此时为Co₃₀Fe₇₀)及绝缘体13的材料(此时为Al₂O₃))入射至衬底2。此时，通过磁铁M1，M2(分别显示N极以及S极)施加恒定的外加磁场Happl(例如，100×10³/4π[A/m](＝100Oe)以上)，并同时进行成膜。沿着外加磁场Happl产生易磁化轴AXe，与其正交形成难磁化轴AXh，由该外加磁场Happl产生的各向异性磁场Hk的大小为约50Oe以下(此时为44Oe以下)。另外，沿着易磁化轴AXe方向，生长倾斜生长磁性层11的倾斜生长磁性体121。另外，使该倾斜生长磁性层11的膜厚d1例如为1μm以下。

作为利用溅射法对该倾斜生长磁性层11进行成膜的方法，可以列举如下方法：使用由倾斜生长磁性体12以及绝缘体13各自材料构成的靶，同时进行溅射，或者使用由事先以倾斜生长磁性层11的组成(此时为(Co₃₀Fe₇₀)_0.983Al_0.107O)混合而成的材料构成的靶，进行溅射。

另外，作为溅射时的条件，使基准真空度例如不足133×10^-7Pa(1×10^-7Torr)，使测射压力例如为0.5×133×10^-3Pa(0.5mTorr)～133×10^-2Pa(10mTorr)左右。

另外，为了形成上述的垂直生长磁性层14，如图5中的箭头r1，r2所示，可以使衬底2旋转，并同时进行测射，不依赖于外加磁场Happl的方向，沿相对于衬底2的表面垂直方向生长垂直生长磁性体晶体61。因此，当在衬底2上对磁性层进行成膜时，通过调节固定衬底2的时间和使之旋转的时间，能够任意地设定倾斜生长磁性层11的膜厚d1和垂直生长磁性层14的膜厚d2的比例。

接着，在上述这样形成的磁性薄膜1上形成各自由上述材料构成的平面线圈4以及绝缘层3A，3B，3C。平面线圈4的形成例如通过电镀铜法进行。另外，把平面线圈4的L/S匝数设定为例如10～500μm/10～50μm左右，把匝数设定为例如5～20左右。绝缘层3A、3B、3C的形成是通过例如光刻法进行的。这样就形成了如图1～图4所示结构的电感器10。

下面，参照图6～图14，对这样形成的磁性薄膜1的磁特性进行描述。在这里，图6～图8表示只形成倾斜生长磁性层11而作为磁性层情况下的磁特性，图9～图11表示混合存在倾斜生长磁性层11和垂直生长磁性层14作为磁性层情况下的磁特性。另外，图12～图14表示作为比较例，只形成垂直生长磁性层14而作为磁性层情况下的磁特性。另外，图6、图9、图12模式化地表示在各自情况下形成磁性薄膜1的状态，图7、图10、图13是显示各自情况下磁性薄膜1的剖面形态的透射型电子显微镜(TEM)像，图8、图11、图14表示各自情况下的磁性薄膜1的磁化曲线。另外，由垂直生长磁性层14以及倾斜生长磁性层11构成的磁性层的总体膜厚在任何情况下都是设定成相同。

当磁性层只是倾斜生长磁性层11的情况下，该倾斜生长磁性层11是如上所述固定衬底2而进行成膜的，并且沿着外加磁场Happl的方向而生长倾斜生长磁性体12(图6)。另外，如果观察在倾斜生长磁性层11中沿着易磁化轴AXe或者沿着难磁化轴AXh的方向的剖面(图6中的符号P1A、P1B部分)的TEM像(分别为图7(A)、(B))，可以知道：实际上沿着易磁化轴AXh的方向生长倾斜生长磁性体12(图7(A))，另一方面，沿着难磁化轴AXh的方向上磁性体沿着垂直方向生长(图7(B))。此外，还可以明白：对于磁化曲线，沿着易磁化轴AXe方向的(图8中的磁化曲线E1)与沿着难磁化轴AXh方向的(图7的磁化曲线H1)在形态(斜率)上也有很大不同，而且显示出各向异性磁场Hk＝174×10³/4π[A/m](＝174Oe)这样高的值。该各向异性磁场Hk利用沿着难磁化轴AXh方向的磁化曲线H1的切线与沿着易磁化轴AXe方向的磁化曲线E1的饱和磁化强度的交点处的磁场H的值计算得到。

当磁性层是倾斜生长磁性层11和垂直生长磁性层14混合存在时，这些倾斜生长磁性层11以及垂直生长磁性层14是分别如上所述通过固定或旋转衬底2(图9中的箭头r1，r2)而进行成膜的。可知，在垂直生长磁性层14中，对于沿着易磁化轴AXe以及难磁化轴AXh的方向任一方向，相对于衬底2沿着垂直方向生长垂直生长磁性体15，在倾斜生长磁性层11中沿着易磁化轴AXe生长倾斜生长磁性体12(图9，图10(A)，(B))。另外，还可知沿着易磁化轴AXe的方向的磁化曲线E2与沿着难磁化轴AXh方向的磁化曲线H2的斜率产生差别，比上述情况有所减小，形成各向异性磁场Hk＝140×10³/4π[A/m](＝140Oe)(图11)。

另一方面，当磁性层只是垂直生长磁性层14的情况下，可以知道：该垂直生长磁性层14是如上所述旋转衬底2(图12中的箭头r1，r2)而成膜的，相对于衬底2沿着垂直方向生长垂直生长磁性体15(图12，图13(A)，(B))。另外，还知道：沿着易磁化轴AXe方向的磁化曲线E3与沿着难磁化轴AXh方向的磁化曲线H3的斜率差别小于设置倾斜生长磁性层11作为磁性层的上述2种情况，各向异性磁场Hk也会降低(44×10³/4π[A/m](＝44Oe))(图14)。

图15包含这些3种情况而表示磁性薄膜1的共振频率fr以及各向异性磁场Hk与倾斜生长磁性层11的膜厚的比例(＝F/(F+R))的关系。在这里，作为倾斜生长磁性层11的膜厚比例的F/(F+R)，表示由倾斜生长磁性层11以及垂直生长磁性层14构成的磁性层总体膜厚中倾斜生长磁性层11的膜厚所占比例，并且如上所述是由磁性层进行成膜时固定(Fix)衬底2的时间和使之旋转(Rotation)的时间的比例而确定的。当该F/(F+R)的值较大时，表示倾斜生长磁性层11的膜厚比例大，相反，当该值较小时，表示垂直生长磁性层14的膜厚比例大。另外，共振频率fr是根据各向异性磁场Hk，并通过上述式(1)计算得到的。

像这样根据图15，可以看出：随着F/(F+R)值增大，即随着倾斜生长磁性层11膜厚比例增加，各向异性磁场Hk以及共振频率fr的值都增加。因此，可以知道，通过改变倾斜生长磁性层11的膜厚比例，可以提高这些值，并且提高磁性薄膜1的高频特性。另外，还知道：通过调节对磁性层进行成膜时固定衬底2的时间与旋转衬底2的时间，可以随意地控制这些值，还可以控制磁性薄膜1的高频特性。

另外，上述共振频率fr是根据(1)式计算得到的，但是通过如图16所示的磁性薄膜中的磁导率的频率特性，也可以实测共振频率fr。在这里，图16的横轴表示频率[GHz]，纵轴表示磁性薄膜的磁导率(实部μ′，虚部μ″)。另外，图中实心点表示磁导率的实部μ′，空心点表示磁导率的虚部μ″。此时，将共振频率fr规定为磁导率的虚部μ″为峰值时的频率。

像这样根据图16，可以看出：一部分磁导率的虚部μ″的峰值超过了测定范围——3GHz，随着F/(F+R)的值增大，即随着倾斜生长磁性层11膜厚比例增加，磁导率的虚部μ″的峰值逐渐转移至高频侧，共振频率fr也有增加的趋势。因此，可以知道，获得与图15所示情况相同的结果。

像上述那样，在本实施方式中，通过在衬底2上设置平面线圈4以及磁性薄膜1而在连接端子J1，J2之间形成电感器，相对于衬底2的表面沿着倾斜方向使在磁性薄膜1中的倾斜生长磁性层11晶体生长成柱状(倾斜生长磁性体12)，并且在该倾斜生长磁性层11中，为了使倾斜生长磁性体12软磁化而向该倾斜生长磁性体12混入绝缘体13，从而能够使得倾斜生长磁性层11显示出面内晶体磁各向异性，并且提高该面内晶体磁各向异性，增加各向异性磁场。因此，能够只通过倾斜生长磁性层11的晶体生长方向来改变各向异性磁场而不改变磁性薄膜1的组成，从而能够增加各向异性磁场而不降低饱和磁化强度，并能够提高磁性薄膜1的共振频率。因此，能够获得高频特性优异的磁性薄膜，因而能够制得高频特性优异的电感器。

另外，由于能够增加磁性薄膜1的各向异性磁场，因此，例如在如图17所示那样的流向平面线圈4的电流与电感器10的电感L的关系中，与使用只由垂直生长磁性层14构成的磁性薄膜而形成电感器的情况(图17中的L1)相比，使用具有倾斜生长磁性层11的磁性薄膜1而形成电感器的本实施方式的情况(图17中的L2)能够如箭头X所示那样抑制大电流区域内的电感L降低。因此，能够提高电感器的直流叠加特性，并能够如符号W1，W2所示那样通过更多的电流。

另外，通过向倾斜生长磁性体12混入绝缘体13而提高倾斜生长磁性层11的电阻率，从而能够抑制电流损失，提高磁性薄膜1的高频特性。

另外，当设置垂直生长磁性层14的情况下，当对磁性层进行成膜时，能够抑制倾斜生长磁性体12的单晶化，进一步增加各向异性磁场，并且进一步提高磁性薄膜1的高频特性。

另外，利用对磁性层进行成膜时固定或旋转衬底2的时间，能够随意地设定倾斜生长磁性层11的膜厚d1与垂直生长磁性层14的膜厚d2的比例，从而能够通过这些膜厚的比例随意地控制各向异性磁场的大小或者共振频率的大小。

此外，这种倾斜生长磁性层11中面内磁各向异性的增大和控制效果是在刚成膜后的as-depo.状态下获得的，因此，没有必要像一般情况那样成膜后在磁场中进行热处理，即使对于不能实施热处理那样的应用，也能够应用该电感器10。

另外，对于本实施方式的电感器10，如图1所示，通过在衬底2和平面线圈4之间设置磁性薄膜1的情况进行说明，但是，还可以在从平面线圈4观察的反面侧，即绝缘层3C上设置磁性层1。也就是说，可以在平面线圈4的任意一面设置磁性薄膜1，都能够获得与本实施方式相同的效果。

[实施方式2]

下面，对本发明的实施方式2进行描述。

图18是表示作为本实施方式的磁性元件的电感器20的剖面结构的图。在该图中，对于与上述实施方式1的电感器10(图1)相同的结构要素给予相同符号，适当地省略说明。

本实施方式的电感器20是在实施方式1的电感器10中，在绝缘层3C上进一步形成磁性薄膜而得到的。即，该电感器20具有如下结构：一对磁性薄膜1A，1B介由绝缘层3而夹着平面线圈4。其他结构以及其制造方法与实施方式1的电感器10基本相同。通过这样的结构，本实施方式的电感器20除了具有实施方式1的电感器10的效果之外，还能够增加磁性薄膜1的有效面积，能够获得更大的电感。

在本实施方式的电感器20中，例如，如图19所示，这一对倾斜生长磁性层11A，11B能够以垂直于叠层面(以及线圈延伸面，以下相同)的剖面中的线圈中心面为基准，相互成面对称而构成。这样的构成，使得倾斜生长磁性层11A中的晶体生长方向形成特定的方向，并能够增加各向异性磁场Hk。

另外，例如如图20所示，在这一对倾斜生长磁性层11A，11B中，优选这种构成：使倾斜生长磁性层11A中的晶体生长方向与叠层面形成的角度，从衬底2的这一端到另一端(例如，图19中的箭头XA方向)缓慢增大，另一方面，使在倾斜生长磁性层11B中的晶体生长方向与叠层面形成的角度，与倾斜生长磁性层11B的情况相反，从衬底2的另一端到这一端(例如，图19中的箭头XB方向)缓慢增大。如上述那样，为了从衬底2的这一端到另一端，使一对倾斜生长磁性层11A，11B中的晶体生长方向与叠层面形成的角度相互发生相反的变化而构成，例如，可以对倾斜生长磁性层11A成膜后，使衬底2沿面内方向旋转180°(包括衬底2本身自转的情况以及使衬底2公转的情况)，然后对倾斜生长磁性层11B进行成膜。这是由于在对这些倾斜生长磁性层11进行成膜时，如上所述从相对于衬底2的倾斜方向T射入磁性材料的缘故。这样的结构能够减少这些角度相对于衬底2上(以及线圈延伸面上)的位置的偏差，从而能够提高制造时的成品率，降低生产成本。

另外，例如，如图21所示，还可以把电感器20形成为矩形，同时控制一对倾斜生长磁性层11A，11B中的晶体生长方向的叠层面内分量，使各自的易磁化轴(分别为图中的箭头AXeA，AXeB)相互在长轴方向一致而构成。这样的结构能够增加高频区域内的磁性层的有效面积，即使在制造时外加弱磁场，也能够形成易磁化轴AXe以及难磁化轴AXh。

此外，例如，如图22所示，还可以使一对倾斜生长磁性层11A，11B中的晶体生长方向的叠层面内分量(分别为图中的箭头EA，EB)相互大致正交而构成。采取这种构成，通过抵消倾斜生长磁性层11之间的面内晶体磁各向异性，从而能够减少磁各向异性磁场，并可以获得能在低频区域使用的磁性薄膜。另外，由于减少了各向异性磁场，从而还能够增加磁性薄膜的磁导率μ(与各向异性磁场Hk成反比)。

以上通过列举第1以及第2实施方式而说明本发明，但是，本发明并不限于这些实施方式，并可以进行各种变形。

例如，在上述实施方式中，针对磁性薄膜1中的磁性层只是倾斜生长磁性层11的一层的情况(图2，图6)或者倾斜生长磁性层11以及垂直生长磁性层14一层一层混合存在(图4，图9)的情况进行描述，但例如如图23所示，还可以使这些倾斜生长磁性层11以及垂直生长磁性层14多层化(倾斜生长磁性层11A，11B，……，以及垂直生长磁性层14A，14B，……)而构成。另外，如实施方式2(图18)所述，当通过一对磁性薄膜1A，1B构成磁性薄膜的情况下，还可以使这一对磁性薄膜1A，1B中的至少一方为多层而构成。即使这样的结构，也能够获得与上述实施方式相同的效果。

另外，上述实施方式对在磁性薄膜1中只设置磁性层的情况进行说明，但是，例如，分别如图24以及图25所示，还可以在多个倾斜生长磁性层11A，11B，……的层间(图24)或者倾斜生长磁性层11与垂直生长磁性层14的层间(图25)设置例如由Al₂O₃等绝缘体构成的绝缘层16A，16B，16C，16D，……而构成。通过这样的结构，除了上述实施方式中的效果之外，能够与设置垂直生长磁性层14的情况的效果同样，抑制倾斜生长磁性体12的单晶化，进一步增加各向异性磁场，并且可进一步提高磁性薄膜1的电阻率，进一步抑制电流损失。另外，当如上述那样通过一对磁性薄膜1A，1B构成磁性薄膜的情况下，还可以在这一对磁性薄膜1A，1B中的至少一方设置绝缘层16而构成。

另外，当如图23～图25那样设置多层倾斜生长磁性层11时，例如，如图26所示，还可以使至少相邻的倾斜生长磁性层11A，11B中的晶体生长方向的叠层面内的分量(分别为图中的箭头EC，ED)相互大致正交而构成。这样的结构抵消了倾斜生长磁性层11之间的面内晶体磁各向异性，从而能够降低各向异性磁场，能够获得在低频区域使用的磁性薄膜。另外，由于减少了各向异性磁场，从而能够增加磁性薄膜的磁导率μ(与各向异性磁场Hk成反比)。另外，在图26中，在相邻的倾斜生长磁性层11A，11B之间设置绝缘层16，但是，还可以设置垂直生长磁性层14，上述情况也能够获得同样的效果。

另外，当与上述同样地设置多层倾斜生长磁性层11的情况下，例如，如图27所示，优选这种构成：在相邻的一对倾斜生长磁性层11A，11B中，使倾斜生长磁性层11A中的晶体生长方向与叠层面形成的角度，从衬底2的这一端到另一端(例如，图27中的箭头XC方向)缓慢增大，另一方面，使在倾斜生长磁性层11B中的晶体生长方向与叠层面形成的角度，与倾斜生长磁性层11A的情况相反，从衬底2的另一端到这一端(例如，图27中的箭头XD方向)缓慢增大。如上述那样，为了从衬底2的这一端到另一端，使相邻的一对倾斜生长磁性层11中的晶体生长方向与叠层面形成的角度相互发生相反的变化而构成，例如，可以对倾斜生长磁性层11A成膜后，使衬底2沿面内方向旋转180°(包括衬底2自身的自转的情况以及使衬底2公转的情况)，然后对倾斜生长磁性层11B进行成膜。这是由于单对这些倾斜生长磁性层11进行成膜时，如上所述，从相对于衬底2而言倾斜方向T射入磁性材料的缘故。这样的结构能够减少这些角度相对于衬底2上的位置的偏差，从而能够提高制造时的成品率，降低生产成本。而且，在图27中，在相邻的一对倾斜生长磁性层11A，11B之间设置绝缘层16，但是还可以设置垂直生长磁性层14，上述情况也能够获得同样的效果。

另外，在上述实施方式中，对在衬底2的单面上设置磁性薄膜1或平面线圈4、绝缘层3的情况(电感器10，20)进行了描述，例如，如图28((A)示意地表示俯视图，(B)模式化地表示(A)中B-B部分的向视剖面图)所示，还可以在衬底6的两面设置磁性薄膜1A，1B，平面线圈4，绝缘层7而进行构成(电感器30)。此时，分别设置于衬底6的表面侧以及背面侧的螺旋状的平面线圈4之间，通过通孔5相互电连接。这样的结构也能够在连接用端子J3，J4之间形成电感器，并获得与上述实施方式的情况相同的效果。

此外，在上述实施方式中描述的各层的材料、成膜方法以及成膜条件等都没有限制，还可以是其他材料以及厚度，另外，还可以是其他的成膜方法以及成膜条件。

【附图说明】

【图1】表示本发明实施方式1涉及的磁性元件的结构的模式图。

【图2】表示图1所示的磁性薄膜的剖面结构的模式图。

【图3】说明倾斜生长磁性体形态的模式图。

【图4】说明设置垂直生长磁性层情况下的剖面结构的模式图。

【图5】说明磁性薄膜形成方法的模式图。

【图6】说明通过图5所示的形成方法的磁性薄膜的一个例子的模式图。

【图7】表示图6所示的磁性薄膜的剖面形态的TEM照片。

【图8】图6所示的磁性薄膜的磁化曲线。

【图9】说明通过图5所示的形成方法的磁性薄膜的另一例子的模式图。

【图10】表示图9所示的磁性薄膜的剖面形态的TEM照片。

【图11】图9所示的磁性薄膜的磁化曲线。

【图12】说明通过图5所示的形成方法的磁性薄膜的另一例子的模式图。

【图13】表示图12所示的磁性薄膜的剖面形态的TEM照片。

【图14】图12所示的磁性薄膜的磁化曲线。

【图15】表示通过图5所示的形成方法的磁性薄膜的共振频率及各向异性磁场与倾斜生长磁性层的膜厚比例之间的关系的特性图。

【图16】表示通过图5所示的形成方法的磁性薄膜的磁导率的频率特性的特性图。

【图17】说明流过平面线圈的电流与电感之间的关系的模式图。

【图18】表示本发明实施方式2涉及的磁性元件的截面结构的模式图。

【图19】说明晶体生长方向的关系的一个例子的模式图。

【图20】说明晶体生长方向的关系的一个例子的模式图。

【图21】说明晶体生长方向的叠层面内分量的关系的一个例子的模式图。

【图22】说明晶体生长方向的叠层面内分量的关系的另一例子的模式图。

【图23】表示使倾斜生长磁性层以及垂直生长磁性层多层化的情况下的剖面结构的一个例子的模式图。

【图24】表示如图22所示的在磁性薄膜中设置绝缘层的情况下的剖面结构的一个例子的模式图。

【图25】表示如图23所示的在磁性薄膜中设置绝缘层的情况下的剖面结构的一个例子的模式图。

【图26】说明相邻的倾斜生长磁性层中的晶体生长方向的叠层面内分量的关系的一个例子的模式图。

【图27】说明相邻的倾斜生长磁性层中的晶体生长方向的关系的一个例子的模式图。

【图28】表示本发明涉及的磁性元件的另一个构成例的模式图。

【符号说明】

10，20，30……电感器、1……磁性薄膜、11……倾斜生长磁性层、12……倾斜生长磁性体、13……绝缘体、14……垂直生长磁性层、15……垂直生长磁性体、16……绝缘层、2，6……衬底、3，7……绝缘层、4……平面线圈、5……通孔、J1～J4……连接用端子、d1，d2……磁性层的膜厚、M1，M2……磁铁、T……磁性体的射入方向、AXe……易磁化轴、AXh……难磁化轴、E1～E3……易磁化轴方向的磁化曲线、H1～H3……难磁化轴方向的磁化曲线、EA，EB，EC，ED……倾斜生长磁性层中的晶体生长方向的叠层面内分量。

Claims (21)

1、一种磁性薄膜，其特征在于：具有含有绝缘材料和通过混入该绝缘材料而软磁化的磁性材料，形成于衬底上，且相对于叠层面沿着倾斜方向晶体生长成柱状的倾斜生长磁性层。

2、如权利要求1所述的磁性薄膜，其特征在于：进一步具有含有上述绝缘材料以及上述磁性材料，并且相对于叠层面沿着垂直方向晶体生长成柱状的垂直生长磁性层。

3、如权利要求2所述的磁性薄膜，其特征在于：在上述倾斜生长磁性层和上述垂直生长磁性层的至少一个层间具有绝缘层。

4、如权利要求1所述的磁性薄膜，其特征在于：具有多个上述倾斜生长磁性层，在这些多个倾斜生长磁性层的层间具有绝缘层。

5、如权利要求1所述的磁性薄膜，其特征在于：具有多个上述倾斜生长磁性层，至少一对倾斜生长磁性层中的晶体生长方向与叠层面平行的分量相互大致正交。

6、如权利要求2所述的磁性薄膜，其特征在于：在相邻的一对倾斜生长磁性层中，使一方倾斜生长磁性层中的晶体生长方向与叠层面形成的角度，从叠层面的这一端到另一端缓慢增大，并且，使另一方的倾斜生长磁性层中的晶体生长方向与上述叠层面形成的角度，从上述叠层面的另一端到这一端缓慢增大。

7、如权利要求1～6任一项所述的磁性薄膜，其特征在于：上述磁性材料含有铁(Fe)或钴铁(CoFe)。

8、一种磁性薄膜的形成方法，其特征在于包括如下第1叠层工序：在衬底上方，使其含有绝缘材料和通过混入该绝缘材料而软磁化的磁性材料，相对于叠层面沿着倾斜方向使之结晶生长成柱状，叠层第1倾斜生长磁性层。

9、如权利要求8所述的磁性薄膜的形成方法，其特征在于包括在上述第1倾斜生长磁性层的上方，使其含有上述绝缘材料以及上述磁性材料，相对于叠层面沿着倾斜方向使之晶体生长成柱状，而叠层第2倾斜生长磁性层的第2叠层工序，并且包括在上述第1叠层工序和上述第2叠层工序之间，沿面内方向使上述衬底旋转180°的工序。

10、一种磁性元件，其特征在于：具备线圈和设置在该线圈单侧的磁性薄膜，上述磁性薄膜具有含有绝缘材料和通过混入该绝缘材料而软磁化的磁性材料，并且相对于叠层面沿着倾斜方向晶体生长成柱状的倾斜生长磁性层。

11、如权利要求10所述的磁性元件，其特征在于：将上述磁性薄膜设置于上述线圈的两侧，并夹着上述线圈。

12、如权利要求10所述的磁性元件，其特征在于：分别对应于设置在上述线圈两侧的一对磁性薄膜的一对倾斜生长磁性层中，晶体生长方向平行于叠层面的分量相互大致垂直。

13、如权利要求11所述的磁性元件，其特征在于：在分别对应于设置在上述线圈两侧的一对磁性薄膜的一对倾斜生长磁性层，以垂直于叠层面的截面上的上述线圈的中心面为基准，相互形成面对称。

14、如权利要求11所述的磁性元件，其特征在于：在分别对应于设置在上述线圈两侧的一对磁性薄膜的一对倾斜生长磁性层中，一方的倾斜生长磁性层中的晶体生长方向与上述叠层面形成的角度，从叠层面的这一端到另一端缓慢增大，并且另一方的倾斜生长磁性层中的晶体生长方向与上述叠层面形成的角度，从叠层面的另一端到这一端缓慢增大。

15、如权利要求11所述的磁性元件，其特征在于：上述磁性薄膜的至少一方进一步具有含有上述绝缘材料以及上述磁性材料，并且相对于叠层面沿垂直方向晶体生长成柱状的垂直生长磁性层。

16、如权利要求15所述的磁性元件，其特征在于：上述磁性薄膜的至少一方在上述倾斜生长磁性层和上述垂直生长磁性层的至少一个层间具有绝缘层。

17、如权利要求11所述的磁性元件，其特征在于：上述磁性薄膜的至少一方具有多个上述倾斜生长磁性层，在这些多个倾斜生长磁性层的层间具有绝缘层。

18、如权利要求10～17任一项所述的磁性元件，其特征在于：上述磁性材料含有铁(Fe)或钴铁(CoFe)。

19、一种电感器，其特征在于：具备权利要求10～18任一项所述的磁性元件。

20、一种磁性元件的制造方法，其特征在于包括如下2个叠层工序：在衬底的一侧，使其含有绝缘材料和通过混入该绝缘材料而软磁化的磁性材料，相对于叠层面沿着倾斜方向使之结晶生长成柱状，形成第1倾斜生长磁性薄膜的第1叠层工序，和在该第1倾斜生长磁性薄膜的与上述衬底相反一侧，使其含有上述绝缘材料和上述磁性材料，相对于叠层面沿着倾斜方向使之结晶生长成柱状，形成第2倾斜生长磁性薄膜的第2叠层工序。

21.如权利要求20所述的磁性元件的制造方法，其特征在于：在上述第1叠层工序和上述第2叠层工序之间包括使上述衬底沿面内方向旋转180°的工序。

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