JP2005093527A - Soft magnetism thin film for high frequency and magnetic element - Google Patents

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京九 崔
Migaku Murase
琢 村瀬
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a soft magnetism thin film which is easy for film formation because of a single layer film, and exhibits a superior soft magnetism property in a high frequency band of a GHz region. <P>SOLUTION: The soft magnetism thin film comprises a compound organization which includes a ferromagetic Fe crystal grain which contains C of 10-35 at%, and has a composition in which a remaining portion is substantially composed of Fe and whose average grain diameter is at most 20nm, and a ferromangetic amorphous phase occupying 30-75 vol%. <P>COPYRIGHT: (C)2005,JPO&NCIPI

Description

本発明は、高い飽和磁化を有するとともに高周波帯域で高い透磁率特性を備えた高周波用軟磁性薄膜に関するものである。   The present invention relates to a high-frequency soft magnetic thin film having high saturation magnetization and high permeability characteristics in a high-frequency band.

磁気素子の小型化、高性能化に伴い、高い飽和磁化を有し、かつGHzの高周波数の帯域(以下、GHz帯域)における透磁率が高い軟磁性薄膜材料が求められている。
例えば、ワイヤレス送受信装置や携帯情報端末を中心に需要が高まっているモノリシックマイクロ波集積回路(MMIC)は、Si、GaAs、InPなどの半導体基板上に、トランジスタなどの能動素子と、線路、抵抗、キャパシタ、インダクタなどの受動素子とを、一括的かつ一体的に作製して構成される高周波集積回路である。
With the miniaturization and high performance of magnetic elements, a soft magnetic thin film material having high saturation magnetization and high permeability in a high frequency band of GHz (hereinafter referred to as GHz band) is required.
For example, a monolithic microwave integrated circuit (MMIC), which is in increasing demand mainly for wireless transceivers and portable information terminals, has an active element such as a transistor, a line, a resistor, a semiconductor substrate such as Si, GaAs, and InP. This is a high-frequency integrated circuit configured by collectively and integrally manufacturing passive elements such as capacitors and inductors.

このようなMMICにおいては、受動素子、特にインダクタやキャパシタが能動素子に比べ大きな面積を占めている。このような受動素子の大面積の占有は、結果として、高価な半導体基板の大量消費、すなわち、MMICのコストアップにつながる。従って、チップ面積を縮小し、MMICの製造コストを低減するために、受動素子が占める面積を縮小することが課題となっている。   In such an MMIC, passive elements, particularly inductors and capacitors occupy a larger area than active elements. Such occupation of the large area of the passive element results in a large consumption of an expensive semiconductor substrate, that is, an increase in cost of the MMIC. Therefore, in order to reduce the chip area and reduce the manufacturing cost of the MMIC, it is a problem to reduce the area occupied by the passive elements.

MMICのインダクタとしては平面型のスパイラルコイルが多く用いられている。そのスパイラルコイルの上下面、或いは片面に軟磁性薄膜を挿入し、インダクタンスを増加させる方法(換言すれば、小さな占有面積でも従来のインダクタンスが得られる方法)がすでに提案されている(例えば、非特許文献1(J.Appl.Phys.85,7919(1999)))。   A planar spiral coil is often used as an MMIC inductor. There has already been proposed a method of increasing the inductance by inserting soft magnetic thin films on the upper and lower surfaces or one surface of the spiral coil (in other words, a method for obtaining a conventional inductance even with a small occupied area) (for example, non-patented). Reference 1 (J. Appl. Phys. 85, 7919 (1999))).

しかしながら、軟磁性材料をMMICのインダクタへ応用するためには、先ず、GHz帯域における透磁率が高く、かつ損失が少ない軟磁性薄膜を開発することが求められている。さらには渦電流損失を減ずるために比抵抗が大きいことも求められている。
また、このようなMMICにおいては、各素子間の距離が数百μmまで近づいていることから電磁波ノイズが誘導されやすく、その対策としてGHz帯域において透磁率が高く、特に、損失成分(透磁率の虚数部μ”)が大きい高周波用薄膜の応用が提案されている(例えば、特許文献1(特開2001−210518号公報)、特許文献2(特開2002−158486号公報))。
However, in order to apply a soft magnetic material to an MMIC inductor, first, it is required to develop a soft magnetic thin film having high permeability in the GHz band and low loss. Furthermore, a large specific resistance is also required to reduce eddy current loss.
Further, in such an MMIC, since the distance between each element is close to several hundred μm, electromagnetic wave noise is easily induced. As a countermeasure, the magnetic permeability is high in the GHz band, and in particular, a loss component (permeability of magnetic permeability). Applications of high-frequency thin films having a large imaginary part μ ″) have been proposed (for example, Patent Document 1 (Japanese Patent Laid-Open No. 2001-210518), Patent Document 2 (Japanese Patent Laid-Open No. 2002-158486)).

従来、高い飽和磁化を持つ軟磁性材料としてFeあるいはFeCoを主成分とする合金が良く知られている。ところが、Fe系又はFeCo系合金からなる軟磁性薄膜をスパッタなどの成膜技術により作製すると、その膜の飽和磁化は高いものの、保磁力が大きくなってしまい良好な高周波特性を得ることは困難であった。   Conventionally, alloys having Fe or FeCo as a main component are well known as soft magnetic materials having high saturation magnetization. However, when a soft magnetic thin film made of an Fe-based or FeCo-based alloy is produced by a film forming technique such as sputtering, the film has a high saturation magnetization, but the coercive force increases and it is difficult to obtain good high frequency characteristics. there were.

一方で、軟磁気特性が優れている材料として、Co系非結晶質合金が知られている。このCo系非結晶質合金は、Coを主成分としY、Ti、Zr、Hf、Nb、Taなどから選択される1種又は2種以上の元素を含む非結晶質を主体とするものである。ところがゼロ磁歪組成のCo系非結晶質合金からなる軟磁性薄膜をスパッタなどの成膜技術により作製すると、その膜の透磁率は大きいものの、飽和磁化が11kG(1.1T)程度であり、Fe系に比べて小さい。さらに、100MHz程度の周波数及びこれを超えてから損失成分(透磁率の虚数部μ")が大きくなり、GHz帯域で使用する軟磁性材料としては好
適とは言えない。
On the other hand, Co-based amorphous alloys are known as materials having excellent soft magnetic properties. This Co-based amorphous alloy is mainly composed of amorphous material containing one or more elements selected from Y, Ti, Zr, Hf, Nb, Ta, etc., with Co as a main component. . However, when a soft magnetic thin film made of a Co-based amorphous alloy having a zero magnetostrictive composition is produced by a film forming technique such as sputtering, the magnetic permeability of the film is large, but the saturation magnetization is about 11 kG (1.1 T), and Fe Small compared to the system. Furthermore, since the loss component (imaginary part μ ″ of the magnetic permeability) becomes large after the frequency of about 100 MHz and beyond this, it cannot be said that it is suitable as a soft magnetic material used in the GHz band.

GHz帯域で使用し得るインダクタを実現させるために、以上のような材質から構成さ
れる軟磁性薄膜をマイクロワイヤ化させ、形状異方性エネルギーを増大させることにより、共鳴周波数を高周波化する試みも行われている(例えば、非特許文献4(日本応用磁気学会誌、24,879(2000)))。しかしながら、この方法では工程が複雑となってしまうばかりか、さらに、軟磁性薄膜の実効透磁率が低下してしまうという問題がある。
In order to realize an inductor that can be used in the GHz band, an attempt has been made to increase the resonance frequency by converting the soft magnetic thin film made of the above materials into a microwire and increasing the shape anisotropy energy. (For example, Non-Patent Document 4 (Journal of Applied Magnetics Society of Japan, 24,879 (2000))). However, this method not only complicates the process, but also has a problem that the effective magnetic permeability of the soft magnetic thin film is lowered.

このような実情のもとに従来より、軟磁性薄膜の高周波特性を改良するために種々の提案がなされてきた。その改良の基本方針としては、渦電流損失を抑制させたり、あるいは共鳴周波数を上昇させることなどが挙げられる。渦電流損失を抑制させる具体的な方策としては、例えば、磁性層/絶縁層(高抵抗層)との積層による多層化(例えば、特許文献3(特開平7−249516号公報))や、金属−非金属(酸化物、フッ化物)のグラニュラー化(例えば、非特許文献2(J. Appl. Phys. 79, 5130 (1996)))などが提案されている。しかしながら、これらの方法では、高抵抗の非磁性相が挿入されているために、飽和磁化が低下するという問題が生じる。また、これらのグラニュラー薄膜を電磁波ノイズ対策用として使用するためには、GHz帯域で透磁率が高く、特に、損失成分(透磁率の虚数部μ”)が大きいことが好ましいが、成膜直後であるas−depo.状態の薄膜の場合は、膜中に応力が存在するため高透磁率特性が得られなく、成膜後に熱処理を行わなければならない。   Under such circumstances, various proposals have heretofore been made in order to improve the high-frequency characteristics of soft magnetic thin films. The basic policy of the improvement is to suppress eddy current loss or increase the resonance frequency. Specific measures for suppressing eddy current loss include, for example, multilayering by lamination with a magnetic layer / insulating layer (high resistance layer) (for example, Patent Document 3 (Japanese Patent Laid-Open No. 7-249516)), metal -Granularization of nonmetals (oxides, fluorides) (for example, Non-Patent Document 2 (J. Appl. Phys. 79, 5130 (1996))) and the like have been proposed. However, in these methods, since a high-resistance nonmagnetic phase is inserted, there arises a problem that saturation magnetization is lowered. Further, in order to use these granular thin films as a countermeasure for electromagnetic wave noise, it is preferable that the magnetic permeability is high in the GHz band, and in particular, the loss component (the imaginary part μ ″ of the magnetic permeability) is large. In the case of a thin film in an as-depo.state, a high magnetic permeability characteristic cannot be obtained because stress exists in the film, and heat treatment must be performed after the film formation.

一方、軟磁性層と高飽和磁化層を交互に積層した多層膜による高飽和磁化薄膜についての検討も行われている。すなわち、CoZr/Fe(非特許文献5(日本応用磁気学会誌、16, 285 (1992)))、FeBN/FeN(特許文献4(特開平5−101930号公報))、FeCrB/Fe(非特許文献3(J. Appl. Phys. 67, 5131 (1990)))、Fe−Hf−C/Fe(非特許文献6(日本応用磁気学会誌、15, 403 (1991)))など様々な組み合わせの例が報告されている。これらのものはいずれも飽和磁化を高くすることには効果がある。しかしこれらの技術では、異なる組成の膜を積層する必要があるため、その作製が煩雑である。
一方、高飽和磁化を持つ軟磁性薄膜としてFe−C系薄膜が検討されている。従来から、FeとCを主成分とする薄膜は、軟磁性かつ飽和磁化が高いことから、薄膜磁気ヘッドの磁極形成用として開発されている。Fe−M−C(ただし、M=Ti、Cr、Hf、V、Nb、Ta、Cr、Mo及びW等の1種以上)と表記されるこの薄膜の作成方法としては、as−depo.状態で全体的にアモルファス構造を有するように成膜した後、高温で熱処理を行うことで結晶粒界にMC化合物を析出させ、Feの粒成長を抑制する方法が知られている(例えば、特許文献5(特開平4−139805号公報)、非特許文献7(日本応用磁気学会誌、14, 319 (1990)))。この方法で作製されたFe−M−C薄膜は組成が煩雑であり、熱処理工程を必要とする問題点がある。
最近では、Cを4〜8at%含むFe−C薄膜を単結晶基板上へエピタキシャル成長させる技術が開発されているものの(例えば、非特許文献8(IEEE Trans. Mag.,37,2179(2001)))、この方法では高価な単結晶基板を使用するなどコストの問題がある。
また、Cの含有量を25at%以上まで増やし、膜全体がアモルファス構造を有する軟磁性薄膜が開発されている(例えば、非特許文献9(Trans. Mag. Soc. Japan, 2, 15(2001)))。この方法で得られたFe−C薄膜はアモルファス構造を得るため多量のCを含有しており、飽和磁化が低下する問題がある。
このように、従来から開発されているFe−C系薄膜は、単結晶、微結晶又はアモルファスのいずれかの形態を有しており、主にハードディスク用の書込みヘッド又は垂直記録媒体へ応用されてきた。
On the other hand, studies on highly saturated magnetic thin films using multilayer films in which soft magnetic layers and highly saturated magnetic layers are alternately laminated are also being conducted. That is, CoZr / Fe (Non-Patent Document 5 (Journal of Applied Magnetics Society of Japan, 16, 285 (1992))), FeBN / FeN (Patent Document 4 (JP-A-5-101930)), FeCrB / Fe (Non-patent) Ref. 3 (J. Appl. Phys. 67, 5131 (1990))), Fe-Hf-C / Fe (Non-Patent Document 6 (Journal of Applied Magnetics Society of Japan, 15, 403 (1991))) Examples have been reported. All of these are effective in increasing the saturation magnetization. However, in these techniques, since it is necessary to laminate | stack the film | membrane of a different composition, the preparation is complicated.
On the other hand, Fe-C thin films have been studied as soft magnetic thin films having high saturation magnetization. Conventionally, a thin film mainly composed of Fe and C has been developed for forming a magnetic pole of a thin film magnetic head because of its soft magnetism and high saturation magnetization. As a method for producing this thin film represented by Fe-M-C (where M = Ti, Cr, Hf, V, Nb, Ta, Cr, Mo, W, etc.), as-depo. A method is known in which an MC compound is precipitated at a grain boundary by performing a heat treatment at a high temperature after film formation so as to have an amorphous structure as a whole in a state (for example, patents). Document 5 (Japanese Patent Laid-Open No. 4-139805), Non-Patent Document 7 (Journal of Applied Magnetics Society of Japan, 14, 319 (1990))). The Fe-MC thin film produced by this method has a complicated composition and has a problem of requiring a heat treatment step.
Recently, a technique for epitaxially growing an Fe—C thin film containing 4 to 8 at% of C on a single crystal substrate has been developed (for example, Non-Patent Document 8 (IEEE Trans. Mag., 37, 2179 (2001)). ), This method has a cost problem such as using an expensive single crystal substrate.
Further, a soft magnetic thin film having an amorphous structure is developed by increasing the C content to 25 at% or more (for example, Non-Patent Document 9 (Trans. Mag. Soc. Japan, 2, 15 (2001)). )). The Fe—C thin film obtained by this method contains a large amount of C in order to obtain an amorphous structure, and there is a problem that saturation magnetization is lowered.
Thus, conventionally developed Fe-C thin films have a single crystal, microcrystal, or amorphous form, and have been mainly applied to write heads or perpendicular recording media for hard disks. It was.

特開2001−210518号公報JP 2001-210518 A 特開2002−158486号公報JP 2002-158486 A 特開平7−249516号公報JP-A-7-249516 特開平5−101930号公報JP-A-5-101930 特開平4−139805号公報Japanese Patent Laid-Open No. 4-139805 J. Appl. Phys. 85、7919(1999)J. Appl. Phys. 85, 7919 (1999) J. Appl. Phys. 79, 5130 (1996)J. Appl. Phys. 79, 5130 (1996) J. Appl. Phys. 67, 5131 (1990)J. Appl. Phys. 67, 5131 (1990) 日本応用磁気学会誌、24, 879 (2000)Journal of the Japan Society of Applied Magnetics, 24, 879 (2000) 日本応用磁気学会誌、16, 285 (1992)Journal of Japan Society of Applied Magnetics, 16, 285 (1992) 日本応用磁気学会誌、15, 403 (1991)Journal of the Japan Society of Applied Magnetics, 15, 403 (1991) 日本応用磁気学会誌、14, 319 (1990)Journal of the Japan Society of Applied Magnetics, 14, 319 (1990) IEEE Trans. Mag.,37,2179(2001)IEEE Trans. Mag., 37, 2179 (2001) Trans. Mag. Soc. Japan, 2, 15(2001)Trans. Mag. Soc. Japan, 2, 15 (2001)

本発明は、このような技術的課題に基づいてなされたもので、単一層の膜であるが故にas−depo.状態で使用できる成膜が容易であり、かつGHz帯域で高透磁率特性を発揮する軟磁性薄膜を提供することを目的とする。また、GHz帯域で透磁率の損失部(μ”)が大きく、かつ帯域幅が広い薄膜を提供することを目的とする。   The present invention has been made on the basis of such a technical problem, and is an as-depo. It is an object of the present invention to provide a soft magnetic thin film that can be easily used in a state and that exhibits high permeability characteristics in the GHz band. It is another object of the present invention to provide a thin film having a large permeability loss portion (μ ″) and a wide bandwidth in the GHz band.

本発明はCを10〜35at%含み、残部が実質的にFeからなる組成を有し、平均粒径が20nm以下の強磁性Fe結晶粒と、30〜75体積%を占める強磁性アモルファス相とを含む複合組織からなることを特徴とする高周波用軟磁性薄膜により前記課題を解決した。
本発明の高周波用軟磁性薄膜によれば、以下の特性を備えることができる。
飽和磁化(Bs):1.8T以上、望ましくは2.0T以上
保磁力(磁化容易軸方向の保磁力(Hce)及び磁化困難軸方向の保磁力(Hch)):5Oe以下、望ましくは3Oe以下
1GHzにおける複素透磁率の実数部(μ’):200以上、望ましくは400以上
共鳴周波数:1GHz以上、望ましくは2GHz以上
複素透磁率の虚数部(μ”)がμ”max(μ”の最大値)の50%になる周波数帯域をその中心周波数に規格化した半価巾(B50):100%以上、望ましくは120%以上比抵抗:60μΩcm以上、望ましくは100μΩcm以上
The present invention has a composition containing 10 to 35 at% of C, the balance being substantially made of Fe, an average grain diameter of 20 nm or less of ferromagnetic Fe crystal grains, and a ferromagnetic amorphous phase occupying 30 to 75 volume%, The above-mentioned problems have been solved by a high-frequency soft magnetic thin film comprising a composite structure containing
According to the high-frequency soft magnetic thin film of the present invention, the following characteristics can be provided.
Saturation magnetization (Bs): 1.8 T or more, desirably 2.0 T or more Coercive force (coercivity (Hce) in the easy axis direction and coercivity (Hch) in the hard axis direction): 5 Oe or less, desirably 3 Oe or less Real part (μ ′) of complex permeability at 1 GHz: 200 or more, desirably 400 or more Resonance frequency: 1 GHz or more, desirably 2 GHz or more The imaginary part (μ ″) of complex permeability is the maximum value of μ ″ max (μ ”) ) 50% of the frequency band normalized to the center frequency (B50): 100% or more, desirably 120% or more, specific resistance: 60 μΩcm or more, desirably 100 μΩcm or more

本発明の高周波用軟磁性薄膜は磁気素子の構成要素として用いることができる。この磁気素子を構成する高周波用軟磁性薄膜は、Cを10〜35at%含み、残部が実質的にFeからなる組成を有し、平均粒径が20nm以下の強磁性Fe結晶粒と、30〜70体積%を占める強磁性アモルファス相とを含む複合組織からなることを特徴とする。   The high-frequency soft magnetic thin film of the present invention can be used as a component of a magnetic element. The high-frequency soft magnetic thin film constituting the magnetic element includes 10 to 35 at% of C, the balance being substantially composed of Fe, and ferromagnetic Fe crystal grains having an average grain size of 20 nm or less; It consists of a composite structure containing a ferromagnetic amorphous phase occupying 70% by volume.

本発明によれば、複数の異なる組成の薄膜を積層することなく、GHz帯域で高透磁率特性を発揮する高周波用軟磁性薄膜を提供することができる。また、本発明によれば、GHz帯域で透磁率の損失部(μ”)が大きく、かつ帯域幅が広い薄膜を提供することができる。   According to the present invention, it is possible to provide a high-frequency soft magnetic thin film that exhibits high permeability characteristics in the GHz band without laminating a plurality of thin films having different compositions. Further, according to the present invention, it is possible to provide a thin film having a large permeability loss portion (μ ″) and a wide bandwidth in the GHz band.

本発明の高周波用軟磁性薄膜は、Fe及びCを含有し、Cの含有量は10〜35at%の範囲で含有する。10at%未満では所定量のアモルファス相を生成することが困難であり、一方35at%を超えるとアモルファス相が占める割合が多くなりすぎるからである。望ましいC含有量は12〜30at%、さらに望ましいC含有量は15〜25at%である。
本発明の高周波用軟磁性薄膜は、平均粒径が20nm以下の強磁性Fe結晶粒と、30〜75体積%を占める強磁性アモルファス相とを含む複合組織から構成される。このような複合組織を有する本発明の高周波用軟磁性薄膜は、GHz帯域において優れた軟磁気特性を有する。
強磁性Fe結晶粒の平均粒径が20nmを超えると高周波における軟磁気特性が劣化するため、本発明では20nm以下とする。強磁性Fe結晶粒の平均粒径は15nm以下、さらには10nm以下であることが望ましい。
The high-frequency soft magnetic thin film of the present invention contains Fe and C, and the C content is in the range of 10 to 35 at%. If it is less than 10 at%, it is difficult to produce a predetermined amount of amorphous phase, while if it exceeds 35 at%, the proportion of the amorphous phase is excessive. A desirable C content is 12 to 30 at%, and a more desirable C content is 15 to 25 at%.
The high-frequency soft magnetic thin film of the present invention is composed of a composite structure including ferromagnetic Fe crystal grains having an average grain size of 20 nm or less and a ferromagnetic amorphous phase occupying 30 to 75% by volume. The high-frequency soft magnetic thin film of the present invention having such a composite structure has excellent soft magnetic properties in the GHz band.
If the average grain size of the ferromagnetic Fe crystal grains exceeds 20 nm, the soft magnetic characteristics at high frequencies are deteriorated. The average grain size of the ferromagnetic Fe crystal grains is preferably 15 nm or less, more preferably 10 nm or less.

本発明の高周波用軟磁性薄膜において、アモルファス相は組織の30〜75体積%を占める。アモルファス相が30体積%未満では保磁力が大きくなるとともに、透磁率が小さくなるからである。また、B50、比抵抗も小さな値となる。また、アモルファス相が75体積%を超えると飽和磁化が小さくなり、またB50も小さくなる。したがって、アモルファス相は組織の30〜75体積%を占めることとする。アモルファス相は、望ましくは35〜70体積%、さらに望ましくは40〜65体積%とする。
本発明の高周波用軟磁性薄膜は、その膜厚さを100〜2000nmとして使用することが望ましい。100nm未満では、例えば平面型磁気素子に応用する場合、所望のパワーを扱うことができなくなるという不都合が生じる。また、2000nmを超えると、成膜時間が長くなり、生産性が悪くなる。望ましい膜厚は100〜1000nm、さらに望ましい膜厚は200〜500nmである。
In the high-frequency soft magnetic thin film of the present invention, the amorphous phase occupies 30 to 75% by volume of the tissue. This is because if the amorphous phase is less than 30% by volume, the coercive force increases and the permeability decreases. Moreover, B50 and specific resistance are also small values. Further, when the amorphous phase exceeds 75% by volume, the saturation magnetization becomes small, and B50 becomes small. Therefore, the amorphous phase occupies 30 to 75% by volume of the structure. The amorphous phase is desirably 35 to 70% by volume, more desirably 40 to 65% by volume.
The high-frequency soft magnetic thin film of the present invention is desirably used with a film thickness of 100 to 2000 nm. If it is less than 100 nm, for example, when applied to a planar magnetic element, there arises a disadvantage that it becomes impossible to handle desired power. On the other hand, when the thickness exceeds 2000 nm, the film formation time becomes long, and the productivity is deteriorated. A desirable film thickness is 100 to 1000 nm, and a more desirable film thickness is 200 to 500 nm.

本発明の高周波用軟磁性薄膜は基板上に成膜される。この基板としては、ガラス基板、セラミック材料基板、半導体基板、樹脂基板等が例示できる。セラミック材料としては、アルミナ、ジルコニア、炭化珪素、窒化珪素、窒化アルミニウム、ステアタイト、ムライト、コージライト、フォルステライト、スピネル、フェライトなどが挙げられる。
本発明による高周波用軟磁性薄膜は、以上の組成及び組織を採用することにより、基板上に成膜されたまま(as deposition)の状態で、上述したような優れた軟磁気特性を発
揮することができる。したがって、本発明による高周波用軟磁性薄膜は、薄膜インダクタや薄膜トランスなどの高周波用平面型磁気素子、あるいはモノリシリックマイクロ波集積回路(MMIC)に用いられる軟磁性薄膜及びインダクタに適用することができるのみならず、高速動作する能動素子あるいは高周波電子部品及び電子機器において問題となる不要輻射の抑制体、あるいは電磁波吸収体に適用することもできる。
The high-frequency soft magnetic thin film of the present invention is formed on a substrate. Examples of the substrate include a glass substrate, a ceramic material substrate, a semiconductor substrate, and a resin substrate. Examples of the ceramic material include alumina, zirconia, silicon carbide, silicon nitride, aluminum nitride, steatite, mullite, cordierite, forsterite, spinel, and ferrite.
The high-frequency soft magnetic thin film according to the present invention adopts the above composition and structure, and exhibits excellent soft magnetic characteristics as described above in the as-deposited state on the substrate. Can do. Therefore, the high-frequency soft magnetic thin film according to the present invention can be applied to high-frequency planar magnetic elements such as thin-film inductors and thin-film transformers, or soft magnetic thin films and inductors used in monolithic microwave integrated circuits (MMICs). The present invention can be applied not only to an active element that operates at high speed, a high-frequency electronic component, and an electromagnetic wave absorber that suppresses unnecessary radiation, which is a problem in electronic devices.

本発明の高周波用軟磁性薄膜は、スパッタリングを用いて作製することができる。より具体的には、RFスパッタ、DCスパッタ、マグネトロンスパッタ、イオンビームスパッタ、誘導結合RFプラズマ支援スパッタ、対向ターゲット式スパッタなどが用いられる。
本発明の高周波用軟磁性薄膜を成膜するためのターゲットとしては、Feターゲットの上にCのペレットを配置した複合ターゲットを用いるか、FeとCの合金ターゲットを用いればよい。
ここで、組成が一定の場合、スパッタ成膜時の投入電力(単にスパッタ電力という)が小さいほどアモルファス相の占有体積が大きくなる。逆に、スパッタ電力が大きいほどアモルファス相の占有体積が小さくなり、軟磁気特性はよくなる。つまり、本発明による高周波用軟磁性薄膜の組織は、C含有量のみによって定まるものではなく、その成膜条件によっても変動する。なお、スパッタ電力が小さい場合であっても、バイアス電圧を成膜基板に印加することにより、優れた軟磁気特性が得られる。バイアス電圧は、スパッタ電力が0.5W/cm2以下となった場合に印加することが望ましい。その場合の電圧は10
0V以上とすることが望ましい。
The high-frequency soft magnetic thin film of the present invention can be produced by sputtering. More specifically, RF sputtering, DC sputtering, magnetron sputtering, ion beam sputtering, inductively coupled RF plasma assisted sputtering, facing target sputtering, and the like are used.
As a target for forming the high-frequency soft magnetic thin film of the present invention, a composite target in which C pellets are arranged on an Fe target may be used, or an alloy target of Fe and C may be used.
Here, when the composition is constant, the volume occupied by the amorphous phase increases as the input power during sputtering film formation (simply referred to as sputtering power) decreases. On the contrary, the larger the sputtering power, the smaller the occupied volume of the amorphous phase, and the soft magnetic characteristics are improved. That is, the structure of the high-frequency soft magnetic thin film according to the present invention is not determined only by the C content but also varies depending on the film forming conditions. Even when the sputtering power is low, excellent soft magnetic characteristics can be obtained by applying a bias voltage to the deposition substrate. The bias voltage is desirably applied when the sputtering power becomes 0.5 W / cm 2 or less. The voltage in that case is 10
It is desirable to set it to 0V or more.

次に、本発明の高周波用軟磁性薄膜を平面型のインダクタに適用した例について図6及び図7に基づいて説明する。なお、この適用例はあくまで一例であって、本発明の高周波用軟磁性薄膜の適用範囲を限定するものでないことは言うまでもない。なお、図6はイン
ダクタの平面を模式的に示した図、図7は図6のA−A矢視断面を模式的に示した図である。
これらの図面に示されるインダクタ10は、基板11と、この基板11の表裏両面にスパイラル状に形成された平面コイル12、12と、これらの平面コイル12、12と基板11面を覆うように形成された絶縁膜13,13と、各々の絶縁膜13、13の上を覆う
ように形成された一対の高周波用軟磁性薄膜1とを備えている。高周波用軟磁性薄膜1として本発明による高周波用軟磁性薄膜を用いる。そして、上記2つの平面コイル12、12は、基板11の略中央部分に形成されたスルーホール15を介して電気的に接続されている。さらに、基板11の両面の平面コイル12、12からそれぞれ接続のための端子16が基板11の外方に引き出されている。このようなインダクタ10は、一対の高周波用軟磁性薄膜1によって、絶縁膜13,13を介して平面コイル12、12を挟むように構成されているので、接続端子16、16間にインダクタ10が形成される。
このように形成されたインダクタ10は、小型かつ薄型軽量で、特にGHz帯域で優れたインダクタンスを示す。なお上記説明したインダクタ10において、平面コイル12、12を並列的に複数設けることによりトランスを形成することができる。
Next, an example in which the high-frequency soft magnetic thin film of the present invention is applied to a planar inductor will be described with reference to FIGS. In addition, this application example is an example to the last, and it cannot be overemphasized that the application range of the soft magnetic thin film for high frequencies of this invention is not limited. 6 is a diagram schematically showing a plane of the inductor, and FIG. 7 is a diagram schematically showing a cross section taken along the line AA of FIG.
An inductor 10 shown in these drawings is formed so as to cover a substrate 11, planar coils 12, 12 formed spirally on both front and back surfaces of the substrate 11, and the planar coils 12, 12 and the substrate 11 surface. And a pair of high-frequency soft magnetic thin films 1 formed so as to cover the insulating films 13 and 13. The high-frequency soft magnetic thin film 1 according to the present invention is used as the high-frequency soft magnetic thin film 1. The two planar coils 12 and 12 are electrically connected through a through hole 15 formed in a substantially central portion of the substrate 11. Further, terminals 16 for connection are drawn out of the substrate 11 from the planar coils 12 and 12 on both sides of the substrate 11. Since such an inductor 10 is configured such that the planar coils 12 and 12 are sandwiched between the pair of high-frequency soft magnetic thin films 1 via the insulating films 13 and 13, the inductor 10 is connected between the connection terminals 16 and 16. It is formed.
The inductor 10 formed in this way is small, thin and light, and exhibits excellent inductance particularly in the GHz band. In the inductor 10 described above, a transformer can be formed by providing a plurality of planar coils 12 and 12 in parallel.

以下、本発明の高周波用軟磁性薄膜の具体的実施例を説明する。
対向ターゲット式スパッタ装置を用いて表1に示す条件でFe−C薄膜を作製した。ターゲットには純Feターゲット上にC(炭素)チップを配置した複合ターゲットを用いた。薄膜作製のための基板には10mm×10mm×0.5mmの溶融石英ガラスを用い、成膜は室温のAr雰囲気下で膜厚が約500nmとなるように行った。
試料No.1、2及び6の薄膜について行ったメスバウアー解析の結果を図1〜図3に示す。図1及び図2に示すように、試料No.1及び2の薄膜はFe結晶粒とアモルファス相とから構成されており、アモルファス相の体積率は試料No.1が42%、試料No.2が64%であることが確認された。これに対して、図3に示すように、試料No.6の薄膜はほとんどFe結晶粒から構成され、アモルファス相の体積率は10%にすぎないことが確認された。
得られた薄膜についてアモルファス相の体積率、C含有量、薄膜中に存在する結晶の平均粒径を測定した。また、得られた薄膜について磁気特性、透磁率の周波数特性及び比抵抗を測定した。それらの結果を表1に示す。なお、試料No.1及び6については、透磁率の周波数特性を図4及び図5に示している。
Specific examples of the high-frequency soft magnetic thin film of the present invention will be described below.
Fe-C thin films were prepared under the conditions shown in Table 1 using an opposed target sputtering apparatus. As the target, a composite target in which a C (carbon) chip was arranged on a pure Fe target was used. A fused silica glass of 10 mm × 10 mm × 0.5 mm was used as a substrate for forming a thin film, and film formation was performed in an Ar atmosphere at room temperature so that the film thickness was about 500 nm.
Sample No. The results of Mossbauer analysis performed on the thin films 1, 2 and 6 are shown in FIGS. As shown in FIG. 1 and FIG. The thin films 1 and 2 are composed of Fe crystal grains and an amorphous phase. 1 is 42%, sample no. 2 was confirmed to be 64%. On the other hand, as shown in FIG. It was confirmed that the thin film 6 was almost composed of Fe crystal grains, and the volume fraction of the amorphous phase was only 10%.
The obtained thin film was measured for the volume fraction of the amorphous phase, the C content, and the average particle diameter of crystals present in the thin film. The obtained thin film was measured for magnetic characteristics, frequency characteristics of permeability and specific resistance. The results are shown in Table 1. Sample No. For 1 and 6, the frequency characteristics of the magnetic permeability are shown in FIGS.

Figure 2005093527
Figure 2005093527

表1(図4)に示すように、本発明による高周波用軟磁性薄膜(試料No.1〜5)は、1.9T以上の飽和磁化(Bs)を有しているとともに、磁化容易軸方向の保磁力(Hce)及び磁化困難軸方向の保磁力(Hch)が5Oe以下の値を示している。また、本発明による高周波用軟磁性薄膜(試料No.1〜5)は、透磁率(μ’)が200以上の高い値を示し、さらに共鳴周波数(fr)も1GHz以上となっている。さらに、比抵抗が60μΩcm以上であり、加えてB50が100%以上を示している。
以上に対して、アモルファス相が10体積%の試料No.6は保磁力が10を超えており、またB50の値も小さい。また、アモルファス相が100%の試料No.7は飽和磁化(Bs)及びB50が小さいことがわかる。
As shown in Table 1 (FIG. 4), the high-frequency soft magnetic thin film (sample Nos. 1 to 5) according to the present invention has a saturation magnetization (Bs) of 1.9 T or more and an easy magnetization axis direction. The coercive force (Hce) and the coercive force (Hch) in the hard axis direction are values of 5 Oe or less. Moreover, the high-frequency soft magnetic thin film (sample Nos. 1 to 5) according to the present invention has a high permeability (μ ′) of 200 or more, and the resonance frequency (fr) is 1 GHz or more. Furthermore, the specific resistance is 60 μΩcm or more, and in addition, B50 is 100% or more.
In contrast to the sample No. 1 with an amorphous phase of 10% by volume. No. 6 has a coercive force exceeding 10, and the value of B50 is also small. Sample No. 100% of the amorphous phase was used. 7 shows that saturation magnetization (Bs) and B50 are small.

試料No.1の薄膜について行ったメスバウアー解析の結果を示す図である。Sample No. It is a figure which shows the result of the Mossbauer analysis performed about 1 thin film. 試料No.2の薄膜について行ったメスバウアー解析の結果を示す図である。Sample No. It is a figure which shows the result of the Mossbauer analysis performed about 2 thin films. 試料No.6の薄膜について行ったメスバウアー解析の結果を示す図である。Sample No. FIG. 6 is a diagram showing the results of Mossbauer analysis performed on the thin film 6. 試料No.1の薄膜の透磁率の周波数特性を示すグラフである。Sample No. 4 is a graph showing frequency characteristics of magnetic permeability of a thin film 1. 試料No.6の薄膜の透磁率の周波数特性を示すグラフである。Sample No. 6 is a graph showing frequency characteristics of magnetic permeability of a thin film 6. 本発明の高周波用軟磁性薄膜が適用されたインダクタの一例を示す平面図である。It is a top view which shows an example of the inductor to which the soft magnetic thin film for high frequencies of this invention was applied. 図6のA−A矢視断面図である。It is AA arrow sectional drawing of FIG.

符号の説明Explanation of symbols

1…高周波用軟磁性薄膜、11…基板、12…平面コイル、13…絶縁膜、10…インダクタ   DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Soft magnetic thin film for high frequencies, 11 ... Board | substrate, 12 ... Planar coil, 13 ... Insulating film, 10 ... Inductor

Claims (2)

Cを10〜35at%含み、残部が実質的にFeからなる組成を有し、
平均粒径が20nm以下の強磁性Fe結晶粒と、30〜75体積%を占める強磁性アモルファス相とを含む複合組織からなることを特徴とする高周波用軟磁性薄膜。
Containing 10 to 35 at% of C, the balance being substantially composed of Fe,
A soft magnetic thin film for high frequency, comprising a composite structure including ferromagnetic Fe crystal grains having an average grain size of 20 nm or less and a ferromagnetic amorphous phase occupying 30 to 75% by volume.
高周波用軟磁性薄膜を備えた磁気素子であって、
前記高周波用軟磁性薄膜は、
Cを10〜35at%含み、残部が実質的にFeからなる組成を有し、
平均粒径が20nm以下の強磁性Fe結晶粒と、30〜75体積%を占める強磁性アモルファス相とを含む複合組織からなることを特徴とする磁気素子。
A magnetic element having a soft magnetic thin film for high frequency,
The high-frequency soft magnetic thin film is
Containing 10 to 35 at% of C, the balance being substantially composed of Fe,
A magnetic element comprising a composite structure including ferromagnetic Fe crystal grains having an average grain size of 20 nm or less and a ferromagnetic amorphous phase occupying 30 to 75% by volume.
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