JP2007081246A - 磁性膜及び磁気デバイス - Google Patents

Abstract

【課題】高周波数領域で透磁率が高く、磁気ヒステリシス損失が小さい磁性膜及び該磁性膜を有する磁気デバイスを提供する。
【解決手段】磁性膜は、コバルト及びイリジウムを含有する合金からなる磁性粒子を含有し、コバルト及びイリジウムを含有する合金の磁気異方性定数は、負である。
【選択図】図１

Description

本発明は、磁性膜及び磁気デバイスに関する。

近年、個人用携帯機器や移動通信の発展に伴い、これらの機器に用いられる磁気デバイスの小型化、低価格化、高帯域化が求められており、高周波用の軟磁性材料の開発が望まれている。

高周波用の軟磁性材料は、高周波数領域において、透磁率が高いことが必要であるが、一般に、透磁率μ_ｉが高いもの程、低い周波数で共鳴を起こしてμ_ｉが低下することが知られている。この関係は、Ｓｎｏｅｋの限界と呼ばれる線で示される（図５参照）。なお、図５には、μ_ｉの周波数特性と共に、損失ｔａｎδ／μ_ｉの周波数特性が示されており、Ａ、Ｂ、Ｃは、Ｍｎ−Ｚｎ系フェライト、Ｄ、Ｅは、Ｎｉ−Ｚｎ系フェライト、Ｆは、フェロクスプレーナーを示す。図５より、Ｍｎ−Ｚｎ系フェライト、Ｎｉ−Ｚｎ系フェライトを使用することが可能な周波数領域は、数ＭＨｚから数百ＭＨｚ程度であることがわかる。しかしながら、携帯電話等の各種通信機器に用いられる周波数は、１ＧＨｚ前後となっているため、これらを使用することはできない。

また、フェロックスプレーナは、Ｓｎｏｅｋの限界を超えるが、特殊な構造のフェライトであるため、薄膜化等の加工プロセスが困難であり、実用性に乏しい。また、透磁率も不十分である。

特許文献１に、強磁性を有する中心核と、めっき法によって形成された強磁性層を有する磁性多層微粒子が分散されている磁性多層微粒子分散媒体が開示されている。これにより、複素透磁率は向上するが、高周波数領域における複素透磁率は、不十分である。

さらに、従来の軟磁性材料は、磁気ヒステリシス損失が大きいため、１ＧＨｚ前後の周波数で使用することができない。
特開２００２−９３６０７号公報

本発明は、上記の従来技術が有する問題に鑑み、高周波数領域で透磁率が高く、磁気ヒステリシス損失が小さい磁性膜及び該磁性膜を有する磁気デバイスを提供することを目的とする。

請求項１に記載の発明は、磁性膜において、コバルト及びイリジウムを含有する合金からなる磁性粒子を含有し、該合金の磁気異方性定数は、負であることを特徴とする。これにより、高周波数領域で透磁率が高く、磁気ヒステリシス損失が小さい磁性膜を提供することができる。

請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の磁性膜において、前記コバルト及び前記イリジウムの総原子数に対する前記イリジウムの原子数の比は、３％以上３０％以下であることを特徴とする。これにより、高周波数領域で透磁率が高く、磁気ヒステリシス損失が小さい磁性膜が得られる。

請求項３に記載の発明は、請求項１又は２に記載の磁性膜において、前記合金は、アルミニウム、チタン、バナジウム、マンガン、鉄、ニッケル、銅、亜鉛、ジルコニウム、ニオブ、モリブデン、ルテニウム、ロジウム、パラジウム、白金及び金からなる群より選択される元素をさらに含有することを特徴とする。これにより、磁性膜の磁気特性や耐食性を向上させることができる。

請求項４に記載の発明は、請求項１乃至３のいずれか一項に記載の磁性膜において、誘電体をさらに含有することを特徴とする。これにより、磁性膜の渦電流損失を減少させることができる。

請求項５に記載の発明は、磁気デバイスにおいて、基板上に、少なくとも、請求項１乃至４のいずれか一項に記載の磁性膜が形成されていることを特徴とする。これにより、高周波数領域で透磁率が高く、磁気ヒステリシス損失が小さい磁気デバイスを提供することができる。

請求項６に記載の発明は、請求項５に記載の磁気デバイスにおいて、前記基板上に、下地膜がさらに形成されていることを特徴とする。これにより、高周波数領域で透磁率がさらに高い磁気デバイスが得られる。

本発明によれば、高周波数領域で透磁率が高く、磁気ヒステリシス損失が小さい磁性膜及び該磁性膜を有する磁気デバイスを提供することができる。

次に、本発明を実施するための最良の形態を図面と共に説明する。

まず、磁気異方性定数が負である磁性体が有する効果について、以下説明する。

従来の強磁性体は、磁気ヒステリシス損失が大きいため、高周波数領域で使用することができない。そこで、強磁性体の粒子径を小さくして、超常磁性体とすることが考えられる。これにより、磁気ヒステリシス損失は、生じない。このとき、超常磁性体とするためには、自然共鳴周波数ｆ_ｒが使用周波数ｆより大きいこと（条件１）及び超常磁性を示すこと（条件２）を満たす必要がある。強磁性体として、磁気異方性定数Ｋｕが正である超常磁性体を用いる場合、ジャイロ磁気定数をγ（＝１．１０５×１０^５ｇ［ｍ／Ａ・ｓ］（ｇ＝２））、飽和磁化をＭｓとすると、条件１から、
ｆ_ｒ＝γＫｕ／（πＭｓ）＞ｆ
となる。また、ボルツマン定数をｋ_Ｂ、温度をＴ、磁性体の体積をＶ、特性緩和周波数をｆ_０とすると、条件２から、
ｆ＜ｆ_０ｅｘｐ（−ＫｕＶ／（ｋ_ＢＴ））
となる。また、Ｋｕが正であるので、磁化率χは、
χ＝ＶＭｓ^２／（３ｋ_ＢＴ）
となる。これらを整理すると、
χ＜（γＭｓ／（３πｆ））ｌｎ（ｆ_０／ｆ）
となる。ここで、Ｔ＝３００［Ｋ］、ｆ＝１［ＧＨｚ］、ｆ_０＝１０^１０［Ｈｚ］、Ｍｓ＝１４００［ｅｍｕ／ｃｃ］とすると、磁化率の最大値χ_ｍａｘは、６となり、比透磁率の最大値μ_ｍａｘは、７６となる。

一方、Ｋｕが負である磁性体の場合、磁化が特定の結晶面（六方晶構造（ｈｃｐ）では、ｃ面）に束縛されるため、超常磁性と強磁性の間で、磁化がある結晶面のみで二次元的に自由に回転する状態（条件３）が存在する。なお、このような磁性体となるためには、上記の条件１を同時に満たす必要がある。この場合、ｃ面内の磁気異方性定数をＫ_４とすると、条件１から、
ｆ_ｒ＝γ（１８｜Ｋｕ｜Ｋ_４）^１／２／（πＭｓ）
となる。また、条件３から、
２Ｋ_４Ｖ＜＜ｋ_ＢＴ＜＜｜Ｋｕ｜Ｖ
となり、これより、
ｆ＜ｆ_０ｅｘｐ（−２Ｋ_４Ｖ／（ｋ_ＢＴ））
となる。また、Ｋｕが負であるので、磁化率χは、
χ＝ＶＭｓ^２／（２ｋ_ＢＴ）
となる。これらを整理すると、
χ＜（９γ^２｜Ｋｕ｜／（２π^２ｆ^２））ｌｎ（ｆ_０／ｆ）
となる。ここで、Ｔ＝３００［Ｋ］、ｆ＝１［ＧＨｚ］、ｆ_０＝１０^１０［Ｈｚ］、Ｍｓ＝１０００［ｅｍｕ／ｃｃ］、Ｋｕ＝−５×１０^６［ｅｒｇ／ｃｃ］とすると、磁化率の最大値χ_ｍａｘは、１６２６となり、比透磁率の最大値μ_ｍａｘは、２０４３４となる。

以上のように、強磁性体として、Ｋｕが負である磁性体を用いた場合に、Ｋｕが正である超常磁性体を用いた場合と比較して大きいμが得られることがわかる。

本発明の磁性膜は、Ｃｏ及びＩｒを含有する合金からなる磁性粒子を含有し、Ｃｏ及びＩｒを含有する合金の磁気異方性定数は、負である。これにより、高周波数領域で透磁率が高く、磁気ヒステリシス損失が小さい磁性膜を得ることができる。

本発明の磁性膜において、Ｃｏ及びＩｒの総原子数に対するＩｒの原子数の比は、３〜３０％であることが好ましく、５〜３０％がさらに好ましく、７〜３０％が特に好ましい。図１に、Ｃｏ−Ｉｒ合金のＩｒ含有量と結晶磁気異方性定数Ｋｕ^{ｇｒａｉｎ}の関係を示す。このとき、Ｃｏ−Ｉｒ合金粒子の結晶磁気異方性定数Ｋｕ^{ｇｒａｉｎ}は、直接評価することができない。このため、Ｃｏ−Ｉｒ合金の結晶磁気異方性定数Ｋｕ^{ｇｒａｉｎ}は、Ｃｏ−Ｉｒ合金の球状単結晶（六方晶構造）をブリッジマン法（１５００℃）で作製し、半径６ｍｍの球体に研磨加工したものを、ＴＭ−ＴＲ２０５０−ＨＧＣ（玉川製作所社製）を用いて、飽和トルク法により、測定した。

また、前述したように、
ｆ＜ｆ_０ｅｘｐ（−２Ｋ_４Ｖ／（ｋ_ＢＴ））
であるため、磁性体の体積Ｖは、
Ｖ＜（−ｋ_ＢＴ／２Ｋ_４）ｌｎ（ｆ／ｆ_０）
となる。ここで、ｋ_Ｂ＝１．３８×１０^−１６［ｅｒｇ／Ｋ］、ｆ＝１［ＧＨｚ］、ｆ_０＝１０^１０［Ｈｚ］、Ｋ_４〜１０^３［ｅｒｇ／ｃｃ］、Ｔ＝３００［Ｋ］とすると、
Ｖ＜４．７６６×１０^−１７［ｃｃ］
となる。磁性体を直径Ｒ［ｎｍ］の球とすると、
Ｒ＜４５［ｎｍ］
となる。

また、前述したように、
χ＝ＶＭｓ^２／（２ｋ_ＢＴ）
である。ここで、磁性体を直径Ｒ［ｎｍ］の球とし、Ｍｓ＝１０００［ｅｍｕ／ｃｃ］、ｋ_Ｂ＝１．３８×１０^−１６［ｅｒｇ／Ｋ］、Ｔ＝３００［Ｋ］とすると、
χ＝６．３２×１０^−３Ｒ^３
となる。透磁率μは、
μ＝４πχ＋μ_０（μ_０は、真空の透磁率；μ_０＝１）
であるため、Ｒ＝１［ｎｍ］のとき、
μ＝１．０７９
となり、Ｒ＝２［ｎｍ］のとき、
μ＝１．６３
となり、Ｒ＝３［ｎｍ］のとき、
μ＝３．１４
となる。透磁率μは、真空の透磁率μ_０より十分大きい必要があるため、磁性体の直径Ｒ［ｎｍ］は、
Ｒ≧２［ｎｍ］
であることが好ましい。

本発明の磁性膜において、磁性粒子の平均粒子径は、２〜５０ｎｍであることが好ましく、２〜２０ｎｍがさらに好ましい。磁性粒子の平均粒子径が２ｎｍ未満になると、高周波数領域で透磁率が高い磁気デバイスを形成することができなくなることがある。一方、磁性粒子の平均粒子径が５０ｎｍを超えると、高周波数領域で磁気ヒステリシス損失が大きくなることがある。なお、磁性粒子の平均粒子径は、透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ）、走査型電子顕微鏡等を用いて測定することができる。

本発明の磁性膜において、Ｃｏ及びＩｒを含有する合金は、Ｂ、Ｃ、Ｎ及びＯからなる群より選択される一種以上の元素をさらに含有してもよい。これにより、粒子径の微細化及び磁気特性の改善をすることができる。

本発明の磁性膜において、Ｃｏ及びＩｒを含有する合金は、Ａｌ、Ｔｉ、Ｖ、Ｍｎ、Ｆｅ、Ｎｉ、Ｃｕ、Ｚｎ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｒｕ、Ｒｈ、Ｐｄ、Ｐｔ及びＡｕからなる群より選択される元素をさらに含有することが好ましい。中でも、Ｃｏ及びＩｒを含有する合金は、Ｆｅを含有することが好ましい。なお、合金中の、Ａｌ、Ｔｉ、Ｖ、Ｍｎ、Ｆｅ、Ｎｉ、Ｃｕ、Ｚｎ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｒｕ、Ｒｈ、Ｐｄ、Ｐｔ及びＡｕからなる群より選択される元素の組成比は、０〜５％であることが好ましい。これにより、磁性膜の磁気特性や耐食性を向上させることができる。

本発明の磁性膜は、誘電体をさらに含有することが好ましい。これにより、グラニュラー膜を形成することができる。誘電体としては、ＳｉＯ_２、Ａｌ_２Ｏ_３等のセラミックス、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）、ポリプロピレン（ＰＰ）、ポリエステル、ポリイミド、エポキシ樹脂等の樹脂材料が挙げられる。

本発明の磁気デバイスは、基板上に、少なくとも、本発明の磁性膜が形成されている。このとき、基板上には、下地膜がさらに形成されていることが好ましい。下地膜上に本発明の磁性膜を形成することにより、磁性膜に含まれるＣｏ及びＩｒを含有する合金からなる磁性粒子の結晶構造を制御することができる。例えば、磁性粒子として、Ｃｏ−Ｉｒ合金粒子を用いる場合には、下地膜として、面心立方格子（ｆｃｃ）の（１１１）面又は体心立方格子（ｂｃｃ）の（００１）面を膜面とする金属膜を形成すると、Ｃｏ−Ｉｒ合金粒子の六方晶構造（ｈｃｐ）のｃ面が膜面に平行に配向している磁性膜を形成することができる。これにより、高周波数領域における透磁率を向上させることができる。

また、本発明の磁気デバイスは、磁性膜上に保護膜がさらに形成されていてもよい。保護層としては、Ｔａ、Ｈｆ、Ｓｉ、Ａｕ、Ｐｔ、Ａｇ、Ｔｉ、Ｃｒ、Ａｌ、Ｓｉの窒化物、Ｓｉの酸化物、Ａｌの酸化物、Ａｌの窒化物、ＳｉＣ、Ｃ、ダイヤモンドライクカーボン、これらの混合物若しくはこれらの合金からなる単層膜又は多層膜を用いることができる。これにより、磁性膜を大気から遮断することができ、磁性膜の耐食性が向上する。

本発明の磁性膜は、スパッタリング法、真空蒸着法等を用いて形成することができる。

以下、本発明の磁性膜の形成方法の一例として、スパッタリング法を用いて、Ｃｏ−Ｉｒ合金粒子を含有する磁性膜（図２及び図３参照）を形成する方法について説明する。

まず、基板１上に、スパッタ条件を適宜選択して、Ｔａ膜２、Ｐｔ膜３及びＲｕ膜４を順次積層する。このような積層構造とすることにより、六方格子（ｈｃｐ）の（００１）面を膜面とするＲｕ膜４を形成することができ、Ｒｕ膜４と基板との接着性を向上させることができる。このとき、Ｔａ膜２、Ｐｔ膜３及びＲｕ膜４の膜厚は、それぞれ独立に、１〜１００ｎｍであることが好ましい。さらに、Ｒｕ膜４上に、スパッタ条件を適宜選択して、Ｃｏ−Ｉｒ合金粒子を含有する磁性膜５を形成することにより、本発明の磁気デバイスを得ることができる。なお、図２では、Ｃｏ−Ｉｒ合金粒子５ａ及びＳｉＯ_２（マトリックス）５ｂからなる磁性膜（グラニュラー膜）５、図３では、Ｃｏ−Ｉｒ合金粒子からなる磁性膜５が形成されている。

また、本発明の磁性膜は、ポリオール法により合成されたＣｏ及びＩｒを含有する合金からなる磁性粒子を用いて形成することができる。

以下、本発明の磁性膜の形成方法の他の例として、ポリオール法により合成されたＣｏ−Ｉｒ合金からなる磁性粒子を用いて、Ｃｏ−Ｉｒ合金粒子を含有する磁性膜を形成する方法について説明する。

Ｃｏ−Ｉｒ合金からなる磁性粒子は、Ｃｏ−Ｉｒ合金粒子を構成するＣｏ及びＩｒの前駆体を溶媒中に分散し、加熱することにより合成することができる。Ｃｏの前駆体としては、Ｃｏ（ＣＯ）_８、Ｃｏ（ａｃａｃ）_２、Ｃｏ（ａｃａｃ）_３、ＣｏＣｌ_２等を用いることができる。また、Ｉｒの前駆体としては、ＩｒＣｌ_３、ＩｒＣｌ_４、Ｉｒ（ａｃａｃ）_３、Ｈ_２ＩｒＣｌ_６等を用いることができる。溶媒としては、トリメチレングリコール（ＴＭＥＧ）、テトラエチレングリコール（ＴＥＧ）、プロピレングリコール（ＰＧ）、エチレングリコール（ＥＧ）、ジエチレングリコール（ＤＥＧ）等を用いることができる。また、加熱温度は、８０〜３５０℃であることが好ましく、加熱時間は、１０分〜５時間であることが好ましい。なお、加熱時には、Ｃｏ及びＩｒの前駆体が溶解し、それぞれＣｏ（０）及びＩｒ（０）に還元されることにより、磁性粒子の核が形成され、その後、粒子が成長する。

このようにして合成された磁性粒子は、アルコール等を用いて洗浄した後、遠心分離することにより、単離することができる。なお、遠心分離の際に、分級することもできる。また、単離された磁性粒子は、溶媒中で再分散することができる。このとき、界面活性剤を添加して再分散してもよい。

このようにして再分散された磁性粒子を、単独又は誘電体と共に分散させた分散液を固形化することにより、磁性膜を形成することができる。

（実施例１）
スパッタガスとして、Ａｒを用い、表１に示すスパッタ条件で、基板１上に、膜厚５ｎｍのＴａ膜２、膜厚６ｎｍのＰｔ膜３及び膜厚５０ｎｍのＲｕ膜４を順次積層した（図２参照）。

ＲＩＸ２１００（リガク社製）を用いて、Ｘ線回折（ＸＲＤ）により、Ｒｕ膜４の構造を解析したところ、六方格子（ｈｃｐ）の（００１）面を膜面とするＲｕ膜４が形成されていることがわかった。さらに、スパッタガスとして、Ａｒを用い、Ｃｏ−ＳｉＯ_２ターゲット及びＩｒターゲットを用いて、表１に示すスパッタ条件で、Ｒｕ膜４上に、Ｃｏ−Ｉｒ合金粒子５ａ及びＳｉＯ_２（マトリックス）５ｂからなる膜厚１０ｎｍの磁性膜（グラニュラー膜）５を形成し、磁気デバイスを作製した。

ＲＩＸ２１００（リガク社製）を用いて、Ｘ線回折（ＸＲＤ）により、Ｃｏ−Ｉｒ合金粒子５ａの構造を解析したところ、六方晶構造（ｈｃｐ）であった。

Ｃｏ−Ｉｒ合金粒子５ａの平均粒子径は、透過型電子顕微鏡ＪＥＭ−３０１０型（日本電子社製）を用いて、３００ｋＶの加速電圧で明視野像を観測することにより、測定した。その結果、Ｃｏ−Ｉｒ合金粒子５ａの平均粒子径は、５ｎｍであった。

振動試料型磁力計（ＶＳＭ）ＢＨＶ−５０ＨＭ（理研電子社製）を用いて、磁性膜（グラニュラー膜）５の磁気ヒステリシスを測定したところ、磁気ヒステリシス損失が無いことがわかった（図４参照）。

ＴＭ−ＴＲ２０５０−ＨＧＣ（玉川製作所社製）を用いて、飽和トルク法により、磁性膜（グラニュラー膜）５の結晶磁気異方性定数を測定したところ、結晶磁気異方性定数Ｋｕ^{ｇｒａｉｎ}は、−５×１０^６ｅｒｇ／ｃｃであった。

透磁率計ＰＭＭ−９Ｇ１（凌和電子社製）を用いて、磁性膜（グラニュラー膜）５の透磁率を測定した。

Ｃｏ−Ｉｒ合金のＩｒ含有量とＫｕ^{ｇｒａｉｎ}の関係を示す図である。 本発明の磁気デバイスの一例を示す図である。 本発明の磁気デバイスの他の例を示す図である。 実施例１の磁性膜（グラニュラー膜）の磁化曲線を示す図である。 従来の軟磁性材料の透磁率の周波数特性を示す図である。

符号の説明

１ 基板
２ Ｔａ膜
３ Ｐｔ膜
４ Ｒｕ膜
５ 磁性膜
５ａ Ｃｏ−Ｉｒ合金粒子
５ｂ ＳｉＯ_２

Claims (6)

1. コバルト及びイリジウムを含有する合金からなる磁性粒子を含有し、
   該合金の磁気異方性定数は、負であることを特徴とする磁性膜。
2. 前記コバルト及び前記イリジウムの総原子数に対する前記イリジウムの原子数の比は、３％以上３０％以下であることを特徴とする請求項１に記載の磁性膜。
3. 前記合金は、アルミニウム、チタン、バナジウム、マンガン、鉄、ニッケル、銅、亜鉛、ジルコニウム、ニオブ、モリブデン、ルテニウム、ロジウム、パラジウム、白金及び金からなる群より選択される元素をさらに含有することを特徴とする請求項１又は２に記載の磁性膜。
4. 誘電体をさらに含有することを特徴とする請求項１乃至３のいずれか一項に記載の磁性膜。
5. 基板上に、少なくとも、請求項１乃至４のいずれか一項に記載の磁性膜が形成されていることを特徴とする磁気デバイス。
6. 前記基板上に、下地膜がさらに形成されていることを特徴とする請求項５に記載の磁気デバイス。

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