JP2007110101A - 磁性膜およびインダクタ - Google Patents

Abstract

【課題】Ｃｏ−Ｚｒ−Ｔａ系で、高い透磁率を有する磁性膜を提供する。
【解決手段】磁性膜１４は基板１０上に設けられている。基板１０は、Ｓｉからなる平板状の基体１１と、基体１１の上面に形成されたＳｉ酸化膜１２から構成されている。磁性膜１４は、Ｃｏ−Ｚｒ−Ｔａ系の磁性体から構成されている。この磁性体のＣｏ−Ｚｒ−Ｔａ系のアモルファス相は、最大径１０ｎｍ〜３０ｎｍの結晶相を体積比０．００６％〜６．２％で含んでいるか、あるいは１μｍ^３あたり８個〜７２００個の割合で含んでいる。
【選択図】図１

Description

この発明は、アモルファス金属合金からなる磁性膜と、その磁性膜を備えるインダクタに関する。

以前から、アモルファス金属合金からなる磁性膜の磁気特性、特に透磁率を改善するための研究が行われている。例えば、下記の非特許文献１には、高い透磁率を得るためにＣｏＦｅＳｉＢ膜をキュリー温度以上、結晶化温度以下で熱処理することが記載されている。また、下記の非特許文献２には、ＣｏＺｒＮｂ膜について、熱処理温度の上昇に伴い透磁率の増加が飽和することが記載されている（Ｆｉｇ．４を参照のこと）。下記の非特許文献３には、ＣｏＺｒＴａ膜をスパッタリングによって形成した後、その膜を３８０℃の温度でアニールすることが記載されている。
藤森啓安、「ソフト磁性材料」、日本応用磁気学会誌、１９９７年、第２１巻、第３号、９９〜１０６頁 渡辺由雄、他２名、「ＣｏＺｒＮｂアモルファス膜の異方性磁界の制御方法」、日本応用磁気学会誌、１９８５年、第９巻、第２号、２１１〜２１４頁 Ｋ．Ｈａｙａｓｈｉ、他６名、「Ｃｏベースのアモルファス金属膜の磁気特性および他の特性ならびにスパッタリングでの挙動（Magnetic and other properties and sputtering behavior ofCo-baseamorphous alloy films）」、J. Appl.Phys.、American Institute ofPhysics、米国、１９８７年４月１５日、第６１巻、第８号、２９８３〜２９９２頁

Ｃｏ−Ｚｒ−Ｔａ系の磁性膜において高い透磁率を得るための膜構造は、これまで明らかになっていない。そこで、本発明は、Ｃｏ−Ｚｒ−Ｔａ系で、高い透磁率を有する磁性膜、およびその磁性膜を備えるインダクタを提供することを課題とする。

一つの側面において、本発明は磁性膜に関する。この磁性膜は、Ｃｏ−Ｚｒ−Ｔａ系の磁性体から構成されている。本発明者は、Ｃｏ−Ｚｒ−Ｔａ系のアモルファス相に複数の結晶相が適切な割合で含まれていると、結晶相が含まれていない場合に比べて透磁率が上昇すること、また、結晶相の割合が過度に高いと透磁率がかえって減少することを発見した。

本発明者の検討によれば、この磁性膜は、最大径１０ｎｍ〜３０ｎｍの結晶相を体積比０．００６％〜６．２％で含んでいることが好ましい。結晶相の体積比が０．００６％未満だと高い透磁率を得ることは難しい。また、結晶相の体積比が６．２％を超えると、結晶相を含まないＣｏ−Ｚｒ−Ｔａ系のアモルファス磁性膜よりも透磁率が低くなる可能性が高い。

また、磁性膜は、最大径１０ｎｍ〜３０ｎｍの結晶相を１μｍ^３あたり８個〜７２００個の割合で含んでいることが好ましい。結晶相の割合が１μｍ^３あたり７個以下だと高い透磁率を得ることは難しい。また、結晶相の割合が１μｍ^３あたり７２００個を超えると、逆に結晶相を含まないＣｏ−Ｚｒ−Ｔａ系のアモルファス磁性膜よりも透磁率が低くなる可能性が高い。

別の側面において、本発明はインダクタに関する。このインダクタは、上記の磁性膜を磁芯として備えている。磁性膜が高い透磁率を有するため、このインダクタは高いインダクタンスを有する。

本発明に係る磁性膜は、その磁性膜を構成するＣｏ−Ｚｒ―Ｔａ系のアモルファス相中に結晶相を適切な割合で含んでいるので、結晶相を含まないアモルファスＣｏ−Ｚｒ―Ｔａ系の磁性膜に比べて高い透磁率を有する。したがって、この磁性膜を磁芯として備えるインダクタは、高いインダクタンスを有する。

以下、本発明の好適な実施形態について詳細に説明する。ただし、本発明は以下の実施形態に限定されるものではない。

以下、添付図面を参照しながら本発明の実施形態を詳細に説明する。なお、図面の説明において同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。

図１は、本実施形態に係る磁性膜を示す断面図である。磁性膜１４は基板１０上に設けられている。基板１０は、Ｓｉからなる平板状の基体１１と、基体１１の上面に形成されたＳｉ酸化膜１２から構成されている。磁性膜１４は、アモルファス（非結晶）の金属合金であるＣｏ−Ｚｒ−Ｔａ系の磁性体から構成された厚さ５００ｎｍの薄膜である。本実施形態では、Ｃｏ−Ｚｒ−Ｔａの組成比は、Ｃｏ：Ｚｒ：Ｔａ＝９３：４：３である。ただし、本発明においてＣｏ−Ｚｒ−Ｔａの組成比がこれに限定されるわけではない。Ｃｏ−Ｚｒ−Ｔａ系の磁性膜の組成としては、Ｃｏ_ｘＺｒ_ｙＴａ_{１−ｘ−ｙ}（０．８≦ｘ≦０．９６、０＜ｙ≦０．１５、０．９≦ｘ＋ｙ＜１）が一般的である。Ｃｏ−Ｚｒ−Ｔａ系のアモルファス層の一般的な組成も同様である。

以下では、磁性膜１４の製造方法を説明する。磁性膜１４は、スパッタリングによって形成される。具体的には、基板１０をマグネトロンスパッタ装置のチャンバに搬入し、スパッタ圧力（チャンバ内の圧力）を０．６６Ｐａに設定してマグネトロンスパッタリングを行う。印加磁場の強さは、３０００Ｏｅ（≒２３７×１０^３Ａ／ｍ）に設定する。スパッタリングの間、基板１０の温度を２０℃〜３５℃に保持する。こうして、磁性膜１４がＳｉ酸化膜１２の表面上に形成される。この磁性膜はアモルファス構造になっていることが知られている。

次に、磁性膜１４に熱処理を施す。磁性膜１４の形成された基板１０を加熱炉内の回転ステージ上に載置し、所定の磁場内で基板１０を回転数９０ｒｐｍで回転させながら、炉内の温度を室温から所定の熱処理温度まで上昇させる。その後、基板１０の回転を続けながら、所定の熱処理時間（本実施形態では１時間）にわたって熱処理温度を保持する。熱処理時間が経過したら、炉内の温度を常温まで徐々に下降させる。こうして、磁性膜１４が完成する。

本実施形態では、熱処理温度が２６０℃のときと４００℃のときの双方で熱処理を行い、得られる磁性膜１４の透磁率を測定した。また、熱処理前の磁性膜１４についても透磁率を測定した。その結果、２６０℃では熱処理前に比べて透磁率が２倍以上に上昇するのに対し、４００℃では熱処理前よりも透磁率が減少することが分かった。

本発明者は、透磁率の違いが、磁性膜１４を構成するＣｏ−Ｚｒ−Ｔａ系の磁性膜の構造に起因すると考え、透過電子顕微鏡（ＴＥＭ：Transmission Electron Microscope）を用いて磁性膜１４の写真を撮影した。図２は、熱処理の前後における磁性膜１４の顕微鏡写真であり、ここで（ａ）は熱処理前の磁性膜１４、（ｂ）は温度２６０℃で熱処理を施した磁性膜１４、（ｃ）は温度４００℃で熱処理を施した磁性膜１４をそれぞれ示している。各写真は横幅は７００ｎｍ、縦幅は４００ｎｍに相当する。

これらの写真には、Ｃｏ−Ｚｒ−Ｔａ系のアモルファス相中に含まれる結晶相が白または黒い領域として現れている。図２では、アモルファス相を符号１９で表し、結晶相を符号２０で表している。なお、結晶相２０の色が違って見えるのは、結晶相２０の配向方向に応じて光反射量が異なるためである。そして、この結晶相は、Ｃｏ−Ｚｒ−Ｔａ系の磁性体に由来するものと考えられる。

図２に示されるように、熱処理によって結晶相２０の数が増加すること、また、熱処理温度が高いほど結晶相２０の数が増加することが分かる。結晶相２０の大きさは様々だが、本発明者は、熱処理による結晶相の増加を評価するために、図２の写真から最大径が１０ｎｍ〜３０ｎｍの結晶相２０の数を調べ、磁性膜１４に占めるそれらの結晶相２０の割合を計算した。同様に、熱処理温度を１９０℃又は３３０℃として磁性膜１４の熱処理を行い、その場合についても透過電子顕微鏡写真を撮影して結晶相２０の割合等を計算した。

図３は、この計算結果を示す表である。熱処理を施す前の磁性膜１４では、面積０．２８μｍ^２の領域において最大径１０ｎｍ〜３０ｎｍの結晶相２０は１個しか存在しない。このことから、磁性膜１４の１μｍ^２あたりの結晶相２０の個数は４個と計算され、磁性膜１４の１μｍ^３あたりの結晶相２０の個数は７個と計算される。なお、この計算では、各結晶相２０を一辺が２０ｎｍの立方体とみなしており、１μｍ^３あたりの結晶相２０の個数は、１μｍ^２あたりの個数を（３／２）乗することにより求めている。これらの結晶相２０が磁性膜１４の１μｍ^３あたりに占める体積（図３の「単位体積あたりの占有体積」）は、５．３９９４９×１０^−５である。したがって、熱処理を施す前の磁性膜１４は、最大径１０ｎｍ〜３０ｎｍの結晶相を０．００５％の体積比で含んでいることになる。

同様の計算方法により、２６０℃の熱処理を施した磁性膜１４には、最大径１０ｎｍ〜３０ｎｍの結晶相２０が１μｍ^３あたり９９個含まれており、その体積比は０．０７９％と計算された。また、４００℃の熱処理を施した磁性膜１４には、最大径１０ｎｍ〜３０ｎｍの結晶相２０が１μｍ^３あたり２２６２７個含まれており、その体積比は１８．１％と計算された。１９０℃の熱処理を施した磁性膜１４の場合、最大径１０ｎｍ〜３０ｎｍの結晶相２０が１μｍ^３あたり５４個含まれており、その体積比は０．０４３％と計算された。３３０℃の熱処理を施した磁性膜１４の場合、最大径１０ｎｍ〜３０ｎｍの結晶相２０が１μｍ^３あたり１７０７個含まれており、その体積比は１．３６６％と計算された。

図３の表には、１μｍ^３あたりの最大径１０ｎｍ〜３０ｎｍの結晶相２０の個数の常用対数（ｌｏｇ（個数／μｍ^３））、１μｍ^３あたりの最大径１０ｎｍ〜３０ｎｍの結晶相２０の占有体積の常用対数（ｌｏｇ（単位体積あたりの占有体積））、及び熱処理前の透磁率に対する熱処理後の透磁率の比（増加率）も示した。図４は増加率とｌｏｇ（個数／μｍ^３）との関係をプロットしたグラフであり、図５は増加率とｌｏｇ（単位体積あたりの占有体積）との関係をプロットしたグラフである。図４及び図５には、これらのプロットに関する２次関数による近似曲線を示した。図４中の近似曲線の近似式はｙ＝−０．４３６ｘ^２＋２．０８ｘ−０．３５８（相関係数：０．９００）であり、図５中の近似曲線の近似式はｙ＝−０．４３６ｘ^２−２．３６７ｘ−１．１０３（相関係数：０．９００）である。

図４の近似曲線を考慮すると、熱処理後のｌｏｇ（個数／μｍ^３）が０．９０〜３．８６でれば、透磁率が有意に増大すると認められる。したがって、常用対数の値から逆算すると、磁性膜１４は、磁性膜１４を構成するＣｏ−Ｚｒ−Ｔａ系のアモルファス相と、そのアモルファス相中に最大径１０ｎｍ〜３０ｎｍの結晶相を１μｍ^３あたり８個〜７２００個の割合で含んでいることが好ましい。結晶相の割合が１μｍ^３あたり７個以下だと、高い透磁率を得ることは難しい。また、結晶相の割合が１μｍ^３あたり７２００個を超えると、結晶相を含まないＣｏ−Ｚｒ−Ｔａ系のアモルファス磁性膜よりも透磁率が低くなる可能性が高い。そして、この結晶相は、Ｃｏ−Ｚｒ−Ｔａ系の磁性体に由来するものである。磁性膜１４中の最大径１０ｎｍ〜３０ｎｍの結晶相の１μｍ^３あたりの割合は、好ましくは９個〜６７００個であり、より好ましくは１６個〜３７００個であり、さらに好ましくは３４個〜１７００個であり、より一層好ましくは７５個〜７７０個である。図４の近似曲線を考慮すると、結晶相の個数が９個〜６７００個（ｌｏｇ（個数／μｍ^３）が０．９５〜３．８３）であるときは約１．２倍以上、１６個〜３７００個（ｌｏｇ（個数／μｍ^３）が１．２０〜３．５７）であるときは約１．５倍以上、３４個〜１７００個（ｌｏｇ（個数／μｍ^３）が１．５３〜３．２３）であるときは約１．８倍以上、７５個〜７７０個（ｌｏｇ（個数／μｍ^３）が１．８８〜２．８９）であるときは約２倍以上の透磁率の増加率が得られると考えられる。あるいは、磁性膜１４は、最大径１０ｎｍ〜３０ｎｍの結晶相を１μｍ^３あたり５０個〜１８００個の割合で含んでいてもよい。

図５の近似曲線を考慮すると、熱処理後のｌｏｇ（単位体積あたりの占有体積）が−４．２２〜−１．２１であれば、透磁率が有意に増大すると認められる。したがって、常用対数の値から逆算すると、磁性膜１４は、磁性膜１４を構成するＣｏ−Ｚｒ−Ｔａ系のアモルファス相と、そのアモルファス相中に最大径１０ｎｍ〜３０ｎｍの結晶相２０を体積比０．００６％〜６．２％で含んでいることが好ましい。結晶相２０の体積比が０．００６％未満だと、高い透磁率を得ることは難しい。また、結晶相２０の体積比が６．２％を超えると、結晶相を含まないＣｏ−Ｚｒ−Ｔａ系のアモルファス磁性膜よりも透磁率が低くなる可能性が高い。磁性膜１４中の結晶相の体積比は、好ましくは０．００７％〜５．４％であり、より好ましくは０．０１３％〜２．９％であり、さらに好ましくは０．０２７％〜１．３％であり、より一層好ましくは０．０６０〜０．６２％である。結晶相の体積比が０．００７％〜５．４％（ｌｏｇ（単位体積あたりの占有体積）が−４．１６〜−１．２７）であるとき約１．２倍、０．０１３％〜２．９％（ｌｏｇ（単位体積あたりの占有体積）が−３．９０〜−１．５３）であるとき約１．５倍、０．０２７％〜１．３％（ｌｏｇ（単位体積あたりの占有体積）が−３．５７〜−１．８９）であるとき約１．８倍、０．０６０〜０．６２％（ｌｏｇ（単位体積あたりの占有体積）が−３．２２〜−２．２１）であるとき約２倍の透磁率の増加率が得られると考えられる。あるいは、磁性膜１４は、最大径１０ｎｍ〜３０ｎｍの結晶相を体積比０．０４〜１．４％で含んでいてもよい。

磁性膜１４に熱処理を施すと、磁性膜１４において引張応力が発生する。この応力が緩和されるように微結晶が生成してＣｏの原子間距離が縮まり、各原子が有するスピン間の相互作用が大きくなる結果、透磁率が増大すると考えられる。一方、熱処理温度が過度に高くなると熱により再結晶が促進されて微結晶が急増する。微結晶が多くなりすぎると、磁化反転が生じ難くなって、透磁率が劣化すると考えられる。磁性膜１４の収縮のために発生した基板１０の反りの量等に基づいて、磁性膜１４が基板１０に与える応力（膜応力）を計算した結果を図３の表に示す。熱処理の際に磁性膜１４に発生した応力が緩和されるように微結晶が生成し、その結果磁性膜１４全体としては均一な引張応力が発生していると考えられる。

本実施形態の磁性膜は、インダクタの磁芯として好適に使用することができる。図６は、本実施形態の磁性膜を磁芯として備えるインダクタを示す概略破断斜視図である。このインダクタ３０のサイズは、５ｍｍ×５ｍｍ×６０μｍである。インダクタ３０は、正方形の基板３２上に順次に積層された下部磁性膜３４、絶縁膜３６、コイル３８、絶縁樹脂層４０、および上部磁性膜４２から構成されている。なお、コイル３８のターン数は１０である。

下部磁性膜３４および上部磁性膜４２は、アモルファスＣｏ_０．９１Ｚｒ_０．０５Ｔａ_０．０４から構成されており、最大径１０ｎｍ〜３０ｎｍの結晶相を１μｍ^３あたり９９個の割合で含んでいる。これを体積比で表すと、０．０７９％となる。各磁性膜の透磁率は１２００と非常に高い。これらの磁性膜は、スパッタリングによってＣｏ−Ｚｒ−Ｔａ系の膜を形成し、インダクタの構成を形成した後に２６０℃の温度で熱処理を施すことにより製造される。これにより、コイルを挟む磁性膜は前述したアモルファス相中に結晶相を含んでいるものとなる。

コイル３８の両端部には、電極パッド４４および４５が設けられている。絶縁樹脂層４０および上部磁性膜４２は、電極パッド４４、４５の上方に位置する開口を有している。電極パッド４４、４５は、それらの開口を通じて露出するようになっている。電極パッドを介してコイル３８に電流が流れると、インダクタンスが発生する。このインダクタンスは、コイル３８の付近に配置された下部磁性膜３４および上部磁性膜４２の透磁率の影響を受ける。したがって、下部磁性膜３４および上部磁性膜４２は、インダクタ３０の磁芯として機能する。

図７は、インダクタ３０のインダクタンスの周波数特性を示すグラフである。このグラフにおいて四角のプロット点は、様々な周波数におけるインダクタ３０のインダクタンスを示している。また、菱形のプロット点は、インダクタ３０との比較用のインダクタの様々な周波数におけるインダクタンスを示している。この比較例は、インダクタ３０の磁性膜３４、４２を、Ｃｏ_０．９１Ｚｒ_０．０５Ｔａ_０．０４の組成を有するターゲットを用いたスパッタリングにより形成された、熱処理を施していないＣｏ_０．９３Ｚｒ_０．０４Ｔａ_０．０３からなる磁性膜に置き換えた構成を有している。比較例の各磁性膜は、最大径１０ｎｍ〜３０ｎｍの結晶相を１μｍ^３あたり７個の割合で含んでおり、これを体積比で表すと、０．００５％となる。各磁性膜の透磁率は５００である。

インダクタ３０の磁性膜３４、４２は比較例の磁性膜に比べて十分に高い透磁率を有しているので、より小さな電流をコイル３８に流しても、同じ体積において、より大きな磁束の変化を引き起こすことができる。インダクタンスは磁束の変化量に比例するので、磁性膜３４、４２を磁芯として備えるインダクタ３０は、全ての周波数領域にわたって比較例よりも高いインダクタンスを有する。

以上、本発明をその実施形態に基づいて詳細に説明した。しかし、本発明は上記実施形態に限定されるものではない。本発明は、その要旨を逸脱しない範囲で様々な変形が可能である。

実施形態の磁性膜を示す断面図である。 熱処理の前後における磁性膜を示す顕微鏡写真である。 Ｃｏ−Ｚｒ−Ｔａ系のアモルファス相中に含まれる結晶相の割合等を示す表である。 透磁率の増加率と１μｍ^３あたりの結晶相の個数の常用対数との関係をプロットしたグラフである。 透磁率の増加率と結晶相の単位体積（１μｍ^３）あたりの占有体積の常用対数との関係をプロットしたグラフである 磁性膜を備えるインダクタを示す概略破断斜視図である。 インダクタのインダクタンスの周波数特性を示すグラフである。

符号の説明

１０…基板、１１…基体、１２…酸化膜、１４…磁性膜、１９…アモルファス相、２０…結晶相、３０…インダクタ、３２…基板、３４…下部磁性膜、３６…絶縁膜、３８…コイル、４０…絶縁樹脂層、４２…上部磁性膜、４４、４５…電極パッド。

Claims (5)

1. Ｃｏ−Ｚｒ−Ｔａ系のアモルファス相中に、最大径１０ｎｍ〜３０ｎｍの結晶相を体積比０．００６％〜６．２％で含んでいるＣｏ−Ｚｒ−Ｔａ系の磁性体からなる磁性膜。
2. 前記体積比が０．０１３％〜２．９％である、請求項１記載の磁性膜。
3. Ｃｏ−Ｚｒ−Ｔａ系のアモルファス相中に、最大径１０ｎｍ〜３０ｎｍの結晶相を１μｍ^３あたり８個〜７２００個の割合で含んでいるＣｏ−Ｚｒ−Ｔａ系の磁性体からなる磁性膜。
4. 前記割合が１μｍ^３あたり１６個〜３７００個である、請求項３記載の磁性膜。
5. 請求項１〜４のいずれか一項に記載の磁性膜を磁芯として備えるインダクタ。
   
   

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