JP2007311738A - 磁性材料およびアンテナデバイス - Google Patents

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Abstract

【課題】磁性金属または磁性合金からなる柱状体の体積百分率が高くかつ透磁率実部（μ’）と透磁率虚部（μ”）の比（μ’／μ”）が大きい複合磁性膜を備えた磁性材料を提供する。
【解決手段】基板；およびこの基板上に形成され、長手方向が前記基板の表面に対して垂直方向に向いたＦｅ，ＣｏおよびＮｉの少なくとも１つから選ばれる磁性金属または磁性合金を含有する複数の柱状体と、前記柱状体の間に形成された金属の酸化物、窒化物、炭化物およびフッ化物から選ばれる少なくとも１つの無機絶縁体とを備え、前記基板表面に平行な表面内の最小異方性磁界Ｈｋ１と前記基板の表面と平行な表面の最大異方性磁界Ｈｋ２の比、Ｈｋ２／Ｈｋ１が１より大きい複合磁性膜；
を具備することを特徴とする磁性材料。
【選択図】 図１

Description

本発明は、磁性材料およびアンテナデバイスに関する。
現在の携帯通信端末で使用される電波の周波数帯域は、１００ＭＨｚ以上の高周波領域である。このため、この高周波領域において有用な電子部品および基板に注目されている。また、携帯移動体通信、衛生通信においては、ＧＨｚ帯の高周波域の電波が使用されている。
このような高周波域の電波に対応するためには、電子部品においてエネルギー損失や伝送損失が小さいことが必要である。例えば、携帯通信端末に不可欠なアンテナデバイスでは、アンテナから発生される電波は伝送過程において伝送損失が生じる。この伝送損失は、熱エネルギーとして電子部品および基板内で消費されて電子部品における発熱の原因となる。また、伝送損失は外部に送信すべき電波が打ち消される。このため、強力な電波を送信する必要があり、電力の有効利用を妨げる。さらに、極力低い電波での通信が望まれている。
高透磁率の絶縁基板を使用する高周波デバイスは、発生する電磁波を基板に巻き込むことができるため、電磁波が通信機器内の電子部品やプリント基板へ到達を防止することができる。つまり省電力化が可能である。
通常の高透磁率部材は、Ｆｅ，Ｃｏを成分とする金属もしくは合金、その酸化物である。金属もしくは合金の高透磁率部材は、電波の周波数が高くなると渦電流による伝送損失が顕著になるため、基板としては使用することが困難になる。一方、フェライトに代表される酸化物の磁性体を基板として用いた場合、高抵抗であるため渦電流による伝送損失は抑えられるが、共鳴周波数が数百ＭＨｚであるため、高周波では共鳴による伝送損失が顕著になり使用が困難になる。このため、基板の材料として、高周波数の電波に対しても使用できる伝送損失を極力抑えた絶縁性の高透磁率部材が求められている。
このような高透磁率部材を作製する試みとして、スパッタ法などの薄膜技術を用いて高透磁率ナノグラニュラー材料が作製されており、高周波域においても優れた特性を示すことが確認されている。しかしながら、グラニュラー構造では高抵抗を保ったまま磁性微粒子の体積百分率を向上させることは難しい。
一方、特許文献１にはＦｅ、Ｃｏ、またはＮｉの各々の純金属ないしはそれらを少なくとも２０重量％含有する合金からなる単磁区の柱状構造体が酸化物、窒化物またはフッ化物ないしはそれらの混合物である無機質の絶縁性母体中に埋め込まれた複合磁性材料が開示されている。
特開２００４−９５９３７
本発明は、磁性金属または磁性合金からなる柱状体の体積百分率が高くかつ透磁率実部（μ’）と透磁率虚部（μ”）の比（μ’／μ”）が大きい複合磁性膜を備えた磁性材料、およびこの磁性材料を含むアンテナ基板を有するアンテナデバイスを提供することを目的とする。
本発明の第１態様によると、基板；および
前記基板上に形成され、長手方向が前記基板の表面に対して垂直方向に向いたＦｅ，ＣｏおよびＮｉの少なくとも１つから選ばれる磁性金属または磁性合金を含有する複数の柱状体と、前記柱状体の間に形成された金属の酸化物、窒化物、炭化物およびフッ化物から選ばれる少なくとも１つの無機絶縁体とを備え、前記基板表面に平行な表面内の最小異方性磁界Ｈｋ１と前記基板の表面と平行な表面の最大異方性磁界Ｈｋ２の比、Ｈｋ２／Ｈｋ１が１より大きい複合磁性膜；
を具備することを特徴とする磁性材料が提供される。
本発明の第２態様によると、基板；および
前記基板上に形成され、長手方向が前記基板の表面に対して垂直方向に向いたＦｅ，ＣｏおよびＮｉの少なくとも１つから選ばれる磁性金属または磁性合金を含有する複数の柱状体と、前記柱状体の間に形成された金属の酸化物、窒化物、炭化物およびフッ化物から選ばれる少なくとも１つの無機絶縁体とを備え、前記基板表面に平行な表面内の異方性磁界Ｈｋ１と、前記基板の表面に平行な表面内の前記異方性磁界Ｈｋ１に対して直角方向の異方性磁界Ｈｋ２とを有し、前記Ｈｋ２が４０Ｏｅ以上で、異方性磁界の比Ｈｋ２／Ｈｋ１が３以上である複合磁性膜；
を具備することを特徴とする磁性材料が提供される。
本発明の第３態様によると、基板；および
前記基板上に形成され、長手方向が前記基板の表面に対して垂直方向に向いたＦｅもしくはＦｅ合金を含む複数の柱状体と、前記柱状体の間に形成された金属の酸化物、窒化物、炭化物およびフッ化物から選ばれる少なくとも１つの無機絶縁体とを備え、表面のＸＲＤによる回折結晶面（１１０）、（２００）、（２１１）、（３１０）、（２２２）に起因するピーク強度全てを足した強度Ｉtotalと回折結晶面（１１０）に起因するピーク強度Ｉ(110)の比Ｉ(110)／Ｉtotalが０．８以上の複合磁性膜であって、前記基板表面と垂直な結晶面が型面｛１１０｝面に配向した複合磁性膜；
を具備することを特徴とする磁性材料が提供される。
本発明の第４態様によると、基板；および
前記基板上に形成され、長手方向が前記基板の表面に対して垂直方向に向いたＦｅもしくはＦｅ合金を含む複数の柱状体と、前記柱状体の間に形成された金属の酸化物、窒化物、炭化物およびフッ化物から選ばれる少なくとも１つの無機絶縁体とを備え、表面のＸＲＤによる回折結晶面（１１０）、（２００）、（２１１）、（３１０）、（２２２）に起因するピーク強度全てを足した強度Ｉtotalと回折結晶面（１１０）に起因するピーク強度Ｉ(110)の比Ｉ(110)／Ｉtotalが０．８以上の複合磁性膜であって、前記基板表面と垂直な結晶面が型面｛１１０｝面に配向した複数の柱状体の配向領域は直径１００ｎｍ以下の大きさを有し、これら配向領域が集合した直径１μｍ以上の大きさの集合領域は結晶方位が等方的に分散した複合磁性膜；
を具備することを特徴とする磁性材料が提供される。
本発明の第５態様によると、基板；および
前記基板上に形成され、長手方向が前記基板の表面に対して垂直方向に向いたＦｅ，ＣｏおよびＮｉの群から選ばれる少なくとも１つの磁性金属または磁性合金を含有する複数の柱状体と、前記柱状体の間に形成された金属の酸化物、窒化物、炭化物およびフッ化物から選ばれる少なくとも１つの無機絶縁体とを備え、前記柱状体は、長手方向に垂直な断面のアスペクト比が１．２以上である柱状体が全ての柱状体に対して３０体積％以上占める複合磁性膜；
を具備することを特徴とする磁性材料が提供される。
本発明の第６態様によると、前記各磁性材料をそれぞれ含むアンテナ基板；および
前記アンテナ基板の主面に直接配置されるか、または主面近接に配置されるアンテナ；
を備えることを特徴とするアンテナデバイスが提供される。
本発明によれば、磁性金属または磁性合金からなる柱状体の体積百分率が高くかつ透磁率実部（μ’）と透磁率虚部（μ”）の比（μ’／μ”）が大きい複合磁性膜を備えた磁性材料、およびこの磁性材料を含むアンテナ基板を有するアンテナデバイスを提供できる。
以下、本発明の実施形態に係る磁性材料を詳細に説明する。
実施形態に係る磁性材料は、基板とこの基板上に形成された複合磁性膜を具備する。この複合磁性膜は、基板上に長手方向が基板表面に対して垂直方向に向いた、Ｆｅ，ＣｏおよびＮｉの少なくとも１つから選ばれる磁性金属または磁性合金からなる複数の柱状体と、基板上に柱状体の間に形成された金属の酸化物、窒化物、炭化物およびフッ化物から選ばれる少なくとも１つの無機絶縁体とを備える。複合磁性膜は、基板の表面と平行な方向（面内方向）に磁気異方性を有する。
実施形態に係る磁性材料は、例えば図１に示すように基板１を備えている。複合磁性膜２は、基板１上に形成されている。この複合磁性膜２は、基板１上に長手方向が基板１表面に対して垂直方向に向いた柱状体３を備える。この柱状体３は、Ｆｅ，ＣｏおよびＮｉの少なくとも１つから選ばれる磁性金属または磁性合金を含有する。図１には、柱状体３の長手方向に対して垂直な断面が楕円形状を有する楕円柱体を例示する。複数の柱状３体の間には金属の酸化物、窒化物、炭化物およびフッ化物から選ばれる少なくとも１つの無機絶縁体４が形成されている。複合磁性膜２は、基板１の表面と平行な表面内に磁気異方性を有する。
基板は、例えばポリイミドのようなプラスチック、または酸化ケイ素、アルミナ、ＭｇＯ，Ｓｉ，ガラスのような無機材料から作られる。
以下に実施形態に係る磁性材料を構成する各部材について詳述する。
１．柱状体の構成
実施形態に記載の柱状体は、楕円柱体の他に、円柱体、四角柱体、六角柱体、八角柱体のような角柱体などの形態をとることができる。
柱状体は、隣り合う柱状体間の距離、つまり柱状体間の無機絶縁体の厚さが約１ｎｍ以上３ｎｍ以下であることが好ましい。柱状体間の無機絶縁体の厚さが３ｎｍを超えると、複合磁性膜の抵抗率が高くなるものの、体積百分率（以下、Ｖｆと称す）が下がって磁気特性が低下する虞がある。
柱状体は、例えば磁性金属もしくは磁性合金の単結晶、または磁性金属粒子もしくは磁性合金粒子の集合物から作られる。柱状体は単結晶であることが好ましい。
柱状体が、磁性金属粒子もしくは磁性合金粒子の集合物から構成される場合、集合物を構成する磁性金属粒子もしくは磁性合金粒子は、粒径１ｎｍ以上、粒径５０ｎｍ以下が好ましい。粒径が５０ｎｍを超えると、高周波領域で渦電流損が大きくなり、磁気特性が低下する虞がある。また、粒径が５０ｎｍを超えると、高周波磁気特性を保持することが困難となる。つまり、単磁区構造よりも多磁区構造をとった方がエネルギー的に安定であり、多磁区構造の透磁率の高周波特性は、単磁区構造の透磁率の高周波特性よりも低下する。磁性金属粒子もしくは磁性合金粒子の集合物から構成される柱状体において、単磁区構造を保つそれら粒子の粒径限界は、５０ｎｍ程度以下であるため、磁性金属粒子もしくは磁性合金粒子の平均粒径は５０ｎｍ以下の範囲におさめることが好ましい。
柱状体は、その長手方向が基板表面に対し垂直方向に揃っていることが好ましい。ただし、柱状体の一部においてその垂直方向の垂線に対する角度が±３０°、好ましくは±１０°に傾斜することを許容する。柱状体が磁性金属粒子もしくは磁性合金粒子の集合物から構成される場合、粒子が連なって形成する粒子群の長手方向は基板表面に対し垂直方向の垂線とのなす角度を３０°以内、好ましくは１０°以内にすることが望ましい。
柱状体の材料は、Ｆｅ，ＣｏおよびＮｉの群から選ばれる少なくとも１つの磁性金属または磁性合金から作られ、用途に応じて選択される。中でも柱状体はＦｅＣｏ合金から作られることが好ましい。例えば、飽和磁化の大きい磁性材料を得る場合には、Ｆｅ−３０原子％Ｃｏの柱状体が用いられる。磁歪ゼロの磁性材料を得る場合には、Ｆｅ−８０原子％Ｃｏの柱状体が用いられる。磁性合金には、Ｂ，Ｎのような添加元素を含むことを許容する。
２．絶縁体の構成
無機絶縁体は、室温で１×１０2Ω・ｃｍ以上の絶縁抵抗を有することが好ましい。
このような無機絶縁体は、例えばＭｇ，Ａｌ，Ｓｉ，Ｃａ，Ｃｒ，Ｔｉ，Ｚｒ，Ｂａ，Ｓｒ，Ｚｎ，Ｍｎ，Ｈｆ、および希土類元素（Ｙを含む）から選ばれる金属の酸化物、窒化物、炭化物およびフッ化物の群から選ばれる少なくとも１つを含有する。特に、無機絶縁体はシリコン酸化物から作られることが好ましい。
無機絶縁体は、Ｆｅ，Ｃｏ，Ｎｉのいずれかの磁性金属元素を３０原子％以下含むことを許容する。磁性金属元素の量が３０原子％を超えると、無機絶縁体の電気抵抗率が低下し、複合磁性膜全体の磁気特性が低下する虞がある。
３．複合磁性膜の異方性
複合磁性膜の磁気異方性は、典型的には単位柱状体同士が基板表面に平行な面内において強く磁気的に結合している構造と、単位柱状体構造が基板表面に平行な面内において形状異方性を有する構造とが挙げられる。形状異方性は、例えば結晶配向と柱状体の異方性がある。
複合磁性膜の磁気異方性のより具体的な例を以下の（１）〜（４）に列挙する。
（１）複合磁性膜は、基板表面と平行な表面の異方性磁界Ｈｋ１、基板の表面と平行で異方性磁界Ｈｋ１に対して直角方向の異方性磁界Ｈｋ２を有し、これらの異方性磁界の比（Ｈｋ２／Ｈｋ１）が１以上である磁気異方性を持つ。これらの異方性磁界Ｈｋ１、Ｈｋ２を図１に示す。
ここで、Ｈｋは複合磁性膜の表面内に磁場を印加した際の、磁化曲線の第一象限（磁化＞０、印加磁場＞０）において、印加磁場に対する磁化の変化量が最も大きい磁場下での接線（ほぼ磁化が０になる時の接線）と最も変化量が小さい磁場下での接線（磁化が完全に飽和する時の接線）との交点における磁場である。
Ｈｋ２は、４０Ｏｅ以上、１ｋＯｅ以下であることがより好ましい。また、Ｈｋ２／Ｈｋ１は、３以上、１０以下であることがより好ましい。このようなＨｋ２、Ｈｋ２／Ｈｋ１を規定することによって、実効的な透磁率を大きくしつつ適度な磁気異方性を付与させ、透磁率を高周波化させることが可能となる。
このような磁気異方性は、例えばその膜表面において、複数の柱状体の配列における異方性磁界Ｈｋ１に対応する方向の柱状体の間隔を広く、異方性磁界Ｈｋ２に対応する方向の柱状体の間隔を狭くすることにより実現することが可能である。
また、磁気異方性は無機絶縁体中の磁性元素量の変化により付与することができる。例えば、複合磁性膜の膜面での異方性磁界Ｈｋ１に対応する方向と異方性磁界Ｈｋ２に対応する方向の柱状体間で無機絶縁体中の磁性元素量を、前者に比べて後者を多くすることにより実現可能である。
複合磁性膜は、その表面のＸＲＤ（Ｘ線回折パターン）での回折結晶面（１１０）、（２００）、（２１１）、（３１０）、（２２２）に起因するピーク強度全てを足した強度Ｉtotalと回折結晶面（１１０）に起因するピーク強度Ｉ(110)の比Ｉ(110)／Ｉtotalが０．８以上、より好ましくは０．９以上であることが望ましい。すなわち、基板に対して垂直な結晶方位が型方向｛１１０｝に配向されていることが好ましい。
ただし、複合磁性膜の柱状体は基板表面と平行な面内において、形状的および結晶学的に等方であることを許容する。
（２）複合磁性膜は、基板表面に対して垂直な表面が、その表面のＸＲＤでの回折結晶面（１１０）、（２００）、（２１１）、（３１０）、（２２２）に起因するピーク強度全てを足した強度Ｉtotalと回折結晶面（１１０）に起因するピーク強度Ｉ(110)の比Ｉ(110)／Ｉtotalが０．８以上であり、基板表面と垂直面が型面｛１１０｝に配向した柱状体を有する。ピーク強度比Ｉ(110)／Ｉtotalが０．９以上であることがより好ましい。
また、複合磁性膜は基板と平行な表面および柱状体の短軸と垂直な結晶面が型面｛１１０｝に配向した複数の柱状体の配向領域は直径１００ｎｍ以下の大きさ、これら配向領域が集合された集合領域は直径１μｍ以上の大きさで、この結晶面が揃った集合領域内で結晶方位が等方的に分散した構成を有する。
この様子を図２に具体的に示す。なお、図２の（ａ）は、磁性材料を示す模式図、図２の（ｂ）は同図（ａ）の矢印Ｂで示す配向領域の柱状体の配向性を示す模式図、図２の（ｃ）は同図（ａ）の矢印Ｃで示す配向領域の柱状体の配向性を示す模式図である。すなわち、図２の（ａ）に示すように基板１上に複合磁性膜２が形成されている。この複合磁性膜２は、基板と平行な表面および柱状体の短軸と垂直な結晶面が型面｛１１０｝に配向した複数の柱状体３を有する配向領域１１を有し、これらの配向領域１１が集合されて集合領域体１２を構成している。集合領域１２は、直径１μｍ以上の大きさを有し、この集合領域１２内の複数の配向領域１１は直径１００ｎｍ以下の大きさを有する。このような結晶面が揃った集合領域１２内の任意の配向領域１１の配向方向は図２の（ｂ）、（ｃ）に示すように異なる方向に向いて、集合領域１２内で結晶方位が等方的に分散している。｛１１０｝面の配向は、例えば電子線回折パターンにより測定することができる。
複合磁性膜の形態は、試料膜面から垂直方向に電子線を入射し、直径１００ｎｍ以下、例えば直径５０ｎｍまたは１μｍの視野で電子線回折パターンを測定することにより確認可能である。この場合、直径５０ｎｍの視野では｛１１０｝型面のスポットの輝度を強度とし、その半値幅が±１５°の角度、好ましくは±１０°以内で配向することを許容する。エッジから１００μｍ以上離れた膜中央部の任意の６〜１０点を測定して、測定部位の５０％以上で、半値幅が±１５°以内に入るパターンが存在すればよい。同試料面内で電子ビーム径１μｍの電子線回折パターンはリング状となり、面内は結晶学的に等方である。ここで、リング状の電子線回折パターンはそのリング内で強度分布があってもよく、連続的でありさえすればよい。この試料は基板と平行な面内で磁気的異方性を良好に維持することができる。
(３)複合磁性膜は、基板表面に対して垂直な表面が、その表面のＸＲＤでの回折結晶面（１１０）、（２００）、（２１１）、（３１０）、（２２２）に起因するピーク強度全てを足したものＩtotalと回折面（１１０）に起因するピーク強度Ｉ(110)の比Ｉ(110)／Ｉtotalが０．８以上の複合磁性膜であって、基板表面と垂直な結晶面が型面｛１１０｝に配向した柱状体を有する。ピーク強度比Ｉ(110)／Ｉtotalが０．９以上であることがより好ましい。
また、複合磁性膜は柱状体がその長手方向と垂直な断面内に長軸と短軸を有し、基板と平行な表面と短軸と垂直な結晶面が型面｛１１０｝に配向していることがより好ましい。この様子を図３に示す。｛１１０｝面の配向は、例えば電子線回折パターンにより測定することができる。
複合磁性膜の配向は、試料膜面から垂直方向に電子線を入射し、直径１μｍの視野で電子線回折パターンを測定することにより確認可能である。この場合、｛１１０｝型面のスポットの輝度を強度とし、その半値幅が±１５°の角度で、好ましくは±１０°以内で配向することを許容する。この際、この様な箇所が膜面内全体に分布していることが好ましいが、直径が１μｍの電子ビーム径で、エッジから１００μｍ以上離れた膜中央部の任意の６〜１０点を測定して、測定部位の５０％以上で、半値幅が±１５°以内に入るパターンが存在すればよい。この範囲内では、基板と平行な面内で磁気的異方性を良好に維持することができる。
（４）複合磁性膜は、Ｆｅ，ＣｏおよびＮｉの群から選ばれる少なくとも１つの磁性金属粒子または磁性合金粒子が集合された柱状体を備え、その柱状体のその長手方向に垂直な面内における断面形状が１．２以上のアスペクト比を有し、このアスペクト比を有する柱状体が全ての柱状体に対して３０体積％以上占める。
このようなアスペクト比を有する柱状体は、例えば楕円柱体である。アスペクト比は、楕円柱体の長手方向に垂直な断面において、最も長さが大きくなる軸（長軸）と、長軸と直交し最も長さが短くなる軸（短軸）の比で表わされる。
短軸の長さは、５０ｎｍ以下，長軸の長さは特に限定されないが６０ｎｍ以上、１μｍ以下を有することが好ましい。
柱状体が粒子の集合体である場合には、粒子のアスペクト比は５以上であることが好ましい。このアスペクト比を有する粒子の全粒子に占める割合は、５０体積％以上であることがより好ましい。粒子の基板に平行な面内のアスペクト比を大きくすると、磁性粒子の充填率を大きくすることができ、それによって複合磁性部材の体積あたり、重量あたりの飽和磁化を大きくすることができる。また、形状による異方性を付与することができ、透磁率の高周波化が可能となる。
（１）から（４）において、基板表面と平行な表面内の磁気異方性を有する複合磁性膜において、表面内の電気的抵抗率に異方性を有することがより好ましい。具体的には、基板表面と平行な面内において最大抵抗率（Ｒ１）と最小抵抗率（Ｒ２）との比率（Ｒ１／Ｒ２）が１．２以上である。より好ましいＲ１／Ｒ２は、２以上、さらに好ましくは５以上である。
（１）から（４）において、複合磁性膜には複数の柱状体が７０％以上、より好ましくは８０％以上の体積百分率で存在することが磁気特性をより向上する観点から望ましい。ただし、複数の柱状体の体積百分率が高くなり過ぎると、電気抵抗が低下して特性劣化を招く虞がある。このため、複合磁性膜中に占める柱状体の体積百分率の上限は９５％にすることが好ましい。
さらに、基板上に形成され、長手方向が基板の表面に対して垂直方向に向いたＦｅおよびＣｏからなる磁性合金で構成された柱状体と、柱状体の間に形成されたケイ素および酸素の酸化物からなる無機絶縁体とを備えた複合磁性膜において、Ｆｅ−Ｃｏ磁性合金とケイ素との組成モル比が９０：１０から９５：５であることがより好ましい。ここで、ケイ素が酸素と完全に１対２のモル割合で存在している場合には、（モル割合）×［（分子量）／（密度）］により、体積比を算出できる。
４．薄膜層
以上述べたような磁性材料において、複合磁性膜とは異なる材料を含有する薄膜層が基板と複合磁性膜の間、複合磁性膜表面、または界面と複合磁性膜表面の両方に形成することを許容する。このような磁性材料は、例えば図４に示すように基板１と複合磁性膜２の間に薄膜層５が介在された構造を有する。
このような薄膜層上に複合磁性膜を成膜する場合、複合磁性膜の柱状体と無機絶縁体との組織制御を容易にし、さらに得られた磁性材料の磁気特性をより高くすることが可能になる。ここで、複合磁性膜の柱状体と無機絶縁体との組織制御とは例えば柱状体の粒子径等の組織の最適化、また結晶配向度等の結晶構造の最適化を意味する。複合磁性膜の構成元素と薄膜層の構成元素との組合せを最適化することにより、柱状体の配向度を高くできるのみでならず、無機絶縁効果を向上でき、さらに複合磁性膜の面内の磁気異方性をより高くすることが可能となる。
薄膜層は、基板と複合磁性膜の界面、または複合磁性膜表面に形成することにより、表面、界面における磁気構造の乱れを低減し、磁気特性がより向上された磁性材料を得ることが可能になる。
薄膜層は、Ｎｉ，Ｆｅ，Ｃｕ，Ｔａ，Ｃｒ，Ｃｏ，Ｚｒ，Ｎｂ，Ｒｕ，Ｔｉ，Ｈｆ，Ｗ，Ａｕもしくはその合金のような金属、またはアルミナ、シリカのような酸化物から選ばれることが好ましい。
薄膜層は、５０ｎｍ以下、より好ましくは１０ｎｍ以下の厚さを有することが望ましい。この薄膜層が５０ｎｍを超えると、体積当たりの磁化が減少し、磁性材料の磁気特性が低下する虞がある。
５．複合磁性膜の積層構造
実施形態に係る磁性材料において、基板上に複合磁性膜を２層以上積層させ、これら複合磁性膜の間に絶縁体層を介在させることを許容する。このような磁性材料は、例えば図５に示すように基板１上に複合磁性膜２が２層以上積層され、これらの複合磁性膜２の間に絶縁体層６が形成された構造を有する。なお、図５においても、反磁界の影響を減らすため、基板１と複合磁性膜２の界面に前述したように薄膜層５を介在させてもよい。
このように２層以上の複合磁性膜の間に絶縁体層を介在させる、つまり厚さ方向の複合磁性膜を絶縁体層で分離して厚膜化することによって、複合磁性膜に絶縁体層を介在せずに一層で厚膜にした場合に生じる反磁界の影響を低減し、複合磁性膜全体の磁気特性の向上を図ることが可能になる。また、基板上に複合磁性膜を所望の工程で厚膜にして形成する際に起きる可能性がある膜厚方向への構造の乱れを回避することが可能になる。
絶縁体層は、例えばＭｇ，Ａｌ，Ｓｉ，Ｃａ，Ｃｒ，Ｔｉ，Ｚｒ，Ｂａ，Ｓｒ，Ｚｎ，Ｍｎ，Ｈｆ、および希土類元素（Ｙを含む）から選ばれる金属の酸化物、窒化物、炭化物およびフッ化物の群から選ばれる少なくとも１つから作られることが好ましい。特に、絶縁体層は複合磁性膜を構成する無機絶縁体と同種の材料を選択することが好ましい。
絶縁体層は、１μｍ以下、より好ましくは５００ｎｍ以下、さらに好ましくは１００ｎｍ以下の厚さを有することが好ましい。１μｍ以上あると結果的に複合磁性膜中の磁性体の体積率が小さくなり特性が落ちる、１００ｎｍ以下だと磁気的カップリングを切ることができない。
実施形態に係る磁性材料は、例えば基板上に複合磁性膜をスパッタリング法、電子ビーム蒸着法等で成膜することにより製造することができる。この成膜時において、基板を回転させることにより基板上に形成された複合磁性膜に基板表面と平行な面内における磁気異方性をより効果的に付与することが可能になる。
６．アンテナ構造
実施形態にかかるアンテナデバイスは、前述した磁性材料を含むアンテナ基板と、このアンテナ基板の主面近傍に配置されたアンテナとを備える構造を有する。ここで、アンテナ基板の主面近傍に配置されたアンテナとは、アンテナ基板の主面に外装樹脂層またはスペーサのような中間部材を配置し、アンテナをこの中間部材を介してアンテナ基板の主面に配置することを意味する。
アンテナ基板として、図５に示すように基板１上に２層以上（好ましくは５層以上）の複合磁性膜２を形成し、これらの複合磁性膜２の間に絶縁体層６を備える磁性材料を用いることが好ましい。
以下、本発明の実施例を詳細に説明する。
（実施例１〜５）
対向型のマグネトロンスパッタ成膜装置を用いた。ターゲットは、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉの少なくとも一つを含有する磁性金属とＳｉＯ2、Ａｌ2Ｏ3の無機酸化物とからなり、無機酸化物が４０体積％以下となる組成のものを用いた。チャンバ内に公転型のホルダを配置し、１公転で１回ターゲット上を基板が通過するようにした。チャンバ内のホルダ上に下記表１に示す材料の基板を固定し、基板を５ｒｐｍの速度で公転させながら、チャンバ内をＡｒ雰囲気中、５×１０-3ｔｏｒｒの圧力下でターゲットからのスパッタ粒子を基板表面に堆積して厚さ０．５μｍの複合磁性膜を成膜することにより４種の磁性材料を製造した。この成膜レートは、０．１ｎｍ／ｍｉｎ以上とした。
（実施例６）
対向型のマグネトロンスパッタ成膜装置を用いた。ターゲットは、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉの少なくとも一つを含有する磁性金属とＳｉＯ2、Ａｌ2Ｏ3の無機酸化物とからなり、無機酸化物が４０体積％以下となる組成のものを用いた。チャンバ内に公転型のホルダを配置し、１公転で１回ターゲット上を基板が通過するようにした。チャンバ内のホルダ上に下記表１に示す材料の基板を固定し、基板を１０ｒｐｍの速度で公転させながら、チャンバ内をＡｒ雰囲気中、５×１０-3ｔｏｒｒの圧力下でターゲットからのスパッタ粒子を基板表面に堆積して厚さ０．５μｍの複合磁性膜を成膜することにより磁性材料を製造した。この成膜レートは、０．１ｎｍ／ｍｉｎ以上とした。
（比較例１）
対向型のマグネトロンスパッタ成膜装置を用いた。ターゲットは、Ｆｅ、Ｃｏを含有する磁性金属とＡｌ2Ｏ3の無機酸化物とからなり、無機酸化物が４０体積％以下となる組成のものを用いた。チャンバ内に公転型のホルダを配置した。チャンバ内のホルダ上に下記表１に示す材料の基板を固定し、基板を５ｒｐｍ以上の速度で公転させながら、チャンバ内をＡｒ雰囲気中、５×１０-3ｔｏｒｒの圧力下でターゲットからのスパッタ粒子を基板表面に堆積して厚さ０．５μｍの複合磁性膜を成膜することにより磁性材料を製造した。この成膜レートは、０．１ｎｍ／ｍｉｎ以上とした。
（実施例７）
対向型のマグネトロンスパッタ成膜装置を用いた。ターゲットは、Ｆｅ、Ｃｏからなる磁性金属とＡｌ2Ｏ3の無機酸化物とからなり、無機酸化物が４０体積％以下となる組成のものを用いた。チャンバ内に回転可能なホルダを配置すると共に、ターゲットをホルダと対向するようにターゲットを配置した。チャンバ内のホルダ上に予め０．０１μｍのＣｕ層を薄膜層として成膜した下記表１に示す材料の基板を固定し、基板を５ｒｐｍ以上の速度で回転させながら、チャンバ内をＡｒ雰囲気中、５×１０-3ｔｏｒｒの圧力下でターゲットからのスパッタ粒子を基板表面に堆積して厚さ０．５μｍの複合磁性膜を成膜した。この成膜レートは、０．１ｎｍ／ｍｉｎ以上とした。この後、さらに１×１０-6ｔｏｒｒの減圧下、３００℃で熱処理をすることにより磁性材料を製造した。
得られた実施例１〜７および比較例１の磁性材料について、以下の方法で解析した。
１）複合磁性膜の組織
実施例１〜６の複合磁性膜は、透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ）による観察により、以下の特徴を有することを確認した。すなわち、平均径３〜１０ｎｍの複数の円柱体および楕円柱体が基板上にその長手方向が概ね基板表面に垂直になるように混在され、かつ約１〜３ｎｍの距離の柱状体間には無機酸化物が存在していた。
これに対し、比較例１の複合磁性膜は、ＴＥＭにより平均径５〜２０ｎｍの複数の円柱体および楕円柱体が基板上にその長手方向が概ね基板表面に垂直になるように混在され、かつ約５〜２０ｎｍの距離の各柱状体間の基板上に無機酸化物が存在する形態を有することを確認した。
２）磁性金属からなる柱状体の組成および無機絶縁体の複合磁性膜に占める体積百分率は、分析電顕装備の走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ−ＥＤＸ）を用いて、複合磁性膜の基板表面から膜の深さ方向に、１０μｍ×１０μｍの正方形部分を元素面分析することで測定した。この際、電子線の加速電圧は１５ｋＶで、電子線は厚さ０．５μｍの膜を基板まで透過していた。その分析結果を元に柱状体の組成および無機絶縁体の複合磁性膜に占める体積百分率を算出した。
３）複合磁性膜の基板表面に平行な面内における異方性磁界Ｈｋ１と同じ面内におけるＨｋ１に直角な異方性磁界Ｈｋ２の比およびＨｋ２の磁場強度振動試料型磁力計（ＶＳＭ）を用いて、複合磁性膜の正方形面内において、直交する二軸における異方性磁界Ｈｋ１，Ｈｋ２をそれぞれ測定することにより算出した。また、大きい異方性磁界Ｈｋ２の磁場強度（Ｏｅ）を測定した。
４）複合磁性膜の基板表面に平行な面内の抵抗率の比
４端子法を用いて、複合磁性膜の正方形面内（基板と平行な面内）の直交する二軸における最大抵抗率（Ｒ１）と最小抵抗率（Ｒ２）とをそれぞれ測定することにより比率Ｒ１／Ｒ２を算出した。
５）柱状体の配向度
Ｘ線回折法により複合磁性膜表面の全ての回折ピーク強度Ｉtotalおよびその表面の結晶方位（１１０）の回折ピーク強度Ｉ(110)の比Ｉ(110)／Ｉtotalを算出した。
６）柱状体の面内配向度
透過型電子顕微鏡の電子線回折法により測定する。測定する際の電子線のビーム径は５０ｎｍ条件で、エッジから１００μｍ以上離れた膜中央部の任意の６〜１０点を測定して、測定部位の５０％以上で、半値幅が±１５°以内に入るパターンの存在する割合を算出した。
７）複合磁性膜における１ＧＨｚでの透磁率実部（μ’）および透磁率実部と透磁率虚部（μ”）の比（μ’／μ”）
μ’とμ”は、凌和電子製の超高周波透磁率測定装置ＰＭＭ−９Ｇ１を使い、１ＭＨｚから９ＧＨｚの範囲で、面内困難軸方向に励磁して測定を行った。この条件で測定した具体的には、試料容易軸方向に２ｋＯｅの直流磁場を印加した時（バックグラウンド測定に相当）と印加しない時とのそれぞれの状態において、面内困難軸方向に励磁して測定を行い、両者の誘起電圧、インピーダンス測定値から透磁率を評価した。
実施例１〜７および比較例１に関する２）〜６）の項目の評価結果を下記表１に示す。
Figure 2007311738
表１から明らかなように実施例１〜７の磁性材料を構成する複合磁性膜は、磁性金属の体積百分率（Ｖｆ）が比較例１に比べて高く、かつ１ＧＨｚにおける透磁率実部と透磁率虚部の比（μ’／μ”）も比較例１に比べて高く、優れた磁気特性を有することがわかる。
実施形態に係る磁性材料の部分切欠斜視図。 実施形態に係る磁性材料の符号磁性膜における配向領域および集合領域での面方位を示す摸式図。 実施形態に係る磁性材料の柱状体の面方位を示す模式図。 実施形態に係る別の磁性材料を示す断面図。 実施形態に係るさらに別の磁性材料を示す断面図。
符号の説明
１…基板、２…複合磁性膜、３…柱状体（円柱状体）、４…無機絶縁体、５…薄膜層、６…絶縁体層、１１…配向領域、１２…集合領域。

Claims (17)

  1. 基板；および
    前記基板上に形成され、長手方向が前記基板の表面に対して垂直方向に向いたＦｅ，ＣｏおよびＮｉの少なくとも１つから選ばれる磁性金属または磁性合金を含有する複数の柱状体と、前記柱状体の間に形成された金属の酸化物、窒化物、炭化物およびフッ化物から選ばれる少なくとも１つの無機絶縁体とを備え、前記基板表面に平行な表面内の最小異方性磁界Ｈｋ１と前記基板の表面と平行な表面の最大異方性磁界Ｈｋ２の比、Ｈｋ２／Ｈｋ１が１より大きい複合磁性膜；
    を具備することを特徴とする磁性材料。
  2. 基板；および
    前記基板上に形成され、長手方向が前記基板の表面に対して垂直方向に向いたＦｅ，ＣｏおよびＮｉの少なくとも１つから選ばれる磁性金属または磁性合金を含有する複数の柱状体と、前記柱状体の間に形成された金属の酸化物、窒化物、炭化物およびフッ化物から選ばれる少なくとも１つの無機絶縁体とを備え、前記基板表面に平行な表面内の異方性磁界Ｈｋ１と、前記基板の表面に平行な表面内の前記異方性磁界Ｈｋ１に対して直角方向の異方性磁界Ｈｋ２とを有し、前記Ｈｋ２が４０Ｏｅ以上で、異方性磁界の比Ｈｋ２／Ｈｋ１が３以上である複合磁性膜；
    を具備することを特徴とする磁性材料。
  3. 前記磁性金属または磁性合金はｂｃｃ構造を有するＦｅもしくはＦｅ合金であり、前記複合磁性膜は、表面のＸＲＤによる回折結晶面（１１０）、（２００）、（２１１）、（３１０）、（２２２）に起因するピーク強度全てを足した強度Ｉtotalと回折結晶面（１１０）に起因するピーク強度Ｉ(110)の比Ｉ(110)／Ｉtotalが０．８以上であることを特徴とする請求項１または２記載の磁性材料。
  4. 前記複合磁性膜は、前記基板表面と平行な表面内では結晶方位が面内に等方的に分散されていることを特徴とする請求項１〜３いずれか記載の磁性材料。
  5. 前記複合磁性膜は、前記基板の表面と平行な表面の結晶面が型面｛１１０｝面に配向していることを特徴とする請求項１〜３いずれか記載の磁性材料。
  6. 基板；および
    前記基板上に形成され、長手方向が前記基板の表面に対して垂直方向に向いたＦｅもしくはＦｅ合金を含む複数の柱状体と、前記柱状体の間に形成された金属の酸化物、窒化物、炭化物およびフッ化物から選ばれる少なくとも１つの無機絶縁体とを備え、表面のＸＲＤによる回折結晶面（１１０）、（２００）、（２１１）、（３１０）、（２２２）に起因するピーク強度全てを足した強度Ｉtotalと回折結晶面（１１０）に起因するピーク強度Ｉ(110)の比Ｉ(110)／Ｉtotalが０．８以上の複合膜であって、前記基板表面と垂直な結晶面が型面｛１１０｝面に配向した複合磁性膜；
    を具備することを特徴とする磁性材料。
  7. 基板；および
    前記基板上に形成され、長手方向が前記基板の表面に対して垂直方向に向いたＦｅもしくはＦｅ合金を含む複数の柱状体と、前記柱状体の間に形成された金属の酸化物、窒化物、炭化物およびフッ化物から選ばれる少なくとも１つの無機絶縁体とを備え、表面のＸＲＤによる回折結晶面（１１０）、（２００）、（２１１）、（３１０）、（２２２）に起因するピーク強度全てを足した強度Ｉtotalと回折結晶面（１１０）に起因するピーク強度Ｉ(110)の比Ｉ(110)／Ｉtotalが０．８以上の複合膜であって、前記基板表面と垂直な結晶面が型面｛１１０｝面に配向した複数の柱状体の配向領域は直径１００ｎｍ以下の大きさを有し、前記配向領域が集合した直径１μｍ以上の大きさの集合領域は結晶方位が等方的に分散した複合磁性膜；
    を具備することを特徴とする磁性材料。
  8. 前記柱状体は、長手方向に垂直な断面内に長軸と短軸を有し、前記基板の表面と平行な表面と、前記短軸と垂直な結晶面が型面｛１１０｝面に配向していることを特徴とする請求項１〜７いずれか記載の磁性材料。
  9. 前記柱状体は、長手方向に垂直な断面のアスペクト比が１．２以上である柱状体が全ての柱状体に対して３０体積％以上占めることを特徴とする請求項１〜８いずれかに記載の磁性材料。
  10. 基板；および
    前記基板上に形成され、長手方向が前記基板の表面に対して垂直方向に向いたＦｅ，ＣｏおよびＮｉの群から選ばれる少なくとも１つの磁性金属または磁性合金を含有する複数の柱状体と、前記柱状体の間に形成された金属の酸化物、窒化物、炭化物およびフッ化物から選ばれる少なくとも１つの無機絶縁体とを備え、前記柱状体は、長手方向に垂直な断面のアスペクト比が１．２以上である柱状体が全ての柱状体に対して３０体積％以上占める複合磁性膜；
    を具備することを特徴とする磁性材料。
  11. 前記複合磁性膜は、前記基板の表面と平行な表面内において電気的抵抗率に異方性を有し、その最大抵抗率Ｒ１と最小抵抗率Ｒ２との比率Ｒ２／Ｒ１が、１．２以上であることを特徴とする請求項１〜１０いずれか記載の磁性材料。
  12. 前記複合磁性膜には、前記複数の柱状体が７０％以上の体積百分率で存在することを特徴とする請求項１〜１１いずれか記載の磁性材料。
  13. 前記基板と前記複合磁性膜の間に、Ｎｉ，Ｆｅ，Ｃｕ、Ｔａ、Ｃｒ、Ｃｏ、Ｚｒ、Ｒｕ、Ｔｉ、Ｈｆ、Ｗ、Ａｕの中から選ばれる金属、前記金属を含む合金、酸化アルミニウム、あるいは酸化ケイ素を含む薄膜層を備えることを特徴とする請求項１〜１２いずれか記載の磁性材料。
  14. 前記複合磁性膜は、前記基板上に２層以上形成され、かつ前記複合磁性膜間には絶縁体層が形成されていることを特徴とする請求項１〜１３いずれか記載の磁性材料。
  15. 前記無機絶縁体は、Ｍｇ，Ａｌ，Ｓｉ，Ｃａ，Ｃｒ，Ｔｉ，Ｚｒ，Ｂａ，Ｓｒ，Ｚｎ，Ｍｎ，Ｈｆ、および希土類元素（Ｙを含む）から選ばれる金属の酸化物、窒化物、炭化物およびフッ化物の群から選ばれる少なくとも１つから作られることを特徴とする請求項１〜１４いずれか記載の磁性材料。
  16. 基板；および
    前記基板上に形成され、長手方向が前記基板の表面に対して垂直方向に向いたＦｅおよびＣｏからなる磁性合金で構成された柱状体と、前記柱状体の間に形成されたケイ素および酸素の酸化物からなる無機絶縁体とを備え、前記Ｆｅ−Ｃｏ磁性合金とケイ素との組成モル比が９０：１０から９５：５である複合磁性膜；
    を具備することを特徴とする磁性材料。
  17. 請求項１〜１６いずれか記載の磁性材料を含むアンテナ基板；および
    前記アンテナ基板の主面近傍に配置されたアンテナ；
    を備えることを特徴とするアンテナデバイス。
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