JP2013008767A

JP2013008767A - 積層磁性薄膜及び磁性部品

Info

Publication number: JP2013008767A
Application number: JP2011139138A
Authority: JP
Inventors: Kenji Ikeda; 賢司池田
Original assignee: Taiyo Yuden Co Ltd
Current assignee: Taiyo Yuden Co Ltd
Priority date: 2011-06-23
Filing date: 2011-06-23
Publication date: 2013-01-10

Abstract

【課題】高い強磁性共鳴周波数を有するグラニュラ磁性材料を利用しつつ、強磁性共鳴線幅の増加を抑制し、動作周波数の広い積層磁性薄膜及び磁性部品を提供する。
【解決手段】積層磁性薄膜１０は、絶縁体媒質１４中に磁性粒子１６が分散されたグラニュラ磁性層１２と絶縁層１８とを交互に積層した構造であり、磁性粒子１６には結晶配向を促すＰｄが添加されている。Ｐｄの添加量は、グラニュラ磁性層１２をＣｏＦｅＰｄＳｉＯとし、絶縁層１８をＳｉＯ_２とする積層磁性薄膜１０においては、Ｃｏ−Ｆｅの磁性粒子１６に対し、２０ａｔ％以上とすることが好ましい。グラニュラ磁性層１２と絶縁層１８の積層構造により、磁性粒子１６の粒径の分布を抑制して膜厚方向の磁性粒子１６の間隔を一定に保ち、前記Ｐｄの添加により磁性粒子１６の結晶配向を促して磁化容易軸方向の分散に起因した強磁性共鳴線幅の増加を抑制する。
【選択図】図１

Description

本発明は、ｎｍサイズの強磁性金属微粒子（磁性粒子）を絶縁体媒質中に分散させたグラニュラ構造磁性膜を利用した積層磁性薄膜及び磁性部品に関するものである。

携帯電話等の携帯型情報端末は、その機能を飛躍的に向上させており、特に利便性の観点からの小型化・軽量化と、情報通信量の増加が顕著に進行している。増加する情報通信量の要求に応えるために、無線通信に関する数多くの規格が制定されており、主要な規格の動作周波数帯域はＧＨｚ帯域に達している。

このような電子機器の小型化・高周波化は、電子部品の小型化・集積化を基に発展してきている。現在最も広く用いられている電子部品はセラミックチップ部品であり、その大きさは１００５サイズが主流となっており、更に小さい０６０３サイズ、０４０２サイズの部品も市場に流通し始めており、小型化が進められている。しかしながら、個別部品を複数組み合わせて様々な信号回路を形成していることから部品点数が増加しており、部品サイズの小型化に反し、実装面積は大きくなる傾向にある。また、チップ部品は、表面実装に用いるハンダの量のバラツキに伴って寄生のインダクタンスやレジスタンスが大きく変化するため、ＧＨｚ帯域などの高周波帯域では、そのインピーダンスが周波数に比例して大きくなる寄生インダクタンスの影響が顕在化しつつある。

このような電子機器の小型化と高周波化の流れを受け、現在のＲＦ回路ではインダクタンスやキャパシタンスを半導体基板上に直接形成したモノリシックマイクロ波集積回路（ＭＭＩＣ：Monolithic Microwave Integrated Circuit）など、チップ部品のような集中定数素子に代わり、伝送線路デバイスが用いられている。ＭＭＩＣでは、受動部品が半導体素子と同一基板上に形成されており、チップ部品を実装することなくＲＦ回路が構成されている。

インダクタには導体パターンをスパイラル形状に加工した薄膜インダクタ素子が用いられており、現状では基板面積の大半をインダクタ素子によって占有する状況となっている。薄膜インダクタの占有面積が大きいのは、スパイラル形状インダクタの磁束の幾何学的な配置が従来のチップ部品のような巻き線形状のインダクタと異なる平面的な分布を有することで、単位線路長あたりのインダクタンスが少ないことに起因しており、所望のインダクタンスを得るために多くの巻き数を必要とすることが占有面積を顕著に増加させている。導体線路の伸長は、導体の直列抵抗成分の増加を伴うため、ＭＭＩＣなどに用いられる薄膜インダクタは、性能指数Ｑ値が低いことが課題となっており、導体線路の膜厚増加や、寄生のキャパシタンス成分の低下などによりＱ値を改善する試みが多くなされている。

その中で、最も効果的と考えられるのが磁性材料の適用である。磁性材料を用いることにより、単位配線あたりのインダクタンスを高められるため、配線長が短縮されることにより、占有面積・直列抵抗成分共に小さくすることが可能であるからである。しかしながら、薄膜インダクタに磁性薄膜を適用してそのインダクタンスやＱ値を高める試みは未だ研究段階であり、磁性薄膜を用いた薄膜インダクタは、実際のデバイスにはまだ適用されていない。磁性薄膜の動作周波数帯域が十分に高くないことに加え、磁性薄膜を装荷した薄膜インダクタの構造の最適化が不十分なことが主な原因となっている。磁性薄膜の動作周波数を高めるためには、強磁性共鳴周波数を高める必要がある。Landau-Lifshitz-Gilbertの運動方程式から、一軸磁気異方性膜の強磁性共鳴周波数ｆ_ｒは下記数式１に、透磁率μは下記数式２で現される。ここで、γはジャイロ磁気定数である。

上記数式１及び数式２において、飽和磁化Ｍ_ｓと異方性磁界Ｈ_ｋ以外はすべて定数であるため、Ｍ_ｓとＨ_ｋが共に高い材料が、高い強磁性共鳴周波数を有することが分かる。実際には、Ｍ_ｓは材料定数でその上限が決められるため、強磁性共鳴周波数を高めるためには、Ｈ_ｋを高めることが実質的に唯一の手段となる。一方、Ｈ_ｋを高めると透磁率が減少するため、高い強磁性共鳴周波数を有する材料は必然的に透磁率が減少することになる。したがって、高周波帯域において可能な限り高い透磁率を維持し、強磁性共鳴損失の影響を最小化するためには、強磁性共鳴線幅を狭め、強磁性共鳴損失を狭帯域化することが、非常に有効な手段であると考えられる。

高周波帯域で使用できる磁性材料としては、絶縁体媒質中にナノサイズ（ｎｍサイズ）の強磁性金属微粒子を分散させた構造を有するグラニュラ磁性材料が挙げられる。グラニュラ磁性材料は、Ｆｅ，Ｃｏ，Ｎｉなどの強磁性金属もしくはその合金から構成されるナノ結晶粒子を酸化物や窒化物などの絶縁性媒質中に分散した構造を有しており、高い電気抵抗率と優れた高周波磁気特性を有することを特徴とする。このようなグラニュラ磁性材料を利用した積層磁性薄膜としては、例えば、下記特許文献１に示す技術がある。

上述したグラニュラ磁性材料は、その構造の特徴から、磁性粒子の粒径、各粒子の組成、粒子間距離、結晶方位、組成などが相当量の分散を有しており、得られた磁気特性は微妙に異なる構造に由来した特性が重複したものとなるため、強磁性共鳴線幅が広く、強磁性共鳴損失が広い周波数帯域にわたって存在する特性を示す。磁性粒子の結晶配向性についてもランダムに分布した多結晶状態であり、磁化容易軸方向が各磁性粒子によって異なるため、結晶磁気異方性の影響も各磁性粒子によって大きく異なる状態となる。これは磁性粒子の磁化回転の均一性を乱し、強磁性共鳴線幅を広げる大きな要因となる。

以上の理由から、磁性粒子の粒径や結晶方位の分布を小さくすることにより、特性の向上が可能であることは自明であったが、これまでは、それを実現する手段がなかった。なお、結晶方位の均一化（結晶配向）に関する技術としては、例えば、下記特許文献２及び特許文献３に示す技術がある。これら特許文献２及び特許文献３の垂直磁気記録媒体には、グラニュラ構造の磁気記録層に垂直磁化を持たせる必要があるため、ｃ軸を配向させるための結晶配向層を設けることが開示されている。該結晶配向層は多くの場合、磁気記録層の直下に形成されており、この結晶配向層中にＰｄを含む合金を用いている。

特開２００６−８６４２１号公報特開２００９−２４５４８４号公報特開２００９−５９４３２号公報

しかしながら、上述した背景技術の垂直磁気記録媒体では、六方最密構造（ｈｃｐ）のｃ軸を垂直方向に配列することでこのような磁性を達成しているが、Ｐｄは面心立法構造（ｆｃｃ）を取るため、磁気記録層に直接Ｐｄを添加することは難しく、結晶配向のために上記のような２層構造をとる必要がある。また、前記垂直磁気記録媒体以外の磁気デバイスにおいては、磁性体材料に磁気異方性を持たせるために結晶配向させるという技術は、これまでに開示されていない。このため、グラニュラ磁性材料は、高い強磁性共鳴周波数を有するのにもかかわらず、強磁性共鳴損失が広い周波数帯域にわたって存在するため、損失のない状態で用いるためには相対的に低い周波数帯域で使用しなければならない状態となっている。

本発明は、以上のような点に着目したもので、高い強磁性共鳴周波数を有するグラニュラ磁性材料を利用しつつ、強磁性共鳴線幅の増加を抑制し、動作周波数の広い積層磁性薄膜及びそれを利用した磁性部品を提供することを、その目的とする。

本発明の積層磁性薄膜は、絶縁体媒質中に磁性粒子を分散させたグラニュラ磁性層と絶縁層とを交互に積層するとともに、前記磁性粒子にＰｄを添加したことを特徴とする。主要な形態の一つは、前記磁性粒子が、Ｃｏ−Ｆｅ合金であることを特徴とする。他の形態は、前記絶縁体媒質及び絶縁層が、ＳｉＯ_２，Ａｌ_２Ｏ_３，ＭｇＯ，ＡｌＮ，Ｓｉ_３Ｎ_４，ＢＮのいずれかであることを特徴とする。更に他の形態は、前記磁性粒子に対するＰｄの添加量を、２０ａｔ％以上としたことを特徴とする。

本発明の磁性部品は、前記いずれかに記載の積層磁性薄膜を利用したことを特徴とする。本発明の前記及び他の目的，特徴，利点は、以下の詳細な説明及び添付図面から明瞭になろう。

本発明によれば、絶縁体媒質中に磁性粒子を分散させたグラニュラ磁性層と絶縁層とを交互に積層するとともに、前記磁性粒子にＰｄを添加することとした。そして、前記積層構造により、磁性粒子の粒径の分布を抑制して膜厚方向の粒子間隔を一定に保ち、また、磁性粒子にＰｄを付与して磁性粒子の結晶配向を促すこととしたので、これらの作用により極めて均一な微細構造を有し、強磁性共鳴損失が極めて狭い範囲に存在し、動作周波数の広い積層磁性薄膜とそれを利用した磁性部品が得られる。

本発明の実施例１の積層磁性薄膜の積層構造を示す斜視図である。Ｐｄ添加量を変化させたＣｏＦｅＰｄＳｉＯ／ＳｉＯ_２積層磁性薄膜の透磁率周波数特性を示す図であり、(A)は実数成分の特性を示す図，(B)は虚数成分の特性を示す図である。ＣｏＦｅＰｄＳｉＯ／ＳｉＯ_２積層磁性薄膜の飽和磁化及び異方性磁界とＰｄ添加量との関係を示す図である。ＣｏＦｅＰｄＳｉＯ／ＳｉＯ_２積層磁性薄膜のＦＭＲ半値幅のＰｄ添加量との関係を示す図である。比較例のＣｏＦｅＰｄ／ＳｉＯ_２グラニュラ膜の透磁率周波数特性のＰｄ添加量による変化を示す図であり、(A)は実数成分を示し、(B)は虚数成分を示す。ＣｏＦｅＰｄＳｉＯ／ＳｉＯ_２積層磁性薄膜の断面電子顕微鏡像を示す図である。ＣｏＦｅＰｄＳｉＯ／ＳｉＯ_２積層磁性薄膜の高分解能断面電子顕微鏡像及び電子線回折像を示す図である。Ｐｄ添加量を変化させた（絶縁体媒質及び絶縁層をＡｌ_２Ｏ_３とした場合の）ＣｏＦｅＰｄＡｌＯ／Ａｌ_２Ｏ_３積層磁性薄膜の透磁率の周波数特性を示す図であり、(A)は透磁率の実数成分の特性を示す図，(B)は透磁率の虚数成分の特性を示す図である。Ｐｄ添加量を変化させた（絶縁体媒質及び絶縁層をＭｇＯとした場合の）ＣｏＦｅＭｇＯ／ＭｇＯ積層磁性薄膜の透磁率の周波数特性を示す図であり、(A)は透磁率の実数成分の特性を示す図，(B)は透磁率の虚数成分の特性を示す図である。（絶縁体媒質及び絶縁層をＡｌＮとした場合の）ＣｏＦｅＡｌＮ／ＡｌＮ積層磁性薄膜の透磁率の周波数特性に対するＰｄ添加の影響を示す図である。（絶縁体媒質及び絶縁層をＳｉ_３Ｎ_４とした場合の）ＣｏＦｅＳｉＮ／Ｓｉ_３Ｎ_４積層磁性薄膜の透磁率の周波数特性に対するＰｄ添加の影響を示す図である。（絶縁体媒質及び絶縁層をＢＮとした場合の）ＣｏＦｅＢＮ／ＢＮ積層磁性薄膜の透磁率の周波数特性に対するＰｄ添加の影響を示す図である。

以下、本発明を実施するための形態を、実施例に基づいて詳細に説明する。

最初に、図１を参照しながら本発明の実施例１の積層磁性薄膜の基本構造について説明する。図１は、本発明に係る積層磁性薄膜の積層構造を示す斜視図である。図１に示すように、積層磁性薄膜１０は、絶縁体媒質１４中に磁性粒子１６が分離・共存するグラニュラ磁性層１２と、金属酸化物や窒化物などによる絶縁層１８を交互に複数積層した積層構造となっている。本発明では、前記磁性粒子１６にＰｄを添加することで結晶配向を促すとともに、グラニュラ磁性層１２と絶縁層１８を積層構造とすることで、グラニュラ磁性層１２中の磁性粒子１６の粒径を均一化する。磁性粒子１６の粒径の均一化について説明すると、仮に、絶縁層１８を挟まずに、１層目のグラニュラ磁性層１２上に、２層目のグラニュラ磁性層１２を形成すると、下層のグラニュラ磁性層１２中の磁性粒子１６の一部が、上層のグラニュラ磁性層１２に向かって成長することになる。その結果、磁性粒子１６の粒径がグラニュラ磁性層１２の一層当たりの厚みよりも大きくなる。これに対し、本発明では、図１に示すように、下層のグラニュラ磁性層１２上に絶縁層１８を形成することで、下層のグラニュラ磁性層１２の界面が絶縁層１８で被覆されるようになり、これによって磁性粒子１６の成長が阻止される。その結果、磁性粒子１６の粒径は、グラニュラ磁性層１２の膜厚以下の粒径で均一化される。

＜具体例１＞・・・次に、本実施例の具体例１について説明する。グラニュラ磁性層１２中の磁性粒子１６を構成する磁性金属として、Ｃｏ−Ｆｅ合金（組成比率８０：２０ａｔ％），絶縁体媒質１４及び絶縁層１８としてＳｉＯ_２，磁性粒子１６の結晶配向を促す添加物元素としてＰｄを用いた積層磁性薄膜１０の試料を、ＲＦスパッタ装置を用いて作製した。前記試料の作成はすべて静磁場中で行われており、成膜中の印加磁場方向に磁化容易軸が形成されている。すなわち、具体例１では、積層磁性薄膜１０のグラニュラ磁性層がＣｏＦｅＰｄＳｉＯによって形成され、前記絶縁体媒質１４及び絶縁層１８がＳｉＯ_２によって形成される。

このようにして得られた積層磁性薄膜１０の試料について、Ｐｄ添加量を変えて異方性磁界，飽和磁化，保磁力，透磁率などの特性確認を行った。なお、異方性磁化，飽和磁化，保磁力などの静磁気特性はＶＳＭ装置（理研電子社製）を用いて測定した磁化曲線から評価し、透磁率の周波数特性は高周波透磁率測定装置（凌和電子社製：ＰＭＭ９Ｇ−１）を用いて評価した。各評価の試料はそれぞれ、磁化曲線の測定で１０ｍｍ×１０ｍｍ，透磁率の測定で４ｍｍ×１０ｍｍの大きさに加工して測定を行った。

図２は、磁性粒子１６に対するＰｄ添加量を変化させたＣｏＦｅＰｄＳｉＯ／ＳｉＯ_２積層磁性薄膜１０（グラニュラ磁性層１２の厚さ：１０ｎｍ，絶縁層１８の厚さ：０．８ｎｍ，グラニュラ磁性層１２のＣｏＦｅＰｄ／ＳｉＯ_２の体積比：５．０）の透磁率周波数特性を示す図であり、(A)は透磁率の実数成分の特性を示し、(B)は透磁率の虚数成分の特性を示している。図２(A)及び(B)において、横軸は周波数［ＧＨｚ］を表し、縦軸は透磁率を表している。また、図３には、飽和磁化及び異方性磁界とＰｄ添加量との関係が示されている。図３において、横軸はＰｄ添加量［ａｔ％］を表し、左側の縦軸が飽和磁化［Ｔ］，右側の縦軸が異方性磁界［Ｏｅ］を表している。図４には、Ｐｄ添加量とＦＭＲ半値幅［ＭＨｚ］の関係が示されている。これら図２〜図４の測定結果を得るための試料のＰｄ添加量は、０ａｔ％，７．５ａｔ％，１３．４ａｔ％，１９．７ａｔ％，２３．８ａｔ％，２７．４ａｔ％とした。

これらの結果を比較すると、図２(A)に示すように、透磁率実数成分の値がＰｄ添加量の増加に応じて減少する傾向を示している反面、図２(B)に示すように、ＦＭＲ周波数はＰｄの添加量が増えるほど高い値となり、かつ、ピークが急峻となることが確認された。また、図４に示すように、ＦＭＲ半値幅は、Ｐｄ添加量を増やすに従って減少する傾向を示しており、特に図２(B)から２ＧＨｚ付近のＦＭＲ周波数以下の領域における虚数成分の値が顕著に減少することが観察される。ＦＭＲ半値幅は、共振周波数に比例し、損失が発生する周波数は、Ｐｄ添加量により異なる。また、図３に示すように、Ｐｄ添加量の増加に応じて飽和磁化Ｍ_ｓが減少傾向を示し、異方性磁界Ｈ_ｋが増加傾向を示していることから、Ｐｄ添加量の増加に伴う透磁率の値の減少と、ＦＭＲ周波数の増加は、それぞれ上記数式１、数式２に示したように、異方性磁界Ｈ_ｋと飽和磁化Ｍ_ｓの変化によって説明することが可能である。なお、飽和磁化Ｍ_ｓの減少の程度よりも異方性磁界Ｈ_ｋの増大の程度の方が大きい。

ここで、飽和磁化Ｍ_ｓの変化量はＣｏＦｅ合金の磁化がＰｄによって単純に希釈される計算式とほぼ一致することから、飽和磁化Ｍ_ｓの変化はＣｏＦｅ粒子内のＰｄによる磁化の減少に起因することを示し、Ｐｄ添加ＣｏＦｅＳｉＯ／ＳｉＯ_２膜において、Ｐｄが磁性粒子１６内に存在していることを示唆するものと考えられる。一方、異方性磁界Ｈ_ｋの増加についてはその原因は明確ではないが、Ｐｄが添加されたグラニュラ磁性薄膜の報告において、同様に異方性磁界Ｈ_ｋの増加が確認されていることから（例えば、S. Ohnuma, N. Kobayashi, T. Masumoto, S. Mitani and H. Fujimori, "Anisotropy Field and Electrical Resistivity in Magnetically Soft Co-Pd-Si-O Thin Films", 日本応用磁気学会誌, Vol. 23, No. 1_2, pp.240-242 (1999）参照)、Ｐｄ添加が結晶磁気異方性の増加などにより磁気異方性を高め、結果として異方性磁界Ｈ_ｋが高くなっているものと予測される。なお、ＦＭＲ半値幅がＰｄ添加量の増加に応じて減少する傾向を示す原因については、グラニュラ磁性層１２中の磁性粒子１６の結晶配向に起因しており、断面ＴＥＭの観察の結果を元にその詳細を後述する。

図２(A)に示すように、Ｐｄ添加量が１３．４ａｔ％以下の試料の透磁率実数成分において、１−２ＧＨｚ帯域においてサブピークが観察されている。これらのピークは、ＦＭＲ半値幅の増加（特に２ＧＨｚ以下の低周波帯域の損失増加）に深く関与しているものと推測できる。このピークの解析及び積層グラニュラ構造との比較のため、同一組成領域において絶縁層を積層しない通常のグラニュラ構造（グラニュラ層のＣｏＦｅＰｄ／ＳｉＯ_２体積比：５．０）の比較例を作製し、その特性解析を行った。当該比較例の透磁率周波数特性のＰｄ添加量依存性を図５に示す。図５(A)は透磁率の実数成分を示し、図５(B)は透磁率の虚数成分を示している。Ｐｄの添加量は、０ａｔ％，７．２ａｔ％，１２ａｔ％，２１．１ａｔ％，２６ａｔ％とした。

図５(A)及び(B)に示すように、Ｐｄ添加量が１２ａｔ％以下の試料では、２ＧＨｚ近傍と３−４ＧＨｚ付近に２つの明瞭に分離したピークが確認され、Ｐｄ添加量が２１．１ａｔ％以上の試料は３ＧＨｚ付近に単一の鋭いピークが観察される。２つにピークが分離した試料は、図２の積層磁性薄膜の試料と比較すると、透磁率の値が半分程度に減少していることから、２ＧＨｚ近傍に観察された低周波側のメインピークは垂直方向の磁化の運動に伴う透磁率であり、３−４ＧＨｚ付近のサブピークは面内方向の磁気モーメントの運動による透磁率であると推測できる。比較例のグラニュラ構造試料において、垂直磁気異方性の影響が顕在化したのは、グラニュラ磁性層間に絶縁層が介在しないため、磁性粒子が膜厚方向に密に接した状態となり、微細構造の変化を反映して垂直磁化成分の静磁エネルギーが減少したことに起因すると考えられる。従って、Ｐｄ添加量が１３．４ａｔ％以下の積層グラニュラ構造試料において観察された低周波サブピークは、膜中に微量に形成された垂直磁化成分が影響している可能性が高いものと推測できる。

以上の結果から、Ｐｄを添加することによるＦＭＲ周波数の増加、ＦＭＲ半値幅の減少の効果を得るためには、Ｐｄ添加量を２０ａｔ％とすることが必要であることがわかる。また、垂直磁気異方性による影響を回避するために、絶縁層１８との積層構造を形成することが必要であることも分かる。Ｐｄは飽和磁化Ｍ_ｓを減少させるため透磁率の値を減少させるが、２ＧＨｚ近傍の損失を大幅に減少させることが可能であるため、ＧＨｚ帯域の磁気デバイス用磁性材料として適した特性を有していることが分かる。

図６には、前記具体例１のＣｏＦｅＰｄＳｉＯ／ＳｉＯ_２積層磁性薄膜（Ｐｄ添加量：２４ａｔ％，グラニュラ磁性層１２の厚さ：６ｎｍ，絶縁層１８の厚さ：１ｎｍ、磁性金属（磁性粒子１６）／絶縁体（絶縁体媒質１４）の比５．０）の断面電子顕微鏡像が示されている。図６に示すように、グラニュラ磁性層１２（厚さ約６ｎｍ）と絶縁層１８（厚さ約１ｎｍ）がｎｍサイズで積層された明瞭な積層グラニュラ構造が形成されていることが確認できる。なお、絶縁層１８の厚さ１ｎｍというのは、設計厚みを示しており、実際に積層された絶縁層１８は、１．５〜２．０ｎｍ程度の厚みとなっている。前記グラニュラ磁性層１２中の磁性粒子１６の粒径はほぼ均一となっており、その大きさはほぼグラニュラ磁性層１２の厚みと等しいことから、積層した絶縁層１８によって磁性粒子１６の粒成長が抑制されていることが分かる。磁性粒子１６の粒成長の抑制機構については、上述した通りである。磁性粒子１６はグラニュラ磁性層１２の内部（膜面内方向）において隣接する磁性粒子１６とほぼ接触した状態となっており、グラニュラ磁性層１２の内部において極めて強い交換相互作用が働いていることを示唆している。膜面内方向の絶縁層１８の厚みは、ＣｏＦｅＰｄ／ＳｉＯ_２比率が大きい試料ほど薄くなると予測されることから、面内方向の交換相互作用が比率によって変化していることを意味している。この結果は、ＦＭＲ半値幅のＣｏＦｅＰｄ／ＳｉＯ_２比率依存性の結果を支持するものとなっており、面内方向の強い交換相互作用が、ＦＭＲ半値幅の低減に必要であることを示唆している。

絶縁層１８の厚みについては、上述した通り、設計値に対して若干厚くなっていることに加え、絶縁層１８が湾曲している積層構造がゆがんだ箇所が少なくなっている。低倍で撮影した図６に示す全体像では、積層構造が磁性薄膜上部においても明瞭に形成されており、膜厚増加に伴う構造的な揺らぎがほとんど発生していないことが確認できる。絶縁層１８が設計値よりも厚くなっているのは、グラニュラ磁性層１２内部のＳｉＯ_２が、磁性粒子１６の粒成長によって絶縁層１８側に排出されたものと予測され、それが積層磁性薄膜１０の成長界面の平滑化に寄与し、膜厚が厚くなっても明瞭な積層構造が形成されたものと推測できる。このような明瞭な積層構造をとるということは、磁性粒子１６の粒径や膜厚方向における磁性粒子１６間距離の分布が極めて少ないことを意味しており、上述した特許文献１に記載されたＰｄを添加していないＣｏＦｅ合金を用いた試料と異なる結果となっていることから、Ｐｄを添加することによって磁性粒子１６の粒成長が促進され、ＳｉＯ_２の排出を介して積層構造の構造揺らぎを防止するものとを考えられる。前記図４に示すように、Ｐｄ添加量の増加に伴いＦＭＲ半値幅の減少が確認されているが、その一因としてＰｄ添加による積層構造の明瞭化が機能している可能性が高いと予測される。

グラニュラ磁性層１２の内部の絶縁体媒質１４であるＳｉＯ_２が、磁性粒子１６の粒成長によって絶縁層１８側に排出されているとの予測は、絶縁層厚みを変化させた試料についての図示しない結果，すなわち、絶縁層１８の最適な厚みがＰｄ添加によって薄くなっている結果を支持するものとなっている。また、膜厚依存性においてＰｄ添加で大幅に特性改善を示したことは、明瞭な積層構造に由来するものと理解できる。したがって、Ｐｄ添加試料において観察された緻密で精確な微細構造は、高周波磁気特性改善の主要因となっているものと推測できる。

図７には、ＣｏＦｅＰｄＳｉＯ／ＳｉＯ_２積層磁性薄膜（Ｐｄ添加量：２４ａｔ％、グラニュラ磁性層１２の厚み：６ｎｍ，絶縁層１８の厚み：１ｎｍ，磁性金属（磁性粒子１６）／絶縁体（絶縁体媒質１４）の比：５．０）の高分解能断面電子顕微鏡像及び電子線回折像が示されている。図７の電子顕微鏡像からは、磁性粒子１６の結晶格子が一定の方向に配列している様子が確認され、同図中のＡ〜Ｃの枠で囲った部分のそれぞれに対応する電子回折像が、図７の右側に示されている。これらの電子線回折像からは、隣接する磁性粒子１６が[１１１]方向に結晶配向していることが観察される。また、電子線回折像中のスポットは結晶配向を示している。Ｐｄを添加していない試料は結晶配向が確認されていないことから、Ｐｄ添加物が磁性粒子１６の結晶配向を促しているものと考えられる。

磁性粒子１６の結晶配向は、磁性粒子１６の粒径や粒子間距離と同様に、各磁性粒子１６の強磁性共鳴の挙動を決定する因子であり、結晶配向することにより、結晶磁気異方性のベクトルの分散に起因した強磁性共鳴の分散を抑制することが可能であるため、強磁性共鳴損失ピークの狭帯域化に極めて有効となる。Ｐｄを添加した際のＦＭＲ半値幅の減少は（図４参照）、磁性粒子１６の粒径とその間隔の均一化と共に、磁性粒子１６の結晶配向が有効に機能していると考えられる。なお、本発明に関わる積層磁性薄膜１０においては、上述した背景技術の垂直磁気記録媒体の磁気記録層と異なり、ｈｃｐ構造とする必要はない。Ｐｄの添加により、結晶構造がｆｃｃとなっていることが確認されているが、ｆｃｃ構造によって特性が劣化することはないため、磁性材料中にＰｄが添加された一層構造で結晶配向したグラニュラ磁性層１２を実現することが可能となっている。

＜具体例２＞・・・図８には、絶縁体媒質１４及び絶縁層１８をＡｌ_２Ｏ_３とした場合のＣｏＦｅＰｄＡｌＯ／Ａｌ_２Ｏ_３で表される組成の積層磁性薄膜１０について、Ｃｏ−Ｆｅの磁性粒子１６に対するＰｄ添加量を０ａｔ％，６．１ａｔ％，２２．４ａｔ％，２９．１ａｔ％，３７．４ａｔ％とした場合の透磁率の周波数特性を示す図であり、(A)は透磁率の実数成分の特性を示し、(B)は透磁率の虚数成分の特性を示している。図８(A)に示すように、Ｐｄ添加量０ａｔ％の場合を除き、透磁率実数成分の値がＰｄ添加量の増加に応じて減少する傾向を示している反面、図８(B)に示すように、ＦＭＲ周波数はＰｄの添加量が増えるほど高い値となり、かつ、ピークが急峻となることが確認される。Ｐｄ組成の増加に対するＦＭＲ周波数の増加割合は、Ｐｄ添加量が３０ａｔ％を超えると飽和状態となる傾向を示している。Ｐｄ組成に対するＦＭＲ半値幅の変化は、Ｐｄ２０ａｔ％まで低下傾向にあるが、それ以上の組成領域ではほぼ一定の値を保つ。

＜具体例３＞・・・図９には、絶縁体媒質１４及び絶縁層１８をＭｇＯとした場合のＣｏＦｅＭｇＯ／ＭｇＯで表される組成の積層磁性薄膜１０について、Ｃｏ−Ｆｅの磁性粒子１６に対するＰｄ添加量を０ａｔ％，５ａｔ％，１２．６ａｔ％，１９．５ａｔ％，２６．３ａｔ％，３３．７ａｔ％とした場合の透磁率の周波数特性を示す図であり、(A)は透磁率の実数成分の特性を示し、(B)は透磁率の虚数成分の特性を示している。図９(A)に示すように、透磁率実数成分の値がＰｄ添加量の増加に応じて減少する傾向を示している反面、図９(B)に示すように、ＦＭＲ周波数はＰｄの添加量が増えるほど高い値となっていることを確認される。Ｐｄ組成に対するＦＭＲ半値幅の変化は、Ｐｄ２０ａｔ％まで低下傾向にあるが、それ以上の組成領域では増加する傾向を示す。ＦＭＲ周波数の増加が顕著であることに伴い、ＦＭＲ半値幅が増加しているものと考えられる。

＜具体例４＞・・・図１０には、絶縁体媒質１４及び絶縁層１８をＡｌＮとした場合のＣｏＦｅＡｌＮ／ＡｌＮで表される組成の積層磁性薄膜１０について、Ｃｏ−Ｆｅの磁性粒子１６に対してＰｄを添加しない場合と、１９．１ａｔ％とした場合の透磁率の実数成分及び虚数成分の周波数特性を示す図である。図１０に示すように、透磁率の実数成分は、Ｐｄ無添加の場合に比べて１９．１ａｔ％添加した場合の方が減少しており、ＦＭＲ周波数は、Ｐｄを添加した場合の方が高い値となっている。ＦＭＲ周波数の増加がわずかであるのに対して、低周波帯域の損失の減少比率が高くなっている。ＦＭＲ周波数の増加と共に、ＦＭＲ半値幅が狭帯域化されたことに起因する現象と推察される。

＜具体例５＞・・・図１１には、絶縁体媒質１４及び絶縁層１８をＳｉ_３Ｎ_４とした場合のＣｏＦｅＳｉＮ／Ｓｉ_３Ｎ_４で表される組成の積層磁性薄膜１０について、Ｃｏ−Ｆｅの磁性粒子１６に対してＰｄを添加しない場合と、２１．５ａｔ％とした場合の透磁率の実数成分及び虚数成分の周波数特性を示す図である。透磁率の値はほとんど変化していないが、ＦＭＲ半値幅が大幅に狭帯域化されていることが分かる。ＦＭＲ周波数は減少しているが、ＦＭＲ損失が狭帯域化されているため、動作周波数帯域はＰｄ添加量によって増加している。

＜具体例６＞・・・図１２には、絶縁体媒質１４及び絶縁層１８をＢＮとした場合のＣｏＦｅＢＮ／ＢＮで表される組成の積層磁性薄膜１０について、Ｃｏ−Ｆｅの磁性粒子１６に対してＰｄを添加しない場合と、２１．８ａｔ％とした場合の透磁率の実数成分及び虚数成分の周波数特性を示す図である。Ｐｄ添加によって透磁率の値が半分程度に減少しているが、ＦＭＲ周波数は約１．５倍増加している。ＦＭＲ半値幅に大きな変化は認められないが、ＦＭＲ周波数が増加していることを反映して、動作周波数帯域は大幅に高周波化していることが分かる。

このように、実施例１によれば、絶縁体媒質１４中に磁性粒子１６が分散されたグラニュラ磁性層１２と絶縁層１８とを交互に積層して積層磁性薄膜１０を形成するとともに、前記磁性粒子１６にＰｄを添加することとした。前記グラニュラ磁性層１２と絶縁層１８の積層構造により、磁性粒子１６の粒径の分布を抑制して膜厚方向の磁性粒子１６の間隔を一定に保ち、前記磁性粒子１６にＰｄを添加することで、磁性粒子１６の結晶配向を促して磁性粒子１６の磁化容易軸方向の分散に起因した強磁性共鳴線幅の増加を抑制する結果、強磁性共鳴周波数近傍まで強磁性共鳴損失が存在しない周波数特性が得られる。このため、グラニュラ磁性材料を利用した積層磁性薄膜１０の高周波特性の大幅な改善が可能となる。

なお、本発明は、上述した実施例に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々変更を加え得ることができる。例えば、以下のものも含まれる。
(1)前記実施例では、磁性粒子１６としてＣｏ−Ｆｅ合金を用いたが、各種の磁性金属を用いるようにしてよい。例えば、Ｆｅ，Ｃｏ，Ｆｅ−Ｃｏ−Ｎｉ合金などを用いることができる。また、絶縁体媒質１４や絶縁層１８としては、上述した具体例１〜６に示す材料のほか、他のアモルファス絶縁体などを用いるようにしてもよい。
(2)前記実施例で示したグラニュラ磁性層１２及び絶縁層１８の厚みや積層数は一例であり、同様の効果を奏する範囲内において、適宜変更してよい。
(3)前記実施例で示した積層磁性薄膜１０の製造方法も一例であり、他の公知の各種の成膜手法を適用してよい。
(4)前記実施例１では、絶縁体媒質１４としてＳｉＯ_２を用いたときに、磁性粒子１６に対するＰｄの添加量を２０ａｔ％以上とすることが好ましいとしたが、他の絶縁体媒質を利用した場合でも同様である。
(5)本発明の積層磁性薄膜を利用した磁性部品としては、例えば、薄膜インダクタが例に挙げられるが、薄膜トランスなどの高周波帯域で利用される各種磁性部品や機器に適用してよく、更には、それらの磁性部品を携帯電話などの機器に適用してもよい。

本発明によれば、絶縁体媒質中に磁性粒子を分散させたグラニュラ磁性層と絶縁層とを交互に積層するとともに、前記磁性粒子にＰｄを添加することとした。そして、前記積層構造により、磁性粒子の粒径の分布を抑制して膜厚方向の粒子間隔を一定に保ち、また、磁性粒子にＰｄを付与して磁性粒子の配向を促し、これらの作用により強磁性共鳴線幅の増加を抑制することとしため、高周波帯域で使用される積層磁性薄膜及び磁性部品の用途に適用できる。

１０：積層磁性薄膜
１２：グラニュラ磁性層
１４：絶縁体媒質
１６：磁性粒子
１８：絶縁層

Claims

絶縁体媒質中に磁性粒子を分散させたグラニュラ磁性層と絶縁層とを交互に積層するとともに、前記磁性粒子にＰｄを添加したことを特徴とする積層磁性薄膜。
前記磁性粒子が、Ｃｏ−Ｆｅ合金であることを特徴とする請求項１記載の積層磁性薄膜。
前記絶縁体媒質及び絶縁層が、ＳｉＯ_２，Ａｌ_２Ｏ_３，ＭｇＯ，ＡｌＮ，Ｓｉ_３Ｎ_４，ＢＮのいずれかであることを特徴とする請求項２記載の積層磁性薄膜。
前記磁性粒子に対するＰｄの添加量を、２０ａｔ％以上としたことを特徴とする請求項３記載の積層磁性薄膜。
請求項１〜４のいずれか一項に記載の積層磁性薄膜を利用したことを特徴とする磁性部品。