JP2021162327A - 透磁率計測用プローブ及びそれを用いた透磁率計測装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】磁性体の透磁率を高いSN比で計測する透磁率計測用プローブを提供する。【解決手段】磁性体の透磁率を計測するためのプローブは、マイクロストリップ導体と地導体により誘電体を挟んだマイクロストリップラインと、マイクロストリップラインの両端とそれぞれ接続するコネクタと、マイクロストリップライン及びコネクタを保持する本体とを備え、本体はその頂部に凸型湾曲形状部分を有し、マイクロストリップラインは、本体の当該頂部をまたがって当該凸型湾曲形状部分に沿って湾曲して配置される。【選択図】図２
Description
本発明は、透磁率計測用プローブ及びそれを用いた透磁率計測装置に関する。
磁性体の高周波透磁率（通常数100kHz〜数GHz）を計測する方法は1950年代ころから多数提案されているが、その全てがコイル（あるいはアンテナ）を用いる方法（例えば、非特許文献１乃至３参照）か伝送線路、導波管等（例えば、非特許文献４参照）を用いる方法に帰着される。一方、材料に短針を接触して抵抗率を測る手法（例えば、非特許文献５参照）は、普及している方法であるが、これは材料の抵抗率を測るもので、透磁率を計測するものではない。
なお、本発明者は、幅100μm程度の微細短冊薄膜のインピーダンスからその透磁率を求める論文をすでに発表している（例えば、非特許文献６参照）。また、特許文献１では、短冊に限らず、任意のサイズの磁性薄膜に適用可能な計測方法を開示し、さらに、特許文献２では、ミアンダ状のプローブを磁性薄膜へ近接配置することにより透磁率を評価可能な方法を開示し、特許文献３では、１本の直線形状部から構成される直線マイクロストリップ導体の直線形状部が絶縁体を挟んで磁性体に近接させられて透磁率を測定する手法について開示する。
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近年、磁性薄膜を用いた磁気デバイスは磁気記録やMRAM等大きな市場性を有しており、製造される磁性薄膜の膜厚は数nm厚と非常に薄い。磁性薄膜の透磁率は磁気デバイスの性能に直結する最も基礎的なパラメータであり、製造ラインにおける磁性薄膜の透磁率評価は薄膜磁気デバイスの歩留まり向上の観点からも重要である。
上記のように膜厚数nm程度の磁性薄膜の評価は非常に重要であるが、上述した従来の透磁率計測方法では膜厚100nm程度以上にとどまっており、数nm厚の極薄膜の高周波透磁率評価は困難であった。また、強磁性共鳴等の高周波磁気特性を評価する技術はあるが、これは伝送線路と磁性薄膜を一体的に微細加工技術で作製して評価するものであり、汎用性のある評価技術とは言えない。
また、MRAM等に代表される薄膜磁気デバイスではミクロンオーダーの局所的な磁気特性を評価する（透磁率を計測する）ニーズがあり、従来の計測装置ではプローブのサイズ等の制約があり、透磁率の計測が困難であった。
そこで、本発明の目的は、特に磁性薄膜のような磁性体の局所的な透磁率を高いSN比で計測可能とする透磁率計測用プローブ及びそれを用いた透磁率計測装置を提供することにある。
上記目的を達成するための本発明のプローブは、磁性体（特に磁性薄膜）の透磁率を計測するためのプローブにおいて、マイクロストリップ導体と地導体により誘電体を挟んだマイクロストリップラインと、前記マイクロストリップラインの両端とそれぞれ接続するコネクタと、前記マイクロストリップライン及び前記コネクタを保持する本体とを備え、前記本体はその頂部に凸型湾曲形状部分を有し、前記マイクロストリップラインは、前記本体の当該頂部をまたがって当該凸型湾曲形状部分に沿って湾曲して配置されることを特徴とする。
一つの形態例として、前記本体の前記凸型湾曲形状部分の頂部に平坦部分が設けられ、前記マイクロストリップラインは、当該平坦部分に沿った部分は直線状に配置される。また、前記コネクタは、前記本体の前記頂部から下って延びる側面に取り付けられる。
本発明の透磁率計測装置は、前記マイクロストリップラインが磁性体と接触する前記プローブと、前記磁性体に磁界を印加するための磁界印加部と、前記プローブとケーブルを介して接続し、前記磁界印加部による磁界印加の有り無し両方における透過係数の信号を計測する信号計測器と、前記信号計測器で測定された透過係数の信号に基づいて、前記磁性体の透磁率を数値解析演算処理により求める処理手段とを備えることを特徴とする。
本発明のプローブ及び透磁率計測装置によれば、特性インピーダンスの劣化を抑え、高いSN比且つ広帯域の透磁率計測が可能となる。特に、MRAMなどの磁気デバイスにおける磁性薄膜の透磁率評価を高精度に行うことができる。
以下、図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。しかしながら、かかる実施の形態例が、本発明の技術的範囲を限定するものではない。
図１は、本発明の実施の形態における透磁率計測装置の概略構成例を示す図である。本発明の実施の形態の透磁率計測装置は、プローブ１０、ネットワークアナライザ（信号計測器）２０および数値解析処理を実行する演算処理装置（例えばパソコンのようなコンピュータ装置）３０（処理手段）を備えて構成される。
プローブ１０は、試料の磁性体１に接触又は近接するように配置され、非磁性同軸ケーブル３を介してネットワークアナライザ２０に接続する。ネットワークアナライザー２０により、評価対象の磁性体の透過係数（S21)を測定し、その信号データを制御用パソコン３０に取り込み、所定の数値解析処理（例えば最適化処理）により磁性体の複素透磁率を求める。また、磁性体１を磁気的に飽和させるためにヘルムホルツコイル（電磁コイル）からなる磁石（磁界印加部）が用いられる。
図２及び図３は、本発明の実施の形態におけるプローブ１０の構成例を示す図であり、図２はその全体構成を示す斜視図、図３（ａ）は上面図、図３（ｂ）は正面図、図３（ｃ）は底面図、図３（ｄ）は側面図である。また。図４は、プローブ１０の構造を示す模式図、図５は、プローブ１０の構造の変形例を示す模式図である。
プローブ１０は、マイクロストリップ導体１４ａと地導体により誘電体を挟んだマイクロストリップライン１４と、マイクロストリップライン１４の両端とそれぞれ接続するコネクタ１６とを備えて構成される。コネクタ１６には50Ωの同軸ケーブル３が接続され、ネットワークアナライザ２０と接続する。マイクロストリップライン１４は、例えばフッ素樹脂製（例えばポリテトロフルオロエチレン（PTFE)製）のプリント基板をエッチング加工して製作される。
プローブ１０は、マイクロストリップライン１４とコネクタ１６を所定位置に保持する本体（ボディ）１８をさらに有する。本体１８は、例えばりん青銅又は真鍮製などの金属で形成され、その正面形状が概ね三角形状に形成される。そして、本体１８の頂部に凸型湾曲形状部分が形成され、マイクロストリップライン１４は、その頂部をまたがるように当該凸型湾曲形状部分に沿って湾曲して配置される。また、コネクタ１６は、本体１８の頂部から下って延びる両斜面に沿って取り付けられる。好ましくは、コネクタ１６は、湾曲して配置されるマイクロストリップライン１４をおおよそ90度の開き角で保持する。そのため、本体１８の頂部を挟む斜辺は90度の開き角を有して形成され、両側のコネクタ１６はその角度を有して本体１８に配置される。２つのコネクタ１６の開き角度を90度程度にすることで、磁性体のサイズに制約されずにプローブ１を近接配置可能であることと、マイクロストリップライン１４を折り曲がり部分をなくした湾曲形状とすることで特性インピーダンスの劣化を最小限に抑え、広帯域計測が可能である。本実施の形態におけるプローブでは、従来計測可能であった40GHzまでの周波数範囲を、67GHz程度までの高周波数帯域まで広帯域化することができる。
コネクタ１６の開き角は、上述の90度程度の角度に限られず、鈍角方向には、ヘルムホルツコイルのコイル間隔間に配置可能なプローブ１０の大きさに収まる程度の角度範囲内であって、鋭角方向には、インピーダンス不整合が生じない程度の角度範囲内で適宜決定することができる。
プローブ１０のヘッド部分が小型化され、評価対象の磁性体の局所部位にプローブを直接接触させて計測することで、局所的な透磁率を高いSN比で計測可能である。特に、地導体を有する本プローブでは、磁性薄膜へ直接高周波電流を通電させる方式によって、ミクロンオーダーの局所部においても高いSN比が得られる。
例えばMRAM（Magnetoresistive Random Access Memory）などの磁気デバイスにおいては、製造される磁性薄膜の膜厚は数nm厚と非常に薄い。磁性薄膜の透磁率は、磁気デバイスの性能に直結する最も基礎的なパラメータであり、製造ラインにおける磁性薄膜の透磁率評価は、薄膜磁気デバイスの歩留まり向上に極めて重要であり、本発明のプローブは、その超極薄の膜厚の磁性薄膜におけるミクロンオーダーの局所的な透磁率を高い精度で計測可能とする。
また、プローブ１０の構造の変形例として、図５に示すように、本体１８の頂部における凸型湾曲形状部分の先端に平坦部分１８ａが設けられ、マイクロストリップライン１４は、当該平坦部分１８ａに沿った部分は直線状に配置される。例えば、マイクロストリップライン１４の全長は約16mm程度であり、平坦部分１８ａの幅長さは１〜2mm程度である。また、マイクロストリップライン１４の長さに直交するプローブ１０の厚さは約20mm程度である。平坦部分と湾曲部分の形状は、折れ曲がり部分（または、段部や角部）が生じないように連続的につながるように設計される。平坦部分が設けられることで、計測時に、プローブ１０を磁性体の所望の位置に確実且つ容易に接触させることができ、効率的に計測を行うことができる。
図５は、プローブ１０の特性インピーダンスの測定結果を示す図である。時間領域反射法(TDR法）によりプローブ１０の特性インピーダンスを測定した。プローブ１０の終端（コネクタ１６の同軸ケーブル３との接続端部）は50Ω抵抗で整合している。上述した透磁率計測装置による計測手順について、以下に説明する。
図７は、本発明の実施の形態における透磁率計測方法の手順を示すフローチャートである。評価対象の磁性体１にプローブ１０のマイクロストリップライン１４を接触させる（S100)。そして、ヘルムホルツコイルの中に入れ、強い直流磁界（例えば20ｋOe程度)を印加し、磁性体１を飽和させ、ネットワークアナライザ２０でキャリブレーションする（S102)。そうすることで、プローブ１０及び同軸ケーブル３の電気長、磁性体の直流的なインピーダンス、非磁性信号等を除去する。その後、直流磁界を解除して磁性体１の寄与分の透過係数（S21）を測定する（S104)。以下の（１）式により、透過係数（S21)は磁性体１のインピーダンスZに変換される（S106)。
具体的には、磁性体１を飽和させるための永久磁石の有無による透過係数（S21)をネットワークアナライザ２０で測定する。プローブ１０を磁性体１に接触させ、永久磁石（ヘルムホルツコイル）を近接配置して磁性体１を飽和させたときをバックグラウンドとし、このときの透過係数を基準信号とする。次に、永久磁石を除いたときの透過係数を測定する。このときの透過係数は、基準信号との差分信号すなわち永久磁石の有り無し両方の透過係数の差分値であり、これは、磁性体１の磁気特性が反映されたものである。この透過係数の差分値は、磁性体１の寄与によるインピーダンス成分となる。
（１）式によれば、インピーダンスZは、透過係数の差分値であって、実数部が磁性体１の損失分（抵抗成分）R、虚数部が磁性体１のインダクタンス成分Lとなる。インダクタンス成分Lは、磁性体１の透磁率の実数部（μ'）に対応し、抵抗分Rは、磁性体１の透磁率の虚数部（μ''）に対応する。なお、磁性体１の透磁率（複素透磁率）μは、以下（２）式で表される。
図８は、評価対象の磁性体試料としての磁性薄膜の形状を模式的に示す図である。マイクロストリップ導体１４ａに流れる電流に対して、周波数が高くなるほど表皮効果により磁性薄膜１の表面にのみ電流が流れるようになる。図８のように膜厚方向へ電流が表皮効果で偏ることでインピーダンスZが決定されることを仮定し、数値解析処理として、例えば、上記（２）式及び以下の（３）式と（４）式を用いて、Newton-Raphson法によりμ'及びμ''を繰り返し計算により求め、所定の評価関数値が最小になるように複素透磁率を最適化処理により求める（S108)。
ただし、Zはインピーダンス、ρは抵抗率、ｌは試料長さ、ｗは試料幅、ｔは膜厚、ｆは周波数、μは複素透磁率である。
図９は、本発明の実施の形態におけるプローブを用いた透磁率計測装置による透磁率の計測結果のグラフである。評価対象の試料は、Ni-Ferrite薄膜（8mm×5mm×厚さ1.2μm）であり、およそ67Ghzの高周波帯域までの複素透磁率（μ=μ'-jμ"）を高いSN比で計測できる結果が得られた。
本発明は、上記実施の形態に限定されるものではなく、本発明の分野における通常の知識を有する者であれば想到し得る各種変形、修正を含む要旨を逸脱しない範囲の設計変更があっても、本発明に含まれることは勿論である。
１：磁性体（磁性薄膜）、３：同軸ケーブル、１０：プローブ、１４：マイクロストリップライン、１４ａ：マイクロストリップ導体、１６：コネクタ、２０：ネットワークアナライザ（信号計測器）、３０：演算処理装置
Claims (5)
- 磁性体の透磁率を計測するためのプローブにおいて、
マイクロストリップ導体と地導体により誘電体を挟んだマイクロストリップラインと、
前記マイクロストリップラインの両端とそれぞれ接続するコネクタと、
前記マイクロストリップライン及び前記コネクタを保持する本体とを備え、
前記本体はその頂部に凸型湾曲形状部分を有し、前記マイクロストリップラインは、前記本体の当該頂部をまたがって当該凸型湾曲形状部分に沿って湾曲して配置されることを特徴とするプローブ。 - 前記本体の前記凸型湾曲形状部分の頂部に平坦部分が設けられ、前記マイクロストリップラインは、当該平坦部分に沿った部分は直線状に配置されることを特徴とする請求項１に記載のプローブ。
- 前記コネクタは、前記本体の前記頂部から下って延びる側面に取り付けられることを特徴とする請求項１又は２に記載のプローブ。
- 前記磁性体は磁性薄膜であることを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載のプローブ。
- 前記マイクロストリップラインが磁性体と接触する請求項１乃至４のいずれかに記載のプローブと、
前記磁性体に磁界を印加するための磁界印加部と、
前記プローブとケーブルを介して接続し、前記磁界印加部による磁界印加の有り無し両方における透過係数の信号を計測する信号計測器と、
前記信号計測器で測定された透過係数の信号に基づいて、前記磁性体の透磁率を数値解析演算処理により求める処理手段とを備えることを特徴とする透磁率計測装置。
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