JP3091817B2 - マイクロ磁気素子磁心 - Google Patents

マイクロ磁気素子磁心

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JP3091817B2 JP06041118A JP4111894A JP3091817B2 JP 3091817 B2 JP3091817 B2 JP 3091817B2 JP 06041118 A JP06041118 A JP 06041118A JP 4111894 A JP4111894 A JP 4111894A JP 3091817 B2 JP3091817 B2 JP 3091817B2
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究 白川
啓明 倉田
正雄 三寺
治 中島
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株式会社アモルファス・電子デバイス研究所
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    • B82NANOTECHNOLOGY
    • B82YSPECIFIC USES OR APPLICATIONS OF NANOSTRUCTURES; MEASUREMENT OR ANALYSIS OF NANOSTRUCTURES; MANUFACTURE OR TREATMENT OF NANOSTRUCTURES
    • B82Y25/00Nanomagnetism, e.g. magnetoimpedance, anisotropic magnetoresistance, giant magnetoresistance or tunneling magnetoresistance
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01FMAGNETS; INDUCTANCES; TRANSFORMERS; SELECTION OF MATERIALS FOR THEIR MAGNETIC PROPERTIES
    • H01F10/00Thin magnetic films, e.g. of one-domain structure
    • H01F10/32Spin-exchange-coupled multilayers, e.g. nanostructured superlattices
    • H01F10/324Exchange coupling of magnetic film pairs via a very thin non-magnetic spacer, e.g. by exchange with conduction electrons of the spacer
    • H01F10/3254Exchange coupling of magnetic film pairs via a very thin non-magnetic spacer, e.g. by exchange with conduction electrons of the spacer the spacer being semiconducting or insulating, e.g. for spin tunnel junction [STJ]

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Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は高周波で動作する高周波
磁気素子における、マイクロ磁心の損失を下げるマイク
ロ磁気素子磁心に関するものである。
【0002】
【従来の技術】機能デバイスの高周波化にともない、磁
気素子の小型化薄膜化がめられている。これらの素子
が求められる特性にはインピーダンスやインダクタンス
の他に性能指数Qの値が重要であることは良く知られて
いる。従って、磁気素子に用いられる磁性体膜磁心も高
い磁束密度や透磁率の他に高周波での損失が小さいこと
が必要である。磁性体材料において損失係数の逆数(1
/tan δ)は複素透磁率の実数部(μ′)と虚数部
(μ″)の値を用い、μ′/μ″で定義される。従っ
て、この値が大きいほど損失係数(tan δ)は小さい。
すなわち、低損失材料である。従来、高周波での損失を
下げるために、一般に、(1)磁心の抵抗を大きくす
る。(2)磁心の厚さを薄くする。(3)磁区を細分化
する。(4)磁性体膜と絶縁体膜を積層して渦電流損を
低減する等の方法がとられている。しかし、高周波領域
での軟磁気特性として、透磁率が高周波まで高く、一定
であることに注目され、高周波での損失についての検討
はなされなかった。特開平4−363006号公報には
高周波に適した薄膜磁心の構造に関して、コイルの発生
する磁界の方向と直交する方向に一軸異方性を有するこ
とを特徴とする磁心について述べられているが、各磁心
の磁化容易軸方向の長さと磁心または磁気素子の損失あ
るいは性能指数Qとの関係については述べられていな
い。また、特願平2−081373号(特開平3−28
3514号公報)には金属磁性膜/絶縁膜/金属磁性膜
よりなる多層膜において、高周波領域で高い透磁率を示
すことが開示されているが、この多層膜の高周波特性と
磁性膜の寸法との関係については全く言及されていな
い。また多層膜の構造すなわち磁性膜および絶縁膜の最
適膜厚範囲についても磁性膜の寸法が明示されておら
ず、この特性がマイクロ化された磁心においても得られ
るか明確でない。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】一般に磁性体膜の磁気
特性評価には測定感度や扱いやすさ等の理由により試料
寸法には余りこだわらず10〜20mmの矩形のものが
用いられていた。この場合の多層膜の複素透磁率の実数
部(μ′)および虚数部(μ″)の周波数特性の一例を
図1に示す。図1で用いた多層膜は磁性体(CoFeS
iB)膜厚0.1μm、絶縁体(SiO 2 )膜厚0.0
5μmを20層積層したものである。100MHzにお
いてμ′=530、μ″=90である。ところが、同じ
積層構造の多層膜について、実際に磁気素子に作製する
寸法である、短径0.3mm、長径2mmにマイクロ化
した場合の高周波特性の測定を可能にした結果、図2に
示すように、図1の場合とは全く異なっていることを見
いだした。このサイズでの100MHzにおける複素透
磁率の値はμ′=280、μ″=5であった。両者の高
周波領域での損失の差異について説明する。高周波での
損失係数の逆数(1/tan δ)はμ′/μ″で定義さ
れ、従って、この値が大きいほど損失係数(tanδ)は
小さいことを示す。上記マクロな寸法の多層膜での測定
ではμ′/μ″=6、マイクロ化した多層膜μ′/μ″
=56と損失に大きな差が生じている。このことは、こ
のように多層膜をマイクロ化して磁気素子に用いる場合
に、従来のように、マクロな寸法で磁性体膜の評価をお
こなってたのでは、実際のマイクロ化された磁性体膜の
特性を把握できないことを示している。本発明の目的
は、数十MHz以上の高周波領域で従来の技術では得ら
れなかった低損失で、かつ実効的な透磁率が高いマイク
ロ磁気素子磁心を提供することにある。
【0004】
【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に本発明は、一軸磁気異方性を有し、磁化容易軸方向の
長さが200μm以上500μm以下である短冊状金属
磁性体膜を数個同一平面上に互いに分離して設けた金属
磁性体膜と絶縁体膜が交互に積層された軟磁性多層膜構
造からなるマイクロ磁気素子磁心において、前記金属磁
性体膜厚が0.01μm〜0.3μm、前記絶縁体膜厚
が0.02μm〜0.25μmの範囲にあり、数十MH
z以上の高周波領域で低損失多層膜を得ることを特徴と
するものである。
【0005】
【実施例】以下に、本発明のマイクロ磁気素子磁心の実
施例を説明する。先ず、高周波領域での損失と軟磁性
層膜の積層構成との関係例を調べた。図3は一般に磁気
特性評価に用いられてきたマクロな寸法の多層膜につい
ての結果である。図中の数字は100MHzでの複素透
磁率の実数部(μ′)および虚数部(μ″)の比μ′/
μ″より求めた損失係数の逆数である。横軸は絶縁体
(SiO2 )膜の膜厚(Ti)、縦軸は磁性体(CoF
eSiB)膜の膜厚(Tm)である。図3で磁性体膜の
総膜厚が2μmになるように積層数(n)を変えてあ
る。損失係数が小さい領域は磁性体膜が薄く絶縁体膜が
厚い領域にある。本例の範囲では高々16であった。一
方、図4に、上記多層膜の磁心として短径を0.5m
m、長径を2mmの短冊型磁心とマイクロ化の磁心にお
ける磁性体、絶縁体膜厚と損失係数の逆数の関係を示
す。図中に示した数字は図3と同様に100MHzでの
損失係数の逆数の値である。図3と図4の比較より、従
来の評価方法によれば、損失の小さい多層膜を得るに
は、磁性体膜はできるだけ薄く、絶縁体膜は0.2μm
以上のできるだけ厚いことが要求されることになる。と
ころが、実際に使用するマイクロサイズの多層膜におい
ては、磁性体膜、絶縁体膜双方に最適値があることが分
かった。すなわち、マイクロ化した多層膜では、0.0
1μm<Tm<0.3μm、0.025μm<Ti<
0.25μmの範囲で損失係数の逆数が40を越し、ま
たTm=0.1μm、Ti=0.05μm近傍で70と
高い値を示すことがみいだされた。次に、磁心細分化の
最適サイズを調べた。図5は実験に用いた巻線型薄膜
インダクタの概念図である。絶縁基板11上に、数個互
いに分離して設けた矩形磁心群14の周りをレジスト
をキュアした絶縁体膜(図示せず)を介してトロイダル
状に下部コイル12bおよび上部コイル12aで巻いた
構造になっている。図5は上記短冊状金属磁性体膜の
心幅(w)を有する磁心の本数(n)をn×wが1mm
になるようにしてある。長径はいずれの場合も2mmで
ある。励磁方向は短冊形状の長形方向すなわち磁化容易
軸方向に対して直角方向である。図6は上記磁心幅Wの
値を変えた場合の20MHzでのインダクタンス(L)
および性能指数の最大値Qmax の変化を示す。200μ
m以下に磁心幅を小さくすると、従来の反磁界係数の概
念からは、Lが大きくなるはずであるが、従来の概念と
は逆に低下し、Qも低下していることがわかった。Lお
よびQ値が共に大きい範囲は200μm<W<500μ
mである。
【0006】上記実施例のように薄膜インダクタに用い
る短冊型磁心に最適幅があることがわかった。そこで多
層膜磁心の形状と複素透磁率の関係を述べるに、従来、
反磁界係数を小さくするために、磁心幅を限りなく狭く
することで磁心の特性向上を図ってきた。図7に、短冊
形磁心の長径を2mmと一定にして、短径(W)を変え
た場合の複素透磁率の実数部(μ′)および虚数部
(μ″)の値および損失係数の逆数(1/tan δ)の変
化を示す。磁心は磁性体(CoFeSiB)膜厚0.1
μm、絶縁体(SiO2 )膜厚0.05μmを30層積
層した軟磁性多層膜である。200μm以下に磁心幅を
小さくすると、従来の反磁界係数の概念とは異なり、
μ′、μ″共に小さくなる。しかもμ′の低下が大きい
ため、損失係数の逆数 (1/tan δ)は小さくなって
いることがわかった。μ′値を下げずに1/tan δが大
きい範囲は200μm<W<500μmである。
【0007】
【発明の効果】以上述べたように本発明によれば、数十
MHz以上の高周波で損失の小さいマイクロ磁心を用い
ることにより、高周波領域で高い性能指数を示すマイク
磁気素子磁心が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の実施例を説明するためのマクロ多層膜
の透磁率の周波数特性の一例を示す特性図である。
【図2】本発明の実施例を説明するためのマイクロ多層
膜の透磁率の周波数特性の一例を示す特性図である。
【図3】本発明の実施例を説明するためのマクロ多層膜
の損失係数の逆数の等値曲線の一例を示す特性図であ
る。
【図4】本発明の実施例に係るマイクロ多層膜の損失係
数の逆数の等値曲線の一例を示す特性図である。
【図5】本発明の実施例のインダクタの概念図である。
【図6】本発明の実施例を説明するための1本の磁心幅
wとL、Qの関係の一例を示す特性図である。
【図7】本発明の実施例を説明するためのマイクロ化し
た多層膜の各短冊磁心の短に対する透磁率の変化の一
例を示す特性図である。
【符号の説明】
11…絶縁基板、12a…上部コイル、12b…下部コ
イル、14…矩形磁心群。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 倉田 啓明 宮城県仙台市青葉区南吉成6丁目6番地 の3 株式会社アモルファス・電子デバ イス研究所内 (72)発明者 三寺 正雄 宮城県仙台市青葉区南吉成6丁目6番地 の3 株式会社アモルファス・電子デバ イス研究所内 (72)発明者 中島 治 宮城県仙台市青葉区南吉成6丁目6番地 の3 株式会社アモルファス・電子デバ イス研究所内 (56)参考文献 特開 平5−326262(JP,A) 特開 平4−221812(JP,A) 特開 平4−350908(JP,A) 電気学会研究会資料,マグネティック ス研究会 MAG−90−125

Claims (1)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 一軸磁気異方性を有し、磁化容易軸方向
    の長さが200μm以上500μm以下である短冊状金
    属磁性体膜を数個同一平面上に互いに分離して設けた
    属磁性体膜と絶縁体膜が交互に積層された軟磁性多層膜
    構造からなるマイクロ磁気素子磁心において、前記金属
    磁性体膜厚が0.01μm〜0.3μm、前記絶縁体膜
    厚が0.02μm〜0.25μmの範囲にあり、数十M
    Hz以上の高周波領域で低損失多層膜を得ることを特徴
    とするマイクロ磁気素子磁心。
JP06041118A 1994-03-11 1994-03-11 マイクロ磁気素子磁心 Expired - Fee Related JP3091817B2 (ja)

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JP2744945B2 (ja) * 1992-03-16 1998-04-28 日本電信電話株式会社 磁性多層膜

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電気学会研究会資料,マグネティックス研究会 MAG−90−125

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