JP3382215B2 - Planar magnetic element, method of manufacturing the same, and semiconductor device having flat magnetic element - Google Patents

Planar magnetic element, method of manufacturing the same, and semiconductor device having flat magnetic element

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JP3382215B2 JP2000267609A JP2000267609A JP3382215B2 JP 3382215 B2 JP3382215 B2 JP 3382215B2 JP 2000267609 A JP2000267609 A JP 2000267609A JP 2000267609 A JP2000267609 A JP 2000267609A JP 3382215 B2 JP3382215 B2 JP 3382215B2
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Description

【発明の詳細な説明】Detailed Description of the Invention

【0001】[0001]

【発明の属する技術分野】本発明は平面インダクタや平
面トランスなどの平面型の磁気素子及びその製造方法並
びに平面型の磁気素子を備えた半導体装置に関する。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a planar magnetic element such as a planar inductor or a planar transformer, and a method for manufacturing the same.
The present invention relates to a semiconductor device including a flat type magnetic element .

【0002】[0002]

【従来の技術】近年、各種電子機器の小形化が盛んに進
められ、これに伴って機器全体に占める電源部の容積比
率は増大する傾向にある。これは、各種の回路がLSI
化される一方で、電源部に必須の回路要素であるインダ
クタやトランスなどの磁気部品の小形・集積化が遅れて
いるためである。
2. Description of the Related Art In recent years, miniaturization of various electronic devices has been actively promoted, and along with this, the volume ratio of the power source portion in the entire device tends to increase. This is because various circuits are LSI
While miniaturization and integration of magnetic components such as inductors and transformers, which are indispensable circuit elements in the power supply unit, have been delayed.

【0003】インダクタやトランスなどの磁気素子を小
形化するために、これらの磁気素子を平面型にすること
が試みられている。従来、平面型インダクタとしては、
スパイラル平面コイルの両面を絶縁体層で挟み、更にこ
れらの両面を磁性体で挟んだ構造のものが知られてい
る。同様に、平面型トランスとしては、絶縁体層を介し
て1次側のスパイラル平面コイルと2次側のスパイラル
平面コイルとを形成し、これらの両面を絶縁体層で挟
み、更にこれらの両面を磁性体で挟んだ構造のものが知
られている。なお、スパイラル平面コイルは、1層のス
パイラル状コイル導体からなるものでもよいし、絶縁体
層の両面に2層のスパイラル状コイル導体を形成して発
生磁界が同一方向となるように接続したものでもよい。
In order to miniaturize magnetic elements such as inductors and transformers, attempts have been made to make these magnetic elements flat. Conventionally, as a planar inductor,
There is known a structure in which both sides of a spiral plane coil are sandwiched by insulating layers, and further both sides are sandwiched by magnetic materials. Similarly, as a flat type transformer, a spiral side flat coil on the primary side and a spiral side flat coil on the secondary side are formed via an insulating layer, both sides of which are sandwiched by insulating layers, and further both sides of these are sandwiched. A structure sandwiched between magnetic materials is known. The spiral plane coil may be composed of one layer of spiral coil conductors, or two layers of spiral coil conductors formed on both sides of an insulating layer and connected so that the generated magnetic fields are in the same direction. But it's okay.

【0004】この平面型磁気素子については、"High-Fr
equency of a Planar-Type Microtransformer and Its
Application to Multilayered Switching Regulators";
K.Yamasawa et al.,IEEE Trans. Mag. Vol.26,No.3,May
1990,pp.1204-1209で報告されているが、動作に対する
損失が大きい。また、同様の平面型磁気素子について、
米特許番号4、803、609で開示されている。
Regarding this planar magnetic element, "High-Fr
equency of a Planar-Type Microtransformer and Its
Application to Multilayered Switching Regulators ";
K.Yamasawa et al., IEEE Trans. Mag. Vol. 26, No. 3, May
Although it was reported in 1990, pp.1204-1209, there is a large loss in operation. In addition, regarding a similar planar magnetic element,
It is disclosed in US Pat. No. 4,803,609.

【0005】更に、これらの平面型磁気素子を小形化す
るには、これらを半導体製造プロセスと同様に薄膜プロ
セスを利用して製造することが検討されている。
Further, in order to miniaturize these plane type magnetic elements, it is considered to manufacture them by using a thin film process like the semiconductor manufacturing process.

【0006】このような構成の平面インダクタは、使用
する周波数帯域において十分高いQ値を持つことが必要
である。また、平面トランスは、トランスゲインを所定
の値(昇圧ならばゲイン>1、降圧ならばゲイン<1)
にし、かつ電圧変動率を小さくする必要がある。
The planar inductor having such a structure needs to have a sufficiently high Q value in the frequency band used. In the flat transformer, the transformer gain is set to a predetermined value (gain> 1 for step-up, gain <1 for step-down).
And it is necessary to reduce the voltage fluctuation rate.

【0007】平面インダクタのQは、 Q=ωL/R で表わされる。ここで、Rはコイル抵抗、Lはインダク
タンスである。
The Q of the planar inductor is represented by Q = ωL / R. Here, R is a coil resistance and L is an inductance.

【0008】また、平面トランスのゲインGは、 G=k(L2/L1)1/2・{Q/(1+Q2)1/2} で表わされる。ここで、kはトランスの1次コイルと2
次コイルの結合係数、L1、L2は1次及び2次側のイン
ダクタンス、QはQ=ωL1/R1で与えられ、R1は1
次側のコイル抵抗である。トランスのゲインはQ<<1
のときQにほぼ比例し、Q>>1のときQに無関係に一
定値k(L2/L1)1/2となる。
The gain G of the plane transformer is expressed by G = k (L2 / L1) 1 / 2.multidot. {Q / (1 + Q2) 1/2 }. Where k is the primary coil of the transformer and 2
Coupling coefficient of the secondary coil, L1 and L2 are inductances on the primary and secondary sides, Q is given by Q = ωL1 / R1, and R1 is 1
This is the coil resistance on the secondary side. The gain of the transformer is Q << 1
When Q >> 1, it becomes a constant value k (L2 / L1) 1/2 regardless of Q.

【0009】インダクタのQ及びトランスのゲインGを
高くし、電圧変動を抑制するには、可能なかぎりコイル
抵抗を低減させ、インダクタンスを大きくすることが必
要である。
In order to increase the Q of the inductor and the gain G of the transformer and suppress the voltage fluctuation, it is necessary to reduce the coil resistance and increase the inductance as much as possible.

【0010】しかし、従来の薄膜プロセスによる平面型
磁気素子では、平面コイルを構成するコイル導体の断面
積を大きく取れなかったため、コイル抵抗が非常に大き
く、インダクタンスが小さく、漏れ磁束が多かった。こ
の結果、インダクタではQが低く、トランスではゲイン
Gが低く電圧変動率が大きいため、実用化の大きな障害
となっていた。
However, in the conventional flat type magnetic element manufactured by the thin film process, since the cross-sectional area of the coil conductor forming the flat coil cannot be made large, the coil resistance is very large, the inductance is small, and the leakage magnetic flux is large. As a result, the inductor has a low Q, and the transformer has a low gain G and a large voltage fluctuation rate, which is a major obstacle to practical use.

【0011】インダクタに限定して、その性能を考慮し
た場合、平面コイルパターンとしては、インダクタンス
を大きく取れ、そのために品質係数Qが高いなどの理由
で、スパイラル型が有利である。実際に、図1に示され
るような急冷して得られたアモルファスリボンを適当な
寸法に切ったアモルファス磁性合金箔と正方形スパイラ
ル平面コイルを用いた平面インダクタが製作され、5V
・2W級降圧チョッパー型DC−DCコンバータの出力
チョークコイルに応用されている(平成元年電気学会全
国大会)。この場合、図2Aのように、インダクタには
負荷電流に相当した直流電流と半導体スイッチのスイッ
チングによる交流電流とが流れる。直流電流の増大に伴
って、磁性体の動作点はB−H曲線の飽和領域に至り、
透磁率の増加割合が低下するので、インダクタンスは急
激に小さくなる(図2B参照)。図3はこの様子を示す
もので、このときの交流過電流は半導体スイッチに過大
なストレスを与え、素子を破壊させる場合がある。
Considering the performance of only the inductor, the spiral type is advantageous as the plane coil pattern because of its large inductance and the high quality factor Q. Actually, as shown in FIG. 1, a flat inductor using an amorphous magnetic alloy foil obtained by cutting an amorphous ribbon obtained by quenching into an appropriate size and a square spiral flat coil was manufactured, and a
-It is applied to the output choke coil of the 2W class step-down chopper type DC-DC converter (the 1989 national conference of the Institute of Electrical Engineers of Japan). In this case, as shown in FIG. 2A, a direct current corresponding to the load current and an alternating current due to the switching of the semiconductor switch flow through the inductor. As the DC current increases, the operating point of the magnetic material reaches the saturation region of the BH curve,
Since the rate of increase in magnetic permeability decreases, the inductance sharply decreases (see FIG. 2B). FIG. 3 shows this state, and the AC overcurrent at this time may give an excessive stress to the semiconductor switch and destroy the element.

【0012】直流重畳電流とインダクタンスの関係を直
流重畳特性と呼ぶが、チョークコイルには直流電流を重
畳した場合でもインダクタンスなどの電気的特性が一定
であることが望まれる。図4に代表的な直流重畳特性の
様子を示した。
The relationship between the DC superposition current and the inductance is called the DC superposition characteristic. It is desired that the choke coil has a constant electric characteristic such as inductance even when the DC current is superposed. FIG. 4 shows a typical DC superposition characteristic.

【0013】このようなチョークコイルでは、負荷電流
に相当する直流電流と半導体スイッチのスイッチングに
よる交流電流とが流れる。チョークコイルには、大きな
直流電流が重畳された場合でも、インダクタンスなどの
電気的特性ができるだけ一定しているという直流重畳特
性を有することが要求される。しかし、直流重畳電流が
増大した結果、磁性体の動作点がB−H曲線の飽和領域
に達すると透磁率の増加割合が低下するので、インダク
タンスは急激に小さくなる。また、このときの過電流は
半導体スイッチに過大なストレスを与え、素子を破壊さ
せる場合がある。
In such a choke coil, a direct current corresponding to the load current and an alternating current due to the switching of the semiconductor switch flow. The choke coil is required to have a DC superposition characteristic that electric characteristics such as inductance are as constant as possible even when a large DC current is superposed. However, when the operating point of the magnetic material reaches the saturation region of the BH curve as a result of the increase in the DC superimposed current, the rate of increase in magnetic permeability decreases, so that the inductance sharply decreases. Further, the overcurrent at this time may give an excessive stress to the semiconductor switch, and may destroy the element.

【0014】特に、平面インダクタではコイル導体と磁
性体とが非常に接近しており、小さなコイル電流でも発
生する磁界の値が大きいため、磁性体が磁気飽和しやす
い。その具体例として、Al−Cu合金からなるスパイ
ラル平面コイルと、その両面に設けられた絶縁体層と、
これらの両面に設けられた磁性体層とで構成される平面
インダクタについて以下に説明する。この平面インダク
タでは、スパイラル平面コイルを構成するコイル導体は
幅50μm、厚さ10μm、導体間間隔10μm、巻数
20、絶縁体層は膜厚1μm、磁性体は膜厚5μm、飽
和磁束密度BS=15kG、透磁率μs=5000であ
る。
Particularly, in the planar inductor, the coil conductor and the magnetic body are very close to each other, and the magnetic field is large even with a small coil current, so that the magnetic body is likely to be magnetically saturated. As a specific example thereof, a spiral plane coil made of an Al-Cu alloy, and insulating layers provided on both surfaces thereof,
The planar inductor composed of the magnetic layers provided on both surfaces of these is described below. In this planar inductor, the coil conductor forming the spiral planar coil has a width of 50 μm, a thickness of 10 μm, an interval between conductors of 10 μm, a winding number of 20, an insulating layer has a film thickness of 1 μm, a magnetic film has a film thickness of 5 μm, and a saturation magnetic flux density BS = 15 kG. , Magnetic permeability μs = 5000.

【0015】コイル導体として用いられているAl−C
u合金の許容電流密度を5×108A/m2と仮定した場
合、許容電流Imaxは250mAである。ところが、コ
イル電流とこれによって発生する磁性体面内磁界との関
係を調べたところ、コイル電流が48mA以上になる
と、磁性体が磁気飽和した。すなわち、この平面インダ
クタをチョークコルとして用いる場合、最大直流重畳電
流は48mAに制限されることになる。この値は、コイ
ル許容電流の約1/5にすぎず、磁性体が容易に飽和す
ることがわかる。
Al-C used as a coil conductor
Assuming that the allowable current density of the u alloy is 5 × 10 8 A / m 2 , the allowable current Imax is 250 mA. However, when the relationship between the coil current and the magnetic field in-plane generated by the coil current was examined, when the coil current was 48 mA or more, the magnetic substance was magnetically saturated. That is, when this planar inductor is used as a choke, the maximum DC superimposed current is limited to 48 mA. This value is only about 1/5 of the coil allowable current, and it can be seen that the magnetic substance is easily saturated.

【0016】直流重畳特性の問題は、チョークコイル用
インダクタの場合に限定されず、トランスの場合でも重
要である。例えば、フォワード型又はフライバック型の
DC−DCコンバータ用トランスでは、1次コイルに片
極性のパルス電圧が印加されるので、やはり磁気飽和に
よるインダクタンスの急激な低下が問題になる。また、
プッシュプル型のDC−DCコンバータではトランスに
印加される電圧は原理的には正負対称であるので、磁気
飽和の影響は軽微であると考えられがちであるが、スイ
ッチングトランジスタの特性のばらつきなどにより正負
のオン時間が変動してトランスが偏磁するため、やはり
磁気飽和によるインダクタンスの急激な低下が問題にな
る。
The problem of the DC superposition characteristic is not limited to the case of the inductor for the choke coil, but is important even in the case of the transformer. For example, in a forward-type or flyback-type DC-DC converter transformer, since a unipolar pulse voltage is applied to the primary coil, a sudden decrease in inductance due to magnetic saturation still poses a problem. Also,
In the push-pull type DC-DC converter, the voltage applied to the transformer is positively and negatively symmetrical in principle, so that it is apt to be considered that the influence of magnetic saturation is slight, but due to variations in the characteristics of the switching transistor, etc. Since the positive and negative ON times fluctuate and the transformer is demagnetized, a sudden decrease in inductance due to magnetic saturation still poses a problem.

【0017】このような問題において、平面型のインダ
クタやトランスを構成する磁性体の磁気飽和の影響を軽
減することにより、直流重畳特性を改善でき、このよう
な平面型磁気素子において、磁性体の磁気異方性の有効
的な利用が模索されている。
In such a problem, the direct current superposition characteristic can be improved by reducing the influence of magnetic saturation of the magnetic material forming the planar inductor or transformer. Effective utilization of magnetic anisotropy is being sought.

【0018】平面コイルとしては、つづら折れ型、スパ
イラル型、つづら折れ−スパイラル複合型など種々のコ
イルパターンが用いられている。これらのコイルパター
ンのうち、インダクタンスの値を最も大きくできるの
は、スパイラル型である。したがって、同一の電気的特
性を得るにあたり、他のコイルパターンに比べてより小
形化できる。しかし、スパイラル型の場合、外部引き出
し端子を設けるには、2層スパイラルコイルをスルーホ
ール導体で接続するか、又は端子引き出し用導体を別途
設けなければならず、他のコイルパターンに比べて製造
プロセスがやや複雑である。
As the plane coil, various coil patterns such as a zigzag folded type, a spiral type, and a zigzag folded-spiral combined type are used. Among these coil patterns, the spiral type has the largest inductance value. Therefore, in obtaining the same electrical characteristics, the coil pattern can be made smaller than other coil patterns. However, in the case of the spiral type, in order to provide an external lead terminal, it is necessary to connect a two-layer spiral coil with a through-hole conductor or separately provide a terminal lead conductor. Is a little complicated.

【0019】また、電子回路技術者にとっては、電子回
路に用いる磁気素子が回路調整のためのトリミング機能
を持っていることが好ましい。従来、トリミング機能付
き磁気素子としては、例えば磁気回路の一部にコイル磁
芯との距離を調節できるねじ部を設け、磁気回路のギャ
ップを変えることによりインダクタンスを連続的に可変
できるようにしたものが用いられている。しかし、従来
の平面磁気素子の性能は、平面コイルや磁性体の特性、
素子の構造パラメータなどに著しく依存する。これら因
子は素子の製造プロセスに大きく影響を受けるため、製
造後の素子特性のばらつきが非常に大きかった。しか
も、構造的な問題から、従来の平面磁気素子にトリミン
グ機能を付加することは困難であった。
For an electronic circuit engineer, it is preferable that the magnetic element used in the electronic circuit has a trimming function for circuit adjustment. Conventionally, as a magnetic element with a trimming function, for example, a part of the magnetic circuit is provided with a screw part capable of adjusting the distance to the coil magnetic core, and the inductance can be continuously varied by changing the gap of the magnetic circuit. Is used. However, the performance of conventional planar magnetic elements is
It depends significantly on the structural parameters of the device. Since these factors are greatly affected by the device manufacturing process, the variations in device characteristics after manufacturing were very large. In addition, it is difficult to add a trimming function to the conventional planar magnetic element due to structural problems.

【0020】さて、漏れ磁界が少なく、かつ、電流容量
が大きく取れるように設計された磁気素子について
は、"Issues Related to 1-10-MHz Transformar Desig
n";A.F.Goldberg et al.,IEEE Trans. Power Electroni
cs Vol.4,No.1,January,1989,pp.113-123 で報告されて
いる。
Now, regarding magnetic elements designed to have a small leakage magnetic field and a large current capacity, "Issues Related to 1-10-MHz Transformar Desig
n "; AFGoldberg et al., IEEE Trans. Power Electroni
cs Vol.4, No.1, January, 1989, pp.113-123.

【0021】以上述べたように、平面型磁気素子は小形
・集積化に大きく貢献するものと期待されているが、実
用化にはほど遠く、電源部に代表されるLC回路を含ん
だ回路部の小形化は達成されていない。
As described above, the flat type magnetic element is expected to greatly contribute to miniaturization and integration, but it is far from practical use, and it is not suitable for a circuit portion including an LC circuit represented by a power source portion. Miniaturization has not been achieved.

【0022】積層型平面インダクタは本質的に閉磁路を
持つので、 (1)他のデバイスと一緒に集積化する際、他のデバイ
スの動作に影響を及ぼさないこと(漏れ磁束の無いこ
と) (2)インダクタンスが大きいこと を満たすことは難しい。このため、電源部に代表される
LC回路を含んだ回路部の小型・集積化は達成されてい
ない。これらの点に関する要望、すなわち要求する諸性
能を満たす平面型磁気素子の実用化が強く要望されてい
る。
Since the laminated planar inductor essentially has a closed magnetic circuit, (1) it does not affect the operation of other devices when integrated with other devices (no leakage flux) ( 2) It is difficult to satisfy that the inductance is large. For this reason, miniaturization and integration of the circuit section including the LC circuit represented by the power supply section has not been achieved. There is a strong demand for demands on these points, that is, for practical use of a planar magnetic element satisfying required performances.

【0023】一方、構造的な問題から、従来の平面磁気
素子にトリミング機能を付加することは困難であった。
On the other hand, due to structural problems, it has been difficult to add a trimming function to the conventional planar magnetic element.

【0024】[0024]

【発明が解決しようとする課題】本発明の目的は、平面
型磁気素子を提供することである。
An object of the present invention is to provide a planar magnetic element.

【0025】第1の目的は、小型集積化が可能である。The first purpose is that small size integration is possible.

【0026】第2の目的は、インダクタンスを大きく取
れる。
The second purpose is to obtain a large inductance.

【0027】第3の目的は、磁束の外部漏洩が少ない。The third purpose is to reduce external leakage of magnetic flux.

【0028】第4の目的は、高周波特性及び直流重畳電
流特性が優れている。
The fourth object is that the high frequency characteristic and the DC superimposed current characteristic are excellent.

【0029】第5の目的は、電流容量の大きいインダク
タンスを含む。
The fifth object includes an inductance having a large current capacity.

【0030】第6の目的は、端子の引出しが容易であ
る。
A sixth object is that the terminal can be easily drawn out.

【0031】第7の目的は、外部から電気的特性を調整
できるトリミング機能を有している。
The seventh object is to have a trimming function capable of adjusting the electrical characteristics from the outside.

【0032】[0032]

【課題を解決するための手段】本発明では、下記に示す
手段により上記の目的を達成する。また、各手段は各々
独立ではなく、組み合わせて使用することが可能であ
り、組み合わせることによって、更なる性能の向上及び
取扱の便宜を図ることができる。なお、以下の説明にお
いては、平面型磁気素子について主に説明するが、下記
の磁気素子を備えた半導体装置に適用可能であることは
勿論である。なお、本願発明に係る磁気素子を備えた装
置としては、例えばDC−DCコンバータ等があり、本
願発明に係る磁気素子を用いたものであれば、どのよう
な構成のものにも適用可能である。また、磁気素子と他
の回路や素子がオンチップで構成されていても良いし、
同一のパッケージに内蔵されていても良い。
In the present invention, the above objects are achieved by the means shown below. Further, the respective means can be used in combination, not independently, and by combining them, further improvement in performance and convenience of handling can be achieved. In addition, in the following explanation
Now, the planar magnetic element will be mainly described.
Can be applied to semiconductor devices equipped with magnetic elements of
Of course. A device equipped with the magnetic element according to the present invention is used.
For example, there is a DC-DC converter, etc.
What if the magnetic element according to the invention is used?
It can also be applied to various configurations. Also, magnetic elements and other
Circuits and elements may be configured on-chip,
It may be built in the same package.

【0033】本発明の第1の手段は、隣接するコイル導
体間の溝アスペクト比(コイル導体の幅/コイル導体間
の間隔)が1以上であるスパイラル平面コイルに、絶縁
体及び磁性体を積層してなることを特徴とする。
The first means of the present invention is to laminate an insulator and a magnetic material on a spiral flat coil having a groove aspect ratio (width of coil conductor / interval between coil conductors) between adjacent coil conductors of 1 or more. It is characterized by being done.

【0034】本発明の第2の手段は、コイルを構成する
導体の導体アスペクト比(コイル導体の幅/コイル導体
の高さ)が1以上であることを特徴とする。
The second means of the present invention is characterized in that the conductor constituting the coil has a conductor aspect ratio (width of coil conductor / height of coil conductor) of 1 or more.

【0035】本発明の第3の手段は、スパイラル平面コ
イルを磁性体を挟んで成る積層型の平面インダクタにお
いて、磁性体の外形寸法wをスパイラル外形寸法a0よ
りも2α(α=[μs・g・t/2]1/2;μsは磁性体
透磁率、tは磁性体厚み、gは上下磁性体間の距離)以
上大きく設定したことを特徴とする。
The third means of the present invention is, in a laminated type planar inductor comprising a spiral planar coil sandwiching a magnetic material, the outer dimension w of the magnetic material is 2α (α = [μs · g・ T / 2] 1/2 ; μs is the magnetic permeability, t is the thickness of the magnetic substance, and g is the distance between the upper and lower magnetic substances).

【0036】本発明の第4の手段は、平面コイルの上面
及び下面を磁性体層で挟んだ磁気素子において、前記磁
性体層が平面コイルが発生する磁界の方向と直交する方
向に一軸磁気異方性を有することを特徴とする。
According to a fourth aspect of the present invention, in a magnetic element in which an upper surface and a lower surface of a planar coil are sandwiched by magnetic layers, the magnetic layer is uniaxially magnetically different in a direction orthogonal to a direction of a magnetic field generated by the planar coil. It is characterized by having an orientation.

【0037】本発明の第5の手段は、平面コイルを磁性
体層で挟んだ構造の磁気素子において、前記平面コイル
が、複数個の外部接続端子を有し、かつ、外形寸法の異
なる複数の1ターン平面コイルからなり、前記1ターン
平面コイルは同一平面上に配置されることを特徴とす
る。
According to a fifth aspect of the present invention, in a magnetic element having a structure in which a plane coil is sandwiched between magnetic layers, the plane coil has a plurality of external connection terminals and has a plurality of external dimensions. It is characterized by comprising a one-turn plane coil, and the one-turn plane coil is arranged on the same plane.

【0038】本発明の第6の手段は、閉磁路を構成する
磁性体層が導体層が包囲するように構成され、前記導体
層に流れる面電流により前記磁性体層が閉磁路方向に磁
化されるように構成したことを特徴とする。
According to a sixth aspect of the present invention, the magnetic layer constituting the closed magnetic path is surrounded by the conductor layer, and the surface current flowing through the conductor layer magnetizes the magnetic layer in the closed magnetic path direction. It is characterized in that it is configured as follows.

【0039】[0039]

【作用】本発明の各手段に係る作用を、各手段毎に説明
する。
The operation of each means of the present invention will be described for each means.

【0040】本発明の第1の手段による平面型磁気素子
は、コイル抵抗を低減し、その結果、インダクタではQ
を、トランスではゲインおよび電圧変動率を改善するこ
とができる。
The planar magnetic element according to the first means of the present invention reduces the coil resistance, and as a result, Q
However, the gain and the voltage fluctuation rate can be improved in the transformer.

【0041】本発明の第2の手段による平面型磁気素子
は、コイルを構成する導体の断面積を大きくすることに
より許容電流を大きく取ることが可能である。
In the flat type magnetic element according to the second means of the present invention, the allowable current can be increased by increasing the cross-sectional area of the conductor forming the coil.

【0042】本発明の第3の手段による平面型磁気素子
は、磁性体の外形寸法を大きくすることによって、外部
への漏れ磁界を低減することを利用しており、その磁性
体の外形寸法の最適設計により、インダクタ外部への漏
れ磁束の低減、及び、インダクタンスの増大効果を図っ
ている。
The planar magnetic element according to the third means of the present invention utilizes the fact that the external magnetic field is reduced by increasing the external size of the magnetic body. The optimum design aims to reduce the leakage flux to the outside of the inductor and increase the inductance.

【0043】本発明の第4の手段による平面型磁気素子
は、磁性体の一軸磁気異方性を有効に活用して、磁気飽
和を生じにくくすることにより、直流重畳特性及び高周
波特性に優れている。
The flat magnetic element according to the fourth means of the present invention effectively utilizes the uniaxial magnetic anisotropy of the magnetic material to make it difficult to cause magnetic saturation, and thus has excellent DC superposition characteristics and high frequency characteristics. There is.

【0044】本発明の第5の手段による平面磁気素子
は、複数の外部接続端子を有する構造により、外部回路
との電気的接続が極めて容易であり、外部から電気的特
性のトリミングが可能であることにより、素子の応用上
極めて有用な磁気部品となる。
The planar magnetic element according to the fifth means of the present invention has a structure having a plurality of external connection terminals, so that it is extremely easy to electrically connect to an external circuit and the electrical characteristics can be trimmed from the outside. As a result, it becomes a very useful magnetic component for application of the element.

【0045】本発明の第6の手段による平面型磁気素子
は、ほぼ完全な内鉄構造となっていることから漏れ磁界
が無く、かつ、有効な導体の断面積が大きいことから電
流容量が大きくとれる。
The flat type magnetic element according to the sixth means of the present invention has a substantially complete inner iron structure so that there is no leakage magnetic field, and the effective conductor has a large cross-sectional area, resulting in a large current capacity. Can be taken.

【0046】[0046]

【実施例】以下、本発明を詳細に説明する。ここでは、
便宜上、各手段について独立に説明を行なうが、前述し
たように、各手段を組み合わせて磁気素子を形成するこ
とが可能である。材料については、どの手段についても
ほぼ同様であることから、この説明の最後にまとめて記
載する。
The present invention will be described in detail below. here,
For convenience, each means will be described independently, but as described above, it is possible to combine each means to form a magnetic element. The materials are almost the same for all the means, so they are collectively described at the end of this description.

【0047】まず、図5から図11を参照して、第1の
手段について説明する。
First, the first means will be described with reference to FIGS.

【0048】図5は第1の手段に係る平面インダクタの
分解斜視図である。図5では、半導体基板10上に絶縁
体層20Aを介して磁性体層30Aが配され、その上に
絶縁体層20Bを介してスパイラル状のコイル導体から
なるスパイラルコイル40が配されている。そして、そ
の上に絶縁体層20C、磁性体層30B、保護層50が
この順で配されている。図6は図5の6−6断面図であ
り、同一部材には同一番号を付している。
FIG. 5 is an exploded perspective view of the plane inductor according to the first means. In FIG. 5, the magnetic layer 30A is arranged on the semiconductor substrate 10 via the insulator layer 20A, and the spiral coil 40 made of a spiral coil conductor is arranged on the magnetic layer 30A via the insulator layer 20B. Then, the insulating layer 20C, the magnetic layer 30B, and the protective layer 50 are arranged in this order on this. FIG. 6 is a sectional view taken along line 6-6 of FIG. 5, and the same members are designated by the same reference numerals.

【0049】図7は第1の手段に係る平面トランスの分
解斜視図である。ここでは、1次コイルと2次コイルの
巻数が同一の場合を示している。図7では、半導体基板
10上に絶縁体層20Aを介して磁性体層30Aが配さ
れ、その上に絶縁体層20Bを介してコイル導体からな
る1次側スパイラルコイル40Aが設けられている。こ
のコイル40A上に絶縁体層20Cを挟んで配された2
次側スパイラルコイル40Bが設けられている。さら
に、その上に絶縁体層20D、磁性体層30B、保護層
50がこの順で配されている。図8は図7の8−8断面
図であり、同一部材には同一番号を付している。
FIG. 7 is an exploded perspective view of the plane transformer according to the first means. Here, the case where the number of turns of the primary coil and the secondary coil is the same is shown. In FIG. 7, the magnetic layer 30A is arranged on the semiconductor substrate 10 via the insulator layer 20A, and the primary side spiral coil 40A made of a coil conductor is provided on the magnetic layer 30A via the insulator layer 20B. 2 arranged on the coil 40A with the insulator layer 20C interposed therebetween.
A secondary spiral coil 40B is provided. Further, the insulating layer 20D, the magnetic layer 30B, and the protective layer 50 are arranged in this order on the insulating layer 20D. 8 is a sectional view taken along line 8-8 of FIG. 7, and the same members are designated by the same reference numerals.

【0050】なお、図5から図8では、基板としてシリ
コンなどの半導体を用いた場合を示してあるが、ガラス
基板を用いた場合はそれ自体絶縁体であるので、磁性体
層30Aの下地に絶縁体層20Aを設ける必要はない。
Although FIG. 5 to FIG. 8 show the case where a semiconductor such as silicon is used as the substrate, when the glass substrate is used, it is an insulator itself, so that it is used as the base of the magnetic layer 30A. It is not necessary to provide the insulator layer 20A.

【0051】第1の手段においては、以上で例示した図
5の平面インダクタ及び図7の平面トランスのいずれに
おいても、スパイラルコイルを構成するコイル導体間の
溝部の溝アスペクト比h/b(hはコイル導体の厚さ、
bはコイル導体間の間隔)が1以上で形成されている。
In the first means, in both the planar inductor of FIG. 5 and the planar transformer of FIG. 7 exemplified above, the groove aspect ratio h / b of the groove portion between the coil conductors forming the spiral coil (h is Coil conductor thickness,
b is formed such that the distance between coil conductors is 1 or more.

【0052】このように1以上の高い溝アスペクト比h
/bを有する溝を実現するには、種々の方法が考えられ
る。1つの方法として、ドライエッチングにより導体を
スパイラル状に深溝エッチングした後、空隙部に絶縁体
を埋め込む方法が考えられる。他の方法として、ドライ
エッチングによりコイル導体間の溝部に対応する領域に
絶縁体パターンを形成した後、導体を埋め込む方法が考
えられる。
Thus, a high groove aspect ratio h of 1 or more is obtained.
Various methods are conceivable for realizing the groove having / b. As one method, a method in which a conductor is deeply grooved in a spiral shape by dry etching and then an insulator is embedded in a void portion can be considered. As another method, a method in which a conductor is embedded after forming an insulator pattern in a region corresponding to a groove portion between coil conductors by dry etching can be considered.

【0053】前者の方法では、溝部の全体に絶縁体を埋
め込む場合と空洞を形成する場合が考えられる。ここで
は、溝部の全体に絶縁体を埋め込む場合を示し、溝に空
洞を形成する場合については、本発明の第2の手段を説
明する時点で述べる。この方法では、平面コイル用の導
体を形成し、この導体上にマスク材をコイルパターン状
に形成し、ドライエッチング法により露出した導体をエ
ッチングして溝アスペクト比h/bが1以上の深い溝を
形成する。具体的には、高い指向性を持つイオンビーム
エッチング法、ECRプラズマエッチング法、反応性イ
オンエッチング法などを用いる。この際、マスク材や下
地と導体とのエッチング選択比を十分確保して垂直異方
性エッチングが実現できるように、適宜方法を選択す
る。
In the former method, the case where an insulator is embedded in the entire groove and the case where a cavity is formed can be considered. Here, the case where an insulator is embedded in the entire groove is shown, and the case where a cavity is formed in the groove will be described at the time of describing the second means of the present invention. In this method, a conductor for a plane coil is formed, a mask material is formed in a coil pattern on the conductor, and the exposed conductor is etched by a dry etching method to form a deep groove having a groove aspect ratio h / b of 1 or more. To form. Specifically, an ion beam etching method having high directivity, an ECR plasma etching method, a reactive ion etching method, or the like is used. At this time, an appropriate method is selected so that vertical anisotropic etching can be realized by sufficiently securing the etching selection ratio between the mask material or the base and the conductor.

【0054】形成された高い溝アスペクト比h/bの溝
部を有するコイル導体の上から絶縁体層を形成する際に
は、溝部を誘電率の低い絶縁体で埋め込み、かつ上部表
面を平坦化することが好ましい。絶縁体として、SiO
2やSi34など無機材料を用いる場合は、CVD法、
反応性スパッタ法やバイアススパッタ法などのスパッタ
法を適宜選択する。また、絶縁体として有機物を用いる
場合は、低誘電率であるポリイミド(感光性のものも含
む)などが望ましいが、レジストなどを用いてもよい。
これらを溶剤とともにスピンコートした後、適当な硬化
処理によって絶縁体層を形成する。無機物、有機物にか
かわらず、絶縁体をコイル溝の溝部に埋め込んだ後、エ
ッチバック処理によりその上面を平坦にする。
When the insulator layer is formed on the formed coil conductor having the groove portion having the high groove aspect ratio h / b, the groove portion is filled with an insulator having a low dielectric constant and the upper surface is flattened. It is preferable. SiO as an insulator
When using an inorganic material such as 2 or Si 3 N 4 , the CVD method,
A sputtering method such as a reactive sputtering method or a bias sputtering method is appropriately selected. When an organic material is used as the insulator, a polyimide (including a photosensitive material) having a low dielectric constant is preferable, but a resist or the like may be used.
After spin-coating these with a solvent, an insulating layer is formed by an appropriate curing treatment. Regardless of whether it is an inorganic substance or an organic substance, an insulator is embedded in the groove portion of the coil groove, and the upper surface thereof is flattened by an etch-back process.

【0055】後者の方法では、絶縁体層を形成し、この
絶縁体層のコイル溝の溝部に対応する領域の上にレジス
トパターンを形成し、ドライエッチング法により露出し
た絶縁体層をエッチングして、溝部に対応する領域にコ
イルパターン状に絶縁体を残す。次に、レジストを残し
たまま、スパッタ法、CVD法、真空蒸着法などの方法
により導体を埋め込み、スパイラルコイルを形成する。
導体埋め込み後に、リフトオフ法によって、レジストと
ともにその上の導体を除去する。
In the latter method, an insulating layer is formed, a resist pattern is formed on a region of the insulating layer corresponding to the groove portion of the coil groove, and the exposed insulating layer is etched by a dry etching method. The insulator is left in a coil pattern in the region corresponding to the groove. Next, with the resist left, a conductor is embedded by a method such as a sputtering method, a CVD method, or a vacuum deposition method to form a spiral coil.
After embedding the conductor, the resist and the conductor above it are removed by the lift-off method.

【0056】前述したいずれの方法を採用するかは、ス
パイラル平面コイルのパターンに応じて適宜選択する。
Which of the above-mentioned methods is adopted is appropriately selected according to the pattern of the spiral plane coil.

【0057】本発明の第1の手段によって作製した磁気
素子の効果について説明する。
The effect of the magnetic element produced by the first means of the present invention will be described.

【0058】図9は、平面インダクタを構成する導体の
溝アスペクト比h/bとコイル抵抗R及びインダクタン
スLとの関係を示すグラフである。図9では、インダク
タンスLに関して、磁性体の透磁率(μs)と厚み
(t)との積μs・tをパラメータとし、μs・t=50
00μm又は1000μmの場合について示している。
図9から明らかなように、インダクタンスLは溝アスペ
クト比h/bにほとんど依存せず、ほぼ一定である。一
方、コイル抵抗は溝アスペクト比h/bの増大に伴って
急激に減少し、5以上ではほとんど一定になる。
FIG. 9 is a graph showing the relationship between the groove aspect ratio h / b of the conductor forming the planar inductor and the coil resistance R and the inductance L. In FIG. 9, for the inductance L, the product of the magnetic permeability (μs) and the thickness (t) of the magnetic substance μs · t is used as a parameter, and μs · t = 50.
The case of 00 μm or 1000 μm is shown.
As is clear from FIG. 9, the inductance L is almost constant and almost independent of the groove aspect ratio h / b. On the other hand, the coil resistance sharply decreases as the groove aspect ratio h / b increases, and becomes almost constant at 5 or more.

【0059】図10は、平面インダクタを構成する導体
の溝アスペクト比h/bとL/Rとの関係を示すもので
ある。L/RはインダクタのQに比例する量で、Q=2
πfL/R(fは周波数:Hz)の関係がある。図10
では、磁性体の透磁率(μs)パラメータとし、μs=1
4又は103の場合について示している。図10から明
らかなように、L/Rは溝アスペクト比h/bの増大に
伴って大きくなるが、5以上ではほとんど一定になる。
FIG. 10 shows the relationship between the groove aspect ratio h / b and L / R of the conductor forming the planar inductor. L / R is an amount proportional to the Q of the inductor, Q = 2
There is a relationship of πfL / R (f is frequency: Hz). Figure 10
Then, use the magnetic permeability (μs) parameter, and μs = 1
The case of 0 4 or 10 3 is shown. As is apparent from FIG. 10, L / R increases as the groove aspect ratio h / b increases, but becomes almost constant at 5 or more.

【0060】次表に、溝アスペクト比h/bを0.3、
0.5、1.0、2.0、又は5.0に設定して作製さ
れた平面インダクタについて、5MHzにおけるQを示
す。次表では、磁性体の透磁率(μs)と厚み(t)と
の積μs・tをパラメータとし、μs・t=5000μm
又は1000μmの場合について示している。表1から
明らかなように、溝アスペクト比h/bが1の場合のQ
は0.3の場合の約3.5倍、0.5の場合の約1.5
倍である。このように、溝アスペクト比h/bを1以上
とすることにより、高いQを実現でき、平面インダクタ
の性能を大きく改善できる。
In the following table, the groove aspect ratio h / b is 0.3,
The Q at 5 MHz is shown for planar inductors made with settings of 0.5, 1.0, 2.0, or 5.0. In the following table, the product of magnetic permeability (μs) and thickness (t) μs · t is used as a parameter, and μs · t = 5000μm
Alternatively, the case of 1000 μm is shown. As is clear from Table 1, Q when the groove aspect ratio h / b is 1
Is about 3.5 times 0.3, and about 1.5 is 0.5
Double. In this way, by setting the groove aspect ratio h / b to 1 or more, a high Q can be realized and the performance of the planar inductor can be greatly improved.

【0061】[0061]

【表1】 [Table 1]

【0062】図11は、平面トランスを構成する導体の
溝アスペクト比h/bと平面トランスの1次側コイルの
Q及びトランスゲインGとの関係を示す。図11から明
らかなように、溝アスペクト比h/bを1以上に大きく
することにより、Qを大きくでき、その結果トランスゲ
インGを大きくできる。
FIG. 11 shows the relationship between the groove aspect ratio h / b of the conductor forming the plane transformer and the Q and transformer gain G of the primary coil of the plane transformer. As is clear from FIG. 11, by increasing the groove aspect ratio h / b to 1 or more, Q can be increased, and as a result, the trans gain G can be increased.

【0063】また、磁気素子を形成する場合、その性能
を左右する材料の選択が大きな課題となるが、材料の選
択については、本説明の最後に記載する。
Further, when forming a magnetic element, the choice of the material that influences the performance thereof becomes a major issue, and the choice of the material will be described at the end of this description.

【0064】第2の手段として、導体アスペクト比h/
d(hはコイル導体の高さ、dはコイル導体の幅)を第
2の手段に従って設定した例を示す。
As a second means, the conductor aspect ratio h /
An example is shown in which d (h is the height of the coil conductor and d is the width of the coil conductor) is set according to the second means.

【0065】図12Aは導体アスペクト比h/d及び溝
アスペクト比h/bを設定した例の分解斜視図を示し、
基板10上に直接平面コイル40が形成されている。図
12Bは図12Aの12B−12B断面図であり、42
はコイル導体を示す。導体は通常の半導体プロセスでの
配線形成で使用されるような製法を用いることで形成で
きる。配線ピッチには自ずと限界がある。ピッチ幅が狭
くなるほど小型化が可能であるが、高い導体アスペクト
比化は困難になる。従って、所望の特性に応じて最も適
当なピッチ、導体アスペクト比h/dを決め、製造する
ことが望ましい。高い導体アスペクト比という点で特に
数値を決めるものではないが、概ね1以上、すなわち、
線高が線幅以上である高い導体アスペクト比h/dの導
体からなることが好ましく、また、小型化という観点か
らは、高い溝アスペクト比h/bであることが好まし
い。数値的には特に限定されるところはないが、マイク
ロコイルという観点からは、導体幅、溝距離共に10μ
m以下程度であることが実質上効果を発揮すると考えら
れる。
FIG. 12A shows an exploded perspective view of an example in which the conductor aspect ratio h / d and the groove aspect ratio h / b are set,
The planar coil 40 is directly formed on the substrate 10. 12B is a sectional view taken along line 12B-12B in FIG.
Indicates a coil conductor. The conductor can be formed by using a manufacturing method that is used for forming wiring in a normal semiconductor process. The wiring pitch is naturally limited. As the pitch width becomes narrower, the size can be reduced, but it becomes difficult to achieve a high conductor aspect ratio. Therefore, it is desirable to determine the most suitable pitch and conductor aspect ratio h / d according to the desired characteristics and manufacture. Although the numerical value is not particularly determined in terms of high conductor aspect ratio, it is approximately 1 or more, that is,
It is preferable to use a conductor having a high conductor aspect ratio h / d with a line height equal to or larger than the line width, and a high groove aspect ratio h / b from the viewpoint of miniaturization. Although there is no particular limitation in terms of numerical value, from the viewpoint of a microcoil, both the conductor width and the groove distance are 10 μm.
It is considered that the effect is substantially exhibited when it is about m or less.

【0066】さて高い導体アスペクト比h/dを有する
導体の製造であるが、エッチングにより形成することを
考えると、狭く深い溝を刻むことになる。従って選択性
の良好な導体膜を使用する必要がある。そのためには導
体層としてエッチング容易面が導体形成面に対して平行
になるように形成された配向性の結晶膜を用いることが
望ましい。もちろん単結晶であればなお良い。
Now, regarding the production of a conductor having a high conductor aspect ratio h / d, considering that it is formed by etching, a narrow and deep groove will be carved. Therefore, it is necessary to use a conductor film having good selectivity. For that purpose, it is desirable to use, as the conductor layer, an oriented crystal film formed so that the easily etched surface is parallel to the conductor formation surface. Of course, a single crystal is better.

【0067】なお、前述の如くの工夫をしても小型化に
よりインダクタンスが不足することが考えられるが、リ
アクタンスはωL(ωは駆動角周波数)であるため、駆
動周波数の高周波数化で補うことができる。近年スイッ
チング周波数は高周波数化が進んでおり、微小化による
低リアクタンスは十分に補うことができる。例えばMH
z程度の高周波数領域ではnH程度の低インダクタンス
でもインダクタとしては十分に動作する。
Although the inductance may be insufficient due to downsizing even if the above-mentioned measures are taken, the reactance is ωL (ω is a driving angular frequency), so it is necessary to compensate by increasing the driving frequency. You can In recent years, the switching frequency has become higher and the low reactance due to miniaturization can be sufficiently compensated. For example MH
In a high frequency range of about z, even a low inductance of about nH works well as an inductor.

【0068】ここで、高い導体アスペクト比h/dの導
体を接近させると、隣接する溝の対向面積が増大し、距
離が近いこととの相乗効果で線間容量が増大する結果を
招く。これを利用してLC回路を構成することも可能で
ある。しかしながら一般にはLC発振周波数(カットオ
フ周波数)が小さくなり、インダクタとしての動作がで
きなくなり、高周波数化に対応できない可能性があるた
め、極力線間容量は低減したい。微細化されたコイル導
体上には通常の半導体プロセスで使用されるように、例
えばSiO2のような絶縁体が形成されるが、この絶縁
体層20に代え線間を空洞化し、線間の誘電率を低減す
ることで線間容量を低減することができる。この場合、
平面コイル上に絶縁膜を形成する際、線間に空洞ができ
るような条件で成膜を行なえば良い。従って空洞内は真
空に近い状態の場合もあるし、絶縁膜の形成に用いた原
料ガスが存在する場合もある。いずれにせよ、通常の固
体状絶縁体が存在する場合に比べはるかに低誘電率であ
り、線間容量は確実に低減される。
Here, when the conductors having a high conductor aspect ratio h / d are brought close to each other, the facing area of the adjacent grooves is increased, and the synergistic effect of the fact that the distances are short results in an increase in the line capacitance. It is also possible to configure the LC circuit by utilizing this. However, in general, the LC oscillation frequency (cutoff frequency) becomes small, the inductor cannot operate, and it may not be possible to cope with higher frequencies. Therefore, it is desired to reduce the line capacitance as much as possible. An insulator such as SiO 2 is formed on the miniaturized coil conductor as used in a normal semiconductor process. Instead of the insulator layer 20, the spaces between the lines are hollowed and the spaces between the lines are formed. By reducing the dielectric constant, the line capacitance can be reduced. in this case,
When forming the insulating film on the planar coil, the film may be formed under the condition that a cavity is formed between the lines. Therefore, the inside of the cavity may be in a state close to vacuum, or the source gas used for forming the insulating film may exist. In any case, the dielectric constant is much lower than that in the case where a normal solid insulator is present, and the line capacitance is surely reduced.

【0069】この様な空洞の実現方法としては、通常の
半導体素子形成プロセスで用いられているCVD法を応
用すればよい。一般の半導体プロセスでは密着性よく、
全面にわたってSiO2などの絶縁膜を形成するわけで
あるが、第2の手段の場合はコイル上面での絶縁膜の形
成が主体に進み、溝の空間は維持され、結果として空間
上部に蓋がなされるような条件を設定すれば良い。具体
的には、膜堆積速度が原料ガスの輸送速度で決まるよう
に条件を設定すればよい(供給律速)。この様子を図1
3に示す。基板10上に形成された導体42から構成さ
れるコイル上面には、直接原料ガス82が供給される
が、溝の下部では原料ガス82が到達しにくいため、上
面SiO2での膜80の成長が早く、図13A→図13
B→図13C→図13Dと順に反応が進み、結果として
上記のような空洞70が形成される。また図14に示す
ように、コイル導体42の上面に対し斜め方向(θ)か
ら絶縁体粒子84をスパッタする事でも空洞化は実現で
きる。しかしながら空洞化後の絶縁膜の平坦性を考慮す
ると、CVD法で形成することが望ましい。
As a method for realizing such a cavity, the CVD method used in a normal semiconductor element forming process may be applied. Good adhesion in general semiconductor processes,
Although an insulating film such as SiO 2 is formed over the entire surface, in the case of the second means, the insulating film is formed mainly on the upper surface of the coil, the space of the groove is maintained, and as a result, the lid is formed on the upper part of the space. It suffices to set the conditions that are set. Specifically, the conditions may be set so that the film deposition rate is determined by the transport rate of the source gas (feed rate limiting). This situation is shown in Figure 1.
3 shows. The source gas 82 is directly supplied to the upper surface of the coil formed of the conductor 42 formed on the substrate 10. However, since the source gas 82 is hard to reach the lower part of the groove, the growth of the film 80 on the upper surface SiO 2. Is faster, Fig. 13A → Fig. 13
The reaction proceeds in the order of B → FIG. 13C → FIG. 13D, and as a result, the cavity 70 as described above is formed. Further, as shown in FIG. 14, cavitation can also be realized by sputtering insulator particles 84 on the upper surface of the coil conductor 42 in an oblique direction (θ). However, considering the flatness of the insulating film after cavitation, it is desirable to form it by the CVD method.

【0070】空洞化に伴う線間容量の低減の効果を、図
15に示した平行平板コンデンサで近似して説明する。
The effect of reducing the line capacitance due to the hollowing will be described by approximating the parallel plate capacitor shown in FIG.

【0071】r(m)×t(m)の平行電極板間60
A、60B(距離s0)に、非誘電率εの絶縁体20を
充満したときの容量(C0)は、 C0=ε0・ε・t/s0(F/m) (但し、ε0は真空の誘電率) となる。これに対し平行電極板間の空間に一様に幅
(s)の空洞が存在する場合の容量をCとすると、 C/C0=1/[k(ε−1)+1] (但し、kは空洞が占める割合(s/s0)を示す) となる。
60 between r (m) × t (m) parallel electrode plates
A, 60B (distance s0) is filled with the insulator 20 having a non-dielectric constant ε, the capacity (C0) is C0 = ε0 · ε · t / s0 (F / m) (where ε0 is a vacuum dielectric Rate). On the other hand, if the capacitance when there are cavities of uniform width (s) in the space between the parallel electrode plates is C, then C / C0 = 1 / [k (ε-1) +1] (where k is It represents the ratio (s / s0) occupied by cavities.

【0072】ここで、図16に、絶縁体がSiO2(比
誘電率約4)のときのC/C0のk依存性を示す。溝の
空洞の割合をほぼ1/3以下とすれば、容量は絶縁体充
満状態に比べ1/2以下になることが分かる。空洞に気
体が存在する場合(もしくは真空に近い状態)、絶縁体
の種類などでも異なるが、おおむね1/3以上の空洞化
が実用的である。
FIG. 16 shows the k dependence of C / C0 when the insulator is SiO 2 (relative permittivity: about 4). It can be seen that when the ratio of the cavity of the groove is set to approximately 1/3 or less, the capacitance becomes 1/2 or less as compared with the insulator-filled state. When gas is present in the cavities (or in a state close to vacuum), it is practical to make the cavities ⅓ or more, although it depends on the type of the insulator.

【0073】さて、以上のようなコイルを基にインダク
タを構成するのであるが、コイルだけではインダクタン
スが小さいため、磁芯を構成するようにコイルに近接し
て磁性体層20を設けることが望ましい。この場合、漏
れ磁界を極力低減するため、コイルの上下面を磁性体で
挟む構造とすることが好ましい。この構造を図17に示
す。表面に酸化膜を有するSi基板などの絶縁性の基板
10上に磁性体層30Aを形成し、絶縁体層20Aを介
して平面コイル40から構成されるコイルを形成し、更
にその上に絶縁体層20Bを介して磁性体層30Bを形
成する。この構造では磁性体層30A、30Bが磁気シ
ールドの役割をも果たすことになり、外部への漏れ磁界
をほとんどなくすことができる。従って周囲に配置する
素子への影響の考慮が最小限度ですむため、トータルと
してみた場合、部品の小型化を実現できる。また場合に
よっては、磁芯を設けず、空芯コイルとして用いること
も可能であり、片側だけに磁性体層を設けたもので用い
ることも可能である。なお図18に示した構造では平面
コイルを、絶縁体層20Cを介することによって多層化
したものを示す。こうすることでターン数を多くするこ
とができので、高インダクタン化が図れる。
The inductor is constructed based on the coil as described above. However, since the coil alone has a small inductance, it is desirable to provide the magnetic layer 20 close to the coil so as to form the magnetic core. . In this case, in order to reduce the leakage magnetic field as much as possible, it is preferable to have a structure in which the upper and lower surfaces of the coil are sandwiched by magnetic materials. This structure is shown in FIG. A magnetic layer 30A is formed on an insulative substrate 10 such as a Si substrate having an oxide film on its surface, a coil composed of a planar coil 40 is formed via an insulator layer 20A, and an insulator is further formed thereon. The magnetic layer 30B is formed via the layer 20B. In this structure, the magnetic layers 30A and 30B also serve as a magnetic shield, and the leakage magnetic field to the outside can be almost eliminated. Therefore, it is possible to minimize the size of the components when considering the total because the influence on the elements arranged in the surroundings is minimized. In some cases, the magnetic core may not be provided and the coil may be used as an air-core coil, or the magnetic layer may be provided only on one side. Note that the structure shown in FIG. 18 shows a planar coil that is multilayered by interposing an insulating layer 20C. By doing so, the number of turns can be increased, so that a high inductor can be achieved.

【0074】なお本発明に係るコイルは図19Aに示す
ようにスパイラル状、図19Bに示すようにミアンダー
状など各種形態が考えられる。インダクタンス的にはス
パイラルの方が有利である。
The coil according to the present invention may have various shapes such as a spiral shape as shown in FIG. 19A and a meander shape as shown in FIG. 19B. The spiral is more advantageous in terms of inductance.

【0075】また、この場合、導体は通常の半導体で用
いられるものに比べかなりの膜厚になるので基板との接
合強度が問題となる場合が考えられる。その場合には、
図20に示すように接合層25としてCrなどの薄層を
介して基板10上に導体42を形成すれば良い。この接
合層25を介する方法は、他の手段である第1、第3、
第4及び第5の手段についても、同様のコイル形状であ
ることから、同様に適用できる。また、導体は、所望の
特性に応じて最も適当なピッチ、導体アスペクト比h/
dを決定して製造することが好ましい。小形化という観
点からは、隣接する導体間の間隔が導体の幅以下である
ことがあることが好ましい。これらの寸法は特に限定さ
れないが、実質的な効果を得るためには隣接する導体間
の間隔が10μm以下であることが好ましい。これにつ
いても、接合層と同様に他の手段に適用できる。
Further, in this case, since the conductor has a considerably large film thickness as compared with that used in a normal semiconductor, the bonding strength with the substrate may become a problem. In that case,
As shown in FIG. 20, the conductor 42 may be formed on the substrate 10 via a thin layer such as Cr as the bonding layer 25. The method using the bonding layer 25 is the other means, that is, the first, third,
The fourth and fifth means have the same coil shape, and can be similarly applied. In addition, the conductor has the most suitable pitch and conductor aspect ratio h /
It is preferable to determine and manufacture d. From the viewpoint of miniaturization, it is preferable that the interval between the adjacent conductors is equal to or smaller than the width of the conductor. Although these dimensions are not particularly limited, the spacing between adjacent conductors is preferably 10 μm or less in order to obtain a substantial effect. This can be applied to other means as well as the bonding layer.

【0076】以上の説明は単独のインダクタの場合を主
体に説明したが、例えば2個のコイルを組み合わせてマ
イクロトランスを構成することもできる。この構造の一
例を図21に示す。表面に酸化シリコン膜が形成された
Si基板などの基板10上に、磁性体層30A、絶縁体
層20A、平面コイル40A、絶縁体層20B、平面コ
イル40B、絶縁体層20C、磁性体層30Bが順次積
層されている。例えば、平面コイル40Aが一次コイル
を構成し、平面コイル40Bが二次コイルを構成するこ
とになる。一次コイルと二次コイルは所望の巻線比に設
定される。この様な構成では磁性体層30A、30Bは
一次コイルと二次コイルとの積層体を挟むように設けら
れることが好ましい。また一次コイルと二次コイルと
を、コイルの上から見た概念図として示した図22Aの
ように、同一平面上に形成しても良い。同図では一次コ
イルと二次コイルとが交互に組み合わされ、同一平面上
に存在している様子を示している。しかしながら必ずし
も交互に組み合わされる必要は無い。また、図22Bに
示されるように一次コイルの内側に二次コイルが存在す
るように構成しても良い。
Although the above description has been made mainly for the case of a single inductor, it is also possible to construct a microtransformer by combining two coils, for example. An example of this structure is shown in FIG. A magnetic layer 30A, an insulator layer 20A, a plane coil 40A, an insulator layer 20B, a plane coil 40B, an insulator layer 20C, and a magnetic layer 30B are provided on a substrate 10 such as a Si substrate having a silicon oxide film formed on its surface. Are sequentially stacked. For example, the plane coil 40A constitutes a primary coil and the plane coil 40B constitutes a secondary coil. The primary and secondary coils are set to the desired turns ratio. In such a configuration, the magnetic layers 30A and 30B are preferably provided so as to sandwich the laminated body of the primary coil and the secondary coil. Further, the primary coil and the secondary coil may be formed on the same plane, as shown in FIG. 22A which is a conceptual view of the coil viewed from above. The figure shows a state in which the primary coils and the secondary coils are alternately combined and are present on the same plane. However, they do not necessarily have to be combined alternately. In addition, as shown in FIG. 22B, the secondary coil may be present inside the primary coil.

【0077】次に、第3の手段について説明する。Next, the third means will be described.

【0078】以下に、第3の手段手段を図23に示した
スパイラルコイル40が1層の場合について説明する。
図で、磁性体層30A及び磁性体層30Bの間に絶縁体
層20A及び20Bを介してスパイラルコイル40が配
置されている。ここでa0はスパイラルコイル40の外
形の1辺の寸法、wは磁性体層30A及び30Bの一辺
の寸法、tは磁性体層30A及び30Bの厚み、gは磁
性体層30Aと30Bとの間の距離である。また図24
には、磁性体層30A及び30Bの間に絶縁体層20C
を介してスパイラルコイル40A及び40Bを配しスル
ーホール導体42を有した絶縁体層20Cを平面コイル
40Aと40Bとの間に配したものを示す。ここにおけ
るa0、w、t、gは図23の場合と同様の部位の寸法
を示している。
The third means will be described below in the case where the spiral coil 40 shown in FIG. 23 has one layer.
In the figure, the spiral coil 40 is arranged between the magnetic layers 30A and 30B with the insulator layers 20A and 20B interposed therebetween. Here, a0 is the dimension of one side of the outer shape of the spiral coil 40, w is the dimension of one side of the magnetic layers 30A and 30B, t is the thickness of the magnetic layers 30A and 30B, and g is between the magnetic layers 30A and 30B. Is the distance. Also in FIG.
In addition, the insulating layer 20C is provided between the magnetic layers 30A and 30B.
The spiral coils 40A and 40B are disposed through the insulating layer 20C having the through-hole conductor 42 between the planar coils 40A and 40B. Here, a0, w, t, and g indicate the dimensions of the same parts as in the case of FIG.

【0079】第3の手段は、スパイラル型平面コイルを
絶縁体を介して上下より磁性体で挟み込む積層型平面イ
ンダクタにおいて、上述したようにスパイラル外形寸法
と磁性体外形寸法の関係を最適化することにより、 (1)外部への漏洩磁束が少なく磁気シールド効果が高
い (2)インダクタンスの値を増大できる ことを可能にした。この場合、第3の手段による平面イ
ンダクタは、半導体あるいはガラス基板上に前薄膜プロ
セスで形成しても良いし、その他の絶縁基板(ポリイミ
ドなどの各種高分子材料)上にスパイラルコイルを形成
し、これを適当な絶縁フィルムを介して磁性箔でサンド
イッチしても良い。
A third means is to optimize the relationship between the spiral outer dimensions and the magnetic outer dimensions as described above in the laminated flat inductor in which the spiral flat coil is sandwiched between the upper and lower magnetic bodies via the insulator. As a result, (1) the magnetic flux leakage to the outside is small and the magnetic shield effect is high, and (2) the inductance value can be increased. In this case, the planar inductor according to the third means may be formed on the semiconductor or glass substrate by the pre-thin film process, or by forming the spiral coil on another insulating substrate (various polymer materials such as polyimide), This may be sandwiched with a magnetic foil via a suitable insulating film.

【0080】平面インダクタを他の部品と集積化する場
合に、漏洩磁束によるノイズや回路の誤動作の問題があ
る。これは、ハイブリッドIC化の点でも問題になる
し、LやCを含んだすべての回路部品をモノリシックに
集積化する1チップ化の際には更に大きな問題となる。
すなわち、これらの集積回路の場合には、各部品が接近
して配置されるために、インダクタの漏れ磁束の影響が
一層深刻になるためである。平面インダクタにおいて、
この様な漏洩磁束の影響を軽減するために、第3の手段
では、磁性体層の外形寸法wとスパイラルコイルの外形
寸法a0の相対関係を最適化した。
When the planar inductor is integrated with other parts, there are problems of noise and circuit malfunction due to magnetic flux leakage. This is a problem in terms of making a hybrid IC, and becomes an even bigger problem in the case of monolithically integrating all circuit components including L and C into one chip.
That is, in the case of these integrated circuits, since the components are arranged close to each other, the influence of the leakage flux of the inductor becomes more serious. In a planar inductor,
In order to reduce the influence of such leakage magnetic flux, in the third means, the relative relationship between the outer dimension w of the magnetic layer and the outer dimension a0 of the spiral coil is optimized.

【0081】図25AからCは、スパイラルコイル40
の外寸法a0に対して磁性体層30の外形寸法wを種々
変化させた場合の磁性体層の端部からの漏れ磁束100
の様子を示すもので、wをある限度以上大きくすること
により、インダクタ外部への漏洩磁束を劇的に低減でき
る。ここで、図25Aは、ほぼa0=wとし、図25B
からCは、wを順次大きくしたものである。また図26
は、スパイラルコイル・磁性体積層型平面インダクタの
磁界分布を描いたものである。この図より、スパイラル
コイルの端部よりα(α=[μs・g・t/2]1/2;μ
sは磁性体の透磁率、tは磁性体層の厚さ、gは上下磁
性体層間の距離)の距離だけ離れると磁界の大きさはコ
イル端部の値の約0.37倍に小さくなる。すなわち、
磁性体層の外形寸法wとして、スパイラルコイル外形寸
法a0よりも2α以上大きくすれば、インダクタ外部へ
の漏洩磁束を劇的に低減できることが分かる。ここでは
コイル導体42の幅70μm、コイル導体間の距離10
μm、磁性体間ギャップ5μm、コイル電流0.1Aと
した。
FIGS. 25A to 25C show the spiral coil 40.
The leakage flux 100 from the end of the magnetic material layer when the outer dimension w of the magnetic material layer 30 is variously changed with respect to the outer dimension a0 of
The magnetic flux leakage to the outside of the inductor can be drastically reduced by increasing w over a certain limit. Here, in FIG. 25A, almost a0 = w, and FIG.
From C to C, w is sequentially increased. Also in FIG.
[Fig. 3] is a drawing showing the magnetic field distribution of the spiral coil / magnetic material laminated type planar inductor. From this figure, from the end of the spiral coil α (α = [μs · g · t / 2] 1/2 ; μ
s is the magnetic permeability of the magnetic material, t is the thickness of the magnetic material layer, and g is the distance between the upper and lower magnetic material layers), the magnitude of the magnetic field is reduced to about 0.37 times the value at the coil end. . That is,
It can be seen that if the outer dimension w of the magnetic layer is made larger than the outer dimension a0 of the spiral coil by 2α or more, the leakage magnetic flux to the outside of the inductor can be dramatically reduced. Here, the width of the coil conductor 42 is 70 μm, and the distance between the coil conductors is 10 μm.
μm, the gap between magnetic materials was 5 μm, and the coil current was 0.1 A.

【0082】図27は、磁性体層の端部(インダクタ端
部)から外部へ漏れる磁束の大きさをw=a0の時の値
を基準にして示したものである。平面インダクタをモノ
リシックに集積回路内に形成する場合には、僅かな漏れ
磁束でも他のデバイスに大きく影響するので、磁性体層
の外形寸法wとしてa0+10α以上とすることが望ま
しい。これにより、磁束は外部に殆ど漏れはない。
FIG. 27 shows the magnitude of the magnetic flux leaking from the end of the magnetic layer (end of the inductor) to the outside with reference to the value when w = a0. When a planar inductor is monolithically formed in an integrated circuit, even a small leakage flux has a great influence on other devices, so that it is desirable that the outer dimension w of the magnetic layer be a0 + 10α or more. Thereby, the magnetic flux hardly leaks to the outside.

【0083】さて、平面インダクタを設計する際には、
インダクタンスをなるべく大きな値としたい。第3の手
段のように、磁性体層の外形寸法wをスパイラルコイル
の外形寸法a0よりも2α(αは前述の通り)以上大き
くすれば、インダクタンスを有効に高めることができ
る。図28は、wの大きさを種々変えた場合のインダク
タンス値の変化の一例を調べたもので、w≧a0+2α
とすることにより、w=a0の場合の1.8倍以上の値
が得られることが分かる。
Now, when designing a planar inductor,
I want to make the inductance as large as possible. As in the third means, the inductance can be effectively increased by making the outer dimension w of the magnetic layer larger than the outer dimension a0 of the spiral coil by 2α (α is as described above) or more. FIG. 28 shows an example of changes in the inductance value when various values of w are changed, and w ≧ a0 + 2α
As a result, it is found that a value that is 1.8 times or more that when w = a0 is obtained.

【0084】本発明の第4の手段について説明する。な
お、以下においては平面インダクタについて説明し、平
面トランスについての説明は省略する。ただし、平面ト
ランスの場合は1次側及び2次側の2つのスパイラル平
面コイルを積層する以外は、構造的に平面インダクタと
ほぼ同一であり、第4手段によって得られる効果も類似
のものである。
The fourth means of the present invention will be described. In the following, the planar inductor will be described and the description of the planar transformer will be omitted. However, the planar transformer is structurally almost the same as the planar inductor except that two spiral planar coils on the primary side and the secondary side are laminated, and the effect obtained by the fourth means is also similar. .

【0085】まず、図29に示すように、角型のスパイ
ラル平面コイル1の両面を絶縁体層20で挟み、これら
の両面を磁性体層30で挟んだ構造の平面インダクタに
ついて考える。上下の磁性体層30には、図中矢印で示
す方向に一軸磁気異方性が導入されているものとする。
First, as shown in FIG. 29, consider a planar inductor having a structure in which both sides of a rectangular spiral planar coil 1 are sandwiched between insulating layers 20 and both sides thereof are sandwiched between magnetic layers 30. Uniaxial magnetic anisotropy is introduced in the upper and lower magnetic layers 30 in the direction indicated by the arrow in the figure.

【0086】この平面インダクタのスパイラル平面コイ
ル40にコイル電流を流したとき、磁性体層3上での発
生磁界の方向を図30に破線矢印で示す。Aの領域で
は、コイルによる発生磁界の方向と一軸磁気異方性の方
向(磁化容易軸の方向)とが一致する。一方、Bの領域
では、コイルによる発生磁界の方向と一軸磁気異方性の
方向とが直交する、すなわち発生磁界の方向と磁化困難
軸の方向とが一致する。
The direction of the magnetic field generated on the magnetic layer 3 when a coil current is passed through the spiral planar coil 40 of this planar inductor is shown in FIG. In the area A, the direction of the magnetic field generated by the coil coincides with the direction of uniaxial magnetic anisotropy (direction of easy magnetization axis). On the other hand, in the region B, the direction of the magnetic field generated by the coil and the direction of uniaxial magnetic anisotropy are orthogonal to each other, that is, the direction of the generated magnetic field and the direction of the hard axis of magnetization coincide.

【0087】図31に、一軸磁気異方性を有する磁性体
の磁化容易軸方向と磁化困難軸方向とで観測されるB−
H曲線を示す。磁化容易軸方向では透磁率が非常に高い
半面、飽和しやすく、磁化困難軸方向では反対に飽和し
にくい。したがって、図30のA領域は飽和しやすい
が、B領域は発生磁界の方向が困難軸の方向であるため
飽和しにくい。図32Aに示すように、コイルによる発
生磁界が大きいと、図30のA領域は飽和して磁束が空
間に漏れる。このとき、図32Bに示すように、磁束の
大部分は図30のB領域を通る。結局、インダクタンス
の大きさは困難軸方向の磁気特性に左右される。
FIG. 31 shows B- observed in the easy axis direction and the hard axis direction of the magnetic substance having uniaxial magnetic anisotropy.
The H curve is shown. On the other hand, the magnetic permeability is very high in the easy-axis direction, but it is easy to saturate, while it is hard to saturate in the hard-axis direction. Therefore, the area A in FIG. 30 is likely to be saturated, but the area B is less likely to be saturated because the direction of the generated magnetic field is in the difficult axis direction. As shown in FIG. 32A, when the magnetic field generated by the coil is large, the area A in FIG. 30 is saturated and the magnetic flux leaks into the space. At this time, as shown in FIG. 32B, most of the magnetic flux passes through the region B of FIG. After all, the magnitude of the inductance depends on the magnetic characteristics in the hard axis direction.

【0088】第4の手段においては、磁性体の磁気飽和
の問題を解決するために、以下に説明する3つの構造を
採用する。第1は、スパイラル平面コイルの両面に、一
軸磁気異方性を導入した複数層の磁性体を、隣り合う磁
性体で一軸磁気異方性の方向が互いに直交する方向とな
るように、絶縁体層を介して積層するものである。第2
は、スパイラル平面コイルの両面に、それぞれ底辺に平
行な方向に一軸磁気異方性が導入された4個の三角形状
の磁性体を、これらの頂点が一致するように配置して構
成される角型の磁性体層を設けるものである。第3は、
スパイラル平面コイルの両面に、コイルの電流方向と平
行なストライプ状の凹凸を形成することにより形状一軸
磁気異方性が導入された磁性体層を設けるものである。
In the fourth means, the following three structures are adopted in order to solve the problem of magnetic saturation of the magnetic material. First, a plurality of magnetic layers having uniaxial magnetic anisotropy are formed on both surfaces of the spiral planar coil so that adjacent magnetic bodies have uniaxial magnetic anisotropy directions orthogonal to each other. It is laminated through layers. Second
Is a square planar coil with four triangular magnetic bodies, each of which has uniaxial magnetic anisotropy introduced in the direction parallel to the bottom, arranged so that their vertices coincide with each other. A magnetic layer of the mold is provided. Third,
A magnetic layer having a shape uniaxial magnetic anisotropy is provided by forming stripe-shaped irregularities parallel to the current direction of the coil on both surfaces of the spiral planar coil.

【0089】(1)第1の構造の平面インダクタの概略
を図33に示す。この平面インダクタは、スパイラル平
面コイル40の両面を、絶縁体層20A、第1層の磁性
体層30A、絶縁体層20B、第2層の磁性体層30B
で順次挟んだ構造を有している。ここで、絶縁体層20
については、ドットで示す(図35も同様)。図33の
ように構成した場合、スパイラル平面コイル40に最も
近接している第1層の磁性体層30AでA領域に相当す
る部分は飽和しやすいが、A領域から空間に漏れだした
磁束は第2層の磁性体層30BのB領域に相当する部分
を通過する。結局、磁束は第1層、第2層のいずれの磁
性体層においても、磁化困難軸の方向に通過し、磁気飽
和が生じにくくなる。
(1) FIG. 33 shows an outline of the planar inductor of the first structure. This planar inductor includes an insulator layer 20A, a first magnetic layer 30A, an insulator layer 20B, and a second magnetic layer 30B on both sides of the spiral planar coil 40.
It has a structure sandwiched in sequence. Here, the insulator layer 20
Is indicated by a dot (the same applies to FIG. 35). In the case of the configuration as shown in FIG. 33, in the first magnetic layer 30A closest to the spiral planar coil 40, the portion corresponding to the A region is likely to be saturated, but the magnetic flux leaking from the A region into the space is It passes through a portion corresponding to the B region of the second magnetic layer 30B. After all, the magnetic flux passes in the direction of the hard axis of magnetization in both the first and second magnetic layers, and magnetic saturation hardly occurs.

【0090】図34に、図33の平面インダクタの直流
重畳特性の例を実線で及び図29の平面インダクタの直
流重畳特性の例を破線で示す。図34から明らかなよう
に、磁性体層が2層の場合は、磁性体層が1層の場合と
比較して、インダクタンスが倍増し、インダクタンスが
低下し始める直流電流も増大する。
FIG. 34 shows an example of the DC superimposition characteristic of the planar inductor of FIG. 33 by a solid line and an example of the DC superimposition characteristic of the planar inductor of FIG. 29 by a broken line. As is clear from FIG. 34, in the case where the number of magnetic layers is two, the inductance is doubled and the DC current at which the inductance starts to decrease is also increased as compared with the case where the number of magnetic layers is one.

【0091】なお、図33ではスパイラル平面コイルの
上下の磁性体層が2層ずつの場合について説明したが、
図35に示すように磁性体層を4層ずつ設けるというよ
うに磁性体層を更に多層化してもよい。この場合も、ス
パイラル平面コイル40に対して奇数層目の磁性体層と
偶数層目の磁性体層とで一軸磁気異方性の方向が互いに
直交するようにする。
In FIG. 33, the case where the upper and lower magnetic layers of the spiral plane coil are two each has been described.
As shown in FIG. 35, the magnetic layers may be further multilayered by providing four magnetic layers each. Also in this case, the uniaxial magnetic anisotropy directions of the odd-numbered magnetic layers and the even-numbered magnetic layers of the spiral planar coil 40 are orthogonal to each other.

【0092】図33又は図35に示す平面インダクタは
以下のような方法により製造できる。磁性体として3μ
m以上の厚さを有する非晶質合金、結晶質合金、酸化物
などの軟磁性薄帯を用いる場合には、各磁性体に一軸磁
気異方性を予め導入しておき、一層ごとに一軸磁気異方
性の方向が互いに直交するように絶縁体層を介して積層
する。
The planar inductor shown in FIG. 33 or 35 can be manufactured by the following method. 3μ as a magnetic material
When using a soft magnetic ribbon such as an amorphous alloy, a crystalline alloy, or an oxide having a thickness of m or more, uniaxial magnetic anisotropy is introduced in advance in each magnetic substance, and uniaxial magnetic anisotropy is provided for each layer. The layers are laminated with an insulating layer in between so that the directions of magnetic anisotropy are orthogonal to each other.

【0093】また、蒸着法やスパッタ法などの薄膜プロ
セスにより磁性体を形成する場合には、静磁場中成膜や
成膜後の磁界中熱処理などによって一軸磁気異方性を導
入する。この場合、磁性体材料は磁歪が小さいことが好
ましいが、応力分布を適当にコントロールできれば、磁
歪の比較的大きな材料でも逆磁歪効果を介して一軸磁気
異方性を導入できると考えられる。薄膜プロセスによっ
て図33又は図35の平面インダクタを製造する場合に
は、磁性体層と絶縁体層とを交互に形成できるように多
元式の成膜装置を用いることが生産性の点で有利であ
る。
When a magnetic material is formed by a thin film process such as a vapor deposition method or a sputtering method, uniaxial magnetic anisotropy is introduced by film formation in a static magnetic field or heat treatment in a magnetic field after the film formation. In this case, the magnetic material preferably has a small magnetostriction, but if the stress distribution can be appropriately controlled, it is considered that uniaxial magnetic anisotropy can be introduced through the inverse magnetostriction effect even in a material having a relatively large magnetostriction. When manufacturing the planar inductor of FIG. 33 or FIG. 35 by the thin film process, it is advantageous in terms of productivity to use a multi-source film forming apparatus so that the magnetic layers and the insulating layers can be alternately formed. is there.

【0094】(2)第2の構造の平面インダクタの概略
を図36に示す。この平面インダクタは、スパイラル平
面コイル40の両面を、絶縁体層20及び磁性体層30
で順次挟んだ構造を有し、各磁性体層30がそれぞれ底
辺に平行な方向に一軸磁気異方性が導入された4個の三
角形状の磁性体を、これらの頂点が一致するように配置
して構成されているものである。図36の平面インダク
タでは、磁性体層30の全領域においてコイルにより発
生する磁界の方向と磁化容易軸の方向とが直交するの
で、磁気的に飽和しやすい領域は存在しない。
(2) FIG. 36 shows an outline of the planar inductor having the second structure. In this planar inductor, both surfaces of the spiral planar coil 40 are covered with an insulating layer 20 and a magnetic layer 30.
4 triangular magnetic bodies having a structure in which they are sequentially sandwiched, and each magnetic layer 30 has uniaxial magnetic anisotropy introduced in a direction parallel to the bottom side, and arranged so that their vertices coincide with each other. It is configured with. In the planar inductor of FIG. 36, since the direction of the magnetic field generated by the coil and the direction of the easy axis of magnetization are orthogonal to each other in the entire region of the magnetic layer 30, there is no region where magnetic saturation easily occurs.

【0095】図37に、図36の平面インダクタの直流
重畳特性の例を実線で、及び図29の平面インダクタの
直流重畳特性の例を破線で示す。図37から明らかなよ
うに、図29の平面インダクタのインダクタンスは小電
流領域では大きいものの、わずかな直流重畳電流の増大
によって急激に低下し、その後一定になる。このインダ
クタンス一定の領域は図29のB領域のみの磁性体が動
作しているためである。一方、図36の平面インダクタ
では、インダクタンスが一定の範囲が小電流側から大電
流側まで広く、またインダクタンスの値そのものも図1
の場合に比べて2倍程度大きい。
FIG. 37 shows an example of the DC superimposition characteristic of the planar inductor of FIG. 36 by a solid line and an example of the DC superimposition characteristic of the planar inductor of FIG. 29 by a broken line. As is apparent from FIG. 37, although the inductance of the planar inductor of FIG. 29 is large in the small current region, it is sharply decreased by a slight increase in the DC superimposed current and then becomes constant. This region where the inductance is constant is because the magnetic material in the region B in FIG. 29 is operating. On the other hand, in the planar inductor of FIG. 36, the range of constant inductance is wide from the small current side to the large current side, and the inductance value itself is also shown in FIG.
It is about twice as large as the case.

【0096】図36の平面インダクタは以下のような方
法により製造することができる。3μm以上の厚さを有
する非晶質合金、結晶質合金、酸化物などの軟磁性薄帯
を用いる場合は、薄帯を角型スパイラルコイルの一辺以
上の寸法を底辺とする三角形状に切断した後、これらの
底辺に平行に磁界を印加した状態で熱処理を行って一軸
磁気異方性を付与する。そして、4個の三角形状磁性薄
帯を、それぞれ磁化容易軸がコイル導体と平行になるよ
うに配置する。
The planar inductor shown in FIG. 36 can be manufactured by the following method. When using a soft magnetic ribbon having a thickness of 3 μm or more, such as an amorphous alloy, a crystalline alloy, or an oxide, the ribbon is cut into a triangular shape having one or more sides of the rectangular spiral coil as a base. After that, heat treatment is performed in a state where a magnetic field is applied in parallel to the bases of these to impart uniaxial magnetic anisotropy. Then, the four triangular magnetic ribbons are arranged such that the easy axis of magnetization is parallel to the coil conductor.

【0097】また、蒸着法やスパッタ法などの薄膜プロ
セスで形成する場合には、三角形状のマスクを用い、静
磁場中成膜などによって一軸磁気異方性を付与する。す
なわち、B領域に三角形状のレジストマスクを形成した
状態でA領域のコイル導体が延びる方向と平行に磁界を
印加し、A領域に磁性膜を成膜する。A領域に磁性膜を
所定の厚さに形成した後、B領域のレジストを除去して
その上の磁性膜をリフトオフする。次に、A領域にレジ
ストマスクを形成し、B領域のコイル導体が延びる方向
と平行に磁界を印加してB領域に磁性膜を成膜する。最
後に、前記と同様に、残ったレジストを除去してその上
の磁性膜をリフトオフする。
When the film is formed by a thin film process such as a vapor deposition method or a sputtering method, a triangular mask is used and uniaxial magnetic anisotropy is imparted by film formation in a static magnetic field. That is, a magnetic field is applied parallel to the direction in which the coil conductors in the A region extend while forming a triangular resist mask in the B region to form a magnetic film in the A region. After forming a magnetic film with a predetermined thickness in the region A, the resist in the region B is removed and the magnetic film thereon is lifted off. Next, a resist mask is formed in the area A, and a magnetic field is applied in parallel with the direction in which the coil conductor in the area B extends to form a magnetic film in the area B. Finally, in the same manner as above, the remaining resist is removed and the magnetic film thereon is lifted off.

【0098】(3)第3の構造の平面インダクタの概略
を図38に示す。この平面インダクタは、スパイラル平
面コイル40の両面を、絶縁体層20及び磁性体層30
で順次挟んだ構造を有し、磁性体層30には、平面コイ
ル40に流れる電流の方向と平行にストライプ状の凹凸
が交互に形成されている(詳細形状は、図39参照)。
このストライプ状の凹凸によって、一軸磁気異方性を有
することができる。図38の平面インダクタでも、磁性
体層30の全領域において、コイルにより発生する磁界
の方向と磁化容易軸の方向とが直交するので、磁気的に
飽和しやすい領域は存在しない。
(3) The outline of the planar inductor of the third structure is shown in FIG. In this planar inductor, both surfaces of the spiral planar coil 40 are covered with an insulating layer 20 and a magnetic layer 30.
In the magnetic layer 30, stripe-shaped irregularities are alternately formed in parallel with the direction of the current flowing through the planar coil 40 (see FIG. 39 for the detailed shape).
Unidirectional magnetic anisotropy can be provided by the stripe-shaped irregularities. In the planar inductor of FIG. 38 as well, in the entire region of the magnetic layer 30, the direction of the magnetic field generated by the coil and the direction of the easy axis of magnetization are orthogonal to each other, so there is no region where magnetic saturation easily occurs.

【0099】このように、ストライプ状の凹凸を有する
磁性体層を形成する方法としては、フォトリソグラフィ
ー又は機械的加工により下地にストライプ状の凹凸を形
成した後、磁性体層を成膜する方法や、磁性体層を成膜
した後、フォトリソグラフィー又は機械的加工により磁
性体層自体にストライプ状の凹凸を形成する方法が採用
できる。
As described above, as a method for forming the magnetic material layer having stripe-shaped concavities and convexities, a method of forming the magnetic material layer after forming the stripe-shaped concavities and convexities on the base by photolithography or mechanical processing, and Alternatively, a method of forming stripe-shaped irregularities on the magnetic layer itself by photolithography or mechanical processing after the magnetic layer is formed.

【0100】磁性体層の表面を異方的な形状にすると、
以下のような機構により形状磁気異方性が誘導される。
一般に、強磁性体は複数の磁区で構成されているが、十
分薄い膜では磁性膜の上面から下面まで通して磁壁が存
在せず、膜厚方向に単磁区の構造が実現することが知ら
れている。磁区内の磁気モーメントは、近距離力である
交換相互作用のために、一様な方向と大きさを持ち、外
場に対して剛体的に回転するとみなせる。また、薄膜表
面の凹凸などにより磁極が出現すると、反磁場及びもれ
磁場が発生する。したがって、磁性体薄膜の表面又は界
面に異方的な形状を形成して形状磁気異方性を導入する
と、膜内の磁気モーメントが影響を受ける。ただし、磁
性体層の表面形状は、以下に述べるように一定の条件を
満たすことが好ましい。
When the surface of the magnetic layer is made anisotropic,
The shape magnetic anisotropy is induced by the following mechanism.
Generally, a ferromagnet is composed of multiple magnetic domains, but it is known that a sufficiently thin film does not have a domain wall extending from the upper surface to the lower surface of the magnetic film and a single domain structure is realized in the film thickness direction. ing. It can be considered that the magnetic moment in the magnetic domain has a uniform direction and size due to exchange interaction, which is a short-range force, and rotates rigidly with respect to the external field. Also, when magnetic poles appear due to unevenness on the surface of the thin film, a demagnetizing field and a stray magnetic field are generated. Therefore, when an anisotropic shape is formed on the surface or interface of the magnetic thin film to introduce shape magnetic anisotropy, the magnetic moment in the film is affected. However, the surface shape of the magnetic layer preferably satisfies certain conditions as described below.

【0101】図39に示すように、表面又は界面に互い
に平行な帯状の凹凸を持つ磁性薄膜を考える。いま、凸
部の帯状の磁性体部分に注目し、i番目の磁性体の存在
領域を式(1)のように表す。ここで、dは凹部におけ
る磁性体の厚さ、Lは凸部の幅、Wは凹凸の段差、δは
凸部間の間隔である。
As shown in FIG. 39, consider a magnetic thin film having strip-shaped irregularities parallel to each other on the surface or interface. Now, paying attention to the strip-shaped magnetic body portion of the convex portion, the existence region of the i-th magnetic body is expressed as in Expression (1). Here, d is the thickness of the magnetic material in the concave portion, L is the width of the convex portion, W is the step difference of the concave and convex portions, and δ is the interval between the convex portions.

【0102】[0102]

【数1】 [Equation 1]

【0103】これらの式は、Y方向に無限に延びた帯状
の凹凸がX方向に無限に繰り返している表面構造を意味
する。膜の本来の磁気異方性が十分小さい場合、膜全体
の形状磁気異方性により、磁化ベクトルIは膜面に平行
となる。ここで、IのX軸方向の方向余弦をcosφと
おく。cosφが0でない場合、帯状の磁性体のYZ面
に磁化Iとcosφとの積で表される面密度の磁極が生
じる。この磁極が発生させる磁場は、(x,z)の関数
として解析的に解くことができる。i=0の磁性体に注
目すると、自分自身に及ぼす反磁場Hd、及び無限に連
なる帯状の磁性体から受ける有効磁場Hmは式(2)の
ように表される。
These expressions mean a surface structure in which strip-shaped irregularities extending infinitely in the Y direction are infinitely repeated in the X direction. When the original magnetic anisotropy of the film is sufficiently small, the magnetization vector I becomes parallel to the film surface due to the shape magnetic anisotropy of the entire film. Here, the direction cosine of I in the X-axis direction is set as cosφ. When cosφ is not 0, a magnetic pole having an areal density represented by the product of the magnetization I and cosφ occurs on the YZ plane of the strip-shaped magnetic body. The magnetic field generated by this magnetic pole can be analytically solved as a function of (x, z). Focusing on the magnetic body with i = 0, the demagnetizing field Hd exerted on itself and the effective magnetic field Hm received from the infinitely continuous strip-shaped magnetic body are represented by the formula (2).

【0104】[0104]

【数2】 [Equation 2]

【0105】HdとHmとの静磁エネルギーをφの関数
と考え、i=0の帯状の凸部磁性体の安定状態を考慮す
ると、φ=0(Iが帯方向に平行)とφ=π/2(Iが
帯方向に垂直)との単位体積当たりのエネルギー差密度
Ukは、膜厚方向に平均して式(3)のようになる。た
だし、Ukの正負は、Uk>0のとき帯方向(Y軸)が
容易軸となるように定めている。
Considering the magnetostatic energy of Hd and Hm as a function of φ, and considering the stable state of the band-shaped convex magnetic body of i = 0, φ = 0 (I is parallel to the band direction) and φ = π. The energy difference density Uk per unit volume with / 2 (I is perpendicular to the band direction) is as shown in Expression (3) on average in the film thickness direction. However, the positive / negative of Uk is determined so that the band direction (Y axis) becomes the easy axis when Uk> 0.

【0106】[0106]

【数3】 [Equation 3]

【0107】このように磁性体の表面に凹凸を形成する
ことにより、磁性体に形状異方性を導入できる。ただ
し、膜全体で帯方向(Y軸)を安定に容易軸とするに
は、少なくとも帯状磁性体の中心部分(X=0,Z=
0)が容易軸である必要がある。そこで、Ukの式で
(X=0,Y=0)に注目し、i=±1まで考慮する
と、Ukの式は式(4)のように表される。
By forming irregularities on the surface of the magnetic material in this way, shape anisotropy can be introduced into the magnetic material. However, in order to stably set the band direction (Y axis) as the easy axis in the entire film, at least the central portion (X = 0, Z =
0) must be the easy axis. Therefore, by paying attention to (X = 0, Y = 0) in the Uk equation and considering up to i = ± 1, the Uk equation is expressed as the equation (4).

【0108】[0108]

【数4】 [Equation 4]

【0109】このUkの第1項は常に正であるため、U
kの正負は第2項の正負で決定される。よって、式
(5)の不等式を満たすような表面形状であれば、表面
の帯状の凹凸が伸びる方向に容易軸を持たせる、すなわ
ち垂直な方向に困難軸を持たせるのに有効である。
Since the first term of this Uk is always positive, U
The sign of k is determined by the sign of the second term. Therefore, if the surface shape satisfies the inequality of the expression (5), it is effective to provide the easy axis in the direction in which the belt-shaped unevenness on the surface extends, that is, the difficult axis in the vertical direction.

【0110】[0110]

【数5】 [Equation 5]

【0111】図40に、W/L及びδ/Lを種々の値に
設定したときの、Ukの式の第2項の変化を示す。図4
0からわかるように、例えばδ/L=1/16の場合の
ように凹凸の段差が浅くなると、異方性の正負が逆転
し、帯状の凹凸が伸びる方向に垂直な方向が磁化容易軸
になる可能性がある。一例として、W=0.5μm、L
=4μm、δ=2μm、d=2μmとした場合に最隣接
(i=±1)の凸部まで考慮に入れたときのエネルギー
差を求めたところ、異方性磁場に換算して80Oe以上
であった。ただし、磁化の値は1Tと仮定した。
FIG. 40 shows changes in the second term of the Uk equation when W / L and δ / L are set to various values. Figure 4
As can be seen from 0, when the steps of the unevenness become shallow, as in the case of δ / L = 1/16, for example, the anisotropy is reversed in polarity, and the direction perpendicular to the direction in which the strip-shaped unevenness extends becomes the easy axis of magnetization. Could be. As an example, W = 0.5 μm, L
= 4 μm, δ = 2 μm, and d = 2 μm, the energy difference was calculated when taking into account even the most adjacent (i = ± 1) convex portion. there were. However, the value of magnetization was assumed to be 1T.

【0112】図41に、図38の平面インダクタ(実
線)及び図29の平面インダクタ(破線)の直流重畳特
性の例を示す。図41から、図38の平面インダクタで
は、インダクタンスが一定の範囲が小電流側から大電流
側まで広い範囲にわたっていることがわかる。
FIG. 41 shows an example of the DC superposition characteristics of the plane inductor (solid line) of FIG. 38 and the plane inductor (broken line) of FIG. From FIG. 41, it can be seen that in the planar inductor of FIG. 38, the constant inductance range is wide from the small current side to the large current side.

【0113】以上で説明したように、(1)〜(3)の
構造を採用すれば、磁性体層の動作が磁化困難軸に固定
されるので、磁気飽和が生じにくくなる。また、磁性体
の困難軸を利用しているので、磁化過程が回転磁化とな
り、磁壁移動磁化に比べて、高周波うず電流損を低減で
き、周波数特性の改善にも有効である。
As described above, if the structures (1) to (3) are adopted, the operation of the magnetic layer is fixed to the axis of hard magnetization, so that magnetic saturation hardly occurs. In addition, since the hard axis of the magnetic body is used, the magnetization process becomes rotational magnetization, which makes it possible to reduce high-frequency eddy current loss as compared with domain wall motion magnetization, and is also effective in improving frequency characteristics.

【0114】以上は、一軸磁気異方性の導入についてコ
イル形状を限定して説明したが、次に、スパイラルコイ
ル形状を長方形としたとき及び端子の取り出しを容易に
したときの磁気素子について説明する。
The introduction of the uniaxial magnetic anisotropy has been described above by limiting the coil shape. Next, the magnetic element when the spiral coil shape is rectangular and the terminal is easily taken out will be described. .

【0115】ここでは、平面磁気素子として平面インダ
クタを取り上げて具体的に説明する。なお、平面トラン
スの場合は1次用と2次用の2つを積層する以外は、構
造的に平面インダクタと同一であり、第4の手段によっ
て得られる効果は類似のものであるので、ここでは省略
する 一軸磁気異方性を有する磁性体の磁化容易軸方向と磁化
困難軸方向とで観測されるB−H曲線は、図42に示す
ように磁化容易軸では透磁率が非常に高い反面、飽和し
易く、磁化困難軸方向では反対に飽和し難い。また、図
42に示す如く磁化容易軸の透磁率は、低周波において
高いものの、高周波では急激に低下する。一方、磁化困
難軸の透磁率は、低周波においてこそ劣るものの、高周
波においては容易軸のそれに比べてはるかに高い値を示
す。平面型磁気素子において、磁性体の磁化困難軸のみ
を用いることができれば、素子の電気特性の向上に大き
く貢献するものと考えられる。
Here, a plane inductor will be taken up as a plane magnetic element and specifically described. The planar transformer is structurally the same as the planar inductor except that the primary and secondary ones are stacked, and the effect obtained by the fourth means is similar. The BH curve observed in the easy magnetization axis direction and the hard magnetization axis direction of the magnetic substance having uniaxial magnetic anisotropy is omitted, but the magnetic permeability is very high in the easy magnetization axis as shown in FIG. , Easy to saturate, and hard to saturate in the opposite direction in the hard magnetization direction. Further, as shown in FIG. 42, the magnetic permeability of the easy axis is high at low frequencies, but sharply decreases at high frequencies. On the other hand, the magnetic permeability of the hard axis is inferior at low frequencies, but at high frequencies it is much higher than that of the easy axis. It is considered that if only the hard axis of the magnetic material can be used in the planar magnetic element, it will greatly contribute to the improvement of the electrical characteristics of the element.

【0116】第4の手段のこの方法は、大きく分けて3
つの場合が考えられる。よって、ここでは、その場合分
けを3つとして順次説明する。
This method of the fourth means is roughly divided into 3
There are two possible cases. Therefore, in this case, description will be sequentially made assuming that there are three cases.

【0117】第1は、スパイラルコイルとして長方形の
ものを用い、その長軸と磁性体の磁化容易軸が一致する
ように、磁性体をスパイラルコイルの上面及び下面より
絶縁体を介して積層する。このような、第4の手段の第
1番目について、図43に示す。図43Aは、平面コイ
ル40を絶縁体20で封止した上面及び下面に磁性体層
30を配置した平面図であり、図43Bは図43Aの4
3Bに沿った断面図(42は導体、100は磁束を示
す)である。ここで、長方形スパイラルコイルの長軸と
短軸の比(アスペクト比=長軸の長さm/短軸の長さ
n)はなるべく大きく設定する。アスペクト比m/nを
十分大きくとれば、磁性体のほとんどの領域において、
磁界方向と磁気容易軸とが直交するが、この状態をより
完全なものとするために、図44に示す如く、長方形ス
パイラルコイルの長軸方向のコイル導体部分にのみ磁性
体を形成しても良い。但し、図44の断面図は、図43
Aの断面図と同様の形状である(図45も同様)。
First, a rectangular spiral coil is used, and the magnetic material is laminated on the upper and lower surfaces of the spiral coil via an insulator so that the long axis of the spiral coil coincides with the easy axis of magnetization of the magnetic material. Such a first of the fourth means is shown in FIG. 43A is a plan view in which the magnetic layer 30 is disposed on the upper and lower surfaces of the planar coil 40 sealed with the insulator 20, and FIG. 43B is the plan view of FIG.
FIG. 3B is a cross-sectional view taken along 3B (42 indicates a conductor and 100 indicates a magnetic flux). Here, the ratio of the long axis to the short axis of the rectangular spiral coil (aspect ratio = long axis length m / short axis length n) is set as large as possible. If the aspect ratio m / n is sufficiently large, in most regions of the magnetic material,
Although the magnetic field direction and the easy magnetic axis are orthogonal to each other, in order to make this state more complete, as shown in FIG. 44, a magnetic body is formed only on the coil conductor portion in the long axis direction of the rectangular spiral coil. good. However, the cross-sectional view of FIG.
It has the same shape as the cross-sectional view of A (also in FIG. 45).

【0118】第2について述べる。第1に述べたような
長方形スパイラルコイルを2つ直列接続し、更に2つの
長方形スパイラルコイルの長軸方向が一致するように、
同一平面上に配置する。更に、長方形スパイラルの長軸
と磁性体の磁化容易軸が一致するように、磁性体をコイ
ルの上面及び下面に絶縁体を介して配置する。
The second will be described. Two rectangular spiral coils as described in the first paragraph are connected in series so that the two longitudinal axes of the rectangular spiral coils are aligned with each other.
Place on the same plane. Further, the magnetic body is arranged on the upper and lower surfaces of the coil with an insulator so that the long axis of the rectangular spiral and the easy axis of magnetization of the magnetic body coincide with each other.

【0119】図45は、2つの長方形スパイラルコイル
を長軸方向に並べた場合を示し、図46A及び図47A
は短軸方向に並べた場合を示している。また、図46B
は図46Aの46Bに沿った断面図、図47Bも同様で
ある。このように、2つの長方形スパイラルコイルを直
列接続することによって、図43及び図44の場合に比
べて少なくとも2倍以上のインダクタンス値を得ること
ができる。また、2つの長方形スパイラルコイル間の接
続に関し、空中をわたるような配線は必要ない。
FIG. 45 shows a case where two rectangular spiral coils are arranged in the longitudinal direction, and FIGS. 46A and 47A.
Shows the case where they are arranged in the short axis direction. Also, in FIG.
Is a cross-sectional view taken along the line 46B of FIG. 46A, and the same applies to FIG. 47B. Thus, by connecting the two rectangular spiral coils in series, it is possible to obtain an inductance value that is at least twice as high as that in the case of FIGS. 43 and 44. Further, regarding the connection between the two rectangular spiral coils, wiring that extends through the air is not necessary.

【0120】2つの長方形スパイラルを短軸方向に並べ
る場合のコイル接続方法は2通り考えられる。図46
は、2つの長方形スパイラルコイルの巻方向が逆の場
合、図47は同一の場合である。磁束の通る磁路は、図
に示した如く、後者の方が細分される。どちらが優れる
かは、種々の条件にも左右されるので適宜選択する。
There are two possible coil connection methods for arranging two rectangular spirals in the minor axis direction. Figure 46
47 shows the case where the winding directions of the two rectangular spiral coils are opposite, and FIG. 47 shows the same case. The magnetic path through which the magnetic flux passes is subdivided in the latter as shown in the figure. Which one is superior depends on various conditions, and thus is selected appropriately.

【0121】なお、図45、図46、図47において、
図43Aのようにスパイラルコイルの全面にわたって磁
性体層30を形成しても良い。
Incidentally, in FIGS. 45, 46 and 47,
The magnetic layer 30 may be formed over the entire surface of the spiral coil as shown in FIG. 43A.

【0122】第3について述べる。図44、図45、図
46、図47に示す如く、長方形スパイラルコイルの巻
始めと巻終わりの部分が露出していることにより、端子
の引出しが極めて容易になる。
The third will be described. As shown in FIG. 44, FIG. 45, FIG. 46, and FIG. 47, since the winding start and winding end portions of the rectangular spiral coil are exposed, the terminal can be pulled out very easily.

【0123】以上のように、第4の手段によれば、磁性
体の困難軸を有効に利用することができるので、磁化過
程が回転磁化によることになり、磁気飽和の影響の軽減
のみならず、高周波特性の改善にも有効である。
As described above, according to the fourth means, since the hard axis of the magnetic material can be effectively utilized, the magnetization process depends on the rotation magnetization, and not only the effect of magnetic saturation is reduced. It is also effective for improving high frequency characteristics.

【0124】図43、図44、図45、図46及び図4
7では、スパイラルコイルの上面及び下面に一枚のみ一
軸異方性磁性体を形成させる場合を示したが、一般的に
は、これらの磁性体を多層化して用いる。
43, 44, 45, 46 and 4
In FIG. 7, the case where only one uniaxial anisotropic magnetic body is formed on the upper surface and the lower surface of the spiral coil is shown, but generally, these magnetic bodies are used in a multilayered form.

【0125】第4の手段で提案した素子を実現するため
には、種々の方法が考えられる。3μm以上の厚さを有
する非晶質合金、結晶質合金、酸化物などの軟磁性薄帯
を用いるときは、一軸磁気異方性を磁界中熱処理などに
よって予め付与しておき、長方形スパイラルフィルムな
どとともに積層する。この時、積層による応力の影響を
できるだけ避けるために磁歪の小さな磁性体を選択す
る。
Various methods are conceivable for realizing the device proposed by the fourth means. When using a soft magnetic ribbon such as an amorphous alloy, a crystalline alloy, or an oxide having a thickness of 3 μm or more, uniaxial magnetic anisotropy is given in advance by heat treatment in a magnetic field, and a rectangular spiral film or the like is used. Stack with. At this time, a magnetic material having a small magnetostriction is selected in order to avoid the influence of the stress due to the lamination as much as possible.

【0126】また、蒸着法やスパッタ法などの薄膜プロ
セスで形成する場合は、静磁場中成膜や成膜後の磁界中
熱処理などによって一軸磁気異方性を付与する。このと
きも磁性体材料は磁歪が小さいことが望まれるが、応力
分布を適当にコントロールできれば、磁歪値の比較的大
きな材料でも逆磁歪効果を介して一軸磁気異方性を導付
与することが可能になると考えられる。薄膜プロセスで
第4の手段による磁性体構造を実現するには、磁性体と
絶縁体を交互に形成する必要があるので、多元式の成膜
装置を用いることが生産性の点で有利である。
When the film is formed by a thin film process such as a vapor deposition method or a sputtering method, uniaxial magnetic anisotropy is given by film formation in a static magnetic field or heat treatment in a magnetic field after the film formation. At this time as well, it is desired that the magnetic material has a small magnetostriction, but if the stress distribution can be controlled appropriately, it is possible to impart uniaxial magnetic anisotropy through the inverse magnetostriction effect even to a material having a relatively large magnetostriction value. It is believed that In order to realize the magnetic body structure by the fourth means in the thin film process, it is necessary to alternately form the magnetic bodies and the insulators. Therefore, it is advantageous in terms of productivity to use a multi-source film forming apparatus. .

【0127】さて、第4の手段による平面形磁気素子を
トランジスタ、抵抗、キャパシター等の他の素子と集積
化する際には、漏れ磁束による回路の誤動作を防ぐた
め、特に、図44、図45、図46、図47のときに
は、コイル導体が露出する部分に、磁気シールド用磁性
体を形成する。この一例を図48A及びBに示す。ここ
で、図48Aは平面図、図48Bは断面図を示し、部材
の番号については、図43と同様である。
Now, when the planar magnetic element by the fourth means is integrated with other elements such as a transistor, a resistor and a capacitor, in order to prevent malfunction of the circuit due to leakage magnetic flux, in particular, FIGS. 46 and 47, the magnetic shield magnetic body is formed in the portion where the coil conductor is exposed. An example of this is shown in FIGS. 48A and 48B. Here, FIG. 48A is a plan view and FIG. 48B is a cross-sectional view, and the numbers of the members are the same as those in FIG. 43.

【0128】本発明の第5の手段について説明する。図
49及び図50は、第5の手段に係る磁気素子を構成す
る平面コイルを示すものである。
The fifth means of the present invention will be described. 49 and 50 show a plane coil that constitutes a magnetic element according to the fifth means.

【0129】図49の平面コイルは、外形がほぼ正方形
をなし、外形寸法の異なる複数の1ターン平面コイル4
0を同一平面上に配置したものであり、各1ターン平面
コイル40は正方形の1辺に2個の外部接続端子を有す
る。図50の平面コイルは、図49と同様に、外形がほ
ぼ正方形をなし、外形寸法の異なる複数の1ターン平面
コイル40を同一平面上に配置したものであるが、各1
ターン平面コイル40は正方形の対抗する2辺に2個ず
つ合計4個の外部接続端子を有する。なお、図49及び
図50では、外形がほぼ正方形の1ターン平面コイルを
示しているが、1ターン平面コイルの外形は特に限定さ
れない。
The plane coil of FIG. 49 has a plurality of one-turn plane coils 4 each having a substantially square outer shape and different outer dimensions.
0s are arranged on the same plane, and each one-turn planar coil 40 has two external connection terminals on one side of the square. Similar to FIG. 49, the plane coil of FIG. 50 has a substantially square outer shape and has a plurality of one-turn flat coils 40 having different outer dimensions arranged on the same plane.
The turn plane coil 40 has a total of four external connection terminals, two on each of two opposite sides of the square. Note that although FIGS. 49 and 50 show a one-turn flat coil whose outer shape is substantially square, the outer shape of the one-turn flat coil is not particularly limited.

【0130】このような平面コイルの両面が、図49及
び図50において破線で表示されている磁性体層30で
サンドイッチされている。磁性体としては、ソフトフェ
ライト、磁性薄帯、磁性薄膜などが用いられる。ただ
し、フェライト以外の磁性薄帯、磁性薄膜を用いる場合
には、平面コイルと磁性体層30との間に絶縁体層を設
ける必要がある。
Both sides of such a planar coil are sandwiched by the magnetic layers 30 shown by broken lines in FIGS. 49 and 50. As the magnetic material, soft ferrite, magnetic ribbon, magnetic thin film, or the like is used. However, when using a magnetic ribbon or a magnetic thin film other than ferrite, it is necessary to provide an insulating layer between the planar coil and the magnetic layer 30.

【0131】第5の手段の平面磁気素子は、平面コイル
としてスパイラルコイルを用いた場合のようにスルーホ
ール導体や端子引き出し用導体を設ける必要がないた
め、製造プロセスが簡略化される。また、それぞれの1
ターン平面コイル40の外部接続端子は、全て磁性体層
30の外側に設けられるので、外部回路との接続が極め
て容易である。
Since the planar magnetic element of the fifth means does not need to provide through-hole conductors or terminal lead-out conductors as in the case where a spiral coil is used as the planar coil, the manufacturing process is simplified. Also, each one
Since all the external connection terminals of the turn plane coil 40 are provided outside the magnetic layer 30, connection with an external circuit is extremely easy.

【0132】第5の手段に係る平面磁気素子をインダク
タとして使用する場合のインダクタンス調整効果につい
て説明する。以下に述べるように、インダクタンスは、
外部接続端子どうしの接続方法の変更、又は外部端子の
選択すなわち使用する1ターン平面コイルの選択により
調整できる。
The inductance adjusting effect when the planar magnetic element according to the fifth means is used as an inductor will be described. As described below, the inductance is
It can be adjusted by changing the connection method between the external connection terminals or by selecting the external terminal, that is, the one-turn plane coil to be used.

【0133】図51は、図49の平面磁気素子におい
て、1ターン平面コイル40の全外部接続端子のうち、
最も外側の1個と中央部の1個を除いて、隣接するもの
どうしを互いに接続したものである。図51では、隣接
するコイル導体に流れる電流の向きが互いに逆になる。
したがって、発生する磁界はつづら折れコイルパターン
の場合と類似する。
FIG. 51 is a plan view of the planar magnetic device of FIG. 49.
Except for the outermost one and the central one, the adjacent ones are connected to each other. In FIG. 51, the directions of the currents flowing through the adjacent coil conductors are opposite to each other.
Therefore, the magnetic field generated is similar to the case of a zigzag coil pattern.

【0134】図52は、図49の平面磁気素子におい
て、1ターン平面コイル40の全外部接続端子のうち、
最も外側の1個と中央部の1個を除いて、互いに線対称
の位置にあるものどうしを互いに接続した構成を有す
る。図52では、隣接するコイル導体に流れる電流の向
きが互いに逆になる。したがって、発生する磁界はスパ
イラルコイルパターンの場合と類似する。
FIG. 52 is a plan view of the planar magnetic device of FIG. 49.
With the exception of the outermost one and the central one, those which are line-symmetrical to each other are connected to each other. In FIG. 52, the directions of the currents flowing through the adjacent coil conductors are opposite to each other. Therefore, the generated magnetic field is similar to that of the spiral coil pattern.

【0135】図53は、図49の平面磁気素子におい
て、図51の接続方法と図52の接続方法とを併用した
ものである。図52では、隣接するコイル導体に流れる
電流の向きが互いに逆向きの個所と同じ個所との両者を
含む。したがって、発生する磁界はつづら折れ−スパイ
ラル複合型コイルパターンの場合と類似する。
FIG. 53 shows the planar magnetic element of FIG. 49 in which the connection method of FIG. 51 and the connection method of FIG. 52 are used together. In FIG. 52, both the location where the directions of the currents flowing through the adjacent coil conductors are opposite to each other and the location where the directions are the same are included. Therefore, the generated magnetic field is similar to the case of the zigzag-spiral composite coil pattern.

【0136】図51〜図53に示す接続方法では、イン
ダクタンスLの値は、図52の場合が最も大きく、図5
3、図51の順で小さくなる。このように、第5の手段
の平面磁気素子では、外部接続端子どうしの接続方法を
変更することにより、インダクタンスを調整できる。な
お、外部接続端子の接続方法は、図51〜図53に示す
方法に限定されず、必要なインダクタンスが得られるよ
うに、使用者が適宜選択することができる。
In the connection method shown in FIGS. 51 to 53, the value of the inductance L is the largest in the case of FIG.
3, the order of FIG. 51 becomes smaller. As described above, in the planar magnetic element of the fifth means, the inductance can be adjusted by changing the connection method between the external connection terminals. The method of connecting the external connection terminals is not limited to the method shown in FIGS. 51 to 53, and can be appropriately selected by the user so as to obtain the required inductance.

【0137】図54は、図49の磁気素子において、外
形の異なる1ターン平面コイルの2つの外部接続端子ど
うしを接続した場合、1個の1ターン平面コイルで得ら
れるインダクタンス値を示すものである。図54から明
らかなように、外形寸法の異なる1ターン平面コイルを
選択することにより、種々のインダクタンス値が得られ
る。また、図54に示すように1ターン平面コイルを選
択するとともに、図51〜図53に示す接続方法を種々
変更して併用すれば、インダクタンス値を広範囲にかつ
細かくトリミングできる。
FIG. 54 shows the inductance value obtained by one 1-turn flat coil when the two external connection terminals of the 1-turn flat coil having different outer shapes are connected to each other in the magnetic element of FIG. . As is apparent from FIG. 54, various inductance values can be obtained by selecting one-turn flat coils having different outer dimensions. Further, by selecting a one-turn flat coil as shown in FIG. 54 and changing the connection method shown in FIGS. 51 to 53 in combination, the inductance value can be trimmed in a wide range and finely.

【0138】次に、第5の手段に係る平面磁気素子をト
ランスとして用いる場合について説明する。図49に示
すように外部接続端子を設けた場合、図55〜図57に
示すように複数の平面コイルを2群以上に分け、同一群
内の1ターン平面コイルを外部で相互に接続することに
よりトランスを構成できる。図55及び図56は1入力
−1出力型、図57は1入力−2出力型のトランスを示
す。なお、2群以上に分割された同一群内の平面コイル
の接続方法は、図55〜図57で示した方法に限定され
ない。1次コイル、2次コイル、3次コイル、…を構成
する複数の平面コイルの外部接続方法を種々変更するこ
とにより、それぞれのコイルのインダクタンスや、コイ
ル間の結合係数を調整できる。このことは、外部からト
ランスの変圧比や変流比を調整できることを意味する。
図58に、第5の手段に係る平面磁気素子を1入力−1
出力型トランスに応用した場合の、外部接続方法による
変圧比及び変流比の調整効果を調べた結果を示す。
Next, the case where the planar magnetic element according to the fifth means is used as a transformer will be described. When external connection terminals are provided as shown in FIG. 49, a plurality of plane coils are divided into two or more groups as shown in FIGS. 55 to 57, and one-turn plane coils in the same group are externally connected to each other. The transformer can be configured by. 55 and 56 show a 1-input-1 output type transformer, and FIG. 57 shows a 1-input-2 output type transformer. The method of connecting the planar coils in the same group divided into two or more groups is not limited to the method shown in FIGS. The inductance of each coil and the coupling coefficient between the coils can be adjusted by variously changing the external connection method of the plurality of planar coils forming the primary coil, the secondary coil, the tertiary coil, .... This means that the transformer transformation ratio and the current transformation ratio can be adjusted from the outside.
In FIG. 58, the planar magnetic element according to the fifth means has one input-1
The results of investigating the effect of adjusting the transformation ratio and the current transformation ratio by the external connection method when applied to the output type transformer are shown.

【0139】以上では、図49の平面磁気素子における
外部接続端子の接続方法を例として、電気的特性の調整
効果について説明した。図50のように外部接続端子を
設ければ、端子接続方法のバリエーションが更に広がる
ので、より細かな調整効果が得られる。ただし、外部接
続端子の数が多すぎると、使用者が誤接続するおそれが
あるため、図49又は図50に示したように、1個の平
面コイル当りの外部接続端子数は2〜4個で十分である
と考えられる。
In the above, the adjustment effect of the electrical characteristics has been described by taking the connection method of the external connection terminals in the planar magnetic element of FIG. 49 as an example. If external connection terminals are provided as shown in FIG. 50, the variation of the terminal connection method is further expanded, and a finer adjustment effect can be obtained. However, if the number of external connection terminals is too large, the user may erroneously connect. Therefore, as shown in FIG. 49 or FIG. 50, the number of external connection terminals per planar coil is 2 to 4 Is considered sufficient.

【0140】また、外部から電気的特性を調整する必要
がなく、かつ大きなインダクタンスを必要とする場合に
は、コイル導体間間隔を製造プロセスの許すかぎり小さ
くして、図52のように外部端子を接続する。一方、イ
ンダクタンスは小さくても構わないが、周波数特性を良
好にしたい場合には、コイル導体間間隔をできるだけ大
きくして、図51のように外部端子を接続する。同様
に、トランスに応用する場合でも、外部から電気的特性
を調整する必要がない場合には、コイル導体間間隔をで
きるだけ小さくする。このように平面コイルを構成すれ
ば、特性固定型平面磁気素子を高性能化できる。
If it is not necessary to adjust the electrical characteristics from the outside and a large inductance is required, the spacing between the coil conductors should be made as small as the manufacturing process allows, and the external terminals should be arranged as shown in FIG. Connecting. On the other hand, although the inductance may be small, in order to improve the frequency characteristics, the coil-to-coil spacing is made as large as possible and the external terminals are connected as shown in FIG. Similarly, even when applied to a transformer, if it is not necessary to adjust the electrical characteristics from the outside, the distance between the coil conductors should be as small as possible. By configuring the planar coil in this way, the fixed characteristic type planar magnetic element can be improved in performance.

【0141】更に、これらの平面磁気素子を小形化する
には、これらを半導体製造プロセスと同様に薄膜プロセ
スを利用して製造することが好ましい。Si、GaAs
などの半導体基板上に第5の手段の磁気素子を形成する
ことにより、トランジスタなどの能動素子、抵抗、コン
デンサなど受動素子とのモノリシック化が可能であり、
小形化できる。半導体基板上に磁気素子を形成する場
合、能動素子と同一平面でもよいし、能動素子の上部又
は下部でもよい。
Further, in order to miniaturize these planar magnetic elements, it is preferable to manufacture them by using a thin film process similar to the semiconductor manufacturing process. Si, GaAs
By forming the magnetic element of the fifth means on the semiconductor substrate such as, it is possible to make monolithic with active elements such as transistors and passive elements such as resistors and capacitors.
Can be miniaturized. When a magnetic element is formed on a semiconductor substrate, it may be on the same plane as the active element or may be on the upper or lower part of the active element.

【0142】図59は半導体基板10上に能動素子90
及び磁気素子92を同一平面上に形成したものである。
図60は半導体基板10中に能動素子90を形成し、基
板10上に絶縁体層20を介して配線層95を形成し、
配線層95上に絶縁体層20を介して磁気素子1を形成
したものである。図61は半導体基板10上に磁気素子
1を形成し、磁気素子1上に絶縁体層20を介して能動
素子90を形成したものである。いずれの素子でも、半
導体基板10、能動素子90、磁気素子1の間は図示し
ないコンタクトホールを介して配線により接続されてい
る。第5の手段の例のように、本発明は、どの手段によ
っても、能動素子及び受動素子が半導体基板上に形成さ
れ、平面コイルからなるインダクタ及びトランス等と一
体的に素子を構成することができる。このことは、どの
手段についても同様に言及できるので、ここでの記載の
みにとどめる。
FIG. 59 shows an active element 90 on the semiconductor substrate 10.
And the magnetic element 92 is formed on the same plane.
In FIG. 60, an active element 90 is formed in a semiconductor substrate 10, a wiring layer 95 is formed on the substrate 10 via an insulator layer 20,
The magnetic element 1 is formed on the wiring layer 95 via the insulator layer 20. In FIG. 61, the magnetic element 1 is formed on the semiconductor substrate 10, and the active element 90 is formed on the magnetic element 1 with the insulator layer 20 interposed therebetween. In any element, the semiconductor substrate 10, the active element 90, and the magnetic element 1 are connected by wiring through a contact hole (not shown). As in the case of the fifth means, the present invention makes it possible to form an element integrally with an inductor, a transformer, and the like, each of which includes an active element and a passive element formed on a semiconductor substrate and a flat coil, by any means. it can. This can be referred to for any means as well, and will be described here only.

【0143】最後に第6の手段について説明する。図6
2Aに第6の手段にかかる磁気素子の断面図を示す。電
流容量の増大を考えた場合、図62Aに示すように、コ
イルを構成する導体42を面状とし、この面状導体で絶
縁体20を介して配置される磁性体30を磁化するよう
な構成が挙げられる。この場合、磁化電流が面電流であ
るため有効な断面積が増大し、許容電流は増大する。図
17に示したのは外鉄構造であるが、図62Aに示した
構造では、ほぼ完全な内鉄構造が実現でき、この構造で
も十分漏れ磁界は少なくすることができる。インダクタ
ンス的には駆動周波数によって異なるが、1MHz程度
の周波数領域を境にして、低周波領域では図17に示す
構造が有利であり、それ以上の高周波領域では図18に
示す構造が有利とみられる。ただし電流容量的には図6
2Aに示した構造のほうが絶対的に有利である。
Finally, the sixth means will be described. Figure 6
2A shows a sectional view of the magnetic element according to the sixth means. When considering the increase of the current capacity, as shown in FIG. 62A, the conductor 42 forming the coil is formed into a planar shape, and the planar conductor magnetizes the magnetic body 30 arranged via the insulator 20. Is mentioned. In this case, since the magnetizing current is a surface current, the effective cross-sectional area increases and the allowable current increases. Although the outer iron structure is shown in FIG. 17, the structure shown in FIG. 62A can realize a substantially complete inner iron structure, and this structure can also sufficiently reduce the leakage magnetic field. Although the inductance varies depending on the driving frequency, the structure shown in FIG. 17 is advantageous in the low frequency region and the structure shown in FIG. 18 is advantageous in the high frequency region beyond the frequency region of about 1 MHz. However, in terms of current capacity,
The structure shown in 2A is absolutely advantageous.

【0144】図62Aに示した1ターン構造のコイルで
の許容電流(Imax)を考えてみる。図62Bに、各部
の寸法を表わす記号を示し、部材番号は、図62Aと同
様である。インダクタンスL(H)は、 L=2μs・δ2・ln(d1/d2)×10-7 となり、直流抵抗RDC(Ω)は、 RDC=(ρ/πδ1)ln(d1/d2) となる。なお、μsは磁性体の比透磁率、ρは比抵抗で
ある。
Consider the allowable current (Imax) in the one-turn structure coil shown in FIG. 62A. 62B shows symbols indicating the dimensions of each part, and the member numbers are the same as in FIG. 62A. The inductance L (H) is L = 2 μsδ2ln (d1 / d2) × 10 -7 , and the DC resistance RDC (Ω) is RDC = (ρ / πδ1) ln (d1 / d2). Note that μs is the relative permeability of the magnetic substance, and ρ is the specific resistance.

【0145】導体としてAl(許容電流密度108(A
/m2))を用いたときは、 Imax=π×108・d1・d2(A) となる。これと同形状のものを通常のスパイラルコイル
で構成した平面インダクタで実現すると、導体の断面積
はかなり小さくなるため、概略オーダーとして2けた以
下程度のImaxしか得ることができない、また図62A
の構造コイルを、図63Aに示したように平面状に複数
個形成して直列に接続することで高インダクタンス化が
実現できる。さらには、図63Bに示すように、同様の
構造を積層してもよい。この場合は単位面積当たりのイ
ンダクタンスが大きくなる。
Al (Allowable current density 10 8 (A
/ M 2 )) is used, Imax = π × 10 8 · d 1 · d 2 (A). If a flat inductor having the same shape as this is realized by a planar spiral coil, the cross-sectional area of the conductor is considerably reduced, and therefore, Imax of about 2 digits or less can be obtained as a rough order.
As shown in FIG. 63A, a plurality of structural coils are formed in a plane and connected in series, so that high inductance can be realized. Furthermore, as shown in FIG. 63B, similar structures may be stacked. In this case, the inductance per unit area becomes large.

【0146】また図62Aに示したような1ターン型の
コイルでもトランスを構成することができる。すなわち
図64に示すように磁性体層30を包囲する導体層40
A、40Bを絶縁体層20Bを介して多層化すれば良
い。この場合、所望の巻線比に応じて一次コイルと二次
コイルの導体層の積層数を決定すれば良い。
Further, the transformer can be constructed with a one-turn type coil as shown in FIG. 62A. That is, as shown in FIG. 64, the conductor layer 40 surrounding the magnetic layer 30.
A and 40B may be multilayered with the insulator layer 20B interposed therebetween. In this case, the number of laminated conductor layers of the primary coil and the secondary coil may be determined according to the desired winding ratio.

【0147】以上、各手段を個別に述べてきたが、各手
段は独立して用いても諸特性を向上することが可能であ
るが、各手段を適当に組み合わせることにより、更に、
特性の向上を図ることが可能であるし、取扱についても
操作性の向上が図れる。
Although each means has been described above individually, it is possible to improve various characteristics even if each means is used independently. However, by appropriately combining each means,
It is possible to improve the characteristics and improve the operability in handling.

【0148】Selection of the Materials ここで、本発明を実施するために、磁気素子を構成する
のに必要な材料(導体42、磁性体30、基板10及び
絶縁体20)について記載する。
Selection of the Materials Here, materials (conductor 42, magnetic body 30, substrate 10 and insulator 20) necessary for constructing a magnetic element for carrying out the present invention will be described.

【0149】まず、コイル導体42の材料としては、低
抵抗の金属を主体に考える。例えば、Al及びAl合
金、Cu及びCu合金、Au及びAu合金、Ag及びA
g合金などが代表例として挙げられるが、これらに限定
されないことはいうまでもない。また、これらの金属を
用いた平面コイルは、許容電流密度が高いほど定格電流
を増やせるので、エレクトロマイグレーション、ストレ
スマイグレーション、サーマルマイグレーションなどに
よるコイル断線に対する耐性の高い材料を用いることが
好ましい。
First, as the material of the coil conductor 42, a low resistance metal is mainly considered. For example, Al and Al alloys, Cu and Cu alloys, Au and Au alloys, Ag and A
A typical example is a g-alloy, but it goes without saying that it is not limited to these. Further, since the flat coil using these metals can increase the rated current as the allowable current density is higher, it is preferable to use a material having high resistance to coil breakage due to electromigration, stress migration, thermal migration and the like.

【0150】磁性体30も平面インダクタ及びトランス
の使用される周波数領域、求められる特性を考慮して適
宜選定することができ、高透磁率材料、恒透磁率材料、
高磁束密度材料、低損失材料などが挙げられる。例え
ば、パーマロイ、フェライト、センダスト、各種非晶質
磁性合金、或は、単結晶膜などを用いることができる。
電力用を考えると、磁束が容易に飽和しないように高磁
束密度材料を使用することが望まれる。また単一の磁性
体である必要はなく、例えばFeCo膜とSiO 2膜と
の積層体、人工格子膜,FeCo相とB4C相との混合
相、粒子分散層などでも良い。なお導体上に形成する場
合、磁性体が絶縁体である場合は必須ではないが、導電
性を有する場合は、導体との間に絶縁体を形成する必要
がある。
The magnetic body 30 is also a plane inductor and a transformer.
Suitable for the frequency domain used and the required characteristics.
It can be selected as appropriate, high permeability material, constant permeability material,
Examples include high magnetic flux density materials and low loss materials. example
For example, permalloy, ferrite, sendust, various amorphous materials
A magnetic alloy or a single crystal film can be used.
Considering for electric power, high magnetic flux is used so that the magnetic flux is not easily saturated.
It is desirable to use a bundle density material. Also single magnetism
It does not have to be a body, for example FeCo film and SiO 2With a membrane
Layered product, artificial lattice film, FeCo phase and BFourMixing with phase C
A phase, a particle dispersion layer, etc. may be used. When forming on the conductor
If the magnetic substance is an insulator,
If it has a property, it is necessary to form an insulator between it and the conductor
There is.

【0151】また、磁性体飽和の影響を避けるため、平
面コイルによる磁化方向と、磁性体の困難軸とを一致さ
せ、磁性体の異方性磁界をコイル電流が形成する磁界よ
り大きくすることが好ましい。具体的には、飽和磁化が
高く、適当な値の異方性磁界Hkを有する磁性体が好ま
しい。また、積層などによる応力の影響をできるだけ避
けるために、磁歪のなるべく小さな磁性体(例えば、λ
s<10-6)を選択することが好ましい。
Further, in order to avoid the influence of the saturation of the magnetic material, the magnetization direction of the planar coil and the hard axis of the magnetic material may be made to coincide with each other, and the anisotropic magnetic field of the magnetic material may be made larger than the magnetic field formed by the coil current. preferable. Specifically, a magnetic material having a high saturation magnetization and an anisotropic magnetic field Hk of an appropriate value is preferable. In addition, in order to avoid the influence of stress due to stacking etc. as much as possible, a magnetic material with a magnetostriction as small as possible (for example, λ
It is preferable to select s <10 −6 ).

【0152】この場合の、磁性体材料の選択基準を、例
えば図65を参照して説明する。図65は、コイル導体
の巻数と、最大許容電流及び最大許容電流を流したとき
に発生する磁性体面内磁界の大きさとの関係を調べたも
のである。なお、コイル導体としてAl−Cu合金を用
い、導体厚さ10μm、導体間間隔3μmとして、巻数
を変化させることによりコイルの外形寸法を変化させ、
これに対応して磁性体の外形寸法を変化させている。導
体−磁性体間に膜厚1μmの絶縁体層が形成されてい
る。コイル導体の許容電流密度は5×108(A/m2
一定である。
The selection criteria of the magnetic material in this case will be described with reference to FIG. FIG. 65 shows the relationship between the number of turns of the coil conductor and the maximum permissible current and the magnitude of the magnetic field within the magnetic material plane generated when the maximum permissible current is passed. An Al-Cu alloy is used as the coil conductor, the conductor thickness is 10 μm, the inter-conductor spacing is 3 μm, and the external dimensions of the coil are changed by changing the number of turns.
Corresponding to this, the outer dimensions of the magnetic body are changed. An insulator layer having a film thickness of 1 μm is formed between the conductor and the magnetic body. Allowable current density of coil conductor is 5 × 10 8 (A / m 2 )
It is constant.

【0153】図65の例では、コイルに許容電流を流し
たときに発生する磁界の大きさは約20〜30Oeであ
る。使用するコイル電流の最大値を、許容電流値の80
%とすれば、最大16〜24Oeの磁界が磁性体に加わ
ることになる。したがって、この場合には、一軸磁気異
方性が導入された磁性体の異方性磁界Hkとして16〜
24Oeの大きさが必要である。
In the example of FIG. 65, the magnitude of the magnetic field generated when an allowable current is passed through the coil is about 20 to 30 Oe. Set the maximum value of the coil current to be used as the allowable current value of 80
%, A maximum magnetic field of 16 to 24 Oe will be applied to the magnetic substance. Therefore, in this case, the anisotropy magnetic field Hk of the magnetic body to which the uniaxial magnetic anisotropy is introduced is 16 to
A size of 24 Oe is required.

【0154】なお、磁性体の異方性磁界の大きさは磁気
素子の構造パラメータにも依存するので、ここで示した
値に限定されない。ただし、磁気飽和の影響を回避する
には5Oe以上の値であることが好ましい。
Since the magnitude of the anisotropic magnetic field of the magnetic material depends on the structural parameters of the magnetic element, it is not limited to the value shown here. However, in order to avoid the influence of magnetic saturation, a value of 5 Oe or more is preferable.

【0155】基板10も特に限定されるものではない
が、基板上に形成される磁性体叉は導体と絶縁されるよ
うに、少なくとも表面が絶縁体であれば良い。しかしな
がら、微細加工の容易性、1チップ化などを考慮する
と、Siなどの半導体基板を用いることが望ましい。こ
の場合、表面に酸化膜の形成などの手法により、絶縁体
化しておく必要がある。
The substrate 10 is also not particularly limited, but at least the surface may be an insulator so as to be insulated from the magnetic substance or conductor formed on the substrate. However, it is desirable to use a semiconductor substrate made of Si or the like in consideration of easiness of microfabrication and making into one chip. In this case, it is necessary to make it an insulator by a method such as forming an oxide film on the surface.

【0156】絶縁体層20の材料としては、SiO2
Si34などの無機物や、ポリイミドなどの有機物が挙
げられるが、層間の容量結合を小さくするため、なるべ
く誘電率の低いものが好ましい。また、上下の磁性体層
間の磁気的結合によって、磁性体層に導入された一軸磁
気異方性が乱されないように、絶縁体層の膜厚を決定す
る。適当な絶縁体層の膜厚は使用される磁性体に応じて
異なるので、適宜選択する。
Examples of the material of the insulator layer 20 include inorganic substances such as SiO 2 and Si 3 N 4 and organic substances such as polyimide, but those having a dielectric constant as low as possible are preferable in order to reduce capacitive coupling between layers. . Further, the film thickness of the insulating layer is determined so that the uniaxial magnetic anisotropy introduced into the magnetic layer is not disturbed by the magnetic coupling between the upper and lower magnetic layers. The appropriate thickness of the insulator layer varies depending on the magnetic material used, and therefore is appropriately selected.

【0157】実施例1 第1の手段による実施例を示す。図6に示す磁気素子を
下記のような方法で作製し、その性能を確認した。
Example 1 An example by the first means will be described. The magnetic element shown in FIG. 6 was manufactured by the following method, and its performance was confirmed.

【0158】シリコン基板の表面を熱酸化して、膜厚1
μmのSiO2膜を形成した。このSiO2膜上にRFス
パッタ法により膜厚1μmのセンダスト膜及び膜厚1μ
mのSiO2膜を順次形成した。
The surface of the silicon substrate is thermally oxidized to a film thickness of 1
A SiO 2 film of μm was formed. On this SiO 2 film, a sendust film having a film thickness of 1 μm and a film thickness of 1 μm are formed by the RF sputtering method.
m SiO 2 films were sequentially formed.

【0159】このSiO2膜上にDCマグネトロンスパ
ッタ法によりコイル導体となる膜厚10μmのAl−C
u合金膜を形成した。このAl−Cu合金膜上にエッチ
ングマスクとなる膜厚1.5μmのSiO2膜を形成し
た。このSiO2膜上にポジ型フォトレジストを塗布し
た後、フォトエッチングによりライン幅37μm、ライ
ン間隔3μmのスパイラルコイル状にパターニングし
た。CF4ガスを用いた反応性イオンエッチングにより
露出したSiO2膜をエッチングしてスパイラルコイル
状のSiO2マスクを形成した。更に、Cl2、BCl3
ガスによる低圧マグネトロン反応性イオンエッチングに
より、露出したAl−Cu合金膜をエッチングしてAl
−Cu合金からなるスパイラル状のコイル導体を形成し
た。このとき、マスクのSiO2及び下地SiO2に対す
るAl−Cu合金のエッチング選択比は15であり、垂
直異方性エッチングを実現できた。このようにして、外
形寸法2mm、巻数20、コイル導体幅37μm、導体
間間隔3μm、導体厚さ10μmのスパイラルコイルを
形成した。溝アスペクト比は、導体間間隔3μm、コイ
ル導体厚さ10μmより、3.3である。
On this SiO 2 film, an Al—C film having a film thickness of 10 μm to be a coil conductor was formed by a DC magnetron sputtering method.
A u alloy film was formed. The Al-Cu was formed an SiO 2 film as an etching mask film thickness 1.5μm on the alloy film. After coating a positive photoresist on the SiO 2 film, it was patterned into a spiral coil having a line width of 37 μm and a line interval of 3 μm by photoetching. The exposed SiO 2 film was etched by reactive ion etching using CF 4 gas to form a spiral coil-shaped SiO 2 mask. Furthermore, Cl 2 , BCl 3
The exposed Al-Cu alloy film is etched by a low pressure magnetron reactive ion etching with a gas to form an Al film.
A spiral coil conductor made of a Cu alloy was formed. At this time, the etching selection ratio of the Al—Cu alloy with respect to the SiO 2 of the mask and the underlying SiO 2 was 15, and vertical anisotropic etching could be realized. In this way, a spiral coil having an outer dimension of 2 mm, a winding number of 20, a coil conductor width of 37 μm, a conductor interval of 3 μm, and a conductor thickness of 10 μm was formed. The groove aspect ratio is 3.3 from the conductor spacing of 3 μm and the coil conductor thickness of 10 μm.

【0160】フォトレジストパターン及びSiO2マス
クを除去した後、バイアススパッタ法によりSiO2
を堆積し、コイル導体間の溝部をSiO2膜で埋め込ん
だ。エッチバック法によりSiO2膜上面を平坦化し
た。このSiO2膜上に、1μmのセンダスト膜を形成
し、更にSi34膜からなる保護膜を形成して平面イン
ダクタを作製した。
After removing the photoresist pattern and the SiO 2 mask, a SiO 2 film was deposited by the bias sputtering method, and the groove between the coil conductors was filled with the SiO 2 film. The upper surface of the SiO 2 film was flattened by the etch back method. A 1 μm sendust film was formed on the SiO 2 film, and a protective film made of a Si 3 N 4 film was further formed to produce a planar inductor.

【0161】この平面インダクタをインピーダンスメー
タにより測定した結果、周波数2MHzにおいて抵抗分
R=5.8Ω、インダクタンスL=3.78μH、Q=
8が得られた。
As a result of measuring this planar inductor with an impedance meter, at a frequency of 2 MHz, a resistance component R = 5.8Ω, an inductance L = 3.78 μH, Q =
8 was obtained.

【0162】この平面インダクタを2MHzスイッチン
グで動作する降圧チョッパー型DC−DCコンバータの
出力側チョークコイルとして用いた。このDC−DCコ
ンバータは、入力電圧10V、出力電圧5V、出力電力
500mWのものである。その結果、正常に動作するこ
とが確認され、定格負荷時の効率は70%、平面インダ
クタによる損失は58mW、その他の半導体素子などが
156mWであった。
This planar inductor was used as an output side choke coil of a step-down chopper type DC-DC converter operating at 2 MHz switching. This DC-DC converter has an input voltage of 10V, an output voltage of 5V, and an output power of 500mW. As a result, it was confirmed to operate normally, the efficiency at the rated load was 70%, the loss due to the planar inductor was 58 mW, and the other semiconductor elements were 156 mW.

【0163】上記の平面インダクタの性能を確認するた
めに、同一のプロセスを用い、コイル導体幅21μm、
導体間間隔20μm、導体厚さ4μmに設定して平面イ
ンダクタを形成した。この場合の溝アスペクト比は0.
2である。
In order to confirm the performance of the above planar inductor, the same process was used, the coil conductor width was 21 μm,
A plane inductor was formed by setting the inter-conductor spacing to be 20 μm and the conductor thickness to be 4 μm. In this case, the groove aspect ratio is 0.
It is 2.

【0164】この平面インダクタをインピーダンスメー
タにより測定した結果、周波数2MHzにおいて抵抗分
R=10.3Ω、インダクタンスL=3.7μH、Q=
4.5であった。
As a result of measuring this planar inductor with an impedance meter, at a frequency of 2 MHz, a resistance component R = 10.3Ω, an inductance L = 3.7 μH, Q =
It was 4.5.

【0165】この平面インダクタを上記と同一のDC−
DCコンバータに組み込んだところ、平面インダクタに
よる損失が103mWとなり、コンバータの効率は65
%に低下した。
This plane inductor is connected to the same DC-
When incorporated in a DC converter, the loss due to the planar inductor is 103 mW, and the converter efficiency is 65
Fell to%.

【0166】実施例2 実施例1と同様のプロセスを用い、薄膜平面トランスを
作製した。1次側コイルは、外形2mm、巻数20、導
体幅37μm、導体間間隔3μm、導体厚さ10μm、
溝アスペクト比3.3とした。2次側コイルは、外形2
mm、巻数40、導体幅17μm、導体間間隔3μm、
導体厚さ10μm、溝アスペクト比3.3とした。下部
及び上部の磁性体間のギャップは23μmである。
Example 2 Using the same process as in Example 1, a thin film flat transformer was produced. The primary coil has an outer shape of 2 mm, a winding number of 20, a conductor width of 37 μm, a conductor interval of 3 μm, a conductor thickness of 10 μm,
The groove aspect ratio was 3.3. The secondary coil has an outer shape 2
mm, number of turns 40, conductor width 17 μm, conductor spacing 3 μm,
The conductor thickness was 10 μm and the groove aspect ratio was 3.3. The gap between the lower and upper magnetic bodies is 23 μm.

【0167】この平面トランスをインピーダンスメータ
により測定した結果、1次側インダクタンスは3.8μ
H、2次側インダクタンスは14μH、相互インダクタ
ンスは6.8μHで、結合係数kは0.93と見積もら
れた。
As a result of measuring this flat transformer with an impedance meter, the primary side inductance was 3.8 μm.
The secondary inductance was 14 μH, the mutual inductance was 6.8 μH, and the coupling coefficient k was estimated to be 0.93.

【0168】この平面トランスの1次側に実効値1Vの
500kHz正弦波電圧を加えたところ、2次側に実効
値1.7Vの正弦波電圧が発生した。この平面トランス
に200Ωの純抵抗負荷を接続したところ、無負荷時の
端子電圧に対する電圧変動率は約10%であった。
When a 500 kHz sine wave voltage having an effective value of 1 V was applied to the primary side of this plane transformer, a sine wave voltage having an effective value of 1.7 V was generated on the secondary side. When a pure resistance load of 200Ω was connected to this plane transformer, the voltage fluctuation rate with respect to the terminal voltage when there was no load was about 10%.

【0169】この平面トランスを2MHzスイッチング
で動作するフォワード型DC−DCコンバータに用いて
評価した。このDC−DCコンバータは、入力電圧3
V、出力電圧5V、出力電力100mWのものである。
その結果、定格負荷時のトランスの損失は88mWであ
った。
This plane transformer was used for evaluation in a forward type DC-DC converter operating at 2 MHz switching. This DC-DC converter has an input voltage of 3
V, output voltage 5 V, output power 100 mW.
As a result, the loss of the transformer at the rated load was 88 mW.

【0170】上記で作製した平面トランスの性能を確認
するために、上記と同一のプロセスを用い、薄膜平面ト
ランスを作製した。1次側コイルは、外形2mm、巻数
20、導体幅21μm、導体間間隔20μm、導体厚さ
10μm、溝アスペクト比0.5とした。2次側コイル
は、外形2mm、巻数40、導体幅10μm、導体間間
隔10μm、導体厚さ10μm、溝アスペクト比1.0
とした。下部及び上部の磁性体間のギャップは23μm
である。
In order to confirm the performance of the flat transformer manufactured above, a thin film flat transformer was manufactured using the same process as above. The primary coil had an outer shape of 2 mm, a winding number of 20, a conductor width of 21 μm, a conductor spacing of 20 μm, a conductor thickness of 10 μm, and a groove aspect ratio of 0.5. The secondary coil has an outer shape of 2 mm, a winding number of 40, a conductor width of 10 μm, a conductor interval of 10 μm, a conductor thickness of 10 μm, and a groove aspect ratio of 1.0.
And The gap between the lower and upper magnetic bodies is 23 μm
Is.

【0171】この平面トランスの1次側に実効値1Vの
500kHz正弦波電圧を加えたところ、2次側に実効
値1.3Vの正弦波電圧が発生した。2次側電圧が低い
原因は、1次側コイル抵抗が高いために1次側電圧降下
が大きく、トランスゲインが低下したことによる。
When a 500 kHz sine wave voltage having an effective value of 1 V was applied to the primary side of this plane transformer, a sine wave voltage having an effective value of 1.3 V was generated on the secondary side. The cause of the low secondary side voltage is that the primary side coil resistance is high, so that the primary side voltage drop is large and the transformer gain is reduced.

【0172】上記と同様に、この平面トランスに200
Ωの純抵抗負荷を接続したところ、無負荷時の端子電圧
に対する電圧変動率は約18%であった。
In the same manner as above, this plane transformer has 200
When a pure resistance load of Ω was connected, the voltage fluctuation rate with respect to the terminal voltage when there was no load was about 18%.

【0173】この平面トランスを上記と同一のDC−D
Cコンバータに用いて評価したところ、定格負荷時のト
ランスの損失は152mWであり、発熱がかなり大きく
なり、50℃もの温度上昇が観察された。
This plane transformer is replaced with the same DC-D as above.
When evaluated using a C converter, the transformer loss at the rated load was 152 mW, the heat generation was considerably large, and a temperature rise of 50 ° C. was observed.

【0174】実施例3 第2の手段による実施例を示す。本実施例は、図12に
おいて、基板10と導体42の間に絶縁体層を形成した
ときの実施例である。
Embodiment 3 An embodiment of the second means will be described. This embodiment is an embodiment in which an insulator layer is formed between the substrate 10 and the conductor 42 in FIG.

【0175】Si基板上にSiO2層(厚さ1μm)を
形成した後、5μmのAl層をスパッタリング法により
形成した(比抵抗2.8×10-6Ωcm)。ついでフォ
トレジスト法でエッチングにより、幅5μm(導体アス
ペクト比1)、ピッチ10μm、ターン数200のスパ
イラル状コイル(内径1mm、外径5mm)を作成し
た。コイル抵抗は120Ω、インダクタンスは0.14
mHであった。
After forming a SiO 2 layer (thickness 1 μm) on a Si substrate, a 5 μm Al layer was formed by a sputtering method (specific resistance 2.8 × 10 −6 Ωcm). Then, a spiral coil (inner diameter: 1 mm, outer diameter: 5 mm) having a width of 5 μm (conductor aspect ratio of 1), a pitch of 10 μm and a number of turns of 200 was formed by etching with a photoresist method. Coil resistance is 120Ω, inductance is 0.14
It was mH.

【0176】これを降圧チョッパー方式の0.1W級D
C−DCコンバータ(動作周波数300kHz)に組み
込んで試験したところ、インダクタとして動作している
ことが確認された。
[0176] This is a step-down chopper type 0.1W class D
When incorporated into a C-DC converter (operating frequency of 300 kHz) and tested, it was confirmed that it was operating as an inductor.

【0177】なお、参考のため幅、10μm(導体アス
ペクト比1/2)、ピッチ15μm、ターン数130の
同一外形(占有面積同一)のスパイラル状コイルを作成
したところ、インダクタンスは0.05mHであった。
For reference, a spiral coil having a width of 10 μm (a conductor aspect ratio of 1/2), a pitch of 15 μm and a number of turns of 130 and having the same outer shape (the same occupied area) was prepared, and the inductance was 0.05 mH. It was

【0178】実施例4 コイルの上下面に、SiO2層(1μm厚)を介してC
o−Si−B系の非晶質合金(2μm厚)層を形成した
こと以外は実施例3と同様にしてコイルを形成した。
Example 4 C was formed on the upper and lower surfaces of the coil with a SiO 2 layer (1 μm thick) interposed therebetween.
A coil was formed in the same manner as in Example 3 except that an o-Si-B system amorphous alloy (2 μm thick) layer was formed.

【0179】インダクタンスは2mHであった。The inductance was 2 mH.

【0180】実施例5 この実施例は、実施例4のコイルとして2層構造のコイ
ルを用いてトランスを構成した例である。
Example 5 This example is an example in which a transformer having a two-layer structure is used as the coil of Example 4.

【0181】第1層のコイルは実施例4のコイルと同様
とした。第2層のコイルは、導体厚5μm、幅5μm
(導体アスペクト比1)、ピッチ20μm、ターン数1
00のスパイラル状コイルとし、スパイラル中心がほぼ
同一となるようにした。
The coil of the first layer was the same as the coil of Example 4. The coil of the second layer has a conductor thickness of 5 μm and a width of 5 μm.
(Conductor aspect ratio 1), pitch 20 μm, number of turns 1
A spiral coil of 00 was used so that the spiral centers were almost the same.

【0182】トランス動作を確認したところ、ターン数
比と同一の昇圧比2で動作することが確認された。
When the operation of the transformer was confirmed, it was confirmed that the transformer operated at the boost ratio 2 which was the same as the turn number ratio.

【0183】実施例6 実施例3と同様の磁気素子を作製方法を変更したときの
実施例を示す。
Example 6 An example in which the method of manufacturing the same magnetic element as in Example 3 is changed will be described.

【0184】Si基板上にSiO2層(厚さ4μm)を
形成した後、10μmのAl単結晶層をMBE法により
形成した(比抵抗2.6×10-6Ωcm)。ついでフォ
トレジスト法ではエッチングにより、幅5μm(導体ア
スペクト比2)、ピッチ10μm、ターン数200のス
パイラル状コイル(内径1mm、外径5mm)を作成し
た。コイル抵抗は50Ω、インダクタンスは0.14m
Hであった。
After forming a SiO 2 layer (thickness: 4 μm) on a Si substrate, an Al single crystal layer having a thickness of 10 μm was formed by the MBE method (specific resistance 2.6 × 10 −6 Ωcm). Then, by the photoresist method, a spiral coil (inner diameter 1 mm, outer diameter 5 mm) having a width of 5 μm (conductor aspect ratio 2), a pitch of 10 μm and a number of turns of 200 was formed by etching. Coil resistance is 50Ω, inductance is 0.14m
It was H.

【0185】実施例3の場合に比べコイル抵抗の低下に
より、許容電流が増し、高電力化が可能となる。
As compared to the case of the third embodiment, the coil resistance is lowered, so that the allowable current is increased and the power can be increased.

【0186】実施例7 実施例3と同様の磁気素子を作製方法を変更したときの
実施例を示す。
Example 7 An example in which the manufacturing method of a magnetic element similar to that in Example 3 was changed will be described.

【0187】Si基板上に酸化処理によりSiO2
(厚さ1μm)を形成した後に、蒸着法により5μmの
Al−Si−Cu合金層を形成した。ついでCVD法に
よりSiO2層(厚さ1μm)を形成した後、レジスト
パターンを形成し、マグネトロンRIE装置によりAl
合金層を切り、幅2μm(導体アスペクト比2.5)、
ピッチ3μm、ターン数500の正方形ミアンダー状コ
イル(内径1mm、外径4mm)を作成した。
After a SiO 2 layer (thickness 1 μm) was formed on a Si substrate by an oxidation treatment, a 5 μm Al—Si—Cu alloy layer was formed by a vapor deposition method. Next, after forming a SiO 2 layer (thickness 1 μm) by the CVD method, a resist pattern is formed and Al is formed by a magnetron RIE apparatus.
Cut the alloy layer, width 2μm (conductor aspect ratio 2.5),
A square meandering coil (inner diameter 1 mm, outer diameter 4 mm) having a pitch of 3 μm and a number of turns of 500 was prepared.

【0188】ついでモノシラン(SiO4)と亜酸化窒
素(N2O)とを原料としたプラズマCVD法により、
コイル上にSiO2層を形成した。この原料を用いたプ
ラズマCVD法は供給律速となる1例であり、本実施例
の導体間隔が1μmと狭く、かつ、導体アスペクト比が
2.5と大きいことから、コイルを構成する導体間は空
洞化することができた。なおインダクタンスは1.6m
Hであった。
Then, a plasma CVD method using monosilane (SiO 4 ) and nitrous oxide (N 2 O) as raw materials was performed.
A SiO 2 layer was formed on the coil. The plasma CVD method using this raw material is an example in which the supply is rate-controlled, and the conductor interval of this embodiment is as narrow as 1 μm and the conductor aspect ratio is as large as 2.5. It could be hollowed out. The inductance is 1.6m
It was H.

【0189】この様にコイル形成導体間を空洞化した場
合と、導体間にシリコンを充填した場合とでは、線間に
生じる容量が大きく異なるため、高周波特性が著しく異
なる。本実施例の場合は10MHzまでインダクタンス
の低下は生じなかったが、線間にシリコンを充填した場
合は800kHz程度で急激なインダクタンスの低下が
見られた。
In this way, the high-frequency characteristics are remarkably different between the case where the coil-forming conductors are hollow and the case where the conductors are filled with silicon because the capacitance generated between the lines is significantly different. In the case of this example, the inductance did not decrease until 10 MHz, but when silicon was filled between the lines, a drastic decrease in inductance was observed at about 800 kHz.

【0190】実施例8 第2の手段において、図13の方法によって、コイル導
体間を空洞にした実施例を示す。
Embodiment 8 In the second means, an embodiment in which the coil conductors are made hollow by the method shown in FIG. 13 will be described.

【0191】Si基板上に熱酸化によりSiO2層(厚
さ1μm)を形成した後、スパッタリング法により1μ
mAl層を形成した。ついでSi基板を外気にさらすこ
とで表面を酸化した後、再度スパッタリング法によりA
l層を形成する工程を繰り返し、1μmのAl層間に約
30Åの酸化アルミニウム層が形成された5μmの導体
層を形成した。次に、表面にプラズマCVD法により酸
化シリコン層を形成した後、ドライエッチング法により
正方形ミアンダー状コイルを作成した。コイル諸元は、
外径5mm、繰り返し数1000、線幅2μm、導体線
間隔0.5μmである。ついでプラズマCVD法により
酸化シリコン層を形成し、導体線間隔を空洞のまま封じ
込めた。
After forming a SiO 2 layer (thickness: 1 μm) on a Si substrate by thermal oxidation, 1 μm is formed by a sputtering method.
An mAl layer was formed. Then, the Si substrate is exposed to the outside air to oxidize the surface, and then the sputtering method
The step of forming the 1-layer was repeated to form a conductor layer of 5 μm in which an aluminum oxide layer of about 30 Å was formed between Al layers of 1 μm. Next, a silicon oxide layer was formed on the surface by a plasma CVD method, and then a square meander coil was formed by a dry etching method. The coil specifications are
The outer diameter is 5 mm, the number of repetitions is 1000, the line width is 2 μm, and the conductor line interval is 0.5 μm. Then, a silicon oxide layer was formed by the plasma CVD method, and the conductor line interval was sealed in as a cavity.

【0192】このSi基板上でコイルの近傍に昇圧チョ
ッパータイプのDC−DCコンバータ回路(昇圧比1.
5V/3V、出力電流0.2mA)を作り込み、ワンチ
ップ型のDC−DCコンバータを形成した。サイズは、
厚さが0.5mmで10mm×5mmであり、回路中の
スイッチング素子の駆動周波数は5MHzである。動作
試験の結果、十分に機能していることが確認された。な
お駆動周波数500kHzではインピーダンス不足で十
分な動作が実現できなかった。
A step-up chopper type DC-DC converter circuit (step-up ratio 1.
5V / 3V, output current 0.2mA) was built in to form a one-chip type DC-DC converter. The size is
The thickness is 0.5 mm, the size is 10 mm × 5 mm, and the driving frequency of the switching element in the circuit is 5 MHz. As a result of the operation test, it was confirmed that it was fully functioning. At a driving frequency of 500 kHz, impedance was insufficient and sufficient operation could not be realized.

【0193】本実施例で得られたワンチップDC−DC
コンバータを用いることにより、ポケットベル(登録商
標)などの従来カード化が困難であったものもカード化
することができる。図66に前記1チップDC−DCコ
ンバータを用いたカードタイプのポケットベルの概略図
を示す。アンテナ部210、動作回路部220、圧電ブ
ザーなどの発音部230、それと上記1チップ型のDC
−DCコンバータ240とがカード基体200上に配置
され、カバー部分(図示せず)で覆われ、全体としてカ
ード状のポケットベルが構成される。
One-chip DC-DC obtained in this example
By using the converter, a pager (registered trademark) or the like, which has been difficult to be formed into a card, can be formed into a card. FIG. 66 shows a schematic view of a card type pager using the one-chip DC-DC converter. Antenna section 210, operating circuit section 220, sounding section 230 such as a piezoelectric buzzer, and the one-chip type DC
The DC converter 240 and the DC converter 240 are arranged on the card base 200, and are covered with a cover portion (not shown) to form a card-shaped pager as a whole.

【0194】実施例9 第3の手段による実施例を示す。図23の磁気素子を作
製し、その性能を確認した。
Embodiment 9 An embodiment of the third means will be described. The magnetic element of FIG. 23 was produced and its performance was confirmed.

【0195】ポリイミドフィルム上に100μmの厚さ
の銅箔を接着した後、湿式化学エッチングによりスパイ
ラルコイル状にパターニングした平面コイルを7μm厚
のポリイミドフィルムを介して、5μm厚のCo系アモ
ルファス合金箔で挟み込み平面インダクタを形成した。
この時、スパイラルコイルの外形寸法a0は11mmで
あった。Co系アモルファス合金箔の透磁率は4500
と見積られ、磁性体間ギャップ114μmよりαの値は
約1mmとなり、磁性体外系寸法wを15mm(a0+
4αとなる)とした。このようにして形成した平面イン
ダクタに0.1Aの直流電流を流して、インダクタ近傍
の漏れ磁界を高感度ガウスメータで測定したところ、漏
れ磁界は検出限界以下であった。
A copper coil having a thickness of 100 μm was adhered onto a polyimide film, and then a planar coil patterned in a spiral coil shape by wet chemical etching was coated with a Co-type amorphous alloy foil having a thickness of 5 μm through a polyimide film having a thickness of 7 μm. A sandwiched planar inductor was formed.
At this time, the outer dimension a0 of the spiral coil was 11 mm. Permeability of Co-based amorphous alloy foil is 4500
It is estimated that the value of α is about 1 mm from the gap between magnetic bodies of 114 μm, and the external magnetic system dimension w is 15 mm (a0 +
4α). When a DC current of 0.1 A was passed through the thus formed planar inductor and the leakage magnetic field in the vicinity of the inductor was measured with a high-sensitivity Gauss meter, the leakage magnetic field was below the detection limit.

【0196】上記の平面インダクタの漏れ磁界を比較す
るために、上記と同一の手法で形成した平面インダクタ
において、磁性体外形寸法wとして12mmを採用し
(a0+αとなる)、上記と同様に0.1Aの直流電流
を流してインダクタ近傍の漏れ磁界を測定したところ、
約30ガウスの漏れ磁界が検出された。
In order to compare the leakage magnetic fields of the above planar inductors, in a planar inductor formed by the same method as above, 12 mm was adopted as the outer dimension w of the magnetic material (a0 + α), and 0. When the leakage magnetic field in the vicinity of the inductor was measured by applying a DC current of 1A,
A stray magnetic field of about 30 Gauss was detected.

【0197】実施例10 第3の手段による実施例を示す。実施例9の磁気素子に
おいて、第4の手段を付加したときの実施例である(図
29参照)。
Embodiment 10 An embodiment according to the third means will be shown. This is an example in which the fourth means is added to the magnetic element of Example 9 (see FIG. 29).

【0198】半導体基板上に、(1)RFマグネトロン
スパッタ法により1μm厚Co系アモルファス磁性薄膜
を形成した後、(2)RFスパッタ法により1μm厚絶
縁膜(SiO2)を成膜した。(3)その上に、DCマ
グネトロンスパッタ法によって、厚さ10μmのAl−
Cu合金膜を形成した後、マグネトロン方式反応性イオ
ンエッチングにより、スパイラルコイル状にパターンニ
ングして平面コイルを形成した。(4)更に、スパイラ
ル平面コイルの上からバイアススパッタ法によって絶縁
膜(SiO2)を埋め込み、平坦化した。(5)その上
に、RFマグネトロンスパッタ法により1μm厚Co系
アモルファス磁性薄膜を形成して平面インダクタを構成
した。
On a semiconductor substrate, (1) a 1 μm thick Co-based amorphous magnetic thin film was formed by the RF magnetron sputtering method, and (2) an 1 μm thick insulating film (SiO 2 ) was formed by the RF sputtering method. (3) On top of that, Al- having a thickness of 10 μm is formed by a DC magnetron sputtering method.
After forming the Cu alloy film, the planar coil was formed by patterning into a spiral coil shape by magnetron-type reactive ion etching. (4) Further, an insulating film (SiO 2 ) was embedded on the spiral plane coil by a bias sputtering method to be flattened. (5) A 1 μm thick Co-based amorphous magnetic thin film was formed thereon by the RF magnetron sputtering method to form a planar inductor.

【0199】この時、試料振動型磁力計にて、Co系ア
モルファス磁性薄膜の透磁率を概略求めたところ、約1
000であった。また、スパイラル平面コイルの外形寸
法a0は4.5mmであり、磁性体間ギャップ12μm
よりαは77μmと見積られ、磁性体外形寸法wとして
5mm(a0+6.5α)を採用した。実施例1と同様
に、平面インダクタの近傍で漏れ磁束を計測してみた
が、検出限界以下であった。
At this time, the magnetic permeability of the Co-based amorphous magnetic thin film was roughly determined with a sample vibrating magnetometer.
It was 000. Further, the outer dimension a0 of the spiral plane coil is 4.5 mm, and the gap between magnetic bodies is 12 μm.
Therefore, α is estimated to be 77 μm, and 5 mm (a 0 + 6.5α) is adopted as the outer dimension w of the magnetic body. Similar to Example 1, the leakage magnetic flux was measured in the vicinity of the planar inductor, but it was below the detection limit.

【0200】上記と同一の手法で半導体基板上に平面イ
ンダクタを構成したが、磁性体寸法wのみ4.6mm
(a0+1.3α)に変更した。この平面インダクタ近
傍の漏れ磁界を実施例9と同様に高感度ガウスメータで
測定したところ、約50ガウスの漏れ磁束が検出され
た。
A planar inductor was formed on a semiconductor substrate by the same method as above, but only the magnetic material dimension w was 4.6 mm.
It was changed to (a0 + 1.3α). When the leakage magnetic field in the vicinity of the planar inductor was measured with a high-sensitivity Gauss meter as in Example 9, a leakage magnetic flux of about 50 Gauss was detected.

【0201】実施例11 実施例9と同じ手法で、種々の磁性体外形寸法を持つ平
面インダクタを形成し、LCRメータによってインダク
タンスの値を測定してみたところ、磁性体外形15mm
を有する平面インダクタは12mmものに比べ、約1.
3倍のインダクタンス値90μHが得られた。この、イ
ンダクタンス増大効果は実施例10の手法で形成される
平面インダクタの場合においても、同様に認められた。
Example 11 Using the same technique as in Example 9, a planar inductor having various outer dimensions of a magnetic material was formed, and the inductance value was measured with an LCR meter. The outer diameter of the magnetic material was 15 mm.
Planar inductors with about 1.
A triple inductance value of 90 μH was obtained. This effect of increasing the inductance was similarly recognized in the case of the planar inductor formed by the method of Example 10.

【0202】実施例12 実施例9で製作された平面インダクタを用いて、ハイブ
リッドタイプの降圧チョッパーICを構成した。ICに
は、パワーMOS−FETによるスイッチ素子、整流ダ
イオード、低電圧制御部などが含まれる。このコンバー
タは100kHzスイッチングで動作し、入力電圧10
V、出力電圧5V、出力電力2Wのもので、出力制御チ
ョークコイルとして80μH以上のインダクタンスが必
要であり、実施例9による平面インダクタはこの値を満
足する。実際にこのコンバータICを動作させたとこ
ろ、平面インダクタはチョークコイルとして正常に動作
し、FETのスイッチング波形のリンキングも少なく、
定格出力時(5V、0.4A)の出力リップル電圧はピ
ーク値で10mV程度で問題ないレベルであった。
Example 12 A hybrid type step-down chopper IC was constructed by using the planar inductor manufactured in Example 9. The IC includes a switch element using a power MOS-FET, a rectifying diode, a low voltage control unit, and the like. This converter operates at 100 kHz switching and has an input voltage of 10
V, output voltage 5V, output power 2W, an inductance of 80 μH or more is required as an output control choke coil, and the planar inductor according to the ninth embodiment satisfies this value. When this converter IC is actually operated, the planar inductor operates normally as a choke coil, and there is little linking of the switching waveform of the FET.
At the rated output (5 V, 0.4 A), the output ripple voltage had a peak value of about 10 mV, which was at a level without problems.

【0203】実施例9の性能を比較するために製作され
た平面インダクタを実施例12のハイブリッド型DC−
DCコンバータICに組み込んだところ、FETのスイ
ッチング波形に大きなリンキングが見られ(平面インダ
クタの漏れ磁界の影響によるものと思われる)、また、
定格出力時(5V、0.4A)の出力リップル電圧のピ
ーク値は0.1Vとなった(インダクタンス値がチョー
クコイルとして必要な80μHを満足せず、リップル抑
制が不十分であることによる)。
A planar inductor manufactured to compare the performance of Example 9 was used as a hybrid DC-type of Example 12.
When incorporated into a DC converter IC, a large linking is seen in the switching waveform of the FET (probably due to the effect of the leakage magnetic field of the planar inductor).
The peak value of the output ripple voltage at the rated output (5 V, 0.4 A) was 0.1 V (because the inductance value does not satisfy 80 μH required as a choke coil and ripple suppression is insufficient).

【0204】実施例13 第4の手段の実施例を示す。図33に示す磁気素子を作
製し、その性能を確認した。
Embodiment 13 An embodiment of the fourth means will be shown. The magnetic element shown in FIG. 33 was produced and its performance was confirmed.

【0205】厚さ30μmのポリイミドフィルム上に厚
さ100μmの銅箔を接着した後、ウェットエッチング
により導体幅100μm、導体間間隔100μm、巻数
20の角型スパイラル形状にパターニングして平面コイ
ルを形成した。この平面コイル上に厚さ10μmのポリ
イミドフィルムを重ねた。これらの両面を、一軸磁気異
方性を導入した厚さ15μmのCo系アモルファス磁性
薄帯(1層目)で挟んだ。このCo系アモルファス磁性
薄帯は、単ロール法を用いて溶湯急冷法により作製した
ものに、磁界中アニール法によって一軸磁気異方性を導
入したものである。この磁性薄帯については、異方性磁
界2Oe、困難軸透磁率5000、飽和磁束密度10k
Gである。これらの両面を厚さ5μmのポリイミドフィ
ルム、及び一軸磁気異方性を導入した厚さ15μmのC
o系アモルファス磁性薄帯(2層目)で挟んで、平面イ
ンダクタを作製した。なお、1層目と2層目のCo系ア
モルファス磁性薄帯は、一軸磁気異方性の方向が互いに
直交するように積層されている。この平面インダクタの
外形寸法10mmである。
A copper foil having a thickness of 100 μm was adhered on a polyimide film having a thickness of 30 μm, and then patterned by wet etching into a rectangular spiral shape having a conductor width of 100 μm, an interval between conductors of 100 μm, and a winding number of 20 to form a planar coil. . A polyimide film having a thickness of 10 μm was overlaid on the flat coil. Both surfaces of these were sandwiched by Co-based amorphous magnetic ribbons (first layer) having a thickness of 15 μm and introduced with uniaxial magnetic anisotropy. This Co-based amorphous magnetic ribbon is produced by a molten metal quenching method using a single roll method, and uniaxial magnetic anisotropy is introduced by an annealing method in a magnetic field. About this magnetic ribbon, anisotropic magnetic field 2 Oe, hard axis permeability 5000, saturation magnetic flux density 10 k
G. A polyimide film having a thickness of 5 μm on both sides thereof and a C film having a thickness of 15 μm into which uniaxial magnetic anisotropy is introduced
A planar inductor was produced by sandwiching it between the o-type amorphous magnetic ribbons (second layer). The first and second Co-based amorphous magnetic ribbons are laminated so that the directions of uniaxial magnetic anisotropy are orthogonal to each other. The external dimensions of this planar inductor are 10 mm.

【0206】得られた平面インダクタについてインダク
タンスの直流重畳特性を測定した。その結果、インダク
タンス値は400mAまで12.5μHでフラットに維
持され、500mA以上で低下し始めた。
The direct current superposition characteristics of the inductance of the obtained planar inductor were measured. As a result, the inductance value was kept flat at 12.5 μH up to 400 mA, and started to decrease at 500 mA or more.

【0207】この平面インダクタを入力電圧12V、出
力電圧5Vの降圧チョッパー型DC−DCコンバータの
出力側チョークコイルとして用いた。このコンバータ
は、スイッチング周波数500kHzで、負荷電流40
0mAまで出力することができ、最大出力電力2W、効
率80%が得られた。
This planar inductor was used as an output side choke coil of a step-down chopper type DC-DC converter with an input voltage of 12V and an output voltage of 5V. This converter has a switching frequency of 500 kHz and a load current of 40 kHz.
It was possible to output up to 0 mA, and maximum output power of 2 W and efficiency of 80% were obtained.

【0208】急冷後のCo系アモルファス磁性薄帯(参
考例13a)をそのまま用いるか、又はCo系アモルフ
ァス磁性薄帯に無磁界アニールを施したもの(参考例1
3b)を用いた以外は、上記と全く同様な方法により平
面インダクタを作製した。前者の透磁率は2000、後
者の透磁率は10000であり、いずれも明確な磁気異
方性は認められなかった。
The Co-based amorphous magnetic ribbon after quenching (Reference Example 13a) was used as it was, or the Co-based amorphous magnetic ribbon was subjected to non-magnetic field annealing (Reference Example 1).
A planar inductor was manufactured by the same method as above except that 3b) was used. The former had a magnetic permeability of 2000 and the latter had a magnetic permeability of 10,000, and no clear magnetic anisotropy was observed in either case.

【0209】これらの平面インダクタの直流重畳特性を
測定した。その結果、参考例13bの高透磁率磁性薄帯
を用いた平面インダクタでは、上記と比較してインダク
タンスが高かったが、インダクタンス一定の直流電流の
範囲は200mAまでであり、直流電流が250mA以
上でインダクタンスが急激に低下した。一方、参考例1
3aの低透磁率磁性薄帯を用いた平面インダクタでは、
上記と比較してインダクタンスが低く、しかも直流電流
が小さい範囲から徐々にインダクタンスが低下した。こ
れらの2つの平面インダクタは、上記と比較して周波数
特性も劣っていた。特に、100kHz以上の高周波側
で損失が急激に大きくなり、1MHzでのQ値は実施例
9の場合の1/2以下に低下した。
The DC superposition characteristics of these planar inductors were measured. As a result, in the planar inductor using the high magnetic permeability magnetic ribbon of Reference Example 13b, the inductance was higher than the above, but the range of the direct current with constant inductance was up to 200 mA, and the direct current was 250 mA or more. The inductance dropped sharply. On the other hand, Reference Example 1
In the planar inductor using the low permeability magnetic ribbon of 3a,
The inductance was low compared to the above, and the inductance gradually decreased from the range where the direct current was small. The frequency characteristics of these two planar inductors were inferior to the above. In particular, the loss abruptly increased on the high frequency side of 100 kHz or more, and the Q value at 1 MHz fell to 1/2 or less of that in the case of Example 9.

【0210】これらの平面インダクタを、上記と同一の
DC−DCコンバータの出力側チョークコイルとして用
いたが、上記と比較して直流重畳特性が劣っているた
め、最大負荷電流は200mA程度に制限された。この
ため、最大出力電力は上記に比べて半減し、効率も70
%程度であった。
These planar inductors were used as the output side choke coils of the same DC-DC converter as above. However, since the DC superposition characteristics were inferior to the above, the maximum load current was limited to about 200 mA. It was Therefore, the maximum output power is halved compared to the above and the efficiency is 70%.
It was about%.

【0211】実施例14 実施例13における巻数20のスパイラル平面コイルを
1次側とし、この1次側スパイラル平面コイル上に絶縁
体層を介して巻数10の2次側スパイラル平面コイルを
形成した以外は、実施例13と同様な方法により平面ト
ランスを作製した。1次側インダクタンスの直流重畳特
性は、実施例13の平面インダクタとほぼ同等であっ
た。
Example 14 The spiral plane coil having 20 turns in Example 13 was used as the primary side, and the secondary side spiral plane coil having 10 turns was formed on the primary side spiral plane coil with an insulating layer interposed therebetween. Produced a planar transformer in the same manner as in Example 13. The DC superimposition characteristic of the primary-side inductance was almost the same as that of the planar inductor of Example 13.

【0212】この平面トランスを入力電圧12V、出力
電圧5Vのフォワード型DC−DCコンバータのトラン
スに適用し、実施例13の平面インダクタを出力側チョ
ークコイルに用いた。このコンバータは、スイッチング
周波数500kHzで、実施例13で適用したDC−D
Cコンバータと同等の定格出力を得ることができた。こ
の結果、絶縁型DC−DCコンバータの小形化が実現で
きた。
This planar transformer was applied to a transformer of a forward type DC-DC converter having an input voltage of 12V and an output voltage of 5V, and the planar inductor of Example 13 was used for the output side choke coil. This converter has a switching frequency of 500 kHz and the DC-D applied in Example 13.
The rated output equivalent to that of the C converter could be obtained. As a result, miniaturization of the insulation type DC-DC converter was realized.

【0213】磁性体として参考例13a又は参考例13
bの磁性体を用いた以外は、上記と全く同一構造の平面
トランスを作製した。1次側インダクタンスの直流重畳
特性は、参考例13a、bの平面インダクタとほぼ同等
であった。
Reference example 13a or reference example 13 as a magnetic material
A flat transformer having the same structure as the above except that the magnetic substance b was used was produced. The DC superimposition characteristics of the primary side inductance were almost the same as those of the planar inductors of Reference Examples 13a and 13b.

【0214】この平面トランスを上記と同一のフォワー
ド型DC−DCコンバータのトランスに適用した。しか
し、トランスの磁気飽和のために、正常な電力変換がな
されず、コンバータとしての動作が確認できなかった。
This planar transformer was applied to the same forward type DC-DC converter transformer as described above. However, due to the magnetic saturation of the transformer, normal power conversion was not performed and the operation as a converter could not be confirmed.

【0215】実施例15 第4の手段において、図35の磁気素子を作製したとき
の実施例を示す。
Example 15 An example of producing the magnetic element of FIG. 35 by the fourth means will be described.

【0216】シリコン基板の表面を熱酸化して膜厚1μ
mのSiO2膜を形成した。次に、RFマグネトロンス
パッタ装置を用い、100Oeの磁界中で、SiO2
上に膜厚1μmのCoZrNbアモルファス磁性薄膜を
成膜し、約5Oeの異方性磁界を有する一軸磁気異方性
を導入した。この磁性薄膜上に、プラズマCVD法又は
RFスパッタ法により膜厚500nmのSiO2膜を堆
積した。同様にして、磁性薄膜の形成及びSiO2膜の
形成を繰り返して、合計4周期の磁性体層/絶縁体層の
多層膜を形成した。なお、最上部のSiO2膜の膜厚は
1μmとした。この際、隣り合う磁性体層どうしで、一
軸磁気異方性の方向が互いに直交するように、成膜時に
磁界の方向を変化させた。
The surface of the silicon substrate is thermally oxidized to a film thickness of 1 μm.
m SiO 2 film was formed. Next, using a RF magnetron sputtering device, a CoZrNb amorphous magnetic thin film with a film thickness of 1 μm was formed on the SiO 2 film in a magnetic field of 100 Oe, and uniaxial magnetic anisotropy having an anisotropic magnetic field of about 5 Oe was introduced. did. On this magnetic thin film, a SiO 2 film having a film thickness of 500 nm was deposited by the plasma CVD method or the RF sputtering method. Similarly, the formation of the magnetic thin film and the formation of the SiO 2 film were repeated to form a total of 4 cycles of the multilayer film of the magnetic layer / insulating layer. The thickness of the uppermost SiO 2 film was 1 μm. At this time, the direction of the magnetic field was changed during the film formation so that the uniaxial magnetic anisotropy directions of the adjacent magnetic layers were orthogonal to each other.

【0217】次に、DCマグネトロンスパッタ装置又は
高真空蒸着装置を用いて、SiO2膜上に膜厚10μm
のAl−0.5%Cu層を形成した。このAl−0.5
%Cu層上に、膜厚1.5μmのSiO2膜を堆積し
た。このSiO2膜上にポジティブタイプのフォトレジ
ストをスピンコートし、フォトリソグラフィーによりス
パイラルコイル状にパターニングした。レジストのコイ
ルパターンをマスクとして、CF4ガスを用いた反応性
イオンエッチングによりSiO2膜をエッチングし、更
にCl2ガス及びBCl3ガスを用いた反応性イオンエッ
チングによりAl−0.5%Cu層をエッチングして導
体幅100μm、導体間間隔5μm、巻数20のスパイ
ラル平面コイルを形成した。コイル導体間の溝部を埋め
込むために、ポリイミドの前駆体であるポリアミック酸
溶液を15μmの厚さにスピンコートし、350℃で熱
硬化してポリイミド化した。CF4ガス及びO2ガスを用
いた反応性イオンエッチングによりコイル導体の上面か
ら1μmの厚さになるまでポリイミド膜表面をエッチバ
ックした。
Next, using a DC magnetron sputtering device or a high vacuum vapor deposition device, a film thickness of 10 μm was formed on the SiO 2 film.
Of Al-0.5% Cu layer was formed. This Al-0.5
A 1.5 μm thick SiO 2 film was deposited on the% Cu layer. A positive type photoresist was spin-coated on this SiO 2 film and patterned into a spiral coil by photolithography. Using the resist coil pattern as a mask, the SiO 2 film is etched by reactive ion etching using CF 4 gas, and the Al-0.5% Cu layer is further etched by reactive ion etching using Cl 2 gas and BCl 3 gas. Was etched to form a spiral flat coil having a conductor width of 100 μm, a conductor spacing of 5 μm, and a winding number of 20. To fill the groove between the coil conductors, a polyamic acid solution, which is a precursor of polyimide, was spin-coated to a thickness of 15 μm and thermally cured at 350 ° C. to form a polyimide. The surface of the polyimide film was etched back from the upper surface of the coil conductor to a thickness of 1 μm by reactive ion etching using CF 4 gas and O 2 gas.

【0218】比較例として、上記と同様にして、磁性薄
膜の形成及びSiO2膜の形成を繰り返して、合計4周
期の磁性体層/絶縁体層の多層膜を形成した。この際に
も、隣り合う磁性体層どうしで、一軸磁気異方性の方向
が互いに直交するように、成膜時に磁界の方向を変化さ
せた。
As a comparative example, the magnetic thin film formation and the SiO 2 film formation were repeated in the same manner as described above to form a multilayer film of the magnetic layer / insulator layer for a total of 4 cycles. Also in this case, the direction of the magnetic field was changed during the film formation so that the uniaxial magnetic anisotropy directions of the adjacent magnetic layers were orthogonal to each other.

【0219】これらの工程の間に、下部の磁性体層は昇
温及び降温過程を経るが、磁性体の耐熱性は良好であ
り、磁性膜形成直後と素子形成後で磁気特性はほとんど
変わらず、磁気特性に対する熱の影響は極めて軽微であ
った。
During these steps, the lower magnetic layer undergoes temperature rising and lowering processes, but the heat resistance of the magnetic layer is good, and the magnetic characteristics are almost unchanged immediately after the magnetic film formation and after the element formation. The effect of heat on the magnetic properties was extremely slight.

【0220】得られた薄膜型インダクタの電気的特性を
評価したところ、インダクタンスL=2μH、品質係数
Q=15(5MHz)であった。また、その直流重畳特
性を測定したところ、インダクタンスは直流重畳電流が
150mAまでフラットであり、200mA以上で低下
した。
When the electrical characteristics of the obtained thin film inductor were evaluated, the inductance L was 2 μH and the quality factor Q was 15 (5 MHz). Further, when the direct current superposition characteristics were measured, the inductance was flat up to a direct current superposition current of 150 mA, and decreased at 200 mA or more.

【0221】この薄膜型インダクタを、入力電圧12
V、出力電圧5Vの降圧チョッパー型DC−DCコンバ
ータの出力側チョークコイルとして用いた。このコンバ
ータはスイッチング周波数4MHzで負荷電流150m
Aまで出力することができ、最大出力電力0.75W、
効率70%が得られた。
This thin film type inductor is used for input voltage 12
It was used as an output side choke coil of a step-down chopper type DC-DC converter with V and an output voltage of 5V. This converter has a switching frequency of 4MHz and a load current of 150m.
It can output up to A, and the maximum output power is 0.75W,
An efficiency of 70% was obtained.

【0222】なお、コイル導体の溝部を埋め込むための
絶縁体層として、前述したポリイミドを用いる代わり
に、CVD法又はバイアススパッタ法によるSiO2
を用いても、ほぼ同様な電気的特性が得られた。
It should be noted that substantially the same electrical characteristics can be obtained by using a SiO 2 film formed by a CVD method or a bias sputtering method instead of using the above-mentioned polyimide as the insulator layer for filling the groove portion of the coil conductor. It was

【0223】無磁界中でCoZrNbアモルファス磁性
薄膜を成膜した以外は、上記と同様な方法で薄膜型イン
ダクタを作製した。磁性膜の透磁率は10000であ
り、明確な磁気異方性が認められなかった。
A thin film inductor was manufactured by the same method as described above except that the CoZrNb amorphous magnetic thin film was formed in the absence of a magnetic field. The magnetic permeability of the magnetic film was 10,000, and no clear magnetic anisotropy was observed.

【0224】この薄膜型インダクタは、上記のものと比
較して、インダクタンス値は5倍程度の大きさであった
が、インダクタンス一定の直流電流の範囲は10mA程
度と極めて狭く、20mA以上の直流電流を重畳すると
インダクタンス値が急激に低下した。
Although the inductance value of this thin film inductor was about 5 times as large as that of the above inductor, the range of direct current with constant inductance was extremely narrow at about 10 mA, and the direct current of 20 mA or more was used. When was superposed, the inductance value dropped sharply.

【0225】この薄膜型インダクタを上記と同一のDC
−DCコンバータの出力側チョークコイルに適用した
が、上記と比較して直流重畳特性が劣っているため、最
大負荷電流は10mA程度に制限された。このため、最
大出力電力は上記に比べて1/10以下に低下した。
This thin-film inductor is set to the same DC as above.
-It was applied to the output side choke coil of a DC converter, but the maximum load current was limited to about 10 mA because the DC superposition characteristics were inferior to the above. Therefore, the maximum output power was reduced to 1/10 or less of the above.

【0226】実施例16 実施例15における巻数20のスパイラル平面コイルを
1次側とし、この1次側スパイラル平面コイル上に膜厚
2μmのポリイミド層を介して巻数10の2次側スパイ
ラル平面コイルを形成した以外は、実施例15と同様な
方法により平面トランスを作製した。1次側インダクタ
ンスの直流重畳特性は、実施例15の平面インダクタと
ほぼ同等であった。
Example 16 The spiral plane coil having 20 turns in Example 15 was used as the primary side, and the secondary side spiral plane coil having 10 turns was formed on the primary side spiral plane coil through a polyimide layer having a film thickness of 2 μm. A planar transformer was produced in the same manner as in Example 15 except that the flat transformer was formed. The DC superimposition characteristic of the primary-side inductance was almost the same as that of the planar inductor of Example 15.

【0227】この平面トランスを入力電圧12V、出力
電圧5Vのフライバック型DC−DCコンバータのトラ
ンスに適用し、実施例15の薄膜型インダクタを出力側
チョークコイルに用いた。このコンバータは、実施例1
5で適用したDC−DCコンバータと同等の定格出力を
得ることができた。磁気部品を全て薄膜化したことによ
り、絶縁型DC−DCコンバータの大幅な小形軽量化が
実現できた。
This planar transformer was applied to a transformer of a flyback type DC-DC converter having an input voltage of 12 V and an output voltage of 5 V, and the thin film inductor of Example 15 was used as an output side choke coil. This converter is the first embodiment.
It was possible to obtain a rated output equivalent to that of the DC-DC converter applied in No. 5. By making all the magnetic parts thin, the size and weight of the isolated DC-DC converter can be greatly reduced.

【0228】実施例15の比較例と同様に無磁界中でC
oZrNbアモルファス磁性薄膜を成膜した以外は、実
施例16と同様な方法で薄膜型トランスを作製した。1
次側インダクタンスの直流重畳特性は、実施例15の比
較例の薄膜型トランスとほぼ同等であった。
As in the comparative example of Example 15, C was applied in the absence of a magnetic field.
A thin-film transformer was produced in the same manner as in Example 16 except that the oZrNb amorphous magnetic thin film was formed. 1
The DC superimposition characteristic of the secondary inductance was almost the same as that of the thin film transformer of the comparative example of Example 15.

【0229】この薄膜型トランスを上記と同一のDC−
DCコンバータのトランスに適用したが、トランスの飽
和のためにスイッチング用パワーMOSFETに過大な
ピーク電流が流れ、素子が破壊した。
This thin film type transformer is used in the same DC-type as above.
It was applied to a transformer of a DC converter, but due to saturation of the transformer, an excessive peak current flowed in the switching power MOSFET, and the element was destroyed.

【0230】実施例17 第4の手段において、図36の磁気素子を作製したとき
の実施例を示す。
Example 17 An example in which the magnetic element of FIG. 36 was manufactured by the fourth means will be described.

【0231】厚さ30μmのポリイミドフィルム上に厚
さ100μmの銅箔を接着した後、ウェットエッチング
により導体幅100μm、導体間隔100μm、巻数2
0の角型スパイラル状にパターニングして平面コイルを
形成した。この平面コイル上に10μm厚のポリイミド
フィルムを積層した。
After a 100 μm-thick copper foil was bonded onto a 30 μm-thick polyimide film, the conductor width was 100 μm, the conductor interval was 100 μm, and the winding number was 2 by wet etching.
A plane coil was formed by patterning into a square spiral shape of 0. A 10 μm thick polyimide film was laminated on the flat coil.

【0232】次に、単ロール法を用いた溶湯急冷法で作
製された15μm厚のCo系アモルファス磁性合金薄帯
を底辺12mm、高さ6mmの二等辺三角形状に切断し
た薄帯を4個用意した。これら4個の三角形状アモルフ
ァス薄帯を三角形の底辺に平行な200Oeの磁界中で
熱処理して、底辺に平行に磁化容易軸を持つ一軸磁気異
方性を付与した。これらのアモルファス薄帯について
は、異方性磁界2Oe、困難軸保磁力0.01Oe、困
難軸透磁率5000、飽和磁束密度10kGであった。
平面コイルの両面を、ポリイミドフィルムを介して、磁
化容易軸がスパイラルコイルのコイル導体に平行になる
ように4個の三角形状アモルファス薄帯を頂点が一致す
るように配置して構成される角型の磁性体層で挟み込ん
で、平面インダクタを形成した。この平面インダクタの
外形寸法は12mmである。
Next, four thin ribbons were prepared by cutting a 15 μm thick Co-based amorphous magnetic alloy ribbon produced by the melt quenching method using the single roll method into an isosceles triangle having a base of 12 mm and a height of 6 mm. did. These four triangular amorphous ribbons were heat-treated in a magnetic field of 200 Oe parallel to the base of the triangle to give uniaxial magnetic anisotropy having an easy axis of magnetization parallel to the base. These amorphous ribbons had an anisotropic magnetic field of 2 Oe, a hard axis coercive force of 0.01 Oe, a hard axis permeability of 5000, and a saturation magnetic flux density of 10 kG.
Square type with two triangular amorphous ribbons arranged on both sides of a planar coil via polyimide film so that the easy axis of magnetization is parallel to the coil conductor of the spiral coil, with their vertices aligned It was sandwiched by the magnetic layers of to form a planar inductor. The external dimensions of this planar inductor are 12 mm.

【0233】この平面インダクタのインダクタンスの直
流重畳特性を測定したところ、インダクタンス値は直流
電流200mAまで12.5μHでフラットに維持さ
れ、250mA以上で低下し始めた。
When the direct current superposition characteristic of the inductance of this planar inductor was measured, the inductance value was kept flat at 12.5 μH up to a direct current of 200 mA and began to drop at 250 mA or more.

【0234】この平面インダクタを入力電圧12V、出
力電圧5Vの降圧チョッパー型DC−DCコンバータの
出力側チョークコイルに適用した。このコンバータは、
スイッチング周波数500kHzで、負荷電流200m
Aまで出力することができ、最大出力電力1W、効率8
0%が得られた。
This planar inductor was applied to the output side choke coil of a step-down chopper type DC-DC converter with an input voltage of 12V and an output voltage of 5V. This converter
Switching frequency 500kHz, load current 200m
Can output up to A, maximum output power 1W, efficiency 8
0% was obtained.

【0235】急冷後のCo系アモルファス磁性薄帯(参
考例17a)をそのまま用いるか、又はCo系アモルフ
ァス磁性薄帯に無磁界アニールを施したもの(参考例1
7b)を用いた以外は、上記と全く同様な方法により平
面インダクタを作製した。前者の透磁率は2000、後
者の透磁率は10000であり、いずれも明確な磁気異
方性は認められなかった。これらの平面インダクタの直
流重畳特性を測定した。その結果、参考例17bの高透
磁率磁性薄帯を用いた平面インダクタでは、上記と比較
してインダクタンスが高かったが、インダクタンス一定
の直流電流の範囲は100mAまでであり、直流電流が
120mA以上でインダクタンスが急激に低下した。一
方、参考例17aの低透磁率磁性薄帯を用いた平面イン
ダクタでは、上記と比較してインダクタンスが低く、し
かも直流電流が小さい範囲から徐々にインダクタンスが
低下した。これらの2つの平面インダクタは、上記と比
較して周波数特性も劣っていた。特に、100kHz以
上の高周波側で損失が急激に大きくなり、1MHzでの
Q値は実施例13の場合の1/2以下に低下した。
The Co type amorphous magnetic ribbon after quenching (Reference Example 17a) was used as it was, or the Co type amorphous magnetic ribbon was subjected to non-magnetic field annealing (Reference Example 1).
A planar inductor was manufactured by the same method as above except that 7b) was used. The former had a magnetic permeability of 2000 and the latter had a magnetic permeability of 10,000, and no clear magnetic anisotropy was observed in either case. The DC superposition characteristics of these planar inductors were measured. As a result, in the planar inductor using the high-permeability magnetic ribbon of Reference Example 17b, the inductance was higher than the above, but the range of the direct current with constant inductance was up to 100 mA, and the direct current was 120 mA or more. The inductance dropped sharply. On the other hand, in the planar inductor using the low-permeability magnetic ribbon of Reference Example 17a, the inductance was lower than that described above, and the inductance gradually decreased from the range where the direct current was small. The frequency characteristics of these two planar inductors were inferior to the above. In particular, the loss abruptly increased on the high frequency side of 100 kHz or more, and the Q value at 1 MHz fell to 1/2 or less of that in the case of Example 13.

【0236】これらの平面インダクタを、上記と同一の
DC−DCコンバータの出力側チョークコイルとして用
いたが、上記と比較して直流重畳特性が劣っているた
め、最大負荷電流は100mA程度に制限された。この
ため、最大出力電力は上記に比べて半減し、効率も70
%程度であった。
Although these planar inductors were used as the output side choke coils of the same DC-DC converter as described above, the DC load characteristics were inferior to the above, so the maximum load current was limited to about 100 mA. It was Therefore, the maximum output power is halved compared to the above and the efficiency is 70%.
It was about%.

【0237】実施例18 実施例13における巻数20のスパイラル平面コイルを
1次側とし、この1次側スパイラル平面コイル上に絶縁
体層を介して巻数10の2次側スパイラル平面コイルを
形成した以外は、実施例17と同様な方法により平面ト
ランスを作製した。1次側インダクタンスの直流重畳特
性は、実施例5の平面インダクタとほぼ同等であった。
Example 18 Except that the spiral plane coil with 20 turns in Example 13 was used as the primary side, and the secondary side spiral plane coil with 10 turns was formed on this primary side spiral plane coil via an insulator layer. Produced a planar transformer in the same manner as in Example 17. The DC superimposition characteristic of the primary side inductance was almost the same as that of the planar inductor of Example 5.

【0238】この平面トランスを入力電圧12V、出力
電圧5Vのフォワード型DC−DCコンバータのトラン
スに適用し、実施例5の平面インダクタを出力側チョー
クコイルに用いた。このコンバータは、スイッチング周
波数500kHzで、実施例17で適用したDC−DC
コンバータと同等の定格出力を得ることができた。この
結果、絶縁型DC−DCコンバータの小形化が実現でき
た。
This planar transformer was applied to a transformer of a forward type DC-DC converter having an input voltage of 12V and an output voltage of 5V, and the planar inductor of Example 5 was used for the output side choke coil. This converter has a switching frequency of 500 kHz and is DC-DC applied in Example 17.
We were able to obtain the same rated output as the converter. As a result, miniaturization of the insulation type DC-DC converter was realized.

【0239】磁性体として参考例17a又は参考例17
bの磁性体を用いた以外は、実施例17と全く同一構造
の平面トランスを作製した。1次側インダクタンスの直
流重畳特性は、実施例17の平面インダクタとほぼ同等
であった。(実施例18’)この平面トランスを実施例
18と同一のフォワード型DC−DCコンバータのトラ
ンスに適用した。しかし、トランスの磁気飽和のため
に、正常な電力変換がなされず、コンバータとしての動
作が確認できなかった。
Reference Example 17a or Reference Example 17 as a magnetic material
A planar transformer having exactly the same structure as in Example 17 except that the magnetic substance b was used was produced. The DC superimposition characteristic of the primary-side inductance was almost the same as that of the planar inductor of Example 17. (Example 18 ') This planar transformer was applied to the same transformer of the forward DC-DC converter as in Example 18. However, due to the magnetic saturation of the transformer, normal power conversion was not performed and the operation as a converter could not be confirmed.

【0240】実施例19 第4の手段において、図36の磁気素子を作製したとき
の実施例を示す。
Example 19 An example in which the magnetic element of FIG. 36 was produced by the fourth means will be described.

【0241】シリコン基板の表面を熱酸化して膜厚1μ
mのSiO2膜を形成した。このSiO2膜上にネガティ
ブタイプのフォトレジストをスピンコートした後、フォ
トリソグラフィーによって、底辺5mm、高さ2.5m
mの2つの二等辺三角形の頂点が接したパターンのSi
2膜が露出するようにレジストパターンを形成した。
RFマグネトロンスパッタ装置を用い、露出したSiO
2膜の底辺に平行な100Oeの磁界中で、膜厚1μm
のCoZrNbアモルファス磁性薄膜を成膜して、約5
Oeの異方性磁界を有する一軸磁気異方性を導入した。
レジストパターンを溶剤で除去し、レジスト上の磁性薄
膜をリフトオフした。
The surface of the silicon substrate is thermally oxidized to a film thickness of 1 μm.
m SiO 2 film was formed. After spin coating a negative type photoresist on this SiO 2 film, the bottom side is 5 mm and the height is 2.5 m by photolithography.
Si of a pattern in which the vertices of two isosceles triangles of m are in contact
A resist pattern was formed so that the O 2 film was exposed.
Exposed SiO using RF magnetron sputtering equipment
2 Film thickness 1μm in 100Oe magnetic field parallel to the bottom of film
CoZrNb amorphous magnetic thin film of
Uniaxial magnetic anisotropy having an anisotropic magnetic field of Oe was introduced.
The resist pattern was removed with a solvent, and the magnetic thin film on the resist was lifted off.

【0242】再びフォトレジストをスピンコートし、フ
ォトリソグラフィーによって、成膜ずみの磁性薄膜パタ
ーンに直交する底辺5mm、高さ2.5mmの2つの二
等辺三角形の頂点が接したパターンのSiO2膜が露出
するようにレジストパターンを形成した。このとき成膜
ずみの磁性薄膜パターンはレジストパターンによって覆
われている。RFマグネトロンスパッタ装置を用い、露
出したSiO2膜の底辺に平行な100Oeの磁界中
で、膜厚1μmのCoZrNbアモルファス磁性薄膜を
成膜して、約5Oeの異方性磁界を有する一軸磁気異方
性を導入した。レジストパターンを溶剤で除去し、レジ
スト上の磁性薄膜をリフトオフした。
The photoresist was spin-coated again, and by photolithography, a SiO 2 film having a pattern in which the vertices of two isosceles triangles having a base of 5 mm and a height of 2.5 mm orthogonal to the formed magnetic thin film pattern were in contact with each other was formed. A resist pattern was formed so as to be exposed. At this time, the formed magnetic thin film pattern is covered with the resist pattern. Uniaxial magnetic anisotropy having an anisotropic magnetic field of about 5 Oe by forming a CoZrNb amorphous magnetic thin film with a thickness of 1 μm in a magnetic field of 100 Oe parallel to the bottom of the exposed SiO 2 film using an RF magnetron sputtering device. Introduced sex. The resist pattern was removed with a solvent, and the magnetic thin film on the resist was lifted off.

【0243】このようにして形成された磁性薄膜は、5
mm角の正方形パターンを有し、磁化容易軸はそれぞれ
の辺に平行になっている。
The magnetic thin film thus formed has 5
It has a square pattern of mm square, and the easy axis of magnetization is parallel to each side.

【0244】この磁性薄膜の上に、プラズマCVD又は
RFスパッタ法によって膜厚1μmのSiO2膜を堆積
し、DCマグネトロンスパッタ又は高真空蒸着装置を用
いて膜厚10μmのAl−0.5%Cu層を形成し、更
に膜厚1.5μmのSiO2膜を形成した。このSiO2
膜上に、ポジティブタイプのフォトレジストをスピンコ
ートし、フォトリソグラフィーにより角型スパイラルコ
イル状にパターニングした。このとき、角型スパイラル
コイルの各辺と下部の磁性薄膜の各辺とを一致させた。
角型スパイラルコイル状のレジストパターンをマスクと
してCF4ガスを用いた反応性イオンエッチングにより
SiO2膜をパターニングし、更にSiO2膜のパターン
をマスクとしてCl2及びBCl3ガスを用いた反応性イ
オンエッチングによりAl−0.5%Cu層をパターニ
ングして、導体幅100μm、導体間間隔5μm、巻数
20のスパイラル平面コイルを形成した。コイル導体間
の溝部を埋め込むために、ポリイミドの前駆体であるポ
リアミック酸溶液を15μmの厚さにスピンコートし、
350℃で熱硬化してポリイミド化した。CF 4ガス及
びO2ガスを用いた反応性イオンエッチングによりコイ
ル導体の上面から1μmの厚さになるまでポリイミド膜
表面をエッチバックした。
On this magnetic thin film, plasma CVD or
SiO with a thickness of 1 μm by RF sputtering2Deposited film
And use DC magnetron sputtering or high vacuum deposition equipment
To form an Al-0.5% Cu layer having a film thickness of 10 μm,
With a film thickness of 1.5 μm2A film was formed. This SiO2
Spin a positive type photoresist on the film.
And a photolithography
It was patterned in the shape of an il. At this time, a square spiral
Each side of the coil was aligned with each side of the lower magnetic thin film.
With a rectangular spiral coil resist pattern as a mask
Then CFFourBy reactive ion etching using gas
SiO2The film is patterned, and further SiO2Membrane pattern
Cl as a mask2And BCl3Reactivity using gas
Pattern the Al-0.5% Cu layer by on-etching.
Conductor width 100 μm, conductor spacing 5 μm, number of turns
Twenty spiral plane coils were formed. Between coil conductors
In order to fill the groove part of the
Spin coating of a solution of realic acid to a thickness of 15 μm,
It was thermoset at 350 ° C. to form a polyimide. CF FourGas and
And O2Carp by reactive ion etching using gas
Polyimide film until the thickness of 1 μm from the top surface of the conductor
The surface was etched back.

【0245】次いで、前述した下部磁性体層の形成と同
じ方法で、上部にも一軸磁気異方性を導入したCoZr
Nbアモルファス磁性薄膜を形成して薄膜型インダクタ
を製造した。これらの工程の間に、下部の磁性体層は昇
温及び降温過程を経るが、磁性体の耐熱性は良好であ
り、磁性膜形成直後と素子形成後で磁気特性はほとんど
変わらず、磁気特性に対する熱の影響は極めて軽微であ
った。
Then, CoZr having uniaxial magnetic anisotropy introduced also in the upper portion is formed by the same method as the formation of the lower magnetic layer described above.
A thin film type inductor was manufactured by forming an Nb amorphous magnetic thin film. During these steps, the lower magnetic layer undergoes temperature rising and lowering processes, but the heat resistance of the magnetic material is good, and the magnetic characteristics are almost unchanged immediately after the magnetic film formation and after the element formation. The effect of heat on the was very slight.

【0246】この薄膜型インダクタの電気的特性を評価
したところ、インダクタンスL=2μH、品質係数Q=
15(5MHz)であった。また、直流重畳特性を測定
したところ、インダクタンスは直流電流80mAまでフ
ラットで、100mA以上で低下した。
When the electrical characteristics of this thin film type inductor were evaluated, the inductance L = 2 μH and the quality factor Q =
It was 15 (5 MHz). Further, when the DC superposition characteristics were measured, the inductance was flat up to a DC current of 80 mA and decreased at 100 mA or more.

【0247】なお、コイル導体の溝部を埋め込むための
絶縁体として、前述したポリイミドを用いる代わりに、
CVD法又はバイアススパッタ法によるSiO2膜を用
いても、ほぼ同様な電気的特性が得られた。
Incidentally, instead of using the above-mentioned polyimide as the insulator for filling the groove portion of the coil conductor,
Even if a SiO 2 film formed by the CVD method or the bias sputtering method was used, almost the same electrical characteristics were obtained.

【0248】この薄膜型インダクタを、入力電圧12
V、出力電圧5Vの降圧チョッパー型DC−DCコンバ
ータの出力側チョークコイルとして用いた。このコンバ
ータはスイッチング周波数4MHzで、負荷電流80m
Aまで出力することができ、最大出力電力0.4W、効
率70%が得られた。
An input voltage of 12 is applied to this thin film type inductor.
It was used as an output side choke coil of a step-down chopper type DC-DC converter with V and an output voltage of 5V. This converter has a switching frequency of 4MHz and a load current of 80m.
The maximum output power was 0.4 W and the efficiency was 70%.

【0249】無磁界中でCoZrNbアモルファス磁性
薄膜を成膜した以外は、実施例15と同様な方法で薄膜
型インダクタを作製した。磁性膜の透磁率は10000
であり、明確な磁気異方性が認められなかった。
A thin film inductor was manufactured in the same manner as in Example 15 except that the CoZrNb amorphous magnetic thin film was formed in the absence of a magnetic field. The magnetic permeability of the magnetic film is 10,000
And no clear magnetic anisotropy was observed.

【0250】この薄膜型インダクタは、上記のものと比
較して、インダクタンス値は5倍程度の大きさであった
が、インダクタンス一定の直流電流の範囲は8mA程度
と極めて狭く、10mA以上の直流電流を重畳するとイ
ンダクタンス値が急激に低下した。
The thin-film inductor had an inductance value about 5 times as large as that of the above inductors, but the range of direct current with constant inductance was extremely narrow at about 8 mA, and the direct current of 10 mA or more. When was superposed, the inductance value dropped sharply.

【0251】この薄膜型インダクタを上記と同一のDC
−DCコンバータの出力側チョークコイルに適用した
が、上記と比較して直流重畳特性が劣っているため、最
大負荷電流は8mA程度に制限された。このため、最大
出力電力は上記に比べて1/10以下に低下した。
This thin-film type inductor has the same DC as the above.
-It was applied to the output side choke coil of the DC converter, but the maximum load current was limited to about 8 mA because the DC superposition characteristics were inferior to the above. Therefore, the maximum output power was reduced to 1/10 or less of the above.

【0252】実施例20 実施例19における巻数20のスパイラル平面コイルを
1次側とし、この1次側スパイラル平面コイル上に膜厚
2μmのポリイミド層を介して巻数10の2次側スパイ
ラル平面コイルを形成した以外は、実施例19と同様な
方法により薄膜型平面トランスを作製した。1次側イン
ダクタンスの直流重畳特性は、実施例19の平面インダ
クタとほぼ同等であった。
Example 20 The spiral plane coil having 20 turns in Example 19 was used as a primary side, and a secondary side spiral plane coil having 10 turns was formed on the primary side spiral plane coil via a polyimide layer having a film thickness of 2 μm. A thin-film flat transformer was produced by the same method as in Example 19 except that the thin-film flat transformer was formed. The DC superimposition characteristic of the primary-side inductance was almost the same as that of the planar inductor of Example 19.

【0253】この平面トランスを入力電圧12V、出力
電圧5Vのフライバック型DC−DCコンバータのトラ
ンスに適用し、実施例19の薄膜型インダクタを出力側
チョークコイルに用いた。このコンバータは、実施例1
9で適用したDC−DCコンバータと同等の定格出力を
得ることができた。磁気部品を全て薄膜化したことによ
り、絶縁型DC−DCコンバータの大幅な小形軽量化が
実現できた。
This plane transformer was applied to a transformer of a flyback type DC-DC converter having an input voltage of 12 V and an output voltage of 5 V, and the thin film inductor of Example 19 was used as an output side choke coil. This converter is the first embodiment.
It was possible to obtain a rated output equivalent to that of the DC-DC converter applied in No. 9. By making all the magnetic parts thin, the size and weight of the isolated DC-DC converter can be greatly reduced.

【0254】実施例19の比較例と同様に無磁界中でC
oZrNbアモルファス磁性薄膜を成膜した以外は、上
記と同様な方法で薄膜型トランスを作製した。1次側イ
ンダクタンスの直流重畳特性は、実施例19の薄膜型ト
ランスとほぼ同等であった。
As in the comparative example of Example 19, C was applied in the absence of a magnetic field.
A thin film type transformer was produced in the same manner as described above except that an oZrNb amorphous magnetic thin film was formed. The DC superimposition characteristic of the primary side inductance was almost the same as that of the thin film transformer of Example 19.

【0255】この薄膜型トランスを上記と同一のDC−
DCコンバータのトランスに適用したが、トランスの飽
和のためにスイッチング用パワーMOSFETに過大な
ピーク電流が流れ、素子が破壊した。
This thin film type transformer is used in the same DC-type as above.
It was applied to a transformer of a DC converter, but due to saturation of the transformer, an excessive peak current flowed in the switching power MOSFET, and the element was destroyed.

【0256】実施例21 第4の手段において、図38に磁気素子を作製したとき
の実施例を示す。
Example 21 FIG. 38 shows an example in which a magnetic element was manufactured by the fourth means.

【0257】Si基板の表面を熱酸化して膜厚1μmの
SiO2膜を形成した。SiO2膜上にポジティブタイプ
のフォトレジストをスピンコートして、フォトリソグラ
フィーにより同心コイル状にパターニングした。このレ
ジストパターンをマスクとして、CF4ガスを用いた反
応性イオンエッチングにより、凸部幅δ=2μm、凹部
幅L=4μm、凹凸の段差W=0.5μmのSiO2
パターンを形成した。レジストを除去した後、RFマグ
ネトロンスパッタリング装置により、膜厚2μmのCo
ZrNbアモルファス磁性薄膜を形成した。なお、成膜
時には磁場を印加せず、基板を回転させることにより形
状異方性以外の異方性が導入されるのを防止した。な
お、同一のスパッタリング条件で、平滑な熱酸化SiO
2上にCoZrNbアモルファス磁性薄膜を成膜したと
ころ、回転中心付近では磁気異方性がほとんど認められ
ない。この素子を作製する際にも、回転中心付近に磁性
薄膜を成膜している。この磁性薄膜が片面に凹凸を有す
る下面の磁性体層として用いられる。
The surface of the Si substrate was thermally oxidized to form a SiO 2 film having a film thickness of 1 μm. A positive type photoresist was spin-coated on the SiO 2 film and patterned into a concentric coil shape by photolithography. Using this resist pattern as a mask, reactive ion etching using CF 4 gas was performed to form a SiO 2 film pattern having a convex portion width δ = 2 μm, a concave portion width L = 4 μm, and a step W = 0.5 μm. After removing the resist, a Co film having a thickness of 2 μm was formed by an RF magnetron sputtering device.
A ZrNb amorphous magnetic thin film was formed. Note that anisotropy other than shape anisotropy was prevented from being introduced by rotating the substrate without applying a magnetic field during film formation. Under the same sputtering conditions, smooth thermal oxidation SiO
When a CoZrNb amorphous magnetic thin film was deposited on 2 , magnetic anisotropy was scarcely observed near the center of rotation. Also when manufacturing this element, a magnetic thin film is formed near the center of rotation. This magnetic thin film is used as a lower magnetic layer having irregularities on one side.

【0258】CoZrNbアモルファス磁性薄膜上に、
プラズマCVD法又はRFスパッタ法により膜厚500
nmのSiO2膜を堆積し、DCマグネトロンスパッタ
装置又は高真空蒸着装置を用いて膜厚10μmのAl−
0.5%Cu層を形成し、更に膜厚1.5μmのSiO
2膜を形成した。SiO2膜上にポジティブタイプのフォ
トレジストをスピンコートして、フォトリソグラフィー
によりスパイラルコイル状にパターニングした。このレ
ジストパターンをマスクとしてCF4ガスを用いた反応
性イオンエッチングによりSiO2膜をエッチングし、
更にSiO2膜パターンをマスクとしてCl2ガス及びB
Cl3ガスを用いた反応性イオンエッチングによりAl
−0.5%Cu層をエッチングして、導体幅100μ
m、導体間間隔5μm、巻数20のスパイラル平面コイ
ルを形成した。コイル導体間の溝部を埋め込むために、
ポリイミドの前駆体であるポリアミック酸溶液を15μ
mの厚さにスピンコートし、350℃で熱硬化してポリ
イミド化した。CF4ガス及びO2ガスを用いた反応性イ
オンエッチングによりコイル導体の上面から1μmの厚
さになるまでポリイミド膜表面をエッチバックした。
On a CoZrNb amorphous magnetic thin film,
Film thickness of 500 by plasma CVD method or RF sputtering method
nm SiO 2 film is deposited, and a DC magnetron sputtering device or a high vacuum vapor deposition device is used to form an Al-film having a thickness of 10 μm.
A 0.5% Cu layer is formed, and a SiO 2 film with a thickness of 1.5 μm
Two films were formed. A positive type photoresist was spin-coated on the SiO 2 film and patterned into a spiral coil by photolithography. Using this resist pattern as a mask, the SiO 2 film is etched by reactive ion etching using CF 4 gas,
Further, using the SiO 2 film pattern as a mask, Cl 2 gas and B
Al by reactive ion etching using Cl 3 gas
-0.5% Cu layer is etched to make conductor width 100μ
m, spacing between conductors was 5 μm, and a spiral flat coil having 20 turns was formed. To fill the groove between the coil conductors,
15μ of polyamic acid solution which is a precursor of polyimide
m was spin-coated and heat-cured at 350 ° C. to form a polyimide. The surface of the polyimide film was etched back from the upper surface of the coil conductor to a thickness of 1 μm by reactive ion etching using CF 4 gas and O 2 gas.

【0259】ポリイミド膜上に、RFマグネトロンスパ
ッタリング装置により、膜厚2.5μmのCoZrNb
アモルファス磁性薄膜を形成した。このCoZrNbア
モルファス磁性薄膜上に、ポジティブタイプのフォトレ
ジストをスピンコートして、フォトリソグラフィーによ
り同心コイル状にパターニングした。このレジストパタ
ーンをマスクとして、Cl2ガス及びBCl3ガスを用い
た反応性イオンエッチングによりCoZrNbアモルフ
ァス磁性薄膜をパターニングし、凸部幅δ=2μm、凹
部幅L=4μm、凹凸の段差W=0.5μmのパターン
を形成した。この磁性薄膜が上部の磁性体層として用い
られる。
On the polyimide film, a CoZrNb film having a thickness of 2.5 μm was formed by an RF magnetron sputtering device.
An amorphous magnetic thin film was formed. A positive type photoresist was spin-coated on the CoZrNb amorphous magnetic thin film and patterned into a concentric coil shape by photolithography. Using this resist pattern as a mask, the CoZrNb amorphous magnetic thin film was patterned by reactive ion etching using Cl 2 gas and BCl 3 gas, the convex width δ = 2 μm, the concave width L = 4 μm, and the unevenness W = 0. A 5 μm pattern was formed. This magnetic thin film is used as the upper magnetic layer.

【0260】これらの工程の間に、下部の磁性体層は昇
温及び降温過程を経るが、磁性体の耐熱性は良好であ
り、磁性膜形成直後と素子形成後で磁気特性はほとんど
変わらず、磁気特性に対する熱の影響は極めて軽微であ
った。
During these steps, the lower magnetic layer undergoes temperature rising and lowering processes, but the heat resistance of the magnetic layer is good, and the magnetic characteristics are almost unchanged immediately after the magnetic film formation and after the element formation. The effect of heat on the magnetic properties was extremely slight.

【0261】以上のようにして形成された上部及び下部
のCoZrNbアモルファス磁性薄膜の表面又は界面に
設けられた帯状の凹凸は、前述した[数5]の不等式を
満たしている。
The band-shaped irregularities provided on the surface or interface of the upper and lower CoZrNb amorphous magnetic thin films formed as described above satisfy the inequality of [Equation 5] described above.

【0262】この薄膜型インダクタの電気的特性を評価
したところ、インダクタンスL=0.8μH、品質係数
Q=7(5MHz)であった。また、直流重畳特性を測
定したところ、インダクタンスは直流電流300mAま
でフラットで、350mA以上で低下した。
When the electrical characteristics of this thin film type inductor were evaluated, the inductance L was 0.8 μH and the quality factor Q was 7 (5 MHz). Moreover, when the DC superposition characteristics were measured, the inductance was flat up to a DC current of 300 mA and decreased at 350 mA or more.

【0263】なお、下部磁性体層の下地のSiO2膜及
び上部磁性体層のパターニングは、フォトリソグラフィ
ーに限らず、微細な切削による機械的加工で行ってもよ
い。本実施例では磁性体層の片面にのみ凹凸を形成して
いるが、両面に凹凸を形成してもよい。
The SiO 2 film underlying the lower magnetic layer and the upper magnetic layer may be patterned not only by photolithography but also by mechanical processing by fine cutting. Although the unevenness is formed only on one surface of the magnetic layer in this embodiment, the unevenness may be formed on both surfaces.

【0264】また、磁性体層としてソフトフェライトの
ように絶縁性の磁性体を用いた場合には、平面コイルに
直接磁性体層を積層することができるので、溝部を有す
るコイル導体自体を磁性体層に凹凸を与えるための下地
として利用することもできる。
When an insulative magnetic material such as soft ferrite is used as the magnetic material layer, the magnetic material layer can be directly laminated on the plane coil. It can also be used as a base for giving unevenness to the layer.

【0265】更に、コイル導体の溝部を埋め込むための
絶縁体として、前述したポリイミドを用いる代わりに、
CVD法又はバイアススパッタ法によるSiO2膜を用
いても、ほぼ同様な電気的特性が得られた。
Further, instead of using the above-mentioned polyimide as an insulator for filling the groove portion of the coil conductor,
Even if a SiO 2 film formed by the CVD method or the bias sputtering method was used, almost the same electrical characteristics were obtained.

【0266】下部のSiO2膜のパターニング及び上部
のCoZrNb層のパターニングを行わず、上下の磁性
体層を平滑なまま用いた以外は実施例21と同様な方法
により薄膜型インダクタを作製した(実施例21a)。
A thin film inductor was manufactured by the same method as in Example 21 except that the upper and lower magnetic layers were used without patterning the lower SiO 2 film and the upper CoZrNb layer (implementation). Example 21a).

【0267】下部のSiO2膜を凸部幅δ=2μm、凹
部幅L=20μm、凹凸の段差W=1μmにパターニン
グし、上部のCoZrNb層を凸部幅L=20μm、凹
部幅δ=2μm、凹凸の段差W=1μmにパターニング
した以外は実施例21と同様な方法により薄膜型インダ
クタを作製した(実施例21b)。この場合、磁性体層
の帯状の凹凸は前述した[数5]の不等式を満足しな
い。
The lower SiO 2 film is patterned to have a convex portion width δ = 2 μm, a concave portion width L = 20 μm, and an uneven step W = 1 μm, and the upper CoZrNb layer is patterned to have a convex portion width L = 20 μm and a concave portion width δ = 2 μm. A thin-film inductor was produced in the same manner as in Example 21, except that the unevenness W was patterned to W = 1 μm (Example 21b). In this case, the strip-shaped irregularities of the magnetic layer do not satisfy the above-mentioned inequality of [Equation 5].

【0268】実施例21a及び実施例21bの薄膜型イ
ンダクタの特性を評価したところ、インダクタンス値は
実施例21の薄膜型インダクタと比較して8倍程度の大
きさであったが、20mA以上の直流電流を重畳すると
インダクタンス値は急激に低下した。
When the characteristics of the thin film inductors of Examples 21a and 21b were evaluated, the inductance value was about eight times as large as that of the thin film inductor of Example 21, but a direct current of 20 mA or more was used. The inductance value dropped sharply when the current was superposed.

【0269】実施例22 第4の手段において、図43の磁気素子を作製した実施
例を示す。
Example 22 An example in which the magnetic element of FIG. 43 was produced by the fourth means will be described.

【0270】厚さ30μmのポリイミドフィルム上に厚
さ100μmの銅箔を接着した後、ウェットエッチング
によって導体幅100μm、導体間隔100μmの長方
形スパイラル状にパターンニングして平面コイルを形成
した。更に、困難軸透磁率5000、飽和磁束密度10
kGを有する15μmの一軸異方性Co系アモルファス
磁性箔を二層を用い、10μmポリイミドフィルムを介
して上下より平面コイルを挟み込んで平面インダクタを
形成した。ここで用いているCo系アモルファス磁性箔
は、単ロールを用いた溶湯急冷法で作製したものであ
り、磁界中アニール法によって一軸磁気異方性を付与し
てあり、異方性磁界は20eであった。本平面インダク
タの一軸異方性アモルファス合金箔の一層目と二層目は
5μm厚ポリイミドフィルムを層間絶縁に用いて積層し
てある。また、このインダクタの外形寸法は5×20m
m、平面コイルのスパイラル巻数は20である。
After a copper foil having a thickness of 100 μm was adhered on a polyimide film having a thickness of 30 μm, it was patterned by wet etching into a rectangular spiral shape having a conductor width of 100 μm and a conductor interval of 100 μm to form a plane coil. Further, the hard axis permeability is 5000 and the saturation magnetic flux density is 10
A planar inductor was formed by using two layers of 15 μm uniaxially anisotropic Co-based amorphous magnetic foil having a kG and sandwiching a planar coil from above and below via a 10 μm polyimide film. The Co-based amorphous magnetic foil used here was produced by a melt quenching method using a single roll, and was given uniaxial magnetic anisotropy by a magnetic field annealing method, and an anisotropic magnetic field was 20e. there were. The first and second layers of the uniaxially anisotropic amorphous alloy foil of the present planar inductor are laminated by using a 5 μm thick polyimide film for interlayer insulation. The external dimensions of this inductor are 5 x 20 m.
m, the number of spiral turns of the plane coil is 20.

【0271】このようにして、製作したところ、インダ
クタンス値(12.5μH)は直流電流400mAまで
フラットで、500mA以上で低下し始めた。
When manufactured in this way, the inductance value (12.5 μH) was flat up to a DC current of 400 mA and began to drop at 500 mA or more.

【0272】実施例23 実施例22と全く同一の方法で平面トランスを作製し
た。1次側スパイラルコイルの巻数は20、2次側スパ
イラルコイルの巻数は10である。本平面トランスは、
実施例22の平面インダクタと2次スパイラルコイル以
外は全く同一の構造を有する。1次側インダクタンスの
直流重畳特性は、実施例22の平面インダクタとほぼ同
等であった。
Example 23 A flat transformer was manufactured in the same manner as in Example 22. The number of turns of the primary side spiral coil is 20, and the number of turns of the secondary side spiral coil is 10. This plane transformer
The structure is exactly the same except for the planar inductor and the secondary spiral coil of the twenty-second embodiment. The DC superimposition characteristic of the primary-side inductance was almost the same as that of the planar inductor of Example 22.

【0273】実施例24 第4の手段において、図35Bに示す磁気素子を作製し
た実施例を示す。
Example 24 An example in which the magnetic element shown in FIG. 35B was produced by the fourth means will be described.

【0274】表面熱酸化したシリコン基板上に(熱酸化
SiO2膜の膜厚は1μm)RFマグネトロンスパッタ
装置によって1μm膜厚のCoZrNbアモルファス磁
性薄膜を1000eの磁界中で成膜して約50eの異方
性磁界を有する一軸磁気異方性を付与した。その上に、
プラズマCVDあるいはRFスパッタ法によって厚さ5
000ÅのSiO2膜を堆積した、これらの方法を用い
て、CoZrNb磁性膜の容易軸が各層毎に一致するよ
うに、5000ÅのSiO2膜を層間絶縁に用いて、合
計4周期の磁性体層/絶縁体層の多層膜を形成した後、
DCマグネトロンスパッタあるいは高真空蒸着装置を用
いてAl−0.5%Cu層を10μmの厚さで形成し
た。このAl−0.5%Cu膜上に1.5μm厚のSi
2を形成し、更にポジティブタイプのフォトレジスタ
をスピンコートし、フォトリソグラフィーによって長方
形スパイラルコイルの長軸に磁性体の容易軸と一致する
ようにパターンニングした。レジストのコイルパターン
をマスクにしてCF4ガスを用いた反応性イオンエッチ
ングによってSiO2をパターンニングし、更にSiO2
のコイルパターンをマスクにしてCl2、BCl2ガスを
用いた反応性イオンエッチングによってAl−0.5%
Cuをコイルパターンニングした。コイルパターンは、
幅100μm、導体間隔5μm、2つの長方形スパイラ
ルコイルを短軸方向に並べて直列接続し、スパイラル巻
数20である。Al−0.5%Cuエッチングの後の1
0μm段差を平坦にするために、ポリイミドの前駆体で
あるポリアミック酸溶液を15μm厚さにスピンコート
し、350℃の温度で熱硬化してポリイミデ化した。更
に、CF4ガスとO2ガスによる反応性イオンエッチング
によってAl−0.5%Cu導体上面から1μmの厚さ
になるまでポリイミド膜表面をエッチバックした。最後
に、上部磁性体の磁化容易軸が下部磁性体のそれと一致
するように、4層多層磁性膜を形成した。なお、下部磁
性体は、デバイス作製中に種々の昇温、降温プロセスを
経るが、磁気特性に対するこのような熱の影響はきわめ
て軽微であり、磁性体の耐熱性は良好で、磁性膜形成後
とデバイス形成後の磁気特性は殆ど同一であった。この
ようにして形成した薄膜型のインダクタの電気的特性を
評価したところ、インダクタンスL=2μH、品質係数
Q=15(5MHz)であった。また、直流重畳特性を
測定したところ、インダクタンスは直流電流150mA
までフラットで200mA以上で低下した。
A CoZrNb amorphous magnetic thin film having a thickness of 1 μm was formed on a surface-oxidized silicon substrate (the thickness of the thermally oxidized SiO 2 film was 1 μm) by an RF magnetron sputtering apparatus in a magnetic field of 1000 e to obtain a difference of about 50 e. Uniaxial magnetic anisotropy with an anisotropic magnetic field was imparted. in addition,
Thickness of 5 by plasma CVD or RF sputtering
Using these methods in which a 000 Å SiO 2 film is deposited, a 5000 Å SiO 2 film is used for interlayer insulation so that the easy axis of the CoZrNb magnetic film matches each layer, and a total of 4 periods of magnetic material layers are used. / After forming the multilayer film of the insulator layer,
An Al-0.5% Cu layer having a thickness of 10 μm was formed using DC magnetron sputtering or a high vacuum vapor deposition apparatus. On the Al-0.5% Cu film, a Si film having a thickness of 1.5 μm is formed.
O 2 was formed, a positive type photoresist was spin-coated, and the long axis of the rectangular spiral coil was patterned by photolithography so that it coincided with the easy axis of the magnetic material. The coil pattern of the resist as a mask to pattern the SiO 2 by reactive ion etching using CF 4 gas, further SiO 2
Al-0.5% by reactive ion etching using Cl 2 and BCl 2 gas using the coil pattern of
Cu was coil patterned. The coil pattern is
The width is 100 μm, the conductor interval is 5 μm, and two rectangular spiral coils are arranged in the short axis direction and connected in series, and the number of spiral turns is 20. 1 after Al-0.5% Cu etching
In order to flatten the 0 μm step, a polyimide precursor polyamic acid solution was spin-coated to a thickness of 15 μm and thermally cured at a temperature of 350 ° C. for polyimidization. Further, the surface of the polyimide film was etched back by reactive ion etching using CF 4 gas and O 2 gas until the thickness became 1 μm from the upper surface of the Al-0.5% Cu conductor. Finally, a four-layer multi-layer magnetic film was formed so that the easy axis of magnetization of the upper magnetic body coincided with that of the lower magnetic body. The lower magnetic body undergoes various heating and cooling processes during device fabrication, but the effect of such heat on the magnetic properties is extremely small, and the heat resistance of the magnetic body is good, and The magnetic characteristics after device formation were almost the same. When the electrical characteristics of the thin-film inductor thus formed were evaluated, the inductance L was 2 μH and the quality factor Q was 15 (5 MHz). Moreover, when the DC superposition characteristics were measured, the inductance was DC current 150 mA.
Was flat and dropped at 200 mA or more.

【0275】また、コイル平坦化絶縁膜としては、ポリ
イミドを用いた場合と有機シランを用いたCVD法やバ
イアススパッタ法によるSiO2膜を用いた場合で、ほ
ぼ同様の電気的特性が得られた。
As the coil flattening insulating film, substantially the same electrical characteristics were obtained when polyimide was used and when an SiO 2 film was formed by a CVD method using organic silane or a bias sputtering method. .

【0276】実施例25 実施例24と同様の方法で薄膜型のトランスを作製し
た。1次側スパイラルコイルの巻数は20、2次側スパ
イラルコイルの巻数は10である。1次と2次のスパイ
ラルコイルは2μmポリイミド層で絶縁した。本薄膜型
トランスは、実施例24の薄膜型インダクタと2次スパ
イラルコイル以外は全く同一の構造を有する。1次側イ
ンダクタンスの直流重畳特性は、実施例24の薄膜型イ
ンダクタとほぼ同等であった。
Example 25 A thin film type transformer was produced in the same manner as in Example 24. The number of turns of the primary side spiral coil is 20, and the number of turns of the secondary side spiral coil is 10. The primary and secondary spiral coils were insulated with a 2 μm polyimide layer. The thin film transformer has exactly the same structure as the thin film inductor of the twenty-fourth embodiment except for the secondary spiral coil. The direct current superposition characteristic of the primary side inductance was almost the same as that of the thin film inductor of Example 24.

【0277】実施例26 実施例22で作製した平面型インダクタを入力電圧12
V、出力電圧5Vの降圧チョッパー型DC−DCコンバ
ータの出力側チョークコイルに適用した。このコンバー
タは、スイッチング周波数500kHzで、負荷電流4
00mAまで出力することができ、最大出力電流2W、
効率80%が得られた。
Example 26 The planar inductor produced in Example 22 was used with an input voltage of 12
It was applied to the output side choke coil of a step-down chopper type DC-DC converter with V and an output voltage of 5V. This converter has a switching frequency of 500 kHz and a load current of 4
Can output up to 00mA, maximum output current 2W,
An efficiency of 80% was obtained.

【0278】実施例27 実施例23で作製した平面トランスを入力電圧12V、
出力電圧5Vのフォワード型DC−DCコンバータのト
ランスに適用し、出力側チョークコイルには実施例22
で作製した平面インダクタを用いた。スイッチング周波
数500kHz、定格出力は実施例26のDC−DCコ
ンバータと同等であり、絶縁型DC−DCコンバータの
小型化が実現できた。
Example 27 The flat transformer manufactured in Example 23 was supplied with an input voltage of 12V,
Example 22 is applied to a transformer of a forward type DC-DC converter with an output voltage of 5 V, and the output side choke coil is the embodiment 22.
The planar inductor manufactured in 1. was used. The switching frequency was 500 kHz and the rated output was equivalent to that of the DC-DC converter of Example 26, and the insulation type DC-DC converter could be miniaturized.

【0279】実施例28 実施例24で作製した薄膜型インダクタを入力電圧12
V、出力電圧5Vの降圧チョッパー型のDC−DCコン
バータの出力チョークコイルに適用した。このコンバー
タは、スイッチング周波数4MHzであり、負荷電流1
50mAまで出力することができ、最大出力電流0.7
5W、効率70%が得られた。
Example 28 The thin film inductor prepared in Example 24 was used with an input voltage of 12
It was applied to the output choke coil of a step-down chopper type DC-DC converter with V and an output voltage of 5V. This converter has a switching frequency of 4 MHz and a load current of 1
Can output up to 50mA, maximum output current 0.7
5W and 70% efficiency were obtained.

【0280】実施例29 実施例25で作製した薄膜型トランスを入力電圧12
V、出力電圧5Vのフライバック型DC−DCコンバー
タのトランスに適用し、出力チョークコイルには実施例
24の薄膜型インダクタを使用した。定格出力は実施例
28のDC−DCコンバータとほぼ同等であるが、磁気
部品をすべて薄膜化したことにより、絶縁型DC−DC
コンバータの大幅な小型軽量化が図られた。
Example 29 The thin film type transformer manufactured in Example 25 was used with an input voltage of 12
The thin film inductor of Example 24 was used for the output choke coil, which was applied to a transformer of a flyback DC-DC converter with V and an output voltage of 5V. The rated output is almost the same as that of the DC-DC converter of the twenty-eighth embodiment, but since all the magnetic parts are made thin, the isolated DC-DC
The size and weight of the converter have been greatly reduced.

【0281】実施例30 第5の手段の実施例を示す。Example 30 An example of the fifth means will be shown.

【0282】10μm厚のポリイミドフィルム上に10
0μm厚の銅箔を接着した後、塩化第二鉄を用いた湿式
化学エッチングにより、図49に示すような形状で、1
0個の1ターン平面コイルを形成し、20個の外部端子
用パッド部を設けた。コイル導体の幅は300μm、コ
イル導体間間隔は100μmとした。最も外側の1ター
ン平面コイルの外形寸法は9mm、最も内側の1ターン
平面コイルの外形寸法は1.8mmである。この平面コ
イルの上に、10μm厚のポリイミドフィルムを接着し
た。これを一辺10mm、厚さ10μmの零磁歪Co系
アモルファス合金箔で挟み込んで、平面磁気素子を作製
した。
10 on a 10 μm thick polyimide film
After bonding a copper foil having a thickness of 0 μm, wet chemical etching using ferric chloride was performed to obtain a shape as shown in FIG.
Zero 1-turn flat coils were formed and 20 external terminal pad portions were provided. The width of the coil conductor was 300 μm, and the interval between the coil conductors was 100 μm. The outermost one-turn planar coil has an outer dimension of 9 mm, and the innermost one-turn planar coil has an outer dimension of 1.8 mm. A polyimide film having a thickness of 10 μm was bonded onto the flat coil. This was sandwiched between zero-magnetostrictive Co-based amorphous alloy foils having a side of 10 mm and a thickness of 10 μm to fabricate a planar magnetic element.

【0283】(a)作製された平面磁気素子を用い、図
52の接続方法で平面コイルの外部接続端子を接続する
ことにより、スパイラルコイル型に類似した平面インダ
クタを構成した。この平面インダクタをLCRメータで
測定したところ、500kHzでのインダクタンスの値
は約20μH、Q値は約10であった。
(A) A planar inductor similar to the spiral coil type was constructed by connecting the external connecting terminals of the planar coil by the connecting method shown in FIG. 52 using the produced planar magnetic element. When the planar inductor was measured with an LCR meter, the inductance value at 500 kHz was about 20 μH and the Q value was about 10.

【0284】この平面インダクタを500kHzスイッ
チングで動作するハイブリッドIC型のDC−DCコン
バータの出力チョークに応用したところ、正常に動作す
ることが確認された。これによって、薄型の直流電源を
開発できた。
When this planar inductor was applied to the output choke of a hybrid IC type DC-DC converter operating at 500 kHz switching, it was confirmed to operate normally. This has allowed us to develop a thin DC power supply.

【0285】また、この平面インダクタを20MHz非
線形電力増幅器のパワーMOSFETの直流バイアス供
給ライン高周波阻止フィルタに適用した。この素子の採
用により、電源ラインのフィルタを著しく小形化でき
た。
Further, this planar inductor was applied to a DC bias supply line high frequency blocking filter of a power MOSFET of a 20 MHz nonlinear power amplifier. By adopting this element, the power line filter can be made extremely small.

【0286】(b)作製された平面磁気素子を用い、図
51の接続方法で平面コイルの外部接続端子を接続する
ことにより、擬つづら折れコイル型平面インダクタを構
成した。この平面インダクタをLCRメータで測定した
ところ、インダクタンスの値は約300nHであった。
この平面インダクタは、数10MHz程度まで周波数特
性が良好であった。
(B) A pseudo zigzag folded coil type planar inductor was constructed by connecting the external connecting terminals of the planar coil by the connecting method shown in FIG. 51 using the produced planar magnetic element. When the planar inductor was measured with an LCR meter, the inductance value was about 300 nH.
This planar inductor had good frequency characteristics up to several tens of MHz.

【0287】この平面インダクタを20MHz非線形電
力増幅器の出力側ローパスフィルタに用いたところ、従
来の空心コイルを用いたフィルタに比べて著しい小形化
が実現できた。
When this planar inductor was used for the output side low-pass filter of the 20 MHz nonlinear power amplifier, it was possible to realize a significantly smaller size than the conventional filter using the air-core coil.

【0288】(c)作製された平面磁気素子を用い、図
55の接続方法で平面コイルの外部接続端子を接続する
ことにより、トランスを形成した。1次平面コイルの総
ターン数は7、2次平面コイルの総ターン数は2であっ
た。このトランスの変圧比を測定したところ、約0.2
5であった。
(C) Using the produced planar magnetic element, a transformer was formed by connecting the external connection terminals of the planar coil by the connection method shown in FIG. The total number of turns of the primary plane coil was 7, and the total number of turns of the secondary plane coil was 2. When the transformer ratio of this transformer was measured, it was about 0.2.
It was 5.

【0289】(d)作製された平面磁気素子を1MHz
電力増幅器の整合用トランスとして用いた。この電力増
幅器の出力インピーダンスは200Ωである。50Ω負
荷に整合させるため、種々の端子接続を試行した結果、
ほぼ満足できる結果を得ることができた。このような整
合調整は、従来の平面トランスでは不可能であった。
(D) The manufactured planar magnetic element was set to 1 MHz.
It was used as a matching transformer for the power amplifier. The output impedance of this power amplifier is 200Ω. As a result of trying various terminal connections to match a 50Ω load,
We were able to obtain almost satisfactory results. Such matching adjustment is impossible with the conventional plane transformer.

【0290】実施例31 シリコン基板上にRFスパッタ法により3μm厚のFe
40Co60合金膜を形成し、その上にRFスパッタ法によ
り1μm厚のSiO2膜を形成した。更に、DCマグネ
トロンスパッタ法により、10μm厚のAl−Cu合金
を形成した。このAl−Cu合金をSiO2パターンを
マスクとしてマグネトロン式反応性イオンエッチングに
よりエッチングし、10個の1ターン平面コイルをパタ
ーニングした。なお、外部接続端子は、図49及び図5
0に示す2種の配置のものをそれぞれ1個ずつ形成し
た。コイル導体の幅は200μm、コイル導体間間隔は
5μmとした。最も外側の1ターン平面コイルの外形寸
法は4.5mm、最も内側の1ターン平面コイルの外形
寸法は0.81mmである。このAl−Cuパターンの
上から、プラズマCVD法によりSiO2を埋め込んだ
後、レジストエッチバック法によりSiO2上面を平坦
化した。最後に、下層の磁性膜と同じ3μm厚のFe40
Co60合金膜を形成し、平面磁気素子を作製した。
Example 31 Fe having a thickness of 3 μm was formed on a silicon substrate by RF sputtering.
A 40Co60 alloy film was formed, and a 1 μm thick SiO 2 film was formed on the 40Co60 alloy film by the RF sputtering method. Further, an Al—Cu alloy having a thickness of 10 μm was formed by DC magnetron sputtering method. This Al-Cu alloy was etched by magnetron-type reactive ion etching using the SiO 2 pattern as a mask, and 10 1-turn plane coils were patterned. The external connection terminals are shown in FIG. 49 and FIG.
One of each of the two types of arrangement shown in 0 was formed. The width of the coil conductor was 200 μm, and the interval between the coil conductors was 5 μm. The outer dimension of the outermost 1-turn plane coil is 4.5 mm, and the outer dimension of the innermost 1-turn plane coil is 0.81 mm. After the SiO 2 was buried on the Al—Cu pattern by the plasma CVD method, the upper surface of the SiO 2 was flattened by the resist etch back method. Finally, Fe40 with the same thickness of 3 μm as the lower magnetic film
A Co60 alloy film was formed to produce a planar magnetic element.

【0291】(a)作製された平面磁気素子のうち図4
9に示す片側外部端子型の磁気素子を用い、外部接続端
子をボンディングワイヤを介してリードフレームに接続
した後、樹脂封止することにより図67に示すシングル
インラインパッケージタイプ(SIP)の20ピン素子
を作製した。
(A) Of the manufactured planar magnetic elements, FIG.
Single-in-line package type (SIP) 20-pin element shown in FIG. 67 by using the one-sided external terminal type magnetic element shown in FIG. 9 and connecting the external connection terminal to the lead frame through the bonding wire, and then sealing with resin. Was produced.

【0292】この素子を半導体リレーと組み合わせて、
外部から電子回路的にインダクタンスを多段調整できる
ようにした。これにより、素子の調整機能を一段と容易
にすることができた。
By combining this element with a semiconductor relay,
It is possible to adjust the inductance in multiple stages from the outside using an electronic circuit. As a result, the adjustment function of the element could be further facilitated.

【0293】(b)作製された平面磁気素子のうち図5
0に示す両側外部端子型磁気素子を用い、前記と同様に
して図68に示すデュアルインラインパッケージタイプ
(DIP)の40ピン素子を作製した。
(B) Of the manufactured planar magnetic elements, FIG.
A dual in-line package type (DIP) 40-pin element shown in FIG. 68 was produced in the same manner as above using the double-sided external terminal type magnetic element shown in FIG.

【0294】この素子を半導体リレーと組み合わせて、
外部から電子回路的に変圧比を多段調整できるようにし
た。これにより、素子の調整機能を一段と容易にするこ
とができた。
By combining this element with a semiconductor relay,
The transformation ratio can be adjusted in multiple stages from the outside using an electronic circuit. As a result, the adjustment function of the element could be further facilitated.

【0295】(c)(a)と同様なSIPタイプの20
ピンインダクタ素子を作製する際、樹脂で封止する代わ
りに、Mn−Znフェライトパッケージでパッケージン
グした。この素子は(a)の素子に比べて、インダクタ
ンス値が倍増した。
(C) SIP type 20 similar to (a)
When the pin inductor element was manufactured, it was packaged in a Mn-Zn ferrite package instead of being sealed with resin. The inductance value of this element doubled as compared with the element of (a).

【0296】また、この回路の応用として、昇圧チョッ
パー型DC−DCコンバータ、降圧チョッパー型DC−
DCコンバータ、超薄型携帯電話のrf回路、共振型D
C−DCコンバータなどがある。その回路図の例とし
て、図69に昇圧チョッパー型DC−DCコンバータ、
図70に降圧チョッパー型DC−DCコンバータ、図7
1に超薄型携帯電話のrf回路、図72に共振型DC−
DCコンバータを示す。
As an application of this circuit, a step-up chopper type DC-DC converter, a step-down chopper type DC-
DC converter, rf circuit for ultra-thin mobile phones, resonance type D
There is a C-DC converter or the like. As an example of the circuit diagram, FIG. 69 shows a step-up chopper type DC-DC converter,
FIG. 70 shows a step-down chopper type DC-DC converter, and FIG.
1 shows the rf circuit of an ultra-thin mobile phone, and Fig. 72 shows a resonance type DC-
A DC converter is shown.

【0297】実施例32 図62Aに示した構造の1ターン型の平面インダクタを
製造した。基板としてはSi基板を用い、導体はAl、
絶縁体は酸化シリコンである。
Example 32 A one-turn type planar inductor having the structure shown in FIG. 62A was manufactured. A Si substrate is used as the substrate, the conductor is Al,
The insulator is silicon oxide.

【0298】なお図62Aにおける各パラメータは、図
62Bの記号に従い、下記の通りである。 d1=1×10-3(m)、d2=5×10-3(m) δ1=1×10-6(m)、δ2=1×10-6(m) μs=104、ρ=2.65×10-8(Ωm) d3=14×10-6(m) この様に作成したインダクタの各種特性は、 L=32(nH) RDC=14(mΩ) Imax=630(mA) Q1MHz=15、Q10MHz=150 であった。なおQは品質係数を表わし、直流抵抗成分に
対し有効に働くL成分比を示すものであり、大きい方が
優れたインダクタといえる。
The parameters in FIG. 62A are as follows according to the symbols in FIG. 62B. d1 = 1 × 10 -3 (m), d2 = 5 × 10 -3 (m) δ1 = 1 × 10 -6 (m), δ2 = 1 × 10 -6 (m) μs = 10 4, ρ = 2. 65 × 10 -8 (Ωm) d3 = 14 × 10 -6 (m) Various characteristics of the inductor thus prepared are as follows: L = 32 (nH) RDC = 14 (mΩ) Imax = 630 (mA) Q1MHz = 15 , Q10MHz = 150. It should be noted that Q represents a quality factor and represents an L component ratio that works effectively with respect to a DC resistance component, and a larger value can be said to be an excellent inductor.

【0299】また漏れ磁界もほとんどないことが確認さ
れた。
It was also confirmed that there was almost no leakage magnetic field.

【0300】参考のため、同一外形(d2=5×10-3
(m)、d3=14×10-6(m))の平面状スパイラ
ルコイル(ターン数125)を作成し、特性を比較し
た。断面形状を図73に示す。導体45の上面及び下面
に磁性体30が配置されている。
For reference, the same outer shape (d2 = 5 × 10 −3)
(M), d3 = 14 × 10 −6 (m)) a planar spiral coil (the number of turns was 125) was prepared and the characteristics were compared. The sectional shape is shown in FIG. 73. The magnetic body 30 is arranged on the upper and lower surfaces of the conductor 45.

【0301】この様に作成したインダクタの各種特性
は、 L=900(μH) RDC=600(Ω) Imax=6.4(mA) Q1MHz=9、Q10MHz=90 であった。
The various characteristics of the inductor thus produced were: L = 900 (μH) RDC = 600 (Ω) Imax = 6.4 (mA) Q1MHz = 9, Q10MHz = 90.

【0302】この結果から明らかなように1ターン型の
コイルは電流容量が大きく、大電流を要する電力用とし
て有効なことが分かる。またインダクタンス自体は小さ
いが、インピーダンス的には高周波化することで十分カ
バーできる。
As can be seen from these results, the one-turn type coil has a large current capacity and is effective for electric power that requires a large current. Moreover, although the inductance itself is small, it can be sufficiently covered by increasing the frequency in terms of impedance.

【0303】[0303]

【発明の効果】以上詳記したように、本発明の各手段に
より、本発明により下記の効果を有する。
As described in detail above, each means of the present invention has the following effects according to the present invention.

【0304】本発明の第1の手段による平面型磁気素子
は、コイル抵抗を低減することにより、インダクタでは
Qを、トランスではゲインおよび電圧変動率を改善する
ことができ、これらの素子の性能向上に著しく貢献す
る。
In the planar magnetic element according to the first means of the present invention, by reducing the coil resistance, Q can be improved in the inductor and the gain and voltage fluctuation rate can be improved in the transformer, and the performance of these elements can be improved. Contribute significantly to.

【0305】本発明の第2の手段では、インダクタを考
えた場合、許容電流とインダクタンスの大きさによりそ
の性能は決定される。許容電流はコイルを構成する導体
の断面積で決まるが、幅を広げることはその分占有面積
が増大し、小型化への要求に反する。またインダクタン
スは、ターン数を増やせば大きくなるが、その分占有面
積が増大し、これも小型化への要求に反する。よって、
本手段により、許容電流を大きく取ることが可能であ
る。
In the second means of the present invention, when an inductor is considered, its performance is determined by the allowable current and the magnitude of the inductance. The allowable current is determined by the cross-sectional area of the conductors forming the coil, but widening the width increases the occupied area accordingly, which is against the demand for miniaturization. Further, the inductance increases as the number of turns increases, but the occupied area also increases, which also goes against the demand for miniaturization. Therefore,
By this means, it is possible to take a large allowable current.

【0306】本発明の第3の手段において、平面インダ
クタを設計する際には、インダクタンスをなるべく大き
な値としたい。この手段のように、磁性体の外形寸法w
をスパイラルコイルの外形寸法a0よりも2α(αは前
述の通り)以上大きくすれば、インダクタンスを有効に
高めることができる。例えば、w=a0+2αとするこ
とにより、w=a0の場合の1.8倍以上の値が得られ
る。
In the third means of the present invention, when designing the planar inductor, the inductance should be as large as possible. Like this means, the external dimension w of the magnetic body
The inductance can be effectively increased by making 2α (α is as described above) or more larger than the outer dimension a0 of the spiral coil. For example, by setting w = a0 + 2α, a value more than 1.8 times that in the case of w = a0 can be obtained.

【0307】以上のように、本手段によってスパイラル
型の平面インダクタを構成すれば、インダクタ外部への
漏れ磁束を低減でき、また、インダクタンスの増大効果
も期待できるので、平面インダクタの性能改善に大きく
貢献する。
As described above, when the spiral type planar inductor is constructed by this means, the leakage magnetic flux to the outside of the inductor can be reduced and the effect of increasing the inductance can be expected, which greatly contributes to the performance improvement of the planar inductor. To do.

【0308】更に、本手段による平面インダクタはイン
ダクタンスが高いだけでなく、漏れ磁束を少なくできる
ため、集積回路用素子として適しており、電子機器の小
型・薄型化に大いに貢献する。
Further, the plane inductor according to the present means is suitable for an integrated circuit element because it has a high inductance and can reduce a leakage magnetic flux, and greatly contributes to downsizing and thinning of electronic equipment.

【0309】本発明の第4の手段による平面型磁気素子
は、磁性体の一軸磁気異方性を有効に活用することによ
り、直流重畳特性及び高周波特性に優れ、特にDC−D
Cコンバータなどの高周波回路の用途に適しており、か
つ、小形化・集積化が可能である。
The flat type magnetic element according to the fourth means of the present invention is excellent in direct current superimposition characteristics and high frequency characteristics by effectively utilizing the uniaxial magnetic anisotropy of the magnetic material, and particularly DC-D.
It is suitable for high-frequency circuits such as C converters, and can be miniaturized and integrated.

【0310】本発明の第5の手段の平面磁気素子は外部
回路との電気的接続が極めて容易であり、外部から電気
的特性のトリミングが可能であるので、素子の応用上極
めて有用な磁気部品となる。この磁気素子の応用として
は、例えば、先の実施例に示したが、昇圧チョッパー型
DC−DCコンバータ、降圧チョッパー型DC−DCコ
ンバータ、超薄型携帯電話のrf回路、共振型DC−D
Cコンバータなどがある。
The flat magnetic element of the fifth means of the present invention is extremely easy to electrically connect to an external circuit, and the electrical characteristics can be trimmed from the outside. Therefore, it is a magnetic component extremely useful for application of the element. Becomes As the application of this magnetic element, for example, the step-up chopper type DC-DC converter, the step-down chopper type DC-DC converter, the rf circuit of the ultra-thin mobile phone, and the resonance type DC-D have been shown in the above-mentioned embodiments.
There is a C converter and the like.

【0311】本発明の第6の手段の磁気素子によれば、
漏れ磁界が無く、かつ電流容量のとれる構造を提供する
ことでこれも小型化に貢献するところ大である。
According to the magnetic element of the sixth means of the present invention,
By providing a structure that has no leakage magnetic field and has a large current capacity, this also contributes greatly to downsizing.

【0312】上記の各手段による発明の効果により、磁
気素子の小型化を図ることが可能であり、平面インダク
タなどに要求される諸特性も改善される。
Due to the effects of the invention by each of the above means, it is possible to reduce the size of the magnetic element, and the various characteristics required for a planar inductor or the like are also improved.

【0313】本発明の第6の手段の効果により、半導体
基板上に、磁気素子として平面状のマイクロコイルから
なる平面インダクタ及びトランスを形成することで、例
えばトランジスタなどの能動素子、抵抗、コンデンサな
どの受動素子との1チップ化が可能であり、平面インダ
クタ及びトランスを含む電気素子を小型化できる。ま
た、半導体の微細加工技術を用いることにより、平面イ
ンダクタ及びトランスそのものも小さくすることができ
る。
According to the effect of the sixth means of the present invention, by forming a planar inductor and a transformer made of a planar microcoil as a magnetic element on a semiconductor substrate, for example, active elements such as transistors, resistors, capacitors, etc. It is possible to form a single chip with the passive element, and it is possible to downsize the electric element including the planar inductor and the transformer. Further, by using the semiconductor fine processing technique, the planar inductor and the transformer itself can be downsized.

【0314】よって、本発明によれば、従来カード化、
小型化等の障害となっていたインダクタンス部を小型
化、薄型化できるため、装置全体の小型化に寄与するこ
とができる。
Therefore, according to the present invention, the conventional card,
Since the inductance portion, which has been an obstacle to downsizing, can be downsized and thinned, it can contribute to downsizing of the entire device.

【図面の簡単な説明】[Brief description of drawings]

【図1】 アモルファス磁性体箔と正方形状スパイラル
コイルを用いた従来の平面インダクタの概略図。
FIG. 1 is a schematic view of a conventional planar inductor using an amorphous magnetic foil and a square spiral coil.

【図2】 従来のDC−DCコンバータの出力チョーク
コイルに流れる電流波形の一例。
FIG. 2 shows an example of a waveform of a current flowing through an output choke coil of a conventional DC-DC converter.

【図3】 従来の磁性体のB−H曲線。FIG. 3 is a BH curve of a conventional magnetic material.

【図4】 従来のインダクタの直流重畳特性の一例。FIG. 4 shows an example of DC superposition characteristics of a conventional inductor.

【図5】 本発明に係る平面インダクタの分解斜視図。FIG. 5 is an exploded perspective view of the planar inductor according to the present invention.

【図6】 本発明に係る平面インダクタの概略断面図。FIG. 6 is a schematic cross-sectional view of a planar inductor according to the present invention.

【図7】 本発明に係る平面トランスの分解斜視図。FIG. 7 is an exploded perspective view of a flat transformer according to the present invention.

【図8】 本発明に係る平面トランスの概略断面図。FIG. 8 is a schematic sectional view of a flat transformer according to the present invention.

【図9】 溝アスペクト比と平面インダクタのコイル抵
抗及びインダクタンスとの関係を示すグラフ。
FIG. 9 is a graph showing the relationship between the groove aspect ratio and the coil resistance and inductance of the planar inductor.

【図10】 溝アスペクト比と平面インダクタのL/R
との関係を示すグラフ。
FIG. 10: Groove aspect ratio and L / R of planar inductor
A graph showing the relationship with.

【図11】 溝アスペクト比と平面トランスのゲインと
の関係を示すグラフ。
FIG. 11 is a graph showing the relationship between the groove aspect ratio and the gain of the planar transformer.

【図12】 図12Aは第1と第2の手段を組み合わ
せた、高導体アスペクト比及び高溝アスペクト比の磁気
素子の分解斜視図、図12Bは図12Aの断面図。
12A is an exploded perspective view of a magnetic element having a high conductor aspect ratio and a high groove aspect ratio in which the first and second means are combined, and FIG. 12B is a sectional view of FIG. 12A.

【図13】 AからDは導体間空洞の形成方法の製造工
程を示す工程図。
13A to 13D are process diagrams showing manufacturing steps of a method for forming a cavity between conductors.

【図14】 導体間空洞の形成方法の製造工程を示す工
程図。
FIG. 14 is a process drawing showing a manufacturing process of a method for forming a cavity between conductors.

【図15】 平行平板コンデンサの概略図。FIG. 15 is a schematic view of a parallel plate capacitor.

【図16】 C/C0のk依存性を示すグラフ。FIG. 16 is a graph showing the k dependence of C / C0.

【図17】 コイルを磁性体で挟んだ図。FIG. 17 is a diagram in which a coil is sandwiched by magnetic materials.

【図18】 コイルを絶縁体を介して多層化した図。FIG. 18 is a diagram in which a coil is multilayered with an insulator interposed.

【図19】 コイルパターンの変形例を示した図。FIG. 19 is a diagram showing a modified example of the coil pattern.

【図20】 導体と基板の間に接合層を設けた図。FIG. 20 is a diagram in which a bonding layer is provided between a conductor and a substrate.

【図21】 マイクロトランスの構成例を示す図。FIG. 21 is a diagram showing a configuration example of a micro transformer.

【図22】 平面コイルの構成例を示す図。FIG. 22 is a diagram showing a configuration example of a planar coil.

【図23】 インダクタの構成例を示した分解斜視図。FIG. 23 is an exploded perspective view showing a configuration example of an inductor.

【図24】 インダクタの構成例を示した分解斜視図。FIG. 24 is an exploded perspective view showing a configuration example of an inductor.

【図25】 AからCはインダクタ外部への漏れ磁束の
様子を示したインダクタの断面図。
FIG. 25A to FIG. 25C are cross-sectional views of the inductor showing a state of leakage magnetic flux to the outside of the inductor.

【図26】 平面インダクタスパイラルコイル端部付近
の磁界分布の様子を示すグラフ。
FIG. 26 is a graph showing a magnetic field distribution in the vicinity of an end portion of a planar inductor spiral coil.

【図27】 磁性体外形寸法wとインダクタ外部漏れ磁
束との関係を示すグラフ。
FIG. 27 is a graph showing the relationship between the external dimension w of the magnetic body and the magnetic flux leaked from outside the inductor.

【図28】 磁性体外形寸法wとインダクタンスとの関
係を示すグラフ、を示す。
FIG. 28 is a graph showing the relationship between the external dimension w of the magnetic body and the inductance.

【図29】 磁性体層に一軸磁気異方性を導入した平面
インダクタの分解斜視図。
FIG. 29 is an exploded perspective view of a planar inductor in which uniaxial magnetic anisotropy is introduced in a magnetic layer.

【図30】 図29の平面インダクタの磁性体層の面内
における、コイルにより発生する磁界の方向と一軸磁気
異方性の方向との関係を示す説明図。
30 is an explanatory diagram showing the relationship between the direction of the magnetic field generated by the coil and the direction of uniaxial magnetic anisotropy in the plane of the magnetic layer of the planar inductor of FIG.

【図31】 磁性体の磁化容易軸方向と磁化困難軸方向
における磁化曲線を示す図。
FIG. 31 is a diagram showing magnetization curves of a magnetic material in the easy axis direction and the hard axis direction.

【図32】 Aは図30において磁界の方向と磁化容易
軸の方向とが平行である磁性体領域における磁束分布を
示す図、Bは図30において磁界の方向と磁化容易軸の
方向とが直交する磁性体領域における磁束分布を示す
図。
32A is a diagram showing a magnetic flux distribution in a magnetic body region in which the direction of the magnetic field is parallel to the direction of the easy axis of magnetization in FIG. 30, and FIG. 32B is the direction of the magnetic field and the direction of the easy axis of magnetization in FIG. FIG. 6 is a diagram showing a magnetic flux distribution in a magnetic material region where

【図33】 本発明に係る平面インダクタの分解斜視
図。
FIG. 33 is an exploded perspective view of the planar inductor according to the present invention.

【図34】 図33の平面インダクタの直流重畳特性を
示す図。
34 is a diagram showing DC superimposition characteristics of the planar inductor shown in FIG. 33.

【図35】 図33変形例の平面インダクタの分解斜視
図。
FIG. 35 is an exploded perspective view of the planar inductor of the modification example of FIG. 33.

【図36】 本発明に係る他の平面インダクタの分解斜
視図。
FIG. 36 is an exploded perspective view of another planar inductor according to the present invention.

【図37】 図36の平面インダクタの直流重畳特性を
示す図。
37 is a diagram showing DC superimposition characteristics of the planar inductor shown in FIG. 36.

【図38】 本発明に係る更に他の平面インダクタの分
解斜視図。
FIG. 38 is an exploded perspective view of still another planar inductor according to the present invention.

【図39】 図38の平面インダクタを構成する磁性体
層の表面構造を示す斜視図。
39 is a perspective view showing the surface structure of a magnetic layer that constitutes the planar inductor of FIG. 38. FIG.

【図40】 図39の磁性体層の表面構造パラメータと
Ukの第2項との関係を示す図。
FIG. 40 is a diagram showing the relationship between the surface structure parameter of the magnetic layer of FIG. 39 and the second term of Uk.

【図41】 図37の平面インダクタの直流重畳特性を
示す図。
41 is a diagram showing DC superimposition characteristics of the planar inductor shown in FIG. 37.

【図42】 Aは磁性体の磁化容易軸方向と磁化困難軸
方向における磁化曲線を示す図、Bは一軸磁気異方性を
有する磁性体の磁化容易軸及び磁化困難軸の透磁率−周
波数特性の一例。
42A is a diagram showing a magnetization curve in the easy axis direction and the hard axis direction of a magnetic material, and FIG. 42B is a permeability-frequency characteristic of the easy axis and the hard axis of a magnetic material having uniaxial magnetic anisotropy. An example.

【図43】 本発明の第1による平面形磁気素子の例で
平面インダクタの概略図。
FIG. 43 is a schematic view of a planar inductor in the example of the planar magnetic element according to the first embodiment of the present invention.

【図44】 図43の変更例。FIG. 44 is a modification of FIG. 43.

【図45】 本発明の第2による平面形磁気素子の例で
平面インダクタの概略図。
FIG. 45 is a schematic view of a planar inductor in the example of the planar magnetic element according to the second embodiment of the present invention.

【図46】 図45の変更例。FIG. 46 is a modification of FIG. 45.

【図47】 図46の変更例。FIG. 47 is a modification of FIG. 46.

【図48】 コイル導体が露出する部分に磁気シールド
用磁性体を形成した平面インダクタの概略図。
FIG. 48 is a schematic view of a planar inductor in which a magnetic shield magnetic material is formed in a portion where a coil conductor is exposed.

【図49】 本発明に係る磁気素子の平面図。FIG. 49 is a plan view of a magnetic element according to the present invention.

【図50】 本発明に係る他の磁気素子の平面図。FIG. 50 is a plan view of another magnetic element according to the present invention.

【図51】 図49の磁気素子の外部接続端子を接続す
ることにより作製された平面インダクタの平面図。
51 is a plan view of a planar inductor manufactured by connecting external connection terminals of the magnetic element of FIG. 49. FIG.

【図52】 図49の磁気素子の外部接続端子を接続す
ることにより作製された他の平面インダクタの平面図。
52 is a plan view of another planar inductor manufactured by connecting the external connection terminals of the magnetic element of FIG. 49. FIG.

【図53】 図49の磁気素子の外部接続端子を接続す
ることにより作製された更に他の平面インダクタの平面
図。
FIG. 53 is a plan view of still another planar inductor produced by connecting the external connection terminals of the magnetic element of FIG. 49.

【図54】 図49の磁気素子の外部接続端子の接続方
法とインダクタンス値との関係を示すグラフ。
54 is a graph showing the relationship between the connection method of the external connection terminals of the magnetic element of FIG. 49 and the inductance value.

【図55】 図49の磁気素子の外部接続端子を接続す
ることにより作製された平面トランスの平面図。
55 is a plan view of a flat transformer manufactured by connecting the external connection terminals of the magnetic element of FIG. 49. FIG.

【図56】 図49の磁気素子の外部接続端子を接続す
ることにより作製された他の平面トランスの平面図。
FIG. 56 is a plan view of another plane transformer manufactured by connecting the external connection terminals of the magnetic element of FIG. 49.

【図57】 図49の磁気素子の外部接続端子を接続す
ることにより作製された更に他の平面トランスの平面
図。
57 is a plan view of still another planar transformer manufactured by connecting the external connection terminals of the magnetic element of FIG. 49. FIG.

【図58】 図49の磁気素子の外部接続端子の接続方
法と変圧比及び変流比との関係を示すグラフ。
FIG. 58 is a graph showing the relationship between the connection method of the external connection terminals of the magnetic element of FIG. 49 and the transformation ratio and the current transformation ratio.

【図59】 半導体基板上に能動素子と磁気素子とが同
一平面上に形成された素子の断面図。
FIG. 59 is a cross-sectional view of an element in which an active element and a magnetic element are formed on the same plane on a semiconductor substrate.

【図60】 半導体基板上に能動素子及び磁気素子が順
次形成された素子の断面図。
FIG. 60 is a cross-sectional view of an element in which an active element and a magnetic element are sequentially formed on a semiconductor substrate.

【図61】 半導体基板上に磁気素子及び能動素子が順
次形成された素子の断面図。
FIG. 61 is a cross-sectional view of an element in which a magnetic element and an active element are sequentially formed on a semiconductor substrate.

【図62】 Aは1ターン構造のコイルの断面図、Bは
1ターン構造のコイルの構造図。
62A is a cross-sectional view of a one-turn structure coil, and B is a structural diagram of a one-turn structure coil. FIG.

【図63】 Aは図62Aのコイルを直列接続した図、
Bは図63Aのコイルを積層化した図。
63A is a diagram in which the coils of FIG. 62A are connected in series, FIG.
B is the figure which laminated | stacked the coil of FIG. 63A.

【図64】 図62Aのコイルにおいて、導体層と絶縁
体層を追加したときの断面図。
64 is a cross-sectional view when a conductor layer and an insulator layer are added to the coil of FIG. 62A.

【図65】 磁性体材料の選択基準を説明するための参
考図であり、スパイラル平面コイルの巻数とコイル導体
の最大許容電流及びコイル導体に最大許容電流を流した
ときに発生する磁界との関係を示す図。
FIG. 65 is a reference diagram for explaining selection criteria of magnetic material, and shows the relationship between the number of turns of the spiral planar coil, the maximum allowable current of the coil conductor, and the magnetic field generated when the maximum allowable current is passed through the coil conductor. FIG.

【図66】 本発明の磁気素子を用いて作製したポケッ
トベルの概略図。
FIG. 66 is a schematic view of a pager manufactured using the magnetic element of the present invention.

【図67】 本発明の実施例において作製されたシング
ルインラインパッケージタイプ(SIP)の20ピン素
子の平面図。
FIG. 67 is a plan view of a single in-line package type (SIP) 20-pin element manufactured in the example of the present invention.

【図68】 本発明の実施例において作製されたデュア
ルインラインパッケージタイプ(DIP)の40ピン素
子の斜視図。
FIG. 68 is a perspective view of a dual in-line package type (DIP) 40-pin device manufactured in the example of the present invention.

【図69】 昇圧チョッパー型DC−DCコンバータの
回路図。
FIG. 69 is a circuit diagram of a step-up chopper type DC-DC converter.

【図70】 降圧チョッパー型DC−DCコンバータの
回路図。
FIG. 70 is a circuit diagram of a step-down chopper type DC-DC converter.

【図71】 超薄型携帯電話のrf回路図。71 is an rf circuit diagram of an ultrathin mobile phone. FIG.

【図72】 共振型DC−DCコンバータの回路図。FIG. 72 is a circuit diagram of a resonant DC-DC converter.

【図73】 本発明の1実施例に係る断面図。FIG. 73 is a cross-sectional view according to one embodiment of the present invention.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

10 基板 20 絶縁体層 30 磁性体層 40 平面コイル 50 保護層 10 substrates 20 Insulator layer 30 Magnetic layer 40 plane coil 50 Protective layer

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (31)優先権主張番号 特願平3−91614 (32)優先日 平成3年3月29日(1991.3.29) (33)優先権主張国 日本(JP) (31)優先権主張番号 特願平3−93434 (32)優先日 平成3年3月30日(1991.3.30) (33)優先権主張国 日本(JP) (31)優先権主張番号 特願平3−93717 (32)優先日 平成3年3月30日(1991.3.30) (33)優先権主張国 日本(JP) (72)発明者 佐橋 政司 神奈川県川崎市幸区小向東芝町1番地 株式会社東芝総合研究所内 (72)発明者 長谷川 迪雄 神奈川県川崎市幸区小向東芝町1番地 株式会社東芝総合研究所内 (72)発明者 澤邊 厚仁 神奈川県川崎市幸区小向東芝町1番地 株式会社東芝総合研究所内 (72)発明者 富田 宏 神奈川県川崎市幸区小向東芝町1番地 株式会社東芝総合研究所内 (56)参考文献 特開 昭57−52114(JP,A) 特開 平1−310518(JP,A) 特開 平1−157507(JP,A)   ─────────────────────────────────────────────────── ─── Continued front page    (31) Priority claim number Japanese Patent Application No. 3-91614 (32) Priority date March 29, 1991 (March 29, 1991) (33) Priority claiming country Japan (JP) (31) Priority claim number Japanese Patent Application No. 3-93434 (32) Priority date March 30, 1991 (March 30, 1991) (33) Priority claiming country Japan (JP) (31) Priority claim number Japanese Patent Application No. 3-93717 (32) Priority date March 30, 1991 (March 30, 1991) (33) Priority claiming country Japan (JP) (72) Inventor Masashi Sahashi               1 Komukaishiba-cho, Saiwai-ku, Kawasaki-shi, Kanagawa               Toshiba Research Institute, Ltd. (72) Inventor Mio Hasegawa               1 Komukaishiba-cho, Saiwai-ku, Kawasaki-shi, Kanagawa               Toshiba Research Institute, Ltd. (72) Inventor Atsuhito Sawabe               1 Komukaishiba-cho, Saiwai-ku, Kawasaki-shi, Kanagawa               Toshiba Research Institute, Ltd. (72) Inventor Hiroshi Tomita               1 Komukaishiba-cho, Saiwai-ku, Kawasaki-shi, Kanagawa               Toshiba Research Institute, Ltd.                (56) Reference JP-A-57-52114 (JP, A)                 Japanese Patent Laid-Open No. 1-310518 (JP, A)                 JP-A-1-157507 (JP, A)

Claims (10)

(57)【特許請求の範囲】(57) [Claims] 【請求項1】 基板上に第1磁性体層を薄膜プロセスで
形成する工程と、 前記第1磁性体層上に第1絶縁体層を薄膜プロセスで形
成する工程と、 前記第1絶縁体層上に、隣接するコイル導体間の溝部が
1以上の溝アスペクト比(コイル導体の厚さ/コイル導
体間の間隔)を有する平面コイルを薄膜プロセスで形成
する工程と、 前記平面コイル上に第2絶縁体層を薄膜プロセスで形成
する工程と、 前記第2絶縁体層上に第2磁性体層を薄膜プロセスで形
成する工程とを備え、 前記第2絶縁体層を形成する工程において、前記コイル
導体間に空洞が形成されていることを特徴とする平面型
磁気素子の製造方法。
1. A step of forming a first magnetic layer on a substrate by a thin film process, a step of forming a first insulator layer on the first magnetic layer by a thin film process, and the first insulator layer. A step of forming a flat coil having a groove aspect ratio between adjacent coil conductors of 1 or more (a thickness of the coil conductor / a distance between the coil conductors) by a thin film process; and a second step on the flat coil. A step of forming an insulator layer by a thin film process; and a step of forming a second magnetic layer on the second insulator layer by a thin film process, wherein the coil is formed in the step of forming the second insulator layer. A method of manufacturing a planar magnetic element, characterized in that a cavity is formed between conductors.
【請求項2】 前記平面コイルを形成する工程は、前記
平面コイルの線高と線幅との比が1以上であるような導
体アスペクト比(コイル導体の厚さ/コイル導体の幅)
を有する平面コイルを形成する工程を有すること、を特
徴とする請求項1に記載の平面型磁気素子の製造方法。
2. A conductor aspect ratio (thickness of coil conductor / width of coil conductor) such that the ratio of the line height to the line width of the plane coil is 1 or more in the step of forming the plane coil.
The method of manufacturing a planar magnetic element according to claim 1, further comprising the step of forming a planar coil having:
【請求項3】 前記平面コイルの隣接導体間の溝部に空
洞を形成する工程を更に備えたこと、を特徴とする請求
項1又は請求項2に記載の平面型磁気素子の製造方法。
3. The method of manufacturing a planar magnetic element according to claim 1, further comprising the step of forming a cavity in a groove between adjacent conductors of the planar coil.
【請求項4】 前記平面コイルがスパイラル状で、か
つ、w≧a0+2αであり、wは前記第1及び第2磁性
体層の外形寸法、a0は前記平面コイルの前記コイル導
体の外形寸法、α=[μs・g・t/2]1/2(μsは前
記第1及び第2磁性体層の透磁率、tは前記第1及び第
2磁性体層の厚さ、gは前記第1及び第2磁性体層間の
距離)としたこと、を特徴とする請求項1又は請求項2
に記載の平面型磁気素子の製造方法。
4. The plane coil has a spiral shape and w ≧ a0 + 2α, w is an outer dimension of the first and second magnetic layers, a0 is an outer dimension of the coil conductor of the plane coil, and α = [Μs · g · t / 2] 1/2 (μs is the magnetic permeability of the first and second magnetic layers, t is the thickness of the first and second magnetic layers, and g is the first and second magnetic layers) The distance between the second magnetic layers)).
A method of manufacturing the planar magnetic element according to [4].
【請求項5】 前記第1及び第2磁性体層は、前記平面
コイルが発生する磁界の方向と直交する方向に一軸磁気
異方性を有すること、を特徴とする請求項1又は請求項
2に記載の平面型磁気素子の製造方法。
5. The first and second magnetic layers have uniaxial magnetic anisotropy in a direction orthogonal to a direction of a magnetic field generated by the planar coil. A method of manufacturing the planar magnetic element according to [4].
【請求項6】 前記平面コイルは複数の長方形スパイラ
ルコイルを含み、前記平面コイルの長軸と一軸磁気異方
性を有する前記第1及び第2磁性体層の磁化容易軸とが
一致すること、を特徴とする請求項1又は請求項2に記
載の平面型磁気素子の製造方法。
6. The planar coil includes a plurality of rectangular spiral coils, and a long axis of the planar coil and an easy axis of magnetization of the first and second magnetic layers having uniaxial magnetic anisotropy coincide with each other. 3. The method for manufacturing a flat magnetic element according to claim 1 or 2.
【請求項7】 前記平面コイルは直列接続された複数の
長方形スパイラルコイルを含み、前記平面コイルの長軸
方向と、一軸磁気異方性を有する前記第1及び第2磁性
体層の磁化容易軸とが一致すること、を特徴とする請求
項1又は請求項2に記載の平面型磁気素子の製造方法。
7. The planar coil includes a plurality of rectangular spiral coils connected in series, and the easy axis of magnetization of the first and second magnetic layers having a major axis direction of the planar coil and uniaxial magnetic anisotropy. 3. The method for manufacturing a planar magnetic element according to claim 1 or 2, characterized in that
【請求項8】 前記薄膜プロセスは、蒸着、スパッタ法
或いはCVD法によるプロセスであることを特徴とする
請求項1又は請求項2に記載の平面型磁気素子の製造方
法。
8. The method of manufacturing a planar magnetic element according to claim 1, wherein the thin film process is a process by vapor deposition , sputtering or CVD.
【請求項9】 前記空洞は、CVD法によるプロセス用
いるか、或いは絶縁粒子を前記基板に対して斜め方向か
らスパッタすることによって形成されることを特徴とす
る請求項3に記載の平面型磁気素子の製造方法。
9. The flat magnetic element according to claim 3, wherein the cavity is formed by using a process by a CVD method or by sputtering insulating particles from an oblique direction with respect to the substrate. Manufacturing method.
【請求項10】 請求項1から請求項9のいずれか1項
に記載の製造方法によって製造された平面型磁気素子
と、能動素子及び受動素子の少なくとも一方とが前記基
板上に形成されていることを特徴とする半導体装置。
10. A planar magnetic element manufactured by the manufacturing method according to claim 1, and at least one of an active element and a passive element are formed on the substrate. A semiconductor device characterized by the above.
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