JP3392444B2

JP3392444B2 - 磁性人工格子膜

Info

Publication number: JP3392444B2
Application number: JP28674192A
Authority: JP
Inventors: 敏郎佐藤; 徹彦溝口; 哲夫井上; 宏富田; ひろみ福家; 厚仁澤邊
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1992-09-30
Filing date: 1992-09-30
Publication date: 2003-03-31
Anticipated expiration: 2018-03-31
Also published as: JPH06120027A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は平面インダクタ、平面ト
ランス、薄膜磁気ヘッドなどの平面磁気素子に用いられ
る磁性人工格子膜に関する。

【０００２】

【従来の技術】近年、各種電子機器の小形化が盛んに進
められている。しかし、これに比較して、電子機器を構
成する電源部の小形化は遅れている。このため、機器全
体に占める電源部の容積比率は増大する一方である。電
子機器の小形化は、各種回路のＬＳＩ化によるところが
大きいが、電源部に必須であるインダクタやトランスな
どの磁気部品についてはこのような小形化・集積化が遅
れており、これが容積比率を増大させる主因となってい
る。

【０００３】この課題を解決するために、平面コイルと
磁性体とを組み合わせた平面型の磁気素子が提案され、
その高性能化が検討されている（例えば、白川ら；電気
学会マグネティックス研究会資料、ＭＡＧ−９２−１
４）。

【０００４】これらの磁気素子に用いられる磁性薄膜に
は、１ＭＨｚ以上の高周波領域において高透磁率かつ高
飽和磁場であることが要求される。高透磁率および高飽
和磁場を両立するためには、高飽和磁化が必要である。
さらに、このような磁性薄膜は、損失が増大すると、素
子自身のエネルギー効率、動作効率の低下、動作時の発
熱量の増大などを招き、十分な性能を発揮できなくなる
ため、低損失であることが要求される。

【０００５】また、最近の磁気記録技術の分野では、記
録密度の増大、媒体の高保磁力化、高エネルギー積化お
よび動作周波数の高周波化が進んでいる。例えば、実験
室レベルでは、１平方インチ当り２Ｇビットの記録密度
が実現されている（Ｈ．Ｔａｋａｎｏｅｔａｌ．；
ＩＥＥＥＴｒａｎｓ．，Ｍａｇｎ．，ＭＡＧ−２７，
Ｎｏ．６，ｐｐ．４６７８−４６８３，１９９１）。

【０００６】これに伴い、薄膜磁気ヘッドの磁極に用い
られる磁性薄膜は、飽和磁束密度が高く、軟磁気特性に
優れ（高い透磁率を有し）、周波数特性に優れているこ
とが要求される。これらの特性は、一般にその他の磁気
素子においても共通して要求される。

【０００７】現在の技術水準では、２テスラを超える飽
和磁化を示す磁性材料が要求されている。このような要
求を満たす磁性材料として、Ｆｅ系およびＦｅＣｏ系材
料が有望と考えられ、盛んに開発が進められている。特
に、ＦｅＣｏ合金は、金属系磁性材料中で最高の飽和磁
束密度を有する。しかし、これらの材料は結晶磁気異方
性Ｋ₁および磁歪λｓがともに大きいため、十分な軟磁
気特性を得ることが困難である。

【０００８】図１にＦｅＣｏ合金における磁歪定数λ
ｓ、飽和磁束密度Ｂｓおよび結晶磁気異方性Ｋ₁の組成
依存性を示す。なお、Ｃｏが８０ａｔ％以上になると、
ｂｃｃ構造が不安定となり、ｆｃｃ構造を示し、飽和磁
束密度が低下する。一方、Ｃｏが５ａｔ％以下になる
と、負磁歪を示すようになる。特に、Ｃｏが２０〜５０
ａｔ％のものは、飽和磁束密度が大きい。例えば、Ｆｅ
₇₀Ｃｏ₃₀の諸定数は、λｓ＝４５×１０^-6、Ｋ₁＝１．
２×１０⁴（Ｊ／ｍ³）、Ｉｓ＝２．４６Ｔである。

【０００９】ここで、これらの材料では十分な軟磁気特
性を得ることが困難である理由についてさらに詳細に説
明する。。磁気異方性定数Ｋは応力σを介して誘導され
る一軸磁気異方性定数Ｋｕと結晶磁気異方性定数Ｋ₁と
の和であり、Ｋｕ＝３λｓ・σ／２Ｋ＝Ｋ₁＋Ｋｕ＝Ｋ₁＋３λｓ・σ／２と表される。

【００１０】初透磁率をμ_i、飽和磁化をＩｓ（Ｔ）と
すると、 μ_i〜Ｉｓ²／（３Ｋ・μ₀）＋１となる。したがって、Ｆｅ₇₀Ｃｏ₃₀の場合、σ＝２．５
×１０⁷Ｎ／ｍ³とすると、μ_iは１００程度の低い値
になる。

【００１１】一方、Ｆｅ₆₀Ｃｏ₄₀のいわゆるパーメンジ
ュール組成では、Ｋ₁＝０となるので、透磁率の向上に
は有利であると考えられる。しかし、実際にはその値は
７００程度にすぎない。この理由は、パーメンジュール
組成では、磁歪λｓが大きくなるためである。

【００１２】また、高周波領域では透磁率は主に回転磁
化過程によってまかなわれる。このため、磁化困難軸方
向の励磁が重要になり、磁化困難軸方向の高周波透磁率
および高周波損失が重要な物性値になる。高周波損失
は、試料の様々な物性と複雑に関連した量である。損失
の主要な要素としては、ヒステリシス損失と渦電流損失
とが挙げられる。低周波側で容易軸励磁する場合には、
磁壁移動などによる異常損などが問題になることもあ
る。しかし、回転磁化過程を主とする磁化困難軸方向の
高周波励磁では、通常は異常損などを無視できる。した
がって、高飽和磁化および１ＭＨｚ高周波領域での高透
磁率・低損失を実現するには、高飽和磁化と軟磁性とを
両立させつつ、ヒステリシス損失および渦電流損失を低
減することが必要である。

【００１３】近年、これらの材料の軟磁性化の手段とし
て、Ｂ、Ｎ、Ｃなどの添加、ＩＶＡ族、ＶＡ族元素など
の添加による微結晶化が試みられている。しかし、何ら
かの添加元素を用いた場合には、Ｆｅ系およびＦｅＣｏ
系の材料が本来持っている高飽和磁化を劣化させる場合
が多い。

【００１４】また、高周波渦電流損を低減するために、
非磁性のＳｉＯ₂やＡｌＮなどの絶縁膜との多層化も試
みられている。この場合、磁性膜間の静磁結合により磁
区を細分化するためには絶縁膜を薄くしなければなら
ず、一方磁性膜中に発生する渦電流を十分に遮断するに
は絶縁膜を厚くしなければならない。実際には、適度の
厚さの絶縁膜を形成することにより、磁区の細分化と渦
電流の遮断を図っているが、両者の要求を満足するには
不十分である。

【００１５】

【発明が解決しようとする課題】以上のように、平面イ
ンダクタや平面トランス、磁気記録ヘッド用磁極材料と
して、高い飽和磁束密度、優れた軟磁気特性、良好な高
周波特性を有する軟磁性薄膜材料が要望されているが、
これらの全てを満足する材料は未だ開発されていない。

【００１６】本発明の目的は、高い飽和磁束密度、優れ
た軟磁気特性、良好な高周波特性を有し、平面磁気素子
などへ有効に適用できる磁性人工格子膜を提供すること
にある。

【００１７】

【課題を解決するための手段と作用】本願第１の発明の
磁性人工格子膜は、２０〜５０ａｔ％のＣｏを含有する
ＦｅＣｏ系の強磁性薄膜と、５〜５０ａｔ％のＲを含有
するＲＦｅＣｏ系合金薄膜（ＲはＰｍ、Ｓｍ、Ｅｒおよ
びＴｍからなる群より選択される少なくとも１種の元
素）とを積層したことを特徴とするものである。

【００１８】本願第２の発明の磁性人工格子膜は、２０
〜５０ａｔ％のＣｏを含有するＦｅＣｏ系の強磁性薄膜
と、Ｍ _1-x Ｆｅ _2+x Ｏ ₄（ＭはＭｇ、Ｍｎ、Ｃｏ、Ｎｉ、
Ｃｕ、Ｌｉからなる群より選択される少なくとも１種の
金属元素、０≦ｘ≦０．５）で表されるスピネルフェラ
イト磁性薄膜とを積層したことを特徴とするものであ
る。

【００１９】本願第３の発明の磁性人工格子膜は、２０
〜５０ａｔ％のＣｏを含有するＦｅＣｏ系の強磁性薄膜
と、Ｆｅ、ＣｏおよびＭｇからなる群より選択される少
なくとも１種の元素を含むＮａＣｌ型イオン性化合物薄
膜とを積層したことを特徴とするものである。本願第４
の発明の磁気ヘッドは、上記第１ないし第３のいずれか
の磁性人工格子膜を具備したことを特徴とするものであ
る。

【００２０】本発明にかかる磁性人工格子膜の構造を図
２に示す。図２に示されるように、基板１上に、強磁性
薄膜２、中間層３、および強磁性薄膜２が順次積層され
て磁性人工格子膜４が形成されている。なお、図２では
３層からなるサンドイッチ構造を示しているが、さらに
層数を増加させてもよいことはもちろんである。

【００２１】本発明においては、Ｆｅ系またはＦｅＣｏ
系の強磁性薄膜が用いられる。特に、２．４テスラ程度
の高飽和磁化が得られる、Ｃｏが２０〜５０ａｔ％のＦ
ｅＣｏを用いることが好ましい。なお、この組成範囲の
ＦｅＣｏ系強磁性薄膜は正の磁歪を有する。

【００２２】本願第１および第２の発明の磁性人工格子
膜は、正の磁歪を有するＦｅＣｏ系の強磁性薄膜と、負
の磁歪を有するＲＦｅＣｏ系合金薄膜またはスピネルフ
ェライト磁性薄膜からなる中間層とを積層することによ
り、膜全体として実効的な磁歪を低減するものである。

【００２３】本願第１の発明において用いられる、ＲＦ
ｅＣｏ系合金薄膜（ＲはＰｍ、Ｓｍ、ＥｒおよびＴｍか
らなる群より選択される少なくとも１種）は、大きな負
の飽和磁歪定数を有するものである。例えば、図３にＳ
ｍ_x（Ｆｅ_0.75Ｃｏ_0.25）_100-x合金中のＳｍ含有率と
磁歪定数との関係を示す。この図から明らかなように、
Ｓｍ含有率が５〜５０ａｔ％のときに大きな負磁歪定数
を示す。一般に、ＲＦｅＣｏ系合金に関しては、Ｒの含
有率が少なすぎると磁歪定数が正の値になり、Ｒの含有
率が多すぎると飽和磁化が小さくなる。したがって、Ｒ
の含有率は１０〜４０ａｔ％が好ましく、特に磁歪定数
が負の極値を示す１０〜３０ａｔ％がより好ましい。

【００２４】本願第２の発明において用いられるスピネ
ルフェライト磁性薄膜は、Ｍ_1-xＦｅ_2+XＯ₄（ＭはＭ
ｇ、Ｍｎ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｃｕ、Ｌｉからなる群より選択
される少なくとも１種の金属元素）で表され、負の磁歪
が大きく、結晶磁気異方性が小さいことが望ましい。表
１に負の多結晶磁歪を有する代表的なスピネルフェライ
トの例を示す。表１のうちでも、ＣｏＮｉフェライトが
大きな負磁歪と小さな結晶磁気異方性を有することがわ
かる。

【００２５】

【表１】本願第１および第２の発明において、ＦｅＣｏ系の強磁
性薄膜の膜厚は、使用する励磁周波数におけるスキンデ
プスよりも十分薄くすることが好ましい。ＦｅＣｏ合金
の抵抗率を２０μΩ・ｃｍ程度、比透磁率μ_sを１００
０程度とすると、スキンデプスｓは、ｓ＝（２ρ／ωμ₀・μ_s）^1/2 ＝７１００／ｆ^1/2（μｍ）と表される。周波数ｆが２００ＭＨｚのとき、ｓ＝０．
５μｍとなる。したがって、目安としてＦｅＣｏ膜の膜
厚を０．５μｍ以下にすればよい。ただし、強磁性膜の
１層の膜厚が厚いと、結晶粒径が大きくなり、結晶磁気
異方性Ｋ₁の影響を無視できなくなる。そこで、図１に
おいて、Ｋ₁がほぼ０となるような組成を選択すること
が好ましい。

【００２６】また、膜厚ｔ₁の強磁性膜（磁歪定数λｓ
₁、誘導磁気異方性定数Ｋｕ₁）と膜厚ｔ₂の中間層
（磁歪定数λｓ₂、誘導磁気異方性定数Ｋｕ₂）とを積
層したときの実効的な磁歪定数λｓ_effは、以下のよう
に表される。

【００２７】

【数１】この実効的な磁歪定数λｓ_effの絶対値は２×１０^-6未
満であることが好ましい。同様に、実効的な誘導磁気異
方性定数Ｋｕ_effは、以下のように表される。

【００２８】

【数２】これらの式から、強磁性膜と中間層との膜厚の関係は、ｔ₂／ｔ₁＝−λｓ₁／λｓ₂＝−Ｋｕ₁／Ｋｕ₂ となる。なお、１層ずつの強磁性膜および中間層の厚さ
を積層周期と規定すると、積層周期が小さすぎる場合に
は膜の結晶構造が乱れるため十分な軟磁性が得られず、
一方積層周期が大きすぎる場合にはそれぞれの膜の内部
応力のために十分な軟磁性が得られなくなる。したがっ
て、積層周期は５〜１０００ｎｍの範囲が好ましく、１
０〜５００ｎｍの範囲がより好ましい。以上の条件を満
たせば、膜全体としての実効磁歪定数を低下できるだけ
でなく、結晶磁気異方性も小さくできるので、透磁率を
極めて高くできる。

【００２９】さらに、実効的な飽和磁束密度Ｂｓ
_effは、以下のように表される。

【００３０】

【数３】図４にＦｅＣｏ膜と各種フェライト膜とを積層したとき
に、磁歪が０になる組成と飽和磁束密度との関係を示
す。例えば、図４に矢印で示す範囲の組成を有するＦｅ
Ｃｏ膜を用いた場合、０に近いＫ₁を示すが、磁歪が大
きいため、フェライト膜の膜厚を厚くする必要がある。
ただし、この組成範囲のＦｅＣｏ膜は、依然として２．
４Ｔ以上の高い飽和磁束密度を有するので、積層化によ
っても１．５Ｔ以上の実効的な飽和磁束密度が得られ
る。

【００３１】なお、本願第１の発明において、ＲＦｅＣ
ｏ膜が非晶質である場合には、ＦｅＣｏ膜とＲＦｅＣｏ
膜との間の相互拡散が抑制されるとともに、比抵抗が大
きくなるため軟磁性の改善が期待できる。

【００３２】また、本願第２の発明において用いられる
フェライト膜は、抵抗率が高いため渦電流損の低減に有
効であり、高周波特性の改善も期待できる。

【００３３】さらに、本願第１および第２の発明におい
ては、磁界中熱処理により膜全体に一軸異方性を容易に
付与することができる。

【００３４】本願第３の発明は、Ｆｅ系またはＦｅＣｏ
系の強磁性膜をエピタキシャル成長させることにより、
結晶の対称性や格子定数をバルクとは大きく変化させ
る。ここでいう対称性とは、例えば面内の磁化容易軸の
軸数や相対的な方位、すなわち一軸異方性、二軸異方性
などである。例えば、結晶格子への歪みの導入による逆
磁歪効果などにより、膜面内での実効的な磁気異方性エ
ネルギーを大きく変化させ、磁化困難軸方向の高周波励
磁に有利になるようにするものである。

【００３５】本願第３の発明において、基板としては、
ＭｇＯなどのＮａＣｌ型イオン性化合物、ＣｕＺｎ、Ｐ
ｔなどの金属、ＳｒＴｉＯ₃などのペロブスカイト型酸
化物を用いることができる。中間層として用いられるＮ
ａＣｌ型イオン性化合物としては、ＦｅＯ、ＣｏＯ、Ｍ
ｇＯ、Ｆｅ_1-x-yＣｏ_xＭｇ_yＯなどが挙げられる。こ
れらの基板または中間層に対してヘテロエピタキシーに
より成長したＦｅ系またはＦｅＣｏ系の強磁性膜の結晶
構造は、体心立方格子ｂｃｃ、または体心立方格子があ
る程度歪んだ体心正方格子ｂｃｔである。

【００３６】図５にＭｇＯ（１００）面の表面構造、図
６にＦｅ（１００）面の表面構造、図７にこれらの面を
重ねた状態をそれぞれ模式的に示す。バルクで知られて
いるＮａＣｌ型イオン性化合物の格子定数は以下の通り
である。ＭｇＯ：４．２１オングストローム、ＦｅＯ：
４．３１オングストローム、ＣｏＯ：４．２６オングス
トロームである。一方、バルクｂｃｃＦｅＣｏは、バル
クｂｃｃＦｅ（２．８７オングストローム）に近い値の
格子定数を有する。このように、ＮａＣｌ型イオン性化
合物は、Ｆｅ系またはＦｅＣｏ系の体心格子とのエピタ
キシャル成長が得やすい。したがって、図７の関係は、
その他の組み合わせに対しても、ほぼ同様に成立する。
本願第３の発明においては、前記以外のヘテロエピタキ
シー関係でもよいことはもちろんである。

【００３７】また、ＭｇはＦｅまたはＦｅＣｏに対して
固溶しにくく、ＦｅおよびＣｏはＦｅまたはＦｅＣｏに
対して不純物にならないため、Ｆｅ系またはＦｅＣｏ系
の磁性層の飽和磁化を損なうことがない。しかも、一般
に、磁性体の諸特性は、結晶構造に大きく依存する。特
に、Ｆｅ系では磁気体積効果などにより、単位セル体積
の増大によって磁気モーメントが上昇する場合がある。
例えば、エピタキシャル成長を利用してバルクとは異な
る非平衡相を実現すれば、３テスラ級の高飽和磁化を得
ることもできる。この場合、磁性膜に元素添加を併用し
て、体心格子の一部をＦｅ、Ｃｏ以外の他の元素で置換
したり、他の元素を適当な格子間位置に侵入させてもよ
い。

【００３８】なお、Ｆｅ系またはＦｅＣｏ系の磁性膜の
格子定数は、２．８〜３．１オングストロームが好まし
い。格子定数が３．１オングストロームを超えると、体
心結晶格子を維持でき、かつ単位原子当りの磁気モーメ
ントがバルク値を超えたとしても、単位セル体積の増大
により単位体積当りの磁気モーメントが減少し、高飽和
磁化が得られなくなるおそれがあるため好ましくない。

【００３９】まず、基板上にＦｅ系またはＦｅＣｏ系の
磁性膜をエピタキシャル成長させたときに、磁性膜の
（ｎｍｍ）面が基板面に対して平行になるようにするこ
とが好ましい。ここで、ｎ≠０、ｍ、かつｍ≠０であ
る。

【００４０】回転磁化過程による透磁率を高めるために
は、励磁の際に磁気モーメントが回転する面内において
磁気エネルギーの変化が小さく、かつその変化ができる
かぎり単調で可逆的であることが好ましい。前述した磁
性膜の特定の結晶面が基板面に対して平行であれば、磁
気モーメントが回転する面内において磁気エネルギーの
変化が小さくなる。その理由について説明する。

【００４１】ここで、立方結晶磁気異方性Ｅａは以下の
式で表される。

【００４２】Ｅａ＝Ｋ₁（α₁ ²α₂ ²＋α₂ ²α₃ ²＋α₃ ²α₁ ²）式中、Ｋ₁は立方結晶磁気異方性定数、αは各結晶軸に
対する方向余弦である。なお、この式では高次の項を省
略している。以下の説明では便宜上Ｋ₁を正として記述
するが、Ｋ₁は負でもよいことはもちろんである。ま
た、Ｋ₁は、磁歪による自発的歪みに伴う磁気弾性エネ
ルギーの項、および応力による磁歪を介した磁気弾性エ
ネルギーの項を含む場合がある。

【００４３】ｎ＝ｍの場合、（ｎｍｍ）面は（１１１）
面と等価な面になり、膜面内で３回対称となる。ｍ＝
０、ｎ≠０の場合、（ｎｍｍ）面は（１００）面と等価
な面になり、膜面内で４回対称となる。その他の（ｎｍ
ｍ）面は全て２回対称になる。したがって、磁性膜のｎ
≠ｍかつｍ≠０を満たす（ｎｍｍ）面が、基板面に対し
て平行であれば、膜面内に一軸磁気異方性を導入するこ
とができる。

【００４４】ｎ≠ｍかつｍ≠０を満たす（ｎｍｍ）面で
は、互いに直交関係にある＜０，−１，−１＞方向と＜
２ｍ，−ｎ，−ｎ＞方向とが存在する。これらの軸方向
は、Ｋ₁が極値を取る方向であり、一方が磁化容易軸方
向、他方が磁化困難軸方向となる。

【００４５】ｎ≠ｍかつｍ≠０を満たし、さらにｎ＝０
を満たす（ｎｍｍ）面は、（０１１）面と等価な面にな
る。この面は、ｂｃｃのＦｅ系またはＦｅＣｏ系では一
般的な配向面である。しかし、以下に示すように、ｎ≠
ｍかつｍ≠０を満たす（ｎｍｍ）面のうち（０１１）面
では、＜２ｍ，−ｎ，−ｎ＞方向と＜０，−１，−１＞
方向との磁気異方性エネルギーの差が最も大きくなる。
このことは、面内の一軸磁気異方性エネルギーおよび異
方性磁場が大きくなることを意味する。このため、磁化
困難軸方向において回転磁化過程による透磁率を高める
には好ましくない。

【００４６】ここで、（ｎｍｍ）面について、ｎをｍで
規格化して（ｎ／ｍ，１，１）面と表し、面内の＜２，
−ｎ／ｍ，−ｎ／ｍ＞方向と＜０，１，−１＞方向との
Ｋ₁に起因する磁気異方性エネルギーの差ΔＥａをＫ₁
で規格化し、その大きさを検討する。図８に、ｎ／ｍと
ΔＥａ／Ｋ₁との関係を示す。なお、この図においてｎ
／ｍ＝１の場合は前述した（１１１）面に等価な面であ
り、ここでの議論の対象外である。図８から明らかなよ
うに、ｎ／ｍ＝０（すなわちｎ＝０）の場合とそれ以外
例えばｎ／ｍ＝２の場合とでΔＥａ／Ｋ₁の絶対値を比
較すると、前者は後者の約３倍の非常に大きな値を示
す。このようにｎ／ｍ＝０の面は透磁率を高めるには不
都合である。

【００４７】以上の議論に基づいて、高周波励磁におけ
る透磁率の周波数依存性を模式的に示すと、図９のよう
になると予想される。この図では、図８におけるｎ／ｍ
＝０，１，２の面および（００１）面について透磁率の
変化を示している。ここでは、Ｋ₁の値は全て共通と
し、試料の膜厚は渦電流損が無視できるほど十分薄いと
想定している。また、印加される磁場の方向は膜面に平
行、かつそれぞれの試料において高周波励磁に適した方
向に設定することを想定している。

【００４８】ｎ／ｍ＝１の面および（００１）面では、
面内異方性が一軸ではないため、膜全体を磁化困難軸励
磁することができず、膜面内のいかなる方向に高周波磁
場を印加したとしても、磁性膜の一部で回転磁化過程が
生じるだけである。このため、高周波領域においては磁
壁移動による磁化過程が追随できなくなり、高透磁率を
得ることができない。また、ｎ／ｍ＝１の面では、Ｋ₁
の面内異方性への寄与がなくなるため、より高次の異方
性に支配されたり、複雑な磁区構造を示すことが多い。

【００４９】ｎ／ｍ＝０および２の面では、一軸磁気異
方性が得られ、磁化困難軸励磁により膜全体で回転磁化
過程が生じる。ただし、前述したようにｎ／ｍ＝０の面
では一軸異方性エネルギーが大きく、異方性磁場が大き
くなるため、ｎ／ｍ＝２の面と比較して約１／３の高周
波透磁率しか得られない。結局、図９の例ではｎ／ｍ＝
２の場合すなわち（２１１）面に等価な面が、最も優れ
た高周波透磁率を示す。ｎ／ｍが２より大きい面で他の
磁気異方性に撹乱されずに膜面内で一軸異方性が実現で
きる場合には、図８に示したように面内異方性エネルギ
ーがより小さくなり、これに起因して高透磁率が得られ
る。

【００５０】以上の議論は、厳密には立方晶に関するも
のであるが、エピタキシャル成長機構および添加元素の
効果などにより、立方晶が歪んでいても成立する。特
に、正方晶において、ｃ軸に関する指数がｎで、ａ軸に
関する指数が２つのｍに相当する場合には、対称性の条
件は前記と全く同一である。

【００５１】ただし、単層の磁性膜を用いた場合に損失
を低減するには、膜厚を薄くすることが考えられるが、
これは実際には困難である。例えば、平面インダクタに
代表されるような平面磁気素子などでは、所定の性能を
得るために磁性膜が担うべき磁束の総量が規定されてい
る。このため、磁束密度をある程度高いレベルに保った
としても、膜の断面積をあまり減らすことができない。
したがって、総膜厚をあまり薄くすることはできず、損
失の低減にも限度がある。

【００５２】本願第３の発明においては、さらにヘテロ
エピタキシーによりＮａＣｌ型イオン性化合物からなる
中間層、および磁性膜を順次積層し、膜全体にわたって
結晶成長面と格子定数を制御する。Ｆｅ、ＣｏおよびＭ
ｇからなる群より選択される少なくとも１種の元素を含
むＮａＣｌ型イオン性化合物を用いれば、前述したよう
にＦｅ系またはＦｅＣｏ系の磁性膜とのヘテロエピタキ
シーを実現できる。なお、ＮａＣｌ型イオン性化合物の
組成は、化学量論比からずれていてもさしつかえない。
むしろ、格子定数を制御するために、意図的に組成を化
学量論比からずらす場合もあり得る。

【００５３】なお、ＮａＣｌ型イオン性化合物からなる
中間層と積層化された磁性膜においても、基板面または
膜面に対して、磁性膜のｎ≠０，ｍかつｍ≠０を満たす
（ｎｍｍ）面が平行になるようにすることが好ましい。
例えば、前述したように、人工格子膜全体を高周波にお
いて一様な交番磁場で駆動するには、一軸異方性を付与
して磁化困難軸方向に励磁するのが適当であり、（２１
１）面などを成長させることが好ましい。ただし、基板
面または膜面に対して、磁性膜の（１００）面が平行で
あり二軸異方性を取るような場合でも、膜全体を適当な
形状に加工して磁化困難軸方向にのみ励磁するようにす
れば、所期の効果を得ることができる。

【００５４】本願第３の発明の磁性人工格子膜において
は、以上のような手段により、磁性膜の磁気異方性と飽
和磁化とを積極的に制御でき、対象となる磁気素子に適
した磁気特性を得ることができる。このように磁性層間
に中間層を介在させた積層構造を採用すれば、表皮深さ
に比べて単位磁性層の厚みを薄くできるため、単層膜を
用いる場合と比較して高周波損失を大幅に抑えることが
できる。

【００５５】本発明において、磁性膜の成膜方法は特に
限定されず、ＲＦスパッタリング法、イオンビームスパ
ッタッリング法、真空蒸着法、ＭＢＥ、ＣＶＤ、ゾル−
ゲル法などを用いることができる。また、ＮａＣｌ型イ
オン性化合物を成膜する場合には、前記のような方法に
よる成膜時に適当な分圧の酸素を供給してもよい。

【００５６】

【実施例】以下、本発明の実施例を図面を参照して説明
する。

【００５７】実施例１ガラス基板上にＦｅＣｏ膜およびＳｍＦｅＣｏ膜を交互
に積層した人工格子膜を作製した例について説明する。

【００５８】本実施例では、通常のスパッタリング装置
を用い、以下の条件でスパッタリングを行った。

【００５９】Ａ：ＦｅＣｏの成膜ターゲット：ＦｅＣｏＡｒガス圧：０．６７Ｐａ出力：Ｆｅ；ＤＣマグネトロンスパッタ、２．５
ＡＣｏ；ＤＣマグネトロンスパッタ、１．４２Ａ基板温度：室温この条件でのＦｅＣｏ膜の組成はＦｅ_60.9Ｃｏ_39.1（ａ
ｔ％）、成膜速度は２３ｎｍ／ｍｉｎであった。この条
件で膜厚２０ｎｍのＦｅＣｏ膜を成膜した。

【００６０】Ｂ：ＳｍＦｅＣｏの成膜ターゲット：ＦｅＣｏＳｍＡｒガス圧：０．６７Ｐａ出力：Ｆｅ；ＤＣマグネトロンスパッタ、２．５
ＡＣｏ；ＤＣマグネトロンスパッタ、１．４２ＡＳｍ；ＲＦマグネトロンスパッタ、１７８Ｗ基板温度：室温この条件でのＳｍＦｅＣｏ膜の組成はＳｍ_9.9Ｆｅ_53.6
Ｃｏ_36.5（ａｔ％）、成膜速度は２８ｎｍ／ｍｉｎであ
った。この条件で膜厚６．８ｎｍのＳｍＦｅＣｏ膜を成
膜した。

【００６１】以上のＡ工程およびＢ工程を交互に８回繰
り返し行い、図１０に示すように、ガラス基板１１上
に、ＦｅＣｏ膜１２およびＳｍＦｅＣｏ膜１３が交互に
８層ずつ積層された合計膜厚２１４ｎｍの人工格子膜１
４を形成した。この人工格子膜１４を構成するＦｅＣｏ
膜およびＳｍＦｅＣｏ膜の物性はそれぞれ以下の通りで
ある。

【００６２】ＦｅＣｏ膜飽和磁束密度Ｉｓ＝２．２Ｔ飽和磁歪λｓ＝５１×１０^-6 保磁力Ｈｃ＝６４００Ａ／ｍＳｍＦｅＣｏ膜飽和磁束密度Ｉｓ＝１．４Ｔ飽和磁歪λｓ＝−１５０×１０^-6 保磁力Ｈｃ＝２８８００Ａ／ｍなお、（１）式の計算結果は以下の通りである。

【００６３】｜（５１×２０−１５０×６．８）／（２０＋６．８）｜×１０^-6＝０得られた人工格子膜の物性はそれぞれ以下の通りであっ
た。

【００６４】飽和磁束密度Ｉｓ＝２．０Ｔ飽和磁歪λｓ＜１０^-6 保磁力Ｈｃ＝５９２０Ａ／ｍこの膜を８×１０⁴Ａ／ｍの直流磁界中、２５０℃で３
０分間熱処理することにより得られた人工格子膜の物性
は以下の通りであった。

【００６５】飽和磁束密度Ｉｓ＝２．１Ｔ飽和磁歪λｓ＜１０^-6 困難軸方向の保磁力Ｈｃ＝６００Ａ／ｍ以上のように２．１Ｔという高い飽和磁束密度および１
０^-6以下の低い飽和磁歪を有する人工格子膜が得られ
た。

【００６６】実施例２ガラス基板上にＦｅＣｏ膜およびＳｍＦｅＣｏ膜を交互
に積層した人工格子膜を作製した別の例について説明す
る。

【００６７】本実施例では、通常のスパッタリング装置
を用い、以下の条件でスパッタリングを行った。

【００６８】Ａ：ＦｅＣｏの成膜実施例１と同一。

【００６９】Ｂ：ＳｍＦｅＣｏの成膜ターゲット：ＦｅＣｏＳｍＡｒガス圧：０．６７Ｐａ出力：Ｆｅ；ＤＣマグネトロンスパッタ、２．５
ＡＣｏ；ＤＣマグネトロンスパッタ、１．４２ＡＳｍ；ＲＦマグネトロンスパッタ、２８３Ｗ基板温度：室温この条件でのＳｍＦｅＣｏ膜の組成はＳｍ_15.7Ｆｅ_48.4
Ｃｏ_35.9（ａｔ％）、成膜速度は３２ｎｍ／ｍｉｎであ
った。この条件で膜厚４．０ｎｍのＳｍＦｅＣｏ膜を成
膜した。

【００７０】以上のＡ工程およびＢ工程を交互に９回繰
り返し行い、図１１に示すように、ガラス基板１１上
に、ＦｅＣｏ膜１２およびＳｍＦｅＣｏ膜１３が交互に
９層ずつ積層された合計膜厚２１６ｎｍの人工格子膜１
５を形成した。この人工格子膜１５を構成するＦｅＣｏ
膜およびＳｍＦｅＣｏ膜の物性はそれぞれ以下の通りで
ある。

【００７１】ＦｅＣｏ膜実施例１と同一。

【００７２】ＳｍＦｅＣｏ膜飽和磁束密度Ｉｓ＝１．１Ｔ飽和磁歪λｓ＝−２５０×１０^-6 保磁力Ｈｃ＝５５０００Ａ／ｍなお、（１）式の計算結果は以下の通りである。

【００７３】｜（５１×２０−２５０×４）／（２０＋４）｜×１０^-6＝０．８×１０^-6 得られた人工格子膜の物性はそれぞれ以下の通りであっ
た。

【００７４】飽和磁束密度Ｉｓ＝２．０Ｔ飽和磁歪λｓ＜１０^-6 保磁力Ｈｃ＝４４００Ａ／ｍこの膜を８×１０⁴Ａ／ｍの直流磁界中、３５０℃で３
０分間熱処理することにより得られた人工格子膜の物性
は以下の通りであった。

【００７５】飽和磁束密度Ｉｓ＝２．１Ｔ飽和磁歪λｓ＜１０^-6 困難軸方向の保磁力Ｈｃ＝４７２Ａ／ｍ以上のように２．１Ｔという高い飽和磁束密度および１
０^-6以下の低い飽和磁歪を有する人工格子膜が得られ
た。

【００７６】実施例３ガラス基板上にＦｅＣｏ膜およびスピネルフェライト膜
を交互に積層した人工格子膜を作製した例について説明
する。

【００７７】本実施例では、通常のＲＦスパッタリング
装置を用い、以下の条件でスパッタリングを行った。

【００７８】Ａ：ＦｅＣｏの成膜ターゲット：Ｆｅ₆₀Ｃｏ₄₀（ａｔ％）合金スパッタリングガス：Ａｒ全圧：０．３ＰａＲＦ電力密度：４Ｗ／ｃｍ² この条件で膜厚１００ｎｍのＦｅ₆₀Ｃｏ₄₀を成膜した。

【００７９】Ｂ：スピネルフェライトの成膜ターゲット：Ｃｏ_0.05Ｎｉ_0.95Ｆｅ₂Ｏ₄焼結体スパッタリングガス：ＡｒとＯ₂（濃度１０％）との混
合ガス全圧：０．３ＰａＲＦ電力密度：４Ｗ／ｃｍ² この条件で、Ｃｏ_0.05Ｎｉ_0.95Ｆｅ₂Ｏ₄の膜厚を１０
〜２００ｎｍの範囲で変化させて成膜した。

【００８０】以上のＡ工程およびＢ工程を交互に４回繰
り返し行い、図１２に示すように、ガラス基板２１上
に、Ｆｅ₆₀Ｃｏ₄₀膜２２およびＣｏ_0.05Ｎｉ_0.95Ｆｅ₂
Ｏ₄膜２３が交互に４層ずつ積層された人工格子膜２４
を形成した。この人工格子膜２４の各層は多結晶であっ
た。断面ＴＥＭ観察によれば、ＦｅＣｏ層の平均結晶粒
径は３０ｎｍ程度であり、フェライト層の平均結晶粒径
は膜厚にほぼ一致していた。

【００８１】図１３に、フェライト層の膜厚と１０ＭＨ
ｚにおける初透磁率μ_iおよび飽和磁束密度Ｂｓとの関
係を示す。この図から明らかなように、フェライト層の
厚さが９０ｎｍ付近で初透磁率が最大となり、３６００
程度の高い値を示す。このように、ＦｅＣｏ単層膜では
７００程度の初透磁率しか得られないのと比較すると、
本実施例の人工格子膜では最大で約５倍の初透磁率が得
られる。

【００８２】また、膜厚１００ｎｍのＦｅ₆₀Ｃｏ₄₀と膜
厚１２０ｎｍのＣｏ_0.05Ｎｉ_0.95Ｆｅ₂Ｏ₄とを交互に
積層した人工格子膜について、８の字コイル法により初
透磁率の周波数特性を１００ＭＨｚまで測定した。その
結果、１００ＭＨｚにおける初透磁率は依然として１０
００以上の値を有し、高周波特性にも優れていることが
わかった。

【００８３】次に、本実施例の人工格子膜を上部および
下部の磁性体として用い、図１４に示す平面インダクタ
を作製した。図１４において、ガラス基板２１上には、
人工格子膜２４、ＳｉＯ₂からなる絶縁膜２５、平面ス
パイラルコイル２６、ＳｉＯ₂からなる絶縁膜２５、人
工格子膜２４が順次積層されている。

【００８４】この平面インダクタについて、１０ＭＨｚ
において特性を調べた結果、インダクタンスが５μＨ、
品質係数が１５であり、９０％以上の効率が得られた。

【００８５】さらに、この平面インダクタを、図１５に
示す３Ｗ出力の１０ＭＨｚスイッチングＤＣ−ＤＣコン
バータに適用したところ、正常な動作が確認された。

【００８６】実施例４シリコン基板の表面に熱酸化ＳｉＯ₂膜を介してＦｅＣ
ｏ膜とスピネルフェライト膜とを交互に積層した人工格
子膜を作製した例について説明する。

【００８７】本実施例では２個のカウフマンイオンガン
を持つイオンビームスパッタ装置を用い、以下の条件で
スパッタリングを行った。基板は赤外線ヒーターで加熱
できるようになっている。また、基板ホルダ内に設けら
れた永久磁石によって基板表面に一軸性の２００Ｏｅの
直流磁界を印加し、磁界中成膜によって磁性膜に一軸磁
気異方性を付与した。

【００８８】Ａ：ＦｅＣｏの成膜ターゲット：Ｆｅ₈₀Ｃｏ₂₀（ａｔ％）合金スパッタリングガス：Ａｒ加速エネルギー：５００ｅＶ基板温度：３００℃ この条件で膜厚１０ｎｍのＦｅ₈₀Ｃｏ₂₀膜を成膜した。

【００８９】Ｂ：フェライトの成膜ターゲット：Ｃｏ_0.1Ｎｉ_0.9Ｆｅ₂Ｏ₄焼結体スパッタリングガス：Ａｒ加速エネルギー：１ｋｅＶ基板温度：３００℃ なお、フェライト成膜時には、ターゲットのチャージア
ップを防止するために電子線を照射するとともに、基板
の近傍に０．５Ｐａの酸素ガスを供給して反応性雰囲気
中で成膜した。この条件で、膜厚４．５ｎｍのＣｏ_0.1
Ｎｉ_0.9Ｆｅ₂Ｏ₄を成膜した。

【００９０】以上のＡ工程およびＢ工程を交互に７０回
繰り返し行い、図１６に示すように、シリコン基板３１
上に形成された膜厚１μｍのＳｉＯ₂膜３２上に、膜厚
１０ｎｍのＦｅ₈₀Ｃｏ₂₀膜３３および膜厚４．５ｎｍの
Ｃｏ_0.1Ｎｉ_0.9Ｆｅ₂Ｏ₄３４が交互に７０層ずつ積
層された合計膜厚約１μｍの人工格子膜３５を形成し
た。この人工格子膜３５の各層の結晶粒径はいずれも膜
厚以下であった。

【００９１】この人工格子膜については、飽和磁束密度
が１．８Ｔ、初透磁率が１０００であった。Ｆｅ₈₀Ｃｏ
₂₀単層膜の結晶磁気異方性が２×１０⁴（Ｊ／ｍ³）に
達し、これから見積もられる初透磁率が数１０にすぎな
いのと比較すると、この初透磁率は非常に大きな値であ
る。これは、フェライトとの積層による磁歪の低減とと
もに、フェライトがバリアとして作用することによるＦ
ｅＣｏ結晶粒成長の抑制（いわゆる微結晶効果）が寄与
していると考えられる。この人工格子膜を困難軸励磁し
たときの初透磁率は１００ＭＨｚまでほぼフラットであ
り、周波数特性に優れていることが確認された。

【００９２】また、この人工格子膜の磁気特性の熱処理
温度依存性を５００℃まで調べた。その結果、成膜直後
の特性とほとんど変わらず、耐熱性にも優れていること
が示された。５００℃で熱処理した後の磁性膜につい
て、ＡＥＳにより深さ方向に元素分析を行った。その結
果、ＦｅＣｏ層とフェライト層との界面において相互の
反応層が確認されたが、その厚さは１ｎｍ程度と見積も
られ、全体に及ぼす影響は少ないことが確認できた。こ
のように耐熱性に優れているため、磁気デバイスの作製
プロセスによる熱履歴の影響は軽微である。

【００９３】参考例ＭｇＯ（１１０）単結晶基板またはＭｇＯ（１００）単
結晶基板上に形成されたＦｅＣｏ単層膜の膜面内の一軸
磁気異方性について本発明者らが独自に検討した例につ
いて説明する。

【００９４】イオンビームスパッタリング装置内に、Ｍ
ｇＯ（１１０）単結晶基板およびＦｅ₇₅Ｃｏ₂₅合金ター
ゲットを設置し、予備排気した。真空度が３×１０^-7Ｔ
ｏｒｒに到達した後、前処理としてターゲットプリスパ
ッタおよび基板プリスパッタを順次行った。次に、以下
の条件でスパッタリングを行った。

【００９５】基板温度：室温（制御せず）スパッタリングガス：Ａｒ成膜時真空度：１．４×１０^-4（Ｔｏｒｒ）イオンビーム加速電圧Ｖａ：６００（Ｖ）以上の条件で、基板上に０．１μｍ厚のＦｅＣｏ薄膜を
成膜した。成膜後、真空中、２９０℃で無磁場中熱処理
を行った。

【００９６】薄膜の組成を、ＩＣＰ発光分析により測定
したところ、Ｆｅ₇₂Ｃｏ₂₈であった。薄膜の結晶構造お
よび配向を、ＣｕＫα線を使用したＸ線回折および反射
高速電子線回折（ＲＨＥＥＤ、電子線加速電圧：１００
ｋＶ）により解析した。その結果、薄膜の結晶構造はｂ
ｃｃ相であり、エピタキシャル成長が実現していること
が確認された。基板とＦｅＣｏ薄膜との方位関係は以下
の通りであった。これは、前述した図８においてｎ／ｍ
＝２の場合に対応する。

【００９７】面：（２１１）ｂｃｃＦｅＣｏ／／（１１０）ＭｇＯ軸：＜１１１＞ｂｃｃＦｅＣｏ／／＜１１０＞ＭｇＯ＜１１０＞ｂｃｃＦｅＣｏ／／＜１００＞ＭｇＯ薄膜の磁気特性を測定するために、湿式エッチングによ
って直径約４．７ｍｍの円板状に成形した。これは形状
磁気異方性の影響を取り除くためである。

【００９８】振動試料型磁力計を用いて膜面内の磁化曲
線を測定した。図１７に成膜されたままの膜の磁化曲線
を、図１８に熱処理後の膜の磁化曲線を示す。図１７に
示されるように、熱処理を施していない膜では、＜−
１，１，１＞が容易軸、＜０，１，−１＞が困難軸であ
った。これは、バルクの磁気異方性定数の値（文献値Ｋ
₁＝＋（３＋δ）×１０⁵ｅｒｇ／ｃｍ³）から予想さ
れる容易軸の方向とは９０゜異なっており、エピタキシ
ャル膜特有の磁気異方性を示している。図１８に示され
るように、熱処理後の膜では、＜−１，１，１＞が困難
軸、＜０，１，−１＞が容易軸となった。

【００９９】飽和磁化Ｉｓは２．４Ｔであった。この値
は同組成のバルクの値とほぼ一致する。また、磁化困難
軸方向の保磁力は０．９Ｏｅであった。これらの試料で
は、エピタキシャル成長により導入された応力による磁
気弾性エネルギーが保磁力を減じる方向に寄与している
と考えられる。

【０１００】また、薄膜磁気トルク計を用いて１０ｋＯ
ｅの外部磁場を膜面内で回転させながら印加し、磁気ト
ルク曲線を測定した。図１９に成膜されたままの膜の磁
気トルク曲線を、図２０に熱処理後の膜の磁気トルク曲
線を示す。

【０１０１】得られた磁気トルク曲線をフーリエ変換し
て解析し、飽和磁化ベクトルＩｓの方位変化による磁気
異方性エネルギーＥａの変化量などを求めた。Ｅａは、
磁気トルク曲線をフーリエ変換した各次数のトルク振幅
値を用いて解析的に積分して算出した。算出された磁化
容易軸方向と磁化困難軸方向との磁気異方性エネルギー
の差ΔＥａは、１．９×１０⁵ｅｒｇ／ｃｍ³であっ
た。このΔＥａの値は、バルクの異方性定数から予想さ
れる値よりも大きいが、これはエピタキシャル薄膜に特
有の異方的な格子歪みによる逆磁歪効果およびすべり誘
導磁気異方性などの寄与によるものと推定される。前述
したように、基板面に対して（０１１）面が平行になっ
ている場合には、より大きいΔＥａが生じると考えられ
る。このように（ｎｍｍ）面で高周波励磁に適した面内
一軸磁気異方性が得られる効果が確認できた。

【０１０２】次に、ＭｇＯ（１１０）単結晶基板の代わ
りに、ＭｇＯ（１００）単結晶基板を用いた以外は、前
記と同一の方法および条件でＦｅ₇₂Ｃｏ₂₈膜を成膜し
た。前記と同様の解析によりｂｃｃＦｅ₇₂Ｃｏ₂₈のエピ
タキシャル成長が実現していることが確認された。基板
とＦｅＣｏ薄膜との方位関係は以下の通りであった。

【０１０３】面：（１００）ｂｃｃＦｅＣｏ／／（１００）ＭｇＯ軸：＜１１０＞ｂｃｃＦｅＣｏ／／＜１００＞ＭｇＯ＜１００＞ｂｃｃＦｅＣｏ／／＜１１０＞ＭｇＯこれは基板面に対して、ｍ＝０の場合の（ｎｍｍ）面す
なわち（１００）面に等価な面が平行な場合に相当す
る。飽和磁化の値は２．４Ｔとなった。図２１にこの膜
についての磁気トルク曲線を示す。この図から明らかな
ように、基板面に対して（１００）面に等価な面が平行
になっている膜の場合には、互いに直交する２つの方向
が磁化容易軸となっている。このため、膜面内で一軸異
方性が得られず、磁化困難軸励磁に適さない。

【０１０４】ただし、基板面に対して（２１１）面が平
行なＦｅＣｏ膜でも、単層膜では必ずしも良好な高周波
特性が得られないことを以下に示す。ＭｇＯ（１１０）
単結晶基板上に、前記と同一の条件で２８０分間成膜し
て、膜厚１．２μｍのＦｅＣｏ薄膜を形成した。この試
料の組成、飽和磁化、および保磁力は、前述した値とほ
ぼ同一であった。

【０１０５】この試料について、磁化困難軸方向に高周
波励磁したときの励磁周波数と透磁率との関係を図２２
に示す。図２２から明らかなように、低周波側では高透
磁率が得られているが、励磁周波数が１ＭＨｚを超える
高周波領域では透磁率が急激に低下している。これは、
ＦｅＣｏ単層膜の抵抗率が低いため、渦電流損が増加し
たことによるものと考えられる。このように、膜厚の厚
いＦｅＣｏ単層膜では良好な高周波特性が得られない。

【０１０６】実施例５ＭｇＯ（１１０）単結晶基板上に、ＦｅＣｏエピタキシ
ャル膜およびＦｅＣｏＯエピタキシャル膜を交互に積層
した例について説明する。

【０１０７】イオンビームスパッタリング装置内に、Ｍ
ｇＯ（１１０）単結晶基板およびＦｅ₇₅Ｃｏ₂₅合金ター
ゲットを設置し、予備排気した。真空度が３×１０^-7Ｔ
ｏｒｒに到達した後、前処理としてターゲットプリスパ
ッタおよび基板プリスパッタを順次行った。次に、以下
の工程により積層膜を形成した。

【０１０８】Ａ：ＦｅＣｏの成膜基板温度：室温（制御せず）スパッタリングガス：Ａｒ成膜時真空度：１．４×１０^-4（Ｔｏｒｒ）イオンビーム加速電圧Ｖａ：６００（Ｖ）以上の条件で、４０分間成膜を行い、膜厚１７２ｎｍの
ＦｅＣｏ膜を形成した。

【０１０９】Ｂ：ＦｅＣｏＯの成膜（１）基板近傍に酸素を流して圧力を１０^-5Ｔｏｒｒに
維持し、２分間放置することによりＦｅＣｏ膜面を酸化
する。（２）Ａと同一の条件でシャッターを２．６秒間
だけ開いてＦｅＣｏを成膜する。これらの（１）および
（２）の処理を連続して１４回繰り返した。これにより
膜厚４．２ｎｍのＦｅＣｏＯ膜を形成した。

【０１１０】以上のＡ工程およびＢ工程の交互に６回繰
り返し、最後にＡ工程を１回行った。このようにして、
図２３に示すように、ＭｇＯ基板４１上にＦｅＣｏ膜４
２およびＦｅＣｏＯ膜４３が交互に積層された人工格子
膜４４を形成した。この人工格子膜４４について、基
板、ＦｅＣｏ膜およびＦｅＣｏＯ膜の面方位関係は以下
の通りであった。

【０１１１】（２１１）ｂｃｃＦｅＣｏ／／（１１０）ＭｇＯ（２１１）ｂｃｃＦｅＣｏ／／（１１０）ＦｅＣｏＯこの試料について、振動試料型磁力計により測定した磁
化曲線を図２４に示す。積層膜の全体積に対して２．３
５Ｔという高飽和磁化を示した。また、この試料につい
て、基板面に対して平行なｂｃｃＦｅＣｏ（２１１）面
内の＜０，１，−１＞方向（磁化困難軸方向）に高周波
励磁したときの、励磁周波数と比透磁率との関係を図２
５に示す。図２５に示されるように、高周波領域におい
ても高い透磁率が維持された。

【０１１２】なお、この試料を真空中、２９０℃で無磁
場中熱処理したところ、薄膜面内で磁化容易軸および困
難軸が９０゜回転し、＜−１，１，１＞方向が磁化困難
軸となった。この試料を＜−１，１，１＞方向に高周波
励磁したところ、図２５に類似した優れた高周波特性が
得られた。

【０１１３】実施例６基板としてＭｇＯ（１１０）単結晶基板の代わりにＭｇ
Ｏ（１００）単結晶基板４１´を用いた以外は、実施例
５と全く同様にして図２３に示される構造を有する人工
格子膜４４´を形成した。この試料について、基板、Ｆ
ｅＣｏ膜およびＦｅＣｏＯ膜の面方位関係は以下の通り
であった。

【０１１４】（１００）ｂｃｃＦｅＣｏ／／（１００）ＭｇＯ（１００）ｂｃｃＦｅＣｏ／／（１００）ＦｅＣｏＯこの試料について、飽和磁化を測定したところ、２．３
Ｔ以上の高飽和磁化が得られた。

【０１１５】次に、この試料の人工格子膜４４´の部分
をウェットエッチングして、図２６に示すように短冊型
に分割した試料、または図２７に示すように額縁型に分
割した試料を作製した。これらの試料はいずれも、互い
に直行する２つの磁化容易軸のうち、＜００１＞方向が
図中の縦方向、＜０１０＞方向が図中の横方向を向くよ
うに加工されている。

【０１１６】図２６の試料では磁区を１つの磁化容易軸
方向に安定して揃えることができる。この試料は長方形
スパイラルコイルを用いた薄膜インダクタに適した構造
である。図２７の試料は正方形スパイラルコイルを用い
た薄膜インダクタに適した構造である。

【０１１７】これらの試料を困難軸方向に高周波励磁し
たときの励磁周波数と比透磁率との関係を図２８に示
す。励磁方向は＜０１０＞すなわち図中の横方向とし
た。図２８に示されるように、実施例５の場合（図２
５）と同様な優れた高周波特性が得られた。ただし、額
縁型試料の透磁率は短冊型試料の約１／２の値であっ
た。これは、額縁型試料では磁化容易軸方向に励磁され
るドメインが存在し、高周波励磁に寄与しないためであ
る。なお、実際に正方形スパイラルコイルを用いた薄膜
インダクタの磁性薄膜として、図２７の額縁型試料を適
用した場合には、人工格子膜のほぼ全領域を磁化困難軸
励磁できるため、短冊型試料と同等の透磁率が得られる
と期待できる。

【０１１８】比較例１ＦｅＣｏＯ膜の代わりにアモルファスＳｉＯ₂膜を形成
した以外は、実施例５と同一の装置を用い、ほぼ同一の
操作により図２３に示される構造を有する人工格子膜を
作製した。なお、アモルファスＳｉＯ₂膜は、ＳｉＯ₂
ターゲットをイオンビームスパッタして形成した。

【０１１９】この試料については、ＭｇＯ（１１０）単
結晶基板と第１層のｂｃｃＦｅＣｏ膜との方位関係は実
施例１と同一であった。しかし、第２層以降のｂｃｃＦ
ｅＣｏ膜においてはエピタキシャル成長は実現せず、基
板面に平行に（１１０）面が配向した多結晶膜が得られ
た。

【０１２０】この試料について、第１層のｂｃｃＦｅＣ
ｏ膜の＜−１，１，１＞方向および＜０，１，−１＞方
向に磁場を印加して磁化曲線を測定した結果をそれぞれ
図２９（ａ）および（ｂ）に示す。これらの図から明ら
かなように、この試料ではいずれの方向に励磁した場合
でも保磁力が高いため、保磁力よりも十分大きな大振幅
磁場を与えない限り実用的な透磁率が得られず、良好な
軟磁性を得ることが困難である。このため、薄膜インダ
クタに代表される各種薄膜磁気素子には不適である。

【０１２１】

【発明の効果】以上詳述したように本発明によれば、高
い飽和磁束密度、および高周波励磁に適した軟磁性を有
する磁性人工格子膜を提供でき、高出力の平面インダク
タ、平面トランス、および高密度磁気記録に最適な磁気
記録ヘッドを実現できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】ＦｅＣｏ膜について、組成と、飽和磁歪定数λ
ｓ、結晶磁気異方性定数Ｋ₁、および飽和磁束密度Ｂｓ
との関係を示す特性図。

【図２】本発明に係る磁性人工格子膜を示す断面図。

【図３】Ｓｍ_x（Ｆｅ_0.75Ｃｏ_0.25）_100-x合金中のＳ
ｍ含有率と飽和磁歪定数λｓとの関係を示す特性図。

【図４】ＦｅＣｏ膜とフェライト膜とを積層した人工格
子膜について、ＦｅＣｏ膜の組成と人工格子膜の飽和磁
束密度Ｂｓとの関係を示す特性図。

【図５】ＭｇＯ（１００）面の表面構造を示す模式図。

【図６】ｂｃｃＦｅ（１００）面の表面構造を示す模式
図。

【図７】図５と図６とを重ね合わせた状態を示す模式
図。

【図８】ＦｅＣｏ膜の結晶面の指数ｎ／ｍとΔＥａ／Ｋ
₁との関係を示す特性図。

【図９】基板面に平行な結晶面が異なる各種のＦｅＣｏ
膜を、磁化困難軸方向に高周波励磁したときの励磁周波
数と透磁率との関係を示す特性図。

【図１０】本発明の実施例１における磁性人工格子膜を
示す断面図。

【図１１】本発明の実施例２における磁性人工格子膜を
示す断面図。

【図１２】本発明の実施例３における磁性人工格子膜を
示す断面図。

【図１３】同実施例３の磁性人工格子膜について、フェ
ライト層の膜厚と１０ＭＨｚにおける初透磁率μ_iおよ
び飽和磁束密度Ｂｓとの関係を示す特性図。

【図１４】同実施例３の磁性人工格子膜を用いて作製さ
れた平面インダクタの断面図。

【図１５】図１４の平面インダクタを適用したＤＣ−Ｄ
Ｃコンバータの回路図。

【図１６】本発明の実施例４における磁性人工格子膜を
示す断面図。

【図１７】参考例においてＭｇＯ（１１０）単結晶基板
上に形成されたＦｅＣｏ単層膜について、成膜されたま
まの膜の磁化曲線を示す図。

【図１８】参考例においてＭｇＯ（１１０）単結晶基板
上に形成されたＦｅＣｏ単層膜について、熱処理後の膜
の磁化曲線を示す図。

【図１９】参考例においてＭｇＯ（１１０）単結晶基板
上に形成されたＦｅＣｏ単層膜について、成膜されたま
まの膜の磁気トルク曲線を示す図。

【図２０】参考例においてＭｇＯ（１１０）単結晶基板
上に形成されたＦｅＣｏ単層膜について、熱処理後の膜
の磁気トルク曲線を示す図。

【図２１】参考例においてＭｇＯ（１００）単結晶基板
上に形成されたＦｅＣｏ単層膜について、成膜されたま
まの膜の磁気トルク曲線を示す図。

【図２２】参考例においてＭｇＯ（１１０）単結晶基板
上に形成されたＦｅＣｏ単層膜について、磁化困難軸方
向に高周波励磁したときの励磁周波数と透磁率との関係
を示す特性図。

【図２３】本発明の実施例５における磁性人工格子膜を
示す断面図。

【図２４】本発明の実施例５の磁性人工格子膜の磁化曲
線を示す図。

【図２５】本発明の実施例５の磁性人工格子膜を磁化困
難軸方向に高周波励磁したときの励磁周波数と比透磁率
との関係を示す特性図。

【図２６】本発明の実施例６における短冊状に加工され
た磁性人工格子膜を示す平面図。

【図２７】本発明の実施例６における額縁状に加工され
た磁性人工格子膜を示す平面図。

【図２８】本発明の実施例５の２種の磁性人工格子膜を
磁化困難軸方向に高周波励磁したときの励磁周波数と比
透磁率との関係を示す特性図。

【図２９】（ａ）および（ｂ）は、比較例１の磁性人工
格子膜について、第１層のＦｅＣｏ膜の＜−１，１，１
＞方向および＜０，１，−１＞方向にそれぞれ磁場を印
加して測定された磁化曲線を示す図。

【符号の説明】

１…基板、２…強磁性薄膜、３…中間層、４…人工格子
膜、１１…ガラス基板、１２…ＦｅＣｏ膜、１３…Ｓｍ
ＦｅＣｏ膜、１４、１５…人工格子膜、２１…ガラス基
板、２２…Ｆｅ₆₀Ｃｏ₄₀膜、２３…Ｃｏ_0.05Ｎｉ_0.95Ｆ
ｅ₂Ｏ₄膜、２４…人工格子膜、２５…絶縁膜、２６…
平面スパイラルコイル、３１…シリコン基板、３２…Ｓ
ｉＯ₂膜、３３…Ｆｅ₈₀Ｃｏ₂₀膜、３４…Ｃｏ_0.1Ｎｉ
_0.9Ｆｅ₂Ｏ₄、３５…人工格子膜、４１…ＭｇＯ（１
１０）基板、４１´…ＭｇＯ（１００）基板、４２…Ｆ
ｅＣｏ膜、４３…ＦｅＣｏＯ膜、４４、４４´…人工格
子膜。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (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 (72)発明者福家ひろみ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 (56)参考文献特開平５−267057（ＪＰ，Ａ) 特開昭62−103842（ＪＰ，Ａ) 特開昭64−24403（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) H01F 10/00 - 10/32 G11B 5/31 - 5/325

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】２０〜５０ａｔ％のＣｏを含有するＦｅ
Ｃｏ系の強磁性薄膜と、５〜５０ａｔ％のＲを含有する
ＲＦｅＣｏ系合金薄膜（ＲはＰｍ、Ｓｍ、ＥｒおよびＴ
ｍからなる群より選択される少なくとも１種の元素）と
を積層したことを特徴とする磁性人工格子膜。
【請求項２】２０〜５０ａｔ％のＣｏを含有するＦｅ
Ｃｏ系の強磁性薄膜と、Ｍ _1-x Ｆｅ _2+x Ｏ ₄（ＭはＭｇ、
Ｍｎ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｃｕ、Ｌｉからなる群より選択され
る少なくとも１種の金属元素、０≦ｘ≦０．５）で表さ
れるスピネルフェライト磁性薄膜とを積層したことを特
徴とする磁性人工格子膜。
【請求項３】２０〜５０ａｔ％のＣｏを含有するＦｅ
Ｃｏ系の強磁性薄膜と、Ｆｅ、ＣｏおよびＭｇからなる
群より選択される少なくとも１種の元素を含むＮａＣｌ
型イオン性化合物薄膜とを積層したことを特徴とする磁
性人工格子膜。
【請求項４】請求項１ないし３のいずれか１項に記載
の磁性人工格子膜を具備したことを特徴とする磁気ヘッ
ド。