JP4645178B2 - 磁気素子およびインダクタ - Google Patents

Description

本発明は、ＧＨｚ帯域における高周波特性の良好な磁性薄膜を備えた磁気素子およびインダクタに関する。

近年、集積化受動部品として、薄膜インダクタや薄膜トランスなどの平面型磁気素子の高周波用途が要求されており、それに伴ってＧＨｚ帯域における高周波特性の良好な磁性薄膜が求められている。

磁性薄膜における高周波特性を向上させるための指針としては、共鳴周波数を上昇させることや、高周波電流損失を抑制することなどが挙げられる。これらのうち、磁性薄膜の共鳴周波数を上昇させるためには、下記の（１）式により、異方性磁界Ｈｋおよび飽和磁化４πＭｓの値を大きくする必要がある。

磁性薄膜にこの異方性磁界Ｈｋを付与するための手法としては、従来より磁性薄膜に対して磁場中で熱処理を施す手法（例えば、特許文献１参照）が用いられており、最近では、磁性層を磁場中で成膜する手法（例えば、特許文献２参照）も用いられている。

また、このような磁性薄膜を実際に磁気素子に適用する際には、異方性磁界Ｈｋの値が大きいということのみならず、その値を使用目的や用途に応じて自由に制御可能であるということも重要である。

例えば、非特許文献１には、（Ｃｏ_1-XＦｅ_X）−Ａｌ−Ｏ磁性膜において、コバルト（Ｃｏ）と鉄（Ｆｅ）との組成を変化させることで、異方性磁界Ｈｋを制御するようにした技術が開示されている。

特開平５−１１４５３０号公報 特開２００２−２０８６４号公報 大沼（S.Ohnuma）、他１名，「マグネトストリクション・アンド・ソフト・マグネティック・プロパティズ・オブ・(Co1-XFeX)-Al-O・フィルムズ・ウィズ・ハイ・エレクトリカル・レジズティビティ（Magnetostriction and soft magnetic properties of (Co1-XFeX)-Al-O granular films with high electrical resistivility）」，ジャーナル・オブ・アプライド・フィジクス（Journal of Applied Physics），アメリカン・インスティテュート・オブ・フィジクス（American Institute of Physics），１９９９年４月１５日，第８５巻，第８号，ｐ．４５７４−４５７６

しかしながら、上記特許文献１の技術では、付与可能な異方性磁界Ｈｋは、約１５×１０³／４π［Ａ／ｍ］（＝１９Ｏｅ）程度が限界であり、それ以上大きな異方性磁界Ｈｋを付与し、共鳴周波数ｆｒを上昇させることはできないものであった。また、上記特許文献２の技術では、異方性磁界Ｈｋを付与することができるものの、その値を自由に制御することはできないものであった。

さらに、上記非特許文献１の技術では、異方性磁界Ｈｋを自由に制御可能ではあるものの、同文献のＦＩＧ．１（ｃ），（ｄ）に示されているように、ＣｏとＦｅとの組成によって異方性磁界Ｈｋを変化させると（ＦＩＧ．１（ｄ））、それに伴って飽和磁束密度Ｂｓ（飽和磁化４πＭｓと同義）も変化してしまっていた（ＦＩＧ．１（ｃ））。すなわち、異方性磁界Ｈｋの増加するにつれて飽和磁束密度Ｂｓが減少してしまっているので、結局上記（１）式により、共鳴周波数ｆｒはほとんど変化せず、その値を上昇させることはできないものであった。

このように、上記のような手法により磁性薄膜の異方性磁界を変化させている従来の技術では、高い共鳴周波数を有する磁性薄膜を得るのが困難であり、したがって高周波特性に優れた磁気素子を得るのも困難であった。

本発明はかかる問題点に鑑みてなされたもので、その目的は、高周波特性に優れた磁気素子およびインダクタを提供することにある。

本発明の磁気素子は、コイルと、このコイルを挟むように前記コイルの両側に設けられた磁性薄膜とを備え、磁性薄膜が、絶縁材料とこの絶縁材料の混入によって軟磁性化する磁性材料とを含むと共に積層面に対して斜め方向に柱状に結晶成長した斜め成長磁性層を有するものである。また、コイルの両側に設けられた一対の磁性薄膜のそれぞれに対応した一対の斜め成長磁性層のうち、一方の斜め成長磁性層における結晶成長方向が積層面となす角度は、積層面の一端から他端に沿って徐々に大きくなっており、かつ他方の斜め成長磁性層における結晶成長方向が積層面となす角度は、積層面の他端から一端に沿って徐々に大きくなっている。

ここで、「軟磁性化」とは、絶縁材料が混入する前の磁気特性、つまり磁性材料が軟磁性を示すものか、あるいは硬磁性を示すものかを問わず、絶縁材料が混入することによって、混入する前よりも軟磁性の傾向を示すようになったということを意味し、その程度は問わないものである。また、「積層面」とは、多層膜が積層された面を意味し、通常、基板面と平行になっているものである。また、「柱状」とは、文字通りの柱の形状には限定されず、長軸と短軸とを有する形状を意味するものである。

本発明の磁気素子では、磁性薄膜における斜め成長磁性層が、積層面に対して斜め方向に柱状に結晶成長していることで、その方向によって面内磁気異方性が左右される。すなわち、斜め方向と積層面に対して垂直方向との角度をもたせることで、強い面内磁気異方性が発生する。また、斜め成長磁性層において、軟磁性化されるように磁性材料に絶縁材料が混入していることで、磁性材料の微結晶化が促進され、面内結晶磁気異方性が強まる。なお、磁性材料に絶縁材料が混入していることでまた、磁性薄膜の比抵抗が高くなり、磁性薄膜における電流損失が抑制される。
また、本発明の磁性薄膜では、磁性薄膜がコイルを挟むようにコイルの両側に設けられていると共に、コイルの両側に設けられた一対の磁性薄膜のそれぞれに対応した一対の斜め成長磁性層のうち、一方の斜め成長磁性層における結晶成長方向が積層面となす角度が、積層面の一端から他端に沿って徐々に大きくなっており、かつ他方の斜め成長磁性層における結晶成長方向が積層面となす角度が、積層面の他端から一端に沿って徐々に大きくなっている。このように、一対の斜め成長磁性層において結晶成長方向が積層面となす角度が、積層面の一端から他端に沿って互いに逆の変化をしていくことにより、積層面上の位置に対するこれらの角度ばらつきが低減される。

本発明の磁気素子では、磁性薄膜の少なくとも一方が、上記絶縁材料および上記磁性材料を含むと共に積層面に対して垂直方向に柱状に結晶成長した垂直成長磁性層をさらに有するように構成することが可能である。また、磁性薄膜の少なくとも一方が、斜め成長磁性層と垂直成長磁性層との層間の少なくとも１つに、あるいは斜め成長磁性層を複数有する場合には、これら複数の斜め成長磁性層の層間に、絶縁層を有するように構成することが可能である。このように、磁性薄膜が垂直成長磁性層や絶縁層を有するように構成した場合、絶縁層によって高周波電流を遮断する効果があり、過電流損失が抑制される。さらに、磁性層間の静磁結合により還流磁区（もしくは三角磁区）の発生が抑えられ、軟磁気特性が向上される。その結果、高周波での透磁率や性能指数（Ｑ＝μ’（透磁率の実部）／μ”（透磁率の虚部））の向上が可能となる。

本発明の磁気素子では、上記磁性材料が、鉄（Ｆｅ）またはコバルト鉄（ＣｏＦｅ）を含むように構成することが好ましい。

本発明のインダクタは、上記した構成の磁気素子を備えたものである。

本発明の磁気素子またはインダクタによれば、磁性薄膜における斜め成長磁性層を、積層面に対して斜め方向に柱状に結晶成長させると共に、この斜め成長磁性層において磁性材料に絶縁材料を混入するようにしたので、斜め成長磁性層が面内結晶磁気異方性を示すようになると共にこの面内結晶磁気異方性を強めることができ、異方性磁界を増加させることができる。したがって、磁性薄膜の組成を変化させることなく、斜め成長磁性層の結晶成長方向のみで異方性磁界を変化させることが可能なので、飽和磁化を減少させることなく異方性磁界を増加させることができ、磁性薄膜の共鳴周波数を高めることが可能となる。よって、高周波特性に優れた磁性薄膜を得ることができ、これにより高周波特性に優れた磁気素子またはインダクタを得ることが可能となる。
また、コイルの両側に一対の磁性薄膜を設け、これら一対の磁性薄膜にそれぞれ対応した一対の斜め成長磁性層において、結晶成長方向がコイル延在面となす角度を、コイル延在面の一端から他端に沿って互いに逆の変化をしていくようにしたので、コイル延在面上の位置に対するこれらの角度ばらつきを低減することができ、製造時の歩留りを向上させ、製造コストを低減させることが可能となる。

また、本発明の磁気素子またはインダクタによれば、磁性材料に絶縁材料を混入して磁性薄膜の比抵抗を高くするようにしたので、磁性薄膜における過電流損失を抑制し、高周波特性（性能指数）をより高めることが可能となる。

特に、本発明の磁気素子またはインダクタによれば、磁性薄膜が垂直成長磁性層や絶縁層を有するように構成した場合、磁性層間の静磁結合により還流磁区（もしくは三角磁区）の発生が抑えられ、軟磁気特性が向上される。その結果、高周波での透磁率や性能指数（Ｑ＝μ’（透磁率の実部）／μ”（透磁率の虚部））の向上が可能となる。

以下、本発明を実施するための最良の形態（以下、単に実施の形態という。）について、図面を参照して詳細に説明する。

［第１の実施の形態］
図１は、本発明の第１の実施の形態に係る磁気素子としてのインダクタ１０の構成を模式的に表したものであり、（Ａ）は上面図を、（Ｂ）は（Ａ）におけるＡ−Ａ部分の矢視断面図を模式的に表している。このインダクタ１０は、基板２と、この基板２上に形成された絶縁層３Ａおよび磁性薄膜１と、磁性薄膜１上にスパイラル状に形成された平面コイル４と、磁性薄膜１上で平面コイル４を覆うように形成された絶縁層３Ｂとを備えている。

基板２は、例えばガラス基板、セラミクス材料基板、半導体基板または樹脂基板などにより構成される。セラミクス材料としては、例えばアルミナ、ジルコニア、炭化ケイ素、窒化ケイ素、窒化アルミニウム、ステアタイト、ムライト、コージライト、フォルステライト、スピネルおよびフェライトなどが挙げられる。また、絶縁層３Ａ，３Ｂは、例えば、酸化ケイ素（ＳｉＯ₂）などの絶縁性セラミクス材料、感光性ポリイミド、感光性エポキシ、またはＢＣＢ（ベンゾシクロブタン）などにより構成される。平面コイル４は、例えば銅メッキまたはスパッタリングなどにより構成される。また、この平面コイル４の両端からは、それぞれ接続用端子Ｊ１，Ｊ２が基板２の外方に引き出されている。

磁性薄膜１は、後述するように基板２の表面（および平面コイル４が延在するコイル延在面。以下同様。）に対して斜め方向に柱状成長した斜め成長磁性層１１から構成され、高い面内結晶磁気異方性を示すようになっている。そして磁性薄膜１はこのような構成により、後述するように高い共鳴周波数を有し、ＧＨｚ帯域において優れた高周波特性を有するようになっている。

このように、インダクタ１０では、基板２上に平面コイル４と共に絶縁層３を介して磁性薄膜１が設けられていることで、接続用端子Ｊ１，Ｊ２間にインダクタが形成される。なお、このインダクタ１０において平面コイル４を並列的に複数設けることで、トランスを形成することができる。

図２は、磁性薄膜１の断面構成を模式的に表したものである。この磁性薄膜１は、基板２上に斜め成長磁性層１１を積層した構成となっている。

斜め成長磁性層１１は、斜め成長磁性体１２および絶縁体１３からなり、図２に示したように、斜め成長磁性体１２に絶縁体１３が混入した構成となっている。

斜め成長磁性体１２は、絶縁体１３が混入することによって軟磁性化する磁性材料により構成され、なかでも強磁性材料の鉄（Ｆｅ）やコバルト鉄（ＣｏＦｅ）が好ましい。これらの強磁性材料は高い飽和磁化を有するので、多少軟磁性化したとしても依然として高い飽和磁化を保持し、より高い共鳴周波数ｆｒを得ることにつながるからである。

また、この斜め成長磁性体１２は、図３に示したように、基板２の表面に対して斜め方向（図３中のｘｙ平面が基板２の表面と平行なコイル延在面とすると、このｘｙ平面と一定の角度θをなす）に柱状成長している。この斜め成長磁性体１２の柱状結晶の大きさは、例えば短軸方向に約１５ｎｍ程度、長軸方向に約５００ｎｍ程度である。斜め成長磁性体１２がこのように結晶成長していることで、後述するように斜め成長磁性層１１により面内結晶磁気異方性を示すようになっている。なお、斜め成長磁性体１２における結晶成長方向がコイル延在面となす角度（図３の角度θ）を変化させることで、この面内結晶磁気異方性の大きさを制御することも可能である。

絶縁体１３は、例えば酸化アルミニウム（Ａｌ₂Ｏ₃）、酸化ケイ素（ＳｉＯ₂）、酸化ジルコニウム（ＺｒＯ₂）、酸化イットリウム（Ｙ₂Ｏ₃）、酸化チタン（ＴｉＯ₂）、酸化ハフニウム（ＨｆＯ₂）、酸化セリウム（ＣｅＯ₂）などの酸化物、フッ化マグネシウム（ＭｇＦ₂）、フッ化カルシウム（ＣａＦ₂）、フッ化バリウム（ＢａＦ₂）などのフッ化物、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）、窒化ホウ素（ＢＮ）、窒化シリコン（Ｓｉ₃Ｎ₄）などの窒化物などにより構成される。この絶縁体１３は、上記のように斜め成長磁性体１２を軟磁性化すると共に、磁性薄膜１の比抵抗を高くする役割を果たすものである。具体的には、後述するように斜め成長磁性体１２の微結晶を促進し軟磁気特性を向上させると共に、磁性薄膜１における高周波電流損失を抑制する役割を果たす。

このような構成によって本実施の形態の磁性薄膜１では、斜め成長磁性層１１が基板２の表面に対して斜め方向に柱状に結晶成長している（斜め成長磁性体１２から構成されている）ことで、その方向とそれにコイル延在面内で垂直な方向とで磁気特性が異なる。

なお、このような構成の斜め成長磁性層１１が面内結晶磁気異方性を示すのは、斜め成長磁性体１２の形状磁気異方性や、応力の異方性などに起因していると考えられる。

また、斜め成長磁性層１１において斜め成長磁性体１２に絶縁体１３が混入していることで、斜め成長磁性体１２が軟磁性化されると共に、磁性薄膜１の比抵抗が高くなる。すなわち、粒界の存在する絶縁体１３の含有によって斜め成長磁性層１１の結晶が細かく砕かれ、斜め成長磁性体１２の微結晶化が促進されると共に、比抵抗が高くなり、磁性薄膜１における電流損失が抑制される。よって、斜め成長磁性層１１による面内結晶磁気異方性が強まる（異方性磁界が増加する）ことによる共鳴周波数の高周波化と共に高周波電流による損失が抑制される。

本実施の形態の磁性薄膜１では、図４に示したように、斜め成長磁性体１２を含む斜め成長磁性層１１に加え、基板２に平行なコイル延在面に対して垂直方向に柱状成長した垂直成長磁性体１５を含む垂直成長磁性層１４を有するように構成してもよい。このような垂直成長磁性層１４を設けることで、斜め成長磁性層１１における斜め成長磁性体１２の斜め方向の結晶成長が止められ、より異方性磁界が増加する。斜め方向に結晶成長しすぎると、斜め成長磁性体１２の単結晶化が促進され、異方性磁界が減少してしまうためである。また、斜め成長磁性層１１の膜厚（図４中の膜厚ｄ１）と垂直成長磁性層１４の膜厚（図４中の膜厚ｄ２）との比率を変化させることで、異方性磁界の大きさを自由に制御することができる。なお、この垂直成長磁性層１４には、必ずしも絶縁体１３を混入させる必要はない。斜め成長磁性層１１の場合とは異なり、垂直成長磁性体１５の微結晶化を促進する必要はないからである。

次に、図５を参照して、このような構成の磁性薄膜１を備えたインダクタ１０の製造方法の一例（磁性薄膜１が（Ｃｏ₃₀Ｆｅ₇₀）_0.983Ａｌ_0.107Ｏの場合）を、磁性薄膜１の形成方法を中心にして説明する。図５は、磁性薄膜１の形成方法の一例を模式的に表したものである。

本実施の形態の磁性薄膜１は、真空薄膜形成方法により形成され、酸化物などを成膜しやすいことから、特にスパッタリング法により形成されることが好ましい。より具体的には、ＲＦスパッタ、ＤＣスパッタ、マグネトロンスパッタ、イオンビームスパッタ、誘導結合ＲＦプラズマ支援スパッタ、ＥＣＲスパッタ、対向ターゲット式スパッタなどが用いられる。なお、以下の説明ではスパッタリング法によって磁性薄膜１を形成する場合について説明するが、スパッタリング法は本実施の形態の一具体例であり、他の真空薄膜形成方法（例えば、蒸着法など）を適用することもできる。

まず、基板２上に、磁性薄膜１を形成する。これには、前述した材料よりなる基板２を固定させ、斜め成長磁性層１１の材料、すなわち斜め成長磁性体１２の材料（この場合、Ｃｏ₃₀Ｆｅ₇₀）および絶縁体１３の材料（この場合、Ａｌ₂Ｏ₃）を、矢印Ｔで示したように斜め方向（角度θ；例えば３０°〜６０°程度）より、基板２に入射させることにより行う。その際、磁石Ｍ１，Ｍ２（それぞれ、Ｎ極およびＳ極のものを表している）によって、一定の印加磁場Ｈappl（例えば、１００×１０³／４π［Ａ／ｍ］（＝１００Ｏｅ）以上）を印加しながら成膜する。印加磁場Ｈapplに沿って磁化容易軸ＡＸｅが、それに直交して磁化困難軸ＡＸｈが生じるが、この印加磁場Ｈapplにより生成される異方性磁界Ｈｋの大きさは、約５０Ｏｅ以下（この場合、４４Ｏｅ以下）になる。また、磁化容易軸ＡＸｅ方向に沿って、斜め成長磁性層１１の斜め成長磁性体１２１が成長する。なお、この斜め成長磁性層１１の膜厚ｄ１は、例えば１μｍ以下とする。

この斜め成長磁性層１１をスパッタリング法により成膜する方法としては、斜め成長磁性体１２および絶縁体１３それぞれの材料からなるターゲットを用いて同時スパッタリングするか、あるいは予め斜め成長磁性層１１の組成（この場合、（Ｃｏ₃₀Ｆｅ₇₀）_0.983Ａｌ_0.107Ｏ）で混合しておいた材料からなるターゲットを用いてスパッタリングする方法が挙げられる。

なお、スパッタリングする際の条件としては、ベース真空度を、例えば１３３×１０^-7Ｐａ（≒１×１０^-7Ｔｏｒｒ）未満とし、スパッタ圧力を、例えば０．５×１３３×１０^-3Ｐａ（≒０．５ｍＴｏｒｒ）〜１３３×１０^-2Ｐａ（≒１０ｍＴｏｒｒ）程度とする。

また、前述の垂直成長磁性層１４を形成するには、図５中の矢印ｒ１，ｒ２で示したように、基板２を回転させながらスパッタリングすればよく、印加磁場Ｈapplの方向にはよらず、基板２の表面に対して垂直方向に、垂直成長磁性体結晶６１が成長する。したがって、基板２上に磁性層を成膜する際に、基板２を固定させておく時間と回転させておく時間とを調整することで、斜め成長磁性層１１の膜厚ｄ１と垂直成長磁性層１４の膜厚ｄ２との比率を、任意に設定することができる。

次に、このようにして形成された磁性薄膜１上に、それぞれ前述した材料よりなる平面コイル４および絶縁層３Ａ，３Ｂ，３Ｃを形成する。平面コイル４の形成は、例えば電気銅めっき法により行う。また、平面コイル４のＬ／Ｓターン数を、例えば１０〜５００μｍ／１０〜５０μｍ程度に設定し、ターン数を、例えば５〜２０程度に設定する。絶縁層３Ａ，３Ｂ，３Ｃの形成は、例えばフォトリソグラフィ法により行う。このようにして、図１〜図４に示した構成のインダクタ１０が形成される。

次に、図６〜図１４を参照して、このようにして形成した磁性薄膜１の磁気特性について説明する。ここで、図６〜図８は磁性層として斜め成長磁性層１１のみを形成した場合の磁気特性を、図９〜図１１は磁性層として斜め成長磁性層１１と垂直成長磁性層１４とを混在させた場合の磁気特性を表している。また、図１２〜図１４は比較例として、磁性層として垂直成長磁性層１４のみを形成した場合の磁気特性を表している。また、図６，図９，図１２は、それぞれの場合において磁性薄膜１を形成する様子を模式的に表したものであり、図７，図１０，図１３は、それぞれの場合における磁性薄膜１の断面形態を示す透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ）像であり、図８，図１１，図１４は、それぞれの場合における磁性薄膜１の磁化曲線を示している。なお、垂直成長磁性層１４および斜め成長磁性層１１からなる磁性層全体の膜厚は、いずれの場合も同じになるように設定されているものとする。

磁性層が斜め成長磁性層１１のみの場合、この斜め成長磁性層１１は、前述のように基板２を固定させて成膜したものであり、印加磁場Ｈapplの方向に沿って斜め成長磁性体１２が成長する（図６）。また、斜め成長磁性層１１において磁化容易軸ＡＸｅまたは磁化困難軸ＡＸｈに沿った方向の断面（図６中の符号Ｐ１Ａ，Ｐ１Ｂの部分）のＴＥＭ像（それぞれ図７（Ａ），（Ｂ））を見ると、実際に磁化容易軸ＡＸｅに沿って斜め成長磁性体１２が成長している（図７（Ａ））一方、磁化困難軸ＡＸｈに沿った方向では磁性体が垂直方向に成長している（図７（Ｂ））ことが分かる。さらに、磁化曲線も磁化容易軸ＡＸｅに沿った方向のもの（図８中の磁化曲線Ｅ１）と磁化困難軸ＡＸｈに沿った方向のもの（図７中の磁化曲線Ｈ１）とではその態様（傾き）が大きく異なり、異方性磁界Ｈｋ＝１７４×１０³／４π［Ａ／ｍ］（＝１７４Ｏｅ）という高い値を示していることが分かる。なお、この異方性磁界Ｈｋは、磁化困難軸ＡＸｈに沿った方向の磁化曲線Ｈ１の接線と、磁化容易軸ＡＸｅに沿った方向の磁化曲線Ｅ１の飽和磁化との交点における磁場Ｈの値により算出したものである。

磁性層が斜め成長磁性層１１と垂直成長磁性層１４との混在である場合、これら斜め成長磁性層１１および垂直成長磁性層１４はそれぞれ、前述のように基板２を固定または回転（図９中の矢印ｒ１，ｒ２）させて成膜したものである。垂直成長磁性層１４では、磁化容易軸ＡＸｅおよび磁化困難軸ＡＸｈに沿った方向のいずれについても、基板２に対して垂直方向に垂直成長磁性体１５が成長し、斜め成長磁性層１１では磁化容易軸ＡＸｅに沿って斜め成長磁性体１２が成長していることが分かる（図９、図１０（Ａ），（Ｂ））。また、磁化容易軸ＡＸｅに沿った方向の磁化曲線Ｅ２と磁化困難軸ＡＸｈに沿った方向の磁化曲線Ｈ２との傾きに差異が生じ、上記の場合よりも多少小さいながらも、異方性磁界Ｈｋ＝１４０×１０³／４π［Ａ／ｍ］（＝１４０Ｏｅ）となっていることが分かる（図１１）。

一方、磁性層が垂直成長磁性層１４のみの場合、この垂直成長磁性層１４は、前述のように基板２を回転（図１２中の矢印ｒ１，ｒ２）させて成膜したものであり、基板２に対して垂直方向に垂直成長磁性体１５が成長していることが分かる（図１２、図１３（Ａ），（Ｂ））。また、磁化容易軸ＡＸｅに沿った方向の磁化曲線Ｅ３と磁化困難軸ＡＸｈに沿った方向の磁化曲線Ｈ３との傾きの差異が、磁性層として斜め成長磁性層１１を設けた上記２つの場合よりも小さく、異方性磁界Ｈｋも減少している（４４×１０³／４π［Ａ／ｍ］（＝４４Ｏｅ））ことが分かる（図１４）。

図１５は、これら３つの場合を含めて、磁性薄膜１の共鳴周波数ｆｒおよび異方性磁界Ｈｋと、斜め成長磁性層１１の膜厚の比率（＝Ｆ／（Ｆ＋Ｒ））との関係を表したものである。ここで、斜め成長磁性層１１の膜厚の比率であるＦ／（Ｆ＋Ｒ）とは、斜め成長磁性層１１および垂直成長磁性層１４からなる磁性層全体の膜厚に占める斜め成長磁性層１１の膜厚の比率を表したものであり、前述のように磁性層を成膜する際に基板２を固定（Ｆix）させておく時間と回転（Ｒotation）させておく時間との比率によって定まる。このＦ／（Ｆ＋Ｒ）の値が大きいときは、斜め成長磁性層１１の膜厚比率が大きいことを意味し、逆にこの値が小さいときは、垂直成長磁性層１４の膜厚比率が大きいことを意味する。また、共鳴周波数ｆｒは、異方性磁界Ｈｋに基づいて前述の（１）式により算出したものである。

このように図１５によれば、Ｆ／（Ｆ＋Ｒ）の値が大きくなるのに応じて、すなわち斜め成長磁性層１１の膜厚比率が大きくなるのに応じて、異方性磁界Ｈｋおよび共鳴周波数ｆｒのいずれの値も増加していることが分かる。したがって、斜め成長磁性層１１の膜厚比率を変化させることで、これらの値が増加し、磁性薄膜１の高周波特性が向上することが分かる。また、磁性層を成膜する際に基板２を固定させておく時間と回転させておく時間とを調整することで、これらの値を自由に制御可能となり、磁性薄膜１の高周波特性も制御できることが分かる。

なお、上記の共鳴周波数ｆｒは、（１）式に基づいて算出したものであるが、図１６に示したような磁性薄膜における透磁率の周波数特性から、共鳴周波数ｆｒを実測することもできる。ここで、図１６の横軸は周波数［ＧＨｚ］を、縦軸は磁性薄膜の透磁率（実部μ’、虚部μ”）を表している。また、図中の塗りつぶした点は透磁率の実部μ’のものを表し、塗りつぶしていない点は、透磁率の虚部μ”のものを表している。このとき、共鳴周波数ｆｒは、透磁率の虚部μ”がピークとなるときの周波数で規定される。

このように図１６によれば、一部の透磁率の虚部μ”のピーク値は、測定限界の３ＧＨｚを越えてしまっているが、Ｆ／（Ｆ＋Ｒ）の値が大きくなるのに応じて、すなわち斜め成長磁性層１１の膜厚比率が大きくなるのに応じて、透磁率の虚部μ”のピーク値が高周波側にシフトしていき、共鳴周波数ｆｒも増加する傾向にあることが分かる。よって、図１５に示したものと同様の結果を得ることが分かる。

以上のように、本実施の形態では、基板２上に平面コイル４および磁性薄膜１を設けることにより接続用端子Ｊ１，Ｊ２間にインダクタを形成し、磁性薄膜１における斜め成長磁性層１１を基板２の表面に対して斜め方向に柱状に結晶成長させる（斜め成長磁性体１２）と共に、この斜め成長磁性層１１において、斜め成長磁性体１２を軟磁性化させるため、この斜め成長磁性体１２に絶縁体１３を混入するようにしたので、斜め成長磁性層１１が面内結晶磁気異方性を示すようになると共にこの面内結晶磁気異方性が強まり、異方性磁界を増加させることができる。したがって、磁性薄膜１の組成を変化させることなく、斜め成長磁性層１１の結晶成長方向のみで異方性磁界を変化させることが可能なので、飽和磁化を減少させることなく異方性磁界を増加させることができ、磁性薄膜１の共鳴周波数を高めることが可能となる。よって、高周波特性に優れた磁性薄膜を得ることができ、これにより高周波特性に優れたインダクタを得ることが可能となる。

また、磁性膜膜１の異方性磁界を増加させることが可能なので、例えば図１７に示したような平面コイル４に流れる電流とインダクタ１０のインダクタンスＬとの関係において、垂直成長磁性層１４のみからなる磁性薄膜を用いてインダクタを構成した場合（図１７中のＬ１）に比べて、斜め成長磁性層１１を有する磁性薄膜１を用いてインダクタを構成した本実施の形態の場合（図１７中のＬ２）のほうが、矢印Ｘで示したように大電流領域におけるインダクタンスＬの減少を抑制することができる。よって、インダクタにおける直流重畳特性が向上し、符号Ｗ１，Ｗ２で示したように、より多くの電流を流すことが可能となる。

また、斜め成長磁性体１２に絶縁体１３を混入させたことで、斜め成長磁性層１１の比抵抗が上昇するので、電流損失を抑制し、磁性薄膜１の高周波特性を向上させることが可能となる。

また、垂直成長磁性層１４を設けるようにした場合には、磁性層を成膜する際に、斜め成長磁性体１２の単結晶化を抑制し、異方性磁界をより増加させ、磁性薄膜１の高周波特性をより向上させることが可能となる。

また、磁性層を成膜する際に基板２を固体または回転させる時間により、斜め成長磁性層１１の膜厚ｄ１と垂直成長磁性層１４の膜厚ｄ２との比率を任意に設定することができるので、これらの膜厚の比率により、異方性磁界の大きさ、しいては共鳴周波数の大きさを自由に制御することが可能となる。

さらに、このような斜め成長磁性層１１による面内磁気異方性の増大および制御効果は、成膜直後のas-depo.状態で得られるので、一般的に行われているように成膜後に磁場中熱処理を施す必要がなくなり、熱処理を施すことができないようなアプリケーションに対しても、このインダクタ１０を適用することが可能となる。

なお、本実施の形態のインダクタ１０では、図１に示したように、基板２と平面コイル４との間に磁性薄膜１を設けた場合で説明してきたが、磁性層１を平面コイル４からみて逆側、すなわち絶縁層３Ｃ上に設けるようにしてもよい。つまり、平面コイル４のどちらか一方に磁性薄膜１を設けるようにすればよく、この場合も本実施の形態と同様の効果を得ることができる。

［第２の実施の形態］
次に、本発明の第２の実施の形態について説明する。

図１８は、本実施の形態に係る磁気素子としてのインダクタ２０の断面構成を表すものである。この図で、上記第１の実施の形態のインダクタ１０（図１）と同一の構成要素には同一符号を付し、適宜、説明を省略する。

本実施の形態のインダクタ２０は、第１の実施の形態のインダクタ１０において、絶縁層３Ｃ上にさらに磁性薄膜を形成するようにしたものである。すなわち、このインダクタ２０は、一対の磁性薄膜１Ａ，１Ｂが絶縁層３を介して平面コイル４を挟むような構成となっている。その他の構成およびその製造方法は、第１の実施の形態のインダクタ１０と基本的に同様である。このような構成によって本実施の形態のインダクタ２０では、第１の実施の形態のインダクタ１０における効果に加え、磁性薄膜１の有効面積を増やすことができ、より大きいインダクタンスを得ることができる。

本実施の形態のインダクタ２０では、例えば図１９に示したように、これら一対の斜め成長磁性層１１Ａ，１１Ｂが、積層面（およびコイル延在面。以下同様。）に垂直な断面におけるコイルの中心面を基準として、互いに面対称となっているように構成することが可能である。このように構成した場合、斜め成長磁性層１１Ａにおける結晶成長方向が特定の方向をなすようにし、異方性磁界Ｈｋを増加させることが可能となる。

また、例えば図２０に示したように、これら一対の斜め成長磁性層１１Ａ，１１Ｂにおいて、斜め成長磁性層１１Ａにおける結晶成長方向が積層面となす角度が、基板２の一端から他端に沿って（例えば、図１９中の矢印ＸＡ方向）徐々に大きくなっている一方、斜め成長磁性層１１Ｂにおける結晶成長方向が積層面となす角度が、斜め成長磁性層１１Ｂの場合とは逆に基板２の他端から一端に沿って（例えば、図１９中の矢印ＸＢ方向）徐々に大きくなっているように構成することが好ましい。このように、一対の斜め成長磁性層１１Ａ，１１Ｂにおける結晶成長方向が積層面となす角度を、基板２の一端から他端に沿って互いに逆の変化をしていくように構成するには、例えば、斜め成長磁性層１１Ａを成膜した後、基板２を面内方向に１８０°回転（基板２自体の自転させる場合、および基板２を公転させる場合の両者を含む）させてから、斜め成長磁性層１１Ｂを成膜するようにすればよい。なぜならば、これらの斜め成長磁性層１１を成膜する際には、前述のように基板２に対して斜め方向Ｔから磁性材料を入射しているからである。このように構成した場合、基板２上（およびコイル延在面上）の位置に対するこれらの角度ばらつきを低減することができるので、製造時の歩留りを向上させ、製造コストを低減させることが可能となる。

また、例えば図２１に示したように、インダクタ２０を矩形状に形成すると共に、一対の斜め成長磁性層１１Ａ，１１Ｂにおける結晶成長方向の積層面内成分を制御し、それぞれの磁化容易軸（それぞれ、図中の矢印ＡＸｅＡ，ＡＸｅＢ）を、互いに長軸方向で一致させるように構成してもよい。このように構成した場合、高周波領域における磁性層の有効面積を増やすことができ、製造の際に弱い磁場印加の下でも磁化容易軸ＡＸｅおよび磁化困難軸ＡＸｈを付与することが可能となる。

さらに、例えば図２２に示したように、一対の斜め成長磁性層１１Ａ，１１Ｂにおける結晶成長方向の積層面内成分（それぞれ、図中の矢印ＥＡ，ＥＢ）を、互いに略直交させるように構成してもよい。このように構成した場合、斜め成長磁性層１１同士の面内結晶磁気異方性を打ち消し合うようにすることで異方性磁界を減少させ、低周波帯域で用いられる磁性薄膜を得ることが可能となる。また、異方性磁界を減少させることで磁性薄膜の透磁率μを増加させる（異方性磁界Ｈｋと反比例する）ことも可能となる。

以上、第１および第２の実施の形態を挙げて本発明を説明したが、本発明はこれらの実施の形態に限定されるものではなく、種々の変形が可能である。

例えば、上記実施の形態では、磁性薄膜１における磁性層が、斜め成長磁性層１１の１層のみ（図２，図６）の場合、または斜め成長磁性層１１および垂直成長磁性層１４が１層ずつ混在（図４，図９）している場合について説明してきたが、例えば図２３に示したように、これら斜め成長磁性層１１および垂直成長磁性層１４を多層化（斜め成長磁性層１１Ａ，１１Ｂ，…、および垂直成長磁性層１４Ａ，１４Ｂ，…）するように構成してもよい。また、第２の実施の形態（図１８）で説明したように、磁性層１を一対の磁性薄膜１Ａ，１Ｂから構成した場合には、これら一対の磁性薄膜１Ａ，１Ｂのうちの少なくとも一方を多層化するように構成してもよい。これらのように構成した場合でも、上記実施の形態の場合と同様の効果を得ることができる。

また、上記実施の形態では、磁性薄膜１に磁性層のみを設けた場合について説明してきたが、例えば図２４および図２５にそれぞれ示したように、複数の斜め成長磁性層１１Ａ，１１Ｂ，…の層間（図２４）、または斜め成長磁性層１１と垂直成長磁性層１４との層間（図２５）に、例えばＡｌ₂Ｏ₃などの絶縁体よりなる絶縁層１６Ａ，１６Ｂ，１６Ｃ，１６Ｄ，…を設けるように構成してもよい。このように構成することで、上記実施の形態における効果に加え、垂直成長磁性層１４を設けた場合の効果と同様に、斜め成長磁性体１２の単結晶化を抑制して異方性磁界をより増加させると共に、磁性薄膜１の比抵抗をより高め、電流損失をより抑制することが可能となる。また、上記のように磁性層１を一対の磁性薄膜１Ａ，１Ｂから構成した場合には、これら一対の磁性薄膜１Ａ，１Ｂのうちの少なくとも一方に絶縁層１６を設けるように構成してもよい。

さらに、上記実施の形態では、基板２の片面に磁性薄膜１や平面コイル４、絶縁層３を設けた場合（インダクタ１０，２０）について説明してきたが、例えば図２６（（Ａ）は上面図を模式的に表したもの、（Ｂ）は（Ａ）におけるＢ−Ｂ部分の矢視断面図を模式的に表したもの）に示したように、基板６の両面に磁性薄膜１Ａ，１Ｂ、平面コイル４、絶縁層７を設けるように構成（インダクタ３０）してもよい。この場合、基板６の表面側および裏面側にそれぞれ設けられたスパイラル状の平面コイル４同士は、スルーホール５によって互いに電気的に接続されるようになっている。このように構成した場合も、接続用端子Ｊ３，Ｊ４間にインダクタが形成され、上記実施の形態の場合と同様の効果を得ることができる。

またさらに、上記実施の形態において説明した各層の材料、成膜方法および成膜条件などは限定されるものではなく、他の材料および厚みとしてもよく、また他の成膜方法および成膜条件としてもよい。

本発明の第１の実施の形態に係る磁気素子の構成を表す模式図である。 図１に示した磁性薄膜の断面構成を表す模式図である。 斜め成長磁性体の形態を説明するための模式図である。 垂直成長磁性層を設けた場合の断面構成を説明するための模式図である。 磁性薄膜の形成方法を説明するための模式図である。 図５に示した形成方法による磁性薄膜の一例を説明するための模式図である。 図６に示した磁性薄膜の断面形態を示すＴＥＭ写真である。 図６に示した磁性薄膜の磁化曲線である。 図５に示した形成方法による磁性薄膜の他の例を説明するための模式図である。 図９に示した磁性薄膜の断面形態を示すＴＥＭ写真である。 図９に示した磁性薄膜の磁化曲線である。 図５に示した形成方法による磁性薄膜の他の例を説明するための模式図である。 図１２に示した磁性薄膜の断面形態を示すＴＥＭ写真である。 図１２に示した磁性薄膜の磁化曲線である。 図５に示した形成方法による磁性薄膜の共鳴周波数および異方性磁界と斜め成長磁性層の膜厚比率との関係を表す特性図である。 図５に示した形成方法による磁性薄膜における透磁率の周波数特性を表す特性図である。 平面コイルに流れる電流とインダクタンスとの関係を説明するための模式図である。 本発明の第２の実施の形態に係る磁気素子の断面構成を表す模式図である。 結晶成長方向の関係の一例を説明するための模式図である。 結晶成長方向の関係の一例を説明するための模式図である。 結晶成長方向の積層面内成分の関係の一例を説明するための模式図である。 結晶成長方向の積層面内成分の関係の他の例を説明するための模式図である。 斜め成長磁性層および垂直成長磁性層を多層化した場合の断面構成の一例を表す模式図である。 図２２に示した磁性薄膜に絶縁層を設けた場合の断面構成の一例を表す模式図である。 図２３に示した磁性薄膜に絶縁層を設けた場合の断面構成の一例を表す模式図である。 本発明に係る磁気素子の他の構成例を表す模式図である。

符号の説明

１０，２０，３０…インダクタ、１…磁性薄膜、１１…斜め成長磁性層、１２…斜め成長磁性体、１３…絶縁体、１４…垂直成長磁性層、１５…垂直成長磁性体、１６…絶縁層、２，６…基板、３，７…絶縁層、４…平面コイル、５…スルーホール、Ｊ１〜Ｊ４…接続用端子、ｄ１，ｄ２…磁性層の膜厚、Ｍ１，Ｍ２…磁石、Ｔ…磁性体の入射方向、ＡＸｅ…磁化容易軸、ＡＸｈ…磁化困難軸、Ｅ１〜Ｅ３…磁化容易軸方向における磁化曲線、Ｈ１〜Ｈ３…磁化困難軸方向における磁化曲線、ＥＡ，ＥＢ…斜め成長磁性層における結晶成長方向の積層面内成分。

Claims (6)

1. コイルと、
   前記コイルを挟むように前記コイルの両側に設けられた磁性薄膜と
   を備え、
   前記磁性薄膜は、絶縁材料とこの絶縁材料の混入によって軟磁性化する磁性材料とを含むと共に積層面に対して斜め方向に柱状に結晶成長した斜め成長磁性層を有し、
   前記コイルの両側に設けられた一対の磁性薄膜のそれぞれに対応した一対の斜め成長磁性層のうち、一方の斜め成長磁性層における結晶成長方向が前記積層面となす角度は、積層面の一端から他端に沿って徐々に大きくなっており、かつ他方の斜め成長磁性層における結晶成長方向が前記積層面となす角度は、積層面の他端から一端に沿って徐々に大きくなっている
   ことを特徴とする磁気素子。
2. 前記磁性薄膜の少なくとも一方は、前記絶縁材料および前記磁性材料を含むと共に積層面に対して垂直方向に柱状に結晶成長した垂直成長磁性層をさらに有する
   ことを特徴とする請求項１に記載の磁気素子。
3. 前記磁性薄膜の少なくとも一方は、前記斜め成長磁性層と前記垂直成長磁性層との層間の少なくとも１つに、絶縁層を有する
   ことを特徴とする請求項２に記載の磁気素子。
4. 前記磁性薄膜の少なくとも一方は、前記斜め成長磁性層を複数有し、この複数の斜め成長磁性層の層間に、絶縁層を有する
   ことを特徴とする請求項１に記載の磁気素子。
5. 前記磁性材料は、鉄（Ｆｅ）またはコバルト鉄（ＣｏＦｅ）を含む
   ことを特徴とする請求項１ないし請求項４のいずれか１項に記載の磁気素子。
6. 請求項１ないし請求項５のいずれか１項に記載の磁気素子を備えた
   ことを特徴とするインダクタ。

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