JP4773254B2 - 高周波磁性薄膜及び高周波電子デバイス - Google Patents

Description

本発明は、ＧＨｚオーダーの周波数帯域で動作可能な磁性薄膜とこれを用いた電子デバイスに関するものである。

携帯電話に代表される移動体通信の急速な普及に伴い、高い伝送速度を持つ通信機器に対する需要が高まりつつある。伝送速度を高めるために作成された新しい規格は、既存の電波通信技術との競合を避けるために動作周波数が高くなる傾向にあり、近年では動作周波数がＧＨｚオーダーにまで達している。従って最近の通信規格に適合するデバイスに用いる材料には、ＧＨｚ帯域での動作が不可欠になってきている。

このような高い周波数帯での動作はインダクタ、トランス等の磁性体を用いた電子デバイスにも要求されてきている。しかしながら、磁性体は強磁性共鳴によって損失が増大するため、高周波帯域での動作が難しかった。磁性体の高周波帯域での低損失を実現するためには、飽和磁化と異方性磁界を高めて共振周波数を高めることが好ましい。このような特性を有する磁性体を得るために、薄層化された磁性体層と薄層化された絶縁体層を交互に積層した磁性薄膜が提案されている。

特開平９−０６３８４４号公報 特開２００３−３３８４０９号公報

磁性薄膜の共振周波数は、共振周波数をｆｒ、飽和磁化をＭｓ、異方性磁界をＨｋとすると、式１に示すように、飽和磁化と異方性磁界の積に依存することがわかる。

式１

飽和磁化は、磁性材料によってほぼ決まった値になるので、共振周波数を高くする方法としては現実的には異方性磁界を高めて磁化回転の復元力を大きくすることで解決することが考えられてきた。異方性磁界を高める方法としては、（１）磁場中熱処理などによる誘導磁気異方性の付与、（２）磁性薄膜にスリットを設けることなどによる形状磁気異方性の付与、（３）強磁性体膜と反強磁性体膜間の交換結合、等が知られている。しかしながら、（１）は熱処理過程を必要とするためプロセスが煩雑になり、（２）はスリット部分の磁性薄膜の透磁率が目減りするために実質的な透磁率が減少してしまい、（３）では反強磁性体膜を形成するために磁性体膜全体の飽和磁化が低くなり、透磁率が低下するという問題があった。

また、図１４はＦｅＣｏ合金のＦｅの割合による磁性体の飽和磁化と異方性磁界の変化を示すグラフであるが、これを見ると、飽和磁化を高くすると異方性磁界が低下する傾向がある。このように、高い飽和磁化と高い異方性磁界を両立するのは難しいため、一つの種類の磁性材料によって高い飽和磁化と高い異方性磁界を備え、高周波帯域での低損失と共振周波数を高めることが困難になってきている。特にＧＨｚ帯域で動作可能な電子デバイスを得るために必要な特性を実現することは非常に困難であった。

本発明は、以上のような問題点を解決して、高飽和磁化と高異方性磁界を有する磁性薄膜及びＧＨｚ帯域において有効に動作する電子デバイスを得られるものである。

課題を解決するための手段

本発明は、第一の磁性体層と、第二の磁性体層と、絶縁体層とが、いずれも多数層含まれており、前記第一の磁性体層は、前記第二の磁性体層よりも高い異方性磁界を有しており、前記第二の磁性体層は、前記第一の磁性体層よりも高い飽和磁化を有しており、前記第一の磁性体層と前記第二の磁性体層とを、一層毎に交互に積層するか、もしくは、一方の磁性体層の二層と他方の磁性体層の一層とを交互に積層するか、もしくは、第一の磁性体層の一層と第二の磁性体層の三層とを交互に積層することで、第一の磁性体層と第二の磁性体層とを規則的に積層し、積層される全ての磁性体層の間に前記絶縁体層を形成することで、磁性体層と絶縁体層とが交互の配置となる積層構造としたことを特徴とする高周波磁性薄膜を提案する。

本発明によれば、第一の磁性体層と第二の磁性体層を積層することにより、第一の磁性体層は異方性磁界を極限まで高めることができ、第二の磁性体層は飽和磁化を極限まで高めることができるとともに、第一の磁性体層の飽和磁化を第二の磁性体層が補い、第二の磁性体層の異方性磁界を第一の磁性体層が補うことができる。各々の磁性体層は絶縁体層によって区分されて交互積層されているため、磁性体同士が混じりあうことなく、各々の持つ高い特性を両立させることが可能となる。これによって磁性体薄膜の共振周波数を高くすることができる。

また、本発明は、前記第一の磁性体層が希土類金属と強磁性を示す３ｄ遷移金属との合金を主体としていることを特徴とする高周波磁性薄膜、ならびに前記第二の磁性体層が強磁性を示す３ｄ遷移金属及びそれらの合金を主体としていることを特徴とする高周波磁性薄膜を提案する。また、さらに前記希土類金属がＳｍであることを特徴とする高周波磁性薄膜、ならびに前記３ｄ遷移金属がＣｏであることを特徴とする高周波磁性薄膜を提案する。

本発明によれば、前記第一の磁性体層を３ｄ遷移金属（Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉの少なくとも１種）と希土類金属（Ｓｍ、Ｐｒ、Ｃｅ、Ｙ、Ｎｄ、Ｌａの少なくとも１種）の合金を主体とすることにより、従来の異方性磁界（１００〜１５０＿Ｏｅ）より高い異方性磁界（１０００＿Ｏｅ以上）を有する磁性体層とすることができる。また、前記第二の磁性体層を強磁性を示す３ｄ遷移金属及びその合金を主体とすることにより、飽和磁化の高い磁性体層とすることができる。ここで、前記希土類金属がＳｍ、前記３ｄ遷移金属がＣｏの場合、異方性磁界を最も高くすることできる。

また、本発明は、前記第一の磁性体層又は前記第二の磁性体層が磁性体粒子を絶縁体で包み込んだグラニュラ構造であることを特徴とする高周波磁性薄膜を提案する。

本発明によれば、グラニュラ構造とすることで、磁性薄膜の絶縁抵抗を向上させることができるとともに、高周波透磁率特性における渦電流損失を大幅に低減することが可能になる。

また、本発明は、前記第一の磁性薄膜と、前記第二の磁性薄膜が絶縁体層を介して交換結合していることを特徴とする高周波磁性薄膜を提案する。

本発明によれば、前記第一の磁性体層と前記第二の磁性体層の絶縁体層を介した各々の界面における交換結合により、各々の層の異方性磁界が平均化される。また、前記第一の磁性体層と前記第二の磁性体層が一定の比率で規則的に積層されるため、各層の比率、膜厚などを制御することにより、飽和磁化、異方性磁界を広い範囲で変えることが可能になり、透磁率の値、共振周波数を一定の範囲で制御することができる。なお、ここでいう「交換結合」は、異なる磁性体層の間に交換相互作用が働いている状態と定義する。

また更に、本発明では、前記いずれかの高周波磁性薄膜上に、所定形状の金属導体を形成したことを特徴とする高周波電子デバイスを提案する。

本発明によれば、ＧＨｚ帯域において動作可能な、損失の少ない電子デバイスを得ることができる。

発明の効果

以上のことから、従来の磁性薄膜と比較して、高い飽和磁化と高い異方性磁界を備え、高周波帯域での低損失と共振周波数を高めた磁性薄膜を実現することができるようになり、ＧＨｚ帯域で動作可能な電子デバイスを実現することができる。

本発明に係る高周波磁性薄膜の第一の実施形態を、図面に基づいて説明する。図１は本発明に係る高周波磁性薄膜の模式的断面図であり、第一の磁性体層：第二の磁性体層が１：１である。この磁性薄膜は第一の磁性体層１と第二の磁性体層２が絶縁体層３を介して交互に積層されている。第一の磁性体層１は第二の磁性体層よりも異方性磁界が高くされており、一方第二の磁性体層２は第一の磁性体層１よりも飽和磁化が高くされている。第一の磁性体層１に用いられる磁性体としては、Ｃｏ−Ｓｍ合金の他、Ｃｏ−Ｙ、Ｃｏ−Ｃｅ、Ｃｏ−Ｐｒ、Ｃｏ−Ｌａ、Ｃｏ−Ｎｄなどの３ｄ遷移金属と希土類金属の合金や、Ｆｅ−Ｐｔ、Ｃｏ−Ｐｔ規則合金などの異方性磁界材料の高い材料も好適である。また、第二の磁性体層２に用いられる磁性体としては、Ｃｏ、Ｆｅ、ＦｅＣｏ合金、Ｆｅ−Ｎｉ合金およびＣｏ−Ｎｉ合金などの３ｄ遷移金属合金が好適である。絶縁体層３に用いられる絶縁体としては、ＳｉＯ_２、Ａｌ_２Ｏ_３等が挙げられる。

製造方法の一例を、第一の磁性体層／第二の磁性体層／絶縁体層＝Ｃｏ−Ｓｍ／Ｃｏ／ＳｉＯ_２を例にとって示すと、例えばＳｉやＡｌ_２Ｏ_３等の絶縁基板Ｓ上に、誘導結合型ＲＦスパッタ装置を用い、（１）雰囲気ガス：Ａｒ、（２）成膜圧力：２２０ｍＰａ、（３）背圧：１．０×１０^−５Ｐａ以下、（４）ターゲット：Ｃｏ−Ｓｍ（Ｓｍ：１７ａｔｍ％）で厚さ１０ｎｍの第一の磁性体層１を形成する。次いで同じ条件でターゲットをＳｉＯ_２に変えて前記第一の磁性体層１上に厚さ１ｎｍの絶縁体層３を形成する。次いでターゲットをＣｏに変えて同じ条件で前記絶縁体層３上に厚さ１０ｎｍの第二の磁性体層２を形成する。さらに前記第二の磁性体層２の上に、厚さ１ｎｍの絶縁体層２を形成する。これを繰返して、積層磁性薄膜を形成する。

図２〜図４は、本実施形態の変形例で、図２は第一の磁性体層を１層積層する毎に第二の磁性体層を３層積層したものであり、図３は第一の磁性体層を１層積層する毎に第二の磁性体層を２層積層したもので、図４は第一の磁性体層を２層積層する毎に第二の磁性体層を１層積層したものである。これらの変形例は、上記条件による各層の形成を適宜行うことによって得ることができる。

図５〜図８は、図１〜図４の磁性薄膜のそれぞれの透磁率−周波数特性を示すグラフであり、図５は図１の磁性薄膜、図６は図２の磁性薄膜、図７は図３の磁性薄膜、そして図８は図４の磁性薄膜のグラフである。これを見ると、どの磁性薄膜でも共振周波数が３ＧＨｚ以上を示している。これは、磁性薄膜の飽和磁化と異方性磁界が向上して、式１のＨｋとＭｓの積がＧＨｚ帯域に達するレベルになっていることを示している。なお、これらのグラフを比較すると、第二の磁性体層２の割合が多いほど透磁率は高く、逆に第一の磁性体層１の割合が多いほど共振周波数が高くなっている。このことから、第二の磁性体層２の比率が高くなると飽和磁化が増えて透磁率が高くなり、第一の磁性体層１の比率が高くなると異方性磁界が高くなって共振周波数が高くなる傾向を示しているため、第二の磁性体層２と第一の磁性体層１がそれぞれ高飽和磁化層、高異方性磁界層として有効に機能していることを示している。

なお、絶縁体層３の厚みについては、図９の磁性薄膜の絶縁体層厚みと飽和磁化および異方性磁界のグラフに基づいて説明する。異方性磁界が絶縁体層厚みの増加に応じて低下するのは、第一の磁性体層１と第二の磁性体層２間の交換相互作用が絶縁体層厚みの増加に応じて急激に低下するためであると考えられる。特に絶縁体層厚みが１．６ｎｍ以上の領域では、異方性磁界が２０＿Ｏｅ前後の値でほぼ一定値となっている。この異方性磁界の値は、第二の磁性体層だけから構成される磁性薄膜の異方性磁界とほぼ同じ値となっており、第一の磁性体層１との交換相互作用がほぼ消滅した状態であると推測できる。したがって、これらの試料では第一の磁性体層１と第二の磁性体層２がほぼ独立に運動しているものと考えられ、異方性磁界の高い第一の磁性体層１の磁化は殆ど動かず、第二の磁性体層２の磁化の運動だけが観察されていると推測できる。高周波磁気特性の改善に必要な高い異方性磁界を得るためには、高飽和磁化層と高異方性磁界層を交換結合させる必要があるため、絶縁体層３の厚みは１ｎｍ以下にすることが望ましい。なお、絶縁体層３の厚みが０の場合でも磁性薄膜の形成直後では２０００＿Ｏｅを超える異方性磁界を示すが、経時変化または熱処理等を行うことにより、各層の磁性体の特性が低下してしまう。よって絶縁体層３の厚みは０．２ｎｍ以上にすることが望ましい。

次に、磁性体層厚みについて、図１０を用いて説明する。図１０は、第一の磁性体層１の厚みを１０ｎｍ、２０ｎｍ、３０ｎｍ、４０ｎｍ、７０ｎｍ及び１４０ｎｍに変えたものと透磁率の虚数部との関係を示すグラフである。試料は各厚みの第一の磁性体層１と磁性体比率が１：１になるように第一の磁性体層１の厚みに合わせた枚数の１０ｎｍの厚みの第二の磁性体層２と各層間に０．６ｎｍの絶縁体層３を挿入したものを用いた。

このグラフを見ると、透磁率の虚数成分は第一の磁性体層１の厚みが薄い試料が高周波側にピークを形成するのに対して、第一の磁性体層１が厚い試料はピークが低周波側にシフトしており、特に第一の磁性体層１の厚みが４０ｎｍ以上の試料は複数のピークを形成していることが分かる。複数のピークを形成するのは複数の共振モードが磁性体層内に存在していることに起因していると考えられる。複数の共振モードが存在するのは、第一の磁性体層１が厚くなると第二の磁性体層２に隣接する部分と第二の磁性体層２に隣接しない部分が存在するようになり、部分的に異方性磁界が異なる相が形成されること、もしくは第一の磁性体層１内部で第二の磁性体層２に近い界面近傍部と第二の磁性体層２から遠い磁性体層内部で異方性磁界に分布が形成されていることによるものと考えられる。異方性磁界を有効的に高めて、高い高周波磁気特性を得るためには、高異方性磁界層、高飽和磁化層の膜厚を、複数ピークが現れない３０ｎｍ以下に設定することが望ましい。なお、磁性体層厚みが３ｎｍを下回ると磁化が熱揺らぎによって擾乱される超常磁性状態になり、強磁性を示さなくなるので膜厚は３ｎｍ以上が好ましい。

次に、本発明に係る高周波磁性薄膜の第二の実施形態を、図１１及び図１２に基づいて説明する。図１１に示す磁性薄膜は、第一の磁性体層１がＣｏ−Ｓｍ合金で構成される磁性薄膜であり、第二の磁性体層２がＦｅＣｏ合金の磁性体粒子４をＳｉＯ_２の絶縁体５で包み込んだグラニュラ構造の磁性薄膜である積層磁性薄膜となっている。

図１２に第一の磁性体層１として１０ｎｍのＣｏ−Ｓｍ層、第二の磁性体層２として２０ｎｍのＦｅＣｏ（Ｆｅ：６０ａｔｍ％）−ＳｉＯ２グラニュラ層、絶縁体層３として０．５ｎｍのＳｉＯ２を用いた試料の透磁率周波数特性を示す。透磁率の値が２０前後、共振周波数が約９ＧＨｚと優れた高周波磁気特性を示している。この試料では高飽和磁化層にＦｅＣｏ合金のグラニュラ構造層を用いているが、Ｃｏ層の場合と同様に優れた磁気特性が得られており、高飽和磁化層として有効に機能していることが分かる。

次に、本発明に係る電子デバイスの実施形態を、図１３に基づいて説明する。図１３は基板６上に磁性薄膜７を形成し、磁性薄膜７の上に平面コイルを構成する導体８が形成されている電子デバイスを示している。この磁性薄膜７を、本発明の磁性薄膜を用いることによって、ＧＨｚ帯域で動作可能な電子デバイスを得ることができる。なお、ここでは配線基板上に磁性薄膜を形成して得られる電子デバイスを提示したが、絶縁基板に磁性薄膜を形成したものを個別チップにした電子部品であっても良い。

以上のように、本発明の実施形態を説明したが、上述した実施例に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々変更を加え得ることができる。

産業上の利用分野

本発明は、薄膜インダクタ、薄膜トランスなどの薄膜磁性体を用いた電子部品に用いられるもので、特にＧＨｚ帯域で使用する電子機器の回路部品に利用される。

本発明の第一の実施形態の磁性薄膜の断面を示す模式図である。 本発明の第一の実施形態の磁性薄膜の断面を示す模式図である。 本発明の第一の実施形態の磁性薄膜の断面を示す模式図である。 本発明の第一の実施形態の磁性薄膜の断面を示す模式図である。 図１に示す磁性薄膜の透磁率−周波数特性図である。 図２に示す磁性薄膜の透磁率−周波数特性図である。 図３に示す磁性薄膜の透磁率−周波数特性図である。 図４に示す磁性薄膜の透磁率−周波数特性図である。 絶縁体層の厚みと、磁性薄膜の飽和磁化及び異方性磁界との関係を示すグラフである。 第一の磁性体層の厚みと透磁率の虚数部との関係を示すグラフである。 本発明の第二の実施形態の磁性薄膜の断面を示す模式図である。 本発明の第二の実施形態の磁性薄膜の透磁率−周波数特性図である。 本発明の電子デバイスを示す斜視図である。 飽和磁化と異方性磁界の関係を示すグラフである。

符号の説明

１ 第一の磁性体層
２ 第二の磁性体層
３ 絶縁体層
４ 磁性体粒子
５ 絶縁体
６ 基板
７ 磁性薄膜
８ 導体

Claims (11)

1. 第一の磁性体層と、第二の磁性体層と、絶縁体層とが、いずれも多数層含まれており、
   前記第一の磁性体層は、前記第二の磁性体層よりも高い異方性磁界を有しており、
   前記第二の磁性体層は、前記第一の磁性体層よりも高い飽和磁化を有しており、
   前記第一の磁性体層と前記第二の磁性体層とを、一層毎に交互に積層するか、もしくは、一方の磁性体層の二層と他方の磁性体層の一層とを交互に積層するか、もしくは、第一の磁性体層の一層と第二の磁性体層の三層とを交互に積層することで、第一の磁性体層と第二の磁性体層とを規則的に積層し、
   積層される全ての磁性体層の間に前記絶縁体層を形成することで、磁性体層と絶縁体層とが交互の配置となる積層構造としたことを特徴とする高周波磁性薄膜。
2. 前記第一の磁性体層は、希土類金属と強磁性を示す３ｄ遷移金属との合金を主体としていることを特徴とする請求項１に記載の高周波磁性薄膜。
3. 前記第二の磁性体層は、強磁性を示す３ｄ遷移金属またはそれらの合金を主体としていることを特徴とする請求項１に記載の高周波磁性薄膜。
4. 前記第一の磁性体層は、磁性体粒子を絶縁体で包み込んだグラニュラ構造であることを特徴とする請求項１に記載の高周波磁性薄膜。
5. 前記第二の磁性体層は、磁性体粒子を絶縁体で包み込んだグラニュラ構造であることを特徴とする請求項１に記載の高周波磁性薄膜。
6. 前記希土類金属はＳｍであることを特徴とする請求項２に記載の高周波磁性薄膜。
7. 前記３ｄ遷移金属はＣｏであることを特徴とする請求項２または３に記載の高周波磁性薄膜。
8. 前記第一の磁性体層と、前記第二の磁性体層が絶縁体層を介して交換結合していることを特徴とする請求項１に記載の高周波磁性薄膜。
9. 前記絶縁体層の厚みは、０．２〜１ｎｍであることを特徴とする請求項１に記載の高周波磁性薄膜。
10. 前記磁性体層の厚みは、３〜３０ｎｍであることを特徴とする請求項１に記載の高周波磁性薄膜。
11. 請求項１〜１０のいずれか一項に記載の高周波磁性薄膜上に、所定形状の金属導体を形成したことを特徴とする高周波電子デバイス。

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