JP6891585B2 - 強磁性多層薄膜および薄膜インダクタ - Google Patents

Description

本発明は、強磁性多層薄膜および薄膜インダクタに関する。

コイルおよび磁芯がスパッタリングなどの薄膜工程で作製される薄膜インダクタは、主に高周波領域で使用される。

ここで、特に高周波領域で使用される薄膜インダクタの磁心は、渦電流の発生を抑制するために絶縁膜および磁性膜を交互に繰り返す多層構造となっている場合が多い。そこで、膜厚が薄く周波数領域が高い場合において、高い透磁率、高い飽和磁束密度および低い保磁力を有する磁性層が求められている。

ここで、高い透磁率、高い飽和磁束密度および低い保磁力を併せ持つ材料として、熱処理によりアモルファス中にナノサイズのｂｃｃ−Ｆｅ構造を有する微結晶を生成するナノ結晶材が知られている。このようなナノ結晶材としては、例えば、以下に示す特許文献１〜３に記載されている。しかし、さらに磁性層の膜厚が薄い場合においても高い透磁率、高い飽和磁束密度および低い保磁力を有する磁性層が求められていた。

特開平０４−１６８７０６号公報 特許第２６７５０６２号公報 特許第２５５６８６３号公報

本発明は、高い透磁率、高い飽和磁束密度および低い保磁力を有する強磁性多層薄膜を得ることを目的とする。

上記の目的を達成するために本発明に係る強磁性多層薄膜は、
下地層および強磁性体層を含む強磁性多層薄膜であって、
前記強磁性体層が、ナノ結晶層およびアモルファス層からなり、
前記ナノ結晶層はナノサイズの微結晶を含み、
前記アモルファス層はナノサイズの微結晶を含まず、
前記ナノ結晶層と前記アモルファス層とが前記強磁性体層内で膜厚方向に分離していることを特徴とする。

本発明に係る強磁性多層薄膜は、上記の特徴を有することにより、高い透磁率、高い飽和磁束密度および低い保磁力を有する。

前記ナノ結晶層にはナノサイズの微結晶およびアモルファスが混在していてもよい。

本発明に係る強磁性多層薄膜は、前記下地層、前記ナノ結晶層および前記アモルファス層が、膜厚方向に沿って下地層、ナノ結晶層、アモルファス層の順番に並んでいてもよい。

本発明に係る強磁性多層薄膜は、ナノサイズの前記微結晶が前記下地層に沿うように並んで配列されており、前記ナノ結晶層の厚さが前記微結晶の平均粒径の２倍以下であってもよい。

本発明に係る強磁性多層薄膜は、前記微結晶は、Ｆｅを主成分とし粒径が３ｎｍ〜３０ｎｍであってもよい。

本発明に係る強磁性多層薄膜は、前記下地層の厚さが０．２ｎｍ〜５０ｎｍ、前記ナノ結晶層の厚さが３ｎｍ〜５０ｎｍ、前記アモルファス層の厚さが前記ナノ結晶層の厚さの６０％以上であり、前記強磁性体層の厚さが３０ｎｍ〜５００ｎｍであってもよい。

本発明に係る強磁性多層薄膜は、Ｆｅの濃度を前記強磁性体層内の膜厚方向に沿って測定した場合に、前記Ｆｅの濃度が変化してもよい。

本発明に係る強磁性多層薄膜は、Ｆｅの濃度を前記強磁性体層内の膜厚方向に沿って測定した場合に、前記Ｆｅの濃度のピークが前記ナノ結晶層に存在してもよい。

本発明に係る強磁性多層薄膜は、
前記強磁性体層が、Ｆｅ，α１およびα２を含み、
前記α１がＣｕ，ＡｇおよびＡｕから選択される１種以上であり、
前記α２がＴｉ，Ｚｒ，Ｈｆ，Ｖ，Ｎｂ，Ｔａ，Ｃｒ，ＭｏおよびＷから選択される１種以上であってもよい。

本発明に係る強磁性多層薄膜は、前記強磁性体層が、ＣｏおよびＮｉから選択される１種以上を含んでもよい。

本発明に係る強磁性多層薄膜は、前記α１の濃度を前記強磁性体層内の膜厚方向に沿って測定した場合に、前記α１の濃度が変化してもよい。

本発明に係る強磁性多層薄膜は、前記下地層から前記ナノ結晶層と前記アモルファス層との界面までの間に前記α１の濃度のピークが存在してもよい。

本発明に係る強磁性多層薄膜は、前記α２の濃度を前記強磁性体層内の膜厚方向に沿って測定した場合に、前記α２の濃度が変化してもよい。

本発明に係る強磁性多層薄膜は、前記α２の濃度が最大となる点が前記アモルファス層に存在してもよい

本発明に係る強磁性多層薄膜は、前記下地層が、Ａｌ，Ｇａ，Ｉｎ，Ｔｌ，Ｇｅ，ＳｎおよびＰｂから選択される１種以上を含んでもよい。

本発明に係る強磁性多層薄膜は、上記のいずれかに記載の強磁性多層薄膜を少なくとも２層含む構造を有してもよい。

本発明に係る強磁性多層薄膜は、上記のいずれかに記載の強磁性多層薄膜を少なくとも２層含み、隣接する任意の２層の前記強磁性多層薄膜の間に中間層を含む構造を有してもよい。

本発明に係る強磁性多層薄膜は、前記中間層が絶縁層を含んでもよい。

本発明に係る薄膜インダクタは、上記のいずれかに記載の強磁性多層薄膜を含む。

本発明の一実施形態に係る強磁性多層薄膜１２の断面構造を示す模式図である。 実施例１におけるＳＴＥＭ観察で得られたＳＴＥＭ画像である。 実施例１におけるＥＰＭＡ観察で得られたマッピング画像である。 実施例１におけるＥＰＭＡ観察で得られたマッピング画像である。 本発明の一実施形態に係る強磁性多層薄膜１２の断面構造を示す模式図である。 本発明の一実施形態に係る強磁性多層薄膜１２の断面構造を示す模式図である。 図６における中間層２０の断面構造の一例を示す模式図である。 図６における中間層２０の断面構造の一例を示す模式図である。 図６における中間層２０の断面構造の一例を示す模式図である。 図６における中間層２０の断面構造の一例を示す模式図である。 本発明の一実施形態に係る薄膜インダクタ２の断面構造を示す模式図である。 熱処理温度の変化に対する保磁力の変化を示すグラフである。 熱処理温度の変化に対する透磁率の変化を示すグラフである。

以下、本発明の実施形態について図面を用いて説明するが本発明は以下に示す実施形態に限定されない。

本実施形態に係る薄膜インダクタ２は、図８の断面図に示す構造を有する。薄膜インダクタ２は、薄膜インダクタ基板１１上に下部磁性層１２ａ、インダクタ絶縁層１０および上部磁性層１２ｂが順番に積層されており、インダクタ絶縁層１０の内部にコイル１０ａが存在している構造を有する。

本実施形態に係る強磁性多層薄膜１２は図８に示す薄膜インダクタ２の下部磁性層１２ａおよび／または上部磁性層１２ｂに含まれる。

本実施形態に係る強磁性多層薄膜１２は図１の断面図に示す多層構造を有する。強磁性多層薄膜１２は、下地層１４および強磁性体層１６を含む。強磁性体層１６はナノ結晶層１６ａおよびアモルファス層１６ｂからなる。そして、図１に示すようにナノ結晶層１６ａとアモルファス層１６ｂとが強磁性体層１６内で膜厚方向に分離している構造となっている。

ナノ結晶層１６には、ナノサイズの微結晶１６ａ´が存在している。また、アモルファス１６ｂ´が混在していてもよい。これに対し、アモルファス層１６ｂにはアモルファス１６ｂ´が存在し、ナノサイズの微結晶１６ａ´が含まれない。また、アモルファス層１６ｂにはナノサイズではない結晶も含まれない。また、微結晶１６ａ´の大きさはナノサイズ、すなわち、２ｎｍ以上５０ｎｍ以下である。

本実施形態に係る強磁性多層薄膜１２は上記の多層構造を有することにより、強磁性体層１６の膜厚が５００ｎｍ以下と小さくても保磁力が低く透磁率が高い磁気特性を有する。

ここで、強磁性体層１６の膜厚が小さいため、本実施形態に係る強磁性多層薄膜１２およびそれを含む薄膜インダクタ２は、１００ＭＨｚ以上の高周波領域に対応することが可能であり、さらに、ＧＨｚ帯の高周波領域に対応することも可能となる。

なお、本実施形態に係る強磁性多層薄膜１２は、図１に示すアモルファス層１６ｂの上に別の層（図示せず）を有していてもよく、有していなくてもよい。別の層を有している場合において当該別の層の組成には特に制限はない。

下地層１４、ナノ結晶層１６ａおよびアモルファス層１６ｂの並んでいる順番には特に制限はない。膜厚方向に沿って下地層１４、ナノ結晶層１６ａ、アモルファス層１６ｂの順番に並んでいてもよい。

図１に示すように、微結晶１６ａ´は下地層１４に沿うように並んで配列されていてもよい。ナノ結晶層１６ａの厚さが微結晶１６ａ´の平均粒径の２倍以下となることが好ましい。また、微結晶１６ａ´の好ましい平均粒径は強磁性多層薄膜の材料および目的とする特性により異なるものの、通常は５ｎｍ以上２０ｎｍ以下とすることが好ましい。

また、微結晶１６ａ´の材質には特に制限はないが、Ｆｅを主成分とすることが好ましい。具体的には、微結晶１６ａ´におけるＦｅの含有量が５０原子％以上であることが好ましい。

下地層１４の厚さ、ナノ結晶層１６ａの厚さおよびアモルファス層１６ｂの厚さには特に制限はない。

下地層１４の厚さは０．２ｎｍ以上５０ｎｍ以下とすることが好ましく、０．５ｎｍ以上２０ｎｍ以下とすることがさらに好ましい。下地層１４の厚さを上記の範囲内とすることで高い飽和磁束密度、低い保磁力、高い透磁率を併せ持つことができる。

ナノ結晶層１６ａの厚さは３ｎｍ以上５０ｎｍ以下とすることが好ましく、５ｎｍ以上３０ｎｍ以下とすることがさらに好ましい。ナノ結晶層１６ａの厚さを上記の範囲内とすることで低い保磁力が得られる。

アモルファス層１６ｂの厚さはナノ結晶層の厚さ１６ａの厚さの６０％以上（０．６倍以上）であることが好ましく、１００％以上（１倍以上）であることがさらに好ましい。アモルファス層１６ｂの厚さを上記の範囲内とすることで低い保磁力が得られる。

また、アモルファス層１６ｂの厚さには特に上限はないが、強磁性体層１６の厚さ、すなわちナノ結晶層１６ａとアモルファス層１６ｂとの合計の厚さは３０ｎｍ以上５００ｎｍ以下であることが好ましく、３０ｎｍ以上３００ｎｍ以下であることがさらに好ましい。強磁性体層１６の厚さを３０ｎｍ以上とすることで、均一なナノ結晶の形成が可能となる。また、強磁性体層１６の厚さを５００ｎｍ以下とすることで、強磁性体層１６内における渦電流の発生を低減させ、渦電流損失を低減し、優れた磁気特性を得やすくなる。

ここで、Ｆｅの濃度を強磁性体層１６内の膜厚方向に沿って測定した場合に、Ｆｅの濃度が変化していることが好ましい。すなわち、強磁性体層１６内でＦｅの濃度が膜厚方向に沿って一定ではないことが好ましい。さらに、ナノ結晶層１６ａにＦｅ濃度のピークが存在することが好ましい。なお、本願ではピークとは極大点のことである。Ｆｅ濃度のピークとは、Ｆｅ濃度が膜厚方向の前後いずれの点よりも高い点のことである。

以下、強磁性多層薄膜１２に含まれる各層の組成について説明する。

強磁性体層１６はＦｅ，α１およびα２を含むことが好ましい。α１はＣｕ，ＡｇおよびＡｕから選択される１種以上であることが好ましく、Ｃｕであることがより好ましい。α２はＴｉ，Ｚｒ，Ｈｆ，Ｖ，Ｎｂ，Ｔａ，Ｃｒ，ＭｏおよびＷから選択される１種以上であることが好ましく、Ｎｂおよび／またはＺｒであることがより好ましい。

強磁性体層１６は、さらにＦｅ，α１およびα２以外の元素を含んでもよい。例えば、ＢやＳｉなどが挙げられる。

強磁性体層１６におけるＦｅの含有量には特に制限はない。例えば強磁性体層１６全体に対して５０原子％以上９５原子％以下であってもよい。

強磁性体層１６は、さらにＦｅの一部を置換する形でＣｏおよびＮｉから選択される１つ以上を含んでもよい。

強磁性体層１６がα１を含むことにより、ｂｃｃ−Ｆｅ構造を有する微結晶１６ａ´が形成しやすくなる。α１を含まない場合には、微結晶１６ａ´の粒径の制御が困難になる場合がある。

強磁性体層１６におけるα１の含有量には特に制限はない。例えば強磁性体層１６全体に対して０．１原子％以上２０原子％以下であってもよい。

α１の濃度を強磁性体層１６内の膜厚方向に沿って測定した場合に、α１の濃度が変化していることが好ましい。すなわち、強磁性体層１６内でα１の濃度が膜厚方向に沿って一定ではないことが好ましい。また、強磁性体層１６内で下地層から前記ナノ結晶層と前記アモルファス層との界面までの間にα１の濃度にピークが存在することが好ましい。

強磁性体層１６におけるα２の含有量には特に制限はない。例えば強磁性体層１６全体に対して１原子％以上２０原子％以下であってもよい。

α２の濃度を強磁性体層１６内の膜厚方向に沿って測定した場合に、α２の濃度が変化していることが好ましい。すなわち、強磁性体層１６内でα２の濃度が膜厚方向に沿って一定ではないことが好ましい。強磁性体層１６内でα２の濃度が最大となる点がアモルファス層１６ｂに存在することが好ましい。

下地層１４は、Ａｌ，Ｇａ，Ｉｎ，Ｔｌ，Ｇｅ，ＳｎおよびＰｂから選択される１つ以上を含むことが好ましい。下地層１４における上記の元素の含有量には特に制限はなく、１０原子％以上含むことが好ましい。下地層１４がこれらの元素、すなわち周期表で１３族または１４族に属する金属元素を含むことで、後述するアニール処理を行う段階で微結晶１６ａ´が下地層１４に沿うように並んで配列しやすくなり、強磁性多層薄膜１２が、ナノ結晶層１６ａとアモルファス層１６ｂとが強磁性体層１６内で膜厚方向に分離している構造を取りやすくなる。そして、低い保磁力および高い透磁率を得ることができる。また、さらに保磁力が低く、さらに透磁率が高い強磁性多層薄膜１２を得る観点からは、下地層１４はＡｌ，ＧｅおよびＳｎから選択される１つ以上を含むことが好ましく、Ａｌを含むことが、さらに好ましい。また、下地層１４におけるＡｌの含有量は５０原子％以上であることが好ましく、８０原子％以上であることが特に好ましい。

なお、強磁性体層１６におけるナノ結晶層１６ａとアモルファス層１６ｂとの区別はＳＴＥＭを用いて行う。強磁性多層薄膜１２を膜厚方向に沿って切断して得られる任意の断面について倍率５０万倍〜２００万倍で観察し、強磁性体層１６内で微結晶１６ａ´が確認される層をナノ結晶層１６ａとし、微結晶１６ａ´等の結晶が確認されない層をアモルファス層１６ｂとする。また、強磁性多層薄膜１２内の各層の厚みおよび微結晶１６ａ´の粒径はＳＴＥＭ測長機能を用いて測定する。微結晶１６ａ´の平均粒径は最低１０個以上、好ましくは１００個以上の微結晶１６ａ´の粒径を平均して算出する。また、微結晶１６ａ´の粒径は、強磁性多層薄膜１２に対してＸＲＤ測定を行い、シェラーの式を用いることで算出することもできる。ＳＴＥＭ測長機能を用いて測定した微結晶１６ａ´の粒径とシェラーの式を用いて算出した微結晶１６ａ´の粒径とは通常、概ね一致する。

また、各層の組成およびＦｅ，α１およびα２の濃度変化は、ＥＰＭＡを用いて倍率５０万倍〜２００万倍で分析することで観察する。

また、本実施形態に係る強磁性多層薄膜１２は、図５に示すように、本実施形態に係る強磁性多層薄膜１２を２層以上含む構造を有していてもよい。

また、図６に示すように、隣接する２層の強磁性多層薄膜１２の間に中間層２０を含む構造を有していてもよい。

中間層２０の構成には特に制限はなく、絶縁層２０ａを含んでいてもよい。絶縁層２０ａの含み方にも特に制限はない。例えば、図７Ａに示すように中間層２０が中間層絶縁層２０ａのみからなっていてもよい。図７Ｂに示すように、中間層がアモルファス１６ｂに接する側に金属層２０ｂを有していていもよい。図７Ｃに示すように、中間層が下地層１４に接する側に金属層２０ｂを有していてもよい。図７Ｄに示すように、中間層絶縁層２０ａの両側を金属層２０ｂで挟み込んでいてもよい。

また、中間層２０の厚さには特に制限はない。例えば１ｎｍ以上１００ｎｍ以下であってもよい。絶縁層２０ａの材質には特に制限はない。例えばＳｉＯ_２および／またはＡｌ_２Ｏ_３からなっていてもよい。金属層２０ｂの材質にも特に制限はない。例えばＴａおよび／またはＭｏからなっていてもよい。

本実施形態に係る強磁性多層薄膜１２が、強磁性体層１６の膜厚が５００ｎｍ以下であっても高い透磁率および低い保磁力が得られる理由は不明であるが以下の通りであると考えられる。

まず、本実施形態に係る強磁性多層薄膜１２においては、微結晶１６ａ´の結晶粒径を制御する力が大きく、結晶粒径が粗大化しづらいためと考えられる。次に、微結晶１６ａ´が比較的狭い領域に集中して形成されることで膜厚方向に垂直な方向の微結晶１６ａ´同士の間隔が短くなるためであると考えられる。さらに、アモルファス層１６ｂが強磁性多層薄膜１２の応力緩和層として働いていると考えられる。以上の理由により、本実施形態に係る強磁性多層薄膜１２が、強磁性体層１６の膜厚が５００ｎｍ以下であっても高い透磁率および低い保磁力が得られると考えられる。

以下、本実施形態に係る強磁性多層薄膜１２の製造方法について説明する。

まず、強磁性多層薄膜１２を積層させる基板１１ａを準備する。基板１１ａの種類には特に制限はないが、基板１１ａの上に下地層１４を形成しやすい基板であることが好ましい。具体的には、酸化膜付きシリコン基板や非磁性フェライト基板などが挙げられる。

次に、準備した基板１１ａに対してスパッタリング装置を用いてスパッタリングを行うことで下地層１４を形成する。さらに、下地層１４に対してスパッタリングを行うことで強磁性体層１６を形成する。スパッタリングの条件には特に制限はなく、目的とする組成および厚さの下地層１４および強磁性体層１６を得られるように適宜調整する。

また、図６に示すように強磁性多層薄膜１２を２層以上含む構造を有するようにするためには、強磁性体層１６上に改めて下地層１４をスパッタリングにより形成し、以後、上記と同様の工程を繰り返せばよい。

また、図７に示すように強磁性多層薄膜１２を少なくとも２層含み、隣接する任意の２層の強磁性多層薄膜１２の間に中間層２０を含む構造を有するようにするためには、強磁性体層１６上に中間層２０をスパッタリングにより形成し、中間層２０上に改めて下地層１４をスパッタリングにより形成し、以後、上記と同様の工程を繰り返せばよい。

強磁性体層１６を形成した後に、アニール処理を行うことで、微結晶１６ａ´が下地層１４に沿うように並んで配列された状態で生じさせ、強磁性体層１６内部にナノ結晶層１６ａおよびアモルファス層１６ｂを生じさせることができ、強磁性多層薄膜１２を得ることができる。

アニール処理の条件に特に制限はないが、４００℃以上６５０℃以下とすることが好ましい。アニール処理の条件を上記の範囲内とすることにより、ナノ結晶層１６ａおよび微結晶１６ａ´を適度な大きさで発生させやすくなる。また、アニール処理の温度または時間を変化させることで微結晶１６ａ´の平均粒径およびナノ結晶層１６ａの厚さを変化させることができる。具体的には、温度が高いほど微結晶１６ａ´の平均粒径は大きくなり、ナノ結晶層１６ａの厚さは大きくなる。また、時間が長いほど微結晶１６ａ´の平均粒径は大きくなり、ナノ結晶層１６ａの厚さは大きくなる。

なお、アニール温度が高くなりすぎると、微結晶１６ａ´の粒径が大きくなりすぎる傾向にある。また、アニール温度が高くなりすぎると、下地層１４に含まれる成分（Ａｌ，Ｇａ，Ｉｎ，Ｔｌ，Ｇｅ，ＳｎおよびＰｂから選択される１つ以上）が強磁性体層１６へ拡散してしまい、下地層１４に沿って微結晶１６ａ´が存在する構造が得られなくなる場合もある。また、強磁性体層１６がＦｅおよびＢを含む場合にアニール温度が高くなりすぎると、ＦｅおよびＢが化合してボライドを形成してしまい、透磁率が低下してしまう場合がある。

図６および図７に示すように強磁性多層薄膜１２を２層以上含む構造を有するようにする場合には、全ての強磁性多層薄膜１２をスパッタリングにより形成した後にアニール処理を行ってもよく、強磁性多層薄膜１２を１層形成するごとにアニール処理を行ってもよい。この場合のアニール処理の方法には特に制限はない。

ＳＴＥＭ測定やＥＰＭＡ測定等の測定を行う場合には、強磁性多層薄膜１２に対してスパッタリングを行い、Ｐｔ保護膜１８を形成してもよい。

また、得られた強磁性多層薄膜１２を用いて薄膜インダクタ２を得る方法には特に制限はなく、通常の薄膜インダクタを製造する方法を用いることができる。

強磁性多層薄膜１２を薄膜インダクタ２に用いる方法としては、例えば、図１の強磁性多層薄膜１２を基板１１ａから剥離して図８の薄膜インダクタ基板１１上に強磁性多層薄膜１２を設置し、当該強磁性多層薄膜１２を図８の下部磁性層１２ａとしてもよい。図８のインダクタ絶縁層１０上に図１の強磁性多層薄膜１２を設置し、当該強磁性多層薄膜１２を図８の上部磁性層１２ｂとしてもよい。また、図１の強磁性多層薄膜１２を基板１１ａから剥離せず、図１の基板１１ａをそのまま図８の薄膜インダクタ基板１１としてもよい。この場合、図１の強磁性多層薄膜１２はそのまま図８の下部磁性層１２ａとなる。

以上、本実施形態に係る強磁性多層薄膜、薄膜インダクタおよびそれらの製造方法について説明したが、本発明の強磁性多層薄膜、薄膜インダクタおよびその製造方法は上記の実施形態に限定されない。

以下、実施例に基づき本発明を具体的に説明する。

（実験例１）
まず、酸化膜付きシリコン基板を６ｍｍ×６ｍｍのサイズに切断し、試験用基板として準備した。

次に、スパッタリング装置（エイコー製ＥＳ−３５０）を用いて、前記試験用基板上に下地層を５ｎｍ形成した。下地層の材質は、下表１に示した。さらに、下地層上に強磁性体層を１００ｎｍ形成した。強磁性体層の組成は、Ｆｅ（残部）−Ｓｉ（１０原子％）−Ｂ（１０原子％）−Ｎｂ（５原子％）−Ｃｕ（１原子％）とした。以上の工程により、各実施例の強磁性多層薄膜を作製した。

また、比較例１は、下地層を形成せず、前記試験基板上に直接、強磁性体層を積層して形成した。比較例２〜４は、遷移金属のみからなる下地層を形成した。

各実施例および比較例の強磁性多層薄膜について、５００℃で１５分間、真空中にてアニール処理を行った。その後、Ｂ−Ｈ特性をＶＳＭ（玉川製作所ＴＭ−ＶＳＭ３３１４８３）で測定し、透磁率をインピーダンスアナライザー（ＨＰ ４１９４Ａ）で測定した。

さらに、以上の処理を行った各強磁性多層薄膜に含まれる微結晶の結晶粒径を求めた。具体的には、各強磁性多層薄膜をＸＲＤ（Ｐａｎａｌｙｔｉｃａｌ Ｅｍｐｙｒｅａｎ）で測定し、シェラーの式から算出した。以上の結果を表１および表２に示す。なお、比較例については、ナノ結晶相の厚みおよびアモルファス層の厚みを測定しなかった。

表１および表２より、実施例１〜４および４ａは比較例１〜４と比べて非常に高い透磁率を有し、かつ、非常に低い保磁力を示していることがわかる。

（実験例２）
表１の実施例１、実施例２、比較例１および比較例２について、アニール処理の条件を変化させて実施した。具体的には、実施例１および実施例２は４５０℃で１５分間、５００℃で１５分間、５５０℃で１５分間、６００℃で１５分間、５００℃で６０分間の各条件で実施した。比較例１および比較例２は５００℃で１５分間、５５０℃で１５分間、６００℃で１５分間の各条件で実施した。また、実験例１と同様に各強磁性多層薄膜の結晶粒径を求めた。結果を表３および表４に示す。また、表３および表４の結果をグラフ化したものが図９および図１０である。

表３および表４、および、図９および図１０より、下地層の材質がＡｌ（１００原子％）の場合（実施例１）、および、下地層の材質がＡｌ（５０原子％）−Ｓｎ（５０原子％）の場合（実施例２）には、下地層が無い場合（比較例１）および下地層の材質がＭｏ（１００原子％）の場合（比較例２）と比較して特に高い透磁率と低い保磁力とを得ることができることがわかる。また、飽和磁束密度も実施例１および実施例２の方が比較例１および比較例２よりも良好であった。

（実験例３）
強磁性体層の組成をＦｅ（残部）−Ｚｒ（８原子％）−Ｂ（４原子％）−Ｃｕ（１原子％）に変更し、アニール温度を変更した点以外は実施例１，実施例２，比較例１および比較例２と同条件で各強磁性多層薄膜を作製した。結果を表５および表６に示す。なお、比較例５および比較例６については、微結晶の平均結晶粒径、ナノ結晶層の厚みおよびアモルファス層の厚みを測定しなかった。

表５および表６より、強磁性体層の組成が変化しても、下地層の材質がＡｌの場合には、高い透磁率および低い保磁力を得ることができる。

（実験例４）
実施例１の強磁性多層薄膜１２に対して、後述する各種測定を行うために、スパッタリングを用いてＰｔ保護膜１８を形成した。

次に、Ｐｔ保護膜形成後の強磁性多層薄膜を膜厚方向に沿って切断した。得られた断面についてＳＴＥＭ（ＨＩＴＡＣＨＩ製ＨＤ２０００）を用いて倍率５０万倍〜２００万倍で観察した。さらに、ＥＰＭＡ（サーモフィッシャーサイエンティフィック製ＮＯＲＡＮ ＳＹＳＴＥＭ ６）を用いて倍率５０万倍〜２００万倍で分析した。強磁性多層薄膜内の各層の厚みはＳＴＥＭ測長機能を用いて測定した。ＳＴＥＭ観察で得られた画像を図２に示す。なお、今回の図２では下地層１４と基板１１とを区別することができなかった。

図２より、実施例１は強磁性体層内部で、微結晶とアモルファスとが混在しているナノ結晶層と、上記ＳＴＥＭの観察条件では結晶を確認する事ができないアモルファス層に膜厚方向に分離している事がわかった。具体的には、ナノ結晶層が下地層に沿って配置されており、ナノ結晶層の上部を覆うようにアモルファス層が配置されていた。また、図２では微結晶が明るく表示されている場合と暗く表示されている場合とがあるが、これは個々の微結晶で角度が異なることで、電子線が散乱、回折する角度が異なるためである。図２の微結晶の明るさに関わらず図２の微結晶の組成は全て同種である。

さらに、ＳＴＥＭの測長機能を用いて微結晶の粒径を測長したところ、１０ｎｍ〜２０ｎｍであり、１０点測定した平均値は１３．５ｎｍであった。ＳＴＥＭの測長機能を用いて測定した微結晶の粒径と、表１に示すＸＲＤの測定結果を用いてシェラーの式から算出した結晶粒径とがほぼ一致した。

ＥＰＭＡの分析結果（図３および図４）から、実施例１の強磁性体層は、膜厚方向でＦｅの濃度が変化している事がわかった。また、ナノ結晶層にＦｅの濃度ピークが存在する事がわかった。このことから、微結晶はＦｅを主成分としていることがわかる。なお、図３および図４では、下地層１４およびナノ結晶層１６ａの近傍を拡大しており、アモルファス層１６ｂは一部のみ写っている。

ＥＰＭＡの分析結果（図４）から、実施例１の強磁性体層は、膜厚方向でＮｂの濃度も変化している事がわかった。また、Ｎｂの濃度が最大となる点はアモルファス層に存在する事がわかった。

ＥＰＭＡの分析結果（図３）から、実施例１の強磁性体層は、膜厚方向でＣｕの濃度も変化している事がわかった。また、前記下地層から前記ナノ結晶層と前記アモルファス層との界面までの間にＣｕ濃度のピークが存在することがわかった。

（実験例５）実験例５では、実施例１の強磁性多層薄膜を複数層積層した強磁性多層薄膜を作製した。

上記試験用基板上に、実施例１と同様にしてスパッタリングにより下地層および強磁性体層を形成した。さらに強磁性体層の上に、改めて実施例１と同様にして下地層および強磁性体層を形成した。さらに、５００℃で１５分間の熱処理を行った（実施例６）。

上記試験用基板上に、実施例１と同様にしてスパッタリングにより下地層および強磁性体層を形成した。さらに強磁性体層の上にＳｉＯ_２からなる絶縁層を１０ｎｍ形成した。さらに絶縁層の上に、改めて実施例１と同様にして下地層および強磁性体層を形成した。さらに、５００℃で１５分間の熱処理を行った（実施例７）。

実施例６および実施例７の強磁性多層薄膜に対してＶＳＭで軟磁気特性を、インピーダンスアナライザーで透磁率の測定を行った。結果を表７および表８に示す。なお、表７および表８に記載した各層の厚みは、強磁性多層薄膜に含まれる全ての同種の層の平均の厚みとする。また、透磁率の値は、強磁性多層薄膜のうち、基板に接する１層目の値である。

表７および表８より、実施例１の強磁性多層薄膜を２層含む構造とした実施例６および実施例７も、実施例１と同様に高い軟磁気特性を示した。

２…薄膜インダクタ
１０…インダクタ絶縁層
１０ａ…コイル
１１…薄膜インダクタ基板
１２ａ…下部磁性層
１２ｂ…上部磁性層
１２…強磁性多層薄膜
１１ａ…基板
１４…下地層
１６…強磁性体層
１６ａ…ナノ結晶層
１６ａ´…微結晶
１６ｂ…アモルファス層
１６ｂ´…アモルファス
１８…Ｐｔ保護層
２０…中間層
２０ａ…中間層絶縁層
２０ｂ…金属層

Claims (18)

1. 下地層および強磁性体層を含む強磁性多層薄膜であって、
   前記強磁性体層が、ナノ結晶層およびアモルファス層からなり、
   前記ナノ結晶層はナノサイズの微結晶を含み、
   前記アモルファス層はナノサイズの微結晶を含まず、
   前記ナノ結晶層と前記アモルファス層とが前記強磁性体層内で膜厚方向に分離しており、
   前記強磁性体層が、Ｆｅ，α１およびα２を含み、
   前記α１がＣｕ，ＡｇおよびＡｕから選択される１種以上であり、
   前記α２がＴｉ，Ｚｒ，Ｈｆ，Ｖ，Ｎｂ，Ｔａ，Ｃｒ，ＭｏおよびＷから選択される１種以上であることを特徴とする強磁性多層薄膜。
2. 前記ナノ結晶層にはナノサイズの微結晶およびアモルファスが混在している請求項１に記載の強磁性多層薄膜。
3. 前記下地層、前記ナノ結晶層および前記アモルファス層が、膜厚方向に沿って下地層、ナノ結晶層、アモルファス層の順番に並んでいる請求項１または２に記載の強磁性多層薄膜。
4. 前記微結晶が前記下地層に沿うように並んで配列されており、前記ナノ結晶層の厚さが前記微結晶の平均粒径の２倍以下である請求項１〜３のいずれかに記載の強磁性多層薄膜。
5. 前記微結晶は、Ｆｅを主成分とし粒径が３ｎｍ〜３０ｎｍである請求項１〜４のいずれかに記載の強磁性多層薄膜。
6. 前記下地層の厚さが０．２ｎｍ〜５０ｎｍ、前記ナノ結晶層の厚さが３ｎｍ〜５０ｎｍ、前記アモルファス層の厚さが前記ナノ結晶層の厚さの６０％以上であり、前記強磁性体層の厚さが３０ｎｍ〜５００ｎｍである請求項１〜５のいずれかに記載の強磁性多層薄膜。
7. Ｆｅの濃度を前記強磁性体層内の膜厚方向に沿って測定した場合に、前記Ｆｅの濃度が変化する請求項１から６のいずれかに記載の強磁性多層薄膜。
8. Ｆｅの濃度を前記強磁性体層内の膜厚方向に沿って測定した場合に、前記Ｆｅの濃度のピークが前記ナノ結晶層に存在する請求項１から７のいずれかに記載の強磁性多層薄膜。
9. 前記強磁性体層が、ＣｏおよびＮｉから選択される１種以上を含む請求項１〜８のいずれかに記載の強磁性多層薄膜。
10. 前記α１の濃度を前記強磁性体層内の膜厚方向に沿って測定した場合に、前記α１の濃度が変化する請求項１〜９のいずれかに記載の強磁性多層薄膜。
11. 前記α１の濃度のピークが前記下地層から前記ナノ結晶層と前記アモルファス層との界面までの間に存在する請求項１０に記載の強磁性多層薄膜。
12. 前記α２の濃度を前記強磁性体層内の膜厚方向に沿って測定した場合に、前記α２の濃度が変化する請求項１〜１１のいずれかに記載の強磁性多層薄膜。
13. 前記α２の濃度が最大となる点が前記アモルファス層に存在する請求項１２に記載の強磁性多層薄膜
14. 前記下地層が、Ａｌ，Ｇａ，Ｉｎ，Ｔｌ，Ｇｅ，ＳｎおよびＰｂから選択される１種以上を含む請求項１〜１３のいずれかに記載の強磁性多層薄膜。
15. 請求項１〜１４のいずれかに記載の強磁性多層薄膜を少なくとも２層含む構造を有する強磁性多層薄膜。
16. 請求項１〜１４のいずれかに記載の強磁性多層薄膜を少なくとも２層含み、隣接する任意の２層の前記強磁性多層薄膜の間に中間層を含む構造を有する強磁性多層薄膜。
17. 前記中間層が絶縁層を含む請求項１６に記載の強磁性多層薄膜。
18. 請求項１〜１７のいずれかに記載の強磁性多層薄膜を含む薄膜インダクタ。

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