JP6979459B2 - 多層磁気誘電材料 - Google Patents

Description

本発明は、一般的に磁気誘電材料に関する。より詳細には、多層磁気誘電材料に関し、更にとりわけ、多層磁気誘電薄膜材料に関する。

多層誘電性磁気構造は、形状異方性を利用してより高い強磁性共鳴周波数を生成するという利点、及び、誘電体材料と磁気材料の好ましい混合則を利用してｚ軸誘電率が低くｘ−ｙ平面透磁率が高い構造配置を生成するという利点を有し、これは、パッチ導出アンテナ構造にとって理想的である。しかしながら、積層体の形態を取る既存の構造配置は、不利にも、高い磁気損失、高い誘電損失、及び／又は誘電材料体積の磁気材料体積に対する比率が高いことに起因する低い透磁率にさいなまれている。

先行公開文献は、インピーダンス（実効透磁率の誘電率に対する比率の平方根）を増加させる方法として、誘電絶縁材料の厚さを薄くするという概念を開示しているが、これらの文献は、この概念を実践に適合可能にするための情報を欠いている。具体的には、強磁性材料の高温堆積中に誘電層の完全性を維持する必要性については、薄い誘電材料を用いたこれらの構造の実行に向けた適合を可能にする程に十分に詳細には対処されていない。

まだ対処されていない第２の制約は、アンテナ基板でみられる過渡電圧に耐えることができるアンテナ材料の必要性である。実際の用途では、アンテナと電源との間の不整合、電流の急激な変化、又は静電放電によって引き起こされる過渡電圧は、強磁性材料間の絶縁層の劣化を招くことがある。この劣化は、２つの主な故障モードにつながることがある。強磁性層が十分に厚い（ポリマー／誘電層の厚さの１／１０より厚い）場合に誘電破壊が発生する場合である第１の故障モードでは、絶縁破損がおきた場合に、強磁性層間で短絡が発生することがある。層間のこの短絡は、実効透磁率又は誘電率のシフトにつながることがあり、アンテナの共振周波数を変え、放射効率を低減し、かつ／又はアンテナと電源との間の整合を更に低下させ、特性が時間の経過と共に低下し続ける不安定なアンテナ基板をもたらすことがある。第２の故障モードでは、ポリマーの厚さと金属の厚さとの比が十分に高い（おおよそ１０：１よりも大きい）場合には、通常、強磁性層間の短絡は発生しない。これらの２つのタイプの故障モードでは、多層構造の誘電定数がシフトし、アンテナ共振周波数が対応してシフトすることになる。

既存の多層磁気誘電材料は、意図された目的に対しては適切であるかもしれないが、多層磁気誘電材料に関連した技術は、既存の積層体の好ましくない制約のうちの少なくとも一部を克服する多層磁気誘電材料を用いることで、進歩するであろう。

この背景情報は、本開示と関連がある可能性があると本出願人によって考えられている情報を明らかにするために提供されるものである。前述の情報のいずれかが本開示に反して先行技術を構成するということを承認することは必ずしも意図されておらず、また、そのように解釈されるべきではない。

本明細書で開示するのは、磁気誘電材料を形成する方法、及びその方法から作製される磁気誘電材料である。
一実施形態は、規定された最小周波数以上でかつ規定された最大周波数以下の動作周波数範囲に渡って動作可能な磁気誘電材料を含み、この磁気誘電材料は、誘電材料と強磁性材料とが交互になって複数の強磁性材料層と交互に配置された複数の誘電材料層を形成するそれぞれの隣接層と面形状が適合して直接的に接触している複数の層と、この複数の層の誘電材料である最下層及び最上層と、を有し、複数の強磁性材料層の各層は、規定された最大周波数におけるそれぞれの強磁性材料の表皮深さの１／１５以上で、かつ規定された最大周波数におけるそれぞれの強磁性材料の表皮深さの１／５以下の厚さを有し、複数の誘電材料層の各層は、１５０ボルトピーク（Ｖｏｌｔｓ ｐｅａｋ）以上でかつ１，５００ボルトピーク以下の、それぞれの厚さに渡る絶縁耐電圧をもたらす厚さ及び誘電定数を有し、複数の層は、この複数の層での規定された最小周波数の１波長以下の全体的な厚さを有する。

上記及び他の特徴は、以降の図及び詳細な説明によって例示される。
ここで図を参照する。図は例示的な実施形態であり、同様の要素は同様の番号で記されている。

一実施形態による、磁気誘電材料の一実施形態の例示的な斜視図。 一実施形態による、図１の磁気誘電材料を含む装置の一実施形態の例示的な斜視図。

以下の詳細な説明は、説明の目的のために多数の詳細を含んでいるが、当業者であれば、以下の詳細に対する多くの変形例及び変更例が本発明の範囲内であることを理解するであろう。従って、以下の例示的な実施形態は、特許請求される発明の一般性を損なうことなく、かつ特許請求される発明を限定することなく、記載される。

様々な図及び添付の文によって示され説明されるように、一実施形態は、低損失誘電材料の層の間に交互に挟まれた強磁性材料の複数の層を有する、磁気誘電材料又はキャビティ装填材料を提供する。

例えば、図１は磁気誘電材料１００が、誘電材料２００と強磁性材料３００とが交互になって複数の強磁性材料層３０２、３０４、３０６、３０８、３１０（本明細書ではまとめて参照符号３００によって示す）と交互に配置された複数の誘電材料層２０２、２０４、２０６、２０８、２１０、２１２（本明細書ではまとめて参照符号２００によって示す）を形成するそれぞれの隣接層と面形状が適合して直接的に接触している複数の層１０２を含む。複数の層の最も外側の層は、誘電材料２００の誘電材料層２１２及び２０２である。複数の層１０２は、直交ｘ−ｙ−ｚ座標系内のｘ−ｙ平面と平行に配置され、複数の層１０２の全体的な厚さは、ｚ方向にある。複数の誘電材料層は、複数の層の全体積のうちの、０．１〜９９体積パーセント（ｖｏｌ％）、又は０．１〜５０ｖｏｌ％、又は５０〜９０ｖｏｌ％、又は９０〜９９ｖｏｌ％、又は５〜５５ｖｏｌ％を占めることがある。

図１の磁気誘電材料１００は、複数の層１０２の個々の層が、それ自体に対して、かつ別の層に関してある外観寸法を有して示されているが、これは例示目的のために過ぎず、本明細書に開示する開示範囲を限定することを意図してはおらず、複数の層１０２の縮尺は誇張して描かれていることを、理解されたい。強磁性材料層の５つの層３０２〜３１０のみが本明細書で説明され図１に図示されているが、本開示の範囲はそのように限定されるものではなく、本明細書に開示する目的にとって適切な、かつ本明細書で提供する特許請求の範囲内に該当する、５より多くの又は少ない、任意の数の層を包含することを理解されたい。同様に、誘電材料層の６つの層２０２〜２１２のみが本明細書で説明され図１に図示されているが、本開示の範囲はそのように限定されるものではなく、本明細書に開示する目的にとって適切な、かつ本明細書で提供する特許請求の範囲内に該当する、６より多くの又は少ない、任意の数の層を包含することを理解されたい。例えば、層１０２の総数は、１９〜１０，００１であり得る。あらゆる考えられる範囲を不必要に列挙することなしに、１９層と１０，００１層との間の任意の層の範囲が考えられる。

磁気誘電材料１００は、規定された最小周波数以上でかつ規定された最大周波数以下の動作周波数範囲に渡って動作可能であり得る。規定された最小周波数は、（規定された最小周波数）＝（規定された最大周波数）／２５で与えられることがある。規定された最大周波数は、７ギガヘルツ（ＧＨｚ）であり得る。動作周波数範囲は、１００メガヘルツ（ＭＨｚ）〜１０ＧＨｚ、又は１〜１０ＧＨｚ、又は１００ＭＨｚ〜５ＧＨｚであり得る。

複数の層１０２は、複数の層１０２の中を伝搬する規定された最小周波数の１波長以下の全体的厚さを有することがある。複数の層１０２内の波長は、次式によって与えられる。
λ＝ｃ／［ｆ＊平方根（ε_０＊ε_ｒ＊μ_０＊μ_ｒ）］
但し、ｃは真空での光の速度（単位：メートル／秒）であり、ｆは規定された最小周波数（単位：ヘルツ）であり、ε_０は真空の誘電率（単位：ファラド／メートル）であり、ε_ｒはｚ方向における複数の層の比誘電率であり、μ_０は真空の透磁率（単位：ヘンリー／メートル）であり、μ_ｒはｘ−ｙ平面における複数の層の比透磁率である。図１を参照して分かるように、層状の磁気誘電材料１００は、異方性であり、かつＺ軸方向において誘電材料によって支配される、誘電率を有する。一実施形態では、Ｚ軸方向における磁気誘電材料１００の実効誘電定数（比誘電率）は、２．５以上でありかつ５．０以下である。

複数の層１０２は、全体的電気損失正接（ｔａｎδ_ｅ）、全体的磁気損失正接（ｔａｎδ_ｍ）、及び（１／（（ｔａｎδ_ｅ）＋（ｔａｎδ_ｍ））によって定義される全体的品質係数（Ｑ）を有し、規定される最大周波数は、Ｑが２０に等しいか又はより具体的には２０を下回る周波数によって規定される。全体的品質係数Ｑは、標準化されたニコルソン−ロス−ウィアー（ＮＲＷ：Ｎｉｃｏｌｓｏｎ−Ｒｏｔｈ−Ｗｅｉｒ）手法に従って決定することができ、これについては、例えば、アメリカ国立標準技術研究所（ＮＩＳＴ）の技術ノート１５３６、ジェームズ・ベーカー・ジャーヴィスら著「損失性材料：固体、液体、金属、建築材料、及び負のインデックスの材料の誘電率及び透磁率の測定（Ｍｅａｓｕｒｉｎｇ ｔｈｅ Ｐｅｒｍｉｔｔｉｖｉｔｙ ａｎｄ Ｐｅｒｍｅａｂｉｌｉｔｙ ｏｆ Ｌｏｓｓｙ Ｍａｔｅｒｉａｌｓ： Ｓｏｌｉｄｓ， Ｌｉｑｕｉｄｓ， Ｍｅｔａｌｓ， Ｂｕｉｌｄｉｎｇ Ｍａｔｅｒｉａｌｓ， ａｎｄ Ｎｅｇａｔｉｖｅ−Ｉｎｄｅｘ Ｍａｔｅｒｉａｌｓ）」、２００５年２月、ＣＯＤＥＮ：ＮＴＮＯＥＦ、ｐ．６６〜７４を参照されたい。ＮＲＷ手法は、ε’及びε’’（複素比誘電率成分）及びμ’及びμ’’（複素比透磁率成分）についての計算を提供する。これらの結果から損失正接μ’’／μ’（ｔａｎδ_ｍ）及びε’’／ε’（ｔａｎδ_ｅ）を計算することができる。品質係数Ｑは、損失正接の合計の逆数である。複数の層１０２の全体的な厚さは、０．１〜３ミリメートルであり得る。一実施形態では、透磁率計を使用して複数の層１０２のサンプルの電磁透磁率を測定した。

一実施形態では、磁気誘電材料１００は、動作周波数範囲内の共振周波数ｆ_ｃ（ヘルツ）で動作可能であり、複数の層１０２は、直交ｘ−ｙ−ｚ座標系のｚ方向において層状になっており、複数の層の各層はｘ−ｙ平面と実質的に平行に配置されており、複数の層はｘ−ｙ平面において初期比透磁率ｕ_ｉを有し、複数の層は、スヌークの積（Ｓｎｏｅｋ’ｓ ｐｒｏｄｕｃｔ）ｕ_ｉ×ｆ_ｃを有し、このｆ_ｃは、約７ｎｍに等しい複数の層の内の少なくとも１層のＲａ表面粗さ（表面粗さについては以下で更に考察する）において、６×１０^１１（Ｈｚ）以上であり８×１０^１１（Ｈｚ）以下である。一実施形態では、複数の層は、１ｎｍ未満である複数の層のうちの少なくとも１層のＲａ表面粗さにおいて、１．１×１０^１２Ｈｚ以上で１．８×１０^１２Ｈｚ以下であるｆ_ｃによる、スヌークの積（Ｓｎｏｅｋ’ｓ ｐｒｏｄｕｃｔ）ｕ_ｉ×ｆ_ｃを有する。

各強磁性層は、規定された最大周波数におけるそれぞれの強磁性材料の表皮深さの１／１５以上で、かつ規定された最大周波数におけるそれぞれの強磁性材料の表皮深さの１／５以下の厚さを個別に有する。各強磁性層は、個別に同じ厚さを有することができる。強磁性層は、複数の強磁性層のうちの別の層とは異なる厚さを有することができる。複数の強磁性層のうちのより中央に配置された強磁性層は、より外側に配置された強磁性層よりも厚いことがあり、「より厚い」という用語は、２：１以下でかつ１：１よりも大きい倍率だけより厚いことを意味することがある。例えば、図１では、中央に配置された強磁性層３０６は、最も外側の強磁性層３０２及び３１０よりも厚くすることができ、内側の強磁性層３０４及び３０８はそれぞれ個別に、中央に配置された強磁性層３０６又は最も外側の強磁性層３０２及び３１０と同じ厚さ又は異なる厚さにすることができる。それぞれの強磁性層の厚さは、中央に配置された強磁性層から最も外側の強磁性層にかけて増加させることができる。例えば、図１では、中央に配置された強磁性層３０６は内側の強磁性層３０４及び３０８よりも厚くすることができ、内側の強磁性層３０４及び３０８は最も外側の強磁性層３０２及び３１０よりも厚くすることができる。

各強磁性層は個別に同じか又は異なる強磁性材料を含むことができる。各強磁性層は同じ強磁性材料を含むことができる。各強磁性層の強磁性材料は個別に、（規定された最大周波数（ヘルツ））を（８００×１０^９）で割った値以上の透磁率を有することがある。強磁性材料は、鉄、ニッケル、コバルト、又はこれらのうちの少なくとも１つを含む組み合わせを含むことがある。強磁性材料は、ニッケル−鉄、鉄−コバルト、窒化鉄（Ｆｅ_４Ｎ）、鉄−ガドリニウム、又はこれらのうちの少なくとも１つを含む組み合わせを含むことがある。各強磁性層は個別に、２０ナノメートル以上、又は２０〜６０、又は３０〜５０ナノメートル、又は２００ナノメートル以下、又は１００ナノメートル〜１マイクロメートル、又は２０ナノメートル〜１マイクロメートルの厚さを有することがある。各強磁性層は個別に窒化鉄を含むことができ、１００〜２００ナノメートルの厚さを有することがある。

各誘電層は個別に、１５０〜１，５００ボルトピークのそれぞれの厚さに渡る絶縁耐電圧をもたらすのに十分な厚さ及び誘電定数を有し、絶縁耐電圧（高電圧［Ｈｉ−Ｐｏｔ］、過電圧、又は電圧破壊とも呼ばれる）は、ＡＳＴＭ Ｄ１４９などの標準電気方法に従って試験される。ＡＳＴＭ Ｄ１４９については、ＩＰＣ−ＴＭ−６５０ 試験方法マニュアル、番号２．５．６．１、２００７年３月、を参照されたい。各誘電層は、規定された最大周波数において２．８以下の誘電定数を有することがある。各誘電層は個別に、誘電性ポリマーを含むことがあり、規定された最大周波数において２．８以下の誘電定数を有することがある。各誘電層は個別に、１００〜１，０００ボルト／マイクロメートルの固有絶縁耐力で、２．４〜５．６の誘電定数を有することがある。各誘電層は個別に、誘電性ポリマー及び誘電性フィラー（例えば、シリカ）を含むことがあり、２．４〜５．６の誘電定数を有することがある。誘電材料は、０．００５以下の損失正接（ｔａｎδ_ｅ）を有することがある。

各誘電層は、個別に同じ厚さを有することがある。誘電層は、互いに異なる厚さを有することがある。各誘電層は個別に、０．５〜６マイクロメートルの厚さを有することがある。各誘電層は個別に、０．１〜１０マイクロメートルの厚さを有することがある。任意の１つの誘電層と任意の１つの強磁性層の厚さの比は、１：１〜１００：１、又は１：１〜１０：１であり得る。

最も外側の誘電層は、磁気誘電材料内部の誘電層と比べると厚さが増加していることがある。例えば、最も外側の誘電層はそれぞれ個別に、２０〜１，０００マイクロメートル、又は５０〜５００マイクロメートル、又は１００〜４００マイクロメートルの厚さを有することがある。

各誘電層は個別に、同じか又は異なる誘電材料を含むことがある。各誘電層は個別に、同じ誘電材料を含むことがある。複数の誘電層は、交互の誘電材料の層を含むことがある。例えば、図１では、層２０２、２０６、及び２１０は第１の誘電材料を含むことがあり、層２０４、２０８、及び２１２は第１の誘電材料とは異なる第２の誘電材料（例えば、追加の誘電材料又は薄膜誘電材料）を含むことがある。

追加の誘電材料、薄膜誘電材料、及び外側層誘電材料を含めて誘電材料は、それぞれ個別に、誘電性ポリマー、例えば熱可塑性ポリマー又は熱硬化性ポリマーを含むことがある。ポリマーはオリゴマー、ポリマー、イオノマー、デンドリマー、コポリマー（グラフト・コポリマー、ランダム・コポリマー、ブロック・コポリマー（例えば、星型ブロック・コポリマー、ランダム・コポリマー、等）など）、及びそれらのうちの少なくとも１つを含む組み合わせを含むことがある。使用することができる熱可塑性ポリマーの例としては、環状オレフィンポリマー（ポリノルボルネン、及びノルボルネニル単位を含むコポリマー、例えば、ノルボルネンなどの環状ポリマーとエチレン又はプロピレンなどの非環状オレフィンのコポリマーを含む）、フルオロポリマー（例えば、ポリフッ化ビニル（ＰＶＦ）、ポリフッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ）、フッ素化エチレン・プロピレン（ＦＥＰ）、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）、ポリエチレン・テトラフルオロエチレン（ＰＥＴＦＥ）、ペルフルオロアルコキシ（ＰＦＡ））、ポリアセタール（例えば、ポリオキシエチレン及びポリオキシメチレン）、ポリ（Ｃ_１−６アルキル）アクリレート、ポリアクリルアミド（非置換及びモノ−Ｎ−及びジ−Ｎ−（Ｃ_１−８アルキル）アクリルアミドを含む）、ポリアクリロニトリル、ポリアミド（例えば、脂肪族ポリアミド、ポリフタルアミド、及びポリアラミド）、ポリアミドイミド、ポリ無水物、ポリアリーレン・エーテル（例えば、ポリフェニレン・エーテル）、ポリ（エーテル・ケトン）（例えば、ポリエーテル・エーテル・ケトン（ＰＥＥＫ）及びポリエーテル・ケトン・ケトン（ＰＥＫＫ））、ポリアリーレン・ケトン、ポリアリーレン・スルフィド（例えば、ポリフェニレン・スルフィド（ＰＰＳ））、ポリアリーレン・スルホン（例えば、ポリエーテル・スルホン（ＰＥＳ）、ポリフェニレン・スルホン（ＰＰＳ）など）、ポリベンゾチアゾール、ポリベンゾキサゾール、ポリベンゾイミダゾール、ポリカーボネート（ホモポリカーボネート、及びポリカーボネート−エステルなどのポリカーボネート・コポリマーを含む）、ポリエステル（例えば、ポリエチレン・テレフタレート、ポリブチレン・テレフタレート、ポリアリレート、及びポリエステル−エーテルなどのポリエステル・コポリマー）、ポリエーテルイミド、ポリイミド、ポリ（Ｃ_１−６アルキル）メタクリル酸塩、ポリメタクリルアミド（非置換及びモノ−Ｎ−及びジ−Ｎ−（Ｃ_１−８アルキル）アクリルアミドを含む）、ポリオレフィン（例えば、ポリエチレン、例えば、高密度ポリエチレン（ＨＤＰＥ）、低密度ポリエチレン（ＬＤＰＥ）、及び直鎖状低密度ポリエチレン（ＬＬＤＰＥ）など、ポリプロピレン、及びそれらのハロゲン化誘導体（ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）など）、及びそれらのコポリマー、例えば、エチレン−α−オレフィンコポリマー、ポリオキサジアゾール、ポリオキシメチレン、ポリフタリド、ポリシラザン、ポリスチレン（アクリロニトリル−ブタジエン−スチレン（ＡＢＳ）及びメタクリル酸メチル−ブタジエン−スチレン（ＭＢＳ）などのコポリマーを含む）、ポリスルフィド、ポリスルホンアミド、ポリスルホン酸塩、ポリスルホン、ポリチオエステル、ポリトリアジン、ポリ尿素、ポリウレタン、ビニル・ポリマー（ポリビニル・アルコール、ポリビニル・エステル、ポリビニル・エーテル、ハロゲン化ポリビニル（例えば、ポリフッ化ビニル）、ポリビニル・ケトン、ポリビニル・ニトリル、ポリビニル・チオエーテル、及びポリフッ化ビニリデンを含む）、アルキド、ビスマレイミド・ポリマー、ビスマレイミド・トリアジン・ポリマー、シアン酸エステルポリマー、ベンゾシクロブテン・ポリマー、フタル酸ジアリルポリマー、エポキシ、ヒドロキシメチルフラン・ポリマー、メラミン−ホルムアルデヒド・ポリマー、フェノール類（ノボラック及びレゾールなどのフェノール−ホルムアルデヒド・ポリマーを含む）、ベンズオキサジン、ポリブタジエンなどのポリジエン（そのホモポリマー及びコポリマーを含む、例えば、ポリ（ブタジエン−イソプレン））、ポリイソシアネート、ポリ尿素、ポリウレタン、トリアリル・シアヌレート・ポリマー、トリアリル・イソシアヌレート・ポリマー、及び重合性プレポリマー（例えば、不飽和ポリエステル、ポリイミドなどのエチレン不飽和を有するプレポリマー）、等が挙げられる。

誘電材料は、ポリオレフィン（ポリプロピレン又はポリエチレンなど）、及びドイツ、フランクフルト−ヘーヒスト（Ｆｒａｎｋｆｕｒｔ−Ｈｏｅｃｈｓｔ）にあるトパス・アドバンス・ポリマーズ（ＴＯＰＡＳ Ａｄｖａｎｃｅ Ｐｏｌｙｍｅｒｓ）社から市販されているトパス^＊オレフィン・ポリマー（ＴＯＰＡＳ^＊ ｏｌｅｆｉｎ ｐｏｌｙｍｅｒ）などの環状オレフィンコポリマー（なお上付き文字^＊は、トパス・アドバンス・ポリマーズ社によって所有される商標を表す）、ポリエステル（ポリ（エチレン・テレフタレート）など）、ポリエーテルケトン（ポリエーテル・エーテル・ケトンなど）、又はそれらのうちの少なくとも１つを含む組み合わせ、を含むことがある。誘電材料は、ＰＴＦＥ、延伸ＰＴＦＥ、ＦＥＰ、ＰＦＡ、ＥＴＦＥ（ポリエチレン−テトラフルオロエチレン）、フッ素化ポリイミド、又はこれらのうちの少なくとも１つを含む組み合わせを含むことがある。

少なくとも１つの誘電層が、誘電定数が２．４〜２．６で、厚さが０．１〜４．７マイクロメートルのフッ素化ポリイミドを含むことがある。
追加の誘電材料、薄膜誘電材料、及び外側層誘電材料を含めて誘電材料は、それぞれ個別に、１つ又は複数の誘電性フィラーを含んで、その特性（例えば、誘電定数又は熱膨張係数）を調節することができる。誘電性フィラーは、二酸化チタン（ルチル又はアナターゼなど）、チタン酸バリウム、チタン酸ストロンチウム、シリカ（例えば、溶融非晶質シリカ又はヒュームドシリカ）、コランダム、珪灰石、窒化ホウ素、中空ガラス微小球、又はこれらのうちの少なくとも１つを含む組み合わせを含むことがある。

追加の誘電材料、薄膜誘電材料、及び外側層誘電材料を含めて誘電材料は、それぞれ個別に、セラミックを含むことがある。例えば、ポリマーの代わりにセラミックを使用することは、以下の通りであることがある。即ち、本明細書に開示する実施形態による適切なポリマーの厚さに対するセラミックの厚さは、（所与のセラミックの誘電定数）／（適切なポリマー誘電定数）の比率が、（適切なポリマーの厚さ）／（所与のセラミックの厚さ）の比率に等しくなるように調節される。セラミックは、二酸化ケイ素（ＳｉＯ_２）、アルミナ、窒化アルミニウム、窒化ケイ素、又はこれらのうちの少なくとも１つを含む組み合わせを含むことがある。例えば、二酸化ケイ素を含むセラミック層の厚さは、［２．１／（セラミックのε_ｒ）×（８マイクロメートル）］以下とすることができ、１５０ボルトピークの最小絶縁耐力を有することができる。

各誘電層は、互いに異なる２種以上の誘電材料を含むことがある。例えば、所与の誘電層は、第１の誘電材料及び第２の誘電材料を含むことがあり、そのそれぞれは、異なる誘電定数を有し、同じ厚さであるか又は異なる厚さである。第１の誘電材料はフッ素化ポリイミドを含むことがあり、第２の誘電材料はＰＴＦＥ若しくは延伸ＰＴＦＥ、ＰＥＥＫ、又はＰＦＡを含むことがある。第１の誘電材料はセラミックを含むことがあり、第２の誘電材料はセラミックか又は非セラミックの誘電材料のいずれかである。第１の誘電材料は、その上に複数の強磁性材料層のうちの１つを堆積させるための基板を提供することができ、第２の誘電材料は、基板の屈折率を制御するための追加の誘電層を提供することができる。第１の誘電材料と第２の誘電材料は、強磁性層によって分離することができる。複数の誘電層は、第１の誘電材料層と第２の誘電材料層との交互の層を含むことがあり、第１の誘電材料層及び第２の誘電材料層の各々は、強磁性層によって分離される。

最上部の誘電層と最下部の誘電層のうちの１つ又は両方に、導電層を配置することがある。導電層は銅を含むことがある。導電層は、３〜２００マイクロメートル、具体的には９〜１８０マイクロメートルの厚さを有することがある。適切な導電層は、現在では回路の形成に使用される銅箔、例えば、電着銅箔などの、導電性金属の薄層を含む。銅箔は、２マイクロメートル以下、具体的には０．７マイクロメートル以下の二乗平均平方根（ＲＭＳ）表面粗さを有することがあり、粗さは、白色光干渉法を使用して、ヴィーコインスツルメンツ（Ｖｅｅｃｏ Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔｓ）社のＷＹＣＯオプティカルプロファイラ（ＷＹＣＯ Ｏｐｔｉｃａｌ Ｐｒｏｆｉｌｅｒ）を使用して測定される。

表面粗さは、ＲＭＳ又はＲａ値に関して述べられることがあることが当技術分野では知られており、Ｒａは、測定規格ＡＳＭＥ Ｂ４６．１に従った評価長さ内の平均線を基準にした表面プロファイルの高さの偏差の絶対値の算術平均であり、ＲＭＳは、測定規格ＡＳＭＥ Ｂ４６．１に従った評価長さ内の平均線を基準にした表面プロファイルの高さの偏差の二乗平均平方根平均である。従って、本発明の実施形態は、ＲＭＳ又はＲａ値のいずれかを参照して説明されることがあり、本発明の範囲は、どちらか一方のみの使用に限定はされず、本明細書の開示と整合性のとれたＲＭＳ及びＲａ値の両方を包含する。

複数の誘電材料層２００に関して、複数の誘電材料層２００のうちの少なくとも１つの層の少なくとも１つの面は、規定された最大ＲＭＳ値以下の平均表面ＲＭＳ粗さ値を有し、規定された最大ＲＭＳ値は、６０ナノメートル以下である。一実施形態では、規定された最大ＲＭＳ値は２０ナノメートルである。別の実施形態では、規定された最大ＲＭＳ値は１０ナノメートルである。一実施形態では、複数の誘電材料層２００のうちの少なくとも１つの層の各面は、規定された最大ＲＭＳ値以下のＲＭＳ値を有する。一実施形態では、複数の誘電材料層２００の各層の少なくとも１つの面は、規定された最大ＲＭＳ値以下のＲＭＳ値を有する。一実施形態では、複数の誘電材料層２００の各層の各面は、規定された最大ＲＭＳ値以下のＲＭＳ値を有する。

一実施形態では、規定された最大ＲＭＳ値は、測定規格ＡＳＭＥ Ｂ４６．１に従った評価長さ内の平均線を基準にした表面プロファイルの高さの偏差の二乗平均平方根平均である。

しかしながら、一実施形態では、規定された最大表面粗さ値は、測定規格ＡＳＭＥ Ｂ４６．１に従った評価長さ内の平均線を基準にした表面プロファイルの高さの偏差の絶対値の算術平均である、規定された最大Ｒａ値であることがある。

一実施形態では、規定された最大ＲＭＳ値又はＲａ値は、複数の誘電材料層２００のそれぞれの層のそれぞれの面の表面領域全体にわたって、互いに平行であるにせよそうでないにせよ、複数の直線方向での測定によって決定される。

一実施形態では、複数の誘電材料層２００と複数の強磁性材料層３００のうちの隣接する層の間の少なくとも１つの界面は、規定された最大ＲＭＳ値以下の平均界面粗さＲＭＳ値を有し、本明細書で上述したように、規定された最大ＲＭＳ値は、６０ナノメートル以下、又は２０ナノメートル、又は１０ナノメートルであり得る。一実施形態では、強磁性材料の表面粗さは、強磁性膜の厚さが薄いおかげで、誘電材料の表面粗さに非常に近くなる。

一実施形態では、複数の誘電材料層２００と複数の強磁性材料層３００のうちの隣接する層の間のそれぞれの界面は、規定された最大ＲＭＳ値以下の平均界面粗さＲＭＳ値を有する。

一実施形態では、規定された最大ＲＭＳ値は、測定規格ＡＳＭＥ Ｂ４６．１に従った評価長さ内の平均線を基準にした界面プロファイルの高さの偏差の二乗平均平方根平均である。

しかしながら、一実施形態では、規定された最大表面粗さ値は、測定規格ＡＳＭＥ Ｂ４６．１に従った評価長さ内の平均線を基準にした界面プロファイルの高さの偏差の絶対値の算術平均である、規定された最大Ｒａ値であることがある。

一実施形態では、規定された最大ＲＭＳ値又はＲａ値は、複数の誘電材料層と複数の強磁性材料層のそれぞれの隣接する層のそれぞれの界面領域全体にわたって、互いに平行であるにせよそうでないにせよ、複数の直線方向での測定によって決定される。

薄い窒化鉄サンプル（厚さ６０ｎｍ〜１５０ｎｍ）の例示的な実施形態が、透磁率測定のためにポリイミド（ＰＩ）上に準備され、その結果、１５０〜５００の実質的な比透磁率値、及び約６．５ｎｍの測定された表面粗さＲａ値（約９ｎｍＲＭＳ）が得られ、これは、本明細書で開示するような多層磁気誘電材料１００に対して適切であると考えられる。一実施形態では、表面粗さ測定が、例えば４０×４０ミクロンなどの小領域において原子間力顕微鏡法（ＡＦＭ：Ａｔｏｍｉｃ Ｆｏｒｃｅ Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｙ）によって行われた。但し、この領域は所望に応じて変更することができ、通常は１００×１００ミクロンの最大領域が使用される。

前記にも関わらず、実験により、スヌーク積（Ｓｎｏｅｋ ｐｒｏｄｕｃｔ）及び被覆された磁性膜の透磁率は、関連する誘電体の表面粗さに関係していることが分かった。また、本明細書に開示する目的のために有用な磁性膜の厚さの望ましい限界を考慮すると、２０ｎｍ以上の表面ＲＭＳ粗さは、磁気誘電材料１００の磁気性能に対して望ましくない影響を及ぼすことが分かった。

装置が、磁気誘電材料１００を含むことがある。装置の例示的な用途は、ダイポールアンテナでの使用向けであり、ここでは、磁気誘電材料は、磁気誘電性キャビティ装填素子を形成するために使用され、この磁気誘電性キャビティ装填素子は、帯域幅の低下が殆ど又は全く無い状態で、金属製の接地板から、自由空間において劇的に１／４波長未満にアンテナを配置することを可能にする。そのような用途は、薄型のアンテナが必要とされることがあるシステム、又は、小さなフォームファクターのアンテナが要求される環境において複数のアンテナ素子が同じ場所に配置されなくてはならないシステムを含むことがある。

ここで図２を参照すると、磁気誘電材料１００と共に使用するための例示的な装置４００が、複数の層１０２の最下部の誘電層と面形状が適合して直接的に接触して配置される第１の導電層１０４と、複数の層１０２の最上部の誘電層と面形状が適合して直接的に接触して配置される第２の導電層１０６と、を有して示されている。第１の導電層１０４は、接地面を画定することができ、第２の導電層１０６は、パッチアンテナで使用するのに適したパッチを画定することができる。第１及び第２の導電層１０４、１０６は、銅クラッド層であり得る。装置４００は、複数の層１０２の各々並びに第１及び第２の導電層１０４、１０６’（点線で描かれている）が同じ平面図寸法を有する多層シートの形状であり得る。図２は、シングルパッチアンテナなどの装置４００を示しているが、本開示の範囲はそのように限定はされず、多層磁気誘電薄膜アンテナアレイを形成するためにアレイに配置された複数の装置（複数のパッチアンテナなど）も包含することを、理解されたい。

本明細書で使用する場合、面形状が適合して直接的に接触する、という用語は、本明細書で説明する層の各層が、それぞれの隣接する１つ又は複数の層と直接的に接触し、かつ、それぞれの隣接する１つ又は複数の層のそれぞれの１つ又は複数の表面プロファイルに一致し、その結果、隣接する層の対の間の界面に実質的に空隙が無い磁気誘電材料を形成することを意味する。

一般的に、本開示は、本明細書に開示する任意の適切な構成要素を交互に含む、又はそれらの構成要素から構成される、又はそれらの構成要素から本質的に構成されることがある。本開示は、追加的に又は代替的に、先行技術の構成物において使用されるか、或いは本開示の機能及び／又は目的を達成するために必要ではない、任意の構成要素、材料、成分、補助物質、又は種類を含まないか、或いは実質的に含まないように構築することができる。

「ａ」及び「ａｎ」という用語は、数量の限定を示すものではなく、むしろ、言及された項目のうちの少なくとも１つが存在することを示す。「又は」という用語は、文脈がそうではないことを明示的に示さない限り、「及び／又は」を意味する。「任意選択の」又は「任意選択的な」は、後に説明される事象又は状況が発生することもしないこともあること、また、説明が、事象が発生する場合も事象が発生しない場合も含むことを意味する。

本明細書全体を通じて「一実施形態」、「別の実施形態」、「幾つかの実施形態」等への言及は、その実施形態に関連して説明される特定の要素（例えば、特徴、構造、工程、又は特性）が、本明細書に記載する少なくとも１つの実施形態の中に含まれ、かつ、他の実施形態中に存在することもしないこともあることを意味する。更に、記載される要素は、様々な実施形態で、任意の適切な態様で組み合わされることもあることを理解されたい。

一般的に、構成、方法、及び物品は、本明細書に開示する任意の材料、工程、又は構成要素を代替的に含む、又はそれらから構成される、又はそれらから本質的に構成されることがある。構成、方法、及び物品は、追加的に又は代替的に、本請求項の機能又は目的を達成するために必要ではない、任意の材料、工程、又は構成要素を含まない、又は実質的に含まないように、構築され、行われ、又は製造されることがある。

本明細書で特に断りの無い限り、全ての試験規格は、本出願の出願日か、又は、優先権が主張される場合には、試験規格が現れる最も早い優先出願の出願日の時点で有効な最新の規格である。

同じ構成要素又は特性に関する全ての範囲の端点は、その端点を含み、個別に組み合わせることが可能であり、全ての中間点及び範囲を含む。
「第１の」、「第２の」等、「一次」、「二次」等の用語は、本明細書で使用される場合、何らかの順序、数量、又は重要性を意味するものではなく、むしろ、ある要素を他の要素から区別するために使用される。「上側」、「下側」、「底部」、及び／又は「上部」などの用語は、特に断りの無い限り、単に説明の便宜上のために本明細書で使用され、何らかの１つの位置又は空間的な向きに限定されるものではない。「組み合わせ」という用語は、ブレンド、混合物、合金、反応生成物などを含む。

特に断りの無い限り、本明細書で使用する技術用語及び科学的用語は、本開示が属する技術分野の当業者によって一般的に理解されるのと同じ意味を有する。
全ての引用された特許、特許出願、及び他の参考文献は、その全体が参照により本明細書に組み込まれる。しかしながら、本出願中の用語がこれらの組み込まれた参考文献中の用語と矛盾又は相反する場合、本出願からの用語が、組み込まれた参考文献からの相反する用語よりも優先される。

特定の実施形態について説明してきたが、現在予見できない又は予見されないことがある、代替例、修正例、変形例、改良例、及び実質的な均等物が、出願人又は他の当業者に思い浮かぶことがある。従って、出願されかつ補正され得る添付の特許請求の範囲は、全てのそのような代替例、修正例、変形例、改良例、及び実質的な均等物を包含することが意図されている。

Claims (17)

1. 規定された最小周波数以上でかつ規定された最大周波数以下の動作周波数範囲に渡って動作可能な磁気誘電材料において、
   誘電材料と強磁性材料との間で交互になり複数の強磁性材料層と交互に配置された複数の誘電材料層を形成するそれぞれの隣接層と直接的に接触する複数の層であって、前記複数の層の最下層及び最上層はそれぞれ誘電材料である、複数の層を含み、
   前記複数の強磁性材料層の各層は、前記規定された最大周波数における前記それぞれの強磁性材料の表皮深さの１／１５以上で、かつ前記規定された最大周波数における前記それぞれの強磁性材料の前記表皮深さの１／５以下の厚さを有し、
   前記複数の強磁性材料層の各層は窒化鉄からなり、
   前記複数の誘電材料層の各層は、１５０ボルトピーク以上でかつ１，５００ボルトピーク以下の、それぞれの厚さに渡る絶縁耐電圧をもたらす、厚さ及び誘電定数を有し、
   前記複数の層は、前記複数の層における前記規定された最小周波数の１波長以下の全体的厚さを有する、磁気誘電材料。
2. 前記複数の誘電材料層のうちの少なくとも１つの層の少なくとも１つの面は、規定された最大ＲＭＳ値以下の平均表面粗さＲＭＳ値を有し、前記規定された最大ＲＭＳ値は、６０ナノメートル以下であり、
   前記規定された最大ＲＭＳ値は、測定規格ＡＳＭＥ Ｂ４６．１に従った評価長さ内の平均線を基準にした表面プロファイルの高さの偏差の二乗平均平方根平均である、請求項１に記載の磁気誘電材料。
3. 前記規定された最大ＲＭＳ値は２０ナノメートルである、請求項２に記載の磁気誘電材料。
4. 前記規定された最大ＲＭＳ値は１０ナノメートルである、請求項２に記載の磁気誘電材料。
5. 前記複数の誘電材料層のうちの前記少なくとも１つの層の各面は、前記規定された最大ＲＭＳ値以下のＲＭＳ値を有する、請求項２に記載の磁気誘電材料。
6. 前記複数の誘電材料層のうちの各層の少なくとも１つの面は、前記規定された最大ＲＭＳ値以下のＲＭＳ値を有する、請求項２に記載の磁気誘電材料。
7. 前記複数の誘電材料層のうちの各層の各面は、前記規定された最大ＲＭＳ値以下のＲＭＳ値を有する、請求項２に記載の磁気誘電材料。
8. 前記規定された最大ＲＭＳ値は、前記複数の誘電材料層のそれぞれの層のそれぞれの面の表面領域全体にわたる複数の直線方向での測定によって決定される、請求項２に記載の磁気誘電材料。
9. 前記複数の誘電材料層と前記複数の強磁性材料層のうちの隣接する層の間の少なくとも１つの界面は、規定された最大ＲＭＳ値以下の平均界面粗さＲＭＳ値を有し、前記規定された最大ＲＭＳ値は６０ナノメートル以下であり、
   前記規定された最大ＲＭＳ値は、測定規格ＡＳＭＥ Ｂ４６．１に従った評価長さ内の平均線を基準にした表面プロファイルの高さの偏差の二乗平均平方根平均である、請求項１に記載の磁気誘電材料。
10. 前記規定された最大ＲＭＳ値は２０ナノメートルである、請求項９に記載の磁気誘電材料。
11. 前記規定された最大ＲＭＳ値は１０ナノメートルである、請求項９に記載の磁気誘電材料。
12. 前記複数の誘電材料層と前記複数の強磁性材料層のうちの隣接する層の間のそれぞれの界面は、前記規定された最大ＲＭＳ値以下の平均界面粗さＲＭＳ値を有する、請求項９に記載の磁気誘電材料。
13. 前記規定された最大ＲＭＳ値は、前記複数の誘電材料層と前記複数の強磁性材料層のそれぞれの隣接する層のそれぞれの界面領域全体にわたる複数の直線方向での測定によって決定される、請求項９に記載の磁気誘電材料。
14. 前記動作周波数範囲内の共振周波数ｆ_ｃヘルツ（Ｈｚ）で動作可能である請求項１に記載の磁気誘電材料であって、
    前記複数の層は、直交ｘ−ｙ−ｚ座標系のｚ方向に層状になっており、前記複数の層の各層は、ｘ−ｙ平面に実質的に平行に配置され、
    前記複数の層は、前記ｘ−ｙ平面において初期比透磁率ｕ_ｉを有し、
    前記複数の層は、約７ｎｍに等しい前記複数の層のうちの少なくとも１層のＲａ表面粗さにおいて、６×１０^１１Ｈｚ以上でかつ８×１０^１１Ｈｚ以下であるｆ_ｃによる、スヌークの積ｕ_ｉ×ｆ_ｃを有する、磁気誘電材料。
15. 前記動作周波数範囲内の共振周波数ｆ_ｃヘルツ（Ｈｚ）で動作可能である請求項１に記載の磁気誘電材料であって、
    前記複数の層は、直交ｘ−ｙ−ｚ座標系のｚ方向に層状になっており、前記複数の層の各層は、ｘ−ｙ平面に実質的に平行に配置され、
    前記複数の層は、前記ｘ−ｙ平面において初期比透磁率ｕ_ｉを有し、
    前記複数の層は、１ｎｍ未満である前記複数の層のうちの少なくとも１層のＲａ表面粗さにおいて、１．１×１０^１２Ｈｚ以上でかつ１．８×１０^１２Ｈｚ以下であるｆ_ｃによる、スヌークの積ｕ_ｉ×ｆ_ｃを有する、磁気誘電材料。
16. 前記複数の層は、直交ｘ−ｙ−ｚ座標系内のｘ−ｙ平面と平行に配置され、前記複数の層の全体的な厚さはｚ方向にあり、前記複数の層内の波長は次式
    λ＝ｃ／［ｆ＊平方根（ε_０＊ε_ｒ＊μ_０＊μ_ｒ）］
    （但し、
    ｃは真空での光の速度（単位：メートル／秒）であり、
    ｆは前記規定された最小周波数（単位：ヘルツ）であり、
    ε_０は真空の誘電率（単位：ファラド／メートル）であり、
    ε_ｒはｚ方向における前記複数の層の比誘電率であり、
    μ_０は真空の透磁率（単位：ヘンリー／メートル）であり、
    μ_ｒは前記ｘ−ｙ平面における前記複数の層の比透磁率である）
    によって与えられる、
    請求項１に記載の磁気誘電材料。
17. 前記複数の強磁性材料層の各層は１００ナノメートル以上、かつ２００ナノメートル以下の厚さを有する、請求項１に記載の磁気誘電材料。

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