JP7106919B2 - 軟磁性薄膜、薄膜インダクタおよび磁性製品 - Google Patents

Description

本発明は、軟磁性薄膜、薄膜インダクタおよび磁性製品に関する。

コイルおよび磁心を共に薄膜とすることで作製される薄膜インダクタは主に高周波領域での使用が検討されている。また、高周波領域での使用の一例としてパワーインダクタとしての使用が検討されている。

高周波領域でパワーインダクタとして薄膜インダクタを用いる場合における最大の問題点は渦電流損失である。渦電流損失を低減する方法としては、薄膜インダクタの磁心を絶縁膜および磁性膜を交互に積層させた多層構造とする方法が検討されている。磁性膜１枚あたりの厚さを低減し、磁性膜と磁性膜の間に絶縁膜を挿入することにより、シート抵抗が向上し、渦電流損失が低減される。具体的には、磁性膜の膜厚を０．１μｍ以下にすることで十分に渦電流損失が低減される。

しかし、絶縁膜および磁性膜を交互に積層させた多層構造の作製には非常に大きなコストが発生する。また、積層数が多ければ多いほどコストは増大する。主にコスト削減の要求から、磁性膜の飽和磁束密度を向上させることが望まれている。飽和磁束密度が高いほど磁心の磁路断面積を小さくすることができる。その結果、膜厚を厚くしても、または、積層数を少なくしても、渦電流損失を低減することができる。例えば、飽和磁束密度を２０％高くすることで、膜厚を２０％厚くするか積層数を２０％少なくすることができる。

また、パワーインダクタにおいてはコアロスを少なくすることも重要である。コアロスはヒステリシス損失と渦電流損失との和で表される。ここで、ヒステリシス損失を低減させるためには保磁力を低下させることが重要である。

以上より、特にパワーインダクタ用の軟磁性薄膜には、飽和磁束密度の向上、および、保磁力の低下が求められる。

従来、薄膜インダクタの磁心にはＣｏＺｒＴａ、ＣｏＺｒＮｂ等のＣｏ基アモルファス材が使用されてきた。特に、Ｃｏ_９２Ｚｒ_４Ｔａ_４は高い飽和磁束密度と低い保磁力とを併せ持つことが知られている。しかし、Ｃｏ_９２Ｚｒ_４Ｔａ_４はアモルファスを形成しにくい。そのため、成膜装置の基板冷却能力が不足すると結晶化してしまい、保磁力が著しく上昇してしまう。そのため、工業的にはよりアモルファスを形成しやすいＣｏ_８９Ｚｒ_５Ｔａ_６などが用いられている。しかし、Ｃｏ_８９Ｚｒ_５Ｔａ_６はＣｏ_９２Ｚｒ_４Ｔａ_４と比較して飽和磁束密度が十分に高くない。

特許文献１には、急冷薄帯合金を熱処理することにより得られるナノ結晶材料が記載されている。これは、Ｆｅの結晶構造がｂｃｃ（体心立方格子構造）であり、結晶粒径がナノオーダーである材料である。ナノ結晶材料は高い飽和磁束密度および低い保磁力を併せ持つ。

特許文献２には、Ｃｏ_８７Ｚｒ_５Ｎｂ_８組成からなる非晶質合金層と、当該非晶質合金層を自然酸化した自然酸化層と、で多層化した高周波用磁性薄膜が記載されている。

しかし、膜厚０．５μｍ以下の薄膜の形態で十分に高い飽和磁束密度と十分に低い保磁力とを併せ持つナノ結晶材料は実現できていない。

特開２００２－３２２５４６号公報 特開２００５－１０９２４６号公報

本発明は、高い飽和磁束密度および低い保磁力を有する軟磁性薄膜等を提供することを目的とする。

上記の目的を達成するために、本発明に係る軟磁性薄膜は、
組成式（Ｆｅ_{（１－α）}Ｘ１_α）_{（１－（ａ＋ｂ＋ｃ＋ｄ＋ｅ））}Ｍ_ａＰ_ｂＳｉ_ｃＢ_ｄＸ２_ｅで表される組成を有する軟磁性薄膜であって、
Ｘ１はＣｏおよびＮｉからなる群から選択される１種以上、
Ｘ２はＳｎ，Ｇｅ，Ｚｎ，Ｂｉ，Ａｇ，Ｍｎ，Ａｓ，Ｓｂ，Ｃ，Ｎおよび希土類元素からなる群より選択される１種以上、
ＭはＺｒ，Ｎｂ，Ｈｆ，Ｔａ，Ｗ，Ｍｏ，ＶおよびＴｉからなる群から選択される１種以上であり、
０．０１５≦ａ≦０．１００
０．０１０≦ｂ≦０．１００
０＜ｃ≦０．０５０
０≦ｄ≦０．００５
０≦ｅ≦０．１００
０≦α≦０．３００
であることを特徴とする。

本発明に係る軟磁性薄膜は、上記の組成を有することにより、軟磁性薄膜全域に均一な粒径のＦｅ基ナノ結晶を生成させやすくなる。そして、均一な粒径のＦｅ基ナノ結晶を生成させた軟磁性薄膜は高い飽和磁束密度と低い保磁力とを併せ持つ。

本発明に係る軟磁性薄膜ではｂ≧ｃであってもよい。

本発明に係る軟磁性薄膜はＦｅ基ナノ結晶からなる構造を有していてもよく、
前記Ｆｅ基ナノ結晶の平均粒径が３～３０ｎｍであってもよい。

本発明に係る薄膜インダクタは前記軟磁性薄膜を有する。

本発明に係る磁性製品は前記軟磁性薄膜を有する。

以下、本発明の実施形態について説明する。

本実施形態に係る軟磁性薄膜は、
組成式（Ｆｅ_{（１－α）}Ｘ１_α）_{（１－（ａ＋ｂ＋ｃ＋ｄ＋ｅ））}Ｍ_ａＰ_ｂＳｉ_ｃＢ_ｄＸ２_ｅで表される組成を有する軟磁性薄膜であって、
Ｘ１はＣｏおよびＮｉからなる群から選択される１種以上、
Ｘ２はＳｎ，Ｇｅ，Ｚｎ，Ｂｉ，Ａｇ，Ｍｎ，Ａｓ，Ｓｂ，Ｃ，Ｎおよび希土類元素からなる群より選択される１種以上、
ＭはＺｒ，Ｎｂ，Ｈｆ，Ｔａ，Ｗ，Ｍｏ，ＶおよびＴｉからなる群から選択される１種以上であり、
０．０１５≦ａ≦０．１００
０．０１０≦ｂ≦０．１００
０＜ｃ≦０．０５０
０≦ｄ≦０．００５
０≦ｅ≦０．１００
０≦α≦０．３００
である。

上記の組成を有する軟磁性薄膜は非晶質（アモルファス）としやすい。そして、当該軟磁性薄膜を熱処理する場合には、全域に均一な粒径のＦｅ基ナノ結晶を生成しやすい。そして、Ｆｅ基ナノ結晶を含む軟磁性合金は高い飽和磁束密度および低い保磁力を有しやすい。

言いかえれば、上記の組成を有する軟磁性薄膜からは、全域に均一な粒径のＦｅ基ナノ結晶を生成させた軟磁性薄膜を得やすい。

Ｆｅ基ナノ結晶とは、粒径がナノオーダーであり、Ｆｅの結晶構造がｂｃｃ（体心立方格子構造）である結晶のことである。本実施形態においては、平均粒径が３～３０ｎｍであるＦｅ基ナノ結晶を生成させることが好ましい。このようなＦｅ基ナノ結晶を均一に生成させた軟磁性合金は、飽和磁束密度が高くなりやすく、保磁力が低くなりやすい。

これに対し、粒径が３０ｎｍ以上である異常粒成長した結晶が生じる場合には、軟磁気特性が低下し、特に保磁力が高くなりやすい。本実施形態に係る軟磁性薄膜は全域に均一な粒径のＦｅ基ナノ結晶を生成しやすく、異常粒成長した結晶が生じにくい。

なお、本実施形態に係る軟磁性薄膜の厚みは任意である。例えば２０ｎｍ以上３０００ｎｍ以下としてもよい。また、用途によって好適な厚みを適宜選択してもよい。

以下、本実施形態に係る軟磁性薄膜の各成分について詳細に説明する。

ＭはＺｒ，Ｎｂ，Ｈｆ，Ｔａ，Ｗ，Ｍｏ，ＶおよびＴｉからなる群から選択される１種以上である。また、Ｍの種類としてはＺｒ，Ｈｆ，ＮｂおよびＴａからなる群から選択される１種以上を含むことが好ましく、ＺｒおよびＨｆからなる群から選択される１種以上を含むことがさらに好ましく、Ｚｒを含むことが特に好ましい。Ｍを含有することで飽和磁束密度が高くなりやすく、保磁力が低くなりやすくなる。

Ｍの含有量（ａ）は０．０１５≦ａ≦０．１００を満たす。Ｍの含有量（ａ）は０．０５０≦ａ≦０．１００であることが好ましい。ａが小さい場合には、保磁力が高くなりやすくなる。ａが大きい場合には、飽和磁束密度が低くなりやすくなり、保磁力が高くなりやすくなる。

Ｐの含有量（ｂ）は０．０１０≦ｂ≦０．１００を満たす。Ｐの含有量（ｂ）は０．０２０≦ｂ≦０．１００を満たすことが好ましい。ｂが小さい場合には、保磁力が高くなりやすくなる。ｂが大きい場合には、飽和磁束密度が低くなりやすくなる。

Ｓｉの含有量（ｃ）は０＜ｃ≦０．０５０を満たす。Ｓｉの含有量（ｃ）は０．００１≦ｃ≦０．０５０を満たすことが好ましく、０．００５≦ｃ≦０．０３０を満たすことがより好ましい。ｃが小さい場合には、保磁力が高くなりやすくなる。ｃが大きい場合には、飽和磁束密度が低くなりやすくなり、保磁力が高くなりやすくなる。

さらにｂ≧ｃであることが好ましい。ｂ≧ｃである場合には、特に飽和磁束密度が高くなりやすくなり、保磁力が低くなりやすくなる。

Ｂの含有量（ｄ）は０≦ｄ≦０．００５を満たす。すなわち、Ｂは含有しなくてもよい。また、Ｂの含有量（ｄ）は０≦ｄ≦０．００１を満たすことが好ましく、ｄ＝０が最も好ましい。Ｂの含有量が小さくなるほど飽和磁束密度が高くなりやすく、保磁力が低くなりやすい。ｄが大きすぎる場合には、保磁力が高くなりやすくなる。

Ｘ２はＳｎ，Ｇｅ，Ｚｎ，Ｂｉ，Ａｇ，Ｍｎ，Ａｓ，Ｓｂ，Ｃ，Ｎおよび希土類元素から選択される１種以上である。Ｘ２の含有量（ｅ）は０≦ｅ≦０．１００を満たす。すなわち、Ｘ２は含有しなくてもよい。Ｘ２の含有量（ｅ）は０≦ｅ≦０．０５０であることが好ましい。Ｘ２の含有量が多すぎる場合には、飽和磁束密度が低くなりやすくなる。

Ｆｅの含有量（１－（ａ＋ｂ＋ｃ＋ｄ＋ｅ））については、特に制限はないが０．７８０≦１－（ａ＋ｂ＋ｃ＋ｄ＋ｅ）≦０．９１０を満たすことが好ましい。上記の範囲を満たす場合には飽和磁束密度を向上させやすく、保磁力を低下させやすくなる。

また、本実施形態に係る軟磁性合金においては、Ｆｅの一部をＸ１で置換してもよい。

Ｘ１はＣｏおよびＮｉからなる群から選択される１種以上である。ＦｅからＸ１への置換量（α）はα＝０でもよい。すなわち、Ｘ１は含有しなくてもよい。また、０≦α≦０．３００を満たす。αが大きすぎる場合には保磁力が大きくなりやすい。

なお、本実施形態に係る軟磁性薄膜は上記以外の元素（例えば、Ａｌ、Ｚｎ、Ｇａ、Ｓなど）を不可避的不純物として含んでいてもよい。また、上記以外の元素は軟磁性合金１００重量％に対して合計で１重量％未満、含んでいてもよい。

以下、本実施形態に係る軟磁性薄膜の製造方法について説明する

本実施形態に係る軟磁性薄膜の製造方法には特に限定はない。例えばスパッタリングにより製造する方法が挙げられる。

まず、薄膜をスパッタリングさせる基板を準備する。基板の種類は任意である。例えば、シリコン基板、熱酸化膜付きシリコン基板、フェライト基板、非磁性フェライト基板、サファイア基板、ガラス基板、ガラスエポキシ基板等が挙げられる。しかし、基板の種類はこれらに限定されず、各種セラミック基板や各種半導体基板を用いることが可能である。

次に、準備した基板に対してスパッタリングを行うことで所定の組成を有する軟磁性薄膜を成膜する。スパッタリング時の成膜速度および成膜時間を制御することにより得られる軟磁性薄膜の厚さを制御することができる。成膜速度は例えば５Å／ｍｉｎ以上１０００Å／ｍｉｎ以下とすることができる。また、成膜圧力は０．０３Ｐａ以上１０Ｐａ以下としてもよい。

また、スパッタリング時の雰囲気は不活性ガス中である事が望ましい。例えばＡｒ雰囲気中であってもよい。Ａｒ雰囲気中でスパッタリングを行う場合には、Ａｒガス流量２ｓｃｃｍ以上２００ｓｃｃｍ以下としてもよい。

なお、成膜直後の薄膜についてＸＲＤ測定を行うことで、成膜直後の薄膜が非晶質（アモルファス）であることが確認できる。

次に、得られた薄膜に熱処理（アニール）を行う。

具体的には、成膜後、スパッタ装置から取り出した基板を真空装置内に移動させ、１ｘ１０^－１Ｐａ以下の高真空状態まで真空引きした後に高真空状態で熱処理を行い、Ｆｅ基ナノ結晶を生成させる。

熱処理条件は任意であり、薄膜の組成に応じて適宜選択してもよい。例えば、熱処理時間は１分以上３００分以下、熱処理温度は４００℃以上６５０℃以下である。

得られた薄膜の磁気特性の測定方法は任意である。例えば、ＶＳＭを用いて測定することができる。

さらに、ＸＲＤ測定により結晶構造の確認および結晶粒径の測定を行うことができる。そして、Ｆｅの結晶構造がｂｃｃ（体心立方格子構造）であり、結晶粒径が３０ｎｍ以下の結晶のみからなるナノ結晶相であるか、それとも、結晶粒径が３０ｎｍ超の結晶を含む結晶相からなっているかを確認することができる。

以上、本発明の一実施形態について説明したが、本発明は上記の実施形態に限定されない。

本実施形態に係る軟磁性薄膜の用途には特に制限はない。例えば薄膜インダクタが挙げられる。特に薄膜パワーインダクタに好適に用いることができる。さらに、磁性製品、例えば各種フィルタなどに本実施形態に係る軟磁性薄膜を用いてもよく、方位センサ等の磁気センサ等に本実施形態に係る軟磁性薄膜を用いてもよい。

以下、実施例に基づき本発明を具体的に説明する。

次に、サンプル基板に対して、スパッタリングにより下表１に示す所定の組成の薄膜を成膜した。薄膜の厚さは１００ｎｍとした。スパッタ装置としては株式会社エイコー製スパッタ装置ＥＳ３５０を用いた。スパッタリングはＡｒガス流量２０ｓｃｃｍのＡｒ雰囲気中で行った。また、成膜速度は１２０Å／ｍｉｎ（１２ｎｍ／ｍｉｎ）、成膜圧力は０．３Ｐａとした。

なお、成膜直後の薄膜についてＰａｎａｌｙｔｉｃａｌ，Ｉｎｃ製ＸＲＤ（Ｅｍｐｙｒｅａｎ）を用いてＸＲＤ測定を行った。全ての実施例について成膜直後は非晶質であることを確認した。なお、ＸＲＤ測定は回折角度２θが３５°～６０°である範囲について行った。

成膜後、スパッタ装置から取り出したサンプル基板を真空装置内に移動させ、２ｘ１０^－２Ｐａ以下の高真空状態まで真空引きした後に高真空状態で熱処理を行った。真空中熱処理装置としてはアドバンス理工株式会社製ＲＴＡ３０００を用いた。

熱処理後の薄膜についてＶＳＭを用いて磁気特性を測定した。磁気特性は株式会社玉川製作所製ＶＳＭ（ＴＭ－ＶＳＭ２６１４８３－ＨＧＣ）を用いて測定した。磁気特性としては飽和磁束密度Ｂｓおよび保磁力Ｈｃについて測定した。また、測定磁場は－１０００Ｏｅ～＋１０００Ｏｅとした。飽和磁束密度Ｂｓは１．５０Ｔ以上を良好とした。保磁力Ｈｃは４．０Ｏｅ以下を良好とした。

さらに、ＸＲＤ測定により結晶構造の確認および結晶粒径の測定を行った。なお、ＸＲＤ測定は回折角度２θが３５°～６０°である範囲について行った。ＸＲＤ測定はＰａｎａｌｙｔｉｃａｌ，Ｉｎｃ製ＸＲＤ（Ｅｍｐｙｒｅａｎ）を用いて行った。そして、Ｆｅの結晶構造がｂｃｃ（体心立方格子構造）であり、結晶粒径が３０ｎｍ以下の結晶のみからなるナノ結晶相であるか、それとも、結晶粒径が３０ｎｍ超の結晶を含む結晶相からなっているかを確認した。結果を表１に示す。なお、全ての実施例および比較例でＦｅの結晶構造がｂｃｃ（体心立方格子構造）であることが確認された。また、全ての実施例でＦｅ基ナノ結晶の平均粒径が３～３０ｎｍであることが確認された。

表１は軟磁性合金として従来から知られている組成を有する軟磁性薄膜を上記の方法で作製した結果を示す。比較例１～３は粒径の大きな結晶が生じた。また、比較例１～８は飽和磁束密度Ｂｓおよび／または保磁力Ｈｃが良好ではなかった。

表２はＭがＺｒのみでありＢおよびＸ２を含まない場合において、Ｚｒの含有量（ａ）を変化させた実施例および比較例を記載したものである。

各成分の含有量が所定の範囲内である実施例１～５は飽和磁束密度Ｂｓおよび保磁力Ｈｃが良好であった。

これに対し、Ｚｒの含有量が小さすぎる比較例９は保磁力Ｈｃが高くなった。また、Ｚｒの含有量が大きすぎる比較例１０は飽和磁束密度Ｂｓが低下し、保磁力Ｈｃが高くなった。

表３はＭがＺｒのみでありＢおよびＸ２を含まない場合において、Ｐの含有量（ｂ）とＳｉの含有量（ｃ）との和を一定にしてＰとＳｉとの比率を変化させた実施例および比較例を記載したものである。

各成分の含有量が所定の範囲内である実施例４～１１は飽和磁束密度Ｂｓおよび保磁力Ｈｃが良好であった。特にｂ≧ｃである実施例４～１０は、ｂ＜ｃである実施例１１と比較して飽和磁束密度Ｂｓおよび保磁力Ｈｃが優れる結果となった。また、Ｓｉの含有量（ｃ）が小さすぎる比較例１１は保磁力Ｈｃが高くなった。

表４はＭがＺｒのみでありＢおよびＸ２を含まない場合において、Ｐの含有量（ｂ）を変化させた実施例および比較例を記載したものである。

各成分の含有量が所定の範囲内である実施例４、１２～１６は飽和磁束密度Ｂｓおよび保磁力Ｈｃが良好であった。

これに対し、Ｐの含有量が小さすぎる比較例１３は保磁力Ｈｃが高くなった。Ｐの含有量が大きすぎる比較例１４は飽和磁束密度Ｂｓが低下した。

表５はＭがＺｒのみでありＢおよびＸ２を含まない場合において、Ｓｉの含有量（ｃ）を変化させた実施例および比較例を記載したものである。

各成分の含有量が所定の範囲内である実施例１４、１８、１９は飽和磁束密度Ｂｓおよび保磁力Ｈｃが良好であった。

これに対し、Ｓｉの含有量が大きすぎる比較例１５は飽和磁束密度Ｂｒが低下し、保磁力Ｈｃが高くなった。

表６はＭがＺｒのみでありＸ２を含まない場合において、Ｂの含有量（ｄ）を変化させた実施例および比較例を記載したものである。

各成分の含有量が所定の範囲内である実施例２０～２２は飽和磁束密度Ｂｓおよび保磁力Ｈｃが良好であった。

これに対し、Ｂの含有量が大きすぎる比較例１６は保磁力Ｈｃが高くなった。

表７は実施例４からＭの種類を変化させた実施例を記載したものである。

Ｍの種類が変化しても各成分の含有量が所定の範囲内である実施例２３～２９は飽和磁束密度Ｂｓおよび保磁力Ｈｃが良好であった。

表８は実施例４からＸ２の種類を変化させた実施例を記載したものである。

Ｘ２の種類が変化しても各成分の含有量が所定の範囲内である実施例３０～３６は飽和磁束密度Ｂｓおよび保磁力Ｈｃが良好であった。

表９は実施例４からＸ２（Ｃ）の含有量を変化させた実施例および比較例を記載したものである。

各成分の含有量が所定の範囲内である実施例３０、３７、３８は飽和磁束密度Ｂｓおよび保磁力Ｈｃが良好であった。

これに対し、Ｘ２の含有量が大きすぎる比較例１７は飽和磁束密度Ｂｓが低下した。

表１０は実施例４についてＦｅの一部をＸ１で置換した実施例および比較例を記載したものである。

Ｆｅの一部をＸ１で置換しても各成分の含有量が所定の範囲内である実施例３９～４１は良好な特性を示した。

これに対し、ＦｅからＸ１への置換量が大きすぎる比較例１８は保磁力Ｈｃが上昇した。

Claims (5)

1. 組成式（Ｆｅ_(1-α₎Ｘ１α）_{(1-(a+b+c+d+e))}Ｍ_aＰ_bＳｉ_cＢ_dＸ２_eで表される組成を有する軟磁性薄膜であって、
   Ｘ１はＣｏおよびＮｉからなる群から選択される１種以上、
   Ｘ２はＳｎ，Ｇｅ，Ｚｎ，Ｂｉ，Ａｇ，Ｍｎ，Ａｓ，Ｓｂ，Ｃ，Ｎおよび希土類元素からなる群より選択される１種以上、
   ＭはＺｒ，Ｎｂ，Ｈｆ，Ｔａ，Ｗ，Ｍｏ，ＶおよびＴｉからなる群から選択される１種以上であり、
   ０．０１５≦ａ≦０．１００
   ０．０１０≦ｂ≦０．１００
   ０．００１≦ｃ≦０．０５０
   ０≦ｄ≦０．００５
   ０≦ｅ≦０．１００
   ０≦α≦０．３００
   であることを特徴とする軟磁性薄膜。
2. ｂ≧ｃである請求項１に記載の軟磁性薄膜。
3. 前記軟磁性薄膜はＦｅ基ナノ結晶からなる構造を有し、
   前記Ｆｅ基ナノ結晶の平均粒径が３～３０ｎｍである請求項１または２に記載の軟磁性薄膜。
4. 請求項１～３のいずれかに記載の軟磁性薄膜を有する薄膜インダクタ。
5. 請求項１～３のいずれかに記載の軟磁性薄膜を有する磁性製品。