JP7189180B2 - 逆向き磁化磁気構造体を生成する方法 - Google Patents

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Description

本発明の明細書は、平坦な基板上の複数の永久磁石マイクロ構造体を逆向きに磁化する方法を説明する。本願は、小型の永久磁石配列体の選択的磁化に関する。
磁気の向きが異なる複数の構造体に基づいた永久磁石配列体は、多数の技術的デバイスにとって本質的に重要なものである。従来の技術分野において確立されていた解決策をマイクロシステムに適用可能にすることも広く興味がもたれている。
このことに関する第一の前提条件は、典型的な半導体及び／又はＭＥＭＳ（マイクロ電気機械システム）技術用の基板上の硬磁性構造体やマイクロ構造体を、シリコン及び／又はガラスに生成できることである。
第二の前提条件は、隣接する磁石やマイクロ磁石を望み通りに、異なる向きに磁化できる、又は逆向きに磁化できることである。基板はその上に数百から数千個のＭＥＭＳ部品を有し得て、その各々が複数の硬磁性マイクロ構造体を含み得るので、例えば、従来の磁気スケールを生成するのに一般的な逐次的な磁化では時間がかかり過ぎる。
また、現状利用可能なデバイスを用いて実現可能な最小周期、所謂ピッチは、０．５ｍｍに達している。マイクロ磁石の寸法とマイクロ磁石間の距離はどちらも多くの応用において益々小さくなると想定される。既存の磁気構造体やマイクロ磁気構造体を生成する方法のいくつかを以下に挙げる。
・ 例えば、ずいぶん前から既に、レーザに基づいた物質加工が、複雑な形状の三次元部品を高精度で生成することを可能にしている。交互に個別に磁化した櫛状体を用いて、２５０μｍの周期の逆向き磁化スケールを実現することができる。各櫛状体の生成は、厚さ３００μｍのＳｍＣｏフィルムのレーザ加工によって行われる。
・ また、所謂“熱磁気パターニング”では、予め一様に磁化させた硬磁性体製の層を、例えばテンプレートやマスクを通してレーザで局所的に加熱し、同時に印加される逆向きの磁場によってその領域を逆向きに磁化させる。このようにして、例えば、Ｓｉ基板上の厚さ４μｍのＮｄＦｅＢ層に、５０×５０μｍ２のサイズの逆向きに磁化された複数の正方形から成る格子柄パターンを生成することができる。ＮｄＦｅＢ層自体の中での熱伝導又は基板に至る熱伝導に起因して、逆向き磁化領域の深さは数マイクロメートルに限定される。
・ 熱磁気パターニングの一変形例では、例えば、厚いＮｄＦｅＢプレートレットをガラス基板上に接合させ、所定のパターンでガラスまで鋸引きし、その全面を磁化する。次いで、各ピクセル及び／又はラインを、レーザを用いた選択的加熱によって、逆向きに磁化する。必要な磁場は、直に隣接するＮｄＦｅＢ構造体によって与えられる。
・ パターンの加熱は必須ではない。高透磁率を有する軟磁性体のテンプレートやマスクを用いる場合、加熱せずに、硬磁性層の中に磁気パターンを生成することができる。印加される逆向き磁場は、マスクの隆部内において、その下方に位置する硬磁性層の領域が逆向きに磁化される程度に増幅される。この方法は、低い残留磁束密度と保磁力を有する層に限定される。
上述の熱磁気パターニングの変形例は、それで生成されるマイクロ磁石がその材質と比較的大きな体積に起因して大きな磁力を保証するものであるので、ＭＥＭＳに最も適している。しかしながら、ＭＥＭＳ生成プロセスへの統合は未解決である。この方法は、ＭＥＭＳアクチュエータに適さない非常に弱いマイクロ磁石しか実現できない。また、ＭＥＭＳ生成プロセスへの統合は、硬磁性層をパターニングしなければならない場合に問題となる。従来のレーザ加工は、高コスト及び／又はバッチプロセスとの相性の悪さのため、ＭＥＭＳに適さないものとなりがちである。
しかしながら、原子層堆積（ＡＬＤ，ａｔｏｍｉｃ ｌａｙｅｒ ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）を用いた粉体の凝集に基づいた技術的方法が、標準的なＭＥＭＳや半導体加工のプロセスと相性が良いシリコン基板やガラス基板上に高性能磁石やマイクロ磁石を生成することを可能にする。以下、この方法を説明する。
まず、基板内にキャビティ又はマイクロキャビティを生成する。次いで、マイクロキャビティを、μｍサイズの粉体又は粒子で緩く充填する。その後、基板がＡＬＤプロセスを受け、そのプロセス中に、マイクロキャビティ内の元々は緩かった粒子が凝集して、機械的に堅固な多孔質マイクロ構造体を生成する。例えば、Ｓｉ基板上にＮｄＦｅＢ粉体で製造されるこうした構造体については、高い再現性と共に優れた磁気特性が確かめられている。磁石又はマイクロ磁石及び／又はマイクロ磁石の磁場は全て平行に整列している。
米国特許第９２２１２１７号明細書(“Method for producing a three-dimensional structure and three- dimensional structure”)
https://www.sensitec.com/fileadmin/sensitec/Products_and_Solutions/Angle_and_Length/ Linear_Scales/SENSITEC_Magnetische_Massstaebe_DE.pdf Petersen et al., "Laser micromachined permanent magnet arrays with spatially altemating magnetic field distribution", Proc. PowerMEMS Conf., Atlanta, GA, USA, 2012 F. Dumas-Bouchiat et al., "Thermomagnetically pattemed micromagnets", Appl. Phys. Lett., 96, 102511 (2010) R. Fujiwara et al., "Micrometer scale magnetization of neodyrnium magnet for integrated magnetic MEMS", Proc. MEMS Conf., Shanghai, China, 2016 C. Valez et al., "Simulation and experimental validation of a selective magnetization process for batch-patteming magnetic layers", J. Phys.: Conf. Ser. 660 012006, 2015 T. Reimer et al., "Temperature-stable NdFeB micromagnets with high-energy density compatible with CMOS back end ofline technology", MRS Advances, No. 1, 2016 https://www.magsys.de/index.php/de/produkte-dienstleistungen/magnetisiervorrichtungen https://de.wikipedia.org/wiki/Magnetwerkstoffe https://mqitechnology.com/products/bonded-neo-powder/product-comparison-tool/ https://mqitechnology.com/wp-content/uploads/2017/09/rnqp-14-12-20000-070.pdf https://rnqitechnology.com/wp-content/uploads/2017/09/mqp-14-9-20061-070.pdf
本発明の目的は、硬磁性構造体の逆向き磁化配列体を有する磁性構造体を、少ない労力で、単純で高速に生成することを可能にする方法を提供することであり、例えば、その磁気構造体の大量生産を可能にする。
本発明の目的は、独立請求項の主題によって達成される。
本方法（請求項１を参照）の核となる概念は、以下のステップを用いて、基板材の中又は上に硬磁性構造体の逆向き磁化配列体を有する磁気構造体を生成することを可能としたものである。
１． 基板材の中又は上に複数の第一キャビティを生成し、第一保磁力を示す第一硬磁性体で充填して、硬磁性構造体の第一配列体を生成するステップ。
２． 基板材の中又は上に複数の第二キャビティを生成し、第一保磁力よりも小さな第二保磁力を示す第二硬磁性体で充填して、硬磁性構造体の第二配列体を生成するステップ。
３． 第一保磁力と第二保磁力を超える磁場強度を有する第一磁場によって、硬磁性構造体の第一配列体と第二配列体を第一向きに磁化するステップ。
４． 第一保磁力未満であるが第二保磁力を超える磁場強度を有する第二磁場によって、硬磁性構造体の第二配列体を第一向きと異なる第二向きに磁化するステップ。硬磁性構造体の第二配列体を磁化するステップは、硬磁性構造体の第一配列体と第二配列体を第二磁場に晒すことを含む。
１．と２．に記載のステップの順番は、半導体技術とＭＥＭＳ技術の一般的に用いられている製造条件に応じてフレキシブルである。
ステップ１とステップ２の代替例として、例えば、第一キャビティと第二キャビティは、基板材の中又は上に、同時に又は交互に生成され得て、同時に又は交互にそれぞれ第一硬磁性体と第二硬磁性体で充填され得る。
基板の中又は上に生成された硬磁性構造体の硬磁性マイクロ構造体又は配列体は、例えば適切な磁化デバイスを用いて、基板レベルで一回のステップで磁化され得る。このプロセスでは、磁石又はマイクロ磁石は逆向きに、例えば交互に逆向きに磁化される。直径３００ｍｍの領域にわたって数千ｋＡ／ｍの磁場を生成することができる磁化システムが利用可能となっている。
また、異なる硬磁性体の硬磁性構造体又はマイクロ構造体の配列体が逆向き磁化を可能にする。
まず、保磁力ＨＣＡを有する第一硬磁性体Ａから、硬磁性構造体（又はマイクロ構造体）の配列体を生成する。
次いで、同じ様にして、基板の他の領域に、保磁力ＨＣＢを有する第二硬磁性体Ｂから、硬磁性構造体又はマイクロ構造体の配列体を生成する。ＨＣＢはＨＣＡよりも小さい。
次いで、両種の硬磁性構造体又はマイクロ構造体の配列体を、ＨＣＡとＨＣＢを超える強度Ｈ１の磁場によって、一回のステップで同時に磁化させる。
最後に、ＨＣＢよりも大きいがＨＣＡよりも小さい強度Ｈ２の逆向き磁場を印加することによって、一回のステップで、物質Ｂの硬磁性構造体又はマイクロ構造体の配列体を再び磁化させる。このプロセスにおいて、物質Ａの硬磁性構造体又はマイクロ構造体の配列体の元々の磁化は維持される。
プロセスを加速させることによって、硬磁性構造体又はマイクロ構造体の逆向き磁化配列体の大量生産が促進される。硬磁性体の磁化は一回のステップで行われる。また、複数の物質を利用することで、それら物質の異なる保磁力に基づいて、物質を異なって磁化させることができる。
硬磁性構造体の配列体の典型的な寸法は以下のとおりである：
・ 構造体／磁石の端部長さ：１０～１０００μｍ、及び／又は
・ 構造体／磁石同士の間の距離：１０～１０００μｍ
硬磁性構造体の配列体の好ましい寸法は以下のとおりである：
・ 構造体／磁石の端部長さ：２０～５００μｍ、及び／又は
・ 構造体／磁石同士の間の距離：２０～５００μｍ
硬磁性構造体又はマイクロ構造体の集積配列体の逆向き磁化性は、例えば、以下のものの対象となる：
・ 小型磁気スケール、
・ ボイルコイルドライブやハルバッハ配列に基づいたＭＥＭＳ部品、
・ 磁気浮上に基づいて無接触で支持された硬磁性構造体又はマイクロ構造体の可動配列体を備えるＭＥＭＳ部品。
実施形態に係る方法（請求項２を参照）では、第一保磁力と第二保磁力の差は５０％以上である。
最近の磁化デバイスは数パーセントの精度内で磁場を設定及び／又は再生することができるので、物質同士の間の５０％以上の保磁力の差が、硬磁性構造体又はマイクロ構造体の逆向き磁化配列体を実現するのに十分なものである。
実施形態に係る方法（請求項３を参照）では、硬磁性構造体の第一配列体の複数の第一キャビティの深さ及び／又は断面積が、硬磁性構造体の第二配列体の複数の第二キャビティの深さ及び／又は断面積と異なることで、磁化後の第一配列体と第二配列体の各磁石の磁場強度が等しくなるようにする。
つまり、本方法では、第一配列体の磁石の深さ及び／又は断面積が第二配列体の磁石の深さ及び／又は断面積と異なることで、磁化後の各磁石の磁場強度が等しくなるようにする。
磁石又はマイクロ磁石が、異なる特性を有する二種類の異なる磁性体製の配列体から成るので、同じ寸法を有する磁石又は構造体が、逆向き（逆符号）で異なる強度を有する磁場をもたらす。この影響は、両種の磁石又はマイクロ磁石の寸法を介して補償可能である。つまり、異なる物質製のマイクロ磁石が発生させる磁場を、製造中において、第一物質製の磁石又は構造体用に第二物質製の磁石又は構造体用よりも浅いキャビティを基板にエッチングすることで、調整することができる。
実施形態に係る方法（請求項４を参照）では、複数の第一キャビティと複数の第二キャビティの断面積が互いに等しく、複数の第一キャビティと複数の第二キャビティの深さが互いに異なることで、磁化後の硬磁性構造体の第一配列体と第二配列体の各磁石の磁場強度が等しくなるようにする。
つまり、本方法では、硬磁性構造体の第一配列体と第二配列体の磁石の断面積が互いに等しく、硬磁性構造体の第一配列体と第二配列体の磁石の深さが互いに異なることで、磁化後の各磁石の磁場強度が等しくなるようにする。
本実施形態の具体的な利点は、全ての磁石又はマイクロ磁石の断面積を同じにすることができるという点である。これは、例えば磁気スケールにとって顕著なものとなり得る。
実施形態に係る方法（請求項５を参照）では、複数の第一キャビティと複数の第二キャビティを充填することは、充填された物質の物理的及び／又は化学的固化を備え、例えば、基板材に原子層堆積法を行う。
元々は緩かった硬磁性粒子及び／又は粉体が、キャビティ又はマイクロキャビティ内で凝集して、機械的に堅固な多孔質構造体又はマイクロ構造体を形成する。
実施形態に係る方法（請求項６を参照）では、基板材はガラス材、シリコン材、プラスチック材、又はセラミック材である。
例えば、ガラス、シリコン、プラスチック、セラミック等の一般的な基板材を用いることで、半導体技術やＭＥＭＳ技術の通常の製造条件で本発明の方法を適用することが促進される。
実施形態に係る方法（請求項７を参照）では、第一硬磁性体と第二硬磁性体は、ＮｄＦｅＢ材及び／又はＳｍＣｏ材及び／又はＰｔＣｏ材である。
例えば、ＮｄＦｅＢ及び／又はＳｍＣｏ及び／又はＰｔＣｏ等の一般的な硬磁性体を用いることで、半導体技術やＭＥＭＳ技術の通常の製造条件で本発明の方法を適用することが促進される。
実施形態に係る方法（請求項８を参照）では、第一硬磁性体と第二硬磁性体は、粉体及び／又は物質粒子で形成される。
粉体及び／又は粒子は、多様な断面積及び／又は深さのキャビティを充填することを可能にする。
実施形態に係る方法（請求項９を参照）では、基板の中又は上に硬磁性構造体の配列体を生成することは、以下のステップを含む。
１． 第一基板の中又は上に硬磁性構造体の第一配列体を生成するステップ。
２． 第二基板の中又は上に硬磁性構造体の第二配列体を生成するステップ。
第一基板と第二基板は磁化の前に接続される。
各基板は、一種類のみの物質製の磁石又はマイクロ磁石を含み、磁化の前に、基板レベルでの接合によって、互いに固定して接続される。このために利用可能な多数の確立された接合プロセスをシリコン技術は有していて、例えば、密封接続用のガルバニック堆積Ａｕ‐Ｓｎ積層体や、印刷ガラスフリットに基づいたものや、非密封接続用のパターン化された接着剤やポリマーを用いたものが挙げられる。
基板を積層することによって、硬磁性マイクロ構造体の三次元配列体を実現することもできる。対応する基板内の磁石又はマイクロ磁石の幾何学的形状と配置は所望のとおりに変更可能であるので、この方法で相互に反発する磁石又はマイクロ磁石の配列体を生成することができる。
実施形態に係る方法（請求項１０を参照）では、基板の中又は上に硬磁性構造体の配列体を生成することは、以下のステップを含む。
１． 第一基板の中又は上に第一数個の第一硬磁性構造体と第二硬磁性構造体を生成するステップ。
２． 第二基板の中又は上に第二数個の第一硬磁性構造体と第二硬磁性構造体を生成するステップ。
第一基板と第二基板は磁化の前に接続される。
いずれの基板上の各磁石又はマイクロ磁石の幾何学的形状と配置を所望のとおりに変更することができるので、この方法で相互に反発するマイクロ磁石の配列体を生成することができる。
また、第一基板及び／又は第二基板内の第一硬磁性構造体と第二硬磁性構造体を用いることで、硬磁性マイクロ構造体の三次元配列体を多種多様に生成することができる。
実施形態に係る方法（請求項１１を参照）では、硬磁性構造体の第一配列体と第二配列体の各磁石は、基板材の中又は上に交互に配置される。
実施形態に係る方法（請求項１２を参照）では、硬磁性構造体の第一配列体及び／又は第二配列体は、基板材の第一面上に位置するか、又は、基板材の第一面から、基板材の所定の深さまで若しくは第一面の反対側の第二面まで延在する。硬磁性構造体の第一配列体及び／又は第二配列体は、応用に応じてあらゆる深さを有することができ、基板材の第二面まで延在してもよい。
連続的な構造体を用いることで、高い（最大）アスペクト比に起因して特に高い磁場強度が達成される（図６を参照）。しかしながら、特定の値、例えば、７：１を超える値では、発生する磁場は僅かな増大しか示さなくなる。
実施形態（請求項１３から１５を参照）によると、本発明の方法を用いて、２Ｄ（二次元）及び／又は３Ｄ（三次元）磁気構造体が生成される。
以下、図面を参照して、本願の好ましい実施形態をより詳細に説明する。
逆向き磁化マイクロ構造体を生成する方法の概略図を示す。 逆向き磁化マイクロ構造体を生成する代替方法の概略図を示す。 キャビティ又はマイクロキャビティの充填の概略図を示す。 硬磁性構造体の逆向き磁化配列体を有する永久磁石磁気構造体の概略図を示す。 主要な磁性体の残留磁束密度と保磁力の図を示す。 磁化に用いられる磁場の関数として表１の２番と４番の物質の磁化の程度の図を示す。 色々な直径ｄについて、長さＬ対直径ｄの比の関数としての棒磁石の正規化した軸方向磁束密度Ｂｚの図を示す。 深さが異なるが磁場の強度が等しい磁石又は構造体を備える逆向き磁化配列体を備える永久磁石磁気構造体の概略図を示す。 深さが異なるが磁場の強度が等しい磁石（基板材の第一面から第二面まで延在する第一配列体及び／又は第二配列体の磁石）を備える逆向き磁化配列体を備える永久磁石磁気構造体の概略図を示す。 深さが異なる逆向き磁化配列体を備える永久磁石磁気構造体（複数の第一及び第二の構造体又は磁石は交互だけではなくて所望のとおりに配置される）の概略図を示す。 二種類の異なる基板（各々、一種類の物質製の逆向きに磁化されたマイクロ磁石のみを含む）で形成された三次元磁気構造体の概略図を示す。 個々に磁化された複数のＳｍＣｏ櫛状体で構成されたサブｍｍピッチの磁気スケールの概略図を示す。 テンプレートを用いる「熱磁気パターニング」による逆向き磁化領域の生成の概略図を示す。 ピクセル及び／又はラインを鋸引きによって互いに分離する「熱磁気パターニング」による逆向き磁化領域の生成の概略図を示す。 高い透磁率を有する軟磁性体製のテンプレートを用いて、加熱せずに逆向き磁化領域を生成することの概略図を示す。 一様磁場を印加することによって硬磁性体から生成されたマイクロ構造体の磁化の概略図を示す。
本発明の方法を実現する案と更に発展させる案は多数存在している。そこで、特許請求の範囲の記載を参照する一方で、図面と共に以下の実施形態の説明を参照する。
図１Ａは、硬磁性構造体の逆向き磁化配列体を備える磁気構造体を生成する本発明の方法１００Ａの概略図を示す。本方法のステップが図１Ａのａ）から図１Ａのｅ）に示されている。
図１Ａのａ）は、本方法の開始時点において、平坦な基板材１１０が、第一面１１３と、第一面１１３の反対側の第二面１１６とを有する様子を示す。シリコン及び／又はガラス材及び／又はプラスチック及び／又はセラミックを含む基板材は容易に実現可能である。
図１Ａのｂ）では、複数の第一キャビティ１２０を生成し、第一保磁力ＨＣＡを示す第一硬磁性体（物質）１３０で充填して、硬磁性構造体の第一配列体を生成する。キャビティの充填については図２においてより詳細に説明する。
図１Ａのｃ）では、複数の第二キャビティ１２０を生成し、第二保磁力ＨＣＢを示す第二硬磁性体（物質）１４０で充填し、硬磁性構造体の第二配列体を生成する。第一保磁力ＨＣＡは、理想的には、第二保磁力ＨＣＢよりも５０％以上高い。
図１Ａのｄ）では、第一物質１３０製の硬磁性構造体の第一配列体と、第二物質１４０製の硬磁性構造体の第二配列体を、第一保磁力ＨＣＡ及び第二保磁力ＨＣＢを超える磁場強度Ｈ１を示す磁場によって、第一向きに磁化する。
図１Ａのｅ）では、硬磁性構造体の第二配列体のみを、第一保磁力ＨＣＡ未満であるが第二保磁力ＨＣＢを超える磁場強度Ｈ２を示す磁場によって、逆向きに磁化する。硬磁性構造体の第二配列体の磁化は、硬磁性構造体の第一配列体及び第二配列体を第二磁場に晒すことを含む。
図１Ｂは、硬磁性構造体の逆向き磁化配列体を有する磁気構造体を生成する代替方法１００Ｂの概略図を示す。本方法のステップが、図１Ｂのａ）から図１Ｂのｆ）に示されている。
図１Ｂのａ）は、本方法の開始時点において、平坦な基板材１１０が、第一面１１３と、第一面１１３の反対側の第二面１１６とを有する様子を示す。シリコン及び／又はガラス材及び／又はプラスチック及び／又はセラミックを含む基板材は容易に実現可能である。
図１Ｂのｂ）は、方法１００Ｂの第一ステップを示し、複数のキャビティ１２０が基板１１０内に生成される。キャビティ１２０は、第一面１１３から第二面１１６に向けて延在する。
図１Ｂのｃ）では、複数の第一キャビティ１２０を、第一保磁力ＨＣＡを示す第一硬磁性体（物質）１３０で充填し、硬磁性構造体の第一配列体を生成する。キャビティの充填については図２においてより詳細に説明する。
図１Ｂのｄ）では、複数の第二キャビティ１２０を、第二保磁力ＨＣＢを示す第二硬磁性体（物質）１４０で充填し、硬磁性構造体の第二配列体を生成する。第一保磁力ＨＣＡは、理想的には、第二保磁力ＨＣＢよりも５０％以上高い。
図１Ｂのｅ）では、第一物質１３０製の硬磁性構造体の第一配列体と、第二物質１４０製の硬磁性構造体の第二配列体を、第一保磁力ＨＣＡ及び第二保磁力ＨＣＢを超える磁場強度Ｈ１を示す磁場によって、第一向きに磁化する。
図１Ｂのｆ）では、硬磁性構造体の第二配列体のみを、第一保磁力ＨＣＡ未満であるが第二保磁力ＨＣＢを超える磁場強度Ｈ２を示す磁場によって、逆向きに磁化する。硬磁性構造体の第二配列体の磁化は、硬磁性構造体の第一配列体と第二配列体を第二磁場に晒すことを含む。
つまり、図１Ａと図１Ｂは、二種類の異なる磁性体１３０、１４０を用いることに基づいて、同じ一つの基板の中又は上に硬磁性構造体の逆向き磁化配列体から成る磁気構造体を生成することを開示している。
異なる硬磁性体製の硬磁性構造体又はマイクロ構造体の配列体を用いることで、逆向き磁化を容易にする。
まず、保磁力ＨＣＡを有する第一硬磁性体１３０から、硬磁性構造体又はマイクロ構造体を生成する。
次いで、基板１１０の他の領域上に、同じ様にして、保磁力ＨＣＢを示す第二硬磁性体１４０製の硬磁性構造体又はマイクロ構造体を生成する。ＨＣＢはＨＣＡよりも小さい。
次いで、両種の硬磁性構造体又はマイクロ構造体を、ＨＣＡ及びＨＣＢを超える強度Ｈ１の磁場によって、一回のステップで平行に磁化する。
最後に、物質１４０の硬磁性構造体又はマイクロ構造体を、ＨＣＢよりも大きいがＨＣＡよりも小さい強度Ｈ２の逆向き磁場を印加することによって、一回のステップで再び磁化する。物質１３０製の硬磁性構造体又はマイクロ構造体の元々の磁場はこのプロセスにおいて維持される。方法１００Ａ及び／又は方法１００Ｂの結果が図３や図７に示されている。
図２において、図１Ａのｂ）、ｃ）、図１Ｂのｃ）、ｄ）に示されるキャビティ１２０の充填２００をより詳細に説明する。
図２Ａから図２Ｃには、ＡＬＤを用いて緩い粒子２３０を凝集させることによって、基板上に固化した多孔質硬磁性構造体又はマイクロ構造体２４０を生成する様子がステップ毎に概略的に示されている。
図２Ａは、図１Ｂのｂ）と同様であり、第一面１１３及び第二面１１６を有する平坦な基板材１１０と、基板材の第一面１１３から、第一面の反対に位置する第二面１１６に向けて延在するキャビティ１２０を示す。
図２Ｂでは、キャビティ１２０が、ＮｄＦｅＢ材、ＳｍＣｏ材及び／又はＰｔＣｏ材等の硬磁性体の緩い粒子２３０及び／又は物質粒子で充填される。
図２Ｃでは、緩い粒子２３０が、物理的及び／又は化学的固化、例えばＡＬＤを用いて、固化又は凝集される。固化した多孔質構造体２４０が、図１Ａのｄ）、ｅ）、図１Ｂのｅ）、ｆ）それぞれに記載される磁化用に用意される。
図１Ｂのｂ）で生成されるキャビティや異なる深さ及び／又は断面を有するキャビティを、緩い粉体で単純に充填してもよい。そして、キャビティ内の粉体を固化させて、図１Ａのｄ）、ｅ）、図１Ｂのｅ）、ｆ）それぞれに記載される磁化用に用意する。
図３は、同じサイズの硬磁性構造体３５０を有する平坦な基板１１０を備える磁気構造体３００の概略図を示す。硬磁性構造体３５０は逆向きに磁化され、第一面１１３から第二面１１６に向けて延在する。
つまり、図３は、平坦な基板１１０に統合された逆向き磁化の永久磁石マイクロ構造体又は硬磁性構造体３５０の概略図である。永久磁石マイクロ構造体若しくは硬磁性構造体３５０又は磁気構造体３００は、回転ＭＥＭＳ素子内及び／又は無接触磁気的支持用に使用可能であり、例えば、図１Ａの方法１００Ａによって生成可能である。
磁石又はマイクロ磁石が、異なる特性を示す二種類の異なる磁性体製の硬磁性構造体の配列体を有する磁気構造体で構成され、第二硬磁性構造体１４０製の磁石又はマイクロ磁石の磁化が不完全であるため（図５参照）、寸法が同じ硬磁性構造体は、逆向き（逆符号）であるが強度が異なる磁場を発生させる。この影響は、例えば、二種類の磁石又はマイクロ磁石の寸法を介して補償され得る。
図４は、例えば、図１Ａの方法１００Ａで使用可能である主要な磁性体の残留磁束密度と保磁力の概要を示す。図４によると、例えば、ＮｄＦｅＢ、ＳｍＣｏ及び／又はＰｔＣｏ等の最も一般的な硬磁性体の保磁力ＨＣの大きさは互いに異なる。
Figure 0007189180000001
保磁力ＨＣは、同一種の物質であっても大きく異なり得る。例えば、表１は、永久磁石を生成するための開始材としての一業者（マグネクエンチ社）製の異なるＮｄＦｅＢ系粉体の特性を示す。また、例えば、図１Ａの方法１００Ａにおける完全な磁化が、対応する物質の保磁力ＨＣをはるかに超える磁場を要することも考慮しなければならない。
図５は、業者のデータシートに基づいて、表１の２番と４番の物質の磁化の程度を、例えば図１Ａの方法１００Ａの磁化用に使用可能な磁場の関数として示す図である。図の点線は、８００ｋＡ／ｍの磁場での４番の物質の磁化の程度を示す。
つまり、図５は、業者のデータシートに基づいて、印加磁場の関数としての磁化の程度の図を示す。
図１Ｂのｅ）に従って逆向き磁化の磁石又はマイクロ磁石の配列体を同時磁化する場合、表１の２番の物質と４番の物質を使用すると、２５００ｋＡ／ｍの磁場が、両種類の磁石又はマイクロ磁石をほぼ完全に磁化するのに十分なものとなる。
次いで、図１Ｂのｆ）に従って８００ｋＡ／ｍの逆磁場を印加すると、４番の物質製のマイクロ磁石は、８０％を超える程度で逆向きに磁化される。しかしながら、２番の物質の磁石又はマイクロ磁石は、その少なくとも９５０ｋＡ／ｍの保磁力ＨＣが印加磁場よりも明らかに高いので、ほとんど影響されない。このようにして、図１Ａや図１Ｂの方法を用いて、例えば、図３に基づく硬磁性構造体の配列体を備える磁気構造体を得ることができる。
図６は、棒磁石の長さＬ対直径ｄの比の関数として、棒磁石の前端から１００μｍの距離における正規化軸方向磁束密度Ｂｚを、２５μｍから４００μｍの間の多様な直径ｄについて示す図である。
つまり、図６は、磁石のアスペクト比に対する磁束密度の依存性の図を示す。
磁石又はマイクロ磁石は、異なる特性を示す二種類の異なる磁性体製である図１Ｂのｆ）の硬磁性構造体の配列体を有する磁気構造体であるので、同じ寸法の硬磁性構造体は、逆向き（逆符号）であるが異なる強度を有する磁場を発生させる。
保磁力ＨＣは一般的に磁石又はマイクロ磁石の寸法や極性に依存せず、使用される物質のみに依存するので、この影響は、例えば、両種類の磁石又はマイクロ磁石の寸法を介して補償可能である。
逆向き磁化構造体又はマイクロ構造体の配列体を有する磁気構造体を生成するための図１Ａや図１Ｂに開示される方法は、異なる配列体の構造体やキャビティが相互に特定のアスアスペクト比を有するものであって、原理的に実現可能なものである。
図７は、キャビティ１２０を有する平坦な基板材１１０を備える磁気構造体７００の概略図を示す。
キャビティは、基板材の第一面１１３から、第一面の反対側に位置する第二面１１６に向けて延在する。
複数の第一キャビティは、第一深さを有し、第一物質１３０で充填され、硬磁性構造体の第一配列体を生成する。複数の第二キャビティは、第二深さを有し、第二物質１４０で充填され、硬磁性構造体の第二配列体を生成する。第一硬磁性体１３０と第二硬磁性体１４０製の硬磁性構造体の第一配列体と第二配列体が交互に配置された構造体が逆向きに磁化される。
つまり、等しい強度の磁場を有する硬磁性構造体の二次元配列体を、平坦な基板（例えば、シリコン及び／又はガラス及び／又はプラスチック及び／又はセラミック製）の中又は上に逆向き磁化を有する硬磁性構造体又はマイクロ構造体から生成することができる。
図７は、等しい強度の逆向き磁場を発生させるように逆向き磁化の磁石又はマイクロ構造体の配列体を備える磁気構造体を生成するために異なる深さのキャビティを利用することを示す。
図１Ａの方法１００Ａと図１Ｂの方法１００Ｂが、マイクロ構造体同士の間の磁場強度の補償によって改善される。異なる特性を有する二種類の異なる磁性体は、異なる磁場強度を生じさせるので、この影響を、両種類の磁石又はマイクロ磁石の寸法を介して補償する。
図８は、硬磁性構造体３５０の配列体を備えるプレート８１０上の平坦な基板材１１０を備える磁気構造体８００の概略図を示す。硬磁性構造体３５０は、基板材の第一面１１３から、第一面の反対側に位置する第二面１１６に向けて延在する。
硬磁性構造体の第一配列体及び／又は第二配列体は、第一面から、基板材の所定の深さまで、更には、プレート８１０及び／又は基板材の第二面１１６までランダムに延在する。
プレート８１０の代わりに、第二面１１６を薄層で覆ってもよく、その薄層上で連続的なキャビティのエッチングが停止する。この場合、プレート８１０は基板上に統合される。
代わりに、基板の両面１１３と１１６に対してそれぞれ図２のステップを行うことによって、連続的な硬磁性構造体を生成し得る。
硬磁性構造体の第一配列体及び／又は第二配列体は、応用に応じてあらゆる深さを有し得て、更には、基板材の第二表面まで延在してもよい。
連続的な構造体を用いることによって、高い（最大）アスペクト比に起因する特に高い磁場強度が達成される（図６も参照）。しかしながら、特定の値、例えば、７：１以後では、生成される磁場は僅かな上昇しか示さなくなる。
図９は、硬磁性構造体３５０の配列体を有する平坦な基板材１１０を備える磁気構造体９００の概略図を示す。硬磁性構造体は、第一面１１３から第二面１１６に向けて延在する。
第一配列体、第二配列体は、第一硬磁性構造体、第二硬磁性構造体を備える。第一硬磁性構造体、第二硬磁性構造体製の第一硬磁性構造体、第二硬磁性構造体は、交互だけではなくて、所望のとおりに配置される。
この磁気構造体９００は、図１Ａの方法１１０Ａと図１Ｂの方法１００Ｂによって確かめられているように、平坦な基板の中又は上の逆向き磁化の硬磁性マイクロ構造体又は磁石製の配列体を備える二次元磁気構造体を多種多様に実現可能にする。
図１０は、基板レベルでの接合を用いて互いに固定して接続された異なる基板１１０ａ、１１０ｂの中又は上の二つの異なる配列体１１４０ａ、１１４０ｂを備える三次元磁気構造体１０００を示す。
二つの配列体１１４０ａ、１１４０ｂは、異なる硬磁性体製のマイクロ磁石を含む。
図１０は、それぞれ一種類の物質の磁石又はマイクロ磁石のみを含む二つの異なる基板１１０ａと１１０ｂを接続することによって、異なる基板１１０ａ、１１０ｂの中又は上に硬磁性構造体１１４０ａ、１１４０ｂの逆向き磁化配列体の磁気構造体１４００を生成する様子を示す。
つまり、図１０は、二つの異なる基板の中又は上に生成された逆向き磁化磁石又はマイクロ磁石の配列体を有する三次元磁気構造体１０００を示す。各基板は、一種類の物質製の磁石又はマイクロ磁石のみを含み、磁化の前に基板レベルでの接合によって互いに固定して接続される。接合の際に、基板１１０ａは、永久磁石配列体１１４０ａが接合ウェーハ積層体の内側又は外側に位置するようにして、整列され得る。このために利用可能な多数の確立された接合プロセスをシリコン技術は有していて、例えば、密封接続用のガルバニック堆積Ａｕ‐Ｓｎ積層体や、印刷ガラスフリットに基づいたものや、非密封接続用のパターン化された接着剤やポリマーを用いたものが挙げられる。
図１Ａの方法１００Ａと図１Ｂの方法１００Ｂはそれぞれ、例えば、３Ｄ磁気構造体を生成することもできる。いずれの基板の中又は上における磁石又はマイクロ磁石の幾何学的形状と配置は、所望のとおりに変更可能であるので、相互に反発し又は引き合う磁石又はマイクロ磁石の配列体がこのようにして多種多様に生成される。
本発明の実施形態の以下の説明では、まず、既知の従来の方法を示す。
例えば、図１１は、複数の個々に磁化されたＳｍＣｏ櫛状体から成るサブｍｍピッチの磁気スケールの概略図を示す。
レーザに基づいた物質加工が、かなり前から既に、複雑な形状の三次元部品を高精度で生成することを可能にしている。２５０μｍの周期の逆向き磁化スケールは、個々に磁化された櫛状体を交互配置することによって実現される。個々の櫛状体の生成は、厚さ３００μｍのＳｍＣｏフィルムのレーザ加工を用いて実現される。
二つ目の例である図１２は、熱磁気パターニングを用いて逆向き磁化領域を生成することの例示である。薄い硬磁性層の場合には、テンプレートが用いられる（図１２Ａを参照）。非常に厚い層の場合には、ＮｄＦｅＢピクセルは、鋸引きによって互いに分離される（図１２Ｂを参照）。
所謂「熱磁気パターニング」では、硬磁性体製の一様に予め磁化させた層を、テンプレート及び／又はマスクを介してレーザによって局所的に加熱し、同時に印加される逆向き磁場を用いてその領域を逆向きに磁化する（図１２Ａを参照）。このようにして、例えば、Ｓｉ基板上の厚さ４μｍのＮｄＦｅＢ層に、５０×５０μｍ２のサイズの逆向き磁化正方形から成る格子柄パターンの生成が可能となっている。ＮｄＦｅＢ層自体内における又は基板に至る熱伝導に起因して、逆向き磁化領域の深さは略１μｍに限定される。
熱磁気パターニングの一変形例が図１２Ｂに示されている。厚いＮｄＦｅＢプレートレットがガラス基板上に接合され、所定のパターンでガラスまで鋸引きされ、その後、その全面において磁化される。
次いで、レーザを用いた選択的加熱によって、個々のピクセル又はラインが磁化される。必要な磁場は、直に隣接するＮｄＦｅＢ構造体によって与えられる。
例えば、図１３は、高透磁率の軟磁性体製のテンプレート及び／又はマスクを用いて硬磁性層内に逆向きに磁化された領域を生成する様子を示す。
高透磁率の軟磁性体のテンプレート及び／又はマスクを用いる場合、加熱せずに、硬磁性層内に磁気パターンを生成することができる。
図１３がこの方法を示している。印加される逆向き磁場は、マスクの隆部内において、その下方に位置する硬磁性層の領域が逆向きに磁化される程度に増幅される。この方法は、残留磁束密度と保磁力が低い層に限定される。
図１４は、従来技術の対応するデバイスを用いて、基板の表面領域全体にわたって一様であり磁場強度Ｈを示す磁場を印加することによって、硬磁性体１３０製の硬磁性構造体又はマイクロ構造体を磁化する様子を示す。
上述の実施形態は、本発明の方法の原理を単に例示するものである。本願で説明される方法や詳細の修正や変更が当業者には明らかであることを理解されたい。本発明の方法は、実施形態の説明及び例示を用いて本願に示される具体的な詳細ではなくて、添付の特許請求の範囲によってのみ定められるものである。
１１０ 基板材
１１３ 基板材の第一面
１１６ 基板材の第二面
１２０ キャビティ
１３０ 第一硬磁性体（物質）
１４０ 第二硬磁性体（物質）
３００ 磁気構造体
３５０ 硬磁性構造体

Claims (13)

  1. 基板材（１１０、１１０ａ、１１０ｂ）の中又は上に磁気構造体（３００、７００、８００、９００、１０００）を生成する方法（１１０Ａ、１１０Ｂ）であって、
    前記基板材の中又は上に複数の第一キャビティ（１２０）を生成し、第一保磁力（ＨＣＡ、ＨＣＢ、Ｈ１、Ｈ２）を示す第一硬磁性体（１３０、１４０）で前記複数の第一キャビティを充填して、第一硬磁性配列体（３５０、１１４０ａ、１１４０ｂ）を生成することと、
    前記基板材の中又は上に複数の第二キャビティを生成し、前記第一保磁力よりも小さな第二保磁力を示す第二硬磁性体で前記複数の第二キャビティを充填して、第二硬磁性配列体（３５０、１１４０ａ、１１４０ｂ）を生成することと、
    前記第一保磁力及び前記第二保磁力を超える磁場強度を示す第一磁場を用いて、前記第一硬磁性配列体及び前記第二硬磁性配列体を第一向きに磁化することと、
    前記第一保磁力未満であるが前記第二保磁力を超える磁場強度を示す第二磁場を用いて、前記第一向きと異なる第二向きに前記第二硬磁性配列体を磁化することと、を備え、
    前記第二硬磁性配列体を磁化することが、前記第一硬磁性配列体及び前記第二硬磁性配列体を前記第二磁場に晒すことを含む、方法。
  2. 前記第一保磁力と前記第二保磁力との間の差が５０％以上である、請求項１に記載の方法。
  3. 前記第一硬磁性配列体の第一キャビティの深さ及び／又は断面積が前記第二硬磁性配列体の第二キャビティの深さ及び／又は断面積と異なることで、磁化後の前記第一硬磁性配列体の各磁石と前記第二硬磁性配列体の各磁石の磁場強度が等しくなっている、請求項１又は２に記載の方法。
  4. 前記第一キャビティの断面積が前記第二キャビティの断面積と等しく、前記第一キャビティの深さが前記第二キャビティの深さと異なることで、磁化後の前記第一硬磁性配列体の各磁石と前記第二硬磁性配列体の各磁石の磁場強度が等しくなっている、請求項３に記載の方法。
  5. 前記複数の第一キャビティと前記複数の第二キャビティを充填することが、充填された物質を物理的及び／又は化学的に固化させることを備える、請求項１から４のいずれか一項に記載の方法。
  6. 前記充填された物質を物理的及び／又は化学的に固化させることが、前記基板材に原子層堆積法を行うことを備える、請求項５に記載の方法。
  7. 前記基板材がガラス材、シリコン材、プラスチック材、又はセラミック材である、請求項１から６のいずれか一項に記載の方法。
  8. 前記第一硬磁性体と前記第二硬磁性体がＮｄＦｅＢ材及び／又はＳｍＣｏ材及び／又はＰｔＣｏ材である、請求項１から７のいずれか一項に記載の方法。
  9. 前記第一硬磁性体と前記第二硬磁性体が粉体（２３０）及び／又は物質粒子（２３０）である、請求項１から８のいずれか一項に記載の方法。
  10. 前記基板材の中又は上に前記第一硬磁性配列体と前記第二硬磁性配列体を生成することが、
    第一基板の中又は上に前記第一硬磁性配列体を生成するステップと、
    第二基板の中又は上に前記第二硬磁性配列体を生成するステップと、を含み、
    前記第一基板と前記第二基板が磁化前に接続される、請求項１から９のいずれか一項に記載の方法。
  11. 前記基板材の中又は上に前記第一硬磁性配列体と前記第二硬磁性配列体を生成することが、
    第一基板の中又は上に第一数個の第一硬磁性配列体と第二硬磁性配列体を生成するステップと、
    第二基板の中又は上に第二数個の第一硬磁性配列体と第二硬磁性配列体を生成するステップと、を含む
    前記第一基板と前記第二基板が磁化前に接続される、請求項１から９のいずれか一項に記載の方法。
  12. 前記第一硬磁性配列体（３５０、１１４０ａ、１１４０ｂ）の各磁石と前記第二硬磁性配列体（３５０、１１４０ａ、１１４０ｂ）の各磁石が基板材の中又は上に交互に配置されている、請求項１から１１のいずれか一項に記載の方法。
  13. 前記第一硬磁性配列体及び／又は前記第二硬磁性配列体が、前記基板材の第一面（１１３）上に位置するか、又は、前記基板材の第一面から前記基板材の所定の深さまで若しくは前記第一面の反対側の第二面（１１６）まで延在する、請求項１から１２のいずれか一項に記載の方法。
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