JP7353149B2

JP7353149B2 - 強磁性薄膜積層体

Info

Publication number: JP7353149B2
Application number: JP2019214280A
Authority: JP
Inventors: 正幸直江
Original assignee: Research Institute for Electromagnetic Materials
Current assignee: Research Institute for Electromagnetic Materials
Priority date: 2019-11-27
Filing date: 2019-11-27
Publication date: 2023-09-29
Anticipated expiration: 2039-11-27
Also published as: JP2021086901A

Description

本発明は、強磁性薄膜積層体に関する。

インダクタやトランスなどの磁気素子を小形化するために、これらの磁気素子を平面型にすることが試みられている。平面型インダクタとしては、スパイラル平面コイルの両面を絶縁体層で挟み、更にこれらの両面を磁性体で挟んだ構造のものが理想的である。同様に、平面型トランスとしては、絶縁体層を介して１次側のスパイラル平面コイルと２次側のスパイラル平面コイルとを形成し、これらの両面を絶縁体層で挟み、更にこれらの両面を磁性体で挟んだ構造のものが知られている。なお、スパイラル平面コイルは、１層のスパイラル状コイル導体からなるものでもよいし、絶縁体層の両面に２層のスパイラル状コイル導体を形成して発生磁界が同一方向となるように接続したものでもよい。

このような磁気素子を実用に供するためには、磁気回路の増強により、インダクタンスを増加させると共に、当該磁気素子からの磁束の漏れを防ぐ、若しくは吸収して熱に変換することで、ＬＳＩやその他の部品の誤動作を防止する必要がある。

特許文献１には、平面インダクタを挟んで絶縁層が形成され、さらにその上面及び下面に、磁化（磁化容易軸）方向が互いに直交した磁性膜を積層してなる積層構造が開示されている。この場合、コイルに電流を流すと、各磁性層において、コイルによって発生した磁界の向きと磁性層の磁化方向とが同じになる領域Ａと、上記磁界の向きと磁性層の磁化方向とが直交する領域Ｂとが形成される。一般に、領域Ａでは透磁率が高く磁気飽和しやすく磁束の漏洩が生じるが、領域Ｂでは透磁率が低く磁気飽和しにくく、磁束の漏洩が生じにくい。このため、このような磁性層を上述のように、磁化方向が直交するように配置することによって、一の磁性層の領域Ａで漏洩した磁束を他の磁性層の領域Ｂで遮蔽するようにしている。

特開平４－３６３００６号公報

しかしながら、特許文献１に記載の構造の原理説明は、上下で隣り合う磁性層の磁束の受け渡しがあると言及されていることから、静磁結合が切れていないことを意味しており、磁気特性の均一性に劣るため、磁気素子やさらには電磁シールド材に用いた場合に依然として磁束及び電磁波の漏洩等の問題が残存していた。

本発明は、積層構造全体として膜面内で等方的な磁気特性を有し、電子機器などに使用可能な新規な構成の強磁性薄膜積層体を提供することを目的とする。

上記目的を達成すべく、本発明者は鋭意検討を行った。その結果、Ｃｏ等の磁性遷移金属及びＰｄ等の貴金属からなる磁性ナノ粒子がＣａＦ_２等のフッ化物母材に分散したナノグラニュラー型の磁性層を準備し、さらに、同じくＣｏ等の磁性遷移金属及びＰｄ等の貴金属からなる磁性ナノ粒子がＣａＦ_２等のフッ化物母材に分散した第２ナノグラニュラー膜を形成する。この時、これらナノグラニュラー膜の膜面内磁化容易軸方向が互いに直交するように、そして、基板上に、上記第１ナノグラニュラー膜及び第２ナノグラニュラー膜を順次に積層するとともに、これらナノグラニュラー膜が上下で静磁結合しないように絶縁膜で分断して強磁性薄膜積層体を作製することにより（図１）、当該積層体の面内方向におけるマイクロ波磁界による磁化応答（高周波透磁率）が等方的になって、面内方向の磁気特性が均一的になることを見出し、本発明を想到するに至った。

すなわち、本発明は、基板上に、第１ナノグラニュラー膜から成る第１磁気ユニット、層間絶縁膜、及び第２ナノグラニュラー膜から成る第２磁気ユニットがこの順に積層された強磁性薄膜積層体であって、前記第１磁気ユニットは、（Ｍ１ａＭ２ｂ）_１－Ｘ（Ｌ１ｃＦｄ）_Ｘ（Ｍ１：Ｆｅ，Ｃｏ，及びＮｉからなる群より選ばれる少なくとも一種、Ｍ２：Ｐｄ及びＰｔの少なくとも一種、Ｌ１：Ｌｉ，Ｍｇ，Ａｌ，Ｃａ，Ｓｒ，Ｂａ，Ｇｄ及びＹからなる群より選ばれる少なくとも一種、０．５≦ａ≦１．０、０≦ｂ≦０．５（ａ+ｂ＝１）、０．２≦ｃ≦０．４、０．６≦ｄ≦０．８（ｃ+ｄ＝１）、０．１５≦Ｘ≦０．５５（全て原子比率））なる組成を有する膜面内一軸磁気異方性の第１ナノグラニュラー膜であり、前記第２磁気ユニットは、（Ｍ３ｈＭ４ｉ）_１－Ｙ（Ｌ２ｊＦｋ）_Ｙ（Ｍ３：Ｆｅ，Ｃｏ，及びＮｉからなる群より選ばれる少なくとも一種、Ｍ４：Ｐｄ及びＰｔの少なくとも一種、Ｌ２：Ｌｉ，Ｍｇ，Ａｌ，Ｃａ，Ｓｒ，Ｂａ，Ｇｄ及びＹからなる群より選ばれる少なくとも一種、０．５≦ｈ≦１．０、０≦ｉ≦０．５（ｈ+ｉ＝１）、０．２≦ｊ≦０．４、０．６≦ｋ≦０．８（ｊ+ｋ＝１）、０．１５≦Ｙ≦０．５５（全て原子比率））なる組成を有する膜面内一軸磁気異方性の第２ナノグラニュラー膜であり、前記第１磁気ユニットの磁化方向と前記第２磁気ユニットの磁化方向とが直交していることを特徴とする、強磁性薄膜積層体に関する。なお、上記組成において、Ｆはフッ素を表す。

第１又は第２磁気ユニットにおいて、前記第１又は第２磁気ユニットは単層の前記組成範囲のナノグラニュラー膜でもよいが、このナノグラニュラー膜とＬ１ｃＦｄ若しくはＬ２ｊＦｋなる組成を有する薄い絶縁層との周期的多層構造を形成してもよい。この場合、第１若しくは第２の同一磁気ユニット内においては、ナノグラニュラー膜の面内一軸異方性の磁化容易方向は、全て同じ方向に向けられる。

積層構造において上下関係にある前記第１及び第２磁気ユニットは、お互いが静磁結合しないよう、Ｌ１ｃＦｄ若しくはＬ２ｊＦｋなる組成を有する厚い層間絶縁層により分断されている。

近年は、電子機器の、特に通信機器の高周波化が進んでおり、ＧＨｚ帯に及んでいる。この時、周波数の二乗に比例及び磁性体の電気抵抗率に反比例する渦電流損失が、ＵＨＦ帯以上（３００ＭＨｚ～）に及んでくると、無視できなくなる。従来磁性体である金属磁性薄膜は電気抵抗率が低いため、磁性体のデバイス応用における制約となっていた。

ナノグラニュラー膜は、従来の金属磁性膜と比較して電気抵抗率が高いため、電気抵抗率が低いと問題となる渦電流損失の影響を受けにくく、従来膜よりも高周波、特にＵＨＦ帯以上での用途に適している。

また、本発明の一態様において、基板と第１磁気ユニットとの間に下地膜を配設することができる。

前記下地膜は、（Ｍ５ｐＭ６ｑ）_１－Ｚ（Ｌ３ｒＦｓ）_Ｚ（Ｍ５：Ｆｅ，Ｃｏ，及びＮｉからなる群より選ばれる少なくとも一種、Ｍ６：Ｐｄ及びＰｔの少なくとも一種、Ｌ３：Ｌｉ，Ｍｇ，Ａｌ，Ｃａ，Ｓｒ，Ｂａ，Ｇｄ及びＹからなる群より選ばれる少なくとも一種、０．５≦ｐ≦１．０、０≦ｑ≦０．５（ｐ+ｑ＝１）、０．２≦ｒ≦０．４、０．６≦ｓ≦０．８（ｒ+ｓ＝１）、０．５５≦Ｚ≦１．００）なる組成を有する非強磁性第３ナノグラニュラー膜を含むことができる。

前記下地膜の有無、及び第１若しくは第２磁気ユニットの諸元をコントロールし、面内方向における透磁率分布の等方性を制御できる。特に、面内方向における透磁率分布を完全に等方にする場合には、前記下地層を要する。

さらに、本発明の一態様において、前記下地膜は、前記第３ナノグラニュラー膜上に、Ｌ３ｒＦｓの非強磁性層が積層されてなる２層構造とすることができる。

この場合も、第１若しくは第２磁気ユニットの諸元をコントロールし、面内方向における透磁率分布の等方性を制御できる。

また、本発明の一態様において、前記第１磁気ユニットの磁性層及び前記第２磁気ユニットは、同一の組成を有することができる。この場合、面内方向における透磁率分布を簡易に等方的にすることができ、下地膜の効果も相乗させることで、面内方向において完全当方とすることも可能である。

なお、本発明における「面内方向」とは、強磁性薄膜積層体の積層方向（膜厚方向）と直交する方向であって、各膜の膜面と平行な方向を意味するものである。

以上、本発明によれば、面内に等方的な磁気特性を有し、電子機器などに使用可能な新規な構成の強磁性薄膜積層体を提供することができる。

また、本発明における磁化や透磁率等の磁化特性の「等方性」とは、楕円率（単軸／長軸）が０．２以上の場合を意味する。

実施形態における強磁性薄膜積層体の概略構成図である。実験例１における積層体の設計構造図である。実験例１における面内静磁化曲線である。実験例１における面内高周波複素透磁率スペクトルである。各グラフの磁気特性測定方向の説明図である。実験例２における積層体の設計構造図である。実験例２における面内静磁化曲線である。実験例２における面内高周波複素透磁率スペクトルである。実験例３における積層体の設計構造図である。実験例３における面内高周波複素透磁率スペクトルである。実験例４における積層体の設計構造図である。実験例４における面内高周波複素透磁率スペクトルである。実験例５における面内高周波複素透磁率スペクトルである。実験例６における面内高周波複素透磁率スペクトルである。

以下、本発明の詳細及びその他の特徴について、発明を実施するための形態に基づいて説明する。

図１は、本実施形態における強磁性薄膜積層体の一例を示す概略構成図である。
図１に示すように、本実施形態の強磁性薄膜積層体１０は、基板１１と、この基板１１上に形成された下地膜１２と、この下地膜１２上に形成された第１磁気ユニット１３及び第２磁気ユニット１５とを有している。なお、第１磁気ユニット１３及び第２磁気ユニット１５間には層間絶縁膜１４が形成されている。

図１に示すように、磁気異方性定数Ｋ_ｕ1を有する第１磁気ユニット１３及び磁気異方性定数Ｋ_ｕ２を有する第２磁気ユニット１５において、第２磁気ユニット１５の磁化容易方向（⇔）から膜面内で角度θの方向に微少振幅の高周波磁界Ｈ_ｅｘが印加された時、第２磁気ユニット１５の透磁率μ_２は、μ_２（θ）＝Ｍ_ｓ２×ｓｉｎ^２θ／2Ｋ_ｕ2となる。第２磁気ユニット１５と磁化容易方向が直交（紙面奥行き）している第１磁気ユニット１３の透磁率μ_１は、μ_１（θ）＝Ｍ_ｓ１×ｃｏｓ^２θ／2Ｋ_ｕ1となる。強磁性薄膜積層体１０としての透磁率μ（θ）は、μ_１（θ）＋μ_２（θ）である。なお、Ｍ_ｓ１及びＭ_ｓ２は、それぞれ第１磁気ユニット１３及び第２磁気ユニット１５の飽和磁化である。

第１及び第２磁気ユニットの諸元が同じであれば、Ｍ_ｓ１＝Ｍ_ｓ２＝Ｍ_ｓ及びＫ_ｕ1＝Ｋ_ｕ2＝Ｋ_ｕのため、μ_１（θ）＋μ_２（θ）はＭ_ｓ／2Ｋ_ｕとなって、高周波磁界Ｈ_ｅｘの入射角度θの依存性がなくなり定数なることから、膜面内で、透磁率の分布が完全等方となる。一方、膜の諸元が一致せず、Ｋ_ｕ1≠Ｋ_ｕ２、若しくはＭ_ｓ１≠Ｍ_ｓ２及びＫ_ｕ1≠Ｋ_ｕ２であれば、透磁率の分布が完全等方から崩れ、あくまでも等方的となるが、直交した第１磁気ユニット１３及び第２磁気ユニット１５の透磁率μ_１（θ）及びμ_２（θ）が重畳するため、面内一軸異方性とは透磁率の分布が大きく異なる。

本原理自体は、非特許文献１（Y. Shimada, E. Sugawara, and H. Fujimori: “Initial permeability of composite anisotropy multilayer films”, Journal of Applied Physics, Vol. 76, No.4, pp. 2395-2398 (1994)）を例として、以前より知られる。

基板１１は、例えば、セラミック（ガラス、マグネシア、ジルコニア、サファイア等）、シリコン基板等、汎用のものから構成できる。

第１磁気ユニット１３は、（Ｍ１ａＭ２ｂ）_１－Ｘ（Ｌ１ｃＦｄ）_Ｘ（Ｍ１：Ｆｅ，Ｃｏ，及びＮｉからなる群より選ばれる少なくとも一種、Ｍ２：Ｐｄ及びＰｔの少なくとも一種、Ｌ１：Ｌｉ，Ｍｇ，Ａｌ，Ｃａ，Ｓｒ，Ｂａ，Ｇｄ及びＹからなる群より選ばれる少なくとも一種）なる組成を有する第１ナノグラニュラー膜である。

第１磁気ユニット１３、具体的には第１ナノグラニュラー膜の磁性層は、具体的には、ＣｏＰｄ－ＣａＦ_２、ＣｏＰｄ－ＭｇＦ_２、ＣｏＦｅＰｄ－ＣａＦ_２、ＣｏＦｅ－ＣａＦ_２、ＣｏＦｅ－ＢａＦ_２、及びＣｏＦｅ－ＭｇＦ_２などを挙げることができる。

また、磁性層を構成する金属（磁性）部分の割合を確定するａ，ｂは、０．５≦ａ≦１．０、０≦ｂ≦０．５（ａ+ｂ＝１）であることが好ましい。同様に、磁性層及び第１ナノグラニュラー膜を構成する絶縁層の金属Ｌ１とＦ（フッ素）との割合を確定するｃ、ｄは、０．２≦ｃ≦０．４、０．６≦ｄ≦０．８（ｃ+ｄ＝１）であることが好ましい。さらに、磁性層を構成する金属部分と絶縁部分との割合を確定するＸは、０．１５≦Ｘ≦０．５５であることが好ましい。これによって、本発明の目的を効率よく実現することができる。

なお、第１磁気ユニット１３の厚さｔ２は特に限定されるものではないが、１０～５０００ｎｍであることが好ましく、さらには２０～２０００ｎｍであることが好ましい。これ以外の厚さであると、強磁性薄膜積層体１０が面内方向において均一な磁気特性を奏することが困難な場合がある。

第２磁気ユニット１５は、（Ｍ３ｈＭ４ｉ）_１－Ｙ（Ｌ２ｊＦｋ）_Ｙ（Ｍ３：Ｆｅ，Ｃｏ，及びＮｉからなる群より選ばれる少なくとも一種、Ｍ４：Ｐｄ及びＰｔの少なくとも一種、Ｌ１：Ｌｉ，Ｍｇ，Ａｌ，Ｃａ，Ｓｒ，Ｂａ，Ｇｄ及びＹからなる群より選ばれる少なくとも一種）なる組成を有する第２ナノグラニュラー膜である。

具体的には、ＣｏＰｄ－ＣａＦ_２、ＣｏＰｄ－ＭｇＦ_２、ＣｏＦｅＰｄ－ＣａＦ_２、ＣｏＦｅ－ＣａＦ_２、ＣｏＦｅ－ＢａＦ_２、及びＣｏＦｅ－ＭｇＦ_２などを挙げることができる。

また、第２ナノグラニュラー膜を構成する金属（磁性）部分の割合を確定するｈ，ｉは、０．５≦ｈ≦１．０、０≦ｉ≦０．５（ｈ+ｉ＝１）であることが好ましい。同様に、第２ナノグラニュラー膜を構成する絶縁層の金属Ｌ２とＦ（フッ素）との割合を確定するｊ、ｋは、０．２≦ｊ≦０．４、０．６≦ｋ≦０．８（ｊ+ｋ＝１）であることが好ましい。さらに、第２ナノグラニュラー膜を構成する金属（磁性）部分と絶縁部分との割合を確定するＹは、０．１５≦Ｙ≦０．５５（全て原子比率）であることが好ましい。これによって、本発明の目的を効率よく実現することができる。

なお、第２磁気ユニット１５の厚さｔ４は特に限定されるものではないが、１０～５０００ｎｍであることが好ましく、さらには２０～２０００ｎｍであることが好ましい。これ以外の厚さであると、強磁性薄膜積層体１０が面内方向において均一な磁気特性を奏することが困難な場合がある。

また、第１若しくは第２磁気ユニットにおいて、第１若しくは第２ナノグラニュラー膜は単層でもよいが、Ｌ１ｃＦｄ若しくはＬ２ｊＦｋなる組成を有する薄い絶縁層との周期的多層構造を形成してもよい。この場合、第１若しくは第２の同一磁気ユニット内においては、ナノグラニュラー膜の面内一軸異方性の磁化容易方向は、全て同じ方向に向けられる。その周期は特に限定されず、例えば２～４００周期とすることができる。なお、本実施形態では、５周期としている。

また、各磁気ユニット１３及び１５の周期的多層構造を実現するために、ナノグラニュラー膜を仕切るための薄い絶縁層は、ＣａＦ_２、ＭｇＦ_２、ＢａＦ_２、ＡｌＦ_３、及びＧｄＦ_３などを挙げることができる。

また、上述した記載から明らかなように、第１磁気ユニット１３の磁性層、すなわちナノグラニュラー層及び第２磁気ユニット１５を構成する第２ナノグラニュラー膜は同一諸元であることが好ましい。この場合、以下に示す製造方法において、例えば同一のターゲット等を用いることができるので、強磁性薄膜積層体１０の面内方向における透磁率も簡易に等方的にすることができ、面内方向において等方的な磁気特性を簡易に得ることができる。

第１磁気ユニット１３の磁化方向と第２磁気ユニット１５の磁化方向は直交している必要がある。本実施形態では、図１に示すように、第１磁気ユニット１３が紙面水平方向に磁化しており（⇔）、第２磁化ユニット１５が紙面奥行き方向に磁化している。

また、第１磁気ユニット１３及び第２磁気ユニット１５間には層間絶縁膜１４が位置しており、第１磁気ユニット１３及び第２磁気ユニット１５の磁気的結合を分断している。

層間絶縁膜１４の厚さｔ３は、例えば５０～５０００ｎｍであることが好ましく、１００～１０００ｎｍであることがさらに好ましい。

また、層間絶縁膜１４は、第１磁気ユニット１３及び第２磁気ユニット１５を磁気的に分断すれば如何なる非強磁性絶縁成分組成であってもよいが、上方に位置する第２磁気ユニット１５の下地膜としても機能するので、第２磁気ユニット１５の絶縁層と同じ成分組成を有することが好ましい。

下地膜１２は、本実施形態における強磁性薄膜積層体１０において、先行技術とは異なる最も特徴的な部分である。すなわち、基板１１上に、第１磁気ユニット１３及び第２磁気ユニット１５を積層し、これらの間に層間絶縁膜１４を形成し、さらに第１磁気ユニット１３及び第２磁気ユニット１５の磁化方向を互いに直交させたのみでは、ナノグラニュラー膜を用いた強磁性薄膜積層体１０の面内方向において完全に等方な磁化特性を得られない。しかしながら、基板１１と第１磁気ユニット１３との間に下地膜１２を介在させることにより、強磁性薄膜積層体１０の面内方向において完全に等方な磁気特性を実現できる。

下地膜１２の厚さｔ１は、０～５００ｎｍであることが好ましく、さらには１０～１００ｎｍであることが好ましい。これによって、強磁性薄膜積層体１０の面内方向においてより均一な磁気特性をより簡易に実現できる。

また、下地膜１２は、第１磁気ユニット１３の下地膜でもあるので、好ましくは第１磁気ユニット１３の周期的多層構造である第１ナノグラニュラー膜の磁性層あるいは絶縁層と同様の成分組成を有することが好ましい。但し、第１ナノグラニュラー膜の磁性層と同様の成分組成とする場合、例えば、その金属（磁性）部分の割合が多いと、下地膜１２が強磁性を有することになり、第１磁気ユニット１３に対して下地膜としての効果以外に磁気的な影響を与えることになる。したがって、この場合は、金属（磁性）部分の割合を減少させて、下地膜１２が強磁性を帯びないようにすることが好ましい。

具体的には、下地膜１２が（Ｍ５ｐＭ６ｑ）_１－Ｚ（Ｌ３ｒＦｓ）_Ｚ（Ｍ５：Ｆｅ，Ｃｏ，及びＮｉからなる群より選ばれる少なくとも一種、Ｍ６：Ｐｄ及びＰｔの少なくとも一種、Ｌ３：Ｌｉ，Ｍｇ，Ａｌ，Ｃａ，Ｓｒ，Ｂａ，Ｇｄ及びＹからなる群より選ばれる少なくとも一種）なる組成を有する第３ナノグラニュラー膜であることが好ましい。このとき、０．５≦ｐ≦１．０、０≦ｑ≦０．５（ｐ+ｑ＝１）であり、０．２≦ｒ≦０．４、０．６≦ｓ≦０．８（ｒ+ｓ＝１）であり、０．５５≦Ｚ≦１．００である。

また、下地膜１２は、第３ナノグラニュラー膜上に、Ｌ３ｒＦｓの絶縁層が積層されてなる２層構造としてもよい。

以上より、本実施形態の強磁性薄膜積層体１０によれば、当該積層体１０の面内方向における透磁率が等方的になる。したがって、強磁性薄膜積層体１０は、面内のあらゆる方向に磁気抵抗がほぼ同じ磁気回路を形成し、磁気素子のインダクタンスを向上させると共に、高周波磁束及び電磁波の漏洩等を防止し、ＬＳＩやその他の部品の誤動作を防止した電子機器の磁気素子への応用や電磁シールド材として適用することができる。例えば、本実施形態の強磁性薄膜積層体１０は、１００ＭＨｚ程度の磁気シールドやＧＨｚ帯での電磁波吸収を達成することができる。

図１に示す強磁性薄膜積層体１０は、公知の方法によって製造することができる。具体的には、蒸着法、スパッタリング法などの公知の物理気相成長を用いて製造することができるが、膜厚制御の容易さなどの観点からスパッタリング法を用いることが望ましい。

スパッタリング法を用いる場合は、複数のターゲットを用いるいわゆる多元スパッタリング法を用いる。例えば、第１磁気ユニット１３を形成する場合は、Ｍ１ａＭ２ｂターゲット及びＬ１ｃＦｄターゲット（カソード側）を準備し、磁性層（ナノグラニュラー膜）部分を形成する際は、これら２つのターゲットから同時に基板（アノード側）に向けてスパッタリングを行う。この時、基板は公転させ、Ｍ１ａＭ２ｂターゲット及びＬ１ｃＦｄターゲットから発生したプラズマを交互に通過させる。前記周期的多層構造を形成する場合には、絶縁層を形成するために、Ｌ１ｃＦｄターゲットから基板（アノード側）に向けてスパッタリングを行う。このような動作を交互に複数回行うことによって、周期的多層構造の第１磁気ユニット１３を形成する。

第１磁気ユニット１３を形成の後、層間絶縁膜１４を、例えばＬ１ｃＦｄターゲットを用いて形成する。第２磁気ユニット１５の磁化方向は第１磁気ユニット１３の磁化方向と直交する必要がある。本多元スパッタリング法は、例えば非特許文献２（M. Naoe, N. Kobayashi, S. Ohnuma, M. Watanabe, T. Iwasa, and H. Masumoto: “Control of In-Plane Uniaxial Anisotropy of CoPd-CaF₂ Nanogranular Films by Tandem-Sputtering Deposition”, IEEE Magnetics Letters, Vol. 5, #3700404 (2014)）に示されているように、基板公転の遠心－向心方向が磁化容易方向となる。よって、一般には、第２磁気ユニット１５を形成する際には、第１磁気ユニット１３が形成された後、若しくは第１磁気ユニット１３及び層間絶縁膜１４が形成された後に、基板１１の向きを、９０度回転させた後、スパッタリング形成する。第１磁気ユニット１３が形成された後に基板を９０度回転させて再設置した場合には、第２磁気ユニット１５を形成する前に、層間絶縁膜１４を形成する。

下地膜１２を形成する場合は、Ｍ３ｈＭ４ｉターゲット及びＬ２ｊＦｋターゲットを準備し、これらのターゲットから同時に基板（アノード側）に向けてスパッタリングを行って、目的とするナノグラニュラー膜を形成する。

なお、一般に、スパッタリングで膜形成を行うと、その構造は、非特許文献２にも示されているように、微細な柱状のナノ複相構造を呈し、形成した膜が磁性膜の場合は、膜面に垂直に磁化容易軸が向きやすい傾向にある。しかしながら、本実施形態の場合は、上述したように各膜及び各ユニットの厚さが小さいために、膜の磁化の大きさに比較して膜厚方向に大きな反磁場が生じる。したがって、この大きな反磁場のために、膜の構造とは無関係に、例えば図１に示すように、第１磁気ユニット１３及び第２磁気ユニット１５の磁化は面内方向に向くようになる。

以下、本発明の効果を明確にするために行った実験例に基づいて本発明をより詳細に説明する。なお、本発明は、以下の実験例によって何ら限定されるものではない。

（実験例１）
基板１１として０．２ｍｍ厚のガラス基板を用い、これをスパッタリング装置（アネルバ製）内のアノード側に設置した。なお、スパッタリング装置内は、Ａｒ雰囲気（０．３Ｐａ）とした。

次いで、３インチのＣｏ_０．８８Ｐｄ_０．１２合金ターゲットと３インチの焼結ＣａＦ_２（Ｃａ_０．３３Ｆ_０．６７）ターゲットとを準備し、前者のターゲットに２０Ｗの電力を投入し、後者のターゲットに３４Ｗの電力を投入して、ガラス基板上に（Ｃｏ_０．８８Ｐｄ_０．１２）_０．２（Ｃａ_０．３３Ｆ_０．６７）_０．８なる組成の下地膜１２を厚さ２０ｎｍに形成した。

次いで、同Ｃｏ_０．８８Ｐｄ_０．１２ターゲットに７０Ｗの電力を投入し、同Ｃａ_０．３３Ｆ_０．６７ターゲットに３４Ｗの電力を投入して、（Ｃｏ_０．８８Ｐｄ_０．１２）_０．７４（Ｃａ_０．３３Ｆ_０．６７）_０．２６磁性層を厚さ２５ｎｍに形成するとともに、Ｃａ_０．３３Ｆ_０．６７ターゲットに３４Ｗの電力を投入して、Ｃａ_０．３３Ｆ_０．６７絶縁層を厚さ１０ｎｍに形成した。この操作を合計５回行うことによって９層５周期、総厚１６５ｎｍの周期的多層構造を有する第１ナノグラニュラー膜からなる第１磁気ユニット１３を形成した。

その後、Ｃａ_０．３３Ｆ_０．６７ターゲットに３４Ｗの電力を投入して、Ｃａ_０．３３Ｆ_０．６７層間絶縁層１４を厚さ１２０ｎｍに形成した。

次いで、基板１１の向きを９０度回転させ、第１ナノグラニュラー膜からなる第１磁気ユニット１３と同条件で第２ナノグラニュラー膜からなる第２磁気ユニット１５を形成し、強磁性薄膜積層体１０を得た。膜の設計構造が図２である。

このようにして得た強磁性薄膜積層体１０の面内磁化及び面内透磁率を測定し、図３及び図４に示すような結果を得た。図３及び図４中の測定方向を表す記号は、図５にスパッタ装置のアノードの一部の概略図を示した通りであり、以後共通である。

図３及び図４から明らかなように、本実験例で得た強磁性薄膜積層体１０の面内磁化に方向性はなく、面内透磁率は、∥方向、⊥方向、及び４５ｄｅｇ．方向のいずれにおいても一致しており、面内方向において完全等方の磁気特性を有することが分かる。

（実験例２）
実験例１と比較して、下地膜１２を設けていない強磁性薄膜積層体１０を作製した。膜の設計構造が図６である。

このようにして得た強磁性薄膜積層体１０の面内磁化及び面内透磁率を測定し、図７及び図８に示すような結果を得た。

図７及び図８から明らかなように、本実験例で得た本実験例で得た強磁性薄膜積層体１０の面内磁化には、やや方向性が表れている。面内透磁率は、∥方向の静的透磁率（μ’が低周波で一定となる値）が約５０で、⊥方向が約２５、４５ｄｅｇ．方向がこれらの中間値を取っていることから、透磁率の面内分布が、∥方向を長軸とする楕円率（単軸／長軸）が０．５の等方的分布となっていることがわかる。

なお、実験例１を含めた完全等方の場合の楕円率は１．０となる。一方、面内一軸異方性の場合には、磁化容易方向の高周波透磁率は１であるため、楕円率は限り無く０に近くなる。

このように、非特許文献３（伊藤哲夫、遠藤恭、柳邦雄、島田寛、山口正洋: 「CoZrNb直交磁化膜の高周波特性」, 電気学会マグネティックス研究会資料(MAG-13-048-059), MAG-13-057, pp. 51-56 (2013)）に示されているような、均質金属材料を用いた先行技術では完全等方となる、下地膜１２を設けていない強磁性薄膜積層体１０の積層構造において、ナノグラニュラー膜を用いた本実験例では、完全等方ではない等方的面内透磁率分布を作り出すことができる。この要因は、基板１１の成膜面と第１磁気ユニットの最下面によって構成される界面における磁気ひずみ、表面粗さ、若しくはナノ構造磁性体故の表面異方性の影響であると考えられる。

（実験例３）
基板１１として０．２ｍｍ厚のガラス基板を用い、これをスパッタリング装置（アネルバ製）内のアノード側に設置した。なお、スパッタリング装置内は、Ａｒ雰囲気（０．３Ｐａ）とした。

次いで、同Ｃｏ_０．８８Ｐｄ_０．１２ターゲットに７０Ｗの電力を投入し、同Ｃａ_０．３３Ｆ_０．６７ターゲットに３４Ｗの電力を投入して、（Ｃｏ_０．８８Ｐｄ_０．１２）_０．７４（Ｃａ_０．３３Ｆ_０．６７）_０．２６の組成及び厚さ１０００ｎｍの第１ナノグラニュラー膜からなる第１磁気ユニット１３を形成した。

次いで、基板１１の向きを９０度回転させ、第１ナノグラニュラー膜からなる第１磁気ユニット１３と同条件で第２ナノグラニュラー膜からなる第２磁気ユニット１５を形成し、強磁性薄膜積層体１０を得た。膜の設計構造が図９である。

このようにして得た強磁性薄膜積層体１０の面内透磁率を測定し、図１０に示すような結果を得た。

図１０から明らかなように、本実験例で得た強磁性薄膜積層体１０の面内透磁率は、図４と比較するとやや完全等方は崩れているものの、面内方向において楕円率の大きなほぼ完全等方の磁気特性を呈することが分かる。

（実験例４）
基板１１として０．２ｍｍ厚のガラス基板を用い、これをスパッタリング装置（アネルバ製）内のアノード側に設置した。なお、スパッタリング装置内は、Ａｒ雰囲気（０．３Ｐａ）とした。

次いで、基板１１の向きを９０度回転させ、同Ｃｏ_０．８８Ｐｄ_０．１２ターゲットに７０Ｗの電力を投入し、同Ｃａ_０．３３Ｆ_０．６７ターゲットに３４Ｗの電力を投入して、（Ｃｏ_０．８８Ｐｄ_０．１２）_０．７４（Ｃａ_０．３３Ｆ_０．６７）_０．２６の組成及び厚さ１０００ｎｍの第２ナノグラニュラー膜からなる第２磁気ユニット１５を形成し、強磁性薄膜積層体１０を得た。膜の設計構造が図１１である。

このようにして得た強磁性薄膜積層体１０の面内透磁率を測定し、図１２に示すような結果を得た。

図１２から明らかなように、故意に第１磁気ユニットと第２磁気ユニットの積層構造を変えることで諸元が一致していない本実験例で得た強磁性薄膜積層体１０の面内透磁率は、∥方向の静的透磁率が約９で、⊥方向が約１８、４５ｄｅｇ．方向がこれらの中間値を取っていることから、透磁率の面内分布が、楕円率（単軸／長軸）が０．５の等方的分布となっていることがわかる。但し、実験例３とは、透磁率が最大となる方向が、面内方向で９０度異なる。第１磁気ユニットと第２磁気ユニットの積層構造が大きく異なるが、楕円率が０．５と比較的大きいのは、第１磁気ユニットが第２磁気ユニットよりも高透磁率であるものの、第２磁気ユニットと比較すると第１ナノグラニュラー膜の合計膜厚が小さいため、体積比率で低透磁率の第２磁気ユニットの特性の効果が大きく現れるためである。

（実験例５）
基板１１として０．５ｍｍ厚のガラス基板を用い、これをスパッタリング装置（アルバック製）内のアノード側に設置した。なお、スパッタリング装置内は、Ａｒ雰囲気（１．１Ｐａ）とした。

次いで、４インチのＣｏ_０．３５Ｆｅ_０．６５合金ターゲットと４インチの焼結ＭｇＦ₂（Ｍｇ_０．３３Ｆ_０．６７）ターゲットとを準備し、前者のターゲットに５５０Ｗの電力を投入し、後者のターゲットに６７Ｗの電力を投入して、ガラス基板上に（Ｃｏ_０．３５Ｆｅ_０．６５）_０．７（Ｍｇ_０．３３Ｆ_０．６７）_０．３なる組成の磁性層を厚さ１００ｎｍに形成するとともに、Ｍｇ_０．３３Ｆ_０．６７ターゲットに６７Ｗの電力を投入して、Ｍｇ_０．３３Ｆ_０．６７絶縁層を厚さ１０ｎｍに形成した。この操作を合計５回行うことによって９層５周期、総厚５４０ｎｍの周期的多層構造を有する第１ナノグラニュラー膜からなる第１磁気ユニット１３を形成した。

その後、Ｍｇ_０．３３Ｆ_０．６７ターゲットに６７Ｗの電力を投入して、Ｍｇ_０．３３Ｆ_０．６７層間絶縁層１４を厚さ２００ｎｍに形成した。

次いで、基板１１の向きを９０度回転させ、同Ｍｇ_０．３５Ｆｅ_０．６５ターゲットに５５０Ｗの電力を投入し、同Ｍｇ_０．３３Ｆ_０．６７ターゲットに１００Ｗの電力を投入して、（Ｃｏ_０．３５Ｆｅ_０．６５）_０．６５（Ｍｇ_０．３３Ｆ_０．６７）_０．３５の組成及び厚さ１３０ｎｍとするとともに、Ｍｇ_０．３３Ｆ_０．６７ターゲットに６７Ｗの電力を投入して、Ｍｇ_０．３３Ｆ_０．６７絶縁層を厚さ１０ｎｍに形成した。この操作を合計５回行うことによって９層５周期、総厚７００ｎｍの周期的多層構造を有する第２ナノグラニュラー膜からなる第２磁気ユニット１５を形成し、強磁性薄膜積層体１０を得た。

このようにして得た強磁性薄膜積層体１０の面内透磁率を測定し、図１３に示すような結果を得た。

図１３から明らかなように、故意に第１磁気ユニットと第２磁気ユニットの積層構造及び組成を変え、諸元を一致させていない本実験例で得た強磁性薄膜積層体１０の面内透磁率は、∥方向の静的透磁率が約６０で、⊥方向が約２０、４５ｄｅｇ．方向がこれらの中間的値を取っていることから、透磁率の面内分布が、楕円率が０．３の等方的分布となっていることがわかる。本実験例では、第１磁気ユニット１３の方がＣｏＦｅが多く、高透磁率である。∥方向は第１磁気ユニット１３の磁化困難方向であり、こちらの透磁率が大きくなっている。⊥方向は第１磁気ユニット１３よりもＣｏＦｅが少ないことによって低透磁率な第２磁気ユニット１５の磁化困難方向であり、低透磁率となっていることから、透磁率の面内分布の制御として、他の実験例よりも楕円率が小さくなっている妥当な結果を示している。

（実験例６）
実験例３における作製工程を省略し、第１磁気ユニット１３のみを基板１１上に形成した。つまりは、面内一軸異方性の第１ナノグラニュラー膜である。

本実験例の面内透磁率が図１４である。４５ｄｅｇ．方向は省略してある。磁化困難方向である∥方向では、静的透磁率が約１６の特性を呈しているが、磁化容易方向である⊥方向では、静的透磁率が１である（６００ＭＨｚ以下の大きな値は測定ノイズである）。これは、磁化容易方向の透磁率は、数百ｋＨｚ～数ＭＨｚで共鳴するため、透磁率を計測している１００ＭＨｚ以上では、磁性体としての静的透磁率を発現しないためである。楕円率は０．０６となる。各実験例で示した等方的面内透磁率分布に対し、異方的と言える。

以上、本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は例として掲示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

１０強磁性薄膜積層体
１１基板
１２下地膜
１３第１磁気ユニット
１４層間絶縁膜
１５第２磁気ユニット

Claims

基板上に、第１磁気ユニット、層間絶縁膜及び第２磁気ユニットがこの順に積層された強磁性薄膜積層体であって、
前記第１磁気ユニットは、（Ｍ１ａＭ２ｂ）_１－Ｘ（Ｌ１ｃＦｄ）_Ｘ（Ｍ１：Ｆｅ，Ｃｏ，及びＮｉからなる群より選ばれる少なくとも一種、Ｍ２：Ｐｄ及びＰｔの少なくとも一種、Ｌ１：Ｌｉ，Ｍｇ，Ａｌ，Ｃａ，Ｓｒ，Ｂａ，Ｇｄ及びＹからなる群より選ばれる少なくとも一種、０．５≦ａ≦１．０、０≦ｂ≦０．５（ａ＋ｂ＝１）、０．２≦ｃ≦０．４、０．６≦ｄ≦０．８（ｃ＋ｄ＝１）、０．１５≦Ｘ≦０．５５（全て原子比率））なる組成を有する膜面内一軸磁気異方性の第１ナノグラニュラー膜であり、
前記第２磁気ユニットは、（Ｍ３ｈＭ４ｉ）_１－Ｙ（Ｌ２ｊＦｋ）_Ｙ（Ｍ３：Ｆｅ，Ｃｏ，及びＮｉからなる群より選ばれる少なくとも一種、Ｍ４：Ｐｄ及びＰｔの少なくとも一種、Ｌ２：Ｌｉ，Ｍｇ，Ａｌ，Ｃａ，Ｓｒ，Ｂａ，Ｇｄ及びＹからなる群より選ばれる少なくとも一種、０．５≦ｈ≦１．０、０≦ｉ≦０．５（ｈ＋ｉ＝１）、０．２≦ｊ≦０．４、０．６≦ｋ≦０．８（ｊ＋ｋ＝１）、０．１５≦Ｙ≦０．５５（全て原子比率））なる組成を有する膜面内一軸磁気異方性の第２ナノグラニュラー膜であり、
前記第１磁気ユニットの膜面内磁化容易方向と前記第２磁気ユニットの膜面内磁化容易方向とが直交していることを特徴とする、強磁性薄膜積層体。
前記基板と前記第１磁気ユニットとの間に配設された下地膜を有することを特徴とする、請求項１に記載の強磁性薄膜積層体。
前記下地膜は、（Ｍ５ｐＭ６ｑ）_１－Ｚ（Ｌ３ｒＦｓ）_Ｚ（Ｍ５：Ｆｅ，Ｃｏ，及びＮｉからなる群より選ばれる少なくとも一種、Ｍ６：Ｐｄ及びＰｔの少なくとも一種、Ｌ３：Ｌｉ，Ｍｇ，Ａｌ，Ｃａ，Ｓｒ，Ｂａ，Ｇｄ及びＹからなる群より選ばれる少なくとも一種、０．５≦ｐ≦１．０、０≦ｑ≦０．５（ｐ＋ｑ＝１）、０．２≦ｒ≦０．４、０．６≦ｓ≦０．８（ｒ＋ｓ＝１）、０．５５≦Ｚ≦１．００（全て原子比率））なる組成を有する第３ナノグラニュラー膜を含むことを特徴とする、請求項２に記載の強磁性薄膜積層体。
前記下地膜は、前記第３ナノグラニュラー膜単層、若しくはその上に、Ｌ３ｒＦｓの絶縁層が積層されてなる１層乃至２層構造であることを特徴とする、請求項３に記載の強磁性薄膜積層体。
前記第１ナノグラニュラー膜及び前記第２ナノグラニュラー膜の少なくとも一方は周期的多層構造であることを特徴とする、請求項１～４のいずれか１項に記載の強磁性薄膜積層体。
前記下地膜の厚さが、０～５００ｎｍであることを特徴とする、請求項２～４のいずれか１項に記載の強磁性薄膜積層体。
前記第１磁気ユニットの厚さが、１０～５０００ｎｍであることを特徴とする、請求項１～６のいずれか１項に記載の強磁性薄膜積層体。
前記第２磁気ユニットの厚さが、１０～５０００ｎｍであることを特徴とする、請求項１～７のいずれか１項に記載の強磁性薄膜積層体。
前記層間絶縁膜の厚さが、５０～５０００ｎｍであることを特徴とする、請求項１～８のいずれか１項に記載の強磁性薄膜積層体。
前記第１磁気ユニットの磁性層及び前記第２磁気ユニットは、同一の組成を有することを特徴とする、請求項１～９のいずれか１項に記載の強磁性薄膜積層体。
前記強磁性薄膜積層体の磁化が、当該積層体の面内方向において等方的であることを特徴とする、請求項１～１０のいずれか１項に記載の強磁性薄膜積層体。
前記強磁性薄膜積層体の透磁率が、当該積層体の面内方向において等方的であることを特徴とする、請求項１～１１のいずれか１項に記載の強磁性薄膜積層体。