JPH0254641B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 この発明は、変成器、インダクタあるいは磁気
ヘツド等の磁気素子に係るもので、特に高周波域
における周波数特性の改善を計つた磁気素子に関
する。

この種の磁気素子の磁心材料として、近年、非
晶質磁性材料が注目されている。非晶質磁性材料
は、高透磁率、低抗磁力、低磁気損失等の点で従
来の結晶性磁性材料に比べて優れた磁気特性を有
しており、これを磁心として用いた磁気素子は従
来の磁気素子に比べて高域周波数特性が良好であ
る。ところで、従来の非晶質磁性材料は、一般
に、ローラ急冷法と呼ばれる液相急冷法によつて
薄帯状のものとして製作されているが、この種の
製法によつて得られる薄帯状材料の厚さは、通常
15μｍ以上である。また、このような材料は、上
記薄帯状のものを巻回して、あるいはこの薄帯状
のものから打ち抜かれた環状板を積層して、磁心
に形成されるため、製作過程においても、また磁
心に形成した後においても、熱処理等によつて磁
区構造を制御することは極めて困難であつた。し
たがつて、上記のような製法による非晶質材料を
用いた磁心は、その材料の薄さの限界から渦電流
が発生し易く、また磁区構造の制御の困難性から
磁化過程が磁壁の運動に大きく依存するため、高
周波域における損失が急激に増大することにな
り、この結果、数100KHzまでしか使用すること
ができないという問題があつた。

上記の問題を解決するには、非晶質材料を、ス
パツタ法あるいは蒸着法等の気相成長法によつて
充分に薄い薄膜状に形成することが考えられる。
このようにすれば、渦電流を減少させることがで
き、しかも反磁界効果が小となるので磁区構造の
制御も比較的容易になる。したがつて、非晶質材
料を気相長法によつて薄膜状に形成し、かつこれ
を非磁性絶縁物を介在させて複数枚積層して磁心
とすれば、10MHz程度まで使用可能な磁気素子を
得ることができる。しかしながらこの場合にも、
材料を使用目的に応じた磁心の形状において熱処
理することが困難であること、また渦電流が減少
はするが残存すること、等によつて、数10MHz付
近で損失が急増してしまい、それ以上の周波数で
は使用し得えないという問題があつた。したがつ
て、周波数特性を更に改善するには、使用する非
晶質材料の厚さを更に薄くすることが考えられる
が、これを1μｍ以下の薄さにすると、従来と同
様の考え方で構成したのでは、気相成長時に起こ
る島状構造あるいは基板の凹凸等が影響して基本
的な磁気特性が劣化してしまうため特性の改善は
期待できなかつた。

この発明は、以上の諸事情に鑑み、非晶質材料
を用いかつ新規な構成によつて、従来の磁気素子
より高周波域における周波数特性が一層優れた磁
気素子を提供することにある。

以下、この発明による磁気素子について詳細に
説明する。

この発明による磁気素子の磁心は、特定範囲内
の厚さを有する非晶質合金の薄膜と、他の特定範
囲内の厚さを有する絶縁物の薄膜とを、交互に積
層して構成することによつて、渦電流の抑制効果
に加えて、非晶質合金の薄膜間の磁気的相互作用
を利用して周波数特性の向上を計つている。すな
わち、上記の場合、非晶質合金の膜厚を数千Å以
下、また絶縁物の厚さと数百Åとすれば、非晶質
合金の膜厚を薄くしたことに起因してその磁壁お
よび構造欠陥から漏れ磁束が生じたとしても、こ
の漏れ磁束は両隣りの非晶質合金薄膜を介して還
流するようになり、これによつて前記磁壁および
構造欠陥が持つエネルギポテンシヤルの勾配が緩
やかになると共に、同磁壁の厚さも増加する。し
たがつて、上記のような構成にすれば、磁壁の移
動が容易になり、かつ非晶質合金の薄膜に島状構
造等の欠陥が形成されたとしても、この欠陥の影
響を低減することができる。

ここで、この発明において使用される非晶質合
金の組成について述べる。この非晶質合金は、 T_100-x｛M_100-y-zG_yR_z｝_x なる組成式で示されるもので、ここでＴは、常温
における磁気飽和レベルを高くするための強磁性
金属であつて、例えば、Fe、Co、Niのうちの少
なくとも１種以上からなる金属元素（またはこれ
らのうち２種以上の混合物が好適）である。この
強磁性金属Ｔは、飽和磁束密度を高めるために、
その含有量が原子量％で50以上かつ99以下である
ことが望ましい。また、Ｍは、磁歪効果を調整す
るために必要とされる金属であつて、例えば、
Sc、Ｙ、La、Ti、Zr、Hf、Be、Cr、Ta、Ｗ、
Nb、Ｖ、Mo、Mn、Cuのうちの少なくとも１種
以上からなる金属元素、（またはこれらのうちの
２種以上の混合物が好適）である。この磁歪調整
用金属Ｍは、非晶質合金の結晶化温度を上昇させ
る効果があり、これによつて非晶質合金の熱的な
安定度が得られる。また、Ｇは、この非晶質合金
に強磁性金属ＴとしてCoを多量に使用した場合
に、非晶質化を容易にするために用いられる半金
属元素で、例えば、Ｂ、Si、Ｃ、Ａ、Ge、Sn、
Sbのうち少なくとも１種以上からなる元素であ
る。また、Ｒは、Coを多量に用いた場合に結晶
化温度の低下等の不安定性が生じた場合に用いら
れるもので、例えばCe、Pr、Nd、Pm、Sm、
Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm、Yb、Lu、
Ｙのうちの少くとも１種以上からなる元素であ
る。以上に述べた調整用の元素Ｍ、Ｇ、Ｒは、そ
の含有量ｘが原子量％で１〜50％となる。この場
合、磁歪整用金属Ｍは必須成分であるが、他の元
素Ｇ、Ｒは各々必要に応じて用いられるものであ
る。したがつて、元素Ｍに対する元素Ｇの含有量
ｙおよび元素Ｒの含有量ｚは、 ０≦ｙ＜100 ０≦ｚ＜100 ０≦ｙ＋ｚ＜100 となる。

ところで、この発明による磁気素子は、主とし
て高周波域で使用することを目的としているの
で、半導体集積回路等との結合のために小型化、
低電力化が可能であることが望ましく、さらに、
製作過程での化学的処理あるいは物理的加工（例
えば応力付加、高温加熱等）に耐えるものでなけ
ればならない。したがつて、前記含有量ｘ、ｙ、
ｚは、Ｔによる飽和磁束密度の向上、Ｍによる磁
歪調整、またＭ、Ｇ、Ｒによる化学的処理の容易
さおよび高温における磁気特性の安定化の最適と
となるように各々適宜の値に設定されなければな
らない。

次に、この発明における絶縁膜用材料として
は、容易に薄膜状に形成し得る非磁性絶縁物であ
る必要性から、SiO₂、Ａ₂O₃あるいはMgO等の
酸化物が挙げられる。

次に、前述した各組成物からなる非晶質合金の
薄膜と、上記組成物からなる絶縁膜との積層構造
について詳述する。

第１図は、Co₈₇Zr₅Nb₈なる組成を有しかつス
パツタ法によつて形成された非晶質合金の磁性薄
膜を、単層構造で使用した場合と、各層間に
SiO₂からなる厚さ50Åの絶縁膜を介在させて４
層の多層構造にして使用した場合とについて、前
記磁性薄膜の厚さＤを変化させた時のこれら両者
の抗磁力Hcの変化を測定しプロツトしたもので
ある。この第１図から明らかなように、鎖線で示
す単層構造のものは厚さＤを減少させると抗磁力
Hcが増大するが、実線で示す多層構造のものは
厚さＤを減少させても抗磁力Hcはそれ程増大す
ることがなく、100≦Ｄであれば磁気素子として
好適な低抗磁力を確保することができる。

第２図は、第１図における測定に用いられたも
のと同種の磁性薄膜を、単層構造で使用した場合
と、各層間にSiO₂からならる厚さ100Åの絶縁膜
を介在させて10〜50層の多層構造にして使用した
場合について、非晶質合金の厚さＤを変化させて
これら両者の初透磁率μ_pを1KHzなる励磁周波数
において測定したものである。この図から明らか
なように、鎖線で示す単層構造のものは厚さＤが
10000Å以下、特に5000Å以下ではμ_pが急激に減
少するが、実線で示す多層構造のものはμ_pの減少
は僅かである。すなわち、多層構造のものにおい
ては、絶縁膜の厚さｄにも左右されるが、厚さＤ
が10000Å以下、特に5000Å以下において磁性薄
膜間の磁気的相互作用によつて磁気特性が著るし
く改善されらる。

また、第３図は、Co₉₀Zr₁₀なる組成を有しかつ
スパツタ法によつて形成された厚さ2000Åの非晶
質合金の薄膜を、層間にSiO₂からなる絶縁膜を
介在させて２層構造にしたものにおいて、この絶
縁膜の厚さｄを変化させた時の抗磁力Hcの変化
を測定しプロツトしたものである。この図から明
らかなように、厚さｄが10Å以下では抗磁力Hc
が急激に増加してしまう。

さらに、第４図は、Co₈₇Zr₅Nb₈なる組成の非
晶質合金の磁性薄膜を、層間にSiO₂からなりか
つ厚さ100Åの絶縁膜を介在させて多層構造とし
たものについて、前記磁性薄膜の厚さＤを2500Å
としかつ40層の多層構造とした場合（実線で示
す）、厚さＤを1μｍとしかつ12層の多層構造とし
た場合（１点鎖線で示す）、厚さＤを2.7μｍとし
かつ４層の多層構造とした場合（２点鎖線で示
す）の各場合について、励磁周波数ｆを変化させ
て透磁率μを測定したものである。この図から明
らかなように、磁性薄膜は２層以上積層したもの
であれば積層数によつて特性上それ程大きな差が
生じることはないが、磁性薄膜の膜厚に関しては
厚さＤが増加すると、高周波域における透磁率μ
が減少することが解る。

そして、第１図ないし第４図に示した各特性か
ら明らかなように、磁性薄膜の厚さＤと、絶縁膜
の厚さｄとに関して考察すると、厚さＤをあまり
増大させると（例えば10000Å以上にすると）、両
隣りの磁性薄膜からの磁束が当該磁性薄膜の厚み
方向の中間部まで浸透しなくなるため、磁気的相
互作用が減少して特性の改善が計れないことが解
る。また厚さＤをあまり薄くすると（例えば100
Å以下にすると）、絶縁膜の厚さｄが相対的に増
大することになり、この結果、得られる磁束が減
少してしまう。また、厚さｄをあまり増大させる
と（例えば2000Å以上にすると）、磁性薄膜間の
磁気的相互作用が減少して特性が劣化してしま
う。さらに厚さｄを薄くし過ぎると（例えば10Å
以下にすると）、絶縁膜の島状構造が顕著となつ
て絶縁物としての機能を失なうことになり、これ
によつて磁性薄膜同志が直接交換相互作用を奏す
るようになり、全体が１つの磁性材料のようにな
つてしまうため特性が著るしく劣化する。したが
つて、この発明における非晶質合金薄膜の厚さＤ
は、 100Å≦Ｄ≦10000Å また、絶縁膜の厚さｄは、 10Å≦ｄ≦2000Å であることが望ましい。

なお、以上に述べたような多層構造は、磁性薄
膜としてパーマロイ等の結晶性の合金を用いても
得られるように思われるが、このような結晶性の
合金を用いると、(イ)結晶粒界のため抗磁力が高く
なる、(ロ)熱処理を行なうと相互拡散によつて多層
構造が損われる、(ハ)スパツタ法等の気相成長法に
おいては結晶成長が起きにくいため強い相互付着
力を持つ薄膜を形成することが困難である、等の
問題が生じることは周知の事実である。

次に、この発明による磁気素子の用途について
述べると、この磁気素子の磁心は、渦電流の発生
が少なくかつ磁壁の運動の著るしい高速化が計れ
るから、高周波域における高透磁率、低抗磁力、
高角形性および高速磁化反転特性等の優れた特性
を有する。したがつて、この磁気素子は、今まで
磁気素子自体の周波数特性の限界から数＋ＫHz程
度の動作周波数に制限されてた各種装置における
磁気素子として使用することができる。これらの
ものとしては、磁化過程の可飽和特性、非直線
性、磁束レベルの保持機能を利用する素子が含ま
れ、具体的には、磁気増幅器、磁気移相器、ある
いはパラメトリツク増幅器等における磁気素子、
およびロイヤー発振器、スイツチング電源、DC
−DCコンバータ等における磁気素子等が挙げら
れる。また、リアクタンス機能、電気エネルギ変
成機能を利用して、高周波用インダクタ、変圧
器、変流器として構成することができる。さら
に、高透磁率、低抗磁力を利用して、磁気センサ
を構成することができる。この磁気センサとして
は、所謂磁気ヘツドあるいはマグネツトメータ用
磁気素子等が挙げられる。上記マグネツトメータ
用磁気素子は、具体的にはこの発明による積層体
を棒状に形成し、これに充分な巻き線を施して構
成すればよい。

次に、この発明の実施例について詳述する。

実施例 １ 基板上に、Co₉₀Zr₃Nb₅Nd₂の組成からなりか
つ厚さ2500Åの非晶質合金薄膜と、SiO₂からな
る厚さ50Åの絶縁膜とをスパツタ法によつて交互
に各50層、順次積層形成した。次に、その最上面
に、内径1.5mm、外径３mmの環状のフオトレジス
ト膜を形成した後これをマスクとしてエツチング
を行ない、さらに前記基板を切り離して第５図に
示すような環状の磁心１を得た。次いで、この磁
心１を、500℃の温度で約１時間熱処理した後、
図に示すように、0.05mmφの銅線２を約３ターン
巻回して磁気素子３を作製した。この磁気素子３
は、半導体−磁気回路に使用して数百ＭHzまで充
分動作した。なお、この磁気素子３に使用された
非晶質合金薄膜においては、Nbを添加すること
によつて、耐腐食性を向上させて化学的処理を容
易ならしめ、また結晶化温度を上昇させて高温熱
処理を可能にした。なお、第５図における矢印４
は、非晶質合金の磁化容易軸を示している。

実施例 ２ Co₉₀Y₁Nb₇Si₂の組成からなりかつ厚さ5000Å
の非晶質合金薄膜と、SiO₂からなる厚さ100Åの
絶縁膜とをスパツタ法によつて交互に各10層、積
層形成し、これをリボン状に加工した。次に、上
記にものを、絶縁物からなりかつ内径１mm、外径
1.4mmの管状体に10ターン巻回した後輪切りにし、
第６図に示すような厚さ１mmの環状の磁心５を得
た。なお、この図において、６は前記リボン状の
積層体を、また７は前記管状体を示す。次に、こ
の磁心５を、約450℃で熱処理した後、導線を１
〜10ターン巻回して磁気素子を作製した。この磁
気素子は、超小型変成器またはインダクタとして
数百ＭHzまで使用し得ることが確認された。な
お、この実施例においては、非晶質合金をリボン
状に形成する必要性から、同合金の脆性を低下さ
せるためにNbの添加量を多くし、またこれによ
つて磁歪が増加したり非晶質組成の範囲が縮少し
たりするのを防止するためにＹ、Siが添加されて
いる。

実施例 ３ 鏡面研摩した絶縁性基板上にCo₈₅Y₂Nb₇W₆か
らなりかつ厚さ5000Åの非晶質合金薄膜を、厚さ
50ÅのSiO₂膜を挾んで、20層積層形成した後、
この上面に前記基板と同質同寸法の保護層を形成
した。次に、上記のものを研削、ラツピングし
て、第７図に示すような磁気ヘツド用磁心８を得
た。この磁心８は、平坦な磁気ギヤツプ用の面９
ａが形成された磁心片９と、切り欠き部１０によ
つて隔てられた２つの磁気ギヤツプ用の面１１
ａ，１１ｂが形成された磁心片１１とからなるも
ので、各磁心片９，１１において、１２は前記基
板、１３は前記非晶質合金、１４は前記SiO₂膜、
１５は前記保護層である。そして、これら各磁心
片９，１１は、熱処理された後、面９ａと面１１
ａ，１１ｂとがガラス融着され、更に磁界中にお
いて熱処理がなされた後、導線１６が巻回され
た。なお、このようにして製作された磁気ヘツド
１７において、符号１８で示す部分が記録、再生
用の磁気ギヤツプを形成する。また、この実施例
における非晶質合金には、磁気ヘツドとしての耐
磨耗性を向上させるためにNbが、結晶化温度を
向上さるためにＷが、磁の調整を行うためにＹが
各々添加された。この磁気ヘツド１７は、数百Ｍ
Hzまでの信号に対して動作し得るものである。

以上の説明から明らかなように、この発明によ
る磁気素子は、非晶質合金からなりかつ厚さＤが
100Å≦Ｄ≦10000Åの範囲にある磁性薄膜と、非
磁性絶縁物からなりかつ厚さｄが10Å≦ｄ≦2000
Åの範囲にある絶縁膜とを、交互に複数枚積層し
て形成した磁心を有してなるものであるから、磁
心における渦電流の抑制効果に加えて、磁性薄膜
間の磁気的相互作用によつて磁壁の移動を高速化
することができ、これによつて従来使用されてい
た磁気素子に比べて格段高い周波数まで動作する
磁気素子を実現することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図および第２図は非晶質合金薄膜を単層体
または多層体として使用した場合の膜厚と抗磁力
との関係、および膜厚と透磁率との関係を各々示
す特性図、第３図は非晶質合金薄膜を多層体とし
て使用した場合の絶縁膜の膜厚と抗磁力との関係
を示す特性図、第４図は互いに膜厚の異なる３種
の非晶質合金薄膜の積層体において、励磁周波数
と透磁率との関係を示す特性図、第５図はこの発
明の第１の実施例の斜視図、第６図はこの発明の
第２の実施例の斜視図、第７図はこの発明の第３
の実施例の斜視図である。 １……磁心、３……磁気素子。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ 組成式がT_100-x｛M_100-y-zG_yR_z｝_xで示され、
   ＴがFe、Co、Niのうちの少なくとも１種からな
   る金属元素または混合物、ＭがSc、Ｙ、La、Ti、
   Zr、Hf、Be、Cr、Ta、Ｗ、Nb、Ｖ、Mo、
   Mn、Cuのうちの少なくとも１種からなる金属元
   素または混合物、ＧがＢ、Si、Ｃ、Al、Ge、
   Sn、Sbのうちの少なくとも１種からなる元素ま
   たは混合物、ＲがCe、Pr、Nd、Pm、Sm、Eu、
   Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm、Yb、Lu、Ｙのう
   ちの少なくとも１種からなる元素または混合物で
   あつて、ｘ、ｙ、ｚが１≦ｘ≦50、０≦ｙ＜100、
   ０≦ｚ＜100、０≦ｙ＋ｚ＜100を満足する非晶質
   合金から形成された厚さＤが100Å≦Ｄ≦10000Å
   の範囲にある磁性薄膜と、厚さｄが10Å≦ｄ≦
   2000Åの範囲にある非磁性絶縁膜とからなりかつ
   前記磁性薄膜と前記絶縁膜とを、交互に複数枚積
   層して形成した磁心を具備してなる磁気素子。