JPH07232926A - 微細結晶粒フェライト及びその製造方法 - Google Patents
微細結晶粒フェライト及びその製造方法Info
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Abstract
結晶粒を有するフェライト材料及びその製造方法を提供
すること。 【構成】 フェライトを一旦非晶質化した後に少なくと
も結晶化温度以上の温度にて熱処理を施し、平均結晶粒
径20nm以下の結晶組織を有する微細結晶粒を有する
フェライトを作成する。
Description
ンダクタ、センサ、磁気ヘッド等の磁心材料として有用
な微細結晶粒フェライト及びその製造方法に関するもの
である。
用磁心材料としては、センダスト,パーマロイ等の合金
系材料が用いられてきた。
高性能化などの要求が高まっており、このような要求を
満足するために、例えば電源等の動作周波数は高周波化
されつつある。そこで磁性部品を構成する軟磁性材料に
は固有抵抗が高いため高周波領域における損失が低いフ
ェライト系の磁性材料が用いられている。
ンダストやパーマロイは固有抵抗が低く、高周波領域で
は損失が大きくなるという問題があった。また、フェラ
イト系の軟磁性材料では飽和磁化が大きい組成領域では
保磁力も大きく、保磁力の小さな組成領域では飽和磁化
も低下してしまうため電子機器の小型化、高性能化に対
し問題となっている。さらに、小型化に対応するため
に、従来の焼結フェライトをスパッタリング法などの薄
膜形成手段によって薄膜化した場合、磁気特性が大幅に
劣化し、実用に供しえなかった。
れたもので、センダストやパーマロイなどの金属薄膜よ
りも高い固有抵抗を備え、高周波領域での損失が少な
く、さらに、従来の薄膜フェライトと比較して高い飽和
磁化と小さな保磁力とを同時に実現し、電子機器の小型
化に対応可能とし、結晶粒径を均一に微細化した微細結
晶粒フェライト及びその製造方法を提供することを目的
とする。
明では平均結晶粒径20nm以下の結晶組織を有し、組
織の非晶質形成を促進する元素あるいは化合物を添加し
てなる微細結晶粒フェライトとしたものである。
組織はスピネル型であり、ここで、前記微細結晶粒フェ
ライトの組成は好ましくはFe2 O3 を30〜80mo
l%、MnOを10〜50mol%、ZnOを0〜30
mol%有する組成のM−Znフェライトであって、さ
らに、B,N,BN,SiO2 ,Wのうち1種又2種以
上が添加されてなり、ただし、B,N,BNはこのうち
の1種又は2種以を0〜4wt%、さらに好ましくは
0.5〜4wt%であり、SiO2 は0〜16wt%、
さらに好ましくは5〜16wt%、Wは0〜80wt
%、さらに好ましくは30〜80wt%の範囲で添加量
するものである。
方法は、非晶質化したフェライトを、好ましくは不活性
ガス雰囲気中または酸化性ガス雰囲気中にて結晶化温度
以上の温度により、より好ましくは400〜650℃に
て熱処理し、その結晶組織を平均結晶粒径20nm以下
に微細化させることとしたものである。
m以下の平均結晶粒径を有することを特徴とするもので
ある。平均結晶粒径を20nm以下に限定したのは、平
均結晶粒径が20nmより大きい場合には、結晶自体の
結晶磁気異方性が全体に支配的になり小さな保磁力が得
られないためである。これに対し、平均結晶粒径を20
nm以下とした場合には、磁壁の幅とほぼ同等となり隣
接粒子との磁気的相互作用により、巨視的な磁気異方性
が低下するため、保磁力が低下する。
Mn−Znフェライトである場合には、Fe2 O3 を3
0〜80mol%、MnOを10〜50mol%、Zn
Oを0〜30mol%有する組成としたものが好まし
く、この組成範囲から外れると磁気的特性が劣化する。
くはBN(窒化硼素)または、SiO2 ,Wは、非晶質
形成に有用な元素または化合物である。B,N,BN
は、このうち1種又は2種以上の添加量が4wt%を越
えると飽和磁化が劣化し好ましくない。また、非晶質形
成を容易にするためには微量な添加でもあるいは添加が
なくてもその効果は得られるが、より非晶質形成を容易
にするためには、その添加量を0.5wt%以上とする
ことがより好ましい。SiO2 についても同様なことが
言えるが、この場合、16wt%を越えると飽和磁化が
劣化し、添加がなくても非晶質化は可能であるが、より
好ましくは5wt%以上添加するとよい。また、Wにつ
いても同様であり、80wt%を越えると磁気特性が悪
化し、添加がなくても非晶質化は可能であるが、30w
t%以上添加すると非晶質化がより容易になる。
ずれかが少なくとも1種又は2種以上が上記のような添
加量にて添加されていれば良いことはもちろん、複合し
て添加すれば相乗的な効果が得られることは十分考えら
れる。
ング法などの薄膜形成手段により、組織を一旦非晶質化
させた後、少なくとも結晶化温度以上の熱処理によって
組織中に平均結晶粒径20nm以下の均一で微細な結晶
組織を析出させることに特徴があり、このように結晶組
織が均一に微細化することによって磁気特性が著しく向
上するものと考えられる。この時、組織中に若干の非晶
質相が残存していても良い。
い、水冷(冷却水温度:0℃)したSi基板上にフェラ
イト膜を成膜した。なお、スパッタ装置内のガス圧はサ
ンプルNo.1〜6の試料は2Pa、サンプルNo.
7、8の試料は1.5Paであり、スパッタ時間は4時
間、入力電圧は200Wとした。
を有するフェライト膜を作成した。
Oの基本成分からなるMn−Znフェライトターゲット
に対し、BNをどのくらいの面積比で配置したかを示す
ものであり、膜組成は成膜後の膜の組成を示し、添加量
は膜組成より算出した添加物質の実質的な添加量を示す
ものである。
ライト膜のas depo.(成膜後)状態において
は、図1及び図2のX線回折グラフから見て分かる通
り、非晶質に特有のハローな回折図形となっており、非
晶質状態であることが分かる。なお、図1はサンプルN
o.1の組成からなる試料のX線回折結果を示したグラ
フであり、であり、図2はサンプルNo.7の組成から
なる試料のX線回折結果を示したグラフである。
o.1のものとNo.7の試料を昇温速度10℃/分、
保持時間2時間、保持温度400℃、500℃、600
℃、700℃でAr雰囲気中にて熱処理を施した。この
ような熱処理を施した試料のX線回折パターンを測定し
た。測定結果を図1、図2に示す。なお、○の位置にあ
るピークはフェライトのスピネル構造の結晶を示し、●
の位置にあるピークはFe3 (BO3)O2 のピーク
を、△はFe(BO2 )2 のピークを示す。
00℃で熱処理では、ほぼ、フェライトの結晶のみが析
出しており、700℃で熱処理した場合には、フェライ
トに加えFe,B,Oの化合物も見られた。また、図1
のX線回折パターンより算出した平均結晶粒径は400
℃の場合5.9nm、500℃の場合9.7nm、60
0℃の場合14.3nm、700℃の場合25.1nm
であった。この結果から、熱処理を施した場合、数〜数
十nmの微細な結晶組織が析出することがよく分かる。
合も同様であり、X線回折パターンより算出した平均結
晶粒径は400℃の場合4.4nm、500℃の場合
7.1nm、600℃の場合15.3nm、700℃の
場合31.9nmであった。
した微細結晶粒を有するMn−Znフェライト(以下微
細結晶粒Mn−Znフェライトとする)のうち、表1の
サンプルNo.1の試料の結晶粒径と飽和磁化及び保磁
力との関係を図3に示した。図において、縦軸は飽和磁
化、保磁力を示し、横軸は平均結晶粒径を示している。
本発明の微細結晶粒フェライトは平均結晶粒径が小さく
なると非晶質状態に近くなり、平均結晶粒径0nmでは
ほぼ全組織が非晶質状態となる。また、非晶質相が増加
し、結晶粒径が大きくなるとスピネル型の結晶粒にFe
−B−O化合物が析出する。
5nm付近で最大値49.2emu/gを示しているこ
とがわかる。また、保磁力は平均結晶粒径が20nm以
下において非晶質Mn−Znフェライトよりも小さな値
を示しており、10nm付近で最も小さくなっている。
また、20nmよりも大きくなると保磁力が急激に悪化
することが分かる。よって、少なくとも平均結晶粒径を
20nm以下とすれば非晶質Mn−Znフェライトより
も優れた軟磁気特性が得られることが示唆される。とこ
ろで、同様な組成のMn−Znフェライト焼結体(BN
添加なし)をスパッタリングにより成膜した場合(膜組
成はMn5.58Zn1.02Fe33.9O59.5)飽和磁化は3
0.8emu/g、保磁力は277Oeであり、本発明
の微細結晶粒フェライトが従来の焼結フェライトの薄膜
と比較しても優れた磁気特性を備えていることが分か
る。
来のMn−Znフェライト薄膜よりも高い飽和磁化を得
るためには平均結晶粒径は約8nm以上であればよいこ
とからBNを添加した場合、より好ましくは8nm〜2
0nmの平均結晶粒径であればよい。しかしながら、8
nm未満の場合であっても、保磁力が小さいため、実用
に十分供し得ることは言うまでもない。
の飽和磁化、保磁力と平均結晶粒径との関係を示したグ
ラフである。図4より、Bを単独で添加した場合は平均
結晶粒径5nmを越えると飽和磁化が急激に上昇し、6
nm付近で従来のMn−Znフェライト薄膜の値を越
え、15nm付近で47.1emu/g最大となる。ま
た、保磁力は平均結晶粒径が大きくなるにつれて減少
し、7nmで最小となる。また、BNを添加した場合と
同様、20nmよりも大きくなると急激に保磁力が劣化
するため、平均結晶粒径は20nm以下に抑えた方がよ
い。
イト薄膜よりも高い飽和磁化と低い保磁力を兼ね備える
ためには、6nm〜20nmとするのがより好ましい。
しかしながら、上記BNを添加した場合と同様に、平均
結晶粒径が6nm未満の場合であっても保磁力が従来の
Mn−Znフェライトよりも格段に優れており、また、
実用にも十分に供し得るため、6nm未満でもよい。
性〕上記製造した微細結晶粒Mn−Znフェライトの飽
和磁化と保磁力の熱処理温度による依存性を測定した。
測定結果を図5に示す。図において縦軸は飽和磁化(上
段)または保磁力(下段)を示し、横軸は熱処理温度を
示す。また、○は表1のNo.1、●はNo.2の組成
のサンプルである。微細結晶粒Mn−Znフェライトの
飽和磁化は、400℃以上の熱処理により向上し、60
0℃で熱処理した場合に最も大きくなり、その時の飽和
磁化は52.8emu/gを示した(●の試料)。これ
に対し、熱処理前の飽和磁化は9.4emu/gであ
り、熱処理によって飽和磁化が飛躍的に増大したことが
分かる。また、保磁力に関しては400℃〜600℃の
熱処理によって保磁力は小さくなり500℃において最
小値3Oeを示した。ただし、600℃を越えると保磁
力が急激に劣化するため熱処理温度は好ましくは650
℃以下、より好ましくは600℃以下に抑えるべきであ
る。
を微細化したMn−Znフェライトは磁気応用デバイス
の高性能化において寄与するところが著しく大きいと言
える。
温度の依存性を示したグラフである。図において縦軸は
飽和磁化または保磁力を示し、○は表1のNo.7、●
はNo.8の組成のサンプルである。いずれの組成も4
00℃〜600℃で熱処理することにより飽和磁化は上
昇し、600℃において最大値47.1emu/g(○
の試料)を示した。また、保磁力は、500℃において
最も小さく、1Oeを示した。ただし、600℃を越え
ると保磁力が急激に劣化するため、Bを単独添加した場
合、600℃以下に抑えることが好ましい。従って、B
を単独で添加した場合、熱処理温度は500〜600℃
とすることがより好ましい。
の微細結晶粒Mn−Znフェライトの組織を観察した写
真の模式図を図7〜図9に示す。図7〜図9はそれぞれ
300℃、500℃、700℃で熱処理をしたものであ
る。300℃で熱処理した場合には、ほぼ全体が非晶質
状態にあり、僅かに微細な結晶部分が見られる。500
℃で熱処理した場合には全体に結晶が見られ、結晶粒径
は平均で10nm程度である。また、700℃で熱処理
した場合には大きな結晶粒が見られ、結晶粒径は平均値
で25nm以上であった。これに対し、従来のMn−Z
nフェライト薄膜の場合、成膜直後に結晶化されてお
り、後に示す表2に記載した通り平均結晶粒径は12.
3nmと小さいものの、結晶粒1つ1つの大きさが不均
一なものであった。このように、本発明における微結晶
粒フェライトは、非晶質組織の形成を促進する元素また
は化合物を添加して成膜後の組織を一旦非晶質とした
後、熱処理を行い微結晶粒を析出させたため組織が均一
になり、磁気特性が向上したものと考えられる。
細結晶粒Mn−Znフェライトの固有抵抗を測定した結
果を下記表2に示した。固有抵抗は、非晶質状態から微
結晶が析出するにしたがって徐々に大きくなり、粒径1
4.3nmの時に37.4Ωcmを示した。これに対
し、センダストなど金属系の軟磁性材料は10-5〜10
-6Ωcmのオーダーであり、また、同組成のMn−Zn
フェライト薄膜(添加物なし)も表2にあるように0.
37Ωcmと小さく、本発明の微細結晶粒フェライトが
従来の軟磁性材料よりも高い抵抗を備えていることが分
かる。従って、本発明の微細結晶粒フェライトをトラン
ス、インダクタ、コイル、磁気ヘッド等の磁心材料とし
て使用した場合、高周波領域での損失が小さくなる。
1はそれぞれ、Bの添加量とBとNを同時に添加した場
合の添加量と飽和磁化の依存性を示したグラフである。
図中、○はas−depo(成膜後)のものであり、●
は500℃にて熱処理をしたものである。
加量が4wt%を越えると急激に劣化していることがわ
かるが、4wt%を越えると保磁力も劣化するため好ま
しくない。従って、より好ましくはBの添加量は4wt
%以下とするのがよい。
合、4wt%を越えると飽和磁化が劣化するため、Bと
Nの合計量は4wt%以下に抑えた方が好ましいことが
わかる。また、BとNを添加しない場合は飽和磁化は大
きいが、500℃で熱処理しても保磁力が30Oeと大
きいためBとNを添加してHcを下げた方がより好まし
い。
した場合、SiO2 の場合は、10.5wt%の添加し
たサンプルNo.3の試料の場合、500℃の熱処理で
29.5emu/gの飽和磁化が得られるのに対し、1
8.9wt%まで添加したサンプルNo.4の試料では
500℃の熱処理を行っても4.2emu/gの飽和磁
化しか得られていないことがわかる。また、Wの場合、
45wt%添加したサンプルNo.5では500℃の熱
処理で47.8emu/gもの優れた飽和磁化が得られ
ているのに対し、85wt%添加したサンプルNo.6
の試料では5.3emu/gと極端に劣化していること
がわかる。
ライトは優れた磁気特性を備えたものであるが、上述し
た熱処理はAr雰囲気中に限らずN2 等の不活性雰囲
気、O2 等の酸化性雰囲気中でもよく、熱処理中に磁界
の印加があってもよい。
をスパッタリング、蒸着、液体急冷、CVD等の方法で
非晶質化した磁性酸化物を不活性ガス雰囲気中または酸
化性ガス雰囲気中にて熱処理することにより微結晶化さ
せたことを特徴とするものである。
1に示す通り、非晶質形成を促進する元素もしくは化合
物を添加し、平均結晶粒径を20nm以下の均一な結晶
組織としたことによって、高い飽和磁化を実現しながら
著しく小さな保磁力を実現しており、しかも高抵抗であ
るため、トランス、コイル、インダクタ、センサ、磁気
ヘッド等の様々な用途に使用し得る磁気材料として用い
ることが可能であり、小型化、高周波化のいずれにも対
応しうるものである。
混相でも同様な効果が得られ、請求項3に示す通り結晶
相の主な組織がスピネル型であるとより好ましい。
80mol%、MnOを10〜50mol%、ZnOを
0〜30mol%有する組成のMn−Znフェライト
に、B,N,BN,SiO2 ,Wのうち1種又は2種以
上を添加し、B,N,BNはこのうちの1種又は2種以
上を0〜4wt%、SiO2 は0〜16wt%、Wは0
〜80wt%の範囲で添加すると高い飽和磁化と優れた
軟磁気特性が確実に得られる。
nフェライトにB,N,BNのうち1種又は2種以上を
0.5〜4wt%、SiO2 は5〜16wt%、Wは3
0〜80wt%の範囲で添加するとさらに良好な飽和磁
化と優れた軟磁気特性を得ることができる。
質化し、少なくとも結晶化温度以上の温度で熱処理し
て、その結晶組織を平均結晶粒径20nm以下の微細結
晶粒組織とすることにより、上記のような高い飽和磁化
と優れた軟磁気特性を有する微細結晶粒フェライトを得
ることができる。
ガス雰囲気中もしくは酸化性ガス雰囲気中で行っても同
様に優れた特性を有する微細結晶粒フェライトを得るこ
とができる請求項8に示すように前記熱処理を400〜
650℃にて行うことにより、さらに高い飽和磁化と優
れた軟磁気特性を有する微細結晶粒フェライトを得るこ
とができる。
におけるX線回折結果を示すグラフである。
におけるX線回折結果を示すグラフである。
和磁化、保磁力の関係を示すグラフである。
和磁化、保磁力の関係を示すグラフである。
飽和磁化、保磁力の関係を示すグラフである。
飽和磁化、保磁力の関係を示すグラフである。
300℃にて熱処理した後の結晶組織を観察した模式図
である。
観察した模式図である。
観察した模式図である。
フである。
磁化との関係を示したグラフである。
Claims (8)
- 【請求項1】 平均結晶粒径20nm以下の結晶組織を
有し、組織の非晶質形成を促進する元素あるいは化合物
が添加されていることを特徴とする微細結晶粒フェライ
ト。 - 【請求項2】 前記微細結晶粒フェライトは非晶質相と
の混相であることを特徴とする請求項1に記載の微細結
晶粒フェライト。 - 【請求項3】 前記結晶組織がスピネル型であることを
特徴とする請求項1又は2に記載の微細結晶粒フェライ
ト - 【請求項4】 前記微細結晶粒フェライトがFe2 O3
を30〜80mol%、MnOを10〜50mol%、
ZnOを0〜30mol%有する組成のMn−Znフェ
ライトであって、さらに、B,N,BN,SiO2 ,W
のうち1種又は2種以上が添加されてなり、ただし、
B,N,BNはこのうちの1種又は2種以上を0〜4w
t%、SiO2 は0〜16wt%、Wは0〜80wt%
の範囲で添加することを特徴とする請求項1又は2いず
れかに記載の微細結晶粒フェライト。 - 【請求項5】 前記微細結晶粒フェライトのB,N,B
Nのうち1種又は2種以上の添加量は0.5〜4wt
%、SiO2 は5〜16wt%、Wは30〜80wt%
の範囲で添加することを特徴とする請求項4に記載の微
細結晶粒フェライト。 - 【請求項6】 フェライトを非晶質化し、少なくとも結
晶化温度以上の温度により熱処理し、その結晶組織を平
均結晶粒径20nm以下に微細化したことを特徴とする
微細結晶粒フェライトの製造方法。 - 【請求項7】 前記熱処理は不活性ガス雰囲気中もしく
は酸化性ガス雰囲気中にて行われることを特徴とする請
求項6に記載の微細結晶粒フェライトの製造方法。 - 【請求項8】 前記熱処理は400〜650℃で行うこ
とを特徴とする請求項6に記載の微細結晶粒フェライト
の製造方法。
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP6335561A JPH07232926A (ja) | 1993-12-27 | 1994-12-21 | 微細結晶粒フェライト及びその製造方法 |
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Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP35168093 | 1993-12-27 | ||
JP5-351680 | 1993-12-27 | ||
JP6335561A JPH07232926A (ja) | 1993-12-27 | 1994-12-21 | 微細結晶粒フェライト及びその製造方法 |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
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JPH07232926A true JPH07232926A (ja) | 1995-09-05 |
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ID=26575216
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
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JP6335561A Pending JPH07232926A (ja) | 1993-12-27 | 1994-12-21 | 微細結晶粒フェライト及びその製造方法 |
Country Status (1)
Country | Link |
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JP (1) | JPH07232926A (ja) |
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