KR100319036B1 - 평면형인덕턴스소자 - Google Patents
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Abstract
평면형 인덕턴스 소자의 내(耐)프로세스성과 효율이 향상되며, 응력 변화에 대해 실효적 고주파 투자율(透磁率)의 변화가 작은, 상기 평면형 인덕턴스 소자용 강자성막을 제공한다.
소정의 방향으로 면내 1방향 자기 이방성을 유도함으로써 양호한 고주파 투자율과 고주파 손실값을 갖는 1층 또는 복수층의 강자성막을 이용하여 양호한 인덕턴스값과 Q값을 갖는 평면형 인덕턴스 소자를 제공한다. 상기 강자성막을 이용함으로써 제조 프로세스 중 또는 프로세스 후 강자성막이 받는 응력에 대해 상기 강자성막의 고주파 투자율과 고주파 손실의 변화와 열화가 매우 작게 되기 때문에, 설계 사양대로의 평면형 인덕턴스 소자를 높은 재현성과 수율로 제공할 수 있다.
Description
본 발명은 강자성막을 구비하는 평면 인덕터 혹은 평면 트랜스듀서(transducer) 등의 평면형 인덕턴스 소자에 관한 것이다.
최근, 각종 전자 기기의 소형화에 대해 많은 연구 개발이 진행되고 있다. 그러나, 전원부의 소형화에 대해서는 전자 기기 본체에 비해 크게 지연되고 있는 것이 현상이다. 이 때문에, 전자 기기 전체에 대해 전원부가 차지하는 용적 비율은 증대의 일로를 걷고 있다. 전자 기기의 소형화는 각종 회로의 LSI화의 덕분이지만, 전원부에 필수적인 인덕터나 트랜스듀서 등의 자기 부품에 대해서는, 이와 같은 소형화·집적화가 지연되고 있어 용적 비율 증대의 주된 원인으로 되어 있다.
상기한 과제를 해결하기 위해 평면 코일과 강자성체를 결합시킨 평면형의 자기소자가 제안되고, 그 고성능화의 검토가 진행되어져 왔다. 이것에 사용하는 강자성막에는, 통상 100㎑ 이상의 고주파수 영역에서 손실이 적으면서, 또한 높은 포화 자화의 값을 갖는 것이 요구된다.
고주파 영역에서는 투자율(透磁率)은 주로 회전 자화 과정에 의해 발생된다. 이상적인 회전 자화 과정을 얻기 위해서는, 동일한 면내 1축 자기 이방성을 갖는 강자성막에 대해 자화 곤란 축방향으로 고주파의 여자를 행하는 것이 필요하여서, 자화 곤란 축방향의 투자율과 보자력(保磁力)이 강자성막에 요구되는 중요한 물성치가 된다.
고주파 투자율은 시료의 여러가지 물질과 복잡하게 관련되지만, 고주파 투자율과의 상관이 가장 높은 것으로서 이방성 자장을 예로 들 수 있다. 즉, 고주파 투자율은 대개 이방성 자장의 역수에 비례한다. 박막 인덕터 등의 자기 소자에 있어서는, 설계에 따라서 각각 최적의 투자율의 값이 변화한다. 따라서, 고주파 영역에 있어서 박막 인덕터 등의 자기 소자에 적합한 높은 투자율을 실현하기 위해서는, 강자성막의 면내에서 1축 이방성을 갖는 것과, 이방성 자장에 대한 제어성을 갖는 것이 필요하다.
박막 인덕터 등의 자기 소자는 강자성막의 포화 자화가 높을수록 사용 전력범위의 증대와, 포화 전류의 증대를 기대할 수 있으므로, 고포화 자화 특성도 박막 인덕터 등의 자기 소자용 강자성막에 있어서 중요한 특성이다. 또, 박막 자기 헤드에 있어서도, 기록 밀도의 증대와 매체의 저보자력(低保磁力)·높은 에너지 적화(積化), 및 동작 주파수의 고주파수 영역에서의 저손실 및 고포화 자화를 갖는 고주파 영역의 강자성막이 유효한 소재인 것은 물론이다.
이들 요구는 그 밖의 자기 소자에 있어서도 일반적으로 공통하는 것이다. 한편, 상기 강자성막을, 박막 인덕터 등의 자기 소자 내에서 단층 또는 적층된 강자성막으로서 사용할 때, 자기 특성이 강자성막 단체(單體)의 특성으로부터 어느 정도 변화하는 것이 문제로 되어 있다.
일반적으로 박막 공정 기술을 이용하여 기판 상에 다수의 자기 소자를 형성할 때, 강자성막의 하지(下地)는 기판 웨이퍼 외에 수지층, 절연막, 도전성 금속막, 보호막, 부착막, 패터닝용의 마스크층 등, 통상 1종 또는 여러 종류의 막이 적층된다. 또한, 강자성막 형성 후, 그 상부에 상기 각종 막을 다시 적층하는 경우가 많다.
이들 막이나 층을 형성할 때, PVD(Physical Vapor Deposition)나CVD(Chemical Vapor Deposition), 도금, 스핀 코터(spin coater) 등에 의한 도포, 및 경화(cure)를 위한 베이킹 등이 차례로 실시된다. PVD나 CVD에 있어서는, 특히 기판 온도를 높게 하지 않는 경우에서도, 막 퇴적시에는 어느 정도 온도가 상승하는 것을 피할 수 없다.
또한, 전극 형성이나 강자성막의 슬릿 형성, 관통 구멍 형성, 소자 분리, 이들을 이용한 자기 회로의 설계 등을 위해, 강자성막을 비롯한 각 구성 요소의 패터닝이 필요해진다. 패터닝은 각종 방법으로 마스크를 형성한 후, 건식 에칭 또는 습식 에칭함으로써 실시된다.
이들 처리에 의해 강자성막이 표면 또는 계면으로부터 받는 응력의 변화, 및 그 응력의 장소에 따른 크기나 방향의 변화, 즉 양(量)과 방향, 2가지에 대한 응력의 분산이 생기는 경우가 많다. 또한, 강자성막에 포함되는 내부 응력이 열 처리에 따른 완화에 의해 변화하는 일도 있다. 이들 응력 및 응력 분산의 변화는 강자성막의 자기 특성에 크게 영향을 주어, 강자성막의 자기 특성의 부여·제어의 관점과 상기 회전 자화 과정으로 이어지는 저보자력, 저손실의 연자성(軟磁性) 유지의 관점에 의해 가장 주의해야 할 문제점으로 되어 있다.
강자성막의 자기 이방성은 응력에 기인하는 강자성막의 왜곡에 감응하고, 이방적 응력이 생기면 이것에 대응한 자기 이방성이 유도된다. 이 유도 자기 이방성의 에너지는 자왜 정수에 비례한다.
따라서, 평면형 인덕턴스 소자 중의 강자성막에 설계한 그대로의 자기 특성을 발휘시키기 위해서는, 자기 소자의 제조 공정에 있어서의 이방적 응력을 감소시키거나, 개개의 자기 소자의 스루(through) 공정에 의해 생기는 이방적 응력을 이방성 제어의 목적에 적극적으로 이용하는 등의 대책이 필요하다. 그러나, 본 발명자의 검토 결과에 따르면, 후자의 적극적 제어는 고도한 기술이 요구되고, 이것을 이용하여 자성막의 자기 특성을 제어하는 것은 매우 곤란한 것으로 생각된다.
일반적으로, 평면형 인덕턴스 소자의 인덕턴스 값은 이것에 이용하는 강자성막의 이방성 자장의 변화, 즉 회전 자화 과정에 기초하는 자화 곤란축 여자에 의한 고주파 투자율의 변화에 거의 비례한다. 따라서, 인덕터의 제조 공정, 마이크로 전원으로의 실장, 몰딩 등을 행할 때에, 이방적인 응력이나 응력의 분산이 발생하면 인덕턴스 L이나 손실을 주는 Q값 등, 평면형 인덕턴스 소자의 인덕터 특성이 변화하게 된다. 이로 인해 로트(lot) 전체의 전형적인 값으로부터 어긋나게 되거나 로트 내의 편차 확대가 생기게 되어, 특성 미달이나 비용 상승의 원인으로 되고 있었다.
상술한 종래의 평면형 인덕턴스 소자에 포함되는 문제점의 검토는 제조 공정측으로부터의 접근 방안에 의해 이루어진 것이지만, 제2 접근 방안으로서 강자성막의 측으로부터 생각하면, 상기 강자성막에 가해지는 응력의 투자율 등에 미치는 영향을 피하기 위해, 자왜(磁歪) 정수가 작은 것이 강자성막의 중요한 성질의 하나가 된다.
그러나, 평면형 인덕턴스 소자용 강자성막에 적합한 고포화 자화를 가지면서, 또한 충분한 면내 1축 자기 이방성을 갖는 강자성 재료는 자왜 정수가 큰 경우가 적지 않다. 또한, 자왜 정수의 저감을 위해 Si 등을 일정량 첨가하면, 동시에자발 자화도 감소하기 때문에, 1.5T 이상의 고포화 자화를 갖는 것을 목적으로 하는 강자성 재료에 대해서는, 극히 일부의 특정한 조성을 제외하고는 자왜 정수 0의 특성을 획득하는 것은 매우 곤란하다.
따라서, 제3 접근 방안으로서, 평면형 인덕턴스 소자의 설계·구성 자체에 자왜, 역자왜 효과에 기인하는 실효적인 투자율 변화를 저감시키는 수단을 채용해야만 한다. 즉, 상기 고주파 투자율의 변화에 대해 인덕턴스 소자의 인덕턴스 값이 변화되기 어렵게 구성된 강자성막, 및 이것을 이용한 인덕턴스 소자의 설계가 필요해진다. 또, 여기서 말하는 실효적인 투자율이란, 평면형 인덕턴스 소자 중에 있어서의 고주파 자장 여자에 대해 인덕턴스값에 기여하는 투자율을 말한다.
이상 나타낸 바와 같이, 소형화 대응의 자기 소자에 있어서는, 강자성막의 고포화 자화, 연자성, 양호한 고주파 투자율을 유지하면서, 자기 소자 제조 공정에 있어서 자왜 효과, 역자왜 효과, 자기 탄성 효과에 기인하는 실효적인 고주파 투자율의 변화가 작은, 즉 자기 소자 제조 공정에 의해 실효적인 투자율이 쉽게 영향받지 않는 강자성막과, 이것을 이용한 인덕턴스 소자를 제공하는 것이 종래부터 희망되어 왔었다.
상기한 바와 같이, 종래의 평면형 인덕턴스 소자는 제조 공정 중에 강자성막이 받는 각종 처리 과정에 의해, 장소에 의한 응력의 크기나 방향의 변화가 생겨서 강자성막의 자기 특성이 변화한다고 하는 문제가 있었다.
본 발명은 상기한 문제점을 해결하기 위해 이루어진 것으로, 생산성의 향상과 수율 향상의 요망에 부응하기 위해, 상기 응력의 변화에 대한 실효적인 고주파 투자율의 변화나 열화가 작은 강자성막과, 이것을 이용한 평면형 인덕턴스 소자를 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 평면형 인덕턴스 소자는, 소정의 방향으로 면내 1방향 자기 이방성을 유기(誘起)한 단수 또는 복수의 강자성막을 상기 평면형 인덕턴스 소자에 적용하는 것을 해결하기 위한 수단으로서, 강자성막이 양호한 실효적 고주파율을 가지면서, 또한 평면형 인덕턴스 소자의 제조 공정 중, 또는 그 후 강자성막이 받는 응력에 대해, 실효적인 고주파 투자율의 변화나 열화가 적은 연자성을 구비하는 강자성막을 이용한 평면형 인덕턴스 소자를 실현하는 것이다.
구체적으로는, 본 발명의 평면형 인덕턴스 소자는, 강자성막이 적어도 1축 자기 이방성을 갖는데, 단체의 강자성막 또는 다른 자성막과 적층된 복합막으로 이루어지며, 또한 상기 단체 또는 복합 자성막에 적어도 열적, 자기적 및 역학적인 처리 중 어느 하나를 실시함으로써, 1방향으로 상기 강자성막의 자기 모멘트가 정렬된 면내 1방향 자기 이방성을 구비하는 것을 특징으로 한다.
바람직하게는, 강자성막의 평면 형상은 그 수직축에 대해 회전 2회 대칭성 또는 회전 4회 대칭성을 갖고, 또한 상기 강자성막의 면내 1방향 자기 이방성이 나타내는 방향이 1축 자기 이방성의 축방향 및 면내에서 이것과 수직인 축방향 중 어느 하나에 대해 면내에서 30도 ±10도의 각도를 갖는 것을 특징으로 한다.
보다 바람직하게는, 강자성막의 평면 형상은 구형(矩形) 또는 정방형이고, 또한 상기 강자성막의 면내 1방향 자기 이방성이 나타내는 방향이 상기 구형 또는정방형의 한변와 평행한 방향 또는 면내에서 이것에 수직인 방향에 대해 면내에서 30도 ±10도의 각도를 갖는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 평면형 인덕턴스 소자에 있어서, 상기 강자성막은 면내에 발생되는 이방적인 인장 응력 또는 압축 응력의 방향 및 면내에서 이것과 수직인 방향에 대해 30도 ±10도의 각도를 나타내는 면내 1방향 자기 이방성을 갖는 것을 특징으로 한다.
또한, 면내 1방향 자기 이방성은 상기 단체의 강자성막 또는 다른 자성막과 적층된 복합막의 상부 보호막으로서 이용한 수지 증가의 경화시의 열처리에 의해 면내에 발생된 이방적인 인장 응력 또는 압축 응력에 의한 것을 특징으로 한다.
본 발명의 평면형 인덕턴스 소자에 있어서, 상기 강자성막은 적어도 면내에서의 1축 자기 이방성을 갖는데, 단체의 강자성막 또는 다른 자성막과 적층된 복합막으로 이루어지며, 또한 상기 다른 자성막은 반강자성막인 것을 특징으로 한다.
본 발명의 평면형 인덕턴스 소자는 면내 1방향 자기 이방성을 갖는 강자성막을 복수개 갖는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 복수의 강자성막에 있어서, 적어도 1개의 강자성막의 면내 1방향 자기 이방성의 방향이 다른 강자성막의 면내 1방향 자기 이방성의 방향과 다른 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 복수의 강자성막에 있어서, 적어도 1개의 강자성막의 면내 1방향 자기 이방성의 방향이 다른 강자성막의 면내 1방향 자기 이방성의 방향과 평행하거나 또는 면내에서 직교하는 것을 특징으로 한다.
또한 바람직하게는, 면내 1방향 자기 이방성을 갖는 강자성막이 갖는 포화 자왜 정수(飽和磁歪定數)의 절대치가 0. 1ppm 이상인 것을 특징으로 한다.
또한 바람직하게는, 면내 1방향 자기 이방성을 갖는 강자성막은 Fe, Co, B, 및 4B족 원소를 포함하는 비정질막, 또는 미결정과 비정질과의 복합상으로 이루어지는 막이 포함되는 것을 특징으로 하는 것이다.
도 1은 본 발명의 평면형 인덕턴스 소자의 구성의 개념도.
도 2는 α=0도에서의, E2/E0, β(rad)의 E1/E0에 대한 의존성을 도시하는 도면.
도 3은 α=22.5도에서의, E2/E0, β(rad)의 E1/E0에 대한 의존성을 도시하는 도면.
도 4는 α=28.175도에서의, E2/E0, β(rad)의 E1/E0에 대한 의존성을 도시하는 도면.
도 5는 α=30도에서의, E2/E0, β(rad)의 E1/E0에 대한 의존성을 도시하는 도면.
도 6은 α=33.75도에서의, E2/E0, β(rad)의 E1/E0에 대한 의존성을 도시하는 도면.
도 7은 평면형 인덕턴스 소자의 모식도.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
1 : 면내 1방향 자기 이방성을 갖는 강자성막
2 : 코일 도체층
3 : 구형 평면형 인덕턴스 소자의 주축 방향
4 : 면내의 이방적 응력
5 : 면내 1방향 자기 이방성의 자화 용이 방향
6 : 이방적 응력에 의한 자기 이방성 에너지와 자성막 본래의 자기 이방성 에너지에 의해 합성된 면내 자기 이방성 에너지로부터 결정되는 자화 용이 방향
7 : 실리콘 기판
8 : 실리콘 산화막
9 : 제1 강자성막
10 : SiO2스퍼터막
11 : 도체 코일부
12 : 수지층(폴리이미드)
13 : AlN 절연막
14 : 제2 강자성막
15 : 평면형 인덕턴스 소자의 주축 방향
16 : 고주파 자장
이하, 도면을 참조하여 본 발명의 실시 형태를 상세하게 설명한다. 우선 본 발명의 모든 실시 형태에 공통하는 사항이나 강자성막의 면내 1방향 자기 이방성의 정의에 대해 설명한다.
도 1은 본 발명의 평면형 인덕턴스 소자의 구성예를 나타내는 개념도이다. 참조 번호(1)는 적어도 1층의 면내 1방향 자기 이방성을 갖는 강자성막이다. 도면에서는 상기 강자성막을 4장 배치한 경우가 도시되어 있다. 참조 번호(2)는 평면형 인덕턴스 소자의 코일 도체층이다. 또, 도 1은 본 발명의 구성 개념을 일례로서 도시하는 것으로, 소자의 구성 요소의 수나 형상, 자화 용이 방향 등을 한정하는 것은 아니다.
도 1을 이용하여 면내 1방향 자기 이방성을 갖는 강자성막의 정의에 대해 설명한다.
참조 번호(3)는 구형 평면형 인덕턴스 소자의 주축 방향을 나타낸다. 강자성막의 자기 이방성은, 막의 형상 및 막을 형성하는 자성 재료의 단거리의 공간적 대칭성으로부터 정해진다.
이와 같이, 강자성막의 형상과 자성 재료의 단거리의 공간적 대칭성만으로부터 정해지는 막 면내의 1축 방향으로 자화 용이축이 존재하는 것을 강자성막이 면내 1축 자기 이방성을 갖는다고 한다. 방향성 규칙 배열 등의 단거리 질서, 이방적인 응력에 의한 왜곡 등은, 상기한 공간적 대칭성에 작용하여 1축 자기 이방성을 유도하는 대표예이다.
통상의 1축 자기 이방성은 자화 용이축에 평행한 2방향이 자화용이 방향이 된다. 이 상호 평행한 2방향의 자기 포텐셜은 같다.
이 2방향의 포텐셜에 일정한 차를 부여하는 새로운 요소가 도입된 경우, 본 래의 용이축에 평행한 2방향 내의 한쪽이 보다 포텐셜이 낮은 방향으로 된다.
이것을 본 명세서에 있어서 1방향 자기 이방성을 갖는 강자성막이라 한다.
예를 들면, 자화 반전에 필요한 외부 자장이 상기 강자성막의 이방성 자장보다도 크고, 자기 소자에 적용한 경우에 실질적으로 자화 반전이 생기지 않는 제2 강자성막을 상정하고, 이 제2 강자성막이 상기 강자성막과 정자기적 결합을 갖는 경우, 상기 강자성막은 실질적으로 1방향 자기 이방성이 유도되었다고 할 수 있다.
예를 들면, 상기 강자성막이 그 밖의 반강자성막이나 강자성막과 교환 상호 작용을 갖는 경우, 그 작용이 강자성적, 반강자성적인데 관계 없이 대칭성에 따라서는 1방향 자기 이방성이 유도될 가능성이 있다.
도 1을 이용하여 강자성막에 있어서의 상기 면내 1방향 자기 이방성의 발생상황을 더욱 구체적으로 설명한다. 강자성막에 외부 처리의 하나로서, 예를 들면 도 1에 도시한 바와 같이, 구형 평면형 인덕턴스 소자의 주축 방향(3)과 평행하게이방성 응력(4)이 가해졌다고 한다.
이 때, 면내의 이방적 응력(4)의 방향을 용이축, 또는 곤란축으로 하는 새로운 1축 자기 이방성 에너지가, 자성막에 생긴다. 그 결과, 막 본래의 면내 1방향 자기 이방성 에너지와 상기한 새로운 1축 자기 이방성 에너지의 합성에 의한 새로운 실질적인 자화 용이 방향(6)이 발생된다. 이 방향(6)은 일반적으로, 막 본래의 면내 1방향 자기 이방성의 자화 용이 방향(5)과는 다른 방향으로 발생된다.
일반적으로는, 외적 처리를 실시함으로써 강자성막 중에 유기되는 면내 1축 자기 이방성의 자화 용이축 방향과, 강자성막에 어떠한 방법에 의해 미리 부여된 1방향 자기 이방성에 의한 자화 용이 방향과는 다르다.
그러나, 양자의 방향이 일치하도록 상기 자기적 및 역학적인 스트레스를 가하는 것도 가능하다. 이 때, 예를 들면 강자성막 중의 면내 이방성 에너지의 용이 방향과 곤란 방향의 에너지 차 등이 스트레스의 인가에 의해 크게 변화한다. 이와 같이 방향에만 주목하면 양자는 일치하고 있지만, 막의 상태는 외적 처리에 의해 변화한 경우를 포함해서, 본 명세서에 있어서 면내 1방향 자기 이방성 등을 갖는 강자성막이라고 한다.
외적 처리로서는 강자성막을 이용하여 평면형 인덕턴스 소자를 제조할 때, 제조 공정 중에 강자성막에 가해지는 열적, 자기적, 및 역학적인 스트레스와 이들 조합이 포함되는 것은 물론이다.
이 외에 반강자성 재료에 인접하는 강자성 재료에 있어서, 자장 중성막이나 자장 중 열 처리를 행함으로써 반강자성 재료 측에 자장 중 냉각 효과를 발생시키고, 반강자성 재료의 계면층에 발생되는 부격자(副格子)의 자기 모멘트와 강자성 재료 계면근방의 자기 모멘트의 교환 상호 작용에 의해, 강자성 재료측에 자기 모멘트의 고착효과가 발생되는 경우가 있다.
반강자성 재료로서는, Fe-Mn, Ni-Mn, Pd-Mn, Ir-Mn, Rh-Mn, Ru-Mn, Co-Mn 및 Fe, Co, Ni 등의 산화물이 적합하다.
상기 자기 모멘트의 고착 효과는, 1방향 자기 이방성의 일례로서 특징적인 것이다. 이와 같은 1방향 자기 이방성이 강자성막 면내에 존재하는 경우, 막의 고주파 영역의 투자율에 대해, 통상의 면내 1축 자기 이방성이 나타내는 역할과 마찬가지의 작용을 나타낼 수 있다. 또한, 동일한 자구 구조를 얻는다고 하는 점에서는, 통상의 면내 1축 자기 이방성보다, 보다 바람직한 작용을 나타낼 수 있다.
이상, 강자성막이 통상 갖는 면내 1축 자기 이방성에 대해, 또한 면내 1방향 자기 이방성으로 특징지을 수 있는 변화를 부여하는 방법의 일례에 대해 설명하였지만, 본 발명은 1방향 자기 이방성의 유도 및 부여의 방법, 및 그것을 위한 구성을 한정하지는 않는다. 벌크 자기 회로, 혹은 박막 자기 회로와의 복합, 경질 자성막과의 정자(靜磁) 결합에 의한 실질적인 면내 1방향 자기 이방성의 부여, 강자성막의 표면 산화 등의 처리에 기인하는 1방향 자기 이방성의 부여 등이어도 된다.
종래의 면내 1축 자기 이방성의 부여·제어외에, 면내 1방향 자기 이방성의 부여·제어를 행하는 이유는, 자벽 이동을 억제하여 고주파 영역에서의 강자성막의 손실을 저감하고자 할 때, 종래 주로 강자성막의 형태로 고정되는 인덕터 주축과 자화 용이 방향의 관계를 상호 자유롭게 선택할 수 있도록 하여, 상기 손실의 저감이나 고주파 투자율 개선을 위한 각종 대책이 강구되도록 하는 것이다.
여기서 각종 대책으로는, 상기 강자성막을 포함하는 평면형 인덕턴스 소자의 제조 공정이나 실장, 몰드 등의 후속 공정에 있어서, 공정 중의 특성치의 열화, 변동 및 편차의 발생을 최소한으로 억제하고, 평면형 인덕턴스 소자의 특성을 설계사양 그대로 하기 위한 대책이 포함된다.
즉, 평면형 인덕턴스 소자에 인덕턴스를 부여하는 강자성막의 실효적인 고주파 투자율이나 고주파 손실을 설계 사양대로 유지하고, 열화, 변동, 편차 등을 최소한으로 억제하는 것이다.
소자 제조 공정에서는 일반적으로 시료가 고온이 되는 공정이 있다. 고온시에 외부 자장이 존재하면 외부 자장 인가 장치가 갖는 자장 스큐나, 소자 제조 기판의 외부 자장에 대한 부착 각도의 정밀도에 따라서 상기한 편차가 도입된다. 그 결과, 소자의 고주파 여자 방향과 연자성막의 평균 자화 곤란축 방향과의 어긋남이나, 특정한 장소에 있어서의 고주파 여자 방향과 자화 곤란축 방향의 어긋남이 생길 가능성이 있다.
고온시에 인가 자장이 0이더라도, 상술한 강자성막의 자기 이방성의 고착이나 강자성막 자신의 반자장이나 자화의 순환(circulation) 등에 의해 자화 용이 방향의 방위의 혼란이 생기기 쉽다. 고온이 아니더라도, 상술한 바와 같이 공정에 기인하는 각종 응력이나 응력 분산 등에 의한 자기 탄성 에너지의 유도에 의해, 자화 용이 방향의 방위의 편차가 발생한다.
이들 편차에 의해, 예를 들면 자화 곤란축 방향으로 직교하지 않는 180도 자벽 등이 발생되고, 고주파 여자에 대해 자벽 이동의 원동력이 존재하는 상태를 만들어 내게 된다. 자벽 이동은 저주파 영역에서 확실하게 손실이 발생된다. 또한, 통상 자벽 이동이 곤란해지는 고주파 영역에 있어서도, 자벽 내에서의 자기 모멘트의 고속 회전이 발생하여 손실 원인의 하나로 된다.
강자성막의 양호한 고주파 여자를 행하기 위한 대책을 명확하게 하기 위해 다음과 같은 공통 조건으로 각 실시 형태에 이용하는 평면형 인덕턴스 소자의 강자성막과, 각 실시 형태의 효과를 검증하기 위한 비교예로서 이용하는 강자성막을 작성하였다.
강자성막의 형성 기판에는 열산화막을 피복한 125㎜ 직경의 Si 웨이퍼를 이용하였다. 강자성막의 형성 직전에 상기 기판에 대해, Ar 가스에 의한 건식 에칭에 의해 클리닝을 행하고, 계속해서 마그네트론 스퍼터링 장치를 이용하여 각 실시 형태에 이용하는 강자성막과 비교예의 강자성막을 각 2장씩 상기 기판 상에 형성하였다. 막 두께의 측정은 위스커(whisker)형 표면거칠기/막두께 측정계를 이용하여 행하였다. 고주파 투자율은 인덕턴스법으로, 포화 자왜 정수는 광 레버법으로 각각 평가하였다. 강자성막의 형성 방법과 형성 조건의 상세를 표 1에 나타낸다. 또, 막 형성후 자장 중 열처리를 행하는 경우의 조건도 함께 나타내었다.
도 1 및 표 1, 표 2에 기초하여 본 발명의 제1 실시 형태에 대해 설명한다.
제1 실시 형태에 있어서는, 직사각형의 평면형 인덕턴스 소자의 긴변에 평행하게 면내 1방향 자기 이방성을 유도한다. 즉, 강자성막이 긴변과 평행하게 1축 자기 이방성만을 갖는 경우, 도 1에 도시한 각도 α가 0, 따라서 각도 β도 0이 되는 면내 1방향 자기 이방성을 유도하는 방법을, 평행 1방향의 유도라고 부르기로 한다. 평행 1방향의 유도를 행함으로써, 평면형 인덕턴스 소자를 구성하는 강자성·연자성막의 자화 곤란축 및 자화 용이 방향의 제조 공정에서의 방위 편차의 발생이 억제되어, 자기 모멘트의 방향이 정돈된 강자성막을 얻을 수 있다.
제1 실시 형태에 있어서는 역자구 즉 180도 자구의 발생 자체를 억제하기 위해 자벽이 소실하고, 상기 자벽 이동에 관련된 손실을 회피할 수 있다. 또한, 제조 공정 전에 미리 1방향 자기 이방성을 유도하면, 자화 용이 방향의 편차는 유도된 1방향 자기 이방성의 강도에 따라서 경감된다.
제1 실시 형태 및 비교예 1의 강자성막 작성에 이용한 막의 재료와 형성 방법 및 성막 조건 등의 상세를 표 1에 나타낸다. 또 이들 사항은, 다른 실시 형태와 비교예의 강자성막에도 적용되는 것이다.
| 강자성 연자성막의 공통 조건강자성막 복상 비정질 Fe-Co-B-C 연자성막성막 형식 RF 마그네트론 스퍼터링(스퍼터링 가스: Ar)막 두께 450㎚성막시 면내 인가 자장 5.6kA/m(영구 자석 자기 회로) 또는 0하지·반강자성막의 공통 조건반강자성막 Ir20Mn80성막 형식 DC 마그네트론 스퍼터링(스퍼터링 가스: Ar)막 두께 10㎚성막시 면내 인가 자장 5.6kA/m(영구 자석 자기 회로) 또는 0상부·보호막의 공통 조건보호막 AlN성막 형식 반응성 RF 마그네트론 스퍼터링(스퍼터링 가스 : N2+ Ar)막 두께 400㎚성막 후·진공 분위기 직류 자장 중 열처리인가 직류 자장: 128kA/m열처리 온도: 280℃열처리 시간: 86.4ks열처리 자장: 막면에 평행 |
제1 실시 형태 및 비교예 1의 강자성·연자성막에는 복상(複相) 비정질 Fe-Co-B -C막을 이용하고, 그 포화 자왜 정수는 약 +20ppm이었다. 또한, 자장 중 성막에 있어서 유도되는 강자성·연자성층의 면내 1축 자기 이방성의 이방성 자장은 1.5kA/m 내지 1. 6kA/m 정도이고, 하지·반강자성막과의 교환 상호 작용으로 상기 강자성·연자성막에 유도되는 면내의 1방향 자기 이방성의 이방성 자장은 100A/m∼ 150A/m 정도였다. 하지·반강자성막으로서는 Ir20Mn80을 이용하였다.
표 1에 나타내는 각 공통 조건에 있어서의 공정을 거쳐 각 2장씩 제조한 시료의 한쪽 기판 웨이퍼 표면에, 스핀 코터를 이용하여 수지를 약 10㎛ 도포하고, 소프트 경화 후 다이싱 소우(dicing saw)를 이용하여 웨이퍼를 약 4㎜×8㎜의 구형 형상으로 분할하였다.
그 후, 상기 구형 시료에 대해 다시 경화를 행하였다. 이들 처리는 강자성막을 평면형 인덕턴스 소자에 적용할 때의 한 공정을 모의한 것이다.
이 경우, 구형 시료의 길이 방향을 도 1에 도시하는 평면형 인덕턴스 소자의 주축 방향(3)으로 간주할 수 있다.
상기 공정의 결과, 표면의 수지층 내부에 인장 응력이 발생되고, 구형 시료에는 표면을 오목하게 하는 휘어짐이 생긴다. 이 때 구형 시료의 길이 방향에 수직으로, 수지층의 선형 크랙이 관찰되었다. 이것은 구형 시료 길이 방향에 따른 수지층의 인장 응력이, 상기 공정에 의해 어느 정도 해방된 것을 시사하는 것이다.
면내에서의 등방적인 응력 성분을 제외하고 생각하면, 구형 시료의 길이 방향에 수직인 방향으로 이방적인 압축 응력이, 즉 구형 시료 길이 방향에 평행한 방향으로 이방적인 인장 응력이 생기고 있다고 생각된다. 각 시료 2장씩 제조한 기판 내에, 다른쪽은 상기 수지층 도포 및 경화 처리를 미실시로서 기판 웨이퍼를 그대로 약 4㎜×8㎜의 구형 형상으로 분할하고, 이것을 기준으로 하여 상기 응력의 효과를 규격화하여 고주파 여자 특성을 평가하였다. 또, 상기 응력의 효과의 규격화 등에 대해도, 다른 실시 형태와 비교예에 대해 마찬가지로 적용하였다.
수지층 도포 및 경화 처리 후의 구형 시료에 대해, 길이 방향에 수직인 면내방향으로 여자 주파수 1㎒의 고주파 자장을 인가하여 고주파 투자율을 측정하였다. 이것은 각종 공정 후의 평면형 인덕턴스 소자의 실효적인 고주파 투자율에 상당한다.
본 발명의 제1 실시 형태에 있어서의 강자성막의 구조와 제조 조건, 및 고주파 투자율, tanδ의 값을 표 2에 나타낸다. 또한, 본 실시 형태의 효과를 명백하게 하기 위해 비교예 1로서 작성한 강자성막의 구조와 제조 조건, 특성치를 함께 나타내었다.
| 막의 구성과 처리 조건 및 고주파 특성 | 제1 실시 형태 | 비교예 1 |
| 하지 반강자성막하지 성막시의 면내 자장 인가 방향강자성 연자성막 성막시의 자장 인가상부 보호막성막 후 열처리성막 후 열처리시의 면내 자장 인가 방향공정 후의 규격화 고주파 투과율고주파 손실 | 있음α=0도없음있음있음α=0도μ=0.72tanδ=0.021 | 없음- *없음있음있음α=0도μ=0.69tanδ=0.52 |
* -는 대응 항목이 없는 것을 나타낸다.
여기에 나타낸 고주파 투자율, tanδ는 상술한 바와 같이, 공정 후의 값을 각각 수지층 도포 및 경화 처리 미실시의 구형 시료의 공정 전의 값으로 규격화한 것이다. 또, tanδ는 고주파 투자율의 허수 성분을 실수 성분으로 제한 것이다.
표 2에 나타낸 바와 같이, 제1 실시 형태의 강자성막은 하지 반강자성막 상에 적층되어 있고, 상술한 자기 모멘트의 고착 효과에 의한 1방향 자기 이방성이 생기도록 하였다. 하지가 되는 반강자성막 성막시와 성막 후 열처리시에 있어서의 면내 자장 인가 방향을 나타내는 각도 α는 0이다.
비교예 1은 하지 반강자성막이 없는 것을 제외하고는 제1 실시 형태와 동일한 조건이기 때문에, 양자의 비교로부터 하지 반강자성막에 의한 자기 모멘트의 고착으로부터 생긴 면내 1방향 자기 이방성의 효과를 추출할 수 있다. 또한, 반강자성막을 하지로 하여 면내 1방향 자기 이방성을 생기게 하는 시도는 종래 이루어지고 있지 않으므로, 비교예 1과의 대비는 종래의 강자성막과, 제1 실시 형태의 강자성막과의 대비라고 볼 수 있다.
표 2에 나타낸 결과로부터, 직사각형의 평면형 인덕턴스 소자의 긴변에 평행하게 면내 1방향 자기 이방성을 유도하는 본 제1 실시 형태에 있어서의 면내 1방향 자기 이방성의 유도 방법이 프로세스 대미지 후의 tanδ의 값을 낮게 하는 것, 즉 직사각형의 평면형 인덕턴스 소자의 저손실화에 유효한 것이 확인되었다.
어떠한 생산 상의 이유로 제1 실시의 형태의 면내 1방향 자기 이방성에 약간의 어긋남이 생긴 경우, 혹은 평면형 인덕턴스 자기 소자의 주축에 대해 약간 어긋난 각도(α=5도)에 따라서 이방적인 면내 응력이 도입된 경우를 제1 실시 형태의 변형예로 하고, 이것과 비교예 2와의 대비를 표 3에 나타낸다.
| 막의 구성과 처리 조건 및 고주파 특성 | 변형예 | 비교예 2 |
| 하지 반강자성막하지 성막 시의 면내 자장 인가 방향강자성 연자성막 성막 시의 자장 인가강자성 연자성막 성막 시의 자장 인가 방향상부 보호막성막 후 열처리성막 후 열처리 시의 면내 자장 인가 방향프로세스 후의 규격화 고주파 투자율고주파 손실 | 있음α=5도있음α=5도있음없음α=5도μ=0.73tanδ=0.021 | 없음-없음-있음있음α=5도μ0.66tanδ=0.062 |
표 3에서의 변형예의 샘플은 표 2에 나타내는 샘플과 성막 후의 열 처리가 이루어질 수 없는 점이 다르고, 또한 비교예 2의 형성 조건과의 대응도 반드시 충분하다고는 할 수 없지만 표 3으로부터도 제1 실시 형태의 유효성이 나타났다고 생각할 수 있다.
다음에 도 2 내지 도 6 및 표 4에 기초하여 본 발명의 제2 실시 형태에 대해설명한다. 제2 실시 형태에서는 직사각형의 평면형 인덕턴스 소자의 긴변 방향에 대해 약 30도 또는 약 60도의 방향으로 면내 1방향 자기 이방성을 유도한다. 이것을 경사 1방향의 유도라고 하기로 한다.
경사 1방향의 유도의 작용은 인덕턴스 소자의 제조 공정에서의 평면형 구형 인덕턴스 소자의 면내 주축 방향에 따른 이방적인 압축 응력, 인장 응력의 도입에 대해 실효적인 고주파 투자율 변화가 거의 0, 즉 소자의 인덕턴스 변화가 거의 0이 되고 소자 특성의 프로세스 내성이 높아지는 점에 있다. 또한, 제1 실시 형태에 진술한 평행 1방향의 유도와 마찬가지의 기구로, 소자를 구성하는 연자성막의 자화 곤란축 및 자화 용이 방향의 방위의 편차의 억제 작용도 얻어지는 이점이 있다.
일반적으로, 소자에 도입되는 이방적인 면내 응력은 각 소자의 외형 형상이나 코일막 형상, 자성막 형상의 대칭성과 밀접한 상관이 있다. 자성막의 자화 곤란축 여자를 살리기 위해서는 코일이나 인덕터 형상을 구형으로 하는 것이 자연스러우며, 반도체 박막 프로세스를 원용하여 웨이퍼 상에 소자를 형성하는 경우에도 소자의 수율이나 다이싱 적합성을 위해 일반적으로 구형 패턴이 선택된다.
이 때문에, 각종 프로세스에 의해 면내에 이방적인 응력이 도입되면 소자 형상의 이방성을 반영하여 소자 외형의 주축이 되는 길이 방향으로 평행 또는 수직인 방향으로 이방적 응력이 발생하는 경우가 많다.
구형 박막 인덕터의 길이 축 방향에 대해 자화 용이 방향이 면내에서 각도 α를 이루는 면내 1방향 자기 이방성을 갖는 강자성막에 인덕터의 길이축에 대해 평행 또는 수직인 면내에서 이방적인 응력 s가 후 프로세스에 도입되면, 상기 각도α의 자기 이방성과 상기 응력 s에 의한 자기 이방성의 주요 성분이 합성되며, 새로운 자화 용이 방향과 면내 자기 이방성 에너지의 값이 얻어진다.
즉, 상기 각도 α의 자기 이방성에 의해서 부여되고 있던 본래의 방향과 크기가 변화한다. 이 때, 총합적인 면내 자기 이방성의 크기와 자화 용이 방향은 간단한 삼각 함수를 이용하여 수학식 1, 2와 같이 표현된다. 이들을 이용하여 평면형 인덕턴스 소자의 구형 코일이 발생하는 자장에 의해 자성막이 구동되는 경우의 인덕턴스에 기여하는 실효적인 고주파 투자율, 즉 회전 자화 과정에 의한 가역적인 초기 투자율은 수학식 3과 같이 표현된다.
여기서,
α : 면내 1방향 자기 이방성의 자화 용이 방향과 구형 평면형 인덕턴스 소자의 긴변 방향과의 이루는 각
β : 합성된 면내 자기 이방성 에너지 E2의 자화 용이 방향과 구형 평면형 인덕턴스 소자의 긴변 방향과의 이루는 각
E0: 면내 1방향 자기 이방성 에너지
E1: 면내의 이방적 응력에 의해서 도입된 이방적 자기 탄성 에너지
E2: E0와 E1으로부터 합성되는 1축 자기 이방성 주요항(2θ 성분)의 자기 이방성 에너지
: 본 발명의 실효적인 고주파 투자율을, 종래의 인덕턴스 소자가 면내의 이방적 응력 0인 경우의 자화 곤란축 여자에서의 고주파 투자율로 규격화한 규격화 실효 투자율이다.
몇 개의 α의 값에 대해 초기 투자율의 이방적 응력에 대한 의존성의 수치 계산을 행하고, α=30도 근방에서는 응력의 증감에 대한 초기 투자율의 변화가 거의 0이 되고, 고주파 투자율의 프로세스 내성이 현저하게 높아져 설계 사양대로의 평면형 인덕턴스 소자를 얻을 수 있는 것이 발명자에 의해 처음으로 발견되었다.
여러가지의 α의 값에서의 실효 투자율, 합성면내 이방성 에너지를 면내 1방향 자기 이방성 에너지로 나눈 E2/E0, 인덕터 주축에 대한 합성면내 이방성의 방향을 나타내는 각 β(rad)의 자화 용이 방향의 이방적 응력(이방적 자기 탄성 에너지를 면내 1방향 자기 이방성 에너지로 나눈 E1/E0)에 대한 의존성을 도 2 내지 도6에 도시한다.
도 2에서는 α=0도의 경우, 자화 용이 방향의 이방적 응력 E1/E0를 변화시켜도 β=0도로 되어 있다. 이것은 상기 제1 실시 형태에서의 평행 1방향인 경우에 상당한다. 이 때,의 값은 E1/E0=0의 근방에서 자화 용이 방향의 이방적 응력과 함께 감소하고 있다. 따라서, 제1 실시 형태에서는 표 2에 나타낸 바와 같이 프로세스 대미지 후의 tanδ의 값을 낮게 하는 것에는 매우 유효하지만,는 규격화치 1로부터 변화하고 있는 것을 알 수 있다.
α=22.5도에서의, E2/E0, β의 E1/E0에 대한 의존성을 도 3에 도시한다. E1/E0=0의 근방에서의 E1/E0에 대한 감소율이 작아지는 것을 알 수 있다.
α=28.175도에서의, E2/E0, β의 E1/E0에 대한 의존성을 도 4에 도시한다. E1/E0=0의 근방에서의 E1/E0에 대한 감소율이 도 3에 비교하여 더욱 작아지고 있다.
α=30도에서의, E1/E0, β의 E1/E0에 대한 의존성을 도 5에 도시한다. E1/E0=0에서는 극대치가 되고 따라서 E1/E0=0의 근방에서의 E1/E0에 대한 변화율이 0이 되는 것을 알 수 있다.
α=33.75도에서의, E2/E0, β의 E1/E0에 대한 의존성을 도 6에 도시한다.도 3, 도 4와 달리 E1/E0=0의 근방에서의 E1/E0에 대해 증가로 바뀌고 있는 것을 알 수 있다.
이상의 해석 결과로부터 α=30도로 하면의 자화 용이 방향의 이방적 응력 E1/E0,즉 프로세스 중에 도입되는 외부 응력에 대한 프로세스 내성이 최대가 되는 것을 알 수 있었다. 이들에 기초하여 후술하는 바와 같이 이들의 효과의 검증 실험을 행하여 뒷받침을 얻을 수 있었다.
이방적 압축 응력과 이방적 인장 응력은 면 내에서의 응력 방향이 90도 다른 경우와 등가이기 때문에, α=30도 근방에서의 실효적 투자율이 높은 내프로세스성은 α=60도 근방에서도 얻어지는 것은 자명하다.
이상 도시한 바와 같이, 일반적으로 프로세스에 기인하는 이방적 응력이 평면형 인덕턴스 소자의 주축에 대해 평행 또는 수직인 방향으로 생기는 것, 이방적 응력에 대해 30도 또는 60도의 면내 방향으로 자화 용이 방향을 갖는 경우에 실효적인 고주파 투자율이 이방적 응력의 변화에 대해 도시하는 변화량이 작기 때문에, 평면형 인덕턴스 소자의 주축 방향에 대해 30도 또는 60도의 면내 방향으로 자화 용이 방향을 갖는 연자성막의 실효적 고주파 투자율은 높은 프로세스 내성을 나타낼 수 있게 된다.
이 효과의 본질적인 부분은 1방향 자기 이방성뿐만 아니라, 면내 1축 자기 이방성을 갖는 경우에도 기대되지만, 이와 같이 경사진 자화 용이축을 갖는 자성막에서는 상술한 바와 같이 180도 자벽(磁璧)이 존재하고, 이것이 고주파 여자에 대해 연동하는 힘을 부여하기 때문에, 소위 이상손(異常損)을 발생시킨다. 면내 1방향 자기 이방성을 부여한 본 발명의 강자성막에서는 전술한 기구에 의해 이것이 방지되기 때문에, 실효적 고주파 투자율이 높은 프로세스 내성을 충분히 살릴 수 있다.
제2 실시 형태에서는 직사각형의 평면형 인덕턴스 소자의 긴변 방향에 대해 약 30도 또는 약 60도의 방향으로 면내 1방향 자기 이방성을 유도한다. 이것을 경사 1방향의 유도라고 하기로 한다.
상기 경사 1방향의 유도를 행한 제2 실시 형태에서의 강자성막과 상기 제1 실시 형태에서의 강자성막, 비교예 3 내지 비교예 5의 강자성막의 구조와 제조 조건 및 고주파 투자율, tanδ의 값을 표 4에 나타낸다.
| 막의 구성과 처리 조건 및 고주파 특성 | 제2 실시 형태 | 제1 실시 형태 | 비교예 3 | 비교예 4 | 비교예 5 |
| 하지 반강자성막 | 있음 | 있음 | 있음 | 있음 | 없음 |
| 하지 성막시의 면내 자장 인가 방향 | α=30도 | α=0도 | α=20도 | α=40도 | - |
| 강자성 연자성막 성막시의 자장 인가 | 없음 | 없음 | 없음 | 없음 | 없음 |
| 상부 보호막 | 있음 | 있음 | 있음 | 있음 | 있음 |
| 성막 후 열처리 | 있음 | 있음 | 있음 | 있음 | 있음 |
| 성막 후 열처리시의 면내 자장 인가 방향 | α=30도 | α=0도 | α=20도 | α=40도 | α=30도 |
| 프로세스후의 규격화 고주파 투자율 | μ=0.94 | μ=0.72 | μ=0.77 | μ=1.13 | μ=0.86 |
| 고주파 손실 | tanδ=0.026 | tanδ=0.021 | tanδ=0.025 | tanδ=0.029 | tanδ=0.076 |
표 4에 나타낸 경사 1방향의 유도를 행한 본 제2 실시 형태의 강자성막은 상기 제1 실시 형태에 비해 고주파 투자율 μ의 값이 규격화치 1에 가깝고, 또한 tanδ의 값도 제1 실시 형태에 비해 손색이 없는 것을 알 수 있었다. 표 4에서 볼 수 있듯이, 양자의 제조 조건 상의 차이는 면내 1방향 자기 이방성의 자화 용이 방향과 구형 평면형 인덕턴스 소자의 긴변 방향과의 이루는 각 α만이기 때문에, 이 결과로부터 경사 1방향의 유도가 평행 1방향의 유도에 비해 더욱 프로세스 내성에 우수한 자기 모멘트의 유도 방법인 것을 알 수 있다.
제2 실시 형태와 제1 실시 형태 및 비교예 2, 비교예 3과의 비교에 의해 α=0도, 20도, 40도로 변화함에 따라의 값은 거의 도 2, 도 3, 도 5의의 이론 곡선에 의해 설명할 수 있는 움직임을 나타내고 있고, 예상대로 α=30도에 접근할수록 프로세스 내성이 향상하는 것을 알 수 있다. 이론 해석의 결과는 표 4에 의해 충분히 뒷받침되었다고 생각된다.
또한, 표 4의 비교예 5와 본 제2 실시 형태를 대비하면 하지 반강자성막을 설치하지 않은 경우에는 α=30도로서도 tanδ의 값이 대폭 열화하고 있고 성막 시에 자기 모멘트의 고착 효과가 없으면 면내 1방향 자기 이방성이 얻어지지 않는 것을 나타내고 있다.
이상 설명한 바와 같이, 구형 인덕터의 주축에 약 30도의 면내 각도를 갖는 자화 용이 방향을 갖는 강자성막이 제조 프로세스 중에서의 면내의 이방적 응력의 도입에 의한 투자율 변화를 효과적으로 억제하는 것, 종래의 구형 인덕터 주축에 평행한 자화 용이축 방향을 갖는 강자성막에 비해 면내 각도 40도, 20도의 경우라도 투자율의 내프로세스성의 개선을 볼 수 있는 것, 면내 각도 30도에서도 1방향자기 이방성을 갖지 않는 경우에는 tanδ에 현저한 열화가 생기는 것이 확인되었다.
다음에 표 5에 기초하여 본 발명의 제3 실시 형태, 제 4 실시 형태를 설명한다.
| 막의 구성과 처리 조건 및 고주파 특성 | 제3 실시 형태 | 제4 실시 형태 |
| 하지 반강자성막하지 성막 시의 면내 자장 인가 방향강자성 연자성막 성막 시의 자장 인가강자성 연자성막 성막 시의 자장 인가 방향상부 보호막성막 후 열처리하부층 반강자성막(새롭게 성막)하부층 성막 시의 면내 자장 인가 방향강자성 연자성막 성막 시의 자장 인가강자성 연자성막 성막 시의 자장 인가 방향상부 보호막성막 후 열처리하지 반강자성막(새롭게 성막)하지 성막 시의 면내 자장 인가 방향강자성 연자성막 성막 시의 자장 인가강자성 연자성막 성막 시의 자장 인가 방향상부 보호막성막 후 열처리하지 반강자성막(새롭게 성막)하지 성막 시의 면내 자장 인가 방향강자성 연자성막 성막 시의 자장 인가강자성 연자성 성막 시의 자장 인가 방향상부 보호막성막 후 열처리프로세스 후의 규격화 고주파 투자율고주파 손실 | 있음α=30도있음α=30도있음없음있음α=-30도있음α=-30도있음없음------------μ=0.95tanδ=0.027 | 있음α=30도있음α=30도있음없음있음α=-30도있음α=-30도있음없음있음α=45도있음α=45도있음없음있음α=-45도있음α=-45도있음없음μ=1.24tanδ=0.024 |
제3 실시 형태에서는 방향이 다른 1방향 자기 이방성을 갖는 복수의 자성 박막을 평면형 인덕턴스 소자의 구성 요소로서 이용한다. 다른 면내 1방향 자기 이방성을 갖는 자성 박막을 직접 또는 간접적으로 적층함으로써 투자율을 일정하게 유지하거나 자왜(磁歪) 손실을 저감하는 결합이 존재한다.
예를 들면, 인덕터 주축과의 이루는 각이 0도, +45도, -45도의 자화 용이 방향을 갖는 강자성막을 결합하면, 주축에 따른 이방적 응력에 대해 0도의 강자성막의 실효 투자율이 증대한 경우에는 +45도, -45도의 강자성막의 실효 투자율이 감소하므로, 강자성막의 체적비를 최적화함으로써 실질적으로 실효 투자율 일정한 상태를 만들어 낼 수 있다.
예를 들면, 인덕터 주축과의 이루는 각이 +30도, -30도의 자화 용이 방향을 갖는 강자성막의 결합에서는 주축에 따른 이방적 응력에 대해 강자성막의 실효 투자율이 실질적으로 일정할 뿐만 아니라, 이방적 응력의 방위가 인덕터 주축으로부터 어느 정도의 어긋남을 나타내는 경우에도, 한쪽으로 실효 투자율의 감소, 다른쪽으로 실효 투자율의 증가를 초래하여 30도의 단일 방향의 자화 용이 방향을 갖는 강자성막만으로 평면형 인덕턴스 소자가 구성되는 것보다도 더욱 내프로세스성이 높은 상태를 실현할 수 있다.
인덕터 주축과 이루는 각이 +45도, -45도의 자화 용이 방향을 갖는 강자성막의 결합에서는 자화의 방향에 따른 자발적인 자왜가 +45도와 -45도와의 사이에서 거의 상쇄되기 때문에, 예를 들면 양자를 직접 적층하면 고주파 여자에서의 자기 모멘트의 운동에 대해 결정 격자에 주어지는 왜곡의 변화를 경감하고, 자기·기계 결합에서의 에너지의 교환시 생기는 손실을 저감할 수 있다.
표 5에 나타내는 제3 실시 형태의 강자성막은 α=30도와 α=-30도의 강자성막이 적층된 것으로 제 4 실시 형태의 강자성막은 상기 강자성막에 α=45도와 α=-45도의 강자성막이 더 적층된 것이다.
이와 같이 다른 방위를 갖는 면내 1방향 자기 이방성막의 복합에서도 이방 적인 면내 응력에 대해 고주파 투자율의 변화를 억제하면서 손실 증가 방지를 꾀할 수 있는 것을 나타낸다. 제4 실시 형태의 강자성막이 제3 실시 형태의 강자성막보다도 낮은 tanδ를 도시하는 이유 중 하나는 자왜에 의한 자발 왜곡에 기인하는 손실이 억제되었기 때문이라고 생각된다.
이상 설명한 바와 같이, 무시할 수 없는 자왜를 갖는 연자성 박막 및 이것을 구비하는 평면형 인덕턴스 소자가 각종 프로세스에 의해서 이방적인 면내응력을 받은 경우에 소정의 면내 자화 용이 방향을 갖는 면내 1 방향 자기 이방성막의 단수 또는 복수의 결합에 의해서 이방적인 면내 응력에 대해 실효적인 고주파 투자율이 쉽게 영향받지 않는 연자성·강자성막을 얻을 수 있다.
즉, 인덕턴스값의 변화나 열화, 편차의 증대가 억제된 평면형 인덕턴스 소자가 얻어진다. 그 결과, 제어성이 우수하여 면내 프로세스성이 높고 설계치를 정확하게 반영하여 편차가 적은 강자성막과 평면형 인덕턴스 소자의 생산을 실현할 수 있는 것이 확인되었다.
다음에 도 7 및 표 6에 기초하여 본 발명의 제5 실시 형태를 설명한다.
제5 실시 형태에서는 제3 실시 형태와 동일한 방법으로 기판 웨이퍼 상에 강자성막을 형성하고 수지 도포, 열 처리 및 다이싱 미실시 상태의 상기 강자성막 기판 웨이퍼를 이용하여 평면형 인덕턴스 소자를 제조하였다.
평면형 인덕턴스 소자의 모식도를 도 7에 도시한다. 열산화막(8)으로 피복한 실리콘 기판(7) 상에 상기 제1 강자성막(9)을 형성하고 스퍼터법을 이용하여SiO2막(10)을 형성하고 그 위에 Cu 도금을 이용하여 도체 코일부(11)를 제조하였다. 도금용 하지 전극은 스퍼터법을 이용하여 제조하였다. 도체 코일부(11)의 패터닝은 포토 공정에 의해 마스크 패턴을 전사하고 습식 에칭함으로써 행하였다.
스핀 코터를 이용하여 도체 코일부 상에 수지층으로서 폴리이미드(12)를 충전하고 그 위에 절연층으로서 AlN막(13)을 형성하고 그 위에 제2 강자성막(14)을 형성하였다. 여기서, 상기 제1, 제2 강자성막(9, 14)은 모두 상기 제3 실시 형태와 동일한 방법으로 형성한 막이다.
코일 전극 상의 제2 강자성막(14)을 포토 공정과 선택적 습식 에칭을 이용하여 패턴 형성하고 코일 전극을 노출시켰다. 강자성막을 소자마다 분리하기 위한 패터닝도 마찬가지로 습식 에칭을 이용하여 행하고 다이싱으로 개개의 소자를 추출하였다.
이상의 프로세스에 의해 표 6에 나타내는 제5 실시 형태에서의 평면형 인덕턴스 소자를 제조하였다. 또한, 비교예 1과 동일한 방법의 성막을 2회 실시한 수지 도포, 열 처리 및 다이싱 미실시의 강자성막 기판 웨이퍼를 이용하여 마찬가지로 평면형 인덕턴스 소자를 제조하고 이것을 비교예 6으로 하였다.
| 막의 성막과 처리 조건 및 고주파 특성 | 제5 실시 형태 | 비교예 6 |
| 하지 반강자성막하지 성막 시의 면내 자장 인가 방향강자성 연자성막 성막 시의 자장 인가강자성 연자성막 성막 시의 자장 인가 방향상부 보호막성막 후 열처리성막 후 열처리 시의 면내 자장 인가 방향하지 반강자성막(새롭게 성막)하지 성막 시의 면내 자장 인가 방향강자성 연자성막 성막 시의 자장 인가강자성 연자성막 성막 시의 자장 인가 방향상부 보호막성막 후 열처리성막 후 열처리 시의 면내 자장 인가 방향프로세스 후의 규격화 고주파 투자율고주파 손실 | 있음α=30도있음α=30도있음없음-있음α=-30도있음α=-30도있음없음-μ=0.95tanδ=0.027 | 없음-없음-있음있음α=0도없음-없음-있음있음α=0도μ=0.69tanδ=0.052 |
| 규격화 프로세스 후 인덕턴스Q값 | 0.955.5 | 0.852.8 |
또, 비교예 6의 강자성막은 종래의 강자성막의 형성 방법으로 이에 비교해서 본 발명의 제5 실시 형태에서의 강자성막의 구조와 형성 조건은 복잡하지만 표 6에 나타나는 결과에서 고주파 자기 특성을 도시하는 μ와 tanδ의 값은 종래에 비해 현격하게 우수하고 높은 내프로세스성을 나타내는 것을 알 수 있다.
제5 실시 형태의 평면형 인덕턴스 소자와 비교예 6에 나타낸 종래의 평면형 인덕턴스 소자의 인덕턴스의 실측치를 설계치로 규격화한 규격화 인덕턴스값과 1㎒에서의 품질 계수 Q의 값을 표 6의 하단에 나타낸다. 이와 같이, 본 발명은 0.95와 설계치에 잘 대응한 인덕턴스 값이 얻어진다. Q값에 대해서도 종래법의 비교예 6에 비해 약 2배라고 하는 현격하게 우수한 값이 얻어지는 것이 확인되었다.
이상 도시한 바와 같이, 면내 1방향 자기 이방성을 부여·유도한 본 발명의 강자성막이 고포화 자화·연자성에 대해 우수함과 동시에 자왜의 값이 0이 아닌 강자성·연자성막에 높은 내프로세스성을 부여하는 것이 확인되었다.
또한, 본 발명의 강자성막을 이용한 평면형 인덕턴스 소자로는 설계에 의거한 실효적인 고주파 투자율이 얻어지고, 그 프로세스 중에서의 변동이 억제되는 것이 확인되었다. 한편, 비교예에 도시한 바와 같이 종래의 강자성막을 이용한 평면형 인덕턴스 소자로는 면내의 이방적 응력에 대한 실효적인 고주파 투자율의 변화가 크고, 설계대로의 소자 특성이 얻어지지 않는 것이 확인되었다.
또, 본 발명은 상기한 실시 형태에 한정되는 것은 아니다. 상기한 실시 형태에서는 강자성막의 재료로서 Fe-Co-B-C 연자성막을 이용하였지만, 이 밖에 Fe-Co-B-C-Sm, Fe-Co-B-C-Sn, Fe-Co-B-C-Si, Fe-Co-Sn-Ta-N 등의 5원소계, Co-Hf-B 등의 3원소계, Ni-Fe 등의 2원소계, Fe계의 미결정막을 마찬가지의 목적으로 이용할 수 있다.
또한, 면내 1방향 자기 이방성을 유도하는 반강자성막의 재료로서 Ir20Mn80을 이용하였지만, 마찬가지로 Fe-Mn, Ni-Mn, Pd-Mn, Ir-Mn, Rh-Mn, Ru-Mn, Co-Mn 및 Fe, Co, Ni를 포함하는 산화물 등의 반강자성 재료를 이용할 수 있다.
또한, 복수의 면내 1방향 자기 이방성을 갖는 막을 결합하여 고주파에서의 자기 특성을 개선하고자 할 때, 상기 복수의 막을 적층해도 되고, 일정한 간격을 두고 평행하게 배치해도 된다. 이 외에, 본 발명의 요지를 벗어나지 않는 범위 내에서 여러가지 변형 실시가 가능하다.
상술한 바와 같이 본 발명에 따르면, 평면 인덕터나 박막 자기 헤드 등의 평면형 인덕턴스 소자에 이용되는 강자성막에 대해 고포화 자화, 연자성 및 면내 1축 자기 이방성의 제어성을 가지면서, 또한 평면형 자기 소자 제조 프로세스 중 또는 프로세스 후의 이방적 응력, 응력의 분산의 발생이나 변화에 대해 실효적인 고주파 투자율의 변화가 작고, 자기 특성이 쉽게 열화되지 않는 강자성막 및 이것을 이용한 평면형 인덕턴스 소자를 제공할 수 있다.
Claims (22)
- 강자성막을 갖는 평면형 인덕턴스 소자에 있어서,상기 강자성막은, 적어도 면내에서의 1축 자기(磁氣) 이방성을 갖는 것이며, 단체(單體)의 강자성막 또는 다른 자성막과 적층된 복합막으로 이루어지며, 적어도 열적, 자기적, 역학적인 처리 중 어느 하나를 실시함으로써, 면내에서 1방향으로 자기 모멘트가 정렬된 면내 1방향 자기 이방성을 갖는 것을 특징으로 하는 평면형 인덕턴스 소자.
- 제1항에 있어서, 상기 강자성막의 평면 형상은, 그 수직축에 대해 회전 2회 대칭성, 또는 회전 4회 대칭성을 가지며, 상기 강자성막의 면내 1방향 자기 이방성이 나타내는 방향은, 상기 면내에서의 1축 자기 이방성의 축방향, 또는 이것과 수직인 축방향에 대해 면내에서 30도 ±10도의 각도를 갖는 것을 특징으로 하는 평면형 인덕턴스 소자.
- 제1항에 있어서, 상기 강자성막의 평면 형상은, 구형 또는 정방형이며, 상기 강자성막의 면내 1방향 자기 이방성이 나타내는 방향이, 구형 또는 정방형의 1변과 평행한 방향 또는 면내에서 이것에 수직인 방향에 대해, 면내에서 30도 ±10도의 각도를 갖는 것을 특징으로 하는 평면형 인덕턴스 소자.
- 강자성막을 갖는 평면형 인덕턴스 소자에 있어서,상기 강자성막은 적어도 면내에서의 1축 자기 이방성을 가지며, 단체의 강자성막 또는 다른 자성막과 적층된 복합막으로 이루어지며, 면내에 생기는 이방적인 인장 응력 또는 압축 응력의 방향, 및 면내에서 상기 인장 응력 또는 압축 응력의 방향과 수직인 방향에 대해 30도 ±10도의 각도를 나타내는 면내 1방향 자기 이방성을 갖는 것을 특징으로 하는 평면형 인덕턴스 소자.
- 제4항에 있어서, 상기 면내 1방향 자기 이방성은, 상기 단체의 강자성막 또는 다른 자성막과 적층된 복합막의 상부 보호막으로서 이용한 수지층의 경화시의 열처리에 의해 면내에 생긴 이방적인 인장 응력 또는 압축 응력에 의한 것인 것을 특징으로 하는 평면형 인덕턴스 소자.
- 강자성막을 갖는 평면형 인덕턴스 소자에 있어서,상기 강자성막은 적어도 면내에서의 1축 자기 이방성을 가지며, 단체의 강자성막 또는 다른 자성막과 적층된 복합막으로 이루어지며, 상기 다른 자성막은 반강자성막인 것을 특징으로 하는 평면형 인덕턴스 소자.
- 제1항에 있어서, 상기 면내 1방향 자기 이방성을 갖는 상기 단체의 강자성막 또는 다른 자성막과 적층된 복합막 중 어느 하나를 포함하는 복수의 강자성막을 구비하는 것을 특징으로 하는 평면형 인덕턴스 소자.
- 제4항에 있어서, 상기 면내 1방향 자기 이방성을 갖는 상기 단체의 강자성막 또는 다른 자성막과 적층된 복합막 중 어느 하나를 포함하는 복수의 강자성막을 구비하는 것을 특징으로 하는 평면형 인덕턴스 소자.
- 제6항에 있어서, 상기 면내 1방향 자기 이방성을 갖는 상기 단체의 강자성막 또는 다른 자성막과 적층된 복합막 중 어느 하나를 포함하는 복수의 강자성막을 구비하는 것을 특징으로 하는 평면형 인덕턴스 소자.
- 제7항에 있어서, 상기 복수의 강자성막을 구비하는 경우에, 1개 이상의 면내 1방향 자기 이방성의 방향이, 다른 면내 1방향 자기 이방성의 방향과 다른 것을 특징으로 하는 평면형 인덕턴스 소자.
- 제8항에 있어서, 상기 복수의 강자성막을 구비하는 경우에, 1개 이상의 면내 1방향 자기 이방성의 방향이, 다른 면내 1방향 자기 이방성의 방향과 다른 것을 특징으로 하는 평면형 인덕턴스 소자.
- 제9항에 있어서, 상기 복수의 강자성막을 구비하는 경우에, 1개 이상의 면내 1방향 자기 이방성의 방향이, 다른 면내 1방향 자기 이방성의 방향과 다른 것을 특징으로 하는 평면형 인덕턴스 소자.
- 제7항에 있어서, 상기 복수의 강자성막을 구비하는 경우에, 1개 이상의 면내 1방향 자기 이방성의 방향이, 다른 면내 1방향 자기 이방성의 방향과 평행하거나 또는 면내에서 직교하는 것을 특징으로 하는 평면형 인덕턴스 소자.
- 제8항에 있어서, 상기 복수의 강자성막을 구비하는 경우에, 1개 이상의 면내 1방향 자기 이방성의 방향이, 다른 면내 1방향 자기 이방성의 방향과 평행하거나 또는 면내에서 직교하는 것을 특징으로 하는 평면형 인덕턴스 소자.
- 제9항에 있어서, 상기 복수의 강자성막을 구비하는 경우에, 1개 이상의 면내 1방향 자기 이방성의 방향이, 다른 면내 1방향 자기 이방성의 방향과 평행하거나 또는 면내에서 직교하는 것을 특징으로 하는 평면형 인덕턴스 소자.
- 제1항에 있어서, 상기 강자성막이 갖는 포화 자왜 정수(飽和磁歪定數)의 절대치가 0. 1ppm 이상인 것을 특징으로 하는 평면형 인덕턴스 소자.
- 제4항에 있어서, 상기 강자성막이 갖는 포화 자왜 정수의 절대치가 0. 1ppm 이상인 것을 특징으로 하는 평면형 인덕턴스 소자.
- 제6항에 있어서, 상기 강자성막이 갖는 포화 자왜 정수의 절대치가 0. 1ppm이상인 것을 특징으로 하는 평면형 인덕턴스 소자.
- 제1항에 있어서, 상기 강자성막은 Fe, Co, B, 및 4B족 원소를 포함하는 비정질막, 또는 미결정과 비정질과의 복합상(複合相)으로 이루어지는 막이 포함되는 것을 특징으로 하는 평면형 인덕턴스 소자.
- 제17항에 있어서, 상기 강자성막은 Fe, Co, B, 및 4B족 원소를 포함하는 비정질막, 또는 미결정과 비정질과의 복합상으로 이루어지는 막이 포함되는 것을 특징으로 하는 평면형 인덕턴스 소자.
- 제18항에 있어서, 상기 강자성막은 Fe, Co, B, 및 4B족 원소를 포함하는 비정질막, 또는 미결정과 비정질과의 복합상으로 이루어지는 막이 포함되는 것을 특징으로 하는 평면형 인덕턴스 소자.
- 제19항에 있어서, 상기 강자성막은 Fe, Co, B, 및 4B족 원소를 포함하는 비정질막, 또는 미결정과 비정질과의 복합상으로 이루어지는 막이 포함되는 것을 특징으로 하는 평면형 인덕턴스 소자.
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