KR100651037B1

KR100651037B1 - 그래뉼러 물질, 자성박막, 자기소자

Info

Publication number: KR100651037B1
Application number: KR1020057011719A
Authority: KR
Inventors: 최경구; 노부유키 히라츠카; 코우이치 카키자키; 타쿠 무라세
Original assignee: 티디케이가부시기가이샤
Priority date: 2002-12-27
Filing date: 2003-12-16
Publication date: 2006-12-01
Also published as: WO2004061876A1; US20060228589A1; JPWO2004061876A1; EP1585148A4; CN100364019C; EP1585148A1; KR20050085864A; CN1720595A

Abstract

비자성 절연유기물재료로 이루어지는 매트릭스(3)와 매트릭스(3) 중에 분산하는 평균입경이 50nm 이하의 강자성 금속입자(2)를 포함하며, 매트릭스(3)의 체적비가 5~50% 이며 연자기특성을 갖는 그래뉼러 물질(1)을 제공한다. 상기 그래뉼러 물질(1)은, 막형상의 형태를 가지는 경우, 1GHz에 있어서의 복소투자율의 실수부(μ')가 40이상이며, 또한 성능지수Q (Q=μ'/μ", μ" : 복수투자율의 허수부)가 1이상, 포화자화가 5kG 이상의 특성을 갖는다.

그래뉼러 물질, 고주파특성

Description

그래뉼러 물질, 자성박막, 자기소자 {GRANULAR SUBSTANCE, MAGNETIC THIN FILM, AND MAGNETIC DEVICE}

본 발명은 비자성 절연유기물에 강자성 금속미립자를 분산시킨 그래뉼러 물질, 특히 그래뉼러 박막에 관한 것이다.

자기소자의 소형화, 고성능화에 따라 높은 포화자화를 가지며, 또한 GHz의 고주파수대역에 있어서의 투자율이 높은 자성박막재료가 요구되고 있다.

예를 들면, 무선 송수신장치나 휴대정보단말기를 중심으로 수요가 높아지고 있는 모놀리식마이크로파 집적회로(MMIC)는 Si, GaAs, InP 등의 반도체 기판상에 트랜지스터 등의 능동소자와 선로, 저항, 커패시터, 인덕터 등의 수동소자를 일괄적으로 제작하여 구성되는 고주파집적회로이다.

이와 같은 MMIC에 있어서는 수동소자, 특히 인덕터나 커패시터가 능동소자에 비하여 큰 면적을 차지하고 있다. 이와 같이 수동소자가 대면적을 차지하는 것은 결과적으로 고가의 반도체기판의 대량소비, 즉, MMIC의 코스트상승으로 이어진다. 따라서, 칩면적을 축소하고, MMIC의 제조비용을 저감하기 위하여 수동소자가 차지하는 면적을 축소하는 것이 과제이다.

MMIC의 인덕티브소자로서는 평면형의 스파이럴 코일이 많이 사용되고 있다. 상기 스파이럴 코일의 상·하면, 혹은 편면에 연자성 박막을 삽입하여, 인덕턴스를 증가시키는 방법(바꾸어 말하면, 작은 점유면적에서도 종래의 인덕턴스가 얻어지는 방법)이 이미 제안되어 있다(예를 들면, J. Appl. Phys. 85,7919(1999)).

그러나, 자성재료를 MMIC의 인덕티브소자에 응용하기 위해서는 먼저, GHz의 고주파수(數)대역에 있어서의 투자율이 높고, 또한 손실이 적은 박막자성재료의 개발이 요구되고 있다. 또한, 전기저항율이 클 것도 요구되고 있다.

종래, 높은 포화자화를 갖는 자성재료로서 Fe 또는 Fe를 주성분으로 하는 미결정 또는 비결정질합금이 잘 알려져 있다. 그러나, Fe계 합금의 자성막을 스퍼터 등의 성막기술에 의하여 제작하면, 그 막의 포화자화는 높기는 하지만 보자력이 크고, 또, 전기저항율이 작아져서 양호한 고주파특성을 얻는 것은 곤란하였다.

연자기특성이 우수한 재료로서 Co계 비결정질합금이 알려져 있다. 이 Co계 비결정질합금은 Co를 주성분으로 하며 Y, Ti, Zr, Hf, Nb, Ta 등으로부터 선택되는 적어도 1종의 원소를 포함하는 비결정질을 주체로 하는 것이다. 그러나 제로(0)자왜조성의 Co계 비결정질합금의 자성막을 스퍼터 등의 성막기술에 의하여 제작하면, 그 막의 투자율은 크기는 하지만, 포화자화가 11kG(1.1T)정도로, Fe계에 비하여 작은　값을　가진다. 또한, 100MHz 정도의 주파수 및 그　이상의　주파수에서는 손실성분(복소투자율의 허수부 μ")이 커지며 성능지수 Q값이 1이하가 되어, GHz의 고주파대역에서 사용하는 자성재료로서는 적합하지　않다.

이와 같은 실정 하에서 연자성 박막의 고주파특성을 개량하기 위하여 여러 가지의 방법이 제안되어 왔다. 이 개량의 기본방침으로서는 와전류손실을 억제시키 거나 공명주파수를 상승시키는 것 등을 들 수가 있다. 와전류손실을 억제시키는 구체적인 방침으로서는 그래뉼러 박막의 이용이 제안되어 있다(예를 들면, J. Appl. Phys. 79,5130(1996)).

그래뉼러 구조의 박막에 대하여 언급하면, 비자성 물질로 이루어지는 매질중에서 미세한 강자성입자가 분산된 구조를 가지고 있으며, 비자성 금속-강자성 금속계 및 비자성 절연물-강자성 금속계가 개발되어 있다.

비자성 금속-강자성 금속계는 자기저항효과를 이용한 자기헤드재료(예를 들면, 일본국 특허 제2701743호 공보)로서의 응용이 가능하다. 한편, 비자성 절연물-강자성 금속계의 경우는 비자성 절연물의 함유량에 의하여 자기헤드재료(예를 들면, 일본국 특허 제3075332호 공보), 고주파용 인덕터재료(예를 들면, J. Ceram. Soc. Japan, 110(5), 432(2002)), 또는, 고주파용 전파흡수재료(일본국 특개 2001-210518호 공보, 일본국 특개 2002-158486호 공보)로서의 응용이 가능하다.

또한, 종래의 자기기록매체 분야에 있어서는, 유기재료와 강자성체로 이루어지는 복합박막(예를 들면, 일본국 특개소 61-178731호 공보, 일본국 특공평 3-77575호 공보)이 개발되어 있기는 하나, 자기기록 매체에로의 응용에 최적화되어 있기 때문에, 보자력이 수 100Ｏe로 크며, 고투자율을 필요로 하는 제품에는 응용할 수가 없었다.

또한, 최근에는 자기기록매체로서 CoPt, 또는 FePt합금과 플루오로카본 중합물의 복합박막이 보고되어 있다(예를 들면, 일본 응용자기학회지 vol.26, No.4, 2002 제280페이지~제283페이지, 일본 응용자기학회지 vol.27, No.4, 2003 제336페 이지~제339페이지). 그러나, 보자력이 3000Ｏe이상으로 커서 고주파용 자성재료로서는 응용이 곤란하다. 또, 제조과정 중에 300~600℃의 고온에서의 열처리를 수반하기 때문에 기판의 재질이 한정되는 등의 문제점도 있다.

종래, 비자성 절연물-강자성 금속계 그래뉼러 박막은 세라믹의 비자성 절연물(산화물, 질화물, 불화물)과 강자성 금속을 스퍼터방법 등으로 동시에 성막하는 것에 의하여 얻어지고 있다. 그러나, 종래의 그래뉼러 박막에 있어서는, 성막중에 강자성 금속미립자의 표면이 절연물과 반응하여 자기특성이 열화하기 때문에, 소망하는 자기특성을 얻을 수가 없는 일이 있었다. 또, 이와 같은 박막은 구성재료인 무기재료가 경질(硬質)이어서 유연성이 결여되어 있기 때문에, 플렉시블한 자기소자에로의 응용이 곤란하였다.

이와 같은 실정 하에서 본 발명이 창안된 것으로서 그 목적은, GHz대역의 고주파영역에서 높은 투자율을 가지며, 또한, 높은 포화자화를 갖는 고주파용 자성박막으로서 사용할 수가 있는 그래뉼러 물질 및 자성박막을 제공하는 것이다. 또, 본 발명은, 이와 같은 자성박막을 사용한 자기소자를 제공하는 것을 목적으로 한다.

이와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명은, 비자성 절연유기물재료로 이루어지는 매트릭스와, 매트릭스 중에 분산되는 평균입경(입자지름)이 50nm이하의 강자성 금속입자를 함유하는 그래뉼러 물질로서, 매트릭스의 체적비가 5~50체적%인 것을 특징으로 하는 그래뉼러 물질을 제공한다.

본 발명의 그래뉼러 물질에 있어서, 강자성 금속입자는 Fe, Co 및 Ni로부터 선택되는 적어도 1종의 원소를 주체로 하는 합금으로 구성되는 것이 바람직하다.

특히, 강자성 금속입자를 Fe 및 Co를 주체로 하는 금속으로 구성하는 것에 의하여 높은 포화자화를 얻을 수가 있다.

이 경우에 Fe 및 Co를 주체로 하는 상기 금속중의 Co의 농도는 10~50at%인 것이 바람직하다.

본 발명의 그래뉼러 물질에서는, 강자성 금속입자는 서로 교환결합이 작용하는 거리만큼 이간하여 존재할 수가 있다.

또, 본 발명의 그래뉼러 물질에 있어서 매트릭스는 유기폴리머로 구성되는 것이 바람직하다.

상기 그래뉼러 물질에 있어서의 매트릭스의 체적비는 5~40%인 것이 바람직하다.

본 발명의 그래뉼러 물질은 전형적인 것으로는 막형상의 형태를 갖는다. 그리고 이 경우, 1GHz에 있어서의 복소투자율의 실수부(μ')가 40이상이며, 또한, 성능지수 Q (Q=μ'/μ",μ":복소투자율의 허수부)가 1이상, 포화자화가 5kG(0.5T)이상의 특성을 가질 수가 있다.

본 발명의 그래뉼러 물질에 의하면, 1GHz에 있어서의 복소투자율의 실수부(μ')를 50이상, 성능지수 Q (Q=μ'/μ",μ":복소투자율의 허수부)를 5이상, 포화자화를 6kG이상으로 할 수도 있다.

또, 본 발명의 그래뉼러 물질은 전기저항율이 100μΩcm이상의 특성을 가질 수가 있다.

또, 본 발명에 의하면, 면내(面內)자기이방성을 가지며 막의 두께가 100~2000nm의 자성박막이며, Fe, Co 및 Ni로부터 선택되는 적어도 1종의 원소를 주체로 하는 평균입경이 50nm 이하인 강자성 금속입자와 유기폴리머의 혼합물로 이루어지며, 상기 혼합물 중에서 강자성 금속입자가 서로 교환결합이 작용하는 거리만큼 이간하여 존재하는 것을 특징으로 하는 자성박막이 제공된다.

본 발명의 자성박막에 있어서, 강자성 금속입자를 Fe 및 Co를 주체로 하는 금속으로 구성하는 것이 바람직하다.

또, 강자성 금속입자의 평균입경은 5~15nm인 것이 바람직하다.

본 발명의 자성박막을 구성하는 유기폴리머로서는 폴리이미드 또는, 4불화에틸렌(상품명:테프론)이 적합하다.

또한, 본 발명에 의하면, 고주파용 자성박막을 갖는 자기소자이며, 상기 고주파용 자성박막은 비자성 절연유기물재료로 이루어지는 매트릭스와, 매트릭스중에 분산되는 평균입경이 50nm 이하인 강자성 금속입자를 포함하며, 매트릭스의 체적비가 5~50%인 그래뉼러 물질로 구성되는 것을 특징으로 하는 자기소자가 제공된다.

본 발명의 자기소자에 있어서, 강자성 금속입자의 평균입경은 5~30nm인 것이 바람직하다.

또, 본 발명의 자기소자에 있어서, 강자성 금속입자를 Fe 및 Co를 주체로 하는 금속으로 구성하는 것이 높은 포화자화를 얻는데 유효하다.

본 발명의 자기소자에 있어서, 고주파용 자성박막을 구성하는 매트릭스는 유기폴리머로 구성할 수가 있다.

유기폴리머로서 플루오로카본 중합물을 채용함으로서, 고주파용 자성박막의 전기저항율을 300μΩcm이상으로 할 수가 있다.

본 발명의 자기소자에 있어서, 고주파용 자성박막은, 1GHz에 있어서의 복소투자율의 실수부(μ')가 40이상이며, 또한, 성능지수 Q(Q=μ'/μ",μ":복소투자율의 허수부)가 1이상, 포화자화가 5kG이상의 특성을 갖는 것이 바람직하다.

도 1은, 본 발명에 의한 그래뉼러 물질의 구조를 모식적으로 나타내는 도면.

도 2는, 증착중합법 및 스퍼터링법을 병용한 그래뉼러 박막형성장치(이하,「박막형성장치」로 약기한다)의 일례를 모식적으로 나타내는 도면.

도 3은, 그래뉼러 박막에 형성되는 이방성을 설명하기 위한 도면.

도 4는, 스퍼터링법을 사용한 박막형성장치의 일례를 모식적으로 나타내는 도면.

도 5는, 플라즈마 중합법 및 스퍼터링법을 병용한 박막형성장치의 일례를 모식적으로 나타내는 도면.

도 6은, 집적화(集積化) 인덕터의 일례를 나타내는 평면도.

도 7은, 도6의 A-A선의 단면도.

도 8은, 실시예5에서 얻어진 시료 No.1~5의 자기특성 등을 나타내는 도표.

도 9는, 실시예5에서 얻어진 시료 No.1~4의 X선 회절패턴.

도 10(a)는, 시료 No.2의 TEM(Transmission Electron Microscope:투과형 전자현미경) 사진.

도 10(b)는, 시료 No.4의 TEM 사진.

도　11은, 시료 No.2의 전자선 회절패턴.

이하에 본 발명의 실시형태에 대하여 설명한다.

도1은, 본 실시형태에 있어서의 그래뉼러 물질(1)의 구조를 모식적으로 나타내는 도면이다. 그래뉼러 물질(1)은 강자성 금속입자(2)가 비자성 절연 유기물재료로 구성되는 매트릭스(3)에 분산된 구조를 가지고 있다. 이와 같은 구조를 가지고 있는 그래뉼러 물질(1)은, 전형적으로는 박막으로서 실용된다. 그리고 이 박막은, 연자기특성을 가지고 있다는 것과, 우수한 고주파특성을 가지고 있다는 것이, 본 발명의 목적을 달성하는데 있어서 중요하다.

연자기특성을 얻기 위하여 강자성 금속입자(2)는, 평균입경이 50nm이하로 되어 있으며, 각 강자성 금속입자(2)의 스핀이 불규칙적인 방향을 향하고 있을 것이며, 또한 강자성 금속입자(2)끼리의 거리가 교환결합이 작용할 정도의 거리로 되어 있는 것이 중요하다.

강자성 금속입자(2)로서 Fe, Co 및 Ni로부터 선택되는 적어도 1종의 원소를 주체로 하는 금속을 채용한다. 이에 의하여, 그래뉼러 물질(1)의 보자력 및 포화자화를 조정할 수가 있다. 구체적으로는 순Fe, 순Co, 순Ni 외에, FeCo계 합금, FeNi계 합금, CoNi계 합금, FeCoNi계 합금을 사용할 수가 있다. 그 중에서도 FeCo계 합금이 강자성 금속입자(2)로서 바람직하다. 그 이유는 FeCo계 합금의 쪽이 Fe보다도 높은 포화자화가 얻어지기 때문이다. FeCo계 합금 중에서 Co의 함유량은 80at% 이 하의 범위에서 적당히 정하면 좋으나, 10~50at%의 범위에서 함유시키는 것이 바람직하다.

또, 본 발명의 목적에 지장을 주지 않는 범위에서 Fe, Co 및 Ni이외의 금속원소 또는 비금속 원소를 함유하는 것을 허용한다.

여기서, 강자성 금속입자(2)의 입경이 100nm 이하의 범위에 있어서, 보자력은 강자성 금속입자(2)의 입경의 6곱에 비례한다. 즉, 강자성 금속입자(2)의 입경을 작게하는 것에 의하여, 보자력을 낮은 값으로 규제할 수가 있다. 그래서 본 발명의 그래뉼러 물질(1)은 강자성 금속입자(2)의 평균입경을 50nm 이하로 규제한다. 바람직한 강자성 금속입자(2)의 평균입경은 30nm 이하, 보다 바람직하게는 5~30nm이다.

연자기특성을 얻기 위하여, 강자성 금속입자(2)끼리의 거리가 교환결합이 작용하는 정도의 거리로 되어 있는 것이 중요하다는 것은 상술한 바와 같다. 본 발명에서는, 강자성 금속입자(2)끼리의 거리를, 매트릭스(3)의 체적비로 조정할 수가 있다. 매트릭스(3)의 체적비가 50%를 넘으면, 강자성 금속입자(2)끼리의 거리가 너무 멀어져서 강자성 금속입자(2) 사이의 교환결합력을 잃게된다. 그래서, 본 발명에서는, 비자성 절연유기물재료로 구성되는 매트릭스(3)의 체적비를 50% 이하로 한다. 한편, 매트릭스(3)의 양이 적으면 후술하는 방법으로 얻어진 그래뉼러 물질(1)에 있어서 강자성 금속입자(2)의 입경을 작게할 수가 없게 된다. 강자성 금속입자(2)의 평균입경을 본 발명의 범위, 즉, 50nm이하로 하기 위해서는 매트릭스(3)의 체적비를 5%이상으로 하는 것이 바람직하다. 따라서 바람직한 매트릭스(3)의 체적 비는 5~40%, 보다 바람직하게는 10~40%이다.

매트릭스(3)를 구성하는 비자성 절연유기물재료로서는, 공지의 유기폴리머를 사용할 수가 있다. 상기 유기폴리머로서는 합성수지중합체 이외에, 이들 중합체를 중합하는 것에 의하여 생성되는 중합성의 모노머, 올리고머를 포함한다. 예를 들면, 하이드록시에틸아크릴레이트, 헥산디올디아크릴레이트, 네오펜켈글리콜디아크릴레이트, 메틸-α-클로로아크릴레이트, 트리메티롤프로판트리아크릴레이트, 디펜타올헥사아크릴레이트, 트리메티롤프로판트리디에틸렌글리콜아크릴레이트, 우레탄아크릴레이트 등의 아크릴계 모노머 또는 올리고머 등 자외선, 그리고 전자선 경화형 수지를 사용할 수가 있다. 또, 매트릭스(3)를 구성하는 유기폴리머로서 폴리이미드, 폴리테트라플로로에틸렌(4불화에틸렌), 폴리에틸렌텔레프탈레이트, 폴리카보네이트, 폴리파라크실렌, 폴리프로필렌, 폴리에틸렌, 폴리스틸렌, 트리플로로클로로에틸렌, 알릴트리플로로아세틸렌, 아디핀산-헥사메틸렌디아민올리고머, 그리고 실리콘유를 사용할 수가 있다.

유기폴리머로 대표되는 비자성 절연유기물재료에 의하여 매트릭스(3)를 구성하는 것에 의하여, 본 발명의 그래뉼러 물질(1)은 무기재료를 매트릭스로 하는 종래의 그래뉼러 물질에 비하여 유연성이 풍부하며, 기계적인 응력이 부여된 경우에도 갈라짐, 결손 등의 파손이 생기기 어려운 내 응력성이 뛰어난 것으로 된다.

본 발명에 의한 그래뉼러 물질(1)의 전형적인 형태로서, 박막을 들수 있다는 것은 상술한 바와 같다. 이 박막은 양호한 고주파특성을 가지는 것이 가능하다. 즉, 그래뉼러 물질(1)이 상술한 바와 같은 연자기특성을 갖는 다는 것, 후술하는 방 법에 의하여 얻은 박막에는 면내 자기이방성을 부여할 수가 있다는 것에 추가하여, 매트릭스(3)를 비자성 절연유기물재료로 구성하는 것에 의하여 고전기저항을 실현하여 와전류 손실을 경감할 수가 있기 때문에, 양호한 고주파특성을 얻는 것을 전제로 할때, 상기 그래뉼러 물질(1)의 전기저항에도 따르지만, 그 두께를 50~2000nm의 범위로 하는 것이 바람직하다. 또한, 보다 바람직한 막의 두께는 100~500nm이다.

본 발명에 의한 그래뉼러 물질(1)을 사용한 박막은 1GHz에 있어서의 복소투자율의 실수부(μ')를 40이상, 바람직하게는 50이상, 보다 바람직하게는 100이상, 보다 더 바람직하게는 200이상으로 할 수가 있다. 그리고, 상기 박막의 성능지수Q (Q=μ'/μ")를 1이상, 바람직하게는 5이상, 보다 바람직하게는 10이상으로 할 수가 있다. 또한, 본 발명에 있어서, 이들 특성은 성박한 그대로의 상태로 얻을 수가 있다. 즉, 성막 완료로부터의 경과시간에 상관없이 성막후에, 예를 들면, 열처리 등의 처리를 가하지 않은 상태에서 측정한 값에 따라서 본 발명에서 규정하는 특성을 구비하는지 여부의 판단을 행할 수가 있다. 단, 성막 후에 열처리 등의 처리를 가한 경우라도, 본 발명에서 규정하는 특성을 구비하는 것이 본 발명의 범위에 포함된다는 것은 물론이며, 이하도 마찬가지이다.

또, 본발명에 의한 그래뉼러 물질(1)을 사용한 박막은, 포화자화가 5kG(0.5T)이상, 바람직하게는 6kG(0.6T)이상, 보다 바람직하게는 10kG(1.0T)이상, 더욱 바람직하게는 15kG(1.5T)이상으로 할 수가 있다.

또, 본 발명에 의한 그래뉼러 물질(1)을 사용한 박막은, 이방성자계를 20Ｏ e(1591A/m)이상, 바람직하게는 50Ｏe(3978A/m)이상, 더욱 바람직하게는 70Ｏe(5570A/m)이상의 특성을 얻을 수가 있다.

또한, 본 발명에 의한 그래뉼러 물질(1)을 사용한 박막은, 전기저항율을 100μΩcm이상, 바람직하게는 150μΩcm이상, 더욱 바람직하게는 200μΩcm이상으로 할 수가 있다. 특히, 매트릭스(3)를 구성하는 비자성 절연유기물재료로서 플루오로카본 중합물을 사용한 경우에는, 전기저항율을 300μΩcm이상, 바람직하게는 500μΩcm이상, 더욱 바람직하게는 1000μΩcm이상으로 할 수가 있다.

다음에, 본 발명에 의한 그래뉼러 박막의 제조에 적합한 방법에 대하여 설명한다.

본 발명의 그래뉼러 박막은 매트릭스(3)를 구성하는 비자성 절연유기물재료와 강자성 금속입자(2)를 동일한 계(系) 내에서 동시에 성막처리하는 것에 의하여 얻을 수가 있다.

비자성 절연유기물재료로 이루어지는 매트릭스(3)의 형성에는 종래 공지의 박막형성 프로세스를 적용할 수가 있다. 예를 들면, 증착 중합법, 플라즈마 중합법, 스퍼터링법 및 레이저 어블레이션법(laser ablation)을 적용할 수가 있다.

상기 증착 중합법은, 폴리머를 구성하는 모노머를 각각 가열하여 증발시켜 소정의 기판상에 폴리머를 증착 중합시키는 방법이다. 플라즈마 중합법은, 모노머를 가스화하여 플라즈마 방전에 의하여 중합시키는 방법이다. 스퍼터링법은, 판형상의 비자성 절연유기물재료(예를 들면, 폴리머)를 타겟재료로 하여 스퍼터링에 의하여 박막을 형성하는 방법이다. 레이저 어블레이션법은, 비자성 절연유기물재료에 레이저광을 조사하여 어블레이션을 발생시켜, 기판상에 상기 비자성 절연유기물재료를 성막하는 방법이다. 또한, 어블레이션이란, 국소적으로 발생하는 고온 플라즈마상태로부터 타겟물질이 비산하는 현상을 말한다.

강자성 금속입자(2)의 형성에 관해서도 종래 공지의 박막형성 프로세스를 적용할 수가 있다. 예를 들면, PVD(Physical Vapor Deposition: 물리적 증착법, 예를 들면, 증착법, 스퍼터링법, 레이저 어블레이션법 등), CVD(Chemical Vapor Deposition: 화학적 증착법)를 적용할 수가 있다.

비자성 절연유기물재료로 이루어지는 매트릭스(3), 강자성 금속입자(2)의 각각에 대해서는, 상술한 성막형성 프로세스를 적용하는 바, 본 발명에서는 상기 각각의 프로세스를 동시에 실시하는 것에 의하여 상술한 바와 같은 그래뉼러 박막을 형성한다. 그 예를 도2~도5를 참조하여 설명한다.

도2는, 본 발명에 의한 그래뉼러 박막을 형성하기 위한 장치의 구성개요를 나타내고 있다. 이 장치는, 비자성 절연유기물재료로 구성되는 매트릭스(3)는, 증착 중합에 의하여 얻을 수가 있으며, 강자성 금속입자(2)는, 스퍼터링에 의하여 얻을 수 있는 것이다.

도2에 있어서, 박막형성장치는 진공용기(10)내의 하부에 유기물 증발용 셀(11, 12)을 구비하고 있다. 유기물 증발용 셀(11, 12)은 상부가 개방된 컵모양의 형상을 하고 있으며, 박막형성시에는 상기 유기물 증발용 셀(11, 12)내에 중합원료인 모노머가 수용된다. 상기 유기물 증발용 셀(11, 12)에는 수용된 모너머를 소정의 증발온도까지 가열하는 히터(도시하지 않음)를 부설하고 있다.

유기물 증발용 셀(11, 12)의 상부에는 셔터(13, 14)가 각각 배설되어 있다. 상기 셔터(13, 14)는 유기물 증발용 셀(11, 12)의 개방부를 덮는 위치(닫힘)와 개방하는 위치(열림)와의 사이를 왕복운동한다. 도2는 셔터(13,14)를 닫은 상태를 나타내고 있다. 유기물 증발용 셀(11, 12)내에 수용된 모노머가 증발하고 있을 때에 이 증발물을 비산시키고 싶지 않을 경우에는 셔터(13, 14)를 닫고, 비산시키고 싶을 때에는 셔터(13, 14)를 연다.

상기 유기물 증발용 셀(11, 12)의 사이에는 타겟을 올려놓는 재치대(15)가 배설되어 있으며, 상기 타겟재치대(15) 위에 타겟(16)이 놓여진다. 이 타겟(16)은 강자성 금속입자(2)를 형성하기 위한 것이다. 상기 타겟(16)에 DC/RF전원(도시하지 않음)으로부터 소정의 전력을 인가하여, 타겟(16)에 대하여 고속으로 이온을 충돌시킨다. 고속으로 이온이 충돌한 타겟(16)의 표면으로부터 타겟(16)을 구성하는 원소의 분자 또는 원자를 두들겨쳐낸다. 타겟(16)은 강자성 금속입자(2)와 실질적으로 동일한 조성의 합금타겟과 강자성 금속입자(2)를 구성하는 원소로 이루어지는 단일조성의 타겟과 단일조성 타겟의 조합과 단일조성 타겟과 합금 타겟과의 조합 등 여러가지 형태를 적용할 수가 있다. 상기 타겟재치대(15)의 상부(타겟(16)의 상부)에는 셔터(18)가 배설되어 있다. 셔터(18)의 동작은 셔터(13, 14)와 동일하다.

진공용기(10)의 상부에는 기판(19), 기판(19)을 소정의 온도로 가열하는 히터(20)가 배설되어 있다. 기판(19)의 도면 중 하면측이 막 형성면이다. 즉, 유기물 증발용 셀(11, 12)내로부터 증발한 모노머는 기판(19)의 막 형성면에 퇴적하면서 폴리머에 중합되며, 또한 타겟(16)으로부터 두들겨 쳐낸 금속원자가 기판(19)의 막 형성면에 퇴적한다. 상기와 같이 스퍼터링과 모노머의 증발을 동시에 실시하는 것에 의하여, 폴리머를 매트릭스(3)로 하고 이 매트릭스(3) 중에 분산하는 미세한 강자성 금속입자(2)를 함유하는 그래뉼러 박막을 형성할 수가 있다.

상기 기판(19)에 형성되는 그래뉼러 박막에 자기적인 이방성을 부여하기 위하여 기판(19)의 주위에는 한쌍의 영구자석(21, 22)이 배설되어 있다. 영구자석(21)의 N극으로부터 영구자석(22)의 S극으로 자속이 흐르기 때문에, 기판(19)의 하면측(막 형성면)에 형성되는 그래뉼러 박막에 자기적인 이방성을 부여할 수가 있다.

도3은, 그래뉼러 박막에 형성되는 자기적인 이방성을 설명하기 위한 평면도이다. 도3 중, x방향으로 자화 용이축(磁化容易軸)이 형성되며, x방향과 직행하는 y방향으로 자화 곤란축이 형성된다. 또한, 도2에 나타낸 화살표는 자화 용이축이 되는 방향을 가리키고 있다.

도4는, 비자성 절연유기물재료로 이루어지는 매트릭스(3) 및 강자성 금속입자(2)의 양자를 스퍼터링에 의해 얻을 수 있는 박막형성장치의 구성개요를 나타내고 있다.

도4의 박막형성장치는, 진공용기(30) 내의 하부에 타겟재치대(31, 32)가 소정 간격을 두고 배설되어 있다. 상기 타겟재치대(31, 32) 위에는 각각 타겟(33, 34)이 놓여진다. 상기 2개의 타겟(33, 34) 중에서 한쪽이 비자성 절연유기물재료로 이루어지는 매트릭스(3)를 형성하기 위한 것이며, 다른 한쪽이 강자성 금속입자(2)를 형성하기 위한 것이다. 상기 타겟(33, 34)에 대하여 DC/RF전원(도시하지 않음) 으로부터 소정의 전력을 인가하면, 타겟(33, 34)에 대하여 고속으로 이온이 충돌한다. 고속으로 이온이 충돌한 타겟(33, 34)의 표면으로부터 타겟(33, 34)을 구성하는 원소의 분자 또는 원자를 두들겨쳐낸다. 여기서, 비자성 절연유기재료용의 타겟에는 RF전력을 공급하는 것이 바람직하다. 매트릭스(3) 형성용의 타겟33(34)의 형태에는 특별히 제한은 없으며, 예를 들면, 판상으로 형성된 폴리머로 이루어지는 형태, 분말상의 폴리머를 판형상 기판상에 압연(壓延)으로 전개시킨 형태 등을 채용할 수가 있다. 상기 강자성금속입자(2) 형성용 타겟33(34)은 상술한 바와 같다. 또한, 셔터(37, 38)는 상술한 도2의 셔터(13, 14)와 동일하게 기능한다. 또한, 영구자석(21a, 22a)은 상술한 도2의 영구자석(21, 22)과 동일하게, 기판(39)의 표면(막 형성면)에 형성되는 그래뉼러 박막에 자기적인 이방성을 부여하기 위하여 기능한다.

도4의 박막형성장치에 있어서, 셔터(37, 38)를 연 상태에서 타겟(33, 34)에 소정의 전력을 인가하여, 매트릭스(3)를 형성하는 비자성 절연유기물재료가 스퍼터링되는 것과 동시에 강자성 금속입자(2)를 형성하는 강자성 금속이 스퍼터링된다. 스퍼터링된 비자성 절연유기물재료 및 강자성 금속이 히터(40)에 의하여 소정 온도로 가열된 기판(39)의 막 형성면에 퇴적되는 것에 의해 박막형상의 그래뉼러 물질(1)을 형성한다.

도5는, 비자성 절연유기물재료로 이루어지는 매트릭스(3)를 플라즈마 중합법에 의해 얻을 수가 있으며, 강자성 금속입자(2)를 스퍼터링에 의해 얻을 수 있는 박막형성장치의 구성개요를 나타내고 있다.

도5의 박막형성장치는, 진공용기(50) 내의 측부에 전극(51, 52)이 소정의 거리를 두고 대향하도록 하여 배설되어 있다. 전극(51) 위에는 타겟(55)을 구비한 영구자석(53)이, 전극(52) 위에는 타겟(56)을 구비한 영구자석(54)이 각각 놓인다. 상기 영구자석(53, 54)의 존재에 의하여 기판(59)상에 형성되는 그래뉼러 박막에 자기적인 이방성이 부여된다. 상기 타겟(55, 56)은 모두 강자성 금속입자(2)를 형성하기 위한 것이다. 상기 타겟(55, 56)에 대하여 DC/RF 전원(도시하지 않음)으로부터 소정의 전력을 인가하여, 타겟(55, 56)에 대하여 고속으로 이온을 충돌시킨다. 고속으로 이온이 충돌한 타겟(55, 56)의 표면으로부터 타겟(55, 56)을 구성하는 원소의 분자 또는 원자를 두들겨쳐낸다. 또한, 강자성 금속입자(2) 형성용의 타겟(55, 56)의 형태 등은 상술한 바와 같다.

진공용기(50)의 상부에는 기판(59)과 기판(59)을 소정의 온도로 가열하는 히터(60)가 배설되어 있다. 기판(59)의 도면 중 하면측이 막 형성면이다.

상기 도5에 나타내는 박막형성장치에서는, 스퍼터링 가스와 함께 플루오로카본계 가스를 흐르게 함으로써, 타겟의 스퍼터링현상 및 플라즈마 중합반응을 동시에 이용할 수가 있다. 즉, 가스 도입부(61)로부터 Ar 등의 스퍼터링 가스 및 플루오로카본계 가스가 동시에 도입되며, 발생된 플라즈마(70) 중에는 타겟(55, 56)으로부터 두들겨쳐낸 금속입자와 플루오로카본계 플라즈마 중합물이 혼재하는 상태를 만들어, 기판(59)의 막형성면에 집적시킨다. 이와 같이, 플루오로카본계 가스를 도입하면서 스퍼터링을 실시하는 것에 의하여, 플라즈마 중합물을 매트릭스(3)로 하고, 이 매트릭스(3) 중에 분산하는 미세한 강자성 금속입자(2)를 포함하는 그래뉼 러 박막을 형성할 수가 있다. 또한, 플루오로카본계 가스의 분압(分壓)을 제어함으로써, 그래뉼러 박막중에 생성되는 매트릭스(3)의 양을 제어할 수가 있다.

플루오로카본계 가스로서는, C₂F₄ 및 C₄F₈로 이루어지는 군으로부터 선택된 일원기체원(一元氣體源)을 사용할 수가 있다. 또는 F/C비가 높은 플루오로카본계 가스의 일종(예를 들면, C₂F₆, CF₄)과, F/C비를 저하시키는 가스를 포함하는 이원기체원(二元氣體源)을 사용할 수가 있다. 또한, 플라즈마(70)에 H₂, O₂ 또는 N₂를 도입하는 것에 의하여, 그래뉼러 박막에 소망하는 기계적 특성 및 물리적 특성을 부여할 수도 있다.

플라즈마 중합반응에 의하여, 플루오로카본계 가스는 플루오로카본 중합물이 된다. 플루오로카본 중합물의 대표적인 중합물로서는 4불화에틸렌을 들 수가 있다.

또한, 도5의 박막형성장치에서는, 기판(59)의 아래쪽에 셔터(62)가 배설되어 있다. 상기 셔터(62)는 기판(59)의 막 형성면을 덮는 위치(닫힘)와 개방하는 위치(열림)와의 사이를 왕복운동한다. 도5는 셔터(62)를 닫은 상태를 나타내고 있으며, 타겟(55, 56)의 표면으로부터 타겟(55, 56)을 구성하는 원소의 분자 또는 원자를 두들겨쳐내고 있을 때에, 그 분자 또는 원자를 기판(59)의 막 형성면에 피착(被着)시키고 싶지 않을 경우에는 셔터(62)를 닫고, 피착시키고 싶을 때에는 셔터(62)를 연다. 그래서, 셔터(62)의 동작을 제어하는 것에 의하여 그래뉼러 박막의 두께를 제어할 수가 있다.

또, 도5에는 대향 타겟식 장치를 기본으로 한 박막형성장치를 나타내고 있으 나, 다른 형식의 스퍼터장치를 개량하여 그래뉼러 박막을 얻는 것도 가능하다. 예를 들면, 도2에 나타낸 박막형성장치에서 증착중합법 대신에 플라즈마 중합법을 적용할 수가 있다. 즉, 도2에 나타낸 박막형성장치에서 모노머가스를 흐르게 하는 것과 동시에 스퍼터링을 실시하는 것에 의하여, 플라즈마 중합물을 매트릭스(3)로 하고, 이 매트릭스(3) 중에 분산하는 미세한 강자성 금속입자(2)를 포함하는 그래뉼러 박막을 형성할 수도 있다.

본 발명의 그래뉼러 박막은, 모놀리식마이크로파 집적회로(MMIC)와 같은 반도체 프로세스로 제작되는 고주파 집적회로에 가장 적합한 재료이다. 따라서, 본 발명의 그래뉼러 박막이 형성되는 기판으로서는, Si, GaAs, InP, SiGe 등의 반도체 기판을 예시할 수 있다. 또한, 본 발명의 그래뉼러 박막은 여러가지 세라믹 재료나 수지 기판상에 성막하는 것도 가능하다.

상기 MMIC용 인덕티브 소자로서 응용한 예를 도6 및 도7에 나타낸다. 도6은 인덕터의 도체층 부분을 발취한 평면도를 모식적으로 나타낸 것이며, 도7은 도6의 A-A선 단면을 모식적으로 나타낸 도면이다.

이들 도면으로 나타내고 있는 인덕터(110)는, 도7에 나타내는 바와 같이 기판(111)과 상기 기판(111)의 위에 필요에 따라서 형성되는 산화절연막(112)과, 상기 산화절연막(112)의 위에 형성된 본 발명에 의한 그래뉼러 박막(101a)과, 상기 그래뉼러 박막(101a)의 위에 형성된 절연막(113)을 구비하며, 다시 상기 절연막(113)의 위에 형성된 스파이럴 코일(114)과, 상기 스파이럴 코일(114)과 절연막(113)을 덮도록 형성된 절연막(115)과, 상기 절연막(115)의 위에 형성된 본 발명에 의한 그래뉼러 박막(101b)을 구비하고 있다.

또, 스파이럴 코일(114)은, 도6에 나타내는 바와 같이, 배선(116)을 통해서 한쌍의 전극(117)에 접속되어 있다. 그리고 스파이럴 코일(114)을 둘러싸도록 설치된 그라운드 패턴(119)은 각각 한쌍의 그라운드 전극(118)에 접속되며, 그라운드-시그널-그라운드(G-S-G) 타입의 프로브에 의하여 웨이퍼상에서 주파수 특성을 평가하는 형상을 갖는다.

본 실시형태에 관한 MMIC용 인덕티브소자(인턱터110)에 있어서는, 자심(磁芯)이 되는 그래뉼러 박막(101a, 101b)에 의하여 스파이럴 코일(114)이 끼워 넣어진 유심(有芯)구조를 채용하고 있기 때문에, 스파이럴 코일(114)이 동일한 형상이면서도 그래뉼러 박막(101a, 101b)이 형성되어 있지 않은 공심(空芯)구조의 인덕티브 소자에 비하여 인덕턴스 값이 약 50% 향상된다. 따라서, 동일한 인덕턴스 값을 얻기 위해 필요한 스파이럴 코일(114)의 점유면적은 작아도 좋게 되며, 결과적으로 스파이럴 코일(114)의 소형화가 실현된다.

그런데, MMIC용 인덕티브 소자에 적용하는 그래뉼러 박막의 재료로서는 GHz대역의 고주파수에서 고투자율(高透磁率)과, 높은 성능지수Q(저손실) 특성을 갖는 것과, 반도체제조 프로세스에 의한 집적화가 가능할 것이 요구된다.

GHz대역의 고주파수에 있어서의 고투자율을 실현하기 위해서는, 공명주파수가 높고, 또한 포화자화가 큰 재질이 유리하며, 일축(一軸) 자기이방성의 제어가 필요하다. 또한, 높은 성능지수Q를 얻기 위해서는, 고저항화에 의한 와전류손실의 제어가 중요하다. 또한, 집적화 프로세스에 적용하기 위해서는, 실온에서 성막할 수 있으며 성막한 그대로의 상태(열처리 등의 처리를 가하지 않은 상태)로 사용할 수 있는 것이 바람직하다. 이미 세팅되어 있는 다른 온칩 컴포넨트(on-chip component)의 성능 및 제작프로세스에 영향을 미치지 않도록 하기 위해서이다.

다음으로 구체적인 실시예를 들어서 본 발명을 보다 상세히 설명한다.

[실시예 1]

도2에 나타낸 박막형성장치를 사용하여 그래뉼러 박막의 형성을 실시하였다.

비자성 절연유기물재료로 이루어진 매트릭스로서 폴리이미드를 형성하기 위하여, 원료 모노머로서 무수피로멜리트산(이하, PMDA)과 4, 4'-디아미노디페닐메탄(이하, ODA)을 사용하였다. 또한, PMDA를 유기물 증발용 셀(11)에, 또, ODA를 유기물 증발용 셀(12)에 수용하였다.

또한, 강자성 금속으로서는 Fe₆₉Co₃₁(at%)합금을 채용하였다. 이를 위해 Fe₆₉Co₃₁(at%)합금 타겟을 제작하여 상기 타겟(16)을 타겟재치대(15) 위에 배치하였다.

그래뉼러 박막을 형성하는 기판(19)으로서는, Si(100)웨이퍼의 위에 SiO₂를 500nm의 두께로 성막한 기판(19)을 사용하였다. 또한, SiO₂막이 형성된 면이 박막형성면이 된다.

우선, 진공용기(10)를 8×10^-5Pa까지 예비배기한 후, 진공용기(10) 내의 압력이 0.2Pa가 되도록 Ar가스를 유입시켰다. 셔터(18)를 닫은 상태에서 DC전극에 의 하여 200W의 DC파워를 Fe₆₉Co₃₁(at%) 합금으로 이루어지는 타겟(16)에 인가하여 스퍼터링을 실시하였다. 마찬가지로 셔터(13, 14)를 닫은 상태에서 PMDA가 수용된 유기물 증발용 셀(11)을 130℃, ODA가 수용된 유기물 증발용 셀(12)을 120℃가 되도록 가열하였다. 기판(19)의 주위에는 한쌍의 영구자석(21, 22)을 배치하고 기판(19)의 중심에 100Ｏe이상의 자계를 인가하여 기판(19)의 온도를 150℃로 유지하였다.

소정의 시간이 경과한 후에 셔터(13, 14, 및 18)를 동시에 열어서 PMDA, ODA의 증발물 및 타겟(16)으로부터 방출된 스퍼터링 입자가 기판(19)을 향하여 진행하게 한다. 또한, 강자성 금속입자를 구성하는 Fe₆₉Co₃₁은, 단층막을 구성했을 때의 성막속도가 1.2nm(12Å)/ sec로 되도록 스퍼터링하였다. 또, PMDA, ODA에 대해서는 폴리이미드의 단층막을 형성했을 때의 성막속도가 0.3nm(3Å)/sec로 되도록 유기물 증발용 셀(11, 12)의 가열온도 등을 제어하였다. 상기 조건하에서, 그래뉼러 박막의 두께가 450nm이 되도록 5분간 성막을 실시하였다.

얻어진 그래뉼러 박막은, 성막속도로부터 환산하면, 강자성 금속입자의 체적비는 80%, 매트릭스의 체적비는 20%이다. 또, X선 회절패턴으로부터는 평균입경7nm의 bcc구조의 미세한 강자성 금속입자가 형성되어 있는 것을 확인하였다.

얻어진 그래뉼러 박막에 대하여 자기적인 특성을 측정한바, 면내 일축자기 이방성이 관찰되었다. 또한, 포화자화로서 13.3kG(1.33T), 보자력으로서 3.5Ｏe(278A/m), 이방성자계로서 75Ｏe(5968A/m)의 값이 얻어졌다. 공명주파수는 측정한계의 2GHz를 초과하고 있으며, GHz영역에서 투자율의 실수부(μ')가 200이상, 성능 지수Q (Q=μ'/μ")는 1GHz에서 10의 값이 얻어졌다. 또, 전기저항율은 260μΩcm였다.

[실시예2]

강자성 금속을 Fe로 바꾼 것 외에는 실시예1과 동일하게 하여 그래뉼러 박막을 얻었다. 상기 실시예1과 동일하게 자기적 특성을 측정한 결과, 포화자화로서 12.1kG(1.21T), 보자력으로서 4.0Ｏe(318A/m), 이방성자계로서 70Ｏe(55704A/m)의 값이 얻어졌다. 공명주파수는 측정한계의 2GHz를 초과하고 있었으며, GHz영역에서 투자율의 실수부(μ')가 200이상, 성능지수Q (Q=μ'/μ")는 1GHz에서는 12의 값이 얻어졌다. 또, 전기저항율은 250μΩcm였다.

[실시예3]

모노머로서 4, 4'-디페닐메탄디이소시아네이트와 벤젠테트라카르본산2무수물을 사용하고, 4 4'-디페닐메탄디이소시아네이트를 투입한 유기물 증발용 셀(11)을 70℃, 벤젠테트라카르본산2무수물을 투입한 유기물 증발용 셀(12)을 140℃가 되도록 가열하고, 기판(19)을 가열하지 않는 것 이외는 실시예1과 동일하게 하여 그래뉼러 박막을 제작하였다. 또한, 4, 4'-디페닐메탄디이소시아네이트 및 벤젠테트라카르본산2무수물에 대해서는, 폴리이미드의 단층막을 형성했을 때의 성막속도가 0.125nm/sec (1.25Å/sec)로 되도록 유기물 증발용 셀(11, 12)의 가열온도 등을 제어하였다.

얻어진 그래뉼러 박막에 있어서의 강자성 금속입자의 체적비는 90%, 매트릭스의 체적비는 10%이다. X선 회절패턴으로부터 평균입경 10nm의 bcc구조의 미세한 강자성 금속입자가 형성되어 있는 것을 확인하였다. 얻어진 그래뉼러 박막에서는 면내 일축자기 이방성이 관찰되고 있으며, 포화자화로서 17.5kG(1.75T), 보자력으로서 2.5Ｏe(198A/m), 이방성자계로서 70Ｏe(55704A/m)의 값이 얻어졌다. 공명주파수는 측정한계의 2GHz를 초과하고 있으며, GHz영역에서 투자율의 실수부(μ')가 250 이상, 성능지수Q (Q=μ'/μ")는 1GHz에서는 15의 값이 얻어졌다. 또한, 전기저항율은 110μΩcm였다.

[실시예4]

도4에 나타낸 박막형성장치를 사용하여 그래뉼러 박막의 형성을 실시하였다.

비자성 절연유기물재료로 이루어진 매트릭스로서 4불화에틸렌(상품명:테프론, 이하 PTFE)을 사용하였다. 이를 위한 타겟으로서 직경 100mm, 두께 2mm의 PTFE판을 준비하였다. 강자성 금속은 상기 실시예1과 동일하며, FeCo합금타겟을 준비하였다. PTFE타겟 및 Fe-Co합금타겟을 타겟재치대(31, 32) 위에 배치하였다. 또한, 기판(39)으로서는 실시예1과 동일하게 Si(100)웨이퍼 상에 SiO₂를 500nm의 두께로 성막한 기판(39)을 사용하였다.

진공용기(30)를 8×10^-5Pa까지 예비배기한 후, 진공용기(30) 내의 압력이 0.4Pa가 되도록 Ar가스를 유입시켰다. 셔터(37, 38)를 닫은 상태에서 DC/RF 전류를 통해서 300W의 RF파워를 PTFE타겟 및 Fe-Co합금 타겟에 인가하여 5분간 예비스퍼터링을 실시하였다. 예비스퍼터링 종료후, 셔터(37, 38)을 동시에 열어 기판(39)에 PTFE와 FeCo합금을 동시에 집적시키는 것에 의하여 그래뉼러 구조의 박막을 형성하 였다. 또한 FeCo합금의 단층막을 형성하였을 때의 성막속도는 0.08nm/sec(0.8Å/sec)이며, PTFE의 단층막을 형성하였을 때의 성막속도는 0.01nm/sec(0.1Å/sec)이다. 상기 조건하에서 그래뉼러 박막의 두께가 430nm가 되도록 80분간 성막을 실시하였다.

얻어진 그래뉼러 박막은 성막속도로부터 환산한 강자성 금속입자의 체적비는 88%, 매트릭스의 체적비는 12%이다. 또한, X선 회절패턴으로부터는 평균입경 9nm의 bcc구조의 미세한 강자성 금속입자가 형성되어 있는 것을 확인하였다.

얻어진 그래뉼러 박막에 대하여 자기적인 특성을 측정한 결과, 면내 일축 자기 이방성이 관찰되었다. 또한, 포화자화로서 17.3kG (1.73T), 보자력으로서 5.8Ｏe(461A/m), 이방성자계로서 75Ｏe(5968A/m)의 값이 얻어졌다. 공명주파수는 측정한계의 2GHz를 초과하고 있으며 GHz영역에서 투자율의 실수부(μ')가 200이상, 성능지수Q (Q=μ'/μ")는 1GHz에서는 15의 값이 얻어졌다. 또한, 전기저항율은 100μΩcm이다.

[실시예5]

도5에 나타낸 박막형성장치를 사용하여 그래뉼러 박막의 형성을 실시하였다.

비자성 절연유기물재료로 이루어지는 매트릭스를 형성하기 위한 플루오로카본계 가스로서 C₄F₈가스를 사용하였다. 또한, 케리어가스로서 Ar가스를 사용하였다. 강자성 금속은 실시예1과 동일하며, FeCo합금 타겟을 준비하였다. Fe-Co합금 타겟을 타겟재치대(51, 52) 위에 배치하였다. 또한, 기판(59)으로서는 실시예1과 동일 하게 Si(100)웨이퍼의 위에 SiO₂를 500nm의 두께로 성막한 기판(59)을 사용하였다.

진공용기(50)를 8×10^-5Pa까지 예비배기한 후, 가스 도입부(61)로부터 C₄F₈가스와 케리어가스(Ar가스)를 도입하고, 전체의 가스압이 8mTorr이 되도록 조정하였다. 이 때, C₄F₈가스 분압은 0~1.0mTorr의 범위로 변화시켰다.

전극(51, 52)을 통해서 300W의 RF파워를 Fe-Co합금으로 이루어지는 타겟타겟타겟에 인가하여 5분간의 예비 스퍼터링을 실시하였다. 상기 예비 스퍼터링은 셔터(62)를 닫은 상태에서 실시하였다.

다음에 셔터(62)를 열고 기판(59)에 플루오로카본 중합물과 FeCo합금을 동시에 집적시키는 것에 의하여 그래뉼러 구조의 박막을 형성하였다. 또한, FeCo합금의 단층막을 형성하였을 때의 성막속도는 0.15nm/sec(1.5Å/sec)이며, FeCo합금과 플루오로카본 중합물로 이루어지는 그래뉼러 박막을 형성하였을 때의 성막속도는 0.25nm/sec(2.5Å/sec)이다. 상기의 조건으로 그래뉼러 박막의 두께가 300nm가 되도록 20분간 성막을 실시하여 도8에 나타내는 5종류의 박막(시료 No.1~5)을 얻었다. 얻어진 박막에 대하여 자기적인 특성을 측정하였다. 그 결과를 도8에 나타낸다.

도8로부터 C₄F₈가스 분압을 변화시키는 것에 의해, 포화자화(Bs) 및 전기저항(ρ)이 변동하는 것을 알 수 있다. C₄F₈가스 분압이 0mTorr(시료No.1)에서는 포화자화(Bs)는 높지만, 100μΩcm이상이라는 높은 전기저항율(ρ)을 얻을 수는 없다. 한편, C₄F₈가스 분압을 0.4~1.0mTorr로 한 본 발명의 시료No. 2~5에 의하면, 0.5T(5.0kG)이상의 포화자화(Bs) 및 400μΩcm이상의 전기저항율(ρ)을 겸비할 수가 있다. 또 본 발명의 시료N0. 2~5는 보자력(Hce:자화 용이축방향의 보자력)으로서 14.3~22.6Ｏe(1138~1800A/m), 보자력(Hch:자화 곤란축방향의 보자력)으로서 7.1~14.5Ｏe(565~1154A/m)라는 양호한 특성도 나타났다. 공명주파수는 2GHz를 초과하고 있으며 GHz 영역에서 투자율의 실수부(μ')는 50이상, 성능지수Q (Q=μ'/μ")는 1GHz에서는 1이상의 값이 얻어졌다. 또한, 본 발명의 시료No. 2~5는 면내 일축자기 이방성이 관찰되었다.

또한, 도8에는 매트릭스 체적비도 나타내었다. 상기 매트릭스 체적비는 포화자화(Bs)의 값에 기초하여 유기물(플루오로카본 중합물)의 체적비(vol%)를 산출한 것이다.

도9는 시료No.1~4의 X선 회절패턴을 나타내고 있다. 도9에 나타내는 바와 같이, C₄F₈가스 분압(도9에는 Pc₄F₈로 표기)이 0mTorr의 경우(시료No.1)에는, CoFe의 예리한 피크가 관찰되었다. 한편, C₄F₈가스 분압이 0.4mTorr(시료No.2)이 되면 CoFe의 예리한 피크가 소실한다. C₄F₈가스 분압이 0.6mTorr의 경우(시료No.3), C₄F₈가스 분압이 0.8mTorr의 경우(시료 No.4)에는, CoFe의 피크는 거의 관찰되지 않았다.

도10(a)는 시료No.2(C₄F₈가스 분압: 0.4mTorr)의 TEM사진, 도10(b)은 시료No.4(C₄F₈가스 분압: 0.8mTorr)의 TEM사진이다. 도10(a)와 도10(b)의 비교로부터, C₄F₈가스 분압이 0.8mTorr인 시료No.4의 쪽이 시료No.2(C₄F₈가스 분압: 0.4mTorr) 보다도 미(微)결정화가 한층 더 진행되어 있는 것을 확인할 수가 있었다. 시료No.2의 평균결정입경은 19nm, 시료No.4의 평균결정입경은 8nm이며, 실측치에 있어서도 시료No.4의 쪽이 시료No.2 보다도 미결정인 것을 확인할 수가 있었다.

또한, 후술하는 전자선 회절패턴(도11)으로부터 도10(a), 도10(b) 중에서 입자간의 흰 부분은 매트릭스를 구성하는 유기폴리머를 나타내며, 그 이외의 부분은 강자성 금속입자를 나타내고 있는 것을 확인할 수가 있었다. 입자와 입자의 사이에 형성되는 플루오로카본 중합물의 폭은, 시료No.2에 있어서 약 2nm이며, 시료No.3에 있어서는 2~5nm이다.

도11에 시료No.2의 전자선 회절패턴을 나타낸다. 도11에 나타내는 바와 같이, (110), (200), (211), (220)에 대응하는 부분에 선명한 회절선이 관찰되었다. 이는 CoFe로부터의 회절을 나타내고 있다.

또한, (110), (200), (211), (220)에 대응하는 이외의 부분에서도 회절선이 관찰되었다. X선 회절카드 JCPDS(Joint Committee of Powder Diffraction Standard)를 사용한 평가의 결과, 상기 회절선은 X선 회절카드 JCPDS 27-1837의 회절패턴과 합치하고 있으며, 플루오로카본 중합물로부터의 회절인 것을 알았다. 즉, FeCo로부터의 회절과 플루오로카본 중합물로부터의 회절이 동시에 관찰된 것으로부터 시료No.2에 있어서 FeCo와 플루오로카본 중합물과의 혼합상태가 형성되어 있는 것이 명백해졌다. 이에 의하여 도10(a) 및 도10(b)에 나타낸 구조, 즉, 유기폴리머 중에서 강자성 금속입자가 분산되어 있는 구조가 그래뉼러 구조인 것을 확인할 수가 있었다.

본 발명에 의하면, GHz대역의 고주파 영역에서 높은 투자율을 가지며, 또한 높은 포화자화를 갖는 고주파용 자성박막으로서 사용할 수가 있는 그래뉼러 물질 및 그래뉼러 박막이 제공된다.

Claims

비자성 절연유기물재료로 이루어진 매트릭스와,

상기 매트릭스중에 분산하는 평균입경이 50nm 이하의 강자성 금속입자를 포함하는 그래뉼러 물질로서,

상기 매트릭스의 체적비가 5~50%인 것을 특징으로 하는 그래뉼러 물질.
제1항에 있어서,

상기 강자성 금속입자는 Fe, Co 및 Ni로부터 선택되는 적어도 1종의 원소를 주체로 하는 금속으로 구성되는 것을 특징으로 하는 그래뉼러 물질.
제1항 또는 제2항에 있어서,

상기 강자성 금속입자의 평균입경은 5~15nm인 것을 특징으로 하는 그래뉼러 물질.
제2항에 있어서,

상기 강자성 금속입자는, Fe 및 Co를 주체로 하는 금속으로 구성되고, 상기 금속중의 Co의 농도가 10~50at%인 것을 특징으로 하는 그래뉼러 물질.
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제1항에 있어서,

상기 매트릭스의 체적비가 5~40%인 것을 특징으로 하는 그래뉼러 물질.
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면내 자기이방성을 가지며, 막두께가 100~2000nm의 자성박막으로서,

상기 자성박막은, 비자성 절연유기물재료로 이루어진 매트릭스와, 상기 매트릭스중에 분산하는 평균입경이 50nm 이하의 강자성 금속입자를 포함하고, 상기 매트릭스의 체적비가 5~50%인 그래뉼러 물질로 구성되는 것을 특징으로 하는 자성박막.
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제13항에 있어서,

상기 강자성 금속입자의 평균입경이 5~15nm인 것을 특징으로 하는 자성박막,
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고주파용 자성박막을 갖는 자기소자로서,

상기 고주파용 자성박막은,

비자성 절연유기물재료로 이루어지는 매트릭스와,

상기 매트릭스중에 분산하는 평균입경이 50nm이하의 강자성 금속입자를 포함하며,

상기 매트릭스의 체적비가 5~50%인 그래뉼러 물질로 구성되는 것을 특징으로 하는 자기소자.
제17항에 있어서,

상기 강자성 금속입자의 평균입경이 5~30nm인 것을 특징으로 하는 자기소자.
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제20항에 있어서,

상기 유기폴리머는 플루오로카본중합물이며,

상기 고주파용 자성박막의 전기저항율이 300μΩcm이상인 것을 특징으로 하는 자기소자.
제 17항에 있어서,

상기 고주파용 자성박막은 적어도 한쪽 면측에 스파이럴 코일이 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 자기소자.
제22항에 있어서,

상기 고주파용 자성박막은 1GHz에 있어서의 복소투자율의 실수부(μ')가 40이상이며, 또한 성능지수Q (Q=μ'/μ", μ": 복소투자율의 허수부)가 1이상, 포화자화가 5kG이상의 특성을 갖는 것을 특징으로 하는 자기소자.