KR20060055545A - 고주파용 자성박막, 그 제작방법 및 자기소자 - Google Patents

고주파용 자성박막, 그 제작방법 및 자기소자 Download PDF

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Abstract

비정질 상태의 강자성 금속과 이 강자성 금속과는 상이한 비정질 금속으로 형성된 DM (비연속 멀티레이어) 구조의 채용에 의해, ㎓ 대역의 고주파 영역에서 높은 투자율을 갖고 또한 높은 포화 자화를 갖는 고주파용 자성박막을 실현하였다. 이 때, (ⅰ) 강자성 금속이 Fe 또는 FeCo 를 주성분으로 하며 C, B 및 N 에서 선택되는 1 또는 2 이상의 원소를 함유하는 금속이고, 비정질 금속이 Co 계 비정질 합금인 것, (ⅱ) 비정질 금속이 CoZrNb 인 것이 바람직하다.
고주파용 자성박막, 자기소자

Description

고주파용 자성박막, 그 제작방법 및 자기소자{MAGNETIC THIN FILM FOR HIGH FREQUENCY, METHOD FOR MANUFACTURING THE SAME, AND MAGNETIC ELEMENT}
본 발명은, 높은 포화 자화를 갖고, ㎓ 대역에서의 높은 투자율(透磁率)과 성능지수 Q 를 나타내는 고주파용 자성박막, 그 제작방법 및 그 고주파용 자성박막을 갖는 자기소자에 관한 것으로, 더욱 자세하게는, 박막 인덕터나 박막 트랜스 등의 고주파용 평면형 자기소자나 모놀리식 마이크로파 집적회로 (이하, MMIC 라 약칭함) 에 바람직하게 사용되는 고주파용 자성박막 등에 관한 것이다.
최근 자기소자의 소형화 및 고성능화에 대한 요구에 따라, 높은 포화 자화를 갖고, 또한, ㎓ 대역에서 높은 투자율을 나타내는 자성박막 재료가 요망되고 있다.
예를 들어, 무선 송수신장치나 휴대정보단말을 중심으로 수요가 높아지고 있는 MMIC 는 Si, GaAs 또는 InP 등의 반도체 기판 상에, 트랜지스터 등의 능동소자와, 선로, 저항, 커패시터, 인덕터 등의 수동소자를 일괄적으로 또한 일체적으로 제작하여 구성되는 고주파 집적회로인데, 이 MMIC 에서는 특히 인덕터나 커패시터 등의 수동소자가 능동소자에 비하여 큰 면적을 차지하고 있다. MMIC 에서의 수동소자의 대면적 점유는, 결과적으로 비싼 반도체 기판의 대량소비, 즉 MMIC 의 비용 상승으로 이어진다. MMIC 의 제조비용을 저감시키기 위해서는 칩 면적을 축 소할 필요가 있지만, 그러기 위해서는 수동소자가 차지하는 면적을 축소하는 것이 과제가 된다.
상술한 MMIC 에는 평면형 스파이럴 코일이 인덕터로서 많이 사용되고 있다. 이러한 평면형 스파이럴 코일에서는, 작은 점유면적에서도 종래와 동일한 인덕턴스를 얻기 위해, 그 상하면 또는 편면에 연자성 박막을 형성하는 것에 의한 인덕턴스의 증가가 도모되고 있다 (예를 들어, J. Appl. Phys., 85, 7919(1999) 참조). 그러나, 자성재료를 MMIC 의 인덕터에 응용하기 위해서는, 먼저 ㎓ 대역에서의 투자율이 높고 또한 고주파 손실이 적은 연자성 박막재료를 개발하는 것이 요망되고 있다. 그리고, 고주파에서의 와전류 손실을 줄이기 위하여 비저항이 큰 것도 요망되고 있다.
그런데, 종래 높은 포화 자화를 가진 자성재료로서 Fe 또는 FeCo 를 주성분으로 하는 합금이 잘 알려져 있다. 그러나, Fe 계 또는 FeCo 계 합금으로 이루어진 자성박막을 스퍼터 등의 성막 기술에 의해 제작하면, 얻어진 막은 포화 자화가 높지만 막의 보자력(保磁力)이 크고 또한 비저항이 작아져, 양호한 고주파 특성을 얻는 것은 곤란하였다.
한편, 연자기 특성이 우수한 재료로서 Co 계 비결정질 합금이 알려져 있다. 이 Co 계 비결정질 합금은, Co 를 주성분으로 하며 Y, Ti, Zr, Hf, Nb, Ta 등에서 선택되는 1 종 또는 2 종 이상의 원소를 함유하는 비결정질을 주체로 하는 것이다. 그러나, 제로 자왜(磁歪) 조성의 Co 계 비결정질 합금의 자성박막을 스퍼터 등의 성막 기술에 의해 제작하면, 얻어진 막은 투자율이 높지만 포화 자화가 1.1T (11kG) 정도로 포화 자화가 Fe 계 재료에 비하여 작다. 그리고, 100㎒ 정도의 주파수를 초과하고 나서의 손실성분 (투자율의 허수부 μ2) 이 커지고 성능지수 Q 값이 1 이하가 되어, ㎓ 의 고주파 대역에서 사용하는 자성재료로는 적합하다고는 할 수 없다.
이러한 적용 곤란한 재료를 사용하여 ㎓ 대의 인덕터를 실현시키기 위하여, 자성박막을 마이크로 와이어화시켜 형상 이방성 에너지를 증대시키는 것에 의해 공명주파수를 고주파화하는 시도도 이루어지고 있다 (예를 들어, 일본응용자기학회지, 24,879(2000) 참조). 그러나 이 방법은 공정이 복잡하며, 게다가 자성박막의 실효투자율이 저하한다는 문제가 있다.
이러한 종래부터의 실정 하에서 연자성박막의 고주파 특성을 개량하기 위해 여러 가지 제안이 있다. 그 개량의 기본방침으로는, 와전류 손실의 억제나 공명주파수의 상승 등을 들 수 있다. 와전류 손실을 억제시키는 구체적인 방책으로는, 예를 들어, 자성층/절연층 (고저항층) 의 적층에 의한 다층화 (예를 들어, 일본 공개특허공보 평7-249516호 (1페이지) 참조) 나, 금속-비금속 (산화물, 불화물) 의 그래뉼러화 (예를 들어, J. Appl. Phys., 79,5130(1996) 참조) 등이 제안되어 있다. 그러나, 이들 방법에서는 고저항의 비자성상이 삽입되어 있기 때문에 포화 자화가 저하한다는 문제가 생긴다. 또한, 금속-비금속의 그래뉼러막의 경우에는 투자율이 200 이하로, 투자율이 낮다는 문제도 있다.
한편, 연자성층과 고포화 자화층을 교대로 적층한 다층막에 의한 고포화 자화박막에 대한 검토도 이루어지고 있다. 즉, CoZr/Fe (예를 들어, 일본응용자 기학회지, 16,285(1992) 참조)), FeBN/FeN (예를 들어, 일본 공개특허공보 평5-101930호 (1페이지) 참조), FeCrB/Fe (예를 들어, 일본응용자기학회지, 16,285(1992) 참조), Fe-Hf-C/Fe (예를 들어, 일본응용자기학회지, 15,403(1991) 참조) 등 여러 가지 조합의 예가 보고되어 있다. 이들은 모두 포화 자화를 높게 하는 것에는 효과가 있지만, 고주파 대역에서의 투자율이 모두 크지 않아 ㎓ 대역에 대한 응용은 기대할 수 없다.
발명의 개시
본 발명은 상기 과제를 해결하기 위하여 이루어진 것으로, 그 제 1 목적은, ㎓ 대역의 고주파 영역에서 높은 투자율을 갖고 또한 높은 포화 자화를 갖는 고주파용 자성박막을 제공하는 것에 있다. 본 발명의 제 2 목적은, 그러한 특성을 갖는 고주파용 자성박막의 제작방법을 제공하는 것에 있다. 또한, 본 발명의 제 3 목적은, 상기한 고주파용 자성박막을 사용한 자기소자를 제공하는 것에 있다.
상기 제 1 목적을 달성하는 본 발명의 고주파용 자성박막은, 비정질 상태의 강자성 금속과 이 강자성 금속과는 상이한 비정질 금속으로 형성된 DM (discontinuous Multilayer (비연속 멀티레이어) 의 약칭) 구조를 갖는 것을 특징으로 한다.
여기에서 「비정질 상태」란, 반드시 완전한 아모퍼스 상태만을 의미하는 것은 아니며, 완전한 결정 상태 이외의 상태를 전부 포함하는 의미이다. 구체적으로는, X 선 회절법에 의한 회절 피크가 인정되지 않을 정도의 비결정 상태이면 된다. 「회절 피크가 인정되지 않을 정도」란 이른바 확실한 피크가 존재하지 않는 것을 의미한다. 결정화가 부분적으로밖에 진행되지 않은 「미(微)결정 상태」도 또한 「비정질 상태」에 포함된다. 또한, 「DM 구조」란 비연속인 다층구조를 나타내는 것이며, 명확한 다층구조를 나타내지 않고 또한 개개의 상(相)이 명확한 결정상을 나타내지 않아 전체로서 비정질 상태를 나타내는 구조를 의미한다.
본 발명에 의하면, 비정질 상태의 강자성 금속과 이 강자성 금속과는 상이한 비정질 금속으로 형성된 DM 구조를 갖는 고주파용 자성박막은 명확한 적층 구조나 결정상을 나타내는 구조를 나타내지 않기 때문에, 예를 들어, 강자성 재료가 갖는 큰 포화 자화를 유지하면서 높은 투자율을 나타내어 연자성화함과 함께 비저항이 높아진다. 그 결과, 이러한 구조로 이루어지는 고주파용 자성박막은 ㎓ 대역의 고주파 영역에서 우수한 성능지수 Q (Q＝μ1/μ2. 이하 동일) 를 갖게 된다.
본 발명의 고주파용 자성박막에서는, (ⅰ) 강자성 금속이 Fe 또는 FeCo 를 주성분으로 하며 C, B 및 N 에서 선택되는 1 또는 2 이상의 원소를 함유하는 금속이고, 비정질 금속이 Co 계 비결정질 합금인 것이 바람직하다. 그러한 강자성 금속으로는, 예를 들어, Fe-C 를 사용하는 것이 가능하다. 그리고, (ⅱ) 비정질 금속이 CoZrNb 인 것이 더욱 바람직하다.
상기 (ⅰ) 과 같이, 큰 포화 자화를 갖는 Fe 계 또는 FeCo 계 합금을 강자성 금속으로 하고 연자성재료인 Co 계 비정질 합금을 비정질 합금으로 한 경우에는, 얻어진 고주파용 자성박막은 큰 포화 자화를 유지하면서 높은 투자율을 나타내어 연자성화함과 함께 비저항이 높아지기 때문에, 우수한 성능지수 Q 를 갖게 된다. 특히, (ⅱ) 와 같이 비정질 금속이 CoZrNb 이게 한 경우에는, 자왜가 제로가 되는 조성을 용이하게 실현할 수 있기 때문에, 연자기 특성이 우수하고 높은 투자율을 얻을 수 있다는 이점이 있다.
본 발명의 고주파용 자성박막에서는, 강자성 금속의 막두께가 3.0㎚ 이하가 되도록 하는 것이 바람직하고, 특히, 0.5㎚ 이상 2.0㎚ 이하가 되도록 하는 것이 더욱 바람직하다. 0.5㎚ 이상이면 일정한 막두께를 얻을 수 있어 전체막두께를 용이하게 얻을 수 있다. 또한, 2.0㎚ 이하이면 강자성 금속과 비정질 금속의 계면을 더 많게 할 수 있다. 또한, 여기에서 말하는 「막두께」란, 계측 가능한 경우에는 계측에 의해 얻어지는 것을 말하며, 계측이 곤란한 경우에는, 예를 들어, 총두께, 층수 및 성막조건에 기초하여 강자성 금속의 층과 비정질 금속의 층의 비를 환산하여 계산에 의해 얻어지는 환산막두께 (어림 막두께) 를 말하는 것으로 한다.
또한, 본 발명의 고주파용 자성박막에서는, 비정질 금속의 막두께에 대한 상기 강자성 금속의 막두께의 비가 0.8 이상 3.0 이하가 되도록 하는 것이 바람직하고, 특히, 1.0 이상 2.5 이하가 되도록 하는 것이 더욱 바람직하다.
또한, 본 발명의 고주파용 자성박막에서는, 강자성 금속 및 비정질 금속이 교대로 반복 적층되도록 하는 것이 바람직하다. 이 경우에는, 적층 반복 회수가 5회 이상 3000회 이하이고, 그 총적층 막두께가 100㎚ 이상 2000㎚ 이하가 되도록 하는 것이 바람직하고, 특히, 적층 반복 회수가 10회 이상 700회 이하이고, 그 총적층 막두께가 300㎚ 이상 1000㎚ 이하가 되도록 하는 것이 더욱 바람직하다.
본 발명의 고주파용 자성박막에서는, 예를 들어, 1㎓ 에서의 복소 투자율의 실수부 (μ1) 가 400 이상이고, 또한 성능지수 Q (Q＝μ1/μ2) 가 3 이상, 포화 자화가 1.3T (13kG) 이상, 비저항이 100μΩcm 이상이 되도록 구성하는 것이 바람직하다.
상기 제 2 목적을 달성하는 본 발명의 고주파용 자성박막의 제조방법은, 강자성 금속과 비정질 금속으로 형성된 DM 구조를 갖는 고주파용 자성박막의 제작방법으로서, 비정질 상태가 유지되도록 강자성 금속을 퇴적하는 강자성 금속 퇴적공정과, 강자성 금속과는 상이한 비정질 금속을 퇴적하는 비정질 금속 퇴적공정을 포함하며, 강자성 금속 퇴적공정과 비정질 금속 퇴적공정을 교대로 복수 회 실시함으로써 DM 구조를 형성하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 의하면, DM 구조가, 비정질 상태가 유지되도록 강자성 금속을 퇴적하는 강자성 금속 퇴적공정과, 강자성 금속과는 상이한 비정질 금속을 퇴적하는 비정질 금속 퇴적공정을 교대로 실시함으로써 형성된다. 그 때문에, 형성된 고주파용 자성박막은, 명확한 적층구조나 결정상을 나타내는 구조를 나타내지 않는 DM 구조를 나타내기 때문에, 예를 들어, 강자성 재료가 갖는 큰 포화 자화를 유지하면서 높은 투자율을 나타내어 연자성화함과 함께 비저항이 높아진다. 그 결과, ㎓ 대역의 고주파 영역에서 우수한 성능지수 Q 를 갖는 고주파용 자성박막을 제작할 수 있다.
본 발명의 고주파용 자성박막의 제작방법에서는, Fe 또는 FeCo 를 주성분으로 하며 C, B 및 N 에서 선택되는 1 또는 2 이상의 원소를 함유하는 금속이고, 비정질 금속이 Co 계 비결정질 합금이 되도록 하는 것이 바람직하다.
상기 제 3 목적을 달성하는 본 발명의 자기소자는, 고주파용 자성박막을 갖는 자기소자로서, 이 고주파용 자성박막이, 비정질 상태의 강자성 금속과 이 강자성 금속과는 상이한 비정질 금속으로 형성된 DM 구조를 갖는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 자기소자에서는, (a) 코일을 추가로 구비하며, 고주파용 자성박막이 코일을 협지(挾持)하도록 대향 배치되어 있는 것, (b) 인덕터 또는 트랜스에 사용되는 것, 및 (c) 모놀리식 마이크로파 집적회로에 사용되는 것, 이 바람직하다.
이상과 같이, 본 발명의 고주파용 자성박막에 의하면, 비정질 상태의 강자성 금속과 이 강자성 금속과는 상이한 비정질 금속으로 형성된 DM 구조를 채용하여 명확한 적층구조나 결정상을 나타내는 구조를 나타내지 못하게 하였기 때문에, 강자성 재료가 가진 큰 포화 자화를 유지하면서 높은 투자율을 나타내어 연자성화함과 함께 높은 비저항을 확보할 수 있다. 그 결과, 예를 들어, ㎓ 대역의 고주파 영역에서 우수한 성능지수 Q 를 실현할 수 있다. 이러한 고주파용 자성박막은, 예를 들어, MMIC 에 탑재되는 평면형 스파이럴 코일을 갖는 인덕터에 적용되는 고주파용 자성박막으로서 바람직하게 이용할 수 있다. 또한, 본 발명의 고주파용 자성박막은, 실온에서 성막한 상태 그대로 그 성능을 발휘할 수 있기 때문에, MMIC 와 같은 반도체 프로세스로 제작되는 고주파 집적회로에 알맞은 재료이다. 본 발명의 고주파용 자성박막은 수 백 MHz 이상의 주파수 대역, 특히, 1㎓ 이상의 ㎓ 주파수 대역에서 사용할 수 있다.
또한, 본 발명의 고주파용 자성박막의 제조방법에 의하면, 명확한 적층구조나 결정상을 나타내는 구조를 나타내지 않은 DM 구조를 나타내는 자성박막을, 강자성 금속 퇴적공정과 비정질 금속 퇴적공정을 교대로 실시한다는 간단한 방법에 의해 형성할 수 있기 때문에, ㎓ 대역의 고주파 영역에서 우수한 성능지수 Q 를 갖는 고주파용 자성박막을 용이하게 제작할 수 있다.
또한, 본 발명의 자기소자에 의하면, 우수한 성능지수 Q 를 갖는 고주파용 자성박막을 갖기 때문에, 예를 들어, 인덕터, 트랜스 또는 모놀리식 마이크로파 집적회로 등에 적용함으로써 우수한 고주파 특성을 갖는 디바이스를 얻을 수 있다. 예를 들어, MMIC 에 탑재되는 평면형 인덕터 중의 스파이럴 코일에 그 고주파용 자성박막이 적용된 경우에는, 그 인덕터는, 예를 들어, ㎓ 대역에서의 와전류 손실이 저감된 자기소자로서 기능하게 된다.
도 1 은 본 발명의 고주파용 자성박막의 단면형태의 일례를 나타낸 모식도이다.
도 2a 는 본 발명의 고주파용 자성박막의 단면형태의 일례를 나타낸 HRTEM 사진이다.
도 2b 는 도 2a 에 나타낸 HRTEM 사진의 모식도이다.
도 3a 는 본 발명의 고주파용 자성박막의 단면형태의 다른 일례를 나타낸 STEM 사진이다.
도 3b 는 도 3a 에 나타낸 STEM 사진의 모식도이다.
도 4 는 강자성 금속과 비정질 금속의 퇴적막두께를 바꾼 경우의 XRD 패턴이다.
도 5a 는 본 발명의 고주파용 자성박막에서의 막두께와 포화 자화의 관계의 일례를 나타낸 그래프이다.
도 5b 는 본 발명의 고주파용 자성박막에서의 막두께와 비저항의 관계의 일례를 나타낸 그래프이다.
도 5c 는 본 발명의 고주파용 자성박막에서의 막두께와 투자율의 관계의 일례를 나타낸 그래프이다.
도 5d 는 본 발명의 고주파용 자성박막에서의 막두께와 성능지수 Q 의 관계의 일례를 나타낸 그래프이다.
도 6a 는 평면형 자기소자를 인덕터에 응용한 일례이다.
도 6b 는 도 6a 의 A-A 화살표 방향 단면의 모식도이다.
도 7 은 본 발명의 평면형 자기소자를 인덕터에 응용한 다른 일례를 나타낸 단면 모식도이다.
도 8 은 인덕터의 도체층 부분을 빼낸 모식적인 평면도이다.
도 9 는 도 8 의 A-A 화살표 방향 단면의 모식도이다.
도 10 은 실시예 1 에서 제작한 자성박막의 자화 곡선이다.
도 11 은 실시예 1 에서 제작한 자성박막의 고주파 투자율 특성을 나타낸 그래프이다.
도 12 는 실시예 2 에서 제작한 자성박막의 자화 곡선이다.
도 13 은 실시예 2 에서 제작한 자성박막의 고주파 투자율 특성을 나타낸 그래프이다.
도 14 는 실시예 3 에서 제작한 자성박막의 자화 곡선이다.
도 15 는 실시예 3 에서 제작한 자성박막의 고주파 투자율 특성을 나타낸 그래프이다.
도 16a 는 비교예 1 에서 제작한 자성박막의 TEM 이미지이다.
도 16b 는 도 16a 에 나타낸 TEM 이미지의 모식도이다.
도 17a 는 비교예 2 에서 제작한 자성박막의 TEM 이미지이다.
도 17b 는 도 17a 에 나타낸 TEM 이미지의 모식도이다.
발명을 실시하기 위한 최선의 형태
이하, 본 발명의 일 실시형태에 관련된 고주파용 자성박막 및 그 제작방법 그리고 자기소자에 대하여 도면을 참조하면서 설명한다. 또한, 본 발명의 범위는 이하에 설명하는 실시형태에 의해 제한되지 않는다.
도 1 은 본 실시형태의 고주파용 자성박막의 단면형태의 일례를 나타낸 모식도이고, 도 2a 및 도 2b 는 이 고주파용 자성박막의 단면형태의 일례를 나타낸 고분해능 투과형 전자현미경 (HRTEM) 이미지이고, 도 3a 및 도 3b 는 이 고주파용 자성박막의 단면형태의 다른 일례를 나타낸 주사투과형 전자현미경 (STEM 이미지) 이다.
이 고주파용 자성박막 (1) 은, 도 1∼도 3a 및 도 3b 에 나타낸 바와 같이, 그 단면구조가 강자성 금속 (2) 과 비정질 금속 (3) 에 의한 DM 구조로 되어 있다. 여기에서, DM 구조란 비연속 멀티레이어 (discontinuous Multilayer) 의 약칭이며, 간단히 말하면, 비연속 다층구조라 할 수 있다. 이러한 DM 구조는 후술하는 제작방법란에서 설명하는 바와 같이, 다층막의 제작공정을 제어함으로써 실현된다. 이하, 이 고주파용 자성박막 (1) 의 구성에 대하여 설명한다.
(강자성 금속)
강자성 금속 (2) 은, 강자성 재료인 Fe 또는 FeCo 중에 C, B 및 N 에서 선택되는 1 또는 2 이상의 원소가 함유된다.
C, B 및 N 에서 선택되는 1 또는 2 이상의 원소는, 포화 자화가 크지만 보자력이 크고 비저항이 비교적 작은 Fe 또는 FeCo 의 연자기 특성을 향상시킬 수 있기 때문에 바람직하게 함유된다. 함유되는 C, B 및 N 에서 선택되는 1 또는 2 이상의 원소의 농도는, 통상 2~20원자% (at% 라 함), 바람직하게는 4~15at% 이다. 그들 원소의 농도가 2at% 미만인 경우에는 bcc 구조의 주상 결정이 기판에 대하여 수직방향으로 결정 성장하기 쉬워져 보자력이 커짐과 함께 비저항이 작아지게 되어 양호한 고주파 특성을 얻는 것이 곤란해진다. 한편, 그들 원소의 농도가 20at% 를 초과하는 경우에는, 이방성 자계가 감소하여 공명주파수의 저하가 발생하기 때문에 고주파용 박막으로서 충분히 기능하는 것이 곤란해진다. 특히 바람직하게는 C 를 함유시킨 경우이며, 그 때의 C 의 농도는 4~15at% 인 것이 바람직하다.
또한, Fe 의 경우보다도 FeCo 를 채용하는 것이 높은 포화 자화가 얻어지는 점에서 바람직하다. 이 때의 FeCo 중의 Co 함유량은 80at% 이하의 범위에서 적절히 정하면 되지만, 20~50at% 의 범위에서 함유시키는 것이 바람직하다. 또 한, Fe, FeCo 이외의 원소라 해도 본 발명에 악영향을 미치지 않는 범위라면 다른 원소를 함유시켜도 된다.
(비정질 금속)
비정질 금속 (3) 은 Co 계 비결정질 합금이 바람직하게 사용된다. Co 계 비결정질 합금은, 고투자율이고 또한 고저항 (비저항이 100~150μΩcm) 이기 때문에 고주파 영역에서의 와전류 손실의 억제에 효과가 있어 바람직하게 적용된다. Co 계 비결정질 합금은 단층막이고 투자율 1000 이상 (10㎒), 포화 자화 1.0T (10kG) 이상, 비저항 100μΩcm 이상의 특성을 갖는 것이 바람직하다.
본 실시형태에서는, 강자성 금속 (2) 과 교대로 퇴적시키는 재료가 비정질 금속이기 때문에, 그 재료가 결정질 금속인 경우에 비하여 퇴적시키는 강자성 금속의 결정성장의 개시를 억제할 수 있다.
이 Co 계 비결정질 합금은, Co 를 주성분으로 하며 B, C, Si, Ti, V, Cr, Mn, Fe, Ni, Y, Zr, Nb, Mo, Hf, Ta, W 에서 선택되는 적어도 1 종 또는 2 종 이상의 첨가원소를 함유하여 형성되어 있다.
첨가원소의 비율 (2 종 이상인 경우는 총합량) 은 통상 5∼50at%, 바람직하게는 10∼30at% 이다. 첨가원소의 비율이 50at% 를 초과하면 포화 자화가 작아진다는 문제가 생긴다. 한편, 첨가원소의 비율이 5at% 미만이면 자왜의 제어가 곤란해져 유효한 연자기 특성이 얻어지지 않는다는 문제가 생긴다.
Co 계 비결정질 합금으로는, 예를 들어, CoZr, CoHf, CoNb, CoMo, CoZrNb, CoZrTa, CoFeZr, CoFeNb, CoTiNb, CoZrMo, CoFeB, CoZrNbMo, CoZrMoNi, CoFeZrB, CoFeSiB, CoZrCrMo 등을 들 수 있다. 특히 바람직하게는, CoZrNb 를 들 수 있다.
(DM 구조)
도 2a 및 도 2b 는, 강자성 금속 (2) 인 막두께 1.0㎚ 의 Fe-C (C 함유량 : 약 10at%) 와, 비정질 금속 (3) 인 막두께 0.7㎚ 의 CoZrNb 를 각각 250회 교대로 퇴적 (합계 500회 퇴적) 시켜 얻어진 막단면의 HRTEM 이미지이다. 도 2a 는 HRTEM 사진이고, 도 2b 는 HRTEM 사진의 모식도이다. 또한, 도 3a 및 도 3b 는 강자성 금속 (2) 인 막두께 2.0㎚ 의 Fe-C (C 함유량 : 약 10at%) 와, 비정질 금속 (3) 인 막두께 0.7㎚ 의 CoZrNb 를 각각 250회 교대로 퇴적 (합계 500회 퇴적) 시켜 얻어진 막단면의 STEM 이미지이다. 도 3a 는 STEM 사진이고, 도 3b 는 STEM 사진의 모식도이다.
본 실시형태의 고주파용 자성박막은, 도 2a 및 도 2b, 도 3a 및 도 3b 에 나타낸 바와 같이, 강자성 금속 (2) 과 비정질 금속 (3) 이 DM 구조를 나타내는 것에 특징이 있다. DM 구조는 비연속인 다층구조를 나타내는 것으로, 예를 들어, 도 2a 및 도 2b, 도 3a 및 도 3b 에 나타낸 바와 같이 명확한 다층구조를 나타내지 않고 또한 개개의 상이 명확한 결정상을 나타내고 있지 않은 점, 및 예를 들어 도 4 에 나타낸 바와 같이 강자성 금속 (2) 과 비정질 금속 (3) 의 퇴적막두께를 바꾼 경우의 XRD (X선 회절) 패턴에서도 알 수 있는 바와 같이, 비정질 상태 (미결정 상태를 포함함) 를 나타내는 구조라는 점에 특징이 있다.
이러한 DM 구조는, 예를 들어, X선 회절법 (XRD 법) 에 의해 측정된 회절패 턴에 비정질 상태를 나타낸 할로우 피크가 관찰됨으로써 확인할 수 있다. XRD 법에서의 측정에서, Fe-C 의 (110) 결정면에서의 회절이 일어나는 2θ＝45° 부근을 측정함으로써 확인하기 쉬워진다. 또한, DM 구조로 되어 있는 것을 확인하기 위한 다른 수단으로는, 예를 들어, 도 2a 및 도 2b 에 나타낸 바와 같은 HRTEM 에 의한 단면관찰, 또는 도 3a 및 도 3b 에 나타낸 바와 같은 STEM 에 의한 단면관찰에 의해 실시할 수 있다. 또한, 이들 투과형 전자현미경 관찰에서는, 그 시료작성이나 측정에 있어서 전자선 회절 (Selected Area Electron Diffraction) 의 측정을 동시에 실시함으로써 확인하기 쉬워진다.
본 실시형태에 있어서, DM 구조를 구성하는 강자성 금속 (2) 이 비정질 상태를 나타내는 이유는, 강자성 금속의 퇴적을 그 강자성 금속의 결정성장이 충분히 일어나기 전에 정지시킨 것에 기인하는 것이다. 이러한 비정질 상태의 강자성 금속 (2) 은, 예를 들어, 강자성 재료가 갖는 큰 포화 자화를 유지하면서 높은 투자율을 나타내어 연자성화함과 함께 비저항이 높아진다. 그 결과, ㎓ 대역의 고주파 영역에서 우수한 성능지수 Q 를 갖는 고주파용 자성박막을 제작할 수 있다.
또한, 본 실시형태의 고주파용 자성박막에는, 강자성 금속 (2) 과 비정질 금속 (3) 을 반복 퇴적시켜 얻어진 DM 구조막을 그 후 열처리한 경우에 상기와 같이 비정질 상태 (미결정 상태를 포함함) 를 나타내는 구조인 것도 포함된다.
(DM 구조의 형성)
DM 구조는, 강자성 금속의 퇴적을 그 강자성 금속의 결정 성장이 충분히 일어나기 전에 정지시키는 강자성 금속 퇴적공정과, 강자성 금속 상에 비정질 상태가 되는 금속을 퇴적하는 비정질 금속 퇴적공정을 교대로 실시함으로써 형성된다.
이 때 주의해야 할 점은, 강자성 금속의 퇴적을 그 강자성 금속의 결정성장이 충분히 일어나기 전의 두께에서 정지시키는 것, 또는 강자성 금속과 비정질 금속을 반복 퇴적시켜 얻어진 DM 구조막을 그 후 열처리한 경우에 상기와 같이 미결정 상태 또는 비정질 상태를 나타내는 구조를 유지할 정도의 막두께로 퇴적하는 것이다. 이렇게 함으로써 DM 구조를 형성할 수 있다.
구체예로는, 도 2a 및 도 2b 에 나타낸 바와 같이 Fe-C 를 막두께 1.0㎚ 를 기준으로 퇴적하고, CoZrNb 를 막두께 0.7㎚ 를 기준으로 퇴적함으로써 비정질 상태의 DM 구조로 할 수 있다. 또한, 도 3a 및 도 3b 에 나타낸 바와 같이 Fe-C 를 막두께 2.0㎚ 를 기준으로 퇴적하고, CoZrNb 를 막두께 0.7㎚ 를 기준으로 퇴적함으로써 비정질 상태의 DM 구조로 할 수 있다.
비정질 상태의 DM 구조로 할 수 있는 강자성 금속의 퇴적막두께의 기준은 3.0㎚ 이하이고, 0.5∼2.0㎚ 인 것이 더욱 바람직하다. 강자성 금속의 퇴적막두께의 목표가 3㎚ 를 초과하면 결정성장이 발생하는 경우가 있고, 그 결과, 투자율의 저하와 비저항 저하가 일어나 ㎓ 대역에서의 고주파 특성인 성능지수 Q 가 불충분한 값이 된다.
한편, 비정질 금속은 통상 비정질 상태로 되기 때문에 그 관점에서는 특별히 제한은 없지만, 본 발명의 목적인 ㎓ 대역에서의 고주파 특성의 관점에서는 퇴적막두께를 너무 두껍게 하는 것은 바람직하지 않다. 비정질 금속 (3) 의 퇴적막두께는 [강자성 금속의 퇴적막두께의 기준 : T1]／[비정질 금속의 퇴적막두께의 기준 : T2] 이 0.8∼3.0, 바람직하게는 1.0∼2.5 가 되도록 설정된다. 그 범위 내가 되도록 비정질 금속의 퇴적막두께의 목표를 조정함으로써 고주파 특성을 손상시키지 않는 자성박막을 얻을 수 있다. T1/T2 가 3.0 을 초과하는 경우에는 Fe-C 등의 강자성 금속의 입자가 성장하여, 높은 비저항 (예를 들어, 130μΩcm 이상) 을 얻을 수 없게 되는 경우가 있다. 또한, T1/T2 가 0.8 미만이 되는 경우에는 높은 포화 자화를 갖는 강자성 금속의 비율이 적어지기 때문에, 공명주파수의 고주파수화가 곤란해지는 경우가 있다.
다음으로, 강자성 금속과 비정질 금속의 퇴적회수와 두께에 대하여 설명한다. 강자성 금속과 비정질 금속을 교대로 퇴적시키는 합계의 회수에 대해서는 특별히 제한은 없지만, 통상 5∼3000회, 바람직하게는 10∼700회 정도이다. 최종적인 고주파용 자성박막의 두께는 100∼2000㎚, 바람직하게는 300∼1000㎚ 이다. 이 값이 100㎚ 미만인 경우에는, 평면형 자기소자에 응용한 경우에 원하는 파워를 취급하는 것이 곤란해진다는 문제가 생기는 일이 있다. 한편, 이 값이 2000㎚ 를 초과하는 경우에는 표피 효과에 의한 고주파 손실이 견조(堅調)해져 ㎓ 대역의 손실이 증대한다는 문제가 생기는 일이 있다.
다음으로, 고주파용 자성박막의 제작방법, 다시 말해 DM 구조의 형성방법에 대하여 설명한다. 고주파용 자성박막 (1) 은, 진공박막 형성방법, 특히 스퍼터법에 의해 형성되는 것이 바람직하다. 더 구체적으로는, RF 스퍼터, DC 스퍼터, 마그네트론 스퍼터, 이온빔 스퍼터, 유도결합 RF 플라즈마 지원 스퍼터, ECR 스퍼터, 대향타겟식 스퍼터 등이 사용된다. 또한, 스퍼터링은 어디까지나 실시 형태의 일 양태이며, 다른 박막 작성 프로세스를 적용할 수 있는 것은 말할 필요도 없다.
강자성 금속을 퇴적시키기 위한 타겟으로는, Fe 타겟 또는 FeCo 타겟 위에 C, B 및 N 에서 선택되는 1 또는 2 이상의 원소의 펠릿을 배치한 복합 타겟을 사용하거나 Fe 또는 FeCo 와 C, B 및 N 에서 선택되는 1 또는 2 이상의 원소와의 합금 타겟을 사용하면 된다. C, B 및 N 에서 선택되는 1 또는 2 이상의 원소의 농도조정은, 예를 들어, 개개의 원소 펠릿의 양을 조정하게 하면 된다.
Co 계 비결정질 합금을 퇴적시키기 위한 타겟으로는, Co 타겟 상에 원하는 첨가원소의 펠릿을 배치한 복합 타겟을 사용하거나 원하는 첨가성분을 함유하는 Co 합금의 타겟을 사용하면 된다.
또한, 본 실시형태의 고주파용 자성박막 (1) 이 형성되는 기판 (4 ; 도 1 참조) 에서는, 유리 기판, 세라믹스재료 기판, 반도체 기판, 수지 기판 등을 예시할 수 있다. 세라믹스재료로는, 알루미나, 지르코니아, 탄화규소, 질화규소, 질화알루미늄, 스테아타이트, 멀라이트, 코디어라이트, 포스테라이트, 스피넬, 페라이트 등을 들 수 있다. 그 중에서도 열전도율이 크고 굽힘 강도도 큰 질화알루미늄을 사용하는 것이 바람직하다.
또한, 본 실시형태의 고주파용 자성박막은, 실온 (약 15∼35℃) 에서 성막한 상태 그대로 그 성능을 발휘할 수 있기 때문에, MMIC 와 같은 반도체 프로세스로 제작되는 고주파 집적회로에 적합한 재료이다. 따라서, 기판으로는 Si, GaAs, InP, SiGe 등의 반도체 기판을 예시할 수 있다.
(자성박막의 고주파 특성)
도 5a∼도 5d 는 본 실시형태의 고주파용 자성박막에서의 막두께와 포화 자화 4πMs (도 5a), 비저항 ρ (도 5b), 투자율 μ1, μ2 (도 5c) 및 성능지수 Q (도 5d) 의 관계의 일례를 나타낸 그래프이다. 이 관계는, 비정질 금속으로 CoZrNb 를 사용하고 강자성 금속으로 Fe-C 를 사용하며, [CoZrNb 의 막두께]／[Fe-C 의 막두께] 를 0.7 로 한 경우에 CoZrNb 의 막두께를 0.5∼6.5㎚ 까지 변화시켰을 때의 각 특성을 나타내고 있다.
도 5a∼도 5d 에 나타낸 바와 같이, 이 계에서는 CoZrNb 의 막두께가 1.5㎚ 이하가 되면 포화 자화 (도 5a 를 참조) 및 비저항 (도 5b 를 참조) 의 증가가 견조하게 나타나 있다. 이 계에서, 투자율은 CoZrNb 의 막두께가 3㎚ 이상으로 커지지만 손실 (μ2) 도 함께 커지기 때문에 (도 5c 참조), 높은 Q 값이 얻어지는 조건은 CoZrNb 의 막두께가 1.5㎚ 이하일 때인 것을 알 수 있다 (도 5d 참조). 또한, 각 층의 막두께가 3㎚ 이하, 바람직하게는 2㎚ 이하일 때의 구조가 이른바 DM 구조를 갖는 것은 도 2a 및 도 2b∼도 4 의 TEM 이미지의 결과와 XRD 의 결과에서도 인정된다.
본 실시형태의 고주파용 자성박막은 상술한 DM 구조를 갖기 때문에, 1㎓ 에서의 복소 투자율의 실수부 (μ1) 가 400 이상이고 또한 성능지수 Q 가 3 이상, 포화 자화가 1.3T (13kG) 이상, 비저항이 100μΩcm 가 된다. 또한, ㎓ 영역 (1㎓) 에서 투자율의 실수부 (μ1) 는 가능한 한 큰 값을 가질 것이 요망되며, 특별히 상한값은 없다. 마찬가지로, 포화 자화에 대해서도 가능한 한 큰 값을 가질 것이 요망되며, 특별히 상한값은 없다. 이러한 특성은 열처리 등을 실시하지 않은 상태 그대로 측정된다.
(자기소자)
본 실시형태의 자기소자는, 상술한 고주파용 자성박막을 그 일부에 구비하고 있는 것에 특징이 있다.
도 6a 및 도 6b 는 평면형 자기소자를 인덕터에 응용한 일례이다. 도 6a 는 인덕터의 평면도를 모식적으로 나타낸 것이고, 도 6b 는 도 6a 의 A-A 화살표 방향 단면을 모식적으로 나타낸 것이다.
이들 도면에 나타낸 인덕터 (10) 는, 기판 (11) 과, 이 기판 (11) 의 양면에 스파이럴상으로 형성된 평면코일 (12, 12) 과, 이들 평면코일 (12, 12) 과 기판 (11) 면을 덮도록 형성된 절연막 (13, 13) 과, 이 각각의 절연막 (13, 13) 위를 덮도록 형성된 한 쌍의 고주파용 자성박막 (1) 을 구비하고 있다. 고주파용 자성박막 (1) 은 도 1 에 나타낸 것과 동일한 구조를 갖는다. 그리고, 상기 2 개의 평면코일 (12, 12) 은 기판 (11) 의 약 중앙부분에 형성된 스루 홀 (15) 을 통하여 전기적으로 접속되어 있다. 그리고, 기판 (11) 양면의 평면코일 (12, 12) 로부터 각각 접속을 위한 단자 (16) 가 기판 (11) 의 바깥으로 인출되어 있다. 이러한 인덕터 (10) 는 한 쌍의 고주파용 자성박막 (1) 에 의해 절연막 (13, 13) 을 통하여 평면코일 (12, 12) 을 사이에 두고 구성되어 있기 때문에, 접속단자 (16, 16) 사이에 인덕터가 형성된다.
이와 같이 형성된 인덕터는 소형 또한 박형 경량이며, 특히 1㎓ 이상의 고주 파대역에서 우수한 인덕턴스를 나타낸다. 또한, 상기 설명한 인덕터 (10) 에서 평면코일 (12, 12) 을 병렬적으로 복수 형성함으로써 트랜스를 형성할 수 있다.
도 7 은 본 실시형태의 평면형 자기소자를 인덕터에 응용한 다른 일례를 나타낸 단면 모식도이다.
이 도면에 나타낸 인덕터 (20) 는, 기판 (21) 과, 이 기판 (21) 위에 필요에 따라 형성되는 산화막 (22) 과, 이 산화막 (22) 위에 형성된 고주파용 자성박막 (1a) 과, 이 고주파용 자성박막 (1a) 위에 형성된 절연막 (23) 을 구비하고, 그리고, 이 절연막 (23) 위에 형성된 평면코일 (24) 과, 이들 평면코일 (24) 과 절연막 (23) 을 덮도록 형성된 절연막 (25) 과, 이 절연막 (25) 위에 형성된 고주파용 자성박막 (1b) 을 갖고 있다. 고주파용 자성박막 (1a, 1b) 은, 상기 고주파용 자성박막 (1 ; 도 1) 과 동일한 구조를 갖는 것이다. 이와 같이 형성된 인덕터 (20) 도 역시 소형 또한 박형 경량이고, 특히 1㎓ 이상의 고주파대역에서 우수한 인덕턴스를 나타낸다. 그리고 이러한 인덕터 (20) 에서 평면코일 (24) 을 병렬적으로 복수 형성함으로써 트랜스를 형성할 수 있다.
도 8 및 도 9 는 본 실시형태의 고주파용 자성박막 (1) 을 MMIC 용 인덕터로서 응용한 실시예이며, 도 8 은 인덕터의 도체층부분을 빼낸 평면도를 모식적으로 나타낸 것이고, 도 9 는 도 8 의 A-A 화살표 방향 단면을 모식적으로 나타낸 도면이다.
이들 도면에서 나타내고 있는 인덕터 (30) 는, 기판 (31) 과, 이 기판 (31) 위에 필요에 따라 형성되는 절연산화막 (32) 과, 그 절연산화막 (32) 위에 형성된 고주파용 자성박막 (1a) 과, 이 고주파용 자성박막 (1a) 위에 형성된 절연막 (33) 을 구비하고, 그리고, 이 절연막 (33) 위에 형성된 스파이럴 코일 (34) 과, 이 스파이럴 코일 (34) 과 절연막 (33) 을 덮도록 형성된 절연막 (35a, 35b) 과, 이 절연막 (35b) 위에 형성된 고주파용 자성박막 (1b) 을 갖고 있다. 고주파용 자성박막 (1a, 1b) 은 상기한 고주파용 자성박막 (1 ; 도 1) 과 동일한 구조를 갖는 것이다.
또한, 스파이럴 코일 (34) 은 배선 (36) 을 통하여 한 쌍의 전극 (37) 에 접속되어 있다. 그리고, 스파이럴 코일 (34) 을 둘러싸도록 형성된 한 쌍의 그라운드 패턴 (39) 은 각각 한 쌍의 그라운드 전극 (38) 에 접속되어, 그라운드-시그널-그라운드 (G-S-G) 타입의 프로브에 의해 웨이퍼 상에서 주파수 특성을 평가하는 형상을 갖고 있다.
본 실시의 형상에 관련된 MMIC 용 인덕터에서는, 자심이 되는 고주파용 자성박막 (1a, 1b) 에 의해 스파이럴 코일 (34) 이 끼워진 유심 구조를 채용하고 있다. 그 때문에, 스파이럴 코일 (34) 이 동일한 형상이면서도 고주파용 자성박막 (1a, 1b) 이 형성되어 있지 않은 공심 구조의 인덕터에 비교하여 인덕턴스값이 약 50% 향상된다. 따라서, 동일한 인덕턴스값을 얻기 위해 필요한 스파이럴 코일 (34) 의 점유면적은 작아도 되어, 그 결과, 스파이럴 코일 (34) 의 소형화를 실현할 수 있다.
그런데, MMIC 용 인덕터에 적용하는 자성박막의 재료로는, ㎓ 대역의 고주파수이고 고투자율, 또한 높은 성능지수 Q (저손실) 특성을 가질 것과 반도체 제조 프로세스에 의한 집적화가 가능할 것이 요망된다.
㎓ 대역의 고주파수에서의 고투자율을 실현하기 위해서는, 공명주파수가 높고 또한 포화 자화가 큰 재질이 유리하고, 일축 자기이방성의 제어가 필요하다. 또한, 높은 성능지수 Q 를 얻기 위해서는, 고저항화에 의한 와전류 손실의 억제가 중요하다. 그리고, 집적화 프로세스에 적용하기 위해서는 실온에서 성막할 수 있고 성막한 상태 그대로 사용할 수 있는 것이 바람직하다. 이미 세팅되어 있는 다른 온 칩 콤포넌트의 성능 및 작성 프로세스에 가열에 의한 악영향이 미치지 않게 하기 위해서이다.
이하, 본 실시형태의 고주파용 자성박막에 대하여 실시예 및 비교예에 의해 더 상세하게 설명한다.
(실시예 1)
실시예 1 의 고주파용 자성박막을 이하의 성막 수법에 따라 제작하였다.
먼저, Si 웨이퍼 위에 SiO2 를 500㎚ 의 두께로 성막한 것을 기판으로 사용하였다. 다음으로, 대향타겟식 스퍼터장치를 사용하여 아래의 요령으로 기판 상에 고주파용 자성박막을 성막 (deposit) 시켰다. 즉, 대향타겟식 스퍼터장치 내를 8×10-5Pa 까지 예비 배기한 후 압력이 10Pa 가 될 때까지 Ar 가스를 도입한 후, 100W 의 RF 파워로 10분간 기판 표면을 스퍼터 에칭하였다. 이어서, 압력이 0.4Pa 가 되도록 Ar 가스의 유량을 조정하여, 300W 의 파워로 Co87Zr5Nb8 타겟 및 Fe 타겟 상에 C (탄소) 펠릿을 배치한 복합 타겟을, 순서대로 교대로 반복 스퍼터링하여 후술하는 사양으로 이루어지는 고주파용 자성박막으로서의 자성박막을 성막 (deposit) 시켰다. 또한, Co87Zr5Nb8 라는 조성의 타겟을 사용한 것은, 자왜가 거의 제로이기 때문에 높은 투자율을 실현할 수 있기 때문이다.
성막시에는 기판에 -40∼-80V 의 DC 바이어스를 인가하였다. 또한, 타겟 표면의 불순물의 영향을 방지하기 위해 셔터를 닫은 상태로 10분 이상 프리스퍼터링하였다. 그 후, 셔터를 열어 기판 상에 성막하였다. 성막속도 (rate) 는 비정질 금속인 CoZrNb 의 퇴적시에 0.33㎚/초, 강자성 금속인 Fe-C 의 퇴적시에 0.27㎚/초로 하였다. 셔터의 개폐시간을 제어함으로써 교대로 퇴적되는 각 재료를 퇴적하는 막두께를 조정하였다. 기판 상에 먼저 CoZrNb 를 퇴적한 후 그 위에 Fe-C 를 퇴적하고, 이하 순서대로 CoZrNb 와 Fe-C 를 교대로 퇴적하였다.
이러한 성막 수법에 기초하여, 막두께 1.0㎚ 의 CoZrNb 와, 막두께 1.0㎚ 의 Fe-C (탄소농도 : 10at%) 를 교대로 250회씩 순서대로 퇴적하여 총막두께 500㎚ (합계 500층 상당) 의 본 실시형태의 자성박막 (실시예 1) 을 형성하였다.
또한, 성막 중에 기판온도의 제어는 하지 않았지만, 기판온도는 총막두께가 500㎚ 가 될 때까지 30℃ 까지 상승하였다.
자성박막의 구조를 확인하였더니, Fe-C 및 CoZrNb 모두 비결정질인 DM 구조가 확인되었다.
도 10 은 성막 후에 측정된 자화 곡선이다. 이 도면에서, 부호 E 는 자화 용이축 방향에서의 자화 곡선이고, 부호 D 는 자화 곤란축 방향에서의 자화 곡 선이다. 이 자화 곡선에서 알 수 있는 바와 같이, 퇴적막에서는 면내 일축 자기이방성이 관찰되고 있고, 포화 자화는 1.43T (14.3kG), 자화 용이축 방향의 보자력 Hce 로서 47.75A/m (0.6 Oe), 자화 곤란축 방향의 보자력 Hch 로서 63.66A/m (0.8 Oe) 가 얻어졌다. 도 11 은 이 실시예의 적층막의 고주파 투자율 특성이다. 이 그래프에서, 공명주파수는 측정 한계인 2㎓ 를 넘어 있어, ㎓ 영역에서 투자율의 실수부 (μ1) 가 500 이상인 것을 알 수 있다. 또한, 성능지수 Q (Q＝μ1/μ2) 는 1㎓ 에서 15 의 값이 얻어지고, 2㎓ 에서는 7 의 값이 얻어져 있는 것을 알 수 있다. 또한, 고주파 투자율의 측정은 박막 고주파 투자율 측정장치 (나루세과학기기, PHF-F1000) 를 사용하고, 자기특성은 진동시료형 자력계 (리켄전자, BHV-35) 를 사용하여 측정하였다.
(실시예 2)
상기 실시예 1 의 성막 수법에 기초하여 막두께 0.9㎚ 의 CoZrNb 와, 막두께 1.3㎚ 의 Fe-C (탄소농도 : 10at%) 를 교대로 200회씩 순서대로 퇴적하여 총막두께 440㎚ (합계 400층 상당) 의 본 실시형태의 자성박막 (실시예 2) 을 형성하였다.
도 12 는 성막 후에 측정된 자화 곡선이다. 부호 E, D 의 의의는 도 10 의 경우와 마찬가지이다. 이 자화 곡선에서 구한 자기특성으로서, 포화 자화는 1.41T (14.1kG), 자화 용이축 방향의 보자력 Hce 는 47.75A/m (0.6 Oe), 자화 곤란축 방향의 보자력 Hch 는 95.50A/m (1.2 Oe) 였다. 도 13 은 이 실시예의 적층막의 고주파 투자율 특성이다. 이 그래프에서, 투자율의 실수부 (μ1) 의 값으로서 1.0㎓ 에서는 490 의 값이 얻어지고, 1.5㎓ 에서는 670 의 값이 얻어지고 있 는 것을 알 수 있다. 또한 성능지수 Q (Q＝μ1/μ2) 의 값으로서 1.0㎓ 에서는 11 의 값이 얻어지고, 1.5㎓ 에서는 7 의 값이 얻어지고 있는 것을 알 수 있다.
(실시예 3)
상기 실시예 1 의 성막 수법에 기초하여 막두께 1.0㎚ 의 CoZrNb 와, 막두께 2.0㎚ 의 Fe-C (탄소농도 : 10at%) 를 교대로 170회씩 순서대로 퇴적하여 총막두께 510㎚ (합계 340층 상당) 의 본 실시형태의 자성박막 (실시예 3) 을 형성하였다.
자성박막의 구조를 확인하였더니, Fe-C 및 CoZrNb 모두 비결정질인 DM 구조가 확인되었다.
도 14 는 성막 후에 측정된 자화 곡선이다. 부호 E, D 의 의의는 도 10 의 경우와 마찬가지이다. 이 자화 곡선에서 구한 자기특성으로서, 포화 자화는 1.48T (14.8kG), 자화 용이축 방향의 보자력 Hce 는 55.70A/m (0.7 Oe), 자화 곤란축 방향의 보자력 Hch 는 79.58A/m (1.0 Oe) 이었다. 도 15 는 이 실시예의 퇴적막의 고주파 투자율 특성이다. 이 그래프에서, 공명주파수는 측정 한계인 2㎓ 를 넘어 있어, ㎓ 영역에서 투자율의 실수부 (μ1) 가 500 이상인 것을 알 수 있다. 또한, 성능지수 Q (Q＝μ1/μ2) 의 값으로 1.0㎓ 에서는 24 의 값이 얻어지고, 1.5㎓ 에서는 8.5 의 값이 얻어지고, 2㎓ 에서는 3 의 값이 얻어져 있는 것을 알 수 있다.
(실시예 4)
상기 실시예 1 의 성막 수법에 기초하여 막두께 1.0㎚ 의 CoZrNb 와, 막두께 2.8㎚ 의 Fe-C (탄소농도 : 10at%) 를 교대로 135회씩 순서대로 퇴적하여 총막두께 513㎚ (합계 270층 상당) 의 본 실시형태의 자성박막 (실시예 4) 을 형성하였다.
자성박막의 구조를 확인하였더니, Fe-C 및 CoZrNb 모두 비결정질인 DM 구조가 확인되었다.
상기 실시예에 준한 방법에 의해 그 자성박막의 물성값을 구하였더니, 1.50T (15.0kG) 의 포화 자화, 63.66A/m (0.8 Oe) 의 자화 용이축 방향의 보자력, 71.62A/m (0.9 Oe) 의 자화 곤란축 방향의 보자력이 각각 얻어졌다. 또한, 1㎓ 에서의 투자율의 실수부 (μ1) 는 550 이고, 1㎓ 에서의 성능지수 Q (Q＝μ1/μ2) 는 22 의 값이 얻어졌다.
(실시예 5)
상기 실시예 1 의 성막 수법에 기초하여 막두께 0.8㎚ 의 CoZrNb 와, 막두께 2.8㎚ 의 Fe-C (탄소농도 : 10at%) 를 교대로 140회씩 순서대로 퇴적하여 총막두께 504㎚ (합계 280층 상당) 의 본 실시형태의 자성박막 (실시예 5) 을 형성하였다.
자성박막의 구조를 확인하였더니, Fe-C 및 CoZrNb 모두 비결정질인 DM 구조가 확인되었다.
상기 실시예에 준한 방법에 의해 그 자성박막의 물성값을 구하였더니, 1.58T (15.8kG) 의 포화 자화, 71.62A/m (0.9 Oe) 의 자화 용이축 방향의 보자력, 87.54A/m (1.1 Oe) 의 자화 곤란축 방향의 보자력이 각각 얻어졌다. 또한, 1㎓ 에서의 투자율의 실수부 (μ1) 는 400 이고, 1㎓ 에서의 성능지수 Q (Q＝μ1/μ2) 는 16 의 값이 얻어졌다.
(실시예 6)
상기 실시예 1 의 성막 수법에 기초하여 막두께 2.0㎚ 의 CoZrNb 와, 막두께 1.0㎚ 의 Fe-C (탄소농도 : 10at%) 를 교대로 170회씩 순서대로 퇴적하여 총막두께 510㎚ (합계 340층 상당) 의 본 실시형태의 자성박막 (실시예 6) 을 형성하였다.
자성박막의 구조를 확인하였더니, Fe-C 및 CoZrNb 모두 비결정질인 DM 구조가 확인되었다.
상기 실시예에 준한 방법에 의해 그 자성박막의 물성값을 구하였더니, 1.39T (13.9kG) 의 포화 자화, 47.75A/m (0.6 Oe) 의 자화 용이축 방향의 보자력, 55.70A/m (0.7 Oe) 의 자화 곤란축 방향의 보자력이 각각 얻어졌다. 또한, 1㎓ 에서의 투자율의 실수부 (μ1) 는 755 이고, 1㎓ 에서의 성능지수 Q (Q＝μ1/μ2) 는 6 의 값이 얻어졌다.
(비교예 1)
상기 실시예 1 의 성막 수법에 기초하여 막두께 6.0㎚ 의 CoZrNb 와, 막두께 7.0㎚ 의 Fe-C (탄소농도 : 10at%) 를 교대로 30회씩 순서대로 퇴적하여 총막두께 390㎚ (합계 60층 상당) 의 비교예 1 의 자성박막을 형성하였다.
자성박막의 구조를 확인하였더니, 도 16a 의 TEM 이미지 및 도 16b 의 그 모식도에 나타낸 바와 같이 CoZrNb 는 비결정질이지만, Fe-C 는 결정질인 것이 확인되었다.
상기 실시예에 준한 방법에 의해 그 자성박막의 물성값을 구하였더니, 1.30T (13.0kG) 의 포화 자화, 47.74A/m (0.6 Oe) 의 자화 용이축 방향의 보자력, 286.45A/m (3.6 Oe) 의 자화 곤란축 방향의 보자력이 각각 얻어졌다. 또한, 1 ㎓ 에서의 투자율의 실수부 (μ1) 는 1050 이고, 1㎓ 에서의 성능지수 Q (Q＝μ1/μ2) 는 2.6 의 값이 얻어졌다.
(비교예 2)
상기 실시예 1 의 성막 수법에 기초하여 막두께 20㎚ 의 CoZrNb 와, 막두께 30㎚ 의 Fe-C (탄소농도 : 10at%) 를 교대로 10회씩 순서대로 퇴적하여 총막두께 500㎚ (합계 20층 상당) 의 비교예 2 의 자성박막을 형성하였다.
자성박막의 구조를 확인하였더니, 도 17a 의 TEM 이미지 및 도 17b 의 그 모식도에 나타낸 바와 같이 CoZrNb 는 비결정질이지만, Fe-C 는 결정질인 것이 확인되었다.
상기 실시예에 준한 방법에 의해 그 자성박막의 물성값을 구하였더니, 1.69T (16.9kG) 의 포화 자화, 119.35A/m (1.5 Oe) 의 자화 용이축 방향의 보자력, 47.74A/m (0.6 Oe) 의 자화 곤란축 방향의 보자력이 각각 얻어졌다. 또한, 1㎓ 에서의 투자율의 실수부 (μ1) 는 505 이고, 1㎓ 에서의 성능지수 Q (Q＝μ1/μ2) 는 6 의 값이 얻어졌다.
(비교예 3)
상기 실시예 1 에서 Fe-C 를 Fe 로 바꾸었다. 그 이외에는 상기 실시예 1 과 동일하게 하여 비교예 3 의 자성박막을 형성하였다.
상기 실시예에 준한 방법에 의해 그 자성박막의 물성값을 구하였더니, 2.07T (20.7kG) 의 포화 자화, 334.23A/m (4.2 Oe) 의 자화 용이축 방향의 보자력, 1511.97A/m (19.0 Oe) 의 자화 곤란축 방향의 보자력이 각각 얻어졌다. 또한, 1㎓ 에서의 투자율의 실수부 (μ1) 는 150 이지만, 투자율의 값이 작기 때문에 μ2 의 실측값에는 신뢰성이 없어, 성능지수 Q (Q＝μ1/μ2) 는 구해지지 않았다.
(실시예 7)
상기 실시예 1 에 있어서, Fe-C 의 탄소농도를 10at% 에서 12at% 로 바꾸었다. 그 이외에는 상기 실시예 1 과 동일하게 하여 본 실시형태의 자성박막 (실시예 7) 을 형성하였다.
상기 실시예에 준한 방법에 의해 그 자성박막의 물성값을 구하였더니, 1.41T (14.1kG) 의 포화 자화, 47.75A/m (0.6 Oe) 의 자화 용이축 방향의 보자력, 55.76A/m (0.7 Oe) 의 자화 곤란축 방향의 보자력이 각각 얻어졌다. 또한, 1㎓ 에서의 투자율의 실수부 (μ1) 는 600 이고, 1㎓ 에서의 성능지수 Q (Q＝μ1/μ2) 는 12 의 값이 얻어졌다.
(실시예 8)
상기 실시예 1 에서 Fe-C 의 탄소농도를 10at% 에서 15at% 로 바꾸었다. 그 이외에는 상기 실시예 1 과 동일하게 하여 본 실시형태의 자성박막 (실시예 8) 을 형성하였다.
상기 실시예에 준한 방법에 의해 그 자성박막의 물성값을 구하였더니, 1.40T (14.0kG) 의 포화 자화, 47.75A/m (0.6 Oe) 의 자화 용이축 방향의 보자력, 55.76A/m (0.7 Oe) 의 자화 곤란축 방향의 보자력이 각각 얻어졌다. 또한, 1㎓ 에서의 투자율의 실수부 (μ1) 는 750 이고, 1㎓ 에서의 성능지수 Q(Q＝μ1/μ2) 는 12 의 값이 얻어졌다.
(실시예 9)
상기 실시예 1 에서 Co 계 비결정질 합금의 조성인 Co87Zr5Nb8 을 Co89Zr6Ta5 로 바꾸었다. 그 이외에는 상기 실시예 1 과 동일하게 하여 본 실시형태의 자성박막 (실시예 9) 을 형성하였다.
상기 실시예에 준한 방법에 의해 그 자성박막의 물성값을 구하였더니, 1.44T (14.4kG) 의 포화 자화, 47.75A/m (0.6 Oe) 의 자화 용이축 방향의 보자력, 55.76A/m (0.7 Oe) 의 자화 곤란축 방향의 보자력이 각각 얻어졌다. 또한, 1㎓ 에서의 투자율의 실수부 (μ1) 는 520 이고, 1㎓ 에서의 성능지수 Q (Q＝μ1/μ2) 는 15 의 값이 얻어졌다.
(실시예 10)
상기 실시예 1 에서 Co 계 비결정질 합금의 조성인 Co87Zr5Nb8 을 Co80Fe9Zr3B8 로 바꾸었다. 그 이외에는 상기 실시예 1 과 동일하게 하여 본 실시형태의 자성박막 (실시예 10) 을 형성하였다.
상기 실시예에 준한 방법에 의해 그 자성박막의 물성값을 구하였더니, 1.50T (15.0kG) 의 포화 자화, 47.75A/m (0.6 Oe) 의 자화 용이축 방향의 보자력, 55.76A/m (0.7 Oe) 의 자화 곤란축 방향의 보자력이 각각 얻어졌다. 또한, 1㎓ 에서의 투자율의 실수부 (μ1) 는 530 이고, 1㎓ 에서의 성능지수 Q (Q＝μ1/μ2) 는 17 의 값이 얻어졌다.
이들 결과를 포함한 측정값을 표 1 에 정리하여 나타내었다. 표 1 에 나타낸 바와 같이, 본 실시형태에서의 각 실시예는 1.4T 이상의 포화 자화, 1.5㎓ 이 상의 공명주파수, 5.0 이상의 Q 값을 얻는 것이 가능하다. 이 중에서 T1 이 0.5∼3.0㎚ 의 범위, 또한, T1/T2 가 0.8∼3.0 의 범위에 있는 실시예 1∼4, 7∼10 은 1.4T 이상의 포화 자화, 2.0㎓ 이상의 공명주파수, 10.0 이상의 Q 값을 얻을 수 있다.
Figure 112006016264593-PCT00001
이상, 몇 가지 실시형태 및 실시예를 들어 본 발명을 설명하였으나, 본 발명은 이들 실시형태 및 실시예에 한정되지 않고 여러 가지 변형이 가능하다. 예를 들어, DM 구조를 형성하는 강자성 금속 및 비정질 금속은 상기 실시형태 및 실시예에서 든 재료나 조성에 한정되지 않는다. 또한, 고주파용 자성박막의 적용대상은 박막 인덕터나 박막 트랜스 등의 고주파용 평면형 자기소자나 MMIC 등의 디바이스에 한정되는 것이 아니라 다른 디바이스에도 적용 가능하다.

Claims (16)

  1. 비정질 상태의 강자성 금속과 상기 강자성 금속과는 상이한 비정질 금속으로 형성된 DM (비연속 멀티레이어) 구조를 갖는 것을 특징으로 하는 고주파용 자성박막.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 강자성 금속이, Fe 또는 FeCo 를 주성분으로 하며 C, B 및 N 에서 선택되는 1 또는 2 이상의 원소를 함유하는 금속이며,
    상기 비정질 금속이 Co 계 비결정질 합금인 것을 특징으로 하는 고주파용 자성박막.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 비정질 금속이 CoZrNb 인 것을 특징으로 하는 고주파용 자성박막.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 강자성 금속의 막두께가 3.0㎚ 이하인 것을 특징으로 하는 고주파용 자성박막.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 강자성 금속의 막두께가 0.5㎚ 이상 2.0㎚ 이하인 것을 특징으로 하는 고주파용 자성박막.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 비정질 금속의 막두께에 대한 상기 강자성 금속의 막두께의 비가 0.8 이상 3.0 이하인 것을 특징으로 하는 고주파용 자성박막.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 비정질 금속의 막두께에 대한 상기 강자성 금속의 막두께의 비가 1.0 이상 2.5 이하인 것을 특징으로 하는 고주파용 자성박막.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 강자성 금속 및 상기 비정질 금속이 교대로 반복 적층되어 있는 것을 특징으로 하는 고주파용 자성박막.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 강자성 금속 및 상기 비정질 금속의 적층 반복 회수가 5회 이상 3000회 이하이고, 그 총적층 막두께가 100㎚ 이상 2000㎚ 이하인 것을 특징으로 하는 고주파용 자성박막.
  10. 제 8 항에 있어서,
    상기 강자성 금속 및 상기 비정질 금속의 적층 반복 회수가 10회 이상 700회 이하이고, 그 총적층 막두께가 300㎚ 이상 1000㎚ 이하인 것을 특징으로 하는 고주파용 자성박막.
  11. 강자성 금속과 비정질 금속으로 형성된 DM (비연속 멀티레이어) 구조를 갖는 고주파용 자성박막의 제작방법으로서,
    비정질 상태가 유지되도록 상기 강자성 금속을 퇴적하는 강자성 금속 퇴적공정, 및
    상기 강자성 금속과는 상이한 비정질 금속을 퇴적하는 비정질 금속 퇴적공정을 포함하며,
    상기 강자성 금속 퇴적공정과 상기 비정질 금속 퇴적공정을 교대로 복수 회 실시함으로써 상기 DM 구조를 형성하는 것을 특징으로 하는 고주파용 자성박막의 제작방법.
  12. 제 11 항에 있어서,
    상기 강자성 금속이, Fe 또는 FeCo 를 주성분으로 하며 C, B 및 N 에서 선택되는 1 또는 2 이상의 원소를 함유하는 금속이며,
    상기 비정질 금속이 Co 계 비결정질 합금인 것을 특징으로 하는 고주파용 자성박막의 제작방법.
  13. 고주파용 자성박막을 갖는 자기소자로서,
    상기 고주파용 자성박막이, 비정질 상태의 강자성 금속과 상기 강자성 금속과는 상이한 비정질 금속으로 형성된 DM (비연속 멀티레이어) 구조를 갖는 것을 특징으로 하는 자기소자.
  14. 제 13 항에 있어서,
    코일을 더 구비하며,
    상기 고주파용 자성박막이, 상기 코일을 협지하도록 대향 배치되어 있는 것을 특징으로 하는 자기소자.
  15. 제 13 항에 있어서,
    인덕터 또는 트랜스에 사용되는 것을 특징으로 하는 자기소자.
  16. 제 13 항에 있어서,
    모놀리식 마이크로파 집적회로에 사용되는 것을 특징으로 하는 자기소자.
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