(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
パルス電流を流すためのコイル導体，
このコイル導体の近傍に形成されており、前記コイル導体にパルス電流が印加されたときに磁化が変化する磁石層，
該磁石層の近傍に絶縁層を介して形成されており、前記磁石層によって形成された磁界が印加される軟磁性層，
この軟磁性層に、他の絶縁層を介して形成されており、前記軟磁性層の透磁率の変化に対応してインダクタンスが変化するインダクタ用導体層，
を備えたことを特徴とする薄膜磁気デバイス。
【請求項２】
前記磁石層と軟磁性層の磁化容易軸が、いずれも面内の同一方向になるように形成されていることを特徴とする請求項１記載の薄膜磁気デバイス。
【請求項３】
前記磁石層が、一軸磁気異方性を有することを特徴とする請求項１又は２記載の薄膜磁気デバイス。
【請求項４】
前記磁石層を絶縁体基板上に形成するとともに、この絶縁体基板と前記磁石層との間に、前記コイル導体を形成したことを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の薄膜磁気デバイス。
【請求項５】
請求項１〜４のいずれか一項に記載の薄膜磁気デバイスの磁気特性制御方法であって、
パルス電流印加手段により前記コイル導体に印加されるパルス電流の変化によって前記磁石層の磁化を変化させることで、前記軟磁性層に前記磁石層から印加される磁界を調整して前記軟磁性層の透磁率を変化させ、この変化に基づいて前記インダクタ用導体層のインダクタンスを変化させることを特徴とする薄膜磁気デバイスの磁気特性制御方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、薄膜磁気デバイス及びその磁気特性制御方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
情報化社会の進展に伴い、日常的に取り扱う情報の種類は、テキストデータから画像データ、そして動画データへと変化しており、その容量を年々増加させている。このような情報通信量の飛躍的な増加に対応するため、携帯型情報端末は、その機能を飛躍的に向上させており、特に利便性の観点からの小型化・軽量化と、情報通信量の増加が顕著に進行している。情報通信量の増加の要求に応えるために、無線通信に関する数多くの規格が制定されており、使用する周波数帯域がＧＨｚ帯域に達している。
【０００３】
高周波無線通信を用いた携帯型情報端末の中で、携帯電話はその機能の発展が著しい機器であり、利便性を考慮して小型化されたケース内部には、通信機能のほかに、デジタルカメラ，オーディオプレーヤー，ＧＰＳ（Global Positioning System），地上波デジタル放送（ワンセグ放送：携帯電話・移動体通信向けの１セグメント部分受信サービス）などの機能が内蔵されており、高機能化が顕著に進展している。
【０００４】
携帯電話のアンテナ付近の高周波回路に着目すると、フィルタ，ミキサ，バラン，アッテネータなどの多くの高周波デバイスが用いられている。特に、国際ローミングに対応した第３世代移動通信システム（Ｗ−ＣＤＭＡなど）の携帯電話の高周波回路は、それぞれ異なる周波数を用いる通信規格に対応するために、マルチバンドＲＦ回路を形成する必要があり、複数のＲＦ回路を実装することとなって部品点数が増大する傾向にある。
【０００５】
マルチバンド化による部品点数の増加を避けるためには、可変キャパシタと可変インダクタを組み合わせた可変フィルタを設けて、ＲＦ回路を一つにすることが有効である。例えば、可変インダクタについては、圧電体に電圧を印加することによって発生した歪みにより磁性薄膜の透磁率を変化させる方式（例えば、下記特許文献１），スパイラル導体に設けた可変スイッチによって導体線路長を変化させる方式（例えば、下記特許文献２），隣接するコイルに電流を印加することによって発生した磁場を用いる方式（例えば、下記特許文献３）などが知られている。
【０００６】
一方、薄膜磁石を利用して、感磁部へのバイアスを調整しようとする技術としては、例えば、下記特許文献４の磁気インピーダンス効果素子及びその製造方法がある。当該技術によれば、硬磁性体膜からなる薄膜磁石にパルスで着磁し、これにより、その上部にある軟磁性体膜からなる感磁部へのバイアスを調整しようというものである。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２０００−２９６６１２号公報
【特許文献２】特開２００９−２５３１５８号公報
【特許文献３】特開２００９−１５２２５４号公報
【特許文献４】特開２００８−２４９４０６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら、上述した特許文献１の圧電体を用いたものは、透磁率が小さいためインダクタンスの変化量が十分ではなく、特許文献２の可変スイッチを用いたものは、インダクタンスの最大値に合わせて構成したスパイラル導体の外周部にスイッチを複数設置するため占有面積が大きくなるという不都合がある。また、特許文献３のように電流磁界を用いたものは、インダクタンスを変化させるときには常に直流電流を流さなければならないため、消費電力が大きくなる傾向にある。更に、前記特許文献４は、磁界検出センサ用の技術であり、信号電流を取り扱うインダクタンス部品への適用や、一度磁化した後の磁化の度合いの変更可能性については明らかにされていない。
【０００９】
本発明は、以上のような点に着目したもので、小型かつ薄型でありながら、磁気特性の変化量が大きく、その調整及び保持が可能な薄膜磁気デバイス及びその磁気特性制御方法を提供することを、その目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明の薄膜磁気デバイスは、パルス電流を流すためのコイル導体，このコイル導体の近傍に形成されており、前記コイル導体にパルス電流が印加されたときに磁化が変化する磁石層，該磁石層の近傍に絶縁層を介して形成されており、前記磁石層によって形成された磁界が印加される軟磁性層，この軟磁性層に、他の絶縁層を介して形成されており、前記軟磁性層の透磁率の変化に対応してインダクタンスが変化するインダクタ用導体層，
を備えたことを特徴とする。
【００１１】
主要な形態の一つは、前記磁石層と軟磁性層の磁化容易軸が、いずれも面内の同一方向になるように形成されていることを特徴とする。
【００１２】
他の形態の一つは、前記磁石層が、一軸磁気異方性を有することを特徴とする。更に他の形態の一つは、前記磁石層を絶縁体基板上に形成するとともに、この絶縁体基板と前記磁石層との間に、前記コイル導体を形成したことを特徴とする。
【００１３】
本発明の薄膜磁気デバイスの磁気特性制御方法は、パルス電流印加手段により前記コイル導体層に印加されるパルス電流の変化によって前記磁石層の磁化を変化させることで、前記軟磁性層に前記磁石層から印加される磁界を調整して前記軟磁性層の透磁率を変化させ、この変化に基づいて前記インダクタ用導体層のインダクタンスを変化させることを特徴とする。
【００１４】
本発明の前記及び他の目的，特徴，利点は、以下の詳細な説明及び添付図面から明瞭になろう。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によれば、磁石層の近傍に絶縁層を介して軟磁性層を設け、前記磁石層の磁化をパルス電流の印加により変化させ、前記軟磁性層にかかる磁界を変化させることとしたので、小型かつ薄型でありながら、磁気特性の変化量が大きく、その調整及び保持が可能な磁性薄膜，それを利用した薄膜磁気デバイスが得られるという効果がある。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】本発明の実施例１の磁性薄膜の基本構造を示す外観斜視図である。
【図２】前記実施例１の検証試料中の磁石層の磁化曲線を示す図であり、(A)は磁石層としてＣｏ−Ｓｍ膜を利用した場合、(B)は磁石層としてＦｅ−Ｃｏ−Ｓｍ膜を利用した場合を示す図である。
【図３】前記実施例１の検証試料中の磁石層（Ｃｏ−Ｓｍ膜）のマイナーループ特性を示す図である。
【図４】パルス電流発生回路の一例を示す図である。
【図５】パルス電圧波形を示す図である。
【図６】前記検証試料の透磁率のパルス電流依存性を示す図である。
【図７】ＦｅＳｉＯ単体膜の透磁率の周波数特性を示す図である。
【図８】前記検証試料の強磁性共鳴周波数のパルス電流依存性を示す図である。
【図９】前記検証試料の磁石層の厚みを変えた場合の透磁率周波数特性の変化を示す図であり、(A)は磁石層が１[μm]の場合，(B)は磁石層が２[μm]の場合である。
【図１０】前記検証試料の磁石層の長さを、２０[mm]〜０．５[mm]の範囲で変化させた場合の磁界分布の変化を示す図である。
【図１１】磁石層の磁化を変化させるコイル導体の一例を示す図である。
【図１２】前記実施例１の磁性薄膜を応用した薄膜インダクタの積層状態を示す分解斜視図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
以下、本発明を実施するための形態を、実施例に基づいて詳細に説明する。
【実施例１】
【００１８】
最初に、図１を参照しながら、本発明の実施例１の磁性薄膜の基本構造を説明する。図１は、本実施例の磁性薄膜の基本構造を示す外観斜視図である。図１に示すように、本実施例の磁性薄膜１０は、ガラス基板やＳｉ基板などの絶縁体基板１２上に、磁石層１４，層間絶縁層１６，軟磁性層１８を形成した積層構造となっている。本実施例の磁性薄膜１０は、透磁率の変化量が大きく、各種の薄膜磁気デバイスに適用可能であるが、薄膜インダクタに適用することにより、インダクタンスの変化率が大きく、かつ、小型で薄型なチューナブルなインダクタを実現することが可能となる。前記磁性薄膜１０の透磁率を変化させるためには、高透磁率磁性薄膜（より望ましくは交換結合磁性薄膜）に直流磁界を印加して異方性磁界（磁化の復元力）を変化させることによって、透磁率を制御する方式が効果的と考えられる。
【００１９】
電力を多く消費することなく磁化の値を制御するためには、大きな磁化を有する磁石層を形成し、その近傍に、磁石層の磁化を制御するためのパルス電流を印加するためのコイル導体を形成する。磁石層の磁化を変化させる際には、コイル導体にパルス電流を流し、それによって発生した磁界によって磁石層の磁化状態を変えることができる。磁石層の保磁力（磁化反転に必要な磁界の大きさ）が適切な値であれば、外部磁界や熱などの擾乱因子に影響されずに磁化の大きさを保持することが可能であるため、パルス電流は磁化を変化させるときのみに使用すればよく、電力消費量は大幅に低減される。前記磁石層１４上に層間絶縁層１６を介して設けられた軟磁性層１８にかかる磁化の最大値は、前記磁石層１４の飽和磁化と膜厚によって制御可能であるため、磁性薄膜１０の磁気特性（透磁率など）を比較的容易に制御することが可能となる。
【００２０】
次に、本実施例の具体例として作製した試料の製作方法と、該試料の検証結果について説明する。前記絶縁体基板１２上に、前記磁石層１４として、膜厚１[μm]のＣｏ−Ｓｍアモルファス磁性薄膜（Ｓｍ１３at.%）を形成し、前記層間絶縁層１６として、３００[nm]のＳｉＯ２膜を形成し、前記軟磁性層１８として、膜厚１００[nm]のＦｅＳｉＯグラニュラ磁性薄膜を、ＲＦスパッタ装置を用いて作製した。試料の作製は、全て静磁場中で行われており、前記磁石層１４と軟磁性層１８の磁界容易軸は、成膜中の印加磁界によって、いずれも面内の同一方向となるように形成されている。このため、磁石層１４によって形成された磁界は、軟磁性層１８の磁界容易軸方向に印加される状態となる。一軸磁気異方性を有する軟磁性層１８において、磁化容易軸方向に磁界を印加すると、磁化の復元力に当たる異方性磁界が増加するため、透磁率が減少し、強磁性共鳴周波数が増加することになる。
【００２１】
ここでは、図示しないソレノイドコイル中に設置した磁性薄膜に、パルス電流を印加することによって磁石層１４の磁化を制御し、その磁化の状態を、上部に形成した軟磁性層１８の磁気特性の値の変化として検出することを試みた。前記ソレノイドコイルに流すパルス電流の発生には、例えば、図４に一例を示すパルス電流発生回路が用いられる。同回路中、「ＬＭ５５５」はＳＴマイクロエレクトロニクス製のタイマーＩＣであり、ＭＯＳ−ＦＥＴのゲートパルスを発生するために使用している。「ＴＬＰ２５０」は東芝製のフォトカプラであり、ハイサイドのＭＯＳ−ＦＥＴのゲートドライブに利用している。なお、異方性磁界，飽和磁化，保磁力などの静磁気特性は、ＶＳＭ装置（理研電子社製）を用いて測定した磁化曲線から評価し、透磁率の周波数特性は、高周波透磁率測定装置（凌和電子社製：ＰＭＭ９Ｇ−１）を用いて評価した。試料の大きさは、磁化曲線の測定で１０[mm]×１０[mm]とし、透磁率の測定では４[mm]×１０[mm]に加工している。
【００２２】
図２は、前記検証試料中の磁石層１４の磁化曲線を示す図であって、(A)は磁石層１４として前記Ｃｏ−Ｓｍ膜を利用した場合、(B)はＦｅ−Ｃｏ−Ｓｍ膜を利用した場合を示す図であって、いずれも横軸は印加磁場[kOe]，縦軸は磁化[T]を表している。また、図３は、前記検証試料中の磁石層１４（Ｃｏ−Ｓｍ膜）のマイナーループ特性を示す図であり、横軸は、最大印加磁場Ｈｍ[Oe]を、縦軸左に残留磁化Ｍｒ[T]を、縦軸右に保磁力Ｈｃ[Oe]を表している。図２の磁化曲線からは、Ｃｏ−Ｓｍ膜の飽和磁化が１[T]，磁化反転させる保磁力が約９０[Oe]であり、Ｆｅ−Ｃｏ−Ｓｍ膜の飽和磁化が１．５[T]、保磁力が約５０[Oe]であることが分かる。また、図３のマイナーループ特性からは、磁化を減少させる（消磁する）ために必要な磁界が約９０[Oe]程度であることが分かり、９０〜９５[Oe]の間の磁界を印加することによって、磁化の値を消磁状態から飽和状態まで変化させることが可能であること，磁化状態の変化に関わらず、保磁力がほぼ一定の値（約９０[Oe]）を保つことが分かる。
【００２３】
磁石層１４の保磁力は、大きくなると磁化を減少させるのに必要なパルス電流が大きくなりすぎるため適さず、反対に、小さい場合には、磁化の反転が容易な状態となるため、地磁気や外部環境の電流に起因する電磁界などにより、設定した磁界を保持することが困難となる。そこで、磁石層１４の保磁力の値は、パルス電流の大きさと環境耐性を勘案すると、３０〜１００[Oe]程度の大きさであることが望ましい。一方、磁石層１４の飽和磁化の大きさは、大きいほど磁界の制御範囲を大きくすることができるため、可能な限り高い飽和磁化（望ましくは１[T]以上）を有する材料を用いることが望ましい。また、発生する磁界の方向を明確に規定するため、磁石層１４には、一軸磁気異方性を有するものを利用することが好ましい。更に、外部磁場に応じて磁化が磁化困難軸方向に回転する影響を可能な限り抑制するため、磁石層１４の異方性磁界の大きさは、１００[Oe]以上とすることが望ましい。
【００２４】
図５には、前記図４に示したパルス電流発生回路によってパルス電流を発生させ、実際に観察したパルス電圧波形が示されている。横軸は時間[msec]を、縦軸は電圧[V]を表している。パルス電流は、マイナスとプラスの２つのパルスを組み合わせており、最初のマイナスのパルスによって磁石層１４の磁化をマイナス方向に飽和させ、次のプラスのパルス電流の大きさを制御することによって、磁石層１４の磁化の制御を行う。
【００２５】
図６には、パルス電流量を変化させた場合の前記検証試料の軟磁性層１８（ＦｅＳｉＯ膜）の透磁率の変化が示されており、横軸はパルス電流[A]を、縦軸は透磁率（実部）を表している。同図からは、パルス電流量が、１．５２[A]で透磁率が極大値を形成することが確認できる。この透磁率の値は、図７に示すＦｅＳｉＯ単体膜の透磁率の値とほぼ等しいことから、１．５２[A]のパルス電流によって磁石層１４の磁化が消磁状態となり、１．３[A]〜１．５[A]の範囲では磁化がマイナス方向に着磁し、１．５Ａ以上でプラス方向に着磁しており、１．３[A]以下，１．７[A]以上の領域ではそれぞれ磁化がマイナス方向，プラス方向に飽和している状態にあると推定できる。
【００２６】
図８には、パルス電流を変化させた際の強磁性共鳴周波数の変化が示されている。同図において、横軸はパルス電流[A]，縦軸は強磁性共鳴周波数[GHz]を表している。同図に示すように、透磁率とは反対に、パルス電流が１．５２[A]で極小値を形成することが分かる。以上の結果は、パルス電流量によって磁石層１４の磁化を変化させることが可能であり、磁石層１４の形成する磁界によって、軟磁性層１８の透磁率と強磁性共鳴周波数を変化させることが可能であることを示している。
【００２７】
図９には、前記磁石層１４の厚みを変えた場合の透磁率周波数特性の変化が示されており、(A)には厚み１[μm]の場合，(B)には厚み２[μm]の場合が示されている。図９(A)及び(B)の比較から、磁石層１４の厚みが厚い試料の透磁率が低くなっていることが分かる。これは、磁石層１４によって形成される磁界の大きさが磁石層１４の膜厚に応じて変化していることに起因すると考えられる。パルス電流による磁化の制御は、磁石材料の保磁力の大きさに応じて電流量を制御すればよいため、磁石層１４によって形成する磁界を大きくしたい場合には、磁石層１４の膜厚を増やせばよいことが分かる。
【００２８】
図１０は、前記磁石層１４の長さｌを変えた際に、周辺部（磁石層１４の２００[nm]上方）に発生する磁界を計算した結果であり、同図(A)〜(F)は、それぞれ長さｌが２０[mm]，１０[mm]，５[mm]，２[mm]，１[mm]，０．５[mm]の場合を示している。なお、これらの図において、横軸は、磁石層１４の２００[nm]上方の一方の端からの位置ｘ[mm]を、縦軸は磁場Ｈ[Oe]を表している。これらの計算結果は、磁石層１４の長さｌが２[mm]以上の場合は、磁極となる磁石層１４の端部に磁界が発生し、中央部では磁界が大幅に減少するのに対し、長さｌが１[mm]以下の場合には、一様に強い磁界が発生することを示している。従って、磁石層１４の長さは、１[mm]以下とすることが好ましいことが分かる。
【００２９】
なお、以上の検証試験においては、ソレノイドコイル中に設置した磁性薄膜１０にパルス電流を印加することによって磁石層１４の磁化の値の制御を行うこととしたが、これは一例であり、例えば、図１１に示す平面コイルを用いるようにしてもよい。前記磁石層１４には、面内に均一な磁界を印加することが好ましいため、図１１に示すように、図示しない絶縁体基板上に、２つの平面コイル２０及び３０を、中心部の導体に流れる電流の向きが揃うように形成し、これら平面コイル２０及び３０上に、前記磁石層１４を形成する。
【００３０】
図１２には、本実施例を利用した薄膜磁気デバイスの一例として、薄膜インダクタの積層状態を示す分解斜視図が示されている。同図に示すように、絶縁体基板１２の上面には、平面状コイルの導体層５２が形成されており、該コイル導体層５２上には、磁石層１４が形成されている。そして、該磁石層１４上には、層間絶縁層１６を介して軟磁性層１８が形成される。更に、前記軟磁性層１８上には、他の層間絶縁層５６が形成され、該層間絶縁層５６の表面に、インダクタ用の導体層５８が形成されている。前記導体層５２，５８は、それぞれ引出部５４Ａ及び５４Ｂと、引出部６０Ａ及び６０Ｂを備えている。同図１２に示す薄膜インダクタ５０では、前記絶縁体基板１２上に形成されたコイル導体層５２に、パルス電流発生回路によって発生させた電流を流すことで、磁石層１４の保磁力が変化する。そして、前記軟磁性層１８に、前記層間絶縁層１６を介して、前記磁石層１４からのバイアス磁界がかかる。すると、前記軟磁性層１８からのバイアス値によって、層間絶縁層５６上に形成されたインダクタのインダクタンスが初期値から増減して固定される。前記インダクタンスは、ボリウムやバリコンのように頻繁に値が調整される（ないし、可変状態が通常）というわけではなく、いわば半固定の状態である。従って、インダクタのインダクタンスを変更する場合には、導体層５２にパルス電流を流し、磁石層１４の磁化の程度（保磁力）を変化させる。すると、磁界が変化するため、上記軟磁性層１８にかかるバイアスが変化し、インダクタのインダクタンスを変えることができる。
【００３１】
このように、実施例１によれば、次のような効果がある。
(1)磁石層１４の近傍に層間絶縁層１６を介して軟磁性層１８を設け、前記磁石層１４の磁化の制御を、パルス電流発生回路によって発生されたパルス電流の印加により行い、前記軟磁性層１８にかかる磁界を変化させることとしたので、磁気特性の変化量が大きく、その調整が可能であり、調整した値での保持が可能な磁性薄膜１０が得られる。
(2)本実施例の磁性薄膜１０では、磁化を変化させる時のみにパルス電流を流せばよいため、消費電力を大幅に低減することができる。
(3)パルス電流を流すためのコイル導体層を、前記絶縁体基板１２と磁石層１４の間に形成することにより、磁性薄膜１０を利用した薄膜磁気デバイスの小型化・薄型化が可能となる。
(4)軟磁性層１８に印加する磁化の最大量を、磁石層１４の飽和磁化と膜厚によって制御できるため、比較的容易に調整が可能である。
(5)本実施例の磁性薄膜１０を薄膜インダクタ５０に利用することにより、半固定のインダクタが得られるため、薄膜磁気デバイスの機能を充実させることができる。
【００３２】
なお、本発明は、上述した実施例に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々変更を加え得ることができる。例えば、以下のものも含まれる。
(1)前記実施例で示した形状，寸法は一例であり、必要に応じて、同様の効果を奏する範囲内で適宜変更してよい。
(2)前記実施例で示した材料も一例であり、必要に応じて適宜変更してよい。例えば、前記磁石層１４としては、前記実施例１で示したＣｏ−Ｓｍ膜やＦｅ−Ｃｏ−Ｓｍ膜のほかにも、Ｃｏ−Ｐｔ膜、Ｆｅ−Ｐｔ膜などを利用してもよい。同様に、軟磁性層１８としても、例えば、磁性金属としてＣｏとＦｅの合金、絶縁体としてＳｉＯ２やＡｌ２Ｏ３を用いたグラニュラ構造磁性薄膜などを利用することができる。
(3)前記実施例１で説明したソレノイドコイルや、前記図１１に示した平面コイル２０及び３０，あるいは、図１２に示した導体層５２による磁石層１４へのパルス電流の印加も一例であり、同様の効果を奏するものであれば、適宜設計変更してよい。
(4)前記実施例１では、薄膜磁気デバイスの一例として、薄膜インダクタ５０を具体例に挙げたが、これも一例であり、他の薄膜磁気デバイス一般に広く適用可能である。また、任意の磁界を発生させることが可能であるため、電源用のインダクタの直流重畳特性の改善にも有効と考えられる。更に、永久磁石を用いたアイソレータやサーキュレータへ応用してもよい。
【産業上の利用可能性】
【００３３】
本発明によれば、磁石層の近傍に設けた軟磁性層の透磁率の変化が、パルス電流の印加による前記磁石層の磁化の制御により可能になるため、薄膜磁気デバイス一般に利用される磁性薄膜の用途に適用できる。特に、インダクタンス変化率の大きなチューナブルインダクタ構造に好適である。
【符号の説明】
【００３４】
１０：磁性薄膜
１２：絶縁体基板
１４：磁石層
１６：層間絶縁層
１８：軟磁性層
２０，３０：平面コイル
５０：薄膜インダクタ
５２：コイル導体層
５４Ａ，５４Ｂ：引出部
５６：層間絶縁層
５８：導体層
６０Ａ，６０Ｂ：引出部
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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