(57)【要約】      （修正有）【課題】多層構造を有する磁性層の渦電流損失を低減させる。【解決手段】一連の磁性層１１０から構成される多層構造１００を具備する物品が提供される。磁性層１１０は、磁性材料から形成され、連続する磁性層１１０の間に、絶縁層１２０が配置される。各磁性層１１０は、少なくとも約２μｍの厚さを有し、磁性材料は、２００ｎｍを超えない平均粒径を有する。物品を製造する方法も提供される。【選択図】図１
2006191041.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
一連の磁性層（１１０）から構成される多層構造（１００）を具備する物品であって、前記磁性層（１１０）は磁性材料から形成され、連続する磁性層（１１０）の間に絶縁層（１２０）が配置され、各磁性層（１１０）は少なくとも約２マイクロメートル（μｍ）の厚さを有し、前記磁性材料は２００ｎｍを超えない平均粒径を有することを特徴とする物品。
【請求項２】
前記磁性材料は、軟磁性体であることを特徴とする請求項１に記載の物品。
【請求項３】
前記磁性材料は、Ｆｅ及びＣｏより成る群から選択された元素を含むことを特徴とする請求項１に記載の物品。
【請求項４】
前記磁性材料は、Ｆｅ、Ｃｏ及びＶより成ることを特徴とする請求項１に記載の物品。
【請求項５】
前記磁性材料は、複数のナノ分散質を更に含むことを特徴とする請求項１に記載の物品。
【請求項６】
一連の磁性層（１１０）から構成される多層構造（１００）を具備する物品であって、前記磁性層（１１０）は、Ｆｅ及びＣｏを含み、且つ約１００ｎｍ未満の平均粒径を有する軟磁性体から形成され、且つ約５μｍ〜約３５０μｍの範囲の厚さを有し；
連続する磁性層（１１０）の間に、酸化物から形成された絶縁層（１２０）が配置されたことを特徴とする物品。
【請求項７】
物品を製造する方法において、
（ａ）基板を提供する工程と；
（ｂ）磁性材料から形成され、各々が、少なくとも約２μｍの厚さを有し、前記磁性材料が、２００ｎｍを超えない平均粒径を有するような一連の磁性層（１１０）を前記基板上に蒸着する工程と；
（ｃ）連続する磁性層（１１０）の間に絶縁層（１２０）を配置する工程とを具備することを特徴とする物品製造方法。
【請求項８】
前記蒸着は、電子ビーム物理気相成長及びイオンビームエンハンスト蒸着より成る群から選択された少なくとも１つの技法を含むことを特徴とする請求項７記載の方法。
【請求項９】
物品を製造する方法において、
（ａ）約６００℃以下の温度で、基板を提供する工程と；
（ｂ）磁性材料から形成され、各々が、少なくとも約２μｍの厚さを有し、前記磁性材料が、２００ｎｍを超えない平均粒径を有するような一連の磁性層（１１０）を前記基板上に電子ビーム物理気相成長により蒸着する工程と；
（ｃ）前記基板上に、連続する磁性層（１１０）の間に絶縁層（１２０）を配置する工程とから成る方法。
【請求項１０】
物品を製造する方法において、
（ａ）約６００℃以下の温度で、基板を提供する工程と；
（ｂ）磁性材料から形成され、各々が、少なくとも２μｍの厚さを有し、前記磁性材料が、２００ｎｍを超えない平均粒径を有するような一連の磁性層（１１０）を前記基板上に電子ビーム物理気相成長により蒸着する工程と；
（ｃ）前記磁性材料と共にナノ分散質を蒸着する工程と；
（ｄ）連続する磁性層（１１０）の間に絶縁層（１２０）を配置する工程とを具備することを特徴とする物品製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、磁性材料から成る積層構造に関する。特に、本発明は、軟磁性体から形成された積層構造に関する。更に、本発明は、磁性積層構造を製造する方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
軟磁性体は、多くの用途、特に、発電、データ記憶、マイクロ波通信及び変換器などの用途において重要な役割を果たす。また、電動機は、例えば、高い飽和磁化、高い透磁率、低いヒステリシス損失及び低い渦電流損失などの特性を有する磁性材料を必要とするので、軟磁性体は、電動機に不可欠な部品でもある。一般に、高い強度と、優れた磁気性能とを同時に実現することは困難である。それは、通常、飽和及び鉄損などの磁気特性を犠牲にしなければ、高い強度は得られないからである。従って、優れた磁気特性及び高い強度を兼ね備えた磁性材料が必要とされる。
【０００３】
更に、軟磁性体であり且つ高い降伏強さを有する材料を製造するために現在使用されている急速凝固などの方法は、厚さが約１５〜５０マイクロメートル（μｍ）程度の薄膜に限定される。急速凝固材料の別の欠点は、飽和磁化が相対的に低いことである。従って、優れた磁気特性及び高い機械的強度を有する軟磁性体及びそれらの材料を製造する方法が必要とされる。
【特許文献１】欧州特許第１，３７２，１４０号公報
【特許文献２】欧州特許第１，４２６，９８２号公報
【非特許文献１】C. R. Sulivan, S. R. Sanders, “Microfabrication process for high-frequency power-conversion transformers”, IEEE Electronics Specs. Conf., 1995, p658-64 vol. 2.
【非特許文献２】C. R. Sulivan, S. R. Sanders, “Transformers and inductors for high frequency power conversion”, IEEE Electronics Specs. Conf., 1993, p33-41.
【発明の開示】
【０００４】
本発明は、上記の要求及びその他の要求を満たす。
【０００５】
本発明の１つの面は、一連の磁性層から構成される多層構造を具備する物品である。磁性層は、磁性材料から形成され、連続する磁性層の間に、絶縁層が配置される。各磁性層は、少なくとも約２μｍの厚さを有し、磁性材料は、約２００ナノメートル（ｎｍ）を超えない平均粒径を有する。
【０００６】
本発明の第２の面は、物品を製造する方法である。方法は、基板を提供する工程と；磁性材料から形成され、磁性材料が、２００ｎｍを超えない平均粒径を有するような一連の磁性層を前記基板上に蒸着する工程と；連続する磁性層の間に電気絶縁性の層を配置する工程とから成る。
【０００７】
本発明の上記の特徴、面及び利点、並びにその他の特徴、面及び利点は、添付の図面を参照して以下の詳細な説明を読むことにより、更によく理解されるであろう。図中、同一の図中符号は、同一の部分を表す。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００８】
本発明が満たす様々な要求を実現する中で、本発明の様々な実施形態が説明された。それらの実施形態は、本発明の様々な実施形態の原理を例示しているにすぎないことを認識すべきである。本発明の趣旨の範囲から逸脱することなく、それらの実施形態の数多くの変形及び適応は、当業者には明らかであろう。従って、本発明は、添付の特許請求の範囲及びそれらと同等のものの範囲内に入る適切な全ての変形及び変更を含むことが意図される。
【０００９】
軟磁性体は、容易に消磁可能であるので、磁気エネルギーを変換して、容易に電気エネルギーに戻し、再び電気回路に導入することができる。そのため、軟磁性体は、通常、電子回路及び電気回路の磁心として使用される。軟磁性体における重要なパラメータである鉄損は、ヒステリシス損失と渦電流損失の和である。鉄損は、不効率を表すため、一般に、部品設計に際しては、鉄損を最小限に抑えることが求められる。ヒステリシス損失は、材料が消磁されるとき、材料を磁化するために必要とされたエネルギーの全てが回復可能であるとは限らないことが原因となって起こる。渦電流損失は、磁性材料において磁束密度が変化するときに導入される電流の循環の結果である。それらの電流の振幅は、印加される電界の周波数及び材料の電気抵抗によって決まる。軟フェライトは、非常に高い抵抗率を有し、従って、その渦電流損失は少ない。このため、軟フェライトは、高周波数の用途に適用される場合に選択されるべき材料となっている。しかし、軟フェライトは、通常、飽和磁化の点で劣るので、磁束密度は制限される。
【００１０】
多くの用途において、透磁率及び飽和磁化が高く、鉄損は少なく且つ機械的強度に優れた磁性材料が好ましい。従って、改善された磁気特性及び機械的強度を有する磁性材料は、引き続き求められている。
【００１１】
本発明の物品は、一連の磁性層から構成される多層構造を具備し、磁性層は、磁性材料から形成され、連続する磁性層の間に、絶縁層が配置される。各磁性層は、少なくとも約２μｍの厚さを有し、磁性材料は、約２００ｎｍを超えない平均粒径を有する。
【００１２】
本発明を詳細に説明するために、ここで図面を参照する。図１は、本発明の一実施形態に従った積層磁性構造１００の斜視図である。磁性構造１００は、磁性材料から形成された一連の層を具備する。ここでは、それらの層は、「磁性層」１１０と呼ばれる。連続する磁性層１１０の間に、絶縁層１２０が配置される。いくつかの実施形態においては、磁性層１１０は、軟磁性体から形成される。
【００１３】
特定の一実施形態においては、磁性材料は、鉄（Ｆｅ）及びコバルト（Ｃｏ）を含む軟磁性合金である。いくつかの実施形態では、Ｃｏは、約１５原子％〜約５０原子％の範囲で合金中に存在する。Ｆｅ‐Ｃｏ合金は、高い飽和磁化Ｂｓ（２テスラを超える）及び高いキュリー温度Ｔｃ（Ｔｃ．９００℃）を示すことが望ましい。
【００１４】
別の実施形態においては、Ｆｅ‐Ｃｏ軟磁性体は、バナジウム、ニオブ、ジルコニウム、ハフニウム、クロム、ニッケル、モリブデン、タングステン、アルミニウム及びそれらの組み合わせより成る群から一般に選択される１つの（少なくとも１つのという意味である）添加物を更に含む。それらの添加物は、例えば、耐食性を改善するため、抵抗率を向上するため、強度を向上するため、又は磁気特性を調整するために含まれてもよい。添加物の特定の組み合わせは、特定の用途で要求される特定の条件に基づいて選択される。特定の実施形態においては、添加物は、約５原子％までの量で存在する。
【００１５】
更に別の実施形態では、軟磁性体は、Ｆｅ、Ｃｏ及びＶを含み、特定の実施形態においては、Ｃｏは、約４９原子％までの量で存在し、Ｖは、約２原子％までの量で存在する。バナジウム添加物は、合金の抵抗率及び加工容易度を向上する。
【００１６】
絶縁層を挿入することにより、磁性構造の体抵抗率、従って、渦電流損失を制御できる。一実施形態においては、絶縁層は、約２５μｍ未満の厚さを有する。特定の実施形態においては、絶縁層は、約１０ｎｍ〜約５μｍの範囲の厚さを有する。いくつかの実施形態では、絶縁層は、例えば、酸化物のようなセラミックから形成される。絶縁層として使用してもよい酸化物のいくつかの例は、酸化マグネシウム、酸化セリウム、酸化ユーロピウム及び酸化イットリウムなどの希土類酸化物、二酸化ケイ素、酸化アルミニウム、ビスマス水マンガン鉱、アルミン酸イットリウム、チタン酸イットリウム、銅酸塩、ケイ酸塩及びアルミン酸マグネシウムなどであるが、それらに限定されない。
【００１７】
磁性層の望ましい厚さは、１つには、動作周波数によって決まる。周波数が高いほど、必要とされる厚さは薄くなる。一方、磁性層が薄くなると、材料の製造の複雑さは増す。更に、高い磁束密度を要求する用途においては、設計時に、磁性層の厚さと構造全体の厚さ（磁性層の厚さ＋絶縁層の厚さ）との比である積層係数を更に考慮しなければならない。積層係数が高ければ、より高い磁束密度での動作が可能になる。本発明の実施形態においては、通常、積層係数は、０．９９を超える値に維持される。従って、選択される厚さは、互いに矛盾する設計上の考慮事項の妥協の産物であるといえる。一実施形態においては、磁性層は、約５μｍ〜約３５０μｍの範囲の厚さを有する。特定の実施形態では、磁性層は、約１５μｍ〜約２００μｍの範囲の厚さを有する。
【００１８】
磁性層における磁性材料の粒径は、磁気特性と機械特性との組み合わせに影響を及ぼす。ｎｍ単位の粒径は、材料の透磁率を増加する一方で、材料の保磁力を減少し、従って、ヒステリシス損失を低下すると予測される。従って、一実施形態においては、磁性材料は、約２００ｎｍを超えない平均粒径を有する。いくつかの実施形態では、磁性材料は、約１００ｎｍを超えない平均粒径を有し、特定の実施形態においては、平均粒径は、約１０ｎｍ〜約５０ｎｍの範囲である。
【００１９】
改善された磁気特性を実現するための方法の１つは、「分散質」とも呼ばれる非常に微細な微粒子の分散体を磁性材料の微細構造の中へ導入する方法である。分散質は、材料中の結晶粒界を固定し、それにより、結晶微粒化を経て実現された機械特性及び磁気特性を維持するために添加される。従って、ｎｍ単位の小ささの個別の微粒子を含む分散質（「ナノ分散質」とも呼ばれる）を導入することで、熱安定性を備えたナノサイズの細粒を有する材料を製造できるであろう。このナノサイズ細粒は、磁性材料の機械的強度を向上するばかりでなく、使用中の磁気特性の劣化も防止できるであろう。一実施形態においては、磁性材料は、約０．２体積％〜約１０体積％の範囲で存在する複数のナノ分散質を更に含む。一実施形態においては、ナノ分散質は、セラミックである。セラミックは、特に、酸化物、炭化物、窒化物、ケイ化物、ケイ酸塩、浸炭窒化物、酸窒化物、及びそれらの組み合わせのうちのいずれかである。分散質として使用できる酸化物のいくつかの例には、酸化マグネシウム；酸化セリウム、酸化ユーロピウム及び酸化イットリウムなどの希土類酸化物；酸化アルミニウム；ニ酸化ケイ素；ビスマス水マンガン鉱；アルミン酸イットリウム；チタン酸イットリウム；銅酸塩；ケイ酸塩；及びアルミン酸マグネシウムなどがあるが、それらに限定されない。更に、特定のナノ分散質組成は、磁性層の全特性を適応させるために使用できる磁気特性などの特定の特性を有するように選択されてもよい。いくつかの実施形態においては、選択されるナノ分散質材料の種類に関わらず、ナノ分散質は、強磁性相、フェリ磁性相又は常磁性相を含む。
【００２０】
特定の一実施形態においては、複数のナノ分散質は、１００ｎｍを超えない平均粒径を有する。別の実施形態では、複数のナノ分散質は、約５ｎｍ〜約５０ｎｍの範囲の平均粒径を有する。更に別の実施形態においては、複数のナノ分散質は、約５ｎｍ〜約２５ｎｍの範囲の平均粒径を有する。それらのナノ分散質の形状は、必ずしも球形でなくてよい。粒子がほぼ球形である場合、一般に、粒径は、その粒の直径であるとみなされる。粒子が球形でない場合には、当該技術分野において、「有効」粒径は、実際の非球形の粒子の体積と同等の体積を有する理論上の球の直径により特徴付けられる。ここで使用される用語「平均粒径」は、粒子が球形でない場合のこの「有効」粒径、並びに粒子が球形である場合の実際の粒子直径の双方を表すことが理解されるであろう。
【００２１】
いくつかの実施形態においては、複数のナノ分散質は、バイモーダル粒径分布を有することが望ましいであろう。それは、ツェナーメカニズムを介して細粒を固定する場合、バイモーダル分布のほうが有効だからである。特定の一実施形態では、バイモーダル粒径分布は、約５ｎｍ〜約２５ｎｍの範囲の第１のモードと、約４０ｎｍ〜約７０ｎｍの範囲の第２のモードとを有する。
【００２２】
以上説明した構造を製造する方法は、基板を提供する工程と、磁性材料から形成される一連の磁性層を基板上に蒸着する工程と、連続する磁性層の間に絶縁層を配置する工程とを含む。層は、先に説明した構造の実施形態において指定された厚さの範囲を含めて、どのような厚さであってもよい。いくつかの実施形態においては、磁性層の厚さは、少なくとも約２μｍである。積層構造を製造するために、当該技術分野で知られているどのような蒸着方法が使用されてもよい。ある実施形態においては、蒸着技法は、物理気相成長である。一実施形態では、技法は、電子ビーム物理気相成長（ＥＢ‐ＰＶＤ）であり、別の実施形態では、技法は、イオンビーム強化蒸着である。一実施形態においては、先に構造自体の説明の中で記載された厚さに関する考慮事項に従って、軟磁性体から成る層と、絶縁材料から成る層を交互に蒸着するために、電子ビーム物理気相成長（ＥＢ‐ＰＶＤ）が使用される。この技法では、蒸着されるべき軟磁性体及び絶縁材料は、インゴットとして製造され、その後、それらのインゴットは、ＥＢ‐ＰＶＤプロセスにおけるターゲットとして使用される。ターゲットは、高出力電子ビームを使用して、事前に定義された条件の下で蒸発され、蒸発物は、所定の温度に維持された固定基板又は回転基板の上で凝縮する。所定の時点でただ１つのターゲットを蒸発させることにより、軟磁性体及び絶縁材料の交互の層が製造される。あるいは、２つの異なるターゲットの上方で基板を回転させることにより、異なる層を製造することも可能である。個別の層の厚さは、各材料の蒸発速度及び蒸着時間を変化させることにより調整される。ＥＢ‐ＰＶＤは、高速蒸着の間の蒸着速度を精密に制御でき、材料の利用率に優れ、順次蒸着及び同時蒸着が可能であり、蒸発速度が速く、且つ精密な膜組成を実現できるなどの利点を有する。
【００２３】
本発明の構造は、磁気記録装置又は磁気記憶装置などの従来の薄膜積層磁気装置に適用される設計上の必要条件とは基本的に異なる必要条件を満たすように設計される。先に説明したような積層構造を具備する装置においては、装置の消磁磁界を最小限にし、低い切り替え磁界を維持し、且つ切り替え電流を減少するという観点から、非常に薄い磁性膜を使用すると好都合である。一般に、そのような薄膜構造の最大層厚さは、約１μｍに制限され、それにより、マグネトロンスパッタリングなどのより低速の蒸着プロセスの使用が可能になる。スパッタリングは、本発明の構造に要求される程度の厚さの層を実現するために使用されてもよいが、蒸着速度及び材料の利用率がはるかに高いＥＢ‐ＰＶＤは、スパッタリングに代わる方法として、相当に高い実用性を有する。
【００２４】
ＥＢ‐ＰＶＤは、プロセス修正を経て、個別の層構造を適応させることができるというもう１つの利点を提供する。例えば、分散補強構造を製造するために、磁性材料と共に蒸発される第３のターゲットを使用して、微粒子補強構造として、軟磁性体層を製造できる。一実施形態においては、蒸着は、ナノ分散質を磁性材料と共に蒸着することを含む。ナノ分散質は、先に物品の実施形態に関して説明したのと同一の組成特性、形態特性及び粒径特性を有する。いくつかの実施形態においては、同時蒸着中、ナノ分散質の体積の割合を約０．２体積％〜約１０体積％の範囲にするために、ナノ分散質の蒸着速度が制御される。
【００２５】
磁性材料の粒径は、第１に、蒸着速度を制御することにより調整されてもよい。多数の核生成場所を獲得するためには、高い蒸着速度が好ましい。核生成場所を多数確保することにより、ナノサイズの細粒の形成が可能になる。一実施形態においては、蒸着は、少なくとも２μｍ／分の速度で実行される。別の実施形態では、蒸着は、約２μｍ／分〜約１０μｍ／分の範囲の速度で実行される。いくつかの実施形態においては、使用される蒸着技法は、蒸着速度が速いという理由により、ＥＢ‐ＰＶＤを含む。これに対し、マグネトロンスパッタリング又はイオンめっきなどの物理気相成長技法は、本来、非常に低速のプロセスである。ＥＢ‐ＰＶＤは、１桁速い速度を有するため、様々な用途に対してここで提案された分厚い多層構造の製造には適している。
【００２６】
基板の温度も、粒径及び微細構造に影響を及ぼす。温度は、ナノサイズの細粒によって緻密な磁性層が得られるように最適化される。基板の温度が低いと、多孔質の膜が製造され、基板の温度が高ければ、細粒の成長が起こる。従って、緻密なナノサイズの細粒の膜を形成するためには、適切な基板温度を選択することが不可欠である。一実施形態においては、基板は、６００℃以下の温度に保たれる。別の実施形態では、基板は、約４００℃〜約５００℃の範囲の温度に保たれる。
【００２７】
本発明の物品は、多種多様な用途を有すると考えられる。例えば、本発明の物品は、様々な磁気装置の磁心材料として使用されてもよい。本発明の積層構造を利用して、電源変圧器、パルス変換器、フィルタ、チョークコイル及び誘導子などの装置を実現することが可能である。本発明の実施形態は、ここで提示された積層構造を組み込んだそのようなあらゆる装置を含む。
【００２８】
いくつかの実施形態を参照して、本発明を説明したが、本発明の範囲から逸脱せずに、様々な変更を実施でき、実施形態の要素を等価の要素と置き換えても差し支えないことは、当業者には理解されるであろう。更に、本発明の本質的な範囲から逸脱せずに、特定の状況又は材料を本発明の教示に適応させるために、数多くの変形を実施できる。従って、本発明は、本発明を実施するために最良であると考えられる態様として開示された特定の実施形態に限定されず、本発明は、添付の特許請求の範囲の範囲内に入る全ての実施形態を含むことが意図される。
【図面の簡単な説明】
【００２９】
【図１】本発明の特定の一実施形態に従った積層磁性構造１００の斜視図である。
【符号の説明】
【００３０】
１００…積層磁性構造、１１０…磁性層、１２０…絶縁層
【図１】
2006191041.tif 000003
【外国語明細書】
2006191041000001.pdf