(57)【要約】【課題】伝送線路型薄膜磁界センサにおいて、従来はセンサ素子を構成するＳｒＴｉＯ薄膜を約６μｍ積層するのに約１２時間のスパッタ成膜が必要であった。また、センサ素子を数ｍｍ角程度まで小型化する検討が不十分であった。【解決手段】  本発明ではＳｒＴｉＯ薄膜の膜厚を変化させてセンサ素子を作製し、５０％の膜厚で約９５％のセンサの磁界検出感度を得た。また、センサ素子を構成する磁性薄膜の外形寸法と膜厚、ＳｒＴｉＯ薄膜の膜厚の再検討、伝送線路のパターン形状を検討して、小型で高感度なセンサ素子を実現した。【選択図】図１
2015227866.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
絶縁基板上に誘電体薄膜を介して磁性薄膜とコプレーナ導体を積層する構造を有する磁界センサにおいて、前記誘電体薄膜の材質はチタン酸ストロンチウム（ＳｒＴｉＯ）であり、その膜厚が６μｍ未満であることを特徴とする磁界センサ。
【請求項２】
請求項１記載の磁界センサであって、前記絶縁基板がガラスであり、かつ、磁性薄膜は、アモルファスＣｏＮｂＺｒであることを特徴とする磁界センサ。
【請求項３】
請求項２記載の磁界センサであって、積層されるコプレーナ導体は、直線型またはミアンダ型であることを特徴とする磁界センサ。
【請求項４】
請求項３記載の磁界センサであって、アモルファスＣｏＮｂＺｒ膜の厚みが２μｍ以下であり、かつＳｒＴｉＯ薄膜の厚みが３μｍ以下であることを特徴とする磁界センサ。
【請求項５】
請求項３記載の磁界センサであって、ミアンダ型コプレーナ線路を有し、隣接するミアンダラインのアース線同士は分離しない構造であることを特徴とする磁界センサ。
【請求項６】
請求項３記載の磁界センサであって、ミアンダ型コプレーナ線路を有し、隣接するミアンダラインのアース線は、パターンのプロービング領域の近傍を除いて、分離しない構造であることを特徴とする磁界センサ。
【請求項７】
絶縁基板上に誘電体薄膜を介して磁性薄膜とコプレーナ導体を積層する構造を有する磁界センサの製造方法であって、
絶縁基板上に磁性薄膜を形成する工程と、
前記磁性膜上にＳｒＴｉＯを６μｍ未満に形成する工程と、
前記ＳｒＴｉＯ膜上にコプレーナ線路を形成する工程とを有することを特徴とする磁界センサの製造方法。
【請求項８】
絶縁基板上に誘電体薄膜を介して磁性薄膜とコプレーナ導体を積層する構造を有する磁界センサの製造方法であって、
ガラス基板上にアモルファスＣｏＮｂＺｒ薄膜をスパッタ法により形成する工程と、
前記アモルファスＣｏＮｂＺｒ薄膜上にＳｒＴｉＯを６μｍ未満にスパッタ法により形成する工程と、
前記ＳｒＴｉＯ膜上にコプレーナ線路を形成する工程とを有することを特徴とする磁界センサの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、薄膜磁界センサの膜構造と製造方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
高度情報化の急速な進展にともない、携帯電子機器、コンピュータ、情報通信機器、医療機器やメカトロニクス機器などで、機器の小形化・軽量化、インテリジェント化が進められており、これらの磁界センサの用途はモータ等の制御、非破壊検査、方位センサ、生体磁気計測等、多岐にわたっている。
【０００３】
伝送線路構造を有し、磁性体に高周波キャリア電流を通電し、さらに外部磁界を印加した場合に磁界の関数として透磁率、表皮効果が変化し、その結果、抵抗、インダクタンスおよびインピーダンスが変化する現象を利用した薄膜磁界センサが開発されている。  
【０００４】
発明者はバルクのセラミック基板を用いて伝送線路型薄膜磁界センサを開発した（非特許文献１）。また本センサは集積化可能であることから様々な用途へ適用可能である。高感度磁界センサまた誘電体薄膜としてＳｒＴｉＯ薄膜（チタン酸ストロンチウム）を用いることで数ＧＨｚのキャリアの波長短縮効果を利用した薄膜磁界センサを開発した。（非特許文献２）これらを用いて、従来においては超伝導量子干渉磁束計（ＳＱＵＩＤ）でのみ可能であった心磁界等の生体磁気計測を室温動作の薄膜磁界センサとして始めて実現した。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００５】
【非特許文献１】小島 健, 佐藤弘二, 薮上 信, 小澤哲也, 小林伸聖, 荒井賢一，”高誘電率基板を用いた伝送線路型薄膜磁界センサの高感度化”，Journal of the Magnetics Society of Japan Vol. 35, No. 3, pp. 277-280 (2011).
【非特許文献２】植竹宏明, 薮上 信, 齋藤芳則, 千葉智章, 小澤哲也, 小林伸聖, 荒井賢一,“誘電体薄膜を用いた伝送線路型薄膜磁界センサの高感度化”,電気学会マグネティックス研究会,MAG-13-055 (2013).
【非特許文献３】S. Yabukami, K. Kato, T. Ozawa, N. Kobayashi, K.I. Arai Coplanar Line Thin Film Sensor and Measurement of MCG without Magnetic Shielding Journal of the Magnetics Society of Japan Vol.38, No. 2-1, pp. 25-28 (2014).
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
非特許文献２においては、ＳｒＴｉＯ薄膜を約６ミクロン積層することでキャリア信号の波長短縮効果により高感度な磁界感度（１００ｄｅｇｒｅｅ/Ｏｅ以上）を得ることができたが、６ミクロンのＳｒＴｉＯ薄膜を成膜するためには約１２時間のスパッタが必要であり、時間的あるいはコストの観点から課題であった。また長時間のスパッタにより薄膜自身の熱的劣化により作製したセンサ素子の特性が劣化する点も課題であった。
【０００７】
また、非特許文献２において示されたセンサ素子では、磁性体として用いた磁性薄膜の寸法は、１８．２ｍｍ×１．１５ｍｍであった。より高い空間分解能が必用とされる用途や生体内部に挿入して計測する用途としては、小型化が不十分である。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記解題を解決するために、ＳｒＴｉＯ薄膜の膜厚を様々に変化させてセンサを作製し、センサの感度を評価し、ＳｒＴｉＯの膜厚と感度との定量的な関係を明かにし、ＳｒＴｉＯ薄膜の膜厚を６μｍ厚の５０％の膜厚（３ mｍ）にすれば６μｍ厚に比較して磁界検出感度は約９５％であり、３３％の膜厚（２μｍ）であれば、磁界検出感度は約８５％を維持出来た。
【０００９】
さらにまた、センサ素子の小型化のために、ＳｒＴｉＯ薄膜の膜厚の他に、磁性薄膜の外形寸法、膜厚、またコプレーナ線路のパターンを試作水準に加えて検討した。この結果、非特許文献２で示されたセンサ素子の磁性体薄膜面積の約１/２から約１/２０の面積を有するセンサ素子で、１００ｄｅｇｒｅｅ/Ｏｅ以上の高感度な磁界感度を実現することが出来た。
【発明の効果】
【００１０】
比較的薄いＳｒＴｉＯ薄膜でほぼ同程度の磁界検出感度が得られることから、１２時間程度の長時間スパッタによる熱的劣化、長時間スパッタ、高コスト等の問題が解決された。また、センサ素子の構成要素をなす各薄膜の形状や膜厚、パターンの関係について有用な知見が得られ、小型磁界センサの設計指針が明らかに成って来た。小型で、高感度な伝送線路型磁界センサの大量生産に寄与することが出来る。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】実施例１に係るセンサの構造（平面図）
【図２】実施例１に係るセンサの構造（断面図）
【図３】実施例１に係るセンサ素子の製造方法を示すフローチャート
【図４】実施例１に係る測定方法の構成図
【図５】実施例１に係る磁界に対する位相変化
【図６】実施例１に係る周波数に対する位相変化
【図７】実施例１に係る磁界に対するゲイン変化
【図８】実施例１に係る周波数に対するゲイン変化
【図９】実施例１に係るＳｒＴｉＯ薄膜とＳｉＯ２薄膜のゲインおよび磁界感度の比較
【図１０】実施例１に係るＳｒＴｉＯ薄膜とＳｉＯ２薄膜の電気長比較
【図１１】実施例１に係るＳｒＴｉＯ薄膜の膜厚に対するゲインおよび磁界感度
【図１２】実施例１に係るＳｒＴｉＯ薄膜の膜厚に対する磁界感度
【図１３】実施例２に係るセンサ素子の構造（平面図）
【図１４】実施例２に係るセンサ素子の構造（断面図）
【図１５】実施例２に係るセンサ素子の磁界に対する位相の変化
【図１６】実施例２に係るセンサ素子の磁界に対するゲインの変化
【図１７】実施例２に係るアモルファスＣｏＮｂＺｒ薄膜の膜厚変化に対する位相変化
【図１８】実施例２に係るアモルファスＣｏＮｂＺｒ薄膜の膜厚変化に対するゲイン変化
【図１９】実施例２に係るアモルファスＣｏＮｂＺｒ薄膜の膜厚変化に対する最大の位相感度を与える直流磁界の変化
【図２０】実施例２に係るアモルファスＣｏＮｂＺｒ薄膜の膜厚変化に対する最大の位相感度を与えるキャリア周波数の変化
【図２１】実施例２の変形例に係るミアンダ型コプレーナ線路のパタンーＢを説明する図
【図２２】実施例２の変形例に係るミアンダ型コプレーナ線路のパターンＣを説明する図
【発明を実施するための形態】
【００１２】
本発明の実施の形態として実施例を、以下に順に説明する。まず、実施例１について、図１〜図１２に基づいて説明する。
図１は試作したセンサ素子１１の構造を示したものである。本センサは誘電体薄膜の波長短縮効果を利用して磁界に対する大きな位相変化を得ることを意図したものである。図２は、図１のＡＢ断面を示す。センサ素子１１は、ガラス基板５の表面に構成され、Ｃｕ（銅）薄膜３（下地はＣｒ（クロム）薄膜４）による直線コプレーナ線路１３、ＳｒＴｉＯ薄膜１、アモルファスＣｏＮｂＺｒ（コバルトニオブジルコニウム）薄膜２からなる。
【００１３】
アモルファスＣｏＮｂＺｒ薄膜２は、その寸法を１０．２ｍｍ×１．１５ｍｍとした。
磁性体薄膜の面積比では、非特許文献２の該面積に比較して５６％に縮小したものである。また、直線コプレーナ線路１３は、特性インピーダンスが約５０Ωとなるように，導体幅を３００μｍ、隣接導体間隔を５０μｍとした。さらに、ＳｒＴｉＯ薄膜１は、その膜厚を０．５μｍから６μｍとした。これは誘電体を厚膜化することでコプレーナ線路１３の実効的誘電率を高めることを意図したためである。
【００１４】
図３は、センサ素子１１の製造方法を示すフローチャートである。センサ素子１１はガラス基板５の表面にリフトオフプロセスにより積層した。以下に、このフローチャートに基づいて、製造方法を説明する。
まず、ガラス基板５を洗浄する（Ｓ１、ここでＳはステップの略とした。以下同様）。本実施例では、厚みが１ｍｍで、約２５ｍｍ角のカリガラスを準備し、無リン石鹸液及び有機溶剤で洗浄した。
【００１５】
続いて、磁性膜用のレジストパターンをガラス基板５の表面に形成する（Ｓ２）。本例では、基板中に１０個の磁性膜用のレジストパターンを配置した。レジストは、ネガレジストを用いた。
次に、磁性膜を成膜する（Ｓ３）。ここでは、アモルファスＣｏＮｂＺｒ薄膜２をＲＦスパッタ法（高周波スパッタ法）によりパワー２００Ｗ、Ａｒガス圧２０ｍＴｏｒrで膜厚５μｍ成膜した。
成膜後、レジスト剥離を実施する（Ｓ４）。アセトン溶液中に浸漬後、不要な膜を剥離し、磁性膜のパターンを得た。
【００１６】
次に、磁界中熱処理を行う（Ｓ５）。熱処理の条件として、回転磁界中熱処理を４００ ℃で２ 時間後，静磁界中熱処理を２００℃で1時間とした。磁界強度は０．３Ｔに設定した。これにより、３Ｏe程度の弱い一軸磁気異方性をコプレーナ線路の幅方向へ付与した。必要に応じて、この段階で、磁性膜の特性をモニタンリング出来る。尚、本ステップの静磁界熱処理は省略可能である。
【００１７】
続いて、絶縁層として強誘電体膜であるＳｒＴｉＯ膜を成膜する（Ｓ６）。本実施例では、ＲＦスパッタにより成膜した。スパッタ条件はＡｒガス圧２０ｍＴｏｒｒ、パワー１８０Ｗ、基板加熱機構の設定温度は１３０ ℃とした。なお、本実施例では、ＳｒＴｉＯ薄膜１を基板全体に成膜した。
【００１８】
次に、コプレーナ線路作成用のレジストパターンを形成する（Ｓ７）。レジストは、Ｓ２と同一のネガレジストを用いた。
続いて、導電性薄膜を形成する（Ｓ８）。ここでは、膜の密着性向上のため下地として、Ｃｒを用いた。Ｃｒ薄膜４を０．２μｍの厚さにＲＦスパッタで形成した後、連続して、ＲＦスパッタでＣｕ薄膜３を約４μｍ成膜した。
次に、レジスト剥離を実施する（Ｓ９）。ここでは、アセトン溶液に浸漬後、不要な膜を剥離し、コプレーナ線路１３のパターンを得た。
【００１９】
続いて、基板の磁界中熱処理を行う（Ｓ１０）。熱処理の条件として、回転磁界中熱処理を３２０℃で２時間、静磁界中熱処理を２００℃で１時間とし、磁界強度は０．３Ｔに設定した。本磁界中熱処理の目的は、磁性膜成膜後に実施されるＳｒＴｉＯ薄膜１の形成（Ｓ６）と導電性薄膜形成（Ｓ８）が、磁場中で実施されることで受ける影響を取り去り、再度、０．３Ｔの磁界強度で最終的に一軸異方性を付与することである。更に、３２０℃の温度で熱処理を実施することで、コプレーナ線路１３を形成する下地のＣｒ薄膜４と上層のＣｕ薄膜３が拡散して、ＣｒとＣｕの界面に合金層が形成されることで両者の密着性を向上させる効果を併せ持っている。
【００２０】
次に、複数の磁界センサ１１が形成されたガラス基板を、所定の寸法に切断する（Ｓ１１）。ここでは、ダイサーを用いて、１５ｍｍ×２ｍｍの外形寸法に切断した。これにより、約２５ｍｍ角のガラス基板から１０個の磁界センサ１１を得たことになる。
【００２１】
以上がセンサ素子１１の基本的な製造方法であるが、ガラス基板５の材質及び諸寸法、コプレーナ線路１３の材質や形成方法は適宜選択可能である。例えば、ガラスはソーダライムガラスであっても良い。本製造方法で示された４００℃の熱処理温度にも十分な強度を有し、また、熱膨張係数もカリガラスと近似している。
【００２２】
コプレーナ線路１３は、Ｃｕ表面の上にメッキ法によりニッケル下地金メッキを実施することができる。また、ＲＦスパッタ法により、Ｃｕ薄膜３を形成後に、真空を破ることなく、連続してＣｒとＡｕ（金）薄膜を成膜することができる。これらの方法により、コプレーナ線路１３の酸化を防止し、後述するウエハプローブとの接触抵抗を低減できる。
【００２３】
また、コプレーナ線路１３は、印刷法で形成することも可能である。印刷法では、配線材料として導電率の優れた銀等を選択することが出来る。また、印刷法では、膜厚の厚膜化が容易であり、センサ素子１１のゲインの向上を計ることが出来る。
【００２４】
尚、ＳｒＴｉＯ薄膜１の比誘電率は、別途の実験により３１程度であった。これは、終端開放のコプレーナ線路のインピーダンスを測定し，有限要素法による電界解析結果を対応させることで得た値である。
また、誘電体の波長短縮効果を比較するために，ＳｒＴｉＯ薄膜１の代わりにＳｉＯ２薄膜（厚み２μｍ）を用いた同一寸法センサを上記フローチャートによって作成した。
【００２５】
図４はネットワークアナライザ６によるセンサ素子１１の位相差測定方法を表した図である。センサ素子１１をヘルムホルツコイル１０の中央に配置し，センサ素子１１の電極にはウエハプローブ（ピコプローブ製４０−ＧＳＧ−１５０）を電気的に接触させ，同軸ケーブル９を介してネットワークアナライザ６(ＨＰ８７５２Ａ)と接続した。直流電源１２(アドバンテスト製 Ｒ６２４３) を用いてセンサ素子１１の磁性薄膜であるアモルファスＣｏＮｂＺｒ薄膜２の磁化困難軸方向へ直流磁界を加えて，静的に変化させた。ネットワークアナライザ６の透過係数（Ｓ２１）の振幅および位相差を磁界変化に応じて測定した。
【００２６】
ネットワークアナライザ６と直流電源１２はパソコン８を介してＧＰ−ＩＢ７で制御した。ネットワークアナライザ６の周波数範囲は０．３ＭＨｚから３ＧＨｚまで変化させた。バンド幅は３ｋＨｚ、平均化回数は１６回，周波数点は２００点とした。各バイアス磁界において０．３ＭＨｚ〜３ＧＨｚまでを周波数スキャンして，保存した。以下に測定結果を示す。
【００２７】
図５〜図８は試作した図１の寸法のセンサ素子１１について印加磁界に対するセンサのキャリアの位相変化および振幅の測定結果の一例である。図５は磁界に対する位相の変化を示す。横軸は印加した直流磁界であり、３Ｏｅ付近において，キャリア周波数約２．１ＧＨｚ付近で位相変化が最大となった。その傾きは心磁界計測等への適用上の目安としている１００ｄｅｇｒｅｅ/Ｏｅを超えて、１２０ｄｅｇｒｅｅ/Ｏｅ の値を得た。図６は、周波数に対する位相変化を示す。周波数が増加するにつれて位相変化も大きくなる。
【００２８】
図７は磁界に対するゲイン変化を示している。３Ｏｅ付近において、振幅の減衰は-２６ｄＢ程度となっている。この値は、信号処理回路として接続するＤｕａｌ  Ｍｉｘｅｒ  Ｔｉｍｅ  Ｄｉｆｆｅｒｅｎｃｅ (ＤＴＭＤ)法においてノイズ増大によるＳＮ比の悪化が顕在化する−４０ｄＢを上回った。健常者心磁界等を計測することを前提にすると，位相変化感度は１００ｄｅｇｒｅｅ/Ｏｅ 以上で，キャリアの減衰が−４０ｄＢ以内であることが必要であり，ここではこの値をクリアすることを目安とした。図８は、周波数に対するゲインの変化を示す。ゲインは周波数の増加とともに劣化する。
【００２９】
図９は位相変化感度と減衰量についてＳｉＯ２薄膜を用いた場合について比較したものである。ＳｒＴｉＯ薄膜１を用いた位相変化感度では，ＳｉＯ２薄膜を用いたセンサに対して平均で約１．６倍の位相変化感度の向上が見られた。
【００３０】
図１０はＳｒＴｉＯ薄膜１とＳｉＯ２の電気長を比較したものである。磁界を印加しなかった場合の位相の周波数依存性について、ＳｉＯ２薄膜を用いて作成した磁界センサと比較した。ＳｒＴｉＯ薄膜１を用いた場合の位相は、ＳｉＯ２薄膜の位相よりも約２０％波長短縮効果が得られた。
【００３１】
図１１および図１２はＳｒＴｉＯ薄膜１の膜厚を０．５μｍ〜６μｍと変化させた際のゲインと磁界検出感度を表したものである。シンボルは１０個のサンプルの測定結果の平均値で、エラーバーは標準偏差を表している。ＳｒＴｉＯ薄膜１の膜厚が６μｍの場合に比較して、５０％の膜厚（３μｍ）で磁界検出感度は約９５％、３３％の膜厚（２μｍ）で磁界検出感度は約８５％であった。６μｍ厚のスパッタ時間は約１２時間であり、感度をあまり劣化させずに、成膜時間を低減させることが可能であることがわかった。
【００３２】
続いて実施例２について、図１３から図１９を援用して説明する。実施例１で示したアモルファスＣｏＮｂＺｒ薄膜の外形寸法は、１０．２ｍｍ×１．１５ｍｍであった。実施例２では、小型化を目的として、この外形寸法を縮小した例を示す。  
図１３は、センサ素子３１を示す。図１４は、図１３のＡＢ断面を示す。センサ素子３１は、ガラス基板２５の表面に構成され、Ｃｕ薄膜２３（下地はＣｒ薄膜２４）によるミアンダ型コプレーナ線路２６、ＳｒＴｉＯ薄膜２１、アモルファスＣｏＮｂＺｒ薄膜２２からなる。
【００３３】
アモルファスＣｏＮｂＺｒ薄膜２２の外形寸法を表１に示した。ここでは磁化容易軸方向の寸法を５水準に変化させ、困難軸方向の寸法は１ｍｍに固定した。最少寸法は、水準１の０．９５ｍｍ×１．０ｍｍであり、最大寸法は、水準５の２．４５ｍｍ×１．０ｍｍである。また、各水準におけるアモルファスＣｏＮｂＺｒ薄膜２２の面積と、非特許文献２の該薄膜の面積との比を、表１の面積比の欄に示した。水準５では、１１．７％（約１/８）に縮小、また水準１では、４．５％（約１/２２）に縮小している。
【００３４】
【表１】
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【００３５】
また、ミアンダ型コプレーナ線路２６は、図１４に示す様に、信号線の導体幅を１１０μｍ、アース線の導体幅を５０μｍ、隣接導体間隔を２０μｍ、信号線の中心間隔を３００μｍとした。隣り合うアース線同士は５０μｍの間隔である。この隣り合うアース線同士の間隔が０μｍ、すなわちアース線同士が隙間なく接近して接触しているパターンは、後述する実施例２の変形例２及び変形例３で議論する。以下、該アース線同士の間隔が５０μｍのミアンダ型コプレーナ線路２６のパターンをパターンＡとした。実施例２で示されるセンサ素子は、すべてパターンＡのミアンダ型コプレーナ線路である。
【００３６】
アモルファスＣｏＮｂＺｒ薄膜２２の外形寸法の各水準に対応するミアンダ型コプレーナ線路２６の数（ライン数）は表１示す様に、水準に応じて、それぞれ３、４、５、６、８となっている。図１３を用いて水準５の場合を説明すると、８本のミアンダラインは３００μｍの等間隔で配置されている。そして、ミアンダラインの１本目と８本目の中心から、それぞれ１２５μｍの位置にアース線の外側が配置されている。従って、伝送線路の幅は、２３５０μｍ（１２５×２＋３００×７＝２３５０）に設計されてる。水準５の磁性膜の幅方向寸法は２４５０μｍであり、磁性体の両端５０μｍが伝送線路の外側となっている。
表２に、本実施例とこれに続く各変形例の場合の条件を一覧にして示した。表２の各項目の詳細は各実施例で説明するが、線路のパターンとは、ミアンダ型コプレーナ線路２６のパターンことである。
【００３７】
【表２】
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【００３８】
以下に、図１３及び図１４に示したセンサ素子の製造方法を、フローチャートに従って、簡潔に記載する。製造方法は、構成膜の外形寸法、厚み、パターン、熱処理条件等を除き、基本の流れは図３に示した実施例１の製造方法に示すフローチャートに従う。
まずガラス基板２５の洗浄を行う（Ｓ１）。本実施例においても、ガラス基板２５の寸法は実施例１と同じく、厚みが１ｍｍで、約２５ｍｍ角のカリガラスを用いた。続いて、ガラス基板２５の裏面全体にＣｕ薄膜２３（下地はＣｒ薄膜２４）をＲＦスパッタにより成膜した。膜厚は２μｍとした。成膜後に熱処理を実施した。本薄膜は、製造プロセスにおいて、ガラス基板２５の裏面の温度を均一にして、ガラス基板面内の温度分布をできるだけ抑制する意図で設けられたものである。ただし、図面表示は省略した。
【００３９】
続いて、磁性薄膜用のレジストパターンをガラス基板２５の表面に形成し（Ｓ２），その後、磁性膜を成膜する（Ｓ３）。ここでは、アモルファスＣｏＮｂＺｒ薄膜２２は、ＲＦスパッタ法により、パワー２００Ｗ，Ａｒガス圧５ｍＴｏｒｒで成膜した。膜厚は、０．３μｍから２μｍの範囲で７水準、すなわち、０．３μｍ、０．５μｍ、０．７５μｍ、１．０μｍ、１．２５μｍ、１．５μｍ、２．０μｍである。ここでは、実施例１の場合のアモルファスＣｏＮｂＺｒ薄膜（５μｍ）に比較して薄い膜厚が選択されている、これは、形状異方性を考慮したことによる。アモルファスＣｏＮｂＺｒ薄膜の外形寸法の縮小に伴って厚みを減少させて、反磁界が大きくなることを抑制した。その後、レジスト剥離（Ｓ４）を実施した。
【００４０】
続いて磁界中熱処理を行う（Ｓ５）。回転磁界熱処理は、３００℃で２時間、静磁界中熱処理は２００℃で1時間とした。磁界強度は０．３Ｔに設定した。これにより、弱い一軸異方性を付与した。
【００４１】
続いて、絶縁層として強誘電体薄膜であるＳｒＴｉＯ薄膜２１を成膜する（Ｓ６）。本実施例では、ＲＦスパッタにより成膜した。スパッタ条件はＡｒガス圧２０ｍＴｏｒｒ、パワー２００Ｗ、基板加熱温度は１６０℃とした。本実施例では、アモルファスＣｏＮｂＺｒ２２のどの膜厚水準においても、ＳｒＴｉＯ薄膜２１は厚み３μｍで、一定とした。
【００４２】
次に、コプレーナ線路２６作成用のレジストパターンを形成（Ｓ７）した後、導電性薄膜を形成（Ｓ８）する。ＲＦスパッタ法により、Ｃｕ薄膜２３を２μｍ、下地のＣｒ薄膜２４は０．１μｍ成膜した。続いて、レジスト剥離（Ｓ８）を行う。
【００４３】
次に、基板の磁界中熱処理を行い（Ｓ１０）、最終的に一軸異方性を付与する。熱処理条件は、回転磁界中熱処理は３００℃２時間、静磁界熱処理は２００℃１時間とした。ガラス基板の切断（Ｓ１１）は、説明を省略する。
【００４４】
計測方法は実施例１と同様であるが、ネットワークアナライザ６はＨＰ８７２２ＥＳを用い、周波数範囲は１０ＭＨｚから１０ＧＨｚまで変化させた。実施例１では磁界印加用ヘルムホルツコイルを使用したが、実施例２ではウエハプローブの操作性をより妨げない観点から、下部から磁界を印加できる電磁石を用いた。
【００４５】
図１５は、アモルファスＣｏＮｂＺｒ薄膜２２の膜厚が０．７５μｍの場合の磁界に対する位相の変化を示す図である。また、図１６は該膜厚の場合の磁界に対するゲイン変化を示した図である。図１５において、７Ｏｅ付近において，キャリア周波数約３．６５ＧＨｚ付近で位相変化が最大の値となった。その値は、３０．２ｄｅｇｒｅｅ/Ｏｅである。一方、ゲインは、図１６が示す様に、印加磁界の増加とともに減少し、７Ｏｅ付近において、約−１５ｄＢとなった。
【００４６】
図１７は、アモルファスＣｏＮｂＺｒ薄膜２２の膜厚変化に対する位相変化の値である。アモルファスＣｏＮｂＺｒ薄膜２２の膜厚の７水準、すなわち、０．３μｍ、０．５μｍ、０．７５μｍ、１．０μｍ、１．２５μｍ、１．５μｍ及び２．０μｍに対するそれぞれ６個のセンサ素子の位相変化の平均値と標準偏差（エラーバー表示）を示した。黒丸はミアンダライン数が８の場合、白抜きの丸はミアンダライン数が６の場合を示している。尚、以下の図１８、１９、２０の横軸、センサ個数、シンボル等の表示方法も本図と同一である。
【００４７】
図１７では、ミアンダライン数が多い方が位相変化量もわずかに大きい傾向を示しているが、コプレーナ線路の長さが長いことが寄与していると思われる。アモルファスＣｏＮｂＺｒ薄膜２２の厚みが０．５μｍから１．０μｍ範囲では、位相変化の最大値が２５ｄｅｇｒｅｅ/Ｏｅを超えている。該膜厚が０．３μｍの場合は、ミアンダライン数が８の場合において、位相変化の最大値は２０ｄｅｇｒｅｅ/Ｏｅを超えた値を得ているが、０．５μｍから１．０μｍの範囲での値に及ばない。すなわち、アモルファスＣｏＮｂＺｒ薄膜２２が薄いと、磁性体としての磁化量が不足し、感度が不十分となるものと思われる。従って、アモルファスＣｏＮｂＺｒ薄膜２２には一定以上の体積が必要である。
【００４８】
一方、アモルファスＣｏＮｂＺｒ膜厚２２が２μｍの場合では、ミアンダライン数が８の場合も、位相変化の最大値は約１３ｄｅｇｒｅｅ/Ｏｅであった。また、詳しくは述べないが、予備的に行ったアモルファスＣｏＮｂＺｒ薄膜２２の厚みが実施例１と同一の５μｍのセンサ素子においては、位相変化の最大値は数ｄｅｇｒｅｅ/Ｏｅの値に留まっていた。これは、該膜厚を厚くすることで、反磁界が大きくなることによる。以上から、センサ素子の小型化の為には、アモルファスＣｏＮｂＺｒ薄膜２２の膜厚範囲を適切に選択する必要がある。
【００４９】
図１８には、アモルファスＣｏＮｂＺｒ薄膜２２の膜厚変化に対するゲインを示した。ここで、ゲインは、図１６に示したように、最大の位相感度を与えるときの減衰量である。ゲインは、アモルファスＣｏＮｂＺｒ薄膜２２の膜厚が増加するに従って劣化する。例えば、同図において、ミアンダライン数が６の場合は、アモルファスＣｏＮｂＺｒ薄膜２２の厚みが０．５μｍでは、約−９．５ｄＢであるが、膜厚が１．０μｍでは約−１５ｄＢ、膜厚が２．０μｍでは、約−２２ｄＢに低下する。これは、磁性膜の膜厚が増加するに従って渦電流損失が増加することによる。
【００５０】
ミアンダライン数が８の場合のゲインは、アモルファスＣｏＮｂＺｒ薄膜２２の厚みが０．５μｍでは、−１１．５ｄＢであるが、膜厚が１．０μｍでは−２０ｄＢ、膜厚が２．０μｍでは、約−３０ｄＢに低下した。ミアンダライン数が６の場合に比較すると、ゲインは低下するが、これはミアンダライン数の増加によって線路長が相対的に長くなり、伝送線路の抵抗値が増加することが要因である。
【００５１】
続いて、最大の位相感度を与える直流磁界の値を図１９に示した。最大の位相感度を与える直流磁界の値は、アモルファスＣｏＮｂＺｒ薄膜２２の膜厚の増加とともに直線的に増加している。また、標準偏差の値は小さな数値となった。例えば、ミアンダライン数が８の場合、アモルファスＣｏＮｂＺｒ薄膜２２の膜厚が０．３μｍの時に、本直流磁界は約３Ｏｅであり、膜厚が０．５μｍの時に４．２Ｏｅであり、膜厚が１．０μｍでは９．０Ｏｅになり、膜厚が２．０μｍでは１５．６Ｏｅに増加した。本磁界の値は、ミアンダライン数が６の場合も大きくずれることはなかった。
【００５２】
一般的に、本直流磁界はアモルファスＣｏＮｂＺｒ薄膜２２の容易軸方向に沿った透磁率に対応している。前述のように、回転磁界中熱処理（Ｓ１１）における静磁界温度は、どのサンプルにおいても２００℃で一定であった。従って、アモルファスＣｏＮｂＺｒ薄膜２２の異方性磁界の大きさは殆んど同じであると思われる。それ故、アモリファスＣｏＮｂＺｒ薄膜２２の膜厚が厚い場合は、反磁界の影響が大きくなるために、最大の位相感度を与える直流磁界の値も大きくなると思われる。
【００５３】
図２０は、アモルファスＣｏＮｂＺｒ薄膜２２の膜厚変化に対する最大の位相感度を与えるキャリア周波数を示す図である。本周波数は、アモルファスＣｏＮｂＺｒ薄膜２２の膜厚の増加に伴って増加している。具体的には、例えばミアンダライン数が８の場合、アモルファスＣｏＮｂＺｒ薄膜２２が０．３μｍの時に約２．３ＧＨｚ、膜厚が０．５μｍの時に約３ＧＨｚであり、膜厚が１．０μｍでは約４ＧＨｚ、膜厚が２．０μｍでは約５．４ＧＨｚに増加した。これは、膜厚が厚くなると反磁界が大きくなり、最大の位相感度を与える周波数が高周波化するためと思われる。
【００５４】
本センサ素子では、前述した最大の位相感度を与える直流磁界の値が小さく、かつ、アモルファスＣｏＮｂＺｒ薄膜２２は、適切な膜厚で選択されることが望ましい。すなわち、アモルファスＣｏＮｂＺｒ薄膜２２の膜厚が薄くなると反磁界が小さくなることから、最大の位相感度を与える直流磁界は低減する一方、アモルファスＣｏＮｂＺｒ薄膜２２が薄すぎると、前述の様に磁性体としての磁化量が不足し、感度が不十分となるものと思われる。これらを勘案してセンサ素子の設計が必用である。
【００５５】
次に、実施例２の変形例１を表３を援用して説明する。変形例１では、アモルファスＣｏＮｂＺｒ薄膜２２の膜厚は、実施例２において位相変化の値が大きかった１μｍとした。一方、ＳｒＴｉＯ薄膜２１は、実施例２では３μｍであったが、変形例１では１μｍとした。ミアンダ型コプレーナ線路はパターンＡである。変形例１によるセンサ素子３１の製造方法は、上記の変更点を除いて、実施例２と同一である。作成したサンプルを実施例２と同一の方法で測定した。ミアンダライン数が８の場合の位相感度とゲインを表３に示す。表３には、参照値１として、アモルファスＣｏＮｂＺｒ薄膜の膜厚は同じ1μｍで、ＳｒＴｉＯ薄膜２１の膜厚が３μｍの場合の数値を示した。尚、以下の各表において、実施例と参照値のサンプルのアモルファスＣｏＮｂＺｒ薄膜の膜厚は同一である。
【００５６】
表３によれば、５個のサンプルの位相感度の平均値は、３９．４ｄｅｇｒｅｅ/Ｏｅであり、最高位相感度は、７５．５ｄｅｇｒｅｅ/Ｏｅであった。この最高位相感度の時のゲインは、−３９．９ｄＢであり、−４０ｄＢ以内であった。表２には示されていないが、最高位相感度は、直流磁場は約９．０Ｏｅ付近で、キャリア周波数は約４．３５ＧＨｚの条件で得られた。
【００５７】
一方、ＳｒＴｉＯ薄膜２１の厚みが３μｍの膜厚を用いて作成された参照値１の６個サンプルの位相感度の平均値は２６．９ｄｅｇｒｅｅ／Ｏｅであり、最高位相感度は３２．４ｄｅｇｒｅｅ／Ｏｅであった。本実施例の両者の該数値ともに、参照値１の値を大きくを上回っている。ＳｒＴｉＯの膜厚を減じたことで、更に特性が向上したことを示している。これはコプレーナ線路２６とアモルファスＣｏＮｂＺｒ薄膜２２が近接したことによる静電容量の増加および磁性薄膜の寄与分の増加によるものと考えられる。
【００５８】
【表３】
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【００５９】
続いて実施例２の変形例２を、図２１及び表４から表６を援用して説明する。変形例２によるセンサ素子３１では、アモルファスＣｏＮｂＺｒ薄膜２２の外形寸法は、表１に示した水準２、水準３及び水準５とし、該膜厚は、実施例２において位相変化の値が大きかった１μｍまたは０．５μｍとした。また、ＳｒＴｉＯ薄膜２１の厚みは、さらに減じて０．５μｍとした。
【００６０】
次に、変形例２で使用するミアンダ型コプレーナ線路（以下、パターンＢと称する）について、図２０を用いて説明する。図２１（ａ）は、後述する表４で示す水準３でミアンダライン数が５の場合のパターンＢである。図面には、矩形状の磁性薄膜も示されている。ここで、破線で示される領域内のパターンは、前述したウエハプローブを接触させるプロービング領域である。同図（ｂ）は対応するパターンＡである。両者のパターンの違いは、プローブング領域の近傍を除いて、隣り合うアースラインの間隔が０μｍか５０μｍであるかである。両差の４カ所の異なる部分に斜線を施したものが同図（ｃ）である。パターンＢのほうがアースの面積がより広い。
【００６１】
変形例２のセンサ素子の製造方法は、実施例２での製造方法と前記変更点を除いて同一である。完成したサンプルを実施例２と同一の方法で測定した。アモルファスＣｏＮｂＺｒ薄膜２２の外形寸法が水準３で、該膜厚が１．０μｍ、ミアンダライン数が５の場合の結果を表４に示す。表４には、参照値２としてＳｒＴｉＯ薄膜２１の膜厚が３μｍの場合でコプレーナ線路がパターンＡ（実施例２）の数値と、参照値３として、ＳｒＴｉＯ薄膜２１膜厚が０．５μｍで、ミアンダ型コプレーナ線路２６はパターンＡのサンプルの数値を示した。
【００６２】
【表４】
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【００６３】
表４によれば、本実施例の６個のサンプルの位相感度の平均値は、６６．５ｄｅｇｒｅｅ/Ｏｅであり、最高位相感度は１１８．５ｄｅｇｒｅｅ/Ｏｅであった。この最高位相感度の時のゲインは、−３９．７ｄＢであり、−４０ｄＢ以内あった。表３には示されていないが、最高位相感度は、直流磁場は約６．３Ｏｅ付近で、キャリア周波数は約２．５５ＧＨｚの条件で得られた。
【００６４】
そして、参照値２では、位相感度の平均値は１４．７ｄｅｇｒｅｅ/Ｏｅで、最高位相感度は１９．２ｄｅｇｒｅｅ/Ｏｅであった。これらの数値を比較すると、本実施例は、位相感度の平均値及び最高位相感度ともの参照値２の数値を大きく上回っている。ＳｒＴｉＯ薄膜２１の膜厚を更に減じたことに加えて、ミアンダ型コプレーナ線路２６のアース線のパターンを変更した効果が表れている。
【００６５】
一方、コプレーナ線路２６はパターンＡのままでＳｒＴｉＯ薄膜２１の厚みのみを減じた参照値３では、サンプルの位相感度の平均値及び最高位相感度の値は、それぞれ２５．２ｄｅｇｒｅｅ／Ｏｅ、３９．８ｄｅｇｒｅｅ／Ｏｅである。これらの数値は、ともに本実施例に及ばない。これより、ミアンダ型コプレーナ線路２６のパターン形状は、センサ素子の特性に大きく影響するものと考えられる。
【００６６】
次に、アモルファスＣｏＮｂＺｒ薄膜２２の外形寸法が水準２で、該膜厚が１．０μｍ、ミアンダライン数が４の場合の結果を表５に示す。ここでは、参照値として、ＳｒＴｉＯ薄膜２１は同じ０．５μｍで、ミアンダ型コプレーナ線路２６はパターンＡのサンプルの数値を示した。
【００６７】
表５に示す本実施例では、位相感度の平均値は、７２．２ｄｅｇｒｅｅ／Ｏｅであり、最高位相感度は１３５．１ｄｅｇｒｅｅ／Ｏｅであった。この最高位相感度の時のゲインは、−３９．２ｄＢであり、−４０ｄＢ以内であった。表５には示されていないが、最高位相感度は、直流磁場は約８．４Ｏｅ付近で、キャリア周波数は約２．７５ＧＨｚの条件で得られた。
一方、参照値４の位相感度の平均値と最高位相感度の値は、それぞれ１８．９ｄｅｇｒｅｅ/Ｏｅ、２３．５ｄｅｇｒｅｅ／Ｏｅである。本実施例の数値は、位相感度の平均値及び最高位相感度ともに、参照値４に対して大幅に向上している。
【００６８】
【表５】
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【００６９】
表４、表５で示した例は、アモルファスＣｏＮｂＺｒ薄膜２２の膜厚は１．０μｍであった、該膜厚が０．５μｍの場合を表６に示す。表６は、アモルファスＣｏＮｂＺｒ薄膜２２の膜厚が０．５μｍで、ミアンダライン数が８の場合である。参照値５の値は、アモルファスＣｏＮｂＺｒ薄膜が同じ０．５μｍの膜厚で、ＳｒＴｉＯ薄膜の膜厚が３μｍ（実施例２）の場合の数値である。表６によれば、４個のサンプルの位相感度の平均値は、７５．１ｄｅｇｒｅｅ／Ｏｅであり、最高位相感度は、１２９．１ｄｅｇｒｅｅ／Ｏｅであった。この最高位相感度の時のゲインは、−３８．６ｄＢであり、−４０ｄＢ以内であった。表５には示されていないが、最高位相感度は、直流磁場は約４．０Ｏｅ付近で、キャリア周波数は約１．７５ＧＨｚの条件で得られた。
【００７０】
一方、参照値５の位相感度の平均値と最高位相感度の値は、それぞれ２２．６ｄｅｇｒｅｅ/Ｏｅ、２６．６ｄｅｇｒｅｅ／Ｏｅであった。アモルファスＣｏＮｂＺｒ薄膜２２が０．５μｍの場合においても、位相感度の平均値及び最高位相感度ともに、参照値５を大きく上回っている。ＳｒＴｉＯ薄膜２１の膜厚を更に減じたこと、更にミアンダ型コプレーナ線路２６のアース線のパターンを変更した効果がこの場合も表れている。
【００７１】
【表６】
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【００７２】
続いて実施例２の変形例３を、図２２及び表７を援用して述べる。変形例３では、前記ミアンダ型コプレーナ線路２６のパターン（パターンＢ）を更に変形させた場合について述べる。ここでは、これをパターンＣと称する。本実施例で製作したセンサ素子は、アモルファスＣｏＮｂＺｒ薄膜２２の外形水準は水準１とした。すなわち、アモルファスＣｏＮｂＺｒ薄膜２２外形寸法は、０．９５ｍｍ×１．０ｍｍである。この寸法は、前述した様に、非特許文献２で示したセンサ素子の該薄膜の外形寸法に比較して、面積比で約４．５％に縮小したものである。アモルファスＣｏＮｂＺｒ薄膜２２の膜厚は、実施例２において位相変化の値が大きかった１μｍとし、ＳｒＴｉＯ薄膜２１の厚みは０．５μｍとした。
【００７３】
本実施例で用いたミアンダ型コプレーナ線路２６のパターンＣを図２２（ａ）に示す。ここで、図面の破線で囲まれたパターン領域は、プロービング領域である。同図（ｂ）は、前述した変形例２の場合であるパターンＢである。パターンＢには、プロービング領域近傍のアース線に５０μｍの隙間が３カ所残されている。一方、パターンＣは、この３カ所の隙間は無い。プロービング領域近傍のアース線同士の間隔も０μｍ、すなわちアース線同士が接触したパターンであり、より広いアース面積を有する。
【００７４】
。
本実施例での製造方法は、実施例２での製造方法と前記変更点を除いて同一である。完成したサンプルを実施例２と同一の方法で測定した。結果を表７に示す。ここでは、ミアンダ型コプレーナ線路２６をパターンＢとしたサンプルを参照値６とした。両者の違いは、コプレーナ線路２６のパターンのみである。
表７によれば、本実施例の６個のサンプルの位相感度の平均値は、１５６．２ｄｅｇｒｅｅ／Ｏｅであり、最高位相感度は、３３９．０ｄｅｇｒｅｅ／Ｏｅであった。この最高位相感度の時のゲインは、−３７．３ｄＢであり、−４０ｄＢ以内であった。表７には示されていないが、最高位相感度は、直流磁場は約７．７Ｏｅ付近で、キャリア周波数は約２．７５ＧＨｚの条件で得られた。
【００７５】
一方、参照値６の数値は、位相感度の平均値は６３．５ｄｅｇｒｅｅ／Ｏｅで最高位相感度は８６．３ｄｅｇｒｅｅ／Ｏｅとなった。参照値６の最高位相感度の数値も８０を上回る数値であるが、本実施例では、平均値も１００ｄｅｇｒｅｅ/Ｏｅを超えており、ミアンダ型コプレーナ線路２６のプロービング領域近傍のアース線のパターン変形が有効であったと言える。
【００７６】
【表７】
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【００７７】
以上の実施例により、数ｍｍ角のアモルファスＣｏＮｂＺｒ薄膜を磁性体として用いたセンサ素子において、センサの構成要素であるアモルファスＣｏＮｂＺｒ薄膜の外形寸法及び膜厚と、誘電体材料であるＳｒＴｉＯ薄膜の膜厚と、伝送線路を構成するコプレーナ線路のパターンの形状を、適切に設定すことで、位相変化感度が１００ｄｅｇｒｅｅ/Ｏｅ 以上で，キャリアの減衰が−４０ｄＢ以内である実用的なセンサを供することが可能であることが示された。
【符号の説明】
【００７８】
１、２１  ＳｒＴｉＯ薄膜
２、２２  アモルファスＣｏＮｂＺｒ薄膜
３、２３  Ｃｕ薄膜
４、２４  Ｃｒ薄膜
５、２５  ガラス基板
６  ネットワークアナライザ
７  ＧＰ−ＩＢ
８  パソコン
９  同軸ケーブル
１０  ヘルムホルツコイル
１１、３１  センサ
１２  電源
１３、２６  コプレーナ線路
【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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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
2015227866.tif 000029
【図２１】
2015227866.tif 000030
【図２２】
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