(57)【要約】【課題】  単一層の膜であるが故に製膜が容易であり、かつＧＨｚ領域の高周波帯域で優れた軟磁気特性を発揮する軟磁性薄膜を提供することを目的とする。【解決手段】  本発明はＣを１０〜３５ａｔ％含み、残部が実質的にＦｅからなる組成を有し、平均粒径が２０ｎｍ以下の強磁性Ｆｅ結晶粒と、３０〜７５体積％を占める強磁性アモルファス相とを含む複合組織からなることを特徴とする軟磁性薄膜である。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
Ｃを１０〜３５ａｔ％含み、残部が実質的にＦｅからなる組成を有し、
平均粒径が２０ｎｍ以下の強磁性Ｆｅ結晶粒と、３０〜７５体積％を占める強磁性アモルファス相とを含む複合組織からなることを特徴とする高周波用軟磁性薄膜。
【請求項２】
高周波用軟磁性薄膜を備えた磁気素子であって、
前記高周波用軟磁性薄膜は、
Ｃを１０〜３５ａｔ％含み、残部が実質的にＦｅからなる組成を有し、
平均粒径が２０ｎｍ以下の強磁性Ｆｅ結晶粒と、３０〜７５体積％を占める強磁性アモルファス相とを含む複合組織からなることを特徴とする磁気素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、高い飽和磁化を有するとともに高周波帯域で高い透磁率特性を備えた高周波用軟磁性薄膜に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
磁気素子の小型化、高性能化に伴い、高い飽和磁化を有し、かつＧＨｚの高周波数の帯域（以下、ＧＨｚ帯域）における透磁率が高い軟磁性薄膜材料が求められている。
例えば、ワイヤレス送受信装置や携帯情報端末を中心に需要が高まっているモノリシックマイクロ波集積回路（ＭＭＩＣ）は、Ｓｉ、ＧａＡｓ、ＩｎＰなどの半導体基板上に、トランジスタなどの能動素子と、線路、抵抗、キャパシタ、インダクタなどの受動素子とを、一括的かつ一体的に作製して構成される高周波集積回路である。
【０００３】
このようなＭＭＩＣにおいては、受動素子、特にインダクタやキャパシタが能動素子に比べ大きな面積を占めている。このような受動素子の大面積の占有は、結果として、高価な半導体基板の大量消費、すなわち、ＭＭＩＣのコストアップにつながる。従って、チップ面積を縮小し、ＭＭＩＣの製造コストを低減するために、受動素子が占める面積を縮小することが課題となっている。
【０００４】
ＭＭＩＣのインダクタとしては平面型のスパイラルコイルが多く用いられている。そのスパイラルコイルの上下面、或いは片面に軟磁性薄膜を挿入し、インダクタンスを増加させる方法（換言すれば、小さな占有面積でも従来のインダクタンスが得られる方法）がすでに提案されている（例えば、非特許文献１（J.Appl.Phys.85,7919（1999）））。
【０００５】
しかしながら、軟磁性材料をＭＭＩＣのインダクタへ応用するためには、先ず、ＧＨｚ帯域における透磁率が高く、かつ損失が少ない軟磁性薄膜を開発することが求められている。さらには渦電流損失を減ずるために比抵抗が大きいことも求められている。
また、このようなＭＭＩＣにおいては、各素子間の距離が数百μｍまで近づいていることから電磁波ノイズが誘導されやすく、その対策としてＧＨｚ帯域において透磁率が高く、特に、損失成分（透磁率の虚数部μ”）が大きい高周波用薄膜の応用が提案されている（例えば、特許文献１（特開２００１−２１０５１８号公報）、特許文献２（特開２００２−１５８４８６号公報））。
【０００６】
従来、高い飽和磁化を持つ軟磁性材料としてＦｅあるいはＦｅＣｏを主成分とする合金が良く知られている。ところが、Ｆｅ系又はＦｅＣｏ系合金からなる軟磁性薄膜をスパッタなどの成膜技術により作製すると、その膜の飽和磁化は高いものの、保磁力が大きくなってしまい良好な高周波特性を得ることは困難であった。
【０００７】
一方で、軟磁気特性が優れている材料として、Ｃｏ系非結晶質合金が知られている。このＣｏ系非結晶質合金は、Ｃｏを主成分としＹ、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｎｂ、Ｔａなどから選択される１種又は２種以上の元素を含む非結晶質を主体とするものである。ところがゼロ磁歪組成のＣｏ系非結晶質合金からなる軟磁性薄膜をスパッタなどの成膜技術により作製すると、その膜の透磁率は大きいものの、飽和磁化が１１ｋＧ（１．１Ｔ）程度であり、Ｆｅ系に比べて小さい。さらに、１００ＭＨｚ程度の周波数及びこれを超えてから損失成分（透磁率の虚数部μ"）が大きくなり、ＧＨｚ帯域で使用する軟磁性材料としては好
適とは言えない。
【０００８】
ＧＨｚ帯域で使用し得るインダクタを実現させるために、以上のような材質から構成さ
れる軟磁性薄膜をマイクロワイヤ化させ、形状異方性エネルギーを増大させることにより、共鳴周波数を高周波化する試みも行われている（例えば、非特許文献４（日本応用磁気学会誌、24,879（2000）））。しかしながら、この方法では工程が複雑となってしまうばかりか、さらに、軟磁性薄膜の実効透磁率が低下してしまうという問題がある。
【０００９】
このような実情のもとに従来より、軟磁性薄膜の高周波特性を改良するために種々の提案がなされてきた。その改良の基本方針としては、渦電流損失を抑制させたり、あるいは共鳴周波数を上昇させることなどが挙げられる。渦電流損失を抑制させる具体的な方策としては、例えば、磁性層／絶縁層（高抵抗層）との積層による多層化（例えば、特許文献３（特開平７−２４９５１６号公報））や、金属−非金属（酸化物、フッ化物）のグラニュラー化（例えば、非特許文献２（J. Appl. Phys. 79, 5130 (1996)））などが提案されている。しかしながら、これらの方法では、高抵抗の非磁性相が挿入されているために、飽和磁化が低下するという問題が生じる。また、これらのグラニュラー薄膜を電磁波ノイズ対策用として使用するためには、ＧＨｚ帯域で透磁率が高く、特に、損失成分（透磁率の虚数部μ”）が大きいことが好ましいが、成膜直後であるａｓ−ｄｅｐｏ．状態の薄膜の場合は、膜中に応力が存在するため高透磁率特性が得られなく、成膜後に熱処理を行わなければならない。
【００１０】
一方、軟磁性層と高飽和磁化層を交互に積層した多層膜による高飽和磁化薄膜についての検討も行われている。すなわち、ＣｏＺｒ／Ｆｅ（非特許文献５（日本応用磁気学会誌、16, 285 (1992)））、ＦｅＢＮ／ＦｅＮ（特許文献４（特開平５−１０１９３０号公報））、ＦｅＣｒＢ／Ｆｅ(非特許文献３（J. Appl. Phys. 67, 5131 (1990)）)、Ｆｅ−Ｈｆ−Ｃ／Ｆｅ（非特許文献６（日本応用磁気学会誌、15, 403 (1991)））など様々な組み合わせの例が報告されている。これらのものはいずれも飽和磁化を高くすることには効果がある。しかしこれらの技術では、異なる組成の膜を積層する必要があるため、その作製が煩雑である。
一方、高飽和磁化を持つ軟磁性薄膜としてＦｅ−Ｃ系薄膜が検討されている。従来から、ＦｅとＣを主成分とする薄膜は、軟磁性かつ飽和磁化が高いことから、薄膜磁気ヘッドの磁極形成用として開発されている。Ｆｅ−Ｍ−Ｃ（ただし、Ｍ＝Ｔｉ、Ｃｒ、Ｈｆ、Ｖ、Ｎｂ、Ｔａ、Ｃｒ、Ｍｏ及びＷ等の１種以上）と表記されるこの薄膜の作成方法としては、ａｓ−ｄｅｐｏ．状態で全体的にアモルファス構造を有するように成膜した後、高温で熱処理を行うことで結晶粒界にＭＣ化合物を析出させ、Ｆｅの粒成長を抑制する方法が知られている（例えば、特許文献５（特開平４−１３９８０５号公報）、非特許文献７（日本応用磁気学会誌、14, 319 (1990)））。この方法で作製されたＦｅ−Ｍ−Ｃ薄膜は組成が煩雑であり、熱処理工程を必要とする問題点がある。
最近では、Ｃを４〜８ａｔ％含むＦｅ−Ｃ薄膜を単結晶基板上へエピタキシャル成長させる技術が開発されているものの（例えば、非特許文献８（IEEE Trans. Mag.,37,2179(2001)））、この方法では高価な単結晶基板を使用するなどコストの問題がある。
また、Ｃの含有量を２５ａｔ％以上まで増やし、膜全体がアモルファス構造を有する軟磁性薄膜が開発されている（例えば、非特許文献９（Trans. Mag. Soc. Japan, 2, 15(2001)））。この方法で得られたＦｅ−Ｃ薄膜はアモルファス構造を得るため多量のＣを含有しており、飽和磁化が低下する問題がある。
このように、従来から開発されているＦｅ−Ｃ系薄膜は、単結晶、微結晶又はアモルファスのいずれかの形態を有しており、主にハードディスク用の書込みヘッド又は垂直記録媒体へ応用されてきた。
【００１１】
【特許文献１】特開２００１−２１０５１８号公報
【特許文献２】特開２００２−１５８４８６号公報
【特許文献３】特開平７−２４９５１６号公報
【特許文献４】特開平５−１０１９３０号公報
【特許文献５】特開平４−１３９８０５号公報
【非特許文献１】J. Appl. Phys. 85、7919（1999）
【非特許文献２】J. Appl. Phys. 79, 5130 (1996)
【非特許文献３】J. Appl. Phys. 67, 5131 (1990)
【非特許文献４】日本応用磁気学会誌、24, 879 (2000)
【非特許文献５】日本応用磁気学会誌、16, 285 (1992)
【非特許文献６】日本応用磁気学会誌、15, 403 (1991)
【非特許文献７】日本応用磁気学会誌、14, 319 (1990)
【非特許文献８】IEEE Trans. Mag.,37,2179(2001)
【非特許文献９】Trans. Mag. Soc. Japan, 2, 15(2001)
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
本発明は、このような技術的課題に基づいてなされたもので、単一層の膜であるが故にａｓ−ｄｅｐｏ．状態で使用できる成膜が容易であり、かつＧＨｚ帯域で高透磁率特性を発揮する軟磁性薄膜を提供することを目的とする。また、ＧＨｚ帯域で透磁率の損失部（μ”）が大きく、かつ帯域幅が広い薄膜を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
本発明はＣを１０〜３５ａｔ％含み、残部が実質的にＦｅからなる組成を有し、平均粒径が２０ｎｍ以下の強磁性Ｆｅ結晶粒と、３０〜７５体積％を占める強磁性アモルファス相とを含む複合組織からなることを特徴とする高周波用軟磁性薄膜により前記課題を解決した。
本発明の高周波用軟磁性薄膜によれば、以下の特性を備えることができる。
飽和磁化（Ｂｓ）：１．８Ｔ以上、望ましくは２．０Ｔ以上
保磁力（磁化容易軸方向の保磁力（Ｈｃｅ）及び磁化困難軸方向の保磁力（Ｈｃｈ））：５Ｏｅ以下、望ましくは３Ｏｅ以下
１ＧＨｚにおける複素透磁率の実数部（μ’）：２００以上、望ましくは４００以上
共鳴周波数：１ＧＨｚ以上、望ましくは２ＧＨｚ以上
複素透磁率の虚数部（μ”）がμ”ｍａｘ（μ”の最大値）の５０％になる周波数帯域をその中心周波数に規格化した半価巾（Ｂ５０）：１００％以上、望ましくは１２０％以上比抵抗：６０μΩｃｍ以上、望ましくは１００μΩｃｍ以上
【００１４】
本発明の高周波用軟磁性薄膜は磁気素子の構成要素として用いることができる。この磁気素子を構成する高周波用軟磁性薄膜は、Ｃを１０〜３５ａｔ％含み、残部が実質的にＦｅからなる組成を有し、平均粒径が２０ｎｍ以下の強磁性Ｆｅ結晶粒と、３０〜７０体積％を占める強磁性アモルファス相とを含む複合組織からなることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によれば、複数の異なる組成の薄膜を積層することなく、ＧＨｚ帯域で高透磁率特性を発揮する高周波用軟磁性薄膜を提供することができる。また、本発明によれば、ＧＨｚ帯域で透磁率の損失部（μ”）が大きく、かつ帯域幅が広い薄膜を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
本発明の高周波用軟磁性薄膜は、Ｆｅ及びＣを含有し、Ｃの含有量は１０〜３５ａｔ％の範囲で含有する。１０ａｔ％未満では所定量のアモルファス相を生成することが困難であり、一方３５ａｔ％を超えるとアモルファス相が占める割合が多くなりすぎるからである。望ましいＣ含有量は１２〜３０ａｔ％、さらに望ましいＣ含有量は１５〜２５ａｔ％である。
本発明の高周波用軟磁性薄膜は、平均粒径が２０ｎｍ以下の強磁性Ｆｅ結晶粒と、３０〜７５体積％を占める強磁性アモルファス相とを含む複合組織から構成される。このような複合組織を有する本発明の高周波用軟磁性薄膜は、ＧＨｚ帯域において優れた軟磁気特性を有する。
強磁性Ｆｅ結晶粒の平均粒径が２０ｎｍを超えると高周波における軟磁気特性が劣化するため、本発明では２０ｎｍ以下とする。強磁性Ｆｅ結晶粒の平均粒径は１５ｎｍ以下、さらには１０ｎｍ以下であることが望ましい。
【００１７】
本発明の高周波用軟磁性薄膜において、アモルファス相は組織の３０〜７５体積％を占める。アモルファス相が３０体積％未満では保磁力が大きくなるとともに、透磁率が小さくなるからである。また、Ｂ５０、比抵抗も小さな値となる。また、アモルファス相が７５体積％を超えると飽和磁化が小さくなり、またＢ５０も小さくなる。したがって、アモルファス相は組織の３０〜７５体積％を占めることとする。アモルファス相は、望ましくは３５〜７０体積％、さらに望ましくは４０〜６５体積％とする。
本発明の高周波用軟磁性薄膜は、その膜厚さを１００〜２０００ｎｍとして使用することが望ましい。１００ｎｍ未満では、例えば平面型磁気素子に応用する場合、所望のパワーを扱うことができなくなるという不都合が生じる。また、２０００ｎｍを超えると、成膜時間が長くなり、生産性が悪くなる。望ましい膜厚は１００〜１０００ｎｍ、さらに望ましい膜厚は２００〜５００ｎｍである。
【００１８】
本発明の高周波用軟磁性薄膜は基板上に成膜される。この基板としては、ガラス基板、セラミック材料基板、半導体基板、樹脂基板等が例示できる。セラミック材料としては、アルミナ、ジルコニア、炭化珪素、窒化珪素、窒化アルミニウム、ステアタイト、ムライト、コージライト、フォルステライト、スピネル、フェライトなどが挙げられる。
本発明による高周波用軟磁性薄膜は、以上の組成及び組織を採用することにより、基板上に成膜されたまま（as deposition）の状態で、上述したような優れた軟磁気特性を発
揮することができる。したがって、本発明による高周波用軟磁性薄膜は、薄膜インダクタや薄膜トランスなどの高周波用平面型磁気素子、あるいはモノリシリックマイクロ波集積回路（ＭＭＩＣ）に用いられる軟磁性薄膜及びインダクタに適用することができるのみならず、高速動作する能動素子あるいは高周波電子部品及び電子機器において問題となる不要輻射の抑制体、あるいは電磁波吸収体に適用することもできる。
【００１９】
本発明の高周波用軟磁性薄膜は、スパッタリングを用いて作製することができる。より具体的には、ＲＦスパッタ、ＤＣスパッタ、マグネトロンスパッタ、イオンビームスパッタ、誘導結合ＲＦプラズマ支援スパッタ、対向ターゲット式スパッタなどが用いられる。
本発明の高周波用軟磁性薄膜を成膜するためのターゲットとしては、Ｆｅターゲットの上にＣのペレットを配置した複合ターゲットを用いるか、ＦｅとＣの合金ターゲットを用いればよい。
ここで、組成が一定の場合、スパッタ成膜時の投入電力（単にスパッタ電力という）が小さいほどアモルファス相の占有体積が大きくなる。逆に、スパッタ電力が大きいほどアモルファス相の占有体積が小さくなり、軟磁気特性はよくなる。つまり、本発明による高周波用軟磁性薄膜の組織は、Ｃ含有量のみによって定まるものではなく、その成膜条件によっても変動する。なお、スパッタ電力が小さい場合であっても、バイアス電圧を成膜基板に印加することにより、優れた軟磁気特性が得られる。バイアス電圧は、スパッタ電力が０．５Ｗ／ｃｍ2以下となった場合に印加することが望ましい。その場合の電圧は１０
０Ｖ以上とすることが望ましい。
【００２０】
次に、本発明の高周波用軟磁性薄膜を平面型のインダクタに適用した例について図６及び図７に基づいて説明する。なお、この適用例はあくまで一例であって、本発明の高周波用軟磁性薄膜の適用範囲を限定するものでないことは言うまでもない。なお、図６はイン
ダクタの平面を模式的に示した図、図７は図６のＡ−Ａ矢視断面を模式的に示した図である。
これらの図面に示されるインダクタ１０は、基板１１と、この基板１１の表裏両面にスパイラル状に形成された平面コイル１２、１２と、これらの平面コイル１２、１２と基板１１面を覆うように形成された絶縁膜１３,１３と、各々の絶縁膜１３、１３の上を覆う
ように形成された一対の高周波用軟磁性薄膜１とを備えている。高周波用軟磁性薄膜１として本発明による高周波用軟磁性薄膜を用いる。そして、上記２つの平面コイル１２、１２は、基板１１の略中央部分に形成されたスルーホール１５を介して電気的に接続されている。さらに、基板１１の両面の平面コイル１２、１２からそれぞれ接続のための端子１６が基板１１の外方に引き出されている。このようなインダクタ１０は、一対の高周波用軟磁性薄膜１によって、絶縁膜１３,１３を介して平面コイル１２、１２を挟むように構成されているので、接続端子１６、１６間にインダクタ１０が形成される。
このように形成されたインダクタ１０は、小型かつ薄型軽量で、特にＧＨｚ帯域で優れたインダクタンスを示す。なお上記説明したインダクタ１０において、平面コイル１２、１２を並列的に複数設けることによりトランスを形成することができる。
【実施例１】
【００２１】
以下、本発明の高周波用軟磁性薄膜の具体的実施例を説明する。
対向ターゲット式スパッタ装置を用いて表１に示す条件でＦｅ−Ｃ薄膜を作製した。ターゲットには純Ｆｅターゲット上にＣ（炭素）チップを配置した複合ターゲットを用いた。薄膜作製のための基板には１０ｍｍ×１０ｍｍ×０．５ｍｍの溶融石英ガラスを用い、成膜は室温のＡｒ雰囲気下で膜厚が約５００ｎｍとなるように行った。
試料Ｎｏ．１、２及び６の薄膜について行ったメスバウアー解析の結果を図１〜図３に示す。図１及び図２に示すように、試料Ｎｏ．１及び２の薄膜はＦｅ結晶粒とアモルファス相とから構成されており、アモルファス相の体積率は試料Ｎｏ．１が４２％、試料Ｎｏ．２が６４％であることが確認された。これに対して、図３に示すように、試料Ｎｏ．６の薄膜はほとんどＦｅ結晶粒から構成され、アモルファス相の体積率は１０％にすぎないことが確認された。
得られた薄膜についてアモルファス相の体積率、Ｃ含有量、薄膜中に存在する結晶の平均粒径を測定した。また、得られた薄膜について磁気特性、透磁率の周波数特性及び比抵抗を測定した。それらの結果を表１に示す。なお、試料Ｎｏ．１及び６については、透磁率の周波数特性を図４及び図５に示している。
【００２２】
【表１】
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【００２３】
表１（図４）に示すように、本発明による高周波用軟磁性薄膜（試料Ｎｏ．１〜５）は、１．９Ｔ以上の飽和磁化（Ｂｓ）を有しているとともに、磁化容易軸方向の保磁力（Ｈｃｅ）及び磁化困難軸方向の保磁力（Ｈｃｈ）が５Ｏｅ以下の値を示している。また、本発明による高周波用軟磁性薄膜（試料Ｎｏ．１〜５）は、透磁率（μ’）が２００以上の高い値を示し、さらに共鳴周波数（ｆｒ）も１ＧＨｚ以上となっている。さらに、比抵抗が６０μΩｃｍ以上であり、加えてＢ５０が１００％以上を示している。
以上に対して、アモルファス相が１０体積％の試料Ｎｏ．６は保磁力が１０を超えており、またＢ５０の値も小さい。また、アモルファス相が１００％の試料Ｎｏ．７は飽和磁化（Ｂｓ）及びＢ５０が小さいことがわかる。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】試料Ｎｏ．１の薄膜について行ったメスバウアー解析の結果を示す図である。
【図２】試料Ｎｏ．２の薄膜について行ったメスバウアー解析の結果を示す図である。
【図３】試料Ｎｏ．６の薄膜について行ったメスバウアー解析の結果を示す図である。
【図４】試料Ｎｏ．１の薄膜の透磁率の周波数特性を示すグラフである。
【図５】試料Ｎｏ．６の薄膜の透磁率の周波数特性を示すグラフである。
【図６】本発明の高周波用軟磁性薄膜が適用されたインダクタの一例を示す平面図である。
【図７】図６のＡ−Ａ矢視断面図である。
【符号の説明】
【００２５】
１…高周波用軟磁性薄膜、１１…基板、１２…平面コイル、１３…絶縁膜、１０…インダクタ
【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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