(57)【要約】      （修正有）【課題】高周波数領域で透磁率が高く、磁気ヒステリシス損失が小さい磁性膜及び該磁性膜を有する磁気デバイスを提供する。【解決手段】磁性膜は、コバルト及びイリジウムを含有する合金からなる磁性粒子を含有し、コバルト及びイリジウムを含有する合金の磁気異方性定数は、負である。【選択図】図１
2007081246.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
コバルト及びイリジウムを含有する合金からなる磁性粒子を含有し、
該合金の磁気異方性定数は、負であることを特徴とする磁性膜。
【請求項２】
前記コバルト及び前記イリジウムの総原子数に対する前記イリジウムの原子数の比は、３％以上３０％以下であることを特徴とする請求項１に記載の磁性膜。
【請求項３】
前記合金は、アルミニウム、チタン、バナジウム、マンガン、鉄、ニッケル、銅、亜鉛、ジルコニウム、ニオブ、モリブデン、ルテニウム、ロジウム、パラジウム、白金及び金からなる群より選択される元素をさらに含有することを特徴とする請求項１又は２に記載の磁性膜。
【請求項４】
誘電体をさらに含有することを特徴とする請求項１乃至３のいずれか一項に記載の磁性膜。
【請求項５】
基板上に、少なくとも、請求項１乃至４のいずれか一項に記載の磁性膜が形成されていることを特徴とする磁気デバイス。
【請求項６】
前記基板上に、下地膜がさらに形成されていることを特徴とする請求項５に記載の磁気デバイス。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、磁性膜及び磁気デバイスに関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、個人用携帯機器や移動通信の発展に伴い、これらの機器に用いられる磁気デバイスの小型化、低価格化、高帯域化が求められており、高周波用の軟磁性材料の開発が望まれている。
【０００３】
高周波用の軟磁性材料は、高周波数領域において、透磁率が高いことが必要であるが、一般に、透磁率μｉが高いもの程、低い周波数で共鳴を起こしてμｉが低下することが知られている。この関係は、Ｓｎｏｅｋの限界と呼ばれる線で示される（図５参照）。なお、図５には、μｉの周波数特性と共に、損失ｔａｎδ／μｉの周波数特性が示されており、Ａ、Ｂ、Ｃは、Ｍｎ−Ｚｎ系フェライト、Ｄ、Ｅは、Ｎｉ−Ｚｎ系フェライト、Ｆは、フェロクスプレーナーを示す。図５より、Ｍｎ−Ｚｎ系フェライト、Ｎｉ−Ｚｎ系フェライトを使用することが可能な周波数領域は、数ＭＨｚから数百ＭＨｚ程度であることがわかる。しかしながら、携帯電話等の各種通信機器に用いられる周波数は、１ＧＨｚ前後となっているため、これらを使用することはできない。
【０００４】
また、フェロックスプレーナは、Ｓｎｏｅｋの限界を超えるが、特殊な構造のフェライトであるため、薄膜化等の加工プロセスが困難であり、実用性に乏しい。また、透磁率も不十分である。
【０００５】
特許文献１に、強磁性を有する中心核と、めっき法によって形成された強磁性層を有する磁性多層微粒子が分散されている磁性多層微粒子分散媒体が開示されている。これにより、複素透磁率は向上するが、高周波数領域における複素透磁率は、不十分である。
【０００６】
さらに、従来の軟磁性材料は、磁気ヒステリシス損失が大きいため、１ＧＨｚ前後の周波数で使用することができない。
【特許文献１】特開２００２−９３６０７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明は、上記の従来技術が有する問題に鑑み、高周波数領域で透磁率が高く、磁気ヒステリシス損失が小さい磁性膜及び該磁性膜を有する磁気デバイス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】
【０００８】
請求項１に記載の発明は、磁性膜において、コバルト及びイリジウムを含有する合金からなる磁性粒子を含有し、該合金の磁気異方性定数は、負であることを特徴とする。これにより、高周波数領域で透磁率が高く、磁気ヒステリシス損失が小さい磁性膜を提供することができる。
【０００９】
請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の磁性膜において、前記コバルト及び前記イリジウムの総原子数に対する前記イリジウムの原子数の比は、３％以上３０％以下であることを特徴とする。これにより、高周波数領域で透磁率が高く、磁気ヒステリシス損失が小さい磁性膜が得られる。
【００１０】
請求項３に記載の発明は、請求項１又は２に記載の磁性膜において、前記合金は、アルミニウム、チタン、バナジウム、マンガン、鉄、ニッケル、銅、亜鉛、ジルコニウム、ニオブ、モリブデン、ルテニウム、ロジウム、パラジウム、白金及び金からなる群より選択される元素をさらに含有することを特徴とする。これにより、磁性膜の磁気特性や耐食性を向上させることができる。
【００１１】
請求項４に記載の発明は、請求項１乃至３のいずれか一項に記載の磁性膜において、誘電体をさらに含有することを特徴とする。これにより、磁性膜の渦電流損失を減少させることができる。
【００１２】
請求項５に記載の発明は、磁気デバイスにおいて、基板上に、少なくとも、請求項１乃至４のいずれか一項に記載の磁性膜が形成されていることを特徴とする。これにより、高周波数領域で透磁率が高く、磁気ヒステリシス損失が小さい磁気デバイスを提供することができる。
【００１３】
請求項６に記載の発明は、請求項５に記載の磁気デバイスにおいて、前記基板上に、下地膜がさらに形成されていることを特徴とする。これにより、高周波数領域で透磁率がさらに高い磁気デバイスが得られる。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、高周波数領域で透磁率が高く、磁気ヒステリシス損失が小さい磁性膜及び該磁性膜を有する磁気デバイス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】
【００１５】
次に、本発明を実施するための最良の形態を図面と共に説明する。
【００１６】
まず、磁気異方性定数が負である磁性体が有する効果について、以下説明する。
【００１７】
従来の強磁性体は、磁気ヒステリシス損失が大きいため、高周波数領域で使用することができない。そこで、強磁性体の粒子径を小さくして、超常磁性体とすることが考えられる。これにより、磁気ヒステリシス損失は、生じない。このとき、超常磁性体とするためには、自然共鳴周波数ｆｒが使用周波数ｆより大きいこと（条件１）及び超常磁性を示すこと（条件２）を満たす必要がある。強磁性体として、磁気異方性定数Ｋｕが正である超常磁性体を用いる場合、ジャイロ磁気定数をγ（＝１．１０５×１０５ｇ［ｍ／Ａ・ｓ］（ｇ＝２））、飽和磁化をＭｓとすると、条件１から、
ｆｒ＝γＫｕ／（πＭｓ）＞ｆ
となる。また、ボルツマン定数をｋＢ、温度をＴ、磁性体の体積をＶ、特性緩和周波数をｆ０とすると、条件２から、
ｆ＜ｆ０ｅｘｐ（−ＫｕＶ／（ｋＢＴ））
となる。また、Ｋｕが正であるので、磁化率χは、
χ＝ＶＭｓ２／（３ｋＢＴ）
となる。これらを整理すると、
χ＜（γＭｓ／（３πｆ））ｌｎ（ｆ０／ｆ）
となる。ここで、Ｔ＝３００［Ｋ］、ｆ＝１［ＧＨｚ］、ｆ０＝１０１０［Ｈｚ］、Ｍｓ＝１４００［ｅｍｕ／ｃｃ］とすると、磁化率の最大値χｍａｘは、６となり、比透磁率の最大値μｍａｘは、７６となる。
【００１８】
一方、Ｋｕが負である磁性体の場合、磁化が特定の結晶面（六方晶構造（ｈｃｐ）では、ｃ面）に束縛されるため、超常磁性と強磁性の間で、磁化がある結晶面のみで二次元的に自由に回転する状態（条件３）が存在する。なお、このような磁性体となるためには、上記の条件１を同時に満たす必要がある。この場合、ｃ面内の磁気異方性定数をＫ４とすると、条件１から、
ｆｒ＝γ（１８｜Ｋｕ｜Ｋ４）１／２／（πＭｓ）
となる。また、条件３から、
２Ｋ４Ｖ＜＜ｋＢＴ＜＜｜Ｋｕ｜Ｖ
となり、これより、
ｆ＜ｆ０ｅｘｐ（−２Ｋ４Ｖ／（ｋＢＴ））
となる。また、Ｋｕが負であるので、磁化率χは、
χ＝ＶＭｓ２／（２ｋＢＴ）
となる。これらを整理すると、
χ＜（９γ２｜Ｋｕ｜／（２π２ｆ２））ｌｎ（ｆ０／ｆ）
となる。ここで、Ｔ＝３００［Ｋ］、ｆ＝１［ＧＨｚ］、ｆ０＝１０１０［Ｈｚ］、Ｍｓ＝１０００［ｅｍｕ／ｃｃ］、Ｋｕ＝−５×１０６［ｅｒｇ／ｃｃ］とすると、磁化率の最大値χｍａｘは、１６２６となり、比透磁率の最大値μｍａｘは、２０４３４となる。
【００１９】
以上のように、強磁性体として、Ｋｕが負である磁性体を用いた場合に、Ｋｕが正である超常磁性体を用いた場合と比較して大きいμが得られることがわかる。
【００２０】
本発明の磁性膜は、Ｃｏ及びＩｒを含有する合金からなる磁性粒子を含有し、Ｃｏ及びＩｒを含有する合金の磁気異方性定数は、負である。これにより、高周波数領域で透磁率が高く、磁気ヒステリシス損失が小さい磁性膜を得ることができる。
【００２１】
本発明の磁性膜において、Ｃｏ及びＩｒの総原子数に対するＩｒの原子数の比は、３〜３０％であることが好ましく、５〜３０％がさらに好ましく、７〜３０％が特に好ましい。図１に、Ｃｏ−Ｉｒ合金のＩｒ含有量と結晶磁気異方性定数Ｋｕｇｒａｉｎの関係を示す。このとき、Ｃｏ−Ｉｒ合金粒子の結晶磁気異方性定数Ｋｕｇｒａｉｎは、直接評価することができない。このため、Ｃｏ−Ｉｒ合金の結晶磁気異方性定数Ｋｕｇｒａｉｎは、Ｃｏ−Ｉｒ合金の球状単結晶（六方晶構造）をブリッジマン法（１５００℃）で作製し、半径６ｍｍの球体に研磨加工したものを、ＴＭ−ＴＲ２０５０−ＨＧＣ（玉川製作所社製）を用いて、飽和トルク法により、測定した。
【００２２】
また、前述したように、
ｆ＜ｆ０ｅｘｐ（−２Ｋ４Ｖ／（ｋＢＴ））
であるため、磁性体の体積Ｖは、
Ｖ＜（−ｋＢＴ／２Ｋ４）ｌｎ（ｆ／ｆ０）
となる。ここで、ｋＢ＝１．３８×１０−１６［ｅｒｇ／Ｋ］、ｆ＝１［ＧＨｚ］、ｆ０＝１０１０［Ｈｚ］、Ｋ４〜１０３［ｅｒｇ／ｃｃ］、Ｔ＝３００［Ｋ］とすると、
Ｖ＜４．７６６×１０−１７［ｃｃ］
となる。磁性体を直径Ｒ［ｎｍ］の球とすると、
Ｒ＜４５［ｎｍ］
となる。
【００２３】
また、前述したように、
χ＝ＶＭｓ２／（２ｋＢＴ）
である。ここで、磁性体を直径Ｒ［ｎｍ］の球とし、Ｍｓ＝１０００［ｅｍｕ／ｃｃ］、ｋＢ＝１．３８×１０−１６［ｅｒｇ／Ｋ］、Ｔ＝３００［Ｋ］とすると、
χ＝６．３２×１０−３Ｒ３
となる。透磁率μは、
μ＝４πχ＋μ０（μ０は、真空の透磁率；μ０＝１）
であるため、Ｒ＝１［ｎｍ］のとき、
μ＝１．０７９
となり、Ｒ＝２［ｎｍ］のとき、
μ＝１．６３
となり、Ｒ＝３［ｎｍ］のとき、
μ＝３．１４
となる。透磁率μは、真空の透磁率μ０より十分大きい必要があるため、磁性体の直径Ｒ［ｎｍ］は、
Ｒ≧２［ｎｍ］
であることが好ましい。
【００２４】
本発明の磁性膜において、磁性粒子の平均粒子径は、２〜５０ｎｍであることが好ましく、２〜２０ｎｍがさらに好ましい。磁性粒子の平均粒子径が２ｎｍ未満になると、高周波数領域で透磁率が高い磁気デバイスを形成することができなくなることがある。一方、磁性粒子の平均粒子径が５０ｎｍを超えると、高周波数領域で磁気ヒステリシス損失が大きくなることがある。なお、磁性粒子の平均粒子径は、透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ）、走査型電子顕微鏡等を用いて測定することができる。
【００２５】
本発明の磁性膜において、Ｃｏ及びＩｒを含有する合金は、Ｂ、Ｃ、Ｎ及びＯからなる群より選択される一種以上の元素をさらに含有してもよい。これにより、粒子径の微細化及び磁気特性の改善をすることができる。
【００２６】
本発明の磁性膜において、Ｃｏ及びＩｒを含有する合金は、Ａｌ、Ｔｉ、Ｖ、Ｍｎ、Ｆｅ、Ｎｉ、Ｃｕ、Ｚｎ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｒｕ、Ｒｈ、Ｐｄ、Ｐｔ及びＡｕからなる群より選択される元素をさらに含有することが好ましい。中でも、Ｃｏ及びＩｒを含有する合金は、Ｆｅを含有することが好ましい。なお、合金中の、Ａｌ、Ｔｉ、Ｖ、Ｍｎ、Ｆｅ、Ｎｉ、Ｃｕ、Ｚｎ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｒｕ、Ｒｈ、Ｐｄ、Ｐｔ及びＡｕからなる群より選択される元素の組成比は、０〜５％であることが好ましい。これにより、磁性膜の磁気特性や耐食性を向上させることができる。
【００２７】
本発明の磁性膜は、誘電体をさらに含有することが好ましい。これにより、グラニュラー膜を形成することができる。誘電体としては、ＳｉＯ２、Ａｌ２Ｏ３等のセラミックス、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）、ポリプロピレン（ＰＰ）、ポリエステル、ポリイミド、エポキシ樹脂等の樹脂材料が挙げられる。
【００２８】
本発明の磁気デバイスは、基板上に、少なくとも、本発明の磁性膜が形成されている。このとき、基板上には、下地膜がさらに形成されていることが好ましい。下地膜上に本発明の磁性膜を形成することにより、磁性膜に含まれるＣｏ及びＩｒを含有する合金からなる磁性粒子の結晶構造を制御することができる。例えば、磁性粒子として、Ｃｏ−Ｉｒ合金粒子を用いる場合には、下地膜として、面心立方格子（ｆｃｃ）の（１１１）面又は体心立方格子（ｂｃｃ）の（００１）面を膜面とする金属膜を形成すると、Ｃｏ−Ｉｒ合金粒子の六方晶構造（ｈｃｐ）のｃ面が膜面に平行に配向している磁性膜を形成することができる。これにより、高周波数領域における透磁率を向上させることができる。
【００２９】
また、本発明の磁気デバイスは、磁性膜上に保護膜がさらに形成されていてもよい。保護層としては、Ｔａ、Ｈｆ、Ｓｉ、Ａｕ、Ｐｔ、Ａｇ、Ｔｉ、Ｃｒ、Ａｌ、Ｓｉの窒化物、Ｓｉの酸化物、Ａｌの酸化物、Ａｌの窒化物、ＳｉＣ、Ｃ、ダイヤモンドライクカーボン、これらの混合物若しくはこれらの合金からなる単層膜又は多層膜を用いることができる。これにより、磁性膜を大気から遮断することができ、磁性膜の耐食性が向上する。
【００３０】
本発明の磁性膜は、スパッタリング法、真空蒸着法等を用いて形成することができる。
【００３１】
以下、本発明の磁性膜の形成方法の一例として、スパッタリング法を用いて、Ｃｏ−Ｉｒ合金粒子を含有する磁性膜（図２及び図３参照）を形成する方法について説明する。
【００３２】
まず、基板１上に、スパッタ条件を適宜選択して、Ｔａ膜２、Ｐｔ膜３及びＲｕ膜４を順次積層する。このような積層構造とすることにより、六方格子（ｈｃｐ）の（００１）面を膜面とするＲｕ膜４を形成することができ、Ｒｕ膜４と基板との接着性を向上させることができる。このとき、Ｔａ膜２、Ｐｔ膜３及びＲｕ膜４の膜厚は、それぞれ独立に、１〜１００ｎｍであることが好ましい。さらに、Ｒｕ膜４上に、スパッタ条件を適宜選択して、Ｃｏ−Ｉｒ合金粒子を含有する磁性膜５を形成することにより、本発明の磁気デバイスを得ることができる。なお、図２では、Ｃｏ−Ｉｒ合金粒子５ａ及びＳｉＯ２（マトリックス）５ｂからなる磁性膜（グラニュラー膜）５、図３では、Ｃｏ−Ｉｒ合金粒子からなる磁性膜５が形成されている。
【００３３】
また、本発明の磁性膜は、ポリオール法により合成されたＣｏ及びＩｒを含有する合金からなる磁性粒子を用いて形成することができる。
【００３４】
以下、本発明の磁性膜の形成方法の他の例として、ポリオール法により合成されたＣｏ−Ｉｒ合金からなる磁性粒子を用いて、Ｃｏ−Ｉｒ合金粒子を含有する磁性膜を形成する方法について説明する。
【００３５】
Ｃｏ−Ｉｒ合金からなる磁性粒子は、Ｃｏ−Ｉｒ合金粒子を構成するＣｏ及びＩｒの前駆体を溶媒中に分散し、加熱することにより合成することができる。Ｃｏの前駆体としては、Ｃｏ（ＣＯ）８、Ｃｏ（ａｃａｃ）２、Ｃｏ（ａｃａｃ）３、ＣｏＣｌ２等を用いることができる。また、Ｉｒの前駆体としては、ＩｒＣｌ３、ＩｒＣｌ４、Ｉｒ（ａｃａｃ）３、Ｈ２ＩｒＣｌ６等を用いることができる。溶媒としては、トリメチレングリコール（ＴＭＥＧ）、テトラエチレングリコール（ＴＥＧ）、プロピレングリコール（ＰＧ）、エチレングリコール（ＥＧ）、ジエチレングリコール（ＤＥＧ）等を用いることができる。また、加熱温度は、８０〜３５０℃であることが好ましく、加熱時間は、１０分〜５時間であることが好ましい。なお、加熱時には、Ｃｏ及びＩｒの前駆体が溶解し、それぞれＣｏ（０）及びＩｒ（０）に還元されることにより、磁性粒子の核が形成され、その後、粒子が成長する。
【００３６】
このようにして合成された磁性粒子は、アルコール等を用いて洗浄した後、遠心分離することにより、単離することができる。なお、遠心分離の際に、分級することもできる。また、単離された磁性粒子は、溶媒中で再分散することができる。このとき、界面活性剤を添加して再分散してもよい。
【００３７】
このようにして再分散された磁性粒子を、単独又は誘電体と共に分散させた分散液を固形化することにより、磁性膜を形成することができる。
【実施例】
【００３８】
（実施例１）
スパッタガスとして、Ａｒを用い、表１に示すスパッタ条件で、基板１上に、膜厚５ｎｍのＴａ膜２、膜厚６ｎｍのＰｔ膜３及び膜厚５０ｎｍのＲｕ膜４を順次積層した（図２参照）。
【００３９】
【表１】
2007081246.tif 000003
ＲＩＸ２１００（リガク社製）を用いて、Ｘ線回折（ＸＲＤ）により、Ｒｕ膜４の構造を解析したところ、六方格子（ｈｃｐ）の（００１）面を膜面とするＲｕ膜４が形成されていることがわかった。さらに、スパッタガスとして、Ａｒを用い、Ｃｏ−ＳｉＯ２ターゲット及びＩｒターゲットを用いて、表１に示すスパッタ条件で、Ｒｕ膜４上に、Ｃｏ−Ｉｒ合金粒子５ａ及びＳｉＯ２（マトリックス）５ｂからなる膜厚１０ｎｍの磁性膜（グラニュラー膜）５を形成し、磁気デバイスを作製した。
【００４０】
ＲＩＸ２１００（リガク社製）を用いて、Ｘ線回折（ＸＲＤ）により、Ｃｏ−Ｉｒ合金粒子５ａの構造を解析したところ、六方晶構造（ｈｃｐ）であった。
【００４１】
Ｃｏ−Ｉｒ合金粒子５ａの平均粒子径は、透過型電子顕微鏡ＪＥＭ−３０１０型（日本電子社製）を用いて、３００ｋＶの加速電圧で明視野像を観測することにより、測定した。その結果、Ｃｏ−Ｉｒ合金粒子５ａの平均粒子径は、５ｎｍであった。
【００４２】
振動試料型磁力計（ＶＳＭ）ＢＨＶ−５０ＨＭ（理研電子社製）を用いて、磁性膜（グラニュラー膜）５の磁気ヒステリシスを測定したところ、磁気ヒステリシス損失が無いことがわかった（図４参照）。
【００４３】
ＴＭ−ＴＲ２０５０−ＨＧＣ（玉川製作所社製）を用いて、飽和トルク法により、磁性膜（グラニュラー膜）５の結晶磁気異方性定数を測定したところ、結晶磁気異方性定数Ｋｕｇｒａｉｎは、−５×１０６ｅｒｇ／ｃｃであった。
【００４４】
透磁率計ＰＭＭ−９Ｇ１（凌和電子社製）を用いて、磁性膜（グラニュラー膜）５の透磁率を測定した。
【図面の簡単な説明】
【００４５】
【図１】Ｃｏ−Ｉｒ合金のＩｒ含有量とＫｕｇｒａｉｎの関係を示す図である。
【図２】本発明の磁気デバイスの一例を示す図である。
【図３】本発明の磁気デバイスの他の例を示す図である。
【図４】実施例１の磁性膜（グラニュラー膜）の磁化曲線を示す図である。
【図５】従来の軟磁性材料の透磁率の周波数特性を示す図である。
【符号の説明】
【００４６】
１    基板
２    Ｔａ膜
３    Ｐｔ膜
４    Ｒｕ膜
５    磁性膜
５ａ    Ｃｏ−Ｉｒ合金粒子
５ｂ    ＳｉＯ２
【図１】
2007081246.tif 000004
【図２】
2007081246.tif 000005
【図３】
2007081246.tif 000006
【図４】
2007081246.tif 000007
【図５】
2007081246.tif 000008