解説

セラミックス基盤工学研究センター年報 (2006).  Vol. 6, 46 - 50

マイクロアクチュエーター用の希土類薄膜磁石の開発
安達信泰・伊佐泰紀・太田敏孝・奥田高士 *名古屋工業大学セラミックス基盤工学研究センター〒 507-0071 岐阜県多治見市旭ヶ丘 10-6-29* 元名古屋工業大学教授

Synthesis of the Rare Earth Magnet Film for Microactuators
Nobuyasu Adachi, Yasunori Isa, Toshitaka Ota and Takashi Okuda*
Ceramics Research Laboratory, Nagoya Institute of Technology,
10-6-29 Asahigaoka, Tajimi, Gifu 507-0071*Nagoya Institute of Technology, Gokiso-cho, Showa-ku, Nagoya 466-8555

The study of NdFeB thin ﬁlm for the application of the MEMS devices has been summarized in this article. The high magnetic performance
NdFeB film has been already realized on the Mo or Ta metal substrates. For the concrete application of the micro-magnetic motor oractuator, the ﬁlm should be prepared on the semiconductor substrate such as Si. We report the synthesis of the NdFeB thin ﬁlms on Si
substrate at the present stage of our group. The thin ﬁlms were synthesized by the RF sputtering and the post annealing technique. The asdeposited ﬁlm is amorphous and the magnetic hysteresis loop shows the soft magnetism. After annealing treatment, the Nd2Fe14B phase
was crystallized. The SEM micrographs of the cross section indicate that the magnetic domain size is close to the single domain size,
however, the domain size becomes smaller than that on the Mo substrate.
[Received February 11, 2007; Accepted March 13, 2007]

る。MEMS 分野でのアクチュエーターは、静電性、圧1. はじめに電性、熱膨張を利用するアイデアがあり、静電モーター
希土類永久磁石は、現在、家庭電化製品や自動車、ではミクロンサイズのものも試作されている。磁気を用

MRI などの先端医療や放射光施設のアンジュレーター

いたモーターやアクチュエーターは動作パワーや高速応などの最先端技術領域にまで幅広く使用されている。現答性、動作安定性とトータルに優れているために期待度

在、最強と呼ばれている希土類永久磁石は、Nd-Fe-Bは高いがいまだに実現されていない。磁石の薄板化の研系焼結磁石である。この物質は 1984 年に当時、住友特究は、焼結磁石、ボンド磁石の出現後、すぐに研究が始

殊金属（株）にいた佐川眞人博士によって Nd2Fe14B 相まったが [2]、バルクの研究開発における進展に比べて、を主相とした焼結体として初めて発明された [1]。磁石薄膜合成法の困難さから高特性が得られなかったのがその特性を表わす最大エネルギー積は当時の最強磁石での理由である。まず、バルク状態からの機械的研磨によあった Sm-Co 系磁石の 30 MGOe を軽く超え、その後、る薄片化は、結晶粒の変形、配向性の分散、酸化を伴開発がすすみ、2000 年代に入り、その理論値予想限界

い、特に膜圧が 0.4 mm 以下の研磨後の著しい特性劣化である 60 MGOe に近づきつつある。

が避けられない欠点を持っていた。このようなトップダ一方で、強力永久磁石の小型化への試みもほぼ同時にウンの方面からの研究とは対照的に、薄膜を直接堆積さ進められてきた。電子デバイスの小型化に伴い、そのせていくボトムアップによる手法からの研究において、要望は急速に加速されており、用途は、自動車、電子機器、医療福祉にいたるまで多岐にわたっている。さらにCadire ら [3] のスパッタ法による NdFeB 薄膜作製の先駆的な研究報告（1986）があるものの、特性の改善やミクロンオーダーのサイズの薄膜磁石の研究は、特に最実用に耐えられる特性の薄膜磁石はいまだ出現しておら近発展しつつあるマイクロ・エレクトロメカニカル・シず、焼結磁石やボンド磁石の進展に比べると 1990 年代ステム（MEMS）の動力源となるマイクロモーターやまでは応用研究は遅れ気味であった。これについては、マイクロアクチュエーターへ、その応用が期待されてい結晶軸の配向性の制御と結晶粒径の制御を同時に進め— 46 —

安達信泰、伊佐泰紀、太田敏孝、奥田高士

あることから単磁区構造に近いことから大きな保磁力が生じていると考えられる。図３には、KrF エキシマレー
ザーを用いて 400 mJ/cm2、20 nsec の照射時間で 100nm のスリットを通してパターニングした膜の (a) 磁性流体を塗布して光学顕微鏡で観察した模様、(b) MO インディケーターを通して観察した模様を示す。スリット形状を反映した部分がハード磁性相として結晶化したことを表わしている。
薄膜磁石を MEMS へ実用化するための諸特性として以下のような項目が挙げられる。
Fig.1. Magnetic hysteresis loop of the annealed NdFeB ﬁlm

・(BH)max 160 kJ/m3 以上

on Mo substrate.

・Hc 1.2 MA/m 以上ていくことが困難だったことが理由として挙げられる。

・Ir 1.0 T 以上

21 世紀になって、基板加熱をしながら薄膜を直接堆積・垂直、面内に磁化コントロール可能

する直接蒸着法と基板加熱をせずに蒸着後、アニール処・膜厚 300 μm 以下

理によって作製する熱処理結晶化による手法において、・パターン化（リソ対応可能）

高磁気特性の NdFeB 系薄膜磁石の合成が可能となってきた。前者では、結晶粒の制御に工夫がされ、後者ではこれらの特性は、Mo 金属基板を用いた実験において配向性の制御が成長条件を工夫することで可能となり、2004 年までに目標に到達し、金属基板上へのパターニ配向性と結晶粒径の同時制御ができるようになってきた

ングもレーザー照射で可能となってきた。
これは、アニーことで、高磁気特性が得られるようになってきた。我々

ル処理を蒸着後に行う我々の合成法の利点である。パ

は、結晶粒を c 軸配向させるために有利な直接結晶化法

ターン化に関しては、MEMS はリソグラフィーなどのではなく、結晶粒成長を制御しやすいポスト熱処理法と技術が頻繁に用いられる半導体ナノテクノロジーが基礎スパッタ法を組み合わせて、ソフト磁性アモルファスにあるために、薄膜磁石を実用化するには、膜を半導体蒸着膜を 650℃での熱処理で c 軸配向させる独特の手法基板上に載せる必要性がある。数十ナノ秒 1 回の紫外線で、ボンド磁石を上回る特性を持つハード磁性薄膜合成

レーザー照射による瞬間的な結晶化の手法はすでに Moを Mo 金属基板を用いておこなってきた [4-6]。図１に基板上で見出しており（図３）、半導体基板上に金属基は、c 軸配向した Mo 基板上の NdFeB 薄膜の磁気ヒス板上で得られたようなｃ軸配向した NdFeB 薄膜を成長テレシス曲線を示す。膜面に垂直方向に磁界を印加するできる条件を見出せれば、MEMS デバイスに薄膜磁石と 20 kOe 程度で飽和し、残留磁化が７kgauss（0.7 T）、を実用化できる、と期待できる。マスクを用いれば、
レー保磁力が 18 kOe (1430 kA/m) 程度の値を示す垂直磁気ザー光によるアニール手段は、基板および基板周辺の温異方性を示す膜ができていることがわかる。さらに、赤度上昇を抑えたサブミクロンパターンニングも可能であ

外線照射による熱処理の代わりにナノ秒オーダーの紫外る。

線パルスレーザー照射によってでも、瞬時に配向結晶化

そこで、本報告では、半導体基板として最も汎用性のできることを見出した [6]。図 2 には、その微構造を示あるシリコン基板を用いた Nd2Fe14B 相を主相とする高す透過電子顕微鏡の写真を示す。粒径が 300nm 程度で保磁力薄膜を熱処理結晶化で作製することを目的とした我々の研究の現状と他研究グループとの比較を解説する。

(a)

(b)

Fig.3. Patterned areas in patterned NdFeB ﬁlm indicated by aferromagnetic ﬂuid (a) and by magneto-optical garnet ﬁlm (b).

Fig.2. TEM micrograph of NdFeB ﬁlm on Mo substrate.
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Intensity (a.u)

■002

■100

マイクロアクチュエーター用の希土類薄膜磁石薄膜の開発■Tiannealedas-deposted

20304050602θ / degree

7080Fig.5. XRD patterns of the as-deposited ﬁlm and the annealedﬁlm deposited on Si(111) substrate with no buffer layer.
0.8Fig. 4. Schematic RF sputtering apparatus

H || plane

２．実験
B/T

0.4

RF スパッタ装置を用い、Nd20Fe64B16 鋳造ターゲットとその中心に 15 mm × 15 mm の正方形状の Fe シートを載せてスパッタを行った。基板は Si(111) 単結晶ウエ-0.4ハーを用いて、アルコールによる超音波洗浄をしたのち-0.8に使用した。基板ホルダとの間にガラスシートを挟み、-800

基板が冷却されすぎないように熱絶縁を施した。基板加熱はせずに蒸着するが、基板温度が低すぎると熱処理後に c 軸配向結晶化がおこらないことが Mo 基板を用いた

H ⊥ plane
0.0-4000H / kA/m

400800Fig.6. Magnetic hysteresis curves of the as-deposited ﬁlm on
Si(111) substrate without MoSi2 buffer layer.

場合の薄膜で見られたからである。このガラスシートによりスパッタリング時の基板温度はプラズマガスによっ0.8て約 Ts = 365 ℃ 程度にあがることが見積もられた。板0.4の配置はホルダーの中心から半径約 30 mm の同心円上

H || plane
B/Tとした。
また、今回新たに、基板と膜の熱膨張を緩和することを目的とした緩衝層として Mo と Si の化合物である

H⊥plane0.0-0.4

MoSi2 を緩衝層に用いることを試みた。
到達真空度が 2.0 × 10-6 Torr に到達した後に高純度Ar スパッタガスを導入し、ガス圧を 5.0 × 10-3 Torr に-0.8-800調整した。

-4000H / kA/m

400

800Fig.7. Magnetic hysteresis curves of the annealed ﬁlm on

酸化被膜を除去することを目的に基板とターゲットのSi(111) substrate without MoSi2 buffer layer.

双方のスパッタエッチングを行った後、RF 電力 350 Wで所定の時間、成膜を行った。膜圧は 2μm 前後を目標として成膜した。製膜後は、Nd-Fe-B 薄膜の酸化防止

３． 結果と考察のために Ti コーティングを行った。
熱処理は赤外線加熱方式で、2.0 × 10-6 Torr の真空中3.1バッファー層を挿入しない膜で 650℃の温度で行った。これらの実験条件は、緩衝層

図５にはバッファー層を用いずに Si 基板に直接、蒸の導入以外は Mo 金属基板を用いたときとほぼ同じ成長着した熱処理前の as-depo 膜と熱処理後の annealed 膜条件を踏襲した。の XRD パターンを示す。両方の膜で Ti の 002 回折ピークが観測されたが Nd2Fe14B 相からの回折ピークは見られない。as-depo 膜ではこれまでの金属基板を用いた場合と同様に、結晶化温度以下で蒸着し、膜がアモルファ— 48 —

3040

●Nd2Fe14B■Ti or Ti oxiside▲Si□MoSi2

1.0

B/T

0.5

●008

■002
■002

■100▲111▲111

Intensity (a.u.)●006 ●410□112 □112

安達信泰、伊佐泰紀、太田敏孝、奥田高士

H || plane

0.0
H ⊥ plane-0.5

annealed
as-dep-1.0
2050602θ / degree70-80080-4000H / kA/m

400800

Fig.9. Magnetic hysteresis curves of the as-deposited ﬁlm onFig.8. XRD patterns of the as-deposited ﬁlm and theSi(111) substrate with MoSi2 buffer layer.

annealed ﬁlm deposited on Si(111) substrate with no bufferlayer.

0.8

ス相となるために Nd2Fe14B 結晶相の回折ピークが現れ0.4ない。しかしながら、熱処理後の annealed 膜においてB/Tも Nd2Fe14B 相が現れないのは別の原因があると思われる。また、Si 基板上に蒸着した膜の場合、熱処理後に-0.4膨張係数の違いが大きいためと思われる。as-depo 膜と-0.8６、図７のように膜面内方向に磁化容易方向がある面内-4磁化膜となり、保磁力もゼロに等しいソフト磁性を示す。
熱処理後の膜がソフト磁性を示すのは Nd2Fe14B 結晶相H ⊥plane0.0

部分的に剥離する傾向がみられるが、これは基板との熱annealed 膜の磁気ヒステレシス曲線を測定すると、図H || plane-20H / MA/m24Fig.10. Magnetic hysteresis curves of the annealed ﬁlm onが現れていないことを示す XRD の結果と一致する。基Si(111) substrate with MoSi2 buffer layer.

板から剥離することの他に、ソフト磁性が変化しない現象は Cu 基板を用いた場合にも現れた。Cu 基板の場合も同様に熱処理後にソフト磁性を示したことから類推す

弱く [5]、c 軸配向度は不十分であることが予想される。

ると、熱膨張係数の差が大きいと、熱処理時に剥離を起この膜の磁化曲線をした結果を図 9 と図 10 に示す。

こしたり、結晶化が進まない問題が生じることが窺える。

熱処理前のソフト磁性が、熱処理を施すと約 1200 ｋ3.2

熱処理時の膨張差を緩和する目的や表面の濡れ性を改A/m ほどの保磁力が発生した。残留磁化に関しては、0.25T 程度であった。XRD の結果とあわせて考えると、このハード磁性は Nd2Fe14B 相の結晶化によるものと考善する目的として、Si 基板に我々は MoSi2 をバッファーえられる。面内方向の磁化曲線と面直方向の磁化曲線層として堆積させたのち、Nd-Fe-B 層を蒸着した。バッがほぼ同じ形をしていることから、磁気的には等方的ファー層の厚みは、500 nm、50 nm と堆積させたものな特性で、磁化容易軸である c 軸方向が膜内でランダを比較した。その結果、500 nm 堆積させた膜に関しては、ムに向いていることが推察できる。そのため、磁化も熱処理後に多少の剥離が見られたが、50 nm の厚みでは熱処理後の剥離は見られなかった。図８に MoSi2 層5 MA/m の強磁界でも飽和していない。この等方的な結果は XRD の結果とも一致しており、c 軸配向度が弱いを 50 nm 挿入した NdFeB 薄膜の熱処理前と後の XRDことを裏付けている。しかしながら、膜が剥離することパターンを示す。as-depo 膜ではアモルファス状態だが、なく、Nd2Fe14B 相が結晶化できたのは、バッファー層熱処理をした膜には Nd2Fe14B 相の回折ピークが現れてを挿入することに効果があったことを示している。c 軸いるのがわかる。(006) ピークや (008) ピークが現れて配向度に関しては、後述するように基板温度に影響するいることから c 軸配向性がみとめられるものの、強いことが明らかになってきている。

MoSi2 バッファー層を挿入した膜(410) ピークも観測されており、(001) 面から 90 度傾い保磁力、ならびに等方的な磁気特性の起因を調べるたている面も膜面直方向に成長していることが窺える。こめに膜の断面に関して、走査型電子顕微鏡（SEM）でれらの回折ピークの特徴は Mo 基板上に作製した膜の回観察した例を図 11 と図 12 に示す。熱処理前の断面は、折ピークに比べて、00l 面からのピーク強度が相対的に無構造でアモルファス相を反映した像が観察された。熱— 49 —マイクロアクチュエーター用の希土類薄膜磁石薄膜の開発

４．結論

1 mSi（111）単結晶基板上に NdFeB 系薄膜磁石を熱処理結晶化法により合成した。バッファー層を挿入することで、基板の剥離のない状態で Nd2Fe14B 相を析出することが可能となった。金属基板上への高特性薄膜磁石の結晶性と比較すると、c 軸配向性が不十分で、また、微Fig.11. SEM cross section micrograph of the as-deposited

細構造を観察すると結晶粒が理想的な単磁区サイズに比ﬁlm on Si(111) substrate with MoSi2 buffer layer.

べて小さくなっており、これらの結果、保磁力、残留磁化が小さくなったことが原因と考えられる。今後は、基板温度を手がかりに成長条件の最適化が必要と考えられ1 mる。
謝辞

本研究の一部は、文科省科学費補助金 ( 基盤 C
No.16580098)、村田学術振興財団研究助成、立松財団技術研究助成により行われました。関係各位に感謝いたします。また、薄膜作製に関しては、名古屋工業大学、
Fig.12. SEM cross section micrograph of the annealed ﬁlm on

坂本功教授にご協力をいただきした。TEM 観察は物質・Si(111) substrate with MoSi2 buffer layer.

材料研究機構（筑波大学併任）、宝野和博教授に協力していただきました。磁化測定の一部は、自然科学研究機処理をして結晶化させると、粒径 150 ～ 200nm の結晶

構分子科学研究所ナノスケールセンターの藤原基靖様、粒が明瞭に観察された。金属 Mo 基板上の膜と比較する酒井雅弘様他の協力をいただきました。ここに感謝いたと結晶粒の大きさがやや小さい。一般的には保磁力は理します。

想的な粒径をピークに減少する。Mo 基板上の膜に比べて、Si 基板上の膜が保磁力が小さい原因は、c 軸配向度

［参考文献］が不十分であることと併せて、現状の成長条件では、結晶粒径が小さい、あるいは均一でないことも考えられる。

[1] M. Sagawa, M.sagawa, Y. Matsuura, J. Appl. Phys. 55,
pp.2083-2087 (1984).

Si 基板上への NdFeB 系薄膜の c 軸配向性に関して、最近の報告では、結晶化温度よりも低い 500℃前後でア[2] S. Hirosawa, K. Tokuhara and M. Sagawa, Jpn. J. Appl. Phys.

モルファス状に蒸着したのち、結晶化温度以上で熱処理[3] F. J. Cadieu: Phys. of Thin Films 16, pp.145 (1992).

することで角型性のよい垂直磁化膜を作製できる、とい[4] L. K. E. B. Serrona, A. Sugimura, N. Adachi, T. Okuda, H.

う報告が最近なされいている [7-8]。それらの報告では、

Ohsato, I. Sakamoto, A. Nakanishi, M. Motokawa, Ping, D.

as-depo 時の基板温度が低いと面内方向に磁化容易方向

H., K. Hono, Journal of Magnetism and Magnetic Materials,

が熱処理後に現れるほか、基板温度が結晶化温度以上で260(3), pp.406-414 (2003).

Vol. 26 (1987) L1359-L1361.

高い場合も垂直磁気異方性は悪くなる、すなわち、熱[5] L. K. E. B. Serrona, A. Sugimura, N. Adachi, T. Okuda, H.

処理結晶化の手法を用いても、as-depo 時の基板温度がOhsato, I. Sakamoto, A. Nakanishi, M. Motokawa, Ping,

熱処理後の配向性に影響を与えることを指摘している。

D. H., K. Hono, Applied Physics Letters (2003), 82(11),as-depo 時の基板温度が熱処理後に NdFeB 薄膜の垂直pp.1751-1753.

磁気異方性に影響を与える事に関しては、先駆的な研究[6] T. Okuda, A. Sugimura, O. Eryu, L.K.E. B. Serrona, N.

が B. A. Kapitanov らによって 1993 年に報告されておAdachi, I. Sakamoto, A. Nakanishi, Jpn. J. Appl. Phys. (2003),

り、我々の場合、基板と水冷基板ホルダーの間にガラス

Vol.42, pp.6859-6864

基板を挿入し、熱絶縁をすることで Mo 基板の温度を[7] S. L. Chen, W. Liu, C. L. Chen, Z. D. Zhang, J. Applied

Ar プラズマガスの熱で 300 ℃程度まで上げられたこと
が、熱処理後の c 軸配向性が実現できた要因と思われるが、Si 基板上への NdFeB 薄膜の場合、さらに高い温度[8] N. M. Dempsey, A. Walther, R. Grechinkin, K. Khlopkov,

で蒸着する必要があるのかもしれない。

Physics 98, 113905 (2005)
O. Gutfleisch, C. Dieppedale, D. Givord, ICM2006 Abs.
WeA2-C2-6.
[9] B. A. Kapitanov, N.V. Kornikov, Ya. L. Linetsky and V. Yu.
Tsvetkov: J. Magn. Magn. Mater. 127, p. 289 (1993) .

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