JP2001267155A - Planar magnetic element - Google Patents
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Abstract
Description
【０００１】[0001]
【発明の属する技術分野】この発明は、半導体製造技術
およびマイクロマシーニング技術を利用することにより
平面型に製作される平面型磁気素子、特にＤＣ／ＤＣコ
ンバータ等の電源部品に使用して好適な平面型磁気素子
に関する。BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a flat magnetic element manufactured in a flat form by utilizing a semiconductor manufacturing technique and a micromachining technique, and particularly to a power supply component such as a DC / DC converter. The present invention relates to a planar magnetic element.
【０００２】[0002]
【従来の技術】近年、ノート型パソコンや携帯電話に代
表されるマルチメディア機器を始め、各種電子機器の小
型化が盛んに進められている。これに伴い、その電源部
の小型化の研究も活発に行なわれており、その主要部品
であるリアクトル（インダクタ）やトランスなどの磁気
素子の小型化実現のために、それらの磁気素子を半導体
製造技術やマイクロマシーニング技術を利用して平面
型，薄膜型に製造する試みが多くなされている。以下、
上下磁性体に軟磁性膜を使用した場合の平面型インダク
タについて説明する（磁性膜の代りに磁性薄帯やフェラ
イト基板等の磁性体を使用したインダクタでも良い）。2. Description of the Related Art In recent years, miniaturization of various electronic devices such as multimedia devices typified by notebook personal computers and mobile phones has been actively promoted. Along with this, research on miniaturization of the power supply unit is also being actively conducted, and in order to realize the miniaturization of magnetic elements such as reactors (inductors) and transformers, which are the main components, manufacturing of these magnetic elements by semiconductor manufacturing has been carried out. Many attempts have been made to produce a flat type or a thin film type by utilizing the technology or micromachining technology. Less than,
A planar inductor in which soft magnetic films are used for the upper and lower magnetic materials will be described (an inductor using a magnetic material such as a magnetic ribbon or a ferrite substrate instead of the magnetic film may be used).
【０００３】平面型インダクタの最も一般的な例とし
て、例えば図１３に示す積層型構造のものが知られてい
る（以下、単に従来例とも言う）。なお、同図（ａ）は
組立分解図、（ｂ）は断面図を示す。すなわち、シリコ
ン（Ｓｉ）等の基板上に絶縁膜を形成し、下部磁性膜
４，絶縁膜２，平面コイル（導体部）３，絶縁膜２，上
部磁性膜１の順に形成する、いわゆる平面コイルを磁性
膜でサンドイッチ状に挟み込んだ構造のものであり、積
層平面型インダクタといわれる。また、磁性体がコイル
よりも外側にあり、コイルが磁性膜の中にあることか
ら、外鉄型または内部コイル型インダクタとも呼ばれて
いる。なお、図１３の符号５は線間絶縁膜（またはコイ
ル線間絶縁膜とも言う）を示す。[0003] As the most common example of a planar inductor, for example, one having a laminated structure shown in FIG. 13 is known (hereinafter, simply referred to as a conventional example). 1A shows an exploded view, and FIG. 1B shows a sectional view. That is, an insulating film is formed on a substrate such as silicon (Si), and a lower magnetic film 4, an insulating film 2, a planar coil (conductor portion) 3, an insulating film 2, and an upper magnetic film 1 are sequentially formed. Is sandwiched between magnetic films in a sandwich shape, and is called a laminated planar inductor. Further, since the magnetic material is located outside the coil and the coil is inside the magnetic film, it is also called an outer iron type or an inner coil type inductor. Reference numeral 5 in FIG. 13 indicates an inter-line insulating film (also referred to as a coil inter-line insulating film).
【０００４】図１４は図１３の構造を得るためのプロセ
スの1例を示す。コイル導体は感光性ポリイミドをめっ
き型とした、電解めっきで形成した。また、磁性膜は、
Ｃｏ系アモルファス膜であるＣｏＨｆＴａＰｄ薄膜（複
素透磁率は約１，０００）を採用した。以下、各プロセ
スについて説明する。 Ｓｉ基板上に保護膜として、ポリイミドをスピンコー
ト法で塗布する。 下部磁性膜をスパッタ法で成膜する。 下部磁性膜とコイル導体間の層間絶縁膜として、ポリ
イミドを塗布する。 無電解めっきの核となる白金を、スパッタ法により形
成する。 感光性ポリイミドを塗布し、コイルパターンに合わせ
てパターニングし、コイル導体のめっき型を形成する。 無電解めっき，電解めっきでコイル導体を形成する。 その上にポリイミドを塗布し、上部磁性膜との層間絶
縁膜を形成する。 上部磁性膜をスパッタ法で成膜する。 以上で、平面型（薄膜）インダクタの構造が完成する。
ウエハー内の磁気特性を等方的にするために回転磁界熱
処理をしたり、一軸磁気異方性を誘導するために静止磁
界熱処理をしたりする場合もある。FIG. 14 shows an example of a process for obtaining the structure of FIG. The coil conductor was formed by electrolytic plating using a photosensitive polyimide as a plating type. In addition, the magnetic film
A CoHfTaPd thin film (complex magnetic permeability is about 1,000), which is a Co-based amorphous film, was employed. Hereinafter, each process will be described. Polyimide is applied as a protective film on the Si substrate by spin coating. A lower magnetic film is formed by a sputtering method. Polyimide is applied as an interlayer insulating film between the lower magnetic film and the coil conductor. Platinum serving as a core of electroless plating is formed by a sputtering method. A photosensitive polyimide is applied and patterned according to the coil pattern to form a coil conductor plating mold. The coil conductor is formed by electroless plating and electrolytic plating. Polyimide is applied thereon to form an interlayer insulating film with the upper magnetic film. An upper magnetic film is formed by a sputtering method. Thus, the structure of the planar type (thin film) inductor is completed.
In some cases, a rotating magnetic field heat treatment is performed to make the magnetic properties in the wafer isotropic, and a static magnetic field heat treatment is performed to induce uniaxial magnetic anisotropy.
【０００５】平面型コイルの形状としては、つづら折り
型，ミアンダー（ｍｅａｎｄｅｒ）型，スパイラル型な
ど様々なパターンが用いられる。これらのコイルパター
ンのうち、単位面積当たりのインダクタンス値を最も大
きくできるのはスパイラル型であることから、同じイン
ダクタンス値を得るためには、より小型化が可能なスパ
イラル型が最も適しているといえる。このような構造の
平面型インダクタは、使用する周波数帯域において充分
高い性能係数Ｑを持つことが必要である。平面型インダ
クタのQ値はコイル抵抗をＲ、インダクタスをＬ、角周
波数をω（＝2πｆ（ｆ：周波数））とすると、Q＝ωＬ
／Ｒで表されるので、Qの値を大きくするには抵抗Ｒを
小さくし、インダクタスＬを大きくすることが必要であ
る。そして、高周波領域で使用する場合には、うず電流
の発生を抑え、交流抵抗Ｒａｃを低減し、コイル銅損お
よび磁性体鉄損を防ぐことも重要である。As the shape of the planar coil, various patterns such as a zigzag type, meander type, and spiral type are used. Among these coil patterns, since the spiral type can maximize the inductance value per unit area, it can be said that the spiral type that can be further reduced is the most suitable to obtain the same inductance value. . The planar inductor having such a structure needs to have a sufficiently high performance coefficient Q in a used frequency band. Assuming that the Q value of the planar inductor is R = coil resistance, L = inductance, and ω is the angular frequency (= 2πf (f: frequency)), Q = ωL
Therefore, to increase the value of Q, it is necessary to reduce the resistance R and increase the inductance L. When used in a high-frequency region, it is also important to suppress the generation of eddy current, reduce the AC resistance Rac, and prevent coil copper loss and magnetic iron loss.
【０００６】図１５に３ＭＨｚ駆動時、電流０．４Ａを
コイル導体に通電した場合の磁束密度分布図を示す。な
お、このインダクタは上下対称，左右対称であるため、
インダクタの上部右側だけの磁束密度分布を示してい
る。同図から、インダクタの中央部と外周部のコイル導
体を中心に、垂直方向に渡り磁束が鎖交していることが
分かる（点線参照）。この磁束によりうず電流が発生
し、交流抵抗Ｒａｃの増加，インダクタンスＬの低下が
生じる。高周波領域で良好な性能係数Ｑを得るために
は、コイル導体部を鎖交する磁束を低減させる必要があ
る。また、このようなスパイラル型平面インダクタ（リ
アクトル）には、特に、電源回路を構成する磁気部品と
して用いられる場合には、交流に直流電流を重畳して通
電することが多い。このときのインダクタの直流重畳電
流に対する特性を直流重畳特性と言い、周波数特性とと
もに平面型インダクタの重要な特性の一つである。磁性
体の磁気飽和を抑えて良好な直流重畳特性を得ることが
重要である（大電流動作時に、高インダクタスを得るこ
とが重要である）。FIG. 15 shows a magnetic flux density distribution diagram when a current of 0.4 A is supplied to the coil conductor when driving at 3 MHz. Since this inductor is symmetrical vertically and symmetrically,
The magnetic flux density distribution is shown only on the upper right side of the inductor. From the figure, it can be seen that the magnetic flux interlinks in the vertical direction around the coil conductors at the center and the outer periphery of the inductor (see the dotted line). An eddy current is generated by this magnetic flux, which causes an increase in the AC resistance Rac and a decrease in the inductance L. In order to obtain a good performance coefficient Q in a high frequency region, it is necessary to reduce the magnetic flux linking the coil conductor. In addition, when such a spiral planar inductor (reactor) is used as a magnetic component of a power supply circuit, it is often the case that a DC current is superimposed on an AC current to be supplied. The characteristic of the inductor with respect to the DC superimposed current at this time is called a DC superimposition characteristic, which is one of the important characteristics of the planar inductor together with the frequency characteristic. It is important to obtain a good DC bias characteristic by suppressing the magnetic saturation of the magnetic material (it is important to obtain a high inductance at the time of a large current operation).
【０００７】図１６は、図１３に示す従来の薄膜インダ
クタ（２．５ｍｍ角，９ｔｕｒｎ，磁性膜厚６μｍ，コ
イル導体厚３０μｍ）の周波数特性、図１７は、同じく
図１３に示す従来の薄膜インダクタの直流重畳特性をそ
れぞれ示す。図１６より、周波数の増加につれてＬは減
少傾向，交流抵抗Ｒａｃは上昇傾向にあり、性能係数Ｑ
値は１ＭＨｚ付近で最大値（Ｑ＝５．１）を持つことが
分かる。図１７は駆動周波数３ＭＨｚのときの直流重畳
特性であり、重畳電流ＩDCの増加に伴い、Ｌは徐々に減
少する特性を示す。例えば、ＩDC＝２００ｍＡのときは
Ｌ＝０．３５μＨ、重畳電流ＩDC＝３５０ｍＡのときは
Ｌ＝０．２２μＨとなる。FIG. 16 shows the frequency characteristics of the conventional thin film inductor (2.5 mm square, 9 turns, magnetic film thickness 6 μm, coil conductor thickness 30 μm) shown in FIG. 13, and FIG. 17 shows the conventional thin film inductor also shown in FIG. Are shown respectively. As can be seen from FIG. 16, as the frequency increases, L decreases and AC resistance Rac increases.
It can be seen that the value has a maximum value (Q = 5.1) around 1 MHz. FIG. 17 shows a DC superimposition characteristic at a driving frequency of 3 MHz, and shows a characteristic that L gradually decreases as the superimposition current I DC increases. For example, when I DC = 200 mA, L = 0.35 μH, and when superimposed current I DC = 350 mA, L = 0.22 μH.
【０００８】[0008]
【発明が解決しようとする課題】以上のことから、従来
の上下磁性膜間の絶縁膜はコイル型となっているのみ
で、磁気素子の特性には殆ど寄与しておらず、そのた
め、以下の問題が生じる。 １）高周波数帯域（１００kＨｚ〜５ＭＨｚ付近）での
周波数特性が良くない（Ｑ値が低い）。 ２）直流重畳特性が良くない。特に、大電流動作時に、
高インダクタンスを得ることができない。 したがって、この発明の課題は、高周波領域における周
波数特性，直流重畳特性の良好な平面型磁気素子を提供
することにある。From the above, the conventional insulating film between the upper and lower magnetic films is merely of the coil type and hardly contributes to the characteristics of the magnetic element. Problems arise. 1) The frequency characteristics in a high frequency band (around 100 kHz to 5 MHz) are not good (the Q value is low). 2) Poor DC superposition characteristics. Especially when operating at high current,
High inductance cannot be obtained. SUMMARY OF THE INVENTION Accordingly, an object of the present invention is to provide a planar magnetic element having good frequency characteristics and DC bias characteristics in a high frequency region.
【０００９】[0009]
【課題を解決するための手段】このような課題を解決す
るため、請求項１の発明では、スパイラル平面コイル、
絶縁体および前記スパイラル平面コイルを挟み込む上
部，下部磁性体よりなる平面型磁気素子において、前記
上部磁性体下の層間絶縁体中、下部磁性体上の層間絶縁
体中およびスパイラル平面コイルのコイル線間絶縁体中
にそれぞれ磁性粉体を分散させたことを特徴とする。In order to solve such a problem, according to the invention of claim 1, a spiral planar coil,
In a planar magnetic element comprising an insulator and upper and lower magnetic bodies sandwiching the spiral planar coil, in an interlayer insulator below the upper magnetic body, in an interlayer insulator on the lower magnetic body, and between coil wires of the spiral planar coil. A magnetic powder is dispersed in an insulator.
【００１０】また、請求項２の発明では、スパイラル平
面コイル、絶縁体および前記スパイラル平面コイルを挟
み込む上部，下部磁性体よりなる平面型磁気素子におい
て、前記スパイラル平面コイルのコイル線間絶縁体中に
のみ磁性粉体を分散させたことを特徴とする。上記請求
項１または２の発明においては、前記磁性粉体に一軸磁
気異方性を付与することができる（請求項３の発明）。According to a second aspect of the present invention, there is provided a planar magnetic element comprising a spiral planar coil, an insulator, and upper and lower magnetic members sandwiching the spiral planar coil. Only the magnetic powder is dispersed. In the first or second aspect of the present invention, the magnetic powder can be provided with uniaxial magnetic anisotropy (the third aspect of the invention).
【００１１】[0011]
【発明の実施の形態】図１はこの発明の第1の実施の形
態（以下、単に実態例１とも言う）を示す構成図で、同
図（ａ）は組立分解図、（ｂ）は断面図を示す。同図か
らも明らかなように、この例は図１３に示す従来例の、
上部磁性体下の層間絶縁体と下部磁性体上の層間絶縁体
との中にそれぞれ磁性粉体６を分散（磁性粉体６を分散
した絶縁膜８参照）させるとともに、コイル導体間の絶
縁膜に磁性粉体６を分散（磁性粉体６を分散したコイル
線間絶縁膜７参照）させた点、つまり、上下磁性膜の絶
縁膜全てに磁性粉体を分散させた構造が特徴で、その他
の基本的な構成は図１３の従来例と同じである（２．５
ｍｍ角，９ｔｕｒｎ，コイル導体厚３０μｍ）。FIG. 1 is a block diagram showing a first embodiment of the present invention (hereinafter, also simply referred to as a first embodiment). FIG. 1A is an exploded view, and FIG. The figure is shown. As is clear from the figure, this example is a conventional example shown in FIG.
The magnetic powder 6 is dispersed in the interlayer insulator under the upper magnetic body and the interlayer insulator on the lower magnetic body (refer to the insulating film 8 in which the magnetic powder 6 is dispersed), and the insulating film between the coil conductors is provided. In that the magnetic powder 6 is dispersed (see the coil-to-coil insulating film 7 in which the magnetic powder 6 is dispersed), that is, the structure is such that the magnetic powder is dispersed in all the insulating films of the upper and lower magnetic films. Is basically the same as that of the conventional example shown in FIG.
mm square, 9 turn, coil conductor thickness 30 μm).
【００１２】図２にその製造プロセスを示す。ここで
は、ポリイミド樹脂の中にスピンコート法を利用して磁
性紛体を分散させる場合について説明する。また、コイ
ル導体は従来例と同じく、感光性ポリイミドをめっき型
とした、電解めっきで形成するものとする。 Ｓｉ基板上に保護膜として、ポリイミドをスピンコー
ト法で塗布する。 下部磁性膜をスパッタ法で成膜する。 下部磁性膜とコイル導体間の層間絶縁膜として、磁性
粉体を分散させたポリイミドを塗布する。 電解めっきの核となる白金を、スパッタ法により形成
する。 磁性粉体を分散させた感光性ポリイミドを塗布し、コ
イルパターンに合わせてパターニングし、コイル導体の
めっき型を形成する。 無電解めっき，電解めっきでコイル導体を形成する。 その上に磁性粉体を分散させたポリイミドを塗布し、
上部磁性膜との層間絶縁膜を形成する。 上部磁性膜をスパッタ法で成膜する。FIG. 2 shows the manufacturing process. Here, a case where a magnetic powder is dispersed in a polyimide resin by using a spin coating method will be described. The coil conductor is formed by electrolytic plating using a photosensitive polyimide as a plating type, as in the conventional example. Polyimide is applied as a protective film on the Si substrate by spin coating. A lower magnetic film is formed by a sputtering method. A polyimide in which magnetic powder is dispersed is applied as an interlayer insulating film between the lower magnetic film and the coil conductor. Platinum serving as a core of electrolytic plating is formed by a sputtering method. A photosensitive polyimide in which magnetic powder is dispersed is applied and patterned according to the coil pattern to form a coil conductor plating mold. The coil conductor is formed by electroless plating and electrolytic plating. Apply polyimide on which magnetic powder is dispersed,
An interlayer insulating film with the upper magnetic film is formed. An upper magnetic film is formed by a sputtering method.
【００１３】以上で、上下磁性膜の絶縁膜全てに磁性粉
体を分散させた薄膜インダクタ構造が完成する。なお、
の工程が終わった後に、レジストを用いたフォトリソ
グラフィでコイルパターンを形成し、コイル導体を埋め
込んだ後にレジストを除去し、その後、磁性粉体を分散
した樹脂をスピンコート法で塗布（充填）し、上部磁性
膜成膜前までの平坦化、上部磁性膜の成膜を行なって
も、上記と同様の薄膜インダクタ構造を得ることができ
る。As described above, a thin film inductor structure in which magnetic powder is dispersed in all the insulating films of the upper and lower magnetic films is completed. In addition,
After the step is completed, a coil pattern is formed by photolithography using a resist, the resist is removed after embedding the coil conductor, and then a resin in which magnetic powder is dispersed is applied (filled) by spin coating. Even if the upper magnetic film is planarized and the upper magnetic film is formed before the upper magnetic film is formed, the same thin-film inductor structure as described above can be obtained.
【００１４】図３は、図１の薄膜インダクタ構造（２．
５ｍｍ角，９ｔｕｒｎ，上部磁性膜厚９μｍ，コイル導
体厚３０μｍ）で、３ＭＨｚ駆動時、電流０．４Ａをコ
イル導体に通電した場合の磁束密度分布説明図である。
ここで使用した磁性粉体は、電源用フェライト材料のＮ
ｉ−Ｚｎ（飽和磁化０．４Ｔ、保磁力１０Ａ／ｍ（０．
１２Ｏｅ）、電気抵抗率１０3Ωｍ）であり、高電気抵
抗率を示す。粒の大きさは、１μｍ以下の微粒子であ
る。そして、その磁性粉体を分散した線間絶縁膜または
コイル線間絶縁膜７、磁性粉体を分散した層間絶縁膜８
の複素透磁率は約５である。FIG. 3 shows the thin film inductor structure (2.
FIG. 9 is a diagram illustrating a magnetic flux density distribution when a current of 0.4 A is applied to the coil conductor when driving at 3 MHz with a 5 mm square, 9 turn, upper magnetic film thickness of 9 μm, and coil conductor thickness of 30 μm.
The magnetic powder used here is N ferrite material for power supply.
i-Zn (saturation magnetization 0.4 T, coercive force 10 A / m (0.
12 Oe) and an electric resistivity of 10 3 Ωm), indicating a high electric resistivity. The size of the particles is 1 μm or less. Then, a line insulating film or coil line insulating film 7 in which the magnetic powder is dispersed, and an interlayer insulating film 8 in which the magnetic powder is dispersed
Has a complex permeability of about 5.
【００１５】図３に示すように、従来例では図１５のよ
うにインダクタの中央部と外周部のコイル導体を中心
に、コイル導体を垂直に鎖交していた渡り磁束が、図１
の磁性粉体を分散した線間絶縁膜７の方を通りやすくな
っていることが分かる。これにより、上部磁性膜の下お
よび下部磁性膜の上にそれぞれ磁性粉体を分散した絶縁
膜を設けたにもかかわらず、うず電流の発生が抑えら
れ、（周波数の増加による）Ｒａｃの増加は、従来例と
同程度かやや低く抑えられる。そして、上下磁性膜の絶
縁膜全体に磁性粉体が導入されるため、周波数の増加に
よるＬの低下を大幅に抑えることができ、Ｑ値を向上さ
せることができる。As shown in FIG. 3, in the conventional example, as shown in FIG. 15, the crossing magnetic flux which vertically interlinks the coil conductors with respect to the coil conductors at the center and the outer periphery of the inductor as shown in FIG.
It can be seen that the film easily passes through the line insulating film 7 in which the magnetic powder is dispersed. As a result, the generation of eddy current is suppressed, and the increase in Rac (due to the increase in frequency) is suppressed despite the fact that the insulating film in which the magnetic powder is dispersed is provided below the upper magnetic film and on the lower magnetic film, respectively. However, it can be suppressed to the same or slightly lower level as in the conventional example. Then, since the magnetic powder is introduced into the entire insulating film of the upper and lower magnetic films, a decrease in L due to an increase in frequency can be significantly suppressed, and a Q value can be improved.
【００１６】図４，図５および図６は薄膜インダクタの
Ｒａｃ，ＬおよびＱについて、従来例，図１の例（実態
例１）および後述する図７の例（実態例２）の各周波数
特性を比較して示す。磁性粉体を分散したコイル線間絶
縁膜７、磁性粉体を分散した絶縁膜８の上述のような効
果により、１００kＨｚから３ＭＨｚの周波数帯域で
は、図４に示すように従来例よりもやや低いＲａｃを得
られることが分かる。なお、３ＭＨｚ以上の高周波数帯
域では、磁性体損が増加しＲａｃが増加する。Ｌに関し
ては、磁性粉体を分散した線間絶縁膜７、磁性粉体を分
散した絶縁膜８が透磁率を持つようになるため、１００
kＨｚから１０ＭＨｚの範囲で、従来例よりも大きな値
を保つことが分かる（図５参照）。従って、Ｑ値につい
ても図６に示すように、１００kＨｚから５ＭＨｚの周
波数帯域で従来例よりも高い値を示している。最大のＱ
値を持つ１ＭＨｚでは、従来例の１．３３倍の６．８を
示す。これらのことから、従来例よりも良好な周波特性
が得られていると言える。FIGS. 4, 5 and 6 show the respective frequency characteristics of Rac, L and Q of the thin-film inductor in the conventional example, the example of FIG. 1 (Example 1) and the example of FIG. 7 (Example 2) to be described later. Are shown in comparison. Due to the above-described effects of the coil line insulating film 7 in which the magnetic powder is dispersed and the insulating film 8 in which the magnetic powder is dispersed, in the frequency band from 100 kHz to 3 MHz, as shown in FIG. It can be seen that Rac can be obtained. In a high frequency band of 3 MHz or more, the magnetic material loss increases and Rac increases. As for L, the inter-line insulating film 7 in which the magnetic powder is dispersed and the insulating film 8 in which the magnetic powder is dispersed have magnetic permeability.
It can be seen that a value larger than that of the conventional example is maintained in a range from kHz to 10 MHz (see FIG. 5). Therefore, as shown in FIG. 6, the Q value also shows a higher value in the frequency band from 100 kHz to 5 MHz than in the conventional example. Maximum Q
At 1 MHz having a value, it is 6.8 which is 1.33 times that of the conventional example. From these facts, it can be said that better frequency characteristics are obtained than in the conventional example.
【００１７】図７はこの発明の第２の実施の形態（実態
例２とも言う）を示す構成図で、同図（ａ）は組立分解
図、（ｂ）は断面図を示す。同図（ａ），（ｂ）からも
明らかなように、この例は図１３に示す従来例に対し、
コイル導体間の線間の絶縁膜に磁性粉体６を分散（磁性
粉体６を分散したコイル線間絶縁膜７参照）した点が特
徴で、その他の構成は図１３の従来例と同じである
（２．５ｍｍ角，９ｔｕｒｎ，コイル導体厚３０μ
ｍ）。FIGS. 7A and 7B are configuration diagrams showing a second embodiment (also referred to as a second embodiment) of the present invention. FIG. 7A is an exploded view and FIG. 7B is a sectional view. As is clear from FIGS. 13A and 13B, this example is different from the conventional example shown in FIG.
It is characterized in that the magnetic powder 6 is dispersed in the insulating film between the wires between the coil conductors (refer to the coil-to-coil insulating film 7 in which the magnetic powder 6 is dispersed). Yes (2.5mm square, 9turn, coil conductor thickness 30μ)
m).
【００１８】図８にその製造プロセスを示す。ここで
は、図１の場合と同じく、ポリイミド樹脂の中にスピン
コート法を利用して磁性紛体を分散させる場合について
説明する。また、コイル導体も従来例と同じく、感光性
ポリイミドをめっき型とした、電解めっきで形成するも
のとする。 Ｓｉ基板上に保護膜として、ポリイミドをスピンコー
ト法で塗布する。 下部磁性膜をスパッタ法で成膜する。 下部磁性膜とコイル導体間の層間絶縁膜として、ポリ
イミドを塗布する。 電解めっきの核となる白金を、スパッタ法により形成
する。 磁性粉体を分散した感光性ポリイミドを塗布し、コイ
ルパターンに合わせてパターニングし、コイル導体のめ
っき型を形成する。 無電解めっき，電解めっきでコイル導体を形成する。 その上にポリイミドを塗布し、上部磁性膜との層間絶
縁膜を形成する。 上部磁性膜をスパッタ法で成膜する。FIG. 8 shows the manufacturing process. Here, the case where the magnetic powder is dispersed in the polyimide resin by using the spin coating method, as in the case of FIG. 1, will be described. The coil conductor is also formed by electrolytic plating using a photosensitive polyimide as a plating type, as in the conventional example. Polyimide is applied as a protective film on the Si substrate by spin coating. A lower magnetic film is formed by a sputtering method. Polyimide is applied as an interlayer insulating film between the lower magnetic film and the coil conductor. Platinum serving as a core of electrolytic plating is formed by a sputtering method. A photosensitive polyimide in which a magnetic powder is dispersed is applied and patterned according to the coil pattern to form a coil conductor plating mold. The coil conductor is formed by electroless plating and electrolytic plating. Polyimide is applied thereon to form an interlayer insulating film with the upper magnetic film. An upper magnetic film is formed by a sputtering method.
【００１９】以上で、コイル線間絶縁膜中に磁性粉体を
分散させた薄膜インダクタ構造が完成する。なお、上記
の工程が終わった後に、レジストを用いたフォトリソ
グラフィでコイルパターンを形成し、コイル導体を埋め
込んだ後にレジストを除去し、その後、磁性粉体を分散
した樹脂をスピンコート法で塗布（充填）し、コイル導
体表面まで平坦化し、上部磁性膜との層間絶縁膜の形
成、上部磁性膜の成膜を行なっても、上記と同様の薄膜
インダクタ構造を得ることができる。Thus, a thin-film inductor structure in which magnetic powder is dispersed in the inter-coil wire insulating film is completed. After the above steps are completed, a coil pattern is formed by photolithography using a resist, the resist is removed after embedding the coil conductor, and then a resin in which magnetic powder is dispersed is applied by a spin coating method ( Filling, flattening to the surface of the coil conductor, forming an interlayer insulating film with the upper magnetic film, and forming the upper magnetic film, a thin film inductor structure similar to the above can be obtained.
【００２０】図９は、図７の薄膜インダクタ構造（２．
５ｍｍ角，９ｔｕｒｎ，上部磁性膜厚９μｍ，コイル導
体厚３０μｍ）で、３ＭＨｚ駆動時、電流０．４Ａをコ
イル導体に通電した場合の磁束密度分布説明図である。
ここで使用した磁性粉体は、実態例１で使用したものと
同じである。従来例では図１５のようにインダクタの中
央部と外周部のコイル導体を中心に、コイル導体を垂直
に鎖交していた渡り磁束が、図７の磁性粉体を分散した
コイル線間絶縁膜７の方を通りやすくなっていることが
分かる。これにより、うず電流の発生が抑えられ、Ｒａ
ｃの増加を抑えることができ、Ｑ値を向上させることが
できる。FIG. 9 shows the thin film inductor structure (2.
FIG. 9 is a diagram illustrating a magnetic flux density distribution when a current of 0.4 A is applied to the coil conductor when driving at 3 MHz with a 5 mm square, 9 turn, upper magnetic film thickness of 9 μm, and coil conductor thickness of 30 μm.
The magnetic powder used here is the same as that used in the first embodiment. In the conventional example, as shown in FIG. 15, the crossover magnetic flux that vertically interlinks the coil conductors around the coil conductors at the center and the outer periphery of the inductor becomes an inter-coil insulating film in which the magnetic powder of FIG. 7 is dispersed. It turns out that it is easy to pass through 7. As a result, generation of eddy current is suppressed, and Ra
An increase in c can be suppressed, and the Q value can be improved.
【００２１】再び先の図４〜図６を参照すると、図７の
薄膜インダクタ構造では上述のような磁性粉体を分散し
た線間絶縁膜７の効果により、１００kＨｚから５ＭＨ
ｚの周波数帯域では、従来例よりも実態例２の場合の方
が低い交流抵抗Ｒａｃを得ることができる（図４参
照）。ただし、５ＭＨｚ以上の高周波数帯域では、磁性
体鉄損が増加し、Ｒａｃが増加する。また、Ｌに関して
は、磁性粉体を分散したコイル線間絶縁膜７が透磁率を
持つようになるため、１００kＨｚから１０ＭＨｚの範
囲で、従来例よりも大きな値を保つことが分かる（図５
参照）。Referring again to FIGS. 4 to 6, in the thin-film inductor structure of FIG. 7, due to the effect of the line insulating film 7 in which the magnetic powder is dispersed as described above, 100 kHz to 5 MHz.
In the frequency band z, a lower AC resistance Rac can be obtained in the second embodiment than in the conventional example (see FIG. 4). However, in a high frequency band of 5 MHz or more, magnetic iron loss increases and Rac increases. Further, as for L, since the coil-to-coil insulating film 7 in which the magnetic powder is dispersed has magnetic permeability, it can be seen that the value of L is larger than that of the conventional example in the range of 100 kHz to 10 MHz (FIG. 5).
reference).
【００２２】従って、Ｑ値についても、１００kＨｚか
ら５ＭＨｚの周波数帯域で従来例よりも高い値を示す。
最大のＱ値を持つ１ＭＨｚでは、従来例の１．２５倍の
６．４を示し、従来例よりも良好な周波特性が得られて
いると言える。以上のことから、周波数の増加に対する
Ｌの増加に関しては、透磁率の増加の作用が大きい実態
例１の方が、Ｒａｃの低減に関しては渡り磁束の低減の
作用が大きい実態例２の方が効果的であり、また、Ｑ値
に関しては、１００kＨｚ〜１ＭＨｚの領域では実態例
１が、３ＭＨｚ〜５ＭＨｚの領域では実態例２の方が効
果的であるといえる。Accordingly, the Q value also shows a higher value in the frequency band from 100 kHz to 5 MHz than in the conventional example.
At 1 MHz having the maximum Q value, the value is 6.4, which is 1.25 times that of the conventional example. From the above, with respect to the increase of L with respect to the increase of the frequency, the actual example 1 in which the effect of the increase in the magnetic permeability is large, and the actual example 2 in which the effect of the reduction of the cross magnetic flux is large is effective in reducing the Rac. Regarding the Q value, it can be said that the first example is more effective in the region of 100 kHz to 1 MHz, and the second example is more effective in the region of 3 MHz to 5 MHz.
【００２３】図１０はこの発明の第３の１の実施の形態
（実態例３−１とも言う）を示す断面図で、実態例１で
説明した磁性紛体に一軸磁気異方性（単に、一軸異方性
とも言う）を付与するようにした点が特徴である。すな
わち、図１０に示すように、一軸異方性を付与した磁性
紛体１１を分散させたコイル線間絶縁膜１２、および一
軸異方性を付与した磁性紛体１１を分散させた絶縁膜１
３から構成される。FIG. 10 is a sectional view showing a third embodiment (also referred to as an embodiment 3-1) of the present invention. The magnetic powder described in the embodiment 1 has uniaxial magnetic anisotropy (simply uniaxial magnetic anisotropy). (Also referred to as anisotropic). That is, as shown in FIG. 10, the inter-coil wire insulating film 12 in which the magnetic powder 11 provided with uniaxial anisotropy is dispersed, and the insulating film 1 in which the magnetic powder 11 provided with uniaxial anisotropy is dispersed.
3
【００２４】ここで、薄膜インダクタを製作した後に一
軸異方性を付与する例について、以下に説明する。薄膜
インダクタの構造を得るまでのプロセスは、実態例１で
説明した通りである。その後、一軸異方性を付与するた
めに静止磁界熱処理（４００℃，４８ｋＡ／ｍ（＝６０
０〔Ｏｅ〕）以上の磁界で、平面コイルが発生する磁界
の方向と直交する方向に１〜２ｈｒ（時間）の範囲で一
軸異方性を付与する。この例では正方形スパイラル構造
なので、辺方向に異方性を付与する。）を行なう。な
お、一軸異方性を付与する前に、ウエハー内の磁気特性
を等方的にするために回転磁界熱処理（４８ｋＡ／ｍ以
上の回転磁界中で、３５０〜４００℃の温度で１〜２ｈ
ｒの熱処理）を行なっても良い。これにより、上下磁性
体に一軸異方性が生じると同時に、磁性紛体にも一軸異
方性が付与される。Here, an example of imparting uniaxial anisotropy after manufacturing a thin film inductor will be described below. The process up to obtaining the structure of the thin-film inductor is as described in the first embodiment. Thereafter, a static magnetic field heat treatment (400 ° C., 48 kA / m (= 60
A uniaxial anisotropy is given in the direction orthogonal to the direction of the magnetic field generated by the planar coil within a range of 1 to 2 hr (time) with a magnetic field of 0 [Oe] or more. Since this example has a square spiral structure, anisotropy is given in the side direction. ). Before imparting the uniaxial anisotropy, a rotating magnetic field heat treatment (at a temperature of 350 to 400 ° C. in a rotating magnetic field of 48 kA / m or more, at a temperature of 350 to 400 ° C. for 1 to 2 hours) to make the magnetic properties in the wafer isotropic.
r heat treatment). Thereby, a uniaxial anisotropy is generated in the upper and lower magnetic bodies, and a uniaxial anisotropy is also given to the magnetic powder.
【００２５】図１１はこの発明の第３の２の実施の形態
（実態例３−２とも言う）を示す断面図で、実態例２で
説明した磁性紛体に一軸異方性を付与するようにした点
が特徴である。すなわち、図１１に示すように、一軸異
方性を付与した磁性紛体１１を分散させたコイル線間絶
縁膜１２を備えている。ここで、薄膜インダクタの構造
を得るまでのプロセスは実態例２で説明した通りであ
り、また、異方性の付与方法は実態例３−１と同じであ
る。FIG. 11 is a sectional view showing a third embodiment (also referred to as an embodiment 3-2) of the present invention, in which the magnetic powder described in the embodiment 2 has uniaxial anisotropy. This is the characteristic. That is, as shown in FIG. 11, a coil-to-coil insulating film 12 in which a magnetic powder 11 having uniaxial anisotropy is dispersed is provided. Here, the process up to obtaining the structure of the thin film inductor is as described in the embodiment 2, and the method of imparting anisotropy is the same as that in the embodiment 3-1.
【００２６】図１２は薄膜インダクタ（２．５ｍｍ角，
９ｔｕｒｎ，磁性膜厚６μｍ，コイル導体厚３０μｍ）
の３ＭＨｚにおける直流重畳特性について、従来例，実
態例３−１および実態例３−２の各場合を対比させてそ
れぞれ示す。同図から、磁性紛体を絶縁膜に分散させ一
軸異方性を付与することにより、磁気飽和しづらくな
り、高電流領域でのＬの値を向上させることができる。
つまり、従来例のものより重畳電流の増加によるＬの低
下を抑えることができる。例えば、５Ｖ入力／３Ｖ出力
の１Ｗクラスの降圧型ＤＣ／ＤＣコンバータへの適用を
考えた場合、重畳電流は３５０ｍＡ（＝１Ｗ／３Ｖ）程
度となるが、そのときのＬは、実態例３−１で従来例の
１．７倍（Ｌ＝０．３８μＨ）、実態例３−２で従来例
の１．３倍（Ｌ＝０．２９μＨ）を得ることができる。FIG. 12 shows a thin film inductor (2.5 mm square,
9turn, magnetic film thickness 6μm, coil conductor thickness 30μm)
The DC superimposition characteristics at 3 MHz are shown in comparison with the conventional example, actual example 3-1 and actual example 3-2. As shown in the figure, by dispersing the magnetic powder in the insulating film and imparting uniaxial anisotropy, magnetic saturation becomes difficult, and the value of L in a high current region can be improved.
That is, a decrease in L due to an increase in the superimposed current can be suppressed as compared with the conventional example. For example, when application to a 1 W class step-down DC / DC converter of 5 V input / 3 V output is considered, the superimposed current is about 350 mA (= 1 W / 3 V). 1, 1.7 times (L = 0.38 μH) of the conventional example and 1.3 times (L = 0.29 μH) of the conventional example can be obtained in the actual example 3-2.
【００２７】図１０および図１１では、薄膜インダクタ
の構造完成後、磁界熱処理を用いて一軸異方性を付与す
るようにしたが、薄膜インダクタの製作時に磁場印加等
の方法を用いて一軸異方性を付与するようにしても良
い。また、以上では、磁性粉体としてＮｉ−Ｚｎを使用
したが、他の酸化物系のフェライト等を用いても良い。
さらに、この発明はインダクタだけでなく、トランスに
ついても同様にして適用することができる。In FIGS. 10 and 11, after the structure of the thin-film inductor is completed, uniaxial anisotropy is imparted by using a magnetic field heat treatment. You may make it give property. In the above description, Ni-Zn is used as the magnetic powder, but other oxide-based ferrite or the like may be used.
Further, the present invention can be applied not only to inductors but also to transformers.
【００２８】[0028]
【発明の効果】この発明によれば、絶縁膜の中に磁性粉
体を分散させることにより、高周波領域における周波数
特性，直流重畳特性の良好な平面型磁気素子を得ること
が可能となる。According to the present invention, by dispersing the magnetic powder in the insulating film, it is possible to obtain a planar magnetic element having good frequency characteristics in a high frequency region and excellent DC superimposition characteristics.
【図１】この発明の第1の実施の形態を示す構成図であ
る。FIG. 1 is a configuration diagram showing a first embodiment of the present invention.
【図２】図１に示す平面インダクタの製造工程例説明図
である。FIG. 2 is an explanatory diagram of an example of a manufacturing process of the planar inductor shown in FIG.
【図３】図１に示す平面インダクタの磁束密度分布説明
図である。FIG. 3 is an explanatory diagram of a magnetic flux density distribution of the planar inductor shown in FIG. 1;
【図４】平面インダクタの交流抵抗Ｒａｃの周波数特性
の対比説明図である。FIG. 4 is a graph for explaining frequency characteristics of an AC resistor Rac of a planar inductor;
【図５】平面インダクタのインダクタンスＬの周波数特
性の対比説明図である。FIG. 5 is a diagram illustrating a comparison of frequency characteristics of an inductance L of a planar inductor.
【図６】平面インダクタの性能係数Ｑの周波数特性の対
比説明図である。FIG. 6 is an explanatory diagram for comparing frequency characteristics of a performance coefficient Q of a planar inductor.
【図７】この発明の第２の実施の形態を示す構成図であ
る。FIG. 7 is a configuration diagram showing a second embodiment of the present invention.
【図８】図７に示す平面インダクタの製造工程例説明図
である。FIG. 8 is an explanatory diagram of an example of a manufacturing process of the planar inductor shown in FIG. 7;
【図９】図７に示す平面インダクタの磁束密度分布説明
図である。9 is an explanatory diagram of a magnetic flux density distribution of the planar inductor shown in FIG. 7;
【図１０】図１の第１の変形例を示す断面図である。FIG. 10 is a sectional view showing a first modification of FIG. 1;
【図１１】図１の第２の変形例を示す断面図である。FIG. 11 is a sectional view showing a second modification of FIG. 1;
【図１２】平面インダクタの直流重畳特性の対比説明図
である。FIG. 12 is a diagram illustrating a comparison of DC superimposition characteristics of a planar inductor.
【図１３】平面インダクタの従来例を示す構成図であ
る。FIG. 13 is a configuration diagram showing a conventional example of a planar inductor.
【図１４】図１３に示す平面インダクタの製造工程例説
明図である。14 is an explanatory diagram of an example of a manufacturing process of the planar inductor shown in FIG.
【図１５】図１３に示す平面インダクタの磁束密度分布
説明図である。15 is an explanatory diagram of a magnetic flux density distribution of the planar inductor shown in FIG.
【図１６】図１３に示す平面インダクタの周波数特性説
明図である。FIG. 16 is an explanatory diagram of frequency characteristics of the planar inductor shown in FIG.
【図１７】図１３に示す平面インダクタの直流重畳特性
説明図である。17 is an explanatory diagram of a DC superposition characteristic of the planar inductor shown in FIG.
１…上部磁性膜、２…絶縁膜、３…平面コイル導体部、
４…下部磁性膜、５…線間絶縁膜（コイル線間絶縁
膜）、６…磁性粉体、７…磁性粉体を分散した（コイ
ル）線間絶縁膜、８…磁性粉体を分散した絶縁膜、１１
…一軸異方性を持つ磁性粉体、１２…一軸異方性を持つ
磁性粉体を分散させた（コイル）線間絶縁膜、１３…一
軸異方性を持つ磁性粉体を分散させた絶縁膜。DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Upper magnetic film, 2 ... Insulating film, 3 ... Planar coil conductor part,
4 ... Lower magnetic film, 5 ... Line insulation film (coil line insulation film), 6 ... Magnetic powder, 7 ... Magnetic powder dispersed (coil) interline insulation film, 8 ... Magnetic powder dispersed Insulating film, 11
... magnetic powder having uniaxial anisotropy, 12 ... inter-coil insulating film in which magnetic powder having uniaxial anisotropy is dispersed, 13 ... insulating in which magnetic powder having uniaxial anisotropy is dispersed film.
Claims (3)
記スパイラル平面コイルを挟み込む上部，下部磁性体よ
りなる平面型磁気素子において、 前記上部磁性体下の層間絶縁体中、下部磁性体上の層間
絶縁体中およびスパイラル平面コイルのコイル線間絶縁
体中にそれぞれ磁性粉体を分散させたことを特徴とする
平面型磁気素子。1. A planar magnetic element comprising a spiral planar coil, an insulator, and upper and lower magnetic bodies sandwiching the spiral planar coil, wherein: an interlayer insulator under the upper magnetic body, and an interlayer insulator on the lower magnetic body. A flat-type magnetic element, wherein magnetic powder is dispersed in an insulator between coil wires of a medium and a spiral planar coil.
記スパイラル平面コイルを挟み込む上部，下部磁性体よ
りなる平面型磁気素子において、 前記スパイラル平面コイルのコイル線間絶縁体中にのみ
磁性粉体を分散させたことを特徴とする平面型磁気素
子。2. A planar magnetic element comprising a spiral planar coil, an insulator, and upper and lower magnetic members sandwiching the spiral planar coil, wherein a magnetic powder is dispersed only in an insulator between coil wires of the spiral planar coil. A planar magnetic element.
たことを特徴とする請求項１または２のいずれかに記載
の平面型磁気素子。3. The planar magnetic element according to claim 1, wherein the magnetic powder is provided with uniaxial magnetic anisotropy.
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