JP2002158112A

JP2002158112A - 微小インダクタや微小変圧器といったタイプの微小素子

Info

Publication number: JP2002158112A
Application number: JP2001276880A
Authority: JP
Inventors: Jean-Marc Fedeli; ジャン−マルク・フェデリ
Original assignee: Memscap SA
Current assignee: Memscap SA
Priority date: 2000-09-12
Filing date: 2001-09-12
Publication date: 2002-05-31
Also published as: US20020047769A1; EP1187149A1; FR2813987B1; CA2357196A1; US6542060B2; FR2813987A1

Abstract

(57)【要約】【課題】最大動作周波数を増大させ得るような微小素
子の提供。【解決手段】微小インダクタ（１）等の微小素子であ
って、ソレノイドの形態とされた金属巻線（２）と、強
磁性材料から形成されたストリップ（１２）を有してな
る磁気コア（４）と、を具備してなり、磁気コア（４）
が、強磁性材料製の付加的なストリップ（１３）を備
え、ストリップ（１３）が、非磁性材料製スペーサ材料
（１４）によって他のストリップから隔離され、スペー
サ材料の厚さが、両ストリップ（１２，１３）が互いに
反強磁性的結合をなすような厚さとされている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、マイクロエレクト
ロニクスの技術分野に関するものであり、より詳細に
は、特にラジオ周波数応用において使用することを意図
したような、微小素子の製造という技術分野に関するも
のである。より詳細には、本発明は、特に高周波数にお
ける動作を可能とする磁気コアを備えてなる微小インダ
クタや微小変圧器といったような微小素子に関するもの
である。

【０００２】

【従来の技術および発明が解決しようとする課題】公知
なように、特に移動式電話技術といったようなラジオ周
波数応用において使用される電子回路は、キャパシタや
インダクタを有してなる発振回路を備えている。

【０００３】小型化というトレンドのために、微小イン
ダクタ等の微小素子の占有容積をしだいに小さくしつつ
も、インダクタンス値を十分に大きい値に維持して品質
係数を十分に大きいものに維持することが必須である。

【０００４】さらに、全体的傾向は、動作周波数を大き
くすることに向かっている。この場合、ＧＳＭ標準にお
いて使用されている９００〜１８００ＭＨｚという周波
数帯と比較して、移動式電話技術における新たなＵＭＴ
Ｓ標準において使用されている周波数が、２．４ＧＨｚ
帯であることに、言及することができる。

【０００５】動作周波数の増大は、微小インダクタの磁
気コアの振舞いに関連した問題点をもたらす。

【０００６】これは、良好な品質係数を得るためには、
一般に、微小インダクタのインダクタンスの増大が要求
されるからである。この目的のために、磁性材料が選択
され、磁性材料の形状および寸法は、できる限り最大の
透磁率が得られるものとされる。

【０００７】しかしながら、回転磁気という現象の点か
ら、透磁率が周波数に応じて変化すること、より詳細に
は、共鳴周波数が存在し、この共鳴周波数を超えたとこ
ろでインダクタが容量性の振舞いを示すことが、公知で
ある。換言すれば、微小インダクタは、絶対的に、共鳴
周波数以下の周波数で使用されなければならない。

【０００８】しかしながら、使用周波数を増大させる
と、回転磁気共鳴という現象に出くわすこととなり、よ
って、与えられた形状においては、インダクタを最適に
使用可能な周波数範囲が制限されることとなる。

【０００９】本発明が解決しようとする課題は、回転磁
気現象の存在により本来的なものであるような使用周波
数の制限という問題点である。

【００１０】

【課題を解決するための手段】したがって、本発明は、
微小インダクタや微小変圧器といったような誘導性の微
小素子であって、ソレノイドの形態とされた金属巻線
と、ソレノイドの中心に配置されるとともに強磁性材料
から形成されたストリップを有してなる磁気コアと、を
具備してなる微小素子に関するものである。

【００１１】本発明による微小素子は、磁気コアが、強
磁性材料製の少なくとも１つの付加的なストリップを備
え、このようなストリップが、非磁性材料製スペーサ材
料によって他のストリップから隔離され、さらに、スペ
ーサ材料の厚さが、このスペーサ材料の両側に位置した
両ストリップが互いに反強磁性的結合をなすような厚さ
とされていることを特徴としている。

【００１２】換言すれば、磁気コアをなす２つの強磁性
ストリップは、スペーサを介して、一方においてはこれ
らストリップの各々の磁化が同じ向きを向くようにして
機能するとともに、他方においては逆向きを向くように
して機能する。したがって、この反強磁性結合は、外部
磁界が印加されたときの磁化の回転に対抗する。この磁
気回転抵抗により、単独で見たときの強磁性材料の本来
的透磁率が減少する。これは、一方のストリップの磁気
ドメインの磁化が外部磁界を受けたときに、他方のスト
リップの対向ドメインの磁化が相互作用し、そのため、
初期磁化の回転を制限するからである。

【００１３】各ストリップの透磁率の減少は、微小素子
のインダクタンスの減少につながる。この欠点は、微小
素子が誘導的振舞いを維持し得る最大周波数に対応した
回転磁気効果に関しての共鳴周波数を増大させることに
よって、補償されることに注意されたい。

【００１４】公知なように、透磁率は、実数部分が実効
透磁率を表しかつ虚数部分が損失を表すような複素数で
ある。よって、これら等式を解くことにより、周波数と
Ｎと材質の固有特性との関数として、実部（μ’）と虚
部（μ”）とを得ることができる。回転磁気共鳴周波数
は、以下の式によって得られる。

【数１】ここで、Ｎは、磁化打ち消し磁界係数であり、γは、回
転磁気定数であり、Ｈ_kは、異方性磁界の値であり、Ｍ_s
は、飽和時における磁気モーメントの値である。

【００１５】したがって、磁気ドメインを磁化容易軸に
沿って配向させる異方性磁界の値と共に、共鳴周波数が
増大することがわかった。

【００１６】よって、第２ストリップの存在は、様々な
磁化の回転を困難とすることを特徴とする異方性磁界の
値の増大に適合している。したがって、異方性磁界の増
加は、上記公式を使用して、共鳴周波数の増加をもたら
す。したがって、本発明による微小インダクタや微小変
圧器を、現存の素子よりも、高周波数で使用することが
できる。

【００１７】実用的には、磁気コアは、複数の非磁性材
料製スペーサ材料によって互いに隔離された複数の強磁
性ストリップからなる積層とすることができ、各スペー
サ材料の両側に位置した両ストリップは、互いに反強磁
性的に結合する。

【００１８】これは、反強磁性結合現象を得るために、
スペーサ層をナノメータの程度といったように薄くしな
ければならないからである。そのため、十分に大きなイ
ンダクタンスを得るためには、約１０層以上の強磁性層
を積層する必要がある。

【００１９】実用的には、各ストリップは、好ましく
は、ソレノイド軸に対しての直交方向に、磁化容易軸を
有している。このような向きは、強磁性材料を成膜する
際に、ソレノイドの軸に対して垂直に磁界を印加するこ
とにより得ることができる。

【００２０】実用的には、スペーサ層は、導電体とする
ことができる、あるいは、絶縁体とさえすることもでき
る。好ましくは導電体として、銅、金、銀、クロム、お
よび、これら金属をベースとした合金が、特に選択され
る。スペーサ材料を形成することを意図した絶縁体とし
ては、シリカや、アルミニウムシリコンナイトライド
を、例えば使用することができる。使用される強磁性材
料は、特に、コバルト、鉄、ニッケル−鉄、コバルト−
鉄、とされる。

【００２１】

【発明の実施の形態】本発明の具現態様およびそれに基
づく利点は、添付図面を参照しつつ以下の実施形態につ
いての説明を読むことにより、明瞭となるであろう。

【００２２】上述したように、本発明は、微小インダク
タや微小変圧器といったような微小素子に関するもので
あり、微小素子の磁気コアが、反磁性スペーサ層によっ
て互いに隔離された複数の強磁性ストリップを備えてお
り、反磁性スペーサ層の厚さが互いに隣接している強磁
性ストリップどうしが反強磁性的に磁気結合するように
決定されている。

【００２３】図１および図２に示すように、本発明によ
る微小インダクタ（１）は、磁気コア回りに巻回された
複数ターンの金属巻線（２）を備えている。より詳細に
は、ソレノイドをなす各ターン（３）は、基体（６）の
表面内に埋設された下部（５）と、互いに隣接している
下部（５，５’）の端部（８，９）を連結している複数
のアーチ（７）と、を有している。

【００２４】この場合、このようなインダクタを得るた
めに、複数の平行チャネル（１０）が、絶縁性基体の上
面上に、あるいは、導電性または半導電性基体（６）上
の絶縁性層の上面上に、エッチングされている。各ター
ンの下部（５）は、銅を電解成長させその後最適な表面
状態が得られるように基体（６）の表面を平坦化させる
ことにより、得られている。次に、シリカ層（１１）
が、基体（６）の上面上に成膜される。これにより、各
ターンの下部（５）が、磁気コアのために使用されてい
る材料から絶縁される。

【００２５】その後、磁気コア（４）が形成される。上
述したように、磁気コア（４）は、図面に制限されるこ
となく多数の積層された強磁性ストリップを備えること
ができる。図面においては、図示の簡略化のために強磁
性ストリップの数が少なく図示されている。この場合に
は、図３のコア（４）は、２つの強磁性ストリップ（１
２，１３）と、これら両ストリップ間に介装されたスペ
ーサ層（１４）と、を有している。

【００２６】より詳細には、強磁性層（１２）を形成す
るために、スパッタリング法を採用することができ、強
磁性層の厚さを制御することができる。

【００２７】各強磁性ストリップ層の厚さは、１〜１０
ｎｍに選択される。強磁性ストリップの数は、十分に大
きなインダクタンスが得られるように、選択される。

【００２８】上述したように、強磁性ストリップ（１
２）の異方性を確保するためには、成膜は、基体がなす
面に対して平行な向きにかつソレノイドの軸に対して垂
直な向きに磁界を印加しつつ、スパッタリングによって
行われる。

【００２９】次に、非磁性スペーサ層（１４）が、成膜
される。この層は、金属性とも絶縁性とさえもすること
ができる。この成膜は、例えば銅や銀や金やクロムとい
ったような導電性金属のスパッタリングによって行われ
る。

【００３０】次に、スペーサ層上に第２強磁性ストリッ
プ（１３）が成膜される。図２には図示していないけれ
ども、磁気コア（４）を形成するために必要な数だけス
ペーサ層の成膜とさらなる強磁性ストリップの成膜とを
繰り返すことができる。

【００３１】磁気コアアセンブリ（４）を形成した後
に、磁気コア（４）と各ターン（２）の上部（７）とを
電気的に絶縁するためのシリカ層（２２）が、成膜され
る。その後、銅の電解成膜が行われ、これにより、互い
に隣接する下部（５，５’）の反対側端部どうしを連結
するアーチ（７）が形成される。このようにして、図１
に示すような微小素子が形成される。

【００３２】その後、接続パッドを形成するというステ
ップと、保護層を形成するというステップとを、行うこ
とができる。

【００３３】強磁性ストリップ（１２，１３）をなす材
質の選択、スペーサ層（１４）をなす材質の選択、およ
び、スペーサ層の厚さの選択は、互いに隣接する強磁性
ストリップどうしの間において反強磁性的結合現象が得
られるように決定される。

【００３４】図６は、スペーサ層（１４）の厚さ（ｅ）
の関数として、強磁性ストリップどうしの間の磁気結合
の変化を示す典型的な曲線（３０）である。磁気結合の
変化を示すために、巨大磁気抵抗の変化に関する実験が
参照される。これは、非磁性スペーサ層によって互いに
隔離された複数の強磁性層からなるアセンブリにおいて
は、磁界印加時に抵抗の大幅な現象が観測されること
が、公知であるからである。このような構造に対して磁
界が印加されたときには、強磁性層の磁化が、印加磁界
の向きに次第に回転し、飽和磁界を超える磁界が印加さ
れたときには、すべての磁化が印加磁界の向きに平行と
なる。複数の強磁性層内における磁化の向きのこのよう
な相対変化は、アセンブリの電気抵抗の急激な減少をも
たらす。電気抵抗は、磁化方向が非平行である場合より
も、磁化方向が平行である場合の方が、小さい。磁気抵
抗の大きさは、印加磁界がゼロの場合と印加磁界が飽和
値の場合との間の抵抗の変化に対応する。

【００３５】図６は、スペーサ層の厚さ（ｅ）の関数と
して、磁気抵抗の大きさの変化を示している。磁気抵抗
の大きさの変化に注目すると、強磁性層どうしが反強磁
性的に結合している構成に対応したところで極大点（３
１，３２，３３）が得られており、一方、極小点（３
４，３５）は、強磁性的な結合という状況に対応してい
る。

【００３６】換言すれば、本発明による磁気コアにおい
ては、スペーサ層の厚さは、図６の曲線上におけるピー
ク（３１，３２，３３）に対応するように選択される。
すなわち、反強磁性的構成が得られるように選択され
る。

【００３７】強磁性層がコバルトでありスペーサ層が銅
である場合に対応した図６の場合のように、複数の磁気
抵抗ピーク（３１，３２）がある場合には、スペーサ層
の厚さは、用途に応じて選択されることとなる。これ
は、より薄い厚さ（ｅ₃₁）においては反強磁性結合がよ
り大きいために、第２ピーク（３２）よりも第１ピーク
（３１）において、より小さなコア透磁率が観測される
からであり、一方、回転磁気効果のために、より大きな
共振周波数が観測されるからである。したがって、厚さ
（ｅ₃₁，ｅ₃₂）の選択は、所望の微小インダクタや微小
変圧器のタイプに応じてなされることとなる。

【００３８】互いに隣接する２つの強磁性ストリップの
間に存在する反強磁性結合が、図４および図５に示され
ている。上側のストリップにおいては、図４に示すよう
に、磁気ドメイン（４０，４１，４２）は、適切な形状
を有している。実線の矢印（４３）で示された磁化が、
ストリップの長手方向に対応したソレノイド軸（２０）
に対して直交していることがわかる。反強磁性結合は、
下側ストリップの磁気ドメインの磁化が逆平行であるこ
とによって、物理的に具現されている。この磁化は、上
側ストリップの磁化（４３）の逆向きとして、破線矢印
（４４）によって図示されている。

【００３９】外部磁界(Ｈ_ext）がソレノイド軸に対して
平行に印加されたときには、磁化（４３，４４）は、図
５に示すように、この外部磁界(Ｈ_ext）の向きを向こう
とする。

【００４０】磁気ドメインは、２つのストリップに関し
て同時に変形する。他方のストリップに対しての（反強
磁性結合に対応した）一方のストリップの磁化の効果
が、図７において実線で示す曲線によって示されるよう
な外部磁界(Ｈ_ext）に対しての磁界（Ｍ）の全体的応答
を示す。この曲線は、透磁率（μ）として表される傾斜
を有している。この傾斜は、かなり小さな励起磁界であ
っても飽和してしまうような強磁性材料の場合の破線
（５１）よりも、緩やかである。

【００４１】本発明について微小インダクタを例に挙げ
て詳細に説明したけれども、共通コア回りに複数の巻線
が巻回されてなる微小変圧器も、本発明の範囲内である
ことは、言うまでもない。

【００４２】以上により、本発明による微小素子が、多
くの利点を有していることは、明らかであろう。特に、
本発明による微小素子は、同じサイズのまた同じ材質の
微小素子と比較して、最大動作周波数を増大させること
ができ、さらに、透磁率を劇的に変更することができて
このためインダクタンスを劇的に変更することができ
る。

【００４３】このような微小素子は、特に移動式ラジオ
波遠隔通信といったような、ラジオ周波数応用に特に好
適に応用することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に基づいて形成された微小インダクタ
を示す概略的な平面図である。

【図２】図１におけるII−II’面に沿った長さ方向断
面図である。

【図３】図１におけるIII−III’面に沿った横断面図
である。

【図４】磁気ドメインの磁化の向きを説明するための
説明図である。

【図５】磁気ドメインの磁化の向きを説明するための
説明図である。

【図６】スペーサ層の厚さの関数として磁気結合の変
化を示すグラフである。

【図７】反強磁性材料と強磁性材料とについて、外部
磁界に対しての磁化の変化を示すグラフである。

【符号の説明】

１微小インダクタ（微小素子）２ソレノイド４磁気１２強磁性ストリップ１３強磁性ストリップ１４非磁性材料製スペーサ材料２０軸

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】微小インダクタや微小変圧器といったよ
うな微小素子（１）であって、ソレノイドの形態とされた金属巻線（２）と、前記ソレノイド（２）の中心に配置されるとともに強磁
性材料から形成されたストリップ（１２）を有してなる
磁気コア（４）と、を具備してなり、前記磁気コア（４）が、強磁性材料製の少なくとも１つ
の付加的なストリップ（１３）を備え、該ストリップ（１３）が、非磁性材料製スペーサ材料
（１４）によって他のストリップから隔離され、前記スペーサ材料の厚さが、該スペーサ材料（１４）の
両側に位置した両ストリップ（１２，１３）が互いに反
強磁性的結合をなすような厚さとされていることを特徴
とする微小素子。
【請求項２】請求項１記載の微小素子において、前記磁気コア（４）が、複数の非磁性材料製スペーサ材
料（１４）によって互いに隔離された複数の強磁性スト
リップ（１２，１３）を備え、各スペーサ材料（１４）の両側に位置した両ストリップ
（１２，１３）が、互いに反強磁性的に結合しているこ
とを特徴とする微小素子。
【請求項３】請求項１記載の微小素子において、各ストリップ（１２，１３）が、前記ソレノイドの軸
（２０）に対しての直交方向に、磁化容易軸を有してい
ることを特徴とする微小素子。
【請求項４】請求項１記載の微小素子において、前記少なくとも１つのスペーサ層（１４）が、導電性材
料から形成されていることを特徴とする微小素子。
【請求項５】請求項４記載の微小素子において、前記スペーサ層（１４）をなす材料が、銅、金、銀、ク
ロム、および、これら金属をベースとした合金からなる
グループの中から選択されたものであることを特徴とす
る微小素子。
【請求項６】請求項１記載の微小素子において、前記少なくとも１つのスペーサ層（１４）が、絶縁性材
料から形成されていることを特徴とする微小素子。