JP4706927B2

JP4706927B2 - 薄膜デバイス

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Publication number: JP4706927B2
Application number: JP2006098576A
Authority: JP
Inventors: 俊康藤原; 京九崔
Original assignee: TDK Corp
Current assignee: TDK Corp
Priority date: 2006-03-31
Filing date: 2006-03-31
Publication date: 2011-06-22
Anticipated expiration: 2026-03-31
Also published as: CN101071677A; JP2007273804A; US20070230049A1; CN101071677B

Description

本発明は、磁性膜に巻き付けられた薄膜コイルを備えた薄膜デバイスに関する。

近年、各種用途の電子機器分野において、薄膜コイルを備えた薄膜デバイスが広く利用されている。この薄膜デバイスの一例としては、インダクタンスを有する回路素子である薄膜インダクタが挙げられる。

薄膜デバイスに搭載される薄膜コイルの形状としては、小型化（デバイス面積の縮小化）および低背化（デバイス厚さの薄型化）の要求に応じてスパイラル型が採用されているが、小型化および低背化だけでなく性能向上も併せて要求される用途ではソレノイド型が採用されている（例えば、特許文献１参照。）。このソレノイド型の薄膜コイルを備えた薄膜デバイスでは、薄膜磁性体（磁心）の周りに励磁導体がソレノイド状に配設されており、スパイラル型の薄膜コイルを備える場合よりもインダクタンスを高くすることが可能である。
特開平０５−０２９１４６号公報

このソレノイド型の薄膜コイルとしては、複数のパーツに分割された構造を有するものが知られている（例えば、特許文献２参照。）。この薄膜コイルは、磁性絶縁基板の一面および他面にそれぞれ形成された第１および第２コイル導体と、その磁性絶縁基板を貫通する貫通孔に形成された接続導体とを接続してなるものである。第１および第２コイル導体の厚さは、直流抵抗を均一化するために互いに等しくなっている。
特開２００４−２９６８１６号公報

ソレノイド型の薄膜コイルを備えた従来の薄膜デバイスでは、小型化および低背化の観点において要求を満たしている一方で、高周波用途においては未だ性能向上に関する要求を十分に満たしているとは言えない。この高周波用途の薄膜デバイスの性能向上を実現するためには、コイルの重要な特性であるＱ値を向上させなければならない。このＱ値とは、共振回路などに搭載されるコイルの性能を定量的に表す指標であり、一般に、Ｑ＝ωＬ／Ｒ（ω、ＬおよびＲは、それぞれ測定周波数における角速度、インダクタンスおよび抵抗）という定義式で表される。

本発明はかかる問題点に鑑みてなされたもので、その目的は、磁性膜に巻き付けられた薄膜コイルを備える場合においてＱ値を向上させることが可能な薄膜デバイスを提供することにある。

本発明の薄膜デバイスは、互いに対向配置された第１の磁性膜および第２の磁性膜と、第２の磁性膜に巻き付けられた薄膜コイルとを備え、薄膜コイルが、第１および第２の磁性膜の間に配列された複数の第１のコイル部分と、第２の磁性膜を挟んで第１のコイル部分と反対側に配列された複数の第２のコイル部分と、第１および第２のコイル部分を直列に接続する複数の第３のコイル部分とを含み、第１のコイル部分の厚さが第２のコイル部分の厚さよりも大きいものである。

この薄膜デバイスでは、第２の磁性膜に巻き付けられた薄膜コイルにおいて、第１および第２の磁性膜により挟まれている第１のコイル部分の厚さが第１および第２の磁性膜により挟まれていない第２のコイル部分の厚さよりも大きいため、第１のコイル部分の厚さが第２のコイル部分の厚さ以下である場合よりも、第１および第２の磁性膜の間において第１のコイル部分を差交する渡り磁束の量が少なくなる。

本発明の薄膜デバイスでは、複数の第２のコイル部分が複数の第１のコイル部分の一端または他端と重なるように配置されており、第３のコイル部分が第１および第２のコイル部分が互いに重なる位置に配置されているのが好ましい。特に、第１のコイル部分の厚さＴＡに対する第２のコイル部分の厚さＴＢの比ＴＢ／ＴＡが０．１＜ＴＢ／ＴＡ＜１の範囲であるのが好ましい。

本発明の薄膜デバイスによれば、第２の磁性膜に巻き付けられた薄膜コイルにおいて第１のコイル部分の厚さが第２のコイル部分の厚さよりも大きいので、第１のコイル部分の厚さが第２のコイル部分の厚さ以下である場合よりも、Ｑ値を向上させることができる。この場合には、例えば、第１のコイル部分の厚さＴＡに対する第２のコイル部分の厚さＴＢの比ＴＢ／ＴＡを０．１＜ＴＢ／ＴＡ＜１の範囲とすれば、薄膜コイルの直流抵抗が増大することを抑制しつつ、十分なＱ値を得ることができる。

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照して詳細に説明する。

図１〜図４は、本発明の一実施の形態に係る薄膜デバイスの応用例としての薄膜インダクタ１０の構成を表しており、図１は平面構成および図２〜図４は断面構成をそれぞれ示している。ここで、図２〜図４は、それぞれ図１に示したＩＩ−ＩＩ線、ＩＩＩ−ＩＩＩ線およびＩＶ−ＩＶ線に沿った断面を示している。なお、以下の説明では、基板１１に近い側を「下」、基板１１から遠い側を「上」とそれぞれ呼称する。

この薄膜インダクタ１０は、図１〜図４に示したように、基板１１上に、下部磁性膜１２と、絶縁膜１５により埋設された上部磁性膜１３および薄膜コイル１４とが積層された構成を有している。下部磁性膜１２および上部磁性膜１３は、互いに対向配置されており、薄膜コイル１４は、上部磁性膜１３に巻き付けられたソレノイド型構造を有している。

基板１１は、下部磁性膜１２、上部磁性膜１３および薄膜コイル１４を支持するものであり、例えば、ガラス、シリコン（Ｓｉ）、酸化アルミニウム（Ａｌ₂Ｏ₃；いわゆるアルミナ）、セラミックス、フェライト、半導体または樹脂などにより構成されている。なお、基板１１の構成材料は、必ずしも上記した一連の材料に限らず、他の材料により構成されていてもよい。

下部磁性膜１２および上部磁性膜１３は、それぞれインダクタンスを高める第１および第２の磁性膜であり、例えば、コバルト（Ｃｏ）系合金、鉄（Ｆｅ）系合金またはニッケル鉄合金（ＮｉＦｅ）などの導電性磁性材料により構成されている。このコバルト系合金としては、例えば、コバルトジルコニウムタンタル（ＣｏＺｒＴａ）系合金またはコバルトジルコニウムニオブ（ＣｏＺｒＮｂ）系合金などが挙げられる。

薄膜コイル１４は、一端（端子１４Ｔ１）と他端（端子１４Ｔ２）との間にインダクタを構成するものであり、例えば、銅（Ｃｕ）などの導電性材料により構成されている。なお、図１〜図４では、例えば、薄膜コイル１４のターン数＝４ターンの場合を示しているが、そのターン数は任意に設定可能である。

この薄膜コイル１４は、複数の短冊状の下部コイル部分１４Ａおよび上部コイル部分１４Ｂと、複数の柱状の中間コイル部分１４Ｃとが直列に接続されたものである。下部コイル部分１４Ａは、下部磁性膜１２と上部磁性膜１３との間の階層（下階層）に配列された第１のコイル部分である。上部コイル部分１４Ｂは、上部磁性膜１３を挟んで下部コイル部分１４Ａと反対側の階層（上階層）に配列された第２のコイル部分であり、下部コイル部分１４Ａの一端または他端と重なるように配置されている。これらの下部コイル部分１４Ａおよび上部コイル部分１４Ｂは、例えば、矩形型の断面形状を有しており、互いに等しい幅Ｗを有している。中間コイル部分１４Ｃは、下階層と上階層との間の階層に配置された第３のコイル部分であり、下部コイル部分１４Ａおよび上部コイル部分１４Ｂが互いに重なる箇所に位置している。

下部コイル部分１４Ａの厚さＴＡは、上部コイル部分１４Ｂの厚さＴＢよりも大きくなっている。すなわち、厚さＴＡに対する厚さＴＢの比（厚さ比）ＴＢ／ＴＡは、ＴＢ／ＴＡ＜１の範囲である。この厚さ比ＴＢ／ＴＡは、任意に設定可能である。特に、厚さ比ＴＢ／ＴＡは、例えば、薄膜コイル１４の直流抵抗が増大することを抑制する観点から、０．１＜ＴＢ／ＴＡ＜１の範囲であるのが好ましい。

絶縁膜１５は、薄膜コイル１４を下部磁性膜１２および上部磁性膜１３から電気的に分離するものであり、例えば、酸化ケイ素（ＳｉＯ₂）などの絶縁性非磁性材料や、ポリイミドまたはレジストなどの絶縁性樹脂材料により構成されている。この絶縁膜１５は、例えば、下部磁性膜１２上に設けられた下部絶縁膜１５Ａと、その下部絶縁膜１５Ａ上に下部コイル部分１４Ａを埋設するように設けられた下部コイル絶縁膜１５Ｂと、その下部コイル絶縁膜１５Ｂ上に上部磁性膜１３を埋設するように設けられた上部絶縁膜１５Ｃと、その上部絶縁膜１５Ｃ上に上部コイル部分１４Ｂを埋設するように設けられた上部コイル絶縁膜１５Ｄとを含んでいる。これらの下部コイル絶縁膜１５Ｂおよび上部絶縁膜１５Ｃでは、下部コイル部分１４Ａおよび上部コイル部分１４Ｂが互いに重なる箇所ごとにコンタクトホール１５Ｈが設けられており、各コンタクトホール１５Ｈに中間コイル部分１４Ｃが埋め込まれている。なお、一連の絶縁膜１５Ａ〜１５Ｄの構成材料は、必ずしも同一に限らず、個別に設定可能である。

本実施の形態に係る薄膜デバイスとしての薄膜インダクタ１０では、上部磁性膜１３に巻き付けられたソレノイド型の薄膜コイル１４において、下部磁性膜１２および上部磁性膜１３により挟まれている下部コイル部分１４Ａの厚さＴＡが、下部磁性膜１２および上部磁性膜１３により挟まれていない上部コイル部分１４Ｂの厚さＴＢよりも大きくなっているので（厚さ比ＴＢ／ＴＡ＜１）、以下の理由により、Ｑ値を向上させることができる。

図５および図６は、それぞれ第１および第２の比較例の薄膜インダクタ１００，２００の構成を表しており、いずれも図２に対応する断面構成を示している。これらの薄膜インダクタ１００，２００は、それぞれ薄膜コイル１４に代えて薄膜コイル１１４（下部コイル部分１１４Ａ，上部コイル部分１１４Ｂ）および薄膜コイル２１４（下部コイル部分２１４Ａ，上部コイル部分２１４Ｂ）を備える点を除き、薄膜インダクタ１０と同様の構成を有している。薄膜コイル１１４の構成は、下部コイル部分１１４Ａの厚さＴＡが上部コイル部分１１４Ｂの厚さＴＢに等しくなっている点を除き（厚さ比ＴＢ／ＴＡ＝１）、薄膜コイル１４の構成と同様である。一方、薄膜コイル２１４の構成は、下部コイル部分２１４Ａの厚さＴＡが上部コイル部分２１４Ｂの厚さＴＢよりも小さくなっている点を除き（厚さ比ＴＢ／ＴＡ＞１）、薄膜コイル１４の構成と同様である。なお、厚さＴＡ，ＴＢの総和は、薄膜インダクタ１０，１００，２００において一定である。

第１の比較例の薄膜インダクタ１００では、下部コイル部分１１４Ａを挟んでいる下部磁性膜１２および上部磁性膜１３が互いに接近しすぎているため、それらの間において磁束の閉じこもり傾向が強まる。この場合には、下部コイル部分１１４Ａを鎖交する渡り磁束の量が多くなるため、薄膜コイル１１４では交流抵抗Ｒが大きくなる。これにより、第１の比較例では、Ｑ値を向上させることが困難である。

また、第２の比較例の薄膜インダクタ２００では、下部磁性膜１２および上部磁性膜１３が第１の比較例の場合よりもさらに接近しているため、下部コイル部分２１４Ａを差交する渡り磁束の量がより多くなり、薄膜コイル２１４では交流抵抗Ｒがより大きくなる。これにより、第２の比較例では、やはりＱ値を向上させることが困難である。

これに対して、本実施の形態の薄膜インダクタ１０では、下部磁性膜１２および上部磁性膜１３が十分に離間されているため、それらの間において磁束の閉じこもり傾向が弱まる。この場合には、下部コイル部分１４Ａを差交する渡り磁束の量が第１および第２の比較例の場合よりも少なくなるため、薄膜コイル１４では交流抵抗Ｒが小さくなる。したがって、本実施の形態では、ソレノイド型の薄膜コイル１４を備える場合において、Ｑ値を向上させることができるのである。この場合には、厚さＴＡを厚さＴＢに対して相対的に大きくし、すなわち厚さ比ＴＢ／ＴＡを小さくするほど、Ｑ値を大きくすることができる。

特に、本実施の形態では、厚さ比ＴＢ／ＴＡを０．１＜ＴＢ／ＴＡ＜１の範囲とすれば、薄膜コイル１４の直流抵抗が増大しすぎることを抑制しつつ、十分なＱ値を得ることができる。

なお、本実施の形態では、図２に示したように、下部磁性膜１２および上部磁性膜１３を分離したが、必ずしもこれに限られるものではない。例えば、図２に対応する図７に示したように、下部磁性膜１２および上部磁性膜１３を互いに接続させるようにしてもよい。図７では、例えば、下部磁性膜１２と上部磁性膜１３との間に接続部１６を設けることにより、それらの一端部同士および他端部同士を接続部１６を介して接続させた場合を示している。この接続部１６を構成する磁性材料は、下部磁性膜１２および上部磁性膜１３の構成材料と同一であってもよいし、あるいは異なってもよい。この場合には、磁路構造が閉磁路となることによりインダクタンスＬが増大するため、Ｑ値をより向上させることができる。

また、本実施の形態では、図２に示したように、下部コイル部分１４Ａを挟むように下部磁性膜１２および上部磁性膜１３を配置したことに伴い、その下部コイル部分１４Ａの厚さＴＡが上部コイル部分１４Ｂの厚さＴＢよりも大きくなるようにしたが、必ずしもこれに限られるものではない。例えば、図２に対応する図８に示したように、上部磁性膜１３に代えて下部磁性膜１２を配置すると共に、上部コイル絶縁膜１５Ｄ上に上部磁性膜１３を配置することにより、下部コイル部分１４Ａに代えて上部コイル部分１４Ｂを挟むように下部磁性膜１２および上部磁性膜１３を配置した場合には、その上部コイル部分１４Ａの厚さＴＢが下部コイル部分１４Ａの厚さＴＡよりも大きくなるようにしてもよい。この場合においても、図２に示した場合と同様の作用が得られるため、Ｑ値を向上させることができる。

また、本実施の形態では、薄膜コイル１４の構成を図１〜図４に示しているが、下部コイル部分１４Ａと上部コイル部分１４Ｂとの間の相対的位置関係（重なりの範囲）または端子１４Ｔ１，１４Ｔ２の引き出し方向などは、必ずしも図１〜図４に示した場合に限られず、任意に設定可能である。

次に、本発明に関する実施例について説明する。

有限要素法を使用した磁場解析により、図１〜図６に示したソレノイド型の薄膜コイルを備えた薄膜インダクタの諸性能を見積もったところ、図９〜図１３に示した一連の結果が得られた。図９〜図１２は、それぞれインダクタンスＬｄｃ（×１０^-6Ｈ）、インダクタンスＬ１Ｍ（×１０^-6Ｈ）、抵抗Ｒｄｃ（Ω）および抵抗Ｒ１Ｍ（Ω）の厚さ比ＴＢ／ＴＡ依存性を示している。また、図１３は、Ｑ値Ｑ１Ｍの厚さ比ＴＢ／ＴＡ依存性を示している。上記した「インダクタンスＬｄｃ」および「抵抗Ｒｄｃ」は、いずれも静磁場解析により算出した値であり、一般的にｋＨｚオーダーの低周波数領域における解析値にて近似できる。一方、「インダクタンスＬ１Ｍ」、「抵抗Ｒ１Ｍ」および「Ｑ値Ｑ１Ｍ」は、いずれも周波数＝１ＭＨｚにおける値である。

この薄膜インダクタの諸性能を見積もる際には、以下のように一連のパラメータを設定した。すなわち、薄膜コイルについては、ライン幅＝１００μｍ，ラインスペース＝２０μｍ，ターン数＝１６ターン，ギャップ＝５μｍ，下部コイル部分の厚さＴＡおよび上部コイル部分の厚さＴＢの総和＝２００μｍとしたと共に、厚さ比ＴＢ／ＴＡを０．１（１８μｍ／１８２μｍ），０．４３（６０μｍ／１４０μｍ），０．６７（８０μｍ／１２０μｍ），１（１００μｍ／１００μｍ），１．５（１２０μｍ／８０μｍ），２．３３（１４０μｍ／６０μｍ），４（１６０μｍ／４０μｍ）の７段階に変化させた。厚さ比ＴＢ／ＴＡ＜１（ＴＢ／ＴＡ＝０．１，０．４３，０．６７）は図１〜図４に示した本発明、ＴＢ／ＴＡ＝１は図５に示した第１の比較例、ＴＢ／ＴＡ＞１（ＴＢ／ＴＡ＝１．５，２．３３，４）は図６に示した第２の比較例にそれぞれ対応している。また、下部磁性膜および上部磁性膜については、厚さ＝１０μｍ，透磁率μ＝２０００，比抵抗＝１００μΩｃｍとした。なお、図９〜図１３のうち、図１１では厚さ比ＴＢ／ＴＡを７段階に変化させており（ＴＢ／ＴＡ＝０．１を含む）、図１１以外では厚さ比ＴＢ／ＴＡを６段階に変化させている（ＴＢ／ＴＡ＝０．１を含まない）。

図９および図１０に示したように、インダクタンスＬｄｃ，Ｌ１Ｍは、いずれも厚さ比ＴＢ／ＴＡが大きくなるにしたがって次第に増大した。また、図１１および図１２に示したように、抵抗Ｒｄｃは、厚さ比ＴＢ／ＴＡ＝１を頂点とする下向き凸型の曲線を描いたと共に、抵抗Ｒ１Ｍは、厚さ比ＴＢ／ＴＡが大きくなるにしたがって次第に増大した。

図１０および図１２に示した結果から、図１３に示したように、薄膜インダクタの動作時のコイル性能を表すＱ値Ｑ１Ｍは、厚さ比ＴＢ／ＴＡが小さくなるにしたがって次第に増大した。すなわち、Ｑ値Ｑ１Ｍは、厚さ比ＴＢ／ＴＡがＴＢ／ＴＡ≧１の範囲である第１および第２の比較例よりも、ＴＢ／ＴＡ＜１の範囲である本発明において大きくなった。このことから、本発明の薄膜インダクタでは、ソレノイド型の薄膜コイルを備える場合に、下部コイル部分の厚さＴＡを上部コイル部分の厚さＴＢよりも大きくすることにより、Ｑ値を向上させることが可能であることが確認された。

この厚さ比ＴＢ／ＴＡ＜１の範囲では、特に、図１１に示したように、ＴＢ／ＴＡ＝０．１になると抵抗Ｒｄｃが著しく大きくなった。このことから、図１１に示した結果を加味すると、本発明の薄膜インダクタでは、厚さ比ＴＢ／ＴＡを０．１＜ＴＢ／ＴＡ＜１の範囲とすることにより、薄膜コイルの直流抵抗が増大しすぎることを抑制しつつ、十分なＱ値を得ることが可能であることが確認された。

以上、実施の形態および実施例を挙げて本発明を説明したが、本発明は上記実施の形態および実施例で説明した態様に限定されず、種々の変形が可能である。具体的には、例えば、上記実施の形態および実施例では、本発明の薄膜デバイスを薄膜インダクタに応用する場合について説明したが、必ずしもこれに限られるものではなく、薄膜インダクタ以外の他のデバイスに応用してもよい。この「他のデバイス」としては、例えば、薄膜トランス、薄膜磁気センサまたはＭＥＭＳ（micro electro mechanical systems）や、薄膜インダクタ、薄膜トランス、薄膜磁気センサまたはＭＥＭＳを含んだフィルタまたはモジュールなどが挙げられる。これらの他のデバイスに応用した場合においても、上記実施の形態および実施例と同様の効果を得ることができる。

本発明に係る薄膜デバイスは、例えば薄膜インダクタ、薄膜トランス、薄膜磁気センサまたはＭＥＭＳや、それらを含んだフィルタまたはモジュールなどに応用することが可能である。

本発明の一実施の形態に係る薄膜デバイスの応用例としての薄膜インダクタの平面構成を表す平面図である。図１に示したＩＩ−ＩＩ線に沿った薄膜インダクタの断面構成を表す断面図である。図１に示したＩＩＩ−ＩＩＩ線に沿った薄膜インダクタの断面構成を表す断面図である。図１に示したＩＶ−ＩＶ線に沿った薄膜インダクタの断面構成を表す断面図である。第１の比較例の薄膜インダクタの断面構成を表す断面図である。第２の比較例の薄膜インダクタの断面構成を表す断面図である。本発明の薄膜インダクタの構成に関する変形例を表す断面図である。本発明の薄膜インダクタの構成に関する他の変形例を表す断面図である。インダクタンスＬｄｃの厚さ比ＴＢ／ＴＡ依存性を表す図である。インダクタンスＬ１Ｍの厚さ比ＴＢ／ＴＡ依存性を表す図である。抵抗Ｒｄｃの厚さ比ＴＢ／ＴＡ依存性を表す図である。抵抗Ｒ１Ｍの厚さ比ＴＢ／ＴＡ依存性を表す図である。Ｑ値Ｑ１Ｍの厚さ比ＴＢ／ＴＡ依存性を表す図である。

符号の説明

１０…薄膜インダクタ、１１…基板、１２…下部磁性膜、１３…上部磁性膜、１４…薄膜コイル、１４Ａ…下部コイル部分、１４Ｂ…上部コイル部分、１４Ｃ…中間コイル部分、１４Ｔ１，１４Ｔ２…端子、１５…絶縁膜、１５Ａ…下部絶縁膜、１５Ｂ…下部コイル絶縁膜、１５Ｃ…上部絶縁膜、１５Ｄ…上部コイル絶縁膜、１５Ｈ…コンタクトホール、１６…接続部、ＴＡ，ＴＢ…厚さ、Ｗ…幅。

Claims

互いに対向配置された第１の磁性膜および第２の磁性膜と、前記第２の磁性膜に巻き付けられた薄膜コイルとを備え、
前記薄膜コイルは、前記第１および第２の磁性膜の間に配列された複数の第１のコイル部分と、前記第２の磁性膜を挟んで前記第１のコイル部分と反対側に配列された複数の第２のコイル部分と、前記第１および第２のコイル部分を直列に接続する複数の第３のコイル部分とを含み、
前記第１のコイル部分の厚さは、前記第２のコイル部分の厚さよりも大きい
ことを特徴とする薄膜デバイス。
前記複数の第２のコイル部分は、前記複数の第１のコイル部分の一端または他端と重なるように配置されており、
前記第３のコイル部分は、前記第１および第２のコイル部分が互いに重なる位置に配置されている
ことを特徴とする請求項１記載の薄膜デバイス。
前記第１のコイル部分の厚さＴＡに対する前記第２のコイル部分の厚さＴＢの比ＴＢ／ＴＡは、０．１＜ＴＢ／ＴＡ＜１の範囲である
ことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の薄膜デバイス。