JP4869111B2 - 高周波用磁性薄膜及びそれを利用した高周波用磁性デバイス - Google Patents

Description

本発明は、強磁性薄膜と反強磁性薄膜を積層した高周波用磁性薄膜及びそれを利用した高周波用磁性デバイスに関し、更に具体的には、低いうず電流損失で、高周波数領域への適用に好適な高周波用磁性薄膜の改良に関するものである。

情報通信，例えば携帯電話や無線ＬＡＮなどでは、使用周波数帯域がＧＨｚのオーダーに達しており、今後も更なる高周波化が予想されている。このため、回路で使用される磁性材料に対しても高周波化の要求は強く、ＧＨｚオーダーでも高い透磁率を有する磁性薄膜が要望されるに至っている。

磁性薄膜の透磁率を高周波化させる一つの手法として、強磁性膜と反強磁性膜を積層し、両者間に生じる交換結合によって大きな一軸磁気異方性を誘導して、強磁性膜の強磁性共鳴周波数を高周波化する方法があり、例えば下記特許文献１に記載された「高周波デバイス」がある。これは、強磁性膜と反強磁性膜を交互に積層することによって得られるバイレイヤー（bilayer）構造の薄膜で、強磁性−反強磁***換相互作用による交換バイアス磁界が生じることを利用している。
特開２００３−２５７７３９公報

ところで、上述した交換バイアス磁界の大きさは強磁性膜及び反強磁性膜の組成や膜厚に依存し、交換バイアス磁界を大きくするためには強磁性膜や反強磁性膜をある程度以上の厚みとする必要がある。しかし、強磁性膜や反強磁性膜として用いる材料が金属の場合には、膜厚が厚いと、高周波下ではうず電流損失が顕著となってしまう。これに対しては、強磁性膜や反強磁性膜として、非金属の酸化物材料を用いる方法が考えられるが、酸化物材料は飽和磁気モーメントＭｓが小さいことから、大きな透磁率は期待できない。このため、透磁率の絶対値を確保するためには、飽和磁気モーメントＭｓの大きな金属系の磁性材料が好ましく、うず電流損失低減のために膜厚を薄くすることができれば好都合である。

一方、静的な交換バイアス磁界が存在しないような状態，すなわち交換バイアス磁界が零の状態でも、強磁性膜と反強磁性膜の間に磁気的な交換結合が存在していることを示唆する研究結果が報告されている（S.Queste et al., Journal of Magnetism and Magnetic Materials 288 (2005) 60-65参照）。このような相互作用が透磁率の高周波特性にどのような影響を与えるかは明らかではないが、強磁性膜と反強磁性膜の間で何らかの交換結合が存在すれば、透磁率特性にも影響を与えることが考えられる。してみると、交換バイアス磁界を零とするために反強磁性膜の厚みを薄くしても、強磁性−反強磁***換結合を利用して透磁率の高周波特性を改善でき、反強磁性膜の厚みの低下によってうず電流損失も低減できる可能性がある。

本発明は、以上の点に着目したもので、その目的は、膜の厚みを抑えて渦電流損失を低減しつつ、良好な高周波特性を得ることができる高周波用磁性薄膜及びそれを利用した高周波用磁性デバイスを提供することを、その目的とする。

前記目的を達成するため、本発明は、強磁性層と反強磁性層を積層した積層膜を有する高周波用磁性薄膜において、前記反強磁性層の厚さを減じていった場合に、静的磁気特性で求めた交換バイアス磁界ないし交換結合の強さが略零となるように、前記反強磁性層の厚さを設定したことを特徴とする。

主要な形態の一つは、前記強磁性層としてＣｏ_７０Ｆｅ_３０を用いるとともに、前記反強磁性層としてＭｎＩｒを用いる場合、ＭｎＩｒ層の一層の厚みを５ｎｍ以下としたことを特徴とする。

更に他の形態としては、前記強磁性層として、Ｆｅ，Ｃｏ，Ｎｉのうちの少なくとも１種を含む材料，あるいは、Ｆｅ，Ｃｏ，Ｎｉのうちの少なくとも２種を含む合金材料，あるいは、Ｆｅ，Ｃｏ，Ｎｉのうちの少なくとも１種とその他の元素を含む多元系合金材料，を用いるとともに、前記反強磁性層として、Ｍｎ，Ｆｅ，Ｃｏ，Ｎｉのうちの少なくとも１種を含む材料，あるいは、Ｍｎ，Ｆｅ，Ｃｏ，Ｎｉのうちの少なくとも１種を含む酸化物材料，あるいは、Ｍｎ，Ｆｅ，Ｃｏ，Ｎｉのうちの少なくとも２種を含む合金材料，あるいは、該合金材料と酸化物を含む合金酸化物材料，あるいは、前記合金酸化物材料とその他の元素を含む多元系合金酸化物材料，を用いたことを特徴とする。

更に他の形態の一つは、前記強磁性層として、Ｆｅ，ＦｅＳｉＡｌ，ＦｅＡｌＯ，ＦｅＮ，ＦｅＣｏ，ＦｅＣｏＢ，ＦｅＣｏＡｌＯ，ＦｅＣｏＳｉ，ＮｉＦｅ，ＣｏＮｉＦｅ，
のいずれかを用いるとともに、前記反強磁性層として、ＦｅＭｎ，ＭｎＮｉ，ＭｎＩｒ，ＣｒＭｎＰｔ，ＭｎＲｕ，ＭｎＲｈ，ＭｎＲｕＲｈ，Ｍｎ_３Ｉｒ，Ｍｎ_３Ｒｕ，Ｍｎ_３Ｒｈ，ＮｉＭｎ，ＰｔＭｎ，ＰｄＰｔＭｎ，ＮｉＯ，α−Ｆｅ_２Ｏ_３，ＣｏＯ，のいずれかを用いたことを特徴とする。

本発明の高周波用磁性デバイスは、前記いずれかの高周波用磁性薄膜を使用したことを特徴とする。本発明の前記及び他の目的，特徴，利点は、以下の詳細な説明及び添付図面から明瞭になろう。

本発明によれば、反強磁性層の厚みを低減するにもかかわらず、強磁性層−反強磁性層間の交換結合が増大し、強磁性共鳴周波数が高くなる。このため、うず電流損失を低減しつつ、良好な高周波特性を得ることができる。

以下、本発明を実施するための最良の形態を、実施例に基づいて詳細に説明する。

最初に、図１〜図３を参照しながら、本発明の基本構成を示す実施例１について説明する。図１には、本実施例の積層構造が示されている。同図において、基板１０の主面上には、バッファ層１２が形成され、その上に、強磁性層１４，反強磁性層１６が交互にＮ／２層づつ、全体でＮ層形成される。別言すれば、強磁性層１４と反強磁性層１６のバイレイヤー薄膜１７がＮ／２層形成されている。最上層の上には、更に酸化防止用保護膜としてキャップ層１８が形成される。基板１０としては、その主面上にＳｉＯ_２膜１１が形成されたＳｉウエハが使用される。バッファ層１２，キャップ層１８としては、例えばＣｕが使用される。強磁性層１４としては、例えばＣｏ₇₀Ｆｅ₃₀が使用され、反強磁性層１６としては、例えばＭｎＩｒが使用される。

以上のような強磁性層１４と反強磁性層１６の交互積層によって得られるバイレイヤー薄膜１７の直流磁化曲線は、図２に示すようなシフトが生じることが知られている。図２中、縦軸は磁化Ｍ，横軸は磁界Ｈであり、グラフが全体として−Ｈの方向にシフトしている。このシフトは、強磁性層１４と反強磁性層１６の間の交換結合によって生じており、このシフト量が交換バイアス磁界Ｈｅとして定義される。

ここで、強磁性層１４の厚みｔFを一定とした場合、前記交換バイアス磁界Ｈｅは、反強磁性層１６の厚みｔAFに依存し、一般的には図３に示すような振る舞いを示す。同図中、縦軸は交換バイアス磁界Ｈｅ，横軸は反強磁性層１６の厚みｔAFである。同図に示すように、交換バイアス磁界Ｈｅは、反強磁性層１６の一定の厚みから急激に上昇してピークに達し、その後は、厚みの増大に伴って多少低下するものの一定以上の値となっている。

従来の交換結合を用いた透磁率の高周波化は、一定の交換バイアス磁界Ｈｅが生じるピーク以降の領域ＷＢの範囲となるように反強磁性層１６の厚みｔAFを設定している。これに対し、本実施例では、交換バイアス磁界Ｈｅがピーク以前の領域ＷＡの範囲となるように反強磁性層１６の厚みｔAFを設定している。この領域では、交換バイアス磁界Ｈｅは、ピークから急激に低下して零となる。後述する実施例で詳述するように、交換バイアス磁界Ｈｅが零の領域でも、強磁性層１４と反強磁性層１６の間は交換結合しており、この交換結合の効果で強磁性共鳴周波数が高周波化し、ＧＨｚオーダーの帯域まで透磁率を確保することができる。また、領域ＷＡは、反強磁性層１６の厚みが薄いため、磁性薄膜全体の厚みを抑制することができ、渦電流損失も良好に低減されるようになる。

次に、本発明の実施例２について説明する。本実施例は、反強磁性層１６が、上述した図３の領域ＷＡの厚みを有する場合と、領域ＷＢの厚みを有する場合についてそれぞれサンプルを製作し、磁気特性を比較したものである。

表１には、本実施例のサンプルと、背景技術にかかる比較例のサンプルの諸条件が示されている。材料は両者とも同一であるが、強磁性層１４と反強磁性層１６の膜厚の条件は、以下の表のように設定した。具体的には、反強磁性層１６の厚みを、本実施例は２．５nm，比較例は１０nmとし、透磁率の特性がほぼ同じになるように強磁性層１４の厚みｔF及び積層数Ｎを調整した。

以上のような各サンプルにつき、透磁率の周波数依存性を測定したところ、次の図４に示すような結果が得られた。同図中、(A)は本実施例のサンプル，(B)は比較例のサンプルの測定結果をそれぞれ示す。また、図の縦軸は透磁率，横軸は周波数である。これらを比較すれば明らかなように、ほぼ同等の周波数依存性を示している。このように、本実施例によれば、比較例に対して反強磁性層１６のトータル膜厚が４分の１以下であるにもかかわらず、ほぼ同等の透磁率が周波数の高帯域側まで得られており、比較例として遜色のない結果となっている。

次に、本発明の実施例３について説明する。この実施例は、強磁性層１４の厚みｔFを一定とし、反強磁性層１６の厚みｔAFを変化させたときの交換結合の強さの変化を調べたものである。前記図１に示した磁性薄膜を、マグネトロンスパッタリングの手法を用いて作製した。強磁性層１４としてＣｏ_７０Ｆｅ_３０を選択し、その厚みｔFを５０nm一定とした。一方、反強磁性層１６としてＭｎＩｒを用い、その厚みｔAFを０〜２０nmと変化させて成膜し、それぞれサンプルを得た。なお、基板１０としてはシリコン基板を用い、バッファ層１２，キャップ層１８としてはＣｕを用いた。成膜した後に、１ｋＯｅの磁場中で１時間熱処理を加えた。なおこのときの熱処理温度は、２００℃〜３４０℃である。

図５は、強磁性層１４と反強磁性層１６との間の交換結合の強さＪｃ（縦軸）と、反強磁性層１６の膜厚ｔAF（横軸）の関係のグラフである。同図中、「○」は交換バイアス磁界Ｈｅから決定した交換結合の強さＪｃの値であり、「●」は強磁性共鳴から決定した交換結合の強さＪｃの値である。これらのグラフを見ると、交換バイアス磁界Ｈｅ（静的磁気特性）から決定した交換結合の強さＪｃの場合、Ｊｃは反強磁性層膜厚ｔAFの増加とともに増加し、約５〜７nmで最大となるものの、その後徐々に減少する。なお、便宜上、交換バイアス磁界Ｈｅから決定した交換結合の強さＪｃが最大になる反強磁性層１６の厚みｔAFを臨界厚みと定義する。

これに対し、強磁性共鳴（動的磁気特性）から求めた交換結合の強さＪｃの場合、前記臨界厚み以下でも反強磁性層１６の厚みｔAFの低下に伴ってＪｃの値が増大している（領域ＷＡ参照）。このことは、臨界厚み以下でも強磁性層１４と反強磁性層１６の間には交換結合が存在しており、その強さＪｃは臨界厚み以下の方が大きいことを示している。

背景技術の場合、交換バイアス磁界Ｈｅ，すなわち静的磁気特性から決定した交換結合の強さＪｃが最大となるように反強磁性層１６の厚みｔAFを調整することが一般的である（領域ＷＢ参照）。これに対し、本実施例では、強磁性共鳴，すなわち動的磁気特性から決定した交換結合の強さＪｃが最大となるように反強磁性層１６の厚みｔAFを調整している。このように、領域ＷＡにおける大きな強磁性層−反強磁性層間交換結合を利用することで、優れた高周波透磁率特性が得られる。

なお、図５に示すように、背景技術の適用領域ＷＢに対して、本発明の適用領域ＷＡは、反強磁性層１６の厚さｔAFを減じていった場合に、その厚さが交換バイアス磁界Ｈｅから求めた交換結合の強さが減少に転じる領域であり、この範囲で良好な高周波透磁率特性が得られるが、より好ましくは、強磁性共鳴から求めた交換結合の強さが最大となる付近，すなわち交換バイアス磁界が略零の付近となるように、反強磁性層１６の厚さｔAFを設定すると好都合である。

次に、図６を参照しながら、本発明の実施例４について説明する。この実施例は、反強磁性層１６の厚みｔAFを一定とし、強磁性層１４の厚みｔFを変化させたときの透磁率の変化を調べたものである。前記実施例と同様に、マグネトロンスパッタリングの手法を用いてサンプルを作製した。反強磁性層１６としてＭｎＩｒを用い、その厚みｔAFを２nm一定とした。一方、強磁性層１４としてＣｏ_７０Ｆｅ_３０を選択し、その厚みｔFを１００，２０，１０nmと変化させてそれぞれサンプルを得た。なお、基板１０はシリコン，バッファ層１２，キャップ層１８はＣｕである。成膜した後、１ｋＯｅの磁場中で１時間熱処理を加える点，熱処理温度が２００℃〜３４０℃である点も、前記実施例３と同様である。

図６は、以上のようにして得た各サンプルの透磁率の周波数特性を示したグラフである。同図中、縦軸は透磁率，横軸は周波数，黒印は透磁率の実数部，白印は透磁率の虚数部をそれぞれ示す。また、強磁性層１４の厚みｔFは、(A)が１００nm，(B)が２０nm，(C)が１０nmである。これらのグラフに示すように、強磁性層厚みｔAFが１００nmのときは（同図(A)参照）、透磁率が約２５０，強磁性共鳴周波数が約３．５ＧＨｚとなっている。同様に、強磁性層厚みｔAFが２０nmのときは（同図(B)参照）、透磁率が約１００，強磁性共鳴周波数が約６ＧＨｚであり、強磁性層厚みｔAFが１０nmのときは（同図(C)参照）、透磁率が約４０，強磁性共鳴周波数が約８ＧＨｚという高周波特性が得られた。

このように、本実施例によれば、反強磁性層１６の厚みｔAFがわずか２nmであるにもかかわらず、高周波領域において良好な透磁率が得られている。すなわち、反強磁性層１６の厚みｔAFが臨界厚み以下であって、かつ、交換バイアス磁界Ｈｅから求めた交換結合の強さＪｃが略零の領域，すなわち交換バイアス磁界が略零の領域を利用することで、反強磁性層１６の厚みを抑えて渦電流損失を低減しつつ、良好な高周波特性を得ることができる。

従来、強磁性−反強磁性バイレイヤー薄膜の強磁性共鳴周波数を高周波化させるためには、静的な交換バイアス磁界の大きい方が有利とされていた。しかし、上述した実施例に示したように、強磁性共鳴周波数の高周波化には強磁性層−反強磁性層間の交換結合がむしろ重要であって、強磁性共鳴周波数の高周波化には、強磁性層−反強磁性層間の交換結合が最大となるように反強磁性層１６の厚みを設定することが最も適しており、その領域では静的な交換バイアス磁界が略零であることが見出された。更に、強磁性層−反強磁性層間の交換結合が強くなるため、反強磁性層１６のみならず、強磁性層１４の厚みも低減することができる。強磁性層１４は金属である場合が多く、この金属層を薄くすることで、渦電流による損失を更に低減することができる。

なお、本発明は、上述した実施例に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々変更を加え得ることができる。例えば、以下のものも含まれる。
(1)前記実施例に示した材料，形状，寸法は一例であり、同様の効果を奏するように適宜変更可能である。例えば、前記実施例では、強磁性層１４としてＣｏ_７０Ｆｅ_３０を使用し、反強磁性層１６としてＭｎＩｒを用いたが、適宜材料を選択してよい。
例えば、以下のような材料が考えられる。
ａ，強磁性層１４：Ｆｅ，Ｃｏ，Ｎｉのうちの少なくとも１種を含む材料，あるいは、Ｆｅ，Ｃｏ，Ｎｉのうちの少なくとも２種を含む合金材料，あるいは、Ｆｅ，Ｃｏ，Ｎｉのうちの少なくとも１種とその他の元素を含む多元系合金材料，例えば、Ｆｅ，ＦｅＳｉＡｌ，ＦｅＡｌＯ，ＦｅＮ，ＦｅＣｏ，ＦｅＣｏＢ，ＦｅＣｏＡｌＯ，ＦｅＣｏＳｉ，ＮｉＦｅ，ＣｏＮｉＦｅなど，
ｂ，反強磁性層１６：Ｍｎ，Ｆｅ，Ｃｏ，Ｎｉのうちの少なくとも１種を含む材料，あるいは、Ｍｎ，Ｆｅ，Ｃｏ，Ｎｉのうちの少なくとも１種を含む酸化物材料，あるいは、Ｍｎ，Ｆｅ，Ｃｏ，Ｎｉのうちの少なくとも２種を含む合金材料，あるいは、該合金材料と酸化物を含む合金酸化物材料，あるいは、前記合金酸化物材料とその他の元素を含む多元系合金酸化物材料，例えば、ＦｅＭｎ，ＭｎＮｉ，ＭｎＩｒ，ＣｒＭｎＰｔ，ＭｎＲｕ，ＭｎＲｈ，ＭｎＲｕＲｈ，Ｍｎ_３Ｉｒ，Ｍｎ_３Ｒｕ，Ｍｎ_３Ｒｈ，ＮｉＭｎ，ＰｔＭｎ，ＰｄＰｔＭｎ，ＮｉＯ，α−Ｆｅ_２Ｏ_３，ＣｏＯなど，
(2)強磁性層１４の材料と反強磁性層１６の材料の組み合わせにも、格別の制限はない。なお、図５で示した臨界厚みは、選択する強磁性層１４の材料及び厚みｔF，及び反強磁性層１６の材料で異なる。
(3)本発明の高周波用磁性薄膜は、各種の高周波用磁性デバイスに適用してよい。例えば、高周波インダクタ、トランス、アンテナなどに適用可能である。具体的には、本発明の積層膜と導体コイルを有する高周波用プレーナインダクタ，本発明の積層膜と導体ラインを有する伝送線路，本発明の積層膜の強磁性共鳴を用いた高周波フィルタ，本発明の積層膜と金属筐体を有する高周波用アンテナ，などへの適用が可能である。図７には、一例が示されており、図１に示した高周波用磁性薄膜５０の主面上にＳｉＯ_２膜２０を介して渦巻き状の導体パターン３０が形成されており、これによって高周波用のインダクタが構成されている。
(4)前記実施例では、動的磁気特性から決定した交換結合の強さＪｃが最大となるように反強磁性層１６の厚みｔAFを調整したが、最大付近であれば、実用的には差し支えない。

本発明によれば、渦電流損失を低減しつつ良好な高周波特性が得られるので、特にＧＨｚオーダーの周波数帯域における高周波デバイスに好適である。

本発明の実施例１の高周波用磁性薄膜の積層構成を示す主要断面図である。 前記実施例の１の磁性薄膜の直流磁化曲線を示すグラフである。 前記実施例１における交換バイアス磁界Ｈｅと反強磁性層１６の厚みｔAFとの関係を示すグラフである。 本発明の実施例２におけるサンプルと背景技術のサンプルの透磁率を比較して示すグラフである。 本発明の実施例３における交換結合の強さＪｃと反強磁性層１６の厚みｔAFの関係を示すグラフである。 本発明の実施例４における強磁性層１４の厚みｔFを変化させたときの透磁率の周波数特性を示すグラフである。 本発明の高周波用磁性薄膜を適用したデバイスの一例を示す斜視図である。

符号の説明

１０：基板
１１：ＳｉＯ_２膜
１２：バッファ層
１４：強磁性層
１６：反強磁性層
１７：バイレイヤー薄膜
１８：キャップ層
２０：ＳｉＯ_２膜
３０：導体パターン
５０：高周波用磁性薄膜
Ｈ：磁界
Ｈｅ：交換バイアス磁界
Ｍ：磁化
Ｎ：積層数
ｔF：強磁性層の厚み
ｔAF：反強磁性層の厚み
ＷＡ，ＷＢ：膜厚の領域

Claims (5)

1. 強磁性層と反強磁性層を積層した積層膜を有する高周波用磁性薄膜において、
   前記反強磁性層の厚さを減じていった場合に、静的磁気特性で求めた交換バイアス磁界ないし交換結合の強さが略零となるように、前記反強磁性層の厚さを設定したことを特徴とする高周波用磁性薄膜。
2. 前記強磁性層としてＣｏ_７０Ｆｅ_３０を用いるとともに、前記反強磁性層としてＭｎＩｒを用いる場合、ＭｎＩｒ層の一層の厚みを５ｎｍ以下としたことを特徴とする請求項１記載の高周波用磁性薄膜。
3. 前記強磁性層として、
   Ｆｅ，Ｃｏ，Ｎｉのうちの少なくとも１種を含む材料，あるいは、
   Ｆｅ，Ｃｏ，Ｎｉのうちの少なくとも２種を含む合金材料，あるいは、
   Ｆｅ，Ｃｏ，Ｎｉのうちの少なくとも１種とその他の元素を含む多元系合金材料，
   を用いるとともに、
   前記反強磁性層として、
   Ｍｎ，Ｆｅ，Ｃｏ，Ｎｉのうちの少なくとも１種を含む材料，あるいは、
   Ｍｎ，Ｆｅ，Ｃｏ，Ｎｉのうちの少なくとも１種を含む酸化物材料，あるいは、
   Ｍｎ，Ｆｅ，Ｃｏ，Ｎｉのうちの少なくとも２種を含む合金材料，あるいは、
   該合金材料と酸化物を含む合金酸化物材料，あるいは、
   前記合金酸化物材料とその他の元素を含む多元系合金酸化物材料，
   を用いたことを特徴とする請求項１又は２に記載の高周波用磁性薄膜。
4. 前記強磁性層として、
   Ｆｅ，ＦｅＳｉＡｌ，ＦｅＡｌＯ，ＦｅＮ，ＦｅＣｏ，ＦｅＣｏＢ，ＦｅＣｏＡｌＯ，ＦｅＣｏＳｉ，ＮｉＦｅ，ＣｏＮｉＦｅ，
   のいずれかを用いるとともに、
   前記反強磁性層として、
   ＦｅＭｎ，ＭｎＮｉ，ＭｎＩｒ，ＣｒＭｎＰｔ，ＭｎＲｕ，ＭｎＲｈ，ＭｎＲｕＲｈ，Ｍｎ_３Ｉｒ，Ｍｎ_３Ｒｕ，Ｍｎ_３Ｒｈ，ＮｉＭｎ，ＰｔＭｎ，ＰｄＰｔＭｎ，ＮｉＯ，α−Ｆｅ_２Ｏ_３，ＣｏＯ，
   のいずれかを用いたことを特徴とする請求項３記載の高周波用磁性薄膜。
5. 請求項１〜４のいずれかに記載した高周波用磁性薄膜を使用したことを特徴とする高周波用磁性デバイス。

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