KR100642145B1 - 고주파용 자성박막, 복합자성박막 및 이것을 사용한자기소자 - Google Patents

고주파용 자성박막, 복합자성박막 및 이것을 사용한자기소자 Download PDF

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Abstract

Figure 112005032975061-pct00002
T-L조성물(단, T=Fe 또는 FeCo, L=C, B 및 N으로부터 선택되는 적어도 1종의 원소)로 이루어지는 T-L조성물층(5)과, 상기 T-L조성물층(5)의 어느 한 면측에 배치된 Co계 비결정질합금층(3)을 조합시키는 것에 의하여, 높은 투자율 및 높은 포화자화를 겸비하는 고주파용 자성박막(1)이 얻어진다. 그리고, T-L조성물층(5) 및 Co계 비결정질합금층(3)에 추가하여, 상기 T-L조성물층(5) 및 Co계 비결정질합금층(3)보다도 높은 전기저항을 나타내는 고저항층(7)을 다시 구비하는 것에 의하여, 높은 투자율 및 높은 포화자화를 겸비함과 동시에, 높은 비저항을 나타내는 고주파용 자성박막(1)이 얻어지도록 하였다.
자성박막, 포화자화

Description

고주파용 자성박막, 복합자성박막 및 이것을 사용한 자기소자 {MAGNETIC THIN FILM OR COMPOSITE MAGNETIC THIN FILM FOR HIGH FREQUENCY AND MAGNETIC DEVICE INCLUDING THE SAME}
본 발명은 기가·헤르츠(GHz)의 고주파 대역에서 적합하게 사용할 수 있는 자성박막 및 이것을 사용한 자기소자(磁氣素子)에 관한 것이다.
자기소자의 소형화, 고성능화에 따라서 높은 포화자화를 가지며, 또한, 기가·헤르츠대(이하, GHz대(帶)라고 한다)의 고주파 대역에 있어서의 투자율이 높은 자성박막재료가 요구되고 있다.
예를 들면, 무선 송수신장치나 휴대정보단말기를 중심으로 수요가 높아지고 있는 모놀리식 마이크로파 집적회로(MMIC)는, Si, GaAs, InP 등의 반도체기판 상에 트랜지스터 등의 능동소자와 선로, 저항, 커패시터, 인덕터 등의 수동소자를 일괄적으로 제작하여 구성되는 고주파집적회로이다.
이와 같은 MMIC에 있어서는, 수동소자, 특히 인덕터나 커패시터가 능동소자에 비하여 큰 면적을 차지하고 있다. 이와 같이 수동소자가 대면적을 차지하는 것은 결과적으로 고가의 반도체기판의 대량소비, 즉 MMIC의 비용상승으로 이어진다. 따라서, 칩면적을 축소하여 MMIC의 제조비용을 저감시키기 위하여 수동소자가 차지 하는 면적을 축소하는 것이 과제이다.
MMIC의 인덕터로서는 평면형의 스파이럴코일이 많이 사용되고 있다. 이 스파이럴코일의 상·하면 또는 한쪽면에 연자성 박막을 삽입하여 인덕턴스를 증가시키는 방법(바꾸어 말하면, 작은 점유면적에서도 종래의 인덕턴스가 얻어지는 방법)이 이미 제안되어 있다(예를 들면, J. Appl. Phys. 85, 7919(1999)).
그러나, 자성재료를 MMIC의 인덕터에 응용하기 위해서는 우선, GHz대에 있어서의 투자율(透磁率)이 높으며, 또한 손실이 적은 박막자성재료가 요구된다. 또한 와전류손실을 줄이기 위하여 비저항이 큰 박막자성재료가 요구되고 있다.
종래, 높은 포화자화를 갖는 자성재료로서 Fe 또는 FeCo를 주성분으로 하는 합금이 잘 알려져 있다. 그러나, Fe계 또는 FeCo계 합금으로 이루어지는 자성박막을 스퍼터 등의 성막(成膜)기술에 의하여 제작하면, 그 막의 포화자화는 높기는 하지만 보자력(保磁力)이 크고, 또 비저항이 작아지게 되어 양호한 고주파특성을 얻는 것이 곤란하였다.
한편, 연자기특성이 우수한 재료로서 Co계 비결정질 합금이 알려져 있다. 상기 Co계 비결정질합금은 Co를 주성분으로 하며, Y, Ti, Zr, Hf, Nb, Ta 등으로부터 선택되는 적어도 1종의 원소를 포함하는 비결정질을 주체로 하는 것이다. 그러나 제로자왜조성의 Co계 비결정질합금의 자성박막을 스퍼터 등의 성막기술에 의하여 제작하면, 그 막의 투자율은 크기는 하지만 포화자화가 11kG(1.1T) 정도로, Fe계에 비하여 작은 값을 가진다. 또한, 100MHz정도의 주파수 및 그 이상의 주파수에서는 손실성분(투자율의 허수부μ")이 커지게 되고 성능지수 Q값이 1 이하로 되어, GHz 대에서 사용하는 자성재료로서는 적합하지 않다.
이와 같이 재료특성상 적용이 곤란한 재료를 사용하여 GHz대의 인덕터를 실현시키기 위하여 자성박막을 마이크로 와이어 형태로 가공하여, 형상 이방성 에너지를 증대시키는 것에 의하여 공명주파수를 고주파측으로 이동시키는 시도도 행해지고 있다(예를 들면, 일본 응용자기학회지, 24, 879(2000)). 그러나, 이 방법으로는 공정이 복잡해짐과 동시에 자성박막의 실효투자율이 저하된다는 문제가 있다.
이와 같은 실정하에서, 연자성층과 고(高)포화자화층을 상호로 적층한 다층막에 의한 고포화자화 박막에 대한 검토가 실시되고 있다. 즉, CoZr/ Fe(일본응용자기학회지, 16, 285 (1992)), FeBN/ FeN (일본국 특개평5-101930호 공보), FeCrB/ Fe (J. Appl. Phys. 67, 5131 (1990)), Fe-Hf-C/ Fe (일본 응용자기학회지, 15, 403 (1991)) 등 다양한 조합예가 보고되어 있다. 이들은 모두 포화자화를 높이는 데에는 효과가 있다. 그러나, 모두 고주파대역에서의 투자율이 커지지 않으며, GHz대에로의 응용은 기대할 수가 없다. 또한, 비저항이 100μΩcm 이하로 불충분하기 때문에 표피효과에 의한 고주파손실이 커져서, 고주파용 인덕터에로의 적용이 곤란하다.
이와 같은 실정하에 본 발명은 창안된 것이며, 그 목적은, GHz대에서 높은 투자율을 가지며, 또한 높은 포화자화를 갖는 것과 동시에, 높은 비저항을 갖는 고주파용 자성박막을 제공하는 데에 있다. 또, 본 발명은 이와 같은 자성박막을 사용한 자기소자를 제공하는 것을 목적으로 한다.
GHz대에서 높은 투자율을 가지며, 또한 높은 포화자화를 갖는 것과 동시에 높은 비저항을 갖는 고주파용 자성박막을 얻기 위하여, 본 발명자는 여러 가지 검토를 실시하였다. 그 결과, T-L조성물(단, T=Fe 또는 FeCo, L=C, B 및 N으로부터 선택되는 적어도 1종의 원소)로 이루어지는 제1의 층과, 상기 제1의 층의 어느 일면측에 배치된 Co계 비결정질합금으로 이루어지는 제2의 층을 조합시키는 것에 의하여, 높은 투자율 및 높은 포화자화를 겸비하는 고주파용 자성박막이 얻어진다는 것을 발견하였다. 그리고, 제1의 층 및 제2의 층에 추가하여 제1의 층 및 제2의 층 보다도 높은 전기저항을 나타내는 제3의 층을 더 구비하는 것에 의하여, 높은 투자율 및 높은 포화자화를 겸비함과 동시에 높은 비저항을 나타내는 고주파용 자성박막이 얻어진다는 것을 발견하였다. 즉, 본 발명은 T-L조성물(단, T=Fe 또는 FeCo, L=C, B 및 N으로부터 선택되는, 적어도 1종의 원소)로 이루어지는 제1의 층과, 제1의 층의 어느 일면측에 배치된 Co계 비결정질합금으로 이루어지는 제2의 층과, 상기 제1의 층 또는 제2의 층의 어느 한 측에 배치되어 제1의 층 및 제2의 층 보다도 높은 전기저항을 나타내는 제3의 층을 포함하며, 복수의 제1의 층과, 복수의 제2의 층과, 복수의 제3의 층이 적층되어 다층막구조를 이루는 것을 특징으로 하는 고주파용 자성박막을 제공한다. 또한, T-L조성물(단, T=Fe 또는 FeCo, L=C, B 및 N으로부터 선택되는, 적어도 1종의 원소) 및 Co계 비결정질 합금을 사용하는 것이 바람직한 이유는 이후에 기술하는 실시예에서 상세히 설명한다.
이상과 같은 구성을 구비한 본 발명의 고주파용 자성박막에 있어서 제3의 층은 주로 표피효과에 의한 고주파손실을 저감시키기 위해 기여한다. 표피효과에 의한 고주파손실을 효과적으로 억제하기 위해서는, 제1의 층 및 제2의 층의 적층이 소정의 수만큼 반복될 때마다 제3의 층이 배치되는 것이 바람직하다. 여기서, 소정의 수는, 예를 들면, 1~5로 설정할 수가 있다. 예를 들어, 소정의 수를 2로 설정한 경우에는 제1의 층 및 제2의 층이 각각 2층씩 적층되었을 때에 제3의 층이 1층 적층되는 것이 된다.
T-L조성물을 구성하는 T로서는 FeCo가 바람직하다.
T로서 FeCo를 선택하는 경우에, Co의 농도는 10~50at%인 것이 바람직하다.
또, T-L조성물을 구성하는 L로서는 C 또는/및 B가 바람직하다.
Co계 비결정질합금은 Co를 주성분으로하며, 또한 M원소(단, M은 B, C, Si, Ti, V, Cr, Mn, Fe, Ni, Y, Zr, Nb, Mo, Hf, Ta, W로부터 선택되는 적어도 1종의 원소)를 포함하는 것이 적당하다. 이 경우에, Co계 비결정질 합금중의 M원소의 농도는 10~30at%인 것이 바람직하다.
본 발명의 고주파용 자성박막에 있어서, 제3의 층을 그래뉼러 구조막, 산화물막, 질화물막 및 불화물막의 적어도 하나로 구성할 수가 있다. 본 발명의 고주파용 자성박막에 의하면, 제1의 층과, 제2의 층과, 제3의 층이 적층된 상태에서, 포화자화가 14kG(1.4T)이상, 그리고 비저항이 200μΩcm이상이라는 우수한 특성이 얻어진다. 게다가 1GHz에 있어서의 복소투자율(複素透磁率)의 실수부(μ')를 300이상, 또 성능지수 Q(Q=μ'/μ'')를 10이상으로 하는 것도 가능하다. 또한, 본 발명에 있어서 이들 특성은 성막(成膜)한 그대로의 상태로 얻을 수가 있다. 즉, 성막완료로부터의 경과시간과 상관없이, 예를 들면, 열처리 등의 처리가 가해지지 않은 상태에서 측정한 값에 의하여, 본 발명에서 규정하는 특성을 구비하는지 여부의 판단을 할 수가 있다. 물론, 성막 후에 열처리 등의 처리를 가한 경우라도, 본 발명에서 규정하는 특성을 구비하는 것이 본 발명의 범위에 포함된다는 것은 당연하다. 이들에 관한 사항은 이하에서도 동일하다.
위에서 기술한 바와 같이, 제1의 층을 T-L조성물(단, T=Fe 또는 FeCo, L=C, B 및 N으로부터 선택되는, 적어도 1종의 원소)로 하고, 제2의 층을 Co계 비결정질합금으로 하는 것에 의하여, 고투자율 및 고포화자화가 달성된다. 그리고 본 발명자의 검토에 의하면, 제1의 층의 막두께 및 제2의 층의 막두께를 제어하는 것이 소망하는 투자율 및 포화자화를 얻는데 있어서 극히 유효하다. 그래서 본 발명은, 제1의 층의 두께를 T1, 제2의 층의 두께를 T2로 한 경우에, T1이 0.5~3.0nm의 범위에 있고, 또 T1/T2를 0.8~3.0의 범위로 설정할 것을 권장한다. 또, T1이 3~70nm의 범위에 있을 때에는, T1/T2를 0.15~3.50의 범위로 하는 것이 유효하다.
또한, 본 발명은 Fe 또는 FeCo를 주성분으로 하며, 단층막에서 포화자화가 16kG(1.6T) 이상의 특성을 가지며, 또한, 애스펙트비가 1.4이하인 주상구조 또는 비결정질 구조로 이루어지는 제1의 층과, Co를 주성분으로 하며 단층막에서 투자율이 1000 이상(측정주파수:10MHz), 포화자화가 10kG(1.0T) 이상, 비저항이 100μΩcm이상의 특성을 갖는 제2의 층과, 이들 제1의 층 및 제2의 층이 적층된 적층체의 표면 및/또는 내부에, 제2의 층보다도 높은 전기저항을 나타내는 제3의 층이 배치되어 있는 것을 특징으로 하는 복합자성박막을 제공한다. 여기서, 제3의 층으로서 자성체를 사용하는 것에 의하여 높은 자기특성과 높은 전기저항을 겸비한 복합자성박막을 얻을 수가 있다. 자성체로서는 예를 들면, 그래뉼러 구조의 것이 바람직하다. 또, 복합자성박막의 전체 두께는 200~3000nm으로 하는 것이 바람직하다.
제3의 층의 존재에 의하여 높은 전기저항을 얻는 것이 가능해지나, 복합자성박막에 대한 점유율이 40vol%를 넘으면, 제1의 층 및 제2의 층의 점유비율이 적어지며, 포화자화 및 투자율의 실수부의 값이 저하되는 경향이 있다. 따라서 본 발명에 있어서 제3의 층의 복합자성박막에 대한 점유율은 40vol% 이하, 바람직하게는 3~20vol%로 한다.
또, 상술한 제1의 층을 비결정질 구조로 하는 것에 의하여 보다 높은 연자기특성을 얻을 수가 있다.
또한, 본 발명은 GHz대에서 적합하게 사용되는 인덕터 또는 트랜스 등의 자기소자를 제공한다. 즉, 본 발명은 고주파용 자성박막을 갖는 자기소자로서, 고주파용 자성박막이 T-L조성물(단, T=Fe 또는 FeCo, L=C, B 및 N로부터 선택되는 적어도 1종의 원소)로 이루어지는 제1의 층과, 상기 제1의 층의 어느 일면측에 배치된 Co계 비결정질합금으로 이루어지는 제2의 층과, 제1의 층 또는 제2의 층의 어느 한 측에 배치되어 제1의 층 및 제2의 층보다도 높은 전기저항을 나타내는 제3의 층을 포함하며, 복수의 제1의 층과, 복수의 제2의 층과, 복수의 제3의 층이 적층되어 다층막 구조를 이루는 것을 특징으로 하는 자기소자를 제공한다.
여기서, 제3의 층이 그래뉼러 구조막으로 구성되어 있는 것이 바람직하다.
또, T-L조성물층 중에 함유되는 L원소의 농도는 2~20at%인 것이 바람직하다.
본 발명의 자기소자로서는 인덕터, 트랜스 등, 보다 구체적으로는 코일을 중심으로 대향배치된 고주파용 자성박막을 갖는 자기소자, 모놀리식마이크로파 집적회로(MMIC)에 사용되는 인덕터 등을 들 수 있다.
도 1은, 본 실시형태의 고주파용 자성박막의 단면도.
도 2는, 두께 T1이 3nm 이하의 Fe-C박막과 CoZrNb비결정질 합금박막을 적층한 복합자성박막의 X선 회절결과를 나타내는 도면.
도 3은, Fe계 또는 FeCo계 박막의 결정립(結晶粒)의 상태를 나타내는 단면모식도.
도 4는, Fe-C박막과 Co계 비결정질 합금박막을 적층하였을 때의 Fe-C박막의 결정립의 상태를 나타내는 단면모식도.
도 5는, 도4의 부분확대 단면도.
도 6은, 도1과는 적층주기가 다른 본 실시형태의 고주파용 자성박막의 단면도.
도 7은, 본 실시형태의 고주파용 자성박막이 적용된 인덕터의 일례를 나타내는 평면도.
도 8은, 도7의 A-A화살표시 단면도.
도 9는, 본 발명의 고주파용 자성박막이 적용된 인덕터의 다른 예를 나타내는 단면도.
도 10은, 본 실시형태의 고주파용 자성박막이 적용된 인덕터의 다른 예를 나타내는 평면도.
도 11은, 도10의 A-A화살표시 단면도.
도 12는, 실시예 1~8, 비교예 1에서 얻어진 복합자성박막의 구성을 나타내는 도표.
도 13은, 실시예 1~8, 비교예 1에서 얻어진 복합자성박막의 자기특성, 고주파투자율특성 및 비저항을 나타내는 도표.
도 14는, 실시예 4에서 제작한 복합자성박막의 단면모식도.
도 15는, 실시예 9~15에서 얻어진 복합자성박막의 구성, 자기특성, 고주파투자율특성 및 비저항을 나타내는 도표.
도 16은, 실시예 16~26에서 얻어진 복합자성박막의 구성, 자기특성, 고주파투자율특성 및 비저항을 나타내는 도표.
이하, 본 발명의 실시형태에 있어서의 고주파용 자성박막에 대해서 상세하게 설명한다.
본 실시형태에 있어서의 고주파용 자성박막(복합자성박막)(1)은, 도1의 모식적 단면도에 나타내는 바와 같이, 복수의 Co계 비결정질합금층(제2의 층)(3)과, 복수의 T-L조성물층(제1의 층)(5)과, 복수의 고저항층(제3의 층)(7)이 적층된 다층막구조를 이루는 복합자성박막이다. 도1에 나타내는 실시형태에서는 Co계 비결정질합금층(3)이 4층, T-L조성물층(5)이 4층, 고저항층(7)이 2층, 합계 10층으로 이루어 진 다층막구조가 예시되어 있다. 도1에 나타내는 바와 같이, T-L조성물층(5)은 Co계 비결정질합금층(3)의 한 쪽 면측에 배치된다. 또, 고저항층(7)은 Co계 비결정질합금층(3) 또는 T-L조성물층(5)의 어느 한 측에 배치된다.
먼저, T-L조성물층(5)에 대하여 설명한다.
T-L조성물층(5)의 T는 Fe 또는 FeCo이며, L은 C,B 및 N으로부터 선택되는 적어도 1종의 원소이다. Fe 또는 FeCo를 주성분으로 하는 합금으로 이루어지는 박막은 높은 포화자화를 나타내기는 하나, 보자력이 크고, 또한 비저항이 적어지는 경향이 있었다. 그래서 본 발명은 연자기특성을 향상시킬 수 있는 L(C,B 및 N으로부터 선택되는 적어도 1종의 원소)을 함유한다. 여기서, T-L조성물층(5)은 2개의 형태를 포함한다. 제1의 형태는, T-L조성물층(5)의 애스펙트비가 1.4 이하의 주상(柱狀)구조를 갖는 형태이다. 상기 제1의 형태를 이루는 것에 의하여, 고포화자화 및 우수한 연자기특성을 얻을 수가 있다. 또, 제2의 형태는 비결정질구조이다. T-L조성물층(5)이 비결정질구조를 이루는 것에 의하여 한층 더 연자기특성의 향상과 고전기저항을 달성할 수가 있다. 고주파특성에 효과를 보기 위해서는, T-L조성물층(5)은 단층막에서 포화자화가 16kG(1.6T) 이상의 특성을 갖는 것이 바람직하다.
또한, T-L조성물층(5)의 애스펙트비가 1.4 이하의 주상구조를 갖는 형태에 있어서도, 후술하는 바와 같이 박막형성 초기단계에서 비결정질구조가 형성되어 있기 때문에, 본원 발명에 있어서의 주상구조란, 이 비결정질구조부분을 포함하는 의미로 해석하는 것으로 한다.
T-L조성물층(5)은 막두께가 두꺼워지고, 애스펙트비가 1.4를 넘어 2.0이상으 로 되면, 수직자기이방성이 현저하게 나타나며, 연자기특성이 열화해 버린다. 본 발명에 있어서는, T-L조성물층(5)에 존재하는 모든 결정립의 애스펙트비가 1.4이하인 것이 가장 바람직하지만, 그 애스펙트비의 증가분이 30% 이하 또한 10% 이하의 결정립을 부분적으로 함유하는 것을 허용한다. 따라서, 본 발명에서는 T-L조성물층(5)의 두께 T1은 100nm 이하, 바람직하게는 70nm 이하로 한다. 여기서, T1이 3nm 이하로 되면, T-L조성물층(5)은 후술하는 바와 같이 비결정질구조로 된다. 성능적으로는, 예를 들면, T1을 0.2nm까지 얇게 하여도 성능의 저하는 일어나지 않으나, T1이 너무 얇아지면 적층횟수가 증가하기 때문에, 성막시간이 길어지는 제조상의 문제가 발생한다. 따라서, T1은 0.5nm 이상, 또한 1.0nm 이상으로 하는 것이 바람직하다.
여기서, 두께 T1이 3nm 이하의 Fe-C 박막과 CoZrNb 비결정질 합금박막을 적층한 복합자성박막의 X선 회절결과를 도2에 나타낸다. 도2로부터 알 수 있듯이, Fe-C 박막의 두께가 3nm 이하인 적층막은, Fe-C의 bcc(110)결정면의 회절피크는 전형적인 비결정질의 브로드한 형상을 나타낸다.
본 발명의 T-L조성물층(5)은, 그 안에 함유되는 L원소(C, B 및 N으로부터 선택되는 적어도 1종의 원소)농도가 2~20at%, 바람직하게는 4~10at%로 된다. L원소농도가 2at% 미만이면 bcc구조의 주상결정이 기판에 대해서 수직방향으로 성장하기 쉬워지며, 보자력이 커진다. 또한, 비저항이 작아져서, 양호한 고주파특성을 얻는 것이 곤란해진다. 한편, L원소농도가 20at%를 넘으면 이방성자계가 감소하기 때문에 공명주파수의 저하가 발생하여, 고주파용 박막으로서 충분히 기능하는 것이 곤 란해진다. T로서는 FeCo를 채용하는 것이 바람직하다. T로서 FeCo를 채용하는 것에 의하여 Fe단독의 경우 보다 높은 포화자화를 얻을 수가 있다. 이 때의 Co의 함유량은 80at% 이하의 범위에서 적당히 정하면 좋으나, 10~50at%, 보다 바람직하게는 20~50at%의 범위에서 함유시키는 것이 바람직하다. 또, Fe, FeCo 이외에 본 발명에 악영향을 끼치지 않는 범위에서 다른 원소를 함유시키는 것을 본원 발명은 허용한다.
다음에, Co계 비결정질합금층(3)에 대해서 설명한다.
Co계의 비결정질합금은 고투자율, 또한 고저항(비저항이 100~150μΩcm)을 갖는 특징이 있기 때문에, 고주파수 영역에서의 와전류 손실을 억제하는데에 유효하다. 이 때문에, 본 발명에서는 제1의 층인 T-L조성물층(5)에 접하는 제2의 층으로서 Co계의 비결정질합금을 채용한다. 또, 제2의 층이 비결정질재료이면 제1의 층이 주상구조라도 제2의 층에 의하여 그 성장이 분단되기 때문에, 연속적인 주상구조가 되지 않는다. 가령, 제2의 층으로서 결정질의 재료를 사용한 경우에는, 제2의 층의 어느 한 면에 접하는 제1의 층은 그 결정의 성장이 제2의 층의 결정구조에 영향을 받아 연속적인 주상구조가 되어버리기 때문에 바람직하지 않다.
Co계 비결정질합금층(3)은 단층막에서 투자율이 1000이상(측정주파수:10MHz), 포화자화가 10kG(1.0T) 이상, 비저항 100μΩcm 이상의 특성을 가지고 있는 것이 바람직하다.
본 발명에 있어서의 제2의 층으로서의 Co계 비결정질합금층(3)은, Co를 주성분으로 하며, M원소(단, M은 B, C, Si, Ti, V, Cr, Mn, Fe, Ni, Y, Zr, Nb, Mo, Hf, Ta, W 로부터 선택되는 적어도 1종의 원소)를 포함하여 형성되어 있으며, 이것은 비결정질상을 주체로하여 구성되어 있다. 첨가원소의 비율(2종 이상의 경우는 총합계량)은 통상 5~50at%, 바람직하게는 10~30at%로 된다. 첨가원소의 비율이 너무 많아지면, 포화자화가 작아져 버리는 문제가 발생하고, 또, 첨가원소의 비율이 너무 적어지면 자왜정수의 제어가 곤란해져서 유효한 연자기특성을 얻을 수가 없게 되는 문제가 발생한다.
Co계 비결정질합금층(3)을 구성하는 적당한 조성계(組成系)의 예로서는, CoZr, CoHf, CoNb, CoMo, CoZrNb, CoZrTa, CoFeZr, CoFeNb, CoTiNb, CoZrMo, CoFeB, CoZrNbMo, CoZrMoNi, CoFeZrB, CoFeSiB, CoZrCrMo 등을 들 수가 있다.
다음에, 상술한 T-L조성물층(5)과, T-L조성물층(5)의 어느 한 면측에 배치된 Co계 비결정질합금층(3)을 조합시키는 것에 의하여, 높은 투자율 및 높은 포화자화를 겸비한 고주파용 자성박막(1)이 얻어지는 이유에 대하여 기술한다.
본 발명의 고주파용 자성박막(1)은, 수100MHz 이상의 주파수대역, 특히, 1GHz 이상의 고주파대역에서 적합하게 사용된다. 이와 같은 고주파대역에 있어서의 투자율(이하, 간단히「고주파투자율」이라고 칭한다)은 시료의 여러가지 물성과 복잡하게 관련된다. 이 투자율과 가장 관계가 밀접한 것으로서 이방성자계와 포화자화가 있다. 일반적으로, 투자율과 공명주파수의 곱은, 이방성자계의 1/2곱 및 포화자화의 3/2곱에 비례하는 관계에 있다. 여기서, 공명주파수는 이하의 식 (1)로 나타낸다. 또한, 식 (1) 중, fr은 공명주파수를 나타내며, γ는 자이로자기정수를 나 타내며, Hk는 이방성자계를 나타내며, 4πMs는 포화자화를 나타내고 있다.
fr=(γ/2π)[Hk4πMs]1/2 …식 (1)
따라서, 재료의 이방성자계 및 포화자화를 크게 하는 것에 의하여 공명주파수를 높이고, 사용한계 주파수를 높이는 것이 가능해진다. 종래의 Co계 비결정질 합금박막의 대표적인 일례인 CoZrNb 비결정질 합금박막의 공명주파수를 2GHz까지 향상시키기 위하여 필요한 이방성자계를 상기식(1)을 사용하여 계산해 보면, 44Ｏe(3501A/m) 이상의 이방성자계를 필요로 하는 것이 산출된다. 이 산출결과에 의하여 통상 15Ｏe(1193A/m) 정도의 이방성자계 밖에 갖지 못하는 상기 막을 GHz 주파수 대역에 응용하는것은 곤란하다는 것을 알 수 있다.
그런데, 2GHz의 공명주파수를 실현하기 위하여 필요로 하는 이방성자계는, 포화자화가 14kG(1.4T)의 경우는 36Ｏe(2864A/m), 18kG(1.8T)의 경우는 28Ｏe(2228A/m)으로 되며, 포화자화 및 결정자기 이방성이 큰 Fe계 합금 또는 FeCo계 합금과의 조합에 의하여 필요한 포화자화 및 이방성자계를 실현하는 것을 기대할 수가 있다.
종래부터, Fe 또는 FeCo를 주성분으로 하는 합금은 고포화자화를 나타내는 재료로서 널리 알려져있다. 그러나, Fe계 또는 FeCo계 합금의 자성박막을 스퍼터링 등의 성막기술에 의하여 제작하면, 포화자화는 높기는 하나 보자력이 크고, 또 비저항이 작아져서 양호한 고주파특성을 얻는 것이 곤란하였다. 그 주원인으로서는 다음과 같은 것이 고려되고 있다. 즉, 도3에 나타내는 바와 같이, 스퍼터링 등으로 성막한 Fe계 또는 FeCo계의 박막(101)은 기판(100)의 수직방향에 주상(柱狀)으로 성장해 있으며, 이 주상구조에 기인하는 수직자기이방성의 발생이 문제가 되고 있다.
그러나, 본 발명자들이 예의연구한 결과, Fe에 소정량의 C(탄소)를 첨가한 Fe-C박막에서 다음과 같은 것을 알게되었다.
(1) 소정의 두께를 갖는 Fe-C박막도 주상구조를 이루나, 두께가 70nm정도 이하가 되면 주상구조의 애스펙트비(기둥의 길이와 너비의 비, 길이÷너비)가 작기 때문에 우수한 연자기특성이 얻어진다. 더 구체적으로 설명하면, 주상으로 성장하고 있는 Fe-C의 평균너비는 약 50nm이며, 주상구조의 애스펙트비가 1.4이하로 되는 두께 70nm정도까지는 주상구조에 의한 연자기특성의 열화를 억제할 수가 있다. 이와 같은 애스펙트비의 Fe-C박막을 얻기 위해서는, 도4에 나타내는 바와 같이 Co계 비결정질 합금박막(111)을 Fe-C박막(112)과 Fe-C박막(112)과의 사이에 개재(介在)시키는 것이 유효하다. 이와 같이 함으로써, Fe-C결정립의 연속적인 주상구조의 성장을 저지할 수가 있기 때문이다.
(2) Fe-C박막의 성장과정을 면밀히 조사한 결과, 두께 3nm이하 정도까지의 막성장 초기단계에 있어서는, 결정입경이 3nm이하의 미결정(微結晶)상태가 되며, 또한, 불안정한 표면의 비율이 많아지기 때문에 비결정질(아모르포스)의 특징이 나타난다. 즉, 도5에 나타나는 바와 같이, Fe-C박막(121)은 기판(120) 위에 형성된 비결정질 구조부분(121a)과, 비결정질 구조부분(121a) 위에 형성된 주상구조부분(121b)으로 구성된다. 비결정질이라는 것은 X선회절에 의하여, Fe-C박막의 경우에 는 Fe-C의 bcc(110) 결정면의 회절피크가 나타나지 않는 것으로부터 판단하면 좋다. 이와 같은 비결정질구조의 박막은, 주상구조로 되지 않는 것은 물론, 비결정질구조에 기인하는 고저항(100μΩcm이상) 특성이 얻어진다. 따라서, Fe-C박막과 Co계 비결정질합금박막이 적층하는 형태를 채택하면, 연자기특성은 물론 고저항화를 실현할 수가 있으며, GHz대에 있어서의 투자율이 큰것과 동시에 와전류손실이 억제되어 성능지수가 큰 자성박막을 얻을 수가 있다.
이상 (1), (2)의 사항은, Fe-C박막에 한정되지 않으며, FeCo-C박막, 또한 C를 B 또는 N으로 치환한 경우라도 유효하다.
이상과 같은 이유로 연자기특성이 우수한 Co계 비결정질합금층(3)을, 고포화자화와 고이방성자계를 갖는 T-L조성물층(5)의 어느 한 면측에 배치하는 것에 의하여, 높은 투자율 및 높은 포화자화를 겸비한 고주파용 자성박막(1)을 얻게된다. 더 구체적으로 부언하면, Co계 비결정질합금층(3)과 T-L조성물층(5)을 적층한 적층체는 1GHz에서 투자율의 실수부(μ')가 200이상이며, 또한 성능지수Q(Q=μ'/μ")가 1이상, 포화자화가 12kG(1.2T) 이상인 특성을 나타낸다.
이어서, 도1에 나타낸 바와 같이, Co계 비결정질합금층(3)과 T-L조성물층(5)을 적층한 적층체의 표면 및/또는 내부에 배치되는 고저항층(7)에 대하여 설명한다.
본 발명에 있어서, 제3의 층으로서 고저항층(7)을 설치하는 것은 이하의 이유에 의거한다. 우선, 비저항과 인덕터의 성능은 밀접하게 관련되어 있으며, 고주파용 자성박막(1)의 비저항을 올리는 것에 의해 표피효과에 의한 영향을 저감시키 며, 고주파용 자성박막(1)을 인덕터에 응용할 때의 인덕터 성능을 향상시킬 수가 있다.
고저항층(7)으로서는 상술한 T-L조성물층(5) 및 Co계 비결정질합금층(3) 보다도 전기저항이 높은 것이라면, 자성체, 비자성체의 어느 것이라도 사용할 수가 있다. 구체적으로, 고저항층(7)은 단층막에서 비저항 300μΩcm 이상의 특성을 가지고 있는 것이 바람직하다.
여기서, 고저항층(7)을 자성체로 구성하는 경우에는, 예를 들면, 그래뉼러 구조막을 사용할 수가 있다. 고저항층(7)을 자성체로 구성하는 것에 의하여 높은 포화자화를 유지하면서 비저항을 향상시킬 수가 있다. 그리고 비저항이 향상되는 것에 의하여 고주파역에서의 와전류 손실도 억제된다.
한편, 고저항층(7)을 비자성체로 구성하는 경우에는, 예를 들면, 산화물막, 질화물막, 불화물막 등을 사용할 수가 있다. 고저항층(7)을 비자성체로 구성하는 것에 의하여, 보다 한층 높은 비저항을 얻는 것이 가능해 진다. 또, 산화물막은 의도적으로 형성한 막 외에, 예를 들면, Co계 비결정질합금층(3), T-L조성물층(5)이 산소와 접촉하는 것에 의하여 자연적으로 형성된 산화물막이라도 좋다. 이후, 이와 같이 하여 형성된 산화물막을 자연산화막이라고 부른다.
상술한 바와 같이 비저항을 향상시키기 위하여 고저항층(7)을 설치하는 것이 유효하나, 고주파용 자성박막(1)에 있어서의 고저항층(7)이 차지하는 비율이 너무 커지면 연자기특성이 열화하는 경향이 있다. 따라서, 고저항층(7)이 차지하는 비율은 고주파용 자성박막(1)에 대한 체적비율로 3~40vol%, 바람직하게는 3~20vol%, 더 욱 바람직하게는 15vol% 이하로 한다. 여기서, 상술한 바와 같이 고저항층(7)은 자성체 또는 비자성체로 구성할 수가 있으나, 고저항층(7)이 비자성체로 구성되어 있는 경우에는 고저항층(7)이 차지하는 비율을 고주파용 자성박막(1)에 대한 체적비율로 10vol% 이하로 하는 것이 바람직하다. 이것은 연자기특성의 열화를 방지하기 위함이다. 한편, 고저항층(7)이 그래뉼러 구조 등의 자성체로 구성되어 있는 경우에는, 고저항층(7)이 차지하는 비율이 20vol% 정도로 커져도 연자기특성의 열화는 발생하지 않는다.
고저항층(7)을 그래뉼러 구조로 하는 경우의 조성계의 예로서는, M-X-Z(여기서 M은 Fe, Co 및 Ni로부터 선택되는 적어도 1종의 원소, X는 Mg, Ca, Y, Ti, Zr, Hf, V, Nb, Ta, Cr, Mo, W, Zn, Al, Si 중의 어느 하나 또는, 이들의 혼재물, Z는 F, N, O 중의 어느 하나 또는, 이들의 혼재물)를 들 수가 있다. 또, M은 C 또는/및 B를 함유하고 있어도 좋다. 고저항층(7)을 그래뉼러 구조로 하는 경우의 구체적인 조성으로서는 FeCoAlO, FeAlO, FeCoSiO, FeCoCZrO, FeNiAlO, CoMgF, FeMgF, FeCoCaF, CoAlN 등을 들 수가 있다.
고저항층(7)을 산화물막으로 구성하는 경우에는, Al2O3, SiO2 등의 산화물막, 고저항층(7)을 질화물막으로 구성하는 경우에는, AlN, Si3N4 등의 질화물막, 고저항층(7)을 불화물막으로 구성하는 경우에는, MgF2, CaF2 등의 불화물막을 채용할 수가 있다.
본 발명에서는 고저항층(7)의 두께(T3)는 20nm 이하, 바람직하게는 15nm 이하, 더욱 바람직하게는 10nm 이하로 한다. 고주파용 자성박막(1)에 있어서의 고저항층(7)이 차지하는 비율이 상술한 범위내에 있으면 높은 비저항을 얻을 수가 있으나, 한편, T3의 값이 0.5nm 미만으로 되면 적층횟수가 증가하기 때문에 성막시간이 길어진다는 제조상의 문제점이 발생한다. 따라서, T3은 0.5nm이상, 더욱이 1.0nm이상으로 하는 것이 바람직하다.
기본적으로는 소망하는 특성에 따라서 고저항층(7)의 종류를 선택함과 동시에 고저항층(7)이 차지하는 비율, 두께(T3)를 결정하면 좋다.
이상의 T-L조성물층(5), Co계 비결정질합금층(3) 및 고저항층(7)으로 고주파용 자성박막(1)을 구성함으로써, 1GHz에 있어서의 복소투자율의 실수부(μ')가 400 이상이며, 또한 성능지수Q (Q=μ'/μ")가 20이상, 포화자화가 14kG(1.4T)이상의 고주파용 자성박막을 얻을 수가 있다. 또한, 이와 같이 높은 자기특성을 유지한 상태에서 200μΩcm 이라는 높은 비저항도 얻을 수가 있다. 또한, GHz영역(1GHz)에서 투자율의 실수부(μ')는 가능한 한 큰 값을 취하는 것이 바람직하며, 특별히 상한치는 없다. 마찬가지로, 포화자화에 대해서도 가능한 한 큰 값을 취하는 것이 바람직하며 특별히 상한치는 없다. 또, 비저항에 대해서도 특별히 상한치는 없으나, 고저항이 차지하는 비율이 너무 커지면 연자기특성 및 고포화자화 특성을 잃는다는 관점에서, 상한을 1000μΩcm이하로 하는 것이 바람직하다.
다음에, T-L조성물층(5) 및 Co계 비결정질합금층(3)의 바람직한 두께에 대하여 기술한다. T-L조성물층(5)의 두께를 T1, Co계 비결정질합금층(3)의 두께를 T2로 하였을 때, T1을 3~70nm의 범위로 하고, 또한 T1/T2는 0.15~3.50, 바람직하게는 0.25~2.50으로 하는 것이 유효하다. 상기 값이 3.50을 넘으면 T-L조성물층(5)의 성막시에 주상구조가 나타나며, 이방성자계 및 자화곤란축 방향의 보자력(Hch)이 급격하게 증대하는 등 하여 수직자기이방성이 발생한다. 이 때문에 양호한 연자성특성을 얻을수가 없게 된다는 문제점이 발생한다. 또, 상기 값이 0.15미만이 되면 14kG(1.4T) 이상의 포화자화를 얻을 수가 없게 되어버린다. 따라서, T-L조성물층(5)의 두께 T1이 3~70nm의 범위인 경우에는 T1/T2를 0.15~3.50로 하는 것이 바람직하다.
또, T-L조성물층(5)의 두께를 T1, Co계 비결정질합금층(3)의 두께를 T2로 한 경우에, T1을 0.5~3.0nm의 범위로 하며, 또한, T1/T2를 0.8~3.0의 범위로 하는 것도 유효하다.
T1/T2가 3.0을 넘으면, FeC의 입자가 크게 성장하여, 고저항층(7)의 존재를 고려하여도 200μΩcm 이상의 높은 비저항을 얻는 것이 곤란해진다. 또, 상기 값이 0.8미만이 되면 고포화자화인 T-L조성물층(5)의 비율이 작아져 버려, 공명주파수를 고주파측으로 하는 것이 곤란해진다. T1/T2의 바람직한 값은 1.0이상 2.5이하이다.
상기의 T1 및 T1/T2를 본원 발명의 범위내로 하고, 또 고저항층(7)이 차지하는 비율을 상술한 범위내로 제어하는 것에 의하여 비저항이 200μΩcm 이상이며, 또 1GHz에 있어서의 복소투자율의 실수부(μ')가 300이상, 성능지수Q(Q=μ'/μ")가 10이상, 포화자화가 14kG(1.4T) 이상이라는 극히 우수한 특성을 갖는 복합자성박막의 실현이 가능해진다. 또, 이와 같은 특성의 측정은, 상술한 바와 같이 열처리 등 을 실시하지 않은 성막한 그대로의 상태에서 측정된다.
본 발명의 고주파용 자성박막(1)에 있어서, T-L조성물층(5), Co계 비결정질합금층(3) 및 고저항층(7)의 합계적층횟수에 관한 제한은 없으나, 통상 5~3000회, 바람직하게는 10~700회 정도가 된다. 고주파용 자성박막(1) 중에서 동일종류(T-L조성물층(5), Co계 비결정질합금층(3) 또는 고저항층(7))의 막은, 통상 동일한 막두께가 되도록 형성된다. 단, 드문 경우로서, 동일종류의 막이라도 적층부분에 따라서 성막두께를 다른 부분과 다르게 하는 것도 있을 수가 있다. 극단적인 예로서, 예를 들면, 중간부근의 T-L조성물층(5)의 막두께를 20nm, 상·하의 T-L조성물층(5)의 2층의 막두께를 각각 5nm으로 하는 것과 같은 방법도 경우에 따라서는 있을 수 있다. 이와 같은 경우, 본원에서의 T-L조성물층(5)의 막두께는 산술평균의 두께(Tf)에 의하여 산출하면 된다. 상기예에서는 산술평균치인 Tf=10nm이라는 수치를 채택하여, 예를 들면, Tf/Tc(Tc는 Co계 비결정질합금층(3)의 막두께의 산술평균치)를 구하도록 하면 된다. 또, 본 발명의 고주파용 자성박막(1)은 Co계 비결정질합금층(3), T-L조성물층(5) 및 고저항층(7)이외의 층을 설치하는 것을 허용한다.
이와 같은 본 발명의 고주파용 자성박막(1)의 두께는 200~3000nm, 바람직하게는 300~2000nm으로 된다. 상기 값이 200nm미만이면, 평면형 자기소자에 응용하는 경우, 소망하는 파워를 감당하는 것이 곤란해 지는 문제가 발생할 수 있다. 또, 후술하는 도10 및 도11에 나타내는 자성박막을 구비하는 유심(有芯)코일의 형태로서도 공심(空芯)코일에 비하여 인덕턴스의 증가가 10%미만이 되는 경향이 발생하여, 자성박막의 효과를 충분히 발휘할 수가 없는 문제가 발생한다. 또, 상기 값이 3000nm을 초과하면 표피효과에 의한 고주파손실이 현저하게 되어 GHz대역의 손실이 증대하는 문제가 발생할 수 있다.
본 발명의 고주파용 자성박막(1)은 진공박막형성방법, 특히, 스퍼터링법에 의하여 형성되는 것이 바람직하다. 보다 구체적으로는, RF스퍼터, DC스퍼터, 마그네트론 스퍼터, 이온빔스퍼터, 유도결합 RF플라즈마지원 스퍼터, ECR스퍼터, 대향타겟식 스퍼터, 다원동시스퍼터 등이 사용된다.
Co계 비결정질합금층(3)을 형성하기 위한 타겟으로서는, Co타겟 위에 소망하는 첨가원소의 펠릿을 배치한 복합 타겟을 사용하거나 소망하는 첨가성분을 함유하는 Co합금의 타겟을 사용하면 좋다.
T-L조성물층(5)을 형성하기 위한 타겟으로서는, Fe(또는, FeCo합금) 타겟의 위에 L원소의 펠릿을 배치한 복합타겟을 사용하거나, Fe(또는, FeCo)와 L원소의 합금타겟을 사용하면 좋다. L원소의 농도조정은, 예를 들면, L원소 펠릿의 양을 조정하도록 하면 좋다.
그래뉼러 구조의 고저항층(7)을 형성하기 위한 타겟으로서는, Fe(또는, Ni, Co, FeCo 합금 등) 타겟의 위에 X원소 및 Y원소의 펠릿을 배치한 복합타겟을 사용하거나, X원소, Y원소 및 Fe(또는 Ni, Co, FeCo 합금 등)의 합금타겟을 사용하면 좋다.
또한, 스퍼터링은 어디까지나 본 발명의 한 형태이며, 다른 박막제작 프로세스를 적용할 수 있다는 것은 물론이다. 본 발명의 고주파용 자성박막(1)의 구체적인 성막방법에 대해서는 후술하는 실시예에서 상세히 설명한다.
이상, 도1 등을 사용하여 복수의 Co계 비결정질합금층(3)과 복수의 T-L조성물층(5)과, 복수의 고저항층(7)이 적층된 다층막구조를 이루는 본 발명의 고주파용 자성박막(1)의 구성 및 특징을 개시하였다. 도1에서는 Co계 비결정질합금층(3)과 T-L조성물층(5)이 각각 2층씩 적층된 후에, 고저항층(7)이 1층 배치된다는 적층형태(적층주기)를 나타내었으나, 적층형태는 이에 한정되는 것은 아니다. 즉, Co계 비결정질합금층(3)과 T-L조성물층(5)의 적층이 소정의 수만큼 반복될 때마다, 고저항층(7)이 배치되도록 하면 좋다. 여기서 소정의 수가, 가령 1이면 도 6에 나타내는 바와 같이 Co계 비결정질합금층(3), T-L조성물층(5), 고저항층(7)이 차례로 적층되게 된다. 한편, 소정의 수가 가령 3이면 Co계 비결정질합금층(3)과 T-L조성물층(5)의 적층이 3회씩 반복되어, 총 6층이 되었을 때에 고저항층(7)이 1층 배치되게 된다.
이상의 적층주기를 식(2)로 나타낸다.
[ { (T2 / T1) × n } / T3 ] × m …식 (2)
여기서, 상술한 바와 같이, T2는 Co계 비결정질합금층(3)의 두께, T1은 T-L조성물층(5)의 두께, T3은 고저항층(7)의 두께를 각각 나타낸다. 식(2) 중,「/」은 분수를 의미하는 것이 아니다. 즉,「T2/T1」은 T2의 값을 T1의 값으로 나눈다는 것을 의미하는 것이 아니라, Co계 비결정질합금층(3)과 T-L조성물층(5)을 접촉시켜서 적층하는 것을 의미하는 것이다.
또, n은 본 발명에서 말하는「소정의 수」를 나타낸다. 본 발명에서는 n=1~5로 할 것을 권장한다. n이 5를 넘으면 T2 및 T1의 값을 작게 하였다고 하여도 표피 효과에 의한 고주파손실을 저감시키는 것이 곤란해진다.
m은 고주파용 자성박막(1)의 총 두께가 200~2000nm이 되도록 임의로 설정되는 계수이다.
따라서, n=2의 경우에는 도1에 나타낸 바와 같이, Co계 비결정질합금층(3)과 T-L조성물층(5)이 각각 2층 적층된 후에, 고저항층(7)이 1층 적층되게 된다. 여기서 T-L조성물층(5)의 두께 T1, Co계 비결정질합금층(3)의 두께 T2, 고저항층(7)의 두께 T3이 각각 1.0nm이라고 가정한다. 이 경우에 Co계 비결정질합금층(3)과 T-L조성물층(5)이 각각 2층 적층된 후에 고저항층(7)이 1층 적층된다고 하는 하나의 사이클을 거치는 것에 의하여, 5.0nm의 두께로 된다. 그래서, 고주파용 자성박막(1)의 총 두께를 200~2000nm로 하기 위해 m은 40~400으로 설정된다.
Co계 비결정질합금층(3), T-L조성물층(5), 고저항층(7)을 포함하는 고주파용 자성박막(1)에 있어서, 식(2)에 나타낸 적층주기를 채용하는 것에 의하여, 1GHz에 있어서의 표피 깊이(skin depth)를 1.0μm이상으로 설정하는 것이 가능해진다. 여기서, 표피 깊이는 이하의 식(3)으로 나타낸다. 또, 식(3) 중, δ은 표피의 깊이를 나타내고, ω은 각주파수를 나타내며, μ은 투자율을 나타내며, σ은 전도율을 나타내고 있다.
Figure 112005032975061-pct00001
…식(3)
이상, 상기 식(2)를 참조하여 적층주기에 대하여 기술하였는바, 이것은 어디까지나 하나의 예로서 다른 적층형태를 배제하는 것은 아니다. 예를 들면, 이하에 예시하는 제1 사이클(n=2)과 제2 사이클(n=3)을 상호 반복하도록 하여 n을 임의로 변동시키는 것도 가능하다.
(예)
제1 사이클 (n=2)
Co계 비결정질합금층(3)과 T-L조성물층(5)이 상호 2층씩 적층된 후에, 고저항층(7)을 1층 적층.
제2 사이클 (n=3)
Co계 비결정질합금층(3)과 T-L조성물층(5)이 상호 3층씩 적층된 후에, 고저항층(7)을 1층 적층.
여기서, Co계 비결정질합금층(3)을 (3), T-L조성물층(5)을 (5), 고저항층(7)을 (7)로 표시하고, 제1 사이클(n=2)과 제2 사이클(n=3)을 상호 2회씩 반복한 경우의 적층형태를 이하에 표시한다.
(3)(5)(3)(5)(7)(3)(5)(3)(5)(3)(5)(7)(3)(5)(3)(5)(7)(3)(5)(3)(5)(3)(5)(7)
다음에, 본 발명의 고주파용 자성박막(1)이 형성되는 기판(2)에 대하여 설명한다.
본 발명의 고주파용 자성박막(1)이 형성되는 기판(2)(도1)으로서는, 유리기판, 세라믹재료기판, 반도체기판, 수지기판 등을 예시할 수가 있다. 세라믹재료로서는 알루미나, 지르코니아, 탄화규소, 질화규소, 질화알루미늄, 스테아타이트, 뮬라이트, 코지아라이트, 포스테라이트, 스피넬, 페라이트 등을 들 수가 있다. 그 중 에서도 열전도율이 크고, 굴곡강도가 큰 질화알루미늄을 사용하는 것이 바람직하다.
또, 본 발명의 고주파용 자성박막(1)은, 상술한 바와 같이, 극히 우수한 고주파특성을 가짐과 동시에 실온에서 성막한 그대로의 상태에서 그 성능을 발휘할 수가 있다. 이 때문에, MMIC와 같은 반도체 프로세스로 제작되는 고주파 집적회로에 가장 적합한 재료이다. 따라서, 기판(11), 기판(21) 및 기판(31)(후술하는 도8, 도9 및 도11에 나타낸다)으로서는 Si, GaAs, InP, SiGe 등의 반도체기판을 예시할 수가 있다. 또, 본 발명의 고주파용 자성박막(1)은 여러가지 세라믹재료나 수지기판상에 성막하는 것도 물론 가능하다.
이어서, 본 발명의 고주파용 자성박막(1)을 적용한 자기소자의 구체적인 예를 기술한다.
평면형의 자기소자를 인덕터에 응용한 일례를 도7 및 도8에 나타낸다. 도7은 인덕터의 평면도를 모식적으로 나타낸 것이며, 도8은 도7의 A-A화살표시 단면을 모식적으로 나타낸 도면이다.
이들 도면에 나타내는 인덕터(10)는 기판(11)과 상기 기판(11)의 양면에 스파이럴형상으로 형성된 평면코일(12, 12)과 이들 평면코일(12, 12)과 기판(11)면을 덮어싸도록 형성된 절연막(13, 13)과, 이 각각의 절연막(13, 13)의 위를 덮어싸도록 형성된 한 쌍의 본 발명의 고주파용 자성박막(1)을 구비하고 있다. 그리고, 상기 2개의 평면코일(12, 12)은 기판(11)의 대략 중앙부분에 형성된 관통홀(through hole)(15)을 통해서 전기적으로 접속되어 있다. 또, 기판(11)의 양면의 평면코일 (12, 12)로부터 각각 접속하기 위한 단자(16)가 기판(11)의 바깥쪽으로 인출되어 있다. 이와 같은 인덕터(10)는 한쌍의 고주파용 자성박막(1)에 의하여, 절연막(13, 13)을 통해서 평면코일(12, 12)이 끼워지도록 구성되어 있기 때문에 접속단자(16, 16) 사이에 인덕터가 형성된다.
이와 같이 형성된 인덕터는 소형, 경량 박형으로, 특히 1GHz이상의 고주파대역에서 우수한 특성을 나타낸다.
또한, 상기에서 설명한 인덕터(10)에 있어서, 평면코일(12)을 병렬적으로 복수 설치하는 것에 의하여 트랜스를 형성할 수가 있다.
본 발명의 평면형 자기소자를 인덕터에 응용한, 다른 바람직한 실시형태를 도9에 나타낸다. 도9는 인덕터의 단면을 모식적으로 나타낸 것이다. 상기 도9에 나타내는 바와 같이 인덕터(20)는 기판(21)과, 상기 기판(21)의 위에 필요에 따라 형성되는 산화막(22)과, 상기 산화막(22)의 위에 형성된 본 발명의 자성박막(1a)과, 상기 자성박막(1a)의 위에 형성된 절연막(23)을 구비하며, 또, 상기 절연막(23)의 위에 형성된 평면코일(24)과, 이들 평면코일(24)과 절연막(23)을 덮어싸도록 형성된 절연막(25)과, 상기 절연막(25)의 위에 형성된 본 발명의 고주파용 자성박막(1b)을 구비하고 있다. 이와 같이 형성된 인덕터(20)도 역시, 소형, 경량 박형으로, 특히 1GHz이상의 고주파대역에서 우수한 특성을 나타낸다. 그리고 이와같은 인덕터(20)에 있어서, 평면코일(24)을 병렬적으로 복수 설치하는 것에 의하여 트랜스를 형성할 수가 있다.
그러나, 박막인덕터 등의 평면형 자기소자에 있어서는, 각각의 소자의 설계사양에 따른 최적의 투자율을 제공 할 것이 요망된다. 고주파대역에 있어서의 투자율은 이방성자계와 상관관계가 높으며, 이방성자계의 역수에 비례한다. 고주파대역에 있어서의 고투자율을 실현하기 위해서는, 자성박막면내에서 일축(一軸)이방성을 갖는 것이 필요하다. 또, 박막인덕터 등의 평면형 자기소자에서는, 자성박막의 포화자화가 높을수록 직류중량 특성의 향상을 기대할 수가 있다. 이 때문에 포화자화의 크기는 고주파용 자성박막(1)의 설계에 있어서 중요한 파라미타라고 할 수가 있다.
본 발명의 고주파용 자성박막(1)을 MMIC용 인덕터로서 응용한 예를 도10 및 도11에 도시한다.
도10은 인덕터의 도체층부분을 끌어낸 평면도를 모식적으로 나타낸 것이며, 도11은 도10의 A-A화살표시 단면을 모식적으로 나타낸 도면이다.
이들 도면에서 나타내고 있는 인덕터(30)은, 도11에 나타내는 바와 같이 기판(31)과 이 기판(31)의 위에 필요에 따라서 형성되는 절연산화막(32)과, 상기 절연산화막(32)의 위에 형성된 본 발명의 고주파용 자성박막(1a)과, 상기 고주파용 자성박막(1a)의 위에 형성된 절연막(33)을 구비하며, 또, 상기 절연막(33)의 위에 형성된 스파이럴 코일(34)과, 상기 스파이럴 코일(34)과 절연막(33)을 덮어싸도록 형성된 절연막(35)과 이 절연막(35)의 위에 형성된 본 발명의 고주파용 자성박막(1b)을 구비하고 있다.
또, 스파이럴 코일(34)은 도10에 나타내는 바와 같이, 배선(36)을 통해서 한 쌍의 전극(37)에 접속되어 있다. 그리고 스파이럴 코일(34)을 둘러싸도록 형성된 한 쌍의 그라운드패턴(39)은 각각 한 쌍의 그라운드 전극(38)에 접속되며, 그라운드-시그널-그라운드(G-S-G) 형의 프로브에 의하여 웨이퍼상에서 주파수 특성을 평가하는 형상을 가지고 있다.
본 실시의 형태에 관한 MMIC용 인덕터에 있어서는, 자심(磁芯)이 되는 고주파용 자성박막(1a, 1b)에 의해 스파이럴 코일(34)이 끼워 넣어진 유심구조를 채용하고 있다. 이 때문에, 스파이럴 코일(34)이 동일한 형상이면서도 고주파용 자성박막(1a, 1b)이 형성되어 있지 않은 공심구조의 인덕터에 비하여 인덕턴스값이 약 50% 향상된다. 따라서, 동일한 인덕턴스값을 얻기 위하여 필요한 스파이럴 코일(34)의 점유면적은 작아도 좋은 것으로 되어 결과적으로, 스파이럴 코일(34)의 소형화를 실현할 수가 있다.
그런데, MMIC용 인덕터에 적용하는 자성박막의 재료로서는, GHz대에 있어서 고투자율이며 높은 성능지수Q(저손실)의 특성을 갖는 것과, 반도체제조 프로세스에 의한 집적화가 가능할 것이 요구된다.
GHz대에 있어서의 고투자율을 실현하기 위해서는, 공명주파수가 높고 또, 포화자화가 큰 재질이 유리하며, 일축자기이방성의 제어가 필요하다. 또한, 높은 성능지수Q를 얻기 위해서는, 고저항화에 의한 와전류손실의 억제가 중요하다. 또한, 집적화 프로세스에 적용하기 위해서는, 실온에서 성막할 수가 있고, 성막한 그대로의 상태로 사용할 수 있는 것이 바람직하다. 이는 이미 세팅되어 있는 다른 온칩 컴퍼넨트(on-chip component)의 성능 및 제작프로세스에 있어서의 가열에 의한 악영향을 미치지 않도록 하기 위한 것이다.
다음에 구체적인 실시예를 들어서 본 발명을 더욱 상세하게 설명한다.
[실시예 1]
이하의 성막방법을 따라서 본 발명의 고주파용 자성박막을 제작하였다.
(성막의 순서)
Si웨이퍼의 위에 SiO2를 100nm의 두께로 성막한 것을 기판으로 사용하였다.
다원동시 스퍼터링장치를 사용하여 하기의 요령으로 기판상에 고주파용 자성박막을 성막(deposit)하였다. 즉, 다원동시 스퍼터링장치 내를 8×10-5Pa까지 예비배기한 후, 압력이 10Pa가 될 때까지 Ar가스를 도입하고 100W의 RF파워로 10분간 기판표면을 스퍼터에칭하였다.
이어서, 압력이 0.4Pa가 되도록 Ar가스의 유량을 조정하고, 300W의 파워로 Co87Zr5Nb8타겟, Fe타겟상에 C(탄소)펠릿을 배치한 복합 타겟 및 FeCo타겟의 위에 Al2O3(알루미나)를 배치한 복합 타겟을 반복하여 스퍼터링하여, 후술하는 사양으로 이루어지는 고주파용 자성박막으로서의 복합자성박막을 성막(成膜)시켰다.
성막시에는 기판에 0~-80V의 DC바이어스를 인가하였다. 또, 타겟표면의 불순물의 영향을 방지하기 위하여 셔터를 닫은 상태에서 10분 이상 프리스퍼터링(presputtering)을 실시하였다. 그 후, 셔터를 열어서 기판상에 성막을 실시하였다. 성막속도(rate)는 CoZrNb층의 성막시에 0.33nm/초, Fe-C층(탄소농도:5at%)의 성막시에 0.27nm/초, FeCoAlO(Fe55.2-Co24.8-A120-at%) 층의 성막시에 0.12nm/초로 하였다. 셔터의 개폐시간을 제어하는 것에 의하여 각 층의 막두께를 조정하였다.
(성막사이클)
우선, 기판상의 제1층째로서 두께 1.0nm의 CoZrNb층을 성막한 후, 그 위에 제2층째로서 두께 1.0nm의 Fe-C층을 형성하는 성막사이클을 2회 반복하였다. 이어서, 제4층째의 위에 두께 1.0nm의 FeCoAlO층을 성막하였다. 이상과 같이 CoZrNb 층과 Fe-C층이 상호 2층씩 적층되었을 때에 FeCoAlO층을 1층씩 성막하는 1사이클의 성막처리를 100사이클 실시하여, 도12에 나타내는 자성박막구성을 갖는 복합자성박막(실시예 1)을 얻었다(총두께:500nm). 또한, Fe-C, CoZrNb, FeCoAlO의 단층막에서의 비저항을 이하에 표시해 둔다.
Fe-C : 40μΩcm(탄소농도:5at%)~70μΩcm(탄소농도:7at%)
CoZrNb : 120μΩcm
(Fe55.2Co24.8Al20)O : 600μΩcm
[실시예 2]
(성막사이클)
기판상의 제1층째로서 두께 1.5nm의 CoZrNb층을 성막한 후, 그 위에 제2층째로서 두께 1.5nm의 Fe-C층을 형성하는 성막사이클을 3회 반복하였다. 이어서, 제6층째의 위에 FeCoAlO층을 1.0nm성막하였다. 이상과 같이, CoZrNb층과 Fe-C층이 상호 3층씩 적층되었을 때에 FeCoAlO층을 1층씩 성막하는 1사이클의 성막처리를 50사 이클 실시하여, 도12에 나타내는 자성박막구성을 갖는 복합자성박막(실시예 2)을 얻었다(총 두께:500nm). 또한, 성막순서는 상술한 실시예 1과 동일하다.
[실시예 3]
(성막사이클)
기판상의 제1층째로서 두께 20.0nm의 CoZrNb층을 성막한 후, 그 위에 제2층째로서 두께 5.0nm의 Fe-C층을 형성하였다. 그리고, Fe-C층의 위에 FeCoAlO층을 2.0nm성막하였다. 이상과 같이, CoZrNb층, Fe-C층 및 FeCoAlO층을 상호 1층씩 성막하는 1사이클의 성막처리를 18사이클 실시하여, 도12에 나타내는 자성박막구성을 갖는 복합자성박막(실시예 3)을 얻었다(총 두께:486nm). 또한, 성막순서는 상술한 실시예 1과 동일하다.
[실시예 4]
(성막사이클)
기판상의 제1층째로서 두께 20.0nm의 CoZrNb층을 성막한 후, 그 위에 제2층째로서 두께 50.0nm의 Fe-C층을 형성하였다. 그리고, Fe-C층의 위에 FeCoAlO층을 5.0nm성막하였다. 이상과 같이, CoZrNb층, Fe-C층 및 FeCoAlO층을 상호 1층씩 성막하는 1사이클의 성막처리를 7사이클 실시하여, 도12에 나타내는 자성박막구성을 갖는 복합자성박막(실시예 4)을 얻었다(총 두께:525nm). 또한, 성막순서는 상술한 실시예 1과 동일하다.
[실시예 5]
이상의 실시예 1~4는 모두 고저항층(7)으로서 FeCoAlO층을 사용하는 것이었으나, 실시예 5에서는 FeCoAlO층을 대신하여 고저항층(7)으로서 SiO2를 사용하였다.
고저항층(7)으로서 SiO2를 사용한 점 및 고저항층(7)을 형성하기 위한 타겟으로서 SiO2타겟을 사용한 것 이외에는 실시예 1과 동일한 성막순서 및 동일한 성막사이클을 거쳐, 도12에 나타내는 자성박막구성을 갖는 복합자성박막(실시예 5)을 얻었다(총 두께:500nm). 또한, SiO2의 단층막에서의 비저항을 이하에 표시해 둔다.
SiO2 : ~1012Ωcm
[실시예 6]
실시예 5와 마찬가지로, FeCoAlO층을 대신하여 고저항층(7)으로서 SiO2를 사용하였다.
(성막사이클)
기판상의 제1층째로서 두께 1.0nm의 CoZrNb층을 성막한 후, 그 위에 제2층째로서 두께 1.0nm의 Fe-C층을 형성하였다. 그리고, Fe-C층의 위에 SiO2층을 1.0nm성막하였다. 이상과 같이 CoZrNb층, Fe-C층 및 SiO2층을 상호 1층씩 성막하는 1사이클의 성막처리를 100사이클 실시하여, 도12에 나타내는 자성박막구성을 갖는 복합자성박막(실시예 6)을 얻었다(총 두께:300nm).
[실시예 7]
실시예 5와 마찬가지로, FeCoAlO층을 대신하여 고저항층(7)으로서 SiO2를 사용하였다.
(성막사이클)
고저항층(7)으로서 SiO2를 사용한 점 및 고저항층(7)을 형성하기 위한 타겟으로서 SiO2타겟을 사용한 것 이외에는 실시예 4와 동일한 성막순서 및 동일한 성막사이클을 거쳐, 도12에 나타내는 자성박막구성을 갖는 복합자성박막(실시예 7)을 얻었다(총 두께 : 525nm).
[실시예 8]
FeCoAlO층(실시예 1~4) 및 SiO2층(실시예 5~7)을 대신하여 고저항층(7)으로서 자연산화막을 사용하였다. 또한, 이하의 순서에 따라서 자연산화막을 형성하였다.
(자연산화막의 형성순서)
자연산화막은 각 금속층을 성막한 후, 스퍼터장치 내부에 20sccm의 O2가스를 20초동안 도입하여 금속층의 표면을 산화시키는 것에 의하여 형성하였다. 자연산화막을 형성하고 나서, 스퍼터장치를 10-4Pa대까지 배기하였다. 그 후의 적층공정은 실시예 1과 동일한 조건으로 실시하였다.
고저항층(7)으로서 자연산화막을 사용한 점, 고저항층(7)을 형성하기 위한 타겟을 필요로 하지 않는 점 이외에는 실시예 1과 동일한 성막순서 및 동일한 성막사이클을 거쳐, 도12에 나타내는 자성박막구성을 갖는 복합자성박막(실시예 8)을 얻었다. (총 두께:500nm)
[비교예 1]
상기 실시예 1에 있어서, Fe-C층을 Fe층으로 대신하였다. 또, FeCoAlO층을 형성하지 않고, CoZrNb층과 Fe-C층을 상호 적층하는 것에 의하여 비교예의 복합자성박막(비교예 1)을 형성하였다. 또한, 실시예 1의 총 두께(500nm)와 동일하게 되도록 CoZrNb층과 Fe층의 적층횟수는 각각 250회로 하였다.
상기 실시예 1~8, 비교예 1에서 얻어진 복합자성박막의 자성특성, 고주파투자율특성 및 비저항을 각각 측정하였다. 그 결과를 도13에 나타낸다. 또, 고주파투자율의 측정은 박막고주파투자율 측정장치(나루세과학기기, PHF-F1000)를 사용하고, 자기특성은 진동시료형자력계(리켄전자, BHV-35)를 사용하여 측정하였다. 비저항은 4단침저항기(마이크로스이스, 4단침프로브헤드 부착, NPES, ∑-5)를 사용하여 측정하였다. 또, 실시예 1~8에 대해서는 복합자성박막에 있어서의 고저항층(7)의 점유율(vol%)도 도13에 아울러 나타낸다.
도13에 나타내는 바과 같이, 본 발명에 의한 각 실시예는 14kG(1.4T) 이상의 포화자화, 2.0GHz이상의 공명주파수, 1GHz에 있어서의 투자율의 실수부(μ')가 400이상, 20이상의 Q값, 그리고 비저항이 200μΩcm 이상이라는 특성을 가질 수가 있다. 따라서, 본 발명에 의한 각 실시예에서 사용한 FeCoAlO층, SiO2층 및 자연산화 막은 자기특성 및 고주파투자율특성을 손상시키지 않고, 비저항을 향상시키는데 있어서 유효하다는 것을 알았다. 여기서, 실시예 1~8 중에서, T1이 0.5~3nm의 범위, 또, T1/T2가 0.8~3.0의 범위에 있는 실시예 1, 2, 5, 6, 8은 14kG(1.4T) 이상의 포화자화, 25이상의 Q값을 얻고 있는 것이 주목된다. 또, 그래뉼러 구조막의 일종인 FeCoAlO로 고저항층(7)을 형성한 실시예 1~4는, 200μΩcm이상의 비저항을 나타내면서 동시에 모두 포화자화가 14.5kG(1.45T)이상, 1GHz에 있어서의 투자율의 실수부(μ')가 400이상이라는, 양호한 자기특성 및 고주파투자율특성을 시현하였다.
한편, 고저항층(7)을 형성하고 있지 않은 비교예 1에 있어서는, 70μΩcm이라는 불충분한 비저항을 나타냈다. 또, 1GHz에 있어서의 투자율의 실수부(μ')는 150이지만, 투자율의 값이 작기 때문에 μ"의 실측값에는 신뢰성이 없으며, 성능지수Q (Q=μ'/μ")는 구하여지지 않았다.
또한, 실시예 1~8에서 얻어진 복합자성박막의 구조를 확인한 결과, 이하의 사실이 판명되었다.
(실시예 1, 2, 5, 6, 8에 대하여)
실시예 1, 2, 5, 6, 8은 Fe-C층의 두께가 1.0~1.5nm이다. X선 회절로부터 이들의 복합자성박막의 구조를 확인한 결과, Fe-C층 및 CoZrNb층은 모두 비결정질이라는 것이 확인되었다.
(실시예 4, 7에 대하여)
실시예 4 및 7은 Fe-C층의 두께가 50.0nm이다. 이들의 복합자성박막의 구조를 확인한 결과, Fe-C층은 주로 주상결정립으로 구성되며, 상기 주상구조부분은 애 스펙트비가 1.4이하라는 것을 확인하였다. 또, CoZrNb층에 대해서는 비결정질이라는 것이 확인되었다. 실시예 4에서 얻어진 복합자성박막의 단면모식도를 도14에 나타낸다.
(실시예 3에 대하여)
실시예 3은 Fe-C층의 두께가 5.0nm이다. 상기 복합자성박막의 구조를 확인한 결과, Fe-C층은 상술한 비결정질구조부분과 그 위에 형성되는 주상구조부분으로 구성되며, 상기 주상구조부분은 애스펙트비가 1.4이하라는 것을 확인하였다. 또, CoZrNb층은 비결정질이라는 것이 확인되었다.
[실시예 9]
상기 실시예 1에 있어서의 Fe-C층을 Fe-B층으로 바꾸었다. 이것 이외는 상기 실시예 1과 동일하게 하여 본 발명의 복합자성박막(실시예 9)을 형성하였다.
[실시예 10]
상기 실시예 3에 있어서의 Fe-C층을 Fe-B층으로 바꾸었다. 이것 이외는 상기 실시예 3과 동일하게 하여 본 발명의 복합자성박막(실시예 10)을 형성하였다.
[실시예 11]
상기 실시예 5에 있어서의 Fe-C층을 Fe-B층으로 바꾸었다. 이것 이외는 상기 실시예 5와 동일하게 하여 본 발명의 복합자성박막(실시예 11)을 형성하였다.
[실시예 12]
상기 실시예 7에 있어서의 Fe-C층을 Fe-B층으로 바꾸었다. 이것 이외는 상기 실시예 7과 동일하게 하여 본 발명의 복합자성박막(실시예 12)을 형성하였다.
또한, 실시예 9 ~ 실시예 12에서는 Fe95B5합금타겟을 사용하는 것에 의하여 Fe-B층을 형성하였다.
[실시예 13]
상기 실시예 1에 있어서의 Fe-C층을 Fe-B-N층으로 바꾸었다. 이것 이외는 상기 실시예 1과 동일하게 하여 본 발명의 복합자성박막(실시예 13)을 형성하였다. 또한, Fe95B5합금타겟을 사용함과 동시에 스퍼터링 중에 N가스를 스퍼터장치의 챔버내에 도입하는 것에 의하여, Fe-B-N층을 형성하였다.
[실시예 14]
상기 실시예 1에 있어서의 Fe-C층을 Fe-B-C층으로 바꾸었다. 이것 이외는 상기 실시예 1과 동일하게 하여 본 발명의 복합자성박막(실시예 14)을 형성하였다. 또한, Fe95B5합금타겟을 사용하는 것에 의하여 Fe-B-C층을 형성하였다.
[실시예 15]
상기 실시예 1에 있어서의 Fe-C층을 Fe-C-N층으로 바꾸었다. 이것 이외는 상기 실시예 1과 동일하게 하여 본 발명의 복합자성박막(실시예 15)을 형성하였다. 또한, 스퍼터링 중에 N가스를 스퍼터장치의 챔버내에 도입하는 것에 의하여 Fe-C-N층을 형성하였다.
실시예 9~15에서 얻어진 복합자성박막의 자기특성, 고주파투자율특성 및 비저항을 각각 측정하였다. 그 결과를 도15에 정리하여 나타낸다. 또, 자기특성, 고주파투자율특성 및 비저항의 측정조건은 상술한 경우와 동일하다.
상기 도15의 실시예 9~15의 결과로부터, T-L조성물층(5)을 구성하는 막에는 C뿐만 아니라 B 및/또는 N을 적용할 수 있다는 것을 알수 있다.
[실시예 16]
상기 실시예 1에 있어서의 Fe-C층을 FeCo-C층으로 바꾸었다. 이것 이외는 상기 실시예 1과 동일하게 하여 본 발명의 복합자성박막(실시예 16)을 형성하였다. 또한, Fe70Co30타겟상에 C(탄소)펠릿을 배치한 복합타겟을 사용하는 것에 의하여 FeCo-C층을 형성하였다.
[실시예 17]
상기 실시예 1에 있어서의 Fe-C층을 FeCo-B층으로 바꾸었다. 이것 이외는 상기 실시예 1과 동일하게 하여 본 발명의 복합자성박막(실시예 17)을 형성하였다. 또한, Fe65Co30B5합금타겟을 사용하는 것에 의하여 FeCo-B층을 형성하였다.
[실시예 18]
상기 실시예 3에 있어서의 Fe-C층을 FeCo-C층으로 바꾸었다. 이것 이외는 상기 실시예 3과 동일하게 하여 본 발명의 복합자성박막(실시예 18)을 형성하였다. 또, Fe70Co30타겟상에 C(탄소)펠릿을 배치한 복합타겟을 사용하는 것에 의하여, FeCo-C층을 형성하였다.
[실시예 19]
상기 실시예 3에 있어서의 Fe-C층을 FeCo-B층으로 바꾸었다. 이것 이외는 상기 실시예 3과 동일하게 하여 본 발명의 복합자성박막(실시예 19)을 형성하였다. 또한, Fe65Co30B5합금타겟을 사용하는 것에 의하여 FeCo-B층을 형성하였다.
[실시예 20]
상기 실시예 5에 있어서의 Fe-C층을 FeCo-C층으로 바꾸었다. 이것 이외는 상기 실시예 5와 동일하게 하여 본 발명의 복합자성박막(실시예 20)을 형성하였다. 또한, Fe70Co30타겟상에 C(탄소)펠릿을 배치한 복합타겟을 사용하는 것에 의하여 FeCo-C층을 형성하였다.
[실시예 21]
상기 실시예 5에 있어서의 Fe-C층을 FeCo-B층으로 바꾸었다. 이것 이외는 상기 실시예 5와 동일하게 하여 본 발명의 복합자성박막(실시예 21)을 형성하였다. 또한, Fe65Co30B5합금타겟을 사용하는 것에 의하여 FeCo-B층을 형성하였다.
[실시예 22]
상기 실시예 7에 있어서의 Fe-C층을 FeCo-C층으로 바꾸었다. 이것 이외는 상기 실시예 7과 동일하게 하여 본 발명의 복합자성박막(실시예 22)을 형성하였다. 또한, Fe70Co30타겟상에 C(탄소)펠릿을 배치한 복합타겟을 사용하는 것에 의하여, FeCo-C층을 형성하였다.
[실시예 23]
상기 실시예 7에 있어서의 Fe-C층을 FeCo-B층으로 바꾸었다. 이것 이외는 상기 실시예 7과 동일하게 하여 본 발명의 복합자성박막(실시예 23)을 형성하였다. 또한, Fe65Co30B5합금타겟을 사용하는 것에 의하여 FeCo-B층을 형성하였다.
[실시예 24]
상기 실시예 1에 있어서의 Fe-C층을 FeCo-B-N층으로 바꾸었다. 이것 이외는 상기 실시예 1과 동일하게 하여 본 발명의 복합자성박막(실시예 24)을 형성하였다. 또한, Fe65Co30B5합금타겟을 사용함과 동시에, 스퍼터링 중에 N가스를 스퍼터장치의 챔버내에 도입하는 것에 의하여 FeCo-B-N층을 형성하였다.
[실시예 25]
상기 실시예 1에 있어서의 Fe-C층을 FeCo-B-C층으로 바꾸었다. 이것 이외는 상기 실시예 1과 동일하게 하여 본 발명의 복합자성박막(실시예 25)을 형성하였다. 또, Fe65Co30B5 합금타겟상에 C(탄소)펠릿을 배치한 복합타겟을 사용하는 것에 의하여 FeCo-B-C층을 형성하였다.
[실시예 26]
상기 실시예 1에 있어서의 Fe-C층을 FeCo-C-N층으로 바꾸었다. 이것 이외는 상기 실시예 1과 동일하게 하여 본 발명의 복합자성박막(실시예 26)을 형성하였다. 또한, Fe70Co30타겟상에 C(탄소)펠릿을 배치한 복합타겟을 사용함과 동시에 스퍼터링 중에 N가스를 스퍼터장치의 챔버내에 도입하는 것에 의하여 FeCo-C-N층을 형성하였다.
상기 실시예 16~26에서 얻어진 복합자성박막의 자기특성, 고주파투자율특성 및 비저항을 각각 측정하였다. 그 결과를 도16에 정리하여 나타낸다. 또한, 자기특 성, 고주파투자율특성 및 비저항의 측정조건은 상술한 경우와 동일하다.
상기 도16의 실시예 16~26으로부터, T-L조성물층(5)의 T의 부분을 FeCo로 하는 것도 유효하다는 것을 알았다. 여기서, 실시예 16~26은 모두 16kG(1.6T) 이상의 포화자화를 나타내고 있다는 것이 주목된다. 따라서, T-L조성물층(5)의 T의 부분을 FeCo로 하는 것은 포화자화의 향상에 특히 유효하다는 것을 알았다.
본 발명에 의하면, GHz대역의 고주파대역에서 높은 투자율을 가지며, 또한, 높은 포화자화를 가지는 것과 동시에, 높은 비저항을 구비한 고주파용 자성박막을 제공할 수가 있다.

Claims (22)

  1. T-L조성물(단, T=Fe 또는 FeCo, L=C, B 및 N으로부터 선택되는 적어도 1종의 원소)로 이루어지는 제1의 층과,
    상기 제1의 층의 어느 한 면측에 배치된 Co계 비결정질합금으로 이루어지는 제2의 층과,
    상기 제1의 층 또는 상기 제2의 층의 어느 한 측에 배치되어, 상기 제1의 층 및 상기 제2의 층보다도 높은 전기저항을 나타내는 제3의 층을 포함하며,
    복수의 상기 제1의 층과, 복수의 상기 제2의 층과, 복수의 상기 제3의 층이 적층되어 다층막구조를 이루는 것을 특징으로 하는 고주파용 자성박막.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제1의 층 및 상기 제2의 층의 적층이 1~5회 반복될 때마다, 상기 제3의 층이 배치되는 것을 특징으로 하는 고주파용 자성박막.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 T-L조성물 중의 Co의 농도가 10~50at%인 것을 특징으로 하는 고주파용 자성박막.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 Co계 비결정질합금은 Co를 주성분으로 하며, 또한, M원소(단, M은 B, C, Si, Ti, V, Cr, Mn, Fe, Ni, Y, Zr, Nb, Mo, Hf, Ta, W로부터 선택되는 적어도 1종의 원소)를 포함하며,
    상기 Co계 비결정질합금 중의 상기 M원소의 농도가 10~30at%인 것을 특징으로 하는 고주파용 자성박막.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 제3의 층은 그래뉼러 구조막, 산화물막, 질화물막 및 불화물막의 적어도 하나인 것을 특징으로 하는 고주파용 자성박막.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 제1의 층의 두께를 T1, 상기 제2의 층의 두께를 T2로 하는 경우에, 상기 T1이 0.5~3.0nm의 범위에 있으며, 또한, T1/T2가 0.8~3.0의 범위에 있는 것을 특징으로 하는 고주파용 자성박막.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 제1의 층의 두께를 T1, 상기 제2의 층의 두께를 T2로 하는 경우에, 상기 T1이 3~70nm의 범위에 있으며, 또한, T1/T2가 0.15~3.50의 범위에 있는 것을 특징으로 하는 고주파용 자성박막.
  8. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제1의 층은 애스펙트비가 1.4이하의 주상구조 또는 비결정질 구조로 이루어지는 것을 특징으로 하는 고주파용 자성박막.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 제3의 층은 자성체인 것을 특징으로 하는 고주파용 자성박막.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 제3의 층은 상기 고주파용 자성박막에 대한 점유율이 40vol% 이하인 것을 특징으로 하는 고주파용 자성박막.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 고주파용 자성박막에 대한 점유율이 3~20vol%인 것을 특징으로 하는 고주파용 자성박막.
  12. 고주파용 자성박막을 갖는 자기소자로서,
    상기 고주파용 자성박막은 T-L조성물(단, T=Fe 또는 FeCo, L=C, B 및 N으로부터 선택되는 적어도 1종의 원소)로 이루어지는 제1의 층과,
    상기 제1의 층의 어느 한 면측에 배치된 Co계 비결정질합금으로 이루어지는 제2의 층과,
    상기 제1의 층 또는 상기 제2의 층의 어느 한 측에 배치되어, 상기 제1의 층 및 상기 제2의 층보다도 높은 전기저항을 나타내는 제3의 층을 포함하며,
    복수의 상기 제1의 층과 복수의 상기 제2의 층과 복수의 상기 제3의 층이 적층되어 다층막구조를 이루는 것을 특징으로 하는 자기소자.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 제3의 층은 그래뉼러 구조막으로 구성되는 것을 특징으로 하는 자기소자.
  14. 제12항에 있어서,
    상기 T-L조성물층 중에 함유되는 상기 L원소의 농도가 2~20at%인 것을 특징으로 하는 자기소자.
  15. 제12항에 있어서,
    상기 자기소자가 인덕터 또는 트랜스인 것을 특징으로 하는 자기소자.
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