專利名稱：軟磁膜、軟磁多層膜及其制造方法以及使用這些膜的磁體元件的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及液晶電視用天線、脈沖電機(jī)、扼流圈、變壓器、電感器、躁聲濾波器、電磁干擾抑制體、磁阻元件、磁頭等的磁心材料等所用的軟磁膜、軟磁多層膜、軟磁膜和軟磁多層膜的制造方法、以及使用這些膜的磁體元件。
近年來，個(gè)人計(jì)算機(jī)和電子筆記本、移動(dòng)電話等信息通信設(shè)備快速發(fā)展。并且，作為支持高度信息化(多媒體)社會(huì)的技術(shù)，處理文字、聲音、靜止圖象、動(dòng)態(tài)圖象等各種數(shù)據(jù)的高功能信息通信設(shè)備預(yù)計(jì)將形成大規(guī)模市場(chǎng)。
基于這種背景，要求信息通信設(shè)備小型化、薄型化、輕型化以及高性能化。然而，構(gòu)成信息通信設(shè)備的部件中，由于LSI技術(shù)的進(jìn)展，半導(dǎo)體元件早已薄膜部件化、集成化從而實(shí)現(xiàn)了小型化。但是，作為磁體元件，還存在取決于部件薄膜化和集成化的小型化和薄型化的問題。
因此，最近隨著液晶電視用天線、脈沖電機(jī)、扼流圈、電感器、變壓器、磁頭、消除躁聲的阻抗元件、電磁干擾抑制體等的磁體元件的小型化、薄型化以及高性能化的要求，需要高性能的磁性材料。因此，作為使用這些磁體元件的磁心材料，要求容易獲得高飽和磁化和良好的軟磁性、薄的形狀。因而，強(qiáng)烈期望薄膜化，對(duì)開發(fā)使用具有高飽和磁化的軟磁薄膜作為磁心材料的薄膜磁體元件的要求很高。
以往，作為針對(duì)上述用途的磁心材料，使用鐵硅鋁磁性合金、坡莫合金、硅鋼等結(jié)晶合金和鈷基非晶合金。但是，為了適應(yīng)磁體元件的小型化、薄型化、以及高性能化，需要高飽和磁通密度和優(yōu)異的軟磁性兩方面特性兼?zhèn)?、具有更高性能的高飽和磁化的軟磁薄膜?br>
但是，上述鐵硅鋁磁性合金和坡莫合金等結(jié)晶合金、以及鈷基非晶合金，具有優(yōu)異的軟磁性，但存在飽和磁通密度較低、約為1T的問題。硅鋼結(jié)晶合金的飽和磁通密度高，但存在軟磁性較差的問題。
作為具有2T以上的高飽和磁通密度的材料，已經(jīng)研究開發(fā)了Fe-N系薄膜，然而例如特開昭64-15907號(hào)公報(bào)和特開平3-246913號(hào)公報(bào)中的無論哪個(gè)公報(bào)公開的Fe-N系薄膜，其矯頑力Hc均在10e(79.5775A/m)以上，所以不能獲得可以用于上述薄膜磁體元件的良好軟磁性。
為了解決上述問題，本發(fā)明的目的在于提供一種兼?zhèn)涓唢柡痛磐芏群蛢?yōu)異的軟磁性兩方面特性，性能更高的軟磁膜、軟磁多層膜及其制造方法。并且，通過使用這種軟磁膜或軟磁多層膜的磁心材料，實(shí)現(xiàn)磁體元件的小型化、薄型化以及高性能化。
針對(duì)上述Fe-N系薄膜，本發(fā)明人進(jìn)行深入了的研究，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，使主相是α-Fe和γ’-Fe4N,α-Fe和γ’-Fe4N相的晶粒細(xì)微化，并且與膜面平行的α-Fe的晶面(110)和γ’-Fe4N的晶面(200)的間隔，與無晶格畸變的狀態(tài)相比更為伸展，γ’-Fe4N的晶面(111)的間隔與無晶格畸變的狀態(tài)相比更為收縮，基于這樣的組織，在具有高飽和磁通密度的Fe-N系薄膜中，獲得呈現(xiàn)優(yōu)異軟磁性的高飽和磁通密度的軟磁膜。這些相的存在可由X射線衍射法確認(rèn)。
根據(jù)本發(fā)明的軟磁膜，是含有Fe和N的軟磁膜，主相是α-Fe和γ’-Fe4N,α-Fe相和γ’-Fe4N相的平均晶粒尺寸在10nm以下，并且與膜面平行的α-Fe的晶面(110)和γ’-Fe4N的晶面(200)的間隔，是比無晶格畸變的狀態(tài)更為伸展的狀態(tài)，γ’-Fe4N的晶面(111)的間隔是比無晶格畸變的狀態(tài)更為收縮的狀態(tài)。
按此構(gòu)成，從上述研究結(jié)果可知，能夠?qū)崿F(xiàn)兼?zhèn)涓唢柡痛磐芏群蛢?yōu)異軟磁性兩方面特性、性能更高的軟磁膜。
根據(jù)本發(fā)明另一方案的軟磁膜，其特征在于，具有在Si薄膜上形成有含F(xiàn)e和N的軟磁薄膜的雙層結(jié)構(gòu)，軟磁薄膜的主相是α-Fe和γ’-Fe4N,α-Fe相和γ’-Fe4N相的平均晶粒尺寸在10nm以下，并且與膜面平行的α-Fe的晶面(110)和γ’-Fe4N的晶面(200)的間隔，是比無晶格畸變的狀態(tài)更為伸展的狀態(tài)，γ’-Fe4N的晶面(111)的間隔是比無晶格畸變的狀態(tài)更為收縮的狀態(tài)。
這樣，本發(fā)明人依據(jù)實(shí)驗(yàn)證實(shí)了，通過在Si薄膜上形成上述軟磁薄膜，可以具有更優(yōu)異的軟磁性。
根據(jù)本發(fā)明的軟磁多層膜，包括含F(xiàn)e和N的軟磁膜，軟磁膜的主相是α-Fe和γ’-Fe4N,α-Fe相和γ’-Fe4N相的平均晶粒尺寸在10nm以下，并且與膜面平行的α-Fe的晶面(110)和γ’-Fe4N的晶面(200)的間隔，是比無晶格畸變的狀態(tài)更為伸展的狀態(tài)，γ’-Fe4N的晶面(111)的間隔是比無晶格畸變的狀態(tài)更為收縮的狀態(tài)，所述軟磁膜與非磁性膜相互層疊。
按上述構(gòu)成的軟磁多層膜，即使磁體層厚，也可以抑制層疊的磁體膜間的磁感應(yīng)所產(chǎn)生渦流的發(fā)生，所以能夠提供高頻特性優(yōu)異的磁心材料。
根據(jù)本發(fā)明又一方案的軟磁多層膜，包括含F(xiàn)e和N的軟磁薄膜，軟磁薄膜的主相是α-Fe和γ’-Fe4N,α-Fe相和γ’-Fe4N相的平均晶粒尺寸在10nm以下，并且與膜面平行的α-Fe的晶面(110)和γ’-Fe4N的晶面(200)的間隔，是比無晶格畸變的狀態(tài)更為伸展的狀態(tài)，γ’-Fe4N的晶面(111)的間隔是比無晶格畸變的狀態(tài)更為收縮的狀態(tài)，具有在Si薄膜上形成所述軟磁薄膜的雙層結(jié)構(gòu)的軟磁膜與非磁性膜相互層疊。
按上述構(gòu)成的軟磁多層膜，即使磁體層厚，也可以抑制層疊的磁體膜間的磁感應(yīng)所產(chǎn)生渦流的發(fā)生，所以能夠提供高頻特性優(yōu)異的磁心材料。
根據(jù)本發(fā)明，所述軟磁膜或所述軟磁多層膜的制造方法，包括在冷卻的基片上形成所述軟磁膜或所述軟磁多層膜的工序。
這樣，通過在冷卻的基片上形成所述軟磁膜或所述軟磁多層膜，在剛一成膜之后的狀態(tài)下，可以不存在γ’-Fe4N相，僅形成晶格伸展的α-Fe的微晶相。
根據(jù)本發(fā)明，所述軟磁膜或所述軟磁多層膜的制造方法，包括在300℃以下對(duì)在冷卻基片上形成的所述軟磁膜或所述軟磁多層膜進(jìn)行熱處理的工序。
這樣，通過在300℃以下的溫度對(duì)在冷卻基片上形成的所述軟磁膜或所述軟磁多層膜進(jìn)行熱處理，可以形成具有如下組織的軟磁膜，即與膜面平行的α-Fe的晶面(110)和γ’-Fe4N的晶面(200)的間隔，與無晶格畸變的狀態(tài)相比更為伸展，γ’-Fe4N的晶面(111)的間隔與無晶格畸變的狀態(tài)相比更為收縮。
磁心中含有所述軟磁膜或者所述軟磁多層膜的磁體元件，最好是選自下列集合中的任何一種液晶電視所用天線、電磁干擾抑制體、躁聲濾波器、脈沖電機(jī)、扼流圈、變壓器、電感器、磁性阻抗元件和磁頭。所述軟磁膜或者所述軟磁多層膜，具有所述優(yōu)異的磁特性，所以適合用于選用的磁體元件的小型化、薄型化以及高性能化。
本發(fā)明的新穎特征無非是特別記載于權(quán)利要求書的范圍的內(nèi)容，通過參考附圖的以下詳細(xì)說明，可以更清楚地理解評(píng)價(jià)涉及構(gòu)成和內(nèi)容雙方的本發(fā)明，以及其他目的和特征。
圖1是本發(fā)明實(shí)施例1的軟磁薄膜的剖面圖。
圖2是本發(fā)明實(shí)施例1中制備的Fe-N系薄膜的熱處理溫度與矯頑力的關(guān)系圖。
圖3展示了本發(fā)明實(shí)施例1中制備的Fe-N系薄膜的X射線衍射圖形相對(duì)于熱處理溫度的變化。
圖4是本發(fā)明實(shí)施例1中制備的Fe-N系薄膜的熱處理溫度與平均晶粒尺寸的關(guān)系圖。
圖5展示了本發(fā)明實(shí)施例1中制備的Fe-N系薄膜的晶格畸變相對(duì)于熱處理溫度的變化。
圖6展示了本發(fā)明實(shí)施例1中制備的Fe-N系薄膜的γ’-Fe4N的(200)晶面和(111)晶面的X射線衍射強(qiáng)度與α-Fe的(110)晶面的X射線衍射強(qiáng)度的相對(duì)強(qiáng)度，相對(duì)于熱處理溫度的變化。
圖7展示了本發(fā)明實(shí)施例1中制備的軟磁膜的導(dǎo)磁率的頻率特性。
圖8是本發(fā)明實(shí)施例2的軟磁膜的剖面圖。
圖9是本發(fā)明實(shí)施例3的軟磁膜的剖面圖。
圖10是本發(fā)明實(shí)施例4的軟磁多層膜的剖面圖。
圖11是軟磁多層膜的其他實(shí)施方式的剖面圖。
圖12是軟磁多層膜的其他實(shí)施方式的剖面圖。
圖13是軟磁多層膜的其他實(shí)施方式的剖面圖。
圖14是本發(fā)明實(shí)施例5的躁聲濾波器的一種實(shí)施方式的透視圖。
圖15是作為根據(jù)本發(fā)明的磁體元件的躁聲濾波器其他實(shí)施方式的透視圖。
圖16是圖14所示躁聲濾波器其他實(shí)施方式的透視圖。
圖17是作為根據(jù)本發(fā)明的磁體元件的薄膜變壓器一種實(shí)施方式的透視圖。
圖18是作為根據(jù)本發(fā)明的磁體元件的薄膜電感器一種實(shí)施方式的平面圖。
圖19是圖18所示具有導(dǎo)體膜的薄膜電感器的部分剖面圖。
圖20是作為根據(jù)本發(fā)明的磁體元件的薄膜磁頭一種實(shí)施方式的平面圖。
圖21是圖20所示薄膜磁頭的部分剖面圖。
圖22是則根據(jù)本發(fā)明的磁體元件的薄膜磁頭其他實(shí)施方式的部分剖面圖。
圖23是作為根據(jù)本發(fā)明的磁體元件的磁電阻元件一種實(shí)施方式的平面圖。
圖24是圖23所示磁電阻元件的剖面圖。
附圖的一部分或者全部是通過以圖示為目的的概括展示進(jìn)行描述的，并非是要忠實(shí)地描述其中所示的要素的實(shí)際相對(duì)大小和位置。
以下，參考圖1-圖9說明根據(jù)本發(fā)明的軟磁膜的優(yōu)選實(shí)施例1-3。
《實(shí)施例1》本發(fā)明人采用高頻2極濺射裝置，以純鐵為靶，利用在氬氣中導(dǎo)入N2氣的反應(yīng)性濺射法，制備如圖1所示的Fe-N系薄膜2。圖1中，在水冷的Si基片1上形成膜厚1μm的Fe-N系薄膜2。在1×10-3帕斯卡以下的真空中，在48kA/m的靜磁場(chǎng)中，于220℃-350℃的溫度范圍內(nèi)，對(duì)制備的Fe-N系薄膜2進(jìn)行1小時(shí)的熱處理。
圖2是沿難磁化軸方向測(cè)量制備的Fe-N系薄膜2的矯頑力Hc相對(duì)于熱處理溫度的變化曲線。
如圖2所示，從剛一成膜之后的狀態(tài)到220℃的熱處理溫度，矯頑力呈現(xiàn)650A/m以上的高值，但是在230℃的熱處理使矯頑力急劇降低，呈現(xiàn)15A/m以下的低值。直到300℃一直維持這種低矯頑力。而且，在310℃以上的熱處理溫度矯頑力值急劇增加，在350℃呈現(xiàn)約650A/m的高值。
呈現(xiàn)這種優(yōu)異軟磁性的Fe-N系薄膜2的飽和磁通密度，在230℃-300℃的熱處理下約為2T。
圖3是制備的Fe-N系薄膜2的X射線衍射圖形相對(duì)于熱處理溫度的變化曲線。
如圖3所示，在剛一成膜之后的狀態(tài)，不存在γ’-Fe4N相，僅觀測(cè)到晶格伸展的α-Fe的(110)晶面的比較寬的衍射峰。在出現(xiàn)良好的軟磁性(15A/m以下的矯頑力)的230℃的熱處理下，觀測(cè)到γ’-Fe4N的(111)和(200)晶面的寬衍射峰。
隨著熱處理溫度的上升，α-Fe和γ’-Fe4N的晶面的衍射強(qiáng)度變強(qiáng)，但是直到維持低矯頑力的300℃的熱處理，衍射峰都是寬的。此時(shí)，α-Fe取向在(110)晶面上。
在軟磁性受損的350℃的熱處理下，α-Fe和γ’-Fe4N的晶面的衍射強(qiáng)度明顯變強(qiáng)，可見γ’-Fe4N的衍射強(qiáng)度比α-Fe的強(qiáng)。
根據(jù)這些X射線衍射結(jié)果，采用德拜-謝樂公式，計(jì)算γ’-Fe4N的(111)、(200)晶面以及α-Fe的(110)晶面的平均晶粒尺寸。
圖4是平均晶粒尺寸相對(duì)于熱處理溫度的變化曲線。如圖4所示，α-Fe相和γ’-Fe4N相共存，在獲得良好軟磁性的230-300℃的熱處理溫度范圍，α-Fe相和γ’-Fe4N相的平均晶粒尺寸都在10nm以下。但是，在軟磁性受損的350℃的熱處理下，可見α-Fe相和γ’-Fe4N相的平均晶粒尺寸都在10nm以上。
以下，采用下式評(píng)價(jià)與膜面平行的γ’-Fe4N的(111)、(200)晶面以及α-Fe的(110)晶面的晶格畸變。
以dF表示薄膜晶面間隔、以d表示在ASTM卡所示的整體晶面間隔(無晶格畸變的狀態(tài))，通過下式(1)表示晶格畸變?chǔ)拧?br>
ε(％)=(dF-D)×100/d……(1)圖5是晶格畸變相對(duì)于熱處理溫度的變化曲線。在晶格畸變?chǔ)诺闹抵校当硎旧煺範(fàn)顟B(tài)，負(fù)值表示收縮狀態(tài)。如圖5所示，在獲得良好軟磁性的230-300℃的熱處理溫度范圍，可見α-Fe(110)和γ’-Fe4N(200)的晶面間隔，比無晶格畸變的狀態(tài)伸展了2％以下，γ’-Fe4N(111)的晶面間隔比無晶格畸變的狀態(tài)收縮了1.5％以下。在軟磁性受損的350℃的熱處理下，可見γ’-Fe4N(200)、γ’-Fe4N(111)以及α-Fe(110)的晶面間隔全部收縮。
圖6是γ’-Fe4N的(200)晶面和(111)晶面的X射線衍射強(qiáng)度與α-Fe(110)晶面的X射線衍射強(qiáng)度的相對(duì)強(qiáng)度比IFeN/IFe，相對(duì)于熱處理溫度的變化曲線。如上所述，在獲得良好軟磁性(15A/m以下的矯頑力)的230-300℃的熱處理溫度范圍，如圖6所示，可見γ’-Fe4N(111)晶面和γ’-Fe4N的(200)晶面都是IFeN/IFe的值在1以下。在軟磁性受損的350℃的熱處理下，IFeN/IFe值約為1.4。
以下，測(cè)量軟磁膜的導(dǎo)磁率的頻率特性。圖7是在250℃進(jìn)行1小時(shí)熱處理的Fe-N系薄膜2的導(dǎo)磁率頻率特性的曲線。利用1匝線圈法，在10MHz-1GHz的頻帶區(qū)，沿軟磁膜的難磁化軸方向進(jìn)行導(dǎo)磁率的測(cè)量。如圖7所示，獲得了導(dǎo)磁率的實(shí)數(shù)部分μ’在50MHz為1700、在200MHz為1000以上、在1GHz為100以上的高導(dǎo)磁率。并且，導(dǎo)磁率的虛數(shù)部分μ”在300Mhz的高頻帶區(qū)也有峰位置。
利用波長分散型微量分析儀(XMA)分析的結(jié)果，這種軟磁膜的組成是Fe為80％(原子)、N為20％(原子)。
并且，如上所述，這種軟磁膜的主相是α-Fe和γ’-Fe4N,α-Fe相和γ’-Fe4N相的平均晶粒尺寸在10nm以下，并且與膜面平行的α-Fe的(110)晶面和γ’-Fe4N的(200)晶面的間隔比無晶格畸變的狀態(tài)更為伸展，γ’-Fe4N的(111)晶面的間隔比無晶格畸變的狀態(tài)更為收縮。
《實(shí)施例2》以下，參考附圖8說明根據(jù)本發(fā)明的軟磁性薄膜的實(shí)施例2。圖8是實(shí)施例2的軟磁性薄膜的剖面圖。如圖8所示，在Si和Ti-Mg-Ni-O系陶瓷基片3上，形成50nm的Si薄膜4，在該Si薄膜4上，利用與上述實(shí)施例1相同的反應(yīng)性濺射法，制備膜厚1μm的Fe-N系薄膜5。在1×10-3帕斯卡以下的真空中，在48kA/m的靜磁場(chǎng)下，于250℃的溫度對(duì)制備的Fe-N系薄膜5進(jìn)行1小時(shí)的熱處理。這種具有在Si薄膜4上形成有Fe-N系薄膜5的雙層結(jié)構(gòu)的軟磁性薄膜，在難磁化方向的矯頑力，與上述實(shí)施例1的膜厚1μm的單層Fe-N系薄膜比較地列于表1。表1中，基片使用Si的情況與使用陶瓷的情況做比較。
表1
如表1所示，在Si基片上形成的單層Fe-N系薄膜的矯頑力，是5A/m的較小值，這與具有在Si基片上形成Si薄膜、并在其上形成Fe-N系薄膜的雙層結(jié)構(gòu)的軟磁性薄膜的矯頑力等同。
但是，在陶瓷基片上形成的單層Fe-N系薄膜的矯頑力是42A/m，具有在陶瓷基片上形成Si薄膜、在該Si薄膜上形成Fe-N系薄膜的雙層結(jié)構(gòu)的軟磁性薄膜，與在Si基片上形成單層Fe-N系薄膜具有等同的5A/m的低矯頑力。
在具有基片上形成Si薄膜、在其上形成Fe-N系薄膜的雙層結(jié)構(gòu)的軟磁性薄膜中，為了實(shí)現(xiàn)優(yōu)異的軟磁性，作為基片并不限于使用陶瓷基片的情況，基片材料使用玻璃和有機(jī)物膜等也可以具有同樣的效果。
并且，Si薄膜的厚度并不限于50nm，任意的膜厚也可以獲得同樣的效果。
《實(shí)施例3》以下，參考附圖9說明根據(jù)本發(fā)明的軟磁性薄膜的實(shí)施例3。圖9是實(shí)施例3的軟磁性薄膜的剖面圖。如圖9所示，在Al2O3-TiC基片6上形成Al2O3薄膜7，在其上形成50nm的Si薄膜8a。在該Si薄膜8a上形成膜厚0.5μm的Fe-N系薄膜9，并在其上形成5nm的Si薄膜8b，在其上再形成膜厚0.5μm的Fe-N系薄膜9。在1×10-3帕斯卡以下的真空中，在48kA/m的靜磁場(chǎng)中，于260℃的溫度下對(duì)如此制備的多層結(jié)構(gòu)的軟磁性薄膜進(jìn)行1小時(shí)的熱處理。
這種軟磁性薄膜在難磁化方向的矯頑力是15A/m。與在Al2O3-TiC基片上形成Al2O3薄膜、并在其上形成單層膜厚1μm的Fe-N系薄膜的情況的矯頑力值49A/m比較，可知上述多層結(jié)構(gòu)的軟磁性薄膜的軟磁性有很大改善。
并且，所述軟磁性薄膜，即使含有數(shù)個(gè)％(原子)的選自Ti、Ta、Hf、Zr、V、Mo、W、Cr、Al、Si、Ru和Rh中的至少一種元素、或者含有微量的其他元素，只要不與本發(fā)明的目的抵觸，也不會(huì)存在問題。
《實(shí)施例4》以下參考圖10-圖13說明根據(jù)本發(fā)明的軟磁性多層膜的實(shí)施例。
圖10是本發(fā)明實(shí)施例4的軟磁性多層膜的一種實(shí)施方式的剖面圖。此軟磁性多層膜11的基本結(jié)構(gòu)是，在基片12的表面上形成實(shí)施例1的圖1所示單層Fe-N系薄膜的軟磁性薄膜，或者具有在實(shí)施例2的圖8所示Si薄膜上形成Fe-N系薄膜的雙層結(jié)構(gòu)的軟磁性薄膜，或者在形成多層的具有雙層結(jié)構(gòu)的軟磁性薄膜的實(shí)施例3的多層結(jié)構(gòu)的軟磁性薄膜內(nèi)，至少1種軟磁性薄膜13和非磁性薄膜14相互層疊構(gòu)成。對(duì)膜的層疊數(shù)量、各膜的膜厚、并無特別限制，可以根據(jù)要求的特性適當(dāng)?shù)卦O(shè)置。
軟磁性多層膜可以是，單層Fe-N系薄膜構(gòu)成的軟磁性薄膜，具有在Si薄膜上形成Fe-N系薄膜的雙層結(jié)構(gòu)的軟磁性薄膜，或者在形成多層的具有雙層結(jié)構(gòu)的軟磁性薄膜的軟磁性薄膜內(nèi)，構(gòu)成膜厚不同的至少1種軟磁性薄膜13和/或非磁性薄膜14。
圖11中，非磁性膜14呈現(xiàn)具有2種膜厚的狀態(tài)，膜厚0.5-50nm的非磁性膜14a和膜厚50-500nm的非磁性膜14b。并且圖12展示了軟磁性薄膜13的膜厚呈現(xiàn)3種不同的軟磁性薄膜13a、13b、13c的一種實(shí)施方式，圖13展示了軟磁性薄膜13和非磁性膜14雙方包含各自不同膜厚的一種實(shí)施方式。其中，圖11-圖13中，a、b、c的符號(hào)表示其所指膜的膜厚相同。這些實(shí)施例中，軟磁性薄膜13的膜厚最好是5-5000nm。
可以采用高頻2極濺射裝置，以純鐵為靶，通過在Ar氣中導(dǎo)入N2氣的反應(yīng)法，形成所述軟磁性薄膜13?？梢酝ㄟ^調(diào)整氣氛中的N2氣分壓，來獲得適當(dāng)?shù)能洿判员∧?3中所含氮。
這里，作為非磁性膜14，可以使用SiO2、Al2O3、AlN、BN、TiN、SiC、Cu、C或Ti、或者Ta、Nb、Zr或Hf的氮化物、氧化物、碳化物等。非磁性膜14和Si薄膜，最好采用與軟磁性薄膜13相同的高頻濺射法，與軟磁性薄膜13連續(xù)地形成層疊。
《實(shí)施例5》以下，參考圖14-圖24說明本發(fā)明的磁體元件的實(shí)施例5，其中采用上述實(shí)施例說明的軟磁性薄膜或者軟磁性多層膜。
圖14是作為根據(jù)實(shí)施例5的磁體元件一種實(shí)施方式的躁聲濾波器的透視圖。此躁聲濾波器20中，在非磁性基片21的表面上形成的下部軟磁體膜22a上，由Cu、Al等導(dǎo)體形成的多個(gè)棒狀導(dǎo)體24，彼此間保持基本等間隔，在SiO2等絕緣體23中棒狀導(dǎo)體24的斷面位置縱橫配置形成復(fù)合體。這樣，與絕緣體23的上面和兩側(cè)面接觸的上部軟磁膜22b和上述下部軟磁膜22a，圍成復(fù)合體。
下部軟磁膜22a和上部軟磁膜22b，可以是單層軟磁膜，具有在Si薄膜上形成Fe-N系薄膜的雙層結(jié)構(gòu)的軟磁性薄膜，或形成多層具有雙層結(jié)構(gòu)的軟磁性薄膜的軟磁性薄膜。并且，可以是所述軟磁性薄膜和非磁性膜相互層疊構(gòu)成的軟磁性多層膜。
圖15展示了躁聲濾波器另一實(shí)施方式。如圖15所示，包含一條導(dǎo)體34的躁聲濾波器30，是利用在非磁性基片31表面上形成的下部軟磁膜32a、與絕緣體33的上面和兩側(cè)面接觸的上部軟磁膜32b，包圍導(dǎo)體34和絕緣體33而構(gòu)成的。
下部軟磁膜32a和上部軟磁膜32b，可以是單層軟磁膜，具有在Si薄膜上形成軟磁性薄膜的雙層結(jié)構(gòu)的軟磁性薄膜，或形成多層具有雙層結(jié)構(gòu)的軟磁性薄膜的軟磁性薄膜。并且，可以是如上所述構(gòu)成的軟磁性薄膜和非磁性膜相互層疊構(gòu)成的軟磁性多層膜。
構(gòu)成這種軟磁性薄膜的Fe-N系薄膜的組成范圍最好是，1-25％(原子)的N、75-99％(原子)的Fe。
這樣，作為根據(jù)本發(fā)明的磁體元件一種實(shí)施方式的躁聲濾波器，包括棒狀導(dǎo)體34、覆蓋此導(dǎo)體34的絕緣體33、下部軟磁膜32a、上部軟磁膜32b。下部軟磁膜32a和上部軟磁膜32b夾持絕緣體33，而且圍繞絕緣體33表面那樣配置著。下部軟磁膜32a和上部軟磁膜32b主相是α-Fe和γ’-Fe4N,α-Fe相和γ’-Fe4N相的平均晶粒尺寸在10nm以下，并且與膜面平行的α-Fe的晶面(110)和γ’-Fe4N的晶面(200)的間隔，比無晶格畸變的狀態(tài)更為伸展，γ’-Fe4N的晶面(111)的間隔比無晶格畸變的狀態(tài)更為收縮。
其中，如圖16所示，實(shí)施例5的躁聲濾波器，可以采用在非磁性基片21上縱橫配置多個(gè)躁聲濾波器20a-20d的實(shí)施方式。
并且，作為實(shí)施例5的磁體元件一種實(shí)施方式的電磁干擾抑制體，在聚酰亞胺等有機(jī)物膜的基片上，或者形成單層軟磁性薄膜，或者形成在Si薄膜上形成有Fe-N系薄膜的雙層結(jié)構(gòu)的軟磁性薄膜，或者形成進(jìn)一步形成多層具有這種雙層結(jié)構(gòu)的軟磁性薄膜的軟磁性薄膜，或者形成所述軟磁性薄膜和非磁性膜相互層疊構(gòu)成的軟磁性多層膜。
并且，實(shí)施例5的電磁干擾抑制體最好是，主相是α-Fe和γ’-Fe4N,α-Fe相和γ’-Fe4N相的平均晶粒尺寸在10nm以下，并且與膜面平行的α-Fe的晶面(110)和γ’-Fe4N的晶面(200)的間隔，比無晶格畸變的狀態(tài)更為伸展，γ’-Fe4N的晶面(111)的間隔比無晶格畸變的狀態(tài)更為收縮。
圖17是作為根據(jù)本發(fā)明的磁體元件一種實(shí)施方式的薄膜變壓器。此薄膜變壓器40具有如下層疊結(jié)構(gòu)，在玻璃、Si晶片等非磁性基片41一部分表面上，按照?qǐng)D示從下面順序地，形成下部軟磁膜42、絕緣膜43、次級(jí)線圈44、絕緣膜43、初級(jí)線圈45、絕緣膜43、導(dǎo)體46、絕緣膜43、上部軟磁膜48。由上部軟磁膜48基本覆蓋這種層疊結(jié)構(gòu)，引線端47從上部軟磁膜48和非磁性基片41之間向外延伸。其中次級(jí)線圈44、初級(jí)線圈45、和導(dǎo)體46由Cu等導(dǎo)體材料構(gòu)成，絕緣膜43由SiO2等構(gòu)成。如圖17簡化所示，初級(jí)線圈45和次級(jí)線圈44，在水平方向(與層疊面平行的方向)卷繞構(gòu)成，根據(jù)預(yù)定的比例設(shè)定卷繞比。
這樣，作為根據(jù)本發(fā)明的磁體元件的一種實(shí)施方式的薄膜變壓器40，包括在與借助絕緣膜43層疊的層疊面平行的面內(nèi)卷繞的初級(jí)線圈45和次級(jí)線圈44，借助絕緣膜43夾持這些初級(jí)線圈45和次級(jí)線圈44而配置的下部軟磁膜42和上部軟磁膜48。這些下部軟磁膜42和上部軟磁膜48最好是，主相是α-Fe和γ’-Fe4N,α-Fe相和γ’-Fe4N相的平均晶粒尺寸在10nm以下，并且與膜面平行的α-Fe的晶面(110)和γ’-Fe4N的晶面(200)的間隔，比無晶格畸變的狀態(tài)更為伸展，γ’-Fe4N的晶面(111)的間隔比無晶格畸變的狀態(tài)更為收縮。
圖17所示下部軟磁膜42和上部軟磁膜48，是用于形成薄膜變壓器的磁心，如上述實(shí)施例那樣，可以是單層軟磁性薄膜，具有在Si薄膜上形成有Fe-N系薄膜的雙層結(jié)構(gòu)的軟磁性薄膜，進(jìn)一步形成多層具有這種雙層結(jié)構(gòu)的軟磁性薄膜的軟磁性薄膜。并且下部軟磁膜42和上部軟磁膜48也可以是所述軟磁性薄膜和非磁性膜相互層疊構(gòu)成的軟磁性多層膜。構(gòu)成這種軟磁性薄膜的Fe-N系薄膜的組成范圍最好是，1-25％(原子)的N、75-99％(原子)的Fe。
圖18和圖19是薄膜電感器的一種實(shí)施方式。此薄膜電感器是Si芯片搭載型微扼流圈中的Si芯片上的薄膜電感器，圖18是該薄膜電感器僅有一層導(dǎo)體膜54的平面圖。圖19是具有圖18的導(dǎo)體膜54的薄膜電感器50的剖面圖。圖19中，薄膜電感器50具有如下層疊結(jié)構(gòu)，在IC封裝51上的Si芯片55上，按照?qǐng)D從上面順序地形成SiO2膜56、下部軟磁膜52、SiO2等的絕緣膜53、具有Cu或Al等在層疊面方向卷繞的圖形的導(dǎo)體膜54、上部軟磁膜58。
這樣，作為根據(jù)本發(fā)明的磁體元件一種實(shí)施方式的薄膜電感器50，具有層疊結(jié)構(gòu)，包括在與層疊面方向平行的面上卷繞的薄膜線圈的導(dǎo)體膜54，夾持它們而配置的下部軟磁膜52和上部軟磁膜58。下部軟磁膜52和上部軟磁膜58最好是，主相是α-Fe和γ’-Fe4N,α-Fe相和γ’-Fe4N相的平均晶粒尺寸在10nm以下，并且與膜面平行的α-Fe的晶面(110)和γ’-Fe4N的晶面(200)的間隔，比無晶格畸變的狀態(tài)更為伸展，γ’-Fe4N的晶面(111)的間隔比無晶格畸變的狀態(tài)更為收縮。
這些下部軟磁膜52和上部軟磁膜58，是用于形成薄膜電感器50的磁心，如上述實(shí)施例那樣，可以是單層軟磁性薄膜，具有在Si薄膜上形成有Fe-N系薄膜的雙層結(jié)構(gòu)的軟磁性薄膜，形成多層具有這種雙層結(jié)構(gòu)的軟磁性薄膜的軟磁性薄膜。并且軟磁膜52和58，也可以是所述軟磁性薄膜和非磁性膜相互層疊構(gòu)成的軟磁性多層膜。構(gòu)成這些軟磁性薄膜的Fe-N系薄膜的組成范圍最好是，1-25％(原子)的N、75-99％(原子)的Fe。
圖20和圖21是作為根據(jù)本發(fā)明的磁體元件一種實(shí)施方式的薄膜磁頭。圖20是此薄膜磁頭的平面圖，圖21是圖20所示薄膜磁頭60沿線ⅩⅩⅠ-ⅩⅩⅠ的剖面圖。此薄膜磁頭60，在Al2O3-TiC等絕緣基片61的表面上，按照?qǐng)D中順序，形成下部軟磁膜62、Al2O3、SiO2等構(gòu)成的磁隙層65、SiO2等的絕緣層63、銅等構(gòu)成的薄膜線圈64、上部軟磁膜68、Al2O3等構(gòu)成的保護(hù)層66。
圖22展示了薄膜磁頭另一實(shí)施方式。此薄膜磁頭70與圖20所示薄膜磁頭60不同之處在于，下部軟磁膜62和磁屏蔽心層77之間夾入絕緣層73，絕緣層73的一部分夾入磁電阻效應(yīng)元件79。這種薄膜磁頭70是搭載屏蔽型的磁電阻效應(yīng)型磁頭(以下稱為“MR磁頭”)作為重放專用磁頭搭載的實(shí)施方式，利用下部軟磁膜62和屏蔽磁心77對(duì)磁電阻效應(yīng)元件79進(jìn)行磁屏蔽。磁電阻效應(yīng)元件79可以由坡莫合金薄膜、CoO/NiFe/Cu/NiFe、CoMnB/Co/Cu/Co等磁電阻材料形成。這里針對(duì)屏蔽型MR磁頭進(jìn)行了說明，但也可以是磁軛型MR磁頭。
如上所述，作為根據(jù)本發(fā)明的磁體元件一種實(shí)施方式的薄膜磁頭60、70，包括在層疊面方向卷繞的薄膜線圈64、借助絕緣層63夾持薄膜線圈64而配置的軟磁膜62、68。這里，軟磁膜62、68最好是，主相是α-Fe和γ’-Fe4N,α-Fe相和γ’-Fe4N相的平均晶粒尺寸在10nm以下，并且與膜面平行的α-Fe的(110)晶面和γ’-Fe4N的晶面(200)的間隔，比無晶格畸變的狀態(tài)更為伸展，γ’-Fe4N的(111)晶面的間隔比無晶格畸變的狀態(tài)更為收縮。
軟磁膜62、68是用于形成薄膜磁頭60、70的磁心，如上述實(shí)施例那樣，可以是單層軟磁性薄膜，可以是具有在Si薄膜上形成有Fe-N系薄膜的雙層結(jié)構(gòu)的軟磁性薄膜，也可以是形成多層具有這種雙層結(jié)構(gòu)的軟磁性薄膜的軟磁性薄膜。并且軟磁膜62、68，也可以是所述軟磁性薄膜和非磁性膜相互層疊構(gòu)成的軟磁性多層膜。構(gòu)成軟磁性薄膜62、68的Fe-N系薄膜的組成范圍最好是，1-25％(原子)的N、75-99％(原子)的Fe。
本實(shí)施例針對(duì)薄膜磁頭進(jìn)行了說明，但是本發(fā)明并不僅限于此，作為磁頭可以是疊層層氣隙中的金屬(MIG)型、主磁極勵(lì)磁型，或者其他形式的磁頭。
圖23和圖24展示了磁性阻抗元件一種實(shí)施方式。圖23是此磁性阻抗元件的平面圖，圖24是圖23所示磁性阻抗元件80沿線ⅩⅩⅣ-ⅩⅩⅣ的剖面圖。
如圖23和圖24所示，磁性阻抗元件80，是利用在非磁性基片81表面上形成的下部軟磁膜82、與Cu等棒狀非磁性導(dǎo)電體83的上面和兩側(cè)面接觸上部軟磁膜84，覆蓋非磁性導(dǎo)電體83而構(gòu)成。
下部軟磁膜82和上部軟磁膜84最好是，主相是α-Fe和γ’-Fe4N,α-Fe相和γ’-Fe4N相的平均晶粒尺寸在10nm以下，并且與膜面平行的α-Fe的(110)晶面和γ’-Fe4N的晶面(200)的間隔，比無晶格畸變的狀態(tài)更為伸展，γ’-Fe4N的(111)晶面的間隔比無晶格畸變的狀態(tài)更為收縮。
圖23和圖24所示下部軟磁膜82和上部軟磁膜84，是用于形成磁性阻抗元件的磁心，如上述實(shí)施例那樣，可以是單層軟磁性薄膜，可以是具有在Si薄膜上形成有Fe-N系薄膜的雙層結(jié)構(gòu)的軟磁性薄膜，也可以是形成多層具有這種雙層結(jié)構(gòu)的軟磁性薄膜的軟磁性薄膜。并且下部軟磁膜82和上部軟磁膜84，也可以是所述軟磁性薄膜和非磁性膜相互層疊構(gòu)成的軟磁性多層膜。構(gòu)成這種軟磁性薄膜的Fe-N系薄膜的組成范圍最好是，1-25％(原子)的N、75-99％(原子)的Fe。
磁心中包含上述軟磁膜或者軟磁多層膜的磁體元件，可以用于液晶電視所用天線、電磁干擾抑制體、躁聲濾波器、脈沖電機(jī)、扼流圈、變壓器、電感器、磁性阻抗元件和磁頭等。由此，磁體元件可以實(shí)現(xiàn)小型化、薄型化和高性能化，因而適合于各種設(shè)備的使用。
從以上實(shí)施例中詳細(xì)說明的可知，本發(fā)明具有以下效果。亦即，根據(jù)本發(fā)明，主相是α-Fe和γ’-Fe4N,α-Fe相和γ’-Fe4N相的平均晶粒尺寸在10nm以下，并且與膜面平行的α-Fe的(110)晶面和γ’-Fe4N的(200)晶面的間隔，比無晶格畸變的狀態(tài)更為伸展，γ’-Fe4N的(111)晶面的間隔比無晶格畸變的狀態(tài)更為收縮，包括單層軟磁性薄膜，或者具有在Si薄膜上形成上述Fe-N系薄膜的雙層結(jié)構(gòu)的軟磁性薄膜，或者是形成多層具有這種雙層結(jié)構(gòu)的軟磁性薄膜的軟磁性薄膜，或者是所述軟磁性薄膜和非磁性膜相互層疊構(gòu)成的軟磁性多層膜，具有高飽和磁通密度和優(yōu)異的軟磁性。由此，使用這些高性能軟磁膜或者軟磁性多層膜的磁體元件具有優(yōu)異的磁特性。
根據(jù)本發(fā)明的軟磁膜和軟磁膜的制造方法，可以容易地并且確切地形成具有優(yōu)異軟磁性的膜體。
雖然以具有發(fā)明程度的詳細(xì)內(nèi)容說明了優(yōu)選的形式，但是這種優(yōu)選形式的公開內(nèi)容應(yīng)該能夠在構(gòu)成細(xì)節(jié)上變化，在不脫離權(quán)利要求的發(fā)明范圍和構(gòu)思的條件下，可以實(shí)現(xiàn)各要素的組合和順序的變化。
權(quán)利要求
1．一種軟磁膜，其特征在于，該軟磁膜含有Fe和N，主相是α-Fe和γ’-Fe4N,α-Fe相和γ’-Fe4N相的平均晶粒尺寸在10nm以下，并且與膜面平行的α-Fe的晶面(110)和γ’-Fe4N的晶面(200)的間隔，是比無晶格畸變的狀態(tài)更為伸展的狀態(tài)，γ’-Fe4N的晶面(111)的間隔是比無晶格畸變的狀態(tài)更為收縮的狀態(tài)。
2．一種軟磁膜，其特征在于，包括含有Fe和N的軟磁性薄膜，主相是α-Fe和γ’-Fe4N,α-Fe相和γ’-Fe4N相的平均晶粒尺寸在10nm以下，并且與膜面平行的α-Fe的晶面(110)和γ’-Fe4N的晶面(200)的間隔，是比無晶格畸變的狀態(tài)更為伸展的狀態(tài)，γ’-Fe4N的晶面(111)的間隔是比無晶格畸變的狀態(tài)更為收縮的狀態(tài)，具有所述軟磁性薄膜形成在Si薄膜上的雙層結(jié)構(gòu)。
3．根據(jù)權(quán)利要求2的軟磁膜，其特征在于，形成多層具有在Si薄膜上形成有軟磁膜的雙層結(jié)構(gòu)的軟磁膜。
4．根據(jù)權(quán)利要求1、2或3的軟磁膜，其特征在于，γ’-Fe4N的(200)晶面和(111)晶面的X射線衍射強(qiáng)度，與平行于膜面的α-Fe的(110)晶面的X射線衍射強(qiáng)度的相對(duì)強(qiáng)度總共在1以下。
5．一種軟磁膜，其特征在于，根據(jù)權(quán)利要求1、2或3中記載的軟磁膜的組成范圍是1-25％(原子)的N、75-99％(原子)的Fe。
6．根據(jù)權(quán)利要求1、2或3的軟磁膜，其特征在于，形成軟磁膜的基片是Si。
7．一種軟磁多層膜，其特征在于，是含有Fe和N的軟磁膜，主相是α-Fe和γ’-Fe4N,α-Fe相和γ’-Fe4N相的平均晶粒尺寸在10nm以下，并且與膜面平行的α-Fe的晶面(110)和γ’-Fe4N的晶面(200)的間隔，是比無晶格畸變的狀態(tài)更為伸展的狀態(tài)，γ’-Fe4N的晶面(111)的間隔是比無晶格畸變的狀態(tài)更為收縮的狀態(tài)，所述軟磁膜與非磁性膜相互層疊。
8．一種軟磁多層膜，其特征在于，包括含有Fe和N的軟磁性薄膜，主相是α-Fe和γ’-Fe4N,α-Fe相和γ’-Fe4N相的平均晶粒尺寸在10nm以下，并且與膜面平行的α-Fe的晶面(110)和γ’-Fe4N的晶面(200)的間隔，是比無晶格畸變的狀態(tài)更為伸展的狀態(tài)，γ’-Fe4N的晶面(111)的間隔是比無晶格畸變的狀態(tài)更為收縮的狀態(tài)，是具有在Si薄膜上形成所述軟磁性薄膜的雙層結(jié)構(gòu)的軟磁膜，所述軟磁膜與非磁性膜相互層疊。
9．一種軟磁膜的制造方法，該方法是，根據(jù)權(quán)利要求1、2或3的軟磁膜的制造方法，其特征在于，包括在冷卻基片上形成所述軟磁膜的工序。
10．一種軟磁膜的制造方法，該方法是，根據(jù)權(quán)利要求1、2或3的軟磁膜的制造方法，其特征在于，包括在300℃下對(duì)所述軟磁膜進(jìn)行熱處理的工序。
11．一種軟磁膜的制造方法，該方法是，根據(jù)權(quán)利要求1,2或3的軟磁膜的制造方法，其特征在于包括在冷卻基片上形成所述軟磁膜的工序，和在300℃下對(duì)所述軟磁膜進(jìn)行熱處理的工序。
12．一種軟磁膜的制造方法，該方法是，根據(jù)權(quán)利要求7或8的軟磁多層膜的制造方法，其特征在于，包括在冷卻基片上形成所述軟磁多層膜的工序。
13．一種軟磁膜的制造方法，該方法是，根據(jù)權(quán)利要求7或8的軟磁多層膜的制造方法，其特征在于，包括在300℃下對(duì)所述軟磁多層膜進(jìn)行熱處理的工序。
14．一種軟磁膜的制造方法，該方法是，根據(jù)權(quán)利要求7或8的軟磁多層膜的制造方法，其特征在于包括；在冷卻基片上形成所述軟磁多層膜的工序，和在300℃下對(duì)所述軟磁多層膜進(jìn)行熱處理的工序。
15．一種磁體元件，其特征在于，包括含有Fe和N的軟磁膜，主相是α-Fe和γ’-Fe4N,α-Fe相和γ’-Fe4N相的平均晶粒尺寸在10nm以下，并且與膜面平行的α-Fe的晶面(110)和γ’-Fe4N的晶面(200)的間隔，是比無晶格畸變的狀態(tài)更為伸展的狀態(tài)，γ’-Fe4N的晶面(111)的間隔是比無晶格畸變的狀態(tài)更為收縮的狀態(tài)，磁心中含有所述軟磁膜。
16．一種磁體元件，其特征在于，包括含有Fe和N的軟磁性薄膜，所述軟磁性薄膜的主相是α-Fe和γ’-Fe4N,α-Fe相和γ’-Fe4N相的平均晶粒尺寸在10nm以下，并且與膜面平行的α-Fe的晶面(110)和γ’-Fe4N的晶面(200)的間隔，是比無晶格畸變的狀態(tài)更為伸展的狀態(tài)，γ’-Fe4N的晶面(111)的間隔是比無晶格畸變的狀態(tài)更為收縮的狀態(tài)，是具有在Si薄膜上形成所述軟磁性薄膜的雙層結(jié)構(gòu)的軟磁膜，磁心中含有所述軟磁膜。
17．一種磁體元件，其特征在于，包括含有Fe和N的軟磁膜，主相是α-Fe和γ’-Fe4N,α-Fe相和γ’-Fe4N相的平均晶粒尺寸在10nm以下，并且與膜面平行的α-Fe的晶面(110)和γ’-Fe4N的晶面(200)的間隔，是比無晶格畸變的狀態(tài)更為伸展的狀態(tài)，γ’-Fe4N的晶面(111)的間隔是比無晶格畸變的狀態(tài)更為收縮的狀態(tài)，所述軟磁膜與非磁性膜相互層疊成軟磁多層膜，磁心中含有所述軟磁多層膜。
18．一種磁體元件，其特征在于，包括含有Fe和N的軟磁性薄膜，主相是α-Fe和γ’-Fe4N,α-Fe相和γ’-Fe4N相的平均晶粒尺寸在10nm以下，并且與膜面平行的α-Fe的晶面(110)和γ’-Fe4N的晶面(200)的間隔，是比無晶格畸變的狀態(tài)更為伸展的狀態(tài)，γ’-Fe4N的晶面(111)的間隔是比無晶格畸變的狀態(tài)更為收縮的狀態(tài)，具有所述軟磁性薄膜形成在Si薄膜上的雙層結(jié)構(gòu)的軟磁膜，與非磁性膜相互層疊成軟磁多層膜，磁心中含有所述軟磁多層膜。
19．根據(jù)權(quán)利要求15、16、17或18的磁體元件，構(gòu)成液晶電視所用天線、電磁干擾抑制體、躁聲濾波器、脈沖電機(jī)、扼流圈、變壓器、電感器、磁性阻抗元件或者磁頭。
全文摘要
本發(fā)明是在基片1上形成Fe－N系薄膜2,使主相是α－Fe和γ’－Fe
文檔編號(hào)G11B5/31GK1236959SQ9910692
公開日1999年12月1日 申請(qǐng)日期1999年5月27日 優(yōu)先權(quán)日1998年5月27日
發(fā)明者名古久美男 申請(qǐng)人:松下電器產(chǎn)業(yè)株式會(huì)社