磁性多層膜及びその製造方法
【課題】高周波で高い透磁率を実現することが可能であると共に、等方的な透磁率が得られ、複雑な磁場発生設備を使用することなく作製することが可能である磁性多層膜及びその製造方法の提供
【解決手段】 強磁性金属層と希土類金属層とを、交互に少なくとも２層以上積層した構造を有し、前記強磁性金属層の一層あたりの膜厚が１Å〜１００Å、前記希土類金属層の一層あたりの膜厚が２Å〜１００Åである磁性多層膜。この磁性多層膜は、強磁性金属の薄膜を、１Å〜１００Åの範囲内の膜厚で成膜する工程と、希土類金属の薄膜を、２Å〜１００Åの範囲内の膜厚で成膜する工程とを、１０-5Pa以下の高真空下で交互に少なくとも２回以上繰り返して磁性多層膜を形成する。
【解決手段】 強磁性金属層と希土類金属層とを、交互に少なくとも２層以上積層した構造を有し、前記強磁性金属層の一層あたりの膜厚が１Å〜１００Å、前記希土類金属層の一層あたりの膜厚が２Å〜１００Åである磁性多層膜。この磁性多層膜は、強磁性金属の薄膜を、１Å〜１００Åの範囲内の膜厚で成膜する工程と、希土類金属の薄膜を、２Å〜１００Åの範囲内の膜厚で成膜する工程とを、１０-5Pa以下の高真空下で交互に少なくとも２回以上繰り返して磁性多層膜を形成する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、高周波において高い透磁率を有する磁性多層膜及びその製造方法に関わり、特にインダクター、フィルター（濾波器）、アイソレーター、磁気センサー等の高周波用デバイス、或いは電磁波吸収材等に好適な磁性多層膜及びその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
ＧＨｚ帯の高周波で高い透磁率を有する磁性膜を実現するためには、強磁性共鳴周波数ｆｒをＧＨｚ帯に引き上げる必要がある。
強磁性共鳴周波数ｆｒは、以下の式（１）で表される。
【０００３】
【数１】
（ただし、γはジャイロ磁気定数、Ｍs（ｅｍｕ／ｃｃ）は飽和磁化、Ｈk（Ｏｅ）は異方性磁界と呼ばれている磁気異方性に相当する磁界である。）
【０００４】
上記式（１）から、飽和磁化ＭS又は異方性磁界Ｈkを大きくすれば、強磁性共鳴周波数ｆｒが大きくなることがわかる。
【０００５】
飽和磁化Ｍsは、物質によって決まってしまう。
そこで、強磁性共鳴周波数ｆｒを大きくするために、一軸異方性磁界Ｈkに着目して、磁性膜の製膜中に磁場を印加する、又は磁性膜の製膜後に磁場中で熱処理を行うことにより、一軸異方性磁界を付与している（例えば特許文献１参照。）。
【特許文献１】特開平５−３２６２６２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、外部磁場で異方性磁界を付与すると、等方的な透磁率が得られない。
また、上記特許文献１に記載されているような、異方性磁界を付与する製造方法は、磁場中での製膜を行う、又は磁場中で熱処理を行うために、複雑な磁場発生設備が必要となるという欠点がある。
【０００７】
上述した問題の解決のために、本発明においては、高周波で高い透磁率を実現することが可能であると共に、等方的な透磁率が得られ、複雑な磁場発生設備を使用することなく作製することが可能である磁性多層膜及びその製造方法を提供するものである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記した課題は、以下の構成からなる磁性多層膜及びその製造方法によって解決される。
すなわち、本発明は
＜１＞ 強磁性金属層と希土類金属層とを、交互に少なくとも２層以上積層した構造を有し、前記強磁性金属層の一層あたりの膜厚が１Å〜１００Å、前記希土類金属層の一層あたりの膜厚が２Å〜１００Åであることを特徴とする磁性多層膜である。
＜２＞ 前記前記強磁性金属層が、Ｆｅ、Ｃｏ及びＮｉからなる群から選ばれた少なくとも１種を含み、且つ前記希土類金属層がＬａ，Ｃｅ，Ｐｒ，Ｎｄ，Ｐｍ，Ｓｍ，Ｅｕ，Ｇｄ，Ｔｂ，Ｄｙ，Ｈｏ，Ｅｒ，Ｔｍ，Ｙｂ及びＬｕからなる群から選ばれた少なくとも１種を含むことを特徴とする前記＜１＞に記載の磁性多層膜である。
＜３＞ 前記強磁性金属層が、Ｆｅを含み、且つ前記希土類金属層がＴｂを含むことを特徴とする前記＜２＞に記載の磁性多層膜である。
＜４＞ 前記磁性多層膜が高周波用デバイス又は電磁波シールド用磁性膜であることを特徴とする前記＜１＞乃至＜３＞のいずれかに記載の磁性多層膜である。
＜５＞ 強磁性金属の薄膜を、１Å〜１００Åの範囲内の膜厚で成膜する工程と、希土類金属の薄膜を、２Å〜１００Åの範囲内の膜厚で成膜する工程とを、１０-5Pa以下の高真空下で交互に少なくとも２回以上繰り返して磁性多層膜を形成することを特徴とする磁性多層膜の製造方法である。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、磁場発生装置を全く用いることなく、単純な多層積層による層膜厚制御のみでＧＨｚ帯での高透磁率特性が高い磁性多層膜を得ることができる。また、多層積層による層膜厚制御により高周波帯域に及ぶ電磁波の吸収率が高い磁性多層膜が得られる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
本発明の磁性多層膜は強磁性金属層と希土類金属層とを、交互に少なくとも２層以上積層した構造を有し、前記強磁性金属層の一層あたりの膜厚が１Å〜１００Å、前記希土類金属層の一層あたりの膜厚が２Å〜１００Åである。
【００１１】
本発明において、強磁性金属としては、Ｆｅ，Ｃｏ，Ｎｉ，Ｆｅ3Ｏ4、遷移金属を含む強磁性合金、並びに強磁性化合物から選ばれる１種以上を使用することができ、例えば、従来から用いられているＭｎＢｉ，ＭｎＣｕＢｉ，ＭｎＣｏ，ＧｄＣｏ，ＧｄＦｅ，ＴｂＦｅＣｏ，Ｆｅ3Ｏ4等が挙げられる。これらの金属の中で、磁化が大きく、希土類金属層と大きな交換結合を有する点から、Ｆｅ，Ｃｏ，及びＮｉが好ましい。
【００１２】
希土類金属としては、Ｌａ，Ｃｅ，Ｐｒ，Ｎｄ，Ｐｍ，Ｓｍ，Ｅｕ，Ｇｄ，Ｔｂ，Ｄｙ，Ｈｏ，Ｅｒ，Ｔｍ，Ｙｂ及びＬｕからなる群から選ばれた少なくとも１種を含む金属が挙げられ、これらの希土類金属の中で磁化が大きく、強磁性金属層との大きな交換結合を有する点から特にＣｅ，Ｐｒ，Ｎｄ，Ｓｍ，Ｅｕ，Ｇｄ，Ｔｂ，Ｄｙ，Ｈｏ，Ｅｒ，Ｔｍが好ましい。
【００１３】
前記強磁性金属と希土類金属において、本発明の作用効果、特に高周波特性をより高く維持する点からは特に大きな交換結合を持つためには、特に磁化の大きな遷移金属と透磁率の大きな希土類金属との組み合わせが必要である。遷移金属の中で、特に磁化の大きい遷移金属はＦｅ，Ｃｏ，Ｎｉであり、希土類金属の中で、特に磁化の大きい希土類金属は
Ｃｅ，Ｐｒ，Ｎｄ，Ｓｍ，Ｅｕ，Ｇｄ，Ｔｂ，Ｄｙ，Ｈｏ，Ｅｒ，Ｔｍであり、この中でより磁化の大きい希土類金属はＳｍ，Ｅｕ，Ｇｄ，Ｔｂ，Ｄｙ，Ｈｏ，Ｅｒで挙げられる。
したがって、大きい交換結合を有するＦｅ/Ｃｅ、Ｆｅ/Ｐｒ、Ｆｅ/Ｎｄ、Ｆｅ/Ｓｍ、Ｆｅ/Ｅｕ、Ｆｅ/Ｇｄ、Ｆｅ/Ｔｂ、Ｆｅ/Ｄｙ、Ｆｅ/Ｈｏ、Ｆｅ/Ｅｒ、Ｆｅ/Ｔｍ、Ｃｏ/Ｃｅ、Ｃｏ/Ｐｒ、Ｃｏ/Ｎｄ、Ｃｏ/Ｓｍ、Ｃｏ/Ｅｕ、Ｃｏ/Ｇｄ、Ｃｏ/Ｔｂ、Ｃｏ/Ｄｙ、Ｃｏ/Ｈｏ、Ｃｏ/Ｅｒ、Ｃｏ/Ｔｍ、Ｎｉ/Ｃｅ、Ｎｉ/Ｐｒ、Ｎｉ/Ｎｄ、Ｎｉ/Ｓｍ、Ｎｉ/Ｅｕ、Ｎｉ/Ｇｄ、Ｎｉ/Ｔｂ、Ｎｉ/Ｄｙ、Ｎｉ/Ｈｏ、Ｎｉ/Ｅｒ、Ｎｉ/Ｔｍの組み合わせが好ましい。
【００１４】
強磁性金属膜の一層あたりの膜厚が薄すぎると、磁化が低下して、透磁率が減少してしまう。一方、強磁性金属膜の膜厚が厚すぎると、渦電流損失の効果が顕著となり、強磁性共鳴周波数を減少させてしまう。
従って、強磁性材料膜の一層あたりの膜厚を適宜調整することによって、周波数ＧＨｚ帯で等方的かつ高いＱ値の透磁率の実現に寄与する最適な厚さの範囲となる。ここで、Ｑ値は＝μ′／μ″；複素透磁率の実数部と虚数部との比を意味する。
【００１５】
強磁性金属層の一層あたりの膜厚は１Å〜１００Å、好ましくは２５Å〜７５Åである。強磁性金属層の１Åよりも薄いと、強磁性金属層の磁化（磁束密度）が顕著に低下し透磁率が減少し、また、強磁性金属層界面における交換結合力が低下し、共鳴周波数の減少を招く。一方、強磁性金属層の厚みが１００Åを超えると、強磁性金属層はバルクに近い性質になり、強磁性金属層の磁化（磁束密度）が大きくなり、透磁率が増加し渦電量損失が顕著に増加し共鳴周波数の減少を招く。
【００１６】
すなわち、希土類金属層の一層あたりの膜厚が薄いと強磁性金属の電気伝導が支配的になり、強磁性金属層あるいは強磁性金属層間で渦電流が発生しやすくなり、強磁性共鳴周波数の低下を招きやすい。また、希土類金属層の膜厚が厚いと、強磁性金属層間の磁気結合（磁化）が低下し、透磁率が減少してしまう。
従って、希土類金属層の一層あたりの膜厚を２Å〜１００Åの範囲内とすることにより、周波数ＧＨｚ帯で等方的かつ高いＱ値の透磁率の実現に寄与する最適な厚さの範囲となる。
【００１７】
希土類金属層は、強磁性金属層間の電気伝導の抑制、強磁性金属層界面における交換結合力の発生により、大きな透磁率が得られる。しかし、その一方で強磁性金属層間の磁気結合（磁化）が低下する。
希土類金属層が２Åよりも薄いと、強磁性金属層間の電気伝導の抑制力低下、すなわち、強磁性金属層の渦電流損失が増加し、透磁率が低下する。また、希土類金属層が１００Åを超えると、強磁性金属層間の磁気結合（磁化）の低下、すなわち、強磁性金属層間の交換結合力が低下する。
したがって、希土類金属層の一層あたりの膜厚は２Å〜１００Å、好ましくは４Å〜５０Åである。
【００１８】
基板上に強磁性金属層と希土類金属層は交互に少なくとも２層積層される。基体上に強磁性金属層と希土類金属層が積層される場合、積層の順序は特に制約はなく、交互に積層されている限りいずれの金属層が基体上に積層されていてもよい。
強磁性金属層と希土類金属層と積層の繰り返し回数（n）は、強磁性金属層/希土類金属層
の交換結合を有する最低数の観点から２回であり、超高周波透磁率測定における感度が余裕を持って得られる点からは５００回が好ましい。
したがって、 強磁性金属層/希土類金属層の繰り返し回数（n）は２以上であるが、好ましくは２〜５００、より好ましくは５〜２５０である。
【００１９】
また、交互に積層される強磁性金属層と希土類金属層の膜厚は厳密な意味で同一である必要はなく、強磁性金属層の一層あたりの膜厚が１Å〜１００Åの範囲内で、且つは希土類金属層の一層あたりの膜厚が２Å〜１００Åの範囲内で積層されていればよいが、好ましくは強磁性金属層と希土類金属層との膜厚差は１Å（２Å−１Å）〜９９Å（１００Å−１Å）以内、より好ましくは２１Å（２５Å−４Å）~７１Å（７５Å−４Å）以内であることが好ましい。
【００２０】
次に本発明の強磁性金属層（以下、強磁性金属層Ｔｒともいう）及び希土類金属層（以下、希土類金属ＲＥ層ともいう）の多層膜の積層回数とすると、［ＴＲ（ｘｎｍ）／ＲＥ（ｙｎｍ）］ｎの多層膜構造を１０-5Ｐａ以下の超高真空中で交互に積層することによって得ることができる。１０-5Ｐａを超える雰囲気中では希土類金属ＲＥ層が酸化するおそれがあり、また、超真空中ほどよいが、現在の真空技術の面から圧力の下限値は１０-9Ｐａで挙げられる。したがって、より好ましくは５×１０-6Ｐａ以下、更に好ましくは１×１０-6Ｐａ以下の超高真空中で交互に積層することによって得ることができる。
【００２１】
強磁性金属層及び希土類金属層の成膜は、強磁性金属と希土類金属をそれぞれターゲットとして、蒸着法、スパッタリング法、分子線エピタキシー法、レーザーアブレイション法によって行うことができる。また、それぞれの膜厚ｘ，ｙは、投入電力と堆積時間の調整により、容易に制御することができる。
そして、強磁性金属膜を１Å〜１００Åの範囲内で成膜する工程と、希土類金属膜を１Å〜１００Åの範囲内で成膜する工程とを、交互に（少なくとも２回以上）繰り返すことにより、磁性多層膜を製造することができる。
【実施例】
【００２２】
次に実施例に基づいて、本発明の磁性多層膜について説明する。
Ｆｅから成る強磁性金属膜と、Ｔｂから成る希土類金属膜とを、分子線エピタキシー法によって交互に繰り返し数ｎを１２５として積層することにより磁性多層膜を作製した。
図１および図２に本磁性材料のうち最も高周波特性が顕著に見られる（Ａ）［Ｆｅ（５．７Å）／Ｔｂ（８Å）］、（Ｂ）［Ｆｅ（６７Å）／Ｔｂ（１３Å）］、（Ｃ）［Ｆｅ（５５Å）／Ｔｂ（１６Å）］、（Ｄ）［Ｆｅ（５９Å）／Ｔｂ（２０Å）］を作製し、多層膜についての複素透磁率の周波数依存性を示す。なお、図１及び図２ではÅをｎｍ（１０Å）の単位で示している。
【００２３】
強磁性共鳴周波数は複素透磁率の実数部μ'が０となる周波数である。図１および図２から、本発明の磁性膜はＧＨｚオーダーの高い強磁性共鳴周波数ｆｒを持つことが分かる。
【００２４】
この様な高い強磁性共鳴周波数ｆｒを持つ理由として以下のことが考えられる。（ｉ）希土類金属ＲＥは強磁性金属ＴＲと界面で大きな交換結合を有する、（ｉｉ）希土類金属ＲＥはそれ単独で大きな磁気異方性を持っている事から、希土類金属ＲＥの割合が増すことは磁気異方性を付加することになる。（ｉ），（ｉｉ）の理由から異方性磁界Ｈｋが増加し、（１）式に従ってＧＨｚオーダーの高い強磁性共鳴周波数ｆｒを持つことが考えられる。すなわち、複雑な異方性磁界発生装置を用いず、強磁性金属ＴＲ層と希土類金属ＲＥ層との単純な積層のみで異方性磁界と同等な効果を付与することができる。
【００２５】
図１及び図２に示される複素透磁率の虚数部μ"は、本発明の磁性膜の高周波数領域での損失成分を表す。希土類金属ＲＥ層厚が薄い場合には、複素透磁率の虚数部μ"が共鳴周波数から低周波数領域に渡り大きな値を持つ。一方、希土類金属ＲＥ層厚が厚い場合には複素透磁率の虚数部μ"は強磁性共鳴周波数ｆｒ近傍まではほとんど値を持たない。
【００２６】
複素透磁率の実数部μ'と複素透磁率の虚数部μ"の交点の周波数ｆｃを（図３白抜き丸）、強磁性共鳴周波数ｆｒと交点周波数ｆｃとの差Δｆ＝ｆｒ−ｆｃ（図３塗りつぶし
丸）を希土類金属ＲＥ層厚（ここではＴｂ層厚）に対してプロットすると、希土類金属ＲＥ層厚が厚くなるにつれ周波数ｆｃは大きくなり、強磁性共鳴周波数ｆｒに近づき、そのΔｆは小さくなる。このような挙動は、以下のように解釈することができる。なお、図３
ではÅをｎｍ（１０Å）の単位で示している。
【００２７】
希土類金属ＲＥは強磁性金属ＴＲと比較して電気伝導度が低い。希土類金属ＲＥ層厚が薄い場合には強磁性金属ＴＲの電気伝導が支配的になり、強磁性金属ＴＲで渦電流が発生しやすいことが考えられる。この渦電流による損失により、複素透磁率の虚数部μ"が低周波数領域から強磁性共鳴周波数力に渡り大きな値を持つと考えられる。一方、希土類金属ＲＥ層厚が厚い場合には強磁性金属ＴＲ層間の電気伝導が希土類金属ＲＥ層に阻害され、渦電流が発生し難い。従って複素透磁率の虚数部μ"は強磁性共鳴周波数か近傍まではほとんど値を持たないと考えられる。以上のことから、希土類金属ＲＥ層の制御により電波吸収材料の要因である複素透磁率の虚数部の挙動を制御することができる。
【００２８】
複素透磁率の周波数依存性を示した図１は、本磁性材料はＧＨｚ帯域に渡り透磁率が最大値１００を越えることを示す。強磁性金属ＴＲ、希土類金属ＲＥ共に大きな磁気モーメントを持っているので、［ＴＲ（ｘｎｍ）／ＲＥ（ｙｎｍ）］で表される多層膜の透磁率は、強磁性金属ＴＲと希土類金属ＲＥ双方の大きな磁気モーメントに起因していることが考えられる。従って、強磁性金属ＴＲ、希土類金属ＲＥを使用して［ＴＲ（ｘｎｍ）／ＲＥ（ｙｎｍ）］で表される多層膜を作成することにより、ＧＨｚ帯域に渡り１００を越える大きな透磁率を有することになる。
【００２９】
また、図１及び図２に本磁性材料のうち最も高周波特性が顕著に見られる（Ａ）［Ｆｅ（５７Å）／Ｔｂ（８Å）］、（Ｂ）［Ｆｅ（６７Å）／Ｔｂ（１３Å）］、（Ｃ）［Ｆｅ（５５Å）／Ｔｂ（１６Å）］、（Ｄ）［Ｆｅ（５９Å）／Ｔｂ（２０Å）］において、多層膜の本磁性材料について複素透磁率の周波数依存性を示し、希土類金属ＲＥ層厚が薄い場合には複素透磁率の虚数部が低周波数領域から強磁性共鳴周波数ｆｒにかけてなだらかに増加する。
【００３０】
希土類金属ＲＥの層厚が厚い場合には複素透磁率の虚数部は強磁性共鳴周波数ｆｒ近傍から鋭く増加する。従って、希土類金属ＲＥ層が薄い場合には高周波帯域に及ぶ電磁波シールド材料としての応用、希土類金属ＲＥ層が厚い場合にはインダクター、バンドフィルター、アイソレーター等の高周波用デバイスへの応用に適した材料である。
【図面の簡単な説明】
【００３１】
【図１】（Ａ）［Ｆｅ（５７Å）／Ｔｂ（８Å）］、（Ｂ）［Ｆｅ（６７Å）／Ｔｂ（１３Å）］からなる磁性多層膜の複素透磁率の周波数依存性を示すグラフである。
【図２】（Ｃ）［Ｆｅ（５５Å）／Ｔｂ（１６Å）］、（Ｄ）［Ｆｅ（５９Å）／Ｔｂ（２０Å）］からなる磁性多層膜の複素透磁率の周波数依存性を示すグラフである。
【図３】希土類金属（Ｔｂ）層厚における強磁性共鳴周波数ｆｒと交点周波数ｆｃとの差Δｆと関係を示すグラフである。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、高周波において高い透磁率を有する磁性多層膜及びその製造方法に関わり、特にインダクター、フィルター（濾波器）、アイソレーター、磁気センサー等の高周波用デバイス、或いは電磁波吸収材等に好適な磁性多層膜及びその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
ＧＨｚ帯の高周波で高い透磁率を有する磁性膜を実現するためには、強磁性共鳴周波数ｆｒをＧＨｚ帯に引き上げる必要がある。
強磁性共鳴周波数ｆｒは、以下の式（１）で表される。
【０００３】
【数１】
（ただし、γはジャイロ磁気定数、Ｍs（ｅｍｕ／ｃｃ）は飽和磁化、Ｈk（Ｏｅ）は異方性磁界と呼ばれている磁気異方性に相当する磁界である。）
【０００４】
上記式（１）から、飽和磁化ＭS又は異方性磁界Ｈkを大きくすれば、強磁性共鳴周波数ｆｒが大きくなることがわかる。
【０００５】
飽和磁化Ｍsは、物質によって決まってしまう。
そこで、強磁性共鳴周波数ｆｒを大きくするために、一軸異方性磁界Ｈkに着目して、磁性膜の製膜中に磁場を印加する、又は磁性膜の製膜後に磁場中で熱処理を行うことにより、一軸異方性磁界を付与している（例えば特許文献１参照。）。
【特許文献１】特開平５−３２６２６２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、外部磁場で異方性磁界を付与すると、等方的な透磁率が得られない。
また、上記特許文献１に記載されているような、異方性磁界を付与する製造方法は、磁場中での製膜を行う、又は磁場中で熱処理を行うために、複雑な磁場発生設備が必要となるという欠点がある。
【０００７】
上述した問題の解決のために、本発明においては、高周波で高い透磁率を実現することが可能であると共に、等方的な透磁率が得られ、複雑な磁場発生設備を使用することなく作製することが可能である磁性多層膜及びその製造方法を提供するものである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記した課題は、以下の構成からなる磁性多層膜及びその製造方法によって解決される。
すなわち、本発明は
＜１＞ 強磁性金属層と希土類金属層とを、交互に少なくとも２層以上積層した構造を有し、前記強磁性金属層の一層あたりの膜厚が１Å〜１００Å、前記希土類金属層の一層あたりの膜厚が２Å〜１００Åであることを特徴とする磁性多層膜である。
＜２＞ 前記前記強磁性金属層が、Ｆｅ、Ｃｏ及びＮｉからなる群から選ばれた少なくとも１種を含み、且つ前記希土類金属層がＬａ，Ｃｅ，Ｐｒ，Ｎｄ，Ｐｍ，Ｓｍ，Ｅｕ，Ｇｄ，Ｔｂ，Ｄｙ，Ｈｏ，Ｅｒ，Ｔｍ，Ｙｂ及びＬｕからなる群から選ばれた少なくとも１種を含むことを特徴とする前記＜１＞に記載の磁性多層膜である。
＜３＞ 前記強磁性金属層が、Ｆｅを含み、且つ前記希土類金属層がＴｂを含むことを特徴とする前記＜２＞に記載の磁性多層膜である。
＜４＞ 前記磁性多層膜が高周波用デバイス又は電磁波シールド用磁性膜であることを特徴とする前記＜１＞乃至＜３＞のいずれかに記載の磁性多層膜である。
＜５＞ 強磁性金属の薄膜を、１Å〜１００Åの範囲内の膜厚で成膜する工程と、希土類金属の薄膜を、２Å〜１００Åの範囲内の膜厚で成膜する工程とを、１０-5Pa以下の高真空下で交互に少なくとも２回以上繰り返して磁性多層膜を形成することを特徴とする磁性多層膜の製造方法である。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、磁場発生装置を全く用いることなく、単純な多層積層による層膜厚制御のみでＧＨｚ帯での高透磁率特性が高い磁性多層膜を得ることができる。また、多層積層による層膜厚制御により高周波帯域に及ぶ電磁波の吸収率が高い磁性多層膜が得られる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
本発明の磁性多層膜は強磁性金属層と希土類金属層とを、交互に少なくとも２層以上積層した構造を有し、前記強磁性金属層の一層あたりの膜厚が１Å〜１００Å、前記希土類金属層の一層あたりの膜厚が２Å〜１００Åである。
【００１１】
本発明において、強磁性金属としては、Ｆｅ，Ｃｏ，Ｎｉ，Ｆｅ3Ｏ4、遷移金属を含む強磁性合金、並びに強磁性化合物から選ばれる１種以上を使用することができ、例えば、従来から用いられているＭｎＢｉ，ＭｎＣｕＢｉ，ＭｎＣｏ，ＧｄＣｏ，ＧｄＦｅ，ＴｂＦｅＣｏ，Ｆｅ3Ｏ4等が挙げられる。これらの金属の中で、磁化が大きく、希土類金属層と大きな交換結合を有する点から、Ｆｅ，Ｃｏ，及びＮｉが好ましい。
【００１２】
希土類金属としては、Ｌａ，Ｃｅ，Ｐｒ，Ｎｄ，Ｐｍ，Ｓｍ，Ｅｕ，Ｇｄ，Ｔｂ，Ｄｙ，Ｈｏ，Ｅｒ，Ｔｍ，Ｙｂ及びＬｕからなる群から選ばれた少なくとも１種を含む金属が挙げられ、これらの希土類金属の中で磁化が大きく、強磁性金属層との大きな交換結合を有する点から特にＣｅ，Ｐｒ，Ｎｄ，Ｓｍ，Ｅｕ，Ｇｄ，Ｔｂ，Ｄｙ，Ｈｏ，Ｅｒ，Ｔｍが好ましい。
【００１３】
前記強磁性金属と希土類金属において、本発明の作用効果、特に高周波特性をより高く維持する点からは特に大きな交換結合を持つためには、特に磁化の大きな遷移金属と透磁率の大きな希土類金属との組み合わせが必要である。遷移金属の中で、特に磁化の大きい遷移金属はＦｅ，Ｃｏ，Ｎｉであり、希土類金属の中で、特に磁化の大きい希土類金属は
Ｃｅ，Ｐｒ，Ｎｄ，Ｓｍ，Ｅｕ，Ｇｄ，Ｔｂ，Ｄｙ，Ｈｏ，Ｅｒ，Ｔｍであり、この中でより磁化の大きい希土類金属はＳｍ，Ｅｕ，Ｇｄ，Ｔｂ，Ｄｙ，Ｈｏ，Ｅｒで挙げられる。
したがって、大きい交換結合を有するＦｅ/Ｃｅ、Ｆｅ/Ｐｒ、Ｆｅ/Ｎｄ、Ｆｅ/Ｓｍ、Ｆｅ/Ｅｕ、Ｆｅ/Ｇｄ、Ｆｅ/Ｔｂ、Ｆｅ/Ｄｙ、Ｆｅ/Ｈｏ、Ｆｅ/Ｅｒ、Ｆｅ/Ｔｍ、Ｃｏ/Ｃｅ、Ｃｏ/Ｐｒ、Ｃｏ/Ｎｄ、Ｃｏ/Ｓｍ、Ｃｏ/Ｅｕ、Ｃｏ/Ｇｄ、Ｃｏ/Ｔｂ、Ｃｏ/Ｄｙ、Ｃｏ/Ｈｏ、Ｃｏ/Ｅｒ、Ｃｏ/Ｔｍ、Ｎｉ/Ｃｅ、Ｎｉ/Ｐｒ、Ｎｉ/Ｎｄ、Ｎｉ/Ｓｍ、Ｎｉ/Ｅｕ、Ｎｉ/Ｇｄ、Ｎｉ/Ｔｂ、Ｎｉ/Ｄｙ、Ｎｉ/Ｈｏ、Ｎｉ/Ｅｒ、Ｎｉ/Ｔｍの組み合わせが好ましい。
【００１４】
強磁性金属膜の一層あたりの膜厚が薄すぎると、磁化が低下して、透磁率が減少してしまう。一方、強磁性金属膜の膜厚が厚すぎると、渦電流損失の効果が顕著となり、強磁性共鳴周波数を減少させてしまう。
従って、強磁性材料膜の一層あたりの膜厚を適宜調整することによって、周波数ＧＨｚ帯で等方的かつ高いＱ値の透磁率の実現に寄与する最適な厚さの範囲となる。ここで、Ｑ値は＝μ′／μ″；複素透磁率の実数部と虚数部との比を意味する。
【００１５】
強磁性金属層の一層あたりの膜厚は１Å〜１００Å、好ましくは２５Å〜７５Åである。強磁性金属層の１Åよりも薄いと、強磁性金属層の磁化（磁束密度）が顕著に低下し透磁率が減少し、また、強磁性金属層界面における交換結合力が低下し、共鳴周波数の減少を招く。一方、強磁性金属層の厚みが１００Åを超えると、強磁性金属層はバルクに近い性質になり、強磁性金属層の磁化（磁束密度）が大きくなり、透磁率が増加し渦電量損失が顕著に増加し共鳴周波数の減少を招く。
【００１６】
すなわち、希土類金属層の一層あたりの膜厚が薄いと強磁性金属の電気伝導が支配的になり、強磁性金属層あるいは強磁性金属層間で渦電流が発生しやすくなり、強磁性共鳴周波数の低下を招きやすい。また、希土類金属層の膜厚が厚いと、強磁性金属層間の磁気結合（磁化）が低下し、透磁率が減少してしまう。
従って、希土類金属層の一層あたりの膜厚を２Å〜１００Åの範囲内とすることにより、周波数ＧＨｚ帯で等方的かつ高いＱ値の透磁率の実現に寄与する最適な厚さの範囲となる。
【００１７】
希土類金属層は、強磁性金属層間の電気伝導の抑制、強磁性金属層界面における交換結合力の発生により、大きな透磁率が得られる。しかし、その一方で強磁性金属層間の磁気結合（磁化）が低下する。
希土類金属層が２Åよりも薄いと、強磁性金属層間の電気伝導の抑制力低下、すなわち、強磁性金属層の渦電流損失が増加し、透磁率が低下する。また、希土類金属層が１００Åを超えると、強磁性金属層間の磁気結合（磁化）の低下、すなわち、強磁性金属層間の交換結合力が低下する。
したがって、希土類金属層の一層あたりの膜厚は２Å〜１００Å、好ましくは４Å〜５０Åである。
【００１８】
基板上に強磁性金属層と希土類金属層は交互に少なくとも２層積層される。基体上に強磁性金属層と希土類金属層が積層される場合、積層の順序は特に制約はなく、交互に積層されている限りいずれの金属層が基体上に積層されていてもよい。
強磁性金属層と希土類金属層と積層の繰り返し回数（n）は、強磁性金属層/希土類金属層
の交換結合を有する最低数の観点から２回であり、超高周波透磁率測定における感度が余裕を持って得られる点からは５００回が好ましい。
したがって、 強磁性金属層/希土類金属層の繰り返し回数（n）は２以上であるが、好ましくは２〜５００、より好ましくは５〜２５０である。
【００１９】
また、交互に積層される強磁性金属層と希土類金属層の膜厚は厳密な意味で同一である必要はなく、強磁性金属層の一層あたりの膜厚が１Å〜１００Åの範囲内で、且つは希土類金属層の一層あたりの膜厚が２Å〜１００Åの範囲内で積層されていればよいが、好ましくは強磁性金属層と希土類金属層との膜厚差は１Å（２Å−１Å）〜９９Å（１００Å−１Å）以内、より好ましくは２１Å（２５Å−４Å）~７１Å（７５Å−４Å）以内であることが好ましい。
【００２０】
次に本発明の強磁性金属層（以下、強磁性金属層Ｔｒともいう）及び希土類金属層（以下、希土類金属ＲＥ層ともいう）の多層膜の積層回数とすると、［ＴＲ（ｘｎｍ）／ＲＥ（ｙｎｍ）］ｎの多層膜構造を１０-5Ｐａ以下の超高真空中で交互に積層することによって得ることができる。１０-5Ｐａを超える雰囲気中では希土類金属ＲＥ層が酸化するおそれがあり、また、超真空中ほどよいが、現在の真空技術の面から圧力の下限値は１０-9Ｐａで挙げられる。したがって、より好ましくは５×１０-6Ｐａ以下、更に好ましくは１×１０-6Ｐａ以下の超高真空中で交互に積層することによって得ることができる。
【００２１】
強磁性金属層及び希土類金属層の成膜は、強磁性金属と希土類金属をそれぞれターゲットとして、蒸着法、スパッタリング法、分子線エピタキシー法、レーザーアブレイション法によって行うことができる。また、それぞれの膜厚ｘ，ｙは、投入電力と堆積時間の調整により、容易に制御することができる。
そして、強磁性金属膜を１Å〜１００Åの範囲内で成膜する工程と、希土類金属膜を１Å〜１００Åの範囲内で成膜する工程とを、交互に（少なくとも２回以上）繰り返すことにより、磁性多層膜を製造することができる。
【実施例】
【００２２】
次に実施例に基づいて、本発明の磁性多層膜について説明する。
Ｆｅから成る強磁性金属膜と、Ｔｂから成る希土類金属膜とを、分子線エピタキシー法によって交互に繰り返し数ｎを１２５として積層することにより磁性多層膜を作製した。
図１および図２に本磁性材料のうち最も高周波特性が顕著に見られる（Ａ）［Ｆｅ（５．７Å）／Ｔｂ（８Å）］、（Ｂ）［Ｆｅ（６７Å）／Ｔｂ（１３Å）］、（Ｃ）［Ｆｅ（５５Å）／Ｔｂ（１６Å）］、（Ｄ）［Ｆｅ（５９Å）／Ｔｂ（２０Å）］を作製し、多層膜についての複素透磁率の周波数依存性を示す。なお、図１及び図２ではÅをｎｍ（１０Å）の単位で示している。
【００２３】
強磁性共鳴周波数は複素透磁率の実数部μ'が０となる周波数である。図１および図２から、本発明の磁性膜はＧＨｚオーダーの高い強磁性共鳴周波数ｆｒを持つことが分かる。
【００２４】
この様な高い強磁性共鳴周波数ｆｒを持つ理由として以下のことが考えられる。（ｉ）希土類金属ＲＥは強磁性金属ＴＲと界面で大きな交換結合を有する、（ｉｉ）希土類金属ＲＥはそれ単独で大きな磁気異方性を持っている事から、希土類金属ＲＥの割合が増すことは磁気異方性を付加することになる。（ｉ），（ｉｉ）の理由から異方性磁界Ｈｋが増加し、（１）式に従ってＧＨｚオーダーの高い強磁性共鳴周波数ｆｒを持つことが考えられる。すなわち、複雑な異方性磁界発生装置を用いず、強磁性金属ＴＲ層と希土類金属ＲＥ層との単純な積層のみで異方性磁界と同等な効果を付与することができる。
【００２５】
図１及び図２に示される複素透磁率の虚数部μ"は、本発明の磁性膜の高周波数領域での損失成分を表す。希土類金属ＲＥ層厚が薄い場合には、複素透磁率の虚数部μ"が共鳴周波数から低周波数領域に渡り大きな値を持つ。一方、希土類金属ＲＥ層厚が厚い場合には複素透磁率の虚数部μ"は強磁性共鳴周波数ｆｒ近傍まではほとんど値を持たない。
【００２６】
複素透磁率の実数部μ'と複素透磁率の虚数部μ"の交点の周波数ｆｃを（図３白抜き丸）、強磁性共鳴周波数ｆｒと交点周波数ｆｃとの差Δｆ＝ｆｒ−ｆｃ（図３塗りつぶし
丸）を希土類金属ＲＥ層厚（ここではＴｂ層厚）に対してプロットすると、希土類金属ＲＥ層厚が厚くなるにつれ周波数ｆｃは大きくなり、強磁性共鳴周波数ｆｒに近づき、そのΔｆは小さくなる。このような挙動は、以下のように解釈することができる。なお、図３
ではÅをｎｍ（１０Å）の単位で示している。
【００２７】
希土類金属ＲＥは強磁性金属ＴＲと比較して電気伝導度が低い。希土類金属ＲＥ層厚が薄い場合には強磁性金属ＴＲの電気伝導が支配的になり、強磁性金属ＴＲで渦電流が発生しやすいことが考えられる。この渦電流による損失により、複素透磁率の虚数部μ"が低周波数領域から強磁性共鳴周波数力に渡り大きな値を持つと考えられる。一方、希土類金属ＲＥ層厚が厚い場合には強磁性金属ＴＲ層間の電気伝導が希土類金属ＲＥ層に阻害され、渦電流が発生し難い。従って複素透磁率の虚数部μ"は強磁性共鳴周波数か近傍まではほとんど値を持たないと考えられる。以上のことから、希土類金属ＲＥ層の制御により電波吸収材料の要因である複素透磁率の虚数部の挙動を制御することができる。
【００２８】
複素透磁率の周波数依存性を示した図１は、本磁性材料はＧＨｚ帯域に渡り透磁率が最大値１００を越えることを示す。強磁性金属ＴＲ、希土類金属ＲＥ共に大きな磁気モーメントを持っているので、［ＴＲ（ｘｎｍ）／ＲＥ（ｙｎｍ）］で表される多層膜の透磁率は、強磁性金属ＴＲと希土類金属ＲＥ双方の大きな磁気モーメントに起因していることが考えられる。従って、強磁性金属ＴＲ、希土類金属ＲＥを使用して［ＴＲ（ｘｎｍ）／ＲＥ（ｙｎｍ）］で表される多層膜を作成することにより、ＧＨｚ帯域に渡り１００を越える大きな透磁率を有することになる。
【００２９】
また、図１及び図２に本磁性材料のうち最も高周波特性が顕著に見られる（Ａ）［Ｆｅ（５７Å）／Ｔｂ（８Å）］、（Ｂ）［Ｆｅ（６７Å）／Ｔｂ（１３Å）］、（Ｃ）［Ｆｅ（５５Å）／Ｔｂ（１６Å）］、（Ｄ）［Ｆｅ（５９Å）／Ｔｂ（２０Å）］において、多層膜の本磁性材料について複素透磁率の周波数依存性を示し、希土類金属ＲＥ層厚が薄い場合には複素透磁率の虚数部が低周波数領域から強磁性共鳴周波数ｆｒにかけてなだらかに増加する。
【００３０】
希土類金属ＲＥの層厚が厚い場合には複素透磁率の虚数部は強磁性共鳴周波数ｆｒ近傍から鋭く増加する。従って、希土類金属ＲＥ層が薄い場合には高周波帯域に及ぶ電磁波シールド材料としての応用、希土類金属ＲＥ層が厚い場合にはインダクター、バンドフィルター、アイソレーター等の高周波用デバイスへの応用に適した材料である。
【図面の簡単な説明】
【００３１】
【図１】（Ａ）［Ｆｅ（５７Å）／Ｔｂ（８Å）］、（Ｂ）［Ｆｅ（６７Å）／Ｔｂ（１３Å）］からなる磁性多層膜の複素透磁率の周波数依存性を示すグラフである。
【図２】（Ｃ）［Ｆｅ（５５Å）／Ｔｂ（１６Å）］、（Ｄ）［Ｆｅ（５９Å）／Ｔｂ（２０Å）］からなる磁性多層膜の複素透磁率の周波数依存性を示すグラフである。
【図３】希土類金属（Ｔｂ）層厚における強磁性共鳴周波数ｆｒと交点周波数ｆｃとの差Δｆと関係を示すグラフである。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
強磁性金属層と希土類金属層とを、交互に少なくとも２層以上積層した構造を有し、前記強磁性金属層の一層あたりの膜厚が１Å〜１００Å、前記希土類金属層の一層あたりの膜厚が２Å〜１００Åであることを特徴とする磁性多層膜。
【請求項２】
前記前記強磁性金属層が、Ｆｅ、Ｃｏ及びＮｉからなる群から選ばれた少なくとも１種を含み、且つ前記希土類金属層がＬａ，Ｃｅ，Ｐｒ，Ｎｄ，Ｐｍ，Ｓｍ，Ｅｕ，Ｇｄ，Ｔｂ，Ｄｙ，Ｈｏ，Ｅｒ，Ｔｍ，Ｙｂ及びＬｕからなる群から選ばれた少なくとも１種を含むことを特徴とする請求項１に記載の磁性多層膜。
【請求項３】
前記強磁性金属層が、Ｆｅを含み、且つ前記希土類金属層がＴｂを含むことを特徴とする請求項２に記載の磁性多層膜。
【請求項４】
前記磁性多層膜が高周波用デバイス又は電磁波シールド用磁性膜であることを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれか１項に記載の磁性多層膜。
【請求項５】
強磁性金属の薄膜を、１Å〜１００Åの範囲内の膜厚で成膜する工程と、希土類金属の薄膜を、２Å〜１００Åの範囲内の膜厚で成膜する工程とを、１０-5Pa以下の高真空下で交互に少なくとも２回以上繰り返して磁性多層膜を形成することを特徴とする磁性多層膜の製造方法。
【請求項１】
強磁性金属層と希土類金属層とを、交互に少なくとも２層以上積層した構造を有し、前記強磁性金属層の一層あたりの膜厚が１Å〜１００Å、前記希土類金属層の一層あたりの膜厚が２Å〜１００Åであることを特徴とする磁性多層膜。
【請求項２】
前記前記強磁性金属層が、Ｆｅ、Ｃｏ及びＮｉからなる群から選ばれた少なくとも１種を含み、且つ前記希土類金属層がＬａ，Ｃｅ，Ｐｒ，Ｎｄ，Ｐｍ，Ｓｍ，Ｅｕ，Ｇｄ，Ｔｂ，Ｄｙ，Ｈｏ，Ｅｒ，Ｔｍ，Ｙｂ及びＬｕからなる群から選ばれた少なくとも１種を含むことを特徴とする請求項１に記載の磁性多層膜。
【請求項３】
前記強磁性金属層が、Ｆｅを含み、且つ前記希土類金属層がＴｂを含むことを特徴とする請求項２に記載の磁性多層膜。
【請求項４】
前記磁性多層膜が高周波用デバイス又は電磁波シールド用磁性膜であることを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれか１項に記載の磁性多層膜。
【請求項５】
強磁性金属の薄膜を、１Å〜１００Åの範囲内の膜厚で成膜する工程と、希土類金属の薄膜を、２Å〜１００Åの範囲内の膜厚で成膜する工程とを、１０-5Pa以下の高真空下で交互に少なくとも２回以上繰り返して磁性多層膜を形成することを特徴とする磁性多層膜の製造方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図２】
【図３】
【公開番号】特開２００７−５９５９４（Ｐ２００７−５９５９４Ａ）
【公開日】平成１９年３月８日（２００７．３．８）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００５−２４２６２０（Ｐ２００５−２４２６２０）
【出願日】平成１７年８月２４日（２００５．８．２４）
【出願人】（５０４１４５３６４）国立大学法人群馬大学 (352)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成１９年３月８日（２００７．３．８）
【国際特許分類】
【出願日】平成１７年８月２４日（２００５．８．２４）
【出願人】（５０４１４５３６４）国立大学法人群馬大学 (352)
【Ｆターム（参考）】
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