DE19707522C2

DE19707522C2 - Weichmagnetische Legierung für hohe Frequenzen, magnetisches Flachbauelement, Antenne und Wellenabsorber mit einem Element aus einer solchen Legierung

Info

Publication number: DE19707522C2
Application number: DE19707522A
Authority: DE
Inventors: Kumiko Ominato; Naoya Hasegawa; Yasuo Hayakawa; Akihiro Makino
Original assignee: Alps Electric Co Ltd
Current assignee: Alps Alpine Co Ltd
Priority date: 1996-02-26
Filing date: 1997-02-25
Publication date: 2003-07-24
Anticipated expiration: 2017-02-26
Also published as: DE19707522A1; KR100203525B1; KR970063292A; US5833770A

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine für hohe Frequenzen (mehr als 100 MHz) vorgesehene weichmagnetische Legierung, die hohe magneti sche Permeabilität im Hochfrequenzband und geringe Verluste aufweist. Die Erfindung betrifft ferner ein magnetisches Flachbauelement, eine Antenne und einen Wellenabsorber, die eine derartige weichmagnetische Legierung enthalten.

Die Miniaturisierung und die Steigerung der Leistungsfähigkeit eines magnetischen Elements schaffen Bedarf an einem magnetischen Element, welches sich durch eine hohe magnetische Sättigungsinduktion, hohe magnetische Permeabilität in einem Frequenzband von einigen 100 MHz und durch einen hohen spezifischen Widerstand auszeichnet.

Fe oder Fe-haltige Legierungen sind als Hauptbestandteil für magnetische Stoffe mit hoher magnetischer Sättigungsinduktion bekannt. Allerdings besitzen magnetische Schichten aus Legierung auf Fe-Basis, die nach der Schichtniederschlagungsmethode hergestellt werden, beispielsweise mit Hilfe eines Zerstäubungsverfahrens, zwar eine hohe magnetische Sätti gungsinduktion, allerdings eine hohe Koerzitivkraft oder einen geringen spezifischen Widerstand, so daß man mit diesen Stoffen nur schwierig gute weichmagnetische Eigenschaften erzielt.

Einer der Gründe für eine Verringerung der magnetischen Permeabilität im Hochfrequenzbereich ist der auf das Auftreten von Wirbelströmen zurückzuführende Verlust. Um Wirbelstromverluste als Ursache für die Abnahme der magnetischen Permeabilität im Hochfrequenzbereich zu unterbinden, versucht man, die Dicke einer Schicht zu verringern und den elektrischen Widerstand der Dünnschicht zu erhöhen.

Allerdings bereitet es Schwierigkeiten, den spezifischen Widerstand zu steigern, wenn man die magnetischen Kennwerte beibehalten will. Der spezifische elektrische Widerstand einer weichmagnetischen Dünnschicht aus einer Legierung wie z. B. Sendust oder dergleichen beträgt nur einige zig bis hundert und einige zig µΩcm. Folglich besteht Bedarf an einer weichmagnetischen Legierung erhöhten spezifischen Widerstands unter Bewahrung einer magnetischen Sättigungsinduktion von mindestens 0,5 T.

Wenn man eine Legierungs-Dünnschicht herstellt, erschweren Einflüsse der Magnetostriktion und dergleichen die Erzielung guter weichmagneti scher Eigenschaften.

Vor dem oben erläuterten Hintergrund entwickelten die Erfinder weich magnetische Stoffe vom Fe-M-O-Typ, wobei M mindestens einen Stoff oder ein Stoffgemisch aus einer 4a-Gruppe, 5a-Gruppe oder Seltenerd- Elementen mit 50 ≦ Fe ≦ 70; 5 ≦ M ≦ 30 und 10 ≦ O ≦ 30 be deutet (US-A-5,573,863). Dieser Typ weichmagnetischen Materials besitzt einen hohen spezifischen Widerstand von 215,3 bis 133.709 µΩcm und zeigt damit geringe Wirbelstromverluste im Hochfrequenzbereich, so daß man im Hochfrequenzbereich hohe Permeabilität und eine hohe magnetische Sättigungsinduktion von 0,5 T (Tesla) oder darüber ebenso erhält wie eine geringe Koerzitivkraft von 0,8 bis 4,0 Oe.

Die magnetische Permeabilität wird im allgemeinen durch zwei Werte angegeben, nämlich die reelle Zahl (µ') der Permeabilität und die imagi näre Zahl (µ") der Permeabilität. Bei Anwendungen in Verbindung mit einer Induktivität oder einer Antenne ist es erwünscht, daß die reelle Zahl groß und die imaginäre Zahl niedrig ist. Obschon bei einer Dünn schicht aus einer weichmagnetischen Legierung vom Fe-M-O-Typ die reelle Zahl (µ') der Permeabilität im Hochfrequenzband von einigen hundert MHz oder darüber gesteigert werden kann, so nimmt allerdings auch die imaginäre Zahl der Permeabilität bis zu einem Wert oberhalb der reellen Zahl der Permeabilität zu, und der durch (µ')/(µ") repräsen tierte Q-Wert (reelle Zahl der Permeabilität)/(imaginäre Zahl der Per meabilität) wird niedriger als 1, was das Problem zunehmender Verluste bedeutet.

Magnetoplumbit, dargestellt durch eine Zusammensetzungsformel wie Ba₃CO₂Fe₅₄O₄₁ (allgemein mit Co₂Z oder dergleichen bezeichnet) ist bekannt als typisches Grundmaterial mit hohem Q-Wert im Hochfre quenzbereich. Allerdings besitzt dieses Material in dem Hochfrequenzbe reich von 1 GHz einen Q-Wert von 1, und es ergibt sich das Problem der zunehmenden Verluste im höheren Frequenzband oberhalb von 1 GHz, wie in Fig. 11 dargestellt ist.

Andererseits wird auf dem Gebiet der Nachrichtentechnik (insbesondere dem sogenannten mobilen Telefon oder "Handy") das GHz-Band genutzt, wobei derzeit eine Induktivität mit Luftkern als Bauelement eingesetzt wird. Auf diesem Gebiet wäre es wünschenswert, einen höheren Q-Wert zur Verfügung zu haben. Dies gilt auch für das Gebiet der Antennen.

Obschon ein Wellenabsorber eine hohe imaginäre Zahl (µ") der Permea bilität in dem Frequenzbereich der zu absorbierenden elektromagneti schen Wellen haben soll, haben die üblichen Stoffe gemäß Fig. 11 die Tendenz, daß die Imaginärzahl der Permeabilität in einem Band von 1 GHz oder darüber rapide abnimmt. Solche konventionellen Werkstoffe haben das Problem, daß sie sich für Wellenabsorber im GHz-Band nicht eignen.

Aus der US 4 921 743 ist ein weichmagnetisches zusammengesetztes Material bekannt, bei dem Bereiche einer ferromagnetischen amorphen Phase, hauptsächlich bestehend aus einem Übergangsgitter, eingeschlos sen sind von nicht-magnetischen amorphen Materialbereichen, Letztere ausgewählt aus der Gruppe B, C und Si.

US 5 474 264 beschreibt eine weichmagnetische Legierung auf Fe- Basis. Durch Behandeln einer amorphen, hauptsächlich aus Fe bestehen den Legierung bilden sich feinkristalline Kristallkörner in Form eines raumzentrierten Kugelgitters mit einer durchschnittlichen Kristallkorn größe von 30 nm oder weniger.

Die Erfindung trachtet, die obigen Probleme zu lösen, und es ist Auf gabe der vorliegenden Erfindung, eine weichmagnetische Legierung zu schaffen, die als magnetischer Werkstoff bei hohen Frequenzen einge setzt wird, und die einen hohen spezifischen Widerstand sowie hohe Permeabilität im Hochfrequenzbereich aufweist. Außerdem soll ein flach stückartiges magnetisches Element, ein Wellenabsorber sowie eine Antenne aus einer solchen weichmagnetischen Legierung geschaffen werden.

Hierzu schafft die Erfindung eine weichmagnetische Legierung für hohe Frequenzen mit den Merkmalen des Anspruchs 1.

In der weichmagnetischen Legierung gemäß der Erfindung beläuft sich die durchschnittliche Kristallkorngröße auf 7 nm oder darunter.

Erfindungsgemäß hat die besondere Ausführungsform der für hohe Frequenzen vorgesehenen weichmagnetischen Legierung die Zusammen setzung gemäß Anspruch 8.

Die Zusammensetzungsverhältnisse y und z innerhalb der erfindungs gemäßen Zusammensetzung entsprechen vorzugsweise den Relationen 5 ≦ y ≦ 20 bzw. 10 ≦ z ≦ 30, wobei das Element T vorzugsweise Fe ist.

Erfindungsgemäß besitzt die für Hochfrequenzen vorgesehene weichmag netische Legierung eine uniaxiale Anisotropie innerhalb einer Kristall fläche, das anisotrope Magnetfeld beträgt 10 Oe oder darüber.

In einer speziellen Weiterbildung beträgt der spezifische elektrische Widerstand 200 µΩcm oder 400 µΩcm.

Vorzugsweise wird die für hohe Frequenzen vorgesehene weichmagneti sche Legierung als Magnetkern einer Induktivität, für eine Antenne oder für einen Wellenabsorber eingesetzt.

Im folgenden wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 ein Dreistoffdiagramm, welches die magnetische Sätti gungsinduktion und/oder den spezifischen Widerstand bei einzelnen Zusammensetzungsverhältnissen einer Legie rungsschicht des Co-Fe-Hf-O-Systems gemäß der Erfin dung darstellt;

Fig. 2 eine schematische Skizze einer hochauflösenden fotografi schen Aufnahme mit einem Durchlicht-Elektronenmikro skop einer weichmagnetischen Legierung mit der Zusam mensetzung Co_46,5Fe_17,5Hf_14,4O_21,6;

Fig. 3 eine grafische Darstellung der Ergebnisse einer Röntgen strahlbeugung von Schichten bei erfindungsgemäßen und Vergleichs-Beispielen;

Fig. 4 eine grafische Darstellung der Frequenzabhängigkeit der magnetischen Permeabilität einer Legierungsschicht eines erfindungsgemäßen Beispiels;

Fig. 5 eine grafische Darstellung der Frequenzabhängigkeit der Permeabilität von Legierungsschichten eines erfindungs gemäßen und eines Vergleichs-Beispiels;

Fig. 6 eine grafische Darstellung der Magnetisierungskurven von Legierungsschichten eines erfindungsgemäßen und eines Vergleichs-Beispiels;

Fig. 7A eine Draufsicht auf ein erstes Beispiel eines magnetischen Flachstück-Bauteils gemäß der Erfindung, und

Fig. 7B eine Schnittansicht entlang der Linie VIIB-VIIB nach Fig. 7A;

Fig. 8 eine Schnittansicht eines zweiten Beispiels eines magneti schen Flachstück-Bauelements gemäß der Erfindung;

Fig. 9 eine perspektivische Ansicht eines ersten Beispiels eines Absorberflachstücks zum Absorbieren elektromagnetischer Wellen gemäß der Erfindung;

Fig. 10 eine perspektivische Ansicht eines zweiten Beispiels eines Absorberflachstücks zum Absorbieren von elektromagneti schen Wellen gemäß der Erfindung; und

Fig. 11 eine grafische Darstellung der Frequenzabhängigkeit der Permeabilität konventioneller Stoffe.

Bei einer für Hochfrequenzanwendungen vorgesehenen weichmagneti schen Legierung gemäß der Erfindung sind Co und ein Element T Hauptbestandteile, wobei Co, Fe und Ni Elemente sind, die Magnetis mus aufweisen. Um insbesondere eine hohe magnetische Sättigungsin duktion zu erreichen, sind die Anteile von Co und Fe vorzugsweise so hoch wie möglich. Wenn allerdings die Anteile von Co und Fe extrem gering sind, wird die magnetische Sättigungsinduktion gering.

Ein Element M, welches zumindest ein Element ist, welches ausgewählt ist aus Ti, Zr, Hf, Nb, Ta, Mo, W und Seltenerd-Elementen, d. h. Sc, Y und Lanthaniden wie La, Ce, Pr, Nd, Pm, Sm, Eu, Dy, Ho, Er, Tm, Yb und Lu, die sämtlich zur Gruppe 3A des Periodensystems gehören, wird benötigt, um weichmagnetische Eigenschaften zu erzielen. Ein solches Element kombiniert leicht mit Sauerstoff und bildet ein Oxid.

Der spezifische, elektrische Widerstand läßt sich dadurch erhöhen, daß man den Inhalt des Oxids dieses Elements einstellt.

Andererseits ermöglichen die Zusammensetzungsbereiche gemäß der Erfindung die Erzielung eines hohen spezifischen Widerstands, eine Verringerung von Wirbelstromverlusten aufgrund einer Zunahme des spezifischen Widerstands, die Vermeidung einer Abnahme der Hochfrequenz-Permeabilität und Verbesserungen der Hochfrequenz-Eigenschaf ten.

Insbesondere wird Hf als das Element angesehen, welches Magnetostrik tion unterdrückt.

Ein Element T, welches mindestens ein Element ist, welches ausgewählt ist aus Fe, Ni, Pd, Mn und Al, hat die Funktion des Stabilisierens des flächenzentrierten kubischen Gitters (FZK-Struktur) von Co oder der Erhöhung der uniaxialen Anisotropie. Ein Element Y, welches minde stens ein Element ist, welches ausgewählt ist aus Au, Ag und Elementen der Platin-Gruppe wie Ru, Rh, Pd, Os, Ir und Pt, verbessert die Korro sionsbeständigkeit einer erfindungsgemäßen Legierung. Wenn allerdings der Anteil des Elements Y 20 Atom-% (At-%) übersteigt, verschlechtern sich die weichmagnetischen Eigenschaften (die magnetische Permeabili tät).

Um eine hohe magnetische Sättigungsinduktion bei Aufrechterhaltung guter weichmagnetischer Eigenschaften zu erzielen, liegen die Elemente M, Q, X und Y vorzugsweise in den folgenden Zusammensetzungsberei chen, angegeben in Atom-%:

3 ≦ M ≦ 30, 7 ≦ Q ≦ 40, 0 ≦ X ≦ 20, 0 ≦ Y ≦ 20

Um auf sicherem Weg gute weichmagnetische Eigenschaften und eine hohe magnetische Sättigungsinduktion zu erreichen, liegen die Elemente M und Q vorzugsweise in folgenden Zusammensetzungsbereichen, ange geben in Atom-%:

5 ≦ M ≦ 20, 10 ≦ Q ≦ 30

Eine magnetische Schicht aus der oben beschriebenen Legierung wird nach Schichtbildungsverfahren wie Aufstäuben, Niederschlagen aus der Dampfphase und dergleichen gebildet. Als Zerstäubungsapparatur dient eine herkömmliche Apparatur, beispielsweise eine Apparatur zur HF- Doppelpol-Zerstäubung, Gleichstromzerstäubung, Magnetron-Zerstäu bung, Dreifachpol-Zerstäubung, Ionenstrahl-Zerstäubung oder Gegen target-Zerstäubung oder dergleichen.

Ein wirksames Verfahren zum Beigeben von O (Sauerstoff) zu der weichmagnetischen Legierung ist das Verfahren des reaktiven Zerstäu bens, bei dem in einer Atmosphäre aus (Ar + O₂)-Mischgas zerstäubt wird, welches ein inertes Gas wie Ar und O₂ enthält, oder ein Zer stäubungsverfahren mit einem zusammengesetzten Target, bestehend aus einem Oxid des Elements M (HfO₂ oder dergleichen) in einer Ar-Atmo sphäre. Die Legierungsschicht läßt sich auch dadurch bilden, daß man ein zusammengesetztes Target verwendet, bestehend aus einem Co-Tar get und Pellets des Elements M, beispielsweise eines Seltenerd-Ele ments, oder des Elements T, welches auf dem Co-Target in einem iner ten Gas wie z. B. Ar, niedergeschlagen wird.

In dem Gefüge der weichmagnetischen Legierungsschicht kann eine mikrokristalline Phase eine RZK-Gitterstruktur (raumzentriertes kubi sches Gitter) aufweisen, und das Gefüge kann ein Mischgefüge sein, umfassend eine mikrokristalline Phase mit der FZK-Gitterstruktur (flächenzentriertes kubisches Gitter), eine mikrokristalline Phase des RZK-Gitters und einen Restanteil, hauptsächlich bestehend aus einer amorphen Phase, die Co und das Element T enthält. Die Legierungs schicht mit einem derartigen Gefüge und der obigen Zusammensetzung besitzt eine uniaxiale Anisotropie innerhalb einer Kristallfläche und ein anisotropes Magnetfeld von 10 Oe oder darüber, und mithin läßt sich der spezifische Widerstand auf 200 µΩcm oder darüber steigern, mögli cherweise auch auf 400 µΩcm oder mehr. Die durchschnittliche Kristall korngröße beträgt 30 nm oder weniger, und um gute magnetische Eigen schaften zu erzielen, beträgt die durchschnittliche Kristallkorngröße vorzugsweise 7 nm oder darunter.

Beispiel (1) Schichtniederschlagung

Das Zerstäuben oder Sputtern wurde unter Verwendung einer Hoch frequenz-Doppelpol-Zerstäubungsanlage und eines zusammengesetzten Targets, bestehend aus einem Co-Target und Pellets jedes der Elemente wie des Elements M, des Elements T etc. in einer Atmosphäre von Mischgasen, die Ar und 0,1 bis 1,0% O₂ enthielten, durchgeführt. Die Zerstäubungszeit wurde so eingestellt, daß man eine Schichtdicke von etwa 2 µm erzielte. Die hauptsächlichen Zerstäubungsbedingungen waren:

Vorentleerung: 1 × 10^-6 Torr oder darunter
Hochfrequenz-Eingang: 200 W
Ar-Gasdruck: 6 bis 8 × 10^-3 Torr
Substrat: kristallisiertes Glassubstrat (indirekte Wasserkühlung)
Elektrodenabstand: 72 mm

(2) Wärmebehandlung

Nach dem Niederschlagen der Schicht wurde, um die weichmagnetischen Eigenschaften der Schicht zu verbessern, die Schicht einer Warmbehand lung unterzogen, indem sie 60 bis 360 Minuten lang ohne Magnetfeld oder in Beisein eines Magnetfeldes auf einer Temperatur im Bereich von 300 bis 600°C gehalten und dann langsam abgekühlt wurde.

(3) Messung

Die Zusammensetzung der erhaltenen Legierungs-Magnetschicht wurde nach einem Inertgas-Schmelzen-Infrarotabsorptionsverfahren ermittelt.

Test 1

Der Wert (µ') der reellen Zahl und der Wert (µ") der imaginären Zahl der komplexen magnetischen Permeabilität der magnetischen Legierungs schicht wurde bei 500 MHz gemessen. Der spezifische Widerstand (ρ) wurde mit Hilfe des Vier-Anschluß-Verfahrens gemessen.

Das Dreistoffdiagramm in Fig. 1 veranschaulicht die Meßergebnisse für die magnetische Permeabilität (µ', µ") und den spezifischen Widerstand (ρ) gegenüber dem (Co + Fe)-Gehalt, dem Hf-Anteil und dem O-Anteil innerhalb von CoFeHfO-Dünnschichtproben (A, B, C, D, E, F, G), die nach dem oben erläuterten Verfahren hergestellt worden waren.

Die in Fig. 1 dargestellten Ergebnisse zeigen, daß mit zunehmendem Anteil von Hf und O der spezifische Widerstand zunimmt, der Wert Q (= µ'/µ") zunimmt und die Hochfrequenzverluste abnehmen. Daher eignen sich die Proben A, B und C für Antennen-Anwendungen, für einen Transformator und für ein magnetisches Flachstückelement (Induk tivität). Da die Proben E, F und G hohe Werte µ" in der Nähe von 500 MHz aufweisen, sind die Verluste im Hochfrequenzband beträchtlich, und damit eignen sich diese Proben für einen Wellenabsorber. Aller dings sind die oben angegebenen Unterteilungen für verschiedene An wendungszwecke nicht absolut zu verstehen. Natürlich lassen sich die Unterteilungen mit Änderungen im Frequenzband und der jeweiligen Werkstoffdicke abändern.

Fig. 2 ist eine schematische Skizze einer hochauflösenden mikroskopi schen Aufnahme, die mit einem Durchlicht-Elektronenmikroskop von einer Legierungsschicht mit der Zusammensetzung Co_46,5Fe_17,5Hf_14,4O_21,6 angefertigt wurde. Als Ergebnis einer Elektronenstrahlbeugung und einer Röntgenstrahlbeugung mit dieser Probe wurde herausgefunden, daß diese Schicht ultrafeine Kristallkörner mit einer Korngröße von etwa 3 bis 5 nm sowie ein raumzentriertes kubisches Gittergefüge und eine amorphe Phase (die schraffierten Zonen in Fig. 2) an den Korngrenzen, die Kristallpartikel umgebend, enthält. Die Ergebnisse der Röntgenstrahlbeu gung sind in Fig. 3 dargestellt.

Fig. 3 zeigt die Röntgenstrahlbeugungsmuster von Co-Hf-O-Schichten mit unterschiedlichen Co- und Fe-Zusammensetzungsverhältnissen in dem einem niedergeschlagenen Zustand entsprechenden Zustand (wie niedergeschlagen). Fig. 3 zeigt auch die µ'-Werte bei 100 MHz. In Fig. 3 sind Fe₅₅Hf₁₁O₃₄ und Co₆₅Hf₁₂O₂₃ Vergleichsbeispiele. Bei Fe₅₅Hf₁₁O₃₄ sind eine kleine RZK-(110-)Spitze sowie eine Halo-Spitze bei 2θ = ca. 47° zu beobachten, was auf eine amorphe Phase hinweist. Es wurde festgestellt, daß diese Probe eine RZK-Phase und eine amorphe Phase beinhaltet. Die Zugabe von Co zu dieser Probe verbreitert nach und nach die RZK-(110-)Spitze, um eine breite Beugungsspitze zu erzeugen, die auf eine HCP-Phase hinweist (HCP = hexagonal closest package; hexagonal dichtgepackt). In dem Co₆₅Hf₁₂O₂₃, in dem Fe vollständig durch Co ersetzt war, enthält die Beugungsspitze der HCP-Phase eine feine Beugungsspitze und eine Halo-Spitze. Es wird angenommen, daß diese Probe eine Mikro-HCP-Phase und eine amorphe Phase enthält. Diese Probe zeigte einen kleinen µ'-Wert, so daß eine ausreichende weichmagnetische Eigenschaft nicht erreicht werden kann. Die Ergeb nisse bedeuten, daß die für Hochfrequenzanwendungen vorgesehene weichmagnetische Legierung gemäß der Erfindung unmittelbar nach der Schichtbildung eine feinkristalline Struktur aufweist, und daß der Anteil der amorphen Phase 30% und darüber beträgt, vorzugsweise 30 bis 80 % (Flächen-%) des gesamten Gefüges.

Fig. 4 zeigt die Ergebnisse der Messung der Frequenzabhängigkeit der magnetischen Permeabilität einer Probe mit einer Zusammensetzung Co_46,5Fe_17,5Hf_14,4O_21,6. Diese Probe hatte bei 1 GHz einen Wert Q = 2 und erwies sich damit als Material mit geringeren Verlusten als das konventionelle Material im GHz-Band. Es wurde festgestellt, daß sich diese Probe als Magnetkern für einen Transformator, als magnetisches Flachstück-Element (Induktivität) und als Antenne eignet. Da diese Probe einen höheren Wert von µ" im GHz-Band zeigte als ein Material vom Typ FeMO, eignet sich diese Probe auch für ein Wellenabsorber element.

Fig. 5 zeigt die Frequenzabhängigkeit von µ' und µ" einer Probe mit der Zusammensetzung Co_44,3Fe_19,1Hf_14,5O_22,1. Diese Probe befand sich nach der Schichtbildung in einem magnetostatischen Feld im Zustand direkt nach dem Niederschlagen, und es wurde die Permeabilität in Richtung der Achse harter Magnetisierung gemessen. Fig. 5 macht deutlich, daß µ' bis zu 1 GHz im wesentlichen konstant ist, µ" ebenfalls auf einem geringen Pegel gehalten wird und Q bei 100 MHz den Wert 61 und bei 1 GHz sogar noch den Wert 2,9 aufweist. Diese Probe zeigte eine Sätti gungsmagnetisierung von 1,1 T und einen spezifischen Widerstand (ρ) von bis zu 1400 µΩcm. Die natürliche Resonanzfrequenz betrug eben falls bis zu 1 GHz oder sogar noch mehr. Die Probe mit der Zusammen setzung Fe₆₁Hf₁₃O₂₆, die in Fig. 5 als Vergleichsbeispiel dargestellt ist, wurde drei Stunden lang in einem magnetostatischen Feld einer Wärme behandlung bei 400°C unterzogen. Diese Probe zeigte hohe Werte so wohl für µ' als auch für µ", wobei Q bei 100 MHz nur 26 betrug.

Fig. 6 zeigt einen Vergleich zwischen den Magnetisierungskurven der Probe mit der Zusammensetzung Co_44,3Fe_19,1Hf_14,5O_22,1 und des Ver gleichsbeispiels mit der Zusammensetzung Fe₆₁Hf₁₃O₂₆. In Fig. 6 sind die mit // bezeichneten Kurven Magnetisierungskurven in Richtung der leichten Magnetisierungsachse, die Kurven mit ⟂ bezeichneten Kurven sind Magnetisierungskurven in Richtung der Achse harter Magnetisie rung. Fig. 6 zeigt, daß die Probe mit der Zusammensetzung Co_44,3Fe_19,1Hf_14,5O_22,1 eine anisotropes Magnetfeld Hk von 4,8 kA/m zeigt, welches etwa vier Mal so groß ist wie das der Probe mit der Zusam mensetzung Fe₆₁Hf₁₃O₂₆ bei großer anisotropischer Energie K_u. Die Probe mit der Zusammensetzung Co_44,3Fe_19,1Hf_14,5O_22,1 zeigt außerdem einen kleineren Wert für die Winkeldispersion α₉₀ der Anisotropie, die mit einem B-H-Tracer gemessen wurde, und es wurde ermittelt, daß der Austausch von Fe gegen Co der Probe einer starke uniaxiale Anisotropie verleiht. Folglich wird angenommen, daß sich der Frequenzgang verbes sern läßt, wie dies in den Fig. 4 und 5 gezeigt ist.

Es wurden mit dem gleichen Verfahren, wie es oben erläutert wurde, verschiedene Legierungsschichten mit Zusammensetzungen hergestellt, die sich von den obigen Zusammensetzungen innerhalb des erfindungs gemäßen Zusammensetzungs-Systems unterschieden, und es wurden der Wert der reellen Zahl (µ') und der Wert des Imaginärteils (µ") der komplexen magnetischen Permeabilität für jede Probe der Legierungs schicht bei 500 MHz gemessen. Das Kristallgefüge und die durchschnitt liche Kristallkorngröße, wie sie mit Hilfe der Elektronenstrahlbeugung und der Röntgenstrahlbeugung ermittelt wurden, sind in der nachstehen den Tabelle 1 angegeben.

Tabelle 1

Die oben erläuterten Kennwerte zeigen, daß die erfindungsgemäße weichmagnetische Legierung sich durch einen hohen spezifischen Wider stand auszeichnet, so wie die weichmagnetische Legierung des Misch typs mit einer mikrokristallinen und einer amorphen FeMo-Phase, für die die Erfinder eine eigene Anmeldung eingereicht hatten, die Legie rung folglich gekennzeichnet ist durch geringe Wirbelstromverluste. Es ist ebenfalls ersichtlich, daß, weil die erfindungsgemäße weichmagneti sche Legierung eine uniaxiale magnetische Anisotropie aufweist, die um ein Mehrfaches größer ist als diejenige der weichmagnetischen FeMo- Legierung, die natürliche Resonanzfrequenz zu einem Bereich höherer Frequenzen hin verschoben ist und der Verlust durch die natürliche Resonanz im GHz-Band folglich verringert ist.

Fig. 7a und 7b zeigen ein erstes Beispiel für den Aufbau eines magneti schen Flachstückelements (einer Induktivität), die unter Verwendung einer magnetischen Schicht aus der weichmagnetischen Legierung mit der obigen Zusammensetzung hergestellt wurde.

Eine Induktivität B nach diesem Beispiel enthält flächige spiralförmige Spulen 2, die auf beiden Seiten eines Substrats 1 ausgebildet sind, Iso lierschichten 3, welche die Spulen 2 und die Substratoberflächen ab decken, und magnetische Schichten 4, die auf die jeweiligen Isolier schichten 3 aufgebracht sind, wobei die Mittelabschnitte der Spulen 2 elektrisch miteinander über ein Durchkontaktierungsloch 5 verbunden sind, welches im Mittelbereich des Substrats 1 ausgebildet ist. An schlüsse 6 führen von den Spulen 2 nach beiden Seiten des Substrats 1 nach außen.

In der einen solchen Aufbau aufweisenden Induktivität B sind die Flächenspulen 2 von den magnetischen Schichten 4 über die Isolier schichten 3 gehalten, um eine Induktivität oder Spule zwischen den Anschlüssen 6 zu bilden.

Das Substrat 1 ist ein Keramiksubstrat, ein Si-Waver-Substrat oder ein Harzsubstrat. Besteht das Substrat aus keramischem Werkstoff, so kann irgendein geeigneter Werkstoff verwendet werden, ausgewählt aus Alu miniumoxid, Zirkonoxid, Siliziumcarbid, Siliziumnitrid, Aluminiumni trid, Steatit, Mullit, Cordierit, Forsterit und Spinell. Um allerdings einen Wärmeausdehnungskoeffizienten zu erhalten, der demjenigen von Si ähnelt, wird vorzugsweise Aluminiumnitrid oder dergleichen verwendet, welches eine hohe Wärmeleitfähigkeit und hohe Biegefestigkeit besitzt.

Jede der Flachspulen 2 enthält einen metallischen Werkstoff guter elek trischer Leitfähigkeit, beispielsweise, Kupfer, Silber, Gold, Aluminium oder eine Legierung aus diesen Stoffen, wobei die Spule sich in geeigne ter Weise in Reihe entweder in Längs- oder in Querrichtung anordnen läßt, abhängig von dem Induktivitätswert, dem Gleichstrom-Überlage rungskennwert, der Größe etc. Mehrere Flachspulen 2 lassen sich zur Bildung eines Transformators parallel anordnen. Die Flachspule 2 kann außerdem in verschiedenen Formen mit Hilfe der Photoätztechnik ausge bildet werden, nachdem auf dem Substrat eine leitende Schicht ausgebil det ist. Die leitende Schicht läßt sich auch durch ein anderes geeignetes Verfahren herstellen, beispielsweise durch Preßbonden, durch elektroly tische Abscheidung, durch Metallsprühen, durch Niederschlagen im Vakuum, durch Zerstäuben, durch Ionen-Plattierung, durch Siebdruck- Einbrennen oder dergleichen.

Die Isolierschichten 3 dienen zum Verhindern eines Kurzschlusses wegen der Leitfähigkeit der magnetischen Schichten 4, wenn elektrischer Strom in die Flachspulen 2 eingespeist wird. Jede der Isolierschichten 3 ist vorzugsweise eine Polymer-Schicht aus beispielsweise Polyimid oder dergleichen oder eine anorganische Schicht aus SiO₂, Glas, eine Hartkar bonschicht oder dergleichen. Die Isolierschichten 3 werden hergestellt mit Hilfe eines Verfahrens, bei dem eine Paste aufgedruckt und dann gebrannt wird, oder aber mit Hilfe des Heißtauchverfahrens, durch Aufsprühen, durch elektrolytische Dampfabscheidung, durch Niederschlagen aus der Dampfphase, durch Zerstäuben, durch Ionen-Plattie rung etc.

Jede der magnetischen Schichten 4 enthält eine Schicht aus einer weich magnetischen Legierung mit der oben erläuterten Zusammensetzung.

Da die Induktivität B mit dem oben erläuterten Aufbau klein und dünn ist sowie geringes Gewicht aufweist und außerdem die magnetischen Schichten 4 mit hervorragenden magnetischen Kennwerten beinhaltet, leistet die Induktivität B einen Beitrag zur Verringerung von Größe und Gewicht von magnetischen Flachstück-Bauelementen, wobei gleichzeitig ein hervorragender Induktivitätswert erreicht wird.

Fig. 8 zeigt ein zweites Beispiel für den Aufbau einer Induktivität, die eine magnetische Schicht aus der weichmagnetischen Legierung mit der obigen Zusammensetzung enthält.

Die Induktivität C nach diesem Ausführungsbeispiel beinhaltet eine Oxidschicht 11, eine magnetische Schicht 12 und eine Isolierschicht 13, die ihrerseits auf ein Substrat 10 aufgebracht sind, eine Flachspule 14, die auf der Isolierschicht 13 ausgebildet ist, eine Isolierschicht 15, welche die Flachspule 14 und die Isolierschicht 13 abdeckt, und eine magnetische Schicht 16, die auf der Isolierschicht 15 ausgebildet ist.

Das Substrat 10, die magnetische Schicht 12 und die Isolierschicht 13 enthalten die gleichen Werkstoffe wie das Substrat 1, die magnetischen Schichten 4 bzw. die Isolierschicht 3 bei dem ersten Beispiel.

Verwendet man als Substrat 10 ein Si-Waver-Substrat, so läßt sich die Oxidschicht 11 durch thermisches Oxidieren des Si-Wavers unter Wärmeeinwirkung bilden. Die Oxidschicht 11 ist nicht wesentlich und kann also entfallen.

Ähnlich wie die Induktivität B des ersten Beispiels weist auch die Induk tivität C mit dem Aufbau gemäß diesem Beispiel einen hervorragenden Induktivitätswert auf, ist klein, hat geringes Gewicht und leistet ein Beitrag zur Größen- und Gewichtsverringerung eines magnetischen Flachstückelements. Obschon es sich bei den obigen Beispielen um Beispiele für ein magnetisches Flachbauteil (eine Induktivität) handelt, läßt sich die Erfindung auch bei einem Transformator anwenden.

Fig. 9 zeigt ein Beispiel eines Wellenabsorbers 22, bestehend aus einer magnetischen Schicht 20, einer weichmagnetischen Legierung gemäß der Erfindung, welche auf der Oberfläche eines Substrat-Flachstücks 21 ausgebildet ist. Bei diesem Beispiel enthält die magnetische Schicht 20 die oben erwähnte Legierung und ist als Flachstück ausgebildet.

Fig. 10 zeigt einen Aufbau mit mehreren Wellenabsorbern der in Fig. 9 gezeigten Art. Der Wellenabsorber 25 nach Fig. 10 enthält 3 Substrat- Flachstücke 21, die mit den magnetischen Schichten 20 zwischen den jeweiligen Flachstücken 21 geschichtet sind. Wenngleich jede der mag netischen Schichten 20 die weichmagnetische Legierung mit der oben erläuterten Zusammensetzung enthält, ist es im Hinblick auf die Absorp tionsfähigkeit elektromagnetischer Wellen zu bevorzugen, wenn die magnetischen Schichten derart laminiert sind, daß die Richtungen der uniaxialen magnetischen Anisotropie sich im Winkel von 90° schneiden.

Wie oben erläutert, handelt es sich bei der erfindungsgemäßen weich magnetischen Legierung um eine Legierung mit der oben angegebenen Zusammensetzung, die als Hauptbestandteil Co in dem angegebenen Zusammensetzungsverhältnis enthält, die eine hohe magnetische Sätti gungsinduktion und hervorragende magnetische Permeabilität aufweist und darüber hinaus die Realisierung eines hohen elektrischen spezifi schen Widerstands zuläßt. Es ist möglich, einen Magnetkern mit gerin gen Verlusten ohne Erhöhung des Q-Werts im GHz-Band herzustellen. Deshalb leistet die erfindungsgemäße weichmagnetische Legierung einen Beitrag zum Verringern von Größe und Gewicht der Bauelemente, außerdem stellt sie eine Verbesserung der Leistungsfähigkeit eines mag netischen Bauelements, beispielsweise eines Dünnschichttransformators, eines Magnetkopfkerns, einer Dünnschichtspule, eines Schaltelements oder dergleichen dar. Um bessere hervorragende magnetische Eigen schaften zu erzielen, besitzt die Legierung vorzugsweise eine Kristall korngröße von 7 nm oder darunter.

Die weichmagnetische Legierung gemäß der Zusammensetzungsformel (Co_1-cT_c)_xM_yQ_zX_wY_s ist in der Lage, einen hohen spezifischen Widerstand zu erzielen, und zwar unter Beibehaltung einer hohen magnetischen Sättigungsinduktion, wobei der Realteil und der Imaginärteil der kom plexen Permeabilität im Hochfrequenzband einschließlich des GHz- Bands auf einen hohen Wert bzw. einen geeigneten Wert eingestellt werden. Damit ist es möglich, einen Magnetkern mit geringen Verlusten zu schaffen, ohne den Q-Wert im Hochfrequenzband zu verringern.

Außerdem kann die Zusammensetzung innerhalb des erfindungsgemäßen Bereichs eine uniaxiale magnetische Anisotropie innerhalb einer Legie rungsebene erzielen, kann ein anisotropes Magnetfeld von 10 Oe oder darüber erzeugen, und kann den spezifischen Widerstand auf 200 µΩcm oder mehr oder 400 µΩcm oder darüber steigern.

Ein magnetisches Flachbauelement (eine Induktivität), ein Wellenabsor ber und eine Antenne mit jeweils einem Magnetkern aus der weichmag netischen Legierung mit der obigen Zusammensetzung lassen sich im GHz-Band einsetzen. Die Induktivität und die Antenne haben hervor ragende Eigenschaften in bezug auf geringe Verluste im GHz-Band, der Wellenabsorber besitzt eine gute Absorptionskennlinie im GHz-Band.

Claims

1. Weichmagnetische Legierung für hohe Frequenzen, umfassend eine Kristallphase, die als Hauptbestandteil Co und mindestens ein Ele ment T enthält, das als Primärkomponente ausgewählt ist aus Fe, Ni, Pd, Mn und Al, und die ein flächenzentriertes kubisches Gitter, ein raumzentriertes kubisches Gitter oder eine Mischung aus diesen bei einer durchschnittlichen Kristallkorngröße von 30 nm oder weni ger aufweist; und eine ferromagnetische amorphe Phase, welche die Kristallphase umgibt und mindestens ein Element M enthält, ausge wählt aus Ti, Zr, Hf, Nb, Ta, Mo, W, Y und Seltenerd-Elementen, O, N, C, B, mindestens einem Oxid von Element M, Fe und Ele ment T.

2. Weichmagnetische Legierung nach Anspruch 1, bei der die durch schnittliche Kristallkorngröße 7 nm oder darunter beträgt.

3. Weichmagnetische Legierung nach Anspruch 1, bei der die uniaxiale Anisotropie in einer Kristallfläche vorhanden ist und das anisotrope Magnetfeld 10 Oe oder darüber beträgt.

4. Weichmagnetische Legierung nach Anspruch 1, bei der der spezifi sche elektrische Widerstand 200 µΩcm oder darüber beträgt.

5. Weichmagnetische Legierung nach Anspruch 1, bei der der spezifi sche elektrische Widerstand 400 µΩcm oder mehr beträgt.

6. Weichmagnetische Legierung nach Anspruch 1, bei der die magneti sche Resonanzfrequenz 2 GHz oder mehr beträgt.

7. Weichmagnetische Legierung nach einem der vorhergehenden An sprüche, bei der das Verhältnis der amorphen Phase 30% oder darüber beträgt.

8. Weichmagnetische Legierung nach Anspruch 1 mit folgender Zu sammensetzung:
(Co_1-cT_c)_xM_yQ_zX_wY_s
wobei T mindestens ein Element ist, welches ausgewählt ist aus Fe, Ni, Pd, Mn und Al; M mindestens ein Element ist, ausgewählt aus Ti, Zr, Hf, Nb, Ta, Mo, W, Y und Seltenerd-Elementen; Q minde stens ein Element ist, ausgewählt aus O, N, C und B; X Si und/oder Cr ist; Y mindestens ein Element ist, ausgewählt aus Au, Ag und Elementen der Platingruppe, c ein Zusammensetzungsverhältnis entsprechend der Beziehung 0,05 ≦ c ≦ 0,5; y, z, w und s in Atom-% den Relationen 3 ≦ y ≦ 30, 7 ≦ z ≦ 40; 0 ≦ w ≦ 20 und 0 ≦ s ≦ 20 entspricht; x dem Restanteil entspricht, und die Legierung außerdem unvermeidbare Verunreinigungen enthält.

9. Weichmagnetische Legierung nach Anspruch 8, bei der die Zusam mensetzungsverhältnisse y und z den Relationen 5 ≦ y ≦ 20 bzw. 10 ≦ z ≦ 30 in Atom-% entsprechen.

10. Weichmagnetische Legierung nach Anspruch 8, bei der das Element T Fe ist.

11. Magnetisches Flachbauelement mit einem Magnetkern aus einer weichmagnetischen Legierung nach einem der Ansprüche 1-10.

12. Antenne mit einem Element aus einer weichmagnetischen Legierung nach einem der Ansprüche 1-10.

13. Wellenabsorber mit einem Element aus einer weichmagnetischen Legierung nach einem der Ansprüche 1-10.

14. Verwendung der Legierung nach einem der Ansprüche 1-10 für
einen Magnetkern eines magnetischen Flachbauelements,
ein Element einer Antenne, oder
ein Element eines Wellenabsorbers.