極微小・高Q集積化RF強磁性薄膜インダクタ

2003 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 13025202
• 研究機関: 東北大学
• 研究代表者: 山口 正洋 東北大学, 大学院・工学研究科, 教授 (10174632)
• 研究分担者: ぺい 碩 東北大学, 大学院・工学研究科, 日本学術振興会外国人特別研究員 ; 池田 愼治 東北大学, 大学院・工学研究科, 助手 (50361126) ; 金 基ひょん 東北大学, 大学院・工学研究科, 助教授 (40361125)
• キーワード: 集積化インダクタ / 高周波透磁率 / 携帯電話 / マイクロパターン化 / 磁性薄膜 / Q / コイル

研究概要

まず,昨年度完成し製品化も実現した9GHz帯域薄膜透磁率測定装置の性能に関し,アメリカ国立標準技術研究所(NIST)およびフランス原子力研究所(CEA)と試料交換測定によるデータ検証を実施し,10%以内の誤差で測定結果(共鳴周波数)が一致するという結果を得た.これは,本装置の性能の高さを実証したものである.
次に,昨年度のシミュレーション結果に基づいて,閉磁路型スパイラルインダクタを試作した.これは,スパイラルコイルの上下に2枚の磁性薄膜を配置しその端部を接触させた構造を有している.プロセス上のポイントは,上下の磁性薄膜間の絶縁層となるSiO2にテーパエッチングを施し,30〜45°の緩やかな角度で下部磁性膜に接触させたことである.結果として,コイル幅/間隔=10/3μmと10/5μmの設計でかつコイル表面と磁性膜との距離が1μmにおいてQ=12@1GHzが得られた.1GHzにおけるQ値としてはこれまで報告された磁性薄膜インダクタの中で最も高い値であり,RF集積化磁性薄膜インダクタの実用性を実証できた.
以上の特性解析にあたり,ダブルπ型等価回路を考案し,その16個の回路定数導出法も構築した.収束計算のコスト関数としてはZ-パラメータの対数を用いることが最適である.この解析から,1-2GHzでは,磁性薄膜をインダクタに導入してもその浮遊容量に伴うLC共振周波数の低下は生じないよう設計でき,実用上必須の条件の一つが満足できることもわかった.
磁性薄膜インダクタの作製プロセスと設計法を応用し,低抵抗のCoZrNbアモルファス膜,高抵抗のCo-Zr-Oグラニュラー膜,磁気異方性が高いCo-Pd-Al-Oグラニュラー膜などを薄膜コプレーナ線路に集積化したところ,共鳴損失と渦電流損失によって4〜20GHzまで広帯域な減衰特性を示した.この帯域の減衰量はCo-Pd-Al-Oで15dBに達した一方で,1GHz以下での挿入損失は1dB以下と良好であった.インピーダンス整合を大きく乱すことなく,高周波ノイズ成分だけを低減できている事が明らかになり,IT機器内電磁干渉対策技術のロードマップから数年以内に必要とされる集積化電磁雑音対策素子のニーズに応えうるデバイスとしての可能性を明らかにできた.

研究成果

• [文献書誌] M.Yamaguchi, K.I.Arai: "Soft Magnetic Applications In The RF Range"Journal of Magnetism and Magnetic Materials. Vol.268. 170-177 (2004)
• [文献書誌] M.Yamaguchi, Y.Miyazawa, K.Kaminishi, K.I.Arai: "A New 1 MHz-9 GHz Thin-Film Permeameter Using a Side-Open TEM Cell and a Planar Shielded-Loop Coil"Transactions of the Magnetics Society of Japan. Vol.3 No.4. 137-140 (2003)
• [文献書誌] 山口正洋: "高周波マイクロ磁気デバイスの進展"電気学会誌. Vol.123 No.11. 716-718 (2003)
• [文献書誌] 山口正洋: "プリント基板近傍の磁界計測"計測と制御. Vol.42 No.10. 867-872 (2003)
• [文献書誌] 池田愼治, Kim Ki Hyeon, 山口正洋, 荒井賢一, 名倉秀明, 大沼繁弘, 島田寛: "マイクロパターン化磁性膜の実効透磁率のシミュレーション"日本応用磁気学会誌. Vol.42 No.10. 867-872 (2003)
• [文献書誌] Ki Hyeon Kim, Hideaki Nagura, Shigehiro Ohnuma, Masahiro Yamaguchi, Ken-Ichi Arai: "Effect of radio frequency noise suppression on the coplanar transmission line using soft magnetic thin films"Journal of Applied Physics. Vol.93 No.10. 8002-8004 (2003)
• [文献書誌] Ki Hyeon Kim, Shinji Ikeda, Masahiro Yamaguchi, Ken-Ichi Arai: "FEM analysis on the effects of soft magnetic film as a noise suppressor at GHz range"Journal of Applied Physics. Vol.93 No.10. 8588-8590 (2003)
• [文献書誌] Ki Hyeon Kim, Masahiro Yamaguchi, Shinji Ikeda, Ken-Ichi Arai: "Modeling for RF Noise Suppressor Using Soft Magnetic Film on Coplanar Transmission line"IEEE Transaction on Magnetics. Vol.39 No.5. 3031-3033 (2003)
• [文献書誌] Yutaka Shimada, Masahiro Yamaguchi, Sigehiro Ohnuma, Tetsuo Itoh, Wei Dong Li, Sinji Iked, Ki Hyeon Kim, H.Nagura: "Granular thin films with high RF permeability"IEEE Transaction on Magnetics. Vol.39 No.5. 3052-3056 (2003)
• [文献書誌] Ki Hyeon Kim, Masahiro Yamaguchi, Ken-Ichi Arai, Nobuhiro Matsushita, Masanori Abe: "Applications of Spin Sprayed Ferrite Films on Coplanar Transmission line for RF Noise Suppression"Transactions of the Magnetics Society of Japan. Vol.3 No.4. 133-136 (2003)
• [文献書誌] Ki Hyeon Kim, Shigehiro Ohnuma, Masahiro Yamaguchi: "RF Integrated Noise Suppressor Using Soft Magnetic films"IEEE Transaction on Magnetics. (in press). (2004)
• [文献書誌] Ki Hyeon Kim, Seok Bae, Masahiro Yamaguchi: "Dimensional Effects of The Magnetic Film on Coplanar Transmission line for RF Noise Suppression"IEEE Transaction on Magnetics. (in press). (2004)
• [文献書誌] S.Han, I.Kim, J.Kim, Ki Hyeon Kim, Masahiro Yamaguchi: "Soft magnetic properties and high frequency characteristics of Fe(Co)-based nanocrystalline films"Journal of Magnetism and Magnetic Materials. (in press). (2004)
• [文献書誌] H.J.Jeon, I.Kim, J.Kim, Ki Hyeon Kim, Masahiro Yamaguchi: "Thickness effect on magnetic properties of nanocrystalline soft magnetic thin film"Journal of Magnetism and Magnetic Materials. (in press). (2004)
• [文献書誌] I.Kim, J.Kim, Ki Hyeon Kim, Masahiro Yamaguchi: "Effect of Boron Contents on Magnetic Properties pf Fe-Co-B Thin Films"IEEE Transaction on Magnetics. (in press). (2004)