GHz波段軟磁薄膜的性能調(diào)控及器件集成技術(shù).pdf

1、高頻磁性器件的集成已經(jīng)成為了阻礙電子信息產(chǎn)業(yè)以及物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展的重要因素，高性能的軟磁薄膜則是其中最主要的挑戰(zhàn)之一。如何制備出具有高飽和磁化強(qiáng)度、高電阻率、高穩(wěn)定性、低矯頑力、合適的共振頻率的軟磁薄膜成為研制高頻磁性器件不可避免的問(wèn)題。此外，軟磁薄膜的小尺寸化以及圖形化后電磁性能的變化也是器件集成化需要著重考慮的問(wèn)題?；诖判云骷母哳l化、集成化要求，本論文首先采用射頻磁控濺射制備了FeCoTiO納米顆粒膜，研究了影響薄膜磁性能及高頻特性的

2、因素及物理機(jī)制，通過(guò)改變材料體系及工藝條件實(shí)現(xiàn)薄膜性能的大范圍調(diào)控；其次根據(jù)器件的具體應(yīng)用需求，分別研制了基于抗電磁干擾噪聲抑制器以及片上集成電感的軟磁薄膜；最終結(jié)合微電子工藝，解決了深硅刻蝕、銅電鍍、聚酰亞胺固化及刻蝕等關(guān)鍵工藝，研制出薄膜抗電磁干擾噪聲抑制器以及片上集成電感，并分析了磁性薄膜和其他因素對(duì)器件性能的影響。
　　采用共濺射的辦法制備了FeCoTiO納米顆粒膜，研究了薄膜厚度以及濺射功率對(duì)薄膜性能的影響，初步實(shí)現(xiàn)了性

3、能的調(diào)控，共振頻率有效可調(diào)范圍達(dá)到1 GHz；改變了FeCo磁性相的含量，實(shí)現(xiàn)了飽和磁化強(qiáng)度以及電阻率的大范圍調(diào)控，隨著FeCo含量從0.58增大到0.9，飽和磁化強(qiáng)度從11.3 kGs增大逐漸增大到19 kGs，而電阻率則從1732μΩcm逐漸減小到365μΩcm，鐵磁共振頻率則是先增大后減小在FeCo為0.68時(shí)達(dá)到3.2 GHz；改變傾斜濺射角實(shí)現(xiàn)了共振頻率的大范圍內(nèi)調(diào)控，當(dāng)傾斜角從10度增大到45度，各向異性場(chǎng)從51 Oe變化到

4、270 Oe，共振頻率則從2.5 GHz改變到6 GHz；溫度穩(wěn)定性研究發(fā)現(xiàn)，薄膜在室溫到80攝氏度范圍內(nèi)磁性能及高頻特性穩(wěn)定。
　　在實(shí)現(xiàn)了薄膜性能的調(diào)控后，對(duì)基于抗電磁干擾噪聲抑制器的薄膜進(jìn)行了研究，通過(guò)改變靶材中TiO2以及Ti貼片的數(shù)量從而改變了薄膜中Ti以及O的相對(duì)含量，造成薄膜出現(xiàn)了雙峰現(xiàn)象。對(duì)樣品進(jìn)行了低場(chǎng)FMR、變頻掃場(chǎng)FMR以及微結(jié)構(gòu)測(cè)試，發(fā)現(xiàn)雙峰的出現(xiàn)主要是由于薄膜中出現(xiàn)了兩個(gè)具有不同的飽和磁化強(qiáng)度以及不同的各

5、向異性場(chǎng)的磁性相?；陔p峰現(xiàn)象，設(shè)計(jì)了不同厚度多層膜結(jié)構(gòu)，拓寬了薄膜磁導(dǎo)率虛部的帶寬；利用微電子加工工藝，研制了基于共面波導(dǎo)的薄膜抗EMI噪聲抑制器，發(fā)現(xiàn)采用雙峰不同厚度多層膜結(jié)構(gòu)的抑制器，S21最小達(dá)到了-8 dB，并且在3 GHz以上都小于-6 dB。
　　片上集成電感的研發(fā)是高頻磁性器件集成化的核心內(nèi)容，其中磁芯薄膜對(duì)電感的性能起到了至關(guān)重要的作用。本論文首先對(duì)傾斜纏繞型螺線管電感進(jìn)行了三維電磁場(chǎng)仿真并對(duì)其結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化

6、設(shè)計(jì)；其次，在前面薄膜的研究基礎(chǔ)上，進(jìn)一步對(duì)基于片上集成電感的磁芯薄膜進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)了薄膜小尺寸化以及圖形化后，邊界效應(yīng)以及退磁場(chǎng)會(huì)惡化薄膜磁性能及高頻特性，因此設(shè)計(jì)了FeCoTiO/SiO2/FeCoTiO三明治結(jié)構(gòu)多層磁芯膜，利用上下兩層磁膜之間的交換耦合作用抑制了退磁場(chǎng)對(duì)性能的影響。在解決了銅電鍍、深硅刻蝕、聚酰亞胺的固化和通孔刻蝕、平坦化等一系列工藝難點(diǎn)的基礎(chǔ)上，制備出了片上集成電感并實(shí)現(xiàn)了載片測(cè)試，最終電感的感值能達(dá)到14.

7、2 nH，面積為0.14 mm2，單位面積感值密度達(dá)到100 nH/mm2以上，Q峰值能達(dá)到7.5，飽和電流則達(dá)到450 mA。
　　對(duì)比研究了不同磁芯厚度的傾斜纏繞型螺線管電感，發(fā)現(xiàn)磁芯的引入極大的增強(qiáng)了電感的性能，并且磁芯厚度越厚，電感性能越好，通過(guò)對(duì)比發(fā)現(xiàn)在100 MHz到500 MHz時(shí)電感損耗的機(jī)制主要是磁滯損耗而不是渦流損耗；改變線圈匝數(shù)，發(fā)現(xiàn)電感感值與匝數(shù)的平方幾乎成正比，但是由于匝數(shù)的變化會(huì)造成磁芯形狀的變化從而引