[FeCoSiN-SiNx]n多層膜的高頻軟磁特性及其在螺線管微電感中的應(yīng)用.pdf

1、隨著電子信息技術(shù)的飛速發(fā)展，多種現(xiàn)代化電子元器件逐漸向集成化、高頻化和微型化方向發(fā)展。然而，在磁性電子元器件向集成化和高頻化發(fā)展的過(guò)程中還面臨著一大困境——缺乏具有優(yōu)異高頻性能（包括低矯頑力、高磁導(dǎo)率、高鐵磁共振頻率和高電阻率）的軟磁薄膜材料。電感器作為一種重要的無(wú)源磁性元器件，其性能與體積/面積密切相關(guān)。當(dāng)縮小尺寸（微型化）后勢(shì)必會(huì)導(dǎo)致其性能變差，無(wú)法滿足器件的使用要求。要突破這一困境，就必須尋找在高頻（包括GHz頻段）下穩(wěn)定工作且具

2、有較高磁導(dǎo)率的薄膜材料，并將這種材料作為磁芯集成到微型電感中，進(jìn)而提升微型化電感的性能。然而，傳統(tǒng)磁性材料無(wú)法同時(shí)實(shí)現(xiàn)高電阻率、高磁導(dǎo)率及高鐵磁共振頻率，因而無(wú)法作為磁芯材料在GHz高頻下穩(wěn)定工作，且其制備工藝也難與器件兼容。因此，本論文針對(duì)磁性電子元器件向集成化、高頻化和微型化發(fā)展對(duì)新型軟磁材料的要求，探索和開(kāi)發(fā)了一種在GHz頻段下具有優(yōu)異高頻軟磁性能的多層膜材料，并成功地將這種多層膜材料集成到螺線管微電感器件上，從而提升了電感的品質(zhì)

3、因數(shù)和電感密度。具體研究?jī)?nèi)容和結(jié)果如下:
　　(1)在無(wú)誘導(dǎo)磁場(chǎng)和無(wú)基片加熱的條件下，通過(guò)適量N2和Si的導(dǎo)入以及設(shè)計(jì)和構(gòu)建合適的多層結(jié)構(gòu)，獲得了具有較高電阻率、較優(yōu)異的高頻軟磁性能及較好的熱穩(wěn)定性的[FeCoSiN/SiNx]n多層膜(厚度～120 nm)。
　　(2)采用磁控濺射交替沉積的方法制備了一系列不同絕緣SiNx層厚度、磁性FeCoSiN層厚度和傾斜角度的[FeCoSiN/SiNx]18多層膜，并系統(tǒng)地研究了樣品

4、的微結(jié)構(gòu)對(duì)磁學(xué)性能的影響規(guī)律。結(jié)果表明，可以通過(guò)改變SiNx層厚度、FeCoSiN層厚度和傾斜角度來(lái)有效調(diào)控多層膜的面內(nèi)單軸磁各向異性場(chǎng)，進(jìn)而調(diào)控樣品的高頻磁學(xué)特性。當(dāng)SiNx絕緣層厚度為2nm，F(xiàn)eCoSiN磁性層厚度為7nm，傾斜角度為30°時(shí)，[FeCoSiN/SiNx]18多層膜具有最優(yōu)異的軟磁特性和高頻性能。
　　(3)在(2)的基礎(chǔ)上，通過(guò)改變多層膜的堆垛周期數(shù)(n=13-170)，制備了一系列不同總厚度的[FeCoS

5、iN/SiNx]n多層膜。研究發(fā)現(xiàn)堆垛周期（總厚度）對(duì)[FeCoSiN/SiNx]n多層膜的高頻性能影響不明顯，即使總厚度高達(dá)1.516μm，樣品仍然能保持優(yōu)異的高頻電磁性能:較高的電阻率ρ=196μΩ·cm，高的共振頻率fr=3.74 GHz和高的磁導(dǎo)率μs=93.7，達(dá)到了制備微型電感對(duì)磁芯厚度的要求。
　　(4)利用HFSS軟件模擬，分析了不同電感結(jié)構(gòu)參數(shù)（線圈匝數(shù)、導(dǎo)線長(zhǎng)度、導(dǎo)線寬度、導(dǎo)線厚度、導(dǎo)線水平間距及導(dǎo)線垂直間距）

6、和[FeCoSiN/SiNx]n多層膜磁芯材料參數(shù)（磁芯材料的電阻率、磁導(dǎo)率及厚度）對(duì)螺線管微電感性能的影響，可為后續(xù)制備集成[FeCoSiN/SiNx]n多層膜磁芯的螺線管微電感提供理論指導(dǎo)。
　　(5)采用微加工技術(shù)和研制的[FeCoSiN/SiNx]n多層膜，成功制備出了不同結(jié)構(gòu)參數(shù)和磁芯厚度的螺線管微電感。結(jié)果表明，與空芯螺線管微電感相比，集成約1.5μm厚的[FeCoSiN/SiNx]n多層膜磁芯可以有效提升螺線管微電感