射頻集成磁膜微電感的制備與性能研究.pdf

1、高性能射頻（Radio Frequency,RF）集成微電感是移動通信應(yīng)用中需求很高的無源器件。目前，低成本、高性能、高集成度RF微電感的缺乏阻礙了單片射頻SOC（SystemonChip）集成電路的實現(xiàn)。磁材料集成到微電感中不僅可增加電感感值，也可有效減少線圈磁漏，是實現(xiàn)高性能RF集成微電感很有前景的一種方法。本論文深入系統(tǒng)地研究了高頻鐵氧體薄膜磁性能及制備工藝，在此基礎(chǔ)上，首次采用標準硅集成工藝實現(xiàn)了基于鐵氧體RF集成磁膜微電感，實

2、驗結(jié)果表明鐵氧體磁膜的引入可有效提高RF平面微電感的整體性能。論文首先對RF平面微電感的物理模型進行了研究，給出了平面電感Q值和L值的計算方法，從模型出發(fā)分析了電感結(jié)構(gòu)和材料參數(shù)對電感L、Q值的影響。在此基礎(chǔ)上，針對高電阻率鐵氧體磁材料的特點，得到了磁膜微電感等效電路模型及適合于集成磁膜微電感L值與Q值的計算表達式，并使用等效模型詳細地分析了鐵氧體磁膜的引入對RF平面微電感性能的影響，為鐵氧體應(yīng)用到磁膜集成RF微電感打下理論基礎(chǔ)。仿真結(jié)

3、果表明高頻磁導率和高頻介電常數(shù)對電感高頻性能同等重要，只有選取高磁導率、低介電常數(shù)的鐵氧體材料才能提升RF微電感的整體性能。同時，使用部分元等效電路法（PartialElementEquivalentCircuits,PEEC）解決了射頻頻段微米尺度金屬損耗的精確計算問題，為預測、設(shè)計和優(yōu)化片上螺旋電感提供了一種有效的電磁仿真方案。接著，研究了使用溶膠－凝膠（Sol-gel）自燃法制備的NiCuZn、YIG、CoZrO鐵氧體高頻電磁性能

4、，測試結(jié)果表明這些材料在高頻下具有低的磁損耗和介電損耗，而NiCuZn、CoZrO鐵氧體截止頻率大于1GHz，適合于RF集成微電感的應(yīng)用要求。在此基礎(chǔ)上，使用sol-gel法結(jié)合快速熱處理（Rapid Thermal Processing,RTP）工藝制備了軟磁性能良好的NiCuZn、YIG鐵氧體磁膜，通過對磁膜樣品表面形貌、晶相結(jié)構(gòu)及準靜態(tài)、高頻磁性能的測試，詳細研究了組分、溶膠－凝膠法、RTP退火工藝對鐵氧體薄膜性能的影響，獲得了優(yōu)

5、化的工藝條件。實驗結(jié)果表明：sol-gel技術(shù)有效降低了磁膜晶化溫度，在溶膠摩爾濃度盡可能高的條件下，制備樣品可得到相當于體材的靜磁性能；sol-gel法結(jié)合RTP工藝可有效地實現(xiàn)磁性薄膜的低溫集成工藝，為將磁性薄膜集成到RF微電感打下基礎(chǔ)。論文對集成磁膜微電感制作涉及的關(guān)鍵工藝進行了研究與開發(fā)，其中有磁性薄膜的刻蝕工藝、聚酰亞胺薄膜的制備與刻蝕技術(shù)及電鍍Cu工藝。在磁膜圖形化工藝研究中，比較了多種刻蝕工藝，得到了適用于鐵氧體磁膜的刻蝕

6、工藝；研究了聚酰亞胺薄膜的制備與刻蝕技術(shù)；對電鍍Cu工藝進行了細致的研究，設(shè)計成熟了種子層濺射/厚膠光刻/電鍍Cu/種子層刻蝕的Cu線條制作技術(shù)。這些關(guān)鍵工藝的研究以與標準硅集成工藝兼容為前提，獲取了大量的工藝經(jīng)驗，為磁膜微電感的實現(xiàn)打下了實驗基礎(chǔ)。在結(jié)構(gòu)設(shè)計和工藝優(yōu)化的基礎(chǔ)上，結(jié)合現(xiàn)有實驗工藝條件設(shè)計了單層、雙層金屬磁膜微電感版圖，提出了與標準硅工藝兼容的磁膜微電感制備工藝流程，進行了多次工藝流水，實現(xiàn)了磁膜微電感。實驗結(jié)果表明將磁性

7、薄膜集成到IC微電感中是完全可行的。最后對所制備的微電感樣品進行了高頻測試，通過實驗數(shù)據(jù)系統(tǒng)分析了微電感結(jié)構(gòu)、材料參數(shù)及測試電極結(jié)構(gòu)形式對電感高頻性能的影響，并與仿真結(jié)果進行了對比，比較結(jié)果表明等效電路計算方法在5GHz內(nèi)具有可滿足設(shè)計要求的仿真精度。比較了YIG、NiCuZn和CoZrO鐵氧體磁膜集成微電感樣品與同結(jié)構(gòu)參數(shù)無磁膜微電感樣品的高頻性能，測試結(jié)果表明CoZrO磁膜集成可有效的提升微電感的整體高頻性能，與同類無磁膜電感樣品進