[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用.pdf

1、隨著電子信息技術的飛速發(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源磁性元器件，其性能與體積/面積密切相關。當縮小尺寸（微型化）后勢必會導致其性能變差，無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，進而提升微型化電感的性能。然而，傳統(tǒng)磁性材料無法同時實現(xiàn)高電阻率、高磁導率及高鐵磁共振頻率，因而無法作為磁芯材料在GHz高頻下穩(wěn)定工作，且其制備工藝也難與器件兼容。因此，本論文針對磁性電子元器件向集成化、高頻化和微型化發(fā)展對新型軟磁材料的要求，探索和開發(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

3、因數(shù)和電感密度。具體研究內容和結果如下:
　　(1)在無誘導磁場和無基片加熱的條件下，通過適量N2和Si的導入以及設計和構建合適的多層結構，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、的微結構對磁學性能的影響規(guī)律。結果表明，可以通過改變SiNx層厚度、FeCoSiN層厚度和傾斜角度來有效調控多層膜的面內單軸磁各向異性場，進而調控樣品的高頻磁學特性。當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，[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)的基礎上，通過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[FeCoSiN/SiNx]n多層膜的高頻性能影響不明顯，即使總厚度高達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和高的磁導率μs=93.7，達到了制備微型電感對磁芯厚度的要求。
　　(4)利用HFSS軟件模擬，分析了不同電感結構參數(shù)（線圈匝數(shù)、導線長度、導線寬度、導線厚度、導線水平間距及導線垂直間距）

6、和[FeCoSiN/SiNx]n多層膜磁芯材料參數(shù)（磁芯材料的電阻率、磁導率及厚度）對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。
　　(5)采用微加工技術和研制的[FeCoSiN/SiNx]n多層膜，成功制備出了不同結構參數(shù)和磁芯厚度的螺線管微電感。結果表明，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