[FeCoSiN/SiNx]n多层膜的高频软磁特性及其在螺线管微电感中的应用

摘要

随着电子信息技术的飞速发展，多种现代化电子元器件逐渐向集成化、高频化和微型化方向发展。然而，在磁性电子元器件向集成化和高频化发展的过程中还面临着一大困境——缺乏具有优异高频性能（包括低矫顽力、高磁导率、高铁磁共振频率和高电阻率）的软磁薄膜材料。电感器作为一种重要的无源磁性元器件，其性能与体积/面积密切相关。当缩小尺寸（微型化）后势必会导致其性能变差，无法满足器件的使用要求。要突破这一困境，就必须寻找在高频（包括GHz频段）下稳定工作且具有较高磁导率的薄膜材料，并将这种材料作为磁芯集成到微型电感中，进而提升微型化电感的性能。然而，传统磁性材料无法同时实现高电阻率、高磁导率及高铁磁共振频率，因而无法作为磁芯材料在GHz高频下稳定工作，且其制备工艺也难与器件兼容。因此，本论文针对磁性电子元器件向集成化、高频化和微型化发展对新型软磁材料的要求，探索和开发了一种在GHz频段下具有优异高频软磁性能的多层膜材料，并成功地将这种多层膜材料集成到螺线管微电感器件上，从而提升了电感的品质因数和电感密度。具体研究内容和结果如下:
　　(1)在无诱导磁场和无基片加热的条件下，通过适量N2和Si的导入以及设计和构建合适的多层结构，获得了具有较高电阻率、较优异的高频软磁性能及较好的热稳定性的[FeCoSiN/SiNx]n多层膜(厚度～120 nm)。
　　(2)采用磁控溅射交替沉积的方法制备了一系列不同绝缘SiNx层厚度、磁性FeCoSiN层厚度和倾斜角度的[FeCoSiN/SiNx]18多层膜，并系统地研究了样品的微结构对磁学性能的影响规律。结果表明，可以通过改变SiNx层厚度、FeCoSiN层厚度和倾斜角度来有效调控多层膜的面内单轴磁各向异性场，进而调控样品的高频磁学特性。当SiNx绝缘层厚度为2nm，FeCoSiN磁性层厚度为7nm，倾斜角度为30°时，[FeCoSiN/SiNx]18多层膜具有最优异的软磁特性和高频性能。
　　(3)在(2)的基础上，通过改变多层膜的堆垛周期数(n=13-170)，制备了一系列不同总厚度的[FeCoSiN/SiNx]n多层膜。研究发现堆垛周期（总厚度）对[FeCoSiN/SiNx]n多层膜的高频性能影响不明显，即使总厚度高达1.516μm，样品仍然能保持优异的高频电磁性能:较高的电阻率ρ=196μΩ·cm，高的共振频率fr=3.74 GHz和高的磁导率μs=93.7，达到了制备微型电感对磁芯厚度的要求。
　　(4)利用HFSS软件模拟，分析了不同电感结构参数（线圈匝数、导线长度、导线宽度、导线厚度、导线水平间距及导线垂直间距）和[FeCoSiN/SiNx]n多层膜磁芯材料参数（磁芯材料的电阻率、磁导率及厚度）对螺线管微电感性能的影响，可为后续制备集成[FeCoSiN/SiNx]n多层膜磁芯的螺线管微电感提供理论指导。
　　(5)采用微加工技术和研制的[FeCoSiN/SiNx]n多层膜，成功制备出了不同结构参数和磁芯厚度的螺线管微电感。结果表明，与空芯螺线管微电感相比，集成约1.5μm厚的[FeCoSiN/SiNx]n多层膜磁芯可以有效提升螺线管微电感的性能，特别是频率为333 MHz时，磁芯螺线管微电感的品质因数和电感密度分别达到2.3和186.7 nH/mm2，这比同等条件下制备的空芯螺线管微电感的品质因数和电感密度分别增大了23倍和3.4倍。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 引言

1．2 高频用软磁薄膜材料的研究现状

1．2．1 软磁单层膜

1．2．2 软磁多层膜

1．3 微电感的研究现状

1．3．1 二维栅型电感

1．3．2 二维螺旋电感

1．3．3 三维螺线管电感

1．4 本论文的研究目的、思路及主要内容

1．4．1 研究目的

1．4．2 研究思路

1．4．3 主要内容

参考文献

第二章 理论基础

2．1 磁学相关理论

2．1．1 静态磁学理论

2．1．2 动态磁学理论

2．2 电感相关理论

参考文献

第三章 Fe-Co基高频软磁薄膜的制备和性能研究

3．1 引言

3．2 实验方法

3．3 FeCo、FeCoSiN、[FeCoSiN／SiNx]n三种薄膜的性能研究

3．3．1 薄膜晶体结构的XRD表征

3．3．2 薄膜表面形貌的SEM表征

3．3．3 薄膜化学成分的XPS表征

3．3．4 薄膜磁学和电学性质

3．3．5 本节小结

3．4 SiNx绝缘层厚度对[FeCoSiN／SiNx]n多层膜结构和性能的影响

3．4．1 薄膜晶体结构的XRD表征

3．4．2 薄膜表面形貌的AFM表征

3．4．3 薄膜横截面形貌的TEM表征

3．4．4 薄膜化学成分的XPS表征

3．4．5 薄膜电学性质

3．4．6 薄膜静态磁学性质

3．4．7 薄膜动态磁学性质

3．4．8 本节小结

3．5 FeCoSiN磁性层厚度和倾斜角度对[FeCoSiN／Sinx]n多层膜结构和性能的影响

3．5．1 薄膜晶体结构的XRD表征

3．5．2 薄膜静态磁学性质和电学性质

3．5．3 薄膜动态磁学性质

3．5．4 本节小结

3．6 总厚度对[FeCoSiN／SiNx]n多层膜结构和性能的影响

3．6．1 薄膜晶体结构的XRD表征

3．6．2 薄膜电学性质

3．6．3 薄膜静态磁学性质

3．6．4 薄膜动态磁学性质

3．6．5 本节小结

3．7 本章小结

参考文献

第四章 集成[FeCoSiN／SiNx]n多层膜磁芯螺线管微电感性能的模拟与分析

4．1 HFSS有限元分析软件

4．2 多层膜磁芯螺线管微电感性能的模拟结果分析

4．2．1 螺线管微电感结构参数对电感性能的影响

4．2．2 磁芯材料对电感性能的影响

4．3 本章小结

参考文献

第五章 集成[FeCoSiN／SiNx]n多层膜磁芯螺线管微电感的制备与性能研究

5．1 螺线管微电感制备的工艺流程设计

5．2 螺线管微电感加工的工艺流程

5．3 螺线管微电感性能的测试与分析

5．3．1 螺线管微电感性能的测试原理

5．3．2 螺线管微电感性能的测试结果

5．4 本章小结

参考文献

第六章 总结与展望

6．1 本论文的主要结论

6．2 下一步工作的展望

附录

攻读博士期间研究成果

致谢