高频用集成磁芯平面螺线管型微电感的制备与研究

摘要

高频电子器件的微型化和集成化是通信设备发展的必然趋势。电感作为变压器、放大器等射频器件的基本组成单元，广泛地应用于各种电子线路中，其高频化、小型化是电子设备实现高性能、小尺寸、高集成度的关键因素。传统的螺旋电感占用面积大，高频下性能恶化，难以满足器件小型化、集成化和高频化的要求。因此迫切需要开发出一种可以在高频段稳定工作的平面微电感器件。
　　将磁性薄膜引入螺线管电感中，可望在保证电感小尺寸的同时，显著地提高电感量和品质因数。因此，使用高频磁性薄膜材料作为磁芯是实现电感器件高频化、微型化最有效的方法。但传统的磁性材料由于其低的电阻率和铁磁共振频率，无法在高频下应用。经过近年来的持续研究，本课题组已经开发出性能优异的高频磁性薄膜材料。本论文拟将课题组开发的高频磁性多层膜材料集成到平面螺线管型微电感中，提高电感的高频性能。论文主要内容如下:
　　(1)采用磁控溅射的方法制备了[FeCoSiN/SiNx]n多层膜磁芯材料，并对多层膜的结构和高频性能进行了系统的表征。对于FeCo磁性层厚度为7nm，SiNx非磁性层为3.5nm的样品，磁导率大于50，铁磁共振频率为4.43 GHz，电阻率高达367.9μΩ·cm，比较适合作为高频电感器的磁芯材料。
　　(2)利用HFSS有限元仿真软件模拟了不同参数下集成磁芯螺线管电感的性能，明确了各个参数对电感值和品质因数的影响，为电感结构设计和工艺优化提供理论依据。
　　(3)针对磁芯螺线管电感制备过程中出现的问题，对光刻工艺、电镀Cu工艺以及PI制备工艺进行了合理的改进和优化，最终得到了集成磁芯平面螺线管型微电感的最佳工艺方案，并成功制备出了具有不同结构参数的磁芯螺线管电感。
　　(4)采用网络矢量分析仪对制备的不同结构参数的电感进行测试。结果表明，集成[FeCoSiN/SiNx]n多层膜材料可以显著提高电感的电感量和品质因数。与具有相同结构参数的空芯螺线管电感相比，在f=1.67 GHz的工作频率下，磁芯螺线管电感的电感量和品质因数分别提高10倍和23倍。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 引言

1．2 电感的性能参数

1．2．1 电感量

1．2．2 品质因数

1．2．3 自谐振频率

1．3 平面电感的损耗机制

1．3．1 欧姆损耗

1．3．2 衬底损耗

1．3．3 铁磁损耗

1．4 RF MEMS电感的研究进展

1．4．1 平面栅型电感

1．4．2 平面螺旋型电感

1．4．3 三维螺线管电感

1．5 制备集成磁芯螺线管微电感的关键技术

1．6 本课题研究的目的及论文主要内容

1．6．1 本课题的研究目的

1．6．2 论文主要内容

参考文献

第二章 [FeCoSiN／SiNx]n多层膜磁芯的制备与性能研究

2．1 软磁薄膜材料

2．1．1 坡莫合金

2．1．2 铁氧体

2．1．3 纳米软磁薄膜

2．2 [FeCoSiN／SiNx]n多层膜的制备

2．3 薄膜结构和性能分析

2．3．1 结构分析

2．3．2 静态磁学、高频和电学性能

2．4 本章小结

参考文献

第三章 集成磁芯螺线管电感性能的模拟与分析

3．1 HFSS有限元分析软件

3．2 集成磁芯螺线管电感的模拟设计流程

3．3 集成磁芯螺线管电感的模拟结果及分析

3．3．1 磁芯材料对电感性能的影响

3．3．2 电感结构对电感性能的影响

3．3．3 其他结构对电感性能的影响

3．4 本章小结

参考文献

第四章 集成磁芯螺线管电感的制备工艺

4．1 集成磁芯螺线管电感的版图设计

4．2 光刻工艺

4．2．1 表面处理

4．2．2 涂胶

4．2．3 前烘

4．2．4 对准与曝光

4．2．5 反转烘和泛曝光

4．2．6 显影

4．2．7 坚膜

4．3 电镀Cu工艺

4．3．1 溅射阻挡层／种子层

4．3．2 厚胶光刻

4．3．3 电镀Cu

4．3．4 湿法腐蚀阻挡层／种子层

4．3．5 电镀Cu工艺结果及常见问题

4．4 聚酰亚胺(PI)介质层的制备、抛光及刻蚀工艺

4．4．1 PI的制备工艺

4．4．2 PI的抛光工艺

4．4．3 PI的刻蚀工艺

4．4．4 PI工艺常见问题及优化方案

4．5 集成磁芯螺线管电感的整体加工流程

参考文献

第五章 集成磁芯螺线管电感性能的测试与分析

5．1 电感性能的测试方法

5．2 电感性能的测试结果

5．2．1 引入磁芯对电感性能的影响

5．2．2 线圈匝数对电感性能的影响

5．2．3 线圈跨度对电感性能的影响

5．3 电感性能的分析

5．4 本章小结

参考文献

第六章 总结

攻读硕士期间发表论文

致谢