近零涡流损耗[Cu/MCu]n人工导体材料的研究

摘要

随着5G时代的到来，高频下金属互连线愈发严重的涡流损耗成为一个亟待解决的难题。为了抑制高频涡流损耗，理论上可以采用非磁性金属层和磁性层形的正、负磁导率相互补偿，形成近零磁导率的多层膜结构来显著增加趋肤深度。然而非磁性层和磁性层之间存在的应力会影响磁性层的高频软磁特性。另外，磁性层出现负磁导率的频段也受到其饱和磁化强度和有效各向异性场的调制。因此，如何制备出具有合适单轴各向异性和饱和磁化强度、低矫顽力以及与非磁性层匹配度高的软磁薄膜是本论文重点研究的问题。 本论文的主要工作如下： 1.电化学沉积法制备了CoCu合金薄膜，针对电化学沉积过程中的电流均匀性问题进行了探究，优化了工艺条件，制备出了具有优良单轴各向异性和较小矫顽力的CoCu合金。CoCu合金最小矫顽力为22.4Oe，磁导率负值频率出现在1.5GHz以上。采用低场铁磁共振测试了单层CoCu的磁谱，负磁导率和共振频率出现在1.63GHz左右。在此基础上，探索了交替沉积Cu/CoCu多层膜的工艺条件，交替沉积Cu/CoCu多层膜的最佳沉积电压条件为-0.3V/-1.3V。 2.为了达到降低饱和磁化强度和减小矫顽力的目的，通过磁控溅射方法制备了NiFeCu薄膜，优化了相关工艺条件。NiFeCu的最小矫顽力为2.78Oe，负磁导率和共振频率出现在629MHz以上，得到显著降低。在此基础上，制备了NiFeCu/Cu/NiFeCu三明治结构，通过低场铁磁共振测试，进一步确定了动态高频磁性参数。 3.设计和制备了基于Cu/CoCu和Cu/NiFeCu多层膜的共面波导，测试结果表明，Cu/CoCu多层膜作为中心导线的共面波导和相同结构纯铜作为中心导线共面波导相比较，前者趋肤效应抑制频段在7-13GHz，10GHz附近电阻减少82%。Cu/NiFeCu超晶格材料作为中心导线的共面波导趋肤效应抑制频段在2GHz-8GHz，5.4GHz附近波导电阻较相同尺寸铜波导的电阻减少80%。

目录

声明

第一章 绪论

1.1 课题研究的意义

1.2 涡流损耗研究现状

1.3 超晶格材料的研究

1.3.1 CoCu合金薄膜的探究

1.3.2 NiFeCu合金薄膜的探究

1.4 论文的主要内容

第二章 超晶格抑制涡流损耗的原理及制备测试技术

2.1 涡流损耗

2.1.1 涡流损耗的原理

2.1.2 趋肤深度的计算

2.1.3 涡流损耗和磁导率的关系

2.1.4 涡流损耗的计算

2.1.5 超晶格的计算

2.2 Cu基薄膜制备技术

2.2.1 电化学沉积合金原理

2.2.2 溅射镀膜的原理

2.3 测试仪器

2.3.1 振动样品磁强计（VSM）

2.3.2 扫描电子显微镜（SEM）

2.3.3 矢量网络分析仪

2.3.4 S参数测试平台

2.4 本章小结

第三章 电化学沉积Cu/CoCu多层膜

3.1 单层CoCu合金共沉积

3.1.1 电流均匀性的探究

3.1.2 单轴各向异性的探究

3.1.3 矫顽力的探究

3.2 Cu/CoCu动态磁场测试和计算

3.3 Cu/CoCu多层膜交替沉积

3.3.1 Cu/CoCu沉积电位的探究

3.3.2 Cu/CoCu沉积电流的探究

3.4 基于Cu/CoCu多层膜的共面波导制备和测试

3.5 多层膜结构中的电流分布的解析计算

3.6 本章小结

第四章 磁控溅射Cu/NiFeCu多层膜

4.1 NiFeCu磁性薄膜的制备

4.1.1 (Ni0.7Fe0.3)0.75Cu0.25直流溅射薄膜的软磁特性

4.1.2 复合靶材NiFeCu磁控溅射薄膜的软磁特性

4.1.3 时间参数对软磁薄膜的影响

4.2 Cu/NiFeCu/NiFeCu三明治结构的制备

4.3 NiFeCu多层膜结构的设计和计算

4.3.1 NiFeCu/Cu/NiFeCu三明治薄膜的低场FMR测试

4.3.2 基于Cu/NiFeCu多层膜的共面波导的设计

4.4 基于Cu/NiFeCu多层膜的共面波导制备

4.5超晶格结构中涡流损耗的计算和测试对比

4.6 本章小结

第五章 全文总结和展望

5.1 全文总结

5.2 展望

致谢

参考文献

硕士期间取得的研究成果