一种具有可控磁各向异性的磁性颗粒薄膜及其制备方法

摘要

一种具有可控磁各向异性的磁性颗粒薄膜及其制备方法，涉及一种在高频通讯芯片中用于集成电感器件的纳米颗粒型磁性薄膜及其制备工艺。本发明使用非连续多层膜交替磁控溅射法，得到玻莫合金－SiO

说明书

技术领域

本发明涉及一种磁介质薄膜材料及其制备方法，更具体地说是涉及一种应用在高频通讯芯片中的集成电感器件的具有可控磁各向异性的磁性颗粒薄膜及其制备，属于材料制备技术领域。

背景技术

目前随着通信技术的快速发展，射频(Radio-Frequency)电路中大量的无源器件，例如电感被集成到硅芯片中。为解决平面集成电感器件的芯片占用面积并改善电感的性能，磁介质薄膜作为磁芯材料被应用到集成电感器件中，例如文献“V.Korenivski，Journal ofMagnetism and Magnetic Materials，Vol：215-216，pp.800-806，June 2，2000”报道：在十亿赫兹(GHz)频段工作的电感的磁介质材料须具备优异的软磁性能，适当的磁各向异性和较高的电阻率；文献“M Yamaguchi，et al.Journal of Magnetism and Magnetic Materials，Vol.215-216，pp.807-810，2000”报道：Co₈₅Nb₁₂Zr非晶合金薄膜利用溅射法获得，Fe₆₁Al₃₃O₂₆颗粒薄膜由复合靶(贴有氧化铝的铁靶)溅射获得，均可应用在集成电感中用以提高其性能；文献“Kip D.Coonley，et al.IEEE TRANSACTIONS ON MAGNETICS，Vol.36，No.5，September2000”报道：用于薄膜电感的Co-MgF₂颗粒膜是通过钴(Cobalt)和氟化镁(magnesiumfluoride)同时热蒸镀沉积获得。与传统软磁合金材料相比，在保持优异软磁性能用以增强磁通量的同时，颗粒型磁薄膜材料的电阻率得以大大提高以降低器件在GHz频段工作的损耗。而且加入磁介质可以有效的降低集成电感的芯片占用面积，降低通讯产品工业生产的成本。但是，已有报道的用于集成电感磁介质的颗粒膜中磁性相的成分比较复杂，且大都采用共沉积方法制备，这些都很不利于薄膜材料的成分及结构控制，也无法有效地控制磁各向异性，所制备的颗粒薄膜有很大的随机性，限制了大规模的工业生产。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种用于集成电感的磁介质材料，使其具有高饱和磁化强度和高磁导率、可调节的合适的磁各向异性、高电阻率、可精确控制金属体积分数、制备过程与半导体集成电路(IC)制造工艺相兼容并适合大规模工业生产的纳米颗粒薄膜及其制备方法。

本发明的技术方案如下：

一种纳米复合结构的可控磁各向异性的颗粒型磁性薄膜，其特征在于：该颗粒型磁性薄膜由玻莫合金和非晶绝缘介质SiO₂组成，所述的玻莫合金在薄膜中的体积分数x_V在50％～80％之间；所述的玻莫合金在非晶绝缘介质SiO₂基体中以颗粒状存在并连通成复杂的网络或镶嵌于SiO₂基体中，其结构单元的直径为1～10nm。

本发明还提供了一种可控磁各向异性的颗粒型磁性薄膜的制备方法，其特征在于该方法使用非连续多层膜交替磁控溅射法，其具体工艺步骤按如下进行：

1)先将溅射腔抽真空至真空度优于5×10^-5Pa，将样品基片用14℃～16℃的冷却水冷却，在气压为0.5～2Pa的氩气氛下，首先溅射一层SiO₂非晶绝缘介质，溅射速率为0.15nm/s～0.35nm/s，溅射时间2～5秒；

2)然后在SiO₂非晶绝缘介质上溅射玻莫合金，控制玻莫合金材料的溅射速率为0.5nm/s～1.5nm/s，溅射时间1～2秒，使其形成一层非连续的玻莫合金颗粒；

3)依次重复步骤1)和步骤2)，控制玻莫合金在薄膜中的体积分数x_V，所述x_V由以下公式决定：

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其中V_P和V_S分别代表薄膜中玻莫合金和SiO₂的体积；v_P和v_S分别代表玻莫合金和SiO₂的溅射速率；t_P和t_S分别代表每一溅射循环中玻莫合金和SiO₂溅射时间。

4)在真空度优于10^-3Pa的真空中，350～400℃下退火处理30～120分钟，得到具有可控磁各向异性的不同微观结构和不同磁电性能的磁性纳米颗粒薄膜。

上述工艺过程利用溅射成膜过程中薄膜的岛状生长机制，控制玻莫合金材料的溅射速率和溅射时间等参数，使其形成非连续的金属颗粒，这样依次反复循环溅射玻莫合金和SiO₂材料，得到具有可控磁各向异性的颗粒型薄膜。溅射过程中玻莫合金的溅射速率和溅射时间决定了金属颗粒的大小，SiO₂的溅射速率和溅射时间决定了金属颗粒的间距，它们之间的比例决定了薄膜中玻莫合金的体积分数。

本发明与现有技术相比，具有以下优点及突出性效果：①本发明所选用的材料体系中的玻莫合金和SiO₂均是现有的已应用于工业生产的材料，它们的制备工艺成熟，性能稳定，适合大规模的工业生产。②本发明中的磁性颗粒薄膜是稳定的，具有良好软磁特性和高电阻率的特点，能够方便的制备。③通过调整不同的制备工艺参数，可以方便的并且精确的控制纳米复合颗粒薄膜的体积分数和微观结构，并进行退火处理，从而优化薄膜的磁电性能。④镶嵌在非晶绝缘介质SiO₂基体中的玻莫合金磁性颗粒仍然保持优异的软磁特性，而导电通道被SiO₂所隔离，使得薄膜的电阻率提升三个数量级。⑤交替溅射的成膜方式引入了适当的并且通过玻莫合金磁颗粒层和非晶绝缘介质SiO₂层之间的厚度匹配来控制的磁各向异性，提高了材料的铁磁共振(FMR)频率。⑥玻莫合金-SiO₂磁性纳米颗粒薄膜具有良好的高频特性，可以作为磁介质材料应用于高频通讯芯片的集成电感器件。

附图说明

图1为玻莫合金-SiO₂磁性纳米颗粒薄膜结构示意图(沿薄膜横截面方向)。

图2为玻莫合金-SiO₂磁性纳米颗粒薄膜透射电子显微镜照片(沿薄膜的厚度方向)和衍射谱。

图3为玻莫合金-SiO₂磁性纳米颗粒薄膜高分辨透射电子显微镜照片(沿薄膜的厚度方向)。

图4为玻莫合金-SiO₂磁性纳米颗粒薄膜的磁化曲线图，其中薄膜的体积分数50％。

图5为玻莫合金-SiO₂磁性纳米颗粒薄膜的磁化曲线图，其中薄膜的体积分数56％。

图6为玻莫合金-SiO₂磁性纳米颗粒薄膜的磁化曲线图，其中薄膜的体积分数66％。

图7为玻莫合金-SiO₂磁性纳米颗粒薄膜的磁化曲线图，其中薄膜的体积分数80％。

图8为纯玻莫合金薄膜的磁化曲线图

图9是体积分数分别为50％、56％、66％、80％的玻莫合金-SiO₂磁性纳米颗粒薄膜和纯玻莫合金薄膜的矫顽力比较图。

图10是体积分数分别为50％、56％、66％、80％的玻莫合金-SiO₂磁性纳米颗粒薄膜和纯玻莫合金薄膜的最大磁导率比较图。

图11是体积分数分别为50％、56％、66％、80％的玻莫合金-SiO₂磁性纳米颗粒薄膜和纯玻莫合金薄膜的饱和磁矩比较图。

图12是体积分数分别为50％、56％、66％、80％的玻莫合金-SiO₂磁性纳米颗粒薄膜和纯玻莫合金薄膜的电阻率比较图。

具体实施方式

本发明提供的磁性纳米颗粒薄膜由玻莫合金和非晶绝缘介质SiO₂组成，所述的玻莫合金在薄膜中的体积分数x_V在50％～80％之间；所述的玻莫合金在非晶绝缘介质SiO₂基体中以颗粒状存在并连通成复杂的网络或镶嵌于其中，其结构单元的直径为1～10nm。

本发明的玻莫合金-SiO₂磁性纳米颗粒薄膜采用磁控溅射的方法并通过以下途径获得。使用非连续多层膜交替溅射法制备，即溅射一层SiO₂绝缘材料，然后利用溅射成膜过程中薄膜的岛状生长机制，控制玻莫合金材料的溅射速率和溅射时间等参数，使其形成非连续的金属颗粒，这样依次反复循环溅射玻莫合金和SiO₂材料，通过两种材料溅射速率和溅射时间等溅射参数的配比来控制薄膜中玻莫合金颗粒的大小、间距、薄膜的磁各向异性以及金属体积分数。这种情况下，纳米复合颗粒型薄膜中玻莫合金的体积分数x_V可定义为：

$>>>x>V>>=>>>V>P>>>>V>P>>+>>V>S>>>>=>>>>v>P>>·>>t>P>>>>>v>P>>·>>>t>P>>+>>v>S>>·>>t>S>>>>>;>$>

其中V_P和V_S分别代表薄膜中玻莫合金和SiO₂的体积；v_P和v_S分别代表玻莫合金和SiO₂的溅射速率；t_P和t_S分别代表每一溅射循环中玻莫合金和SiO₂溅射时间。

具体的工艺过程是先将溅射腔抽真空至真空度优于5×10^-5Pa，样品基片使用14℃～16℃的冷却水，在气压为0.5～2Pa氩气氛中溅射。首先溅射一层SiO₂非晶绝缘介质，溅射速率为0.15nm/s～0.35nm/s，溅射时间2～5秒；然后在SiO₂非晶绝缘介质上溅射玻莫合金，控制玻莫合金材料的溅射速率为0.5nm/s～1.5nm/s，溅射时间1～2秒，使其形成一层非连续的玻莫合金颗粒；依次反复循环溅射玻莫合金和SiO₂材料。溅射完成一定的循环次数后，进行退火处理，从而得到具有可控磁各向异性的不同微观结构和不同磁电性能的玻莫合金-SiO₂磁性纳米颗粒薄膜。

作性能测试用的薄膜是沉积在盖玻片上，并将其切成4mm×4mm大小的样品，薄膜中玻莫合金材料的含量是相同的，总循环次数为250次，样品具体溅射参数如下表所示：

样品编号    溅射速率    (nm/s)  每一循环中的溅  射时间(秒)循环次数玻莫合金体积分数(％)玻莫合金  SiO₂玻莫合金 SiO₂    1    1  0.26    1    4  250    50    2    1.5  0.35    1    3  250    59    3    0.5  0.15    1    2  250    62.5    4    0.8  0.3    1    1  250    73

下面通过实例对本发明予以说明：

实施例1：采用非连续多层膜交替溅射法制备玻莫合金-SiO₂磁性纳米颗粒薄膜。

溅射靶材：市售工业用玻莫合金(牌号1J85)，外形尺寸φ60mm×3mm；纯石英片(纯度≥99.9％)，外形尺寸φ60mm×3mm。

溅射气体：高纯氩(纯度≥99.999％)

样品基片：盖玻片和NaCl(001)

溅射参数：室内温度25℃，相对湿度40％，背景真空≤2×10^-5Pa，样品基片使用14℃的冷却水冷却，溅射中Ar气压0.5Pa，玻莫合金溅射速率1nm/s，SiO₂溅射速率0.26nm/s。

溅射中，每一循环玻莫合金溅射1秒，SiO₂溅射4秒，总共循环250次，得到金属体积分数为50％的玻莫合金-SiO₂磁性纳米颗粒薄膜。

退火参数：真空度为5×10^-4Pa的真空中，在350℃下保温40分钟。

得到的磁性颗粒薄膜中玻莫合金颗粒的平均尺寸为3.5nm，样品的饱和磁化强度为M_s＝1.52×10^-3emu，矫顽力H_c＝6.96G，电阻率ρ＝234090μΩ·cm。

实施例2：每一溅射循环中玻莫合金溅射1秒，SiO₂溅射3秒，总共循环250次，得到金属体积分数为56％的玻莫合金-SiO₂磁性纳米颗粒薄膜，其他同实施例1。

得到的磁性颗粒薄膜中玻莫合金颗粒的平均尺寸为3.5nm，样品的饱和磁化强度为M_s＝2.05×10^-3emu，矫顽力H_c＝0.79G，电阻率ρ＝18423μΩ·cm。

实施例3：每一溅射循环中玻莫合金溅射1秒，SiO₂溅射2秒，总共循环250次，得到金属体积分数为66％的玻莫合金-SiO₂磁性纳米颗粒薄膜，其他同实施例1。

得到的磁性颗粒薄膜中玻莫合金颗粒的平均尺寸为3.5nm，样品的饱和磁化强度为M_s＝3.02×10^-3emu，矫顽力H_c＝2.62G，电阻率ρ＝1292μΩ·cm。

实施例4：每一溅射循环中玻莫合金溅射1秒，SiO₂溅射1秒，总共循环250次，得到金属体积分数为80％的玻莫合金-SiO₂磁性纳米颗粒薄膜，其他同实施例1。

得到的磁性颗粒薄膜中玻莫合金颗粒的平均尺寸为3.5nm，样品的饱和磁化强度为M_s＝3.09×10^-3emu，矫顽力H_c＝1.87G，电阻率ρ＝221μΩ·cm。

实施例5：溅射参数：样品基片使用16℃的冷却水冷却，玻莫合金溅射速率1.5nm/s，SiO₂溅射速率0.35nm/s。

溅射中，每一溅射循环中玻莫合金溅射1秒，SiO₂溅射3秒，总共循环250次，得到金属体积分数为59％的玻莫合金-SiO₂磁性纳米颗粒薄膜。

退火参数：真空度为5×10^-4Pa的真空中，在400℃下保温60分钟。其他参数同实施例1。

得到的磁性颗粒薄膜中玻莫合金颗粒的平均尺寸为10nm。

实施例6：溅射参数：样品基片使用16℃的冷却水冷却，溅射中Ar气压2Pa，玻莫合金溅射速率0.5nm/s，SiO₂溅射速率0.15nm/s。

溅射中，每一溅射循环中玻莫合金溅射1秒，SiO₂溅射2秒，总共循环250次，得到金属体积分数为62.5％的玻莫合金-SiO₂磁性纳米颗粒薄膜。其他参数同实施例1。

得到的磁性颗粒薄膜中玻莫合金颗粒的平均尺寸为2nm。

实施例7：溅射参数：样品基片使用16℃的冷却水冷却，玻莫合金溅射速率0.8nm/s，SiO₂溅射速率0.3nm/s。

溅射中，每一溅射循环中玻莫合金溅射1秒，SiO₂溅射1秒，总共循环250次，得到金属体积分数为73％的玻莫合金-SiO₂磁性纳米颗粒薄膜。其他参数同实施例1。

得到的磁性颗粒薄膜中玻莫合金颗粒的平均尺寸为3nm。

(参考：纯玻莫合金薄膜样品的饱和磁化强度为M_s＝3.13×10^-3emu，矫顽力H_c＝1.20G，电阻率ρ＝64μΩ·cm)。