CN101260514B - 一种制备高频软磁薄膜的方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种在位制备高频特性可调的软磁薄膜的方法及装置。本发明的方法所采用的是现有技术的射频磁控溅射法，但在进行溅射磁性金属材料的同时，还在基片上溅射少量的非磁性金属材料。本发明中溅射到基片上的非磁性金属与磁性金属之原子百分比为3～20。本发明所使用装置除溅射靶外，其余与现有的射频溅射装置完全相同，本发明所采用的溅射靶材为复合靶。

Description

一种制备高频软磁薄膜的方法及装置

技术领域

本发明涉及一种磁性材料的制备技术，更确切讲涉及一种在位制备高频特性可调的软磁薄膜的方法。

背景技术

随着科学技术的不断进步，信号的传输速度也越来越快，这就要求信息传输器件的工作频率也要越来越高。例如在硬盘中要实现1GBit/s的传输速度，就需要磁头中的磁性材料能够在1GHz的频率下仍然具有优良的软磁特性。又如在微电子集成工艺中，最难集成的器件是电感，而薄膜电感的应用势在必行；要显著地提高薄膜电感的性能，则必须将高频软磁薄膜与薄膜电感结合起来。所以，高频软磁材料的制备在近十年内一直是材料科学研究的热点，尤其是具有面内单轴各向异性的金属软磁薄膜，因为它有着比其它磁性材料更高的高频磁导率和共振频率，更是成为了研究热点中的热点。

制备高磁导率高共振频率的软磁薄膜中的一项关键技术是诱导面内单轴各向异性。因为在高频下(GHz)，软磁薄膜的磁导率机制主要是磁化强度沿着薄膜面内易磁化方向的进动。所以在材料饱和磁化强度固定的情况下，作为提供磁矩进动的面内单轴各向异性场，不仅决定了共振频率的大小，而且决定了薄膜高频磁导率的数值。考虑到微电子集成工艺的限制，能够直接在位得到(或者说一次性得到)面内单轴各向异性的工艺显然要比经后期处理得到面内单轴各向异性的方法好，因为利用任何后期处理的方法必然会对整个电路中其它器件的性能产生不可估计的影响。而另一方面，为了满足不同器件功能与工作频率的需要，软磁薄膜的磁导率与共振频率要在一定的范围内调整。所以从软磁薄膜制备的角度来说，找寻一种制备技术，它不仅可以在位得到具有优异高频特性高频软磁薄膜，而且能够在位地在较大范围能调整薄膜的磁导率与共振频率，是非常重要的。但就目前技术而言，尚没有尚未见到这类的报道。

就目前报道的文献来看，最常见最有效的方法是在薄膜制备好后再采用诱导方式，使材料的磁导率与共振频率发生改变。例如：磁场诱导沉积参见Y.K.Liu，M.H.Kryder，and V.G.Harris，″Field-induced anisotropic nitrogen distribution as the source ofuniaxial magnetic anisotropy in(Fe/sub 0.98/A1/sub 0.02/)/sub 1-Delta/N/sub Delta/films，″Appl.Phys.Lett.81(26)，4985-4987(2002)；和Andreas Neudert，Jeffrey McCord，Rudolf Schafer et al.，″Dynamic anisotropy in amorphous CoZrTa films，″J.Appl.Phys.95，6595-6597(2004)。但是利用这种方法并不能有效地在位调控薄膜的磁导率与共振频率，而且诱导磁场还会对溅射辉光产生影响，导致薄膜不均匀。还有一种可以有效调控磁导率与共振频率的方法是应力诱导，参见Y.Fu，Z.Yang，T.Miyao et al.，″Induced anisotropy in softmagnetic Fe/sub 65/Co/sub 35//Co thin films，″Mater.Sci.Eng.B，Solid-State Mater.Adv.Technol.133(1-3)，61-65(2006)。但就目前的报道来看，这种方法只能适用于软基底，对于微电子工业需要在Si或玻璃等硬基底上成膜，这种方法是不适用的。

此外，采用现有技术时制备某种具体成份的软磁薄膜时，其制品的截止频率一般是确定的，在现有技术中未见到控制制品截止频率的方法。

发明内容

本发明提供一种利用现有的射频磁控溅射方法及设备，在位制备高频特性可调的软磁薄膜的方法，换言之，本发明提供在薄膜制备过程中一次性完成，且无须后处理和任何人为诱导技术的，制备高频软磁薄膜的方法及设备。本发明的另外一个目的是针对一种确定的成份的材料，可以根据事先的设计要求，直接得到具有不同截止频率的，特别是高频截止频率特性的薄膜。

本发明的方法所采用的是现有技术的射频磁控溅射法，但在进行溅射磁性金属材料的同时，还在基片上溅射少量的非磁性金属材料。本发明中溅射到基片上的非磁性金属与磁性金属之原子百分比为3～20。

本发明中溅射到基片上的非磁性金属可为Zr、Nb、Hf、Ta、Ti、V中的任一种，也可以是以上金属的任意几种的组合。

根据本发明的方法进行溅射制备磁性薄膜材料时，如果在进行溅射时，改变靶中心到基片中心连线与靶法线的夹角α，可得到不同截止频率的材料。根据相关试验表明，在进行溅射时，增大靶法线与靶中心到基片中心连线的夹角，可以使同一种磁性薄膜材料的截止频率提高。本发明的相关试验表明，当靶中心到基片中心连线与靶法线的夹角α在0～50度范围内变化时，其最终制品的截止频率会随夹角α的增大而提高，但α超过40度后，发现成膜速率极低，导致制备出的成品几乎没有磁性信号。

本发明所使用装置除溅射靶外，其余与现有的射频溅射装置完全相同，即由真空系统，射频电源系统等组成。本发明所采用的溅射靶材为复合靶，它是在现有的溅射靶(即用被溅射磁性金属材料制备的靶材)上设置用非磁性纯金属材料制成的小片。相关的试验表明，这些用非磁性纯金属材料制成的小片的大小及数量在很大范围内变化，对溅射后的薄膜制品的性能影响不太大。但试验表明，本发明的溅射装置中的靶材上，每个非磁性纯金属片的直径与磁性金属靶片直径比为0.03～0.15，可放置的非磁性纯金属片数量为1至16个，这样可有最好的效果。

通常直接制备的纯FeCo或Co薄膜，不具备良好的软磁性能，所以不能实现Co薄膜的高频应用。但本发明中参杂少许非磁性金属，如Zr、Nb、Hf、Ta、Ti、V等元素，发现可以大幅度提高纯金属薄膜的软磁性能。其可能的原因是，参入非磁性金属元素后，会抑制纯金属磁性薄膜中晶粒的生长，从而使晶粒的大小降低到纳米量级。这种磁性金属晶粒在纳米量级的材料被称为纳米晶材料，这种材料就会表现出非常好的软磁性能。由于在纳米晶材料中晶粒尺寸小于交换长度，通过晶粒之间的交换耦合作用可以大幅度降低每一个晶粒的磁晶各向异性，所以纳米晶材料会具有非常好的软磁性能。

另一方面，磁性薄膜只具有好的软磁性能是不能直接应用在高频下的。因为在高频下，磁性材料磁导率的机制是磁化强度沿着其易磁化方向的进动，作为提供磁矩进动的面内单轴各向异性场，不仅决定了共振频率的大小，而且决定了初始磁导率的数值。所以只有具备面内单轴各向异性的软磁薄膜，在高频下才能表现出优异的性能。而在本发明中，可以在不使用任何诱导方法的情况下直接制备具有面内单轴各向异性的高频软磁薄膜。

经本发明形成的制备高频软磁薄膜不用再进行任何的后处理，即可得到有优异高频特性的薄膜，而且只需在溅射时调节薄膜沉积倾斜角，即调整靶法线与靶中心到基片中心连线的夹角α，就可以在制备过程中达到调整薄膜高频特性的目的，其方法简单易行。另外通过前面对本发明的叙述可见，本发明所用的设备为通用设备，并无任何特殊要求。

附图说明

附图1为本发明溅射装置的及溅射靶的示意图。

图2至图7分别是CoZr(实际上是钴上有少量的锆)薄膜材料，在溅射时靶法线与靶中心到基片中心连线的夹角α为不同值时得到的制品，利用矢量网络分析仪测试的高频特性曲线，其中各薄膜制品溅射时的倾斜角α与制品截止频率分别是：图2为0度——1.26GHz，图3为8度——1.68GHz、图4为16度——3.23GHz、图5为23度——3.81GHz、图6为31度——4.34GHz、图7为38度——4.89GHz。

图8为利用能谱仪对CoZr薄膜的成分分析结果。图8中，图为能量谱，图下的表为能量谱的分析结果。图中在1.8千电子伏特附近的峰是薄膜Si基底的信号。

图9是用扫描电镜进行分析得到的CoZr薄膜的表面形貌，从图中可以看到此样品中的晶粒大小大约在15纳米左右。

图10是CoZr薄膜的面内易磁化与难磁化方向的磁滞回线。

具体实施方式

本发明制备薄膜所使用的设备为沈阳中科仪于2003年生产的FJL560-1型超高真空磁控与离子束联合溅射设备中的射频溅射部分。但本发明采用的靶材是一种复合靶，就是在直接购买的磁性金属靶(成份可为Fe_xCo_1-x，x＝0～0.7)上均匀放置非磁性金属片，然后利用传统的射频磁控溅射设备在Si或玻璃表面上沉积软磁薄膜。薄膜沉积条件是：本底真空度＜5×10^-5Pa，溅射功率50W对应功率密度为1.7W/cm²，基底水冷，Ar流量20SCCM，Ar气压0.2Pa。在薄膜制备过程中，可以通过改变靶法线与靶中心到基片中心连线的夹角α，可以实现大幅度在位调控薄膜磁性的目的。在本发明说明中，为了方便说明本发明的效果，我们只给出了在Co中参杂Zr元素的薄膜制品的数据。在Fe_xCo_1-x，x＝0～0.7中参杂Zr、Nb、Hf、Ta、Ti、V等元素的薄膜制品有相似的结果。

能够在室温下应用的磁性材料中，FeCo合金具有最大的饱和磁化强度，也就是说具有最强的磁性信号。然而直接制备的纯FeCo或Co薄膜，不具备良好的软磁性能，所以不能实现FeCo或Co薄膜的高频应用。在纯金属磁性薄膜中参杂少许非磁性金属，如本发明中采用的Zr、Nb、Hf、Ta、Ti、V等元素，发现可以大幅度提高纯金属薄膜的软磁性能。其可能的原因是，参入非磁性金属元素后，会抑制纯金属磁性薄膜中晶粒的生长，从而使晶粒的大小降低到纳米量级。这种磁性金属晶粒在纳米量级的材料被称为纳米晶材料，这种材料就会表现出非常好的软磁性能。由于在纳米晶材料中晶粒尺寸小于交换长度，通过晶粒之间的交换耦合作用可以大幅度降低每一个晶粒的磁晶各向异性，所以纳米晶材料会具有非常好的软磁性能。如图8所示，为Zr参杂的Co薄膜成分分析结果。从分析结果中可以看到，Zr原子成功地参入到Co薄膜中。而根据图9的测试结果，我们看到这种Zr参杂的Co薄膜的晶粒大小在15纳米左右。

另一方面，磁性薄膜只具有好的软磁性能是不能直接应用在高频下的。因为在高频下，磁性材料磁导率的机制是磁化强度沿着其易磁化方向的进动，作为提供磁矩进动的面内单轴各向异性场，不仅决定了共振频率的大小，而且决定了初始磁导率的数值。所以只有具备面内单轴各向异性的软磁薄膜，在高频下才能表现出优异的性能。而在本发明中，我们利用图1所示的溅射装置，可以在不使用任何诱导方法的情况下直接制备具有面内单轴各向异性的高频软磁薄膜。图1中1为射频磁控溅射靶；2是成份为Fe_xCo_1-x，x＝0～0.7的磁性金属圆盘靶材，其直径70mm，厚度3mm；3是非磁性金属片，其数量为9个，成份为高纯度的Zr(也可以Nb或Hf或Ta)，大小为3×3×1mm³；α为溅射倾斜角，即基底中心到靶材中心的连线与靶材法线方向的夹角；5是Si基底；6是得到的薄膜的面内易磁化方向，垂直于倾斜角在基底上的投影。

如图10所示，为CoZr薄膜面内易磁化和难磁化方向的磁滞回线，可以看到，沿着不同的磁化方向，薄膜的磁特性是不同。当外场沿着易磁化方向，磁滞回线的形状近似为矩形，剩磁比很大接近于1；外场沿着难磁化方向，磁滞回线近似为一条没有磁滞的曲线。这种磁滞回线是典型的具有面内单轴各向异性软磁薄膜的面内磁滞回线。

利用本发明制备的CoZr薄膜的高频性能测试结果如图2至图7所示。这些图的横坐标是频率，单位是赫兹(Hz)；纵坐标为薄膜的磁导率。图中用实心黑色方块标出的数据是磁导率的实部，空心红色圆圈标出的数据是磁导率的虚部。在每幅图中标出的fr表示这个样品的共振频率，也就是代表了此材料能够正常使用的最高频率上限。从图2至图7的这些数据能够看到，随着溅射倾斜角度的增加，样品的共振频率可以实现连续增加从1.26GHz到4.89GHz。其潜在的物理机制在于，在材料饱和磁化强度不变的情况下，薄膜的高频磁性是由面内单轴各向异性场控制的。改变溅射倾斜角，可以有效地调整薄膜的面内单轴各向异性场的数值，从而可以实现在GHz范围内对软磁薄膜高频特性的连续调整。

Claims (1)

1.一种制备软磁薄膜的方法，采用射频磁控溅射法，在基片上溅射FeCo或Co的磁性金属靶材的同时还在基片上溅射少许Zr或Nb或Hf或Ta或Ti或V中的任一种或任几种的组合的非磁性金属材料，其中溅射到基片上的非磁性金属与溅射的磁性金属之原子百分比为3～20，其特征在于对制品材料的截止频率进行控制的方法是在进行溅射时，改变靶中心到基片中心的连线与靶法线的夹角，从而得到具有不同截止频率的磁性薄膜材料。

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