CN101285170B - 制备宽频带吸波磁性多层膜的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种在基底材料上制备出宽频段吸波层的方法。本发明制备宽频带吸波磁性膜的方法是：首先在基底材料上采用真空溅射法生成截止频率为f1的第一磁性材料层，再在第一磁性材料层上生成第一隔离层，如此重复前述过程，最终在基底上形成由隔离层相隔的由不同截止频率的磁性材料层构成的n层磁性材料薄膜，其中的隔离层可用通常的物理成膜技术生成。

Description

制备宽频带吸波磁性多层膜的方法

技术领域

本发明涉及一种在基底材料上制备出宽频段吸波层的方法。

背景技术

无线通讯设备的普遍使用引起了越来越严重的电磁污染，导致高频电磁屏蔽材料引起了人们的广泛关注。从目前的研究结果来看，高频磁性薄膜材料在高频具有非常优异的电磁损耗效果，其电磁波吸收机制是磁矩的自然共振。而为了实现在较宽频率范围内对微波的吸收，从理论上讲有两种思路，一是采用单层吸收体，增大磁矩共振的阻尼因子展宽自然共振的吸收频率。但是从技术上讲，单纯控制阻尼因子是困难的，而且过大的阻尼也会降低吸收层的吸收效果。另一种比较可行的方法是采用多层膜的思路，调制每一层磁性薄膜的共振吸收频率然后叠加具有不同共振吸收频率的信号，从而实现宽频带强效吸收电磁波的目的。这就要求首先要从技术上实现在位调整单层磁性膜的共振吸收频率，然后采用适当的工艺将具有不同共振吸收频率的磁性膜集成到一起。

然而就单层磁性膜而言，在位调整它的共振吸收频率就是非常困难的。主要有以下两个难点：通常制备高频软磁薄膜都需要采用后处理方法诱导面内单轴各向异性，然而考虑到要将具有不同共振吸收频率的磁性薄膜集成到一起，就需要在不使用任何后期处理方法的情况下直接制备得到具有面内单轴各向异性的磁性薄膜。因为一旦采用任何的后处理方法，就会对所有的磁性层产生影响，从而不能保证每一层磁性膜具有不同的共振吸收频率。其次，从国内外目前报道的研究结果来看，除非选择不同成分的磁性薄膜材料，并不能较好地实现对同一磁性薄膜材料共振吸收频率的调整。如果简单地利用不同的磁性材料作为宽频吸波多层膜中的磁介质，这必然会进一步增加制备工艺上的困难和成本。尤其是当薄膜层数较多时，采用这种思路是不切实际的。所以，能够在位制备同种成分但是共振吸收频率可调的磁性薄膜，是实现宽频带吸波多层膜的关键技术前提。

从目前对多层磁性膜的研究结果来看，多层磁性膜之间存在相互作用。这种作用会使相邻磁性层之间发生耦合，从而影响每一层磁性膜的磁性。如果在相邻磁性层中间加入非磁性层，就会影响这种耦合作用。研究发现，随着非磁性层厚度的增加，相邻铁磁层会出现从平行排列到反平行排列，再到平行排列的变化，而且耦合强度也会降低。然而，对于宽频带吸波多层膜，我们并不希望出现相邻磁性层发生耦合，因为这种作用会直接影响每一层磁性膜的高频性质。所以，相邻铁磁层中非磁性层的厚度要足够厚。然而，采用过厚的非磁性层对于实现宽频带吸波多层膜也是不利的。首先采用过厚的非磁性层会使得总体多层膜的厚度增加，从而会导致电磁波在多层膜中传播的时候引起趋肤效应，达不到最佳的电磁波吸收效果。另一方面，采用过厚的非磁性层是对材料的一种浪费，它必然会带来成本的提高。所以，探索一个适当的非磁性膜的厚度，在此厚度下既可以使得相邻铁磁层不发生耦合，同时又可以减少材料的浪费，对于实现宽频带吸波多层膜的制备是非常重要的。

更大的问题是现有技术中尚未有公开过任何一种有实际应用价值的可形成多层具有宽频吸收电磁波的多层膜的技术。

发明内容

本发明提供一种可以解决现有技术尚不能解决的，能有效地在基底材料上形成多层具有宽频带吸收电磁波的多层膜的技术。

本发明利用现有的射频磁控溅射方法及设备，实现在制备过程中一次性完成，无须后处理和任何人为诱导，制备出宽频带吸波多层膜的方法。

本发明制备宽频带吸波磁性膜的方法是：首先在基底材料上采用真空溅射法生成截止频率为f1的第一磁性材料层，再在第一磁性材料层上生成第一隔离层，然后再第一隔离层上溅射生成截止频率为f2的第二磁性材料层，再在第二磁性材料层上生成第二隔离层，如此重复前述过程，在基底上形成由隔离层相隔的由不同截止频率的磁性材料层构成的n层磁性材料薄膜，n的数值由设计事先确定。其中的隔离层可用通常的物理成膜技术生成，隔离层可以是金属材料的，也可以是非金属材料的，但要求必须是非磁性物质，非磁性材料隔离层的层厚为30～50纳米。

本发明制备宽频带吸波磁性膜的方法中，在基底材料上形成磁性材料层的方法是在溅射磁性金属靶材的同时还在基底材料上溅射少许非磁性金属材料，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；通过改变靶中心到基片中心的连线与靶法线的夹角α，以得到不同截止频率的磁性薄膜层；控制各层磁性金属材料层的相对厚度实现不同磁性金属材料层吸收性能的相对大小。

本发明制备宽频带吸波磁性膜的方法中，所生成的隔离层由铜或银或钽或钛或氧化硅或氧化锆等非磁性物质构成，溅射生成的磁性材料层由钴或铁钴合金与锆或铌或铪或钽或钛或钒中的任一种或任几种的组合的少量的非磁性材料组成。

本发明的方法所使用的溅射设备为现通用的溅射设备，即由真空系统，射频电源系统和射频靶组成，但在溅射磁性材料层时所使用的溅射靶为复合靶，即在现有的被溅射磁性材料制成的靶材上设置有非磁性纯金属片。如果所溅射的磁性材料是由钴或铁钴与锆或铌或铪或钽或钛或钒构成的合金时，所用的溅射靶是在用钴或铁钴材料制成的靶上设置锆或铌或铪或钽或钛或钒的纯金属片，或者设置由锆或铌或铪或钽或钛或钒中的任几种组合而成的合金片。

本发明所用设备中的复合靶上，所设置的非磁性材料片的直径与磁性金属靶片直径比为0.03～0.15，可设置的非磁性材料片数量为1至16个。

由前述内容可知，本发明所采用的磁性薄膜的溅射技术是掺杂倾斜溅射，也就是在基片上溅射磁性金属材料的同时，在基片上还溅射少量的非磁性金属材料；同时，在溅射时确定不同的基片中心的连线与靶法线的夹角α，可以得到具有不同共振频率的磁性层，如此可以非常方便地控制多层膜中每一层磁性层的共振吸收频率。

试验表明，本发明制备非磁性隔离层的厚度在30～50纳米范围内时，相邻铁磁层间不会发生耦合作用，其效果最佳。

本发明制备的磁性层其最大的特点是不需要人为磁场诱导沉积就可以得到在直接制备态就具有很高共振吸收频率。其机理可能是在倾斜溅射制备的薄膜中由于非磁性元素的引入，可以在提高磁性薄膜软磁性能的同时产生自发诱导的面内单轴各向异性，从而使薄膜具有优异的高频吸收特性。因此，本发明制备的磁性层不用再进行任何的后处理，只需在溅射时调节薄膜沉积倾斜角，就可以在制备过程中达到调整薄膜共振吸收频率的目的，其方法简单易行，对所使用的装置也无任何其它的特殊要求。

附图说明

附图1为本发明制备磁性金属膜的溅射靶示意图。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；3为非磁性金属片，成份可为高纯度的Zr、Nb、Hf、Ta、V、Ti；4定义溅射倾斜角α，即基底中心到靶材中心的连线与靶材法线方向的夹角；5为硅片或玻璃基底；6为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。

附图2为利用本发明方法制备的CoZr薄膜的成分分析结果。

附图3为利用本发明方法制备的CoZr薄膜的表面形貌。

附图4为利用本发明方法制备的CoZr薄膜的面内易磁化方向和难磁化方向的磁滞回线。

附图5为利用本发明方法在不同溅射倾斜角下制备的CoZr薄膜的磁导率虚部随频率的变化关系。

附图6为利用本发明方法制备的宽频带吸波磁性多层膜的结构示意图。

附图7为利用本发明方法制备的宽频带吸波磁性多层膜的磁导率虚部随频率的变化关系。

具体实施方式

以下是本发明的实施例。

在下述实施例中，所制备的宽频带吸波磁性膜是由多层磁性层和将各磁性隔离的非磁性隔离层交替排列而成的，其薄膜的形成过程是利用传统的射频磁控溅射设备在Si表面上逐层沉积上磁性层和隔离层。在制备磁性层时所采用的是一种复合靶，就是在磁性金属靶上均匀放置非磁性金属片，如Zr、Nb、Hf、Ta、Ti、V中的任一种或任几种的组合，磁性层沉积条件是：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。在磁性薄膜制备过程中，可以通过改变溅射倾斜角，也就是改变基底法线与靶材中心间的夹角α，来实现大幅度在位调控磁性层共振吸收频率的目的。在制备非磁性层采用的射频溅射装置和方法与现有技术是相同的，所使用的非磁性层的材料是非磁性的纯金属，如Cu、Ag、Ta、Ti等，也可以是其它的非磁性化合物，如SiO、MgO，ZrO，等。对非磁性层的溅射条件没有限制，只是每一层非磁性层的厚度要控制在30～50nm左右。下面我们选取CoZr磁性层和Ta非磁性层为例，说明制备宽频带吸波磁性多层膜的思路和具体实施方式。

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FeCo或Co薄膜的高频吸波应用。在纯金属磁性薄膜中掺杂少许非磁性金属，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2所示，为利用本发明制备磁性层的方法制备的Zr掺杂的Co薄膜成分分析结果。从分析结果中可以看到，Zr原子成功地掺入到Co薄膜中。根据图3的测试结果，可以看到这种Zr掺杂的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，磁性材料吸波的机制是磁化强度沿着其易磁化方向的进动引起的共振吸收，作为提供磁矩进动的面内单轴各向异性场，直接决定了共振吸收频率的大小。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吸波性能。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。如图4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。

利用本发明制备的单层CoZr薄膜的共振吸收性能测试结果如图5所示。图中横坐标是频率，纵坐标为薄膜复数磁导率的虚部，各曲线分别由不同溅射倾角α所形成的薄膜的测试结果。在高频下，磁性材料的磁导率是复数，它的实部代表能量的传输，虚部代表能量的损耗，磁导率的虚部出现最大值时对应的频率定义为共振频率(相关内容参见《铁磁学》下册第1页至第6页与第103页至第106页的相关内容，廖绍彬著，科学出版社)。从图5中的数据能够看到，随着溅射倾斜角度α的增加，CoZr磁性层的共振吸收频率可以实现从1.5GHz到4.8GHz的连续增加。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，磁性层的共振吸收频率是由面内单轴各向异性场控制的。改变溅射倾斜角α，可以有效地调整磁性层的面内单轴各向异性场的数值，从而可以实现在GHz范围内对磁性层共振吸收频率的连续调整。

从图5的结果可以看到，利用本发明图1所示的溅射装置，实现了在位制备同一成分，共振吸收频率的连续可调的磁性层，解决了实现宽频带吸波多层膜的关键技术难题。

本发明设计的由n＝5层具有不同共振吸收频率的CoZr磁性层和4层Ta非磁性金属层组成的宽频带吸波多层膜的示意图如附图6所示。图中1～9代表每一层的制备顺序，其中标示为1、3、5、7、9的层分别是溅射倾斜角为0、10、20、30、40度下制备的CoZr磁性层，2、4、6、8是厚度为50nm左右的Ta非磁性层。这种具有9层结构的多层膜的磁导率虚部随频率的测试结果如图7所示。图7中由空心圆圈构成的曲线是实验结果，表现了由5层具不同吸收频率的磁性材料复合薄膜的吸收特性。从图7中可以看到，此多层膜的共振吸收信号是由5层具有不同共振吸收频率的磁性层的信号叠加而成，而且覆盖的频率范围很宽，可以从1GHz到5GHz。此结果证明利用本发明提供的方法，可以实现直接制备宽频带吸波多层膜的制备。

本发明在制备磁性层主要成份为Fe_xCo_1-x，x＝0～0.7的宽频带吸波磁性多层膜时，有与前述结论相类似结果。

Claims (2)

1.制备宽频带吸波磁性膜的方法，其特征是：首先在基底材料上采用真空溅射法生成截止频率为f1的第一磁性材料层，再在第一磁性材料层上生成一层由非磁性材料构成的隔离层，然后在隔离层上溅射生成截止频率为f2的第二磁性材料层，再在第二磁性材料层上生成由非磁性金属材料构成的第二隔离层，通过改变靶中心到基片中心的连线与靶法线的夹角α，以得到不同截止频率的磁性材料层；控制各层磁性金属材料层的厚度实现不同磁性金属材料层的磁导率虚部共振吸收的相对强度，如此重复前述过程，在基底上形成由非磁性金属材料构成的隔离层相隔的由不同截止频率的磁性材料层构成的n层磁性材料薄膜，其中的非磁性金属材料隔离层为30～50纳米，在基底材料上形成磁性材料层的方法是在溅射磁性金属靶材的同时还在基底材料上溅射少许非磁性金属材料，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。

2.根据权利要求1所述的制备宽频带吸波磁性膜的方法，其特征是生成的隔离层由铜或银或钽或钛或氧化硅或氧化镁或氧化锆非磁性物质构成，溅射生成的磁性材料层由钴或铁钴合金与锆或铌或铪或钽或钛或钒中的任一种或任几种的组合的少量的非磁性材料组成。

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