CN101486262A

CN101486262A - 一种抑制电磁噪声的薄膜材料

Info

Publication number: CN101486262A
Application number: CNA2009100608177A
Authority: CN
Inventors: 马强; 江建军; 别少伟; 张传坤; 田斌; 陈谦; 王鹏; 吴杨
Original assignee: Huazhong University of Science and Technology
Current assignee: Huazhong University of Science and Technology
Priority date: 2009-02-20
Filing date: 2009-02-20
Publication date: 2009-07-22

Abstract

一种抑制电磁噪声的薄膜材料，属于抑制微波电磁干扰的材料，解决现有薄膜材料存在的电磁噪声损耗带宽不大且不方便人工可调的问题。本发明在基片上沉积有缓冲层，基片为化学性能稳定且表面平整的材料，在缓冲层上先沉积有铁磁层或反铁磁层，然后交替沉积有反铁磁层和铁磁层，最表面的铁磁层或反铁磁层上沉积有保护层。本发明重复性好，调控方便，在铁磁体系中引入反铁磁层，通过调整铁磁层的厚度可以有效调控多层膜材料的磁导率频谱和软磁性能，并且通过多层叠加的方式，实现宽频带电磁噪声抑制。

Description

一种抑制电磁噪声的薄膜材料

技术领域

本发明属于抑制微波电磁干扰的材料，尤其涉及一种在厘米波段具有可调控宽频带磁损耗的抑制电磁噪声干扰的薄膜材料。

背景技术

近年来，随着电子科学技术的发展，单位空间电子元件的集成度越来越高、处理速度越来越快且以不同的时钟频率在高速运行。因此很容易引发电子元件相互之间的高频串扰。电磁干扰(EMI)已经成为各种各样的电子设备如PC机(几GHz)，手机(0.8～2GHz)等非常重要的问题。例如，一个GHz的逻辑信号包含有多个谐波成份，必须抑制它们之间谐波噪声辐射来遵从电磁兼容性(EMC)。为了解决这个问题，必须发展一种GHz频段的高带宽的噪声抑制材料。为了在高频区域中的电磁兼容，开发具有高磁损耗(μ″)和在所述区域中的磁共振频率的噪声抑制材料成为当务之急。

对于电磁噪声的抑制近年来已经从电子电路和磁损耗角度出发采取两方面措施。然而电磁干扰是一个频带范围极宽的干扰，从几Hz到几十GHz。在电子电路角度，基于LC(电容电感)的滤波电路在对高频干扰抑制时受到分布电容、分布电感的影响，其谐振频率一般为几MHz。过了谐振频率时，由于分布电容、分布电感的影响，其抗干扰能力下降；在磁损耗方面，基于磁损耗的软磁材料的抗电磁干扰能力主要取决于两点：一、高的磁导率虚部；二、宽的磁导率频率分散性。作为现有的可以在高频使用的代表性的磁材料有铁氧体、金属薄膜、和复合了金属和非磁性绝缘物的多层膜、或颗粒薄膜等。对于铁氧体抑制元件，由于饱和磁化强度低，在大直流情况下容易发生饱和，另外共振频率较低，一般不超过几百MHz，过了共振频率后，根据Snoeks理论，其磁导率迅速下降，导致其抑制电磁干扰性能下降；另外，软磁金属薄膜虽然代表性地采用坡莫合金(Ni₈₀Fe₂₀)、非晶形金属，能够得到非常高的饱和磁化强度和磁导率，但由于电阻非常低，趋肤深度小，容易产生涡流，在表面产生感生磁场，抑制电磁波的深入，不能发挥其抑制效能；随着向高频转变膜厚也受限制。尤其在GHz以上时，若膜厚大于0.1微米则引起涡流的问题。对于复合了金属和非磁性绝缘物的多层膜和颗粒薄膜，电阻率得到了较大提高，一定程度上抑制了涡流问题出现，但是这是以牺牲饱和磁化强度为代价的。高的软磁性能和高电阻率变成相反的参数，电阻率和软磁性能之间存在一个折中的问题，并不可能同时得到极佳的软磁性能和非常令人满意的电阻率。需要特别指出的是，在这种薄膜中由于仅有一个单轴各项异性，且人工调控单轴各向异性大小的能力有限，因此损耗带宽不大且不方便人工可调，见Ki Hyeon Kim，Masahiro Yamaguchi，Ken-Ichi Arai，Hideaki Nagura and Shigehiro Ohnuma：《Effect ofradio-frequency noise suppression on the coplanar transmissionline using soft magnetic thin films》，J.Appl.Phys 93，8002(2003)。

发明内容

本发明提供一种抑制电磁噪声的薄膜材料，解决现有薄膜材料存在的电磁噪声损耗带宽不大且不方便人工可调的问题。

本发明的一种抑制电磁噪声的薄膜材料，在基片上沉积有缓冲层，缓冲层上具有铁磁层，基片为化学性能稳定且表面平整的材料，其特征在于：在缓冲层上先沉积有铁磁层或反铁磁层，然后交替沉积有反铁磁层和铁磁层，最表面的铁磁层或反铁磁层上沉积有保护层。

所述的薄膜材料，其特征在于：

所述缓冲层材料选自下述材料的任一种或它们的多层组合：金属Ta、Pt、Cr、Cu、Ru或Au，合金NiFeCr、NiFe或CoFe；

所述铁磁层材料选自：Ni、Co、Fe中的一种或它们组成的二元或三元合金；

所述反铁磁层材料选自下述材料的任一种：Mn或者Mn和Pt、Cr、Ir、Fe和Ni组成的二元或三元合金或氧化物，Fe、Co或Ni的氧化物；

所述保护层材料选自下述材料的任一种：金属Ta、Pt、Cu或Au，合金NiFeCr，或者SiO₂或MgO。

所述的薄膜材料，其特征在于：

所述缓冲层厚度为1nm～40nm；

所述铁磁层每层厚度为1nm～1000nm；

所述反铁磁层每层厚度为2nm～200nm；

所述保护层厚度为1nm～100nm。

制备本发明的薄膜材料采用真空沉积镀膜法，在本底真空度优于10^-4Pa，且惰性气氛下进行沉积，工作气压为0.1～10Pa；先在基片上沉积缓冲层，再沉积一层铁磁层或反铁磁层，然后周期性的交替沉积反铁磁层和铁磁层，最后沉积一层保护层；所述的惰性气氛选自：氮气、氩气或氪气。

上述步骤获得多层膜材料后，还可以将其置于100～10000奥斯特强度的外加磁场下真空退火，其中退火温度为300～500℃、退火时间为0.1～5小时、本底真空度优于10^-3Pa，制备出最终的薄膜材料。

本发明的基片材料选自硅、玻璃或其他化学性能稳定且表面平整的物质的任一种；缓冲层用于控制薄膜的平整度，有时也用于诱导铁磁层和反铁磁层的晶体结构；保护层可防止铁磁层和反铁磁层氧化。

本发明的薄膜材料引入反铁磁层，利用其对铁磁层的钉扎效应，根据单向各项异性场的大小与铁磁层的厚度成反比的关系，实现人工大范围调控各项异性场，从而调控该薄膜材料的高频特性，得到想要的磁导率频谱性能；在此基础上，再通过交替沉积具有不同铁磁层厚度的铁磁/反铁磁多层，实现宽频带电磁噪声抑制。该薄膜材料具有非常好的人工可控性，可以在非常宽的频带内调控实现具有较大磁损耗值，是一种理想的电磁噪声抑制薄膜材料。

附图说明

图1是本发明实施例1的结构示意图；

图2是本发明实施例1的样品的磁滞回线；

图3是本发明实施例1的样品的磁导率频谱；

图4是本发明实施例2的结构示意图；

图5是本发明实施例2的样品的磁滞回线；

图6是本发明实施例2的样品的磁导率频谱；

图7是本发明实施例3的结构示意图；

图8是本发明实施例4的结构示意图；

图9是本发明实施例5的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图与实施例对本发明详细说明。

实施例1：

如图1所示，采用真空沉积镀膜法，如磁控溅射方法，本底真空度优于10^-5Pa，且惰性气氛下的沉积工作气压为0.5Pa，在玻璃基片11上沉积一40nm厚度的缓冲层，缓冲层为由先沉积的34nm Ta金属层21和后沉积的6nm Cu金属层22组成的复合双层；在缓冲层上沉积一层Ir₂₀Mn₈₀反铁磁层31，其厚度为10nm；在反铁磁层Ir₂₀Mn₈₀31上沉积CO₅₀Fe₅₀铁磁层41，其厚度为60nm，再继续沉积一层Ir₂₀Mn₈₀反铁磁层31，其厚度为10nm；继续两次交替沉积厚度为30nm的Co₅₀Fe₅₀铁磁层41、厚度为10nm的Ir₂₀Mn₈₀反铁磁层31；然后再继续三次交替沉积厚度为20nm的CO₅₀Fe₅₀铁磁层41、厚度为10nm的Ir₂₀Mn₈₀反铁磁层31；最后在Ir₂₀Mn₈₀反铁磁层31上沉积厚度4nm的金属Ta层51作为保护层。上述各层厚度或成分均为真空沉积样品时的值。

图2为本实施例的样品用振动样品磁强计测量的磁滞回线，图中从上到下，偏置场从小到大的回线分别对应于60nm的Co₅₀Fe₅₀铁磁层单层、两个30nm的铁磁层Co₅₀Fe₅₀和三层20nm的铁磁层Co₅₀Fe₅₀。图3为本实施例的样品用矢量网络分析仪通过微带线微扰法测量的磁导率频谱，在从1.78GHz到超过5GHz的频带范围内，磁导率虚部均大于75，说明该薄膜材料在宽频带的频率内具有较高的磁性损耗。

实施例2：

如图4所示，采用真空沉积镀膜法如磁控溅射方法，其中本底真空气压为优于10^-5Pa，且在氩气惰性气氛下的沉积工作气压为0.5Pa；在玻璃基片11上依次沉积一层4nm厚度的Ta金属层21，3nm厚度的Cu金属层22，该Ta/Cu金属双层组成缓冲层，在缓冲层上再沉积厚度为10nm的Ir₂₀Mn₈₀反铁磁层31，再继续两次交替沉积厚度为30nm的CO₅₀Fe₅₀铁磁层41、厚度为10nm的Ir₂₀Mn₈₀反铁磁层31；最后沉积厚度为1nm的金属Ta保护层51，上述各层厚度或成分均为真空沉积样品是的值。

图5为本实施例的样品用振动样品磁强计测量的磁滞回线，图中磁滞回线对应于沉积的两层30nm的Co₅₀Fe₅₀铁磁层。图6为本实施例的样品用矢量网络分析仪通过微带线微扰法测量的磁导率频谱，磁导率虚部仅有一个峰值。对比实施例1和实施例2，说明通过调整被钉扎的铁磁层Co-Fe的厚度以及采用不同Co-Fe厚度复合钉扎层叠加的方法，可以实现和制备出人工可调控的宽频带电磁噪声抑制薄膜材料。

实施例3：

如图7所示，采用真空沉积镀膜法如磁控溅射方法，其中本底真空气压为优于10^-5Pa，且在氩气惰性气氛下的沉积工作气压为0.4Pa；在硅基片12上依次沉积一层4nm厚度的Ta金属层21，2nm厚度的Ni₈₀Fe₂₀金属层23，该Ta/Ni₈₀Fe₂₀金属双层组成缓冲层，在缓冲层上沉积厚度为8nm的Fe₅₀Mn₅₀反铁磁层32，再继续两次交替沉积厚度为30nm的Ni₈₀Fe₂₀铁磁层42、厚度为8nm的Fe₅₀Mn₅₀反铁磁层32；最后沉积厚度为4nm的一层金属Pt保护层52。上述各层厚度或成分均为真空沉积样品是的值。

本实施例的电磁性能与实施例2样品的电磁性能基本相同。

实施例4：

如图8所示，首先采用真空沉积镀膜法，如磁控溅射方法，本底真空度优于10^-5Pa，且惰性气氛下的沉积工作气压为0.3Pa，在硅基片12上依次镀上4nm厚度的Ta金属层21，4nm厚度的Ni_45.6Fe_11.4Cr₄₃金属层24构成缓冲层，在缓冲层上沉积厚度为25nm的Mn反铁磁层33，再沉积厚度为200nm的Co₄₀Fe₄₀Ni₂₀铁磁层43，再继续两次交替沉积厚度为25nm的Mn反铁磁层33、厚度为100nm的Co₄₀Fe₄₀Ni₂₀铁磁层43；然后再继续三次交替沉积厚度为25nm的Mn反铁磁层33、厚度为50nm的Co₄₀Fe₄₀Ni₂₀铁磁层43；最后沉积一层厚度为4nm的氧化物SiO₂保护层53。上述各层厚度或成分均为真空沉积样品时的值。

本实施例的电磁性能与实施例1样品的电磁性能类似。

实施例5：如图9所示，采用真空沉积镀膜法如磁控溅射方法，其中本底真空气压为优于10^-5Pa，且在氩气惰性气氛下的沉积工作气压为0.5Pa；在玻璃基片11上依次沉积一层1nm厚度的Cu金属层22作为缓冲层、1000nm厚度的Fe铁磁层44、200nm厚度的NiO反铁磁层34、100nm厚度的Fe铁磁层44、30nm厚度的NiO反铁磁层34、1nm厚度的Fe铁磁层44、厚度为2nm的NiO反铁磁层34，最后沉积一层100nm厚度的SiO₂保护层53。

将上述步骤获得的多层膜材料，置于1000奥斯特强度的外加磁场下真空退火，其中退火温度为300℃、退火时间为1小时、本底真空度优于10^-3Pa，制备出最终的薄膜材料。

本实施例的电磁性能与实施例1样品的电磁性能基本相同。

Claims

1.一种抑制电磁噪声的薄膜材料，在基片上沉积有缓冲层，缓冲层上具有铁磁层，基片为化学性能稳定且表面平整的材料，其特征在于：在缓冲层上先沉积有铁磁层或反铁磁层，然后交替沉积有反铁磁层和铁磁层，最表面的铁磁层或反铁磁层上沉积有保护层。

2.如权利要求1所述的薄膜材料，其特征在于：

3.如权利要求1或2所述的薄膜材料，其特征在于：

所述缓冲层厚度为1nm～40nm；

所述铁磁层每层厚度为1nm～1000nm；

所述反铁磁层每层厚度为2nm～200nm；

所述保护层厚度为1nm～100nm。