CN105990321B - 一种基于铁镍多元合金磁芯的微型薄膜电感 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于铁镍多元合金磁芯的微型薄膜电感，属于微电感器件技术领域。该电感包括薄膜磁芯和线圈，所述薄膜磁芯为铁镍多元合金薄膜，其中：所述薄膜磁芯作为线圈的内芯，即线圈螺旋缠绕于薄膜磁芯之外；或者，所述薄膜磁芯作为外芯，即线圈包裹于薄膜磁芯之内。本发明通过调整磁芯材料铁、镍、磷、稀土多元合金的成分与制备工艺，可实现各向异性、矫顽力小、电阻率高、磁感应强度高的性能，从而使电感器的损耗减少、工作频率和品质因子提高，在微电子器件领域有良好的适用性。
Description
技术领域
本发明涉及微电子技术领域，具体涉及一种微电感器件，特别是涉及一种基于铁镍多元合金磁芯的微型薄膜电感，该微型薄膜电感有利于三维微系统技术的集成，有效降低电感的体积从而提高空间集成度，如片上系统集成、CMOS器件集成，对射频高频电路、电磁兼容降噪电路、雷达电路装置等领域有重大意义。
背景技术
电子元器件的小型化是电子产品的小型化、微型化的前提，而磁性器件如电感器件及由其构成的电源变压器、DC-DC变换器、振荡器、滤波器、放大器和调谐器等是电子电路必不可少的重要元件，因此电感器件的微型化备受关注。随着三维集成微系统技术的开发，如何在芯片上实现功率转换，开发性能优异的芯片上电感是微电子行业的重大挑战。
过去20年里，为了实现芯片上电感元件的集成，避免无芯电感的电磁兼容、陶瓷芯的高温制作工艺问题，磁芯电感的材料、制作工艺、结构设计等一直被广泛地研究。加入磁芯能在一定频率内有效提高电感值、减小电磁干扰，但也引入了高频使用时磁芯的损耗、电感值下降快的问题。目前，磁芯材料关注的性能有(1)低矫顽力以减小磁滞损耗；(2)高电阻率以减小涡流损耗和趋肤效应；(3)高饱和磁感应强度以提高电流处理能力。(4)高相对磁导率以提高电感增量。(5)高各向异性场以利用难轴磁滞损耗较小的特点提高工作频率。材料高频的本征磁性不仅与其饱和磁化强度成正比，而且与其内部的难磁化面与易磁化面内的两个各向异性场的比值的平方根成正比，即具有双各向异性的材料的高频磁性将会成倍的提高。
因此开发新型磁芯材料，减少矫顽力，提高电阻率、饱和磁感应强度、磁导率，实现材料的各向异性显得尤为重要。而且，目前现有的磁芯材料，如Fe基、Co基软磁材料都有性能不足或制备难、成本高的问题，因此如何获得高性价比的薄膜磁芯材料并制造高性能芯片上电感元件，在微电子器件和微系统集成技术领域有重要的应用价值。
发明内容
本发明的目的是针对现有技术的不足和市场对微型化电感器件的需求，提供了一种基于铁镍多元合金磁芯的微型薄膜电感。铁、镍、磷、稀土多元合金薄膜磁芯材料保持了铁镍软磁材料低矫顽力的优势，在此基础上通过增加稀土元素与促进非晶化的磷元素，提高了磁感应强度和电阻率，同时通过增加外加磁场诱导以及合理电感设计使得薄膜磁芯材料产生了各向异性，这使得到的微电感器件在原铁镍软磁材料的基础上大大地提高了工作频率，减少了磁损耗，具有高电感量、高品质因素的特点，可广泛地应用于芯片上系统(SOC)的集成和微电子器件的开发。
为实现上述目的，本发明是通过以下技术方案实现的：
一种基于铁镍多元合金磁芯的微型薄膜电感，包括薄膜磁芯和线圈，所述薄膜磁芯为铁镍多元合金薄膜，其中：所述薄膜磁芯作为线圈的内芯，即线圈螺旋缠绕于薄膜磁芯之外；或者，所述薄膜磁芯作为外芯，即线圈包裹于薄膜磁芯之内。
所述电感还包括衬底材料、钝化层、种子层和绝缘材料，其中：所述衬底材料上设有钝化层，钝化层上布置薄膜磁芯和线圈，在线圈之间以及线圈与薄膜磁芯之间通过设置绝缘材料保持绝缘；所述薄膜磁芯和线圈通过直流电镀方式制备，以种子层作为电镀薄膜磁芯和线圈时的基底层。所述线圈为薄膜状，线圈的两端分别连接引线，引线再连接引脚。
所述铁镍多元合金薄膜中，铁元素含量为20-65wt.％，镍元素含量为20-70wt.％，铁和镍两者含量之和为70-90wt.％，稀土元素含量为0.1-5wt.％，其余为磷；其中：所述稀土元素为La、Ce、Nd、Eu、Sm和Gd中的任意一种或两种。
采用直流电镀制备铁镍多元合金薄膜时，电镀液组成为：FeSO4为0.01-0.09mol/L，NiSO4为0.01-0.09mol/L，NaH2PO2为0.1-0.3mol/L，RECl3为0.5-4g/L，H3BO3为0.5-2mol/L，Na3C6H5O7为0.1-0.2mol/L，其余为去离子水；电镀工艺参数为：电镀阳极采用Fe和Ni纯金属板，电流密度10-50mA/cm2；调节镀液pH值为2-5，加热至40-70℃，电镀时间为5-40min。
所述薄膜磁芯厚度为0.5～30μm，通过直流电镀的时间和电流大小控制；所述薄膜磁芯为单层结构或叠层结构，薄膜磁芯为叠层结构时，不同层内材料的组织和成分能够根据需要进行调整。
所述薄膜磁芯具有各向异性，包括膜面内的各向异性，以及在垂直和平行磁芯膜面方向因维度差异导致的各向异性。所述膜面内的各向异性是由材料制备和/或由电感结构或形状设计产生，如在直流电镀方式制备薄膜磁芯过程中，可通过施以外加磁场诱导磁芯产生各向异性；或者，在制备的薄膜磁芯上通过设计凹槽或增加气隙的方式使磁芯产生各向异性。
所述磁芯材料电镀后状态矫顽力最小能达0.3Oe，磁芯材料饱和磁感应强度最高能达2.5T，磁芯材料其电阻率最高可达700μΩ·cm。
所述衬底为硅、锗、硅锗或砷化镓，或者含有不同电路结构的CMOS器件及芯片上微处理系统等。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
1、本发明提出了一种新型的基于铁镍多元合金薄膜磁芯的微型电感，由于磁芯材料在传统的铁镍合金的基础上进行了改性优化，加入稀土元素合金化和磷元素非晶化，磁感应强度、电阻率、各向异性都有了很大的提高，所以电感器在高频使用过程中品质因子提高，损耗减小。
2、本发明中制备的基于铁镍多元合金的薄膜磁芯，磁芯材料成分在一定范围内可控，对磷含量的调控及晶化处理还可获得晶态或非晶态的薄膜。通过调节不同元素的成分含量和微观结构，可实现对磁芯材料性能的调控。若配合不同线圈设计，能达到效果更优的电感器。
3、本发明中磁芯镀液体系简单，具有易于生产、成本较低的优势。
4、磁芯材料和线圈均可由直流电镀工艺制备，而且可以与现有的晶圆级封装制备技术兼容，容易产业化。
5、本发明中提出的基于铁镍多元合金薄膜磁芯的微型电感，其制备精度在微纳尺度范围内可控，电感尺寸可从厘米缩小到毫米微米尺度，体积小，性能高，便于晶圆级量产和三维叠层封装，易于实现器件或产品的高密度集成。
附图说明
图1为实施例1中基于铁镍多元合金磁芯的微型薄膜电感结构示意图。
图2为图1的放大A-A剖视图。
图3为实施例1中制备基于铁镍多元合金的微型薄膜电感流程图；其中：
(a)准备好带钝化层2的衬底1，布置种子层Ⅰ31和光刻胶4；
(b)电沉积底层磁芯51；
(c)布置绝缘层Ⅰ61；
(d)准备种子层Ⅱ32和光刻胶4，为电镀线圈7、引线8、引脚9做准备；
(e)电镀线圈7及引线8、引脚9；
(f)在线圈7之间及上方布置绝缘层Ⅱ62；
(g)图形化绝缘层Ⅱ62并布置种子层Ⅲ33；
(h)电沉积顶层磁芯52；
图4为实施例2中基于铁镍多元合金磁芯的微型薄膜电感结构示意图。
图5为图4的放大A-A剖视图。
图1-5中：1-衬底；2-钝化层；3-种子层；31-种子层Ⅰ；32-种子层Ⅱ；33-种子层Ⅲ；4-光刻胶；5-磁芯；51-底层磁芯；52-顶层磁芯；6-绝缘材料；61-绝缘层Ⅰ；62-绝缘层Ⅱ；7-线圈；8-引线；9-引脚。
图6为铁镍多元合金磁芯平行于膜面内易轴方向和垂直于膜面的磁滞回线，已经过归一化处理。
图7为铁镍多元合金磁芯平行于膜面内两个方向的磁滞回线；其中，各向异性场一般为两条磁滞回线在第一象限所包围面积差的两倍来衡量，如图所示，通过外加磁场诱导，铁镍多元合金薄膜产生了明显的磁各向异性。
图8是以软磁材料铁镍合金作为比较组，本发明制备的铁镍多元合金磁芯材料具有较高的电阻率。
图9为实施例1电感中铁镍合金多元磁芯扫描截面形貌。
具体实施方式
下面结合附图及实施例对本发明作进一步详细说明。
如图1-2、4-5所示，本发明基于铁镍多元合金磁芯的微型薄膜电感包括薄膜磁芯5和线圈7，其结构可以是磁芯5包裹线圈7的形式，也可以是线圈7缠绕磁芯5的形式。所述电感还包括衬底1、钝化层2、种子层3和绝缘材料6，其中：所述衬底1上设有钝化层2，钝化层2上布置薄膜磁芯5和线圈7，在线圈7之间以及线圈7与薄膜磁芯5之间通过设置绝缘材料6保持绝缘，所述的绝缘材料6为聚酰亚胺或其替代品；在本发明中，绝缘材料6不仅起到绝缘磁芯5和线圈7的作用，还起到支撑作用。
所述薄膜磁芯5和线圈7通过直流电镀方式制备，以种子层3作为电镀薄膜磁芯和线圈时的基底层，所述种子层3在本发明中是为了电镀作准备的，需考虑与上下层材料之间的结合问题，视材料不同而有所不同，能够保证导电和结合力即可。
所述薄膜磁芯为铁镍多元合金薄膜材料，其成分结构均可调控。通过调节直流电镀液的成分与电镀工艺，可达不同元素含量的铁、镍、磷、稀土多元合金薄膜镀层，该材料中各元素含量为：铁元素含量为20-65wt.％，镍元素含量为20-70wt.％，铁和镍两者含量之和为70-90wt.％，稀土元素含量为0.1-5wt.％，其余为磷；其中：所述稀土元素为La、Ce、Nd、Eu、Sm和Gd中的任意一种或两种。
所述铁镍多元合金薄膜磁芯采用直流电镀方法制备，电镀液组成为：FeSO4为0.01-0.09mol/L，NiSO4为0.01-0.09mol/L，NaH2PO2为0.1mol/L，RECl3为0.5-4g/L(RE为稀土元素)，H3BO3为0.5-2mol/L，Na3C6H5O7为0.1-0.2mol/L，其余为去离子水；电镀工艺参数为：电镀阳极采用Fe和Ni纯金属板，电流密度10-50mA/cm2；调节镀液pH值为2-5，加热至40-70℃，电镀时间为5-40min。通过调节直流电镀的时间和电流大小控制所述薄膜磁芯厚度为0.5～30μm。
所述薄膜磁芯可设计为单层结构或叠层结构，通过变化铁、镍、磷、稀土中一种或多种元素的含量，可使其内部产生多个片层，目的是将磁通限制在叠片结构内，减少磁损耗。
本发明中铁镍多元合金薄膜具有双重各向异性的特点，包括膜面内由材料制备产生的各向异性和由电感结构或形状设计产生的各向异性，以及在垂直和平行膜面方向因维度差异导致的各向异性。在以直流电镀方式制备薄膜磁芯过程中，通过外加磁场诱导和优化设计磁芯薄膜的结构和外形中的一种或两种方式，可获得膜面内不同方向的各向异性。
所述衬底为硅、锗、硅锗、碳化硅或砷化镓，或者含有不同电路结构的CMOS器件及芯片上微处理系统等。
所述线圈为薄膜状，线圈的两端分别连接引线，引线再连接引脚。所述线圈引线及引脚结构可变，包含但并不限于单一条形、多条传输线形、平面螺旋形、平面跑道形、螺线管结构等等。材料可以是铜或铝，一般采用电镀的方法制备，也可以采用先制备图形化的铜箔再粘结等方法。
本发明上述微型薄膜电感中，磁芯材料电镀后状态矫顽力最小能达0.3Oe，磁芯材料饱和磁感应强度最高能达2.5T，磁芯材料其电阻率最高可达700μΩ·cm。铁镍多元合金薄膜磁芯具有明显的各向异性。
实施例1
本实施例为基于铁镍多元合金磁芯的微型薄膜电感，其结构形式是将薄膜磁芯5作为外芯，即线圈7包裹于薄膜磁芯5之内，线圈7采用跑道形状，该电感结构具体如下：
如图1-2所示，该电感结构包括衬底1、薄膜磁芯5(由底层磁芯51和顶层磁芯52组成)、种子层(包括种子层Ⅰ31、种子层Ⅱ32和种子层Ⅲ33)、绝缘材料(包括绝缘层Ⅰ61和绝缘层Ⅱ62)、线圈7、引线8、引脚9。其中衬底1的表面根据电感设计，用光刻胶4图形化，在图形化的窗口中溅射种子层Ⅰ31；在种子层Ⅰ31上电镀底层磁芯51，并在底层磁芯51上制备绝缘层Ⅰ61，溅射种子层Ⅱ32，使用光刻胶4图形化，为电镀线圈7、引线8、引脚9作准备；在线圈7之间和上方均制备绝缘层Ⅱ62，并溅射种子层Ⅲ33，最后电镀顶层磁芯52，并保证顶层磁芯52与底层磁芯51接触。
所述的钝化层2一般为氧化物，起绝缘保护作用；所述的线圈7采用了平面跑道形结构；所述的绝缘材料采用了聚酰亚胺绝缘材料；
所述的种子层I31将硅片衬底1与底层磁芯51相接，可采用400nm Cu/100nm Ti层。种子层Ⅱ32为电镀铜线圈、引线和引脚所需，可采用100nm Cu；种子层Ⅲ33为电镀顶层磁芯52所需，采用100nm Ni。
图3是本实施例薄膜电感结构的制备工艺流程图，该工艺步骤为：
(1)准备带钝化层2的单晶硅片衬底1，溅射种子层Ⅰ31，使用光刻胶4选择性掩蔽露出电镀窗口，如图3(a)；
(2)在种子层Ⅰ31上电沉积底层磁芯51，如图3(b)；
(3)去除光刻胶4，在底层磁芯51上，涂覆聚酰亚胺形成绝缘层Ⅰ61，如图3(c)；
(4)在绝缘层Ⅰ61上溅射100nm铜种子层Ⅱ32，按线圈以及引线和引脚的形状用光刻胶4图形化，如图3(d)；
(5)在图形化窗口内，整体电镀线圈7及引线8、引脚9，如图3(e)；
(6)去除光刻胶4，在线圈7之间和上方涂覆聚酰亚胺形成绝缘层Ⅱ62，如图3(f)；
(7)选择性地去除部分绝缘层Ⅱ62，溅射100nm Ni种子层Ⅲ33为电镀顶层磁芯52做准备，如图3(g)；
(8)电沉积顶层磁芯52，并保证顶层磁芯52与底层磁芯51接触，如图3(h)。
上述步骤(2)和(8)直流电镀铁、镍、磷、稀土多元合金的磁芯时，增加200Oe平行于膜面方向的磁场进行沉积。电镀液组成为FeSO4为0.039mol/L，NiSO4为0.061mol/L，NaH2PO2为0.1mol/L，CeCl3为1g/L，H3BO3为0.5mol/L，Na3C6H5O7为0.1mol/L，其余为去离子水。电镀工艺参数为：电镀阳极采用Fe和Ni纯金属板，电流密度36mA/cm2，调节镀液pH值为2，加热至55℃，电镀时间为30min进行电沉积。
本实施例制备的基于铁镍多元合金磁芯的微型薄膜电感，铁镍多元合金磁芯平行于膜面内易轴方向和垂直于膜面的磁滞回线如图6；平行于膜面内两个方向的磁滞回线如图7；各向异性场一般为两条磁滞回线在第一象限所包围面积差的两倍来衡量，由图7可以看出，通过外加磁场诱导，铁镍多元合金薄膜产生了明显的磁各向异性。
图8是以软磁材料铁镍合金作为比较组，本发明制备的铁镍多元合金磁芯材料具有较高的电阻率。本实施例制备的基于铁镍多元合金磁芯的微型薄膜电感，铁镍多元合金磁芯表面平滑，如图9所示，图中磁芯薄膜与硅基体标出，钝化层与种子层尺寸较小，为纳米级，位于磁芯薄膜与硅基体之间难以分辨，磁芯为非晶组织，电阻率为345μΩ·cm，磁感应强度为1.97T，矫顽力为4.9Oe。以软磁材料铁镍合金作为比较组，本发明制备的铁镍多元合金磁芯具有较高的电阻率(图8)。
实施例2
本实施例为基于铁镍多元合金磁芯的微型薄膜电感，其结构形式是将薄膜磁芯作为线圈的内芯，即线圈螺旋缠绕于薄膜磁芯之外，该电感结构如图4-5，该薄膜电感的工艺与实施例1不同之处在于：第一，由于线圈7采用螺线管的结构，磁芯5被缠绕包裹在线圈7内，由绝缘材料6分隔，因此电镀步骤顺序为先电镀底层一部分线圈，再电镀磁芯5，最后电镀顶层线圈形成回路；
第二，直流电镀铁镍多元合金薄膜磁芯5的过程中，电镀液组成为FeSO4为0.02mol/L，NiSO4为0.08mol/L，NaH2PO2为0.1mol/L，LaCl3为1g/L，H3BO3为0.5mol/L，Na3C6H5O7为0.1mol/L，其余为去离子水。
本实施例制备的基于铁镍多元合金磁芯的微型薄膜电感，铁镍多元合金磁芯表面较为平滑，为非晶组织，电阻率为420μΩ·cm，磁感应强度为1.38T，矫顽力为7.6Oe。
Claims (9)
1.一种基于铁镍多元合金磁芯的微型薄膜电感，其特征在于：该电感包括薄膜磁芯和线圈，所述薄膜磁芯为铁镍多元合金薄膜，薄膜磁芯厚度为0.5～30μm，其中：所述薄膜磁芯作为线圈的内芯，即线圈螺旋缠绕于薄膜磁芯之外；或者，所述薄膜磁芯作为外芯，即线圈包裹于薄膜磁芯之内；所述铁镍多元合金薄膜中，铁元素含量为20-65wt.％，镍元素含量为20-70wt.％，铁和镍两者含量之和为70-90wt.％，稀土元素含量为0.1-5wt.％，其余为磷；其中：所述稀土元素为La、Ce、Nd、Eu、Sm和Gd中的任意一种或两种。
2.根据权利要求1所述的基于铁镍多元合金磁芯的微型薄膜电感，其特征在于：所述电感还包括衬底材料、钝化层、种子层和绝缘材料，其中：所述衬底材料上设有钝化层，钝化层上布置薄膜磁芯和线圈，在线圈之间以及线圈与薄膜磁芯之间通过设置绝缘材料保持绝缘；所述薄膜磁芯和线圈通过直流电镀方式制备，以种子层作为电镀薄膜磁芯和线圈时的基底层。
3.根据权利要求2所述的基于铁镍多元合金磁芯的微型薄膜电感，其特征在于：直流电镀铁镍多元合金薄膜时，电镀液组成为：FeSO4为0.01-0.09mol/L，NiSO4为0.01-0.09mol/L，NaH2PO2为0.1-0.3mol/L，RECl3为0.5-4g/L，H3BO3为0.5-2mol/L，Na3C6H5O7为0.1-0.2mol/L，其余为去离子水；电镀工艺参数为：电镀阳极采用Fe和Ni纯金属板，电流密度10-50mA/cm2；调节镀液pH值为2-5，加热至40-70℃，电镀时间为5-40min。
4.根据权利要求3所述的基于铁镍多元合金磁芯的微型薄膜电感，其特征在于：所述薄膜磁芯厚度通过直流电镀的时间和电流大小控制；所述薄膜磁芯为单层结构或叠层结构，薄膜磁芯为叠层结构时，不同层内材料的组织和成分能够根据需要进行调整。
5.根据权利要求3所述的基于铁镍多元合金磁芯的微型薄膜电感，其特征在于：所述薄膜磁芯具有各向异性，包括膜面内的各向异性，以及在垂直和平行膜面方向的各向异性。
6.根据权利要求5所述的基于铁镍多元合金磁芯的微型薄膜电感，其特征在于：所述膜面内的各向异性是在直流电镀制备薄膜磁芯过程中，通过施以外加磁场诱导的方式和/或在薄膜磁芯上设计凹槽或增加起隙的方式产生。
7.根据权利要求2所述的基于铁镍多元合金磁芯的微型薄膜电感，其特征在于：所述线圈为薄膜状，线圈的两端分别连接引线，引线再连接引脚。
8.根据权利要求1所述的基于铁镍多元合金磁芯的微型薄膜电感，其特征在于：所述磁芯材料电镀后状态矫顽力最小能达0.3Oe，磁芯材料饱和磁感应强度最高能达2.5T，磁芯材料其电阻率最高可达700μΩ·cm。
9.根据权利要求2所述的基于铁镍多元合金磁芯的微型薄膜电感，其特征在于：所述衬底为硅、锗、硅锗、碳化硅或砷化镓，或者含有不同电路结构的CMOS器件及芯片上微处理系统。
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