CN110660554A

CN110660554A - 一种高磁导率高频率平面电感及其制备方法

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Publication number: CN110660554A
Application number: CN201910934819.8A
Authority: CN
Inventors: 赵磊; 张晓渝; 章强; 邢园园; 马春兰
Original assignee: Suzhou University of Science and Technology
Current assignee: Nanjing Yicheng Technology Co.,Ltd.; Suzhou University of Science and Technology
Priority date: 2019-09-29
Filing date: 2019-09-29
Publication date: 2020-01-07
Anticipated expiration: 2039-09-29
Also published as: CN110660554B

Abstract

本发明涉及一种高磁导率高频率平面电感及其制备方法，它为软磁薄膜，其化学组分通式为Fe_xN_yHf_z；式中，x为0.7～0.9，y为0.05～0.15，z为0.05～0.15。该平面电感基于Fe_xN_yHf_z软磁薄膜，具有优异的软磁性能和高的磁导率，为FeNHf薄膜应用于高频电子器件的平面电感提供了必要的材料技术基础；而且结构简单、体积小、重量轻、空间集成度高。

Description

一种高磁导率高频率平面电感及其制备方法

技术领域

本发明属于平面电感领域，涉及一种平面薄膜电感，具体涉及一种高磁导率高频率平面电感及其制备方法。

背景技术

电感作为电子线路基础元件之一，被广泛应用在电子通讯设备等各电子领域。与电阻和电容相比，平面型电感要兼顾到高频和高电感值，这给它的实际应用带来了技术难度。而大电感值器件在集成电路中占有较大的体积，不利于电路的集成和小型化。因此，发展高频高磁导率平面型薄膜电感成为可行的方法之一。

目前，平面薄膜电感在单位面积上的电感值小、频率低；而大感量值的平面电感需要占用较大的面积，不利于电路的集成化和小型化。因此，研究基于高磁导率高频率的平面薄膜电感成为电子技术领域十分关注的工作。

发明内容

本发明目的是为了克服现有技术的不足而提供一种高磁导率高频率平面电感。

为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：一种高磁导率高频率平面电感，它为软磁薄膜，其化学组分通式如式(Ι)所示，

Fe_xN_yHf_z (Ι)；

式中，x为0.7～0.9，y为0.05～0.15，z为0.05～0.15。

优化地，它沉积在介质基片的任一表面上，所述介质基片的材质为玻璃、石英或高阻硅，所述高阻硅的电阻率高于10kΩ·cm。

优化地，它的厚度为40～80nm。

优化地，它的磁导率在0.8GHz频段上高于400，共振频率高于2.9GHz。

优化地，它为平面螺旋型，其线宽为10～50μm、导线间距为10～100μm、总的电感长度为0.1～1mm。

优化地，它的平面电感为5～500nH。

本发明的又一目的在于提供一种上述高磁导率高频率平面电感的制备方法，它包括以下步骤：

(a)在超净间清洗介质基片；

(b)采用紫外曝光光刻工艺，以光刻胶为掩膜，在介质基片表面刻蚀出电感单元阵列，裂片；

(c)采用磁控溅射工艺在步骤(b)的产品表面上进行沉积，形成软磁薄膜层；

(d)将步骤(c)的产品浸入剥离液中，进行剥离得形成在所述介质基片表面的所述高磁导率高频率平面电感。

优化地，步骤(c)中，所述磁控溅射工艺采用高真空磁控溅射设备，沉积真空本底抽至1×10^-5Pa以下，靶材选用99.99％纯度的铁靶，铁靶表面上均匀放置多个Hf金属片。

进一步地，步骤(c)中，以Hf金属片的数量控制软磁薄膜中Hf的原子百分比，通过XSP或EDAX能谱测试并确定各原子组分比。

进一步地，步骤(c)中，沉积起辉时采用Ar气，沉积气体为N₂，N₂占使用气体体积的5～10％。

由于上述技术方案运用，本发明与现有技术相比具有下列优点：本发明高磁导率高频率平面电感，基于Fe_xN_yHf_z软磁薄膜，具有优异的软磁性能和高的磁导率，为FeNHf薄膜应用于高频电子器件的平面电感提供了必要的材料技术基础；而且结构简单、体积小、重量轻、空间集成度高。

附图说明

图1为本发明高磁导率高频率平面电感的制备示意图；

图2为实施例1中Fe_xN_yHf_z软磁薄膜复数磁导率μ随频率的关系图：μ′为复数磁导率的实部，为弹性磁导率，表示FeNHf软磁薄膜在磁化过程中储能大小的物理量；μ″为复数磁导率的虚部，表示FeNHf软磁薄膜在磁化过程中损耗量的大小；μ＝μ′-jμ″；

图3为本发明高磁导率高频率平面电感在不同尺寸下的电感变化示意图；

图4为实施例2中FeNHf软磁薄膜复数磁导率μ随频率的关系图；

图5为实施例3中FeNHf软磁薄膜复数磁导率μ随频率的关系图；

图6为实施例3中FeNHf软磁薄膜元素分析图。

具体实施方式

本发明高磁导率高频率平面电感，它为软磁薄膜，其化学组分通式如式(Ι)所示，

Fe_xN_yHf_z(Ι)式中，x为0.7～0.9，y为0.05～0.15，z为0.05～0.15。基于Fe_xN_yHf_z(简写为FeNHf)软磁薄膜，具有优异的软磁性能和高的磁导率，为FeNHf薄膜应用于高频电子器件的平面电感提供了必要的材料技术基础；而且结构简单、体积小、重量轻、空间集成度高。

它通常沉积在介质基片的任一表面上，所述介质基片的材质为玻璃、石英或高阻硅，所述高阻硅的电阻率高于10kΩ·cm。

平面电感的厚度优选为40～80nm；它的磁导率在0.8GHz频段上高于400，共振频率高于2.9GHz；它为平面螺旋型，其线宽为10～50μm、导线间距为10～100μm、总的电感长度为0.1～1mm；它的平面电感为5～500nH。

上述高磁导率高频率平面电感的制备方法，它包括以下步骤：(a)在超净间清洗介质基片；(b)采用紫外曝光光刻工艺，以光刻胶为掩膜，在介质基片表面刻蚀出电感单元阵列，裂片；(c)采用磁控溅射工艺在步骤(b)的产品表面上进行沉积，形成软磁薄膜层；(d)将步骤(c)的产品浸入剥离液中，进行剥离得形成在所述介质基片表面的所述高磁导率高频率平面电感。步骤(c)中，所述磁控溅射工艺采用高真空磁控溅射设备，沉积真空本底抽至1×10^-5Pa以下，靶材选用99.99％纯度的铁靶，铁靶表面上均匀放置多个Hf金属片。步骤(c)中，以Hf金属片的数量控制软磁薄膜中Hf的原子百分比，通过XSP或EDAX能谱测试并确定各原子组分比。步骤(c)中，沉积起辉时采用Ar气，沉积气体为N₂，N₂占使用气体体积的5～10％。

与现有平面电感专利相比，本发明至少具有如下优点：(1)使用材料不同：在申请号为201710587547.X和201210526634.1的中国发明专利中，分别选用FeNi以及铁镍等合金材料作为磁芯材料，而本发明中则选用FeNHf为磁芯，相比之下，具有更高工作频率和磁导率的优势；(2)实用性强：相比申请号为201710587547.X的中国发明专利中所设计的多层复合结构，本发明的平面电感结构简单，体积小，重量轻，空间集成度高；(3)商业化价值高，相比申请号为201210526634.1的中国发明专利中完成平面电感制备所需要花费的时间以及成本，本发明制备平面电感的时间成本和生产成本更低，更适合商业化；(4)可靠性强，相比申请号为201210526634.1的中国发明专利制备平面电感过程中所采用的手工折叠这一步骤，本发明在完成平面螺旋电感制备过程中，都采用微纳加工工艺进行操控，精准度高，可靠性强。

下面将结合附图对本发明优选实施方案进行详细说明：

实施例1

本实施例提供一种高磁导率高频率平面电感及其制备方法，如图1所以，具体如下：

(a)在超净间清洗基片(按基片材质选择不同的清洗方式和流程)：将4英寸硅片(基片尺寸能根据要求切割定制)先采用丙酮超声10分钟，接着用酒精超声10分钟，最后用去离子水超声10分钟，氮气吹干；

(b)采用常规的紫外曝光光刻工艺进行处理，具体的工艺流程如下：(1)将清洗后基片固定在KW-4A型台式匀胶机的真空吸盘上，然后在基片表面旋涂RZJ-304正性光刻胶；匀胶转速为3500rpm；匀胶时间60s；光刻胶厚度为2μm；(2)前烘RZJ-304：温度为110℃，时间为150s；(3)光刻正胶：将基片放置于光刻机上，然后根据事先安装好的光刻掩膜版找准合适位置进行曝光，曝光时间为5s；(4)显影：用市售正胶显影液将已曝光的正胶去除，显影时间约为20s，然后将基片放入去离子水清洗干净，接着，将清洗后的基片用氮气吹干；(5)显影检查：将显影后的基片放在显微镜下进行观察，检查光刻结构的完整性，然后根据观察结果判断是否需要重新光刻；(6)最后将光刻完成后的硅片进行裂片，裂片面积为10×10mm²。

(c)采用高真空磁控溅射设备进行常规的磁控溅射工艺(沉积真空本底抽至1×10^-5Pa以下，靶材为99.99％纯度的铁靶，铁靶表面上均匀放置4个3×3×0.5mm³的Hf金属片；沉积薄膜过程中，起辉采用Ar气，沉积气体为N₂，N₂占使用气体体积的5～10％)，在制备好的光刻胶基片上(步骤(b)的产品)沉积约50nm厚的Fe_xN_yHf_z软磁薄膜；通过XSP或EDAX能谱测试确定各原子组分比：x为0.7，y为0.1，Hf为0.2。此时获得最高Snoek极限FeNHf软磁薄膜；同时在0.5GHz频段，其磁导率约为400，共振频率为2.93GHz，Snoek乘积为1.17×10¹²，如图2所示。

(d)将沉积软磁薄膜的基片放在丙酮中浸泡，进行常规的剥离工艺(剥离时可以选择30～50kHz的超声，以提高剥离效率和保证基片表面图形的完整性)，最终获得基于FeNHf软磁薄膜的平面电感。通过上述微纳加工工艺制备(步骤(b)-步骤(d))成螺旋平面电感，其线宽为10～50μm，导线间距为10～100μm，线长为0.1～1mm，FeNHf软磁薄膜平面电感的大小范围为5～500nH；如图3所示，FeNHf软磁薄膜平面电感随电感线宽w的增加而小幅度地降低，这表明了电感线宽的变化对平面电感影响不是十分灵敏，线宽不是影响平面电感值的主要因素；其次，从图中还能够看出，当电感总长度在0.1～1mm范围时，FeNHf软磁薄膜平面电感随电感总长度的增加而大幅提高，这说明电感总长度对平面电感值的影响较大，同时也验证了电感值的大小和平面螺旋尺寸的相关性。

平面电感的电感值算可采用如下公式计算：

其中，l为电感总长度，w为线宽，t为基片厚度，μ为磁性薄膜的磁导率；从上述公式中可以看出，电感值的大小不仅与平面螺旋的尺寸相关，更依赖于磁性材料的磁导率。通常金属材料或铁氧体材料等磁性材料在高频2-5GHz频段很难具有高于100的磁导率，因此，这些材料很难应用于高频的平面电感器件。要发展电子器件中所需的高频平面电感，需要有合适的高频高磁导率薄膜。当然，本发明还可采用其他的软磁材料来制作平面电感，如坡莫合金、仙台斯特合金、软磁铁氧体等，不同的软磁材料主要是磁导率，矫顽力以及饱和磁化强度不同。

实施例2

本实施例提供一种高磁导率高频率平面电感及其制备方法，它与实施例1中的基本一致，不同的是：铁靶表面上均匀放置3个3×3×0.5mm³的正方体状的Hf金属片，通过XSP或EDAX能谱测试确定各原子组分比：x为0.7，y为0.15，Hf为0.15。此时在0.5GHz频段，其磁导率约为220，共振频率为2.1GHz，Snoek乘积为4.62×10¹¹，如图4所示。

实施例3

本实施例提供一种高磁导率高频率平面电感及其制备方法，它与实施例1中的基本一致，不同的是：铁靶表面上均匀放置1个3×3×0.5mm³的正方体状的Hf金属片，此时在0.5GHz频段，其磁导率约为330，共振频率为1.8GHz，Snoek乘积为5.94×1011，如图5所示。通过XSP或EDAX能谱测试确定各原子组分比：x为0.9，y为0.05，Hf为0.05，如图6所示。

对比例1

本实施例提供一种平面电感及其制备方法，它与实施例1中的基本一致，不同的是：未通入N₂，并且铁靶表面上均匀放置Ni金属片；不能获得FeNHf软磁薄膜。

上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围，凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种高磁导率高频率平面电感，其特征在于：它为软磁薄膜，其化学组分通式如式(Ι)所示，

Fe_xN_yHf_z (Ι)；

式中，x为0.7～0.9，y为0.05～0.15，z为0.05～0.15。

2.根据权利要求1所述的高磁导率高频率平面电感，其特征在于：它沉积在介质基片的任一表面上，所述介质基片的材质为玻璃、石英或高阻硅，所述高阻硅的电阻率高于10kΩ·cm。

3.根据权利要求1所述的高磁导率高频率平面电感，其特征在于：它的厚度为40～80nm。

4.根据权利要求1所述的高磁导率高频率平面电感，其特征在于：它的磁导率在0.8GHz频段上高于400，共振频率高于2.9GHz。

5.根据权利要求1所述的高磁导率高频率平面电感，其特征在于：它为平面螺旋型，其线宽为10～50μm、导线间距为10～100μm、总的电感长度为0.1～1mm。

6.根据权利要求1所述的高磁导率高频率平面电感，其特征在于：它的平面电感为5～500nH。

7.权利要求1至6中任一所述高磁导率高频率平面电感的制备方法，其特征在于，它包括以下步骤：

(a)在超净间清洗介质基片；

8.根据权利要求7所述高磁导率高频率平面电感的制备方法，其特征在于：步骤(c)中，所述磁控溅射工艺采用高真空磁控溅射设备，沉积真空本底抽至1×10^-5Pa以下，靶材选用99.99％纯度的铁靶，铁靶表面上均匀放置多个Hf金属片。

9.根据权利要求8所述高磁导率高频率平面电感的制备方法，其特征在于：步骤(c)中，以Hf金属片的数量控制软磁薄膜中Hf的原子百分比，通过XSP或EDAX能谱测试并确定各原子组分比。

10.根据权利要求8所述高磁导率高频率平面电感的制备方法，其特征在于：步骤(c)中，沉积起辉时采用Ar气，沉积气体为N₂，N₂占使用气体体积的5～10％。