CN114464433A - 一种基于软磁薄膜应用于太赫兹波段的平面电感 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于软磁薄膜平面电感的制备加工与太赫兹波段电感的测试方法，软磁薄膜为具有高频磁导率性能的磁性薄膜，以Fe‑基磁性薄膜为主，太赫兹波段磁导率高于2。开口环形软磁薄膜平面电感由（1）基片和（2）软磁薄膜组成，如图1所示。采用高真空磁控溅射方法与微纳加工工艺制备而成。开口环形平面电感结构的厚度为10~100 nm，在0.3‑1.5 THz频段，平面电感值为0.1~5 nH，施加100 Oe磁场，太赫兹波段电感值调谐率高于20%。相比于非磁金属或非软磁薄膜开口环形电感，本发明平面电感在太赫兹波段具有可调控性。开口环形软磁薄膜平面电感易于大规模生产，具有高的器件集成度和可调控特性。

Description

一种基于软磁薄膜应用于太赫兹波段的平面电感

技术领域

本发明属于应用于太赫兹波段的开口环形平面可调控电感，其中涉及了一种基于软磁薄膜平面电感的制备加工与太赫兹波段电感的测试方法。

背景技术

太赫兹波（THz）技术作为新兴的研究领域，其受到各国科学家的极大关注，重要原因是THz电磁波与微波、光波等波段的电磁波相比具有非常独特的性质：（1）在应用方面具有非常强的互补特征；（2）利用THz波通过特有的光谱特征识别有机分子；（3）THz波的典型脉宽在亚皮秒量级，可以进行亚皮秒、飞秒时间分辨的瞬态光谱研究，能够防止背景辐射噪音的干扰；（4）THz波具有很高的时间和空间相干性；（5）THz波的光子能量低。THz波的这些特点决定了THz技术在民用安检、医疗成像等方面有着极其重要的应用。因此，研制一种能够应用于太赫兹波段器件的可调控平面电感对发展太赫兹器件有着十分重要的意义。

发明内容

本发明目的是提供一种基于软磁薄膜应用于太赫兹波段的可调控平面电感，该电感以软磁纳米薄膜和开口环形平面电感结构为基础。

为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：制备一种单层纳米薄膜平面电感，单层薄膜为软磁薄膜，其矫顽场大小低于5 Oe，在外加小磁场100 Oe，可调控太赫兹波段的有效电感值。

优化地，软磁薄膜沉积于基片表面，所述基片材质为：电阻率高于8000 Ω·cm的高阻硅或二氧化硅材料，其中基底尺寸为20×20×0.5 mm³。

优化地，软磁纳米开口环形平面电感结构的厚度为10~100 nm。

优化地，在0.3-1.5 THz波段，软磁纳米开口环形平面结构电感值为0.1~5 nH，太赫兹波段调谐率高于20%。该开口环形薄膜可调控电感能够应用于太赫兹波段滤波器、谐振器等微纳电子无源器件，相比于单层非磁金属或其他铁磁薄膜开口环形电感具有高的复数磁导率和可调控性。

优化地，软磁纳米开口环形平面电感是采用高真空磁控溅射方法与微纳加工工艺制备而成。

本发明的又一目的在于提供一种在太赫兹波段具有高磁导率和可调控性的薄膜电感。这种用于制备太赫兹波段开口环形平面电感的材料可以是软磁FeN薄膜，或者是掺杂的FeNX薄膜。以FeN薄膜为例，选用纯度99.99%的Fe靶和高纯N₂进行制备。通过控制N₂流量多少的方式达到调控Fe_xN_y中各元素原子所占的比重，并通过XSP以及EDAX能谱测试的方式来确定各原子组分。

由于上述技术方案的运用，本发明与现有技术相比至少具有以下的优点：环形FeN铁磁薄膜平面电感相比于单层非磁金属或其他铁磁薄膜环形电感具有更高的复数磁导率和可调控性。同时，用FeN铁磁薄膜制备的平面电感具有结构简单、体积小、制作成本低的特点。并且利用此方案所制备的环形薄膜电感，在制作上易于加工和便于企业大规模生产的同时，拥有更高的集成度、更优越的节能特性。

附图说明

图1为开口环形软磁薄膜平面电感的结构示意图；

图2为本发明应用于太赫兹波段的软磁薄膜的平面开口环形电感的实物图；

图3为以FeN单层薄膜为例的软磁薄膜难轴和易轴方向磁滞回线图；

图4为磁场调控下开口环形薄膜电感的太赫兹波透射率；

图5为磁场调控下开口环形薄膜电感结构中太赫兹电场和磁场的分布图。

具体实施方式

本发明目的是提供一种基于软磁薄膜应用于太赫兹波段的可调控平面电感，软磁薄膜为具有优越高频磁导率性能的磁性薄膜，其矫顽场低于5 Oe，太赫兹波段磁导率高于2。软磁薄膜以Fe-基磁性薄膜为主，具有高的高频磁导率和可调控性，可用于太赫兹波段，而且制备简单、体积小、成本低。

这种软磁薄膜通常沉积于基片表面，结构示意图如图1所示，所述基片材质为电阻率高于8000 Ω·cm的高阻硅或二氧化硅材料，其中基底尺寸为20×20×0.5 mm³。

软磁纳米开口环形平面电感结构的厚度为10~100 nm，在0.3-1.5 THz波段，软磁纳米开口环形平面结构电感值为0.1~5 nH，太赫兹波段调谐率高于20%。

本发明的又一目的在于提供一种在太赫兹波段具有高磁导率和可调控性的薄膜电感。这种用于制备太赫兹波段开口环形平面电感的材料可以是软磁FeN薄膜，或者是掺杂的FeNX薄膜。以FeN薄膜为例，选用纯度99.99%的Fe靶和高纯N₂进行制备。通过控制N₂流量多少的方式达到调控Fe_xN_y中各元素原子所占的比重，并通过XSP以及EDAX能谱测试的方式来确定各原子组分。

上面所阐述的软磁薄膜平面开口环形电感的制备，包括以下步骤：（a）在超净间利用去离子水超声清洗基片表面；（b）采用紫外光刻机，对于均匀覆盖光刻胶的基片进行光刻工艺，刻蚀出电感单元阵列；（c）对于经过步骤（b）的产品进行裂片加工，裂片后基片尺寸大小为20×20×0.5 mm³；（d）将经过步骤（c）处理的基片进行高真空磁控溅射镀膜，薄膜厚度通过沉积时间控制；（e）将经过步骤（d）所得的软磁薄膜，浸没在装有丙酮的烧杯中，利用超声剥离技术，得到沉积于基片上的平面开口环形电感。其中，步骤（c）所提到的磁控溅射镀膜的加工工艺，是在沉积真空本底抽至1×10^-5 Pa以下完成的，其中参与测控溅射的软磁金属靶纯度为99.99%，采用的起辉气体为Ar气。通过XSP或EDAX能谱测试可以精确测得通过步骤（c）所制备的软磁薄膜中各元素的组分。

与现有电感专利相比，本发明至少具有如下优点：

（1）本发明直接针对可用于太赫兹波段的平面电感：在申请专利号202110836630.2的中国发明专利中的贴片式电感可稳定用于低频MHz波段，在申请专利号201910934819.8 的中国发明专利中的平面电感最高可用于GHz波段，目前的电感都无法应用于太赫兹波段，对THz技术的现实应用和潜在应用前景有一定的影响。本发明的软磁薄膜平面开口环形电感可用于太赫兹波段，可为太赫兹领域电子器件提供技术支撑。

（2）太赫兹波段性能稳定且制备成本低：在申请号为201010263865.9的中国发明专利中使用的基底是电阻为1000 Ω·cm的普通硅片，当在高频下使用时需要增加SiO₂、Si₃N₄作为绝缘隔离以减少衬底损耗带来的影响，这增加了平面电感的制备成本。本发明采用电阻率高于8000 Ω·cm的高阻硅或石英玻璃，材料成本略微增加，但大大减少了平面电感的制作成本。在申请号为201210526634.1的中国发明专利中，制备平面电感过程中所采用了手工折叠步骤，虽然便于操作，但其误差较大，难以大规模应用。本发明采用了微纳加工工艺与超声剥离技术相结合的方式，制备的软磁平面开口环形电感精度高，性能稳定。

（3）创新性地将软磁薄膜平面电感应用于太赫兹波段器件：在申请号为201610499863.7的中国发明专利中使用钛/金、铬/金等金属薄膜作为制备平面电感的材料，这些金属薄膜在太赫兹波段电感量小，且无法调控。本发明中选用软磁薄膜作为平面开口环形电感的材料，相比于非磁金属或其他铁磁金属具有更高的高频磁导率和可调控性。在申请号为201911281537.9的中国发明专利中基于超表面的太赫兹可调谐滤波器，需要通过改变不同的金属结构尺寸或者通过热或电刺激使得材料特性的介电常数发生变化来调节太赫兹滤波器的性能。而本发明的软磁薄膜平面开口环形电感不需要改变电感环形尺寸，只需要外加无接触的磁场即可实现电感的调控，工艺简单、灵活。

下面将结合附图对于本发明优选实施方案进行详细的说明。

实施例

本实施例提供一种基于FeN软磁薄膜平面开口环形电感的方式，设计所得的FeN薄膜平面开口环形电感实物图如图2所示，具体如下：

（1）在超净间对于高阻硅基片进行清洗：将双面抛光的高阻硅基片放入丙酮溶液中，进行20分钟的超声清洗，以去除表面吸附的杂质颗粒；继续在酒精溶液中，进行20分钟的超声清洗，进一步清洗高阻硅表面；接着使用去离子水超声在对其进行20分钟的超声清洗，去除表面残留，最后使用氮气将高阻硅基片吹干。

（2）根据掩膜版设计好的开口环形电感结构采用紫外光刻工艺具体流程如下：（a）将高阻硅基片固定于台式匀胶机的载物台上，在基片上缓缓滴上正性光刻胶：其中匀胶转速为500 rpm，甩胶转速为4500 rpm，匀胶时间与甩胶时间分别为6秒与30秒，光刻胶在硅片表面分布较均匀，其厚度约为2 μm；（b）将已经完成匀胶的基片放置在105 ℃加热台上烘120秒；（c）利用紫外光刻机对烘干的基片进行光刻，紫外曝光强度设置为20，曝光时间设置为3 s；（d）将完成曝光的基片放入正胶显影液中显影25 s，用以去除光刻胶，最后用去离子水漂洗20 s，并用氮气将基片吹干；（e）将完成显影操作的高阻硅基片放入显微镜下进行观察，检查光刻的开口环形结构是否完整，并对结果进行评估，如果存在大量不完整的开口环形图案则需要对于之前操作过程中重新进行光刻操作；（f）裂片操作：最后将完成光刻的硅片依据其背面事先划好的划痕进行裂片操作，经过裂片高阻硅基底的尺寸参数为20×20×10 mm³；（g）利用高真空磁控溅射对于薄膜进行沉积过程：将基片固定在托盘上并调整托盘与溅射靶之间的距离为8 cm，利用磁控溅射镀膜设备在高阻硅表明进行薄膜沉积，选取纯度99.99%的Fe靶，起辉气体为Ar气，沉积气体为N₂，其中N₂占流入腔体总气体体积的2~15%。通过控制N₂流量的方式达到调控Fe_xN_y中元素原子所占的比重，图3为Fe_0.90N_0.10软磁薄膜难轴和易轴方向的磁滞回线，其中磁化强度为18100 Gs，易轴方向矫顽力为3.2 Oe；（h）软磁薄膜的制备：在保证外界沉积条件不变的前提下，软磁薄膜的厚度通过控制沉积时间的方式来控制，利用XSP或者EDAX进行测试；

（3）剥离技术：将使用高真空磁控溅射工艺所制备的薄膜，浸没于丙酮溶液中浸泡30分钟后，放入超声清洗仪中选择10 -20 kHz频率进行剥离，在光学显微镜下可以观察到此时得到的软磁薄膜电感的形貌与掩膜版上图形的形貌一致，最终获得了FeN软磁薄膜平面开口环形电感。

（4）采用太赫兹时域光谱系统对FeN软磁薄膜平面开口环形电感进行测试，频率范围为0.4~0.95 THz，FeN软磁薄膜平面开口环形电感线宽度为s=30 μm，长度为250 μm，在频率0.672 THz处发生共振，外加100 Oe小磁场，共振频率偏移到0.694 THz处，实现单一频率下调谐率为26.9%，如图4所示。对太赫兹电感采用时域有限差分的方法进行模拟，发现外加磁场下，太赫兹电场改变率很小，太赫兹磁场的改变主导了电感的调谐率，如图5所示。

步骤（1）~ 步骤（3）为微纳加工工艺的核心步骤，通过以上步骤能够获得高制品软磁薄膜开口环形电感。

基于软磁薄膜应用于太赫兹波段的可调控平面电感的电感值可采用计算为：L=μ(p/2π)lg[1/sin(ωπ/2p)],其中，p为周期结构尺寸，ω表示的是线宽，μ为磁导率。以p=300μm，w=10 μm为例，可以获得太赫兹波段下电感值L=0.154 nH。

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 (10)

1.一种基于软磁薄膜应用于太赫兹波段的可调控平面电感，其特征在于：

制备的软磁薄膜平面电感在太赫兹波段为电感值可调控的薄膜电感。

2.根据权利要求1所述的软磁薄膜，其特征在于：用于制备平面电感的材料为Fe基软磁纳米薄膜，其矫顽场大小低于5 Oe，太赫兹波段磁导率高于2。

3.根据权利要求1所述的可调控的薄膜电感，其特征在于：在外加小磁场100 Oe，太赫兹波段的有效电感值可调控高于20%。

4.根据权利要求1所述的软磁薄膜平面电感，其特征在于：软磁薄膜沉积于基片表面，所述基片材质为：电阻率高于8000 Ω·cm的高阻硅或二氧化硅材料，其中基底尺寸为20×20×0.5 mm³。

5.根据权利要求1所述的软磁薄膜应用于太赫兹波段的可调控平面电感，其特征在于：平面电感是由单元结构的软磁薄膜开口环形结构和基片组成。

6.根据权利要求5所述的太赫兹波段的可调控平面电感，其特征在于：平面电感结构的厚度为10~100 nm，线宽5~50 μm，单元结构的尺寸300~500 μm。

7.根据权利要求1所述的软磁薄膜应用于太赫兹波段的可调控平面电感，其特征在于：软磁薄膜开口环形平面电感是采用高真空磁控溅射方法与微纳加工工艺制备而成。

8.根据权利要求2所述的Fe基软磁纳米薄膜，其特征在于：以氮化铁（FeN）软磁薄膜为例，化学组分可以表示为Fe_xN_y，Fe原子成分占比为0.70~0.95，N原子成分占比为0.05~0.30。

9.根据权利要求8所述的氮化铁软磁薄膜，其特征在于：薄膜制备过程中所使用到的Fe靶和N₂纯度都高于99.99%。

10.根据权利要求1所述的软磁薄膜应用于太赫兹波段的可调控平面电感，其特征在于：太赫兹波段为0.3-1.5 THz，可调控太赫兹波自由空间或太赫兹波波导中器件的平面电感值。

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