EP1905051A1 - Dispositif radiofrequence avec element magnetique procede de fabrication d'un tel element magnetique - Google Patents

Dispositif radiofrequence avec element magnetique procede de fabrication d'un tel element magnetique

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EP1905051A1
EP1905051A1 EP06778886A EP06778886A EP1905051A1 EP 1905051 A1 EP1905051 A1 EP 1905051A1 EP 06778886 A EP06778886 A EP 06778886A EP 06778886 A EP06778886 A EP 06778886A EP 1905051 A1 EP1905051 A1 EP 1905051A1
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EP
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substrate
magnetic
magnetic element
axis
normal
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Withdrawn
Application number
EP06778886A
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German (de)
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Inventor
Bernard Viala
Sandrine Couderc
Pascal Ancey
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Commissariat a lEnergie Atomique et aux Energies Alternatives CEA
Original Assignee
Commissariat a lEnergie Atomique CEA
STMicroelectronics SA
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Publication date
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
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    • B82Y—SPECIFIC USES OR APPLICATIONS OF NANOSTRUCTURES; MEASUREMENT OR ANALYSIS OF NANOSTRUCTURES; MANUFACTURE OR TREATMENT OF NANOSTRUCTURES
    • B82Y25/00—Nanomagnetism, e.g. magnetoimpedance, anisotropic magnetoresistance, giant magnetoresistance or tunneling magnetoresistance
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    • H01F2017/0066—Printed inductances with a magnetic layer

Definitions

  • Radio frequency device with magnetic element and method of manufacturing such a magnetic element Radio frequency device with magnetic element and method of manufacturing such a magnetic element
  • the invention relates to radio frequency devices comprising a conductive element associated with a magnetic element, in particular radiofrequency inductive elements but also for example radio frequency filters or resonators.
  • Hk anisotropic character characterized by a field called anisotropy.
  • Hk anisotropy.
  • This effect is generally obtained by conventional deposition of the material, plasma or electrochemical, in the presence of a magnetic field. It is an intrinsic contribution that depends preferentially on the chemical composition of the magnetic alloy. The amplitude of this effect is generally moderate with typically Hk less than or equal to 20 Oe. Under these conditions, the ferromagnetic resonance frequency which constitutes the upper limit to the dynamic use of these materials, remains too low ( ⁇ 2GHz) with regard to the applications targeted for telephony, in particular.
  • shape effect which consists in reinforcing - artificially the intrinsic magnetic anisotropy of the material (Hk) by the contribution of the demagnetizing field (Hd) which depends on the geometry and the dimensions involved. More precisely, the contribution of the demagnetizing field will be greater as the width of the magnetic element in the direction perpendicular to that of the axis of easy magnetization will be reduced (difficult axis). magnetization).
  • An object of the invention is to provide a ferromagnetic resonance and high frequency magnetic element while being compatible with the usual dimensions of planar inductances, solenoids and coplanar lines or micro-ribbons.
  • Another aim is to make possible the realization of closed or quasi-closed magnetic circuits allowing a better magnetic flux closure.
  • the reinforcement of the intrinsic magnetic anisotropy of the material is obtained by using another contribution of intrinsic origin related to the growth of the magnetic film from a flux of material whose main direction makes a non-zero angle of incidence relative to the plane of the substrate on which said film is deposited.
  • the invention aims to maximize the effect so as to increase the ferromagnetic frequency in the desired range. The latter is naturally accompanied by a decrease in permeability, it will seek to preferentially use materials with high magnetization (> 1 T) in order to maintain high permeability values.
  • an advantage of the invention consists in the addition of a contribution to the intrinsic anisotropy of the material by the realization of a micro structure having a preferred direction of growth whose axis n 'is not orthogonal (normal) to the plane of the substrate.
  • fibrous texture that is to say consisting of aggregates preferably elongated in the direction of the incident flow.
  • a radiofrequency device comprising an electrically conductive element associated with at least one first continuous magnetic element comprising a substrate coated with a magnetic film having a granular structure with grains inclined by normal to the substrate or a fibrous texture inclined relative to the normal to the substrate.
  • the continuous magnetic element makes it possible to minimize the leakage of electromagnetic flux and the inclination of the grains or of the fibrous texture of the magnetic film makes it possible to reinforce the intrinsic anisotropy of the material and therefore its ferromagnetic resonance frequency.
  • the direction of the inclination axis of the grains or fibers projected in the plane of the substrate coincides with that of the magnetic field applied during the deposition.
  • the distance between the magnetic elements (upper and lower) and the conductor is weak, typically less than or equal to 5 microns.
  • the magnetic film is for example an alloy comprising at least one element taken from the group formed by iron (Fe), cobalt
  • the magnetic film may be, for example, an alloy of FeCoXN or FeCoXO or FeCoXNO or FeXN or FeXO or FeXNO, X being chosen from the following elements: Zr, Nb, Mo, Ru, Rh, Pd, Hf, Ta, W, Ir, Pt, Al, Si, Ti, V, Cr, Mn, Cu and Lanthanides (rare earths).
  • a particularly interesting alloy is the FeXNO alloy.
  • the high magnetization alloys of the FeHfN (O) granular type which naturally have a columnar grain micro structure dispersed in an amorphous structure, are particularly well suited for the devices according to the invention.
  • the increase of the intrinsic anisotropy of the material is marked for FeHfN and it is all the more so for a FeHfNO alloy.
  • the grain shape factor predisposes them all the more to the desired effect that the intergranular exchange coupling is partially relaxed because of the dispersion of the ferromagnetic grains in a weakly magnetic matrix (weak magnetization) by selective oxidation with FeHfNO material.
  • the angle of inclination of the grains or of the fibrous texture with respect to the normal to the substrate is greater than 0 ° and less than 90 ° and advantageously between 20 ° and 80 °.
  • the first magnetic element may be disposed above or below the conductive element.
  • a second continuous magnetic element comprising a substrate coated with a magnetic film having a granular structure with grains inclined relative to normal to the substrate or a fiber texture inclined relative to the normal to the substrate.
  • the second magnetic element is preferably identical to the first magnetic element.
  • the directions of anisotropy in the plane of the two magnetic elements may differ and have for example a 90 ° angle for a solenoid using a closed frame in the plane.
  • the conductive element may be a spiral element, in coplanar line or microstrip, said conductive element then being sandwiched between the two continuous magnetic elements.
  • the conductive element may be a toroidal element so as to provide solenoidal inductances, which conductive element is then formed around a continuous magnetic element.
  • the conductive element may be an element of a coplanar line or microstrip sandwiched between two continuous magnetic elements so as to perform filtering (low-pass or atténueur of 'noise bandpass.
  • a method for manufacturing a magnetic element of a radiofrequency device as defined above comprising a physical vapor deposition on an inclined substrate, for example an oblique ion sputtering on the substrate advantageously under a magnetic field.
  • a target contains the material to be deposited and a receiving substrate is subjected to a magnetic field and an auxiliary abrasive source is optionally used.
  • the angle of incidence between the main direction of the material flow to be deposited from the target and the normal to the substrate receiving the deposit may be set to a value other than zero by adjusting the angles of inclination of the abrasive source and or the target and / or the substrate.
  • the deposition is advantageously carried out on a substrate that is not parallel to the target (the flow of material being normal to the target), ie on a substrate whose the normal makes a non-zero angle with the normal to the target.
  • the directivity of the matter emission also makes it possible to operate on the angle between the direction of the material flow and the normal to the target.
  • the direction of the magnetic field is preferably orthogonal to the direction of the axes around which are capable of rotate the abrasion source, target and substrate. This allows to have directions of anisotropy of the material of a. part induced by the field during the deposition and secondly due to the collinear grain inclination, which allows a direct cumulative effect and a simple (linear) control of the anisotropic strengthening effect. . - ' .
  • the ion sputtering technique is the most adapted to the invention from an industrial point of view since it allows the synthesis of the type of magnetic material used in the invention on large surface substrates compatible with the usual dimensions used in microelectronics (that is to say platelets having diameters up to 300 mm).
  • the oblique ion sputtering is for example carried out from a target of CoFeX alloy or FeX, in the presence of nitrogen and / or oxygen.
  • FIG. 1 schematically illustrates an embodiment of a radiofrequency device according to the invention
  • FIG. 2 is a partial top view of the device of FIG. 1,
  • FIGS. 4 and 5 illustrate very schematically a mode of implementation of a method according to the invention.
  • FIGS. 6 to 8 very schematically illustrate other embodiments of a radiofrequency device according to the invention.
  • the reference DRF designates a radiofrequency device according to the invention comprising in this exemplary embodiment a conducting element IS formed of a spiral coil sandwiched between a first magnetic element EM1 situated above of the coil IS and a second magnetic element EM2 located below the coil.
  • the two magnetic elements are continuous elements and are advantageously spaced a distance d small relative to the conducting element IS.
  • This distance d is for example less than or equal to 5 microns.
  • each magnetic element in this case the magnetic element EM1, comprises a substrate SB1 covered with a continuous granular magnetic film SM1 and whose grains have an oblique orientation with respect to the normal NM to the substrate SB1.
  • the orientation angle ⁇ is for example of the order of 60 ° and may be more generally between 20 ° and 80 °.
  • the direction of easy magnetization of origin Hk, proper to the magnetic material, and induced during the deposition thereof is collinear with the direction of easy magnetization of origin Hk 'due to the inclination of the grains GR of the magnetic film.
  • the intrinsic anisotropy Hk of the magnetic material is enhanced by the intrinsic contribution Hk 'due to the inclination of the grains or the fibrous texture of the film.
  • magnetic materials with highly columnar growth and having the characteristic that is the dispersion of the crystalline phase (columnar grains) in a disordered matrix for example amorphous.
  • the grain shape factor leads to a proper direction of anisotropy in the direction of the greatest elongation.
  • the agglomerate of grains in the case of a dense and homogeneous classical micro-structure cancels this local contribution by ensuring a very strong intergranular exchange coupling
  • the local effects due to the grains are collectively felt at the film scale with an amplitude proportional to the residual intergranular exchange coupling in the case of a dispersion of the grains in a second phase having characteristics different from those of the grains (in particular a much weaker magnetization it is an amorphous phase).
  • This residual intergranular exchange coupling depends mainly on the grain diameter and the distance between the grains. The effect will be all the stronger as the direction of the greatest grain size (growth direction) has a nonzero angle of inclination ⁇ , according to the invention.
  • the materials advantageously possessing these two characteristics are FeXN and FeXO alloys. and FeXNO and especially FeHfN or FeHfNO alloys. Indeed, these materials have the peculiarity of having a very strongly columnar natural growth (form factor> 10) associated with a microstructure advantageously combining grains of small diameters (from 100 to 5 nm) dispersed in a regular and controlled manner.
  • the formation of the magnetic film of the magnetic element is advantageously carried out using an ion beam sputtering (IBS) deposit which offers a great deal of latitude in terms of exploiting the angle between the flux of the magnetic element. subject to deposit and substrate, which do not allow conventional plasma spraying techniques.
  • IBS deposition technique is very well adapted to the synthesis of this type of material and it effectively allows the use of the physical growth effect of inclined grains over a large surface compatible with that conventionally used in microelectronics, for example, plates with a diameter of up to 300mm.
  • an SIN ion source capable of pivoting about an axis Ox generates a main flow of ions, for example argon towards a CB target formed, for example, of FeX.
  • the CB target is therefore bombarded by the main stream of argon in the presence of nitrogen and oxygen (when it is desired to obtain FeXNO alloys) at room temperature.
  • the FeX particles extracted from the target are then sprayed onto the SB substrate with an angle of incidence.
  • This angle of incidence can be adjusted according to the inclination axis ⁇ of the source SIN around the axis Ox, a tilt angle ⁇ of the substrate relative to the normal to the target, and of the angle of inclination ⁇ 'of the target CB around the axis Ox.
  • the growth of the magnetic film is carried out under a magnetic field H applied in the plane of the substrate and advantageously orthogonal to the pivot axis Ox of the source SIN and the axis Ox of the substrate holder.
  • the intensity of this uni-axial magnetic field is for example about 100 to 200 Oe.
  • the nitriding and oxidation processes are controlled respectively by means of the enrichment rates of injected secondary gases (reactants).
  • the rate relative to nitrogen enrichment is defined by the ratio: N 2 / (Ar + N 2 + O 2 ) and the rate of oxygen enrichment by O 2 / (Ar + N 2 + O 2 ). These rates can typically range from 0% to 25%.
  • the thicknesses of the films formed are typically between 500 ⁇ and 5000 ⁇ .
  • the atomic percentage of nitrogen is preferably between 5% and 20%. Indeed, for such a percentage, thin films
  • Nitrogen is incorporated in the interstitial position in the crystallographic mesh of FeX nano - grains until saturation of the solid solution in the grains (about 15-20 atomic%). This incorporation is accompanied by a significant expansion of the crystalline FeX mesh (up to 5%), the consequence of which is a reduction in the average grain size.
  • Oxygen is preferably incorporated in the X-rich amorphous phase coating said FeXN grains.
  • the advantage of this process is the very low oxidation of the FeXN ferromagnetic phase, which makes it possible to maintain high magnetization.
  • the FeXN grains have a mean Torde diameter of 10 to 2 nm with an average intergranular distance of the order of 5 to 1 nm. This allows obtaining soft magnetic properties (Hc ⁇ . 5 Oe). These films have an induced magnetic anisotropy characterized by an anisotropy field of the order of 10 to 40
  • These films retain a high saturation magnetization, typically of the order of 1.9 to 1.0 T.
  • the electrical resistivity of the films increases with the increase in the nitrogen and oxygen content to a value typically between 500 and 1 000 ⁇ .cm.
  • a DRF device may comprise only one magnetic element EM which can be disposed above (FIG. 6) or below (FIG. 7) of the conducting element IS.
  • This conductive element IS can be for example a spiral, a coplanar line, a micro-ribbon line.
  • the conductive element IS can be formed, as illustrated in FIG. 8, of a solenoid winding formed around a continuous magnetic element EM.
  • the invention thus makes it possible, in particular, to make possible the production of radiofrequency inductive devices having the particularity of using a continuous and almost closed magnetic circuit around an inductive element.
  • the advantage consists in optimum confinement of the magnetic field in said circuit.
  • band-cut, low-pass and pass-band filtering functions are also possible with attenuations typically greater than -10 dB per mm of line and per ⁇ m of material thickness. deposit.

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Abstract

Le dispositif radiofréquence comprend un élément électriquement conducteur associé à au moins un premier élément magnétique continu comportant un substrat recouvert d'un film magnétique possédant une structure granulaire avec des grains inclinés par rapport à la normale au substrat ou une texture fibreuse inclinée par rapport à la normale au substrat.

Description

Dispositif radiofréquence avec élément magnétique et procédé de fabrication d'un tel élément magnétique
L'inventi on concerne les dispositifs radiofréquences comportant un élément conducteur associé à un élément magnétique, en particulier les éléments inductifs radiofréquences mais aussi par exemple les filtres ou les résonateurs radiofréquences.
Actuellement, pour une utilisation en régime radiofréquence, de tels dispositifs utilisent uniquement des- circuits magnétiques discontinus, c' est-à-dire composés d' une pluralité de parties élémentaires de dimension finie, à cause d' une limitation intrinsèque aux matériaux magnétiques doux.
En effet, ces derniers doivent posséder un caractère anisotrope caractérisé par un champ dit d 'anisotropie . (Hk) dont l ' origine principale est associée à une mise en ordre chimique préférentielle à l' échelle de la maille cristallographique. Cet effet est généralement obtenu par dépôt classique du matériau, par voie plasma ou électrochimique, en présence d'un champ magnétique. Il s' agit d'une contribution intrinsèque qui dépend préférentiellement de la composition chimique de l' alliage magnétique. L '.amplitude de cet effet reste généralement modéré avec typiquement Hk inféri eur ou égal à 20 Oe. Dans ces conditions, la fréquence de résonance ferromagnétique qui constitue la limite supérieure à l ' utilisation dynamique de ces matériaux, reste trop faible (~ 2GHz) au regard des applications visées pour la téléphonie, notamment.
Dans le cas des inductances, pour satisfaire à un fonctionnement inductif faiblement dissipatif, il est nécessaire de repousser cette fréquence dans un rapport de l ' ordre de 3 environ en fonction des fréquences d'utilisation qui sont typiquement de l ' ordre de 0.9 à 2.4 GHz aujourd 'hui.
Dans .le cas des filtres, pour satisfaire à un fonctionnement inductif fortement dissipatif, on cherche à utiliser le phénomène d'absorption à la résonance ferromagnétique. Cette dernière doit coïncider par exemple avec un ou plusieurs des harmoniques (ou I uι/ m LU UO I UU I 75!
fréquences images) du signal de base dont les fréquences d'utilisation actuelles sont typiquement de l'ordre de 0.9 à 2.4 GHz.
Il est donc indispensable d'atteindre des valeurs de fréquence de résonance ferromagnétique de l'ordre de 6 GHz et plus. Actuellement ceci n'est rendu possible que par le biais d'un effet extrinsèque dit « effet de forme » qui consiste à renforcer - artificiellement l'anisotropie magnétique intrinsèque du matériau (Hk) par la contribution du champ démagnétisant (Hd) qui dépend de la géométrie et des dimensions mises en jeu. Plus précisément, la contribution du champ démagnétisant sera d'autant plus grande que Ia largeur de l'élément magnétique dans la direction perpendiculaire à celle de l'axe de facile aimantation sera réduite (axe de difficile aimantation). Par exemple, pour satisfaire à une fréquence de résonance ferromagnétique supérieure a 6 GHz avec un matériau d'aimantation à saturation de l'ordre de 1 T, il est nécessaire d'ajouter au champ d'anisotropie naturel (Hk), qui est de l'ordre de 20Oe, un champ démagnétisant (Hd) supérieur à 400 Oe. Ceci implique une dimension maximale de l'élément magnétique selon l'axe difficile d'environ 25 μm, ce qui est du même ordre de grandeur que celui du pas1 (largeur spire +interspire) des inductances radiofréquences (RF), par exemple. Ori comprend alors aisément qu'afin de couvrir la surface d'une self spirale ou de remplir le cœur d'une self solénoïdale l'on soit amené à utiliser une pluralité d'éléments magnétiques séparés. On parle donc de • circuits magnétiques discontinus dont la principale difficulté tient à l'optimisation du rapport entre la largeur de l'élément magnétique et la distance de séparation entre éléments magnétiques. Ceci est rendu d'autant plus difficile si l'on cherche à refermer le flux magnétique pour obtenir un meilleur confinement électromagnétique autour de l'élément inductif (spirale en sandwich ou solénoïde à cadre fermé).
Par conséquent, de par la nécessité d'un caractère discontinu de l'élément magnétique lui même et de par l'impossibilité de réaliser un circuit à fermeture de flux, il n'est actuellement pas possible de concilier augmentation de la fréquence ferromagnétique de l'élément magnétique avec l ' optimisation du confinement électromagnétique autour de l'élément inductif. Il en résulte par conséquent des réalisations aux performances dégradées (gain sur L faible ~10% et Q dégradé < 10 à 1 GHz) et inexploitables d'un point de vue applicatif (circuits RF).
L'invention vise à apporter une solution à ce problème. Un but de l 'invention est de réaliser un élément magnétique continu et à haute fréquence de résonance ferromagnétique tout en étant compatible avec les dimensions habituelles des inductances planaires, solénoïdales et des lignes coplanaires ou micro-rubans.
Un autre but est de rendre possible la réalisation de circuits magnétiques fermés ou quasi fermés permettant une meilleure fermeture de flux magnétique.
Selon un aspect de l ' invention, le renforcement de l ' anisotropie magnétique intrinsèque du matériau est obtenu en utilisant une autre contribution d' origine intrinsèque liée à la croissance du film magnétique à partir d'un flux de matière dont la direction principale fait un angle d'incidence non nul par rapport au plan du substrat sur lequel est déposé ledit film. Et l'invention vise à en maximiser l ' effet de manière à augmenter la fréquence ferromagnétique dans la plage recherchée. Cette dernière s' accompagnant naturellement d 'une diminution de la perméabilité, on cherchera à utiliser préférentiellement des matériaux à forte aimantation (>1 T) afin de conserver des valeurs de perméabilité élevées.
En d' autres termes, un avantage de l' invention consiste en l ' ajout d' une contribution à l 'anisotropie intrinsèque du matériau de par la réalisation d' une micro structure ayant une direction privilégiée de croissance dont l ' axe n' est pas orthogonal (normal) au plan du substrat.
Dans le cas le plus représentatif des films polycristallins ou manocristallins, on utilisera avantageusement la tendance naturelle à ces films à développer une structure granulaire de type colonnaire, 6 001765
c'est-à-dire dont les grains présentent naturellement un facteur de • forme supérieur à un dans la direction du flux de matière incident.
Dans le cas des films amorphes, il existe également une sensibilité à la direction du flux incident malgré l'absence de caractère cristallin. On parle alors de texture fibreuse, c'est-à-dire constituée d'agrégats préférentiellement allongés dans la direction du flux incident.
Ainsi, selon un mode de réalisation de l ' invention, il est proposé un dispositif radiofréquence comprenant un élément électriquement conducteur associé à au moins un premier élément magnétique continu comportant un substrat recouvert d' un film magnétique possédant une structure granulaire avec des grains inclinés par rapport à la normale au substrat ou une texture fibreuse inclinée par rapport à la normale au substrat. Ainsi, l ' élément magnétique continu permet de minimiser les fuites de flux électromagnétiques et l'inclinaison des grains ou de la texture fibreuse du film magnétique permet de renforcer l ' anisotropie intrinsèque du matériau et donc sa fréquence de résonance ferromagnétique. De la façon la plus avantageuse, la direction de l' axe d'inclinaison des grains ou de fibres projetée dans le plan du substrat coïncide avec celle du champ magnétique appliqué au cours du dépôt.
En particulier dans le cas des inductances planaires et des lignes coplanaires ou micro-rubans, pour contribuer davantage à l' obtention d' un circuit magnétique fermé ou quasi fermé, il est avantageux que la distance entre les éléments magnétiques (supérieur et inférieur) et le conducteur soit faible, typiquement inférieure ou égale à 5 μm.
Le film magnétique est par exemple un alliage comportant au moins un élément pris dans le groupe formé par le fer (Fe), le cobalt
(Co), le nickel (Ni).
Le film magnétique peut être par exemple un alliage de FeCoXN ou de FeCoXO ou de FeCoXNO ou de FeXN ou de FeXO ou de FeXNO, X étant choisi parmi les éléments suivants : Zr, Nb, Mo, Ru, Rh, Pd, Hf, Ta, W, Ir, Pt,- Al, Si, Ti, V, Cr, Mn, Cu et les Lanthanides (terres rares).
Un alliage particulièrement intéressant est l ' alliage FeXNO.
Cela étant, les alliages à forte aimantation du type granulaire FeHfN(O), qui présentent naturellement une micro structure en grains colonnaire dispersés dans une structure amorphe, sont particulièrement bien adaptés pour les dispositifs selon l 'invention. En effet, l 'augmentation de l' anisotropie intrinsèque du matériau est marquée pour FeHfN et elle l ' est d ' autant plus pour un alliage de FeHfNO. En effet, le facteur de forme des grains (non equiaxes) les prédispose d' autant plus à l'effet recherché que le couplage d' échange intergranulaire est partiellement relâché du fait de la dispersion des grains ferromagnétiques dans une matrice rendue faiblement magnétique (faible aimantation) par oxydation sélective avec le matériau FeHfNO.
L' angle d'inclinaison des grains ou de la texture fibreuse par rapport à la normale au substrat est supérieur à 0° et inférieur à 90° et avantageusement compris entre 20°et 80° .
Le premier élément magnétique peut être disposé au-dessus ou en-dessous de l 'élément conducteur.
Cela étant, il est particulièrement avantageux, pour améliorer encore la performance du dispositif, que celui-ci comprenne en outre un deuxième élément magnétique continu comportant un substrat recouvert d' un film magnétique possédant une structure granulaire avec des grains inclinés par rapport à la normale au substrat ou une texture fibreuse inclinée par rapport à la normale au substrat.
Le deuxième élément magnétique est de préférence identique au premier élément magnétique. Toutefois les directions d' anisotropie dans le plan des deux éléments magnétiques peuvent différer et présenter par exemple un angle de 90° pour un solénoïde utilisant un cadre fermé dans le plan.
L' élément conducteur peut être un élément en spirale, en ligne coplanaire ou micro-ruban, ledit élément conducteur étant alors pris en sandwich entre les deux éléments magnétique continus. L' élément conducteur peut être un élément toroïdal de façon à réaliser des inductances solénoïdales, ledit élément conducteur étant alors réalisé autour d 'un élément magnétique continu. En utilisant au moins quatre éléments magnétiques continus, il est possible de réaliser une inductance toroïdale à cadre fermé. . '
En variante, l ' élément conducteur peut être un élément d'une ligne coplanaire ou micro-ruban pris en sandwich entre deux éléments magnétiques continus de manière à réaliser des fonctions de filtrage (passe-bas ou atténueur de' bruit, passe-bande... ) Selon un autre aspect de l' invention, il est proposé un procédé de fabrication d' un élément magnétique d'un dispositif radiofréquence tel que défini ci-avant, ce procédé comprenant un dépôt physique en phase vapeur sur un substrat incliné, par exemple une pulvérisation ionique oblique sur le sμbstrat avantageusement sous un champ magnétique.
Selon un mode de mise en œuvre, une cible contient la matière à déposer et un substrat receveur est soumis à un champ magnétique et une source abrasive auxiliaire est éventuellement utilisée. L' angle d' incidence entre Ia direction principale du flux de matière à déposer depuis la cible et la normale au substrat qui reçoit Ie dépôt peut être fixé à une valeur différente de zéro en ajustant les angles d 'inclinaison de Ia source abrasive et/ou de la cible et/ou du substrat.
Dans le cas d' un procédé par évaporation ou par pulvérisation cathodique, le dépôt est avantageusement réalisé sur un substrat non parallèle à Ia cible (le flux de matière étant normal à la cible), c' est-à- dire sur un substrat dont la normale fait un angle non nul avec la normale à la cible.
Dans le cas d' un procédé utilisant une source abrasive extérieure telle qu'un canon à ions pour la pulvérisation ionique ou un laser pour l ' ablation laser, la directivité de l ' émission de matière permet de jouer également sur l 'angle entre la direction du flux de matière et la normale à Ia cible.
La direction du champ magnétique est préférentiellement orthogonale à la direction des axes autour desquels sont capables de pivoter la source d'abrasion, la cible et le substrat. Ceci permet d' avoir des directions d'anisotropie du matériau d'une. part induite par le champ pendant le dépôt et d' autre part due à l'inclinaison des grains, colinéaires, ce qui permet d'avoir un effet cumulatif direct et un contrôle simple (linéaire) de l'effet de renforcement de l' anisotropie. - ' .
La technique de dépôt par pulvérisation ionique est la plus adaptée à l'invention du point de vue industriel car elle permet la synthèse du type de matériau magnétique utilisé dans l'invention sur des substrats de grande surface compatibles avec les dimensions habituelles utilisées en microélectronique (c'est-à-dire des plaquettes ayant des diamètres jusqu' à 300 mm).
La pulvérisation ionique oblique est par exemple effectuée à partir d'une cible d' alliage de CoFeX ou de FeX, en présence d'azote et/ou d' oxygène.
D'autres avantages et caractéristiques de l'invention, apparaîtront à l'examen de la description détaillée de modes de réalisation et de mise en œuvre, nullement limitatifs, et des dessins annexés sur lesquels : . - la figure 1 illustre très schématiquement un mode de réalisation d'un dispositif radiofréquence selon l'invention,
- la figure 2 est une vue de dessus partielle du dispositif de la figure 1 ,
- la figure 3 est une . coupe schématique partielle selon la ligne III-III de la figure 2,
- les figures 4 et 5 illustrent très schématiquement un mode de mise en œuvre d'un procédé selon l'invention et,
- les figures 6 à 8 illustrent très schématiquement d'autres modes de réalisation d'un dispositif radiofréquence selon l'invention.
Sur la figure 1 , la référence DRF désigne un dispositif radiofréquence selon l'invention comportant dans cet exemple de réalisation un élément conducteur IS formé d'une bobine spirale prise en sandwich entre un premier élément magnétique EMl situé au-dessus de la bobine IS et un deuxième élément magnétique EM2 situé en- dessous de la bobine.
Les deux éléments magnétiques sont des éléments continus et sont avantageusement espacés d' une distance d faible par rapport à l' élément conducteur IS. Cette distance d est par exemple inférieure ou égale à 5 μm.
La configuration du dispositif DRF permet l ' obtention d' un circuit . magnétique quasi fermé utilisant des éléments magnétiques continus. Comme illustré plus particulièrement sur les figures 2 et. 3 , chaque élément magnétique, en l' espèce l ' élément magnétique EMl , comprend un substrat SB l recouvert d' un film magnétique granulaire SMl continu et dont les grains présentent une orientation oblique par rapport à la normale NM au substrat SB l . L' angle d' orientation γ est par exemple de l ' ordre de 60° et peut être d' une façon plus générale compris entre 20° et 80°.
Comme illustré plus particulièrement sur la figure 2, la direction de facile aimantation d ' origine Hk, propre au matériau magnétique, et induite pendant le dépôt de celui-ci (comme il sera expliqué plus en détails ci-après sur un mode de mise, en œuvre particulier) est colinéaire à la direction de facile aimantation d' origine Hk' due à l'inclinaison des grains GR du film magnétique.
Ainsi, l ' anisotropie intrinsèque Hk du matériau magnétique est renforcée par la contribution intrinsèque Hk' due à l 'inclinaison des grains ou de la texture fibreuse du film.
A titre indicatif, avec une aimantation Ms de 1 ,9T, on pourra opter pour une contribution Hk' de l ' ordre de 200 Oe pour une fréquence de résonance ferromagnétique égale à 6 GHz ce qui est du même ordre de grandeur que celle issue de l' effet démagnétisant utilisée dans les dispositifs radiofréquence à circuit magnétique ouvert de l ' art antérieur.
Il est particulièrement avantageux d' utiliser des matériaux magnétiques à croissance fortement colonnaire et présentant la caractéristique qui consiste en la dispersion de la phase cristalline (grains colonnaires) dans une matrice désordonnée p ar exemple amorphe.
Le facteur de forme du grain (non equi-axe) conduit à une direction d'anisotropie propre dans la direction du plus grand allongement. Alors que l 'agglomérat des grains dans le cas d'une micro structure classique dense et homogène (au niveau des grains et joints de grains) annule cette contribution locale en assurant un très fort couplage d'échange intergranulaire, les effets locaux dus aux grains sont ressentis collectivement à l 'échelle du film avec une amplitude proportionnelle au couplage d 'échange intergranulaire résiduel dans le cas d 'une dispersion des grains dans une seconde phase présentant des caractéristiques différentes de celles des grains (notamment une aimantation beaucoup plus faible s'il s ' agit d'une phase amorphe). Ce couplage d ' échange intergranulaire résiduel dépend principalement du diamètre des grains et .de la distance entre les grains. L'effet sera d' autant plus fort que la direction du plus grand all ongement des grains (direction de croissance) présente un angle d'inclinaison γ non nul, conformément à l'invention.
Les matériaux possédant avantageusement ces deux caractéristiques sont les alliages de FeXN, de FeXO . et de FeXNO et tout particulièrement les alliages de FeHfN ou FeHfNO. En effet, ces matériaux ont la particularité d' avoir une croissance naturelle très fortement colonnaire (facteur de forme > 10) associée à une microstructure combinant avantageusement des grains de faibles diamètres (de 100 à 5nm) dispersé de façon régulière et maîtrisée
(distance intergranulaire) dans une phase plus ou moins amorphe de Fe riche en XN, XO ou XNO. Cette dernière présente une aimantation nettement plus faible que celle de la phase purement cristalline (typiquement de 50% jusqu'à 100%). Ce dernier cas correspond à une phase intergranulaire non magnétique (aimantation nulle).
La formation du film magnétique de l 'élément magnétique est avantageusement effectuée en utilisant un dépôt par pulvérisati on par faisceaux d'ions (IBS : Ion Beam Sputtering) qui offre une grande latitude en termes d' exploitation de l ' angle entre le flux de matière à déposer et le substrat, ce que ne permettent pas les techniques classiques de pulvérisation par plasma. En outre, la technique de dépôt par IBS est très bien adaptée à la synthèse de ce type de matériau et elle permet efficacement l ' utilisation de l ' effet physique de croissance de grains inclinés sur une grande surface compatible avec celle classiquement utilisée en microélectronique, par exemple des plaquettes de diamètre jusqu'à 300mm.
Un exemple de mise en œuvre d 'une telle technique de dépôt est illustré sur la figure 4, Plus précisément, une source d'ions SIN capable de pivoter autour d' un axe Ox génère un flux principal d 'ions, par exemple de l ' argon, en direction d'une cible CB formée par exemple de FeX.
La cible CB est par conséquent bombardée par le flux principal d' argon en présence d 'azote et d' oxygène (lorsque l 'on souhaite obtenir des alliages FeXNO), à température ambiante.
Les particules de FeX extraites de la cible sont alors pulvérisées sur le substrat SB avec un angle d'incidence. Cet angle d'incidence peut être ajusté en fonction de l 'axe d'inclinaison α de la source SIN autour de l ' axe Ox, d'un angle d'inclinaison β du substrat par rapport à la normale à la cible, et de l ' angle d'inclinaison α' de la cible CB autour de l' axe Ox.
La croissance du film magnétique s 'effectue sous un champ magnétique H appliqué dans le plan du substrat et avantageusement orthogonal à l ' axe de pivotement Ox de la source SIN et à l ' axe Ox du porte-substrat.
L'intensité de ce champ magnétique uni-axial est par exemple d' environ 100 à 200 Oe.
Les procédés de nitruration et d' oxydation sont contrôlés respectivement par le biais des taux d'enrichissement en gaz secondaires (réactifs) injectés. Le taux relatif à l ' enrichissement en azote est défini par le rapport : N2/(Ar+N2+O2) et le taux d'enrichissement en oxygène par O2/(Ar+N2+O2). Ces taux peuvent varier typiquement dans une plage de 0% à 25%. Les épaisseurs des films formés sont comprises typiquement entre 500 À et 5000 À. Le pourcentage atomique d'azote est de préférence compris entre 5% et 20%. En effet, pour un tel pourcentage, les films minces
• • sont alors composés d'une manostructure fine comprenant des grains nanométriques de FeXN cubique centré (bec) ou tétragonal à base centrée (bet), répartis aléatoirement dans une matrice amorphe riche en
X.
L' azote est incorporé en position interstitielle dans la maille cristallographique des nano.grains de FeX jusqu' à la saturation de la solution solide dans les grains (environ 15 - 20 % atomique). Cette incorporation s'accompagne d'une dilatation importante de la maille cristalline de FeX (jusqu'à 5 %) dont la conséquence est une réduction de la taille moyenne des grains.
L'oxygène est incorporé préférentiellement dans la phase amorphe riche en X enrobant lesdits grains de FeXN. L' avantage de ce procédé est la très faible oxydation de la phase ferromagnétique FeXN ce qui permet de conserver une aimantation élevée.
Dans ces conditions, les grains de FeXN ont un diamètre moyen de Torde de 10 à 2nm avec une distance intergranulaire moyenne de l' ordre de 5 à lnm. Ceci permet l'obtention de propriétés magnétiques douces (Hc <. 5 Oe). Ces films possèdent une anisotropie magnétique induite caractérisée par un champ d' anisotropie de l'ordre de 10 à 40
Oe. Ces films conservent une aimantation à saturation élevée, typiquement de l'ordre de 1.9 à 1.0 T. La résistivité électrique des films croît avec l'augmentation de la teneur en azote et en oxygène jusqu'à une valeur comprise typiquement entre 500 et 1 OOOμΩ.cm.
Après croissance du film magnétique, on obtient une structure telle que celle illustrée sur la figure 5 avec des grains présentant une inclinaison γ par rapport à la normale au substrat et des directions d' anisotropie colinéaires Hk et Hk' . L'invention n'est pas limitée au mode de réalisation et de mise en œuvre qui viennent d'être décrits. Plus précisément, un dispositif DRF selon l'invention peut ne comporter qu'un seul élément magnétique EM qui peut être disposé au-dessus (figure 6) ou bien en- dessous (figure 7) de l' élément conducteur IS. Cet élément conducteur IS peut être par exemple une spirale, une ligne coplanaire, une ligne micro-ruban.
Par ailleurs, 1,' élément conducteur IS peut être formé, comme illustré sur la figure 8, d'un bobinage solénoïde réalisé autour d' un élément magnétique continu EM.
L'invention permet ainsi notamment de rendre possible la réalisation de dispositifs inductifs radiofréquences ayant la particularité d ' utiliser un circuit magnétique continu et quasiment fermé autour d' un élément inductif. L' avantage consiste en un confinement optimal du champ magnétique dans ledit circuit.
Dans le cas des inductances spirales, ceci permet des gains sur la valeur de l ' inductance à vide supérieurs à 100% et des facteurs de qualité Q élevés, par exemple supérieurs ou égaux à 30 pour une fréquence comprise typiquement entre 1 et 2 GHz. Dans le cas de lignes coplanaires ou micro rubans, les gains sur l' inductance à vide de plus de 400% peuvent être obtenus ainsi que des facteurs de qualité encore plus élevés, par exemple supérieurs ou égaux à 50 pour une fréquence comprise typiquement entre 1 et 5 GHz.
Dans le cas de lignes coplanaires ou micro rubans, des fonctions de filtrage de type « coupe bande, passe bas et passe bande» sont également possibles avec des atténuations typiquement supérieures à -10 dB par mm de ligne et par μm d' épaisseur de matériau déposé.

Claims

REVENDICATIONS
1. Dispositif radiofréquence, caractérisé par le fait qu 'il comprend un élément électriquement conducteur (IS) associé à au moins un premier élément magnétique continu (EMl , EM2) comportant un substrat (SB) recouvert d'un film magnétique (FMI) possédant une structure granulaire avec des grains inclinés par rapport à la normale au substrat ou une texture fibreuse inclinée par rapport à la normale au substrat.
2. Dispositif selon la revendication 1 , dans lequel le film magnétique est un alliage comportant au moins un élément pris dans le groupe formé par Fe, Co, Ni.
3. Dispositif selon la revendication 1 ou 2, dans lequel le film magnétique est un alliage de FeCoXN ou de FeCoXO ou de FeCoXNO, FeXN ou de FeXO ou de FeXNO, X étant choisi parmi les éléments suivants : Zr, Nb, Mo, Ru, Rh, Pd, Hf, Ta, W, Ir, Pt, Al, Si, Ti, V, Cr,
Mn, Cu et les Lanthanides.
4. Dispositif selon la revendication 2, dans lequel le film magnétique (FMI ) est un alliage de FeHfNO.
5. Dispositif selon l 'une des revendications précédentes, dans lequel l ' angle d' inclinaison (γ) des grains ou de la texture fibreuse par rapport à la normale au substrat est compris entre 20° et 80°.
6. Dispositif selon l'une des revendications précédentes, dans lequel le premier élément magnétique (EMl)est disposé au dessus ou en dessous de l ' élément conducteur.
7. Dispositif selon l 'une des revendications précédentes, comprenant en outre un deuxième élément magnétique continu (EM2) comportant un substrat recouvert d' un film magnétique possédant une structure granulaire avec des grains inclinés par rapport à la normale au substrat ou une texture fibreuse inclinée par rapport à la normale au substrat, ledit élément conducteur étant pris en sandwich entre les deux éléments magnétiques.
8. Dispositif selon la revendication 7, dans lequel le deuxième élément magnétique (EM2) est identique au premi er élément magnétique (EMl ).
9. Dispositif selon l ' une des revendications précédentes, dans lequel l ' élément conducteur (IS) est un élément en spirale.
10. Dispositif selon l 'une des revendications 1 à 8, dans lequel l ' élément conducteur (IS) est une ligne coplanaire ou micro ruban.
11. Dispositif selon l ' une des revendications 1 à 8, dans lequel l' élément conducteur (IS) est un bobinage solénoïde entourant l 'élément magnétique (EM).
12. Procédé de fabrication d'un élément magnétique d' un dispositif radiofréquence selon l 'une des revendications 1 à 11 , caractérisé par le fait qu'il comprend un dépôt physique en phase vapeur sur un substrat incliné.
13. Procédé selon la revendication 12, dans lequel le dépôt en phase vapeur est effectué par pulvérisation cathodique ou par évaporation.
14. Procédé selon la revendication 12, dans lequel le dépôt en phase vapeur est effectué par une pulvérisation ionique oblique sur le substrat.
15. Procédé selon la revendication 14, dans lequel la pulvérisation ionique est effectuée à partir d'une source d' ions (SIN) éventuellement capable de pivoter autour d'un axe (Ox), et d'une cible de pulvérisation (CB) éventuellement capable de pivoter également autour dudit axe (Ox) .
16. Procédé selon la revendication 12, dans lequel le dépôt en phase vapeur est effectué à partir d'une source laser éventuellement capable de pivoter autour d' un axe (Ox) et d' une cible de pulvérisation éventuellement capable de pivoter également autour dudit axe (Ox).
17. Procédé selon l 'une des revendications 12 à 16, dans lequel le dépôt en phase vapeur de l 'élément magnétique est fait sur un substrat soumis à un champ magnétique (H) dans le plan du substrat et dont la direction est orthogonale audit axe Ox.
18. Procédé selon la revendication 17, dans lequel le substrat est capable de pivoter autour d'un axé (Ox) et dans lequel le champ magnétique (H) est appliqué dans le plan du substrat avec une direction orthogonale audit axe (Ox).
> 19. Procédé selon l'une des revendications 12 ou 18, dans lequel le dépôt de l'élément magnétique est effectué à partir d'une cible (CB) d'alliage de CoFeX ou de FeX, en présence d'azote et/ou d'oxygène.
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