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1 引言
现代电子设备的小型化和多功能化的发展趋势，不断要求和推动着电子元器件的微小型化、集成化和模块化技术的创新发展，其中，以减小无源电感元件的尺寸、重量并实现平面化的使命尤为紧迫和重要。与此同时，要求集成化磁性元件不断提高工作频率（例如f>2GHz），保持良好的电感匹配性能、即高品质因数(Q>30)和大的电感量(L>5nH)，这就要求具有适合这些技术性能的磁介质材料。诸多实践证明，以最佳结构设计和性能合适的磁性薄膜相结合集成制作的器件，达到以上期望的性能并不十分困难。因为这种集成技术可以有效地增强磁通的耦合度，从而提高L值和Q值。为此，元件的结构设计包括选择材料需要满足一些标准，例如①在2GHz以上的工作频率时，选用的磁膜应具有高的磁导率和低的损耗；②热稳定性良好；③低的电流损耗和小的面内涡流回路，等等。测试证明，要达到以上标准，磁性材料必须具有高于2GHz的铁磁共振(FMR)频率fr。根据磁学理论可知，铁磁共振频率fr是由材料的饱和磁感应强度（即4πMs）和/或各向异性场HK进行控制的，其表述式为：
fr=r/2π(4πMs) (1)
式中，r为旋磁比
在磁性器件的设计应用中，已经研制出了一批具有甚高4πMs值的（如达到了24KG）Fe-X-N(X=Co、Ta)类型的软磁磁性薄膜。它们不仅被应用于高频集成电感器中，并且在射频平面电感器的设计中也受到广泛关注。但是，这类磁膜在4πMs、高电阻率(ρ>100μΩ·cm)和良好的热稳定性等性能之间，还需要探索最佳的折衷办法。众所周知，提高4πMs的另一种方法是增HK大值。从磁膜制作的溅射技术出发，如在磁膜沉积过程中不断平移基片，并选择CoZrNb材料，依靠这种材料的非晶结构，则可以获得较高的电阻率ρ(ρ>100μΩ·cm)。
2 磁膜的制作工艺
沉积零磁致伸缩的非晶CoZrNb薄膜，采用了直流磁控溅射法，并设计了一种大型的矩形靶(635mm×127mm×3mm)，以保证在直径100mm的基片上沉积出厚度均匀的磁膜。溅射过程中的基压和Ar溅射气压分别取1×10-7mbar和5×10-3mbar。为了兼顾后续的加工工艺需要，采用了直径为100mm的硅晶片作基片。为此，设计了一种特殊的该基片的支承工具，其特点是具有监控移动能力。基片无需经过水冷。加工中的动态操作包括：用上术支承工具在靶子（面朝上）上面连续移动基片（面朝下），这类技术不采用永磁体（或线圈），以此保证磁膜具有单轴各向异性。这是和传统的静态溅射沉积技术的区别之所在。图1示出了磁膜厚度与在100mm硅基片上的均匀性(max-min)/(max min)和基片运动速度的关系。使用这套动态溅射沉积薄膜的工具，通过简单地调整基片与固定靶的相对运动速度，则可将磁膜厚度控制在0.1～1μm之内，同时在100mm直径的硅晶片上的均匀性良好，对0.5μm以下的厚度误差可以小于10%。在磁膜沉积之前采用射频背向溅射，能够保证磁膜的附着牢固度。检测发现，即使在对磁膜进行图形化加工之后，也没有观察到磁膜被剥离或翘曲现象。由以上结果可以认为，用这种方法将磁膜集成在硅基器件上是可行的。
现在，我们来检测磁膜的性能。首先用磁强仪检测沉积磁膜的准静态磁性能，如饱和磁化强度4πMs、矫顽力Hc、各向异性场HK。再用高频磁导仪，检测由100MHz到3GHz的微波性能，采用四点探测法确定其电阻率ρ。在施加了500oe磁场的真空炉中将磁膜加热到400℃退火，研究其热稳定性。该外加磁场可以垂直或平行于沉积膜的易磁化轴方向。
3 检测结果
我们从检测厚度为0.2μm的动态沉积膜CoZrNb的过程中，显示出了CoZrNb膜的良好软磁性能，观测到了精确规定的面内单轴各向异性，而且HK值异常的大（典型值达75oe）。易磁化轴的取向与溅射过程中基片运动的方向一致，4πMs为13KG，Hc很小(Hc<5oe)。测得磁膜的电阻率在150μΩ·cm左右。图2所示为在难磁化轴(HA)方向上测得的高频磁导率谱线，其结果与LLG模拟吻合，测得的FMR频率为2.6GHz，与用式(1)计算得出的值一致。此外，检测发现，动态沉积的磁膜还显示出低的高频损耗，用于1.5GHz工作频率时的品质因数Q值为Q=μ'/μ"=5。
磁膜用于集成电感器时的另一个重要参数是其厚度，磁膜厚度在增强磁通方面起着关键作用。但是，由于磁膜的电阻率ρ受到限制，而膜厚受到涡流损耗的影响，所以要找到一个折衷的办法。
以下介绍动态沉积CoZrNb磁膜材料的高频磁性能与膜的关系。图3和图4分别示出了0.1、0.25、0.68μm厚度磁膜的微波磁导率谱线。在图3中可以看到，厚度为0.1μm的磁膜呈现出常规的旋磁效应，检测到有共侧单峰。对于0.25μm厚度的磁膜，可看到这个峰值的展宽状况。与其相反，0.68μm厚度的磁膜没有呈现出这个单峰。如图4所示，在这种特殊情况下，出现了复杂的多共振行为。可以确切地认为，这种磁导率谱线的剧烈变化与看到的条畴状磁滞回线（图4中没有显示出来）有关系。因此，这里应用于集成电感器项目的动态溅射沉积的CoZrNb膜的厚度比较小（一般为0.3μm），超过这个厚度时，其各向异性不利于高频应用。磁膜集成电感器的另一个重要性能指标是磁膜的热稳定性。我们用0.22μm厚度的CoZrNb磁膜对此指标进行研究，这种厚度的磁膜具有最佳的高频特性。图5和图6所显示的是经垂直或平行磁场中退火之后矫顽力Hc和各向异性场HK的渐变过程。从图5、图6中可以看出，经过2小时加磁场真空退火后，到300℃时没有看到Hc和HK相对于磁膜的沉积状态有多大变化。可是，在350℃左右时Hc增大，还可看到HK的不可逆损耗。这种剧烈变化的原因，可能与磁膜从非晶态向结晶态的结构变化有关。另外，实验与检测发现，与传统的静态沉积磁膜在磁场中退火比较，动态沉积的CoZrNb磁膜的平面各向异性更耐在平行磁场中退火，因为前者在200℃左右往往会遭遇易磁化轴的旋转。
4 讨论
这里介绍的动态溅射磁膜的技术是根据沉积过程中基片载具连续地移动设计的。从器件的性能及其可靠性而言，采用这项技术可以获得优良高频低损耗性能的CoZrNb基磁膜材料。其高频性能是建立在FMR本征频率升至2.6GHz时具有大的HK值(75oe)基础上的。这个HK值比在磁场中使用的常规静态沉积磁膜的HK值大得多：对相同成分的磁膜而言，后者分别有：HK≌25oe、fr≌1.5GHz。高HK值的磁性薄膜电感器的性能对电路设计很有益，因为较高的FMR频率，可在高频下以稍大的二维尺度更有效地使磁膜结构图形化，并能减少漏磁通。
由上述介绍可知，动态溅射沉积的CoZrNb磁膜的第二大优点是具有良好的热稳定性，特别是对热激活磁场效应有更牢固的磁各向异性。但是，在这项研究中观测到的大各向异性，其来源的原因仍不清楚，用旋转方法溅射沉积技术在倾斜面上以传统静态沉积的磁膜，也呈现出异常大的HK值。根据原子通量入射角效应，可以找到它们一个共同的来源。但是，很难把这个高值与FMR频率仅仅归因于动态的输运模式。例如，用相似动态线性技术但是用不同性质的靶子溅射的CoZrNb磁膜，其中就发现有较低的FMR频率。让人不解的是，在纯度很低的靶材上沉积的磁膜，却测出有较高的FMR频率。一结研究认为，这是磁膜中的Q2在起作用，也就是说，Q2对促成这种大的各向异性有着重要影响，这也是需要继续探讨的问题。
研究指出，促使形成条畴的临界厚度(～0.3μm)是限制动态沉积CoZrNb磁膜在高频中应用的主要因素。不过应该指出的是，这是因为没有进行优化处理，其中特别认为，电流沉积装置缺乏冷却，可能会促成条畴的柱状结构，为此，如经优化处理，也许较大的临界厚度(>0.5μm)在将来更实用。
5 小结
以动态溅射沉积技术为基础，制作了性能良好的高频电感器用的CoZrNb材质的磁膜，其FMR频率高达2.6GHz。已经证明，在高频应用中，这种磁膜的厚度被限制在0.3μm以下。较厚的磁膜因为存在条畴，使得高频磁性能变差。同时，它们的热稳定性在300℃时，与常规非晶磁性材料相似。相比之下，动态溅射沉积磁膜不显示可旋转的各向异性。
参考文献
Trans Magn. SOC. Japan, 2002-(5)卷2期
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