IC工艺下高频铁磁薄膜制备及其复杂磁各向异性构建

集成电路（IC）产品正向着轻薄短小、高频化、低功耗、高可靠性等趋势发展，迫使尺寸大且制备与IC工艺兼容性差的电感元件，必须在IC工艺条件下实现其平面化和微型化，以满足IC有限空间布局要求。铁磁材料可以大幅增加电感量，减小电感尺寸和提高性能，因此，高频微磁电感在IC中的应用，成为当今科学界热点攻关课题。本项目深入研究磁各向异性机制，重点解决高频铁磁材料的选材设计、IC工艺制备以及二维薄膜磁芯效能提高等重要基础问题。采用多种掺杂技术来调控铁磁材料的磁性和微结构；利用自主发明的成分梯度溅射方法、改进的磁场沉积，以及基于应力、界面效应和耦合效应调控的新型IC兼容性工艺等方法制备薄膜；利用理论计算、仿真模拟和多层膜技术，实现具有多轴或涡旋磁各向异性磁结构的高性能高频铁磁薄膜材料的人工设计构建，提高薄膜磁芯在电感中作用。从而在创新的IC兼容工艺下，制备出多种高性能高频铁磁薄膜材料体系。

微电感在DC-DC转换器、滤波器、相移器、隔离器和耦合器等射频/微波集成电路器件中得到广泛应用，但低电感量和品质因子严重影响到它的使用。软磁薄膜可以有效地提高电感量和Q因子，因此，由软磁薄膜覆盖的微磁电感得到广泛重视。要想将软磁薄膜成功用于集成电路器件，需要满足如下三个条件：一是软磁薄膜的制备过程满足IC工艺兼容条件；二是软磁薄膜具有超过工作频率的自偏置铁磁共振频率；三是软磁薄膜的磁结构满足电感形状的设计要求，以充分发挥软磁薄膜材料的效能。因此，本项目围绕着上述三个条件开展了：高频软磁薄膜的IC兼容性工艺制备方法，提高软磁薄膜的综合微波铁磁性能，构建适用于多种形状电感的多种磁各向异性，微磁电感的设计、制造和性能提升等四方面的工作。.主要研究工作及取得的研究成果括如下：.1、软磁薄膜IC兼工艺容性制备方法。（1）以自主发明的成分梯度溅射(CGS)方法为切入点，并改进提高为改进型CGS方法，制备了铁磁共振频率fFMR高，频率单一性好的高频软磁薄膜材料；（2）发明了CGS层间耦合法（IEC），实现了软磁层间耦合效应与CGS成分梯度效应的叠加，将磁各向异性场HK提高了1-2个数量级（超过1000 Oe），从而获得了fFMR高达16.7 GHz的创纪录材料；（3）发明了CGS磁电耦合法（MEC），将成分梯度溅射与磁电耦合效应相叠加，创新性地获得了HK具有电场调谐性的软磁薄膜，其fFMR高达11.72 GHz，而频率的电场调谐范围达ΔfFMR 6.6 GHz。这些成果为频率可调谐微波器件的设计，提供了有力的支撑作用，具有广阔的市场前景。.2、复杂磁各向异性构建。本项目先后构建出单轴、正交双轴和涡旋磁各向异性，满足了长方形、正方形和圆形电感的使用。最终利用CGS单轴磁各向异性单元膜和多层膜技术，构建出准各向同性软磁薄膜。准各向同性磁结构构型是实用软磁薄膜的最高境界，它突破了电感设计和使用中的形状限制，各向同性磁性薄膜在任何形状的电感中都可以发挥最大效能，这为软磁薄膜真正进入集成电路制程，走向实用化开辟了崭新的道路。.3、微磁电感及其整合关键技术。建立在本项目多种IC工艺兼容性软磁薄膜制备方法基础上，本项目攻克了软磁薄膜与电感整合的关键技术，获得了结构复杂的Solenoid型电感，其电感量增加400%。这一结果远远超出了普通平面螺旋电感的指标（电感增量通常小于100%）。