一種基于鐵鎳多元合金磁芯的微型薄膜電感的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本實(shí)用新型涉及微電子技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種微電感器件，特別是涉及一種基于鐵鎳多元合金磁芯的微型薄膜電感，該微型薄膜電感有利于三維微系統(tǒng)技術(shù)的集成，有效降低電感的體積從而提高空間集成度，如片上系統(tǒng)集成、CMOS器件集成，對(duì)射頻高頻電路、電磁兼容降噪電路、雷達(dá)電路裝置等領(lǐng)域有重大意義。
【背景技術(shù)】
[0002]電子元器件的小型化是電子產(chǎn)品的小型化、微型化的前提，而磁性器件如電感器件及由其構(gòu)成的電源變壓器、DC-DC變換器、振蕩器、濾波器、放大器和調(diào)諧器等是電子電路必不可少的重要元件，因此電感器件的微型化備受關(guān)注。隨著三維集成微系統(tǒng)技術(shù)的開(kāi)發(fā)，如何在芯片上實(shí)現(xiàn)功率轉(zhuǎn)換，開(kāi)發(fā)性能優(yōu)異的芯片上電感是微電子行業(yè)的重大挑戰(zhàn)。
[0003]過(guò)去20年里，為了實(shí)現(xiàn)芯片上電感元件的集成，避免無(wú)芯電感的電磁兼容、陶瓷芯的高溫制作工藝問(wèn)題，磁芯電感的材料、制作工藝、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等一直被廣泛地研宄。加入磁芯能在一定頻率內(nèi)有效提高電感值、減小電磁干擾，但也引入了高頻使用時(shí)磁芯的損耗、電感值下降快的問(wèn)題。目前，磁芯材料關(guān)注的性能有⑴低矯頑力以減小磁滯損耗；(2)高電阻率以減小渦流損耗和趨膚效應(yīng)；(3)高飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度以提高電流處理能力。(4)高相對(duì)磁導(dǎo)率以提高電感增量。(5)高各向異性場(chǎng)以利用難軸磁滯損耗較小的特點(diǎn)提高工作頻率。材料高頻的本征磁性不僅與其飽和磁化強(qiáng)度成正比，而且與其內(nèi)部的難磁化面與易磁化面內(nèi)的兩個(gè)各向異性場(chǎng)的比值的平方根成正比，即具有雙各向異性的材料的高頻磁性將會(huì)成倍的提高。
[0004]因此開(kāi)發(fā)新型磁芯材料，減少矯頑力，提高電阻率、飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度、磁導(dǎo)率，實(shí)現(xiàn)材料的各向異性顯得尤為重要。而且，目前現(xiàn)有的磁芯材料，如Fe基、Co基軟磁材料都有性能不足或制備難、成本高的問(wèn)題，因此如何獲得高性價(jià)比的薄膜磁芯材料并制造高性能芯片上電感元件，在微電子器件和微系統(tǒng)集成技術(shù)領(lǐng)域有重要的應(yīng)用價(jià)值。
【實(shí)用新型內(nèi)容】
[0005]本實(shí)用新型的目的是針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的不足和市場(chǎng)對(duì)微型化電感器件的需求，提供了一種基于鐵鎳多元合金磁芯的微型薄膜電感。鐵、鎳、磷、稀土多元合金薄膜磁芯材料保持了鐵鎳軟磁材料低矯頑力的優(yōu)勢(shì)，在此基礎(chǔ)上通過(guò)增加稀土元素與促進(jìn)非晶化的磷元素，提高了磁感應(yīng)強(qiáng)度和電阻率，同時(shí)通過(guò)增加外加磁場(chǎng)誘導(dǎo)以及合理電感設(shè)計(jì)使得薄膜磁芯材料產(chǎn)生了各向異性，這使得到的微電感器件在原鐵鎳軟磁材料的基礎(chǔ)上大大地提高了工作頻率，減少了磁損耗，具有高電感量、高品質(zhì)因素的特點(diǎn)，可廣泛地應(yīng)用于芯片上系統(tǒng)(SOC)的集成和微電子器件的開(kāi)發(fā)。
[0006]為實(shí)現(xiàn)上述目的，本實(shí)用新型是通過(guò)以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的:
[0007]一種基于鐵鎳多元合金磁芯的微型薄膜電感，包括薄膜磁芯和線圈，所述薄膜磁芯為鐵鎳多元合金薄膜，其中:所述薄膜磁芯作為線圈的內(nèi)芯，即線圈螺旋纏繞于薄膜磁芯之外；或者，所述薄膜磁芯作為外芯，即線圈包裹于薄膜磁芯之內(nèi)。
[0008]所述電感還包括襯底材料、鈍化層、種子層和絕緣材料，其中:所述襯底材料上設(shè)有鈍化層，鈍化層上布置薄膜磁芯和線圈，在線圈之間以及線圈與薄膜磁芯之間通過(guò)設(shè)置絕緣材料保持絕緣；所述薄膜磁芯和線圈通過(guò)直流電鍍方式布置在鈍化層上，以種子層作為電鍍薄膜磁芯和線圈時(shí)的基底層。所述線圈為薄膜狀，線圈的兩端分別連接引線，引線再連接引腳。
[0009]所述鐵鎳多元合金薄膜中，鐵元素含量為20_65wt.%，鎳元素含量為20-70wt.%，鐵和鎳兩者含量之和為70-90wt.%，稀土元素含量為0.l_5wt.%，其余為磷；其中:所述稀土元素為L(zhǎng)a、Ce、Nd、Eu、Sm和Gd中的任意一種或兩種。
[0010]采用直流電鍍制備鐵鎳多元合金薄膜時(shí)，電鍍液組成為:FeS04S 0.01-0.09mol/L，NiSO4為 0.01-0.09mol/L，NaH #02為 0.1-0.3mol/L，RECl 3為 0.5_4g/L，H 3B03為0.5-2mol/L，Na3C6H5O7為0.1-0.2mol/L，其余為去離子水；電鍍工藝參數(shù)為:電鍍陽(yáng)極采用Fe和Ni純金屬板，電流密度10-50mA/cm2;調(diào)節(jié)鍍液pH值為2_5，加熱至40_70°C，電鍍時(shí)間為 5_40min。
[0011]所述薄膜磁芯厚度為0.5?30 μπι，通過(guò)直流電鍍的時(shí)間和電流大小控制；所述薄膜磁芯為單層結(jié)構(gòu)或疊層結(jié)構(gòu)，薄膜磁芯為疊層結(jié)構(gòu)時(shí)，不同層內(nèi)材料的組織和成分能夠根據(jù)需要進(jìn)行調(diào)整。
[0012]所述薄膜磁芯具有各向異性，包括膜面內(nèi)的各向異性，以及在垂直和平行磁芯膜面方向因維度差異導(dǎo)致的各向異性。所述膜面內(nèi)的各向異性是由材料制備和/或由電感結(jié)構(gòu)或形狀設(shè)計(jì)產(chǎn)生，如在直流電鍍方式制備薄膜磁芯過(guò)程中，可通過(guò)施以外加磁場(chǎng)誘導(dǎo)磁芯產(chǎn)生各向異性；或者，在制備的薄膜磁芯上通過(guò)設(shè)計(jì)凹槽或增加氣隙的方式使磁芯產(chǎn)生各向異性。
[0013]所述磁芯材料電鍍后狀態(tài)矯頑力最小能達(dá)0.30e，磁芯材料飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度最高能達(dá)2.5T，磁芯材料其電阻率最高可達(dá)700 μ Ω.cm。
[0014]所述襯底為硅、鍺、硅鍺或砷化鎵，或者含有不同電路結(jié)構(gòu)的CMOS器件及芯片上微處理系統(tǒng)等。
[0015]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本實(shí)用新型的有益效果是:
[0016]1、本實(shí)用新型提出了一種新型的基于鐵鎳多元合金薄膜磁芯的微型電感，由于磁芯材料在傳統(tǒng)的鐵鎳合金的基礎(chǔ)上進(jìn)行了改性優(yōu)化，加入稀土元素合金化和磷元素非晶化，磁感應(yīng)強(qiáng)度、電阻率、各向異性都有了很大的提高，所以電感器在高頻使用過(guò)程中品質(zhì)因子提高，損耗減小。
[0017]2、本實(shí)用新型中制備的基于鐵镲多元合金的薄膜磁芯，磁芯材料成分在一定范圍內(nèi)可控，對(duì)磷含量的調(diào)控及晶化處理還可獲得晶態(tài)或非晶態(tài)的薄膜。通過(guò)調(diào)節(jié)不同元素的成分含量和微觀結(jié)構(gòu)，可實(shí)現(xiàn)對(duì)磁芯材料性能的調(diào)控。若配合不同線圈設(shè)計(jì)，能達(dá)到效果更優(yōu)的電感器。
[0018]3、本實(shí)用新型中磁芯鍍液體系簡(jiǎn)單，具有易于生產(chǎn)、成本較低的優(yōu)勢(shì)。
[0019]4、磁芯材料和線圈均可由直流電鍍工藝制備，而且可以與現(xiàn)有的晶圓級(jí)封裝制備技術(shù)兼容，容易產(chǎn)業(yè)化。
[0020]5、本實(shí)用新型中提出的基于鐵鎳多元合金薄膜磁芯的微型電感，其制備精度在微納尺度范圍內(nèi)可控，電感尺寸可從厘米縮小到毫米微米尺度，體積小，性能高，便于晶圓級(jí)量產(chǎn)和三維疊層封裝，易于實(shí)現(xiàn)器件或產(chǎn)品的高密度集成。
【附圖說(shuō)明】
[0021]圖1為實(shí)施例1中基于鐵鎳多元合金磁芯的微型薄膜電感結(jié)構(gòu)示意圖。
[0022]圖2為圖1的放大A-A剖視圖。
[0023]圖3為實(shí)施例1中制備基于鐵鎳多元合金的微型薄膜電感流程圖；其中:
[0024](a)準(zhǔn)備好帶鈍化層2的襯底I，布置種子層I 31和光刻膠4 ；
[0025](b)電沉積底層磁芯51 ；
[0026](c)布置絕緣層I 61 ;
[0027](d)準(zhǔn)備種子層II 32和光刻膠4，為電鍍線圈7、引線8、引腳9做準(zhǔn)備；
[0028](e)電鍛線圈7及引線8、引腳9;
[0029](f)在線圈7之間及上方布置絕緣層II 62 ；
[0030](g)圖形化絕緣層II 62并布置種子層III 33 ；
[0031](h)電沉積頂層磁芯52 ;
[0032]圖4為實(shí)施例2中基于鐵鎳多元合金磁芯的微型薄膜電感結(jié)構(gòu)示意圖。
[0033]圖5為圖4的放大A-A剖視圖。
[0034]圖1-5中:1_襯底；2_鈍化層；3_種子層；31_種子層I ;32_種子層II ;33_種子層III ;4_光刻膠；5_磁芯；51_底層磁芯；52_頂層磁芯；6_絕緣材料；61_絕緣層I ;62_絕緣層II ;7-線圈;8-引線；9_引腳。
[0035]圖6為鐵鎳多元合金磁芯平行于膜面內(nèi)易軸方向和垂直于膜面的磁滯回線，已經(jīng)過(guò)歸一化處理。
[0036]圖7為鐵鎳多元合金磁芯平行于膜面內(nèi)兩個(gè)方向的磁滯回線；其中，各向異性場(chǎng)一般為兩條磁滯回線在第一象限所包圍面積差的兩倍來(lái)衡量，如圖所示，通過(guò)外加磁場(chǎng)誘導(dǎo)，鐵鎳多元合金薄膜產(chǎn)生了明顯的磁各向異性。
[0037]圖8是以軟磁材料鐵鎳合金作為比較組，本發(fā)明制備的鐵鎳多元合金磁芯材料具有較高的電阻率。
[0038]圖9為實(shí)施例1電感中鐵鎳合金多元磁芯掃描截面形貌。
【具體實(shí)施方式】
[0039]下面結(jié)合附圖及實(shí)施例對(duì)本實(shí)用新型作進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明。
[0040]如圖1-2、4_5所示，本實(shí)用新型基于鐵鎳多元合金磁芯的微型薄膜電感包括薄膜磁芯5和線圈7，其結(jié)構(gòu)可以是磁芯5包裹線圈7的形式，也可以是線圈7纏繞磁芯5的形式。所述電感還包括襯底1、鈍化層2、種子層3和絕緣材料6，其中:所述襯底I上設(shè)有鈍化層2，鈍化層2上布置薄膜磁芯5和線圈7，在線圈7之間以及線圈7與薄膜磁芯5之間通過(guò)設(shè)置絕緣材料6保持絕緣，所述的絕緣材料6為聚酰亞胺或其替代品；在本發(fā)明中，絕緣材料6不僅起到絕緣磁芯5和線圈7的作用，還起到支撐作用。
[0041]所述薄膜磁芯5和線圈7通過(guò)直流電鍍方式制備，以種子層3作為電鍍薄膜磁芯和線圈時(shí)的基底層，所述種子層3在本發(fā)明中是為了電鍍作準(zhǔn)備的，需考慮與上下層材料之間的結(jié)合問(wèn)題，視材料不同而有所不同，能夠保證導(dǎo)電和結(jié)合力即可。
[0042]所述薄膜磁芯為鐵鎳多元合金薄膜材料，其成分結(jié)構(gòu)均可調(diào)控。通過(guò)調(diào)節(jié)直流電鍍液的成分與電鍍工藝，可達(dá)不同元素含量的鐵、鎳、磷、稀土多元合金薄膜鍍層，該材料中