Fe基高频软磁薄膜的制备及微波特性研究

【摘要】：随着电子信息技术向高集成化、小型化、薄膜化及高频化方向发展,越来越多的元件要求集成在更小的基片上。为了减小电子系统的整体尺寸和重量,发展薄膜器件无疑成为满足要求的实用方法。微波软磁薄膜具有良好的磁性能,如高的饱和磁化强度4πMs,高的磁导率μ和低的阻尼常数α。因此,由软磁薄膜组成的电感器其电感将显著增强,并且在单片微波集成电路中所需空间大大地减少。但是,外加磁场通常具有大的重量或高的功率消耗,这在集成电路中很难满足小型化,轻量化和低功耗的性能要求。因此,具有磁各向异性的金属软磁薄膜吸引了越来越多的关注。软磁薄膜的铁磁共振频率fFMR主要是由其饱和磁化强度4πMs和面内单轴各向异性场H_K决定的。各向异性场H_K作为外禀参量对制备条件、缺陷等比较敏感,可以更容易的提高1-2个数量级,所以软磁薄膜的研究主要集中在提高其单轴各向异性场方面。本论文围绕着集成电路(IC)兼容性工艺条件下,磁各向异性软磁薄膜的制备和微波软磁特性提高等内容,开展了以下主要研究工作:(1)条纹阵列结构的磁各向异性。利用脉冲激光沉积法结合光刻工艺,制备了Ni_(80)Fe_(20)连续膜和条纹膜,研究了条纹长度均为5 mm,条纹宽度分别为20μm、30μm及40μm对于Ni_(80)Fe_(20)薄膜的微结构和单轴各向异性的影响。经分析测试发现:连续膜表现出各向同性,其铁磁共振频率fFMR为1.71 GHz,而条纹膜表现出各向异性,且条纹膜的各向异性场H_K随着条纹宽度的减小逐渐增大,当条纹宽度减小至20μm时,条纹膜的铁磁共振频率fFMR增大到2.1 GHz。所有样品的铁磁共振频率fFMR和各向异性场H_K的比较表明了铁磁共振频率的增大归因于Ni_(80)Fe_(20)条纹膜的形状各向异性的增加。(2)应力诱导磁各向异性。利用脉冲激光沉积法,制备了膜厚为65 nm的一系列Fe56CO24B20非晶薄膜,通过弯曲Si衬底引入压应力,探究了压应力对薄膜的畴结构及单轴各向异性的影响。经分析测试发现:易磁化轴垂直于压应力的方向;随着压应力的增大,单轴磁各向异性场H_K从54 Oe增大到191 Oe,铁磁共振频率相应地从3.41 GHz增大到4.03 GHz。随后利用磁力显微镜(MFM)测试发现具有压应力的薄膜其条纹畴结构及条纹的称度随压应力的增加逐渐增强。进一步的分析表明,应力沉积薄膜的方法不仅可以提高软磁薄膜的铁磁共振频率,还可以降低磁损耗。