高性能納米磁性薄膜材料的濕法工藝.pdf

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1、高性能納米磁性薄膜材料的濕法工藝馮則坤，何華輝關(guān)鍵詞：納米薄膜，磁性材料，電鍍摘要：介紹了納米磁性薄膜材料特性、類型，綜述了近年來(lái)興起的濕法工藝及其用濕法工藝制備的納米磁性薄膜材料的特性。1引言為滿足電子設(shè)備小型化的要求，設(shè)備工作頻率逐漸向高頻方向發(fā)展。從kHz到MHz，進(jìn)而向GHz頻段擴(kuò)展。為此，對(duì)在電子設(shè)備中占據(jù)很大體積和重量的磁性器件，如電感器、變壓器的小型化、高頻化也提出了很高的要求。在這種背景下，國(guó)際上對(duì)用磁性薄膜做成的微磁器件的研究及與半導(dǎo)體器件成為一體的磁性IC研究十分活躍。這些器件主要用于便攜式信息通信設(shè)備，如移動(dòng)電話等。在這些設(shè)備中，為保證其工作穩(wěn)定性及經(jīng)濟(jì)性，電源部

2、分的小型化和高效率化是很重要的。所以薄膜化的磁性器件最早是從各種電感器、濾波器、DC/DC變換器中的變壓器等開始的。以往用于磁性器件的NiFe合金、鐵氧體等，不管是飽和磁通密度Bs，還是磁導(dǎo)率μ的頻率特性，遠(yuǎn)不能滿足日益發(fā)展的新型電子設(shè)備的要求。例如為了防止濾波器、變壓器磁飽和，以及在磁頭中，為使高密度記錄用的高矯頑力介質(zhì)充分磁化，要求材料的Bs在1.5T以上。另外，很多通信機(jī)用環(huán)形天線、電感器等，要求能在數(shù)百M(fèi)Hz到數(shù)GHz的頻率范圍工作。上述這些要求都是目前常用的磁性材料無(wú)法滿足的。材料的薄膜化技術(shù)，會(huì)給材料帶來(lái)以往無(wú)法實(shí)現(xiàn)的許多重要變化。磁性材料的薄膜化是微磁器件的基礎(chǔ)，也是將來(lái)

3、實(shí)現(xiàn)磁性IC的前提之一。本文首先介紹高性能納米磁性薄膜的種類、特性，其制備方法通常稱之謂干法工藝。然后評(píng)述近年來(lái)興起的具有成本低廉、生產(chǎn)周期短且能實(shí)現(xiàn)規(guī)?；臐穹üに?。[1~7]2納米磁性薄膜材料的類型、特性納米磁性薄膜材料通常有兩種類型，即納米磁性多層薄膜材料和納米磁性顆粒膜材料。2.1納米磁性多層膜材料納米磁性多層膜材料結(jié)構(gòu)如圖1所示，它是在合適的基片中交替淀積納米磁性層、納米介質(zhì)絕緣層（非磁性層）而構(gòu)成，每層的厚度約為數(shù)nm到數(shù)十nm，總層數(shù)可達(dá)幾百層，最常用的介質(zhì)絕緣層材料為SiO2，而納米磁性材料則根據(jù)不同的用途有很大的不同。但有一點(diǎn)是共同的，即都是以一些鐵磁材料為基的材料。

4、常用的納米磁性多層膜的基本特性、主要成分如下：（1）高飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度Bs、高磁導(dǎo)率μ、高頻率f納米磁性多層膜這種多層膜在設(shè)計(jì)時(shí)主要強(qiáng)調(diào)材料的低矯頑力Hc、零磁致伸縮系數(shù)λs以及高的電阻率ρ，介質(zhì)絕緣層為SiO2，磁性層通常為Fe、Co、FeCo以及CoZrNb等。到目前為止，這種多層膜材料已能達(dá)到ρ=1000μΩ·cm，Bs≥1T，磁導(dǎo)率'μ在頻率f高達(dá)7GHz以上時(shí)仍能保持在40以上。（2）巨磁電阻（GMR）效應(yīng)多層膜GMR效應(yīng)是指磁性材料在外磁場(chǎng)作用下，材料電阻率發(fā)生巨大變化，GMR效應(yīng)的發(fā)現(xiàn)與應(yīng)用，使計(jì)算機(jī)存儲(chǔ)密度10年內(nèi)提高了100倍，即從1990年的220.1Gbit/in到

5、2000年11Gbit/in。GMR納米多層膜中的磁性層通常也為Fe、Ni、Co或其合金，非磁性層則為Cu、Ag、Cr、Au或氧化物。Fe/Al2O3/Fe隧道結(jié)GMR納米多層膜的室溫Δρ/ρ達(dá)到18%，而所需飽和場(chǎng)僅為40kA/m，磁靈敏度高達(dá)80%/（79.6A/m）。2.2納米磁性顆粒膜納米磁性顆粒膜結(jié)構(gòu)如圖2所示，這種顆粒膜結(jié)構(gòu)是在絕緣的金屬氧化物相基體中均勻分散著粒徑為數(shù)nm的磁性超細(xì)微粒。這種納米磁性顆粒膜結(jié)構(gòu)由于磁性相周圍被絕緣氧化物相所包圍，它在能獲得幾千μΩ·cm高的電阻率的同時(shí)，還能達(dá)到只有數(shù)Oe的低矯頑力。例如，F(xiàn)e-B合金靶在N2中濺射時(shí)，得到的薄膜呈現(xiàn)高電阻率

6、的原因，是由于a-Fe微粒的周圍被絕緣的BN所包圍。Fe微粒不呈超順磁性而顯示軟磁特性，是因?yàn)锽N非常薄，部分Fe微粒相互連接著，或是因?yàn)榇嬖谌醯拇篷詈纤?。常用的納米磁性顆粒膜基本特性、主要成分如下：（1）超軟磁納米顆粒膜這種超軟磁納米顆粒膜是為適應(yīng)平面型電感器、變壓器等集成型磁性器件而發(fā)展起來(lái)的。隨著電子儀器的小型化，電子儀器的工作頻率越來(lái)越高，因此希望其中的磁性器件工作到幾百M(fèi)Hz甚至GHz，在這樣高的頻率下，要求材料具有高的Bs、高的μ及低的磁損耗，常用的超軟磁納米磁性顆粒膜有FeCoSiB系、Co-Cr-O系、FeCoAl-O系等，在2GHz頻率下，其磁導(dǎo)率μ仍能達(dá)到140以

7、上。（2）巨磁電阻效應(yīng)顆粒膜已研制的巨磁電阻效應(yīng)顆粒膜材料有Co-Ag、Fe-Cu、Co-Cu等系列，鐵磁性金屬在復(fù)合膜中所占體積分?jǐn)?shù)在25%以下，顆粒尺寸為納米量級(jí)，其低溫下的Δρ/ρ高達(dá)50%，Co-Ag顆粒膜，高溫下的Δρ/ρ現(xiàn)已達(dá)到16%。3磁性薄膜材料的濕法工藝納米磁性多層膜、顆粒膜最常用的制備方法是真空蒸發(fā)、真空磁控射頻濺射等，這些方法所用的設(shè)備復(fù)雜、價(jià)格昂貴，且存在成膜時(shí)間長(zhǎng)、不易大生產(chǎn)等缺點(diǎn)。蒸發(fā)、濺射等方法通常簡(jiǎn)稱為干法工藝，