射頻集成磁膜微電感的制備與性能研究.pdf

1、高性能射頻（Radio Frequency,RF）集成微電感是移動通信應用中需求很高的無源器件。目前，低成本、高性能、高集成度RF微電感的缺乏阻礙了單片射頻SOC（SystemonChip）集成電路的實現(xiàn)。磁材料集成到微電感中不僅可增加電感感值，也可有效減少線圈磁漏，是實現(xiàn)高性能RF集成微電感很有前景的一種方法。本論文深入系統(tǒng)地研究了高頻鐵氧體薄膜磁性能及制備工藝，在此基礎上，首次采用標準硅集成工藝實現(xiàn)了基于鐵氧體RF集成磁膜微電感，實

2、驗結果表明鐵氧體磁膜的引入可有效提高RF平面微電感的整體性能。論文首先對RF平面微電感的物理模型進行了研究，給出了平面電感Q值和L值的計算方法，從模型出發(fā)分析了電感結構和材料參數對電感L、Q值的影響。在此基礎上，針對高電阻率鐵氧體磁材料的特點，得到了磁膜微電感等效電路模型及適合于集成磁膜微電感L值與Q值的計算表達式，并使用等效模型詳細地分析了鐵氧體磁膜的引入對RF平面微電感性能的影響，為鐵氧體應用到磁膜集成RF微電感打下理論基礎。仿真結

3、果表明高頻磁導率和高頻介電常數對電感高頻性能同等重要，只有選取高磁導率、低介電常數的鐵氧體材料才能提升RF微電感的整體性能。同時，使用部分元等效電路法（PartialElementEquivalentCircuits,PEEC）解決了射頻頻段微米尺度金屬損耗的精確計算問題，為預測、設計和優(yōu)化片上螺旋電感提供了一種有效的電磁仿真方案。接著，研究了使用溶膠－凝膠（Sol-gel）自燃法制備的NiCuZn、YIG、CoZrO鐵氧體高頻電磁性能

4、，測試結果表明這些材料在高頻下具有低的磁損耗和介電損耗，而NiCuZn、CoZrO鐵氧體截止頻率大于1GHz，適合于RF集成微電感的應用要求。在此基礎上，使用sol-gel法結合快速熱處理（Rapid Thermal Processing,RTP）工藝制備了軟磁性能良好的NiCuZn、YIG鐵氧體磁膜，通過對磁膜樣品表面形貌、晶相結構及準靜態(tài)、高頻磁性能的測試，詳細研究了組分、溶膠－凝膠法、RTP退火工藝對鐵氧體薄膜性能的影響，獲得了優(yōu)

5、化的工藝條件。實驗結果表明：sol-gel技術有效降低了磁膜晶化溫度，在溶膠摩爾濃度盡可能高的條件下，制備樣品可得到相當于體材的靜磁性能；sol-gel法結合RTP工藝可有效地實現(xiàn)磁性薄膜的低溫集成工藝，為將磁性薄膜集成到RF微電感打下基礎。論文對集成磁膜微電感制作涉及的關鍵工藝進行了研究與開發(fā)，其中有磁性薄膜的刻蝕工藝、聚酰亞胺薄膜的制備與刻蝕技術及電鍍Cu工藝。在磁膜圖形化工藝研究中，比較了多種刻蝕工藝，得到了適用于鐵氧體磁膜的刻蝕

6、工藝；研究了聚酰亞胺薄膜的制備與刻蝕技術；對電鍍Cu工藝進行了細致的研究，設計成熟了種子層濺射/厚膠光刻/電鍍Cu/種子層刻蝕的Cu線條制作技術。這些關鍵工藝的研究以與標準硅集成工藝兼容為前提，獲取了大量的工藝經驗，為磁膜微電感的實現(xiàn)打下了實驗基礎。在結構設計和工藝優(yōu)化的基礎上，結合現(xiàn)有實驗工藝條件設計了單層、雙層金屬磁膜微電感版圖，提出了與標準硅工藝兼容的磁膜微電感制備工藝流程，進行了多次工藝流水，實現(xiàn)了磁膜微電感。實驗結果表明將磁性

7、薄膜集成到IC微電感中是完全可行的。最后對所制備的微電感樣品進行了高頻測試，通過實驗數據系統(tǒng)分析了微電感結構、材料參數及測試電極結構形式對電感高頻性能的影響，并與仿真結果進行了對比，比較結果表明等效電路計算方法在5GHz內具有可滿足設計要求的仿真精度。比較了YIG、NiCuZn和CoZrO鐵氧體磁膜集成微電感樣品與同結構參數無磁膜微電感樣品的高頻性能，測試結果表明CoZrO磁膜集成可有效的提升微電感的整體高頻性能，與同類無磁膜電感樣品進