[發明專利]一種納米顆粒復合磁芯膜及其制備方法

有效

• 申請號: 202110373226.6
• 申請日: 2021-04-07
• 公開（公告）號: CN113192720B
• 公開（公告）日: 2022-10-11
• 發明（設計）人: 白飛明;鄒想;張懷武
• 申請（專利權）人: 電子科技大學
• 主分類號: H01F10/12
• 分類號: H01F10/12;H01F10/18;H01F10/187;H01F41/18;H01F41/22;H01F41/30;H01F27/24
• 代理公司: 電子科技大學專利中心 51203
• 代理人: 吳姍霖

一種納米顆粒復合磁芯膜，包括鐵磁金屬與X’O的復合顆粒，以及包覆于復合顆粒表面的XO非晶顆粒層，復合顆粒與非晶顆粒層形成核?殼結構；其中，鐵磁金屬的氧化物生成焓的絕對值＜X’的氧化物生成焓的絕對值＜X的氧化物生成焓的絕對值；所述復合磁芯膜中，鐵磁金屬的體積百分比為60％～80％，X’O的體積百分比為10％～30％，XO的體積百分比為10％～30％。本發明提供的一種納米顆粒復合磁芯膜，首先通過磁控濺射形成MX’合金的表面包覆XO氧化層的結構，以較低的體積含量實現增大薄膜電阻率的目的；其次，在氧化氣氛中退火處理，使得X’氧化并析出，細化磁性顆粒，引入隨機各向異性，有效降低薄膜的矯頑力。

技術領域

本發明涉及一種適用于薄膜電感、變壓器等磁性器件的高頻納米復合磁芯膜及其制備方法。

背景技術

電子信息技術的發展要求電子器件朝著更加小型化、集成化發展，同時在元器件本身必須小型化和薄膜化的進程中，作為微磁器件中最重要的薄膜電感器，尤其能和半導體器件一起集成的薄膜電感器，在現代信息領域中有著廣泛的應用前景。隨著電子通信技術的發展尤其是5G時代的到來，以薄膜芯材為基礎的集成磁性器件向著高頻化方向發展，這對軟磁薄膜的高頻性能提出了更高要求：(1)高的截止頻率，使電感能工作在高頻段；(2)高的磁導率，以提升感值增益和品質因數；(3)高飽和磁化強度，有利于提高磁導率和截止頻率；(4)低的矯頑力，有利于降低磁滯損耗；(5)高的電阻率，以降低高頻渦流損耗；(6)合適的各向異性場，提高截止頻率，但同時也會導致磁導率下降，所以需要一個適中的值。

傳統的鐵氧體材料由于截止頻率和制備溫度的限制，不能適應超高頻薄膜電感的要求。目前應用于超高頻片上薄膜電感的三類材料主要包括：坡莫(NiFe)合金、非晶軟磁金屬薄膜和金屬-絕緣介質納米復合顆粒膜。其中，坡莫合金具有極小的矯頑力，但飽和磁化強度較低，電阻率僅為幾十μΩ·cm左右，厚膜的高頻渦流損耗高。CoZrTa等非晶金屬磁膜同樣具有很小的矯頑力，飽和磁化強度可以達到15kG，但其電阻率較低(數十到100μΩ·cm)。為了抑制厚膜的高頻渦流損耗，一般需要制備多層膜結構。由于受到垂直各向異性臨界厚度的限制，單層坡莫合金、非晶磁膜的厚度一般在200nm以內。

FeCo合金具有極高的飽和磁化強度。當FeCo合金與非磁金屬X(Si，Ti，Al，Hf，Zr)等共濺射時，由于SiO₂、TiO₂、Al₂O₃、HfO₂和ZrO₂等氧化物的生成焓比Fe₂O₃更低，使得非磁金屬優先氧化生成非晶態絕緣介質，并且會阻止FeCo晶粒的長大，這樣就會生成FeCo納米晶鑲嵌于絕緣介質(如氧化物、氮化物等)基體中的納米復合顆粒膜。這種納米復合顆粒膜一方面可以利用隨機各向異性有效地降低薄膜的矯頑力，另一方面還可以將薄膜的電阻率提高3-4個量級。此外，由于納米晶在厚度方向的生長也被絕緣介質打斷，單層納米顆粒磁膜的厚度可以超過500nm而不會出現垂直各向異性。然而，在此類薄膜中，雖然提高XO體積含量能夠增加薄膜電阻率并降低矯頑力，但是卻會降低飽和磁化強度和磁導率；反之，降低XO體積含量能夠提高飽和磁化強度和磁導率，但卻是以犧牲電阻率和矯頑力為代價的。以上這種矛盾長期限制了高頻納米顆粒膜的發展。

發明內容

本發明的目的在于，針對背景技術存在的缺陷，提出了一種納米顆粒復合磁芯膜及其制備方法，在保證高飽和磁化強度的同時，有效提高了薄膜的電阻率。

為實現上述目的，本發明采用的技術方案如下：

一種納米顆粒復合磁芯膜，其特征在于，所述復合磁芯膜包括鐵磁金屬與X’O的復合顆粒，以及包覆于復合顆粒表面的XO非晶顆粒層，復合顆粒與非晶顆粒層形成核-殼結構；其中，鐵磁金屬的氧化物生成焓的絕對值＜X’的氧化物生成焓的絕對值＜X的氧化物生成焓的絕對值；所述復合磁芯膜中，鐵磁金屬的體積百分比為60％～80％，X’O的體積百分比為10％～30％，XO的體積百分比為10％～30％。