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用于射频集成电路的磁膜电感器

2003-03-21 14:29:51 来源:《国际电子变压器》2001.04
用于射频集成电路的磁膜电感器
Magnetic thin-film inductor for RF-intergratedcirsuits

一、引 言
由于电感元件在线圈部分产生大约直流电阻损耗,并且在昂贵的GaAs或Si单片微波集成电路(MMIC)芯片上占据大约面积,因此,迫切需要缩小射频集成电感器[1-3]。
目前,仅使用空芯电感器,但是,对于我们大家还有微制造[4-6]、测量[7]和模拟[8、9]射频集成磁膜电感器的很多挑战。本研究的目的是验证用磁膜同时减小电感器尺寸和损耗的可能性;目标是制作一种1GHz频段移动通信手机的射频前端电路中的阻抗匹配元件。
本研究的第二个关键是磁膜的微图形化(micropa-tterning),这会给磁膜引入人为控制的形状各为异性,并因此避免1GHz下的铁磁共振损耗。只有具有低涡流损耗和低频磁共振损耗的软磁性膜才可用于1GHz频段电感器。
二、结构和设计
2.1结构和尺寸
图1表示本研究中制作的磁膜电感器的结构。一层磁膜简单地盖在制作在Si片上的一个螺形线圈上面,其电阻率大于500Ω.cm(应为500μΩ.cm—译注)。用一层聚酰亚胺膜将磁膜和螺形线圈绝缘。已知这种结构只可提供100%的电感增盖[10](相对于空芯电感)。不过,有20~30%的增盖即可满足工业要求。因此,采用了这种结构。

图1 制作的薄膜电感器的结构:(a)顶视图,(b)横截面
电感器的各尺寸列于表1。线圈的几何形状与目前所用的空芯螺形线圈相似,该空芯线圈用于手机中射频前端电路的低噪声放大器中的阻抗匹配[11]。
2.2模拟
为设计1GHz频段电感器,进行了三维电磁场模拟,在另外的文章[8、12]中做了讨论,这里仅阐述一些主要的结果。
对于ρ=100μΩ.cm,最佳磁膜厚度为0.1μm;对于ρ=1000μΩ.cm,如果相对磁导率为300,与空芯螺线相比,在1GHz下电感量可增盖65%。磁膜的主要参数是高的电阻率和大的各向异性场。
实际上,ρ≥500μΩ.cm 、μ≥100和≥2GHz被用作本研究中研制和选择磁膜的基准。

三、软磁性膜
根据 2.2 节所述的材料选择基准,我们选用了=1.2T、ρ=500μΩ.cm、≥2GHz [6、13、14]的颗粒型膜。详细情况在参考文献[6]、[14]中有阐述。
采用一层衬底已有效地降低了Fe-Al-O膜的矫顽力[14]。除了已发表的Cr和衬底材料外,实验发现,Ti也是一种好的衬底材料。由于Ti被用作Si工艺中的扩散阻挡层,因此Ti更好。
通常的非晶膜也尝试用于电感器。该膜的特性是Ms=1.0T、ρ=120μΩ.cm、≤1GHz。它是在 20× Torr的Ar气压下射频溅射淀积的,溅射输入功率为200W,采用水冷基片,不采用热处理。这种膜本身并不满足2.2节所述的磁膜选择基准。但是,下面将要讨论的微图形化工艺表明,这种膜有可能是1GHz频段电感器用的一种选材。

四、微图形化膜
4.1构想
如图2所示,在磁膜上沿易轴方向微加工出一些窄缝。这是为了增大各向异性场的有效强度,其机理是根据形状各向异性能的增大。事实上,缝的宽度dm和磁膜片段的宽度人为地控制着有效退磁因子。于是,聚拢的磁膜片段的有效各向异性场
(1)

图2 微图形化示意图
沿难轴的有效磁导率由下式给出:
(2)
因此,铁磁共振频率就变为:
(3)
4.2实验结果
图3表示测得的微图形化非晶Co-Nb-Zr膜的磁导率。该膜厚0.2μm,总面积为4mm×4mm。每个膜片段宽20μm,间隙(缝宽)是变化的。采用电子束平片印刷术和离子磨形成这种图形。片段间隙是用扫描电镜测量的。磁导率测量采用我们自己研制的1GHz~3GHz全自动薄膜磁导计[15]。

图3 微图形化的膜的复数磁导率的频率特性:(a)实部,(b)虚部
如果不微图形化,该膜的内禀各向异性场=800
A/m;测得的铁磁共振频率为1.0μHz,这时相对磁导率的虚部μ″ =2500。
在磁膜微图形化(开窄缝)的情况下,在图3(a)中,随着缝宽的增大,铁磁共振频率移向高频侧;而低频磁导率μ′变得比不开缝的低。在图3(b)中,随着缝宽的增大,在=4.0μm时低频下磁导率虚部低达μ″ =40,仅为不开缝时的1.6%。
根据(1) ~ (3) 式和参考文献[16~18]计算的值与测量值符合得很好。因为微图形化的膜只有很小的涡流,所以,计算中忽略了涡流项。

五、电特性
5.1颗粒型Fe-Al-O膜电感器
无缝型电感器的实验结果已示于参考文献[6]。平行缝型Fe-Al-O膜电感器的电感量,不管缝宽大小,都比磁通饱和的电感器的大。当缝宽为2μm时,1GHz下的电感量达到7.7nH,大于磁通饱和的电感器的7.2nH。然而,由于缝的退磁效应降低了磁膜的磁导率,因此,这个电感量低于无缝型电感器的8.0nH。
由于采用了微图形化工艺,1GHz下的电阻值从9.0Ω降低到7.0Ω(降低22%);相应地,1GHz下的品质因数从5.6提高到7.0,此值与磁通饱和的电感器的7.1几乎相等。
因为损耗因微图形化而得到降低,上述这些起比较在数量上是合理的。
5.2非晶Co-Nb-Zr膜电感器
微制作了平等缝型非晶Co-Nb-Zr薄膜电感器。Co-Nb-Zr膜厚0.1μm,缝宽是变化的。图4 (a)表示膜厚为0.1μm的无缝型电感器的频率特性。在1.3GHz和4.7GHz各有一个峰。4.7GHz峰是由电感器本身的LC自共振引起的。
如图4 (b)所示,在开缝的Co-Nb-Zr膜电感器中看不到1.3GHz峰。因此,我们认为,此峰是由Co-Nb-Zr膜的铁磁共振引起的;因此,微图形化可有效地将铁磁共振移向高频段。

图4 测得的电感器高频特性:(a)无缝型,(b)磁膜开平行缝的电感器
图5表示开缝的Co-Nb-Zr膜电感器在1GHz下的电特性与缝宽度的关系,光掩模是用Cr做的。电感量随缝宽的增大而稍有下降;电阻则明显地下降。因此,品质因数得到相应的提高。

图5 非晶Co-Nb-Zr膜电感器的高频特性与缝宽的关系(图中原文标明为正交缝,疑应为平性缝——译注)
六、结 论
本研究证实了软磁性膜的一个新应用领域,即射频集成电路,尤其是用于移动通信的手机,它具有巨大的市场。
沿磁膜易轴方向开的一列窄缝,通过改变形状各向异性能和静磁能,使其振频率移向高频段。
主要的数字结果如下:
(1)由面积为370×370μ(表1中为337×337μ——译注)的4匝导体宽度和间隔均为11m的螺形线圈厚度为0.1μm、开有2μm宽的平行缝的膜构成的电感器,在1GHz下的电性能为L=7.7nH,R=7.0Ω,Q=7.0。L值优于磁通饱和的电感器5.5%;Q值几乎相同。
(2)厚度为0.2μm(表1和图5中厚度为0.5μm—译注)、面积为4mm×4mm的膜,开有宽度为4μm的缝,每个磁片段宽20μm,这时的铁磁共振频率高于2.5GHz。复数相对磁导率的虚部μ″仅为40,是原膜在1GHz下的μ″值的1.6%。
译自: J.of Magn. and Magn. Mater., 2000, 215~216: 807~810.
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