FeSiAl合金薄膜电感的研制与研究

摘 要：本文采用DC直流溅的方法研制了FeSiAl合金薄膜电感，并探讨了输入功率、靶与基板间距离等溅射成形条件及成膜速率的关系及其对薄膜电感性能的影响，同时还分析了不同状态下的FeSiAl合金薄膜的结构，讨论了产生超结构的最佳工艺条件。
关键词：FeSiAl合金 薄膜电感 结构

1 引言
随着电子信息社会的发展，电子产品的微小型化、多功能化、移动化已成为必然趋势。这就要求电子产品在线路上向调整数字线路转移，在组装方式上向表面贴装技术（SMT）发展。特别是新一代微处理器要求30～50A，电压只有1.1～1.8V，输出电压的误差小于±2%；变换器的效率必须大于80%；尺寸小而且具有平面结构，并满足电磁兼容的要求；能提供5A/ns的快速动态响应速度。磁性器件是功率变换器中的关键元件，而传统的磁性器件如电感及变压器远不能满足要求。虽然开关频率高频化是可以减少磁性元件尺寸和改善动态特性，但降低铁损和铜耗仍将成为一个主难题。功率变换器的小型化迫使磁性器件向微型化发展，解决微型化的同时也解决了降低铁损和铜耗的问题，所以目前关于片状电感和片状变压器的设计制造已成为21世纪初期磁性器件研究的中心课题。
本项目是选用FeSiAl材料为原料，不但它具有高的饱和磁感应强度和高的磁导率，而且原料价格低廉，是发展片状磁性器件最有生命力的材料之一。FeSiAl材料虽然具有悠久的历史并对它的结构都做了深入研究，但是FeSiAl材料作为适用性材料由于它的脆性而受到极大的限制。然而制成薄膜器件的FeSiAl材料则无须考虑脆性问题。近年来人们对FeSiAl薄膜进行了较为深入的研究[7]，特别在研制成功高清晰度VCR和数字记录磁头器件方面做了大量的工作。。日本Tokin公司用FesiAl薄膜开发了新一代电磁吸收材料，其可以吸收300MHz～3GHZ的辐射EMI。美国弗吉尼亚电力电子中心正在着手于将平面电感与其他集成器件组成电源模块，设计出1.2～2.0V低压大功率变换器。可见薄膜器件研究将成为今后几年的热门课题。本项目试图用国产设备采用工业纯度的FeSiAl材料制成FESiAl薄膜，并对它的结构与器件的电源性能进行探索。

2 制备方法
2.1 设备：在国产JGP560D型双室多功能磁溅射设备上，采用直流溅射的方法制备FeSiAl薄膜。图1为直流溅射的装置示意图。

基片放在靶材与基板之间。基片为医用载玻片，分别在丙酮，无水酒精中超声清洗20min，再放置到真空腔中抽真空，在纯Ar中先用大功率预溅射20min以上，以去除靶表面的氧化层和杂质。待辉光稳定后，转动基片转盘，将基片置于辉光中成膜。基片未额外加热，沉积时利用掩膜在基片上做出膜与基片的台阶以便用台阶仪测出膜厚。
溅射前，真空腔要抽到左右。溅射是在99.99%的纯Ar下进行。Ar流量一般固定为35.0cm，使工作气压（Ar气）保持在 1.5～2.5Pa。反应的溅射功率为40～100W。


2.2 FeSiAl薄膜与溅射参数之间的关系
(1)输入功率与成膜速率的关系
图2为输入功率与成膜速率之间的关系，由图3可见在40～90W范围内随着输入功率的逐渐提高成膜速率也将逐渐增大，当然不可能将输入功率随意增加。
(2)成膜速率与靶-基板（T/S）间距离的相互关系
图3所示为实验中FeSiAl成膜速率与靶-基板（T/S）之间距离的关系。在本实验中靶与基板之间的距离为5～7cm。了解这一关系显然对充分利用设备，溅射出高质量的FeSiAl薄膜有明显的作用。
由图3可见随着靶-基板（T/S）的距离增加，成膜速率将逐渐减少。
掌握和了解这些基本的溅射参数，在溅射工艺中是很有价值的，虽然实践中会有些差异，但它的指导意义是不容忽视的。
2.3 溅射FeSiAl薄膜所用靶材的成分见表1。

2.4 FeSiAl薄膜溅射过后采用的退火工艺列于表2

3 FeSiAl薄膜的结构分析

FeSiAl合金具有两种状态：一种是Fe、Si、Al三种原子在晶格中占位是任意的，称为bcc结构的α无序相；另一种是Si和Al原子主要占据体心位置的有序状态而形成的超晶格结构。

从图4（a）透射电镜照片中可以看出，未经退火的FeSiAl薄膜当其厚度≤1μm时FeSiAl薄膜呈现微晶化（见图4（b）图5（a）、（b）所示的X光衍射图也证明了这一点。而X射线衍射峰峰宽较大则说明在直流溅射FeSiAl薄膜时残余的内应力比较大，当经过500℃真空退火之后，FeSiAl薄膜的X射线衍射峰明显膜的结构也发生了明显的变化（见图4（c）），除了晶粒粗大外，还出现了二相结构，即前文所提到的α无序相和（111）X射线衍射峰所对应的超晶格结构。

4 溅射FeSiAl薄膜电感电磁性能
为了实现器件的微型化，我们通过溅射薄膜的方法来研制FeSiAl薄膜电感。首先选择不同厚度的溅射FeSiAl薄膜，经过500℃真空退火处理后，制成FeSiAl薄膜电感，然后在HP-4192A型阻抗分析仪上测定了FeSiAl薄膜电感的电感值。

图6是用1μm厚度的FeSiAl薄膜制成的微型片式电感实物，最小尺寸可达5mm。图7给出了分别用1μm和2μm厚度的FeSiAl薄膜制成的电感的电磁性能，从图中不难看出随着频率的增加，FeSiAl薄膜电感的电感值随之降低，而当薄膜厚度减小时，其电感随频率增加而减小的幅度趋于平缓。

5 结论
从上述初步实验的分析结果来看，用直流溅射装置制成的FeSiAl薄膜各个溅射参数（例如成膜速率，溅射功率，靶与基片间的距离）对薄膜的形成均有很大的影响。X射线衍射分析可以看出，随着退火温度升高，薄膜的X射线衍射峰逐步尖锐化，这主要与其内应力的逐渐消除和晶粒长大有关，当退火温度达到500℃时，薄膜出现（111）超晶格结构衍射峰，说明不同的退火温度对薄膜的晶体结构有相当大的影响。实验表明用FeSiAl薄膜制成的微型片式电感具有良好的高频性能，可以做开关电源高频器件。■

参考文献
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2 Zhou Xunwei.IEEE APEC，98，145～150
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9 Davel J.IEEE Trans Magnetic，1987，23(6)
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11 Luca Daniel.IEEE PESC’96，1447
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