1引言 近年来，利用微波的便携式电话终端和无线LAN等通信机，为了实现小型化、多功能，要求通信磁性器件薄型化、将磁性元件集成到微波单片集成电路（MMIC）上。若将空心薄膜电感器集成到MMIC上，它在IC芯片上占据的面积非常大。这在收/发机迫切需要芯片级系统（SOC）的时侯，显然不利于集成化。 在高频薄膜电感器的开发中，很多研究机构都使用CoNbZr等金属磁性薄膜作电感器的磁心材料。金属薄膜磁性材料的优点是有高的自然共振频率、饱和磁通密度高，因而在低频下容易得到高磁导率。然而，它们的电阻率只有数十μΩcm左右，在高频下受涡流的影响，磁导率会下降。此外，寄生电容还会使共振频率降低。为了解决这些问题，引入了颗粒系金属薄膜，以提高金属磁膜的电阻率，并将薄膜光刻成细条状图形，以抑制膜面内的涡流。尽管如此，至今尚未找出解决问题的万全之策。铁氧体薄膜的电阻率高，从本质上讲，将它用在高频下，可以阻止涡流引起的磁导率下降，故可望用作高频磁性元件的磁心。但是，目前还没有确立高速制造软磁性能优良的铁氧体薄膜的技术。 最近，日本山口大学的山本节夫等人应用高密度、高活性ECR微波等离子的活性溅射工艺，开发成功在低温下高速沉积Ni-Zn铁氧体软件磁薄膜的技术和制造设备。 本文介绍使用反应ECR溅射Ni-Zn铁氧体薄膜作磁心的电感器的设计和制造工艺，试制品的评价与结果。 2磁性薄膜电感器的设计 2.1电感器的设计 便携式电话终端等通信机内的阻抗匹配，需要使用在1GHZ有5nH以上电感值的高Q电感器。在这种电感器的结构设计中，山本等人使用了Ansoft公司的软件HFSS ver.8.5，根据有限元法（FEM），做了三维高频磁场模拟。设计优化的主要参数有：线圈匝数，线圈中心部位的间隔，线圈厚度，线圈层间绝缘的材料，磁心层的厚度。图1示出山本等研制电感器的基本结构。线圈是用Cu作成的二层圆形螺旋线，在线圈层的下部或者上、下部位设置磁性层（Ni-Zn铁氧体膜）。电感器占有面积240μm×250μm。反应ECR溅射的Ni-Zn铁氧体薄膜，具有饱和磁化强度2600G，铁磁共振线半宽△H=250Oe，介电常数11.5，介电损耗（tanδ）6.0×10-4，电导率1.0×10-5S/m，图2是初始磁化特性B-H回线。线圈材料用铜（Cu），有电导率5.8×107S/m。线圈内径60μm，外径230μm，总匝数为6，即下部线圈4匝，上部2匝（见图1），这样，即使在未设磁层的空心线圈状态下，也能够得到数nH的电感量。 2.2 只在线圈下部设磁层的电感器性能分析 最初，山本等人研究了只在线圈下部设置铁氧体磁心的电感器构造。图3绘出这种情况下的电感一频率特性曲线模拟结果，这里显示出下部磁层厚从1μm至10μm电感量的变化。当下部磁层厚为1μm时，在1GHz与空心线圈器件比较，电感值约增加9%；当下部磁层厚为10μm时，大致提高17%。图3b显示Q值随频率的变化。下部磁层厚为1μm时，在1GHz与空心线圈型器件比，Q值约提高3%；磁性层增至10μm厚，Q值提高10%左右。 从模拟结果看出，要获得大的电感量，下部磁层以厚的为好；不过，进一步考虑到要在这层精确地构成线圈层，或圈下部应当尽可能地平滑。此外，应用ECR反应溅射法，目前可以14nm/min沉积速度高速制作Ni-Zn铁氧体薄膜，用作下部磁层的铁氧体膜厚应该以1μm为宜。 2.3线圈上下均设有磁层的电感器特性分析 在电感器线圈上、下都设置铁氧体磁膜的结构。图4a是这种结构的电感量——频率特性曲线。如上述的原因，下部磁膜的厚度应定为1μm。当上部磁层厚取作1μm时，在1GHz与上部无磁层的结构比较，电感量约提高20%，若上部磁层厚增至10μm，则提高30%左右。 图4b显示Q值随频率的变化。上部磁层厚1μm时，在1GHz与空心线圈器件比，Q值约增加7%，若上部磁层厚10μm，则增加20%左右。 上述分析结查证明，无论哪种结构和空心线圈器件比较，均未见共振频率有大幅降低，这个频率高达5GHz。根据以上模拟结果认定，在线圈上、下设置软磁铁氧体磁心，形成夹层结构，与空心线圈型比较，其共振频率和Q值不会下降，而电感量最大可提高30%左右。 这里，实际试制的电感器为在线圈上、下设有磁层的结构，下部磁层是用ECR反应溅射的Ni-Zn铁氧体薄膜，厚1μm；上部铁氧体磁心为Ni-Zn-Cu铁氧体涂层，厚10μm左右，经过了固化处理。 3 磁性薄膜电感器的制作 3.1光刻掩模的制造 当其照图1所示的结构制造电感器时，需用7枚光刻掩模。这些掩模使用电子束扫描设备，由电子束刻蚀技术制作。 3.2下部磁层（Ni-Zn铁氧体薄膜）的沉积 研究人员使用他们与岛津制作所联合开发的ECR溅射设备（SLC-75ES），经过仔细优化溅射靶的结构、氧气通入位置、微波输入功率、靶上电压、氧分压等工艺参数，在200℃低温下，用氧化物料可以14nm/min成膜速度，制得优先取向尖晶石结构的（400）的Ni-Zn铁氧体薄膜，其磁性能有：Bs=2600G，μi=46.7，Hc=15Oe。图5示出这种溅射设备的结构剖面图。同时加磁场875G和2.45GHz微波，利用ECR现象，可产生高密度、高活性的等离子体。靶材用Ni-Zn-Fe金属，在氩和氧气分中反应溅射，制成Ni-Zn铁氧体薄膜。采用这种溅射法的优点是，在成膜过程中，由于基片受到大量等离子的辐照，因此，即使基片温度低，也能沉积出氧化度高的膜。不过，在尝试运用剥离（lift-off）法制作铁氧体薄膜图形时发现，受离子辐射影响，保护层会变形，故不能用剥离法作成图形。为此，用Ti薄膜作掩模，采用干刻法来制作铁氧体薄膜图形。这是把溅射率低的Ti薄膜图形制作在Ni-Zn铁氧体同时蚀刻。蚀刻装置系列采用ECR微波离子源的离子束刻蚀设备。用这种方法制得图形化的Ni-Zn铁氧体薄膜示于图6，可见，能精确刻蚀。 3.3线圈的制作 用上述3.2节的方法使厚1μm的下部磁层铁氧体薄膜图形化之后，用剥离法按下述形成制作薄膜线圈。用旋转涂布机，在硅基片上均匀涂布光刻胶；用掩模对准机，以g线吻合曝光复制光刻掩模图形。显影后，用溅射装置（阿尔卑斯公司SPF-530H）沉积Cu膜。之后，除去保护层，在基片上形成图形。要用剥离法成功地制成图形，重要的是：（1）使保护膜形成悬伸状；（2）成膜时不会因热损伤变形或硬化。解决问题（1）的措施是优化曝光和显影时间，预烘干温度等。关于（2），可运用磁控管溅射法，使等离子体定域在靶子附近，减轻对基片的损伤，在室温成膜，不给基片加热。但是，在室温下成膜，会使上下线圈层Cu膜的附着强度变差，故应在下层复盖Ti薄膜，以增强附着力。反复进行这一连串的工艺，就可制成线圈层。层间绝缘，使用感光聚酰亚胺。为了将这种树脂膜制成图形，先用旋涂法均匀涂布后，再用浸渍法，改变显影时间和固化温度，探索不发生剥离、开裂的条件，尽可能在低温（250℃）制作。 3.4上部磁层的形成 由于上部磁层的厚度要达到10μm，故使用Ni-Zn-Cu铁氧体浆料涂布，再固化。这里用的是户田工业（株）生产的未造粒料。其理由是，在打浆时若用造粒粉料，因要用有机溶剂，这样，铁氧体粉末与溶剂就不会均匀混合。溶剂用的是萜品醇，用乙基纤维做粘合剂。用氧化锆球和球磨罐粉碎、混合上述原料，制成Ni-Zn-Cu铁氧体浆料。 为了使上述浆料涂布的厚度均匀，采用了旋转涂布法。其后，放进焙烧炉内，加热至100℃固化，制得上部磁性层。上部磁层的磁性能为：BS=2800G，Hc=5Oe，μi=20。 图7是试制电感器的照片。图中只显示出上下线圈和下部磁层的结构，系加上部磁心层前的状态。实际试样是在其上面复盖了上部磁层（Ni-Zn-Cu铁氧体磁心）的结构。总尺寸为240μm×250μm×570μm。 4试制品的检验 使用装有GGB公司制微波探头（Picoprobe）的微波测试台和Agilent Technologies公司产E8357A型网络分析仪，检验试制电感器的高频电气性能。低频电感值的测定，使用LCR表。图8（a）和（b）分别示出试制品的电感量和品质因素（Q）测量结果。表1中列出不同结构电感器的低频电感量。下面，就三种结构的器件——线圈上下均设有磁层的电感器、只在线圈下部设置磁层和完全没有磁层的空心型电感器——作了对比评价。 频率到1GHz附近，经过三维电磁场模拟，和预想的设计值基本一致，和预测的一样，电感量比空心型器件有所提高。但是，在1GHz以上的频段，模拟结果与实测值相差较大。这是因为电磁场模拟未考虑到Ni-Zn铁氧体薄膜的磁导率与频率有关，而实际用ECR反应溅射制得的Ni-Zn铁氧体薄膜，其使用频率高达1GHz。与空心电感器比较，各种结构的共振频率未见明显下降。 即，使用Ni-Zn铁氧体薄膜的电感器，和空心型比，到1GHz，共振频率没有大幅降低，电感值约提高25%，Q值增加15%左右。证明，用Ni-Zn铁氧体薄膜作磁心是有效的。 参考文献 山本节夫等人，粉体ぉょぃ粉末冶金，2004，51(3):184 ～188.