1引言
最近，为了使无线电设备的单片微波集成电路（MMICs）中装配的电感元件获得进一步小型化和较低的插损，在集中开发GHz驱动的磁性薄膜电感器方面已做出很大努力。这类应用要求磁性薄膜的重要性能之一是磁导率（μ）的频率(f)特性，它要受铁磁共振频率（fr）的限制，可用熟知的关系式fr=γ/2π(Hk4πMs)1/2来明确表示，式中，γ是旋磁比，Hk是各向异性场，4πMs为饱和磁化强度。为了得到优异的μ-f响应特性，在保持薄膜厚度小于集肤深度的同时，要求4πMs和Hk有较大的值。由于CoZrNb非晶薄膜有高的μ（~1000）和相对高的电阻率(~120μΩ·cm)以及易于在低温下制备，已考虑用作高频器件的候选材料。但是，CoZrNb膜低的4πMs（~10kG）和Hk（9~17Oe）值使它仅在MHz频率范围应用。在Yamaguchi等人提出的CoZrNb膜微图形中观察到fr＞2.0GHz，这是由于形状各向异性能增大的结果。虽然采用微图形技术成功地增高了fr，但是由于微气隙，使磁力线进入到CoZrNb膜中， μ值必然会降低到200左右。
本文介绍了K.-K.Choi等人研究的CoZrNb/Fe-C多层膜，其中Fe-C层的高4πMs和Hk，在提高fr直至2.0GHz上起了关键作用（当μ保持不变时）。集中讨论了多层膜的微观结构与软磁性能之间的内在联系，特别是关于Fe-C层的厚度。
2 实验过程
由CoZrNb底层（厚度=20nm）和Fe-C顶层（厚度=5~100nm）这两种膜交替沉积4~20次构成的CoZrNb/Fe-C多层膜，在室温下使用有Co87Zr5Nb8(atomic%)靶和含C片的Fe靶在对靶溅射（FTS）装置中沉积。使用熔融石英和上部有SiO2层（厚度=100nm）的Si(100)片作基片。溅射前，室内抽真空至＜6×10－7 Torr，用氩气使溅射压力保持在3m Torr，在沉积期间加一个~50V的偏压到基片上。因为永磁体放在对靶的后面，所以给基片加了一个约35Oe的外磁场。采用表面轮廓测定器和场致发射扫描电镜（FE-SEM），通过测量在相同条件下沉积的单层膜的厚度，来校验每层的厚度。多层膜总的厚度为480~520nm。分别通过电感耦合等离子体分光镜和CHN corder来确定Co87.2Zr4.5Nb8.3和Fe96-C4层的化学成分。
在室温下，使用振动样品磁强计（VSM）进行磁性测量。在0.1~2.0GHz频率范围，使用磁导计来测量难轴磁导率。用传统的四点探针法测量电阻率。采用X射线衍射（XRD）和透射电镜（TEM）来表征结晶度和微结构。在用离子研磨制备横断面的TEM样品中，试样在液氮中冷却，以减小损伤和退火的影响。
3 结果与讨论
3.1 微结构
具有不同厚度Fe-C层的CoZrNb/Fe-C多层膜的XRD谱如图1所示。bcc(110)峰的密度、bcc α-Fe(-C)结构的反射{110}纤维织构随Fe-C层厚度增加而增大。观察到当Fe-C层厚度在5nm~100nm改变时，晶粒尺寸相应地从18nm增大到30nm，如图1内的附图所示。
图2示出了多层膜典型的暗场TEM照片。标作CoZrNb的黑带是非晶的，而明亮区是在孔状区 （在图2内的附图中用一个圆来表示）选择散射电子构成的照片。由图2可见，Fe-C层具有柱状的结构，随着Fe-C层厚度的增加，平均圆柱宽度也随之增加：（(a)10nm， (b)25nm， (c)50nm）。在（20nm CoZrNb/5nm Fe-C）×20膜中，圆柱的纵横比（Fe-C层厚度/圆柱宽度）为0.5，它随Fe-C层变厚而增大；在（20nm CoZrNb/30nm Fe-C）×10膜中，纵横比为1.2；而在（20nm CoZrNb/80nm Fe-C）×5膜中增大至1.6。
图3示出了(20nm CoZrNb/30nm Fe-C)×10膜的明场TEM照片。在TEM分析中，观察到在CoZrNb和Fe-C层之间的界面上没有出现明显的相互扩散或第三相形成的迹象。
3.2 磁和电性能
表1概括了CoZrNb/Fe-C多层膜以及CoZrNb和Fe-C单层膜的磁性能和电阻率。不难看出，多层膜的4πMs和Hk值明显高于CoZrNb单层膜的值。在这项研究中，观察到多层膜的4πMs比CoZrNb单层膜的增大了~27-70%。很容易预测，当多层膜中有一层膜具有较高的磁矩时，就象CoZr(Nb)/Fe多层膜一样，其4πMs将会增大。正如上面所提到的，fr不但由4πMs而且还要由Hk来确定。如表1所示，CoZrNb/Fe-C多层的Hk比CoZrNb单层的大得多。观察到（20nm CoZrNb/5nm Fe-C）×20膜的Hk增大了2倍，（20nm CoZrNb/80nm Fe-C）×5膜的Hk增大了5倍。如此大的Hk，是本研究使用的多层膜一个显著的特征，而不同于以往报道的MHz频段应用的CoZr(Nb)/Fe多层膜。在高温退火期间，CoZr(Nb)/Fe多层膜在界面上出现混合相，因而影响了磁性能。另外，就CoZrNb/Fe-C多层膜来说，由于使用FTS装置在室温下沉积多层膜，所以获得了没有任何混合相的清晰界面（如图3所示）。认为出现异常大的Hk 可能是由于铁磁层之间的交换耦合作用：在沉积期间，Fe-C层与软磁CoZrNb层产生交换耦合作用，因而象坡莫合金FeCoN或Co/Fe双层一样， Fe-C层的磁化方向趋于与CoZrNb层垂直。
多层膜典型的M-H回线示于图4。随着Fe-C层厚度的增加，易轴矫顽力（Hce）也逐渐增大。另一方面，Fe-C层厚度在80~100nm时，难轴矫顽力（Hch）陡增，如表1和图4所示。图4（c）和（d）中的那些难轴磁滞回线是典型的，反映与膜面垂直的磁各向异性，被称做垂直磁各向异性。一般来说，当磁致伸缩常数( λ)为负值或微晶呈柱状生长时，能够通过磁致伸缩的逆效应感生出垂直磁各向异性。因为Co87.2Zr4.5Nb8.3层的 λ值几乎为零并且Fe96-C4层的λ约为－4×106，所以CoZrNb/Fe-C多层膜的λ应为负值。而且，当Fe-C层的厚度变厚时，其柱状生长特性变得非常明显（如图2所示）。因而，这些机制都对CoZrNb/Fe-C多层膜（具有厚约≥80nm的Fe-C层）中垂直磁各向异性的产生有贡献。
3.3 高频性能
CoZrNb/Fe-C多层膜的难轴磁导率的实部和虚部，与CoZrNb单层的作了比较，都绘于图5。在0.1~2.0GHz频率范围，磁导率的实部()的频谱是稳定的。具有厚度为50nm的Fe-C层的多层膜，其值为400~550。在1.0GHz时，多层膜还显示~30-80这样低的耗散（磁导率的虚部）。在1.0GHz时，品质因数（/）在~6-13以内。由增大的4πMs和Hk值，很容易预测到这些显著的高频特性。
CoZrNb/Fe-C多层膜的涡流损耗的影响并不大，因为本文中~500nm的薄膜厚度几乎和集肤深度一样，或是小于集肤深度δ=(2ρ/ωμ0μr)1/2。式中，ρ为薄膜的电阻率，ω为角频率（=2πf），μ0为真空磁导率，μr为膜的相对磁导率。例如，在1.0GHz时（20nm CoZrNb/5nm Fe-C）×20膜的δ为750nm，(20nm CoZrNb/50nm Fe-C)×7膜的δ为500nm。
4 结论
研究了CoZrNb/Fe-C多层膜直至2.0GHz的高频磁导率，并与微结构相关的磁性能作了比较。当Fe-C层的厚度为5~50nm时，薄膜显示出超过2.0GHz的fr和400~500的。由CoZrNb和Fe-C层交替沉积产生的多层膜，其大的4πMs（14.5~16.7kG）和Hk（41~48Oe）值，是获得优异高频性能的原因。当Fe-C层的厚度进一步增大至~80nm或以上时，多层膜显示出垂直磁各向异性，从而降低了软磁性能。

参考文献:
[1]Choi K K， et al. Trans Magn Soc Jpn. Vol. 3 No.2 ， (2003)55-58.