[发明专利]一种纳米颗粒复合磁芯膜及其制备方法

说明书

一种纳米颗粒复合磁芯膜，包括铁磁金属与X’O的复合颗粒，以及包覆于复合颗粒表面的XO非晶颗粒层，复合颗粒与非晶颗粒层形成核‑壳结构；其中，铁磁金属的氧化物生成焓的绝对值＜X’的氧化物生成焓的绝对值＜X的氧化物生成焓的绝对值；所述复合磁芯膜中，铁磁金属的体积百分比为60％～80％，X’O的体积百分比为10％～30％，XO的体积百分比为10％～30％。本发明提供的一种纳米颗粒复合磁芯膜，首先通过磁控溅射形成MX’合金的表面包覆XO氧化层的结构，以较低的体积含量实现增大薄膜电阻率的目的；其次，在氧化气氛中退火处理，使得X’氧化并析出，细化磁性颗粒，引入随机各向异性，有效降低薄膜的矫顽力。

技术领域

本发明涉及一种适用于薄膜电感、变压器等磁性器件的高频纳米复合磁芯膜及其制备方法。

背景技术

电子信息技术的发展要求电子器件朝着更加小型化、集成化发展，同时在元器件本身必须小型化和薄膜化的进程中，作为微磁器件中最重要的薄膜电感器，尤其能和半导体器件一起集成的薄膜电感器，在现代信息领域中有着广泛的应用前景。随着电子通信技术的发展尤其是5G时代的到来，以薄膜芯材为基础的集成磁性器件向着高频化方向发展，这对软磁薄膜的高频性能提出了更高要求：(1)高的截止频率，使电感能工作在高频段；(2)高的磁导率，以提升感值增益和品质因数；(3)高饱和磁化强度，有利于提高磁导率和截止频率；(4)低的矫顽力，有利于降低磁滞损耗；(5)高的电阻率，以降低高频涡流损耗；(6)合适的各向异性场，提高截止频率，但同时也会导致磁导率下降，所以需要一个适中的值。

传统的铁氧体材料由于截止频率和制备温度的限制，不能适应超高频薄膜电感的要求。目前应用于超高频片上薄膜电感的三类材料主要包括：坡莫(NiFe)合金、非晶软磁金属薄膜和金属-绝缘介质纳米复合颗粒膜。其中，坡莫合金具有极小的矫顽力，但饱和磁化强度较低，电阻率仅为几十μΩ·cm左右，厚膜的高频涡流损耗高。CoZrTa等非晶金属磁膜同样具有很小的矫顽力，饱和磁化强度可以达到15kG，但其电阻率较低(数十到100μΩ·cm)。为了抑制厚膜的高频涡流损耗，一般需要制备多层膜结构。由于受到垂直各向异性临界厚度的限制，单层坡莫合金、非晶磁膜的厚度一般在200nm以内。

FeCo合金具有极高的饱和磁化强度。当FeCo合金与非磁金属X(Si，Ti，Al，Hf，Zr)等共溅射时，由于SiO₂、TiO₂、Al₂O₃、HfO₂和ZrO₂等氧化物的生成焓比Fe₂O₃更低，使得非磁金属优先氧化生成非晶态绝缘介质，并且会阻止FeCo晶粒的长大，这样就会生成FeCo纳米晶镶嵌于绝缘介质(如氧化物、氮化物等)基体中的纳米复合颗粒膜。这种纳米复合颗粒膜一方面可以利用随机各向异性有效地降低薄膜的矫顽力，另一方面还可以将薄膜的电阻率提高3-4个量级。此外，由于纳米晶在厚度方向的生长也被绝缘介质打断，单层纳米颗粒磁膜的厚度可以超过500nm而不会出现垂直各向异性。然而，在此类薄膜中，虽然提高XO体积含量能够增加薄膜电阻率并降低矫顽力，但是却会降低饱和磁化强度和磁导率；反之，降低XO体积含量能够提高饱和磁化强度和磁导率，但却是以牺牲电阻率和矫顽力为代价的。以上这种矛盾长期限制了高频纳米颗粒膜的发展。

发明内容

本发明的目的在于，针对背景技术存在的缺陷，提出了一种纳米颗粒复合磁芯膜及其制备方法，在保证高饱和磁化强度的同时，有效提高了薄膜的电阻率。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：

一种纳米颗粒复合磁芯膜，其特征在于，所述复合磁芯膜包括铁磁金属与X’O的复合颗粒，以及包覆于复合颗粒表面的XO非晶颗粒层，复合颗粒与非晶颗粒层形成核-壳结构；其中，铁磁金属的氧化物生成焓的绝对值＜X’的氧化物生成焓的绝对值＜X的氧化物生成焓的绝对值；所述复合磁芯膜中，铁磁金属的体积百分比为60％～80％，X’O的体积百分比为10％～30％，XO的体积百分比为10％～30％。