摘要： 采用一种具有零磁致伸缩特性的磁性薄膜CoNbZr经过精细制作，与磁膜难磁化轴垂线的长度方向相垂直地和水平地构成一个导线微型线阵，经180℃范围退火处理的样品，具有很小的矫顽力和良好的磁导率。利用具有线宽/间距=9μm/2μm的微型线阵制成的RF电感器，显示出具有L=7.5nH（为空气芯的+11%），R=7.6Ω和Q=6.3（几乎与空气芯的R和Q值相同）。
关键字： 电感值，微制造技术，品质因数，RF集成电感器
1 引言
大型单片软磁薄膜基片的易磁化方向可以借助于几何图形变成的双向微型线阵隔离成为两个不同的部分。本文将系统地讨论课题所提出的几何图形，磁滞回线和1MHz到3GHz的复数磁导率分布是薄膜厚度和带宽的函数。
研究本课题的目的是为了满足采用单片微波集成电路(MMIC)制作RF集成矩形螺旋型电感器的需要。具体地说，文章中提出的薄膜微型线阵适用于制造370×370(μm)2面积的电感器。这种电感器可用于1GHz频率范围的蜂窝通信手机中的低噪声放大器的阻抗匹配元件。
这篇文章所提供的技术，可以使100%的磁性薄膜的面积得到利用，这是因为它们对磁膜难磁化轴方向的任何部分具有进行激磁的可能性。如果我们使用一般的单轴性磁膜，则仅仅有50%的磁膜面积可被激磁，因为剩余的50%有效面积必须在沿易磁化轴方向上接受RF磁场的支配。
另外，对于RF电感器而言，采用微线阵几何结构还有一个好处，那就是可以将铁磁共振频率人为地变到更高的频段。
2 双向微型线阵的概念
2.1 双向微型线阵的物理结构
图1所示为已制作完成的微型线阵的解释示图。4×4(mm)2的25个微型线阵单元是用微制造技术建立在一块碳酸钠玻璃基片上的。微型线阵的一半为垂直取向，其余一半为水平取向。所使用的磁膜是用0~0.5×10-6之间磁致伸缩系数的，厚度为0.1~0.3μm的非晶材料Co85Nb12Z3制成的。这种非晶薄膜采用具有沿固有易磁化轴45°方向定位，并且使用RF溅射技术沉积而成。沉积制成的薄膜采用离子铣切，应用其获得的10~30μm宽度和4mm长度的膜条，制作成间距为1~3μm的微型线阵。
窄条状尺寸的微型线阵具有更强的形状各向异性特征，其具有零或负磁致伸缩系数，可帮助人们获得所要求的易磁化轴定向。这对于仅仅适用于具有正磁致伸缩系数的薄膜而言，这是超越现存技术的优点。
2.2 用作微型线阵磁膜的磁畴结构
微型线的磁畴结构可能性为：不是180°畴，就是多畴，如图2所示，它取决于各向异性能量的平衡度。180°磁畴结构的磁矩是沿着微型线的长度方向排列的，这是用作RF电感器的最佳磁畴结构。这个问题将分别详细讨论，而根据建立在仿真结果的情况来看，180°磁畴结构多半会出现在薄的和窄的微型线中。当然，如果微型线发生了多畴结构，那么，我们可以采用热处理工艺使所有的磁矩沿着微型线的长度方向排列，因此得到180°的磁畴结构。退火的方法可以是无磁场退火，静磁场退火或旋转磁场退火中的任何一种。
3 关于微型线阵的实验结果
我们在实验中检验了用于RF电感器的、厚度范围从0.1~0.3μm的微型线阵的磁畴结构、磁滞回线和RF复数磁导率。
3.1 磁畴结构
图3示出了0.1μm厚度，大至30μm宽度的微型线阵所呈现的180°磁畴图形。详细地说，在线阵的边缘，磁致伸缩能量是较高的，因此，在那里所观察到的是闭合磁畴。这种情况对于RF电感器而言是不理想的，但是，因为其面积很小，所以其影响可以被忽略不计。
将图4(a)和图4(b)进行比较，我们可以看到，随着薄膜厚度的增加，多畴结构即会出现，这与模拟的结果在本质上是一致的。因为采用了在400℃温度、38Oe旋转磁场下退火1小时的热处理工艺，使磁畴图转变成为180°磁畴，如图4(c)所示。这一退火工艺中的关键技术问题是，必须把旋转磁场的场强设置在微型线阵易磁化轴向的矫顽力量值与沿难磁化轴的各向异性场强之间，这样才能在旋转磁场中退火期间，使得微型线阵的磁化沿易磁化轴向饱和，而不是沿难磁化轴向饱和。例如，可能的话，退火旋转磁场的场强可设在30Oe和50Oe之间，在图5(c)和图5(d)中所使用的场强实际量值为38Oe。[#page#]
3.2 实验测得的磁滞回线
图5 所示的是厚度为0.1μm和宽度为10μm的微型线阵在没有施加磁场的退火前后所呈现的磁滞回线。垂直排列和水平排列的两种微型线阵都呈现为各向异性回线，并且，相互之间，它们几乎是相同的。不管是否进行了退火，微型线阵每条线的磁化都是沿着线的长度方向取向。但是，在退火前，该方向正比于45°线阵方向感应产生各向异性能量，然后在退火后转变成0°方向。这个成正比的旋转将使得易磁化轴向矫顽力的增加以及难磁化轴方向矫顽力的减小。
在图5(b)和图5(d)中可见，饱和磁感应强度是1(OT)。难磁化轴向矫顽力是0.4~0.7(Oe)，各向异性场强HK=30(Oe)。通过在旋转磁场中退火处理后，较大厚度的微型线阵呈现出的性能与以上相近。但HK则依赖于微型线阵的尺寸而发生一些变化。
3.3 微型线阵的高频磁导率
图6所示为0.1μm厚度的垂直地排列的微型线阵的复数磁导率与频率的关系曲线。在该曲线图以外，1GHz以下的磁导率实部将降低，但1GHz以上时，微型线阵的磁导率则达到200。在制成线阵后的磁导率虚部变得比1GHz范围时的40还要小。
图6中的实线是根据Landau-Lif-shiz方程式，同时也考虑到涡流效应而计算得出的理论值。计算所得到的磁导率之值与测量的值是一致的，这说明由微型线阵几何结构形状的各向异性产生了良好的单轴各向异性。水平排列的微型线阵之频率关系曲线与图6所示相似。
4 双向微型线阵射频集成螺旋电感器的制作
双向微型线阵适用于制作射频集成电感器[如图1(b)所示]。首先，使用微制造技术将Alsi合金制作成4匝的螺旋状线圈，其线宽为11μm。其次，用旋转涂覆工艺涂覆一层4μm厚度的聚酰亚胺薄膜作为其绝缘层。随后，在底层用射频溅射技术溅射一层5nm厚度的Ti。再将CoNbZr微型线排成阵列。它们线宽/间距是，或10μm/1μm，或9μm/2μm，或8μm/3μm。这种微加工技术的工艺过程请见文献[2]中的详细叙述。如果微型线阵的线距很窄，电感量变得较高，而品质因数Q值下降，如图7所示。究其原因，这是因为线距的变窄使得在1GHz时ur'值升高，而且其铁磁共振损耗降低。实验证明，在线宽/间距=9μm/2μm的微型线阵中，可以得到最佳性能：L=7.5nH（比空心线圈原电感量大11%），R=7.6Ω和Q=6.3（几乎与空心线圈的R、Q值相等）。在1GHz频率时，简单磁膜电感器显示出最大电感值（见图7中的no slit曲线），达到8.9nH（大31%），但由于其铁磁共振损耗大，故品质因数Q值只有3.5。上述微型线阵电感器的性能，可以与Fe-Al-O颗粒磁膜平面电感器的性能参数比美。由此可见，如果采用大电阻率和高各向异性场软磁薄膜加工成微型线阵结构，则还可以进一步提高微型线阵射频集成电感器的性能。
5 小结
采用微制造工艺技术，以固有与易磁化轴方向45°排列的零磁致伸缩的CoNbZr磁膜加工成垂直和水平排列的微型线阵，其难磁化轴与线的长度方向垂直。如线条的厚度薄而且很窄，用无磁场的退火工艺就足以得到180°的磁畴结构，而且这种线阵的矫顽力小，磁导率高。至于较厚和较宽的线条，如施加旋转磁场进行退火，则也能有效地获得180°磁畴结构的性能。
用线条宽度/间隔=9μm/2μm时的线阵制作的射频集成电感器可以得到最佳性能指标：L=7.5nH（比空心线圈的电感量高11%），R=7.6Ω，Q=6（这几乎与空心线圈的R、Q值相等）。
参考文献（略）
