一种具有成分梯度的多组分高频铁磁薄膜材料的制备方法技术

发明专利技术涉及一种在室温条件下制备具有成分梯度的高频铁磁薄膜材料的方法。其方案是：在真空薄膜梯度溅射装置中，采用铁磁材料为主材料靶，置于被溅镀基板的正下方；以单质、氧化物、氮化物、硼化物、碳化物或磷化物为掺杂物，置于向外偏离基板中心的位置，溅镀时来自主材料靶的成分在该基板上形成均匀的薄膜，来自掺杂物靶的成分形成沿某一方向具有掺杂物成分呈梯度分布的薄膜。本发明专利技术采用主材料靶正对，而掺杂物靶偏心的设计，实现掺杂物成分的梯度分布，达到获得单轴磁各向异性的目的。所制备的薄膜材料，饱和磁化强度（Ｍ↓［ｓ］）值在８～２５ｋＧ，单轴各向异性等效场（Ｈ↓［ｋ］）５０～４００Ｏｅ，或更高，自共振频率接近３ＧＨｚ或更高。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种高频铁磁薄膜材料的制备方法，特别是一种在室温条件下， 不经过热处理即具备高单轴各向异性的具有成分梯度的多组分高频铁磁薄膜材 料的制备方法。
技术介绍
在通讯市场逐渐成熟发展之际，相关IC应用更是不断成长，已经有越来越 多的厂商提高系统单晶芯片(soc)的应用比例。在真正的产品制造上，并不是各种零组件都适合用于集成化制程。其中电感元件占有较大的面积，过去一 直无法将其设计到集成电路中。近年来，高频铁磁薄膜材料的应用，使得电感 元件参与集成化成为可能。目前，高频铁磁薄膜材料与平面电感整合技术大量应用于被动元件的集成化制程中(T. Sato， E. Komai， K. Yamasawa, T. Hatanai, A. Makino， IEEE Trans, on Magn.， 33 (1997) 3310-3312; V. Korenivski and R. B. van Dover, J. Appl. Phys 82 (1997) 5247-5254; K. Ikeda, K. Kobayashi, K. Ohta， R. Kondo， T. Suzuki, and M. Fujimoto, IEEE Trans, on Magn.， 39 (1997) 3057-3061 )。 由于铁磁薄膜材料的加入可以提高电感线圈的电感量和品质因子，从而起到縮 小体积，提高效能的作用。目前，铁磁电感在DC-DC转换器、滤波器、调节 器、相移器等方面得到广泛应用(C. S. Kim, S. Bae， H. J. Kim， S. E. Nam, H. J. Kim， IEEE Trans, on Magn.， 37 (2001) 2894-2896; M. Yamaguchi， K. Yamada, and K. H. Kim，正EE Trans, on Magn.， 42 (2006) 3341 -3343; Y. Hayakawa， A. Makino, H. Fujimori, and A. Inoue， J. Appl. Phys., 81 (1997) 3747-3752; B. Orlando, A. -S. Royer, and B. Viala, IEEE Trans, on Magn., 42 (2001) 3371-3373)。在这些应用领 域，铁磁薄膜的高频铁磁性质成为集成化制程的关键因素。这些铁磁材料一般 要求具有高的饱和磁化强度、单轴各向异性和大的电阻率，因此， 一般选用铁 钴基之类的铁磁材料，并利用300—60(TC条件下的磁场热处理，以生成具有单 轴各向异性的高频铁磁性薄膜材料材料(S. Jin, W. Zhu， R. B. van Dover, T. H. Tiefel， V, Korenivski, and L. H. Chen, Appl. Phys. Lett.， 70 (1997) 3161-3163; L. H.Chen, Y. H. Shih, K. A, Ellis， S. Jin， R. B. van Dover, and T. J. Klemmer， IEEE Trans. on Magn.， 36 (2000) 3418-3420; I. Fergen, K. Seemann， A,v.d. Weth, A. Schiippen， J. Magn. Magn. Mater., 242-245 (2002) 146-151 )。在这样的较高的温度下热处理， 不仅增加了制造成本，更重要的是与传统的Si基集成化工艺不兼容，造成其它 元件的受损，甚至使制备过程成为不可能。
技术实现思路
本专利技术提供了一种可以同时解决三元以上多元薄膜材料制备以及与Si基集 成化工艺兼容性两方面的问题，得到了室温制备条件或变温环境下，且不经过 热处理即具备高单轴各向异性和高频铁磁性的薄膜材料的制备方法。该方法对 于铁磁薄膜与其它元件整合，实现集成化制程非常有利，从而解决了传统工艺 中铁磁膜与其它元件制程不兼容的难题。本专利技术通过以下具体的技术方案实现在真空薄膜梯度溅射装置中，采用 铁磁材料为主材料靶，置于被溅镀的基板的正下方；同时，以元素单质、氧化 物、氮化物、硼化物、碳化物或磷化物为掺杂物靶材料，置于向外偏离基板中 心的位置，进行溅镀反应，制备出一种具有成分梯度的多组分高频铁磁薄膜材 料。溅镀时来自主材料靶的成分在该基板上形成均勻的薄膜，来自掺杂物靶的 成分形成沿某一方向具有掺杂物成分呈梯度分布的薄膜。本专利技术中所述的用于主材料靶的铁磁材料，为金属铁磁材料、非金属铁磁 材料或氧化物铁磁材料。其中金属铁磁材料为Fe、 Co或Ni单质金属铁磁材料 或Fe、 Co或Ni金属与其它过渡族金属、稀土族金属形成的合金铁磁材料；非金 属铁磁性材料为由上述金属铁磁材料或合金铁磁材料进一步构成的氧化物、氮 化物、硼化物、碳化物或磷化物铁磁性材料。本专利技术所述的用于参杂物靶的金属材料为Hf、 Zr、 Nb、 Ta、 Ru、 Re、 V、 Mo、 W、 Cr或Al;非金属材料参杂物靶为Si、 B或C;氧化物参杂物耙为A1203、 Si02、 Ti02、 Ta205、 V205、 Nd203、 HfQ2、 2102或0203;氮化物材料参杂物耙 为A1N、 NbN、 Ni3N、 TaN、 ZrN或HfN;硼化物材料参杂物耙为FeB、 NiB 或CoB;碳化物材料参杂物靶为Fe3C、 SiC、 TaC或HfC;磷化物材料参杂物靶 为Fe2P、 Ni5P4或CoP。溅镀反应时，真空腔体在充入氩气、氩氧混合气体或氩氮混合气体的保护下 进行溅镀，溅镀功率和反应溅镀时间分别为:溅镀功率在10-350W之间，反应溅镀时间20 180分钟。利用该方法不仅可以把主材料靶的材料溅镀在基板上形 成成分均匀的薄膜，可以获得沿某一方向具有掺杂物耙成分、呈梯度分布的高 频铁磁薄膜材料。本专利技术中所述的薄膜梯度溅射装置，由电子控制系统、靶座系统、溅镀基 板系统构成，靶座系统和溅镀基板系统处于一个真空腔体中，呈上下对应设置， 电子控制系统通过信号线和电源导线分别与靶座系统、溅镀基板系统连接。本专利技术所述的电子控制系统中设有基板温度控制器、转速控制器、主材料 耙和掺杂物靶的射频功率控制器、气体流量控制器、位于基板上方可升高基板 温度的水冷加热器温度自动控制仪、溅射时间控制器，并分别通过信号线、导 线与步进电机、主材料靶和掺杂物靶的靶座、抽真空口和注气口、射频功率电 源发送线相连。本专利技术所述的耙座系统由1 4个主材料靶座、1个掺杂物靶座、用于固定 靶座的固定板组成。本专利技术所述的溅镀基板系统由转速可控的步进电机、圆形旋转溅镀样品盘、 溅镀的基板以及位于基板上方的加热器变温装置构成。本专利技术还可以在上述梯度溅镀的基础上，通过通入氩氧或氩氮混合气体实 现反应溅射，以获得含氧或含氮的梯度薄膜材料。制备时，被溅镀的基板贴于圆形旋转溅镀样品盘的下底面。当被溅镀的基 板随圆形旋转溅镀样品盘转动时，每转动90度(3个主材料靶和一个掺杂物靶， 呈90度圆心角分布)将正好使被溅镀的基板位于主材料靶的正上方，而转动至 掺杂物靶时，被溅镀的基板与掺杂物靶呈中心偏本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种具有成分梯度的多组分高频铁磁薄膜材料的制备方法，其特征是在真空薄膜梯度溅射装置中，采用铁磁材料为主材料靶，置于被溅镀的基板的正下方；以元素单质、氧化物、氮化物、硼化物、碳化物或磷化物为掺杂物靶材料，置于向外偏离基板中心的位置，进行溅镀反应，制备出一种具有成分梯度的多组分高频铁磁薄膜材料。

【技术特征摘要】
1、一种具有成分梯度的多组分高频铁磁薄膜材料的制备方法，其特征是在真空薄膜梯度溅射装置中，采用铁磁材料为主材料靶，置于被溅镀的基板的正下方；以元素单质、氧化物、氮化物、硼化物、碳化物或磷化物为掺杂物靶材料，置于向外偏离基板中心的位置，进行溅镀反应，制备出一种具有成分梯度的多组分高频铁磁薄膜材料。2、 根据权利要求l所述的具有成分梯度的多组分高频铁磁薄膜材料的制备 方法，其特征是所述的铁磁材料是指金属铁磁材料、非金属铁磁材料或氧化物 铁磁材料。3、 根据权利要求2所述的具有成分梯度的多组分高频铁磁薄膜材料的制备 方法，其特征是所述的金属铁磁材料是指为Fe、 Co或Ni单质金属铁磁材料或Fe、 Co或Ni金属与其它过渡族金属、稀土族金属形成的合金铁磁材料。4、 根据权利要求2所述的具有成分梯度的多组分高频铁磁薄膜材料的制备 方法，其特征是所述的非金属铁磁性材料或氧化物铁磁材料为由Fe、 Co或Ni单 质金属铁磁材料或Fe、 Co或Ni金属与其它过渡族金属、稀土族金属形成的合金 铁磁材料进一步构成的氧化物、氮...

【专利技术属性】
技术研发人员：李山东，杜正恭，刘美梅，王大伟，李培友，程唤龄，
申请(专利权)人：福建师范大学，
类型：发明
国别省市：35[中国|福建]