高性能纳米磁性薄膜材料的湿法工艺.pdf

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1、高性能纳米磁性薄膜材料的湿法工艺冯则坤，何华辉关键词：纳米薄膜，磁性材料，电镀摘要：介绍了纳米磁性薄膜材料特性、类型，综述了近年来兴起的湿法工艺及其用湿法工艺制备的纳米磁性薄膜材料的特性。1引言为满足电子设备小型化的要求，设备工作频率逐渐向高频方向发展。从kHz到MHz，进而向GHz频段扩展。为此，对在电子设备中占据很大体积和重量的磁性器件，如电感器、变压器的小型化、高频化也提出了很高的要求。在这种背景下，国际上对用磁性薄膜做成的微磁器件的研究及与半导体器件成为一体的磁性IC研究十分活跃。这些器件主要用于便携式信息通信设备，如移动电话等。在这些设备中，为保证其工作稳定性及经济性，电源部

2、分的小型化和高效率化是很重要的。所以薄膜化的磁性器件最早是从各种电感器、滤波器、DC/DC变换器中的变压器等开始的。以往用于磁性器件的NiFe合金、铁氧体等，不管是饱和磁通密度Bs，还是磁导率μ的频率特性，远不能满足日益发展的新型电子设备的要求。例如为了防止滤波器、变压器磁饱和，以及在磁头中，为使高密度记录用的高矫顽力介质充分磁化，要求材料的Bs在1.5T以上。另外，很多通信机用环形天线、电感器等，要求能在数百MHz到数GHz的频率范围工作。上述这些要求都是目前常用的磁性材料无法满足的。材料的薄膜化技术，会给材料带来以往无法实现的许多重要变化。磁性材料的薄膜化是微磁器件的基础，也是将来

3、实现磁性IC的前提之一。本文首先介绍高性能纳米磁性薄膜的种类、特性，其制备方法通常称之谓干法工艺。然后评述近年来兴起的具有成本低廉、生产周期短且能实现规模化的湿法工艺。[1~7]2纳米磁性薄膜材料的类型、特性纳米磁性薄膜材料通常有两种类型，即纳米磁性多层薄膜材料和纳米磁性颗粒膜材料。2.1纳米磁性多层膜材料纳米磁性多层膜材料结构如图1所示，它是在合适的基片中交替淀积纳米磁性层、纳米介质绝缘层（非磁性层）而构成，每层的厚度约为数nm到数十nm，总层数可达几百层，最常用的介质绝缘层材料为SiO2，而纳米磁性材料则根据不同的用途有很大的不同。但有一点是共同的，即都是以一些铁磁材料为基的材料。

4、常用的纳米磁性多层膜的基本特性、主要成分如下：（1）高饱和磁感应强度Bs、高磁导率μ、高频率f纳米磁性多层膜这种多层膜在设计时主要强调材料的低矫顽力Hc、零磁致伸缩系数λs以及高的电阻率ρ，介质绝缘层为SiO2，磁性层通常为Fe、Co、FeCo以及CoZrNb等。到目前为止，这种多层膜材料已能达到ρ=1000μΩ·cm，Bs≥1T，磁导率'μ在频率f高达7GHz以上时仍能保持在40以上。（2）巨磁电阻（GMR）效应多层膜GMR效应是指磁性材料在外磁场作用下，材料电阻率发生巨大变化，GMR效应的发现与应用，使计算机存储密度10年内提高了100倍，即从1990年的220.1Gbit/in到

5、2000年11Gbit/in。GMR纳米多层膜中的磁性层通常也为Fe、Ni、Co或其合金，非磁性层则为Cu、Ag、Cr、Au或氧化物。Fe/Al2O3/Fe隧道结GMR纳米多层膜的室温Δρ/ρ达到18%，而所需饱和场仅为40kA/m，磁灵敏度高达80%/（79.6A/m）。2.2纳米磁性颗粒膜纳米磁性颗粒膜结构如图2所示，这种颗粒膜结构是在绝缘的金属氧化物相基体中均匀分散着粒径为数nm的磁性超细微粒。这种纳米磁性颗粒膜结构由于磁性相周围被绝缘氧化物相所包围，它在能获得几千μΩ·cm高的电阻率的同时，还能达到只有数Oe的低矫顽力。例如，Fe-B合金靶在N2中溅射时，得到的薄膜呈现高电阻率

6、的原因，是由于a-Fe微粒的周围被绝缘的BN所包围。Fe微粒不呈超顺磁性而显示软磁特性，是因为BN非常薄，部分Fe微粒相互连接着，或是因为存在弱的磁耦合所致。常用的纳米磁性颗粒膜基本特性、主要成分如下：（1）超软磁纳米颗粒膜这种超软磁纳米颗粒膜是为适应平面型电感器、变压器等集成型磁性器件而发展起来的。随着电子仪器的小型化，电子仪器的工作频率越来越高，因此希望其中的磁性器件工作到几百MHz甚至GHz，在这样高的频率下，要求材料具有高的Bs、高的μ及低的磁损耗，常用的超软磁纳米磁性颗粒膜有FeCoSiB系、Co-Cr-O系、FeCoAl-O系等，在2GHz频率下，其磁导率μ仍能达到140以

7、上。（2）巨磁电阻效应颗粒膜已研制的巨磁电阻效应颗粒膜材料有Co-Ag、Fe-Cu、Co-Cu等系列，铁磁性金属在复合膜中所占体积分数在25%以下，颗粒尺寸为纳米量级，其低温下的Δρ/ρ高达50%，Co-Ag颗粒膜，高温下的Δρ/ρ现已达到16%。3磁性薄膜材料的湿法工艺纳米磁性多层膜、颗粒膜最常用的制备方法是真空蒸发、真空磁控射频溅射等，这些方法所用的设备复杂、价格昂贵，且存在成膜时间长、不易大生产等缺点。蒸发、溅射等方法通常简称为干法工艺，