FeCoB-Al2O3软磁颗粒膜磁特性研究

来源:真空技术网(www.chvacuum.com)华中科技大学光学与电子信息学院 作者:熊炫

  采用射频磁控倾斜共溅射制备了一系列的( Fe40Co40B20)1-x( Al2O3)x软磁颗粒膜。分别研究了基片转速及溅射气压对FeCoB – Al2O3薄膜微波磁特性影响。并通过改变FeCoB 靶以及Al2O3靶的溅射功率进一步调控了软磁颗粒膜的磁特性和电阻率。研究结果表明在基片转速为60 r /min,溅射气压为0. 2 Pa,FeCoB 靶的溅射功率为250 W,Al2 O3靶的溅射功率为100 W 时,获得的FeCoB-Al2O3软磁颗粒膜具备了优良的软磁特性、微波磁特性和较高的电阻率。薄膜的饱和磁化强度为1.73 T,易轴难轴矫顽力均小于80 A/m,电阻率为126. 75 μΩ·cm,共振频率高达2. 22 GHz,磁导率实部在2 GHz 仍大于400。

  近年来,单片微波集成电路的发展促使磁性器件向小型化和高频化发展,这也使得被广泛应用到诸如电感器、噪声抑制器、变压器、磁性传感器等小型化磁性器件中的非晶态软磁薄膜必须具有GHz以上的工作频率。共振频率、磁导率以及涡流损耗是非晶态软磁薄膜能否满足GHz 频段应用的三个关键参数。为了获得高的共振频率、高的磁导率以及低的涡流损耗,真空技术网(http://www.chvacuum.com/)认为软磁薄膜必须具有高的饱和磁化强度,高的电阻率以及适中的各向异性场。软磁颗粒膜( MIGF) 由于其纳米尺寸的磁性颗粒被非晶态绝缘介质相有效地隔离和包裹,使得这类薄膜同时具有良好的软磁特性和高的电阻率而被广泛的研究。为了获得软磁颗粒膜,本实验采用了更易控制薄膜成分的射频双靶共溅射制备了一系列的( Fe40Co40B20)1 - x( Al2O3)x软磁颗粒膜。通过振动样品磁强计( VSM) 以及矢量网络分析仪( VNA) 的测量,研究了基片转速、溅射气压、以及双靶溅射功率对于软磁颗粒膜特性的影响。

实验材料与方法

  本实验采用JZCK-500SJ 高真空溅射台利用射频磁控共溅射方法( 如图1 所示) ,Fe40 Co40 B20合金靶以及Al2O3靶作为溅射靶材,尺寸规格为76 mm ×3 mm。基片材料为25 mm × 25 mm 的康宁( 2875-25) 玻璃片。共溅射时,采用倾斜入射的方式将靶材的成分溅射到基片上去。靶基距固定为115 mm,本底真空度优于7 × 10 - 5 Pa,为了获得面内单轴各向异性场,在平行于薄膜表面方向加了一个80 ×102 A/m 的感生磁场。在固定其他工艺参数的情况下,依次研究了基片转速、溅射气压以及溅射功率对软磁薄膜特性的影响。通过Lakeshore 7404 VSM 测量了软磁颗粒膜的静态磁特性; 采用HP8722ESVNA 及短路微带线夹具测量了软磁颗粒膜的磁谱;并利用传统的四探针法测量了薄膜的电阻率( ρ) 。

双靶倾斜共溅射示意图

图1 双靶倾斜共溅射示意图

结论

  为了获得磁特性优良和高电阻率的FeCoBAl2O3软磁颗粒膜,本文利用双靶倾斜共溅射的方法制备薄膜,并分析了溅射工艺参数对薄膜磁特性的影响,得到以下结论:

  (1) 采用双靶倾斜共溅射方法能够有效的控制薄膜的成分,通过调控溅射的工艺参数能够用于制备FeCoB-Al2O3软磁颗粒膜。

  (2) 基片转速在一定范围内增加有助于形成均有的颗粒膜; 在一定程度内减少溅射气压有助于减少颗粒膜的低频损耗; FeCoB 靶溅射功率在一定范围内增大有利于提高薄膜的饱和磁化强度。

  (3) 当FeCoB 靶溅射功率为250 W,Al2O3靶的溅射功率为100 W,溅射气压为0. 2 Pa,基片转速为60 r /min,靶基距为115 mm,本底真空度优于7 ×10 - 5 Pa 时,制备出了具有优良磁性能和较高电阻率的FeCoB-Al2O3软磁颗粒膜。

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