loading综述·动态·评论 磁性薄膜高频特性研究进展
巩英明
（中国电子科技集团公司 第九研究所，四川绵阳 621000）
摘 要：对国内外近年来在磁性薄膜高频特性的研究进展进行了较为系统的总结。包括单层膜到多层膜的转变促进高频特性的改善；不同材料对（金属层/绝缘层）对多层膜高频特性的影响；一些特殊材料薄膜的高频特性；退火效应对磁性薄膜高频特性的影响；薄膜的微结构和薄膜特性的关系等几方面。
关键词：磁性多层膜；高频特性；退火效应
中图分类号: O484.4+3 文献标识码: A 文章编号：1001-3830(2008)04-0008-04
Research Progress on High Frequency Characteristics
of Magnetic Thin Films
GONG Ying-ming
Ninth Institute of China Electronic Science and Technology Group
Corporation, Mianyang 621000, China
Abstract: Research progress of recent years on high frequency characteristics of magnetic thin films were
summarized systematically. The covered aspects includes the improvement of high frequency characteristics by changing single layer to multi-layer films; the effect of different material pair (metal layer/insulation layer) on the high frequency characteristics of multi-layer films; the high frequency characteristics of some special film materials; the effect of annealing on the high frequency characteristics of magnetic thin films; and the dependence of the film characteristics on its microstructrue, etc.
Key words: magnetic multi-layer film; high frequency characteristics; annealing effect
1 引言?
集成电路技术的高速发展为电子器件的微型化提供了条件，但集成电路中电感和变压器等磁性器件的微型化一直是难以克服的难题，因而磁性薄膜成为人们研究的热点。电子材料的发展要求磁性器件有更优良的高频性能。涡流损耗的大小和铁磁共振频率（FMR）的高低对磁导率(?)高频响应特性的好坏有直接影响。前者可通过提高材料的电阻率(?)来降低，后者可通过提高磁晶各向异性场（Hk）来提高。高的饱和磁化强度是高磁导率的基础。因此，高的饱和磁化强度（Ms）、各向异性场（Hk）、电阻率（?）和低的矫顽力（Hc）是改善磁性材料高频特性的至关重要的参数，但这些参量之间有时是矛盾的，所以要根据实际需要综合分析。
本文将分别从单层膜到多层膜的转变、退火效应、薄膜微结构等几个方面论述磁性薄膜高频特性的改良。
2 单层膜到多层膜的转变促进高频特性的改善
厚的单层磁性膜不适用于高频材料。因为厚的磁性层内部会形成一个退磁场，从而产生许多磁畴。畴壁的运动会钉扎磁化矢量，使磁导率降低，导致高频特性的恶化。用非磁性层把磁性层间隔开来，可以大大减少磁畴的数目，而且相邻磁性层之间可以通过非磁性层形成静磁耦合作用，使磁畴成为一个单畴，高频磁导率能大幅度提高。
相对磁导率(?(f)???(f)?j???(f))和频率（f）的依赖关系可以由下式来描述[1]：
sinh??sin? （1）
cosh??cos?sinh??sin????(f)???(0)? （2）
cosh??cos???(f)?(??(0)/?)?其中，??2?tm[f??(0)?0?]1/2，式中tm为磁性层厚度，f为频率，?0为真空磁导率，?为趋肤深度。随着tm/?的增加，大约在0.1~0.2，由于涡流损耗的作用??减小，???增大。相应地磁性层厚度在0~0.15?时，薄膜表现出低损耗。但是，多层膜的高频特性是由铁磁共振频率、介质击穿、层间耦合及涡流损耗等因素决定的。为了讨论这些效应之间的关系，多层膜的静态相对磁导率[??(0)]可以由下式表示出来[2]：
??(0)???(0)tm/(tm?tn) （3）
tm??/?m （4）
??[2?/(??(0)?02?fk]1/2 （5） ??(0)?4?MS/HK （6）
fk?(?/2?)[4?MSHK]1/2 （7）
式中，??(0)为磁性层的静态相对磁导率，?为旋磁比，Ms为饱和磁化强度，?为磁性层电阻率，?m为边缘因数（margin factor），fk为铁磁共振频率。为减小涡流损耗，tm/?的值应小于1。?m的值在6~7之间。另外，介质层厚度tn的值不能太小，以避免介质击穿和层内电容耦合涡流损耗。由（3）式知，磁导率实部?r?(0)的值会随磁性层厚度tm的增加而增大。但在实际的磁性多层膜设计中，tm的值既不能太大也不能太小，太大会在磁性层内形成多畴， 收稿日期：2008-05-03 修回日期：2008-06-06 作者通信：E-mail: gym@sina.com
导致磁导率降低；另外t越大，代表磁损耗的复磁导率虚部达到最大值时的频率会降低，这都将导致薄膜高频特性的恶化；t太小就会使磁导率实部降低。从（6）和（7）式可以看出提高多层膜的饱和磁化强度Ms，对于提高磁导率实部及铁磁共振频率fk都是有效的。而Hk的增大则在?r?(0)和fk的提高上是矛盾的。所以，要在实际应用中，有侧重地选择。
Fujimori等人[3]对Co80Nb10Ti/SiO2和Co88Nb6Ti6/SiO2多层膜的特性进行了研究。发现用SiO2作绝缘层的多层膜的磁导率会随CoNbTi层的增厚而增大。另外，还发现矫顽力（Hc）会随CoNbTi层厚度的增加而减小。
Grimes[4]发现在低频时，用铜层作间隔，Ni81Fe19坡莫合金磁性多层膜有优良的屏蔽电磁干扰作用，而用Si3N4作间隔层时，有最高的磁导率。当固定周期数（一个磁性层和一个间隔层即为一个周期）及非磁性层厚度时，磁性层的增厚使磁导率幅值增大，但会降低共振频率。另外，对于绝缘间隔层来说，增加周期数和增加磁性层厚度可以得到几乎相同特性的磁导率谱。
华中科技大学冯则坤等[5]用射频磁控溅射法制备了FeCoB/SiO2纳米磁性多层膜，该膜在频率为2GHz时，复磁导率实部及虚部分别可以达到251和22.7。发现当固定磁性层及介质层厚度、改变薄膜的生长周期时，复磁导率的变化不太大，可能是由于介质层厚度固定，不同周期磁性纳米膜层间静磁耦合作用大体相等的缘故。当固定FeCoB层厚度时，饱和磁化强度Ms和矫顽力Hc会随SiO2层厚度的增加而分别增大和减小。
3 组合材料对多层膜高频特性的影响
Takahashi[6]研究了金属层/绝缘层多层膜，这些多层膜具有高的电阻率（??10m??cm）和磁导率（?>100），膜层的厚度在1.0nm量级。这些薄膜是由绝缘层包围的纳米量级金属颗粒形成的。 [CoFe(1.4nm)/Al2O3(1.1nm)]40（40为周期数）多层膜的磁导率和?0Ms大约分别为250和0.9T。而 [NiFe(0.8nm)/SiO2(1.1nm)]40的磁导率大约在1000。前者在频率低于GHz时，磁导率保持在100以上，而后者在300MHz时，就会有较大的下降。不同组合材料磁导率高频特性的差异缘于颗粒的平面磁耦合的不同。试验证明CoFe/Al2O3材料对表面的表面能有利于颗粒的形成。
Senda[2]在CoFe/SiO2多层图形结构薄膜中发现了反磁致伸缩效应，各向异性场得以提高。单轴各向异性场在16~20kA/m(200~250Oe)。CoFe(50nm) /SiO2 (100nm)膜的相对磁导率为40，截止频率可高达7GHz。这些数值和理论值相符，这种多层膜可用在MHz~GHz频率范围内。
Kim[7]研究了坡莫合金分别与SiO2、Si3N4、Al2O3及AlN构成的多层膜的特性。主要分析了夹层对软磁特性、内应力及多层膜微结构随坡莫合金层厚度的变化的影响。固定夹层厚度（2nm）、当坡莫合金层从20~50nm（周期从2~50）变化时，测试了有效磁导率、矫顽力场和内应力的变化情况。发现当陶瓷夹层厚度在2nm和合金层厚度小于50nm时，多层膜表现出最小的矫顽力和最高的有效磁导率值。
Beach[8]研究了磁性CoxFe100－x金属/自然氧化层多层膜的高频动态磁特性。发现由于各向异性场随x变化，本征共振频率在2.1~3.7GHz的范围的变化。高频时可以得到200~1000的磁导率。高的磁导率、共振频率、电阻率、低的衰减及可调的各向异性场，使得这种薄膜有良好的高频应用前景。
NiFe/Si3N4和NiFe/AlN多层膜较好的软磁特性缘于小的颗粒尺寸。Ha, Park等[9]用射频磁控溅射法制得了[CoFeN(2nm)/自然氧化层]多层膜。这种薄膜表现出很好的磁导率频率响应。铁磁共振频率高达3GHz。磁导率实部保持到2GHz几乎不变。易磁化轴的矫顽力小于
79.6A/m，?0Ms达到2.2T。平面单轴各向异性场高达5333.2A/m。这些特性与新近提出的不连续金属/自然氧化层或金属/绝缘层(Al2O3、SiO2)多层结构有关。这种多层结构由露在氧气氛中的氧化层或被沉积绝缘层的具有较大力矩的CoFe金属层组成。自然氧化层极大地提高了多层膜的电阻率，并对磁化强度的增高和软磁特性的改善有很大贡献。
4 一些特殊组合材料薄膜的高频特性
Ohnuma等[10]在“氩气＋氧气”混合气氛下，用射频磁控溅射法制成了Co-Zr-O纳米颗粒膜。发现当膜中Zr和O各自的含量与ZrO2中组成相接近时，膜表现出高的磁饱和磁化强度Ms、各向异性场Hk、电阻率?，Co60Zr10O30膜的Hk超过11940A/m，Hc小于238.8A/m，
?0Ms超过0.9T，?超过1000μ??cm，共振频率超过3GHz，可在GHz范围内用于薄膜变
压器及薄膜吸波材料。
Kim等[7]为改善Co-Ni-Fe膜的高频特性，在薄膜中复合了N。 发现Co-Ni-Fe-N膜的电阻率?和各向异性场Hk都显著增高。当氮分压为4%时， ?0Ms=1.75T，Hc=111.4A/m，
?=98μ??cm，Hk=1990A/m。特别是这些膜有优异的高频特性，在频率高达600MHz时，
有效磁导率仍能达到800，并且随氮含量的增加，薄膜的抗蚀性也得以提高，这种薄膜可用来做高频时的磁芯材料。
Co基薄膜表现出较高的各向异性场Hk，大约可以达到7164A/m，而Fe基薄膜有较低的磁致伸缩系数和较高的Ms和?。Fe基薄膜的各向异性场几乎为0。Ohunma[11]发现随着Fe含量的增加，薄膜的Hc和?基本保持不变，但是Hk几乎线性下降。基于此可以通过调节Co与Fe的比值，制备Hk在0~7164A/m之间的实用高频器件。
硼元素可以破坏?-Fe结构，并且易于占据元素之间的空隙，起到隔离颗粒的作用。Kim[12]发现硼元素的加入使铁钴基薄膜的高频特性有很大提高。可以在饱和磁化强度降低不太明显的情况下增大各向异性场和电阻率，减小矫顽力。这些性能的改良缘于颗粒尺寸、颗粒形状及优先取向。Fe55Co28B27膜的铁磁共振频率可以达到3.3GHz，在频率高达2GHz时，有效磁导率几乎保持恒值350。
Yu等[13]通过(Fe0.7Co0.3)76B24和(Fe0.7Co0.3)71- Ni7B22的对比，发现随着Ni的加入， FeCoB薄膜的Hc减小，?和Hk增高，而Ms几乎不变，这种现象也出现在斜沉积方法中。?的增大是由于大的Ni原子减小了间隙体积，使B原子溶解度降低，从而使Fe、Co等元素的边界形成更为完好的、坚固的柱形结构。另外，颗粒内部Ni原子驱逐内部B原子，致使薄膜内的剩余内应力降低，从而薄膜的Hc降低。斜溅射沉积方法是通过控制柱形结构的倾斜度进一步增高薄膜的平面各向异性场Hk。用斜溅射角为45°制备的FeCoNiB薄膜，
?0Ms=2.14T，Hk=18308A/m，Hc=636.8A/m, ?= 89μ??cm，共振频率可以达到6.1GHz，
而且有效磁导率在直到频率4GHz时，几乎保持恒定值100不降。
5 退火效应对磁性膜高频特性的影响
Chen[14]发现快速退火效应（post-annealing effect）对无定型Fe-Co-B的磁性能有很大的影响：矫顽力Hc在退火温度为300℃时，下降到63.6A/m。各向异性场Hk随退火温度的升高而降低，磁导率实部随退火温度的升高而升高，但铁磁共振频率fk降低。退火温度对磁特性的影响缘于薄膜内部结构的改变。
Mizutani[15]对CoNiFe薄膜的热稳定性和高频磁导率进行了研究。发现退火温度低于350℃时矫顽力略小于一般沉积膜，但退火温度高于400℃时，晶粒的尺寸显著增大，另外发现高温退火会影响各向异性场。纵向场退火得到的Hk比横向场退火的大得多，因而具有
更高的铁磁共振频率。
低于临界厚度（100nm）时，FeCoBN薄膜表现出优异的软磁特性及高频特性；超过临界厚度后，薄膜内的剩余应力使这些特性变差。Ji[16]发现快速退火效应可以有效地减小剩余应力，使临界厚度增加（200nm）。
6 薄膜特性与薄膜微结构的关系
Haftek[17]用横向偏置磁导率测量仪器结合Hoffman的波纹理论，得到了结构因数（structure factor）的实验数据。实验发现当结构因数从0.12mJ/m2降到0.02mJ/m2时，起始磁导率从600增大至约1700。畴壁矫顽力（wall coercivity）从437.8A/m降到95.5A/m，N元素的增加减小了颗粒直径。颗粒直径的减小对结构参量的减小有一定的作用。用Doyle-Finnegan 或 Takahashi-shimatsu局域各向异性的理论模型求得的结构参量与实测值相符。
条状畴和磁化波（magnetization ripple）的出现阻碍了薄膜软磁性能的改善。Zou等人[18]
理论分析了应力对磁致伸缩各向异性的贡献，并且计算了应力和薄膜总各向异性常数之间的关系。据此分析了有效垂直和局部各向异性常数，并分别通过Murayama条带理论和Hoffmann波纹理论（ripple theory）得到了条带畴和膜厚度的关系及波纹矫顽力(ripple coercivity)的值。用实验验证了所推结论的正确性。结果证明应力与薄膜特性之间的相互关系取决于材料成分、生长结构、生长形态、颗粒尺寸及膜厚，为选择合适的材料组分、结构及膜厚提供了一个系统的方法。
7 结语
磁性薄膜的高频应用已成为必然的趋势。但对薄膜高频特性的研究成果与实际需求之间还有很大的距离。特别是对频率高于7GHz的磁性器件的研究更少。我们期望有更多的实用的理论成果出现，以减少实验的盲目性以及由此带来的人力物力的消耗。
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