射频集成磁膜微电感的制备与性能研究

论文题目: 射频集成磁膜微电感的制备与性能研究

论文类型: 博士论文

论文专业: 微电子学与固体电子学

作者: 刘锋

导师: 于军

关键词: 集成微电感,等效电路,铁氧体薄膜,高频性能,硅集成工艺

文献来源: 华中科技大学

发表年度: 2005

论文摘要: 高性能射频(Radio Frequency, RF)集成微电感是移动通信应用中需求很高的无源器件。目前,低成本、高性能、高集成度RF微电感的缺乏阻碍了单片射频SOC(System on Chip)集成电路的实现。磁材料集成到微电感中不仅可增加电感感值,也可有效减少线圈磁漏,是实现高性能RF集成微电感很有前景的一种方法。本论文深入系统地研究了高频铁氧体薄膜磁性能及制备工艺,在此基础上,首次采用标准硅集成工艺实现了基于铁氧体RF集成磁膜微电感,实验结果表明铁氧体磁膜的引入可有效提高RF平面微电感的整体性能。论文首先对RF平面微电感的物理模型进行了研究,给出了平面电感Q值和L值的计算方法,从模型出发分析了电感结构和材料参数对电感L、Q值的影响。在此基础上,针对高电阻率铁氧体磁材料的特点,得到了磁膜微电感等效电路模型及适合于集成磁膜微电感L值与Q值的计算表达式,并使用等效模型详细地分析了铁氧体磁膜的引入对RF平面微电感性能的影响,为铁氧体应用到磁膜集成RF微电感打下理论基础。仿真结果表明高频磁导率和高频介电常数对电感高频性能同等重要,只有选取高磁导率、低介电常数的铁氧体材料才能提升RF微电感的整体性能。同时,使用部分元等效电路法(Partial Element Equivalent Circuits, PEEC)解决了射频频段微米尺度金属损耗的精确计算问题,为预测、设计和优化片上螺旋电感提供了一种有效的电磁仿真方案。接着,研究了使用溶胶-凝胶(Sol-gel)自燃法制备的NiCuZn、YIG、CoZrO铁氧体高频电磁性能,测试结果表明这些材料在高频下具有低的磁损耗和介电损耗,而NiCuZn、CoZrO铁氧体截止频率大于1GHz,适合于RF集成微电感的应用要求。在此基础上,使用sol-gel法结合快速热处理(Rapid Thermal Processing, RTP)工艺制备了软磁性能良好的NiCuZn、YIG铁氧体磁膜,通过对磁膜样品表面形貌、晶相结构及准静态、高频磁性能的测试,详细研究了组分、溶胶-凝胶法、RTP退火工艺对铁氧体薄膜性能的影响,获得了优化的工艺条件。实验结果表明:sol-gel技术有效降低了磁膜晶化温度,在溶胶摩尔浓度尽可能高的条件下,制备样品可得到相当于体材的静磁性能; sol-gel法结合RTP工艺可有效地实现磁性薄膜的低温集成工艺,为将磁性薄膜集成到RF微电感打下基础。论文对集成磁膜微电感制作涉及的关键工艺进行了研究与开发,其中有磁性薄膜的刻蚀工艺、聚酰亚胺薄膜的制备与刻蚀技术及电镀Cu工艺。在磁膜图形化工艺研究中,比较了多种刻蚀工艺,得到了适用于铁氧体磁膜的刻蚀工艺; 研究了聚酰亚胺

论文目录:

摘要

Abstract

1 绪论

1.1 课题目的和意义

1.2 研究状况和进展

1.3 RF 集成磁膜微电感的关键技术

1.4 论文各部分的主要内容

2 RF 集成磁膜微电感的理论基础研究

2.1 平面电感的物理模型与参数计算

2.2 RF 集成磁膜微电感的物理模型与参数计算

2.3 螺旋电感的趋肤效应和临近效应PEEC 分析

2.4 本章小结

3 RF 集成磁膜微电感的材料基础研究

3.1 磁性薄膜的制备、结构表征与物性测量方法

3.2 几种软磁铁氧体的高频电磁性能研究

3.3 NiCuZn 铁氧体薄膜的制备及性能研究

3.4 YIG 铁氧体磁膜的制备和性能研究

3.5 本章小结

4 RF 集成磁膜微电感关键工艺研究

4.1 磁性薄膜的刻蚀工艺

4.2 聚酰亚胺介质层的制备与刻蚀

4.3 电镀Cu 工艺研究

4.4 本章小结

5 RF 集成磁膜微电感的制备

5.1 双金属层磁膜微电感的版图设计

5.2 电感的整体流程与工艺经验

5.3 电感流水结果

5.4 本章小结

6 RF 集成微电感性能测试与分析

6.1 电感线圈结构及材料参数的测试

6.2 RF 微电感高频性能测试原理

6.3 电感的高频性能测试结果

6.4 本章小结

7 总结

致谢

参考文献

附录1 攻读学位期间发表的论文目录

附录2 磁膜微电感工艺流程卡

附录3 磁膜微电感仿真程序

发布时间: 2006-04-12

射频集成磁膜微电感的制备与性能研究

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