Forschungszentrum Karlsruhe - Wissenschaftliche Berichte – FZKA 7169

Entwicklung neuartiger thermisch stabiler weichmagnetischer Fe-Co-Al-N und Fe-Co-Ta-N Dünnschichtmaterialien für Hochfrequenzanwendungen

Viacheslav Bekker

Zusammenfassung
In der vorliegenden Dissertation wird die Entwicklung, Herstellung und Untersuchung weichmagnetischer Fe-Co-Al-N und Fe-Co-Ta-N Dünnschichtmaterialien sowie ihre Strukturierung und gezielte Optimierung für die Anwendung als magnetisches Kernmaterial in HF-Mikroinduktoren beschrieben. Diese Materialien wurden nach entsprechender Analyse vorhandener Literaturdaten und theoretischer Ausarbeitung der allgemeinen HF-Materialanforderungen für den Einsatz im GHz-Frequenzbereich konzipiert und entwickelt. Die Schichten wurden mittels reaktiver Magnetronkathodenzerstäubung abgeschieden und nach der Abscheidung in einem statischen Magnetfeld wärmebehandelt. Die Targetzusammensetzung, die Abscheideparameter sowie die Temperatur und Dauer der Wärmebehandlung wurden optimiert, um Materialien mit einem thermisch stabilen nanokristallinen Gefüge und guten weichmagnetischen Eigenschaften herzustellen, bei denen das Einprägen einer starken uniaxialen Anisotropie möglich ist. Dieses Ziel konnte in Schichten mit optimaler chemischer Zusammensetzung Fe₄₀Co₂₉Al₁₃N₁₈ und Fe₃₈Co₃₀Ta₉N₂₃ At. % erreicht werden. Die Sättigungspolarisation J_s belief sich auf 1,1 bis 1,25 T, wobei die Schichten Koerzitivfelder μ₀H_c von 0,2 bis 0,4 mT, eine hohe Abfangspermeabilität μ_anf von 240 bis 330 und eine hohe Resonanzfrequenz f_R von 1,9 bis 2,1 GHz zeigten. Der spezifische elektrische Widerstand ρ betrug für diese Materialien 1,55 bis 1,88 μΩm, wodurch nur geringe Wirbelstromverluste bis zu einer Schichtdicke d* von 0,75 μm auftraten. Aufgrund des nanokristallinen Aufbaus zeigten optimierte Fe-Co-Al-N und Fe-Co-Ta-N Schichten eine gute thermische Stabilität bis 500 °C und sind dadurch kompatibel mit den Herstellungsprozessen der Mikroelektronik (CMOS). Auf der Basis dieser Dünnschichtmaterialien, die mithilfe gezielter theoretischer und experimenteller Untersuchungen des frequenzabhängigen Verlaufs der komplexen Permeabilität optimiert wurden, konnten neuartige HF-Mikroinduktoren mit magnetischen Dünnschichtkernen entwickelt wurden. Entsprechende Dünnschichtmikroobjekte wurden mithilfe der Fotolithografie und Trockenätztechnik hergestellt und für den Einsatz in HF-Mikroinduktoren in ihren Abmessungen bezüglich der Domänenstruktur und Magnetisierungsdynamik optimiert. Die Mikroinduktor-Demonstratoren mit magnetischen Dünnschichtkernen wurden in einem für die Mikroelektronik geeigneten Herstellungsprozess realisiert. Die anschließende Charakterisierung der HF-Mikroinduktoren mit einem Netzwerk-Analysator zeigte eine effektive Verstärkung des HF-Feldes durch die Induktorkerne und damit Induktivitäten zwischen 1 und 2 nH bis in den Frequenzbereich bis 2 GHz.

Development of new thermo stable, soft magnetic Fe-Co-Al-N and Fe-Co-Ta-N thin-film materials for high frequency applications

Abstract
This thesis describes the development, manufacturing and analysis of soft magnetic Fe-Co-Al-N and Fe-Co-Ta-N thin-film materials. It is also concerned with the structuring and specific optimisation of these materials for implementation within magnetic cores in high frequency microinductors. The materials have been conceived and developed on the basis of readily available published data and theoretical analysis of general requirements for the implementation of such materials at GHz-frequencies. The films have been obtained by means of reactive magnetron sputtering and subsequent field annealing. The target composition, deposition conditions as well as temperature and duration of field annealing have been optimised to produce materials with good soft ferromagnetic properties, high electrical resistivity and thermo stable microstructure with induced uniaxial anisotropy. These requirements could be achieved in the films of optimal chemical composition namely Fe₄₀Co₂₉Al₁₃N₁₈ and Fe₃₈Co₃₀Ta₉N₂₃ at. %. The films showed a saturation polarisation J_s of 1.1 - 1.25 T, a coercive field μ₀H_c of 0.2 - 0.4 mT, a high initial permeability μ_lowl of 240 - 330 and a high resonance frequency f_R of 1.9 - 2.1 GHz. The electrical resistivity of these films ρ = 1.55 - 1.88 μΩm provided low eddy current losses until the thickness of 0.75 μm. A good thermal stability of the new Fe-Co-Al-N and Fe-Co-Ta-N films at temperatures of up to T = 500 °C has been achieved due to their nanocrystalline microstructure. This feature provides a high compatibility with the main manufacturing processes in the microelectronic industry (CMOS). On the basis of these materials optimized by means of theoretical and experimental investigations of the frequency dependent, complex permeability the novel high frequency microinductors with thin-film cores were developed. Appropriate thin-film micro objects have been produced by means of photolithography and dry-etching technique. The dimensions of these micro objects have been optimised to allow the implementation in high frequency microinductors. Such optimisation has been performed by means of the domain structure and magnetisation dynamics investigations. The sample microinductors with magnetic cores have been obtained by a manufacturing process, which is suitable for the semiconductor industry. The further analysis of microinductors by means of a network analyser showed an efficient amplifying of the high frequency magnetic field in the cores. As a result of this, the inductor inductance took the values between 1 and 2 nH at the frequencies of up to 2 GHz.

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