適用于集成電路的微磁電感及其應用

新一代信息技術

集成電路（IC，IntegratedCircuits）芯片是信息技術產業的核心，是支撐經濟社會發展和保障國家安全的戰略性、基礎性和先導性產業，也是山東省和青島市重點發展產業。眾所周知，IC集成了眾多的晶體管、電阻、電容、電感等元器件，而電感、電容等被動元件占據了較大的面積（如圖1所示），因此，如何將傳統的電感組件微型化、薄膜化，以配合IC平面架構，是提高集成密度、可靠性，實現IC技術從SIP到SOC轉變的關鍵。

圖1.集成器件中的微電感占據了60%以上的面積。

高頻軟磁薄膜可以大幅度提高電感器件的電感量，減小電感尺寸，從而實現電感元件的微型化和集成化，但高頻軟磁薄膜與電感的整合是一項全新的技術，必須克服如下技術瓶頸：（1）軟磁薄膜必須具備足夠高的自偏置鐵磁共振頻率，即具有內生磁各向異性，保證在無外加偏置磁場情況下，具有滿足使用要求的足夠高的鐵磁共振頻率；（2）軟磁薄膜的制備工藝與傳統的半導體集成電路CMOS制造工藝的兼容性問題，即軟磁薄膜與電感的整合問題。

美國軍隊研究實驗室、日本東北大學、德國卡爾斯魯厄大學材料研究所、美國的ADI、Intel公司、日本的TDK、Murata、Panasonic公司、德國西門子公司等國際大公司都投入大量的人力和財力研究微磁電感，并取得了初步的成功。世界最大的電源供應器供應商--臺灣臺達電子集團（Delta）也致力于微磁電感及其芯片的研發，目前在集成化電源分配器DC-DCConvertor、隔離器、耦合器、濾波器等電子元器件中得到應用。本項目組從事自偏置高頻軟磁薄膜與芯片微磁電感整合技術研究16年，獲得國家自然科學基金和省重點項目7項，支持經費291萬元；授權中國發明專利5項，實用新型專利1項；發表相關科研論文60余篇；在自偏置軟磁薄膜的制備方面處于國際先進水平，并掌握了全套整合技術，實行了小試，并與臺灣臺達電子集團合作（經費281萬元新臺幣）成功應用于集成電源分配器中。

技術優勢分析

本項目自主發明了多種IC工業兼容條件下的高頻軟磁薄膜制備方法，也設計了多種準各向同性薄膜結構，同時獲得了創紀錄的鐵磁共振材料，并實現了材料與微電感的整合。既能夠設計制造擁有功率轉換的低頻高功率密度微磁電感，也能制備超高頻率（10GHz以上）穩波型的微磁電感。這兩類電感都是集成化電路芯片或插件急需的類型。

本項目的主要技術優勢表現在：

1、解決了高頻軟磁薄膜在IC工藝兼容條件下的制備技術。本項目組自主發明了成分梯度濺射方法用于制備芯片微磁電感。該方法利用摻雜元素在樣品中形成梯度分布的方法，獲得內生應力，進而感生出單軸磁各向異性，從而獲得內建磁場，使軟磁薄膜產生自偏置性，在零偏置場下，即可獲得鐵磁共振頻率fr>7GHz高性能軟磁薄膜。該方法在全室溫條件下制備完成，與IC工藝完全兼容，而且在后續光刻微加工的反復熱循環后，還會消除殘余應力，使得軟磁性能有所改善。該方法制備的薄膜沿成分梯度方向的膜厚差小于0.1%/mm，完全滿足工業生產需求。該技術獲得了1項中國發明專利（專利1）和1項實用新型專利（專利6）。

2、研制出了準磁各向同性軟磁多層膜的制備技術在芯片微磁電感集成化過程中遇到一個自相矛盾，且難以克服的困難：獲得高的鐵磁共振頻率fr和磁導率μ需要好的單軸磁各向異性，因為磁各向同性的軟磁薄膜被平均后，無法測到fr和μ;但磁各向異性的單軸特性卻使得圓形或方形電感的難軸激發效率只能發揮一半。本項目利用單軸磁各向異性軟磁薄膜轉向層疊的方法，獲得了準磁各向同性多層膜，徹底解決了磁性薄膜利用率低的問題，實現了微磁電感任意形狀設計。該技術獲得中國發明專利1項（專利2）。

3、研制出了多種鐵磁共振頻率調控方法除了成分梯度建設方法，本項目組研制了多種IC工藝兼容條件下的鐵磁薄膜共振頻率調控方法，如磁電耦合法，利用電場調控獲得了12.96GHz的超高頻；層間耦合法，利用層間耦合效應獲得了超高22GHz的共振頻率，達到國際先進水平；晶格畸變法，利用單晶晶格四角畸變獲得了40GHz以上的極高頻鐵磁共振頻率，達到國際領先水平。各類方法為材料的走向應用及工藝整合提供了基礎。

4、實現了金屬基高頻軟磁薄膜與微電感整合技術本項目組現在已實現了高頻薄膜制備與光刻微加工電感制備技術的整合，并制備出了結構復雜的Solenoid型電感，電感增量>400%，遠高于平面型電感，詳見圖2和圖3。

圖2.本課題組制備的多種Solenoid型微磁電感。左上角為3英寸Si基芯片的多種電感，其他為代表性電感的照片。

圖3.代表性微磁電感的電感量增加和Q因子。

本項目產品是集成電路芯片設計的核心部件，即使作為外插件也具有很大的市場。目前只有日本村田、韓國三星等少數大型企業具有量產能力。我國尚無量產的報道。因此，開發本項目產品具有重要的市場價值。

本項目的研究工作已經應用于臺達電子集團公司的直流轉換器（DC-DCconvertor）中。

發明專利

ZL201711160210.7

通過小試

達到國內先進水平

獨立研究