200MHz高傳輸效率薄膜變壓器的設(shè)計(jì)與制備

　　摘要：實(shí)現(xiàn)了一種新型的基于IC工藝的微波鐵氧體集成薄膜變壓器，鐵氧體薄膜采用射頻磁控濺射法制備，SEM觀察了SiO2層上鐵氧體膜的表面形貌，表明薄膜容易開裂;能譜儀對薄膜成分的分析表明鐵氧體薄膜與SiO2層和AI膜附著性差。通過濺射工藝參數(shù)及增加熱處理等工藝初步解決了以上存在的薄膜制備工藝與IC工藝之間的兼容性問題。采用標(biāo)準(zhǔn)硅基IC工藝設(shè)計(jì)和制備了這種新型結(jié)構(gòu)的薄膜變壓器，對一組薄膜變壓器樣品的實(shí)驗(yàn)參數(shù)在20~210MHz的頻率范圍內(nèi)作了測試，測試結(jié)果表明：對于設(shè)計(jì)的匝數(shù)比為1的薄膜變壓器，在90~210MHz的頻率范圍內(nèi)能獲得最高為79%的變壓比和良好的波形傳輸能力。

　　關(guān)鍵詞：薄膜變壓器;集成電路工藝;微波鐵氧體

　　通過最近30年對微處理器和存儲(chǔ)器的研究，晶體管、電阻和小電容的機(jī)場化問題早已解決，目前關(guān)于較大容量的電容機(jī)場化技術(shù)問題也基本上得到解決，小電感的機(jī)場化技術(shù)也可以解決，有利地促進(jìn)了電子系統(tǒng)的小型化和微型化。但是，目前變壓器的機(jī)場化技術(shù)已成為一個(gè)嚴(yán)重制約電子系統(tǒng)進(jìn)一步向小型化和微型化發(fā)展的因素，集成化變壓器的理論和技術(shù)還有待進(jìn)一步研究和開發(fā)。

　　薄膜變壓器由于具有信號(hào)隔離和傳輸?shù)奶匦裕遣豢扇鄙俚碾娮悠骷Ｓ绕涫撬哂行盘?hào)合成和信號(hào)轉(zhuǎn)換的特點(diǎn)，與其它電子器件和電路實(shí)現(xiàn)方式相比具有無可替代的優(yōu)勢。但在20世紀(jì)90年代開始才對薄膜變壓器有了比較集中的研究，具有代表性的如日本的H Tsujimoto采用傳統(tǒng)薄膜工藝在柔性薄膜上的研制的線圈尺寸為4×9m㎡的薄膜變壓器，在300~900MHz頻率范圍內(nèi)有超過50%的傳輸效率;愛爾蘭的Terence O’Donnell等人研制了在5~10MHz范圍內(nèi)輸出功率3.5W，傳輸效率達(dá)到82%的NiFe合金磁芯的薄膜變壓器。另外A H Miklich等人探討了采用超導(dǎo)薄膜制作薄膜變壓器的相關(guān)問題及其可能的應(yīng)用。

　　總的來說薄膜變壓器總體上還是處于基礎(chǔ)性的研究階段，還有著體積過大，傳輸效率與工作頻率難以相容等問題。本文針對以上情況，采用射頻磁控濺射微波鐵氧體薄膜為磁芯以提高薄膜變壓器的工作頻率與傳輸效率，同時(shí)探索鐵氧體薄膜工藝與標(biāo)準(zhǔn)IC工藝的兼容性問題，研制基于IC工藝的集成化高頻薄膜變壓器。

　　1 薄膜變壓器的結(jié)構(gòu)和工藝設(shè)計(jì)

　　本文薄膜變壓器采用疊層設(shè)計(jì)，以增加耦合，其結(jié)構(gòu)如圖所示，在硅基片上有著八層結(jié)構(gòu)。第一層是SiO2襯底，對整個(gè)電路起了支撐作用，同時(shí)又為Metall提供了良好的襯底絕緣隔離。采用熱氧化技術(shù)在硅基片上熱生長一層1µm厚的SiO2，較厚的氧化層能夠降低襯底的寄生電容。第2層為Si3N4層的電阻率大約為107Ω.㎝，高電阻率的襯底能夠減少襯底損耗，且流動(dòng)性比較低，難以刻蝕，可以提高整個(gè)后續(xù)刻蝕工藝的兼容性。第3層Metall為AI引線層，直流濺射800nm，引出初級線圈的一個(gè)端子。第4層為SiO2隔離層，采用PECVD技術(shù)生長1µm，起到引線與初級線圈的絕緣保護(hù)作用。第5層Metal2為AI金屬制成的初級線圈，直流濺射1µm。第6層磁性層是鐵氧體薄膜，采用RF磁控濺射1µm，鐵氧體為高電阻率材料，電阻率為107~1011起到磁芯與絕緣隔離作用。第7層Metall3層為AI金屬制成的次級線圈，直流濺射1µm。第8層SiO2層，PECVD生長1.2µm，起到鈍化保護(hù)作用，整個(gè)工藝流程如圖所示。

　　2 鐵氧體薄膜和IC工藝兼容性問題

　　作為功能層與絕緣層，鐵氧體薄膜與IC工藝的兼容性問題是薄膜變壓器制備的難點(diǎn)。本文采用RF磁控濺射鐵氧體薄膜，濺射鐵氧體薄膜的時(shí)候，發(fā)現(xiàn)當(dāng)鐵氧體厚度增加到1µm時(shí)，由于應(yīng)力過大，導(dǎo)致薄膜表面出現(xiàn)裂縫，在放大2500倍的SEM照片中，能很清晰的看出鐵氧體薄膜上的裂縫，如圖所示，通過調(diào)整濺射參數(shù)，降低沉積速率，在背景參數(shù)為4.810×10-14Pa，濺射氣體為99.999%的Ar氣，濺射氣壓為11×10-6Pa，濺射功率為1262W得到表面質(zhì)量較好的薄膜，如圖所示。

　　由設(shè)計(jì)的薄膜變壓器結(jié)構(gòu)可以知道，鐵氧體薄膜層的接觸面有SiO2和AI膜。鐵氧體薄膜與SiO2和AI膜之間的附著性很差，在后續(xù)工藝中，經(jīng)過光刻、腐蝕、清洗后導(dǎo)致鐵氧體薄膜破裂剝落。采用能譜分析儀對一個(gè)經(jīng)過四次光刻后的樣品進(jìn)行成分分析，發(fā)現(xiàn)在Spectrum 1、Spectrum 5 兩個(gè)區(qū)域內(nèi)鐵氧體薄膜已經(jīng)剝落，其Fe的含氧量已經(jīng)很少或者沒有。Spectrum 2、3、4、6這幾個(gè)區(qū)域內(nèi)含有微量的AI元素，這是由于Metal 3AI已經(jīng)沒有，所測到的AI元素是下層Metal 2中的AI元素，在這幾個(gè)區(qū)域中，Spectrum 2、6是由于AI與鐵氧體的粘附不好，導(dǎo)致的AI剝落，Specrum 3、4是因?yàn)锳I經(jīng)過光刻后按設(shè)計(jì)要求腐蝕掉的，為提高鐵氧體與其他薄膜之間的粘附性，經(jīng)過試驗(yàn)得出：將鐵氧體薄膜在300℃恒溫箱里加熱4h，然后緩慢降溫至常溫，降溫時(shí)間控制在25h左右能夠有效的消除鐵氧體薄膜的內(nèi)應(yīng)力，同時(shí)提高鐵氧體薄膜與SiO2以及鋁的粘附性。由經(jīng)過熱處理，同樣進(jìn)行四次光刻后的樣品圖可以看出其粘附性得到了明顯的提高。

　　3 測試結(jié)果

　　對采用四邊扁平封裝好的一個(gè)薄膜變壓器進(jìn)行測試，薄膜變壓器的兩級電感線圈均為15匝，線寬12µm，線間距3µm，鋁層厚1µm，線圈面積為1mm×1mm。將變壓器的初級線圈直接接入信號(hào)發(fā)生器，次級線圈端接Agilent 54642D型混合信號(hào)示波器，測得其20~210MHz的輸入輸出變壓比如圖所示。由圖可以得出薄膜變壓器在90~120MHz頻率范圍內(nèi)有著第一個(gè)變壓比峰值，為55%;在145~170MHz頻率范圍內(nèi)出現(xiàn)第二個(gè)變壓比峰值，為約79%。從曲線的變化趨勢可以看出，變壓器在高的傳輸效率，再對某個(gè)頻率做諧波分析，利用混合信號(hào)示波器固有的程序?qū)敵鲂盘?hào)做FFT變化。

　　4 結(jié)論

　　本文制作了一個(gè)與工藝兼容的薄膜變壓器。解決了鐵氧體薄膜工藝與IC工藝的兼容性問題，給出了薄膜變壓器結(jié)構(gòu)和工藝設(shè)計(jì)，對變壓器進(jìn)行了實(shí)際測試。測試結(jié)果表明，對于設(shè)計(jì)的匝數(shù)比為1的薄膜變壓器，在90~210MHz的頻率范圍內(nèi)能獲得最高為79%的變壓比和良好的波形傳輸能力。該薄膜變壓器采用標(biāo)準(zhǔn)IC工藝制作體積小，工作頻率在百兆級，適合批量生產(chǎn)，有望在射頻電路中得到使用。