200MHz高傳輸效率薄膜變壓器的設計與制備

　　摘要：實現了一種新型的基于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。采用標準硅基IC工藝設計和制備了這種新型結構的薄膜變壓器，對一組薄膜變壓器樣品的實驗參數在20~210MHz的頻率范圍內作了測試，測試結果表明：對于設計的匝數比為1的薄膜變壓器，在90~210MHz的頻率范圍內能獲得最高為79%的變壓比和良好的波形傳輸能力。

　　關鍵詞：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器的研究，晶體管、電阻和小電容的機場化問題早已解決，目前關于較大容量的電容機場化技術問題也基本上得到解決，小電感的機場化技術也可以解決，有利地促進了電子系統的小型化和微型化。但是，目前變壓器的機場化技術已成為一個嚴重制約電子系統進一步向小型化和微型化發展的因素，集成化變壓器的理論和技術還有待進一步研究和開發。

　　薄膜變壓器由于具有信號隔離和傳輸的特性，是不可缺少的電子器件。尤其是它具有信號合成和信號轉換的特點，與其它電子器件和電路實現方式相比具有無可替代的優勢。但在20世紀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范圍內輸出功率3.5W，傳輸效率達到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薄膜制作薄膜變壓器的相關問題及其可能的應用。

　　總的來說薄膜變壓器總體上還是處于基礎性的研究階段，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，同時探索鐵氧體薄膜工藝與標準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 薄膜變壓器的結構和工藝設計

　　本文薄膜變壓器采用疊層設計，以增加耦合，其結構如圖所示，在硅基片上有著八層結構。第一層是SiO2襯底，對整個電路起了支撐作用，同時又為Metall提供了良好的襯底絕緣隔離。采用熱氧化技術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，且流動性比較低，難以刻蝕，可以提高整個后續刻蝕工藝的兼容性。第3層Metall為AI引線層，直流濺射800nm，引出初級線圈的一個端子。第4層為SiO2隔離層，采用PECVD技術生長1µm，起到引線與初級線圈的絕緣保護作用。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，起到鈍化保護作用，整個工藝流程如圖所示。

　　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。本文采用RF磁控濺射鐵氧體薄膜，濺射鐵氧體薄膜的時候，發現當鐵氧體厚度增加到1µm時，由于應力過大，導致薄膜表面出現裂縫，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，通過調整濺射參數，降低沉積速率，在背景參數為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得到表面質量較好的薄膜，如圖所示。

　　由設計的薄膜變壓器結構可以知道，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，在后續工藝中，經過光刻、腐蝕、清洗后導致鐵氧體薄膜破裂剝落。采用能譜分析儀對一個經過四次光刻后的樣品進行成分分析，發現在Spectrum 1、Spectrum 5 兩個區域內鐵氧體薄膜已經剝落，其Fe的含氧量已經很少或者沒有。Spectrum 2、3、4、6這幾個區域內含有微量的AI元素，這是由于Metal 3AI已經沒有，所測到的AI元素是下層Metal 2中的AI元素，在這幾個區域中，Spectrum 2、6是由于AI與鐵氧體的粘附不好，導致的AI剝落，Specrum 3、4是因為AI經過光刻后按設計要求腐蝕掉的，為提高鐵氧體與其他薄膜之間的粘附性，經過試驗得出：將鐵氧體薄膜在300℃恒溫箱里加熱4h，然后緩慢降溫至常溫，降溫時間控制在25h左右能夠有效的消除鐵氧體薄膜的內應力，同時提高鐵氧體薄膜與SiO2以及鋁的粘附性。由經過熱處理，同樣進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 測試結果

　　對采用四邊扁平封裝好的一個薄膜變壓器進行測試，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發生器，次級線圈端接Agilent 54642D型混合信號示波器，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頻率范圍內有著第一個變壓比峰值，為55%;在145~170MHz頻率范圍內出現第二個變壓比峰值，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，再對某個頻率做諧波分析，利用混合信號示波器固有的程序對輸出信號做FFT變化。

　　4 結論

　　本文制作了一個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構和工藝設計，對變壓器進行了實際測試。測試結果表明，對于設計的匝數比為1的薄膜變壓器，在90~210MHz的頻率范圍內能獲得最高為79%的變壓比和良好的波形傳輸能力。該薄膜變壓器采用標準IC工藝制作體積小，工作頻率在百兆級，適合批量生產，有望在射頻電路中得到使用。