制備寬頻帶吸波磁性多層膜的方法

專利名稱：制備寬頻帶吸波磁性多層膜的方法
技術領域：
本發明涉及一種在基底材料上制備出寬頻段吸波層的方法。
背景技術：
無線通訊設備的普遍使用引起了越來越嚴重的電磁污染，導致高頻電磁屏 蔽材料引起了人們的廣泛關注。從目前的研究結果來看，高頻磁性薄膜材料在 高頻具有非常優異的電磁損耗效果，其電磁波吸收機制是磁矩的自然共振。而 為了實現在較寬頻率范圍內對微波的吸收，從理論上講有兩種思路， 一是采用 單層吸收體，增大磁矩共振的阻尼因子展寬自然共振的吸收頻率。但是從技術 上講，單純控制阻尼因子是困難的，而且過大的阻尼也會降低吸收層的吸收效 果。另一種比較可行的方法是采用多層膜的思路，調制每一層磁性薄膜的共振 吸收頻率然后疊加具有不同共振吸收頻率的信號，從而實現寬頻帶強效吸收電 磁波的目的。這就要求首先要從技術上實現在位調整單層磁性膜的共振吸收頻 率，然后采用適當的工藝將具有不同共振吸收頻率的磁性膜集成到一起。
然而就單層磁性膜而言，在位調整它的共振吸收頻率就是非常困難的。主 要有以下兩個難點通常制備高頻軟磁薄膜都需要采用后處理方法誘導面內單 軸各向異性，然而考慮到要將具有不同共振吸收頻率的磁性薄膜集成到一起， 就需要在不使用任何后期處理方法的情況下直接制備得到具有面內單軸各向異 性的磁性薄膜。因為一旦采用任何的后處理方法，就會對所有的磁性層產生影 響，從而不能保證每一層磁性膜具有不同的共振吸收頻率。其次，從國內外目 前報道的研究結果來看，除非選擇不同成分的磁性薄膜材料，并不能較好地實 現對同一磁性薄膜材料共振吸收頻率的調整。如果簡單地利用不同的磁性材料 作為寬頻吸波多層膜中的磁介質，這必然會進一步增加制備工藝上的困難和成 本。尤其是當薄膜層數較多時，采用這種思路是不切實際的。所以，能夠在位 制備同種成分但是共振吸收頻率可調的磁性薄膜，是實現寬頻帶吸波多層膜的 關鍵技術前提。
從目前對多層磁性膜的研究結果來看，多層磁性膜之間存在相互作用。這 種作用會使相鄰磁性層之間發生耦合，從而影響每一層磁性膜的磁性。如果在 相鄰磁性層中間加入非磁性層，就會影響這種耦合作用。研究發現，隨著非磁 性層厚度的增加，相鄰鐵磁層會出現從平行排列到反平行排列，再到平行排列 的變化，而且耦合強度也會降低。然而，對于寬頻帶吸波多層膜，我們并不希 望出現相鄰磁性層發生耦合，因為這種作用會直接影響每一層磁性膜的高頻性質。所以，相鄰鐵磁層中非磁性層的厚度要足夠厚。然而，采用過厚的非磁性 層對于實現寬頻帶吸波多層膜也是不利的。首先采用過厚的非磁性層會使得總 體多層膜的厚度增加，從而會導致電磁波在多層膜中傳播的時候引起趨膚效應， 達不到最佳的電磁波吸收效果。另一方面，采用過厚的非磁性層是對材料的一 種浪費，它必然會帶來成本的提高。所以，探索一個適當的非磁性膜的厚度， 在此厚度下既可以使得相鄰鐵磁層不發生耦合，同時又可以減少材料的浪費， 對于實現寬頻帶吸波多層膜的制備是非常重要的。
更大的問題是現有技術中尚未有公開過任何一種有實際應用價值的可形成 多層具有寬頻吸收電磁波的多層膜的技術。

發明內容
本發明提供一種可以解決現有技術尚不能解決的，能有效地在基底材料上 形成多層具有寬頻帶吸收電磁波的多層膜的技術。
本發明利用現有的射頻磁控濺射方法及設備，實現在制備過程中一次性完 成，無須后處理和任何人為誘導，制備出寬頻帶吸波多層膜的方法。
本發明制備寬頻帶吸波磁性膜的方法是首先在基底材料上采用真空濺射 法生成截止頻率為f,的第一磁性材料層，再在第一磁性材料層上生成第一隔離 層，然后再第一隔離層上濺射生成截止頻率為f2的第二磁性材料層，再在第二 磁性材料層上生成第二隔離層，如此重復前述過程，在基底上形成由隔離層相
隔的由不同截止頻率的磁性材料層構成的n層磁性材料薄膜，n的數值由設計事 先確定。其中的隔離層可用通常的物理成膜技術生成，隔離層可以是金屬材料 的，也可以是非金屬材料的，但要求必須是非磁性物質，非磁性材料隔離層的 層厚為30 50納米。
本發明制備寬頻帶吸波磁性膜的方法中，在基底材料上形成磁性材料層的 方法是在濺射磁性金屬靶材的同時還在基底材料上濺射少許非磁性金屬材料， 其中濺射到基片上的非磁性金屬與濺射的磁性金屬之原子百分比為3 20;通過 改變耙中心到基片中心的連線與靶法線的夾角ct，以得到不同截止頻率的磁性薄 膜層；控制各層磁性金屬材料層的相對厚度實現不同磁性金屬材料層吸收性能 的相對大小。
本發明制備寬頻帶吸波磁性膜的方法中，所生成的隔離層由銅或銀或鉭或 鈦或氧化硅或氧化鋯等非磁性物質構成，濺射生成的磁性材料層由鈷或鐵鈷合金與鋯或鈮或鉿或鉭或鈦或釩中的任一種或任幾種的組合的少量的非磁性材料 組成。
本發明的方法所使用的濺射設備為現通用的濺射設備，即由真空系統，射 頻電源系統和射頻靶組成，但在濺射磁性材料層時所使用的濺射靶為復合靶， 即在現有的被濺射磁性材料制成的耙材上設置有非磁性純金屬片。如果所濺射 的磁性材料是由鈷或鐵鈷與鋯或鈮或鉿或鉭或鈦或釩構成的合金時，所用的濺 射耙是在用鈷或鐵鈷材料制成的耙上設置鋯或鈮或鉿或鉭或鈦或釩的純金屬 片，或者設置由鋯或鈮或鉿或鉭或鈦或釩中的任幾種組合而成的合金片。
本發明所用設備中的復合靶上，所設置的非磁性材料片的直徑與磁性金屬
靶片直徑比為0.03 0.15，可設置的非磁性材料片數量為1至16個。
由前述內容可知，本發明所采用的磁性薄膜的濺射技術是摻雜傾斜濺射， 也就是在基片上濺射磁性金屬材料的同時，在基片上還濺射少量的非磁性金屬 材料；同時，在濺射時確定不同的基片中心的連線與靶法線的夾角a，可以得到 具有不同共振頻率的磁性層，如此可以非常方便地控制多層膜中每一層磁性層 的共振吸收頻率。
試驗表明，本發明制備非磁性隔離層的厚度在30 50納米范圍內時，相鄰 鐵磁層間不會發生耦合作用，其效果最佳。
本發明制備的磁性層其最大的特點是不需要人為磁場誘導沉積就可以得到 在直接制備態就具有很高共振吸收頻率。其機理可能是在傾斜濺射制備的薄膜 中由于非磁性元素的引入，可以在提高磁性薄膜軟磁性能的同時產生自發誘導 的面內單軸各向異性，從而使薄膜具有優異的高頻吸收特性。因此，本發明制 備的磁性層不用再進行任何的后處理，只需在濺射時調節薄膜沉積傾斜角，就 可以在制備過程中達到調整薄膜共振吸收頻率的目的，其方法簡單易行，對所
使用的裝置也無任何其它的特殊要求。


附圖1為本發明制備磁性金屬膜的濺射靶示意圖。1為射頻磁控濺射靶；2 是成份為Fe^Ok， ；c-0 0.7的磁性金屬圓盤靶材；3為非磁性金屬片，成份可為 高純度的Zr、 Nb、 Hf、 Ta、 V、 Ti; 4定義濺射傾斜角a，即基底中心到靶材中 心的連線與靶材法線方向的夾角；5為硅片或玻璃基底；6為得到的薄膜的面內易磁化方向，垂直于傾斜角在基底上的投影。
附圖2為利用本發明方法制備的CoZr薄膜的成分分析結果。 附圖3為利用本發明方法制備的CoZr薄膜的表面形貌。 附圖4為利用本發明方法制備的CoZr薄膜的面內易磁化方向和難磁化方向 的磁滯回線。
附圖5為利用本發明方法在不同濺射傾斜角下制備的CoZr薄膜的磁導率虛 部隨頻率的變化關系。
附圖6為利用本發明方法制備的寬頻帶吸波磁性多層膜的結構示意圖。
附圖7為利用本發明方法制備的寬頻帶吸波磁性多層膜的磁導率虛部隨頻 率的變化關系。
具體實施例方式
以下是本發明的實施例。
在下述實施例中，所制備的寬頻帶吸波磁性膜是由多層磁性層和將各磁性 隔離的非磁性隔離層交替排列而成的，其薄膜的形成過程是利用傳統的射頻磁 控濺射設備在Si表面上逐層沉積上磁性層和隔離層。在制備磁性層時所采用的 是一種復合靶，就是在磁性金屬靶上均勻放置非磁性金屬片，如Zr、 Nb、 Hf、 Ta、 Ti、 V中的任一種或任幾種的組合，磁性層沉積條件是本底真空度〈5xl(T5 Pa，濺射功率50W對應功率密度為1,7W/cm2，基底水冷，Ar流量20 SCCM， Ar氣壓0.2 Pa。在磁性薄膜制備過程中，可以通過改變濺射傾斜角，也就是改 變基底法線與靶材中心間的夾角a，來實現大幅度在位調控磁性層共振吸收頻率 的目的。在制備非磁性層采用的射頻濺射裝置和方法與現有技術是相同的，所 使用的非磁性層的材料是非磁性的純金屬，如Cu、 Ag、 Ta、 Ti等，也可以是其 它的非磁性化合物，如SiO、 MgO， ZrO，等。對非磁性層的濺射條件沒有限制， 只是每一層非磁性層的厚度要控制在30 50nm左右。下面我們選取CoZr磁性 層和Ta非磁性層為例，說明制備寬頻帶吸波磁性多層膜的思路和具體實施方式
。
通常直接制備的純FeCo或Co薄膜，不具備良好的軟磁性能，所以不能實 現FeCo或Co薄膜的高頻吸波應用。在純金屬磁性薄膜中摻雜少許非磁性金屬， 如本發明中采用的Zr、 Nb、 Hf、 Ta、 Ti、 V等元素，發現可以大幅度提高純金 屬薄膜的軟磁性能。其可能的原因是，參入非磁性金屬元素后，會抑制純金屬 磁性薄膜中晶粒的生長，從而使晶粒的大小降低到納米量級。這種磁性金屬晶 粒在納米量級的材料被稱為納米晶材料，這種材料就會表現出非常好的軟磁性 能。由于在納米晶材料中晶粒尺寸小于交換長度，通過晶粒之間的交換耦合作 用可以大幅度降低每一個晶粒的磁晶各向異性，所以納米晶材料會具有非常好的軟磁性能。如圖2所示，為利用本發明制備磁性層的方法制備的Zr摻雜的Co 薄膜成分分析結果。從分析結果中可以看到，Zr原子成功地摻入到Co薄膜中。 根據圖3的測試結果，可以看到這種Zr摻雜的Co薄膜的晶粒大小在15納米左 右。
另一方面，磁性薄膜只具有好的軟磁性能是不能直接應用在高頻下的。因 為在高頻下，磁性材料吸波的機制是磁化強度沿著其易磁化方向的進動引起的 共振吸收，作為提供磁矩進動的面內單軸各向異性場，直接決定了共振吸收頻 率的大小。所以只有具備面內單軸各向異性的軟磁薄膜，在高頻下才能表現出 優異的吸波性能。而在本發明中，我們利用圖1所示的濺射裝置，可以在不使 用任何誘導方法的情況下直接制備具有面內單軸各向異性的高頻軟磁薄膜。如 圖4所示，為CoZr薄膜面內易磁化和難磁化方向的磁滯回線，可以看到，沿著 不同的磁化方向，薄膜的磁特性是不同。當外場沿著易磁化方向，磁滯回線的 形狀近似為矩形，剩磁比很大接近于l;外場沿著難磁化方向，磁滯回線近似為 一條沒有磁滯的曲線。這種磁滯回線是典型的具有面內單軸各向異性軟磁薄膜 的面內磁滯回線。
利用本發明制備的單層CoZr薄膜的共振吸收性能測試結果如圖5所示。圖 中橫坐標是頻率，縱坐標為薄膜復數磁導率的虛部，各曲線分別由不同濺射傾 角a所形成的薄膜的測試結果。在高頻下，磁性材料的磁導率是復數，它的實 部代表能量的傳輸，虛部代表能量的損耗，磁導率的虛部出現最大值時對應的 頻率定義為共振頻率(相關內容參見《鐵磁學》下冊第1頁至第6頁與第103 頁至第106頁的相關內容，廖紹彬著，科學出版社)。從圖5中的數據能夠看到， 隨著濺射傾斜角度a的增加，CoZr磁性層的共振吸收頻率可以實現從1.5GHz 到4.8GHz的連續增加。其潛在的物理機制在于，在材料飽和磁化強度不變的情 況下，磁性層的共振吸收頻率是由面內單軸各向異性場控制的。改變濺射傾斜 角a，可以有效地調整磁性層的面內單軸各向異性場的數值，從而可以實現在 GHz范圍內對磁性層共振吸收頻率的連續調整。
從圖5的結果可以看到，利用本發明圖1所示的濺射裝置，實現了在位制 備同一成分，共振吸收頻率的連續可調的磁性層，解決了實現寬頻帶吸波多層 膜的關鍵技術難題。
本發明設計的由n=5層具有不同共振吸收頻率的CoZr磁性層和4層Ta非 磁性金屬層組成的寬頻帶吸波多層膜的示意圖如附圖6所示。圖中1 9代表每 一層的制備順序，其中標示為l、 3、 5、 7、 9的層分別是濺射傾斜角為0、 10、 20、 30、 40度下制備的CoZr磁性層，2、 4、 6、 8是厚度為50nm左右的Ta非磁性層。這種具有9層結構的多層膜的磁導率虛部隨頻率的測試結果如圖7所
示。圖7中由空心圓圈構成的曲線是實驗結果，表現了由5層具不同吸收頻率 的磁性材料復合薄膜的吸收特性。從圖7中可以看到，此多層膜的共振吸收信 號是由5層具有不同共振吸收頻率的磁性層的信號疊加而成，而且覆蓋的頻率 范圍很寬，可以從lGHz到5GHz。此結果證明利用本發明提供的方法，可以實 現直接制備寬頻帶吸波多層膜的制備。
本發明在制備磁性層主要成份為FexC0l.x， x=0~0.7的寬頻帶吸波磁性多層 膜時，有與前述結論相類似結果。
權利要求
1. 制備寬頻帶吸波磁性膜的方法，其特征是首先在基底材料上采用真空濺射法生成截止頻率為f1的第一磁性材料層，再在第一磁性材料層上生成一層由非磁性材料構成的隔離層，然后再隔離層上濺射生成截止頻率為f2的第二磁性材料層，再在第二磁性材料層上生成由非磁性金屬材料構成的第二隔離層，如此重復前述過程，在基底上形成由非磁性金屬材料構成的隔離層相隔的由不同截止頻率的磁性材料層構成的n層磁性材料薄膜，其中的非磁性金屬材料隔離層為30～50納米。
2. 根據權利要求1所述的制備寬頻帶吸波磁性膜的方法，其特征是在基 底材料上形成磁性材料層的方法是在濺射磁性金屬靶材的同時還在基底材料上 濺射少許非磁性金屬材料，其中濺射到基片上的非磁性金屬與濺射的磁性金屬 之原子百分比為3 20;通過改變靶中心到基片中心的連線與靶法線的夾角a， 以得到不同截止頻率的磁性薄膜層；控制各層磁性金屬材料層的厚度實現不同 磁性金屬材料層的磁導率虛部共振吸收的相對強度。
3. 根據權利要求2所述的制備寬頻帶吸波磁性膜的方法，其特征是生成的隔離層由銅或銀或鉭或鈦或氧化硅或氧化鎂或氧化鋯等非磁性物質構成，濺射 生成的磁性材料層由鈷或鐵鈷合金與鋯或鈮或鉿或鉭或鈦或釩中的任一種或任 幾種的組合的少量的非磁性材料組成。
4. 權利要求1或2所述任一方法所使用的濺射設備為現通用的濺射設備， 其特征是濺射磁性材料層時所用的濺射靶為復合靶，即在現有的由被濺射磁性 材料制成的靶材上設置有非磁性純金屬片。
5. 權利3所述方法使用的濺射設備為現通用的濺射設備，其特征是濺射磁 性材料層時所用的濺射靶為復合靶，即在由鈷或鐵鈷合金制成的靶材上設置鋯 或鈮或鉿或鉭或鈦或釩的純金屬片，或者設置由鋯或鈮或鉿或鉭或鈦或釩中的 任幾種組合而成的合金片。
6. 權利要求4或5所述的設備，其特征是所用的復合靶上的非磁性材料片 的直徑與磁性金屬靶片直徑比為0.03 0.15，可設置的非磁性材料片數量為1至 16個。
全文摘要
本發明涉及一種在基底材料上制備出寬頻段吸波層的方法。本發明制備寬頻帶吸波磁性膜的方法是首先在基底材料上采用真空濺射法生成截止頻率為f₁的第一磁性材料層，再在第一磁性材料層上生成第一隔離層，如此重復前述過程，最終在基底上形成由隔離層相隔的由不同截止頻率的磁性材料層構成的n層磁性材料薄膜，其中的隔離層可用通常的物理成膜技術生成。
文檔編號C23C14/54GK101285170SQ20081009940
公開日2008年10月15日 申請日期2008年5月8日 優先權日2008年5月8日
發明者李發伸, 范小龍, 薛德勝 申請人:蘭州大學