專利名稱：：含有顆粒磁性材料的電感設備的制作方法含有顆粒磁性材料的電感設備第1/11頁相關申請的交叉參考0001本申請在35U.S.C.§119款下要求2007年3月28日提交的第60/907,303號美國臨時申請的優先權，其名稱為"SOFTMAGNETICALLOYTHINFILMSFORINTEGRATEDINDUCTORS,TRANSFORMERSANDOTHERHIGHFREQUENCYAPPLICATION(軟磁合金薄膜，其用于集成電感器、變壓器及其它高頻應用)"，其公開內容在此以引用的方式引入其全部，用于所有目的。關于聯邦政府資助的研究或開發的聲明0002不適用。
技術領域：
0003本發明總體上涉及電感設備，具體地涉及具有顆粒磁性材料的電感設備。
背景技術：
：0004經常提供具有磁性材料薄膜的芯片上(on-chip)和封裝上(on-package)的集成電感器，以提高其電感(感應系數)。當高磁導率磁性材料被置于帶電流的導體附近時，導體內的電感隨著相對磁導率因子/^而增加。如果該相對磁導率是實數(即沒有顯示出任何的磁損耗)，那么電感的增加可以相當大。0005在更高頻的應用(例如在大約1GHz以上操作)中，用在這些集成設備中的磁性材料經歷磁損耗的增加(例如相對磁導率的虛部增加)。磁性材料中的渦電流促使這些高頻磁損耗，因為它們對阻尼效應貢獻頗大。這些渦電流是磁性材料具有不夠高的電阻率的結果。盡管一些無定形磁性合金具有更高的電阻率，但這是以更低的磁化強度為代價(因此在電感應用中具有更低的性能)。因此，為了提高集成電感器、變壓器及類似物的高頻性能，期望提供具有高電阻率以及高磁化強度的磁性材料，以用于這些領域。
發明內容0006根據本發明的一個方面，提供顆粒磁性合金膜以用于集成電感器、變壓器及其它高頻設備。這些膜包括嵌入在具有高介電常數的化學計量陶瓷無定形基質里的眾多磁性顆粒。這種結構允許集成電感器被設計成具有更小的體積以及增加的電感系數和Q因子。0007根據本發明的一個實施方式，電感設備包括螺旋構型的導體和第一層顆粒磁性材料，顆粒磁性材料含有嵌入在無定形陶瓷基質里的眾多磁性顆粒。該無定形陶瓷基質的介電常數在3以上。0008根據本發明的另一個實施方式，集成設備包括第一電感器跡線(inductortrace)和第一層顆粒磁性材料，顆粒磁性材料具有嵌入在無定形陶瓷基質里的眾多磁性顆粒。該無定形陶瓷基質的介電常數在3以上。0009根據本發明的另一個實施方式，變壓器包括芯和第一電感器。該第一電感器包括螺旋構型的第一導體，其包圍著該芯的第一部分，和第一層顆粒磁性材料。該變壓器進一步包括第二電感器。該第二電感器包括螺旋構型的第二導體，其包圍著該芯的第二部分，和第二層顆粒磁性材料。該第一層和第二層顆粒磁性材料含有嵌入在無定形陶瓷基質里的眾多磁性顆粒。該無定形陶瓷基質的介電常數在3以上。0010應當理解的是，前述的本
發明內容和下面的詳述都是示例性和解釋性的，旨在進一步解釋要求保護的本發明。0011附圖被包括以有助于進一步理解本發明并且被并入而且構成本說明書的一部分，其闡釋了本發明的實施方式并且與本說明書一起用于解釋本發明的原理。在附圖中0012圖1闡明了根據本發明的一個實施方式的電感器；0013圖2闡明了根據本發明的一個實施方式的電感器的部分截面圖；0014圖3闡明了根據本發明的一個實施方式的顆粒磁性合金的俯視圖，所述顆粒磁性合金具有嵌入在無定形陶瓷基質里的眾多磁性顆粒；0015圖4闡明了根據本發明的一個實施方式的顆粒磁性合金的透視圖，所述顆粒磁性合金具有嵌入在無定形陶瓷基質里的眾多磁性顆粒；0016圖5闡明了根據本發明的一個實施方式的電感器；0017圖6闡明了根據本發明的一個實施方式的電感器；0018圖7闡明了根據本發明的一個實施方式的電感器的部分截面圖；0019圖8闡明了根據本發明的一個實施方式的電感器；0020圖9闡明了根據本發明的一個實施方式的電感器的部分截面圖；0021圖IO闡明了根據本發明的一個實施方式的變壓器的部分截面圖；具體實施方式0022在下面的詳述中，提出許多具體細節以全面理解本發明。然而，對于本領域的一名普通技術人員來說顯而易見的是，本發明可以在缺少這些具體細節中的一些的情況下實施。在其它情況下，眾所周知的結構和技術沒有詳細列出，以避免使本發明不必要的模糊不清。0023圖1闡明了根據本發明的一個實施方式的電感器100。電感器IOO，其被置于硅基底104上，包括導體IOI，其為螺旋構型并且終止于導體引線103。如本領域一名技術人員將容易理解的，可以通過本領域技術人員所知的許多方法中的任何一種來提供導體101，例如，舉例來說，光刻法。在這點上，導體在本文被稱為電感器跡線。0024電感器100進一步包括顆粒磁性合金層102，其被置于導體101部分的上方。圖2在橫切面中闡明了根據本發明的一個實施方式的顆粒磁性合金層102與導體101之間一種可能的空間關系。顆粒磁性合金層102被置于介電層105的上方，導體101的各圈被置于介電層105中。因此介電層105被夾在顆粒磁性合金層102與基底104之間。在一個方面，層102和105形成一層或多層薄膜(例如厚度在大約1微米以下的膜)。0025在本發明的一個方面中，每個顆粒磁性合金層102是軟磁材料，其包括嵌入在無定形陶瓷基質里的眾多磁性顆粒，如圖3中所詳細闡明的。根據一方面，軟磁材料的特征在于高磁導率、高飽和磁化強度或飽和磁電感、高剩余磁化強度或剩余磁感應、低矯頑磁性和低磁滯損耗。軟磁材料另外的期望特征可包括高居里溫度和/或低磁致伸縮。具有無定形相的陶瓷基質被用于顆粒磁性合金中，因為無定形相顯示出比結晶相更高的電阻率，這是由于典型地晶體相里的晶粒邊界促進電子導電。根據本發明的另一個方面，顆粒磁性合金層不限于軟磁材料，可以是另一類型的材料。仍是根據本發明的另一個方面，顆粒磁性層可以是非合金材料。0026在本發明的一個方面中，該陶瓷基質可以包括例如化學計量材料(例如，如果該陶瓷材料是氧化硅，氧與硅的比值將是整數比例，舉例來說2:1，而不是1.8:1)。在該陶瓷相里的任何非化學計量將由電子(n型)或空穴(p型)補償，因此將引起電阻率大幅度降低(并且在高頻時伴隨著更高的渦流損耗)。此外，非化學計量可產生順磁電荷中心(例如E'-型等)，其將增加顆粒磁性合金的電導率，并且因此增加了磁損耗。在反應濺射方法(即在氧存在下)中使用合適選擇的濺射靶(即具有期望氧量的靶)，任何潛在的非化學計量可以被補償。0027在圖3中，顆粒磁性合金層102以部分截面圖加以闡明，以便位于無定形陶瓷基質102a里的各個磁性顆粒102b可見。每個磁性顆粒102b在至少一維上其橫截面大小在5至50納米之間(例如柱形顆粒在一個方向上可具有的橫截面大小在5至50納米之間，但是在柱方向上可以更長)。這種微結構降低了非顆粒狀磁性膜所經歷的不期望的渦流損耗，因此顯著增加了其在高頻應用中的電感(及其Q因子，因為Q因子是電感的函數)。0028根據本發明的一個方面，無定形陶瓷基質102a形成連續的三維結構。這被顯示在圖4中，其提供了根據本發明一個實施方式的顆粒磁性合金層102的三維透視圖。由圖4可見，無定形陶瓷基質102a是連續結構(即其沒有被磁性顆粒102b分成更小的分離組分)。在高電阻無定形相中的這種連續性確保高體積電阻率(例如100/ificm以上)。根據本發明的一個實施方式，為了獲得這種連續結構，以顆粒磁性合金層102的體積計算，可提供超過10%的無定形陶瓷基質102a0029根據本發明的一個方面，磁性顆粒102b包括選自下述的材料鈷(Co)、鐵(Fe)、鎳(Ni)及其各種合金。下面的表1提供了根據本發明的一個方面，用于顆粒磁性合金中的各種鐵磁性材料和合金的示例性的、非窮盡的列表。表l<table>tableseeoriginaldocumentpage10</column></row><table>0030根據本發明的一個方面，無定形陶瓷基質102a包括介電常數在約3以上的材料。舉例來說，該無定形陶瓷基質可以是氧化物、氮化物、碳化物、硅酸鹽、鋁酸鹽、鈣鈦礦或其任意組合。下面的表2提供了根據本發明的一個方面、用于顆粒磁性合金中的各種陶瓷體系的示例性的、非窮盡的列表。表2<table>tableseeoriginaldocumentpage10</column></row><table><table>tableseeoriginaldocumentpage11</column></row><table>0031根據本發明的一個方面，通過許多方法中的任何一種，包括物理氣相沉積(例如濺射)，可提供顆粒磁性合金層102。因此，根據本發明的一個方面，在制造期間，濺射耙——其包括磁性顆粒材料以及無定形陶瓷基質材料，可被濺射在螺旋形導體上，以在期望的封裝區域上提供顆粒磁性合金層。可選地，兩種濺射耙，一種包括磁性顆粒材料，另一種包括無定形陶瓷基質材料，都可以同時而且以合適的百分比(例如按最終層的體積計算，提供至少10%的無定形陶瓷基質)被濺射，以提供期望的顆粒磁性合金層。因為本領域一名技術人員將容易理解可以將材料的膜濺射在集成封裝的期望區域的方法，因此其詳細的描述被省略，以避免使本發明各種實施方式的描述模糊不清。0032根據本發明的一個實施方式，使用顆粒磁性合金層的電感設備(例如電感器、變壓器等)具有幾種優點。舉例來說，當與相似大小的非顆粒磁性合金比較時，含有軟顆粒磁性合金的集成電感器提供了增加的電感并同時提高了Q因子。因此，顆粒磁性合金層102可以被設計成比具有相同電感和Q因子的非顆粒磁性合金要明顯的小。此外，因為與非顆粒磁性合金相比，磁通量能更好地限制在顆粒磁性合金內，使得同一芯片或封裝上的多個電感器之間的串擾最小化。這些優點使得本發明的各種實施方式適合用于許多應用中，包括便攜式供電、無線通信和其它應用。0033根據一方面，本發明用在一個平面上正好具有兩個顆粒磁性合金層的集成電感器實施。然而，本發明不限于這種配置。舉例來說，根據一方面，本發明應用于具有大于或等于1的任何數目的顆粒磁性合金層的電感器。舉例來說，圖5闡明了根據本發明的一個實施方式的另一電感器500，其中沿著螺旋形導體501提供有十個顆粒磁性合金層502。與圖1中所闡明的電感器相似，電感器500的導體501終止于導體引線503,并且電感器500被置于基底504上。0034根據一方面，本發明的構造可包括被置于近似八邊形螺旋狀導體的相對邊上的顆粒磁性合金層。然而，本發明的范圍不限于這種特定的布置。更確切地，正如對本領域的一名技術人員來說顯而易見的，本發明也應用于電感器和變壓器，其中在導體周圍提供任何構造的顆粒磁性合金層。舉例來說，圖6闡明了根據本發明的一個實施方式的另一種電感器600，其中沿著螺旋形導體601的周邊被間隔放置十四個顆粒磁性合金層602。導體601終止于導體引線603，并且整個電感器600組件被置于基底604上。0035根據一方面，本發明的構造包括被置于與螺旋導體所放置的平面平行的(例如，上面或下面)單個平面上的顆粒磁性合金層。然而，本發明的范圍不限于這種特定的布置。更確切地說，本發明也應用于這樣的布置，其中提供位于不同平面上和/或與電感跡線處于各種關系的幾層顆粒磁性合金。舉例來說，圖7闡明了根據本發明的一個實施方式的電感器700的部分截面圖，其中導體701的部分(位于介電層705內)被夾在位于兩個不同面上的兩層顆粒磁性合金702a和702b之間。盡管這種多平面結構需要比前面描述和闡明的單平面結構更復雜的制造，但這種努力由于如此構造的電感器的電感和Q因子進一步增加而可以認為是合理的。0036在另一方面，本發明應用于這樣的布置，其中單個顆粒磁性合金層被置于螺旋導體所放置的平面的上方或下方的一個平面上，并且該單個顆粒磁性合金層足夠大以覆蓋整個螺旋形導體(而不是只覆蓋導體的某些部分，如圖l、5和6所示)。舉例來說，圖8闡明了根據本發明的一個實施方式的集成電感器800，其中螺旋構型的一個連續導體801(虛線所示)被置于單個連續的顆粒磁性合金層802的下方，所述顆粒磁性合金層802足夠大以覆蓋整個導體801。導體801用虛線表示，以表明從該圖中看，導體801被隱藏，因為顆粒磁性合金層802覆蓋了整個導體801。導體801終止于導體引線803。0037由圖8可見，可提供本發明的各種實施方式，其具有各種不同螺旋構型的導體。代替前面示例性實施方式中所示的近似八角形螺旋，圖8中的螺旋為近似帶有圓角的矩形。然而，本發明的范圍不限于這兩種構型。更確切地說，正如對本領域的一名技術人員來說顯而易見的，本發明應用于這樣的電感器，其具有任意形狀螺旋構型的導體，不管是橢圓形、圓形、多邊形、不規則形狀等等。此外，盡管前面的示例性實施方式用基本上為二維的螺旋(即位于一個平面的螺旋)來闡述，但本發明的范圍不限于這樣的布置。根據本發明的一個實施方式，如本文所使用，術語"螺旋"包括三維螺旋(例如螺旋線)，例如下面所詳述的可被用于集成變壓器的那些螺旋。0038根據本發明的一個方面，圖9闡明了集成電感器900的部分截面圖，其中置于介電層903內的導體901被夾在位于兩個不同平面上的顆粒磁性合金層902a和902b之間。這三層一起被置于基底904上。這兩層顆粒磁性合金902a和902b通過磁性通道902c連接。這些磁性通道902c在顆粒磁性合金的層902a和902b內構成磁通量回路，進一步提高了成品電感器在高頻處的電感和Q因子。0039根據一方面，本發明的構造包括置于介電材料層內的導體。然而，本發明的范圍不限于這樣的布置。更確切地說，正如對本領域的技術人員來說顯而易見的，本發明也應用于這樣的電感器，其中導體被直接置于基底上，被置于非介電的材料層中，被置于多層內或者在顆粒磁性合金層內或旁邊。0040根據一個方面，本發明的構造包括一個電感器。然而，本發明的范圍不限于這樣的布置。更確切地說，正如對本領域的技術人員來說顯而易見的，本發明也應用于多個電感器以及任何一個或多個電感設備，包括變壓器及其類似物。舉例來說，根據本發明的另一個實施方式，集成變壓器包括兩個電感器，每個具有一層或多層顆粒磁性合金，配置用于提高其電感和Q因子。如前面的示例性實施方式所闡明，變壓器的電感器可以被配置在平面的螺旋中，或者可選地可以被配置在三維螺旋中(例如，使得基本上位于單個平面內的芯可以穿過兩個螺旋)。0041舉例來說，圖10闡明根據本發明的一個實施方式的變壓器的部分截面圖。變壓器1000包括置于基底1004上的介電層1006上方的電感器1001和1002(用深黑色線描畫)。電感器1001包括螺旋形導體1001c和兩個顆粒磁性合金層1001a和1001b。導體1002包括螺旋形導體1002c和兩個顆粒磁性合金層1002a和1002b。通過導體的中部，每個電感器1001和1002的螺旋穿過用于集中磁通量的芯1003。由圖10可見，電感器1002具有比電感器1001更多的圈數。因此，正如本領域技術人員所容易理解的，施加到電感器1001上的電壓在電感器1002上將被轉變成更高的電壓，比例接近于電感器1002與電感器1001的圈數比(例如4/3電壓)。0042本發明所述的變壓器不限于圖IO所示的配置，而且可以以各種方式被配置。舉例來說，變壓器的電感器可以共有一個或多個顆粒磁性合金層(例如顆粒磁性合金層1001a可以延伸至顆粒磁性合金層1002a，而沒有間隙，從而這兩層顆粒磁性合金層1001a和1002a變成一個顆粒磁性合金層)，而不是如圖10所示具有兩套分開的顆粒磁性合金層(1001a-1001b和1002a-1002b)，其被區域1005分開。在另一個方面，變壓器的每個電感器可只包括一個顆粒磁性合金層而不是多層。0043仍是在另一方面，本發明的電感器可以包括多個導體。此外，本發明不限于只有單個基底層和導體置于其中的單個介電層的集成電感器，而是正如對本領域的技術人員來說顯而易見的，本發明也應用于具有任何數目的、在本文沒有被描述或闡明的額外層的電感器。0044盡管參考各個附圖和實施方式，本發明已經被具體描述，但應當理解的是，這些僅為闡明性的目的，不應當作為對本發明范圍的限定。可以有許多其它的方式實施本發明。本領域普通技術人員可以對本發明進行許多變化和修飾，而不背離本發明的精神和范圍。權利要求1.電感設備，其包括螺旋構型的導體；和第一層顆粒磁性材料，其含有嵌入在無定形陶瓷基質里的眾多磁性顆粒，所述無定形陶瓷基質的介電常數在3以上。2.根據權利要求1所述的電感設備，其中所述導體的至少一部分被置于所述第一層顆粒磁性材料內。3.根據權利要求l所述的電感設備，其進一步包括介電材料層，所述導體的至少一部分被置于其中，其中所述第一層顆粒磁性材料被結合到所述介電材料層。4.根據權利要求1所述的電感設備，其中所述第一層顆粒磁性材料具有100AtQcm以上的電阻率。5.根據權利要求1所述的電感設備，其中所述螺旋被置于第一平面上，所述第一平面與所述第一層顆粒磁性材料所置于的第二平面平行。6.根據權利要求5所述的電感設備，其進一步包括第二層顆粒磁性材料，其具有嵌入在第二無定形陶瓷基質里的第二眾多磁性顆粒，所述第二無定形陶瓷基質的介電常數在3以上，其中所述第二層顆粒磁性材料被置與所述第一和第二平面平行的第三平面上，和其中所述第二和第三平面位于所述第一平面的相對面上。7.根據權利要求6所述的電感設備，其中所述第二層顆粒磁性材料和所述第一層顆粒磁性材料通過至少一個磁性通道連接。8.根據權利要求1所述的電感設備，其中所述第一層顆粒磁性材料的厚度在大約l微米以下。9.根據權利要求1所述的電感設備，其中所述眾多磁性顆粒中的每一個的橫截面大小在5nm和50nm之間。10.根據權利要求1所述的電感設備，其中所述無定形陶瓷基質在三維上被連續地連接。11.根據權利要求1所述的電感設備，其中所述無定形陶瓷基質按體積計算占所述第一層顆粒磁性材料的10%以上。12.根據權利要求1所述的電感設備，其中所述無定形陶瓷基質是化學計量的。13.根據權利要求1所述的電感設備，其中所述眾多磁性顆粒包括至少50原子％的選自下述的材料鈷(Co)、鐵(Fe)、鎳(NO及其任意組合。14.根據權利要求1所述的電感設備，其中所述眾多磁性顆粒包括至少50原子％的選自下述的材料Co、CoTaZr、CoNbZr、CoCrTa、CoCrTaZr、CoFeTaZr、CoNi、CoFe、CoFeB、Fe、FeCo、FeCoB、FeCoTaZr、Ni、NiFe禾卩NiFeCr。15.根據權利要求1所述的電感設備，其中所述無定形陶瓷基質包括選自下述的材料氧化物、氮化物、碳化物、硅酸鹽、鋁酸鹽、鈣鈦礦和其任意組合。16.根據權利要求1所述的電感設備，其中所述無定形陶瓷基質包括選自下述的材料Si02、MgO、A1203、Ta2Os、Nb205、Hf02、Zr02、Ti02、La203、W03、Y203、CoO、V2Os、HfSi04、ZrSi02、LaA103、SrTi03、BaTi03及其任何組合。17.集成設備，其包括第一電感器跡線；和第一層顆粒磁性材料，其含有嵌入在第一無定形陶瓷基質里的眾多磁性顆粒，所述第一無定形陶瓷基質的介電常數在3以上。18.根據權利要求17所述的集成設備，其進一步包括第二電感器跡線；和第二層顆粒磁性材料，其含有嵌入在第二無定形陶瓷基質里的眾多磁性顆粒，所述第二無定形陶瓷基質的介電常數在3以上，其中所述第一和第二電感器跡線被可操作地結合，以形成變壓器。19.根據權利要求18所述的集成設備，其中所述第一層和第二層顆粒磁性材料中的每一層具有100iuQcm以上的電阻率。20.根據權利要求18所述的集成設備，其中所述第一無定形陶瓷基質在三維上被連續地連接，并且其中所述第二無定形陶瓷基質在三維上被連續地連接。21.根據權利要求18所述的集成設備，其中所述第一無定形陶瓷基質按體積計算占所述第一層顆粒磁性材料的10%以上，并且其中所述第二無定形陶瓷基質按體積計算占所述第二層顆粒磁性材料的10%以上。22.根據權利要求18所述的集成設備，其中所述第一和第二無定形陶瓷基質是化學計量的。23.變壓器，其包括心；第一電感器，其包括螺旋構型的第一導體，其包圍著所述芯的第一部分，和第一層顆粒磁性材料；和第二電感器，其包括螺旋構型的第二導體，其包圍著所述芯的第二部分，和第二層顆粒磁性材料；所述第一層和第二層顆粒磁性材料含有嵌入在無定形陶瓷基質里的眾多磁性顆粒，所述無定形陶瓷基質的介電常數在3以上。全文摘要提供電感設備，所述電感設備包括螺旋構型的導體和第一層顆粒磁性材料，該顆粒磁性材料含有嵌入在無定形陶瓷基質里的眾多磁性顆粒。該無定形陶瓷基質的介電常數在3以上。還提供變壓器，其包括芯和第一電感器。該第一電感器包括螺旋構型的第一導體，其包圍著該芯的第一部分，和第一層顆粒磁性材料。該變壓器進一步包括第二電感器。該第二電感器包括螺旋構型的第二導體，其包圍著該芯的第二部分，和第二層顆粒磁性材料。該第一層和第二層顆粒磁性材料含有嵌入在無定形陶瓷基質里的眾多磁性顆粒。該無定形陶瓷基質的介電常數在3以上。文檔編號H01F17/00GK101276672SQ200710300418公開日2008年10月1日申請日期2007年12月27日優先權日2007年3月28日發明者A·達斯,M·G·拉辛,李辛華申請人:賀利氏有限公司