200MHz高传输效率薄膜变压器的设计与制备

　　摘要：实现了一种新型的基于IC工艺的微波铁氧体集成薄膜变压器，铁氧体薄膜采用射频磁控溅射法制备，SEM观察了SiO2层上铁氧体膜的表面形貌，表明薄膜容易开裂;能谱仪对薄膜成分的分析表明铁氧体薄膜与SiO2层和AI膜附着性差。通过溅射工艺参数及增加热处理等工艺初步解决了以上存在的薄膜制备工艺与IC工艺之间的兼容性问题。采用标准硅基IC工艺设计和制备了这种新型结构的薄膜变压器，对一组薄膜变压器样品的实验参数在20~210MHz的频率范围内作了测试，测试结果表明：对于设计的匝数比为1的薄膜变压器，在90~210MHz的频率范围内能获得最高为79%的变压比和良好的波形传输能力。

　　关键词：薄膜变压器;集成电路工艺;微波铁氧体

　　通过最近30年对微处理器和存储器的研究，晶体管、电阻和小电容的机场化问题早已解决，目前关于较大容量的电容机场化技术问题也基本上得到解决，小电感的机场化技术也可以解决，有利地促进了电子系统的小型化和微型化。但是，目前变压器的机场化技术已成为一个严重制约电子系统进一步向小型化和微型化发展的因素，集成化变压器的理论和技术还有待进一步研究和开发。

　　薄膜变压器由于具有信号隔离和传输的特性，是不可缺少的电子器件。尤其是它具有信号合成和信号转换的特点，与其它电子器件和电路实现方式相比具有无可替代的优势。但在20世纪90年代开始才对薄膜变压器有了比较集中的研究，具有代表性的如日本的H Tsujimoto采用传统薄膜工艺在柔性薄膜上的研制的线圈尺寸为4×9m㎡的薄膜变压器，在300~900MHz频率范围内有超过50%的传输效率;爱尔兰的Terence O’Donnell等人研制了在5~10MHz范围内输出功率3.5W，传输效率达到82%的NiFe合金磁芯的薄膜变压器。另外A H Miklich等人探讨了采用超导薄膜制作薄膜变压器的相关问题及其可能的应用。

　　总的来说薄膜变压器总体上还是处于基础性的研究阶段，还有着体积过大，传输效率与工作频率难以相容等问题。本文针对以上情况，采用射频磁控溅射微波铁氧体薄膜为磁芯以提高薄膜变压器的工作频率与传输效率，同时探索铁氧体薄膜工艺与标准IC工艺的兼容性问题，研制基于IC工艺的集成化高频薄膜变压器。

　　1 薄膜变压器的结构和工艺设计

　　本文薄膜变压器采用叠层设计，以增加耦合，其结构如图所示，在硅基片上有着八层结构。第一层是SiO2衬底，对整个电路起了支撑作用，同时又为Metall提供了良好的衬底绝缘隔离。采用热氧化技术在硅基片上热生长一层1µm厚的SiO2，较厚的氧化层能够降低衬底的寄生电容。第2层为Si3N4层的电阻率大约为107Ω.㎝，高电阻率的衬底能够减少衬底损耗，且流动性比较低，难以刻蚀，可以提高整个后续刻蚀工艺的兼容性。第3层Metall为AI引线层，直流溅射800nm，引出初级线圈的一个端子。第4层为SiO2隔离层，采用PECVD技术生长1µm，起到引线与初级线圈的绝缘保护作用。第5层Metal2为AI金属制成的初级线圈，直流溅射1µm。第6层磁性层是铁氧体薄膜，采用RF磁控溅射1µm，铁氧体为高电阻率材料，电阻率为107~1011起到磁芯与绝缘隔离作用。第7层Metall3层为AI金属制成的次级线圈，直流溅射1µm。第8层SiO2层，PECVD生长1.2µm，起到钝化保护作用，整个工艺流程如图所示。

　　2 铁氧体薄膜和IC工艺兼容性问题

　　作为功能层与绝缘层，铁氧体薄膜与IC工艺的兼容性问题是薄膜变压器制备的难点。本文采用RF磁控溅射铁氧体薄膜，溅射铁氧体薄膜的时候，发现当铁氧体厚度增加到1µm时，由于应力过大，导致薄膜表面出现裂缝，在放大2500倍的SEM照片中，能很清晰的看出铁氧体薄膜上的裂缝，如图所示，通过调整溅射参数，降低沉积速率，在背景参数为4.810×10-14Pa，溅射气体为99.999%的Ar气，溅射气压为11×10-6Pa，溅射功率为1262W得到表面质量较好的薄膜，如图所示。

　　由设计的薄膜变压器结构可以知道，铁氧体薄膜层的接触面有SiO2和AI膜。铁氧体薄膜与SiO2和AI膜之间的附着性很差，在后续工艺中，经过光刻、腐蚀、清洗后导致铁氧体薄膜破裂剥落。采用能谱分析仪对一个经过四次光刻后的样品进行成分分析，发现在Spectrum 1、Spectrum 5 两个区域内铁氧体薄膜已经剥落，其Fe的含氧量已经很少或者没有。Spectrum 2、3、4、6这几个区域内含有微量的AI元素，这是由于Metal 3AI已经没有，所测到的AI元素是下层Metal 2中的AI元素，在这几个区域中，Spectrum 2、6是由于AI与铁氧体的粘附不好，导致的AI剥落，Specrum 3、4是因为AI经过光刻后按设计要求腐蚀掉的，为提高铁氧体与其他薄膜之间的粘附性，经过试验得出：将铁氧体薄膜在300℃恒温箱里加热4h，然后缓慢降温至常温，降温时间控制在25h左右能够有效的消除铁氧体薄膜的内应力，同时提高铁氧体薄膜与SiO2以及铝的粘附性。由经过热处理，同样进行四次光刻后的样品图可以看出其粘附性得到了明显的提高。

　　3 测试结果

　　对采用四边扁平封装好的一个薄膜变压器进行测试，薄膜变压器的两级电感线圈均为15匝，线宽12µm，线间距3µm，铝层厚1µm，线圈面积为1mm×1mm。将变压器的初级线圈直接接入信号发生器，次级线圈端接Agilent 54642D型混合信号示波器，测得其20~210MHz的输入输出变压比如图所示。由图可以得出薄膜变压器在90~120MHz频率范围内有着第一个变压比峰值，为55%;在145~170MHz频率范围内出现第二个变压比峰值，为约79%。从曲线的变化趋势可以看出，变压器在高的传输效率，再对某个频率做谐波分析，利用混合信号示波器固有的程序对输出信号做FFT变化。

　　4 结论

　　本文制作了一个与工艺兼容的薄膜变压器。解决了铁氧体薄膜工艺与IC工艺的兼容性问题，给出了薄膜变压器结构和工艺设计，对变压器进行了实际测试。测试结果表明，对于设计的匝数比为1的薄膜变压器，在90~210MHz的频率范围内能获得最高为79%的变压比和良好的波形传输能力。该薄膜变压器采用标准IC工艺制作体积小，工作频率在百兆级，适合批量生产，有望在射频电路中得到使用。