专利名称：：含有颗粒磁性材料的电感设备的制作方法含有颗粒磁性材料的电感设备第1/11页相关申请的交叉参考0001本申请在35U.S.C.§119款下要求2007年3月28日提交的第60/907,303号美国临时申请的优先权，其名称为"SOFTMAGNETICALLOYTHINFILMSFORINTEGRATEDINDUCTORS,TRANSFORMERSANDOTHERHIGHFREQUENCYAPPLICATION(软磁合金薄膜，其用于集成电感器、变压器及其它高频应用)"，其公开内容在此以引用的方式引入其全部，用于所有目的。关于联邦政府资助的研究或开发的声明0002不适用。
技术领域：
0003本发明总体上涉及电感设备，具体地涉及具有颗粒磁性材料的电感设备。
背景技术：
：0004经常提供具有磁性材料薄膜的芯片上(on-chip)和封装上(on-package)的集成电感器，以提高其电感(感应系数)。当高磁导率磁性材料被置于带电流的导体附近时，导体内的电感随着相对磁导率因子/^而增加。如果该相对磁导率是实数(即没有显示出任何的磁损耗)，那么电感的增加可以相当大。0005在更高频的应用(例如在大约1GHz以上操作)中，用在这些集成设备中的磁性材料经历磁损耗的增加(例如相对磁导率的虚部增加)。磁性材料中的涡电流促使这些高频磁损耗，因为它们对阻尼效应贡献颇大。这些涡电流是磁性材料具有不够高的电阻率的结果。尽管一些无定形磁性合金具有更高的电阻率，但这是以更低的磁化强度为代价(因此在电感应用中具有更低的性能)。因此，为了提高集成电感器、变压器及类似物的高频性能，期望提供具有高电阻率以及高磁化强度的磁性材料，以用于这些领域。
发明内容0006根据本发明的一个方面，提供颗粒磁性合金膜以用于集成电感器、变压器及其它高频设备。这些膜包括嵌入在具有高介电常数的化学计量陶瓷无定形基质里的众多磁性颗粒。这种结构允许集成电感器被设计成具有更小的体积以及增加的电感系数和Q因子。0007根据本发明的一个实施方式，电感设备包括螺旋构型的导体和第一层颗粒磁性材料，颗粒磁性材料含有嵌入在无定形陶瓷基质里的众多磁性颗粒。该无定形陶瓷基质的介电常数在3以上。0008根据本发明的另一个实施方式，集成设备包括第一电感器迹线(inductortrace)和第一层颗粒磁性材料，颗粒磁性材料具有嵌入在无定形陶瓷基质里的众多磁性颗粒。该无定形陶瓷基质的介电常数在3以上。0009根据本发明的另一个实施方式，变压器包括芯和第一电感器。该第一电感器包括螺旋构型的第一导体，其包围着该芯的第一部分，和第一层颗粒磁性材料。该变压器进一步包括第二电感器。该第二电感器包括螺旋构型的第二导体，其包围着该芯的第二部分，和第二层颗粒磁性材料。该第一层和第二层颗粒磁性材料含有嵌入在无定形陶瓷基质里的众多磁性颗粒。该无定形陶瓷基质的介电常数在3以上。0010应当理解的是，前述的本
发明内容和下面的详述都是示例性和解释性的，旨在进一步解释要求保护的本发明。0011附图被包括以有助于进一步理解本发明并且被并入而且构成本说明书的一部分，其阐释了本发明的实施方式并且与本说明书一起用于解释本发明的原理。在附图中0012图1阐明了根据本发明的一个实施方式的电感器；0013图2阐明了根据本发明的一个实施方式的电感器的部分截面图；0014图3阐明了根据本发明的一个实施方式的颗粒磁性合金的俯视图，所述颗粒磁性合金具有嵌入在无定形陶瓷基质里的众多磁性颗粒；0015图4阐明了根据本发明的一个实施方式的颗粒磁性合金的透视图，所述颗粒磁性合金具有嵌入在无定形陶瓷基质里的众多磁性颗粒；0016图5阐明了根据本发明的一个实施方式的电感器；0017图6阐明了根据本发明的一个实施方式的电感器；0018图7阐明了根据本发明的一个实施方式的电感器的部分截面图；0019图8阐明了根据本发明的一个实施方式的电感器；0020图9阐明了根据本发明的一个实施方式的电感器的部分截面图；0021图IO阐明了根据本发明的一个实施方式的变压器的部分截面图；具体实施方式0022在下面的详述中，提出许多具体细节以全面理解本发明。然而，对于本领域的一名普通技术人员来说显而易见的是，本发明可以在缺少这些具体细节中的一些的情况下实施。在其它情况下，众所周知的结构和技术没有详细列出，以避免使本发明不必要的模糊不清。0023图1阐明了根据本发明的一个实施方式的电感器100。电感器IOO，其被置于硅基底104上，包括导体IOI，其为螺旋构型并且终止于导体引线103。如本领域一名技术人员将容易理解的，可以通过本领域技术人员所知的许多方法中的任何一种来提供导体101，例如，举例来说，光刻法。在这点上，导体在本文被称为电感器迹线。0024电感器100进一步包括颗粒磁性合金层102，其被置于导体101部分的上方。图2在横切面中阐明了根据本发明的一个实施方式的颗粒磁性合金层102与导体101之间一种可能的空间关系。颗粒磁性合金层102被置于介电层105的上方，导体101的各圈被置于介电层105中。因此介电层105被夹在颗粒磁性合金层102与基底104之间。在一个方面，层102和105形成一层或多层薄膜(例如厚度在大约1微米以下的膜)。0025在本发明的一个方面中，每个颗粒磁性合金层102是软磁材料，其包括嵌入在无定形陶瓷基质里的众多磁性颗粒，如图3中所详细阐明的。根据一方面，软磁材料的特征在于高磁导率、高饱和磁化强度或饱和磁电感、高剩余磁化强度或剩余磁感应、低矫顽磁性和低磁滞损耗。软磁材料另外的期望特征可包括高居里温度和/或低磁致伸縮。具有无定形相的陶瓷基质被用于颗粒磁性合金中，因为无定形相显示出比结晶相更高的电阻率，这是由于典型地晶体相里的晶粒边界促进电子导电。根据本发明的另一个方面，颗粒磁性合金层不限于软磁材料，可以是另一类型的材料。仍是根据本发明的另一个方面，颗粒磁性层可以是非合金材料。0026在本发明的一个方面中，该陶瓷基质可以包括例如化学计量材料(例如，如果该陶瓷材料是氧化硅，氧与硅的比值将是整数比例，举例来说2:1，而不是1.8:1)。在该陶瓷相里的任何非化学计量将由电子(n型)或空穴(p型)补偿，因此将引起电阻率大幅度降低(并且在高频时伴随着更高的涡流损耗)。此外，非化学计量可产生顺磁电荷中心(例如E'-型等)，其将增加颗粒磁性合金的电导率，并且因此增加了磁损耗。在反应溅射方法(即在氧存在下)中使用合适选择的溅射靶(即具有期望氧量的靶)，任何潜在的非化学计量可以被补偿。0027在图3中，颗粒磁性合金层102以部分截面图加以阐明，以便位于无定形陶瓷基质102a里的各个磁性颗粒102b可见。每个磁性颗粒102b在至少一维上其横截面大小在5至50纳米之间(例如柱形颗粒在一个方向上可具有的横截面大小在5至50纳米之间，但是在柱方向上可以更长)。这种微结构降低了非颗粒状磁性膜所经历的不期望的涡流损耗，因此显著增加了其在高频应用中的电感(及其Q因子，因为Q因子是电感的函数)。0028根据本发明的一个方面，无定形陶瓷基质102a形成连续的三维结构。这被显示在图4中，其提供了根据本发明一个实施方式的颗粒磁性合金层102的三维透视图。由图4可见，无定形陶瓷基质102a是连续结构(即其没有被磁性颗粒102b分成更小的分离组分)。在高电阻无定形相中的这种连续性确保高体积电阻率(例如100/ificm以上)。根据本发明的一个实施方式，为了获得这种连续结构，以颗粒磁性合金层102的体积计算，可提供超过10%的无定形陶瓷基质102a0029根据本发明的一个方面，磁性颗粒102b包括选自下述的材料钴(Co)、铁(Fe)、镍(Ni)及其各种合金。下面的表1提供了根据本发明的一个方面，用于颗粒磁性合金中的各种铁磁性材料和合金的示例性的、非穷尽的列表。表l<table>tableseeoriginaldocumentpage10</column></row><table>0030根据本发明的一个方面，无定形陶瓷基质102a包括介电常数在约3以上的材料。举例来说，该无定形陶瓷基质可以是氧化物、氮化物、碳化物、硅酸盐、铝酸盐、钙钛矿或其任意组合。下面的表2提供了根据本发明的一个方面、用于颗粒磁性合金中的各种陶瓷体系的示例性的、非穷尽的列表。表2<table>tableseeoriginaldocumentpage10</column></row><table><table>tableseeoriginaldocumentpage11</column></row><table>0031根据本发明的一个方面，通过许多方法中的任何一种，包括物理气相沉积(例如溅射)，可提供颗粒磁性合金层102。因此，根据本发明的一个方面，在制造期间，溅射耙——其包括磁性颗粒材料以及无定形陶瓷基质材料，可被溅射在螺旋形导体上，以在期望的封装区域上提供颗粒磁性合金层。可选地，两种溅射耙，一种包括磁性颗粒材料，另一种包括无定形陶瓷基质材料，都可以同时而且以合适的百分比(例如按最终层的体积计算，提供至少10%的无定形陶瓷基质)被溅射，以提供期望的颗粒磁性合金层。因为本领域一名技术人员将容易理解可以将材料的膜溅射在集成封装的期望区域的方法，因此其详细的描述被省略，以避免使本发明各种实施方式的描述模糊不清。0032根据本发明的一个实施方式，使用颗粒磁性合金层的电感设备(例如电感器、变压器等)具有几种优点。举例来说，当与相似大小的非颗粒磁性合金比较时，含有软颗粒磁性合金的集成电感器提供了增加的电感并同时提高了Q因子。因此，颗粒磁性合金层102可以被设计成比具有相同电感和Q因子的非颗粒磁性合金要明显的小。此外，因为与非颗粒磁性合金相比，磁通量能更好地限制在颗粒磁性合金内，使得同一芯片或封装上的多个电感器之间的串扰最小化。这些优点使得本发明的各种实施方式适合用于许多应用中，包括便携式供电、无线通信和其它应用。0033根据一方面，本发明用在一个平面上正好具有两个颗粒磁性合金层的集成电感器实施。然而，本发明不限于这种配置。举例来说，根据一方面，本发明应用于具有大于或等于1的任何数目的颗粒磁性合金层的电感器。举例来说，图5阐明了根据本发明的一个实施方式的另一电感器500，其中沿着螺旋形导体501提供有十个颗粒磁性合金层502。与图1中所阐明的电感器相似，电感器500的导体501终止于导体引线503,并且电感器500被置于基底504上。0034根据一方面，本发明的构造可包括被置于近似八边形螺旋状导体的相对边上的颗粒磁性合金层。然而，本发明的范围不限于这种特定的布置。更确切地，正如对本领域的一名技术人员来说显而易见的，本发明也应用于电感器和变压器，其中在导体周围提供任何构造的颗粒磁性合金层。举例来说，图6阐明了根据本发明的一个实施方式的另一种电感器600，其中沿着螺旋形导体601的周边被间隔放置十四个颗粒磁性合金层602。导体601终止于导体引线603，并且整个电感器600组件被置于基底604上。0035根据一方面，本发明的构造包括被置于与螺旋导体所放置的平面平行的(例如，上面或下面)单个平面上的颗粒磁性合金层。然而，本发明的范围不限于这种特定的布置。更确切地说，本发明也应用于这样的布置，其中提供位于不同平面上和/或与电感迹线处于各种关系的几层颗粒磁性合金。举例来说，图7阐明了根据本发明的一个实施方式的电感器700的部分截面图，其中导体701的部分(位于介电层705内)被夹在位于两个不同面上的两层颗粒磁性合金702a和702b之间。尽管这种多平面结构需要比前面描述和阐明的单平面结构更复杂的制造，但这种努力由于如此构造的电感器的电感和Q因子进一步增加而可以认为是合理的。0036在另一方面，本发明应用于这样的布置，其中单个颗粒磁性合金层被置于螺旋导体所放置的平面的上方或下方的一个平面上，并且该单个颗粒磁性合金层足够大以覆盖整个螺旋形导体(而不是只覆盖导体的某些部分，如图l、5和6所示)。举例来说，图8阐明了根据本发明的一个实施方式的集成电感器800，其中螺旋构型的一个连续导体801(虚线所示)被置于单个连续的颗粒磁性合金层802的下方，所述颗粒磁性合金层802足够大以覆盖整个导体801。导体801用虚线表示，以表明从该图中看，导体801被隐藏，因为颗粒磁性合金层802覆盖了整个导体801。导体801终止于导体引线803。0037由图8可见，可提供本发明的各种实施方式，其具有各种不同螺旋构型的导体。代替前面示例性实施方式中所示的近似八角形螺旋，图8中的螺旋为近似带有圆角的矩形。然而，本发明的范围不限于这两种构型。更确切地说，正如对本领域的一名技术人员来说显而易见的，本发明应用于这样的电感器，其具有任意形状螺旋构型的导体，不管是椭圆形、圆形、多边形、不规则形状等等。此外，尽管前面的示例性实施方式用基本上为二维的螺旋(即位于一个平面的螺旋)来阐述，但本发明的范围不限于这样的布置。根据本发明的一个实施方式，如本文所使用，术语"螺旋"包括三维螺旋(例如螺旋线)，例如下面所详述的可被用于集成变压器的那些螺旋。0038根据本发明的一个方面，图9阐明了集成电感器900的部分截面图，其中置于介电层903内的导体901被夹在位于两个不同平面上的颗粒磁性合金层902a和902b之间。这三层一起被置于基底904上。这两层颗粒磁性合金902a和902b通过磁性通道902c连接。这些磁性通道902c在颗粒磁性合金的层902a和902b内构成磁通量回路，进一步提高了成品电感器在高频处的电感和Q因子。0039根据一方面，本发明的构造包括置于介电材料层内的导体。然而，本发明的范围不限于这样的布置。更确切地说，正如对本领域的技术人员来说显而易见的，本发明也应用于这样的电感器，其中导体被直接置于基底上，被置于非介电的材料层中，被置于多层内或者在颗粒磁性合金层内或旁边。0040根据一个方面，本发明的构造包括一个电感器。然而，本发明的范围不限于这样的布置。更确切地说，正如对本领域的技术人员来说显而易见的，本发明也应用于多个电感器以及任何一个或多个电感设备，包括变压器及其类似物。举例来说，根据本发明的另一个实施方式，集成变压器包括两个电感器，每个具有一层或多层颗粒磁性合金，配置用于提高其电感和Q因子。如前面的示例性实施方式所阐明，变压器的电感器可以被配置在平面的螺旋中，或者可选地可以被配置在三维螺旋中(例如，使得基本上位于单个平面内的芯可以穿过两个螺旋)。0041举例来说，图10阐明根据本发明的一个实施方式的变压器的部分截面图。变压器1000包括置于基底1004上的介电层1006上方的电感器1001和1002(用深黑色线描画)。电感器1001包括螺旋形导体1001c和两个颗粒磁性合金层1001a和1001b。导体1002包括螺旋形导体1002c和两个颗粒磁性合金层1002a和1002b。通过导体的中部，每个电感器1001和1002的螺旋穿过用于集中磁通量的芯1003。由图10可见，电感器1002具有比电感器1001更多的圈数。因此，正如本领域技术人员所容易理解的，施加到电感器1001上的电压在电感器1002上将被转变成更高的电压，比例接近于电感器1002与电感器1001的圈数比(例如4/3电压)。0042本发明所述的变压器不限于图IO所示的配置，而且可以以各种方式被配置。举例来说，变压器的电感器可以共有一个或多个颗粒磁性合金层(例如颗粒磁性合金层1001a可以延伸至颗粒磁性合金层1002a，而没有间隙，从而这两层颗粒磁性合金层1001a和1002a变成一个颗粒磁性合金层)，而不是如图10所示具有两套分开的颗粒磁性合金层(1001a-1001b和1002a-1002b)，其被区域1005分开。在另一个方面，变压器的每个电感器可只包括一个颗粒磁性合金层而不是多层。0043仍是在另一方面，本发明的电感器可以包括多个导体。此外，本发明不限于只有单个基底层和导体置于其中的单个介电层的集成电感器，而是正如对本领域的技术人员来说显而易见的，本发明也应用于具有任何数目的、在本文没有被描述或阐明的额外层的电感器。0044尽管参考各个附图和实施方式，本发明已经被具体描述，但应当理解的是，这些仅为阐明性的目的，不应当作为对本发明范围的限定。可以有许多其它的方式实施本发明。本领域普通技术人员可以对本发明进行许多变化和修饰，而不背离本发明的精神和范围。权利要求1.电感设备，其包括螺旋构型的导体；和第一层颗粒磁性材料，其含有嵌入在无定形陶瓷基质里的众多磁性颗粒，所述无定形陶瓷基质的介电常数在3以上。2.根据权利要求1所述的电感设备，其中所述导体的至少一部分被置于所述第一层颗粒磁性材料内。3.根据权利要求l所述的电感设备，其进一步包括介电材料层，所述导体的至少一部分被置于其中，其中所述第一层颗粒磁性材料被结合到所述介电材料层。4.根据权利要求1所述的电感设备，其中所述第一层颗粒磁性材料具有100AtQcm以上的电阻率。5.根据权利要求1所述的电感设备，其中所述螺旋被置于第一平面上，所述第一平面与所述第一层颗粒磁性材料所置于的第二平面平行。6.根据权利要求5所述的电感设备，其进一步包括第二层颗粒磁性材料，其具有嵌入在第二无定形陶瓷基质里的第二众多磁性颗粒，所述第二无定形陶瓷基质的介电常数在3以上，其中所述第二层颗粒磁性材料被置与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对面上。7.根据权利要求6所述的电感设备，其中所述第二层颗粒磁性材料和所述第一层颗粒磁性材料通过至少一个磁性通道连接。8.根据权利要求1所述的电感设备，其中所述第一层颗粒磁性材料的厚度在大约l微米以下。9.根据权利要求1所述的电感设备，其中所述众多磁性颗粒中的每一个的横截面大小在5nm和50nm之间。10.根据权利要求1所述的电感设备，其中所述无定形陶瓷基质在三维上被连续地连接。11.根据权利要求1所述的电感设备，其中所述无定形陶瓷基质按体积计算占所述第一层颗粒磁性材料的10%以上。12.根据权利要求1所述的电感设备，其中所述无定形陶瓷基质是化学计量的。13.根据权利要求1所述的电感设备，其中所述众多磁性颗粒包括至少50原子％的选自下述的材料钴(Co)、铁(Fe)、镍(NO及其任意组合。14.根据权利要求1所述的电感设备，其中所述众多磁性颗粒包括至少50原子％的选自下述的材料Co、CoTaZr、CoNbZr、CoCrTa、CoCrTaZr、CoFeTaZr、CoNi、CoFe、CoFeB、Fe、FeCo、FeCoB、FeCoTaZr、Ni、NiFe禾卩NiFeCr。15.根据权利要求1所述的电感设备，其中所述无定形陶瓷基质包括选自下述的材料氧化物、氮化物、碳化物、硅酸盐、铝酸盐、钙钛矿和其任意组合。16.根据权利要求1所述的电感设备，其中所述无定形陶瓷基质包括选自下述的材料Si02、MgO、A1203、Ta2Os、Nb205、Hf02、Zr02、Ti02、La203、W03、Y203、CoO、V2Os、HfSi04、ZrSi02、LaA103、SrTi03、BaTi03及其任何组合。17.集成设备，其包括第一电感器迹线；和第一层颗粒磁性材料，其含有嵌入在第一无定形陶瓷基质里的众多磁性颗粒，所述第一无定形陶瓷基质的介电常数在3以上。18.根据权利要求17所述的集成设备，其进一步包括第二电感器迹线；和第二层颗粒磁性材料，其含有嵌入在第二无定形陶瓷基质里的众多磁性颗粒，所述第二无定形陶瓷基质的介电常数在3以上，其中所述第一和第二电感器迹线被可操作地结合，以形成变压器。19.根据权利要求18所述的集成设备，其中所述第一层和第二层颗粒磁性材料中的每一层具有100iuQcm以上的电阻率。20.根据权利要求18所述的集成设备，其中所述第一无定形陶瓷基质在三维上被连续地连接，并且其中所述第二无定形陶瓷基质在三维上被连续地连接。21.根据权利要求18所述的集成设备，其中所述第一无定形陶瓷基质按体积计算占所述第一层颗粒磁性材料的10%以上，并且其中所述第二无定形陶瓷基质按体积计算占所述第二层颗粒磁性材料的10%以上。22.根据权利要求18所述的集成设备，其中所述第一和第二无定形陶瓷基质是化学计量的。23.变压器，其包括心；第一电感器，其包括螺旋构型的第一导体，其包围着所述芯的第一部分，和第一层颗粒磁性材料；和第二电感器，其包括螺旋构型的第二导体，其包围着所述芯的第二部分，和第二层颗粒磁性材料；所述第一层和第二层颗粒磁性材料含有嵌入在无定形陶瓷基质里的众多磁性颗粒，所述无定形陶瓷基质的介电常数在3以上。全文摘要提供电感设备，所述电感设备包括螺旋构型的导体和第一层颗粒磁性材料，该颗粒磁性材料含有嵌入在无定形陶瓷基质里的众多磁性颗粒。该无定形陶瓷基质的介电常数在3以上。还提供变压器，其包括芯和第一电感器。该第一电感器包括螺旋构型的第一导体，其包围着该芯的第一部分，和第一层颗粒磁性材料。该变压器进一步包括第二电感器。该第二电感器包括螺旋构型的第二导体，其包围着该芯的第二部分，和第二层颗粒磁性材料。该第一层和第二层颗粒磁性材料含有嵌入在无定形陶瓷基质里的众多磁性颗粒。该无定形陶瓷基质的介电常数在3以上。文档编号H01F17/00GK101276672SQ200710300418公开日2008年10月1日申请日期2007年12月27日优先权日2007年3月28日发明者A·达斯,M·G·拉辛,李辛华申请人:贺利氏有限公司