DE2343539A1 - Duennfilmdrossel - Google Patents

Description

Patentanwälte

D!pf.-!ng.R. BEETZ sen, Dlpl.-lng.!<.LAMPRcCHT

Dr.-lng.R.BiiETZ je • Manch·» 2 2, Steinsdörfctr. 10

HITACHI, LTD., Tokio (Japan)

Dünnfilmdrossel

Die Erfindung bezieht sich auf den Aufbau von Dünnfilmdrosseln als Bestandteilen von integrierten Halbleiterschaltungen.

Mit dem Fortschritt der Technik integrierter Halbleiterschaltungen wurde die Einheitsfläche von aktiven Bauelementen, wie z.B. Transistoren und Dioden, und passiven Bauelementen, wie z.B. Widerständen , erheblich gesenkt, und auch die Kosten je Einheit dieser Bauelemente wurden erheblich reduziert. Eine Drossel (Induktor) nimmt jedoch auf einer Siliziumunterlage mit steigender Induktivität eine

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größere Fläche ein, und ihre Kosten wachsen ebenfalls aufgrund der Tendenz der gesteigerten Schwierigkeit ihrer Anbringung an integrierten Schaltungen.

Zum Beispiel ist eine durch Abscheiden eines leitenden Films mit Spiralmuster auf einer Saphirunterlage hergestellte Drossel in "PROCEEDINGS OF THE IEEE", Band 59, Nr. 10 (Oktober 1971), Seiten 1506 bis 1510 beschrieben. Nach diesem Beispiel läßt sich mit einer

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Flache von etwa 1 mm nur eine Induktivität von 40 nH erzielen. Eine durch Aufwickeln einer Spule um einen ringförmigen Ferritkern erhaltene Drossel wird häufig verwendet, wenn eine große Induktivität benötigt wird. Jedoch war eine solche Drossel zur Verwendung bei integrierten Schaltungen nicht befriedigend, da sie einen großen Außendurchmesser in der Größenordnung von wenigstens 2 bis 3 mm aufweist und kostspielig ist.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine neue Dünnfilmdrossel anzugeben, die von möglichst kleinen Abmessungen ist und eine große Induktivität aufweist. Außerdem soll diese Dünnfilmdrossel so beschaffen sein, daß sich ihre Induktivität unabhängig von den Strom stärke werten konstant halten läßt und sie trotz Verwendung eines ferromagnetischen Materials ein befriedigendes Frequenzverhalten zeigt. Schließlich wird angestrebt, daß diese Dünnfilmdrossel wenig aufwendig und leicht herstellbar ist.

Gegenstand der Erfindung, womit diese Aufgabe gelöst wird, ist eine Dünnfilmdrossel, mit dem Kennzeichen, daß sie aus einem Strom-

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leiter und einem diesen umgebenden einachsig-anisotropen ferromagnetischen Film besteht, dessen harte Achse senkrecht zur Richtung des Stromflusses durch den Stromleiter liegt.

Weiterbildungen und Alternativlösungen der Erfindung sowie ihre Vorteile werden anhand der in der Zeichnung veranschaulichten Ausführungsbeispiele näher erläutert; darin zeigen:

Fig. 1 eine schematische Pirspektivansicht zur Veranschaulichung des grundsätzlichen Prinzips einer Dünnfilmdrossel gemäß der Erfindung,

Fig. 2 ein Diagramm der spezifischen Permeabilitätskurve und der Hysteresekurve, die mit der Dünnfilmdrossel gemäß der Erfindung erhalten wurden,

Fig. 3 eine schematisehe Perspektivansicht eines praktischen Ausführungsbeispiels der Erfindung,

Fig, 4 a bis 4 d die aufeinanderfolgenden Schritte der Herstellung der Dünnfilmdrossel nach Fig. 3,

Fig.. 5·. einen schematischen Querschnitt eines anderen Ausführungsbeispiels der Erfindung,

Fig. 6 eine schematische Perspektivansicht der in Fig. 5 gezeigten Dünnfilmdrossel, und

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Fig. 7 eine schematische Schnittansicht eines weiteren Ausführungsbeispiels der Erfindung«.

Nach der das Grundprinzip der erfindungsgemäßen Dünnfilmdrossel veranschaulichenden Fig. 1 weist die Dünnfilmdrossel einen Stromleiter 1 und einen einachsig-anisotropen ferromagnetischen Film 2 auf Erfindung sgemäß umgibt dieser einachsig-anisotrope ferromagnetische Film 2 den Stromleiter 1, und seine "harte Achse" (Achse schwieriger Magnetisierung) steht senkrecht zur Richtung des Stromflusses durch den Leiter 1. So umgibt das von dem durch den Leiter 1 fließenden Strom erzeugte Magnetfeld den Leiter 1, und die Richtung der Magnetisierung des ferromagnetischen Films 2 stimmt mit dessen harter Achse überein.

Der den Leiter 1 umgebende ferromagnetische Film 2 kann durch Plattieren des Leiters 1 mit einer binären Legierung von Eisen und Nikkei mit der Bezeichnung "Permalloy" gebildet werden, wie noch näher erläutert wird. Die einachsige Anisotropie des ferromagnetischen Films 2 läßt sich durch Anlegen eines starken magnetischen Feldes an die Legierung während des Plattierungs Vorganges oder durch eine Anlaßbehandlung der plattierten Legierung in einem starken Magnetfeld erreichen. Dies ist z. B. in "The Journal of the Institute of Electronic Communication Engineers of Japan", Band 51, Nr. 6 (Juni 1968), Seiten 723 bis 732 beschrieben. Die harte Achse tritt in einer zur Richtung der Anlegung des starken magnetischen Feldes während des Plattier- oder Anlaßvorganges senkrechten Richtung auf.

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Es soll nun die Induktivität der so erhaltenen Dünnfilmdrossel gemäß der Erfindung erläutert werden. Zunächst wird angenommen, daß bei dem Dünnfilmdrosselaufbau nach Fig. la und b die Breite bzw. die Dicke des Leiters 1 sind und t die Dicke des ferromagnetischen Films 2 ist. Wenn die Beziehung zwischen a und t allgemein a 5^t gilt, ist die magnetische Flußdichte im ferromagnetischen Film 2 in der Richtung der Dicke des ferromagnetischen Films 2 im wesentlichen gleichmäßig, wenn Strom durch den Leiter 1 in der durch den Pfeil χ in Fig. 1 angedeuteten Richtung fließt.

Daher ergibt sich der Durchschiiittsmagnetpfad I_1n durch die folgende Gleichung:

l_m = 2(a + b + 2t) ... (1)

Nimmt man nun an, daß 1_χ die Länge des ferromagnetischen Films 2 in der Stromflußrichtung χ ist, dann läßt sich die Reluktanz Rc des den Leiter 1 umgebenden ferromagnetischen.Films 2 durch die folgende Gleichung ausdrücken:

t, 1 ¹ITi 2(a + b + 2t) , *

Rc = χ — = ■ : — ... (2),

u-u t * 1 u · u · t · 1

/ο ' c x /o /c x

worin u die Raumpermeabilität und u die spezifische Permeabilität des ferromagnetischen Films 2 in der Richtung der harten Achse sind.

Allgemein ergibt sich eine Induktivität L, die auftritt, wenn ein Kern mit einer Reluktanz Rc N Leiter umgibt, durch die der gleiche

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Strom I in der gleichen Richtung fließt, durch die Formel

C),

worin ψ der gesamte durch den Kern strömende magnetische Fluß ist. Dieser gesamte magnetische Fluß ψ wird durch die folgende Gleichung ausgedrückt:

So ergibt sich aus den Gleichungen (3) und (4) die Induktivität L als

Indem man Rc in der Gleichung (2) durch Rc in der Gleichung (5) ersetzt und in Begriffen des MKS-Einheitssystems ausdrückt, wird die Gleichung (2) in die folgende Gleichung umgewandelt:

'χ' ¹⁰"^7(H) ·■· ⁽⁶⁾

In Fig. 2 stellt die Kurve A die spezifische Permeabilität u des ferromagnetischen Films 2 in der Richtung der harten Achse und die Kurve B das Hystereseverhalten des ferromagnetischen Films 2 in der gleichen Richtung dar. Aus Fig. 2 ersieht man, daß die spezifische Permeabilität u in der Richtung der harten Achse bis zu einem Punkt

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in der Nähe der der Sättigungsflußdichte auf der Hysteresekurve B entsprechenden Feldstärke H^ im wesentlichen konstant ist. Daher läßt sich, wie man aufgrund der Gleichung (6) versteht, die Induktivität der Dünnfilmdrossel gemäß der Erfindung unabhängig vom Betriebsstrom (d.h. dem durch den Leiter 1 fließenden Strom I) bis zu einem Punkt konstant halten, der unmittelbar vor dem Erreichen der Sättigung im ferromagnetischen Film 2 liegt. In Fig.- 2 belegen die ausgezogenen Kurven tatsächlich gemessene Werte und die gestrichelten Kurven ideale Werte.

Aus Fig. 2 ergibt sich, daß die Hysteresekurve B in der Richtung der harten Achse im Vergleich mit der in der Richtung der leichten Achse und der nach dem Stand der Technik sehr gerade verläuft. Daher sind die Hystereseverluste (oder die elektrischen Verluste), die ein Absinken des Wertes Q der Drossel ergeben, geringer als bisher , und es wird auch weniger Wärme beim Betrieb der Drossel erzeugt. Dies ist ein sehr erwünschter Vorteil für Bauelemente integrierter Schaltungen. Außerdem nimmt man an, daß die Magnetisierung in der Richtung der harten Achse durch Rotation des magnetischen Spins bewirkt wird. So kann die Drossel verläßlich auf Magnetfeldänderungen, d. h. Änderungen eines durch den Leiter 1 fließenden Hochfrequenzstroms ansprechen und zeigt ein gutes Hochfrequenzverhalten.

Bei einem von den Erfindern durchgeführten Versuch wurde der Leiter 1 mit einer binären Eisen-Nickel-Legierung, nämlich Permalloy, unter den in der Tabelle 1 angegebenen Bedingungen plattiert, und es

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ließ sich bestätigen, daß der ferromagnetische Film 2 bis zu einer Filmdicke in der Größenordnung von 5 u eine einachsige Anisotropie aufwies. Außerdem war die spezifische Permeabilität u in der Richtung der Achse schwieriger Magnetisierung hier bei 1000 bis 3000.

Tabelle 1 Zusammensetzung der Plattierlösunq

Nickelsulfamat 307 g/l

Ferrosulfat 9,5 gA

Hydroxylaniinhydrochlorid 6,0 q/l

Borsäure 1,25 gA

Natriumsaccharat 3,75 g/l

Zitronensäure 25,0

Temperatur der Plattier lösung 60 °C ί 0,5 °C

2 Stromdichte 2,5 A/dm

Angelegtes Magnetfeld 40 Oe

Wenn eine Anlaßbehandlung auf einen elektroplattierten Permalloyfilm angewendet wird, führt man das Anlassen vorzugsweise bei 460 °C 200 Stunden im Vakuum durch.

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Es wird nun angenommen, daß die spezifische Permeabilität ji_c in der Richtung der harten Achse 2000 ist und a, b und t in der Gleichung (6) 50 bzw. 3 bzw. 5 u sind und I_x 1 cm ist. Dann erhält man

— fl

aus der Gleichung (6) einen Induktivitätswert L = 10 H, da in diesem Fall N = 1 ist. Dies ist der Induktivitätswert der Dünnfilmdrossel gemäß der Erfindung, und man stellt fest, daß diese Dünnfilmdrossel eine ausreichend große Induktivität hat, obwohl ihre Abmessungen im Vergleich mit bekannten Drosseln dieser Art sehr gering sind

Wenn Permalloy mit Nickel in größerem Anteil als Eisen zur Bildung des ferromagnetischen Films 2 verwendet wird, liegt seine Sättiguiigsflußdichte in der Größenordnung von 0,8 bis 1,2 Wb/m . Daher ist der maximale Magnetfluß im Permalloyfilm, dessen Dicke t und Länge 1 5 u bzw. 1 cm betragen, 4 bis 6 · 10 Wb. Andererseits ergibt sich der Maximalwert I des durch den Leiter 1 flie-

max

ßenden Stromes aus der folgenden, durch Modifizierung der Gleichung (3) erhaltenen Gleichung:

max f _A χ /v

max L

Setzt man die Induktivität L = 10 H, den maximalen Magnet- = 4-6 · 10~ Wb und N = 1 in die Gleichung (7) ein,

so ergäM sich I zu

max

I = 4 - 6 · 10"² (A).

max

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Dieser Stromstärkewert ist bei aus Transistoren bestehenden Verstärkern durchaus annehmbar.

Fig. 3 zeigt ein Ausführungsbeispiel der Dünnfilmdrossel gemäß der Erfindung. Die Dünnfilmdrossel ist in Fig. 3 allgemein mit 10 bezeichnet und weist zunächst eine Unterlage 11 auf. Auf diese Unterlage 11 sind Permalloyfilme 12 und 13 entsprechend dem ferromagnetischen Film 2 in Fig. 1 aufplattiert und laminiert, wobei ein dem Stromleiter 1 in Fig. 1 entsprechender Alurniniumfilm 14 zwischen den Permalloyfilmen 12 und 13 eingefügt ist. Ein Paar von Anschlußteilen 14a und 14b zur elektrischen Verbindung mit Zuführungsleitern sind an entgegengesetzten Enden des Aluminiumfilms vorgesehen.

Vorteilhaft ist die Unterlage 11 frei von allen Poren, hat eine ebene und glatte Oberfläche und wird im wesentlichen durch auf die darauf abgeschiedenen Filme 12, 13 und 14 einwirkende Ätzmittel nicht korrodiert. Geeignete Materialien, die diesen Bedingungen genügen, umfassen Natronkalkglas, keine Alkalimetalle enthaltendes Glas (z. B. vom Glastyp 7059 der Corning Company), Quarzglas, Quarzeinkristall, Aluminiumoxideinkristall (d. h. Saphir) und Spinelleinkristall oder dergleichen. Auch eine Platte, die durch Aufbringen einer glattflächigen Glasschicht auf die Oberfläche eines Sinterkeramikstückes, wie z. B. aus Aluminiumoxid, Berylliumoxid oder Magnesiumoxid erhalten wird, läßt sich als Unterlage 11 verwenden. Daneben kann man auch eine Platte aus Silizium oder eine Platte aus Silizium mit einer Oxidoberflächenschicht verwenden.

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Die Oberfläche der Unterlage 11 wird zweckmäßig bis zu einer Oberflächenflachheit von 1 bis 2 u endbearbeitet,, um die Genauigkeit des weiter unten beschriebenen Photoätzens zu verbessern. Außerdem ist die Oberflächenrauhigkeit zweckmäßig geringer als 0,05 bis 0,1 u,

damit der aufplattierte Permalloyfilm 12 magnetisch gleichmäßig ist.

Die einzelnen aufeinanderfolgenden Schritte zum Herstellen der in Fig. 3 dargestellten Dünnfilmdrossel sollen nun anhand der Fig. 4a bis 4d beschrieben werden.

Gemäß Fig. 4a wird ein Permalloyfilm 12 von etwa 5 u Dicke durch Elektroplattieren auf einer Unterlage 11 unter den in der Tabelle 1 angegebenen Bedingungen abgeschieden. Wenn die Unterlage 11 ein elektrischer Isolierstoff ist, läßt sich der Permalloyfilm 12 abscheiden, indem man auf die Oberfläche der Unterlage 11, auf der die Drossel herzustellen ist, zunächst durch nichtelektrolytisches Plattieren oder durch Vakuumaufdampfung ein leitendes Metall aufbringt, wodurch ein leitender Film von etwa 0,05 bis 0,2 u Dicke auf dieser Oberfläche abgeschieden wird, und dann das Elektroplattieren unter Verwendung dieses ersten leitenden Films als einer Elektrode durchführt. Während dieses Elektroplattiervorganges läßt man ein Gleichstrommagnetfeld von 40 bis 50 Oe in einer Richtung senkrecht zur Zeichenebene einwirken, um den einachsig-anisotropen Permalloyfilm 12 zu erhalten, dessen harte Achse in der Horizontalrichtung der Zeichnung liegt.

Es wird dann ein Aluminiumfilm von etwa 0,2 bis 0,5 u Dicke

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im Vakuum auf diesen Permalloyfilm 12 aufgedampft. Diesen Aluminiumfilm unterwirft man dann einer Elektrolyse in einer wäßrigen Lösung mit 50 g/l Chromsäure unter Verwendung des Permalloyfilms 12 als Anode, wodurch ein Al O -Film (anodischer Oxydationsfilm) 16 gebildet wird. Dann wird ein als Stromleiter dienender Aluminiumfilm 14 von etwa 3 u Dicke im Vakuum auf den Al O -Film 16 aufgedampft, und man bringt auf diesem Aluminium film 14 einen Photoresistfilm 17 an, um die unnötigen Teile des Films 16 wegätzen und eine bestimmte Leiterform entsprechend Fig. 3 erhalten zu können.

Die in Fig. 4a gezeigte Einheit wird dann in eine alkalische Lösung eingetaucht, um die unnötigen Teile des Al O -Films 16 und des Aluminiumfilms 14 mit Ausnahme der durch den Photoresistfilm 17 geschützten Teile wegzuätzen, ohne den Permalloyfilm 12 anzugreifen. Fig. 4b zeigt den nach diesem Ätzvorgang erreichten Zustand.

Der Photoresistfilm 17 wird unmittelbar nach dem vorstehend erläuterten Ätzschritt entfernt, und man erzeugt auf der freigelegten Oberfläche des Aluminiumfilms 14 mittels Elektrolyse unter Verwendung des Aluminium films 14 als Anode einen Al O -Film 18. So wird der Aluminiumfilm 14, der ein Leiter ist, völlig mit den dünnen transparenten j
sind, bedeckt.

transparenten Al O -Filmen 16 und 18, die elektrische Isolatoren

Nach dieser Isolierbehandlung wird ein (nicht dargestellter) leitender Film von etwa 0,1 bis 0,2 u Dicke auf die gesamte Ober-

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seite der in Fig. 4c dargestellten Einheit aufgedampft. Dieser leitende Film besteht zweckmäßig aus solchem Material wie Permalloy oder dergleichen Legierung mit hoher Permeabilität, um die Reluktanz eines im nächsten Schritt auf diesem leitenden Film abzuscheidenden ferromagnetischen Permalloyfilms niedrig zu halten.

Unter Verwendung dieses leitenden Films als einer Elektrode wird dann die Elektroplattierung unter den gleichen Bedingungen wie beim Erzeugen des Permalloyfilms 12 zwecks Abscheidung eines zweiten Permalloyfilms 13 auf dem leitenden Film unter Anlegung eines Magnetfelds durchgeführt. Ein Photoresistfilm 19 wird danach auf diesem zweiten Perrnalloyfilm 13 angebracht, um die überflüssigen Teile des Films 13 wegzuätzen und die bestimmte Gestalt entsprechend Fig. 3 zu erhalten. Dieser Zustand ist in Fig. 4d veranschaulicht .

Die in Fig. 4d gezeigte Einheit wird dann in eine saure Lösung, wie z. B. eine Lösung von Ammoniumpersulfat eingetaucht, um überflüssige Teile der Permalloyfilme 12 und 13 und des (nicht dargestellten) leitenden Films mit Ausnahme der vom Photoresistfilm 19 bedeckten Teile zu entfernen. Dann wird der Photoresistfilm 19 beseitigt, so daß eine Dünnfilmdrossel entsprechend Fig. 3 erhalten wird.

Teile des Permalloyfilms 12 mit der gleichen Form wie der der Anschlußteile 14a und 14b des Aluminiumfilms 14 sind ungeätzt gelassen und liegen unter diesen Anschlußteilen 14a und 14b. Da jedoch der Permalloyfilm 13 nicht über diesen Teilen des Permalloy-

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films 12 liegt, entsteht· dazwischen trotz des Stromflusses durch die Anschlußteile 14a und 14b nur ein offener magnetischer Kreis. So ergibt sich die Induktivität der Dünnfilmdrossel durch die tatsächlich überlappenden Teile des oberen und <§s unteren Permalloyfilms 13 bzw. 12. Die Anschlußteile 14a und 14b des Alurniniumfilms 14 sind an ihrer äußeren Oberfläche mit den elektrisch isolierenden AlO-FiI-men 16 und 18 bedeckt, die transparent und etwa 0,1 bis 1 u dick sind. Diese Anschlußteile 14a und 14b können mit Zuführungen aus Kupfer oder Gold durch Ultraschallschweißen elektrisch verbunden werden.

In dem vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiel wurden dio ferromagnetischen Permalloyfilme 12 und 13 durch Elektroplattieren abgeschieden. Es können jedoch auch Filme aus einachsig-anisotropem, einkristallinem Ferrit auf einer einkristallinen Unterlage 11 durch epitaktisches Aufwachsen anstelle des Permalloymaterials abgeschieden werden. Auch kann ein im wesentlichen aus Eisen bestehendes ferromagnetisches Material verwendet-werden. Ein bevorzugtes Material ist eine Legierung von Aluminium und Eisen, z. B. eine "Aluperm" genannte Legierung mit 12 bis 16 Gew.-% Aluminium. Es existiert ein großer Unterschied zwischen den Dampfdrücken von Aluminium und Eisen bei einer bestimmten Temperatur. Um einen Aufdampffilm gewünschter Zusammensetzung zu erhalten, ist es daher zweckmäßig, eine Aluminium-Eisen-Ausgangslegierung zu verwenden, deren Aluminiumgehalt geringer ist, als dem gewünschten Verhältnis in der Aufdampfschicht entspricht. Es läßt sich auch ein Aluminium-Eisen-Legierungsfilm mit einer gewünschten Zusammensetzung nach dem

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Spülverdampfungsverfahren ("flush evaporation") erhalten, bei dem feine Teilchen der Legierung mit dem gewünschten Zusammensetzung sverhältnis stoßweise in geringen Mengen auf einen auf hohe Temperatur erhitzten Tiegel getropft werden.

Auf einen ferromagnetischen Film aus einer Eisen-Silizium-Legierung wirkt hier keine merkliche mechanische Beanspruchung ein, und daher kann diese Legierung 5 bis 15 Gew.-% Silizium enthalten. Infolge des großen Siliziumgehalts ist die Leitfähigkeit unter Reduktion des Skineffekts verringert, und es läßt sich auch bei hoher Frequenz eine hohe Permeabilität erzielen. Die Wirbelstromverluste lassen sich ebenfalls verkleinern- Aus den obigen Gründen ist die Eisen-Silizium-Legierung zur Bildung des ferromagnetischen Films geeignet.

In einer integrierten Schaltung ist es erwünscht, daß die "Wahl der Gestalt oder Form jedes einzelnen Bauelements frei, ist. Häufig ergeben sich besondere Schwierigkeiten bei der Auslegung und Herstellung einer solchen Schaltung, wenn die Anschlüsse der Bauelemente in einem weiten Abstand voneinander liegen und verhältnismäßig lange Anschlußleiter dafür erforderlich werden. In solchen Fällen kann man eine Mehrzahl von Dünnfilmdrosseln nach Fig. 3 in Reihe schalten, um eine zusammengesetzte Drossel mit jeder gewünschten Induktivität zu erhalten.

Das bereits beschriebene Ausführungsbeispiel bezog sich auf den Fall, indem in der Gleichung (6) N = 1 gilt. Jedoch kann N statt 1 auch = 2 sein. Eine solche Dünnfilmdrossel hat eine verkettete An-

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Ordnung eines ferromagnetischen Films und einer Mehrzahl von Schichten oder Windungen von Stromleitern. Eine solche Dünnfilmdrossel läßt sich nach ähnlichen Verfahrensschritten wie denen herstellen, die anhand der Fig. 4a bis 4d beschrieben wurden, und hat einen ähnlichen Aufbau wie den in Fig. 3, jedoch soll von einer ins einzelne gehenden Beschreibung dieser Verfahrensschritte zur Vermeidung von Längen abgesehen werden.

Zunächst wird ein Permalloyfilm auf einer Unterlage niedergeschlagen. Dann wird entsprechend den Schritten gemäß Fig. 4a bis 4c eine Mehrzahl von z. B. 3 Leiter-Isolator-Verbundschichten, deren jede aus einem völlig von einem Al O -Film umgebenden Aluminiumfilm, d. h. aus einem elektrisch durch einen Al₀O^-FiIm isolierten, leitenden Aluminiumfilm besteht, auf dem Permalloyfilm laminiert, und anschließend wird ein weiterer Permalloyfilm abgeschieden, um diese Aluminium-Aluminiumoxid-Verbundschichten sowie den vorher abgeschiedenen Permalloyfilm zu bedecken, wie in Fig. 3 grundsätzlich angedeutet ist. Ein Photoresistfilm gewünschten Musters wird angebracht, um Teile des oberen Permalloyfilms abzudecken, und das Ätzen wird durchgeführt, um überflüssige Teile zu entfernen. Schließlich werden Kupfer- oder Goldzuleitungen verwendet, um die laminierten Aluminiumfilme in Reihe zu verbinden, so daß diese Filme eine Spule bilden können oder der Strom durch diese Aluminiumfilme in der gleichen Richtung fließen kann.

Wenn eine große Induktivität benötigt wird und sowohl die Dicke als auch die Platzbedarffläche des auf der Unterlage ausgebildeten Bau-

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elements begrenzt sind, kann man eine Mehrzahl von Einheiten, deren jede eine Mehrzahl von laminierten Aluminiumfilmen der beschriebenen Art umfaßt, herstellen und die Aluminiumfilme dieser Einheiten nacheinander in Reihe schalten, um eine Dünnfilmdrossel mit jeder beliebigen Induktivität zu erhalten.

Eine Dünnfilmdrossel mit einer Mehrzahl von Drosseleinheiten kann auch auf einer einzigen Unterlage aus einachsig-anisotropem magnetischem Material ausgebildet werden. Hierbei ist es jedoch nötig, den Abstand zwischen den Einheiten größer als in dem Fall, wo ein nichtmagnetisches Material als Unterlage verwendet wird, zu machen, um die magnetische Wechselwirkung zwischen den einzelnen Einheiten zu vermeiden. Eine solche Dünnfilmdrossel kann man unter Verwendung eines einachsig-anisotropen ferromagnetischen Materials zur Bildung der gemeinsamen Unterlage der Dünnfilmdrosseleinheiten erhalten. Elektrisch isolierte Stromleiter werden auf dieser gemeinsamen Unterlage gemäß der Beschreibung anhand der Fig. 4a bis 4d vorgesehen und natürlich so angebracht, daß sie senkrecht zur harten Achse der gemeinsamen ferromagnetischen Unterlage gerichtet sind. Diese gemeinsame ferromagnetische Unterlage wird als ein Teil des die Stromleiter umgebenden ferromagnetischen Films verwendet , und ein zweiter ferromagnetischer Film wird auf den Stromleitern in der anhand der Fig. 4a bis 4d beschriebenen Art abgeschieden.

Wenn die gemeinsame ferromagnetische Unterlage in dieser Weise als Teil des die Stromleiter umgebenden ferromagnetischen Films verwendet wird, werden nur a, b und t in der Gleichung (2), die die Re-

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- is - 2 3 A 3 ^ 3 9

luktanz zum Erhalten der Induktivität liefert, variiert, und es ergibt sich kein Einfluß auf die Permeabilität, die einen wesentlichen Zusammenhang mit dem Effekt der Erfindung aufweist. So läßt sich eine Dünnfilmdrossel mit einer bestimmten Induktivität leicht erhalten. Weiter tritt, da die benachbarten Dünnfilmdrosseleinheiten in verhältnismäßig weitem Abstand voneinander liegen, keine wesentliche magnetische gegenseitige Störung auf. Die Verwendung der gemeinsamen Unterlage als Teil des die Stromleiter umgebenden ferromagnetischen Films ist vorteilhaft, da sich so die Herstellungsschritte und die Zahl der Teile merklich verringern lassen, was erheblich zur Verringerung der Kosten beiträgt.

Es ist erforderlich, das Auftreten von Hystereseverlusten und Wirbelstromverlusten in dem in der Drossel vorliegenden ferromagnetischen Material zu verhindern, wenn die Drossel des oben beschriebenen Aufbaus mit Hochfrequenzstrom betrieben wird. Der Dünnfilmaufbau dieses ferromagnetischen Materials wirkt sich in der gewünschten Verhinderung dieser Verluste aus. Die Einfügung des elektrisch isolierenden Films zwischen den dünnen Filmen aus ferromagnetischem Material bewirkt eine elektrische Isolation dieser dünnen Filme untereinander und führt so zu einer Verringerung der Wirbelstromverluste auf ein Minimum.

Der Skineffekt tritt in einem Hochfrequenzbereich auf. Die Tiefe S des Skineffekts wird durch die Beziehung gegeben

S -γ

^llf /¹O P '

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worin g , u, f und u der spezifische Widerstand des ferromagnetischen Materials bzw. die spezifische Permeabilität des ferromagnetischen Materials bzw. die Betriebsfrequenz bzw. die Raumpermeabilität des ferromagnetischen Materials sind. Infolge dieses Skineffekts wird das Hochfrequenzfeld im Bereich von der Oberfläche des magnetischen Materials bis zur durch die vorstehende Gleichung gegebenen Skineffekttiefe S konzentriert. So ist nur der Haut- oder Skinteil des ferromagnetischen Materials für die magnetischen Kraftlinien wirksam , und die ferromagnetischen Materialteile jenseits der Skineffekttiefe S sind im wesentlichen nutzlos und wirken sich nur in einem Anstieg der Wirbelstromverluste aus · Bei einem anderen Ausführungsbeispiel der Erfindung wird daher die Dicke des ferromagnetischen Films geringer als die Skineffekttiefe oder gleich der Skineffekttiefe gewählt, so daß das ferromagnetische Material mit optimalem Wirkungsgrad ausgenutzt wird.

Die den Hystereseverlusten . entsprechende Fläche der Hystereseschleife ist in der Richtung der harten Achse sehr erheblich kleiner als in der Richtung der leichten Achse. Wenn im dünnen Film aus ferromagnetischem Material einachsige magnetische Anisotropie derart erzeugt wird, daß die Achse leichter Magnetisierung mit der Richtung des Stromflusses durch den Leiter übereinstimmt, wird das durch den Strom induzierte Magnetfeld in der Richtung der harten Achse des ferromagnetischen Films angelegt. So lassen sich zusätzlich zum Vorteil des Dünnfilmaufbaues die Hystereseverluste verringern, und dieser Vorteil ist im Hochfrequenzbereich noch ausgeprägter.

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Es sei angenommen, daß φ, R und I der gesamte durch den aus den ferromagnetischen Filmen gebildeten magnetischen Pfad strömende Magnetfluß bzw. die Reluktanz des ferromagnetischen Materials bzw. der durch den Leiter fließende Strom sind; dann ergibt sich die Induktivität L durch die Gleichung

L - φ/Ι,
und da φ = I/R ist, läßt sich L als

L = l/R

ausdrücken.

So ist die Induktivität L der Reluktanz R umgekehrt proportional. Es zeigt sich, daß man die Induktivität L durch Laminieren der ferromagnetischen Filme über eine Mehrzahl von Schichten steigern und dadurch die Reluktanz verringern kann.

Weiter läßt sich, wenn die Drossel eine feststehende Abmessung hat, die Reluktanz durch die Dicke der laminierten ferromagnetischen Filme und die Zahl dieser Filme bestimmen.

Die Bedingungen der Vakuumaufdampfung oder sonstigen Abscheidemethode werden geeignet so gesteuert, daß die ferromagnetischen Filme eine gleichmäßige Dicke aufweisen, die kleiner als die Skineffekttiefe oder dieser gleich ist. Daher wird die Reluktanz durch die Zahl der laminierten ferromagnetischen Filme bestimmt.

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- 21 - 2 3 A 3 5 3

Man sieht so, daß die Induktivität der Drossel gemäß der Erfindung durch geeignete Auswahl der Zahl der laminierten ferromagnetischen Filme nach Wunsch eingestellt werden kann.

Wenn man eine Mehrzahl solcher ferromagnetischen Filme laminiert, wird die Koerzitivkraft der Laminierung erheblich geringer als die des einzelnen Films. Diese Verringerung der Koerzitivkraft wirkt mit den bereits beschriebenen Vorteilen zur Geringhaltung der Leistungsverluste zusammen. Weiter führen die Linearität der Hystereseschleife und die Verringerung der Koerzitivkraft zu einer Verkürzung der Schaltzeit aufgrund von Impulsmagrietisierung *

Die Fig. 5 und 6 zeigen ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung. Eine Unterlage 19 zur Aufnahme einer Drossel besteht zweckmäßig aus einem Material, das frei von allen Poren ist, eine ebene und glatte Oberfläche aufweist und ausreichend mechanisch fest ist, um hantiert werden zu können. Geeignete Materialien für die Unterlageplatte 19 umfassen Natronkalkglas, alkalifreies Glas, Quarzglas, Einkristallquarz und Einkristallaluminiumoxid.

Ein Film 20 aus ferromagnetischem Material, wie z.B. Permalloy von etwa 0,1 u Dicke wird durch Vakuumaufdampfen auf der Unterlage 19 abgeschieden, wie in Fig. 5 angedeutet ist. Man verwendet beim Vakuumaufdampfen des Permalloyfilms 20 eine Maske, um eine gewünschte Form des Filmes zu erhalten. Während der Vakuumaufdampfung dieses Permalloyfilms 20 läßt man ein Gleichstromma-

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2 3 k ο γ J b

gnetfeld von 40 bis 50 Oe einwirken, um dem Permalloyfilm 20 eine solche einachsige magnetische Anisotropie zu verleihen, daß die harte Achse in einer gewünschten Richtung liegt.

Dann wird ein Film 21 aus elektrischem Isolierstoff, wie z. B. Siliziummonoxid auf dem Permalloyfilm 20 abgeschieden. Die Form dieses Isolierfilms 21 'ist die gleiche wie die des Permalloyfilms 20. Anschließend werden auf dem ersten Isolierfilm 21 ein zweiter Permalloyfilm 22 und ein zweiter Isolierfilm 23 nacheinander durch Vakuumaufdampfung abgeschieden. Ein Film 25 aus leitendem Material, wie z. B. Aluminium, von etwa 3 u Dicke und 50 u Breite wird dann auf dem Isolierfilm 23 durch Vakuumaufdampfung abgeschieden. Dieser leitende Film 25 kann auf der gesamten Oberfläche des Isolierfilm s 23 niedergeschlagen werden, und man kann überflüssige Teile des leitenden Films nach der Photoätztechnik beseitigen, um das gewünschte Muster zu erhalten. Der leitende Film 25 weist die Form eines länglichen Streifens entsprechend Fig. 6 auf, der im Drosselteil eine Länge in der Größenordnung von 3 mm hat.

Ein dritter Film 24 aus elektrischem Isolierstoff, wie z.B. Siliziummonoxid, wird dann auf dem leitenden Film 25 durch Vakuumaufdampfung unter Verwendung einer Maske abgeschieden. Die Form dieses Isolierfilms 24 wird mittels der Maske geeignet so bestimmt, daß die Endteile des leitenden Films 25 vom Isolierfilm 24 freibleiben, damit elektrische Anschlußleitungen mit den Endteilen verbunden werden können. Ein dritter Permalloyfilm 26 wird auf dem Isolierfilm 24 durch Vakuumaufdampfung abgeschieden und hat eine praktisch der des

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ORIGINAL INSPECTED

Isolierfilms 24 gleiche Form. Ein vierter Isolierfilm 27 und ein vierter Permalloyfilm 28 werden nacheinander auf dem Permalloyfilm 26 durch Vakuum auf dampfung abgeschieden.

Eine Perspektivansicht des Endzustands der so erhaltenen Drossel ist in Fig. 6 veranschaulicht. Die Zahl der über dem leitenden Film 25 angeordneten Permalloyfilme kann auch größer als 2 sein. Es läßt sich eine Induktivität von IuH erhalten, wenn die Permalloyfilme in der Drossel bis zu einer Gesamtdicke von 5 u ,laminiert werden.

Alle Permalloyfilme 20, 22, 26 und 28 dieser Drossel werden im Vakuum aufgedampft, während in der Richtung des Stromflusses durch den leitenden Film 25 ein Magnetfeld angelegt ist, und weisen daher eine solche einachsige magnetische Anisotropie auf, daß die. harte Achse jedes Permalloyfilms in der zur Richtung des Stromflusses durch den leitenden Film .25 senkrechten Richtung liegt. Weiter sind die Hystereseverluste in den Permalloyfilmen bemerkenswert gering, da das Wechselstrom magnetfeld, das in den Permalloyfilmen von dem durch den leitenden Film 25 fließenden Hochfrequenzstrom induziert wird, zur harten Achse hin gerichtet ist, die senkrecht zur leichten Achse liegt.

Bei diesem Ausführungsbeispiel verwendete man eine Unterlage aus elektrisch isolierendem Material, das porenfrei ist, eine ebene und glatte Oberfläche hat und ausreichend mechanisch fest ist, um die erforderlichen Handhabungen auszuhalten. Jedoch kann diese Un-

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terlage auch ein poröser gesinterter Keramikkörper, wie z. B. aus Aluminiumoxid, Berylliumoxid oder Magnesiumoxid sein, dessen Oberfläche mit einer dünnen Glasschicht überzogen ist. Veiter kann die Unterlage auch ein elektrischer Leiter sein, dessen Oberfläche mit einem im Vakuum aufgedampften Film aus elektrischem Isolierstoff, wie z. B. Siliziummonoxid, beschichtet ist.

Der einachsig-anisotrope ferromagnetische Film kann auch aus Nickel-Zink-Ferrit anstelle des Permalloys gebildet sein.

Bei dem in den Fig. 5 und 6 dargestellten Ausführungsbeispiel sind die Permalloyfilme 20, 22, 26 und 28 voneinander durch die Isolierfilme 21, 23, 24 und 27 aus Siliziummonoxid völlig isoliert. Jedoch können die Randzonen dieser Permalloyfilme auch weiterreichend als die der Isolierfilme gemacht werden, um die Randzonen der Permalloyfilme in Bereichen jenseits der Randzonen der Isolierfilme untereinander zu verbinden. Ein solcher Aufbau ist in Fig. 7 veranschaulicht. Gemäß Fig. 7 ist eine Mehrzahl von Permalloyfilmen 31, 33, 34 und 36 auf einer Unterlage 30 aus elektrisch isolierendem Material magnetisch untereinander gekoppelt oder verbunden, um einen einzelnen geschlossenen Magnetpfad zu bilden, so daß sich die Reluktanz verringern und die Induktivität vergrößern läßt. Eine Mehrzahl von Isolierfilmen 32, 35 und 37 befindet sich zwischen diesen ferromagnetischen Filmen, und ein leitender Film 38 ist im Isolierfilm 35 eingebettet.

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Die Dünnfilmdrossel gemäß der Erfindung läßt sich in weitem Umfang, wie z. B. als Transformator, Filter, Leitungskonstantenelement und Impulsverzögerungsleitung bei integrierten Hochfrequenzschaltungen für Fernsehempfänger, Rundfunkgeräte und dergleichen verwenden.

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Claims (6)

1. 2342539

   Patentansprüche

   1J Dünnfilmdrossel, dadurch gekennzeichnet, daß sie aus einem Stromleiter (14) und einem diesen umgebenden, einachsig-anisotropen ferromagnetischen Film (12, 13) besteht, dessen harte Achse senkrecht zur Richtung des Stromflusses durch den Stromleiter liegt (Fig. 3).
2. 2. Dünnfilmdrossel, dadurch gekennzeichnet, daß sie aus einer Gruppe von wenigstens zwei laminierten, elektrisch voneinander isolierten Stromleitern und einem die Leitergruppe- umgebenden, einachsig-anisotropen ferromagnetischen Film besteht, dessen harte Achse senkrecht zur Richtung des Stromflusses durch die Leitergruppe liegt.
3. 3. Dünnfilmdrossel nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß eine Mehrzahl ferromagnetischer Filme mit einer der Skineffekttiefe bei der Betriebsfrequenz unterlegenen oder gleichen Dicke unter Einfügung elektrisch isolierender Filme laminiert sind und einen Magnetpfad um die Leiter herum ergeben.
4. 4. Dünnfilmdrossel, dadurch gekennzeichnet, daß sie aus einem Stromleiter (z. B. 25) und einer Mehrzahl von einachsig-anisotropen ferromagnetischen Filmen (z. B. 20, 22, 26, 28) mit einer der Skin-

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   effekttiefe bei der Betriebsfrequenz unterlegenen oder gleichen Dicke besteht, deren Achse leichter Magnetisierung mit der Richtung des Stromflusses durch den Leiter (z. B. 25) übereinstimmt und die unter Einfügung elektrisch isolierender Filme (z. B. 21, 23, 24, 27) laminiert sind und einen Magnetpfad um den Leiter (z. B. 25) herum ergeben (Fig. 5 und 6).
5. 5. Dünnfilmdrossel nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die ferromagnetischen Filme (31, 33, 34, 36) unter Verringerung der Reluktanz in mechanischem Kontakt untereinander stehen (Fig. 7).
6. 6. Dünnfilmdrossel nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die ferromagnetischen Filme konzentrisch um den Leiter angeordnet sind.

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