TW200818145A - Film having soft magnetic properties - Google Patents

Description

200818145 九、發明說明 【發明所屬之技術領域】 所揭示之本發明具體實例係槪括地關於磁應用’及更 特別地關於具有軟磁性的材料。 【先前技術】 磁性記錄媒體、磁性的感應器（inductor )/轉換器（ transformer)電路、讀/寫磁性記錄頭、感測器（sensor) 應用、及其他磁應用全部都需要具有適合的磁及電性質之 材料。此等性質時常係經由對材料施加具有恰當特性的膜 或其他塗層而賦予。濺鍍膜及鎳合金皆爲此等塗層的例子 。不幸的，現行的塗料有多種缺點使彼等都不合乎所用。 例如，濺鍍及其他物理氣相沉積形式，典型地與高體積製 造不相容，特別是對大於約一微米的厚度之膜，這是由於 緩慢的沉積速率及時常需要更換鍍靶所致。鎳合金會引起 安全性和環境關切，因爲Ni + +具致癌性（carcinogenic) 之故。Permalloy，一種常用爲磁性材料的鎳-鐵化合物， 在高頻操作期間由於其低電阻率導致渦電流損失（eddy current loss)。因此，需要有一種同時展示軟磁性及高電 阻率兩者，可與高體積製造環境相容且沒有安全性及其他 環境顧慮之患的材料。 爲簡單及清楚闡明起見，該圖式圖表係闡明通用構成 方式’且熟知特點和技術之說明及細節可能省略以避免非 必要地混淆所述及的本發明具體實例之討論。此外，圖式 -4- 200818145 中之元件係不一定係按比例繪成。例如，圖形中的某些元 件之尺寸可能相對於其他元件過大以幫助增進對本發明具 體實例的了解。在不同的圖形中之相同指示數字表相同的 元件。 於本說明部份和申請專利範圍中之術語“第一”、“ 第二”、“第三”、“第四”及類似者，若有時，係用於 區別相似的元件而不一定係用於說明一特別的依序性或時 序性順序。要瞭解的是如此用到的該等術語在適當的情勢 下係可交換者，使得在本文中述及的本發明具體實例能夠 ，例如，以在本文中示範說明或其他方式述及者以外的序 列進行操作。相似地，假設在本文中述及的一種方法爲包 括一系列之步驟，則在本文中呈現的此等步驟之順序不一 定爲可以實施此等步驟之唯一順序，且某些述及的步驟可 能省略及/或本文中未說明之某些其他步驟可能添加至該 方法中。再者，術語“包含（comprise ) ” 、 “包括（ include ) ” 、 “具有（have ) ”及其任何變異，係意欲涵 蓋非排除性的內含物，使得包括多元件名單的程序、方法 、物件、或裝置不一定受限於此等元件，反而可能包括沒 有明確地列出或在此等程序、方法、物件、或裝置中固有 的其他元件。 於本說明部份和申請專利範圍中之術語“左”、“右 ”、“前”、“後”、“頂部”、“底部”、“之上”、 “之下”及類似者，若有時，係用於說明目的而不一定係 用於描述永久的相對位置。要了解的是如此使用的該等術 • 5 - 200818145 語在適當情況下係可交換者使得在本文 體實例能夠，例如，以在本文中示範說 者以外的方向進行操作。術語“經耦合 在本文中之時，係經定義爲以電或非電 連接。 【發明內容】 在本發明一具體實例中，一種材料 形式施加於一基材上，且能夠供給磁性 及電性質，係包含鈷、硼、和在鎢與磷 材料具有在約20與約 1 000 pOhm-cm 0.1與 1.8特斯拉（Tesla )間之飽 saturation magnetic flux density )，低 Oersted)之橋頑磁性（coercivity)、忑 間之相對導磁率（permeability)。 具有在上面所給範圍內之電阻率及 材料可提供給多種磁性應用良好之材料 IS率可提供比慣用的磁性材料在高頻操 損失之優點，且相當低的矯頑磁性可促 即的反應，此爲磁性應用材料之重要性: 【實施方式】 至此參考圖式，圖1係根據本發明 100之橫截面圖，其業經施用於一基材 中述及的本發明具 明或其他方式述及 (coupled) ” 於用 方式直接或間接地 ，其能以膜或塗層 應用所用的適當磁 中的至少一者。該 間之電阻率，在約 和磁通量密度（ 於約5 · 0厄司特（ :在約1〇〇與2000 矯頑磁性之下，該 性質。相當高的電 作期間較低渦電流 成對磁力變化更立 一具體實例的材料 1 5 0上呈塗層或膜 -6- 200818145 之形式。晶種層120經放置於基材15〇與材料1〇〇間。舉 例而言，晶種層1 2 0可包含銅、鈷、鎳、鉑、銷、釘、鐵 、及彼等的合金。 材料100包含鈷（Co)、硼（B)、和在鎢（W)及 磷（P )中的至少一者，如此，材料1 〇〇可爲，在其他可 B匕丨生之中，含有姑、棚、錫、和憐各_*的C 〇 W B P膜及含 有鈷、硼、和磷但無鎢的CoBP膜，以及含銘、硼、及鎢 但無磷的Co WB膜。 材料1 〇 0具有在約2 0與約1 〇 〇 〇 μ 〇 hrn - c m間之“電阻 率（electrical resistivity，後文中簡稱爲 resistivity)，， 。在一具體實例中，該電阻率係在約5〇與約5〇〇 μ〇}ιιη-cm間，較佳者爲更高的電阻率値。 在某些具體實例中，可經由在材料1 0 0之沉積期間改 變所用的電鍍槽而改變電阻率。下面要討論的是一特別的 電鍍槽，其可含鈷、鎢、及含磷化合物，每一者各具其不 同的濃度範圍。參照該特別的電鍍槽，增加鈷濃度將降低 e I®率’而增加含磷化合物或（特別者）鎢之濃度傾向於 增加電阻率。 材料100具有介於約0.1與約1.8特斯拉間之飽和磁 Μ胃密度。在一具體實例中，該飽和磁通量密度爲介於約 0 · 5與約1 · 6特斯拉間，較佳者爲更高値。再參照上述（ & Τ列要更詳細討論的）特別電鍍槽，增加鈷濃度將增加 飽和磁通量密度到高至約1 .8特斯拉之値。 材料1 0 0進一步具有低於約5 · 0厄司特之矯頑磁性。 200818145 在一具體貫例中，該矯頑磁性係介於約G.GG1厄司特與約 2.0厄司特間，較佳者爲具有更低値。 、 ^者材料1 〇 〇具有介於約1 0 0與約2 0 〇 〇間 的相封導磁率。在一具體實例中，該相對導磁率係介於約 700與約1〇〇〇間，較佳者具有更高値。 上述意味著材料1 00可用於多種磁性應用中諸如磁記 錄頭及記錄媒體、磁性感應器/變壓器電路、感測器應用 、及類似者。此外，材料丨〇〇可形成晶片感應器的一部份 $ 積體矽電壓 g周節器（integrated siiic〇n v〇itage regulator，ISVR)的—部份。仍然參照圖i，材料1〇〇，如 所提者’可想成如一經施加於基材i 5〇上的膜或塗層。如 此施加之下’材料丨〇〇可形成一有非常寬範圍的厚度之膜 ’例如’在一具體實例中，材料；! 〇 〇可具有小到約1 〇奈 米之厚度，而在另一具體實例中，材料i 〇〇可具有大到約 1毫米的厚度。舉例而言，在上面提及之晶片感應器應用 中’材料100可具有約0.1微米與約10微米之間的厚度 〇 材料1 00的特別膜厚度可影響到電阻率、飽和磁通量 密度、矯頑磁性、及相對導磁率中的一或多者。舉例而言 ，約0.4微米之膜厚度給予材料100約140 B〇hm-cm之電 阻率、約1 . 5特斯拉之飽和磁通量密度、約〇 · 1厄司特之 矯頑磁性、及介於約7 0 0與約8 0 0間之相對導磁率。 可以使用乾式程序，諸如濺鍍或另一乾蒸氣沉積程序 施加材料1 〇 〇至基材1 5 0，雖然，如上面提及者，此等乾 -8 _ 200818145 式程序在高體積製造期間可能導致無效率。也可使用濕式 程序來施加材料1 〇 〇至基材1 5 0上。例如，在至少一具體 實例中可以使用電化學沉積技術諸如電鍍、電泳沉積、無 電沉積 '及類似者，且可能比乾式程序更適合於高體積製 造。 在使用無電沉積的一具體實例中，可將基材1 50置於 電鍍溶液或電鍍槽中作爲沉積程序之部份。根據本發明一 具體實例的水系鍍槽包含濃度在約0.01與約〇.〇5莫耳每 升之間的主要金屬，濃度在約〇 · 1與約0 · 5莫耳每升間之 錯合劑’濃度在約〇 · 〇 〇 1與約〇 · 〇 5莫耳每升間之次要金屬 、濃度在約0.5與約1.0莫耳每升間之pH緩衝劑，濃度 在約〇·1莫耳與約0.02每升間之第一還原劑，及濃度在約 〇_ 02與約0.1莫耳每升間之第二還原劑。 在一特別具體實例中，電鍍槽之pH層級係在約7.5 與約9 · 7之間。在相同或另一具體實例中，電鍍槽之溫度 係介於攝氏約60度與約90度間。在一特別具體實例中， 該pH可限制到在約8.3與約9.7間之範圍內且其溫度可 限制在介於攝氏約60度與約80度間的範圍內。超過所述 pH及溫度範圍的上限値之電鍍槽可能變成不穩定。具有 pH値或溫度低於上述pH和溫度範圍的下限値之電鍍槽可 能導致可接受的膜，但沉積製程可能進展得比當pH値及 溫度在所述範圍內時更爲慢。 在一具體實例中，主要金屬包括處於（+2 )氧化態的 鈷，錯合劑包含檸檬酸鹽，次要金屬包含鎢酸根（wo42- 200818145 )，pH緩衝劑包含硼酸根（B〇33_ )，第一還原劑包含次 磷酸根（hyp〇ph〇Sphite，H2P02·)，且第二還原劑包含二 甲胺基棚院（Dimethylamineborane)。 諳於一般技藝者皆理解者，上述電鍍槽可在某些方面 修改而仍然產生在本文中述及的Co WBP膜，CoBP膜、 C 〇 WB膜、或類似者。舉例而言，鎢酸根或其它次要金屬 可自鍍槽中省略。如另一例子者，次磷酸鹽或其他還原劑 可自鍍槽中省略。也理解者，若將鎢酸根省略，則所得膜 (例如，C ο B P )可能比從含有鎢酸根的鍍槽所得膜具有較 低之熱穩定性。可進一步理解者，若將次磷酸鹽省略，則 所得膜（如，C 〇 WB )展示出較低效率的與鈷之結晶化。 作爲一例子者，次磷酸鹽可包含次磷酸銨、次磷酸鈉 、次磷酸鉀、或類似者。諳於一般技藝者皆瞭解者，次磷 酸銨之使用不會產生如從至少次磷酸鈉之使用可能產生的 鈉污染顧慮。不管其特別配方爲何，次磷酸鹽可用爲一電 子源使得可從鍍槽中所含金屬離子形成金屬。（在上述具 體實例中，次磷酸鹽促使鈷從鈷離子形成）。次磷酸鹽也 爲材料100中之磷源。 檸檬酸或其他錯合劑可錯合在鈷或其他離子的周圍且 藉由防止其自鍍槽中沉澱出而保持該離子於溶液中。鎢酸 根係鎢之來源。硼酸鹽或其他pH緩衝劑係減低鍍槽pH 之變異。二甲胺基硼烷或其他第二還原劑也作爲電子來源 ，可用於上述目的，且更爲材料1 0 〇中之硼來源。 圖2爲一流程圖，示範說明本發明一具體實例之方法 -10 - 200818145 200，其導致一種可用於磁性及其他應用中之結構物。在 至少一具體實例中，該結構物包括施加於基材的膜或其他 塗層。舉例而言，該膜可能包含銘、Permalloy、或展示軟 磁性之另一物質。 方法200之步驟210係提供一基材。舉例而言，該基 材可相似於圖1中所示之基材1 5 0。 方法200之步驟220係在該基材上形成一晶種層。舉 例而言，該晶種層可爲相似於圖1中所示之晶種層1 20。 該晶種層典型地係相當薄-也許在5至1 0奈米層級，視 膜之本質而定。 在一具體實例中，步驟220包括沉積一材料，其包含 選自銅、鈷、鎳、鉑、鈀、釕、鐵、及彼等的合金所組成 的群組中之物質。乾式程序及濕式程序兩者皆可用於晶種 層沉積。舉例而言，沉積該材料以形成晶種層之步驟可包 括使用蒸氣沉積法諸如物理氣相沉積法（PVD )或類似者 來沉積該材料。 方法2 0 0之步驟2 3 0係在晶種層上形成一膜使得該膜 具有至少約100 eOhm-cm之電阻率及至少約1.〇特斯拉之 飽和磁通量密度。在一特別具體實例中，步驟230進一步 包括形成具有小於約0.001厄司特的矯頑磁性及至少約 7 0 0之相對導磁率之膜。例如’該膜可爲相似於圖1中所 示之材料1 〇 〇。 在一具體實例中，步驟23 0包括無電沉積該膜。在其 他具體實例中，步驟2 3 0可包括使用其他電化學或溼式化 -11 - 200818145 學技術，或使用濺鍍或其他物理氣相沉積技術沉積該膜。 如上面討論過者，步驟230可包括形成一 c〇WBP膜、 CoWB膜、CoBP膜、或類似者。 方法200之步驟240係施用一磁場至基材之表面。在 一具體實例中，步驟240可與步驟230同時實施。在另一 具體實例中，步驟240可在步驟23 0之後的加熱步驟期間 實施。在又另一具體實例中，步驟240可與步驟23 0合倂 使得步驟23 0同時包括在晶種層上形成膜及施佳一磁場至 基材之表面。 舉例而言，步驟2 4 0包括施加一磁場，使其平行或實 質平行於基材之表面且其強度大於約100厄司特。作爲一 特別例子者，步驟240可包括施用一磁場，其強度介於約 5 00與約1〇〇〇厄司特之間。該磁場可使用永久磁鐵或電磁 鐵來施加。平行或實質平行基材表面的磁場之施加可能爲 誘導單軸各向異性（uniaxial anisotropy)所需者，此需要 係爲了獲得高導磁率和磁感應器及其他磁性電路之線性操 作。 圖3爲一流程圖，闡明根據本發明一具體實例在基材 上形成鈷膜之方法3 0 0。方法3 0 0之步驟3 1 0係提供一種 溶液，其包含鈷離子、一量的檸檬酸鹽、硼酸根離子、一 量的二甲胺基硼烷、及在鎢酸根離子和含磷化合物中至少 一者。舉例而言，含磷化合物可包括次磷酸鹽，諸如次磷 酸銨、次磷酸鈉、次磷酸鉀、或類似者。 方法300之步驟320係調整溶液之pH到介於約7.5 -12- 200818145 與約9.7之間。在一具體實例中，步驟3 20包括在施用該 溶液至基材之前，添加鹼劑至溶液中，其濃度介於約5重 量°/。與約1 5重量％之間。舉例而言，該鹼劑可爲氫氧化四 甲銨（TMAH ) 〔 ( CH3 ) 4NOH ]，氫氧化鉀（KOH )， 或類似者。 方法3 00之步驟3 3 0係調整溶液之溫度到介於約攝氏 6 0與約9 0度之間。 方法3 00之步驟3 40係施用溶液至基材上使得在基材 上無電沉積鈷合金膜。方法300之步驟3 40或另一步驟可 進一步包括施用磁場至基材表面，如上面關於方法200之 步驟240所說明者。 圖4爲一系統400之示意表出，其中可以使用本發明 一具體實例之材料。如圖4中所示者，系統4 0 0包括一板 41〇、沉積在板410上之記憶裝置420、沉積在板410上且 耦合該記憶裝置420之處理裝置43 0。處理裝置43 0包括 一用膜（在圖4中沒有顯示出）塗覆之基材（在圖4中也 沒有顯示出），該膜包含鈷、硼、及在鎢和磷（其在一具 體實例中可爲次磷酸銨、次磷酸鈉、次磷酸鉀、或類似者 之形式）中的至少一者。 舉例而言，該基材及膜可分別類似於基材1 5 0及材料 100，兩者皆爲圖1中所示者，使得在至少一具體實例中 ’該膜具有至少約1 0 0 μ 0 h m - c m之電阻率、至少約1 · 〇特 斯拉之飽和磁通量密度、不大於約0 . 〇 〇丨厄司特之矯頑磁 性、及至少約700之相對導磁率。 -13- 200818145 在一特別具體實例中，該膜具有約0.4微米之厚度及 約140 pOhm-cm之電阻率、至少約1.5特斯拉之飽和磁通 量密度、約〇·1厄司特之矯頑磁性、及介於約700與約 8 〇 〇間之相對導磁率。 雖然本發明業經參照具體實例予以說明過，不過諳於 此技者都瞭解者，可做出多種改變而不違離本發明旨意或 範圍。因此，本發明具體實例之揭示意欲用於示範說明本 發明範圍而無意具有限制性。本發明範圍意欲僅受限到後 附申請專利範圍所要求的程度。例如，諳於一般技藝者可 立即明白者，本文中所討論之材料、鍍槽、與相關方法及 系統可在多個具體實例中實施，且前述某些此等具體實例 之討論不一定代表所有可能具體實例之完全說明。 此外，效益、其他優點、及問題解法業經用針對特定 具體實例說明過。不過，可能引起任何效益、優點、或問 題解法發生或變成更明確的效益、優點、或問題解法、及 任何要素或多種要素，可不必詮釋爲申請專利範圍的任一 項或全部之關鍵性、需要性、或必要特點或要素。 再者，若本文中所揭示的諸具體實例及/或限制·· （ 1 )在申請專利範圍中沒有明確地主張；及（2 )在均等論 下爲或潛在地爲申請專利範圍中的明確要素及/或限制， 則在限制-貢獻原則（public dedication doctrine)之下該 具體實例及/或限制不獻給社會大眾。 【圖式簡單說明】 -14- 200818145 所揭示之具體實例從下面詳細-說曰月，配合所附圖式中 的圖形之硏讀可獲得更佳了解，其中： 圖】係根據本發明-具體實例的材料於經施加在底下 基材呈塗層或膜形式時之橫截面圖； 圖2係一流程圖，闡述根據本發明一具體實例的方法 導致可用於磁性及其他應用中之結構物； 圖3係一流程圖，闡述根據本發明一具體實例的一種 在基材上形成鈷膜之方法；且 圖4係於其中可以使用根據本發明具體實例的材料之 系統的示意表現。 【主要元件符號說明】 1 〇 〇 :材料 1 2 0 ·晶種層 1 50 :基材 4〇〇 :系統 4 1 0 :板 4 2 0 :記憶裝置 43 0 :處理裝置 -15-

Claims (1)

1. 200818145 十、申請專利範圍 1 · 一種材料，其包括： 銘、硼、及在鎢及磷中至少一者， 其中該材料具有·· ~介於約20與約1 000 Pohm-cm間之電阻率； 〜介於約0.1與約1 · 8特斯拉間之飽和磁通量密度 一小於約5厄司特之矯頑磁性；及 —介於約1 0 0與約2 0 0 0間之相對導磁率。 2 ·如申請專利範圍第1項之材料，其中： 該材料包括一塗佈一基材且具有約〇·4微米的厚度之 I ° 3 ·如申請專利範圍第1項之材料，其中： 該材料包含鎢及磷兩者。 4.如申請專利範圍第1項之材料，其中： 該電阻率係介於約50與約5 00 μΟΙιιη-cm之間。 5 ·如申請專利範圍第1項之材料，其中： 該飽和磁通量密度係介於約〇 . 5與約1 · 6特斯拉之間 6·如申請專利範圍第1項之材料，其中： 該矯頑磁性係介於約0.001與約2.0厄司特之間。 7 ·如申請專利範圍第1項之材料，其中： 該相對導磁率係介於約7〇〇與約1〇〇〇之間。 8 · —種鍍槽，其包含： -16- 200818145 一濃度介於約〇. 〇 1與約〇. 〇 5莫耳每升之間的主要金 屬， 一濃度介於約〇 . 1與約〇 . 5莫耳每升之間的錯合劑； 一濃度介於約0.001與約〇.〇5莫耳每升之間的次要金 屬， 一濃度介於約0.5與約1.0莫耳每升之間的pH緩衝 劑； 一濃度介於約〇 . 02與約0 . 1莫耳每升之間的第一還原 劑；及 一濃度介於約〇.〇2與約0.1莫耳每升之間的第二還原 劑。 9. 如申請專利範圍第8項之鍍槽，其中： 該鍍槽之pH級次係介於約7.5與約9.7之間。 10. 如申請專利範圍第8項之鍍槽，其中： 該鍍槽之溫度係介於攝氏約60度與約90度之間。 11. 如申請專利範圍第8項之鍍槽，其中： 該主要金屬包含處於（+2 )氧化態之鈷。 12. 如申請專利範圍第8項之鍍槽，其中： 該錯合劑包括檸檬酸鹽。 1 3 .如申請專利範圍第8項之鍍槽，其中： 該次要金屬包含鎢酸根。 14.如申請專利範圍第8項之鍍槽，其中： 該pH緩衝劑包含硼酸鹽。 1 5 ·如申請專利範圍第8項之鍍槽，其中： -17- 200818145 該第一還原劑包含次磷酸鹽。 1 6.如申請專利範圍第1 5項之鍍槽，其中： 該次磷酸鹽包括次磷酸銨。 17.如申請專利範圍第8項之鍍槽，其中： 該第二還原劑包含二甲胺基硼烷。 1 8 . —種方法，其包括： 提供一^種基材； 在該基材上形成一晶種層；及 在該晶種層上形成一膜使得該膜具有至少約1 Μ μ Ohm-cm之電阻率及至少約1 ·〇特斯拉之飽和磁通纛密度 〇 19·如申請專利範圍第1 8項之方法，其中： 該膜的形成包括形成一 Co WBP膜。 2 0 ·如申請專利範圍第1 9項之方法，其中： 該CoWBP膜具有不大於約〇〇〇1厄司特的矯頑磁性 及至少約700之相對導磁率。 2 1 ·如申請專利範圍第1 8項之方法，其中： 該晶種層的形成包括沉積一材料，該材料包含選自銅 、鈷、鎳、鉑、鈀、釕、鐵、及彼等的合金所組成的群組 中之物質。 2 2 ·如申請專利範圍第2 1項之方法，其中： 沉積該材料以形成晶種層之步驟包括使用蒸氣沉積法 沉積該材料。 23 .如申請專利範圍第18項之方法，其中·· -18- 200818145 該膜的形成包括無電沉積該膜。 2 4 .如申請專利範圍第1 8項之方法，其進一步包括 施加一磁場至該基材之表面。 2 5 .如申請專利範圍第2 4項之方法，其中·· 該磁場的施加包括平行於或實質平行於該基材之表面 施加該fe場且該磁場具有大於約1 0 0厄司特之弹度。 2 6 ·如申請專利範圍第2 5項之方法，其中： 該磁場施加包括施加強度介於約5 0 〇與約1 〇 〇 〇厄司 特之間的磁場。 2 7. —種在基材上形成鈷合金膜之方法，該方法包括 提供一溶液，其包含： 一鈷離子； 一量的檸檬酸鹽； 一硼酸根離子； 一量的二甲胺基硼院；和 鎢酸根離子和含磷化合物中至少一者；及 施加該溶液於該基材使得在該基材上無電沉積該鈷合 金膜。 2 8·如申請專利範圍第2 7項之方法，其進一步包括 調整該溶液之p Η到介於約7 · 5與約9.7之間；及 調整該溶液之溫度至介於攝氏約6 0及約9 0度之間。 -19- 200818145 29.如申請專利範圍第28項之方法，其中： 調整溶液pH之步驟包括在將該溶液施用至該基材 前，添加濃度介於約5重量％與約1 5重量％之間的驗劑於 該溶液。 3 0 . —種系統，其包括： 一板； 一沉積在該板上之記億裝置；及 一沉積在板上且耦合於該記憶裝置之處理裝置，其中 該處理裝置包括一用包含鈷、硼、及在鎢和磷中至少〜者 的膜塗覆之基材， 其中該膜具有： 一至少約100 pOhm-cm之電阻率； 一至少約1.0特斯拉之飽和磁通量密度； 一小於約5厄司特之矯頑磁性；及 —至少約700之相對導磁率。 3 1 ·如申請專利範圍第3 0項之系統，其中： 該膜具有約0.4微米之厚度； ^電阻率爲約14〇 p〇hm-cm ; 該飽和磁通量密度爲約1 · 5特斯拉； 該矯頑磁性爲約〇. 1厄司特；且 該相對導磁率係介於約700及約800之間。 -20-