Abstract
本實驗首先開發出軟鐵磁高熵合金薄膜，希望能夠整合在標準的VLSI製程中，應用成為高頻用鐵磁微電感。由合金設計開始，以 Fe、Co、Ni總和介於 70-89 at% 為基礎，添加其他元素改質並使用真空電弧熔煉製作塊材，研究其微結構及鐵磁性質。結果發現軟磁高熵合金塊材的微結構大致呈現簡單的BCC或FCC相，或兩相共存的現象，純粹具BCC相的合金擁有較佳的軟磁性質。在飽和磁束密度方面磁性元素Ni的添加反而不如Al，依添加元素對磁性質優劣的影響的排列為 Al > Si > Nb > Cr > (Sn、Cu)>(Zr、Ta) 。此外，更選取 Fe42Co37Ni10Al5B6 、Fe40Co35Al5Ni5Cr5Si10 兩種磁性表現較佳的成分，以射頻單槍磁控濺鍍系統在不同的鍍膜功率40W、53W、65W下沈積鐵磁薄膜。FeCoNiAlB在40W 功率下可以得到非晶質相，鍍膜功率升高，在初鍍膜即有奈米晶粒粒出現，53W 及65W 則得到奈米晶粒BCC相，晶粒尺寸愈大。在初鍍膜狀態下平行膜面的各方向皆為磁等相性，且軟磁性質表現不佳，然而經由場退火處理即出現了平行膜面的單軸異向性，矯頑磁場降低。40W非晶質態的FeCoNiAlB薄膜，300℃場退火得磁異向性，400 ℃以上退火後因α-BCC相組成改變意向性不在出現且磁性質變差。65W 下沈積的奈米晶粒FeCoNiAlB薄膜經退火處理幾乎沒有晶粒成長現象，在 400 ℃退火可產生磁異向性，電阻率為 250 μΩ-cm。FeCoNiAlCrSi薄膜在不同功率的初鍍膜狀態下即呈現BCC相之奈米晶粒結構，晶粒尺寸及飽和磁化量皆隨鍍膜功率增加而增加。在初鍍膜狀態下平行膜面的各方向皆為磁等相性，且軟磁性質表現不佳，然而經由場退火處理出現了平行膜面的單軸異向性，矯頑磁場降低。鍍膜功率 40 W 時的FeCoAlNiCrSi 薄膜熱穩定性最佳，場退火溫度500℃仍可產生平行膜面的單軸異向性，此時電阻率仍 > 350μΩ-cm。鍍膜功率53W、65W 的FeCoAlNiCrSi薄膜不僅在場退火溫度100 ℃ 下即能產生單軸異向性，此時難軸的矯頑場 < 2Oe，而且在400 ℃ 仍有明顯的單軸異向性生成，電阻率>180μΩ-cm。為證明此兩合金在電感及品質因子的表現，以VLSI製程製作軟磁高熵合金薄膜電感並量測之。FeCoNiAlB 薄膜，採鍍膜功率 53 W，場退火300 ℃ 的條件，此時飽和磁化量約1000 emu/cc，難軸的矯頑場約 5Oe，單軸異向性場強度約 25 Oe，電阻率 420 μΩ-cm，理論鐵磁共振頻率1.44 GHz﹔而 FeCoAlNiCrSi 薄膜，採鍍膜功率53 W，場退火200 ℃的條件，此時薄膜的飽和磁化量約 900 emu/cc，難軸的矯頑場約 2 Oe，單軸異向性場強度約 20 Oe，電阻率 350 μΩ-cm，理論鐵磁共振頻率約1.34GHz，量測結果顯示在f =800MHz時FeCoNiAB鐵磁薄膜電感較空氣電感增加的電感值增加了32%，Q 值增加了47% ； FeCoNiAlCrSi鐵磁薄膜電感較空氣電感增加的電感值增加了14%，Q值增加了90%。因而高熵合金軟磁薄膜有潛力整合於VLSI之製程上並改善電感及品質因子。