DE4117878C2

DE4117878C2 - Planares magnetisches Element

Info

Publication number: DE4117878C2
Application number: DE4117878A
Authority: DE
Inventors: Tetsuhiko Mizoguchi; Toshiro Sato; Masashi Sahashi; Michio Hasegawa; Hiroshi Tomita; Atsuhito Sawabe
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1990-05-31
Filing date: 1991-05-31
Publication date: 1996-09-26
Anticipated expiration: 2011-06-01
Also published as: KR910020756A; KR960006848B1; DE4117878A1; US5583474A; US6404317B1; US5801521A; US6593841B1

Description

Die Erfindung betrifft ein planares magnetisches Element, wie beispielsweise eine planare Induktionsspule oder einen planaren Transformator.

In den vergangenen Jahren wurden verschiedene Typen elek trischer Anlagen und Bauelemente miniaturisiert. Magneti sche Elemente, wie zum Beispiel Spulen und Transformatoren, die für eine Stromversorgung einer elektrischen Anlage un erläßlich sind, können weder verkleinert noch mit übrigen Schaltungsbauteilen integriert werden, wohingegen die übri gen Teile der Schaltung erfolgreich in Form von integrier ten Großschaltkreisen (LSI) verkleinert werden konnten. Deshalb ist das Volumenverhältnis des Stromversorgungsteils gegenüber den anderen Schaltungsteilen insgesamt unvermeid lich vergrößert worden.

Um die Abmessungen von magnetischen Elementen, wie bei spielsweise Induktionsspulen und Transformatoren, zu ver ringern, wurde versucht, kleine planare Induktivitäten und planare Transformatoren herzustellen.

Eine her kömmliche planare Induktivität enthält eine planare Spule, zwei die Spule einfassende Isolierschichten sowie zwei Ma gnetplatten, welche die Spule und die Isolierschichten ein schließen. Ein herkömmlicher planarer Transformator enthält zwei planare spiralförmige Spulen, die als Primär- bezie hungsweise als Sekundärwicklungen dienen, zwei diese Spulen sandwichartig einschließende Isolierschichten sowie zwei Magnetschichten, welche die Spulen und die Isolierschichten sandwichartig einschließen. Die planaren Spiralspulen, die in die Induktivität und in den Transformator eingebaut sind, sind von einem zweier möglicher Typen. Der erste Typ wird durch einen spiralförmigen Leiter gebildet. Der zweite Typ enthält eine Isolierschicht und zwei spiralförmige Lei ter, die auf den beiden Hauptebenen der Isolierschicht an gebracht sind, um Magnetfelder zu erzeugen, die sich in dieselbe Richtung erstrecken.

Derartige planare Elemente sind beschrieben in dem Aufsatz von K. Yamasawa: High-Frequency of a Planar-Type Micro transformer and its Application to Multilayered Switching Regulators, IEEE, Trans. Mag., Band 26, Nr. 3, Mai 1990, Seiten, 1204-1209. Wie in diesem Aufsatz erläutert ist, be sitzen die planaren Elemente einen hohen Leistungsverlust. Ähnliche planare magnetische Elemente sind auch in der US 4803609 beschrieben. Weiterhin wird auf DE 31 35 962 A1, EP 0310396 A1, EP 0361967 A1, DE-OS 25 49 670 und US 3833872 hingewiesen.

Es wurde vorgeschlagen, zur Miniaturisierung dieser plana ren magnetischen Elemente die Dünnschichttechnik einzuset zen.

Planare Induktivitäten mit dem oben angegebenen Aufbau müs sen einen ausreichenden Gütekoeffizienten Q in dem Fre quenzband aufweisen, für welches sie eingesetzt werden. Planartransformatoren des oben beschriebenen Aufbaus müssen eine vorbestimmte Verstärkung G haben, die zum Anheben der Eingangsspannung größer als 1 und zum Erniedrigen der Ein gangsspannung kleiner als 1 ist, und sie müssen außerdem Spannungsschwankungen minimieren. Der Wert Q einer planaren Induktivität ist:

Q = H L/R

wobei R der Widerstand der Spule und L der Induktivitäts wert der Induktionsspule ist.

Die Spannungsverstärkung G eines planaren Transformators ohne Last lautet:

G = k(L₂/L₁)^1/2{Q/(1+Q²)^1/}

wobei k der Kopplungsfaktor zwischen Primär- und Sekundär wicklung ist, L₁ und L₂ die Induktivitäten der Primär- be ziehungsweise Sekundärwicklung sind, der Gütekoeffizient Q sich aus H L₁/R₁ berechnet und R₁ der Widerstand der Pri märwicklungsspule ist. Die Verstärkung G ist praktisch pro portional zu Q, falls Q « 1, während sie einen konstanten Wert k (L₂/L₁)^1/2 hat, wenn Q » 1.

Zum Erhöhen der Gütezahl Q der Induktivität sowie zum Erhö hen der Verstärkung G des Transformators zur Begrenzung der Spannungsschwankung ist es notwendig, den Widerstand der Spule soweit wie möglich zu reduzieren und gleichzeitig de ren Induktivität heraufzusetzen. Bei den herkömmlichen pla naren magnetischen Elementen, die in Dünnschichttechnik hergestellt sind, können allerdings die Spulenleiter, die in einer Ebene ausgeführt werden müssen, keine große Quer schnittsfläche besitzen. Deshalb können diese Elemente nur einen sehr hohen Widerstand und eine sehr kleine Induktivi tät aufweisen. Folglich besitzt die herkömmliche planare Induktivität eine unzureichende Gütezahl Q, während der herkömmliche planare Transformator oder Übertrager eine un zureichende Verstärkung G und eine große Spannungsschwan kung aufweist. Diese Nachteile herkömmlicher planarer ma gnetischer Elemente waren bislang ein Hindernis dafür, daß diese Elemente in der Praxis eingesetzt wurden.

Von den planaren Spulen, die in planaren Induktivitäten verwendet werden können, werden die spiralförmigen Spulen am meisten bevorzugt, weil sie eine große Induktivität und eine hohe Gütezahl Q aufweisen. Planare Induktivitäten mit jeweils einer spiralförmigen planaren Spule wurden herge stellt, und ein Beispiel für eine solche Induktivität ist in Fig. 1 skizziert. Gemäß Fig. 1 enthält die planare In duktivität eine die Form einer quadratischen Platte anneh mende spiralförmige, planare Spule, zwei diese Spule sand wichartig einfassende Polyimidschichten und zwei die Spule und die Polyimidschichten sandwichartig einschließende Bän der aus einer amorphen Legierung auf Co-Basis. Diese Bänder werden hergestellt durch Ausschneiden einer auf Co-Basis hergestellten amorphen Legierungsfolie, die durch eine schroffe Abschreckkühlung der geschmolzenen Legierung her gestellt wird. Diese planare Induktivität ist in eine Aus gangs-Drosselspule eingebaut, die in einem in 5 V/2 W Gleichstromwandler mit Abwärtstransformierung vom Zer hackertyp verwendet wird, wie er von N. Sahashi u. a. be schrieben ist in Amorphas Planar Inductor for Small Power Supplies, the National Convention Record, Institute of Electrical Engineers of Japan 1989, s. 18 - 5-3. Wie aus der grafischen Darstellung in Fig. 2A ersichtlich ist, fließen durch diese Drosselspule zwei Ströme. Der erste Strom ist ein Gleichstrom, welcher dem Laststrom ent spricht. Der zweite Strom ist ein Wechselstrom, der durch den Betrieb eines Halbleiterschalters erzeugt wurde. Wenn der Gleichstrom zunimmt, verschiebt sich der Arbeitspunkt des weichmagnetischen Kerns in den Sättigungsbereich der B- H-Kurve. Im Ergebnis verringert sich die magnetische Per meabilität der magnetischen Legierung, wodurch die Indukti vität abrupt abnimmt, wie in Fig. 2B gezeigt. Wie aus Fig. 3 ersichtlich, wird der Wechselstrom beim scharfen Abfall des Induktivitätswerts zu groß. Dieser übermäßige Wechsel strom stellt eine Belastung für den Halbleiterschalter dar, der in einigen Fällen möglicherweise sogar zerstört wird.

Es ist erwünscht, daß die elektrische Eigenschaft der Dros selspule, so zum Beispiel deren Induktivität, auch dann un verändert bleibt, wenn durch die Spule ein überlagerter Gleichstrom fließt. Fig. 4 ist eine grafische Darstellung, die den Verlauf eines typischen überlagerten Gleichstroms in der Spule darstellt, wobei die Beziehung zwischen dem Induktivitätswert einer Spule und einem durch diese Spule fließenden überlagerten Gleichstrom dargestellt ist.

Im Fall eines planaren Induktors ist die leitende Spule sehr nahe bei den weichmagnetischen Kernen und erzeugt mithin ein intensives Magnetfeld auch dann, wenn der durch die Spule fließende Strom ziemlich schwach ist. Damit gehen die weichmagnetischen Kerne sehr leicht in magnetische Sät tigung. Es wird erläutert, wie eine solche magnetische Sät tigung beispielsweise in einer planaren Induktivität ein tritt, die eine spiralförmige planare Spule aus einer Al- Cu-Legierung, zwei die Spule einschließende Isolierschich ten und zwei die Spule und die Isolierschichten zusammen klammernde Magnetschichten aufweist.

Die planare Spule dieser planaren Induktivität besteht aus einem Leiter mit einer Breite von 50 µm und einer Dicke von 10 µm. Die Spule besitzt 20 Windungen, wobei die Lücke zwi schen jeweils zwei benachbarten Windungen 10 µm beträgt. Jede Isolierschicht hat eine Dicke von 10 µm, während jede Magnetschicht eine Dicke von 5 µm aufweist. Die planare Spule hat eine magnetische Sättigungsflußdichte B_s von 15 kG und eine magnetische Permeabilität µ_s von 5000.

Wenn man annimmt, daß der Al-Cu-Leiter eine zulässige Stromdichte von 5×10⁸ A/m² besitzt, so beträgt der zuläs sige Strom Imax 250 mA. Die Anmelderin hat die planare In duktivität geprüft, um die Beziehung zwischen dem durch die Spule fließenden Strom und der Stärke des Magnetfelds, das in der Oberfläche der magnetischen Schicht aus dem Strom erzeugt wird, zu bestimmen. Die Prüfungsergebnisse zeigten, daß beide Magnetschichten magnetisch gesättigt waren, als der Strom durch die Al-Cu-Spule 48 mA und mehr betrug. Hieraus folgt, daß, wenn eine solche planare Induktivität als Drosselspule verwendet wird, der maximale überlagerte Gleichstrom auf 48 mA begrenzt ist. Dieser Wert ist nicht mehr als etwa ein Fünftel des zulässigen Spulenstroms Imax. Die Magnetschichten gehen unvermeidlich leicht in die ma gnetische Sättigung.

Der begrenzte überlagerte Gleichstrom ist ein Nachteil, der nicht nur in der als Drosselspule verwendeten planaren In duktivität gravierend ist, sondern auch in einem planaren Transformator. In einem planaren Transformator, der zum Beispiel in einem DC-DC-Umrichter für die Spannungsüberset zung oder die Zeilenablenkung eingesetzt ist, wird eine im pulsförmige Spannung einer Polarität an die Primärspule ge legt. Die magnetischen Schichten werden dadurch magnetisch gesättigt, wodurch die Induktivität des Transformators ab rupt abnimmt.

Folglich wurden Versuche unternommen, eine planare Indukti vitätsspule und einen planaren Transformator zu schaffen, die derart ausgebildet sind, daß der Einfluß der Sättigung der magnetischen Schichten reduziert ist, um auf diese Weise den maximalen überlagerten Gleichstrom des Bauele ments, welches die planare Induktivität oder den planaren Transformator enthält, zu erhöhen und wirksamen Nutzen aus der magnetischen Anisotropie der Magnetschichten zu ziehen.

Planare Spulen lassen sich in verschiedene Typen untertei len, so zum Beispiel gibt es den Zick-Zack-Typ, den Spiral typ, den Zick-Zack/Spiraltyp und dergleichen, abhängig von dem jeweiligen Muster der Spule. Von diesen Typen kann der Spiraltyp den größten Induktivitätswert besitzen. Folglich läßt sich eine spiralförmige Planarspule kleiner ausbilden als jeder andere Spulentyp mit dem gleichen Induktivitäts wert. Um die Anschlüsse der spiralförmigen Planarspule zu bilden, ist es allerdings notwendig, zwei in verschiedenen Ebenen befindliche Spiralspulen mit Hilfe einer Durchkon taktierung zu verbinden, oder Leiter zu verwenden, mit denen die Anschlüsse nach außen geführt sind. Der Herstel lungsprozeß einer spiralförmigen Planarspule ist allerdings komplexer als die Herstellung anderer Typen von Planarspu len.

Für die Gestalter elektronischer Schaltungen ist es wün schenswert, daß planare magnetische Elemente in eine Schal tung eingebaut werden, die eine sogenannte "Trimm-Funktion" besitzen, das heißt die Möglichkeit bieten, daß die Eigen schaften und Kennwerte der Elemente auf für die Schaltung geeignete Werte einstellbar sind. In der Tat wurde bereits auch ein magnetisches Element mit einer solchen "Trimm- Funktion" entwickelt. Dieses Bauelement besitzt eine Schraube, die durch Drehen ihre Lage bezüglich des Kerns der Spule verändert, um auf diese Weise den Induktivitäts wert des magnetischen Elements kontinuierlich zu ändern. Allerdings haben die meisten herkömmlichen planaren magne tischen Elemente keine "Trimm-Funktion", und zwar aus fol gendem Grund:
Wie bekannt, hängen die Kennwerte von planaren magnetischen Elementen in starkem Maß von den strukturellen Parametern und den Kennwerten der planaren Spulen und magnetischen Schichten ab. Diese die Kennwerte der magnetischen Elemente bestimmenden Faktoren hängen ab von den Herstellungsschrit ten der Elemente. Da diese Schritte kaum unter identischen Bedingungen durchgeführt werden können, schwanken die Ei genschaften der sich ergebenden Bauelemente stark. Es ist wünschenswert, daß die Elemente mit der "Trimm- Funktion" ausgestattet sind.

Ein Transformator mit hoher Ausgangsleistung ist offenbart in A.F. Goldberg u. a., Issues Related to 1-10-MHz Transfor mer Design, IEEE Transactions Power Electronics, Band 4, Nr. 1, Januar 1989, Seiten 113-123.

Wie oben ausgeführt ist, wurden bislang keine planaren ma gnetischen Elemente produziert, die klein genug sind, um mit anderen Schaltungselementen integriert werden zu kön nen, so daß es nicht möglich ist, in der Praxis ausreichend kleine integrierte LC-Schaltungsabschnitte herzustellen, wobei der Stromversorgungsteil ein Beispiel ist.

Da die mehrschichtigen planaren Induktivitäten im wesentli chen einen offenen Magnetkreis besitzen, ist es schwierig, folgenden beiden Erfordernissen zu genügen:

(1) Sie besitzen keine Leckflüsse und beeinflussen nur ge ringfügig die anderen Bauteile der integrierten Schaltung (IC), in die sie eingebaut sind.
(2) Sie haben einen hohen Induktivitätswert.

Deshalb können mehrschichtige planare Induktivitäten nicht zur Schaffung ausreichend kleiner, integrierter LC-Schal tungsabschnitte, zum Beispiel eines Stromversorgungsteils, dienen.

Dementsprechend besteht noch ein starker Bedarf an planaren magnetischen Elementen zur Verwendung in einem Schaltungsab schnitt, welche die übrigen Komponenten der Schaltung wenig beeinflussen. Die herkömmlichen planaren magnetischen Ele mente besitzen praktisch keine "Trimm-Funktion" aufgrund der ihnen eigenen strukturellen Beschränkungen.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein planares magnetisches Element zu schaffen, welches bei einer ausreichend großen Induktivität klein genug ist, um mit elektrischen Elementen anderer Typen zusammen integriert zu werden, das einen hohen Gütekoeffizienten Q und nur geringe Leckflüsse aufweist und sich außerdem durch eine gute Hochfrequenz-Kennlinie und überlagerte Gleichstrom-Kennlinie auszeichnet. Die Anschlüsse sollen leicht nach außen zu leiten sein.

Schließlich sollen durch eine Trimm-Funktion die elektri schen Kennwerte von außen eingestellt werden können.

Die Erfindung ist durch die Merkmale der unabhängigen An sprüche 1, 2, 3, 21, 34 und 35 gegeben. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind den übrigen Ansprüchen zu entnehmen.

Ein erster Aspekt der Erfindung (Anspruch 1) befaßt sich mit einem Lücken-Geometrieverhältnis (das heißt dem Verhältnis der Breite h des Leiters bezüglich der Lücke b zwischen den Leitern). Es soll mindestens 1 sein. Die Spule gemäß An spruch 1 besitzt einen relativ niedrigen Widerstand und damit einen hohen Gütekoeffizienten Q, wenn sie als Induk tionsspule verwendet wird. Sie besitzt bei Verwendung als Transformator eine hohe Verstärkung.

Ein zweiter Aspekt der Erfindung (Anspruch 21) befaßt sich mit einem Leiter-Geometrieverhältnis (das heißt dem Verhält nis der Breite des Leiters zu dessen Dicke). Es soll minde stens 1 sein.

Hierzu sollte beachtet werden, daß, wenn dieses Element als Induktivität eingesetzt wird, seine Leistungsfähigkeit durch den zulässigen Strom und den Induktivitätswert be stimmt wird. Der zulässige Strom wiederum bestimmt sich durch die Querschnittsfläche des Leiters. Damit läßt sich der zulässige Strom dadurch erhöhen, daß man den Leiter breiter macht. Wenn der Leiter breiter gemacht wird, ist es jedoch unvermeidbar, eine größere Fläche in der Ebene zu belegen, was dem Erfordernis zuwiderläuft, das planare ma gnetische Element zu miniaturisieren. Andererseits läßt sich die Induktivität des planaren magnetischen Elements in der Tat dadurch erhöhen, daß man den Leiter mehrere Male umbiegt und so eine Spule mit mehreren Windungen bildet. Je mehr Windungen, desto größer die Fläche, die von der Spule belegt wird. Dies läuft ebenfalls dem Erfordernis der Mi niaturisierung zuwider. Das erfindungsgemäße planare magne tische Element kann einen ausreichend starken zulässigen Strom aufweisen, da der Leiter ein Geometrieverhältnis von mindestens 1 aufweist.

Gemäß einem dritten Aspekt der Erfindung (Anspruch 3) wird eine mehrschichtige planare Induktivität geschaffen, die eine spi ralförmige planare Spule und diese planare Spule sandwich artig einschließende magnetische Elemente aufweist. Die ma gnetischen Elemente besitzen eine Breite w, die um einen Wert von mehr als 2α größer ist als die Breite a₀ der spi ralförmigen planaren Spule. Es sei angemerkt, daß der Wert α gleich [µ_s g t/2]^1/2 beträgt, wobei µ_s die relative Per meabilität der magnetischen Elemente ist, t die Dicke der magnetischen Elemente ist, und g der Abstand zwischen den magnetischen Elementen ist. Da w a₀ + 2α, besitzt diese planare Induktivität einen großen Induktivitätswert. Wenn beispielsweise w = a₀ + 2α, so ist die Induktivität minde stens um das 1,8-fache größer als im Fall w = a₀. Die pla nare Induktivität hat nicht nur einen großen Induktivitäts wert, sondern außerdem einen kleinen Leckfluß. Diesbezüglich eignet sich die planare Induktivität als Element zur Ver wendung in einer integrierten Schaltung, um die elektroni schen Bauelemente dünner zu gestalten.

Gemäß einem vierten Aspekt der Erfindung (Anspruch 2) weisen die magnetischen Schichten eine uniaxiale magnetische Aniso tropie auf. Das planare magnetische Element hat eine hervor ragende Kennlinie bei Überlagerung eines Gleichstroms und im Hochfrequenzbereich, und ferner einen großen Gütekoeffizien ten Q. Es eignet sich zur Verwendung in Hochfrequenz-Schalt kreisen, zum Beispiel in Gleichspannungswandlern. Außerdem kann das Element klein gebaut und mit anderen elektrischen Elementen anderer Typen integriert werden, um eine inte grierte Schaltung zu bilden.

Gemäß einem fünften Aspekt der Erfindung (Anspruch 34) ent hält die planare Spule mehrere, jeweils eine Windung auf weisende planare Spulen, die in derselben Ebene angeordnet sind und verschiedene Größen haben, wobei jede Spule einen Außenanschluß besitzt. Dieses planare magnetische Element kann einfach an eine externe Schaltung elektrisch ange schlossen werden und läßt sich durch externe Mittel trimmen, um die elektrischen Kennwerte einzustellen. Damit eignet sich das Element sehr gut zur Verwendung in einem Gleich stromwandler vom Zerhackertyp mit Aufwärtstransformierung, in Resonanz-Gleichstromwandlern und in sehr dünnen HF-Schal tungen zur Verwendung in Pagern.

Gemäß einem sechsten Aspekt der Erfindung (Anspruch 35) umgibt die magnetische Schicht die leitende Schicht und bildet so einen geschlossenen magnetischen Kreis. Der in die Leiter schicht fließende Strom magnetisiert die magnetische Schicht in der Richtung des geschlossenen magnetischen Kreises. Dieses planare magnetische Element besitzt einen geringen Leckfluß und hohe Stromaufnahmefähigkeit. Es kann deshalb dazu dienen, elektronische Geräte dünner zu gestal ten, wenn es in derartigen Geräten eingesetzt wird.

Die oben beschriebenen erfindungsgemäßen planaren magnetischen Elemente können nicht nur sehr klein ausgebildet werden, sondern besitzen auch verbesserte Eigenschaften, wie sie allgemein für magnetische Elemente, wie Induktionsspulen, gefordert werden.

Die planaren Induktivitäten und Transformatoren gemäß der Erfindung sind klein und können auf einem Halbleitersubstrat ausgebildet werden. Sie lassen sich deshalb mit aktiven Elementen (zum Beispiel Transistoren) und mit passiven Elementen (zum Beispiel Wi derständen und Kondensatoren) integrieren, um mit diesen Elementen ein aus einem Chip bestehendes Halbleiterbauele ment zu bilden. In anderen Worten: sie dienen zur Schaffung von klein bemessenen elektronischen Bauelementen, die Induk tivitäten und Transformatoren enthalten. Zusätzlich lassen sich die planaren Induktivitäten und Transformatoren gemäß der Erfindung mit Hilfe existierender Mikro-Technik her stellen, wie sie allgemein bei der Herstellung von Halblei terbauelementen zum Einsatz gelangt.

Im folgenden werden Ausführungsbeispiele der Erfindung an hand der Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine auseinandergezogene Darstellung einer herkömm lichen planaren Induktivität mit amorphen magneti schen Bändern und quadratischen, spiralförmigen Planar-Spulen;

Fig. 2A und 2B die Strom-Wellenformen des durch die Aus gangs-Drosselspulen herkömmlicher Gleichstromwand ler fließenden Stroms;

Fig. 3 eine grafische Darstellung der B-H-Kurve des in Fig. 1 dargestellten weichmagnetischen Kerns;

Fig. 4 eine grafische Darstellung der Überlagerungs- Gleichstrom-Kennlinie der in Fig. 1 dargestellten planaren Induktivität;

Fig. 5 bis 11 Diagramme und grafische Darstellungen, die zum Erläutern des ersten Aspekts der Erfindung die nen;

Fig. 5 eine auseinandergezogene Darstellung einer planaren Induktivität gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung;

Fig. 6 eine Schnittansicht, die schematisch die planare Induktivität gemäß Fig. 5 darstellt;

Fig. 7 eine Draufsicht auf einen planaren Transformator gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung;

Fig. 8 eine Schnittansicht, die den planaren Transformator gemäß Fig. 7 zeigt;

Fig. 9 eine grafische Darstellung der Beziehung zwischen dem Lücken-Geometrieverhältnis der Induktivität ge mäß Fig. 5 und deren Spulenwiderstand und deren In duktivitätswert;

Fig. 10 eine grafische Darstellung der Beziehung zwischen dem Lücken-Geometrieverhältnis der Induktivität nach Fig. 5 bezüglich deren L/R-Wert;

Fig. 11 eine grafische Darstellung der Beziehung zwischen dem Lücken-Geometrieverhältnis des Transformators gemäß Fig. 7 und dessen Verstärkung;

Fig. 12A bis 22 Diagramme und Grafen zum Veranschaulichen und Erläutern des zweiten Aspekts der Erfindung;

Fig. 12A eine auseinandergezogene Darstellung eines magne tischen Elements gemäß dem ersten und dem zweiten Aspekt der Erfindung, welches nicht nur ein hohes Leiter-Geometrieverhältnis, sondern auch ein hohes Lücken-Geometrieverhältnis aufweist;

Fig. 12B eine Schnittansicht entlang der Linie 12B-12B in Fig. 12A;

Fig. 13A bis 13D und Fig. 14 Diagramme, die zeigen, wie un ter den Windungen des Spulenleiters in dem in Fig. 12A und 12B gezeigten magnetischen Element Hohl räume ausgebildet werden;

Fig. 15 eine perspektivische Darstellung eines planaren Kondensators gemäß dem zweiten Aspekt der Erfin dung, der als Kondensator mit parallelen Elektroden ausgebildet ist;

Fig. 16 eine grafische Darstellung der Abhängigkeit des Wertes C/C_o des in Fig. 15 dargestellten planaren Kondensators von dem Wert k;

Fig. 17 eine Schnittansicht eines magnetischen Elements ge mäß dem zweiten Aspekt der Erfindung, welches eine einzelne planare Spule enthält;

Fig. 18 eine Schnittansicht eines magnetischen Elements ge mäß dem zweiten Aspekt der Erfindung, welches meh rere planare, zusammenlaminierte Spulen aufweist;

Fig. 19A und 19B Draufsichten auf zwei modifizierte Ausfüh rungsformen der in dem magnetischen Element gemäß Fig. 17 und 18 verwendeten planaren Spulen;

Fig. 20 eine Schnittansicht eines magnetischen Elements ge mäß dem zweiten Aspekt der Erfindung, umfassend eine planare Spule, ein Substrat und eine Binde schicht zwischen der Spule und dem Substrat;

Fig. 21 eine Schnittansicht eines Mikro-Transformators ge mäß dem zweiten Aspekt der Erfindung;

Fig. 22 ein Diagramm, welches zwei Typen von planaren Spu len gemäß dem zweiten Aspekt der Erfindung auf weist;

Fig. 23 bis 28 Diagramme und grafische Darstellungen, die den dritten Aspekt der Erfindung darstellen und er läutern;

Fig. 23 und 24 auseinandergezogene Darstellungen zweier Ty pen von Induktivitäten gemäß dem dritten Aspekt der Erfindung;

Fig. 25A bis 25C Schnittansichten der in Fig. 23 darge stellten Induktivität, um zu veranschaulichen, wie aus der Induktivität magnetische Flüsse lecken;

Fig. 26 ein Diagramm zum Veranschaulichen der Verteilung des Magnetfeldes an den Enden der planaren Spiral spule in der in Fig. 23 gezeigten Induktivität;

Fig. 27 eine grafische Darstellung der Beziehung zwischen der Breite w der Magnetglieder in der Induktivität nach Fig. 23 und dem Lecken der Magnetflüsse;

Fig. 28 eine grafische Darstellung der Beziehung zwischen der Breite w der Magnetglieder in der Induktivität nach Fig. 23 und dem Induktivitätswert der Indukti vität;

Fig. 29 bis 48 Diagramme und grafische Darstellungen zum Erläutern des vierten Aspekts der Erfindung;

Fig. 29 eine auseinandergezogene Darstellung einer ersten planaren Induktivität, die gemäß dem vierten Aspekt der Erfindung eine uniaxiale magnetische Anisotro pie besitzt;

Fig. 30 ein Diagramm zum Veranschaulichen der Beziehung zwischen der Richtung des Magnetfelds, das von der in der Induktivität (Fig. 29) verwendeten Spule er zeugt wird, und der Achse der leichten Magnetisie rung der magnetischen Kerne;

Fig. 31 eine grafische Darstellung der Magnetisierungskurve in der Achse leichter Magnetisierung der Induktivi tät (Fig. 29) und einer Magnetisierungskurve in der Achse der harten Magnetisierung der Magnetkerne;

Fig. 32A ein Diagramm der Verteilung der Magnetflüsse in solchen Bereichen der in der Induktivität (Fig. 29) verwendeten magnetischen Elemente, in denen sich das Magnetfeld parallel zu der Achse leichter Ma gnetisierung erstreckt;

Fig. 32B ein Diagramm der Verteilung der Magnetflüsse in solchen Bereichen der in der Induktivität (Fig. 29) verwendeten magnetischen Elemente, in denen sich das Magnetfeld in rechten Winkeln zu der Achse der leichten Magnetisierung erstreckt;

Fig. 33 eine auseinandergezogene Darstellung einer zweiten planaren Induktivität gemäß dem vierten Aspekt der Erfindung;

Fig. 34 eine grafische Darstellung der Überlagerungs- Gleichstrom-Kennlinie der in Fig. 33 dargestellten planaren Induktivität;

Fig. 35 eine auseinandergezogene Darstellung einer modifi zierten Form der in Fig. 33 dargestellten planaren Induktivität;

Fig. 36 eine auseinandergezogene Darstellung, die eine dritte planare Induktivität gemäß dem vierten Aspekt der Erfindung veranschaulicht;

Fig. 37 eine grafische Darstellung der Überlagerungs- Gleichstrom-Kennlinie der in Fig. 36 gezeigten pla naren Induktivität;

Fig. 38 eine auseinandergezogene Darstellung einer vierten planaren Induktivität gemäß dem vierten Aspekt der Erfindung;

Fig. 39 eine perspektivische Ansicht der Oberflächenstruk tur der magnetischen Schicht, die in die Induktivi tät gemäß Fig. 38 eingebaut ist;

Fig. 40 eine grafische Darstellung der Beziehung zwischen den Parametern der Oberflächenstruktur der magneti schen Schicht der Induktivität (Fig. 38) und des zweiten Terms der Uk definierenden Formel;

Fig. 41 eine grafische Darstellung der Überlagerungs- Gleichstrom-Kennlinie der in Fig. 38 gezeigten pla naren Induktivität;

Fig. 42A eine grafische Darstellung einer Magnetisierungs kurve in der Achse leichter Magnetisierung der In duktivität (Fig. 38) und einer Magnetisierungskurve in der Achse harter Magnetisierung des magnetischen Materials,

Fig. 42B eine grafische Darstellung der Beziehung zwischen Permeabilität und Frequenz in der Achse leichter Magnetisierung, und auch der Beziehung zwischen Permeabilität und Frequenz in der Achse harter Ma gnetisierung,

Fig. 43A und 43B eine Draufsicht beziehungsweise eine Schnittansicht einer fünften planaren Induktivität gemäß dem vierten Aspekt der Erfindung;

Fig. 44 eine Draufsicht einer modifizierten Form der in den Fig. 34A und 43B dargestellten planaren Induktivi tät;

Fig. 45 eine Draufsicht auf eine sechste planare Induktivi tät gemäß dem vierten Aspekt der Erfindung;

Fig. 46A und 46B eine Draufsicht beziehungsweise eine Schnittansicht eines weiteren Typs einer planaren Induktivität gemäß dem vierten Aspekt der Erfin dung;

Fig. 47A und 47B eine Draufsicht beziehungsweise eine Schnittansicht einer siebten planaren Induktivität gemäß dem vierten Aspekt der Erfindung;

Fig. 48A und 48B eine Draufsicht beziehungsweise eine Schnittansicht einer achten planaren Induktivität gemäß dem vierten Aspekt der Erfindung,

Fig. 49 bis 61 Diagramme und grafische Darstellungen zum Erläutern des fünften Aspekts der Erfindung;

Fig. 49 eine Draufsicht auf ein erstes magnetisches Element gemäß dem fünften Aspekt der Erfindung;

Fig. 50 eine Draufsicht auf ein zweites magnetisches Ele ment gemäß dem fünften Aspekt der Erfindung;

Fig. 51 eine Draufsicht auf ein drittes magnetisches Ele ment gemäß dem fünften Aspekt der Erfindung, wel ches eine modifizierte Form des Elements nach Fig. 49 darstellt, in dem die Außenanschlüsse in beson derer Weise angeschlossen sind;

Fig. 52 eine Draufsicht auf ein drittes magnetisches Ele ment gemäß dem fünften Aspekt der Erfindung, wel ches eine modifizierte Form des Elements nach Fig. 49 insofern ist, als die Außenanschlüsse in einer anderen Weise verbunden sind;

Fig. 53 eine Draufsicht eines dritten magnetischen Elements gemäß dem fünften Aspekt der Erfindung, bei dem es sich um eine Modifizierung des Elements nach Fig. 49 insofern handelt, als die Außenanschlüsse in noch anderer Weise verbunden sind;

Fig. 54 ein Diagramm, welches die Beziehung zwischen dem Induktivitätswert des in Fig. 49 gezeigten magneti schen Elements und der Art und Weise der Verbindung der Außenanschlüsse darstellt;

Fig. 55 eine Draufsicht auf einen planaren Transformator, der durch Verbinden der Außenanschlüsse des magne tischen Elements nach Fig. 49 in besonderer Weise hergestellt ist;

Fig. 56 eine Draufsicht, die einen planaren Transformator darstellt, der durch Verbinden der Außenanschlüsse des magnetischen Elements nach Fig. 49 in noch an derer Weise hergestellt ist;

Fig. 57 eine Draufsicht auf einen weiteren planaren Trans formator, hergestellt durch Verbinden der Außenan schlüsse des Elements nach Fig. 49 in noch anderer Weise;

Fig. 58 eine grafische Darstellung der Beziehung zwischen den Spannungs- und Stromverhältnissen des magneti schen Elements nach Fig. 49 einerseits und der Art und Weise der Verbindung der Außenanschlüsse ande rerseits;

Fig. 59 eine Schnittansicht eines Bauelements mit einem Halbleitersubstrat, einem auf dem Substrat gebilde ten aktiven Element und einem gemäß dem fünften Aspekt der Erfindung ausgebildeten magnetischen Element auf dem Halbleitersubstrat;

Fig. 60 eine Schnittansicht eines weiteren Bauelements mit einem Halbleitersubstrat, einem in dem Substrat ausgebildeten aktiven Element, und magnetischen Elementen gemäß dem fünften Aspekt der Erfindung, die oberhalb des aktiven Elements gelegen sind;

Fig. 61 eine Schnittansicht eines Bauelements mit einem Halbleitersubstrat, magnetischen Elementen gemäß dem fünften Aspekt der Erfindung, die in dem Sub strat ausgebildet sind, und einem oberhalb der ma gnetischen Elemente befindlichen magnetischen Ele ment;

Fig. 62A bis 64 Diagramme und grafische Darstellung zum Veranschaulichen des sechsten Aspekts der Erfin dung;

Fig. 62A eine Schnittansicht einer eine Windung aufweisen den Spule gemäß dem sechsten Aspekt der Erfindung;

Fig. 62B eine teilweise geschnittene, perspektivische An sicht der mit einer Windung ausgebildeten Spule nach Fig. 62A;

Fig. 63A eine Schnittansicht der Spule mit einer Windung gemäß Fig. 62A, in Serie zu einer Spuleneinheit verschaltet;

Fig. 63B eine Schnittansicht eines magnetischen Elements gemäß dem sechsten Aspekt der Erfindung umfassend eine Kombination aus zwei Spuleneinheiten des in Fig. 63A dargestellten Typs;

Fig. 64 eine Schnittansicht eines magnetischen Elements ge mäß dem sechsten Aspekt der Erfindung, umfassend eine eine Windung aufweisende Spule des Typs nach Fig. 62A, magnetische Schichten und Isolierschich ten;

Fig. 65 ein Diagramm zum Veranschaulichen des Kriteriums zur Auswahl eines Materials für die magnetischen Schichten, wobei die Beziehung dargestellt ist zwi schen der Anzahl von Windungen einer spiralförmigen planaren Spule einerseits und dem maximalen Spulen strom Imax und der Stärke (H) des durch Einspeisen des Stroms Imax in die spiralförmige Spule erzeug ten Magnetfelds, andererseits;

Fig. 66 bis 72 Diagramme die verschiedene Bauelemente dar stellen, in die die magnetischen Elemente gemäß der Erfindung eingebaut sind;

Fig. 66 ein Diagramm, welches schematisch einen Pager zeigt, der ein magnetisches Element gemäß der Er findung enthält;

Fig. 67 eine Draufsicht auf ein 20-Pin-IC-Chip vom SIP-Typ (ein Gehäuse mit einer Reihe von Anschlußstiften), welches magnetische Elemente gemäß der Erfindung enthält;

Fig. 68 eine perspektivische Ansicht eines 40-Pin-IC-Chips vom DIP-Typ (Gehäuse mit zwei Reihen von Anschluß stiften);

Fig. 69 einen Schaltplan eines Gleichstromwandlers vom Auf wärtstransformierungs-Zerhacker-Typ;

Fig. 70 einen Schaltplan eines Gleichstromwandlers vom Ab wärtstransformierungs-Zerhacker-Typ;

Fig. 71 eine Schaltungsskizze einer HF-Schaltung, wie sie für ein sehr kleines, mobiles Telefon verwendet wird;

Fig. 72 einen Schaltplan eines Resonanz-Gleichstromwand lers; und

Fig. 73 eine Schnittansicht einer planaren Spule für eine Ausführungsform.

Die im folgenden erläuterten Aspekte und Ausführungsbei spiele der Erfindung können miteinander kombiniert werden, so daß eine Vielfalt magnetischer Elemente entsteht, die erfindungsgemäß ausgebildet sind. Da die Materialen der ma gnetischen Elemente für die verschiedenen Aspekte der Er findung im wesentlichen gemeinsam sind, sollen sie am Schluß der Beschreibung erläutert werden.

Der erste Aspekt der Erfindung soll unter Bezugnahme auf die Fig. 5 bis 11 erläutert werden.

Fig. 5 ist eine auseinandergezogene Darstellung einer pla naren Induktivität gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung. Wie in Fig. 5 gezeigt ist, enthält die planare Induktivität ein Halbleitersubstrat 10, drei Isolierschichten 20A, 20B und 20C, zwei magnetische Schichten 30A und 30B, eine spi ralförmige planare Spule 40 und eine Schutzschicht 50. Die Isolierschicht 20A ist auf dem Substrat 10 gebildet. Die magnetische Schicht 30A ist auf der Schicht 20A gebildet. Die Isolierschicht 20B ist auf der magnetischen Schicht 30A gebildet. Die Spule 40 ist auf der Schicht 20B montiert. Die Isolierschicht 20C deckt die Spule 40 ab. Die magneti sche Schicht 30B ist auf der Schicht 20C gebildet. Die Schutzschicht 50 ist auf der magnetischen Schicht 30B ge bildet. Fig. 6 ist eine Schnittansicht entlang der Linie 6- 6 in Fig. 5 und zeigt einen Teil der planaren Induktivität. In Fig. 6 sind gleiche Komponenten wie in Fig. 5 mit den gleichen Bezugszeichen versehen.

Fig. 7 ist eine auseinandergezogene Darstellung eines pla naren Transformators gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung. Dieser Transformator ist dadurch gekennzeichnet, daß die Primär- und die Sekundärspule die gleiche Windungszahl auf weisen. Wie aus Fig. 7 hervorgeht, enthält der Transforma tor ein Halbleitersubstrat 10, vier Isolierschichten 20A bis 20D, zwei magnetische Schichten 30A und 30B, zwei spi ralförmige planare Spulen 40A und 40B, und eine Schutz schicht 50. Die Schichten 20A, 30A und 20B sind übereinan der auf dem Substrat 10 ausgebildet. Die Primärspule 40A ist auf der Isolierschicht 20B gebildet. Die Isolierschicht 20C liegt auf der Primärspule 40A. Die Sekundärspule 40B ist auf der Isolierschicht 20C gebildet. Die Isolierschicht 20D liegt auf der Sekundärspule 40B. Die magnetische Schicht 30B ist auf der Schutzschicht 20D gebildet. Die Schutzschicht 50 ist auf der magnetischen Schicht 30B ge bildet. Fig. 8 ist eine Schnittansicht entlang der Linie 8- 8 in Fig. 7 und zeigt einen Teil des planaren Transforma tors. In Fig. 8 sind gleiche Teile wie in Fig. 7 mit ent sprechenden Bezugszeichen versehen.

Sowohl in der planaren Induktivität gemäß Fig. 5 und 6, als auch in dem planaren Transformator gemäß Fig. 7 und 8 be steht das Substrat 10 aus Silicium. Das Siliciumsubstrat 10 kann durch ein Glassubstrat ersetzt werden. Wird ein Glas substrat anstelle des Siliciumsubstrats 10 verwendet, so kann die unterhalb der magnetischen Schicht 30A befindliche Isolierschicht 20A weggelassen werden.

Die spiralförmige planare Spule 40 in der Induktivität ge mäß Fig. 5 und die spiralförmigen planaren Spulen 40A und 40B in dem Transformator nach Fig. 7 besitzen ein Lücken- Geometrie-Verhältnis h/b von mindestens 1, wobei h die Dicke des Spulenleiters und b die Lücke oder der Abstand zwischen zwei benachbarten Windungen ist. Zur Bildung einer spiralförmigen planaren Spule mit einem solchen Lücken-Geo metrie-Verhältnis h/b kommen zwei alternative Verfahren in Betracht. Nach dem ersten Verfahren erfolgt ein tiefes Ät zen einer leitenden Schicht, um auf diese Weise einen spi ralförmigen Schlitz in der Platte zu bilden, woraufhin der spiralförmige Schlitz mit isolierendem Material gefüllt wird. Nach dem zweiten Verfahren erfolgt eine Trockenätzung auf einer Isolierschicht, um so einen spiralförmigen Schlitz in der Schicht zu bilden, der dann mit leitendem Material gefüllt wird.

Das erste Verfahren läßt sich in zwei Varianten ausführen. Nach der ersten Variante wird der spiralförmige Schlitz mit isolierendem Material gefüllt. Bei der zweiten Variante wird der Schlitz teilweise gefüllt, so daß in dem sich er gebenden Spulenleiter ein Hohlraum gebildet wird. Die erste Variante fällt unter den ersten Aspekt der Erfindung, wäh rend die zweite Variante unter den zweiten Aspekt der Er findung fällt.

Gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung wird die spiralför mige planare Spule auf folgende Weise hergestellt: Zunächst wird auf einer Isolierschicht eine leitende Schicht gebil det. Dann wird auf der leitenden Schicht eine Maskenschicht gebildet. Die Maskenschicht wird bearbeitet, damit in der Maskenschicht ein spiralförmiger Schlitz gebildet wird. Mit Hilfe dieser Maskenschicht wird ein in hohem Maße rich tungsgebundenes Trockenätzen durchgeführt, zum Beispiel Io nenstrahlätzen, ECR-Plasma-Ätzen, reaktives Ionenätzen der leitenden Schicht, um so einen spiralförmigen Schlitz in der leitenden Schicht und gleichzeitig einen Spulenleiter mit einem Lücken-Geometrie-Verhältnis h/b von 1 oder mehr auszubilden. Es ist erforderlich, daß die Ätzgeschwindig keit der Maskenschicht sich stark von derjenigen der Lei terschicht unterscheidet, so daß vertikales anisotropes Ät zen erreicht wird.

Um auf dem Spulenleiter mit einem hohen Lücken-Geometrie- Verhältnis h/b eine Isolierschicht zu bilden, ist es wün schenswert, daß die Lücke zwischen den Windungen mit Iso liermaterial gefüllt wird, das einen kleinen Dielektrizi tätskoeffizienten aufweist, während die Masse des Isolier materials so bearbeitet wird, daß eine flache Oberseite entsteht. Ist das Isoliermaterial ein anorganischer Stoff, wie beispielsweise SiO₂ oder Si₃N₄, so wird zur Bildung der Isolierschicht das CVD-Verfahren oder das Aufsprühverfahren eingesetzt (zum Beispiel das reaktive Zerstäuben oder das Zerstäuben unter Vorspannung). Handelt es sich bei dem Iso liermaterial um einen organischen Stoff, so ist Polyimid bevorzugt (einschließlich eines fotoempfindlichen Stoffs). Statt dessen kann auch ein Resistmaterial verwendet werden. Das isolierende Material, sei es organisch, sei es anorga nisch, wird mit einem Lösungsmittel gemischt, um eine Lö sung zu erhalten. Die Lösung wird im Schleuderverfahren auf das Substrat aufgebracht. Die Beschichtung wird mittels ei nes geeigneten Verfahrens ausgehärtet, so daß sich die Iso lierschicht ausbildet. Die so gebildete Isolierschicht wird in der Lücke zwischen den Windungen des Spulenleiters einem Rück-Ätz-Prozeß ausgesetzt, so daß eine flache Oberseite entsteht.

Das zweite Verfahren zur Bildung der spiralförmigen plana ren Spule, welches unter den zweiten Aspekt der Erfindung fällt, wird im folgenden erläutert. Bei diesem Verfahren wird zunächst eine Isolierschicht gebildet. Auf der Iso lierschicht wird ein Resistmaterial mit einem Muster verse hen. Unter Verwendung des Resistmaterials als Maske erfolgt selektives Trockenätzen der Isolierschicht, um so einen spiralförmigen Schlitz in der Isolierschicht zu erhalten. Dann wird auf dem mit Muster versehenen Resistmaterial und in dem spiralförmigen Schlitz durch Kathodenzerstäubung, mittels CVD-Verfahren, Aufdampfen im Vakuum oder derglei chen eine leitende Schicht gebildet. Als nächstes wird das Resistmaterial von der Isolierschicht und der leitenden Schicht mittels eines Abhebeverfahrens entfernt. Gleichzei tig werden solche Abschnitte der leitenden Schicht ent fernt, die sich auf dem Resistmaterial befinden. Im Ergeb nis entsteht eine spiralförmige planare Spule.

Welches von dem ersten oder zweiten Verfahren zur Bildung der spiralförmigen planaren Spule verwendet wird, hängt von dem Muster der planaren Spule ab.

Im folgenden werden die Vorteile der magnetischen Elemente gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung erläutert.

Fig. 9 zeigt die Beziehung zwischen dem Lücken-Geometrie- Verhältnis der planaren Induktivität gemäß Fig. 5 zu deren Spulenwiderstand, und außerdem den Induktivitätswert der Induktivität. Der Parameter der Induktivität L ist µs t, wo bei µ_s die relative Permeabilität der Magnetschichten 30A und 30B und t die Schichtdicke ist. Im vorliegenden Fall be trägt µ_s t = 5000 µm oder 1000 µm. Wie aus Fig. 9 ersicht lich ist, ist der Induktivitätswert L der planaren Indukti vität praktisch konstant, unabhängig von dem Lücken-Geome trieverhältnis h/b. Der Widerstand der spiralförmigen pla naren Spule 40 ist umgekehrt proportional zu dem Lücken- Geometrieverhältnis h/b und bleibt praktisch konstant, wenn das Lücken-Geometrieverhältnis h/b den Wert 5 überschrei tet.

Fig. 10 zeigt die Beziehung zwischen dem Lücken-Geometrie verhältnis der Induktivität gemäß Fig. 5 zu dem L/R-Wert. L/R ist eine physikalische Größe, die proportional zu dem Gütekoeffizienten Q der Induktivität ist, der seinerseits definiert ist durch Q = 2I f L/R mit f als Frequenz (Hz). In Fig. 10 ist die Beziehung für zwei Parameter darge stellt, nämlich die relativen Permeabilitäten µs von 10⁴ und 10³ jeder der beiden magnetischen Schichten. Wie aus Fig. 10 ersichtlich ist, nimmt L/R mit zunehmendem Lücken- Geometrieverhältnis h/b zu, nicht jedoch über den Wert 5 hinaus, auch wenn das Verhältnis h/b weiter zunimmt.

Die Erfinder haben planare Induktivitäten des in Fig. 5 dargestellten Typs mit unterschiedlichen Lücken-Geometrie verhältnissen von 0,3; 0,5; 1,0; 2,0 und 5,0 hergestellt. Einige dieser Induktivitäten haben einen Parameter µ_s t von 5000 µm, der Rest hat einen Parameter µ_s t von 1000 µm, wo bei µ_s die relative Permeabilität jeder der Magnetschichten und t deren Dicke ist. Die Erfinder haben diese planaren Induktivitäten geprüft, um zu sehen, wie deren Gütekoeffi zienten Q von dem Lücken-Geometrieverhältnis abhängen. Die Testergebnisse sind in der nachstehenden Tabelle niederge legt:

Wie aus der Tabelle ersichtlich, ist der Koeffizient Q der planaren Induktivität mit einem Lücken-Geometrieverhältnis von 1 etwa 3,5-mal größer als derjenige der Induktivität mit einem Lücken-Geometrieverhältnis von 0,3, und etwa 1,5- mal größer als derjenige einer Induktivität mit einem Lücken-Geometrieverhältnis von 0,5. Offensichtlich kann jede Induktivität des in Fig. 5 dargestellten Typs einen ausreichend großen Gütekoeffizienten Q besitzen, wenn ihr Lücken-Geometrieverhältnis 1 oder mehr beträgt.

Fig. 11 veranschaulicht die Beziehung zwischen dem Lücken- Geometrieverhältnis des planaren Transformators nach Fig. 7 und dessen Verstärkung. Wie die Figur zeigt, kann der Trans formator einen ausreichend großen Koeffizienten Q und mithin eine ausreichend große Verstärkung besitzen, wenn das Lücken-Geometrieverhältnis 1 oder mehr beträgt.

Eine der Determinanten für die Fähigkeit eines magnetischen Elements ist das Material des Elements. Folglich ist es wichtig, welches Material zur Bildung des magnetischen Ele ments verwendet wird. Dieser Punkt wird am Ende der Be schreibung weiter ausgeführt. Verschiedene planare magneti sche Elemente gemäß dem zweiten Aspekt der Erfindung, die gekennzeichnet sind durch ihr spezielles Leiter-Geometrie verhältnis h/d (h ist die Höhe des Spulenleiters, und d ist dessen Breite), sollen im folgenden unter Bezugnahme auf die Fig. 12A bis 22 erläutert werden.

Fig. 12A ist eine auseinandergezogene Darstellung eines planaren magnetischen Elements. Fig. 12B ist eine Schnittansicht entlang der Linie 12B-12B in Fig. 12A. Das planare magnetische Element hat nicht nur ein höheres Lei ter-Geometrieverhältnis, sondern auch ein höheres Lücken- Geometrieverhältnis. Deshalb fällt das Element sowohl unter den ersten als auch unter den zweiten Aspekt der Erfindung.

Wie in den Fig. 12A und 12B gezeigt ist, enthält das pla nare magnetische Element ein Substrat 10 und eine spiral förmige planare Spule 40, die direkt auf dem Substrat 10 liegt. Der Spulenleiter 42 (Fig. 12B) kann durch ein be kanntes Verfahren ausgebildet werden, wie es üblicherweise bei der Ausbildung der Verdrahtung in Halbleiterbauelemen ten eingesetzt wird. Je kleiner die Lücke zwischen den Win dungen des Spulenleiters 24, desto kleiner ist das planare magnetische Element. Allerdings gilt auch: je kleiner die Lücke, desto schwieriger ist es für das Element, ein aus reichend hohes Leiter-Geometrieverhältnis zu besitzen. Da mit wird gefordert, daß eine Lücke zunächst auf den am mei sten geeigneten Wert für den Einsatz des Elements festge legt wird, so daß anschließend das Leiter-Geometrieverhält nis h/d bestimmt wird. Gemäß dem zweiten Aspekt der Erfin dung beträgt das Leiter-Geometrieverhältnis h/d mindestens 1. In anderen Worten: der Spulenleiter 42 besitzt eine Höhe, die gleich oder größer ist als die Breite d. Um das planare magnetische Element zu miniaturisieren, ist es selbstverständlich wünschenswert, daß das Lücken-Geometrie verhältnis h/b so groß wie möglich ist. In der Praxis al lerdings ist es zu empfehlen, daß sowohl die Breite d des Leiters 42 als auch die Lücke b zwischen den Windungen je weils etwa 10 µm oder weniger betragen.

Um einen Spulenleiter mit einem hohen Geometrieverhältnis h/d herzustellen, muß man einen schmalen Spiralabschnitt einer dicken leitenden Schicht ätzen. Damit ist es zu be vorzugen, als leitende Schicht eine Kristallschicht mit ei ner einfach zu ätzenden Ebene parallel zur Schicht selbst zur Verfügung zu haben. Selbstverständlich ist eine Einkri stallschicht am meisten zu bevorzugen.

Abgesehen von seiner Struktur kann das planare magnetische Element gemäß Fig. 12A und 12B eine unzureichende Indukti vität besitzen, wenn es zu klein ist. Dennoch kann seine Reaktanz HL (H ist die Kreisfrequenz) erhöht werden, indem das Element mit hoher Schaltfrequenz betrieben wird. In jüngster Zeit werden magnetische Elemente mit immer höheren Schaltfrequenzen betrieben. Die Reaktanz des in den Fig. 12A und 12B gezeigten planaren magnetischen Elements berei tet keinerlei Probleme, wenn aufgrund der Miniaturisierung des Elements eine Unzulänglichkeit entsteht. Die elektri sche Induktivität kann die Funktion in einem Hochfrequenz bereich (zum Beispiel einige MHz) auch dann übernehmen, wenn die Induktivität nur im Bereich von nH liegt.

Wenn die Windungen eines Spulenleiters mit hohem Geometrie verhältnis h/d einander eng benachbart sind, ist die Zwi schenwindungs-Kapazität groß wegen des schmalen Spalts zwi schen zwei benachbarten Windungen und den relativ großen, einander gegenüberliegenden Flächen. Wegen der großen Zwi schenwindungs-Kapazität kann das planare magnetische Ele ment in einen LC-Kreis eingebaut werden. In den meisten Fällen jedoch verringert die Verwendung des Elements die LC-Resonanzfrequenz (allgemein als "Eckfrequenz" oder "Grenzfrequenz" bezeichnet), und das Element kann nicht länger als Induktivität arbeiten. Daher muß man die Zwi schenwindungs-Kapazität auf ein Minimum herabsetzen. Diese Kapazität läßt sich dadurch reduzieren, daß man eine Iso lierschicht (zum Beispiel aus SiO₂) vorsieht, die eine Aus nehmung oder einen Hohlraum hat, der sich zwischen den Win dungen des Spulenleiters erstreckt und den dielektrischen Koeffizienten zwischen den Windungen herabsetzt. Der Hohl raum kann Vakuum enthalten oder mit einem Gas gefüllt sein, das bei der Bildung der Isolierschicht verwendet wird. In jedem Fall ist der Zwischenwindungs-Dielektrizitätskoeffi zient viel kleiner als dann, wenn die Lücke zwischen den Windungen mit dem Isoliermaterial gefüllt ist.

Zur Bildung einer Isolierschicht mit einem solchen Hohlraum reicht es aus, das CVD-Verfahren anzuwenden, wie es bei der Herstellung von Halbleiterbauelementen üblich ist. Die Lücke zwischen den Windungen des Spulenleiters wird nicht vollständig mit dem Isoliermaterial (zum Beispiel SiO₂) aufgefüllt, wie es bei der Herstellung von Halbleiterbau elementen der Fall ist. Vielmehr wird eine Isolierschicht mit zunehmender Dicke durch Wachstum zuerst auf der Ober seite des Spulenleiters und dann auf den Seiten des oberen Abschnitts jeder Windung gebildet. Die Schicht an den Sei ten jeder Windung wird wachsen gelassen, bis sie die Öff nung der Lücke zwischen den Windungen schließt. Um auf diese spezielle Weise die Isolierschicht durch Wachstum zu bilden, reicht es aus, die Gaszuführgeschwindigkeit auf einen geeigneten Wert einzustellen.

Wie aus Fig. 13A hervorgeht, wird das Materialgas 82 auf den Spulenleiter 42 auf dem Substrat 10 aufgebracht. Für das Gas 82 ist es schwierig, bis zum Boden der Lücke zwi schen den Spulenwindungen zu strömen. Folglich wächst rasch eine Isolierschicht 80 oben auf jeder Windung 42, die Iso lierschicht wächst weniger rasch an den Seiten des oberen Abschnitts, wie in Fig. 13B zu sehen ist. Die Schicht 80 wächst oben an jeder Windung 42 dicker und schneller und wächst an den Seiten des oberen Abschnitts der Windung langsam. Wie in Fig. 13C gezeigt ist, berührt die Schicht 80 die an der nächsten Windung sich bildende Schicht. Die Schicht 80 wächst weiter und schließt die Öffnung zwischen den Windungen 42. Als Ergebnis ergibt sich die in Fig. 13D dargestellte Struktur, bei der ein Hohlraum 70 sich zwi schen den Windungen des Spulenleiters 42 erstreckt.

Eine Isolierschicht mit einem Hohlraum kann auch mittels Zerstäubung gebildet werden, wie Fig. 14 zeigt. Genauer ge sagt, Partikel des isolierenden Materials werden schräg auf einen Spulenleiter 42 unter einem Winkel Θ oben auf die Oberseite des Leiters 42 aufgestäubt. Die durch Aufstäuben gebildete Isolierschicht ist weniger glatt als die nach dem CVD-Verfahren gebildete Isolierschicht. Deshalb ist das Zerstäubungsverfahren nicht so empfehlenswert.

Die Herabsetzung der Zwischenwindungs-Kapazität, die sich aus dem sich zwischen den Windungen des Spulenleiters 42 erstreckenden Hohlraum 70 ergibt, soll unter Bezugnahme auf Fig. 15 erläutert werden, die einen planaren Kondensator gemäß dem zweiten Aspekt der Erfindung veranschaulicht, welcher zwei parallele Kondensatoreinheiten umfaßt.

Die obere Einheit enthält ein Isolierelement 20 und eine Elektrode 60B auf der Oberseite des Elements 20. Die untere Einheit enthält ein Isolierelement 20 und eine auf dessen Unterseite gebildete Elektrode 60A. Die Kondensatoreinhei ten besitzen die gleiche Größe r(m)×t(m). Die Isolierele mente 20 haben eine Dielektrizitätskonstante ε. Sie sind um einen Abstand s voneinander entfernt. Wenn der Spalt s₀ zwischen den Elektroden 60A und 60B mit dem gleichen Iso lierstoff gefüllt wird, aus dem die Elemente 20 bestehen, sollte der Kondensator folgende Kapazität C₀ aufweisen:

C₀ = ε₀ ε t/s₀

wobei ε₀ die Dielektrizitätskonstante von Vakuum ist.

Das Verhältnis der Kapazität C dieses Kondensators zu der Kapazität C₀ ist folgendermaßen gegeben:

C/C₀ = 1/[k(ε - 1) + 1]

wobei k das Verhältnis s/s₀, das heißt das Verhältnis des Volumens eines Hohlraums zu dem Raum s₀ ist.

Fig. 16 zeigt, wie das Verhältnis C/C₀ abhängt von dem Ver hältnis K, wenn die Isolierelemente 20 aus SiO₂ bestehen, dessen spezifische Dielektrizitätskonstante etwa 4 beträgt. Angenommen, k betrage 1/3 oder weniger, so ist die Kapazi tät C etwa 1/2 C₀ oder weniger. Unabhängig davon, ob die Lücke 70 zwischen den Isolierelementen 70 mit Gas gefüllt ist oder Vakuum enthält, sollte die Lücke wünschenswerter weise 1 oder mehr von dem Spalt s₀ betragen.

Die planare Spule 40 (Fig. 12A) ist in eine planare Induk tivität eingebaut. Diese Spule 40 hat nur einen unzurei chenden Induktivitätswert. Deshalb ist es wünschenswert, daß eine magnetische Schicht so nahe wie möglich an der planaren Spule 40 angeordnet wird, so daß die magnetische Schicht als Magnetkern dienen kann. Um den Leckfluß auf ein Minimum zu reduzieren, sollte die Spule 40 besser zwischen zwei magnetischen Schichten liegen, wie dies in Fig. 17 ge zeigt ist.

Wie aus Fig. 17 hervorgeht, enthält diese planare Indukti vität ein beispielsweise aus Silicium bestehendes, isolie rendes Substrat 10, eine magnetische Schicht 30A auf dem Substrat 10, eine auf der magnetischen Schicht 30A gebil dete Isolierschicht 20A, eine auf der Isolierschicht 20A gebildete planare Spule 40, eine oben auf der Spule 40 be findliche Isolierschicht 20B und eine magnetische Schicht 30B. Die magnetischen Schichten 30A und 30B fungieren auch als magnetische Abschirmungen und reduzieren den Leckfluß auf praktisch null. Da praktisch keine Magnetflüsse aus der planaren Induktivität herauslecken, können andere elektro nische Elemente in enger Nachbarschaft zu der planaren In duktivität angeordnet werden. Die planare Induktivität des in Fig. 17 dargestellten Typs trägt also wesentlich bei zur Miniaturisierung elektronischer Bauelemente.

Für einige spezielle Anwendungsfälle kann die in Fig. 17 dargestellte planare Induktivität modifiziert werden, indem eine oder beide magnetische Schichten 20A und 20B, die hier als Kerne dienen, entfernt werden.

Fig. 18 zeigt eine modifizierte Form der in Fig. 17 gezeig ten planaren Induktivität. Diese Induktivität ist durch zwei Besonderheiten gekennzeichnet. Erstens besteht die Spule 40 aus drei übereinander angeordneten Einheiten. Zweitens werden zwei zusätzliche Isolierschichten 20C ver wendet, die jeweils zwischen zwei benachbarten Spulenein heiten 42 liegen. Offensichtlich besitzt die planare Spule 40 mehr Windungen als die Spule 40, die in der planaren In duktivität gemäß 17 eingebaut ist. Folglich kann die Induk tivität gemäß Fig. 18 einen höheren Induktivitätswert be sitzen, als die planare Spule gemäß Fig. 17.

In die erfindungsgemäßen planaren magnetischen Elemente lassen sich planare Spulen verschiedener Formen einbauen. Eine Form ist die in Fig. 19A dargestellte spiralförmige planare Spule. Eine andere Form ist die in Fig. 19B darge stellte mäanderförmige planare Spule. Die Spiralspule ist deshalb vorzuziehen bei planaren magnetischen Elementen, bei denen ein hoher Induktivitätswert erforderlich ist.

Grundsätzlich besitzen Spulenleiter 42 für die Verwendung in planaren magnetischen Elementen eine Höhe, die wesent lich größer ist als bei Leitern in Halbleiterbauelementen. Deshalb müssen einige Maßnahmen getroffen werden, um einen Spulenleiter 42 fest an dem Substrat zu halten. Man kann eine Bindeschicht vorsehen, um den Leiter 42 an das Sub strat zu binden, wie es in Fig. 20 gezeigt ist. Dort ist eine bespielsweise als Cr ausgebildete Bindeschicht 25 mit dem gleichen Muster wie der Spulenleiter 42 auf einem Sub strat 10 ausgebildet, wobei der Leiter 42 auf der Binde schicht 25 gebildet ist. Dieses Verfahren kann man auch auf die planaren Elemente gemäß dem ersten, dem dritten, dem vierten und dem fünften Aspekt der Erfindung anwenden.

Selbstverständlich muß der Spulenleiter 42 abhängig vom Verwendungszweck des planaren magnetischen Elements, in welches er eingebaut wird, ausgelegt werden. Folglich müs sen die Windungs-Schrittweite, das Geometrieverhältnis h/d und weitere Merkmale des Leiters 42 abhängig vom Zweck festgelegt werden, für den das planare magnetische Element vorgesehen ist. Um die Größe des Elements zu reduzieren, ist es erforderlich, daß die Lücke b zwischen zwei benach barten Windungen kleiner ist als die Breite d des Leiters 42. Es gibt keine besondere Beschränkung hinsichtlich der Lücke b, jedoch ist eine Lücke b von 10 µm oder weniger emp fehlenswert, nicht nur für die Elemente gemäß dem zweiten Aspekt, sondern auch für diejenigen gemäß den anderen Aspekten der Erfindung.

Die Beschreibung des zweiten Aspekts der Erfindung wurde beschränkt auf planare Induktivitäten mit jeweils einer planaren Spule. Allerdings ist der zweite Aspekt der Erfin dung nicht auf planare Induktivitäten mit nur einer Spule beschränkt. Mikrotransformatoren mit jeweils zwei planaren Spulen fallen ebenfalls unter den zweiten Aspekt der Erfin dung.

Fig. 21 zeigt einen solchen Mikrotransformator. Er enthält ein Substrat 10, drei Isolierschichten 20A, 20B und 20C, zwei magnetische Schichten 30A und 30B und zwei planare Spulen 40A und 40B. Das Substrat 10 besteht aus Silicium oder dergleichen. Die magnetische Schicht 30A ist auf dem Substrat 10 gebildet, die Isolierschicht 20A befindet sich auf der Schicht 30A. Die planare Spule 40A, die als Primär spule fungiert, ist auf der Schicht 20A. Die Isolierschicht 20B deckt die Spule 40A ab. Die planare Spule 40B, die als Sekundärspule fungiert, ist auf der Isolierschicht 20B an geordnet. Die Isolierschicht 20C bedeckt die Spule 40B. Die Magnetschicht 30B ist auf der Isolierschicht 20C gebildet. Die Magnetschichten 30A und 30B umschließen die die Primär- und Sekundärspulen umfassende Einheit sandwichartig.

Die Primärspule 40A und die Sekundärspule 40B können in derselben Ebene angeordnet werden, wie es in Fig. 22A ge zeigt ist. Die Sekundärspule 40B erstreckt sich zwischen den Windungen der Primärspule 40A. Alternativ kann die Se kundärspule 40B in einem Bereich angeordnet werden, der von der Primärspule 40A bedeckt ist, wie dies in Fig. 22B ge zeigt ist.

Im folgenden soll unter Bezugnahme auf die Fig. 23 bis 28 der dritte Aspekt der Erfindung beschrieben werden.

Fig. 23 ist eine auseinandergezogene Darstellung einer pla naren Induktivität gemäß dem dritten Aspekt. Wie in Fig. 23 gezeigt ist, umfaßt diese Induktivität zwei Isolierschich ten 20A und 20B, zwei magnetische Schichten 30A und 30B und eine spiralförmige planare Spule 40, die sandwichartig zwi schen den Isolierschichten 20A und 20B eingefaßt ist. Die aus den Schichten 20A und 20B sowie der Spule 40 bestehende Einheit wird sandwichartig zwischen den magnetischen Schichten 30A und 30B eingefaßt. Die spiralförmige planare Spule 40 ist quadratisch, wobei jede Seite eine Länge a₀ hat. Außerdem sind auch die magnetischen Schichten 30A und 30B quadratisch mit einer Seitenlänge von jeweils w. Sie haben die gleiche Dicke t. Sie sind voneinander um ein Stück g beabstandet.

Fig. 24 ist ebenfalls eine auseinandergezogene Darstellung eines anderen Typs einer planaren Induktivität gemäß dem dritten Aspekt der Erfindung. Diese planare Induktivität enthält drei Isolierschichten 20A, 20B und 20C, zwei magne tische Schichten 30A und 30B, zwei spiralförmige planare Spulen 40A und 40B und eine Durchkontaktierung 42. Die Iso lierschicht 20C befindet sich zwischen den Spulen 40A und 40B. Die aus der Schicht 20C und den Spulen 40A und 40B be stehende Einheit ist sandwichartig zwischen den Isolier schichten 20A und 20B eingefaßt. Die aus den Schichten 20A, 20B und 20C sowie den Spulen 40A und 40B bestehende Einheit ist sandwichartig zwischen den Magnetschichten 30A und 30B eingefaßt. Die Durchkontaktierung 42 erstreckt sich durch die Isolierschicht 20C und verbindet elektrisch die spiral förmigen planaren Spulen 40A und 40B. Die spiralförmigen planaren Spulen 40A und 40B sind quadratisch ausgebildet jeweils mit einer Seitenlänge von a₀. Außerdem sind die ma gnetischen Schichten 30A und 30B quadratisch mit einer Sei tenlänge w und gleicher Dicke t ausgebildet. Die Schichten 30A und 30B sind um ein Stück g von einander beabstandet.

Die beiden in den Fig. 23 und 24 dargestellten planaren In duktivitäten sind hinsichtlich folgender Gesichtspunkte vorteilhaft, wenn geeignete Werte für a₀, w, t und g ge wählt werden:

(1) sie besitzen eine wirksame magnetische Abschir mung, so daß deshalb der Leckfluß sehr klein ist.
(2) sie besitzen einen ausreichend hohen Induktivi tätswert.

Jede planare Induktivität gemäß dem dritten Aspekt der Er findung kann mit Hilfe der oben beschriebenen Dünnschicht technik auf einem Glassubstrat gebildet sein. Alternativ können die Elemente auf einem anderen isolierenden Substrat gebildet werden (zum Beispiel einem Substrat aus einem hochmolekularen Material, zum Beispiel Polyimid).

Die von der spiralförmigen planaren Spule oder den Spulen erzeugten magnetischen Flüsse müssen daran gehindert wer den, aus den in Fig. 23 und 24 dargestellten planaren In duktivitäten zu entweichen, weil sonst die Leckflüsse aus den Induktivitäten abträglich die anderen elektronischen Komponenten beeinflussen könnten, die sehr dicht bei der Induktivität auf demselben Chip angeordnet sind, wodurch eine integrierte Hybridschaltung gebildet wird. Gemäß dem dritten Aspekt der Erfindung ist das Verhältnis zwischen der Breite w jeder Magnetschicht und der Breite a₀ der qua dratischen planaren Spule oder den Spulen möglichst auf einen optimalen Wert eingestellt, damit die von der Spule oder den Spulen erzeugten magnetischen Flüsse an einem Lecken gehindert werden.

Die Fig. 25A bis 25C zeigen Schnittansichten von drei pla naren Induktivitäten des in Fig. 23 dargestellten Typs, wo bei unterschiedliche Werte w für die magnetischen Schichten gewählt sind, und wobei verdeutlicht ist, wie die magneti schen Flüsse 100 aus diesen planaren Induktivitäten entwei chen. Bei der in Fig. 25A dargestellten Induktivität ist die Breite w jeder magnetischen Schicht im wesentlichen gleich der Breite a₀ der spiralförmigen Spule 40. Bei der in Fig. 25B gezeigten Induktivität ist die Breite w etwas größer als die Breite a₀ der Spule 40. Bei der Induktivität nach Fig. 25C ist die Breite w viel größer als die Breite a₀ der spiralförmigen Spule 40. Wie aus den Fig. 25A, 25B und 25C hervorgeht, sind die Leckflüsse umso kleiner, je breiter jede magnetische Schicht ist.

Fig. 26 ist ein Diagramm, welches die Verteilung der magne tischen Flüsse an den Kanten der spiralförmigen planaren Spule 40 der in Fig. 23 dargestellten Induktivität veran schaulicht. Wie aus Fig. 26 ersichtlich ist, ist das magne tische Feld etwa um das 0,37-fache kleiner an einem Punkt, der von jeder Kante der Spule 40 einen Abstand α hat, bezo gen auf das magnetische Feld an der Kante der Spule 40. Der Abstand α ist: α = [µ_s g t/2]^1/2, wobei µ_s die relative Permeabilität der magnetischen Schichten 30, t die Schicht dicke und g der Abstand zwischen den Schichten ist. Damit ist in der planaren Induktivität gemäß Fig. 23 die Breite w jeder magnetischen Schicht größer um 2α oder mehr, wodurch die Leckflüsse drastisch herabgesetzt werden. Der die Spule 40 bildende Spulenleiter 42 besitzt eine Breite d von 70 µm und eine Zwischenwindungs-Lücke b von 10 µm, wobei der Ab stand g zwischen den magnetischen Schichten 5 µm und der Spulenstrom 0,1 A beträgt.

Fig. 27 zeigt die Beziehung zwischen der Breite w der ma gnetischen Elemente in der Induktivität nach Fig. 23 und dem Streuen der Magnetflüsse von der Kante jeder Magnet schicht. Wie aus Fig. 27 ersichtlich ist, ist der Leckfluß umso kleiner, desto größer die Breite w ist. Es ist wün schenswert, daß die Breite w den Wert a₀ + 10α oder mehr aufweist. Wenn die Breite w den Wert a₀ + 10α hat, kommen von der planaren Induktivität praktisch keine magnetischen Leckflüsse.

Es wird gefordert, daß die planare Induktivität einen mög lichst hohen Induktivitätswert aufweist. Die planare Induk tivität gemäß dem dritten Aspekt der Erfindung kann nur dann einen hohen Induktivitätswert besitzen, wenn die ma gnetischen Schichten eine Breite w haben, die um 2α oder mehr größer ist als die Breite a₀ der planaren Spule. Fig. 28 zeigt die Beziehung zwischen der Breite w und dem Induk tivitätswert der in Fig. 23 dargestellten Spulenanordnung. Wie aus Fig. 28 entnehmbar ist, steigt der Induktivitäts wert auf das 1,8-fache oder mehr an, wenn die Breite w von a₀ auf a₀ + 2α oder mehr erhöht wird.

Im folgenden sollen unter Bezugnahme auf die Fig. 29 bis 48 planare magnetische Elemente gemäß dem vierten Aspekt der Erfindung beschrieben werden. Obschon die beschriebenen Elemente lediglich planare Induktivitäten enthalten, können die planaren magnetischen Elemente gemäß dem vierten Aspekt der Erfindung auch planare Transformatoren enthalten. Jeder planare Transformator, der zu dem vierten Aspekt der Erfin dung gehört, ist in der Struktur im wesentlichen gleich der planaren Spulenanordnung, mit der Ausnahme, daß die Primär spule und die Sekundärspule übereinander angeordnet sind.

Fig. 29 ist eine auseinandergezogene Darstellung einer er sten planaren Induktivität gemäß dem vierten Aspekt der Er findung. Wie aus Fig. 29 ersichtlich ist, enthält diese In duktivität zwei magnetische Schichten 30, zwei Isolier schichten 20 und eine spiralförmige planare Spule 40, die zwischen den Isolierschichten 20 sandwichartig eingefaßt ist. Die aus den Schichten 20 und der Spule 40 gebildete Einheit ist sandwichartig zwischen den magnetischen Schich ten 30 eingefaßt. Die magnetischen Schichten 30 weisen eine uniaxiale magnetische Anisotropie auf. Sie besitzen eine Achse leichter Magnetisierung, die durch einen Pfeil ange deutet ist.

Wenn durch die spiralförmige planare Spule 40 ein Strom fließt, erzeugt die Spule 40 ein Magnetfeld. Dieses Magnet feld erstreckt sich durch jede Magnetschicht 30 in vier Richtungen, die in Fig. 30 durch Pfeile angedeutet sind. In der Zone A in Fig. 30 erstreckt sich das Magnetfeld in Li nien parallel zur Achse der leichten Magnetisierung der ma gnetischen Schicht 30. In den Zonen B verläuft das Magnet feld in Linien, welche die Achse der leichten Magnetisie rung schneiden, oder parallel zu der Achse der schweren Ma gnetisierung der magnetischen Schicht sind.

Fig. 31 zeigt eine B-H-Magnetisierungskurve in der Achse leichter Magnetisierung für beide Schichten 30 in der in Fig. 29 gezeigten Induktivität, außerdem eine B-H-Magneti sierungskurve in der Achse schwerer Magnetisierung der Ma gnetschicht. Wie aus Fig. 31 ersichtlich ist, zeigt die ma gnetische Schicht eine sehr hohe Permeabilität in der Achse leichter Magnetisierung und kann mithin in der Achse leich ter Magnetisierung gesättigt werden, und kann in der Achse schwerer Magnetisierung kaum gesättigt werden. Daraus folgt, daß die Zonen A (Fig. 30) leicht magnetisch gesät tigt werden können, wohingegen die Zonen B (Fig. 30) schwer magnetisch zu sättigen sind. Wenn das von der Spule 40 er zeugte Magnetfeld stark ist, sind die Zonen A jeder magne tischen Schicht 30 gesättigt, und aus der Schicht 30 er folgt ein gewisser magnetischer Leckfluß, wie in Fig. 32A angedeutet ist. Die übrigen magnetischen Flüsse verlaufen durch die Zonen B (Fig. 30), wie aus Fig. 32B ersichtlich ist. Offensichtlich hängt der Induktivitätswert dieser pla naren Induktivität ab von der Dichte der Magnetflüsse, die entlang der Achse schwerer Magnetisierung in jeder Magnet schicht 30 verlaufen.

Um das Problem der Sättigung der magnetischen Schichten zu lösen, besitzen die planaren Induktivitäten gemäß dem vier ten Aspekt der Erfindung eine der folgenden drei Struktu ren:

Erste Struktur

Zwei Gruppen von magnetischen Schichten werden unterhalb und oberhalb einer spiralförmigen planaren Spule angeord net. Die magnetischen Schichten jeder Gruppe sind derart übereinander angeordnet, daß sich ihre Achsen leichter Ma gnetisierung schneiden.

Zweite Struktur

Unterhalb und oberhalb einer spiralförmigen planaren Spule befindet sich jeweils eine quadratische magnetische Schicht. Jede Schicht besteht aus vier dreieckigen Stücken, von denen jeweils eine Achse leichter Magnetisierung sich parallel zu der Unterlage erstreckt.

Dritte Struktur

Zwei magnetische Schichten befinden sich unterhalb bezie hungsweise oberhalb einer spiralförmigen planaren Spule. Jede Magnetschicht besitzt eine spiralförmige Nut, die sich exakt entlang dem spiralförmigen Leiter der Spule er streckt.

Fig. 33 ist eine auseinandergezogene Darstellung einer pla naren Induktivität mit der oben erwähnten ersten Struktur. Wie aus Fig. 33 ersichtlich ist, besitzt diese Induktivität zwei Schichtanordnungen oder Laminate, und zwischen den La minaten ist sandwichartig eine spiralförmige planare Spule 40 angeordnet. Die Laminate haben identischen Aufbau.

Jedes Laminat besitzt zwei Isolierschichten 20A und 20B und zwei magnetische Schichten 30A und 30B. Die Isolierschicht 20A ist an der Spule 40, die magnetische Schicht 30A ist an der Schicht 20A, die Isolierschicht 20B ist an der magneti schen Schicht 30A und die magnetische Schicht 30B ist an der Isolierschicht 20B angeordnet. Die magnetischen Schich ten 30A und 30B sind derart angeordnet, daß sich ihre Ach sen (Pfeile) leichter Magnetisierung unter rechten Winkeln schneiden.

In jedem Laminat sind diejenigen Zonen der magnetischen Schicht 30A, die sich in der Nähe der Spule 40 befinden, die der Zone A in Fig. 30 entspricht, magnetisch leicht ge sättigt, und aus diesen gesättigten Zonen dringt ein gewis ser magnetischer Leckfluß. Diese Leckflüsse erstrecken sich durch solche Zonen der magnetischen Schicht 30B, die den Zonen B in Fig. 30 entsprechen. Im Ergebnis erstrecken sich die magnetischen Flüsse entlang den Achsen schwerer Magne tisierung in beiden magnetischen Schichten 30A und 30B, und in jeder Magnetschicht kann kaum eine magnetische Sättigung eintreten.

Fig. 34 zeigt die Überlagerungs-Gleichstrom-Kennlinie der in Fig. 33 dargestellten planaren Induktivität. Die ausge zogene Linie zeigt die Überlagerungs-Gleichstrom-Kennlinie der Induktivität, wohingegen die unterbrochene Kurve die Überlagerungs-Gleichstrom-Kennlinie der in Fig. 29 darge stellten planaren Induktivität veranschaulicht. Wie aus Fig. 34 ersichtlich ist, ist der Induktivitätswert der in Fig. 34 dargestellten Induktivität, die zwei Sätze von ma gnetischen Schichten besitzt, zweimal so hoch wie der der in Fig. 29 gezeigten Induktivität, die lediglich einen Satz magnetischer Schichten besitzt. Weiterhin zeigt Fig. 34 deutlich, daß der Gleichstrom, bei dem der Induktivitäts wert der Induktivität gemäß Fig. 33 abzufallen beginnt, größer ist als der Gleichstrom, bei dem der Induktivitäts wert der Induktivität gemäß Fig. 29 abzufallen beginnt.

Fig. 35 ist eine auseinandergezogene Darstellung einer mo difizierten Form der Induktivität gemäß Fig. 33. Diese pla nare Induktivität unterscheidet sich von derjenigen nach Fig. 33 dadurch, daß jedes Laminat vier magnetische Schich ten 30A, 30B, 30C und 30D enthält. Die vier magnetischen Schichten jedes Laminats sind so angeordnet, daß die Achsen leichter Magnetisierung von jeweils benachbarten Schichten sich unter rechten Winkeln schneiden.

Im folgenden soll kurz erläutert werden, wie die Induktivi täten gemäß den Fig. 33 und 35 hergestellt werden. Zunächst werden weichmagnetische Schichten aus einer amorphen Legie rung, einer kristallinen Legierung oder einem Oxid mit ei ner Dicke von 3 µm oder mehr vorbereitet. Dann werden die magnetischen Schichten bearbeitet, um ihnen eine uniaxiale magnetische Anisotropie zu verleihen. Die magnetischen Schichten werden derart orientiert, daß die Achsen leichter Magnetisierung von jeweils zwei benachbarten Schichten sich im rechten Winkel schneiden. Zwischen die so orientierten magnetischen Schichten werden Isolierschichten gelegt. Zwi schen die beiden innersten Isolierschichten wird eine pla nare Spule eingelegt. Schließlich werden die Spule, die ma gnetischen Schichten und die Isolierschichten sämtlich übereinandergelegt, um zusammengepreßt zu werden.

Die magnetischen Schichten können mittels Dünnschichttech nik, beispielsweise Aufdampfen oder Zerstäuben, hergestellt werden. Werden sie in Dünnschichttechnik hergestellt, so erhalten sie die uniaxiale magnetische Anisotropie, während sie in einem elektrostatischen Feld gebildet werden, oder während sie einer Wärmebehandlung in einem Magnetfeld un terzogen werden. Je geringer die Magnetostriction, desto besser. Nichtsdestoweniger kann eine magnetische Schicht, wenn sie aus einem Material mit relativ großer Magne tostriction hergestellt wird, eine uniaxiale magnetische Anisotropie aufgrund des inversen Magnetostrictionseffekts nur dann erhalten, wenn die Spannungsverteilung in der Schicht geeignet gesteuert wird.

Fig. 36 ist eine auseinandergezogene Darstellung einer pla naren Induktivität, die die oben erwähnte zweite Struktur besitzt. Wie aus Fig. 36 ersichtlich ist, enthält diese In duktivität zwei Isolierschichten 20, zwei quadratische ma gnetische Schichten 30 und eine spiralförmige planare Spule 40, die sandwichartig zwischen den Isolierschichten 20 auf genommen wird. Die aus den Schichten 20 und der Spule 40 bestehende Einheit wird sandwichartig zwischen den magneti schen Schichten 30 aufgenommen. Jede magnetische Schicht 30 besteht aus vier dreieckförmigen Stücken, jeweils mit einer Achse der leichten Magnetisierung parallel zu der Grundli nie. Die Achse der leichten Magnetisierung in jedem der dreieckigen Stücke schneidet unter rechtem Winkel die von der Spule 40 erzeugten Magnetflüsse. Deshalb besitzen die magnetischen Schichten 30 keine Zonen, in denen sie leicht magnetisch in Sättigung gehen.

Fig. 37 zeigt die Überlagerungs-Gleichstrom-Kennlinie für die in Fig. 36 gezeigte Induktivität. Die ausgezogene Kurve zeigt die Überlagerungs-Gleichstrom-Kennlinie der Indukti vität, während die gestrichelte Linie die Überlagerungs- Gleichstrom-Kennlinie der planaren Induktivität gemäß Fig. 29 veranschaulicht. Aus Fig. 34 ist ersichtlich, daß der Induktivitätswert der Induktivität nach Fig. 29 in der Zone geringen Stroms sehr hoch ist, jedoch mit dem Überlage rungs-Gleichstrom abrupt abnimmt und anschließend praktisch konstant bleibt, bis der Überlagerungs-Gleichstrom bis auf einen spezifischen Wert zunimmt. Der Induktivitätswert der Induktivität nach Fig. 36 hingegen, bei der die Magnet schichten keine Zonen besitzen, die relativ leicht in Sät tigung gehen, ist etwa zweimal höher als bei der Induktivi tät nach Fig. 29, und bleibt praktisch ungeachtet des Über lagerungs-Gleichstroms konstant, bis letzterer auf einen spezifischen Wert ansteigt.

Die in Fig. 36 dargestellte planare Induktivität wird fol gendermaßen hergestellt: Zunächst werden weichmagnetische Schichten aus einer amorphen Legierung, einer kristallinen Legierung oder Oxid mit einer Dicke von 3 µm oder mehr vor bereitet. Diese Schichten werden zu dreieckigen Stücken ge schnitten, die jeweils in der Grundlinie länger sind als die Breite der spiralförmigen Spule 40. Die dreieckigen Stücke werden in einem Magnetfeld, welches parallel zu den Grundlinien der dreieckigen Stücke verläuft, wärmebehan delt. Im Ergebnis erhält jedes Stück eine Achse leichter Magnetisierung, die sich parallel zu der Grundlinie er streckt. Vier solche dreieckigen Stücke, die nun eine uni axiale magnetische Anisotropie aufweisen, werden miteinan der derart verbunden, daß ihre Achsen leichter Magnetisie rung sich parallel zu dem spiralförmigen Leiter der plana ren Spule 40 erstrecken.

Alternativ können die magnetischen Schichten 30 mittels Dünnschichttechnik ausgebildet werden, zum Beispiel mittels Aufdampfen oder Zerstäuben. Werden sie mittels Dünnschicht technik gebildet, so benutzt man dreieckige Masken zur Bil dung der dreieckigen Stücke. Speziell werden zwei dreiec kige Resistmaterial-Masken auf zwei dreieckigen Zonen B ei nes quadratischen Substrats gebildet. Dann wird auf dem Substrat und auf den Masken eine magnetische Schicht mit vorbestimmter Dicke gebildet, während ein Magnetfeld paral lel zu den Grundlinien der Zonen A angelegt wird. Als näch stes werden die Masken von dem Substrat entfernt, und die magnetischen Schichten auf diesen Masken werden gleichzei tig mit abgehoben. Im Ergebnis werden zwei dreieckige ma gnetische Stücke in den Zonen A des Substrats gebildet, und die dreieckigen Zonen B des Substrats liegen frei. Dann werden zwei dreieckige Resist-Masken auf den dreieckigen Magnetstücken (an den Zonen A) gebildet. Auf den freilie genden Zonen B und auch auf den Masken wird mit der vorbe stimmten Dicke eine magnetische Schicht gebildet, während ein Magnetfeld parallel zu den Zonen B angelegt wird. Da nach werden die Masken von den dreieckigen Magnetstücken aus den Zonen A entfernt, und gleichzeitig damit werden die Resist-Masken abgelöst. Damit sind in den Zonen B zwei dreieckige magnetische Stücke gebildet.

Fig. 38 ist eine auseinandergezogene Darstellung einer pla naren Induktivität, die die dritte oben erläuterte Struktur besitzt. Wie aus Fig. 38 hervorgeht, umfaßt diese Indukti vität ein Substrat 10, zwei Isolierschichten 20, zwei qua dratische magnetische Schichten < 99999 00070 552 001000280000000200012000285919988800040 0002004117878 00004 99880BOL<30 und eine spiralförmige planare Spule 40, die zwischen den Isolierschichten 20 sandwichartig eingefaßt ist. Die durch die Schichten 20 und die Spule 40 gebildete Einheit ist sandwichartig zwischen den magnetischen Schichten 30 eingefaßt, von denen die un tere auf dem Substrat 10 liegt. Jede magnetische Schicht 30 besitzt eine spiralförmige Nut, die sich exakt entlang dem spiralförmigen Leiter der Spule 40 erstreckt. Wegen dieser spiralförmigen Nut besitzen die vier dreieckigen Zonen der magnetischen Schicht 3 Achsen leichter Magnetisierung, die von der spiralförmigen Spule 40 erzeugte Magnetflüsse rechtwinklig schneiden. Damit besitzt keine der Magnet schichten 30 Zonen, die leicht in magnetische Sättigung ge langen.

Die in Fig. 38 gezeigten magnetischen Schichten, die mit einer Spiralnut versehen sind, können nach zwei Verfahren hergestellt werden. Bei dem ersten Verfahren wird in der Oberfläche einer Unterlagenplatte eine Spiralnut gebildet, entweder durch spanabhebende Bearbeitung oder durch Fotoli thografie, und auf der Nutfläche der Unterlagenplatte wird eine dünne magnetische Schicht aufgebracht. Bei dem zweiten Verfahren wird eine relativ dicke magnetische Schicht ge bildet, und anschließend wird in die Oberfläche der magne tischen Schicht eine Spiralnut eingearbeitet, entweder durch spanabhebende Bearbeitung oder durch Fotolithografie.

Im folgenden soll kurz erklärt werden, warum eine magneti sche Schicht magnetische Anisotropie zeigt, wenn in ihre Oberfläche eine Spiralnut eingeschnitten wird. Eine ferro magnetische Schicht besitzt mehrere magnetische Domänen. Eine sehr dünne ferromagnetische Schicht besitzt keine Do mänenwand, sondern besitzt eine in Dickenrichtung orien tierte magnetische Domäne. Wie aus dem Stand der Technik bekannt ist, haben die magnetischen Momente der magneti schen Domäne den gleichen Betrag und die gleiche Richtung.

Wenn in die Oberfläche der dünnen ferromagnetischen Schicht eine Nut eingeschnitten wird, entstehen magnetische Pole, wodurch ein Endmagnetisierungsfeld oder ein magnetisches Streufeld erzeugt wird. Das so erzeugte magnetische Feld wirkt auf die magnetischen Momente innerhalb der ferroma gnetischen Schicht ein und verleiht dieser magnetische An isotropie. In derselben Weise erhalten dicke magnetische Schichten magnetische Anisotropie, wenn in ihre Oberflächen eine Nut eingearbeitet wird.

Es ist wünschenswert, daß die in der Oberfläche jeder ma gnetischen Schicht 30 gebildete Spiralnut spezielle Bedin gungen erfüllt, die im folgenden anhand der Fig. 39 erläu tert werden.

Wie in Fig. 39 zu sehen ist, besitzt die Oberfläche jeder magnetischen Schicht 30 parallele Nuten und parallele Streifen, die alternierend Seite an Seite angeordnet sind. Jeder Streifen besitzt eine Breite L und eine Höhe W. Jede Nut hat eine Breite δ. Die magnetische Schicht besitzt eine Dicke d, gemessen vom Boden der Nut aus. Die dreidimensio nalen Koordinanten, welche die Position des i-ten magneti schen Streifens angeben, lauten:

x: (L+δ) (i-l) - L/2 x (L+δ) (i-l) + L/2
y: -∞ < y < +∞
z: -w/2 z +w/2 (1)

Diese Beziehungen repräsentieren eine Oberflächenstruktur, die aus einer definierten Anzahl paralleler Streifen und Nuten besteht, die in X-Achsen-Richtung Seite an Seite an geordnet sind und sich in Y-Achsen-Richtung in nicht defi nierter Weite erstrecken. Die Relationen bedeuten auch, daß der Magnetisierungsvektor I sich parallel zu der magneti schen Schicht erstreckt, wenn die Schicht eine niedrige ma gnetische Anisotropie besitzt. Wenn nicht der cosΘ des Vek tors I bezüglich der X-Achse 0 ist, ergeben sich magneti sche Pole in der Y-Z-Ebene der magnetischen Schicht. Die Oberflächendichte dieser Pole ist das Produkt aus I und cosΘ. Das Magnetfeld, welches diese Pole erzeugen, kann analytisch definiert werden als eine Funktion der Koordina ten (x, z). Es sei als Beispiel der Magnetstreifen (i = 0) betrachtet. Das Endmagnetisierungsfeld Hd, welches an die sen Magnetstreifen angelegt wird, und das wirksame Magnet feld Hm, welches von irgendeinem anderen Magnetstreifen an den Streifen gelegt wird, werden folgendermaßen darge stellt:

wobei Θ_j·k ist:
Es sei angenommen, daß die statische Energie der Felder Hd und Hm als eine Funktion von D betrachtet werden kann, wäh rend sich außerdem der Magnetstreifen (i = 0) in einem sta bilen Zustand befinde. Dann wird die durchschnittliche Dif ferenz der Energiedichte Uk pro Flächeneinheit, die durch D = 0 (der Vektor I ist parallel zu dem Streifen) und D = I/2 (der Vektor I ist senkrecht zu dem Streifen) definiert ist, folgendermaßen dargestellt:

Wie daraus ersichtlich ist, besteht die Möglichkeit, magne tische Schichten magnetisch anisotrop zu machen, indem man lediglich in der Oberfläche der magnetischen Schicht eine spiralförmige Nut ausbildet. Um die Y-Achse als Achse leichter Magnetisierung zu erhalten, ist es jedoch erfor derlich, daß die Achse (entweder X = 0 oder Y = 0) jedes magnetischen Streifens eine Achse leichter Magnetisierung ist. Betrachtet man (X = 0, Y = 0) in Verbindung mit der Gleichung für Uk und berücksichtigt i = ±1, so ändert sich die Gleichung für Uk folgendermaßen:

Der erste Term der Gleichung (4) ist stets positiv. Ob also Uk einen positiven oder einen negativen Wert hat, hängt da von ab, ob der zweite Term positiv oder negativ ist. Des halb kann die magnetische Schicht eine Achse leichter Ma gnetisierung haben, die sich parallel zu den Magnetstreifen und Nuten erstreckt, und sie kann eine Achse schwerer Ma gnetisierung aufweisen, die sich rechtwinklig zu den Strei fen und Nuten erstreckt, vorausgesetzt, daß die Oberflä chenstruktur der magnetischen Schicht folgende Ungleichung erfüllt:

Fig. 40 zeigt die Beziehung zwischen den Parametern der Oberflächenstruktur jeder Magnetschicht der Induktivität (Fig. 38) und dem zweiten Term der Gleichung für Uk. Wie aus Fig. 40 ersichtlich ist, wird die magnetische Anisotro pie umgekehrt, wenn die Höhe W der Streifen so klein ist wie in dem Fall, in welchem δ/L = 1/16. Dann ist es mög lich, daß die magnetische Schicht eine Achse leichter Ma gnetisierung besitzt, die sich rechtwinklig zu den Streifen und Nuten erstreckt.

Im Fall W = 0,5 µm, L = 4 µm, δ = 2 µm und d = 2 µm, be trägt die durchschnittliche Energiedifferenz-Dichte Uk für den nächstliegenden Streifen (i = ±1) 80 Oe oder mehr, aus gedrückt in der Stärke eines anisotropen Magnetfeldes und beruhend auf der Annahme, daß der Magnetisierungswert 1T beträgt.

Fig. 41 zeigt die Überlagerungs-Gleichstrom-Kennlinie der Induktivität gemäß Fig. 38. Genauer gesagt: Die ausgezogene Kurve zeigt die Überlagerungs-Gleichstrom-Kennlinie der In duktivität, während die gestrichelte Linie die Überlage rungs-Gleichstrom-Kennlinie der planaren Induktivität gemäß Fig. 29 veranschaulicht. Wie aus Fig. 41 ersichtlich ist, ist im Gegensatz zu dem Induktivitätswert der in Fig. 29 gezeigten Induktivität der Induktivitätswert der Induktivi tät gemäß Fig. 38 praktisch konstant, ungeachtet des über lagerten Gleichstroms, bis der Überlagerungs-Gleichstrom auf einen spezifischen Wert zugenommen hat.

Wie oben erläutert, sind die planaren Induktivitäten gemäß dem vierten Aspekt der Erfindung frei von dem Problem der Sättigung der magnetischen Schichten, da diese die ersten, die zweite oder die dritte der oben beschriebenen Struktu ren aufweisen und mithin die Schichten in ihren jeweiligen Achsen schwerer Magnetisierung magnetisiert sind. Da wei terhin jede magnetische Schicht in ihrer Achse schwerer Ma gnetisierung magnetisiert ist, unterliegt sie einer Drehma gnetisierung. Daher läßt sich der durch hochfrequenten Wir belstrom bedingte Verlust stärker reduzieren, als in dem Fall, in welchem jede magnetische Schicht einer Bewegung der Magnetdomänen-Wand unterliegt. Offensichtlich trägt dies bei zur Verbesserung des Frequenzgangs der planaren Induktivität.

Im folgenden werden verschiedene spiralförmige planare Spu len erläutert, die rechtwinklig und nicht quadratisch, wie die bisher beschriebenen Spulen sind, die in den planaren magnetischen Elementen gemäß dem vierten Aspekt der Erfin dung verwendet werden. Wie beschrieben werden wird, sind die Anschlüsse jeder rechtwinkligen planaren Spule leichter nach außen zu führen als bei den quadratischen planaren Spulen.

Hier werden verschiedene planare Induktivitäten, jeweils mit mindestens einer rechtwinkligen spiralförmigen planaren Spule, als planare magnetische Elemente beschrieben. Nicht nur solche planare Induktivitäten, sondern auch planare Transformatoren sind von den planaren magnetischen Elemen ten gemäß dem vierten Aspekt der Erfindung umfaßt. Diese planaren Transformatoren sind im Aufbau identisch mit den planaren Induktivitäten, mit der Ausnahme, daß sie eine Primärspule und eine Sekundärspule besitzen, die beide rechtwinklige spiralförmige planare Spulen in einer Anord nung übereinander sind, wobei die gleichen Vorteile wie bei den planaren Induktivitäten erzielt werden. Deshalb sollen die planaren Transformatoren nicht im Detail erläutert wer den.

Fig. 42A zeigt die Magnetisierungskennlinie einer magneti schen Schicht mit uniaxialer magnetischer Anisotropie. Die Figur zeigt die B-H-Magnetisierungskurve entlang der Achse einfacher Magnetisierung, außerdem die B-H-Magnetisierungs kurve entlang der Achse schwerer Magnetisierung. Fig. 42B zeigt die Beziehung zwischen Permeabilität und Frequenz, welche die magnetische Schicht entlang der Achse leichte Magnetisierung zeigt, außerdem zeigt die Figur die Beziehung zwischen Permeabilität und Frequenz entlang der Achse schwerer Magnetisierung. Wie aus Fig. 42B ersichtlich ist, ist die magnetische Schicht entlang der Achse leichter Ma gnetisierung ganz sättigbar, kann jedoch entlang der Achse schwerer Magnetisierung kaum gesättigt werden. Wie ohne weiteres aus Fig. 42B ersichtlich ist, ist die Permeabili tät, welche die magnetische Schicht entlang der Achse leichter Magnetisierung zeigt, im niedrigen Frequenzbereich sehr hoch, ist hingegen im Hochfrequenzbereich sehr nied rig. Im Gegensatz dazu ist die Permeabilität, die die Schicht entlang der Achse schwerer Magnetisierung aufweist, im niedrigen Frequenzbereich geringer als die Permeabilität entlang der Achse leichter Magnetisierung, ist jedoch im Hochfrequenzbereich wesentlich höher. Die grafischen Dar stellungen in den Fig. 42A und 42B ergeben, daß eine pla nare Induktivität mit guten elektrischen Eigenschaften her gestellt werden kann, wenn man Gebrauch macht von der kon stanten Permeabilität, welche die magnetische Schicht ent lang der Achse schwerer Magnetisierung aufweist.

Es gibt drei Arten der Ausnutzung der konstanten Permeabi lität der magnetischen Schicht. Diese Arten werden im fol genden einzeln erläutert.

Erste Art

Die erste Art besteht darin, eine rechtwinklige spiralför mige planare Spule, zwei die Spule einschließende Isolier schichten und zwei oberhalb und unterhalb der Spule ange ordnete magnetische Schichten derart zu verwenden, daß die Achsen leichter Magnetisierung der magnetischen Schichten mit der Hauptachse der Spule ausgerichtet sind.

Fig. 43A ist eine Draufsicht auf eine planare Induktivität, die nach dem ersten Verfahren hergestellt ist, Fig. 43B ist eine Schnittansicht dieser Induktivität entlang der Linie 43B-43B in Fig. 43A. Wie aus diesen Fig. 43A und 43B her vorgeht, ist eine rechtwinklige, spiralförmige planare Spule 40 zwischen zwei magnetischen Schichten 30 sandwich artig eingefaßt. Die Spule hat ein großes geometrisches Verhältnis (das heißt das Verhältnis der Länge m der Haupt achse zu der Länge n der Nebenachse). Je größer das geome trische Verhältnis m/n ist, desto mehr schneiden von der Spule 40 erzeugte Magnetflüsse rechtwinklig die Achsen der leichten Magnetisierung der magnetischen Schicht, wodurch die elektrischen Eigenschaften der planaren Induktivität verbessert werden. Um die Kennlinien der Induktivität wei ter zu verbessern, können die magnetischen Schichten 30 derart verkleinert werden, daß sie lediglich den Mittelab schnitt der Spule 40 abdecken, wie dies in Fig. 44 darge stellt ist.

Zweite Art

Die zweite Art ist die, daß zwei rechtwinklige, spiralför mige planare Spulen desselben Typs wie bei der ersten Art hergenommen und in derselben Ebene angeordnet werden, wobei zwei Isolatoren, welche die Spulen sandwichartig ein schließen, und zwei Sätze von magnetischen Schichten ver wendet werden, jeder Satz bestehend aus zwei übereinander liegenden magnetischen Schichten über und unter der zugehö rigen Spule. Die magnetischen Schichten jedes Satzes sind so angeordnet, daß ihre Magnetisierungsachsen mit der Hauptachse der entsprechenden Spule ausgerichtet sind.

Fig. 45 ist eine Draufsicht auf eine planare Induktivität der zweiten Art, die zwei rechtwinklige, spiralförmige Spu len 40 aufweist, die mit ihren Enden verbunden und entlang ihren Hauptachsen ausgerichtet sind. Diese planare Indukti vität besitzt den gleichen Querschnittaufbau wie die Induk tivität gemäß Fig. 43B.

Fig. 46A ist eine Draufsicht auf eine weitere planare In duktivität der zweiten Art, die zwei rechtwinklige, spiral förmige Spulen 40 enthält, die Seite an Seite liegend mit einander verbunden sind, wobei ihre Nebenachsen miteinander ausgerichtet sind. Fig. 46B ist eine Schnittansicht entlang der Linie 46B-46B in Fig. 46A, die diese planare Induktivi tät veranschaulicht.

Es gibt zwei alternative Verfahren zum Verbinden der Spulen 40 Seite an Seite. Nach dem ersten Verfahren werden die Spulen 40 mit ihren in derselben Richtung gewickelten Lei tern in der in Fig. 46A dargestellten Weise angeordnet und dann Seite an Seite miteinander verbunden. Bei dem zweiten Verfahren werden die Spulen 40 so angeordnet, daß ihre Lei ter in entgegengesetzte Richtungen gewickelt sind, wie aus 47A ersichtlich ist, und anschließend werden sie miteinan der Seite an Seite verbunden. Wird vom zweiten Verfahren Gebrauch gemacht, so werden mehr magnetische Wege gebildet, als im Fall des ersten Verfahrens, wie aus Fig. 47B er sichtlich ist. Welches Verfahren vorzuziehen ist, hängt von verschiedenen Bedingungen für die planare Induktivität ab.

Bei den planaren Induktivitäten gemäß den Fig. 45, 46A und 46B sowie 47A und 47B ist es möglich, größere magnetische Schichten zu verwenden, die die gesamten Spiralspulen 40 bedecken, nicht nur deren mittlere Abschnitte, wie dies in den Fig. 44, 45, 46A und 47A gezeigt ist.

Dritte Art

Bei der dritten Art werden die Anschlüsse des Leiters mit einander verbundener rechtwinkliger planarer Spulen freige legt. Dies erleichtert das Herausführen der Anschlüsse aus der planaren Induktivität.

Wie beschrieben, werden in den planaren Induktivitäten der ersten, der zweiten und der dritten Art zwei rechtwinklige Spiralspulen miteinander verbunden. Daher kann ihr Indukti vitätswert zwei- oder mehrfach höher sein als bei der in den Fig. 43A und 43B sowie in Fig. 45 dargestellten Induk tivität. Da außerdem die beiden rechtwinkligen Spiralspulen in derselben Ebene liegen, sind keine freiliegenden Drähte für die elektrische Verbindung erforderlich.

Wie aus der Beschreibung hervorgeht, machen die planaren magnetischen Elemente gemäß dem vierten Aspekt der Erfin dung wirksamen Gebrauch von der Achse schwerer Magnetisie rung jeder in der Induktivität enthaltenen magnetischen Schicht. Die magnetische Schicht erfährt eine Drehmagneti sierung und wird kaum magnetisch gesättigt, so daß dadurch das Hochfrequenzverhalten des planaren magnetischen Ele ments verbessert wird.

Bei den planaren Induktivitäten gemäß den Fig. 44, 45, 46A und 46B sowie 47A und 47B ist lediglich eine magnetisch an isotrope Schicht an jeder Seite der spiralförmigen Spule angeordnet. In der Praxis befinden sich zwei oder noch mehr magnetisch anisotrope Schichten an jeder Seite der Spule, so daß ein hoher Induktivitätswert erreicht wird.

Es soll kurz erläutert werden, wie die planaren Elemente gemäß dem vierten Aspekt der Erfindung hergestellt werden. Zunächst werden weichmagnetische Schichten aus einer amor phen Legierung, einer kristallinen Legierung oder einem Oxid mit einer Dicke von 3 µm oder darüber vorbereitet. Diese magnetischen Schichten werden in einem Magnetfeld wärmebehandelt, wodurch sie eine uniaxiale magnetische An isotropie annehmen. Dann werden die nun magnetisch aniso tropen magnetischen Schichten, eine gewünschte Anzahl rechtwinkliger Spiralspulen und Isolierschichten übereinan der gestapelt und miteinander verbunden. Es ist wünschens wert, daß die magnetischen Schichten aus einem solchen Ma terial bestehen, daß die Schichten möglichst wenig Span nung ausgesetzt sind, wenn sie mit den Spulen und den Iso lierschichten verbunden werden.

Die magnetischen Schichten können in Dünnschichttechnik, zum Beispiel durch Aufdampfen oder Zerstäuben, hergestellt werden.

Werden sie in Dünnschichttechnik hergestellt, so erhalten sie die uniaxiale magnetische Anisotropie, während sie in einem elektrostatischen Feld ausgebildet werden, oder wäh rend sie einer Wärmebehandlung in einem Magnetfeld unterzo gen werden. Je geringer die Magnetostriktion, desto besser. Nichtsdestoweniger kann eine magnetische Schicht, die aus einem Material mit relativ hoher Magnetostriktion herge stellt wird, eine uniaxiale magnetische Anisotropie durch den inversen Magnetostriktionseffekt erhalten, wenn nur die Spannungsverteilung in der Schicht geeignet gesteuert wird.

Die planaren magnetischen Elemente gemäß dem vierten Aspekt der Erfindung werden modifiziert, so daß man sie in inte grierte Schaltungen einbauen kann, zusammen mit anderen Elementen wie Transistoren, Widerständen und Kondensatoren. Speziell werden die Elemente so modifiziert, daß ihre ma gnetischen Leckflüsse reduziert werden, um ein Versagen der anderen Elemente zu unterbinden. Die planaren Induktivitä ten nach den Fig. 44, 45, 46A und 46B sowie 47A und 47B brauchen speziell zusätzliche Elemente, das heißt magneti sche Abschirmungen, welche die freiliegenden Teile der Spu lenleiter abdecken. Eine solche modifizierte Form soll nun unter Bezugnahme auf die Fig. 48A und 48B erläutert werden, die eine Draufsicht beziehungsweise Schnittansicht zeigen.

Diese modifizierte Form ist gekennzeichnet durch die Verwen dung von zwei magnetischen Abschirmungen 32, welche die ma gnetischen Schichten 30 und außerdem eine rechtwinklige Spiralspule 40 in ihrer Gesamtheit abdecken. Damit sperren die Abschirmungen 32 magnetische Flüsse ab, die aus der Spule 40 herauskommen. In den Fig. 48A und 48B sind für gleiche Teile wie in den Fig. 43A und 43B gleiche Bezugs zeichen verwendet.

Im folgenden werden anhand der Fig. 49 bis 61 planare ma gnetische Elemente gemäß dem fünften Aspekt der Erfindung beschrieben.

Fig. 49 und 50 sind Draufsichten auf zwei planare Spulen zur Verwendung in planaren magnetischen Elementen gemäß dem fünften Aspekt der Erfindung.

Die in Fig. 49 dargestellte Spule ist etwa quadratisch, liegt zwischen einem Paar magnetischer Schichten 30 und enthält mehrere Einzelwindungs-Spulenleiter 40. Die Leiter 40 sind in derselben Ebene konzentrisch zueinander angeord net. Jeder Leiter 40 besitzt zwei Anschlüsse 40, die sich von einer Seite der kombinierten magnetischen Schichten 30 aus erstrecken.

Auch die in Fig. 50 gezeigte Spule ist etwa quadratisch und liegt zwischen einem Paar magnetischer Schichten 30. Sie enthält mehrere Einzelwindungs-Spulenleiter 40, die in ei ner Ebene konzentrisch zueinander angeordnet sind. Jeder Leiter 40 besteht aus zwei Abschnitten, die symmetrisch zu einander ausgebildet sind. Jeder Abschnitt besitzt zwei An schlüsse, die von den beiden entgegengesetzten Seiten der kombinierten Magnetschichten 30 abstehen. Damit besitzt je der Einzelwindungs-Spulenleiter 40 vier Anschlüsse, von denen zwei auf einer Seite der kombinierten magnetischen Schichten 30 abstehen, während die verbleibenden zwei von der entgegengesetzten Seite der Magnetschichten 30 abste hen.

In den planaren magnetischen Elementen gemäß den Fig. 49 und 50 können die magnetischen Schichten 30 aus einem wei chen Ferritkern, einem weichen Magnetband, einer magneti schen Dünnschicht oder dergleichen bestehen. Wenn sie aus einem Band aus einer weichmagnetischen Legierung oder einer Schicht aus einer weichmagnetischen Legierung bestehen, ist es nötig, eine Isolierschicht in die Lücke zwischen der planaren Spule und jeder Magnetschicht 30 einzufügen.

Die planaren magnetischen Elemente gemäß dem fünften Aspekt der Erfindung benötigen keine Durchkontaktierung oder An schluß-Leiter, wie das magnetische Element, das spiralför mige planare Spulen besitzt. Deshalb lassen sie sich ein fach herstellen. Weiterhin können sie leicht an externe Schaltungen angeschlossen werden, da die Anschlüsse jeder Einzelwindungs-Spule 40 sich von der Seite oder den Seiten der Magnetschichten 30 aus erstrecken.

Wenn irgendein planares magnetisches Element gemäß dem fünften Aspekt der Erfindung als ein Induktivitätselement verwendet wird, so läßt sich dessen Induktivitätswert leicht dadurch einstellen, daß man die Einzelwindungs-Spu len 40 in verschiedener Weise miteinander verbindet, wie im folgenden unter Bezugnahme auf die Fig. 51 bis 53 erläutert wird.

Fig. 51 zeigt eine planare Spule des in Fig. 49 gezeigten Typs. Sämtliche Einzelwindungs-Spulen 40 dieser planaren Spule sind mit ihren Enden verbunden, ausgenommen die am weitesten innen liegende Einzelwindungs-Spule und die äußerste Spule. Das freie Ende der innersten Einzelwin dungs-Spule 40 bildet einen Eingangsanschluß der planaren Spule, während das freie Ende der äußersten Einzelwindungs- Spule den anderen Anschluß der planaren Spule bildet. Die durch die so miteinander verschalteten Spulen 40 gebildete planare Spule erzeugt ein Magnetfeld, welches demjenigen ähnelt, das von einer planaren Spule mit einem mäanderför migen Spulenleiter erzeugt wird.

Fig. 52 zeigt eine planare Spule des in Fig. 49 dargestell ten Typs. Ein Ende jeder Einzelwindungs-Spule 40 ist mit demjenigen Ende der nächsten Spule 40 verbunden, das bezüg lich der vertikalen Achse in Fig. 52 symmetrisch liegt. Das zweite Ende der innersten Einzelwindungs-Spule ist frei, ebenso wie das zweite Ende der äußersten Einzelwindungs- Spule. Bei dieser planaren Spule fließt der Strom in einer Richtung durch jede Einzelwindungs-Spule. Diese planare Spule erzeugt ein Magnetfeld, welches ähnlich dem Magnet feld ist, das von einer planaren Spule erzeugt wird, die einen spiralförmigen Spulenleiter besitzt.

Fig. 53 zeigt eine planare Spule des in Fig. 49 gezeigten Typs.

Einige äußere Einzelwindungsspulen 40 dieser planaren Spule sind mit ihren Enden verbunden, ausgenommen die äußerste Einzelwindungsspule, während die übrigen Einzelwindungsspu len 40, das heißt die inneren Einzelwindungsspulen, mit ih ren Enden an das Ende der nächsten Einzelwindungsspule 40 angeschlossen sind, das symmetrisch bezüglich der vertika len Achse der Fig. 53 liegt. Diese planare Spule erzeugt ein Magnetfeld ähnlich demjenigen, das von einer planaren Spule erzeugt wird, bei der die Spule aus einem mäanderför migen Abschnitt und einem spiralförmigen Abschnitt besteht.

Von den in den Fig. 51, 52 und 53 gezeigten planaren Spulen hat die Spule nach Fig. 52 die höchste Induktivität. Die planare Spule nach Fig. 51 besitzt den niedrigsten Indukti vitätswert. Die planare Spule 53 hat einen Zwischen-Induk tivitätswert.

Folglich kann jede planare Induktivität gemäß dem fünften Aspekt der Erfindung ihren eigenen, leicht einstellbaren Induktivitätswert haben, wobei die Einstellung einfach durch Auswahl der Verbindung der Einzelwindungsspulen 40 erfolgt, wie es oben erläutert ist. Die Einzelwindungsspu len 40 können auch auf andere Weise als in den drei oben speziell erläuterten Verfahren gemäß den Fig. 51, 52 und 53 verbunden werden, so daß der Induktivitätswert der planaren Induktivität einen von dem Anwender der Induktivität ge wünschten Wert aufweisen kann.

Fig. 54 ist ein Diagramm, welches den Induktivitätswert darstellt, den jede der Einzelwindungsspulen 40 des plana ren magnetischen Elements nach Fig. 49 aufweist, wenn die Anschlüsse an eine Spannungsversorgung angeschlossen sind.

Wie aus Fig. 54 ersichtlich ist, besitzen die Einzelwin dungsspulen 40 unterschiedliche Induktivitätswerte, wenn sie individuell an die gleiche Spannungsversorgung ange schlossen werden. Dies bedeutet, daß die planare Spule ge mäß Fig. 49 geringfügig verschiedene Induktivitätswerte ha ben kann, wobei dies dadurch erreicht wird, daß sämtliche oder nur einige der Einzelwindungsspulen 40 in verschiede ner Weise (einschließlich den oben anhand der Fig. 51 bis 53 erläuterten Weisen) verbunden werden, entweder einzeln oder in Kombination. In anderen Worten: der Induktivitäts wert der planaren Spule (Fig. 49) kann in einem breiten Be reich genau getrimmt werden.

Das in Fig. 49 gezeigte planare magnetische Element kann in verschiedener Weise modifiziert werden, um als planarer Transformator zu fungieren, wie anhand der Fig. 55 bis 58 erläutert wird. Die Einzelwindungsspulen 40 des Elements werden in mindestens zwei Gruppen unterteilt, und die An schlüsse der Einzelwindungsspulen jeder Gruppe werden in verschiedener Weise verschaltet.

Fig. 55 und 56 zeigen Transformatoren mit einem Eingang und einem Ausgang. Fig. 57 zeigt einen Transformator mit einem Eingang und zwei Ausgängen. Bei jedem Transformator, bei dem die Einzelwindungsspulen 40 in zwei oder mehr Gruppen unterteilt sind, ist die Art und Weise der Verschaltung der Einzelwindungsspulen 40 nicht auf die Beispiele nach den Fig. 55 bis 57 beschränkt. Durch das Verbinden der Einzel windungsspulen 40, die eine Primärspule bilden, derjenigen, die eine Sekundärspule bilden, sowie derjenigen, die eine Tertiärspule bilden, und so weiter, in verschiedener Weise läßt sich der Induktivitätswert der Spule oder der Kopp lungskoeffizient zwischen den Spulen einstellen. Mithin läßt sich das Spannungsverhältnis und das Stromverhältnis des Transformators extern einstellen. Fig. 58 veranschau licht die Beziehung zwischen den Spannungs- und Stromver hältnissen des in Fig. 49 gezeigten magnetischen Elements einerseits, und die Art der Verschaltung der Außenan schlüsse andererseits.

Das in Fig. 50 gezeigte planare magnetische Element kann zu einem Transformator modifiziert werden, dessen Spannungsverhältnis und Stromverhältnis noch genauer ein stellbar ist als bei dem Transformator, der durch Modifi zieren des planaren magnetischen Elements nach Fig. 49 ge bildet wird, welcher weniger Ausgangsanschlüsse besitzt. Allerdings gilt: je mehr Ausgangsanschlüsse, desto schwie riger ist es für den Anwender, die Verschaltung korrekt durchzuführen. Deshalb ist es zu empfehlen, daß ein plana res magnetisches Element mit zwei bis vier Ausgangsan schlüssen benutzt wird, wie es bei den Elementen nach den Fig. 51 und 55 der Fall ist.

Im Fall einer planaren Induktivität, deren elektrische Ei genschaften nicht extern eingestellt werden müssen, und die einen hohen Induktivitätswert besitzen muß, muß die Lücke zwischen jeweils zwei benachbarten Einzelwindungsspulen so schmal sein, wie es die verfügbaren Herstellungsverfahren zulassen, und die Anschlüsse der Einzelwindungsspulen müs sen in der in Fig. 52 gezeigten Weise verschaltet werden, so daß die Induktivität einen hohen Induktivitätswert auf weisen kann. Im Fall eines planaren magnetischen Elements, welches unter Einbuße des Induktivitätswertes einen beson deren Frequenzgang besitzen muß, muß die Lücke zwischen je weils zwei benachbarten Einzelwindungsspulen so breit sein, wie es der Herstellungsvorgang gestattet, während die An schlüsse der Einzelwindungsspulen in der in Fig. 51 darge stellten Weise verschaltet sein müssen, damit diese Induk tivität einen sehr guten Frequenzgang besitzt. Im Fall ei nes planaren Transformators, dessen elektrische Eigenschaf ten nicht von außen einstellbar sein müssen, muß die Lücke zwischen jeweils benachbarten Einzelwindungsspulen so schmal wie möglich sein, wodurch der Transformator sehr wirksam für spezielle Zwecke arbeitet.

Um das planare magnetische Element gemäß dem fünften Aspekt der Erfindung zu miniaturisieren, ist es wünschenswert, daß die Elemente durch dasselbe Dünnschichtverfahren herge stellt werden, wie es aus der Herstellung von Halbleiter bauelementen bekannt ist. Wenn diese Elemente auf einem aus Si oder GaAs bestehenden Halbleitersubstrat zusammen mit aktiven Elementen wie Transistoren und passiven Elementen wie Widerständen und Kondensatoren gebildet werden, läßt sich ein kleines monolithisches Bauelement fertigen. Die planaren magnetischen Elemente können in derselben Ebene liegen, wie die aktiven Elemente, sie können aber auch oberhalb oder unterhalb der aktiven Elemente angeordnet sein.

Fig. 59 ist eine Schnittansicht eines elektronischen Bau elements, welches ein Halbleitersubstrat 10, ein auf dem Substrat 10 gebildetes aktives Element 90 und ein planares magnetisches Element gemäß dem fünften Aspekt der Erfindung aufweist, letzteres ist ebenfalls auf dem Substrat 10 ge bildet. Fig. 60 ist eine Schnittansicht eines anderen Bau elements, welches ein Halbleitersubstrat 10, ein auf diesem gebildetes aktives Element 90, eine auf dem Substrat 10 ausgebildete Isolierschicht 20, eine auf der Isolier schicht 20 gebildete Verdrahtungsschicht 95, eine die Ver drahtungsschicht 95 abdeckende Isolierschicht 20 und zwei planare magnetische Elemente 1 gemäß dem fünften Aspekt der Erfindung aufweist, ebenfalls auf der Isolierschicht 20 befindlich. Fig. 61 ist eine Schnittansicht eines elektri schen Bauelements, welches aufweist: ein Halbleitersubstrat 10, zwei planare magnetische Elemente 1 gemäß dem fünften Aspekt der Erfindung auf dem Substrat 10, eine die planaren magnetischen Elemente abdeckende Isolierschicht und ein auf der Schicht 20 befindliches aktives Element 90. In diesen Bauelementen sind das Substrat 10, das aktive Element 90 und das magnetische Element oder die magnetischen Elemente 1 elektrisch über (nicht gezeigte) Kontaktlöcher verbunden.

Nicht nur die planaren magnetischen Elemente gemäß dem fünften Aspekt, sondern auch die planaren magnetischen Ele mente gemäß jedem anderen Aspekt der Erfindung, können je weils als Induktivitätselement oder als Transformator aus gebildet sein, jeweils beinhaltend mindestens eine planare Spule. Diese Elemente können ebenfalls auf diesem Halblei tersubstrat zusammen mit aktiven Elementen und passiven Elementen zur Bildung einer integrierten Schaltung ausge bildet sein.

Schließlich sollen im folgenden unter Bezugnahme auf die Fig. 62A bis 64 die planaren magnetischen Elemente gemäß dem sechsten Aspekt der Erfindung beschrieben werden.

Fig. 62A und 62B sind eine Schnittansicht beziehungsweise eine teilweise geschnitte perspektivische Ansicht einer Einzelwindungsspule gemäß dem dritten Aspekt der Erfindung. Wie Fig. 62A zeigt, enthält diese Einzelwindungsspule einen hohlen scheibenförmigen Leiter 42, einen in den Leiter 42 eingepaßten ringförmigen hohlen Isolator 20 und ein in den Isolator 20 eingebettetes ringförmiges magnetisches Ele ment 30.

Der hohle Leiter 42 besitzt überall einen großen Quer schnitt. Damit kann ein starker Strom durch den Leiter 42 fließen, und das magnetische Element 30 magnetisieren. Wie aus den Fig. 62A und 62B hervorgeht, besitzt die Einzelwin dungsspule einen vollständig abgeschirmten Kern, während das planare magnetische Element gemäß Fig. 17 einen teil weise freiliegenden Kern aufweist. Praktisch keine magneti schen Flüsse, die von dem magnetischen Element 30 erzeugt werden, gelangen aus der Einzelwindungsspule. Diese Einzel windungsspule besitzt eine Stromaufnahmefähigkeit, die weit größer ist als jene, der planaren magnetischen Elemente nach den Fig. 17 und 18, obschon das Element nach Fig. 17 einen höheren Induktivitätswert bei Frequenzen unterhalb von 1 MHz aufweist und das Element nach Fig. 18 einen höhe ren Induktivitätswert bei Frequenzen von mehr als 1 MHz be sitzt.

Die in den Fig. 62A und 62B dargestellte Einzelwindungs spule besitzt einen Induktivitätswert L, der sich folgen dermaßen errechnet:

L = 2 µ_s·δ₂ ln (d₁/d₂)×10^-7

wobei µ_s die spezifische Permeabilität des magnetischen Elements 30, d₁ der Durchmesser des polähnlichen Abschnitts des Leiters 42, d₂ der Außendurchmesser des scheibenförmi gen Leiters 42 und δ₂ die Dicke des magnetischen Elements 30 ist.

Der Gleichstromwiderstand R_DC (Ω) der Einzelwindungsspule beträgt:

R_DC = (K/Iδ₁) in (d₁/d₂)

wobei K der spezifische Widerstand des Leiters 42 ist.

Wenn der Leiter 42 aus Aluminium besteht, das eine zuläs sige Stromdichte von 10⁸ A/m² aufweist, errechnet sich der zulässige Strom (Imax) der Einzelwindungsspule gemäß Fig. 62A und 62B folgendermaßen:

Imax = I×10⁸ d₁ d₂ (A).

Im Fall einer planaren Induktivität, die eine übliche spi ralförmige planare Spule mit derselben Größe wie diese Ein zelwindungsspule aufweist, ist der Querschnitt des Leiters der planaren Spule weit kleiner. Damit hat diese planare Induktivität eine zulässige Stromdichte Imax von lediglich einigen zehn Ampere.

Man kann mehrere der Einzelwindungsspulen des in Fig. 62A und 62B gezeigten Typs zur Bildung einer Spuleneinheit in Reihe schalten. Fig. 63A ist eine Schnittansicht einer sol chen Spuleneinheit. Offensichtlich besitzt diese Spulenein heit einen sehr hohen Induktivitätswert. Weiterhin lassen sich mehrere Spuleneinheiten des in Fig. 63A gezeigten Typs übereinander anordnen, wie dies in Fig. 63B gezeigt ist, um eine dickere Spuleneinheit zu erhalten, die einen noch höheren Induktivitätswert pro Flächeneinheit aufweist, als die in Fig. 63A gezeigte Spuleneinheit.

Die Einzelwindungsspule nach Fig. 62A und 62B läßt sich zu einem planaren Transformator des in Fig. 64 gezeigten Typs modifizieren. Der planare Transformator nach Fig. 64 ist dadurch gekennzeichnet, daß zwei hohle, scheibenförmige Leiter 42A und 42B, verwendet als Primärspule beziehungs weise als Sekundärspule, ein magnetisches Element 30 umfas sen, wobei ein Isolator 20A das magnetische Element 30 be deckt und ein weiterer Isolator 20B zwischen den Leitern 42A und 42B liegt. Zwei Sätze von hohlen, scheibenförmigen Leitern können einen ersten Satz für eine Primärspule und einen zweiten Satz für eine Sekundärspule bilden. Die An zahl von Leitern der ersten Gruppe und die Anzahl von Lei tern der zweiten Gruppe bestimmt sich jeweils nach Maßgabe des gewünschten Windungsverhältnisses des Transformators.

Die planaren magnetischen Elemente gemäß dem sechsten Aspekt der Erfindung wurden im Detail beschrieben und er läutert. Erfindungsgemäß können die Elemente nach verschie denen Aspekten der Erfindung, die jeweils bessere Kennwerte aufweisen als die herkömmlichen Elemente, in jeder beliebi gen Kombination eingesetzt werden, so daß dadurch neue Ar ten und Typen von planaren Elementen geschaffen werden, die noch bessere Eigenschaften und Kennwerte sowie eine bessere Arbeitsleistung und Einsetzbarkeit aufweisen.

Auswahl der Materialien

Im folgenden sollen Materialien für die Komponenten der planaren magnetischen Elemente gemäß der Erfindung erläu tert werden, das heißt für das Substrat 10, die Isolierele mente 20, die magnetischen Elemente 30 und den Leiter 42.

Der Spulenleiter 42 besteht aus einem Metall geringen Wi derstands, wie zum Beispiel Aluminium (Al), einer Al-Legie rung, Kupfer (Cu) einer Cu-Legierung, Gold (Au) oder einer Au-Legierung, Silber (Ag) oder Ag-Legierung. Die Materia lien für den Leiter 42 sind selbstverständlich nicht auf die angegebenen Beispiele beschränkt. Der Nennstrom der aus dem Spulenleiter 42 gebildeten planaren Spule ist pro portional zu der zulässigen Stromdichte des Materials nied rigen Widerstands des Leiters 42. Folglich ist es wün schenswert, daß das Material in hohem Maß widerstandsfähig gegenüber Elektronenwanderung, Spannungsverschiebung oder thermischer Verschiebung ist, die möglicherweise den Spu lenleiter durchtrennt. Die magnetischen Elemente 30 beste hen aus einem aus vielen möglichen Materialen ausgewählten Material, wobei die Auswahl im Hinblick auf die Eigen schaften und Kennwerte der Induktivität oder des Transfor mators, der diese Elemente 30 beinhaltet, und auch im Hin blick auf die Frequenzbereiche, in denen die planare Induk tivität oder der Transformator mit diesen Elementen 30 zu betreiben ist, erfolgt. Beispiele für Stoffe der Elemente 30 sind: Permalloy, Ferrit, Sendust, verschiedene amorphe magnetische Legierungen oder magnetischer Einkristall. Wenn die Induktivität oder der Transformator als Stromversor gungselement verwendet wird, sollten die Elemente 30 aus einem Material bestehen, welches eine hohe magnetische Sättigungsflußdichte besitzt.

Die magnetischen Elemente 30 können aus einem Verbundmate rial bestehen. Zum Beispiel kann es sich um ein Laminat aus einer FeCo-Schicht und einer SiO₂-Schicht handeln, um eine künstliche Gitterschicht, um eine Mischphasenschicht aus FeCo-Phase und B₄C-Phase oder um eine Schicht mit disper gierten Teilchen. Werden die magnetischen Elemente auf dem Spulenleiter 42 gebildet, so müssen sie nicht notwendiger weise elektrisch isolierend sein. Wenn allerdings die ma gnetischen Elemente elektrisch leitend sind, muß zwischen ihnen einerseits und dem Spulenleiter 42 andererseits eine Isolierschicht angeordnet werden.

Um den Einfluß der Sättigung der magnetischen Elemente aus zuschalten, ist es wünschenswert, daß die magnetischen Ele mente mit ihren Achsen des schwer magnetisierbaren Feldes ausgerichtet sind mit den Magnetisierungsachsen der plana ren Spule, und ein anisotropes Magnetfeld zu erzeugen, wel ches stärker ist als das durch den Spulenstrom erzeugte Ma gnetfeld. Die magnetischen Elemente sollten am besten aus Material mit hoher Sättigungsmagnetisierung bestehen, wel ches außerdem ein anisotropes Magnetfeld Hk mit einer ge eigneten Stärke besitzt. Um weiterhin den aus der Mehr schichtstruktur resultierenden mechanischen Spannungseffekt zu minimieren, sollten die magnetischen Elemente vorzugs weise aus einem Material mit einer kleinen Magnetostriktion bestehen (zum Beispiel B s < 10^-6).

Das Kriterium für die Auswahl eines Materials für die ma gnetischen Elemente soll im folgenden unter Bezugnahme auf Fig. 65 erläutert werden, welche die Beziehung zwischen der Anzahl von Windungen der spiralförmigen planaren Spule ei nerseits und dem maximalen Spulenstrom und der Stärke (H) des durch den durch die Spule fließenden zulässigen Strom erzeugten Magnetfeldes andererseits veranschaulicht. Dieses Diagramm wurde durch Versuche erstellt, bei denen planare magnetische Elemente verschiedener Größe getestet wurden. Jedes dieser Elemente besitzt eine planare Spule mit einer unterschiedlichen Anzahl von Windungen, zwei magnetische Elemente mit unterschiedlicher Größe, und zwei Isolier schichten, von denen je eine zwischen der Spule und einer der magnetischen Schichten liegt. Die in diese Elemente eingebauten Spulen sind hinsichtlich des verwendeten Lei ters und der zwischen den Windungen befindlichen Lücken identisch. Der Leiter besteht aus einer Al-Cu-Legierung mit einer Dicke von 10 µm und einer zulässigen Stromdichte von 5 ×10⁸ A/m². Die Lücke zwischen den Windungen beträgt 3 µm. Die Isolierschichten besitzen eine Dicke von 1 µm.

Das Magnetfeld, welches erzeugt wird, wenn der zulässige Strom in die Spule eingespeist wird, besitzt eine Stärke von etwa höchstens 20 bis 30 Oe. Wenn der maximale Spulen strom auf 80% des zulässigen Stroms eingestellt ist, wird an die magnetischen Elemente ein Magnetfeld gelegt, dessen Intensität 16 bis 40 Oe im Höchstfall beträgt. In diesem Fall brauchen die magnetischen Elemente ein anisotropes Ma gnetfeld Hk mit einer Stärke von 16 bis 24 Oe.

Die Stärke des anisotropen Magnetfeldes hängt ab von den strukturellen Parametern des magnetischen Elements. Damit ist das anisotrope Magnetfeld nicht auf ein solches be schränkt, welches eine Stärke von 16 Oe bis 24 Oe besitzt. Grundsätzlich ist zu bevorzugen, daß dieses Magnetfeld eine Stärke von 5 Oe und mehr aufweist, um den Einfluß der Sät tigung der magnetischen Elemente zu beseitigen.

Das Substrat 10 ist hinsichtlich der Materialauswahl nicht beschränkt, vorausgesetzt, daß mindestens diejenige Fläche des Substrats 10, die ein magnetisches Element oder einen Leiter kontaktiert, elektrisch isolierend ist. Um jedoch die Bereitschaft für die Mikroverarbeitung zu fördern und die Herstellung eines Ein-Chip-Bauelements zu erleichtern, ist es wünschenswert, wenn das Substrat 10 aus einem Halb leiter besteht. Besteht das Substrat 10 aus einem Halblei ter, so muß seine Oberfläche isolierend gemacht werden, in dem auf ihr eine Oxidschicht gebildet wird.

Die Isolierschichten 20 können aus einem anorganischen Stoff, wie zum Beispiel SiO₂ oder Si₃N₄, oder einem organi schen Stoff wie zum Beispiel Polyimid bestehen. Um die zwi schen den Schichten bestehende kapazitive Kopplung herabzu setzen, sollten die Schichten 20 besser aus einem Material bestehen, welches eine möglichst geringe Dielektrizitäts konstante besitzt. Die Schichten 20 müssen dick genug sein, um die magnetische Anisotropie jeder der Magnetschichten 30 unabhängig von der magnetischen Kopplung zwischen den ma gnetischen Schichten 30 aufrechtzuerhalten. Die optimale Dicke der Schicht 20 hängt ab von dem Material der magneti schen Schichten 30.

Beispiel 1

Ein magnetisches Element des in Fig. 6 dargestellten Typs wurde nach dem folgenden Verfahren hergestellt und hin sichtlich seiner Kennwerte getestet.

Die Oberfläche eines Siliciumsubstrats wurde thermisch oxi diert, um eine 1 µm dicke erste SiO₂-Schicht zu erzeugen. Durch Zerstäubung wurde eine Sendust-Schicht mit einer Dicke von 1 µm auf der SiO₂-Schicht gebildet. Dann wurde ebenfalls durch Zerstäuben auf der Sendust-Schicht eine zweite SiO₂-Schicht mit einer Dicke von 1 µm erzeugt.

Auf der zweiten SiO₂-Schicht wurde durch Zerstäuben eine 10 µm dicke Al-Cu Legierungs-Schicht gebildet, die als Spulen leiter vorgesehen war. Es wurde eine vierte SiO₂-Schicht mit einer Dicke von 1,5 µm als Ätzmaske auf der Al-Cu-Le gierungs-Schicht erzeugt. Die vierte SiO₂-Schicht wurde mit einem Positiv-Fotoresist überzogen. Es erfolgte ein Fotoät zen, um auf diese Weise das Fotoresistmaterial mit einem Muster zu versehen, entsprechend der Gestalt einer spiral förmigen Spule mit Windungen, die eine Abstandslücke von 3 µm besaßen. Auf diese Struktur wurde CF₄-Gas gegeben, um ein reaktives Ionenätzen durchzuführen, wobei das Fotore sistmaterial als Maske diente. Die freiliegenden Bereiche der vierten SiO₂-Schicht wurden entfernt, so daß eine SiO₂- Maske in Form einer spiralförmigen Spule entstand. Als nächstes wurde Cl₂- und BCl₃-Gas auf die so erhaltene Struk tur geleitet, um ein reaktives Magnetron-Niederdruck-Ionen ätzen durchzuführen. Im Ergebnis wurden die freiliegenden Abschnitte der Al-Cu-Legierungs-Schicht fortgeätzt, wodurch ein spiralförmiger Spulenleiter entstand.

Gleichzeitig mit dem reaktiven Ionenätzen wurde eine verti kale anisotrope Ätzung auf der Al-Cu-Legierungs-Schicht er reicht. Dieses Ätzen war insofern erfolgreich, als das Ätz verhältnis der Al-Cu-Legierung 15 bezüglich der SiO₂-Maske der ersten, der zweiten und der dritten SiO₂-Schichten be trug.

Im Ergebnis erhielt man eine quadratische spiralförmige planare Spule mit einer Breite von 2 mm, mit 20 Windungen, einer Leiterbreite von 37 µm, einer Leiterdicke von 10 µm und einem Zwischenwindungs-Abstand von 3 µm. Das Lücken- Geometrieverhältnis der spiralförmigen Spule betrug 3,3 (= 10 µm/3 µm).

Dann wurde das Fotoresistmaterial sowie die SiO₂-Maske ent fernt. Auf der Oberfläche der gesamten Struktur wurde durch vorgespanntes Zerstäuben eine SiO₂-Schicht gebildet, um die Lücken zwischen den Windungen mit SiO₂ auszufüllen. Es er folgte ein Rückätzen, um dadurch die Oberseite dieser SiO₂- Schicht abzuflachen. Dann wurde auf dieser SiO₂-Schicht eine Sendust-Schicht mit einer Dicke von 1 µm gebildet, und auf der Sendust-Schicht wurde eine Schutzschicht aus Si₃N₄ erzeugt. Als Ergebnis war eine planare Induktivität fertig gestellt.

Die so hergestellte planare Induktivität wurde mittels ei ner Impedanzmessers getestet. Bei einer Frequenz von 2 MHz zeigte die Induktivität einen Widerstand (R) von 5,8 Ω, einen Induktionswert (L) von 3,78 µH und einen Gütekoeffi zienten (Q) von 8.

Weiterhin wurde die planare Induktivität in einen ab wärtstransformierenden Zerhacker-Gleichstromwandler einge baut und als Ausgangs-Drosselspule verwendet. Der Gleich stromwandler besaß eine Eingangsspannung von 10 V und eine Ausgangsspannung von 5 V bei einer Ausgangsleistung von 500 mW. Der Gleichstromwandler wurde getestet, um zu sehen, wie die planare Induktivität arbeitete. Sie arbeitete gut. Die geringen Leistungsverluste, die auf die planare Induktivi tät zurückzuführen waren, betrugen 58 mW und die auf die übrigen Elemente zurückzuführenden Leistungsverluste (das heißt die auf die Halbleiterelemente zurückzuführenden Ver luste) betrugen 156 mW. Der Wirkungsgrad des Gleichstrom wandlers betrug 70% bei Nennlast.

Nach dem gleichen Verfahren, wie es oben erläutert ist, wurde eine planare Vergleichsinduktivität hergestellt. Die Vergleichsinduktivität unterschied sich allerdings darin, daß ihr Al-Cu-Legierungs-Leiter eine Breite von 21 µm, einen Zwischenwindungs-Abstand von 20 µm und eine Dicke von 4 µm besaß. Damit betrug das Lücken-Geometrieverhältnis der in die Vergleichsinduktivität eingebauten spiralförmigen Spule 0,2. Die Vergleichsinduktivität wurde mittels eines Impedanzmessers getestet. Bei einer Frequenz von 2 MHz ergab sich ein Widerstand (R) von 10,3 Ω, ein Induktivitätswert (L) von 3,7 µH und ein Gütekoeffizient (Q) von 4,5. Die Vergleichsinduktivität wurde in einen abwärtstransformie renden Zerhacker-Gleichstromwandler des oben beschriebenen Typs eingebaut und als Ausgangs-Drosselspule verwendet. Der Gleichstromwandler wurde getestet, und es wurde heraus ge funden, daß der Leistungsverlust aufgrund der planaren Ver gleichsinduktivität 103 mW betrug, während der Wirkungsgrad des Gleichstromwandlers lediglich 65% betrug.

Beispiel 2

Mit dem gleichen Verfahren wie bei der planaren Induktivi tät nach Beispiel 1 wurde ein planarer Transformator mit zwei quadratischen spiralförmigen planaren Spulen und zwei magnetischen Schichten hergestellt. Die erste Spule besaß als Primärspule eine Breite von 2 mm, 20 Windungen und eine Leiterbreite von 37 µm, eine Leiterdicke von 10 µm, einen Windungsabstand von 3 µm und ein Lücken-Geometrieverhältnis von 3,3. Die zweite, als Sekundärspule verwendete Spule war der ersten Spule identisch, mit der Ausnahme, daß sie 40 Windungen besaß. Die magnetischen Schichten hatten einen Abstand von 23 µm.

Der planare Transformator wurde getestet mit Hilfe eines Impedanzmessers, um die elektrischen Kennwerte zu ermit teln. Es ergab sich eine Primärspulen-Induktivität von 3,8 µH, eine sekundärseitige Induktivität von 14 µH, eine Ge geninduktivität von 6,8 µH und ein Kopplungskoeffizient von 0,93.

An die erste Spule des planaren Transformators wurde eine Sinusspannung von 500 kHz bei einem Effektivwert von 1 V angelegt. Dadurch erzeugte die Sekundärspule eine Sinus spannung mit einem Effektivwert von 1,7 V. Bei einer rein ohmschen Last von 200 Ω an dem planaren Transformator ergab sich eine Spannungsschwankung von etwa 10%.

Der planare Transformator wurde in einen Vorwärts-Gleich stromwandler eingebaut, der mit einer Schaltfrequenz von 2 MHz arbeitete, und der Gleichstromwandler wurde geprüft. Er besaß eine Eingangsspannung von 3 V, eine Ausgangsspannung von 5 V und eine Ausgangsleistung von 100 mW. Der Gleich stromwandler wurde getestet, um zu sehen, wie der planare Transformator arbeitete. Als Ergebnis zeigte sich, daß der auf den Transformator zurückzuführende Leistungsverlust 88 mW bei der Nennlast des Gleichstromwandlers betrug.

Um die Leistungsfähigkeit des planaren Transformators zu ermitteln, wurde außerdem ein planarer Vergleichstransfor mator nach dem oben beschriebenen Verfahren hergestellt. Dieser enthielt zwei quadratische spiralförmige planare Spulen und zwei magnetische Schichten. Die erste Spule war als Primärspule 2 mm breit, hatte 20 Windungen und eine Leiterbreite von 37 µm und eine Leiterdicke von 10 µm bei einem Lückenabstand von 10 µm und einem Lücken-Geometrie verhältnis von 1,0. Die zweite, als Sekundärspule verwen dete Spule war identisch wie die erste Spule aufgebaut, sie hatte aber 40 Windungen. Die magnetischen Schichten hatten einen gegenseitigen Abstand von 23 µm.

An die erste Spule des planaren Vergleichstransformators wurde eine Sinusspannung mit 500 kHz und einer effektiven Spannung von 1 V angelegt. Als Ergebnis erzeugte die zweite Spule eine Sinusspannung mit einem Effektivwert von 1,3 V. Die Spannung an der zweiten Spule ist kleiner als die bei dem erfindungsgemäßen planaren Transformator. Dies deshalb, weil der Spannungsabfall an der ersten Spule wegen des ho hen Widerstands der ersten Spule beträchtlich war. Unver meidlich ist die Verstärkung des Vergleichstransformators geringer als bei dem erfindungsgemäßen planaren Transfor mator.

Als an den planaren Vergleichstransformator eine rein ohm sche Last von 200 Ω angeschlossen wurde, wurden Spannungs schwankungen von etwa 18% beobachtet.

Der planare Vergleichstransformator wurde in einen Vor wärts-Gleichspannungswandler des oben beschriebenen Typs eingebaut. Der Gleichspannungswandler wurde getestet, um zu sehen, wie der Vergleichstransformator arbeitete. Das Test ergebnis zeigte, daß der auf den Transformator zurückzufüh rende Leistungsverlust 152 mW bei der Nennlast des Gleich spannungswandlers betrug.

Beispiel 3

Es wurde ein magnetisches Element des in Fig. 12A und 12B dargestellten Typs nach folgendem Verfahren hergestellt, und dessen Kennlinien wurden gemessen.

Auf einem Siliciumsubstrat wurde eine 1 µm dicke SiO₂-Iso lierschicht erzeugt, die mit einer 5 µm dicken Aluminium schicht, deren spezifischer Widerstand 2,9×10^-6 Ω betrug, durch Zerstäuben aufgebracht wurde. Die Aluminiumschicht wurde durch Fotoätzung behandelt, um ein spiralförmiges Spulenmuster mit 200 Windungen auszubilden. Die Spule hatte einen Innendurchmesser von 1 mm und einen Außendurchmesser von 5 mm. Die Spule bestand aus 200 Windungen in Interval len von 10 µm mit einer jeweiligen Breite von 5 µm. Demnach betrug das Leitungs-Geometrieverhältnis 1. Die spiralför mige planare Spule hatte einen Widerstand von 120 Ω und einen Induktivitätswert von 0,14 mH.

Die so ausgebildete planare Spule wurde in einen abwärts transformierenden Zerhacker-Gleichstromwandler der 0,1 W- Klasse eingebaut, der bei einer Betriebsfrequenz von 300 kHz arbeitete. Der Gleichstromwandler wurde getestet, um das Verhalten der planaren Spule herauszufinden. Diese fun gierte als Induktivität innerhalb des Gleichstromwandlers.

Nach dem oben beschriebenen Verfahren wurde eine spiralför mige, planare Vergleichsspule hergestellt. Diese hatte den gleichen Innen- und Außendurchmesser wie die erfindungsge mäße Spule. Sie besaß 130 Windungen in Abständen von 15 µm, jeweils mit einer Breite von 10 µm. Demnach betrug das Lei ter-Geometrieverhältnis 0,5. Die Vergleichsspule besaß einen Induktivitätswert von 0,05 mH.

Beispiel 4

Es wurde die gleiche spiralförmige planare Spule wie im Beispiel 3 hergestellt, mit der Ausnahme, daß diese Spule einen Leiter aus einer amorphen Co-Si-B-Legierung mit einer Dicke von 2 µm und zwei den Leiter einfassenden SiO₂- Schichten mit einer Dicke von 2 µm besaß. Die planare Spule hatte eine Induktivität von 2 mH.

Beispiel 5

Es wurde ein planarer Transformator hergestellt, bei dem zwei planare spiralförmige Spulen übereinander angeordnet werden. Die erste (untere) Spule diente als Primärspule und hatte die Parameter gemäß Beispiel 4. Die zweite (obere) Spule diente als Sekundärspule und war etwa konzentrisch zu der ersten Spule angeordnet. Sie besaß 100 Windungen in In tervallen von 20 µm mit einer Dicke von 5 µm und einer Breite von 5 µm. Das Leiter-Geometrieverhältnis betrug 1. Der planare Transformator wurde getestet. Die Testergeb nisse zeigten, daß das Spannungsverhältnis dieses Transfor mators 2 betrug, also genauso groß war wie das Verhältnis der Windungen der Primärspule zu den Windungen der Sekun därspule.

Beispiel 6

Es wurde ein dem Beispiel 3 ähnelndes planares magnetisches Element nach einem anderen Verfahren hergestellt. Zunächst wurde auf einem Siliciumsubstrat eine SiO₂-Schicht mit ei ner Dicke von 4 µm erzeugt. Dann wurde eine einkristalline Aluminiumschicht mit einer Dicke von 10 µm und einem spezi fischen Widerstand von 2,6×10^-6 cm durch MBE (Molekular strahlepitaxie) auf der SiO₂-Schicht erzeugt. Die Alumini umschicht wurde unter Einsatz von Fotoresistmaterial geätzt und mit einem Muster einer spiralförmigen planaren Spule versehen, deren Innendurchmesser 1 mm und deren Außendurch messer 5 mm betrug. Diese Spule hatte 200 Windungen, je weils mit einer Breite von 5 µm und in Intervallen von 10 µm angeordnet. Damit besaß die Spule ein Leiter-Geometrie verhältnis von 2. Ihr Widerstand betrug 50 Ω, ihre Indukti vität 0,14 mH.

Der Widerstand dieser Spule war niedriger als im Beispiel 3. Deshalb besaß die Spule einen zulässigen Strom, der größer war als im Beispiel 3. Deshalb eignete sich die Spule zum Einsatz in Hochleistungsgeräten.

Beispiel 7

Es wurde ein planares magnetisches Element mit dem gleichen Aufbau wie im Beispiel 3 hergestellt, jedoch nach einem an deren Verfahren. Zunächst wurde auf einem Siliciumsubstrat eine SiO₂-Schicht mit einer Dicke von 1 µm gebildet. Auf letzterer wurde durch Dampfniederschlagung eine Al-Si-Cu- Legierungsschicht mit einer Dicke von 1 µm gebildet. Auf dieser wiederum wurde mittels CVD-Verfahren eine 1 µm dicke SiO₂-Schicht erzeugt. Auf dieser SiO₂-Schicht wurde ein Re sistmaterialmuster gebildet. In einer Magnetron-RIE-Appara tur wurde die Al-Si-Cu-Legierungsschicht geschnitten, um eine mäanderförmige, quadratische Spule mit einem Durchmes ser von 1 mm und einem Außendurchmesser von 4 mm zu erzeu gen.

Außerdem wurde auf der mäanderförmigen, quadratischen Spule eine SiO₂-Schicht mittels Plasma-CVD-Verfahren erzeugt, bei dem Monosilan (SiO₄) und Stickoxid (N₂O) als Materialien eingesetzt wurden. (Die Wachstumsgeschwindigkeit der SiO₂- Schicht auf der Spule hing von der Zuführmenge dieser Mate rialien ab). Die SiO₂-Schicht wurde so geformt, daß die Lücken zwischen den Windungen der Spule durch diese Schicht überbrückt wurden, so daß erfolgreich Hohlräume entstanden aufgrund des schmalen Zwischenwindungs-Abstands von 1 µm und dem großen Leiter-Geometrieverhältnis von 2,5. Das sich ergebende planare Element besaß einen Induktivitätswert von 1,6 mH.

Wegen der so gebildeten Hohlräume war die Zwischenwindungs- Kapazität viel kleiner als im Vergleichselement, bei dem die Zwischenwindungs-Abstände mit SiO₂ gefüllt waren, und der Frequenzgang im hohen Frequenzbereich war wesentlich besser als beim Vergleichsbeispiel. Die Induktivität des planaren magnetischen Elements nahm nicht ab, bevor die Be triebsfrequenz auf 10 MHz angehoben wurde, während die In duktivität des Vergleichselements bei einer Betriebsfre quenz von 800 kHz scharf abnahm.

Beispiel 8

Es wurde ein planares magnetisches Element gemäß dem zwei ten Aspekt der Erfindung nach dem in Verbindung mit den Fig. 13A bis 13D erläuterten Verfahren hergestellt, welches Hohlräume zwischen den Windungen der spiralförmigen plana ren Spule besaß.

Zunächst wurde auf einem Siliciumsubstrat durch thermische Oxidation eine 1 µm dicke SiO₂-Schicht gebildet, auf der eine 1 µm dicke Aluminiumschicht erzeugt wurde. Diese Struktur wurde in der Atmosphäre stehengelassen, wodurch die Aluminiumschicht oxidierte und sich eine etwa 30 Å dicke Oxidschicht bildete. Es wurden vier weitere Alumini umschichten mit einer Dicke von jeweils 1 µm übereinander erzeugt. Jede dieser Aluminiumschichten, bis auf die ober ste, hatte eine in der gleichen Weise wie die erste Alumi niumschicht oxidierte Oberfläche in Form einer etwa 30 Å dicken Oxidschicht. Als Ergebnis erhielt man eine leitende Schicht mit einer Dicke von 5 µm auf der SiO₂-Schicht.

Anschließend wurde auf der leitenden Schicht durch Plasma- CVD eine Siliciumoxidschicht gebildet. Die sich ergebende Struktur wurde trocken geätzt, um eine quadratische, mäan derförmige Spule mit einer Breite von 5 mm zu erhalten. Die mäanderförmige Spule hatte 1000 Wiederholungsabschnitte, jeweils mit einer Breite von 2 µm und von der nächsten um 0,5 µm beabstandet. Dann wurde auf der mäanderförmigen Spule eine Siliciumoxidschicht gebildet, um die Hohlräume unter den Wiederholungsabschnitten auszubilden.

Auf demselben Siliciumsubstrat wurde ein aufwärtstransfor mierender Zerhacker-Gleichstromwandler erzeugt, dessen Ein gangsspannung 1,5 V, dessen Ausgangsspannung 3 V und dessen Ausgangsstrom 0,2 mA betrugen, wobei der 10 mm lange, 5 mm breite und 0,5 mm dicke Ein-Chip-Gleichstromwandler in der Nähe der Mäanderspule lag. Die Betriebsfrequenz des Schalt elements in dem Gleichstromwandler betrug 5 MHz. Dieser Ein-Chip-Gleichstromwandler wurde hinsichtlich seines Lei stungsvermögens getestet. Die Testergebnisse zeigten, daß der Gleichstromwandler voll funktionierte. Allerdings konnte er bei einer Frequenz von 500 kHz wegen fehlender Impedanz nicht gut arbeiten.

Der Ein-Chip-Gleichstromwandler war so dünn, daß ein kar tenförmiger Pager (Rufanalage) erzeugt werden konnte, wie er bisher, wenn überhaupt, nur sehr schwierig herzustellen war. Fig. 66 zeigt schematisch einen kartenförmigen Pager mit einem Ein-Chip-Gleichstromwandler gemäß der Erfindung. Dieser Pager enthält neben dem Ein-Chip-Gleichstromwandler 240 ein Substrat 200, eine Antenne 210, eine Betriebs schaltung 220 und eine Alarmeinrichtung 230 (zum Beispiel einen piezoelektrischen Summer). Die Komponenten 210, 220, 230 und 240 sind auf dem Substrat 200 montiert. Obschon in Fig. 66 nicht dargestellt, enthält der Pager eine Abdeckung zum Schutz der Komponentenzone 210, 220, 230 und 240.

Beispiel 9

Es wurde ein planares magnetisches Element gemäß dem drit ten Aspekt der Erfindung von dem in Fig. 23 gezeigten Typ hergestellt und hinsichtlich seines Leistungsvermögens ge testet. Das Element wurde folgendermaßen gefertigt:
Zunächst wurde an einer ersten Polyimidschicht eine Kupfer folie mit einer Dicke von 100 µm haftend befestigt. Die Kupferfolie wurde durch chemisches Naßätzen mit einer spi ralförmigen planaren Spule bemustert. Dann wurde auf der Spule eine zweite Polyimidschicht mit einer Dicke von 7 mm ausgebildet. Zwei jeweils 5 mm dicke Folien aus einer amor phen Legierung auf Co-Basis wurden auf der ersten bezie hungsweise der zweiten Polyimidschicht gebildet. Die beiden Polyimidschichten faßten mithin die Spule sandwichartig ein, wobei die Folien aus der amorphen Legierung auf Co-Ba sis die Spule und die Polyimidschichten zusammenfaßten, so daß eine planare Induktivität erhalten wurde. Die Spule hatte eine Breite a₀ von 11 mm. Die Permeabilität der Folie aus der amorphen Co-Legierung wurde auf 4500 geschätzt, der Abstand α betrug etwa 1 mm, wobei die Lücke zwischen den Windungen der Spule 114 µm betrug. Die Co-Folien, die als magnetische Schichten verwendet wurden, besaßen eine Breite w von 11 mm (= a₀ + eα).

An die planare Induktivität wurde ein Gleichstrom von 0,1 A angelegt und es wurde das magnetische Streufeld in der Nähe der Induktivität mit Hilfe eines hochempfindlichen Gaußme ters gemessen. Die Stärke des magnetischen Streufeldes war innerhalb der detektierbaren Grenzen des Gaußmeters gering.

Um zu bestimmen, ob die Stärke des so gemessenen magneti schen Streufeldes ausreichend gering war im Vergleich zu den Magnetfeldern, die bei herkömmlichen planaren Indukti vitäten streuen, wurde eine Vergleichsinduktivität gemäß Beispiel 9 hergestellt. Die Vergleichsinduktivität unter schied sich darin, daß ihre magnetischen Schichten eine Breite w von 12 mm (= a₀ + Ω) besaßen. In die Vergleichsin duktivität wurde ein Gleichstrom von 0,1 A eingespeist, und das magnetische Leckfeld in der Nähe der Spule wurde mit demselben hochempfindlichen Gaußmeter gemessen. Das magne tische Streufeld hatte eine Intensität von etwa 30 Gauß.

Beispiel 10

Es wurde ein planares magnetisches Element gemäß dem dritten Aspekt der Erfindung hergestellt. Dieses Element ist von dem in Fig. 29 gezeigten Typ und stellt eine Kombi nation des Beispiels 9 und der Mittel gemäß dem vierten Aspekt der Erfindung dar.

Zunächst wurde auf einem Halbleitersubstrat durch HF-Magne tron-Zerstäubung eine 1 µm dicke magnetische Schicht aus ei ner amorphen Legierung auf Co-Basis erzeugt. Auf dieser Schicht wurde durch HF-Zerstäubung eine erste Isolier schicht eine SiO₂-Stärke von 1 µm gebildet. Auf der Iso lierschicht wird durch HF-Magnetron-Zerstäubung eine 10 µm dicke Al-Cu-Legierungsschicht gebildet. Diese Struktur wurde einer reaktiven Magnetron-Ionenätzung unterzogen, um dadurch die Al-Cu-Legierungsschicht zu einer spiralförmigen planaren Spule auszubilden. Auf der Oberseite dieser Struk tur wurde eine zweite Isolierschicht (SiO₂) durch Vorspan nungs-Zerstäubung gebildet, wodurch die Lücken zwischen den Spulenwindungen gefüllt und die gesamte Spule abgedeckt wurde. Die Oberfläche der zweiten Isolierschicht wurde be arbeitet und flach gemacht. Auf der zweiten Isolierschicht wurde durch HF-Magnetron-Zerstäubung eine magnetische Schicht aus einer amorphen Legierung auf Co-Basis mit einer Dicke von 1 µm gebildet. Hierdurch entstand eine planare Induktität.

Die Permeabilität der beiden amorphen magnetischen Schich ten auf Co-Basis wurden mit einem Magnetometer vom Proben- Vibrationstyp gemessen. Die so gemessene Permeabilität be trug etwa 1000. Die spiralförmige planare Spule hatte eine Breite a₀ von 4,5 mm mit einer Lücke zwischen den Spulen windungen von 12 µm. Aus der Zwischenwindungslücke wurde ein Abstand α von 77 µm abgeschätzt. Damit wurden amorphe magnetische Schichten auf Co-Basis mit einer Breite w von 5 mm (= a₀ + 6,5α) hergestellt. In die planare Induktivität wurde ein Gleichstrom von 0,1 A eingespeist, und es wurde das magnetische Streufeld in der Nähe der planaren Indukti vität mit dem hochempfindlichen Gaußmeter gemessen. Die Stärke des magnetischen Streufilters war gering und lag in nerhalb der Meßgrenzen des Gaußmeters.

Um zu bestimmen, ob die Stärke des so gemessenen magneti schen Leckfeldes ausreichend gering war oder nicht, wurde nach dem Verfahren gemäß Beispiel 10 eine planare Ver gleichsinduktivität hergestellt. Die Vergleichsinduktivität unterschied sich von der erfindungsgemäßen Induktivität darin, daß ihre magnetischen Schichten eine Breite von w = 4,6 mm (= a₀ + 1,3α) besaßen. In die Vergleichsinduktivität wurde ein Gleichstrom von 0,1 A eingespeist, und in der Nähe der Induktivität wurde das magnetische Leckfeld mit dem hochempfindlichen Gaußmeter gemessen. Das magnetische Streufeld hatte eine hohe Stärke von etwa 50 Gauß.

Beispiel 11

Es wurden gemäß dem Verfahren nach Beispiel 9 planare In duktivitäten mit unterschiedlichen Werten w (das heißt un terschiedlichen Magnetschicht-Breiten) hergestellt. Diese Induktivitäten wurden hinsichtlich ihrer Induktivitätswerte getestet. Die planare Induktivität mit einem Wert w = 15 mm zeigte einen Induktivitätswert von 90 µH, etwa 1,3 mal so hoch wie bei der planaren Induktivität, deren Wert w 12 mm betrug. Diese Zunahme der Induktivität wurde auch bei der planaren Induktivität nach Beispiel 10 beobachtet.

Beispiel 12

Unter Verwendung der planaren Induktivität nach Beispiel 9 wurde ein in Hybridschaltung ausgeführter abwärtstransfor mierender Zerhacker-IC-Wandler mit Schaltelementen (Lei stungs-MOSFETs), Gleichrichterdioden und einer Konstant spannungs-Steuerschaltung hergestellt. Die Schaltfrequenz des IC-Wandlers betrug 100 kHz. Eingangs- und Ausgangsspan nungen betrugen 10 V beziehungsweise 5 V, die Ausgangslei stung betrug 2 W. Die planare Induktivität zeigte einen In duktivitätswert von 80 µH und darüber und fungierte damit als ausgangssignalsteuernde Drosselspule. Beim Betrieb des IC-Wandlers arbeitete die planare Induktivität gut als Drosselspule. Es zeigte sich allenfalls eine nur geringe Verbindung bezüglich der Schaltwellenformen der MOSFETs. Die Welligkeit der Spannung bei den Ausgangs-Nennwerten (5 V; 0,5 A) hatte bei 10 mV einen Spitzenwert, war also alles andere als problematisch. Um das Leistungsvermögen der pla naren Induktivität nach Beispiel 9 als Drosselspule mit ei ner Vergleichs-Induktivität zu vergleichen, wurde für den Vergleich die Induktivität gemäß Beispiel 4 hergenommen und in einen Gleichstromwandler desselben Typs eingebaut. Die ser IC-Wandler zeigte im Betrieb eine starke Kopplung zu der Schaltwellenform der MOSFETs. Dies möglicherweise des halb, weil ein ziemlich starkes magnetisches Feld aus der planaren Vergleichs-Induktivität streute. Weiterhin besaß die Ausgangs-Welligkeit der Spannung bei den Nenn-Ausgangs größen (5 V; 0,5 A) einen Spitzenwert von 0,1 V, möglicher weise aufgrund der Tatsache, daß die Induktivität nicht 80 µH besaß und mithin die Welligkeit nicht unterdrücken konnte.

Beispiel 13

Es wurde ein planares magnetisches Element gemäß dem vier ten Aspekt der Erfindung hergestellt, ähnlich dem in Fig. 33 dargestellten Typ. Die Herstellung geschah folgender maßen:
Zunächst wurde an einer 30 µm dicken ersten Polyimidschicht eine 100 µm dicke Kupferfolie haftend angebracht und an schließend durch Naßätzen mit einem Muster entsprechend ei ner spiralförmigen Spule mit 20 Windungen, einer Leiter breite von 100 µm und einem Zwischenwindungs-Abstand von 100 µm hergestellt. Auf der planaren Spule wurde eine zweite Polyimidschicht mit einer Dicke von 10 mm gebildet. Damit lag die Spule zwischen der ersten und der zweiten Po lyimidschicht. Dann wurde diese Struktur zwischen einer er sten und einer zweiten amorphen Magnetschicht auf Co-Basis mit einer uniaxialen magnetischen Anisotropie eingefaßt. Diese magnetischen Schichten wurden hergestellt, indem amorphe magnetische Schichten auf Co-Basis unter Verwendung einer Einzelwalze rasch abgelöscht und anschließend diese Schichten in einem Magnetfeld ausgeglüht wurden. Jede ma gnetische Schicht besaß ein anisotropes Magnetfeld von 20 Oe, eine Permeabilität von 5000 entlang der Achse schwerer Magnetisierung, und eine magnetische Sättigungs-Flußdichte von 10 kG. Die aus der Spule, zwei Polyimidschichten und zwei magnetischen Schichten bestehende Struktur wurde zwi schen einer dritten Polyimidschicht und einer vierten Poly imidschicht sandwichähnlich eingefaßt, von denen jede 5 µm dick war. Diese Struktur wiederum wurde zwischen dritten und vierten amorphen magnetischen Filmen auf Co-Basis mit jeweils uniaxialer magnetischer Anisotropie und einer Dicke von 15 µm eingefaßt, so daß eine 10 mm breite planare In duktivität erhalten wurde. Die erste und die zweite magne tische Schicht wurden mit ihren Achsen der leichten Magne tisierung ausgerichtet. Die dritte und die vierte magneti sche Schicht wurden derart angeordnet, daß ihre Achsen leichter Magnetisierung sich mit denjenigen der ersten und der zweiten magnetischen Schicht schnitten.

Die Überlagerungs-Gleichstrom-Kennlinie der so erzeugten planaren Induktivität wurde ermittelt. Der Induktivitäts wert der planaren Induktivität blieb unverändert bei 12,5 µH, bis der Eingangsstrom auf 400 mA erhöht wurde. Dann be gann die Induktivität bei dem Eingangsstrom von 500 mA und darüber abzusinken.

Die planare Induktivität wurde als Ausgangs-Drosselspule in einem abwärtstransformierenden Zerhacker-Gleichstromwandler eingesetzt, dessen Eingangsspannung 12 V und dessen Aus gangsspannung 5 V betrug. Der Gleichstromwandler besaß eine Schaltfrequenz von 500 kHz und konnte einen Laststrom von bis zu 400 mA ausgeben. Seine maximale Ausgangsleistung be trug 2 W, sein Wirkungsgrad betrug 80%.

Wie im Beispiel 13 wurde eine Vergleichs-Induktivität 13a hergestellt, wobei im Unterschied zum Beispiel 13 die amor phen magnetischen Bänder auf Co-Basis nach dem Ablöschver fahren nicht weiter bearbeitet wurden. Es wurde eine wei tere planare Vergleichs-Induktivität 13b gemäß Beispiel 13 hergestellt, mit der Ausnahme, daß die amorphen magneti schen Bänder auf Co-Basis geglüht wurden, jedoch nicht in einem Magnetfeld. Die magnetischen Lagen der Induktivität 13a besaßen eine Permeabilität von 2000, während diejenigen der Induktivität 13b eine Permeabilität von 10000 besaßen.

Die magnetischen Lagen beider Vergleichs-Induktivitäten hatten eindeutige magnetische Anisotropie.

Die Überlagerungs-Gleichstrom-Kennlinie von Beispiel 13 und den Vergleichs-Induktivitäten 13a und 13b wurde gemessen. Die Vergleichs-Induktivität 13b hatte einen höheren Induk tivitätswert als Beispiel 13. Allerdings blieb ihr Indukti vitätswert nur konstant, bis der Gleichstrom auf 200 mA zu nahm, um anschließend oberhalb von 250 mA abzufallen. Ande rerseits war der Induktivitätswert der Vergleichs-Indukti vität 13a niedriger als Beispiel 13, und er nahm bei klei nem Gleichstrom nach und nach ab. Beide, die Vergleichs-In duktivitäten 13a und 13b waren schlechter als Beispiel 13 hinsichtlich des Frequenzgangs. Insbesondere nahm ihr Lei stungsverlust bei einer Frequenz von 100 kHz und darüber abrupt zu. Bei einer Frequenz von 1 MHz betrugen ihre Güte koeffizienten Q nur die Hälfte oder weniger als der Güteko effizient Q des Beispiels 9.

Die Vergleichs-Induktivitäten 13a und 13b wurden als Aus gangs-Zerhacker-Spule in Gleichstromwandlern desselben Typs verwendet. Diese Gleichstromwandler wurden getestet, um ihre maximale Ausgangsleistung und Wirkungsgrade zu testen. Ihre maximalen Lastströme waren auf etwa 200 mA begrenzt, unvermeidlich deshalb, weil die Überlagerungs-Gleichstrom- Kennlinie der Induktivitäten 13a und 13b entgegenstand. Da mit betrug ihre maximale Ausgangsleistung nur etwa die Hälfte der Ausgangsleistung des Gleichstromwandlers mit der Induktivität gemäß Beispiel 13, und der Wirkungsgrad betrug lediglich 70% von demjenigen des Gleichstromwandlers nach Beispiel 13.

Beispiel 14

Es wurde ein planarer Transformator hergestellt, dessen Primärspule 20 Windungen hatte, und der spiralförmigen Spule in der Induktivität gemäß Beispiel 13 ähnelte. Die Sekundärspule war letzterer identisch, mit der Ausnahme, daß sie zehn Windungen besaß. Die Sekundärspule wurde auf einer die Primärspule abdeckenden Isolierschicht ausgebil det. Die Induktivität der Primärspule dieses Transformators zeigte eine Überlagerungs-Gleichstrom-Kennlinie, die im we sentlichen die gleiche war wie bei der planaren Induktivi tät nach Beispiel 13.

Der planare Transformator wurde in einen Vorwärts-Gleich stromwandler eingebaut, dessen Eingangs- und Ausgangsspan nungen 12 V beziehungsweise 5 V betrugen. Weiterhin wurde die planare Induktivität gemäß Beispiel 13 als Ausgangs- Drosselspule in dem Vorwärts-Gleichstromwandler verwendet. Der Gleichstromwandler wurde hinsichtlich seines Frequenz gangs getestet. Seine Schaltfrequenz betrug 500 kHz. Das Nenn-Ausgangssignal war ähnlich wie bei dem Gleichstrom wandler, dessen Ausgangs-Drosselwelle die Induktivität ge mäß Beispiel 13 bildete. Im Ergebnis trug der Transformator zur Miniaturisierung isolierter Gleichstromwandler bei.

Es wurden zwei planare Vergleichstransformatoren herge stellt. Der erste Vergleichstransformator war identisch dem Transformator nach Beispiel 14, mit der Ausnahme, daß die selben Magnetschichten wie bei jenen in der Induktivität des Vergleichsbeispiels 13a eingebaut wurden. Dieser zweite Vergleichstransformator war identisch dem Beispiel 14, mit der Ausnahme, daß die gleichen magnetischen Filme wie bei der Vergleichs-Induktivität 13b eingebaut wurden. Diese planaren Vergleichs-Transformatoren wurden getestet. Ihre Primärspulen-Induktivitätswerte waren ähnlich denjenigen der planaren Vergleichs-Induktivitäten 13a beziehungsweise 13b.

Diese planaren Vergleichs-Transformatoren wurden in Gleich stromwandlern des oben beschriebenen Typs eingebaut. Ihre Kennwerte wurden geprüft. Die Ergebnisse offenbarten, daß keiner der Gleichstromwandler eine normale Leistungsumwand lung vollziehen konnte, weil der planare Vergleichs-Trans formator magnetisch gesättigt war.

Beispiel 15

Eine planare Induktivität des in Fig. 35 dargestellten Typs gemäß dem vierten Aspekt der Erfindung wurde folgendermaßen hergestellt:

Zunächst wurde eine Hauptfläche eines Siliciumsubstrats thermisch oxidiert, wodurch eine 1 µm dicke SiO₂-Schicht gebildet wurde. Dann wurde auf dieser SiO₂-Schicht in einem 100 Oe starken Magnetfeld mit Hilfe einer HF-Magnetron-Zer stäubungsapparatur eine amorphe CoZrNb-Magnetschicht mit einer Dicke von 1 µm gebildet. Diese CoZrNb-Schicht besaß eine uniaxiale magnetische Anisotropie und besaß ein aniso tropes Magnetfeld von 50 Oe. Als nächstes wurde auf der ma gnetischen Schicht durch Plasma-CVD oder HR-Zerstäubung eine 500 nm dicke SiO₂-Schicht gebildet. Drei weitere CoZrNb-Schichten sowie drei weitere SiO₂-Schichten wurden nach demselben Verfahren hergestellt, um eine Mehrschicht struktur zu erhalten, die aus vier Magnetschichten und vier Isolierschichten bestand, die abwechselnd angeordnet waren. Die oberste SiO₂-Schicht hatte eine Dicke von 1 µm. Jede der benachbarten beiden magnetischen Schichten war so aus gebildet, daß ihre Achsen leichter Magnetisierung sich rechtwinklig schnitten.

Dann wurde auf der obersten SiO₂-Schicht eine 10 µm dicke Al-0,5%Cu-Schicht erzeugt, in einem Fall durch eine Gleich strom Magnetron-Zerstäubungsapparatur, im anderen Fall durch eine Ultrahochvakuum-Aufdampfapparatur. Auf der Al- 0,5%Cu-Schicht wurde eine 1,5 µm dicke SiO₂-Schicht aufge bracht. Im Schleuderverfahren wurde auf diese SiO₂-Schicht ein Positiv-Resistmaterial aufgebracht und durch Fotolitho grafie mit einem spiralförmigen Muster versehen. Mit Hilfe des spiralförmigen Fotoresistmusters als Maske wurde CF₄- Gas auf die Oberfläche der Struktur aufgebracht, um so durch reaktives Ionenätzen die oberste SiO₂-Schicht zu be arbeiten. Weiterhin wurden auf die Struktur Cl₂-Gas sowie BCl₃-Gas aufgebracht, um die Al-0,5%Cu-Schicht durch reak tives Ionenätzen zu bearbeiten. Letztere Schicht wurde dann geätzt, um eine spiralförmige planare Spule mit 20 Windun gen zu erhalten, wobei die Breite der Leiter 100 µm und der Lückenabstand zwischen den Windungen 5 µm betrug. Durch Schleuderguß wurde auf die Oberfläche dieser Struktur eine Polyamidsäurelösung, die ein Vorläufer des Polyimids ist, aufgebracht, um eine 15 µm dicke Schicht zu bilden und die Lücken zwischen den Windungen der Spule auszufüllen.

Diese Schicht wurde bei 350°C erhärtet, so daß sich eine Polyimidschicht bildete. Auf diese Struktur wurde CF₄-Gas und O₂-Gas geleitet, um durch reaktives Ionenätzen der Po lyimidschicht deren Dicke auf 1 µm zu bringen, gemessen, von der Oberseite des Spulenleiters aus.

Anschließend wurden abwechselnd vier Isolierschichten und vier magnetische Schichten übereinander gebildet, wobei das obenerläuterte Verfahren verwendet wurde. Jeweils zwei be nachbarte Magnetschichten wurden so ausgebildet, daß ihre Achsen leichter Magnetisierung sich unter einem rechten Winkel schnitten, ähnlich wie bei den Schichten unterhalb der spiralförmigen planaren Spule.

Während der Herstellung der planaren Induktivität wurde jede magnetische Schicht wiederholt erhitzt und abgekühlt, blieb jedoch wärmebeständig. Ihre magnetische Eigenschaft blieb tatsächlich auch nach der Fertigstellung der Indukti vität unverändert. In anderen Worten: die während der Pro duktion auf die Induktivität aufgebrachte Wärme hatte nur einen extrem geringen Einfluß auf die magnetischen Eigen schaften der magnetischen Schichten.

Die elektrischen Eigenschaften und Kennwerte der so herge stellten planaren Induktivität wurden ermittelt. Die Induk tivität besaß einen Induktivitätswert L von 2 µH und einen Gütekoeffizienten Q von 15 (bei 5 MHz). Die Induktivität wurde hinsichtlich ihrer Überlagerungs-Gleichstrom-Kennli nie geprüft, und ihr Induktivitätswert blieb konstant, bis der Überlagerungs-Gleichstrom auf 150 mA erhöht wurde. Von dort an nahm bei einer Erhöhung des Überlagerungs-Gleich stroms auf 200 mA der Wert ab.

Diese planare Induktivität wurde als Ausgangs-Drosselspule in einem abwärtstransformierenden Chopper-Gleichstromwand ler eingesetzt, dessen Eingangs- und Ausgangsspannung 12 V beziehungsweise 5 V betrugen. Der Gleichstromwandler konnte einen Laststrom von bis zu 150 mA bei einer Schaltfrequenz von 4 MHz ausgeben. Die maximale Ausgangsleistung betrug 0,75 W, der Wirkungsgrad betrug 70%.

Es wurde eine weitere planare Induktivität gefertigt, die mit der oben beschriebenen Induktivität mit der Ausnahme identisch war, daß die die Lücken füllende Isolierschicht zwischen den Spulenwindungen nicht aus Polyimid, sondern aus SiO₂ bestand und entweder mittels CVD-Verfahren oder durch Vorspannungs-Zerstäuben hergestellt wurde. Diese pla nare Induktivität zeigte ähnliche elektrische Eigenschaften wie die oben beschriebene Induktivität.

Nach dem gleichen Verfahren, wie bei der Induktivität nach Beispiel 15, wurde eine planare Vergleichsinduktivität her gestellt, mit dem Unterschied, daß die amorphen Magnet schichten aus CoZrNb nicht in einem magnetischen Feld ge bildet wurden. Jeder der so hergestellten magnetischen Schichten zeigte eine Permeabilität von 10000 und zeigte un zweideutig magnetische Anisotropie. Die Vergleichsindukti vität hatte einen Induktivitätswert, der etwa fünfmal höher war als bei der Induktivität nach Beispiel 15. Dieser In duktivitätswert war jedoch nur bis zu einem Gleichstroman stieg bis 10 mA konstant. Er nahm stark ab, wenn ein Strom von 20 mA oder mehr dem Eingangs-Gleichstrom überlagert wurde.

Die planare Vergleichsinduktivität wurde als Ausgangs-Dros selspule in einem Gleichstromwandler desselben Typs wie im Beispiel 15 eingebaut. Der Gleichstromwandler mit dieser Vergleichsinduktivität wurde getestet. Er besaß einen maxi malen Laststrom von etwa 10 mA aufgrund der schlechten Überlagerungs-Gleichstrom-Kennlinie der Vergleichsindukti vität. Diese maximale Ausgangsleistung betrug ein Zehntel oder weniger der maximalen Ausgangsleistung des Gleich stromwandlers mit der Induktivität nach Beispiel 15.

Beispiel 16

Es wurde ein planarer Transformator hergestellt, dessen Primärspule 20 Windungen hatte und identisch der spiralför migen planaren Spule der Induktivität nach Beispiel 15 war, während die Sekundärspule mit der Ausnahme identisch war, daß sie zehn Windungen besaß und auf einer Polyimid-Iso lierschicht mit einer Dicke von 2 µm ausgebildet war und die Primärspule bedeckte. Der Induktivitätswert der Primär spule dieses Transformators ergab eine Überlagerungs- Gleichstrom-Kennlinie, die etwa die gleiche war wie bei der planaren Induktivität nach Beispiel 15.

Der planare Transformator wurde in einen Zeilen-Rücklauf- Gleichstromwandler eingebaut, dessen Eingangs- und Aus gangsspannung 12 V beziehungsweise 5 V betrugen. Weiterhin wurde die Induktivität nach Beispiel 15 als Ausgangs-Dros selspule in dem Zeilen-Rücklauf-Gleichstromwandler einge setzt. Der Gleichstromwandler wurde hinsichtlich seiner Kennlinien untersucht. Seine Ausgangs-Nennleistung war vergleichbar mit der des Gleichstromwandlers mit der plana ren Induktivität nach Beispiel 15. Da sämtliche magneti schen Elemente des Wandlers planar waren, konnte der Zei len-Rücklauf-Gleichstromwandler sehr klein und leichtge wichtig ausgeführt werden.

Ein planarer Vergleichstransformator wurde nach dem Verfah ren des Beispiels 16 hergestellt, wobei lediglich die amor phen Magnetfilme aus CoZrNb nicht in magnetische Felder ausgebildet wurden. Der Induktivitätswert der Primärspule dieses planaren Transformators war im wesentlichen der gleiche wie bei der Induktivität, die zu Vergleichszwecken mit der Induktivität nach Beispiel 15 hergestellt wurde. Der Vergleichstransformator wurde in einen Zeilen-Rücklauf- Gleichstromwandler des oben beschriebenen Typs eingebaut. Als dieser Gleichstromwandler getestet wurde, floß ein ex zessiver Spitzenstrom durch die Leistungsschalter-MOSFETs in den Wandler, und zwar aufgrund der Tatsache, daß der planare Vergleichstransformator magnetisch gesättigt war. Der Spitzenstrom brachte die MOSFETs zum Durchbruch.

Beispiel 17

Es wurde eine planare Induktivität des in Fig. 36 darge stellten Typs gemäß dem vierten Aspekt der Erfindung fol gendermaßen hergestellt:
Zunächst wurde auf einer 30 µm dicken ersten Polyimid- Schicht eine 100 µm dicke Kupferfolie haftend angebracht. Die Kupferfolie wurde durch Naßätzen mit einem Muster einer rechtwinkligen, spiralförmigen und planaren Spule mit 20 Windungen, einer Leiterbreite von 100 µm und einem Win dungsabstand von 100 µm versehen. Eine zweite Polyimid- Schicht mit einer Dicke von 10 µm wurde auf der planaren Spule ausgebildet. Damit war die planare Spule sandwichar tig zwischen der ersten und der zweiten Polyimid-Schicht eingefaßt.

Die resultierende Struktur wurde zwischen zwei rechtwinkli gen Magnetschichten eingefaßt. Jede Magnetschicht war in Form von vier gleichschenkligen Dreiecken aus amorphen ma gnetischen Filmen auf Co-Basis mit einer Grundlinienlänge von 12 mm und einer Höhe von 6 mm ausgebildet. Jede dieser dreieckigen Magnetschichten war hergestellt worden, indem eine amorphe Magnetschicht auf Co-Basis nach dem Schnell- Ablöschverfahren unter Verwendung einer Einzelwalze gebil det wurde und diese amorphe magnetische Schicht in einem Magnetfeld von 200 Oe geglüht wurde, welche sich parallel zu der Grundlinie der dreieckförmigen Schicht erstreckte. Die magnetischen Schichten besaßen ein anisotropes Magnet feld von 20 Oe, eine Koerzitivkraft von 0,01 Oe entlang der Achse schwerer Magnetisierung, eine Permeabilität von 5000 entlang der Achse der schweren Magnetisierung, und eine ma gnetische Sättigungsflußdichte von 10 kG. Die so herge stellte planare Induktivität hatte eine Breite von 12 mm.

Die Überlagerungs-Gleichstrom-Kennlinie der planaren Induk tivität wurde ermittelt. Der Induktivitätswert der Indukti vität blieb unverändert bei 12,5 µH, bis der Eingangsstrom auf 200 mA anstieg. Er begann abzunehmen, als der Eingangs strom 250 mA oder mehr betrug.

Die planare Induktivität wurde als Ausgangs-Drosselspule in einem abwärtstransformierenden Zerhacker-Gleichstromwandler eingesetzt, dessen Eingangs- und Ausgangsspannungen 12 V beziehungsweise 5 V betrugen. Der Gleichstromwandler besaß eine Schaltfrequenz von 500 kHz und konnte einen Laststrom von bis zu 200 mA ausgeben. Seine maximale Ausgangsleistung betrug 1 W, sein Wirkungsgrad betrug 80%.

Nach dem Verfahren gemäß dem Beispiel 17 wurde eine planare Vergleichsinduktivität 17a hergestellt, die lediglich von dem Beispiel 17 insoweit abwich, als die amorphen magneti schen Schichten auf Co-Basis nach dem Abkühlen im Schmelz bad nicht weiterbearbeitet wurden. Es wurde eine weitere planare Induktivität 17b nach dem gleichen Verfahren wie im Beispiel 17 hergestellt, mit der Ausnahme, daß die amorphen magnetischen Schichten auf Co-Basis zwar wärmebehandelt (geglüht) wurden, nicht jedoch in einem Magnetfeld. Die ma gnetischen Schichten der Induktivität 17a hatten eine Per meabilität von 2000, während diejenigen der Induktivität 17b eine Permeabilität von 10000 besaßen.

Die magnetischen Schichten keiner der Vergleichsinduktivi täten zeigten eindeutige magnetische Anisotropie.

Es wurden die Überlagerungs-Gleichstrom-Kennlinien des Bei spiels 17 und der Vergleichsinduktivitäten 17a und 17b ge messen. Die Vergleichsinduktivität 17b hatte einen höheren Induktivitätswert als das Beispiel 17. Allerdings blieb der Induktivitätswert nur bis zu einem Anstieg des Stroms auf 100 mA konstant, und fiel dann bei einem Gleichstrom von mehr als 120 mA stark ab. Andererseits war der Induktivi tätswert der Vergleichsinduktivität 17a niedriger als beim Beispiel 17, er begann bei einem geringen Gleichstrom all mählich abzufallen. Beide Vergleichsinduktivitäten 17a und 17b waren schlechter als das Beispiel 17 auch bezüglich des Frequenzgangs. Speziell nahmen ihre Leistungsverluste bei Frequenzen von 100 kHz und darüber abrupt zu. Bei der Fre quenz von 1 MHz betrug ihr Gütekoeffizient Q nur halb so viel oder weniger wie der Gütekoeffizient Q des Beispiels 13.

Die Vergleichsinduktivitäten 17a und 17b wurden als Aus gangs-Drosselspule in Gleichstromwandlern desselben Typs verwendet. Die Gleichstromwandler wurden getestet, um ihre maximale Ausgangsleistung und ihren Wirkungsgrad zu ermit teln. Die maximalen Lastströme waren begrenzt auf etwa 100 mA, und zwar unvermeidlich deshalb, weil die Überlagerungs- Gleichstrom-Kennlinien der Induktivitäten 17a und 17b so schlecht war. Damit betrug die maximale Ausgangsleistung etwa die Hälfte der Ausgangsleistung des Gleichstromwand lers mit der Induktivität nach Beispiel 17, und der Wir kungsgrad betrug lediglich 70% von dem Wirkungsgrad des Gleichstromwandlers nach Beispiel 17.

Beispiel 18

Es wurde ein planarer Transformator hergestellt, dessen Primärspule 20 Windungen hatte, und identisch mit der spi ralförmigen planaren Spule der Induktivität nach Beispiel 17 war. Die Sekundärspule war identisch ausgebildet, und nach dem gleichen Verfahren wie Beispiel 17 auf einer die Primärspule abdeckenden Isolierschicht hergestellt, mit der Ausnahme, daß die Sekundärwicklung zehn Windungen besaß. Der Induktivitätswert der Primärspule dieses Transformators entsprach einer Überlagerungs-Gleichstrom-Kennlinie, die im wesentlichen die gleiche war, wie bei der planaren Indukti vität nach Beispiel 17.

Der planare Transformator wurde in einen Vorwärts-Gleich stromwandler eingebaut, dessen Eingangs- und Ausgangsspan nung 12 V beziehungsweise 5 V betrug. Die planare Indukti vität nach Beispiel 5 wurde als Ausgangs-Drosselspule in dem Gleichstromwandler eingesetzt. Der Vorwärts-Gleich stromwandler wurde hinsichtlich seiner Kennwerte getestet. Beim Betrieb mit einer Schaltfrequenz von 500 kHz zeigte der Transformator eine Ausgangs-Nennleistung, die mit der jenigen des abwärtstransformierenden Zerhacker-Gleichstrom wandlers mit der planaren Induktivität nach Beispiel 17 vergleichbar war. Offensichtlich trägt der Transformator nach Beispiel 17 zur Miniaturisierung isolierter Gleich stromwandler bei.

Es wurde ein planarer Vergleichstransformator mit dem glei chen Aufbau wie Beispiel 17 hergestellt, mit der Ausnahme, daß seine magnetischen Schichten von dem Typ waren, wie sie in der Vergleichsinduktivität 17a eingebaut wurden. Es wurde ein weiterer planarer Vergleichstransformator herge stellt, dessen Aufbau mit der Struktur des Beispiels 17 identisch war, mit der Ausnahme, daß die magnetischen Schichten von dem in die Vergleichsinduktivität 17b einge bauten Typ waren. Die Induktivitätswerte der Primärspule beider Vergleichstransformatoren 18′ waren im wesentlichen die gleichen wie bei der planaren Induktivität nach Bei spiel 17. Die Vergleichstransformatoren 19′ wurden einge baut in Vorwärts-Gleichstromwandler desselben Typs, der den Transformator gemäß Beispiel 18 enthielt. Beim Test konnten diese Gleichstromwandler keine normale Leistungsumsetzung bewirken, weil die Komponenten der Transformatoren magne tisch gesättigt waren.

Beispiel 19

Es wurde eine planare Induktivität des in Fig. 36 darge stellten Typs gemäß dem vierten Aspekt der Erfindung fol gendermaßen hergestellt:
Zunächst wurde eine Hauptfläche eines Siliciumsubstrats thermisch oxidiert, wodurch eine SiO₂-Schicht mit einer Dicke von 1 µm gebildet wurde. Auf diese Schicht wurde ein Negativ-Fotoresistmaterial im Schleuderverfahren aufge bracht. Das Fotoresistmaterial wurde fotolithografisch be handelt, um zwei Öffnungen in dem Fotoresistmaterial auszu bilden. Diese Öffnungen hatten die Form von Gleichschenkli gen Dreiecken, die mit ihren Scheiteln einander berührten und jeweils eine Grundlinie von 5 mm und eine Höhe von 2,5 mm besaßen. Anschließend wurde eine 1 µm dicke amorphe ma gnetische Schicht aus CoZrNb gebildet, die teilweise auf dem Fotoresistmaterial und teilweise auf den freiliegenden Bereichen der SiO₂-Schicht lag (letztere jeweils in der Form des gleichschenkligen Dreiecks). Die magnetische Schicht wurde in einem Magnetfeld von 100 Oe mittels einer HF-Magnetron-Zerstäubungsapparatur gebildet. Es ergab sich eine uniaxiale magnetische Anisotropie, und man erhielt ein anisotropes Magnetfeld von 50 Oe. Als nächstes wurde das Fotoresistmaterial mit einem Lösungsmittel gelöst und von der SiO₂-Schicht entfernt. Demzufolge wurde derjenige Ab schnitt der magnetischen Schicht, der auf dem Fotoresistma terial ausgebildet war, abgehoben, und es wurden zwei amorphe magnetische Schichten aus CoZrNb in Form gleich schenkliger Dreiecke auf der SiO₂-Schicht ausgebildet.

Anschließend wurde ein Fotoresistmaterial auf der Oberseite dieser Struktur im Schleuderverfahren aufgebracht. Dieses Fotoresistmaterial wurde fotolithografisch behandelt, um zwei Öffnungen zu bilden. Die Öffnungen hatten die Form gleichschenkliger Dreiecke, die sich mit ihren Scheiteln berührten und jeweils eine Grundlinie von 5 mm und eine Höhe von 2,5 mm aufwiesen. Ihre Orientierung war so, daß sich ihre Achsen unter rechtem Winkel zu den Achsen der be reits auf der SiO₂-Schicht gebildeten amorphen magnetischen Schichten aus CoZrNb erstreckten. Danach wurde eine 1 µm dicke amorphe magnetische Schicht aus CoZrNb gebildet, teilweise auf dem Fotoresistmaterial und teilweise auf den freiliegenden Bereichen (jeweils in Form eines gleich schenkligen Dreiecks) der SiO₂-Schicht. Die magnetische Schicht wurde in einem Magnetfeld von 100 Oe mit Hilfe ei ner HF-Magnetron-Zerstäubungsapparatur gebildet. Es zeigte sich eine uniaxiale magnetische Anisotropie sowie ein an isotropes Magnetfeld von 50 Oe. Danach wurde das Fotore sist-Material mit einem Lösungsmittel gelöst und von der SiO₂-Schicht entfernt. Die Folge war, daß derjenige Ab schnitt der magnetischen Schicht, der auf dem Fotoresistma terial lag, abgehoben wurde, während die zwei anderen amor phen magnetischen Schichten aus CoZrNb, jeweils in Form ei nes gleichschenkligen Dreiecks, auf der SiO₂-Schicht aus gebildet waren.

Im Ergebnis wurde auf der SiO₂-Schicht eine quadratische, amorphe magnetische Schicht aus CoZrNb ausgebildet, beste hend aus vier dreieckigen Magnetschichten, deren Seiten je weils 5 mm lang waren. Jede der vier dreieckigen magneti schen Schichten besaß eine Achse der leichten Magnetisie rung, die sich entlang ihrer Grundlinie erstreckte.

Weiterhin wurde eine 1,5 µm dicke SiO₂-Schicht durch Plasma-CVD oder HF-Zerstäubung auf der magnetischen Schicht gebildet. Auf der obersten SiO₂-Schicht wurde eine 10 µm dicke Al-0,5%Cu-Schicht gebildet, und zwar wahlweise durch eine Gleichstrom-Magnetron-Zerstäubungsapparatur oder eine Hochvakuum-Aufdampfapparatur. Auf der Al-0,5%Cu-Schicht wurde eine 1,5 µm dicke SiO₂-Schicht gebildet. Auf dieser Schicht wiederum wurde ein Positiv-Resistmaterial im Schleuderverfahren aufgebracht. Mittels Fotolithografie wurde das Fotoresistmaterial mit einem Muster einer qua dratischen Spiralform versehen, deren Seiten mit denjenigen der quadratischen, amorphen Schicht aus CoZrNb ausgerichtet waren. Unter Verwendung des Fotoresistmaterials als Maske wurde CF₄-Gas auf die Oberfläche der Struktur aufgebracht, um durch reaktives Ionenätzen die oberste SiO₂-Schicht zu bearbeiten. Weiterhin wurden Cl₂-Gas und BCl₃-Gas auf die Struktur aufgebracht, um die Al-0,5%Cu-Schicht mittels re aktivem Ionenätzen zu bearbeiten. Die letztgenannte Schicht wurde dabei so geätzt, daß eine spiralförmige planare Spule mit 20 Windungen, einer Leiterbreite von 100 µm und einem Zwischenwindungsabstand von 5 µm entstand. Eine Polyamid- Säure-Lösung, die ein Vorläufer des Polyimids ist, wurde im Schleuderverfahren auf die Oberfläche der Struktur aufge bracht, um eine 15 µm dicke Schicht zu bilden, in der die Lücken zwischen den Windungen der Spule ausgefüllt wurden. Diese Schicht wurde bei 350°C ausgehärtet und bildete dann eine Polyimidschicht. Auf diese Struktur wurde CF₄-Gas so wie O₂-Gas aufgebracht, um die Polyimidschicht einem reak tiven Ionenätzen zu unterziehen bis zu einer Schichtdicke von 1 µm, gemessen von der Oberseite des Spulenleiters.

Als nächstes wurde eine der ersten amorphen magnetischen Schicht identische Schicht aus CoZrNb auf der Polyimid schicht gebildet, und zwar mit dem oben erläuterten Verfah ren. Es ergab sich eine planare Induktivität mit dem in Fig. 36 dargestellten Aufbau. Während der Herstellung der Induktivität wurde die untere magnet 34585 00070 552 001000280000000200012000285913447400040 0002004117878 00004 34466ische Schicht erhitzt und abgekühlt, sie blieb jedoch hitzebeständig. Ihre magne tische Eigenschaft hat sich praktisch nach der Herstellung der Induktivität nicht verändert. In anderen Worten: Wäh rend des Produktionsvorgangs auf die Induktivität aufge brachte Wärme hat allenfalls einen sehr geringen Einfluß auf die magnetischen Eigenschaften der unteren magnetischen Schicht.

Die elektrischen Kennwerte der so hergestellten planaren Induktivität wurden ermittelt. Die Induktivität besaß einen Induktivitätswert L von 2 µH und einen Gütekoeffizienten Q von 15 (bei 5 MHz). Die Induktivität wurde hinsichtlich ih rer Überlagerungs-Gleichstrom-Kennlinie getestet. Ihr In duktivitätswert blieb konstant bis zu einem Überlagerungs- Gleichstrom von 80 mA, und fiel dann ab, wenn der Überlage rungs-Gleichstrom auf 100 mA erhöht wurde.

Es wurde eine planare Induktivität des in Fig. 36 darge stellten Typs hergestellt, dessen Aufbau mit dem oben er läuterten Aufbau identisch war, mit der Ausnahme, daß die die Lücken ausfüllende Isolierschicht zwischen den Spulen windungen nicht aus Polyimid sondern aus SiO₂ bestand, wo bei entweder das CVD-Verfahren oder das Vorspannungs-Zer stäubungsverfahren angewandt wurde. Diese planare Indukti vität zeigte elektrische Kennwerte ähnlich denjenigen der oben beschriebenen planaren Induktivität.

Die planare Induktivität wurde als Ausgangs-Drosselspule in einem abwärtstransformierenden Zerhacker-Gleichstromwandler eingesetzt, dessen Eingangs- und Ausgangsspannungen 12 V beziehungsweise 5 V betrugen. Der Gleichstromwandler konnte einen Laststrom von bis zu 80 mA bei einer Schaltfrequenz von 4 MHz ausgeben. Seine maximale Ausgangsleistung betrug 0,4 W, sein Wirkungsgrad betrug 70%.

Nach dem gleichen Verfahren wie beim Beispiel 19 wurde eine planare Vergleichs-Induktivität hergestellt, lediglich mit dem Unterschied, daß die amorphen magnetischen Schichten CoZrNb nicht in einem magnetischen Feld ausgebildet wurden. Jede so ausgebildete magnetische Schicht zeigte eine Per meabilität von 10000 und hatte eindeutig eine magnetische Anisotropie. Die Vergleichs-Induktivität hatte einen Induk tivitätswert, der etwa fünfmal so hoch war wie derjenige der Induktivität nach Beispiel 15. Diese Induktivität je doch blieb nur bis zu einem Gleichstrom von etwa 8 mA kon stant. Sie begann abzufallen, wenn der Strom von 10 mA oder ein höherer Strom dem Eingangs-Gleichstrom überlagert war.

Die planare Vergleichs-Induktivität wurde als Ausgangs- Drosselspule in einem Gleichstromwandler desselben Typs wie die Induktivität nach Beispiel 19 eingesetzt. Der die Ver gleichs-Induktivität enthaltende Gleichstromwandler wurde getestet. Sein maximaler Laststrom betrug etwa 8 mA, was auf die schlechte Überlagerungs-Gleichstrom-Kennlinie der Vergleichs-Induktivität zurückzuführen war. Unvermeidlich betrug die maximale Ausgangsleistung nur ein Zehntel und weniger der maximalen Ausgangsleistung des Gleichstromwand lers mit der Induktivität nach Beispiel 19.

Beispiel 20

Es wurde ein planarer Transformator hergestellt, dessen Primärspule 20 Windungen aufwies und identisch der spiral förmigen Spule der Induktivität nach Beispiel 19 war, wäh rend die Sekundärspule identisch ausgebildet war, mit der Ausnahme, daß sie zehn Windungen besaß und auf einer Polyi midschicht mit einer Dicke von 2 µm ausgebildet war und die Primärspule abdeckte. Die Induktivität der Primärspule die ses Transformators besaß eine Überlagerungs-Gleichstrom- Kennlinie, die im wesentlichen die gleiche war wie bei der planaren Induktivität nach Beispiel 19.

Der planare Transformator wurde in einen Zeilenrücklauf- Gleichstromwandler eingesetzt, dessen Eingangs- und Aus gangsspannung 12 V beziehungsweise 5 V betrug. Die planare Induktivität nach Beispiel 19 wurde außerdem als Ausgangs- Drosselspule in dem Gleichstromwandler eingesetzt. Der Vor wärts-Gleichstromwandler wurde bezüglich seiner Kennwerte getestet. Der Transformator zeigte eine Ausgangs-Nennlei stung, die vergleichbar war mit derjenigen des Gleichstrom wandlers mit der planaren Induktivität nach Beispiel 19. Offensichtlich trug der Transformator nach Beispiel 20 zu der Miniaturisierung der isolierten Gleichstromwandler bei.

Es wurde ein planarer Vergleichstransformator hergestellt, dessen Aufbau identisch dem Beispiel 20 war, mit der Aus nahme, daß seine magnetischen Schichten von dem Typ waren, der in die Induktivität eingesetzt war, die zum Vergleich mit dem Beispiel 19 hergestellt wurde. Der Induktivitäts wert der Primärspule dieses Vergleichstransformators war im wesentlichen der gleiche wie der bei der planaren Indukti vität nach Beispiel 19. Der Vergleichstransformator wurde in die Zeilenrücklauf-Gleichstromwandler desselben Typs eingebaut, der auch den Transformator nach Beispiel 20 enthielt. Als dieser Zeilenrücklauf-Gleichstromwandler ge prüft wurde, floß ein übermäßig starker Spitzenstrom durch die Leistungsschalter-MOSFETs, die in dem Wandler verwendet werden, und zwar deshalb, weil der planare Vergleichstrans formator magnetisch gesättigt war. Der Spitzenstrom brachte die MOSFETs zum Durchbruch.

Beispiel 21

Es wurde eine planare Induktivität des in Fig. 38 darge stellten Typs gemäß dem vierten Aspekt der Erfindung nach folgendem Verfahren hergestellt.

Zunächst wurde eine Hauptfläche eines Siliciumsubstrats thermisch oxidiert, wodurch eine 1 µm SiO₂-Schicht ent stand, auf der ein Positiv-Fotoresistmaterial im Schleuder verfahren aufgebracht wurde. Das Fotoresistmaterial wurde mit einem Muster versehen, welches mehreren rechtwinkligen konzentrischen Nuten entsprach. Unter Verwendung des mit einem Muster versehenen Fotoresistmaterials als Maske er folgte ein reaktives Ionenätzen des SiO₂ durch Aufbringen von CF₄-Gas. Hierdurch erhielt die SiO₂-Schicht rechtwink lige konzentrische Nuten mit einer jeweiligen Breite von δ = 2 µm und einer Tiefe W = 0,5 µm. Die Lücke L zwischen je weils zwei benachbarten konzentrischen Nuten betrug 4 µm. Dann wurde das Fotoresistmaterial entfernt.

Als nächstes wurde auf der mit Nuten versehenen SiO₂- Schicht mittels einer HF-Magnetron-Zerstäubungsapparatur bei Drehung des Siliciumsubstrats eine 2 µm dicke amorphe magnetische Schicht aus CoZrNb gebildet. Diese magnetische Schicht wurde ohne magnetische Felder ausgebildet, und es erhielt die amorphe magnetische Schicht aus CoZrNb keine Anisotropie außer der durch die Form bedingten Anisotropie. (Unter denselben Zerstäubungsbedingungen wurde auf der glatten SiO₂-Schicht, die durch thermische Oxidation ent standen war und eine glatte Oberfläche besaß, eine amorphe magnetische Schicht aus CoZrNb gebildet. In dem Teil der magnetischen Schicht, der sich im Drehmittelpunkt befand, ließ sich praktisch keine magnetische Anisotropie feststel len.) Da die magnetische Schicht auf der mit Nuten verse henen SiO₂-Schicht ausgebildet wurde, hatte sie mehrere rechtwinklige konzentrische Vorsprünge auf ihrer Unter seite. Diese magnetische Schicht wurde als untere magneti sche Schicht verwendet.

Anschließend wurde auf der magnetischen Schicht durch Plasma-CFV oder HF-Zerstäubung eine 500 nm dicke SiO₂- Schicht aufgebracht. Auf der obersten SiO₂-Schicht wurde mittels einer Gleichstrom-Magnetron-Zerstäubungsapparatur oder eine Hochvakuum-Aufdampfapparatur eine 10 µm dicke Al- 0,5%Cu-Schicht aufgebracht. Auf letzterer wurde eine 1,5 µm dicke SiO₂-Schicht gebildet. Auf diese SiO₂-Schicht wurde eine Positiv-Fotoresistmaterial-Schicht im Schleuderverfah ren aufgebracht und durch Fotolithografie mit einem Muster versehen, um eine Spiralform zu erhalten. Unter Verwendung des spiralförmigen Fotoresistmaterials als Maske wurde CF₄- Gas auf die Oberfläche der Struktur aufgebracht, um durch reaktives Ionenätzen die oberste SiO₂-Schicht zu bearbei ten. Weiter wurde auf die Struktur Cl₂-Gas und BCl₃-Gas aufgebracht, um die Al-0,5%Cu-Schicht mittels reaktivem Io nenätzen zu behandeln. Letztgenannte Schicht wurde dadurch so geätzt, daß eine spiralförmige planare Spule mit 20 Win dungen einer Leiterbreite von 100 µm und einem Zwischenwin dungs-Abstand von 5 µm entstand. Dann wurde auf diese Struktur eine Polyamidsäure-Lösung, die ein Vorläufer des Polyimids ist, im Schleuderverfahren auf die Oberfläche aufgebracht, wodurch eine 15 µm dicke Schicht entstand und die Lücken zwischen den Spulenwindungen ausgefüllt wurden. Diese Schicht wurde bei 350°C ausgehärtet, so daß die Poly imidschicht entstand. Auf diese Struktur wurde CF₄-Gas und O₂-Gas aufgebracht, um die Polyimidschicht durch reaktives Ionenätzen auf eine Dicke von 1 µm zu reduzieren, gemessen von der Oberseite des Spulenleiters.

Auf der Polyimidschicht wurde mittels einer HF-Magnetron- Zerstäubungsapparatur eine 2,5 µm dicke amorphe magnetische Schicht aus CoZrNb ausgebildet, dann wurde im Schleuderver fahren auf letztgenannte Schicht eine Schicht aus Positiv- Fotoresistmaterial aufgebracht, welches mit einem Muster aus mehreren rechtwinkligen konzentrischen Nuten versehen wurde. Unter Verwendung des mit dem Muster versehenen Foto resistmaterials als Maske erfolgte ein reaktives Ionenätzen der magnetischen Schicht aus CoZrNb durch Aufbringen von Cl₂-Gas und BCl₃-Gas. Demzufolge erhielt die magnetische Schicht rechtwinklige, konzentrische Nuten mit jeweils einer Breite von δ = 2 µm und einer Tiefe W = 0,5 µm. Die Lücke L zwischen jeweils zwei benachbarten konzentrischen Nuten betrug 4 µm. Diese magnetische Schicht wurde als obere magnetische Schicht verwendet.

Während der Herstellung der planaren Induktivität wurde die untere magnetische Schicht wiederholt erwärmt und abge kühlt, sie blieb jedoch wärmebeständig. Ihre magnetischen Eigenschaften blieben praktisch unverändert nach der Her stellung der Induktivität erhalten. In anderen Worten: die während der Produktion der Induktivität aufgebrachte Wärme hatte allenfalls einen sehr geringen Einfluß auf die magne tischen Eigenschaften der unteren magnetischen Schicht.

Die elektrischen Kennwerte der so hergestellten planaren Induktivität wurden ermittelt. Die Induktivität besaß einen Induktivitätswert L von 0,8 µH und einen Gütekoeffizienten Q von 7 (bei 5 MHz). Die Induktivität wurde hinsichtlich ihrer Überlagerungs-Gleichstrom-Kennlinie getestet, wobei sich zeigte, daß der Induktivitätswert bis zu einem Über lagerungs-Gleichstrom von 300 mA konstant blieb und dann abfiel, als der Überlagerungs-Gleichstrom auf 350 mA an stieg.

In der SiO₂-Schicht, auf der die untere magnetische Schicht ausgebildet war, und in der oberen magnetische Schicht wur den konzentrische Nuten ausgebildet, und zwar nach einem anderen Verfahren als dem der Fotolithografie. Hier emp fiehlt sich eine Mikro-Oberflächenbearbeitung (spanabhe bende Bearbeitung), bei der Nuten in die SiO₂-Schicht und die obere magnetische Schicht geschnitten werden. Im Bei spiel 21 werden konzentrische Nuten in lediglich einer Oberfläche der SiO₂-Schicht und in lediglich einer Oberflä che der oberen magnetischen Schicht ausgebildet. Statt des sen kann man auch beide Oberflächen bearbeiten.

Die magnetischen Schichten, nämlich sowohl die obere als auch die untere magnetische Schicht, können aus einem ma gnetischen Isolierstoff bestehen, wie beispielsweise einem Weichferrit. In diesem Fall kann jede magnetische Schicht direkt auf der planaren Spule angeordnet sein, während die Spule als Form zur Ausbildung einer Spiralnut in jeder der magnetischen Schichten dient.

Es wurde eine weitere planare Induktivität hergestellt, die den gleichen Aufbau besaß, wie er oben beschrieben wurde, mit der Ausnahme, daß die die Lücken zwischen den Spulen windungen ausfüllende Isolierschicht nicht Polyimid, son dern SiO₂ war. Hierzu wurde entweder das CVD-Verfahren oder das Vorspannungs-Zerstäubungsverfahren angewendet. Diese planare Induktivität hatte ähnliche elektrische Eigenschaf ten wie die oben beschriebene planare Induktivität.

Nach demselben Verfahren, wie bei der Induktivität nach Beispiel 21, wurde eine planare Vergleichs-Induktivität 21a hergestellt, die sich von der vorgenannten Induktivität nur dadurch unterschied, daß weder die untere SiO₂-Schicht, noch die obere CoZrNb-Schicht mit Nuten versehen wurde.

Außerdem wurde nach demselben Verfahren, wie bei der Induk tivität nach Beispiel 21, eine planare Vergleichs-Induk tivität 21b hergestellt, wobei der Unterschied darin be stand, daß die untere SiO₂-Schicht und die obere CoZrNb- Schicht mit einem Muster versehen wurden, um auf diese Weise rechtwinklige konzentrische Nuten mit jeweils einer Breite δ = 2 µm und einer Tiefe W = 1 µm zu bilden, wobei der Abstand zwischen jeweils zwei benachbarten konzentri schen Nuten L = 20 µm betrug. Die Bemessungen der in der oberen magnetische Schicht gebildeten Nuten erfüllen nicht die Ungleichung (5).

Wenngleich beide Vergleichs-Induktivitäten 21a und 21b einen Induktivitätswert besaßen, der achtmal so groß war wie bei der Induktivität nach Beispiel 21, so nahm der Induktivi tätswert jedoch sehr rasch ab, sobald der überlagernde Gleichstrom eine Stärke von 10 mA oder mehr besaß.

Beispiel 22

Es wurde ein planares magnetisches Element gemäß dem vier ten Aspekt der Erfindung, welches dem in Fig. 43 darge stellten Typ entspricht, nach folgendem Verfahren herge stellt:
Zunächst wurde an einer 40 µm dicken ersten Polyimidschicht eine 100 µm dicke Kupferfolie haftend angebracht, die dann durch chemisches Naßätzen mit einem Muster einer spiralför migen planaren Spule versehen wurde. Diese Spule war recht winklig, hatte 20 Windungen, eine Leiterbreite von 100 µm und einen Abstand zwischen den Windungen von 100 µm. Dann wurde auf der spiralförmigen planaren Spule eine 30 µm dicke zweite Polyimidschicht gebildet. Auf der ersten und der zweiten Polyimidschicht wurden jeweils zwei 15 µm dicke, amorphe Legierungsfolien auf Co-Basis aufgebracht. Im Ergebnis schlossen die erste und die zweite Polyimid schicht die Spule sandwichartig zwischen sich ein, und die Folien aus amorpher Legierung auf Co-Basis schlossen die Spule und die Polyimidschichten zusammen zwischen sich ein. Beide Folien aus amorpher Legierung auf Co-Basis besaßen eine Permeabilität von 5000 entlang ihrer Magnetisie rungsachse und eine Sättigungsflußdichte von 10 kG. Sie wurden hergestellt nach dem Verfahren des raschen Ablö schens unter Verwendung einer Einzelwalze und durch Wärme behandlung dieser Schichten in einem Magnetfeld. Jede der Folien aus amorpher Legierung auf Co-Basis hatte aufgrund der Wärmebehandlung eine uniaxiale magnetische Anisotropie, und es zeigte sich ein anisotropes Magnetfeld 20 Oe.

Dann wurde die aus der Spule, den beiden Polyimidschichten und den zwei Folien aus amorpher Legierung auf Co-Basis be stehende Struktur zwischen zwei weiteren Polyimidschichten mit einer jeweiligen Schichtdicke von 5 µm sandwichartig eingeschlossen. Demzufolge ergab sich eine planare Indukti vität mit einer Größe von 5 mm×10 mm. Deren Induktivi tätswert betrug 12,5 µH. Der Induktivitätswert blieb kon stant, bis der Gleichstrom auf 400 mA erhöht wurde, und er begann abzufallen, als der Gleichstrom auf 500 mA erhöht wurde.

Beispiel 23

Es wurde ein planarer Transformator hergestellt, dessen Primärspule identisch der in der Induktivität nach Beispiel 22 enthaltenen Spule war, und dessen Sekundärspule mit die ser identisch war, mit der Ausnahme, daß sie 10 Windungen und nicht 20 Windungen besaß. Der Transformator war im Auf bau identisch zu der Induktivität nach Beispiel 22, mit der Ausnahme, daß die Sekundärspule vorhanden war. Der Trans formator wurde getestet und zeigte eine ähnliche Überlage rungs-Gleichstrom-Kennlinie wie die planare Induktivität nach Beispiel 22.

Beispiel 24

Es wurde eine planare Induktivität des in Fig. 35 darge stellten Typs gemäß einem vierten Aspekt der Erfindung nach folgendem Verfahren hergestellt:
Zunächst wurde eine Hauptfläche eines Siliciumsubstrats thermisch oxidiert, um eine 1 µm dicke SiO₂-Schicht zu bil den, auf der in einem Magnetfeld von 100 Oe mit Hilfe einer HF-Magnetron-Zerstäubungsapparatur anschließend eine 1 µm dicke amorphe magnetische Schicht aus CoZrNb gebildet wurde. Diese Schicht zeigte eine uniaxiale magnetische An isotropie und ein anisotropes Magnetfeld von 50 Oe. Als nächstes wurde mittels Plasma-CVD oder HF-Zerstäubung auf der magnetischen Schicht eine 500 Å dicke SiO₂-Schicht ge bildet. Es wurden drei weitere CoZrNb-Schichten und drei weitere SiO₂-Schichten nach demselben Verfahren herge stellt, so daß eine Mehrschichtstruktur entstand, die aus vier magnetischen Schichten und vier Isolierschichten be stand, die alternierend übereinander angeordnet waren. Vier Magnetschichten waren so ausgebildet, daß ihre Achsen leichter Magnetisierung miteinander ausgerichtet waren.

Dann wurde auf der obersten SiO₂-Schicht eine 10 µm dicke Al-0,5%Cu-Schicht ausgebildet, entweder mittels einer Gleichstrom-Magnetron-Zerstäubungsapparatur oder einer Hochvakuum-Aufdampfapparatur. Auf der Al-0,5%Cu-Schicht wurde eine 1,5 µm dicke SiO₂-Schicht gebildet. Im Schleu derverfahren wurde auf dieser SiO₂-Schicht eine Positiv-Fo toresistmaterial-Schicht aufgebracht und mittels Fotolitho grafie mit einem spiralförmigen Muster versehen. Unter Ver wendung des spiralförmigen Fotoresistmaterials als Maske wurde CF₄-Gas auf die Oberfläche der Struktur aufgebracht, um die oberste SiO₂-Schicht durch reaktives Ionenätzen zu bearbeiten. Außerdem wurde auf die Struktur Cl₂-Gas und BCl₃-Gas aufgebracht, um die Al-0,5%Cu-Schicht einer reak tiven Ionenätzung auszusetzen. Letztgenannte Schicht wurde dabei unter Bildung zweier spiralförmiger planarer Spulen geätzt, welche in ihrer Hauptachse miteinander ausgerichtet waren, jeweils 20 Windungen, eine Leiterbreite von 100 µm und einen Windungsabstand von 5 µm besaßen.

Auf die Oberfläche dieser Struktur wurde im Schleuderver fahren eine Polyamidsäurelösung, die ein Vorläufer des Po lyimids ist, aufgebracht, um eine 15 µm dicke Schicht zu bilden, welche die Lücken zwischen den Windungen der Spule ausfüllt. Diese Schicht wurde bei 350°C ausgehärtet zu ei ner Polyimidschicht. Auf diese Struktur wurde CF₄-Gas und O₂-Gas aufgebracht, um die Polyimidschicht durch reaktives Ionenätzen auf eine Dicke von 1 µm zu bringen, gemessen an der Oberseite des Spulenleiters.

Anschließend wurden übereinander vier Isolierschichten und vier magnetische Schichten nach dem oben beschriebenen Ver fahren gebildet.

Während der Herstellung der planaren Induktivität wurden die vier magnetischen Schichten unterhalb der Spulen wie derholt erhitzt und abgekühlt, sie blieben jedoch wärmebe ständig. Ihre magnetische Eigenschaft blieb nach der Her stellung der Induktivität praktisch unverändert. In anderen Worten: die während der Herstellung der Induktivität aufge brachte Wärme hatte allenfalls einen extrem geringen Ein fluß auf die magnetischen Eigenschaften der magnetische Filme unterhalb der Spulen. Die elektrischen Eigenschaften der so hergestellten Induktivität wurden ermittelt: Die In duktivität besaß einen Induktivitätswert L von 2 µH und einen Gütekoeffizienten Q von 15 (bei 5 MHz). Die Indukti vität wurde hinsichtlich ihrer Überlagerungs-Gleichstrom- Kennlinie getestet, wobei ihr Induktivitätswert konstant blieb bis zu einer Zunahme des Überlagerungs-Gleichstroms auf 150 mA, wobei sich eine beginnende Abnahme des Indukti vitätswert zeigte, als der Überlagerungs-Gleichstrom auf 200 mA erhöht wurde.

Es wurde eine weitere planare Induktivität hergestellt, die der oben beschriebenen Induktivität mit der Ausnahme ent sprach, daß die die Lücken zwischen den Windungsspulen aus füllende Isolierschicht nicht aus Polyimid, sondern aus SiO₂ (aus einem organischen Silan hergestellt) war, wozu entweder das CVD-Verfahren oder das Vorspannungs-Zerstäu bungsverfahren eingesetzt wurde. Diese planare Induktivität zeigte elektrische Eigenschaften, die denjenigen der oben beschriebenen planaren Induktivität ähnelten.

Beispiel 25

Es wurde ein planarer Transformator hergestellt, dessen Primärspule identisch der in der Induktivität nach Beispiel 24 eingebauten Spule war, und dessen Sekundärspule letzte rer identisch war mit der Ausnahme, daß anstatt 20 Windun gen 10 Windungen vorhanden waren. Der Transformator ist im Aufbau identisch mit der Induktivität nach Beispiel 22, aus genommen die Sekundärspule, wobei jede Spule zwischen zwei jeweils 2 µm dicken Polyimidschichten eingefaßt sind. Die Transformatoren wurden getestet und zeigten eine Überlage rungs-Gleichstrom-Kennlinie ähnlich derjenigen, der plana ren Induktivität nach Beispiel 22.

Beispiel 26

Die Induktivität nach Beispiel 22 wurde in einen ab wärtstransformierenden Zerhacker-Gleichstromwandler einge baut und als Ausgangs-Drosselspule verwendet. Der Gleich stromwandler besaß eine Eingangsspannung von 10 V, eine Ausgangsspannung von 5 V und eine Ausgangsleistung von 500 mW. Der Gleichstromwandler wurde getestet, um zu sehen, wie die planare Induktivität arbeitete. Sie vermochte einen Laststrom bis zu 400 mA bei einer Schaltfrequenz von 500 kHz auszugeben. Der maximale Ausgangsstrom betrug 2 W bei einem Wirkungsgrad von 80%.

Beispiel 27

Der planare Transformator nach Beispiel 23 wurde in einen Vorwärts-Gleichstromwandler mit einer Eingangsspannung von 12 V und einer Ausgangsspannung von 5 V eingebaut. Weiter hin wurde die planare Induktivität nach Beispiel 22 als Ausgangs-Drosselspule in dem Vorwärts-Gleichstromwandler eingesetzt. Letzterer wurde hinsichtlich seiner Kennlinien getestet. Bei einer Schaltfrequenz von 500 kHz erhielt man ein Nenn-Ausgangssignal ähnlich wie bei dem Gleichstrom wandler nach Beispiel 26. Das Ergebnis lautet: Dieser Transformator dient zur Miniaturisierung isolierter Gleich stromwandler.

Beispiel 28

Die Induktivität nach Beispiel 24 wurde in einen ab wärtstransformierenden Zerhacker-Gleichstromwandler einge baut und als Ausgangs-Drosselspule verwendet. Der Gleich stromwandler besaß eine Eingangsspannung von 10 V, eine Ausgangsspannung von 5 V und eine Ausgangsleistung von 500 mW. Der Gleichstromwandler wurde getestet, um zu sehen, wie die planare Induktivität arbeitete. Sie vermochte einen Laststrom von bis zu 150 mA bei einer Schaltfrequenz von 500 kHz auszugeben. Der maximale Ausgangsstrom betrug 0,75 W bei einem Wirkungsgrad von 70%.

Beispiel 29

Der planare Transformator nach Beispiel 25 wurde in einen Zeilen-Rücklauf-Gleichstromwandler eingebaut, dessen Ein gangs- und Ausgangsspannungen 12 V beziehungsweise 5 V be trugen. Außerdem wurde die planare Induktivität nach Bei spiel 24 als Ausgangs-Drosselspule für den Vorwärts-Gleich stromwandler verwendet. Der Zeilen-Rücklauf-Gleichstrom wandler wurde hinsichtlich seiner Kennlinien getestet. Sein Nenn-Ausgangssignal war ähnlich demjenigen, des abwärts transformierenden Zerhacker-Gleichstromwandlers nach Bei spiel 28. Da sämtliche magnetischen Elemente planar aus gebildet waren, konnte der Zeilen-Rücklauf-Gleichstromwand ler ausreichend klein und leichtgewichtig ausgebildet wer den.

Beispiel 30

Es wurde ein planares magnetisches Element gemäß dem fünf ten Aspekt der Erfindung nach folgendem Verfahren herge stellt, wobei das Element dem in Fig. 49 dargestellten Typ entsprach:
Zunächst wurde an eine erste, 30 µm dicken Polyimidschicht eine 100 µm dicke Kupferfolie haftend angebracht, die dann durch Naßätzen mit Eisenchlorid als Ätzmittel mit einem rechtwinkligen spiralförmigen Spulenmuster versehen wurde, welches 30 konzentrische quadratische Windungen, eine Leiterbreite von 100 µm und einen Windungsabstand von 100 µm besaß. Auf der planaren Spule wurde eine 10 µm dicke zweite Polyimidschicht gebildet. Damit war die Spule sand wichartig zwischen der ersten und der zweiten Polyimid schicht eingefaßt. Diese Struktur wurde zwischen zwei qua dratischen, amorphen magnetischen Schichten auf Co-Basis mit jeweils einer Größe von 10 mm×10 mm ohne magnetische Beanspruchung eingefaßt, um ein planares magnetisches Ele ment zu erhalten.

(a) Die Enden der konzentrischen Windungen des plana ren magnetischen Elements wurden in der in Fig. 52 darge stellten speziellen Weise verschaltet, um eine planare In duktivität ähnlich derjenigen mit einer spiralförmigen Spule zu erhalten. Diese planare Induktivität wurde mit ei nem LCR-Messer getestet. Sie hatte einen Induktivitätswert von 20 µH bei einer Frequenz von 500 kHz, und sie besaß einen Gütekoeffizienten Q von 10.

Diese planare Induktivität wurde in einen als Hybrid- IC ausgebildeten Gleichstromwandler mit einer Schaltfre quenz von 500 kHz eingebaut und wurde als Ausgangs-Drossel spule verwendet. Der Gleichstromwandler in Form des Hybrid- IC arbeitete gut. Folglich kann die planare Induktivität zur Miniaturisierung von Gleichstrom-Spannungsversorgungen beitragen.

Außerdem wurde die planare Induktivität in ein Filter ein gebaut, um Hochfrequenzanteile aus den Gleichspannungs-Ver sorgungsleitungen zu beseitigen, die an die Leistungs-MOS FETs in einem nicht linearen 10-MHz Leistungsverstärker angeschlossen waren. Dank des Einsatzes der planaren Induk tivität war das Filter hinreichend klein.

(b) Die Enden der konzentrischen Windungen des plana ren magnetischen Elements wurden nach dem in Fig. 51 darge stellten spezifischen Muster verschaltet, um eine planare Induktivität zu erhalten, die ähnlich der Induktivität mit einer mäanderförmigen Spule war. Die so hergestellte pla nare Induktivität wurde mit einem LCR-Messer getestet. Es ergab sich ein Induktivitätswert von etwa 300 µH. Außerdem ergab sich ein guter Frequenzgang, sogar bei mehreren 10 MHz.

Die planare Induktivität wurde in einem Tiefpaß-Filter ein gesetzt, welches an den Ausgang eines nicht-linearen 20- MHz-Leistungsverstärkers angeschlossen war. Wegen der Ver wendung der planaren Induktivität konnte das Tiefpaß-Filter wesentlich kleiner gestaltet werden als solche, die her kömmliche Hohlspulen aufweisen.

(c) Die Enden der konzentrischen Windungen des plana ren magnetischen Elements wurden in dem in Fig. 55 darge stellten speziellen Muster verschaltet, wodurch ein plana rer Transformator entstand, der eine Primärspule und eine Sekundärspule enthielt. Die Primärspule hatte 7 Windungen, die Sekundärspule hingegen hatte 2 Windungen. Das Span nungsverhältnis des Transformators betrug etwa 0,25.
(d) Der so hergestellte planare Transformator wurde dazu verwendet, die Ausgangsimpedanz eines 1-MHz-Leistungs verstärkers einzustellen auf den Widerstand der an den Ver stärker angeschlossenen Last. Die Ausgangsimpedanz des Lei stungsverstärkers betrug 200 Ω, der Widerstandswert der Last betrug 50 Ω. Die Enden der konzentrischen Windungen jeder Spule wurden auf verschiedene Weise verschaltet, bis die Ausgangsimpedanz in der besten Weise auf den Lastwider stand eingestellt war. Die Ausgangsimpedanz des Leistungs verstärkers kann nicht so gut auf den Lastwiderstand einge stellt werden, wenn die herkömmlichen planaren Transforma toren verwendet werden.

Beispiel 31

Es wurden planare magnetische Elemente des in Fig. 49 dar gestellten Typs und planare magnetische Elemente des in Fig. 50 dargestellten Typs nachfolgenden Verfahren herge stellt:
Zunächst wurde mittels HF-Zerstäubung auf einem Silicium substrat eine 3 µm dicke Schicht aus einer Fe₄₀Co₆₀-Legie rung gebildet. Auf dieser Legierungsschicht wurde durch HF- Zerstäubung eine 1 µm dicke SiO₂-Schicht gebildet. Dann wurde auf dieser SiO₂-Schicht eine 10 µm dicke Schicht aus einer Al-Cu-Legierung erzeugt, auf der wiederum eine SiO₂- Schicht gebildet und in bekannter Weise mit einem Muster versehen wurde. Unter Verwendung der mit einem Muster ver sehenen SiO₂-Schicht als Maske wurde die Schicht aus der Al-Cu-Legierung einer reaktiven Ionenätzung mittels eines Magnetrons unterzogen, wodurch die Al-Cu-Legierungsschicht unter Bildung von 10 Spulenwindungen geätzt wurde. Jede Windung hatte die gleiche Leiterbreite von 20 µm. Die Lücke zwischen den Windungen betrug 5 µm. Die Seiten der inner sten Windungen waren 0,81 mm lang, während die Seiten der äußersten Windung 4,5 mm lang waren. Auf dieser Struktur wurde mittels Plasma-CVD eine SiO₂-Schicht gebildet, um da mit die Lücken zwischen den Windungen auszufüllen, und die die 10 Windungen aufweisende planare Spule abzudecken. Diese SiO₂-Schicht wurde einem Resistmaterial-Rückätzver fahren unterzogen, wodurch ihre Oberseite glatt und flach wurde. Dann wurde auf der SiO₂-Schicht eine 3 µm dicke Le gierungsschicht aus FE₄₀Co₆₀ gebildet.

(a) Die Anschlüsse des planaren magnetischen Elements des in Fig. 49 gezeigten Typs wurden durch Bonddrähte mit einem Leiterrahmen verbunden und dann mit einem Vergußharz eingekapselt, um ein Gehäuse mit einer Reihe von Anschluß stiften (SIP-Gehäuse) zu erhalten, welches gemäß Fig. 67 20 Anschlußstifte enthielt. Dieses Bauelement wurde kombiniert mit einem Halbleiter-Relais, so daß seine Induktivität schrittweise dadurch geändert werden konnte, daß man ein externes elektronischen Bauelement betätigte. Damit konnte dieses magnetische planare Element besser als Einstellele ment dienen als herkömmliche Elemente.
(b) Die Anschlüsse des planaren magnetischen Elements des in Fig. 50 dargestellten Typs wurden mittels Bonddräh ten mit einem Leitungsrahmen verbunden und dann mit einem Kunstharz-Gehäuse eingekapselt, um ein DIP-Bauelement (ein Bauelement mit zwei Reihen von Anschlußstiften) zu erhal ten, welches gemäß Fig. 68 40 Anschlußstifte enthielt. Das Bauelement wurde kombiniert mit einem Halbleiter-Relais, so daß sein Induktivitätswert schrittweise geändert werden konnte durch Betätigung eines externen elektronischen Bau elements. Damit konnte dieses magnetische planare Element besser als Einstellelement dienen.
(c) Nach dem gleichen Verfahren wie bei dem SIP-Bau element (a) wurde ein SIP-Bauelement des in Fig. 67 darge stellten Typs hergestellt, mit der Ausnahme, daß das Pla narelement und der Leiterrahmen in einem Mn-Zn-Ferrit-Ge häuse eingekapselt war. Dieses SIP-Bauelement läßt sich in verschiedenen Einrichtungen einsetzen, zum Beispiel in ei nem aufwärtstransformierenden Zerhacker-Gleichstromwandler, einem abwärtstransformierenden Zerhacker-Gleichstromwand ler, eine HF-Schaltung zur Verwendung in flachen Pagern und in einem Resonanz-Gleichstromwandler. Fig. 69 zeigt ein Beispiel für einen aufwärtstransformierenden Zerhacker- Gleichstromwandler. Fig. 70 zeigt ein Beispiel für einen abwärtstransformierenden Zerhacker-Gleichstromwandler. Fig. 71 zeigt ein Beispiel für eine HF-Schaltung. Fig. 72 zeigt ein Beispiel für einen Resonanz-Gleichstromwandler.

Beispiel 32

Es wurde eine planare Induktivität mit einer Windung von dem in Fig. 62A dargestellten Typ hergestellt, welche ein Siliciumsubstrat, einen Aluminiumleiter und Isolierschich ten aus Siliciumoxid enthielt. Die Struktur-Parameter der eine Windung aufweisenden, planaren Induktivität gemäß Fig. 62B waren folgende:

d₁ = 1×10^-3 (m)
d₂ = 5×10^-3 (m)
δ₁ = 1×10^-6 (m)
δ₂ = 1×10^-6 (m)
µ_s = 10⁴
ρ = 2,65×10^-8 (Ωm)
d₃ = 14×10^-6 (m)

Die planare Induktivität besaß folgende elektrische Kenn werte:

L = 32 (nH)
R_DC = 14 (mΩ)
Imax = 630 (mA)
Q_1MHz = 15
Q_10MHz = 150

Q ist der Gütekoeffizient, bei dem es sich um das Verhält nis des Induktivitätswertes L (effektiv) zu dem Gleich stromwiderstand handelt. Je größer die Güte Q, desto bes ser.

Die eine Windung aufweisende planare Induktivität wurde ge testet, und es wurde festgestellt, daß praktisch keine ma gnetischen Flüsse aus der Induktivität austreten.

Es wurde eine Vergleichsinduktivität mit der in Fig. 73 dargestellten Struktur hergestellt. Wie aus Fig. 73 er sichtlich ist, besaß die Vergleichsinduktivität die gleiche Größe wie Beispiel 32, das heißt d₂ = 5×10^-3 (m); d₃ = 14 ×10^-6 (m), jedoch enthielt die Induktivität eine spiral förmige planare Spule mit 124 Windungen, und nicht eine Einzelwindungs-Spule. Unterhalb und oberhalb des Spulenlei ters 42 befinden sich zwei magnetische Schichten 30.

Die Vergleichsinduktivität besaß folgende elektrische Ei genschaften:

L = 900 (µH)
RDC = 600 (Q)
I_max = 6,40 (mA)
Q_1MHz = 9
Q_10MHz = 90

Offensichtlich besitzt die planare Einzelwindungs-Indukti vität nach Beispiel 32 eine große Stromkapazität und eignet sich zur Verwendung in einer starken Spannungsversorgung. Obschon ihr Induktivitätswert relativ gering ist, ist ihre Impedanz bei hohen Betriebsfrequenzen groß genug.

Claims

1. Planares magnetisches Element umfassend:
ein Substrat (10);
eine erste magnetische Schicht (30A), die über dem Substrat angeordnet ist;
eine erste Isolierschicht (20B), die über der ersten magnetischen Schicht angeordnet ist;
eine planare Spule (40), die aus einem Leiter mit mehreren Windungen besteht und über der ersten Isolierschicht angeordnet ist,
eine zweite Isolierschicht (20C), die über der planaren Spule angeordnet ist;
und
eine zweite magnetische Schicht (30B), die über der zweiten Isolierschicht angeordnet ist,
dadurch gekennzeichnet, daß die planare Spule ein Lücken- Geometrieverhältnis (h/b) von 1 oder mehr aufweist, bei dem es sich um das Verhältnis der Dicke des Leiters zu der Lücke oder dem Abstand zwischen jeweils zwei benachbarten Windungen handelt, daß die planare Spule ein Magnetfeld erzeugt, und daß die erste und die zweite magnetische Schicht eine uniaxiale magnetische Anisotropie aufweisen, deren Achse sich etwa rechtwinklig zu der Achse des Magnetfelds erstreckt.

2. Planares magnetisches Element umfassend:
ein Substrat (10);
eine erste magnetische Schicht (30A), die über dem Substrat angeordnet ist;
eine erste Isolierschicht (20B), die über der ersten magnetischen Schicht angeordnet ist;
eine planare rechtwinklige Spule (40), die aus einem Leiter mit mehreren Windungen besteht und über der ersten Isolierschicht angeordnet ist,
eine zweite Isolierschicht (20C), die über der planaren Spule angeordnet ist;
und
eine zweite magnetische Schicht (30B), die über der zweiten Isolierschicht angeordnet ist,
dadurch gekennzeichnet,
daß sich die in Richtung einer Hauptachse der rechtwinkeligen Spule (40) erstreckende Länge (m) größer als die Breite (n) der Spule (40) ist,
daß die erste und die zweite magnetische Schicht eine uniaxiale magnetische Anisotropie aufweisen und,
daß sich die Achsen leichter Magnetisierung der ersten und der zweiten magnetischen Schicht (30A, 30B) etwa parallel zu der Hauptsache der Spule (40) erstrecken.

3. Planares magnetisches Element umfassend:
ein Substrat (10);
eine erste magnetische Schicht (30A), die über dem Substrat angeordnet ist;
eine erste Isolierschicht (20B), die über der ersten magnetischen Schicht angeordnet ist;
eine planare Spule (40), die aus einem Leiter mit mehreren Windungen besteht und über der ersten Isolierschicht angeordnet ist,
eine zweite Isolierschicht (20C), die über der planaren Spule angeordnet ist;
und
eine zweite magnetische Schicht (30B), die über der zweiten Isolierschicht angeordnet ist,
dadurch gekennzeichnet,
daß
die planare Spule ein Lücken-Geometrieverhältnis (h/b) von 1 oder mehr aufweist, bei dem es sich um das Verhältnis der Dicke des Leiters zu der Lücke oder dem Abstand zwischen jeweils zwei benachbarten Windungen handelt, und
daß die planare Spule eine spiralförmige Spule ist, die folgender Beziehung genügt: w a₀ + 2αwobei w die Breite der ersten und der zweiten magnetischen Schicht, a₀ die Breite der planaren Spule, α gleich [µ_s·g·t/2]^1/2 beträgt, mit µ_s als der Permeabilität der magnetischen Elemente, t der Dicke der ersten und der zweiten magnetischen Schicht und g dem Abstand zwischen der ersten und der zweiten magnetischen Schicht.

4. Element nach einem der Ansprüche 1 bis 3, gekennzeichnet durch ein aktives Element oder ein passives Element, welches auf dem Substrat selektiv ausgebildet ist, ausgenommen dort, wo die magnetischen Elemente gebildet sind.

5. Element nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeich net, daß die Lücken zwischen den Windungen mit einem Isoliermaterial gefüllt sind.

6. Element nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Lücken leer bleiben.

7. Element nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine Ver bindungsschicht (25), die auf dem Substrat ausgebildet ist, um das magnetische Element an dem Substrat zu binden.

8. Element nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die planare Spule und die zweite Isolierschicht miteinander in Berührung stehen und eine Einheit bilden, wobei diese Einheit sandwichartig eingeschlossen ist zwischen der ersten Isolierschicht und der zweiten magnetischen Schicht.

9. Element nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekenn zeichnet, daß die planare Spule eine Primärspule und eine Sekundärspule über der magnetischen Primärschicht bildet.

10. Element nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die planare Spule aus zwei Spulenelementen besteht und weiterhin eine dritte Isolierschicht aufweist, die zwischen den Spulenelementen liegt und ein Durchkontaktierungsloch sowie einen in dem Durchkontaktierungsloch befindlichen Leiter besitzt, welcher die Spulen elemente miteinander verbindet.

11. Element nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekenn zeichnet, daß die erste und die zweite magnetische Schicht jeweils vier dreieckige magnetische Elemente aufweist, die so angeordnet sind, daß ihre Scheitel einander berüh ren, wobei jedes dreieckige magnetische Element eine uniaxiale Anisotropie besitzt, deren Achse sich parallel zu der Grundlinie erstreckt.

12. Element nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die erste und die zweite magnetische Schicht in einer Oberfläche streifenförmige Nuten und Vorsprünge aufweisen, die sich parallel zu dem Leiter erstrecken.

13. Element nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die planare Spule eine rechtwinklige spiralförmige Spule ist, und eine Hauptachse in Richtung der größeren Abmessungen (m) der Spule (40) aufweist, und die Hauptachse auf die Achsen leichter Magnetisierung der ersten und der zweiten magnetischen Schicht ausgerichtet ist.

14. Element nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß beide Enden der planaren Spule von der ersten und der zweiten magnetischen Schicht abstehen.

15. Element nach Anspruch 13, gekennzeichnet durch eine Einrichtung zum Abschirmen von magnetischen Flüssen, die aus der planaren Spule herausstreuen.

16. Element nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die planare Spule mehrere rechtwinklige spiralförmige Spulen enthält und die erste sowie die zweite magnetische Schicht eine uniaxiale magnetische Anisotropie und Achsen leichter Magnetisierung besitzen, die mit den Hauptachsen der rechtwinkligen, spiralförmigen Spulen ausgerichtet sind.

17. Element nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß beide Enden der planaren Spule von der ersten und der zweiten magnetischen Schicht abstehen.

18. Element nach Anspruch 16, gekennzeichnet durch Mittel zum Abschirmen von magnetischen Flüssen, die aus der planaren Spule herausstreuen.

19. Element nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Planarspule mehrere Außenanschlüsse besitzt, und aus mehreren planaren Einzelwindungs spulen besteht, die mit verschiedenen Außendurchmessern auf der ersten Isolierschicht ausgebildet sind.

20. Element nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch ge kennzeichnet, daß die planare Spule ein Leiter-Geometrieverhältnis von minde stens 1 besitzt, bei dem es sich um das Verhältnis der Breite des Leiters zu dessen Dicke handelt.

21. Planares magnetisches Element umfassend:
ein Substrat (10);
eine erste magnetische Schicht (30A), die über dem Substrat angeordnet ist;
eine erste Isolierschicht (20B), die über der ersten magnetischen Schicht angeordnet ist;
eine aus einem Leiter gebildete planare Spule (40) mit mehreren Windungen, die über der ersten Isolierschicht angeordnet ist,
eine zweite Isolierschicht (20C), die über der planaren Spule angeordnet ist;
und
eine zweite magnetische Schicht (30B), die über der zweiten Isolierschicht angeordnet ist,
dadurch gekennzeichnet, daß die planare Spule (40) ein Leiter-Geometrieverhältnis von 1 oder mehr aufweist, wobei das Leiter-Geometrieverhält nis das Verhältnis der Leiterdicke zu der Leiterbreite ist.

22. Element nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, daß das Substrat ein Halbleiter ist.

23. Element nach Anspruch 21 und 22, gekennzeichnet durch ein aktives Element (90) oder ein passives Element das selektiv auf dem Substrat mit Aus nahme des Bereichs ausbildet ist, auf dem die magnetischen Elemente gebildet sind.

24. Element nach einem der Ansprüche 21 bis 23, dadurch gekenn zeichnet, daß die Lücken zwischen den Leitern mit Isoliermaterial gefüllt sind.

25. Element nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, daß die Lücken frei bleiben.

26. Element nach Anspruch 25, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen jeweils zwei benachbarten Windungen der Planarspule ein Hohlraum gebildet ist, welcher mindestens ein Drittel der Querschnittsfläche der Lücke belegt.

27. Element nach Anspruch 21, gekennzeichnet durch eine Verbindungsschicht (25) auf dem Substrat, die das magnetische Element mit dem Substrat verbindet.

28. Element nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, daß die planare Spule und die zweite Isolierschicht miteinander in Berührung stehen und eine Einheit bilden, die sandwichartig zwischen der ersten Isolierschicht und der zweiten magnetischen Schicht eingeschlossen ist.

29. Element nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, daß die planare Spule eine Primärspule und eine Sekundärspule bildet.

30. Element nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 29, dadurch ge kennzeichnet, daß jede Isolierschicht aus mehreren Isolier-Teilschichten besteht und jede magnetische Schicht aus mehreren magnetischen Teilschichten besteht, die zwischen den Isolier-Teilschichten liegen und derart angeordnet sind, daß jeweils zwei benachbarte Teilschichten mit ihren Achsen leichter Magnetisierung einander rechtwinklig kreuzen.

31. Element nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 30, dadurch ge kennzeichnet, daß die planare Spule eine rechtwinklige spiralförmige Spule ist und die erste und die zweite magnetische Schicht eine uniaxiale magnetische Anisotropie aufweisen und mit ihrer Achse leichter Magnetisierung ausgerichtet sind, mit den Haupt achsen der rechtwinkligen spiralförmigen Spulen.

32. Element nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die planare Spule aus mehreren rechtwinkligen spiralförmigen Spulen besteht, die mit ihren Hauptachsen zueinander ausgerichtet sind.

33. Element nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die planare Spule zwei rechtwinklige spiralförmige Spulen aufweist, die mit ihren Hauptachsen ausgerichtet sind, und daß die zweiten magnetischen Schichten auf den rechtwinkligen, spiralförmigen Spulen angeordnet sind, wobei die Achsen leichter Magnetisierung mit den Hauptachsen der rechtwinkligen, spiralförmigen Spulen ausgerichtet sind.

34. Planares magnetisches Element, umfassend:
ein Substrat (10);
eine erste magnetische Schicht (30A), die über dem Substrat angeordnet ist;
eine erste Isolierschicht (20B) die über der ersten magnetischen Schicht an geordnet ist;
eine über der ersten Isolierschicht angeordnete planare Spule (40),
eine zweite Isolierschicht (20C) die über der planaren Spule angeordnet ist; und
eine zweite magnetische Schicht (30B), die über der zweiten Isolierschicht angeordnet ist,
dadurch gekennzeichnet, daß die planare Spule (40) mehrere Außenanschlüsse sowie mehrere planare Einzelwindungsspulen, die in derselben Ebene angeordnet sind, aufweist.

35. Planares magnetisches Element, umfassend:
ein Substrat (10);
einen Leiter (40), der auf dem Substrat angeordnet ist und
ein magnetisches Element (30), das den Leiter umgibt,
dadurch gekenn zeichnet, daß
der Leiter (40) hohl und zylindrisch ist,
das magnetische Element (30) nach Art der einer Toruswicklung ausgebildet ist und den Leiter (40) umgibt,
eine Isolierschicht (20) auf dem Außenumfang des magnetischen Elements (30) gebildet ist,
und
eine leitende Schicht (42), welche die Isolierschicht (20) und die Enden des torusförmigen magnetischen Elements (30) abdeckt, an das obere und untere Ende des hohlen zylindrischen Leiters (40) angeschlossen ist.

36. Element nach Anspruch 35, gekennzeichnet durch eine zweite leitende Schicht (42B), welche die Isolierschicht bedeckt, und eine zweite Isolierschicht (20B), welche die zweite leitende Schicht bedeckt.

37. Element nach Anspruch 35, gekennzeichnet durch ein auf dem Substrat gebildetes aktives Element (90) oder passives Element.

38. Planares magnetisches Bauelement, gekennzeichnet durch ein hohles zylindrisches magnetisches Element; und mehrere planare magnetische Elemente des Typs nach Anspruch 35, die in radialer Richtung des hohlen zylindrischen magnetischen Elements in Reihe geschaltet sind.

39. Planares magnetisches Bauelement, gekennzeichnet durch:
eine hohles zylindrisches magnetisches Element; und mehrere planare magnetische Elemente des Typs nach Anspruch 38, die in axialer Richtung des hohlen zylindrischen magnetischen Elements übereinander gelegt sind.