Средства измерений Приборы и методы измерений, № 2 (3), 2011 27 УДК 621.395.631.4:621.791.776 ВЫСОКОЧАСТОТНЫЙ МИКРОИНДУКТОР НА ОСНОВЕ ГИБКОЙ ПОЛИИМИДНОЙ ПЛЕНКИ Петров А.В.1, Демьянов С.Е.1, Канюков Е.Ю.1, Финк Д.2 1Научно-практический центр НАН Беларуси по материаловедению, г. Минск, Республика Беларусь 2Центр по материаловедению и энергетике им. Гельмгольца, г. Берлин, Германия Предложен более простой по сравнению с существующими технологиями способ создания трехмерного гибкого высокочастотного микроиндуктора на основе полиимидной пленки с протравленными треками быстрых тяжелых ионов, заполненными проводящим материа- лом. Создан действующий макет микроиндуктора размером 0,04 мм3, имеющий следующие основные характеристики: плотность обмотки 7 витков/мм при толщине витка 10 мкм, индуктивность 0,3 мГн при добротности 8 на частоте 200 МГц. Показана возможность уменьшения размеров устройства до 10-6 мм3.(E-mail : petrov@ifttp.bas-net.by) Ключевые слова: гибкие электротехнические устройства, высокочастотный микроиндуктор, треки быстрых тяжелых ионов, нанопоры, полиимидная пленка. Введение В последние годы активно проводятся ра- боты по созданию микроэлектротехнических устройств, что связано с развитием таких тех- нологий, как ионно-лучевое напыление, галь- ванопластика и фотолитография [1–4]. При этом микроприборы, как правило, формируют- ся послойно на твердой подложке (преимуще- ственно кремниевой) с использованием просло- ек из изолирующего материала, что позволяет получать планарные устройства площадью в несколько квадратных миллиметров и толщи- ной несколько сотен микрометров. Они приме- няются в биологических и медицинских прибо- рах, компьютерных технологиях [4–6], при со- здании научно-исследовательского оборудова- ния [1–3], а также в системах связи, аэрокосми- ческих и военных разработках [4]. Недостатком таких приборов является жесткость, что осложняет их использование на сложнопрофильных и подвижных поверхно- стях. Конструирование элементов электриче- ских цепей на гибкой подложке позволяет ре- шить эту проблему и одновременно уменьшить массогабаритные показатели. В связи с этим задача создания «гибкой электроники» является одной из наиболее актуальных для современно- го материаловедения [6–8]. Среди развиваемых в настоящее время способов получения подобных элементов осо- бое место занимает так называемая ядерная технология, основанная на облучении материа- лов высокоэнергетичными тяжелыми ионами с образованием сильно разупорядоченных зон диаметром несколько нанометров [9–10]. Воз- можность их селективного вытравливания поз- воляет сформировать каналы с аспектным от- ношением (отношение диаметра к ширине) до 10 000 [10]. Заполнение каналов различными веществами дает возможность создания струк- тур сложной геометрии на гибкой диэлектриче- ской подложке [11–14]. При создании гибких микроиндукторов необходимо учитывать, что подложка должна обладать достаточной термической стабильно- стью для эффективного рассеивания джоулева тепла, генерирующегося в результате прохож- дения тока через обмотку индуктора. Наиболее подходящим материалом является полиимид, так как он выдерживает температуры до 400– 500 C без каких-либо химических и структур- ных изменений [11–12]. Принцип построения микроиндуктора за- висит от диапазона частот, в котором его пла- нируется использовать. Так, катушки микроин- дукторов для низкочастотных применений, как правило, содержат ферромагнитный сердечник, а для более высоких частот используются сер- дечники из ферритов [3]. При частотах выше ~10 8 Гц микроиндукторы строятся без сердеч- ников из-за их высокой инерционности [2–5]. Средства измерений 28 Приборы и методы измерений, № 2 (3), 2011 Технология создания прототипа микроин- дуктора на основе пористой полиимидной пленки Согласно технологиям, описанным в рабо- тах [5, 15–16], большинство современных вы- сокочастотных микроиндукторов проектируют- ся в виде двухслойной обмотки, которая изна- чально формируется на жесткой подложке кремния. Методом центрифугирования на кремнии создается слой полиимида, на котором с помощью электрохимического осаждения че- рез специальные маски формируются 2 слоя обмоток из медных проводников. Между ними создается прослойка из полиимида, в которой плазменным травлением образуются отверстия для обеспечения контакта со вторым слоем об- мотки. Поверх полностью сформированной об- мотки наносится еще один диэлектрический слой полиимида, в котором плазменным трав- лением создаются отверстия для открытия до- ступа к контактным площадкам, обеспечиваю- щим связь индуктора с внешней электрической схемой. Таким образом, ширина проводящего витка обмотки составляет 20 мкм, а межвитко- вого зазора – 50 мкм. После завершения фор- мирования структуры микроиндуктора кремни- евая подложка стравливается, что в конечном итоге обеспечивает гибкость изделия. Величина индуктивности такого индуктора составляет 10 -7 Гн, а его добротность – 10 при частоте 100 МГц [16–17]. Описанная технология обладает некото- рыми недостатками, например многостадий- ность изготовления, применение большого ко- личества физико-химических методик и необ- ходимость использования кремниевой подлож- ки на всех стадиях изготовления микроиндук- тора. Более простой способ создания обмотки высокочастотного микроиндуктора по сравне- нию с существующими технологиями [2–5, 15– 16] заключается в использовании пористой по- лиимидной пленки, в которой поры сформиро- ваны с использованием технологии треков быстрых тяжелых ионов [9–14]. Эта технология связана с формированием узких и протяженных областей радиационного повреждения, в ре- зультате воздействия на вещество ионов с вы сокой энергией. Поры (протравленные ионные треки) различных форм и размеров формиру- ются в облученном материале за счет химиче- ского воздействия специальных травителей, удаляющих области треков с модифицирован- ными свойствами. В нашем случае цилиндри- ческие поры были получены в пленке полии- мида толщиной 20 мкм химическим травлени- ем в растворе NaOCl латентных ионных треков после ее облучения ионами аргона с энергией 350 МэВ и флюенсом 1 × 106 см-2. В результате травления получалась матрица с порами со средним диаметром 0,2 мкм и плотностью 0,8 × 106 см-2. При создании действующего макета мик- роиндуктора для формирования его обмоток на полученную пористую полиимидную пленку при помощи термического напыления наноси- лась медь через специальные маски (рисунок 1). Сначала с обеих сторон полиимидной плен- ки накладывались 2 идентичные маски (рису- нок 1а) с заданным количеством и расположе- нием отверстий, которые при напылении меди под углом ~ 45º формировали вертикальные столбики металла в порах, выполняющие роль переходных проводников между слоями обмот- ки. Далее на одной из сторон полиимидной пленки с помощью маски (рисунок 1б) под уг- лом ~ 90º напылялись медные проводники, го- ризонтально соединяющие вертикальные стол- бики металла в порах. Таким способом была создана одна часть обмотки индуктора. Напы- ление меди для образования второй части об- мотки производилось на обратной стороне по- лиимидной пленки с помощью маски (рисунок 1в), форма которой позволяла диагонально со- единить межслойные металлические перемыч- ки и сформировать структуру обмотки индук- тора в целом. Схематическое изображение кон- струкции микроиндуктора, полученной в ре- зультате данных технологических операций, приведено на рисунке 2. На рисунке 3 представлена микрофотогра- фия фрагмента обмотки индуктора, сформиро- ванного на пористой пленке полиимида. Об- мотка микроиндуктора имеет трехмерную кон- фигурацию и состоит из 7 витков толщиной 10 мкм при ширине витка 200 мкм и межвитко- вом зазоре 30 мкм. Средства измерений Приборы и методы измерений, № 2 (3), 2011 29 а б в Рисунок 1 – Схематические изображения масок, используемых для формирования обмотки микроиндуктора Рисунок 2 – Схематическое изображение обмотки микроиндуктора на полимерной подложке Рисунок 3 – Микрофотография фрагмента обмотки индуктора на пористой пленке полиимида Средства измерений 30 Приборы и методы измерений, № 2 (3), 2011 Исследования функциональных характери- стик прототипа микроиндуктора Для изучения частотных зависимостей ин- дуктивности и добротности обмотки микроин- дуктора в диапазоне 10 Гц – 1 ГГц при комнат- ной температуре использовались векторные анализаторы импеданса HP4191 и HP4192. По результатам исследований определено, что микроиндуктор устойчиво функционирует при частотах до 500 МГц и, как видно из рисунка 4а, индуктивность микроиндуктора сильно за- висит от частоты. Величина индуктивности вначале уменьшается примерно на 2,5 порядка, а затем, при частотах выше ~ 50 кГц, она ста- новится практически постоянной и достигает 0,3 мГн. Можно сделать вывод о том, что дан- ная частотная зависимость связана с влиянием резистивных и емкостных потерь в системе, а также с влиянием магнитных полей рассеяния, появляющихся в микроиндукторе с увеличени- ем частоты [12, 13]. Наблюдавшееся экспериментальное значе- ние индуктивности (L) микроиндуктора согла- суется с теоретической оценкой [17]: cr AN L р2 м 2 , (1) где – магнитная восприимчивость, которую в данном случае полагаем равной 1 Н/м; N – ко- личество витков в обмотке, равное 7; А – попе- речное сечение катушки, равное примерно 8 10 -9 м2; rc – радиус катушки, равный при- мерно 2 10-4 м. Таким образом, расчетное значение индук- тивности составляет ~ 0,26 мГн. Добротность (Q) микроиндуктора дости- гает максимального значения 8 при частоте (F) 200 МГц (рисунок 4б), после чего она уменьшается до нуля при частотах ~ 1 ГГц, когда система теряет свои индуктивные свойства. а б Рисунок 4 – Частотная зависимость индуктивности (а) и добротности (б) обмотки микроиндуктора на пористой пленке полиимида Перспективы использования микроэлектро- технических устройств на основе пористой полиимидной пленки Следует отметить, что при дальнейшей разработке данной задачи возможно умень- шения размеров микроиндуктора от ~10-2 до ~ 10 -6 мм3 посредством бóльшей миниатюриза- ции используемых масок. В результате на куске полимерной пленки размером 5×5 см2 можно будет сформировать более 50 микроиндукто- ров. Кроме того, в процессе дальнейшей работы планируются преобразование полученного ин- дуктора в микротрансформатор путем добавле- ния второй обмотки согласно описанной выше технологии и исследование функциональных Средства измерений Приборы и методы измерений, № 2 (3), 2011 31 характеристик полученной системы в широком диапазоне частот. Микроиндукторы и микротрансформаторы на основе нанопористой полиимидной пленки могут эффективно применяться в компьютер- ных системах, в системах связи (в осциллято- рах для телекоммуникационных систем), в аэрокосмических и военных проектах. Важны- ми преимуществами использования данных систем являются их легкость, возможность крепления на сложнопрофильных поверхностях и высокая термическая стабильность [12–16]. Также следует отметить, что в настоящее время освоены технологии, позволяющие получать пористую пленку полиимида со сравнительно небольшими финансовыми затратами [10], т. е. стоимость создаваемых микроиндукторов и микротрансформаторов не будет превышать стоимости существующих аналогов на жесткой подложке. Заключение Предложен более простой по сравнению с существующими технологиями способ созда- ния обмотки высокочастотного микроиндукто- ра на основе гибкой полиимидной пленки с микропорами, полученными при помощи ион- но-трековой технологии. Данная технология включает в себя получение высокодефектных областей (латентных треков) в пленке полии- мида посредством облучения быстрыми тяже- лыми ионами, травление латентных треков для создания пористой матрицы, заполнение полу- ченных пор материалом с малым сопротивле- нием для формирования трехмерной обмотки микроиндуктора. Такая технология позволила отойти от использования жесткой кремниевой подложки на различных технологических эта- пах, уменьшить число производственных опе- раций и упростить их. Создан действующий макет высокочастот- ного микроиндуктора размером 0,04 мм3 с плотностью обмотки 7 витков/мм, испытания которого показали, что его индуктивность со- ставляет 0,3 мГн и добротность 8 при частоте 200 МГц. Показано, что при дальнейшей мини- атюризации используемых масок имеется воз- можность уменьшения размеров микроиндук- тора от ~10-2 до ~10-6 мм3. Показано, что при использовании промышленно получаемой по- ристой полиимидной пленки стоимость созда- ваемых устройств не будет превышать стоимо- сти существующих аналогов на жесткой под- ложке. Предложенный метод формирования эле- ментов на гибком диэлектрике может быть рас- пространен для создания более сложных элек- тротехнических устройств микронного мас- штаба, которые могут найти применение в компьютерных системах, системах связи (в ос- цилляторах для телекоммуникационных си- стем), аэрокосмических и военных проектах. Работа выполнена при поддержке НТП Союзного государства «Разработка нанотехно- логий создания материалов, устройств и систем космической техники и их адаптация к другим отраслям техники и массовому производству» («Нанотехнология-СГ»). Список использованных источников 1. Yamasawa, K. High frequency operation of a planar-type microtransformer and its application to multilayered switching regulators / K. Yama- sawa [et al.] // IEEE Trans. Magn. – 1990. – V. MAG-26. – P. 1204–1209. 2. Yamaguchi, H. Loss characteristics of air-core su- perconducting transformer / H. Yamaguchi, Y. Sato, T. Kataoka // IEEE Transact. on Magn. – 1992. – V. 28. – P. 2232–2234. 3. Ahn, C.H. A Fully integrated planar toroidal in- ductor with a Micromachined Ni-Fe Magnetic Bar / C.H. Ahn, Y.J. Kim, M.G. Allen // IEEE Transact. on Components, Packaging and Manu- factoring Technology. – 1994. – V. A17. – P. 463–469. 4. Park, J.Y. High current integrated microinductors and microtransformers using low temperature fab- rication processes / J.Y. Park, M.G. Allen // Micro- electronics International. – 1997. – V. 14. – P. 8–11 5. Basteres, L. Inductor for integrated circuit / L. Bas- teres [et al.] // US Patent No. 6,456,183 – B1. – 24.09.2002. 6. Sekitani, T. Flexible organic transistors and cir- cuits with extreme bending stability / T. Sekitani [et al.] // Nature Materials. – 2010. – V. 9. – P. 1015–1022. 7. Zschieschang, U. Flexible low-voltage organic transistors and circuits based on a high-mobility organic semiconductor with good air stability / U. Zschieschang [et al.] // Advanced Materials. – 2010. – V. 22. – P. 982–985. 8. Nakano, Sh. Low operation voltage of inkjet- printed plastic sheet-type micromechanical switches / Sh. Nakano, Ts. Sekitani, T. Yokota, T. Someya // Applied Physics Letters. – 2008. – V. 92. – P. 053302–053307. Средства измерений 32 Приборы и методы измерений, № 2 (3), 2011 9. Fundamentals of Ion-Irradiated Polymers. Ed. by D. Fink. Heidelberg. Springer Series in Materials Science. – V. 63. – 2004. 10. Реутов, В.Ф. Ионно-трековая нанотехноло- гия / В.Ф. Реутов, С.Н. Дмитриев // Россий- ский химический журнал (Журнал Рос. хим. общества им. Д. И. Менделеева). – 2002. – Т. XLVI. – № 5. – С. 74–80. 11. Fink, D. Production parameters for the formation of metallic nanotubules in etched tracks / D. Fink [et al.] // Radiation Measurements. – 2003. – V. 36. – P. 751–755. 12. Lindeberg, M. Interconnected nanowire clusters in polyimide for flexible circuits and magnetic sensing applications / M. Lindeberg, K. Hjort // Sensors and Actuators. – 2003. – V. A105. – P. 150–161. 13. Lindeberg, M. A comprehensive study of ion track enabled high aspect ratio microstructures in flexible circuit boards applications / M. Linde- berg, K. Hjort // Microsystem Technologies. – 2004. – V. 10. – P. 605–621. 14. Toulemonde, M. Track formation and fabrication of nanostructures with MeV – ion beams / M. Toulemonde [et al.] // Nuclear Instruments and Methods in Physics Research. – 2004. – V. 36. – P. 1–8. 15. Saidani, M. Three-dimensional miniaturized power inductors realized in a batch-type hybrid technology / M. Saidani, M.A.M. Gijs // J. Mi- cromech. Microeng. – 2002. – V. 12. – P. 470– 474. 16. Saidani, M. Cubic millimeter power inductor fabricated in batch-type wafer technology / M. Saidani, M.A.M. Gijs // Journal of Microelec- tromechanical Systems. – 2003. – V. 12. – No. 2. – P. 172–178. 17. Доброневский, О.В. Справочник по радио- электронике / О.В. Доброневский. – К. : Вища школа, 1974. Petrov A.V., Demyanov S.E., Kaniukov E.Yu., Fink D. High-frequency microinductor on the base of flexible polyimide film A method of creation of 3D flexible high-frequency microinductor on the base of polyimide film with etched swift heavy ion tracks, filled with a conducting material is proposed. This methos is more simple as compared with existing technologies. The service model of the microinductor having dimensions 0,04 mm 3 is fabricated. This model has following main operational characteristics: winding density of 7 winding/mm at the winding thickness 10 μm; inductivity 0.3 mH with the Q-factor of 8 at 200 MHz. A possibility of the de- crease of dimensions of the device down to 10 -6 mm -3 is shown. (E-mail : petrov@ifttp.bas-net.by) Key Words: flexible electrotechnical devices, high-frequency microinductor, swift heavy ion tracks, na- nopores, polyimide film. Поступила в редакцию 28.07.2011.