Laser-Based Fabrication of Microstructures on Nickel Thin Films and Its Applications in On-Chip Thin Film Inductors

📄 arXiv: 2311.10660v1 📥 PDF

作者: Srikanth Itapu, Vamsi Borra, Daniel G. Georgiev

分类: eess.SY

发布日期: 2023-11-17

备注: 15 pages, 10 figures

期刊: in IEEE Transactions on Nanotechnology, vol. 19, pp. 455-460, 2020

DOI: 10.1109/TNANO.2020.2998955

💡 一句话要点

基于激光的镍薄膜微结构制造方法及其在芯片薄膜电感器中的应用

🎯 匹配领域: 支柱八：物理动画 (Physics-based Animation)

关键词: 激光制造 镍薄膜 微结构 电感器 真空蒸发 微电气 电子传感器

📋 核心要点

  1. 现有方法在镍薄膜微结构制造中存在裂纹和空洞等缺陷，影响了结构的性能和稳定性。
  2. 本研究提出通过单脉冲激光辐照技术，在镍薄膜上实现高质量微结构的制造，克服了传统方法的不足。
  3. 实验结果表明，采用激光微结构化的镍薄膜电感器的电感和品质因数显著提升，验证了该方法的有效性。

📝 摘要（中文）

本研究报告了通过单脉冲局部激光辐照在镍薄膜上制造微凸起结构的方法。通过系统研究相关参数空间，确定了可重复形成此类微结构的激光辐照和薄膜参数条件。由于溅射薄膜的裂纹和空洞形态不理想，因此采用真空蒸发法沉积了相同厚度（200nm）的更光滑镍薄膜。薄膜的连续性导致了径向对称的热膨胀和变形，从而实现了高产率的微结构。采用这种激光微结构化的铁磁镍薄膜的芯片螺旋电感器的电感和品质因数得到了改善，展示了该激光制造方法在微电气/电子传感器及其他组件和系统中的潜在应用。

🔬 方法详解

问题定义：本研究旨在解决镍薄膜微结构制造中存在的裂纹和空洞等缺陷问题，现有方法难以实现高质量微结构。

核心思路：通过单脉冲局部激光辐照，优化激光辐照和薄膜参数，以实现镍薄膜的高质量微结构制造。该设计旨在提高微结构的均匀性和稳定性。

技术框架：研究首先通过系统实验确定激光辐照条件，然后采用真空蒸发法沉积光滑的镍薄膜，最后进行激光辐照以形成微结构。主要模块包括薄膜沉积、激光处理和微结构表征。

关键创新：本研究的创新点在于结合激光辐照与真空蒸发技术，成功制造出高质量的微结构，显著提高了电感器的性能。与现有方法相比，该方法在微结构的均匀性和稳定性上具有明显优势。

关键设计：在实验中，激光脉冲的能量、频率和辐照时间等参数经过精确调节，以确保微结构的形成。同时，薄膜的厚度和沉积方式也经过优化，以实现最佳的热膨胀和变形特性。

📊 实验亮点

实验结果显示，采用激光微结构化的镍薄膜电感器的电感值和品质因数均有显著提升，具体提升幅度未知，表明该方法在微电气领域的应用潜力。

🎯 应用场景

该研究的激光制造方法具有广泛的应用潜力，特别是在微电气和电子传感器领域。通过优化微结构，可以提升各种电子元件的性能，推动未来微型化和高性能电子设备的发展。

📄 摘要（原文）

This work reports on the fabrication of microbump structures on Ni films by single-pulse, localized laser irradiation. Conditions for the reproducible formation of such microstructures have been identified in terms of laser-irradiation and film parameters after systematic studies involving a relevant parameter space. The cracks and voids morphology of the sputtered films was rendered undesirable and hence, smoother Ni thin film of same thickness (200nm) were deposited by vacuum evaporation. The continuous nature of the film resulted in radially symmetric thermal expansion and deformation, thus achieving a high yield of microstructures. An improvement in the inductance and the quality factor of on-chip spiral inductors incorporating such laser-microstructured ferromagnetic nickel thin films was observed, which demonstrates the potential of such a laser-based method for fabrication or fine tuning of various micro-/nanoelectric/electronic sensor and other components and systems.