吳軍民a,　湯學(xué)華b

（上海電機(jī)學(xué)院a.汽車學(xué)院； b.機(jī)械學(xué)院，上海200245）

摘　要：研究了一種電磁型射頻（RF）微機(jī)電系統(tǒng)（MEMS）開關(guān)的軟磁懸臂梁的制備工藝。為了得到適合MEMS器件應(yīng)用的鎳鐵合金磁性薄膜，展開微電鍍工藝分析，采用振動(dòng)樣品磁強(qiáng)計(jì)測量鎳鐵合金薄膜的磁參量。實(shí)驗(yàn)結(jié)果：最大相對(duì)磁導(dǎo)率約為460,薄膜矯頑力約為490 A/m,飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度約為0.9 T,剩磁感應(yīng)強(qiáng)度為0.03~0.06 T。此結(jié)果為開關(guān)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化提供了依據(jù)。

關(guān)鍵詞：微機(jī)電系統(tǒng)；懸臂梁；鎳鐵；電鍍；振動(dòng)樣品磁強(qiáng)計(jì)

中圖分類號(hào)：TQ 153.2

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)　2095-0020（2010）04-0193-04

基于微機(jī)電系統(tǒng)（MicroelectromechanicalSystem, MEMS）技術(shù)的電磁型器件，特別是采用軟磁薄膜功能材料的電磁器件，如電磁MEMS開關(guān)等，因其工藝復(fù)雜而發(fā)展滯后。其中，電磁MEMS器件的發(fā)展落后于其他類型的MEMS器件，主要在于磁性薄膜材料的微加工工藝標(biāo)準(zhǔn)化程度低，磁性薄膜的形貌和磁性能容易受其他MEMS工藝步驟的影響。本文主要對(duì)射頻（Radio Frequency, RF）微機(jī)MEMS開關(guān)軟磁懸臂梁的制備工藝進(jìn)行研究。

在MEMS工藝中，通過電沉積方法獲得厚度較大的薄膜已經(jīng)比較普遍[1]。將電鍍沉積方法應(yīng)用在MEMS工藝中，可以快速和準(zhǔn)確地獲得比較厚的金屬或合金薄膜[2]。應(yīng)用于MEMS器件中的微電鍍與以防腐和美觀為目的的普通電鍍?cè)硪粯樱瑢儆陔娀瘜W(xué)范疇，除膜厚度不受限制外，它還具有生產(chǎn)周期短、設(shè)備簡單、易于操作等優(yōu)點(diǎn)，可以大大降低MEMS工藝薄膜沉積的成本，有利于產(chǎn)業(yè)化。

1　軟磁材料選擇及微電鍍基本原理

目前，軟磁薄膜材料主要分為3類：晶體材料、非晶態(tài)材料和納米晶材料。非晶態(tài)和納米晶軟磁合金具有軟磁性、耐蝕性、耐磨性、高硬度、高強(qiáng)度和高電阻率等優(yōu)點(diǎn)[3]。但它們的生產(chǎn)一般采用液態(tài)急冷技術(shù)，與MEMS工藝不兼容。物理氣相沉積（PVD）中的磁控濺射法已成為制造磁性單層膜和復(fù)合多層膜的重要技術(shù)手段，其優(yōu)點(diǎn)在于可嚴(yán)格控制薄膜中各種成分及其含量比例，但工藝設(shè)備復(fù)雜，生產(chǎn)成本高，并且膜厚受磁控濺射原理限制，靶材有限。在晶體材料中，鎳鐵合金具有相對(duì)磁導(dǎo)率高，矯頑力極小，磁致伸縮系數(shù)和磁各向異性系數(shù)接近零等優(yōu)點(diǎn)，特別適合電磁MEMS器件要求的高精度、高分辨率以及微型化等特點(diǎn)[4-6]。

在鎳鐵合金微電鍍中，把待鍍的有光刻膠圖形基片作為陰極，陽極材料可為鎳鐵合金或者采用雙陽極的方式，即一個(gè)鐵陽極和一個(gè)鎳陽極。與普通電鍍不同的是，微電鍍是在光刻后的圖形槽中填充還原后的金屬，故金屬離子是否能夠均勻地在待鍍圖形中傳輸是微電鍍薄膜質(zhì)量優(yōu)劣的關(guān)鍵。圖1所示為微電鍍鎳鐵合金薄膜的工作原理。在微電鍍?nèi)芤褐校龍D1中所示的主要參與電鍍的離子外，還包含一些添加劑，主要是為了改善鍍層的質(zhì)量。

2　實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)及鍍液配方

2.1　微電鍍實(shí)驗(yàn)設(shè)備

通過對(duì)微電鍍工作原理的分析，根據(jù)基底特點(diǎn)，要想達(dá)到比較好的成膜效果，除電鍍?cè)O(shè)備外，還需微電鍍實(shí)驗(yàn)的輔助設(shè)備，如圖2所示。電鍍?cè)O(shè)備選用上海辰華的電化學(xué)工作站CHI660C,陰、陽極采用專門的電極支架固定，用加熱器直接加熱電鍍槽，進(jìn)行磁力攪拌。

2.2　電鍍?nèi)芤号浞?

微電鍍?nèi)芤旱呐浔仁窃谖墨I(xiàn)[7]中列出的配方基礎(chǔ)上改進(jìn)的，如表1所示。配方的調(diào)整主要從微電鍍?nèi)菀壮霈F(xiàn)問題的角度出發(fā)，著重對(duì)絡(luò)合劑的添加和減輕析氫反應(yīng)進(jìn)行研究。

糖精鈉（C7H4O3NSNa·2H2O）作為添加劑，主要起到光亮作用，在鎳鐵電沉積中很常用。在光亮鎳鐵合金鍍液中，硫酸亞鐵即二價(jià)鐵離子（Fe2+）是光亮鎳鐵合金鍍層的主鹽之一，而Fe2+在鍍液中極不穩(wěn)定，且易被溶于鍍液中的氯所氧化，變成Fe3+,導(dǎo)致沉積層脆性增加，機(jī)械性能下降，故要嚴(yán)格掌握鍍液中Fe3+的濃度。檸檬酸鈉（Na3C6H5O7·2H2O）是常用的絡(luò)合劑，可起到調(diào)節(jié)溶液pH值的效果。隨著微電鍍時(shí)間的增加，溶液的pH值會(huì)逐漸上升，故添加時(shí)也要考慮pH值的變化。表1中，Na3C6H5O7·2H2O所示的量為總的添加量，通過多次的實(shí)驗(yàn)摸索，本溶液1 L配方添加量為0.5 g,為避免鍍液pH值突然下降，在觀測pH值上升時(shí)，逐量多次添加，既起到絡(luò)合作用，又不至于顯著影響pH值。

2.3　析氫反應(yīng)及解決方案

在鎳或者鎳鐵電沉積過程中，鎳的標(biāo)準(zhǔn)電極電位比氫的低，氫原子比鎳原子先得到電子，以氣態(tài)析出，從而析氫反應(yīng)是電沉積單金屬鎳和鎳鐵合金過程中不可避免的現(xiàn)象。析氫反應(yīng)對(duì)電沉積金屬層造成的影響，表面上看會(huì)在鑄層表面有針孔和麻點(diǎn)，對(duì)薄膜性能的影響則是產(chǎn)生氫脆現(xiàn)象，降低鑄層韌性。特別在鎳電鍍中，針孔和麻點(diǎn)會(huì)導(dǎo)致被電鍍的材料表面沒有完全被鎳覆蓋，局部抗腐蝕能力下降。

對(duì)于MEMS結(jié)構(gòu)，其圖形尺寸一般都在微米量級(jí)，析氫反應(yīng)嚴(yán)重時(shí)，氫氣泡附著在陰極表面，氣泡的直徑與微電鑄圖形的尺寸不相上下，造成大量被氫氣泡附著的單元失效，實(shí)際成品率大大下降。陰極附近的氫氣析出導(dǎo)致其附近的pH值升高，引起電流效率下降，鎳離子的還原反應(yīng)變慢，使析氫反應(yīng)加強(qiáng)，從而進(jìn)一步導(dǎo)致局部pH值上升，形成惡性循環(huán)。因此，特別注意觀察陰極上是否有氣泡附著，要及時(shí)根據(jù)情況改善。

在研究中，出現(xiàn)了在其他微電鍍參數(shù)不變的前提下，陰極尺寸變大，導(dǎo)致析氫反應(yīng)嚴(yán)重的現(xiàn)象，解決方案是增加攪拌，陰極適當(dāng)均勻攪拌可以使局部pH值變化更均勻，從而減輕析氫反應(yīng)。溶液中十二烷基硫酸鈉（NaC12H2SO4），又稱潤濕劑，可以防止鍍層產(chǎn)生針孔、麻點(diǎn)，并可使溶液界面張力降低，氫氣泡難以在陰極表面停留，從而降低析氫反應(yīng)的發(fā)生[8]。

3　微電鍍及實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

3.1　微電鍍基本過程和參數(shù)分析

本文設(shè)計(jì)的電磁型RF MEMS采用微帶線傳輸方式，鎳鐵合金懸臂梁及信號(hào)傳輸結(jié)構(gòu)示意圖如圖3所示。

根據(jù)電化學(xué)原理，電化學(xué)沉積必須發(fā)生在金屬導(dǎo)電種子層上。在MEMS工藝中一般采用以下基本工藝流程：①在基片上濺射過渡層材料Ti/Au,厚度為50~150 nm;②涂厚膠AZ4620,厚度為25μm,光刻待鍍圖形；③采用上述微電鍍裝置和溶液配方進(jìn)行微電鍍；④去除光刻膠。以下重點(diǎn)對(duì)微電鍍過程和參數(shù)進(jìn)行分析研究。

在微電鍍之前，電化學(xué)工作站CHI660C設(shè)置為恒電流模式，采用雙電極工作方式。通過反復(fù)實(shí)驗(yàn)，獲得以下參數(shù)：陰極電流密度為4 A/m2,pH值控制在3.5~3.7,溫度設(shè)為63℃[8],實(shí)際測溫時(shí)有2℃以內(nèi)的誤差，攪拌速度為25~35 r/min。在此參數(shù)下，可以獲得表面粗糙度比較低、一致性好、內(nèi)應(yīng)力小的鎳鐵合金薄膜，通電共70 min,獲得約22μm的鎳鐵合金薄膜。圖4所示為鎳鐵合金薄膜表面形貌顯微鏡圖，其圖形尺寸為700μm×180μm,光學(xué)顯微鏡放大倍數(shù)為250倍，其中，物鏡和目鏡的放大倍數(shù)分別為25、10倍。由圖4可見，圖形表面大體平整，但仍然有少量小的針孔、麻點(diǎn)以及裂紋，未來需要進(jìn)一步改進(jìn)電鍍工藝，盡量消除麻點(diǎn)以及裂紋。

3.2　實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

采用振動(dòng)樣品磁強(qiáng)計(jì)（Vibrating SampMagnetometer, VSM）對(duì)微電鍍的鎳鐵合金薄膜進(jìn)行磁參量的測量。為保證測試能夠體現(xiàn)本次微電鍍的效果，方便測試操作，特別制作樣品圖形圖形尺寸約3 mm×3 mm。采用一組不同的外加磁場強(qiáng)度起始點(diǎn)，外加磁場范圍約從4 ~477 kA/m（50~6 000Oe），共測得13條磁滯回線。將這些不同起點(diǎn)的磁滯回線定點(diǎn)相連，即可得到薄膜材料的磁化曲線，其中，最大相對(duì)磁導(dǎo)率約為460,薄膜矯頑力約為490 A/m,飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度約為0.9 T,剩磁感應(yīng)強(qiáng)度為0.03~0.06 T這些參數(shù)與文獻(xiàn)[9]列出的相對(duì)磁導(dǎo)率為500~1 000、矯頑力為80~400 A/m、飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度為0.9~1.08 T等相比略遜，還有待提高。

4　結(jié)　語

本文對(duì)RF MEMS開關(guān)的軟磁懸臂梁微電鍍工藝進(jìn)行研究，通過分析選用晶體材料鎳鐵合金作為懸臂梁軟磁材料。在分析微電鍍?cè)淼幕A(chǔ)上，從影響微電鍍成品率角度出發(fā)，進(jìn)行了鍍液的配比和微電鍍實(shí)驗(yàn)，并對(duì)改善鍍層質(zhì)量進(jìn)行研究。采用振動(dòng)樣品磁強(qiáng)計(jì)對(duì)微電鍍薄膜樣品進(jìn)行磁參量測量，對(duì)比國外先進(jìn)水平，還略有差距，今后工作重點(diǎn)將研究如何提高鎳鐵合金薄膜的磁參量性能。

參考文獻(xiàn)：

[ 1 ]付　世，丁桂甫，王　艷。一種新型雙穩(wěn)態(tài)微機(jī)電系統(tǒng)電磁微繼電器的研制[J].上海交通大學(xué)學(xué)報(bào)，2006,40（11）： 1947-1950,1954.

[ 2 ]劉仁志。實(shí)用電鑄技術(shù)[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2006: 87.

[ 3 ]趙見高，島田寬。微磁器件與軟磁薄膜[J].金屬功能材料，1995,2（3）： 90-94.

[ 4 ]劉本東，李德勝。微機(jī)械繼電器的研究及進(jìn)展[J].微納電子技術(shù)，2007,44（2）： 88-92,110.

[ 5 ]Ji C H, Yee Y J, Choi J H, et al. Electromagnetic2×2 MEMS

optical switch[J]. IEEE Journal ofSelected Topics in Quantum

Electronics, 2004,10（3）： 545-550.

[ 6 ]Huang Zhilin, Shen Jun. Latching micromagneticoptical switch[J].

Journal of Microelectromechani-cal Systems, 2006,15（1）： 16-23.

[ 7 ]曾華梁，吳仲達(dá)，陳鈞武，等。電鍍工藝手冊(cè)[M].2版。北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1997: 341.

[ 8 ]肖日松，杜立群，劉海軍，等。微電鑄的析氫現(xiàn)象研究[J].中國機(jī)械工程，2005,16（Suppl）： 446-448.

[ 9 ]Taylor W P, Schneider M, Baltes H, et al. Elec-troplated soft

magnetic materials for microsensorsand microactuators[C]//1997

International Confer-ence on Solid-State Sensors and Actuators.

Chica-go, USA: IEEE, 1997: 1445-1448.