射頻微機電系統(tǒng)開關(guān)軟磁懸臂梁微電鍍工藝

吳軍民, 湯學(xué)華

(上海電機學(xué)院a.汽車學(xué)院;b.機械學(xué)院,上海200245)

射頻微機電系統(tǒng)開關(guān)軟磁懸臂梁微電鍍工藝

吳軍民a, 湯學(xué)華b

(上海電機學(xué)院a.汽車學(xué)院;b.機械學(xué)院,上海200245)

研究了一種電磁型射頻(RF)微機電系統(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,采用振動樣品磁強計測量鎳鐵合金薄膜的磁參量。實驗結(jié)果:最大相對磁導(dǎo)率約為460,薄膜矯頑力約為490 A/m,飽和磁感應(yīng)強度約為0.9 T,剩磁感應(yīng)強度為0.03～0.06 T。此結(jié)果為開關(guān)結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)化提供了依據(jù)。

微機電系統(tǒng);懸臂梁;鎳鐵;電鍍;振動樣品磁強計

Abstract：We study a soft magnetic cantilever of magnetic radio frequency(RF)microelectromechanical system(MEMS)switch and its fabrication.Microelectroplation is studied to obtain even and low stress and an equal NiFe alloy film.As a result,a set of parameters is obtained,suitable for microelectromechanical system.The magnetic parameters are measured by vibrating sample magnetometer,with coercive force of about 490 A/m,saturated magnetic induction intensity of about 0.9 T,and residual magnetic induction intensity of about 0.03～0.06 T.This research is useful in the future optimization design.

Key words:microelectromechanical system(MEMS);cantilever;NiFe;electroplating;vibrating sample magnetometer

基于微機電系統(tǒng)(Microelectromechanical System,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。本文主要對射頻(Radio Frequency,RF)微機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原理一樣,同屬于電化學(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,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、高強度和高電阻率等優(yōu)點[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,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[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,即一個鐵陽極和一個鎳陽極。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?除圖1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。

圖1 微電鍍鎳鐵合金薄膜的工作原理圖Fig.1 Principle of microelectroplation of NiFe alloy film

2 實驗系統(tǒng)及鍍液配方

2.1 微電鍍實驗設(shè)備

通過對微電鍍工作原理的分析,根據(jù)基底特點,要想達(dá)到比較好的成膜效果,除電鍍設(shè)備外,還需微電鍍實驗的輔助設(shè)備,如圖2所示。電鍍設(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。

圖2 微電鍍實驗的輔助設(shè)備Fig.2 Instrument of microelectroplation

2.2 電鍍?nèi)芤号浞?/h3>

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p H值的效果。隨著微電鍍時間的增加,溶液的p H值會逐漸上升,故添加時也要考慮p H值的變化。表1中,Na3C6H5O7·2H2O所示的量為總的添加量,通過多次的實驗摸索,本溶液1 L配方添加量為0.5 g,為避免鍍液p H值突然下降,在觀測p H值上升時,逐量多次添加,既起到絡(luò)合作用,又不至于顯著影響p H值。

表1 鎳鐵合金微電鍍?nèi)芤号浞絋ab.1 Solution composition of NiFe alloy microelectroplation

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)對電沉積金屬層造成的影響,表面上看會在鑄層表面有針孔和麻點,對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,針孔和麻點會導(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。

對于MEMS結(jié)構(gòu),其圖形尺寸一般都在微米量級,析氫反應(yīng)嚴(yán)重時,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,實際成品率大大下降。陰極附近的氫氣析出導(dǎo)致其附近的p H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,從而進(jìn)一步導(dǎo)致局部p H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p H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,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 微電鍍及實驗結(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傳輸結(jié)構(gòu)示意圖如圖3所示。

圖3 鎳鐵合金懸臂梁及信號傳輸結(jié)構(gòu)示意圖Fig.3 Illustration of NiFe alloy cantilever and signal transportation

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。以下重點對微電鍍過程和參數(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)實驗,獲得以下參數(shù):陰極電流密度為4 A/m2,p H值控制在3.5～3.7,溫度設(shè)為63℃[8],實際測溫時有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,盡量消除麻點以及裂紋。

圖4 鎳鐵合金薄膜表面形貌顯微鏡圖Fig.4 Microscope picture of surface feature of NiFe alloy film

3.2 實驗結(jié)果分析

采用振動樣品磁強計(Vibrating Sample Magnetometer,VSM)對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度起始點,外加磁場范圍約從 4～477 kA/m(50～6 000Oe),共測得 13條磁滯回線。將這些不同起點的磁滯回線定點相連,即可得到薄膜材料的磁化曲線,其中,最大相對磁導(dǎo)率約為460,薄膜矯頑力約為490 A/m,飽和磁感應(yīng)強度約為0.9 T,剩磁感應(yīng)強度為0.03～0.06 T。這些參數(shù)與文獻(xiàn)[9]列出的相對磁導(dǎo)率為500～1 000、矯頑力為80～400 A/m、飽和磁感應(yīng)強度為0.9～1.08 T等相比略遜,還有待提高。

4 結(jié) 語

本文對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。在分析微電鍍原理的基礎(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驗,并對改善鍍層質(zhì)量進(jìn)行研究。采用振動樣品磁強計對微電鍍薄膜樣品進(jìn)行磁參量測量,對比國外先進(jìn)水平,還略有差距,今后工作重點將研究如何提高鎳鐵合金薄膜的磁參量性能。

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

[2]劉仁志.實用電鑄技術(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 YJ,Choi J H,et al.Electromagnetic 2×2 MEMS optical switch[J].IEEE Journal of Selected Topics in Quantum Electronics,2004,10(3):545-550.

[6]Huang Zhilin,Shen Jun.Latching micromagnetic optical switch[J].Journal of Microelectromechanical Systems,2006,15(1):16-23.

[7]曾華梁,吳仲達(dá),陳鈞武,等.電鍍工藝手冊[M].2版.北京:機械工業(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].中國機械工程,2005,16(Suppl):446-448.

[9]Taylor W P,Schneider M,Baltes H,et al.Electroplated soft magnetic materials for microsensors and microactuators[C]//1997 International Conference on Solid-State Sensors and Actuators.Chicago,USA:IEEE,1997:1445-1448.

Microelectroplation for Soft Magnetic Cantilever of Radio Frequency Microelectromechanical System Switch

WU J unmina, TA N G Xuehuab
(a.School of Automobile;b.School of Mechanical,Shanghai Dianji University,Shanghai 200245,China)

TQ 153.2

A

2010-05-20

吳軍民(1966-),男,講師,專業(yè)方向為機械制造及其自動化,E-mail:wujm@sdju.edu.cn

2095-0020(2010)04-0193-04