一种电磁型射频微机电系统开关的软磁悬臂梁制备工艺研究

吴军民a,　汤学华b
（上海电机学院a.汽车学院； b.机械学院，上海200245）
摘　要：研究了一种电磁型射频（RF）微机电系统（MEMS）开关的软磁悬臂梁的制备工艺。为了得到适合MEMS器件应用的镍铁合金磁性薄膜，展开微电镀工艺分析，采用振动样品磁强计测量镍铁合金薄膜的磁参量。实验结果：最大相对磁导率约为460,薄膜矫顽力约为490 A/m,饱和磁感应强度约为0.9 T,剩磁感应强度为0.03~0.06 T。此结果为开关结构设计优化提供了依据。
关键词：微机电系统；悬臂梁；镍铁；电镀；振动样品磁强计
中图分类号：TQ 153.2

文献标识码：A
文章编号　2095-0020（2010）04-0193-04
基于微机电系统（MicroelectromechanicalSystem, MEMS）技术的电磁型器件，特别是采用软磁薄膜功能材料的电磁器件，如电磁MEMS开关等，因其工艺复杂而发展滞后。其中，电磁MEMS器件的发展落后于其他类型的MEMS器件，主要在于磁性薄膜材料的微加工工艺标准化程度低，磁性薄膜的形貌和磁性能容易受其他MEMS工艺步骤的影响。本文主要对射频（Radio Frequency, RF）微机MEMS开关软磁悬臂梁的制备工艺进行研究。
在MEMS工艺中，通过电沉积方法获得厚度较大的薄膜已经比较普遍[1]。将电镀沉积方法应用在MEMS工艺中，可以快速和准确地获得比较厚的金属或合金薄膜[2]。应用于MEMS器件中的微电镀与以防腐和美观为目的的普通电镀原理一样，同属于电化学范畴，除膜厚度不受限制外，它还具有生产周期短、设备简单、易于操作等优点，可以大大降低MEMS工艺薄膜沉积的成本，有利于产业化。

王刚

2019-7-4 08:42:23

1　软磁材料选择及微电镀基本原理
目前，软磁薄膜材料主要分为3类：晶体材料、非晶态材料和纳米晶材料。非晶态和纳米晶软磁合金具有软磁性、耐蚀性、耐磨性、高硬度、高强度和高电阻率等优点[3]。但它们的生产一般采用液态急冷技术，与MEMS工艺不兼容。物理气相沉积（PVD）中的磁控溅射法已成为制造磁性单层膜和复合多层膜的重要技术手段，其优点在于可严格控制薄膜中各种成分及其含量比例，但工艺设备复杂，生产成本高，并且膜厚受磁控溅射原理限制，靶材有限。在晶体材料中，镍铁合金具有相对磁导率高，矫顽力极小，磁致伸缩系数和磁各向异性系数接近零等优点，特别适合电磁MEMS器件要求的高精度、高分辨率以及微型化等特点[4-6]。
在镍铁合金微电镀中，把待镀的有光刻胶图形基片作为阴极，阳极材料可为镍铁合金或者采用双阳极的方式，即一个铁阳极和一个镍阳极。与普通电镀不同的是，微电镀是在光刻后的图形槽中填充还原后的金属，故金属离子是否能够均匀地在待镀图形中传输是微电镀薄膜质量优劣的关键。图1所示为微电镀镍铁合金薄膜的工作原理。在微电镀溶液中，除图1中所示的主要参与电镀的离子外，还包含一些添加剂，主要是为了改善镀层的质量。

张龙

2019-7-4 08:42:36

2　实验系统及镀液配方
2.1　微电镀实验设备
通过对微电镀工作原理的分析，根据基底特点，要想达到比较好的成膜效果，除电镀设备外，还需微电镀实验的辅助设备，如图2所示。电镀设备选用上海辰华的电化学工作站CHI660C,阴、阳极采用专门的电极支架固定，用加热器直接加热电镀槽，进行磁力搅拌。

2.2　电镀溶液配方
微电镀溶液的配比是在文献[7]中列出的配方基础上改进的，如表1所示。配方的调整主要从微电镀容易出现问题的角度出发，着重对络合剂的添加和减轻析氢反应进行研究。

糖精钠（C7H4O3NSNa·2H2O）作为添加剂，主要起到光亮作用，在镍铁电沉积中很常用。在光亮镍铁合金镀液中，硫酸亚铁即二价铁离子（Fe2+）是光亮镍铁合金镀层的主盐之一，而Fe2+在镀液中极不稳定，且易被溶于镀液中的氯所氧化，变成Fe3+,导致沉积层脆性增加，机械性能下降，故要严格掌握镀液中Fe3+的浓度。柠檬酸钠（Na3C6H5O7·2H2O）是常用的络合剂，可起到调节溶液pH值的效果。随着微电镀时间的增加，溶液的pH值会逐渐上升，故添加时也要考虑pH值的变化。表1中，Na3C6H5O7·2H2O所示的量为总的添加量，通过多次的实验摸索，本溶液1 L配方添加量为0.5 g,为避免镀液pH值突然下降，在观测pH值上升时，逐量多次添加，既起到络合作用，又不至于显着影响pH值。
2.3　析氢反应及解决方案
在镍或者镍铁电沉积过程中，镍的标准电极电位比氢的低，氢原子比镍原子先得到电子，以气态析出，从而析氢反应是电沉积单金属镍和镍铁合金过程中不可避免的现象。析氢反应对电沉积金属层造成的影响，表面上看会在铸层表面有针孔和麻点，对薄膜性能的影响则是产生氢脆现象，降低铸层韧性。特别在镍电镀中，针孔和麻点会导致被电镀的材料表面没有完全被镍覆盖，局部抗腐蚀能力下降。
对于MEMS结构，其图形尺寸一般都在微米量级，析氢反应严重时，氢气泡附着在阴极表面，气泡的直径与微电铸图形的尺寸不相上下，造成大量被氢气泡附着的单元失效，实际成品率大大下降。阴极附近的氢气析出导致其附近的pH值升高，引起电流效率下降，镍离子的还原反应变慢，使析氢反应加强，从而进一步导致局部pH值上升，形成恶性循环。因此，特别注意观察阴极上是否有气泡附着，要及时根据情况改善。
在研究中，出现了在其他微电镀参数不变的前提下，阴极尺寸变大，导致析氢反应严重的现象，解决方案是增加搅拌，阴极适当均匀搅拌可以使局部pH值变化更均匀，从而减轻析氢反应。溶液中十二烷基硫酸钠（NaC12H2SO4），又称润湿剂，可以防止镀层产生针孔、麻点，并可使溶液界面张力降低，氢气泡难以在阴极表面停留，从而降低析氢反应的发生[8]。

于帅

2019-7-4 08:42:41

3　微电镀及实验结果分析
3.1　微电镀基本过程和参数分析
本文设计的电磁型RF MEMS采用微带线传输方式，镍铁合金悬臂梁及信号传输结构示意图如图3所示。

根据电化学原理，电化学沉积必须发生在金属导电种子层上。在MEMS工艺中一般采用以下基本工艺流程：①在基片上溅射过渡层材料Ti/Au,厚度为50~150 nm;②涂厚胶AZ4620,厚度为25μm,光刻待镀图形；③采用上述微电镀装置和溶液配方进行微电镀；④去除光刻胶。以下重点对微电镀过程和参数进行分析研究。
在微电镀之前，电化学工作站CHI660C设置为恒电流模式，采用双电极工作方式。通过反复实验，获得以下参数：阴极电流密度为4 A/m2,pH值控制在3.5~3.7,温度设为63℃[8],实际测温时有2℃以内的误差，搅拌速度为25~35 r/min。在此参数下，可以获得表面粗糙度比较低、一致性好、内应力小的镍铁合金薄膜，通电共70 min,获得约22μm的镍铁合金薄膜。图4所示为镍铁合金薄膜表面形貌显微镜图，其图形尺寸为700μm×180μm,光学显微镜放大倍数为250倍，其中，物镜和目镜的放大倍数分别为25、10倍。由图4可见，图形表面大体平整，但仍然有少量小的针孔、麻点以及裂纹，未来需要进一步改进电镀工艺，尽量消除麻点以及裂纹。

3.2　实验结果分析
采用振动样品磁强计（Vibrating SampMagnetometer, VSM）对微电镀的镍铁合金薄膜进行磁参量的测量。为保证测试能够体现本次微电镀的效果，方便测试操作，特别制作样品图形图形尺寸约3 mm×3 mm。采用一组不同的外加磁场强度起始点，外加磁场范围约从4 ~477 kA/m（50~6 000Oe），共测得13条磁滞回线。将这些不同起点的磁滞回线定点相连，即可得到薄膜材料的磁化曲线，其中，最大相对磁导率约为460,薄膜矫顽力约为490 A/m,饱和磁感应强度约为0.9 T,剩磁感应强度为0.03~0.06 T这些参数与文献[9]列出的相对磁导率为500~1 000、矫顽力为80~400 A/m、饱和磁感应强度为0.9~1.08 T等相比略逊，还有待提高。

张帅

2019-7-4 08:42:44

4　结　语
本文对RF MEMS开关的软磁悬臂梁微电镀工艺进行研究，通过分析选用晶体材料镍铁合金作为悬臂梁软磁材料。在分析微电镀原理的基础上，从影响微电镀成品率角度出发，进行了镀液的配比和微电镀实验，并对改善镀层质量进行研究。采用振动样品磁强计对微电镀薄膜样品进行磁参量测量，对比国外先进水平，还略有差距，今后工作重点将研究如何提高镍铁合金薄膜的磁参量性能。
参考文献：
[ 1 ]付　世，丁桂甫，王　艳。一种新型双稳态微机电系统电磁微继电器的研制[J].上海交通大学学报，2006,40（11）： 1947-1950,1954.
[ 2 ]刘仁志。实用电铸技术[M].北京：化学工业出版社，2006: 87.
[ 3 ]赵见高，岛田宽。微磁器件与软磁薄膜[J].金属功能材料，1995,2（3）： 90-94.
[ 4 ]刘本东，李德胜。微机械继电器的研究及进展[J].微纳电子技术，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 ]曾华梁，吴仲达，陈钧武，等。电镀工艺手册[M].2版。北京：机械工业出版社，1997: 341.
[ 8 ]肖日松，杜立群，刘海军，等。微电铸的析氢现象研究[J].中国机械工程，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.

李秀兰

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王刚

张龙

于帅

张帅

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