射频微机电系统开关软磁悬臂梁微电镀工艺

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。

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。

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