盧宇杰，阮勇

(1.北京信息科技大學(xué) 儀器科學(xué)與光電工程學(xué)院，北京100192；2.清華大學(xué) 精密儀器系，北京100084)

0 引言

平面線圈是微機(jī)電系統(tǒng)(micro-electro-mechanical system,MEMS)執(zhí)行器重要的驅(qū)動結(jié)構(gòu)之一，隨著平面線圈結(jié)構(gòu)日益復(fù)雜，其制備工藝中的電鍍工藝以其流程簡單、成本低等優(yōu)點(diǎn)受到廣泛的研究。趙廣宏等[1]介紹了復(fù)雜三維金屬微結(jié)構(gòu)的電鍍工藝流程。趙越芳等[2]對電鍍工藝參數(shù)進(jìn)行探索，在剛性基底上制備出單層400匝、厚度2 μm的雙層微型線圈。

電流作為主要的電鍍工藝參數(shù)，決定了金屬的沉積速度和表面形貌。由于電鍍過程中存在邊緣效應(yīng)[3]，使得平面線圈棱角和凸出部位電流密度大，造成電鍍結(jié)構(gòu)尺寸誤差。更為嚴(yán)重的，在平面線圈表面形成結(jié)瘤或枝狀結(jié)晶，導(dǎo)致平面線圈斷路，影響平面線圈性能。目前對改善電流密度分布和抑制邊緣效應(yīng)的方法研究較少。

本文利用有限元仿真軟件建立MEMS平面線圈電鍍工藝模型，計(jì)算工藝電流與平面線圈表面電流密度分布以及電鍍平面線圈厚度誤差的關(guān)系，尋求最優(yōu)的工藝參數(shù)。為了抑制邊緣效應(yīng)，提出帶有陪鍍結(jié)構(gòu)的平面線圈，改善了平面線圈表面電流密度分布。在電流為150 mA和電鍍液溫度為30 ℃的工藝條件下，電鍍了寬度誤差為0.1 μm、厚度為5.6 μm的雙層平面線圈，為制備高質(zhì)量平面線圈提供一種新的方法。

1 雙層MEMS平面線圈制備方案

制備MEMS平面線圈通常有電鍍、蒸發(fā)沉積和濺射3種工藝，其對比如表1所示。濺射和蒸發(fā)沉積工藝復(fù)雜、速度慢、成本較高，后期需配合使用剝離或腐蝕工藝實(shí)現(xiàn)金屬結(jié)構(gòu)的圖形化。相較于上述兩種工藝，電鍍工藝速度快、成本低、工藝簡單，只需調(diào)整工藝電流和時間就可以制備不同厚度的平面線圈結(jié)構(gòu)。因此，當(dāng)平面線圈厚度超過1 μm時，通常采用電鍍工藝來制備。

表1 電鍍、蒸發(fā)沉積和濺射工藝對比

1.1 雙層平面線圈結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

電磁型MEMS繼電器通常由平面線圈、永磁體、懸臂梁和觸點(diǎn)等結(jié)構(gòu)組成，如圖1所示。平面線圈通電后產(chǎn)生磁場，與永磁體磁場相互作用，驅(qū)動上極板向下運(yùn)動，控制觸點(diǎn)閉合。為了提高磁場強(qiáng)度，本文設(shè)計(jì)的平面線圈采用雙層結(jié)構(gòu)。平面線圈導(dǎo)線寬度10 μm，導(dǎo)線間距5 μm，單層線圈厚3 μm，單層匝數(shù)10匝。

圖1 電磁型MEMS繼電器結(jié)構(gòu)

雙層線圈的整體結(jié)構(gòu)如圖2所示，兩層平面線圈之間使用等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積(plasma enhanced chemical vapor deposition,PECVD)的SiO2實(shí)現(xiàn)絕緣，經(jīng)過圖形化技術(shù)、RIE刻蝕SiO2和金屬濺射、電鍍等工藝實(shí)現(xiàn)兩層平面線圈的連通。

圖2 雙層平面線圈結(jié)構(gòu)

1.2 電鍍工藝設(shè)計(jì)

電鍍就是以電流通入具有一定組成的電解質(zhì)溶液，通過電能向化學(xué)能的轉(zhuǎn)換，把金屬電鍍到零件表面上的過程。電鍍銅原理如圖3所示，鍍液中的銅離子在外電場的作用下，經(jīng)過陰極處的還原反應(yīng)形成銅原子，并在陰極上進(jìn)行沉積。在陽極處發(fā)生氧化反應(yīng)，銅棒(陽極)逐漸氧化在電鍍液中，為還原反應(yīng)提供所需要的銅離子。

圖3 電鍍銅原理

電鍍雙層平面線圈工藝流程如下：

1)清洗硅片。采用PECVD沉積一層100±10 nm厚的SiO2，作為平面線圈和硅片之間的絕緣層，如圖4(a)所示；

2)濺射種子層：Ti厚度50 nm、Cu厚度150 nm，如圖4(b)所示；

3)第一次光刻，涂5 μm厚的正膠AZ5214，光刻、顯影出第一層線圈的圖形結(jié)構(gòu)；電鍍第一層平面線圈，厚度為3±0.5 μm，如圖4(c)所示；

4)去除光刻膠和種子層；在平面線圈上PECVD沉積一層700±70 nm厚的SiO2作為絕緣層，如圖5(d)所示；

5)第二次光刻，涂5 μm厚的正膠AZ5214，光刻、顯影出中央通孔的圖形結(jié)構(gòu)；RIE刻蝕中央通孔上的SiO2，如圖4(e)所示；

6)去除光刻膠；濺射種子層：Ti厚度50 nm、Cu厚度150 nm，如圖4(f)所示；

7)第三次光刻，涂5 μm厚的正膠AZ5214，光刻、顯影第二層線圈的圖形結(jié)構(gòu)；電鍍第二層平面線圈，厚度為3±0.5 μm，如圖4(g)所示；

13)去除光刻膠和種子層，如圖4(h)所示。

圖4 平面線圈工藝流程

2 電鍍工藝仿真

根據(jù)法拉第定律，在電極的兩相界面處陽極發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)生成的物質(zhì)量與其通過界面上的電化學(xué)量成正比:

M=KIt

(1)

式中：M為金屬質(zhì)量；K為電化學(xué)當(dāng)量；I為電流強(qiáng)度；t為電流通過的時間。一次電流分布、二次電流分布和三次電流分布是研究電鍍工藝中平面線圈表面電流分布的常用模型[4]，3種模型影響因素詳見表2。在實(shí)際的電鍍工藝過程中，微觀上的擴(kuò)散過電勢和活化過電勢會造成電流分布不均勻。因此，三次電流分布模型最接近電鍍工藝中實(shí)際的電流分布，但是三次電流分布數(shù)學(xué)模型求解困難，通常借助于有限元多物理場仿真軟件[5]，計(jì)算工藝電流大小和電鍍線圈表面電流密度分布，如圖5所示。由于邊緣效應(yīng)引起平面線圈邊緣和拐角處電流密度相對較大，造成電鍍平面線圈尺寸差異。

表2 電流分布及其影響因素

圖5 平面線圈表面電流密度分布仿真

通過計(jì)算可知：相同工藝時間內(nèi)，隨著工藝電流的增加，電鍍的平面線圈厚度從0.8～0.9 μm增加到5.2～5.8 μm，但導(dǎo)線厚度極值之差從0.025 μm增加到0.325 μm，電鍍平面線圈厚度誤差隨之增加，如圖6和圖7所示，導(dǎo)致電鍍平面的線圈厚度偏離設(shè)計(jì)值。為了兼顧工藝成本和電鍍平面線圈質(zhì)量，本文采用的工藝電流大小為150 mA。

圖6 工藝電流與電鍍平面線圈厚度仿真曲線

圖7 工藝電流電流與電鍍平面線圈厚度誤差仿真曲線

為了抑制邊緣效應(yīng)，本文在平面線圈四周設(shè)計(jì)陪鍍結(jié)構(gòu)，陪鍍結(jié)構(gòu)與導(dǎo)線間距為5 μm。增加電鍍結(jié)構(gòu)后，邊緣效應(yīng)出現(xiàn)在陪鍍結(jié)構(gòu)外側(cè)，如圖8(a)所示，從而抑制了平面線圈上的邊緣效應(yīng)。雖然依舊存在電流密度差異，但差別極小，在電流為150 mA時，平面線圈表面電流密度相差0.2 mA，如圖8(b)所示。相較未帶陪鍍結(jié)構(gòu)的平面線圈，其表面電流密度差異減小一倍，使得平面線圈表面電流密度更加均勻。

圖8 帶陪鍍線圈電鍍中電流密度仿真

3 平面線圈電鍍與工藝優(yōu)化

為了探索電鍍液溫度對電鍍平面線圈的影響，分別在電鍍液為25 ℃、30 ℃、35 ℃時開展工藝。在25 ℃時，溫度偏低，導(dǎo)致鍍液活性降低，造成部分平面線圈出現(xiàn)了引線缺失的問題，如圖9(a) 所示；在35 ℃時，溫度偏高，陰極極化作用降低，造成局部結(jié)晶鍍層粗大，如圖9(b)所示；在溫度為30 ℃時，電鍍平面線圈表面質(zhì)量最佳，如圖9(c)所示。

圖9 不同溫度下的電鍍平面線圈照片

在150 mA電流和30 ℃電鍍液的工藝條件下，電鍍未增加陪鍍結(jié)構(gòu)的平面線圈內(nèi)圈導(dǎo)線寬度范圍為11.1～11.3 μm，外圈導(dǎo)線寬度范圍為11.7～12.8 μm，外圈導(dǎo)線比內(nèi)圈導(dǎo)線寬1.7 μm。而帶有陪鍍結(jié)構(gòu)的平面線圈內(nèi)、外圈導(dǎo)線寬度為11.2～11.8 μm，導(dǎo)線間寬度差距為0.6 μm，同一平面線圈內(nèi)的導(dǎo)線寬度相差≤0.1 μm，導(dǎo)線寬度差別很小，尺寸更加均勻。

在此基礎(chǔ)上，電鍍出銅層結(jié)晶細(xì)膩、光滑平整、光亮度高、鍍層完整的雙層平面線圈，如圖10(a)、(b)所示。利用SEM檢測雙層平面線圈寬度9.95～10.05 μm，厚度2.5 ～3.2 μm。

圖10 雙層平面線圈整體結(jié)構(gòu)

4 結(jié)束語

本文針對電鍍工藝中電流密度分布開展研究，使用有限元仿真軟件，建立了基于三次電流分布的電鍍工藝模型，增加陪鍍結(jié)構(gòu)，抑制邊緣效應(yīng)，優(yōu)化了電鍍時電流密度分布。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，增加陪鍍結(jié)構(gòu)提高了電鍍平面線圈結(jié)構(gòu)的均勻性。同時優(yōu)化了電鍍工藝參數(shù)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在電流為150 mA、時間為1 200 s、溫度為30 ℃時，電鍍出總厚度為5.6 μm的雙層平面線圈，其內(nèi)、外部導(dǎo)線寬度相差0.1 μm，上下兩層線圈厚度相差0.6 μm，為后續(xù)開發(fā)電磁型MEMS執(zhí)行器制備奠定了良好的工藝基礎(chǔ)。