- 射频微机电系统开关软磁悬臂梁微电镀工艺

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]。

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。

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：

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