MEMS平面線圈電鍍制備方法研究*

趙越芳， 何 劍， 丑修建

(中北大學(xué) 儀器科學(xué)與動態(tài)測試教育部重點實驗室， 山西 太原 030051)

0 引 言

隨著傳感技術(shù)的發(fā)展， 能源供給在其中的作用越來越重要. 目前， 傳感器微系統(tǒng)所需能源供給主要有兩種方式： 剛性電池和能量采集器. 然而， 剛性電池因存在使用壽命短、 體積大、 易產(chǎn)生污染等問題， 限制了其進(jìn)一步應(yīng)用. 相比而言， 能量采集器可有效俘獲環(huán)境中的振動能源并將其轉(zhuǎn)換為電能， 被認(rèn)為是解決上述問題的有效途徑[1-2]. 目前， 已有許多提升能量采集器振動頻率的結(jié)構(gòu)設(shè)計. Ferrari等人設(shè)計了由3個不同固有頻率的壓電雙晶片懸臂梁組成的多頻壓電轉(zhuǎn)換器[3]， Sari等人設(shè)計了將35個不同諧振頻率的振蕩懸臂陣列連接的寬帶電磁發(fā)生器[4]. 上述兩種方法在較大頻率和功率范圍情況下， 難以有效地俘獲振動能量. 因此， 人們提出增加線圈匝數(shù)的方法來進(jìn)一步提高電磁式能量采集器的輸出電壓. 靜電振動能量收集器加工制作工藝和MEMS工藝有很好的兼容性， 但是其輸出阻抗大， 輸出功率較低， 且需要外加電源， 結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜. 壓電振動能量收集器具有較高的能量密度和較好的工藝兼容性， 但同時具有良好的力學(xué)特性和高壓電系數(shù)的壓電材料很難獲得， 長期使用存在退極化現(xiàn)象， 而且集成相對較難. 與靜電式和壓電式相比， 電磁式能量采集器具有結(jié)構(gòu)簡單， 無需功能材料和外加電源， 輸出電流較大， 易于采用微加工技術(shù)集成制作等優(yōu)勢， 且在低頻振動環(huán)境中能夠表現(xiàn)出較好的輸出性能. 然而， 如何提升單位體積下的線圈匝數(shù)仍是一大難題. 理論上， 借助光刻和沉積工藝可實現(xiàn)高密度微型線圈的制備. 目前， 電鍍被認(rèn)為是制備金屬薄膜的有效工藝方法之一. 中南大學(xué)的呂重安開發(fā)了能使鍍層光滑、 平整的Z型光亮劑[5]， 上海交通大學(xué)李超研究了兩種添加劑中的其中一種Cu的沉積速率[6]， 約翰霍普金斯大學(xué)Vereecken研究了加速劑與氯離子相互作用的機(jī)理[7-10]， 皮埃爾和瑪麗·居里大學(xué)的Gabrielli等研究了電鍍銅機(jī)理[11]. 盡管國內(nèi)外關(guān)于提高鍍層質(zhì)量的研究已有很多， 但電鍍與光刻相結(jié)合制備具有實用性的器件的方法鮮有報道.

本文通過優(yōu)化電鍍參數(shù)(電鍍液成分、 添加劑種類、 電流強(qiáng)度、 電流密度等)并結(jié)合光刻工藝來實現(xiàn)高質(zhì)量、 高密度微型線圈的制備， 所制備線圈具有雙層結(jié)構(gòu)， 可以實現(xiàn)線圈匝數(shù)的大幅度提升. 該線圈可以應(yīng)用于電磁式能量采集器， 能夠解決狹小空間下機(jī)械能采集困難的難題， 能夠為傳感系統(tǒng)供能提供新的解決思路.

1 高密度雙層微線圈制備總體方法

1.1 實驗材料及設(shè)備

材料： 硅片(101.6 mm， 單拋， 100晶向， N型)， 二氧化硅(100 nm可以起到絕緣的作用)， 鉻靶材(沉積粘附層)， 銅靶材(沉積種子層)， 五水硫酸銅粉末(電鍍液主溶液原料)， 硫酸， 鹽酸， 5種添加劑， 丙酮(溶解光刻膠)， AZ6130光刻膠， ZX238顯影液， 掩膜版.

設(shè)備： 等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積系統(tǒng)(PECVD)， 真空烘箱， 勻膠機(jī)， 加熱板， 光刻機(jī)， 等離子體去膠機(jī)， 電鍍裝置， 離子束刻蝕機(jī)(IBE)， 反應(yīng)離子刻蝕機(jī)(RIE)， 丹頓磁控濺射機(jī).

1.2 工藝步驟

高密度雙層平面微線圈采用正膠工藝制作， 基底為沉積了氧化硅的101.6 mm硅片， 如果在硅片上直接沉積金屬容易使線圈在基底短路.

如圖1 所示， 制備工藝流程如下：

圖1 雙層線圈制備流程圖

1) 在潔凈的硅片上沉積二氧化硅絕緣層(硅片與線圈之間的絕緣層)；

2) 濺射Cr/Cu種子層， 厚度分別為20 nm和100 nm；

3) 光刻(1號掩膜版)；

4) 電鍍第一層金屬銅(厚度2 μm左右)；

5) 溶解光刻膠(光刻膠厚度2.5 μm)；

6) 刻蝕種子層Cu/Cr；

7) 沉積二氧化硅絕緣層(兩層線圈之間的絕緣層)；

8) 刻蝕二氧化硅生成線圈中心引線孔(需要用到2號光刻版)；

9) 第二次濺射種子層， 同步驟2；

10) 第二次光刻(3號掩膜版)；

11) 電鍍第二層銅， 同步驟4)；

12) 溶解光刻膠， 同步驟5)；

13) 刻蝕種子層Cu/Cr， 同步驟6).

圖2 為最終制備好的雙層微線圈過孔示意圖.

圖2 兩層線圈過孔示意圖

2 電鍍銅機(jī)理

電鍍是從水、 有機(jī)或熔融鹽電解質(zhì)中還原金屬離子并實現(xiàn)金屬材料沉積的工藝. 其中， 金屬離子Cu2+在水溶液中的還原反應(yīng)為

銅鍍層特性主要受電鍍液化學(xué)性質(zhì)(Cu離子濃度、 pH值、 添加劑的類型)、 工藝物理參數(shù)(溫度、 電流)和基底性質(zhì)(表面質(zhì)量、 形狀)的影響. 根據(jù)所需微觀結(jié)構(gòu)的形狀， 電鍍工藝必須適應(yīng)特定的應(yīng)用， 下面就MEMS電鍍銅的過程進(jìn)行詳述.

2.1 電鍍銅原理

電鍍銅原理如圖3 所示， 外部電流源的兩個電極浸入電解液中， 其陰極發(fā)生還原反應(yīng)(電子吸收)， 陽極發(fā)生氧化(電子釋放)反應(yīng). 在電鍍過程中， 金屬離子在陰極(硅片襯底)被還原成固體晶格并沉積在陰極表面， 陽極(銅片)逐漸氧化溶解于電鍍液中. 上述兩部分反應(yīng)用方程式表示為

圖3 電鍍原理示意圖

減少(陰極)： Cu2++ 2e-→ Cu(沉積銅)，

氧化(陽極)： Cu → Cu2++ 2e-(銅的溶解/對于可溶性陽極).

2.2 電鍍銅裝置

本文搭建了如圖4 所示的電鍍裝置. 該裝置主要由玻璃燒杯(1 L)、 磁力攪拌加熱裝置、 直流電源和示波器組成. 其中， 磁力攪拌加熱裝置可保證電鍍過程中離子交換均勻性并維持溶液溫度不變， 在受到攪拌的電鍍液中， 擴(kuò)散層的厚度是確定的， 在未攪拌的電鍍槽中擴(kuò)散層(緊鄰陰極的區(qū)域為擴(kuò)散層)的厚度是隨時間的增加而增加的(如圖5 所示). 電源為陽極和陰極的供電(必要時可進(jìn)行脈沖電鍍)， 示波器用于監(jiān)測電源供電的穩(wěn)定性. 在該設(shè)備中， 銅板為電鍍陽極， 連接電源紅線， 刻有圖形化的光刻膠模具結(jié)構(gòu)的硅片為電鍍陰極， 與電源黑線相連.

圖4 實驗室用的電鍍裝置示意圖

圖5 Cu2+離子濃度隨離陰極的距離的變化

本文采用磁力攪拌的方式進(jìn)行實驗. 在實驗過程中對溶液進(jìn)行攪拌， 可以加快電鍍液中離子的運(yùn)動速度， 從而保證電鍍的均勻性. 在實驗過程中， 采用磷銅板(含磷量為0.1%～0.3%)作為電鍍陽極， 若陽極采用純銅材料， 則會產(chǎn)生銅的一價化合物， 該化合物會造成電鍍液的渾濁， 影響電鍍的效果. 采用磷銅板作為電鍍陽極， 在陽極表面會生成一種可以加速一價銅氧化的物質(zhì)， 稱其為“陽極泥”. “陽極泥”可以有效降低銅的一價化合物對電鍍液的污染， 從而保證電鍍效果. 但是， 如果不加以控制， “陽極泥”也會污染電鍍液， 最終導(dǎo)致鍍件達(dá)不到要求.

為控制“陽極泥”的生成量， 在電鍍過程中， 一般在磷銅板外包裹一個對酸有極強(qiáng)耐腐蝕性的陽極袋， 以此來控制“陽極泥”生成量. 如圖4 所示， 本文采用耐酸性較高的化學(xué)纖維(滌綸布、 丙綸布)作為陽極袋， 將陽極用鈦網(wǎng)籃裝好后使用陽極袋將其套裝. 當(dāng)電鍍時間較長時， 陽極表面會附著較多“陽極泥”， 此時可使用一定濃度的稀硫酸進(jìn)行加熱清洗.

2.3 電鍍液配置

由于在電鍍液的配制過程中受到雜質(zhì)、 添加劑及溫度等因素的影響， 實驗中會產(chǎn)生粗糙度差、 光亮度差、 結(jié)合力差等各種不合格的鍍層， 如圖6(a) 所示. 為了獲得良好的鍍層質(zhì)量， 本文使用有機(jī)化學(xué)品作為整平劑. 先把添加劑按照一定比例配制成溶液狀態(tài)， 然后將其依次填加到主溶液中， 苯并咪唑和磺酸鈉的作用是提高鍍層的光亮度， 硫脲和磺酸鈉的作用是提高鍍層的整平度， 含氮類添加劑對銅沉積具有抑制作用， 十二烷基硫酸鈉作用是降低表面張力， 防止鍍層表面產(chǎn)生麻點. 待電鍍液按照相應(yīng)的比例配好之后， 開始進(jìn)行電鍍測試， 直至鍍層表面光亮、 平整、 無針孔(見圖6(b))， 電鍍液的具體成分及參數(shù)如表1 所示.

表1 制備雙層平面線圈的電鍍液的組成及參數(shù)

圖6 電鍍層實物圖

3 微線圈制備工藝

3.1 第一層微線圈制備

金屬微機(jī)械加工制造方法的選擇不僅需要考慮金屬本身的特性， 還需要考慮加工過程相關(guān)的一些因素. 金屬材料的最終特性與薄膜厚度、 沉積金屬厚度以及特定工藝條件密切相關(guān). 因此， 金屬微加工的設(shè)計制造等環(huán)節(jié)需要對各種影響因素進(jìn)行綜合考慮， 從而確定最佳制備方法， 不同方法對比如表2 所示.

表2 不同沉積金屬工藝的特點

采用電鍍工藝制備線圈的方法具有成本低、 沉積速率快、 工藝簡單等優(yōu)點， 同時可實現(xiàn)微米級金屬薄膜的沉積. 如圖7(a) 所示， 電鍍單層線圈的厚度為1.6 μm. 雖然濺射的工藝方法也可以實現(xiàn)微米級厚度金屬薄膜的制備， 但是濺射的工藝方法并不適用于高密度微線圈的制備， 在濺射工藝后期的剝離環(huán)節(jié)需要使用丙酮進(jìn)行長時間的浸泡， 同時還需進(jìn)行超聲剝離， 在此環(huán)節(jié)特別容易損壞已經(jīng)制備好的第一層線圈， 而且濺射工藝需要重復(fù)調(diào)整粘附層、 金屬的比例以及更換金屬靶， 不僅耗時長而且成本高. 因此， 濺射工藝并不適用于厚度為微米級金屬線圈的制備， 如圖7(b) 所示， 使用濺射工藝制備的高密度單層微線圈最大厚度一般為500 nm， 在該厚度下金屬線圈的電阻值太大， 不適于實際應(yīng)用. 相比之下， 電鍍工藝只需對電流密度等參數(shù)進(jìn)行調(diào)整就可以得到不同厚度的金屬鍍層. 因此， 在考慮薄膜厚度要求以及權(quán)衡制備工藝后， 選用電鍍方法來制備高密度微線圈.

圖7 電鍍單層線圈與濺射單層線圈

3.2 第二層微線圈制備

對兩層線圈繞線方向相反的結(jié)構(gòu)進(jìn)行電鍍時， 線圈結(jié)合處容易出現(xiàn)斷層， 會造成如圖8(a)所示的線圈斷層現(xiàn)象. 以實驗中電鍍的線圈為例， 當(dāng)線寬20 μm、 線圈間隔20 μm時， 在光學(xué)顯微鏡下觀察到第二層線圈與第一層線圈對角線交叉處形成明顯斷層， 從而導(dǎo)致線圈無法導(dǎo)通(圖8(b)).

圖8 斷裂的雙層線圈

經(jīng)過進(jìn)一步試驗可知， 鍍層均勻性與多種因素有關(guān)， 如離子遷移速度與其擴(kuò)散的速率、 電鍍液溫度、 電鍍電壓與電流、 電鍍時間等. 在以上影響因素中， 電鍍液的溫度與電流強(qiáng)度對鍍層的均勻性影響最為重要， 如果電鍍液的溫度太高， Cu2+運(yùn)動速率加快， 陰陽兩極反應(yīng)速率也隨之加快， Cu析出速率變快， 就會導(dǎo)致鍍層不均勻， 如果電鍍液的溫度太低， 則會導(dǎo)致反應(yīng)速率降低， Cu析出速率變慢， 也會導(dǎo)致鍍層不均勻. 同理， 如果電鍍的電流強(qiáng)度太高， Cu2+運(yùn)動速率加快， 陰陽兩極反應(yīng)速率也隨之加快， Cu析出速率變快， 也會導(dǎo)致鍍層不均勻. 為了增加銅與襯底的粘附性， 一方面， 可以選用與銅粘附性較好的鉻作為種子層， 種子層采用濺射的工藝制備， 均勻性好， 沒有空洞. 另一方面， 可以在電鍍液中添加光亮劑和抑制劑， 起到填充底部和側(cè)壁空隙的作用， 從而獲得沒有空穴的淀積. 開裂的膜會導(dǎo)致表面粗糙， 使雜質(zhì)穿透膜， 導(dǎo)致短路或漏電流， 因此需要通過優(yōu)化電鍍液的參數(shù)使鍍層表面致密無空穴. 兩層線圈總厚度約為4 μm， 為了保護(hù)線圈并方便后期與器件集成， 需要在器件上沉積有機(jī)物Parylene來對器件進(jìn)行保護(hù).

3.3 高密度微線圈制備質(zhì)量控制

電鍍工藝的實際應(yīng)用中必須考慮微結(jié)構(gòu)模型的形狀以適應(yīng)具體的應(yīng)用需求， 經(jīng)過大量的研究實驗發(fā)現(xiàn)， 在保持電鍍液成分、 添加劑種類、 電流強(qiáng)度、 電流密度等其他參數(shù)不變的情況下， 電鍍環(huán)境溫度在25℃左右時， 鍍層均勻性最好. 隨著電鍍時間的加長， 硅片表面上Cu的析出量也在增加， 電鍍時間越長鍍層光滑度與均勻性越差. 實驗結(jié)果表明， 達(dá)到所要求的理想狀態(tài)情況的詳細(xì)參數(shù)如下： 電鍍時電流密度為1.5 A/dm2， 電鍍時間為2 min， 此時電鍍厚度為2 μm， 而且鍍層表面均勻無斷層， 如圖9 所示為光學(xué)顯微鏡下觀察到的線圈局部結(jié)構(gòu)圖. 實驗中所用的觀測儀器為激光共聚焦光學(xué)顯微鏡.

圖9 均勻鍍層雙層線圈微觀結(jié)構(gòu)圖

4 結(jié) 論

本文優(yōu)化了電鍍工藝中電鍍液成分、 添加劑種類、 電流強(qiáng)度、 電流密度等參數(shù)， 提出了一種高質(zhì)量、 高密度微型雙層線圈制備方法. 經(jīng)過本方法優(yōu)化后的電鍍工藝可在101.6 mm(4英寸)硅片上(按需量產(chǎn)可選用尺寸更大的硅片)制備出最大匝數(shù)為800(400×2)的微型雙層線圈， 從而極大地提升了單位體積下的線圈匝數(shù)， 并從根本上突破了在剛性硅基底上制備多匝數(shù)線圈的工藝瓶頸， 在制備過程中， 初期階段線圈不均勻等問題逐漸被解決之后， 隨著工藝的成熟程度升高， 良品率也逐漸上升并趨于穩(wěn)定， 達(dá)到70%.