吳軍民a,　湯學華b

（上海電機學院a.汽車學院； b.機械學院，上海200245）

摘　要：研究了一種電磁型射頻（RF）微機電系統（MEMS）開關的軟磁懸臂梁的制備工藝。為了得到適合MEMS器件應用的鎳鐵合金磁性薄膜，展開微電鍍工藝分析，采用振動樣品磁強計測量鎳鐵合金薄膜的磁參量。實驗結果：最大相對磁導率約為460,薄膜矯頑力約為490 A/m,飽和磁感應強度約為0.9 T,剩磁感應強度為0.03~0.06 T。此結果為開關結構設計優化提供了依據。

關鍵詞：微機電系統；懸臂梁；鎳鐵；電鍍；振動樣品磁強計

中圖分類號：TQ 153.2

文獻標識碼：A

文章編號　2095-0020（2010）04-0193-04

基于微機電系統（MicroelectromechanicalSystem, MEMS）技術的電磁型器件，特別是采用軟磁薄膜功能材料的電磁器件，如電磁MEMS開關等，因其工藝復雜而發展滯后。其中，電磁MEMS器件的發展落后于其他類型的MEMS器件，主要在于磁性薄膜材料的微加工工藝標準化程度低，磁性薄膜的形貌和磁性能容易受其他MEMS工藝步驟的影響。本文主要對射頻（Radio Frequency, RF）微機MEMS開關軟磁懸臂梁的制備工藝進行研究。

在MEMS工藝中，通過電沉積方法獲得厚度較大的薄膜已經比較普遍[1]。將電鍍沉積方法應用在MEMS工藝中，可以快速和準確地獲得比較厚的金屬或合金薄膜[2]。應用于MEMS器件中的微電鍍與以防腐和美觀為目的的普通電鍍原理一樣，同屬于電化學范疇，除膜厚度不受限制外，它還具有生產周期短、設備簡單、易于操作等優點，可以大大降低MEMS工藝薄膜沉積的成本，有利于產業化。

1　軟磁材料選擇及微電鍍基本原理

目前，軟磁薄膜材料主要分為3類：晶體材料、非晶態材料和納米晶材料。非晶態和納米晶軟磁合金具有軟磁性、耐蝕性、耐磨性、高硬度、高強度和高電阻率等優點[3]。但它們的生產一般采用液態急冷技術，與MEMS工藝不兼容。物理氣相沉積（PVD）中的磁控濺射法已成為制造磁性單層膜和復合多層膜的重要技術手段，其優點在于可嚴格控制薄膜中各種成分及其含量比例，但工藝設備復雜，生產成本高，并且膜厚受磁控濺射原理限制，靶材有限。在晶體材料中，鎳鐵合金具有相對磁導率高，矯頑力極小，磁致伸縮系數和磁各向異性系數接近零等優點，特別適合電磁MEMS器件要求的高精度、高分辨率以及微型化等特點[4-6]。

在鎳鐵合金微電鍍中，把待鍍的有光刻膠圖形基片作為陰極，陽極材料可為鎳鐵合金或者采用雙陽極的方式，即一個鐵陽極和一個鎳陽極。與普通電鍍不同的是，微電鍍是在光刻后的圖形槽中填充還原后的金屬，故金屬離子是否能夠均勻地在待鍍圖形中傳輸是微電鍍薄膜質量優劣的關鍵。圖1所示為微電鍍鎳鐵合金薄膜的工作原理。在微電鍍溶液中，除圖1中所示的主要參與電鍍的離子外，還包含一些添加劑，主要是為了改善鍍層的質量。

2　實驗系統及鍍液配方

2.1　微電鍍實驗設備

通過對微電鍍工作原理的分析，根據基底特點，要想達到比較好的成膜效果，除電鍍設備外，還需微電鍍實驗的輔助設備，如圖2所示。電鍍設備選用上海辰華的電化學工作站CHI660C,陰、陽極采用專門的電極支架固定，用加熱器直接加熱電鍍槽，進行磁力攪拌。

2.2　電鍍溶液配方

微電鍍溶液的配比是在文獻[7]中列出的配方基礎上改進的，如表1所示。配方的調整主要從微電鍍容易出現問題的角度出發，著重對絡合劑的添加和減輕析氫反應進行研究。

糖精鈉（C7H4O3NSNa·2H2O）作為添加劑，主要起到光亮作用，在鎳鐵電沉積中很常用。在光亮鎳鐵合金鍍液中，硫酸亞鐵即二價鐵離子（Fe2+）是光亮鎳鐵合金鍍層的主鹽之一，而Fe2+在鍍液中極不穩定，且易被溶于鍍液中的氯所氧化，變成Fe3+,導致沉積層脆性增加，機械性能下降，故要嚴格掌握鍍液中Fe3+的濃度。檸檬酸鈉（Na3C6H5O7·2H2O）是常用的絡合劑，可起到調節溶液pH值的效果。隨著微電鍍時間的增加，溶液的pH值會逐漸上升，故添加時也要考慮pH值的變化。表1中，Na3C6H5O7·2H2O所示的量為總的添加量，通過多次的實驗摸索，本溶液1 L配方添加量為0.5 g,為避免鍍液pH值突然下降，在觀測pH值上升時，逐量多次添加，既起到絡合作用，又不至于顯著影響pH值。

2.3　析氫反應及解決方案