微機電系統(tǒng)器件電鍍鎳厚度均勻性的模擬與改進
劉瑞，許文杰，袁妍妍（江蘇科技大學(xué)材料科學(xué)與工程國家級實驗教學(xué)示范中心）
作者簡介：劉瑞，博士，副教授，主要研究方向為微納米器件與材料。
近年來，隨著微機電系統(tǒng)(MEMS)技術(shù)的迅速發(fā)展，為了適應(yīng)器件在結(jié)構(gòu)復(fù)雜性和功能多樣性方面的需求，越來越多新工藝和新材料被應(yīng)用到MEMS領(lǐng)域中。
尤其是非硅MEMS技術(shù)主要內(nèi)容之一的UV(紫外光)?LIGA(光刻、電鍍和注塑)工藝以常規(guī)紫外光源代替稀缺、昂貴的X射線同步輻射光源進行光刻、微電鍍和微復(fù)制，完成微納米器件的三維微結(jié)構(gòu)立體制造，越來越受重視。
這些MEMS微器件通常具有多層薄膜復(fù)合結(jié)構(gòu)，這些薄膜除了常見的硅之外，還有很多以金屬為主，如以電鍍鎳為材質(zhì)的微齒輪、微馬達、微加速開關(guān)等。
采用UV–LIGA技術(shù)制備多層薄膜微器件的難點之一就是薄膜的電鍍均勻性，尤其在疊層電鍍工藝過程中，薄膜的均勻性對器件的結(jié)合強度、尺寸控制等都有重要的影響，若控制不好，很容易使微納米器件結(jié)構(gòu)失效，從而影響MEMS器件的產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用。
因此，如何改善MEMS器件中疊層電鍍膜層之間的均勻性問題，以提高器件的可靠性和使用壽命，是學(xué)者們力求解決的技術(shù)問題之一。
電鍍均勻性的影響因素主要包括電流密度、電場分布、線寬、鍍液成分、循環(huán)方式等幾個方面。其中循環(huán)方式主要由電鍍設(shè)備決定，電流密度針對不同的鍍液具有一定程度的標準化。因此，在器件電鍍過程中電場分布對其均勻性有十分重要的影響。
本文針對MEMS金屬器件中鍍層的不均勻現(xiàn)象，利用大型有限元分析軟件ANSYS進行建模分析，從片外輔助陰極(指的是在電鍍單元外設(shè)置的導(dǎo)電單元)和片內(nèi)輔助陰極(指的是在電鍍單元內(nèi)設(shè)置的導(dǎo)電區(qū)域)進行模擬，并根據(jù)模擬結(jié)果進行試驗，獲得能夠制備均勻性良好的鍍層的工藝參數(shù)，為制備性能良好的金屬基MEMS器件奠定堅實的基礎(chǔ)。
1 MEMS器件電鍍的電場分布和建模
MEMS器件電鍍主要涉及陽極、陰極(具有微結(jié)構(gòu)圖形的晶圓)和電解液。根據(jù)法拉第定律，通電后金屬的沉積量m可以表示為：
其中，Q為通電量(單位：C)，M為金屬的摩爾質(zhì)量(單位：g/mol)，z為得失電子數(shù)，F(xiàn)為法拉第常數(shù)
(96485 C/mol)。由式(1)可以得出鍍層厚度D與電流密度J之間的關(guān)系如下：
其中ρ為金屬的密度，t為電鍍時間。在時間一定的情況下，微結(jié)構(gòu)鍍層的厚度與電流密度(即電場分布)呈正比，因此通過模擬由幾何因素決定的初次電場分布來探討各因素對微器件電鍍均勻性的影響規(guī)律。
對于整個電鍍體系而言，影響電鍍均勻性的因素有很多。通過添加片內(nèi)輔助陰極和片外輔助陰極對改善金屬薄膜電鍍均勻性比較有利，因此本文對電鍍均勻性進行詳細的模擬分析。
片內(nèi)輔助陰極一般采用導(dǎo)電性較好的金屬銅，尺寸比電鍍單元稍大，與電鍍單元在同一平面內(nèi)。片外輔助陰極為金屬銅環(huán)，壁厚為0.1 ~ 0.7 cm，放置在電鍍單元平面外。
根據(jù)目前實驗室常用鍍鎳的襯底尺寸，選用直徑為76 mm的電鍍陰極襯底，直徑100 mm的電鍍鎳靶材為陽極。電解液主要成分為氨基磺酸鎳、氯化鎳和硼酸。
采用ANSYS低頻電磁場模塊中的電場分析模塊進行2D模擬。首先，利用繪圖功能繪制出與實際電鍍狀態(tài)相似的各部件；其次，對繪制的各個單元進行網(wǎng)格細分；再次，對電鍍單元施加邊界條件。
有限元模型以及幾何參數(shù)如圖1所示，在陽極施加2 V電壓，種子層(陰極)接地。最后，通過計算得到電場分布情況。
為了對微結(jié)構(gòu)的均勻性進行定量描述，引入非均勻性ERROR的概念，定義如下：
其中Hedge表示微結(jié)構(gòu)單元邊緣的鍍層厚度，Hmiddle表示微結(jié)構(gòu)單元中心的鍍層厚度。ERROR越大，表示均勻性越差。
2 電鍍均勻性仿真
2. 1 片內(nèi)輔助陰極對電鍍均勻性的影響
如圖2所示，添加片內(nèi)輔助陰極后，電鍍單元邊緣的電力線被其相鄰的輔助陰極分散，電力線密度明顯減小，因此電鍍均勻性得到提高。
片內(nèi)輔助陰極的線寬及其與微結(jié)構(gòu)單元(即圖2中的電鍍單元)之間的距離都對提高電鍍均勻性有十分重要的作用。
因此模擬了輔助陰極線寬固定為1 000 μm時或其與微結(jié)構(gòu)單元間距固定為30 μm時，另一個因素變化對微結(jié)構(gòu)單元鍍層厚度均勻性的影響，結(jié)果見圖3。
從圖3可知，片內(nèi)輔助陰極與電鍍單元之間的距離越小，或輔助陰極的線寬越大，微結(jié)構(gòu)單元的鍍層厚度均勻性越好。
因此，在設(shè)計時可以針對工藝的關(guān)鍵尺寸線寬，盡量縮小輔助陰極與微結(jié)構(gòu)單元之間的距離，并根據(jù)芯片面積設(shè)置線寬盡量大的輔助陰極。
2. 2 片外輔助陰極對電鍍均勻性的影響
電沉積過程中使用的設(shè)備主要有鍍槽、電源以及陰、陽極，待鍍試片與陰極連接。
如圖4所示，為解決鍍層厚度不均的問題，在待鍍試片與陰極之間添加了一個絕緣的圓環(huán)狀擋板，并且在襯底周圍加上銅環(huán)輔助陰極，借助擋板上小孔對溶液中電力線的收束作用以及銅環(huán)對電流的分散作用，使陰極板表面的電場分布趨于均勻。
從圖5可以看出，在未添加片外輔助陰極時，電流密度主要集中在基底(即襯底)邊緣，這就有可能導(dǎo)致基底邊緣的鍍層厚度高于中心部分的鍍層厚度。
添加擋板和銅環(huán)輔助陰極后，電流密度主要分布在擋板邊緣和銅環(huán)周圍，使基底的電流密度分布比較均勻。
考慮到片外輔助陰極的模擬條件下，擋板通孔直徑、擋板與基底的距離、銅環(huán)壁厚以及銅環(huán)與基底的距離(銅環(huán)與基底距離為零時是與襯底接觸的，和襯底的外框通過卡槽連接在一起)對電流分布都有影響，因此選擇這幾個參數(shù)作為因素，以電流密度誤差率η[如式(4)所示]為指標，采用L16(54)正交表進行優(yōu)化，結(jié)果見表1。
式中，Jmax為最高電流密度，Jmin為最低電流密度。η越小，則鍍層越均勻。
從極差分析可以看出，擋板與基底間的距離對鍍層均勻性的影響最大。從均值分析可知，較優(yōu)的組合為A4B3C4D1，該組合不在正交表中，因此需要進行驗證試驗。
結(jié)果表明，該條件下的η為0.12，與正交表中η最小的試驗7(A2B3C4D1)相差無幾。
在實際試驗中，可根據(jù)襯底情況選擇A2B3C4D1或者A4B3C4D1。即：擋板通孔直徑4 cm或6 cm，擋板與基底間的距離5 cm，銅環(huán)尺寸0.7cm，銅環(huán)與基底間的距離0.0 cm。
2. 3 采用優(yōu)化輔助陰極時所得鍍層的平整度
圖6是未采用輔助陰極和采用優(yōu)化的片內(nèi)、片外(A2B3C4D1)輔助陰極電鍍相同時間時所得鎳鍍層的表面輪廓測試結(jié)果。從中可以看出，采用較優(yōu)輔助陰極后所得鎳鍍層的平整度更好。
3 結(jié)論
針對MEMS金屬基器件制備過程中鍍層均勻性差的問題，向其中增加片內(nèi)輔助陰極和片外輔助陰極，研究了片內(nèi)輔助陰極的尺寸及其與微結(jié)構(gòu)單元的間距對電鍍鎳薄膜均勻性的影響，以及擋板和片外輔助陰極的尺寸和它們跟基底之間的距離與電鍍鎳薄膜均勻性之間的關(guān)系。
結(jié)果表明：隨著片內(nèi)輔助陰極的線寬減小，或其與微結(jié)構(gòu)單元的間距增大，電鍍薄膜的均勻性提高；在片外輔助陰極中，擋板與基底的距離對鍍層均勻性的影響最大。
