微机电系统器件电镀镍厚度均匀性的模拟与改进

刘瑞，许文杰，袁妍妍（江苏科技大学材料科学与工程国家级实验教学示范中心）

作者简介：刘瑞，博士，副教授，主要研究方向为微纳米器件与材料。

近年来，随着微机电系统(MEMS)技术的迅速发展，为了适应器件在结构复杂性和功能多样性方面的需求，越来越多新工艺和新材料被应用到MEMS领域中。

尤其是非硅MEMS技术主要内容之一的UV(紫外光)−LIGA(光刻、电镀和注塑)工艺以常规紫外光源代替稀缺、昂贵的X射线同步辐射光源进行光刻、微电镀和微复制，完成微纳米器件的三维微结构立体制造，越来越受重视。

这些MEMS微器件通常具有多层薄膜复合结构，这些薄膜除了常见的硅之外，还有很多以金属为主，如以电镀镍为材质的微齿轮、微马达、微加速开关等。

采用UV–LIGA技术制备多层薄膜微器件的难点之一就是薄膜的电镀均匀性，尤其在叠层电镀工艺过程中，薄膜的均匀性对器件的结合强度、尺寸控制等都有重要的影响，若控制不好，很容易使微纳米器件结构失效，从而影响MEMS器件的产业化应用。

因此，如何改善MEMS器件中叠层电镀膜层之间的均匀性问题，以提高器件的可靠性和使用寿命，是学者们力求解决的技术问题之一。

电镀均匀性的影响因素主要包括电流密度、电场分布、线宽、镀液成分、循环方式等几个方面。其中循环方式主要由电镀设备决定，电流密度针对不同的镀液具有一定程度的标准化。因此，在器件电镀过程中电场分布对其均匀性有十分重要的影响。

本文针对MEMS金属器件中镀层的不均匀现象，利用大型有限元分析软件ANSYS进行建模分析，从片外辅助阴极(指的是在电镀单元外设置的导电单元)和片内辅助阴极(指的是在电镀单元内设置的导电区域)进行模拟，并根据模拟结果进行试验，获得能够制备均匀性良好的镀层的工艺参数，为制备性能良好的金属基MEMS器件奠定坚实的基础。

1 MEMS器件电镀的电场分布和建模

MEMS器件电镀主要涉及阳极、阴极(具有微结构图形的晶圆)和电解液。根据法拉第定律，通电后金属的沉积量m可以表示为：

其中，Q为通电量(单位：C)，M为金属的摩尔质量(单位：g/mol)，z为得失电子数，F为法拉第常数

(96485 C/mol)。由式(1)可以得出镀层厚度D与电流密度J之间的关系如下：

其中ρ为金属的密度，t为电镀时间。在时间一定的情况下，微结构镀层的厚度与电流密度(即电场分布)呈正比，因此通过模拟由几何因素决定的初次电场分布来探讨各因素对微器件电镀均匀性的影响规律。

对于整个电镀体系而言，影响电镀均匀性的因素有很多。通过添加片内辅助阴极和片外辅助阴极对改善金属薄膜电镀均匀性比较有利，因此本文对电镀均匀性进行详细的模拟分析。

片内辅助阴极一般采用导电性较好的金属铜，尺寸比电镀单元稍大，与电镀单元在同一平面内。片外辅助阴极为金属铜环，壁厚为0.1 ~ 0.7 cm，放置在电镀单元平面外。

根据目前实验室常用镀镍的衬底尺寸，选用直径为76 mm的电镀阴极衬底，直径100 mm的电镀镍靶材为阳极。电解液主要成分为氨基磺酸镍、氯化镍和硼酸。

采用ANSYS低频电磁场模块中的电场分析模块进行2D模拟。首先，利用绘图功能绘制出与实际电镀状态相似的各部件；其次，对绘制的各个单元进行网格细分；再次，对电镀单元施加边界条件。

有限元模型以及几何参数如图1所示，在阳极施加2 V电压，种子层(阴极)接地。最后，通过计算得到电场分布情况。

为了对微结构的均匀性进行定量描述，引入非均匀性ERROR的概念，定义如下：

其中Hedge表示微结构单元边缘的镀层厚度，Hmiddle表示微结构单元中心的镀层厚度。ERROR越大，表示均匀性越差。

2 电镀均匀性仿真

2. 1 片内辅助阴极对电镀均匀性的影响

如图2所示，添加片内辅助阴极后，电镀单元边缘的电力线被其相邻的辅助阴极分散，电力线密度明显减小，因此电镀均匀性得到提高。

片内辅助阴极的线宽及其与微结构单元(即图2中的电镀单元)之间的距离都对提高电镀均匀性有十分重要的作用。

因此模拟了辅助阴极线宽固定为1 000 µm时或其与微结构单元间距固定为30 µm时，另一个因素变化对微结构单元镀层厚度均匀性的影响，结果见图3。

从图3可知，片内辅助阴极与电镀单元之间的距离越小，或辅助阴极的线宽越大，微结构单元的镀层厚度均匀性越好。

因此，在设计时可以针对工艺的关键尺寸线宽，尽量缩小辅助阴极与微结构单元之间的距离，并根据芯片面积设置线宽尽量大的辅助阴极。

2. 2 片外辅助阴极对电镀均匀性的影响

电沉积过程中使用的设备主要有镀槽、电源以及阴、阳极，待镀试片与阴极连接。

如图4所示，为解决镀层厚度不均的问题，在待镀试片与阴极之间添加了一个绝缘的圆环状挡板，并且在衬底周围加上铜环辅助阴极，借助挡板上小孔对溶液中电力线的收束作用以及铜环对电流的分散作用，使阴极板表面的电场分布趋于均匀。

从图5可以看出，在未添加片外辅助阴极时，电流密度主要集中在基底(即衬底)边缘，这就有可能导致基底边缘的镀层厚度高于中心部分的镀层厚度。

添加挡板和铜环辅助阴极后，电流密度主要分布在挡板边缘和铜环周围，使基底的电流密度分布比较均匀。

考虑到片外辅助阴极的模拟条件下，挡板通孔直径、挡板与基底的距离、铜环壁厚以及铜环与基底的距离(铜环与基底距离为零时是与衬底接触的，和衬底的外框通过卡槽连接在一起)对电流分布都有影响，因此选择这几个参数作为因素，以电流密度误差率η[如式(4)所示]为指标，采用L16(54)正交表进行优化，结果见表1。

式中，Jmax为最高电流密度，Jmin为最低电流密度。η越小，则镀层越均匀。

从极差分析可以看出，挡板与基底间的距离对镀层均匀性的影响最大。从均值分析可知，较优的组合为A4B3C4D1，该组合不在正交表中，因此需要进行验证试验。

结果表明，该条件下的η为0.12，与正交表中η最小的试验7(A2B3C4D1)相差无几。

在实际试验中，可根据衬底情况选择A2B3C4D1或者A4B3C4D1。即：挡板通孔直径4 cm或6 cm，挡板与基底间的距离5 cm，铜环尺寸0.7cm，铜环与基底间的距离0.0 cm。

2. 3 采用优化辅助阴极时所得镀层的平整度

图6是未采用辅助阴极和采用优化的片内、片外(A2B3C4D1)辅助阴极电镀相同时间时所得镍镀层的表面轮廓测试结果。从中可以看出，采用较优辅助阴极后所得镍镀层的平整度更好。

3 结论

针对MEMS金属基器件制备过程中镀层均匀性差的问题，向其中增加片内辅助阴极和片外辅助阴极，研究了片内辅助阴极的尺寸及其与微结构单元的间距对电镀镍薄膜均匀性的影响，以及挡板和片外辅助阴极的尺寸和它们跟基底之间的距离与电镀镍薄膜均匀性之间的关系。

结果表明：随着片内辅助阴极的线宽减小，或其与微结构单元的间距增大，电镀薄膜的均匀性提高；在片外辅助阴极中，挡板与基底的距离对镀层均匀性的影响最大。