微电铸工艺工艺参数.docx

1、微电铸工艺工艺参数大连理工大学研究生试卷类别标准分数实得分数平时成绩10作业成绩90总分100授课教师签 字系 别： 机械工程学院课程名称微制造与微机械电子系统 学 号：姓 名： 考试时间：2013年 1 月 15 日微电铸工艺工艺参数（大连理工大学机械工程学院 大连 116024）摘要：随着MEMS和LIGA两种技术的发展,微电铸工艺以其独特的优势，受到越来越多的关注。本文介绍了微电铸的基本原理和特点及其一些研究现状和发展趋势。文中着重强调了微电铸工艺的工艺参数，如电源波形，PH值，阴极电流密度，空气搅拌，电解液温度等。以及研究人员为了得到更好的铸层效果，对其工艺参数进行优化所取得的成就，体

2、现在气孔问题的解决，残余内应力的消除，镀层不均的改善等。关键词：微细加工 微电铸 工艺参数 Micro-lectroforming TechnologyProcess Parameters(Dalian University of Technology, Department of Mechanical Engineering, DaLian 116024)Abstract：With the development of the technology of MEMS and LIGA, Micro-electroforming technology with its unique advant

3、ages is inducing more and more attentionThis Paper mainly introduced the fundamental and characteristics of micro-electroforming, and its some research and development trends. The article emphasized the process parameters of the micro -electroforming technology, including Power waveform,PH value, ca

4、thode current density, stirring, temperature of electrolyte and so on.As well as in order to get a better cast layer， researchers optimize the process parameters to obtain achievements,including the solution of the problem to hole,the elimination of residual internal stress, the improvement of poor

5、evenness and so on. Key words: Micro-fabrication Microelectroforming Process parameters0 前言微电铸工艺(Micro Electroforming Technology)是随着MEMS技术的快速发展，在继承传统电铸工艺特点的基础上，形成是一种非硅基微细结构加工的重要精密电铸技术,广泛用于MEMS技术领域1。微电铸技术与常规电铸技术不同,它是适用于微小结构成型而建立的加工技术, 既可以看作有掩模电镀在高深宽比方向发展的结果,也可以认为是传统电铸技术在微细加工模具基础上的延伸 2。LIGA技术2.3首先是由德国

6、卡尔斯鲁厄核物理研究中心研究出来的。该技术被认为是制造微型机械最有前途的方法，具有加工精度高、线宽小、取材广泛、等优点。LIGA是德语X射线光刻（X-ray lithographie）、电铸（galvanoformung）和模压（formtechnik）的缩写4，微电铸作为其中的一个非常重要的工艺环节，也是其它方法难以替代的。作为一种世界上先进的制造技术，微电铸工艺的突出优点为：微小结构成型、复杂结构成型、高精度和批量生产等，主要用于制作各种精密、异型、复杂、微细等难以用传统加工方法制得的或加工成本很高的结构，适用于航天、 航空、仪器仪表、核工业、微型机械等高新技术领域5,6，且日益受到人们的

7、关注。下面对微电铸工艺技术进行系统的介绍，并指出现在的一些发展现状和研究成果，给出一些问题的解决思路。1 微电铸的基本原理及特点1.1 微电铸的基本原理微电铸与传统电铸技术有着相同的原理和相似的工艺过程，但因为该项技又跟传统的宏观电铸有着显著差异。微电铸本质上来说是它利用电镀的原理（其主要的工作原理是基于电化学原理，但是有别于电镀以及传统电铸）,将各类金属(包括合金)沉积在特定设计的母模上,待累积到相当厚度再与母模脱离,便可形成电铸工件，它本质上是电镀的一种特殊形式。阳极、电解液、待镀工件模具(阴极)和电源是微电铸电化学沉积的基本要素。电解液中包含希望沉积的金属离子,它在电解作用下，在作为阴极

8、的工件模具表面沉积,多数情况下微电铸液的金属离子可以从阳极金属的溶解反应中得到补偿2。微电铸的工作示意图7如下： 在阳极反应：M-ne-Mn+在阴极反应：Mn+ne-M同时伴有氢气析出：2H+2e-H2图1微电铸的工作示意图如图1所示：阳极为用于电铸的金属材料，阴极为导电的原模。微电铸液中的金属离子与阳极金属种类相同。在直流电的作用下。阴阳两极便发生电化学反应 ,即阳极金属则不断地生成金属子溶解子电铸液中,使其金属离子的浓度保待不变；同时电铸液中的金属离子在阴极还原成金属,并沉积于原模表面，阴极原模上的电铸层逐渐变厚 ,直至达到加工要求为止。铸件取出铸件后,经脱模可获得与原模型面凹凸相反的产品

9、。其工艺示意图如图2所示：图2 LIGA电铸的工艺工程示意图1.2 微电铸的特点微细电铸主要是针对微小结构的加工技术，是相对于常规的电铸技术建立起来的新概念。其主要应用于L1GA和准LIGA技术中进行精细结构的加工。与传统电铸工艺相比，微电铸工艺有其独特的优势，主要有以下几个其特点 3,7： 1)对微电铸时沉积反应物质传输造成障碍的是位于电铸基底表面的高深宽比光刻胶结构。对于传统的电铸，电铸液离子传递到阴极表面并沉积下来有三种方式：扩散、对流和电迁移。在微电铸中,它孔道内的质传递定性模式如图三。由于掩膜微结构形式多样性，以及高深宽比微结构的屏蔽作用，将会导致不同电沉积区域稳定扩散层厚度的显著差

10、异，从而使结晶习性、沉积速度和内应力表现不同，影响整体结构。 图3:不同线宽的微结构电铸时质传递定性模式2）因为传统电铸的屏蔽作用，难以密实填充微细深孔，往往会形成密闭的空腔。但是由于需要电镀微型模具的光刻胶微结构不导电的特点，又给细缝和深孔的填充都创造了可能。由各种深度光刻和刻蚀所形成的深孔、深槽,其侧壁一般不会导电，对于进入孔内电流不会产生屏蔽作用,所以制造高深宽比金属微结构，可以通过微电铸填充微型缝隙和孔洞；3）镀件起始面处于同一个平面上, 整体尺寸较小,被不导电的光刻胶分割成不同形状的区域。这些微小区域有的相互连通,有的相互隔绝,但是由于尺寸较小又处于同一个平面上,所以存在电流分布严重

11、不均匀现象(不同区域之间填充比例差距较大),采用仿形性阳极也无法加以弥补；4）由于微电铸工件所要填充的孔洞都是盲孔，所以镀液的浸润和完全填充需特别注意。同时，微电铸过程中析出的氢气也需要设法及时予以排除。由于表面张力的原因，开口很小的微细盲孔很难为普通电解液所填充，解决该问题的常用办法是添加表面活性剂以降低电镀液表面的张力，但是效果也不是很好，仍然必须辅以超声搅拌或机械震动等措施才能够使存于盲孔内的气体离开，这些都是要在工艺设计中加以考虑的。总结上面的分析可知微电铸除了兼有传统电铸和掩模电镀两个特征，而且还有它自身需要解决的独特问题，因此需要开展深入系统的工艺技术研究。2 微电铸工艺参数的研究

12、现状和发展趋势2.1 微电铸工艺参数一个完整的电铸工艺包括母模的制作技术、电铸沉积技术、离模及后处理技术，微电铸工艺包含的技术内容1如下： 图4 微电铸工艺包含的技术内容 下面主要介绍下微电铸的工艺参数，即微电铸工作时的操作变化因素，包括电源波形、电流密度、温度、PH值和搅拌等7。对于不同的材料和电解液，必须对脉冲参数及操作条件(例如电源波形，温度，PH值等)进行最佳的参数组合实验才能获得优良的铸层。1）PH值硼酸在PH值为3.85.2范围内，缓冲作用最好。若其他条件一定时，溶液PH值在5以上时，镀层内应力会因氢氧化物夹杂而升高，晶粒变得租糙，延伸率下降，铸层的硬度和拉伸强度将迅速增加；溶液P

13、H值低，溶液的导电性增加，阴极极限电流密度上升，阳极效率提高，但与此同时析氢多，镀层容易产生针孔，且阴极效率降低。因此PH值不能太高也不能太低，一般控制在3.64.8较为适宜，通常较高的PH值只有在常温条件下使用的微电铸液才允许使用。2）电源波形 电源波形是非常重要的一个工艺参数，比如铸层的结晶组织、光亮度、添加剂的消耗等方面都受到电源的波形影响。周期换向电流就是周期性地改变直流电的方向，而单向电流周期性地被中断是脉冲电流，目前在微电铸工艺中一般采用这两种电流。脉冲电流可提高电铸沉积层金属的导电性和硬度，也可以减少氢气的析出，提高阴极电流效率，从而减少针孔、条纹和氢脆等。脉冲波形主要有正弦波、

14、三角波、方波和锯齿波等，对于单金属电铸，方波的效果最好。脉冲电流波形的特点是，在接通瞬间可以在电极得到较直流高得多的电流密度；断开后，电极也可以迅速恢复至原状。因此脉冲电流波形可以提高电极的电化学极化，产生细致的铸层，消除浓差极化，且使吸附在阴极表面的杂质、氢气等脱附，有利于减少缺陷，提高铸层的纯度。矩形脉冲电流波形2如图5： 图5 矩形脉冲电流波形矩形脉冲电源主要参数9如下：Ton：脉冲时间，即电流接通时间，单位s；Toff：松弛时间，即电流断开时间，单位s；T：周期，T=Ton+Toff，单位s；f：频率，f=l/T,单位Hz；Ip：脉冲电流密度，单位Adm2；Im：平均电流密度，单位Ad

15、m2；R：占空比，Ton/(Ton+Toff)=Ton/T；从参数定义可以看出，f、R、Im作为基本参数，通过三者不同搭配，构成不同的脉冲波形。3）阴极电流密度微电铸溶液中总存在一个可以获得良好微电铸层的电流密度范围，电流密度下限是获得良好铸层的最小电流密度，而其中的最大电流密度称为电流密度上限。低的电流密度可以避免由于高深宽比微结构所造成的极限传质控制；但是电流密度过低，阴极极化作用小，镀层的结晶晶粒较粗，镀速较慢，工作效率也不高，一般避免采用过低的阴极电流密度。应以深宽比最大的深孔或细缝为参考选择电流密度，深宽比越大，允许的电流密度越小。但是阴极电流密度不能超过允许的上限值，由于阴极附近缺

16、乏金属，故在阴极的尖端和凸出处会产生形状如树枝的金属层，或者在表面产生如海绵的疏松铸层。4）空气搅拌一般的搅拌对深孔和细缝的对流传递作用不大，但是适度的搅拌也可以促进电解液中气体的析出，改善工件的均匀性；部分微电铸设备中已经采用旋转电极来产生强对流的搅拌方式，能够明显提高搅拌的效果；单一方向的流动搅拌容易造成结构严重不对称，采用搅拌的微电铸液必须进行定期或是连续的过滤，以除去溶液中的各种固体杂质和渣滓，否则会降低铸层间的结合力并使铸层粗糙、多孔、疏松。搅拌会加速溶液的对流，使阴极附近消耗的金属离子得到及时的补充和降低阴极的浓差极化作用，因而在其他条件相同的情况下，搅拌会使铸层结晶变粗。但是采用

17、搅拌后，可以通过提高允许的阴极电流密度上限值，克服因搅拌作用而产生的结晶变粗现象。因此在一定的条件下采用搅拌可以在较高的电流密度下得到紧密细致的铸层。5）电解液温度电解液温度的限制因素主要在于镀液的稳定性和高深宽比掩膜微结构的稳定性。当其他条件不变时，升高溶液的温度，通常会加快阴极反应速度和离子扩散速度，因此可以增加电流密度的上限值，同时改善电沉积的分散能力，虽然对阴极极化有一定抑止，但是总体上倾向于采用较高的工作温度。当温度与其他条件配合合适时，同样可以取得很好的效果。例如升高电解液温度带来的不足，可以通过提高允许的阴极电流密度的上限值，增大阴极极化作用。这样不但加快铸层沉积的速度，提高生产

18、率，而且可以得到精密细致的铸层。此外还可以提高溶液的导电性、提高阴极电流效率、促进阳极溶解、减少针孔、降低铸层内应力等效果。2.2 微电铸工艺参数的研究现状 LIGA技术首先是由德国卡尔斯鲁厄核物理研究中心研究出来的 ，被公认为是一种全新的微细加工技术，其最初研究的目的是为了加工出能够将铀同位素进行分离的特别微小的管嘴。能够实现制造平面尺寸在微米级、结构高度达几百微米的微结构。LIGA工艺流程示意图10如图6： 图6：LIGA技术工艺 流程示意图 随着LIGA技术的推广，微细电铸工艺引起了人们广泛的关注，成为研究热点。国内外都对其进行了深入到研究11，比如：英国伦敦光学与半导体器件集团的Hol

19、mes A S等人研究了硅表面的多层电铸技术，提出了一套简单的镍金属多层电铸工艺，制作出了摇摆马达和微蜗轮等微器器件12；康奈尔大学对镍钴合金电铸进行了研究，他们提出在有机材料的生物传感器热压工艺中，热压模板的性能至关重要，而常用的硅模板脆性较大、延展性较差，镍金属模板则体现出过大的内应力和较小的表面硬度，都不完全满足模具的使用要求。研究发现，采用镍钴合金微细电铸得到的模板能够克服以上的缺点，是制作生物传感器热压模具的合适材料13；中国科学技术大学同步辐射实验室的田扬超等人，对微电铸应用在LIGA技术中的情况做了介绍，并利用它制作了阵列微圆柱、微流量计等，对微细电铸电流与铸层质量之间的关系展开

20、了研究14；上海交通大学微纳米科学研究院陈迪等人提出了DEM技术，该技术用深层刻蚀工艺来代替LIGA工艺中的同步辐射X光深层光刻，然后进行后续的微细电铸和微复制工艺15；利用该技术加工了深度为180微米，深宽比大于20的微结构，该项技术可对非硅材料，如金属、塑料或陶瓷进行三维微细加工；南京航空航天大学朱荻研究组的徐惠宇等，进行了直流和脉冲电流铜的沉积实验，分析了沉积层微结构和电铸层性能16。由于LIGA技术所加工的微结构具有高深宽比的特点，往往用于对高深宽比的深孔、深槽进行微电铸，使其面临两个方面的问题18。一方面是，电铸液中消耗掉的金属离子等不到及时补充，导致电铸出的微结构含有空隙、气孔和电

21、铸不均匀的情况；另一方面是，由于电镀液的表面张力，电镀液很难进入深孔、深剧槽；针对微电铸工艺面临的问题,研究人员从理论和试验同时开展工作,探索微电铸的内在规律,目前主要的研究集中在：1）利用电化学的测量技术来研究微电铸过程电极反应的典型电化学特征,为镀液改良和工艺参数优化提供电化学依据；2）基于对大深宽比微结构是微电铸工艺关键影响因素的认识,建立能够体现大深宽比微区传质特征的电极界面模型。3）探索提高铸层质量的方法，优化微电铸工艺。采取脉冲超声、脉冲射流等电铸方式，辅用象形阴极等措施来提高铸层厚度的均匀性，同时改变电铸材料，用合金代替单金属来获得晶粒更细致的铸层；不管怎么说更具有实用价值的研究

22、是要形成一些指导性的工艺规范，比如对选定的镀液体系，工作参数、进行镀液组成和微电铸结果的进行比较分析，最终确定优化的工作条件。下面对已经形成共识的部分做简单总结见表1，并列举一些微电铸工艺的实验改进：1）气孔问题的解决由于Ni的标准电极电位比氢的标准电极电位低，致使氢容易在Ni之前从阴极上析出，形成气孔。但考虑到，镍与氢的析出电位与它们的离子有效浓度和过电位有关，于是我们分别从三个方面对气孔的产生进行了预防和改善。、控制PH值；、电解处理；、添加活性剂。2）残余内应力的消除内应力是反映铸层质量的重要因素,可分为张应力和压应力,张应力过大会产生铸层裂纹,甚至剥落,压应力过大则会引起铸层起泡或结构

23、变形。在实际生产中为了降低铸层内应力,在电铸液中加入含碳或硫添加剂的方法已经得到应用。对于微电铸工艺而言,过大的内应力会使结构严重变形,造成脱模困难,因此微电铸的残余内应力为零应力的理想状态效果最好。3）镀层不均的改善20微电铸时容易形成镀层不均匀的现象，在电铸设备和电铸液已经选定的条件下，可采取增加第二阴极的方法来提高电铸厚度的均匀性。电铸时，第二阴极与第一阴极之间的间距不能超过2.5mm，过大的间距没有太大意义，对均匀性的改善也没相应的作用。实验中用两个电源设备分别为两个阴极提供密度大小相等的电流，这样做是为了减小第一阴极上电铸结构边缘处的金属离子浓度，进而减小边缘处的金属生长速度，提高厚

24、度均匀性。表1微电铸镍技术要素总结2镀液体系氨基磺酸盐体系或硫酸盐体系主盐浓度一般取该类电镀液的上限，包含一定量的氯化物作为阳极活化剂，尽量少用添加剂。控制目标镀层均匀性和内应力是最重要的控制目标关键影响因素及其操作规范阴极电流密度低的电流密度容易满足良好深层微电铸的基本条件，避免因高深宽比微结构所造成的极限传质控制，但是电流密度过低，阴极极化作用小，镀层的结晶晶粒较粗，而且电流密度越小，镀速越慢，工作效率不高；电流密度过高，虽然镀速很快，但是会使阴极附近严重缺乏金属离子，从而形成疏松的镀层应以深宽比最大的深孔或细缝为参考选择电流密度，深宽比越大，允许的电流密度越小。溶液温度升高溶液温度，能够

25、显著提高参与电极反应物质的传质速度，因此可以增加电流密度的上限值，同时改善电沉积的分散能力，虽然对阴极极化有一定抑止，但是总体上倾向于采用较高的工作温度，其限制因素主要在于镀液的稳定性和高深宽比掩膜微结构的稳定性，特别是氨基磺酸镀液一般不能超过60oC，硫酸盐镀液也不宜超过65oC,否则系统的长期稳定性不够。溶液搅拌一般的搅拌对深孔和细缝的对流传质作用不大，但是适度偏强的搅拌还可以促进阴极析气的脱离，改善工件宏观均匀性。单一方向的流动搅拌容易造成结构严重不对称，超声搅拌效果确切，但是长时间容易造成掩膜脱落。采用旋转电极产生强对流的搅拌方式已经被部分微电铸设备协调采用，能够提高搅拌的效果。镀液电

26、导率提高电导率可以显著提高分散能力和覆盖能力，从而提高镀层在阴极表面的均匀分布，但是并不常采用添加导电盐的方式提高镀液电导率，因为主盐浓度一般取上限，操作余地不大。PH值一般PH值在3-6 之间，PH值高的镀液虽有好的覆盖能力，但是PH值过高，容易因氢氧化物夹杂而导致镀层内应力升高，晶粒变得粗糙。PH值低的镀液，可以提高电流密度，有利阳极溶解，但析氢多，镀层容易产生针孔。应根据目标器件选择，一般在4-5之间为宜。添加剂出于控制内应力的目的，微电铸镍一般不使用光亮添加剂，特别是第二类光亮剂，但是作为消除应力的添加剂，在硫酸盐镀液体系中，常常使用糖精之类磺酸盐，而氨基磺酸类镀液则不需要添加，否则容

27、易产生压应力，同样比较难以控制。阳极含有氯化物的镀液可以采用一般纯镍阳极，适当的屏蔽或者仿形有助于改善电沉积的宏观均匀性，必须使用阳极袋以减少颗粒杂质影响铸件性质的可能性。镀液循环循环过滤是保证镀液稳定工作的关键手段之一，采用孔径为2微米-5微米的滤芯即可满足净化要求。循环也流通常可以发挥搅拌作用。电源通常使用直流电源，也可以采用脉冲电流，能够减晶粒尺度，提高镀层的硬度，具有电镀较厚镀层的能力；在某些场合下，使用脉冲电流还可以减少氢的析出、提高阴极电流效率，从而减少针孔、条纹和氢脆等。2.3 微电铸工艺的发展趋势微电铸是一个复杂的工艺过程，受到多个因素的影响。为了精确把握各组成部分的性能，优化

28、工艺。许多研究人员都在工艺参数的优化上面花费了很大的精力。从微电铸工艺的研究现状以及技术难点，结合实际的需求，整体看来,目前微电铸工艺有两个明显的发展趋势6:1)微电铸的一个发展趋势就是与高新技术相结合,谋求共同发展。从1980年发展起来的LIGA技术将微电铸与同步辐射X射线光刻、微模铸有机地结合起来,不仅拓宽了微电铸工艺的应用领域而且体现了微电铸工艺在微机电制造方面的独特优势；微电铸工艺与快速成型技术的结合使模具的制造周期大大的缩短了,经济效益和社会效益是很明显的。其中,选择性射流电铸就是微电铸工艺与数控加工技术的有机融合,它通过工作台在三个方向移动实现喷嘴对阴极表面的仿形,同时控制微电铸直

29、流电源的通断,实现了在阴极表面指定位置的快速电沉积。2）微电铸工艺从单金属电铸开始向合金电铸、混合电铸和多层电铸方向发展。合金电铸以其优越的物理机械性能得到了广泛的应用，主要有镍铬合金、镍锰合金、金锡合金、锌镍合金、锆铝合金等；混合电铸是在常规的微电铸溶液中,采用共同沉积的方式掺入细小的固体颗粒,以改善电铸层的性能；多层电铸则是在沉积表面有选择地依次沉积两种或多种金属层的技术。3 结束语微电铸工艺是一个十分庞大、复杂的工艺体系,影响沉积层微观结构和性能的因素有很多,还有许多技术问题需要解决,如在电铸时沉积速率的提高、铸层内应力的控制、电铸液成分的改进和沉积层性能的优化等方面,都需要更进一步深入

30、研究。随着科学技术的发展，问题慢慢都会解决。可以预见微电铸将来在MEMS领域将拥有美好的前景,今后在微加工技术的的应用与推广上必将发挥越来越重要的作用。参考文献1 黄新龙. 若干微电子机械系统研制及相关LIGA工艺研究 C.合肥：中国科技大学出版 社，2009.5.HUANG Xinlong. Some Microelectromechanical Systems and Related LIGA TechniquesC. Hefei: University of Science and Technology of China Publishing House, 2009.5.2 李永海,丁桂

31、甫,毛海平,张永华. LIGA /准LIGA技术微电铸工艺研究进展J. 电子工 艺技术，2005，26（1）：1-6.LI Yonghai, DING Guifu, MAO Jianping，ZHANG Yonghua. The Development of Microelectroforming Process of LIGA/Quasi-LIGA TechnologyJ.Electrical Engineering Technology, 2005，26（1）：1-6.3 吴广峰,胡鸿胜,朱文坚. LIGA 工艺基础及其发展趋势J.机电工程技术，2007，36（12）： 89-92.WU Guangfeng, HU Hongsheng, ZHU Wenjian. LIGA Process on the basis of its development trendsJ.Electrical Engineering Technology, 2007，36（12）：89-92.4 刘广玉,樊尚春,周浩敏.微机械电子系统及其应用 M.北京: 北京航空航天大学出版 社，2003.LIU Guangyu,FAN Shangchun,ZHOU Haomin. Micro mechanical electronic sys