MEMS器件用叠层镍间结合强度的研究

李雪萍，张丛春，姚锦元，王　艳，汪　红，丁桂甫，赵小林

(1. 上海飞机客户服务有限公司，上海 200241; 2. 上海交通大学 微米/纳米加工技术国家级重点实验室，上海 200240)



MEMS器件用叠层镍间结合强度的研究

李雪萍1，张丛春2，姚锦元2，王艳2，汪红2，丁桂甫2，赵小林2

(1. 上海飞机客户服务有限公司，上海 200241; 2. 上海交通大学 微米/纳米加工技术国家级重点实验室，上海 200240)

针对MEMS器件用叠层镍间结合强度差这一难题，开展了基于盐酸化学刻蚀提高叠层镍间结合强度的工艺研究.主要考查了不同盐酸浓度、处理温度等对镍层层间结合强度的影响规律.借助SEM、Veeco轮廓分析仪等观察断面，分析结合强度改善的原因.结果表明：在45℃的温度下，经过50% HCl、10min的化学刻蚀，叠层镍间结合强度达到567.7MPa，比未经化学刻蚀处理的叠层镍间结合强度提高了6倍.通过SEM、Veeco等分析手段，初步解释了结合强度提高的原因.

镍叠层微结构； 化学刻蚀； 粗糙度； 结合强度

电沉积镍膜广泛应用于微齿轮、微泵、惯性开关等MEMS微器件[1-2]中，其制备过程关键技术之一是如何保证各叠层间的结合强度.由于金属镍及合金镀层在空气中经过一段放置或经过研磨加工后极易在表面形成一层难以去除的致密氧化膜，在其上叠加第二层时，不进行特殊处理时，叠层间的结合强度会大大下降，这已成为叠层微器件制造中的瓶颈问题[3-4].

为了保证层间结合强度，传统的镍镀层上镀镍(装饰性电镀中)前处理工艺主要采用硫酸、盐酸单元酸浸蚀或硫酸、盐酸混酸处理以及含氯化镍盐的阳极处理工艺等，但处理方法及工艺条件和镍层间结合强度的关系并无深入研究，能否满足镍层厚度100μm以上微结构器件结合强度的要求有待进一步探讨；也有研究者[5-6]提出采用“活化电位”法，在镍表面闪镀一层铜后再进行镍电镀，可有效地改善镍层间结合强度，但在镍膜与镍膜之间夹入铜膜，使得微器件的化学稳定性有所下降，难以在非硅MEMS微器件中得到应用；在前期研究工作[7]中，我们提出了一种获得镍叠层高结合性能的新方法，但它需要特殊的电源进行处理，工艺使用受到一定的限制.

为了获得高效的工艺规范、高质量的镍层间结合强度，本文重点开展了基于盐酸化学刻蚀的工艺研究.主要考查了不同盐酸浓度、处理温度、处理时间对镍层层间结合强度的影响规律，并借助SEM、Veeco等分析表征手段对结合强度的提高机制进行了初步探讨，为制备高质量MEMS微器件奠定了基础.

1　试验方法

1.1结合强度测试方法

结合强度测试采用孤岛-剪切测试方法，测试试样模型图如图1(见第206页)所示，孤岛直径为500μm，使用的设备为日本RHESCA产的Bonding tester，型号为PTR-1100(图2，见第206页).探头从靠近柱体根部的位置将其推至从基底上脱落，用此过程中力的最大值除以柱体的截面积得到柱体和基底之间的结合强度，各条件下分别测试5组数据，取平均值作为叠层镍间结合强度值.

1.2UV-LIGA技术制备测试试样

孤岛试样采用微加工工艺制备.制作工艺流程如下：(a) 在3英寸玻璃基底上溅射Cr/Cu种子层;(b) 在种子层上电镀第一层镍约200μm;(c) 进行镍层平整化处理;(d) 在不同浓度的盐酸溶液中进行刻蚀处理;(e) 在刻蚀处理后的第一层镍上旋涂40μm厚度的光刻胶;(f) 利用设计好的掩模版进行光刻显影图形化处理;(g) 进行第二层镍电镀;(h) 去除光刻胶，即得到直径500μm、高度约40μm的镍柱阵列，用于结合强度测试.

1.3镀镍工艺及刻蚀工艺

镀镍溶液使用的是氨基磺酸镍镀液，镀液组成如下：Ni(SO3NH2)2·4H2O 500g/L，NiCl2·H2O 5g/L，H3BO325g/L，糖精50mg/L；工艺条件：pH 4.0，温度：45℃，电流密度：20mA/cm2.刻蚀液采用盐酸单酸溶液，体积浓度为5%和50%的盐酸溶液，温度分别为25℃、45℃.为了进行对比，研究用原始试样均为电镀镍层经过平整化处理后，在50℃烘箱中保温5h、室温中放置24h的试样.

1.4测试表征

采用德国Zeiss公司生产的场发射扫描电子显微镜(FESEM Ultra 55型)观察化学刻蚀后的表面微观形貌以及断口微观形貌，表面粗糙度采用三维光学轮廓仪(Optical Profiling System)(WYKO NT1100)观察.

2　结果与讨论

2.1结合强度测试结果

经过不同刻蚀工艺处理得到的叠层镍间结合强度及断面照片见表1.从表1可以看出，盐酸浓度以及刻蚀温度、刻蚀时间的改变对镍层间结合强度有明显的影响，且盐酸浓度越大、刻蚀时间越长、刻蚀温度越高结合强度越大，而且是成倍的增长.经过5% HCl化学刻蚀 5min 后的叠层镍间的结合强度为154.1MPa，比没有经过盐酸化学刻蚀处理的结合强度78.2MPa提高近一倍；在45℃温度下，经过50%盐酸、10min的化学刻蚀，叠层镍间结合强度达到567.7MPa，比未经化学刻蚀处理的叠层镍间结合强度提高了6倍，说明一定工艺条件下盐酸化学刻蚀对镍界面结合强度的提高是十分有效的.同时，从表1还可以看出，结合强度测试后的断口位置和形貌具有明显的差异，没有经过盐酸化学刻蚀处理和经过5% HCl化学刻蚀5min后的叠层镍均是从第一层镍与第二层镍的结合面处断裂的，而经过50% HCl化学刻蚀的叠层镍结合强度，不论是25℃、刻蚀5min，还是45℃、刻蚀10min，其断口位置均不完全发生在界面结合处，而是部分发生在接近界面的镍层上，其结合强度较之5% HCl化学刻蚀5min的明显增大，尤其是经过45℃、刻蚀10min的叠层镍结合强度可高达567.6MPa，完全可以满足MEMS微器件一般使用环境下的结合强度要求.

表1　不同刻蚀工艺条件下叠层镍间的结合强度及断口SEM照片

2.2化学刻蚀表面特性与结合强度的关系探讨

对不同刻蚀条件下获得的镍表面形貌与表面粗糙度进行了观察测试，结果如图3、图4(见第208页)所示.从图3、图4的结果可以看出，镍层经化学刻蚀处理后粗糙度明显大于未处理的情况，盐酸浓度越大、刻蚀时间越长，镍表面的粗糙度越大.未经刻蚀处理的镍表面平滑，且粗糙度较小，经过5% HCl化学刻蚀5min、50% HCl化学刻蚀5min的试样虽然粗糙度值有所提高，但却并不均匀，呈现沟条状，而经过50% HCl化学刻蚀10min的试样不仅具有较大的粗糙度，且具有较好的均匀性.镍表面这种均匀的、较大的粗糙度对结合强度提高具有积极的影响，既有利于镍层与镍层之间的金属键合作用，还能增加机械咬合来提高叠层镍间的结合强度.

2.3微器件应用实例

图5是叠层镍微器件的应用实例.从图中可以明显看出，微型双层齿轮第一层镍如果不经过盐酸刻蚀处理，在器件释放过程中，常常发生分层、导致器件失效(见图5(a))；而经过50% HCl化学刻蚀5min 后的微器件释放后，结构完整(见图5(b))，说明良好的结合强度是叠层器件性能得以发挥的重要保证.

45℃温度下，经过50% HCl、10min的化学刻蚀，叠层镍间结合强度可达567.7MPa，比未经化学刻蚀处理的叠层镍间结合强度提高6倍，完全可以满足MEMS微器件一般使用环境下的结合强度要求.

镍表面粗糙度和均匀性对结合强度有较大影响，45℃温度下，经过50% HCl、10min的化学刻蚀，镍表面不仅全面被腐蚀，且粗糙度达233nm，有效地增加了镍与镍之间的机械咬合作用.

[1]YANG Z Q， DING G F， CAI H G，etal. Analysis and elimination of the ‘skip contact’ phenomenonin an inertial micro-switch for prolonging its contact time [J].JMicromechMicroeng， 2009，19(4)：45017-45027.

[2]WANG P H， TANAKA K， SUGIYAMA S，etal. A micro electromagnetic low level vibration energy harvester based on MEMS technology [J].MicrosystTechnol， 2009，15(6)：941-951.

[3]LARSSON M P， SYMS R A， WOJCIK A G. Improved adhesion in hybrid Si-polymer MEMS via micromechanical interlocking [J].MicromechMicroeng， 2005，15(11)：2074-2082.

[4]ASHURST W R， BOER M P， CARRARO C，etal. An investigation of sidewall adhesion in MEMS [J].ApplSurfSci， 2003，212-213(03)：735-741.

[5]刘清.“电位活化”理论及其提高镀层结合强度工艺研究[D].郑州：郑州轻工业学校，2007.

[6]冯绍彬，商士波，包祥，等.“电位活化”现象与金属电沉积初始过程的研究 [J].物理化学学报，2005，21(5)：463-467.

[7]WANG H， LIU R， JIANG W Q，etal. A novel method for improving the adhesion strength of the electrodeposited Ni films in MEMS [J].ApplSurfSci， 2011，257(6)：2203-2207.

Study on Adhesion Between Stacked Nickel Layers in MEMS Devices

LI Xueping1， ZHANG Congchun2， YAO Jinyuan2， WANG Yan2, WANG Hong2， DING Guifu2， ZHAO Xiaolin2

(1. Shanghai Aircraft Customer Service Co.， Ltd.， Shanghai 200241， China；2.NationalKeyLaboratoryofScienceandTechnologyonMicro/NanoFabricationDepartmentofMicro/NanoElectronics，ShanghaiJiaoTongUniversity，Shanghai200240，China)

In order to enhance the adhesion strength between the stacked nickel layers， nickel films were etched by HCl solution. The effects of HCl concentration and temperature on the adhesion strength were investigated. The fracture surface was examined by SEM and Veeco profiler. The results show that the adhesion strength was greatly increased to 567MPa when the nickel layer was etched in 50% HCl for 10min at 45℃， which was 6 times more than that not etched in HCl.

stacked nickel layers； chemical etching； roughness； adhesion strength

0427-7104(2016)02-0205-04

2015-11-16

教育部科技支撑项目(625010105)；上海市基础研究项目(12JC1404902)；中国工程物理研究院超精密加工技术重点实验室开放基金(KF13001)

李雪萍(1970—)，女，博士，高级工程师，E-mail：lixueping@comac.cc.

TQ 153；TG 156

A