专利名称：一种采用电镀来制备软磁材料铁镍合金阵列的方法
技术领域：
本发明涉及半导体制造领域，具体涉及微纳米加工技术领域，尤其涉及一种采用电镀来制备软磁材料铁镍合金阵列的方法。
背景技术：
铁镍合金是一种具备良好软磁性能的材料，具有窄而瘦的磁滞回线，剩余磁化强度和矫顽力都比较小，初始磁导率高达100000以上，在弱磁场以及射频领域有着广泛的应用。尤其作为MEMS电感的磁芯材料，可以极大提升电感值和品质因数(Q值)，使得电感在射频领域下有很好的应用。微机电系统(MEMS)是一种新型多学科交叉的技术，它涉及机械、电子、化学、物理、 光学、生物、材料等多种学科。在纳米加工器件中，经常需要加工一种高性能的磁性材料作为器件的一部分功能材料，例如MEMS电感的磁芯材料。在MEMS加工技术中，通常可以通过真空蒸发(evaporation),派射(sputtering),电镀(electroplating)等方法制备合金薄膜。真空蒸发是指在真空室中加热待蒸发薄膜材料，使其原子或分子从表面气化逸出，形成蒸汽流入射并淀积到固体(衬底)上的方法。溅射是一种高能离子轰击靶材，溅射出原子或分子沉积在阳极基板上形成薄膜的过程。例如，G. S. D. Beach等人在2005年发表的Co-Femetal/native-oxide multilayers:a new directionin soft magnetic thin filmdesign1. Quas1-static properties anddynamic responseCIEEE transaction on Magnetics, 2005. 41 (6) :p. 2043-2052)(中文题目钴铁合金和氧化层多层结构一个软磁性薄膜准静态特性和动态响应设计的新方向)做过CoFe合金的溅射制备工艺研究。而电镀是指利用电解原理在某些金属表面电镀上某些特定成分的金属的方法。电镀方法相比于前两种方法的优点在于制造出来的合金内部应力更小，并且制造过程可以通过调整电镀液的成分来控制合金薄膜的合金比例，从而改善软磁特性。例如，M. Almasi Kashi等人在2011年发表的 Microstructure and magnetic properties inarrays of ac electrodeposited Fe xNi 1-x nanowires induced bythe continuous and pulse electrodeposition0(AppliedPhysics A:Materials Science\&Processing, 2011. 102(3) :p. 761—764)(中文题目米用直流和脉冲电流制备的铁镍合金纳米线的微结构和磁性的分析，国际期刊应用物理快报)做过应用氧化铝阳极电镀制备铁镍纳米线的实验。从以上介绍可知，电镀作为一种成熟的制备合金的方法亟待研究如何在MEMS中实现集成化加工。
发明内容
针对上述对于铁镍合金材料的加工问题，本发明提供一种采用电镀来制备软磁材料铁镍合金阵列的方法，该方法通过配置特定的电镀液来进行特定合金成分的电镀。可以实现低应力，高性能的软磁薄膜，并且易于与其他微纳加工技术工艺集成。本发明提供一种采用电镀来制备软磁材料铁镍合金阵列的方法，按顺序包括如下步骤
基底溅射种子层；
厚胶光刻出阵列图形；
配制电镀液；
设置电源参数，连接电路；
调整电镀时间以及均匀搅拌设备进行电镀；
用丙酮去光刻胶；
用冰醋酸和双氧水去种子层；
在真空室内进行退火；
测试铁镍合金阵列的软磁性能
步骤(a)中基底为硅片，种子层为钛铜种子层，其中钛厚度150 A,铜厚度1500 L
步骤(b)中阵列形状的设计陈列图形和参数设计，阵列图形包括圆形阵列、正方形
阵列、矩形阵列、整块方形和整块圆形，光刻深度为10-50 μ m;参数设计包括阵列尺寸、阵列单元之间的间距，还有阵列图形占整块图形的比例。
·
步骤(c)配制电镀液的成分及浓度包括硫酸镍NiSO4 · 6H20:187g/L、氯化镍NiCl2 · 6H20 :50g/L、硫酸亚铁 FeSO4 · 7H20:64g/L、硼酸 H3BO3 :40g/L、氯化钠 NaCl:20g/L、十二烧基硫酸钠 NaC12H25S04:0. 2g/L)、磷酸 H3PO4:5g/L、糖精 Saccharin:3. 5g/L。当铁镍比例为7:93时，只需改动以下二种试剂硫酸镍NiSO4 · 6H20 :176g/L、硫酸亚铁 FeSO4 · 7H20:18g/L。当铁镍比例为50:50时，只需改动以下三种试剂硫酸镍NiSO4 ·6Η 20 :130. 9g/L，氯化镍 NiCl2 · 6H20 :35g/L、硫酸亚铁 FeSO4 · 7H20:179. 2g/L。步骤(d)电源参数包括电流密度、脉冲频率、占空比、电镀时间，电源提供的是脉冲电流。步骤(C)在电镀液中掺入纳米磁颗粒，以提高合金软磁性能。步骤(h)退火温度600-700°C，通过热处理过程降低内部应力，提升合金材料的均一性。本发明提供一种铁镍合金阵列，是使用上述方法制备，其厚度为10-50 μ m,饱和磁感应强度为IT以上。本发明的目的在于提供一种可靠的集成化铁镍合金阵列的电镀方法，该方法采用特定的电镀液配方达到最优化的合金的比例，从而实现最好的软磁性能。可以在O. 15 μ m的种子层上生长出均一性好，高度均一的10 μ m-50 μ m的薄膜。并且具有工艺简单，易于实现，成本低廉、便于控制实验过程等优点。同时电镀液配方可以自行调整，具有极大的灵活性。在光刻之后进行便于与其他工艺集成化。制作出来的阵列在2000μπι*2000μπι的单元中，便于测量。通过阵列的制造方法，铁镍合金材料的软磁性能得到了极大的提升。同时纳米磁颗粒的加入也对材料的磁性有较大的提升。
通过阅读参照以下附图所作的对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显，附图中相同或相似的附图标记代表相同或相似的部件。
图1为本发明采用电镀制备铁镍合金阵列的方法实施例的步骤流程图；图2-图5为使用本发明所述方法制备的铁镍合金阵列表面的扫描电子显微镜照片，其中图2为圆形阵列的平面图，图3为矩形阵列的平面图，图4为圆形阵列的横截面图，图5为放大倍数较大的表面形态图；图6为本发明采用的电镀装置的设备图；图7为使用本发明所述方法制备的铁镍(20:80)合金阵列的EDX成分分析结果；图8为使用本发明所述方法制备的铁镍(7:93)合金阵列的EDX成分分析结果；图9为使用本发明所述方法制备的铁镍(20:80)合金的磁性测试结果；
图10为使用本发明所述方法制备的铁镍(7:93)合金的磁性测试结果。
具体实施例方式为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式
对本发明实施例作进一步详细的说明。下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能解释为对本发明的限制。实施例一参照图1，图1为本发明一种采用电镀来制备软磁材料铁镍合金阵列的方法，实施例的步骤流程图，包括如下步骤步骤SI，在洁净的(110)晶向的硅片上采用溅射的方法溅射金属Til50 A5金属Cul500A.步骤S2，先在硅片表面滴一滴光刻胶，先以540r/s的速度进行预匀胶60s，然后进行1500r/s的正式勻胶180s,确保光刻胶在娃片表面均勻涂开。在光刻机下曝光125s,之后取出。在80°C下进行烘膜210s。然后进行显影，显影液中浸泡120s。在显微镜下确保显影效果。步骤S3，首先量取一定量的去离子水进行电镀液的配置。(这里以IL为例介绍电镀液的配置)。将去离子水倒入水槽。用电子称量取适量的药品倒入水槽。选用铁镍比例为20:80的电镀液将所有药品加入之后，将水槽放入60°C水浴，并且使用玻璃棒进行搅拌帮助试剂溶解。待试剂完全溶解，使用PH试纸测量PH值并可以通过加入氢氧化钠或硫酸调整电镀液PH值至4.0。步骤S4，根据硅片上需要电镀图形的面积换算电源电流大小，电源电流=电流密度*电镀图形面积。本发明采用4ASD的电流密度，所以可以通过电镀图形面积进行计算需要设定的电源电流的大小。这里假设为80mA。设定占空比为50%，正向导通时间lms，正向关断时间1ms，正向电流2ms，反向电流0，这样就设定0_80mA，占空比50%，频率500Hz的脉冲电流。步骤S5，电路阳极采用洁净的镍块，阴极连接硅片。硅片需要用丙酮擦出电极引出端方便导电。将阴阳极放入电镀液中连接电源，检查电源电流是否正确。通入搅拌装置，使电镀过程中电镀液保持均匀。设定电源导通时间为2h，接通电源开始电镀。步骤S6，设定退火温度670°C，退火持续2h。之后以100°C /h的速率进行冷却。
步骤S7，将硅片浸泡在丙酮溶液中lmin，待表面的光刻胶全部去除之后取出。利用腐蚀液(去Cu :冰醋酸、双氧水和去离子水按照1:1:20的比例的混合液；去T1:氢氟酸和去离子水按照1:60的体积比的混合液)去除硅片表面的Cu、Ti合金种子层。将硅片在去离子水中充分清洗，并烘干。步骤S8，利用划片笔手工裂片，得到样品。对样品进行磁滞回线的测量。参照图2-图5，图2-图5为使用本发明所述方法制备的铁镍合金阵列表面的扫描电子显微镜照片(10 μ m)。从照片可以看出，电镀出来的合金阵列有很好的表面形态和均一性。表面高度差不超过0.5 μ m。图2，图3可以看出阵列表面形态和均一性都比较好，而且从图5中的高倍数放大下可以看出均一性非常良好，从图4中可以看出阵列的横断面没有裂痕瑕疵，电镀效果良好。
参照图7，图7为使用本发明所述方法制备的铁镍合金(20 80)阵列的EDX结果图。结果图显示了铁镍合金比例为20:80.参照图9，图9为试用本发明所述方法制备的铁镍合金(20:80)的磁性测试结果。从磁滞回线的形状和坐标参数可以看出，样品呈现较好的软磁特性。矫顽力较低，为1. 3450e,矩形比为5. 59*10-4，饱和磁感应强度可以达到1T。实施例2 参照图1，图1为本发明采用电镀制备铁镍合金阵列的方法实施例的步骤流程图，包括如下步骤步骤SI，在洁净的(110)晶向的硅片上采用溅射的方法溅射金属Til50A,金属Cul500Ao步骤S2，先在硅片表面滴一滴光刻胶，先以540r/s的速度进行预匀胶60s，然后进行1500r/s的正式勻胶180s,确保光刻胶在娃片表面均勻涂开。在光刻机下曝光125s,之后取出。在80°C下进行烘膜210s。然后进行显影，显影液中浸泡120s。在显微镜下确保显影效果。步骤S3，首先量取一定量的去离子水进行电镀液的配置。(这里以IL为例介绍电镀液的配置)。将去离子水倒入水槽。用电子称量取适量的药品倒入水槽。选用铁镍比例为7:93的电镀液将所有药品加入之后，将水槽放入60°C水浴，并且使用玻璃棒进行搅拌帮助试剂溶解。待试剂完全溶解，使用PH试纸测量PH值并可以通过加入氢氧化钠或硫酸调整电镀液PH值至4.0。步骤S4，根据硅片上需要电镀图形的面积换算电源电流大小，电源电流=电流密度*电镀图形面积。本发明采用4ASD的电流密度，所以可以通过电镀图形面积进行计算需要设定的电源电流的大小。这里假设为80mA。设定占空比为50%，正向导通时间lms，正向关断时间1ms，正向电流2ms，反向电流0，这样就设定0_80mA，占空比50%，频率500Hz的脉冲电流。步骤S5，电路阳极采用洁净的镍块，阴极连接硅片。硅片需要用丙酮擦出电极引出端方便导电。将阴阳极放入电镀液中连接电源，检查电源电流是否正确。通入搅拌装置，使电镀过程中电镀液保持均匀。设定电源导通时间为2h，接通电源开始电镀。步骤S6，设定退火温度670°C，退火持续2h。之后以100°C /h的速率进行冷却。步骤S7，将硅片浸泡在丙酮溶液中lmin，待表面的光刻胶全部去除之后取出。利用腐蚀液(去Cu :冰醋酸、双氧水和去离子水按照1:1:20的比例的混合液；去T1:氢氟酸和去离子水按照1:60的体积比的混合液)去除硅片表面的Cu、Ti合金种子层。将硅片在去离子水中充分清洗，并烘干。步骤S8，利用划片笔手工裂片，得到样品。对样品进行磁滞回线的测量。参照图2-图5，图2-图5为使用本发明所述方法制备的铁镍合金阵列表面的扫描电子显微镜照片(10 μ m)。从照片可以看出，电镀出来的合金阵列有很好的表面形态和均一性。表面高度差不超过0.5 μ m。图2，图3可以看出阵列表面形态和均一性都比较好，而且从图5中的高倍数放大下可以看出均一性非常良好，从图4中可以看出阵列的横断面没有裂痕瑕疵，电镀效果良好。参照图8，图8为使用本发明所述方法制备的铁镍合金(7:93)阵列的EDX结果图。结果图显示了铁镍合金比例为7:93。
参照图10，图10为试用本发明所述方法制备的铁镍合金(7:93)的磁性测试结果。从磁滞回线的形状和坐标参数可以看出，样品呈现较好的软磁特性。矫顽力为29. 130e,矩形比为O. 13，饱和磁感应强度可以达到1. 25T实施例3 参照图1，图1为本发明采用电镀制备铁镍合金阵列的方法实施例的步骤流程图，包括如下步骤步骤SI，在洁净的(110)晶向的硅片上采用溅射的方法溅射金属Til50A,金属Cu1500A 步骤S2，先在硅片表面滴一滴光刻胶，先以540r/s的速度进行预匀胶60s，然后进行1500r/s的正式勻胶180s,确保光刻胶在娃片表面均勻涂开。在光刻机下曝光125s,之后取出。在80°C下进行烘膜210s。然后进行显影，显影液中浸泡120s。在显微镜下确保显影效果。步骤S3，首先量取一定量的去离子水进行电镀液的配置。(这里以IL为例介绍电镀液的配置)。将去离子水倒入水槽。用电子称量取适量的药品倒入水槽。选用铁镍比例为20:80的电镀液将所有药品加入之后，将水槽放入60°C水浴，并且使用玻璃棒进行搅拌帮助试剂溶解。加入磁性纳米颗粒Fe3O4，搅拌电镀液。待试剂和磁性纳米颗粒完全溶解并均匀后，使用PH试纸测量PH值并可以通过加入氢氧化钠或硫酸调整电镀液PH值至4. O。步骤S4，根据硅片上需要电镀图形的面积换算电源电流大小，电源电流=电流密度*电镀图形面积。本发明采用4ASD的电流密度，所以可以通过电镀图形面积进行计算需要设定的电源电流的大小。这里假设为80mA。设定占空比为50%，正向导通时间lms，正向关断时间1ms，正向电流2ms，反向电流0，这样就设定0_80mA，占空比50%，频率500Hz的脉冲电流。步骤S5，电路阳极采用洁净的镍块，阴极连接硅片。硅片需要用丙酮擦出电极引出端方便导电。将阴阳极放入电镀液中连接电源，检查电源电流是否正确。通入搅拌装置，使电镀过程中电镀液保持均匀。设定电源导通时间为2h，接通电源开始电镀。步骤S6，设定退火温度670°C，退火持续2h。之后以100°C /h的速率进行冷却。步骤S7，将硅片浸泡在丙酮溶液中lmin，待表面的光刻胶全部去除之后取出。利用腐蚀液(去Cu :冰醋酸、双氧水和去离子水按照1:1:20的比例的混合液；去T1:氢氟酸和去离子水按照1:60的体积比的混合液)去除硅片表面的Cu、Ti合金种子层。将硅片在去离子水中充分清洗，并烘干。步骤S8，利用划片笔手工裂片，得到样品。对样品进行磁滞回线的测量。参照图2-图5，图2-图5为使用本发明所述方法制备的铁镍合金阵列表面的扫描电子显微镜照片(10 μ m)。从照片可以看出， 电镀出来的合金阵列有很好的表面形态和均一性。表面高度差不超过0.5 μ m。图2，图3可以看出阵列表面形态和均一性都比较好，而且从图5中的高倍数放大下可以看出均一性非常良好，从图4中可以看出阵列的横断面没有裂痕瑕疵，电镀效果良好。参照图7，图7为使用本发明所述方法制备的铁镍合金阵列的EDX结果图。结果图显示了铁镍合金比例为20:80。参照图9，图9为试用本发明所述方法制备的铁镍合金(20:80)的磁性测试结果。从磁滞回线的形状和坐标参数可以看出，样品呈现较好的软磁特性。矫顽力较低，为1. 3450e,矩形比为5. 59*10-4，饱和磁感应强度可以达到1T。以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明。应当认识到，以上所述内容仅为本发明的具体实施方式
，并不用于限制本发明。凡在本发明的实质和基本原理之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。虽然关于示例实施例及其优点已经详细说明，应当理解在不脱离本发明的精神和所附权利要求限定的保护范围的情况下，可以对这些实施例进行各种变化、替换和修改。对于其他例子，本领域的普通技术人员应当容易理解在保持本发明保护范围内的同时，工艺步骤的次序可以变化。此外，本发明的应用范围不局限于说明书中描述的特定实施例的工艺、机构、制造、物质组成、手段、方法及步骤。从本发明的公开内容，作为本领域的普通技术人员将容易地理解，对于目前已存在或者以后即将开发出的工艺、机构、制造、物质组成、手段、方法或步骤，其中它们执行与本发明描述的对应实施例大体相同的功能或者获得大体相同的结果，依照本发明可以对它们进行应用。因此，本发明所附权利要求旨在将这些工艺、机构、制造、物质组成、手段、方法或步骤包含在其保护范围内。
权利要求
1.一种采用电镀来制备软磁材料铁镍合金阵列的方法，其特征在于按顺序包括如下步骤(a)基底上溅射种子层；(b)厚胶光刻出阵列图形；(C)配制电镀液；(d)设置电源参数，连接电路；Ce)调整电镀时间以及均匀搅拌设备进行电镀；(f)用丙酮去光刻胶；(g)用冰醋酸和双氧水去种子层；(h)在真空室内进行退火；(i)测试铁镍合金阵列的软磁性能。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于步骤(a)中基底为硅片，种子层为钛铜种子层，其中钛厚度150 铜厚度15001
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于步骤(b)中阵列形状的设计陈列图形和参数设计，阵列图形包括圆形阵列、正方形阵列、矩形阵列、整块方形和整块圆形，光刻深度为10-50 μ m ；参数设计包括阵列尺寸、阵列单元之间的间距，阵列图形占整块图形的比例。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于步骤(c)配制电镀液的成分及浓度包括硫酸镍NiSO4 ·6Η20:1878/1、氯化镍 NiCl2 · 6H20 :50g/L、硫酸亚铁 FeSO4 · 7H20:64g/L、硼酸 H3BO3 :40g/L、氯化钠 NaCl:20g/L、 十二烧基硫酸钠 NaC12H25S04:0. 2g/L、磷酸 H3PO4:5g/L、糖精 Saccharin:3. 5g/L。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于当铁镍比例为7:93时，只需改动以下二种试剂硫酸镍NiSO4 · 6H20 :176g/L、硫酸亚铁 FeSO4 · 7H20:18g/L。
6.根据权利要求4所述的方法，其特征在于当铁镍比例为50:50时，只需改动以下三种试剂硫酸镍NiSO4 · 6H20 :130. 9g/L、氯化镍 NiCl2 · 6H20 :35g/L、硫酸亚铁 FeSO4 · .7H .20:179. .2g/L。
7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于步骤(d)电源参数包括电流密度、脉冲频率、占空比、电镀时间，电源提供的是脉冲电流。
8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于步骤(C)在电镀液中掺入纳米磁颗粒，以提高合金软磁性能。
9.根据权利要求1所述的方法，其特征在于步骤(h)退火温度600-700°C，通过热处理过程降低内部应力，提升合金材料的均一性。
10.一种软磁材料铁镍合金阵列，其特征在于使用权利要求1-9之一的方法制备，其厚度为10-50 μ m，饱和磁感应强度为IT以上。
全文摘要
本发明的目的在于提供一种采用电镀来制备软磁材料铁镍合金阵列的方法，该方法采用特定的电镀液配方达到最优化的合金的比例，从而实现最好的软磁性能。可以在0.15μm的种子层上生长出高度均一的10μm-50μm的薄膜。并且具有工艺简单，易于实现，成本低廉、便于控制实验过程等优点。同时电镀液配方可以自行调整，具有极大的灵活性。在光刻之后进行便于与其他工艺集成化。制作出来的阵列在2000μm*2000μm的单元中，便于测量。通过阵列的制造方法，铁镍合金材料的软磁性能得到了极大的提升。同时纳米磁颗粒的加入也对材料的磁性有较大的提升。
文档编号C25D15/00GK102995083SQ201210526589
公开日2013年3月27日 申请日期2012年12月7日 优先权日2012年12月7日
发明者张海霞, 李忠亮, 孙旭明, 郑阳 申请人:北京大学