一种Fe‑Ni‑P或Fe‑Ni‑P‑RE非晶合金镀层及其电沉积用镀液和电沉积方法与流程

本发明涉及电沉积技术领域，具体涉及一种fe-ni-p或fe-ni-p-re非晶合金镀层及其电沉积用镀液和电沉积方法，所制备的合金镀层适用于微电子领域以及半导体功能器件等领域。

背景技术：

电子元器件的小型化、薄膜化是电子产品小型化的前提。电感是最基本电子元器件之一，由其构成的功率电感器、扼流器、滤波器等是电子电路必不可少的重要元件。分立电感一般是插装或者贴装基板表面，占用较大的基板面积和封装体积，并且需要电感数量较多，焊点的数量增加影响可靠性，增加成本。

有统计表明，电感、电容、电阻三大无源器件在电路板中占到元器件数目的80％-90％，占基板面积的70％-80％，而芯片面积只占一个系统的10％。电路设计中电源部分的电感元件往往占用电源板表面40％以上面积。若将分立的无源元件实现集成，产品的尺寸缩小幅度将是现在通常预计的几十倍乃至上百倍。随着三维集成微系统技术的开发，如何在芯片上实现功率转换，开发性能优异的芯片电感是微电子行业的重大挑战。

在这种发展背景下，芯片电感集成技术就成为国内外研究的重要热点。电感的集成化的发展与微型化工艺、高性能磁芯材料的开发这两个方面是息息相关的。过去20～30年来，芯片薄膜电感在不断地朝提高磁芯电感的功率密度和q值方向发展，相关研究者已经开展了一系列磁芯材料的研究和产品工艺开发，主要集中在电感结构设计和磁芯材料开发上。gardner等以溅射cozrta薄膜为磁芯材料的电感达到了较高的功率密度，fukuda等以烧结的niznfeo薄膜为磁芯材料的电感达到了较高的q值。为了提高使用频率，减少损耗，非晶材料和铁氧体材料受到了极大的关注。但是以过渡金属为基体的非晶软磁材料可以采用低成本、高效率电镀薄膜工艺达到让人满意的磁性能，这使得电镀高性能磁芯的研究方兴未艾。

根据为herzer的随机各向异性模型：非晶化能大大地提高软磁合金薄膜性能，当晶粒尺寸d小于铁磁交换长度(即单个磁畴的大小)时，hc将与d⁶成正比，起始磁导率μi与d⁶成反比；反之，当晶粒尺寸较大时，hc和μi将与d成反比。这对镀层的性能改良(提高磁导率和减小矫顽力)提供了理论指导，表明了非晶材料及后续热处理形成的微晶材料理论上有较好的软磁性能。

但是，目前已报导的电镀、化学镀fe-ni-p的配方有以醋酸(盐)、柠檬酸(盐)、甘氨酸等为络合剂的体系，矫顽力较大。例如，2012年yu等研究者增加脉冲电镀所得fe-ni-p镀层(fe/(fe+ni)在12～26％之间)矫顽力为57～110oe，增加超声电镀所得fe-ni-p镀层(fe/(fe+ni)在26～51％之间)矫顽力为104oe～156oe(数据发表在surfaceenginering杂志上的论文studyonpreparationofnifepfilmsbypulseelectrodeposition)。zhoushaofeng等研究者在空心玻璃球上化学镀fe-ni-p镀层，所得的矫顽力为80-147oe(2012年，数据发表在materialschemistryandphysics杂志上论文microwaveabsorptionperformanceofmagneticfe–ni–pnanoparticleselectrolesslyplatedonhollowglassmicrospheres)

综上，已有报导的晶态、非晶态fe-ni-p合金镀层大多都是表面较为粗糙、矫顽力较大。

技术实现要素：

针对现有技术中存在的不足不处，本发明的目的在于提供一种fe-ni-p或fe-ni-p-re非晶合金镀层及其电沉积用镀液和电沉积方法，通过采用以乳酸+乙二胺四乙酸为络合剂(在下述描述中简称为la+edta)的fe-ni-p(re)镀液体系，并进一步地对镀液组分浓度、添加剂的加入和工艺参数进行优化，所制备的镀液极化效果优异，可以电镀出成分可控、表面均匀光亮的非晶结构合金镀层。该合金镀层在fe/(fe+ni)大于0.7时，bs在0.9～1.9t之间，hc在0.1～1.3oe，ρ在77～342μω·cm之间，兼顾了高电阻率、高饱和磁感应强度、低矫顽力的磁芯材料要求，是综合性能非常优异的软磁合金薄膜。

为了实现上述目的，本发明所采用的技术方案如下：

一种fe-ni-p或fe-ni-p-re非晶合金镀层的电沉积用镀液，所述电沉积镀液是由主盐、络合剂和水组成，其中：所述主盐的化学成分及浓度为：亚铁盐0.01-0.2mol/l，镍盐0.01-0.2mol/l，含磷酸和/或次亚磷酸盐0.05-0.15mol/l，稀土盐和/或稀土氧化物0-4g/l，硼酸(h3bo3)0.25-1mol/l；所述络合剂浓度为0.05-0.5mol/l，所述水为余量。

所述主盐中：所述亚铁盐为feso4和/或fecl2；所述镍盐为niso4和/或nicl2；所述含磷酸为次亚磷酸、磷酸和亚磷酸中的至少一种；所述次亚磷酸盐为次亚磷酸钠；所述稀土盐为recl3，re为稀土元素。

所述络合剂为乳酸(c3h6o3，2-羟基丙酸)或乳酸盐单组分；或者，所述络合剂为乳酸和edta(乙二胺四乙酸)双组分；或者，所述络合剂为乳酸和乙二胺四乙酸盐(如edta-2na)双组分；双组分络合剂中的乳酸含量大于50wt.％；镀液中水为余量。

所述电沉积镀液中还可以含有抗氧化剂、光亮剂和润湿剂；所述的抗氧化剂为抗坏血酸，抗氧化剂的浓度为0.1-2.3g/l，所述光亮剂为糖精钠或丁炔二醇，光亮剂浓度为0.5-2.5g/l；所述润湿剂为十二烷基硫酸钠，润湿剂浓度为0.1-0.5g/l。

利用上述镀液制备fe-ni-p镀层时，镀液中稀土盐和/或稀土氧化物的含量为零；制备fe-ni-p-re镀层时，镀液中稀土盐和/或稀土氧化物的含量为>0～4g/l，优选为0.25～4g/l。

本发明在基材上电沉积合金镀层前，对基材进行表面处理，去除可能存在的灰尘、油酯、氧化物等，表面处理过程为：以5％的稀hcl进行表面活化，待去离子水冲洗后将其置于镀槽中进行电沉积过程。

对基材进行表面处理后，利用所述镀液电沉积fe-ni-p或fe-ni-p-re多元合金镀层的过程为：采用所述镀液，并在恒电流或恒电压条件下在基材表面上电沉积所述fe-ni-p或fe-ni-p-re多元合金镀层；恒电流条件下的电流密度为3.0～9.0a/dm³，恒电压条件下的电压为-0.9～-3.0v。采用hcl或h2so4调节所述电沉积镀液的ph值为2～5，镀液温度45～70℃。

利用上述电沉积方法在基材上获得多元非晶结构的合金镀层，该合金镀层由fe、ni、p和re元素组成；按重量百分含量计，所述fe-ni-p合金中，fe为5～90％，ni为5～90％，fe+ni＝80～92％，余量为p；所述fe-ni-p-re合金中，fe为5～90％，ni为5～90％，fe+ni＝80～92％，re为>0～5％，余量为p，re为稀土元素，所述稀土元素为la、ce、pr、nd、eu、gd和tb中的任意一种或两种。所述基材为铜、ti或其他金属材料，包括溅射种子层的晶圆、pcb板上金属箔等。

所述合金镀层中各元素的含量通过更改镀液中主盐的含量、镀液中络合剂的含量、增加添加剂和电沉积的工艺参数中任意一种或几种方式进行调节。

所述合金镀层当fe/(fe+ni)大于0.7时，bs在0.9～1.9t之间，hc在0.1～1.3oe，ρ在77～500μω·cm之间，兼顾了高电阻率、高饱和磁感应强度、低矫顽力的磁芯材料要求，是综合性能非常优异的软磁合金薄膜。

本发明所制备的合金镀层应用于微电子领域以及半导体功能器件等领域。

本发明设计原理如下：

在电镀中，镀层的质量与电极极化有极其密切的关系，如镀层的结晶度、光亮度等都受到电极极化行为的影响。极化曲线向电压轴倾斜，但并不平行于电压轴时，则具有较大的阴极极化，有利于提高镀层质量。而络合剂的原理就是与金属离子形成更加稳定的能在溶液存在的络合离子，因为形成的络合离子比之前金属离子的存在形式更加稳定，所以使得金属更难从溶液中沉积出来，增大了电化学极化，从而使得生成更加细腻的晶粒，增大镀层的光亮性以及增加镀层与基体的结合力。

电感应用需要高的饱和磁感应强度以提高其电流处理能力、高的电阻率以减少涡流损耗、低的矫顽力以减少磁滞损耗。本发明制备的fe-ni-p(re)镀层，当fe/(fe+ni)大于0.7时，矫顽力非常低，在0.1～1.3oe之间，而且兼顾了高电阻率、高饱和磁感应强度、低矫顽力的磁芯材料要求。

首先，软磁合金大体是以过渡金属fe、co、ni的一种或两种为基的，这可以用现有的磁性理论简单地解释。材料的磁性要满足两个条件，一为未成对电子贡献的原子磁矩，二是原子间的相互键合时形成铁磁性晶体。fe、co、ni原子磁矩分别为2.2μb、1.7μb、0.6μb，slater-pauling曲线在大量实验的基础上总结了过渡金属合金的原子磁矩与平均电子数的关系，指出含铁量较高的成分范围内fe-co、fe-ni合金的原子磁矩与纯铁接近。而且由于fe、co、ni的的3d电子的波函数存在相互交叠的现象，通过直接交换作用使其金属及合金表现为铁磁性。合金化后磁导率比纯金属有了较大的提高。本发明的fe-ni-p(re)合金镀层饱和磁感应强度与镀层中铁含量有关。当fe/(fe+ni)大于0.7时，bs在0.95～1.9t之间，且1μm厚度的镀层静态磁导率在1600以上。

其次，本发明通过在fe、ni的基础上添加磷元素的引入，fe-ni-p(re)镀层电阻率为77～500μω·cm。该镀层电阻率比未添加磷元素的fe-ni二元合金镀层电阻增加了5倍以上，可减少材料在高频条件下使用的涡流损耗。本发明通过在镀液中添加适量的稀土元素，增加镀液极化的同时，少量的re元素(0-5wt.％)还被诱导沉积进入镀层。但其含量随着镀层中fe含量的升高而下降，因此在高铁含量镀层中，使用能谱仪等定性成分分析手段难以检测，使用波谱仪的电子探针分析铁含量高于50wt.％的镀层，稀土含量少于0.5wt.％。

最后，非晶态材料中也存在对总矫顽力有贡献的多种钉扎效应，包括缺陷微结构造成的体钉扎贡献hc1、化学短程序成团区贡献hc2及局域结构重排的驰豫效应贡献hc3。非晶合金无序度的增加会引起hc2和hc3的增大，而结构缺陷增多对畴壁可逆位移的阻滞作用将增大，引起hc1的增加。因此，在非晶镀层中，矫顽力取决于镀层无序度和结构缺陷的数量。本发明镀液中通过添加乳酸体系络合剂，调整电镀液中各金属离子的析出电位，并将非金属元素诱导沉积可以形成软磁性能优异的非晶合金薄膜，制备的fe-ni-p(re)镀层矫顽力较低也得益于其镀层无序度较低、内部结构缺陷较少。

本发明具有如下优点：

1、本发明提供了极化效果更加明显的、以la+edta为络合剂的fe-ni-p(re)镀液体系。

2、本发明可以获得fe-ni-p(re)多元合金镀层，通过对镀液中主盐的含量、镀液中络合剂的含量、电沉积过程中的工艺参数进行调节，可以得到不同组分的合金镀层，扩大了材料的使用范围。

3、本发明制备的fe-ni-p(re)多元合金镀层，镀层中铁的质量百分比为5％-90％，镍的质量百分比为5％-90％，铁和镍两者质量百分比之和为80％-92％，re0～5％，调节铁、镍、稀土组分的比例可以实现对薄膜材料热膨胀系数、磁性能、电性能的可控调节。

4、本发明采用la+edta体系制备的镀层电阻率(ρ:77～500μω·cm)较高，饱和磁感应强度bs在0.25～1.9t之间，矫顽力hc在0.3～58oe之间。特别地，当fe/(fe+ni)大于0.7时，bs在0.9～1.9t之间，hc在0.1～1.3oe，ρ在77～342μω·cm之间，兼顾了高电阻率、高饱和磁感应强度、低矫顽力的磁芯材料要求，可应用于变压器、电感、射频开关等场合。

5、本发明制备的fe-ni-p(re)镀层，通过镀液中磷元素的引入，大大地提升了镀层的电性能，可减少材料在高频条件下使用的损耗；通过稀土元素的引入，改善了镀层的表面质量。

6、本发明涉及的镀液体系简单、稳定性高、各组分浓度低，具有易于推广、节约成本的经济效益。

附图说明

图1为不同络合剂的极化曲线。

图2为本发明工艺流程。

图3为实施例1试样镀层的表面形貌及对应x射线能谱成分分析。

图4为实施例1试样镀层截面形貌。

图5为晶圆基体及实施例1试样的x射线衍射分析。

图6为实施例1镀层的起始磁化曲线与磁滞回线。

图7为实施例2镀层的起始磁化曲线与磁滞回线。

图8为实施例3试样镀层的表面形貌及对应x射线能谱成分分析。

图9为实施例3镀层的起始磁化曲线与磁滞回线。

具体实施方式

以下结合附图和实施例详述本发明。

目前已有报导的电镀、化学镀fe-ni-p的配方大多以醋酸(盐)、柠檬酸(盐)等为络合剂的体系。对以柠檬酸为络合剂的镀液(简称为cit)、柠檬酸+乙二胺四乙酸为络合剂的镀液体系(简称为cit+edta)、乳酸+乙二胺四乙酸为络合剂的镀液体系(本发明镀液体系，简称为la+edta)这三种镀液进行极化曲线的测量(图1所示)。除络合剂的种类外，镀液中其余成分相同。发现cit和cit+edta的极化程度相差不大，但是cit极化曲线出现拐角(黑色箭头所示)，此处极化趋向于无穷大，在此电位下电镀非常容易烧焦。这也是cit镀层微观结构粗糙、凸包较大的原因，这会进一步导致矫顽力数值增大，增加电感在应用时产生的磁滞损耗。虽然加入edta后，极化曲线变得平缓，极限电流消失，可见复合络合剂有一定优势。在三种络合剂中，本发明中以la+edta为络合剂的镀液极化效果最好，对应所得的镀层均匀光亮。

本发明镀液包括主盐、络合剂和水。所述主盐的化学成分及浓度为：亚铁盐0.01-0.2mol/l，镍盐0.01-0.2mol/l，次亚磷酸(盐)0.05-0.15mol/l，稀土盐或稀土氧化物0.25-4g/l，硼酸0.25-1mol/l；所述络合剂为乳酸或乳酸盐单组分，或者为乳酸和edta双组分，或者为乳酸和乙二胺四乙酸盐双组分，双组分络合剂中的乳酸含量乳酸含量大于50wt.％，络合剂在镀液中的总浓度为0.05-0.5mol/l；镀液中水为余量。用hcl或h2so4调节镀液的ph值为2～5，镀液温度45～70℃。

所述镀液中还含有抗氧化剂、光亮剂和润湿剂，所述的抗氧化剂为抗坏血酸，抗氧化剂的浓度为0-2.3g/l，所述光亮剂为糖精钠或丁炔二醇，光亮剂浓度0-2.5g/l；所述润湿剂为十二烷基硫酸钠，其浓度为0-0.5g/l。

本发明工艺流程如图2所示，具体如下：

(1)基底的除油清洗。首先，使用去离子水清洗表面，再将基底置于50℃除油碱液中清洗表面可能存在的油脂。除油碱液的配置为naoh10g/l和na3po420g/l的混合液。碱洗后使用去离子水冲洗，吹干备用。基底的酸洗：配置5％的hcl或稀h2so4的酸洗液，将基底置于酸洗液中，可去除铜表面的氧化层，实现表面活化的目的。酸洗后用去离子水冲洗，吹干备用。

(2)配置镀液，选择镀液中主盐、络合剂、添加剂等浓度、成分浓度。具体步骤为先将硼酸溶于85℃的去离子水中，搅拌溶解，加入稀土元素、次亚磷酸钠、络合剂等，备用。注意的是edta(-2na)需要在碱性环境下溶解后再与镀液其他组分混合，防止其在酸性环境产生沉淀。最后将两种溶液混合，加入使用naoh和/或hcl将所得的混合溶液的ph调节至想要的范围，此次调节ph值可以偏大，但是不能偏小。最后在混合溶液中加入铁盐、镍盐。使用hcl微调ph，倒入容量瓶中定容。加入铁盐、镍盐后不可用naoh调节ph，以防沉淀。调整镀液温度。

(3)确定电沉积工艺：选择某一电流密度，根据需要电镀的表面积，计算施加的电流。若有不需电镀部分，可用光刻胶、树脂覆盖或进行其他绝缘处理。选择电镀所需的阴极、阳极材料，选择是否增加磁场电镀。

(4)恒电压或恒电流持续通电一段时间。

(5)清洗及干燥：电镀时间结束后，立刻停止通电，停止搅拌。由于镀液为酸性环境，需将镀层迅速拿出镀槽，使用去离子水清洗，小心吹干。

实施例1

将溅射有100nmti、400nmcu种子层的晶圆片进行表面处理：去除可能存在的灰尘、油酯、氧化物，以5wt.％的hcl进行表面活化，待去离子水冲洗后置于镀槽中。镀液的组分为：feso4为0.04mol/l，niso4为0.06mol/l，nah2po2为0.1mol/l，cecl30.2g/l，h3bo3为0.25mol/l，c3h6o30.1mol/l，edta0.02mol/l，抗坏血酸0.5g/l，十二烷基硫酸钠0.5g/l，其余为水。调节镀液ph值为4，加热至60℃，电流密度为3.5a/dm²，电镀15min进行电沉积。

镀层表面形貌如图3所示，右上角插图为x射线能谱仪对镀层元素分析的结果；所制备的镀层成分如下：58fe-24ni-18p(质量百分含量)，稀土元素含量较低，x射线能谱仪(eds)未能检测出来。

镀层截面形貌见图4，与基体结合良好，厚度为1.5μm。图5为晶圆基体及镀层的x射线衍射分析。晶圆基体上检测出cu种子层(111)和(200)的衍射峰。电沉积15min后，所得的镀层为非晶结果，x射线衍射分析发现，存在一个宽化的馒头峰，属于明显的非晶结构。由于x射线的能穿透深度较大，镀层x射线分析还反应了部分基体的信息，因此也能观察到基体上cu种子层的衍射峰。图6为该镀层的起始磁化曲线与磁滞回线。该镀层饱和磁感应强度为1.0t，矫顽力为0.8oe。对起始磁化曲线求导，发现该镀层最大的静态磁导率为1020。

实施例2

将溅射有100nmti、400nmcu种子层的晶圆片进行表面处理：去除可能存在的灰尘、油酯、氧化物，以5wt.％的hcl进行表面活化，待去离子水冲洗后置于镀槽中。镀液的组分为：feso4为0.2mol/l，niso4为0.2mol/l，nah2po2为0.15mol/l，ndcl30.2g/l，h3bo3为0.5mol/l，c3h6o30.15mol/l，edta0.15mol/l，抗坏血酸0.5g/l，十二烷基硫酸钠0.5g/l，其余为水。调节镀液ph值为4，加热至60℃，电流密度为5a/dm²，电镀时间为60min，所得镀层厚度为7.8μm，镀层的成分为70fe-20ni-10p(质量百分含量)。图7为该镀层的起始磁化曲线和磁滞回线。该镀层饱和磁感应强度为1.0t，矫顽力为0.3oe。对起始磁化曲线求导，发现该镀层最大的静态磁导率为408。

实施例3

将cu片进行表面处理：去除可能存在的灰尘、油酯、氧化物，以5％的hcl进行表面活化，待去离子水冲洗后置于镀槽中。镀液的组分为：feso4为0.05mol/l，nicl2为0.05mol/l，nah2po2为0.1mol/l，ndcl30.5g/l，h3bo3为0.25mol/l，络合剂c3h6o30.5mol/l，edta0.05mol/l，其余为水。调节镀液ph值为3，加热至40℃，电流密度为4.5a/dm²，电镀时间为15min进行电沉积。

镀层表面形貌如图8所示，所制备的镀层成分为78fe-7ni-15p(质量百分含量)，稀土元素含量较低，x射线能谱仪(eds)未能检测出来。镀层厚度为1.7μm。图9为该镀层的起始磁化曲线与磁滞回线。该镀层饱和磁感应强度为1.3t，矫顽力为1.3oe。对起始磁化曲线求导，发现该镀层最大的静态磁导率为1287。

实施例4

将cu片进行表面处理：去除可能存在的灰尘、油酯、氧化物，以5％的hcl进行表面活化，待去离子水冲洗后置于镀槽中。镀液的组分为：feso4为0.02mol/l，nicl2为0.08mol/l，nah2po2为0.15mol/l，gdcl30.5g/l，h3bo3为0.25mol/l，络合剂c3h6o30.45mol/l，其余为水。调节镀液ph值为3，加热至60℃，电流密度为4.5a/dm²，电镀时间为15min进行电沉积。所制备的镀层成分为22fe-66ni-12p-2gd(质量百分含量)。所得镀层为非晶镀层，镀层表面光亮，厚度为1μm。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。