电镀层均匀性的Ansys模拟与优化

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1、电镀层均匀性的Ansys模拟与优化董久超，王磊，汤俊，刘瑞，汪红，戴旭涵。(1．上海交通大学微电子学院，上海200030；2．上海交通大学微纳科学技术研究院薄膜与微细技术教育部重点试验室微米／纳米加工技术国家级重点试验室，上海200030)摘要：尝试用Ansys有限元软件对电镀过程中电力线分布进行模拟分析，并采用一些辅助措施改进电镀模型，力求使电镀层厚度的均匀性有所提高。模拟分析发现：在阴阳极之间加上一块中间带孔的挡板，可以改善镀层的均匀性。当辅助挡板的孔径为5cm、且离开阴极5．25cm时，电镀层厚度的相对误差由无挡板

2、时的41．89／6降为24．3，通过电镀试验验证模拟分析，结果两者显示出较好的一致性。关键词：微机电系统；电镀；均匀性；模拟；有限元分析中图分类号：TQ153文献标志码：A微机电系统(MicroElectro—Me—chanicalSys—terns，MEMS)作为一个新兴的技术领域，在信息、通信、国防、航空航天、医疗和生物工程等领域的应用必将越来越广泛。MEMS技术的快速发展，给传统的电镀技术带来了前所未有的活力。由于电镀技术可以同时实现结构材料、功能材料的制备和器件成形，已成为MEMS非硅微加工技术中不可代替的一个重

3、要工艺环节，对于MEMS器件的研制、性能至关重要。然而，电镀技术在MEMS非硅微加工领域的应用遇到了一些新难题，如：镀层内应力控制问题、掩模电沉积厚度均匀性问题、叠层结构层间结合力问题、高深宽比孔洞填充问题[=】等，限制了电镀工艺技术优势的正常发挥，因此，这些技术问题亟待解决。在MEMS器件的制备过程中，如何控制镀层厚一二度和成分的均匀性，保证镀层微观组织结构一致和衬性能稳定，是获得符合设计要求器件的关键。影响镀层均匀性的因素很多，主要有几何因素和电化学图1镀片(阴极板)图2阴阳极板与挡板模型因素。目前，对于镀层均匀性的

4、研究大多集中在具1．1．2网格划分体工艺条件的探讨或添加剂的改良方面。本文作者该仿真使用的是表l材料参数尝试利用Ansys模拟软件对电镀过程中阴极电力Ansys的静电分析，所———线分布进行模拟分析，并施加一定尺寸的辅助挡板，要使用的材料参数为电铜1．67E一8力求改善初级电流分布的均匀性，期待为电沉积工阻率。试验中涉及的3。‘o2艺研究提供有参考价值的基础数据。种主材料参数见表1，——lAnsys模拟阴阳极板使用的是铜材料，挡板和衬底都使用的是1．1模型的建立电阻率无穷大的绝缘材料，电镀液的电阻率为0．02按照实际试片

5、的形状和尺寸，在Ansys模拟V／m。这里数值的设定尽量接近于实际的试验器中，首先对电镀环境进行了建模，主要分为2个部材的数据。分：空间模型的建立和网格的划分。定义好材料属性之后，对模型进行网格划分。1．1．1空间模型的建立试验中起作用的以及主要观察的部分是挡板和极电沉积过程中使用的设备主要有电镀槽和电板，因此要对该部分进行特别的细化，而其他部分可·114·《新技术新工艺》·热加工工艺技术与材料研究2008年第l1期以进行相对粗略的划分。1．2边界条件的设定与激励的加载电沉积中的激励是加在阳极板上的+2V的电压和阴极板上

6、的0V。如图3所示，在电镀液表面加上边界条件，即外部电压全部为0V，接着进行仿真计算。1．3方程的求解及模拟结果分析Ansys软件根据图3边界条件的设定麦克斯韦方程自动求出结果。并且很方便地画出电场强度，根据J—E(：电流密度，：电导率，E：电场强度)关系式得到电场强度和电流密度成正比；由于电镀层厚度和电流密度成比例，所以电场强度也和电镀层厚度成正比。因此，在阴极板上取一条路径，通过这个路径上的电压强度的分布定性评价电镀层厚度分布的基本规律，如图4所示。图括号中的数字，第1个数表示绝缘挡板的孔径，第2个数表示绝缘挡板离开

7、阴极的距离。从}到F的为：无捎板、v1If543】1fl／、10／／jw-~，,JI41vA《552slf555)f56Jt45Jl34}1345jI3510000Ol002o30040．05006v／m图4电场强度在各种情况下的分布3验证试验及结果由图4可以很明显的看出：在合适的距离以及合适的孔径下，加挡板确实有利于改善电镀层的不以上模拟分析是一个完全理想情况下的结果，均匀性。具体结果总结如下：虽然不可能完全和实际情况相符，但希望能为实际当孑L径为30mm时，距离较远的(3，5)组电镀电镀工艺提供有参考价值的基础数据。

8、为此，进行层的均匀性较好；了如下的电镀验证试验。当孔径为40mm时，距离较远的(4，5)组电镀试验材料和设备：镀镍溶液为氨基磺酸镍镀液；层的均匀性较好；阳极为电解镍板；阴极为溅射铬／铜种子层、图形化当孔径为50mm时，距离较远的(5，5)，(5，处理的玻璃板；绝缘挡板分别选择(3，3)(5，5)规格；5．25)，(5