电镀法制备的CoNiMnP永磁薄膜

1、电镀法制备的CoNiMnP永磁薄膜 电镀法制备的CoNiMnP永磁薄膜张金平，蒋洪川，张万里，张文旭，彭 斌，杨仕清（电子科技大学 微电子与固体电子学院，四川成都 610054） 摘 要：采用电镀法制备了与微电子CMOS工艺兼容的硅基CoNiMnP垂直各向异性永磁薄膜，并对该薄膜的微结构、组成、磁性能等进行了分析与测试。结果表明，在室温、pH值34、电流密度小于10mA/cm2的条件下，能够获得性能良好的垂直各向异性CoNiMnP永磁薄膜，薄膜的组成（质量分数）为：Co 90.32%、Ni 7.83%、Mn 0.74%、P 1.11%，垂直薄膜方向磁性能为：Hc=59.7kA/m，Br=0.5

2、3T，(BH)max=11.3kJ/m3；平行薄膜方向磁性能为：Hc=27.8kA/m，Br=0.42T，(BH)max=3.2kJ/m3。关键词：CoNiMnP永磁薄膜；电镀；垂直各向异性；微结构；磁性能1 引言 随着微电子机械系统（MEMS）技术的不断深入发展，人们的兴趣越来越集中于实现双向的微致动器研究，尤其是对于作为光通讯和图像处理的核心器件的光开关和扫描仪，通常需要稳定的、长范围的双向微致动器。在微致动器的驱动机理中，磁力驱动被大多数研究者认为是最适合应用于大变形（几百微米）微致动器的驱动方式。其致动的基本原理是通过改变励磁电流方向在励磁线圈和永磁体之间产生引力或斥力，从而实现致动的

3、目的。这种致动器结构简单，易于在不同的尺度设计实现，功率消耗也较低。 近年来，人们分别利用商业磁体1和丝网印刷工艺2制备了永磁厚膜微致动器，尽管具有较高的矫顽力和剩磁，但由于工艺条件的限制，磁体的大小被限制在毫米尺度范围内。采用贴装的方法将永磁材料集成在微致动器上，这种方法也存在致命的缺陷：由于要与其他的电子器件如CMOS电路实现电磁相容，因此对热处理温度、几何尺寸和集成精度要求很高，难以实现。如采用NdFeB作为微致动器的永磁材料，需要对材料加热到600进行热处理36以达到需要的磁性能，但在这么高的温度下，电子器件和MEMS结构会遭到致命的破坏。为了解决这个难题，我们采用电镀法并在电镀过程中

4、外加磁场的方法制备CoNiMnP永磁厚膜而不需要任何的热处理以克服热处理的难题。2 实验部分 取一片4.6mm4.6mm2.0mm的硅片，洗净、干燥，然后将其在1100下进行干氧氧化，获得大约1m厚的SiO2层。然后利用磁控溅射法在其上面溅射上一层约300nm的Cu电镀种子层。最后将其放入如图1所示的电镀槽中进行电镀。实验中采用的电镀液配方是：CoCl26H2O 23.79g/L，NiCl2H2O 23.77g/L，MnSO4H2O 3.38 g/L，NaCl 23.38g/L，B(OH)3 24.73g/L，NaH2PO2H2O 4.40g/L，十二烷基硫酸钠 0.20g/L，邻磺酰苯酰亚胺

5、 1.0g/L，苯亚磺酸钠 0.005g/L。电镀时的电流密度为510mA/cm2，pH值34。本实验是在室温、搅拌条件下进行的，电镀时采用Co作阳极，其目的一是保持电镀液中Co2离子浓度；二是避免次磷酸盐在阳极的氧化。另外在电镀时，在电极两端加上稳恒磁场5，外加磁场的作用主要是在电镀时让CoNiMnP能进行磁场取向，从而提高永磁薄膜的磁性能。 用能谱仪（EDS）测量所得样品的组成，用扫描电镜（SEM）观察表面形貌和膜层厚度，用振动样品磁强计（VSM）测量垂直和平行薄膜方向的磁滞回线。3 结果与讨论 图2为所电镀的CoNiMnP永磁薄膜的EDS能谱，从图2可以得出，我们所电镀的薄膜成分（质量分

6、数）为：Co 90.32%、Ni 7.83%、Mn 0.74%、P 1.11%，与文献5，6中的数据基本相同，说明本实验成功地获得了CoNiMnP永磁薄膜镀层。 电镀3h的CoNiMnP镀层表面和断面SEM照片如图3所示。由图3a可看出：薄膜晶粒大小约为2m，结晶均匀、致密性好。图3b中白色条状部分为镀层，其余为基底。从图中可以得出镀层厚度大约为5m，即电镀沉积速度约为1.7m/h。薄膜磁滞回线如图4所示。根据测试结果，垂直薄膜方向磁性能为：Hc=59.7kA/m，Br=0.53T，(BH)max=11.3kJ/m3；平行薄膜方向磁性能为：Hc=27.8kA/m，Br=0.42T，(BH)ma

7、x=3.2kJ/m3，垂直薄膜方向的磁性能优于平行薄膜方向的磁性能，说明电镀所得的CoNiMnP镀层具有较强的垂直各向异性。 实验中发现镀液的pH值对镀层质量有很大的影响。当pH3时，镀件表面部分无镀层或镀层不均匀，分析认为是由于镀液酸性太强，大量H在阴极放电，阻碍了金属离子的析出。当pH4时，镀层中出现大量松散沉积物，分析认为是由于镀液中的金属离子形成了氢氧化物沉淀夹杂在镀层中所致。所以电镀时镀液的pH值应为34。 另外，实验中还发现在电镀过程中当电流密度高于10mA/cm2时，样品边缘有烧焦的现象出现，即边缘效应严重；当电流密度低于10mA/cm2时样品镀层光亮、均匀，边缘无烧焦现象出现，

8、因此在电镀时电流密度应低于10mA/cm2。4 结论 本实验在室温、搅拌、电极两端加稳恒磁场、电流密度小于10mA/cm2、pH值34的条件下，在硅片上成功制备了具有垂直各向异性的CoNiMnP永磁薄膜，薄膜的组成（质量分数）为：Co 90.32%、Ni 7.83%、Mn 0.74%、P 1.11%。垂直薄膜方向磁性能为：Hc=59.7kA/m，Br=0.53T，(BH)max=11.3kJ/m3；平行薄膜方向磁性能为：Hc=27.8kA/m，Br=0.42T，(BH)max=3.2kJ/m3。参考文献：1 Wagner B, Kreutzer M, Benecker W. Journal o

9、f Micro- electromechanical Systems, 1993, 2(1): 23-29.2 Lagorce L K, Brand O, Gallen M. Journal of Micro- electromechanical Systems, 1999, 8(1):2-9.3 Parhfer S, Gieres G, Wecker J, et al. Journal of Mag- netics and Magnetical Materials, 1996, 163: 32-38.4 Mehdizadeh S, Dukovic J, Andricacos P C, et al. Journal of Electrochemistry Society, 1993, 140(2): 3497-3505.5 Liakopoulos T M, Zhang Wenjin, Ahn C