研究UV2LIGA微电铸电极过程的交流阻抗法

　　1　引　言

　　在微机电系统(MEMS)制造技术中,UV2LI2GA是面向非硅材料制造高深宽比微结构的主要加工技术。与LIGA相比,UV2LIGA工艺成本较低,在微齿轮、微模具和微流控芯片等加工中广泛应用[124],推动了以金属微结构为基础的微系统的发展。

　　微电铸是UV2LIGA的关键工艺,研究微电铸电极过程动力学特性,有助于弄清影响电极反应特别是阴极金属电沉积速度的各种基本因素,识别阴极电沉积的控制步骤,提出有效的工艺措施干预微电铸过程,改善微电铸金属结构质量,提高其物理性能和机械性能。首先,当微电铸稳态地进行时,电极过程所表现的动力学特性就是控制步骤的动力学特性,可以根据电极反应的动力学性质来判断控制步骤的性质;其次,根据各个分部步骤的动力学特性,提出影响控制骤及整个电极过程的有效工艺措施。对微电铸电极过程动力学特性进行系统研究的工作并不多见,目前的研究主要是利用极化曲线法,用短暂的恒电流或恒电势脉冲作为测量信号,观察极化电势或极化电流随时间的变化,分析微电铸体系电极过程动力学特性[526]。

　　本文提出用交流阻抗法研究镍结构微电铸过程中的电极动力学特性,其优点是通过交变电流在同一电极上交替地出现阳极过程与阴极过程,测量信号长时间作用于电极也不会导致极化现象的累积性发展,排除了界面双电层充电电流的干扰。用交流阻抗法分析了搅拌、加入整平剂等影响微电铸过程的主要工艺因素,证实了在微电铸过程中搅拌电铸液的必要性,从微电铸体系交流阻抗角度确定加入整平剂的数量。

　　2　理论基础

　　交流阻抗法在电化学中是研究电极过程和电极表面现象的重要工具,运用交流阻抗法研究微电铸镍结构的电极过程,就是给微电铸体系施加小幅度正弦交流电压信号,使电极电位在平衡电势附近微扰,在达到稳定状态后,测量其响应电流信号的振幅和相位,依次计算出电极的阻抗,然后根据抽象出的微电铸体系等效电路,通过阻抗谱和参数拟合,分析阴极电沉积电极过程的动力学特性。

　　根据微电铸体系特征与电阻电容组成网络之间的相似性,建立微电铸体系等效电路模型,体系中影响电沉积的主要因素是电铸液和阴极工作界面,电铸液等效为电阻RΩ,阴极工作界面上主要发生法拉第过程和非法拉第过程,法拉第过程与阴极电沉积量直接相关,用阻抗Zf表示,非法拉第过程主要包括离子吸附和脱附等,用双电层电容Cd表示。微电铸体系的等效电路如图1(a)所示。根据目前的研究,法拉第阻抗可以进一步用两种方法等效表示,一种是电阻Rs和电容Cs串联,另一种是电荷转移电阻Rct和表示物质传递的阻抗Zw即Warburg阻抗相串联[728]。