CN1862725A - 微细磁性元件的化学沉积及电化学沉积制造方法和系统 - Google Patents
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Abstract
一种微细磁性元件的化学沉积及电化学沉积制造方法和系统，属化学沉积和电铸加工领域。本发明方法及系统的关键之处在于：在现有的微细化学复合沉积或电化学复合沉积制造方法及系统基础上，在掩膜板后方施加了一块外加磁铁，促进了电解液中的强磁性粒子向掩膜板的运动，并且运动到掩膜板表面的强磁性粒子由于磁力的吸引作用很难再脱离掩膜板表面，这样提高了强磁性粒子在复合沉积层中的含量，扩大了复合沉积层的磁能积，提高了微型磁性元件的磁力矩。在输出相同磁力矩的情况下，显著缩小了磁性元件的尺寸，拓展了微型磁性元件的应用范围。
Description
技术领域
本发明的微细磁性元件的化学沉积及电化学沉积制造方法和系统，属于化学沉积和电铸制造领域。
背景技术
微机电系统(Micro Electromechanical System，简称MEMS)是当今科学技术最重要的进展，也是世界科学的主要研究热点。微细制造技术是MEMS技术的基础和核心，直接关系到MEMS产品的生成。随着MEMS技术的发展，对磁性材料微执行器的需求增多，如微型磁力泵、微型磁力阀、微型磁力继电器等。对这些微型磁性元件的主要要求之一就是要有很大的磁能积，这样，才能以很小的尺寸元件完成要求的动作。
电化学沉积、复合电化学沉积、化学沉积及复合化学沉积是制造微型磁性元件的重要技术，已成功制备了多个微型磁执行器。其中，复合沉积(复合电化学沉积和复合电化学沉积)是制造微型高磁能积执行器的最有效方法，其制造原理是在普通沉积溶液中加入具有非常高磁能积的强磁性粒子(如钡铁氧体)，沉积时沉积层中就含有强磁性粒子，提高了沉积层的磁能积。通常来讲，沉积层的磁能积与沉积层中的强磁性粒子含量成正比，含量越高，沉积层磁能积越大。微型元件的磁能积越大，能够产生的磁力矩越大，微型元件的性能越好。
但是，由于复合沉积原理的限制，目前的复合沉积制造技术还不能制造具有很高磁性粒子含量的沉积层，这限制了微型磁性元件的磁能积和磁力矩的大小。微型元件为获得足够大的磁力矩，不得不加大微型元件的尺寸，严重限制了微型磁性元件的使用范围。
发明内容
本发明的目的在于提供一种微细磁性元件的化学沉积及电化学沉积制造方法和系统，显著提高沉积层中磁性粒子的含量，增大微型磁性元件的磁能积和磁力矩，提升微型磁性元件的性能。
一种微细磁性元件的化学沉积制造方法，其特征在于包括以下步骤：(1)、将掩膜板浸入含有强磁性粒子的电解液中；(2)、利用掩膜板上的掩膜限制沉积区域；(3)、在掩膜板后方放置一块磁铁，通过磁力使得电解液中强磁性粒子向掩膜板快速运动，以提高复合沉积层中的强磁性粒子含量。
一种微细磁性元件的电化学沉积制造方法，其特征在于包括以下步骤：(1)、将掩膜板浸入含有强磁性粒子的电解液中；(2)、将电铸电源负极与所述掩膜板相连，正极与阳极相连；(3)、利用掩膜板上的掩膜限制沉积区域；(4)、在掩膜板后方放置一块磁铁，通过磁力使得电解液中强磁性粒子向掩膜板快速运动，以提高复合沉积层中的强磁性粒子含量。
一种微细磁性元件的化学沉积系统，包括由沉积槽、电解液、强磁性粒子、掩膜板组成的化学沉积系统；由温度探头、温度控制器、加热管组成的温控系统；其特征在于：该系统还包括设置在掩膜板后方的磁铁。
一种微细磁性元件的电化学沉积系统，包括由电源、沉积槽、电解液、强磁性粒子、掩膜板组成的电化学沉积系统；由温度探头、温度控制器、加热管组成的温控系统；其特征在于：该系统还包括设置在掩膜板后方的磁铁。
在化学复合沉积中，本发明是首次提出采用外加一块磁铁提高磁性粒子在复合沉积层中含量的技术措施；而在电化学沉积磁性材料和复合电沉积非磁性材料中有采用外加磁场的报道，但是在此过程中采用的是两块南北极相向的磁铁组成的磁场回路，沉积槽放置在磁场回路中间。这样的配置不适合本发明，因为电解液中的强磁性粒子同时有南北极，如果两块磁铁南北极相对放置，中间放置沉积槽，两块磁铁会同时对电解液中的强磁性粒子施加方向相反的磁力，这样会削弱甚至限制磁性粒子向掩膜板的运动，使得复合沉积层的强磁性粒子不会出现大幅度增加的情况。本发明只使用一块磁铁，它的南极或北极贴近掩膜板。由于磁力的吸引作用，使得电解液中的强磁性粒子迅速向掩膜板运动，而且运动到掩膜板表面的强磁性粒子在磁性吸引力的作用下很难脱离掩膜板表面，这样可以有效增大磁性粒子在复合沉积层中的含量。电解液中的强磁性粒子是具有大磁能积的磁性粒子。例如：钡铁氧体和钕铁硼粒子。
可见，本发明的特点是：1、沉积时掩膜板后方施加了一块磁铁，通过磁力加快了强磁性粒子向掩膜板运动的速度，同时掩膜板表面的强磁性粒子在磁力的吸引下不会再脱离掩膜板表面，从而提高了沉积层中强磁性粒子的含量，扩大了微型磁性元件的磁能积，显著增大了微型磁性元件的磁力矩，在输出相同磁力矩的情况下，显著缩小了磁性元件的尺寸，拓展了微型磁性元件的应用范围；2、沉积过程可以是电化学沉积，也可以是化学沉积。
附图说明
图1是掩膜板示意图。
图2是微细磁性元件的化学沉积系统示意图。
图3是微细磁性元件的电化学沉积系统示意图。
图4是沉积结束后掩膜板示意图。
图5是去除掩膜后的微细磁性元件示意图。
图1中标号名称：1、光刻胶，2、基板，3、掩膜板。
图2中的标号名称：4、磁铁，5、强磁性粒子，6、电解液，7、沉积槽，8、温度探头，9、温度控制器，10、加热管。
图3中的标号名称：11、阳极，12、电源。
图4中的标号名称：13、微细磁性元件。
具体实施方式
图1所示的是掩膜板示意图。在基板2上涂覆光刻胶1，经过光刻，形成了图1所示的图形，将这时的基板2与经过光刻后的光刻胶1一体结构称之为掩膜板3。
图2是细磁性元件的化学沉积系统示意图。该系统由掩膜板3、磁铁4、沉积槽7、温度探头8、温度控制器9、加热管10组成。用掩膜板3作为掩膜，进行化学复合沉积。其特点是掩膜板3后面放置了磁铁4，可以加强磁性粒子5向掩膜板3运动的速度，而且运动到掩膜板表面的强磁性粒子在磁性吸引力的作用下很难脱离掩膜板表面，使得沉积层磁性粒子5含量提高，沉积层磁能积明显增大。
图3是细磁性元件的电化学沉积系统示意图。该系统由掩膜板3、磁铁4、沉积槽7、温度探头8、温度控制器9、加热管10、阳极11、电源12组成。用掩膜板3作为掩膜，进行电化学沉积。其特点是掩膜板3后面放置了磁铁4，可以加强磁性粒子5向掩膜板3运动的速度，而且运动到掩膜板表面的强磁性粒子在磁性吸引力的作用下很难脱离掩膜板表面，使得沉积层磁性粒子5含量提高，沉积层磁能积明显增大。图中磁铁4是置于沉积槽外面的，也可以将磁铁4置于沉积槽里面。
下面结合图2及图3，说明本发明方法：
以化学复合沉积NiP-NdFeB磁性复合材料为例，说明整个制造过程。电解液成分如下：NiSO4·6H2O 25-30g/l，NaH2PO2·2H2O 30-32g/l，Na(CH3COOH)15-20g/l，Na3C6H5O7·2H2O 25-35g/l，添加剂少许和NbFeB粒子100g/l。电解液配好后搅拌2小时，将掩膜板3放入电解液中，一块磁铁放置在掩膜板后，开始化学复合沉积。电解液中的强磁性粒子在磁力的作用下，吸附到掩膜板表面，沉积的NiP晶粒将强磁性粒子埋入沉积层中。沉积到预定厚度后，取出掩膜板，沉积停止，清洗后去除掩膜，就得到了微型磁性元件。这时元件中NbFeB粒子含量很高，可达25wt％以上，最大磁能积可达4.1kJ/m3。
以电化学复合沉积CoNi-BaFeO磁性材料为例，说明整个制造过程。电解液成分如下：CoCl2 26g/l，NiCl2 100g/l，H3BO4 35g/l和BaFeO粒子。电解液配好后搅拌2小时，将掩膜板3和阳极11放入电解液中，接通电源，开始电化学复合沉积一块磁铁4放置在掩膜板后。电解液中的强磁性粒子BaFeO在磁力的作用下，吸附到掩膜板表面，沉积的NiCo晶粒将强磁性粒子BaFeO埋入沉积层中。沉积到预定厚度后，关断电源，电沉积停止，取出掩膜板，清洗后去除掩膜，就得到了微型磁性元件。这时元件中BaFeO粒子含量很高，可达20wt％以上，最大磁能积可达8.8kJ/m3。
图4所示的是沉积结束后的掩膜示意图，其中磁性元件13已经生成。
图5所示的是去除光刻胶1后的的掩膜示意图，形成了最后的磁性元件结构13，它可以与基板2一体，也可以与基板2分离，根据具体需求决定。
下面结合图1、图2、图3、图4和图5说明本发明的方法，实施过程依次经过以下几个步骤：
1、参考图1，在基板2上涂覆光刻胶1，并光刻，形成的结构称为掩膜板3；
2.参考图2和图3，沉积槽7中加入掺有磁性粒子5的复合沉积溶液6，加热至设定温度，将掩膜板3放入沉积槽7中掩膜板3后面放置了磁铁4，开始沉积，沉积到设定厚度，沉积，取出掩膜板3。如果是电化学沉积，将阳极同时也放入沉积槽中，并通电。
3.参考图4和图5，去除掩膜板上的光刻胶1，获得所需微细高磁能积磁性元件。
Claims (6)
1、一种微细磁性元件的化学沉积制造方法，其特征在于包括以下步骤：
(1)、将掩膜板浸入含有强磁性粒子的电解液中；
(2)、利用掩膜板上的掩膜限制沉积区域；
(3)、在掩膜板后方放置一块磁铁，通过磁力使得电解液中强磁性粒子向掩膜板快速运动，以提高复合沉积层中的强磁性粒子含量。
2、一种微细磁性元件的电化学沉积制造方法，其特征在于包括以下步骤：
(1)、将掩膜板浸入含有强磁性粒子的电解液中；
(2)、将电铸电源负极与所述掩膜板相连，正极与阳极相连；
(3)、利用掩膜板上的掩膜限制沉积区域；
(4)、在掩膜板后方放置一块磁铁，通过磁力使得电解液中强磁性粒子向掩膜板快速运动，以提高复合沉积层中的强磁性粒子含量。
3、一种微细磁性元件的化学沉积系统，包括由沉积槽(7)、电解液(6)、强磁性粒子(5)、掩膜板(3)组成的化学沉积系统；由温度探头(8)、温度控制器(9)、加热管(10)组成的温控系统；其特征在于：该系统还包括设置在掩膜板(3)后方的磁铁(4)。
4、根据权利要求3所述的微细磁性元件的化学沉积系统，其特征在于：所述的磁铁(4)为电磁铁或永磁铁。
5、一种微细磁性元件的电化学沉积系统，包括由电源(12)、沉积槽(7)、电解液(6)、强磁性粒子(5)、掩膜板(3)组成的电化学沉积系统；由温度探头(8)、温度控制器(9)、加热管(10)组成的温控系统；其特征在于：该系统还包括设置在掩膜板(3)后方的磁铁(4)。
6、根据权利要求5所述的微细磁性元件的电化学沉积系统，其特征在于：所述的磁铁(4)为电磁铁或永磁铁。
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