RF MEMS開關(guān)工藝技術(shù)研究

汪繼芳，劉善喜

（華東光電集成器件研究所，安徽 蚌埠 233042）

1 引言

微電子機(jī)械系統(tǒng)（MEMS）是微電子技術(shù)與機(jī)械、光學(xué)、電子等領(lǐng)域交叉融合的產(chǎn)物，是在IC工藝技術(shù)基礎(chǔ)上的延伸與拓展，是微電子應(yīng)用的新突破。RF MEMS開關(guān)是MEMS技術(shù)的一個分支，也是二十世紀(jì)九十年代以來MEMS領(lǐng)域的研究熱點。隨著信息時代的到來，數(shù)據(jù)處理、存儲和傳輸技術(shù)的地位越來越重要，高集成密度的多功能、小型化、低成本的無線電終端將是通信技術(shù)的主要發(fā)展方向。目前的通信系統(tǒng)中仍有大量不可或缺的片式分立元件，例如電感、可變電容、濾波器、耦合器、移相器、開關(guān)陣列等，成為限制系統(tǒng)尺寸進(jìn)一步縮小的瓶頸。RF MEMS技術(shù)的出現(xiàn)有望解決這個難題。采用RF MEMS工藝制作的無源器件能夠直接和有源電路集成在同一芯片內(nèi)，實現(xiàn)系統(tǒng)內(nèi)高度集成在MEMS的微加工中。對于射頻（RF）MEMS器件，如微橋開關(guān)、微電感等需要懸空制作，這就需要借助犧牲層技術(shù)來實現(xiàn)，選擇性的將結(jié)構(gòu)圖形與襯底之間的材料（即犧牲層）刻蝕掉，進(jìn)行結(jié)構(gòu)釋放，形成懸空的膜結(jié)構(gòu)。在RF MEMS開關(guān)的制作工藝流程中，種子層技術(shù)、聚酰亞胺犧牲層技術(shù)、微電鍍技術(shù)是重要的關(guān)鍵技術(shù)，直接影響到開關(guān)的微波性能和可靠性。作者通過試驗進(jìn)行了有效的工藝探索，基本掌握了RF MEMS開關(guān)的制作的工藝技術(shù)。

2 RF MEMS開關(guān)制作流程

為了降低開關(guān)的插入損耗，開關(guān)所在的共面波導(dǎo)傳輸線需要具有較大的厚度。為了獲得較厚的金屬，可以選擇電鍍Cu或者電鍍Au。而由于Au具有極好的抗氧化性能，在后續(xù)的聚酰亞胺交聯(lián)化工藝中不會被氧化，因此我們選擇了電鍍Au作為開關(guān)的下層金屬。采用聚酰亞胺作為電鍍Au的模具，由于電鍍后模具不會被去除，因此位于模具下方的種子層必須在電鍍之前就被去除，因此工藝加工中，設(shè)置了種子層圖形化的工藝步驟。聚酰亞胺電鍍模具下面有Au種子層，聚酰亞胺犧牲層下面有Au鍍層，因此聚酰亞胺電鍍模具和聚酰亞胺犧牲層的圖形化步驟都宜采用濕法刻蝕的方法。由于電鍍完成后，器件以外區(qū)域的殘留種子層也必須去除，也就是說器件以外區(qū)域的聚酰亞胺電鍍模具也要去除，以暴露下方的種子層，因此作為電鍍模具的聚酰亞胺不要進(jìn)行交聯(lián)化步驟，這樣保留了在電鍍完成后進(jìn)行圖形化的機(jī)會。

基于上述考慮設(shè)計了工藝流程，主要步驟如下：

（1）基片清洗。采用電阻率為800Ω·cm 的100mm高阻硅片為基片，用硫酸＋雙氧水煮沸的方法進(jìn)行清洗；

（2）熱氧化。用干-濕-干的氧化方法，獲得厚度為0.8 μ m的氧化層；

（3）濺射種子層。先濺射一層0.05μm的TiW，再在上面濺射0.15 μ m的Au；

（4）圖形化種子層?？梢杂脻穹ɑ蛘吒煞涛g的方法將種子層圖形化，通常我們采用濕法刻蝕的方法，這一步工藝可以將電鍍模具下方的種子層去除；

（5）制備聚酰亞胺電鍍模具。在硅片上旋涂聚酰胺酸溶液，然后放入80℃和120℃的熱板中烘烤，各烘3min以完成預(yù)固化；

（6）圖形化電鍍模具。在完成預(yù)固化后的聚酰亞胺薄膜上旋涂瑞紅RZX304光刻膠并光刻，顯影的同時將聚酰亞胺圖形化；

（7）去除光刻膠。然后將硅片放到O2等離子環(huán)境中處理10min，以徹底清潔硅片表面，暴露出種子層的金屬表面；

（8）測量電鍍模具的深度。為了使鍍層能填滿模具，用臺階儀對電鍍模具的深度進(jìn)行測量；

（9）電鍍Au。采用垂直噴鍍工藝進(jìn)行Au的電鍍，采用的電流密度為2mA/cm2，將金屬鍍層厚度控制到和電鍍模具深度一致；

（10）制備絕緣層。用PECVD在金屬鍍層上淀積一層0.3 μ m厚的氮化硅，淀積溫度為200℃。不采用300℃的工藝是因為考慮到聚酰亞胺電鍍模具沒有經(jīng)過交聯(lián)化，實驗表明未交聯(lián)化的聚酰亞胺在200℃的PECVD氮化硅工藝過程中沒有出現(xiàn)異?，F(xiàn)象；

（11）圖形化絕緣層。通過光刻和RIE干法刻蝕，將氮化硅層圖形化；

（12）制備聚酰亞胺犧牲層薄膜。在硅片上旋涂聚酰胺酸溶液，然后分別放入80℃和110℃的熱板上烘3min以完成預(yù)固化；

（13）圖形化聚酰亞胺薄膜。在完成預(yù)固化后的聚酰亞胺薄膜上旋涂RZX304光刻膠并光刻，在顯影的同時將兩層聚酰亞胺圖形化，以暴露出器件外區(qū)域的種子層；

（14）去除光刻膠。用80℃的剝離液將RZX304光刻膠剝離掉，然后將硅片放入等離子打膠機(jī)中處理10min，以徹底清潔硅片表面；

（15）聚酰亞胺交聯(lián)化。將硅片放在熱板上，從140℃開始，每次升溫30℃，溫度穩(wěn)定后保溫5min，溫度到200℃后保溫 5min，至此完成聚酰亞胺的交聯(lián)化；

（16）去除殘余種子層。我們通常采用的是濕法刻蝕工藝，這步工藝可以去除電鍍模具以外區(qū)域的殘留種子層。需要注意的是這步工藝對犧牲層接觸孔中的金屬鍍層也有一定的刻蝕作用，要嚴(yán)格控制刻蝕時間，防止接觸孔被大幅度加深而增加互連的難度；

（17）濺射上層金屬。濺射1.2 μ m厚的鋁，在濺射之前先進(jìn)行10min的反濺，可以有效提高互連質(zhì)量，減小互連電阻；

（18）圖形化上層金屬。通過光刻和濕法刻蝕，將Al層圖形化后作為開關(guān)的上層金屬（上電極）；

（19）釋放犧牲層。將硅片放入等離子體打膠機(jī)中，把聚酰亞胺電鍍模具和聚酰亞胺犧牲層全部釋放，時間約60min～120min（視聚酰亞胺的成分和厚度而定）。

圖1是工藝流程示意圖。

3 RF MEMS開關(guān)工藝技術(shù)

3.1 種子層技術(shù)

種子層工藝技術(shù)主要包括：種子層的生長、種子層的圖形化、種子層的去除。種子層的生長需要根據(jù)后續(xù)電鍍材料類型，選取合適的種子層材料。工藝研究中采用了Au為共面波導(dǎo)，所以選取種子層是50nmTiW/200nmAu。為減少器件的插入損耗，種子層生長在SiO2（800nm）/Si(800Ω·cm）襯底上。濺射前要進(jìn)行反濺，以提高種子層與襯底的粘附性。

種子層的圖形化及種子層的去除，工藝中采用了濕法刻蝕、正膠剝離的方法?？涛g掩?？梢圆捎谜曰蛘哓?fù)性的光刻膠。用30%的H2O2溶液刻蝕TiW層，用KI+I2溶液刻蝕Au，采用的溶液配比為：KI/I2/H2O = 10g/2.5g/100ml

濕法刻蝕種子層雖然不能獲得很整齊的線條，但是種子層圖形化對線條要求并不高，該方法工藝簡單而且穩(wěn)定，可以滿足工藝要求。種子層一般比較薄，因此通過正膠剝離來圖形化種子層是可行的。

3.2 聚酰亞胺犧牲層技術(shù)

聚酰亞胺是一種高分子材料，具有耐高溫、抗輻射、耐腐蝕、化學(xué)穩(wěn)定性好等優(yōu)點，它可以像光刻膠一樣采用旋涂的方法涂布在硅片表面上。在聚酰亞胺的主鏈上具有苯環(huán)和酰亞胺環(huán)，它能在200℃～260℃下穩(wěn)定工作，其玻璃化溫度較高，為140℃以上。其缺點是在強(qiáng)堿、沸水及蒸氣等持續(xù)作用下會遭破壞。聚酰亞胺又分為可溶性與不可溶性兩種，不可溶性聚酰亞胺可作為鈍化層及絕緣層，可溶性聚酰亞胺可以光刻，適合做MEMS器件制備的圖形，即作為犧牲層使用。聚酰亞胺的PH值為4～5，可以與強(qiáng)堿反應(yīng)，加熱處理后，聚酰亞胺脫水，變?yōu)樾阅芊€(wěn)定的有機(jī)物，通常采用O2等離子刻蝕的方法去除。

實驗采用的是可溶性的聚酰亞胺，其型號為PI-5，濃度為15%。在光刻完種子層之后，即旋涂聚酰亞胺。實驗中聚酰亞胺的旋涂速度為4 500rpm/s，厚度為2 μ m～3 μ m。在光刻之前先用熱板進(jìn)行固化處理，從而保證光刻過程不發(fā)生變形及線條平直。由于其后續(xù)工藝為濺射鋁，所采用的工藝需抽真空，如果固化溫度低，聚酰亞胺中溶劑揮發(fā)不完全，在真空腔室中，殘余溶劑繼續(xù)揮發(fā)，導(dǎo)致金屬層褶皺；若固化溫度過高，則在最后的犧牲層釋放難以去除。如果后續(xù)工藝采取濕法腐蝕，則其處理溫度不能超過170℃。實驗中熱分兩步：第一步為預(yù)亞胺化，第二步為亞胺化，其具體條件如表1所示。

3.3 微電鍍技術(shù)

微電鍍工藝主要包括襯底的處理、電鍍模具制備、微電鍍、電鍍模具及種子層的去除。

襯底的處理主要解決待鍍基片的表面處理問題。對TiW/Au種子層，實際采用了等離子轟擊的方式，去除光刻膠的殘膜，獲得潔凈的電鍍表面。

電鍍模具的制備工藝中采用SU-8光刻膠或PI-5聚酰亞胺兩種材料制作電鍍模具。SU-8光刻膠作為電鍍模具可以獲得線條很整齊、側(cè)壁陡直的電鍍模具，工藝簡單穩(wěn)定。聚酰亞胺作電鍍模具，需要用光刻膠作掩模，然后濕法刻蝕出圖形，圖形的線條較差，這種工藝方式主要的優(yōu)勢是材料成本低。

微電鍍實驗表明，電流密度對金屬鍍層表面的粗糙度有很大影響。在其他條件完全相同的情況下，用小電流密度電鍍得到的金屬鍍層表面比較粗糙，而大電流密度電鍍得到的金屬鍍層表面則比較平整。在工藝中采用1.5～2mA/cm2的電流密度，可以獲得較好電鍍質(zhì)量。

聚酰亞胺電鍍模具的去除，采用正性顯影液加熱浸泡的方法。種子層的去除采用濕法刻蝕。

4 RF MEMS開關(guān)制作要點

4.1 聚酰亞胺階梯固化

固化的過程就是聚酰胺酸溶液受熱使溶劑揮發(fā)、固化，轉(zhuǎn)變?yōu)閬啺纺さ倪^程。合理地固化和控制工藝過程中吸潮程度，是保證介質(zhì)膜具有良好亞胺膜結(jié)構(gòu)和可靠性的關(guān)鍵。實驗表明，如果亞胺化起始溫度低、時間短，聚酰亞胺中的溶劑與水分不能充分揮發(fā)，就不能形成機(jī)械強(qiáng)度良好的亞胺膜。而亞胺化的起始溫度高、時間長或短，都會使聚酰亞胺膜層表面的溶劑及水分迅速揮發(fā)而首先亞胺化。這種表面首先亞胺化的膜層，阻礙了層內(nèi)溶劑及水分的揮發(fā)，其結(jié)果不僅造成介質(zhì)層基軟，影響金屬的附著力，而且經(jīng)高溫處理后，就會因膜內(nèi)溶劑和水分急劇氣化，膨脹而產(chǎn)生“龜裂”或金屬起泡，從而失去介質(zhì)作用和降低金屬的附著力，所以亞胺化的過程中階梯升溫是非常必要的。

4.2 聚酰亞胺上濺鋁

光刻膠去完之后，濺膜橋（鋁層）之前，需要烘焙水分，去除沖水過程中殘留的水分，防止在聚酰亞胺上濺射的鋁層起泡。防止鋁層起泡的有效方法是低功率濺射，實驗證明采用300W的直流濺射，在胺上濺射的鋁層粘附性很好。另外，聚酰亞胺充分的固化處理也是十分必要的。

4.3聚酰亞胺的腐（刻）蝕

在膜橋圖形形成后，作為犧牲層的聚酰亞胺需要去除，通常采用濕法腐蝕和干法刻蝕兩種方法。

4.3.1 濕法腐蝕

聚酰亞胺的刻蝕速度與其預(yù)固化溫度、時間、腐蝕液的濃度及溫度有關(guān)。聚酰亞胺是一種能與堿發(fā)生化學(xué)反應(yīng)的有機(jī)物，預(yù)固化之后光刻電鍍模具及橋柱圖形采用正膠顯影液（堿性）腐蝕聚酰亞胺，嚴(yán)格控制腐蝕時間，保證模具及橋柱圖形邊緣整齊，不能鉆蝕。如果是常溫腐蝕，時間一般為1min左右，如果加溫至40℃，腐蝕時間則為15s左右。為防止胺膜腐蝕不干凈，種子層及橋柱內(nèi)殘留介質(zhì)底膜，對這種殘留的底膜可以采用等離子打膠3min，腐蝕完聚酰亞胺后進(jìn)行清洗、烘干、采用剝離液浸泡去膠，時間為10min左右，溫度為80℃左右。

4.3.2 干法刻蝕

膜橋開關(guān)中作為犧牲層的聚酰亞胺是起架橋作用的，當(dāng)用顯影液腐蝕聚酰亞胺時，硅片在水溶液中浸泡，會影響金屬與硅片的黏附性，為避免這種影響，我們可以采用等離子刻蝕的方法釋放犧牲層，刻蝕時間不易過長，否則會影響膜橋的平整性；也不易過短，否則聚酰亞胺刻蝕不盡，通過實驗摸索出最佳刻蝕時間為2h。為了加快聚酰亞胺的釋放速度，我們采取了在橋上開釋放孔的辦法，利用氧氣等離子體對聚酰亞胺的刻蝕基本上是各向同性的，因此要釋放孔的間距應(yīng)該大于犧牲層厚度的兩倍。我們設(shè)計的釋放孔尺寸為8 μ m×8 μ m、孔間距為10 μ m。另外還要考慮上層金屬爬坡的問題，如果上金屬在某些區(qū)域需要爬坡，則該區(qū)域不易被同時設(shè)計成可動的區(qū)域，因此爬坡的金屬很薄，容易在活動中斷裂。聚酰亞胺除了作為犧牲層外，也起到支撐上電極的作用，為了能保留足夠多的聚酰亞胺來支撐上電極，上電極兩端需要預(yù)留至少100 μ m×100μm的無釋放孔的金屬區(qū)域，作為下方聚酰亞胺支持層的掩模。

對于犧牲層，也可先用濕法腐蝕，再用干法刻蝕的方法，在加快腐蝕速度的同時，也能更好的保持膜橋的完整性。

工藝加工后的RF MEMS開關(guān)如圖2所示，圖3是局部測試結(jié)構(gòu)。圖2給出了常見的RF MEMS開關(guān)結(jié)構(gòu)，開關(guān)橋面圖形的不同，主要是解決不同的驅(qū)動電壓、彈性系數(shù)等技術(shù)要求，橋面的開孔主要是利于結(jié)構(gòu)的釋放。圖3的結(jié)構(gòu)經(jīng)測試會給出不同共面波導(dǎo)的寬度、間距條件下的微波參數(shù)。

5 結(jié)論

通過種子層技術(shù)、聚酰亞胺犧牲層技術(shù)和微電鍍技術(shù)等的研究，解決了RF MEMS開關(guān)制作中的工藝難題，制作出了RF MEMS開關(guān)樣品，基本掌握了RF MEMS器件的制作工藝技術(shù)。RF MEMS開關(guān)樣品測試的技術(shù)指標(biāo)為：膜橋高度2 μ m～3 μ m，驅(qū)動電壓<30V，頻率范圍0～40 GHz，插入損耗≤1dB，隔離度≥20dB，樣品參數(shù)性能達(dá)到了設(shè)計要求。

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