一種基于光刻膠犧牲層的RF MEMS 開關(guān)制備方法*

高旭東 史澤民 吳倩楠 李孟委

（1.中北大學儀器與電子學院 太原 030051）（2.中北大學前沿交叉科學研究院 太原 030051）（3.中北大學微系統(tǒng)集成研究中心 太原 030051）（4.中北大學理學院 太原 030051）

1 引言

隨著半導體制造工藝和傳統(tǒng)IC（集成電路）制造技術(shù)的發(fā)展，射頻微機電系統(tǒng)（radio-frequency micro-electromechanical system，RF MEMS）逐漸成為現(xiàn)代科技前沿領(lǐng)域不可或缺的一部分［1］。與傳統(tǒng)的PIN、FET 和電磁繼電器等開關(guān)相比，RF MEMS 開關(guān)因其隔離度高、插入損耗低、線性度高、工作頻帶寬等優(yōu)點，在航空航天、衛(wèi)星通訊、微波測試等領(lǐng)域都有著非常廣泛的應用［2～5］。

目前，常見的RF MEMS 開關(guān)多采用靜電驅(qū)動的懸臂梁結(jié)構(gòu)［6］，通過金屬接觸來傳輸射頻信號。犧牲層工藝［7］是指依次在襯底上制作兩層薄膜，通過選擇性去除下層薄膜來使上層結(jié)構(gòu)懸浮固定在襯底特定位置，是獲得RF MEMS 開關(guān)上電極懸臂梁結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵工藝之一。犧牲層的制備狀況與釋放過程會影響MEMS 開關(guān)上電極表面平整度以及懸臂梁的力學特性，進而對開關(guān)整體電性能和使用壽命產(chǎn)生影響。常見的犧牲層材料有：SiO2、Si3N4、金屬、聚合物等［8］，其中金屬材料作為犧牲層時，由于在兩個金屬層界面的原子相互擴散，會對開關(guān)表面造成污染，從而影響開關(guān)性能；SiO2和Si3N4犧牲層材料在去除時，多采用氫氟酸濕法腐蝕的方法，這不僅會對MEMS開關(guān)金屬結(jié)構(gòu)造成污染，在干燥器件時表面水分引起的張力也會造成結(jié)構(gòu)層和襯底之間的粘連［9］；采用聚酰亞胺、BCB 膠等材料作為犧牲層時，在犧牲層干法釋放過程中，長時間的氧等離子體刻蝕，容易引入熱應力，使開關(guān)金屬結(jié)構(gòu)表面產(chǎn)生形變，從而使開關(guān)電性能變差［10］。相比于上述材料，光刻膠作為犧牲層時具有厚度易控制、釋放過程簡單、材料兼容性好等優(yōu)點［11～14］。此外，由于光刻膠的流動性好，能極大提高犧牲層表面的平整度，滿足不同懸浮結(jié)構(gòu)的制備要求。2017年，韋劍等人采用BP212 正性光刻膠作為犧牲層，制作了表面完整、梯度應力小的懸臂梁薄膜結(jié)構(gòu)［15］；2020 年，Ashudeep 等采用AZ-4620 光刻膠作為犧牲層，成功制備了2um 厚的固支梁結(jié)構(gòu)［16］；同年，Prem 等人研究了AZ-P4620 光刻膠作為犧牲層時，固化溫度對犧牲層邊緣坡度傾斜角的影響，制備了高質(zhì)量的光刻膠犧牲層［17］；2021 年，Anuroop等人對CMOS 制造工藝中HiPR-6517 光刻膠犧牲層工藝做了優(yōu)化，提高了犧牲層的平整度和均勻性［18］。

本文針對光刻膠作為犧牲層時，常遇到烘膠汽泡、起皺、破裂、結(jié)構(gòu)層釋放過程中發(fā)生粘連等問題，對AZ-4620 正性光刻膠用作犧牲層時的制備、固化、釋放等過程進行研究和優(yōu)化，并成功制備了DC～20GHz范圍內(nèi)性能良好的RF MEMS開關(guān)。

2 犧牲層工藝優(yōu)化

2.1 犧牲層制備

本文采用了型號為AZ-4620 的正性光刻膠作為犧牲層來制作RF MEMS開關(guān)。犧牲層厚度應等于上極板到信號線的距離，但是在實際制備過程中，受到晶圓表面結(jié)構(gòu)的影響，犧牲層的厚度往往不能很好的控制：較薄的犧牲層會增大電容損耗，降低MEMS開關(guān)的射頻性能；較厚的犧牲層則會增大開關(guān)的驅(qū)動電壓，對通斷造成影響。為了確定最合適的旋涂轉(zhuǎn)速，準備了10 組清潔襯底進行旋涂實驗，旋涂過程如圖1所示。

圖1 旋涂過程

其中，第一階段將光刻膠均勻分布在晶圓表面；第二階段決定光刻膠的最終厚度；第三階段去除晶圓邊緣光刻膠中的氣泡。后續(xù)工藝流程為：1）90℃熱板烘烤光刻膠95s；2）光刻圖形化，參數(shù)為925W 曝光12s；3）采用TMAH∶H2O=1∶8 的顯影液，顯影40s；5）光刻膠固化。最后，使用臺階儀對固化后的光刻膠厚度進行測量，結(jié)果如圖2所示。

圖2 AZ-4620膠厚與轉(zhuǎn)速的關(guān)系

本實驗中RF EMSMS 開關(guān)所需的犧牲層厚度約為4μm，光刻膠旋涂轉(zhuǎn)速為6000 rad/min。

2.2 犧牲層固化

固化過程對犧牲層表面形貌具有重要影響。相比于其他材料的犧牲層，由于AZ-4620光刻膠中溶劑含量較高，固化過程中容易在表面產(chǎn)生氣泡，導致犧牲層破裂。因此，選擇適當?shù)墓袒瘲l件，合理控制其溶劑的揮發(fā)是形成高質(zhì)量犧牲層薄膜的關(guān)鍵。同時，固化時間也是影響犧牲層質(zhì)量的一個關(guān)鍵因素：固化時間不足，光刻膠水分揮發(fā)不充分，會導致犧牲層表面硬度不夠，在釋放過程中會與上極板粘連，破壞開關(guān)結(jié)構(gòu)；固化時間太長，又會導致犧牲層破裂，難以進行種子層濺射和上極板電鍍。

實驗中通過優(yōu)化光刻膠犧牲層固化工藝來制備高質(zhì)量犧牲層結(jié)構(gòu)。顯影后分別采用熱板、氮氣烘箱進行固化處理，固化工藝如表1所示。

表1 固化工藝

采用不同的固化工藝處理得到的犧牲層表面硬度和應力各不相同，具體表現(xiàn)為表面形貌差異。在濺射種子層和制備上電極電鍍模具后，犧牲層表面形貌如圖3所示。

圖3 1組、2組和3組固化后犧牲層形貌

圖3（a）中的犧牲層出現(xiàn)了褶皺。這是由于光刻膠中水分揮發(fā)不充分，在后續(xù)的工藝中，溫度升高造成種子層表面應力增大，從而造成表面褶皺發(fā)生；圖3（b）中的犧牲層出現(xiàn)了裂紋。為了使光刻膠中的水分充分揮發(fā)，增加了固化時間和固化溫度。但是光刻膠發(fā)生變性，導致表面出現(xiàn)了裂紋，導致犧牲層質(zhì)量變差，后續(xù)工藝也無法正常進行。此外，由于光刻膠對溫度變化的敏感性，熱板直接加熱的形式也不適應光刻膠犧牲層的固化工藝。圖3（c）是采用氮氣烘箱來對光刻膠進行固化處理后的犧牲層表面形貌。利用高溫的氮氣環(huán)境對光刻膠進行烘烤，犧牲層質(zhì)量得到有效提升，具有良好的表面平整度和足夠的硬度。

在氮氣環(huán)境中處理得到的光刻膠犧牲層上，經(jīng)過磁控濺射種子層和電鍍工藝，得到了平整、光滑的MEMS 開關(guān)上電極結(jié)構(gòu)，如圖4 所示。采用氮氣烘箱固化處理的犧牲層固化工藝，與后續(xù)工藝具有良好的兼容性，滿足后續(xù)工藝條件對犧牲層質(zhì)量的要求。

圖4 上電極結(jié)構(gòu)

2.3 犧牲層釋放

犧牲層釋放是犧牲層工藝中最關(guān)鍵的一步。多種犧牲層制備技術(shù)中，常采用濕法腐蝕的方法來釋放犧牲層。濕法釋放過程中，由于溶液表面張力、靜電引力等影響，懸臂梁結(jié)構(gòu)容易與基底發(fā)生粘連，降低了釋放成品率。而本文制備的RF MEMS 開關(guān)，上極板與信號線之間的距離僅4um，采用濕法釋放的工藝方法很難保證釋放成功率。而干法釋放是基于等離子體與有機犧牲層的反應來進行的。采用各向同性的氧等離子體干法刻蝕，很好地解決了上極板與基底的粘連問題，提高了釋放的成功率。同時，對釋放過程進行分步，每步之間樣品都隨爐冷卻，能有效減小釋放時產(chǎn)生的熱應力，提高上電極質(zhì)量。干法釋放工藝參數(shù)如表2所示。

表2 干法釋放工藝參數(shù)

釋放完成后將MEMS開關(guān)上電極板挑開，觀察下方的犧牲層釋放狀況，如圖5 所示，犧牲層已釋放完全。

圖5 犧牲層釋放結(jié)果

3 開關(guān)制作工藝

RF MEMS 開關(guān)的制備過程主要包括光刻、刻蝕、鍍膜、電鍍等工藝。具體的工藝流程如圖6 所示。其中，開關(guān)具體工藝步驟如下：

圖6 RF MEMS開關(guān)制作工藝

第一步，備片。首先用H2O2∶H2SO4=7∶3 的混合溶液清洗，去除玻璃晶圓表面的有機雜質(zhì)，防止其影響器件質(zhì)量；然后用去離子水超聲清洗5min，去除晶圓表面的無機殘留。

第二步，凸點制備。通過PECVD 在BF33 型號的玻璃襯底表面生長一層400nm 厚的SiNx 薄膜；旋涂AZ5214 正性光刻膠并將凸點光刻圖形化；通過RIE 刻蝕SINx，形成凸點；最后用丙酮、異丙醇、去離子水清洗晶圓，完成凸點的制作，如圖6（b）所示。

第三步，驅(qū)動電極制備。通過磁控濺射在晶圓表面濺射一層500nm厚的金屬鋁；旋涂光刻膠并圖形化；通過干法刻蝕形成驅(qū)動電極、引線和Pad，如圖6（c）所示。

第四步，隔離層制備。采用PECVD 在晶圓表面沉積一層300nm厚的SiNx，形成驅(qū)動電極的上隔離層，如圖6（d）所示。

第五步，制作CPW。首先在晶圓表面濺射50nm 厚的Ti和150nm 厚的Au 作為種子層；然后旋涂AZ4620光刻膠并光刻圖形化，形成電鍍模具，通過電鍍形成2um 厚的CPW，此時SiNx 上的凸點也在信號線上形成；最后通過刻蝕，去除種子層和Pad上SiNx隔離層，如圖6（e）所示。

第六步，犧牲層制備。根據(jù)上電極到信號線的距離，制作相應厚度的犧牲層，并通過光刻圖形化，形成上電極錨點的圖形，如圖6（f）所示。

第七步，制作上電極。首先在犧牲層上濺射150nm 厚的Au 作為種子層；然后旋涂光刻膠制作上電極的電鍍模具，通過電鍍形成2um 厚的上極板；最后去掉Au 種子層，完成上電極制作，如圖6（g）所示。

第八步，犧牲層釋放。如圖6（h）所示，將上極板下的犧牲層徹底釋放，得到完整的上電極懸臂梁結(jié)構(gòu)。

第九步，裂片。通過劃片機，對制作好的晶圓進行劃片，得到單個的RF MEMS開關(guān)。

通過AZ-4620 光刻膠犧牲層制備完成的RF MEMS 開關(guān)的SEM 如圖7 所示。從圖（a）中可以看出，釋放后的開關(guān)表面平整，釋放孔清晰；同時從圖（b）中可以看出上電極懸臂梁厚度一致，粗糙度較低，尖端無翹曲發(fā)生。

圖7 RF MEMS開關(guān)SEM圖

4 性能測試

RF MEMS 開關(guān)的射頻性能在半自動射頻探針臺上進行測試，主要的測試設(shè)備還有N5227B PNA型矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀、射頻探針、多功能電源和放大器，測試系統(tǒng)如圖8所示。

圖8 RF MEMS開關(guān)測試系統(tǒng)

測試頻段為DC～20GHz，測試結(jié)果如圖9 所示。其隔離度為-59.23dB@0.01GHz；-30.39dB@10GHz；-31.32dB@18GHz，在全頻段范圍內(nèi)都小于-30.0dB。其插入損耗為-0.14dB@0.01GHz，-0.25dB@10GHz，-0.54dB@18GHz，在全頻段范圍內(nèi)都大于-1dB。

圖9 F MEMS開關(guān)射頻性能測試結(jié)果

5 結(jié)語

本文分析了犧牲層工藝在RF MEMS開關(guān)上電極制備過程中的關(guān)鍵作用，提出了一種基于光刻膠犧牲層的RF MEMS 開關(guān)制備方法，并研究了AZ-4620 光刻膠在作為犧牲層時的制備與釋放工藝。最后成功制作了工作頻段為DC～20GHz 的RF MEMS 開關(guān)。測試結(jié)果表明開關(guān)在DC～20GHz 范圍內(nèi)，隔離度小于-30.0dB，插入損耗大于-1.0dB，整體性能良好。