RF MEMS電容式開關結構層釋放技術*

趙興海，李玉萍，鄭英彬，高 楊，賈曉慧

(1．中國工程物理研究院電子工程研究所，四川綿陽621900;2．西南科技大學信息工程學院，四川綿陽621010)

RF MEMS技術是MEMS研究領域的一個分支，它是二十世紀九十年代以來MEMS領域的最為重要的研究熱點之一。采用RF MEMS技術可以制造出性能更高、可靠性更高、體積更小、價格更低的射頻器件，主要包括:開關，變容器，諧振器，濾波器，電感器，天線等。RF MEMS開關在MEMS射頻器件中是一種最基本的元器件，也是射頻電路的核心器件，它既可以單獨使用，也可以與其他微波電路或器件組合，形成其他復合器件，比如移相器、可重構天線、濾波器等［1－4］。

RF MEMS開關的主要制造工藝為表面硅微機械加工工藝(表面工藝)。表面工藝是RF MEMS器件或組件的最主要的加工手段之一［5］。1979年文獻［6］報道了第一只MEMS開關，它是采用靜電驅動的懸臂梁式微小型開關，用來控制低頻電信號的通斷。雖然近些年來，MEMS開關的研究已經取得巨大進展，已經逐步有實驗室階段進入商品化。但是RF MSMS開關仍然存在驅動電壓高、可靠性低、成品率不高等問題。在RF MEMS開關的制作工藝流程中，主要包括種子層技術、犧牲層技術、微電鍍技術、封裝技術等，其中結構層釋放技術是一個最為關鍵的工藝步驟［7－8］，它直接影響到開關的微波性能和可靠性［9－11］。本文主要以電容式 RF MEMS開關為例子，討論了如何去除聚酰亞胺犧牲層，釋放結構層，獲得理想橋結構。

1 開關工藝流程

MEMS電容式并聯開關結構的剖面圖和俯視圖如圖1所示，開關是在共面波導傳輸線的基礎上，放置一個與接地線相連的懸空金屬橋膜作為上電極。金屬橋(Au)與信號線有一定初始間距。信號線上表面有一層絕緣介質層(Si3N4)，襯底材料是硅。

圖1 電容式RF MEMS開關結構示意圖

圖2 RF MEMS電容式開關加工工藝流程

開關的整個加工工藝流程如圖2所示。首先，清洗硅片表面，去除各種無機雜質和有機物等污染物，防止器件電性能受到影響，可提高器件可靠性、穩定性和成品率;然后，采用熱氧化的方法生長氧化層，即先干氧，再濕氧，最后干氧的方法生長一層1 μm厚的SiO2作為緩沖介質層。目的是使硅襯底具有良好的電絕緣性，防止漏電流，降低襯底損耗和寄生電容;制備CPW傳輸線。二氧化硅和金的直接粘附性不好，但金屬Cr與二氧化硅和金均有好的粘附性，所以選用Cr/Au作為傳輸線材料。在SiO2層上濺射一層1 μm厚的Cr/Au金屬層;光刻出傳輸線的圖形。采用Au腐蝕液腐蝕Au，再采用Cr腐蝕液腐蝕Cr，最后去膠形成傳輸線的圖形;制備絕緣介質層。采用 PECVD工藝淀積 0．15 μm厚的Si3N4電介質層。采用RIE(Reactive Ion Etching，反應離子)刻蝕工藝刻蝕 Si3N4電介質層，形成在MEMS橋正下方的信號線區域和地線上均覆蓋有Si3N4介質層的結構，采用平面化技術使其表面光潔平整;比較關鍵的工藝是制備犧牲層。犧牲層用于支撐MEMS橋。旋涂厚度為2．0 μm的聚酰亞胺，采用平面化技術使其表面光潔平整;然后是制備錨點。在犧牲層上刻蝕出錨點的圖形，電鍍金屬Au作為錨點，實現偏置線與橋結構的聯通，并增加錨點的強度，防止錨點變形;再就是制備MEMS橋。在犧牲層上蒸鍍1．5 μm厚的金層。光刻出橋的圖形，濕法刻蝕形成MEMS橋結構;最后釋放犧牲層。可以采用干法或者濕法去除犧牲層，獲得懸空結構。

對于RF開關，殘余應力主要是淀積工藝時的非均勻變形、晶格失配等原因引起。從淀積工藝上考慮，減小殘余應力主要方法有:選擇合適的淀積工藝條件(溫度，速度)等。對于較厚的結構層，考慮采用分次淀積的方法。淀積后采用高溫退火工藝。由于高溫退火會嚴重影響犧牲層的質量和后續的釋放工藝，因此，這種方法不適合RF開關的研制。我們主要是通過淀積工藝條件的優化和多次淀積的方法以減小淀積結構層時殘余應力的產生。傳統的MEMS電容式并聯開關將偏置電壓直接加載到CPW的中心導體帶上。這種方式由于交直流信號共用一個電極，存在交直流干擾的問題。為了解決這個問題，在信號線兩側的地線上生長一層絕緣介質層，隔離地線，直流偏置線設計在絕緣介質層之上，與橋的錨點相連接。當直流偏置電壓加載到偏置線上，MEMS橋由于靜電力作用下拉，改變微波信號的傳輸速度。偏置電路加工時，在地線上生長絕緣介質層后，刻蝕出偏置線即可，加工工藝相對比較容易實現。

2 結構層釋放工藝

在RF MEMS開關微橋的釋放工藝中，主要采用可溶性的聚酰亞胺作為犧牲層。為了去除犧牲層，釋放結構層，主要有兩種方式:干法腐蝕和濕法腐蝕。

對于以光刻膠、聚酰亞胺等高分子聚合物為犧牲層的情況，可以采用等離子體刻蝕的方法來釋放MEMS結構。O2和CF4/O2氣氛的等離子體刻蝕很容易地去除光刻膠和聚酰亞胺材料。等離子體刻蝕一般是各向同性的，刻蝕向著深處和四周同時發展。這種刻蝕最終能夠完全去除膜底下的犧牲層材料。等離子體的刻蝕時間與膜上開孔的尺寸、間隔，以及犧牲層的厚度都有關，一般需要25 min～45 min。等離子體刻蝕后的表面十分清潔，不需要其它的后續清洗步驟。但隨著刻蝕時間的增加，薄膜溫度會升高到250℃ ～350℃，為提高成品率，需要將工藝優化。但是CF4氣體對Si3N4層一定的刻蝕作用，在本實驗中最大刻蝕深度達到了100 nm，如圖3所示。可以采用鋁作為掩蔽層，減少CF4氣體的側向刻蝕作用。先采用CF4進行初刻蝕，然后再采用O2刻蝕，可以有效的減少對Si3N4的刻蝕作用［12］。

圖3 干法刻蝕對Si3N4的刻蝕作用

另一種釋放方法是濕法腐蝕，一般用于光刻膠、聚酰亞胺、PECVD氧化層和銅的刻蝕。濕法腐蝕后的圓片需要在去離子水中清洗，以洗除表面殘余的化學物質。清洗后如果采用一般的風干方法，水表面的張力會使MEMS開關粘附在襯底上，無法回復到原來位置，如圖4所示。可以采用臨界點干燥法和升華干燥法來消除粘附。

圖4 濕法釋放時結構層黏附導致梁變形

通過優化的犧牲層釋放工藝和參數控制可以有效地去除聚酰亞胺犧牲層，獲得較好的微梁結構(圖5)。我們采用的濕法釋放工藝關鍵步驟和參數如下:①犧牲層制備工藝參數:型號PI 305IID－II;勻膠1500RPM/50s;前烘條件150℃/30 min;圖形化后后烘200℃/20 min;犧牲層厚:2．0 μm。②濕法釋放:0．5%NaOH溶液腐蝕樣品浸沒在腐蝕液中腐蝕2．5 h。③清洗:去離子水漂洗5次，無水已醇漂洗3次。④CO2臨界點干燥釋放:液態CO2置換時間30 min，壓力1 440 psi，溫度41℃，達到臨界點。

圖5 釋放的梁結構

3 結論

RF MEMS電容式開關制造過程中，最為重要的環節之一就是微橋結構的釋放。本文討論了整個RF MEMS電容式開關的制造工藝過程，可以通過淀積工藝條件的優化和多次淀積的方法以減小淀積結構層時殘余應力的產生。對聚酰亞胺犧牲層的去除，是獲得理想微梁結構的關鍵。采用干法刻蝕容易造成絕緣介質層Si3N4的刻蝕。本文采用濕法刻蝕技術，通過優化工藝參數和采用臨界點干燥釋放工藝獲得了理想的微梁結構。通過采用Veeco的動態測試儀，獲得RF MEMS開關的下拉電壓為34 V～40 V，下拉距離為(1．7±0．2)μm。

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