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(lián)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(wěn)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(qū)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(xiàn)偏置線與橋結構的聯(lián)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?？梢圆捎酶煞ɑ蛘邼穹ㄈコ隣奚鼘?，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(xù)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(yōu)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(tǒng)的MEMS電容式并聯(lián)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(xiàn)。

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(fā)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(xù)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(yōu)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?？梢圆捎娩X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?？梢圆捎门R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(yōu)化的犧牲層釋放工藝和參數(shù)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(shù)如下:①犧牲層制備工藝參數(shù):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(tài)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(huán)節(jié)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(yōu)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(yōu)化工藝參數(shù)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(tài)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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