黨元蘭，趙　飛，韓　磊，徐亞新，梁廣華，劉曉蘭，3，陳　雨，3，莊治學(xué)，3

（1.中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第54研究所，石家莊050081；2.東南大學(xué)MEMS教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，南京210096；3.河北諾亞人力資源開(kāi)發(fā)有限公司，石家莊050035）

LCP基RF MEMS開(kāi)關(guān)的工藝研究

黨元蘭1，趙飛1，韓磊2，徐亞新1，梁廣華1，劉曉蘭1，3，陳雨1，3，莊治學(xué)1，3

（1.中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第54研究所，石家莊050081；2.東南大學(xué)MEMS教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，南京210096；3.河北諾亞人力資源開(kāi)發(fā)有限公司，石家莊050035）

在柔性LCP基板上制備RF MEMS開(kāi)關(guān)，加工難度較大，影響開(kāi)關(guān)質(zhì)量的因素較多。主要研究影響LCP基RF MEMS開(kāi)關(guān)加工質(zhì)量的主要因素，尋找工藝過(guò)程控制解決方案。通過(guò)對(duì)關(guān)鍵工序的試驗(yàn)，對(duì)加工過(guò)程中的基板清洗、LCP基板覆銅面鍍涂及整平、LCP基板無(wú)銅面濺射金屬膜層、LCP基板平整度保持、二氧化硅膜層生長(zhǎng)及圖形化、犧牲層加工、薄膜微橋加工、犧牲層釋放等工序進(jìn)行了參數(shù)優(yōu)化。研制的LCP基RF MEMS開(kāi)關(guān)樣件頻率≤20 GHz、插入損耗≤0.5 dB，回波損耗≤-20 dB，隔離度≥20 dB，驅(qū)動(dòng)電壓30～50 V。該加工方法對(duì)柔性基板上可動(dòng)結(jié)構(gòu)的制造具有一定的借鑒價(jià)值。

LCP基材；柔性；橋式RF MEMS開(kāi)關(guān)；薄膜微橋

1　引言

LCP（液晶聚合物）是一種新型的微波/毫米波基板材料，具有許多優(yōu)點(diǎn)，如介電常數(shù)和損耗小、使用頻率范圍大（DC～110 GHz）、強(qiáng)度高、重量輕、熱穩(wěn)定性高、耐腐蝕性好、多層結(jié)構(gòu)成型溫度低、無(wú)源器件和有源芯片可一起封裝、成本低等［1］。這些特性契合了微波/毫米波系統(tǒng)向更輕更小、更高性能以及更低成本方向發(fā)展的需求［2］，因而展現(xiàn)出廣闊的應(yīng)用前景。LCP較好的密封性、較低的吸濕率和可控的熱膨脹系數(shù)使其成為較理想的高頻封裝材料［3］。同時(shí)，LCP材料相對(duì)較低的工藝溫度使其成為高性能、小尺寸、低成本器件設(shè)計(jì)的最佳選擇［4］，比如低損耗RF MEMS開(kāi)關(guān)等。

在柔性LCP基板上制作RF MEMS開(kāi)關(guān)的加工過(guò)程中，柔性板平整度保持、濺射膜層附著力提高、二氧化硅附著力提高、犧牲層釋放等是加工中的關(guān)鍵技術(shù)。本文從加工工藝流程入手，對(duì)加工過(guò)程中的關(guān)鍵工藝進(jìn)行了研究，并對(duì)制作的樣件進(jìn)行了性能測(cè)試。

2　LCP基RF MEMS開(kāi)關(guān)加工工藝流程

RF MEMS開(kāi)關(guān)按可動(dòng)微橋的結(jié)構(gòu)形式劃分，一般分為橋式開(kāi)關(guān)和懸臂梁開(kāi)關(guān)［5］。本文用LCP基板作為開(kāi)關(guān)基板，主要針對(duì)橋式開(kāi)關(guān)進(jìn)行了研究。LCP基橋式RF MEMS開(kāi)關(guān)結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

圖1　LCP基橋式RF MEMS開(kāi)關(guān)結(jié)構(gòu)示意圖

LCP基RFMEMS開(kāi)關(guān)加工工藝流程如圖2所示。

圖2　LCP基橋式RF MEMS開(kāi)關(guān)加工工藝流程圖

3　LCP基板材料

商品化的LCP覆銅板分單面覆銅箔和雙面覆銅箔2種。純LCP介質(zhì)通常有50 μm、100 μm、125 μm等厚度，銅箔厚度通常為18 μm，銅箔厚度≤12 μm的基板需要定制。標(biāo)準(zhǔn)的LCP基板熱膨脹系數(shù)在XY軸方向CTE與銅匹配（17×10-6·℃-1）。通過(guò)改變LCP的分子結(jié)構(gòu)，可以將CTE調(diào)配到3×10-6·℃-1～7×10-6·℃-1，與Si或者GaAs半導(dǎo)體熱匹配［6］。但CTE為3×10-6·℃-1～7× 10-6·℃-1的LCP基板也需定制。本文用介質(zhì)厚度125μm、單面覆18 μm銅箔的標(biāo)準(zhǔn)LCP基板進(jìn)行RF MEMS開(kāi)關(guān)的工藝研究及樣件制作和測(cè)試。

4　LCP基RF MEMS開(kāi)關(guān)工藝研究及優(yōu)化

4.1LCP基板清洗

LCP覆銅板在生產(chǎn)、運(yùn)輸和儲(chǔ)存等過(guò)程中，不可避免地會(huì)吸附或粘附一些有機(jī)或無(wú)機(jī)污物，另外，覆銅面可能會(huì)有氧化層等。為提高金屬層與基板及金屬層與金屬層之間的結(jié)合力，必須將表面的污物和氧化層除去。否則，可能會(huì)出現(xiàn)層間氣泡、金屬膜層脫落等缺陷，嚴(yán)重影響開(kāi)關(guān)質(zhì)量。因此用堿性清洗劑M6139US和10%稀鹽酸、10%稀硫酸等對(duì)LCP基板進(jìn)行了清洗試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表1。

表1　LCP基板清洗方法及試驗(yàn)結(jié)果表

從表1可以看出，采用1d號(hào)試驗(yàn)方案的試驗(yàn)結(jié)果較佳。因異丙醇表面張力小，且比水更容易揮發(fā)，增加異丙醇的浸泡清洗，可使銅面表面干燥時(shí)間大大縮短，從而降低氧化幾率，確保銅面顏色均勻一致。

4.2LCP基板覆銅面鍍涂及整平

（1）防氧化鍍涂。LCP基RF MEMS開(kāi)關(guān)加工工序較多，基板在整個(gè)加工過(guò)程中歷經(jīng)多次加熱，并與多種化學(xué)溶液接觸，這些勢(shì)必會(huì)造成銅層氧化。采取先在銅層表面電鍍厚度合適的金層、再進(jìn)行后續(xù)加工的方法可有效避免銅層氧化。

（2）LCP基板整平。試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，單面覆銅的LCP基板清洗烘干后呈現(xiàn)出向覆銅面卷曲的狀態(tài)，平整度較差。濺射時(shí)，翹曲嚴(yán)重的基板無(wú)法順利地從預(yù)真空室轉(zhuǎn)移到主真空室，而且基板不平整還會(huì)造成濺射膜層厚度不均勻，進(jìn)而造成線條精度變差。

采取電鍍清洗后壓蓋玻璃板200℃烘烤2 h的方法，可有效提高基板的平整性。

4.3LCP基板無(wú)銅面濺射金屬膜層

LCP基板具有較高的物理化學(xué)穩(wěn)定性，加之單面覆銅基板無(wú)銅面（稱為光面，下同）光潔度較高，常規(guī)的處理方法不能有效改變基板光面的表面粗糙度，造成基板光面與金屬膜層間的結(jié)合力不高。濺射前，采用RIE（反應(yīng)離子刻蝕）設(shè)備，在功率100 W、四氟化碳和氧氣的混合氣體比例為24sccm:8sccm的條件下，進(jìn)行10 min的等離子處理，可使LCP基板光面的微觀狀態(tài)發(fā)生變化，微觀粗糙度得以提高，進(jìn)而使基板光面與金屬膜層間的結(jié)合力得到有效提高。

另外，通過(guò)增加濺射前的RF清洗時(shí)間和提高濺射溫度，也可使濺射膜層與LCP基材之間的結(jié)合力得到提高。本研究采用100℃、150℃、200℃、250℃分別進(jìn)行濺射試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表2。

表2　LCP基板無(wú)銅面濺射試驗(yàn)結(jié)果表

從表2可以看出，采用第2d和2e號(hào)試驗(yàn)方案的試驗(yàn)結(jié)果較佳，從生產(chǎn)效率考慮，優(yōu)選2d方案的參數(shù)。RF清洗時(shí)間長(zhǎng)，表面活化效果好、粗糙度改善明顯；濺射溫度高，有利于薄膜和基板原子的相互擴(kuò)散，使附著力得以提高。

4.4LCP基板平整度保持

LCP為柔性基板，加之材料本身固有的翹曲特性，加工過(guò)程中基板的平整度很難保證。這不僅給加工帶來(lái)不便，圖形精度也受到極大影響，甚至造成廢品。通過(guò)將LCP基板與高平整度的硬性基板進(jìn)行臨時(shí)鍵合，可有效解決加工過(guò)程中基板不平整的問(wèn)題，使圖形精度得到有效提高。

LCP基板平整度保持，分別采用聚乙烯醇、AZ系列正性光刻膠、NR系列負(fù)性光刻膠以及厚度0.4 mm的硅片、96%氧化鋁陶瓷片、普通玻璃板進(jìn)行臨時(shí)鍵合試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如表3所示。

從表3可以看出，第3c號(hào)試驗(yàn)結(jié)果較佳。臨時(shí)鍵合后，基板間會(huì)留存小氣泡，這些氣泡如果在勻膠前烘及堅(jiān)膜后擴(kuò)大，會(huì)導(dǎo)致局部接近式曝光，線條鋸齒、毛刺嚴(yán)重，線條側(cè)面陡直度下降。高溫、長(zhǎng)時(shí)間烘烤有利于氣泡的去除，提高線條質(zhì)量。然而過(guò)高溫度或過(guò)長(zhǎng)時(shí)間會(huì)使某些粘接材料如聚乙烯醇和AZ系列正性光刻膠發(fā)生變性，使其在后續(xù)過(guò)程中去除不徹底。

4.5二氧化硅膜層生長(zhǎng)及圖形化

在RF MEMS開(kāi)關(guān)中，上電極、下電極及射頻信號(hào)線之間通常用氮化硅膜層作絕緣隔離。因LCP基板的熔化溫度為315℃，所以不能采用常規(guī)的350℃左右的等離子增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積（PECVD）法進(jìn)行氮化硅絕緣膜層的生長(zhǎng)，只能采用低于300℃低溫生長(zhǎng)的二氧化硅作為絕緣膜層。試驗(yàn)中，采用100℃生長(zhǎng)二氧化硅絕緣膜層，發(fā)現(xiàn)其與基板的結(jié)合力很差。在生長(zhǎng)二氧化硅前，對(duì)基板表面進(jìn)行氧等離子體干法清洗，結(jié)合力幾乎沒(méi)有提升。通過(guò)在生長(zhǎng)二氧化硅前，用RIE設(shè)備在100 W功率、氬氣流量50 sccm的條件下，對(duì)基板表面進(jìn)行干法刻蝕處理，可使二氧化硅與基板、二氧化硅與金層間的結(jié)合力得到有效提高。

表3　LCP基板與硬性基板臨時(shí)鍵合試驗(yàn)結(jié)果表

二氧化硅膜層的圖形化是通過(guò)光刻和濕法刻蝕實(shí)現(xiàn)的。因二氧化硅膜層厚度存在不均勻性，要使板面上圖形以外的二氧化硅完全被刻蝕干凈，局部可能會(huì)出現(xiàn)過(guò)刻現(xiàn)象。需把二氧化硅的側(cè)腐蝕量考慮進(jìn)去，對(duì)圖形進(jìn)行適當(dāng)?shù)难a(bǔ)償和修正。

4.6犧牲層加工

薄膜微橋的加工是在犧牲層上實(shí)現(xiàn)的，犧牲層的加工質(zhì)量直接影響薄膜微橋的質(zhì)量，尤其是犧牲層的平坦性對(duì)薄膜微橋的平整性影響較大。因犧牲層圖形是在已經(jīng)加工出CPW圖形的基板上加工的，所以其平坦化難度較大。試驗(yàn)中，綜合利用CPW局部電鍍、光刻膠自然流平和高溫固化等方法，較好地解決了犧牲層不平整、起泡、皺褶、后續(xù)釋放不完全等技術(shù)難題。

CPW局部電鍍是指橋墩及薄膜微橋正下方的RF傳輸線和下電極處不電鍍，而其他區(qū)域電鍍，這樣可減小微橋下方金屬臺(tái)階的高度，降低犧牲層平坦化的難度。

光刻膠自然流平是勻膠后室溫下自然放置30 min以上，利用膠液本身的填充性和流動(dòng)性使其流平。局部電鍍加上自然流平，可使?fàn)奚鼘悠教苟冗_(dá)85%以上。

犧牲層固化是犧牲層圖形加工的最后一步，也是最為關(guān)鍵的一步。固化條件對(duì)薄膜微橋種子層的質(zhì)量和犧牲層釋放的難易程度影響較大。固化溫度低、時(shí)間短，犧牲層容易釋放，但濺射微橋種子層時(shí)，犧牲層易出現(xiàn)裂紋、皺褶，光刻時(shí)易出現(xiàn)氣泡等現(xiàn)象，致使薄膜微橋種子層的質(zhì)量無(wú)法滿足要求；固化溫度高、時(shí)間長(zhǎng)，犧牲層難以100%釋放。通過(guò)試驗(yàn)摸索和參數(shù)優(yōu)化，120℃固化10 min效果較佳。

4.7薄膜微橋加工

薄膜微橋加工包括種子層濺射、微橋圖形光刻、電鍍、去膠、刻蝕等工序。

種子層的作用主要是為后續(xù)的圖形電鍍提供導(dǎo)電連接面。研究發(fā)現(xiàn)，薄膜微橋種子層的厚度在滿足電鍍要求的前提下越薄越好。如果種子層太厚，側(cè)腐蝕增大，圖形精度降低。同時(shí)刻蝕時(shí)間太長(zhǎng)，也會(huì)造成薄膜微橋厚度均勻性變差。因薄膜微橋的加工是在犧牲層上實(shí)現(xiàn)的，所以種子層的濺射不能加熱，否則犧牲層會(huì)出現(xiàn)裂紋、皺褶等缺陷，造成微橋平整度無(wú)法滿足要求。

電鍍和刻蝕對(duì)薄膜微橋的性能影響較大，選擇低應(yīng)力的電鍍?nèi)芤骸⒑线m的電流密度、嚴(yán)格控制電鍍和刻蝕時(shí)間等可使薄膜微橋的應(yīng)力、厚度及其均勻性等得到有效控制。薄膜微橋是由濺射層和電鍍層組成，由于晶格錯(cuò)位或失配等原因，兩者之間存在應(yīng)力，再加上加工過(guò)程中溫度、膜層厚度、電鍍參數(shù)、鍍液老化等因素的影響，使得薄膜微橋膜層不可避免地存在內(nèi)應(yīng)力。研究發(fā)現(xiàn)：（1）薄膜微橋較厚時(shí)，平整度比較容易控制，但驅(qū)動(dòng)電壓較大；薄膜微橋較薄時(shí)，平整度較難控制，容易變形、損壞等。薄膜微橋厚度的選擇原則是，在滿足驅(qū)動(dòng)電壓的前提下，微橋厚度越厚越好，以提高平整性和可靠性。（2）薄膜微橋的厚度均勻性主要取決于電鍍層的厚度均勻性。通過(guò)選擇合適的電流密度可將鍍層的厚度均勻性控制在一定的范圍內(nèi)?？刂齐婂儠r(shí)間可在一定程度上控制鍍層厚度，但準(zhǔn)確控制厚度比較困難。采用適當(dāng)增加鍍層厚度、控制刻蝕時(shí)間等方法可使薄膜微橋的厚度控制在很小的波動(dòng)范圍內(nèi)。

研究發(fā)現(xiàn)，薄膜微橋電鍍后的去膠溫度和時(shí)間需要嚴(yán)格控制。去膠溫度低、時(shí)間短，種子層上面的光刻膠去除不徹底，造成種子層局部刻蝕困難；去膠溫度高、時(shí)間長(zhǎng)，會(huì)對(duì)種子層下面的犧牲層造成不良影響，使?fàn)奚鼘映霈F(xiàn)氣泡、甚至局部溶解等現(xiàn)象。試驗(yàn)中，采用60℃去膠10 min，犧牲層未出現(xiàn)氣泡和局部溶解現(xiàn)象，效果較佳。

4.8犧牲層釋放

犧牲層釋放是RF MEMS開(kāi)關(guān)加工過(guò)程中極其關(guān)鍵的一步，對(duì)成品率影響極大。本研究采用濕法去膠、異丙醇置換、臨界點(diǎn)干燥等方法進(jìn)行犧牲層釋放。研究發(fā)現(xiàn)，濕法去膠溫度和時(shí)間、超聲功率和時(shí)間、水洗溫度和時(shí)間、異丙醇置換時(shí)間、二氧化碳置換時(shí)間等因素都會(huì)對(duì)成品率造成較大影響。濕法去膠時(shí)，溶液溫度低、時(shí)間短，微橋下方的光刻膠不能徹底去除；超聲功率大、時(shí)間長(zhǎng)，薄膜微橋出現(xiàn)斷裂；水洗溫度低、時(shí)間短，去膠液不能被完全清洗干凈；異丙醇置換時(shí)間短，水分子不能被完全置換出去，二氧化碳置換時(shí)間短，異丙醇不能被完全置換出去，這些都會(huì)使成品率嚴(yán)重降低，因而均需進(jìn)行嚴(yán)格控制。試驗(yàn)中，采用60℃去膠90 min，500 W超聲2 min，水洗10 min，異丙醇置換5～6 h，二氧化碳置換15 min～20 min，可使?fàn)奚鼘油耆尫?，釋放成品率?yōu)于90%。

值得注意的是，濕法去膠過(guò)程后，LCP基板與硬性基板之間會(huì)完成分離，恢復(fù)其柔性特質(zhì)，因而后續(xù)操作過(guò)程中必須小心謹(jǐn)慎，防止操作不當(dāng)造成LCP基板變形，并最終造成RF MEMS開(kāi)關(guān)失效。

5　開(kāi)關(guān)樣件性能測(cè)試

研究過(guò)程中制作了2種LCP基橋式RF MEMS開(kāi)關(guān)樣件（樣件照片見(jiàn)圖3），并用探針臺(tái)、矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀、電壓表等儀器進(jìn)行了相關(guān)性能測(cè)試。開(kāi)關(guān)樣件的技術(shù)指標(biāo)為：頻率≤20 GHz，插入損耗≤0.5 dB，回波損耗≤-20dB，隔離度≥20dB，驅(qū)動(dòng)電壓30V～50V，工藝優(yōu)化后制備的樣件達(dá)到了設(shè)計(jì)要求，表明開(kāi)發(fā)優(yōu)化的LCP基RF MEMS開(kāi)關(guān)的工藝較成功。

圖3　LCP基橋式RF MEMS開(kāi)關(guān)實(shí)物樣件照片

6　結(jié)束語(yǔ)

本文通過(guò)對(duì)在LCP柔性基材上加工RF MEMS開(kāi)關(guān)中關(guān)鍵工藝技術(shù)的分析與研究以及樣件的試制、測(cè)試，給出加工過(guò)程中應(yīng)該控制的關(guān)鍵工藝、關(guān)鍵工藝的控制要點(diǎn)和注意事項(xiàng)，對(duì)LCP基RF MEMS開(kāi)關(guān)的加工研究具有一定的參考價(jià)值。

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［6］Richard WLusignea，James LRacich，R Chandy.Multiaxially OrientedThermotropicPolymerSubstrateforPrinted WireBoard［P］.US Patent.

Processing Study on LCP RF MEMS Switch

DANGYuanlan1，ZHAOFei1，HANLei2，XUYaxin1，LIANGGuanghua1，LIUXiaolan1，3，CHENYu1，3，ZHUANG Zhixue1，3
（1.China Electronics Technology Group Corporation No.54 Research Institution，Shijiazhuang 050081，China；2.Key Laboratory of MEMS of the Ministry of Education，Southeast University，Nanjing 210096，China；3.Hebei Noah Human Resource Development Co.Ltd.，Shijiazhuang 050035，China）

Due to the multi influences on quality of RF MEMS switch，it is difficult to fabricate the switch on flexible LCP substrate.Here，we present for the study on the key influence on LCP RF MEMS fabrication to find the processing solution.According to the experiment，the parameters of substrate cleaning，electro-plating and leveling on Cu lamination layer，metal film on LCP substrate without copper，flatness maintain during lithography，SiO2film growing and patterning，fabrication of scarified layer forming，fabrication of thin film bridge and releasing of scarified layer were optimized.LCP RF MEMS switch with frequency less than 20 GHz was fabricated，whose insertion loss is no more than 0.5 dB，return loss is no more than-20 dB，isolation is no less than 20 dB，and driving voltage is 30 V to 50 V.The method mentioned here may have successful experiences on fabrication of moving parts on flexible substrate.

LCP substrate；flexibility；bridged RF MEMS switch；thin film micro-bridge

TN305

A

1681-1070（2016）05-0043-05

2016-3-4

黨元蘭（1962—），女，河南南陽(yáng)人，畢業(yè)于武漢大學(xué)，現(xiàn)為中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第54研究所高級(jí)工程師，主要研究方向?yàn)槲⒔M裝工藝。