一种基于光刻胶牺牲层的RF_MEMS开关制备方法_高旭东.pdf

论文针对RF MEMS开关上电极传统的牺牲层工艺存在工艺兼容性差、释放时热应力大等问题，提出了一种基于光刻胶牺牲层的MEMS开关制备方法。通过采用在氮气环境下进行固化处理的方法，解决了光刻胶作为牺牲层时容易出现的表面褶皱、破裂等问题，同时提高了牺牲层表面的平整度；通过氧等离子体干法刻蚀释放工艺，获得了具有高平整度和低粗糙度的MEMS开关上电极结构。测试结果表明，基于光刻胶牺牲层工艺制备的RF MEMS开关在DC-20GHz频段内性能良好，隔离度均小于-30.0dB，插入损耗均大于-1.0dB。该RF MEMS开关具有良好的应用前景。关键词RF MEMS开关；上电极；牺牲层；干法释放中图分类号TN385DOI：10.3969/j.issn.1672-9730.2023.03.043A Method for Preparing RF MEMS Switch Based on PhotoresistSacrificial LayerGAO Xudong1，2，3SHI Zemin1，2，3WU Qiannan2，3，4LI Mengwei1，2，3（1.School of Instrument and Electronics，North University of China，Taiyuan030051）（2.Academy for Advanced Interdisciplinary Research，North University of China，Taiyuan030051）（3.Center for Microsystem Integration，North University of China，Taiyuan030051）（4.School of Science，North University of China，Taiyuan030051）AbstractTo solve the problems of poor process compatibility and high thermal stress during the release in the conventionalsacrificial layer process for the upper electrode of RF MEMS switches，this paper proposes a method for preparing MEMS switchesbased on photoresist sacrificial layers.By using the curing method under nitrogen，the surface wrinkling and cracking problems thattend to occur when the photoresist is used as a sacrificial layer are solved，and the flatness of the surface of the sacrificial layer is improved.The upper electrode structure of MEMS switch with high flatness and low roughness is obtained by oxygen plasma dry etching and release process.The test results show that the RF MEMS switches prepared based on the photoresist sacrificial layer processhave good performance in the DC20GHz band，with the isolation degree less than-30.0dB and the insertion loss greaterthan-1.0dB.This RF MEMS switch has good application prospects.Key WordsRF MEMS switch，upper electrode，sacrificial layer，dry releaseClass NumberTN385总第 345 期2023 年第 3 期舰 船 电 子 工 程Ship Electronic EngineeringVol.43 No.3209总第345期目前，常见的RF MEMS开关多采用静电驱动的悬臂梁结构6，通过金属接触来传输射频信号。牺牲层工艺7是指依次在衬底上制作两层薄膜，通过选择性去除下层薄膜来使上层结构悬浮固定在衬底特定位置，是获得RF MEMS开关上电极悬臂梁结构的关键工艺之一。牺牲层的制备状况与释放过程会影响MEMS开关上电极表面平整度以及悬臂梁的力学特性，进而对开关整体电性能和使用寿命产生影响。常见的牺牲层材料有：SiO2、Si3N4、金属、聚合物等8，其中金属材料作为牺牲层时，由于在两个金属层界面的原子相互扩散，会对开关表面造成污染，从而影响开关性能；SiO2和Si3N4牺牲层材料在去除时，多采用氢氟酸湿法腐蚀的方法，这不仅会对MEMS开关金属结构造成污染，在干燥器件时表面水分引起的张力也会造成结构层和衬底之间的粘连9；采用聚酰亚胺、BCB胶等材料作为牺牲层时，在牺牲层干法释放过程中，长时间的氧等离子体刻蚀，容易引入热应力，使开关金属结构表面产生形变，从而使开关电性能变差10。相比于上述材料，光刻胶作为牺牲层时具有厚度易控制、释放过程简单、材料兼容性好等优点1114。此外，由于光刻胶的流动性好，能极大提高牺牲层表面的平整度，满足不同悬浮结构的制备要求。2017年，韦剑等人采用BP212正性光刻胶作为牺牲层，制作了表面完整、梯度应力小的悬臂梁薄膜结构15；2020年，Ashudeep等采用AZ-4620光刻胶作为牺牲层，成功制备了2um厚的固支梁结构16；同年，Prem等人研究了AZ-P4620光刻胶作为牺牲层时，固化温度对牺牲层边缘坡度倾斜角的影响，制备了高质量的光刻胶牺牲层17；2021 年，Anuroop等人对 CMOS制造工艺中 HiPR-6517光刻胶牺牲层工艺做了优化，提高了牺牲层的平整度和均匀性18。本文针对光刻胶作为牺牲层时，常遇到烘胶汽泡、起皱、破裂、结构层释放过程中发生粘连等问题，对AZ-4620正性光刻胶用作牺牲层时的制备、固化、释放等过程进行研究和优化，并成功制备了DC20GHz范围内性能良好的RF MEMS开关。2牺牲层工艺优化2.1牺牲层制备本文采用了型号为AZ-4620的正性光刻胶作为牺牲层来制作RF MEMS开关。牺牲层厚度应等于上极板到信号线的距离，但是在实际制备过程中，受到晶圆表面结构的影响，牺牲层的厚度往往不能很好的控制：较薄的牺牲层会增大电容损耗，降低MEMS开关的射频性能；较厚的牺牲层则会增大开关的驱动电压，对通断造成影响。为了确定最合适的旋涂转速，准备了10组清洁衬底进行旋涂实验，旋涂过程如图1所示。图1旋涂过程其中，第一阶段将光刻胶均匀分布在晶圆表面；第二阶段决定光刻胶的最终厚度；第三阶段去除晶圆边缘光刻胶中的气泡。后续工艺流程为：1）90热板烘烤光刻胶 95s；2）光刻图形化，参数为925W曝光12s；3）采用TMAH H2O=1 8的显影液，显影40s；5）光刻胶固化。最后，使用台阶仪对固化后的光刻胶厚度进行测量，结果如图2所示。10987654321胶厚/m200040006000800010000转速/（rad/min）图 2AZ-4620胶厚与转速的关系本实验中RF EMSMS开关所需的牺牲层厚度约为4m，光刻胶旋涂转速为6000 rad/min。2.2牺牲层固化固化过程对牺牲层表面形貌具有重要影响。相比于其他材料的牺牲层，由于AZ-4620光刻胶中溶剂含量较高，固化过程中容易在表面产生气泡，导致牺牲层破裂。因此，选择适当的固化条件，合理控制其溶剂的挥发是形成高质量牺牲层薄膜的关键。同时，固化时间也是影响牺牲层质量的一个关键因素：固化时间不足，光刻胶水分挥发不充分，会导致牺牲层表面硬度不够，在释放过程中会与上极板粘连，破坏开关结构；固化时间太长，又会导致牺牲层破裂，难以进行种子层溅射和上极板电镀。实验中通过优化光刻胶牺牲层固化工艺来制高旭东等：一种基于光刻胶牺牲层的RF MEMS开关制备方法210舰 船 电 子 工 程2023 年第 3 期备高质量牺牲层结构。显影后分别采用热板、氮气烘箱进行固化处理，固化工艺如表1所示。表1固化工艺组别123设备热板热板氮气烘箱温度条件90，60s；100，60s95，90s；110，120s95，90s；110，120s采用不同的固化工艺处理得到的牺牲层表面硬度和应力各不相同，具体表现为表面形貌差异。在溅射种子层和制备上电极电镀模具后，牺牲层表面形貌如图3所示。（a）1组（b）2组（c）3组图31组、2组和3组固化后牺牲层形貌图3（a）中的牺牲层出现了褶皱。这是由于光刻胶中水分挥发不充分，在后续的工艺中，温度升高造成种子层表面应力增大，从而造成表面褶皱发生；图3（b）中的牺牲层出现了裂纹。为了使光刻胶中的水分充分挥发，增加了固化时间和固化温度。但是光刻胶发生变性，导致表面出现了裂纹，导致牺牲层质量变差，后续工艺也无法正常进行。此外，由于光刻胶对温度变化的敏感性，热板直接加热的形式也不适应光刻胶牺牲层的固化工艺。图3（c）是采用氮气烘箱来对光刻胶进行固化处理后的牺牲层表面形貌。利用高温的氮气环境对光刻胶进行烘烤，牺牲层质量得到有效提升，具有良好的表面平整度和足够的硬度。在氮气环境中处理得到的光刻胶牺牲层上，经过磁控溅射种子层和电镀工艺，得到了平整、光滑的MEMS开关上电极结构，如图4所示。采用氮气烘箱固化处理的牺牲层固化工艺，与后续工艺具有良好的兼容性，满足后续工艺条件对牺牲层质量的要求。图4上电极结构2.3牺牲层释放牺牲层释放是牺牲层工艺中最关键的一步。多种牺牲层制备技术中，常采用湿法腐蚀的方法来释放牺牲层。湿法释放过程中，由于溶液表面张力、静电引力等影响，悬臂梁结构容易与基底发生粘连，降低了释放成品率。而本文制备的 RFMEMS开关，上极板与信号线之间的距离仅 4um，采用湿法释放的工艺方法很难保证释放成功率。而干法释放是基于等离子体与有机牺牲层的反应来进行的。采用各向同性的氧等离子体干法刻蚀，很好地解决了上极板与基底的粘连问题，提高了释放的成功率。同时，对释放过程进行分步，每步之间样品都随炉冷却，能有效减小释放时产生的热应力，提高上电极质量。干法释放工艺参数如表2所示。表2干法释放工艺参数工艺步骤12345功率200W300W400W300W200W时间5min10min30min5min5min氧气流量200sccm250sccm300sccm200sccm200sccm释放完成后将MEMS开关上电极板挑开，观察下方的牺牲层释放状况，如图5所示，牺牲层已释放完全。图5牺牲层释放结果211总第345期3开关制作工艺RF MEMS开关的制备过程主要包括光刻、刻蚀、镀膜、电镀等工艺。具体的工艺流程如图6所示。其中，开关具体工艺步骤如下：第一步，备片。首先用 H2O2H2SO4=7 3的混合溶液清洗，去除玻璃晶圆表面的有机杂质，防止其影响器件质量；然后用去离子水超声清洗5min，去除晶圆表面的无机残留。第二步，凸点制备。通过PECVD在BF33型号的玻璃衬底表面生长一层 400nm 厚的 SiNx薄膜；旋涂AZ5214正性光刻胶并将凸点光刻图形化；通过RIE刻蚀SINx，形成凸点；最后用丙酮、异丙醇、去离子水清洗晶圆，完成凸点的制作，如图6（b）所示。第三步，驱动电极制备。通过磁控溅射在晶圆表面溅射一层500nm厚的金属铝；旋涂光刻胶并图形化；通过干法刻蚀形成驱动电极、引线和Pad，如图6（c）所示。第四步，隔离层制备。采用PECVD在晶圆表面沉积一层300nm厚的SiNx，形成驱动电极的上隔离层，如图6（d）所示。第五步，制作 CPW。首先在晶圆表面溅射50nm厚的Ti和150nm厚的Au作为种子层；然后旋涂AZ4620光刻胶并光刻图形化，形成电镀模具，通过电镀形成2um厚的CPW，此时SiNx上的凸点也在信号线上形成；最后通过刻蚀，去除种子层和Pad上SiNx隔离层，如图6（e）所示。第六步，牺牲层制备。根据上电极到信号线的距离，制作相应厚度的牺牲层，并通过光刻图形化，形成上电极锚点的图形，如图6（f）所示。第七步，制作上电极。首先在牺牲层上溅射150nm厚的Au作为种子层；然后旋涂光刻胶制作上电极的电镀模具，通过电镀形成 2um 厚的上极板；最后去掉Au种子层，完成上电极制作，如图6（g）所示。第八步，牺牲层释放。如图6（h）所示，将上极板下的牺牲层彻底释放，得到完整的上电极悬臂梁结构。第九步，裂片。通过划片机，对制作好的晶圆进行划片，得到单个的RF MEMS开关。通过 AZ-4620 光刻胶牺牲层制备完成的 RFMEMS开关的SEM如图7所示。从图（a）中可以看出，释放后的开关表面平整，释放孔清晰；同时从图（b）中可以看出上电极悬臂梁厚度一致，粗糙度较低，尖端无翘曲发生。图 6RF MEMS开关制作工艺（a）（b）图 7RF MEMS开关SEM图4性能测试RF MEMS开关的射频性能在半自动射频探针台上进行测试，主要的测试设备还有N5227B PNA型矢量网络分析仪、射频探针、多功能电源和放大器，测试系统如图8所示。图8RF MEMS开关测试系统测试频段为 DC20GHz，测试结果如图 9 所示。其隔离度为-59.23dB0.01GHz；-30.39dB高旭东等：一种基于光刻胶牺牲层的RF MEMS开关制备方法212舰 船 电 子 工 程2023 年第 3 期10GHz；-31.32dB18GHz，在全频段范围内都小于-30.0dB。其插入损耗为-0.14dB0.01GHz，-0.25dB10GHz，-0.54dB18GHz，在全频段范围内都大于-1dB。05101520频率/GHz0-2-4-6-8-10插入损耗/dB0-10-20-30-40-50-60隔离度/dB图9F MEMS开关射频性能测试结果5结语本文分析了牺牲层工艺在RF MEMS开关上电极制备过程中的关键作用，提出了一种基于光刻胶牺牲层的 RF MEMS 开关制备方法，并研究了AZ-4620光刻胶在作为牺牲层时的制备与释放工艺。最后成功制作了工作频段为DC20GHz的RFMEMS 开关。测试结果表明开关在 DC20GHz 范围内，隔离度小于-30.0dB，插入损耗大于-1.0dB，整体性能良好。参 考 文 献1Wang S S，Wu Q N，Gao Y S，et al.A novel multifunctional electronic calibration kit integrated by MEMS SPDTswitches J.China Physics B，2021，30（11）：118501.2朱光州，王志斌，吴倩楠，等.一种基于Au-TiW触点的提高 RF MEMS 开关寿命的方法 J.微纳电子技术，2022，59（08）：801-806，812.3韩路路，吴倩楠，王姗姗，等.基于RF MEMS开关的交指型可切换带通滤波器设计 J.微电子学，2021，51（1）：106-111.4Li M W，Liu Q H，Wu Q N，et al.Broadband radio frequency MEMS series contact switch with low insertion lossJ.Microsystem Technologies，2019，25：1619-1625.5刘立，胡磊，丑修建.发展中的RF MEMS开关技术 J.电子技术应用，2016，42（11）：14-17，21.6曹钎龙，吴倩楠，韩路路，等.W 波段直板型电容式MEMS 开关设计 J.传感器与微系统，2022，41（6）：74-77.7高跃升，薛鹏飞，王俊强，等.一种射频MEMS开关高平整度牺牲层的制备方法 J.中北大学学报（自然科学版），2020，41（5）：450-454.8揣荣岩，崔林等.多晶硅纳米薄膜牺牲层压力敏感结构设计 J.仪表技术与传感器，2010（2）：10-12，21.9张翼，鲍景富，黄裕霖，等.MEMS开关中聚合物牺牲层去除方法研究 J.微电子学，2020，50（6）：890-893.10张永华，丁桂甫，姜政，等.用于MEMS的叠层光刻胶牺牲 层 技 术（英 文）J.传 感 技 术 学 报，2006（5）：1422-1425.11刘欢，刘卫国，周顺，等.非制冷红外焦平面阵列读出电路的 BCB 牺牲层接触平坦化 J.红外与激光工程，2012，41（5）：1163-1167.12刘志斌，马玉，周拥华.RF MEMS器件牺牲层释放工艺研究 J.电子元器件与信息技术，2019（1）：59-61，64.13单晗，刘军山.PDMS多层次蘑菇形微结构的制作 J.微纳电子技术，2020，57（5）：395-398，408.14曹云，席占稳，王炅，等.UV-LIGA工艺误差对MEMS万向惯性开关性能的影响 J.浙江大学学报（工学版），2017，51（9）：1815-1823，1833.15韦剑，何万益，陆颖颖.SU-8光刻胶加工工艺及应力梯度研究 J.科技创新与应用，2017（33）：63-64，66.16Minhas A，Bajpai A，Mehta K，et al.AZ4620 Photoresist as an Alternative Sacrificial Layer for Surface Micromachining J.Journal of Electronic Materials，2020，49（12）：1-5.17Kumar P，Bansal D，Kumar A，et al.Sacrificial layer optimization for RF MEMS switches J.Microsystem Technologies，2021，27（5）：2147-2152.18Bajpai A，Rangra K，Bansal D.Optimization of ThickPhotoresist for Uniform Thickness in RF MEMS Applications J.Journal of Electronic Materials，2021（50-12）.213