一種基于光刻膠犧牲層的RF MEMS 開關制備方法*

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IC（集成電路）制造技術的發展，射頻微機電系統（radio-frequency micro-electromechanical system，RF MEMS）逐漸成為現代科技前沿領域不可或缺的一部分［1］。與傳統的PIN、FET 和電磁繼電器等開關相比，RF MEMS 開關因其隔離度高、插入損耗低、線性度高、工作頻帶寬等優點，在航空航天、衛星通訊、微波測試等領域都有著非常廣泛的應用［2～5］。

目前，常見的RF MEMS 開關多采用靜電驅動的懸臂梁結構［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構懸浮固定在襯底特定位置，是獲得RF MEMS 開關上電極懸臂梁結構的關鍵工藝之一。犧牲層的制備狀況與釋放過程會影響MEMS 開關上電極表面平整度以及懸臂梁的力學特性，進而對開關整體電性能和使用壽命產生影響。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，會對開關表面造成污染，從而影響開關性能；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開關金屬結構造成污染，在干燥器件時表面水分引起的張力也會造成結構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，使開關金屬結構表面產生形變，從而使開關電性能變差［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，滿足不同懸浮結構的制備要求。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構［15］；2020 年，Ashudeep 等采用AZ-4620 光刻膠作為犧牲層，成功制備了2um 厚的固支梁結構［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、結構層釋放過程中發生粘連等問題，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化，并成功制備了DC～20GHz范圍內性能良好的RF MEMS開關。

2 犧牲層工藝優化

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。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，受到晶圓表面結構的影響，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開關的射頻性能；較厚的犧牲層則會增大開關的驅動電壓，對通斷造成影響。為了確定最合適的旋涂轉速，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。后續工藝流程為：1）90℃熱板烘烤光刻膠95s；2）光刻圖形化，參數為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，結果如圖2所示。

圖2 AZ-4620膠厚與轉速的關系

本實驗中RF EMSMS 開關所需的犧牲層厚度約為4μm，光刻膠旋涂轉速為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生氣泡，導致犧牲層破裂。因此，選擇適當的固化條件，合理控制其溶劑的揮發是形成高質量犧牲層薄膜的關鍵。同時，固化時間也是影響犧牲層質量的一個關鍵因素：固化時間不足，光刻膠水分揮發不充分，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，破壞開關結構；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。

實驗中通過優化光刻膠犧牲層固化工藝來制備高質量犧牲層結構。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）中的犧牲層出現了褶皺。這是由于光刻膠中水分揮發不充分，在后續的工藝中，溫度升高造成種子層表面應力增大，從而造成表面褶皺發生；圖3（b）中的犧牲層出現了裂紋。為了使光刻膠中的水分充分揮發，增加了固化時間和固化溫度。但是光刻膠發生變性，導致表面出現了裂紋，導致犧牲層質量變差，后續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。利用高溫的氮氣環境對光刻膠進行烘烤，犧牲層質量得到有效提升，具有良好的表面平整度和足夠的硬度。

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

圖4 上電極結構

2.3 犧牲層釋放

犧牲層釋放是犧牲層工藝中最關鍵的一步。多種犧牲層制備技術中，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，懸臂梁結構容易與基底發生粘連，降低了釋放成品率。而本文制備的RF MEMS 開關，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生的熱應力，提高上電極質量。干法釋放工藝參數如表2所示。

表2 干法釋放工藝參數

釋放完成后將MEMS開關上電極板挑開，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 犧牲層釋放結果

3 開關制作工藝

RF MEMS 開關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，開關具體工藝步驟如下：

圖6 RF MEMS開關制作工藝

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，防止其影響器件質量；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構。

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。

通過AZ-4620 光刻膠犧牲層制備完成的RF MEMS 開關的SEM 如圖7 所示。從圖（a）中可以看出，釋放后的開關表面平整，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，尖端無翹曲發生。

圖7 RF MEMS開關SEM圖

4 性能測試

RF MEMS 開關的射頻性能在半自動射頻探針臺上進行測試，主要的測試設備還有N5227B PNA型矢量網絡分析儀、射頻探針、多功能電源和放大器，測試系統如圖8所示。

圖8 RF MEMS開關測試系統

測試頻段為DC～20GHz，測試結果如圖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，在全頻段范圍內都大于-1dB。

圖9 F MEMS開關射頻性能測試結果

5 結語

本文分析了犧牲層工藝在RF MEMS開關上電極制備過程中的關鍵作用，提出了一種基于光刻膠犧牲層的RF MEMS 開關制備方法，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。測試結果表明開關在DC～20GHz 范圍內，隔離度小于-30.0dB，插入損耗大于-1.0dB，整體性能良好。