具有懸浮結構的MEMS器件表面微加工方法

　　近年來，微機電（MEMS）開關因其高線性度、低插損、低能耗、高開關比以及可集成性等優(yōu)異性能獲得了廣泛關注。MEMS開關可以被應用于自動化測試設備、寬帶儀器儀表、開關矩陣以及數字衰減器、衛(wèi)星開關網絡、國防系統、智能基站天線等多種可重構電路或開關網絡。

　　開關梁作為MEMS開關結構中最重要的部分，是開關的主要功能部件。開關的所有功能都是通過此懸浮結構實現。開關的下拉時間、釋放時間以及下拉力等關鍵性能參數都受到梁結構的影響。除了楊氏模量等開關梁自身參數，開關梁與基底之間的間隙設計對開關電氣性能也有重要的影響。開關間隙需要合理設計并盡可能小。而小開關間隙增加了開關加工工藝困難性及復雜程度。

　　在表面微加工工藝過程中，常常利用干法刻蝕犧牲層以釋放懸浮結構。使用干法刻蝕工藝不需要考慮液體表面張力帶來的影響，并且對后續(xù)工藝的兼容性更好。本文選用反應離子刻蝕工藝去除聚酰亞胺犧牲層。但是基于純氧等離子體的聚酰亞胺犧牲層干法刻蝕工藝需要較長作用時間。與此同時，許多用于刻蝕聚酰亞胺這類聚合物的刻蝕劑會與氮化硅結構層反應并對其產生刻蝕效果。所以在RIE工藝中需要謹慎選擇添加的刻蝕氣體以避免對結構層的過刻蝕。

　　本文研究了對聚酰亞胺犧牲層的RIE刻蝕工藝流程。應用此工藝，得到了具備低下拉電壓的多層結構梁MEMS開關。這一工藝流程相比濕法刻蝕消除了梁與基底間的粘連問題并簡化了工藝步驟，并且相對氧等離子體刻蝕提升了刻蝕速率。與此同時，這一工藝流程提高了刻蝕選擇性并通過調整刻蝕時間、功率和混合氣體比例等參數解決了氮化硅結構層的過刻蝕問題。

　　1設計及加工

　　本文設計了一種具有固支梁結構的接觸式并聯MEMS開關，如圖1（a）所示。在硅片上生長一層二氧化硅作為絕緣層，之后在其上制備開關。由于開關錨點處往往是應力分布集中區(qū)域，故而開關梁在錨點處設計為梯形結構，以這種漸變區(qū)域作為緩解開關梁機械疲勞的過渡帶。使用多層梁設計達到低殘余應力的目的。所設計多層梁由頂層金屬層，氮化硅結構層以及底層金屬層構成。

　　圖1低下拉電壓開關結構示意圖：（a）開關俯視圖；（b）開關剖面圖

　　圖1（b）中展示了開關梁的三層結構。其中，頂層金屬厚度為0.5μm，作為開關的上電極。當驅動電壓施加在CPW地線與頂層金屬層間時，給了開關梁一個靜電下拉力。梁的中間層由1μm厚氮化硅淀積而成，作為開關梁結構層并起到絕緣作用。當開關被下拉至閉合位置時，梁下的兩塊相互分離的金屬觸點區(qū)域將CPW的信號線與地線相連接。相較于純金梁，所提出的使用了應力梯度補償方法的三明治結構開關梁的應力分布更低。梁上設計了相應的釋放孔以加速犧牲層刻蝕速率。并且這些釋放孔進一步釋放了開關梁的部分殘余應力，并降低了梁的楊氏模量。

　　圖2開關制備工藝流程

　　圖2展示了相應的加工工藝流程。首先在硅片上熱氧化一層1μm厚的二氧化硅絕緣層。然后，在二氧化硅層上濺射一層厚度為0.5μm的金并通過光刻及剝離工藝進行圖形化，以此作為CPW傳輸線。隨后，旋涂聚酰亞胺作為犧牲層。然后在聚酰亞胺層上利用光刻圖形化出金屬觸點區(qū)域，并使用RIE對其進行刻蝕。為了避免使用剝離工藝損傷犧牲層，采用正膠掩膜及濕法刻蝕工藝對金屬觸點進行圖形化。使用RIE工藝在犧牲層上刻蝕出錨點區(qū)域。之后使用PECVD淀積一層氮化硅結構層。使用濕法刻蝕對濺射得到的頂層金屬層進行圖形化處理。在使用RIE工藝對氮化硅結構層進行圖形化處理后，最后再一次使用RIE工藝去除聚酰亞胺犧牲層以釋放開關梁結構，這是整個加工工藝流程的關鍵點。

　　RIE工藝是干法刻蝕工藝的一種。這種工藝介于純化學刻蝕與純物理刻蝕這兩種極端工藝之間。在刻蝕過程中，刻蝕劑被賦予額外物理能量以加速反應過程，形成揮發(fā)產物。與此同時，被稱為離子束刻蝕或離子轟擊的純物理刻蝕過程也在刻蝕過程中起到了重要作用。在RIE工藝過程中，刻蝕劑通常是刻蝕劑分子、自由基和離子等化學物質。這些物質與需要刻蝕的目標薄膜發(fā)生化學反應以實現對目標材料的可控去除并生成揮發(fā)性反應生成物，由腔體中泵出到設備外。

　　2結果與分析

　　在RIE刻蝕工藝中，使用O2與CF4混合氣體作為刻蝕聚合物的刻蝕劑。一方面，相較于純氧等離子體，添加CF4后氣體中氧原子濃度有所增加，增強了氧化反應。另一方面，氟原子可以激活聚酰亞胺表面并破壞其分子結構，產生更多自由基位點，進一步提升刻蝕速率。但是混合氣體的刻蝕速率增長與所注入CF4的濃度增長并不完全一致。過量存在的氟原子會與氧原子競爭聚酰亞胺表面的自由基位點，形成鈍化層，對刻蝕過程產生抑制作用。

　　不論氧氣中的CF4濃度如何變化，刻蝕和抑制作用都同時存在。主要化學反應是由等離子體中氧原子與氟原子的相對密度決定的。此外，還應考慮CF4對氮化硅的刻蝕作用。由于CF4/O2混合氣體對氮化硅和聚酰亞胺同時具有刻蝕作用，通過調整二者的比例可以在對聚酰亞胺的高刻蝕速率和保護氮化硅結構之間達到平衡。

　　2.1過刻蝕與欠刻蝕

　　在制備過程中遇到了對氮化硅的過刻蝕以及對聚酰亞胺層的欠刻蝕等問題。釋放犧牲層是加工工藝流程的最后一步，也是決定懸浮結構是否加工成功的關鍵步驟。過刻蝕或欠刻蝕是犧牲層釋放的常見問題。干法釋放犧牲層一般采用氧等離子體刻蝕工藝。但是，如果僅僅采用氧氣作為刻蝕劑，刻蝕速率過低以至于無法有效去除聚酰亞胺層。因此我們采用以氧氣和四氟化碳氣體作為刻蝕劑的RIE工藝替代氧等離子體。開關在400W功率下使用O2（100sccm）和CF4（20sccm）作為刻蝕劑進行5分鐘干法刻蝕。將此過程循環(huán)7次，間隔時間30s。在RIE干法刻蝕后，觀察到器件發(fā)生過刻蝕，如圖3（a）所示。這要歸因于刻蝕劑中的四氟化碳（氮化硅的刻蝕）。在這種情況下，需要降低RIE刻蝕工藝中的功率和氣體流量等參數。因為RIE的刻蝕速率會隨著射頻功率的提升而增加。射頻功率的增大對RIE過程中的物理和化學刻蝕過程同時產生影響。物理離子轟擊和濺射刻蝕作用在刻蝕功率提升的情況下同時得到增強。與此同時，較高射頻功率帶來的更高的氣體分子解離程度，導致反應離子增多，使得化學刻蝕作用增強。造成這一現象的原因是，隨著射頻功率的提升，離子和自由基密度的增加。離子和自由基密度的增加促進了物理和化學刻蝕作用，因此提升了刻蝕速率。但是過高的射頻功率會導致離子轟擊作用過強，從而對薄膜表面造成損傷。同時長時間暴露在高射頻功率下使得聚酰亞胺過熱碳化，留下難以去除的殘留碳化物，如圖3（b）。

　　圖3嚴重過刻蝕樣片顯微鏡照片：（a）過刻蝕樣片1；（b）過刻蝕樣片2

　　圖4開關欠刻蝕顯微鏡照片：（a）所制備開關俯視圖；（b）開關梁釋放孔局部發(fā)大圖

　　圖5開關輕度過刻蝕掃描電鏡照片：（a）開關局部俯視圖；（b）開關側視圖

　　觀察到當RIE時間減少到2分鐘時，犧牲層無法被完全去除。使用此刻蝕時間，開關的結構保持完整，如圖4（a）所示。該工藝流程的關鍵參數是刻蝕時間。作為犧牲層的聚酰亞胺并沒有被完全去除，通過觀察開關細節(jié)照片（如圖4（b）），可以觀察到CPW上殘留的聚酰亞胺，更不要說開關梁下表面的聚酰亞胺殘留。這一結果表明刻蝕時間在釋放過程中起著重要作用。由于開關梁遮擋了部分犧牲層，很難完全清除梁下聚酰亞胺。所以需要增加RIE刻蝕時間。

　　保持功率等其余參數不變，將RIE刻蝕過程進行三輪，間隔30秒。第一輪和最后一輪刻蝕時間為5分鐘，中間一輪為2分鐘。為了檢查梁下犧牲層刻蝕情況，有必要對開關的側面輪廓進行查驗。過刻蝕會引起開關梁塌陷。而從開關的俯視圖是無法觀察到這種塌陷現象的。圖5（a）為犧牲層釋放后開關的表面形貌特征。從俯視圖觀察開關，可以認為犧牲層已經完全被去除，并且開關梁的結構保持完整。但實際上氮化硅結構層在RIE刻蝕過程中遭受了過刻蝕。過刻蝕造成了開關梁邊緣卷曲，開關梁由于缺乏氮化硅結構層而發(fā)生塌陷，如圖5（b）所示。由于CF4對氮化硅的腐蝕作用，在去除聚酰亞胺犧牲層時同時刻蝕了氮化硅結構層。

　　2.2受控刻蝕過程

　　為了在完全去除犧牲層的同時保持氮化硅結構層完整，進一步對RIE工藝參數進行了優(yōu)化。以150W功率對犧牲層進行三輪共計6分鐘刻蝕，每輪進行2分鐘，O2和CF4的氣體流量分別維持在50sccm和5sccm?？涛g過后，使用光學顯微鏡及掃描電子顯微鏡（SEM）對開關氮化硅結構層進行了觀察。圖6（a）顯示了一個釋放良好的開關梁的掃描電子顯微鏡照片。之后將開關梁挑起使之底面朝上觀察定層金屬層下的氮化硅結構層。通過圖6（b）中的開關梁片段可以觀察到形貌完整的氮化硅層。

　　圖6金屬層下氮化硅結構層檢驗：（a）開關梁部分掃描電鏡照片；（b）開關梁翻轉后確認氮化硅層狀態(tài)

　　通過圖7所示開關的SEM照片確認了開關制備成功。梁結構沒有遭到破壞并且犧牲層被完全去除。圖7（d）展示了開關梁的傾斜角度SEM照片，梁下間隙清晰且無塌陷發(fā)生。該開關的成功制備驗證了RIE刻蝕工藝參數的有效性。初步探究了釋放孔尺寸對側向鉆蝕速率的影響。結果表明，在一定的工藝參數（功率、刻蝕氣體流量等）下，釋放孔尺寸對側向鉆蝕速率影響很小。在優(yōu)化后的工藝參數下，側向鉆蝕速率達到了1.3μm/min。

　　圖7制備所得開關掃描電鏡照片：（a）開關整體結構；（b）錨點處局部放大圖；（c）開關梁局部放大圖；（d）開關梁傾斜角度細節(jié)圖

　　2.3制備開關電氣特性測試結果

　　如圖8（a）所示，成功制備的開關使用測試系統進行了V-I測試以驗證該開關能夠正常工作。使用探針臺及Agilent4155B半導體參數分析儀對開關的V-I特性進行測量。首先通過探針在開關的多層結構梁以及CPW傳輸線之間施加一個直流電壓偏置。圖8（b）展示了測量的V-I特性曲線，在下拉電壓為30V時，1mA電流由CPW信號線流入地線。在施加在地線的電壓的線性增加下，電流的突變證實了MEMS開關能夠正常工作。這證明了開關加工工藝流程的正確性。如果氮化硅結構層發(fā)生過刻蝕而不完整，則開關梁在施加的電壓大于下拉電壓后，由于作為上電極的頂部金屬層會接觸到地線，開關會立刻彈回從而使回路斷開。

　　圖8開關下拉電壓測試：（a）測試平臺示意圖；（b）測試所得開關伏安特性

　　3結論

　　本文提出了一種適用于具有懸浮結構的MEMS器件表面微加工方法?；诰埘啺窢奚鼘蛹夹g，在犧牲層上淀積并圖形化氮化硅及金屬層作為懸浮結構。以O2和CF4作為刻蝕劑，使用RIE刻蝕工藝干法釋放犧牲層以得到所需器件。在150W功率條件下，選擇流量分別為50sccm和5sccm的O2和CF4作為刻蝕氣體，側向鉆蝕速率達到1.3μm/min。結果顯示，氮化硅結構層在干法刻蝕過程中能夠得到良好的保存。該制備工藝的優(yōu)點是消除了粘連問題并簡化了工藝流程。本文所提出的工藝流程可以為MEMS開關制備工藝提供新的思路。