近年來，微機(jī)電（MEMS）開關(guān)因其高線性度、低插損、低能耗、高開關(guān)比以及可集成性等優(yōu)異性能獲得了廣泛關(guān)注。MEMS開關(guān)可以被應(yīng)用于自動(dòng)化測(cè)試設(shè)備、寬帶儀器儀表、開關(guān)矩陣以及數(shù)字衰減器、衛(wèi)星開關(guān)網(wǎng)絡(luò)、國防系統(tǒng)、智能基站天線等多種可重構(gòu)電路或開關(guān)網(wǎng)絡(luò)。

　　開關(guān)梁作為MEMS開關(guān)結(jié)構(gòu)中最重要的部分，是開關(guān)的主要功能部件。開關(guān)的所有功能都是通過此懸浮結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)。開關(guān)的下拉時(shí)間、釋放時(shí)間以及下拉力等關(guān)鍵性能參數(shù)都受到梁結(jié)構(gòu)的影響。除了楊氏模量等開關(guān)梁自身參數(shù)，開關(guān)梁與基底之間的間隙設(shè)計(jì)對(duì)開關(guān)電氣性能也有重要的影響。開關(guān)間隙需要合理設(shè)計(jì)并盡可能小。而小開關(guān)間隙增加了開關(guān)加工工藝?yán)щy性及復(fù)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(jié)構(gòu)。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(duì)后續(xù)工藝的兼容性更好。本文選用反應(yīng)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(shí)間。與此同時(shí)，許多用于刻蝕聚酰亞胺這類聚合物的刻蝕劑會(huì)與氮化硅結(jié)構(gòu)層反應(yīng)并對(duì)其產(chǎn)生刻蝕效果。所以在RIE工藝中需要謹(jǐn)慎選擇添加的刻蝕氣體以避免對(duì)結(jié)構(gòu)層的過刻蝕。

　　本文研究了對(duì)聚酰亞胺犧牲層的RIE刻蝕工藝流程。應(yīng)用此工藝，得到了具備低下拉電壓的多層結(jié)構(gòu)梁MEMS開關(guān)。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(duì)氧等離子體刻蝕提升了刻蝕速率。與此同時(shí)，這一工藝流程提高了刻蝕選擇性并通過調(diào)整刻蝕時(shí)間、功率和混合氣體比例等參數(shù)解決了氮化硅結(jié)構(gòu)層的過刻蝕問題。

　　1設(shè)計(jì)及加工

　　本文設(shè)計(jì)了一種具有固支梁結(jié)構(gòu)的接觸式并聯(lián)MEMS開關(guān)，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(guān)。由于開關(guān)錨點(diǎn)處往往是應(yīng)力分布集中區(qū)域，故而開關(guān)梁在錨點(diǎn)處設(shè)計(jì)為梯形結(jié)構(gòu)，以這種漸變區(qū)域作為緩解開關(guān)梁機(jī)械疲勞的過渡帶。使用多層梁設(shè)計(jì)達(dá)到低殘余應(yīng)力的目的。所設(shè)計(jì)多層梁由頂層金屬層，氮化硅結(jié)構(gòu)層以及底層金屬層構(gòu)成。

　　圖1低下拉電壓開關(guān)結(jié)構(gòu)示意圖：（a）開關(guān)俯視圖；（b）開關(guān)剖面圖

　　圖1（b）中展示了開關(guān)梁的三層結(jié)構(gòu)。其中，頂層金屬厚度為0.5μm，作為開關(guān)的上電極。當(dāng)驅(qū)動(dòng)電壓施加在CPW地線與頂層金屬層間時(shí)，給了開關(guān)梁一個(gè)靜電下拉力。梁的中間層由1μm厚氮化硅淀積而成，作為開關(guān)梁結(jié)構(gòu)層并起到絕緣作用。當(dāng)開關(guān)被下拉至閉合位置時(shí)，梁下的兩塊相互分離的金屬觸點(diǎn)區(qū)域?qū)PW的信號(hào)線與地線相連接。相較于純金梁，所提出的使用了應(yīng)力梯度補(bǔ)償方法的三明治結(jié)構(gòu)開關(guān)梁的應(yīng)力分布更低。梁上設(shè)計(jì)了相應(yīng)的釋放孔以加速犧牲層刻蝕速率。并且這些釋放孔進(jìn)一步釋放了開關(guān)梁的部分殘余應(yīng)力，并降低了梁的楊氏模量。

　　圖2開關(guān)制備工藝流程

　　圖2展示了相應(yīng)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(jìn)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(diǎn)區(qū)域，并使用RIE對(duì)其進(jìn)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(duì)金屬觸點(diǎn)進(jìn)行圖形化。使用RIE工藝在犧牲層上刻蝕出錨點(diǎn)區(qū)域。之后使用PECVD淀積一層氮化硅結(jié)構(gòu)層。使用濕法刻蝕對(duì)濺射得到的頂層金屬層進(jìn)行圖形化處理。在使用RIE工藝對(duì)氮化硅結(jié)構(gòu)層進(jìn)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(guān)梁結(jié)構(gòu)，這是整個(gè)加工工藝流程的關(guān)鍵點(diǎn)。

　　RIE工藝是干法刻蝕工藝的一種。這種工藝介于純化學(xué)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(yīng)過程，形成揮發(fā)產(chǎn)物。與此同時(shí)，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(xué)物質(zhì)。這些物質(zhì)與需要刻蝕的目標(biāo)薄膜發(fā)生化學(xué)反應(yīng)以實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)材料的可控去除并生成揮發(fā)性反應(yīng)生成物，由腔體中泵出到設(shè)備外。

　　2結(jié)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(qiáng)了氧化反應(yīng)。另一方面，氟原子可以激活聚酰亞胺表面并破壞其分子結(jié)構(gòu)，產(chǎn)生更多自由基位點(diǎn)，進(jìn)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(huì)與氧原子競(jìng)爭聚酰亞胺表面的自由基位點(diǎn)，形成鈍化層，對(duì)刻蝕過程產(chǎn)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(shí)存在。主要化學(xué)反應(yīng)是由等離子體中氧原子與氟原子的相對(duì)密度決定的。此外，還應(yīng)考慮CF4對(duì)氮化硅的刻蝕作用。由于CF4/O2混合氣體對(duì)氮化硅和聚酰亞胺同時(shí)具有刻蝕作用，通過調(diào)整二者的比例可以在對(duì)聚酰亞胺的高刻蝕速率和保護(hù)氮化硅結(jié)構(gòu)之間達(dá)到平衡。

　　2.1過刻蝕與欠刻蝕

　　在制備過程中遇到了對(duì)氮化硅的過刻蝕以及對(duì)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(jié)構(gòu)是否加工成功的關(guān)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?xì)怏w作為刻蝕劑的RIE工藝替代氧等離子體。開關(guān)在400W功率下使用O2（100sccm）和CF4（20sccm）作為刻蝕劑進(jìn)行5分鐘干法刻蝕。將此過程循環(huán)7次，間隔時(shí)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?dú)w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(shù)。因?yàn)镽IE的刻蝕速率會(huì)隨著射頻功率的提升而增加。射頻功率的增大對(duì)RIE過程中的物理和化學(xué)刻蝕過程同時(shí)產(chǎn)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(shí)得到增強(qiáng)。與此同時(shí)，較高射頻功率帶來的更高的氣體分子解離程度，導(dǎo)致反應(yīng)離子增多，使得化學(xué)刻蝕作用增強(qiáng)。造成這一現(xiàn)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(jìn)了物理和化學(xué)刻蝕作用，因此提升了刻蝕速率。但是過高的射頻功率會(huì)導(dǎo)致離子轟擊作用過強(qiáng)，從而對(duì)薄膜表面造成損傷。同時(shí)長時(shí)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(yán)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(guān)欠刻蝕顯微鏡照片：（a）所制備開關(guān)俯視圖；（b）開關(guān)梁釋放孔局部發(fā)大圖

　　圖5開關(guān)輕度過刻蝕掃描電鏡照片：（a）開關(guān)局部俯視圖；（b）開關(guān)側(cè)視圖

　　觀察到當(dāng)RIE時(shí)間減少到2分鐘時(shí)，犧牲層無法被完全去除。使用此刻蝕時(shí)間，開關(guān)的結(jié)構(gòu)保持完整，如圖4（a）所示。該工藝流程的關(guān)鍵參數(shù)是刻蝕時(shí)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(guān)細(xì)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(guān)梁下表面的聚酰亞胺殘留。這一結(jié)果表明刻蝕時(shí)間在釋放過程中起著重要作用。由于開關(guān)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(shí)間。

　　保持功率等其余參數(shù)不變，將RIE刻蝕過程進(jìn)行三輪，間隔30秒。第一輪和最后一輪刻蝕時(shí)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(duì)開關(guān)的側(cè)面輪廓進(jìn)行查驗(yàn)。過刻蝕會(huì)引起開關(guān)梁塌陷。而從開關(guān)的俯視圖是無法觀察到這種塌陷現(xiàn)象的。圖5（a）為犧牲層釋放后開關(guān)的表面形貌特征。從俯視圖觀察開關(guān)，可以認(rèn)為犧牲層已經(jīng)完全被去除，并且開關(guān)梁的結(jié)構(gòu)保持完整。但實(shí)際上氮化硅結(jié)構(gòu)層在RIE刻蝕過程中遭受了過刻蝕。過刻蝕造成了開關(guān)梁邊緣卷曲，開關(guān)梁由于缺乏氮化硅結(jié)構(gòu)層而發(fā)生塌陷，如圖5（b）所示。由于CF4對(duì)氮化硅的腐蝕作用，在去除聚酰亞胺犧牲層時(shí)同時(shí)刻蝕了氮化硅結(jié)構(gòu)層。

　　2.2受控刻蝕過程

　　為了在完全去除犧牲層的同時(shí)保持氮化硅結(jié)構(gòu)層完整，進(jìn)一步對(duì)RIE工藝參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化。以150W功率對(duì)犧牲層進(jìn)行三輪共計(jì)6分鐘刻蝕，每輪進(jìn)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(xué)顯微鏡及掃描電子顯微鏡（SEM）對(duì)開關(guān)氮化硅結(jié)構(gòu)層進(jìn)行了觀察。圖6（a）顯示了一個(gè)釋放良好的開關(guān)梁的掃描電子顯微鏡照片。之后將開關(guān)梁挑起使之底面朝上觀察定層金屬層下的氮化硅結(jié)構(gòu)層。通過圖6（b）中的開關(guān)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(jié)構(gòu)層檢驗(yàn)：（a）開關(guān)梁部分掃描電鏡照片；（b）開關(guān)梁翻轉(zhuǎn)后確認(rèn)氮化硅層狀態(tài)

　　通過圖7所示開關(guān)的SEM照片確認(rèn)了開關(guān)制備成功。梁結(jié)構(gòu)沒有遭到破壞并且犧牲層被完全去除。圖7（d）展示了開關(guān)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(guān)的成功制備驗(yàn)證了RIE刻蝕工藝參數(shù)的有效性。初步探究了釋放孔尺寸對(duì)側(cè)向鉆蝕速率的影響。結(jié)果表明，在一定的工藝參數(shù)（功率、刻蝕氣體流量等）下，釋放孔尺寸對(duì)側(cè)向鉆蝕速率影響很小。在優(yōu)化后的工藝參數(shù)下，側(cè)向鉆蝕速率達(dá)到了1.3μm/min。

　　圖7制備所得開關(guān)掃描電鏡照片：（a）開關(guān)整體結(jié)構(gòu)；（b）錨點(diǎn)處局部放大圖；（c）開關(guān)梁局部放大圖；（d）開關(guān)梁傾斜角度細(xì)節(jié)圖

　　2.3制備開關(guān)電氣特性測(cè)試結(jié)果

　　如圖8（a）所示，成功制備的開關(guān)使用測(cè)試系統(tǒng)進(jìn)行了V-I測(cè)試以驗(yàn)證該開關(guān)能夠正常工作。使用探針臺(tái)及Agilent4155B半導(dǎo)體參數(shù)分析儀對(duì)開關(guān)的V-I特性進(jìn)行測(cè)量。首先通過探針在開關(guān)的多層結(jié)構(gòu)梁以及CPW傳輸線之間施加一個(gè)直流電壓偏置。圖8（b）展示了測(cè)量的V-I特性曲線，在下拉電壓為30V時(shí)，1mA電流由CPW信號(hào)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(shí)了MEMS開關(guān)能夠正常工作。這證明了開關(guān)加工工藝流程的正確性。如果氮化硅結(jié)構(gòu)層發(fā)生過刻蝕而不完整，則開關(guān)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(huì)接觸到地線，開關(guān)會(huì)立刻彈回從而使回路斷開。

　　圖8開關(guān)下拉電壓測(cè)試：（a）測(cè)試平臺(tái)示意圖；（b）測(cè)試所得開關(guān)伏安特性

　　3結(jié)論

　　本文提出了一種適用于具有懸浮結(jié)構(gòu)的MEMS器件表面微加工方法?；诰埘啺窢奚鼘蛹夹g(shù)，在犧牲層上淀積并圖形化氮化硅及金屬層作為懸浮結(jié)構(gòu)。以O(shè)2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(cè)向鉆蝕速率達(dá)到1.3μm/min。結(jié)果顯示，氮化硅結(jié)構(gòu)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(diǎn)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(guān)制備工藝提供新的思路。