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MEMS加工工艺中的表面牺牲层工艺研究

2022-03-22
MEMS加工制备过程中,开关梁作为具有极低间隙的悬浮部件,保证其完整释放十分重要。制备了以聚酰亚胺为牺牲层的低下拉电压开关,采用反应离子刻蚀(RIE)技术对牺牲层进行刻蚀。
 MEMS加工工艺中的表面牺牲层工艺研究
针对聚酰亚胺牺牲层的反应离子刻蚀工艺,博研研究了刻蚀功率对刻蚀时间的影响,并检验了不同刻蚀功率与刻蚀时间组合条件下开关梁的结构完整性。实验结果表明,经优化后的反应离子刻蚀工艺,聚酰亚胺牺牲层去除效果较好,侧向钻蚀率达到1.3 μm/min,刻蚀后成功得到具有2 μm以下间隙且结构完整的MEMS开关梁。
 
近年来,微机电(MEMS)开关因其高线性度、低插损、低能耗、高开关比以及可集成性等优异性能获得了广泛关注。MEMS加工可以被应用于自动化测试设备、宽带仪器仪表、开关矩阵以及数字衰减器、卫星开关网络、国防系统、智能基站天线等多种可重构电路或开关网络。
 
开关梁作为MEMS开关结构中最重要的部分,是开关的主要功能部件。开关的所有功能都是通过此悬浮结构实现。开关的下拉时间、释放时间以及下拉力等关键性能参数都受到梁结构的影响。除了杨氏模量等开关梁自身参数,开关梁与基底之间的间隙设计对开关电气性能也有重要的影响。开关间隙需要合理设计并尽可能小。而小开关间隙增加了开关加工工艺困难性及复杂程度。
 
在表面MEMS加工工艺过程中,常常利用干法刻蚀牺牲层以释放悬浮结构。使用干法刻蚀工艺不需要考虑液体表面张力带来的影响,并且对后续工艺的兼容性更好。博研也选用反应离子刻蚀工艺去除聚酰亚胺牺牲层。但是基于纯氧等离子体的聚酰亚胺牺牲层干法刻蚀工艺需要较长作用时间。与此同时,许多用于刻蚀聚酰亚胺这类聚合物的刻蚀剂会与氮化硅结构层反应并对其产生刻蚀效果。所以在RIE工艺中需要谨慎选择添加的刻蚀气体以避免对结构层的过刻蚀。
 
博研研究了对聚酰亚胺牺牲层的RIE刻蚀工艺流程。应用此工艺,得到了具备低下拉电压的多层结构梁MEMS开关。这一工艺流程相比湿法刻蚀消除了梁与基底间的粘连问题并简化了工艺步骤,并且相对氧等离子体刻蚀提升了刻蚀速率。与此同时,这一MEMS加工工艺流程提高了刻蚀选择性并通过调整刻蚀时间、功率和混合气体比例等参数解决了氮化硅结构层的过刻蚀问题。
 

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