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MEMS加工工藝中的表面犧牲層工藝研究
2022-03-22
在MEMS加工制備過程中，開關梁作為具有極低間隙的懸浮部件，保證其完整釋放十分重要。制備了以聚酰亞胺為犧牲層的低下拉電壓開關，采用反應離子刻蝕（RIE）技術對犧牲層進行刻蝕。
針對聚酰亞胺犧牲層的反應離子刻蝕工藝，博研研究了刻蝕功率對刻蝕時間的影響，并檢驗了不同刻蝕功率與刻蝕時間組合條件下開關梁的結構完整性。實驗結果表明，經優化后的反應離子刻蝕工藝，聚酰亞胺犧牲層去除效果較好，側向鉆蝕率達到1.3 μm/min，刻蝕后成功得到具有2 μm以下間隙且結構完整的MEMS開關梁。
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異性能獲得了廣泛關注。MEMS加工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MEMS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，并且對后續工藝的兼容性更好。博研也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。
博研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MEMS加工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。
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