CN102107848B

CN102107848B - 一种悬浮射频开关的制造方法

Info

Publication number: CN102107848B
Application number: CN 200910251524
Authority: CN
Inventors: 刘善喜; 汪继芳; 熊爱武; 张明浩
Original assignee: No 214 Institute of China North Industries Group Corp
Current assignee: No 214 Institute of China North Industries Group Corp
Priority date: 2009-12-25
Filing date: 2009-12-25
Publication date: 2013-06-05
Anticipated expiration: 2029-12-25
Also published as: CN102107848A

Abstract

本发明涉及一种悬浮射频开关的制造方法，包括以下步骤：c.基片上制作氧化层；d.溅射TiW/Au种子层；e.光刻共面波导电镀模具；f.喷镀金共面波导层；g.去除电镀模具；h.腐蚀TiW/Au种子层；i.在金共面波导层上制作氮化硅绝缘层；j.将氮化硅绝缘层图形化；k.制作聚酰亚胺牺牲层；l.制作桥柱图形；m.腐蚀聚酰亚胺，露出金共面波导层的地线；n.去除桥柱图形掩膜层；o.固化聚酰亚胺牺牲层；p.磁控溅射铝膜层；q.制作AL膜桥的模具，刻蚀AL膜桥，获得AL膜桥开关的上电极；r.释放牺牲层。本发明的共面波导边缘整齐，改善了射频开关的电性能，制造的射频MEMS开关具有体积小、重量轻、损耗小的特点。

Description

一种悬浮射频开关的制造方法

技术领域

本发明涉及一种半导体开关，特别涉及一种射频MEMS开关的制造方法。

背景技术

目前，传统射频开关器件存在的问题是：PIN开关器件体积小、重量轻，但是有很大的RF损耗；场效应晶体管开关器件几乎不消耗直流功率，但是前端插入损耗大，随着应用频率向高频方向发展，功耗随之增加。

射频MEMS开关有如下优点：1)消除了与欧姆接触相联系的接触电阻、扩散电阻，同时由于可忽略膜桥的机械动作，因此开关操作中的功耗很小；2)没有了与半导体结相联系的I-V非线性问题，对RF电压不响应，互调分量极小，在微波与毫米波段上有很好的线性，改善了开关的负载能力；3)制作成本低，可以用表面微加工技术制作，且可以制作在石英、高阻硅或GaAs衬底上，便于与现有微波电路兼容。

目前国内制作的射频MEMS开关的性能指标一般如下：驱动电压30V～40V，频率范围0～40GHZ，插入损耗0.6dB左右。在制作射频开关时一般采用聚酰亚胺模具和直流挂镀的方法获得射频开关的共面波导，其缺点是模具的边缘不整齐，共面波导表面不平滑，造成射频MEMS开关信号传输损耗大，影响开关性能。

发明内容

本发明的目的是为了克服现有的技术中存在的模具的边缘不整齐、制出的共面波导表面不平滑、射频MEMS开关信号传输损耗大的缺点，提供的一种悬浮射频开关的制造方法。

本发明的目的是通过下述技术方案实现的：

a)基片选择

采用电阻率1000Ω.cm的高阻硅片为基片。

b)清洗

硅晶圆片通过化学清洗，去除表面的杂质、金属离子等对器件性能有影响的污染物。

c)热氧化

在基片的表面，用干-湿-干的氧化方法，制出氧化层。

d)溅射种子层

在氧化层上溅射一层种子层。

e)光刻电镀模具

用光刻胶制作共面波导层电镀模具。

f)电镀Au

用喷镀的方法制作金共面波导层，包括信号线、地线。

g)去除电镀模具

用超声加热的方法去除光刻胶，即去除电镀模具。

h)腐蚀种子层

用湿法腐蚀掉多余的种子层。

i)制备绝缘层

在金共面波导层的信号线上制作氮化硅绝缘层。

j)光刻绝缘层：

通过对氮化硅绝缘层光刻模具、并用干法刻蚀，将氮化硅绝缘层图形化。

k)制备聚酰亚胺牺牲层

制作聚酰亚胺牺牲层，将金共面波导层以及氮化硅绝缘层覆盖。

1)光刻桥柱图形

用光刻胶在聚酰亚胺牺牲层上制作桥柱图形掩膜层。

m)腐蚀聚酰亚胺

腐蚀聚酰亚胺，露出桥柱底部的金共面波导层的地线。

n)去除桥柱图形掩膜层

用剥离液去除光刻胶。

o)聚酰亚胺固化

固化聚酰亚胺牺牲层。

p)磁控溅射AL膜层

在聚酰亚胺牺牲层上制作铝膜层。

q)光刻AL膜桥

用光刻胶制作AL膜桥的图形，刻蚀AL膜桥，获得AL膜桥开关的上电极。

r)释放牺牲层

去除聚酰亚胺牺牲层。

由于本发明采用光刻胶电镀模具和直流喷镀的方法，获得边缘整齐表面平滑的共面波导，大大改善了射频开关的电性能。制造的射频MEMS开关体积小、重量轻、损耗小的。用微电子技术解决了共面波导、AL膜桥电极、牺牲层的制作与结构释放等工艺制作难题。制备出的低损耗悬浮射频开关技术指标如下：驱动电压＜30V，频率范围0～40GHZ，插入损耗≤0.4dB，隔离度≥20dB。

附图说明

图1是本发明提供一种悬浮射频开关制备的工艺流程图；

图2-图10是悬浮射频开关的各主要制备步骤横截面示意图；

图11是图10的俯视图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的最佳实施例作进一步描述，图1给出了一种悬浮射频开关的工艺流程。具体工艺如下：

1)基片选择

采用电阻率1000Ω.cm的4英寸高阻硅片1为基片。

2)清洗

硅片1需进行化学清洗，化学试剂为浓硫酸和过氧化氢。硫酸为强氧化剂，在清洗的过程中会在硅片表面生成自然氧化层，因此需采用氢氟酸腐蚀，高纯去离子水冲洗，氮气保护离心干燥。

化学试剂的配比与环境温度：

硫酸∶过氧化氢＝3∶1 温度为125±5℃

氢氟酸∶水＝1∶5 温度为室温

去离子水电阻率≥17MΩ.cm。

3)热氧化，如图2所示，

用干-湿-干的氧化方法，在基片1表面获得厚度为0.8μm的氧化层2。干氧是指干燥的氧气直接送入氧化炉中，干氧氧化可得到致密的氧化层。湿氧是氧气携带水蒸汽进入氧化炉中，湿氧氧化的生长速率快。两者结合可构成较佳的氧化工艺条件。在氧化温度1000℃时

氧化时间：5分钟(干氧)+50分钟(湿氧)+5分钟(干氧)。

氧化层厚度：0.8μm。

4)溅射种子层3，如图2所示：

在氧化层2上，用磁控溅射法先溅射一层0.05μm的TiW，选用功率为400W，溅射时间为20秒，再在上面溅射0.15μm的Au，功率为400W，时间为60秒。即TiW/Au种子层3。

5)光刻电镀模具4，如图3所示，经过以下步骤：

匀胶：选用SU-85型光刻胶，胶厚2.0μm；

前烘：将涂覆好光刻胶的硅片放入温度设置为65℃的热板上烘培1分钟，然后再放入95℃的热板上烘培3分钟；

曝光：用共面波导掩膜版在光刻机上进行图形套准曝光。时间为20秒；

曝光后烘：将曝光后的硅片放入温度设置为65℃的热板上烘培1分钟，然后再放入95℃的热板上烘培1分钟；

显影：采用配套显影液显影，常温显影2分钟，去离子水冲洗干净并干燥；

打胶：等离子打胶3分钟，保证待镀区无残胶和底膜。

经上述步骤后形成如图3所示的2μm厚的电镀模具4。

6)电镀金共面波导层，金属选用Au：

用喷镀的方法获得2μm厚的金共面波导。在工艺中采用1.5～2mA/cm²的电流密度，时间为25分钟，这样可以获得较好电镀质量的2μm高度的金共面波导图形。如图4、图11所示，金共面波导图形包括信号线5、地线5a。

7)去除电镀模具4：

采用超声加热的方法去除SU-85光刻胶，确保无残胶。

8)腐蚀多余的种子层，对照图4看，去掉模具后，左右两边露出种子层为多余的。

用湿法腐蚀TiW/Au种子层，腐蚀种子层TiW/Au前需要打胶3分钟，以去除残胶，Au的腐蚀液为碘和碘化钾的按3∶1比例的混合溶液，温度58℃，时间为20秒，TiW的腐蚀液为双氧水，时间2分钟。

9)制备绝缘层，如图5所示：

在金共面波导层中间的信号线5上，用化学气相沉积法在信号线5上淀积一层0.3μm厚的氮化硅绝缘层6，淀积温度为350℃。

10)光刻绝缘层，通过对氮化硅绝缘层光刻模具、并用等离子干法刻蚀，将氮化硅绝缘层图形化。

匀胶：选用负性光刻胶，胶厚1.5μm。

前烘：将涂覆好光刻胶的硅片放入热板中，温度设置为90℃，时间为3分钟。

曝光：用绝缘层掩膜版在光刻机上进行图形套准曝光。

显影：采用配套显影液显影，常温显影1分钟，去离子水冲洗干净并干燥。

后烘：将显影后的硅片放入热板中，温度140℃，时间为6分钟。

打胶：等离子打胶3分钟，确保待镀区无残胶和底膜。

干法刻蚀氮化硅：等离子刻蚀时间为3分钟。

11)制备聚酰亚胺牺牲层，如图6所示：

用旋涂法获得3μm厚的聚酰亚胺牺牲层，将金共面波导层以及氮化硅绝缘层覆盖。用阶梯加温法预固化聚酰亚胺牺牲层，即将硅片在热板上，从80℃开始，每次升温30℃，温度稳定后保温3分钟，温度到140℃后保温3分钟，至此完成聚酰亚胺的预固化，形成聚酰亚胺牺牲层7。

12)光刻桥柱图形，即用光刻胶在聚酰亚胺牺牲层上制作桥柱图形掩膜8，如图6所示。

匀胶：选用负性光刻胶，胶厚1.5μm。

曝光：用桥柱掩膜版在光刻机上进行图形套准曝光。

后烘：将显影后的硅片放入热板中，温度设置为140℃，时间为6分钟。

13)腐蚀聚酰亚胺，如图7所示：

用正胶显影液腐蚀聚酰亚胺，温度为40℃，时间为15秒，确保腐蚀干净以露出桥柱底部以及的金共面波导层的底线5a。

14)去除桥柱图形掩膜8

用80℃剥离液浸泡10分钟去除光刻胶，即桥柱图形掩膜8。

15)聚酰亚胺固化

用阶梯加温法固化聚酰亚胺牺牲层7。将硅片在热板上，从140℃开始，每次升温30℃，温度稳定后保温5分钟，温度到200℃后保温5分钟，至此完成聚酰亚胺的固化；

16)溅射AL膜层9：

用磁控溅射法获得1.2μm厚的铝膜层9，在溅射之前先进行10分钟的预溅，可以有效提高互连质量，减小互连电阻，溅射功率为400W，时间为300秒，如图8所示。

17)光刻AL膜桥，

a、制作模具：

匀胶：选用负性光刻胶，胶厚1.5μm。

曝光：用铝膜桥掩膜版在光刻机上进行图形套准曝光。

通过光刻获得开关上电极膜桥图形。

b、湿法刻蚀AL膜桥，获得AL膜桥开关的上电极。即用50℃的磷酸，腐蚀时间为10分钟。剩下的AL膜桥10如图9、图11所示。

18)释放牺牲层：将硅片放入等离子体打胶机中，把聚酰亚胺牺牲层全部释放，时间约90分钟。如图10所示，AL膜桥下面形成空腔。

结合图10、图11，中间的信号线5同时兼作下拉电极，当在信号线5和地线5a之间施加一合适的直流电压后，上电极10被静电力吸下来，贴在绝缘层6上，形成金属层5-介质层6-金属10的电容结构，信号通过这个电容耦合到地线5a上。

Claims

1.一种悬浮射频开关的制造方法,包括以下步骤：

a、基片选择；

b、基片清洗；

c、在基片（1）的表面制作厚度为0.8μm的氧化层（2）；

d、在氧化层（2）上溅射TiW/Au种子层（3）；

e、用光刻胶制作2μm厚的共面波导层电镀模具（4）；

f、用喷镀的方法制作2μm厚的金共面波导层，包括信号线（5）、地线（5a）；

g、用超声加热的方法去除电镀模具；

h、用湿法腐蚀掉多余的TiW/Au种子层（3）；

i、用化学气相沉积法在金共面波导层的信号线（5）上制作0.3μm厚的氮化硅绝缘层（6）；

j、通过对氮化硅绝缘层光刻模具、并用等离子干法刻蚀，将氮化硅绝缘层图形化；

k、制作3μm厚的聚酰亚胺牺牲层（7），将金共面波导层以及氮化硅绝缘层覆盖；

l、用光刻胶在聚酰亚胺牺牲层（7）上制作桥柱图形掩膜层（8）；

m、用湿法腐蚀聚酰亚胺，露出桥柱底部的金共面波导层的地线（5a）；

n、用剥离液去除桥柱图形掩膜层（8）；

o、用阶梯加温法固化聚酰亚胺牺牲层（7）；

p、在聚酰亚胺牺牲层（7）上，用磁控溅射法制作1.2μm厚的铝膜层（9）；

q、用光刻胶制作Al膜桥的模具，并用湿法刻蚀Al膜桥，获得Al膜桥的开关上电极；

r、释放牺牲层。