CN1274007C - 硅基微机械微波/射频开关芯片的制备方法 - Google Patents
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Abstract
一种硅基微机械微波/射频开关的制备方法,包括硅片准备和第一次氧化;光刻并腐蚀二氧化硅层、制备初步的二氧化硅桥墩(16);硅片第二次氧化;再次光刻并腐蚀二氧化硅层,形成二氧化硅桥墩(16);制备铬-金双金属层(18);光刻并腐蚀铬-金双金属层(18),形成第一传输线(10)、第二传输线(1)、第三传输线(8)、第四传输线(7);制备聚酰亚胺牺牲层(19);光刻并腐蚀聚酰亚胺牺牲层(19);亚胺化;正胶光刻接触层(20)的图形;蒸发铬-金双金属层(21);形成接触层(2);制备氮化硅悬臂梁薄膜(22);制备并腐蚀氮化硅的铝保护层(23);形成悬臂梁(3);制备上电极金属层(24);形成第一上电极(12)、第二上电极(4);形成悬臂梁(3)的空间结构十八个工艺步骤。
Description
技术领域
本发明涉及一种硅基微机械微波/射频开关的制备方法,属微机械器件制造技术领域。
背景技术
微波/射频微机械开关在无线移动通讯,蓝牙技术等许多方面有广泛的运用前景,是当代微电子机械系统(MEMS)研究的主要方向之一。微机械微波/射频开关是现代无线通讯系统中的关键器件,可方便地实现各路信号的切换。微机械微波/射频开关有两种形式:直接接触式和电容耦合式。本发明涉及的是直接接触式微机械开关的制备方法。迄今为止,有关硅基微机械微波/射频开关的研制报道还不多。日本NTT Telecommunication Energy实验室的Akihiko Hirata等人2000年报道了一种硅基接触式微机械开关,但该开关不在微波/射频段工作。美国Michigan大学的Dimitrios Peroulis等在2002年报道了一种硅基微机械接触式开关,开关设计了一个靠自身应力实现接触的弹性膜。由于应力控制对膜制作工艺要求极为严格,制备工艺非常复杂,开关的射频性能也不理想。在2千兆赫时的隔离度为28分贝,到20千兆赫时的隔离度只有10分贝。
发明内容
尽管硅材料的价格远比砷化镓(GaAs)材料低,相应的加工工艺也远比砷化镓(GaAs)工艺成熟,且硅基微机械射频开关还可和其他电路集成。但要提高硅基微机械微波/射频开关的隔离度,提高开关的射频性能却仍有很大困难。本发明旨在提供一种硅基微机械微波/射频开关芯片的制备方法,确切说,提供一种高隔离度对称式硅基微机械微波/射频开关芯片的制备方法。该方法制备的硅基微机械微波/射频开关芯片有隔离度高,生产成本低,工艺成熟的优点。
本发明的技术方案的特征在于,包括芯片制备的十八个工艺步骤:硅片准备和第一次氧化;光刻并腐蚀二氧化硅层、制备初步的二氧化硅桥墩16;硅片第二次氧化;再次光刻并腐蚀二氧化硅层,形成二氧化硅桥墩16;制备铬-金双金属层18;光刻并腐蚀铬-金双金属层18,形成第一传输线10、第二传输线1、第三传输线8、第四传输线7;制备聚酰亚胺牺牲层19;光刻并腐蚀聚酰亚胺牺牲层19;亚胺化;正胶光刻接触层20的图形;蒸发铬-金双金属层21;形成接触层2;制备氮化硅悬臂梁薄膜22;制备并腐蚀氮化硅的铝保护层23;形成悬臂梁3;制备上电极金属层24;形成第一上电极12、第二上电极4;形成悬臂梁3的空间结构。
现结合附图详细说明本发明的技术方案。一种硅基微机械微波/射频开关芯片的制备方法,其特征在于,操作步骤:
第一步 硅片准备和第一次氧化:
选用高阻硅做衬底,衬底的厚度和电阻率分别为350微米和3000欧姆/厘米,先采用标准工艺把硅衬底清洗并烘干,然后采用交替式热氧化的方法,即先在1180℃的氧化炉中通入干氧10分钟,再通入湿氧3小时,最后再次通入干氧10分钟,在硅片表面生成1.7微米的二氧化硅层;
第二步 光刻并腐蚀二氧化硅层、制备初步的二氧化硅桥墩16:
用负胶光刻,在桥墩16的位置形成保护,用HF酸腐蚀二氧化硅层,制备初步的二氧化硅桥墩16;
第三步 硅片第二次氧化:
再次采用交替式热氧化的方法,对硅片进行第二次氧化;
第四步 再次光刻并腐蚀二氧化硅层,形成二氧化硅桥墩16:
将负胶按第二步采用的掩膜版光刻,用HF酸腐蚀二氧化硅层,形成加高的二氧化硅桥墩16,桥墩16的高度为2.6~2.8微米,二氧化硅桥墩16的外框长度、宽度和线条宽度分别为820微米、500微米和40微米;
第五步 制备铬-金双金属层18:
用真空蒸发技术制备铬-金双金属层18,先在硅片上蒸发铬层,再在铬层上蒸发金层,铬层厚度为200,金层厚度为2000,采用负胶光刻出第一传输线10、第二传输线1、第三传输线8、第四传输线7的图形;
第六步 光刻并腐蚀铬-金双金属层18,形成第一传输线10、第二传输线1、第三传输线8、第四传输线7:
用KI溶液腐蚀铬-金双金属层18,制备第一传输线10、第二传输线1、第三传输线8、第四传输线7,第一传输线10和第四传输线7的长度和宽度分别为190微米和41微米,第二传输线1和第三传输线8的总长度和宽度分别为170微米和30微米,第二传输线1与第三传输线8之间的间隔为16微米;
第七步 制备聚酰亚胺牺牲层19:
在第六步制得的硅片上,涂一层聚酰亚胺牺牲层19,该层的厚度为3微米;
第八步 光刻并腐蚀聚酰亚胺牺牲层19:
光刻出用于支撑悬臂梁3的部分,用氢氧化钠溶液腐蚀,去除聚酰亚胺牺牲层19的其余部分;
第九步 亚胺化:
在氮气条件下,将聚酰亚胺牺牲层19加温至300℃,恒温1小时,自然冷却,使聚酰亚胺牺牲层19固化,利于后续工艺图形完整;
第十步 正胶光刻接触层20的图形:
用正胶光刻形成接触层20的图形;
第十一步 蒸发金-铬双金属层21:
在光刻好的图形上,用真空蒸发技术蒸发铬-金双金属层21,其中金层厚度为200纳米,铬层厚度为15纳米;
第十二步 形成接触层2:
用丙酮溶液去除第十步形成的光刻胶和光刻胶上的铬-金双金属层21,形成接触层2;
第十三步 制备悬臂梁氮化硅薄膜22:
采用用等离子增强化学气相淀积(PECVD)的方法淀积悬臂梁氮化硅薄膜22,厚度为2900~3100;
第十四步 制备并腐蚀氮化硅的铝保护层23:
蒸发铝保护层23,厚度为5000,然后光刻需保护的悬臂梁图形3,其余部分的铝用磷酸腐蚀去除;
第十五步 形成悬臂梁3:
以六氟化硫为气源,用等离子体刻蚀氮化硅,形成悬臂梁3,然后去胶,腐蚀剩余的铝保护层23,形成的悬臂梁3的长度和宽度分别为370微米和80微米;
第十六步制备上电极金属层24:
用真空蒸发技术蒸铝膜,作上电极金属层24,铝膜的厚度为5000~8000,光刻第一上电极12、第二上电极4的图形;
第十七步形成第一上电极12、第二上电极4:
用磷酸腐蚀铝膜,即上电极金属层24,形成第一上电极12、第二上电极4;
第十八步形成悬臂梁3的空间结构:
用氧等离子体刻蚀,去除聚酰亚胺牺牲层19,形成空气隙,时间为45分钟~1.5小时,最后得到完整的硅基微机械微波/射频开关芯片。
整个工艺制备过程示于图1~18。
本发明有以下突出优点:
1.采用硅工艺,工艺成熟。
2.成本低,适于批量生产。
3.制得器件的隔离度等开关的射频性能可以与GaAs工艺制备的器件相比,而制备成本远低于后者。
附图说明
图1是硅片第一次氧化的示意图。
图2是光刻和腐蚀后形成初步的二氧化硅桥墩16的示意图。
图3是硅片第二次氧化后的示意图。
图4是最终形成的二氧化硅桥墩16的示意图。
图5是制备铬-金双金属层18后的示意图。
图6是铬-金双金属层18腐蚀后形成的第一传输线10、第二传输线1、第三传输线8、第四传输线7的示意图。
图7是制备聚酰亚胺牺牲层19后的示意图。
图8是光刻并腐蚀聚酰亚胺牺牲层19后的示意图。
图9是亚胺化后的示意图。
图10是正胶光刻接触层20的图形。
图11是蒸发铬-金双金属层21后的示意图。
图12是形成接触层2后的示意图。
图13是制备悬臂梁薄膜22的示意图。
图14是制备刻蚀氮化硅的铝保护层23的示意图。
图15形成悬臂梁3的示意图。
图16是制备上电极金属层24的示意图。
图17是形成第一上电极12、第二上电极4的示意图。
图18是聚酰亚胺牺牲层19去除后形成悬臂梁3的空间结构的示意图。
图19是本发明方法制备的硅基微机械微波/射频开关芯片的结构示意图,其中,1是第二传输线,作中间断开的共平面波导信号线,2是接触层,位于悬臂梁3下方,3是悬臂梁,4是第二上电极,位于悬臂梁3上方,5是第二上电极4、第一上电极12的环形部分,它依附在桥墩16的顶部,6是第一信号输入端,7是第四传输线,作共平面波导一边的地线,8是第三传输线,作中间断开的另一面的共平面波导信号线,9是第二信号输入端,10是第一传输线,作共平面波导另一边的地线,11是第三信号输入端,12是第一上电极,位于悬臂梁3上方的另一边,13是第一信号输出端,14是第二信号输出端,15是第三信号输出端。
图20是本发明方法制备的硅基微机械微波/射频开关芯片的剖面示意图,其中,16是二氧化硅桥墩,17是高阻硅衬底。
具体实施方式
在上述发明内容中,已对本发明的技术方案详加说明,该方案就是本发明的具体实施方式,这里就不再重复。本发明特别适合于用来制备硅基微机械微波/射频开关芯片。硅基微波/射频微机械开关在无线移动通讯,蓝牙技术等许多方面有广泛的应用前景,是当代微电子机械系统(MEMS)研究的主要方向之一。微机械微波/射频开关是现代无线通讯系统中的关键器件,可方便地实现各路信号的切换。
Claims (1)
1.一种硅基微机械微波/射频开关芯片的制备方法,其特征在于,操作步骤:
第一步 硅片准备和第一次氧化:
选用高阻硅做衬底,衬底的厚度和电阻率分别为350微米和3000欧姆/厘米,先采用标准工艺把硅衬底清洗并烘干,然后采用交替式热氧化的方法,即先在1180℃的氧化炉中通入干氧10分钟,再通入湿氧3小时,最后再次通入干氧10分钟,在硅片表面生成1.7微米的二氧化硅;
第二步 光刻并腐蚀二氧化硅层、制备初步的二氧化硅桥墩(16):
用负胶光刻,在桥墩(16)的位置形成保护,用HF酸腐蚀二氧化硅层,制备初步的二氧化硅桥墩(16);
第三步 硅片第二次氧化:
再次采用交替式热氧化的方法,对硅片进行第二次氧化;
第四步再次光刻并腐蚀二氧化硅层,形成二氧化硅桥墩(16):
将负胶按第二步采用的掩膜版光刻,用HF酸腐蚀二氧化硅层,形成加高的二氧化硅桥墩(16),桥墩(16)的高度为2.6~2.8微米,二氧化硅桥墩(16)的外框长度、宽度和线条宽度分别为820微米、500微米和40微米;
第五步 制备铬-金双金属层(18):
用真空蒸发技术制备铬-金双金属层(18),先在硅片上蒸发铬层,再在铬层上蒸发金层,铬层厚度为200,金层厚度为2000,采用负胶光刻出第一传输线(10)、第二传输线(1)、第三传输线(8)、第四传输线(7)的图形;
第六步 光刻并腐蚀铬-金双金属层(18),形成第一传输线(10)、第二传输线(1)、第三传输线(8)、第四传输线(7):
用KI溶液腐蚀铬-金双金属层(18),制备第一传输线(10)、第二传输线(1)、第三传输线(8)、第四传输线(7),第一传输线(10)和第四传输线(7)的长度和宽度分别为190微米和41微米,第二传输线(1)和第三传输线(8)的总长度和宽度分别为170微米和30微米,第二传输线(1)与第三传输线(8)之间的间隔为16微米;
第七步 制备聚酰亚胺牺牲层(19):
在第六步制得的硅片上,涂一层聚酰亚胺牺牲层(19),该层的厚度为3微米;
第八步 光刻并腐蚀聚酰亚胺牺牲层(19):
光刻出用于支撑悬臂梁(3)的部分,用氢氧化钠溶液腐蚀,去除聚酰亚胺牺牲层(19)的其余部分;
第九步 亚胺化:
在氮气条件下,将聚酰亚胺牺牲层(19)加温至300℃,恒温1小时,自然冷却,使聚酰亚胺牺牲层(19)固化,利于后续工艺图形完整;
第十步 正胶光刻接触层(20)的图形:
用正胶光刻形成接触层(20)的图形;
第十一步 蒸发金-铬双金属层(21):
在光刻好的图形上,用真空蒸发技术蒸发铬-金双金属层(21),其中金层厚度为200纳米,铬层厚度为15纳米;
第十二步 形成接触层(2):
用丙酮溶液去除第十步形成的光刻胶和光刻胶上的铬-金双金属层(21),形成接触层(2);
第十三步 制备悬臂梁氮化硅薄膜(22):
采用用等离子增强化学气相淀积的方法淀积悬臂梁氮化硅薄膜(22),厚度为2900~3100;
第十四步 制备并腐蚀氮化硅的铝保护层(23):
蒸发铝保护层(23),厚度为5000,然后光刻需保护的悬臂梁图形(3),其余部分的铝用磷酸腐蚀去除;
第十五步 形成悬臂梁(3):
以六氟化硫为气源,用等离子体刻蚀氮化硅,形成悬臂梁(3),然后去胶,腐蚀剩余的铝保护层(23),形成的悬臂梁(3)的长度和宽度分别为370微米和80微米;
第十六步 制备上电极金属层(24):
用真空蒸发技术蒸铝膜,作上电极金属层(24),铝膜的厚度为5000~8000,光刻第一上电极(12)、第二上电极(4)的图形;
第十七步 形成第一上电极(12)、第二上电极(4):
用磷酸腐蚀铝膜,即上电极金属层(24),形成第一上电极(12)、第二上电极(4);
第十八步 形成悬臂梁(3)的空间结构:
用氧等离子体刻蚀,去除聚酰亚胺牺牲层(19),形成空气隙,时间为45分钟~1.5小时,最后得到完整的硅基微机械微波/射频开关芯片。
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