CN1274007C - 硅基微机械微波/射频开关芯片的制备方法 - Google Patents

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

硅基微机械微波/射频开关芯片的制备方法

                      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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