CN1525527A - 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，形成传输线10、1、8、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；形成上电极12、4；形成悬臂梁3的空间结构十八个工艺步骤。有工艺成熟，成本低等优点。硅基微机械微波/射频开关是现代无线通讯***中的关键器件。
Description
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***(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***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，形成传输线10、1、8、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；形成上电极12、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微米左右的二氧化硅层；
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酸腐蚀而二氧化硅层，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，采用负胶光刻出传输线10、1、8、7的图形；
第六步光刻并腐蚀铬-金双金属层18，形成传输线10、1、8、7
用KI溶液腐蚀铬-金双金属层18，制备传输线10、1、8、7，传输线10和7的长度和宽度分别为190微米和41微米，传输线1和8的总长度和宽度分别为170微米和30微米，传输线1与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，该层的厚度约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，厚度约为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，光刻上电极12、4的图形；
第十七步 形成上电极12，4
用磷酸腐蚀铝膜，即上电极金属层24，形成上电极12、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腐蚀后形成的传输线10、1、8、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是形成上电极12、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是上电极，位于悬臂梁3上方，5是上电极4、12的环形部分，它依附在桥墩16的顶部，6是信号输入端，7是传输线，作共平面波导一边的地线，8是传输线，作中间断开的另一面的共平面波导信号线，9是信号输入端，10是传输线，作共平面波导另一边的地线，11是信号输入端，12是上电极，位于悬臂梁3上方的另一边，13是信号输出端，14是信号输出端，15是信号输出端。
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***(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***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微米左右的二氧化硅；
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酸腐蚀而二氧化硅层，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，采用负胶光刻出传输线10、1、8、7的图形；
第六步光刻并腐蚀铬-金双金属层18，形成传输线10、1、8、7
用KI溶液腐蚀铬-金双金属层18，制备传输线10、1、8、7，传输线10和7的长度和宽度分别为190微米和41微米，传输线1和8的总长度和宽度分别为170微米和30微米，传输线1与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，该层的厚度约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，厚度约为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，光刻上电极12、4的图形；
第十七步形成上电极12，4
用磷酸腐蚀铝膜，即上电极金属层24，形成上电极12、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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