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基于MEMS技术U形悬臂梁制作工艺研究及特性模拟刘焱; 李日东【期刊名称】《《水利科技与经济》》【年(卷),期】2019(025)008【总页数】4页(P81-84)【关键词】EPW腐蚀液; U形悬臂梁; 微电子机械系统; ANSYS软件【作者】刘焱; 李日东【作者单位】中国电子科技集团公司第四十九研究所哈尔滨 150001【正文语种】中文【中图分类】TP2121 概述近年来，随着MEMS技术的不断发展，微悬臂梁在微机械传感器和纳米机械传感器等领域具有广泛的应用，尤其在微生物传感器和纳米生物传感器方面表现出巨大的应用前景。
目前，国内外一些研究机构对微悬臂梁生物、化学传感器[1-3]的研究做了大量的工作。
研究结果表明,悬臂梁的形状和结构对其特性有一定的影响。
大量的文献报道,相同尺寸矩形悬臂梁的灵敏度较U形悬臂梁的灵敏度低。
本文对EPW腐蚀液中采用(100)硅制作U形悬臂梁的制作工艺进行研究，对因(111)侧面相交的凸角处出现一些腐蚀速率较高的晶面，使U形悬臂梁凸角掩模下的硅受到侧向腐蚀而出现的凸角削角进行圆形掩模补偿。
实验制作出300 μm×1200 μm的补偿效果较好的U形悬臂梁。
在此基础上，采用ANSYS有限元分析系统分别对相同尺寸的U形悬臂梁和矩形悬臂梁的应力分布特性进行模拟，给出应力分布的模拟结果。
2 U形悬臂梁结构和制作工艺2.1 基本结构基于MEMS技术在p型〈100〉晶向的硅片表面制作长、宽、厚分别为1 200，300，30 μm的U形悬臂梁。
图1给出U形悬臂梁结构示意图，U形悬臂梁为通过两个臂连于固定点。
其中，H为硅片厚度，L为U形悬臂梁长度，W为U形悬臂梁宽度。
图1 U形悬臂梁基本结构示意图Fig.1 Structure of U-shape cantilever beam 2.2 制作工艺[4]采用平整度较好的双面抛光〈100〉硅片，经RCA清洗后，在1 180℃干氧、湿氧、干氧的气氛中热氧化双面生长约600 nm厚的SiO2层,然后经一次光刻刻出C形硅杯窗口，采用EPW腐蚀液进行各向异性腐蚀制作出C形硅杯。
2020年第41卷第5期中北大学学报(自然科学版)V o l.41 N o.52020 (总第193期)J O U R N A LO FN O R T H U N I V E R S I T YO FC H I N A(N A T U R A LS C I E N C EE D I T I O N)(S u m N o.193)文章编号:1673-3193(2020)05-0450-05一种射频M E M S开关高平整度牺牲层的制备方法高跃升1,薛鹏飞2,王俊强1,4,吴倩楠3,4,陈鸿1,李孟委1,3,4(1.中北大学仪器与电子学院,山西太原030051;2.山西省计量科学研究院,山西太原030032;3.中北大学南通智能光机电研究院,江苏南通226000;4.中北大学前沿交叉科学研究院,山西太原030051)摘要:牺牲层工艺是制作M E M S开关的重要工艺,牺牲层平整度差会导致开关上电极变形,进而影响M E M S开关的性能.提出了一种高平整度聚酰亚胺牺牲层的制备方法,采用了自然平流法与双层牺牲层结合的方式.首先研究了温度对聚酰亚胺流动速度的影响,极大地缩短了自然平流法所需要的时间.自然平流法的局限性在于无法彻底解决聚酰亚胺牺牲层平坦度差的问题,之后可采用A Z5214光刻胶作为第二层牺牲层,进一步提高了牺牲层的平整度.固化后的聚酰亚胺性质稳定,不与酸碱反应,为光刻胶作为第二层牺牲层提供了条件.关键词: M E M S开关;牺牲层;聚酰亚胺;平坦度中图分类号: T N385文献标识码:A d o i:10.3969/j.i s s n.1673-3193.2020.05.011M e t h o d f o rP r e p a r i n g H i g h-L e v e l F l a t n e s s S a c r i f i c i a l L a y e ro fR a d i oF r e q u e n c y M E M SS w i t c hG A O Y u e-s h e n g1,X U EP e n g-f e i2,WA N GJ u n-q i a n g1,4,WU Q i a n-n a n3,4,C H E N G H o n g1,L IM e n g-w e i1,3,4(1.S c h o o l o f I n s t r u m e n t a n dE l e c t r o n i c s,N o r t hU n i v e r s i t y o fC h i n a,T a i y u a n030051,C h i n a;2.S h a n x i I n s t i t u t e o fM e t r o l o g y,T a i y u a n030032,C h i n a;3.N a n t o n g I n s t i t u t e o f I n t e l l i g e n tO p t o-M e c h a t r o n i c s o fN o r t hU n i v e r s i t y o fC h i n a,N a n t o n g226000,C h i n a;4.A c a d e m y f o rA d v a n c e d I n t e r d i s c i p l i n a r y R e s e a r c h,N o r t hU n i v e r s i t y o fC h i n a,T a i y u a n030051,C h i n a)A b s t r a c t:T h es a c r i f i c i a l l a y e r p r o c e s sw a sa n i m p o r t a n t p r o c e s s f o r f a b r i c a t i n g M E M Ss w i t c h e s.T h e p o o r f l a t n e s s o f t h es a c r i f i c i a l l a y e r c a u s e dd e f o r m a t i o no f t h eu p p e re l e c t r o d eo f t h es w i t c h,w h i c h i n t u r na f f e c t e d t h e p e r f o r m a n c e o f t h eM E M Ss w i t c h.I n t h i s p a p e r,a p r e p a r a t i o nm e t h o do f ah i g h f l a t-n e s s p o l y i m i d es a c r i f i c i a l l a y e rw a s p r o p o s e d,w h i c ha d o p t e dan a t u r a l f l o w m e t h o dc o m b i n e d w i t ha d o u b l e-l a y e r s a c r i f i c i a l l a y e r.F i r s t l y,t h e i n f l u e n c e o f t e m p e r a t u r e o n t h e f l o wv e l o c i t y o f p o l y i m i d ew a s s t u d i e d,w h i c h g r e a t l y s h o r t e n e dt h e t i m e r e q u i r e df o r t h en a t u r a l f l o w m e t h o d.T h e l i m i t a t i o no f t h e n a t u r a l f l o w m e t h o dw a s t h a t t h e p r o b l e m o f p o o r f l a t n e s so f t h e p o l y i m i d es a c r i f i c i a l l a y e rc a n n o tb e c o m p l e t e l y s o l v e d.T h e n,A Z5214p h o t o r e s i s t c a nb eu s e da s t h e s e c o n ds a c r i f i c i a l l a y e r t o f u r t h e r i m-p r o v e t h e f l a t n e s s o f t h e s a c r i f i c i a l l a y e r.T h e c u r e d p o l y i m i d e i s s t a b l e i nn a t u r e a n d d o e s n o t r e a c tw i t h a c i d s a n db a s e s,p r o v i d i n g c o n d i t i o n s f o r t h e p h o t o r e s i s t t o s e r v e a s a s e c o n d s a c r i f i c i a l l a y e r.K e y w o r d s:M E M Ss w i t c h;s a c r i f i c i a l l a y e r;p o l y i m i d e;f l a t n e s s收稿日期:2019-11-03作者简介:高跃升(1993-),男,硕士生,主要从事R F M E M S器件的设计研究.通信作者:李孟委(1975-),男,教授,博士,主要从事R F M E M S器件研究.0引言R F M E M S开关由于其低损耗㊁高隔离㊁小体积㊁易集成㊁线性度良好等优点,有望取代传统的P I N或F E T等微波固态开关,在通信领域中发挥重要作用[1-3].常见的R F M E M S开关分为串联接触式开关和并联电容式开关,串联接触式开关通常采用悬臂梁作为上电极,并联电容式开关采用固支梁作为上电极[4-6].然而,无论是是悬臂梁还是固支梁都是悬空结构,在制作过程中,其关键技术都是牺牲层的制备及释放[7-8].常用的牺牲层材料包括S i O2㊁光刻胶㊁聚酰亚胺,P MMA和金属等.目前广泛使用的牺牲层材料是S i O2,但是其台阶覆盖能力很差,而且S i O2通常需要湿法蚀刻才能释放结构,很容易发生粘连问题,导致开关失效[9-10].金属是另一种常用的牺牲层材料,但是金属作为牺牲层材料也需要湿法腐蚀来释放结构,同样面临着粘连的问题[11-12].另外,当采用金属作为牺牲层材料时,可能发生金属原子互相扩散,在两个金属层的界面上形成固溶体,导致结构层的表面受到损害.聚酰亚胺是一种合适牺牲层材料,因为聚酰亚胺采用氧等离子体干法刻蚀来释放得到结构,可以避免湿法腐蚀带来的一系列问题[13].但是,聚酰亚胺作为牺牲层同样存在台阶覆盖率差的问题.由于悬臂梁的加工是在牺牲层材料上实现的,所以牺牲层材料的平坦度对悬臂梁的平整度有巨大影响.牺牲层图形是在信号线以及驱动电极图形上加工的,多层薄膜叠加的台阶加大了牺牲层平整度的难度.本文以悬臂梁式开关为例,图1显示了M E M S开关旋涂牺牲层时台阶处的的侧面剖视图,如图所示,理想中的牺牲层旋涂效果如图1(a)所示,牺牲层表面平坦,但是实际的旋涂效果如图1(b)所示,信号线和驱动电极以及衬底形成的台阶差导致旋涂的聚酰亚胺牺牲层表面平坦度极差.图2(a)为台阶处的正面照片,图2(b)为因牺牲层平整度差而加工失败的M E M S开关上电极光学照片.从图中可以看出,由于牺牲层平整度差,上电极严重变形,开关加工失败.因此,如果采用聚酰亚胺作为牺牲层材料,改善其平整度是非常有必要的.针对聚酰亚胺牺牲层平坦化的问题,目前合适的方法有自然平流法,接触平坦化法以及C M P法等.接触平坦化主要用于I C制造中介质层的平坦化,其方法是利用具有光学平整度表面的石英压盘均匀挤压聚酰亚胺,实现平坦化.但是接触平坦化法在实施过程中,胶面容易出现气泡和皱褶[14-15].C M P法对抛光设备的精度要求很高,而且对聚酰亚胺的材质也有一定的要求,否者会在聚酰亚胺表面造成大量的划痕.自然平流法最易实现,可以较好地解决牺牲层平坦化的问题.旋涂聚酰亚胺后自然水平放置一段时间,利用聚酰亚胺液体本身的流动性使其进一步流平,降低台阶差.但是若要达到最佳效果,自然平流法所需时间很长,会极大地拉长加工周期.本文针对上述问题,通过采用改进后的自然平流法和双层牺牲层的方法,极大地提高了聚酰亚胺牺牲层的平坦度,缩短了工艺时间,可以应用于M E M S开关的制作.图1 M E M S开关旋涂牺牲层侧面剖视图F i g.1 S i d e v i e wo f aM E M Ss w i t c hs p i n-c o a t e d s a c r i f i c i a l l a y er图2牺牲层平坦度差导致的上电极结构变形F i g.2 D e f o r m a t i o no f t h e u p p e r e l e c t r o d e s t r u c t u r e c a u s e db y t h e p o o r f l a t n e s s o f t h e s ac r i f i c i a l l a y e r1自然平流法的改进针对自然平流法存在的耗时时间长的问题,对自然平流法做出了改进.温度是影响聚酰亚胺流动的重要因素,在不同的温度下,液态聚酰亚胺的流动速度不同.经过多次实验,型号为P I-306的聚酰亚胺在50ħ时具有最佳的流动速度.如图1(b)所示,以信号线和驱动电极上的聚酰亚胺的台阶差H的大小作为衡量聚酰亚胺表面平整度的方法.选择10个具有相同台阶差的晶圆(台阶高度为2.2μm)分成A B两组并旋涂聚酰亚胺,然后分别在不同的温度下平流不同的时间,记录预固化之后的台阶差H的高度.下面介绍具体实154(总第193期)一种射频M E M S开关高平整度牺牲层的制备方法(高跃升等)验方法.1)旋涂前一天将冷藏的聚酰亚胺取出并常温静置18h以上.旋涂前将晶圆置于氧等离子体中轰击5m i n,并在110ħ热板加热90s后,立即进行旋涂.其中氧等离子体轰击是为了增加聚酰亚胺与衬底的粘附性,加热晶圆是为了提高聚酰亚胺的平流速度.2)旋涂聚酰亚胺,旋涂参数为:低速600r/m i n,5s,高速4000r/m i n,30s. 3)将两组晶圆分别水平放置在密闭容器中,其中A组晶圆常温放置,B组晶圆放置在50ħ的鼓风烘箱中.A组晶圆1~5#分别平流1~5d 后,B组晶圆1~5#分别平流1~5h,然后预固化后测试台阶差H的高度.4)预固化,将晶圆放入氮气烘箱中烘烤,具体参数为:50ħ,1h;80ħ,3h;110ħ,3h. 2双层牺牲层法改进后的自然平流法虽然可以极大地改善牺牲层的平整度,但是无法彻底解决聚酰亚胺作为牺牲层台阶覆盖率差的问题,台阶差H仍然存在.为了进一步解决这一问题,在改进的自然平流法的基础上,又采用了双层牺牲层的方法.其原理就是在聚酰亚胺牺牲层下凹处再旋涂光刻胶作为另一层牺牲层,以达到提高牺牲层平整度的目的.具体工艺流程如图3所示,各步骤如下:a)准备晶圆;b)旋涂聚酰亚胺,平流并预固化;c)刻蚀开关锚点通孔,固化聚酰亚胺;d)旋涂A Z5214光刻胶;e)光刻㊁显影,保留下聚酰亚胺下凹处的A Z5214光刻胶,作为第二层牺牲层;f)溅射种子层;g)以A Z4620光刻胶作掩模,电镀开关上电极;h)释放牺牲层得到开关.第二层牺牲层选择型号为A Z5214的正性光刻胶,这是一款薄胶,胶厚合适.聚酰亚胺牺牲层的释放方法为氧等离子体干法刻蚀,氧等离子体同样可以干法刻蚀A Z5214,甚至刻蚀速率更快.而且聚酰亚胺固化后性质稳定,不与酸碱反应, A Z5214显影过程中采用的碱性显影液也不会对聚酰亚胺造成影响.这样采用A Z5214作为第二层牺牲层能够与聚酰亚胺的制备工艺兼容.图3双层牺牲层工艺流程F i g.3 D o u b l e-l a y e r s a c r i f i c i a l l a y e r p r o c e s s3结果与讨论对自然平流法改进后的实验结果如图4所示,自然平流法可有效改进聚酰亚胺的平整度,台阶差H的高度从2μm降低到了1.2μm,减小了将近一半.但是常温平流达到最佳效果需要5d,而50ħ时达到最佳平流效果只需要4h,极大地提高了聚酰亚胺的流动速度,缩短了聚酰亚胺平流的时间.图4台阶差H与平流时间的关系图F i g.4 R e l a t i o n s h i p b e t w e e ns t e p d i f f e r e n c e H a n d a d v e c t i o n t i m e254中北大学学报(自然科学版)2020年第5期合适的温度只能缩短聚酰亚胺的平流时间,并不能提高平流效果,最终两者台阶差H的高度几乎相同,这是由聚酰亚胺本身的特性所决定的.在采用双层牺牲层法时,上层光刻胶的胶厚必须与聚酰亚胺下凹的高度相同,这样才能确保牺牲层的表面平整.而决定光刻胶胶厚的重要参数是旋涂的转速及时间,通过控制A Z5214的转速和时间来控制胶厚.A Z5214转速与胶厚的关系如图5所示,旋涂时间30s,转速6000r/m i n时的胶厚为1.2μm,与自然平流后的聚酰亚胺的下凹高度相同.图5 A Z5214转速与胶厚的关系F i g.5 R e l a t i o n s h i p b e t w e e nA Z5214s p e e da n d r u b b e r t h i c k n e s s 图6对比了未处理㊁只用自然平流法㊁自然平流法与双牺牲层法相结合三种方法处理之后上电极处聚酰亚胺的台阶差H的台阶仪测试结果.结果显示,自然平法可以有效缓解聚酰亚胺牺牲层台阶覆盖率差的问题,但是无法彻底消除台阶差.图6上电极处台阶差H的对比图F i g.6 C o m p a r i s o no f t h e s t e p d i f f e r e n c eHa t t h e u p p e r e l e c t r o d e之后再采用双牺牲层法,台阶差H几乎已经消失,原本下凹处甚至变得有些凸起,这是因为旋涂的光刻胶的厚度会有一些误差,无法真正与聚酰亚胺牺牲层下凹的深度相同.改进后的自然平流法与双层牺牲层相结合的方法解决了因为聚酰亚胺牺牲层平整度差所导致的开关上电极塌陷的问题,图7为两种方法制作出的衰减器中的悬臂梁式开关上电极的对比图.图7(a)中上电极明显塌陷,图7(b)的上电极则为一个平整度良好悬臂梁.图8为牺牲层平整度良好的M E M S开关上电极悬臂梁45ʎ角的S E M 照片,从图中看出,悬臂梁处于悬空状态,没有塌陷变形.图7牺牲层改进前后上电极对比图F i g.7 C o m p a r i s o no f t h eu p p e r e l e c t r o d e s b e f o r e a n da f t e r s a c r i f i c i a l l a y e r i m p r o v e m e nt图8牺牲层平整度良好的上电极45ʎ角的S E M照片F i g.8S E M p h o t oo f45ʎa n g l e o f t h e u p p e r e l e c t r o d ew i t h g o o d f l a t n e s s o f t h e s a c r i f i c i a l l a y e r354(总第193期)一种射频M E M S开关高平整度牺牲层的制备方法(高跃升等)4结论本文提出了一种新的提高聚酰亚胺牺牲层平整度的方法,首先研究了温度对聚酰亚胺流速的影响,确定了最佳温度,极大地缩短了自然平流法所需要的时间.接着,在自然平流法的基础上又提出了双层牺牲层的方法,采用A Z5214光刻胶作为第二层牺牲层,进一步提高了牺牲层的平整度,解决了因为牺牲层平整度差导致的开关上电极变形的问题,为M E M S开关的制作提供了技术支持.参考文献:[1]I a n n a c c i J,T s c h o b a nC.R F-M E M S f o r f u t u r em o b i l ea p p l i c a t i o n s:e x p e r i m e n t a l v e r i f i c a t i o no f a r e c o n f i g u-r a b l e8-b i t p o w e r a t t e n u a t o r u p t o110G H z[J].J o u r-n a l o f M i c r o m e c h a n i c sa n d M i c r o e n g i n e e r i n g,2017,27(4):044003.[2]I a n n a c c i J,H u h n M,T s c h o b a nC,e t a l.R F-M E M St e c h n o l o g y f o r5G:s e r i e sa n ds h u n t a t t e n u a t o rm o d-u l e s d e m o n s t r a t e du p t o110G H z[J].I E E EE l e c t r o nD e v i c eL e t t e r s,2016,37(10):1336-1339.[3]I a n n a c c i J,H u h n M,T s c h o b a nC,e t a l.R F-M E M St e c h n o l o g y f o r f u t u r e m o b i l ea n dh i g h-f r e q u e n c y a 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SEM在半导体工艺研究中的应用实例王嵩宇;刘剑;宁润涛【摘要】根据半导体工艺的需要，介绍了利用SEM分析工艺问题的方法.主要包括样品的解理、缀饰及为提高导电性所采用的镀膜方法比对，其中高效、准确的解理定位是重要前提.三个典型案例中，埋层漂移是在问题刚显露时就得到及时分析、彻底解决；而MEMS器件悬臂梁断裂翘曲及减少鸟嘴工艺，则是在研制开发新工艺过程之初，就列为“定点清除”的主要问题.上述问题是发生在科研生产中的实例，且均已在工艺规范层面定型.在形成成品之前，特别是工艺设计及加工制造阶段的失效分析及可靠性研究，能够在隐患转变为大面积工艺问题及后期性能参数问题之前，就能够提早定位并彻底解决，更为今后产品大规模量产及产品升级换代提供客观准确的科学依据.SEM是其中的重要技术手段，尤其在线检测分析更是物尽其用.% According to the need of semiconductor technology, this article describes the methods of analysis technology problems by using SEM. Mainly includes sample’s cleavage, Decoration and co mparison of the coating method in order to improve the conductivity, the efficient, accurate cleavage positioning is one of the important premise. Among Three typical cases, the buried layer drift has been analysis and completely solved when the question j ust show;the MEMS device’s cantilever beam fracture warpage and reduced beak process, is listed as the"tipping point"main problem, when the research and development of new processat the beginning. The problems are the true case which occurred in production and research, and all have been set in the process specification level. In forming the finished product before, especially in the phase ofdesign and manufacturing , failure analysis and reliability research, can be early positioned and completely resolved, before the hidden dangers change into large area problems of process and the later performance parameters, more for the large-scale production and product upgrading of future products provide objective and accurate scientific basis. SEM is one of the important technical means, especially on-line detection and analysis.【期刊名称】《电子与封装》【年(卷),期】2012(000)012【总页数】4页(P40-43)【关键词】解理;缀饰;微型机电系统;硅的局部氧化;关键尺寸【作者】王嵩宇;刘剑;宁润涛【作者单位】中国电子科技集团公司第47研究所,沈阳110032;中国电子科技集团公司第47研究所,沈阳110032;中国电子科技集团公司第47研究所,沈阳110032【正文语种】中文【中图分类】TN3061 引言扫描电子显微镜（SEM）诞生以来，渐已成为人们观察和检测各种材料的有力工具，尤其在微米、亚微米乃至纳米领域。
基于微模塑复制技术的聚合物微悬臂梁的研制
白英良;段辉高;韩立
【期刊名称】《微细加工技术》
【年(卷),期】2008(000)005
【摘要】首先用电火花技术制作出不锈钢基座和悬臂梁,然后利用PDMS良好的柔性、弹性、复制分辨率以及良好的透气性能制作了过渡模版,通过二次复制的图形
转移技术,制作了聚合物微悬臂梁.测试表明,所制作的聚合物悬臂梁基本满足悬臂梁工作的要求,利用该微模塑复制技术制备聚合物微悬臂梁的方法工艺简单、成本低、可批量生产.同时避免了刚性脱模带来的难题.根据实验,还给出了中温注射、低温固化、高温后固化的最佳工艺方法.
【总页数】3页(P35-36,40)
【作者】白英良;段辉高;韩立
【作者单位】中国科学院电工研究所,北京,100190;中国科学院研究牛院,北
京,100093;兰州大学电子材料研究所,兰州,730170;中国科学院电工研究所,北
京,100190
【正文语种】中文
【中图分类】TN3
【相关文献】
1.聚合物三维微图案加工的转移微模塑新方法 [J], 王哲;邢汝博;韩艳春;李滨耀
2.用微模塑直接在聚合物曲面上制备微图形 [J], 潘力佳;金邦坤;何平笙;陈磊
3.聚合物光栅光波导器件的微复制技术 [J], 刘月明;张少君
4.基于微模塑复制技术的平面线圈研制 [J], 刘波;吴一辉;张平
5.基于微模塑复制技术的平面线圈研制 [J], 刘波;吴一辉;张平
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