射頻MEMS開(kāi)關(guān)中金屬剝離工藝研究

陳光紅，吳清鑫，于 映，羅仲梓

(1.蘇州市職業(yè)大學(xué) 電子信息工程系，江蘇 蘇州 215104;2.南京郵電大學(xué) 通訊與信息工程學(xué)院，江蘇 南京 210003;3.廈門(mén)大學(xué) 薩本棟微機(jī)電研究中心，福建 廈門(mén) 361005)

射頻MEMS開(kāi)關(guān)中金屬剝離工藝研究

陳光紅1，吳清鑫1，于 映2，羅仲梓3

(1.蘇州市職業(yè)大學(xué) 電子信息工程系，江蘇 蘇州 215104;2.南京郵電大學(xué) 通訊與信息工程學(xué)院，江蘇 南京 210003;3.廈門(mén)大學(xué) 薩本棟微機(jī)電研究中心，福建 廈門(mén) 361005)

研究用BP212正性光刻膠(浸泡氯苯)、AZP4620正性光刻膠(浸泡氯苯)、AZ5214E反轉(zhuǎn)光刻膠光刻后的圖形剝離金屬的難易度及圖形質(zhì)量.用掃描電鏡(SEM)觀察不同光刻膠及浸泡氯苯后的側(cè)壁圖形，并分析不同側(cè)壁圖形的形成機(jī)理，找出最佳工藝參數(shù)，并應(yīng)用于射頻MEMS開(kāi)關(guān)制作中的金屬剝離.

BP212;AZP4620;AZ5214E;氯苯浸泡;剝離

Abstract:The lift-off processes of BP212 positive photoresist(and chlorobenzene treatment)and AZP4620 positive photoresist(and chlorobenzene treatment)were studied.AZ5214E image-reversal photoresist was also studied.Side wall graphics were observed using scanning electron microscope(SEM).The forming mechanism of different lateral wall pattern was analysed.The optimum process parameters were found and used in metal lift-off in RF MEMS switches.

Key words:BP212;AZP4620;AZ5214E;chlorobenzene treatment;lift-off

射頻MEMS開(kāi)關(guān)的制作中要求電阻小、高頻損耗小，而Au的電阻率低、穩(wěn)定性好，所以電極、波導(dǎo)和觸點(diǎn)都由金構(gòu)成，且波導(dǎo)需由2 μm的厚金構(gòu)成，為減小由于反射或折射造成的損耗，要求波導(dǎo)縫隙邊緣整齊陡直.

由于金需要用王水腐蝕，腐蝕速度較難控制，用常規(guī)的光刻、腐蝕方法很難形成滿意的圖形，所以實(shí)驗(yàn)中選用剝離的方法制作金電極、波導(dǎo)和觸點(diǎn).

剝離工藝是在基片表面涂上一層光刻膠，經(jīng)過(guò)前烘、曝光、顯影形成掩膜圖形，要求在不需要金屬膜的區(qū)域覆有光刻膠［1］，用鍍膜的方法在其表面覆蓋一層金屬，這樣金屬膜只在需要的區(qū)域與襯底相接觸，最后浸泡剝離液，若允許可加少許超聲將光刻膠除去，隨著光刻膠的溶解，其上的金屬也跟其一起脫落，從而留下了所需的金屬圖形.

剝離方法的關(guān)鍵是使光刻膠上的金屬膜與掩膜斷開(kāi)區(qū)域上的金屬膜斷開(kāi)，這樣易于剝離液滲透進(jìn)去溶解光刻膠，也就是光刻膠的側(cè)壁圖形要為“倒八字形”臺(tái)面.要達(dá)到這一點(diǎn)，通常有以下幾種方法:氯苯浸泡法［1－2］、圖像反轉(zhuǎn)法［1，3］、負(fù)性光刻膠法［1］及多層掩膜剝離法［1，4］.

本文研究用BP212正性光刻膠(浸泡氯苯)、AZP4620正性光刻膠(浸泡氯苯)、AZ5214E反轉(zhuǎn)光刻膠光刻后的圖形剝離金屬的難易及圖形的完整性.用掃描電鏡(SEM)觀察不同光刻膠及氯苯浸泡后的側(cè)壁圖形，并分析不同側(cè)壁圖形的形成機(jī)理.

1 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

實(shí)驗(yàn)中先在直徑為25 mm的石英基片上光刻出圖形，然后濺射(或蒸發(fā))金屬，最后浸泡丙酮后加少許超聲剝離出金屬圖形.用北京化學(xué)試劑研究所生產(chǎn)的BP212正性光刻膠、中聯(lián)安智正性光刻膠AZP4620與AZ5214E反轉(zhuǎn)光刻膠.實(shí)驗(yàn)樣品分7組:

1)BP212正性光刻膠，膠膜厚1.7 μm.烘箱90℃，烘15 min，常規(guī)曝光后顯影.濺射280 nm金膜，用丙酮浸泡剝離;

2)BP212正性光刻膠，膠膜厚 1.7 μm.烘箱 90 ℃，烘 15 min，常規(guī)曝光后，氯苯浸泡 6.5 min，烘箱90℃，烘30 min，顯影.濺射280 nm金膜，用丙酮浸泡剝離;

3)BP212正性光刻膠，膠膜厚4.8 μm.烘箱90℃，烘22 min，常規(guī)曝光后，氯苯浸泡12 min，烘箱90℃，烘30 min，顯影.蒸發(fā)2 μm金膜，用丙酮浸泡剝離;

4)AZP4620正性光刻膠，膠膜厚5.3 μm.烘箱90℃，烘30 min，常規(guī)曝光后顯影.蒸發(fā)2μm金膜，用丙酮浸泡剝離;

5)AZP4620正性光刻膠，膠膜厚5.3 μm.烘箱 90℃，烘30 min，常規(guī)曝光后，氯苯浸泡12 min，烘箱90℃，烘30 min，顯影.蒸發(fā)2 μm金膜，用丙酮浸泡剝離;

6)AZ5214E反轉(zhuǎn)光刻膠，膠膜厚1.7 μm.烘箱90℃，烘10 min，常規(guī)曝光后反轉(zhuǎn)烘，再泛曝光，顯影.濺射280 nm金膜，用丙酮浸泡剝離;

7)AZ5214E反轉(zhuǎn)光刻膠，膠膜厚3.3 μm.烘箱90℃，烘20 min，常規(guī)曝光后反轉(zhuǎn)烘，再泛曝光，顯影.蒸發(fā)2 μm金膜，用丙酮浸泡剝離.

2 結(jié)果與討論

表1為7組樣品剝離射頻MEMS開(kāi)關(guān)中共平面波導(dǎo)圖形的難易度及圖形的質(zhì)量.可見(jiàn)能否成功剝離出合格的圖形與光刻膠膜厚、金屬厚度、是否浸泡氯苯有關(guān).

表1 三種光刻膠及其浸泡氯苯剝離圖形的比較

2.1 膠膜厚度的選擇

采用正性光刻膠BP212時(shí)，若不浸泡氯苯，則金屬圖形很難剝離出來(lái);若浸泡氯苯，則能剝離出較薄的金屬，但在剝離較厚的金屬時(shí)很難得到滿意的圖形.如圖1(a)所示剝離出的波導(dǎo)帶金絲，金絲在后續(xù)的工藝中位置不固定可能會(huì)導(dǎo)致電極短路等;如圖1(b)所示剝離出的共平面波導(dǎo)中間縫隙不能完全剝離出來(lái)，邊緣不整齊，這樣會(huì)造成信號(hào)傳輸時(shí)有散射，插入損耗大.

圖1 BP212浸泡氯苯剝離2 μm金

采用正性光刻膠AZP4620時(shí)，若不浸泡氯苯，即使膠膜厚度與金屬厚度的比例大于2，也不能剝離出來(lái);若浸泡氯苯，可以將波導(dǎo)剝離出來(lái)，但需要浸泡丙酮的時(shí)間較長(zhǎng)，且需要加上超聲振動(dòng)，剝離出的圖片如圖2所示.另因AZP4620粘度較大，用常規(guī)勻膠速度就可以得到較厚膠膜，在顯影時(shí)需要控制適當(dāng)?shù)娘@影時(shí)間，若顯影時(shí)間不當(dāng)，就會(huì)導(dǎo)致圖形失真，圖3為顯影時(shí)間過(guò)長(zhǎng)導(dǎo)致剝離出來(lái)的圖形中間波導(dǎo)處彎曲.

采用AZ5214E反轉(zhuǎn)光刻膠時(shí)，不需浸泡氯苯，用3.3 μm的膠膜厚就可以剝離出2 μm厚的金，且剝離容易，剝離出的波導(dǎo)圖形邊緣整齊，表面清潔，如圖4所示.

圖2 AZP4620浸泡氯苯后剝離

圖3 AZP4620顯影時(shí)間過(guò)長(zhǎng)的剝離

圖4 AZ5214E剝離出2 μm金

2.2 光刻膠側(cè)壁圖形形成機(jī)理

圖5為BP212浸泡氯苯后光刻膠的SEM圖片，設(shè)計(jì)的波導(dǎo)縫隙處寬度為8 μm，當(dāng)膠膜厚度為4.8 μm時(shí)，顯影出來(lái)的光刻膠頂部寬度為8.36 μm，底部寬度為12.4 μm.如圖6所示為AZP4620浸泡氯苯后光刻膠的SEM圖片，可看出這兩種正性光刻膠的側(cè)壁仍為“正三角”.

浸泡氯苯的作用是使光刻膠表層發(fā)生變化，光刻膠表層比下層在顯影液中溶解速度小，從而形成易剝離的光刻膠側(cè)壁.這是因?yàn)槟承┕饪棠z在氯苯中易去除某些低分子量的物質(zhì)，顯影時(shí)光刻膠層浸泡氯苯時(shí)滲透部分很少溶解，而沒(méi)有滲透到的部分仍保持著原先的溶解度［1，5－6］.

但是并不是所有的正性光刻膠經(jīng)過(guò)浸泡氯苯后都會(huì)出現(xiàn)易于剝離的光刻膠側(cè)壁圖形，即“負(fù)膠檐”［4］或“凸緣”［1］或倒角懸垂［5］.

圖7為AZ5214E反轉(zhuǎn)光刻膠的側(cè)壁圖形，可看出其側(cè)壁為“倒三角”臺(tái)面，易于剝離.這是因?yàn)楫?dāng)紫外線照射到光刻膠膜上時(shí)，從膜的表面到膜深處其吸收的能量逐漸減少，從而發(fā)生的光化學(xué)反應(yīng)逐漸減弱，當(dāng)掩膜曝光時(shí)，光刻膠表面產(chǎn)生的酸類(lèi)物質(zhì)較多，在反轉(zhuǎn)烘時(shí)產(chǎn)生的難溶物質(zhì)較多，從而在顯影時(shí)形成了倒臺(tái)面的光刻膠側(cè)壁［3］.

圖5 BP212光刻膠側(cè)壁的SEM圖

圖6 AZP4620光刻膠側(cè)壁的SEM圖

圖7 AZ5214E光刻膠側(cè)壁的SEM圖

2.3 最佳工藝的選擇

通過(guò)對(duì)三種光刻膠進(jìn)行工藝實(shí)驗(yàn)，比較三種光刻膠剝離金屬的難易度及剝離圖形的好壞，如表1所示，由于用浸泡氯苯的方法對(duì)每步工藝的控制要求很苛刻，工藝冗余度小，且氯苯揮發(fā)性強(qiáng)、有毒，對(duì)人身體有害.所以最終選擇使用AZ5214E反轉(zhuǎn)光刻膠，用來(lái)剝離射頻MEMS開(kāi)關(guān)的電極、波導(dǎo)和觸點(diǎn)，得到的金屬圖形邊緣整齊，無(wú)污點(diǎn)，圖形失真度小，并得到最佳工藝參數(shù)如表2所示，以涂膠轉(zhuǎn)速2 000 r/min為例，膠膜厚度約1.7～1.8 μm，測(cè)厚用臺(tái)階儀.

表2 AZ5214E最佳工藝參數(shù)

3 結(jié)論

使用AZ5214E光刻膠的反轉(zhuǎn)工藝，光刻膠膜厚度與金屬薄膜厚度的比值不需大于2，就可以剝離出金屬圖形，且金屬表面不會(huì)受到污染.光刻膠的分辨率高，熱穩(wěn)定性好，在烘烤、濺射金屬等環(huán)境下，形變小，且容易剝離，利用此工藝成功剝離出射頻MEMS開(kāi)關(guān)中的電極、波導(dǎo)、觸點(diǎn)等金屬.此工藝還可用于剝離非金屬類(lèi)材料如SiO［7］2等.

［1］王文如，楊正兵.微細(xì)金屬圖形制作中的剝離技術(shù)［J］.壓電與聲光，2001，23(1):68-73.

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［3］陳光紅，于映，羅仲梓，等.AZ5214E反轉(zhuǎn)光刻膠的性能研究及其在剝離工藝中的應(yīng)用［J］.功能材料，2005，3(36):431-433.

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(責(zé)任編輯:沈鳳英)

Investigation for Metal Lift-off Process in RF MEMS Switch

CHEN Guang-hong1，WU Qing-xin1，YU Ying2，LUO Zhong-zi3
(1.Department of Electronic Information Engineering，Suzhou Vocational Uiversity，Suzhou 215104，China;2.College of Telecommunications ＆ Information Engineering，Nanjing University of Posts and Telecommunications，Nanjing 210003，China;3.Pen-Dung Sah MEMS Research Center，Xiamen University，Xiamen 361005，China)

TN304

A

1008-5475(2012)02-0010-04

2012-02-05;

2012-03-24

國(guó)家青年基金資助項(xiàng)目(60301006);福建省自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(A0310012)

陳光紅(1979—)，女，江蘇淮安人，講師，工程師，碩士，主要從事MEMS技術(shù)與薄膜研究.