射频MEMS开关中金属剥离工艺研究

陈光红，吴清鑫，于 映，罗仲梓

(1.苏州市职业大学 电子信息工程系，江苏 苏州 215104;2.南京邮电大学 通讯与信息工程学院，江苏 南京 210003;3.厦门大学 萨本栋微机电研究中心，福建 厦门 361005)

射频MEMS开关中金属剥离工艺研究

陈光红1，吴清鑫1，于 映2，罗仲梓3

(1.苏州市职业大学 电子信息工程系，江苏 苏州 215104;2.南京邮电大学 通讯与信息工程学院，江苏 南京 210003;3.厦门大学 萨本栋微机电研究中心，福建 厦门 361005)

研究用BP212正性光刻胶(浸泡氯苯)、AZP4620正性光刻胶(浸泡氯苯)、AZ5214E反转光刻胶光刻后的图形剥离金属的难易度及图形质量.用扫描电镜(SEM)观察不同光刻胶及浸泡氯苯后的侧壁图形，并分析不同侧壁图形的形成机理，找出最佳工艺参数，并应用于射频MEMS开关制作中的金属剥离.

BP212;AZP4620;AZ5214E;氯苯浸泡;剥离

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

射频MEMS开关的制作中要求电阻小、高频损耗小，而Au的电阻率低、稳定性好，所以电极、波导和触点都由金构成，且波导需由2 μm的厚金构成，为减小由于反射或折射造成的损耗，要求波导缝隙边缘整齐陡直.

由于金需要用王水腐蚀，腐蚀速度较难控制，用常规的光刻、腐蚀方法很难形成满意的图形，所以实验中选用剥离的方法制作金电极、波导和触点.

剥离工艺是在基片表面涂上一层光刻胶，经过前烘、曝光、显影形成掩膜图形，要求在不需要金属膜的区域覆有光刻胶［1］，用镀膜的方法在其表面覆盖一层金属，这样金属膜只在需要的区域与衬底相接触，最后浸泡剥离液，若允许可加少许超声将光刻胶除去，随着光刻胶的溶解，其上的金属也跟其一起脱落，从而留下了所需的金属图形.

剥离方法的关键是使光刻胶上的金属膜与掩膜断开区域上的金属膜断开，这样易于剥离液渗透进去溶解光刻胶，也就是光刻胶的侧壁图形要为“倒八字形”台面.要达到这一点，通常有以下几种方法:氯苯浸泡法［1－2］、图像反转法［1，3］、负性光刻胶法［1］及多层掩膜剥离法［1，4］.

本文研究用BP212正性光刻胶(浸泡氯苯)、AZP4620正性光刻胶(浸泡氯苯)、AZ5214E反转光刻胶光刻后的图形剥离金属的难易及图形的完整性.用扫描电镜(SEM)观察不同光刻胶及氯苯浸泡后的侧壁图形，并分析不同侧壁图形的形成机理.

1 实验设计

实验中先在直径为25 mm的石英基片上光刻出图形，然后溅射(或蒸发)金属，最后浸泡丙酮后加少许超声剥离出金属图形.用北京化学试剂研究所生产的BP212正性光刻胶、中联安智正性光刻胶AZP4620与AZ5214E反转光刻胶.实验样品分7组:

1)BP212正性光刻胶，胶膜厚1.7 μm.烘箱90℃，烘15 min，常规曝光后显影.溅射280 nm金膜，用丙酮浸泡剥离;

2)BP212正性光刻胶，胶膜厚 1.7 μm.烘箱 90 ℃，烘 15 min，常规曝光后，氯苯浸泡 6.5 min，烘箱90℃，烘30 min，显影.溅射280 nm金膜，用丙酮浸泡剥离;

3)BP212正性光刻胶，胶膜厚4.8 μm.烘箱90℃，烘22 min，常规曝光后，氯苯浸泡12 min，烘箱90℃，烘30 min，显影.蒸发2 μm金膜，用丙酮浸泡剥离;

4)AZP4620正性光刻胶，胶膜厚5.3 μm.烘箱90℃，烘30 min，常规曝光后显影.蒸发2μm金膜，用丙酮浸泡剥离;

5)AZP4620正性光刻胶，胶膜厚5.3 μm.烘箱 90℃，烘30 min，常规曝光后，氯苯浸泡12 min，烘箱90℃，烘30 min，显影.蒸发2 μm金膜，用丙酮浸泡剥离;

6)AZ5214E反转光刻胶，胶膜厚1.7 μm.烘箱90℃，烘10 min，常规曝光后反转烘，再泛曝光，显影.溅射280 nm金膜，用丙酮浸泡剥离;

7)AZ5214E反转光刻胶，胶膜厚3.3 μm.烘箱90℃，烘20 min，常规曝光后反转烘，再泛曝光，显影.蒸发2 μm金膜，用丙酮浸泡剥离.

2 结果与讨论

表1为7组样品剥离射频MEMS开关中共平面波导图形的难易度及图形的质量.可见能否成功剥离出合格的图形与光刻胶膜厚、金属厚度、是否浸泡氯苯有关.

表1 三种光刻胶及其浸泡氯苯剥离图形的比较

2.1 胶膜厚度的选择

采用正性光刻胶BP212时，若不浸泡氯苯，则金属图形很难剥离出来;若浸泡氯苯，则能剥离出较薄的金属，但在剥离较厚的金属时很难得到满意的图形.如图1(a)所示剥离出的波导带金丝，金丝在后续的工艺中位置不固定可能会导致电极短路等;如图1(b)所示剥离出的共平面波导中间缝隙不能完全剥离出来，边缘不整齐，这样会造成信号传输时有散射，插入损耗大.

图1 BP212浸泡氯苯剥离2 μm金

采用正性光刻胶AZP4620时，若不浸泡氯苯，即使胶膜厚度与金属厚度的比例大于2，也不能剥离出来;若浸泡氯苯，可以将波导剥离出来，但需要浸泡丙酮的时间较长，且需要加上超声振动，剥离出的图片如图2所示.另因AZP4620粘度较大，用常规匀胶速度就可以得到较厚胶膜，在显影时需要控制适当的显影时间，若显影时间不当，就会导致图形失真，图3为显影时间过长导致剥离出来的图形中间波导处弯曲.

采用AZ5214E反转光刻胶时，不需浸泡氯苯，用3.3 μm的胶膜厚就可以剥离出2 μm厚的金，且剥离容易，剥离出的波导图形边缘整齐，表面清洁，如图4所示.

图2 AZP4620浸泡氯苯后剥离

图3 AZP4620显影时间过长的剥离

图4 AZ5214E剥离出2 μm金

2.2 光刻胶侧壁图形形成机理

图5为BP212浸泡氯苯后光刻胶的SEM图片，设计的波导缝隙处宽度为8 μm，当胶膜厚度为4.8 μm时，显影出来的光刻胶顶部宽度为8.36 μm，底部宽度为12.4 μm.如图6所示为AZP4620浸泡氯苯后光刻胶的SEM图片，可看出这两种正性光刻胶的侧壁仍为“正三角”.

浸泡氯苯的作用是使光刻胶表层发生变化，光刻胶表层比下层在显影液中溶解速度小，从而形成易剥离的光刻胶侧壁.这是因为某些光刻胶在氯苯中易去除某些低分子量的物质，显影时光刻胶层浸泡氯苯时渗透部分很少溶解，而没有渗透到的部分仍保持着原先的溶解度［1，5－6］.

但是并不是所有的正性光刻胶经过浸泡氯苯后都会出现易于剥离的光刻胶侧壁图形，即“负胶檐”［4］或“凸缘”［1］或倒角悬垂［5］.

图7为AZ5214E反转光刻胶的侧壁图形，可看出其侧壁为“倒三角”台面，易于剥离.这是因为当紫外线照射到光刻胶膜上时，从膜的表面到膜深处其吸收的能量逐渐减少，从而发生的光化学反应逐渐减弱，当掩膜曝光时，光刻胶表面产生的酸类物质较多，在反转烘时产生的难溶物质较多，从而在显影时形成了倒台面的光刻胶侧壁［3］.

图5 BP212光刻胶侧壁的SEM图

图6 AZP4620光刻胶侧壁的SEM图

图7 AZ5214E光刻胶侧壁的SEM图

2.3 最佳工艺的选择

通过对三种光刻胶进行工艺实验，比较三种光刻胶剥离金属的难易度及剥离图形的好坏，如表1所示，由于用浸泡氯苯的方法对每步工艺的控制要求很苛刻，工艺冗余度小，且氯苯挥发性强、有毒，对人身体有害.所以最终选择使用AZ5214E反转光刻胶，用来剥离射频MEMS开关的电极、波导和触点，得到的金属图形边缘整齐，无污点，图形失真度小，并得到最佳工艺参数如表2所示，以涂胶转速2 000 r/min为例，胶膜厚度约1.7～1.8 μm，测厚用台阶仪.

表2 AZ5214E最佳工艺参数

3 结论

使用AZ5214E光刻胶的反转工艺，光刻胶膜厚度与金属薄膜厚度的比值不需大于2，就可以剥离出金属图形，且金属表面不会受到污染.光刻胶的分辨率高，热稳定性好，在烘烤、溅射金属等环境下，形变小，且容易剥离，利用此工艺成功剥离出射频MEMS开关中的电极、波导、触点等金属.此工艺还可用于剥离非金属类材料如SiO［7］2等.

［1］王文如，杨正兵.微细金属图形制作中的剥离技术［J］.压电与声光，2001，23(1):68-73.

［2］闫桂珍，张大成，李婷，等.一种新型的金属剥离技术研究［J］.压电与声光，2001(SI):312-314.

［3］陈光红，于映，罗仲梓，等.AZ5214E反转光刻胶的性能研究及其在剥离工艺中的应用［J］.功能材料，2005，3(36):431-433.

［4］林立，韦书领，杨春莉，等.正/负双层光刻胶厚膜剥离技术［J］.激光与红外，2006，4(36):282-284.

［5］闫桂珍，张大成，李婷，等.金属剥离与衬底腐蚀等平面自对准OHR技术研究［J］.微纳电子技术，2002(1):40-43.

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(责任编辑:沈凤英)

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

国家青年基金资助项目(60301006);福建省自然科学基金资助项目(A0310012)

陈光红(1979—)，女，江苏淮安人，讲师，工程师，硕士，主要从事MEMS技术与薄膜研究.