LCP基RF MEMS开关的工艺研究

2016-09-07党元兰徐亚新梁广华刘晓兰庄治学

电子与封装 2016年5期

关键词：样件二氧化硅电镀

党元兰，赵　飞，韩　磊，徐亚新，梁广华，刘晓兰，3，陈　雨，3，庄治学，3

（1.中国电子科技集团公司第54研究所，石家庄050081；2.东南大学MEMS教育部重点实验室，南京210096；3.河北诺亚人力资源开发有限公司，石家庄050035）

LCP基RF MEMS开关的工艺研究

党元兰1，赵飞1，韩磊2，徐亚新1，梁广华1，刘晓兰1，3，陈雨1，3，庄治学1，3

（1.中国电子科技集团公司第54研究所，石家庄050081；2.东南大学MEMS教育部重点实验室，南京210096；3.河北诺亚人力资源开发有限公司，石家庄050035）

在柔性LCP基板上制备RF MEMS开关，加工难度较大，影响开关质量的因素较多。主要研究影响LCP基RF MEMS开关加工质量的主要因素，寻找工艺过程控制解决方案。通过对关键工序的试验，对加工过程中的基板清洗、LCP基板覆铜面镀涂及整平、LCP基板无铜面溅射金属膜层、LCP基板平整度保持、二氧化硅膜层生长及图形化、牺牲层加工、薄膜微桥加工、牺牲层释放等工序进行了参数优化。研制的LCP基RF MEMS开关样件频率≤20 GHz、插入损耗≤0.5 dB，回波损耗≤-20 dB，隔离度≥20 dB，驱动电压30～50 V。该加工方法对柔性基板上可动结构的制造具有一定的借鉴价值。

LCP基材；柔性；桥式RF MEMS开关；薄膜微桥

1　引言

LCP（液晶聚合物）是一种新型的微波/毫米波基板材料，具有许多优点，如介电常数和损耗小、使用频率范围大（DC～110 GHz）、强度高、重量轻、热稳定性高、耐腐蚀性好、多层结构成型温度低、无源器件和有源芯片可一起封装、成本低等［1］。这些特性契合了微波/毫米波系统向更轻更小、更高性能以及更低成本方向发展的需求［2］，因而展现出广阔的应用前景。LCP较好的密封性、较低的吸湿率和可控的热膨胀系数使其成为较理想的高频封装材料［3］。同时，LCP材料相对较低的工艺温度使其成为高性能、小尺寸、低成本器件设计的最佳选择［4］，比如低损耗RF MEMS开关等。

在柔性LCP基板上制作RF MEMS开关的加工过程中，柔性板平整度保持、溅射膜层附着力提高、二氧化硅附着力提高、牺牲层释放等是加工中的关键技术。本文从加工工艺流程入手，对加工过程中的关键工艺进行了研究，并对制作的样件进行了性能测试。

2　LCP基RF MEMS开关加工工艺流程

RF MEMS开关按可动微桥的结构形式划分，一般分为桥式开关和悬臂梁开关［5］。本文用LCP基板作为开关基板，主要针对桥式开关进行了研究。LCP基桥式RF MEMS开关结构示意图如图1所示。

图1　LCP基桥式RF MEMS开关结构示意图

LCP基RFMEMS开关加工工艺流程如图2所示。

图2　LCP基桥式RF MEMS开关加工工艺流程图

3　LCP基板材料

商品化的LCP覆铜板分单面覆铜箔和双面覆铜箔2种。纯LCP介质通常有50 μm、100 μm、125 μm等厚度，铜箔厚度通常为18 μm，铜箔厚度≤12 μm的基板需要定制。标准的LCP基板热膨胀系数在XY轴方向CTE与铜匹配（17×10-6·℃-1）。通过改变LCP的分子结构，可以将CTE调配到3×10-6·℃-1～7×10-6·℃-1，与Si或者GaAs半导体热匹配［6］。但CTE为3×10-6·℃-1～7× 10-6·℃-1的LCP基板也需定制。本文用介质厚度125μm、单面覆18 μm铜箔的标准LCP基板进行RF MEMS开关的工艺研究及样件制作和测试。

4　LCP基RF MEMS开关工艺研究及优化

4.1LCP基板清洗

LCP覆铜板在生产、运输和储存等过程中，不可避免地会吸附或粘附一些有机或无机污物，另外，覆铜面可能会有氧化层等。为提高金属层与基板及金属层与金属层之间的结合力，必须将表面的污物和氧化层除去。否则，可能会出现层间气泡、金属膜层脱落等缺陷，严重影响开关质量。因此用碱性清洗剂M6139US和10%稀盐酸、10%稀硫酸等对LCP基板进行了清洗试验，试验结果见表1。

表1　LCP基板清洗方法及试验结果表

从表1可以看出，采用1d号试验方案的试验结果较佳。因异丙醇表面张力小，且比水更容易挥发，增加异丙醇的浸泡清洗，可使铜面表面干燥时间大大缩短，从而降低氧化几率，确保铜面颜色均匀一致。

4.2LCP基板覆铜面镀涂及整平

（1）防氧化镀涂。LCP基RF MEMS开关加工工序较多，基板在整个加工过程中历经多次加热，并与多种化学溶液接触，这些势必会造成铜层氧化。采取先在铜层表面电镀厚度合适的金层、再进行后续加工的方法可有效避免铜层氧化。

（2）LCP基板整平。试验中发现，单面覆铜的LCP基板清洗烘干后呈现出向覆铜面卷曲的状态，平整度较差。溅射时，翘曲严重的基板无法顺利地从预真空室转移到主真空室，而且基板不平整还会造成溅射膜层厚度不均匀，进而造成线条精度变差。

采取电镀清洗后压盖玻璃板200℃烘烤2 h的方法，可有效提高基板的平整性。

4.3LCP基板无铜面溅射金属膜层

LCP基板具有较高的物理化学稳定性，加之单面覆铜基板无铜面（称为光面，下同）光洁度较高，常规的处理方法不能有效改变基板光面的表面粗糙度，造成基板光面与金属膜层间的结合力不高。溅射前，采用RIE（反应离子刻蚀）设备，在功率100 W、四氟化碳和氧气的混合气体比例为24sccm:8sccm的条件下，进行10 min的等离子处理，可使LCP基板光面的微观状态发生变化，微观粗糙度得以提高，进而使基板光面与金属膜层间的结合力得到有效提高。

另外，通过增加溅射前的RF清洗时间和提高溅射温度，也可使溅射膜层与LCP基材之间的结合力得到提高。本研究采用100℃、150℃、200℃、250℃分别进行溅射试验，试验结果见表2。

表2　LCP基板无铜面溅射试验结果表

从表2可以看出，采用第2d和2e号试验方案的试验结果较佳，从生产效率考虑，优选2d方案的参数。RF清洗时间长，表面活化效果好、粗糙度改善明显；溅射温度高，有利于薄膜和基板原子的相互扩散，使附着力得以提高。

4.4LCP基板平整度保持

LCP为柔性基板，加之材料本身固有的翘曲特性，加工过程中基板的平整度很难保证。这不仅给加工带来不便，图形精度也受到极大影响，甚至造成废品。通过将LCP基板与高平整度的硬性基板进行临时键合，可有效解决加工过程中基板不平整的问题，使图形精度得到有效提高。

LCP基板平整度保持，分别采用聚乙烯醇、AZ系列正性光刻胶、NR系列负性光刻胶以及厚度0.4 mm的硅片、96%氧化铝陶瓷片、普通玻璃板进行临时键合试验，试验结果如表3所示。

从表3可以看出，第3c号试验结果较佳。临时键合后，基板间会留存小气泡，这些气泡如果在匀胶前烘及坚膜后扩大，会导致局部接近式曝光，线条锯齿、毛刺严重，线条侧面陡直度下降。高温、长时间烘烤有利于气泡的去除，提高线条质量。然而过高温度或过长时间会使某些粘接材料如聚乙烯醇和AZ系列正性光刻胶发生变性，使其在后续过程中去除不彻底。

4.5二氧化硅膜层生长及图形化

在RF MEMS开关中，上电极、下电极及射频信号线之间通常用氮化硅膜层作绝缘隔离。因LCP基板的熔化温度为315℃，所以不能采用常规的350℃左右的等离子增强化学气相沉积（PECVD）法进行氮化硅绝缘膜层的生长，只能采用低于300℃低温生长的二氧化硅作为绝缘膜层。试验中，采用100℃生长二氧化硅绝缘膜层，发现其与基板的结合力很差。在生长二氧化硅前，对基板表面进行氧等离子体干法清洗，结合力几乎没有提升。通过在生长二氧化硅前，用RIE设备在100 W功率、氩气流量50 sccm的条件下，对基板表面进行干法刻蚀处理，可使二氧化硅与基板、二氧化硅与金层间的结合力得到有效提高。

表3　LCP基板与硬性基板临时键合试验结果表

二氧化硅膜层的图形化是通过光刻和湿法刻蚀实现的。因二氧化硅膜层厚度存在不均匀性，要使板面上图形以外的二氧化硅完全被刻蚀干净，局部可能会出现过刻现象。需把二氧化硅的侧腐蚀量考虑进去，对图形进行适当的补偿和修正。

4.6牺牲层加工

薄膜微桥的加工是在牺牲层上实现的，牺牲层的加工质量直接影响薄膜微桥的质量，尤其是牺牲层的平坦性对薄膜微桥的平整性影响较大。因牺牲层图形是在已经加工出CPW图形的基板上加工的，所以其平坦化难度较大。试验中，综合利用CPW局部电镀、光刻胶自然流平和高温固化等方法，较好地解决了牺牲层不平整、起泡、皱褶、后续释放不完全等技术难题。

CPW局部电镀是指桥墩及薄膜微桥正下方的RF传输线和下电极处不电镀，而其他区域电镀，这样可减小微桥下方金属台阶的高度，降低牺牲层平坦化的难度。

光刻胶自然流平是匀胶后室温下自然放置30 min以上，利用胶液本身的填充性和流动性使其流平。局部电镀加上自然流平，可使牺牲层平坦度达85%以上。

牺牲层固化是牺牲层图形加工的最后一步，也是最为关键的一步。固化条件对薄膜微桥种子层的质量和牺牲层释放的难易程度影响较大。固化温度低、时间短，牺牲层容易释放，但溅射微桥种子层时，牺牲层易出现裂纹、皱褶，光刻时易出现气泡等现象，致使薄膜微桥种子层的质量无法满足要求；固化温度高、时间长，牺牲层难以100%释放。通过试验摸索和参数优化，120℃固化10 min效果较佳。

4.7薄膜微桥加工

薄膜微桥加工包括种子层溅射、微桥图形光刻、电镀、去胶、刻蚀等工序。

种子层的作用主要是为后续的图形电镀提供导电连接面。研究发现，薄膜微桥种子层的厚度在满足电镀要求的前提下越薄越好。如果种子层太厚，侧腐蚀增大，图形精度降低。同时刻蚀时间太长，也会造成薄膜微桥厚度均匀性变差。因薄膜微桥的加工是在牺牲层上实现的，所以种子层的溅射不能加热，否则牺牲层会出现裂纹、皱褶等缺陷，造成微桥平整度无法满足要求。

电镀和刻蚀对薄膜微桥的性能影响较大，选择低应力的电镀溶液、合适的电流密度、严格控制电镀和刻蚀时间等可使薄膜微桥的应力、厚度及其均匀性等得到有效控制。薄膜微桥是由溅射层和电镀层组成，由于晶格错位或失配等原因，两者之间存在应力，再加上加工过程中温度、膜层厚度、电镀参数、镀液老化等因素的影响，使得薄膜微桥膜层不可避免地存在内应力。研究发现：（1）薄膜微桥较厚时，平整度比较容易控制，但驱动电压较大；薄膜微桥较薄时，平整度较难控制，容易变形、损坏等。薄膜微桥厚度的选择原则是，在满足驱动电压的前提下，微桥厚度越厚越好，以提高平整性和可靠性。（2）薄膜微桥的厚度均匀性主要取决于电镀层的厚度均匀性。通过选择合适的电流密度可将镀层的厚度均匀性控制在一定的范围内。控制电镀时间可在一定程度上控制镀层厚度，但准确控制厚度比较困难。采用适当增加镀层厚度、控制刻蚀时间等方法可使薄膜微桥的厚度控制在很小的波动范围内。

研究发现，薄膜微桥电镀后的去胶温度和时间需要严格控制。去胶温度低、时间短，种子层上面的光刻胶去除不彻底，造成种子层局部刻蚀困难；去胶温度高、时间长，会对种子层下面的牺牲层造成不良影响，使牺牲层出现气泡、甚至局部溶解等现象。试验中，采用60℃去胶10 min，牺牲层未出现气泡和局部溶解现象，效果较佳。

4.8牺牲层释放

牺牲层释放是RF MEMS开关加工过程中极其关键的一步，对成品率影响极大。本研究采用湿法去胶、异丙醇置换、临界点干燥等方法进行牺牲层释放。研究发现，湿法去胶温度和时间、超声功率和时间、水洗温度和时间、异丙醇置换时间、二氧化碳置换时间等因素都会对成品率造成较大影响。湿法去胶时，溶液温度低、时间短，微桥下方的光刻胶不能彻底去除；超声功率大、时间长，薄膜微桥出现断裂；水洗温度低、时间短，去胶液不能被完全清洗干净；异丙醇置换时间短，水分子不能被完全置换出去，二氧化碳置换时间短，异丙醇不能被完全置换出去，这些都会使成品率严重降低，因而均需进行严格控制。试验中，采用60℃去胶90 min，500 W超声2 min，水洗10 min，异丙醇置换5～6 h，二氧化碳置换15 min～20 min，可使牺牲层完全释放，释放成品率优于90%。

值得注意的是，湿法去胶过程后，LCP基板与硬性基板之间会完成分离，恢复其柔性特质，因而后续操作过程中必须小心谨慎，防止操作不当造成LCP基板变形，并最终造成RF MEMS开关失效。

5　开关样件性能测试

研究过程中制作了2种LCP基桥式RF MEMS开关样件（样件照片见图3），并用探针台、矢量网络分析仪、电压表等仪器进行了相关性能测试。开关样件的技术指标为：频率≤20 GHz，插入损耗≤0.5 dB，回波损耗≤-20dB，隔离度≥20dB，驱动电压30V～50V，工艺优化后制备的样件达到了设计要求，表明开发优化的LCP基RF MEMS开关的工艺较成功。

图3　LCP基桥式RF MEMS开关实物样件照片

6　结束语

本文通过对在LCP柔性基材上加工RF MEMS开关中关键工艺技术的分析与研究以及样件的试制、测试，给出加工过程中应该控制的关键工艺、关键工艺的控制要点和注意事项，对LCP基RF MEMS开关的加工研究具有一定的参考价值。

［1］孙兆鹏，严伟，王列松.LCP基板制作工艺及其在微波无源电路中的应用［J］.2011，8:46-52.

［2］曾策，高能武，林玉敏.LCP基板在微波/毫米波系统封装的应用［J］.电子与封装，2010，10（10）:5-8.

［3］陈苑明，何为.应用LCP基材低成本化柔性RF电子元器件及天线［J］.印制电路信息，2010，9:37-40.

［4］赵满.基于LCP柔性材料的柱面共形阵列天线设计［J］.电子信息对抗技术，2013，1:69-71.

［5］郑惟彬，黄庆安，李拂晓.微波电路的MEMS开关进展［J］.微波学报，2001，17（3）:87-93.

［6］Richard WLusignea，James LRacich，R Chandy.Multiaxially OrientedThermotropicPolymerSubstrateforPrinted WireBoard［P］.US Patent.

Processing Study on LCP RF MEMS Switch

DANGYuanlan1，ZHAOFei1，HANLei2，XUYaxin1，LIANGGuanghua1，LIUXiaolan1，3，CHENYu1，3，ZHUANG Zhixue1，3
（1.China Electronics Technology Group Corporation No.54 Research Institution，Shijiazhuang 050081，China；2.Key Laboratory of MEMS of the Ministry of Education，Southeast University，Nanjing 210096，China；3.Hebei Noah Human Resource Development Co.Ltd.，Shijiazhuang 050035，China）

Due to the multi influences on quality of RF MEMS switch，it is difficult to fabricate the switch on flexible LCP substrate.Here，we present for the study on the key influence on LCP RF MEMS fabrication to find the processing solution.According to the experiment，the parameters of substrate cleaning，electro-plating and leveling on Cu lamination layer，metal film on LCP substrate without copper，flatness maintain during lithography，SiO2film growing and patterning，fabrication of scarified layer forming，fabrication of thin film bridge and releasing of scarified layer were optimized.LCP RF MEMS switch with frequency less than 20 GHz was fabricated，whose insertion loss is no more than 0.5 dB，return loss is no more than-20 dB，isolation is no less than 20 dB，and driving voltage is 30 V to 50 V.The method mentioned here may have successful experiences on fabrication of moving parts on flexible substrate.

LCP substrate；flexibility；bridged RF MEMS switch；thin film micro-bridge