微F-P腔可調(diào)諧濾波器關(guān)鍵工藝研究*

李元元， 蒙慶華， 陳四海， 曾毅波， 郭 航

(1.中國科學(xué)院 深圳先進(jìn)技術(shù)研究院，廣東 深圳 518055；2.西安電子科技大學(xué) 微電子學(xué)院，陜西 西安 710071；3.廈門大學(xué) 薩本棟微米納米科學(xué)技術(shù)研究院，福建 廈門 361005)

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微F-P腔可調(diào)諧濾波器關(guān)鍵工藝研究*

李元元1,2， 蒙慶華1， 陳四海1， 曾毅波3， 郭 航3

(1.中國科學(xué)院 深圳先進(jìn)技術(shù)研究院，廣東 深圳 518055；2.西安電子科技大學(xué) 微電子學(xué)院，陜西 西安 710071；3.廈門大學(xué) 薩本棟微米納米科學(xué)技術(shù)研究院，福建 廈門 361005)

采用表面加工工藝，AZ5214E光刻膠進(jìn)行光刻并反轉(zhuǎn)，磁控濺射NiCr合金，剝離出高度為2.3 μm的金屬橋墩，填充聚酰亞胺作為犧牲層，再在犧牲層上光刻、沉積金屬形成金屬橋面，在金屬橋面的中心嵌入第二布拉格反射鏡。采用O2等離子體刻蝕去除聚酰亞胺膜，制作成微法布里—珀羅(F-P)腔，不需要硅片鍵合，克服了傳統(tǒng)F-P腔高度不夠高、調(diào)諧范圍有限、腔平整度不好以及對設(shè)備要求高的缺點(diǎn)，并且可以做出大陣列結(jié)構(gòu)，易于探測器集成。著重對腔體關(guān)鍵工藝，即金屬橋墩的NiCr剝離工藝進(jìn)行研究，針對現(xiàn)有技術(shù)缺陷，提出解決辦法。

微法布里—珀羅(F-P)腔； 光刻反轉(zhuǎn)； 磁控濺射； 剝離

Study on key fabrication process of micro F-P

0 引 言

基于MEMS技術(shù)的法布里—珀羅(Fabry-Perot，F(xiàn)-P)可調(diào)諧濾波器在超光譜成像、密集波分復(fù)用(dense wavelength division multiplexing,DWDM)的光通信系統(tǒng)中有廣泛的應(yīng)用前景[1]，與其他可調(diào)諧濾波器相比，具有體積微小、易與激光器、探測器集成、可調(diào)諧光譜范圍大、光譜分辨率高、采用批量制造可大幅降低成本等優(yōu)點(diǎn)[2～4]。金屬橋墩的剝離[5]是微F-P腔長可調(diào)諧濾波器制作的關(guān)鍵工藝，也是工藝制作的難點(diǎn)。金屬橋墩的高度關(guān)系到微F-P腔長可調(diào)諧濾波器調(diào)諧性能，腔體的平整度決定了微F-P腔長可調(diào)諧濾波器的濾波效果。

本文主要研究金屬橋墩的搭建和平整度良好的腔體的制作，并著重討論了金屬橋墩的剝離工藝。依據(jù)設(shè)計要求，金屬橋墩高度要達(dá)到2.3 μm才能獲得良好的濾波效果。

1 微F-P腔長可調(diào)諧濾波器的結(jié)構(gòu)與工作原理

圖1所示，懸臂梁與金屬橋面在同一水平面上，采用NiCr薄膜制成。懸臂梁的一端與金屬橋面成“L”型，另一端架金屬橋墩上，其他的懸臂梁以此類推，四端的懸臂梁將金屬橋面吊起。金屬橋面通過懸臂梁的4個端點(diǎn)架在4個橋墩上，懸浮在襯底之上，橋面與襯底之間形成空腔。當(dāng)電極1,2上施加電壓后，在靜電力的作用下，懸臂梁會牽引金屬橋面上(下)運(yùn)動，從而改變F-P濾波器的腔長，實(shí)現(xiàn)波長或頻率的調(diào)諧。其中，金屬橋墩決定懸臂梁的變化范圍，進(jìn)而影響器件的調(diào)諧范圍。

圖1 微F-P腔長可調(diào)諧濾波器結(jié)構(gòu)圖Fig 1 Structure diagram of micro F-P cavity length tunable filter

2 實(shí)驗(yàn)與討論

微腔結(jié)構(gòu)的實(shí)現(xiàn)需要采用微加工工藝。設(shè)計的器件是128×128的陣列結(jié)構(gòu)，每個單元結(jié)構(gòu)都很小，適合用表面MEMS工藝來制備。制備微F-P腔具體工藝流程如圖2所示：a.清洗硅襯底，進(jìn)行表面活化處理；b.制備反射鏡膜層；c.在反射鏡膜層上制作電極1,2；d.在電極1上制作金屬橋墩(橋墩兼顧電互連和機(jī)械支撐作用)；e.填充犧牲層，并固化處理；f.在犧牲層上光刻，制作金屬橋面；g.制備反射鏡膜層；h.釋放犧牲層，形成F-P腔。其中金屬橋墩的搭建是工藝難點(diǎn)。

圖2 微F-P腔制備工藝流程Fig 2 Fabrication process of micro F-P cavity

2.1 金屬橋墩的搭建

在光刻形成有反射鏡和電極的襯底上涂覆光刻膠并光刻出金屬橋墩的圖案，淀積金屬，剝離掉和光刻膠直接接觸的金屬，完成金屬橋墩的制備。

2.1.1 光刻反轉(zhuǎn)

AZ5214E光刻膠的反轉(zhuǎn)如圖3所示。經(jīng)過第一次曝光仍舊作為正膠使用，而后經(jīng)過反轉(zhuǎn)烘和泛曝光兩道工序并最終顯影可作為負(fù)膠使用。使用AZ5214E光刻膠反轉(zhuǎn)具有如下優(yōu)點(diǎn)：可以使用正版或負(fù)版；與負(fù)性光刻膠相比膨脹小，光刻后的圖形失真??；經(jīng)過圖像反轉(zhuǎn)后的光刻膠抗干法刻蝕能力強(qiáng)；可形成“倒八字形”側(cè)壁，即光刻膠側(cè)壁圖形上寬下窄，易于使沉積的金屬在光刻膠掩模區(qū)域斷開，有利于剝離[6～7]。

圖3 AZ5214E光刻膠反轉(zhuǎn)步驟Fig 3 AZ5214E photoresist inversion step

形成金屬橋墩的掩模版和光刻膠反轉(zhuǎn)后的表面形貌如圖4所示。光刻膠反轉(zhuǎn)之后，具有正膠性質(zhì)的AZ5214E光刻膠轉(zhuǎn)換為負(fù)膠，原有掩模版不透光區(qū)域在基底上保留了光刻膠。AZ5214E光刻反轉(zhuǎn)工藝參數(shù)如下：旋涂2 000 rpm/30 s;前烘4 mins/96 ℃;曝光11.5 s;反轉(zhuǎn)烘4 min/96 ℃;泛曝光12.5 s顯影82 s。

圖4 金屬橋墩的掩模板和光刻后的形貌Fig 4 Mask of metal bridge pier and profile after photo lithography

2.1.2 濺 射

實(shí)驗(yàn)用濺射的靶材為NiCr合金，其中，Ni的含量為80 %，Cr的含量為20 %。

如圖5,采用一次性濺射厚度超過1.2 μm的NiCr金屬層或者厚度約為2.3 μm的Cr+NiCr合金金屬層(每一層包括Cr的厚度為10 nm和NiCr厚度約為380 nm，逐層疊加，一次性濺射)，容易產(chǎn)生應(yīng)力集中，拉應(yīng)力直接破壞底部電極，因此,一次性完成濺射2.3 μm NiCr金屬層的方案是不可行的。

圖5 一次性濺射金屬層Fig 5 Once completed sputtered metal layer

采用分次濺射，減少NiCr合金每次濺射的厚度，有望減小濺射金屬層的內(nèi)應(yīng)力，避免內(nèi)應(yīng)力的過度集中和累加。如圖6(a)所示，在底電極上濺射厚度為900 nm的NiCr，可獲得高度約為900 nm的NiCr橋墩。相比與大面積相連的NiCr金屬層，橋墩為彼此不相連，隔斷式的凸點(diǎn)陣列，有利于NiCr 金屬層的應(yīng)力分散，避免過大應(yīng)力對于基底的破壞。但是，如果在高度900 nm的NiCr橋墩基礎(chǔ)上再濺射900 nm厚度的NiCr，再次濺射的NiCr與原有的NiCr橋墩未能完全粘合，如圖6(b)所示。

圖6 橋墩結(jié)構(gòu)Fig 6 Structure of bridge pier

分次濺射中，需要先濺射厚度為10 nm的Cr作為籽晶層，作為已有的NiCr基底與欲再次濺射的NiCr之間的過度緩沖層。Cr作為過度緩沖層可緩解膜基界面間的不整合所產(chǎn)生的應(yīng)力，微納米顆粒的Cr納米薄膜為NiCr薄膜局域應(yīng)力釋放提供了條件，從而極大降低NiCr薄膜再次沉積過程中所產(chǎn)生的本征殘余應(yīng)力，顯著提高NiCr薄膜之間的粘附性能?；诜謱訛R射和增加過度緩沖層，確定制備橋墩的工藝路線如下：光刻反轉(zhuǎn)→濺射(10 nm Cr+400 nm NiCr+10 nm Cr+400 nm NiCr)→剝離→光刻反轉(zhuǎn)→濺射(10 nm Cr+400 nm NiCr+10 nm Cr+400 nm NiCr)→剝離→光刻反轉(zhuǎn)→濺射(10 nm Cr+400 nm NiCr+10 nm Cr+400 nm NiCr)剝離。表1是濺射10 nm Cr膜和濺射400 nm NiCr薄膜的工藝參數(shù)。采用上述工藝所制備的橋墩，大部分的橋墩與底電極粘附良好，高度在2.2～2.35 μm。

通過實(shí)驗(yàn)論證，采用分層濺射和增加過度緩沖層，結(jié)合多步光刻反轉(zhuǎn)和剝離的技術(shù)方案可以制備出高度約為2.3 μm的NiCr橋墩，但是橋墩完好率只有約95 %。

表1 10 nm Cr 和400 nm NiCr的濺射工藝參數(shù)

結(jié)合以上討論，對工藝進(jìn)行改進(jìn)：

1)降低分層濺射NiCr的厚度，減小到每層厚度為：10 nm Cr+300 nm NiCr+10 nm Cr+300 nm NiCr，進(jìn)一步減低應(yīng)力集中和累積。

2)適當(dāng)降低濺射功率：隨著濺射功率的提高，薄膜內(nèi)應(yīng)力會隨之增加，但薄膜的致密程度和濺射速率也隨之降低。本方案所采用的NiCr濺射功率為250 W，濺射功率處于適中并略低的范圍。如果一味降低濺射功率，不僅會影響到薄膜的質(zhì)量，同時必然會延長濺射時間，加大濺射速率的不均勻性。從膜的質(zhì)量，濺射時間和薄膜所產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力等方面考慮，可適當(dāng)降低濺射功率，范圍在150～200 W之間。

3)剝離之后低溫退火：考慮到有源器件，退火的溫度不能超過450 ℃。由于采用多次濺射的方法，NiCr之間的接觸內(nèi)阻必然增加。通過低溫退火，一方面使得NiCr薄膜中的細(xì)小晶粒合并為更大的晶粒，晶粒間界面積減小,從而降低彼此的電阻率；另一方面，可消除NiCr的內(nèi)應(yīng)力，隨著溫度的升高，已濺射的NiCr基底和后濺射的NiCr界面間的分子互相擴(kuò)散，界面的結(jié)合由物理結(jié)合變?yōu)橐苯鸾Y(jié)合，從而提高NiCr之間的粘附性能。

改進(jìn)工藝后，搭建2.3 μm的金屬橋墩完全可以實(shí)現(xiàn)，并且完好率達(dá)100 %，如圖7所示。

圖7 NiCr橋墩Fig 7 NiCr bridge pier

2.1.3 剝 離

首先通過涂覆光刻膠并經(jīng)紫外線曝光形成圖案，然后采用蒸發(fā)或?yàn)R射技術(shù)淀積一層金屬。接下來將基片浸入能溶解光刻膠的溶液里，淀積在光刻膠上的金屬將隨著光刻膠的溶解而從基片脫落，直接淀積在基片上的金屬圖形將被保留[8～10]。

AZ5214E光刻膠可以溶解于丙酮溶液，通過溶解，去除原先附著于光刻膠表面的金屬，保留附著于基底上的金屬。剝離時，可借助高頻超聲來輔助光刻膠的溶解，原先附著于光刻膠金屬層脫落后，用丙酮浸泡的無塵棉棒輕輕擦拭襯底表面，除去金屬碎屑及殘膠，可獲得完整的剝離后的金屬圖形。

2.2 腔體制作

在形成有金屬橋墩和2個電極的襯底表面填充犧牲層，對犧牲層進(jìn)行固化處理，采用化學(xué)機(jī)械拋光將金屬橋墩頂部的犧牲層去除并露出金屬橋墩的頂部，然后在其上涂覆一層光刻膠，光刻形成金屬橋面圖形，淀積金屬，采用剝離工藝對橋面圖形填充有金屬的光刻膠薄膜進(jìn)行剝離并形成金屬橋面，在金屬橋面的中心嵌入第二布拉格反射鏡。然后釋放犧牲層形成腔體。其中光刻反轉(zhuǎn)、濺射和剝離工藝均與金屬橋墩的制備方法相同，犧牲層制作工藝和腔體釋放工藝討論如下。

2.2.1 犧牲層制作工藝

為了獲得平整性良好的F-P腔，制作表面質(zhì)量良好、性能優(yōu)異的犧牲層也至關(guān)重要。工藝選用的犧牲層材料是聚酰亞胺PI—5。在制備犧牲層時，聚酰亞胺需要采用梯度升熱處理進(jìn)行亞胺化，以抵御后續(xù)工藝的影響。其工藝是：1)旋涂聚酰亞胺，轉(zhuǎn)速2 550 r/min，時間25 s；2)氮?dú)猸h(huán)境下平放流平；3)預(yù)亞胺化：30 min/70 ℃，1 h/110 ℃；4)亞胺化：N2環(huán)境下5 min/150 ℃,5 min/170 ℃,5 min/200 ℃,4 h/240 ℃；5)自然冷卻。

由于金屬橋面的平整度對濾波性能至關(guān)重要，所以,必須通過涂膠反刻工藝對犧牲層進(jìn)行平坦化處理并將金屬橋墩頂部的犧牲層去除并露出金屬橋墩的頂部。

2.2.2 腔體釋放工藝

對于犧牲層的釋放，考慮到聚酰亞胺是一種高分子材料，耐腐蝕性強(qiáng)，一般采用等離子去膠法，去膠氣體為氧氣。特定條件下氧氣電離形成氧離子、活化的氧原子、氧分子和電子等混合物的等離子體的輝光柱?；罨?活潑的原子態(tài)氧)可以迅速地將聚酰亞胺膜氧化成為可揮發(fā)性氣體，被機(jī)械泵抽走，這樣就將硅片上的聚酰亞胺膜去除了。聚酰亞胺等離子體刻蝕工藝條件為：刻蝕功率為150 W，氧氣的流量為5 cm3/s，去膠時間90 min。圖8為犧牲層釋放后形成的腔體結(jié)構(gòu)SEM圖和結(jié)構(gòu)高度圖。

圖8 腔體結(jié)構(gòu)SEM圖和結(jié)構(gòu)高度圖Fig 8 SEM image of cavity structure and height of structure

3 結(jié) 論

本文通過剝離工藝進(jìn)行金屬橋墩的搭建，犧牲層釋放工藝進(jìn)行腔體的制備，解決了微型F-P腔可調(diào)諧范圍小和腔平行度不好的問題。先制備金屬橋墩再制作犧牲層，可以使金屬橋墩達(dá)到所需的高度，與現(xiàn)有工藝方法比較，比較簡單，對設(shè)備要求不高。

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陳四海,通訊作者,E—mail:cshai99@163.com。

cavity tunable filter*

LI Yuan-yuan1,2, MENG Qing-hua1, CHEN Si-hai1, ZENG Yi-bo3, GUO Hang3

(1.Shenzhen Institute of Advanced Technology,Chinese Academy of Sciences,Shenzhen 518055,China；2.School of Microelectronic,Xidian University,Xi’an 710071,China;3.Pen-Tung Sah Institute of Micro-Nano Science and Technology,Xiamen University,Xiamen 361005,China)

Using surface processing technology,AZ5214E photoresist lithography and inverted,magnetron sputtering NiCr alloy,stripping out metal pier with height of 2.3 μm,fill polyimide as sacrificial layer,and then on sacrificial layer photolithography,depositing metal to form metal bridge,in the center of metal bridge surface,embed the second Bragg reflector.Using O2plasma etch and remove polyimide film,form cavity structure,without silicon bonding,overcome shortcoming that height is not high enough and the limited tuning range of traditional F-P cavity,bad flatness of cavity and low demand of equipment,and it can make a large array structure,easy to integrate with the detector.Focus on key fabrication process that is NiCr metal stripping process,propose solutions based on existing technical defects.

micro Fabry-Perot(F-P) cavity; photolithography reverse; magnetron sputtering; lift-off

2016—08—02

深圳市科技研發(fā)資金資助項(xiàng)目(JCYJ20140529163538765)

10.13873/J.1000—9787(2016)10—0008—04

TN 713

A

1000—9787(2016)10—0008—04

李元元(1990-)，女，河南周口人，碩士研究生，主要研究方向?yàn)槲C(jī)電系統(tǒng)的設(shè)計與制作。