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聚酰亚胺薄膜在微放电器中如何使用

2015/2/22 16:36:01      点击:
      微放电器的电极材料为Ni, 厚度为200 nm, 聚酰亚胺选择ZKPI-305, 厚度为8 Lm, 基片选择< 100> 晶向的Si 片。图1 是简化的倒金字塔微放电器的工艺流程, 首先用湿法刻蚀获得倒金字塔, 接着溅射阴极Ni, 制备聚酰亚胺绝缘层, 然后涂覆光刻胶并实现反转图形化、溅射阳极Ni 并实现剥离, 最后将PI 图形化。

      上述流程包括PI 制备和图形化两个关键工艺步骤。聚酰亚胺制备是先将由酐、胺反应生成的聚酰胺酸(PA) 溶液旋涂到基底上, 而后进行热环化工艺使其亚胺化。聚酰亚胺图形化使用RIE, 刻蚀气体以O2 为主,掩膜用Ni。制作过程中主要有以下问题: PA向聚酰亚胺转化的环化反应不完全会使  聚酰亚胺薄膜发生降解和裂纹, 致使性能下降; 另外过高能量的RIE 刻蚀也会导致聚酰亚胺和Ni 薄膜之间开裂, 无法应用于微放电器。微放电器中的倒金字塔深槽中堆积的聚酰亚胺厚度为平整表面区域2~ 3 倍以上, 需要较长的刻蚀时间, 影响了刻蚀效率。RIE 刻蚀时深槽中的刻蚀产物很难完全挥发出去, 而残留在槽底部, 刻蚀残留物的存在会影响放电性能、降低器件寿命。基于上述问题, 对热环化反应和RIE 刻蚀功率、气体流量、气体成分、清洗等条件进行研究并优化, 以获得较好的聚酰亚胺膜质量和较高的刻蚀速率。

     刻蚀功率的限制大大地降低了PI 的刻蚀速率,效率比较低。为了提高刻蚀速率, 可从气体流量和气体成分两方面来优化。刻蚀气体流量影响工作气压和刻蚀速率。随着O2 流量增加, 工作气压逐渐上升, 刻蚀速率先增加后逐渐趋于饱和, 在流量为60cm3/min( 标准状态) 时即可获得较高的刻蚀速率145nm/min。这是因为气体流量小时, 真空腔中粒子密度小, 因此工作气压较小, 电子与O2 分子发生碰撞的几率小, 产生的活性离子少, 物理溅射和化学反应刻蚀作用均较弱。随着流量增加, 真空腔中粒子密度逐渐增大, 气压也随之升高, 辉光放电激发出更多活性离子, 使得物理、化学刻蚀作用较大的增强, 因此刻蚀速率上升。但是由于刻蚀功率一定, 继续增加流量时辉光放电所能激发的活性离子已经趋于饱和, 因此刻蚀速率的上升变得缓和。

      本文主要研究了应用于微放电器的PI 绝缘层的工艺及性能, 重点分析了PI 制备过程中亚胺化程度和图形化过程中RIE 刻蚀功率、气体流量、气体成分、清洗等因素对于刻蚀裂纹、刻蚀速率和残留物的作用, 实验表明PI 热环化采用阶梯升温方式, RIE刻蚀功率为60 W、O2 流量为60 cm3/min、加入5%SF6 或10% CHF3 时可保证较好的质量且获得较高的刻蚀速率。设计电路测得PI 相对介电常数为218, 介电击穿强度为125 V/ Lm。最后将该PI 成功的应用于微放电器中, 测得了微放电器在SF6 中稳定放电的V-I 特性, 为后续的无掩膜扫描等离子体刻蚀加工奠定了基础。