Глубокое многоуровневое мокрое травление микроструктур плавленого кварцевого стекла в растворе БОЭ

Научные отчеты, том 13, Номер статьи: 5228 (2023) Цитировать эту статью

871 Доступов

Подробности о метриках

Стекло из плавленого кварца является предпочтительным материалом для микромеханических, микрофлюидных и оптических устройств из-за его химической стойкости, оптических, электрических и механических характеристик. Мокрое травление является основным методом изготовления таких микроустройств. Целостность защитной маски представляет собой большую проблему из-за чрезвычайно агрессивных свойств травильного раствора. В данной работе мы предлагаем путь изготовления многоуровневых микроструктур на основе глубокого травления плавленого кварца через ступенчатую маску. Сначала мы даем анализ механизма растворения плавленого кварца в буферном растворе оксидного травления (BOE) и рассчитываем основные фракции фторидов, такие как \({HF}_{2}^{-}\), \({F}^{ -}\), \({(HF)}_{2}\) в зависимости от pH и соотношения NH4F:HF. Затем экспериментально исследовали влияние состава БОЭ (1:1–14:1) на сопротивление маски, скорость травления и изотропию профиля при глубоком травлении через маску металл/фоторезист. Наконец, мы демонстрируем высококачественный многоуровневый процесс травления размером более 200 мкм со скоростью до 3 мкм/мин, который может представлять большой интерес для перспективных микроустройств с изгибными подвесками, инерционными массами, микроканалами и сквозными отверстиями в пластинах.

Пластины из плавленого кварцевого стекла широко используются в микроустройствах, таких как инерционные датчики1, микрофлюидные системы2,3 и оптические датчики4,5, благодаря их превосходным механическим, электрическим и оптическим свойствам, термической и химической стабильности, а также биосовместимости. Конструктивные элементы таких устройств обычно содержат изгибные мембраны толщиной 5–50 мкм6,7, микроканалы глубиной 10–100 мкм8,9 или сквозные отверстия на всю глубину подложки от 150 до 1000 мкм10,11. Кроме того, микроустройства часто объединяют эти элементы в многоуровневые микроструктуры12. Принципиально важно обеспечить высокое качество обработки элементов микроприборов из плавленого стекла, поскольку оно определяет оптические, реологические и механические параметры структур. Существует несколько основных технологий микрообработки стекла: 3D-печать, механическая, термическая и химическая (сухая и мокрая)13,14. Только химические методы обеспечивают получение гладких поверхностей, что имеет решающее значение для различных оптических, механических и микрофлюидных приложений. В отличие от мокрых методов, плазменное травление предпочтительнее для глубокого травления кремния15, но оно ограничено для плавленого кварца из-за низкой скорости травления и глубины травления из-за плохой селективности к защитным маскам16. Именно поэтому процессы мокрого травления по-прежнему остаются основным методом изготовления стеклянных микроприборов. Он позволяет травить глубокие микроструктуры с изотропным профилем и низкой шероховатостью поверхности при высоких скоростях травления (несколько мкм/мин)17. Травление плавленого кварца проводят в растворе на основе HF из-за высокой химической инертности стекла. Обычно в растворы плавиковой кислоты добавляют буферные добавки для стабилизации скорости травления, что полезно при травлении многокомпонентных стекол из-за растворения продуктов реакции18. Однако стабильность и целостность защитной маски в реактивных травителях становятся ограничивающим фактором (таблица 1).

Материал и свойства защитной маски, а также состав травильного раствора являются важнейшими факторами, влияющими на качество травления. Наиболее часто используемые решения — фоторезисты (AZ5214E, SPR220), металлические (Au/Cr, Cr, Mo) и защитные маски на основе кремния (a:Si, объемный Si) (таблица 1). Сложность процесса изготовления и необходимая глубина микроструктур кварцевого стекла определяют выбор материалов маски для различных устройств. Таким образом, маски из фоторезиста легко наносятся, но они имеют низкую адгезию и низкую устойчивость к растворам HF, ограничивая глубину травления несколькими десятками микрометров19,20,21,22,23,24,25. Маски на основе Si обладают высокой устойчивостью к раствору плавиковой кислоты4,37,38,39,40,41. Однако изготовление слоев на основе Si с низкими напряжениями является сложной задачей (например, толстых слоев a:Si) и может потребовать дополнительных технологических этапов (например, снятия щелочной маски, анодной сварки пластин Si для травления боросиликатного стекла). Металлические маски на основе Cr/Au чаще всего используются при влажном травлении стекла4,7,23,29,30,31. Хром обеспечивает высокую адгезию пленок золота к стеклу, а золото обладает высокой инертностью в растворах HF, что обеспечивает глубокое травление микроструктур. Высокая стоимость и высокая рассеивающая способность золотых масок ограничивают возможности их применения. Тугоплавкие металлы, такие как молибден и хром, успешно используются для глубокого травления стекла26,27,28,34,35,36. Однако эти металлы имеют тенденцию образовывать слои с высоким напряжением, требующие сложного процесса осаждения. Ключевыми преимуществами молибденовой пленки являются низкая скорость растворения в HF-кислоте (около 19 Å/мин) и высокая адгезия к стеклянной подложке42, а также более низкая стоимость по сравнению с масками на основе золота.