Tiefes mehrstufiges Nassätzen von Quarzglas-Mikrostrukturen in BOE-Lösung

Wissenschaftliche Berichte Band 13, Artikelnummer: 5228 (2023) Diesen Artikel zitieren

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Quarzglas ist aufgrund seiner chemischen Beständigkeit sowie seiner optischen, elektrischen und mechanischen Leistung ein Material der Wahl für mikromechanische, mikrofluidische und optische Geräte. Nassätzen ist die Schlüsselmethode zur Herstellung solcher Mikrogeräte. Die Integrität der Schutzmaske ist aufgrund der extrem aggressiven Eigenschaften der Ätzlösung eine große Herausforderung. Hier schlagen wir einen Weg zur Herstellung mehrstufiger Mikrostrukturen vor, der auf dem Tiefenätzen von Quarzglas durch eine Stufenmaske basiert. Zunächst analysieren wir den Auflösungsmechanismus von Quarzglas in gepufferter Oxidätzlösung (BOE) und berechnen die Hauptfluoridanteile wie \({HF}_{2}^{-}\), \({F}^{ -}\), \({(HF)}_{2}\) als Funktion des pH-Werts und des NH4F:HF-Verhältnisses. Anschließend untersuchen wir experimentell den Einfluss der BOE-Zusammensetzung (1:1–14:1) auf den Maskenwiderstand, die Ätzrate und die Profilisotropie beim Tiefenätzen durch eine Metall-/Fotolackmaske. Abschließend demonstrieren wir einen hochwertigen mehrstufigen Ätzprozess über 200 μm mit einer Geschwindigkeit von bis zu 3 μm/min, der für fortschrittliche Mikrogeräte mit Biegeaufhängungen, Trägheitsmassen, Mikrokanälen und Waferdurchgangslöchern von großem Interesse sein könnte.

Wafer aus Quarzglas werden aufgrund ihrer hervorragenden mechanischen, elektrischen und optischen Eigenschaften, thermischen und chemischen Stabilität sowie Biokompatibilität häufig in Mikrogeräten wie Trägheitssensoren1, Mikrofluidiksystemen2,3 und optischen Sensoren4,5 verwendet. Die Strukturelemente dieser Geräte enthalten normalerweise Biegemembranen mit einer Dicke von 5–50 µm6,7, Mikrokanäle mit einer Tiefe von 10–100 µm8,9 oder Durchgangslöcher für die gesamte Tiefe des Substrats von 150 bis 1000 µm10,11. Darüber hinaus kombinieren Mikrogeräte diese Elemente häufig zu mehrstufigen Mikrostrukturen12. Es ist von entscheidender Bedeutung, eine qualitativ hochwertige Verarbeitung von Mikrobauelementen aus geschmolzenem Glas sicherzustellen, da diese die optischen, rheologischen und mechanischen Parameter der Strukturen bestimmen. Es gibt einige wichtige Glasmikrofabrikationstechnologien: 3D-Druck, mechanisch, thermisch und chemisch (trocken und nass)13,14. Nur chemische Methoden gewährleisten die Erzielung glatter Oberflächen, die für verschiedene optische, mechanische und mikrofluidische Anwendungen von entscheidender Bedeutung sind. Im Gegensatz zu Nassmethoden wird das Plasmaätzen für die Tiefenätzung von Silizium bevorzugt15, ist jedoch bei Quarzglas aufgrund der geringen Ätzrate und Ätztiefe aufgrund der schlechten Selektivität für Schutzmasken16 eingeschränkt. Aus diesem Grund sind Nassätzverfahren immer noch die wichtigste Methode zur Herstellung von Glasmikrogeräten. Es ermöglicht das Ätzen tiefer Mikrostrukturen mit isotropem Profil und geringer Oberflächenrauheit bei hohen Ätzraten (mehrere μm/min)17. Aufgrund der hohen chemischen Inertheit von Glas wird das Ätzen von Quarzglas in einer HF-basierten Lösung durchgeführt. Normalerweise werden Flusssäurelösungen Pufferzusätze zugesetzt, um die Ätzgeschwindigkeit zu stabilisieren, was beim Ätzen von Mehrkomponentengläsern aufgrund der Auflösung von Reaktionsprodukten nützlich ist18. Die Stabilität und Integrität der Schutzmaske in reaktiven Ätzmitteln wird jedoch zum limitierenden Faktor (Tabelle 1).

Das Material und die Eigenschaften einer Schutzmaske sowie die Zusammensetzung der Ätzlösung sind die wichtigsten Faktoren, die die Ätzqualität beeinflussen. Fotolacke (AZ5214E, SPR220), Metalle (Au/Cr, Cr, Mo) und Schutzmasken auf Siliziumbasis (a:Si, Bulk-Si) (Tabelle 1) sind die am häufigsten verwendeten Lösungen. Die Komplexität des Herstellungsprozesses und die erforderlichen Tiefen der Quarzglas-Mikrostrukturen bestimmen die Wahl der Maskenmaterialien für verschiedene Geräte. Daher lassen sich Fotolackmasken leicht aufschleudern, sie weisen jedoch eine geringe Haftung und einen geringen Widerstand gegenüber HF-Lösungen auf, was die Ätztiefe auf mehrere zehn Mikrometer begrenzt19,20,21,22,23,24,25. Masken auf Si-Basis sind äußerst beständig gegen Flusssäurelösungen4,37,38,39,40,41. Die Herstellung spannungsarmer Si-basierter Schichten ist jedoch eine Herausforderung (z. B. dicke a:Si-Schichten) und erfordert möglicherweise zusätzliche technologische Schritte (z. B. Entfernung der alkalischen Maske, anodisches Bonden von Si-Platten zum Ätzen von Borosilikatglas). Cr/Au-basierte Metallmasken werden am häufigsten beim Nassätzen von Glas verwendet4,7,23,29,30,31. Chrom gewährleistet eine hohe Haftung von Goldfilmen auf Glas, während Gold in HF-Lösungen äußerst inert ist, was eine tiefe Ätzung der Mikrostrukturen gewährleistet. Hohe Kosten und hohe Diffusionsfähigkeit von Goldmasken schränken ihre Einsatzmöglichkeiten ein. Refraktäre Metalle wie Molybdän und Chrom werden erfolgreich zum Tiefätzen von Glas eingesetzt26,27,28,34,35,36. Diese Metalle neigen jedoch dazu, hochbeanspruchte Schichten zu bilden, die einen fortgeschrittenen Abscheidungsprozess erfordern. Die Hauptvorteile des Molybdänfilms sind niedrige Auflösungsraten in HF-Säure (nahe 19 Å/min) und eine hohe Haftung am Glassubstrat42 sowie geringere Kosten im Vergleich zu Masken auf Goldbasis.

Die physikalischen Eigenschaften von schützenden Metallmasken, der Substrat-Metall-Grenzfläche und der BOE-Lösungskonzentration wirken sich direkt auf die Qualität der Glasätzung aus (Abb. 1). Mikrodefekte und Diskontinuitäten im Metallfilm verursachen Nadellochdefekte auf der Glasoberfläche (Abb. 1a). Eine schlechte Haftung führt zu einer Unterätzung der Schutzmaske und zu hohen seitlichen Ätzraten (Abb. 1b). Hohe Spannungen in den Maskenschichten führen zur Bildung von Mikrorissen (Abb. 1c) oder einer erhöhten Rauheit der geätzten Kanten (Abb. 1d). Ein hoher Gehalt an Reaktionsätzprodukten kann zu einer erheblichen Erhöhung der geätzten Oberflächenrauheit (Abb. 1e) oder sogar zu einem unregelmäßigen Ätzprofil (Abb. 1f) führen. Hochwertiges Schmelzglasätzen zeichnet sich sowohl durch eine hohe Ätzrate und perfekte Oberflächenqualität als auch durch eine hohe Ätzisotropie aus. Die Optimierung der Ätzlösung ist eine der effektivsten Möglichkeiten, die Ätzqualität zu verbessern, die Bildung von Defekten zu verhindern und die Maskenstabilität aufrechtzuerhalten.

Nach dem BOE-Ätzprozess erhaltene Glasdefekte: (a) optisches Bild von Nadellöchern auf einer Glasoberfläche und SEM-Bilder von: (b) Maskenunterätzungsdefekt; (c) Mikrorisse eines Glassubstrats; (d) raue Strukturkanten; (e) hohe Oberflächenrauheit; (f) unregelmäßiges Ätzprofil.

In dieser Arbeit berichten wir über den Herstellungsprozess von mehrstufigen Quarzglas-Mikrostrukturen, der auf einem über 200 μm tiefen Nassätzen durch eine abgestufte schützende Fotolack-/Metallmaske mit nur einem Prozess der zweistufigen Fotolithographie auf der Grundlage von Fotolackschichten mit einer Dicke von mehr als 1 Mikrometer basiert43. Es liegen vertrauenswürdige Informationen über die Auswirkung der Konzentration der BOE-Lösung auf die Qualität der geätzten Mikrostrukturen und die Maskenbeständigkeit für den Tiefätzprozess von Glas vor. Beispielsweise wird der Einfluss der BOE-Lösungskonzentration auf die Form des SiO2-Ätzprofils für nur wenige Mikrometer Tiefe in Ref. 44 beschrieben. Unsere Studie zeigt die Abhängigkeit der Ätzrate, der Ätztiefe, der Isotropie und der Maskenstabilität von der Zusammensetzung der BOE-Lösung. Eine Variation der BOE-Konzentration führt zu einer Änderung des pH-Werts und der Menge an Reaktionsspezies, die sich auf die Ätzqualität auswirken. Der vorgeschlagene Ätzprozess gewährleistet Maskenstabilität, hohe Ätzrate und Isotropie und ermöglicht die Erzielung eines mehrstufigen Ätzprofils in geschmolzenem Glas mit einem ersten Fotolithographieschritt.

Quarzglas ist ein reines Quarzglas (SiO2) in amorpher Form. Das Aufbrechen von Si-O-Bindungen ist ein kritischer Aspekt des Ätzprozesses, da Si-O-Bindungen eine hohe Bindungsstärke aufweisen (810 kJ/mol gegenüber 327 kJ/mol Si-Si-Bindungsstärke)45. Im Allgemeinen wird der Auflösungsmechanismus von SiO2 durch drei iterative Stufen beschrieben: Oberflächenprotonierung, nukleophiler Angriff des elektrophilen Siliziumatoms und Bildung der Si-F-Bindung (Abb. 2). Abhängig vom pH-Wert gibt es zwei Haupteffekte in einer Lösung: sogenannte Oberflächen- und Konzentrationseffekte45,46. Zunächst stellt sich ein chemisches Gleichgewicht zwischen den fluorhaltigen Bestandteilen der Lösung ein. Zweitens werden auf einer Glasoberfläche durch Protonierung oder Protonenverlust SiOH2+-, SiOH- oder SiO–-Gruppen gebildet. Die relative Konzentration jeder der drei Gruppen bestimmt die Reaktivität der Oberflächenschichten und hängt vom pH-Wert der Lösung ab. Die Anzahl der SiOH-Gruppen überwiegt im Bereich des isoelektrischen Punkts pI von SiO2 (der pI-Wert für SiO2 variiert zwischen 2 und 4)47. Unterhalb des isoelektrischen Punktes steigt die Konzentration der SiOH2+-Gruppen. Darüber steigt die Konzentration an SiO–-Gruppen. Der Austausch der OH–-Gruppe aus neutralem SiOH erfolgt langsamer als die Entfernung von H2O aus der protonierten SiOH2+-Gruppe45.

Auflösungsreaktionsmechanismus von SiO2 in HF-basierten Lösungen: (a–c) Gleichgewichtsreaktion von Oberflächensilanolgruppen in geätzter Lösung mit unterschiedlichem pH-Wert; (d) nukleophiler Angriff des elektrophilen Siliziumatoms; (e–g) Bildung der Si-F-Bindungen.

Der Ätzprozess wird auch durch die Zusammensetzung der Ätzlösung, die Konzentration der Komponenten, die Temperatur und die Mischintensität der Lösung beeinflusst. Eine erhöhte Prozesstemperatur führt zu einer erhöhten Ätzrate und einer verringerten Wahrscheinlichkeit der Kristallisation der BOE-Lösung während des Ätzens48, könnte jedoch die Ätzisotropie verschlechtern49. Allerdings beginnt die konzentrierte HF-Lösung während des Ätzens zu rauchen, und eine erhöhte Prozesstemperatur erhöht die Dampfbildung, die ebenfalls ein starkes Kontaktgift für den Bediener darstellt50. Das Mischen der Lösung beeinflusst die Auflösungsgeschwindigkeit nur geringfügig, da der Prozess kinetisch kontrolliert ist46, kann jedoch schwere Maskenschäden verursachen35. Die Ätzrate steigt mit steigendem HF-Gehalt in der BOE-Lösung. Die Zugabe eines Ammoniumfluoridpuffers NH4F zu HF erhöht die Ätzbeständigkeit von Fotolackmasken und hilft, die Ätzrate aufrechtzuerhalten19, ihre Abhängigkeit vom NH4F-Gehalt ist jedoch nicht linear. Die Ätzrate erhöht sich bei einer geringen Zugabe von NH4F bis zu einer bestimmten Konzentration, bei einem weiteren Anstieg der NH4F-Konzentration beginnt sie jedoch zu sinken51. Somit hängt die Ätzrate vom Prozentsatz der Ätzpartikel in der Lösung ab, der als pH-Wert der Lösung beschrieben werden kann. Der pH-Wert von NH4F/HF-Systemen wird gemäß (1) der Henderson-Hasselbalch-Gleichung52 berechnet

Dabei ist Ka die Dissoziationskonstante der schwachen Säure, pKa = log Ka und [HA] und [A–] die Molaritäten der schwachen Säure und ihrer konjugierten Base.

Es gibt viele Verbindungen, die durch (2)–(5) in BOE-Lösung beschrieben werden: HF, \({F}^{-}\), \({(HF)}_{2}\), \({HF} _{2}^{-}\), \({NH}_{4}^{+}\), \({H}^{+}\). In hoch HF-konzentrierten Lösungen werden HF-basierte Komplexe wie (HF)nF– gebildet52. \({HF}_{2}^{-}\) und \({(HF)}_{2}\) sind die Reaktionsspezies in HF-Lösungen und die Ätzreaktionsgeschwindigkeit mit \({HF}_{2 }^{-}\) ist 2000–3000 mal schneller als mit \({(HF)}_{2}\)45,54, was durch den Bindungswinkel der Spezies (180° und 90°, bzw.)45. Es wurde gezeigt, dass \({F}^{-}\) nicht an der Ätzreaktion teilnimmt oder dass die Ätzung durch \({F}^{-}\) zumindest vernachlässigbar ist53. Die Hauptreaktionen und Gleichgewichtskonstanten der in BOE-Lösung ablaufenden Reaktionen gemäß Ref. 55,56:

HF-Dissoziationskonstante, k1 = 6, 9 × 10–4 mol/L.

NH4F-Dissoziationskonstante, k2 = 44, 17 mol/L.

Komplexbildung HF, kd1 = 4, 0 L/mol.

HF-Dimerbildung, kd2 = 2, 7 L/mol.

Es gibt mehrere Arbeiten, die Berechnungen des Prozentsatzes reaktiver Spezies in BOE-Lösung für verschiedene HF-Konzentrationen beschreiben45,53,54,57, aber sie spiegeln nicht den erforderlichen Bereich der in dieser Arbeit berücksichtigten BOE-Konzentrationen wider. Zur Beschreibung der Ätzlösung wird die Abkürzung „BOE n:m“ verwendet. Diese Abkürzung bezieht sich auf ein Mischungsverhältnis von n Volumenteilen 40 Gew.-% NH4F und m Teilen 49 Gew.-% HF. Wir haben den relativen Gehalt an Komponenten in der BOE-Lösung mit dem Verhältnis n:m und dem pH-Wert der Lösung unter Verwendung der Reaktionskonstanten (2)–(5) berechnet (Abb. 3). Diese Abhängigkeiten sind qualitativ, da sie die Bildung komplexerer Partikel nicht berücksichtigen und bei Raumtemperatur berechnet werden, ermöglichen aber ein visuelles Verständnis des Ätzprozesses.

Die berechneten Anteile der Hauptkomponenten in BOE-Lösungen als Funktion des pH-Werts und des BOE-n:m-Verhältnisses.

Das Glasätzen verläuft im allgemeinen Fall nach (6):

Die Reaktion ist mehrstufig und verläuft nach (7) und (8):

Unter Berücksichtigung der Tatsache, dass \({HF}_{2}^{-}\) und \({(HF)}_{2}\) Reaktionsspezies in BOE-Lösungen sind, kann (7) auf zwei Wegen ablaufen (9 ) und (10). Die vorherrschende Reaktion hängt vom Partikelanteil jedes Typs in der Lösung ab, der wiederum von der Konzentration der Ausgangsreagenzien in der Lösung abhängt.

Daher hängt die Ätzrate des Quarzglases hauptsächlich von der Konzentration der anfänglichen Reagenzien in der BOE-Lösung ab. Man kann davon ausgehen, dass die maximale Ätzrate im Bereich nahe der maximalen Konzentration von \({HF}_{2}^{-}\) stattfindet.

In dieser Studie werden Quarzglassubstrate mit einer Größe von 25 mm × 25 mm und einer Dicke von 500 µm verwendet. Die Wafer wurden in organischen Lösungsmitteln und Schwefelperoxidlösungen (Piranha-Lösung) gereinigt. Eine Schutzmaske aus 200 nm dickem Molybdän wird durch Magnetronsputtern bei einem Basisdruck von 3 mTorr auf die Oberseite des Glaswafers gesputtert. Ein 3 µm dickes positives Phorotesist (SPR220) wurde auf die Wafer aufgeschleudert und mithilfe eines Standard-Photolithographieverfahrens strukturiert. Freigelegte Mo-Bereiche wurden in Salpeter-, Essig- und Orthophosphorsäurelösung (Al-Ätzmittel Typ A) weggeätzt. Eine anschließende Wärmebehandlung führt zu einer starken Vernetzung der Fotolackschicht, die ein tiefes Eindringen der Ätzlösung in die Maske verhindert.

Glasätzlösung wird frisch durch Mischen von Flusssäure (HF 49 %) und Ammoniumfluorid (NH4F 40 %) hergestellt. Das Volumenverhältnis (NH4F zu HF) variiert beim Glasätzen zwischen 1 und 14. Gepuffertes Oxidätzmittel verhindert ein starkes Eindringen der Lösung in die Schnittstelle zwischen Maske und Substrat, die Bildung von Nadellöchern und stabilisiert die Ätzrate. Der Prozess wird in einem Fluorkunststofftank mit Temperaturregelung bei einer Temperatur von 60 °C durchgeführt, um die Ätzrate zu erhöhen und die Kristallisation der Lösung zu verhindern. Zur Beurteilung des Ätzprozesses werden weiterhin Testlinienstrukturen mit einer Breite von 5 bis 200 µm verwendet. Der Ätzprozess wurde durch optische und Rasterelektronenmikroskopie kontrolliert, um die Ätztiefe und die Qualität der Oberfläche nach dem Ätzen zu beurteilen.

Nach jedem Ätzvorgang wurden der Fotolack und die Metallmasken entfernt und die Proben gespalten, um das Ätzprofil der Teststrukturen zu bewerten. Für die BOE-Konzentration 1:1 liegen keine Daten vor, da die Maske beim Ätzen vollständig ihre Haftung verlor. Bei BOE-Konzentrationen über 2,5 hielt die Maske dem Ätzprozess 60 Minuten lang stand. Abbildung 4 zeigt Rasterelektronenmikroskopbilder (REM) von geätzten Testlinien mit einer Breite von 50 µm für eine andere BOE-Konzentration und eine Ätzzeit von 60 Minuten.

REM-Bilder von gespaltenen 50 μm breiten Teststrukturen nach dem Nassätzen und Entfernen der Masken: (a) BOE 2,5:1 – nichtisotroper Ätzbereich; (b) BOE 3:1 und (c) BOE 4:1 – isotroper Ätzbereich; (d) BOE 7:1, (e) BOE 10:1 und (f) BOE 14:1 – Ätzbereich zur Unterätzung der Maske.

Es gibt drei typische Bereiche, die hinsichtlich der Form des Ätzprofils unterschieden werden können: isotropes Ätzen, nicht-isotropes Ätzen und Bereich mit Maskenunterätzung. Beim Ätzen in Lösungen mit weniger als BOE 3:1 (Abb. 4a) entsteht tendenziell ein ungleichmäßiger Ätzboden und ein nichtisotropes Profil, das durch eine höhere Quergeschwindigkeit als die Vertikalgeschwindigkeit gekennzeichnet ist. Bei BOE 7:1 und höher (Abb. 4c – e) beobachteten wir unterschnittene Defekte durch die Maske mit hoher Rauheit. Zwischen diesen Bereichen (Abb. 4b, c) findet eine defektfreie Ätzung statt, die durch das Fehlen einer Maskenunterätzung und eines isotropen Profils gekennzeichnet ist. BOE 3:1 und 4:1 sorgen für eine glatte und fehlerfreie Oberfläche. Die maximale Ätztiefe über 200 μm wird mit BOE 3:1 erreicht.

Wir zeigen die Abhängigkeiten (Abb. 5) der Ätzisotropie (das Verhältnis der seitlichen Unterätzung „h“ zur Ätztiefe „H“) und der Ätzrate von Quarzglas von der BOE-Lösungskonzentration (rote bzw. blaue Punkte). Man erkennt, dass die maximale Ätzrate BOE 3:1 bei maximaler \({HF}_{2}^{-}\)-Konzentration entspricht. Die Ätzisotropie weicht von der Einheit ab und die Ätzrate nimmt für alle anderen Konzentrationen ab, die aufgrund chemischer Reaktionen in der Ätzlösung mit sich ändernder Zusammensetzung auftreten. Beispielsweise beeinflussen bei hoher NH4F-Konzentration (BOE > 4:1) dominierende F–- und NH4+-Ionen aus der Dissoziationsreaktion des NH4F-Pufferadditivs (2) den Ätzprozess negativ. NH4+-Ionen inaktivieren \({HF}_{2}^{-}\), was zur komplexen Bildung eines schwerlöslichen NH4HF2-Kristalls führt. Darüber hinaus passivieren NH4+-Ionen eine negativ geladene SiO2-Oberfläche und verhindern so eine Ätzreaktion, indem sie ein tiefes Eindringen in SiO2 blockieren. Ein weiterer negativer Effekt ist die Ausfällung von Reaktionsprodukten (11, 12) aufgrund der begrenzten Löslichkeit48.

Die Abhängigkeit von der BOE-Konzentration und dem pH-Wert für verschiedene geätzte Testlinienbreiten der geätzten Profilisotropie aus Quarzglas (rote Punkte), der Ätzrate (blaue Punkte) und der bevorzugten Isotropie (durchgezogene Linie).

Man kann feststellen, dass die große Menge an NH4F (BOE > 4:1) in der Lösung die Ätzrate aufgrund der Passivierung der Glasoberfläche und der Ablagerung unlöslicher Reaktionsprodukte verringert. Im Gegensatz dazu sind Bereiche mit einem hohen HF-Gehalt (BOE < 3:1) durch einen Rückgang des Maskenwiderstands und einen Anstieg der lateralen Ätzrate gekennzeichnet. Im Allgemeinen wird eine Abnahme der Ätzrate mit einer Abnahme der Breite der geätzten Testlinien beobachtet. Die Ätzrate bei schmalen Testlinien (5 μm) ist 1,05–1,2 mal geringer als bei den breiteren Testlinien (200 μm). Dies lässt sich dadurch erklären, dass in breiten Gräben alle Reagenzien und Reaktionsprodukte schneller entfernt werden, als die Lösung zu erschöpfen beginnt.

Wir schlagen einen Herstellungsweg für mehrstufige Glasstrukturen vor, einschließlich Wafer-Durchgangslöchern und Membranen in Quarzglas durch eine Stufenmaske. Wir verwendeten 500 µm dicke Quarzglas-UV-Wafer (Siegert-Wafer), die in einer Piranha-Lösung (H2SO4:H2O2) bei 120 °C gereinigt wurden. Eine 200 nm dicke Molybdän-Schutzmaskenschicht wurde mittels Magnetronzerstäubung bei einem Prozessdruck von 3 mTorr auf beiden Seiten der Wafer aufgebracht. Als nächstes haben wir die Eigenspannungen im Metall durch Nachglühen bei einer Temperatur über 600 °C in einer Argonatmosphäre abgebaut. Eine abgestufte Resistmaske wurde auf Glaswafern mit einer zweistufigen Lithographie (Abb. 6a) in einer 5 µm dicken MEGAPOSIT SPR-220–7.0-Fotoresistschicht (Micro Resist Technology GmbH, Deutschland) durch Rotationsbeschichtung strukturiert. Im freigelegten Bereich wurde ein schützender Molybdänfilm in einer Mischung aus Salpeter-, Essig- und Orthophosphorsäure (Al-Ätzmittel Typ A, Transene Company Inc.) bei Raumtemperatur entsprechend der Molybdän-Aluminium-kompatiblen Ätzlösung nassgeätzt. Vor dem Nassätzen der Wafer wurde ein Hartbacken bei 120 °C durchgeführt, um die durch Thermovernetzung verbesserten mechanischen Eigenschaften der Fotolackschicht zu verbessern. Das Glasätzen wurde bei 60 °C in der vorgeschlagenen BOE 3:1-Lösung durchgeführt, die frisch aus NH4F 40 % (Sigma Aldrich Inc.) und HF 49 % (Technic Inc.) hergestellt wurde, um die erste geätzte Ebene zu bilden (Abb. 6b). Darüber hinaus haben wir die zweischichtige Schutzmaske (Resist-Mo) lokal durch Sauerstoffplasmaätzen der dünneren Photoresistschicht entfernt (Abb. 6c) und anschließend Molybdän-Nassätzen durch offene Resistbereiche durchgeführt. Der zweite Glasätzschritt mit dem gleichen Verfahren gewährleistet die Bildung der erforderlichen mikrostrukturellen mehrstufigen Form (Abb. 6d). Der Prozess wurde an der Mikrostrukturherstellung mit einer Nenndicke von 100 ± 5 µm getestet (Abb. 6e). Mit dem optischen Profilometer haben wir die Oberflächenrauheit der in Abb. 6f gezeigten Mikrostruktur gemessen (Sa = 2,5 nm auf einer Fläche von 111 µm × 94 µm). Durch Variieren der Anzahl der Fotolithographieschritte kann die Anzahl der Ätzschritte und entsprechend die Ebenen erhöht werden.

Herstellungsroute für mehrstufige Quarzglas-Mikrostrukturen: (a) Stufenprofil-Resistmusterung mit zweistufiger Photolithographie; (b) Öffnen des Fensters in der Metallmaske und erste Ätzstufe; (c) Öffnen der Maske der zweiten Stufe; (d) zweite Beizstufe; (e) SEM-Bild der gespaltenen Membranmikrostruktur (Ätzergebnis, × 80); (f) REM-Bild der gespaltenen Membranoberfläche (× 500).

Das vorgeschlagene Verfahren zur Verarbeitung von Quarzglas und zur Strukturierung mehrstufiger Mikrostrukturen zeigt deutlich die Möglichkeit der Bildung von Membranen (Abb. 7a), Mikrokanälen (Abb. 7b) und mehrstufigen Mikrostrukturen mit Löchern durch den Wafer (Abb. 7c). Es eröffnet die Möglichkeit, die wichtigsten Vorteile von Quarzglas, insbesondere seinen thermischen Ausdehnungskoeffizienten, seine optische Transparenz und seine hohe chemische Inertheit, für die Herstellung von Mikrogeräten mit komplexen mehrstufigen Elementen und der Anordnung mehrerer Wafer zu nutzen.

Geätzte Quarzglas-Mikrostrukturen: (a) optisches Bild einer 60 μm dicken Membran (× 5); (b) SEM-Bild des Mikrokanals (× 150); (c) SEM-Bild einer zweistufigen Mikrostruktur (freitragend) mit Durchgangsloch im Wafer (× 80).

In dieser Arbeit haben wir einen fehlerfreien mehrstufigen Herstellungsweg für Quarzglas-Mikrostrukturen vorgeschlagen, der auf tiefem Nassätzen in BOE-Lösung durch eine Stufenmaske mit zweistufiger Photolithographie basiert. Quarzglas wird aufgrund seiner stabilen Eigenschaften unter kritischen Bedingungen häufig in MEMS-Geräten mit hohem Qualitätsfaktor verwendet. Eine qualitativ hochwertige Glasbearbeitung ist jedoch in extrem reaktiven und gefährlichen Flusssäurelösungen möglich, die zur Entstehung verschiedener Defekte beitragen. Wir haben eine theoretische Beschreibung des Ätzprozesses anhand der Reaktionen und der gebildeten Produkte vorgelegt. Dann die Zusammensetzung der Hauptfluoridkomponenten wie \({HF}_{2}^{-}\), \({F}^{-}\), \({(HF)}_{2}\) als Eine Funktion der BOE-Lösungskonzentration und des pH-Werts wurde zur Abschätzung der Quarzglas-Ätzrate berechnet. Basierend auf unseren Berechnungen und Experimenten haben wir gezeigt, dass die BOE-Konzentration (NH4F:HF von 1:1 bis 14:1) den Widerstand der Metall-/Fotolackmaske, die Ätzrate und die Profilisotropie direkt bestimmt. Aufgrund der geringen Auflösungsraten in HF-basierten Lösungen und der hohen Haftung auf Glassubstraten verwendeten wir eine dünne Molybdänmaske als Schutzschicht. Wir bestätigten unsere analytische Auswertung mit den experimentellen Ergebnissen, indem wir das isotrope Ätzen mit glatter Oberfläche und maximaler Ätzrate bei einer BOE-Konzentration von 3:1 (pH 3,75) demonstrierten. Es entspricht dem berechneten Maximum des \({HF}_{2}^{-}\)-Inhalts. Abschließend demonstrieren wir einen Herstellungsweg, der auf einer hochbeständigen Schutzmaske für die Strukturierung von Mikroelementen auf mehreren Ebenen basiert. Es umfasst drei Schlüsselschritte: einen Prozess der zweistufigen Lithographie, Nassätzen im BOE 3:1 und Ionenplasma-Fotolackverdünnung. Der Prozess gewährleistet die Erzielung einer hochwertigen mehrstufigen isotropen Ätzung über 200 μm mit einer Rate von bis zu 3 μm/min für fortschrittliche Quarzglas-Mikrogeräte mit Biegeaufhängungen, Trägheitsmassen, Mikrokanälen und Durchgangslöchern im Wafer. Es ist zu beachten, dass der vorgeschlagene Weg nur einen anfänglichen Fotolithographieschritt voraussetzt, was für fortgeschrittene Mikrogeräte von entscheidender Bedeutung ist, da keine Maskenbildung auf nicht planaren vorstrukturierten Oberflächen erforderlich ist.

Die während der aktuellen Studie verwendeten und/oder analysierten Datensätze sind auf begründete Anfrage beim entsprechenden Autor erhältlich.

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TG Konstantinova, MM Andronic, DA Baklykov, VE Stukalova, DA Ezenkova, EV Zikiy, MV Bashinova, AA Solovev, ES Lotkov, IA Ryzhikov und IA Rodionov

Dukhov Automatics Research Institute, VNIIA, Moskau, 127030, Russland

TG Konstantinova, DA Baklykov, DA Ezenkova, EV Zikiy, ES Lotkov und IA Rodionov

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TGK, MMA und IA Rodionov (IAR) konzipierten die Ideen des Projekts. TGK, MMA und VES haben einen schriftlichen Originalentwurf erstellt. TGK, MMA, DAB und MVB stellten experimentelle Proben her und diskutierten die Ergebnisse. MMA und VES führten eine doppelseitige Graustufen-Photolithographietechnologie durch. DAE und DAB führten eine Morphologiecharakterisierung durch. EVZ und ESL führten einen Maskenverdampfungsprozess durch. AAS und DAB führten einen Masken-Trockenätzprozess durch. TGK, MMA und IAR haben das Manuskript überprüft und bearbeitet. IAR und IARyzhikov betreuten das Projekt. Alle Autoren analysierten die Daten und trugen zum Verfassen des Manuskripts bei.

Korrespondenz mit IA Rodionov.

Die Autoren geben an, dass keine Interessenkonflikte bestehen.

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Nachdrucke und Genehmigungen

Konstantinova, TG, Andronic, MM, Baklykov, DA et al. Tiefes mehrstufiges Nassätzen von Quarzglas-Mikrostrukturen in BOE-Lösung. Sci Rep 13, 5228 (2023). https://doi.org/10.1038/s41598-023-32503-w

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Eingegangen: 31. Januar 2023

Angenommen: 28. März 2023

Veröffentlicht: 30. März 2023

DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-023-32503-w

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