超深熔融石英玻璃蝕刻研究

摘要

微流體和光學(xué)傳感平臺(tái)通常由玻璃和熔融石英(石英)制成，因?yàn)樗鼈兙哂泄鈱W(xué)透明性和化學(xué)惰性。氫氟酸(HF)溶液是用于深度蝕刻二氧化硅襯底的選擇的蝕刻介質(zhì)，但是由于HF遷移穿過(guò)大多數(shù)掩模材料的侵蝕性，對(duì)于大于1小時(shí)的蝕刻時(shí)間，處理方案變得復(fù)雜和昂貴。我們?cè)诖颂岢鑫g刻到超過(guò)600微米深的熔融石英中，同時(shí)保持襯底沒(méi)有凹坑并保持適合于生物成像的拋光蝕刻表面。我們使用耐HF的光敏抗蝕劑(HFPR ),它在49%的HF溶液中不會(huì)被侵蝕。比較了僅用HFPR掩蔽的襯底和在Cr/Au和多晶硅掩模上構(gòu)圖的HFPR的蝕刻特性。我們使用這種蝕刻工藝制造了8-16微米厚的懸浮熔融石英膜，并表明通過(guò)該膜成像不會(huì)對(duì)生物組織熒光顯微鏡的圖像質(zhì)量產(chǎn)生負(fù)面影響。最后，我們?cè)趹腋∧ぶ袑?shí)現(xiàn)了小的通孔陣列。這種設(shè)備將應(yīng)用于平面電生理學(xué)平臺(tái)，尤其是需要光學(xué)成像的地方。

介紹

玻璃和熔融石英是構(gòu)建微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)、芯片實(shí)驗(yàn)室和微流體平臺(tái)的有吸引力的材料，因?yàn)樗鼈兙哂谢瘜W(xué)惰性、生物相容性、光學(xué)透明性、機(jī)械剛性、高熔點(diǎn)、電絕緣性、不透氣性以及與硅、玻璃和聚二甲基硅氧烷(PDMS)結(jié)合的能力。然而，許多為硅開(kāi)發(fā)的晶片級(jí)加工方法不容易轉(zhuǎn)移到玻璃上；因此，已經(jīng)采用了一系列制造技術(shù)，例如穿過(guò)玻璃的離子徑跡蝕和激光加工熔融石英和福圖蘭光結(jié)構(gòu)玻璃陶瓷。這些方法已經(jīng)用于實(shí)現(xiàn)高縱橫比的微流體裝置和平面膜片鉗電極在玻璃材料中。為了避免使用專(zhuān)門(mén)的設(shè)備，最近已經(jīng)努力使晶片規(guī)模的加工方法適用于玻璃，即反應(yīng)離子蝕刻和光刻定義的“濕法”蝕刻。這些方法已經(jīng)能夠?qū)崿F(xiàn)多種裝置，包括獨(dú)立式氣腔，微型泵，毛細(xì)管電泳微室，高Q因子諧振器，微流體通道，波導(dǎo)，生物分析設(shè)備和單細(xì)胞捕獲孔，平面膜片鉗電極，以及光學(xué)傳感平臺(tái)。

反應(yīng)離子蝕刻是集成電路(IC)技術(shù)的主要組成部分，這是由于其各向異性和相對(duì)于掩模和底層的選擇性。然而，玻璃的蝕刻速率比硅低大約一個(gè)數(shù)量級(jí)。因此，當(dāng)蝕刻玻璃時(shí)，需要相對(duì)較高的偏壓，這會(huì)損害掩模材料的選擇、蝕刻表面的光滑度和可達(dá)到的蝕刻深度。氫氟酸溶液中的“濕”蝕刻硼硅酸鹽和鋁硅酸鹽玻璃顯示出高達(dá)8.μm/min的蝕刻速率，但由于存在不溶性雜質(zhì)，它們表現(xiàn)出各向同性的蝕刻輪廓和磨砂蝕刻表面。相反，蝕刻純無(wú)定形二氧化硅(熔融二氧化硅/石英)會(huì)產(chǎn)生光學(xué)透明的表面，但蝕刻速率約為1微米/分鐘。雖然已經(jīng)開(kāi)發(fā)了在硼硅酸鹽HF蝕刻過(guò)程中減少光學(xué)透明度損失的方法，熔融石英仍然具有化學(xué)純度的優(yōu)勢(shì)，這使得它與CMOS處理技術(shù)兼容并消除底物自身熒光。以前用于熔融石英的掩蔽膜材料包括鉻(Cr) ，光刻膠、多晶硅(polySi)、非晶硅、鋁、氮化硅和鉻/金(Cr/Au) 。例如，用Cr/Au掩模在49% HF中濕法蝕刻熔融石英60微米深1小時(shí)和104微米深，在加熱的緩沖氟化銨溶液中使用應(yīng)力減小的Cr掩模7小時(shí)[25].如果需要熔融石英蝕刻深度基本上大于100微米，則需要非常長(zhǎng)的蝕刻時(shí)間和/或濃縮的HF溶液(49質(zhì)量%),這導(dǎo)致HF最終遷移通過(guò)大多數(shù)掩模材料，導(dǎo)致表面點(diǎn)蝕，并最終導(dǎo)致掩模退化和/或剝離。

我們?cè)诖藞?bào)告了一種蝕刻深度大于600微米的熔融石英的方法，同時(shí)使用抗HF的光敏抗蝕，保持基底沒(méi)有凹坑并保持適合生物成像的拋光蝕刻表面。是一種負(fù)性抗蝕劑系統(tǒng)，由熱塑性環(huán)烯烴共聚物組成，該共聚物是一種高度非極性和疏水性的聚合物。光敏劑誘導(dǎo)交聯(lián)，使其不溶于烴基顯影溶劑。除了上述性能之外，交聯(lián)材料的最小自由體積使極性HF分子通過(guò)HFPR的擴(kuò)散最小化，因此使其耐49% HF 。對(duì)于僅用HFPR、Cr/Au和polySi掩蔽的襯底以及由HFPR保護(hù)的Cr/Au和polySi膜，比較了底切和掩模退化。此外，還比較了不同蝕刻深度的表面光滑度。我們僅使用HFPR在熔融石英晶片中演示了深溝槽，消除了對(duì)熔爐或金屬蒸發(fā)器沉積的需要許多蝕刻應(yīng)用的掩蔽膜。即使將640微米蝕刻到約650微米厚的晶片，所得懸浮膜的表面足夠光滑以允許熒光成像而不損失圖像質(zhì)量。最后，我們?cè)谌廴谑腋∧ぶ械入x子體蝕刻孔陣列，其可用作平面膜片鉗電極和/或抽吸電極陣列。

結(jié)果和討論

3.1.49% HF中掩蔽材料的完整性

3.1.1鉻/金+ HFPR。由于金的化學(xué)惰性和鉻對(duì)玻璃和熔融石英的強(qiáng)粘附性，金-鉻膜被廣泛用作HF蝕刻的掩模材料。僅使用Cr/Au作為掩模，在熔融石英中蝕刻大約200微米深，我們能夠獲得光學(xué)透明的蝕刻表面，盡管掩模下的石英表面嚴(yán)重凹陷(圖2a)。先前使用鉻/金掩模的報(bào)告也顯示了類(lèi)似的點(diǎn)蝕特征[3].然而，當(dāng)我們用HFPR進(jìn)一步保護(hù)Cr/Au膜時(shí)，特征邊緣的Cr/Au掩模要好得多

即使經(jīng)過(guò)近3個(gè)小時(shí)的蝕刻時(shí)間(166微米深)仍能保留。點(diǎn)蝕也是

與僅用Cr/Au掩模掩蔽的晶片相比顯著降低(圖2b)。

3.1.2多晶硅+ HFPR。為了蝕刻600微米深的熔融石英，我們選擇了多晶硅掩模，因?yàn)橹耙呀?jīng)證明它顯示出比Cr/Au明顯更少的點(diǎn)蝕3].然而，我們使用1.5微米厚的多晶硅薄膜的嘗試沒(méi)有成功。如在以前的報(bào)告中，在49% HF中蝕刻40分鐘后，多晶硅膜保持無(wú)缺陷3]，但在2小時(shí)后，多晶硅膜中的蝕刻缺陷出現(xiàn)，5小時(shí)后，我們不得不停止蝕刻，因?yàn)楸∧ど嫌邪己?，HF溶液從晶片支架的o型環(huán)下泄漏(圖2d)。為了解決這個(gè)問(wèn)題，我們?cè)诙嗑Ч璞∧?lái)保護(hù)它。這種策略允許我們?cè)谌廴谑⒅形g刻超過(guò)600微米，盡管在9小時(shí)的蝕刻時(shí)間后，下面的多晶硅和熔融二氧化硅有明顯的凹痕。此外，圖案化特征邊緣的多晶硅已經(jīng)退化(圖2e)，這有時(shí)會(huì)導(dǎo)致多晶硅碎片落到平坦的蝕刻表面上，從而導(dǎo)致微掩模。

3.2.不同掩膜下的熔融石英底切和蝕刻速率

用Cr/Au + HFPR掩蔽導(dǎo)致蝕刻速率為1.12±0.06微米/分鐘(平均標(biāo)準(zhǔn)偏差，N=7個(gè)晶片蝕刻162-184分鐘；圖3a)。該速率對(duì)應(yīng)于3小時(shí)內(nèi)202×11微米的最終蝕刻深度。與晶片之間蝕刻速率的顯著可變性相反，在單個(gè)晶片內(nèi)，蝕刻速率在空間上非常均勻:當(dāng)用限定多個(gè)溝槽的掩模處理兩個(gè)晶片時(shí)，在166分鐘的蝕刻后，這些溝槽的深度在0.33和0.48微米(兩個(gè)晶片的每一個(gè)中15個(gè)測(cè)量的溝槽的蝕刻深度的均方根可變性)內(nèi)是恒定的。當(dāng)單獨(dú)使用HFPR時(shí)，蝕刻速率非常相似，即使當(dāng)蝕刻大約200微米時(shí)，這導(dǎo)致比Cr/Au + HFPR大得多的底切(圖3a)。

圖3。不同掩模方案的蝕刻特征和蝕刻速率的輪廓測(cè)量跡線。a .在用Cr/Au + HFPR掩模(紅色)和單獨(dú)的HFPR(藍(lán)色)蝕刻大約200微米深度后，熔融石英的特征輪廓和蝕刻速率。蝕刻特征的縱橫比(深度/圖案直徑)約為0.22。b .用polySi + HFPR掩模(綠色)和HFPR掩蔽的熔融石英的特征輪廓和蝕刻速率

獨(dú)自一人(藍(lán)色)。僅用HFPR掩蔽的晶片首先被蝕刻334-390微米深，

食人魚(yú)清洗，測(cè)量。然后，再次用HFPR對(duì)相同的蝕刻晶片進(jìn)行構(gòu)圖，并第二次蝕刻至547–617 μm的總深度。蝕刻特征的縱橫比約為0.70。輪廓軌跡上方的橙色結(jié)構(gòu)表示原始掩模圖案。誤差條代表幾個(gè)晶片的蝕刻速率的標(biāo)準(zhǔn)偏差。

結(jié)論

我們?nèi)A林科納已經(jīng)提出了一種處理方案，該方案可以在熔融石英中濕法蝕刻至少600微米深。我們用耐HF的光敏抗蝕劑ProTEK PSA實(shí)現(xiàn)了這一點(diǎn)。這種掩模工藝不需要超過(guò)標(biāo)準(zhǔn)的光刻設(shè)備(表1)，產(chǎn)生了無(wú)凹坑的襯底和平均粗糙度約為10 nm的蝕刻表面，盡管具有顯著的特征底切。當(dāng)HFPR與Cr/Au或polySi膜結(jié)合時(shí)，底切更受限制，其代價(jià)是長(zhǎng)蝕刻時(shí)間的大量表面點(diǎn)蝕。將來(lái)，通過(guò)將HFPR與應(yīng)力控制的“硬”掩模相結(jié)合，有可能使表面點(diǎn)蝕和底切最小化。

我們證明了蝕刻的熔融石英表面允許通過(guò)該裝置進(jìn)行光學(xué)成像。這種處理方案將有助于制造透明的生物裝置。一個(gè)應(yīng)用是平面膜片鉗電極。另一種是多電極陣列:穿孔膜電極組件近來(lái)受到越來(lái)越多的關(guān)注，因?yàn)樗鼈兺瑫r(shí)能夠?qū)崿F(xiàn)組織固定、氧灌注和來(lái)自多個(gè)平行電極的記錄，但是目前可用的裝置不是透明的.我們現(xiàn)在能夠在允許光學(xué)成像的光學(xué)透明襯底中制造類(lèi)似的器件[37].最后，由于光敏抗蝕劑圖案化的簡(jiǎn)單性，研究人員將能夠在最少的處理時(shí)間內(nèi)測(cè)試各種熔融石英和/或玻璃器件原型的性能。

審核編輯：符乾江