玻璃表面微蚀刻工艺探讨

在玻璃表面通过蚀刻的方式加工出线宽线距甚至深度的方法就成为非常重要的一个工艺环节。当前，普通玻璃微蚀刻普遍采用湿法刻蚀，采用46%的氢氟酸作为刻蚀剂在30℃的温度下进行玻璃材质的电泳芯片刻蚀，刻蚀速度较高，表面质量不佳;还有采用1%的氢氟酸和5%的氟化铵作为刻蚀剂对玻璃微管道进行刻蚀,刻蚀温度为65℃,刻蚀速度比较低,线宽扩宽较大.

微刻蚀时，由于希望采用较高的刻蚀速率,所以对保护膜在刻蚀溶液中长时间浸泡下的耐腐蚀性提出了较高的要求,但是由于工艺的最开始要镀一层保护膜,接着要腐蚀出窗口，所以要求镀膜的致密性比较好,而且要有特效腐蚀液。所以选择了光刻胶，铬,光刻胶加铬,氮化硅,ITO、抗酸油墨等多种材料作为基底材料玻璃的抗腐蚀保护掩膜,并利用多种不同成分的刻蚀剂进行了对比刻蚀试验,确定了不同材料保护膜的适用范围。

玻璃湿法刻蚀工艺流程

玻璃湿法刻蚀流程图如图1所示。将玻璃基底表面拋光,在拋光面镀一层保护掩膜,然后甩光刻胶 AZ4620,胶厚5，经过100 °前烘,光刻,显影,利用腐蚀液除去图形内暴露部分的膜层,完毕后清洗表面并做坚膜处理,坚膜温度为120 °,恒温4 h,坚膜后将进行刻蚀,根据不同需要调配刻蚀剂进行刻蚀，刻蚀温度、搅拌速度等参数也随不同的管道尺寸及刻蚀深度要求而具体设置,刻蚀完成后清洗玻璃并去除光 刻胶及铬层。

将氢氟酸、氟化铵或硝酸和水按一定的浓度比调配刻蚀剂100ml,放入塑料容器内，利用水浴恒温, 采用叶片式搅拌器加以搅拌,每刻蚀20 min清洗并检测。利用电镜观察通道表面的刻蚀效果，同时观察两种刻蚀剂对基底的刻蚀效率和对基底表面保护膜的破坏作用，同时观察不同尺寸的毛细管的深度方向的 刻蚀速率和侧向钻蚀速率。

图1 K9玻璃湿法刻蚀工艺流程图

图2刻蚀剂（lmol/L HF+ lmol/L NH4F)中， 用100nm厚的铬膜作为保护膜对通道 进行腐蚀产生的毛刺现象

保护膜的抗腐蚀特性

要对玻璃进行湿法刻蚀 , 主要采用两种腐蚀液 , 一种为氢氟酸加硝酸(HF+ HNO3+ H2O),所以采用的保护膜材料必须能对酸有抗腐蚀性能。考虑到镀膜工艺的成熟性以及最后去膜的方便,选用了四种材料(光刻胶，铬,氮化硅，ITO)作为玻璃表面的抗腐蚀保护膜。

1掩膜对刻蚀剂1(HF+NH4F+H2O)的抗腐蚀特性

直接利用光刻胶作为保护膜的器件,在不加温条件和在腐蚀液HF+NH4F (0.5mol/l : 0.5mol/l) 的环境下，在60min以内，光刻胶对未刻蚀区域的保护非常良好,腐蚀的速率为200nm/min,器件的侧向 腐蚀导致的展宽在15微米左右。在70min以后,光刻胶出现剥落现象，同时由于光刻胶的黏附力不是很大, 在器件表面有漂浮的迹象,这时,管道刻蚀宽度展宽非常大,而刻蚀深度又非常浅,已经对器件产生了破坏作用。利用水浴加热刻蚀环境的温度至50 "C,光刻胶在20min就产生剥落现象,所以光刻胶作为抗腐蚀液的保护作用只能在常温25 ℃左右,超过50 ℃以后,对图形的保护就不是很有效。

湿法刻蚀时仅用Cr作为保护掩模层,在放入腐蚀液后的10min之内，刻蚀效果比较良好，但10min 后,在刻蚀通道上会有楔型毛刺产生,影响了通道的质量,如图2所示。这是由于在Cr层内部应力较高，刻蚀时通道处Cr层在应力作用下发生局部剥落，经HF腐蚀形成毛刺。

表1不同保护薄膜材料对不同刻蚀剂的抗腐蚀能力

光刻胶

铬

光刻胶+ 铬

氮化硅

ITO

HF+ NH4F+ H2O

(0.5mol/1 : 0-5mol//

耐腐蚀

60m in

40m in,有

楔型毛刺产生

900m in,表面

产生小孔，被破坏

600m in , 表面

产生小孔, 被破坏

200m in, 表面

产生小孔, 被破坏

HF+ NH4F+ H2O

(0.75mol/1 : 0. 5mol/l)

耐腐蚀

40m in

30m in,有

楔型毛刺产生

480m in,表面

产生小孔, 被破坏

400m in, 表面

产生小孔, 被破坏

100m in , 表面

产生小孔, 被破坏

HF+ NH4F+ H2O

(0.5mol/1 : 0.75mol/l)

耐腐蚀

60m in

40m in, 有

楔型毛刺产生

760m in, 表面

产生小孔, 被破坏

400m in, 表面

产生小孔, 被破坏

100m in , 表面

产生小孔, 被破坏

HF+ NH4F+ H2O

(1mol/1 : 1mol/l)

耐腐蚀

20m in

20m in, 有

楔型毛刺产生

360m in, 表面

产生小孔, 被破坏

240m in, 表面

产生小孔, 被破坏

80m in, 表面

产生小孔, 被破坏

HF+ NH4F+ H2O

(2mol/1 : 2mol/l)

耐腐蚀

10m in

10m in , 有

楔型毛刺产生

160m in, 表面

产生小孔, 被破坏

120m in, 表面

产生小孔, 被破坏

40m in, 表面

产生小孔, 被破坏

HF+ HNO3+ H2O

(0.5mol/1 : 0.5mol/0

耐腐蚀

5m in

15m in , 有

楔型毛刺产生

200m in, 表面

产生小孔, 被破坏

210m in,表面

产生小孔, 被破坏

100m in , 表面

产生小孔, 被破坏

HF+ HNO3+ H2O

(0.75mol/1 : 0. 5mol/l)

起不到保 护作用

15m in , 有

楔型毛刺产生

160m in, 表面

产生小孔, 被破坏

160m in, 表面

产生小孔, 被破坏

80m in, 表面

产生小孔, 被破坏

HF+ HNO3+ H2O

(0.5mol/1 : 0.75mol/l)

起不到保

护作用

10m in , 有

楔型毛刺产生

160m in, 表面

产生小孔, 被破坏

160m in, 表面

产生小孔, 被破坏

60m in, 表面

产生小孔, 被破坏

HF+ HNO3+ H2O

(1mol/1 : 1mol/l)

起不到保

护作用

起不到保

护作用

100m in, 表面

产生小孔, 被破坏

100m in, 表面

产生小孔, 被破坏

20m in, 表面

产生小孔, 被破坏

如果同时利用光刻胶和Cr层做为保护膜,光胶层由于粘合作用，使通道处Cr层不再剥落,保证了刻蚀的质量。利用Cr膜作为保护膜的器件,刻蚀后的管道图形保持良好,未刻蚀区域内的光刻胶在80 min以后开始部分脱落,但铬层保持良好,直到900 m in后才出现脱落并产生少量微孔。管道底部表面较好, HF刻蚀玻璃时是各向同性的,在向下腐蚀的同时,通道宽度也会不断扩大。因此,刻蚀高密度通道时，必须严格控制光刻掩模图形上通道宽度和刻蚀深度。如果想刻蚀比较精确宽度的微通道,在设计掩膜的同 时,就必须考虑到侧向腐蚀的宽度,设计的掩膜宽度必须比实际需要的通道宽度小,通过侧向腐蚀后,就可 以达到实际的要求。

利用氮化硅作为保护薄膜材料，由于保护掩膜有致密性的要求,所以采用反应磁控溅射的方法,在玻璃器件表面镀上一层氮化硅作为保护薄膜材料.光刻显影后.利用憐酸将不需要保护图形上的氮化硅腐蚀掉,暴露出需要腐蚀的窗口，经过600min的腐蚀,刻蚀后的管道图形保持良好,没有出现局部脱落,升高环境温度至50C,腐蚀速率提高很大,腐蚀的表面粗糙度较好,对保护膜层的破坏并没有增加,利用氮化硅作为保护膜可以起到良好的保护作用，适用于深度的湿法腐蚀。

利用ITO作为保护膜,腐蚀效果良好,没有出现局部脱落,升高环境温度至50 ~C,腐蚀速率提高较多， 腐蚀的表面粗糙度较差,而且对保护膜层的破坏也相当严重，ITO作为保护膜可以起到良好的保护作用， 适用于深度的湿法腐蚀。但是由于ITO膜的制备有一定难度,而且能够腐蚀ITO的腐蚀液对光刻胶有一 定的破坏作用,所以用ITO作为湿法腐蚀的保护膜应用的不太广泛。

对刻蚀剂2 (HF+ HNO3)的抗腐蚀特性

将氢氟酸和硝酸按一定的的浓度比调配刻蚀剂100 ml,放入塑料容器内，水浴保持刻蚀的环境温度, 采用叶片式搅拌器加以搅拌,每刻蚀20 m in清洗并检测。直接利用光刻胶做保护，由于HNO3对光刻胶的破坏作用非常明显,起不到保护作用。利用光刻胶和 铬做保护膜,不提高环境温度,刻蚀后的管道图形保持良好,未刻蚀区域内的光刻胶在40 min以后开始部 分脱落,但铬层保持良好,直到200m in后才出现脱落并产生少量微孔。但是如果提高环境温度，由于光刻 胶很快就被破坏掉,Cr层很快就暴露在腐蚀液中,起不到完全的保护作用，所以用这种方案进行湿法腐蚀 的保护,不能提高环境温度来达到提高腐蚀的速率。

当采用氮化硅材料作为保护的薄膜材料的时候,材料对刻蚀剂的抗腐蚀性能不是很好,虽然酸对氮化 硅材料有一定的破坏作用，但是由于这种破坏作用发生在比较高的温度,一般都要在100~C以上,所以只 要刻蚀的环境温度在70~C以下,氮化硅材料的抗腐蚀特性还是表现的非常好,并且由于这种材料与基底 的黏附性非常好,所以刻蚀的边界比较平整,没有毛刺产生。

相对于前面几种材料,ITO对刻蚀剂的抗腐蚀能力就相当弱了,基本上很难达到抗腐蚀的能力,放入 刻蚀剂中，10m in后表面就出现了被腐蚀破坏的痕迹。

不同刻蚀剂对玻璃的刻蚀速率如表2所示。

     结论 

湿法刻蚀对保护膜的要求比较高,尤其是深度刻蚀时，由于希望采用较高的刻蚀速率,所以对保护膜 在刻蚀溶液中长时间浸泡下的耐腐蚀性提出了较高的要求，利用光刻胶加上铬层可以对需要保护的图形产生比较良好的保护.由于玻璃的各项同性的特性.所以湿法刻蚀的展宽是不可避免的.设计掩膜的同时. 就必须考虑到侧向腐蚀的宽度,设计的掩膜宽度必须比实际需要的通道宽度小,通过侧向腐蚀后,就可以 达到实际的要求。通过对上述不同成分的刻蚀剂对玻璃的刻蚀效率的研究,对于玻璃湿法刻蚀工艺得 出以下结论：

利用NH4F作为添加剂有利于提高刻蚀速率,而且可以帮助去除通道中的HF腐蚀留下的残 渣,对提高刻蚀的表面质量有很大的帮助。HNO3作为添加剂能获得较高的刻蚀速率,但由于硝酸的氧化性较强,对保护层具有较强的破 坏作用,所以得到的表面质量不是很好。