MEMS中玻璃基材的精密刻蚀工艺探析
在微机电系统（MEMS）领域，玻璃因其优异的电绝缘特性、光学透明性、化学惰性以及良好的键合兼容性（例如可与硅实现阳极键合），常被选作衬底材料、封装结构或微流控通道的基板。玻璃的精密刻蚀是制造此类微结构的关键工艺环节，需依据结构精度要求、特征尺寸及玻璃种类选择适宜的方法。玻璃刻蚀技术主要可分为湿法化学刻蚀与干法物理化学刻蚀两大类别。
一、 湿法化学刻蚀：经济性佳，适用于宏观结构
湿法刻蚀依赖化学溶液与玻璃表面的反应实现材料去除，具有操作简便、成本低廉的优点，但其刻蚀方向性较弱（接近各向同性），更适合对侧壁陡直度要求不高的应用（如浅凹槽、宽通道）。
1. 核心刻蚀剂——氢氟酸（HF）体系
玻璃的主要成分为二氧化硅（SiO₂），氢氟酸（HF）是目前唯一能有效刻蚀SiO₂的酸性溶液，其基本反应为：SiO₂ + 4HF → SiF₄↑ + 2H₂O。
实际操作中，常采用缓冲氢氟酸溶液（由HF与氟化铵NH₄F混合配制），而非纯HF。纯HF反应过于剧烈，刻蚀速率难以调控；缓冲液中NH₄F能中和反应产生的H⁺离子，从而减缓反应速度，显著提升刻蚀的均匀性与可控性（典型刻蚀速率范围约为0.1-1μm/min）。
2. 掩模材料选择
湿法刻蚀需借助掩模界定刻蚀区域，掩模材料需兼具耐蚀刻液腐蚀性与良好的图形化能力：
* 金属掩模：最为常用，如铬（Cr）、镍（Ni）。通常采用溅射或蒸发工艺沉积金属薄膜，经光刻图形化后，再通过湿法刻蚀金属形成最终掩模。其优势在于对HF溶液具有极强的耐受性，适用于深槽结构刻蚀。
* 光刻胶掩模：特定类型（如负性厚胶）可用于浅层刻蚀（深度通常<5μm）。但光刻胶在HF中会被缓慢腐蚀（选择性较低），且长时间浸泡可能导致溶胀变形，影响图形保真度。
3. 刻蚀速率影响因素
刻蚀速率受玻璃组分影响显著：
* 玻璃成分：高纯度石英玻璃（SiO₂含量极高）刻蚀速率较慢；含碱金属氧化物（如Na₂O）或硼氧化物（如B₂O₃）的硼硅酸盐玻璃，因其成分能促进HF反应，刻蚀速率更快。
* 刻蚀条件：HF浓度升高或溶液温度上升会显著加速刻蚀（例如，20% HF溶液在25℃刻蚀硼硅酸盐玻璃速率约0.5μm/min，升至40℃时可达1μm/min）。实际操作需在速率与刻蚀均匀性之间寻求平衡。
4. 典型应用
适用于制造微流控芯片中的浅层通道、键合工艺前的玻璃定位凹槽、MEMS传感器中为硅活动部件预留的浅窗口等结构。
二、 干法物理化学刻蚀：高精度与优异的方向控制
干法刻蚀利用等离子体对玻璃表面进行物理轰击和/或化学反应来实现材料去除。该方法能精确控制侧壁角度和深宽比，特别适合制造高精度的MEMS结构（如深槽、高垂直度通道）。
1. 核心刻蚀介质——含氟基等离子体
玻璃的干法刻蚀主要通过含氟活性基团（如F*）与SiO₂反应生成挥发性的四氟化硅（SiF₄），由真空系统抽除。在电感耦合等离子体（ICP）刻蚀等工艺中，物理轰击与化学反应相结合，可显著增强刻蚀的各向异性。
2. 掩模材料选择
干法刻蚀同样依赖掩模定义图形，掩模需能抵抗等离子体刻蚀并易于图形化：
* 金属掩模：如铬（Cr）、镍（Ni）、铝（Al）等仍是首选。其制备流程与湿法类似（沉积金属→光刻图形化→刻蚀金属），优点是对等离子体刻蚀具有极佳的抵抗能力。
* 光刻胶掩模：仅适用于浅层刻蚀（深度通常<5μm）。因为在等离子体环境中，光刻胶本身也会被同步刻蚀，其刻蚀速率与玻璃SiO₂接近，导致掩模消耗过快，难以维持深刻蚀所需的选择比和图形精度。
3. 关键工艺参数影响
干法刻蚀效果受设备参数调控显著：
* 功率：射频功率（如ICP源功率、偏置功率）决定等离子体密度和离子能量。功率升高通常提高刻蚀速率，但需避免过高能量导致表面粗糙化。
* 腔室压力：较低压力下离子平均自由程增长，物理轰击效应增强，有利于获得更陡直的侧壁（各向异性更好）。
* 气体组分与比例：六氟化硫（SF₆）提供高氟浓度，主导化学反应刻蚀；氩气（Ar）增强物理溅射，提升各向异性；适量氧气（O₂）有助于抑制含碳副产物在侧壁沉积，保持刻蚀洁净。
4. 典型应用
适用于制造要求高垂直度的微传感器封装深槽、精密深孔阵列结构（如红外探测器窗口）、MEMS陀螺仪中的玻璃深槽等关键部件。
三、 刻蚀后处理与新兴辅助技术：超声波喷涂的应用
在完成湿法或干法刻蚀后，玻璃基材通常需要经过清洗、去胶、表面处理等后道工序，以确保结构的洁净度和功能性。此外，随着MEMS工艺的发展，一些新兴技术被引入以优化特定步骤或实现新的功能。
其中，超声波喷涂技术作为一种精密的薄膜沉积方法，在MEMS玻璃加工领域展现出独特的应用价值：
- 高均匀性薄膜涂覆： 该技术利用高频超声波能量将液体雾化成微米级均匀液滴，并精准喷涂到基材表面。对于刻蚀后的玻璃结构（尤其是具有深宽比结构或复杂形貌的表面），超声波喷涂能实现光刻胶、功能涂层（如疏水/亲水涂层、抗反射膜）或临时键合剂的高度均匀覆盖，有效克服传统旋涂法在复杂微结构上易出现的覆盖不均或空洞问题。
- 材料利用率高： 相比旋涂工艺会浪费大量溶液，超声波喷涂是非接触式的定向沉积，能显著减少昂贵化学试剂或光刻胶的用量，降低工艺成本。
- 适用于敏感结构： 喷涂过程产生的液滴动能较低，对刻蚀形成的精细、脆弱的玻璃微结构（如薄悬臂梁、微通道壁）机械冲击小，降低了结构损伤的风险。
- 兼容厚胶与多层涂布： 该技术特别适合需要厚光刻胶层（用于后续深刻蚀或电镀掩模）或多层不同功能材料涂布的工艺需求，通过调整参数可精确控制每层膜的厚度。
在玻璃基MEMS器件制造流程中，超声波喷涂技术常被应用于：
- 在刻蚀前，为玻璃基板均匀涂覆高质量的光刻胶层（尤其对厚胶需求），作为后续光刻和刻蚀的掩模。
- 在刻蚀后，为微流控通道等功能结构内壁喷涂修饰性涂层（如生物兼容涂层、抗蛋白吸附层）。
- 在键合工艺前，为玻璃表面喷涂临时键合材料或助焊剂。
- 为器件特定区域喷涂功能性薄膜（如导电层、介电层）。
因此，将超声波喷涂技术纳入MEMS玻璃加工的整体工艺链，特别是作为刻蚀前后高质量薄膜涂覆的关键手段，能够有效提升结构的加工精度、功能性和良率，为复杂玻璃微结构的制造提供了重要的技术支持。
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