目前，各種類(lèi)型的玻璃材料在MOEMS(Micro-Opto-Electro-Mechanical Systems)及生物芯片中得到了大量的應(yīng)用。K9 玻璃、石英玻璃、GG17高溫玻璃作為現(xiàn)在常用的光學(xué)材料，它們?cè)贛OEMS制備中占據(jù)了重要的作用。Nakanishi等采用46%的氫氟酸作為刻蝕劑制備出玻璃材質(zhì)的電泳芯片。玻璃材料由于其自身特性，它沒(méi)有電荷的自由移動(dòng)，介電性能好，玻璃通孔技術(shù)(Through-Glass Via,TGV)在半導(dǎo)體工業(yè)中越來(lái)越顯示出其優(yōu)越性，TGV克服了硅通孔技術(shù)(Through Silicon Via,TSV)的載流子在電場(chǎng)、磁場(chǎng)作用下能夠自由移動(dòng)，對(duì)臨近的信號(hào)產(chǎn)生干擾的缺點(diǎn)，提高了芯片的使用性能。在干法刻蝕中，采用CF4、CHF3、SF6、C4F8、F12等氟基氣體，輔助氣體如氬氣、氦氣等氣體，在等離子體下對(duì)玻璃進(jìn)行刻蝕。中科院微電所對(duì)TGV進(jìn)行了一定的研究，他們使用C4F8、Ar氣刻蝕玻璃，在石英玻璃上加工出直徑50 μm的深孔。臺(tái)灣中央研究院加工出了深寬比大于20 μm∶0.18 μm的硅納米柱陣列；荷蘭代爾夫特理工大學(xué)加工出了深寬比為 280 μm∶5 μm，刻蝕速率為3.67 μm/min的硅通孔。然而，TGV 技術(shù)面臨的關(guān)鍵問(wèn)題是沒(méi)有類(lèi)似硅的“Bosch”深刻蝕工藝，難以快速制作高深寬比的玻璃深孔或溝槽。因此可以進(jìn)一步對(duì)玻璃刻蝕工藝進(jìn)行研究，為玻璃微器件制備提供技術(shù)支持。

1 實(shí) 驗(yàn)

1.1 光刻實(shí)驗(yàn)

使用等離子水清洗樣片，然后在烘膠箱上85 ℃烘烤樣片10 min，除去樣片表面的水汽，而后使用科晶PCE-8Ar等離子清洗機(jī)清洗5 min。采用北京創(chuàng)世威納科技有限公司的MSP300B鍍膜機(jī)對(duì)樣品表面鍍Al膜層，在SC-1B型勻膠機(jī)上對(duì)樣片涂覆AR3740光刻膠。在microlab-lite 光刻儀上進(jìn)行光刻，曝光時(shí)間為30 ms，用專(zhuān)用NaOH顯影液對(duì)曝光后的條紋進(jìn)行顯影，顯影時(shí)間為60 s，NaOH顯影液對(duì)光刻膠顯影以后，繼續(xù)腐蝕Al層，Al掩模制備中化學(xué)反應(yīng)如式(1)所示。然后放入去離子水清洗，N2氣槍吹干樣品，在烘干機(jī)上120 ℃條件下保持5 min進(jìn)行堅(jiān)膜工藝，制備出光刻膠、Al金屬掩膜圖案。

2Al+2NaOH+2H2O→2NaAlO2+3H2↑                       (1)

1.2 刻蝕實(shí)驗(yàn)

使用ICP601型刻蝕機(jī)對(duì)玻璃進(jìn)行刻蝕，刻蝕機(jī)結(jié)構(gòu)由上下電極功率源構(gòu)成，上電極解離氣體，下電極起壓作用。選用SF6氣體在不同功率以及氣壓下進(jìn)行刻蝕。

1.3 形貌觀測(cè)

使用佳能光鏡對(duì)光刻膠進(jìn)行觀測(cè)，采用SEM電子顯微鏡對(duì)刻蝕的石英玻璃側(cè)面進(jìn)行觀測(cè)。

2 結(jié)果與討論

2.1 曝光及顯影時(shí)間對(duì)顯影效果影響

不同曝光時(shí)間下光刻圖如圖1所示，可以看出,隨著曝光時(shí)間的延長(zhǎng)，條紋完全顯影，而后條紋顯影寬度變寬。正性光刻膠一般由基質(zhì)樹(shù)脂、光敏混合物(Photoactive Compound，PAC)、有機(jī)溶劑三部分組成，光敏混合物PAC以及感光樹(shù)脂在激光的照射下發(fā)生分解反應(yīng)。分子空間結(jié)構(gòu)發(fā)生重排，生成了茚酮。茚酮在NaOH堿性顯影液中被溶解掉，沒(méi)有被曝光的區(qū)域遺留下來(lái)，生成了掩膜層。

圖1 不同曝光時(shí)間光刻圖

在曝光時(shí)間為25 ms時(shí)刻，這時(shí)候曝光時(shí)間短，能量不夠，光敏混合物PAC以及感光樹(shù)脂沒(méi)有完全分解，光刻膠底部有一層殘余的膠。在曝光時(shí)間為35 ms時(shí)，曝光的線(xiàn)條大于設(shè)定尺寸，主要是曝光強(qiáng)度的增大，激光有散射效果，可以使得側(cè)部的光刻膠感光，從而造成顯影尺寸增大，一般說(shuō)來(lái)，在最優(yōu)化的曝光峰值以后，隨著曝光時(shí)間的延長(zhǎng)，曝光尺寸變大光刻效果變得越來(lái)越差，光刻膠臺(tái)階形貌控制、尺寸控制對(duì)后續(xù)工藝影響很大。從本實(shí)驗(yàn)可以得出，30 ms是一個(gè)最優(yōu)參數(shù)。

同樣，不同顯影時(shí)間也影響光刻圖，如圖2所示，顯影10 s，圖案沒(méi)有顯影出來(lái)，底層有光刻膠，呈現(xiàn)黃色。顯影20 s，底層的部分區(qū)域有藍(lán)色殘膠。30 s達(dá)到最優(yōu)效果，40 s時(shí)候，線(xiàn)條變細(xì)，出現(xiàn)了過(guò)顯現(xiàn)象。

圖2 不同顯影時(shí)間光刻圖

2.2 功率對(duì)石英玻璃刻蝕速率的影響

圖3 石英玻璃刻蝕速率與功率的關(guān)系

功率對(duì)石英玻璃刻蝕速率的影響如圖3所示，隨著功率的增大，刻蝕速率變快，在20 W情況下，石英玻璃刻蝕速率為18 nm/min；100 W時(shí)刻蝕速率增加至190 nm/min。

石英玻璃的成分是SiO2，SiO2刻蝕過(guò)程是化學(xué)反應(yīng)與物理轟擊共同作用的結(jié)果，兩者相輔相成，相互促進(jìn)。在等離子體內(nèi),SF6與玻璃在離子輝光放電過(guò)程中發(fā)生化學(xué)反應(yīng),如反應(yīng)式(2)、(3)所示，活性的F-與SiO2反應(yīng)生成了氣態(tài)的SiF4，SiF4隨著分子泵排出，從而達(dá)到刻蝕石英玻璃的目的。Si-O鍵鍵能大，F(xiàn)-的轟擊作用可以輔助打開(kāi)Si-O鍵，加速了刻蝕反應(yīng)進(jìn)行。RF功率通過(guò)控制偏壓從而控制離子轟擊表面的能量，物理轟擊的輔助作用增強(qiáng)，因此，增大功率可以提高刻蝕速率。

e-+SF6→SF5、SF4、SF3、F-                      (2)

F-+SiO2→SiF4↑+O2↑                                 (3)

2.3 氣壓對(duì)石英玻璃刻蝕速率的影響

在不同氣壓條件下，刻蝕速率如圖4所示，可以看出,隨著氣壓增大,石英玻璃刻蝕速率變大，刻蝕速率達(dá)到峰值50 nm/min后，刻蝕速率隨著氣壓的增大而降低。

圖4 石英玻璃刻蝕速率與氣壓的關(guān)系

當(dāng)腔體內(nèi)氣壓較小的時(shí)候，F-濃度小，不足以讓樣品表面的SiO2與其充分反應(yīng)，隨著氣壓的增大，使得更多的F-參與反應(yīng)。同時(shí)，Ar離子濃度的增大，加速了物理轟擊的概率，刻蝕速率變大。在腔體氣壓為0.5 Pa時(shí)，刻蝕速率達(dá)到峰值。當(dāng)腔體內(nèi)F-達(dá)到飽和狀態(tài)以后，隨著氣壓的增大，Ar離子碰撞概率增大，從而降低等離子體的能量，物理轟擊能量變小，速率反而降低。由離子輔助刻蝕模型看出，F(xiàn)-達(dá)到飽和狀態(tài)以后刻蝕速率Re與基底原子體密度ρs在一定條件下成反比例關(guān)系,如式(4)所示。

Re=1/(ρsYsnΓiΘ)                                    (4)

式中，Ysn是從飽和表面的中性粒子刻蝕去除量，Γi與Θ分別為入射到表面的中性流和離子流通量。

在壓強(qiáng)0.2 Pa時(shí)，掩模表面 Al原子濺射到刻蝕圖形的槽內(nèi)部，多個(gè)Al原子匯集，集合成原子團(tuán)，成核生長(zhǎng)，逐步長(zhǎng)成一個(gè)小的Al薄膜，槽內(nèi)部小區(qū)域的Al薄膜阻礙了下部Si-O鍵的斷裂，形成了SiO2凸臺(tái)，多個(gè)凸臺(tái)匯集，成為了“長(zhǎng)草現(xiàn)象”，如圖5(a)所示。在壓強(qiáng)0.5 Pa時(shí)候，物理轟擊的能量減小，可以看出SiO2槽形貌尺寸均一，樣品底部光滑，缺陷少，如圖5(b)所示。

圖5 石英玻璃形貌圖

2.4 不同玻璃的刻蝕性能比較

圖6 不同玻璃刻蝕對(duì)比圖

分別對(duì)石英、GG17(80)、GG17(79)、K9不同玻璃進(jìn)行刻蝕，不同玻璃的刻蝕速率如圖6所示，可以看出,在一定條件下，K9玻璃的刻蝕速率大于石英玻璃的刻蝕速率，GG17耐高溫玻璃的刻蝕速率小于石英玻璃的刻蝕速率。

K9屬于堿硅酸鹽系統(tǒng)，它的組成如下：SiO2=69.13%，B2O3=10.75%，BaO=3.07%，Na2O=10.40%，K2O=6.29%，As2O3=0.36%，K9玻璃含有大量B2O3、K2O、Na2O等化學(xué)成分，這種玻璃網(wǎng)絡(luò)修飾體增加了玻璃中的非橋氧。使得玻璃內(nèi)部離子間的鍵能減少，在Ar離子的物理轟擊下，容易斷裂，因而刻蝕速率增大。GG17玻璃80號(hào)和79號(hào)是指SiO2的含量為80%與79%，GG17是一種高硼硅玻璃，相比K9玻璃，其結(jié)構(gòu)更加穩(wěn)定，安全操作溫度低于應(yīng)變溫度520 ℃。GG17耐高溫玻璃的刻蝕速率小于石英的刻蝕速率，主要是GG17耐高溫玻璃含有約2%的Al2O3，GG17(80)的Al2O3含量略低于GG17(79)。F基與Al2O3產(chǎn)生的化合物AlF3不容易揮發(fā)，阻礙了后續(xù)的刻蝕，因而刻蝕速率變小。對(duì)于Al基玻璃，可以采用Cl基氣體刻蝕，Cl基刻蝕氣體與Al基玻璃的反應(yīng)如式(5)～(6)所示，可以看出,生成物AlCl3、SiCl4是氣態(tài)成分，具有揮發(fā)性，可以快速刻蝕含有鋁基的玻璃。

2BCl3+SiO2→SiCl4↑+2BOCl                    (5)

Al2O3+3BCl3→2AlCl3↑+3BOCl                 (6)

3 結(jié) 論

(1)在最優(yōu)的曝光峰值以后，隨著曝光時(shí)間的延長(zhǎng)，曝光尺寸變大，光刻效果變得越來(lái)越差，光刻膠臺(tái)階形貌控制、尺寸控制對(duì)后續(xù)工藝影響很大。本實(shí)驗(yàn)中30 ms為最優(yōu)參數(shù)。

(2)隨著功率的增大，刻蝕速率變快。隨著氣壓增大，石英玻璃刻蝕速率變大，刻蝕速率達(dá)到峰值50 nm/min后，刻蝕速率隨著氣壓的增大而降低。

(3)在采用SF6刻蝕氣體的前提下，K9玻璃的刻蝕速率大于石英玻璃的刻蝕速率，GG17耐高溫玻璃的刻蝕速率小于石英玻璃的刻蝕速率，為玻璃微器件制備提供技術(shù)支持。

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