BOE 溶液中での溶融石英ガラス微細構造のディープマルチレベルウェットエッチング

Scientific Reports volume 13、記事番号: 5228 (2023) この記事を引用

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メトリクスの詳細

溶融石英ガラスは、その耐薬品性、光学的、電気的、機械的性能により、マイクロメカニカル、マイクロ流体、光学デバイスに最適な材料です。ウェットエッチングは、このようなマイクロデバイスを製造するための重要な方法です。エッチング液の非常に攻撃的な性質のため、保護マスクの完全性は大きな課題です。ここでは、階段状マスクを介した石英ガラスのディープエッチングに基づいたマルチレベル微細構造の製造ルートを提案します。まず、緩衝酸化物エッチング (BOE) 溶液における溶融シリカの溶解メカニズムを解析し、\({HF}_{2}^{-}\)、\({F}^{ -}\)、\({(HF)}_{2}\) を pH および NH4F:HF 比の関数として示します。次に、金属/フォトレジストマスクを介したディープエッチング中のマスク抵抗、エッチング速度、およびプロファイルの等方性に対するBOE組成(1:1〜14:1)の影響を実験的に調査します。最後に、最大 3 μm/min の速度で 200 μm を超える高品質のマルチレベルエッチングプロセスを実証します。これは、たわみサスペンション、慣性質量、マイクロチャネル、およびウェーハ貫通穴を備えた高度なマイクロデバイスにとって非常に興味深いものとなる可能性があります。

溶融シリカガラスウェーハは、その優れた機械的、電気的、光学的特性、熱的および化学的安定性、生体適合性により、慣性センサー 1、マイクロ流体システム 2、3、光センサー 4、5 などのマイクロデバイスで広く使用されています。これらのデバイスの構造要素には通常、厚さ 5 ～ 50 μm の屈曲膜 6,7、深さ 10 ～ 100 μm のマイクロチャネル 8,9、または基板の深さ全体の 150 ～ 1000 μm のスルーホール 10,11 が含まれています。さらに、マイクロデバイスは多くの場合、これらの要素をマルチレベルの微細構造に組み合わせます12。溶融ガラスマイクロデバイス要素の高品質な処理を保証することは、構造の光学的、レオロジー的、および機械的パラメータを決定するため、非常に重要です。主要なガラス微細加工技術には、3D プリンティング、機械的、熱的、化学的 (乾式および湿式) などがあります 13,14。化学的方法のみが滑らかな表面を確実に得ることができ、これはさまざまな光学的、機械的、マイクロ流体の用途にとって重要です。湿式法とは対照的に、シリコンの深部エッチングにはプラズマエッチングが適しています 15 が、溶融シリカの場合は、保護マスクに対する選択性が低いため、エッチング速度とエッチングの深さが制限されます 16。このため、ウェットエッチングプロセスは依然としてガラスマイクロデバイス製造の重要な方法となっています。これにより、等方性プロファイルと低い表面粗さを備えた深い微細構造を高いエッチング速度（数μm/分）でエッチングすることが可能になります17。ガラスの化学的不活性度が高いため、溶融シリカのエッチングは HF ベースの溶液で実行されます。通常、エッチング速度を安定させるためにフッ化水素酸溶液に緩衝添加剤が添加されますが、これは反応生成物の溶解による多成分ガラスのエッチングの場合に役立ちます18。ただし、保護マスクの安定性と反応性エッチャント中での完全性が制限要因になります (表 1)。

保護マスクの材質や特性、エッチング液の組成はエッチングの品質に影響を与える最も重要な要素です。フォトレジスト (AZ5214E、SPR220)、金属 (Au/Cr、Cr、Mo)、およびシリコンベース (a:Si、バルク-Si) 保護マスク (表 1) が最も一般的に使用されるソリューションです。製造プロセスの複雑さと溶融シリカ微細構造の必要な深さによって、さまざまなデバイスのマスク材料の選択が決まります。したがって、フォトレジストマスクはスピンコートが容易ですが、接着力が低く、HF 溶液に対する耐性が低いため、エッチング深さが数十マイクロメートルに制限されます19、20、21、22、23、24、25。 Si ベースのマスクはフッ酸溶液に対して高い耐性を持っています 4,37,38,39,40,41。ただし、低応力Siベースの層の製造は難しく（例：厚いa:Si層）、追加の技術ステップ（例：アルカリマスク除去、ホウケイ酸ガラスエッチングのためのSiプレートの陽極接合）が必要となる場合があります。 Cr/Au ベースのメタルマスクは、湿式ガラスエッチングで最も一般的に使用されます 4、7、23、29、30、31。クロムは金フィルムのガラスへの高い密着性を保証しますが、金は HF 溶液中で非常に不活性であるため、深い微細構造のエッチングが保証されます。ゴールドマスクはコストが高く、拡散能力が高いため、可能な用途が制限されます。モリブデンやクロムなどの高融点金属は、ガラスの深部エッチングに使用されて成功しています26、27、28、34、35、36。ただし、これらの金属は高度な堆積プロセスを必要とする高応力層を形成する傾向があります。モリブデン膜の主な利点は、HF 酸中での低い溶解速度 (19 Å/min 近く) とガラス基板への高い接着力 42、さらに金ベースのマスクと比較して低コストであることです。

4:1) concentration dominating F– and NH4+ ions from the dissociation reaction of the NH4F buffer additive (2) negatively influences the etching process. NH4+ ions inactivate \({HF}_{2}^{-}\) leading to complex formation of a sparingly soluble NH4HF2 crystal. Besides, NH4+ ions passivate a negatively charged SiO2 surface, preventing etching reaction by blocking deep penetration into SiO2. Another negative effect is a precipitation of reaction products (11, 12) due to its limited solubility48./p> 4:1) in solution decreases etching rate due to glass surface passivation with deposition of insoluble reaction products. In contrast, area with a high HF content (BOE < 3:1) are characterized by decrease in mask resistance and increase in the lateral etching rate. In common, a decrease of the etching rate is observed with a decrease in the width of the etched test lines. The etching rate for narrow test lines (5 μm) is 1.05–1.2 times lower than for the wider test lines (200 μm). It can be explained by the fact that in wide trenches all the reagents and reaction products are removed faster than the solution starts to deplete./p>