BOE 솔루션에서 용융 실리카 유리 미세 구조의 심층 다단계 습식 에칭

Scientific Reports 13권, 기사 번호: 5228(2023) 이 기사 인용

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용융 실리카 유리는 화학적 저항성, 광학적, 전기적 및 기계적 성능으로 인해 미세 기계, 미세 유체 및 광학 장치에 선택되는 재료입니다. 습식 에칭은 이러한 마이크로 디바이스를 제조하는 핵심 방법입니다. 보호 마스크 무결성은 에칭 용액의 매우 공격적인 특성으로 인해 큰 과제입니다. 여기에서는 계단형 마스크를 통한 융합 실리카 딥 에칭을 기반으로 하는 다단계 미세 구조 제조 경로를 제안합니다. 먼저, BOE(Buffered Oxide Etching) 용액의 용융 실리카 용해 메커니즘을 분석하고 \({HF}_{2}^{-}\), \({F}^{와 같은 주요 불화물 분율을 계산합니다. -}\), \({(HF)}_{2}\)는 pH 및 NH4F:HF 비율의 함수입니다. 그런 다음 금속/포토레지스트 마스크를 통한 깊은 에칭 동안 마스크 저항, 에칭 속도 및 프로파일 등방성에 대한 BOE 구성(1:1-14:1)의 영향을 실험적으로 조사합니다. 마지막으로, 최대 3μm/min의 속도로 200μm 이상의 고품질 다레벨 에칭 프로세스를 시연합니다. 이는 굴곡 서스펜션, 관성 질량, 마이크로채널 및 웨이퍼 관통 구멍이 있는 고급 마이크로장치에 큰 관심을 가질 수 있습니다.

용융 실리카 유리 웨이퍼는 뛰어난 기계적, 전기적, 광학적 특성, 열적, 화학적 안정성, 생체 적합성으로 인해 관성 센서1, 미세 유체 시스템2,3 및 광학 센서4,5와 같은 마이크로 장치에 널리 사용됩니다. 이러한 장치의 구조 요소에는 일반적으로 두께가 5~50μm인 굴곡 멤브레인6,7, 깊이가 10~100μm인 마이크로채널8,9 또는 기판 전체 깊이가 150~1000μm10,11인 관통 구멍이 포함되어 있습니다. 또한 마이크로 장치는 이러한 요소를 다중 레벨 마이크로 구조12로 결합하는 경우가 많습니다. 융합 유리 마이크로장치 요소의 고품질 처리를 보장하는 것은 구조의 광학적, 유변학적, 기계적 매개변수를 결정하기 때문에 매우 중요합니다. 3D 프린팅, 기계, 열, 화학(건식 및 습식)13,14 등 몇 가지 주요 유리 미세 가공 기술이 있습니다. 화학적 방법만이 매끄러운 표면을 얻을 수 있으며 이는 다양한 광학, 기계 및 미세 유체 응용 분야에 중요합니다. 습식 방법과 달리 플라즈마 에칭은 실리콘 깊은 에칭에 선호되지만 보호 마스크에 대한 선택성이 낮기 때문에 낮은 에칭 속도와 에칭 깊이로 인해 용융 실리카의 경우 제한됩니다. 이것이 바로 습식 에칭 공정이 여전히 유리 마이크로 장치 제조의 핵심 방법인 이유입니다. 이는 높은 에칭 속도(수 μm/min)17에서 등방성 프로파일과 낮은 표면 거칠기로 깊은 미세 구조를 에칭할 수 있습니다. 용융 실리카 에칭은 유리의 화학적 불활성이 높기 때문에 HF 기반 용액에서 수행됩니다. 일반적으로 불산 용액에 완충 첨가제를 첨가하여 에칭 속도를 안정화하는데, 이는 반응 생성물의 용해로 인한 다성분 유리 에칭의 경우에 유용합니다18. 그러나 반응성 에칭제의 보호 마스크 안정성과 무결성이 제한 요소가 됩니다(표 1).

보호마스크의 재질과 특성, 에칭액의 조성은 에칭품질에 영향을 미치는 가장 중요한 요소이다. 포토레지스트(AZ5214E, SPR220), 금속(Au/Cr, Cr, Mo) 및 실리콘 기반(a:Si, 벌크-Si) 보호 마스크(표 1)는 가장 일반적으로 사용되는 솔루션입니다. 제조 공정의 복잡성과 용융 실리카 미세 구조의 필요한 깊이에 따라 다양한 장치에 대한 마스크 재료 선택이 결정됩니다. 따라서 포토레지스트 마스크는 스핀 코팅이 쉽지만 수십 마이크로미터19,20,21,22,23,24,25에서 식각 깊이를 제한하는 HF 용액에 대한 접착력이 낮고 저항성이 낮습니다. Si 기반 마스크는 불산 용액4,37,38,39,40,41에 대한 내성이 높습니다. 그러나 저응력 Si 기반 층의 제조는 까다로우며(예: 두꺼운 a:Si 층) 추가 기술 단계(예: 알칼리 마스크 제거, 붕규산 유리 에칭을 위한 Si 플레이트의 양극 결합)가 필요할 수 있습니다. Cr/Au 기반 금속 마스크는 습식 유리 에칭4,7,23,29,30,31에서 가장 일반적으로 사용됩니다. 크롬은 유리에 대한 금 필름의 높은 접착력을 보장하는 반면 금은 HF 용액에서 매우 불활성이므로 깊은 미세 구조 에칭을 보장합니다. 골드 마스크의 높은 비용과 높은 확산 능력은 가능한 적용을 제한합니다. 몰리브덴 및 크롬과 같은 내화성 금속은 깊은 유리 에칭26,27,28,34,35,36에 성공적으로 사용됩니다. 그러나 이러한 금속은 고급 증착 공정이 필요한 고응력 층을 형성하는 경향이 있습니다. 몰리브덴 필름의 주요 이점은 HF산에서 낮은 용해 속도(약 19Å/min)와 유리 기판에 대한 높은 접착력42뿐만 아니라 금 기반 마스크에 비해 저렴한 비용입니다.

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>