Incisione profonda multilivello a umido di microstrutture di vetro di silice fusa in soluzione BOE

Rapporti scientifici volume 13, numero articolo: 5228 (2023) Citare questo articolo

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Il vetro di silice fusa è un materiale di scelta per dispositivi micromeccanici, microfluidici e ottici grazie alla sua resistenza chimica e alle prestazioni ottiche, elettriche e meccaniche. L'incisione a umido è il metodo chiave per la fabbricazione di tali microdispositivi. L'integrità della maschera protettiva è una grande sfida a causa delle proprietà estremamente aggressive della soluzione di incisione. Qui, proponiamo un percorso di fabbricazione di microstrutture multilivello basato sull'attacco profondo della silice fusa attraverso una maschera a gradini. Innanzitutto, forniamo un'analisi di un meccanismo di dissoluzione della silice fusa in una soluzione di attacco con ossido tamponato (BOE) e calcoliamo le principali frazioni di fluoruro come \({HF}_{2}^{-}\), \({F}^{ -}\), \({(HF)}_{2}\) in funzione del pH e del rapporto NH4F:HF. Quindi, indaghiamo sperimentalmente l'influenza della composizione BOE (1:1–14:1) sulla resistenza della maschera, sulla velocità di attacco e sull'isotropia del profilo durante l'attacco profondo attraverso una maschera di metallo/fotoresist. Infine, dimostriamo un processo di incisione multilivello di alta qualità superiore a 200 μm con una velocità fino a 3 μm/min, che potrebbe essere di grande interesse per microdispositivi avanzati con sospensioni a flessione, masse inerziali, microcanali e fori passanti nel wafer.

I wafer di vetro di silice fusa sono ampiamente utilizzati in microdispositivi come sensori inerziali1, sistemi microfluidici2,3 e sensori ottici4,5 grazie alle loro eccellenti proprietà meccaniche, elettriche e ottiche, stabilità termica e chimica, nonché biocompatibilità. Gli elementi strutturali di questi dispositivi contengono solitamente membrane di flessione di spessore 5–50 µm6,7, microcanali profondi 10–100 µm8,9, oppure fori passanti per tutta la profondità del substrato da 150 a 1000 µm10,11. Inoltre, i microdispositivi spesso combinano questi elementi in microstrutture multilivello12. È di fondamentale importanza garantire una lavorazione di alta qualità degli elementi dei microdispositivi in ​​vetro fuso, poiché determina i parametri ottici, reologici e meccanici delle strutture. Esistono alcune importanti tecnologie di microfabbricazione del vetro: stampa 3D, meccanica, termica e chimica (a secco e ad umido)13,14. Solo i metodi chimici garantiscono l'ottenimento di superfici lisce, fondamentali per varie applicazioni ottiche, meccaniche e microfluidiche. A differenza dei metodi a umido, l'attacco al plasma è preferibile per l'attacco profondo del silicio15, ma è limitato per la silice fusa dalla bassa velocità di attacco e dalla profondità di attacco a causa della scarsa selettività rispetto alle maschere protettive16. Ecco perché i processi di incisione a umido sono ancora il metodo chiave per la fabbricazione di microdispositivi in ​​vetro. Consente di incidere microstrutture profonde con profilo isotropo e bassa rugosità superficiale ad elevate velocità di incisione (diversi μm/min)17. L'incisione della silice fusa viene eseguita in una soluzione a base di HF a causa dell'elevata inerzia chimica del vetro. Di solito, alle soluzioni di acido fluoridrico vengono aggiunti additivi tampone per stabilizzare la velocità di attacco, che è utile nel caso dell'attacco di vetri multicomponente dovuto alla dissoluzione dei prodotti di reazione18. Tuttavia, la stabilità e l'integrità della maschera protettiva negli agenti mordenzanti reattivi diventano il fattore limitante (Tabella 1).

Il materiale e le proprietà di una maschera protettiva, nonché la composizione della soluzione di mordenzatura, sono i fattori più importanti che influenzano la qualità della mordenzatura. Fotoresist (AZ5214E, SPR220), metalli (Au/Cr, Cr, Mo) e maschere protettive a base di silicio (a:Si, bulk-Si) (Tabella 1) sono le soluzioni più comunemente utilizzate. La complessità del processo di fabbricazione e le profondità richieste delle microstrutture di silice fusa determinano la scelta dei materiali della maschera per vari dispositivi. Pertanto, le maschere di fotoresist sono facili da centrifugare, ma hanno una bassa adesione e una bassa resistenza alle soluzioni HF che limitano la profondità di incisione a diverse decine di micrometri19,20,21,22,23,24,25. Le maschere a base di Si sono altamente resistenti alla soluzione di acido fluoridrico4,37,38,39,40,41. Tuttavia, la fabbricazione di strati a base di Si a basso stress è impegnativa (ad esempio, strati spessi di a:Si) e può richiedere passaggi tecnologici aggiuntivi (ad esempio, rimozione della maschera alcalina, incollaggio anodico di piastre di Si per l'incisione del vetro borosilicato). Le maschere metalliche a base di Cr/Au sono le più comunemente utilizzate nell'incisione del vetro bagnato4,7,23,29,30,31. Il cromo garantisce un'elevata adesione delle pellicole d'oro al vetro, mentre l'oro è altamente inerte nelle soluzioni HF, garantendo un'incisione profonda delle microstrutture. L'alto costo e l'elevata capacità diffondente delle maschere d'oro ne limitano le possibili applicazioni. I metalli refrattari come il molibdeno e il cromo vengono utilizzati con successo per l'incisione profonda del vetro26,27,28,34,35,36. Tuttavia, questi metalli tendono a formare strati ad alto stress che richiedono un processo di deposizione avanzato. I principali vantaggi della pellicola di molibdeno sono i bassi tassi di dissoluzione nell'acido HF (vicino a 19 Å/min) e l'elevata adesione al substrato di vetro42, nonché un costo inferiore rispetto alle maschere a base d'oro.