文章來源：芯學知

原文作者：芯啟未來

本文介紹了MEMS制造中玻璃的刻蝕方法。

在MEMS中，玻璃因具有良好的絕緣性、透光性、化學穩(wěn)定性及可鍵合性（如與硅陽極鍵合），常被用作襯底、封裝結(jié)構(gòu)或微流體通道基板。玻璃刻蝕是制備這些微結(jié)構(gòu)的核心工藝，需根據(jù)精度要求、結(jié)構(gòu)尺寸及玻璃類型選擇合適的方法，玻璃刻蝕主要分為濕法腐蝕和干法刻蝕兩大類。

濕法腐蝕：低成本，適合大尺寸結(jié)構(gòu)

濕法刻蝕通過化學溶液與玻璃表面反應實現(xiàn)腐蝕，操作簡單、成本低，但各向異性較差（更接近各向同性），適合對側(cè)壁垂直度要求不高的場景（如淺槽、寬通道）。

1、濕法腐蝕的核心藥液——HF

玻璃的主要成分是二氧化硅，HF是唯一能有效腐蝕SiO?的酸，反應機理為：

SiO2+4HF→SiF4↑+2H2O

實際中常用緩沖氫氟酸（BHF或BOE）（HF+NH?F混合液），而非純HF，純HF反應劇烈，難以控制刻蝕速率；BHF中NH?F可消耗反應產(chǎn)物H?，減緩反應速度，提高刻蝕均勻性（刻蝕速率通常為0.1-1μm/min）。

2、掩膜材料

濕法腐蝕需通過掩膜定義刻蝕區(qū)域，掩膜需滿足耐蝕刻劑腐蝕且易圖案化：金屬掩膜最常用，如鉻（Cr）、鎳（Ni），通過濺射或蒸發(fā)沉積金屬膜，再光刻圖案化，最后濕法刻蝕金屬得到掩膜，優(yōu)點是耐HF腐蝕能力強，適合深槽刻蝕；光刻膠掩膜較為常用的為SU8，僅適合淺刻蝕（<5μm），因光刻膠在HF中易被緩慢腐蝕（選擇性低），且長時間浸泡會膨脹導致圖案變形。

3、影響腐蝕速率的因素

刻蝕速率與玻璃中SiO?含量及雜質(zhì)（如 Na?O、B?O?）相關(guān)。石英玻璃（高純度SiO?）刻蝕速率較慢；硼硅玻璃（BF33含B?O?、Na?O）因堿金屬離子促進HF反應，刻蝕速率更高；HF濃度與溫度影響，濃度升高或溫度上升會顯著加快刻蝕速率（如20%HF在25℃時刻蝕硼硅玻璃速率約0.5μm/min，40℃時可達1μm/min），但需平衡速率與均勻性。

4、應用場景

適合制備微流體淺通道、鍵合前的玻璃定位凹槽、MEMS傳感器的硅島活動窗口等，典型應用如微流控芯片的玻璃基板淺通道刻蝕。

干法刻蝕：高精度、高各向異性

干法刻蝕通過等離子體與玻璃表面發(fā)生物理轟擊或化學反應實現(xiàn)刻蝕，可精準控制側(cè)壁垂直度和深寬比，適合高精度MEMS結(jié)構(gòu)（如深槽、高垂直度通道）。

1、核心刻蝕氣體——氟基等離子體

玻璃干法刻蝕主要通過氟與SiO?反應生成SiF4，SiF4為可揮發(fā)性氣體可被真空泵抽走，在ICP刻蝕過程中再結(jié)合物理轟擊可增強各向異性。

2、掩膜材料

干法刻蝕需通過掩膜定義刻蝕區(qū)域，掩膜需滿足耐蝕刻劑刻蝕且易圖案化：金屬掩膜最常用，如Cr、Ni、Al等。通過濺射或蒸發(fā)沉積金屬膜，再光刻圖案化，最后濕法刻蝕金屬得到掩膜，優(yōu)點是耐等離子體刻蝕；光刻膠掩膜僅適合淺刻蝕（<5μm），因光刻膠等離子體中也會被同步刻蝕，刻蝕速率基本和SiO2速率一致，所以光刻膠僅適合作為淺槽刻蝕的掩膜使用。

3、刻蝕影響因素

干法刻蝕主要受設(shè)備刻蝕參數(shù)影響較大，主要有以下幾點：a)、功率：射頻功率（ICP/RIE功率）決定等離子體密度，功率升高可提高刻蝕速率，但需避免過度轟擊導致表面粗糙；b）、腔體真空度：低氣壓下離子平均自由程長，物理轟擊更強，各向異性更好；c）、氣體比例：SF?提供高氟濃度（化學腐蝕為主），Ar增強物理轟擊（提高各向異性），O?可減少聚合物沉積（避免側(cè)壁污染）。

4、應用場景

適合制備高垂直度的微傳感器封裝槽、深孔陣列（如紅外探測器的玻璃窗口）、MEMS 陀螺儀的玻璃深槽結(jié)構(gòu)等。