文章來(lái)源：芯學(xué)知

原文作者：芯啟未來(lái)

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(xué)穩(wěn)定性及可鍵合性（如與硅陽(yáng)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(guò)化學(xué)溶液與玻璃表面反應(yīng)實(shí)現(xiàn)腐蝕，操作簡(jiǎn)單、成本低，但各向異性較差（更接近各向同性），適合對(duì)側(cè)壁垂直度要求不高的場(chǎng)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(yīng)機(jī)理為：

SiO2+4HF→SiF4↑+2H2O

實(shí)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(yīng)劇烈，難以控制刻蝕速率；BHF中NH?F可消耗反應(yīng)產(chǎn)物H?，減緩反應(yīng)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(guò)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(guò)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(diǎn)是耐HF腐蝕能力強(qiáng)，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(zhǎng)時(shí)間浸泡會(huì)膨脹導(dǎo)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(jìn)HF反應(yīng)，刻蝕速率更高；HF濃度與溫度影響，濃度升高或溫度上升會(huì)顯著加快刻蝕速率（如20%HF在25℃時(shí)刻蝕硼硅玻璃速率約0.5μm/min，40℃時(shí)可達(dá)1μm/min），但需平衡速率與均勻性。

4、應(yīng)用場(chǎng)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(dòng)窗口等，典型應(yīng)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(guò)等離子體與玻璃表面發(fā)生物理轟擊或化學(xué)反應(yīng)實(shí)現(xiàn)刻蝕，可精準(zhǔn)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(guò)氟與SiO?反應(yīng)生成SiF4，SiF4為可揮發(fā)性氣體可被真空泵抽走，在ICP刻蝕過(guò)程中再結(jié)合物理轟擊可增強(qiáng)各向異性。

2、掩膜材料

干法刻蝕需通過(guò)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(guò)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(diǎn)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(huì)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(diǎn)：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(guò)度轟擊導(dǎo)致表面粗糙；b）、腔體真空度：低氣壓下離子平均自由程長(zhǎng)，物理轟擊更強(qiáng)，各向異性更好；c）、氣體比例：SF?提供高氟濃度（化學(xué)腐蝕為主），Ar增強(qiáng)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(yīng)用場(chǎng)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(cè)器的玻璃窗口）、MEMS 陀螺儀的玻璃深槽結(jié)構(gòu)等。