超深熔融石英玻璃蚀刻研究

摘要

微流体和光学传感平台通常由玻璃和熔融石英(石英)制成，因为它们具有光学透明性和化学惰性。氢氟酸(HF)溶液是用于深度蚀刻二氧化硅衬底的选择的蚀刻介质，但是由于HF迁移穿过大多数掩模材料的侵蚀性，对于大于1小时的蚀刻时间，处理方案变得复杂和昂贵。我们在此提出蚀刻到超过600微米深的熔融石英中，同时保持衬底没有凹坑并保持适合于生物成像的抛光蚀刻表面。我们使用耐HF的光敏抗蚀剂(HFPR ),它在49%的HF溶液中不会被侵蚀。比较了仅用HFPR掩蔽的衬底和在Cr/Au和多晶硅掩模上构图的HFPR的蚀刻特性。我们使用这种蚀刻工艺制造了8-16微米厚的悬浮熔融石英膜，并表明通过该膜成像不会对生物组织荧光显微镜的图像质量产生负面影响。最后，我们在悬浮膜中实现了小的通孔阵列。这种设备将应用于平面电生理学平台，尤其是需要光学成像的地方。

介绍

玻璃和熔融石英是构建微机电系统(MEMS)、芯片实验室和微流体平台的有吸引力的材料，因为它们具有化学惰性、生物相容性、光学透明性、机械刚性、高熔点、电绝缘性、不透气性以及与硅、玻璃和聚二甲基硅氧烷(PDMS)结合的能力。然而，许多为硅开发的晶片级加工方法不容易转移到玻璃上；因此，已经采用了一系列制造技术，例如穿过玻璃的离子径迹蚀和激光加工熔融石英和福图兰光结构玻璃陶瓷。这些方法已经用于实现高纵横比的微流体装置和平面膜片钳电极在玻璃材料中。为了避免使用专门的设备，最近已经努力使晶片规模的加工方法适用于玻璃，即反应离子蚀刻和光刻定义的“湿法”蚀刻。这些方法已经能够实现多种装置，包括独立式气腔，微型泵，毛细管电泳微室，高Q因子谐振器，微流体通道，波导，生物分析设备和单细胞捕获孔，平面膜片钳电极，以及光学传感平台。

反应离子蚀刻是集成电路(IC)技术的主要组成部分，这是由于其各向异性和相对于掩模和底层的选择性。然而，玻璃的蚀刻速率比硅低大约一个数量级。因此，当蚀刻玻璃时，需要相对较高的偏压，这会损害掩模材料的选择、蚀刻表面的光滑度和可达到的蚀刻深度。氢氟酸溶液中的“湿”蚀刻硼硅酸盐和铝硅酸盐玻璃显示出高达8.μm/min的蚀刻速率，但由于存在不溶性杂质，它们表现出各向同性的蚀刻轮廓和磨砂蚀刻表面。相反，蚀刻纯无定形二氧化硅(熔融二氧化硅/石英)会产生光学透明的表面，但蚀刻速率约为1微米/分钟。虽然已经开发了在硼硅酸盐HF蚀刻过程中减少光学透明度损失的方法，熔融石英仍然具有化学纯度的优势，这使得它与CMOS处理技术兼容并消除底物自身荧光。以前用于熔融石英的掩蔽膜材料包括铬(Cr) ，光刻胶、多晶硅(polySi)、非晶硅、铝、氮化硅和铬/金(Cr/Au) 。例如，用Cr/Au掩模在49% HF中湿法蚀刻熔融石英60微米深1小时和104微米深，在加热的缓冲氟化铵溶液中使用应力减小的Cr掩模7小时[25].如果需要熔融石英蚀刻深度基本上大于100微米，则需要非常长的蚀刻时间和/或浓缩的HF溶液(49质量%),这导致HF最终迁移通过大多数掩模材料，导致表面点蚀，并最终导致掩模退化和/或剥离。

我们在此报告了一种蚀刻深度大于600微米的熔融石英的方法，同时使用抗HF的光敏抗蚀，保持基底没有凹坑并保持适合生物成像的抛光蚀刻表面。是一种负性抗蚀剂系统，由热塑性环烯烃共聚物组成，该共聚物是一种高度非极性和疏水性的聚合物。光敏剂诱导交联，使其不溶于烃基显影溶剂。除了上述性能之外，交联材料的最小自由体积使极性HF分子通过HFPR的扩散最小化，因此使其耐49% HF 。对于仅用HFPR、Cr/Au和polySi掩蔽的衬底以及由HFPR保护的Cr/Au和polySi膜，比较了底切和掩模退化。此外，还比较了不同蚀刻深度的表面光滑度。我们仅使用HFPR在熔融石英晶片中演示了深沟槽，消除了对熔炉或金属蒸发器沉积的需要许多蚀刻应用的掩蔽膜。即使将640微米蚀刻到约650微米厚的晶片，所得悬浮膜的表面足够光滑以允许荧光成像而不损失图像质量。最后，我们在熔融石英悬浮膜中等离子体蚀刻孔阵列，其可用作平面膜片钳电极和/或抽吸电极阵列。

结果和讨论

3.1.49% HF中掩蔽材料的完整性

3.1.1铬/金+ HFPR。由于金的化学惰性和铬对玻璃和熔融石英的强粘附性，金-铬膜被广泛用作HF蚀刻的掩模材料。仅使用Cr/Au作为掩模，在熔融石英中蚀刻大约200微米深，我们能够获得光学透明的蚀刻表面，尽管掩模下的石英表面严重凹陷(图2a)。先前使用铬/金掩模的报告也显示了类似的点蚀特征[3].然而，当我们用HFPR进一步保护Cr/Au膜时，特征边缘的Cr/Au掩模要好得多

即使经过近3个小时的蚀刻时间(166微米深)仍能保留。点蚀也是

与仅用Cr/Au掩模掩蔽的晶片相比显著降低(图2b)。

3.1.2多晶硅+ HFPR。为了蚀刻600微米深的熔融石英，我们选择了多晶硅掩模，因为之前已经证明它显示出比Cr/Au明显更少的点蚀3].然而，我们使用1.5微米厚的多晶硅薄膜的尝试没有成功。如在以前的报告中，在49% HF中蚀刻40分钟后，多晶硅膜保持无缺陷3]，但在2小时后，多晶硅膜中的蚀刻缺陷出现，5小时后，我们不得不停止蚀刻，因为薄膜上有凹痕，HF溶液从晶片支架的o型环下泄漏(图2d)。为了解决这个问题，我们在多晶硅薄膜来保护它。这种策略允许我们在熔融石英中蚀刻超过600微米，尽管在9小时的蚀刻时间后，下面的多晶硅和熔融二氧化硅有明显的凹痕。此外，图案化特征边缘的多晶硅已经退化(图2e)，这有时会导致多晶硅碎片落到平坦的蚀刻表面上，从而导致微掩模。

3.2.不同掩膜下的熔融石英底切和蚀刻速率

用Cr/Au + HFPR掩蔽导致蚀刻速率为1.12±0.06微米/分钟(平均标准偏差，N=7个晶片蚀刻162-184分钟；图3a)。该速率对应于3小时内202×11微米的最终蚀刻深度。与晶片之间蚀刻速率的显著可变性相反，在单个晶片内，蚀刻速率在空间上非常均匀:当用限定多个沟槽的掩模处理两个晶片时，在166分钟的蚀刻后，这些沟槽的深度在0.33和0.48微米(两个晶片的每一个中15个测量的沟槽的蚀刻深度的均方根可变性)内是恒定的。当单独使用HFPR时，蚀刻速率非常相似，即使当蚀刻大约200微米时，这导致比Cr/Au + HFPR大得多的底切(图3a)。

图3。不同掩模方案的蚀刻特征和蚀刻速率的轮廓测量迹线。a .在用Cr/Au + HFPR掩模(红色)和单独的HFPR(蓝色)蚀刻大约200微米深度后，熔融石英的特征轮廓和蚀刻速率。蚀刻特征的纵横比(深度/图案直径)约为0.22。b .用polySi + HFPR掩模(绿色)和HFPR掩蔽的熔融石英的特征轮廓和蚀刻速率

独自一人(蓝色)。仅用HFPR掩蔽的晶片首先被蚀刻334-390微米深，

食人鱼清洗，测量。然后，再次用HFPR对相同的蚀刻晶片进行构图，并第二次蚀刻至547–617 μm的总深度。蚀刻特征的纵横比约为0.70。轮廓轨迹上方的橙色结构表示原始掩模图案。误差条代表几个晶片的蚀刻速率的标准偏差。

结论

我们华林科纳已经提出了一种处理方案，该方案可以在熔融石英中湿法蚀刻至少600微米深。我们用耐HF的光敏抗蚀剂ProTEK PSA实现了这一点。这种掩模工艺不需要超过标准的光刻设备(表1)，产生了无凹坑的衬底和平均粗糙度约为10 nm的蚀刻表面，尽管具有显著的特征底切。当HFPR与Cr/Au或polySi膜结合时，底切更受限制，其代价是长蚀刻时间的大量表面点蚀。将来，通过将HFPR与应力控制的“硬”掩模相结合，有可能使表面点蚀和底切最小化。

我们证明了蚀刻的熔融石英表面允许通过该装置进行光学成像。这种处理方案将有助于制造透明的生物装置。一个应用是平面膜片钳电极。另一种是多电极阵列:穿孔膜电极组件近来受到越来越多的关注，因为它们同时能够实现组织固定、氧灌注和来自多个平行电极的记录，但是目前可用的装置不是透明的.我们现在能够在允许光学成像的光学透明衬底中制造类似的器件[37].最后，由于光敏抗蚀剂图案化的简单性，研究人员将能够在最少的处理时间内测试各种熔融石英和/或玻璃器件原型的性能。

审核编辑：符乾江