MEMS制造中玻璃的刻蚀方法

文章来源：芯学知

原文作者：芯启未来

本文介绍了MEMS制造中玻璃的刻蚀方法。

在MEMS中，玻璃因具有良好的绝缘性、透光性、化学稳定性及可键合性（如与硅阳极键合），常被用作衬底、封装结构或微流体通道基板。玻璃刻蚀是制备这些微结构的核心工艺，需根据精度要求、结构尺寸及玻璃类型选择合适的方法，玻璃刻蚀主要分为湿法腐蚀和干法刻蚀两大类。

湿法腐蚀：低成本，适合大尺寸结构

湿法刻蚀通过化学溶液与玻璃表面反应实现腐蚀，操作简单、成本低，但各向异性较差（更接近各向同性），适合对侧壁垂直度要求不高的场景（如浅槽、宽通道）。

1、湿法腐蚀的核心药液——HF

玻璃的主要成分是二氧化硅，HF是唯一能有效腐蚀SiO₂的酸，反应机理为：

SiO2+4HF→SiF4↑+2H2O

实际中常用缓冲氢氟酸（BHF或BOE）（HF+NH₄F混合液），而非纯HF，纯HF反应剧烈，难以控制刻蚀速率；BHF中NH₄F可消耗反应产物H⁺，减缓反应速度，提高刻蚀均匀性（刻蚀速率通常为0.1-1μm/min）。

2、掩膜材料

湿法腐蚀需通过掩膜定义刻蚀区域，掩膜需满足耐蚀刻剂腐蚀且易图案化：金属掩膜最常用，如铬（Cr）、镍（Ni），通过溅射或蒸发沉积金属膜，再光刻图案化，最后湿法刻蚀金属得到掩膜，优点是耐HF腐蚀能力强，适合深槽刻蚀；光刻胶掩膜较为常用的为SU8，仅适合浅刻蚀（<5μm），因光刻胶在HF中易被缓慢腐蚀（选择性低），且长时间浸泡会膨胀导致图案变形。

3、影响腐蚀速率的因素

刻蚀速率与玻璃中SiO₂含量及杂质（如 Na₂O、B₂O₃）相关。石英玻璃（高纯度SiO₂）刻蚀速率较慢；硼硅玻璃（BF33含B₂O₃、Na₂O）因碱金属离子促进HF反应，刻蚀速率更高；HF浓度与温度影响，浓度升高或温度上升会显著加快刻蚀速率（如20%HF在25℃时刻蚀硼硅玻璃速率约0.5μm/min，40℃时可达1μm/min），但需平衡速率与均匀性。

4、应用场景

适合制备微流体浅通道、键合前的玻璃定位凹槽、MEMS传感器的硅岛活动窗口等，典型应用如微流控芯片的玻璃基板浅通道刻蚀。

干法刻蚀：高精度、高各向异性

干法刻蚀通过等离子体与玻璃表面发生物理轰击或化学反应实现刻蚀，可精准控制侧壁垂直度和深宽比，适合高精度MEMS结构（如深槽、高垂直度通道）。

1、核心刻蚀气体——氟基等离子体

玻璃干法刻蚀主要通过氟与SiO₂反应生成SiF4，SiF4为可挥发性气体可被真空泵抽走，在ICP刻蚀过程中再结合物理轰击可增强各向异性。

2、掩膜材料

干法刻蚀需通过掩膜定义刻蚀区域，掩膜需满足耐蚀刻剂刻蚀且易图案化：金属掩膜最常用，如Cr、Ni、Al等。通过溅射或蒸发沉积金属膜，再光刻图案化，最后湿法刻蚀金属得到掩膜，优点是耐等离子体刻蚀；光刻胶掩膜仅适合浅刻蚀（<5μm），因光刻胶等离子体中也会被同步刻蚀，刻蚀速率基本和SiO2速率一致，所以光刻胶仅适合作为浅槽刻蚀的掩膜使用。

3、刻蚀影响因素

干法刻蚀主要受设备刻蚀参数影响较大，主要有以下几点：a)、功率：射频功率（ICP/RIE功率）决定等离子体密度，功率升高可提高刻蚀速率，但需避免过度轰击导致表面粗糙；b）、腔体真空度：低气压下离子平均自由程长，物理轰击更强，各向异性更好；c）、气体比例：SF₆提供高氟浓度（化学腐蚀为主），Ar增强物理轰击（提高各向异性），O₂可减少聚合物沉积（避免侧壁污染）。

4、应用场景

适合制备高垂直度的微传感器封装槽、深孔阵列（如红外探测器的玻璃窗口）、MEMS 陀螺仪的玻璃深槽结构等。