工艺参数选择对石英玻璃刻蚀性能的研究

张文琼，方 亮

(厦门大学嘉庚学院，漳州 363105)

0 引 言

目前，各种类型的玻璃材料在MOEMS(Micro-Opto-Electro-Mechanical Systems)及生物芯片中得到了大量的应用[1-3]。K9 玻璃、石英玻璃、GG17高温玻璃作为现在常用的光学材料，它们在MOEMS制备中占据了重要的作用。Nakanishi等[4]采用46%的氢氟酸作为刻蚀剂制备出玻璃材质的电泳芯片。玻璃材料由于其自身特性，它没有电荷的自由移动，介电性能好，玻璃通孔技术(Through-Glass Via,TGV)在半导体工业中越来越显示出其优越性，TGV克服了硅通孔技术(Through Silicon Via,TSV)的载流子在电场、磁场作用下能够自由移动，对临近的信号产生干扰的缺点，提高了芯片的使用性能。在干法刻蚀中，采用CF4、CHF3、SF6、C4F8、F12等氟基气体[5]，辅助气体如氩气、氦气等气体，在等离子体下对玻璃进行刻蚀。中科院微电所对TGV进行了一定的研究，他们使用C4F8、Ar气刻蚀玻璃，在石英玻璃上加工出直径50 μm的深孔[6]。台湾中央研究院加工出了深宽比大于20 μm∶0.18 μm的硅纳米柱阵列[7]；荷兰代尔夫特理工大学加工出了深宽比为 280 μm∶5 μm，刻蚀速率为3.67 μm/min的硅通孔[8]。然而，TGV 技术面临的关键问题是没有类似硅的“Bosch”深刻蚀工艺，难以快速制作高深宽比的玻璃深孔或沟槽。因此可以进一步对玻璃刻蚀工艺进行研究，为玻璃微器件制备提供技术支持。

1 实 验

1.1 光刻实验

使用等离子水清洗样片，然后在烘胶箱上85 ℃烘烤样片10 min，除去样片表面的水汽，而后使用科晶PCE-8Ar等离子清洗机清洗5 min。采用北京创世威纳科技有限公司的MSP300B镀膜机对样品表面镀Al膜层，在SC-1B型匀胶机上对样片涂覆AR3740光刻胶。在microlab-lite 光刻仪上进行光刻，曝光时间为30 ms，用专用NaOH显影液对曝光后的条纹进行显影，显影时间为60 s，NaOH显影液对光刻胶显影以后，继续腐蚀Al层，Al掩模制备中化学反应如式(1)所示。然后放入去离子水清洗，N2气枪吹干样品，在烘干机上120 ℃条件下保持5 min进行坚膜工艺，制备出光刻胶、Al金属掩膜图案。

2Al+2NaOH+2H2O→2NaAlO2+3H2↑

(1)

1.2 刻蚀实验

使用ICP601型刻蚀机对玻璃进行刻蚀，刻蚀机结构由上下电极功率源构成，上电极解离气体，下电极起压作用。选用SF6气体在不同功率以及气压下进行刻蚀。

1.3 形貌观测

使用佳能光镜对光刻胶进行观测，采用SEM电子显微镜对刻蚀的石英玻璃侧面进行观测。

2 结果与讨论

2.1 曝光及显影时间对显影效果影响

不同曝光时间下光刻图如图1所示，可以看出,随着曝光时间的延长，条纹完全显影，而后条纹显影宽度变宽。正性光刻胶一般由基质树脂、光敏混合物(Photoactive Compound，PAC)、有机溶剂三部分组成，光敏混合物PAC以及感光树脂在激光的照射下发生分解反应。分子空间结构发生重排，生成了茚酮。茚酮在NaOH碱性显影液中被溶解掉，没有被曝光的区域遗留下来，生成了掩膜层。

图1 不同曝光时间光刻图
Fig.1 Photo lithography at different exposure time

在曝光时间为25 ms时刻，这时候曝光时间短，能量不够，光敏混合物PAC以及感光树脂没有完全分解，光刻胶底部有一层残余的胶。在曝光时间为35 ms时，曝光的线条大于设定尺寸，主要是曝光强度的增大，激光有散射效果，可以使得侧部的光刻胶感光，从而造成显影尺寸增大，一般说来，在最优化的曝光峰值以后，随着曝光时间的延长，曝光尺寸变大光刻效果变得越来越差，光刻胶台阶形貌控制、尺寸控制对后续工艺影响很大。从本实验可以得出，30 ms是一个最优参数。

同样，不同显影时间也影响光刻图，如图2所示，显影10 s，图案没有显影出来，底层有光刻胶，呈现黄色。显影20 s，底层的部分区域有蓝色残胶。30 s达到最优效果，40 s时候，线条变细，出现了过显现象。

图2 不同显影时间光刻图
Fig.2 Photo lithography at different development time

2.2 功率对石英玻璃刻蚀速率的影响

图3 石英玻璃刻蚀速率与功率的关系Fig.3 Relationship between etching rate on quartz glass and power

功率对石英玻璃刻蚀速率的影响如图3所示，随着功率的增大，刻蚀速率变快，在20 W情况下，石英玻璃刻蚀速率为18 nm/min；100 W时刻蚀速率增加至190 nm/min。

石英玻璃的成分是SiO2，SiO2刻蚀过程是化学反应与物理轰击共同作用的结果，两者相辅相成，相互促进。在等离子体内,SF6与玻璃在离子辉光放电过程中发生化学反应[9-10],如反应式(2)、(3)所示，活性的F-与SiO2反应生成了气态的SiF4，SiF4随着分子泵排出，从而达到刻蚀石英玻璃的目的。Si-O键键能大，F-的轰击作用可以辅助打开Si-O键，加速了刻蚀反应进行。RF功率通过控制偏压从而控制离子轰击表面的能量，物理轰击的辅助作用增强，因此，增大功率可以提高刻蚀速率。

e-+SF6→SF5、SF4、SF3、F-

(2)

F-+SiO2→SiF4↑+O2↑

(3)

2.3 气压对石英玻璃刻蚀速率的影响

在不同气压条件下，刻蚀速率如图4所示，可以看出,随着气压增大,石英玻璃刻蚀速率变大，刻蚀速率达到峰值50 nm/min后，刻蚀速率随着气压的增大而降低。

图4 石英玻璃刻蚀速率与气压的关系Fig.4 Relationship between etching rate on quartz glass and air pressure

当腔体内气压较小的时候，F-浓度小，不足以让样品表面的SiO2与其充分反应，随着气压的增大，使得更多的F-参与反应。同时，Ar离子浓度的增大，加速了物理轰击的概率，刻蚀速率变大[11]。在腔体气压为0.5 Pa时，刻蚀速率达到峰值。当腔体内F-达到饱和状态以后，随着气压的增大，Ar离子碰撞概率增大，从而降低等离子体的能量，物理轰击能量变小，速率反而降低。由离子辅助刻蚀模型看出，F-达到饱和状态以后刻蚀速率Re与基底原子体密度ρs在一定条件下成反比例关系,如式(4)所示。

Re=1/(ρsYsnΓiΘ)

(4)

式中，Ysn是从饱和表面的中性粒子刻蚀去除量，Γi与Θ分别为入射到表面的中性流和离子流通量。

在压强0.2 Pa时，掩模表面 Al原子溅射到刻蚀图形的槽内部，多个Al原子汇集，集合成原子团，成核生长，逐步长成一个小的Al薄膜，槽内部小区域的Al薄膜阻碍了下部Si-O键的断裂，形成了SiO2凸台，多个凸台汇集，成为了“长草现象”，如图5(a)所示。在压强0.5 Pa时候，物理轰击的能量减小，可以看出SiO2槽形貌尺寸均一，样品底部光滑，缺陷少，如图5(b)所示。

图5 石英玻璃形貌图
Fig.5 Morphology of quartz glass

2.4 不同玻璃的刻蚀性能比较

图6 不同玻璃刻蚀对比图Fig.6 Contrast etching map of different glass

分别对石英、GG17(80)、GG17(79)、K9不同玻璃进行刻蚀，不同玻璃的刻蚀速率如图6所示，可以看出,在一定条件下，K9玻璃的刻蚀速率大于石英玻璃的刻蚀速率，GG17耐高温玻璃的刻蚀速率小于石英玻璃的刻蚀速率。

K9属于碱硅酸盐系统，它的组成如下：SiO2=69.13%，B2O3=10.75%，BaO=3.07%，Na2O=10.40%，K2O=6.29%，As2O3=0.36%，K9玻璃含有大量B2O3、K2O、Na2O等化学成分，这种玻璃网络修饰体增加了玻璃中的非桥氧。使得玻璃内部离子间的键能减少，在Ar离子的物理轰击下，容易断裂，因而刻蚀速率增大。GG17玻璃80号和79号是指SiO2的含量为80%与79%，GG17是一种高硼硅玻璃，相比K9玻璃，其结构更加稳定，安全操作温度低于应变温度520 ℃。GG17耐高温玻璃的刻蚀速率小于石英的刻蚀速率，主要是GG17耐高温玻璃含有约2%的Al2O3，GG17(80)的Al2O3含量略低于GG17(79)。F基与Al2O3产生的化合物AlF3不容易挥发，阻碍了后续的刻蚀，因而刻蚀速率变小。对于Al基玻璃，可以采用Cl基气体刻蚀，Cl基刻蚀气体与Al基玻璃的反应如式(5)～(6)所示，可以看出,生成物AlCl3、SiCl4是气态成分，具有挥发性，可以快速刻蚀含有铝基的玻璃。

2BCl3+SiO2→SiCl4↑+2BOCl

(5)

Al2O3+3BCl3→2AlCl3↑+3BOCl

(6)

3 结 论

(1)在最优的曝光峰值以后，随着曝光时间的延长，曝光尺寸变大，光刻效果变得越来越差，光刻胶台阶形貌控制、尺寸控制对后续工艺影响很大。本实验中30 ms为最优参数。

(2)随着功率的增大，刻蚀速率变快。随着气压增大，石英玻璃刻蚀速率变大，刻蚀速率达到峰值50 nm/min后，刻蚀速率随着气压的增大而降低。

(3)在采用SF6刻蚀气体的前提下，K9玻璃的刻蚀速率大于石英玻璃的刻蚀速率，GG17耐高温玻璃的刻蚀速率小于石英玻璃的刻蚀速率，为玻璃微器件制备提供技术支持。