Gravura úmida multinível profunda de microestruturas de vidro de sílica fundida em solução BOE

Scientific Reports volume 13, Artigo número: 5228 (2023) Citar este artigo

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O vidro de sílica fundida é um material de escolha para dispositivos micromecânicos, microfluídicos e ópticos devido à sua resistência química e desempenho óptico, elétrico e mecânico. A gravação úmida é o método chave para a fabricação de tais microdispositivos. A integridade da máscara protetora é um grande desafio devido às propriedades extremamente agressivas da solução de ataque químico. Aqui, propomos uma rota de fabricação de microestruturas multinível baseada no ataque profundo de sílica fundida através de uma máscara escalonada. Primeiro, fornecemos uma análise de um mecanismo de dissolução de sílica fundida em solução de ataque com óxido tamponado (BOE) e calculamos as principais frações de flúor como \({HF}_{2}^{-}\), \({F}^{ -}\), \({(HF)}_{2}\) em função do pH e da relação NH4F:HF. Em seguida, investigamos experimentalmente a influência da composição do BOE (1: 1–14: 1) na resistência da máscara, taxa de ataque e isotropia do perfil durante o ataque profundo através de uma máscara de metal/fotorresiste. Finalmente, demonstramos um processo de gravação multinível acima de 200 μm de alta qualidade com taxa de até 3 μm/min, o que pode ser de grande interesse para microdispositivos avançados com suspensões de flexão, massas inerciais, microcanais e furos de wafer.

As bolachas de vidro de sílica fundida são amplamente utilizadas em microdispositivos, como sensores inerciais1, sistemas microfluídicos2,3 e sensores ópticos4,5 devido às suas excelentes propriedades mecânicas, elétricas e ópticas, estabilidade térmica e química, bem como biocompatibilidade. Os elementos estruturais desses dispositivos geralmente contêm membranas de flexão com 5 a 50 µm de espessura6,7, microcanais com 10 a 100 µm de profundidade8,9 ou orifícios passantes para toda a profundidade do substrato de 150 a 1000 µm10,11. Além disso, os microdispositivos muitas vezes combinam esses elementos em microestruturas multiníveis12. É extremamente importante garantir o processamento de alta qualidade de elementos de microdispositivos de vidro fundido, uma vez que determina os parâmetros ópticos, reológicos e mecânicos das estruturas. Existem algumas tecnologias importantes de microfabricação de vidro: impressão 3D, mecânica, térmica e química (seca e úmida)13,14. Somente métodos químicos garantem a obtenção de superfícies lisas, que são críticas para diversas aplicações ópticas, mecânicas e microfluídicas. Em contraste com os métodos úmidos, o ataque a plasma é preferido para o ataque profundo de silício, mas é limitado para a sílica fundida por sua baixa taxa de ataque e profundidade de ataque devido à baixa seletividade para máscaras protetoras. É por isso que os processos de gravação úmida ainda são o principal método de fabricação de microdispositivos de vidro. Permite gravar microestruturas profundas com perfil isotrópico e baixa rugosidade superficial em altas taxas de ataque (vários μm/min) . A gravação em sílica fundida é realizada em solução à base de HF devido à alta inércia química do vidro. Normalmente, aditivos tampão são adicionados a soluções de ácido fluorídrico para estabilizar a taxa de ataque, o que é útil no caso de ataque de vidros multicomponentes devido à dissolução dos produtos da reação . No entanto, a estabilidade e integridade da máscara protetora em condicionadores reativos tornam-se o fator limitante (Tabela 1).

O material e as propriedades de uma máscara protetora, bem como a composição da solução de ataque, são os fatores mais importantes que afetam a qualidade do ataque. Fotorresistentes (AZ5214E, SPR220), metais (Au/Cr, Cr, Mo) e máscaras protetoras à base de silício (a:Si, bulk-Si) (Tabela 1) são as soluções mais comumente usadas. A complexidade do processo de fabricação e as profundidades necessárias das microestruturas de sílica fundida determinam a escolha dos materiais da máscara para vários dispositivos. Assim, as máscaras fotorresistentes são fáceis de revestir por rotação, mas apresentam baixa adesão e baixa resistência a soluções de HF, limitando profundidades de gravação a várias dezenas de micrômetros . As máscaras à base de Si apresentam alta resistência à solução de ácido fluorídrico4,37,38,39,40,41. No entanto, a fabricação de camadas à base de Si de baixa tensão é desafiadora (por exemplo, camadas espessas de a:Si) e pode exigir etapas tecnológicas adicionais (por exemplo, remoção de máscara alcalina, ligação anódica de placas de Si para gravação em vidro de borosilicato). Máscaras metálicas à base de Cr/Au são as mais comumente utilizadas na gravação de vidro úmido4,7,23,29,30,31. O cromo garante alta adesão de filmes de ouro ao vidro, enquanto o ouro é altamente inerte em soluções de HF, o que garante um ataque profundo de microestruturas. O alto custo e a alta capacidade de difusão das máscaras de ouro limitam suas possíveis aplicações. Metais refratários como molibdênio e cromo são usados ​​com sucesso para gravação profunda em vidro26,27,28,34,35,36. No entanto, estes metais tendem a formar camadas de alta tensão que requerem um processo de deposição avançado. Os principais benefícios do filme de molibdênio são baixas taxas de dissolução em ácido HF (perto de 19 Å/min) e alta adesão ao substrato de vidro, bem como menor custo em comparação com máscaras à base de ouro.