工藝參數選擇對石英玻璃刻蝕性能的研究

張文瓊，方 亮

(廈門大學嘉庚學院，漳州 363105)

0 引 言

目前，各種類型的玻璃材料在MOEMS(Micro-Opto-Electro-Mechanical Systems)及生物芯片中得到了大量的應用[1-3]。K9 玻璃、石英玻璃、GG17高溫玻璃作為現在常用的光學材料，它們在MOEMS制備中占據了重要的作用。Nakanishi等[4]采用46%的氫氟酸作為刻蝕劑制備出玻璃材質的電泳芯片。玻璃材料由于其自身特性，它沒有電荷的自由移動，介電性能好，玻璃通孔技術(Through-Glass Via,TGV)在半導體工業中越來越顯示出其優越性，TGV克服了硅通孔技術(Through Silicon Via,TSV)的載流子在電場、磁場作用下能夠自由移動，對臨近的信號產生干擾的缺點，提高了芯片的使用性能。在干法刻蝕中，采用CF4、CHF3、SF6、C4F8、F12等氟基氣體[5]，輔助氣體如氬氣、氦氣等氣體，在等離子體下對玻璃進行刻蝕。中科院微電所對TGV進行了一定的研究，他們使用C4F8、Ar氣刻蝕玻璃，在石英玻璃上加工出直徑50 μm的深孔[6]。臺灣中央研究院加工出了深寬比大于20 μm∶0.18 μm的硅納米柱陣列[7]；荷蘭代爾夫特理工大學加工出了深寬比為 280 μm∶5 μm，刻蝕速率為3.67 μm/min的硅通孔[8]。然而，TGV 技術面臨的關鍵問題是沒有類似硅的“Bosch”深刻蝕工藝，難以快速制作高深寬比的玻璃深孔或溝槽。因此可以進一步對玻璃刻蝕工藝進行研究，為玻璃微器件制備提供技術支持。

1 實 驗

1.1 光刻實驗

使用等離子水清洗樣片，然后在烘膠箱上85 ℃烘烤樣片10 min，除去樣片表面的水汽，而后使用科晶PCE-8Ar等離子清洗機清洗5 min。采用北京創世威納科技有限公司的MSP300B鍍膜機對樣品表面鍍Al膜層，在SC-1B型勻膠機上對樣片涂覆AR3740光刻膠。在microlab-lite 光刻儀上進行光刻，曝光時間為30 ms，用專用NaOH顯影液對曝光后的條紋進行顯影，顯影時間為60 s，NaOH顯影液對光刻膠顯影以后，繼續腐蝕Al層，Al掩模制備中化學反應如式(1)所示。然后放入去離子水清洗，N2氣槍吹干樣品，在烘干機上120 ℃條件下保持5 min進行堅膜工藝，制備出光刻膠、Al金屬掩膜圖案。

2Al+2NaOH+2H2O→2NaAlO2+3H2↑

(1)

1.2 刻蝕實驗

使用ICP601型刻蝕機對玻璃進行刻蝕，刻蝕機結構由上下電極功率源構成，上電極解離氣體，下電極起壓作用。選用SF6氣體在不同功率以及氣壓下進行刻蝕。

1.3 形貌觀測

使用佳能光鏡對光刻膠進行觀測，采用SEM電子顯微鏡對刻蝕的石英玻璃側面進行觀測。

2 結果與討論

2.1 曝光及顯影時間對顯影效果影響

不同曝光時間下光刻圖如圖1所示，可以看出,隨著曝光時間的延長，條紋完全顯影，而后條紋顯影寬度變寬。正性光刻膠一般由基質樹脂、光敏混合物(Photoactive Compound，PAC)、有機溶劑三部分組成，光敏混合物PAC以及感光樹脂在激光的照射下發生分解反應。分子空間結構發生重排，生成了茚酮。茚酮在NaOH堿性顯影液中被溶解掉，沒有被曝光的區域遺留下來，生成了掩膜層。

圖1 不同曝光時間光刻圖
Fig.1 Photo lithography at different exposure time

在曝光時間為25 ms時刻，這時候曝光時間短，能量不夠，光敏混合物PAC以及感光樹脂沒有完全分解，光刻膠底部有一層殘余的膠。在曝光時間為35 ms時，曝光的線條大于設定尺寸，主要是曝光強度的增大，激光有散射效果，可以使得側部的光刻膠感光，從而造成顯影尺寸增大，一般說來，在最優化的曝光峰值以后，隨著曝光時間的延長，曝光尺寸變大光刻效果變得越來越差，光刻膠臺階形貌控制、尺寸控制對后續工藝影響很大。從本實驗可以得出，30 ms是一個最優參數。

同樣，不同顯影時間也影響光刻圖，如圖2所示，顯影10 s，圖案沒有顯影出來，底層有光刻膠，呈現黃色。顯影20 s，底層的部分區域有藍色殘膠。30 s達到最優效果，40 s時候，線條變細，出現了過顯現象。

圖2 不同顯影時間光刻圖
Fig.2 Photo lithography at different development time

2.2 功率對石英玻璃刻蝕速率的影響

圖3 石英玻璃刻蝕速率與功率的關系Fig.3 Relationship between etching rate on quartz glass and power

功率對石英玻璃刻蝕速率的影響如圖3所示，隨著功率的增大，刻蝕速率變快，在20 W情況下，石英玻璃刻蝕速率為18 nm/min；100 W時刻蝕速率增加至190 nm/min。

石英玻璃的成分是SiO2，SiO2刻蝕過程是化學反應與物理轟擊共同作用的結果，兩者相輔相成，相互促進。在等離子體內,SF6與玻璃在離子輝光放電過程中發生化學反應[9-10],如反應式(2)、(3)所示，活性的F-與SiO2反應生成了氣態的SiF4，SiF4隨著分子泵排出，從而達到刻蝕石英玻璃的目的。Si-O鍵鍵能大，F-的轟擊作用可以輔助打開Si-O鍵，加速了刻蝕反應進行。RF功率通過控制偏壓從而控制離子轟擊表面的能量，物理轟擊的輔助作用增強，因此，增大功率可以提高刻蝕速率。

e-+SF6→SF5、SF4、SF3、F-

(2)

F-+SiO2→SiF4↑+O2↑

(3)

2.3 氣壓對石英玻璃刻蝕速率的影響

在不同氣壓條件下，刻蝕速率如圖4所示，可以看出,隨著氣壓增大,石英玻璃刻蝕速率變大，刻蝕速率達到峰值50 nm/min后，刻蝕速率隨著氣壓的增大而降低。

圖4 石英玻璃刻蝕速率與氣壓的關系Fig.4 Relationship between etching rate on quartz glass and air pressure

當腔體內氣壓較小的時候，F-濃度小，不足以讓樣品表面的SiO2與其充分反應，隨著氣壓的增大，使得更多的F-參與反應。同時，Ar離子濃度的增大，加速了物理轟擊的概率，刻蝕速率變大[11]。在腔體氣壓為0.5 Pa時，刻蝕速率達到峰值。當腔體內F-達到飽和狀態以后，隨著氣壓的增大，Ar離子碰撞概率增大，從而降低等離子體的能量，物理轟擊能量變小，速率反而降低。由離子輔助刻蝕模型看出，F-達到飽和狀態以后刻蝕速率Re與基底原子體密度ρs在一定條件下成反比例關系,如式(4)所示。

Re=1/(ρsYsnΓiΘ)

(4)

式中，Ysn是從飽和表面的中性粒子刻蝕去除量，Γi與Θ分別為入射到表面的中性流和離子流通量。

在壓強0.2 Pa時，掩模表面 Al原子濺射到刻蝕圖形的槽內部，多個Al原子匯集，集合成原子團，成核生長，逐步長成一個小的Al薄膜，槽內部小區域的Al薄膜阻礙了下部Si-O鍵的斷裂，形成了SiO2凸臺，多個凸臺匯集，成為了“長草現象”，如圖5(a)所示。在壓強0.5 Pa時候，物理轟擊的能量減小，可以看出SiO2槽形貌尺寸均一，樣品底部光滑，缺陷少，如圖5(b)所示。

圖5 石英玻璃形貌圖
Fig.5 Morphology of quartz glass

2.4 不同玻璃的刻蝕性能比較

圖6 不同玻璃刻蝕對比圖Fig.6 Contrast etching map of different glass

分別對石英、GG17(80)、GG17(79)、K9不同玻璃進行刻蝕，不同玻璃的刻蝕速率如圖6所示，可以看出,在一定條件下，K9玻璃的刻蝕速率大于石英玻璃的刻蝕速率，GG17耐高溫玻璃的刻蝕速率小于石英玻璃的刻蝕速率。

K9屬于堿硅酸鹽系統，它的組成如下：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等化學成分，這種玻璃網絡修飾體增加了玻璃中的非橋氧。使得玻璃內部離子間的鍵能減少，在Ar離子的物理轟擊下，容易斷裂，因而刻蝕速率增大。GG17玻璃80號和79號是指SiO2的含量為80%與79%，GG17是一種高硼硅玻璃，相比K9玻璃，其結構更加穩定，安全操作溫度低于應變溫度520 ℃。GG17耐高溫玻璃的刻蝕速率小于石英的刻蝕速率，主要是GG17耐高溫玻璃含有約2%的Al2O3，GG17(80)的Al2O3含量略低于GG17(79)。F基與Al2O3產生的化合物AlF3不容易揮發，阻礙了后續的刻蝕，因而刻蝕速率變小。對于Al基玻璃，可以采用Cl基氣體刻蝕，Cl基刻蝕氣體與Al基玻璃的反應如式(5)～(6)所示，可以看出,生成物AlCl3、SiCl4是氣態成分，具有揮發性，可以快速刻蝕含有鋁基的玻璃。

2BCl3+SiO2→SiCl4↑+2BOCl

(5)

Al2O3+3BCl3→2AlCl3↑+3BOCl

(6)

3 結 論

(1)在最優的曝光峰值以后，隨著曝光時間的延長，曝光尺寸變大，光刻效果變得越來越差，光刻膠臺階形貌控制、尺寸控制對后續工藝影響很大。本實驗中30 ms為最優參數。

(2)隨著功率的增大，刻蝕速率變快。隨著氣壓增大，石英玻璃刻蝕速率變大，刻蝕速率達到峰值50 nm/min后，刻蝕速率隨著氣壓的增大而降低。

(3)在采用SF6刻蝕氣體的前提下，K9玻璃的刻蝕速率大于石英玻璃的刻蝕速率，GG17耐高溫玻璃的刻蝕速率小于石英玻璃的刻蝕速率，為玻璃微器件制備提供技術支持。