文章來源：芯學知

原文作者：芯啟未來

本文介紹了MEMS制造中玻璃的刻蝕方法。

在MEMS中，玻璃因具有良好的絕緣性、透光性、化學穩定性及可鍵合性（如與硅陽極鍵合），常被用作襯底、封裝結構或微流體通道基板。玻璃刻蝕是制備這些微結構的核心工藝，需根據精度要求、結構尺寸及玻璃類型選擇合適的方法，玻璃刻蝕主要分為濕法腐蝕和干法刻蝕兩大類。

濕法腐蝕：低成本，適合大尺寸結構

濕法刻蝕通過化學溶液與玻璃表面反應實現腐蝕，操作簡單、成本低，但各向異性較差（更接近各向同性），適合對側壁垂直度要求不高的場景（如淺槽、寬通道）。

1、濕法腐蝕的核心藥液——HF

玻璃的主要成分是二氧化硅，HF是唯一能有效腐蝕SiO?的酸，反應機理為：

SiO2+4HF→SiF4↑+2H2O

實際中常用緩沖氫氟酸（BHF或BOE）（HF+NH?F混合液），而非純HF，純HF反應劇烈，難以控制刻蝕速率；BHF中NH?F可消耗反應產物H?，減緩反應速度，提高刻蝕均勻性（刻蝕速率通常為0.1-1μm/min）。

2、掩膜材料

濕法腐蝕需通過掩膜定義刻蝕區域，掩膜需滿足耐蝕刻劑腐蝕且易圖案化：金屬掩膜最常用，如鉻（Cr）、鎳（Ni），通過濺射或蒸發沉積金屬膜，再光刻圖案化，最后濕法刻蝕金屬得到掩膜，優點是耐HF腐蝕能力強，適合深槽刻蝕；光刻膠掩膜較為常用的為SU8，僅適合淺刻蝕（<5μm），因光刻膠在HF中易被緩慢腐蝕（選擇性低），且長時間浸泡會膨脹導致圖案變形。

3、影響腐蝕速率的因素

刻蝕速率與玻璃中SiO?含量及雜質（如 Na?O、B?O?）相關。石英玻璃（高純度SiO?）刻蝕速率較慢；硼硅玻璃（BF33含B?O?、Na?O）因堿金屬離子促進HF反應，刻蝕速率更高；HF濃度與溫度影響，濃度升高或溫度上升會顯著加快刻蝕速率（如20%HF在25℃時刻蝕硼硅玻璃速率約0.5μm/min，40℃時可達1μm/min），但需平衡速率與均勻性。

4、應用場景

適合制備微流體淺通道、鍵合前的玻璃定位凹槽、MEMS傳感器的硅島活動窗口等，典型應用如微流控芯片的玻璃基板淺通道刻蝕。

干法刻蝕：高精度、高各向異性

干法刻蝕通過等離子體與玻璃表面發生物理轟擊或化學反應實現刻蝕，可精準控制側壁垂直度和深寬比，適合高精度MEMS結構（如深槽、高垂直度通道）。

1、核心刻蝕氣體——氟基等離子體

玻璃干法刻蝕主要通過氟與SiO?反應生成SiF4，SiF4為可揮發性氣體可被真空泵抽走，在ICP刻蝕過程中再結合物理轟擊可增強各向異性。

2、掩膜材料

干法刻蝕需通過掩膜定義刻蝕區域，掩膜需滿足耐蝕刻劑刻蝕且易圖案化：金屬掩膜最常用，如Cr、Ni、Al等。通過濺射或蒸發沉積金屬膜，再光刻圖案化，最后濕法刻蝕金屬得到掩膜，優點是耐等離子體刻蝕；光刻膠掩膜僅適合淺刻蝕（<5μm），因光刻膠等離子體中也會被同步刻蝕，刻蝕速率基本和SiO2速率一致，所以光刻膠僅適合作為淺槽刻蝕的掩膜使用。

3、刻蝕影響因素

干法刻蝕主要受設備刻蝕參數影響較大，主要有以下幾點：a)、功率：射頻功率（ICP/RIE功率）決定等離子體密度，功率升高可提高刻蝕速率，但需避免過度轟擊導致表面粗糙；b）、腔體真空度：低氣壓下離子平均自由程長，物理轟擊更強，各向異性更好；c）、氣體比例：SF?提供高氟濃度（化學腐蝕為主），Ar增強物理轟擊（提高各向異性），O?可減少聚合物沉積（避免側壁污染）。

4、應用場景

適合制備高垂直度的微傳感器封裝槽、深孔陣列（如紅外探測器的玻璃窗口）、MEMS 陀螺儀的玻璃深槽結構等。