玻璃微加工工藝的研究
抽象
本文介紹了玻璃微加工的工藝，包括噴砂，溼法蝕刻，反應離子蝕刻（RIE）和玻璃回流技術。根據實驗介紹並討論了每種方法的優缺點。噴砂和溼法蝕刻技術是簡單的工藝，但是在小而高縱橫比的結構中卻面臨困難。演示了噴砂處理過的2 cm×2 cm Tempax玻璃晶片，其蝕刻深度約為150 m。通過溼蝕刻工藝觀察到具有蝕刻深度和側面約20μm的Tempax玻璃結構。這項工作最重要的方面是開發RIE和玻璃回流焊技術。這些方法的當前挑戰在此得到解決。深Tempax玻璃柱，表面光滑，垂直，通過RIE技術獲得了直徑為1μm的玻璃柱，縱橫比為2μm，蝕刻深度為10μm的高深寬比為10的玻璃。通過玻璃回流技術成功地演示了嵌入在Tempax玻璃內部的貫穿矽晶片互連。研究了玻璃回流到大腔體（大於100μm），微溝槽（0.8μm寬溝槽）和微毛細管（直徑1μm）的情況。進行了工藝流程的其他優化，以使玻璃滲透到微型圖案中。並研究了微毛細管（直徑為1μm）。進行了工藝流程的其他優化，以使玻璃滲透到微型圖案中。並研究了微毛細管（直徑為1μm）。進行了工藝流程的其他優化，以使玻璃滲透到微型圖案中。
關鍵詞：玻璃微加工，溼法蝕刻，噴砂，反應離子蝕刻，玻璃回流工藝
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1.簡介
由於玻璃的優異材料性能，包括透明度，機械強度，和介電性能，該玻璃已經被廣泛用於微納米機械系統[ 1，2 ]，微納米流體裝置[ 3，4 ]，和光學MEMS（微機電系統）設備[ 5 ]。的玻璃基板，可以容易地連接到經由陽極接合工藝的矽襯底沒有任何額外的粘合劑，而這些鍵的密封件表現出良好的氣密真空[ 6，7 ]和高粘合強度[ 8 ]。不幸的是，玻璃很難以微米級的尺度精確地加工。
在過去的幾十年中，矽的微納米製造技術已經得到研究和發展。高深寬比的矽圖形結構可通過深RIE技術輕鬆實現[ 9 ]。反過來，對玻璃微機械加工的研究較少。有在SiO的蝕刻許多研究2 [ 10，11，12 ]; 然而，玻璃的蝕刻比SiO 2的蝕刻困難更大。TEMPAX玻璃的組分包括大約75％的SiO 2，13％的Na 2 O，10.5％CaO和其它少量添加劑，如1.3％的Al 2 3，0.3％K 2 O，等。因此，玻璃不是純SiO 2，而是向玻璃中添加在蝕刻過程中具有不同蝕刻速率的其他成分。因此，低縱橫比，低蝕刻速率，有限的掩模選擇性和高表面粗糙度仍然是玻璃微加工中的當前問題。
目前微機械加工玻璃的幾種技術存在的，包括鑽孔[ 13 ]，銑[ 13 ]，雷射[ 13 ]，噴砂[ 13 ]，溼式蝕刻[ 14，15 ]，幹蝕刻[ 16，17，18 ]，玻璃模製技術[ 6，19，20，21，22 ]，等。前三種方法通常用於較大的圖案尺寸和較小結構的面問題。噴砂技術會導致粗糙的蝕刻表面，並且難以製造100μm以下的小圖案。深玻璃蝕刻的溼法蝕刻可通過光滑的側壁實現；然而，由於其各向同性的刻蝕行為，長寬比受到限制。而且，關於側面蝕刻，尺寸再現性可能是困難的。與幹法刻蝕相反，它可以實現精確的微加工；然而，在深蝕刻中仍然存在蝕刻速率，掩模選擇性和蝕刻質量的挑戰。玻璃成型技術，也稱為玻璃吹制和玻璃回流，是用於廣泛的微系統應用的潛在技術。在本質上，玻璃吹制可以認為是玻璃回流的反向。在以前的出版物中已經描述了玻璃吹制[19 ]。首先，將矽中的蝕刻腔與薄玻璃晶圓結合在一起。然後，將該晶片在爐內在高溫下加熱。由於空腔中截留氣體的膨脹，玻璃被吹入三維球形殼中。已經提出了高Q因子微玻璃吹制的酒杯諧振器[ 20 ]。另外，使用玻璃吹制已成功地證明了雙面微透鏡陣列[ 21 ]。反過來，對於玻璃回流，需要真空腔。真空在真空腔內的玻璃上施加力，在高溫過程中將其拉入腔中。玻璃可以滲透到大空腔中；但是，玻璃不容易拉成狹窄的圖案[ 6，22 ]。
在這項工作中，研究和評估了四種用於玻璃微加工的技術，包括噴砂，溼法蝕刻，RIE和玻璃回流技術。噴砂和溼法蝕刻技術是簡單的工藝，但是它們面臨著小而高縱橫比的結構的難題。通過使用RIE，還研究了具有光滑表面，垂直形狀和高縱橫比的深Tempax玻璃柱結構。最後，研究了玻璃回流到大腔體，微溝槽和微毛細管中的情況。
2.實驗與討論
2.1。噴沙
噴砂是一種技術，其中將微粒射流引向目標（樣品）以通過高速磨料顆粒的撞擊通過機械腐蝕去除材料。噴砂工藝可用於蝕刻各種材料，例如玻璃[ 13 ]，陶瓷[ 2 ]（例如：LTCC（低溫共燒陶瓷））和矽。
圖1圖中所示為噴砂裝置，通常由噴嘴，微粉和可移動平臺組成。通過噴砂機的噴嘴，高壓氣流使顆粒向樣品加速。樣品的蝕刻速率通常由粉末的噴射速度（80-290 m / s）和工作檯移動速度（X速度和Y速度）控制。在這項工作中，噴砂工藝用於Tempax玻璃的圖案化，使用的Al 2 O 3粉末的粒徑為14μm。圖2說明了在玻璃晶圓上噴砂的實驗過程。厚度為300 m的玻璃基板（圖2a）用於此過程。粘貼厚度為50μm的幹膜抗蝕劑（MS 7050，Toray，東京，日本），然後執行光刻，如圖圖2b。接下來，通過噴砂蝕刻具有幹膜抗蝕劑圖案的玻璃晶片。如圖所示，在噴砂條件下，玻璃蝕刻深度約為150 m。表格1。噴砂效果的插圖圖像顯示在圖3。圖中給出了2 cm×2 cm的玻璃晶片和AA'橫截面圖3a，b。玻璃蝕刻表面非常粗糙，蝕刻輪廓演變為V形，如圖所示圖3。
綜上所述，噴砂技術的優點是簡單，成本低，定向刻蝕準確。然而，由於幹膜抗蝕劑解析度的限制和粉末顆粒的大尺寸，對於小圖案來說是困難的。此外，如上所述，粗糙的蝕刻表面和錐形蝕刻輪廓面臨困難。在噴砂過程中滲透到蝕刻表面的Al 2 O 3粉末可以在後處理過程中釋放出來。因此，在器件製造的表面上可能會出現許多顆粒。將該方法的優缺點與其他方法進行了比較表2。
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