Decapagem úmida profunda em vários níveis de microestruturas de vidro de sílica fundida em solução BOE

Apr 24, 2023

Scientific Reports volume 13, Número do artigo: 5228 (2023) Cite 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, desempenho óptico, elétrico e mecânico. A corrosão 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 corrosão. Aqui, propomos uma rota de fabricação de microestruturas multinível baseada em sílica fundida e corrosão profunda através de uma máscara escalonada. Primeiro, fornecemos uma análise de um mecanismo de dissolução de sílica fundida em solução de corrosão por 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 corrosão e isotropia do perfil durante a corrosão profunda 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, que pode ser de grande interesse para microdispositivos avançados com suspensões de flexão, massas inerciais, microcanais e orifícios de wafer.

Wafers de vidro de sílica fundida são amplamente utilizados 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 de 5 a 50 µm de espessura6,7, microcanais de 10 a 100 µm de profundidade8,9 ou orifícios passantes em toda a profundidade do substrato de 150 a 1000 µm10,11. Além disso, os microdispositivos geralmente combinam esses elementos em microestruturas de vários níveis12. É extremamente importante garantir o processamento de alta qualidade dos elementos 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 várias aplicações ópticas, mecânicas e microfluídicas. Em contraste com os métodos úmidos, a corrosão por plasma é preferida para a corrosão profunda de silício15, mas é limitada para sílica fundida por sua baixa taxa de corrosão e profundidade de corrosão devido à baixa seletividade para máscaras protetoras16. É por isso que os processos de corrosão úmida ainda são o principal método de fabricação de microdispositivos de vidro. Permite o ataque de microestruturas profundas com perfil isotrópico e baixa rugosidade superficial em altas taxas de ataque (vários μm/min)17. A corrosão por sílica fundida é realizada em solução à base de HF devido à alta inércia química do vidro. Normalmente, aditivos tampão são adicionados às soluções de ácido fluorídrico para estabilizar a taxa de corrosão, o que é útil no caso de corrosão de vidros multicomponentes devido à dissolução dos produtos da reação18. No entanto, a estabilidade e a integridade da máscara protetora em agentes corrosivos reativos tornam-se o fator limitante (Tabela 1).

O material e as propriedades de uma máscara protetora, bem como a composição da solução de condicionamento, são os fatores mais importantes que afetam a qualidade do condicionamento. Máscaras protetoras fotorresistentes (AZ5214E, SPR220), metálicas (Au/Cr, Cr, Mo) e 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 de máscara para vários dispositivos. Assim, as máscaras fotorresistentes são fáceis de revestir, mas têm baixa adesão e baixa resistência a soluções de HF, limitando profundidades de corrosão em várias dezenas de micrômetros19,20,21,22,23,24,25. As máscaras à base de Si são altamente resistentes 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 da máscara alcalina, ligação anódica de placas de Si para corrosão de vidro de borosilicato). As máscaras metálicas à base de Cr/Au são as mais comumente usadas na gravação de vidro úmido4,7,23,29,30,31. O cromo garante alta adesão dos filmes de ouro ao vidro, enquanto o ouro é altamente inerte em soluções de HF, o que garante a corrosão profunda das 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 corrosão profunda em vidro26,27,28,34,35,36. No entanto, esses metais tendem a formar camadas de alta tensão, exigindo um processo de deposição avançado. Os principais benefícios do filme de molibdênio são baixas taxas de dissolução em ácido HF (próximo a 19 Å/min) e alta adesão ao substrato de vidro42, bem como menor custo em comparação com máscaras à base de ouro.