超深熔融石英玻璃蚀刻

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摘要
微流体和光学传感平台通常由玻璃和熔融石英(石英)制成，因为它们具有光学透明性和化学惰性。氢氟酸(HF)溶液是用于深度蚀刻二氧化硅衬底的选择的蚀刻介质，但是由于HF迁移穿过大多数掩模材料的侵蚀性，对于大于1小时的蚀刻时间，处理方案变得复杂和昂贵。我们在此提出蚀刻到超过600微米深的熔融石英中，同时保持衬底没有凹坑并保持适合于生物成像的抛光蚀刻表面。我们使用耐HF的光敏抗蚀剂(HFPR )它在49%的HF溶液中不会被侵蚀。比较了仅用HFPR掩蔽的衬底和在Cr/Au和多晶硅掩模上构图的HFPR的蚀刻特性。我们使用这种蚀刻工艺制造了8-16微米厚的悬浮熔融石英膜，并表明通过该膜成像不会对生物组织荧光显微镜的图像质量产生负面影响。最后，我们在悬浮膜中实现了小的通孔阵列。这种设备将应用于平面电生理学平台，尤其是需要光学成像的地方。
介绍
玻璃和熔融石英是构建微机电系统(MEMS)、芯片实验室和微流体平台的有吸引力的材料，因为它们具有化学惰性、生物相容性、光学透明性、机械刚性、高熔点、电绝缘性、不透气性以及与硅、玻璃和聚二甲基硅氧烷(PDMS)结合的能力。然而，许多为硅开发的晶片级加工方法不容易转移到玻璃上；因此，已经采用了一系列制造技术，例如穿过玻璃的离子径迹蚀和激光加工熔融石英和福图兰光结构玻璃陶瓷。这些方法已经用于实现高纵横比的微流体装置和平面膜片钳电极在玻璃材料中。为了避免使用专门的设备，最近已经努力使晶片规模的加工方法适用于玻璃，即反应离子蚀刻和光刻定义的“湿法”蚀刻。这些方法已经能够实现多种装置，包括独立式气腔，微型泵，毛细管电泳微室，高Q因子谐振器，微流体通道，波导，生物分析设备和单细胞捕获孔，平面膜片钳电极，以及光学传感平台。
反应离子蚀刻是集成电路(IC)技术的主要组成部分，这是由于其各向异性和相对于掩模和底层的选择性。然而，玻璃的蚀刻速率比硅低大约一个数量级。因此，当蚀刻玻璃时，需要相对较高的偏压，这会损害掩模材料的选择、蚀刻表面的光滑度和可达到的蚀刻深度。氢氟酸溶液中的“湿”蚀刻硼硅酸盐和铝硅酸盐玻璃显示出高达8.μm/min的蚀刻速率，但由于存在不溶性杂质，它们表现出各向同性的蚀刻轮廓和磨砂蚀刻表面。相反，蚀刻纯无定形二氧化硅(熔融二氧化硅/石英)会产生光学透明的表面，但蚀刻速率约为1微米/分钟。虽然已经开发了在硼硅酸盐HF蚀刻过程中减少光学透明度损失的方法，熔融石英仍然具有化学纯度的优势，这使得它与CMOS处理技术兼容并消除底物自身荧光。以前用于熔融石英的掩蔽膜材料包括铬(Cr)，光刻胶、多晶硅(polySi)、非晶硅、铝、氮化硅和铬/金(Cr/Au)。例如，用Cr/Au掩模在49% HF中湿法蚀刻熔融石英60微米深1小时和104微米深，在加热的缓冲氟化铵溶液中使用应力减小的Cr掩模7小时[25
.如果需要熔融石英蚀刻深度基本上大于100微米，则需要非常长的蚀刻时间和/或浓缩的HF溶液(49质量%)这导致HF最终迁移通过大多数掩模材料，导致表面点蚀，并最终导致掩模退化和/或剥离。
表1 。加工掩蔽材料所需的主要加工设备/步骤。
我们在此报告了一种蚀刻深度大于600微米的熔融石英的方法，同时使用抗HF的光敏抗蚀，保持基底没有凹坑并保持适合生物成像的抛光蚀刻表面。是一种负性抗蚀剂系统，由热塑性环烯烃共聚物组成，该共聚物是一种高度非极性和疏水性的聚合物。光敏剂诱导交联，使其不溶于烃基显影溶剂。除了上述性能之外，交联材料的最小自由体积使极性HF分子通过HFPR的扩散最小化，因此使其耐49% HF。对于仅用HFPR、Cr/Au和polySi掩蔽的衬底以及由HFPR保护的Cr/Au和polySi膜，比较了底切和掩模退化。此外，还比较了不同蚀刻深度的表面光滑度。我们仅使用HFPR在熔融石英晶片中演示了深沟槽，消除了对熔炉或金属蒸发器沉积的需要许多蚀刻应用的掩蔽膜。即使将640微米蚀刻到约650微米厚的晶片，所得悬浮膜的表面足够光滑以允许荧光成像而不损失图像质量。最后，我们在熔融石英悬浮膜中等离子体蚀刻孔阵列，其可用作平面膜片钳电极和/或抽吸电极阵列。

超深熔融石英玻璃蚀刻

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