Grabado húmedo multinivel profundo de microestructuras de vidrio de sílice fundido en solución BOE | Qingdao BrightTrailblazer Group Co., Ltd.

Scientific Reports volumen 13, Número de artículo: 5228 (2023) Citar este artículo

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El vidrio de sílice fundido es un material de elección para dispositivos micromecánicos, microfluídicos y ópticos debido a su resistencia química, rendimiento óptico, eléctrico y mecánico. El grabado húmedo es el método clave para la fabricación de tales microdispositivos. La integridad de la máscara protectora es un gran desafío debido a las propiedades extremadamente agresivas de la solución de grabado. Aquí, proponemos una ruta de fabricación de microestructuras multinivel basada en grabado profundo de sílice fundida a través de una máscara escalonada. Primero, proporcionamos un análisis de un mecanismo de disolución de sílice fundida en una solución de grabado de óxido tamponado (BOE) y calculamos las fracciones principales de fluoruro como \({HF}_{2}^{-}\), \({F}^{ -}\), \({(HF)}_{2}\) en función del pH y la relación NH4F:HF. Luego, investigamos experimentalmente la influencia de la composición de BOE (1: 1–14: 1) en la resistencia de la máscara, la tasa de grabado y la isotropía del perfil durante el grabado profundo a través de una máscara de metal / fotorresistente. Finalmente, demostramos un proceso de grabado multinivel de alta calidad de más de 200 μm con una velocidad de hasta 3 μm/min, que podría ser de gran interés para microdispositivos avanzados con suspensiones de flexión, masas de inercia, microcanales y orificios de obleas pasantes.

Las obleas de vidrio de sílice fundida se utilizan ampliamente en microdispositivos como sensores inerciales1, sistemas microfluídicos2,3 y sensores ópticos4,5 debido a sus excelentes propiedades mecánicas, eléctricas y ópticas, estabilidad térmica y química, así como biocompatibilidad. Los elementos estructurales de estos dispositivos suelen contener membranas de flexión de 5–50 µm de espesor6,7, microcanales de 10–100 µm de profundidad8,9, o agujeros pasantes para toda la profundidad del sustrato de 150 a 1000 µm10,11. Además, los microdispositivos suelen combinar estos elementos en microestructuras de varios niveles12. Es de vital importancia garantizar un procesamiento de alta calidad de los elementos de microdispositivos de vidrio fundido, ya que determina los parámetros ópticos, reológicos y mecánicos de las estructuras. Existen algunas de las principales tecnologías de microfabricación de vidrio: impresión 3D, mecánica, térmica y química (seca y húmeda)13,14. Solo los métodos químicos aseguran la obtención de superficies lisas, que son fundamentales para diversas aplicaciones ópticas, mecánicas y microfluídicas. A diferencia de los métodos húmedos, se prefiere el grabado con plasma para el grabado profundo de silicio15, pero está limitado para la sílice fundida por su baja tasa de grabado y profundidad de grabado debido a la poca selectividad de las máscaras protectoras16. Es por eso que los procesos de grabado húmedo siguen siendo el método clave en la fabricación de microdispositivos de vidrio. Permite grabar microestructuras profundas con perfil isotrópico y baja rugosidad superficial a altas velocidades de grabado (varias μm/min)17. El grabado con sílice fundida se lleva a cabo en una solución basada en HF debido a la alta inercia química del vidrio. Por lo general, los aditivos tampón se agregan a las soluciones de ácido fluorhídrico para estabilizar la tasa de ataque, lo que es útil en el caso del ataque de vidrios multicomponente debido a la disolución de los productos de reacción18. Sin embargo, la estabilidad e integridad de la máscara protectora en grabadores reactivos se convierte en el factor limitante (Tabla 1).

El material y las propiedades de una máscara protectora, así como la composición de la solución de grabado, son los factores más importantes que afectan la calidad del grabado. Las soluciones más utilizadas son fotoprotectores (AZ5214E, SPR220), metales (Au/Cr, Cr, Mo) y máscaras protectoras a base de silicio (a:Si, bulk-Si) (Tabla 1). La complejidad del proceso de fabricación y las profundidades requeridas de las microestructuras de sílice fundida determinan la elección de los materiales de máscara para varios dispositivos. Por lo tanto, las máscaras fotorresistentes son fáciles de aplicar por rotación, pero tienen baja adherencia y baja resistencia a las soluciones de HF, lo que limita las profundidades de grabado a varias decenas de micrómetros19,20,21,22,23,24,25. Las máscaras a base de silicio son altamente resistentes a la solución de ácido fluorhídrico4,37,38,39,40,41. Sin embargo, la fabricación de capas basadas en Si de baja tensión es un desafío (p. ej., capas gruesas de a:Si) y puede requerir pasos tecnológicos adicionales (p. ej., eliminación de la máscara alcalina, unión anódica de placas de Si para grabado de vidrio de borosilicato). Las máscaras metálicas basadas en Cr/Au son las más utilizadas en el grabado húmedo de vidrio4,7,23,29,30,31. El cromo garantiza una alta adhesión de las películas de oro al vidrio, mientras que el oro es muy inerte en las soluciones de HF, lo que garantiza un grabado profundo de las microestructuras. El alto costo y la alta capacidad de difusión de las máscaras de oro limitan sus posibles aplicaciones. Los metales refractarios como el molibdeno y el cromo se utilizan con éxito para el grabado profundo de vidrio26,27,28,34,35,36. Sin embargo, estos metales tienden a formar capas de alta tensión que requieren un proceso de deposición avanzado. Los beneficios clave de la película de molibdeno son las bajas tasas de disolución en ácido HF (cerca de 19 Å/min) y la alta adhesión al sustrato de vidrio42, así como el menor costo en comparación con las máscaras con base de oro.

Las propiedades físicas de las máscaras metálicas protectoras, la interfaz sustrato-metal y la concentración de la solución BOE afectan directamente la calidad del grabado del vidrio (Fig. 1). Los microdefectos y la discontinuidad de las películas metálicas causan agujeros de alfiler en la superficie del vidrio (Fig. 1a). La mala adhesión da como resultado una socavación de la máscara protectora y altas tasas de grabado lateral (Fig. 1b). La alta tensión en las capas de la máscara conduce a la formación de microfisuras (Fig. 1c) o una mayor aspereza de los bordes grabados (Fig. 1d). Un alto contenido de productos de grabado de reacción puede conducir a un aumento sustancial en la rugosidad de la superficie grabada (Fig. 1e) o incluso a un perfil de grabado irregular (Fig. 1f). El grabado de vidrio fundido de alta calidad se caracteriza por una alta tasa de grabado y una calidad superficial perfecta, así como una alta isotropía de grabado. La optimización de la solución de grabado es una de las formas efectivas de mejorar la calidad del grabado, prevenir la formación de defectos y mantener la estabilidad de la máscara.

Defectos de vidrio obtenidos después del proceso de grabado BOE: (a) imagen óptica de orificios en una superficie de vidrio e imágenes SEM de: (b) defecto de socavado de máscara; (c) microfisuras de un sustrato de vidrio; (d) bordes rugosos de la estructura; (e) alta rugosidad superficial; (f) perfil de grabado irregular.

En este trabajo, informamos sobre la ruta de fabricación de microestructuras de vidrio de sílice fundido de varios niveles basada en un grabado húmedo profundo de más de 200 μm a través de una máscara protectora escalonada de fotorresistencia/metal con solo un proceso de fotolitografía de dos pasos basada en capas de fotorresistencia de más de 1 micrón43. Existe información fidedigna sobre el efecto de la concentración de la solución BOE sobre la calidad de las microestructuras grabadas y la resistencia al enmascaramiento para el proceso de grabado profundo de vidrio. Por ejemplo, la influencia de la concentración de solución de BOE en la forma del perfil de grabado de SiO2 para una profundidad de unos pocos micrómetros se describe en la Ref.44. Nuestro estudio revela la dependencia de la tasa de grabado, la profundidad, la isotropía y la estabilidad de la máscara en la composición de la solución BOE. La variación de la concentración de BOE conduce a cambios en el pH y la cantidad de especies de reacción que afectan la calidad del grabado. El proceso de grabado propuesto garantiza la estabilidad de la máscara, una alta tasa de grabado e isotropía, lo que permite obtener un perfil de grabado multinivel en vidrio fundido con un paso inicial de fotolitografía.

El cuarzo fundido es un vidrio de sílice puro (SiO2) en forma amorfa. Romper los enlaces Si-O es un aspecto crítico del proceso de grabado, ya que los enlaces Si-O tienen una alta fuerza de enlace (810 kJ/mol frente a 327 kJ/mol de fuerza de enlace Si-Si)45. En general, el mecanismo de disolución de SiO2 se describe en tres etapas iterativas: protonación superficial, ataque nucleofílico del átomo de silicio electrofílico y formación del enlace Si-F (Fig. 2). Dependiendo del pH, hay dos efectos principales en una solución: los llamados efectos de superficie y de concentración45,46. Primero, se establece el equilibrio químico entre los componentes de la solución que contienen flúor. En segundo lugar, los grupos SiOH2+, SiOH o SiO– se forman en una superficie de vidrio debido a una protonación o pérdida de un protón. La concentración relativa de cada uno de los tres grupos determina la reactividad de las capas superficiales y depende del pH de la solución. El número de grupos SiOH prevalece en la región del punto isoeléctrico pI de SiO2 (el valor de pI para SiO2 varía de 2 a 4)47. Por debajo del punto isoeléctrico, aumenta la concentración de grupos SiOH2+. Por encima de él, aumenta la concentración de grupos SiO–. La sustitución del grupo OH– del SiOH neutro es más lenta que la eliminación del H2O del grupo SiOH2+ protonado45.

Mecanismo de reacción de disolución de SiO2 en soluciones basadas en HF: (a–c) reacción de equilibrio de los grupos silanol superficiales en solución grabada con diferente valor de pH; (d) ataque nucleofílico del átomo de silicio electrofílico; (e-g) formación de los enlaces Si-F.

El proceso de grabado también está influenciado por la composición de la solución de grabado, la concentración de los componentes, la temperatura y la intensidad de mezcla de la solución. La temperatura elevada del proceso conduce a una mayor tasa de grabado y a una menor probabilidad de cristalización de la solución BOE durante el grabado48, pero podría empeorar la isotropía del grabado49. Sin embargo, la solución concentrada de HF comienza a emitir humo durante el grabado y la temperatura elevada del proceso aumenta la generación de vapor, que también es un poderoso veneno de contacto para el operador50. La mezcla de la solución solo afecta levemente la velocidad de disolución, porque el proceso está controlado cinéticamente46, pero puede causar daños severos a la máscara35. La tasa de grabado aumenta con el aumento del contenido de HF en la solución BOE. Agregar un tampón de fluoruro de amonio NH4F a HF aumenta la resistencia al grabado de las máscaras fotorresistentes y ayuda a mantener la tasa de grabado19, pero su dependencia del contenido de NH4F no es lineal. La tasa de grabado aumenta con una pequeña adición de NH4F a una determinada concentración, pero con un aumento adicional de la concentración de NH4F, comienza a disminuir51. Por lo tanto, la tasa de grabado depende del porcentaje de partículas de grabado en la solución, que se puede describir como el pH de la solución. El pH de los sistemas NH4F/HF se calcula según (1) la ecuación de Henderson-Hasselbalch52

donde Ka es la constante de disociación del ácido débil, pKa = log Ka y [HA] y [A–] son las molaridades del ácido débil y su base conjugada.

Hay muchos compuestos descritos por (2)–(5) en la solución BOE: HF, \({F}^{-}\), \({(HF)}_{2}\), \({HF} _ {2}^{-}\), \({NH}_{4}^{+}\), \({H}^{+}\). En soluciones con alta concentración de HF se forman complejos basados en HF como (HF)nF–52. \({HF}_{2}^{-}\) y \({(HF)}_{2}\) son las especies de reacción en soluciones de HF y la velocidad de reacción de grabado con \({HF}_{2 }^{-}\) es 2000–3000 veces más rápido que con \({(HF)}_{2}\)45,54, lo que puede explicarse por el ángulo de enlace de las especies (180° y 90°, respectivamente) 45. Se ha demostrado que \({F}^{-}\) no participa en la reacción de grabado o, al menos, que el grabado por \({F}^{-}\) es despreciable53. Las principales reacciones y constantes de equilibrio de las reacciones que ocurren en solución de BOE, según Refs.55,56:

Constante de disociación HF, k1 = 6, 9 × 10–4 mol/L.

Constante de disociación de NH4F, k2 = 44, 17 mol/L.

Formación de complejo HF, kd1 = 4, 0 L/mol.

Formación de dímero HF, kd2 = 2, 7 L/mol.

Hay varios trabajos que describen los cálculos del porcentaje de especies reactivas en solución de BOE para diferentes concentraciones de HF45,53,54,57, pero no reflejan el rango requerido de concentraciones de BOE considerado en este trabajo. Para describir la solución de grabado se utilizará la abreviatura "BOE n:m". Esta abreviatura se refiere a una relación de mezcla de n partes en volumen de 40 % en peso de NH4F y m partes de 49 % en peso de HF. Calculamos el contenido relativo de componentes en la solución BOE con la relación n:m y el pH de la solución usando las constantes de reacción (2)–(5) (Fig. 3). Estas dependencias son cualitativas, ya que no tiene en cuenta la formación de partículas más complejas y se calcula a temperatura ambiente, pero permite comprender visualmente el proceso de grabado.

Las fracciones calculadas de los componentes principales en soluciones BOE en función del pH y la relación BOE n:m.

El grabado de vidrio procede en el caso general de acuerdo con (6):

La reacción es multietapa, procediendo de acuerdo con (7) y (8):

Teniendo en cuenta que \({HF}_{2}^{-}\) y \({(HF)}_{2}\) son especies de reacción en soluciones de BOE, (7) puede seguir dos caminos (9 ) y (10). La reacción dominante depende del porcentaje de partículas de cada tipo en la solución, que a su vez depende de la concentración de los reactivos iniciales en la solución.

Por lo tanto, la tasa de grabado de sílice fundida dependerá predominantemente de la concentración de los reactivos iniciales en la solución BOE. Se puede suponer que la velocidad máxima de grabado tendrá lugar en la región cercana a la concentración máxima de \({HF}_{2}^{-}\).

En este estudio se utilizan sustratos de vidrio de sílice fundido de 25 mm × 25 mm de 500 µm de espesor. Las obleas se limpiaron en solventes orgánicos y soluciones de peróxido de azufre (solución Piranha). Una máscara protectora que consta de molibdeno de 200 nm de espesor se pulveriza sobre la parte superior de la oblea de vidrio mediante pulverización catódica con magnetrón a una presión base de 3 mTorr. Se recubrieron por rotación las obleas con un phorotesist positivo de 3 µm de espesor (SPR220) y se modeló usando un proceso de fotolitografía estándar. Las áreas expuestas de Mo se grabaron en solución de ácidos nítrico, acético y ortofosfórico (grabador de Al tipo A). El tratamiento térmico posterior conduce a una fuerte reticulación de la capa fotorresistente, lo que evita que la solución de grabado penetre profundamente en la máscara.

La solución de grabado de vidrio se prepara recientemente mezclando ácido fluorhídrico (HF 49%) y fluoruro de amonio (NH4F 40%). La relación de volumen (NH4F a HF) varía de 1 a 14 para el grabado de vidrio. El grabador de óxido tamponado evita una fuerte penetración de la solución en la interfaz máscara-sustrato, la formación de orificios y estabiliza la tasa de grabado. El proceso se lleva a cabo en un tanque de fluoroplástico con control de temperatura a una temperatura de 60 °C para aumentar la velocidad de grabado y evitar la cristalización de la solución. Las estructuras de línea de prueba con un ancho de 5 a 200 µm se utilizan además para evaluar el proceso de grabado. El proceso de grabado se controló mediante microscopía óptica y electrónica de barrido para evaluar la profundidad del grabado y la calidad de la superficie después del grabado.

Después de cada proceso de grabado, se retiraron las máscaras fotorresistentes y metálicas, las muestras se cortaron para evaluar el perfil de grabado de las estructuras de prueba. No hay datos disponibles para la concentración de BOE 1:1, ya que la máscara perdió completamente la adherencia durante el grabado. Para concentraciones de BOE superiores a 2,5, la máscara resistió el proceso de grabado durante 60 min. La Figura 4 muestra imágenes de microscopio electrónico de barrido (SEM) de líneas de prueba grabadas con un ancho de 50 µm para una concentración de BOE diferente y un tiempo de grabado de 60 min.

Imágenes SEM de estructuras de prueba de 50 μm de ancho escindidas después del grabado húmedo y la eliminación de máscaras: (a) BOE 2.5: 1: región de grabado no isotrópica; (b) BOE 3:1 y (c) BOE 4:1—región de grabado isotrópico; (d) BOE 7: 1, (e) BOE 10: 1 y (f) BOE 14: 1: máscara que socava la región de grabado.

Hay tres regiones típicas que se pueden distinguir en términos de la forma del perfil de grabado: grabado isotrópico, grabado no isotrópico y región de socavado de máscara. El grabado en soluciones inferiores a BOE 3:1 (Fig. 4a) tiende a formar un fondo de grabado desigual y un perfil no isotrópico caracterizado por una velocidad lateral más alta que la vertical. Para BOE 7: 1 y superior (Fig. 4c-e), observamos defectos de socavado a través de la máscara con alta rugosidad. Entre estas regiones (Fig. 4b, c) hay un grabado sin defectos, que se caracteriza por la ausencia de socavado de máscara y perfil isotrópico. BOE 3:1 y 4:1 proporciona una superficie lisa y sin defectos. La máxima profundidad de grabado superior a 200 μm se obtiene con BOE 3:1.

Demostramos las dependencias (Fig. 5) de la isotropía de grabado (la relación entre el socavado lateral "h" y la profundidad de grabado "H") y la tasa de grabado de sílice fundida en una concentración de solución BOE (puntos rojos y azules respectivamente). Se puede ver que la tasa máxima de grabado corresponde a BOE 3:1 con la concentración máxima de \({HF}_{2}^{-}\). La isotropía de grabado se desvía de la unidad y la velocidad de grabado disminuye para todas las demás concentraciones, lo que se produce debido a reacciones químicas en la solución de grabado cambiando su composición. Por ejemplo, a una concentración alta de NH4F (BOE > 4:1), los iones F– y NH4+ dominantes de la reacción de disociación del aditivo tampón NH4F (2) influyen negativamente en el proceso de grabado. Los iones NH4+ inactivan \({HF}_{2}^{-}\) lo que lleva a la formación compleja de un cristal de NH4HF2 escasamente soluble. Además, los iones NH4+ pasivan una superficie de SiO2 cargada negativamente, evitando la reacción de grabado al bloquear la penetración profunda en SiO2. Otro efecto negativo es la precipitación de los productos de reacción (11, 12) debido a su limitada solubilidad48.

La dependencia de la concentración de BOE y el valor de pH para diferentes anchos de línea de prueba grabados de isotropía de perfil grabado de sílice fundida (puntos rojos), tasa de grabado (puntos azules) e isotropía preferida (línea continua).

Se puede notar que la gran cantidad de NH4F (BOE > 4:1) en solución disminuye la tasa de grabado debido a la pasivación de la superficie del vidrio con la deposición de productos de reacción insolubles. Por el contrario, las áreas con un alto contenido de HF (BOE < 3:1) se caracterizan por una disminución de la resistencia de la máscara y un aumento de la tasa de grabado lateral. En común, se observa una disminución de la tasa de grabado con una disminución en el ancho de las líneas de prueba grabadas. La tasa de grabado para las líneas de prueba estrechas (5 μm) es de 1,05 a 1,2 veces menor que para las líneas de prueba más anchas (200 μm). Puede explicarse por el hecho de que en zanjas anchas todos los reactivos y productos de reacción se eliminan más rápido de lo que la solución comienza a agotarse.

Proponemos una ruta de fabricación para estructuras de vidrio multinivel que incluyen orificios de oblea y membranas en vidrio de sílice fundido a través de una máscara escalonada. Utilizamos obleas de grado UV de sílice fundida de 500 µm de espesor (oblea Siegert), que se limpiaron en una solución Piranha (H2SO4:H2O2) a 120 °C. Una capa de máscara protectora de molibdeno de 200 nm de espesor se sometió a pulverización catódica con magnetrón a una presión de proceso de 3 mTorr en ambos lados de las obleas. A continuación, aliviamos las tensiones residuales en el metal mediante un recocido postérmico con una temperatura superior a 600 °C en una atmósfera de argón. Se modeló una máscara de resistencia escalonada en obleas de vidrio con una litografía de dos pasos (Fig. 6a) en una capa fotorresistente MEGAPOSIT SPR-220–7.0 de 5 um de espesor recubierta por rotación (Micro resist technology GmbH, Alemania). En el área expuesta, se grabó en húmedo una película protectora de molibdeno en una mezcla de ácidos nítrico, acético y ortofosfórico (Al etchant Type A, Transene company Inc.) a temperatura ambiente de acuerdo con la solución de grabado compatible con molibdeno-aluminio. Se realizó un horneado duro a 120 °C antes de grabar en húmedo las obleas para mejorar las propiedades mecánicas mejoradas por reticulación térmica de la capa fotorresistente. El grabado del vidrio se llevó a cabo a 60 °C en la solución BOE 3:1 propuesta recién preparada a partir de NH4F al 40 % (Sigma Aldrich Inc.) y HF al 49 % (Technic Inc.) para formar el primer nivel grabado (Fig. 6b). Además, eliminamos localmente la máscara protectora de dos capas (resist-Mo) mediante el grabado con plasma de oxígeno de la capa más delgada de fotorresistencia (Fig. 6c) y seguimos el grabado húmedo con molibdeno a través de áreas de resistencia abiertas. El segundo paso de grabado de vidrio con el mismo procedimiento asegura la formación del molde multinivel microestructural requerido (Fig. 6d). El proceso se probó en la fabricación de microestructuras con un espesor nominal de 100 ± 5 µm (Fig. 6e). Al usar el perfilómetro óptico, medimos la rugosidad de la superficie de la microestructura que se muestra en la Fig. 6f (Sa = 2.5 nm en el área de 111 µm × 94 µm). Al variar la cantidad de pasos de fotolitografía, se puede aumentar el número de pasos de grabado y los niveles correspondientes.

Ruta de fabricación de microestructuras de vidrio de sílice fundido multinivel: (a) patrón de resistencia de perfil escalonado con fotolitografía de dos pasos; (b) apertura de la ventana en la máscara de metal y la primera etapa de grabado; (c) apertura de la máscara de la segunda etapa; (d) segunda etapa de decapado; ( e ) imagen SEM de la microestructura de la membrana escindida (resultado de grabado, × 80); ( f ) Imagen SEM de la superficie de la membrana escindida (x 500).

El método propuesto para procesar patrones de microestructuras multinivel y vidrio de sílice fundido demuestra claramente la posibilidad de formar membranas (Fig. 7a), microcanales (Fig. 7b) y microestructuras multinivel con orificios de oblea (Fig. 7c). Abre el camino para utilizar las ventajas clave del vidrio de sílice fundido, especialmente su coeficiente de expansión térmica, transparencia óptica y alta inercia química para la fabricación de microdispositivos con elementos multinivel complejos y ensamblaje de obleas múltiples.

Microestructuras grabadas con sílice fundida: (a) imagen óptica de una membrana de 60 μm de espesor (× 5); ( b ) Imagen SEM de microcanal (× 150); ( c ) Imagen SEM de microestructura de dos niveles (en voladizo) con orificio de oblea pasante (× 80).

En este trabajo, propusimos una ruta de fabricación de microestructuras de vidrio de sílice fundida multinivel sin defectos basada en un grabado húmedo profundo en una solución de BOE a través de una máscara escalonada con fotolitografía de dos pasos. El vidrio de sílice fundido se usa ampliamente en dispositivos MEMS de factor de alta calidad debido a sus propiedades estables en condiciones críticas. Sin embargo, el procesamiento de vidrio de alta calidad es posible en soluciones extremadamente reactivas y peligrosas de ácido fluorhídrico, lo que contribuye a la formación de diversos defectos. Presentamos una descripción teórica del proceso de grabado en términos de las reacciones y los productos formados. Luego, la composición de los principales componentes de fluoruro como \({HF}_{2}^{-}\), \({F}^{-}\), \({(HF)}_{2}\) como Se calculó una función de la concentración de solución de BOE y el valor de pH para la estimación de la tasa de grabado de sílice fundida. Según nuestros cálculos y experimentos, demostramos que la concentración de BOE (NH4F:HF de 1:1 a 14:1) determina directamente la resistencia de la máscara de metal/fotorresistencia, la tasa de grabado y la isotropía del perfil. Usamos una máscara delgada de molibdeno como capa protectora debido a las bajas tasas de disolución en soluciones basadas en HF y la alta adherencia a los sustratos de vidrio. Confirmamos nuestra evaluación analítica con los resultados experimentales al demostrar el grabado isotrópico con una superficie lisa y una velocidad máxima de grabado proporcionada a una concentración de BOE de 3:1 (pH 3,75). Corresponde al contenido máximo calculado de \({HF}_{2}^{-}\). Finalmente, demostramos una ruta de fabricación basada en una máscara protectora de alta resistencia para el patrón de microelementos multinivel. Incluye tres pasos clave: un proceso de litografía en dos pasos, grabado húmedo en BOE 3:1 y adelgazamiento con fotorresistencia de plasma iónico. El proceso garantiza el logro de un grabado isotrópico multinivel de alta calidad de más de 200 μm con una velocidad de hasta 3 μm/min para microdispositivos de sílice fundida avanzados con suspensiones de flexión, masas de inercia, microcanales y orificios de obleas pasantes. Cabe señalar que la ruta propuesta supone solo un paso de fotolitografía inicial, que es de vital importancia para los microdispositivos avanzados, ya que no requiere la formación de máscaras en superficies prediseñadas no planas.

Los conjuntos de datos utilizados y/o analizados durante el estudio actual están disponibles del autor correspondiente a pedido razonable.

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La tecnología se desarrolló y las muestras se fabricaron en la instalación de nanofabricación de BMSTU (micro/nanosistemas funcionales, FMNS REC, ID 74300).

Laboratorio FMN, Universidad Técnica Estatal Bauman de Moscú, Moscú, 105005, Rusia

TG Konstantinova, MM Andronic, DA Baklykov, VE Stukalova, DA Ezenkova, EV Zikiy, MV Bashinova, AA Solovev, ES Lotkov, IA Ryzhikov & IA Rodionov

Instituto de Investigación de Automática Dukhov, VNIIA, Moscú, 127030, Rusia

TG Konstantinova, DA Baklykov, DA Ezenkova, EV Zikiy, ES Lotkov e IA Rodionov

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TGK, MMA e IA Rodionov (IAR) conceptualizaron las ideas del proyecto. TGK, MMA y VES prepararon el borrador original por escrito. TGK, MMA, DAB y MVB fabricaron muestras experimentales y discutieron los resultados. MMA y VES realizaron tecnología de fotolitografía en escala de grises de doble cara. DAE y DAB realizaron la caracterización morfológica. EVZ y ESL realizaron el proceso de evaporación de máscara. AAS y DAB realizaron el proceso de grabado en seco de la máscara. TGK, MMA e IAR revisaron y editaron el manuscrito. IAR e IARyzhikov supervisaron el proyecto. Todos los autores analizaron los datos y contribuyeron a escribir el manuscrito.

Correspondencia a IA Rodionov.

Los autores declaran no tener conflictos de intereses.

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Reimpresiones y permisos

Konstantinova, TG, Andronic, MM, Baklykov, DA et al. Grabado húmedo multinivel profundo de microestructuras de vidrio de sílice fundido en solución BOE. Informe científico 13, 5228 (2023). https://doi.org/10.1038/s41598-023-32503-w

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Recibido: 31 enero 2023

Aceptado: 28 de marzo de 2023

Publicado: 30 de marzo de 2023

DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-023-32503-w

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