书籍：《炬丰科技-半导体工艺》
文章：氢氧化钾中硼硅酸盐玻璃的激光辅助蚀刻
编号：JFKJ-21-
作者：炬丰科技
引言
择性激光辅助化学蚀刻是一种用于透明材料的体微加工技术。该技术使用强聚焦激光点将结构写入玻璃基板的体积中。这些结构随后从衬底上移除。与基于传统光刻的玻璃蚀刻工艺相比，这一概念的优势在于可以制造三维形状。作为光物质相互作用的结果，纳米光栅和/或纳米孔隙导致材料。可以通过随后的湿化学蚀刻来移除修改的体积。
本文提出了一种选择性刻蚀硼硅酸盐玻璃(SCHOTTBorofloat33)的方法，用超短脉冲激光对玻璃进行改性，然后进行湿法化学刻蚀。BF33玻璃通常用于微技术，以生产传感器、演员和流控芯片，因为它可以通过阳极键合与硅片键合。
实验
激光诱导选择性化学蚀刻(SLE)的制造工艺基于两个主要的生产步骤。在第一步中，通过所施加的超短激光脉冲(图1(a))并且在第二步骤中，玻璃基板通过湿化学蚀刻。激光处理后，用氢氧化钾对玻璃基片进行湿化学蚀刻。氢氧化钾溶液的浓度为8.5±0.5摩尔/升，并被加热至80±3℃的温度。为了进行加热，使用了温度波动小于0.5℃的温控超声波浴。衬底和氢氧化钾溶液被封装在单独的容器中，该容器被放置在加热的水浴中。
激光加工系统的参数范围很大。为此，使用不同的脉冲重复率、脉冲持续时间、脉冲能量和写入速度将通孔写入m厚的玻璃基板。
对于通孔生成，将直径为m、垂直距离z为5m的圆写入具有不同激光参数组合的玻璃中。用于生成圆的切片过程如图2所示。在写入序列之后，用氢氧化钾蚀刻衬底，并使用光学显微镜分析所得的孔。不同的蚀刻时间用于确定蚀刻速率。
结果和讨论
利用玻璃通孔的参数研究：
通过分析玻璃通孔在50、75、和分钟后的蚀刻结果，测量了不同激光参数组的蚀刻速率r。蚀刻时间为50分钟，看不到玻璃的完全蚀刻。因此，所有蚀刻速率必须小于米/小时75分钟，可以观察到玻璃上的第一个通孔。该蚀刻时间对应于大于米/小时的蚀刻速率。
对于竞争性生产，需要减少每台设备的交付周期和成本。因此，快速写入速度是制造三维物体的基本参数。
激光改性硼硅酸盐玻璃的蚀刻速率和选择性：
对于脉冲能量0nJ、脉冲持续时间为5ps、重复频率为kHz和写入速度为75mm/s的参数集A，可以实现最高的蚀刻速率和高写入速度的结合。必须考虑的是，选择性激光蚀刻工艺的经济效率主要取决于写入速度，因为这与生产时间直接相关。为此，在附加实验中分析了以75毫米/秒为中心的65、70、80和85毫米/秒的写入速度，以更精确地研究写入速度的依赖性。
使用玻璃体积中的通道结构来研究蚀刻选择性。通过在表面下书写线条并随后进行大约4小时的湿化学蚀刻来制造通道。然后通过测量蚀刻通道的不同长度来计算蚀刻速率。为了提高结果的统计显著性，每个参数集在样本上重复五次。通过激光写入进行材料改性后，在两个位置切割尺寸为4英寸的衬底。结果是样品有两个裂开的边缘。如上所述从两侧蚀刻样品。测量所得的蚀刻通道，并计算改性材料的相应蚀刻速率r1。为了确定选择性，还必须测量未改性材料的蚀刻速率r0。这是通过蚀刻非激光处理的衬底约24小时并测量厚度变化来完成的。
图6显示了对于千赫的重复频率，BF33的选择性作为脉冲能量的函数。对于每个脉冲能量，显示了10次测量的平均值和标准偏差。可以观察到，在窄脉冲能量中对于每个写入速度的选择性随着脉冲能量的增加，范围从低选择性快速增加到高选择性。描述对脉冲能量的选择性依赖性的图具有“S”形曲线的形状。此外，数据集显示写入速度的增加需要更高的脉冲能量来实现高选择性。因此，基于逻辑函数的选择性模型被应用于数据集，以确定实现高选择性所需的脉冲能量的阈值。
硼硅酸盐玻璃中的三维形状：
为了证明所提出的3D玻璃器件制造工艺的能力，通过使用最佳参数组A(脉冲重复频率为千赫，写入速度为75毫米/秒，脉冲长度为5秒)，在米厚的硼硅酸盐衬底中生产半球、锥体、V形槽和阶梯。
除了3D形状之外，实施约2.5×4mm2的测试区域来测量蚀刻表面的平整度和粗糙度。如果应用0.8m高斯滤波器，测量结果显示硼硅酸盐玻璃的均方根粗糙度为1.2m。该值与0.9m熔融石英的结果相当。
总结
本文研究的结果是一组非常有前途的工艺参数，用于使用数值孔径为0.4的物镜对硼硅酸盐玻璃进行选择性激光蚀刻。之前使用了一种用于熔融石英的选择性激光蚀刻工艺，该工艺使用0.14的数值孔径和约10ps的脉冲宽度。在我们的研究中，我们还观察到，如果使用较低NA的物镜，脉冲长度调谐到皮秒范围是硼硅酸盐玻璃增加选择性的一个基本参数。在本方法中，BF33的蚀刻速率可达到约米/小时。此外，通过使用高达80毫米/秒的写入速度，可实现大于的选择性。相比之下，熔融石英的选择性高两到三倍，这主要是由于未改性的熔融石英材料的蚀刻速率较低。