Deep multilevel wet etching of fused silica glass microstructures in BOE solution

蚀刻(微加工) 材料科学 各向同性腐蚀 光刻胶 薄脆饼 光刻 干法蚀刻 氢氟酸 纳米技术 复合材料 冶金 图层(电子)
作者
Т. Г. Константинова,M. M. Andronic,D. A. Baklykov,V. E. Stukalova,D. A. Ezenkova,Evgeniy V. Zikiy,M. V. Bashinova,A. A. Solovev,E. S. Lotkov,I. A. Ryzhikov,I. A. Rodionov
出处
期刊:Cornell University - arXiv
标识
DOI:10.48550/arxiv.2212.06699
摘要

Fused silica glass is a material of choice for micromechanical, microfluidic, and optical devices due to its ultimate chemical resistance, optical, electrical, and mechanical performance. Wet etching in hydrofluoric solutions especially a buffered oxide etching (BOE) solution is still the key method for fabricating fused silica glass-based microdevices. It is well known that protective mask integrity during deep fused silica wet etching is a big challenge due to chemical stability of fused glass and extremely aggressive BOE properties. Here, we propose a multilevel fused silica glass microstructures fabrication route based on deep wet etching through a stepped mask with just a one grayscale photolithography step. First, we provide a deep comprehensive analysis of a fused quartz dissolution mechanism in BOE solution and calculate the main fluoride fractions like $HF^-_2$, $F^-$, $(HF)_2$ components in a BOE solution as a function of pH and $NH_4F:HF$ ratio at room temperature. Then, we experimentally investigate the influence of BOE concentration ($NH_4F:HF$ from 1:1 to 14:1) on the mask resistance, etch rate and profile isotropy during fused silica 60 minutes etching through a metal/photoresist mask. Finally, we demonstrate a high-quality multilevel over-200 um isotropic wet etching process with the rate up to 3 um/min, which could be of a great interest for advanced fused silica microdevices with flexure suspensions, inertial masses, microchannels, and through-wafer holes.
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