CN101154036A

CN101154036A - 一种光控法控制玻璃刻蚀深度的方法

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Publication number: CN101154036A
Application number: CNA2007101214648A
Authority: CN
Inventors: 李立东; 李姝静
Original assignee: University of Science and Technology Beijing USTB
Current assignee: University of Science and Technology Beijing USTB
Priority date: 2007-09-06
Filing date: 2007-09-06
Publication date: 2008-04-02

Abstract

一种光控法控制玻璃刻蚀深度的方法，属于无机化学领域，特别涉及一种能够用光控的方法准确控制玻璃刻蚀深度的刻蚀方法。其特征在于用光敏剂、感光生酸剂，增稠剂，刻蚀助剂组成感光刻蚀剂，感光刻蚀剂中各成分的质量百分比为：光敏剂：＜2％，感光生酸剂：5％－30％，增稠剂：1％－10％，刻蚀助剂：1％－10％，余量为水。制作方法是将掩膜材料平整的覆盖于干燥清洁的玻璃板上，确定所需刻蚀的图案，并去除图案上的掩膜材料，露出所需刻蚀的部分；将感光刻蚀剂覆盖于玻璃板需刻蚀的图案上，进行光照，生成HF酸对玻璃进行腐蚀；待20－40min后，取出玻璃板，将其上的掩膜材料剥离即制成所需的玻璃。本方法操作简单、刻蚀速度可控，适用于各类玻璃的表面刻蚀，尤其是需要控制玻璃刻蚀深度的时候。

Description

一种光控法控制玻璃刻蚀深度的方法

技术领域

本发明属于无机化学领域，特别涉及一种能够用光控的方法准确控制玻璃刻蚀深度的刻蚀方法。

背景技术

玻璃以其稳定的表面性质和好的透光性及弱的荧光背景，同时有较好的绝缘性、价格便宜、热稳定性和化学稳定性好、容易和硅片键合等特点，在MEMS(微电子机械系统)中常用来做绝缘层和衬底。

玻璃表面的微刻技术在微型电子加速器、微流控芯片等领域得到广泛应用，玻璃微细加工技术方面的大量研究为玻璃基底在MEMS方面的应用铺平了道路。这些技术包括(1)湿法化学刻蚀，主要是应用各种浓度的HF酸对玻璃基底进行加工；(2)深反应离子刻蚀技术，主要是利用SF₆类等离子体对玻璃基底进行刻蚀；(3)粉末爆破法；(4)激光微细加工法；(5)超声波钻孔法；(6)锯的方法。目前玻璃微细加工技术的加工主要是基于湿法化学刻蚀的方法，即利用光刻技术在牺牲层制作图案窗口，继而使用化学腐蚀溶液进行腐蚀加工，该方法所涉及的光刻步骤需要昂贵的仪器和超净室以及繁琐的步骤，不利于在普通实验室中推广。并且该方法中所用的掩膜通常为光刻胶或者为Cr/Au与光刻胶的混合物，该方法要腐蚀一定深度的凹槽需要几十分钟时间，而一般光刻胶在溶液中腐蚀约10min就会受到破坏而浮胶，同时由于光刻胶的均匀性问题在基底表面常会出现针孔状缺陷；DRIE方法适合制作对刻蚀深度有要求的精细结构，但是刻蚀速度相对比较慢；粉末爆破法刻蚀速度比较快，能达到25μm/min，但是这一过程需要特殊的设施，同时要求表面粗糙度大约为1μm；激光微细加工法和超声波钻孔法适合制造小数目的通孔玻璃激光加工，而且由于玻璃易碎的物理性质，单纯使用激光加工难以制备表面光滑的微流控芯片管道系统，并且交叉管道的质量不容易控制；锯的方法往往因在制作复杂结构时缺乏弹性利用更为有限(A new maskingtechnology for deep glass etching and its microfluidic application，Sensors and Actuators A，2004，115，476-482.一种新掩膜技术在深度玻璃刻蚀及其在微流体方面的应用，传感器和制动器A，2004，115，476-482)。

对已有玻璃刻蚀方法的分析，发现刻蚀方法的繁琐以及刻蚀条件的不可控性是目前玻璃基底刻蚀面临的主要问题。我们希望找到一种简单而又行之有效的方法可以对玻璃基底进行可控性刻蚀。

发明内容

本发明首先要解决的问题是简单、准确地刻蚀玻璃，因此本发明提供一种可控玻璃刻蚀的制作方法，能够简单、准确地刻蚀玻璃表面，精确地控制刻蚀深度。

本发明的另一个目的在于提供一种光控的玻璃刻蚀方法，可以通过调节光照时间、光照强度等外在条件调控刻蚀的速度，并且可以通过各种染料和光生酸剂鎓盐的匹配，使刻蚀剂的使用在紫外及可见光区均得到响应。

一种光控法控制玻璃刻蚀深度的方法，其特征在于用光敏剂、感光生酸剂，增稠剂、刻蚀助剂共同组成感光刻蚀剂。感光刻蚀剂中各成分的质量百分比为：光敏剂：＜2％，感光生酸剂：5％-30％，增稠剂：1％-10％，刻蚀助剂：1％-10％，余量为水。光敏剂为可与碘鎓盐匹配进行光敏反应的各类染料，包括荧光素类染料，香豆素类染料，方酸类染料等。所用感光生酸剂为水溶性良好的碘鎓盐类化合物，其结构如图1所示。该方法的机理是：鎓盐类化合物在光照条件下释放质子酸H⁺，生成的质子酸与对离子F^-结合，生成HF酸对玻璃进行刻蚀。可以通过光照时间(0-5小时)、光照强度(1-500mw/cm²)、感光生酸剂浓度(5％-30％)等外在条件调控刻蚀的速度，从而达到对玻璃可控刻蚀。方法中所用增稠剂为聚乙烯醇、聚丙烯酰胺、聚丙烯酸、羟甲基纤维素、羟乙基纤维素、聚乙二醇、明胶等水溶性高分子；所用的刻蚀助剂为NH₄F、NaF等无机盐类化合物。

感光刻蚀剂刻蚀玻璃的制作方法，包括如下步骤：

(1)将需要刻蚀的玻璃板进行清洗，并进行干燥，使玻璃表面的油污等去掉，处于整洁干燥状态；

(2)将掩膜材料平整的覆盖于玻璃板上，通常采用粘贴方式掩膜材料，使掩膜材料与玻璃板密切结合，没有间隙；

(3)确定所需刻蚀的图案，并去除图案上的掩膜材料，露出所需刻蚀的部分；

(4)将感光刻蚀剂覆盖于玻璃板需刻蚀的图案上，进行光照，生成HF酸对玻璃进行腐蚀；

(5)刻蚀完毕后，将制作好的玻璃板浸泡于去胶溶液中，待20-40min后，取出玻璃板，将其上的掩膜材料剥离即制成所需的玻璃。去胶溶液为常用的玻璃刻蚀过程中的去胶溶液。

上述制作方法中，玻璃的刻蚀深度可通过多次重复步骤4实现，即将腐蚀剂覆盖于玻璃板的需腐蚀的图案上，进行腐蚀，待腐蚀剂消耗完后，溶剂简单洗涤除去腐蚀剂，注入新的腐蚀剂，重复步骤4。一定量腐蚀剂对玻璃的腐蚀深度可以计算或者统计出来，对于要求适当深度的腐蚀图案，可以通过计算腐蚀次数，得到准确的所需刻蚀图案的凹槽深度。

上述的冲洗刻蚀剂过程中，通常用水对玻璃表面进行冲洗，可快速清洗腐蚀剂，而且冲洗的过程中，不需要去掉掩膜，便于进行下一步操作。

上述玻璃刻蚀过程，步骤2、3可合并于一起，即直接对掩膜进行图案加工，这样在粘贴掩膜后直接进行腐蚀即可。

上述的玻璃板腐蚀完毕后，将制作好的玻璃板浸泡于去胶溶液中，浸泡时间为2-3小时。去胶溶液，即用于除去刻蚀后残留腐蚀剂的溶液，例如水或弱碱性溶液。

本发明同现有技术相比较具有以下优势：(1)操作简单，将感光生酸剂，增稠剂助剂混合，光照条件下即可对玻璃基底进行刻蚀；(2)刻蚀速度可控，可通过对光照强度、光照时间、鎓盐浓度等光生酸速度条件的调节，达到对玻璃可控刻蚀；(3)刻蚀区域可控，可利用激光器进行局部加工，在激光扫描的区域进行可控腐蚀，而未扫描区域并未发生作用，这样对于复杂图案的加工更为有利；(4)刻蚀深度可控，本方法可进行累计刻蚀，直到达到所需刻蚀深度。即感光刻蚀剂全部分解后仍未达到刻蚀深度，可用水或溶剂进行清洗后，继续加入感光刻蚀剂进行进一步刻蚀；(5)光谱响应范围广，碘鎓盐自身的吸收在紫外区，但它可以与各种染料匹配发生生酸反应，从而将光谱范围拓展到整个可见光区。这样大大拓展了该类刻蚀剂的应用范围，可以根据激光器需要选用合适的染料配对即可对玻璃进行光控刻蚀加工。

本发明可适用于各类玻璃的表面刻蚀，尤其是需要控制玻璃刻蚀深度的时候。

附图说明

图1碘鎓盐结构式

R1＝R2＝OH，O^-Na⁺，SO₃H，SO₃ ^-Na⁺，COOH，COO^-，CH₂OH，CH₂O^-Na⁺等

具体实施方式

实施例1：

(1)将需要刻蚀的玻璃板进行清洗，并进行干燥，使玻璃表面处于整洁干燥状态；

(4)将刻蚀剂覆盖于玻璃板需刻蚀的图案上，进行光照20min，不断生成HF酸对玻璃进行腐蚀；

(5)刻蚀完毕后，将制作好的玻璃板浸泡于去胶溶液中，40min后，取出玻璃板，将其上的掩膜材料剥离即制成所需的玻璃。

上述步骤中的刻蚀剂组成(按质量比)为感光剂5％，增稠剂聚丙烯酰胺1％，蚀刻助剂NH₄F10％，水84％。

实施例2：

(5)刻蚀完毕后，将制作好的玻璃板浸泡于去胶溶液中，30min后，取出玻璃板，将其上的掩膜材料剥离即制成所需的玻璃。

上述步骤中的刻蚀剂组成(按质量比)为感光剂30％，增稠剂聚丙烯酰胺10％，蚀刻助剂NH₄F1％，水59％。

实施例3：

(4)将刻蚀剂覆盖于玻璃板需刻蚀的图案上，进行光照25min，不断生成HF酸对玻璃进行腐蚀；

(5)刻蚀完毕后，将制作好的玻璃板浸泡于去胶溶液中，20min后，取出玻璃板，将其上的掩膜材料剥离即制成所需的玻璃。

上述步骤中的刻蚀剂组成(按质量比)为光敏剂荧光素钠2％，感光剂30％，增稠剂聚乙二醇1％，蚀刻助剂NaF1％，水66％。

实施例4：

(2)将刻蚀剂平整的涂于玻璃板上；

(3)确定所需刻蚀的图案，将程序输入计算机，控制激光器对样品进行光照，不断生成HF酸对玻璃进行腐蚀；

(4)洗去刻蚀剂，注入新的刻蚀剂，继续进行刻蚀，达到所需刻蚀深度；

(5)刻蚀完毕后，用水清洗刻蚀剂，即制成所需的玻璃。

上述步骤中的刻蚀剂组成(按质量比)为光敏剂孟加拉玫瑰红0.5％，感光剂5％，增稠剂羟甲基纤维素10％，蚀刻助剂NaF10％，水74.5％。

Claims

1.一种光控法控制玻璃刻蚀深度的方法，其特征在于用光敏剂、感光生酸剂，增稠剂，刻蚀助剂组成感光刻蚀剂，感光刻蚀剂中各成分的质量百分比为：光敏剂：＜2％，感光生酸剂：5％-30％，增稠剂：1％-10％，刻蚀助剂：1％-10％，余量为水；光敏剂为能与碘鎓盐匹配进行光敏反应的各类染料，包括荧光素类染料，香豆素类染料，方酸类染料；所用感光生酸剂为水溶性良好的碘鎓盐类化合物；增稠剂为聚乙烯醇或聚丙烯酰胺或聚丙烯酸或羟甲基纤维素或羟乙基纤维素或聚乙二醇或明胶类水溶性高分子；所用的刻蚀助剂为NH₄F、NaF。

2.如权利要求1所述一种光控法控制玻璃刻蚀深度的方法，其特征在于感光刻蚀剂刻蚀玻璃的蚀刻条件为：光照时间：0-5小时、光照强度：1-500mw/cm²。

制作方法包括如下步骤：

(1)将需要刻蚀的玻璃板进行清洗，并进行干燥，使玻璃表面的油污去掉，处于整洁干燥状态；

(2)将掩膜材料平整的覆盖于玻璃板上，采用粘贴方式掩膜材料，使掩膜材料与玻璃板密切结合，没有间隙；

(5)刻蚀完毕后，将制作好的玻璃板浸泡于去胶溶液中，待20-40min后，取出玻璃板，将其上的掩膜材料剥离即制成所需的玻璃。

3.如权利要求2所述一种光控法控制玻璃刻蚀深度的方法，其特征在于制作方法中，玻璃的刻蚀深度能通过多次重复步骤(4)实现，即将刻蚀剂覆盖于玻璃板的需腐蚀的图案上，进行腐蚀，待刻蚀剂消耗完后，溶剂简单洗涤除去刻蚀剂，注入新的刻蚀剂，重复步骤(4)；针对不同深度要求的腐蚀图案，能通过计算腐蚀次数，得到准确的所需刻蚀图案的凹槽深度。

4.如权利要求2所述一种光控法控制玻璃刻蚀深度的方法，其特征在于玻璃刻蚀过程，步骤(2)、(3)是合并于一起的，即直接对掩膜进行图案加工，这样在粘贴掩膜后直接进行腐蚀即可。

5.如权利要求2或3或4所述一种光控法控制玻璃刻蚀深度的方法，其特征在于冲洗刻蚀剂过程中，用水对玻璃表面进行冲洗，而且冲洗的过程中，不需要去掉掩膜，便于进行下一步操作。

6.如权利要求4所述一种光控法控制玻璃刻蚀深度的方法，其特征在于上述的玻璃板腐蚀完毕后，将制作好的玻璃板浸泡于去胶溶液中，浸泡时间为2-3小时；去胶溶液为水或弱碱性溶液。