CN1326791C - 在硼硅玻璃表面加工微槽阵列的方法 - Google Patents
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Abstract
一种在硼硅玻璃表面加工微槽阵列的方法，属于先进制造技术领域。本发明采用在清洗干净的硼硅玻璃片表面溅射铬铜种子层，经过光刻，形成加工玻璃深槽阵列的掩膜窗口；将硼硅玻璃片置入腐蚀液去除窗口内的铬铜种子层，分析纯丙酮中超声去胶，采用电镀方法，首先电镀铜掩膜，然后在铜掩膜上再电镀金掩膜，腐蚀，连续刻蚀，从而在硼硅玻璃表面刻出底部光滑的微沟槽阵列。本发明简便易行，基于溅射和无掩膜微电镀工艺来制备湿法腐蚀硼硅玻璃的掩膜，从而达到减小针孔缺陷和钻蚀量的效果。
Description
技术领域
本发明涉及的是一种微机电制造技术领域的制备方法，特别是一种在硼硅玻璃表面加工微槽阵列的方法。
背景技术
目前，对于微流体器件的研究方兴未艾，在硅片、玻璃等基片材料上制备的微沟道结构在生物芯片、微化学反应腔等领域都有广泛的应用。尤其是在芯片冷却领域，微通道内流动换热是当前传热界研究的一个重要课题。研究表明：具有微米级大小的沟槽或管道结构的微通道散热器具有极强的冷却能力，其热阻是无源散热器热阻的1/50～1/200。可以在未来芯片封装和器件冷却方面发挥重大作用。其中，导水板的制造工艺是微通道散热器研制的关键技术。导水板实际上是由表面刻出微沟槽阵列的硼硅玻璃基片构成，以便通过低温键合工艺与硅散热片阵列牢固连接，从而构成微通道散热器。为保证流量和减小管道压降，上述微沟槽阵列的深度通常都大于100微米。现有的玻璃刻蚀工艺通常采用溅射金属薄膜和/或光刻胶作掩模，当刻蚀深度超过100um时，就会产生严重的针孔等缺陷，使玻璃表面凹凸不平，同时钻蚀严重。无法进行后续的键合工艺。为解决上述问题，迫切需要研究在硼硅玻璃表面加工深度大于100微米的微沟道阵列的配套加工方法。
经对现有技术的文献检索发现，Thierry Cormany等人在《Journal ofMicromechanics and Microengineering》(微力学与微工程学报)No.8，1998，pp84~87上撰文“Deep wet etching of borosilicate glass using an anodicallybonded silicon substrate as mask(采用阳极键合的硅基片作为深刻蚀硼硅玻璃的掩膜)”，该文介绍了一种利用静电键合的单晶硅作为掩膜在硼硅玻璃上加工深度大于500微米的微槽的方法。虽然这种方法能够在玻璃上加工深槽，而且避免了玻璃表面出现针孔等缺陷，但上述方法的成本高，费时费力。因为首先要在硅掩膜上开出窗口后才能进一步加工玻璃微槽，而这一过程需要八小时，加工结束后，若要移除硅掩膜，又需要八小时，因此整个过程中仅掩膜的处理就需要约十六到二十小时，需要过多时间。而且所采用的作为掩膜的单晶硅片也大大增加了上述方法的成本，在实用化方面还存在较大困难。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术中存在的不足，提供一种在硼硅玻璃表面加工微槽阵列的方法，使其简便易行，基于溅射和无掩膜微电镀工艺来制备湿法腐蚀硼硅玻璃的掩膜，从而达到减小针孔缺陷和钻蚀量的效果。
本发明是通过以下技术方案实现的，本发明具体步骤如下：
1.在清洗干净的硼硅玻璃片表面溅射铬/铜种子层；
2.在溅射了铬/铜种子层的硼硅玻璃片上旋涂上一层光刻胶，经过光刻，形成加工玻璃深槽阵列的掩膜窗口；
3.将开出掩膜窗口的硼硅玻璃片置入腐蚀液去除窗口内的铬/铜种子层；
4.将硼硅玻璃片置入分析纯丙酮中超声去胶；
5.采用电镀方法，在开出窗口的铬/铜种子层表面电镀金属掩膜，首先电镀铜掩膜，然后在铜掩膜上再电镀金掩膜；
6.将电镀好金属掩膜的硼硅玻璃片放入湿法腐蚀液中腐蚀，连续刻蚀，从而在硼硅玻璃表面刻出底部光滑、深度大于100微米的微沟槽阵列，进一步增加刻蚀时间，则可以获得更深的微沟槽阵列。
所述的溅射，其工艺条件为：本底真空4×10-4帕，工作气体为高纯氩气，工作气压5×10-1帕，功率500瓦。
所述的铬/铜种子层，其铬层厚度10纳米，铜层厚度80纳米。
所述的光刻胶，其厚度为5微米。
所述的光刻，其参数为：曝光剂量12毫焦/平方厘米、曝光时间35秒。
所述的步骤3中的腐蚀液，如果使用铬腐蚀液，是指1000毫升的去离子水中加42毫升浓度为70％的高氯酸再加165克硝酸铈铵，如果使用铜腐蚀液，是指10％的三氯化铁溶液。
所述的超声为3分钟。
所述的电镀铜掩膜，其工艺参数为：厚度1微米，电流密度1安培每平方分米，电镀铜的电解液中每升含150克硫酸铜、40克硫酸、0.8克酚磺酸、25克葡萄糖。
所述的电镀金掩膜，其工艺参数为：厚度0.5微米，电流密度0.2安培每平方分米，电镀金的电解液中每升含4克金氰化钾，15克氰化钾，15克碳酸钾。
所述的步骤6中的腐蚀液，其成分及体积百分比为：磷酸75％、氢氟酸10％、去离子水15％，其温度为40摄氏度。
所述的刻蚀，其速度为20微米/小时。
本发明的工作原理是：步骤1中，所溅射的种子层一方面可以增加随后旋涂上的光刻胶或沉积的金属与硅片的附着力，另一方面可以作为电镀过程中的导电层。步骤2中，显影结束后所构成的掩膜窗口，其底部为暴露出来的种子层，侧壁为没有显影掉的光刻胶，在步骤3中，腐蚀液只能腐蚀掉掩膜窗口底部暴露出来的种子层，玻璃片表面其余部分的种子层由于上方覆盖有光刻胶的保护，与腐蚀液隔开，仍能够保留下来。经过步骤4去胶后，可以看到硼硅玻璃片表面的种子层已刻出腐蚀微槽阵列的窗口。在步骤5的电镀过程中，金属只沉积在保留下来的种子层表面，从而实现金属在硅片表面的选择性沉积，使硼硅玻璃表面需要被腐蚀掉的部分暴露出来。改变掩膜窗口的平面图案，就可以改变所制备的微槽阵列的平面图案。由于采用光刻法制备刻蚀玻璃微槽的掩膜，很容易将掩膜的成型精度控制在微米量级。原有的铬/铜种子层作为阻挡层，能够保护其下方的硼硅玻璃表面不受腐蚀液的侵蚀。但如果只由铬/铜种子层作为阻挡层，一方面由于溅射过程中，种子层表面难免存在局部缺陷，腐蚀过程中，腐蚀液会穿过这些局部缺陷腐蚀其下方的玻璃而产生针孔，另一方面，铬抵御腐蚀液侵蚀的能力较差、腐蚀过程中，窗口侧壁暴露出的铬容易被腐蚀掉，增加了钻蚀量。电镀的铜掩膜一方面增加了阻挡层的厚度、并能够弥补溅射过程中存在的局部缺陷，从而大大减小腐蚀中发生针孔缺陷的可能性。另一方面，电镀的铜掩膜同时覆盖在窗口侧壁暴露出的铬表面，明显增强掩膜抵抗钻蚀的能力。随后再电镀的金掩膜能够进一步提高掩膜层抵挡钻蚀的能力，避免针孔的产生。但如果完全采用电镀金作为掩膜，成本较高。步骤6中所采用的腐蚀液的成分，一方面能够尽量减小对掩膜的腐蚀，从而降低了钻蚀和针孔等缺陷，另一方面也能够保证硼硅玻璃的刻蚀速率。
本发明的有益效果是：本发明对加工条件的要求较低。采用微电镀方法制备掩膜、针对所选用的玻璃腐蚀液，能以较低的成本，明显改善掩膜抵御玻璃刻蚀液侵蚀的能力，避免玻璃表面的针孔等缺陷的产生，大大降低钻蚀量。从而在硼硅玻璃表面加工出底部光滑，深度大于100微米的微槽阵列。
具体实施方式
1.在清洗干净的直径为76毫米，厚度为500微米的硼硅玻璃片表面溅射铬/铜种子层。溅射工艺条件为：本底真空4×10-4帕，工作气体为高纯氩气，工作气压5×10-1帕，功率500瓦。溅射生长铬层厚度10纳米，铜层厚度80纳米。
2.在溅射了金属种子层的硼硅玻璃片上旋涂上一层光刻胶，厚度为5微米，经过光刻，形成加工玻璃深槽阵列的掩膜窗口。
3.将开出掩膜窗口的硼硅玻璃片置入腐蚀液去除窗口内的种子层。其中，铬腐蚀液为1000毫升的去离子水中加42毫升浓度为70％的高氯酸再加165克硝酸铈铵，铜腐蚀液为10％的三氯化铁溶液。
4.将硼硅玻璃片置入分析纯丙酮中超声3分钟去胶。
5.采用电镀方法，在开出窗口的种子层表面电镀金属掩膜，首先电镀铜掩膜，厚度1微米，电流密度为1安培每平方分米。电镀铜的电解液中每升含150克硫酸铜、40克硫酸、0.8克酚磺酸、25克葡萄糖。然后铜掩膜上在电镀金掩膜，厚度0.5微米，电流密度0.2安培每平方分米，电镀金的电解液中每升含4克金氰化钾，15克氰化钾，15克碳酸钾。
6.将电镀好金属掩膜的硼硅玻璃片放入湿法腐蚀液中，腐蚀液中各成分的体积百分比为：磷酸75％、氢氟酸10％、去离子水15％，腐蚀温度为40摄氏度，刻蚀速度约为20微米/小时。连续刻蚀6小时，从而在硼硅玻璃表面刻出深度120微米、底部光滑的微沟槽阵列。
Claims (9)
1.一种在硼硅玻璃表面加工微槽阵列的方法，其特征在于，包括步骤如下：
(1)在清洗干净的硼硅玻璃片表面溅射铬/铜种子层；
(2)在溅射了铬/铜种子层的硼硅玻璃片上旋涂上一层光刻胶，经过光刻，形成加工玻璃深槽阵列的掩膜窗口；
(3)将开出掩膜窗口的硼硅玻璃片置入腐蚀液去除窗口内的铬/铜种子层；
(4)将硼硅玻璃片置入分析纯丙酮中超声去胶；
(5)采用电镀方法，在开出窗口的铬/铜种子层表面电镀金属掩膜，首先电镀铜掩膜，然后在铜掩膜上再电镀金掩膜；
(6)将电镀好金属掩膜的硼硅玻璃片放入湿法腐蚀液中腐蚀，连续刻蚀，从而在硼硅玻璃表面刻出底部光滑、深度大于100微米的微沟槽阵列。
2.根据权利要求1所述的在硼硅玻璃表面加工微槽阵列的方法，其特征是，所述的溅射，其工艺条件为：本底真空4×10-4帕，工作气体为高纯氩气，工作气压5×10-1帕，功率500瓦。
3.根据权利要求1所述的在硼硅玻璃表面加工微槽阵列的方法，其特征是，所述的铬/铜种子层，其铬层厚度10纳米，铜层厚度80纳米。
4.根据权利要求1所述的在硼硅玻璃表面加工微槽阵列的方法，其特征是，所述的光刻胶，其厚度为5微米。
5.根据权利要求1所述的在硼硅玻璃表面加工微槽阵列的方法，其特征是，所述的光刻，其参数为：曝光剂量12毫焦/平方厘米、曝光时间35秒。
6.根据权利要求1所述的在硼硅玻璃表面加工微槽阵列的方法，其特征是，所述的步骤3中的腐蚀液，如果使用铬腐蚀液，是指1000毫升的去离子水中加42毫升浓度为70％的高氯酸再加165克硝酸铈铵，如果使用铜腐蚀液，是指10％的三氯化铁溶液。
7.根据权利要求1所述的在硼硅玻璃表面加工微槽阵列的方法，其特征是，所述的电镀铜掩膜，其工艺参数为：厚度1微米，电流密度1安培每平方分米，电镀铜的电解液中每升含150克硫酸铜、40克硫酸、0.8克酚磺酸、25克葡萄糖。
8.根据权利要求1所述的在硼硅玻璃表面加工微槽阵列的方法，其特征是，所述的电镀金掩膜，其工艺参数为：厚度0.5微米，电流密度0.2安培每平方分米，电镀金的电解液中每升含4克金氰化钾，15克氰化钾，15克碳酸钾。
9.根据权利要求1所述的在硼硅玻璃表面加工微槽阵列的方法，其特征是，所述的步骤6中的腐蚀液，其成分及体积百分比为：磷酸75％、氢氟酸10％、去离子水15％，其温度为40摄氏度。
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