《炬丰科技-半导体工艺》 玻璃晶圆湿法刻蚀工艺

书籍：《星环科技-半导体制造工艺》
文章：玻璃基板水相刻蚀工艺
编号：JFKJ-21-1239
作者：华林材料科学中心

引言
为了探索提高 glass 腐蚀剂 湿法 腐蚀 技术 的方法 ，本研究对 glass 湿式 腐蚀 工艺 的基本要素进行了深入探讨 。为此 ，本研究提出了 一种 改进型 的 deep water glass 腐蚀 技术方案 。在 Pyrex 玻璃 上利用 Cr/Au 和 光刻胶 作为模板 ，成功完成了 一个 厚度达 500µm 的 玻璃 晶片 的 蚀刻 过程 。据 我们 所知 ，这一 结果 是 目前 所报道 的 最佳 成果 。针对改进后的表面 ，建立了 高温 和 苏石灰 玻璃 的 最佳 溶液 HF/HCl （1:10） 。本研究将重点研究 水 法 腐蚀 过程 中的关键环节 ，并特别关注 最常用的 材料类型

实验

该工艺主要包含三种雕刻方式：机械雕刻、干燥雕刻以及浸没雕刻；其中机械雕刻又可分为传统金刚石切割刀具、超声波辅助钻孔以及电化学放电信号或微爆脉冲等多种方法；这些手段多用于在单晶硅上实现雕刻效果；此方法难以形成平滑表面；而干式雕刻则采用等离子体与特定工具结合切割硅基材料；目前市场上的各种硅产品种类繁多；它们各自拥有独特的性能参数与元素配置；因此对于这类复杂材料来说；仅凭常规术语无法对其雕刻特性做出全面描述；湿式雕刻则需将硅材料放入特定酸碱度下进行浸没；这种情况下其切削速率会受到所含元素比例的影响；

图1中展示了一个具体的案例，在该案例中涉及三种不同类型的玻璃材料：康宁7740玻璃、经过打碱处理的玻璃以及HoyaSD-2类型玻璃。这些材料均被置于HF浓度为49%的溶液中进行湿式腐蚀刻槽处理。测试结果显示，在这三种材料中，只有康宁7740显示出稳定的腐蚀速率特性；而其他两种材料则表现出随着时间推移而深度呈抛物线变化的现象。这一现象的根本原因可以通过分析其化学组分来揭示：经过腐蚀处理后表面变得较为粗糙，并且随着实验时间延长（即随着时间推移），腐蚀速度逐渐下降。具体而言，在康宁7740玻璃样本中的非可溶性物质含量仅为2%，主要以氧化铝的形式存在。因此，在具有低浓度非可溶性氧化物的玻璃制备过程中应特别注意控制不溶物含量的比例。这也正是我们在本次研究工作中重点考察聚丙烯基树脂材料的原因。

深湿法加工是一种关键工艺技术，在这一过程中起着十分重要的作用的因素之一就是所谓的"腐蝕率"。在此類加工工藝中的一些特定情況下,第一步先選擇具備優良特性作為此類工藝關鍵參數的第一道步驟。而在濕法加工中的 glass 單品,其中的一些用來作為遮蔽層之材料(主要是硅及金屬) 在 HF 基腐蝕液體中表现得非常惰性,這使得其腐蝕過程受到了遮蔽層存在的 缺陷 以及腐蝕液穿透這些缺陷影響的可能性所限。因此, glass 中高的腐蝕速度將導致更深層次之腐蝕;而這些存在著缺陷的数量則維持相同的基本腐蝕速度不變。corroding rate 是每種 glass 特有的特性之一,這一部分特性主要出現在 manufacturing 過程中使用了不同的氧化物配方及不同的原料組合之下。對于 HF 基腐蝕液体系而言,its corroding rate is largely determined by the concentration of HF enhancing agents used in the solution体系之中。heating treatment 对于 glass 的整体 corroding performance 有着显著的影响作用;不同類型 glass 可能具有不同的 最佳 annealing temperature range 來达到 最佳防腐性能 的目標。

图4展示了吡咯烯玻璃100 µm深度的蚀刻后状态下的掩蔽层图像

光刻胶覆盖层
该试剂被用于稀释高频溶液（通常称为BOE），其中包含氧化硅成分以实现蚀刻过程。
在我们的实验中，在高温环境下经过特殊处理后发现，在120OC热板上持续烘烤30分钟后可实现 AZ7220 型光刻胶的最大曝光时间约为3分钟（相当于非退火晶圆上25微米深度的光刻）。
我们的实验表明，在这种情况下适当涂抹 Cr/Au 膜涂层可显著提高腐蚀效率。
在实验过程中发现，在特定条件下使用 Cr/Au （60nm/400nm）与 SPR22O-7 型光刻胶组合后可使该工艺达到改进效果的原因是由于覆盖层表面的小缺陷得到了有效遮蔽。
实验结果表明，在未退火状态下的玻璃晶圆上采用 Cr/金覆盖层可在 49% 的 HF 溶液中完成约3O分钟深度为 2OOµm 的玻璃通道刻画工艺，并通过显微镜观察获得了良好的边缘清晰度且无明显缺陷残留现象出现。
在多个实验样本中均获得了理想效果：无论是在顶视图还是侧视图下均未观察到任何明显损坏现象的发生；这充分验证了所采用湿腐蚀工艺具有良好的各向同性特性：即各方向上的渗透深度基本一致。

总结

本文探讨了玻璃湿蚀刻画技术，并重点分析了最常见的玻璃类型。在高频溶液中进行的湿法蚀刻过程主要涉及以下几个关键因素：首先，在高频溶液中溶解度较低的氧化钙、氧化镁和氧化铝元素不仅能够有效降低腐蚀速率（及时性），还能显著减少表面粗糙度；其次，在制备过程中适当调节溶液浓度能够获得更好的加工效果；此外，在加热频率控制在40至50摄氏度范围内时配合超声波搅拌技术可以显著提高加工效率并改善表面质量。通过这一工艺体系的研究发现，在烧结过程中合理调控烧结温度能够获得均匀致密的表层结构；最后优化后的烧结工艺参数表明最佳结果可以通过以下步骤获得：首先用Cr/Au(50nm/1µm)+光刻胶制作掩模片后并将其放置于含有光刻胶的模板上随后均匀涂抹一层厚度为500µm且均匀分布的晶圆片材料再将整个样品置于含有适量盐酸处理液的烘箱内进行24小时保温处理以确保后续操作的安全性和可靠性