Grabado húmedo profundo de varios niveles de microestructuras de vidrio de sílice fundida en solución BOE

Scientific Reports volumen 13, número de artículo: 5228 (2023) Citar este artículo

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El vidrio de sílice fundida es un material elegido para dispositivos micromecánicos, microfluídicos y ópticos debido a su resistencia química y rendimiento óptico, eléctrico y mecánico. El grabado húmedo es el método clave para la fabricación de dichos microdispositivos. La integridad de la máscara protectora es un gran desafío debido a las propiedades extremadamente agresivas de la solución de grabado. Aquí, proponemos una ruta de fabricación de microestructuras multinivel basadas en grabado profundo de sílice fundida a través de una máscara escalonada. Primero, proporcionamos un análisis de un mecanismo de disolución de sílice fundida en una solución de grabado de óxido tamponado (BOE) y calculamos las principales fracciones de fluoruro como \({HF}_{2}^{-}\), \({F}^{ -}\), \({(HF)}_{2}\) en función del pH y la relación NH4F:HF. Luego, investigamos experimentalmente la influencia de la composición de BOE (1:1–14:1) en la resistencia de la máscara, la tasa de grabado y la isotropía del perfil durante el grabado profundo a través de una máscara de metal/fotorresistente. Finalmente, demostramos un proceso de grabado multinivel de alta calidad de más de 200 μm con una velocidad de hasta 3 μm/min, que podría ser de gran interés para microdispositivos avanzados con suspensiones de flexión, masas inerciales, microcanales y orificios pasantes de oblea.

Las obleas de vidrio de sílice fundida se utilizan ampliamente en microdispositivos como sensores inerciales1, sistemas de microfluidos2,3 y sensores ópticos4,5 debido a sus excelentes propiedades mecánicas, eléctricas y ópticas, estabilidad térmica y química, así como biocompatibilidad. Los elementos estructurales de estos dispositivos suelen contener membranas de flexión de 5 a 50 µm de espesor6,7, microcanales de 10 a 100 µm de profundidad8,9 o orificios pasantes para toda la profundidad del sustrato de 150 a 1000 µm10,11. Además, los microdispositivos suelen combinar estos elementos en microestructuras multinivel12. Es de vital importancia garantizar el procesamiento de alta calidad de los elementos de microdispositivos de vidrio fundido, ya que determina los parámetros ópticos, reológicos y mecánicos de las estructuras. Existen algunas tecnologías importantes de microfabricación de vidrio: impresión 3D, mecánica, térmica y química (seca y húmeda)13,14. Sólo los métodos químicos garantizan la obtención de superficies lisas, que son fundamentales para diversas aplicaciones ópticas, mecánicas y de microfluidos. A diferencia de los métodos húmedos, el grabado con plasma se prefiere para el grabado profundo del silicio15, pero está limitado para la sílice fundida por su baja tasa de grabado y profundidad de grabado debido a la escasa selectividad de las máscaras protectoras16. Es por eso que los procesos de grabado húmedo siguen siendo el método clave en la fabricación de microdispositivos de vidrio. Permite grabar microestructuras profundas con un perfil isotrópico y baja rugosidad superficial a altas velocidades de grabado (varios μm/min)17. El grabado con sílice fundida se realiza en una solución a base de HF debido a la alta inercia química del vidrio. Por lo general, se añaden aditivos tampón a las soluciones de ácido fluorhídrico para estabilizar la velocidad de grabado, lo cual es útil en el caso de grabado de vidrios multicomponente debido a la disolución de los productos de reacción18. Sin embargo, la estabilidad y la integridad de la máscara protectora en grabadores reactivos se convierten en el factor limitante (Tabla 1).

El material y las propiedades de la máscara protectora, así como la composición de la solución de grabado, son los factores más importantes que afectan la calidad del grabado. Las soluciones más utilizadas son fotoprotectores (AZ5214E, SPR220), metales (Au/Cr, Cr, Mo) y máscaras protectoras a base de silicio (a:Si, Bulk-Si) (Tabla 1). La complejidad del proceso de fabricación y las profundidades requeridas de las microestructuras de sílice fundida determinan la elección de los materiales de máscara para diversos dispositivos. Por lo tanto, las máscaras fotorresistentes son fáciles de aplicar, pero tienen baja adherencia y baja resistencia a las soluciones de HF, lo que limita las profundidades de grabado a varias decenas de micrómetros19,20,21,22,23,24,25. Las mascarillas a base de Si son altamente resistentes a la solución de ácido fluorhídrico4,37,38,39,40,41. Sin embargo, la fabricación de capas a base de Si de baja tensión es un desafío (por ejemplo, capas gruesas de a:Si) y puede requerir pasos tecnológicos adicionales (por ejemplo, eliminación de máscara alcalina, unión anódica de placas de Si para grabado de vidrio de borosilicato). Las máscaras metálicas a base de Cr/Au son las más utilizadas en el grabado de vidrio húmedo4,7,23,29,30,31. El cromo garantiza una alta adhesión de las películas de oro al vidrio, mientras que el oro es altamente inerte en soluciones de HF, lo que garantiza un grabado profundo de las microestructuras. El alto costo y la alta capacidad de difusión de las máscaras de oro limitan sus posibles aplicaciones. Los metales refractarios como el molibdeno y el cromo se utilizan con éxito para el grabado profundo de vidrio26,27,28,34,35,36. Sin embargo, estos metales tienden a formar capas de alta tensión que requieren un proceso de deposición avanzado. Los beneficios clave de la película de molibdeno son las bajas tasas de disolución en ácido HF (cerca de 19 Å/min) y la alta adhesión al sustrato de vidrio42, así como un menor costo en comparación con las máscaras a base de oro.

Las propiedades físicas de las máscaras protectoras metálicas, la interfaz sustrato-metal y la concentración de la solución BOE afectan directamente la calidad del grabado del vidrio (Fig. 1). Los microdefectos y la discontinuidad de las películas metálicas provocan defectos por orificios en la superficie del vidrio (Fig. 1a). Una mala adhesión da como resultado un corte socavado de la máscara protectora y altas tasas de grabado lateral (Fig. 1b). La alta tensión en las capas de la máscara conduce a la formación de microfisuras (Fig. 1c) o a una mayor rugosidad de los bordes grabados (Fig. 1d). Un alto contenido de productos de grabado por reacción puede provocar un aumento sustancial en la rugosidad de la superficie grabada (Fig. 1e) o incluso un perfil de grabado irregular (Fig. 1f). El grabado de vidrio fundido de alta calidad se caracteriza por una alta tasa de grabado y una calidad de superficie perfecta, así como por una alta isotropía de grabado. La optimización de la solución de grabado es una de las formas efectivas de mejorar la calidad del grabado, prevenir la formación de defectos y mantener la estabilidad de la máscara.

Defectos del vidrio obtenidos después del proceso de grabado BOE: (a) imagen óptica de poros en una superficie de vidrio e imágenes SEM de: (b) defecto de socavado de la máscara; (c) microfisuras de un sustrato de vidrio; (d) bordes rugosos de la estructura; (e) alta rugosidad superficial; (f) perfil de grabado irregular.

En este trabajo, informamos sobre la ruta de fabricación de microestructuras de vidrio de sílice fundida multinivel basada en un grabado húmedo de más de 200 μm de profundidad a través de una máscara protectora escalonada de fotorresistente/metal con solo un proceso de fotolitografía de dos pasos basado en capas de fotorresistente de más de 1 micrón43. Existe información confiable sobre el efecto de la concentración de la solución BOE sobre la calidad de las microestructuras grabadas y la resistencia de la máscara para el proceso de grabado profundo de vidrio. Por ejemplo, la influencia de la concentración de la solución BOE en la forma del perfil de grabado de SiO2 para solo unos pocos micrómetros de profundidad se describe en la Ref.44. Nuestro estudio revela la dependencia de la tasa de grabado, la profundidad, la isotropía y la estabilidad de la máscara de la composición de la solución BOE. La variación de la concentración de BOE provoca cambios en el pH y en la cantidad de especies de reacción que afectan la calidad del grabado. El proceso de grabado propuesto garantiza la estabilidad de la máscara, una alta tasa de grabado e isotropía, lo que permite obtener un perfil de grabado multinivel en vidrio fundido con un solo paso de fotolitografía inicial.

El cuarzo fundido es un vidrio de sílice puro (SiO2) en forma amorfa. La ruptura de los enlaces Si-O es un aspecto crítico del proceso de grabado, ya que los enlaces Si-O tienen una alta fuerza de unión (810 kJ/mol versus 327 kJ/mol de fuerza de unión Si-Si)45. Generalmente, el mecanismo de disolución del SiO2 se describe mediante tres etapas iterativas: protonación superficial, ataque nucleofílico del átomo de silicio electrófilo y formación del enlace Si-F (Fig. 2). Dependiendo del pH, hay dos efectos principales en una solución: los llamados efectos de superficie y de concentración45,46. Primero, se establece el equilibrio químico entre los componentes de la solución que contienen flúor. En segundo lugar, los grupos SiOH2+, SiOH o SiO– se forman en una superficie de vidrio debido a una protonación o pérdida de un protón. La concentración relativa de cada uno de los tres grupos determina la reactividad de las capas superficiales y depende del pH de la solución. El número de grupos SiOH prevalece en la región del punto isoeléctrico pI del SiO2 (el valor pI para SiO2 varía de 2 a 4)47. Por debajo del punto isoeléctrico aumenta la concentración de grupos SiOH2+. Por encima de él, aumenta la concentración de grupos SiO–. La sustitución del grupo OH– del SiOH neutro es más lenta que la eliminación de H2O del grupo SiOH2+ protonado45.

Mecanismo de reacción de disolución de SiO2 en soluciones a base de HF: (a – c) reacción de equilibrio de los grupos silanol de superficie en una solución grabada con diferente valor de pH; (d) ataque nucleofílico del átomo de silicio electrófilo; (e – g) formación de los enlaces Si – F.

El proceso de grabado también está influenciado por la composición de la solución de grabado, la concentración de los componentes, la temperatura y la intensidad de mezcla de la solución. La temperatura elevada del proceso conduce a una mayor tasa de grabado y una menor probabilidad de cristalización de la solución BOE durante el grabado48, pero podría empeorar la isotropía del grabado49. Sin embargo, la solución concentrada de HF comienza a emitir humo durante el grabado y la temperatura elevada del proceso aumenta la generación de vapor, que también es un poderoso veneno de contacto para el operador50. La mezcla de soluciones afecta solo levemente la velocidad de disolución, porque el proceso está controlado cinéticamente46, pero puede causar daños graves a la máscara35. La tasa de grabado aumenta al aumentar el contenido de HF en la solución BOE. La adición de un tampón de fluoruro de amonio NH4F al HF aumenta la resistencia al grabado de las máscaras fotorresistentes y ayuda a mantener la tasa de grabado19, pero su dependencia del contenido de NH4F no es lineal. La tasa de grabado aumenta con una pequeña adición de NH4F a una determinada concentración, pero con un aumento adicional de la concentración de NH4F, comienza a disminuir51. Por lo tanto, la tasa de grabado depende del porcentaje de partículas de grabado en la solución, que puede describirse como pH de la solución. El pH de los sistemas NH4F/HF se calcula según (1) la ecuación de Henderson-Hasselbalch52

donde Ka es la constante de disociación del ácido débil, pKa = log Ka, y [HA] y [A–] son las molaridades del ácido débil y su base conjugada.

Hay muchos compuestos descritos por (2)–(5) en solución BOE: HF, \({F}^{-}\), \({(HF)}_{2}\), \({HF} _{2}^{-}\), \({NH}_{4}^{+}\), \({H}^{+}\). En soluciones con alta concentración de HF se forman complejos basados en HF como (HF)nF–52. \({HF}_{2}^{-}\) y \({(HF)}_{2}\) son las especies de reacción en soluciones de HF y la velocidad de reacción de grabado con \({HF}_{2) }^{-}\) es 2000–3000 veces más rápido que con \({(HF)}_{2}\)45,54, lo que puede explicarse por el ángulo de enlace de las especies (180° y 90°, respectivamente)45. Se ha demostrado que \({F}^{-}\) no participa en la reacción de grabado o, al menos, que el grabado por \({F}^{-}\) es insignificante53. Las principales reacciones y constantes de equilibrio de las reacciones que ocurren en solución BOE, según las Refs.55,56:

Constante de disociación de HF, k1 = 6, 9 × 10–4 mol/L.

Constante de disociación del NH4F, k2 = 44, 17 mol/L.

Formación de complejos HF, kd1 = 4, 0 L/mol.

Formación de dímero de HF, kd2 = 2, 7 L/mol.

Existen varios trabajos que describen cálculos del porcentaje de especies reactivas en solución de BOE para diferentes concentraciones de HF45,53,54,57, pero no reflejan el rango requerido de concentraciones de BOE considerado en este trabajo. Para describir la solución de grabado se utilizará la abreviatura "BOE n:m". Esta abreviatura se refiere a una relación de mezcla de n partes en volumen de 40% en peso de NH4F y m partes de 49% en peso de HF. Calculamos el contenido relativo de componentes en la solución BOE con la relación n: my el pH de la solución utilizando las constantes de reacción (2) – (5) (Fig. 3). Estas dependencias son cualitativas, ya que no tienen en cuenta la formación de partículas más complejas y se calculan a temperatura ambiente, pero permiten comprender visualmente el proceso de grabado.

Las fracciones calculadas de los componentes principales en soluciones de BOE en función del pH y la relación BOE n:m.

El grabado del vidrio se realiza en el caso general según (6):

La reacción es de varias etapas y se desarrolla según (7) y (8):

Teniendo en cuenta que \({HF}_{2}^{-}\) y \({(HF)}_{2}\) son especies de reacción en soluciones BOE, (7) puede proceder por dos vías (9 ) y (10). La reacción dominante depende del porcentaje de partículas de cada tipo en la solución, que a su vez depende de la concentración de los reactivos iniciales en la solución.

Por lo tanto, la velocidad de grabado de sílice fundida dependerá predominantemente de la concentración de los reactivos iniciales en la solución de BOE. Se puede suponer que la tasa máxima de grabado tendrá lugar en la región cercana a la concentración máxima de \({HF}_{2}^{-}\).

En este estudio se utilizan sustratos de vidrio de sílice fundida de 25 mm × 25 mm y 500 µm de espesor. Las obleas se limpiaron en disolventes orgánicos y soluciones de peróxido de azufre (solución Piraña). Se pulveriza una máscara protectora que consta de molibdeno de 200 nm de espesor sobre la parte superior de una oblea de vidrio mediante pulverización catódica con magnetrón a una presión base de 3 mTorr. Se recubrió por rotación un forotesista positivo de 3 µm de espesor (SPR220) sobre las obleas y se modeló utilizando un proceso de fotolitografía estándar. Las áreas expuestas de Mo se grabaron en una solución de ácidos nítrico, acético y ortofosfórico (grabador de Al tipo A). El tratamiento térmico posterior provoca una fuerte reticulación de la capa fotorresistente, lo que impide que la solución de grabado penetre profundamente en la máscara.

La solución de grabado de vidrio se prepara recientemente mezclando ácido fluorhídrico (HF 49%) y fluoruro de amonio (NH4F 40%). La relación de volumen (NH4F a HF) varía de 1 a 14 para el grabado de vidrio. El grabador de óxido tamponado evita una fuerte penetración de la solución en la interfaz máscara-sustrato, la formación de poros y estabiliza la velocidad de grabado. El proceso se lleva a cabo en un tanque fluoroplástico con control de temperatura a una temperatura de 60 °C para aumentar la velocidad de grabado y evitar la cristalización de la solución. Para evaluar el proceso de grabado se utilizan además estructuras de líneas de prueba con un ancho de 5 a 200 µm. El proceso de grabado se controló mediante microscopía óptica y electrónica de barrido para evaluar la profundidad del grabado y la calidad de la superficie después del grabado.

Después de cada proceso de grabado, se retiraron las máscaras fotorresistentes y metálicas y se dividieron las muestras para evaluar el perfil de grabado de las estructuras de prueba. No hay datos disponibles para la concentración de BOE 1:1, ya que la máscara perdió completamente la adherencia durante el grabado. Para concentraciones de BOE superiores a 2,5, la máscara resistió el proceso de grabado durante 60 min. La Figura 4 muestra imágenes de microscopio electrónico de barrido (SEM) de líneas de prueba grabadas con un ancho de 50 µm para una concentración de BOE diferente y un tiempo de grabado de 60 minutos.

Imágenes SEM de estructuras de prueba escindidas de 50 μm de ancho después del grabado húmedo y la eliminación de las máscaras: (a) BOE 2,5:1: región de grabado no isotrópica; (b) BOE 3:1 y (c) BOE 4:1: región de grabado isotrópico; (d) BOE 7:1, (e) BOE 10:1 y (f) BOE 14:1: región de grabado de subcotización de máscara.

Hay tres regiones típicas que se pueden distinguir en términos de la forma del perfil de grabado: grabado isotrópico, grabado no isotrópico y región de socavado de máscara. El grabado en soluciones inferiores a BOE 3:1 (Fig. 4a) tiende a formar un fondo de grabado desigual y un perfil no isotrópico caracterizado por una velocidad lateral más alta que la vertical. Para BOE 7: 1 y superior (Fig. 4c-e), observamos defectos socavados a través de la máscara con alta rugosidad. Entre estas regiones (Fig. 4b, c) hay un grabado sin defectos, que se caracteriza por la ausencia de socavado de máscara y perfil isotrópico. BOE 3:1 y 4:1 proporciona una superficie lisa y sin defectos. La profundidad máxima de grabado superior a 200 μm se obtiene con BOE 3:1.

Demostramos las dependencias (Fig. 5) de la isotropía de grabado (la relación entre el corte lateral "h" y la profundidad de grabado "H") y la tasa de grabado de sílice fundida en una concentración de solución BOE (puntos rojos y azules respectivamente). Se puede ver que la tasa de grabado máxima corresponde a BOE 3:1 con la concentración máxima de \({HF}_{2}^{-}\). La isotropía de grabado se desvía de la unidad y la velocidad de grabado disminuye para todas las demás concentraciones, lo que ocurre debido a reacciones químicas en la solución de grabado con cambios en su composición. Por ejemplo, a una concentración alta de NH4F (BOE > 4:1), los iones F– y NH4+ dominantes de la reacción de disociación del aditivo tampón NH4F (2) influyen negativamente en el proceso de grabado. Los iones NH4+ inactivan \({HF}_{2}^{-}\), lo que lleva a la formación compleja de un cristal de NH4HF2 escasamente soluble. Además, los iones NH4+ pasivan una superficie de SiO2 cargada negativamente, evitando la reacción de grabado al bloquear la penetración profunda en el SiO2. Otro efecto negativo es la precipitación de los productos de reacción (11, 12) debido a su limitada solubilidad48.

La dependencia de la concentración de BOE y el valor de pH para diferentes anchos de línea de prueba grabada de isotropía del perfil grabado de sílice fundida (puntos rojos), velocidad de grabado (puntos azules) e isotropía preferida (línea continua).

Se puede observar que la gran cantidad de NH4F (BOE > 4:1) en solución disminuye la velocidad de grabado debido a la pasivación de la superficie del vidrio con deposición de productos de reacción insolubles. Por el contrario, las áreas con un alto contenido de HF (BOE <3:1) se caracterizan por una disminución de la resistencia de la máscara y un aumento de la tasa de grabado lateral. En común, se observa una disminución de la tasa de grabado con una disminución en el ancho de las líneas de prueba grabadas. La tasa de grabado para líneas de prueba estrechas (5 μm) es 1,05 a 1,2 veces menor que para las líneas de prueba más anchas (200 μm). Esto se puede explicar por el hecho de que en las zanjas anchas todos los reactivos y productos de reacción se eliminan más rápido de lo que comienza a agotarse la solución.

Proponemos una ruta de fabricación para estructuras de vidrio multinivel que incluyen orificios pasantes de oblea y membranas en vidrio de sílice fundido a través de una máscara escalonada. Utilizamos obleas de sílice fundida de grado UV (oblea Siegert) de 500 µm de espesor, que se limpiaron en una solución Piranha (H2SO4:H2O2) a 120 °C. Se pulveriza con magnetrón una capa de máscara protectora de molibdeno de 200 nm de espesor a una presión de proceso de 3 mTorr en ambos lados de las obleas. A continuación, aliviamos las tensiones residuales en el metal mediante recocido postérmico con una temperatura superior a 600 °C en una atmósfera de argón. Se diseñó una máscara de resistencia escalonada sobre obleas de vidrio con una litografía de dos pasos (Fig. 6a) en una capa fotorresistente MEGAPOSIT SPR-220–7.0 de 5 um de espesor recubierta por rotación (Micro resist technology GmbH, Alemania). En el área expuesta, se grabó en húmedo una película protectora de molibdeno en una mezcla de ácidos nítrico, acético y ortofosfórico (Grabador Al tipo A, Transene Company Inc.) a temperatura ambiente de acuerdo con la solución de grabado compatible con molibdeno-aluminio. Se realizó un horneado duro a 120 °C antes de grabar en húmedo las obleas para mejorar las propiedades mecánicas mejoradas por termo-reticulación de la capa fotorresistente. El grabado del vidrio se llevó a cabo a 60 °C en la solución BOE 3:1 propuesta recién preparada a partir de NH4F 40% (Sigma Aldrich Inc.) y HF 49% (Technic Inc.) para formar el primer nivel de grabado (Fig. 6b). Además, retiramos localmente la máscara protectora de dos capas (resistente-Mo) mediante grabado con plasma de oxígeno de una capa más delgada de fotorresistente (Fig. 6c) y seguimos el grabado húmedo con molibdeno a través de áreas de resistencia abiertas. El segundo paso de grabado del vidrio utilizando el mismo procedimiento garantiza la formación del molde microestructural multinivel requerido (Fig. 6d). El proceso se probó en la fabricación de la microestructura con un espesor nominal de 100 ± 5 µm (Fig. 6e). Usando el perfilómetro óptico medimos la rugosidad de la superficie de la microestructura que se muestra en la Fig. 6f (Sa = 2,5 nm en el área de 111 µm × 94 µm). Variando la cantidad de pasos de fotolitografía, se puede aumentar correspondientemente el número de pasos de grabado y los niveles.

Ruta de fabricación de microestructuras de vidrio de sílice fundida multinivel: (a) perfil escalonado resiste el patrón con fotolitografía de dos pasos; (b) apertura de la ventana en la máscara metálica y la primera etapa de grabado; (c) apertura de la máscara de la segunda etapa; (d) segunda etapa de decapado; (e) Imagen SEM de la microestructura de la membrana escindida (resultado del grabado, × 80); (f) Imagen SEM de la superficie de la membrana escindida (× 500).

El método propuesto para procesar vidrio de sílice fundida y patrones de microestructuras multinivel demuestra claramente la posibilidad de formar membranas (Fig. 7a), microcanales (Fig. 7b) y microestructuras multinivel con orificios a través de oblea (Fig. 7c). Abre el camino para utilizar las ventajas clave del vidrio de sílice fundida, especialmente su coeficiente de expansión térmica, transparencia óptica y alta inercia química para la fabricación de microdispositivos con elementos complejos de múltiples niveles y ensamblaje de múltiples obleas.

Microestructuras grabadas con sílice fundida: (a) imagen óptica de una membrana de 60 μm de espesor (× 5); (b) Imagen SEM del microcanal (× 150); (c) Imagen SEM de una microestructura de dos niveles (en forma de voladizo) con un orificio pasante de oblea (× 80).

En este trabajo, propusimos una ruta de fabricación de microestructuras de vidrio de sílice fundida multinivel libre de defectos basada en grabado húmedo profundo en solución BOE a través de una máscara escalonada con fotolitografía de dos pasos. El vidrio de sílice fundida se usa ampliamente en dispositivos MEMS con factor de alta calidad debido a sus propiedades estables en condiciones críticas. Sin embargo, el procesamiento de vidrio de alta calidad es posible en soluciones de ácido fluorhídrico extremadamente reactivas y peligrosas, lo que contribuye a la formación de diversos defectos. Presentamos una descripción teórica del proceso de grabado en términos de las reacciones y los productos formados. Luego, la composición de los principales componentes del fluoruro como \({HF}_{2}^{-}\), \({F}^{-}\), \({(HF)}_{2}\) como Se calculó una función de la concentración de la solución BOE y el valor del pH para estimar la tasa de grabado de sílice fundida. Basándonos en nuestros cálculos y experimentos, demostramos que la concentración de BOE (NH4F:HF de 1:1 a 14:1) determina directamente la resistencia de la máscara de metal/fotorresistente, la tasa de grabado y la isotropía del perfil. Utilizamos una máscara delgada de molibdeno como capa protectora debido a las bajas tasas de disolución en soluciones basadas en HF y la alta adhesión a sustratos de vidrio. Confirmamos nuestra evaluación analítica con los resultados experimentales al demostrar el grabado isotrópico con una superficie lisa y una tasa de grabado máxima proporcionada a una concentración de BOE de 3:1 (pH 3,75). Corresponde al máximo calculado de contenido \({HF}_{2}^{-}\). Finalmente, demostramos una ruta de fabricación basada en una máscara protectora de alta resistencia para el modelado de microelementos multinivel. Incluye tres pasos clave: un proceso de litografía de dos pasos, grabado húmedo en BOE 3:1 y adelgazamiento del fotorresistente de plasma iónico. El proceso garantiza el logro de un grabado isotrópico multinivel de alta calidad de más de 200 μm con una velocidad de hasta 3 μm/min para microdispositivos avanzados de sílice fundida con suspensiones de flexión, masas inerciales, microcanales y orificios a través de obleas. Cabe señalar que la ruta propuesta supone solo un paso de fotolitografía inicial, lo cual es de vital importancia para los microdispositivos avanzados, ya que no requiere la formación de máscara en superficies premodeladas no planas.

Los conjuntos de datos utilizados y/o analizados durante el estudio actual están disponibles del autor correspondiente previa solicitud razonable.

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La tecnología se desarrolló y las muestras se fabricaron en la instalación de nanofabricación de BMSTU (Micro/Nanosistemas funcionales, FMNS REC, ID 74300).

Laboratorio FMN, Universidad Técnica Estatal Bauman de Moscú, Moscú, 105005, Rusia

TG Konstantinova, MM Andronic, DA Baklykov, VE Stukalova, DA Ezenkova, EV Zikiy, MV Bashinova, AA Solovev, ES Lotkov, IA Ryzhikov & IA Rodionov

Instituto de Investigación en Automática Dukhov, VNIIA, Moscú, 127030, Rusia

TG Konstantinova, DA Baklykov, DA Ezenkova, EV Zikiy, ES Lotkov & IA Rodionov

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TGK, MMA e IA Rodionov (IAR) conceptualizaron las ideas del proyecto. TGK, MMA y VES prepararon el borrador original escrito. TGK, MMA, DAB y MVB fabricaron muestras experimentales y discutieron los resultados. MMA y VES utilizaron tecnología de fotolitografía en escala de grises de doble cara. DAE y DAB realizaron la caracterización morfológica. EVZ y ESL realizaron el proceso de evaporación de la máscara. AAS y DAB realizaron un proceso de grabado en seco con máscara. TGK, MMA e IAR revisaron y editaron el manuscrito. IAR e IARyzhikov supervisaron el proyecto. Todos los autores analizaron los datos y contribuyeron a escribir el manuscrito.

Correspondencia a IA Rodionov.

Los autores declaran no tener conflictos de intereses.

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Konstantinova, TG, Andronic, MM, Baklykov, DA et al. Grabado húmedo profundo de varios niveles de microestructuras de vidrio de sílice fundida en solución BOE. Representante científico 13, 5228 (2023). https://doi.org/10.1038/s41598-023-32503-w

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Recibido: 31 de enero de 2023

Aceptado: 28 de marzo de 2023

Publicado: 30 de marzo de 2023

DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-023-32503-w

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