專利名稱：在硼硅玻璃表面加工微槽陣列的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及的是一種微機(jī)電制造技術(shù)領(lǐng)域的制備方法，特別是一種在硼硅玻璃表面加工微槽陣列的方法。
背景技術(shù)：
目前，對(duì)于微流體器件的研究方興未艾，在硅片、玻璃等基片材料上制備的微溝道結(jié)構(gòu)在生物芯片、微化學(xué)反應(yīng)腔等領(lǐng)域都有廣泛的應(yīng)用。尤其是在芯片冷卻領(lǐng)域，微通道內(nèi)流動(dòng)換熱是當(dāng)前傳熱界研究的一個(gè)重要課題。研究表明具有微米級(jí)大小的溝槽或管道結(jié)構(gòu)的微通道散熱器具有極強(qiáng)的冷卻能力，其熱阻是無(wú)源散熱器熱阻的1/50～1/200?？梢栽谖磥?lái)芯片封裝和器件冷卻方面發(fā)揮重大作用。其中，導(dǎo)水板的制造工藝是微通道散熱器研制的關(guān)鍵技術(shù)。導(dǎo)水板實(shí)際上是由表面刻出微溝槽陣列的硼硅玻璃基片構(gòu)成，以便通過低溫鍵合工藝與硅散熱片陣列牢固連接，從而構(gòu)成微通道散熱器。為保證流量和減小管道壓降，上述微溝槽陣列的深度通常都大于100微米。現(xiàn)有的玻璃刻蝕工藝通常采用濺射金屬薄膜和/或光刻膠作掩模，當(dāng)刻蝕深度超過100um時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重的針孔等缺陷，使玻璃表面凹凸不平，同時(shí)鉆蝕嚴(yán)重。無(wú)法進(jìn)行后續(xù)的鍵合工藝。為解決上述問題，迫切需要研究在硼硅玻璃表面加工深度大于100微米的微溝道陣列的配套加工方法。
經(jīng)對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的文獻(xiàn)檢索發(fā)現(xiàn)，Thierry Cormany等人在《Journal ofMicromechanics and Microengineering》(微力學(xué)與微工程學(xué)報(bào))No.8，1998，pp84~87上撰文“Deep wet etching of borosilicate glass using an anodicallybonded silicon substrate as mask(采用陽(yáng)極鍵合的硅基片作為深刻蝕硼硅玻璃的掩膜)”，該文介紹了一種利用靜電鍵合的單晶硅作為掩膜在硼硅玻璃上加工深度大于500微米的微槽的方法。雖然這種方法能夠在玻璃上加工深槽，而且避免了玻璃表面出現(xiàn)針孔等缺陷，但上述方法的成本高，費(fèi)時(shí)費(fèi)力。因?yàn)槭紫纫诠柩谀ど祥_出窗口后才能進(jìn)一步加工玻璃微槽，而這一過程需要八小時(shí)，加工結(jié)束后，若要移除硅掩膜，又需要八小時(shí)，因此整個(gè)過程中僅掩膜的處理就需要約十六到二十小時(shí)，需要過多時(shí)間。而且所采用的作為掩膜的單晶硅片也大大增加了上述方法的成本，在實(shí)用化方面還存在較大困難。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)中存在的不足，提供一種在硼硅玻璃表面加工微槽陣列的方法，使其簡(jiǎn)便易行，基于濺射和無(wú)掩膜微電鍍工藝來(lái)制備濕法腐蝕硼硅玻璃的掩膜，從而達(dá)到減小針孔缺陷和鉆蝕量的效果。
本發(fā)明是通過以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的，本發(fā)明具體步驟如下1.在清洗干凈的硼硅玻璃片表面濺射鉻銅種子層；2.在濺射了鉻銅種子層的硼硅玻璃片上旋涂上一層光刻膠，經(jīng)過光刻，形成加工玻璃深槽陣列的掩膜窗口；3.將開出掩膜窗口的硼硅玻璃片置入腐蝕液去除窗口內(nèi)的鉻銅種子層；4.將硼硅玻璃片置入分析純丙酮中超聲去膠；5.采用電鍍方法，在開出窗口的鉻銅種子層表面電鍍金屬掩膜，首先電鍍銅掩膜，然后在銅掩膜上再電鍍金掩膜；6.將電鍍好金屬掩膜的硼硅玻璃片放入濕法腐蝕液中腐蝕，連續(xù)刻蝕，從而在硼硅玻璃表面刻出底部光滑、深度大于100微米的微溝槽陣列，進(jìn)一步增加刻蝕時(shí)間，則可以獲得更深的微溝槽陣列。
所述的濺射，其工藝條件為本底真空4×10-4帕，工作氣體為高純氬氣，工作氣壓5×10-1帕，功率500瓦。
所述的鉻銅種子層，其鉻層厚度10納米，銅層厚度80納米。
所述的光刻膠，其厚度為5微米。
所述的光刻，其參數(shù)為曝光功率12毫焦、曝光時(shí)間35秒。
所述的步驟3中的腐蝕液，如果使用鉻腐蝕液，是指1000毫升的去離子水中加42毫升濃度為70％的高氯酸再加165克硝酸鈰銨，如果使用銅腐蝕液，是指10％的三氯化鐵溶液。
所述的超聲為3分鐘。
所述的電鍍銅掩膜，其工藝參數(shù)為厚度1微米，電流密度1安培每平方分米，電鍍銅的電解液中每升含150克硫酸銅、40克硫酸、0.8克酚磺酸、25克葡萄糖。
所述的電鍍金掩膜，其工藝參數(shù)為厚度0.5微米，電流密度0.2安培每平方分米，電鍍金的電解液中每升含4克金氰化鉀，15克氰化鉀，15克碳酸鉀。
所述的步驟6中的腐蝕液，其成分及體積百分比為磷酸75％、氫氟酸10％、去離子水15％，其溫度為40攝氏度。
所述的刻蝕，其速度為20微米/小時(shí)。
本發(fā)明的工作原理是步驟1中，所濺射的種子層一方面可以增加隨后旋涂上的光刻膠或沉積的金屬與硅片的附著力，另一方面可以作為電鍍過程中的導(dǎo)電層。步驟2中，顯影結(jié)束后所構(gòu)成的掩膜窗口，其底部為暴露出來(lái)的種子層，側(cè)壁為沒有顯影掉的光刻膠，在步驟3中，腐蝕液只能腐蝕掉掩膜窗口底部暴露出來(lái)的種子層，玻璃片表面其余部分的種子層由于上方覆蓋有光刻膠的保護(hù)，與腐蝕液隔開，仍能夠保留下來(lái)。經(jīng)過步驟4去膠后，可以看到硼硅玻璃片表面的種子層已刻出腐蝕微槽陣列的窗口。在步驟5的電鍍過程中，金屬只沉積在保留下來(lái)的種子層表面，從而實(shí)現(xiàn)金屬在硅片表面的選擇性沉積，使硼硅玻璃表面需要被腐蝕掉的部分暴露出來(lái)。改變掩膜窗口的平面圖案，就可以改變所制備的微槽陣列的平面圖案。由于采用光刻法制備刻蝕玻璃微槽的掩膜，很容易將掩膜的成型精度控制在微米量級(jí)。原有的鉻銅種子層作為阻擋層，能夠保護(hù)其下方的硼硅玻璃表面不受腐蝕液的侵蝕。但如果只由鉻銅種子層作為阻擋層，一方面由于濺射過程中，種子層表面難免存在局部缺陷，腐蝕過程中，腐蝕液會(huì)穿過這些局部缺陷腐蝕其下方的玻璃而產(chǎn)生針孔，另一方面，鉻抵御腐蝕液侵蝕的能力較差、腐蝕過程中，窗口側(cè)壁暴露出的鉻容易被腐蝕掉，增加了鉆蝕量。電鍍的銅掩膜一方面增加了阻擋層的厚度、并能夠彌補(bǔ)濺射過程中存在的局部缺陷，從而大大減小腐蝕中發(fā)生針孔缺陷的可能性。另一方面，電鍍的銅掩膜同時(shí)覆蓋在窗口側(cè)壁暴露出的鉻表面，明顯增強(qiáng)掩膜抵抗鉆蝕的能力。隨后再電鍍的金掩膜能夠進(jìn)一步提高掩膜層抵擋鉆蝕的能力，避免針孔的產(chǎn)生。但如果完全采用電鍍金作為掩膜，成本較高。步驟6中所采用的腐蝕液的成分，一方面能夠盡量減小對(duì)掩膜的腐蝕，從而降低了鉆蝕和針孔等缺陷，另一方面也能夠保證硼硅玻璃的刻蝕速率。
本發(fā)明的有益效果是本發(fā)明對(duì)加工條件的要求較低。采用微電鍍方法制備掩膜、針對(duì)所選用的玻璃腐蝕液，能以較低的成本，明顯改善掩膜抵御玻璃刻蝕液侵蝕的能力，避免玻璃表面的針孔等缺陷的產(chǎn)生，大大降低鉆蝕量。從而在硼硅玻璃表面加工出底部光滑，深度大于100微米的微槽陣列。
具體實(shí)施例方式
1.在清洗干凈的直徑為76毫米，厚度為500微米的硼硅玻璃片表面濺射鉻銅種子層。濺射工藝條件為本底真空4×10-4帕，工作氣體為高純氬氣，工作氣壓5×10-1帕，功率500瓦。濺射生長(zhǎng)鉻層厚度10納米，銅層厚度80納米。
2.在濺射了金屬種子層的硼硅玻璃片上旋涂上一層光刻膠，厚度為5微米，經(jīng)過光刻，形成加工玻璃深槽陣列的掩膜窗口。
3.將開出掩膜窗口的硼硅玻璃片置入腐蝕液去除窗口內(nèi)的種子層。其中，鉻腐蝕液為1000毫升的去離子水中加42毫升濃度為70％的高氯酸再加165克硝酸鈰銨，銅腐蝕液為10％的三氯化鐵溶液。
4.將硼硅玻璃片置入分析純丙酮中超聲3分鐘去膠。
5.采用電鍍方法，在開出窗口的種子層表面電鍍金屬掩膜，首先電鍍銅掩膜，厚度1微米，電流密度為1安培每平方分米。電鍍銅的電解液中每升含150克硫酸銅、40克硫酸、0.8克酚磺酸、25克葡萄糖。然后銅掩膜上在電鍍金掩膜，厚度0.5微米，電流密度0.2安培每平方分米，電鍍金的電解液中每升含4克金氰化鉀，15克氰化鉀，15克碳酸鉀。
6.將電鍍好金屬掩膜的硼硅玻璃片放入濕法腐蝕液中，腐蝕液中各成分的體積百分比為磷酸75％、氫氟酸10％、去離子水15％，腐蝕溫度為40攝氏度，刻蝕速度約為20微米/小時(shí)。連續(xù)刻蝕6小時(shí)，從而在硼硅玻璃表面刻出深度120微米、底部光滑的微溝槽陣列。
權(quán)利要求
1.一種在硼硅玻璃表面加工微槽陣列的方法，其特征在于，包括步驟如下(1)在清洗干凈的硼硅玻璃片表面濺射鉻銅種子層；(2)在濺射了鉻銅種子層的硼硅玻璃片上旋涂上一層光刻膠，經(jīng)過光刻，形成加工玻璃深槽陣列的掩膜窗口；(3)將開出掩膜窗口的硼硅玻璃片置入腐蝕液去除窗口內(nèi)的鉻銅種子層；(4)將硼硅玻璃片置入分析純丙酮中超聲去膠；(5)采用電鍍方法，在開出窗口的鉻銅種子層表面電鍍金屬掩膜，首先電鍍銅掩膜，然后在銅掩膜上再電鍍金掩膜；(6)將電鍍好金屬掩膜的硼硅玻璃片放入濕法腐蝕液中腐蝕，連續(xù)刻蝕，從而在硼硅玻璃表面刻出底部光滑、深度大于100微米的微溝槽陣列，進(jìn)一步增加刻蝕時(shí)間，則可以獲得更深的微溝槽陣列。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的在硼硅玻璃表面加工微槽陣列的方法，其特征是，所述的濺射，其工藝條件為本底真空4×10-4帕，工作氣體為高純氬氣，工作氣壓5×10-1帕，功率500瓦。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的在硼硅玻璃表面加工微槽陣列的方法，其特征是，所述的鉻銅種子層，其鉻層厚度10納米，銅層厚度80納米。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的在硼硅玻璃表面加工微槽陣列的方法，其特征是，所述的光刻膠，其厚度為5微米。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的在硼硅玻璃表面加工微槽陣列的方法，其特征是，所述的光刻，其參數(shù)為曝光功率12毫焦、曝光時(shí)間35秒。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的在硼硅玻璃表面加工微槽陣列的方法，其特征是，所述的步驟3中的腐蝕液，如果使用鉻腐蝕液，是指1000毫升的去離子水中加42毫升濃度為70％的高氯酸再加165克硝酸鈰銨，如果使用銅腐蝕液，是指10％的三氯化鐵溶液。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的在硼硅玻璃表面加工微槽陣列的方法，其特征是，所述的電鍍銅掩膜，其工藝參數(shù)為厚度1微米，電流密度1安培每平方分米，電鍍銅的電解液中每升含150克硫酸銅、40克硫酸、0.8克酚磺酸、25克葡萄糖。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的在硼硅玻璃表面加工微槽陣列的方法，其特征是，所述的電鍍金掩膜，其工藝參數(shù)為厚度0.5微米，電流密度0.2安培每平方分米，電鍍金的電解液中每升含4克金氰化鉀，15克氰化鉀，15克碳酸鉀。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的在硼硅玻璃表面加工微槽陣列的方法，其特征是，所述的步驟6中的腐蝕液，其成分及體積百分比為磷酸75％、氫氟酸10％、去離子水15％，其溫度為40攝氏度。
全文摘要
一種在硼硅玻璃表面加工微槽陣列的方法，屬于先進(jìn)制造技術(shù)領(lǐng)域。本發(fā)明采用在清洗干凈的硼硅玻璃片表面濺射鉻銅種子層，經(jīng)過光刻，形成加工玻璃深槽陣列的掩膜窗口；將硼硅玻璃片置入腐蝕液去除窗口內(nèi)的鉻銅種子層，分析純丙酮中超聲去膠，采用電鍍方法，首先電鍍銅掩膜，然后在銅掩膜上再電鍍金掩膜，腐蝕，連續(xù)刻蝕，從而在硼硅玻璃表面刻出底部光滑的微溝槽陣列。本發(fā)明簡(jiǎn)便易行，基于濺射和無(wú)掩膜微電鍍工藝來(lái)制備濕法腐蝕硼硅玻璃的掩膜，從而達(dá)到減小針孔缺陷和鉆蝕量的效果。
文檔編號(hào)C03C17/06GK1699234SQ20051002620
公開日2005年11月23日 申請(qǐng)日期2005年5月26日 優(yōu)先權(quán)日2005年5月26日
發(fā)明者戴旭涵, 趙小林, 丁桂甫, 蔡炳初 申請(qǐng)人:上海交通大學(xué)