專利名稱：一種光控法控制玻璃刻蝕深度的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于無機化學(xué)領(lǐng)域，特別涉及一種能夠用光控的方法準(zhǔn)確控制玻璃刻 蝕深度的刻蝕方法。
背景技術(shù)：
玻璃以其穩(wěn)定的表面性質(zhì)和好的透光性及弱的熒光背景，同時有較好的絕緣 性、價格便宜、熱穩(wěn)定性和化學(xué)穩(wěn)定性好、容易和硅片鍵合等特點，在MEMS (微 電子機械系統(tǒng))中常用來做絕緣層和襯底。
玻璃表面的微刻技術(shù)在微型電子加速器、微流控芯片等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用， 玻璃微細(xì)加工技術(shù)方面的大量研究為玻璃基底在MEMS方面的應(yīng)用鋪平了道路。這 些技術(shù)包括(1)濕法化學(xué)刻蝕，主要是應(yīng)用各種濃度的HF酸對玻璃基底進行加 工；(2)深反應(yīng)離子刻蝕技術(shù)，主要是利用SFe類等離子體對玻璃基底進行刻蝕； (3)粉末爆破法；(4)激光微細(xì)加工法；(5)超聲波鉆孔法；(6)鋸的方法。
目前玻璃微細(xì)加工技術(shù)的加工主要是基于濕法化學(xué)刻蝕的方法，即利用光刻技術(shù) 在犧牲層制作圖案窗口，繼而使用化學(xué)腐蝕溶液進行腐蝕加工，該方法所涉及的 光刻步驟需要昂貴的儀器和超凈室以及繁瑣的步驟，不利于在普通實驗室中推
廣。并且該方法中所用的掩膜通常為光刻膠或者為Cr/Au與光刻膠的混合物，該 方法要腐蝕一定深度的凹槽需要幾十分鐘時間，而一般光刻膠在溶液中腐蝕約 10min就會受到破壞而浮膠，同時由于光刻膠的均勻性問題在基底表面常會出現(xiàn) 針孔狀缺陷；DRIE方法適合制作對刻蝕深度有要求的精細(xì)結(jié)構(gòu)，但是刻蝕速度相 對比較慢；粉末爆破法刻蝕速度比較快，能達(dá)到25um/min，但是這一過程需要 特殊的設(shè)施，同時要求表面粗糙度大約為lum;激光微細(xì)加工法和超聲波鉆孔法 適合制造小數(shù)目的通孔玻璃激光加工，而且由于玻璃易碎的物理性質(zhì)，單純使用 激光加工難以制備表面光滑的微流控芯片管道系統(tǒng)，并且交叉管道的質(zhì)量不容易 控制；鋸的方法往往因在制作復(fù)雜結(jié)構(gòu)時缺乏彈性利用更為有限(Anewmasking technology for deep glass etching and its microfluidic application, Sensors and Actuators A， 2004,115， 476-482. —種新掩膜技術(shù)在深度玻璃刻蝕 及其在微流體方面的應(yīng)用，傳感器和制動器A, 2004， 115, 476-482)。對已有玻璃刻蝕方法的分析，發(fā)現(xiàn)刻蝕方法的繁瑣以及刻蝕條件的不可控性 是目前玻璃基底刻蝕面臨的主要問題。我們希望找到一種簡單而又行之有效的方 法可以對玻璃基底進行可控性刻蝕。 發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明首先要解決的問題是簡單、準(zhǔn)確地刻蝕玻璃，因此本發(fā)明提供一種可 控玻璃刻蝕的制作方法，能夠簡單、準(zhǔn)確地刻蝕玻璃表面，精確地控制刻蝕深度。本發(fā)明的另一個目的在于提供一種光控的玻璃刻蝕方法，可以通過調(diào)節(jié)光照 時間、光照強度等外在條件調(diào)控刻蝕的速度，并且可以通過各種染料和光生酸劑 鎰鹽的匹配，使刻蝕劑的使用在紫外及可見光區(qū)均得到響應(yīng)。一種光控法控制玻璃刻蝕深度的方法，其特征在于用光敏劑、感光生酸劑， 增稠劑、刻蝕助劑共同組成感光刻蝕劑。感光刻蝕劑中各成分的質(zhì)量百分比為 光敏劑<2%，感光生酸劑5%—30%，增稠劑1% — 10%，刻蝕助劑1% 一10%，余量為水。光敏劑為可與碘総鹽匹配進行光敏反應(yīng)的各類染料，包括熒 光素類染料，香豆素類染料，方酸類染料等。所用感光生酸劑為水溶性良好的碘 鑰鹽類化合物，其結(jié)構(gòu)如圖l所示。該方法的機理是鎗鹽類化合物在光照條件 下釋放質(zhì)子酸H+，生成的質(zhì)子酸與對離子F—結(jié)合，生成HF酸對玻璃進行刻蝕。可 以通過光照時間(0—5小時)、光照強度(1 — 500 mw/cm2)、感光生酸劑濃度(5 %—30%)等外在條件調(diào)控刻蝕的速度，從而達(dá)到對玻璃可控刻蝕。方法中所用 增稠劑為聚乙烯醇、聚丙烯酰胺、聚丙烯酸、羥甲基纖維素、羥乙基纖維素、聚 乙二醇、明膠等水溶性高分子；所用的刻蝕助劑為NH4F、 NaF等無機鹽類化合物。感光刻蝕劑刻蝕玻璃的制作方法，包括如下步驟-(1) 將需要刻蝕的玻璃板進行清洗，并進行干燥，使玻璃表面的油污等去 掉，處于整潔干燥狀態(tài)；(2) 將掩膜材料平整的覆蓋于玻璃板上，通常采用粘貼方式掩膜材料，使 掩膜材料與玻璃板密切結(jié)合，沒有間隙；(3) 確定所需刻蝕的圖案，并去除圖案上的掩膜材料，露出所需刻蝕的部分；(4) 將感光刻蝕劑覆蓋于玻璃板需刻蝕的圖案上，進行光照，生成HF酸對
玻璃進行腐蝕；
(5)刻蝕完畢后，將制作好的玻璃板浸泡于去膠溶液中，待20—40min后， 取出玻璃板，將其上的掩膜材料剝離即制成所需的玻璃。去膠溶液為常用的玻璃 刻蝕過程中的去膠溶液。
上述制作方法中，玻璃的刻蝕深度可通過多次重復(fù)步驟4實現(xiàn)，即將腐蝕劑 覆蓋于玻璃板的需腐蝕的圖案上，進行腐蝕，待腐蝕劑消耗完后，溶劑簡單洗滌 除去腐蝕劑，注入新的腐蝕劑，重復(fù)步驟4。 一定量腐蝕劑對玻璃的腐蝕深度可 以計算或者統(tǒng)計出來，對于要求適當(dāng)深度的腐t蟲圖案，可以通過計算腐蝕次數(shù)， 得到準(zhǔn)確的所需刻蝕圖案的凹槽深度。
上述的沖洗刻蝕劑過程中，通常用水對玻璃表面進行沖洗，可快速清洗腐蝕 劑，而且沖洗的過程中，不需要去掉掩膜，便于進行下一步操作。
上述玻璃刻蝕過程，步驟2、 3可合并于一起，即直接對掩膜進行圖案加工， 這樣在粘貼掩膜后直接進行腐蝕即可。
上述的玻璃板腐蝕完畢后，將制作好的玻璃板浸泡于去膠溶液中，浸泡時間 為2—3小時。去膠溶液，即用于除去刻蝕后殘留腐蝕劑的溶液，例如水或弱堿性 溶液。
本發(fā)明同現(xiàn)有技術(shù)相比較具有以下優(yōu)勢(1)操作簡單，將感光生酸劑， 增稠劑助劑混合，光照條件下即可對玻璃基底進行刻蝕；(2)刻蝕速度可控， 可通過對光照強度、光照時間、鐵鹽濃度等光生酸速度條件的調(diào)節(jié)，達(dá)到對玻璃 可控刻蝕；(3)刻蝕區(qū)域可控，可利用激光器進行局部加工，在激光掃描的區(qū) 域進行可控腐蝕，而未掃描區(qū)域并未發(fā)生作用，這樣對于復(fù)雜圖案的加工更為有 利；(4)刻蝕深度可控，本方法可進行累計刻蝕，直到達(dá)到所需刻蝕深度。即 感光刻蝕劑全部分解后仍未達(dá)到刻蝕深度，可用水或溶劑進行清洗后，繼續(xù)加入 感光刻蝕劑進行進一步刻蝕；(5)光譜響應(yīng)范圍廣，碘錄鹽自身的吸收在紫外 區(qū)，但它可以與各種染料匹配發(fā)生生酸反應(yīng)，從而將光譜范圍拓展到整個可見光 區(qū)。這樣大大拓展了該類刻蝕劑的應(yīng)用范圍，可以根據(jù)激光器需要選用合適的染 料配對即可對玻璃進行光控刻蝕加工。
本發(fā)明可適用于各類玻璃的表面刻蝕，尤其是需要控制玻璃刻蝕深度的時候。


圖l碘鎗鹽結(jié)構(gòu)式RbR2K)H,CTNa+,S03H,S03"Na+,COOH,COCr，CH20H，CH20TMa+等具體實施方式
實施例l:(1) 將需要刻蝕的玻璃板進行清洗，并進行干燥，使玻璃表面處于整潔干 燥狀態(tài)；(2) 將掩膜材料平整的覆蓋于玻璃板上，通常采用粘貼方式掩膜材料，使 掩膜材料與玻璃板密切結(jié)合，沒有間隙；(3) 確定所需刻蝕的圖案，并去除圖案上的掩膜材料，露出所需刻蝕的部分；(4) 將刻蝕劑覆蓋于玻璃板需刻蝕的圖案上，進行光照20min,不斷生成HF 酸對玻璃進行腐蝕；(5) 刻蝕完畢后，將制作好的玻璃板浸泡于去膠溶液中，40min后，取出玻 璃板，將其上的掩膜材料剝離即制成所需的玻璃。上述步驟中的刻蝕劑組成(按質(zhì)量比)為感光劑5%，增稠劑聚丙烯酰胺1%， 蝕刻助劑NH4F10 % ，水84 % 。 實施例2:(1) 將需要刻蝕的玻璃板進行清洗，并進行干燥，使玻璃表面處于整潔干 燥狀態(tài)；(2) 將掩膜材料平整的覆蓋于玻璃板上，通常采用粘貼方式掩膜材料，使 掩膜材料與玻璃板密切結(jié)合，沒有間隙；(3) 確定所需刻蝕的圖案，并去除圖案上的掩膜材料，露出所需刻蝕的部分；(4) 將刻蝕劑覆蓋于玻璃板需刻蝕的圖案上，進行光照20min，不斷生成HF 酸對玻璃進行腐蝕；(5) 刻蝕完畢后，將制作好的玻璃板浸泡于去膠溶液中，30min后，取出玻 璃板，將其上的掩膜材料剝離即制成所需的玻璃。上述步驟中的刻蝕劑組成(按質(zhì)量比)為感光劑30%，增稠劑聚丙烯酰胺IO%，蝕刻助齊JNH4F1X，水59%。 實施例3:
(1) 將需要刻蝕的玻璃板進行清洗，并進行干燥，使玻璃表面處于整潔干 燥狀態(tài)；
(2) 將掩膜材料平整的覆蓋于玻璃板上，通常采用粘貼方式掩膜材料，使 掩膜材料與玻璃板密切結(jié)合，沒有間隙；
(3) 確定所需刻蝕的圖案，并去除圖案上的掩膜材料，露出所需刻蝕的部
分；
(4) 將刻蝕劑覆蓋于玻璃板需刻蝕的圖案上，進行光照25min,不斷生成HF 酸對玻璃進行腐蝕；
(5) 刻蝕完畢后，將制作好的玻璃板浸泡于去膠溶液中，20min后，取出玻 璃板，將其上的掩膜材料剝離即制成所需的玻璃。
上述步驟中的刻蝕劑組成(按質(zhì)量比)為光敏劑熒光素鈉2%，感光劑30 %，增稠劑聚乙二醇1%，蝕刻助劑NaFlX，水66%。 實施例4:
(1) 將需要刻蝕的玻璃板進行清洗，并進行干燥，使玻璃表面處于整潔干 燥狀態(tài)；
(2) 將刻蝕劑平整的涂于玻璃板上；
(3) 確定所需刻蝕的圖案，將程序輸入計算機，控制激光器對樣品進行光 照，不斷生成HF酸對玻璃進行腐蝕；
(4) 洗去刻蝕劑，注入新的刻蝕劑，繼續(xù)進行刻蝕，達(dá)到所需刻蝕深度；
(5) 刻蝕完畢后，用水清洗刻蝕劑，即制成所需的玻璃。 上述步驟中的刻蝕劑組成(按質(zhì)量比)為光敏劑孟加拉玫瑰紅0.5%，感
光劑5%，增稠劑羥甲基纖維素10%,蝕刻助劑NaF10X，水74.5%。
權(quán)利要求
1.一種光控法控制玻璃刻蝕深度的方法，其特征在于用光敏劑、感光生酸劑，增稠劑，刻蝕助劑組成感光刻蝕劑，感光刻蝕劑中各成分的質(zhì)量百分比為光敏劑＜2％，感光生酸劑5％-30％，增稠劑1％-10％，刻蝕助劑1％-10％，余量為水；光敏劑為能與碘鎓鹽匹配進行光敏反應(yīng)的各類染料，包括熒光素類染料，香豆素類染料，方酸類染料；所用感光生酸劑為水溶性良好的碘鎓鹽類化合物；增稠劑為聚乙烯醇或聚丙烯酰胺或聚丙烯酸或羥甲基纖維素或羥乙基纖維素或聚乙二醇或明膠類水溶性高分子；所用的刻蝕助劑為NH4F、NaF。
2. 如權(quán)利要求1所述一種光控法控制玻璃刻蝕深度的方法，其特征在于感 光刻蝕劑刻蝕玻璃的蝕刻條件為光照時間0 — 5小時、光照強度1一500 mw/cm2。制作方法包括如下步驟(1) 將需要刻蝕的玻璃板進行清洗，并進行干燥，使玻璃表面的油污去掉，處于整潔干燥狀態(tài)；(2) 將掩膜材料平整的覆蓋于玻璃板上，采用粘貼方式掩膜材料，使掩膜 材料與玻璃板密切結(jié)合，沒有間隙；(3) 確定所需刻蝕的圖案，并去除圖案上的掩膜材料，露出所需刻蝕的部分；(4) 將感光刻蝕劑覆蓋于玻璃板需刻蝕的圖案上，進行光照，生成HF酸對 玻璃進行腐蝕；(5) 刻蝕完畢后，將制作好的玻璃板浸泡于去膠溶液中，待20—40min后， 取出玻璃板，將其上的掩膜材料剝離即制成所需的玻璃。
3. 如權(quán)利要求2所述一種光控法控制玻璃刻蝕深度的方法，其特征在于制作 方法中，玻璃的刻蝕深度能通過多次重復(fù)步驟(4)實現(xiàn)，即將刻蝕劑覆蓋于玻 璃板的需腐蝕的圖案上，進行腐蝕，待刻蝕劑消耗完后，溶劑簡單洗滌除去刻蝕 劑，注入新的刻蝕劑，重復(fù)步驟(4);針對不同深度要求的腐蝕圖案，能通過 計算腐蝕次數(shù)，得到準(zhǔn)確的所需刻蝕圖案的凹槽深度。
4. 如權(quán)利要求2所述一種光控法控制玻璃刻蝕深度的方法，其特征在于玻璃 刻蝕過程，步驟(2) 、 (3)是合并于一起的，即直接對掩膜進行圖案加工，這 樣在粘貼掩膜后直接進行腐蝕即可。
5. 如權(quán)利要求2或3或4所述一種光控法控制玻璃刻蝕深度的方法，其特征在 于沖洗刻蝕劑過程中，用水對玻璃表面進行沖洗，而且沖洗的過程中，不需要去 掉掩膜，便于進行下一步操作。
6. 如權(quán)利要求4所述一種光控法控制玻璃刻蝕深度的方法，其特征在于上述 的玻璃板腐蝕完畢后，將制作好的玻璃板浸泡于去膠溶液中，浸泡時間為2—3 小時；去膠溶液為水或弱堿性溶液。
全文摘要
一種光控法控制玻璃刻蝕深度的方法，屬于無機化學(xué)領(lǐng)域，特別涉及一種能夠用光控的方法準(zhǔn)確控制玻璃刻蝕深度的刻蝕方法。其特征在于用光敏劑、感光生酸劑，增稠劑，刻蝕助劑組成感光刻蝕劑，感光刻蝕劑中各成分的質(zhì)量百分比為光敏劑＜2％，感光生酸劑5％-30％，增稠劑1％-10％，刻蝕助劑1％-10％，余量為水。制作方法是將掩膜材料平整的覆蓋于干燥清潔的玻璃板上，確定所需刻蝕的圖案，并去除圖案上的掩膜材料，露出所需刻蝕的部分；將感光刻蝕劑覆蓋于玻璃板需刻蝕的圖案上，進行光照，生成HF酸對玻璃進行腐蝕；待20-40min后，取出玻璃板，將其上的掩膜材料剝離即制成所需的玻璃。本方法操作簡單、刻蝕速度可控，適用于各類玻璃的表面刻蝕，尤其是需要控制玻璃刻蝕深度的時候。
文檔編號G03F7/004GK101154036SQ20071012146
公開日2008年4月2日 申請日期2007年9月6日 優(yōu)先權(quán)日2007年9月6日
發(fā)明者李姝靜, 李立東 申請人:北京科技大學(xué)