Strukturiertes Glas durch Ätzen für die Mikrofluidik und Sensorik

Das strukturierte Ätzen wird eingesetzt, um kontrollierte 2D- oder 2,5D-Strukturen auf Glas, Quarzglas, Quarz, Borosilikatglas, Saphir, Silizium, Glaskeramik, optischem Glas und beschichteten Substraten herzustellen. Dabei wird eine Maske aufgebracht, um ausgewählte Bereiche zu schützen, während die freiliegenden Bereiche bis zur gewünschten Tiefe geätzt werden.

Zu den verfügbaren Verfahren zählen nasschemisches Ätzen, Trockenätzen, Fotolithografie-Maskierung, Laser-Direct-Write-Maskierung und Hartmaskenätzen. Die Strukturgröße kann bei der Fotolithografie bis zu 2 μm und beim Laser-Direct-Write bis zu 5 μm betragen. Die Ätztiefe kann beim Nassätzen zwischen 0,1 μm und 500 μm und beim Trockenätzen zwischen 0,1 μm und 50 μm liegen.

Zu den typischen Anwendungsbereichen zählen mikrofluidische Kanäle, diffraktive optische Elemente, MEMS-Strukturen, Mikrolinsenarrays, Ausrichtungsmarken, Referenzpunkte und optische Wellenleiterstrukturen. Wir können individuell strukturierte, geätzte Substrate auf Basis von GDS-II-, DXF- oder kundeneigenen Maskenentwürfen bearbeiten, wahlweise mit Wafer-Bonding, Dicing, Profilometrieberichten und der Prüfung der Strukturabmessungen.

Was ist strukturiertes Ätzen?

Das strukturierte Ätzen ist ein Verfahren zum selektiven Materialabtrag, bei dem eine Schutzmaske – die mittels Fotolithografie, Laser-Direct-Write oder Siebdruck hergestellt wird – auf die Substratoberfläche aufgebracht wird, um bestimmte Bereiche abzuschirmen, während die freiliegenden Bereiche chemisch oder mittels Plasma bis zu einer kontrollierten Tiefe geätzt werden. Das Maskenmaterial (Fotolack, Metallhartmaske oder dielektrische Schicht) ist chemisch beständig gegenüber dem Ätzmittel, wodurch sichergestellt wird, dass nur die ungeschützten Bereiche angegriffen werden. Nach dem Ätzen wird die Maske entfernt, um das fertige Muster freizulegen. Beim nasschemischen Ätzen werden flüssige Ätzmittel wie Flusssäure (HF), gepufferte Oxidätzmittel (BOE) oder Kaliumhydroxid (KOH), um Material isotrop oder anisotrop zu entfernen, während beim Trockenätzen (ICP-RIE) Plasma eingesetzt wird, um nahezu senkrechte Seitenwände und eine Strukturgenauigkeit im Submikrometerbereich zu erzielen. Das strukturierte Ätzen ist das grundlegende Verfahren für die Herstellung von Mikrofluidikkanälen, die Produktion diffraktiver optischer Elemente, die Fertigung von MEMS-Bauelementen sowie für alle Anwendungen, die präzise 2D- oder 2,5D-Strukturen in Glas oder optischen Substraten ohne mechanischen Kontakt erfordern.

Prozessfähigkeiten

Kleinste Strukturgröße: 2 µm (Fotolithografie); 5 µm (Laser-Direktbeschriftung)
Ätztiefenbereich: 0,1 µm – 500 µm (nass); 0,1 µm – 50 µm (trocken / ICP-RIE)
Tiefengleichmäßigkeit: ±0,5 µm über eine Substratbreite von 150 mm
Seitenwandwinkel: 45° – 54,7° (isotrop, nass); 80° – 90° (ICP-RIE, trocken)
Etch Systems: HF / BOE (SiO₂) · KOH (Si) · H₃PO₄ (Al₂O₃) · ICP-RIE (alle Materialien)
Maskenarten: Fotolack · Cr/Au-Hartmaske · SiO₂/Si₃N₄-Dielektrikummaske
Maximale Substratgröße: 200 mm Durchmesser / Platte mit den Maßen 300 × 300 mm

Kompatible Materialien

1	Quarzglas	Corning 7980 / Tosoh ES-2000
2	Quarzglas	SCHOTT Lithosil Q / Heraeus Suprasil 1
3	Borosilikatglas	PYREX 7740 / BOROFLOAT 33
4	Kalk-Natron-Glas	Float / Display-Qualität
5	Saphir	C-Ebene / A-Ebene
6	Silizium	Float-Zone / Czochralski
7	Glaskeramik	ZERODUR / PYROCERAM 9606
8	Optisches Glas	BK7 / N-BK7
9	CaF₂	UV-beständig
10	Beschichtetes Glas	ITO-/SiO₂-/Si₃N₄-Dünnschicht-Substrate
11	Technische Keramik	Al₂O₃ / AlN

Maskierungs- und Ätzstrategie

Fotolackmaske + HF/BOE: Norm für Quarzglas und Borosilikatglas – schnell, kostengünstig, geeignet für Tiefen ≤ 50 µm
Cr/Au-Hartmaske + HF: Für tiefes Ätzen (> 50 µm) – die Metallmaske hält lange Ätzzeiten stand, bei denen der Fotolack versagt
Laser-Direct-Write + BOE: Maskenlose Strukturierung – keine Fotolithografie-Ausrüstung erforderlich, ideal für Prototypen und kundenspezifische Strukturen
Anisotropes Ätzen mit KOH: Bei Siliziumsubstraten – erzeugt kristallographische {111}-Seitenwände bei 54,7°, mit hoher Wiederholgenauigkeit
ICP-RIE-Trockenätzung: Nahezu senkrechte Seitenwände (80°–90°), Strukturgenauigkeit im Submikrometerbereich, für alle Materialien geeignet
LACE (Laser + HF): Die Vorbehandlung mit dem Laser beschleunigt die HF-Ätzrate in den belichteten Bereichen um das 100-Fache – extrem tiefe Strukturen mit hohem AR-Wert

Typische Anwendungsbereiche

Mikrofluidikkanäle: Durch Nassätzung hergestellte Kanäle in Quarzglas und Borosilikatglas für Lab-on-Chip-Bauelemente
Diffraktive optische Elemente: In Quarzglas geätzte binäre und mehrstufige Phasengitter
MEMS-Strukturen: Prüfgewichte, Ausleger und Membranstrukturen auf Glas- und Siliziumsubstraten
Mikrolinsen-Arrays: Isotrope, durch Ätzen definierte sphärische Mikrolinsenprofile in Glas
Ausrichtungsmarkierungen und Referenzpunkte: Dauerhaft eingeätzte Passmarken für das Wafer-Bonding und die Lithografie
Optische Wellenleiterstrukturen: Rippenwellenleiter und Elemente photonischer Schaltungen in Glassubstraten

Kundenspezifische Spezifikationen

Wir nehmen Aufträge für das Ätzen individueller Muster auf Basis von GDS-II-, DXF- oder vom Kunden bereitgestellten Maskenentwürfen entgegen und unterstützen sowohl Prototypen als auch Serienfertigung. Zu den individuellen Parametern gehören die Auswahl des Maskenmaterials, das Ätzsystem, die Zieltiefe und -gleichmäßigkeit, der Seitenwandwinkel sowie das mehrstufige Ätzen für 3D-Profilmerkmale. Integrierte Arbeitsabläufe, die Fotolithografie, Ätzen, Maskenentfernung und Inspektion nach dem Ätzen kombinieren, sind als kompletter schlüsselfertiger Service verfügbar. Für mikrofluidische und MEMS-Anwendungen bieten wir zudem Wafer-Bonding und Dicing als nachgelagerte Prozesse an. Alle geätzten Substrate werden mit profilometrischen Tiefenkarten, Berichten zu den Strukturabmessungen und einer vollständigen Prozessdokumentation geliefert.