專利名稱:“一”字形結(jié)構(gòu)三維微型實(shí)心、空心硅針和硅刀的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域:
本發(fā)明涉及顯微外科手術(shù)器械及微細(xì)加工技術(shù)領(lǐng)域:
,特別涉及“一”字形結(jié)構(gòu)的三維微型實(shí)心、空心的硅針和硅刀。
背景技術(shù):
人體的皮膚有三層組織角質(zhì)層、活性表皮層和真皮層。最外層的角質(zhì)層厚度約為10~50微米,由致密的角質(zhì)細(xì)胞組成;角質(zhì)層以下是表皮層,厚度約為50~100微米,含有活性細(xì)胞和很少量的神經(jīng)組織,但是沒(méi)有血管。表皮層以下是真皮層,是皮膚的主要組成部分,含有大量的活細(xì)胞、神經(jīng)組織和血管組織。由于傳統(tǒng)的皮下注射法使用的注射針頭的外徑一般為0.4~3.4毫米,需要將注射針頭穿透皮膚表層并深入皮膚以下,以便讓藥物迅速進(jìn)入血管,因此注射過(guò)程不僅伴隨著疼痛,而且往往需要專業(yè)醫(yī)護(hù)人員進(jìn)行操作?,F(xiàn)代醫(yī)學(xué)研究表明,皮膚最外面的角質(zhì)層是藥物輸送的主要障礙。只要使用微針或微針陣列將藥物送入角質(zhì)層以下而不深入真皮層,藥物就會(huì)迅速擴(kuò)散并通過(guò)毛細(xì)血管進(jìn)入體循環(huán)。由于微針給藥部位在體表并沒(méi)有觸及神經(jīng)組織,因此不會(huì)產(chǎn)生疼痛;采用微針給藥不需要專業(yè)人員進(jìn)行操作,使用靈活方便,可隨時(shí)中斷給藥,所以更容易被病人所接受??招奈⑨槻粌H可以用于透皮給藥,還可以用于透皮進(jìn)行微量體液的提取。
目前,已經(jīng)報(bào)道了一些實(shí)心和空心微型硅針結(jié)構(gòu)及其制備的方法,包括如下文獻(xiàn)
1.S.Henry,D.V.McAllister,M.G.Allen,and M.R.Prausnitz.Microfabricated microneedles,“a novel approach to transdermal drugdelivery”,J.Pharmaceut.Sci.,87(8)922-925,1998.
2.P.Griss,P.Enoksson,H.K.Tolvanen-Laakso,P.Meril_inen,S. Ollmar, and G. Stemme,“Micromachined electrodes forbiopotential measurements”,J.Microelectromech.Syst.,10(1)10-16,2001.
3.P.Griss,P.Enoksson,and G.Stemme,“Micromachinedbarbed spikes for mechanical chip attachment”,Sensors andActuators A,9594-99,2002.
4.Patrick Griss and G_ran Stemme“Side-Opened Out-of-PlaneMicroneedles for Microfluidic Transdermal Liquid Transfer”, J.Microelectromech.Syst.,12(3)296-301,2003.
5.Han J. G. E. Gardeniers, Regina Luttge, Erwin J. W.Berenschot,Meint J.de Boer,Shuki Y.Yeshurun,Meir Hefetz,Ronny van’t Oever, and Albert van den Berg, “SiliconMicromachined Hollow Microneedles for Transdermal LiquidTransport”,J.Microelectromech.Syst.,12(6)855-862,2003.
6.E.V.Mukerjee,S.D.Collins,R.R.Isseroff,R.L.Smith,“Microneedle array for transdermal biological fluid extraction and insitu analysis”,Sensors and Actuators A,114267-275,2004.
7.Boris Stoeber and Dorian Liepmann,“Arrays of HollowOut-of-Plane Microneedles for Drug Delivery”,J.Microelectromech.Syst.,14(3)472-479,2005.
8.N. Roxhed,P. Griss and G. Stemme,“Reliable In-vivoPenetration and Transdermal Injection Using Ultra-sharp HollowMicroneedles”,Proceedings of 13th IEEE International Conferenceon Solid-State Sensors,Actuators and Microsystems,pp.213-216,Seoul,South Korea,2005.
在上述文獻(xiàn)中,已經(jīng)報(bào)道微型硅針的針尖普遍采用與傳統(tǒng)縫紉針類似的圓錐柱體結(jié)構(gòu)或與傳統(tǒng)注射針頭類似的斜面結(jié)構(gòu);使用的材料是單晶硅片或(100)面晶向的單晶硅片,制作方法通常采用的是硅的各向同性腐蝕或與各向異性腐蝕(包括濕法腐蝕和/或干法刻蝕)相結(jié)合的工藝,通孔采用DRIE(深反應(yīng)離子干法刻蝕)設(shè)備進(jìn)行加工;對(duì)于空心微型硅針,硅針內(nèi)部普遍形成與硅片表面幾乎垂直的圓形孔或橢圓形孔,在硅針的針尖附近通孔的形狀也均為圓形或橢圓形。由于DRIE設(shè)備價(jià)格昂貴,開(kāi)機(jī)與維護(hù)費(fèi)用高,并且屬于單片加工,而在厚達(dá)數(shù)百微米的單晶硅片上制備通孔又非常耗時(shí),所以造成空心微型硅針的制作成本居高不下,難以實(shí)現(xiàn)其實(shí)用化。
發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有微型硅針的弱點(diǎn),提出了“-”字形結(jié)構(gòu)三維微型實(shí)心、空心硅針和硅刀,其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)如下1)微型硅針或刀的針(刀)尖頂部為與單晶硅的一族(111)面平行的“-”字形結(jié)構(gòu);“-”字形結(jié)構(gòu)是寬度較窄的直線或同一平面或凸面上的曲線,因此,在某些應(yīng)用場(chǎng)合,該微型硅針實(shí)質(zhì)上是微型硅刀。例如,根據(jù)不同的用途進(jìn)行區(qū)分,微型硅針主要用于穿刺,微刀可用于穿刺和切割;對(duì)于空心微針或刀還可以用于穿刺或切割后進(jìn)行液體的輸注和提取。此外,為了區(qū)分它們,也可以從尺寸上進(jìn)行定義,例如,微型硅針的針尖處“-”字形部分的長(zhǎng)度為10納米~50微米,寬度為0~50微米;微型硅刀的刀尖處“-”字形部分的長(zhǎng)度為50微米~5毫米,寬度為0~300微米。
2)微型空心硅針或刀的針(刀)尖頂部的“-”字形結(jié)構(gòu)附近的一側(cè)或兩側(cè)或在針(刀)尖頂部“-”字形結(jié)構(gòu)中間開(kāi)有三角形或梯形或六邊形或類似三角形或類似梯形或類似六邊形的孔,并且這些孔與硅針或刀底部由六個(gè)(111)面形成的倒三角溝槽結(jié)構(gòu)相連形成通孔;3)微型實(shí)心、空心硅針或刀尖處“-”字形部分的長(zhǎng)度為10納米~5毫米,寬度為0~300微米;4)微型實(shí)心、空心硅針或刀可以是單個(gè)或者是陣列形式的微針或刀;5)微型硅針或刀采用的材料是單晶硅;微型硅針或刀的具體形狀和大小,包括針或刀尖頂部的“-”字形結(jié)構(gòu)所處的位置(針或刀的中間或是一邊),通孔的位置、形狀(三角形、梯形、六邊形、類似三角形、類似梯形或類似六邊形)和大小,由光刻掩膜板上的掩膜圖形的尺寸、單晶硅片的厚度和濕法腐蝕或干法刻蝕單晶硅時(shí)采用的具體工藝條件決定。
所述微針或刀陣列可以是微針或刀在同一硅片上按照一定間距進(jìn)行的排列,是實(shí)心或空心微針或刀陣列,或二者的混合陣列。
本發(fā)明還提出了一種制備微型空心硅針或硅刀的方法,包括以下步驟(1)在潔凈的(110)面晶向的單晶硅片上制備能抗硅的各向異性濕法腐蝕溶液的掩蔽膜;(2)選擇性地去除部分硅片上的掩蔽膜,從而將光刻掩膜板上的圖形轉(zhuǎn)移到硅片上;光刻掩膜板上的圖形具有一對(duì)平行邊,光刻曝光時(shí)這對(duì)平行邊應(yīng)與硅片上的一族(111)面平行;(3)放入硅的各向異性濕法腐蝕溶液中對(duì)硅進(jìn)行各向異性腐蝕,最終將形成由6個(gè)硅(111)面形成的倒三角形溝槽結(jié)構(gòu);(4)將硅片上的掩蔽膜全部清除干凈后,在其兩面制備能同時(shí)抗硅的各向異性和各向同性濕法腐蝕溶液的掩蔽膜,或能抗硅的干法刻蝕的掩蔽膜;(5)選擇性地去除硅片無(wú)溝槽一面部分硅片上的掩蔽膜,從而將光刻掩膜板上的圖形轉(zhuǎn)移到硅片上;光刻掩膜板上的圖形具有一對(duì)平行邊,這對(duì)平行邊與步驟(2)中所述那對(duì)平行邊對(duì)應(yīng)的硅片上的那族(111)面平行;(6)對(duì)步驟(5)中圖形化的硅片一面進(jìn)行各向同性和/或各向異性濕法腐蝕和/或干法刻蝕,最終形成空心硅針或硅刀;(7)清除硅片上的掩蔽膜。
此外,本發(fā)明還提出了一種制備微型實(shí)心硅針或硅刀的方法,包括以下步驟(1)在潔凈的(110)面晶向的單晶硅片上制備能抗硅的各向異性濕法腐蝕溶液的掩蔽膜;(2)選擇性地去除部分硅片上的掩蔽膜,從而將光刻掩膜板上的圖形轉(zhuǎn)移到硅片上;光刻掩膜板上的圖形具有一對(duì)平行邊,光刻曝光時(shí)這對(duì)平行邊應(yīng)與硅片上的一族(111)面平行;(3)對(duì)圖形化的硅片一面進(jìn)行各向同性和/或各向異性濕法腐蝕和/或干法刻蝕,最終形成實(shí)心硅針或硅刀;(4)清除硅片上的掩蔽膜。
本發(fā)明的有益效果是采用上述制備方法制作的“-”字形結(jié)構(gòu)三維微型實(shí)心、空心硅針或刀及其陣列,不需要DRIE刻蝕通孔,能實(shí)現(xiàn)對(duì)多個(gè)硅片同時(shí)進(jìn)行各向異性濕法腐蝕,從而在(110)面晶向的單晶硅片上批量加工出由6個(gè)硅(111)面形成的倒三角形溝槽,具有工藝簡(jiǎn)單、可靠、重復(fù)性好、制作周期短、成本低和成品率高的優(yōu)點(diǎn)。另外,除可將其用于透皮給藥和微量體液的提取外,還可作為微刀在顯微外科手術(shù)等生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。
圖1為兩側(cè)有三角形孔的空心硅針或刀結(jié)構(gòu)示意圖。
圖2為沿圖1中的線A-A所作的在單針雙孔情況下的截面圖。
圖3為沿圖1中的線A-A所作的在單針單孔情況下的截面圖。
圖4a為沿圖1中的線B-B所作的頂面為直線結(jié)構(gòu)的空心硅針或刀的截面圖。
圖4b為頂面為曲線結(jié)構(gòu)的空心硅針或刀的類似于圖4a的截面圖。
圖5為一側(cè)有梯形孔的空心硅針或刀結(jié)構(gòu)的示意圖。
圖6為沿圖5中的線A-A所作的截面圖。
圖7a為沿圖5中的線B-B所作的頂面為直線結(jié)構(gòu)的空心硅針或刀的截面圖。
圖7b為頂面為曲線結(jié)構(gòu)的空心硅針或刀的類似于圖7a的截面圖。
圖8為在針尖“-”字形結(jié)構(gòu)中間開(kāi)有三角形或梯形孔的刀頂面為曲線的結(jié)構(gòu)示意圖。
圖9為側(cè)面有三角形孔,針尖或刀頂面為凸字型曲面的結(jié)構(gòu)示意圖。
圖10為沿圖9中的線A-A所作的截面圖。
圖11a為沿圖9中的線B-B所作的頂面為直線結(jié)構(gòu)的空心硅針或刀的截面圖。
圖11b為頂面為曲線結(jié)構(gòu)的空心硅針或刀的類似于圖11a的截面圖。
圖12為側(cè)面有梯形孔,針尖或刀頂面為凸字型曲面的結(jié)構(gòu)示意圖。
圖13為沿圖12中的線A-A所作的截面圖。
圖14a為沿圖12中的線B-B所作的頂面為直線結(jié)構(gòu)的空心硅針或刀的截面圖。
圖14b為頂面為曲線結(jié)構(gòu)的空心硅針或刀的類似于圖14a的截面圖。
圖15為底面由六個(gè)(111)面形成的倒三角溝槽結(jié)構(gòu)的截面示意圖。
圖16為沿圖15中的線A-A所作的透視圖。
圖17為實(shí)施例1制備的兩側(cè)有孔型空心硅針或刀SEM照片。
圖18為實(shí)施例1制備的一側(cè)有孔型空心硅針或刀SEM照片。
圖19為實(shí)施例1制備的雙槽兩側(cè)有孔(兩個(gè)孔不通)型空心硅針或刀陣列SEM照片。
圖20為實(shí)施例1制備的單槽兩側(cè)有孔型空心硅針或刀陣列SEM照片。
圖21為實(shí)施例1制備的實(shí)心硅針或刀陣列SEM照片。
圖22為實(shí)施例2制備的一側(cè)開(kāi)三角形孔的空心硅針或刀的SEM照片。
圖23為實(shí)施例2制備的一側(cè)開(kāi)梯形孔的空心硅針或刀的SEM照片。
圖24為實(shí)施例2制備的空心硅針或刀陣列的SEM照片。
圖25為實(shí)施例2制備的實(shí)心硅針或刀陣列的SEM照片。
圖26為采用氫氧化鉀水溶液對(duì)(110)面晶向的單晶硅進(jìn)行各向異性腐蝕獲得的由六個(gè)(111)面形成的倒三角溝槽結(jié)構(gòu)進(jìn)行俯視的SEM照片,溝槽在硅片表面處形成六邊形。
圖27為實(shí)施例1的制備工藝流程圖。
圖28為實(shí)施例2的制備工藝流程圖。
圖29為實(shí)施例3的制備工藝流程圖。
圖30為實(shí)施例3制備的一側(cè)開(kāi)三角形孔的空心硅針或刀的SEM照片。
圖31為實(shí)施例3制備的另一種一側(cè)開(kāi)三角形孔的空心硅針或刀陣列的SEM照片。
圖32為實(shí)施例3制備的一種實(shí)心硅針或刀陣列的SEM照片。
圖33為圖12的一種變形結(jié)構(gòu)。
具體實(shí)施方式本發(fā)明提出了“-”字形結(jié)構(gòu)三維微型實(shí)心、空心硅針或刀,所述“-”字形結(jié)構(gòu)三維微型實(shí)心、空心硅針或刀的結(jié)構(gòu)如下1)微型硅針或刀的針尖頂部1為與單晶硅的一族(111)面5平行的“-”字形結(jié)構(gòu);“-”字形結(jié)構(gòu)是寬度較窄的直線或同一平面或凸字型曲面上的曲線,因此該微型硅針確切的說(shuō)是微型硅刀(如圖1、3、4、9、12所示)。
2)微型空心硅針或刀的針尖頂面1的“-”字形結(jié)構(gòu)附近的一側(cè)或兩側(cè)3或在針尖“-”字形結(jié)構(gòu)中間開(kāi)有圖1~圖16中的三角形或梯形或六邊形或類似三角形或類似梯形或類似六邊形的孔2,并且這些孔與硅針或刀底部由六個(gè)(111)面5(如圖15和圖26所示)形成的倒三角溝槽結(jié)構(gòu)4相連形成通孔;3)微型實(shí)心、空心硅針或刀尖處“-”字形部分的長(zhǎng)度為10納米~5毫米,寬度為0~300微米。
4)微型硅針或刀采用的材料是單晶硅;微型硅針或刀的具體形狀和大小,包括針或刀尖頂部的“-”字形結(jié)構(gòu)所處的位置(針或刀的中間或是一邊),通孔的位置、形狀(如實(shí)施例的SEM照片中黑色的三角形、梯形、類似三角形或類似梯形)和大小,由光刻掩膜板上的掩膜圖形的尺寸、單晶硅片的厚度和濕法腐蝕或干法刻蝕單晶硅時(shí)采用的具體工藝條件決定。
所述微型硅針或刀可以是單個(gè)或者是陣列形式的微針或刀;微針或刀陣列是微針或刀在同一硅片上按照一定間距進(jìn)行的排列,是實(shí)心或空心微針或刀陣列,或二者的混合陣列(如圖20、21、24、25所示)具有上述結(jié)構(gòu)特征的微針或刀的制備方法包括如下步驟1)在拋光的(110)晶面的單晶硅片上采用生長(zhǎng)、淀積或涂覆等方法制備掩蔽材料層,掩蔽材料可以是二氧化硅、氮化硅、非晶碳化硅或其它介質(zhì)材料和金屬等單一材料的薄膜,或幾種材料薄膜的復(fù)合膜;2)在硅片一側(cè)制備好的掩蔽材料層上涂覆光刻膠,并采用光刻、刻蝕等圖形轉(zhuǎn)移技術(shù)獲得圖形化的掩蔽材料層圖形,該圖形具有一對(duì)平行邊,光刻時(shí)這對(duì)平行邊需與一族硅(111)面平行。然后利用硅的各向異性腐蝕溶液對(duì)硅片進(jìn)行各向異性自停止腐蝕,從而獲得與掩蔽材料層圖形相關(guān)的由6個(gè)硅(111)面形成的倒三角形溝槽結(jié)構(gòu),溝槽在硅片表面處形成六邊形(如圖15、16、26所示);3)在硅片另一側(cè)制備好的掩蔽材料層上甩光刻膠,并采用雙面對(duì)準(zhǔn)光刻、刻蝕等圖形轉(zhuǎn)移技術(shù)獲得與倒三角形溝槽相對(duì)應(yīng)的圖形化的掩蔽材料層圖形;該圖形具有一對(duì)平行邊,并且這對(duì)平行邊同時(shí)與步驟2)中提到的那族硅(111)面平行。然后利用硅的各向同性和各向異性腐蝕溶液或采用各向同性和各向異性干法刻蝕對(duì)硅片進(jìn)行各向同性腐蝕和各向異性腐蝕,在此過(guò)程中形成“一”字形的微型針或刀尖及其陣列,“一”字形結(jié)構(gòu)1針或刀尖的一側(cè)或兩側(cè)面3或中間處形成與倒三角形溝槽4相連的開(kāi)有如三角形或梯形或類似三角形或類似梯形的通孔2。
4)制備微型硅針或刀采用的材料是(110)面晶向的單晶硅片。5)用干法或濕法工藝去除光刻膠和掩蔽材料層;6)硅的各向異性腐蝕溶液是指氫氧化鉀水溶液(濃度10~60wt%)、氫氧化鈉水溶液(濃度3~50wt%)、EPW(乙二胺、鄰苯二酚和水,摩爾比為20~60%∶0~10%∶40~80%),TMAH(四甲基氫氧化胺水溶液,濃度5~70wt%)。
7)硅的各向同性腐蝕溶液是指HNA(氫氟酸、硝酸和乙酸的水溶液,體積比分別為1~30∶2~40∶5~90,配方中酸的成分約為49%氫氟酸,70%硝酸,99%乙酸)。
8)硅的干法刻蝕是指利用干法刻蝕設(shè)備(高壓等離子刻蝕機(jī)、反應(yīng)離子刻蝕機(jī)、感應(yīng)耦合等離子體刻蝕機(jī)、離子銑等)采用反應(yīng)氣體或惰性氣體對(duì)硅進(jìn)行各向同性或各向異性刻蝕。
9)在單晶硅片上對(duì)形成硅針或刀尖的一面進(jìn)行腐蝕過(guò)程中,可以交替進(jìn)行對(duì)硅的各向同性與各向異性濕法和/或干法刻蝕,實(shí)施它們的順序或是否實(shí)施其中之一,取決于制備的硅針或刀的具體結(jié)構(gòu)與尺寸。
下面結(jié)合實(shí)施例、附圖和照片對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步描述,但并不是對(duì)本發(fā)明提出的微針結(jié)構(gòu)及其制備工藝的限定。
實(shí)施例1(1)利用微電子常規(guī)工藝,在雙面拋光的厚度為500微米的潔凈的(110)面晶向的單晶硅片11上,首先采用熱氧化法生長(zhǎng)200納米的二氧化硅薄膜12a、12b,隨后采用LPCVD(低壓化學(xué)氣相淀積)法淀積200納米的氮化硅薄膜13a、13b,如圖27(a)所示。
(2)繼續(xù)在上述硅片的一側(cè)甩厚度約為1微米的光刻膠14a,然后利用微電子常規(guī)的圖形轉(zhuǎn)移技術(shù)(包括光刻與刻蝕)選擇性地去除部分硅片上的氮化硅薄膜13a和二氧化硅薄膜12a,從而將光刻掩膜板上的圖形轉(zhuǎn)移到硅片上,如圖27(b)所示。光刻掩膜板上的圖形具有一對(duì)平行邊,光刻曝光時(shí)這對(duì)平行邊應(yīng)與硅片上的一族(111)面平行。在煮沸的硫酸與過(guò)氧化氫(體積比為3∶1)的混合液中去除光刻膠14a并清洗后,放入溫度為80℃、濃度為30wt%的氫氧化鉀水溶液中對(duì)硅進(jìn)行各向異性腐蝕,最終將形成由6個(gè)硅(111)面形成的倒三角形溝槽結(jié)構(gòu),如圖27(c)。
(3)在40%氫氟酸水溶液中去除氮化硅薄膜13a、13b和二氧化硅薄膜12a、12b并清洗干凈后,利用微電子常規(guī)工藝采用熱氧化法生長(zhǎng)200納米的二氧化硅薄膜12a’、12b’,隨后采用LPCVD法淀積200納米的氮化硅薄膜13a’、13b’,如圖27(d)所示。
(4)在上述硅片沒(méi)有溝槽的一側(cè)甩厚度約為1微米的光刻膠14b,然后利用微電子常規(guī)的圖形轉(zhuǎn)移技術(shù)(包括光刻與刻蝕)選擇性地去除部分硅片上的氮化硅薄膜13b’和二氧化硅薄膜12b’,從而將光刻掩膜板上的圖形轉(zhuǎn)移到硅片上,如圖27(e)所示。光刻掩膜板上的圖形具有一對(duì)平行邊,光刻曝光時(shí)采用雙面對(duì)準(zhǔn)光刻機(jī)將這對(duì)平行邊與步驟(2)中所述的那對(duì)平行邊對(duì)應(yīng)的硅片上的那族(111)面平行。圖27(e)中在A’-A’處的截面如圖27(f)所示。
(5)在煮沸的硫酸與過(guò)氧化氫(體積比為3∶1)的混合液中去除光刻膠14b并清洗后,放入溫度為50℃的HNA(氫氟酸、硝酸和乙酸的體積比分別為3∶25∶10)溶液中對(duì)硅進(jìn)行各向同性腐蝕,在此過(guò)程中會(huì)形成一字形的微型針或刀尖及其陣列,“一”字形針或刀尖的一側(cè)或兩側(cè)面或中間處會(huì)形成與倒三角形溝槽相連的開(kāi)有三角形或梯形或類似三角形或類似梯形的通孔。如圖27(g)所示。
(6)在40%氫氟酸水溶液中去除氮化硅薄膜13a’、13b’和二氧化硅薄膜12a’、12b’并清洗干凈,如圖27(h)所示,制備工藝結(jié)束。制備的空心硅針或刀的SEM照片包括圖17中所示的實(shí)施例1制備的兩側(cè)有孔型空心硅針或刀SEM照片;
圖18中所示的實(shí)施例1制備的一側(cè)有孔型空心硅針或刀SEM照片;圖19中所示的實(shí)施例1制備的雙槽兩側(cè)有孔(兩個(gè)孔不通)型空心硅針或刀陣列SEM照片;圖20中所示的實(shí)施例1制備的單槽兩側(cè)有孔型空心硅針或刀陣列SEM照片;圖21中所示的實(shí)施例1制備的實(shí)心硅針或刀陣列SEM照片。
實(shí)施例2(1)利用微電子常規(guī)工藝,在雙面拋光的厚度為500微米的潔凈的(110)面晶向的單晶硅片11上,首先采用熱氧化法生長(zhǎng)200納米的二氧化硅薄膜12a、12b,隨后采用LPCVD(低壓化學(xué)氣相淀積)法淀積200納米的氮化硅薄膜13a、13b,如圖28(a)所示。
(2)繼續(xù)在上述硅片的一側(cè)甩厚度約為1微米的光刻膠14a,然后利用微電子常規(guī)的圖形轉(zhuǎn)移技術(shù)(包括光刻與刻蝕)選擇性地去除部分硅片上的氮化硅薄膜13a和二氧化硅薄膜12a,從而將光刻掩膜板上的圖形轉(zhuǎn)移到硅片上,如圖28(b)所示。光刻掩膜板上的圖形具有一對(duì)平行邊,光刻曝光時(shí)這對(duì)平行邊應(yīng)與硅片上的一族(111)面平行。在煮沸的硫酸與過(guò)氧化氫(體積比為3∶1)的混合液中去除光刻膠14a并清洗后,放入溫度為80℃、濃度為30wt%的氫氧化鉀水溶液中對(duì)硅進(jìn)行各向異性腐蝕,最終將形成由6個(gè)硅(111)面構(gòu)成的倒三角形溝槽結(jié)構(gòu),如圖28(c)所示。
(3)在40%氫氟酸水溶液中去除氮化硅薄膜13a、13b和二氧化硅薄膜12a、12b并清洗干凈后,利用微電子常規(guī)工藝采用熱氧化法生長(zhǎng)200納米的二氧化硅薄膜12a’、12b’,隨后采用LPCVD(低壓化學(xué)氣相淀積)法淀積200納米的氮化硅薄膜13a’、13b’,如圖28(d)所示。
(4)在上述硅片沒(méi)有溝槽的一側(cè)甩厚度約為1微米的光刻膠14b,然后利用微電子常規(guī)的圖形轉(zhuǎn)移技術(shù)(包括光刻與刻蝕)選擇性地去除部分硅片上的氮化硅薄膜13b’和二氧化硅薄膜12b’,從而將光刻掩膜板上的圖形轉(zhuǎn)移到硅片上,如圖28(e)所示。光刻掩膜板上的圖形具有一對(duì)平行邊,光刻曝光時(shí)采用雙面對(duì)準(zhǔn)光刻機(jī)將這對(duì)平行邊與步驟(2)中所述的那對(duì)平行邊對(duì)應(yīng)的硅片上的那族(111)面平行。圖28(e)中在A’-A’處的截面如圖28(f)所示。
(5)在煮沸的硫酸與過(guò)氧化氫(體積比為3∶1)的混合液中去除光刻膠14b并清洗后,放入溫度為50℃的HNA(氫氟酸、硝酸和乙酸的體積比為3∶25∶10)溶液中對(duì)硅進(jìn)行各向同性腐蝕,在此過(guò)程中會(huì)形成深度約為10微米的“一”字形微型針或刀尖及其陣列如圖28(g)所示。
(6)重復(fù)前述步驟(3)去除氮化硅薄膜和二氧化硅薄膜并清洗干凈后,生長(zhǎng)200納米的二氧化硅薄膜12a”、12b”和氮化硅薄膜13a”、13b”。
(7)然后,在上述硅片形成微型針或刀尖的一側(cè)甩厚度約為11微米的光刻膠(未示出),然后利用微電子常規(guī)的圖形轉(zhuǎn)移技術(shù)(包括光刻與刻蝕)選擇性地去除部分硅片上的氮化硅薄膜13b”和二氧化硅薄膜12b”,從而將光刻掩膜板上的圖形轉(zhuǎn)移到硅片上。光刻掩膜板上的圖形具有一對(duì)平行邊,光刻曝光時(shí)將這對(duì)平行邊與步驟(2)中所述的那對(duì)平行邊對(duì)應(yīng)的硅片上的那族(111)面平行。
(8)在煮沸的硫酸與過(guò)氧化氫(體積比為3∶1)的混合液中去除光刻膠并清洗后,放入溫度為80℃、濃度為30wt%的氫氧化鉀水溶液中對(duì)硅進(jìn)行各向異性腐蝕,腐蝕深度約為100微米,如圖28(h)所示。
(9)接著放入溫度為50℃的HNA(氫氟酸、硝酸和乙酸的體積比為3∶25∶10)溶液中對(duì)硅進(jìn)行各向同性腐蝕,在此過(guò)程中會(huì)形成“一”字形的深度約為200微米的微型針或刀尖及其陣列,“一”字形針或刀尖的一側(cè)或兩側(cè)面或中間處會(huì)形成與倒三角形溝槽相連的開(kāi)有三角形或梯形或類似三角形或類似梯形的通孔,如圖28(i)所示。
(10)在40%氫氟酸水溶液中去除氮化硅薄膜12a”、12b”和二氧化硅薄膜13a”、13b”并清洗干凈,如圖28(j)所示,制備工藝結(jié)束。制備的空心硅針或刀的SEM照片包括圖22中所示的實(shí)施例2制備的一側(cè)開(kāi)三角形孔的空心硅針或刀的SEM照片;圖23中所示的實(shí)施例2制備的一側(cè)開(kāi)梯形孔的空心硅針或刀的SEM照片;圖24中所示的實(shí)施例2制備的空心硅針或刀陣列的SEM照片;圖25中所示的實(shí)施例2制備的實(shí)心硅針或刀陣列的SEM照片;圖26中所示的采用氫氧化鉀水溶液對(duì)(110)面晶向的單晶硅進(jìn)行各向異性腐蝕獲得的由六個(gè)(111)面形成的倒三角溝槽結(jié)構(gòu)進(jìn)行俯視的SEM照片,溝槽在硅片表面處形成六邊形。
實(shí)施例3(1)利用微電子常規(guī)工藝,在雙面拋光的厚度為500微米的潔凈的(110)面晶向的單晶硅片11上,首先采用熱氧化法生長(zhǎng)200納米的二氧化硅薄膜12a、12b,隨后采用LPCVD(低壓化學(xué)氣相淀積)法淀積200納米的氮化硅薄膜13a、13b,如圖29(a)所示。
(2)繼續(xù)在上述硅片的一側(cè)甩厚度約為1微米的光刻膠14a,然后利用微電子常規(guī)的圖形轉(zhuǎn)移技術(shù)(包括光刻與刻蝕)選擇性地去除部分硅片上的氮化硅薄膜13a和二氧化硅薄膜12a,從而將光刻掩膜板上的圖形轉(zhuǎn)移到硅片上,如圖29(b)所示。光刻掩膜板上的圖形具有一對(duì)平行邊,光刻曝光時(shí)這對(duì)平行邊應(yīng)與硅片上的一族(111)面平行。在煮沸的硫酸與過(guò)氧化氫(體積比為3∶1)的混合液中去除光刻膠14a并清洗后,放入溫度為80℃、濃度為30wt%的氫氧化鉀水溶液中對(duì)硅進(jìn)行各向異性腐蝕,最終將形成由6個(gè)硅(111)面構(gòu)成的倒三角形溝槽結(jié)構(gòu),如圖29(c)所示。
(3)在40%氫氟酸水溶液中去除氮化硅薄膜13a、13b和二氧化硅薄膜12a、12b并清洗干凈后,利用微電子常規(guī)工藝采用熱氧化法生長(zhǎng)200納米的二氧化硅薄膜12a’、12b’,隨后采用LPCVD法淀積200納米的氮化硅薄膜13a’、13b’,如圖29(d)所示。
(4)在上述硅片沒(méi)有溝槽的一側(cè)甩厚度約為1微米的光刻膠14b,然后利用微電子常規(guī)的圖形轉(zhuǎn)移技術(shù)(包括光刻與刻蝕)選擇性地去除部分硅片上的氮化硅13b’和二氧化硅薄膜12b’,從而將光刻掩膜板上的圖形轉(zhuǎn)移到硅片上,如圖29(e)所示。光刻掩膜板上的圖形具有一對(duì)平行邊,光刻曝光時(shí)采用雙面對(duì)準(zhǔn)光刻機(jī)將這對(duì)平行邊與步驟(2)中所述的那對(duì)平行邊對(duì)應(yīng)的硅片上的那族(111)面平行。圖29(e)中在A’-A’處的截面如圖29(f)所示。
(5)在煮沸的硫酸與過(guò)氧化氫(體積比為3∶1)的混合液中去除光刻膠14b并清洗后,繼續(xù)在步驟(4)圖形化的硅片表面上甩厚度約為1微米的光刻膠14b’,然后利用微電子常規(guī)的圖形轉(zhuǎn)移技術(shù)(包括光刻與刻蝕)選擇性地去除部分氮化硅薄膜13b’,從而將光刻掩膜板上的圖形轉(zhuǎn)移到硅片上,如圖29(g)所示。
(6)在煮沸的硫酸與過(guò)氧化氫(體積比為3∶1)的混合液中去除光刻膠14b’并清洗后,放入溫度為80℃、濃度為30wt%的氫氧化鉀水溶液中對(duì)硅進(jìn)行各向異性腐蝕,腐蝕深度約為150微米,如圖29(h)所示。
(7)使用氫氟酸緩沖液去除硅片上裸露的二氧化硅薄膜12b’后,如圖29(i)所示,放入溫度為50℃的HNA(氫氟酸、硝酸和乙酸的體積比為3∶25∶10)溶液中對(duì)硅進(jìn)行各向同性腐蝕,在此過(guò)程中會(huì)形成深度約為200微米的“一”字形的微型針或刀尖及其陣列,“一”字形針或刀尖的一側(cè)或兩側(cè)面或中間處會(huì)形成與倒三角形溝槽相連的開(kāi)有三角形或梯形或類似三角形或類似梯形的通孔,如圖29(j)所示。
(8)在40%氫氟酸水溶液中去除氮化硅薄膜13a’、13b’和二氧化硅薄膜12a’、12b’并清洗干凈,如圖29(k)所示,制備工藝結(jié)束。制備的空心硅針或刀的SEM照片包括圖3 0中所示的實(shí)施例3制備的一側(cè)開(kāi)三角形孔的空心硅針或刀的SEM照片;圖31中所示的實(shí)施例3制備的另一種一側(cè)開(kāi)三角形孔的空心硅針或刀陣列的SEM照片;圖32中所示的實(shí)施例3制備的一種實(shí)心硅針或刀陣列的SEM照片。
權(quán)利要求
1.一種三維微型硅針,其特征在于所述微型硅針的針尖頂部為與單晶硅的一族(111)面平行的“一”字形結(jié)構(gòu);所述“一”字形結(jié)構(gòu)是寬度較窄的直線或同一平面或凸而上的曲線;微型硅針的針尖處“一”字形部分的長(zhǎng)度為10納米~50微米,寬度為0~50微米。
2.根據(jù)權(quán)利要求
1所述的微型硅針,其特征在于所述微型硅針是實(shí)心或空心的。
3.根據(jù)權(quán)利要求
1或2所述的微型硅針,其特征在于空心微型硅針的針尖“一”字形結(jié)構(gòu)附近的一側(cè)面或兩側(cè)面或中間開(kāi)有三角形或梯形或六邊形或類似三角形或類似梯形或類似六邊形的孔,并且這些孔與硅針底部由六個(gè)(111)面形成的倒三角溝槽結(jié)構(gòu)相連形成通孔。
4.根據(jù)權(quán)利要求
1或2所述的微型硅針,其特征在于所述微型硅針為單個(gè)或者是陣列形式的。
5.根據(jù)權(quán)利要求
1或2所述的微型硅針,其特征在于所述微型硅針采用的材料是單晶硅;微型硅針的具體形狀和大小,包括針尖頂部的“一”字形結(jié)構(gòu)所處的位置-即硅針的中間或是一邊,通孔的位置、形狀和大小,由光刻掩膜板上的掩膜圖形的尺寸、單品硅片的厚度和濕法腐蝕或干法刻蝕單晶硅時(shí)采用的具體工藝條件決定。
6.根據(jù)權(quán)利要求
4所述的微型硅針,其特征在于所述微針陣列是微針在同一硅片上按照一定間距進(jìn)行的排列,是實(shí)心或空心微針陣列,或二者的混合陣列。
7.一種三維微型硅刀,其特征在于所述微型硅刀的刀尖頂部為與單晶硅的一族(111)面平行的“一”字形結(jié)構(gòu);所述“一”字形結(jié)構(gòu)是寬度較窄的直線或同一平面或凸面上的曲線;微型硅刀的刀尖處“一”字形部分的長(zhǎng)度為50微米~5毫米,寬度為0~300微米。
8.根據(jù)權(quán)利要求
7所述的微型硅刀,其特征在于所述微型硅刀是實(shí)心或空心的。
9.根據(jù)權(quán)利要求
7或8所述的微型硅刀,其特征在于空心微型硅刀的刀尖“一”字形結(jié)構(gòu)附近的一側(cè)面或兩側(cè)面或中間開(kāi)有三角形或梯形或六邊形或類似三角形或類似梯形或類似六邊形的孔,并且這些孔與硅刀底部由六個(gè)(111)面形成的倒三角溝槽結(jié)構(gòu)相連形成通孔。
10.根據(jù)權(quán)利要求
7或8所述的微型硅刀,其特征在于所述微型硅刀為單個(gè)或者是陣列形式的。
11.根據(jù)權(quán)利要求
7或8所述的微型硅刀,其特征在于所述微型硅刀采用的材料是單晶硅;微型硅刀的具體形狀和大小,包括刀尖頂部的“一”字形結(jié)構(gòu)所處的位置-即硅刀的中間或是一邊,通孔的位置、形狀和大小,由光刻掩膜板上的掩膜圖形的尺寸、單晶硅片的厚度和濕法腐蝕或干法刻蝕單晶硅時(shí)采用的具體工藝條件決定。
12.根據(jù)權(quán)利要求
10所述的微型硅刀,其特征在于所述微刀陣列是微刀在同一硅片上按照一定間距進(jìn)行的排列,是實(shí)心或空心微刀陣列,或二者的混合陣列。
13.一種制備微型空心硅針或硅刀的方法,包括以下步驟(1)在潔凈的(110)面晶向的單晶硅片上制備能抗硅的各向異性濕法腐蝕溶液的掩蔽膜(2)選擇性地去除部分硅片上的掩蔽膜,從而將光刻掩膜板上的圖形轉(zhuǎn)移到硅片上;光刻掩膜板上的圖形具有一對(duì)平行邊,光刻曝光時(shí)這對(duì)平行邊應(yīng)與硅片上的一族(111)面平行;(3)放入硅的各向異性濕法腐蝕溶液中對(duì)硅進(jìn)行各向異性腐蝕,最終將形成由6個(gè)硅(111)面形成的倒三角形溝槽結(jié)構(gòu);(4)將硅片上的掩蔽膜全部清除干凈后,在其兩面制備能同時(shí)抗硅的各向異性和各向同性濕法腐蝕溶液的掩蔽膜,或能抗硅的干法刻蝕的掩蔽膜;(5)選擇性地去除硅片無(wú)溝槽一面部分硅片上的掩蔽膜,從而將光刻掩膜板上的圖形轉(zhuǎn)移到硅片上;光刻掩膜板上的圖形具有一對(duì)平行邊,光刻時(shí)這對(duì)平行邊應(yīng)與步驟(2)中所述的那對(duì)平行邊對(duì)應(yīng)的硅片上的那族(111)面平行;(6)對(duì)步驟(5)中圖形化的硅片一面進(jìn)行各向同性和/或各向異性濕法腐蝕和/或干法刻蝕,最終形成空心硅針或硅刀;(7)清除硅片上的掩蔽膜。
14.根據(jù)權(quán)利要求
13所述的方法,其特征在于,還包括位于步驟(5)和步驟(6)之間的下述步驟在對(duì)步驟(5)中圖形化的硅片一面上選擇性地去除部分硅片上的掩蔽膜,從而將另一塊光刻掩膜板上的圖形轉(zhuǎn)移到硅片上。
15.根據(jù)權(quán)利要求
13所述的方法,其特征在于在步驟(1)和/或步驟(4)中制備的掩蔽膜為二氧化硅或氮化硅或二者的復(fù)合膜。
16.根據(jù)權(quán)利要求
13所述的方法,其特征在于硅的各向異性濕法腐蝕溶液為氫氧化鉀水溶液、氫氧化鈉水溶液、EPW或TMAH;硅的各向同性濕法腐蝕液為HNA。
17.一種制備微型實(shí)心硅針或硅刀的方法,包括以下步驟(1)在潔凈的(110)面晶向的單晶硅片上制備能抗硅的各向異性濕法腐蝕溶液的掩蔽膜;(2)選擇性地去除部分硅片上的掩蔽膜,從而將光刻掩膜板上的圖形轉(zhuǎn)移到硅片上;光刻掩膜板上的圖形具有一對(duì)平行邊,光刻曝光時(shí)這對(duì)平行邊應(yīng)與硅片上的一族(111)面平行;(3)對(duì)圖形化的硅片一面進(jìn)行各向同性和/或各向異性濕法腐蝕和/或干法刻蝕,最終形成實(shí)心硅針或硅刀;(4)清除硅片上的掩蔽膜。
18.根據(jù)權(quán)利要求
17所述的方法,其特征在于,還包括位于步驟(2)和步驟(3)之間或步驟(3)中間的下述步驟在對(duì)圖形化的硅片一面上選擇性地去除部分硅片上的掩蔽膜,從而將另一塊光刻掩膜板上的圖形轉(zhuǎn)移到硅片上。
19.根據(jù)權(quán)利要求
17所述的方法,其特征在于在步驟(1)和/或步驟(4)中制備的掩蔽膜為二氧化硅或氮化硅或二者的復(fù)合膜。
20.根據(jù)權(quán)利要求
17所述的方法,其特征在于各向異性濕法腐蝕溶液為氫氧化鉀水溶液、氫氧化鈉水溶液、EPW或TMAH;硅的各向同性濕法腐蝕液為HNA。
專利摘要
本發(fā)明公開(kāi)了屬于顯微外科手術(shù)器械及微細(xì)加工技術(shù)領(lǐng)域:
的“—”字形結(jié)構(gòu)三維微型實(shí)心、空心硅針或硅刀及制備方法。采用微電子工藝制備的微型硅針或硅刀的針或刀尖頂部為與單晶硅的一族(111)面平行的“—”字形結(jié)構(gòu);“—”字形結(jié)構(gòu)是寬度較窄的直線或同一平面或凸面上的曲線。在微型空心硅針或硅刀“—”字形結(jié)構(gòu)附近的一側(cè)或兩側(cè)或中間開(kāi)有三角形或梯形或六邊形或類似三角形或類似梯形或類似六邊形的孔,并且這些孔與硅針或硅刀底部由六個(gè)(111)面形成的倒三角溝槽結(jié)構(gòu)相連形成通孔。本發(fā)明能夠?qū)崿F(xiàn)低成本、高產(chǎn)率、批量化制造,在透皮給藥、微量體液提取、顯微外科手術(shù)等生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。
文檔編號(hào)A61M5/14GK1994486SQ200610143214
公開(kāi)日2007年7月11日 申請(qǐng)日期2006年10月31日
發(fā)明者岳瑞峰, 王燕, 劉理天 申請(qǐng)人:清華大學(xué)導(dǎo)出引文BiBTeX, EndNote, RefMan