专利名称：“一”字形结构三维微型实心、空心硅针和硅刀的制作方法
技术领域：
本发明涉及显微外科手术器械及微细加工技术领域，特别涉及“一”字形结构的三维微型实心、空心的硅针和硅刀。
背景技术：
人体的皮肤有三层组织角质层、活性表皮层和真皮层。最外层的角质层厚度约为10～50微米，由致密的角质细胞组成；角质层以下是表皮层，厚度约为50～100微米，含有活性细胞和很少量的神经组织，但是没有血管。表皮层以下是真皮层，是皮肤的主要组成部分，含有大量的活细胞、神经组织和血管组织。由于传统的皮下注射法使用的注射针头的外径一般为0.4～3.4毫米，需要将注射针头穿透皮肤表层并深入皮肤以下，以便让药物迅速进入血管，因此注射过程不仅伴随着疼痛，而且往往需要专业医护人员进行操作。现代医学研究表明，皮肤最外面的角质层是药物输送的主要障碍。只要使用微针或微针阵列将药物送入角质层以下而不深入真皮层，药物就会迅速扩散并通过毛细血管进入体循环。由于微针给药部位在体表并没有触及神经组织，因此不会产生疼痛；采用微针给药不需要专业人员进行操作，使用灵活方便，可随时中断给药，所以更容易被病人所接受。空心微针不仅可以用于透皮给药，还可以用于透皮进行微量体液的提取。
目前，已经报道了一些实心和空心微型硅针结构及其制备的方法，包括如下文献
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.
在上述文献中，已经报道微型硅针的针尖普遍采用与传统缝纫针类似的圆锥柱体结构或与传统注射针头类似的斜面结构；使用的材料是单晶硅片或(100)面晶向的单晶硅片，制作方法通常采用的是硅的各向同性腐蚀或与各向异性腐蚀(包括湿法腐蚀和/或干法刻蚀)相结合的工艺，通孔采用DRIE(深反应离子干法刻蚀)设备进行加工；对于空心微型硅针，硅针内部普遍形成与硅片表面几乎垂直的圆形孔或椭圆形孔，在硅针的针尖附近通孔的形状也均为圆形或椭圆形。由于DRIE设备价格昂贵，开机与维护费用高，并且属于单片加工，而在厚达数百微米的单晶硅片上制备通孔又非常耗时，所以造成空心微型硅针的制作成本居高不下，难以实现其实用化。
发明内容
本发明的目的在于克服现有微型硅针的弱点，提出了“-”字形结构三维微型实心、空心硅针和硅刀，其结构特点如下1)微型硅针或刀的针(刀)尖顶部为与单晶硅的一族(111)面平行的“-”字形结构；“-”字形结构是宽度较窄的直线或同一平面或凸面上的曲线，因此，在某些应用场合，该微型硅针实质上是微型硅刀。例如，根据不同的用途进行区分，微型硅针主要用于穿刺，微刀可用于穿刺和切割；对于空心微针或刀还可以用于穿刺或切割后进行液体的输注和提取。此外，为了区分它们，也可以从尺寸上进行定义，例如，微型硅针的针尖处“-”字形部分的长度为10纳米～50微米，宽度为0～50微米；微型硅刀的刀尖处“-”字形部分的长度为50微米～5毫米，宽度为0～300微米。
2)微型空心硅针或刀的针(刀)尖顶部的“-”字形结构附近的一侧或两侧或在针(刀)尖顶部“-”字形结构中间开有三角形或梯形或六边形或类似三角形或类似梯形或类似六边形的孔，并且这些孔与硅针或刀底部由六个(111)面形成的倒三角沟槽结构相连形成通孔；3)微型实心、空心硅针或刀尖处“-”字形部分的长度为10纳米～5毫米，宽度为0～300微米；4)微型实心、空心硅针或刀可以是单个或者是阵列形式的微针或刀；5)微型硅针或刀采用的材料是单晶硅；微型硅针或刀的具体形状和大小，包括针或刀尖顶部的“-”字形结构所处的位置(针或刀的中间或是一边)，通孔的位置、形状(三角形、梯形、六边形、类似三角形、类似梯形或类似六边形)和大小，由光刻掩膜板上的掩膜图形的尺寸、单晶硅片的厚度和湿法腐蚀或干法刻蚀单晶硅时采用的具体工艺条件决定。
所述微针或刀阵列可以是微针或刀在同一硅片上按照一定间距进行的排列，是实心或空心微针或刀阵列，或二者的混合阵列。
本发明还提出了一种制备微型空心硅针或硅刀的方法，包括以下步骤(1)在洁净的(110)面晶向的单晶硅片上制备能抗硅的各向异性湿法腐蚀溶液的掩蔽膜；(2)选择性地去除部分硅片上的掩蔽膜，从而将光刻掩膜板上的图形转移到硅片上；光刻掩膜板上的图形具有一对平行边，光刻曝光时这对平行边应与硅片上的一族(111)面平行；(3)放入硅的各向异性湿法腐蚀溶液中对硅进行各向异性腐蚀，最终将形成由6个硅(111)面形成的倒三角形沟槽结构；(4)将硅片上的掩蔽膜全部清除干净后，在其两面制备能同时抗硅的各向异性和各向同性湿法腐蚀溶液的掩蔽膜，或能抗硅的干法刻蚀的掩蔽膜；(5)选择性地去除硅片无沟槽一面部分硅片上的掩蔽膜，从而将光刻掩膜板上的图形转移到硅片上；光刻掩膜板上的图形具有一对平行边，这对平行边与步骤(2)中所述那对平行边对应的硅片上的那族(111)面平行；(6)对步骤(5)中图形化的硅片一面进行各向同性和/或各向异性湿法腐蚀和/或干法刻蚀，最终形成空心硅针或硅刀；(7)清除硅片上的掩蔽膜。
此外，本发明还提出了一种制备微型实心硅针或硅刀的方法，包括以下步骤(1)在洁净的(110)面晶向的单晶硅片上制备能抗硅的各向异性湿法腐蚀溶液的掩蔽膜；(2)选择性地去除部分硅片上的掩蔽膜，从而将光刻掩膜板上的图形转移到硅片上；光刻掩膜板上的图形具有一对平行边，光刻曝光时这对平行边应与硅片上的一族(111)面平行；(3)对图形化的硅片一面进行各向同性和/或各向异性湿法腐蚀和/或干法刻蚀，最终形成实心硅针或硅刀；(4)清除硅片上的掩蔽膜。
本发明的有益效果是采用上述制备方法制作的“-”字形结构三维微型实心、空心硅针或刀及其阵列，不需要DRIE刻蚀通孔，能实现对多个硅片同时进行各向异性湿法腐蚀，从而在(110)面晶向的单晶硅片上批量加工出由6个硅(111)面形成的倒三角形沟槽，具有工艺简单、可靠、重复性好、制作周期短、成本低和成品率高的优点。另外，除可将其用于透皮给药和微量体液的提取外，还可作为微刀在显微外科手术等生物医学领域具有广阔的应用前景。
图1为两侧有三角形孔的空心硅针或刀结构示意图。
图2为沿图1中的线A-A所作的在单针双孔情况下的截面图。
图3为沿图1中的线A-A所作的在单针单孔情况下的截面图。
图4a为沿图1中的线B-B所作的顶面为直线结构的空心硅针或刀的截面图。
图4b为顶面为曲线结构的空心硅针或刀的类似于图4a的截面图。
图5为一侧有梯形孔的空心硅针或刀结构的示意图。
图6为沿图5中的线A-A所作的截面图。
图7a为沿图5中的线B-B所作的顶面为直线结构的空心硅针或刀的截面图。
图7b为顶面为曲线结构的空心硅针或刀的类似于图7a的截面图。
图8为在针尖“-”字形结构中间开有三角形或梯形孔的刀顶面为曲线的结构示意图。
图9为侧面有三角形孔，针尖或刀顶面为凸字型曲面的结构示意图。
图10为沿图9中的线A-A所作的截面图。
图11a为沿图9中的线B-B所作的顶面为直线结构的空心硅针或刀的截面图。
图11b为顶面为曲线结构的空心硅针或刀的类似于图11a的截面图。
图12为侧面有梯形孔，针尖或刀顶面为凸字型曲面的结构示意图。
图13为沿图12中的线A-A所作的截面图。
图14a为沿图12中的线B-B所作的顶面为直线结构的空心硅针或刀的截面图。
图14b为顶面为曲线结构的空心硅针或刀的类似于图14a的截面图。
图15为底面由六个(111)面形成的倒三角沟槽结构的截面示意图。
图16为沿图15中的线A-A所作的透视图。
图17为实施例1制备的两侧有孔型空心硅针或刀SEM照片。
图18为实施例1制备的一侧有孔型空心硅针或刀SEM照片。
图19为实施例1制备的双槽两侧有孔(两个孔不通)型空心硅针或刀阵列SEM照片。
图20为实施例1制备的单槽两侧有孔型空心硅针或刀阵列SEM照片。
图21为实施例1制备的实心硅针或刀阵列SEM照片。
图22为实施例2制备的一侧开三角形孔的空心硅针或刀的SEM照片。
图23为实施例2制备的一侧开梯形孔的空心硅针或刀的SEM照片。
图24为实施例2制备的空心硅针或刀阵列的SEM照片。
图25为实施例2制备的实心硅针或刀阵列的SEM照片。
图26为采用氢氧化钾水溶液对(110)面晶向的单晶硅进行各向异性腐蚀获得的由六个(111)面形成的倒三角沟槽结构进行俯视的SEM照片，沟槽在硅片表面处形成六边形。
图27为实施例1的制备工艺流程图。
图28为实施例2的制备工艺流程图。
图29为实施例3的制备工艺流程图。
图30为实施例3制备的一侧开三角形孔的空心硅针或刀的SEM照片。
图31为实施例3制备的另一种一侧开三角形孔的空心硅针或刀阵列的SEM照片。
图32为实施例3制备的一种实心硅针或刀阵列的SEM照片。
图33为图12的一种变形结构。
具体实施例方式
本发明提出了“-”字形结构三维微型实心、空心硅针或刀，所述“-”字形结构三维微型实心、空心硅针或刀的结构如下1)微型硅针或刀的针尖顶部1为与单晶硅的一族(111)面5平行的“-”字形结构；“-”字形结构是宽度较窄的直线或同一平面或凸字型曲面上的曲线，因此该微型硅针确切的说是微型硅刀(如图1、3、4、9、12所示)。
2)微型空心硅针或刀的针尖顶面1的“-”字形结构附近的一侧或两侧3或在针尖“-”字形结构中间开有图1～图16中的三角形或梯形或六边形或类似三角形或类似梯形或类似六边形的孔2，并且这些孔与硅针或刀底部由六个(111)面5(如图15和图26所示)形成的倒三角沟槽结构4相连形成通孔；3)微型实心、空心硅针或刀尖处“-”字形部分的长度为10纳米～5毫米，宽度为0～300微米。
4)微型硅针或刀采用的材料是单晶硅；微型硅针或刀的具体形状和大小，包括针或刀尖顶部的“-”字形结构所处的位置(针或刀的中间或是一边)，通孔的位置、形状(如实施例的SEM照片中黑色的三角形、梯形、类似三角形或类似梯形)和大小，由光刻掩膜板上的掩膜图形的尺寸、单晶硅片的厚度和湿法腐蚀或干法刻蚀单晶硅时采用的具体工艺条件决定。
所述微型硅针或刀可以是单个或者是阵列形式的微针或刀；微针或刀阵列是微针或刀在同一硅片上按照一定间距进行的排列，是实心或空心微针或刀阵列，或二者的混合阵列(如图20、21、24、25所示)具有上述结构特征的微针或刀的制备方法包括如下步骤1)在抛光的(110)晶面的单晶硅片上采用生长、淀积或涂覆等方法制备掩蔽材料层，掩蔽材料可以是二氧化硅、氮化硅、非晶碳化硅或其它介质材料和金属等单一材料的薄膜，或几种材料薄膜的复合膜；2)在硅片一侧制备好的掩蔽材料层上涂覆光刻胶，并采用光刻、刻蚀等图形转移技术获得图形化的掩蔽材料层图形，该图形具有一对平行边，光刻时这对平行边需与一族硅(111)面平行。然后利用硅的各向异性腐蚀溶液对硅片进行各向异性自停止腐蚀，从而获得与掩蔽材料层图形相关的由6个硅(111)面形成的倒三角形沟槽结构，沟槽在硅片表面处形成六边形(如图15、16、26所示)；3)在硅片另一侧制备好的掩蔽材料层上甩光刻胶，并采用双面对准光刻、刻蚀等图形转移技术获得与倒三角形沟槽相对应的图形化的掩蔽材料层图形；该图形具有一对平行边，并且这对平行边同时与步骤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异性腐蚀溶液或采用各向同性和各向异性干法刻蚀对硅片进行各向同性腐蚀和各向异性腐蚀，在此过程中形成“一”字形的微型针或刀尖及其阵列，“一”字形结构1针或刀尖的一侧或两侧面3或中间处形成与倒三角形沟槽4相连的开有如三角形或梯形或类似三角形或类似梯形的通孔2。
4)制备微型硅针或刀采用的材料是(110)面晶向的单晶硅片。5)用干法或湿法工艺去除光刻胶和掩蔽材料层；6)硅的各向异性腐蚀溶液是指氢氧化钾水溶液(浓度10～60wt％)、氢氧化钠水溶液(浓度3～50wt％)、EPW(乙二胺、邻苯二酚和水，摩尔比为20～60％∶0～10％∶40～80％)，TMAH(四甲基氢氧化胺水溶液，浓度5～70wt％)。
7)硅的各向同性腐蚀溶液是指HNA(氢氟酸、硝酸和乙酸的水溶液，体积比分别为1～30∶2～40∶5～90，配方中酸的成分约为49％氢氟酸，70％硝酸，99％乙酸)。
8)硅的干法刻蚀是指利用干法刻蚀设备(高压等离子刻蚀机、反应离子刻蚀机、感应耦合等离子体刻蚀机、离子铣等)采用反应气体或惰性气体对硅进行各向同性或各向异性刻蚀。
9)在单晶硅片上对形成硅针或刀尖的一面进行腐蚀过程中，可以交替进行对硅的各向同性与各向异性湿法和/或干法刻蚀，实施它们的顺序或是否实施其中之一，取决于制备的硅针或刀的具体结构与尺寸。
下面结合实施例、附图和照片对本发明作进一步描述，但并不是对本发明提出的微针结构及其制备工艺的限定。
实施例1(1)利用微电子常规工艺，在双面抛光的厚度为500微米的洁净的(110)面晶向的单晶硅片11上，首先采用热氧化法生长200纳米的二氧化硅薄膜12a、12b，随后采用LPCVD(低压化学气相淀积)法淀积200纳米的氮化硅薄膜13a、13b，如图27(a)所示。
(2)继续在上述硅片的一侧甩厚度约为1微米的光刻胶14a，然后利用微电子常规的图形转移技术(包括光刻与刻蚀)选择性地去除部分硅片上的氮化硅薄膜13a和二氧化硅薄膜12a，从而将光刻掩膜板上的图形转移到硅片上，如图27(b)所示。光刻掩膜板上的图形具有一对平行边，光刻曝光时这对平行边应与硅片上的一族(111)面平行。在煮沸的硫酸与过氧化氢(体积比为3∶1)的混合液中去除光刻胶14a并清洗后，放入温度为80℃、浓度为30wt％的氢氧化钾水溶液中对硅进行各向异性腐蚀，最终将形成由6个硅(111)面形成的倒三角形沟槽结构，如图27(c)。
(3)在40％氢氟酸水溶液中去除氮化硅薄膜13a、13b和二氧化硅薄膜12a、12b并清洗干净后，利用微电子常规工艺采用热氧化法生长200纳米的二氧化硅薄膜12a’、12b’，随后采用LPCVD法淀积200纳米的氮化硅薄膜13a’、13b’，如图27(d)所示。
(4)在上述硅片没有沟槽的一侧甩厚度约为1微米的光刻胶14b，然后利用微电子常规的图形转移技术(包括光刻与刻蚀)选择性地去除部分硅片上的氮化硅薄膜13b’和二氧化硅薄膜12b’，从而将光刻掩膜板上的图形转移到硅片上，如图27(e)所示。光刻掩膜板上的图形具有一对平行边，光刻曝光时采用双面对准光刻机将这对平行边与步骤(2)中所述的那对平行边对应的硅片上的那族(111)面平行。图27(e)中在A’-A’处的截面如图27(f)所示。
(5)在煮沸的硫酸与过氧化氢(体积比为3∶1)的混合液中去除光刻胶14b并清洗后，放入温度为50℃的HNA(氢氟酸、硝酸和乙酸的体积比分别为3∶25∶10)溶液中对硅进行各向同性腐蚀，在此过程中会形成一字形的微型针或刀尖及其阵列，“一”字形针或刀尖的一侧或两侧面或中间处会形成与倒三角形沟槽相连的开有三角形或梯形或类似三角形或类似梯形的通孔。如图27(g)所示。
(6)在40％氢氟酸水溶液中去除氮化硅薄膜13a’、13b’和二氧化硅薄膜12a’、12b’并清洗干净，如图27(h)所示，制备工艺结束。制备的空心硅针或刀的SEM照片包括图17中所示的实施例1制备的两侧有孔型空心硅针或刀SEM照片；
图18中所示的实施例1制备的一侧有孔型空心硅针或刀SEM照片；图19中所示的实施例1制备的双槽两侧有孔(两个孔不通)型空心硅针或刀阵列SEM照片；图20中所示的实施例1制备的单槽两侧有孔型空心硅针或刀阵列SEM照片；图21中所示的实施例1制备的实心硅针或刀阵列SEM照片。
实施例2(1)利用微电子常规工艺，在双面抛光的厚度为500微米的洁净的(110)面晶向的单晶硅片11上，首先采用热氧化法生长200纳米的二氧化硅薄膜12a、12b，随后采用LPCVD(低压化学气相淀积)法淀积200纳米的氮化硅薄膜13a、13b，如图28(a)所示。
(2)继续在上述硅片的一侧甩厚度约为1微米的光刻胶14a，然后利用微电子常规的图形转移技术(包括光刻与刻蚀)选择性地去除部分硅片上的氮化硅薄膜13a和二氧化硅薄膜12a，从而将光刻掩膜板上的图形转移到硅片上，如图28(b)所示。光刻掩膜板上的图形具有一对平行边，光刻曝光时这对平行边应与硅片上的一族(111)面平行。在煮沸的硫酸与过氧化氢(体积比为3∶1)的混合液中去除光刻胶14a并清洗后，放入温度为80℃、浓度为30wt％的氢氧化钾水溶液中对硅进行各向异性腐蚀，最终将形成由6个硅(111)面构成的倒三角形沟槽结构，如图28(c)所示。
(3)在40％氢氟酸水溶液中去除氮化硅薄膜13a、13b和二氧化硅薄膜12a、12b并清洗干净后，利用微电子常规工艺采用热氧化法生长200纳米的二氧化硅薄膜12a’、12b’，随后采用LPCVD(低压化学气相淀积)法淀积200纳米的氮化硅薄膜13a’、13b’，如图28(d)所示。
(4)在上述硅片没有沟槽的一侧甩厚度约为1微米的光刻胶14b，然后利用微电子常规的图形转移技术(包括光刻与刻蚀)选择性地去除部分硅片上的氮化硅薄膜13b’和二氧化硅薄膜12b’，从而将光刻掩膜板上的图形转移到硅片上，如图28(e)所示。光刻掩膜板上的图形具有一对平行边，光刻曝光时采用双面对准光刻机将这对平行边与步骤(2)中所述的那对平行边对应的硅片上的那族(111)面平行。图28(e)中在A’-A’处的截面如图28(f)所示。
(5)在煮沸的硫酸与过氧化氢(体积比为3∶1)的混合液中去除光刻胶14b并清洗后，放入温度为50℃的HNA(氢氟酸、硝酸和乙酸的体积比为3∶25∶10)溶液中对硅进行各向同性腐蚀，在此过程中会形成深度约为10微米的“一”字形微型针或刀尖及其阵列如图28(g)所示。
(6)重复前述步骤(3)去除氮化硅薄膜和二氧化硅薄膜并清洗干净后，生长200纳米的二氧化硅薄膜12a”、12b”和氮化硅薄膜13a”、13b”。
(7)然后，在上述硅片形成微型针或刀尖的一侧甩厚度约为11微米的光刻胶(未示出)，然后利用微电子常规的图形转移技术(包括光刻与刻蚀)选择性地去除部分硅片上的氮化硅薄膜13b”和二氧化硅薄膜12b”，从而将光刻掩膜板上的图形转移到硅片上。光刻掩膜板上的图形具有一对平行边，光刻曝光时将这对平行边与步骤(2)中所述的那对平行边对应的硅片上的那族(111)面平行。
(8)在煮沸的硫酸与过氧化氢(体积比为3∶1)的混合液中去除光刻胶并清洗后，放入温度为80℃、浓度为30wt％的氢氧化钾水溶液中对硅进行各向异性腐蚀，腐蚀深度约为100微米，如图28(h)所示。
(9)接着放入温度为50℃的HNA(氢氟酸、硝酸和乙酸的体积比为3∶25∶10)溶液中对硅进行各向同性腐蚀，在此过程中会形成“一”字形的深度约为200微米的微型针或刀尖及其阵列，“一”字形针或刀尖的一侧或两侧面或中间处会形成与倒三角形沟槽相连的开有三角形或梯形或类似三角形或类似梯形的通孔，如图28(i)所示。
(10)在40％氢氟酸水溶液中去除氮化硅薄膜12a”、12b”和二氧化硅薄膜13a”、13b”并清洗干净，如图28(j)所示，制备工艺结束。制备的空心硅针或刀的SEM照片包括图22中所示的实施例2制备的一侧开三角形孔的空心硅针或刀的SEM照片；图23中所示的实施例2制备的一侧开梯形孔的空心硅针或刀的SEM照片；图24中所示的实施例2制备的空心硅针或刀阵列的SEM照片；图25中所示的实施例2制备的实心硅针或刀阵列的SEM照片；图26中所示的采用氢氧化钾水溶液对(110)面晶向的单晶硅进行各向异性腐蚀获得的由六个(111)面形成的倒三角沟槽结构进行俯视的SEM照片，沟槽在硅片表面处形成六边形。
实施例3(1)利用微电子常规工艺，在双面抛光的厚度为500微米的洁净的(110)面晶向的单晶硅片11上，首先采用热氧化法生长200纳米的二氧化硅薄膜12a、12b，随后采用LPCVD(低压化学气相淀积)法淀积200纳米的氮化硅薄膜13a、13b，如图29(a)所示。
(2)继续在上述硅片的一侧甩厚度约为1微米的光刻胶14a，然后利用微电子常规的图形转移技术(包括光刻与刻蚀)选择性地去除部分硅片上的氮化硅薄膜13a和二氧化硅薄膜12a，从而将光刻掩膜板上的图形转移到硅片上，如图29(b)所示。光刻掩膜板上的图形具有一对平行边，光刻曝光时这对平行边应与硅片上的一族(111)面平行。在煮沸的硫酸与过氧化氢(体积比为3∶1)的混合液中去除光刻胶14a并清洗后，放入温度为80℃、浓度为30wt％的氢氧化钾水溶液中对硅进行各向异性腐蚀，最终将形成由6个硅(111)面构成的倒三角形沟槽结构，如图29(c)所示。
(3)在40％氢氟酸水溶液中去除氮化硅薄膜13a、13b和二氧化硅薄膜12a、12b并清洗干净后，利用微电子常规工艺采用热氧化法生长200纳米的二氧化硅薄膜12a’、12b’，随后采用LPCVD法淀积200纳米的氮化硅薄膜13a’、13b’，如图29(d)所示。
(4)在上述硅片没有沟槽的一侧甩厚度约为1微米的光刻胶14b，然后利用微电子常规的图形转移技术(包括光刻与刻蚀)选择性地去除部分硅片上的氮化硅13b’和二氧化硅薄膜12b’，从而将光刻掩膜板上的图形转移到硅片上，如图29(e)所示。光刻掩膜板上的图形具有一对平行边，光刻曝光时采用双面对准光刻机将这对平行边与步骤(2)中所述的那对平行边对应的硅片上的那族(111)面平行。图29(e)中在A’-A’处的截面如图29(f)所示。
(5)在煮沸的硫酸与过氧化氢(体积比为3∶1)的混合液中去除光刻胶14b并清洗后，继续在步骤(4)图形化的硅片表面上甩厚度约为1微米的光刻胶14b’，然后利用微电子常规的图形转移技术(包括光刻与刻蚀)选择性地去除部分氮化硅薄膜13b’，从而将光刻掩膜板上的图形转移到硅片上，如图29(g)所示。
(6)在煮沸的硫酸与过氧化氢(体积比为3∶1)的混合液中去除光刻胶14b’并清洗后，放入温度为80℃、浓度为30wt％的氢氧化钾水溶液中对硅进行各向异性腐蚀，腐蚀深度约为150微米，如图29(h)所示。
(7)使用氢氟酸缓冲液去除硅片上裸露的二氧化硅薄膜12b’后，如图29(i)所示，放入温度为50℃的HNA(氢氟酸、硝酸和乙酸的体积比为3∶25∶10)溶液中对硅进行各向同性腐蚀，在此过程中会形成深度约为200微米的“一”字形的微型针或刀尖及其阵列，“一”字形针或刀尖的一侧或两侧面或中间处会形成与倒三角形沟槽相连的开有三角形或梯形或类似三角形或类似梯形的通孔，如图29(j)所示。
(8)在40％氢氟酸水溶液中去除氮化硅薄膜13a’、13b’和二氧化硅薄膜12a’、12b’并清洗干净，如图29(k)所示，制备工艺结束。制备的空心硅针或刀的SEM照片包括图3 0中所示的实施例3制备的一侧开三角形孔的空心硅针或刀的SEM照片；图31中所示的实施例3制备的另一种一侧开三角形孔的空心硅针或刀阵列的SEM照片；图32中所示的实施例3制备的一种实心硅针或刀阵列的SEM照片。
权利要求
1.一种三维微型硅针，其特征在于所述微型硅针的针尖顶部为与单晶硅的一族(111)面平行的“一”字形结构；所述“一”字形结构是宽度较窄的直线或同一平面或凸而上的曲线；微型硅针的针尖处“一”字形部分的长度为10纳米～50微米，宽度为0～50微米。
2.根据权利要求1所述的微型硅针，其特征在于所述微型硅针是实心或空心的。
3.根据权利要求1或2所述的微型硅针，其特征在于空心微型硅针的针尖“一”字形结构附近的一侧面或两侧面或中间开有三角形或梯形或六边形或类似三角形或类似梯形或类似六边形的孔，并且这些孔与硅针底部由六个(111)面形成的倒三角沟槽结构相连形成通孔。
4.根据权利要求1或2所述的微型硅针，其特征在于所述微型硅针为单个或者是阵列形式的。
5.根据权利要求1或2所述的微型硅针，其特征在于所述微型硅针采用的材料是单晶硅；微型硅针的具体形状和大小，包括针尖顶部的“一”字形结构所处的位置-即硅针的中间或是一边，通孔的位置、形状和大小，由光刻掩膜板上的掩膜图形的尺寸、单品硅片的厚度和湿法腐蚀或干法刻蚀单晶硅时采用的具体工艺条件决定。
6.根据权利要求4所述的微型硅针，其特征在于所述微针阵列是微针在同一硅片上按照一定间距进行的排列，是实心或空心微针阵列，或二者的混合阵列。
7.一种三维微型硅刀，其特征在于所述微型硅刀的刀尖顶部为与单晶硅的一族(111)面平行的“一”字形结构；所述“一”字形结构是宽度较窄的直线或同一平面或凸面上的曲线；微型硅刀的刀尖处“一”字形部分的长度为50微米～5毫米，宽度为0～300微米。
8.根据权利要求7所述的微型硅刀，其特征在于所述微型硅刀是实心或空心的。
9.根据权利要求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”字形结构附近的一侧面或两侧面或中间开有三角形或梯形或六边形或类似三角形或类似梯形或类似六边形的孔，并且这些孔与硅刀底部由六个(111)面形成的倒三角沟槽结构相连形成通孔。
10.根据权利要求7或8所述的微型硅刀，其特征在于所述微型硅刀为单个或者是阵列形式的。
11.根据权利要求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单晶硅；微型硅刀的具体形状和大小，包括刀尖顶部的“一”字形结构所处的位置-即硅刀的中间或是一边，通孔的位置、形状和大小，由光刻掩膜板上的掩膜图形的尺寸、单晶硅片的厚度和湿法腐蚀或干法刻蚀单晶硅时采用的具体工艺条件决定。
12.根据权利要求10所述的微型硅刀，其特征在于所述微刀阵列是微刀在同一硅片上按照一定间距进行的排列，是实心或空心微刀阵列，或二者的混合阵列。
13.一种制备微型空心硅针或硅刀的方法，包括以下步骤(1)在洁净的(110)面晶向的单晶硅片上制备能抗硅的各向异性湿法腐蚀溶液的掩蔽膜(2)选择性地去除部分硅片上的掩蔽膜，从而将光刻掩膜板上的图形转移到硅片上；光刻掩膜板上的图形具有一对平行边，光刻曝光时这对平行边应与硅片上的一族(111)面平行；(3)放入硅的各向异性湿法腐蚀溶液中对硅进行各向异性腐蚀，最终将形成由6个硅(111)面形成的倒三角形沟槽结构；(4)将硅片上的掩蔽膜全部清除干净后，在其两面制备能同时抗硅的各向异性和各向同性湿法腐蚀溶液的掩蔽膜，或能抗硅的干法刻蚀的掩蔽膜；(5)选择性地去除硅片无沟槽一面部分硅片上的掩蔽膜，从而将光刻掩膜板上的图形转移到硅片上；光刻掩膜板上的图形具有一对平行边，光刻时这对平行边应与步骤(2)中所述的那对平行边对应的硅片上的那族(111)面平行；(6)对步骤(5)中图形化的硅片一面进行各向同性和/或各向异性湿法腐蚀和/或干法刻蚀，最终形成空心硅针或硅刀；(7)清除硅片上的掩蔽膜。
14.根据权利要求13所述的方法，其特征在于，还包括位于步骤(5)和步骤(6)之间的下述步骤在对步骤(5)中图形化的硅片一面上选择性地去除部分硅片上的掩蔽膜，从而将另一块光刻掩膜板上的图形转移到硅片上。
15.根据权利要求13所述的方法，其特征在于在步骤(1)和/或步骤(4)中制备的掩蔽膜为二氧化硅或氮化硅或二者的复合膜。
16.根据权利要求13所述的方法，其特征在于硅的各向异性湿法腐蚀溶液为氢氧化钾水溶液、氢氧化钠水溶液、EPW或TMAH；硅的各向同性湿法腐蚀液为HNA。
17.一种制备微型实心硅针或硅刀的方法，包括以下步骤(1)在洁净的(110)面晶向的单晶硅片上制备能抗硅的各向异性湿法腐蚀溶液的掩蔽膜；(2)选择性地去除部分硅片上的掩蔽膜，从而将光刻掩膜板上的图形转移到硅片上；光刻掩膜板上的图形具有一对平行边，光刻曝光时这对平行边应与硅片上的一族(111)面平行；(3)对图形化的硅片一面进行各向同性和/或各向异性湿法腐蚀和/或干法刻蚀，最终形成实心硅针或硅刀；(4)清除硅片上的掩蔽膜。
18.根据权利要求17所述的方法，其特征在于，还包括位于步骤(2)和步骤(3)之间或步骤(3)中间的下述步骤在对图形化的硅片一面上选择性地去除部分硅片上的掩蔽膜，从而将另一块光刻掩膜板上的图形转移到硅片上。
19.根据权利要求17所述的方法，其特征在于在步骤(1)和/或步骤(4)中制备的掩蔽膜为二氧化硅或氮化硅或二者的复合膜。
20.根据权利要求17所述的方法，其特征在于各向异性湿法腐蚀溶液为氢氧化钾水溶液、氢氧化钠水溶液、EPW或TMAH；硅的各向同性湿法腐蚀液为HNA。
全文摘要
本发明公开了属于显微外科手术器械及微细加工技术领域的“—”字形结构三维微型实心、空心硅针或硅刀及制备方法。采用微电子工艺制备的微型硅针或硅刀的针或刀尖顶部为与单晶硅的一族(111)面平行的“—”字形结构；“—”字形结构是宽度较窄的直线或同一平面或凸面上的曲线。在微型空心硅针或硅刀“—”字形结构附近的一侧或两侧或中间开有三角形或梯形或六边形或类似三角形或类似梯形或类似六边形的孔，并且这些孔与硅针或硅刀底部由六个(111)面形成的倒三角沟槽结构相连形成通孔。本发明能够实现低成本、高产率、批量化制造，在透皮给药、微量体液提取、显微外科手术等生物医学领域具有广阔的应用前景。
文档编号A61M5/14GK1994486SQ20061014321
公开日2007年7月11日 申请日期2006年10月31日 优先权日2006年4月10日
发明者岳瑞峰, 王燕, 刘理天 申请人:清华大学