倒漏斗形硅基实心微针阵列的制备方法与流程

本发明涉及半导体硅材料表面微加工和制造技术领域，具体是一种倒漏斗形硅基实心微针阵列的制备方法。

背景技术：

现有的硅基实心微针阵列化学湿发腐蚀主要采用各向异性和各向同性相结合的方法，通过选择腐蚀液和精确控制腐蚀过程中刻蚀液浓度、刻蚀温度、刻蚀时间等参数，可以制备出实心微针三维模具。肖丽君等人利用紫外光刻与koh各向同性刻蚀技术制备了一定高度的硅材料微针阵列(一种聚合物实心微针的制作方法，mems器件与技术，2009，46(12)744-749)；通过sio2作为牺牲层，徐谦刚等人利用酸性腐蚀液对硅基材料进行各向同性腐蚀制备了深度与宽度比较小的二维图形(一种硅基各向同性湿发刻蚀工艺，cn102931070a)。但是，受刻蚀晶向、刻蚀速率的影响，这种方法只能够加工一定深宽比微针尖，具有一定局限性；此外，强碱、强酸的长时间交替腐蚀对掩模有较高要求。基于侧墙保护原理，采用低温icp干法刻蚀技术把刻蚀和钝化分成两步，利用sf6作为刻蚀气体，c4f8作为聚合物产生气体，刻蚀与钝化交替进行，通过这种周期性方式，能很好地平衡刻蚀和钝化，更好地控制各向异性腐蚀，可获得很高深宽比(>20∶1)的结构，侧壁接近90度，但此方法只能得到垂直侧壁，无法加工斜壁面或弧形结构。

技术实现要素：

本发明提出一种倒漏斗形硅基实心微针阵列的制备方法，解决了现有技术中制备微针阵列存在的深宽比受限或无法加工斜壁面或弧形结构的问题。

本发明的技术方案是这样实现的：

一种倒漏斗形硅基实心微针阵列的制备方法，包括以下步骤：

1)选取(100)晶面、双面抛光单晶硅片，在单晶硅片的正面沉积正面氮化硅保护膜，在单晶硅片的反面沉积反面氮化硅保护膜；

2)在正面氮化硅保护膜上旋涂光刻胶，利用光刻工艺将掩模板图形转移到光刻胶上，掩膜版的图形为阵列状的圆形斑点，光刻后的光刻胶形成阵列状的圆形遮挡胶膜；

3)干法刻蚀掉暴露在遮挡胶膜外的正面氮化硅保护膜，露出单晶硅片；

4)利用电感耦合等离子体刻蚀系统，采用深硅刻蚀bosch工艺，对步骤3露出的单晶硅片进行各向异性刻蚀，在单晶硅片上刻蚀出阵列状的圆柱体；

5)去除单晶硅片上遮挡胶膜；

6)利用酸性腐蚀液对步骤5后的单晶硅片进行各向同性湿法腐蚀，得到微针阵列。

进一步地，所述步骤1中，单晶硅片为n型，电阻率范围为1-10ω·cm，厚度为700±10μm；

正面氮化硅保护膜和反面氮化硅保护膜都为500nm厚，采用低压化学气相沉积工艺沉积在单晶硅片上。

进一步地，所述步骤2中，旋涂光刻胶的转速为2500r/min，时间40s，光刻胶膜厚度10.6微米；然后，将单晶硅片在95℃环境中前烘10min，待单晶硅片自然冷却后进行掩模图形光刻，曝光130s，剂量为1539mj/cm²，然后在浓度为2.38％的nmd-w显影液中显影10min，用去离子水冲洗1min，再在100℃环境中坚膜15min，把掩模板图形转移到光刻胶上；

掩膜版的图形的圆形斑点的直径为200μm，相邻的圆形斑点的圆心间距为500μm。

进一步地，所述步骤3中，采用反应离子刻蚀机进行干法刻蚀，功率为100w，chf3气流量为100sccm，真空度为2.5pa，刻蚀时间108min。

进一步地，所述步骤4中，电感耦合等离子体刻蚀系统功率为1000w，刻蚀与钝化时间7s/4s为一个循环，刻蚀速率为0.42μm/循环，单晶硅片与遮挡胶膜抗刻蚀比为42:1。

进一步地，所述步骤5中，将步骤4得到的单晶硅片用丙酮浸泡并超声10min，再用酒精浸泡并超声10min，去离子水冲洗5min，氮气吹干，再在100℃环境中干燥10min。

进一步地，所述步骤6中，酸性腐蚀液为体积比为8:1:1的70％的hno3、49％的hf和100％的hac的混合液。

进一步地，所述步骤6中，湿法腐蚀在冰水混合物槽中进行，并采用磁力搅拌，腐蚀时间为20min。

本发明的有益效果为：

本发明通过电感耦合等离子体(icp)干法刻蚀技术和酸类对硅的各向同性腐蚀相结合，可实现高深宽比、针尖直径与长度可控的倒漏斗形结构的实心微针阵列加工，得到的微针阵列用于皮肤给药微针的模具；倒漏斗形结构可以有效控制给药微针插入皮肤深度；小于30μm的针尖直径，不但可以减少给药微针插入皮肤的阻力，而且复制给药微针时脱模更容易；利用本发明制备的硅模具复制可溶解或可降解的高分子材料给药微针，是实现大分子透皮给药的有效途径。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是步骤1沉积后得到的结构示意图；

图2是图1的俯视结构示意图；

图3是旋涂光刻胶后的结构示意图；

图4是图3的俯视结构示意图；

图5是光刻后的结构示意图；

图6是图5的俯视结构示意图；

图7是步骤3刻蚀后的结构示意图；

图8是图7的俯视结构示意图；

图9是步骤4刻蚀后的结构示意图；

图10是图9的俯视结构示意图；

图11是步骤5去胶后的结构示意图；

图12是图11的俯视结构示意图；

图13是步骤6湿法腐蚀后的结构示意图；

图14是图13的俯视结构示意图；

图15是本发明制备的倒漏斗形硅基实心微针阵列的金相图a；

图16是本发明制备的倒漏斗形硅基实心微针阵列的金相图b。

其中：

1、单晶硅片；2、正面氮化硅保护膜；3、反面氮化硅保护膜；4、光刻胶；5、遮挡胶膜；6、圆柱体。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1-16所示，本实施例中的倒漏斗形硅基实心微针阵列的制备方法，包括以下步骤：

1)选取(100)晶面、双面抛光单晶硅片1，本实施例中，单晶硅片1为n型，电阻率为5ω·cm，实际应用中可以选择电阻率范围在1-10ω·cm都可以，厚度为700±10μm；在单晶硅片1的正面沉积正面氮化硅保护膜2，在单晶硅片1的反面沉积反面氮化硅保护膜3；正面氮化硅保护膜2和反面氮化硅保护膜3都为500nm厚，采用低压化学气相沉积(lpcvd)工艺沉积在单晶硅片1上。

2)在正面氮化硅保护膜2上旋涂光刻胶4，利用光刻工艺将掩模板图形转移到光刻胶4上，掩膜版的图形为阵列状的圆形斑点，光刻后的光刻胶4形成阵列状的圆形遮挡胶膜5；本实施例中，采用az9260型光刻胶4，旋涂光刻胶4的转速为2500r/min，时间40s，光刻胶膜厚度10.6微米；然后，将单晶硅片1在95℃环境中前烘10min，待单晶硅片1自然冷却后进行掩模图形光刻，曝光130s，剂量为1539mj/cm²，然后在浓度为2.38％的nmd-w显影液中显影10min，用去离子水冲洗1min，再在100℃环境中坚膜15min，把掩模板图形转移到光刻胶4上；掩膜版的图形的圆形斑点的直径为200μm，相邻的圆形斑点的圆心间距为500μm。

3)干法刻蚀掉暴露在遮挡胶膜5外的正面氮化硅保护膜2，露出单晶硅片1；本实施例中，采用反应离子刻蚀机进行干法刻蚀，功率为100w，chf3气流量为100sccm，真空度为2.5pa，刻蚀时间108min。

4)利用电感耦合等离子体刻蚀系统，采用深硅刻蚀bosch工艺，对步骤3露出的单晶硅片1进行各向异性刻蚀，在单晶硅片1上刻蚀出阵列状的圆柱体6；本实施例中，电感耦合等离子体刻蚀系统功率为1000w，刻蚀与钝化时间7s/4s为一个循环，刻蚀速率为0.42μm/循环，单晶硅片1与遮挡胶膜5抗刻蚀比为42:1；刻蚀380个循环后圆柱体6高度为162μm，直径204μm，侧壁与单晶硅片1角度为90度。

5)去除单晶硅片1上遮挡胶膜5；本实施例中，将步骤4得到的单晶硅片1用丙酮浸泡并超声10min，再用酒精浸泡并超声10min，去离子水冲洗5min，氮气吹干，再在100℃环境中干燥10min。

6)利用酸性腐蚀液对步骤5后的单晶硅片1进行各向同性湿法腐蚀，得到微针阵列。本实施例中，酸性腐蚀液为体积比为8:1:1的70％的hno3、49％的hf和100％的hac的混合液，简称hna。为了保证腐蚀速率的一致性，湿法腐蚀在冰水混合物槽中进行，并采用磁力搅拌，腐蚀时间为20min；腐蚀20min后径向腐蚀深度约90μm，深度方向腐蚀约86μm，氮化硅在hna中的平均腐蚀速率为9nm/min。

本实施例制备的倒漏斗形硅基实心微针阵列的金相图参见图15和图16，通过电感耦合等离子体(icp)干法刻蚀技术和酸类对硅的各向同性腐蚀相结合，可实现高深宽比、针尖直径与长度可控的倒漏斗形结构的实心微针阵列加工，得到的微针阵列用于皮肤给药微针的模具；倒漏斗形结构可以有效控制给药微针插入皮肤深度；小于30μm的针尖直径，不但可以减少给药微针插入皮肤的阻力，而且复制给药微针时脱模更容易。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。