CN101468786B - 一种用于微电子机械系统的碳化硅微通道的制作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明是一种用于MEMS的碳化硅微通道、微通道阵列及其制备方法，它涉及半导体工艺加工衬底和化学气相沉积方法制备碳化硅。本发明在衬底上用半导体工艺刻蚀出凹槽微结构，凹槽之间留出台面，凹槽和台面的几何尺寸包括深度、宽度和长度以及它们的分布方式根据需要而定。此凹槽微结构用作制备碳化硅微通道的模版。然后用化学气相沉积方法在模版上制备一厚层碳化硅材料，此层碳化硅不仅完全覆盖衬底表面的微结构包括凹槽和台面，它还在凹槽顶部形成封闭结构，这样就在衬底上形成了以凹槽为模版的碳化硅微通道、微通道阵列。
Description
技术领域
本发明属于半导体微机械技术领域，特别是涉及一种碳化硅微通道、微通道阵列的制备方法。
背景技术
随着生物芯片技术的发展，微流体技术作为一项关键支撑技术得到了人们的密切关注，微流体装置越来越多地应用到化学分析、生物医学等基础研究领域。
微流体系统所需的器件包括泵、阀、混合器、过滤器、分离器、微通道等，微通道是微流体系统的重要元器件之一。目前，微流体主要是基于半导体硅、玻璃、金属或高聚物等材料制备的，传统的制作方法是对玻璃和硅片进行刻蚀，并在此基础上通过键合制成成品，如专利01138148.5所述。但这类方法需要对玻璃或硅芯片进行键合密封等复杂操作，另外，这类微液体系统难于在强腐蚀性、高温等恶劣环境下使用。
碳化硅具有宽带隙、耐腐蚀、高热导率、极好的物理化学稳定性等特点，在高温、高频、强腐蚀性等应用环境中有着得天独厚的优势。可以在衬底片上淀积生长碳化硅，大面积碳化硅可以相对容易地获得，且价格低廉。
结合上述微流体工艺和材料利弊，我们在本发明中提出一种新的微流体制备方法，它涉及到半导体工艺加工衬底和化学气相沉积方法制备碳化硅。
发明内容
本发明的目的在于提供一种可用在恶劣环境下的碳化硅微通道制作方法。
包括如下步骤：
1)采用半导体光刻和刻蚀技术，在衬底上制备单个凹槽或凹槽阵列和台面，形成模版；
2)采用化学气相沉积方法在衬底上制备碳化硅层，用于在凹槽处完全封闭形成微通道。
进一步，所述碳化硅层的厚度范围为2～10微米。
进一步，采用的衬底为硅晶片，或为III-V化合物半导体晶片，或为无机材料。
进一步，所述无机材料为石墨片。
进一步，采用反应离子刻蚀(RIE)或感应耦合等离子体刻蚀(ICP)方法刻蚀出凹槽微结构。
进一步，采用KOH水溶液刻蚀出凹槽微结构。
进一步，所述凹槽横截面形状为正方形或矩形。
进一步，所述凹槽横截面形状为“V”形或倒梯形。
进一步，所述碳化硅材料完全覆盖于凹槽之上，且与衬底紧密熔合。
进一步，所述碳化硅材料在凹槽顶部完全闭合，形成以凹槽为模版的微通道。
本发明的机理和技术特点：利用半导体工艺在衬底片上刻蚀出微流体凹槽，凹槽用作后继淀积工艺的模版，淀积碳化硅材料时，反应气体同时在台面和凹槽壁面反应成核，但由于反应物不易迁移到凹槽壁面，所以凹槽壁面的淀积速率比台面的慢很多。碳化硅材料沿垂直台面方向纵向生长，在纵向生长的同时，也进行横向生长，随着生长进度，相邻台面的横向生长区域相互合并，将凹槽封闭起来，凹槽壁面由于缺乏反应物而不再淀积碳化硅，这样就形成了一个封闭的微通道。
本发明较现有技术简洁高效，并有比现有技术更广的应用范围，可以工作在恶劣环境下。
附图说明
图1是本发明的微通道模版截面示意图；
图2是本发明的碳化硅微通道截面示意图；
图3是本发明的碳化硅微通道的实物扫描电镜形貌。
具体实施方式
本发明采用模版方法在衬底片上制备碳化硅微通道，包括以下步骤：
用半导体光刻、刻蚀技术在衬底(11)硅晶片或石墨片上制备模版，其典型横截面示意图可参见图1。图中模版(14)长度可为50～20000μm，宽度为1～10μm，间距即台面(13)宽度为1～10μm，深度为1～10μm。
带模版(14)的衬底片(11)置于化学气相沉积装置中，在氢气氛中升温进行碳化硅淀积生长。典型生长工艺为：采用乙烯(或丙烷)和硅烷分别为碳源和硅源，乙烯(或丙烷)的流量为3～20sccm，硅烷的流量为1～10sccm，生长温度为1000～1300℃，氢气流量为3～20slm；生长压力为40～100托，生长时间随模版尺寸而异，凹槽壁(12)表面积越大，生长时间越长，一般为1～6小时。
本发明的关键在于淀积的碳化硅厚膜(24)既要与衬底片(21)紧密熔合，不会剥落，又要以模版为中心生长成封闭的结构，形成微通道(23)。具体做法如下：如图2所示，取一衬底片(21)，按前述步聚制备模版(14)，以较低的淀积速率制备碳化硅厚膜与衬底间的熔合层(22)，此后提高生长速率，使台面(13)侧向淀积速率加快，各台面上淀积的碳化硅侧向合并，形成中空的、以模版(14)为中心的微通道、微通道阵列。另外，微通道内壁要光滑，粗糙度小，这就要求淀积的碳化硅结晶质量要高。
以下以一实施例作进一步说明：
在Si(100)衬底上用ICP方法刻蚀出模版，模版为平行的长条状阵列，凹槽截面尺寸分两种，一种是宽度和深度为3μm，另一种是宽度和深度为5μm。凹槽长度为2cm，凹槽间距即台面宽度为5μm。用低压化学气相沉积系统进行碳化硅的淀积生长。升温至1100℃进行氢气刻蚀处理，刻蚀时氢气流量为5slm，压力为40托，时间为5分钟。随后通入乙烯对硅表面进行碳化处理，碳化时乙烯流量为10sccm，时间为2分钟。升温至1200℃时通入硅烷淀积碳化硅，硅烷的流量为3.4sccm，生长时间为2小时。
所制备的碳化硅厚膜表面光亮如镜面，显微镜下观察可以看到碳化硅与硅衬底紧密熔合，并且以模版为中心形成了封闭的微通道，通道内壁光滑，如图3所示。
至此已经结合优选实施例对本发明进行了描述。应该理解，本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围的情况下，可以进行各种其它的改变、替换和添加。因此，本发明的范围不局限于上述特定实施例，而应由所附权利要求所限定。
Claims (8)
1.一种用于微电子机械系统的碳化硅微通道、微通道阵列的制作方法，其特征在于，包括如下步骤：
1)采用半导体光刻和刻蚀技术，在衬底上制备单个凹槽或凹槽阵列和台面，形成模版，该凹槽的长度为50-20000微米、宽度为1-10微米、间距即台面宽度为1-10微米、深度为1-10微米；
2)将带凹槽衬底置于化学气相沉积装置中，采用化学气相沉积方法在氢气氛中通入乙烯或丙烷，乙烯或丙烷的流量为3-20sccm；通入硅烷，硅烷的流量为1-10sccm，氢气流量为3-20slm，生长温度为1000-1300℃，生长压力为40-100托，在衬底上制备熔合层；
3)在熔合层上形成部分碳化硅厚膜，提高生长速率，使台面侧向沉积速率加快，各台面上沉积的碳化硅厚膜侧向合并，在碳化硅厚膜中形成中空的微通道。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述衬底为无机材料。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，采用的衬底为硅晶片，或为III-V化合物半导体晶片。
4.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述无机材料为石墨片。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，采用反应离子刻蚀或感应耦合等离子体刻蚀方法刻蚀出凹槽微结构。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，采用KOH水溶液刻蚀出凹槽微结构。
7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述凹槽横截面形状为正方形或矩形。
8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述凹槽横截面形状为“V”形或倒梯形。
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