CN103303862A - 基于谐振式微悬臂梁结构的高灵敏生化传感器的制作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于谐振式微悬臂梁结构的高灵敏生化传感器的制作方法，生化传感器以悬臂梁为结构单元，采用微纳加工工艺在硅基片上制作，即在硅片上通过光刻、干法刻蚀工艺制作悬臂梁及其附属结构，通过离子注入、电子束蒸发工艺制作出电学感应元件，从而使器件具有对探测信号自检测的功能。封装盖片通过设计模具，采用聚合物固化脱模键合工艺制作而成。本发明大大提高了器件的制作精度和成品率，可用于器件的大规模制作，有效降低了生产成本。此外，本发明还可应用于其它结构的MEMS器件的制作，如双端固支梁结构、叉指式加速度计及其它电容、电阻式传感器。
Description
技术领域
本发明涉及MEMS制造及工程领域，尤其涉及一种基于谐振式微悬臂梁结构的高灵敏生化传感器的制作方法。
背景技术
自上世纪80年代MEMS技术蓬勃发展以来[1]，越来越多的MEMS器件被广泛应用于人们的日常生活及国防建设中。近些年来，随着微探针、微流计等器件的研制，大量的MEMS器件进入了化学分析、生物检测、医药筛选和环境监测等领域。如，1998年S.Henry等人利用微加工工艺研制了150μm长的微型针阵列，研究了其机械性能和药物输运特性[2]；2000年D.Kashanin等人利用微流体生物芯片进行细胞的指引和分离，研究了T细胞与单克隆抗体修饰后通道壁的相互作用，模拟自然细胞在毛细血管中受体与ligand相互作用，芯片的尺寸只有曲别针大小，流体管道宽60μm，深40μm[3]。然而就目前的生化传感器领域而言，不论是如上所述的微型针阵列还是微流道细胞计，由于器件结构本身的限制，无法实现实时高灵敏度的生化检测。
悬臂梁作为MEMS器件中一种重要的结构近年来已经成为研究热点[4]。基于悬臂梁结构的传感器可以将待检测量，如质量、温度、应力等参数转化为悬臂梁的静态弯曲量或者动态谐振频率变化量，从而实现对待测量快速、准确的测量。2000年，Cornell大学的H.G..Craighead等人制备了100×20×0.32μm3的Si3N4悬臂梁，在其前端涂覆O157∶H7抗体后，可以选择性吸附E.coli细胞，在空气中可检测的最小质量约为1.5pg[5]。但是，基于悬臂梁结构的生化传感器的实用化仍然存在一些技术问题，如：大面积吸附引起悬臂梁弹性常数变化，产生频率偏移而导致测量误差；在液体生化环境中悬臂梁品质因子大幅降低，导致检测灵敏度降低等等。此外，高灵敏的自检测结构对研制实用化的生化传感器至关重要，常用的光学探测技术虽然具有高灵敏度，但光学系统体积大且成本高，不能满足便携式、低成本MEMS生化传感器应用需求。
生化传感器的制作成本是决定其实用化的关键因素，因此，需要发展可靠的、高成品率的低成本微纳制作方法。另外，应用于MEMS生化传感器的封装技术，需要考虑许多限制，如器件工作环境：流体冲击、机械振动和温度变化，等等。因此，开发一种适用于新型高灵敏悬臂梁结构的、便携式生化传感器的低成本大规模制作方法对推动MEMS生化传感器的实用化具有重要意义。
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发明内容
(一)要解决的技术问题
有鉴于此，本发明的主要目的在于提供一种基于谐振式微悬臂梁结构的高灵敏生化传感器的制作方法，以提高器件的制作精度和成品率，降低制作成本。
(二)技术方案
为达到上述目的，本发明提供了一种基于谐振式微悬臂梁结构的高灵敏生化传感器的制作方法，其特征在于，该方法包括：
步骤1：对衬底进行清洗；
步骤2：在1000℃下对衬底进行热氧化，并光刻形成离子注入的掩模，分别以E+14/cm2的量级和E+15/cm2的量级向衬底中注入B离子形成敏感压阻结构和电学传输线结构；
步骤3：对衬底进行光刻和干法刻蚀工艺，依次刻蚀表面热氧化层和部分顶层硅，在衬底正面制作形成微柱阵列生化反应区及储液槽；
步骤4：对衬底进行正面光刻，并采用干法刻蚀工艺依次刻蚀表面热氧化层及顶层硅，制作形成悬臂梁结构图形，所述的微柱阵列生化反应区位于悬臂梁前端区域；
步骤5：对衬底进行光刻并刻蚀出金属连接孔，然后采用蒸发剥离工艺，在衬底电学传输线表面制作一层Cr/Au/Al作为电极，形成欧姆接触；
步骤6：采用等离子体增强化学气相淀积在衬底正面和背面分别淀积一层氧化硅，作为正面同性刻蚀的掩模和背面深刻蚀的掩模，并通过光刻、干法刻蚀工艺制作硅刻蚀掩模；
步骤7：利用制备的氧化硅掩模分别采用DRIE进行背面深刻蚀和正面同性刻蚀，得到悬臂梁振动背腔及释放悬臂梁结构；
步骤8：采用HF去除二氧化硅，释放得到悬臂梁结构生化传感器；
步骤9：采用聚合物固化脱模键合工艺制作聚合物封装盖片；
步骤10：将制备的悬臂梁结构生化传感器插入所述聚合物封装盖片中，完成悬臂梁生化传感器的制作。
上述方案中，步骤1中所述衬底为硅片，或者为含氧化硅中间层和单晶硅器件层的绝缘体上硅(SOI)片。
上述方案中，步骤2中所述在1000℃下对衬底进行热氧化，形成氧化硅薄膜，不仅起到对硅片保护的作用，同时可以起到使注入离子散射的效果。
上述方案中，步骤2中所述离子注入形成敏感压阻结构采用反型注入方式形成P-N结与顶层硅绝缘，即对N型硅片注入P型杂质，对P型硅片注入N型杂质，并在压阻敏感结构及电学传输线与顶层硅之间刻蚀出绝缘沟道，实现电学绝缘。
上述方案中，步骤2中所述离子注入图形的晶向选择要保证实现最大压阻系数，注入P型杂质时压阻图形沿硅基片(110)晶向注入，注入N型杂质时压阻图形沿硅基片(100)晶向注入。
上述方案中，步骤2中所述离子注入形成的敏感压阻结构，是采用图形化工艺制作的，该敏感压阻结构是U型或蛇型结构，能够提高对电流的束缚能力。
上述方案中，步骤3中所述在衬底正面制作形成微柱阵列生化反应区及储液槽，为了增大反应面积，制作微型结构，该微型结构为微柱或微沟道。
上述方案中，步骤3中所述微柱阵列生化反应区为梁前端的微阵列结构。
上述方案中，步骤7中所述利用制备的氧化硅掩模分别采用DRIE进行背面深刻蚀和正面同性刻蚀，得到悬臂梁振动背腔及释放悬臂梁结构，是采用双面对准光刻来制作掩模图形，在衬底背面采用DRIE刻蚀衬底到预定深度，然后在衬底背面生长一层Al薄膜，作为正面同性刻蚀的截止层，并同时起到导热作用，以保证晶片在刻蚀过程中能够被有效冷却。
上述方案中，步骤9中所述聚合物封装盖片上制作集成生化进/出样口以及生化反应腔。
(三)有益效果
从上述技术方案可以看出，本发明的有益效果是：
本发明提供了一种基于谐振式微悬臂梁结构的高灵敏生化传感器的制作方法，该方法是基于与IC兼容的常规MEMS微纳加工技术，不需要昂贵耗时的加工设备，制作工艺简单，可靠性高，有利于实现高成品率制作。该方法利用了器件材料和加工工艺的独特性能，实现了高灵敏度的生化传感器的高精度大规模制作，可推广到其它高端MEMS器件的大规模制作。具体包括：
1、本发明对传感器芯片的制作并未限定于某一种特定的MEMS结构，可应用于其它结构的MEMS器件制作。整个制作步骤所采用的都是常规的MEMS加工方法，成本低、可靠性高，大幅提高了器件制作的成品率，适用于大规模生产。
2、本发明封装盖片通过模具设计、聚合物脱模键合的方式制作，传感芯片和封装盖片采用插拔的方式进行封装。不但保证了封装的精度要求，同时大大降低了封装难度，且能保证芯片在封装过程中不易被损毁，提高了封装的成品率，满足大规模生产需求。
附图说明
图1为本发明提供的制作基于谐振式微悬臂梁结构的高灵敏生化传感器的方法流程图；
图2a至图2h为本发明提供的制作基于谐振式微悬臂梁结构的高灵敏生化传感器的工艺流程图；
图3为n型和p型硅(100)面内压阻系数分布图；
图4为本发明制作悬臂梁结构生化传感器的实施例的封装模具示意图；
图5为新型生化传感器剖面示意图。
附图标记说明：
1.顶层硅；2.掩埋氧化层；3.体硅；4.热氧化二氧化硅；5.电学传输线；6.微柱结构；7.储液槽；8.悬臂梁；9.绝缘沟道；10.金属电极；11.PECVD二氧化硅；12.Al薄膜；13.封装模具；14.进液通道；15.出液通道；16.芯片槽；17.生化传感器传感芯片；18.聚合物封装外壳。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。
为了实现生化传感器对待测分子的实时实地高灵敏检测，需要在高灵敏的频率检测技术、消除吸附导致的测量误差、减小检测环境对器件稳定性的影响、导出生化废液、提供可靠低成本的封装方案等方面进行技术突破，对此本发明提出了一种基于谐振式微悬臂梁结构的高灵敏生化传感器的制作方法。本发明在悬臂梁自由端设计了局域修饰结构，可消除大面积吸附产生的测量误差，同时减小了溶液对悬臂梁品质因子的影响；用自集成的压敏电阻和自检测电路来检测悬臂梁吸附生化分子后的信号变化，很好满足便携式应用需求；利用与IC兼容的MEMS加工技术，实现了生化传感器芯片的大规模制作；提出了通过聚合物脱模键合的方式制作封装盖片。这些技术突破大大提高了器件的制作精度和成品率，降低了制作成本。
如图1所示，图1为本发明提供的制作基于谐振式微悬臂梁结构的高灵敏生化传感器的方法流程图，该方法包括以下步骤：
步骤1：对衬底进行清洗；所述衬底为硅片，或者为含氧化硅中间层和单晶硅器件层的绝缘体上硅(SOI)片；
步骤2：在1000℃下对衬底进行热氧化，并光刻形成离子注入的掩模，分别以E+14/cm2的量级和E+15/cm2的量级向衬底中注入B离子形成敏感压阻结构和电学传输线结构；所述在1000℃下对衬底进行热氧化，形成氧化硅薄膜，不仅起到对硅片保护的作用，同时可以起到使注入离子散射的效果；
步骤3：对衬底进行光刻和干法刻蚀工艺，依次刻蚀表面热氧化层和部分顶层硅，在衬底正面制作形成微柱阵列生化反应区及储液槽；所述微柱阵列生化反应区为梁前端的微阵列结构；
步骤4：对衬底进行正面光刻，并采用干法刻蚀工艺依次刻蚀表面热氧化层及顶层硅，制作形成悬臂梁结构图形，所述的微柱阵列生化反应区位于悬臂梁前端区域；
步骤5：对衬底进行光刻并刻蚀出金属连接孔，然后采用蒸发剥离工艺，在衬底电学传输线表面制作一层Cr/Au/Al作为电极，形成欧姆接触；
步骤6：采用等离子体增强化学气相淀积(PECVD)在衬底正面和背面分别淀积一层氧化硅，作为正面同性刻蚀的掩模和背面深刻蚀的掩模，并通过光刻、干法刻蚀工艺制作硅刻蚀掩模；
步骤7：利用制备的氧化硅掩模分别采用DRIE进行背面深刻蚀和正面同性刻蚀，得到悬臂梁振动背腔及释放悬臂梁结构；所述利用制备的氧化硅掩模分别采用DRIE进行背面深刻蚀和正面同性刻蚀，得到悬臂梁振动背腔及释放悬臂梁结构，是采用双面对准光刻来制作掩模图形，在衬底背面采用DRIE刻蚀衬底到预定深度，然后在衬底背面生长一层Al薄膜，作为正面同性刻蚀的截止层，并同时起到导热作用，以保证晶片在刻蚀过程中能够被有效冷却；
步骤8：采用HF去除二氧化硅，释放得到悬臂梁结构生化传感器；
步骤9：通过设计封装模具，采用聚合物固化脱模键合工艺制作聚合物封装盖片；
步骤10：将制备的悬臂梁结构生化传感器插入所述聚合物封装盖片中，完成悬臂梁生化传感器的制作。
为进一步详细说明本发明提供的制作基于谐振式微悬臂梁结构的高灵敏生化传感器的方法，以下以SOI硅片为例并参照附图，对本发明进一步详细说明。
本发明提供了一种基于悬臂梁结构的新型生化传感器的制作方法，图2a至图2h为本发明提供的制作基于谐振式微悬臂梁结构的高灵敏生化传感器的工艺流程图；，按照制造顺序包括以下步骤：
步骤1：以(100)晶向的N型SOI硅片作为制备所述悬臂梁结构生化传感器衬底材料，包括顶层硅1、掩埋氧化层2和体硅结构3，如图2a所示。
步骤2：对上述SOI硅片在1000℃条件下进行热氧化生成二氧化硅4，作为离子注入的掩模，且保护硅片；然后旋涂光刻胶形成压敏电阻及电学传输线图形；采用两次离子注入工艺分别以E+14/cm2的量级和E+15/cm2的量级向硅片中注入B离子，形成敏感压阻结构和电学传输线结构5，并在1000℃条件下退火进行离子激活，如图2b所示。
步骤3：对上述SOI硅片旋涂光刻胶形成悬臂梁前端的微柱结构6，并采用干法刻蚀工艺刻蚀表面热氧及部分顶层硅形成特定的生化反应区及储液槽7；刻蚀形成的微柱结构增大了吸附生化物质的面积，提高了生化传感器的检测上限，储液槽结构提供并限制了生化反应的区域，避免了悬臂梁整层吸附生化分子对检测结果造成影响，如图2c所示。
步骤4：对上述SOI硅片旋涂光刻胶进行光刻，并采用干法刻蚀工艺依次刻蚀表面热氧及顶层硅形成悬臂梁图形8及压敏电阻和电学传输线与顶层硅之间的绝缘沟道9，保证了压敏电阻和电学传输线与顶层硅之间的绝缘效果，如图2d所示。
步骤5：对上述SOI硅片旋涂光刻胶进行光刻，采用干法刻蚀工艺刻蚀出金属连接孔，然后采用蒸发、剥离工艺形成一层Cr/Au/Al作为电极10，如图2e所示。
步骤6：在上述SOI硅片正面和背面分别用PECVD沉积一层二氧化硅11，并旋涂光刻胶，采用双面对准光刻技术形成正面同性刻蚀及背面深刻蚀释放悬臂梁结构的掩模；采用DIRE背面深刻蚀技术刻蚀晶片至预定深度，然后蒸发一层Al薄膜12作为正面同性刻蚀的截止层，如图2f所示。
步骤7：采用正面同性刻蚀技术，释放悬臂梁结构；这样既通过背面深刻蚀得到了通透的器件背腔，有利与液态生化物质的排出，而且通过正面同性刻蚀得到了精确的悬臂梁根部，如图2g所示。
步骤8：采用HF去除表面二氧化硅及掩埋氧化层，得到最终生化悬臂梁传感器，如图2h所示。
图3所示为n型和p型硅(100)面内的压阻系数分布图。可以看出对P型掺杂的硅片其压阻系数在(110)晶向达到最大值，对N型掺杂的硅片其压阻系数在(100)晶向达到最大值，所以注入P型杂质时应沿(110)晶向注入而注入N型杂质时应沿(100)晶向注入，以达到压阻系数最大值，进而提高生化传感器的探测性能及灵敏度。因此对图2所述实施例中注入的B离子应当沿(110)晶向注入。
图4所示为制作悬臂梁结构生化传感器封装外壳的模具13示意图。如图所示，设计了两块封装模具，分别制作了用于生化探测的进液通道14和出液通道15，满足了对液体生化物质探测的需求。然后采用聚合物固化倒模的方案得到了所需的生化传感器封装外壳。由于采用封装模具设计，从而大大降低了整个封装外壳的制作成本，提高了整个器件的成品率，同时满足了大批量生产的需求
最终，通过手动插拔的方式将制作好的生化探测芯片插入封装外壳相应的芯片槽16中，从而得到一个具有独立的，具有完整生化探测功能的传感器，如图5所示。
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种基于谐振式微悬臂梁结构的高灵敏生化传感器的制作方法，其特征在于，该方法包括：
步骤1：对衬底进行清洗；
步骤2：在1000℃下对衬底进行热氧化，并光刻形成离子注入的掩模，分别以E+14/cm2的量级和E+15/cm2的量级向衬底中注入B离子形成敏感压阻结构和电学传输线结构；
步骤3：对衬底进行光刻和干法刻蚀工艺，依次刻蚀表面热氧化层和部分顶层硅，在衬底正面制作形成微柱阵列生化反应区及储液槽；
步骤4：对衬底进行正面光刻，并采用干法刻蚀工艺依次刻蚀表面热氧化层及顶层硅，制作形成悬臂梁结构图形，所述的微柱阵列生化反应区位于悬臂梁前端区域；
步骤5：对衬底进行光刻并刻蚀出金属连接孔，然后采用蒸发剥离工艺，在衬底电学传输线表面制作一层Cr/Au/Al作为电极，形成欧姆接触；
步骤6：采用等离子体增强化学气相淀积在衬底正面和背面分别淀积一层氧化硅，作为正面同性刻蚀的掩模和背面深刻蚀的掩模，并通过光刻、干法刻蚀工艺制作硅刻蚀掩模；
步骤7：利用制备的氧化硅掩模分别采用DRIE进行背面深刻蚀和正面同性刻蚀，得到悬臂梁振动背腔及释放悬臂梁结构；
步骤8：采用HF去除二氧化硅，释放得到悬臂梁结构生化传感器；
步骤9：采用聚合物固化脱模键合工艺制作聚合物封装盖片；
步骤10：将制备的悬臂梁结构生化传感器插入所述聚合物封装盖片中，完成悬臂梁生化传感器的制作。
2.根据权利要求1所述的基于谐振式微悬臂梁结构的高灵敏生化传感器的制作方法，其特征在于，步骤1中所述衬底为硅片，或者为含氧化硅中间层和单晶硅器件层的绝缘体上硅SOI片。
3.根据权利要求1所述的基于谐振式微悬臂梁结构的高灵敏生化传感器的制作方法，其特征在于，步骤2中所述在1000℃下对衬底进行热氧化，形成氧化硅薄膜，不仅起到对硅片保护的作用，同时可以起到使注入离子散射的效果。
4.根据权利要求1所述的基于谐振式微悬臂梁结构的高灵敏生化传感器的制作方法，其特征在于，步骤2中所述离子注入形成敏感压阻结构采用反型注入方式形成P-N结与顶层硅绝缘，即对N型硅片注入P型杂质，对P型硅片注入N型杂质，并在压阻敏感结构及电学传输线与顶层硅之间刻蚀出绝缘沟道，实现电学绝缘。
5.根据权利要求1所述的基于谐振式微悬臂梁结构的高灵敏生化传感器的制作方法，其特征在于，步骤2中所述离子注入图形的晶向选择要保证实现最大压阻系数，注入P型杂质时压阻图形沿硅基片(110)晶向注入，注入N型杂质时压阻图形沿硅基片(100)晶向注入。
6.根据权利要求1所述的基于谐振式微悬臂梁结构的高灵敏生化传感器的制作方法，其特征在于，步骤2中所述离子注入形成的敏感压阻结构，是采用图形化工艺制作的，该敏感压阻结构是U型或蛇型结构，能够提高对电流的束缚能力。
7.根据权利要求1所述的基于谐振式微悬臂梁结构的高灵敏生化传感器的制作方法，其特征在于，步骤3中所述在衬底正面制作形成微柱阵列生化反应区及储液槽，为了增大反应面积，制作微型结构，该微型结构为微柱或微沟道。
8.根据权利要求1所述的基于谐振式微悬臂梁结构的高灵敏生化传感器的制作方法，其特征在于，步骤3中所述微柱阵列生化反应区为梁前端的微阵列结构。
9.根据权利要求1所述的基于谐振式微悬臂梁结构的高灵敏生化传感器的制作方法，其特征在于，步骤7中所述利用制备的氧化硅掩模分别采用DRIE进行背面深刻蚀和正面同性刻蚀，得到悬臂梁振动背腔及释放悬臂梁结构，是采用双面对准光刻来制作掩模图形，在衬底背面采用DRIE刻蚀衬底到预定深度，然后在衬底背面生长一层Al薄膜，作为正面同性刻蚀的截止层，并同时起到导热作用，以保证晶片在刻蚀过程中能够被有效冷却。
10.根据权利要求1所述的基于谐振式微悬臂梁结构的高灵敏生化传感器的制作方法，其特征在于，步骤9中所述聚合物封装盖片上制作集成生化进/出样口以及生化反应腔。
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