CN105668505A - 一种复杂三维结构微通道的加工方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种复杂三维结构微通道的加工方法，以金属粒子作为催化剂，根据所需要成形的三维微通道结构，通过机械外力改变加工件方位和旋转速度，从而控制金属粒子催化剂与加工件的接触位置与运动方向，在氢氟酸和氧化剂的混合溶液的作用下刻蚀加工件，从而加工出所需的复杂三维结构微通道；该方法避开了常规思维，通过借助机械外力，巧妙的且简单的实现了三维结构微通道的制作，成本低，且适应于任意规则的复杂三维结构通道；能够适用于微流控芯片、生物芯片及微电子器件，可用于大批量生产，有较大的推广空间。

Description

一种复杂三维结构微通道的加工方法
技术领域
本发明涉及一种复杂三维结构微通道的加工方法。
背景技术
微通道广泛存在于微流控芯片、生物芯片及微电子器件中，常用于控制各类型的化学反应、筛选异常细胞、基因检测、电学通道等各类重要应用场合。但是，由于精确检测、控制反应等功能的需要，微通道往往都是形状较为复杂的三维结构，对微通道的形状及通道表面的质量要求也极高。对于现代超精密加工技术来说，在不到1mm的芯片上加工加工复杂的三维微通道，本身已经一个巨大的挑战，加工质量更加无法保证。
如图1所示，最简单的三维异形微通道—U形微通道，但是通过机械加工的方法在块体上只能加工两侧垂直的通道，而无法加工出内部的横向通道。且机械加工的最小直径一般大于100μm，远无法满足微流控芯片、生物芯片等需求。因此，亟需设计三维复杂微通道的加工新方法。
中国发明专利CN102290332B、欧洲发明专利EP2439766A1、美国发明专利US6762134、US6790785、US8278191、US8334216、US8486843、US8815104、US8951430、US20100248449和US20110215441等采用金属辅助化学刻蚀工艺，以铂Pt、金Au、银Ag、铜Cu等金属粒子作为催化剂，在氢氟酸和氧化剂(双氧水、硝酸铁、高锰酸钾等)的混合溶液中刻蚀硅或者III-V族半导体材料，由于覆盖重金属的硅或III-V族半导体材料被刻蚀速率明显高于没有覆盖重金属的硅或III-V族半导体材料，所以金属粒子会下沉进入体硅或者III-V族半导体材料深处从而形成与重金属颗粒直径和密度相当的大深径比的微孔。并通过物理/化学的方法转移所得到的纳米多孔材料，进一步可以得到硅/III-V族半导体线。
上述方法相比传统的通过KOH湿法刻蚀方法，该金属辅助化学刻蚀方法可以大大增加微孔的深径比；相比干法刻蚀，可以大大的降低成本，并能有效地提高侧壁的质量。但是，以上方法均只能在单个方向上进行刻蚀获得大深径比微孔，无法在硅或者III-V族半导体材料上形成规则的复杂三维结构通道。
发明内容
本发明提供了一种复杂三维结构微通道的加工方法，其目的在于克服现有技术中无法在硅或者III-V族半导体材料上形成规则的复杂三维结构通道的问题。
一种复杂三维结构微通道的加工方法，其以金属粒子作为催化剂，根据所需要成形的三维微通道结构，通过机械外力改变加工件方位和旋转速度，从而控制金属粒子催化剂与加工件的接触位置与运动方向，在氢氟酸和氧化剂的混合溶液的作用下刻蚀加工件，从而加工出所需的复杂三维结构微通道；
所述加工件为硅或者III-V族半导体材料。
具体步骤如下：
首先，将金属粒子溅射在硅或者III-V族半导体材料上；其次，将硅或者III-V族半导体材料置于装有氢氟酸、氧化剂和水的混合腐蚀溶液中的密闭反应容器中定向腐蚀，获得定向微孔；接着，将整个反应容器固定于离心机的夹具中，使反应容器绕离心机的Z轴旋转，进行旋转腐蚀，形成横向通道；最后，按照设定需求，将反应容器翻转，改变定向腐蚀方向后进行定向腐蚀，再启动离心机，使得反应容器绕离心机的Z轴旋转，重复定向腐蚀和旋转腐蚀操作，直到获得设定需求的复杂三维结构微通道。
所述反应容器绕离心机的Z轴进行旋转时，旋转角速度为r为反应容器距离旋转中心轴的距离。
根据所需要的离心力来确定的，f＝mw2r，离心力大概为重力的10倍。
所述金属粒子的直径为硅或者III-V族半导体材料上所需生成的三维结构微通道直径的0.8-1倍。
金属粒子之间的间距为半导体材料上所需的三维通道之间间距的1.0～1.2倍。
为了一次形成多条通道，在实际操作中将会同时喷射很多金属粒子，如果粒子之间的间距过小，则会导致相邻通道被打通，且一般来说通道直径均比金属粒子直径大0.2倍左右，因此，选择金属粒子之间的间距为所需的三维通道之间间距的1.0～1.2倍，以保证通道与通道之间不会被打通。
所述混合腐蚀溶液中氢氟酸、氧化剂、水的配比为1:1:1。
按照1:1:1能够保证化学试剂充分反应。
所述硅或者III-V族半导体材料被腐蚀的速度为0.5-5μm/min，利用各方向所需形成的通道长度除以材料被腐蚀速度获得各方向上的腐蚀时间。
腐蚀速度是由化学反应控制的，速度为0.5-5μm/min，由此估计各道工序的作用时间，比如形成横向通道时离心力应该作用多久、刻蚀竖向通道时应该让其反应多久。
有益效果
本发明提供了一种复杂三维结构微通道的加工方法，以金属粒子作为催化剂，根据所需要成形的三维微通道结构，通过机械外力改变加工件方位和旋转速度，从而控制金属粒子催化剂与加工件的接触位置与运动方向，在氢氟酸和氧化剂的混合溶液的作用下刻蚀加工件，从而加工出所需的复杂三维结构微通道；该方法避开了常规思维，通过借助机械外力，巧妙的且简单的实现了三维结构微通道的制作，成本低，且适应于任意规则的复杂三维结构通道；能够适用于微流控芯片、生物芯片及微电子器件，可用于大批量生产，有较大的推广空间。
附图说明
图1为现有的普通U形微通道；
图2为垂直方向微通道成形示意图，其中，(a)为溅射金属粒子催化剂，(b)为垂直方向单向腐蚀，(c)垂直方向单向腐蚀；
图3为横向微通道成形示意图，其中，(a)离心力作用下金属粒子改向，(b)横向腐蚀；
图4为第二条垂直微通道成形示意图，其中，(a)为金属粒子催化剂改向，(b)为第二条垂直方向通道，(c)为最终的U形通道；
图5为异形三维复杂微通道，其中，(a)为z形微通道，(b)为三维微通道。
标号说明：1-溅射的金属粒子催化剂；2-硅或者III-V族半导体块状材料。
具体实施方式
下面将结合附图和实施例对本发明做进一步的说明。
步骤一：在硅或者III-V族半导体材料上溅射铂Pt、金Au、银Ag或者铜Cu等金属粒子作为催化剂，如图2(a)所示。金属粒子的直径为半导体材料上所需的三维通道直径的0.8～1倍。金属粒子之间的间距为半导体材料上所需的三维通道之间间距的1.0～1.2倍。步骤二：将硅或者III-V族半导体材料置于装有氢氟酸和氧化剂混合腐蚀溶液中的密闭反应容器中定向腐蚀。氢氟酸、氧化剂、水的配比为1:1:1。由于催化剂的作用，金属粒子催化剂下方的硅或者III-V族半导体材料的被腐蚀速度远大于没有催化剂的部分，再加上金属粒子的定向沉降作用，因此沿Z轴方向定向形成单个方向上的大深径比微孔，如图2(b)-(c)所示。腐蚀的速度约为0.5-5μm/min。作用时间为所需要成孔的长度除以腐蚀速度。
步骤三：整个反应容器固定于高速离心机的夹具中，使之绕离心机的z轴高速旋转。旋转角速度为其中r为反应容器距离旋转中心轴的距离。由于高速旋转产生了巨大的离心力，使得金属粒子催化剂受到X轴方向的离心力远大于其收到的重力，因此金属粒子催化剂将与微孔的外侧壁紧紧贴合，如图3(a)所示，使得与金属粒子催化剂接触的硅或者III-V族半导体材料被迅速腐蚀，形成横向通道，如图3(b)所示。进一步，在离心力的作用下，金属粒子催化将继续沿着X轴方向运动，并紧贴横向通道侧壁，使得腐蚀的方向不再沿着Z轴方向垂直腐蚀，而改为X轴方向横向腐蚀，形成横向大深径比通道。横向腐蚀的速度也约为0.5-5μm/min。作用时间为所需要成孔的长度除以腐蚀速度。
步骤四：整个反应容器取出高速离心机中，并将反应容器沿X轴方向旋转180°上下颠倒。由于重力的作用，金属粒子催化剂将沿Z轴负方向与横向通道的下侧壁紧紧贴合，如图4(a)所示，使得与金属粒子催化剂接触的硅或者III-V族半导体材料被迅速腐蚀，形成第二条垂直方向通道，如图4(b)所示。进一步，在重力的作用下，金属粒子催化将继续沿着z轴负方向运动，并紧贴垂直通道底部，使得腐蚀的方向只沿着Z轴负方向垂直腐蚀，最终形成三维U形通道，如图4(c)所示。纵向腐蚀的速度约为0.5-5μm/min。作用时间为所需要成孔的长度除以腐蚀速度。
实施例二：
通过改变反应容器在离心机中的方向，可控制金属粒子催化剂与硅或者III-V族半导体材料在接触位置，从而改变刻蚀方向，形成如图5(a)所示的z形微通道和图5(b)所示的三维结构复杂通道。

Claims (6)

1.一种复杂三维结构微通道的加工方法，其特征在于，以金属粒子作为催化剂，根据所需要成形的三维微通道结构，通过机械外力改变加工件方位和旋转速度，从而控制金属粒子催化剂与加工件的接触位置与运动方向，在氢氟酸和氧化剂的混合溶液的作用下刻蚀加工件，从而加工出所需的复杂三维结构微通道；
所述加工件为硅或者III-V族半导体材料。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，包括以下具体步骤：
首先，将金属粒子溅射在硅或者III-V族半导体材料上；其次，将硅或者III-V族半导体材料置于装有氢氟酸、氧化剂和水的混合腐蚀溶液中的密闭反应容器中定向腐蚀，获得定向微孔；接着，将整个反应容器固定于离心机的夹具中，使反应容器绕离心机的Z轴旋转，进行旋转腐蚀，形成横向通道；最后，按照设定需求，将反应容器翻转，改变定向腐蚀方向后进行定向腐蚀，再启动离心机，使得反应容器绕离心机的Z轴旋转，重复定向腐蚀和旋转腐蚀操作，直到获得设定需求的复杂三维结构微通道。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述反应容器绕离心机的Z轴进行旋转时，旋转角速度为r为反应容器距离旋转中心轴的距离。
4.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述金属粒子的直径为硅或者III-V族半导体材料上所需生成的三维结构微通道直径的0.8-1倍。
5.根据权利要求2-4任一项所述的方法，其特征在于，所述混合腐蚀溶液中氢氟酸、氧化剂、水的配比为1:1:1。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述硅或者III-V族半导体材料被腐蚀的速度为0.5-5μm/min，利用各方向所需形成的通道长度除以材料被腐蚀速度获得各方向上的腐蚀时间。
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