CN109795978A - 一种微型空心硅针管阵列及其制作方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于微型硅针管技术领域，更具体地，涉及一种微型空心硅针管阵列及其制作方法。其根据微型空心硅针管阵列的特点和需求，充分利用SOI硅片衬底和MEMS加工工艺的优势，针对性对空心硅针管阵列的制作方法进行重新设计，相应获得了一种微型空心硅针管阵列，减小了空心硅针管的微流管道直径以及硅基阵列的体积与重量，进一步增大了液体在硅针管中的流阻，并同时减小空心微针管的尖端尺寸，由此解决现有技术的微型空心硅针管阵列加工成本高、耗时长、加工精度受限等的技术问题。

Description

一种微型空心硅针管阵列及其制作方法

技术领域

本发明属于微型硅针管技术领域，更具体地，涉及一种微型空心硅针管阵列及其制作方法。

背景技术

空心微针管在离子发射源、喷墨打印机、透皮给药装置等新型仪器中具有广泛的应用前景。例如，离子喷射型电推进系统中的工质在电场力作用下，离子化后由空心微针管阵列喷出以实现推力，由于产生推力与工质喷射流速直接相关，针管的微流管道尺寸则决定了离子喷射推力的下限与分辨率。因此、如何制作高精度的空心微针管是实现电推进技术的关键问题。另外，在透皮给药技术中，大量研究表明微针阵列可高效的将药物传输至皮下并具有无痛、无创或微创、与易操作的特点。微针可以分为实心微针与空心微针管两种类型，而具有微流通道的空心微针管可用于长期连续大剂量给药，并且可以结合流体泵以实现更加灵活的给药方式，从而在透皮给药领域具有更加广泛的应用前景。

目前用于空心微针管制作的各种材料主要包括硅、金属和聚合物，利用MEMS加工工艺中的光刻与刻蚀技术制作而成。例如从US2005011858A1、US2006172541A1或者CN1526454A中公开的用于制作中空硅材料微针管阵列的方法。此外JP2011072695A公开了一种用于制造聚合物中空微针管阵列的方法。利用热印工艺进行制造，并利用飞秒激光器在针中制造通孔。

随着近年来电推进器的发展需要更小的离子喷射推力下限与分辨率，需减小所用的中空微针管的微流管道直径，并提升工艺一致性以减小推力误差。同时，需进一步减小微针管的尖端尺寸以降低工质的电离电压。缩小的针管尖端在透皮给药过程中可以极大的降低创伤。但是，现有制造方法一次性加工拥有纳米级直径微流管道和几微米直径针管尖端的中空微针管阵列比较困难，利用飞秒激光加工技术可分别加工出较小直径的微流管道微针管，但加工成本较高，加工耗时较长，加工精度同时受限于所用激光的波长。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种微型空心硅针管阵列及其制作方法，其根据微型空心硅针管阵列的特点和需求，充分利用SOI硅片衬底和MEMS加工工艺的优势，针对性对空心硅针管阵列的制作方法进行重新设计，相应获得了一种微型空心硅针管阵列，减小了空心硅针管的微流管道直径以及硅基阵列的体积与重量，进一步增大液体在硅针管中的流阻，并同时减小空心微针管的尖端尺寸，由此解决现有技术的微型空心硅针管阵列加工成本高、耗时长、加工精度受限等的技术问题。

为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种微型空心硅针管阵列的制作方法，包括如下步骤：

(1)以SOI硅片为衬底，在该衬底的表面和背面分别沉积一层二氧化硅层，得到衬底正面二氧化硅层和衬底背面二氧化硅层；

(2)对衬底正面二氧化硅层进行第一次图形化，形成深硅刻蚀的掩膜图形，利用深硅刻蚀工艺刻蚀出空心硅针管内部的圆孔结构，刻蚀至所述SOI硅片的中间氧化层；

(3)对衬底背面二氧化硅层进行图形化，形成深硅刻蚀的掩膜图形，利用深硅刻蚀工艺刻蚀出空心硅针管的储液机构，刻蚀至所述SOI硅片的中间氧化层；

(4)去除衬底正面二氧化硅层表面的光刻胶，对该二氧化硅层进行第二次图形化，且第二次图形化后新的光刻胶覆盖住步骤(2)第一次刻蚀出的空心硅针管内部的圆孔结构；

(5)先利用各向同性刻蚀工艺对所述圆孔结构周围进行各向同性刻蚀，然后再利用深硅刻蚀工艺刻蚀出空心硅针管外部结构，刻蚀停留在SOI硅片正面的硅层，保留一定厚度的硅层；使得获得的硅针管上部的外径自上而下逐渐变大；

(6)利用湿法刻蚀去除SOI硅片衬底中间氧化层以及在所述衬底表面和背面沉积的二氧化硅层，使得该衬底背面的硅针管储液机构与所述衬底正面的空心硅针管内部的圆孔结构相连通。

优选地，所述的制作方法，还包括步骤：

(7)利用镀膜工艺在所述空心硅针管内部的圆孔结构内壁沉积纳米材料，以提高该硅针管内部的流阻。

优选地，步骤(1)所述衬底正面二氧化硅层和衬底背面二氧化硅层的厚度为2-3微米。

优选地，步骤(2)所述空心硅针管内部的圆孔结构的直径为5±1微米。

优选地，步骤(3)所述硅针管储液机构为圆孔或矩形孔，所述储液机构用于向所述空心硅针管提供流经其内部空心圆管的工质，多个空心硅针管共用一个储液机构。

优选地，步骤(5)所述获得的空心硅针管的外径最小处位于该硅针管的顶部，最小外径比所述空心硅针管的内径大1-2微米。

优选地，步骤(5)所述保留一定厚度的硅层，其硅层的厚度为30±5微米。

按照本发明的另一个方面，提供了一种微型空心硅针管阵列，包括分别位于SOI硅片衬底两侧的若干个空心硅针管和该若干个空心硅针管共用的储液机构；所述储液机构用于向所述空心硅针管提供流经其内部空心圆管的工质，且所述储液机构与所述空心硅针管的内部空心圆管相连通；

所述空心硅针管内径一致，所述空心硅针管上部外径自上而下逐渐变大至恒定为其管身外径。

优选地，该空心硅针管内径为5±1微米，其上部顶端最小外径为7±1微米，管身外径为45±1微米。

优选地，所述空心硅针管内壁还生长有纳米材料，所述纳米材料的厚度为1-2微米。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：

(1)本发明充分利用SOI硅片的特点，结合MEMS工艺的优势，制作出带有储液结构的微型空心硅针管阵列。基于MEMS加工工艺制作出内管道直径为纳米尺度的微针管以实现高精度低流速流体控制，同时可以精确控制硅针管的内径、外径、针尖形状、阵列密度与排列方式。制得的空心硅针管阵列结构简单，具有体积小，重量轻的特点。

(2)本发明采用MEMS工艺制作，大幅增加了微型空心硅针管阵列的面密度。

(3)本发明的制作方法可以将硅针管的内直径做到几个微米量级，大大增加了工质在管道内的流阻，高流阻对于离子喷射型推进器的推进模式起关键作用。

(4)本发明硅针管顶部的收束使得针管顶部的圆面积减小，若应用于电推进系统或电喷雾质谱仪等领域，则在针管顶部形成的工质椎体的体积随之减小，所需工质的质量也相应减小。

(5)MEMS工艺适合大批量生产，降低了制作成本。

附图说明

图1是本发明实施例硅针管阵列的结构示意图。

图2是本发明实施例硅针管的工艺流程图。

图3是本发明实施例硅针管样品的实物的扫描电子显微镜图(SEM)。

在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：

1-SOI硅片器件层；2-SOI硅片背部衬底层；3-空心硅针管的内部结构；4-单个硅针管的外部结构；5-微管道下方储液结构；6-纳米材料。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

本发明提供的一种微型空心硅针管阵列的制作方法，包括如下步骤：

(1)以SOI硅片为衬底，在该衬底的表面和背面分别沉积一层二氧化硅层，分别得到衬底正面二氧化硅层和衬底背面二氧化硅层。

SOI硅片衬底为市售衬底，也可依需求订制。在该衬底两面沉积器件二氧化硅层，衬底正面二氧化硅层和衬底背面二氧化硅层作为硬掩膜，优选的为2-3微米以满足刻蚀需要。

(2)对衬底正面器件二氧化硅层进行第一次图形化，形成深硅刻蚀的掩膜图形，利用深硅刻蚀工艺刻蚀出空心硅针管内部的圆孔结构，刻蚀至所述SOI硅片的中间氧化层。

深硅刻蚀工艺比如感应耦合等离子体(ICP)深硅刻蚀工艺；利用深硅刻蚀工艺可以获得低至5微米大小的空心硅针管内径。

(3)对衬底背面器件二氧化硅层进行图形化，形成深硅刻蚀的掩膜图形，利用深硅刻蚀工艺刻蚀出空心硅针管的储液机构，刻蚀至所述SOI硅片的中间氧化层。

深硅刻蚀工艺比如感应耦合等离子体(ICP)深硅刻蚀工艺；储液机构用于向空心硅针管提供工质，其可以为圆孔、矩形孔或其他任意形状，所述储液机构用于向所述空心硅针管提供流经其内部空心圆管的工质，其横向尺寸依具体应用需求而定，可多个空心硅针管共用一个储液机构。

(4)去除衬底正面二氧化硅层表面的光刻胶，对该二氧化硅层进行第二次图形化，且第二次图形化后新的光刻胶覆盖住步骤(2)第一次刻蚀出的空心硅针管内部的圆孔结构。

由于空心硅针管的内径很小，约为5微米左右，第二次图形化时光刻胶不会流入管中，而是在管上方形成掩膜。

(5)先利用各向同性刻蚀工艺对所述圆孔结构周围进行各向同性刻蚀，然后再利用深硅刻蚀工艺刻蚀出空心硅针管外部结构，刻蚀停留在SOI硅片正面的硅层，保留一定厚度的硅层；使得获得的硅针管的外径自上而下逐渐变大。

各向同性刻蚀工艺比如反应离子刻蚀RIE工艺，利用该工艺能够在空心硅针管周围各向同性刻蚀，使得该空心硅针管上部刻蚀成自上而下外径逐渐增大的渐变弧形结构。

然后再利用深硅刻蚀工艺比如ICP刻蚀工艺向下刻蚀获得空心硅针管的外部管身结构，如此可以获得该空心硅针管顶部尺寸最小，这种顶部外径收束能够使得针管顶部的圆面积减小，若应用于电推进系统或电喷雾质谱仪等领域，则在针管顶部形成的工质椎体的体积随之减小，所需工质的质量也相应减小。顶部最小外径比空心硅针管内径大约1-2微米。

深硅刻蚀工艺刻蚀出空心硅针管的外部结构，但该刻蚀步骤需停留在SOI衬底的硅层，需要保留一定厚度的硅层，确保硅针管结构与下方储液机构为一体结构，该保留硅层的厚度为30±5微米为宜。

(6)利用湿法刻蚀去除SOI硅片衬底中间氧化层以及所述衬底表面和背面沉积的二氧化硅层，使得该衬底背面的硅针管储液机构与所述衬底正面的空心硅针管内部的圆孔结构相连通。

这里湿法刻蚀比如采用氢氟酸刻蚀，可以将SOI衬底中间氧化层刻蚀掉。

一些实施例中，该制作方法还包括步骤：

(7)利用镀膜工艺在所述空心硅针管内部的圆孔结构内壁沉积纳米材料，以提高该硅针管内部的流阻。镀膜工艺比如原子层沉积镀膜工艺或其他镀膜工艺。该纳米材料的沉积厚度可依需求而设置。纳米材料比如碳纳米管或氧化锌纳米线等。

本发明提供的一种微型空心硅针管阵列，包括分别位于SOI硅片衬底两侧的若干个空心硅针管和该若干个空心硅针管共用的储液机构；所述储液机构用于向所述空心硅针管提供流经其内部空心圆管的工质，且所述储液机构与所述空心硅针管的内部空心圆管相连通；

所述空心硅针管内径一致，所述空心硅针管上部外径自上而下逐渐变大至恒定为其管身外径。

一些实施例中，该空心硅针管内径为5±1微米，其上部顶端最小外径为7±1微米，管身外径为45±1微米。

一些实施例中，所述空心硅针管内壁还生长有纳米材料，所述纳米材料的厚度为1-2微米。

本发明涉及一种新型的微型硅针管阵列及其制造方法，本发明利用化学气相沉积技术与光刻技术在SOI(Silicon-On-Insulator)硅片上制作二氧化硅的圆形阵列图形作为掩膜层；通过光刻技术在SOI硅片上制作光刻胶的圆形阵列图形；利用离子束诱导刻蚀技术在SOI硅片的器件层形成垂直孔洞与储液仓；利用各向同性反应离子刻蚀技术制作出硅针管顶部的圆锥形结构；再次利用离子束诱导刻蚀技术制作出硅针管阵列；使用氢氟酸湿法腐蚀去除二氧化硅掩膜层和SOI硅片中间的二氧化硅绝缘层，利用原子层沉积镀膜工艺于硅针管的微流管道内壁生长纳米材料以减小微流管道内径，提供了进一步提升针管流阻的方法。

与现有的空心硅针管制作方法对比，本发明方法可以制作出微流管道直径为纳米尺度的微针管从而实现更高精度的流体控制，并可将微针尖端缩小至几微米。本专利涉及的方法可以精确控制硅针管的内径、外径、针尖形状、阵列密度与排列方式，本发明具有步骤简单和传统MEMS工艺兼容的特点，适合大规模、大面积微型硅针管的制作。所述微型硅针管适用于离子发射源、喷墨打印、透皮无痛给药等应用领域。

本发明制作的微型空心硅针管阵列，其特征是利用了SOI硅片进行制作，器件层中带有多个中空的硅针管以及背面的衬底具有储液结构，所述的硅针管高度为20-100微米，为圆柱酒瓶状突起，刻蚀后每个硅针微流管道的内径最小可达5微米，再在针管内壁生长纳米材料以进一步减小内径，针管的典型外径为45微米，针管尖端的典型最小外径为6-7微米。

以下为实施例：

本发明所提供的微型空心硅针管阵列以SOI硅片为衬底制作而成，利用MEMS工艺中的光刻技术，离子束诱导各向异性刻蚀技术，各向同性刻蚀技术制作出内径在几个微米量级的硅针管阵列。

图1是本发明一个实施例制备得到的单个空心硅针管的结构图。1为SOI硅片器件层；2为SOI硅片背部衬底层；3为空心硅针管内部结构，是工质的通过通道；4为由RIE各向同性刻蚀与DRIE高深宽比刻蚀得到的单个空心硅针管的外部结构；5为微管道下方储液结构，通过DRIE刻蚀得到，所有硅针管共用一个储液机构；6为空心硅针管内壁生长的纳米材料。

该实施例的硅针管上有高度为70微米的酒瓶状突起阵列，突起均为中空结构，每个突起的酒瓶状结构的内径为5微米(不含内部纳米材料)，外径为45微米；顶部的凹陷结构半径为15微米，即顶部自上而下外径逐渐变大，顶部最小外径为6微米。

如图2所示，本发明所提供的微型空心硅针管阵列具体的制作步骤(按照图2序号1-10的顺序进行加工制作)为：

(a)对SOI硅片双面沉积二氧化硅(图2：1-2)。

(b)第一次图形化器件层二氧化硅，形成深硅刻蚀的掩膜图形，利用深硅刻蚀工艺刻蚀出硅针管内部圆孔结构，刻蚀至SOI硅片中间氧化层(图2：3-5)。

(c)同样步骤在背面衬底上刻蚀出储液的圆孔结构，刻蚀至SOI硅片中间氧化层(图2：5-6)。

(d)去除器件层的光刻胶，进行第二次图形化，此时新的光刻胶会掩盖第一次刻蚀的圆孔结构，由于第一次的圆孔孔径很小，光刻胶并不会流入其中而是在上方形成掩膜(图2：6-7)。

(e)利用反应离子刻蚀机台的各向同性刻蚀功能刻蚀出硅针管顶部的弧形结构，再用深硅刻蚀工艺刻蚀出硅针管的外部结构(图2：7-9)。

(f)用氢氟酸刻蚀掉SOI硅片中间氧化层以及两面沉积的二氧化硅层，使背面衬底的储液结构与上方器件层的硅针管结构连通(图2：9-10)。

(g)利用原子层沉积镀膜工艺于硅针管的管道内壁生长纳米材料以减小微流管道内径，提供了进一步提升针管流阻的方法(图2：10-11)。

(f)最后，利用激光划片机切除硅片上的多余部分。

下面通过一个具体的实施例进一步了解本发明的制作工艺及步骤。

实施例：

空心硅针管阵列制作步骤包括：

(1)对SOI硅片双面沉积2.2微米的二氧化硅。

(2)图形化SOI器件层二氧化硅，形成深硅刻蚀的掩膜图形，利用感应耦合等离子体(ICP)深硅刻蚀工艺刻蚀出硅针管内部5微米孔径的圆孔结构，刻蚀至埋氧化层(厚度100微米)。

(3)同样步骤在背面衬底上刻蚀出储液的圆孔结构，孔径为300微米，刻蚀至埋氧化层(厚度500微米)。

(4)去除器件层的光刻胶，进行第二次图形化，图形化时新的光刻胶会掩盖第一次刻蚀的圆孔结构，由于第一次的圆孔孔径很小，光刻胶并不会流入其中而是在上方形成掩膜。

(5)利用反应离子刻蚀(RIE)的各向同性刻蚀工艺刻蚀出硅针管顶部的弧形结构，弧对应圆周的半径为15微米，对应针管尖端的外径为7微米。再用感应耦合等离子体(ICP)深硅刻蚀工艺刻蚀出硅针管的外部结构(深度55微米，外径45微米)。深硅刻蚀步骤停留在SOI衬底的硅层，确保硅针管结构与下方储液机构为一体结构，保留硅层的厚度为30微米。

(6)用氢氟酸刻蚀掉埋氧化层(厚度2微米)以及两面沉积的二氧化硅层(厚度2.2微米)，使背面衬底的储液结构与上方器件层的硅针管结构连通。

(7)利用原子层沉积镀膜工艺在硅针管的管道内侧生长厚度为1微米的纳米材料碳纳米管以进一步提高管内的流阻。

(8)最后，利用激光划片机切除硅片上的多余部分。

图3是本发明实施例制得的硅针管样品的实物的扫描电子显微镜图(SEM)，多个空心硅针管组成的阵列制作在SOI硅片衬底上，每一个空心硅针管具有如右侧放大图所示的结构，其上部外径具有渐变结构，使得本发明制得的空心硅针管尖端尺寸较小，更能满足应用需求。

使用时，可根据实际需求进行调整硅针管个数，按照本发明的制作方法，既可以制得单个空心硅针管，也可以在每平方厘米的单个器件上装有多个硅针管，本发明的一个实施例在在1.5厘米×1.5厘米的单个器件上可以装有127个硅针管。

本领域的技术人员容易理解，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、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种微型空心硅针管阵列的制作方法，其特征在于，包括如下步骤：

(1)以SOI硅片为衬底，在该衬底的表面和背面分别沉积一层二氧化硅层，得到衬底正面二氧化硅层和衬底背面二氧化硅层；

(2)对衬底正面二氧化硅层进行第一次图形化，形成深硅刻蚀的掩膜图形，利用深硅刻蚀工艺刻蚀出空心硅针管内部的圆孔结构，刻蚀至所述SOI硅片的中间氧化层；

(3)对衬底背面二氧化硅层进行图形化，形成深硅刻蚀的掩膜图形，利用深硅刻蚀工艺刻蚀出空心硅针管的储液机构，刻蚀至所述SOI硅片的中间氧化层；

(4)去除衬底正面二氧化硅层表面的光刻胶，对该二氧化硅层进行第二次图形化，且第二次图形化后新的光刻胶覆盖住步骤(2)第一次刻蚀出的空心硅针管内部的圆孔结构；

(5)先利用各向同性刻蚀工艺对所述圆孔结构周围进行各向同性刻蚀，然后再利用深硅刻蚀工艺刻蚀出空心硅针管外部结构，刻蚀停留在SOI硅片正面的硅层，保留一定厚度的硅层；使得获得的硅针管上部的外径自上而下逐渐变大；

(6)利用湿法刻蚀去除SOI硅片衬底中间氧化层以及在所述衬底表面和背面沉积的二氧化硅层，使得该衬底背面的硅针管储液机构与所述衬底正面的空心硅针管内部的圆孔结构相连通。

2.如权利要求1所述的制作方法，其特征在于，还包括步骤：

(7)利用镀膜工艺在所述空心硅针管内部的圆孔结构内壁沉积纳米材料，以提高该硅针管内部的流阻。

3.如权利要求1所述的制作方法，其特征在于，步骤(1)所述衬底正面二氧化硅层和衬底背面二氧化硅层的厚度为2-3微米。

4.如权利要求1所述的制作方法，其特征在于，步骤(2)所述空心硅针管内部的圆孔结构的直径为5±1微米。

5.如权利要求1所述的制作方法，其特征在于，步骤(3)所述硅针管储液机构为圆孔或矩形孔，所述储液机构用于向所述空心硅针管提供流经其内部空心圆管的工质，多个空心硅针管共用一个储液机构。

6.如权利要求1所述的制作方法，其特征在于，步骤(5)所述获得的空心硅针管的外径最小处位于该硅针管的顶部，最小外径比所述空心硅针管的内径大1-2微米。

7.如权利要求1所述的制作方法，其特征在于，步骤(5)所述保留一定厚度的硅层，其硅层的厚度为30±5微米。

8.一种微型空心硅针管阵列，其特征在于，包括分别位于SOI硅片衬底两侧的若干个空心硅针管和该若干个空心硅针管共用的储液机构；所述储液机构用于向所述空心硅针管提供流经其内部空心圆管的工质，且所述储液机构与所述空心硅针管的内部空心圆管相连通；

所述空心硅针管内径一致，所述空心硅针管上部外径自上而下逐渐变大至恒定为其管身外径。

9.如权利要求8所述的空心硅针管阵列，其特征在于，该空心硅针管内径为5±1微米，其上部顶端最小外径为7±1微米，管身外径为45±1微米。

10.如权利要求8所述的空心硅针管阵列，其特征在于，所述空心硅针管内壁还生长有纳米材料，所述纳米材料的厚度为1-2微米。