CN110693503A - 生物传感用微针及其制造方法 - Google Patents

Abstract

一种生物传感用微针及其制造方法。所述方法包括在基板的宽面上沉积至少一层光刻胶，并且所述光刻胶随后被图案化以确定所述微针的特征。以深反应离子蚀刻（DRIE）的形式进行的第一次蚀刻处理用于将所述基板蚀刻到所述蚀刻深度小于所述基板总深度的第一结构中，以产生至少一个与所述光刻胶下所述基板部分相邻的牺牲特征。随后以各向同性湿法蚀刻的所述形式进行第二次蚀刻处理，其中至少一个所述牺牲特征的蚀刻使蚀刻速率沿所述微针的所述长度逐渐变化，从而使所述微针尖变锋利。

Description

生物传感用微针及其制造方法

相关申请的交叉引用

本申请要求于2018年5月29日提交的62/677,521号名称为“MICRONEEDLE FORBIOSENSING AND METHOD OF FABRICATION”的美国临时专利申请享有优先权，其全部内容以引用方式并入本申请。

技术领域

本发明通常涉及医疗器械领域，更具体地涉及一种医疗器械领域中生物传感用新型实用微针装置。

背景技术

生物传感装置在医疗设备领域中被广泛用于从用户身上取样一种或多种液体进行检测并监测身体的化学反应。而微针和微针阵列能够以简单无痛的方式刺入用户皮肤中，并可由用户自己在家操作，故其在上述领域已显示出广阔的前景。

然而，在制造有效的微针和微针阵列方面，目前的制造方法和材料存在局限性。例如，在采用硅等半导体材料的平面外制造方法中，微针长度受到各向异性Bosch蚀刻工艺及用于制造微针的基板晶片的厚度的限制，和/或平面外结构的结构完整性的限制，该结构完整性可以限制微针能够从用户体内取出的液体类型和数量。虽然平面制造技术可以生产相对较长的微针，但这种技术生产出的微针往往不够锋利，无法在装置插入时克服皮肤弹性，或者，即便微针能够克服皮肤弹性，针尖（例如楔形针尖）也通常会像手术刀一样穿过皮肤，从而导致出血并妨碍间质液的收集。

因此，在医疗器械领域，有必要创建一种新型实用方法来制造生物传感用微针装置。

发明内容

一实施例为一种微针制造方法，该方法包括：提供包括第一表面的半导体基板；将光刻胶施加到基板的第一表面；将光刻胶图案化以限定指定的蚀刻图案，蚀刻图案限定了微针的一个或多个特征；对基板进行第一次蚀刻处理，指定蚀刻图案使基板被蚀刻形成第一结构，其包括至少一个牺牲特征；以及对第一结构进行第二次蚀刻处理，以将第一结构蚀刻成包含微针的一个或多个特征的第二结构，其中，对至少一个牺牲特征进行的蚀刻导致蚀刻速率的变化，使微针针尖锋利。

另一实施例描述了由所述方法制造的微针。

附图说明

图1为微针装置的示意图。

图2为微针制造方法的工作流程。

图3为微针制造方法的一变型示例。

图4为微针制造方法的一变型示例。

图5为微针制造方法的一变型示例。

图6A和6B为由微针制造方法的一变型示例而制造出的微针装置的实施例示意图。

图7为微针装置的一个实施例示意图。

图8A-8G为微针装置的另一个实施例示意图。

图9为由微针制造方法的一变型示例而制造出的微针装置的实施例示意图。

图10（a）-10（c）为使用图2所示制造方法的另一变型示例时产生的沟道不良蚀刻示意图。

图10（d）-10（i）为微针制造方法的另一变型示例，该示例可尽量减少沟道蚀刻。

具体实施方式

本发明并不局限于以下描述的具体实施例，以下描述的具体实施例仅为使本领域技术人员能够制造和使用本发明。

1、概述

如图1所示，在一实施例中，微针装置包括一微针阵列，每个微针包括基座、针体和针尖，以及至少部分布置在微针阵列内的一组沟道。微针阵列可附加地或可选地包括任意数量的微针、以任何合适配置排列的任意数量的沟道，还包括与一个或多个沟道流体连接的储槽，或其他任何合适的组件和组件布置。

如图2所示，在一实施例中，微针装置制造方法200包括将光刻胶施加到基板S220，有选择性地曝光基板S230，进行第一次蚀刻处理S240，以及进行第二次蚀刻处理S250。所述方法200可附加或可选地包括基板预处理S210、基板蚀刻后处理S260或以任何合适顺序进行的任何其他步骤或步骤组合。

2、优势

所述微针装置制造方法及由此制造出的微针装置比现有的制造方法和微针更具有优势，如下所述。

首先，在某些变型示例中，采用平面内制造方法确定微针长度，其中针的平面内投影表示沿针的正面或内侧平面的截面。在该制造装置中，针长不受Bosch蚀刻工艺或基板厚度的限制，就像平面外制造中的情况一样，针长沿基板厚度打造（平面内投影表示沿针的横向平面的截面）。平面内制造法允许制造更长的针，进而可从用户皮肤表面以下相对较深的地方取样液体（例如间质液）。

其次，在某些变型示例中，至少部分微针装置由各向同性蚀刻技术制造。这使得针尖在平面内变锋利。由于更锋利的针能更好地穿透通常具有高弹性的皮肤，因此可更易于将装置无痛插入皮肤内。

在某些变型示例中，可通过利用临时基板特征来实现这一点（例如，在各向同性蚀刻过程中控制蚀刻微针某部分的牺牲壁（例如，利用蚀刻剂和基板的质量传输特征）。例如，与牺牲壁相邻的主要区域比牺牲壁远端的次级区域蚀刻更慢，以此形成从主要区域（形成针尖）延伸到次级区域（针底近端）的锥形轮廓。

在其他变型示例中，可以通过在各向同性蚀刻过程中应用第二掩模或保留光刻胶来实现这一点，其中掩模的作用是防止与掩模相邻的基板被蚀刻，以此形成从基板表面近端掩模（形成针尖）延伸到基板表面远端掩模（近端针底）的锥形轮廓。例如，在一组示例中，用一层光刻胶进行“自下而上”的蚀刻（如干法蚀刻）以产生锋利的微针尖。

然而，平面内的针可以被磨尖。例如，在一组变型示例中，在无光刻胶的情况下进行“自上而下”的蚀刻（如湿法蚀刻）以产生锋利的微针尖。

可附加或可选，下文所述方法和系统比传统制造方法和微针装置更具有优势。

3、系统 – 微针装置

所述微针装置包括一个微针阵列，每个微针包括基座、针体和针尖，以及至少部分布置在微针阵列内的一组沟道。所述微针阵列可附加地或可选地包括单个微针，以任何合适配置排列的任意数量的沟道，与一个或多个沟道流体连接的储槽，或任何其他合适的组件和组件的布置。所述微针装置100的一个实施例如图6A和6B所示。所述微针装置100的另一个实施例如图9所示。

所述微针装置100优选地包括一个微针阵列110。所述微针阵列优选地包括排成一排的多个微针，但可附加地或可选地包括以任何合适配置排列的单个微针或多个微针。如图1所示，每个微针包括针体114，每个针体114包括一个位于远端的基座112和一个位于针体114近端的与基座112相对的针尖116。

所述针体114可具有任何合适的几何形状，例如由下述方法200的任何单个变型或多个变型组合所产生的几何形状。在某些变型示例中，例如，所述微针体114包括或形成为棱柱形式（如直棱柱、斜棱柱等），其中棱柱被截断，棱柱的截断有助于微针尖变锋利。通过截断，棱柱的两端面可以有不同的边数。截断可以为平面、凹或凸样式。然而，所述针体114可具有任何合适构造或几何形状。

在一个变型示例中，棱柱的一个端面可具有比另一个端面更少的边数。例如，在一个具体实例中，截断的五棱柱可在第一端面上有五条边，在第二端面上有四条边，例如，在截断面只与第二端面相交的情况下。在另一个具体实例中，截断的五棱柱可在第一端面上具有五条边，在相对的第二端面上有六条边，例如，在截断面只与第二端面相交的情况下。在其他示例中，截断面可与两端面相交，为第一和第二端面创建任意边数（例如，相同边数、不同边数、第一端面比第二端面多两个边等）。例如，在一个具体实例中，与两端面相交的截断面，每个端面均为五棱柱的一部分，可产生六边的第一端面和四边的第二端面。

所述针体也可附加地或可选地由任何其他结构类型（截断或非截断）形成，例如任何类型的棱柱（如三棱柱、五棱柱等）、圆柱、金字塔、多面体结构，或具有任何合适几何形状的任何其他结构（例如，面数、每面边数、尺寸等）。

如图7所示，所述微针体114可为具有第一宽端面和相对第二宽端面的截断四棱柱，每个所述宽端面与所述基板的宽面对齐。所述宽端面之一优选地与一个截断面相交，其中所述截断面相对于一个宽端面以非零角度取向，但两个宽端面可附加地或可选地与所述截断面相交，任何宽面均不与截断面相交，所述棱柱与多个截断面相交，或棱柱的任何其他合适部分均可以任何合适方式截断。

所述微针体114可为实心、空心、锯齿状，或具有任何被去除的材料或负空间的区域（如微针具有沿着针体宽面运动的沟道或具有平分针尖的沟道等）。微针长度优选地被配置为到达用户的间质液并取样（如穿到或穿过角质层、表皮、真皮、网状真皮等）的长度，但可附加地或可选地配置为到达用户的血液或任何其他合适液体或组织的任何合适深度。针长可为1.5 mm、1~ 2 mm、2 ~ 4 mm、小于1 mm、大于4 mm，或任何其他合适长度或长度范围。

所述针尖116优选地具有足够小的截面尺寸（如半径、直径等）以穿透用户的皮肤（如克服皮肤弹性阈值，或用低于预定力阈值的插入力克服皮肤弹性阈值），而不在插入期间或之后折断。所述针尖优选地缩小到大约10µm半径，但也可选地缩小到极小半径，如5µm、15µm、20µm、5 ~ 15 µm、小于5 µm、大于10 µm，或任何其他合适半径或半径范围。在某些变型示例中，针尖被分成两个或多个针尖，如微针的一个沟道沿着（如平分）一个针尖区域运动。在这些变型示例中，针尖可被完全平分，如果沟道深度等于微针厚度，则针尖可与针体轴（如中心线）对齐，但可附加地或可选地沿所述针体的一个面（如沿着截棱柱的一个端面）、一条边（如沿着截棱柱的一个侧面的一条边或一个端面的一条边等）、两侧（如平分的针尖）对齐，或具有相对于所述微针体的任何其他合适位置。

所述微针装置优选地完全从基板118上打造，但也可部分地（如通过蚀刻）从基板118上打造。所述基板118优选地包括硅（如纯度为99.9999999%、大于99%、98%~100%、小于98%等），并且进一步优选地为低电阻率p型硅。所述硅可附加地或可选地为具有相对电阻、任何合适纯度或任何其他性质的n型硅。所述晶片可进一步可附加地或可选地包括任意数量的半导体材料、非金属材料（如玻璃、木头、纸张、织物等）、半金属材料、金属材料（如铝、金等）、芯材（如纸张、织物等）或任何其他合适材料或材料组合。所述基板材料可为纯材料、掺杂材料（如混合硼、铝、磷、氮、金等）或与任何合适材料组合。所述基板可具有任何合适的表面特征（如抛光、涂层等），例如，具有一个或多个抛光表面。在某些变型示例中，所述基板118为具有预定晶向（如（100）晶向）的低电阻率p型单面抛光硅片。在其他变型示例中，所述基板118包括被配置用于蚀刻的任何材料，例如一种金属材料。

所述晶片的形状（如圆形、长方形等）和尺寸优选地根据微针装置的期望特征（如微针长度、微针数量、沟道深度等）来确定，但可附加地或可选地根据行业标准、制造标准或任何其他参数来选择。所述厚度（如沿z向）优选地基于与后续蚀刻步骤（如厚度超过可能的最大蚀刻深度）可达到的最大深宽比来确定，使得沟道和储槽不被蚀刻穿整个基板厚度，而是可根据任何其他参数来可附加地或可选地确定。在一个变型示例中，所述硅片为圆形，直径为4英寸，厚度（如沿z向的尺寸）为300~500µm。

在某些变型示例中，所述微针装置包括一组一个或多个沟道120，其中所述沟道组120的功能是将一种或多种液体从用户身上取出。在某些变型示例中，所述液体可被进一步传送到微针装置的收集区124，所述收集区124可流体地连接到一个或多个微针基座。所述收集区124被优选地布置在一组微针基座的远端，但可附加地或可选地被布置在与微针基座相邻的位置、在单个微针基座的远端或以其他方式布置。所述沟道组120可被部分封闭（如三壁沟道）、完全封闭或完全不封闭（例如，当所述微针装置的表面允许足够的毛细作用时）在所述微针装置内。所述一个或多个沟道组120可分布于所述微针组的任何排列中：每个微针110可拥有单个沟道120，每个微针110也可拥有多个沟道，多个微针之间可共享一个沟道，或者具有任何其他合适的沟道分布及排列。在某些变型示例中，所述微针装置具有多个沟道120，所述沟道120可被隔离（如用于独立的微针测试）、流体连接（如聚集在储槽中，如图8C-8D所示）或以其他方式布置。

一组沟道中的每个沟道可具有沿其整个长度的均匀宽度（如500 µm、1 mm、100 µm~1 mm、小于100 µm、大于1mm等）、沿其整个长度变化的宽度、与所述沟道组中的另一个沟道的宽度不同的宽度、与所述沟道组中的另一个沟道的宽度相同的宽度，或任何合适宽度。所述沟道的尺寸可部分或完全根据纵横比相关蚀刻原理确定，其中小特征蚀刻比大特征蚀刻慢。在一个变型示例中，一个或多个沟道的宽度基于另一个负空间特征的尺寸（例如针距、储槽等）来确定，在这种情况下所述沟道的蚀刻速率比其他负空间特征的蚀刻速率慢。

所述沟道可为直线路径、弯曲路径、随机路径或任何其他合适路径。每个所述沟道优选地具有小于基板厚度的深度，但可选地沿着针体的部分或全部长度贯穿整个基板厚度，例如，在某些变型示例中，所述沟道具有布置在部分或全部沟道内的芯材。

所述微针装置可包括布置在每个微针的至少一部分中的一组沟道（例如，如图7所示的沟道以及如图8A-8G所示的沟道）。在一个具体实例中，每一组所述沟道可包括位于所述微针装置的宽面（例如平面内）中的一个凹槽的三面壁，其中来自用户的液体通过所述沟道的所述三面壁所允许的毛细作用沿针尖到基座的方向运动。所述沟道可聚集至一个共享储槽或各自保持独立。

在一个变型示例中，所述微针装置包括沿微针体延伸的一个沟道，所述沟道涵盖从针尖到基座的整个微针长度。所述沟道可选地延伸至所述针尖和所述基座之间的所述微针的部分长度。

在另一个变型示例中，所述微针装置包括从所述基座向远离所述针尖的方向延伸的一个沟道。

在另一个变型示例中，所述微针装置可在一组微针的每个基座远端有一个主沟道（如相对较大的宽度），其中所述主沟道流体地连接到一组微沟道，每个所述微沟道沿所述微针组排列。在一个具体实例中，所述主沟道垂直于每一组所述微沟道。在其他示例中，所述主沟道和所述微沟道以任何合适方式排列。

所述微针装置可包括布置在所述微针装置的一个收集区124中的任意数量的储槽122，优选地流体连接到一组沟道中的每一个沟道，但可附加地或可选地，不与一个或多个沟道流体连接，流体连接到毛细作用的材料，或以其他方式布置。所述储槽122可连接至一个辅助组件（如测试条），或耦合到一个收集装置（如收集瓶），或对环境封闭，或对环境开放，或以任何其他合适方式配置。所述储槽优选地具有与所述基板宽面垂直的相同深度作为一个或多个沟道，但可选地具有不同深度、实质上的非零深度（例如液体聚集在微针装置的表面上）或任何其他合适深度。在一个变型示例中，所述微针装置包括与多个沟道120流体连接的单个储槽122。在另一个变型示例中，每个沟道均具有自己的储槽。在另一个变型示例中，每个沟道均发挥储槽的功能。所述微针装置可附加或可选地包括相对于任意数量沟道的任何其他合适数目和布置的储槽。

4、方法 - 概要

微针装置制造方法200可包括将光刻胶应用于基板S220，选择性地曝光基板S230，进行第一次蚀刻处理S240，以及进行第二次蚀刻处理S250。所述方法200可附加地或可选地包括基板预处理S210、补充处理S260或以任何合适顺序进行的任何其他步骤或步骤组合。所述该方法优选地生产上述任何或全部微针装置100，但可附加地或可选地生产任何合适的微针装置100。

4.1、方法–将光刻胶应用于基板S220

所述方法200可包括将光刻胶施加到基板S220，该步骤用于产生指定的蚀刻图案，从而形成一组预定的微针特征（如长度、半径、形状等）。S220可附加地或可选地创建一个或多个微针装置特征（如通过施加可固化、不可剥离的光刻胶）。

在所述方法200中优选地首先进行S220，但可附加地或可选地在所述方法200的整个过程中多次进行步骤S220（例如，在设置蚀刻步骤的每个步骤之前），或在所述方法200中的任何其他时间点进行步骤S220。

如图3所示，所述光刻胶优选地施加到基板（如硅片）的一个宽面（如上宽面、抛光面等），但可附加地或可选地应用于基板的多个表面（如宽面和侧面），所述基板的所有表面、部分表面或任何其他区域或表面。所述光刻胶可通过以下任何或全部工艺加以应用：浸没（如浸涂）、喷涂、旋涂（如每分钟200转，持续40秒）、干膜光刻胶、涂漆或任何其他合适的应用工艺。正性光刻胶（如光聚合物光刻胶、光交联光刻胶等）、负性光刻胶（如光解胶）、永久光刻胶（如不可剥离、可固化等）、临时光刻胶（如可剥离、可溶解等），或任何其他合适光刻胶或光刻胶组合可被应用于所述基板上。所述光刻胶优选地具有相对于所述基板材料的蚀刻速率更低或可忽略的蚀刻速率，但可选地具有任何合适的蚀刻速率。

在一个变型示例中，使用正性光刻胶，其中对应掩模包括微针特征（如针截面）。在一个具体实例中，使用AZ4620（微化学品）正性光刻胶。可选地使用负性光刻胶，其中对应掩模包括沟道和储槽的横断面。

光刻胶可应用于任何合适厚度（如11µm、24 µm、大于11 µm、5 ~ 30 µm等）并且具有任意数量的层（如单层、带层间预烘烤的双层等）。在一个变型示例中，应用双层光刻胶（如24 µm厚）。

步骤S220可附加地包括但不限于任何合适的子工艺，例如：固化光刻胶，干燥已应用光刻胶的基板、烘烤基板（如在90摄氏度下预烤5分钟）或任何其他合适的子工艺。

4.2、方法 –光刻胶的图案化S230

所述方法200可包括光刻胶的图案化S230，该步骤用于根据掩模对基板进行图案化，进而在之后的蚀刻步骤中确定一个或多个微针特征（如针体、基座、针尖、沟道、储槽、针状轮廓等）。S230可附加地或可选地用于确定微针装置的一个或多个临时特征（例如牺牲壁），其中临时特征在第一次蚀刻步骤中确定，随后在第二次蚀刻步骤中被删除。

通过使用掩模（如光掩模）选择性地将光刻胶曝光，优选地将具有所述光刻胶的所述基板图案化，其中掩模确定一组预定的微针装置特征，所述预定的微针装置特征对应于在与基板的宽面对齐的预定位置的微针装置特征（如针的正面位置或中间平面位置等）。当曝光时，具有由掩模确定的预定位置的特征在光刻胶中形成图案。所述预定特征组优选地包括针截面（具有预定针长度和预定针尖半径），并且可任选地包括一个或多个临时特征，例如一个或多个牺牲壁（例如，如图3所示的牺牲壁以及如图5所示的牺牲壁），但可附加地或可选地包括其他微针特征（如多个针轮廓、多个针尖、针直径、沟道、储槽等）、布置特征（如微针之间的间隔、沟道和储槽之间的连接等）、临时特征（如牺牲特征、牺牲壁等）或微针装置的任何其他特征。

所述掩模优选地包括一个具有一组预定特征图案的基座。所述基座优选地包括一种透明材料（如玻璃、塑料等），但可附加的或可选地由半透明材料、非透明材料、涂层材料（如涂漆材料）或任何其他合适的材料构造。所述预定特征组优选地用铬图案化至基座上，但可附加或可选地用油墨、胶片或任何其他合适的材料制造图案。所述掩模可为正掩模，其图案化的预定特征对应于在蚀刻过程中要保留的微针特征，或为负掩模，其图案化的预定特征对应于在蚀刻过程中要去除的微针特征。

在一变型示例中，所述掩模为正掩模，其图案化的预定特征包括一个微针截面和一个任选的牺牲壁。

在第二个变型示例中，所述掩模为负掩模，其图案化的预定特征包括一个沟道和一个储槽。然而，所述掩模可确定任何合适的微针特征。

所述图案特征可与相应的微针装置特征的尺寸基本相同（例如，图案化的微针长度与所产生的微针长度相同）。任何或所有图案特征均可被附加地或可选地过度设置（如大于所需针长度20 µm的图案化针长度、大于所需针尖半径5µm的图案化针尖半径等），其可用于额外的蚀刻或蚀刻后处理；未绘制（如小于所需针半径1µm的图案化针半径、小于所需针长度10 µm的图案化针长度等）的部分也可起作用，例如，要考虑添加涂层。

步骤S230优选地在步骤S220之后进行，但可附加地或可选地在所述方法的整个过程中多次进行（例如，在进行多个蚀刻步骤中的每一个步骤之前），或者在所述方法期间的任何其他时间点进行。

所述基板优选地直接在具有光刻胶涂层的所述基板的一个宽面上曝光（如直接指向宽面的光源）。所述光源可附加地或可选地以一定角度指向所述基板的一个表面（如相对于宽面以45度角定向），多个光源可以指向所述基板（如用于多个光刻胶涂层表面的多个光源），或所述晶片和光源以任何其他合适配置布置。

所述光源优选地包括紫外（UV）光（如10 nm~400 nm的波长），但可附加或可选地包括较短波长（如小于10 nm）、较长波长（如大于400 nm）或任何其他波长或波长组合的光。所述光源可提供任何合适功率、剂量或强度（如1800mJ/cm²）的光。

在第一变型示例中，所述掩模包括从沿着所述微针的正面或中间平面的预定处而产生的图案化针截面。所述针截面可具有任何合适形状，如梯形（如全直角、无直角、部分直角等）、五角形（如一个或多个直角、无直角等）、三角形（如一个直角、无直角等）或任何合适形状。所述针截面的形状优选地对应于棱形针体的一个或多个端面的形状，但可选地具有较少边、较多边或任何其他形状。在第一具体实例中（例如，如图4所示），所述掩模包括一个四边形图案化针截面。在第二具体实例中，所述掩模包括一个五角形图案化针截面。

在某些变型示例（例如，如图3所示）中，光刻胶被图案化以确定一组多个预定针特征，例如一组针截面、牺牲壁、沟道和储槽。

在某些变型示例中，与所需针截面尺寸相比，图案化针截面被过度拉伸，可考虑在第二次蚀刻步骤中去除材料。图案化针截面可选地实质上等于所需或所选尺寸。

步骤S230可附加包括但不限于任何附加子工艺，例如，应用显影剂（如AZ400K4:1显影剂）。

4.3、方法 – 进行第一次蚀刻处理S240

所述方法可包括进行第一次蚀刻处理S240，该步骤基于一组图案特征创建第一结构。第一结构优选地在下述的第二次蚀刻处理中被改变，以形成完整的微针装置（如去除牺牲壁、使针尖变锋利等），但可选地形成完整的微针装置而不作进一步修改。所述第一结构优选地包括由与图案化预定针截面相邻的材料的去除形成的一个纵向针截面以及由与图案化牺牲壁截面相邻的材料的去除形成的一个牺牲壁截面，但可附加地或可选地包括任何其他合适的特征或截面。

第一次蚀刻处理优选地在光刻胶被应用和图案化后（如用掩模）进行，但可在所述方法的整个流程中多次进行，或在辅助步骤（如烘烤基板、固化光刻胶等）后进行，或在所述方法期间的任何其他时间进行。

第一次蚀刻处理优选地通过各向异性蚀刻（如Bosch工艺深反应离子蚀刻（DRIE）、低温DRIE等）进行，进一步优选地在DRIE过程中进行，但可附加地或可选地在任何其他蚀刻过程中进行。第一次蚀刻处理优选地将基板材料沿基板宽面正向去除，例如沿着图3中的z向。蚀刻可附加地或可选地在平行于基板宽面的方向或在任何其他合适方向上去除材料。第一次蚀刻优选地通过具有任何合适运行时间的任何合适次数将基板材料去除至预定深度。所述第一次蚀刻优选地蚀刻到至少10µm的深度，但可附加地或可选地达到10~20µm、10~ 50 µm、2 µm ~ 0.5 mm、大于0.5 mm或任何其他合适深度。第一次蚀刻可以任何合适蚀刻速率进行，如：1 µm/min、小于或等于10 µm/min、小于或等于20 µm/min、10 ~ 20 µm/min、大于20 µm/min或任何其他合适的蚀刻速率。

第一次蚀刻可通过脉冲蚀刻、连续蚀刻、时分复用蚀刻和/或任何其他合适的蚀刻形式低温进行。第一次蚀刻可采用干法（如用六氟化硫（SF6）等离子体、三氟化氮、二氯二氟甲烷等），但可附加地或可选地采用湿法（如用氢氧化钾/异丙醇、乙二胺邻苯二酚、四甲基氢氧化铵、氢氟酸/硝酸等），或使用任何类型和组合的蚀刻剂。第一次蚀刻处理可进一步附加地或可选地包括各向同性蚀刻。

第一次蚀刻步骤被优选进行到小于所述基板厚度的深度，该深度可形成一个或多个连接的牺牲特征（如牺牲壁）。所用基板优选地比所需微针厚度更厚（例如，为了容纳牺牲材料），但可附加地或可选地具有与所需微针相同的厚度。为了达到这一目的，可对第一次蚀刻步骤进行连续监测，定期或随机间隔一段时间进行检查，在预定时间量通过后停止，或以任何其他合适方式进行。

任何牺牲特征的参数（如厚度、长度、宽度、体积、质量、离针截面的距离等）可基于所需针锐度来确定，其针锐度优选地在二次蚀刻步骤中至少部分形成，但在二次蚀刻步骤中可选地完全形成或根本不形成。在第一变型示例中，牺牲特征参数是根据以下任一或全部计算的：各向同性蚀刻率、穿过基板的材料（如硅）的蚀刻剂质量传输速率（如预计的质量传输变化率）、针锐度（如针尖半径）或任何其他合适参数。

在一个变型示例中，牺牲壁的长度及其与针尖的距离取决于基板材料（例如硅）的质量传输特征和针尖的所需锐度。

第一次蚀刻步骤可包括但不限于任何附加的子工艺，例如：钝化、光刻胶的再应用、聚合物沉积、带任何数量的蚀刻剂类型的多个蚀刻步骤、干燥、固化或任何其他子工艺。

在通过DRIE蚀刻进行第一次蚀刻步骤的一个变型示例中，步骤S40可包括交替蚀刻（例如与SF6气体之类的氟基气体交替）与聚合物沉积（例如与C4F8之类的气体沉积）。

在第二变型示例中，在多个循环块中进行DRIE蚀刻。例如，在一个具体实例中，进行300个DRIE循环（如通过Bosch工艺）将基板蚀刻到第一深度（如100µm深度），然后进行600个DRIE循环（如通过Bosch工艺）蚀刻到二次深度（如200µm、300µm等）。在二次循环块之后优选地进行烘烤步骤（例如在250摄氏度下烘烤30分钟）使任何剩余的光刻胶硬化，但可附加地或可选地在循环块之间进行烘烤步骤。在某些示例中，光刻胶在DRIE过程中或之后被部分或完全去除。

4.4、方法 – 进行第二次蚀刻处理S250

所述方法可包括进行第二次蚀刻处理S250，该第二次蚀刻处理S250用于从所述第一结构产生第二结构，所述第二结构具有沿着针厚度的一个或多个针特征（如沿着图3中的y向）。这些针特征（如底切）用于磨尖针，但可附加地或可选地用于改变针端面的形状（如减少棱柱端面的数量）、缩短所述第一结构的针、减小所述第一结构的针的总直径、去除所述第一结构的一个或多个牺牲特征，或进行任何其他合适功能。

第二次蚀刻处理优选地在第一次蚀刻处理S240之后进行，但可附加地或可选地在第一次蚀刻处理期间、代替第一次蚀刻处理、在第一次蚀刻处理之前（例如，与第一次蚀刻处理顺序相反）、在所述方法的整个过程中多次或在所述方法期间的任何其他时间点进行第二次蚀刻处理。

优选地通过各向同性蚀刻来进行第二次蚀刻处理，但可附加地或可选地通过各向异性蚀刻来进行。第二次蚀刻处理优选地沿基板厚度的正向（例如，如图4所示沿y向）去除基板材料，从而沿针厚度（如底切）产生针状特征。所述蚀刻可附加地或可选地沿着与基板宽面的正向、沿着与基板厚度（例如x向）垂直的第二方向，或沿着任何其他合适方向去除材料。

第二次蚀刻可通过脉冲蚀刻、连续蚀刻、时分复用蚀刻和/或任何其他合适的蚀刻形式低温进行。第二次蚀刻可采用干法（如用六氟化硫（SF6）等离子体、三氟化氮、二氯二氟甲烷等）、湿法（如用氢氧化钾/异丙醇、乙二胺邻苯二酚、四甲基氢氧化铵、氢氟酸/硝酸等），或使用任何类型和组合的蚀刻剂。光刻胶可在第二次蚀刻之后保留（如各向同性干法蚀刻），但可在第二次蚀刻期间或之前部分或完全去除光刻胶（如各向同性湿法蚀刻）。第一次蚀刻处理还可附加地或可选地包括各向异性蚀刻。

在某些变型示例中，第二次蚀刻通过“自下而上”的蚀刻工艺进行，如干法蚀刻（例如，如图4所示），其中针尖自下而上（例如，在图4中沿着负z轴方向）被磨尖。在一具体实例中，在第二次蚀刻工艺中存在光刻胶层，其防止在自下而上蚀刻期间邻近光刻胶的基板（如上宽面）被蚀刻。

在其他变型示例中，采用“自上而下”的蚀刻工艺（如图8A-8G所示），如湿法蚀刻（例如，如图4所示）是为了使针尖在较低方向上被磨尖（例如，在图4中沿着正z轴方向）。在一具体实例中，无需光刻胶层，针尖通过湿法第二次蚀刻步骤被磨尖。

第二次蚀刻步骤优选地利用与第一结构针尖相邻的一个或多个牺牲特征（如壁、边、标签、柱子等）以磨尖针尖，例如（但不限于）图3所示的牺牲壁。可附加地或可选地用任意数量的牺牲特征排列在针尖近端、靠近针座、与多根针相邻或以其他方式排列。由于质量传输原理，针尖沿其厚度以不同速率蚀刻，因为针尖与基板材料（如牺牲壁）的边缘区域的蚀刻速率将慢于与任何基板材料不接触的区域。这一过程沿针尖厚度（如基于前述的截断面）产生斜面，从而使针磨尖。斜面可为直斜面（例如，如图4所示）并以任何合适的角度倾斜（如相对于y轴45度、30度、小于30度、30度~60度、大于60度等）、弯曲（如凹、凸等）、成锯齿状或任何其他合适形状。

所述第二次蚀刻优选地将基板材料去除至与基板厚度相同的可变深度，从而产生斜面，但可选地将材料去除至均匀深度。所述深度可具有任何合适值，如10 µm、10 ~ 20 µm、10 ~ 50 µm、2 µm ~ 0.5 mm、大于0.5 mm或任何其他合适值。第二次蚀刻可在针尖的任何厚度处以任何合适的蚀刻速率进行，如第一厚度为1 µm/min，第二厚度为2 µm/min，任何厚度小于或等于10 µm/min，任何厚度小于或等于20 µm/min，任何厚度为10~20 µm/min，任何厚度大于20 µm/min，或任何其他合适的蚀刻速率。

第二次蚀刻的参数（如蚀刻速率、蚀刻时间、温度、湿度等）被优选地配置为具有先前描述的一组预定特征的针，并且可根据一个或多个所需尺寸（如所需针尖半径、所需针长度、所需针厚度等）、基板的一个或多个特征（如氧化速率、厚度等），或任何其他合适特征或所需特征来确定。所产生的针尖可具有任何合适的形状（如棱柱、截棱柱、锥形、金字塔、圆柱等），并具有合适边数的任何合适数目的面。在第二次蚀刻过程中，针尖可保持不变（如静止），但可附加地或可选地被调整（如根据预定计划动态移动）、转化、旋转（如产生针尖的平滑边、形成锥尖等），或者在第二次蚀刻处理期间以其他方式操作。

在某些变型示例中，所述第二次蚀刻步骤用掩模进行。可附加地或可选地在S250步骤之前去除掩模（例如，之前应用的光刻胶）。所述掩模可起到防止或减缓蚀刻剂进入的作用（例如，无尖针特征），保护一个或多个特征（如针特征、牺牲特征等），或进行任何其他合适的功能。所述掩模可由包括简单机械屏障（例如，只包括一个基座）或简单光学屏障（例如，着色薄膜）的前述任何材料（例如，之前应用的光刻胶层）或任何其他适合材料来构造。第二次蚀刻步骤进一步包括应用光刻胶（例如，如果需要将图案蚀刻到所述厚度）。所述掩模可应用于所述第二结构的针尖侧或其他地方。掩模优选地在第二次蚀刻之前应用，但可附加地或可选地在第一次蚀刻之前、第一次蚀刻期间或在所述方法期间的任何其他时间点应用。

第二次蚀刻步骤可包括但不限于任何附加子工艺，例如：钝化、光刻胶的再应用、具有任意数量的蚀刻剂类型、干燥、固化或任何其他子工艺的多个蚀刻步骤。

在一变型示例中，通过干法蚀刻（例如SF6等离子体蚀刻）进行第二次蚀刻。在一具体实例中（例如，如图4所示），由于第二次次蚀刻的结果，从一边（如从正向到厚度）观察到针尖截面向内倾斜。

在第二变型示例中，通过湿法蚀刻（例如氢氟酸/硝酸蚀刻）进行第二次蚀刻。在一具体实例中（例如，如图4所示），经过第二次蚀刻，从一边（如从正向到厚度）观察到针尖截面向外倾斜。

在所述第二次蚀刻步骤的第三变型示例中，通过湿法蚀刻（如使用硝酸和氢氟酸）进行至少部分第二次蚀刻步骤，其中所述基板（如硅）的蚀刻速率限于基板的氧化物去除率。在使用硝酸和氢氟酸混合蚀刻硅片基板的一具体实例中，硝酸首先将硅氧化成二氧化硅，之后氢氟酸腐蚀掉二氧化硅，硅的蚀刻速率基于（例如，限于）氧化物去除率。

在第四变型示例中，对于最初具有双层光刻胶的基板，可进行80分钟的SF6蚀刻。在一具体实例中，在配置用于DRIE蚀刻的机器中进行蚀刻。

在第五变型示例中，对于最初具有单层光刻胶的基板，可先用SF6进行纯各向同性蚀刻（如以160 sccm的流速进行30分钟），然后进行湿法蚀刻（如60分钟）。

4.6、方法 –补充步骤

所述方法200可随意包括任何数量的附加步骤，例如预处理基板S210，其用于为所述方法的任何或所有剩余步骤制备基板（例如，产生干净而干燥的表面，增强与光刻胶的粘附，产生预定形状和尺寸的基板等）。步骤S210优选地在S220之前进行，但可附加地或可选地在所述方法的任何步骤之前、在所述方法的整个过程中或在任何其他时间点进行。预处理基板可以包括任何或全部以下工艺：烘烤基板（如在200摄氏度下烘烤3分钟）、将基板储存在干燥器中、清洗基板（如用丙酮、异丙醇、乙醇等），或任何其他合适的预处理。在一变型示例中，步骤S210包括用氢氟酸浸泡清洗晶片，然后用溶剂清洁、用去离子（DI）水冲洗以及吹干。

所述方法可附加地或可选地包括但不限于制备使用S260的微针装置的任何数量的子工艺，例如：去除光刻胶（例如，在蚀刻处理过程中，在湿法蚀刻处理期间，通过氧等离子体处理等）、固化光刻胶、将多个微针装置（如多排微针）组装在一起（例如，形成微针贴片）、将一个或多个微针装置连接到一个基座或外壳或其他包装上、在微针装置上添加生物相容性材料（如生物相容性涂层）、添加一种芯材（如纸张、织物等），或任何其他合适的子工艺。优选地在步骤S250之后进行步骤S260，但可附加地或可选地在所述方法期间的任何其他时间点进行。

所述方法200可附加地或可选地包括以任何合适顺序进行的任何其他合适步骤。

在所述方法200的一变型示例中，所述方法包括：用光刻胶涂覆硅片表面；在硅片的宽面上铺设掩模；所述掩模确定一组图案特征，包括多针截面、一个牺牲边界、一组沟道和一个储槽；将所述掩模暴露于紫外光下；进行深反应离子蚀刻，以创建第一结构，确定一组带有蚀刻沟道的微针、一个蚀刻的储槽和部分蚀刻的牺牲壁；进行各向同性蚀刻，在针尖上创建底切，从而使针磨尖。

正如本领域的技术人员可能认识到的那样，在第二次蚀刻通过各向同性湿法蚀刻进行的实施例中，形成于第一次蚀刻的第一结构上的明沟和储槽也暴露于第二次蚀刻的蚀刻剂中，并至少部分被蚀刻掉，如图10（a）至10（c）所示。具体而言，图10（a）显示了具有光刻胶302自旋涂层的范例性基板300。然后，使用任何一种合适方法（如光刻）对所述光刻胶302进行图案化，以创建微针的一个或多个特征。在图10（a）所示的非限制示例实施例中，在所述图案化光刻胶302中形成一个沟道开口304。然后，将所述第一次蚀刻应用于所述基板100，允许DRIE工艺同时蚀刻不受所述图案化光刻胶302保护的基板部分。所述第一次蚀刻产生的所述第一结构如图10（b）所示。如图所示，直接在所述图案化光刻胶302下面的所述基板300的部分被保存。所述基板300的相邻部分被蚀刻到小于所述基板300总厚度的蚀刻深度，以便以牺牲层306的形式创建牺牲特征。由于纵横比相关蚀刻（ARDE）原理，沟道308被蚀刻到小于蚀刻深度的深度，其中蚀刻速率随着蚀刻结构的纵横比而迅速减小。因此，沟道308的深度可由形成在所述光刻胶302中的所述沟道开口304的尺寸来控制。然后，在所述牺牲层306的存在下，除其他功能外，利用各向同性蚀刻（例如湿法化学蚀刻）磨尖针轴结构。在一示例实施例中，各向同性湿法蚀刻使用由硝酸（HNO₃）和氢氟酸（HF）组成的蚀刻剂，其体积比为19:1。在这个具体示例实施例中，HNO₃将硅氧化成二氧化硅（SiO₂），随后被HF蚀刻掉。本领域的技术人员可能了解硅的蚀刻速率受到氧化物去除率的限制。因此，HF扩散到硅表面是速率限制因素。由于牺牲特征的蚀刻消耗了周围蚀刻液中的HF，使蚀刻速率比针轴顶部的蚀刻速率慢。因此，随着时间的推移，针轴顶部被磨尖，而基座大部分保留，只留下很少或无牺牲特征，如图10（c）所示。从图10（c）可以看出，所述第二次蚀刻后的所述沟道308的深度小于所述第一次蚀刻后的所述沟道308的深度，如图10（b）所示。

因此，在本发明的另一示例实施例中，提供了用于制造平面内微针的双面处理方法400，该方法可便于将第二次蚀刻处理期间对沟道的非预定蚀刻最小化。方法400的示例实施例如图10（d）至10（i）所示。

具体而言，图10（d）为具有第一宽面404和对立的第二宽面406的基板402。如上所述，使用任何合适方法将至少一层光刻胶涂到所述第二表面406。然后，使用前述任何合适方法来确定包括至少一个沟道开口408的微流控网络，如图10（e）所示，所述光刻胶406被图案化。然后，在所述基板402上进行第一次蚀刻，例如Bosch DRIE工艺或任何其他合适工艺，以获得具有蚀刻微流控网络的第一结构407。如图10（f）所示，在所述第一结构407中，从所述基板402的所述第二表面406蚀刻所述微流控网络的沟道410。如上所述，沟道410的沟道深度可类似地基于ARDE原理。然后，至少一个光刻胶层412可应用于所述第一宽面402并且图案化以确定如图10（g）所示的一个微针的一个或多个特征。第二次蚀刻处理，例如BoschDRIE工艺，从所述第一表面402应用于所述第一结构407。如图10（h）所示，所述第一结构407在第二次蚀刻处理期间被蚀刻以将所述第二结构407确定为微针针轴，而沟道410则保留在所述第二表面404上。在图中所示的示例实施例中，可对所述第一表面402上的所述光刻胶412进行图案化，以便与形成在所述第二表面404上的所述沟道410对齐。这种对齐可有利地使与针轴轴线偏移的沟道的放置更加精确，该轴位于与尖顶保持一段距离的位置处，可减少沟道的组织取芯。可使用任何合适清洁方法去除所述第一表面402上的任何光刻胶412。通过任何合适方法将干净硅片414连接到来自所述第二表面404的所述二次结构409上，例如沟道410与所述晶片414的抛光侧直接接触，以最小化它们之间的空间，从而减小可能进入的湿式蚀刻液的体积。在一些示例实施例中，使用Kapton（R）胶带将所述第二结构409粘在晶片414上。据了解，Kapton（R）胶带是一种带有硅粘合剂的聚酰亚胺薄膜。在第二结构中，至少晶圆414作为一个牺牲特征。将第三次蚀刻工艺（例如各向同性湿法蚀刻）应用于所述第二结构以产生第三结构，其包括所述微针的至少一个锋利针尖416，而沟道410在第三次蚀刻工艺中保持完整和最小蚀刻，如图10（i）所示。至少包括所述晶片414的牺牲特征可消耗大量的蚀刻剂，例如上述示例实施例中的HF导致在牺牲结构表面的这种蚀刻剂的耗尽，因为耗尽的蚀刻剂只能通过静态溶液的缓慢扩散从本体溶液中传输。但是，针尖附近同一种蚀刻剂的浓度较高，这是因为其更接近于本体溶液。因此，引入牺牲特征可使蚀刻剂的浓度梯级增加，从而使微针轴顶部附近的蚀刻速率比底部快，这更接近于牺牲特征，从而形成楔形结构，锋利针尖平滑地向针轴底部逐渐变细。

虽然为了简洁而省略部分内容，但本发明中的实施例包括各种系统组件、方法工艺、变型和示例的所有组合和排列。

本领域的技术人员将从前述的详细说明和附图中了解到，在不脱离本发明范围的情况下，可对本发明的变型和实施例进行修改和调整。

Claims (27)

1.一种生物传感用微针的制造方法，所述方法包括：

提供一种半导体基板；

将第一光刻胶施加到所述基板的第一表面；

将第一光刻胶图案化以确定第一蚀刻图案；

对所述基板进行第一次蚀刻处理，所述第一次蚀刻图案使所述基板被蚀刻成第一结构，所述第一结构包括至少一个牺牲特征；以及

在所述第一结构上进行第二次蚀刻处理，以将所述第一结构蚀刻成第二结构，其中在所述第二次蚀刻处理期间至少一个牺牲特征被至少部分蚀刻，导致所述针的一个或多个特征被蚀刻到所述第二结构中。

2.根据权利要求1所述方法，其中所述方法是一种制造针的平面内方法。

3.根据权利要求1所述方法，进一步包括预处理基板，其包括烘烤所述基板、清洁所述基板、产生清洁和干燥的第一表面、增强与所述第一光刻胶的粘附、用氢氟酸浸泡清洗所述基板、用溶剂清洗、用去离子水冲洗，或吹干。

4.根据权利要求1所述方法，进一步包括一次或多次去除所述第一光刻胶、固化所述第一光刻胶、将多根针组装在一起、在所述针上添加生物相容性材料或添加吸干材料。

5.根据权利要求1所述方法，其中所述应用包括应用单层所述第一光刻胶或双层所述第一光刻胶。

6.根据权利要求1所述方法，其中

所述图案化包括确定具有在所述第一光刻胶中的宽度的沟道开口，

所述第一次蚀刻处理包括通过纵横比相关蚀刻（ARDE）原理将沟道蚀刻到第一结构中，所述沟道的深度由所述沟道开口的宽度确定。

7.根据权利要求6所述方法，其中在所述第二次蚀刻处理期间至少一个所述牺牲特征的所述至少部分蚀刻产生所述一个或多个所述针特征（包括锋利针尖）。

8.根据权利要求1所述方法，其中所述针的一个或多个所述特征包括针端面形状、针长度和针总直径。

9.根据权利要求1所述方法，其中所述第一次蚀刻处理包括深反应离子蚀刻（DRIE）。

10.根据权利要求1所述方法，其中进行第一次蚀刻处理以使与图案化第一光刻胶相邻的所述基板的部分被蚀刻到小于所述基板总深度的深度，从而确定至少一个所述牺牲特征。

11.根据权利要求1所述方法，其中所述针的一个或多个所述特征包括至少一个针截面，在所述第二次蚀刻处理期间蚀刻至少一个所述牺牲特征，从而导致沿着至少一个所述针截面的长度方向的蚀刻速率的变化，使得至少一个所述针截面的第一端被蚀刻为锋利针尖。

12.根据权利要求1所述方法，其中所述第二次蚀刻处理包括各向同性湿法蚀刻。

13.根据权利要求1所述方法，其中所述第二次蚀刻处理进一步包括将所述第一结构的部分去除至可变深度，从而创建斜面。

14.根据权利要求1所述方法，其中所述基板是具有预定晶向的低电阻率p型单面抛光硅片。

15.根据权利要求1所述方法，其中所述针的长度为1mm~2mm。

16.根据权利要求1所述方法，进一步包括：

将第二光刻胶应用到基板的第二表面；

图案化所述第二光刻胶以确定第二蚀刻图案，所述第二蚀刻图案确定所述针的至少一个流道；

对所述基板进行第三蚀刻处理，所述第二蚀刻图案使得至少一个所述流道被蚀刻到所述基板的所述第二表面中；

将附加的一个牺牲特征附着到所述第二结构的所述第二表面，使得至少一个所述流道被所述附加的牺牲特征覆盖；以及

其中在所述第二次蚀刻处理期间至少部分蚀刻掉的附加牺牲特征最小化，或消除在所述第二次蚀刻处理期间对至少一个所述流道的任何蚀刻。

17.根据权利要求16所述方法，进一步包括去除所述第三次蚀刻处理后的所述第二光刻胶。

18.根据权利要求16所述方法，其中至少一个所述流道确定一个微流控网络。

19.根据权利要求16所述方法，其中所述第三次蚀刻处理包括DRIE。

20.根据权利要求16所述方法，其中所述附加牺牲特征包括一个硅片。

21.根据权利要求16所述方法，其中所述附加牺牲特征被胶带附着到所述基板的所述第二表面，胶带包括带有硅粘合剂的一层聚酰亚胺薄膜。

22.根据权利要求16所述方法，其中至少一个所述沟道通过所述针尖延伸并位于远离所述针尖的位置。

23.根据权利要求16所述方法，其中至少一个所述沟道在与所述针尖确定的纵向轴相距的轴处通过所述针尖偏移延伸。

24.根据权利要求1所述方法，进一步包括：

将第二光刻胶应用到所述基板的第二表面；

图案化所述第二光刻胶以确定第二蚀刻图案，所述第二蚀刻图案确定所述针的至少一个流道，以及

对所述基板进行第三蚀刻处理，所述第二蚀刻图案使得至少一个所述流道被蚀刻到所述基板的所述第二表面中。

25.根据权利要求1所述方法，其中所述针为微针，其中所述针尖的半径在微米范围内。

26.根据权利要求1所述方法，其中所述针尖的半径小于或大于微米范围。

27.一种针，用于接触和取样根据权利要求1所述方法产生的用户的间质液。

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