CN110937567A - 硅基四棱台状微型通孔阵列、其制备方法和应用 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种硅基四棱台状微型通孔阵列及其制备方法和应用，与常规的硅基微型通孔需要激光打孔技术串行操作、激光按照轨迹扫描不同，本方法通过光刻及干法刻蚀工艺加工孔阵列是并行的，可以同时加工出阵列中所有的孔，加工效率高，孔与孔之间的相对位置及孔型精确可控。

Description

硅基四棱台状微型通孔阵列、其制备方法和应用
技术领域
本发明属于材料加工领域，具体涉及一种硅基四棱台状微型通孔阵列，及其制备方法和应用。
背景技术
激光打孔是最早达到实用化的激光加工技术，已经广泛应用于各种材料体系。硅基片微型通孔是指贯穿硅片的孔径在微米量级，是微机电系统和半导体器件加工的基础工序之一，尤其针对当前器件尺寸的微型化、元件的高密度化和系统的高集成度化，微型通孔在传导信号方面更有其用武之地。通过激光打孔技术得到的硅基微型通孔已经在微电子集成、光电子集成、太阳能电池以及半导体领域的穿孔电极等各个领域广泛应用。但激光打孔是串行操作，一般是利用脉冲激光，靠热效应将孔烧蚀而成，对于大规模的孔阵列加工，其效率较低。另外，其加工出的孔通常是圆锥形的，更重要的是对于孔与孔之间相对位置的精确度完全靠进给机构保证，在孔阵列加工时易产生累积误差。硅基片微型通孔孔型和孔阵列不仅可以应用在微电子集成、光电子集成、太阳能电池以及半导体领域的穿孔电极等领域，还可以应用于微纳流体力学、过滤、微喷嘴、生物芯片以及导散热器件等领域，本发明提供了一种方法可以在硅片上制备四棱台状微型通孔阵列。
发明内容
因此，本发明的目的在于克服现有技术中的缺陷，提供一种硅基四棱台状微型通孔阵列，以及其制备方法和应用。
为实现上述目的，本发明的第一方面提供了一种硅基四棱台状微型通孔阵列，所述硅基为硅片，所述四棱台状微型通孔呈间隔阵列排布；
优选地，所述硅片的厚度为190μm～210μm，最优选为200μm；
更优选地，所述四棱台状微型通孔的间隔为50～200μm，优选为50～100μm，最优选为60μm。
本发明的第二方面提供了第一方面所述的微型通孔阵列的制备方法，该制备方法可以包括以下步骤：
(1)制作掩膜版；
(2)选择硅片基片；
(3)硅片一面涂胶、曝光、显影；
(4)坚膜；
(5)硅片另一面涂胶、曝光、显影；
(6)坚膜；
(7)通过感应耦合等离子体反应离子刻蚀技术进行双面刻蚀；
(8)去胶。
根据本发明第二方面的制备方法，其中，所述步骤(1)中，所述掩膜版选自以下一种或多种：铬版、菲林阴片，优选为铬版。
根据本发明第二方面的制备方法，其中，所述步骤(2)中，所述硅片基片的为双面抛光。
根据本发明第二方面的制备方法，其中，所述步骤(3)中，所述胶为正性光刻胶，所述硅片的涂胶的厚度为3.5μm，优选地，对涂胶后的硅片进行烘干，所述烘干温度为80～120℃，优选为100℃，所述烘干时间为2～10min，优选为5min；
所述曝光条件为紫外光，所述曝光时间为10～20s，优选为16s；
所述显影时间为1～5min，优选为2min；
优选地，对显影后的硅片用去离子水冲洗后再使用氮气吹干。
根据本发明第二方面的制备方法，其中，所述步骤(4)和步骤(6)中，所述坚膜温度为100～250℃，优选为180℃；所述坚膜时间为10min～30min，优选为10min。
根据本发明第二方面的制备方法，其中，所述步骤(5)中，所述胶为正性光刻胶，所述硅片的涂胶的厚度为6μm，优选地，对涂胶后的硅片进行烘干，所述烘干温度为80～120℃，优选为100℃，所述烘干时间为2～10min，优选为5min；
所述曝光条件为紫外光，所述曝光时间为20～30s，优选为28s；
所述显影时间为1～5min，优选为2.5min；
优选地，对显影后的硅片用去离子水冲洗后再使用氮气吹干。
根据本发明第二方面的制备方法，其中，所述步骤(7)中，所述双面刻蚀的条件为：采用SF6为刻蚀气体，C4F8为保护气体，先使用SF6进行刻蚀，再使用C4F8进行一次保护，上述过程为一个循环；
优选地，先对涂胶较薄的一面进行25～35个循环的刻蚀，优选为30个循环；
更优选地，对涂胶较厚的一面进行150～200个循环的刻蚀，优选为170个循环。
根据本发明第二方面的制备方法，其中，所述步骤(8)中，所述去胶条件为：使用丙酮浸泡超声，再使用异丙醇浸泡超声，最后在大量去离子水中超声；优选地，所述丙酮浸泡时间为10min，异丙酮浸泡时间为5min，所述超声时间均为2min。
本发明的第三方面提供了包含根据第一方面所述的四棱台状硅基微型通孔阵列或按照第二方面所述的制备方法而制得的四棱台状硅基微型通孔阵列的微电子集成产品、光电子集成产品、太阳能电池或半导体产品。
本发明通过以下技术方案实现：
(1)制作掩膜版；
(2)选择一片双面抛光的硅片基片；
(3)在硅片的一面旋涂一层均匀的正性光刻胶，通过曝光及显影在表面形成矩形的图形阵列；
(4)坚膜，在高温下处理硅基片十分钟以上；
(5)在硅片的另一面旋涂一层均匀的正性光刻胶，然后在同一掩膜板下进行双面对准曝光，显影后得到相同的矩形图形阵列；
(6)坚膜，在高温下处理硅基片十分钟以上；
(7)通过感应耦合等离子体反应离子刻蚀技术进行双面刻蚀；
(8)去胶，使用丙酮、异丙醇、离子水将光刻胶去除。
其中，制作的掩膜版为五寸铬版，图形阵列为矩形，矩形长度为30μm，宽度范围为6-15μm，每两个矩形之间的距离为60μm，在14mm×14mm的区域分布着10 000个矩形，每个铬版上分布着24个矩形阵列。
硅片类型和晶向不受限制，厚度为200±10μm。
针对现有技术的不足，由于光刻得到的矩形图案阵列并不是完全垂直的，因此刻蚀时气体离子并不是垂直对硅片进行刻蚀，得到的微型通孔的入口并不是完全垂直的，而是呈现一定的坡度。另外，矩形通孔的截面从上之下的尺寸并不是一定的，而是逐渐变大，这样有利于细胞的变形通过。使用这样的孔形状对血液中的循环肿瘤细胞进行富集时，有利于血细胞的进入，进而变形通过，在分选循环肿瘤细胞方面可以有效避免白细胞的污染，提高分选纯度。已有报道利用微加工技术加工出圆形孔滤膜、方形孔滤膜和圆锥形孔滤膜对CTCs进行分选富集，然而，这些滤膜上孔的入口都是完全垂直的，不利于血细胞进入孔内并且变形通过，造成分选纯度低。已有报道对于1mL的全血样本,超过1000个包细胞会被截留在滤膜上，而利用硅基四棱台状微型通孔阵列时，仅有150-300个白细胞被截留。本发明提供了一种硅基四棱台状微型通孔阵列及其制备方法，该方法是先通过传统的光刻技术在硅片上得到矩形图形阵列，然后通过感应耦合等离子体反应离子刻蚀进行加工得到四棱台状微型通孔阵列，该方法的加工精度高、微孔尺寸及孔型可控，具有很好的应用前景。
本方法通过光刻及干法刻蚀工艺加工孔阵列是并行的，可以同时加工出阵列中所有的孔，加工效率高，孔与孔之间的相对位置及孔型精确可控。硅基片微型通孔孔型和孔阵列不仅可以应用在微电子集成、光电子集成、太阳能电池以及半导体领域的穿孔电极等领域，还可以应用于微纳流体力学、过滤、微喷嘴、生物芯片以及导散热器件等领域，具有很好的应用前景。
本发明的硅基四棱台状微型通孔阵列可以具有但不限于以下有益效果：
本发明的硅基四棱台状微型通孔阵列，与常规的硅基微型通孔需要激光打孔技术串行操作、激光按照轨迹扫描不同，本方法通过光刻及干法刻蚀工艺加工孔阵列是并行的，可以同时加工出阵列中所有的孔，加工效率高，孔与孔之间的相对位置及孔型精确可控。
附图说明
以下，结合附图来详细说明本发明的实施方案，其中：
图1a示出了本发明实施例1制备的微型通孔阵列的孔表面SEM图；图1b示出了其中一个通孔的孔表面SEM图。
图2示出了本发明实施例1制备的微型通孔阵列中微孔的横剖面SEM图。
图3a示出了本发明实施例1制备的微型通孔阵列中微孔横剖面的上端SEM图；图3b示出了本发明实施例1制备的微型通孔阵列中微孔横剖面的下端SEM图。
图4示出了本发明实施例1制备的微型通孔阵列中微孔的纵剖面SEM图。
图5a示出了本发明实施例1制备的微型通孔阵列中微孔纵剖面的上端SEM图；图5b示出了本发明实施例1制备的微型通孔阵列中微孔纵剖面的下端SEM图。
具体实施方式
下面通过具体的实施例进一步说明本发明，但是，应当理解为，这些实施例仅仅是用于更详细具体地说明之用，而不应理解为用于以任何形式限制本发明。
本部分对本发明试验中所使用到的材料以及试验方法进行一般性的描述。虽然为实现本发明目的所使用的许多材料和操作方法是本领域公知的，但是本发明仍然在此作尽可能详细描述。本领域技术人员清楚，在上下文中，如果未特别说明，本发明所用材料和操作方法是本领域公知的。
以下实施例中使用的试剂和仪器如下：
试剂：
铬版购自深圳美精微光电股份有限公司，
硅片购自天津市半导体技术研究所；
丙酮、异丙醇，购自北京化工厂；
光刻胶SUN-1150P，购自Suntific。
仪器：
匀胶机，购自河北神通光电科技有限公司、型号JHT-2；
热板，购自Wiggens，型号WH200D-2K；
光刻机，购自德国SUSS公司，型号双面对准接触式紫外光刻机Ma-6；
高密度等离子体刻蚀机，购自英国牛津仪器等离子体技术公司、型号ICPRIE-180；
扫描电子显微镜，购自日本日立有限公司，型号Hitachi-SU8220。
实施例1
本实施例用于说明本发明的四棱台状微型通孔阵列的制备方法。
(1)制作掩膜版利用AutoCAD软件绘制所需图形阵列，然后将文件发给深圳美精微光电股份有限公司，由其制作掩膜版。
制作的掩膜版为五寸铬版，图形阵列为矩形，矩形长度为30μm，宽度为8μm，每两个矩形之间的距离为60μm，在14mm×14mm的区域分布着10000个矩形，每个铬版上分布着24个矩形阵列。
(2)选择一片双面抛光的硅片基片
硅片型号为N型，晶向为(100)，掺杂剂为磷，直径为100mm，厚度为200μm。
(3)硅片一面涂胶、曝光、显影
硅片的一面使用匀胶机旋涂5000rpm，1min的正性光刻胶(SUN-1150P,Suntific)的厚度为3.5μm，随后在100℃热板上烘5min，然后在光刻机在步骤(1)制备的掩膜版下在紫外光下曝光16s，在显影液(SUN238D,Suntific)中显影2min，最后用去离子水冲洗后再使用氮气吹干。
(4)坚膜
将步骤(3)得到的硅片在180℃下烘10min。
(5)硅片另一面涂胶、曝光、显影
将步骤(4)得到的硅片的另一面旋涂的正性光刻胶(SUN-1150P,Suntific)的厚度为6μm(2000rpm，1min)，随后在100℃热板上烘5min，然后使用光刻机在同一掩膜版下双面对准后在紫外光下曝光28s，在显影液中显影2.5min，最后用去离子水冲洗后再使用氮气吹干。
(6)坚膜
在180℃下烘10min。
(7)通过感应耦合等离子体反应离子刻蚀技术进行双面刻蚀
通过硅刻蚀高密度等离子体刻蚀机进行双面刻蚀刻蚀时所使用的气体主要是SF6和C4F8，SF6是刻蚀气体，C4F8是保护气体。先使用SF6进行刻蚀，再使用C4F8进行一次保护，这样是一个循环。先对胶厚为3.5μm的一面进行30个循环左右的刻蚀，然后再对另一面进行170个循环左右的刻蚀，整个过程在一个小时左右。刻蚀第二面期间会把硅片从刻蚀腔拿出，放到显微镜下观察通孔是否形成，如若形成，停止刻蚀；若还未形成，再增加10个循环左右的刻蚀，直至通孔形成则停止刻蚀。胶厚为3.5μm的一面刻30μm，另外一面刻170μm。
(8)去胶
去胶时，具体是使用丙酮浸泡10min，超声2min，再使用异丙醇浸泡5min，超声2min，最后在大量去离子水中超声2min即可。
对上述制备的四棱台状微型通孔阵列进行扫描电子显微镜SEM分析，结果如图1～图5所示。从图中可以看出，本实施例制备的四棱台状微型通孔阵列孔间距为60μm，各棱长为8μm和30μm，通孔的入口并不是完全垂直的，呈一定坡度，角度在165度左右。
尽管本发明已进行了一定程度的描述，明显地，在不脱离本发明的精神和范围的条件下，可进行各个条件的适当变化。可以理解，本发明不限于所述实施方案，而归于权利要求的范围，其包括所述每个因素的等同替换。

Claims (10)

1.一种硅基四棱台状微型通孔阵列，其特征在于，所述硅基为硅片，所述四棱台状微型通孔呈间隔阵列排布；
优选地，所述硅片的厚度为190μm～210μm，最优选为200μm；
更优选地，所述四棱台状微型通孔的间隔为50～200μm，优选为50～100μm，最优选为60μm；
进一步优选地，所述通孔的入口呈一定坡度，所述坡面与水平面的夹角为160～170度，优选为165度。
2.根据权利要求1所述的微型通孔阵列的制备方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
(1)制作掩膜版；
(2)选择硅片基片；
(3)硅片一面涂胶、曝光、显影；
(4)坚膜；
(5)硅片另一面涂胶、曝光、显影；
(6)坚膜；
(7)通过感应耦合等离子体反应离子刻蚀技术进行双面刻蚀；
(8)去胶。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述步骤(1)中，所述掩膜版选自以下一种或多种：铬版、菲林阴片，优选为铬版。
4.根据权利要求2或3所述的方法，其特征在于，所述步骤(2)中，所述硅片基片的为双面抛光。
5.根据权利要求2至4中任一项所述的方法，其特征在于，所述步骤(3)中，所述胶为正性光刻胶，所述硅片的涂胶的厚度为3.5μm，优选地，对涂胶后的硅片进行烘干，所述烘干温度为80～120℃，优选为100℃，所述烘干时间为2～10min，优选为5min；
所述曝光条件为紫外光，所述曝光时间为10～20s，优选为16s；
所述显影时间为1～5min，优选为2min；
优选地，对显影后的硅片用去离子水冲洗后再使用氮气吹干。
6.根据权利要求2至5中任一项所述的方法，其特征在于，所述步骤(4)和步骤(6)中，所述坚膜温度为100～250℃，优选为180℃；所述坚膜时间为10min～30min，优选为10min。
7.根据权利要求2至6中任一项所述的方法，其特征在于，所述步骤(5)中，所述胶为正性光刻胶，所述硅片的涂胶的厚度为6μm，优选地，对涂胶后的硅片进行烘干，所述烘干温度为80～120℃，优选为100℃，所述烘干时间为2～10min，优选为5min；
所述曝光条件为紫外光，所述曝光时间为10～20s，优选为16s；
所述显影时间为1～5min，优选为2min；
优选地，对显影后的硅片用去离子水冲洗后再使用氮气吹干。
8.根据权利要求2至7中任一项所述的方法，其特征在于，所述步骤(7)中，所述双面刻蚀采用SF6为刻蚀气体，C4F8为保护气体，先使用SF6进行刻蚀，再使用C4F8进行一次保护，上述过程为一个循环；
优选地，先对涂胶较薄的一面进行25～35个循环的刻蚀，优选为30个循环；
更优选地，对涂胶较厚的一面进行150～200个循环的刻蚀，优选为170个循环。
9.根据权利要求2至8中任一项所述的方法，其特征在于，所述步骤(8)中，所述去胶条件为：使用丙酮浸泡超声，再使用异丙醇浸泡超声，最后在大量去离子水中超声；优选地，所述丙酮浸泡时间为10min，异丙酮浸泡时间为5min，所述超声时间均为2min。
10.包含根据权利要求1所述的四棱台状硅基微型通孔阵列或按照权利要求2至9中任一项所述的制备方法而制得的四棱台状硅基微型通孔阵列的微电子集成产品、光电子集成产品、太阳能电池或半导体产品。
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