CN112807561A - 微针结构及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种微针结构及其制备方法，其中，微针结构包括硅衬底、实心针体及亲水性薄膜，通过在实心针体表面形成亲水性薄膜，可将硅材质的实心针体表面由疏水性转变成亲水性，实现微针结构的表面亲水化修饰，从而能够在挤压药液时，将药液有效的导入到渗透通道内，以大幅提高药液的导入效率。本发明制备工艺简单，成本低廉，适合大批量制造，在微纳加工、生物医学领域等具有应用前景。

Description

微针结构及其制备方法

技术领域

本发明属于半导体器件领域，涉及一种微针结构及其制备方法。

背景技术

传统给药方式是口服给药和静脉注射给药，它们是很方便的给药方式，可以满足大部分药物的需求。但是，这两种给药方式也有各自的缺点。口服给药由于要经过胃肠等消化道，因此经过新陈代谢的作用，很多药物尤其是蛋白质类药物的药效降低；静脉注射给药不仅需要专业人员操作，而且会给病人造成疼痛感，不适用于长期连续给药。为了克服上述局限性，利用微机械加工(MEMS)技术制作的微针用于给药领域，开拓了一种新的给药方式—微针透皮给药，不仅可用于大分子蛋白质类药物给药，而且满足了无痛、微创、连续给药的需求。

虽然微针在皮肤上造成了真正的物理通道，但由于微针尺寸比较小(微米级)，对皮肤造成的损害很小。按照理想情况，微针只要刺穿角质层，药物就可以渗入皮肤内，进入血液循环系统，从而微针的理想设计长度只需几十微米，但实际上现在研究的微针长度都在几百微米甚至数毫米，即已到达表皮层甚至真皮层，但数据显示应用者仍无痛感，原因可能是小体积的微针触碰到神经的几率较低，使得微针产生的疼痛感比静脉注射产生的疼痛感轻。进一步的，如果微针与微泵和微流控芯片等组成智能给药系统，那么就可以实时监测病人需要的药物量，实现实时连续给药。

微针根据有无微流道可分为实心微针和通量微针，它们的给药方式各不相同，其中通量微针一般采用类似注射的方式给药，即通量微针一般为具有空心微针的结构，其通过将空心微针刺入皮肤后，用推注的方式将药液从通孔注射到皮下，虽然这种给药方式可以提高给药速率、实现连续给药，但其缺点在于由于需要在微针的针体上打孔，从而会造成针头脆弱，容易折断在皮肤里，既无法完成药液注射，还会对人体造成侵入伤害，从而与通量微针相较实心微针具有较高的安全性。

目前，基于MEMS技术制作的微针的材料一般为硅材料，但由于硅材料本身具有疏水特性，从而在实心微针的应用中，当挤压药液时，实心微针会将药液向两侧排开，导致大部分药液不能有效导入到皮肤内。

因此，提供一种微针结构及其制备方法，实属必要。

发明内容

鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种微针结构及其制备方法，用于解决现有技术中硅材质的微针表面的疏水特性所造成的药液难以导入皮肤的问题。

为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种微针结构的制备方法，包括以下步骤：

提供硅衬底，所述硅衬底的晶面为(100)；

于所述硅衬底上形成抗蚀层；

在所述抗蚀层上形成光刻胶层，并图形化所述光刻胶层，形成光刻胶窗口，且所述光刻胶窗口显露部分所述抗蚀层；

图形化所述抗蚀层，形成抗蚀层窗口，以显露部分所述硅衬底；

通过刻蚀液对所述硅衬底进行各向异性湿法刻蚀，形成实心针体，并去除所述光刻胶层及抗蚀层；

于所述实心针体表面形成亲水性薄膜。

可选地，所述亲水性薄膜包括氧化硅层，形成所述氧化硅层的方法包括热氧化法或化学气相沉积法。

可选地，当采用热氧化法形成所述亲水性薄膜时，工艺条件包括在氧化气氛下加热至1000℃～1100℃。

可选地，所述亲水性薄膜包括厚度为0.1μm～1μm的氧化硅层。

可选地，所述抗蚀层包括氧化硅层或氮化硅层。

可选地，所述刻蚀液包括KOH溶液或TMAH溶液。

本发明还提供一种微针结构，所述微针结构包括：

硅衬底；

实心针体，所述实心针体位于所述硅衬底的表面上；

亲水性薄膜，所述亲水性薄膜覆盖所述实心针体。

可选地，所述亲水性薄膜包括厚度为0.1μm～1μm的氧化硅层。

可选地，所述实心针体的针高为50μm～1000μm；所述实心针体的针尖尺寸为10μm～100μm；所述实心针体的针底尺寸为200μm～250μm。

可选地，在所述硅衬底的表面上，所述实心针体构成实心针体阵列，且所述实心针体阵列的密度为10根/cm²～400根/cm²。

如上所述，本发明的微针结构及其制备方法，其中，微针结构包括硅衬底、实心针体及亲水性薄膜，通过在实心针体表面形成亲水性薄膜，可将硅材质的实心针体表面由疏水性转变成亲水性，实现微针结构的表面亲水化修饰，从而能够在挤压药液时，将药液有效的导入到渗透通道内，以大幅提高药液的导入效率。本发明制备工艺简单，成本低廉，适合大批量制造，在微纳加工、生物医学领域等具有应用前景。

附图说明

图1显示为本发明实施例中制备微针结构的工艺流程示意图。

图2显示为本发明实施例中提供的硅衬底的结构示意图。

图3显示为本发明实施例中形成抗蚀层后的结构示意图。

图4显示为本发明实施例中形成图形化的光刻胶层后的结构示意图。

图5显示为本发明实施例中形成图形化的抗蚀层后的结构示意图。

图6显示为本发明实施例中进行各向异性湿法刻蚀后的结构示意图。

图7显示为本发明实施例中去除抗蚀层后的结构示意图。

图8显示为本发明实施例中形成亲水性薄膜后的结构示意图。

元件标号说明

101 硅衬底

102 抗蚀层

1021 抗蚀层窗口

103 光刻胶

1031 光刻胶窗口

104 实心针体

105 亲水性薄膜

具体实施方式

以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。

如在详述本发明实施例时，为便于说明，表示器件结构的剖面图会不依一般比例作局部放大，而且所述示意图只是示例，其在此不应限制本发明保护的范围。此外，在实际制作中应包含长度、宽度及深度的三维空间尺寸。

为了方便描述，此处可能使用诸如“之下”、“下方”、“低于”、“下面”、“上方”、“上”等的空间关系词语来描述附图中所示的一个元件或特征与其他元件或特征的关系。将理解到，这些空间关系词语意图包含使用中或操作中的器件的、除了附图中描绘的方向之外的其他方向。此外，当一层被称为在两层“之间”时，它可以是所述两层之间仅有的层，或者也可以存在一个或多个介于其间的层。本文使用的“介于……之间”表示包括两端点值。

在本申请的上下文中，所描述的第一特征在第二特征“之上”的结构可以包括第一和第二特征形成为直接接触的实施例，也可以包括另外的特征形成在第一和第二特征之间的实施例，这样第一和第二特征可能不是直接接触。

需要说明的是，本实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，遂图示中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，其组件布局型态也可能更为复杂。

如图1所示，本实施例提供一种微针结构的制备方法，包括以下步骤：

提供硅衬底，所述硅衬底的晶面为(100)；

于所述硅衬底上形成抗蚀层；

在所述抗蚀层上形成光刻胶层，并图形化所述光刻胶层，形成光刻胶窗口，且所述光刻胶窗口显露部分所述抗蚀层；

图形化所述抗蚀层，形成抗蚀层窗口，以显露部分所述硅衬底；

通过刻蚀液对所述硅衬底进行各向异性湿法刻蚀，形成实心针体，并去除所述光刻胶层及抗蚀层；

于所述实心针体表面形成亲水性薄膜。

本实施例通过在所述实心针体表面形成所述亲水性薄膜，可将硅材质的所述实心针体表面由疏水性转变成亲水性，实现所述微针结构的表面亲水化修饰，从而能够在挤压药液时，将药液有效的导入到渗透通道内，以大幅提高药液的导入效率；制备工艺简单，成本低廉，适合大批量制造，可应用于微纳加工、生物医学领域等。

具体的，参阅附图2～附图8，以下结合附图对所述微针结构及其制备过程进行介绍。

首先，参阅附图2，提供硅衬底101，所述硅衬底的晶面为(100)，所述硅衬底可包括单晶硅或多晶硅，此处不作限定。

接着，参阅图3，于所述硅衬底101上形成抗蚀层102。

作为示例，所述抗蚀层102可包括氧化硅层或氮化硅层。

具体的，可采用热氧化法以在所述硅衬底101的表面生长一定厚度的所述氧化硅层，或者采用低气压气相沉积(LPCVD)法等在所述硅衬底101的表面沉积一定厚度的氮化硅层或氧化硅层，其中，形成所述抗蚀层102的具体方法、所述抗蚀层102的种类及厚度等，此处不作过分限制。本实施例中，参阅图3，形成的所述抗蚀层102位于所述硅衬底101的相对两表面上，但并非局限于此，所述抗蚀层102也可仅位于所述硅衬底101的一面，具体可以根据需要进行选择，此处不作过分限制。

接着，参阅图4，在所述抗蚀层102上形成光刻胶层103，并图形化所述光刻胶层103，形成光刻胶窗口1031，且所述光刻胶窗口1031显露部分所述抗蚀层102。

具体的，所述光刻胶层103可采用正光刻胶或采用负光刻胶，关所述光刻胶层103的种类、厚度及所述光刻胶窗口1031的尺寸、形貌等均可根据需要进行选择，此处不作过分限定。

接着，参阅图5，图形化所述抗蚀层102，形成抗蚀层窗口1021，以显露部分所述硅衬底101。

具体的，通过所述光刻胶窗口1031作为刻蚀窗口，可图形化所述抗蚀层102，以形成所述抗蚀层窗口1021。其中，所述抗蚀层窗口1021的具体的形貌、尺寸等均可根据需要进行选择，此处不作过分限定。

接着，参阅图6及图7，通过刻蚀液对所述硅衬底101进行各向异性湿法刻蚀，形成实心针体104，并去除所述光刻胶层103及抗蚀层102。

具体的，参阅图6，当以所述抗蚀层窗口1021作为掩膜，并采用所述刻蚀液进行湿法刻蚀时，被显露的所述硅衬底101在所述刻蚀液的作用下，会在所述硅衬底101以及所述抗蚀层102的下方先形成多面体棱台结构，待刻蚀深度大于等于所述实心针体104的高度并且棱台上表面缩小成尖顶时，停止刻蚀，此时棱台变成棱锥结构，形成所述实心针体104的形貌。其中，所述光刻胶层103可在形成所述实心针体104的过程中，被所述刻蚀液刻蚀掉，但并非局限于此。

作为示例，所述刻蚀液可包括KOH溶液或TMAH溶液，但并非局限于此。

接着，参阅图7，去除所述抗蚀层102，显露所述实心针体104。

作为示例，形成的所述实心针体104的针高可为50μm～1000μm，如100μm、200μm、500μm、1000μm等；所述实心针体的针尖尺寸可为10μm～100μm，如20μm、50μm、100μm等；所述实心针体的针底尺寸可为200μm～250μm，如200μm、225μm等，有关所述实心针体104的具体形貌及尺寸此处不作过分限制。

作为示例，在所述硅衬底101的表面上，所述实心针体104可构成实心针体阵列，且所述实心针体阵列的密度可为10根/cm²～400根/cm²。

具体的，在所述硅衬底101的表面上，所述实心针体104的个数可包括单根或多根，具体可根据需要进行制备，其中，当采用多根所述实心针体104时，优选所述实心针体104以阵列排布形成所述实心针体阵列，且排布的密度优选为10根/cm²～40根/cm²，如100/cm²、200根/cm²等，有关所述实心针体104的个数、排布密度及排布形貌等，此处不作过分限制。

接着，参阅图8，于所述实心针体104的表面形成亲水性薄膜105。

具体的，优选所述亲水性薄膜105覆盖所述硅衬底101的表面，但并非局限于此，此处不做过分限制。由于形成的所述实心针体104的材质为硅材质，其具有疏水性，从而在挤压药液时，所述实心针体104不能有效的将药液导入到渗透通道内，而当在所述实心针体104的表面形成所述亲水性薄膜105时，由于所述亲水性薄膜105具有亲水性，从而可间接的将所述实心针体104表面由疏水性转变成亲水性，实现所述微针结构的表面亲水化修饰，从而能够在挤压药液时，将药液有效的导入到渗透通道内，以大幅提高药液的导入效率。

作为示例，所述亲水性薄膜105可包括氧化硅层，形成所述氧化硅层的方法可包括热氧化法或化学气相沉积法。

具体的，所述亲水性薄膜105优选采用热氧化法制备的氧化硅层，以降低工艺复杂度，但并非局限于此，形成所述氧化硅层的方法还可包括化学气相沉积法等。其中，所述亲水性薄膜105的材质并非局限于所述氧化硅层，此处不作过分限制。

作为示例，当采用热氧化法形成所述亲水性薄膜105时，工艺条件包括在氧化气氛下加热至1000℃～1100℃。

具体的，所述热氧化法设备可包括热氧化炉，所述氧化气氛可由氧气或水蒸气形成，加热温度可为1000℃、1050℃、1100℃等，关于所述热氧化法所采用的设备，具体工艺如气氛、加热工艺流程等均可根据需要进行选择，此处不作过分限制。

作为示例，所述亲水性薄膜105的厚度可为0.1μm～1μm。

具体的，形成所述亲水性薄膜105的厚度优选为0.1μm～1μm，以在起到亲水性的效果的同时降低尺寸。其中，所述亲水性薄膜105的厚度可包括如0.1μm、0.5μm、0.8μm、1μm等，具体可根据需进行选择。

参阅图8，本实施例还提供一种微针结构，所述微针结构可采用上述制备方法形成，但并非局限于此，本实施例中，所述微针结构采用上述制备工艺制备，因此有关所述微针结构的材质、制备工艺等此处不作赘述。

具体的，所述微针结构包括硅衬底101、实心针体104及亲水性薄膜105，所述实心针体104位于所述硅衬底101的表面上。其中，所述硅衬底101的晶面取向可包括(100)，但并非局限于此。

作为示例，所述亲水性薄膜105的厚度可为0.1μm～1μm。

具体的，形成所述亲水性薄膜105的厚度优选为0.1μm～1μm，以在起到亲水性的效果的同时降低尺寸，其中，所述亲水性薄膜105的厚度可包括如0.1μm、0.5μm、0.8μm、1μm等，具体可根据需进行选择。

作为示例，形成的所述实心针体104的针高可为50μm～1000μm，如100μm、200μm、500μm、1000μm等；所述实心针体的针尖尺寸可为10μm～100μm，如20μm、50μm、100μm等；所述实心针体的针底尺寸可为200μm～250μm，如200μm、225μm等，有关所述实心针体104的具体形貌及尺寸此处不作过分限制。

作为示例，在所述硅衬底101的表面上，所述实心针体104可构成实心针体阵列，且所述实心针体阵列的密度可为10根/cm²～400根/cm²。

具体的，在所述硅衬底101的表面上，所述实心针体104的个数可包括单根或多根，具体可根据需要进行制备，其中，当所述实心针体104为多根时，优选所述实心针体104以阵列排布形成所述实心针体阵列，且排布的密度可为10根/cm²～400根/cm²，如100/cm²、200根/cm²等，有关所述实心针体104的个数、排布密度及排布形貌等，此处不作过分限制。

以下提供一具体的实施方案，其中，以制作高度为100μm～150μm、底部尺寸为200μm～250μm的单晶硅微针结构为例，但并非局限于此，具体包括：

首先进行步骤1)：提供具有(100)晶面的双抛单晶硅片，本实施例中采用厚度为500μm的单晶硅片；

接着进行步骤2)：将单晶硅片进行热氧化，于单晶硅片的正面、背面生长厚度为2μm的氧化硅层；

接着进行步骤3)：在单晶硅片的正面旋涂光刻胶，进行光刻，形成光刻胶掩膜；

接着进行步骤4)：将单晶硅片的正面未覆盖光刻胶的区域内的氧化硅层通过RIE等离子干法刻蚀的方法去除，然后去除光刻胶；

接着进行步骤5)：将单晶硅片放入60℃、48wt％浓度的KOH溶液中进行腐蚀，当腐蚀深度达到150μm时，单晶硅片正面形成顶部为尖锥的微针结构；

接着进行步骤6)：将单晶硅片放入BOE溶液，去除单晶硅片上剩余的氧化硅层，将单晶硅片用120℃的浓硫酸溶液进行漂洗，去除残留的KOH刻蚀液，最后用去离子水漂洗，去除单晶硅片上的其它杂质，得到所需的高度为100μm～150μm左右的实心针体；

接着进行步骤7)：将单晶硅片置于热氧化炉中，加热到1050℃，通入氧气，保温30min，在实心针体表面形成氧化硅亲水性薄膜，以完成对微针结构的制备。

综上所述，本发明的微针结构及其制备方法，其中，微针结构包括硅衬底、实心针体及亲水性薄膜，通过在实心针体表面形成亲水性薄膜，可将硅材质的实心针体表面由疏水性转变成亲水性，实现微针结构的表面亲水化修饰，从而能够在挤压药液时，将药液有效的导入到渗透通道内，以大幅提高药液的导入效率。本发明制备工艺简单，成本低廉，适合大批量制造，在微纳加工、生物医学领域等具有应用前景。

上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。

Claims (10)

1.一种微针结构的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

提供硅衬底，所述硅衬底的晶面为(100)；

于所述硅衬底上形成抗蚀层；

在所述抗蚀层上形成光刻胶层，并图形化所述光刻胶层，形成光刻胶窗口，且所述光刻胶窗口显露部分所述抗蚀层；

图形化所述抗蚀层，形成抗蚀层窗口，以显露部分所述硅衬底；

通过刻蚀液对所述硅衬底进行各向异性湿法刻蚀，形成实心针体，并去除所述光刻胶层及抗蚀层；

于所述实心针体表面形成亲水性薄膜。

2.根据权利要求1所述的微针结构的制备方法，其特征在于：所述亲水性薄膜包括氧化硅层，形成所述氧化硅层的方法包括热氧化法或化学气相沉积法。

3.根据权利要求2所述的微针结构的制备方法，其特征在于：当采用热氧化法形成所述亲水性薄膜时，工艺条件包括在氧化气氛下加热至1000℃～1100℃。

4.根据权利要求1所述的微针结构的制备方法，其特征在于：所述亲水性薄膜包括厚度为0.1μm～1μm的氧化硅层。

5.根据权利要求1所述的微针结构的制备方法，其特征在于：所述抗蚀层包括氧化硅层或氮化硅层。

6.根据权利要求1所述的微针结构的制备方法，其特征在于：所述刻蚀液包括KOH溶液或TMAH溶液。

7.一种微针结构，其特征在于，所述微针结构包括：

硅衬底；

实心针体，所述实心针体位于所述硅衬底的表面上；

亲水性薄膜，所述亲水性薄膜覆盖所述实心针体。

8.根据权利要求7所述的微针结构，其特征在于：所述亲水性薄膜包括厚度为0.1μm～1μm的氧化硅层。

9.根据权利要求7所述的微针结构，其特征在于：所述实心针体的针高为50μm～1000μm；所述实心针体的针尖尺寸为10μm～100μm；所述实心针体的针底尺寸为200μm～250μm。

10.根据权利要求7所述的微针结构，其特征在于：在所述硅衬底的表面上，所述实心针体构成实心针体阵列，且所述实心针体阵列的密度为10根/cm²～400根/cm²。

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