CN1313357C - 基于二氧化硅薄膜的悬臂梁式点样针尖的集成制造方法 - Google Patents

Abstract

一种基于二氧化硅薄膜的悬臂梁式点样针尖的集成制造方法，首先在双面抛光的硅基体表面，通过热氧化生长一层二氧化硅薄膜，然后两次通过光刻胶掩膜反应离子刻蚀工艺，在氧化膜上开出储液槽窗口，形成液体导引通道，并形成悬臂梁和针尖精细结构图案，然后在硅片的背面通过掩膜化学刻蚀开出背刻蚀单晶硅释放悬臂梁的窗口，采用KOH溶液各向异性刻蚀，去掉悬臂梁下面的硅基体，释放已经微加工成型的二氧化硅悬臂梁针尖，形成了透明的二氧化硅悬臂梁点样针尖。本发明以热氧化二氧化硅薄膜取代一般的单晶硅膜，作为结构材料用于制作悬臂梁式点样针尖，不但能够显著提高针尖和流体通道的亲水性，完全没有内应力问题，而且集成制造流程更加方便高效。

Description

基于二氧化硅薄膜的悬臂梁式点样针尖的集成制造方法

技术领域

本发明涉及一种生物芯片点样制备所需要的针尖的制造方法，具体涉及一种基于二氧化硅薄膜的悬臂梁式点样针尖的集成制造方法，属于微细加工技术领域，同时也是生物芯片技术的范畴。

背景技术

生物芯片制造的核心是点阵的制备技术，注册了Genechip商标的Affymetrix公司，拥有光脱保护原位合成制备生物芯片的专利技术，使其成为该领域的领头羊，但该方法也存在低阶阵列成本高、合成错误率高等问题，其基因芯片目前主要应用于科学研究领域，其他公司则更多采用点样方法制备基因芯片。

总体上讲，点样制备的样点尺寸比光刻原位合成大，但是大多数应用对样点总数量和样点密度要求并不高，比如预期有大量潜在需求的各种诊断芯片。这种情况下点样制备技术就拥有比较优势，并且，随着点样设备和相关技术的进步，点样制备方法的效率不断提高，样点尺寸也呈明显减小趋势。

点样制备方法可以分为非接触式点样和接触式点样两种。非接触式的喷射点样法的样点尺寸一般大于200μm，样点密度一般在400-500/cm²之间，而接触点样的样点尺寸与之相比则要小得多，样点密度可以达到10000/cm²以上，使用原子力显微镜针尖的点样技术甚至可以使样点直径显著小于1微米，实现纳米级阵列制备，因此，点样针尖的设计与制造是接触点样技术的关键。

传统的点样针尖具有类似蘸水笔尖的结构，多数采用精密机械加工制作，针尖的尺寸比较大，所以样点的尺寸一般在数十微米到数百微米之间；而原子力显微镜所用针尖是垂直固定在悬臂梁末端的极细针尖，主要是采用电化学刻蚀形成的钨尖，还有是借助MEMS(微机电系统)技术制造的硅或氮化硅锥尖。蘸水笔式针尖因为有细缝可以一次取样，多次点样，且能够保证样点质量，但是样点尺寸大；原子力显微镜探针的完整锥尖由于接触面积小，且针尖所粘附液量小，所以样点尺寸小，但是一次取样多次点样效率不高，且样点质量难以保证。

如果有一种设计能够取两者之长，既可以减小样点尺寸，又能够保证多次点样的质量和效果，将会显著提升接触点样系统的工作能力，要做到这一点，需要对针尖的材料特性、微加工技术以及微流体控制技术的准确把握和灵活运用，这些正是MEMS技术的重要内容。

Pascal Belaubre等(Pascal Belaubre，Matthieu Guirardel，VéroniqueLeberre et al，Cantilever-based microsystem for contact and non-contactdeposition of picoliter biological samples，Sensors and Actuators A 110(2004)130-135)提出了一种悬臂梁式点样针尖设计，其基本原理是：在水平伸展的薄膜悬臂梁上，通过微细加工工艺形成储液槽及液体通道，使之与悬臂梁顶端的点样针尖沟通，让待分布的样品可以源源不断地供给点样针尖，实现一次取样，多次点样的目的；同时，利用微细加工技术制备的悬臂梁针尖具有几何形状和尺度变化控制方便的优势，据此可以改善样点的质量，调整样点的大小，此外，该设计的点样针尖采用MEMS加工技术批量制备，与传统的精密机械加工针尖技术相比成本可以显著降低。

上述设计是采用绝缘体上薄层硅(SOI)材料，通过表面微细加工技术和背后各向异性刻蚀镂空释放工艺完成制作，由于水基溶液对硅表面的浸润能力较差，微细加工的沟道和缝隙难以被生物样品浸润，所以需要对其表面进行改性修饰。通过沉积氧化硅可以增加亲水性，但是附加上去的薄膜有可能显著改变悬臂梁的应力特性，导致释放以后的悬臂梁出现应力弯曲，并且这种较长的悬臂梁对薄膜结构内应力的敏感程度相当高，稍许的内应力就可以导致大幅度的弯曲变形，这样，高阶阵列悬臂梁针尖的一致性就面临严峻挑战，因为阵列针尖的位置不一致将导致其失去使用价值。

此外，SOI硅片的成本相对于普通硅片要高很多，上述结构的复杂性决定了它只能用干法背刻蚀工艺实现背部镂空释放操作，所以其加工和制造成本也相对较高。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术的上述问题，提出一种基于二氧化硅薄膜的悬臂梁式点样针尖的集成制造方法，工艺方便高效，得到的针尖不存在应力控制问题，总体性能得到改善。

为实现这一目的，本发明采用热氧化二氧化硅薄膜作为悬臂梁式点样针尖的结构材料，用于制作悬臂梁及其上的针尖和液体输送微结构，以提高针尖和流体通道的亲水性，并使集成制造的工艺流程更加方便可靠。

该设计可以通过标准的MEMS加工技术批量制造：首先在双面抛光的(100)硅片表面，通过热氧化生长一层2微米左右的二氧化硅薄膜，然后两次通过光刻胶掩膜反应离子刻蚀工艺，在氧化膜上开出储液槽窗口，形成液体导引通道，并形成悬臂梁和针尖精细结构图案。然后在硅片的背面通过掩膜化学刻蚀开出背刻蚀单晶硅释放悬臂梁的窗口，采用KOH(氢氧化钾)溶液各向异性刻蚀，去掉悬臂梁下面的硅基体，释放已经微加工成型的二氧化硅悬臂梁针尖，形成透明的二氧化硅悬臂梁点样针尖。

本发明方法的具体步骤如下：

1、采用厚度在300-800微米之间的双面抛光(100)硅基体，在标准湿氧化工艺条件下氧化24小时以上，可以形成厚度约为1.5-2.5微米的二氧化硅薄膜层。

进一步增加氧化时间还可以增加二氧化硅薄膜的厚度，但是增加的速度很慢，所以一般情况下二氧化硅薄膜厚度达到2.5微米已经比较困难。

2、接着用3-4微米厚度的图形化正胶作为掩膜，采用常规反应离子刻蚀方法使二氧化硅薄膜层图形化，形成悬臂梁式点样针尖的整体外形轮廓，刻蚀时间依据二氧化硅薄膜厚度变化，约在50-100分钟之间。悬臂梁的长度范围100-1000微米，宽度范围20-300微米。同时刻蚀点样针尖尖端的贯穿性精细结构，该贯穿性微细结构是控制样点尺寸的关键所在，常见的是细缝或者微细孔隙等，尺寸在3微米以下，直至纳米尺度。该刻蚀工艺同时在硅基体的正面形成用于刻蚀储液槽的二氧化硅窗口。

本发明所述悬臂梁式点样针尖既可以单个制备，也可以同时制备多个构成点样针尖阵列。

3、再接着去胶，再次用2-3微米光刻胶作为掩膜，以常规反应离子刻蚀方法在已经形成的悬臂梁图案上刻蚀形成承担液体输送任务的导引微通道，沟通点样针尖的尖端与储液槽之间的联系，导引微通道是非上下贯通性微结构，其深度小于悬臂梁的厚度，0.5-1.5微米均可，宽度小于悬臂梁的宽度。

4、再接着通过双面光刻套准技术在硅基体的背面形成背刻蚀释放悬臂梁式点样针尖的光刻胶窗口图案，然后借助常规反应离子刻蚀或者湿法化学刻蚀工艺，将光刻胶图案转移到背面的二氧化硅薄膜上，形成从背后刻蚀硅基体的窗口。

5、最后用30-40wt％的KOH溶液在65-75℃下刻蚀去掉悬臂梁下面的硅基体，使经过微加工的二氧化硅悬臂梁悬空释放，再刻蚀正面的储液槽窗口的硅基体，使储液槽深度为10-60微米，即得到基于二氧化硅薄膜的悬臂梁式点样针尖。

上述刻蚀过程是在正面被夹具保护隔绝刻蚀液的条件下进行，当刻蚀悬臂梁下面的硅基体接近完成时(经过约6-8小时)，刻蚀液会进入原来被隔离保护的腔体，这时正面的储液槽窗口也将开始刻蚀硅基体，该过程持续约10-50分钟，悬臂梁就会完全释放，正面的储液槽深度约为10-60微米。取出夹具中的硅片，用净水浸洗干净，凉干分片即可得到能够使用的悬臂梁式点样针尖样品。

本发明以热氧化二氧化硅薄膜取代一般的单晶硅膜，作为结构材料用于制作悬臂梁及其上的针尖和液体输送微结构，不但能够显著提高针尖和流体通道的亲水性，没有内应力问题，改善悬臂梁的机械特性，针尖的总体性能得到改善，而且集成制造的工艺流程更加方便可靠。

附图说明

图1是典型的二氧化硅悬臂梁点样针尖的结构示意图。

其中1是储液槽，2是导引微通道，3是悬臂梁，4是针尖尖端，5是硅基体。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明的技术方案作进一步详细描述。

实施例1

用厚度在500微米之间的3英寸的双面抛光(100)硅基体5，在标准湿氧化工艺条件下氧化24小时，形成了厚度约为2.1微米的二氧化硅薄膜。

然后用3微米厚度的图形化正胶作为掩膜，采用常规反应离子刻蚀方法使二氧化硅膜层图形化，形成悬臂梁式点样针尖的整体外形轮廓图案，刻蚀时间为65分钟。悬臂梁3长度800微米，宽度120微米，单个针尖，尖端以30°倾角变窄。同时刻蚀点样针尖尖端4的细缝结构，缝隙宽度2微米，同时在硅基体的正面形成用于刻蚀储液槽1的二氧化硅窗口。

接着去胶，再次用3微米光刻胶作为掩膜，以常规反应离子刻蚀方法在已经形成的悬臂梁图案上刻蚀形成液体输送导引微通道2，导引微通道2的深度1微米，宽度50微米，连接点样针尖尖端4与储液槽1。

再接着通过双面光刻套准技术在硅基体5的背面形成背刻蚀释放悬臂梁式点样针尖的光刻胶窗口，然后借助常规反应离子刻蚀将光刻胶图案转移到背面的二氧化硅薄膜上，形成从背后刻蚀硅基体5的窗口。

最后用35％(wt)的KOH溶液在70℃下刻蚀去掉悬臂梁3下面的硅基体5，使经过微加工的二氧化硅悬臂梁3悬空释放。刻蚀过程是在正面被夹具保护隔绝刻蚀液的条件下进行，当刻蚀接近7小时后局部开始刻穿，刻蚀液进入原来被隔离保护的腔体，这时正面的储液槽1窗口也将开始刻蚀硅基体5，该过程中持续约20分钟，悬臂梁3已经完全释放，正面的储液槽1深度约为25微米。取出夹具中的硅片，用净水浸洗干净，凉干分片即可得到能够使用的悬臂梁式点样针尖样品。

将制得的该样品在商用点样机器上试用，由于整个针尖是全透明的二氧化硅制作，所以观察点样过程非常清楚，方便了点样过程的控制，所点制的样片上样点的最小直径为3微米，每一次加注可以点制约3000个样点，效果良好。

实施例2

基本工艺流程与实施例1相同，只是过程参数有所变化，其中单晶硅片的氧化时间缩短为15小时，相应氧化膜的厚度为1.7微米。点样针尖的尺寸不变，形成悬臂梁图案的刻蚀时间为55分钟，其它参数均不变，同样可以制备出点样针尖，经试用效果与实施例1基本相同。

实施例3

基本工艺流程与实施例1相同，只是过程参数和结构参数有所变化，其中单晶硅片的氧化时间增加到48小时，相应氧化膜的厚度为2.5微米。点样针尖的单体尺寸调整为长度1000微米，宽度200微米，尖端仍采用细缝结构，设计尺寸1.5微米，6个一组构成阵列，个体之间间距200微米，形成悬臂梁图案的刻蚀时间为90分钟，其它参数均不变，可以制备出点样针尖阵列，经试用能够满足商用点样设备的使用要求，点样效率有显著提高。

Claims (3)

1、一种基于二氧化硅薄膜的悬臂梁式点样针尖的集成制造方法，其特征在于包括如下步骤：

1)采用厚度为300-800微米的双面抛光(100)硅基体(5)，在标准湿氧化工艺条件下氧化24小时以上，形成厚度为1.5-2.5微米的二氧化硅薄膜层；

2)用3-4微米厚度的图形化正胶作为掩膜，采用反应离子刻蚀方法使二氧化硅薄膜层图形化，形成悬臂梁式点样针尖的整体外形轮廓，刻蚀时间为50-100分钟，悬臂梁(3)的长度为100-1000微米，宽度为20-300微米，同时刻蚀点样针尖尖端(4)的贯穿性精细结构，并同时在硅基体正面形成用于刻蚀储液槽(1)的二氧化硅窗口；

3)去胶后再次用2-3微米光刻胶作为掩膜，采用反应离子刻蚀方法在已经形成的悬臂梁图案上刻蚀形成导引微通道(2)，沟通点样针尖尖端(4)与储液槽(1)之间的联系，导引微通道(2)是非上下贯通性微结构，其深度小于悬臂梁的厚度，宽度小于悬臂梁的宽度；

4)通过双面光刻套准技术在硅基体(5)的背面形成背刻蚀释放悬臂梁式点样针尖的光刻胶窗口图案，然后借助反应离子刻蚀或者湿法化学刻蚀工艺，将光刻胶图案转移到背面的二氧化硅薄膜上，形成从背后刻蚀硅基体的窗口；

5)用30-40wt％的KOH溶液在65-75℃下刻蚀去掉悬臂梁(3)下面的硅基体，使悬臂梁(3)悬空释放，再刻蚀正面的储液槽窗口的硅基体，使储液槽(1)深度为10-60微米，即得到基于二氧化硅薄膜的悬臂梁式点样针尖。

2、根据权利要求1的基于二氧化硅薄膜的悬臂梁式点样针尖的集成制造方法，其特征在于所述悬臂梁点样针尖是单个制备，或者是同时制备多个构成阵列。

3、根据权利要求1的基于二氧化硅薄膜的悬臂梁式点样针尖的集成制造方法，其特征在于所述点样针尖尖端(4)的贯穿性精细结构为细缝或者微细孔隙，尺寸在3微米以下。

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