CN1526454A

CN1526454A - 微针头阵列制造方法

Info

Publication number: CN1526454A
Application number: CNA031192572A
Authority: CN
Inventors: 郭仕奇; 陈相甫
Original assignee: INST OF INDUSTRIAL TECHN
Current assignee: INST OF INDUSTRIAL TECHN
Priority date: 2003-03-06
Filing date: 2003-03-06
Publication date: 2004-09-08

Abstract

本发明涉及一种微针头阵列制造方法，以较低材料成本及简易制作流程制造出具有斜面端头的中空微针头阵列，此种微针头由于末端尖锐而易于刺入生物组织，有利于药物注射与微量采样的应用；其制造程序主要是先在硅晶圆上进行湿蚀刻，形成具有斜面几何的凹陷区，然后利用此凹陷区，接着进行金属电镀、曝光显影或微加工等方式，来制造微针头阵列。

Description

微针头阵列制造方法

技术领域

本发明涉及一种微针头(microneedle)的制造方法，特别是指一种端头呈斜面状的中空微针头阵列(hollow microneedle array)的制造方法。

背景技术

中空微针头阵列(hollow microneedle array)广泛运用于采血系统、微量采样与药物注射等生物医学领域，其类型依材料可区分为半导体材料、高分子材料及金属。

目前以半导体材料制造中空微针头阵列，多半以硅晶圆为主，在相关的专利前案包括WO0215960、WO0217985、WO0166065等案件中所揭露的制作流程由于需要经过多道干、湿蚀刻于薄膜沉积步骤，因此制造程序上较为繁杂且需时漫长，以致产能不易提高、成本亦无法降低，批量生产的路困难重重。

另外，部分制作流程制造出的是锥形针头，相关前案如US6334856，其通道宽度是由微针头根部向末端渐次缩小的，在兼顾内径和结构强度的考虑下，此类微针头往往无法提高阵列的密度，造成采样不足的问题，或是在药物注射的应用上，由于管径逐渐缩小使流体阻力增大，因此根部端必须提高驱动功率，相对而言拉高了设备成本。

至于较常见的平头型微针头，则因为尖锐度不足，不易入侵挠性的生物组织，相对来说必须具备更高的结构强度，否则在勉强使用的情形下会有断针之虞。

发明内容

本发明欲解决的技术问题，在于通常的微针头阵列制作流程的外形、结构强度受限于制作流程技术而未臻理想，现有的制作流程步骤亦过于繁杂，无法达到批量生产的合理标准。

鉴于以上现有公知技术的问题，本发明所提供的微针头阵列制造方法主要是先在硅晶圆上形成斜面状的凹陷区，然后利用此一斜面状的凹陷区，接着进行金属电镀、曝光显影或微加工等方式，来制造微针头阵列。

本发明所达成的功效，在于能以简易制作流程制造出微针头阵列，此微针头不仅末端呈斜面状、具有锐角而易于刺入生物组织，亦可作为翻模复制其它材质的微针头阵列。

附图说明

图1A至图1H为本发明第一最佳实施例的制造流程图；

图2A至图2F为本发明第二最佳实施例的制造流程图；

图3A至图3C为本发明第三最佳实施例的制造流程图；

图4A至图4H为本发明第四最佳实施例的制造流程图；

图5A至图5H为本发明第五最佳实施例的制造流程图；

图6、图7为本发明的斜面状凹陷区形状与可获得各种微针头形状对照图；及

图8A至图8G为本发明第六最佳实施例的制造流程图。图中

100硅晶圆 101凹陷区

102穿孔 110保护层

111待湿蚀刻区 112待干蚀刻区

120起始金属层 130感光材料

131镀着区 140金属微针头

210蚀刻区 220蚀刻区

230蚀刻区 300硅晶圆

310金属微针头 320脱模层

330热塑性薄膜 340微针头

401硅晶圆 402保护层

403待湿蚀刻区 404凹陷区

405非反射层 406牺牲层

407感光材料 408第一曝光区

409第二曝光区 410底材

420微针头阵列 501硅晶圆

502保护层 504凹陷区

505非反射层 506牺牲层

507感光材料 508第一曝光区

509非反射层 510感光材料

511非反射层 512感光材料

520底材 530微针头阵列

5a、5b、5c通道 601硅晶圆

602保护层 603待湿蚀刻区

604凹陷区 605牺牲层

606塑性材料 607底材

610微针头阵列 6a、6b通道

具体实施方式

一、金属电镀制造微针头阵列

请参阅图1A至图1H，本发明第一最佳实施例所提供的微针头阵列的制造方法，是通过下列步骤来完成：

首先在一块硅晶圆100的上下表面铺设保护层110(如氮化(Si3N4))，如图1A，图1B铺设光阻曝光显影定义欲蚀刻区域，并蚀刻保护层110后得到待湿蚀刻区111，并进而对待湿蚀刻区111中露出的局部硅晶圆110施予湿蚀刻，由于硅晶圆100在湿蚀刻时所展现非等向性蚀刻的特性，而可形成具有斜面几何的凹陷区101，如图1C，然后在底侧的保护层110同样以平版印刷方式，定义出待干蚀刻区112；而后，如图1D在硅晶圆100顶面铺设起始金属层120(如铬、镍、铜等)，继而再次利用平版印刷技术，如图1E在起始金属层120上铺设感光材料130，并形成数个镀着区131露出局部的起始金属层120，此镀着区131实质上为管状的中空区域；随后，于镀着区131中露出局部的起始金属层120上镀着(plating)金属如铜、镍等，而形成金属微针头140，由于镀着时金属原子的排列特性会对应到呈斜面状的起始金属层120，因此金属微针头140的末端也是呈斜面状的，如图1F；再者，如图1G所示进行脱模程序，移除感光材料130露出中空的金属微针头140；最后，对硅晶圆100进行干蚀刻，形成贯通金属微针头140的穿孔102。

在上述的制作流程中，待干蚀刻区112的定义并不限定在进行湿蚀刻之前，基本上只要在进行干蚀刻之前进行即可；而且，金属电镀的技术可以选择性地以电镀、无电镀(electroless plating)、蒸镀(deposition)或溅镀(sputtering)等方式达成，所以起始金属层120并非绝对必要，同时金属材料也可选自镍、铁、金、铂、钯、各式合金或不锈钢。另外，以硅晶圆100上为底材形成斜面状凹陷区并不予以特定，亦可采用干蚀刻方式，或是采用其它底材如聚甲基丙烯甲酯材料(PMMA)、光阻等聚合物材料等，利用如激光加工、曝光显影(光阻倾斜曝光显影后获得斜面)或压模方式等制作出具斜面状凹陷区的底材亦可，而且不限于上述的半导体制作流程步骤排序。

至于形成微针头阵列的密度控制方式，则在定义待湿蚀刻区时，通过控制待湿蚀刻区本身的横宽，以及待湿蚀刻区彼此间的距离来达成。如图2A至图2F所示本发明的第二最佳实施例，依图2B定义出待湿蚀刻区210、220本身不同的内径长度A1、A2，或控制待湿蚀刻区210、220、230彼此间不同的距离B1、B2，最后即能获致不同密度的阵列，如图2F所示。

上述披露的制作流程除了可制造出金属微针头之外，亦可将制造出的金属微针头当作母模，进行其它材质微针头的制造。请参阅图3A至图3C，本发明第三最佳实施例是先在具有金属微针头310的硅晶圆300表面沉积脱模层320(如聚四氟乙烯)，然后加热金属微针头310及硅晶圆300，将高分子材料例如热塑性薄膜330以均匀气压向金属微针头310压制，待热塑性薄膜330沿金属微针头310形状贴附，冷却后脱模即形成微针头340。因此，金属微针头可经微射出成形、微热压成形，或是翻模批量生产制造其它材料的微针头阵列；再者，依照材料的不同，脱模方式可以利用加热、冷却、界面涂层、溶剂与直接脱模等方式。

二、曝光显影制造微针头阵列

除了上述以镀层技术制造金属微针头、高分子微针头之外，同样利用具有斜面状凹陷区的硅晶圆，亦可通过曝光掩模的方式制作微针头本体。

请参阅图4A至图4H，本发明第四最佳实施例的施行步骤为：4A.在硅晶圆401表面沉积蚀刻保护层402；4B.铺设光阻曝光显影定义欲蚀刻区域，并蚀刻保护层402后得到待湿蚀刻区403；4C.非等向蚀刻(湿蚀刻)硅晶圆401得到具有斜面几何的凹陷区404；4D.铺设非反射层(如黑色光阻)405后，铺设牺牲层如金(或脱膜层如聚四氟乙烯)406；4E.再铺设感光材料407，进行第一次曝光得到第一曝光区408；4F.进行第二次曝光得到微针头形状的第二曝光区409；4G.去除牺牲层406(或直接脱膜)，得到具有斜面几何的底材410；4H.底材410显影后获得微针头阵列420。

上述步骤中，非反射层405主要目的是避免感光材料曝光时由于曝光深度不同造成过度曝光，并且非反射层405牺牲层406(或脱膜层)铺设先后次序可调换；而且，也可以先进行脱模，再进行曝光显影的步骤。

另外，铺设一层以上的感光材料，可用来改变针头通道的管径，并可整合微通道结合形成取血及输送系统，详述如以下：

请参阅图5A至图5H，本发明第五最佳实施例的施行步骤为：5A.蚀刻沉积有保护层502的硅晶圆501得到具有斜面几何的凹陷区504，并铺设非反射层505、牺牲层(或脱膜层)506；5B.铺设第一层感光材料507，进行第一次曝光得到第一曝光区508；5C.进行第二次曝光；5D.再铺设一层非反射层509、铺设第二层感光材料510，进行第三次曝光；5E.再铺设一层非反射层511、铺设第二层感光材料512，进行第四次曝光；5F.去除牺牲层506(或直接脱膜)，得到具有斜面几何的底材520；5G.底材520显影后获得微针头阵列530。

其中非反射层与牺牲层或脱膜层铺设先后顺序可调换，或依不同结构需要及制作流程需要而省略，而第二次曝光亦可以做或不做，做的话底材较坚固；另外，感光材料也有正、负光阻可供选择。

因此，利用相近的制作流程，可组合堆栈一层以上的光阻材料，形成不同大小的通道组合(通道5a、5b)，不同管径的控制将使针头的应用层面更广；或是作为储存区及设计成通道连结网络(通道5c)，而定义蚀刻区域之间的距离及区域的大小，将可控制斜面针头的疏密。

利用上述方式可形成微针头斜面底材上的各种斜面几何，进而制作出各种斜面组合的微阵列针头，如单斜面(如图6的(A))、双斜面(如图7的(A))，或是其它形式的斜面(如图6的(B)、(C)等)。

三、微加工技术制造微针头阵列

请参阅图8A至图8G所披露的本发明第六最佳实施例，其施行步骤为：8A.在硅晶圆601表面沉积保护层602；8B.定义出待湿蚀刻区603；8C.蚀刻硅晶圆601得到具有斜面几何的凹陷区604；8D.铺设牺牲层605(或脱膜层)；8E.、8F.、8G.以塑性材料606进行压模，形成具有斜面几何的底材607，而后去除牺牲层605(或脱膜)；8H.微加工处理(定义通道6a、6b)，得到微针头阵列610。其中塑性材料可以是热塑性或热固性；微加工处理方式可采用激光加工、蚀刻等；而得到底材607的方式亦可采用射出成型。

就上述而言，仅为本发明较佳的实施例而已，并非用以限定本发明实施的范围；任何熟习此技艺者，在不脱离本发明的精神与范围下所作的均等变化与修饰，皆应涵盖于本发明的专利范围内。

Claims

1.一种微针头阵列制造方法，包含以下步骤：

在一硅晶圆表面沉积一保护层；

定义出复数待湿蚀刻区；

蚀刻该硅晶圆得到具有斜面几何的复数凹陷区；及

利用该凹陷区进行一后续加工以得到一微针头阵列。

2.如权利要求1所述微针头阵列制造方法，其中该后续加工选自电镀、曝光显影与微加工的群组组合其中之一。

3.如权利要求1所述微针头阵列制造方法，其中该硅晶圆置换为一种聚甲基丙烯甲酯材料(PMMA)，并通过激光加工方式获得具斜面几何的该凹陷区。

4.如权利要求1所述微针头阵列制造方法，其中该硅晶圆置换为一光阻材料，并通过倾斜曝光显影方式获得具斜面几何的该凹陷区。

5.如权利要求1所述微针头阵列制造方法，其中该微针头阵列中任一微针头的端面局部或全部成斜面状。

6.如权利要求1所述微针头阵列制造方法，其中该后续加工更包含以下步骤：

以平版印刷(lithography)方式铺设一感光材料于该硅晶圆上，并形成一凹陷的镀着区；

镀着一种金属于该镀着区以形成复数金属微针头；

移除该感光材料以露出中空的该金属微针头；及

干蚀刻该硅晶圆以获得复数穿孔贯通该金属微针头。

7.如权利要求6所述微针头阵列制造方法，其中该斜面状凹陷区形成后先进行沉积一起始金属层于该硅晶圆上的步骤，且该镀着区暴露局部的该起始金属层。

8.如权利要求6所述微针头阵列制造方法，其中镀着该金属的方式选自电镀、无电镀(electroless plating)、蒸镀(deposition)或溅镀(sputtering)的群组组合其中之一。

9.如权利要求6所述微针头阵列制造方法，其中该金属选自铜、铬、镍、铁、金、铂、钯的纯金属及其合金与不锈钢的群组组合其中之一。

10.如权利要求6所述微针头阵列制造方法，其中移除该感光材料及获得该穿孔的方式选自激光加工、蚀刻(etching)与平版印刷的群组组合其中之一。

11.如权利要求6所述微针头阵列制造方法，其中更包含以具有该金属微针头的该硅晶圆作为模具制造复数微针头的步骤。

12.如权利要求11所述微针头阵列制造方法，其中制造该微针头的方式选自微射出成型与微热压成形的群组组合其中之一。

13.如权利要求1所述微针头阵列制造方法，其中该后续加工更包含以下步骤：

铺设一非反射层与一牺牲层于该硅晶圆上；

铺设一感光材料；

进行曝光使该感光材料中形成微针头阵列形状的一曝光区；

去除该牺牲层，得到一具有斜面几何的底材；

将该底材显影以获得一微针头阵列。

14.如权利要求13所述微针头阵列制造方法，其中铺设该感光材料的步骤之后，先去除该牺牲层，再对获得的该底材进行曝光及显影。

15.如权利要求13所述微针头阵列制造方法，其中该牺牲层置换为一脱模层。

16.如权利要求13所述微针头阵列制造方法，其中更包含重复铺设该感光材料并进行曝光的步骤，使该微针头阵列的通道具有内径变化，或作为一储存区或一通道连结网络之用。

17.如权利要求1所述微针头阵列制造方法，其中该后续加工更包含以下步骤：

铺设一牺牲层于该硅晶圆上；

以一塑性材料进行压模；

去除该牺牲层，得到一具有斜面几何的底材；

进行一微加工处理，以获得一微针头阵列。

18.如权利要求17所述微针头阵列制造方法，其中该牺牲层置换为一脱模层。

19.如权利要求17所述微针头阵列制造方法，其中该塑性材料选自热固性材料与热塑性材料的群组组合其中之一。

20.如权利要求17所述微针头阵列制造方法，其中以该塑性材料进行压模的步骤，置换为将该塑性材料射出成型的步骤。

21.如权利要求17所述微针头阵列制造方法，其中该微加工处理选自激光加工与蚀刻的群组组合其中之一。

22.一种微针头阵列制造方法，包含以下步骤：

湿蚀刻一表面具有一保护层的硅晶圆，以形成一斜面状凹陷区；

镀着一金属于该镀着区以形成复数金属微针头；

移除该感光材料以露出中空的该金属微针头；及

干蚀刻该硅晶圆以获得复数穿孔贯通该金属微针头。

23.如权利要求22所述微针头阵列制造方法，其中该硅晶圆置换为一聚甲基丙烯甲酯材料(PMMA)，并通过激光加工方式获得具斜面几何的该凹陷区。

24.如权利要求22所述微针头阵列制造方法，其中该硅晶圆置换为一光阻材料，并通过激光加工或倾斜曝光显影方式获得具斜面几何的该凹陷区。

25.如权利要求22所述微针头阵列制造方法，其中该金属微针头的端面局部或全部成斜面状。

26.如权利要求22所述微针头阵列制造方法，其中该斜面状凹陷区形成后先进行沉积一起始金属层于该硅晶圆上的步骤，且该镀着区暴露局部的该起始金属层。

27.如权利要求22所述微针头阵列制造方法，其中镀着该金属的方式选自电镀、无电镀(electroless plating)、蒸镀(deposition)或溅镀(sputtering)的群组组合其中之一。

28.如权利要求22所述微针头阵列制造方法，其中该金属选自铜、铬、镍、铁、金、铂、钯的纯金属及其合金与不锈钢的群组组合其中之一。

29.如权利要求22所述微针头阵列制造方法，其中移除该感光材料及获得该穿孔的方式选自激光加工、蚀刻(etching)与平版印刷的群组组合其中之一。

30.如权利要求22所述微针头阵列制造方法，其中更包含以具有该金属微针头的该硅晶圆作为模具制造复数微针头的步骤。

31.如权利要求30所述微针头阵列制造方法，其中制造该微针头的方式选自微射出成型与微热压成形的群组组合其中之一。

32.一种微针头阵列制造方法，包含以下步骤：

铺设一非反射层与一牺牲层于该硅晶圆上；

铺设一感光材料；

进行曝光使该感光材料中形成微针头阵列形状的一曝光区；

去除该牺牲层，得到一具有斜面几何的底材；

将该底材显影以获得一微针头阵列。

33.如权利要求32所述微针头阵列制造方法，其中该硅晶圆置换为一聚甲基丙烯甲酯材料(PMMA)，并通过激光加工方式获得具斜面几何的该凹陷区。

34.如权利要求32所述微针头阵列制造方法，其中该硅晶圆置换为一光阻材料，并通过激光加工或倾斜曝光显影方式获得具斜面几何的该凹陷区。

35.如权利要求32所述微针头阵列制造方法，其中该微针头阵列中任一微针头的端面局部或全部成斜面状。

36.如权利要求32所述微针头阵列制造方法，其中铺设该感光材料的步骤之后，先去除该牺牲层，再对获得的该底材进行曝光及显影。

37.如权利要求32所述微针头阵列制造方法，其中铺设该感光材料的步骤之后，先进行曝光、显影，再去除牺牲层。

38.如权利要求32所述微针头阵列制造方法，其中该牺牲层置换为一脱模层。

39.如权利要求32所述微针头阵列制造方法，其中更包含重复铺设该感光材料并进行曝光的步骤，使该微针头阵列的通道具有内径变化，或作为一储存区或一通道连结网络之用。

40.一种微针头阵列制造方法，包含以下步骤：

铺设一牺牲层于该硅晶圆上；

以一塑性材料进行压模；

去除该牺牲层，得到一具有斜面几何的底材；

进行一微加工处理，以获得一微针头阵列。

41.如权利要求40所述微针头阵列制造方法，其中该硅晶圆置换为一聚甲基丙烯甲酯材料(PMMA)，并通过激光加工方式获得具斜面几何的该凹陷区。

42.如权利要求40所述微针头阵列制造方法，其中该硅晶圆置换为一光阻材料，并通过激光加工或倾斜曝光显影方式获得具斜面几何的该凹陷区。

43.如权利要求40所述微针头阵列制造方法，其中该微针头阵列中任一微针头的端面局部或全部成斜面状。

44.如权利要求40所述微针头阵列制造方法，其中该牺牲层置换为一脱模层。

45.如权利要求40所述微针头阵列制造方法，其中该塑性材料选自热固性材料与热塑性材料的群组组合其中之一。

46.如权利要求40所述微针头阵列制造方法，其中以该塑性材料进行压模的步骤，置换为将该塑性材料射出成型的步骤。

47.如权利要求40所述微针头阵列制造方法，其中该微加工处理选自激光加工与蚀刻的群组组合其中之一。