JP2004524172A - Micro projection array and method of manufacturing micro projection - Google Patents

Micro projection array and method of manufacturing micro projection Download PDF

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Abstract

複数の連続したプラズマ並びにウェット等方性および異方性エッチングのステップによって、マイクロ突起物アレイを、シリコンウェーハから形成する。得られるマイクロ突起物(14)は、ウェット等方性エッチングによって形成された鋭利な先端(18)またはカッティングされた端を有し、各マイクロ突起物は、凹面を有する各側面(16)を備えた実質的に角錐の形状を有する。各マイクロ突起物の先端は、ベース(12)と平行に延びる実質的に平坦な上面(20)を有する。An array of microprojections is formed from a silicon wafer by a plurality of successive plasma and wet isotropic and anisotropic etching steps. The resulting microprojections (14) have a sharp tip (18) or cut edge formed by wet isotropic etching, and each microprojection has a concave side (16). Having a substantially pyramid shape. The tip of each microprojection has a substantially flat upper surface (20) extending parallel to the base (12).

Description

【技術分野】
【0001】
本発明は、マイクロデバイスおよびマイクロ突起物アレイ(microprotrusion array)を指向する。また本発明は、患者の皮膚を通じて物質を送達または回収するためのマイクロデバイス、特にマイクロ突起物アレイの製造方法を指向する。
【背景技術】
【0002】
様々な作業を行う種々のマイクロデバイスが、当該技術分野において知られている。近年、関心を集めている適用分野の1つは、流体制御デバイスおよびマイクロバルブ(microvalves)の分野におけるものである。マイクロバルブは、薬物送達、内燃機関用の燃料供給システムだけでなく、インクジェットプリンタの分野なども含む多くの産業用途において有用であることが分かっている。これらのデバイスは、多くの異なるプロセスによって作製されている。
【0003】
電子デバイスおよび集積回路チップの製造において普通に用いられる多くの技術が、マイクロメカニカルデバイスのマイクロ機械加工に適している。これらのマイクロデバイスは通常、マイクロエレクトリカルメカニカルシステム(MEMS)と呼ばれる。デバイスは極めて小さく、多くの種類の材料から作製することができる。一般的な材料は、集積回路産業で使用されるようなシリコンウェーハの形態のシリコンである。使用できる他の材料としては、ガラスおよびセラミックスがある。
【0004】
マイクロバルブの例が、Johnsonらにより開示されている(例えば、特許文献1参照)。そこで開示されたマイクロバルブは、弁座を有するシリコンダイアフラムおよび流路を備えている。ダイアフラムは、ダイアフラムがそらされたときに弁座に接することができるように位置付けられている。ダイアフラムは、シリコンボディ(silicon body)を、エッチングおよび機械加工することによって形成される。別個の作動力をダイアフラムに適用して、バルブが開閉する。ダイアフラムの一方の側に力を適用するために、作動デバイスを、加圧流体またはソレノイドメカニズムとすることができる。
【0005】
ガスクロマトグラフィのアセンブリにおける、バルブのソレノイド作動が知られており、Terryらにより開示されている(例えば、特許文献2参照)。バルブ構造は、所望の形状を形成するように、バルブ本体をエッチングおよび機械加工することによって形成される。ソレノイド作動のデバイスは作製するには高価であり、デバイスの一部を効率的に製造することができない。
【0006】
マイクロデバイスの他の領域は、患者の皮膚を通して物質を送達またはサンプリングするためのデバイス分野におけるものである。マイクロデバイスは通常、所望の深さまで皮膚に侵入するための小さいゲージ針(gauge needles)または針状デバイスである。マイクロ針デバイスは、患者に対して最小限の痛みまたは不快感で、皮膚を通じて物質を送達または回収することができるので、それらは多くの用途において望ましい。
【0007】
注目を得ているデバイスの1つのタイプは、標準的なカニューレよりも少ない痛みまたは不快感で、皮膚の外層に侵入することができるマイクロデバイスである。これらのマイクロデバイスは通常、数ミクロンから数100ミクロンの長さの針を有している。皮膚を通じて薬物を送達するためのマイクロデバイスは、角質層を通じる微細な孔または切り口を作る。角質層に侵入して、角質層の中または下の皮膚に薬物を送達することによって、多くの薬物を効果的に投与することができる。角質層に侵入するためのデバイスは一般的に、表皮を完全に通過することなく、角質層に侵入するための長さを有するミクロンサイズの複数の針または刃を備えている。これらのデバイスの例が、Godshallら、Leeら、Allenらによって開示されている(例えば、特許文献3、特許文献4、特許文献5、および特許文献6を参照)。
【0008】
種々の方法が、従来の薬物送達デバイスのマイクロ針およびマイクロ刃を作製するために用いられている。しかしこれらの方法では、マイクロ針またはマイクロ刃の形状および寸法が制限されている。したがって製造業においては、マイクロデバイスの形成方法を改善することが、継続して必要とされている。
【0009】
【特許文献1】
米国特許第6,056,269号明細書
【特許文献2】
米国特許第4,582,624号明細書
【特許文献3】
米国特許第5,879,326号明細書
【特許文献4】
米国特許第5,250,023号明細書
【特許文献5】
国際公開第97/48440号パンフレット
【特許文献6】
米国特許第6,334,856号明細書
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【0010】
本発明は、マイクロデバイス、特にマイクロ突起物を指向する。また本発明は、マイクロデバイスの形成方法も指向する。
【0011】
したがって本発明の主要な目的は、マイクロデバイス、特にマイクロ突起物アレイを、効率的かつ経済的な方法で形成するプロセスを提供することである。
【0012】
本発明の他の目的は、患者の皮膚を通して物質を送達または回収するためのマイクロ突起物アレイを形成するためのプロセスを提供することである。
【0013】
本発明のさらに他の目的は、シリコンウェーハのウェットエッチングによってマイクロ突起物アレイを形成するためのプロセスを提供することである。
【0014】
本発明のさらなる目的は、基板をエッチングして実質的に角錐形状を有するマイクロ突起物を作製することによって、マイクロ突起物アレイを形成するためのプロセスを提供することである。
【0015】
本発明の他の目的は、ウェット等方性エッチング剤を用いて円錐形状のマイクロ突起物を形成する、エッチングプロセスを提供することである。
【0016】
本発明のさらなる目的は、マイクロ突起物を通る軸方向の通路(passage)を有するマイクロ突起物アレイを形成するためのプロセスを提供することである。
【0017】
本発明のさらに他の目的は、マイクロ突起物を形成した後にマイクロ突起物内に軸方向の通路を製造するためのエッチングプロセスを提供することである。
【0018】
本発明のさらなる目的は、基板をエッチングして環状本体と円錐形状の先端とを有するマイクロ突起物を形成することによってマイクロ突起物を形成するためのプロセスを提供することである。
【0019】
本発明の他の目的は、環状面の上に連続的な鋭い隆起部を有する、環状のマイクロチューブを形成するためのプロセスを提供することである。
【0020】
本発明のさらなる目的は、マイクロ突起物の先端上に酸化物層を形成し、かつ酸化物層を除去し、鋭利な先端を形成するプロセスを提供することである。
【0021】
本発明のさらに他の目的は、基板上にリング形状のマスキング層を形成し、かつ基板をエッチングして環状のマイクロ突起物を形成することによって、マイクロ突起物アレイを形成するためのプロセスを提供することである。
【0022】
本発明のさらなる目的は、傾斜が付けられた先端を有するマイクロ突起物を形成するためのエッチングプロセスを提供することである。
【0023】
本発明の他の目的は、外側環状面を備えたマイクロ突起物を有するマイクロ突起物アレイであって、外側環状面が複数の鋭利な尖端を有するマイクロ突起物アレイを形成するためのプロセスを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【0024】
本発明のこれらおよび他の目的は基本的に、幅および長さ、上面および底面を有するベースと、アレイに配置された複数のマイクロ突起物であって、ベースの上面から延び、ベースと一体的に形成され、各マイクロ突起物はそれらの外端へ延びる少なくとも1つの面を有するマイクロ突起物とを備える、一体式のマイクロ突起物デバイスを提供することによって達成される。
【0025】
本発明の目的はさらに、上面と底面とを有する基板を提供するステップと、パターン化されたマスキング層を上面上の複数の領域に形成するステップであって、パターン化されたマスキング層の領域は、マイクロ突起物に対応する所定の寸法を有し、マスキング層の領域の周囲の基板上面の露出領域を規定するステップと、基板上面の露出領域を、複数のマイクロ突起物を形成するのに十分な深さまでエッチングするステップと、基板からマスキング層を除去して、マイクロ突起物を露出させるステップとを含むマイクロ突起物アレイの形成方法を提供することによって達成される。
【0026】
本発明の目的は、さらにまた、マスキング層のついた上面を有するシリコン基板を提供するステップと、マスキング層の一部を除去して、マスキング層の複数の実質的にリング形状の部分を上面上に形成するステップと、シリコン基板の上面をエッチングして、各リング形状部分の中心を通って延びるチャネルを形成し、かつ、各リング形状部分の周囲に環状の柱を形成するステップと、マスキング層のリング形状部分を除去して、マイクロ突起物アレイを形成するステップとを含むマイクロ突起物アレイの形成方法を提供することによって達成される。
【0027】
本発明の目的はさらに、上面と底面とを有する基板を提供するステップと、複数の凹部を上面内に形成するステップであって、凹部は、上面の平面に対して傾斜した表面を規定し、傾斜した表面は鋭利な先端のアレイを形成するステップと、鋭利な先端の周囲の基板の一部を除去して、鋭利な先端によって形成される外端を有するマイクロ突起物アレイを形成するステップとを含むマイクロ突起物アレイの形成方法を提供することによって達成される。
【0028】
本発明の目的は、さらにまた、上面と底面とを有する基板を提供するステップと、基板の上面上にマイクロ突起物アレイを形成するステップであって、マイクロ突起物は上面を有するステップと、各マイクロ突起物の上面上に少なくとも1つの傾斜を形成するステップとを含むマイクロ突起物アレイの形成方法を提供することによって達成される。
【0029】
本発明の目的、利点、および他の顕著な特徴は、この最初の開示の一部を構成する、添付図面と本発明の以下の詳細な説明とを考慮することによって、当該技術分野における当業者にとって明らかになる。
【発明を実施するための最良の形態】
【0030】
本発明は、マイクロ突起物デバイスおよびマイクロ突起物デバイスの形成方法を指向する。より詳細には、本発明は、一体式マイクロ突起物アレイとマイクロ突起物アレイからのマイクロデバイスとの製造方法を指向する。
【0031】
好ましい実施態様における本発明のマイクロデバイスは、患者の皮膚を通して物質を送達または回収するために、選択された深さまで患者の皮膚に侵入するためのマイクロ突起物アレイである。「マイクロ突起物」という用語は、本明細書で用いる場合、所望する深さまで患者の皮膚の1つまたは複数の層に侵入することができる構造を指す。本発明の好ましい実施態様におけるマイクロ突起物は、鋭利な先端を有し、円錐形状または角錐形状にすることができる。この用語が本明細書で用いられる場合、マイクロ突起物は、本明細書で述べるいくつかの実施態様の場合のように、尖端もしくは鋭利な先端またはカッティング(cutting)もしくはスクレーピング(scraping)した端を有することもあるし、有さないこともある四角形または円形の横断面を有する突出部材を備える。またマイクロ突起物には、軸方向の通路を有する環形状の柱も包含される。
【0032】
図1〜3は、本発明のマイクロデバイス10の1つの実施態様を示す。マイクロデバイス10は、ベース12と複数のマイクロ突起物14とを備える。本実施態様においては、マイクロ突起物14は、実質的に均一に間隔を置いて配置された行および列で、間隔を置いて配置されている。マイクロ突起物14は、実質的に角錐形状を有し、各側面16は凹面を有している。側面16は、先端18に集中する。各マイクロ突起物14の先端18は、ベース12に平行に広がる実質的に平坦な上面20を有する。図3の上面図に示すように、上面20は実質的に四角形の形状を有する。
【0033】
マイクロデバイス10は、複数の突出部材を有し、かつ、患者に物質を送達するまたは患者から物質を回収することに対して、選択された深さまで患者の皮膚に侵入させるために主に使用される。好ましい実施態様においては、マイクロデバイス10は、物質、特に医薬組成物を患者に送達するための貯蔵所(reservoir)に結合されている。あるいは、マイクロデバイス10は、好適な抽出デバイス、吸収性デバイスまたは患者からの流体(fluid)を回収して保管するための物質を備える。患者からサンプリングすることができる物質の例としては、薬物、検体、およびグルコースが含まれる。
【0034】
本発明のマイクロ突起物14は、身体が吸収して利用することができる物質を送達するために所望の深さまで患者の皮膚内へ侵入するのに適した長さおよび幅を有する。マイクロ突起物14の長さは一般に、送達される物質および皮膚上の送達領域によって決められる。本発明の実施態様においては、マイクロ突起物14は、約10μmから約2mmの長さを有することができる。1つの実施態様においては、マイクロデバイス10は、患者に対する痛みおよび刺激を最小限にするように、角質層を貫通することなく皮膚の角質層に侵入するための送達デバイスである。この実施態様においては、マイクロ突起物は、約10μmから約100μm、一般的に約10μmから約50μmの長さを有することができる。皮膚の選択された層に侵入するように意図された、送達およびサンプリングデバイスは、約100μmから約1000μmの長さを有することができる。他の実施態様においては、マイクロデバイス10は、皮膚を通して物質を送達または回収するために、角質層内にまたは角質層を通して溝(grooves)を掘るかまたは刻むためのマイクロ研磨器(microabrader)内に組み入れらる。
【0035】
マイクロデバイス10を、意図する使用および送達またはサンプリングする物質に応じて、種々の材料から作製することができる。好適な例としては、金属、例えば金、ポリマー材料、例えばポリカーボネート、および他の非金属が含まれる。好ましい実施態様においては、マイクロデバイス10はシリコンから作製される。シリコンウェーハは容易に入手可能で、既知の種々のプロセスを用いて機械加工および成形することができるので、シリコンは好ましい材料である。
【0036】
マイクロデバイス10は好ましくは、MEMS処理(マイクロエレクトロメカニカルシステム)によってシリコンウェーハから作製される。シリコンは、3つの形態、すなわち結晶、多結晶、およびアモルファスが存在する元素である。シリコンは、本発明のマイクロデバイスに特に適する、弾性があって強固な材料である。電子産業において入手できる超高純度の電子グレード(electronic grade)のシリコンウェーハが、本発明の使用に適している。
【0037】
多結晶シリコン(通常ポリシリコンと言われる)およびアモルファスシリコンは一般的に、5μm未満の一般的な厚みで薄膜として基板上に堆積させられる。結晶シリコン基板は、円形ウェーハとして市販されている。これらのシリコンウェーハは一般的に、直径100mmおよび直径約150mmで入手可能である。直径100mmのシリコンウェーハは、約525μmの厚みである。
【0038】
シリコンウェーハの機械特性は、シリコンの結晶方位に依存する。後でより詳細に説明するように、結晶方位によってシリコンウェーハの面選択性エッチングが決められる。シリコンは、単純立方晶形(simple cubic shape)とみなすことができるダイアモンド格子結晶構造を有する。結晶内の特定の方向および面は、当該技術分野で知られているように、大括弧、カレット(carets)、丸括弧、および中括弧内に囲まれた3つの整数の表記法を用いて主軸に関して指定される。例えば[100]は、立方体の特定のベクトル方向を表わし、<100>は6つの方向を示している。同様に、(111)は[111]ベクトルに垂直な面である。{111}ベクトルは、8つの等価な結晶面を全て表わしている。当該技術分野で知られているように、多くのエッチングプロセスは、{100}面を選択エッチングするが、{111}面をエッチングしないので、{100}と{111}との間の角度は、マイクロ機械加工プロセスにおいては重要である。完成品の形状を制御するために、あるエッチングプロセスでは異なる面を異なる速度でエッチングすることができるが、他では同様の速度でエッチングする。市販のシリコンウェーハの大部分は{100}方位であり、これは上面が{100}面であることを示す。
【0039】
好ましい実施態様におけるマイクロデバイス10は、シリコンウェーハから、種々の連続するマスキングおよび選択エッチングのステップによって作製される。図1〜3の実施態様において、マイクロデバイス10は、パターン化されたマスクをシリコンウェーハの上面上に形成することによって作製される。マスクは、マイクロ突起物アレイの間隔および所望のパターンに対応して、間隔を置いて配置されるドットのアレイとして形成される。図1〜3の実施態様においては、実質的に四角い先端を有するマイクロ突起物を製造するために、ドットは実質的に四角い形状を有している。マスク材料のドットの寸法によって、マイクロ突起物の最終的な寸法が決められる。好ましい実施態様においては、マスクは、シリコンウェーハの表面に適用され、かつ、光源に露出されてフォトレジスト層にパターンを形成するといったフォトレジスト材料である。
【0040】
フォトレジストを所望のパターンに形成した後に、露出したシリコンをエッチングして、シリコンの一部を除去する。例示した実施態様においては、シリコンをエッチングして、マイクロ突起物の側面の傾斜した表面を形成する。この形状は通常、ウェット水酸化カリウムエッチング溶液によって得られる。
【0041】
本発明のマイクロデバイスは、種々のマスキングおよびエッチングプロセスによって作製され、異なる形状のマイクロデバイスが得られる。1つの実施態様におけるマスクは、フォトリソグラフィによって形成され、フォトレジストの所望のパターンが得られる。あるいはマスクを、窒化ケイ素または酸化ケイ素層から形成することができる。エッチングのステップを、ウェットエッチング、プラズマエッチング、リアクティブイオンエッチング(RIE)、およびディープリアクティブイオンエッチング(DRIE)により行うことができる。
【0042】
リソグラフィは、フォトレジスト層を基板上に適用する、MEMS製造プロセスにおいて普通に用いられるプロセスである。フォトレジスト層は、光に露出された場合に可溶性および不溶性のパターンを形成する感光性のエマルジョン層である。フォトレジスト層を露出して、マスクの像を層上に印刷する。マスクは、ガラスなどの透明な支持体上にパターン化された不透明なクロム層である。完成したフォトレジスト層のパターンは、マスクによって規定される。
【0043】
選択されたパターンにフォトレジスト層を露出した後、層を水性の現像液中に浸して、露出部分を溶解し潜像を作製する。ポジ型フォトレジストは、感光剤を含有する有機樹脂材料である。フォトレジストは多くの場合、シリコンウェーハ上に、約0.5μmから10μmの厚さまでスピンコートされる。感光剤によって、現像液中に浸している間の未露出フォトレジストの溶解が妨げられる。200から450nmの範囲の光への露出によって感光剤が分解されるため、露出領域は即座に現像液中で溶解し始める。ネガ型フォトレジストでは、未露出領域が現像液中に溶解して、露出領域が残る。
【0044】
基板およびコーティングを、種々のエッチングプロセスによってエッチングすることができる。使用するエッチングプロセスによって、マイクロデバイスの最終形状が決められるため、エッチングプロセスはそれ相応に選択される。エッチングプロセスを選択する中で考慮される要因としては、等方性、エッチ媒体、他の材料に対するエッチの選択性が含まれる。
【0045】
等方性エッチング剤は、基板を全ての方向に実質的に均一な速度でエッチングし、丸みを帯びた横断面の特徴を作製する。対照的に、異方性エッチング剤は、主に1つの方向にエッチングする。通常、異方性エッチング剤は、シリコンウェーハの特定の結晶面に沿ってエッチングする。異方性エッチング剤の中には、主に1つの結晶面に沿ってエッチングし、かつ、より少ない程度に他の面に沿ってエッチングして、種々の形状を形成するものがある。異方性エッチング剤を用いて、平坦かつ明確な表面によって輪郭が描かれた、明確な深い溝(trenches)または空洞(cavities)が作製される。結晶面、このようにエッチング面は、必ずしもシリコンウェーハの表面に垂直ではない。ウェットエッチング剤は、等方性または異方性にすることができ、またコストおよび取り扱いの容易さのために、本発明において一般的に好まれる。
【0046】
本発明で用いる等方性ウェットエッチング剤としては、フッ化水素酸(HF)、並びにHNAとしばしば言われる、フッ化水素酸、硝酸(HNO3)、および酢酸(CH3COOH)の混合物が含まれる。硝酸は、シリコンを酸化させて二酸化ケイ素にする。二酸化ケイ素は、フッ化水素酸によって除去される。シリコンのエッチング速度は、混合物中の酸の割合を調整することによって、1μm/分から5μm/分まで変えることができる。
【0047】
ウェット異方性エッチング剤としては、金属水酸化物、例えば水酸化ナトリウム、水酸化カリウム、水酸化セシウムなどが含まれる。他の好適な水酸化物としては、水酸化アンモニウムおよびテトラメチルアンモニウム((CH34NOH)が含まれる。他の好適な異方性エッチとしては、エチレンジアミンとピロカテコールとの水性混合物(EDP)が含まれる。
【0048】
水酸化カリウムが、最も普通に使用される異方性エッチング剤である。水酸化カリウムは、{100}面をエッチングする場合よりも100倍遅い速度で、シリコンを{111}面に沿ってエッチングする。この結果、水酸化カリウムによってシリコンウェーハを効果的にエッチングして、{111}結晶面によって正確に輪郭が描かれるV形状の溝および深い溝を形成することができる。シリコンに対する水酸化カリウムのエッチング速度は、エッチング剤の温度および濃度に応じて、1分間あたり約0.5μmから2μmである。
【0049】
水性の異方性エッチング剤を用いるシリコンのエッチングは、結晶面を交差することによって形成される3次元のファセット構造(faceted structures)を作製する。マスキングパターンのデザインによって、得られる構造の全体的な形状が決められる。
【0050】
完成したデバイスの所望の形状は、シリコンウェーハの結晶方位によってある程度決められる。例えばV形状の空洞を形成するためには、{100}方位のウェーハが通常用いられる。エッチングの最前部は、マスクの開口部で始まって、垂直方向(<100>方向)に進み、平坦な底面と傾斜した側面とを有する空洞を作製する。エッチングは最終的には、4つの交差面に対して自己制限(self-limiting)し、上下逆の角錐またはV形状の谷間(trough)を形成する。
【0051】
エッチング中、{111}面によって境界を付けられた凹形の角部は損なわれずにいる。しかし、凸形の角部のわずかな腐食によって、{111}以外の面が露出されるから、凸形の角部は、エッチング剤によって即座に攻撃される。このようにして、マスクレイアウト内の凸形の角部はエッチング中にアンダーカットされるため、エッチングの最前部はマスクの真下へ進む。
【0052】
一般的なドライエッチングプロセスは、プラズマ相エッチ(plasma-phase etch)である。プラズマエッチングは基本的に、反応性中性種(neutrals)とイオンとを電界または磁界の作用の下で化学的に形成することと、粒子をターゲットの方へ加速することとを含む。反応種としては、SF6、CF4、Cl2、CClF3、およびNF3が含まれる。プラズマエッチングの1つのタイプは、一般的にリアクティブイオンエッチング(RIE)と言われる。誘導結合プラズマ式リアクティブイオンエッチング(ICP−RIE)では、外部から適用されたRF磁界を用いる。ディープリアクティブイオンエッチング(DRIE)は、シリコンを異方性エッチングすることができる高速エッチングである。
【0053】
本発明のマスキング材料は、完成品を形成するために用いるエッチングプロセスに従って選択される。例えば窒化ケイ素は、水酸化カリウム中でのエッチングに対抗する優れたマスキング材料である。二酸化ケイ素は、水酸化カリウム中での短いエッチに対するマスキング層として用いることができる。フォトレジスト材料は、アルカリ溶液中で容易にエッチングされ、シリコンエッチのマスキングには適さない。二酸化ケイ素および窒化ケイ素は本質的に、テトラメチル水酸化アンモニウムおよびエチレンジアミンピロカテコールによってエッチングされないため、これらのエッチング剤に対する良好なマスキング材料である。
【0054】
シリコン上の二酸化ケイ素層を、ドライ酸素中または蒸気中、850〜1150℃の温度で、シリコンを酸化させることによって作製することができる。二酸化ケイ素層のみならず窒化ケイ素層も、大気圧での化学気相成長法(CVD)、減圧での化学気相成長法(LPCVD)、またはプラズマ化学気相成長法(PECVD)によって形成することができる。窒化ケイ素(Si34)は多くの場合、シラン(SiH4)とアンモニア(NH3)とを約700℃から900℃で反応させることによって、大気圧において堆積させられる。
【0055】
二酸化ケイ素及び窒化ケイ素を、種々のエッチング剤によって選択エッチングすることができる。例えばフッ化水素酸は、二酸化ケイ素に対しては好適なウェットエッチング剤であるが、窒化ケイ素に対してはそうではない。リン酸(H3PO4)は、窒化ケイ素に対しては好適なエッチング剤であるが、二酸化ケイ素に対してはそうではない。またプラズマエッチングを用いれば、エッチングガスを選択することによって、二酸化ケイ素または窒化ケイ素を選択エッチングすることができる。例えば酸素とCHF3とを用いて、二酸化ケイ素をプラズマエッチングすることができる。窒化ケイ素を、SF6を用いてエッチングすることができる。
【0056】
以下の実施態様においては、図面を参照しながら本発明のプロセスを述べる。図面は、形成ステップを概略的に例示し、得られる構造を横断面で示す。図面が唯一のマイクロ突起物を示す場合、実際のデバイスは、アレイに配列された複数のマイクロ突起物を含むことが分かる。本プロセスで使用する種々のマスキング材料及びエッチング剤は、シリコン基板の適切な面に沿って所望のエッチングを得るために選択される。シリコン基板は通常、所望の形状のマイクロ突起物を得るために配向された結晶面を有するように選択されたシリコンウェーハである。また所望の深さまで基板をエッチングして、所望の結果を得るために、種々のエッチングのステップが選択される。通常、完成したマイクロ突起物は、長さが約50から1000μmで、幅が約50から約200μmである。
【0057】
図4A〜4Hの実施態様
本実施態様においては、シリコンウェーハ24を、図4A〜4Gに示す種々のステップによってエッチングして、図4Hに示すマイクロ突起物アレイを作製する。図4Aを参照して、上面26と底面28とを有するシリコンウェーハ24を用いて、アレイを形成する。酸化ケイ素層30を上面26上に形成し、かつ、酸化ケイ素層32をシリコンウェーハ24の底面28上に形成する。酸化ケイ素層32および30は、種々のプロセス、例えば減圧化学気相成長法によって形成することができる。フォトレジスト層を、酸化ケイ素層32上に形成し、かつ、現像して、間隔を置いて配置された複数の円形の開口領域34を酸化ケイ素層32内に形成する。開口領域34は、各マイクロ突起物に対する内部通路の寸法に対応しており、完成品のマイクロ突起物の所望の間隔に対応する距離で間隔を置いて配置されている。
【0058】
図4Bに示すように、酸化ケイ素層32の開口領域34は、シリコン基板24の一部を露出させている。図4Cに示すように、窒化ケイ素層36を下部酸化ケイ素層30上に形成し、窒化ケイ素層38を上部酸化ケイ素層32および開口部分34上に形成する。窒化ケイ素層36および38を、減圧化学気相成長法を含む種々のプロセスによって形成することができる。
【0059】
フォトレジスト層を窒化ケイ素層36上に形成し、かつ、現像して、開口領域34と反対側の窒化ケイ素層36上にフォトレジストマスクを形成する。フォトレジスト層の寸法は、完成したマイクロ突起物の所望の形状および寸法に対応する。図4Dに示すように、窒化ケイ素層36および酸化ケイ素層30の露出部分を、プラズマエッチでエッチングして、シリコン基板24の露出表面42を囲む窒化物マスク40を作製する。
【0060】
ウェット等方性エッチング剤を、シリコン基板24の表面42に適用してシリコン基板24および酸化物層30をエッチングして、図4Eに示す構造を有するマイクロ突起物44を作製する。図4Fに示すように、窒化物層40および38を、ウェット窒化物エッチングによって除去する。この段階において、酸化ケイ素層32は、シリコン基板24の下側における露出領域34を規定している。
【0061】
図4Gに示すように、シリコン基板24の下面および露出領域34にプラズマエッチを適用して、マイクロ突起物44を通る軸方向の通路46を形成する。プラズマエッチは、シリコン基板24の平面に垂直に延びる実質的に滑らかな壁に囲まれたチャネルを形成するような方法で適用される。図4Gに示すように、通路46は、シリコン基板24の底面からエッチングされて、酸化ケイ素層30まで延びる。図4Hに示すように、酸化ケイ素層30および32を、酸化ケイ素エッチによって除去して、マイクロ突起物アレイ22を得る。好ましくは、酸化ケイ素層を、ウェットエッチングプロセスによって除去する。
【0062】
本実施態様では、シリコン基板24上の選択された位置に、マスキング層を形成することによって、シリコン基板内に複数のマイクロ突起物44を同時に作製することができる。マイクロ突起物44の形状および長さは、エッチングプロセス、マスキング層の形状および寸法、並びにエッチング剤の適用時間によって決められる。例示した実施態様においては、窒化ケイ素マスキング層40は、円錐形状のマイクロ突起物44を作製する実質的に円形な形状を有する。別の実施態様においては、窒化ケイ素マスク40は四角い形状を有することができ、その結果、エッチングのステップによって角錐形状のマイクロ突起物が作製される。
【0063】
図5A〜5Iの実施態様
本実施態様においては、図5Iに示すマイクロ突起物アレイ48を、図5A〜5Hに示すようにシリコン基板50から形成する。図5Aを参照して、シリコン基板50は、上面52と底面54とを有する。窒化ケイ素層56を、シリコン基板50の上面52上に堆積させる。フォトレジスト層を、窒化ケイ素層56上に適用した後、露出および現像して、図5Bに示すように、シリコン基板50の上面52上に窒化ケイ素マスク58を形成する。窒化ケイ素マスク58は、マイクロ突起物先端の所望の形状に対応する形状および寸法を有する。図5Cを参照して、異方性ウェットエッチをシリコン基板50の上面52に適用して、シリコン基板50を傾斜面に沿ってエッチングし、円錐形部分60を形成する。通常、異方性エッチング剤は、図5Cに示すように傾斜面に沿ってエッチングする水酸化カリウムである。
【0064】
図5Dに示すように、窒化ケイ素マスク58を窒化物エッチによって除去して、シリコン基板50から延びる円錐形状の突起物62を得る。酸化ケイ素層64を、シリコン基板50の上面に適用して、円錐形突起物62とエッチングされた表面66とを完全に覆う。フォトレジスト層を酸化物層64に適用する。フォトレジスト層を露出および現像して、傾斜面60の上に重なるフォトレジストマスクを形成し、かつ、エッチングされる表面66と円錐形突出部62の先端68との上に重なる酸化物層64の部分を露出する。次に酸化物層64を選択エッチングして、酸化物層の露出部分を除去する。フォトレジストマスクを除去して、突出部材62の傾斜表面60上に酸化物マスク70が得られる。図5Fに示すように、円錐台(frustoconical)形状の酸化物マスク70が、突出部材62の傾斜表面60上に残る。
【0065】
酸化物層70は、シリコン基板50の上面66と先端68とを露出させる。次にフォトレジスト層を、酸化物層70、先端68、およびエッチングされた表面66の上に適用する。次にフォトレジスト層を露出および現像して、図5Gに示すようにフォトレジストマスク72を形成する。フォトレジストマスク72は実質的に、酸化物層70と基板50の表面66とを覆い、先端68を露出させる。
【0066】
軸方向の通路74を、上面から基板50を通してエッチングして、円錐形突起物62を通って基板50の底面54まで延びる連続したチャネルを形成する。図5Hに示すように、フォトレジストマスク72を除去して、表面66を露出させる。好ましくは、軸方向の通路74を、プラズマエッチによって形成し、シリコン基板50の底面54に実質的に垂直な平面に沿った軸方向の通路74を形成する。
【0067】
次にプラズマエッチを表面66に適用して、底面54に垂直な平面に沿ってエッチングし、図5Iに示すように、実質的に環状の面76を円錐形表面60の周囲に形成する。図5Iに示すように、得られるマイクロ突起物48は、基板50から垂直に延び、円錐形の上面60と鋭利な先端78とで末端部をなす実質的に円筒形の側壁76を備える。軸方向の通路74が、先端78から底面54まで延びる。
【0068】
図6A〜6Mの実施態様
本実施態様では、マイクロ突起物アレイを、上面82と底面84とを有するシリコン基板80から形成する。酸化物層86を、シリコン基板80の上面82上に形成する。フォトレジスト層を酸化物層86上に形成する。フォトレジスト層をパターン化および現像して、図6Bに示すように、実質的に環形状のフォトレジストマスク88を、各マイクロ突起物に対して形成する。フォトレジストマスク88は、酸化物層86の中央の露出領域90と周囲の露出領域92とを規定する。酸化物層86の露出領域90および92を、エッチングによって、例えばプラズマエッチによって、除去する。酸化物エッチングは、環形状の酸化物マスク94を、シリコン基板80の上面82上にもたらす。
【0069】
フォトレジストマスク88を除去して、図6Cに示すように、酸化物マスク94を露出させる。酸化物マスク94は、シリコン基板80の上面82の内側表面96と周囲表面97とを規定する。等方性エッチを表面96および98に適用して、エッチングされた表面100から酸化物マスク94まで延びる湾曲面98を形成する。図6Dに示すように、等方性エッチは、酸化物マスク94の真下のシリコン基板80の一部をエッチングして、酸化物マスク94の下方の突起部分102を規定する。好ましくは、等方性エッチは、当該技術分野において知られているような、ウェットエッチである。
【0070】
酸化物マスク94を、酸化物エッチによって除去する。好ましくは、酸化物エッチは、例えばフッ化水素酸を用いるウェットエッチである。酸化物エッチは、酸化物マスク94を除去して、湾曲面97および上面104によって規定される突起部分102を露出させる。図6Eに示すように、突起部分102の上面104は、元の上面82に対応する実質的に平坦な表面を有する。突起部分102は、シリコン基板80から上方に延びる実質的に環状な形状を有する。
【0071】
次に酸化物層106を、シリコンボディ80の上面上に形成する。酸化物層106は、当該技術分野において知られる種々のプロセスを用いて形成することができる。1つの実施態様においては、シリコンボディ80の上面を酸素含有雰囲気中で加熱する。好ましくは、酸化物層106を、シリコンボディ80の外側表面の一部を消費するような方法で形成する。図6Fに示すように、酸化物層106を、突起部分102の対向する湾曲面97が消費され、かつ、合体して、鋭利な先端108を形成するような厚さまで形成する。
【0072】
フォトレジスト層を、形成された酸化物層106上に適用する。フォトレジスト層を露出および現像して、環状の形状を有して鋭利な先端108の上に重なるフォトレジストマスク110を形成する。酸化物層106の露出領域を選択エッチングして、フォトレジストマスク110を除去する。この結果、図6Gおよび6Hに示すように、鋭利な先端108の上に重なる酸化物マスク112が得られる。図6Hに示すように、酸化物マスク112は、シリコン基板80の内側表面114と外側表面116とを規定する。
【0073】
マスキング材料118をシリコン基板80の表面116に適用し、中央部分114を露出させた状態にする。異方性エッチ、例えばプラズマエッチを、中央部分114に適用して、図6Iに示すように、酸化物マスク112によって囲まれた、シリコン基板80内の実質的に円筒形状の凹部120をエッチングする。次にマスキング材料118を除去して、図6Jに示すように、酸化物マスク112を囲むシリコン基板の上面122を露出させる。
【0074】
次に異方性エッチ、例えばプラズマエッチを上面122に適用し、かつ、シリコン基板80を完全に貫くように凹部120をエッチングして、軸方向のチャネル124を形成するために適用する。また異方性エッチは、上面122をエッチングして、エッチングされた上面130から垂直に延びる、実質的に円筒形の壁128を有する環形状のマイクロ突起物126を形成する。次に酸化物マスク112を選択エッチングによって除去して、鋭利な先端108を露出させる。図6Lおよび6Mに示すように、得られるマイクロ突起物126は、基板80から上方に延びる。本実施態様における鋭利な先端108は、マイクロ突起物126の上面の周囲に完全に広がり、連続した隆起部を形成する。
【0075】
図7A〜7Jの実施態様
本実施態様においては、マイクロ突起物アレイを、上面136と底面138とを有するシリコン基板134から形成する。窒化物層140を、上面136上に形成する。図7Aに示すように、酸化物層142を、窒化物層140を覆うように低温形成プロセスによって形成する。フォトレジスト層を酸化物層142上に形成した後に、露出および現像して、フォトレジストマスクを形成する。本実施態様においては、フォトレジストマスクは、作製すべきマイクロ突起物の横方向の寸法に一致する環状の形状を有する。窒化物層142と酸化物層140との露出領域をエッチングして、環形状のマスク144を形成する。図7Bに示すように、マスク144は、シリコン基板134の中央領域146と外側領域148とを規定する。
【0076】
図7Cに示すように、フォトレジスト層を、露出表面148とマスク144とに適用する。通常は、フォトレジスト層150を連続層として適用した後に、露出および現像してマスクを作製する。図7Cに示したように、シリコン基板134の中央部分146は露出しており、フォトレジスト層150によって覆われていない。異方性エッチ、例えばプラズマエッチを上面に適用して、中央部分146をエッチングし、図7Dに示すように、シリコン基板134を完全に貫く円筒形状の通路152を形成する。好ましくは、通路152を、プラズマエッチによって形成し、シリコン基板134の上面136に実質的に垂直な平面に沿ってエッチングする。
【0077】
図7Eに示すように、フォトレジストマスク150を除去した後に、第2の異方性エッチを行って、シリコン基板134の上面136の露出表面をエッチングする。図7Fに示すように、異方性エッチを行って、シリコン基板134の底面138に垂直に延びる実質的に円筒形状の側壁156を有する環状の柱154を形成する。
【0078】
図7Gを参照して、酸化物層158を、シリコン基板134の露出表面上に形成する。図示したように、酸化物層158は、柱154の外側表面156とチャネル152の内側表面とを覆う。ウェット窒化物エッチを適用して、図7Hに示すように、マスク144の露出する窒化物層の一部をエッチングする。窒化物エッチは、マスク144の窒化物層の縁の周囲の一部をエッチング除去して、環状の柱154の上面の一部を露出させる。窒化物エッチはマスク144の窒化物層の内側および外側の縁を攻撃するため、得られる窒化物層は、環状の柱154の上面の寸法よりも小さい寸法を有する。
【0079】
次に等方性エッチを、マスク144の周囲の露出するシリコンに用いて、凹面形状の表面162を有する鋭利な先端160を形成する。残りの酸化物層158と窒化物層140とを、当該技術分野において知られている選択エッチまたはストリッピングプロセスによって除去する。図7Jに示した、得られるマイクロ突起物163は、柱158から上方に延びる環形状の鋭利な先端160を有する環状の柱158によって規定される。
【0080】
図8A〜8Lの実施態様
本実施態様においては、マイクロ突起物アレイを、上面166と底面168とを有するシリコン基板164から形成する。図8Aに示すように、酸化物層170を上面166上に形成する。前の実施態様の場合と同様に、フォトレジスト層を酸化物層170上に形成した後、現像して、所望するマイクロ突起物の寸法に対応する、実質的に環状の形状を有するフォトレジストマスク172を作製する。図8Bに示すように、酸化物層170を選択エッチングして酸化物マスク174を作製する。酸化物マスク174は、フォトレジストマスク172の形状に対応する環状の形状を有する。次にフォトレジストマスク172を除去する。
【0081】
等方性エッチをシリコン基板164の上面166に適用して、酸化物マスク174の下方の凹面176によって規定されるエッチングされた表面を形成する。図8Cに示すように、等方性エッチは、マスク174の下方のシリコンの一部をエッチングして、マスク174の幅よりもわずかに小さい寸法を有する環形状の突起部分178を形成する。
【0082】
図8Dを参照して、窒化物層180を、シリコン基板164の上面と酸化物マスク174との上に堆積させる。フォトレジストマスク182を、窒化物層180上に形成する。図8Eに示すように、フォトレジストマスク182は、酸化物マスク174の中央の開口部の上に重なる露出した層を有する。等方性エッチを上面に適用して、露出する窒化物層180を通り、かつ、シリコン基板164を通って底面168に至る軸方向の通路184をエッチングする。好ましくは、異方性エッチは、プラズマエッチであり、シリコン基板164の底面168に実質的に垂直な平面に沿ってエッチングする。図8Gに示すように、フォトレジスト層182を除去する。異方性エッチ、好ましくはプラズマエッチを、上面に適用して、図8Hに示すように、窒化物層180およびシリコン基板164をエッチングして環状の柱186を形成する。前の実施態様の場合と同様に、環状の柱186は、シリコン基板164の底面168に垂直に延びる実質的に円筒形の外側壁188によって規定される。
【0083】
図8Iに示すように、酸化物層190をシリコン基板164の露出表面上に形成して、環状の柱186の外側表面と軸方向の通路184の内側表面とを覆う。窒化物エッチ液、例えばリン酸を適用して、図8Jに示すように、窒化物層180の残りの部分を除去し、突起部分178の凹面176を露出させる。図8Kに示すように、次に等方性シリコンエッチを、露出した凹面176に適用して、鋭利な先端192を環状の柱186上に形成する。次に残りの酸化物層190を、酸化物エッチ液、例えばフッ化水素酸によって除去する。図8Lに示すように、得られるマイクロ突起物194は、環状の柱186と環状の先端192とによって規定される。
【0084】
図9A〜9Oの実施態様
本実施態様においては、マイクロ突起物アレイを、上面198と底面200とを有するシリコン基板196から形成する。前の実施態様の場合と同様、図9Aに示すように、酸化物層202を上面198上に形成する。得られるマイクロ突起物の形状を規定するために、フォトレジストマスク204を酸化物層202上に形成する。フォトレジストマスク204は、実質的に環状の形状を有し、前の実施態様の場合と同様に、露出され現像されるフォトレジスト層から形成される。
【0085】
酸化物層202の露出領域を、例えばプラズマエッチによって選択エッチングして、環形状の酸化物マスク206を形成する。図9Cに示すように、フォトレジストマスク204を除去して、シリコン基板196の上面198を、等方性エッチング剤によってエッチングする。等方性エッチング剤は、酸化物マスク206の方へ集中する凹面状の外側表面210によって規定される環形状の突起部分208を作製する。前の実施態様の場合と同様、図9Cに示すように、等方性エッチング剤は、酸化物マスク206の真下のシリコンの一部を除去する。
【0086】
図9Dを参照して、窒化物層212を上面上に堆積させて、シリコン基板196と酸化物マスク206とを完全に覆う。図9Eを参照して、フォトレジストマスク214を窒化物層212上に形成する。フォトレジストマスク214は、酸化物マスク206の小さい範囲の上に重なる。図9Eに示すように、フォトレジストマスク214は、酸化物マスク206の外側縁の上に重なり、酸化物マスク206の小さな弓状の部分を覆う。好ましい実施態様においては、フォトレジストマスク214は、酸化物マスク206の円周の約4分の1を下回る円弧を覆う。次に窒化物層212を選択的にエッチングして、図9Eおよび9Fに示すように、フォトレジストマスク214の形状および寸法に一致する窒化物マスク216を形成する。好ましくは、この段階でシリコンのエッチングが実質的にまったく起こらないように、窒化物エッチは選択的に働く。
【0087】
図9Gに示すように、次にフォトレジストマスク214を取り去って、窒化物マスク216を露出させる。窒化物マスク216は、フォトレジストマスク214の寸法に実質的に対応し、図9Gに示すように、酸化物マスク206の外側縁の小部分の上に重なる。例示した実施態様においては、窒化物マスク214は酸化物マスクの一部分のみを覆う。以下に述べるように、窒化物マスク214の寸法によって、マイクロ突起物の最終的な形状が決められる。
【0088】
フォトレジストマスク218を、シリコン基板196の上面、酸化物マスク206、および窒化物マスク216の上に適用する。フォトレジスト層を適用、パターン化、および現像して、図9Hに示すように、酸化物マスク206によって囲まれたシリコン基板196の上面219を露出させるフォトレジストマスク218を形成する。
【0089】
図9Iを参照して、異方性エッチを上面に適用して、シリコン基板196を通って底面200まで完全に延びる軸方向の通路220をエッチングする。図9Jに示すように、次にフォトレジスト層218を除去する。図9Kに示すように、異方性プラズマエッチを適用して、円筒形の側壁224を有する環形状の柱222を形成する。図9Kに示すように、プラズマエッチは、底壁200に実質的に垂直な平面に沿ってシリコン基板196をエッチングする。またプラズマエッチは、窒化物マスク216の一部を除去して、酸化物マスク206の下にある窒化物マスク216の一部226を残す。次に酸化物層228を、シリコン基板196の露出表面と酸化物マスク206との上に形成する。図9Lに示すように、酸化物層228は、窒化物マスク216には適用されないため、窒化物マスク216は露出している。窒化物エッチ液、例えばリン酸を適用して窒化物層の部分226を除去し、それによって開口部を形成して、図9Mに示すように、環状の柱222上に形成された凹面210を露出させる。
【0090】
次に等方性シリコンエッチを、部分226を除去する窒化物エッチによって形成された開口部を通じて、環状の柱222の露出表面に適用する。等方性シリコンエッチは、酸化物層228内の開口部から離れて広がる界面に沿ってシリコンをエッチングし、図9Nに示すように、湾曲状にエッチングされた外側表面230を形成する。シリコンエッチは、面230をエッチングして鋭利な先端232を形成するのに十分な時間、適用される。1つの実施態様においては、シリコンエッチは等方性エッチである。さらなる実施態様においては、シリコンエッチは、プラズマエッチ、ウェット等方性エッチ、または水酸化カリウムを用いたウェット異方性エッチとすることができる。
【0091】
次に酸化物層228を、例えばフッ化水素酸によって選択的に除去して、マイクロ突起物234を露出させる。マイクロ突起物234は、湾曲した内側面230によって規定される外側表面と鋭利な先端232とを備えた円筒形状を一般的に有する。
【0092】
図10の実施態様
本発明の他の実施態様においては、実質的に円筒形の側壁238とベース240とを有するマイクロ突起物236を形成する。前の実施態様の場合と同様に、マイクロ突起物236を、フォトリソグラフィによってシリコンウェーハから形成する。すなわち環形状のマスクを形成した後、異方性エッチングによって、円筒形の側壁238と軸方向の通路とを有するマイクロ突起物を形成する。マイクロ突起物の寸法を規定して鋭利な先端242を作製するために、マスクをシリコンウェーハ上に形成する。1つの好ましい実施態様においては、先端242は、マイクロ突起物236の円周の周りに間隔を置いて配置されている。隣接する先端242間に湾曲した隆起部244が形成されるように、各先端242を凹面で形成する。
【0093】
本発明を例示するためにいくつかの実施態様を選択したが、添付の特許請求の範囲に規定されるような本発明の範囲から逸脱することなく種々の変形および変更が行えることを、当該技術分野における当業者ならば理解するであろう。
【図面の簡単な説明】
【0094】
【図1】本発明の第1の実施態様におけるマイクロ突起物アレイを示す側面図である。
【図2】図1の実施態様のマイクロ突起物アレイを示す斜視図である。
【図3】図2のマイクロ突起物アレイを示す上面図である。
【図4A】本発明の第2の実施態様におけるマイクロ突起物アレイを形成する連続ステップを示す図である。
【図4B】本発明の第2の実施態様におけるマイクロ突起物アレイを形成する連続ステップを示す図である。
【図4C】本発明の第2の実施態様におけるマイクロ突起物アレイを形成する連続ステップを示す図である。
【図4D】本発明の第2の実施態様におけるマイクロ突起物アレイを形成する連続ステップを示す図である。
【図4E】本発明の第2の実施態様におけるマイクロ突起物アレイを形成する連続ステップを示す図である。
【図4F】本発明の第2の実施態様におけるマイクロ突起物アレイを形成する連続ステップを示す図である。
【図4G】本発明の第2の実施態様におけるマイクロ突起物アレイを形成する連続ステップを示す図である。
【図4H】本発明の第2の実施態様におけるマイクロ突起物アレイを形成する連続ステップを示す図である。
【図5A】本発明の第3の実施態様におけるマイクロ突起物アレイを形成する連続ステップを示す図である。
【図5B】本発明の第3の実施態様におけるマイクロ突起物アレイを形成する連続ステップを示す図である。
【図5C】本発明の第3の実施態様におけるマイクロ突起物アレイを形成する連続ステップを示す図である。
【図5D】本発明の第3の実施態様におけるマイクロ突起物アレイを形成する連続ステップを示す図である。
【図5E】本発明の第3の実施態様におけるマイクロ突起物アレイを形成する連続ステップを示す図である。
【図5F】本発明の第3の実施態様におけるマイクロ突起物アレイを形成する連続ステップを示す図である。
【図5G】本発明の第3の実施態様におけるマイクロ突起物アレイを形成する連続ステップを示す図である。
【図5H】本発明の第3の実施態様におけるマイクロ突起物アレイを形成する連続ステップを示す図である。
【図5I】本発明の第3の実施態様におけるマイクロ突起物アレイを形成する連続ステップを示す図である。
【図6A】本発明の第4の実施態様におけるマイクロ突起物アレイを形成する連続ステップを示す図である。
【図6B】本発明の第4の実施態様におけるマイクロ突起物アレイを形成する連続ステップを示す図である。
【図6C】本発明の第4の実施態様におけるマイクロ突起物アレイを形成する連続ステップを示す図である。
【図6D】本発明の第4の実施態様におけるマイクロ突起物アレイを形成する連続ステップを示す図である。
【図6E】本発明の第4の実施態様におけるマイクロ突起物アレイを形成する連続ステップを示す図である。
【図6F】本発明の第4の実施態様におけるマイクロ突起物アレイを形成する連続ステップを示す図である。
【図6G】本発明の第4の実施態様におけるマイクロ突起物アレイを形成する連続ステップを示す図である。
【図6H】本発明の第4の実施態様におけるマイクロ突起物アレイを形成する連続ステップを示す図である。
【図6I】本発明の第4の実施態様におけるマイクロ突起物アレイを形成する連続ステップを示す図である。
【図6J】本発明の第4の実施態様におけるマイクロ突起物アレイを形成する連続ステップを示す図である。
【図6K】本発明の第4の実施態様におけるマイクロ突起物アレイを形成する連続ステップを示す図である。
【図6L】本発明の第4の実施態様におけるマイクロ突起物アレイを形成する連続ステップを示す図である。
【図6M】本発明の第4の実施態様におけるマイクロ突起物アレイを形成する連続ステップを示す図である。
【図7A】本発明の第5の実施態様におけるマイクロ突起物アレイを形成する連続ステップを示す図である。
【図7B】本発明の第5の実施態様におけるマイクロ突起物アレイを形成する連続ステップを示す図である。
【図7C】本発明の第5の実施態様におけるマイクロ突起物アレイを形成する連続ステップを示す図である。
【図7D】本発明の第5の実施態様におけるマイクロ突起物アレイを形成する連続ステップを示す図である。
【図7E】本発明の第5の実施態様におけるマイクロ突起物アレイを形成する連続ステップを示す図である。
【図7F】本発明の第5の実施態様におけるマイクロ突起物アレイを形成する連続ステップを示す図である。
【図7G】本発明の第5の実施態様におけるマイクロ突起物アレイを形成する連続ステップを示す図である。
【図7H】本発明の第5の実施態様におけるマイクロ突起物アレイを形成する連続ステップを示す図である。
【図7I】本発明の第5の実施態様におけるマイクロ突起物アレイを形成する連続ステップを示す図である。
【図7J】本発明の第5の実施態様におけるマイクロ突起物アレイを形成する連続ステップを示す図である。
【図8A】本発明の第6の実施態様におけるマイクロ突起物アレイを形成する連続ステップを示す図である。
【図8B】本発明の第6の実施態様におけるマイクロ突起物アレイを形成する連続ステップを示す図である。
【図8C】本発明の第6の実施態様におけるマイクロ突起物アレイを形成する連続ステップを示す図である。
【図8D】本発明の第6の実施態様におけるマイクロ突起物アレイを形成する連続ステップを示す図である。
【図8E】本発明の第6の実施態様におけるマイクロ突起物アレイを形成する連続ステップを示す図である。
【図8F】本発明の第6の実施態様におけるマイクロ突起物アレイを形成する連続ステップを示す図である。
【図8G】本発明の第6の実施態様におけるマイクロ突起物アレイを形成する連続ステップを示す図である。
【図8H】本発明の第6の実施態様におけるマイクロ突起物アレイを形成する連続ステップを示す図である。
【図8I】本発明の第6の実施態様におけるマイクロ突起物アレイを形成する連続ステップを示す図である。
【図8J】本発明の第6の実施態様におけるマイクロ突起物アレイを形成する連続ステップを示す図である。
【図8K】本発明の第6の実施態様におけるマイクロ突起物アレイを形成する連続ステップを示す図である。
【図8L】本発明の第6の実施態様におけるマイクロ突起物アレイを形成する連続ステップを示す図である。
【図9A】本発明の第7の実施態様におけるマイクロ突起物アレイを形成する連続ステップを示す図である。
【図9B】本発明の第7の実施態様におけるマイクロ突起物アレイを形成する連続ステップを示す図である。
【図9C】本発明の第7の実施態様におけるマイクロ突起物アレイを形成する連続ステップを示す図である。
【図9D】本発明の第7の実施態様におけるマイクロ突起物アレイを形成する連続ステップを示す図である。
【図9E】本発明の第7の実施態様におけるマイクロ突起物アレイを形成する連続ステップを示す図である。
【図9F】本発明の第7の実施態様におけるマイクロ突起物アレイを形成する連続ステップを示す図である。
【図9G】本発明の第7の実施態様におけるマイクロ突起物アレイを形成する連続ステップを示す図である。
【図9H】本発明の第7の実施態様におけるマイクロ突起物アレイを形成する連続ステップを示す図である。
【図9I】本発明の第7の実施態様におけるマイクロ突起物アレイを形成する連続ステップを示す図である。
【図9J】本発明の第7の実施態様におけるマイクロ突起物アレイを形成する連続ステップを示す図である。
【図9K】本発明の第7の実施態様におけるマイクロ突起物アレイを形成する連続ステップを示す図である。
【図9L】本発明の第7の実施態様におけるマイクロ突起物アレイを形成する連続ステップを示す図である。
【図9M】本発明の第7の実施態様におけるマイクロ突起物アレイを形成する連続ステップを示す図である。
【図9N】本発明の第7の実施態様におけるマイクロ突起物アレイを形成する連続ステップを示す図である。
【図9O】本発明の第7の実施態様におけるマイクロ突起物アレイを形成する連続ステップを示す図である。
【図10】本発明の第8の実施態様におけるマイクロ突起物を示す斜視図であって、環状面上の複数の鋭利な先端を示す図である。
【Technical field】
[0001]
The present invention is directed to microdevices and microprotrusion arrays. The present invention is also directed to a method of manufacturing a microdevice, particularly a microprojection array, for delivering or retrieving a substance through a patient's skin.
[Background Art]
[0002]
Various microdevices that perform various tasks are known in the art. One area of application that has recently attracted attention is in the field of fluid control devices and microvalves. Microvalves have been found to be useful in many industrial applications, including in the field of ink jet printers as well as drug delivery, fuel delivery systems for internal combustion engines, and the like. These devices have been made by many different processes.
[0003]
Many techniques commonly used in the manufacture of electronic devices and integrated circuit chips are suitable for micromachining micromechanical devices. These microdevices are commonly referred to as micro-electrical mechanical systems (MEMS). Devices are extremely small and can be made from many types of materials. A common material is silicon in the form of a silicon wafer as used in the integrated circuit industry. Other materials that can be used include glass and ceramics.
[0004]
An example of a microvalve is disclosed by Johnson et al. The microvalve disclosed therein includes a silicon diaphragm having a valve seat and a flow path. The diaphragm is positioned so that it can contact the valve seat when the diaphragm is deflected. The diaphragm is formed by etching and machining a silicon body. A separate actuation force is applied to the diaphragm to open and close the valve. The actuating device can be a pressurized fluid or a solenoid mechanism to apply a force to one side of the diaphragm.
[0005]
Solenoid actuation of valves in gas chromatography assemblies is known and is disclosed by Terry et al. The valve structure is formed by etching and machining the valve body to form a desired shape. Solenoid-operated devices are expensive to make and some of the devices cannot be manufactured efficiently.
[0006]
Another area of microdevices is in the field of devices for delivering or sampling substances through the skin of a patient. Microdevices are usually small gauge needles or needle-like devices for penetrating the skin to a desired depth. Microneedle devices are desirable in many applications because they can deliver or retrieve substances through the skin with minimal pain or discomfort to the patient.
[0007]
One type of device that has gained attention is a microdevice that can penetrate the outer layers of the skin with less pain or discomfort than a standard cannula. These microdevices typically have needles that are a few microns to a few hundred microns long. Microdevices for delivering drugs through the skin create fine holes or cuts through the stratum corneum. Many drugs can be effectively administered by penetrating the stratum corneum and delivering the drug to the skin in or below the stratum corneum. Devices for penetrating the stratum corneum generally comprise a plurality of micron-sized needles or blades having a length to penetrate the stratum corneum without completely passing through the epidermis. Examples of these devices are disclosed by Godshall et al., Lee et al., Allen et al. (See, for example, US Pat.
[0008]
Various methods have been used to make the microneedle and microblade of a conventional drug delivery device. However, these methods limit the shape and dimensions of the microneedle or microblade. Therefore, there is a continuing need in the manufacturing industry to improve the method of forming microdevices.
[0009]
[Patent Document 1]
U.S. Patent No. 6,056,269
[Patent Document 2]
U.S. Pat. No. 4,582,624
[Patent Document 3]
U.S. Pat. No. 5,879,326
[Patent Document 4]
U.S. Pat. No. 5,250,023
[Patent Document 5]
WO 97/48440 pamphlet
[Patent Document 6]
US Patent No. 6,334,856
DISCLOSURE OF THE INVENTION
[Problems to be solved by the invention]
[0010]
The present invention is directed to microdevices, especially microprojections. The present invention is also directed to a method for forming a microdevice.
[0011]
Accordingly, a primary object of the present invention is to provide a process for forming microdevices, particularly microprojection arrays, in an efficient and economical manner.
[0012]
It is another object of the present invention to provide a process for forming a microprojection array for delivering or retrieving a substance through a patient's skin.
[0013]
Yet another object of the present invention is to provide a process for forming a microprojection array by wet etching of a silicon wafer.
[0014]
It is a further object of the present invention to provide a process for forming a microprojection array by etching a substrate to produce microprojections having a substantially pyramidal shape.
[0015]
It is another object of the present invention to provide an etching process for forming conical microprojections using a wet isotropic etchant.
[0016]
It is a further object of the present invention to provide a process for forming an array of microprojections having an axial passage through the microprojections.
[0017]
It is yet another object of the present invention to provide an etching process for forming an axial passage in a microprojection after forming the microprojection.
[0018]
It is a further object of the present invention to provide a process for forming microprojections by etching a substrate to form microprojections having an annular body and a conical tip.
[0019]
Another object of the present invention is to provide a process for forming an annular microtube having a continuous sharp ridge on the annular surface.
[0020]
It is a further object of the present invention to provide a process for forming an oxide layer on the tip of a microprojection and removing the oxide layer to form a sharp tip.
[0021]
Yet another object of the present invention is to provide a process for forming a microprojection array by forming a ring-shaped masking layer on a substrate and etching the substrate to form annular microprojections. It is to be.
[0022]
It is a further object of the present invention to provide an etching process for forming a microprojection having a beveled tip.
[0023]
Another object of the invention is to provide a process for forming a microprojection array having microprojections having an outer annular surface, wherein the outer annular surface has a plurality of sharp points. It is to be.
[Means for Solving the Problems]
[0024]
These and other objects of the present invention are basically a base having a width and length, a top surface and a bottom surface, and a plurality of micro-projections arranged in an array, extending from a top surface of the base and integral with the base. , Wherein each microprojection comprises a microprojection having at least one surface extending to an outer edge thereof.
[0025]
It is a further object of the present invention to provide a substrate having a top surface and a bottom surface, and to form a patterned masking layer in a plurality of regions on the top surface, wherein the regions of the patterned masking layer are Defining an exposed area on the top surface of the substrate having a predetermined dimension corresponding to the microprojection and surrounding the area of the masking layer; and exposing the exposed area on the upper surface of the substrate to a plurality of microprojections. This is achieved by providing a method of forming a microprojection array that includes the steps of: etching to a desired depth; and removing the masking layer from the substrate to expose the microprojections.
[0026]
It is still another object of the present invention to provide a silicon substrate having a top surface with a masking layer, and removing a portion of the masking layer to expose a plurality of substantially ring-shaped portions of the masking layer on the top surface. Forming a channel extending through the center of each ring-shaped portion and forming an annular column around each ring-shaped portion; and forming a masking layer. Forming a micro-projection array by removing the ring-shaped portion of the micro-projection array.
[0027]
It is a further object of the present invention to provide a substrate having a top surface and a bottom surface, and to form a plurality of recesses in the top surface, the recesses defining a surface inclined with respect to a plane of the top surface; Forming a sloped surface array of sharp tips; removing a portion of the substrate around the sharp tip to form a microprojection array having an outer edge formed by the sharp tips; This is achieved by providing a method for forming a microprojection array comprising:
[0028]
It is still another object of the present invention to provide a substrate having a top surface and a bottom surface, and to form a microprojection array on the top surface of the substrate, wherein the microprojections have a top surface. Forming at least one slope on the top surface of the microprojections.
[0029]
The objects, advantages and other salient features of the present invention will become apparent to those skilled in the art from consideration of the accompanying drawings and the following detailed description of the invention, which form a part of this initial disclosure. It becomes clear to.
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
[0030]
The present invention is directed to a microprojection device and a method of forming the microprojection device. More specifically, the present invention is directed to a method of manufacturing an integrated microprojection array and a microdevice from the microprojection array.
[0031]
The microdevice of the invention in a preferred embodiment is a microprojection array for penetrating a patient's skin to a selected depth to deliver or retrieve material through the patient's skin. The term "microprojection" as used herein refers to a structure that can penetrate one or more layers of a patient's skin to a desired depth. The microprojections in a preferred embodiment of the present invention have a sharp tip and can be conical or pyramidal. As the term is used herein, a microprojection, as in some embodiments described herein, has a pointed or sharp tip or a cutting or scraping end. It comprises a protruding member having a square or circular cross section, which may or may not have. The micro-projections also include ring-shaped columns having an axial passage.
[0032]
1 to 3 show one embodiment of the micro device 10 of the present invention. The micro device 10 includes a base 12 and a plurality of micro protrusions 14. In this embodiment, the microprojections 14 are spaced in substantially uniformly spaced rows and columns. The microprojections 14 have a substantially pyramid shape, and each side surface 16 has a concave surface. Side 16 is centered on tip 18. The tip 18 of each microprojection 14 has a substantially flat upper surface 20 that extends parallel to the base 12. As shown in the top view of FIG. 3, the top surface 20 has a substantially square shape.
[0033]
The microdevice 10 has a plurality of projecting members and is primarily used to penetrate a patient's skin to a selected depth for delivering or retrieving a substance from a patient. You. In a preferred embodiment, the microdevice 10 is coupled to a reservoir for delivering a substance, especially a pharmaceutical composition, to a patient. Alternatively, the microdevice 10 comprises a suitable extraction device, an absorbent device or a substance for collecting and storing fluid from the patient. Examples of substances that can be sampled from a patient include drugs, analytes, and glucose.
[0034]
The microprojections 14 of the present invention have a length and width suitable to penetrate into the patient's skin to a desired depth to deliver a substance that the body can absorb and utilize. The length of the microprojections 14 is generally determined by the substance to be delivered and the delivery area on the skin. In embodiments of the present invention, the microprojections 14 can have a length from about 10 μm to about 2 mm. In one embodiment, the microdevice 10 is a delivery device for penetrating the stratum corneum of the skin without penetrating the stratum corneum so as to minimize pain and irritation to the patient. In this embodiment, the microprojections can have a length from about 10 μm to about 100 μm, typically from about 10 μm to about 50 μm. Delivery and sampling devices intended to penetrate selected layers of the skin can have a length from about 100 μm to about 1000 μm. In other embodiments, the microdevice 10 is in a stratum corneum, or in a microabrader for digging or carving grooves through the stratum corneum, to deliver or retrieve material through the skin. Incorporated.
[0035]
The microdevice 10 can be made from a variety of materials, depending on the intended use and the substance to be delivered or sampled. Suitable examples include metals such as gold, polymeric materials such as polycarbonate, and other non-metals. In a preferred embodiment, microdevice 10 is made from silicon. Silicon is a preferred material because silicon wafers are readily available and can be machined and formed using a variety of known processes.
[0036]
The micro device 10 is preferably manufactured from a silicon wafer by MEMS processing (micro electro mechanical system). Silicon is an element that exists in three forms: crystalline, polycrystalline, and amorphous. Silicon is an elastic and strong material that is particularly suitable for the microdevice of the present invention. Ultra-high purity electronic grade silicon wafers available in the electronics industry are suitable for use in the present invention.
[0037]
Polycrystalline silicon (commonly referred to as polysilicon) and amorphous silicon are typically deposited on substrates as thin films with a typical thickness of less than 5 μm. Crystalline silicon substrates are commercially available as circular wafers. These silicon wafers are generally available in 100 mm diameter and about 150 mm diameter. A silicon wafer having a diameter of 100 mm has a thickness of about 525 μm.
[0038]
The mechanical properties of a silicon wafer depend on the crystal orientation of silicon. As will be described in more detail later, the crystal orientation determines the surface selective etching of the silicon wafer. Silicon has a diamond lattice crystal structure that can be considered as a simple cubic shape. Certain directions and planes within the crystal are defined using a three-axis notation enclosed in square brackets, carets, parentheses, and braces, as is known in the art. Is specified for For example, [100] indicates a specific vector direction of the cube, and <100> indicates six directions. Similarly, (111) is a plane perpendicular to the [111] vector. The {111} vector represents all eight equivalent crystal planes. As is known in the art, many etching processes selectively etch {100} planes but do not etch {111} planes, so the angle between {100} and {111} is It is important in micromachining processes. To control the shape of the finished product, some etching processes can etch different surfaces at different rates, while others etch at similar rates. Most of the commercially available silicon wafers have a {100} orientation, indicating that the top surface is a {100} plane.
[0039]
The microdevice 10 in the preferred embodiment is made from a silicon wafer by various successive masking and selective etching steps. In the embodiment of FIGS. 1-3, the microdevice 10 is made by forming a patterned mask on the top surface of a silicon wafer. The mask is formed as an array of spaced dots corresponding to the spacing of the microprojection array and the desired pattern. In the embodiment of FIGS. 1-3, the dots have a substantially square shape to produce a microprojection having a substantially square tip. The size of the dots in the mask material determines the final size of the microprojections. In a preferred embodiment, the mask is a photoresist material applied to the surface of the silicon wafer and exposed to a light source to form a pattern in the photoresist layer.
[0040]
After the photoresist is formed in a desired pattern, the exposed silicon is etched to remove a part of the silicon. In the illustrated embodiment, the silicon is etched to form an inclined surface on the sides of the microprojections. This shape is usually obtained with a wet potassium hydroxide etching solution.
[0041]
The microdevices of the present invention are made by various masking and etching processes, resulting in different shaped microdevices. In one embodiment, the mask is formed by photolithography, resulting in a desired pattern of photoresist. Alternatively, the mask can be formed from a silicon nitride or silicon oxide layer. The etching step can be performed by wet etching, plasma etching, reactive ion etching (RIE), and deep reactive ion etching (DRIE).
[0042]
Lithography is a process commonly used in MEMS manufacturing processes that applies a layer of photoresist on a substrate. Photoresist layers are photosensitive emulsion layers that form soluble and insoluble patterns when exposed to light. The photoresist layer is exposed and an image of a mask is printed on the layer. The mask is an opaque chrome layer patterned on a transparent support such as glass. The pattern of the completed photoresist layer is defined by the mask.
[0043]
After exposing the photoresist layer to the selected pattern, the layer is immersed in an aqueous developer to dissolve the exposed portions and create a latent image. The positive photoresist is an organic resin material containing a photosensitive agent. Photoresist is often spin-coated on silicon wafers to a thickness of about 0.5 μm to 10 μm. The photosensitizer prevents dissolution of the unexposed photoresist during immersion in the developer. As the photosensitizer is decomposed by exposure to light in the range of 200 to 450 nm, the exposed areas immediately begin to dissolve in the developer. In a negative photoresist, unexposed areas dissolve in the developer, leaving exposed areas.
[0044]
Substrates and coatings can be etched by various etching processes. Since the etching process used determines the final shape of the microdevice, the etching process is selected accordingly. Factors to consider in choosing an etching process include isotropic, etch media, and etch selectivity over other materials.
[0045]
The isotropic etchant etches the substrate at a substantially uniform rate in all directions, creating a rounded cross-sectional feature. In contrast, anisotropic etchants etch mainly in one direction. Usually, an anisotropic etchant etches along a particular crystal plane of a silicon wafer. Some anisotropic etchants etch mainly along one crystallographic plane and, to a lesser extent, other planes to form various shapes. Using the anisotropic etchant, clear deep trenches or cavities are created, outlined by a flat and clear surface. The crystal plane, and thus the etched surface, is not necessarily perpendicular to the surface of the silicon wafer. Wet etchants can be isotropic or anisotropic, and are generally preferred in the present invention because of cost and ease of handling.
[0046]
The isotropic wet etching agent used in the present invention includes hydrofluoric acid (HF) and hydrofluoric acid, nitric acid (HNOThree), And acetic acid (CHThreeCOOH). Nitric acid oxidizes silicon to silicon dioxide. Silicon dioxide is removed by hydrofluoric acid. The silicon etch rate can be varied from 1 μm / min to 5 μm / min by adjusting the rate of acid in the mixture.
[0047]
Wet anisotropic etchants include metal hydroxides such as sodium hydroxide, potassium hydroxide, cesium hydroxide, and the like. Other suitable hydroxides include ammonium hydroxide and tetramethylammonium ((CHThree)FourNOH). Other suitable anisotropic etches include an aqueous mixture of ethylenediamine and pyrocatechol (EDP).
[0048]
Potassium hydroxide is the most commonly used anisotropic etchant. Potassium hydroxide etches silicon along the {111} plane at a rate 100 times slower than when etching the {100} plane. As a result, the silicon wafer can be effectively etched with potassium hydroxide to form a V-shaped groove and a deep groove accurately contoured by the {111} crystal plane. The etch rate of potassium hydroxide on silicon is about 0.5 μm to 2 μm per minute, depending on the temperature and concentration of the etchant.
[0049]
Etching silicon with an aqueous anisotropic etchant creates three-dimensional faceted structures formed by intersecting crystal planes. The design of the masking pattern determines the overall shape of the resulting structure.
[0050]
The desired shape of the completed device is determined in part by the crystal orientation of the silicon wafer. For example, in order to form a V-shaped cavity, a {100} oriented wafer is usually used. The forefront of the etch starts at the opening in the mask and proceeds in the vertical direction (<100> direction) to create a cavity with a flat bottom surface and sloping side surfaces. The etch eventually self-limiting to the four intersecting planes, forming an inverted pyramid or V-shaped trough.
[0051]
During the etching, the concave corners bounded by the {111} plane remain intact. However, since the surface other than {111} is exposed due to slight corrosion of the convex corner, the convex corner is immediately attacked by the etching agent. In this manner, the convex corners in the mask layout are undercut during etching, so that the forefront of etching proceeds directly below the mask.
[0052]
A common dry etching process is a plasma-phase etch. Plasma etching basically involves chemically forming reactive neutrals and ions under the action of an electric or magnetic field, and accelerating particles toward a target. The reactive species is SF6, CFFour, ClTwo, CCIFThree, And NFThreeIs included. One type of plasma etching is commonly referred to as reactive ion etching (RIE). Inductively coupled plasma reactive ion etching (ICP-RIE) uses an externally applied RF magnetic field. Deep reactive ion etching (DRIE) is high-speed etching that can anisotropically etch silicon.
[0053]
The masking material of the present invention is selected according to the etching process used to form the finished product. For example, silicon nitride is an excellent masking material that resists etching in potassium hydroxide. Silicon dioxide can be used as a masking layer for short etches in potassium hydroxide. Photoresist materials are easily etched in alkaline solutions and are not suitable for masking silicon etches. Silicon dioxide and silicon nitride are inherently good masking materials for these etchants because they are not etched by tetramethylammonium hydroxide and ethylenediamine pyrocatechol.
[0054]
A silicon dioxide layer on silicon can be made by oxidizing the silicon in dry oxygen or steam at a temperature of 850-1150 ° C. Forming not only silicon dioxide layers but also silicon nitride layers by atmospheric pressure chemical vapor deposition (CVD), reduced pressure chemical vapor deposition (LPCVD), or plasma enhanced chemical vapor deposition (PECVD). Can be. Silicon nitride (SiThreeNFour) Is often silane (SiHFour) And ammonia (NHThree) At about 700 ° C. to 900 ° C. to deposit at atmospheric pressure.
[0055]
Silicon dioxide and silicon nitride can be selectively etched with various etchants. For example, hydrofluoric acid is a preferred wet etch for silicon dioxide, but not for silicon nitride. Phosphoric acid (HThreePOFour) Is a preferred etchant for silicon nitride, but not for silicon dioxide. When plasma etching is used, silicon dioxide or silicon nitride can be selectively etched by selecting an etching gas. For example, oxygen and CHFThreeCan be used to plasma etch silicon dioxide. Silicon nitride, SF6Can be used for etching.
[0056]
In the following embodiments, the process of the present invention will be described with reference to the drawings. The drawings schematically illustrate the forming steps and show the resulting structure in cross section. If the figures show only one microprojection, it will be understood that the actual device includes a plurality of microprojections arranged in an array. The various masking materials and etchants used in the present process are selected to obtain the desired etching along the appropriate surface of the silicon substrate. The silicon substrate is typically a silicon wafer selected to have crystal faces oriented to obtain the desired shape of the microprojections. Also, various etching steps are selected to etch the substrate to a desired depth and obtain a desired result. Typically, the finished microprojections are about 50 to 1000 μm in length and about 50 to about 200 μm in width.
[0057]
4A-4H embodiment
In this embodiment, the silicon wafer 24 is etched by the various steps shown in FIGS. 4A-4G to produce the microprojection array shown in FIG. 4H. Referring to FIG. 4A, an array is formed using a silicon wafer 24 having a top surface 26 and a bottom surface 28. A silicon oxide layer 30 is formed on top surface 26 and a silicon oxide layer 32 is formed on bottom surface 28 of silicon wafer 24. The silicon oxide layers 32 and 30 can be formed by various processes, for example, a low pressure chemical vapor deposition method. A photoresist layer is formed on the silicon oxide layer 32 and developed to form a plurality of spaced circular open areas 34 in the silicon oxide layer 32. The open areas 34 correspond to the dimensions of the internal passages for each microprojection and are spaced apart by a distance corresponding to the desired spacing of the finished microprojections.
[0058]
As shown in FIG. 4B, the opening region 34 of the silicon oxide layer 32 exposes a part of the silicon substrate 24. As shown in FIG. 4C, a silicon nitride layer 36 is formed on the lower silicon oxide layer 30 and a silicon nitride layer 38 is formed on the upper silicon oxide layer 32 and the opening 34. Silicon nitride layers 36 and 38 can be formed by various processes, including low pressure chemical vapor deposition.
[0059]
A photoresist layer is formed on silicon nitride layer 36 and developed to form a photoresist mask on silicon nitride layer 36 opposite opening area 34. The dimensions of the photoresist layer correspond to the desired shapes and dimensions of the finished microprojections. As shown in FIG. 4D, the exposed portions of silicon nitride layer 36 and silicon oxide layer 30 are etched with a plasma etch to produce nitride mask 40 surrounding exposed surface 42 of silicon substrate 24.
[0060]
A wet isotropic etchant is applied to surface 42 of silicon substrate 24 to etch silicon substrate 24 and oxide layer 30 to produce microprojections 44 having the structure shown in FIG. 4E. As shown in FIG. 4F, nitride layers 40 and 38 are removed by a wet nitride etch. At this stage, the silicon oxide layer 32 defines an exposed area 34 on the underside of the silicon substrate 24.
[0061]
As shown in FIG. 4G, a plasma etch is applied to the lower surface of silicon substrate 24 and exposed area 34 to form an axial passage 46 through microprojections 44. The plasma etch is applied in such a way as to form a substantially smooth walled channel extending perpendicular to the plane of the silicon substrate 24. As shown in FIG. 4G, passages 46 are etched from the bottom surface of silicon substrate 24 and extend to silicon oxide layer 30. As shown in FIG. 4H, the silicon oxide layers 30 and 32 are removed by a silicon oxide etch to obtain a microprojection array 22. Preferably, the silicon oxide layer is removed by a wet etching process.
[0062]
In this embodiment, by forming a masking layer at a selected position on the silicon substrate 24, a plurality of microprojections 44 can be simultaneously formed in the silicon substrate. The shape and length of the microprojections 44 are determined by the etching process, the shape and size of the masking layer, and the time for applying the etching agent. In the illustrated embodiment, the silicon nitride masking layer 40 has a substantially circular shape that creates a conical microprojection 44. In another embodiment, the silicon nitride mask 40 can have a square shape, so that the etching step produces pyramidal shaped microprojections.
[0063]
5A-5I Embodiment
In this embodiment, the microprojection array 48 shown in FIG. 5I is formed from a silicon substrate 50 as shown in FIGS. 5A to 5H. Referring to FIG. 5A, silicon substrate 50 has an upper surface 52 and a bottom surface 54. A silicon nitride layer 56 is deposited on top surface 52 of silicon substrate 50. After a photoresist layer is applied over the silicon nitride layer 56, it is exposed and developed to form a silicon nitride mask 58 on the upper surface 52 of the silicon substrate 50, as shown in FIG. 5B. Silicon nitride mask 58 has a shape and dimensions corresponding to the desired shape of the microprojection tip. Referring to FIG. 5C, an anisotropic wet etch is applied to upper surface 52 of silicon substrate 50, and silicon substrate 50 is etched along the inclined surface to form conical portion 60. Typically, the anisotropic etchant is potassium hydroxide, which etches along the slope as shown in FIG. 5C.
[0064]
As shown in FIG. 5D, the silicon nitride mask 58 is removed by a nitride etch to obtain a conical projection 62 extending from the silicon substrate 50. A silicon oxide layer 64 is applied to the top surface of the silicon substrate 50 to completely cover the conical protrusions 62 and the etched surface 66. A photoresist layer is applied to oxide layer 64. The photoresist layer is exposed and developed to form a photoresist mask overlying the sloped surface 60, and the oxide layer 64 overlying the surface 66 to be etched and the tip 68 of the conical protrusion 62. Expose part. Next, the oxide layer 64 is selectively etched to remove an exposed portion of the oxide layer. The photoresist mask is removed, leaving an oxide mask 70 on the inclined surface 60 of the protruding member 62. As shown in FIG. 5F, a frustoconical shaped oxide mask 70 remains on the inclined surface 60 of the projecting member 62.
[0065]
The oxide layer 70 exposes the upper surface 66 and the tip 68 of the silicon substrate 50. Next, a photoresist layer is applied over the oxide layer 70, the tip 68, and the etched surface 66. Next, the photoresist layer is exposed and developed to form a photoresist mask 72 as shown in FIG. 5G. The photoresist mask 72 substantially covers the oxide layer 70 and the surface 66 of the substrate 50, exposing the tip 68.
[0066]
The axial passage 74 is etched from the top surface through the substrate 50 to form a continuous channel extending through the conical projection 62 to the bottom surface 54 of the substrate 50. As shown in FIG. 5H, the photoresist mask 72 is removed, exposing the surface 66. Preferably, the axial passage 74 is formed by a plasma etch to form the axial passage 74 along a plane substantially perpendicular to the bottom surface 54 of the silicon substrate 50.
[0067]
A plasma etch is then applied to surface 66 and etched along a plane perpendicular to bottom surface 54 to form a substantially annular surface 76 around conical surface 60, as shown in FIG. 5I. As shown in FIG. 5I, the resulting microprojections 48 have a substantially cylindrical sidewall 76 that extends perpendicularly from the substrate 50 and terminates with a conical top surface 60 and a sharp tip 78. An axial passage 74 extends from tip 78 to bottom surface 54.
[0068]
6A-6M Embodiment
In this embodiment, the microprojection array is formed from a silicon substrate 80 having a top surface 82 and a bottom surface 84. An oxide layer 86 is formed on the upper surface 82 of the silicon substrate 80. A photoresist layer is formed on oxide layer 86. The photoresist layer is patterned and developed to form a substantially annular photoresist mask 88 for each microprojection, as shown in FIG. 6B. The photoresist mask 88 defines a central exposed region 90 of the oxide layer 86 and a peripheral exposed region 92. The exposed regions 90 and 92 of the oxide layer 86 are removed by etching, for example, by plasma etching. The oxide etch results in a ring-shaped oxide mask 94 on top surface 82 of silicon substrate 80.
[0069]
The photoresist mask 88 is removed, exposing the oxide mask 94, as shown in FIG. 6C. Oxide mask 94 defines an inner surface 96 and a peripheral surface 97 of upper surface 82 of silicon substrate 80. An isotropic etch is applied to surfaces 96 and 98 to form a curved surface 98 that extends from etched surface 100 to oxide mask 94. As shown in FIG. 6D, the isotropic etch etches a portion of the silicon substrate 80 directly below the oxide mask 94 to define a protrusion 102 below the oxide mask 94. Preferably, the isotropic etch is a wet etch, as known in the art.
[0070]
The oxide mask 94 is removed by an oxide etch. Preferably, the oxide etch is a wet etch using, for example, hydrofluoric acid. The oxide etch removes oxide mask 94 exposing protruding portions 102 defined by curved surface 97 and top surface 104. As shown in FIG. 6E, the upper surface 104 of the protruding portion 102 has a substantially flat surface corresponding to the original upper surface 82. The protruding portion 102 has a substantially annular shape extending upward from the silicon substrate 80.
[0071]
Next, an oxide layer 106 is formed on the upper surface of the silicon body 80. Oxide layer 106 can be formed using various processes known in the art. In one embodiment, the upper surface of silicon body 80 is heated in an oxygen-containing atmosphere. Preferably, oxide layer 106 is formed in a manner that consumes a portion of the outer surface of silicon body 80. As shown in FIG. 6F, the oxide layer 106 is formed to a thickness such that the opposing curved surfaces 97 of the protrusions 102 are consumed and coalesce to form a sharp tip 108.
[0072]
A photoresist layer is applied over the formed oxide layer 106. The photoresist layer is exposed and developed to form a photoresist mask 110 having an annular shape and overlying the sharp tip 108. The exposed region of the oxide layer 106 is selectively etched to remove the photoresist mask 110. This results in an oxide mask 112 overlying the sharp tip 108, as shown in FIGS. 6G and 6H. As shown in FIG. 6H, oxide mask 112 defines an inner surface 114 and an outer surface 116 of silicon substrate 80.
[0073]
A masking material 118 is applied to the surface 116 of the silicon substrate 80, leaving the central portion 114 exposed. An anisotropic etch, eg, a plasma etch, is applied to the central portion 114 to etch a substantially cylindrical recess 120 in the silicon substrate 80 surrounded by the oxide mask 112, as shown in FIG. 6I. . Next, the masking material 118 is removed, exposing the upper surface 122 of the silicon substrate surrounding the oxide mask 112, as shown in FIG. 6J.
[0074]
Next, an anisotropic etch, eg, a plasma etch, is applied to the top surface 122 and the recess 120 is etched completely through the silicon substrate 80 to form an axial channel 124. The anisotropic etch also etches the upper surface 122 to form an annular microprojection 126 having a substantially cylindrical wall 128 extending perpendicularly from the etched upper surface 130. Next, the oxide mask 112 is removed by selective etching to expose the sharp tip 108. As shown in FIGS. 6L and 6M, the resulting microprojections 126 extend upward from the substrate 80. The sharp tip 108 in this embodiment extends completely around the top surface of the microprojection 126 to form a continuous ridge.
[0075]
7A-7J embodiment
In this embodiment, the microprojection array is formed from a silicon substrate 134 having a top surface 136 and a bottom surface 138. A nitride layer 140 is formed on top surface 136. As shown in FIG. 7A, an oxide layer 142 is formed by a low-temperature formation process so as to cover the nitride layer 140. After a photoresist layer is formed over oxide layer 142, it is exposed and developed to form a photoresist mask. In this embodiment, the photoresist mask has an annular shape that matches the lateral dimensions of the microprojections to be made. The exposed regions of the nitride layer 142 and the oxide layer 140 are etched to form a ring-shaped mask 144. As shown in FIG. 7B, the mask 144 defines a central region 146 and an outer region 148 of the silicon substrate 134.
[0076]
As shown in FIG. 7C, a photoresist layer is applied to the exposed surface 148 and the mask 144. Usually, after applying the photoresist layer 150 as a continuous layer, it is exposed and developed to form a mask. As shown in FIG. 7C, the central portion 146 of the silicon substrate 134 is exposed and not covered by the photoresist layer 150. An anisotropic etch, eg, a plasma etch, is applied to the top surface to etch the central portion 146 to form a cylindrical passage 152 completely through the silicon substrate 134, as shown in FIG. 7D. Preferably, passage 152 is formed by a plasma etch and is etched along a plane substantially perpendicular to upper surface 136 of silicon substrate 134.
[0077]
As shown in FIG. 7E, after removing the photoresist mask 150, a second anisotropic etch is performed to etch the exposed surface of the upper surface 136 of the silicon substrate 134. As shown in FIG. 7F, an anisotropic etch is performed to form an annular column 154 having a substantially cylindrical sidewall 156 that extends perpendicular to the bottom surface 138 of the silicon substrate 134.
[0078]
Referring to FIG. 7G, an oxide layer 158 is formed on the exposed surface of silicon substrate 134. As shown, the oxide layer 158 covers the outer surface 156 of the pillar 154 and the inner surface of the channel 152. A wet nitride etch is applied to etch a portion of the exposed nitride layer of mask 144, as shown in FIG. 7H. The nitride etch etches away a portion of the mask 144 around the edge of the nitride layer, exposing a portion of the top surface of the annular column 154. Since the nitride etch attacks the inner and outer edges of the nitride layer of the mask 144, the resulting nitride layer has dimensions smaller than the dimensions of the top surface of the annular column 154.
[0079]
Next, an isotropic etch is used on the exposed silicon around the mask 144 to form a sharp tip 160 having a concave surface 162. The remaining oxide layer 158 and nitride layer 140 are removed by a selective etch or stripping process known in the art. The resulting microprojection 163, shown in FIG. 7J, is defined by an annular column 158 having a ring-shaped sharp tip 160 extending upward from column 158.
[0080]
8A-8L Embodiment
In this embodiment, the microprojection array is formed from a silicon substrate 164 having a top surface 166 and a bottom surface 168. As shown in FIG. 8A, an oxide layer 170 is formed on top surface 166. As in the previous embodiment, a photoresist layer is formed on oxide layer 170 and then developed to form a photoresist mask having a substantially annular shape corresponding to the desired microprojection dimensions. 172 is manufactured. As shown in FIG. 8B, the oxide layer 170 is selectively etched to form an oxide mask 174. The oxide mask 174 has an annular shape corresponding to the shape of the photoresist mask 172. Next, the photoresist mask 172 is removed.
[0081]
An isotropic etch is applied to the upper surface 166 of the silicon substrate 164 to form an etched surface defined by the lower concave surface 176 of the oxide mask 174. As shown in FIG. 8C, the isotropic etch etches a portion of the silicon below the mask 174 to form a ring-shaped protrusion 178 having dimensions slightly smaller than the width of the mask 174.
[0082]
Referring to FIG. 8D, a nitride layer 180 is deposited on the top surface of the silicon substrate 164 and the oxide mask 174. A photoresist mask 182 is formed on the nitride layer 180. As shown in FIG. 8E, photoresist mask 182 has an exposed layer overlying the central opening of oxide mask 174. An isotropic etch is applied to the top surface to etch an axial passage 184 through the exposed nitride layer 180 and through the silicon substrate 164 to the bottom surface 168. Preferably, the anisotropic etch is a plasma etch, which etches along a plane substantially perpendicular to bottom surface 168 of silicon substrate 164. As shown in FIG. 8G, the photoresist layer 182 is removed. An anisotropic etch, preferably a plasma etch, is applied to the top surface to etch nitride layer 180 and silicon substrate 164 to form annular pillars 186, as shown in FIG. 8H. As in the previous embodiment, annular column 186 is defined by a substantially cylindrical outer wall 188 that extends perpendicular to bottom surface 168 of silicon substrate 164.
[0083]
As shown in FIG. 8I, an oxide layer 190 is formed on the exposed surface of the silicon substrate 164 to cover the outer surface of the annular column 186 and the inner surface of the axial passage 184. Applying a nitride etchant, eg, phosphoric acid, removes the remaining portion of nitride layer 180 and exposes concave surface 176 of protrusion 178, as shown in FIG. 8J. Next, an isotropic silicon etch is applied to the exposed concave surface 176 to form a sharp tip 192 on the annular post 186, as shown in FIG. 8K. Next, the remaining oxide layer 190 is removed with an oxide etchant, for example, hydrofluoric acid. As shown in FIG. 8L, the resulting microprojections 194 are defined by an annular column 186 and an annular tip 192.
[0084]
9A-9O embodiment
In this embodiment, the microprojection array is formed from a silicon substrate 196 having a top surface 198 and a bottom surface 200. As in the previous embodiment, an oxide layer 202 is formed on top surface 198, as shown in FIG. 9A. A photoresist mask 204 is formed on oxide layer 202 to define the shape of the resulting microprojections. The photoresist mask 204 has a substantially annular shape and is formed from an exposed and developed photoresist layer, as in the previous embodiment.
[0085]
The exposed region of the oxide layer 202 is selectively etched by, for example, plasma etching to form a ring-shaped oxide mask 206. As shown in FIG. 9C, the photoresist mask 204 is removed, and the upper surface 198 of the silicon substrate 196 is etched with an isotropic etchant. The isotropic etch creates an annular projection 208 defined by a concave outer surface 210 that is concentrated towards the oxide mask 206. As in the previous embodiment, the isotropic etchant removes a portion of the silicon beneath the oxide mask 206, as shown in FIG. 9C.
[0086]
Referring to FIG. 9D, a nitride layer 212 is deposited on the top surface to completely cover the silicon substrate 196 and the oxide mask 206. Referring to FIG. 9E, a photoresist mask 214 is formed on nitride layer 212. Photoresist mask 214 overlies a small area of oxide mask 206. As shown in FIG. 9E, a photoresist mask 214 overlies the outer edge of the oxide mask 206 and covers a small arcuate portion of the oxide mask 206. In a preferred embodiment, photoresist mask 214 covers an arc that is less than about a quarter of the circumference of oxide mask 206. Next, nitride layer 212 is selectively etched to form a nitride mask 216 that matches the shape and dimensions of photoresist mask 214, as shown in FIGS. 9E and 9F. Preferably, the nitride etch acts selectively so that substantially no silicon etching occurs at this stage.
[0087]
Next, as shown in FIG. 9G, the photoresist mask 214 is removed to expose the nitride mask 216. The nitride mask 216 substantially corresponds to the dimensions of the photoresist mask 214 and overlies a small portion of the outer edge of the oxide mask 206, as shown in FIG. 9G. In the illustrated embodiment, nitride mask 214 covers only a portion of the oxide mask. As described below, the dimensions of the nitride mask 214 determine the final shape of the microprojections.
[0088]
A photoresist mask 218 is applied over the top surface of silicon substrate 196, oxide mask 206, and nitride mask 216. A photoresist layer is applied, patterned, and developed to form a photoresist mask 218 that exposes an upper surface 219 of the silicon substrate 196 surrounded by the oxide mask 206, as shown in FIG. 9H.
[0089]
Referring to FIG. 9I, an anisotropic etch is applied to the top surface to etch an axial passage 220 that extends completely through the silicon substrate 196 to the bottom surface 200. Next, as shown in FIG. 9J, the photoresist layer 218 is removed. As shown in FIG. 9K, an anisotropic plasma etch is applied to form an annular column 222 having a cylindrical sidewall 224. As shown in FIG. 9K, the plasma etch etches silicon substrate 196 along a plane substantially perpendicular to bottom wall 200. The plasma etch also removes a portion of nitride mask 216, leaving a portion 226 of nitride mask 216 under oxide mask 206. Next, an oxide layer 228 is formed over the exposed surface of the silicon substrate 196 and the oxide mask 206. As shown in FIG. 9L, the oxide layer 228 is not applied to the nitride mask 216, so that the nitride mask 216 is exposed. A nitride etch solution, such as phosphoric acid, is applied to remove portions 226 of the nitride layer, thereby forming openings to form concave surface 210 formed on annular pillars 222, as shown in FIG. 9M. Expose.
[0090]
Next, an isotropic silicon etch is applied to the exposed surface of the annular pillar 222 through the opening formed by the nitride etch removing the portion 226. The isotropic silicon etch etches the silicon along an interface that extends away from the openings in the oxide layer 228, forming a curved etched outer surface 230, as shown in FIG. 9N. The silicon etch is applied for a time sufficient to etch surface 230 to form sharp tip 232. In one embodiment, the silicon etch is an isotropic etch. In a further embodiment, the silicon etch can be a plasma etch, a wet isotropic etch, or a wet anisotropic etch using potassium hydroxide.
[0091]
Next, the oxide layer 228 is selectively removed with, for example, hydrofluoric acid to expose the microprojections 234. The microprojections 234 generally have a cylindrical shape with an outer surface defined by a curved inner surface 230 and a sharp tip 232.
[0092]
Embodiment of FIG.
In another embodiment of the present invention, a microprojection 236 having a substantially cylindrical sidewall 238 and a base 240 is formed. As in the previous embodiment, microprojections 236 are formed from a silicon wafer by photolithography. That is, after forming a ring-shaped mask, a microprojection having a cylindrical side wall 238 and an axial passage is formed by anisotropic etching. A mask is formed on a silicon wafer to define the dimensions of the microprojections and create a sharp tip 242. In one preferred embodiment, tips 242 are spaced around the circumference of microprojections 236. Each tip 242 is formed concave so that a curved ridge 244 is formed between adjacent tips 242.
[0093]
While several embodiments have been chosen to illustrate the invention, it will be appreciated that various modifications and changes can be made without departing from the scope of the invention as defined in the appended claims. Those skilled in the art will understand.
[Brief description of the drawings]
[0094]
FIG. 1 is a side view showing a micro projection array according to a first embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a perspective view showing the microprojection array of the embodiment of FIG. 1;
FIG. 3 is a top view showing the micro projection array of FIG. 2;
FIG. 4A illustrates successive steps of forming a microprojection array according to a second embodiment of the present invention.
FIG. 4B illustrates a sequence of steps for forming a microprojection array according to a second embodiment of the present invention.
FIG. 4C illustrates a sequence of steps for forming a microprojection array according to a second embodiment of the present invention.
FIG. 4D illustrates a sequence of steps for forming a microprojection array according to a second embodiment of the present invention.
FIG. 4E illustrates a sequence of steps for forming a microprojection array according to a second embodiment of the present invention.
FIG. 4F illustrates a sequence of steps for forming a microprojection array according to a second embodiment of the present invention.
FIG. 4G illustrates a sequence of steps for forming a microprojection array according to a second embodiment of the present invention.
FIG. 4H illustrates successive steps of forming a microprojection array according to a second embodiment of the present invention.
FIG. 5A illustrates successive steps of forming a microprojection array according to a third embodiment of the present invention.
FIG. 5B illustrates a sequence of steps for forming a microprojection array according to a third embodiment of the present invention.
FIG. 5C illustrates a sequence of steps for forming a microprojection array according to a third embodiment of the present invention.
FIG. 5D illustrates a sequence of steps for forming a microprojection array according to a third embodiment of the present invention.
FIG. 5E illustrates successive steps of forming a microprojection array according to a third embodiment of the present invention.
FIG. 5F illustrates a sequence of steps for forming a microprojection array according to a third embodiment of the present invention.
FIG. 5G illustrates a sequence of steps for forming a microprojection array according to a third embodiment of the present invention.
FIG. 5H illustrates successive steps of forming a microprojection array according to a third embodiment of the present invention.
FIG. 5I illustrates successive steps of forming a microprojection array according to a third embodiment of the present invention.
FIG. 6A illustrates a sequence of steps for forming a microprojection array according to a fourth embodiment of the present invention.
FIG. 6B illustrates successive steps of forming a microprojection array according to a fourth embodiment of the present invention.
FIG. 6C illustrates a sequence of steps for forming a microprojection array according to a fourth embodiment of the present invention.
FIG. 6D illustrates a sequence of steps for forming a microprojection array according to a fourth embodiment of the present invention.
FIG. 6E illustrates a sequence of steps for forming a microprojection array according to a fourth embodiment of the present invention.
FIG. 6F illustrates a sequence of steps for forming a microprojection array according to a fourth embodiment of the present invention.
FIG. 6G illustrates a sequence of steps for forming a microprojection array according to a fourth embodiment of the present invention.
FIG. 6H illustrates successive steps of forming a microprojection array according to a fourth embodiment of the present invention.
FIG. 6I illustrates a sequence of steps for forming a microprojection array according to a fourth embodiment of the present invention.
FIG. 6J illustrates a sequence of steps for forming a microprojection array according to a fourth embodiment of the present invention.
FIG. 6K illustrates a sequence of steps for forming a microprojection array according to a fourth embodiment of the present invention.
FIG. 6L illustrates successive steps of forming a microprojection array according to a fourth embodiment of the present invention.
FIG. 6M illustrates a sequence of steps for forming a microprojection array according to a fourth embodiment of the present invention.
FIG. 7A illustrates successive steps of forming a microprojection array according to a fifth embodiment of the present invention.
FIG. 7B illustrates a sequence of steps for forming a microprojection array according to a fifth embodiment of the present invention.
FIG. 7C illustrates a sequence of steps for forming a microprojection array according to a fifth embodiment of the present invention.
FIG. 7D illustrates a sequence of steps for forming a microprojection array according to a fifth embodiment of the present invention.
FIG. 7E illustrates successive steps of forming a microprojection array according to a fifth embodiment of the present invention.
FIG. 7F illustrates a sequence of steps for forming a microprojection array according to a fifth embodiment of the present invention.
FIG. 7G illustrates successive steps of forming a microprojection array according to a fifth embodiment of the present invention.
FIG. 7H illustrates a sequence of steps for forming a microprojection array according to a fifth embodiment of the present invention.
FIG. 7I illustrates successive steps of forming a microprojection array according to a fifth embodiment of the present invention.
FIG. 7J illustrates successive steps of forming a microprojection array according to a fifth embodiment of the present invention.
FIG. 8A illustrates successive steps of forming a microprojection array according to a sixth embodiment of the present invention.
FIG. 8B illustrates successive steps of forming a microprojection array according to a sixth embodiment of the present invention.
FIG. 8C illustrates a sequence of steps for forming a microprojection array according to a sixth embodiment of the present invention.
FIG. 8D illustrates a sequence of steps for forming a microprojection array according to a sixth embodiment of the present invention.
FIG. 8E illustrates a sequence of steps for forming a microprojection array according to a sixth embodiment of the present invention.
FIG. 8F illustrates a sequence of steps for forming a microprojection array according to a sixth embodiment of the present invention.
FIG. 8G illustrates a sequence of steps for forming a microprojection array according to a sixth embodiment of the present invention.
FIG. 8H illustrates a sequence of steps for forming a microprojection array according to a sixth embodiment of the present invention.
FIG. 8I illustrates successive steps of forming a microprojection array according to a sixth embodiment of the present invention.
FIG. 8J illustrates successive steps of forming a microprojection array according to a sixth embodiment of the present invention.
FIG. 8K illustrates a sequence of steps for forming a microprojection array according to a sixth embodiment of the present invention.
FIG. 8L illustrates successive steps of forming a microprojection array according to a sixth embodiment of the present invention.
FIG. 9A illustrates successive steps of forming a microprojection array according to a seventh embodiment of the present invention.
FIG. 9B illustrates a sequence of steps for forming a microprojection array according to a seventh embodiment of the present invention.
FIG. 9C illustrates a sequence of steps for forming a microprojection array according to a seventh embodiment of the present invention.
FIG. 9D illustrates a sequence of steps for forming a microprojection array according to a seventh embodiment of the present invention.
FIG. 9E illustrates a sequence of steps for forming a microprojection array according to a seventh embodiment of the present invention.
FIG. 9F illustrates a sequence of steps for forming a microprojection array according to a seventh embodiment of the present invention.
FIG. 9G illustrates a sequence of steps for forming a microprojection array according to a seventh embodiment of the present invention.
FIG. 9H illustrates a sequence of steps for forming a microprojection array according to a seventh embodiment of the present invention.
FIG. 9I illustrates successive steps of forming a microprojection array according to a seventh embodiment of the present invention.
FIG. 9J illustrates a sequence of steps for forming a microprojection array according to a seventh embodiment of the present invention.
FIG. 9K illustrates a sequence of steps for forming a microprojection array according to a seventh embodiment of the present invention.
FIG. 9L illustrates successive steps of forming a microprojection array according to a seventh embodiment of the present invention.
FIG. 9M illustrates a sequence of steps for forming a microprojection array according to a seventh embodiment of the present invention.
FIG. 9N illustrates successive steps of forming a microprojection array according to a seventh embodiment of the present invention.
FIG. 90 illustrates successive steps for forming an array of microprojections according to a seventh embodiment of the present invention.
FIG. 10 is a perspective view showing a micro protrusion in the eighth embodiment of the present invention, showing a plurality of sharp tips on an annular surface.

Claims (43)

上面と底面とを有する基板を提供するステップと、
パターン化されたマスキング層を前記上面上の複数の領域に形成するステップであって、前記パターン化されたマスキング層の前記領域は、マイクロ突起物に対応する所定の寸法を有し、前記マスキング層の前記領域の周囲の前記基板の前記上面の露出領域を規定するステップと、
前記基板の前記上面の前記露出領域を、複数のマイクロ突起物を形成するのに十分な深さまでエッチングするステップと、
前記基板から前記マスキング層を除去して、前記マイクロ突起物を露出させるステップと、
を含むことを特徴とするマイクロ突起物アレイの形成方法。
Providing a substrate having a top surface and a bottom surface;
Forming a patterned masking layer in a plurality of regions on the top surface, wherein the region of the patterned masking layer has a predetermined dimension corresponding to a microprojection; Defining an exposed area of the top surface of the substrate around the area of;
Etching the exposed region of the top surface of the substrate to a depth sufficient to form a plurality of microprojections;
Removing the masking layer from the substrate to expose the microprojections;
A method for forming a microprojection array, comprising:
前記基板の前記上面上に酸化物層を形成するステップをさらに含むことを特徴とする請求項1に記載の方法。The method of claim 1, further comprising forming an oxide layer on the top surface of the substrate. 前記パターン化されたマスキング層は窒化物層であることを特徴とする請求項2に記載の方法。The method of claim 2, wherein the patterned masking layer is a nitride layer. 前記基板はシリコンからなることを特徴とする請求項1に記載の方法。The method of claim 1, wherein the substrate comprises silicon. パターン化されたマスキング層を前記ベースの前記底面上に適用して、前記底面を通って前記マイクロ突起物の上端に至るチャネルをエッチングするステップを含むことを特徴とする請求項1に記載の方法。The method of claim 1, comprising applying a patterned masking layer on the bottom surface of the base to etch a channel through the bottom surface to the top of the microprojections. . 前記基板の前記底面上に酸化物層を提供するステップと、
前記マイクロ突起物の下方に配置された、前記基板の前記底面上の前記酸化物層の領域をエッチングするステップと、
前記底面と前記上面との間に延びるチャネルをエッチングするステップと、
をさらに含むことを特徴とする請求項3に記載の方法。
Providing an oxide layer on the bottom surface of the substrate;
Etching a region of the oxide layer on the bottom surface of the substrate, located below the microprojections;
Etching a channel extending between the bottom surface and the top surface;
The method of claim 3, further comprising:
前記窒化物層を形成する前に、
前記支持体の前記底面上の前記酸化物層内の複数の領域をエッチングすることと、
第2の連続した窒化物層を前記底面上に適用して、前記底面上の前記酸化物層とエッチングされた領域とを覆うことと、
を含むことを特徴とする請求項6に記載の方法。
Before forming the nitride layer,
Etching a plurality of regions in the oxide layer on the bottom surface of the support;
Applying a second continuous nitride layer on the bottom surface to cover the oxide layer and the etched region on the bottom surface;
7. The method according to claim 6, comprising:
前記底面上の前記酸化物層の前記エッチングの後に、
前記底面上の前記窒化物層をエッチングして、前記底面上の前記酸化物層内の前記エッチングされた領域を露出させることと、
前記基板を通り前記ベースの前記底面と前記上面との間に延びるチャネルをエッチングすることと、
を含むことを特徴とする請求項6に記載の方法。
After the etching of the oxide layer on the bottom surface,
Etching the nitride layer on the bottom surface to expose the etched region in the oxide layer on the bottom surface;
Etching a channel extending through the substrate between the bottom surface and the top surface of the base;
7. The method according to claim 6, comprising:
前記上面と前記マイクロ突起物との上に酸化物層を形成するステップと、
前記マイクロ突起物上の前記酸化物層の一部をエッチングして、前記マイクロ突起物の先端部分を露出させるステップと、
前記マイクロ突起物の前記露出した先端部分をエッチングして、前記マイクロ突起物の前記先端部分と前記ベースの前記底面との間に延びるチャネルを形成するステップと、
をさらに含むことを特徴とする請求項1に記載の方法。
Forming an oxide layer on the top surface and the microprojections,
Etching a portion of the oxide layer on the micro-projections to expose a tip portion of the micro-projections;
Etching the exposed tip portion of the microprojection to form a channel extending between the tip portion of the microprojection and the bottom surface of the base;
The method of claim 1, further comprising:
フォトレジスト層を、前記マイクロ突起物に適用するステップをさらに含むことを特徴とする請求項9に記載の方法。The method of claim 9, further comprising applying a photoresist layer to the microprojections. 前記各マイクロ突起物上の前記フォトレジスト層の周囲の前記上面をエッチングして、環状の柱を形成するステップをさらに含むことを特徴とする請求項10に記載の方法。The method of claim 10, further comprising etching the top surface around the photoresist layer on each of the microprojections to form annular pillars. マスキング層のついた上面を有するシリコン基板を提供するステップと、
前記マスキング層の一部を除去して、前記マスキング層の複数の実質的にリング形状の部分を前記上面上に形成するステップと、
前記シリコン基板の前記上面をエッチングして、前記各リング形状部分の中心を通って延びるチャネルを形成し、かつ、前記各リング形状部分の周囲に環状の柱を形成するステップと、
前記マスキング層の前記リング形状部分を除去して、マイクロ突起物アレイを形成するステップと、
を含むことを特徴とするマイクロ突起物アレイの形成方法。
Providing a silicon substrate having a top surface with a masking layer;
Removing a portion of the masking layer to form a plurality of substantially ring-shaped portions of the masking layer on the top surface;
Etching the top surface of the silicon substrate to form a channel extending through the center of each ring-shaped portion, and forming an annular column around each ring-shaped portion;
Removing the ring-shaped portion of the masking layer to form a microprojection array;
A method for forming a microprojection array, comprising:
前記マスキング層は、前記基板上の酸化物層であることを特徴とする請求項12に記載の方法。The method of claim 12, wherein the masking layer is an oxide layer on the substrate. 前記マスキング層の前記リング形状部分を除去する前に、
前記リング形状の酸化物部分の周囲の前記シリコン基板をエッチングして、鋭利な先端を形成すること、
を特徴とする請求項12に記載の方法。
Before removing the ring-shaped portion of the masking layer,
Etching the silicon substrate around the ring-shaped oxide portion to form a sharp tip;
13. The method of claim 12, wherein:
複数のリング形状の窒化物部分を前記酸化物層上に形成し、かつ、前記リング形状の窒化物部分の周囲の前記酸化物層をエッチングして、前記酸化物層から前記リング形状部分を形成することを含むことを特徴とする請求項13に記載の方法。Forming a plurality of ring-shaped nitride portions on the oxide layer, and etching the oxide layer around the ring-shaped nitride portions to form the ring-shaped portions from the oxide layer; 14. The method of claim 13, comprising: 前記リング形状の酸化物部分を除去した後に、
第2の酸化物層を前記マイクロ突起物アレイ上に形成して、前記マイクロ突起物を鋭利にするステップと、
前記第2の酸化物層を除去して、前記鋭利なマイクロ突起物を露出させるステップと、
をさらに含むことを特徴とする請求項13に記載の方法。
After removing the ring-shaped oxide portion,
Forming a second oxide layer on the microprojection array to sharpen the microprojections;
Removing the second oxide layer to expose the sharp microprojections;
14. The method of claim 13, further comprising:
フォトレジスト層を、前記マイクロ突起物上の前記第2の酸化物層に適用することと、
前記チャネルおよび環状部分をエッチングする前記ステップの前に、前記第2の酸化物層をエッチングしてリング形状の酸化物層を形成することと、
を含むことを特徴とする請求項16に記載の方法。
Applying a photoresist layer to the second oxide layer on the microprojections;
Etching the second oxide layer to form a ring-shaped oxide layer prior to the step of etching the channel and the annular portion;
17. The method according to claim 16, comprising:
酸化物層を、前記環状の柱の内側および外側の表面に適用して、その後に前記リング形状の酸化物部分の周囲の前記シリコンをエッチングして、鋭利な先端を前記柱上に形成すること、
をさらに含むことを特徴とする請求項13に記載の方法。
Applying an oxide layer to the inner and outer surfaces of the annular pillar and then etching the silicon around the ring-shaped oxide portion to form a sharp tip on the pillar ,
14. The method of claim 13, further comprising:
前記マイクロ突起物内に前記チャネルをエッチングする前に、前記第1の酸化物層上に窒化物層を適用することをさらに含むことを特徴とする請求項18に記載の方法。20. The method of claim 18, further comprising applying a nitride layer on the first oxide layer before etching the channel in the microprojections. 前記チャネルを形成する前に、前記窒化物層と前記基板の上面との上にフォトレジスト層を適用することをさらに含むことを特徴とする請求項19に記載の方法。20. The method of claim 19, further comprising applying a photoresist layer over the nitride layer and a top surface of the substrate before forming the channel. 前記環状の柱を形成する前記ステップの前に、前記フォトレジスト層を除去するステップを含むことを特徴とする請求項20に記載の方法。21. The method of claim 20, comprising removing the photoresist layer prior to the step of forming the annular pillar. 前記環状の柱を形成する前に、窒化物層を前記基板の前記上面とリング形状部分とに適用することと、
フォトレジスト層を、前記リング形状の酸化物部分の上に重なる前記窒化物層に適用することと、
前記チャネルを形成し、その後に前記柱を形成することと、
をさらに含むことを特徴とする請求項13に記載の方法。
Applying a nitride layer to the top surface and the ring-shaped portion of the substrate before forming the annular pillar;
Applying a photoresist layer to the nitride layer overlying the ring-shaped oxide portion;
Forming the channel and then forming the pillar;
14. The method of claim 13, further comprising:
酸化物層を、前記柱の外側表面と前記チャネルの内側表面との上に形成することと、
前記窒化物層を前記柱から除去し、さらに前記柱の外端における前記シリコンをエッチングして鋭利な先端を形成することと、
をさらに含むことを特徴とする請求項22に記載の方法。
Forming an oxide layer on the outer surface of the pillar and the inner surface of the channel;
Removing the nitride layer from the pillar, and further etching the silicon at the outer edge of the pillar to form a sharp tip;
23. The method of claim 22, further comprising:
前記シリコン基板をエッチングする前に、
酸化物層を、前記柱の外側表面と前記チャネルの内側表面との上に形成することであって、前記柱の上端の一部には前記酸化物層がないように形成することと、
前記柱の前記上端の前記一部をエッチングして、傾斜のついた先端を形成することと、
をさらに含むことを特徴とする請求項22に記載の方法。
Before etching the silicon substrate,
Forming an oxide layer on the outer surface of the pillar and the inner surface of the channel, wherein a portion of the upper end of the pillar is free of the oxide layer;
Etching the portion of the upper end of the column to form a beveled tip;
23. The method of claim 22, further comprising:
前記柱上に、傾斜のついた先端をカッティングすることをさらに含むことを特徴とする請求項12に記載の方法。The method of claim 12, further comprising cutting a beveled tip on the post. ダイシングソーを提供して、前記傾斜のついた先端を前記ダイシングソーでカッティングすることをさらに含むことを特徴とする請求項25に記載の方法。The method of claim 25, further comprising providing a dicing saw and cutting the beveled tip with the dicing saw. 前記傾斜をカッティングする前に、前記柱を支持媒体中に入れることをさらに含むことを特徴とする請求項25に記載の方法。26. The method of claim 25, further comprising placing the post in a support medium before cutting the slope. 前記支持媒体はワックスであることを特徴とする請求項27に記載の方法。The method of claim 27, wherein the support medium is a wax. 上面と底面とを有する基板を提供するステップと、
複数の凹部を前記上面内に形成するステップであって、前記凹部は、前記上面の平面に対して傾斜した表面を規定し、前記傾斜した表面は鋭利な先端のアレイを形成するステップと、
前記鋭利な先端の周囲の前記基板の一部を除去して、前記鋭利な先端によって形成される外端を有するマイクロ突起物アレイを形成するステップと、
を含むことを特徴とするマイクロ突起物アレイの形成方法。
Providing a substrate having a top surface and a bottom surface;
Forming a plurality of recesses in the top surface, wherein the recesses define a surface inclined relative to a plane of the top surface, the inclined surface forming an array of sharp tips;
Removing a portion of the substrate around the sharp tip to form a microprojection array having an outer edge formed by the sharp tip;
A method for forming a microprojection array, comprising:
前記基板は、シリコン、酸化ケイ素、窒化ケイ素、エポキシ樹脂、ニッケル、およびアルミニウムからなる群から選択される材料であることを特徴とする請求項29に記載の方法。30. The method of claim 29, wherein the substrate is a material selected from the group consisting of silicon, silicon oxide, silicon nitride, epoxy resin, nickel, and aluminum. 前記基板はポリシリコンまたはアモルファスシリコンであることを特徴とする請求項29に記載の方法。The method of claim 29, wherein the substrate is polysilicon or amorphous silicon. 前記傾斜した表面は、異方性エッチング剤を前記基板の前記上面に適用し、傾斜の付いた表面を前記基板の結晶面内に形成することによって、形成されることを特徴とする請求項29に記載の方法。30. The sloped surface is formed by applying an anisotropic etchant to the top surface of the substrate and forming a sloped surface in a crystal plane of the substrate. The method described in. 前記異方性エッチング剤は、水酸化カリウム、エチレンジアミンピロカテコール、水酸化アンモニウム、水酸化ナトリウム、CsOH、およびN24からなる群から選択されることを特徴とする請求項32に記載の方法。The anisotropic etchant, potassium hydroxide, ethylene diamine pyrocatechol, ammonium hydroxide, sodium hydroxide, CsOH, and N 2 The method of claim 32, characterized in that it is selected from the group consisting of H 4 . 前記傾斜した表面は、等方性エッチング剤を前記基板の前記上面に適用することによって形成されることを特徴とする請求項29に記載の方法。30. The method of claim 29, wherein the sloped surface is formed by applying an isotropic etch to the top surface of the substrate. 前記等方性エッチング剤は、フッ化水素酸と酢酸と硝酸との混合物を含むことを特徴とする請求項34に記載の方法。The method of claim 34, wherein the isotropic etchant comprises a mixture of hydrofluoric acid, acetic acid, and nitric acid. 前記マイクロ突起物アレイは、前記鋭利な先端の周囲の前記基板の前記上面を機械加工することによって形成されることを特徴とする請求項29に記載の方法。The method of claim 29, wherein the array of microprojections is formed by machining the top surface of the substrate around the sharp tip. 上面と底面とを有する基板を提供するステップと、
前記基板の前記上面上にマイクロ突起物アレイを形成するステップであって、前記マイクロ突起物は上面を有するステップと、
前記各マイクロ突起物の前記上面上に少なくとも1つの傾斜を形成するステップと、
を含むことを特徴とするマイクロ突起物アレイの形成方法。
Providing a substrate having a top surface and a bottom surface;
Forming a microprojection array on the top surface of the substrate, wherein the microprojections have an upper surface;
Forming at least one slope on the top surface of each of the microprojections;
A method for forming a microprojection array, comprising:
前記マイクロ突起物は外側表面を有し、前記傾斜を形成する前記ステップは、
非酸化層を前記マイクロ突起物の前記外側表面上に形成することと、
酸化物層を前記マイクロ突起物の前記上面上に形成することと、
前記非酸化層をエッチングして前記マイクロ突起物上に露出領域を形成することと、
前記露出領域内の前記マイクロ突起物をエッチングして前記傾斜を形成することと、
を含むことを特徴とする請求項37に記載の方法。
The microprojections have an outer surface, and the step of forming the slope comprises:
Forming a non-oxidized layer on the outer surface of the microprojections;
Forming an oxide layer on the top surface of the microprojections;
Etching the non-oxidized layer to form an exposed region on the microprojection;
Etching the microprojections in the exposed area to form the slope;
38. The method of claim 37, comprising:
非エッチング層を前記非酸化層上に適用することをさらに含むことを特徴とする請求項38に記載の方法。39. The method of claim 38, further comprising applying a non-etched layer over the non-oxidized layer. 前記非酸化層を除去することを含むことを特徴とする請求項38に記載の方法。The method of claim 38, comprising removing the non-oxidized layer. 前記マイクロ突起物は、前記基板を選択エッチングすることによって形成されることを特徴とする請求項37に記載の方法。The method of claim 37, wherein the microprojections are formed by selectively etching the substrate. 前記傾斜は、前記基板を選択エッチングすることによって形成されることを特徴とする請求項37に記載の方法。The method of claim 37, wherein the slope is formed by selectively etching the substrate. 前記傾斜は、前記マイクロ突起物を選択エッチングすることによって形成されることを特徴とする請求項37に記載の方法。The method of claim 37, wherein the slope is formed by selectively etching the microprojections.
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