MXPA02006661A - Metodo para formar agujas huecas, verticales, dentro de un sustrato semiconductor. - Google Patents

Abstract

Un metodo para formar una aguja incluye el paso de mordentado anisotropico de un canal en el lado posterior de un sustrato semiconductor. El lado frontal del sustrato semiconductor entonces se mordenta isotropicamente para formar una superficie axial, vertical, que rodea el canal. La aguja resultante tiene un cuerpo alargado formado de un material semiconductor. El cuerpo alargado incluye una superficie axial ubicada entre un primer extremo y un segundo extremo. La superficie axial define un canal entre el primer extremo y el segundo extremo. En una modalidad, el primer extremo tiene una punta inclinada con un solo punto de terminacion circunferencial.

Description

' MÉTODO PARA FORMAR AGU iíÉ HUECAS , VERTICALES, DENTRO DE UN SUSTRATO SEMICONDUCTOR BREVE DESCRIPCIÓN DE LA INVENCIÓN 5 Esta invención se refiere, en general, a la fabricación de agujas. Más específicamente, esta invención se refiere a una técnica para formar agujas • huecas, verticales dentro de un sustrato semiconductor. 10 ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓN Hasta ahora las agujas han sido formadas con acero inoxidable. En fechas recientes se han descrito técnicas para formar agujas a partir de semiconductores. Algunas técnicas para fabricar agujas dentro de un sustrato 15 semiconductor han formado las agujas en el plano horizontal del sustrato semiconductor. Por ejemplo, la técnica de la patente US 5,928,207, inventada por Albert P. Pisano y Kyle S. Lebouitz, y titulada "Microaguja con punta isotrópicamente mordentada, y método para fabricar 20 este dispositivo", utiliza mordentado isotrópico para formar microagujas en el plano horizontal de un sustrato semiconductor. Esta patente, cedida a la cesionaria de la presente solicitud, se incorpora como referencia en la presente . 25 ?Íl??l<?1ig'-á---Í-M--IÉf-ÍÍ-Í Í i i i ?l I i¿> >*? ^. &*>**— - i „„M»fa_-fc»..-i--j,, tta--"-- -— * á Mtt^* f\t Í? Otra técnica de fabricación de semiconductores para formar agujas está descrita por Neil H. Talbot, Christopher G. Keller y Albert P. Pisano en su Solicitud de Patente US serie No. 09/044,398, presentada el 18 de marzo de 1998, titulada "Aparato y método para fabricar agujas por depósito conformal en moldes de dos piezas". Esta tecnología forma una aguja por depósito conformal dentro de una cámara en orientación horizontal definida por un molde en dos piezas.

Kyle S. Lebouitz y Albert P. Pisano también desarrollaron una matriz de puntas isotrópicamente mordentadas formando un "medidor de desgaste por frotamiento" utilizado para frotar la epidermis y por este medio facilitar el suministro transdérmico de medicamentos. Esta tecnología está descrita en la Solicitud de Patente US serie No. 09/106,991, presentada el 29 de junio de 1998, titulada "Sonda transdérmica con una punta mordentada isotrópicamente, y método para fabricar este dispositivo". Esta solicitud de patente, que fue cedida a la cesionaria de la presente solicitud, también se incorpora en la presente como referencia. La estructura descrita en la solicitud de patente se forma utilizando solo mordentado isotrópico. Esta estructura no tiene agujeros pasantes. Además, la estructura no es cortada en agujas individuales, en vista de que la matriz se utiliza como una sola estructura formando un medidor de abrasión. 5 Un dispositivo para el suministro transdérmico de medicamentos relacionado está descrito por S. Henry y col., en "Microagujas microfabricadas : Un enfoque • novedoso para el suministro transdérmico de medicamentos", Journal of Pharmaceutical Sciences, vol. 10 87, No. 8, pp. 922-925, 1998. Esta publicación describe un arreglo de agujas sólidas que puede utilizarse para el suministro transdérmico de medicamentos. Un mejoramiento a esta tecnología está descrito por algunos de los autores en V. D. McAlister, y col., "Three-Dimensional 15 Hollow Microneedle and Microtube Arrays", Trandsducers '99 Conference Proceedings, pp . 1098-1101, Sendai, Japón, 1999. El arreglo de agujas descrito en esta publicación tiene canales interiores. Los autores describen como pueden utilizarse los arreglos descritos para suministrar 20 medicamentos o para aplicaciones controladas de microcombustión.

A pesar de los avances recientes en la fabricación de agujas a base de semiconductores, todavía hacen falta 25 mejores técnicas para la formación de agujas. Por ~-- * •*******-** -• •• rrir-i Mu"--'-""•**• a--l-----b"«?»'li'-ilfc''l*-t"^*ttA^*ilt*^-a" ""-^- -*"* '•'•^ ejemplo, seria deseable proporcionar una técnica para formar paredes de agujas con diferentes pendientes verticales. También seria deseable proporcionar una técnica para formar puntas de agujas con diferentes formas.

COMPENDIO DE LA INVENCIÓN Un método para formar una aguja incluye el paso de mordentar anisotrópicamente un canal en el lado posterior de un sustrato semiconductor. El lado frontal del sustrato semiconductor entonces se mordenta isotrópicamente para formar una superficie axial vertical rodeando el canal. La aguja resultante tiene un cuerpo alargado que se forma de un material semiconductor. El cuerpo alargado incluye una superficie axial ubicada entre un primer extremo y un segundo extremo. La superficie axial define un canal entre el primer extremo y el segundo extremo.

La invención proporciona diversas técnicas para modificar la forma de las agujas fabricadas. Por ejemplo, se utiliza una combinación de mordentado anisotrópico e isotrópico para producir agujas con paredes verticales escalonadas, mientras que se utiliza solo mordentado isotrópico para producir agujas con paredes verticales inclinadas que terminan en una base ancha. Las modalidades con base ancha operan para soportar fuerzas laterales relativamente grandes. La técnica de desplazamiento de la máscara de la invención puede 5 utilizarse para formar una punta inclinada con un solo punto de terminación circunferencial.

BREVE DESCRIPCIÓN DE LOS DIBUJOS Para una mejor comprensión de la invención debe 10 hacerse referencia a la siguiente descripción detallada tomada junto con los dibujos que le acompañan, en los cuales : • La FIGURA 1 ilustra los pasos del proceso realizados 15 de acuerdo con una modalidad de la invención.

Las FIGURAS 2a-2h proporcionan vistas transversales de la fabricación de una aguja hueca vertical de acuerdo con una modalidad de la invención. 20 ^P La FIGURA 3 es una vista transversal amplificada de una aguja hueca, vertical, con una región en embudo construida de acuerdo con una modalidad de la invención. 25 --..i .-.-,.J--J--syti-t-;.-.. «-, .*i ...... ..« *.>- - ^^ -» ,.a----?iJij...j^aAt^.

La FIGURA 4 es una vista superior de una matriz de agujas huecas, verticales, formada en un sustrato semiconductor de acuerdo con una modalidad de la invención. 5 Números de referencia iguales se refieren a partes correspondientes a lo largo de los dibujos.

DESCRIPCIÓN DETALLADA DE LA INVENCIÓN 10 La Figura 1 ejemplifica los pasos del proceso 20 realizados de acuerdo con una modalidad de la invención. El primer paso del proceso que se muestra en la Figura 1 es preparar una lámina cristalina (paso 22). Como un ejemplo, el material inicial puede ser una lámina 15 cristalina de silicio <100> que tenga un espesor de 500 a 550 µm, y que esté pulida en ambos lados. La lámina se limpia utilizando las técnicas normales. Luego se oxida la lámina, por ejemplo, utilizando un reactor horizontal a presión atmosférica a una temperatura de 1100°C, para 20 formar una capa de óxido de aproximadamente 2.0 µm sobre • el lado posterior y el lado frontal de la lámina. La Figura 2a muestra una lámina 24 con una capa de óxido en el lado frontal 26 y una capa de óxido en el lado posterior 28. 25 El siguiente paso del proceso que se muestra en la *'' '.- Figura 1 es modelar el lado posterior de la lámina (paso "PÉ 30) . El lado posterior de la lámina se modela utilizando fotolitografía para definir el contorno del orificio del 5 lado posterior del canal dentro de la aguja. Como un ejemplo, la fotorresistencia puede ser una capa de 1.3 µm de resistencia positiva de múltiples longitudes de onda • Shilpley S3813, que se expone, revela y luego se hornea durante aproximadamente 30 minutos. La capa de óxido 28 del 10 lado posterior entonces se mordenta con plasma, por ejemplo utilizando CF4/CHF3. Esto da origen a la estructura de la Figura 2b. La Figura 2b ilustra una capa de óxido en el lado posterior 28 y una capa fotorresistente 30 con una abertura del canal 31 formada en ésta. 15 El lado posterior del sustrato semiconductor entonces se mordenta para formar un canal (paso 32) . Se produce un agujero con paredes rectas utilizando mordentado anisotrópico Deep Reactive Ion Etching (DRIE) . 20 El proceso se interrumpe en la capa de óxido del lado • frontal 26 o en alguna distancia pequeña (por ejemplo 10 µm) antes de la capa de óxido 26. Esto produce la estructura de la Figura 2c. La Figura 2c muestra un canal 36 formado dentro del sustrato semiconductor 24. Observe 25 que el canal 36 se forma verticalmente dentro del sustrato 24.

En otra operación para la formación del canal, se forma un canal con una región en embudo. La región en embudo se forma aumentando progresivamente el tiempo de pasivación con respecto al tiempo de mordentado del DRIE. Esto da origen a una reducción en la dimensión del canal conforme la preparación mordiente se introduce en el sustrato semiconductor 24. La Figura 3 muestra un canal 36 con una región en embudo 38 formada de acuerdo con esta técnica. Los expertos en la técnica conocerán otras técnicas para formar la región en embudo 38. Por ejemplo, es posible aprovechar el hecho de que la velocidad de mordentado en agujeros pequeños es mucho menor que la velocidad de mordentado en agujeros anchos. Por tanto, alrededor de un canal es posible arreglar una serie de orificios con diámetros reducidos. Un DRIE anisotrópico atacará más en los orificios grandes que en los orificios pequeños. Un DRIE isotrópico puede entonces utilizarse para suavizar las transiciones entre capas mordentadas escalonadas, produciendo de este modo una región en embudo inclinada.

Una operación final asociada con el mordentado en el lado posterior del paso 32 es hacer crecer una capa de ..M.,¿J?^?» ...A^-ttA-^i-^^^ ifafa óxido sobre la pared del canal para proteger el canal durante pasos de procesos posteriores. La Figura 2d muestra una capa de óxido en el canal 42 cubriendo la pared del canal 36.

El siguiente paso del proceso que se muestra en la Figura 1 es un modelo de fotolitografía en el lado frontal (paso 40) . El modelo del lado frontal define el perímetro externo de la aguja, visto desde la parte superior de la aguja. Como un ejemplo, la fotorresistencia puede ser una capa de 1.3 µm de resistencia positiva de múltiples longitudes de onda Shilpley S3813, que se expone, revela y luego se hornea durante aproximadamente 30 minutos. Entonces el óxido se mordenta con plasma, por ejemplo, utilizando CF4/CHF3. Esto produce la estructura de la Figura 2e que muestra una capa de óxido mordentada 26 y una capa fotorresistente en al lado frontal 43.

El siguiente paso del procesamiento es mordentar el lado frontal del sustrato semiconductor para formar una aguja vertical (paso 44). La aguja se crea por mordentado isotrópico del modelo definido por la capa de óxido mordentada 26 y la capa fotorresistente del lado frontal 43. Se realiza un mordentado de iones reactivos profundo, ÍJ .-, --.... Llj ...?,^.rM,^l¡^..^.í^.^.,tt^.M?^..J^..jJifafc-a'«-'- ..^?t^^?^.íj^m»l?mß^i ^^^?j ^?M^ isotrópico (DRIE) de la máscara fotorresistente/óxido a una profundidad de aproximadamente 200 µm. El mordentado isotrópico forma paredes laterales lisas inclinándose desde una punta circunferencial angosta hasta una base circunferencial amplia.

Para modificar la forma de la aguja, el DRIE isotrópico puede ser precedido con un mordiente anisotrópico. En este caso, el eje superior de la aguja se vuelve muy inclinado. En otras palabras, una pendiente uniforme entre la base y la punta se sustituye con una transición relativamente abrupta hacia la punta. Asi pues, el paso de mordentado isotrópico puede incluir un paso de proceso anisotrópico inicial para formar una superficie axial, vertical, relativamente abrupta para la aguja.

El dispositivo resultante en este punto del proceso se ejemplifica en la Figura 2f. La Figura 2f muestra paredes laterales isotrópicamente mordentadas 46 formadas en el sustrato 24. La estructura de la Figura 2f tiene un extremo del canal 50 (Figura 2g) uniforme alrededor de su circunferencia en un plano horizontal. También es posible formar un extremo cónico del canal de acuerdo con la invención. Más específicamente, de acuerdo con la invención es posible formar una punta inclinada con un solo punto de terminación circunferencial. Una punta asi se muestra en la Figura 3. 5 Esta estructura puede ser formada moviendo la linea central de la máscara del canal sobre el lado posterior del sustrato semiconductor a partir de la linea central de la máscara de la aguja en el lado frontal del sustrato semiconductor. La Figura 3 muestra una linea central en 10 la máscara del canal 51 colocada desde una linea central de la máscara de la aguja 49 en una distancia ?. Este desplazamiento produce mordentado no simétrico, el cual produce una punta inclinada con un solo punto circunferencial 54, como se muestra en la Figura 3. 15 El siguiente paso del proceso que se muestra en la Figura 1 es limpiar la lámina (paso 58). Esto incluye retirar el óxido, por ejemplo, utilizando BHF 5:1. La lámina entonces se enjuaga y se seca dando origen a la 20 estructura de la Figura 2g.

La lámina puede ser cortada (paso 60) . La Figura 4 ilustra una vista superior de un sustrato semiconductor 24 que incluye una serie de aberturas de canal 50 25 asociadas con una serie de agujas fabricadas 70. La figura también ilustra las lineas trazadas horizontales 62 y las lineas trazadas verticales 64 a lo largo de las cuales se corta la lámina 24 para formar agujas individuales 70. La Figura 2h muestra una aguja individual 70. La aguja 70 incluye un canal 36 definido entre una abertura del canal en el lado frontal 50 y una abertura del canal en el lado posterior 52. El canal 36 está definido por una superficie axial vertical 53 rodeando el canal 36. La superficie axial vertical 53 es vertical con respecto a las superficies del sustrato horizontales que se mordentan para formar la aguja 70. Observe que el mordentado isotrópico forma una pared lateral suavemente inclinada 46 entre la punta 50 y la base vertical relativamente ancha.

En múltiples dispositivos de la técnica anterior la aguja se forma en la superficie horizontal de un sustrato. Asi pues, por ejemplo, una vista superior del sustrato mostrarla las formas axiales de las agujas formadas horizontalmente dentro del sustrato. Esta configuración limita el número de agujas que pueden formarse dentro del sustrato. Por el contrario, con la presente invención una vista superior del sustrato, como se proporciona en la Figura 4, solo muestra las puntas 50 de las agujas 70, permitiendo una configuración a-j.i--fci-a.iL-... ^. . ^ ^.?,n.?. J. i^^ me^ relativamente densa de las agujas por sustrato.

El proceso ejemplar descrito en relación con la Figura 1 da origen a agujas con una altura vertical de aproximadamente 200 µm y un diámetro de canal de aproximadamente 25 µm. Como es natural, otros tamaños de agujas pueden ser practicados de acuerdo con la invención.

Las agujas descritas se aprovechan ventajosamente en una variedad de aplicaciones biomédicas. Las puntas agusadas les permiten penetrar fácilmente materiales, como la piel. El canal interno de las agujas huecas puede utilizarse para inyectar gases, fluidos, suspensiones, o extraer gas o liquido que puedan ser analizados utilizando un dispositivo integrado. También es posible utilizar un arreglo de agujas para modelar una estructura con un liquido o con una suspensión utilizando los canales separados específicamente. Además, el dispositivo de la invención puede emplearse para instrumentación. Además, es posible guiar ondas electromagnéticas a través del canal interno. También se debe apreciar que la estructura fabricada puede utilizarse como un molde para un proceso de moldeado. ¿--^,._--iM--------a->-i,;--- -m-?-«a*» *-. ... *~.

La descripción antes mencionada, para propósitos de explicación, utiliza nomenclatura especifica para proporcionar una comprensión amplia de la invención. No obstante, será evidente para el experto en la técnica que no se requieren detalles específicos para practicar la invención. En otros casos, se muestran circuitos y dispositivos bien conocidos en diagrama en bloques para evitar distracción innecesaria de la invención subyacente. Asi pues, las descripciones anteriores de las modalidades especificas de la presente invención se presentan para propósitos de ejemplificación y descripción. No se pretende ser exhaustivos o limitar la invención a las formas precisas descritas, desde luego son posibles múltiples modificaciones y variaciones en vista de las enseñanzas anteriores. Las modalidades fueron elegidas y descritas para explicar mejor los principios de la invención y sus aplicaciones prácticas, para permitir asi a otros expertos en la técnica utilizar mejor la invención y las diferentes modalidades con diferentes modificaciones que sean adecuadas para el uso particular contemplado. Se pretende que el alcance de la invención sea definido por las siguientes cláusulas y sus equivalentes . .., .--^.^-.--t^aajuHfciMan

Claims (17)

REIVINDICACIONES

1. Un método para formar una aguja, el método comprende los pasos de: mordentar anisotrópicamente un canal en el lado posterior de un sustrato semiconductor; y mordentar isotrópicamente el lado frontal del sustrato semiconductor para formar una superficie axial vertical rodeando el canal.

2. El método de la reivindicación 1, en donde el paso de mordentado anisotrópico incluye el paso de mordentado profundo con iones reactivos el lado posterior del sustrato semiconductor.

3. El método de la reivindicación 1, en donde el paso de mordentado anisotrópico incluye el paso de formar un canal con una región en embudo.

4. El método de la reivindicación 1, en donde el paso de mordentado isotrópico incluye el paso de inicialmente realizar un mordentado anistrópico para producir una superficie axial, vertical, relativamente abrupta. ittilijL?l? ,

5. El método de la reivindicación 1, en donde el paso de mordentado anisotrópico incluye el paso de mordentado profundo con iones reactivos el lado frontal del sustrato semiconductor . 5

6. El método de la reivindicación 1, en donde el paso de mordentado anisotrópico se realiza con una primera • máscara en una primera linea central sobre el sustrato semiconductor, y el paso de mordentado isotrópico se 10 realiza con una segunda máscara en una segunda linea central sobre el sustrato semiconductor, la primera linea central siendo desplazada desde la segunda linea central a una distancia predeterminada. 15

7. El método de la reivindicación 1, además comprende el paso de depositar óxido en el canal antes del paso de mordentado isotrópico.

8. Una aguja formada por el método de la reivindicación 20 1.

9. Un método para formar una matriz de agujas, el método comprende los pasos de: mordentar anisotrópicamente canales en el lado 25 posterior de un sustrato semiconductor; y i'-iiiiiiiiiii-a-iit-t-a'iiiriiÉ i l i i it «- '^^--^¿A^. - - lM*A-'i -- - ' • " - -*-• - «»- --'--<-"•- - ^ »Ju. . -.--.- --.. . .{.*-.« .*. -> mordentar isotrópicamente el lado frontal del sustrato semiconductor para formar superficies axiales, verticales, rodeando los canales.

10. El método de la reivindicación 9 además comprende el paso de cortar el sustrato semiconductor para producir agujas individuales.

11. Las agujas formadas por el método de la reivindicación 10.

12. El método de la reivindicación 9 además comprende el paso de utilizar la matriz de las agujas como molde.

13. El método de la reivindicación 9, en donde el paso de mordentado anisotrópico incluye el paso de mordentado profundo anisotrópico con iones reactivos.

14. El método de la reivindicación 9, en donde el paso de mordentado isotrópico incluye el paso de mordentado isotrópico, profundo con iones reactivos.

15. Una aguja, que comprende: un cuerpo alargado formado de un material semiconductor, el cuerpo alargado incluye una superficie .^--,....*-»^..- .t--<t¿^.JJ^uM.-1. ..---^a i . axial ubicada entre un primer extremo y un segundo extremo, la superficie axial definiendo un canal entre el primer extremo y el segundo extremo, el primer extremo incluyendo una punta inclinada con un solo punto de terminación circunferencial.

16. La aguja de la reivindicación 15, en donde la superficie axial define un canal con una región en embudo .

17. La aguja de la reivindicación 15, en donde el material semiconductor es silicio monocristalino. --«--.Ai-t-d _...-...-a* -»..._..,MM¿ ^.^--*-----^^ -t^i^*