一种硅基空心微针阵列的制造方法与流程

本发明涉及一种硅基空心微针阵列的制造方法，属于微纳制造工艺领域。

背景技术：

1、微机电系统(mems)技术使仪器和设备的小型化、集成化和智能化成为可能。它在汽车、生物医学、航空航天和通信等领域具有许多技术进步和广泛的应用前景。微针是mems技术的一个成功应用，其小巧、精确、微创、高效且方便，可用于经皮药物递送、体液采样和诊断以及神经信号记录和检测。制造微针的材料包括硅、聚合物和金属。其中，硅是最成熟和最通用的技术。根据其递送模式，微针可以是实心的、空心的、可溶解的或涂层的。与其他微针相比，空心微针可以通过连接液体药物设备(如注射器或微泵)准确快速地递送药物。

2、常用的硅基微针微加工方法包括干法刻蚀(各向异性和各向同性刻蚀)、湿法刻蚀以及干法刻蚀和湿法刻蚀的结合。空心微针的制造工艺相对复杂，因为需要内部通孔。对于上述工艺，为了获得微针的完整3d结构，特别是具有尖锐针尖或斜面和特定高度针轴的微针，通常需要多次直接写入或光刻步骤，不仅费时费力，而且制作出的硅基微针表面粗糙。

3、故本申请提出了一种硅基空心微针阵列的制造方法。

技术实现思路

1、为了解决上述存在的技术问题，本发明公开了一种硅基空心微针阵列的制造方法。

2、本发明所采用的技术方案是：提供一种硅基空心微针阵列的制造方法，包括以下步骤：

3、a，将硅片(<100>晶面取向)用丙酮和异丙醇清洗，然后用氧等离子体处理以去除潜在的有机污染物；

4、b，在硅片背面涂抹光刻胶，并在热板上烘烤；

5、c，冷却后，使用直写机曝光孔图案,曝光后，在热板上进行曝光后烘烤，然后在显影液中显影；

6、d，使用bosch工艺将光刻胶图案，进行蚀刻；

7、e，去除剩余光刻胶；

8、f,在硅片正面涂抹光刻胶,通过逐层曝光进行灰度光刻；

9、g，光刻后，形成3d阶梯结构的光刻胶图案,通过光刻胶的热回流转化为光滑的斜面剖面；

10、h，以光刻胶图案为掩模，使用调整后的bosch工艺以降低刻蚀选择性来刻蚀硅微针，刻蚀后，使用sf6气体的各向同性刻蚀工艺进一步平滑微针的侧面和顶面，最终形成硅基空心微针。

11、优选的，所述步骤b，在硅片背面以1000-1800rpm旋涂一层4-20微米厚的光刻胶，并在90-130℃热板上烘烤60-120秒。

12、优选的，所述步骤c，冷却后，使用激光直写机，曝光孔图案，曝光后，在90-130℃热板上进行曝光后烘烤60-120s，然后在显影液中显影60～240s。

13、优选的，所述步骤d，bosch工艺的刻蚀时间为10-60分钟，硅的刻蚀速率为5-40微米/分钟，刻蚀到380-420微米深度。

14、优选的，所述步骤f，在进行灰度光刻之前，测试光刻胶的曝光特性，可通过测量在不同曝光剂量下剩余的光刻胶厚度来完成，完成曝光特性测量后，让光刻胶在10mw到205mw的激光功率范围内以5mw的增量曝光，直至205mw，然后在显影液中显影140-180秒，得到4-20微米饱和高度的结构图案。

15、优选的，所述步骤f，让厚度为4-20微米，直径为200微米的光刻胶在45mw到130mw的激光功率下，以每层宽度为10-40微米分5-20层曝光，在显影液中显影165s后，得到的光刻胶结构为阶梯状。

16、优选的，所述步骤h，采用蚀刻机，以每分钟6-12微米的速率对硅进行蚀刻，同时以每分钟120-180纳米的速率对光胶进行蚀刻，总蚀刻时间为40-45分钟，最终得到高度为360-400微米的硅基微针结构。

17、本发明的有益效果：

18、本发明采用无掩模直接写入灰度光刻和深反应离子刻蚀技术，在硅基板上创建具有离散高度步骤的三维光刻胶结构，然后通过深反应离子刻蚀将该结构转移到硅中；具体的，使用双面抛光硅片作为基材，旋涂一层光刻胶，通过逐层曝光进行灰度光刻，形成具有多个高度步骤的三维光刻胶结构，在灰度光刻之后，通过加热使光刻胶流动，形成更光滑的光刻胶结构，再使用优化的bosch工艺将光刻胶图案转移到硅中，形成阶梯状的硅结构，接着采用各向同性的sf6气体刻蚀工艺来平滑微针的斜面和顶面，减少粗糙度，最后通过调整硅对光刻胶的刻蚀时间和工艺参数，以控制微针的高度和锥角，最终制造出表面光滑的空心硅微针。

技术特征：

1.一种硅基空心微针阵列的制造方法，其特征在于：包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的一种硅基空心微针阵列的制造方法，其特征在于：所述步骤b，在硅片背面以1000-1800rpm旋涂一层4-20微米厚的光刻胶，并在90-130℃热板上烘烤60-120秒。

3.根据权利要求2所述的一种硅基空心微针阵列的制造方法，其特征在于：所述步骤c，冷却后，使用激光直写机，曝光孔图案，曝光后，在90-130℃热板上进行曝光后烘烤60-120s，然后在显影液中显影60～240s。

4.根据权利要求3所述的一种硅基空心微针阵列的制造方法，其特征在于：所述步骤d，bosch工艺的刻蚀时间为10-60分钟，硅的刻蚀速率为5-40微米/分钟，刻蚀到380-420微米深度。

5.根据权利要求4所述的一种硅基空心微针阵列的制造方法，其特征在于：所述步骤f，在进行灰度光刻之前，测试光刻胶的曝光特性，可通过测量在不同曝光剂量下剩余的光刻胶厚度来完成，完成曝光特性测量后，让光刻胶在10mw到205mw的激光功率范围内以5mw的增量曝光，直至205mw，然后在显影液中显影140-180秒，得到4-20微米饱和高度的结构图案。

6.根据权利要求5所述的一种硅基空心微针阵列的制造方法，其特征在于：所述步骤f，让厚度为4-20微米，直径为200微米的光刻胶在45mw到130mw的激光功率下，以每层宽度为10-40微米分5-20层曝光，在显影液中显影165s后，得到的光刻胶结构为阶梯状。

7.根据权利要求6所述的一种硅基空心微针阵列的制造方法，其特征在于：所述步骤h，采用蚀刻机，以每分钟6-12微米的速率对硅进行蚀刻，同时以每分钟120-180纳米的速率对光胶进行蚀刻，总蚀刻时间为40-45分钟，最终得到高度为360-400微米的硅基微针结构。

技术总结
本发明公开了一种硅基空心微针阵列的制造方法，包括在硅基板上创建具有离散高度步骤的三维光刻胶结构，然后通过深反应离子刻蚀将该结构转移到硅中；使用双面抛光硅片作为基材，旋涂一层光刻胶，通过逐层曝光进行灰度光刻，形成具有多个高度步骤的三维光刻胶结构，在灰度光刻之后，通过热回流方式，加热使光刻胶流动，形成更光滑的光刻胶结构，再使用优化的Bosch工艺将光刻胶图案转移到硅中，形成阶梯状的硅结构，接着采用各向同性的SF6气体刻蚀工艺来平滑微针的斜面和顶面，减少粗糙度，最后通过调整硅对光刻胶的刻蚀时间和工艺参数，以控制微针的高度和锥角，最终制造出表面光滑的空心硅微针。

技术研发人员：胡文瀚,张冬,崔波
受保护的技术使用者：杭州泰新微纳科技有限公司
技术研发日：
技术公布日：2024/11/26