專利名稱：微型實心或空心硅針、硅針陣列及其制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于醫(yī)療、美容器械及微細(xì)加工技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及微型實心或空心 硅針、硅針陣列及其制造方法。 技術(shù)背景人體的皮膚有三層組織角質(zhì)層、活性表皮層和真皮層。最外層的角質(zhì)層厚 度約為10 50微米，由致密的角質(zhì)細(xì)胞組成；角質(zhì)層以下是表皮層，厚度約為50 ioo微米，含有活性細(xì)胞和很少量的神經(jīng)組織，但是沒有血管。表皮層以下是真皮層，是皮膚的主要組成部分，含有大量的活細(xì)胞、神經(jīng)組織和血管組織。由于傳統(tǒng)的皮下注射法使用的注射針頭的外徑一般為O. 4 3. 4毫米，需要將注射針頭 穿透皮膚表層并深入皮膚以下，以便讓藥物迅速進入血管，因此注射過程不僅伴 隨著疼痛，而且往往需要專業(yè)醫(yī)護人員進行操作?，F(xiàn)代醫(yī)學(xué)研究表明，皮膚最外 面的角質(zhì)層是藥物輸送的主要障礙。只要使用微針或微針陣列將藥物送入角質(zhì)層 以下而不深入真皮層，藥物就會迅速擴散并通過毛細(xì)血管進入體循環(huán)。由于微針 給藥部位在體表并沒有觸及神經(jīng)組織，因此不會產(chǎn)生疼痛；采用微針給藥不需要專業(yè)人員進行操作，使用靈活方便，可隨時中斷給藥，所以更容易被病人所接受。 空心微針不僅可以用于透皮給藥，還可以用于透皮進行微量體液的提取。與透皮給藥同理，由于角質(zhì)層的阻擋作用，采用一般傳統(tǒng)的方法使用美容護 膚品，其中的絕大部分活性養(yǎng)分無法進入活性表皮層和真皮層，所以美容效果并 不顯著。如果將表面涂敷有美容護膚品的微針陣列剌入皮膚，或微針陣列刺入皮 膚后再涂敷美容護膚品，均會明顯提高養(yǎng)分穿越角質(zhì)層進入表皮層及真皮層細(xì)胞 的滲透能力，從而顯著提高美容養(yǎng)顏效果。目前，己經(jīng)報道了一些微型實心和空心硅針結(jié)構(gòu)及其制備的方法，包括如下文獻(xiàn)1. S. Henry, D. V. McAllister, M. G. Alien, and M. R. Prausnitz. Microfabricated microneedles: a novel approach to transdermal drugdelivery. J. Pha皿ceut. Sci. ， 87(8)922 - 925, 1998.2. P. Griss， P. Enoksson， H. K. Tolvanen-Laakso， P. MerilSinen， S. Ollmar， and G. Ste謹(jǐn)e. Micromachined electrodes for biopotential measurements. J. Microelectromech. Syst. ， 10(1) 10-16， 2001.3. P. Griss, P. Enoksson, and G. Ste誦e. Micromachined barbed spikes for mechanical chip attachment.Sensors and Actuators A， 95:94 - 99， 2002.4. Patrick Griss and G5ran Sterame. Side-Opened Out-of-Plane Microneedlesfor MicrofluidicTransdermalLiquid Transfer. J. Microelectromech. Syst. ， 12(3)296 — 301， 2003.5. Han J. G. E. Gardeniers， Regina Uittge， Erwin J. W. Berenschot， Meint J. de Boer， Shuki Y. Yeshurun, Meir Hefetz， Ronny van， t Oever, and Albert van den Berg. Silicon Micromachined Hollow Microneedles for Transdermal Liquid Transport. J. Microelectromech. Syst. ， 12(6) :855 — 862， 2003.6. E. V. Mukerjee， S. D. Collins, R. R. Isseroff ， R. L. Smith.Microneedle array for transdermal biological fluid extraction and in situ analysis. Sensors and Actuators A, 114: 267 - 275， 20047. Boris Stoeber and Dorian Li印mann. Arrays of Hollow Out-of-Plane Microneedles for Drug Delivery. J. Microelectromech. Syst.， 14(3) 472 —479, 2005.8. N. Roxhed， P. Griss and G. Ste腿e， "Reliable In-vivo Penetration and Transdermal Injection Using Ultra-sharp Hollow Microneedles", Transducers' 05 13th IEEE International Conference on Solid-State Sensors, Actuators and Microsystems, pp. 213-216, Seoul, South Korea, 2005.在上述文獻(xiàn)中，盡管制造出的微型硅針形狀各異，但是還沒有與傳統(tǒng)皮下注射針頭類似的硅針結(jié)構(gòu)；制造微型硅針的材料是單晶硅片或(100)面晶向的單 晶硅片，制作方法通常采用的是硅的各向同性腐蝕或與各向異性腐蝕(包括濕法 腐蝕和/或干法刻蝕)相結(jié)合的工藝，微型空心硅針的通孔都采用DRIE (深反應(yīng) 離子干法刻蝕)設(shè)備進行單片加工；由于DRIE設(shè)備價格昂貴，開機與維護費用高， 并且屬于單片加工，而在厚達(dá)數(shù)百微米的單晶硅片上制備通孔又非常耗時，所以 造成微型空心硅針的制作成本居高不下。 發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的在于降低微型硅針特別是微型空心硅針陣列的制造成本、提高 其產(chǎn)品率和堅固性，提出了微型實心或空心硅針、硅針陣列及其制造方法，其特征在于所述實心或空心微型硅針、硅針陣列的結(jié)構(gòu)如下1) 微型硅針針頭的形狀與傳統(tǒng)皮下注射針頭類似，針頭的下端為柱狀體6， 針頭的上端形成針尖的部分至少存在一個平滑的斜面3，且該斜面3與單晶硅的 一族(111)面5平行；斜面3在針尖處為弧形或有一個或多個尖角形成針的頂 點1;2) 在針頭頂部的平滑斜面3上開有類似多邊形、橢圓形或圓形的孔2，并且 這些孔2與硅針底部由六個(111)面形成的倒三角溝槽4相連形成通孔，即形 成微型空心硅針；3) 每個微型硅針與一個硅坑7相鄰。所述硅針陣列是上述結(jié)構(gòu)的硅針在同一硅片上按照等或不等間距進行的排 列，組成實心或空心硅針陣列，或二者的混合陣列。所述微型硅針采用的材料是單晶硅；微型硅針的具體形狀和大小，包括通孔 的位置、形狀和大小以及硅針的髙度，由光刻掩膜板上的掩膜圖形的尺寸、單晶 硅片的厚度和濕法腐蝕或干法刻蝕單晶硅時采用的具體工藝條件決定。所述微型實心或空心硅針、硅針陣列的制造方法，包括如下步驟1)在(110)面晶向的單晶硅片上采用生長、淀積或凃覆等方法制備掩蔽材 料層，掩蔽材料可以是二氧化硅、氮化硅、非晶碳化硅或其它介質(zhì)材料和金屬等6單一材料的薄膜，或幾種材料薄膜的復(fù)合膜；2) 在硅片正反兩面制備好的掩蔽材料層上凃覆光刻膠，并采用光刻、刻蝕 等微電子工藝中的圖形轉(zhuǎn)移技術(shù)獲得正反面圖形一一對應(yīng)的掩蔽材料層圖形，這 些圖形為多邊形，每個多邊形至少有兩個邊相互平行又同時與一族硅(111)面 平行。然后利用硅的各向異性腐蝕溶液對硅片進行各向異性自停止腐蝕，從而在 硅片的正反兩面分別獲得與掩蔽材料層圖形相關(guān)的由6個硅(111)面形成的兩 種倒三角形溝槽，溝槽在硅片表面處形成六邊形；3) 用干法或濕法工藝去除光刻膠和掩蔽材料層；4) 在上述單晶硅片上采用生長、淀積或凃覆等方法制備掩蔽材料層，掩蔽 材料可以是二氧化硅、氮化硅、非晶碳化硅或其它介質(zhì)材料和金屬等單一材料的 薄膜，或幾種材料薄膜的復(fù)合膜；5) 在硅片的正面制備好的掩蔽材料層上凃覆光刻膠，并采用光刻、刻蝕等 微電子工藝中的圖形轉(zhuǎn)移技術(shù)獲得圖形化的掩蔽材料層圖形，這些圖形決定了所 要制備的微針針頭上端的形狀；6) 采用DRIE設(shè)備利用Bosch工藝對上述硅片的正面進行深反應(yīng)離子刻蝕， 最終形成硅針及其正面與反面的兩種倒三角形溝槽相連的通孔；7) 用干法或濕法工藝去除光刻膠和掩蔽材料層，制造完畢；8) 制備實心硅針只需在硅片的一面制造倒三角形溝槽。 所述硅的各向異性腐蝕溶液是指氫氧化鉀水溶液(濃度5 70wt%)、氫氧化鈉水溶液(濃度3 60wt^)、 EPW (乙二胺、鄰苯二酚和水，其摩爾比為10 70 %: 0 40%: 20 80%)、 TMAH (四甲基氫氧化胺水溶液，濃度5 75wt^) 等。本發(fā)明的有益效果是根據(jù)(110)面晶向單晶硅片的各向異性濕法腐蝕特性， 利用成本低廉、適于多片同時批量生產(chǎn)的濕法腐蝕法，不僅使預(yù)制造的空心硅針 針頭具有類似皮下注射針頭的斜面，同時還使通孔所在位置處的硅片厚度明顯減薄，因此大大降低了采用單片加工、高成本的DRIE法制造通孔所需的工作量。制作的微型實心或空心硅針及其陣列不僅結(jié)構(gòu)堅固，而且具有制造工藝簡單、制作 周期短、成本低、成品率高和重復(fù)性好的優(yōu)點。


圖l為針頭的上端有兩個斜面的空心硅針結(jié)構(gòu)示意圖。圖2為圖1的A-A剖面視圖。圖3為針頭的上端有一個斜面的空心硅針結(jié)構(gòu)示意圖。 圖4為圖2的A-A剖面視圖。圖5為斜面在針尖處為弧形且孔為橢圓形的空心硅針結(jié)構(gòu)示意圖。 圖6為底面由六個(111)面形成的倒三角溝槽的結(jié)構(gòu)俯視示意圖。 圖7為圖6的A-A剖面視圖。圖8為實例制備的針頭的上端有兩個斜面的空心硅針陣列SEM照片。 圖9為實例制備的針頭的上端有一個斜面的空心硅針陣列SFM照片。 圖10為采用氫氧化鉀水溶液對(110)面晶向的單晶硅進行各向異性腐蝕獲得的由六個(111)面形成的倒三角溝槽結(jié)構(gòu)進行俯視的SEM照片，溝槽在硅片表面處形成六邊形。圖ll為實例的制備工藝流程圖。
具體實施方式
本發(fā)明提出了微型實心或空心硅針針頭陣列及其制造方法。下面結(jié)合附圖對 本發(fā)明予以說明，所述微型實心或空心硅針陣列的結(jié)構(gòu)如下1) 微型硅針針頭的形狀與傳統(tǒng)皮下注射針頭類似，針頭的下端為柱狀體6，針頭的上端形成針尖的部分至少存在一個平滑的斜面3，且該斜面3與單晶硅的一族(111)面5平行；斜面3在針尖處為弧形或有一個或多個尖角形成針的頂點1 (如圖1、 5、 8、 9所示)；2) 在針尖頂部的平滑斜面3上開有類似多邊形、橢圓形或圓形的孔2，并且 這些孔2與硅針底部由六個(111)面5 (如圖6、 IO所示)形成的倒三角溝槽4 相連形成通孔，即形成微型空心硅針；3)每個微型硅針與一個硅坑7 (如圖1、 8、 9所示)相鄰。所述硅針陣列是上述結(jié)構(gòu)的硅針在同一硅片上按照等或不等間距進行的排 列，組成實心或空心硅針陣列，或二者的混合陣列(如圖8、 9所示)。所述微型硅針采用的材料是單晶硅；微型硅針的具體形狀和大小，包括通孔 的位置、形狀和大小以及硅針的高度，由光刻掩膜板上的掩膜圖形的尺寸、單晶 硅片的厚度和濕法腐蝕或干法刻蝕單晶硅時采用的具體工藝條件決定。具有上述結(jié)構(gòu)特征的硅針的制備方法包括如下步驟1) 在(110)面晶向的單晶硅片上采用生長、淀積或凃覆等方法制備掩蔽材 料層，掩蔽材料可以是二氧化硅、氮化硅、非晶碳化硅或其它介質(zhì)材料和金屬等 單一材料的薄膜，或幾種材料薄膜的復(fù)合膜；2) 在硅片正反兩面制備好的掩蔽材料層上凃覆光刻膠，并采用光刻、刻蝕 等微電子工藝中的圖形轉(zhuǎn)移技術(shù)獲得正反面圖形一一對應(yīng)的掩蔽材料層圖形，這 些圖形為多邊形，每個多邊形至少有兩個邊相互平行又同時與一族硅(111)面 平行。然后利用硅的各向異性腐蝕溶液對硅片進行各向異性自停止腐蝕，從而在 硅片的正反兩面分別獲得與掩蔽材料層圖形相關(guān)的由6個硅(111)面形成的兩 種倒三角形溝槽，溝槽在硅片表面處形成六邊形(如圖6、 7、 IO所示)；3) 用干法或濕法工藝去除光刻膠和掩蔽材料層；4) 在上述單晶硅片上采用生長、淀積或凃覆等方法制備掩蔽材料層，掩蔽 材料可以是二氧化硅、氮化硅、非晶碳化硅或其它介質(zhì)材料和金屬等單一材料的 薄膜，或幾種材料薄膜的復(fù)合膜；5) 在硅片的正面制備好的掩蔽材料層上凃覆光刻膠，并采用光刻、刻蝕等 微電子工藝中的圖形轉(zhuǎn)移技術(shù)獲得圖形化的掩蔽材料層圖形，這些圖形決定了所 要制備的微針針頭上端的形狀；6) 采用DRIE設(shè)備利用Bosch工藝對上述硅片的正面進行深反應(yīng)離子刻蝕， 最終形成硅針及其正面與反面的兩種倒三角形溝槽相連的通孔；7) 用干法或濕法工藝去除光刻膠和掩蔽材料層，制造完畢；8)制備實心硅針只需在硅片的一面制造倒三角形溝槽。所述硅的各向異性腐蝕溶液是指氫氧化鉀水溶液(濃度5 70wt%)、氫氧化 鈉水溶液(濃度3 60wt^)、 EPW (乙二胺、鄰苯二酚和水，其摩爾比為10 70 %: 0 40%: 20 80%)、 TMAH (四甲基氫氧化胺水溶液，濃度5 75wt0/0等。下面結(jié)合實施實例、附圖和照片對本發(fā)明作進一步描述，但并不是對本發(fā)明 提出的硅針結(jié)構(gòu)及其制備工藝的限定。(1) 在雙面拋光的厚度為500微米的潔凈的(110)面晶向的單晶硅片上， 采用熱氧化法生長厚度約為900納米的二氧化硅薄膜。然后在上述硅片的正反兩 面分別采用光刻、刻蝕等微電子工藝中的圖形轉(zhuǎn)移技術(shù)選擇性的去除部分硅片上 的二氧化硅薄膜，從而將光刻掩膜板上的圖形轉(zhuǎn)移到硅片上，獲得與正、反面光 刻掩膜板上的圖形一一對應(yīng)的二氧化硅薄膜圖形，如圖ll(a)所示。這些圖形為 多邊形，每個多邊形至少有兩個邊相互平行又同時與一族硅(111)面平行。(2) 在煮沸的硫酸與過氧化氫(體積比約為3: 1)的混合液中去除光刻膠 并清洗后，將硅片放入溫度為80T、濃度為30wty。的氫氧化鉀水溶液中對硅進行各 向異性腐蝕，從而在硅片的正、反兩面分別獲得與二氧化硅薄膜圖形相關(guān)的由6 個硅(111)面形成的兩種倒三角形溝槽結(jié)構(gòu)，如圖ll(b)、圖10所示。圖ll(b) 中在A—A處的截面如圖ll(c)、圖6、圖7所示。(3) 在40%氫氟酸水溶液中去除二氧化硅薄膜并清洗干凈后，采用熱氧化 法生長厚度約為l微米的二氧化硅薄膜，并采用光刻、刻蝕等微電子工藝中的圖 形轉(zhuǎn)移技術(shù)選擇性的去除部分正面硅片上的二氧化硅薄膜，從而將光刻掩膜板上 的圖形轉(zhuǎn)移到硅片上，獲得與光刻掩膜板上的圖形一一對應(yīng)的二氧化硅薄膜圖 形，這些圖形決定了所要制備的硅針針頭上端的形狀，如圖ll(d)所示。(4) 釆用DRIE設(shè)備利用Bosch工藝對上述硅片的正面進行深反應(yīng)離子刻蝕， 最終形成硅針及其正面與反面的倒三角形溝槽相連的通孔，如圖ll (e)所示。(5) 在煮沸的硫酸與過氧化氫(體積比約為3: 1)的混合液中去除光刻膠并清洗后，在40%氫氟酸水溶液中去除二氧化硅薄膜并清洗干凈，如圖ll(f)所 示，制造完畢。圖8為實例制備的針頭的上端有兩個斜面的空心硅針陣列SEM照片。 圖9為實例制備的針頭的上端有一個斜面的空心硅針陣列SEM照片。 圖10為采用氫氧化鉀水溶液對(110)面晶向的單晶硅進行各向異性腐蝕獲得的由六個(111)面形成的倒三角溝槽結(jié)構(gòu)進行俯視的SEM照片，溝槽在硅片表面處形成六邊形。
權(quán)利要求
1.一種微型實心或空心硅針、硅針陣列，其特征在于所述實心或空心微型硅針陣列的結(jié)構(gòu)如下1)微型硅針針頭的形狀與傳統(tǒng)皮下注射針頭類似，針頭的下端為柱狀體(6)，針頭的上端形成針尖的部分至少存在一個平滑的斜面(3)，且該斜面(3)與單晶硅的一族(111)面(5)平行；斜面(3)在針尖處為弧形或有一個或多個尖角形成針的頂點(1)；2)在針頭頂部的平滑斜面(3)上開有類似多邊形、橢圓形或圓形的孔(2)，并且這些孔(2)與硅針底部由六個(111)面形成的倒三角溝槽(4)相連形成通孔，即形成微型空心硅針；3)每個微型硅針與一個硅坑(7)相鄰。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述微型實心或空心硅針、硅針陣列，其特征在于所述 硅針陣列是上述結(jié)構(gòu)的硅針在同一硅片上按照等或不等間距進行的排列，組成實 心或空心硅針陣列，或二者的混合陣列。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述微型實心或空心硅針、硅針陣列，其特征在于所述 微型硅針采用的材料是單晶硅；微型硅針的具體形狀和大小，包括通孔的位置、 形狀和大小以及硅針的高度，由光刻掩膜板上的掩膜圖形的尺寸、單晶硅片的厚 度和濕法腐蝕或干法刻蝕單晶硅時采用的具體工藝條件決定。
4. 一種微型實心或空心硅針、硅針陣列的制備方法，其特征在于，包括以 下步驟(1) 在(110)面晶向的單晶硅片的正、反兩面上制備對硅進行各向異 性濕法腐蝕時所需的掩蔽膜；(2) 分別在硅片的正、反兩面上選擇性地去除部分硅片上的掩蔽膜， 從而將光刻掩膜板上的圖形轉(zhuǎn)移到硅片上；(3) 放入硅的各向異性濕法腐蝕溶液中對硅進行各向異性腐蝕，最終 在硅片的正、反兩面上形成由6個硅(111)面構(gòu)成的兩種倒三角形溝槽；(4) 將硅片上的掩蔽膜全部清除干凈后，在其正面制備DRIE法干法刻蝕硅時使用的掩蔽膜；(5) 選擇性地去除硅片正面上的掩蔽膜，從而將光刻掩膜板上的圖形 轉(zhuǎn)移到硅片上；(6) 采用DRIE設(shè)備和Bosch工藝進行硅的深法刻蝕，最終形成硅針及 其正面與反面的倒三角形溝槽相連的通孔；(7) 清除硅片上的掩蔽膜，完成空心硅針及其陣列的制備。
5. 根據(jù)權(quán)利要求4所述微型實心或空心硅針、硅針陣列的制備方法，其特 征在于，所述光刻掩膜板上的圖形為多邊形，光刻曝光時多邊形中的一對平 行邊應(yīng)與硅片上的一族(111)面平行。
6. 根據(jù)權(quán)利要求4所述微型實心或空心硅針、硅針陣列的制備方法，其特 征在于，所述掩蔽膜的制備材料為二氧化硅、氮化硅或非晶碳化硅介質(zhì)材料、或 金屬、光刻膠的單一材料的薄膜，或幾種材料薄膜的復(fù)合膜。
7. 根據(jù)權(quán)利要求4所述微型實心或空心硅針、硅針陣列的制備方法，其特 征在于硅的各向異性濕法腐蝕溶液為氫氧化鉀水溶液、氫氧化鈉水溶液、 EPW或TMAH。
8. 根據(jù)權(quán)利要求7所述微型實心或空心硅針、硅針陣列的制備方法，其特 征在于所述氫氧化鉀水溶液的濃度為5 70wt^;所述氫氧化鈉水溶液的濃度為3 60wt^;所述EPW溶液為乙二胺鄰苯二酚水的摩爾比為10 70%: 0 40%: 20 80%;所述TMAH四甲基氫氧化胺水溶液的濃度為5 75wt%。
全文摘要
本發(fā)明公開了屬于醫(yī)療、美容器械及微細(xì)加工技術(shù)領(lǐng)域的一種微型實心或空心硅針、硅針陣列及其制造方法。微型硅針針頭的下端為柱狀體，針頭的上端針尖部分至少存在弧形或有一個或多個尖角形成針的頂點，頂點上開有與底面倒三角形溝槽相連的通孔，采用微電子工藝制備在(110)面晶向單晶硅片的正、反兩面上，采用各向異性自停止?jié)穹ǜg的方法，同時批量加工出由6個硅(111)面形成的兩種倒三角形溝槽，然后采用DRIE方法在正面倒三角形溝槽中同時形成硅針及其與反面倒三角形溝槽相連的通孔。本發(fā)明能夠低成本、高產(chǎn)率、批量化的制造出結(jié)構(gòu)堅固的實心、空心硅針陣列，在透皮給藥、微量體液提取等生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。
文檔編號A61M5/32GK101244303SQ20081010080
公開日2008年8月20日 申請日期2008年2月22日 優(yōu)先權(quán)日2008年2月22日
發(fā)明者劉理天, 岳瑞峰, 燕 王 申請人:清華大學(xué)