[发明专利]将结构引入衬底中的方法

说明书

技术领域

本发明涉及用于生产微结构衬底的方法以及它们在自然科学和技术中的应用，特别是在半导体、微流体和分析设备中。

背景技术

许多微技术应用和设备要求诸如孔的高纵横比结构。一个突出的示例是用作硅芯片中和之间互连的贯通孔硅通孔(TSV)。制作高纵横比孔(harh)在许多情形下是困难、昂贵或甚至是不可能的。当前孔制作技术的限制，诸如激光烧蚀或蚀刻，是内孔衬里/壁的最小孔尺寸、纵横比和粗糙度。这些限制当前造成堆叠硅芯片的大规模应用的严重瓶颈。在此所述的设备和方法提供简单、廉价和精确的方法来避开这些限制。

当前微加工的另一问题是被选材料的专一性。例如，使用KOH溶液的Si的各向异性蚀刻是在硅中制作凹槽和孔的简单方法，但对许多其他半导体或非晶材料不起作用。即使具有硅，也仅对特定晶格取向起作用。因此，在此公开的发明的目的是提供允许加工许多不同材料的方法，大部分材料与当前的微技术相关，诸如Si、Ge、GaAs、InP、蓝宝石、玻璃、氧化锆。寻找用于加工不同材料或甚至材料类别的方法的改进较少且易于移植。

所公开的发明的另一目的是将该方法应用于孔阵列的制作。WO2005/097439和PCT/EP2008/009419公开了使用将电压施加到衬底，在衬底中产生结构的方法。在此所公开的方法由于所施加的高电压和通过已经存在的孔的电压闪络(voltage-flash-overs)的出现，因此不允许孔的近间距。因此，需要防止用于阵列形成的有害影响的方法和设备。

同时，许多小型流体和化学/生物分析设备要求小的容器和连接沟道。这些沟道和容器的尺寸通常在微米范围中。常见的微加工技术，大多为平面结构而开发，缺乏制造深入芯片/衬底中的井和沟道。即，可实现的纵横比-孔的长度和直径的比率被限制到通常1∶10。对于用于加工诸如熔融硅石的玻璃或玻璃类材料，尤其如此。用于大规模应用的显著缺点还源自于高生产成本。

另一方面，具有非常高的纵横比的沟道允许流体通过这些沟道的有效率的电渗泵(electro-osmotic)，例如对150um长和2um直径的沟道，对沟道内的显著的流速，仅要求小的电压和电流(例如5V)。非常高的纵横比还将允许通过跨芯片来连接例如0.5mm厚的典型玻璃芯片的两侧，由此使得能够实现简单的三维流体设计。

具有微微升(picoliter)容量的沟道还将为微微升流体提供基础，利用流体输送和混合较大容量中的不相关的效果。

因此，本发明的目的是提供允许生产高质量有孔衬底的方法。本发明的另一目的还提供生产这种高质量膜载体的方法，该方法易于执行并且可再生产。此外，目的是提供允许控制生产衬底中的孔、空腔或沟道的方法，其中，能易于控制和影响孔、空腔和沟道的几何特征。本发明的另一目的还提供允许批量生产有孔衬底的方法。此外，本发明的目的是提供能应用于迄今难以处理的、诸如玻璃、蓝宝石或单质硅(elemental silicon)的衬底的孔生产的方法。

发明内容

通过一种在衬底或其区域中引入结构，诸如孔或空腔或沟道或井或凹进，或结构变化，诸如从结晶结构转变成非晶结构的方法，来解决本发明的目的，所述方法包括步骤：

a)提供室温条件下电绝缘或半导体的衬底，以及将其放置在连接到用户控制的电压供应的至少两个电极之间，

b)通过所述用户控制的电压供应，将用户限定量值的电压施加到所述衬底的区域上，所述电压足以导致通过所述衬底或所述区域的电流增加，由此将限定的电能量的数量施加到所述衬底；

c)可选地，将另外的能量，优选是热施加到所述衬底或所述区域，以便增加所述衬底或所述区域的温度和导电率，以便发起步骤b)中的电流流动，所述另外的能量，优选是热源自另外的能量或热源或源自在步骤b)中施加的所述电压的分量，

d)耗散所述衬底中，在步骤b)中施加的所述电能量，

其中，仅由(i)步骤b)的用户限定的施加电压量值，(ii)步骤b)的用户限定时间段，(iii)所述电压供应的阻抗，或(iv)(i)至(iii)的任意组合，来控制步骤d)。

在一个实施例中，使用随时间分析跨衬底电流或跨衬底电压的编程或反馈电路，来实现通过控制(i)、(ii)、(iii)或(iv)的步骤d)的所述控制。

在一个实施例中，仅通过用户限定的(i)、(ii)、(iii)或(iv)，而不使用随时间分析跨衬底电流或跨衬底电压的编程或反馈电路，来实现通过控制(i)、(ii)、(iii)或(iv)的步骤d)的所述控制。