[发明专利]用于制造含设置有过滤器的掩埋区域的微机械结构的方法

说明书

技术领域

本发明涉及用于制造含设置有过滤器的掩埋区域的微机械结构的方法，该微机械结构是使用微加工技术在由半导体材料(特别是硅)制成的本体中形成的，以及发现针对例如微流体应用的有利使用。

背景技术

众所周知，在半导体产业中，微加工技术能够实现具有广泛应用的微机械结构或MEMS(微机电系统)结构的制造。

具体而言，在微流体领域中，通常在硅衬底(或其它半导体材料本体)内制造包括掩埋区域(例如通道、室或空腔)的结构，该结构例如用于实现流体(诸如将给药给病人的药物或者用于打印操作的墨水)的通过，或者用于实现甚至复杂的化学反应(诸如通过PCR(聚合酶链反应)方法的DNA序列的增殖反应)。

通常，制造的掩埋区域使得能够获得基本与外部环境隔开或区分开(并且可能通过一个或更多个进出管道与外部环境连通)的环境，在其中流体的流动、交换或化学反应以受控的方式发生。

已知的用于制造设置有掩埋区域的微流体结构的方法一般构思使用从硅衬底或晶片(或其它半导体材料的本体)的背面处理的技术。这些方法构思对衬底的背面进行化学刻蚀以限定将掩埋的区域(例如限定通道或空腔)的第一壁(例如顶壁)，以及然后将衬底与不同的结构本体(例如玻璃板或粘合层)接合，使得将掩埋区域闭合从而限定其对应的第二壁(例如底壁)。这些操作可以部分地在用于组装封装体或者微流体结构的“模塑”的方法(整体称为“后端”操作的操作)期间执行。

此外，用于进出掩埋区域的管道可以利用特意设计的从衬底正面的刻蚀(整体称为“前端”技术的硅处理的技术)来提供。

然而，这些制造方法具有无法实现其特性的全面开发的某些缺陷，其中：

-后处理的技术以及在不同本体之间接合的后续操作一般必然生成不希望的颗粒和污染物，这会损害最终微流体器件的操作；以及

-后端操作和接合操作通常是复杂的、昂贵的且一般需要长的处理时间。

特别地，就来自外部颗粒的污染会损害微流体器件的性能或者与之关联的流体的递送或通过操作的适当执行而言，来自外部颗粒的污染的问题特别明显，该外部颗粒不仅是由于前述制造操作以及处理的残留物引起的，而且存在可以与掩埋区域相互作用的外部颗粒的其他原因。

出于这个理由，已经提出使用或多或少复杂的过滤器，过滤器被设计为耦合到与掩埋空腔流体连通的至少一个进出管道(入口或出口管道)。具体而言，给定这些过滤器具有微米度量或亚微米度量的孔，则它们能够实现流体流动期间对可能的杂质的过滤和后续去除。

例如，美国专利No.5,753,014公开了借助于具有数微米厚度的硅薄膜的化学刻蚀形成薄膜过滤器。具体而言，借助于从硅衬底的背面的化学刻蚀获得薄膜，并且随后利用光刻技术通过薄膜限定微米尺度或亚微米尺度的孔的期望图案。因而获得的薄膜过滤器可以作为外部元件耦合到具有掩埋区域的结构或具有从数微米到数百微米或者甚至数毫米的直径(尺寸)的管道，用于对流入/流出的流体的过滤操作。

然而，从制造方法的简化和经济的角度来说，这种解决方案不是最佳的，例如因为它需要将过滤器耦合到分开形成的结构的复杂步骤，它需要符合机械和/或光学对准的规范，并且它无法在任何情况下都实现减少掩埋区域的制造方法中固有的污染物。

还已知这样的解决方案，其中通过接合两个本体使得在与流体流动方向横切的方向中限定根据期望的格栅布置的垂直支柱来限定过滤元件。这些解决方案受到其他不利因素的影响，其中：接合各种本体的方法受到失准误差的影响，该失准误差的值(例如+/-20μm)可能无法使得形成充分小的过滤孔(例如0.5μm直径的孔)；在接合操作期间，垂直支柱与面对它们的本体之间的距离可能不是可充分重复用于实现足够的过滤动作；并且，为了获得足够的流体流动，需要掩埋通道具有例如数十微米的高度(例如50μm的高度)，作为结果，从通道的底壁垂直延伸到顶壁的上述支柱易碎(支柱的失效会损害过滤动作并且它本身会造成流体流动中的杂质)。

发明内容

本发明的目的在于全部或部分地解决前面强调的问题，并且特别地提供一种方法，使得能够在半导体材料的本体中形成设置有用于过滤污染杂质的结构的掩埋区域，该方法将是可简单且不昂贵地实现的。

根据本发明，一种用于制造微机械结构的方法，包括以下步骤：

-在具有顶表面的半导体材料的本体内形成掩埋空腔，所述掩埋空腔通过所述本体的第一表面层而与所述顶表面隔开；以及

-形成第一进出管道，所述第一进出管道被设计为能够实现在所述掩埋空腔与所述本体外部的环境之间的流体连通，