[发明专利]一种基于硅衬底的氧化铪空心微针及制备方法

摘要

本发明公开了一种基于硅衬底的氧化铪空心微针及制备方法，其制备方法包括：单晶硅片的准备；硅片表面形成二氧化硅；硅片正面甩光刻胶、烘胶并图形化；刻蚀二氧化硅层得到微针的刻蚀窗口；硅片各向异性刻蚀得到锥形尖端；硅片深反应离子刻蚀得到深孔；原子层沉积方法沉积氧化铪膜；硅上氧化铪的完全刻蚀；硅片背面的碱性溶液湿法刻蚀，露出氧化铪微针末端；Oxford刻蚀机刻蚀掉氧化铪微针末端；硅片背面继续碱性溶液湿法刻蚀得到裸露的氧化铪微针阵列；切片。所制得的氧化铪空心微针呈柱状空心结构，微针末端为开口或不开口；本发明微针既可用于TDD，也可用于生物医学取样分析、用做生物医学用微电极。

主权项

1.一种基于硅衬底的氧化铪空心微针的制备方法，其特征在于该方法包括以下具体步骤：第一步：以单晶硅片作基础，清洗和烘干硅片（1）；第二步：在经第一步处理的硅片（1）正面热氧化形成SiO₂层（2）、背面热氧化形成SiO₂层（2’），或者用等离体子增强化学汽相淀积法仅在硅片（1）正面形成SiO₂层（2）；所述硅片（1）正面SiO₂层（2）和背面SiO₂层（2’）的厚度均为0.4～3μm；所述化学汽相淀积法的反应气体为SiH₄和N₂O，反应室温度200～350℃；第三步：在经第二步处理的硅片（1）正面的SiO₂层（2）上甩正光刻胶（3），烘胶后利用掩膜版在光刻胶（3）上光刻形成微针（7）的刻蚀窗口图形；所述光刻胶（3）的厚度为1~20μm；第四步：图形化后的光刻胶（3）作掩膜，利用氢氟酸缓冲氧化硅蚀刻剂刻蚀硅片（1）正面的SiO₂层（2），在SiO₂层（2）上形成微针（7）的刻蚀窗口图形，同时硅片（1）背面的SiO₂层（2’）也刻蚀掉；或者采用STS刻蚀机将光刻胶（3）上的图形转移到硅片（1）正面的SiO₂层（2）上；刻蚀气体为CHF₃和O₃，或者刻蚀气体为CF₄和O₂，或者刻蚀气体为CF₄和Ar，或者刻蚀气体为CHF₃和CF₄；第五步：用丙酮去除光刻胶（3），然后用KOH溶液或四甲基氢氧化氨水溶液各向异性刻蚀硅片（1），得到锥形尖端（4）；所述KOH溶液质量浓度为20~50%，温度50~100℃；所述四甲基氢氧化氨水溶液质量浓度为0.5~30%，温度为50~100℃；第六步：利用硅的深反应离子刻蚀法，在硅片（1）的正面SiO₂层（2）侧加工出柱状深孔（5）结构；刻蚀工艺用气体为SF₆和C₄F₈；第七步：利用氢氟酸缓冲氧化硅蚀刻剂刻蚀掉硅片（1）正面的SiO₂层（2），利用原子层沉积法，在硅片（1）正面生长一层氧化铪薄膜（6），在柱状深孔(5)处得到氧化铪微针（7）结构；同时在硅片（1）背面附加生长氧化铪薄膜（6’）；制备氧化铪以四二甲基氨基铪为前驱体，水作为氧化剂，反应腔温度为235℃，每个沉积周次中四二甲基氨基铪和水的脉冲持续时间分别为0.2秒、0.015秒，两个脉冲间隔10秒；第八步：沉积有氧化铪的硅片（1）背面附加生长氧化铪薄膜（6’）的完全刻蚀；然后将硅片（1）用AMMT’s夹具夹持，背面朝外，置于碱性溶液中进行湿法腐蚀，减薄至露出氧化铪微针（7）末端；同时在硅片（1）周边形成一个环形外框（8）；碱性溶液为KOH水溶液或TMAH水溶液；所述KOH水溶液质量浓度为20~50%，刻蚀温度50~100℃；所述TMAH水溶液质量浓度为0.5~30%，刻蚀温度50~100℃；若需要提高刻蚀面的平整性，使用KOH水溶液时加入异丙醇，质量浓度为0.5~20%，使用TMAH水溶液时加入(NH₄)₂S₂O₈，质量浓度为0.5~10%；第九步：利用Oxford刻蚀机刻蚀氧化铪微针（7）末端，使氧化铪微针（7）贯穿；刻蚀源气体BCl₃流量为20sccm、Ar流量为5sccm，RIE功率100W，温度为25℃；第十步：继续使用AMMT’s夹具夹持硅片（1），在碱性溶液中进行硅的湿法腐蚀，至氧化铪微针（7）裸露长度达到需要的数值；如果需要将硅片减薄至100μm以下，当硅片厚度为100μm时，去掉夹具继续刻蚀至需要的厚度；刻蚀减薄过程中得到新的环形外框（8’），对减薄后的硅膜（9）起支撑作用；第十一步：最后将硅片（1）切割成所需大小的氧化铪微针（7）阵列。