一种复杂三维结构微通道的加工方法
【技术领域】
[0001 ]本发明涉及一种复杂三维结构微通道的加工方法。
【背景技术】
[0002] 微通道广泛存在于微流控芯片、生物芯片及微电子器件中，常用于控制各类型的 化学反应、筛选异常细胞、基因检测、电学通道等各类重要应用场合。但是，由于精确检测、 控制反应等功能的需要，微通道往往都是形状较为复杂的三维结构，对微通道的形状及通 道表面的质量要求也极高。对于现代超精密加工技术来说，在不到Imm的芯片上加工加工复 杂的三维微通道，本身已经一个巨大的挑战，加工质量更加无法保证。
[0003] 如图1所示，最简单的三维异形微通道一 U形微通道，但是通过机械加工的方法在 块体上只能加工两侧垂直的通道，而无法加工出内部的横向通道。且机械加工的最小直径 一般大于100μπι，远无法满足微流控芯片、生物芯片等需求。因此，亟需设计三维复杂微通道 的加工新方法。
[0004] 中国发明专利CN102290332B、欧洲发明专利ΕΡ2439766Α1、美国发明专利 US6762134、US6790785、US8278191、US8334216、US8486843、US8815104、US8951430、 US20100248449和US20110215441等采用金属辅助化学刻蚀工艺，以铂Pt、金Au、银Ag、铜Cu 等金属粒子作为催化剂，在氢氟酸和氧化剂(双氧水、硝酸铁、高锰酸钾等）的混合溶液中刻 蚀硅或者III-V族半导体材料，由于覆盖重金属的硅或III-V族半导体材料被刻蚀速率明显 高于没有覆盖重金属的硅或III-V族半导体材料，所以金属粒子会下沉进入体硅或者III-V 族半导体材料深处从而形成与重金属颗粒直径和密度相当的大深径比的微孔。并通过物 理/化学的方法转移所得到的纳米多孔材料，进一步可以得到硅/III-V族半导体线。
[0005] 上述方法相比传统的通过KOH湿法刻蚀方法，该金属辅助化学刻蚀方法可以大大 增加微孔的深径比；相比干法刻蚀，可以大大的降低成本，并能有效地提高侧壁的质量。但 是，以上方法均只能在单个方向上进行刻蚀获得大深径比微孔，无法在硅或者III-V族半导 体材料上形成规则的复杂三维结构通道。
【发明内容】
[0006] 本发明提供了一种复杂三维结构微通道的加工方法，其目的在于克服现有技术中 无法在硅或者III-V族半导体材料上形成规则的复杂三维结构通道的问题。
[0007] 一种复杂三维结构微通道的加工方法，其以金属粒子作为催化剂，根据所需要成 形的三维微通道结构，通过机械外力改变加工件方位和旋转速度，从而控制金属粒子催化 剂与加工件的接触位置与运动方向，在氢氟酸和氧化剂的混合溶液的作用下刻蚀加工件， 从而加工出所需的复杂三维结构微通道；
[0008] 所述加工件为硅或者III-V族半导体材料。
[0009] 具体步骤如下：
[0010] 首先，将金属粒子溅射在硅或者III-V族半导体材料上;其次，将硅或者III-V族半 导体材料置于装有氢氟酸、氧化剂和水的混合腐蚀溶液中的密闭反应容器中定向腐蚀，获 得定向微孔;接着，将整个反应容器固定于离心机的夹具中，使反应容器绕离心机的Z轴旋 转，进行旋转腐蚀，形成横向通道;最后，按照设定需求，将反应容器翻转，改变定向腐蚀方 向后进行定向腐蚀，再启动离心机，使得反应容器绕离心机的Z轴旋转，重复定向腐蚀和旋 转腐蚀操作，直到获得设定需求的复杂三维结构微通道。
[0011]所述反应容器绕离心机的Z轴进行旋转时，旋转角速度为^，r为反应容器距离 旋转中心轴的距离。
[0012]根据所需要的离心力来确定的，f=mw2r，离心力大概为重力的10倍。
[0013] 所述金属粒子的直径为硅或者III-V族半导体材料上所需生成的三维结构微通道 直径的0.8-1倍。
[0014] 金属粒子之间的间距为半导体材料上所需的三维通道之间间距的1.0~1.2倍。
[0015] 为了一次形成多条通道，在实际操作中将会同时喷射很多金属粒子，如果粒子之 间的间距过小，则会导致相邻通道被打通，且一般来说通道直径均比金属粒子直径大〇. 2倍 左右，因此，选择金属粒子之间的间距为所需的三维通道之间间距的1.0~1.2倍，以保证通 道与通道之间不会被打通。
[0016] 所述混合腐蚀溶液中氢氟酸、氧化剂、水的配比为1: 1:1。
[00?7]按照1:1:1能够保证化学试剂充分反应。
[0018] 所述硅或者III-V族半导体材料被腐蚀的速度为0.5-5ym/min，利用各方向所需形 成的通道长度除以材料被腐蚀速度获得各方向上的腐蚀时间。
[0019] 腐蚀速度是由化学反应控制的，速度为0.5-5ym/min，由此估计各道工序的作用时 间，比如形成横向通道时离心力应该作用多久、刻蚀竖向通道时应该让其反应多久。
[0020] 有益效果
[0021] 本发明提供了一种复杂三维结构微通道的加工方法，以金属粒子作为催化剂，根 据所需要成形的三维微通道结构，通过机械外力改变加工件方位和旋转速度，从而控制金 属粒子催化剂与加工件的接触位置与运动方向，在氢氟酸和氧化剂的混合溶液的作用下刻 蚀加工件，从而加工出所需的复杂三维结构微通道;该方法避开了常规思维，通过借助机械 外力，巧妙的且简单的实现了三维结构微通道的制作，成本低，且适应于任意规则的复杂三 维结构通道;能够适用于微流控芯片、生物芯片及微电子器件，可用于大批量生产，有较大 的推广空间。
【附图说明】
[0022]图1为现有的普通U形微通道；
[0023] 图2为垂直方向微通道成形示意图，其中，（a)为溅射金属粒子催化剂，（b)为垂直 方向单向腐蚀，（c)垂直方向单向腐蚀；
[00
【技术领域】
[0001 ]本发明涉及一种复杂三维结构微通道的加工方法。
【背景技术】
[0002] 微通道广泛存在于微流控芯片、生物芯片及微电子器件中，常用于控制各类型的 化学反应、筛选异常细胞、基因检测、电学通道等各类重要应用场合。但是，由于精确检测、 控制反应等功能的需要，微通道往往都是形状较为复杂的三维结构，对微通道的形状及通 道表面的质量要求也极高。对于现代超精密加工技术来说，在不到Imm的芯片上加工加工复 杂的三维微通道，本身已经一个巨大的挑战，加工质量更加无法保证。
[0003] 如图1所示，最简单的三维异形微通道一 U形微通道，但是通过机械加工的方法在 块体上只能加工两侧垂直的通道，而无法加工出内部的横向通道。且机械加工的最小直径 一般大于100μπι，远无法满足微流控芯片、生物芯片等需求。因此，亟需设计三维复杂微通道 的加工新方法。
[0004] 中国发明专利CN102290332B、欧洲发明专利ΕΡ2439766Α1、美国发明专利 US6762134、US6790785、US8278191、US8334216、US8486843、US8815104、US8951430、 US20100248449和US20110215441等采用金属辅助化学刻蚀工艺，以铂Pt、金Au、银Ag、铜Cu 等金属粒子作为催化剂，在氢氟酸和氧化剂(双氧水、硝酸铁、高锰酸钾等）的混合溶液中刻 蚀硅或者III-V族半导体材料，由于覆盖重金属的硅或III-V族半导体材料被刻蚀速率明显 高于没有覆盖重金属的硅或III-V族半导体材料，所以金属粒子会下沉进入体硅或者III-V 族半导体材料深处从而形成与重金属颗粒直径和密度相当的大深径比的微孔。并通过物 理/化学的方法转移所得到的纳米多孔材料，进一步可以得到硅/III-V族半导体线。
[0005] 上述方法相比传统的通过KOH湿法刻蚀方法，该金属辅助化学刻蚀方法可以大大 增加微孔的深径比；相比干法刻蚀，可以大大的降低成本，并能有效地提高侧壁的质量。但 是，以上方法均只能在单个方向上进行刻蚀获得大深径比微孔，无法在硅或者III-V族半导 体材料上形成规则的复杂三维结构通道。
【发明内容】
[0006] 本发明提供了一种复杂三维结构微通道的加工方法，其目的在于克服现有技术中 无法在硅或者III-V族半导体材料上形成规则的复杂三维结构通道的问题。
[0007] 一种复杂三维结构微通道的加工方法，其以金属粒子作为催化剂，根据所需要成 形的三维微通道结构，通过机械外力改变加工件方位和旋转速度，从而控制金属粒子催化 剂与加工件的接触位置与运动方向，在氢氟酸和氧化剂的混合溶液的作用下刻蚀加工件， 从而加工出所需的复杂三维结构微通道；
[0008] 所述加工件为硅或者III-V族半导体材料。
[0009] 具体步骤如下：
[0010] 首先，将金属粒子溅射在硅或者III-V族半导体材料上;其次，将硅或者III-V族半 导体材料置于装有氢氟酸、氧化剂和水的混合腐蚀溶液中的密闭反应容器中定向腐蚀，获 得定向微孔;接着，将整个反应容器固定于离心机的夹具中，使反应容器绕离心机的Z轴旋 转，进行旋转腐蚀，形成横向通道;最后，按照设定需求，将反应容器翻转，改变定向腐蚀方 向后进行定向腐蚀，再启动离心机，使得反应容器绕离心机的Z轴旋转，重复定向腐蚀和旋 转腐蚀操作，直到获得设定需求的复杂三维结构微通道。
[0011]所述反应容器绕离心机的Z轴进行旋转时，旋转角速度为^，r为反应容器距离 旋转中心轴的距离。
[0012]根据所需要的离心力来确定的，f=mw2r，离心力大概为重力的10倍。
[0013] 所述金属粒子的直径为硅或者III-V族半导体材料上所需生成的三维结构微通道 直径的0.8-1倍。
[0014] 金属粒子之间的间距为半导体材料上所需的三维通道之间间距的1.0~1.2倍。
[0015] 为了一次形成多条通道，在实际操作中将会同时喷射很多金属粒子，如果粒子之 间的间距过小，则会导致相邻通道被打通，且一般来说通道直径均比金属粒子直径大〇. 2倍 左右，因此，选择金属粒子之间的间距为所需的三维通道之间间距的1.0~1.2倍，以保证通 道与通道之间不会被打通。
[0016] 所述混合腐蚀溶液中氢氟酸、氧化剂、水的配比为1: 1:1。
[00?7]按照1:1:1能够保证化学试剂充分反应。
[0018] 所述硅或者III-V族半导体材料被腐蚀的速度为0.5-5ym/min，利用各方向所需形 成的通道长度除以材料被腐蚀速度获得各方向上的腐蚀时间。
[0019] 腐蚀速度是由化学反应控制的，速度为0.5-5ym/min，由此估计各道工序的作用时 间，比如形成横向通道时离心力应该作用多久、刻蚀竖向通道时应该让其反应多久。
[0020] 有益效果
[0021] 本发明提供了一种复杂三维结构微通道的加工方法，以金属粒子作为催化剂，根 据所需要成形的三维微通道结构，通过机械外力改变加工件方位和旋转速度，从而控制金 属粒子催化剂与加工件的接触位置与运动方向，在氢氟酸和氧化剂的混合溶液的作用下刻 蚀加工件，从而加工出所需的复杂三维结构微通道;该方法避开了常规思维，通过借助机械 外力，巧妙的且简单的实现了三维结构微通道的制作，成本低，且适应于任意规则的复杂三 维结构通道;能够适用于微流控芯片、生物芯片及微电子器件，可用于大批量生产，有较大 的推广空间。
【附图说明】
[0022]图1为现有的普通U形微通道；
[0023] 图2为垂直方向微通道成形示意图，其中，（a)为溅射金属粒子催化剂，（b)为垂直 方向单向腐蚀，（c)垂直方向单向腐蚀；
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再多了解一些
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