CN109896498A - 内嵌通道微悬臂梁的一种并联结构及加工方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了内嵌通道微悬臂梁的一种并联结构及加工方法，属于MEMS领域。本发明是在微悬臂梁的内部形成微通道，将微流控芯片集成于微悬臂梁传感器内，并且两个及以上微悬臂梁的自由度相连。此种微悬臂梁的并联结构是采用一种基于SON结构的加工方法来制造的，可以同时形成微通道和盖板。同时与微流控芯片技术结合起来，可以实现微纳粒子、细胞等的分离、监测与检测。微悬臂梁总体结构包括：微悬臂梁的固定端、内嵌通道、内嵌通道的衬底和盖板，以及内嵌通道的入口和出口。本发明是一种新型的微悬臂梁结构，加工方法更加简洁，将微流控芯片技术与微悬臂梁传感器技术相结合，应用领域大大增加，同时检测精度也极大地提高。

Description

内嵌通道微悬臂梁的一种并联结构及加工方法

技术领域

本发明主要涉及到集成电路中MEMS(Micro-Electro-Mechanical System)领域，特指一种新型的内嵌通道式的微悬臂梁装置、加工方法。

背景技术

随着微纳米技术的快速发展，一种新型的交叉学科微机电***技术-MEMS技术得到了飞速的发展。到1990年代，以微压力传感器和微加速度传感器为代表的微机电传感器凭借低成本、小体积、高性能的优势，成为精密传感器发展的主流。较成功的微机电传感器，如谐振式压力传感器和力平衡式电容微加速度传感器都采用了微悬臂梁结构。微悬臂梁装置作为一种最简单的MEMS器件之一，也是构建其他复杂MEMS器件的基本单元，一切的MEMS技术的优点都在它身上得以体现，对微悬臂梁的研究也在更加的深入。

传统的微悬臂梁传感器主要为矩形状，在单晶硅的微悬臂梁骨架上键合一层特异性的吸附层，利用分子的特异吸附性将被测分子吸附到吸附层，从而达到检测分子的目的。但这种微悬臂梁的不足之处在于无法对液相的检测物进行检测，且无法工作在液体环境中。微流控芯片的目标是把整个化验室的功能,包括采样、稀释、加试剂、反应、分离、检测等集成在微芯片上，是当前微全分析***领域发展的重点，但其缺少传感的特性。

申请号为2016104117634的专利文献中公开了“一种称量DNA分子质量的微悬臂梁装置”，所提出的微悬臂梁装置上层有所需要称重DNA的吸附层，自由端上下侧各有一个微位移传感器，通过DNA吸附层吸附所称量的DNA分子，从而使微悬臂梁自由端发生弯曲形变，再由微位移传感器检测出形变量。但是，这种微悬臂梁装置在DNA分子吸附层上的加工过于繁琐，且DNA分子吸附层吸附DNA分子容易出现误差，微位移传感器的检测精度不够高，容易产生较大的误差。

发明内容

为了将微流控芯片的功能与微悬臂梁传感特性合二为一，发明了一种新型的内嵌通道式硅微悬臂梁。包括：微悬臂梁的固定端102、内嵌通道105、内嵌通道的衬底和盖板103，以及内嵌通道的微流体入口101和微流体出口100。其中内嵌通道和盖板为一体结构。该微梁可以阵列加工，分别用作测试梁和参考梁。该梁可为等截面梁。该微悬臂梁可以实现微流体的分离、检测；微纳粒子的质量检测；生物细胞的质量检测及生长状况的监测等，也可以液体环境中进行检测。

本发明的另一个目的在于提供了一种内嵌通道式微悬臂梁的加工方法。采用SOI(Silicon On Insulator)晶圆来加工内嵌通道式微悬臂梁，主要包括光刻、刻蚀、退火加工处理、释放结构层等步骤。

本发明的一种内嵌通道式的微悬臂梁的技术方案为：包括相连接的固定端(102)和梁，所述梁至少为两个，所述梁均有固定端(102)，梁可以互连也可单独配置；各梁的自由端连接在一起；各梁的内部通道在梁的自由端处相交；所述梁的底部是衬底，梁的上端面是盖板(103)，衬底和盖板(103)之间为内嵌通道(105)，内嵌通道(105)至少带有内嵌通道微流体入口(101)，所述衬底、盖板(103)和固定端(102)为一体结构。

进一步，整个内嵌通道(105)根据需要成一字型，或者矩形通道，或者环形通道，或者蛇形通道，或者树状型通道，或者十字分叉通道。

进一步，所述梁为等截面梁或者变截面梁。

进一步，当固定端(102)为双侧时，多个内嵌通道式的微悬臂梁的梁平行排列，梁两端的固定端(102)之间依次固连组成平行内嵌通道式的微悬臂梁并联结构阵列。

进一步，当固定端(102)为单侧或者为环形固定端时，根据需要增加梁的数量，进而构成单侧内嵌通道式的微悬臂梁阵列或者环形内嵌通道式的微悬臂梁并联结构阵列。

本发明的方法的技术方案为：一种内嵌通道式的微悬臂梁的加工方法，包括以下步骤：

步骤1、根据要求，设计通道和梁的结构和尺寸，选取合适的SOI晶圆，SOI晶圆结构主要包括单晶硅衬底层(202)、SiO₂埋氧层(201)以及单晶硅结构层(200)；并将单晶硅衬底层(202)进行氧化形成单晶硅衬底层(202)的氧化层；

步骤2、对SOI晶圆单晶硅衬底层(202)的氧化层光刻，为释放悬臂梁做准备；

步骤3、刻蚀SOI晶圆衬底层的氧化层，为刻蚀单晶硅衬底层(202)开窗；

步骤4、对单晶硅结构层(200)进行一次光刻，为了形成悬臂梁，掩模图形依据悬臂梁的外轮廓；

步骤5、对单晶硅结构层(200)进行等离子体干法刻蚀，刻蚀深度要求小于单晶硅结构层(200)的厚度；

步骤6、对单晶硅结构层(200)进行二次光刻，此步骤为形成内嵌通道做准备，掩模图形为小的矩形阵列；

步骤7、对单晶硅结构层(200)进行二次等离子体干法刻蚀，刻蚀到SiO₂埋氧层(201)时停止，形成硅沟槽；

步骤8、高温退火，对形成硅沟槽的单晶硅结构层(200)进行退火处理，会在结构层的内部形成所需要的微通道，并同时形成盖板，退火持续一定的时间；

步骤9、对SOI晶圆衬底层(202)进行等离子体干法刻蚀；

步骤10、微悬臂梁释放。

进一步，退火环境为氢气环境或高真空下，退火温度为1130±30℃，退火时间为10分钟至20分钟之间。

本发明与现有技术相比，具有如下的优势：

(1)传统的微悬臂梁是在微悬臂梁的上表面覆盖一层吸附层，以达到吸附目标分子的目的，此种方法只能用于检测固态的或者气态的被测物；而内嵌通道式微悬臂梁能够将固态的被测物混合于液相的微流体，极大的扩展了微悬臂梁检测被测物的领域，同时也能够使得被测物得到充分的反应或分离。微悬臂梁的结构新颖，与传统的衬底加被测物吸附层的微悬臂梁相比，内嵌通道式微悬臂梁将被测物从微悬臂梁的上表面以微流体的形式转移到微悬臂梁的内嵌微通道中，使得检测更加灵活。同时，微悬臂梁的内嵌通道可以设计多种形状的微通道，如矩形、U型、树状型、蛇形等，以达到检测的目的。

(2)内嵌通道式微悬臂梁的加工是基于一种SON结构的加工方法。此方法主要包括光刻、退火以及后处理三个步骤，与传统的微悬臂梁加工相比，减少了键合的步骤，极大的减少了加工工序。

(3)内嵌通道式微悬臂梁能够应用到很多的领域，比如对微粒子或者活细胞进行称重。利用内嵌通道式微悬臂梁的加工方法在微悬臂梁的前端同步加工出对应的单晶硅材料的微流控芯片，用于对微流体进行分离控制、混合反应，再之后利用内嵌通道式微悬臂梁进行检测，从而到达控制与检测为一体的创新。

(4)加工方法使得衬底、盖板和固定端为一体结构，结构紧凑，性能更加稳定，同时大大提高了测量精度；本发明的固定端根据需要设计为单侧固定端，或者双侧固定端，或者为环形固定端，其自由端相交于一个端点；能够适应混合微流体场合，或者提供微流体反应的场合，应用前景广阔，实用性和适用性更强。

附图说明

图1为双侧内嵌通道的微悬臂梁。(a)为等截面梁；(b)为变截面梁；

图2为平行双侧内嵌通道的微悬臂梁阵列。

图3为单侧两个梁的内嵌通道的微悬臂梁。

图4为单侧三个梁的内嵌通道的微悬臂梁。

图5为一种环形内嵌通道的微悬臂梁阵列图。

图6为为制作内嵌通道的微悬臂梁的工艺流程。

图中，100-内嵌通道微流体入口1；101-内嵌通道微流体入口2；102-微悬臂梁的固定端；103-盖板；105-内嵌通道；200—单晶硅结构层；201—SiO2埋氧层；202—单晶硅衬底层；

具体实施方式

以下将结合附图和具体实施例对本发明做进一步详细说明，但本发明的保护范围并不限于此。

如图1-5所示，一种内嵌通道式的微悬臂梁，包括相连接的固定端(102)和梁，所述梁至少为两个，所述梁均有固定端(102)，梁可以互连也可单独配置；各梁的自由端连接在一起；各梁的内部通道在梁的自由端(即悬臂梁的自由端)处相交；所述梁的底部是衬底，梁的上端面是盖板(103)，衬底和盖板(103)之间为内嵌通道(105)，内嵌通道(105)至少带有内嵌通道微流体入口(101)，所述衬底、盖板(103)和固定端(102)为一体结构。

微流体的出口不是必须的，并且入口和出口的位置可以根据需要合理布置。

图1(a)中的梁为等截面梁，图1(b)中的梁为变截面梁(所述梁的俯视形状三角形)。

如图2所示，当固定端(102)为双侧时，多个内嵌通道式的微悬臂梁的梁平行排列，梁两端的固定端(102)之间依次固连组成平行内嵌通道式的微悬臂梁阵列。内嵌通道式的微悬臂梁阵列分别用作测试梁和参考梁。

为了增加被测微粒体检测数量，可以增加通道的长度；将整个内嵌通道105根据需要设计成一字型(如图1)，或者矩形通道，或者环形通道，或者蛇形通道；也可以根据筛选微流体内流动速率的不同，将整个内嵌通道105根据需要设计成树状型通道，或者十字分叉通道等等。

如图3-4所示，所述固定端102为单侧固定端，根据需要增加梁的数量，当梁为多个时，进而构成单侧内嵌通道式的微悬臂梁并联结构阵列。

如图5所示，当固定端102为环形固定端时，根据需要增加梁的数量，当梁为多个时，构成环形内嵌通道式的微悬臂梁并联结构阵列。

参见图6所示，本发明所提出的一种内嵌通道式的微悬臂梁的加工方法。此加工方法具体过程如下：

本发明的一种基于SOI技术的内嵌通道式微悬臂梁的加工方法，主要步骤如下：

(a)SOI晶圆背面氧化；(b)SOI晶圆单晶硅衬底层光刻；(c)刻蚀SOI晶圆单晶硅衬底层的氧化层；(d)对SOI晶圆的单晶硅结构层进行一次光刻；(e)对SOI晶圆的单晶硅结构层进行等离子体干法刻蚀；(f)对SOI晶圆的单晶硅结构层进行二次光刻；(g)对SOI晶圆的单晶硅结构层进行二次等离子体干法刻蚀；(h)高温真空退火；(i)对SOI晶圆的单晶硅衬底层进行等离子体干法刻蚀；(j)双支梁释放。具体加工过程为：

步骤1、根据要求，设计通道和梁的结构和尺寸，选取合适的SOI晶圆，SOI晶圆结构主要包括单晶硅衬底层202、SiO₂埋氧层201以及单晶硅结构层200；并将单晶硅衬底层202进行氧化形成单晶硅衬底层202的氧化层；如图6步骤(a)所示。

步骤2、对SOI晶圆单晶硅衬底层202的氧化层光刻，为释放悬臂梁做准备；如图6步骤(b)所示。

步骤3、刻蚀SOI晶圆衬底层的氧化层，为刻蚀单晶硅衬底层202开窗；如图6步骤(c)所示。

步骤4、对单晶硅结构层200进行一次光刻，为了形成悬臂梁，掩模图形依据悬臂梁的外轮廓。

步骤5、对单晶硅结构层200进行等离子体干法刻蚀，刻蚀深度要求小于单晶硅结构层(200)的厚度。

步骤6、对单晶硅结构层200进行二次光刻，此步骤为形成内嵌通道，如图6步骤(d)所示。光刻形成的图形为矩形阵列等间隔分布，尺寸为500nm-1μm间隔。

步骤7、对单晶硅结构层200进行二次等离子体干法刻蚀，刻蚀到SiO₂埋氧层201时停止；形成硅沟槽，如图6步骤(e)所示。

步骤8、高温退火，对形成硅沟槽的单晶硅结构层200进行退火处理，会在结构层的内部形成所需要的微通道，并同时形成盖板，退火持续一定的时间；本实施例优选退火环境为氢气环境或高真空下，退火温度为1130±30℃，退火时间为10分钟至20分钟之间，制作的效果最佳，制作精度高，满足试验要求。如图6步骤(f)所示。高温使硅结构层200表面的和沟槽上端的硅原子将发生迁移，使得沟槽表面能量最小化。此时，沟槽上的导角开始变圆，之后硅沟槽开始慢慢封闭并形成内嵌通道105，而中间大尺寸的沟槽，如内嵌通道的微流体进口和入口对应的沟槽、步骤5形成的沟槽在该退火后不会与其他硅片连接在一起。当沟槽深宽比达到一定比例时，沟槽上端的硅原子迁移将使沟槽上端形成完整的盖板103。

步骤9、对SOI晶圆衬底层202进行等离子体干法刻蚀；如图6步骤(g)所示。

步骤10、微悬臂梁释放。如图6步骤(h)所示。

所述内嵌通道式微悬臂梁的应用领域有很多，以称量单个微小细胞为例来介绍内嵌通道式微悬臂梁的应用。

本发明中的内嵌通道微悬臂梁，使用场合包括：当含有纳米粒子或细胞的微流体流入微通道内，双支梁的形状和固有频率会发生变化，通过检测梁的位移变化或频率变化可以测纳米粒子或细胞的质量；如果细胞进入微悬臂梁的微通道内，可以连续检测微悬臂梁的特性变化，可以测得细胞的生长变化情况；多种粒子混合微流体，可以设计合适的微通道，使粒子在微通道内进行分离，进而检测等。

本发明中的加工方法使得衬底、盖板和固定端为一体结构，结构紧凑，性能更加稳定，同时大大提高了测量精度；本发明的固定端根据需要设计为单侧固定端，或者双侧固定端，或者为环形固定端，其自由端相交于一个端点；能够适应混合微流体场合，或者提供微流体反应的场合，应用前景广阔，实用性和适用性更强。

本发明中的所述微通道和盖板是采用将刻有沟槽的单晶硅材料退火加工形成的，单晶硅材料在高温熔融状态下有较大的化学活泼性，硅原子在高温氢化退火过程中会发生迁移以及重结晶，从而同时形成微通道和盖板，无需进行其他键合工艺，大大减少了加工工序。

综上，本发明公开了内嵌通道微悬臂梁的一种并联结构及加工方法，属于MEMS领域。本发明中的内嵌通道式微悬臂梁并联结构与传统的微悬臂梁有所不同，是在微悬臂梁的内部形成微通道，将微流控芯片集成于微悬臂梁传感器内，并且两个及以上微悬臂梁的自由度相连。此种微悬臂梁的并联结构是采用一种基于SON结构的加工方法来制造的，可以同时形成微通道和盖板。同时与微流控芯片技术结合起来，可以实现微纳粒子、细胞等的分离、监测与检测。微悬臂梁总体结构包括：微悬臂梁的固定端、内嵌通道、内嵌通道的衬底和盖板，以及内嵌通道的入口和出口。本发明是一种新型的微悬臂梁结构，加工方法更加简洁，将微流控芯片技术与微悬臂梁传感器技术相结合，应用领域大大增加，同时检测精度也极大地提高。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。

Claims (7)

1.一种内嵌通道式的微悬臂梁并联结构，其特征在于，包括相连接的固定端(102)和梁，所述梁至少为两个，所述梁均有固定端(102)，梁可以互连也可单独配置；各梁的自由端连接在一起；各梁的内部通道在梁的自由端处相交；

所述梁的底部是衬底，梁的上端面是盖板(103)，衬底和盖板(103)之间为内嵌通道(105)，内嵌通道(105)至少带有内嵌通道微流体入口(101)，所述衬底、盖板(103)和固定端(102)为一体结构。

2.根据权利要求1所述的一种内嵌通道式的微悬臂梁并联结构，其特征在于，整个内嵌通道(105)根据需要成一字型，或者矩形通道，或者环形通道，或者蛇形通道，或者树状型通道，或者十字分叉通道。

3.根据权利要求1所述的一种内嵌通道式的微悬臂梁并联结构，其特征在于，所述梁为等截面梁或者变截面梁。

4.根据权利要求1所述的一种内嵌通道式的微悬臂梁并联结构，其特征在于，当固定端(102)为双侧时，多个内嵌通道式的微悬臂梁的梁平行排列，梁两端的固定端(102)之间依次固连组成平行内嵌通道式的微悬臂梁并联结构阵列。

5.根据权利要求1所述的一种内嵌通道式的微悬臂梁并联结构，其特征在于，当固定端(102)为单侧或者环形固定端时，根据需要增加梁的数量，进而构成单侧内嵌通道式的微悬臂梁阵列或者环形内嵌通道式的微悬臂梁并联结构。

6.一种根据权利要求1-5任意一项所述的一种内嵌通道式的微悬臂梁并联结构的加工方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1、根据要求，设计通道和梁的结构和尺寸，选取合适的SOI晶圆，SOI晶圆结构主要包括单晶硅衬底层(202)、SiO₂埋氧层(201)以及单晶硅结构层(200)；并将单晶硅衬底层(202)进行氧化形成单晶硅衬底层(202)的氧化层；

步骤2、对SOI晶圆单晶硅衬底层(202)的氧化层光刻，为释放悬臂梁做准备；

步骤3、刻蚀SOI晶圆衬底层的氧化层，为刻蚀单晶硅衬底层(202)开窗；

步骤4、对单晶硅结构层(200)进行一次光刻，为了形成悬臂梁，掩模图形依据悬臂梁的外轮廓；

步骤5、对单晶硅结构层(200)进行等离子体干法刻蚀，刻蚀深度要求小于单晶硅结构层(200)的厚度；

步骤6、对单晶硅结构层(200)进行二次光刻，此步骤为形成内嵌通道做准备，掩模图形为小的矩形阵列；

步骤7、对单晶硅结构层(200)进行二次等离子体干法刻蚀，刻蚀到SiO₂埋氧层(201)时停止，形成硅沟槽；

步骤8、高温退火，对形成硅沟槽的单晶硅结构层(200)进行退火处理，会在结构层的内部形成所需要的微通道，并同时形成盖板，退火持续一定的时间；

步骤9、对SOI晶圆衬底层(202)进行等离子体干法刻蚀；

步骤10、微悬臂梁释放。

7.根据权利要求6所述的一种内嵌通道式的微悬臂梁并联结构的加工方法，其特征在于，退火环境为氢气环境或高真空下，退火温度为1130±30℃，退火时间为10分钟至20分钟之间。