[發明專利]一種復雜三維結構微通道的加工方法

有效

• 申請號: 201610034243.6
• 申請日: 2016-01-19
• 公開（公告）號: CN105668505B
• 公開（公告）日: 2017-03-08
• 發明（設計）人: 陳云;陳新;高健;張昱;汪正平;高波;賀云波;楊志軍
• 申請（專利權）人: 廣東工業大學
• 主分類號: B81C1/00
• 分類號: B81C1/00
• 代理公司: 長沙市融智專利事務所43114
• 代理人: 龔燕妮

技術領域

本發明涉及一種復雜三維結構微通道的加工方法。

背景技術

微通道廣泛存在于微流控芯片、生物芯片及微電子器件中，常用于控制各類型的化學反應、篩選異常細胞、基因檢測、電學通道等各類重要應用場合。但是，由于精確檢測、控制反應等功能的需要，微通道往往都是形狀較為復雜的三維結構，對微通道的形狀及通道表面的質量要求也極高。對于現代超精密加工技術來說，在不到1mm的芯片上加工加工復雜的三維微通道，本身已經一個巨大的挑戰，加工質量更加無法保證。

如圖1所示，最簡單的三維異形微通道—U形微通道，但是通過機械加工的方法在塊體上只能加工兩側垂直的通道，而無法加工出內部的橫向通道。且機械加工的最小直徑一般大于100μm，遠無法滿足微流控芯片、生物芯片等需求。因此，亟需設計三維復雜微通道的加工新方法。

中國發明專利CN102290332B、歐洲發明專利EP2439766A1、美國發明專利US6762134、US6790785、US8278191、US8334216、US8486843、US8815104、US8951430、US20100248449和US20110215441等采用金屬輔助化學刻蝕工藝，以鉑Pt、金Au、銀Ag、銅Cu等金屬粒子作為催化劑，在氫氟酸和氧化劑(雙氧水、硝酸鐵、高錳酸鉀等)的混合溶液中刻蝕硅或者III-V族半導體材料，由于覆蓋重金屬的硅或III-V族半導體材料被刻蝕速率明顯高于沒有覆蓋重金屬的硅或III-V族半導體材料，所以金屬粒子會下沉進入體硅或者III-V族半導體材料深處從而形成與重金屬顆粒直徑和密度相當的大深徑比的微孔。并通過物理/化學的方法轉移所得到的納米多孔材料，進一步可以得到硅/III-V族半導體線。

上述方法相比傳統的通過KOH濕法刻蝕方法，該金屬輔助化學刻蝕方法可以大大增加微孔的深徑比；相比干法刻蝕，可以大大的降低成本，并能有效地提高側壁的質量。但是，以上方法均只能在單個方向上進行刻蝕獲得大深徑比微孔，無法在硅或者III-V族半導體材料上形成規則的復雜三維結構通道。

發明內容

本發明提供了一種復雜三維結構微通道的加工方法，其目的在于克服現有技術中無法在硅或者III-V族半導體材料上形成規則的復雜三維結構通道的問題。

一種復雜三維結構微通道的加工方法，其以金屬粒子作為催化劑，根據所需要成形的三維微通道結構，通過機械外力改變加工件方位和旋轉速度，從而控制金屬粒子催化劑與加工件的接觸位置與運動方向，在氫氟酸和氧化劑的混合溶液的作用下刻蝕加工件，從而加工出所需的復雜三維結構微通道；

所述加工件為硅或者III-V族半導體材料。

具體步驟如下：

首先，將金屬粒子濺射在硅或者III-V族半導體材料上；其次，將硅或者III-V族半導體材料置于裝有氫氟酸、氧化劑和水的混合腐蝕溶液中的密閉反應容器中定向腐蝕，獲得定向微孔；接著，將整個反應容器固定于離心機的夾具中，使反應容器繞離心機的Z軸旋轉，進行旋轉腐蝕，形成橫向通道；最后，按照設定需求，將反應容器翻轉，改變定向腐蝕方向后進行定向腐蝕，再啟動離心機，使得反應容器繞離心機的Z軸旋轉，重復定向腐蝕和旋轉腐蝕操作，直到獲得設定需求的復雜三維結構微通道。

所述反應容器繞離心機的Z軸進行旋轉時，旋轉角速度為r為反應容器距離旋轉中心軸的距離。

根據所需要的離心力來確定的，f＝mw²r，離心力大概為重力的10倍。

所述金屬粒子的直徑為硅或者III-V族半導體材料上所需生成的三維結構微通道直徑的0.8-1倍。

金屬粒子之間的間距為半導體材料上所需的三維通道之間間距的1.0～1.2倍。

為了一次形成多條通道，在實際操作中將會同時噴射很多金屬粒子，如果粒子之間的間距過小，則會導致相鄰通道被打通，且一般來說通道直徑均比金屬粒子直徑大0.2倍左右，因此，選擇金屬粒子之間的間距為所需的三維通道之間間距的1.0～1.2倍，以保證通道與通道之間不會被打通。

所述混合腐蝕溶液中氫氟酸、氧化劑、水的配比為1:1:1。

按照1:1:1能夠保證化學試劑充分反應。

所述硅或者III-V族半導體材料被腐蝕的速度為0.5-5μm/min，利用各方向所需形成的通道長度除以材料被腐蝕速度獲得各方向上的腐蝕時間。

腐蝕速度是由化學反應控制的，速度為0.5-5μm/min，由此估計各道工序的作用時間，比如形成橫向通道時離心力應該作用多久、刻蝕豎向通道時應該讓其反應多久。