本发明涉及生物医疗技术领域，更具体地，涉及一种中空微针阵列装置及其制作方法。
背景技术：
透皮药物递送克服了口服途径中药物可能在胃肠道中降解或通过肝脏清除的缺点，现已被广泛认为是具有众多商业应用的最有前途的技术之一。中空微针阵列可通过经皮药物输送和体液抽取，可以提供一种微创的手段来将较大的分子注入和抽取出皮肤。微针是一种非常理想的结构，它们极小的尺寸和极尖的尖端会大大地减少患者在插入时的疼痛和组织创伤。微针的长度可以做的很短，以便能够无痛地刺穿角质层而不到达真皮层，从而释放药物。此外，中空微针的孔隙可以做的足够大以提供相对较快的药物递送或体液抽取速度。与离子注入和电穿孔方法相比，微针在整个角质层上产生的孔要大得多，并且可以将大分子、超分子甚至颗粒输送到体内。例如对血糖的监测，最常用的方法是用小针头刺入手指，并测量在针刺部位形成的血滴中的糖含量。然而，这可能经常会使患者对频繁、痛苦的针刺变得较为敏感，也许会对针刺极为敏感，这种取样方法也可能有问题。
微针的纵轴垂直于衬底，这些微针通常很短(小于几百微米)，并且仅穿透皮肤的外阻止层。在大多数现有技术中，中空微针的尖端被设计成稍微倾斜的，这是一种偏向。因为考虑到人类的皮肤具有柔韧性，倾斜的尖端比扁平的尖端更容易穿透人体皮肤以进行微采样。通常可以用微针阵列通过合理的泵速获得足够的流体流量。
在微针的各种制造方法中，最广泛采用的方法是使用si衬底制造中空微针或模具。然而，公开的专利显示使用si衬底的制造过程比较复杂，一般依靠改良的liga工艺的微制造技术、深反应离子刻蚀(rie)、飞秒激光两次光子聚合、深x射线光刻(dxrl)工艺、光刻和电感耦合等离子体(icp)刻蚀、聚焦离子束(fib)辅助技术等，以形成中心对称的中空微针或非对称的侧开式平面外微针以便用于微流体透皮液体的转移。但是，这些制造过程又长又困难，并且可能导致中空微针的内径和外径的壁斜率不一致，并且比较粗糙，因此成品率低。此外，昂贵的设备和成本也不适合大量生产微针。
在这些情况下，中空微针阵列的商业批量生产主要受到固有的高成本和低通量的极大阻碍。本发明提供了一种简单、有效且具有成本效益的制造方法在生物相容的衬底材料上直接生产中空微针，以将药物或基因穿过皮肤或其他组织屏障层中，具有最小的伤害和无疼痛感，并提供可重复的结果，这使得该方法在当前的中空微针制造方法中占据优势。
本发明提供了一种简单、有效且具有成本效益的制造方法来批量生产中空微针阵列，无需复杂且昂贵的设备和技术，所得针头的质量较高，在制造设备和材料上的投资都较低，这使得该方法在当前的中空微针制造方法中占据优势。
技术实现要素：
为了解决上述技术问题，本发明提供了一种中空微针阵列制作方法及装置，能够批量生产中空微针阵列，无需复杂且昂贵的设备和技术，所得针头的质量较高。
本发明一方面提出了一种中空微针阵列装置，该中空微针阵列具有一支撑结构，上述支撑结构一面具有凹槽，上述支撑结构背面具有由多个中空微针形成的中孔微针阵列，上述中空微针具有一高深宽比的针筒结构以及位于微针头部的逐渐尖锐圆滑的梯次状凸起结构，可以是中心对称或非对称(侧开式)的中空微针阵列，上述中空微针具有内部通孔，上述内部通孔与支撑结构另一面的凹槽连通，使得流体可以从凹槽经过内部通孔流入或流出。
优选地，上述梯次状凸起结构的顶部横向尺寸优选为50-300微米，深度为50-300微米，高深宽比的针筒结构长度为100微米，其中具有贯穿至支撑结构的内部通孔，深度优选为200微米。
本发明另一方面提出了一种中空微针阵列装置的制作方法，具体步骤包括：
s1：在衬底上，沉积硬掩模并定义通孔的光刻图案；
s2：对上述半导体衬底进行干法刻蚀，形成微针阵列的初始内部通孔；
s3：去除光刻图形，重新定义微针阵列结构的光刻图案，并掩蔽上述初始内部通孔；
s4：根据上述光刻图案，进行多次交替的各向同性刻蚀和各向异性刻蚀，形成具有梯次状沟槽侧壁的微针阵列结构；
s5：去除光刻图形和掩蔽层，暴露初始内部通孔，对微针阵列的上述初始内部通孔和两侧衬底进行各向异性刻蚀，并确保内部通孔的深度大于外部侧壁深度，以形成具有内部通孔的高深宽比结构；
s6：在上述半导体衬底的背面，形成具有大尺寸通孔的支撑结构，并与上述高深宽比内部通孔相贯通，从而形成互相连通的中空微针阵列结构。
优选地，上述光刻图案为线条形、圆形、椭圆形或不规则图形。
优选地，通过在上述半导体衬底上形成硬掩膜层和/或光刻胶层形成上述微针阵列侧壁结构的光刻图案，其中上述硬掩膜层选自氧化硅、氮化硅、旋涂或cvd旋涂的非晶碳、硅基抗反射材料中的一种或多种，优选为氧化硅/氮化硅、硅基抗反射材料/soc/氧化硅或siarc/soc/氮化硅复合结构。
优选地，上述刻蚀技术可以是bosch刻蚀技术，或低温刻蚀技术，或采用刻蚀－钝化或钝化－刻蚀或刻蚀－修饰－钝化等其他各种变体的刻蚀技术，形成上述微针阵列的初始通孔。
优选地，步骤s4进一步包括：
s4-1：对上述微针阵列进行各向同性刻蚀，以形成第一梯次沟槽；
s4-2：对上述微针阵列进行各向异性刻蚀，以形成第二梯次沟槽；
将步骤s4-1至s4-2交替执行若干次，优选地为10次，形成上述梯次状沟槽侧壁结构，进而形成微针阵列头部逐渐尖锐圆滑的凸针结构。
优选地，上述各向同性刻蚀与各向异性刻蚀的速率可以相同也可以不同，通过控制每一循环的速率来形成不同形状的结构，优选地为头部逐渐尖锐圆滑的梯次状微针阵列结构。
优选地，上述刻蚀气体可以为sf6，sf6、o2混合气体，sf6、o2、ar混合气体，还可以包括钝化性气体c4f8或c4f6或其他沉积性气体。
优选地，其特征在于在执行步骤s6之前，进一步包括高温原位处理，优选为高温热氧化和高温氢气退火。
根据发明的方法制作的微针阵列顶部为凸针结构，并且垂直于上表面。微针阵列的支撑垫位于晶圆背面，由此在微针内部通孔和支撑垫之间形成了连通的空心结构，而流体可以从通孔中流入或流出。本发明的中空微针阵列制作方法，仅利用常规光刻与刻蚀相结合的技术即可实现中空微针阵列的制作，制造成本低且工艺简单，适合规模性量产。
本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在说明书、权利要求书以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。
附图说明
附图用来提供对本发明技术方案的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本申请的实施例一起用于解释本发明的技术方案，并不构成对本发明技术方案的限制。
图1示出了形成定义有通孔的硬掩模层图案；
图2示出了形成初始内部通孔；
图3示出了掩蔽初始内部通孔；
图4示出了第1次各向同性刻蚀形貌；
图5示出了第1次各向异性刻蚀形貌；
图6示出了第2次各向同性刻蚀形貌；
图7示出了第2次各向异性刻蚀形貌；
图8示出了暴露初始通孔继续各向异性刻蚀；
图9示出了高温原位处理；
图10示出了形成背面空心图案；
图11示出了形成大尺寸通孔；
图12示出了最终的中空微针阵列结构；
图13示出了非对称中空微针阵列结构；
具体实施方式
以下定义和缩写用于权利要求和说明书的解释。如本文所使用的，术语“包括”，“包含”，“包括”，“包含”，“具有”，“具有”，“包含”或其任何其他变型旨在覆盖非独家包容。例如，包括一系列元素的组合物，混合物，过程，方法，制品或设备不必仅限于那些元素，而是可以包括未明确列出或此类的组合物，混合物，过程，方法所固有的其他元素、物品或设备。
如本文中所使用的，在元件或组件之前的冠词“一”和“一个”旨在关于元件或组件的实例(即出现)的数量是非限制性的。因此，“一”或“一个”应被理解为包括一个或至少一个，并且元素或组件的单数形式也包括复数，除非数字显然是单数。现在将通过参考以下讨论和本申请所附的附图来更详细地描述本申请。注意，提供本申请的附图仅出于说明性目的，因此，附图未按比例绘制。还应注意，相同和相应的元件由相同的附图标记指代。
在下面的描述中，阐述了许多具体细节，例如特定的结构，部件，材料，尺寸，处理步骤和技术，以便提供对本申请的各种实施例的理解。然而，本领域的普通技术人员将意识到，可以在没有这些具体细节的情况下实践本申请的各种实施例。在其他情况下，没有详细描述公知的结构或处理步骤，以避免使本申请难以理解。为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例的附图，对本发明实施例的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于所描述的本发明的实施例，本领域普通技术人员在无需创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
图1至图12是本发明一个实施例的中空微针阵列的制作流程图，具体包括如下步骤：
首先根据步骤s1，提供一半导体衬底，沉积一硬掩模并定义通孔的光刻图案，如图1所示。上述半导体衬底可以由任何半导体材料构成，包括但不限于si(单晶硅、多晶硅或非晶硅)、ge、sige、sic、sigec和iii/v化合物半导体，其中iii/v化合物半导体包括inas、gan、gaas和inp等，也就是第iiia与第va族的元素组成的化合物。当然，这些半导体材料组成的多层材料也可以用作半导体衬底。除此之外，半导体衬底可以包括绝缘体上半导体(soi)衬底。尽管没有具体示出，但是本领域技术人员理解，soi衬底包括支撑衬底，位于支撑衬底表面上的绝缘体层，以及位于绝缘体层的上表面的最顶部的半导体层。支撑衬底为绝缘体层和最顶层的半导体层提供机械支撑。soi衬底的支撑衬底和最上面的半导体层可以包括相同或不同的半导体材料。在一个实施例中，支撑衬底和最顶层的半导体层均由硅组成。在另一个实施例中，支撑衬底还可以是非半导体材料，包括例如介电材料、聚合物材料和/或导电或非导电材料。
soi衬底的绝缘体层可以是结晶或非晶氧化物或氮化物。在一些实施例中，绝缘体层是氧化物，例如二氧化硅。绝缘体层可以是连续的，也可以是不连续的。当存在不连续的绝缘体区域时，绝缘体区域可以作为被半导体材料包围的隔离岛存在。
进一步地，在衬底上形成硬掩膜层或者光刻层之前，进行必要的湿法清洗，去除基底的油污及污渍，方便后续薄膜的沉积。
具体地，上述硬掩膜层的材料可以为单一材料如氧化硅、氮化硅、旋涂的非晶碳(soc)、cvd沉积的非晶碳、硅基抗反射材料(siarc)等，也可以为多种不同材料组成的复合结构，如氧化硅/氮化硅或siarc/soc/氧化硅或氮化硅等，或其他材料组合而成的复合结构。当然，也可以采用其他薄膜形成该硬掩模层，本发明对此不作严格限定。硬掩膜层可通过本领域合适的方法来形成，包括物理气相沉积(pvd)、化学气相沉积(cvd)、等离子体增强化学气相沉积(pecvd)或其他沉积方法。
进一步地，光刻层定义了最初的图形尺寸，可以采用传统的光刻技术如紫外宽谱光刻、i线、g线光刻等。另外，也可以采用非传统的光刻技术如共聚物自组装首先形成模板，然后去除其中一种嵌段分子，定义出光刻图形。随后，采用等子体干法刻蚀技术将光刻胶层的图形转移到下面的硬掩模或衬底上，形成图案化的硬掩模层或图形化的衬底。为了保证掩模侧壁有良好的粗糙度性能往往选择去除光刻层，这可以通过干法去胶工艺或湿法清洗工艺来完成。
进一步根据步骤s2，以定义出通孔的硬掩膜层2作为图案，对上述半导体衬底1进行干法刻蚀，形成微针阵列的初始内部通孔，如图2所示。干法刻蚀可以有多种方法，在一些实施例中，可以选择常规的bosch深硅刻蚀技术或其变体如刻蚀－钝化交替循环、钝化－刻蚀交替循环、表面修饰－刻蚀－钝化交替循环等等方法，或低温深硅刻蚀技术，或基于这两种主要技术的其他变形等刻蚀方法进行加工。作为一个实施例，这里选择常规的bosch深硅刻蚀技术，其原理是在反应腔室中交替通入钝化气体(以c4f8为例)与刻蚀气体(以sf6为例)与衬底材料进行反应，工艺的整个过程是沉积钝化层步骤与刻蚀步骤的反复交替，以达到对衬底材料进行高深宽比、各向异性刻蚀的目的。其中钝化气体c4f8在高密度等离子体的作用下分解生成碳氟聚合物保护层，沉积在已经做好图形的材料表面。刻蚀过程则是通过刻蚀气体sf6在等离子体的作用下分解，提供刻蚀所需的中性氟基团与加速离子，实现硅以及聚合物的各项异性刻蚀。刻蚀过程中，被刻蚀部分的钝化保护层会完全去除掉，然后对保护层下的材料进行刻蚀，而侧壁的保护层由于离子刻蚀的方向性，刻蚀速度低而不会被去除。随后重复钝化步骤，导致刻蚀持续在垂直方向进行。最终经过一系列的钝化与刻蚀步骤，得到满足要求的半导体结构。
初始内部通孔的大小由具体的应用领域决定，对用于药物递送的微针阵列而言，其横向尺寸往往较大，优选地，可以为50-100微米，深度为100-200微米；对于基因筛选或分子过滤而言，其尺寸要小的多，可以为几十纳米到几十个微米的尺度。需要注意地是，在后续加工好梯次状结构时，需要再次进行内部通孔和通孔两侧梯次状结构的同步刻蚀，由于初始内部通孔的大小较两侧结构的尺寸要小，这会导致深宽比依赖刻蚀效应，即较小尺寸的内部通孔刻蚀较慢而两侧的结构刻蚀较快的现象。因此，准确的初始内部通孔的刻蚀深度要结合具体的设计尺寸与应用而定，以保障在对内部通孔和两侧凹槽进行同步刻蚀时，最终内部通孔的深度能超出两侧凹槽的深度或与其相等，从而能够与衬底背面凹槽形成贯通。作为一个实施例，优选地，初始内部通孔的直径为50微米，深度为150微米。尽管如此，本专利提到的制备技术与相应的刻蚀方法并不受到任何影响。
除此之外，在其他实施例中，上述初始内部通孔还可以为机械通孔或激光通孔中的任意一种。通孔的位置可以在微针阵列的中心，也可以偏离中心，如侧开式平面外微针。形成上述微针阵列的光刻图案可以是线条形、圆形、椭圆形等规则形状，也可以是其他非规则形状等，可以是周期结构，也可以是非周期结构。本实施例以圆形图案进行加工周期交替的圆柱形结构为例进行详细说明。
进一步，根据步骤s3，去除上述光刻图形，重新定义微针阵列结构的光刻图案，并掩蔽上述初始内部通孔，如图3所示。随后根据步骤s4，根据形成的光刻图案，进行多次交替的各向同性刻蚀和各向异性刻蚀，形成具有梯次状沟槽侧壁的微针，进而形成头部逐渐尖锐圆滑的微针阵列结构。其中各向同性刻蚀步骤s4-1包括对上述微针阵列进行各向同性刻蚀，以形成第一梯次沟槽，如图4所示。在本实施例采用硅作为衬底，通入的第一刻蚀性气体可以选择sf6、sf6/o2、sf6/ar、sf6/ar/o2等，也可以选择其他刻蚀性气体如碳氟基气体cf4、chf3、卤基气体如cl2、hbr等，当然上述气体可以根据实际要刻蚀的衬底材料相互结合来使用，这里不作特别限定。刻蚀过程则是通过第一刻蚀气体在等离子体的作用下分解，提供刻蚀所需的中性氟基团与加速离子。同时通过调节相关工艺参数如气体流量、气体比例、射频功率等实现对各向同性刻蚀行为的调控，确保其横向刻蚀速率满足对结构的要求，如图4所示。
在一些实施列中，还可以在各向异性刻蚀前通入钝化性气体c4f8或c4f6或其他沉积性气体如ch4、ch2f2、ch3f等含碳元素比例较高的气体。在等离子体的作用下，上述气体会分解生成碳氟聚合物保护层，沉积在先前步骤s4-1已经刻蚀好的半导体结构的沟槽的底部和侧壁上。在此过程中，还可以通过控制不同的工艺参数来调节聚合物钝化层沉积的厚度。这往往应用于较小尺寸如几个微米大小或要求较高的结构中，以便更加精细地控制刻蚀侧壁形貌。随后进行各向异性刻蚀步骤s4-2，对上述微针阵列进行各向异性刻蚀。第二刻蚀气体可以与第一刻蚀气体相同，也可以不同，其选择范围可以为sf6、sf6/ar、sf6/ar/o2或sf6，也可以选择其他刻蚀性气体如碳氟基气体cf4、chf3、卤基气体如cl2、hbr等，当然上述气体可以根据实际要刻蚀的衬底材料相互结合来使用，这里不作特别限定。通过调控各向异性的刻蚀行为，先将水平表面上的钝化层去除，而侧壁的保护层由于离子刻蚀的方向性刻蚀速度低而不会被去除，由此垂直方向上的刻蚀得以持续进行，并继续刻蚀半导体衬底，形成第二梯次沟槽结构，如图5所示。
需要提及地是，在一些实施列中，如果是进行较大尺寸如几十个微米以上或要求不是很高结构的刻蚀，则可以跳过钝化直接进行步骤s4-2的各向异性刻蚀。
在一些实施例中，根据具体的尺寸和形貌的要求，不同工艺步骤或不同的循环过程都可以采用相同或不同的工艺参数，以更灵活和充分的调节得到满足需求的凸起状微针结构。随后如图6和图7所示，反复交替执行上述步骤，经过若干个循环步骤后得到满足需求的梯次状沟槽上侧壁结构；优选地，上述交替次数为5-10次，优选为8次。
进一步，根据步骤s5，如图8所示，去除初始通孔上的掩蔽层，暴露出初始通孔，对上述初始内部通孔和两侧结构同时进行各向异性刻蚀，，并确保内部通孔深度不小于两侧外部的深度，优选的为200微米或更大。这里的各向异性刻蚀可以采用与上述初始内部通孔制造相同的方法，然后选择合适的干法去胶和湿法清洗将表面上的残余聚合物去除，由此得到高深宽比内部通孔结构。
需要提及地是，凸起的微针结构的顶部直径要控制在一定范围，如果针尖太小，则微针在插入皮肤时可能会折断。此外，顶部的微针的衬底壁厚优选为约50微米或更大。如果针尖太大，则微针将无法穿透皮肤。光刻图形在刻蚀后优选提供圆形微针，其顶部横向尺寸优选地大于50微米，小于300微米。
另外，在一些实施例中，还可以进一步控制微针的凸起端尺寸的大小与圆滑情况，如可以对上述对上述微针阵列远离上述衬底的一侧通孔之前借助高温原位处理技术对刻蚀后的凸起结构进行细微处理，得到更尖锐更光滑的微针结构，如图9所示。原位处理技术可以包括高温热氧化和高温氢气退火或其他合适的处理技术，它们可以相结合进行，或者分别单独执行，这需要视具体的结构尺寸、形貌及其性能要求而定。然后将表面上的热氧化层通过常规的湿法工艺去除即可，本专利对此不作要求。
进一步，根据步骤s6，在半导体衬底的背面，形成具有大尺寸通孔的支撑结构，并与上述高深宽比内部通孔相贯通，从而形成互相连通的中空微针阵列结构。具体步骤包括：对上述衬底远离上述微针阵列的一面进行支撑平台的图案化，如图10所示；对上述支撑平台的图案化进行刻蚀，直至露出上述微针阵列的孔，如图11所示。
在衬底背面，即远离微针阵列的一面，进行支撑垫和大尺寸空心结构的加工步骤，包括硬掩模沉积和光刻胶旋涂。硬掩模可以由氧化硅、氮化硅、非晶硅、多晶硅、非晶碳、有机硅酸盐玻璃等组成，也可以采用由其组成的复合结构，而光刻胶和光刻方法的选择则依赖于刻蚀尺寸的大小来选择。在一些实施例中，也可以由金属构成，例如al、tial、tiau、w或cu等组成，也可以由金属化合物组成如al2o3、tin等组成。它们可通过本领域合适的方法来形成，包括物理气相沉积(pvd)、化学气相沉积(cvd)、等离子体增强化学气相沉积(pecvd)、原子层沉积(ald)，或其任何组合沉积而成。
上述空心图案可以利用掩模与光刻胶配合，利用显影及曝光形成空心图案，进而对此图案进行刻蚀。其中，光刻、显影以及曝光都是本领域常规的方式，在此不做限定。
采用相应的光刻技术，通过旋涂光刻胶、显影、曝光等工艺流程，对光刻胶层进行图形化。可以根据微针的加工类型选择合适的光刻对准方式，如果要制作中心对称的中孔微针，需要严格控制光刻层的对准精度以确保位于中心位置，而如果要加工偏离中心的中孔微针(侧开式平面外微针)，则对光刻层的对准要求又有所不同，但是需要对中心位置有一定偏移量。
其中，根据工艺要求来选择硬掩模的种类和厚度，具体可根据实际需求进行选择。定义好光刻图形控制好光刻对准精度后进行刻蚀，直到与先前的中孔结构相接触，由此得到支撑垫结构，如图12所示。刻蚀工艺可以选择干法刻蚀也可以选择湿法腐蚀工艺，这一切都取决于要刻蚀的线宽尺寸和深度，而干法刻蚀依然可以选择上面提到的各种刻蚀方法。最后，将得到的中空结构上多余的材料去除，形成如图12所示的中空微针阵列。
通过上述方法步骤获得的中空微针阵列具有一支撑结构，支撑结构一面具有凹槽，支撑结构背面具有由多个中空微针形成的中孔微针阵列，中空微针具有一高深宽比的针筒结构以及位于微针头部的逐渐尖锐圆滑的梯次状沟槽侧壁结构，中空微针具有内部通孔，内部通孔与支撑结构另一面的凹槽连通，使得流体可以从凹槽经过内部通孔流入或流出。其中高深宽比的针筒结构长度优选为100微米；梯次状凸起的顶部结构顶部横向尺寸为50-300微米，深度为50-300微米。在另一个实施例中，空心位置可以位于微针阵列的中心，也可以位于微针阵列偏离中心的位置，形成如图13上述的非对称结构。
本发明的中空微针阵列装置顶部为凸针结构，并且几乎垂直于上表面。微针阵列的支撑垫位于晶圆背面，由此在微针内部通孔和支撑垫之间形成了连通的空心结构，而流体可以从通孔中流入或流出，从而可以将药物或基因穿过皮肤或其他组织屏障层中，具有最小的伤害和无疼痛感，并提供可重复的结果。
本发明的中孔微针阵列方法简单方便，其过程仅涉及多次图案化以及刻蚀过程，无需昂贵的设备及材料，可实现量产。同时，采用该种方法制作的中空微针阵列，其顶部直径更小，内径和外径的壁斜率保持高度一致，并且沟槽平滑，可快速无痛的进入体内，方便药物以治疗有用的速率进入人体。
虽然本发明所揭露的实施方式如上，但上述的内容仅为便于理解本发明而采用的实施方式，并非用以限定本发明。任何本发明所属领域内的技术人员，在不脱离本发明所揭露的精神和范围的前提下，可以在实施的形式及细节上进行任何的修改与变化，但本发明的专利保护范围，仍须以所附的权利要求书所界定的范围为准。
1.一种中空微针阵列装置，该中空微针阵列具有一支撑结构，所述支撑结构一面具有凹槽，所述支撑结构背面具有由多个中空微针形成的中孔微针阵列，其特征在于：
所述中空微针具有一高深宽比的针筒结构以及位于微针头部的逐渐尖锐圆滑的梯次状凸起结构，可以是中心对称或非对称(侧开式)的中空微针阵列，所述中空微针具有内部通孔，所述内部通孔与支撑结构另一面的凹槽连通，使得流体可以从凹槽经过内部通孔流入或流出。
2.根据权利要求1所述的中空微针阵列装置，其特征在于，所述梯次状凸起结构的顶部横向尺寸优选为50-300微米，深度为50-300微米，高深宽比的针筒结构长度为100微米，其中具有贯穿至支撑结构的内部通孔，深度优选为200微米。
3.一种中空微针阵列装置的制作方法，其特征在于，包括：
s1：在衬底上，沉积硬掩模并定义通孔的光刻图案；
s2：对所述半导体衬底进行干法刻蚀，形成微针阵列的初始内部通孔；
s3：去除光刻图形，重新定义微针阵列结构的光刻图案，并掩蔽所述初始内部通孔；
s4：根据所述光刻图案，进行多次交替的各向同性刻蚀和各向异性刻蚀，形成具有梯次状沟槽侧壁的微针阵列结构；
s5：去除光刻图形和掩蔽层，暴露初始内部通孔，对微针阵列的所述初始内部通孔和两侧衬底进行各向异性刻蚀，并确保内部通孔的深度大于外部侧壁深度，以形成具有内部通孔的高深宽比结构；
s6：在所述半导体衬底的背面，形成具有大尺寸通孔的支撑结构，并与所述高深宽比内部通孔相贯通，从而形成互相连通的中空微针阵列结构。
4.根据权利要求3所述中空微针阵列装置的制作方法，其特征在于，所述光刻图案为线条形、圆形、椭圆形或不规则图形。
5.根据权利要求3所述中空微针阵列装置的制作方法，其特征在于，通过在所述半导体衬底上形成硬掩膜层和/或光刻胶层形成所述微针阵列侧壁结构的光刻图案，其中所述硬掩膜层选自氧化硅、氮化硅、旋涂或cvd旋涂的非晶碳、硅基抗反射材料中的一种或多种，优选为氧化硅/氮化硅、硅基抗反射材料/soc/氧化硅或siarc/soc/氮化硅复合结构。
6.根据权利要求3所述中空微针阵列装置的制作方法，其特征在于，所述刻蚀技术可以是bosch刻蚀技术，或低温刻蚀技术，或采用刻蚀－钝化或钝化－刻蚀或刻蚀－修饰－钝化等其他各种变体的刻蚀技术，形成所述微针阵列的初始通孔。
7.根据权利要求3所述中空微针阵列装置的制作方法，其特征在于，步骤s4进一步包括：
s4-1：对所述微针阵列进行各向同性刻蚀，以形成第一梯次沟槽；
s4-2：对所述微针阵列进行各向异性刻蚀，以形成第二梯次沟槽；
将步骤s4-1至s4-2交替执行若干次，优选地为10次，形成所述梯次状沟槽侧壁结构。
8.根据权利要求7所述中空微针装置的制作方法，所述各向同性刻蚀与各向异性刻蚀的速率可以相同也可以不同，通过控制每一循环的速率来形成不同形状的结构，优选地为头部逐渐尖锐圆滑的凸起状微针阵列结构。
9.根据权利要求7所述中空微针装置的制作方法，所述刻蚀气体可以为sf6，sf6、o2混合气体，sf6、o2、ar混合气体，还可以包括钝化性气体c4f8或c4f6或其他沉积性气体。
10.根据权利要求3所述中空微针阵列装置的制作方法，其特征在于在执行步骤s6之前，进一步包括高温原位处理，优选为高温热氧化和高温氢气退火。
技术总结