本發(fā)明涉及半導(dǎo)體及微電子領(lǐng)域，具體是一種柔性陣列微探針的制備方法。

背景技術(shù)：

1、近年來(lái)，柔性陣列微探針在生物醫(yī)療(如藥物輸送、皮膚穿刺等)和傳感器(如柔性電子觸覺(jué)傳感器、生物傳感器等)等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。目前陣列微探針的主流加工工藝技術(shù)包括微模板法(澆鑄法、熱壓印法、注塑成型法)、3d打印法、mems微加工工藝法、激光燒蝕法和liga工藝法等多種微納加工技術(shù)方法。

2、微模板法是一種常用的聚合物陣列微針制備方法，主要包括澆鑄法、熱壓印法和注塑成型法。這些方法通過(guò)使用微模板來(lái)精確控制微針的幾何形狀，其中聚二甲基硅氧烷(pdms)因其柔軟性和與聚合物材料無(wú)黏附性，成為最常用的模板材料。澆鑄法通過(guò)將藥物和聚合物混合溶液澆鑄在陣列微針模具上，利用離心、抽真空或超聲等方式填充溶液，干燥后得到聚合物陣列微針。然而，澆鑄法可能存在溶液填充不完全導(dǎo)致微針結(jié)構(gòu)不完整的問(wèn)題，且干燥過(guò)程可能需要較長(zhǎng)時(shí)間。熱壓印法則通過(guò)加熱聚合物材料至一定溫度，使其充分填充至模具中，降溫固化后脫模。不過(guò)熱壓印法對(duì)溫度控制要求較高，若溫度不適宜可能導(dǎo)致聚合物材料性能改變或無(wú)法良好填充模具，而且脫模過(guò)程可能會(huì)對(duì)微針結(jié)構(gòu)造成損傷。注塑成型法利用注塑機(jī)對(duì)熔融態(tài)的聚合物加壓，使其填充至模具中，冷卻后形成微針。但注塑成型法需要高精度的注塑設(shè)備，設(shè)備成本較高，且注塑壓力控制不當(dāng)可能使微針形狀出現(xiàn)偏差。3d打印技術(shù)能夠制造出具有復(fù)雜幾何形狀的微針。這種方法通過(guò)逐層沉積材料來(lái)實(shí)現(xiàn)微針的定制化，適用于制造具有藥物儲(chǔ)存器或藥物輸送通道等特征的微針。盡管3d打印技術(shù)允許定制微針的幾何形狀，但其目前面臨分辨率和速度的限制，打印出的微針精度可能無(wú)法滿足一些高精度要求的應(yīng)用場(chǎng)景，且打印速度相對(duì)較慢，不適合大規(guī)模生產(chǎn)。此外，某些材料可能不適合生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用，限制了其在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，且3d打印設(shè)備通常價(jià)格昂貴，維護(hù)成本也較高。mems微加工工藝法被廣泛應(yīng)用于微針陣列的制造。這種技術(shù)可以提供高精度的圖案化，適用于制造復(fù)雜的微針陣列。通過(guò)使用光掩模對(duì)聚合物薄膜進(jìn)行圖案化，然后蝕刻以創(chuàng)建微針陣列，光刻技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)微針幾何形狀的精確控制。結(jié)合干法和濕法刻蝕技術(shù)可以制備出具有高深寬比的微針陣列。通過(guò)犧牲層技術(shù)，可以在刻蝕過(guò)程中銳化微針尖端，從而提高微針的強(qiáng)度和性能。然而光刻過(guò)程可能耗時(shí)且需要昂貴的設(shè)備，操作過(guò)程復(fù)雜，對(duì)操作人員的技術(shù)要求較高，干法刻蝕通常需要在真空環(huán)境下進(jìn)行，設(shè)備復(fù)雜且成本高，操作難度大。濕法刻蝕則可能會(huì)出現(xiàn)各向同性刻蝕導(dǎo)致的側(cè)壁傾斜問(wèn)題，影響微針的幾何精度，且刻蝕液具有一定的腐蝕性，需要嚴(yán)格控制刻蝕時(shí)間和刻蝕條件，否則可能會(huì)過(guò)度刻蝕或刻蝕不足，同時(shí)還需要妥善處理刻蝕廢液，避免環(huán)境污染。激光燒蝕技術(shù)通過(guò)激光束聚焦在材料表面，導(dǎo)致局部熔化和汽化，從而形成微針結(jié)構(gòu)。這種方法能夠精確控制微針的幾何形狀，適用于制造具有高縱橫比的微針。然而，激光燒蝕技術(shù)同樣昂貴且需要專門的設(shè)備，設(shè)備的購(gòu)置和維護(hù)成本較高。而且激光燒蝕過(guò)程可能會(huì)對(duì)材料造成熱損傷，影響微針的性能和質(zhì)量，操作時(shí)需要精確控制激光參數(shù)，否則容易出現(xiàn)加工缺陷，如微針表面粗糙、形狀不規(guī)則等。liga技術(shù)方法，包括x光光刻、電鑄成型和塑鑄成型等步驟。這種方法能夠制造出具有高強(qiáng)度和精確尺寸的微針，適用于經(jīng)皮給藥系統(tǒng)。然而，liga技術(shù)工藝復(fù)雜，涉及多個(gè)高精度的加工步驟，每個(gè)步驟都需要嚴(yán)格控制條件，對(duì)設(shè)備和技術(shù)要求極高，導(dǎo)致生產(chǎn)成本非常高昂。而且整個(gè)制備過(guò)程耗時(shí)較長(zhǎng)，不適合大規(guī)?？焖偕a(chǎn)。uv-liga技術(shù)通過(guò)使用紫外光刻替代傳統(tǒng)的x射線光刻，降低了成本并簡(jiǎn)化了工藝流程并結(jié)合微納工藝技術(shù)，對(duì)微探針制備產(chǎn)生了積極作用。但其分辨率和深寬比通常低于傳統(tǒng)的liga技術(shù)。這限制了其在需要極高精度和深寬比的微探針制備中的應(yīng)用。

3、現(xiàn)有方法普遍存在以下缺陷：工藝復(fù)雜度高，需多步驟精密控制(如溫度、壓力、刻蝕條件)；成本高昂，依賴高精度設(shè)備(如注塑機(jī)、光刻機(jī)、真空刻蝕設(shè)備)；生產(chǎn)規(guī)模受限，3d打印與liga技術(shù)效率低，難以批量生產(chǎn)；精度不足，澆鑄法易出現(xiàn)結(jié)構(gòu)缺陷，濕法刻蝕導(dǎo)致側(cè)壁傾斜。

4、因此，本領(lǐng)域技術(shù)人員提供了一種柔性陣列微探針的制備方法，以解決上述背景技術(shù)中提出的問(wèn)題。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本發(fā)明的目的在于提供一種柔性陣列微探針的制備方法，以解決上述背景技術(shù)中提出的問(wèn)題。

2、為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供如下技術(shù)方案：

3、一種柔性陣列微探針的制備方法，包括如下步驟：

4、步驟s1、提供石英玻璃基底，進(jìn)行有機(jī)清洗處理，清洗過(guò)程包括丙酮-異丙醇-去離子水三步超聲清洗，超聲功率50～200w，時(shí)間5～15分鐘，清洗后在80℃真空烘箱中干燥30分鐘；

5、步驟s2、在石英玻璃基底上制備紫外窄帶濾光膜，所述濾光膜采用hfo2/sio2交替膜層結(jié)構(gòu)，膜層設(shè)計(jì)滿足以下透射率要求：

6、t(λ)≥80％(目標(biāo)波段內(nèi))；

7、且?guī)庖种票取?0db；

8、步驟s3、在濾光膜另一面通過(guò)磁控濺射鍍制cr/crox復(fù)合金屬膜層，并進(jìn)行光刻和反應(yīng)離子刻蝕(rie)，形成微米級(jí)圓孔陣列，刻蝕選擇比滿足：

9、

10、其中：rcr為cr刻蝕速率，rpr為光刻膠刻蝕速率；

11、步驟s4、在cr/crox膜層上旋涂正性光刻膠，通過(guò)光刻和干法刻蝕形成微米級(jí)圓孔陣列，刻蝕參數(shù)：刻蝕氣體cl2:o2:ar＝40:8:10sccm，射頻功率150w，真空度20mtorr；所得圓孔孔徑5-50μm，周期10-200μm，深寬比≥5:1；

12、步驟s5、在刻蝕后的cr膜面涂覆uv膠并曝光固化作為探針基底，涂覆參數(shù)：uv膠選用su-8?2000系列或loctite?3526；旋涂轉(zhuǎn)速500-3000rpm，膠層厚度50-200μm，厚度均勻性±3％以內(nèi)；

13、步驟s6、對(duì)uv膠膜層進(jìn)行等離子體活化處理，處理參數(shù)：o2/ar混合氣體比例1:3，功率100～300w，氣壓10～50pa，時(shí)間5～10分鐘；

14、步驟s7、在活化后的表面涂覆負(fù)性光刻膠su-8?2010，通過(guò)微孔陣列產(chǎn)生的貝塞爾衍射光場(chǎng)進(jìn)行曝光，光強(qiáng)分布i(r,z)近似貝塞爾函數(shù)：其中j0為零階貝塞爾函數(shù)，α為光吸收系數(shù)。

15、步驟s8、顯影后形成高深寬比柔性陣列微針，顯影參數(shù)：顯影液為丙二醇甲醚醋酸酯，顯影時(shí)間2～10分鐘；所得微針錐角θ滿足：δi為徑向光強(qiáng)變化率；

16、步驟s9、分離膜層，得到最終柔性陣列微針結(jié)構(gòu)。

17、作為本發(fā)明進(jìn)一步的方案：所述步驟s2中紫外窄帶濾光膜的膜層結(jié)構(gòu)為以下任一種：

18、a)對(duì)于360-370nm波段，采用"air|l(hl)^4?2h(lh)^4|substruct"的18層結(jié)構(gòu)，膜層厚度為：

19、substruct|hfo2(44.98nm)/sio2(63.54nm)/.../sio2(118.79nm)|air；

20、b)對(duì)于400-410nm波段，采用"air|l(hl)^4?2h(lh)^4|substruct"的18層結(jié)構(gòu)，膜層厚度為：

21、substruct|hfo2(36.28nm)/sio2(63.04nm)/.../sio2(49.53nm)|air；

22、c)對(duì)于430-440nm波段，采用"air|lh···lh|substruct"的26層結(jié)構(gòu)，膜層厚度為：

23、substruct|hfo2(27.44nm)/sio2(64.63nm)/.../sio2(127.70nm)|air。

24、作為本發(fā)明再進(jìn)一步的方案：所述步驟s7中微孔陣列的光學(xué)特性滿足：孔徑d與曝光波長(zhǎng)λ的關(guān)系為：其中na為數(shù)值孔徑0.3～0.6；孔周期p滿足：p≥d+2δ，δ為光場(chǎng)擴(kuò)散距離1μm。

25、作為本發(fā)明再進(jìn)一步的方案：所述步驟s5中uv膠的固化過(guò)程滿足動(dòng)力學(xué)模型：其中c為交聯(lián)度，k0為指前因子，ea為活化能，i為光強(qiáng)，m/n為反應(yīng)級(jí)數(shù)。

26、作為本發(fā)明再進(jìn)一步的方案：所述步驟s7中負(fù)性光刻膠的曝光劑量d滿足：其中d0為表面劑量100～500mj/cm2，lp為光穿透深度。

27、作為本發(fā)明再進(jìn)一步的方案：所述步驟s6中等離子體活化處理的離子密度ni滿足：中ne為電子密度，te為電子溫度2～5ev。

28、作為本發(fā)明再進(jìn)一步的方案：所述步驟s8中微針具有以下特性：

29、1)深寬比≥5:1；

30、2)彈性模量e滿足：其中e0為體材料模量，t/l為厚長(zhǎng)比；

31、3)斷裂韌性k_ic≥0.8mpa·m^1/2。

32、作為本發(fā)明再進(jìn)一步的方案：所述步驟s3中crox過(guò)渡層厚度10～30nm，沉積參數(shù)：ar:o2＝3:1，總流量≤40sccm，真空度1.0×10-3～5×10-1pa；cr層厚度20～190nm，沉積參數(shù)：氬氣流量10～50sccm，真空度0.4～0.8pa。

33、作為本發(fā)明再進(jìn)一步的方案：所述步驟s2中：

34、對(duì)于360-370nm波段：平均透射率≥80.5％，峰值透射率≥99.998％@365.38nm；

35、對(duì)于400-410nm波段：平均透射率≥85.2％，峰值透射率≥99.89％@404.85nm；

36、對(duì)于430-440nm波段：平均透射率≥65.5％，峰值透射率≥99.90％@435.94nm。

37、與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果是：

38、1、單波長(zhǎng)光場(chǎng)銳化：針對(duì)寬光譜光刻機(jī)(汞燈光譜范圍300～600nm)曝光光源設(shè)計(jì)了紫外窄帶濾光片，實(shí)現(xiàn)了特定波長(zhǎng)選擇性透射，窄帶濾光片提升衍射光場(chǎng)清晰度，改善微針側(cè)壁光滑度；

39、2、工藝簡(jiǎn)化：本技術(shù)方案無(wú)需復(fù)雜掩模曝光設(shè)備或灰度掩模板制備，通過(guò)紫外窄帶濾光片設(shè)計(jì)與衍射光場(chǎng)調(diào)控技術(shù)，簡(jiǎn)化工藝流程并提升微針幾何精度，降低了工藝成本；3、批量生產(chǎn)：適用于大面積柔性陣列微探針制造。