DE112017000632T5

DE112017000632T5 - Vertikaler Mikrofluidik-Sondenkopf mit Öffnungen für eine großmaßstäbliche Oberflächenbearbeitung

Info

Publication number: DE112017000632T5
Application number: DE112017000632.5T
Authority: DE
Inventors: Govind Kaigala; Robert Lovchik; David P. Taylor; Ismael Zeaf
Original assignee: International Business Machines Corp
Current assignee: International Business Machines Corp
Priority date: 2016-04-26
Filing date: 2017-03-28
Publication date: 2018-10-31
Also published as: GB2565671A; WO2017187284A1; GB2565671B; US20170304821A1; US10717078B2; GB201817290D0; CN109070042A; CN109070042B; US20190022640A1; JP6962639B2; JP2019520191A; US10144008B2

Abstract

Eine oder mehrere Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung beziehen sich auf einen vertikalen Mikrofluidik-Sondenkopf, der eine mittlere Schicht eines Materials und zwei äußere Schichten aufweist. Die mittlere Schicht weist zwei gegenüberliegende Hauptflächen auf, die jeweils bis zu einer selben Kantenfläche genutet werden, die jeweils so an die Hauptflächen grenzt, dass jeweils zwei Sätze von n Mikrokanal-Hohlräumen, n ≥ 1, auf den gegenüberliegenden Hauptflächen ausgebildet werden. Die mittlere Schicht ist des Weiteren zwischen den beiden äußeren Schichten angeordnet, die die auf den beiden Hauptflächen genuteten Mikrokanal-Hohlräume (zumindest zum Teil) verschließen. Auf diese Weise werden zwei Sätze von n Mikrokanälen ausgebildet, die jeweils auf der Kantenfläche offen sind, sodass zwei gegenüberliegende Sätze von n Durchlässen auf der Kantenfläche ausgebildet werden. Folglich wird die Länge der Öffnungen nicht durch die Dicke der mittleren Schicht begrenzt.

Description

HINTERGRUND
Die Erfindung bezieht sich allgemein auf das Gebiet der Mikrofluidik und im Besonderen auf vertikale Mikrofluidik-Sondenköpfe.
Die Mikrofluidik befasst sich mit dem Verhalten, der exakten Steuerung und der Handhabung von geringen Mengen von Fluiden, die üblicherweise auf Kanäle im Bereich von Mikrometerlängen beschränkt sind, und auf Mengen üblicherweise unterhalb des Milliliterbereichs. Hervorstechende Merkmale der Mikrofluidik haben ihren Ursprung in dem besonderen Verhalten, das Flüssigkeiten im Bereich von Mikrometerlängen zeigen. Durch Fertigen von Strukturen mit seitlichen Abmessungen im Mikrometerbereich können Volumen von weit unter einem Nanoliter verarbeitet und analysiert werden. Reaktionen, die bei großen Maßstäben begrenzt sind (durch Diffusion von Reaktanten), können beschleunigt werden. Schließlich können parallele Ströme von Flüssigkeiten möglicherweise exakt und reproduzierbar gesteuert werden und so ermöglichen, dass chemische Reaktionen und Gradienten an Flüssig-/Flüssig- und Flüssig-/Fest-Grenzflächen entstehen.
Genauer gesagt, typische Volumen von Fluiden reichen in der Mikrofluidik von 10^-15 L bis 10^-5 L und werden über Mikrokanäle mit einem typischen Durchmesser von 10^-7 m bis 10^-4 m transportiert, umlaufen gelassen oder allgemeiner bewegt. Im Mikrobereich kann sich das Verhalten von Fluiden von demjenigen auf einer größeren, z.B. der Makroebene unterscheiden, sodass Oberflächenspannung, viskose Energiedissipation und fluidischer Widerstand zu beherrschenden Merkmalen der Fluidströmung werden können. Die Reynolds-Zahl, die die Wirkungen von Fluidimpuls und Viskosität vergleicht, kann in einem solchen Ausmaß abnehmen, dass eine Flüssigkeitsströmung laminar statt turbulent wird.
Darüber hinaus vermischen sich Fluide im Mikrobereich aufgrund eines Fehlens von Turbulenzen nicht unbedingt chaotisch, und ein Transport von Molekülen oder kleinen Teilchen zwischen angrenzenden Fluiden erfolgt häufig durch Diffusion. Infolgedessen können bestimmte chemische oder physikalische Fluideigenschaften (wie zum Beispiel Konzentration, pH-Wert, Temperatur und Scherkraft) deterministisch werden. Dadurch wird es möglich, gleichmäßigere Bedingungen für chemische Reaktionen und höherwertige Produkte in einstufigen und mehrstufigen Reaktionen zu erzielen.
Mikrofluidikeinheiten beziehen sich allgemein auf mikrogefertigte Einheiten, die zum Pumpen, Beproben, Mischen, Analysieren und Dosieren von Flüssigkeiten verwendet werden. Bei einer Mikrodfluidiksonde handelt es sich um eine Einheit zum Abgeben, Zurückgewinnen, Transportieren, Zuführen und/oder Beseitigen von Flüssigkeiten, insbesondere Flüssigkeiten, die chemische und/oder biochemische Substanzen enthalten. Beispielsweise können Mikrofluidiksonden auf den Gebieten der diagnostischen Medizin, der Pathologie, der Pharmakologie und verschiedenen Zweigen der analytischen Chemie verwendet werden. Mikrofluidiksonden können darüber hinaus zum Durchführen von molekularbiologischen Prozeduren für eine enzymatische Analyse, eine Desoxyribonukleinsäure(DNA)-Analyse und die Proteomik verwendet werden.
Im Besonderen ist ein Konzept für Mikrofluidikeinheiten bekannt, das in der Literatur als „vertikaler Mikrofluidik-Sondenkopf“ bezeichnet wird, siehe z.B. „A Vertical Microfluidic Probe“ von G. V. Kaigala, R. D. Lovchik, U. Drechsler und E. Delamarche, Langmuir, 2011, 27 (9), Seiten 5686 bis 5693. Der Mikrofluidik-Sondenkopf weist einen Körper, z.B. ein Siliciumsubstrat, mit einer Kantenfläche auf, die einen Teil der Bearbeitungsfläche der Einheit ausbildet. Flüssigkeitskanäle oder Mikrokanäle werden durch Nuten des Körpers bis zu der Kantenfläche an einer Grenzfläche zwischen zwei Schichten und Verschließen dieser mit einer Abdeckung ausgebildet, was die Fertigung des Kopfes vereinfacht. Im Besonderen können solche Einheiten einen oder mehrere Flüssigkeitsgeber, die dazu konstruiert sind, eine Flüssigkeit über einen Durchlass abzugeben, die einen ersten der Kanäle abschließt, und einen oder mehrere Flüssigkeitssauger aufweisen, die eine Flüssigkeit über einen weiteren Durchlass und einen zweiten der Kanäle ansaugen.
Solche Einheiten ermöglichen, dass ein hydrodynamischer Strömungseinschluss (hydrodynamic flow confinement, HFC) der Bearbeitungsflüssigkeit erreicht wird. Mit anderen Worten, eine laminare Strömung einer Bearbeitungsflüssigkeit wird aus einer Öffnung abgegeben, wobei die Flüssigkeit in einer Umgebungsflüssigkeit (oder Immersionsflüssigkeit) räumlich eingeschlossen wird.
Es sind Mikrofluidiksonden (microfluidic probes, MFPs) bekannt, die einen hydrodynamischen Strömungseinschluss (HFC) mit Grundflächen in der Größenordnung von 100 µm² erzeugen und aufrechterhalten können. Um einen großen Bereich mit einem HFC zu bearbeiten, besteht der aktuelle Ansatz darin, den gesamten Bereich nacheinander abzutasten. Eine solche sequentielle Bearbeitung ist zeitaufwändig.
Es bestehen mehrere Szenarien, bei denen große Bereiche bearbeitet und gleichzeitig wichtige Aspekte des HFC bewahrt werden müssen. Beispielsweise erfordert ein Bearbeiten von Gewebeschnitten für eine immunhistologische Analyse (eine Erkennung von Proteinexpressionsniveaus) eine Bearbeitung im cm-Bereich. Ein Erkennen („Abtasten“) von Proteinexpressionsprofilen ist zum Beispiel für manche medizinischen Entscheidungen und zugehörige Analysen von Bedeutung.
Aktuelle vertikale MFPs können einen HFC im Bereich von cm-Längen nicht aufrechterhalten. Allgemeiner sind aktuelle MFPs nicht für eine Bearbeitung großer Bereiche geeignet.
KURZDARSTELLUNG
Gemäß einem ersten Aspekt werden eine oder mehrere Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung als vertikaler Mikrofluidik-Sondenkopf (auch als vertikaler Mikrofluidik-Chip bezeichnet) verkörpert. Letzterer weist im Grunde eine mittlere Schicht eines Materials und zwei äußere Schichten auf. Die mittlere Schicht weist zwei gegenüberliegende Hauptflächen auf, die jeweils bis zu einer selben Kantenfläche genutet werden, die jeweils so an die Hauptflächen grenzt, dass jeweils zwei Sätze von n Mikrokanal-Hohlräumen, n ≥ 1, auf den gegenüberliegenden Hauptflächen ausgebildet werden. Die mittlere Schicht ist des Weiteren zwischen den beiden äußeren Schichten angeordnet, die die auf den beiden Hauptflächen genuteten Mikrokanal-Hohlräume (zumindest zum Teil) verschließen. Auf diese Weise werden zwei Sätze von n Mikrokanälen ausgebildet, die jeweils auf der Kantenfläche offen sind, sodass zwei gegenüberliegende Sätze von n Durchlässen auf der Kantenfläche ausgebildet werden.
Mit anderen Worten, die Kanäle (oder Kanalabschnitte) sind nun an zwei gegenüberliegenden Grenzflächen auf jeder Seite der mittleren Schicht (z.B. eines Silicium-Wafers) ausgebildet und sind durch zwei äußere Schichten (oder Abdeckungen) verschlossen, statt auf einer einzigen Grenzfläche ausgebildet zu sein, wie bei den vertikalen MFPs nach dem Stand der Technik. Dementsprechend werden die Flüssigkeitsströmungen im Vergleich mit Ansätzen nach dem Stand der Technik gedreht, und die Länge der Öffnungen oder der gesamten Grundfläche der Öffnungen jedes Satzes ist nicht durch die Dicke der mittleren Schicht begrenzt, wie es bei vertikalen MFPs nach dem Stand der Technik der Fall war. Die Länge wird an der Kantenfläche und parallel zu den Hauptflächen gemessen. Auf diese Weise können gegenüberliegende Öffnungen (oder ein Satz von Öffnungen) mit einer großen Grundfläche gefertigt werden. Im Besonderen ermöglicht der vorliegende Ansatz, eine Oberflächenbearbeitungseinheit im cm-Bereich zu konstruieren und gleichzeitig einen oder mehrere HFC(s) zu ermöglichen.
Im Besonderen werden zwei Klassen von Ausführungsformen in Betracht gezogen. Bei einer ersten Klasse einer oder mehrerer Ausführungsformen sind die beiden gegenüberliegenden Hauptflächen der mittleren Schicht jeweils mehrfach bis zu der Kantenfläche genutet (d.h., n ≥ 2), sodass zwei gegenüberliegende Sätze mehrerer Durchlässe auf der Kantenfläche ausgebildet sind.
Jeder Satz von Durchlässen kann unabhängig von der Dicke der mittleren Schicht eine große Grundfläche aufweisen (die mittlere Schicht muss lediglich dick genug sein, um ein Nuten von Kanalhohlräumen darin zu ermöglichen und eine mechanische Stabilität bereitzustellen). Die gegenüberliegenden Sätze von Durchlässen weisen jeweils eine Grundfläche auf der Kantenfläche auf, die im Wesentlichen ein längliches Rechteck ausbilden kann. Die Länge eines solchen Rechtecks (auf der Kantenfläche und jeweils parallel zu den Hauptflächen der mittleren Schicht gemessen) kann zum Beispiel größer als oder gleich 1 mm sein oder sogar den cm-Bereich erreichen.
Jeder Durchlass eines ersten der Sätze von n Durchlässen kann sich vis-à-vis einem Durchlass (d.h. im Verhältnis zu diesem gegenüber) eines zweiten der Sätze von n Durchlässen befinden, um mehrere parallele Strömungen einer Bearbeitungsflüssigkeit und gegebenenfalls eine erneute Flüssigkeitsansaugung an einem Durchlass gegenüber dem Durchlass zu ermöglichen.
Bei einer oder mehreren Ausführungsformen beträgt der Abstand zwischen einem Durchlass eines Satzes und einem nächstgelegenen Durchlass des gegenüberliegenden Satzes zwischen 50 und 1.000 µm, z.B. 100 µm. Bei dem Abstand handelt es sich um die Entfernung, die auf der Kantenfläche gemessen die nächstgelegenen Kanten zweier gegenüberliegender Durchlässe (unterschiedlicher Sätze von Durchlässen) trennt. Jede Öffnung kann im Wesentlichen ein Quadrat ausbilden.
Bei Varianten werden die beiden gegenüberliegenden Hauptflächen der mittleren Schicht jeweils so genutet, dass die Durchlässe jeweils ein Aspektverhältnis aufweisen. Auf diese Weise kann ein erster Durchlass des ersten Satzes und ein zweiter Durchlass des zweiten gegenüberliegenden Satzes jeweils einen Schlitz ausbilden. Dies ist besonders vorteilhaft, wenn die Sätze von Durchlässen gemäß einer zweiten Klasse einer oder mehrerer Ausführungsformen jeweils nur eine Öffnung aufweisen. In diesem Fall kann jeder Schlitz groß ausgebildet werden, um eine schnelle Oberflächenbearbeitung zu ermöglichen.
Der erste Durchlass und der zweite Durchlass können jeweilige Längen (wiederum auf der Kantenfläche und jeweils parallel zu den Hauptflächen gemessen) aufweisen, die sich wesentlich unterscheiden. Dies ermöglicht einem HFC eine bessere Wechselwirkung mit der bearbeiteten Fläche und verhindert einen Kontaktverlust zwischen dem HFC und der bearbeiteten Fläche, wie im Folgenden ausführlich beschrieben wird.
Eine kleinste der Längen kann zum Beispiel zumindest gleich 50 µm oder sogar zumindest gleich 1 cm sein.
Bei einer oder mehreren Ausführungsformen weisen der erste Durchlass und der zweite Durchlass jeweilige Längen auf, die sich um einen Faktor zwischen 3,0 und 5,0 und bevorzugt um einen Faktor gleich 4,0 unterscheiden.
In jeder der beiden oben genannten Klassen einer oder mehrerer Ausführungsformen können die Durchlässe jedes Satzes jeweilige Breiten (auf der Kantenfläche und jeweils senkrecht zu den Hauptflächen gemessen) jeweils zwischen 10 µm und 500 µm und bevorzugt zwischen 20 µm und 200 µm aufweisen.
Die Durchlässe jedes Satzes können im Wesentlichen eine selbe Breite aufweisen, um den Fertigungsprozess und die Parametrisierung des HFC zu vereinfachen.
Bei einer oder mehreren Ausführungsformen handelt es sich bei der mittleren Schicht um einen Wafer oder einen Abschnitt eines Wafers, um Fachkenntnisse im Hinblick auf eine Wafer-Bearbeitung zu nutzen. Im Besonderen kann ein Silicium-Wafer eines Abschnitts eines Silicium-Wafers vorteilhaft verwendet werden.
Bei den äußeren Schichten kann es sich jeweils um eine Glasschicht handeln, die mit dem Wafer oder dem Abschnitt des Wafers verbunden ist.
Die obigen Mikrofluidik-Sondenköpfe können in einer vertikalen Mikrofluidiksonde (auch gemäß der Erfindung) verwendet werden, wobei die letztere des Weiteren aufweist: einen Flüssigkeitsgeber, der dazu gestaltet ist, eine Flüssigkeit über die Durchlässe des ersten der Sätze von n Durchlässen abzugeben; und Flüssigkeitssauger, die dazu gestaltet sind, eine Flüssigkeit über Durchlässe des zweiten der Sätze von n Durchlässen anzusaugen.
Bei einer oder mehreren Ausführungsformen werden die Durchlässe der beiden gegenüberliegenden Sätze von n Durchlässen, der Flüssigkeitsgeber und die Flüssigkeitssauger verbunden konstruiert, um zu ermöglichen, dass im Betrieb Durchlässe des zweiten der Sätze von n Durchlässen eine Flüssigkeit ansaugen, die durch Durchlässe des ersten der Sätze von n Durchlässen abgegeben worden ist.
Wie zuvor angemerkt, kann man sich auf HFC(s) stützen.
Gemäß einem weiteren Aspekt wird die Erfindung als Verfahren zum Bearbeiten einer Fläche mit einem vertikalen Mikrofluidik-Sondenkopf verkörpert, wie zum Beispiel oben beschrieben. Das Verfahren weist auf: Positionieren des Mikrofluidik-Sondenkopfes so, dass die Kantenfläche einer zu bearbeitenden Fläche zugewandt ist; Abgeben einer Bearbeitungsflüssigkeit über jeden Durchlass des ersten der Sätze von n Durchlässen so, dass die abgegebene Flüssigkeit die Fläche bearbeitet; und Ansaugen der Flüssigkeit über jeden Durchlass des zweiten der Sätze von n Durchlässen.
Bei einer oder mehreren Ausführungsformen weist das Ansaugen einer Flüssigkeit ein Ansaugen zumindest eines Teils der Bearbeitungsflüssigkeit, die durch einen Durchlass des ersten der Sätze von n Durchlässen abgegeben worden ist, über einen Durchlass des zweiten der Sätze von n Durchlässen auf.
Die Oberflächenbearbeitung kann zum Beispiel in einer Umgebungsflüssigkeit durchgeführt werden. Mit anderen Worten, eine Immersionsflüssigkeit wird auf der zu bearbeitenden Fläche bereitgestellt, und der Mikrofluidik-Sondenkopf wird so positioniert, dass er anschließend eine Bearbeitungsflüssigkeit in die Immersionsflüssigkeit abgibt, um die Fläche zu bearbeiten.
Bei einer oder mehreren Ausführungsformen werden die beiden gegenüberliegenden Hauptflächen des Chips jeweils mehrfach bis zu der Kantenfläche genutet (n ≥ 2), und die Bearbeitungsflüssigkeit wird so abgegeben, dass laminare Strömungen von Bearbeitungsflüssigkeit aus jedem Durchlass des ersten Satzes von Durchlässen ausgebildet werden.
Der Mikrofluidik-Sondenkopf kann insbesondere gegenüber der zu bearbeitenden Fläche verschoben werden, während er die Bearbeitungsflüssigkeit abgibt, um größere Flächenbereiche zu bearbeiten. Zweckmäßigerweise wird der Mikrofluidik-Sondenkopf entlang einer Richtung verschoben, die im Hinblick auf eine Durchschnittsrichtung von Strömungen einer abgegebenen Bearbeitungsflüssigkeit einen Winkel ausbildet, wobei der Winkel zwischen 30° und 60° beträgt. Diagonale Verschiebungen ermöglichen, dass gleichmäßigere Strukturen auf der bearbeiteten Fläche erzielt werden.
Ein besonderer Vorteil besteht darin, einen vertikalen Mikrofluidik-Sondenkopf mit einem oder mehreren äußeren Ansaugdurchlässen auf der Kantenfläche auf jeder Seite der beiden gegenüberliegenden Sätze von n Durchlässen bereitzustellen. Die zusätzlichen Ansaugdurchlässe können parallel zu einer Erstreckungsrichtung von Durchlässen jedes Satzes von Durchlässen (d.h. jeweils parallel zu den Hauptflächen der mittleren Schicht) ausgerichtet sein. Auf diese Weise kann eine Flüssigkeit über den einen oder die mehreren äußeren Ansaugdurchlässe angesaugt werden und gleichzeitig eine Bearbeitungsflüssigkeit und eine Ansaugflüssigkeit abgegeben werden, wodurch ermöglicht wird, dass die Bearbeitungsflüssigkeitsströmungen stabilisiert werden, wie im Folgenden ausführlich erläutert.
Einheiten, Systeme und Verfahren, die die vorliegende Erfindung verkörpern, werden im Folgenden mithilfe von nicht beschränkenden Beispielen und unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben.
Figurenliste

1 und 2 stellen 3D-Ansichten einer vereinfachten Darstellung eines vertikalen Mikrofluidik-Sondenkopfes gemäß einer oder mehreren Ausführungsformen dar;
3 und 4 stellen 3D-(Explosions)-Ansichten von vereinfachten Darstellungen von distalen Abschnitten von vertikalen Mikrofluidik-Sondenköpfen, wobei die Abschnitte die Bearbeitungsflächen der Köpfe umfassen, gemäß unterschiedlichen Klassen einer oder mehrerer Ausführungsformen dar. Insbesondere gilt:
3 veranschaulicht eine erste Klasse einer oder mehrerer Ausführungsformen. In 3 sind die beiden gegenüberliegenden Hauptflächen des Kopfes jeweils mehrfach bis zu einer Kantenfläche des Kopfes so genutet, dass zwei Sätze von vier Mikrokanälen ausgebildet sind. Die Mikrokanäle sind jeweils an der Kantenfläche offen, wodurch sie zwei gegenüberliegende Sätze von vier Durchlässen ausbilden.
In 4 sind die beiden gegenüberliegenden Hauptflächen des Kopfes gemäß einer zweiten Klasse einer oder mehrerer Ausführungsformen jeweils so genutet, dass die Durchlässe ein Aspektverhältnis aufweisen, wodurch zwei gegenüberliegende (lange) Schlitze ausgebildet werden;
5 und 6 sind 2D-Querschnittansichten der Bearbeitungsfläche der in 3 bzw. 4 dargestellten Einheiten;
7, 8 und 9 sind Photographien der Spitze von Sondenköpfen gemäß der ersten Klasse einer oder mehrerer Ausführungsformen. 8 und 9 stellen Einheiten im Betrieb dar, in dem eine Flüssigkeit aus einer Reihe von Öffnungen abgegeben wird und über Öffnungen der gegenüberliegenden Reihe angesaugt wird. In 9 werden zusätzliche (nicht dargestellte) Ansaugöffnungen auf beiden (lateralen) Seiten der beiden Reihen der wie in 7 dargestellten Öffnungen bereitgestellt, um die parallelen Strömungen der Bearbeitungsflüssigkeit zu stabilisieren;
10A, 10B und 10C sind vergrößerte Photos eines Sondenkopfes gemäß der zweiten Klasse einer oder mehrerer Ausführungsformen. 10A stellt die Bearbeitungsflächen des Sondenkopfes dar, wobei zwei gegenüberliegende (lange) Schlitze zu sehen sind, wohingegen 10B und 10C eine vordere Seite (die einen Injektionskanal beinhaltet) bzw. eine hintere Seite (einen Ansaugkanal) desselben Probenkopfes darstellen, wie er in 10A dargestellt wird; und
11 ist eine 2D-Ansicht einer vereinfachten Darstellung einer Mikrofluidiksonde im Betrieb und gemäß einer oder mehreren Ausführungsformen.

Die beigefügten Zeichnungen stellen vereinfachte Darstellungen von Einheiten und Teilen davon dar, wie sie in einer oder mehreren Ausführungsformen beinhaltet sind. Technische Merkmale, die in den Zeichnungen dargestellt werden, sind nicht zwingend maßstabsgetreu. Ähnlichen oder funktional ähnlichen Elementen in den Figuren sind dieselben Bezugszeichen zugewiesen worden, sofern nichts anderes angegeben wird.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
Eine oder mehrere Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung beziehen sich auf vertikale MFPs, die für eine große Oberflächenbearbeitung geeignet sind.
Mikrokanäle und Durchlässe von vertikalen MFPs werden nach dem Stand der Technik auf einer Grenzfläche zwischen zwei Schichten, d.h. einem Körper (z.B. einem Si-Wafer) und einer Abdeckung ausgebildet. Die Länge der Öffnungen entspricht der Tiefe der in den Körper des MFP-Kopfes genuteten Kanäle. Die Länge erstreckt sich dementsprechend quer zu den Hauptflächen des Körpers. Die Breite einer Öffnung verläuft parallel zu den Hauptflächen des Körpers.
Daher und wie ersichtlich ist, ist ein Erhöhen des Oberflächenbearbeitungsvermögens von vertikalen MFPs nach dem Stand der Technik a priori schwierig. Einerseits kann die Länge der Öffnungen kaum erhöht werden, da die Höchstlänge der Öffnungen durch die Tiefe von Mikrokanälen bestimmt wird, die durch die Dicke des Körpers, in den die Mikrokanäle genutet sind, zwangsläufig begrenzt ist. Beispielsweise werden bei aktuellen vertikalen MFP-Köpfen die Injektions- und Ansaugkanäle in eine selbe Fläche eines Si-Wafers geätzt. Die Längen der Öffnungen werden auf diese Weise durch die Tiefe der entsprechenden Kanäle bestimmt, die wiederum durch die Dicke des Substrats (typischerweise 300 µm, wenn ein Si-Wafer verwendet wird) begrenzt wird. Lange Öffnungen (z.B. im mm- oder cm-Bereich) können daher mit den aktuellen Fertigungsprozessen nicht erzielt werden.
Demgegenüber und wie durch die vorliegende Offenbarung festgestellt, führt ein Vergrößern der Breite der Öffnungen zu einer enormen Verschwendung von Reagenzien, da nur ein kleiner Teil der abgegebenen Flüssigkeit mit der Fläche in Wechselwirkung tritt. Wie daraus gefolgert wurde, ist es daher erforderlich, eine angemessene Breite der Öffnung (z.B. im Bereich von Mikrometerlängen) beizubehalten. Daher wurde ein neues Fertigungskonzept für vertikale MFP-Köpfe konzipiert, mit dem sich große Schlitze (oder Reihen mehrerer Öffnungen) erzielen lassen.
Unter Bezugnahme allgemein auf 1 bis 11 wird zunächst ein Aspekt der Erfindung beschrieben, der einen vertikalen Mikrofluidik-Sondenkopf 10, 10a betrifft. Letzterer weist im Grunde eine mittlere Schicht 12 eines Materials und zwei äußere Schichten 11, 13 auf. D.h. nun werden zwei Abdeckungen statt einer verwendet, und auf jeder Seite der mittleren Schicht 12 werden Mikrokanäle genutet.
Im Besonderen weist die mittlere Schicht 12 zwei gegenüberliegende Hauptflächen 12ms (siehe z.B. 1 bis 4) auf, die jeweils so bis zu einer selben Kantenfläche 12es genutet werden, dass jeweils zwei Sätze von n Mikrokanal-Hohlräumen 15, 16, n ≥ 1, auf den beiden Hauptflächen 12ms ausgebildet werden.
Bei der mittleren Schicht 12 kann es sich um einen Wafer oder einen Abschnitt eines Wafers handeln. Sie kann zum Beispiel einen Silicium-Wafer eines Abschnitts eines Silicium-Wafers aufweisen (oder daraus bestehen), der gegebenenfalls chemisch/mechanisch bearbeitet wird, wie per se bekannt. Bei den äußeren Schichten 11, 13 kann es sich um Glasschichten handeln, die z.B. durch anodisches Verbinden mit der Schicht 12 verbunden werden.
Die Kantenfläche 12es bildet einen Teil der Bearbeitungsfläche 14 der Einheit. Sie grenzt (über eine Kante davon) jeweils an die Hauptflächen 12ms an. Die Kantenflächen 11es, 13es (3 bis 6) der äußeren Schichten können sich auf gleicher Höhe mit der Kantenfläche 12es der mittleren Schicht 12 befinden, um eine glatte, ebene Bearbeitungsfläche 14 für den Chip 10, 10a zu definieren. Bei Varianten können sie einen geringen Versatz zeigen, der gewünscht sein kann, um die abgegebene Flüssigkeitsströmung zu formen oder einzuschränken. Die Kantenflächen 11 bis 13es definieren zusammen die Bearbeitungsfläche 14, die in 2 zu sehen ist. Die Kantenflächen 11es, 12es, 13es können abhängig davon, wie die Schichten 11 bis 13 geschnitten oder zerteilt werden und von den Eigenschaften der entsprechenden Materialien senkrecht zu den Hauptflächen des Kopfes stehen.
Wie im Folgenden ausführlich erläutert, können insbesondere zwei Klassen einer oder mehrerer Ausführungsformen in Betracht gezogen werden. In der ersten Klasse (2, 3, 5 und 7 bis 9) werden zwei Sätze von n Mikrokanal-Hohlräumen 15, 16, n > 1, auf jeder Seite der mittleren Schicht 12 ausgebildet. In der zweiten Klasse einer oder mehrerer Ausführungsformen (4, 6) werden zwei (lange) Schlitze auf jeder Grenzfläche ausgebildet.
In allen Fällen wird die mittlere Schicht 12 z.B. zwischen die beiden äußeren Schichten 11, 13 gefügt angeordnet. Die mittlere Schicht kann sich zwischen und in Kontakt (womöglich überall) mit einer inneren Fläche jeder der beiden äußeren Schichten befinden. Bei Varianten können z.B. aufgrund von Fertigungsbeschränkungen Zwischenschichten oder -schichtabschnitte beinhaltet sein. Die äußeren Schichten 11, 13 verschließen die Mikrokanal-Hohlräume 15, 16, die in die beiden Hauptflächen 12ms der Schicht 12 genutet sind, zumindest zum Teil so, dass zwei Sätze von n Mikrokanälen ausgebildet werden. „Genutet“ bedeutet hier, dass die mittlere Schicht 12 physikalisch und/oder chemisch so bearbeitet wird, dass Nuten, d.h. Ausnehmungen oder Vertiefungen auf jeder Seite der Schicht 12 ausgebildet werden. Folglich handelt es sich bei den Mikrokanal-Hohlräumen 15, 16 um Nuten. Letztere können Abschnitte mit konstanten Querschnittsabmessungen aufweisen, wie in 3 veranschaulicht. Die äußeren Schichten 11, 13 befinden sich jeweils entgegen einer jeweiligen der Hauptflächen 12ms der mittleren Schicht 12, wodurch die darin genuteten Mikrokanal-Hohlräume 15, 16 zumindest zum Teil verschlossen werden. Verbleibende Abschnitte dieser Hohlräume 15, 16 werden unter Umständen nicht durch die äußeren Schichten 11, 13 verschlossen, z.B. um Röhrenanschlüsse oder sonstige Elemente direkt auf dem Chip bereitzustellen, wie per se bekannt.
Die Mikrokanäle sind jeweils auf der Kantenfläche 12es offen. Infolgedessen werden zwei gegenüberliegende Sätze von n Durchlässen 17, 18 oder Öffnungen auf den Kantenflächen 12es ausgebildet, wodurch ermöglicht wird, eine Flüssigkeit abzugeben und anzusaugen und gegebenenfalls einen HFC auszubilden. Die hierin verwendeten Begriffe „Öffnung“ und „Durchlass“ sind synonym.
Relevante geometrische Parameter von vertikalen MFPs sind die folgenden. Wie in 5 und 6 veranschaulicht, entspricht die Weite w einer Öffnung der Abmessung der Öffnungen quer zu den Hauptflächen der mittleren Schicht 12. Die Breite w erstreckt sich üblicherweise parallel zu der Richtung der Flüssigkeitsströmung (von einer Öffnung zu einer weiteren, gegenüberliegenden Öffnung). Die Länge L (oder L₁ und L₂) der Öffnungen entspricht der Abmessung der Öffnungen in einer Richtung parallel zu den Hauptflächen (und üblicherweise senkrecht zu den Flüssigkeitsströmungen). Bei dem Öffnungsabstand s handelt es sich um die Entfernung, die Injektions- und Ansaugöffnungen trennt (d.h. die Entfernung zwischen zwei nächstgelegenen Rändern der Öffnungen). Die Breiten w, die Längen L und der Abstand s werden jeweils im Betrieb auf der Bearbeitungsfläche des Kopfes, d.h. der Kanten- (oder der Stirn-) Fläche des Kopfes, gemessen, die einer zu bearbeitenden Fläche zugewandt ist.
Bei dem vorliegenden Ansatz werden die Kanäle (oder Kanalabschnitte) 15, 16 auf zwei Grenzflächen, d.h. zwischen der mittleren Schicht 12 und den beiden äußeren Schichten 11, 13 (Abdeckungen) ausgebildet, statt auf einer einzigen Grenzfläche ausgebildet zu werden, wie bei vertikalen MFPs nach dem Stand der Technik. Folglich wird die Länge der Öffnungen nicht mehr durch die Dicke der mittleren Schicht begrenzt, wie es bei vertikalen MFPs nach dem Stand der Technik der Fall war. Dementsprechend können gegenüberliegende Öffnungen (oder ein Satz von Öffnungen) mit einer großen Grundfläche gefertigt werden. Infolgedessen ist es möglich, einfach Einheiten für eine großmaßstäbliche Oberflächenbearbeitung zu fertigen und gleichzeitig einen HFC zu ermöglichen.
Aufgrund des vorliegenden Ansatzes ist es der Abstand zwischen gegenüberliegenden Durchlässen 17, 18, der nun durch die Dicke der mittleren Schicht 12 beschränkt wird. Tatsächlich hängt der Abstand zwischen gegenüberliegenden Durchlässen 17, 18 sowohl von der Dicke der Schicht 12 als auch von der gewünschten Tiefe der Kanäle 15, 16 ab. Wenn die Dicke der mittleren Schicht 12 vorgegeben wird (wie bei einer Verwendung eines Standard-Si-Wafers), ist der Abstand folglich umso kleiner, je tiefer der Kanal ist. Dennoch wird man im Allgemeinen versuchen, einen Abstand zu erzielen, der zwischen 50 und 1.000 µm beträgt, um geeignete Eigenschaften für die abgegebene Flüssigkeit aufrechtzuerhalten. Unterdessen kann die Grundfläche der Reihen von Öffnungen (oder die Länge der gegenüberliegenden Schlitze) vergrößert werden, um die Geometrie für eine großmaßstäbliche Oberflächenbearbeitung zu optimieren. Jeder Satz von Durchlässen kann unabhängig von der Dicke der mittleren Schicht 12 eine lange Grundfläche aufweisen. Letztere muss lediglich dick genug sein, um Kanalhohlräume zu nuten und mechanische Stabilität bereitzustellen.
Für die mittlere Schicht 12 können andere Materialien als Silicium in Betracht gezogen werden, zum Beispiel Kunststoffe, Elastomere, Keramiken, Glas, Metalle, sodass der Abstand zwischen Durchlässen 17, 18 nicht zwingend beschränkt wird. Dementsprechend kann der Abstand zwischen Injektions- und Ansaugöffnungen allgemein zwischen 0,5 µm und 10 mm und bevorzugt zwischen 1,0 µm und 2,0 mm liegen, um stabile Flüssigkeitsströmungen zu erzielen. Tatsächlich hängt der Abstand von einer Reihe von Parametern ab, die unter Umständen gemeinsam optimiert werden müssen, wobei zu solchen Parametern insbesondere zählen: die gewünschten Flüssigkeitsströmungseigenschaften, die Tiefe der Kanäle (die die Breite oder den Durchmesser der Öffnungen bestimmt, siehe im Folgenden) und die gewünschten mechanischen Eigenschaften für die mittlere Schicht.
Wie in 3 dargestellt, weisen die gegenüberliegenden Sätze von Durchlässen 17, 18 zum Beispiel jeweils eine Grundfläche an der Kantenfläche 12es auf, wobei die Grundfläche üblicherweise ein Rechteck ausbildet. Die Länge dieses Rechtecks, auf der Kantenfläche 12es und jeweils parallel zu den Hauptflächen 12ms gemessen, kann größer als oder gleich 1 mm sein oder sogar den cm-Bereich erreichen, wie in 7 bis 9 veranschaulicht. Dieselben Überlegungen gelten für Schlitze (4), deren Längen den mm- oder cm-Bereich erreichen können, wie bei der Ausführungsform von 10A bis 10C.
Wie zuvor erwähnt, können die Durchlässe 17, 18 sämtlich dieselbe Breite aufweisen, was nicht nur den Fertigungsprozess, sondern auch die Parametrisierung der Injektions- und Ansaugströmungsmengen vereinfacht. Wie zuvor definiert, wird die Breite wegen der Übereinstimmung beim Vergleichen der Geometrie der vorliegenden Öffnungen 17, 18 mit der Geometrie von Öffnungen von Einheiten nach dem Stand der Technik auf der Kantenfläche 12es senkrecht zu den Hauptflächen 12ms gemessen. Aus denselben Gründen werden die Längen der Öffnungen auf der Kantenfläche 12es, jedoch jeweils parallel zu den Hauptflächen 12ms gemessen. Vor allem, wenn als Schicht 12 ein Standard-Si-Wafer, der die Breiten und den Abstand der Öffnungen einschränkt, verwendet wird, können die Durchlässe 17, 18 etwa eine Breite zwischen 20 µm und 200 µm, zum Beispiel 50 µm, aufweisen. Es können jedoch andere Materialien für die Schicht 12 verwendet werden, sodass die durchschnittliche Breite der Öffnungen allgemeiner zwischen 0,5 und 1.000 µm liegen kann.
Bei einigen spezifischen Ausführungsformen kann die Ausstoßöffnung 17 jedoch klein genug konstruiert sein, um einen Flüssigkeitseinschluss mit einem kleinen Durchmesser von z.B. etwa 150 µm zu ermöglichen. Ein solcher Einschluss wird am besten mithilfe von Öffnungen 17 mit einem durchschnittlichen „Durchmesser“ von etwa 20 bis 50 µm erzielt (der „Durchmesser“ stimmt ungefähr mit der Breite und Länge einer Öffnung überein, wenn eine Gestaltung verwendet wird, wie sie zum Beispiel in 3 und 5 dargestellt wird). Die Öffnungen 17, 18 beenden jeweils eine entsprechende Leitung (d.h. die entsprechenden Kanäle 15, 16), die dieselben (Querschnitt-)Abmessungen wie ihre jeweiligen Öffnungen aufweisen können. Mithilfe eines Abstands von weniger als 2 mm kann grundsätzlich ein stabiler HFC erzielt werden, sofern geeignete Strömungsmengen verwendet werden. In dieser Hinsicht kann als Injektionsströmungsmenge Q_i üblicherweise 1,0 pL/s bis 0,1 mL/s und bevorzugt 1,0 bis 50 nL/s gewählt werden, während als Ansaugströmungsmenge Q_a üblicherweise 1,2 pL/s bis 1 mL/s und bevorzugt 2,0 bis 200 nL/s gewählt wird. Ein geeignetes Verhältnis Q_i:Q_a wird auf 1:3 festgelegt, siehe im Folgenden.
In der ersten Klasse einer oder mehrerer Ausführungsformen (2, 3, 5, 7 bis 9) werden die Hauptflächen 12ms jeweils bis zu der Kantenfläche 12es mehrfach so genutet, dass n ≥ 2 gilt. In diesem Fall werden mehrere kleine Öffnungen 17, 18 so auf jeder Grenzfläche 12 bis 13 und 11 bis 12 definiert, dass zwei parallele Reihen von Öffnungen ausgebildet werden. Auf diese Weise können die abgegebene Flüssigkeit und die bearbeitete Nutzfläche vergrößert werden. Wie des Weiteren ersichtlich ist, ermöglichen zwei parallele Reihen von Öffnungen ein Aufrechterhalten von symmetrischen Öffnungen (d.h. Öffnungen, die ein Quadrat oder ein Rechteck ausbilden), was wiederum ermöglicht, parallele Flüssigkeitsströmungen zu erzielen. Es können sogar leicht parallele HFCs erzielt werden, die gut mit der Fläche in Wechselwirkung treten. D.h. parallele Reihen von Öffnungen verhindern das potentielle Problem eines Kontaktverlustes zwischen der Bearbeitungsflüssigkeit und der bearbeiteten Fläche, wie im Folgenden ausführlicher erläutert wird. Ein Bereitstellen von parallelen Flüssigkeitsströmungen ist folglich eine einfache Möglichkeit, die Bearbeitungsflächenvermögen der Einheit zu vergrößern.
Jede Öffnung 17 des ersten Satzes kann vis-à-vis (d.h. im Verhältnis zu dieser gegenüber) einer Öffnung 18 eines zweiten der Sätze von n Öffnungen angeordnet sein. So wird in diesem Fall ein Kopf mit einem symmetrischen Array von Öffnungen erzielt. Das Array kann die Fläche diagonal abtasten, um eine gleichmäßigere Struktur auf der bearbeiteten Fläche zu gewinnen. Bei Varianten können die Durchlässe versetzt sein, um schräge Flüssigkeitswege zu erzeugen, und der Kopf senkrecht zu seinen Hauptflächen oberhalb der zu bearbeitenden Fläche 2 verschoben werden, wodurch dieselbe Wirkung erzielt wird. Ein symmetrisches Array, wie es zum Beispiel in 3 dargestellt wird, ist jedoch einfacher zu handhaben.
Im Folgenden wird die zweite Klasse einer oder mehrerer Ausführungsformen unter Bezugnahme auf 4, 6, 10 und 11 ausführlich beschrieben. Derzeit werden die beiden gegenüberliegenden Hauptflächen 12ms der mittleren Schicht 12 jeweils so genutet, dass die resultierenden Durchlässe 17, 18 jeweils ein Aspektverhältnis aufweisen, wodurch (lange) Schlitze ausgebildet werden. Ein erster Schlitz 17 wird auf der oberen Grenzfläche 11 bis 12 gewonnen, und ein zweiter Schlitz 18 wird auf der Grenzfläche 12 bis 13 gegenüber dem ersten 17 auf der Fläche 12es definiert. Zwei gegenüberliegende Schlitze sind für den vorliegenden Zweck bereits ausreichend, wie er bei der einen oder den mehreren in den beigefügten Zeichnungen dargestellten Ausführungsformen angenommen wird. Dennoch können Varianten in Betracht gezogen werden, bei denen die Bearbeitungsfläche 14 mehrere gegenüberliegende Schlitze aufweist. Darüber hinaus kann ein Aspekt der ersten und der zweiten Klasse einer oder mehrerer Ausführungsformen kombiniert werden, um gegebenenfalls z.B. lange Schlitze und kurze (quadratische) Öffnungen zu mischen.
Jedoch und wie durch die vorliegende Offenbarung ersichtlich wird, kann die Verwendung von Schlitzen gleicher Längen unter bestimmten Umständen zu einem Kontaktverlust zwischen der abgegebenen Flüssigkeitsströmung (z.B. einem HFC) und der Fläche führen. D.h. lange Schlitzöffnungen können dazu führen, dass der HFC nicht gut mit der Fläche in Wechselwirkung tritt.
Dieses Problem wird versuchsweise wie folgt erläutert. Beim Verwenden von Einheiten gemäß der ersten Klasse einer oder mehrerer Ausführungsformen (z.B. gegenüberliegender Sätze quadratischer Öffnungen), kommt die Flüssigkeitsströmung einer Flüssigkeit, die in die Ansaugöffnungen angesaugt wird, von allen vier Seiten der Ansaugöffnung. Grob gesagt, wird die Bearbeitungsflüssigkeit im Wesentlichen von der Seite der Ansaugöffnung 18 angesaugt, die der Injektionsöffnung 17 am nächsten gelegen ist, wohingegen eine Immersionsflüssigkeit im Wesentlichen von den drei anderen Seiten angesaugt wird. Durch Definieren eines Strömungsmengenverhältnisses von Q_i:Q_a als z.B. 1:3 (wobei Q_a die Ansaugströmungsmenge und Q_i die Injektionsströmungsmenge bezeichnet) kann ein Strömungseinschluss der Bearbeitungsflüssigkeit erzielt werden. Bei Schlitzöffnungen ist die Länge der Schlitze jedoch (erheblich) größer als die Breite, und die angesaugte Immersionsflüssigkeit reicht unter Umständen nicht aus, um die Strömungsmengendifferenz aufzunehmen (Q_a - Q_i). Da die Injektionsströmungsmenge Q_i der Bearbeitungsflüssigkeit üblicherweise geringer als die Ansaugströmungsmenge Q_a festgelegt wird (Q_a < Q_i), muss die Ansaugöffnung zusätzliche Immersionsflüssigkeit ansaugen, die von der der Injektionsöffnung 17 zugewandten Seite kommt. Damit dies geschieht, bildet sich ein Immersionsflüssigkeitsmantel unterhalb der Bearbeitungsflüssigkeitsströmung, was zu einem Kontaktverlust zwischen dem HFC und der Fläche führt.
Eine Lösung dieses Problems besteht darin, die Längen der Schlitze 17, 18 zu staffeln. Wie in 4, 6 und 10 dargestellt, können der erste Schlitz 17 und der zweite Schlitz 18 Längen L₁ bzw. L₂ aufweisen, die sich im Wesentlichen unterscheiden, um ein übermäßiges Ansaugen von Immersionsflüssigkeit auszugleichen. In der Praxis werden zufriedenstellende Ergebnisse für Längen erzielt, die sich um einen Faktor zwischen 3,0 und 5,0, z.B. um einen Faktor von 4 unterscheiden, wie in 4, 6 und 10 angenommen. Die geringste Länge kann zum Beispiel zumindest gleich 50 µm sein. In 10A beträgt diese Länge 1 mm. Der längste Schlitz kann dementsprechend zwischen 150 µm und 5 cm und bevorzugt bei 4 mm liegen, wie in 10A. Aufgrund des bemerkenswerten Skalierungsvermögens der vorliegenden Einheiten kann der kleinste Schlitz jedoch 1 cm oder mehr erreichen.
Im Folgenden werden die beiden Klassen einer oder mehrerer Ausführungsformen verglichen, wie sie oben erörtert worden sind. Ein Sondenkopf, wie er zum Beispiel in 2, 3 und 5 dargestellt wird, weist zahlreiche Vorteile auf. Er kann zum Bearbeiten großer Flächenbereiche verwendet werden und verhindert durch die Konstruktion einen Kontaktverlust zwischen den Bearbeitungsflüssigkeitsströmungen und der bearbeiteten Fläche. Jedoch haben mehrere Öffnungen (geringfügige) technische Nachteile im Vergleich mit langen Schlitzen, da es wahrscheinlicher ist, dass sich kleine Öffnungen mit Teilchen zusetzen. Da sämtliche Injektions- (oder Ansaug-) Kanäle durch einen gemeinsamen Injektions- (oder Ansaug-) Stamm gespeist werden können, ist es darüber hinaus im Vergleich mit einer Lösung mit großen Schlitzen schwieriger, Blasen zu entfernen, die in einem der Kanäle eingeschlossen sind.
Unter Bezugnahme auf 11 kann die vorliegende Erfindung auch als vertikale Mikrofluidiksonde 1, d.h. eine Mikrofluidikeinheit, die einen Sondenkopf 10, 10a aufweist, wie oben beschrieben, sowie sonstige Komponenten zum Abgeben und Ansaugen von Flüssigkeiten zum Bearbeiten einer Fläche verkörpert werden. Insbesondere weist die Sonde 1 des Weiteren Flüssigkeitsgeber 25, 35 (die z.B. einen Flüssigkeitsbehälter 35, [der Deutlichkeit halber nicht dargestellte] Pumpen/Druckmittel und Kanäle 35 beinhalten) auf, die allgemein dazu gestaltet sind, eine Bearbeitungsflüssigkeit 5 über Durchlässe 17 eines ersten der Sätze von n Durchlässen abzugeben. Ähnlich sind Flüssigkeitssauger 26, 36 (die z.B. einen Flüssigkeitsbehälter 36, [nicht dargestellte] Pumpen/Druckmittel und Kanäle 36 aufweisen) vorhanden, die dazu gestaltet sind, eine Flüssigkeit über Durchlässe 18 eines zweiten der Sätze von n Durchlässen anzusaugen.
Die Durchlässe 17, 18, die Flüssigkeitsgeber 25, 35 und die Flüssigkeitssauger 26, 36 können verbunden konstruiert sein, damit das System in der Lage ist, im Betrieb durch die gegenüberliegenden Durchlässe 17 abgegebene Flüssigkeit über die Durchlässe 18 anzusaugen. D.h. die Durchlässe können so dimensioniert und in einer solchen Entfernung positioniert sein, dass ermöglicht wird, dass die Sonde bei einem vorgegebenen Verhältnis von Strömungsmengen eine durch die Öffnungen 17 zugeführte Bearbeitungsflüssigkeit an den Öffnungen 18 ansaugt. Auf diese Weise kann ein HFC oder können mehrere parallele HFCs erzielt werden.
Wie in 10B, 10C und 11 veranschaulicht, können die Injektions- (oder Ansaug-) Kanäle 25, 26 durch einen gemeinsamen Injektions- (oder Ansaug-) Stamm gespeist werden, der mit einem jeweiligen Flüssigkeitsbehälter 35, 36 in Fluidverbindung steht. (Nicht dargestellte) Druckquellen werden zusammen mit einem Druckregelungsmittel bereitgestellt, um gegebenenfalls jeden Kanal 25, 26 mit Druck zu beaufschlagen. Letzterer kann mit den Quellen in Wirkverbindung stehen, um gegebenenfalls eine Strömungsrichtung einer Flüssigkeit regelbar umzuschalten. Wie bei MFPs üblich, können sonstige Elemente wie zum Beispiel Ventile, hydrodynamische Strömungswiderstände usw. vorhanden sein. Die Kanäle 25, 35 können eine Baumstruktur aufweisen, wie in 10B und 10C dargestellt, sodass die Flüssigkeitsströmung in einem Baumnetz verteilt wird, um einen identischen Strömungswiderstand aufrechtzuerhalten, und Säulen 40 beinhalten, um eine gleichbleibende Höhe aufrechtzuerhalten und zu verhindern, dass die Deckschichten 11, 13 brechen.
Es können verschiedene Änderungen an der/den obigen Ausführungsform(en) vorgenommen werden und gleichartige Elemente ausgetauscht werden, ohne vom Umfang der vorliegenden Erfindung abzuweichen.
Beispielsweise können Konstruktionen mit zweifachen Ansaugschlitzöffnungen in Betracht gezogen werden, bei denen zwei (nicht dargestellte) mittlere Schichten vorhanden sind. Beispielsweise kann ein erster Si-Wafer auf beiden Seiten genutet werden, um sowohl einen Injektions- als auch einen ersten Ansaugkanal bereitzustellen. Der erste Si-Wafer wird zwischen einen zweiten Si-Wafer (der den Injektionskanal verschließt) und eine Glasscheibe (die den ersten Ansaugkanal verschließt) gefügt. Der zweite Si-Wafer kann seinerseits gegenüber dem Injektionskanal des ersten Si-Wafers genutet werden, um einen zweiten Ansaugkanal bereitzustellen, der durch eine zweite Glasschicht verschlossen werden kann. Ein Bereitstellen zusätzlicher „mittlerer“ Schichten ermöglicht, das Ansaugvolumen wirksam zu erhöhen, sodass sich die Ansaugschlitze und der Injektionsschlitz in diesem Fall nicht zwingend in der Länge unterscheiden müssen. Die Fertigung ist jedoch anspruchsvoller, und diese Konstruktion erfordert eine zusätzliche Siliciumschicht. Des Weiteren ist der Injektionskanal (von den Hauptflächen aus) nicht zu sehen, da er durch den zweiten Silicium-Wafer verdeckt wird.
Während Standard-Si-Wafer üblicherweise eine Dicke von 300 µm aufweisen, ist es möglicherweise erwünscht, dickere Materialien für die mittlere Schicht 12 zu verwenden, um größere Öffnungsabstände und/oder größere Breiten zu erzielen. Tatsächlich und wie durch die vorliegende Offenbarung aufgrund verschiedener analytischer Untersuchungen geschlossen wird, die auf Grundlage der Lehren hierin durchgeführt worden sind, sind die Zeit zum Abtasten einer großen Fläche und der Reagenzienverbrauch direkt mit dem Öffnungsabstand verknüpft. Folglich führt ein Verwenden eines größeren Öffnungsabstands zu schnelleren Abtastungen und verbraucht weniger Reagenzien. Jedoch erschwert ein größerer Öffnungsabstand, die Flüssigkeitsströmung einzuschließen.
Die Fertigung der vorliegenden MFP-Köpfe und MFPs ist unkompliziert. Im vorliegenden Zusammenhang können dieselben Fertigungstechniken verwendet werden, die bei bekannten vertikalen MFP-Köpfen verwendet werden. Der Hauptunterschied besteht darin, dass die Schicht 12 auf ihren beiden Hauptflächen statt auf einer dieser Flächen bearbeitet und verbunden werden muss. Alle strukturierten Elemente wie Mikrokanäle oder Teile und/oder Einheiten, die in die Schicht 12 integriert werden, können (zum Beispiel mithilfe von Standardlithographieprozessen) auf dem Chip gefertigt werden.
Unter Bezugnahme auf 8, 9 und 11 kann die vorliegende Erfindung gemäß einem weiteren Aspekt als Verfahren zum Bearbeiten einer Fläche 2 verkörpert werden. Ein solches Verfahren stützt sich auf einen vertikalen Mikrofluidik-Sondenkopf 10, 10a oder eine Sonde 1, wie zuvor beschrieben. Im Grunde und wie in 8, 9 und 11 veranschaulicht, stützt sich das Verfahren darauf, zunächst den Mikrofluidik-Sondenkopf 10, 10a so zu positionieren, dass seine Kantenfläche 12es der zu bearbeitenden Fläche 2 auf der Ebene (x, y) zugewandt ist. Anschließend wird eine Bearbeitungsflüssigkeit 5 über jeden Durchlass 17 des ersten der Sätze von n Durchlässen abgegeben, damit die abgegebene Flüssigkeit 5 die Fläche 2 bearbeitet, während die Flüssigkeit 5, 7 über jeden Durchlass 18 des zweiten der Sätze von n Durchlässen angesaugt wird.
Wie insbesondere in 8, 9 zu sehen ist, kann der Sondenkopf 10a so dimensioniert sein und kann allgemeiner die Sonde 1 so konstruiert sein, dass die an dem Durchlass/den Durchlässen 18 angesaugte Flüssigkeit zumindest einen Teil der Bearbeitungsflüssigkeit aufweist, die durch den/die gegenüberliegenden Durchlass/Durchlässe 17 abgegeben worden ist. In dieser Hinsicht kann der Kopf in einer Immersionsflüssigkeit 7 betrieben werden, die auf der zu bearbeitenden Fläche 2 bereitgestellt wird, wie in 11 veranschaulicht. Der Sondenkopf 10, 10a wird oberhalb der Fläche 2 so positioniert, dass er anschließend die Bearbeitungsflüssigkeit 5 in die Immersionsflüssigkeit 7 abgibt, wie per se bekannt, außer dass im vorliegenden Fall die Bearbeitungsflüssigkeit über mehrere Durchlässe 17 oder einen großen Schlitz 17 abgegeben wird.
Die Strömungsmengen können so eingestellt werden, dass eine laminare Strömung der abgegebenen Flüssigkeit 5 erreicht wird, wodurch wiederum ein HFC ermöglicht wird. Dies lässt sich leichter mit Einheiten gemäß der ersten Klasse einer oder mehrerer Ausführungsformen erreichen, die zwei Reihen mehrerer Öffnungen 17, 18 aufweisen (n ≥ 2), da in diesem Fall mehrere parallele laminare Strömungen der Bearbeitungsflüssigkeit 5 ausgebildet werden. Zu diesem Zweck müssen die Durchlässe in jeder Reihe von Öffnungen in geeigneter Weise beabstandet sein. Bei der schematischen Darstellung von 5 wird in jeder Reihe ein Mindestabstand angenommen, wo der horizontale Abstand zwischen jeder Öffnung ungefähr mit der Länge der Öffnungen übereinstimmt. Jedoch können in echten Einheiten größere Abstände in Betracht gezogen werden (100 µm bis 1 mm), wie in 7 bis 9 angenommen, um Turbulenzen aufgrund von Wechselwirkungen zwischen parallelen Flüssigkeitsströmungen zu vermeiden. Die Abstände werden darüber hinaus entsprechend den gewünschten Eigenschaften der Flüssigkeitsströmungen optimiert.
Wie zuvor angemerkt, kann das Verfahren des Weiteren ein Verschieben des Mikrofluidik-Sondenkopfes 10, 10a gegenüber der zu bearbeitenden Fläche 2 während des Abgebens von Bearbeitungsflüssigkeit aufweisen, um einen großen Flächenbereich zu bearbeiten.
Der Kopf kann zum Beispiel diagonal, d.h. entlang einer Richtung d_s verschoben werden, die einen Winkel im Hinblick auf eine Durchschnittsrichtung von Flüssigkeitsströmungen ausbildet, wobei der Winkel üblicherweise zwischen 30° und 60°, z.B. 45° beträgt, wie in 9 angenommen. Dies ist besonders beim Verwenden einer Einheit, wie sie in 2 oder 3 dargestellt wird, mit zwei parallelen Reihen von Öffnungen 17, 18 erwünscht, um zu ermöglichen, dass in fine einheitlichere Strukturen erzielt werden. Bei Varianten können Öffnungen 17, 18 in gegenüberliegenden Sätzen phasenverschoben, d.h. versetzt sein, in welchem Fall die Fläche durch Abtasten dieser entlang einer Richtung (x) parallel zu den Flüssigkeitsströmungen bearbeitet werden kann.
Vorliegende vertikale MFPs, MFP-Köpfe und Verfahren bewahren Hauptvorteile bekannter MFP-Techniken und können als berührungslose Einheiten und Techniken verkörpert werden, bei denen der Sondenkopf die zu bearbeitende Fläche nicht berührt. Ein typischer Arbeitsabstand zwischen der Spitze des MFP-Kopfes und der Fläche beträgt 10 bis 50 µm. Es ist jedoch ein Abstand zwischen 5 µm und 200 µm möglich. Bei der Flüssigkeitsumgebung (oder der Immersionsflüssigkeit) handelt es sich üblicherweise um eine wässrige Umgebung.
Ein Verwenden eines Sondenkopfes 10, wie er in 2, 3 oder 5 dargestellt wird, weist zahlreiche Vorteile auf, wie zuvor angemerkt. Jedoch und wie in der vorliegenden Offenbarung ebenfalls ersichtlich wird, werden die durch die äußersten Paare von Öffnungen 17, 18 aufrechterhaltenen HFCs tendenziell in Richtung der Mitte gezogen, was zu einer Verzerrung der äußersten HFCs führt. Eine Folge davon ist, dass während des Abtastens die Verweildauer nicht über der gesamten abgetasteten Fläche einheitlich ist. Um dieses Problem abzuschwächen, können Ansaugkanäle an den äußeren (lateralen) Seiten des Arrays hinzugefügt werden. Die Ansaugkraft, die den HFC in Richtung der Mitten zieht, kann daher ausgeglichen werden. Dementsprechend kann ein vertikaler Mikrofluidik-Sondenkopf 10, wie er oben erörtert worden ist, des Weiteren zweckmäßigerweise einen oder mehrere auf den Kantenflächen 12es bereitgestellte äußere Ansaugdurchlässe 19 auf jeder Seite der gegenüberliegenden Sätze von n Durchlässen 17, 18 aufweisen, wie in 7 veranschaulicht. Die Ansaugöffnungen 19 sind üblicherweise parallel mit den Hauptflächen 12ms ausgerichtet. Auf diese Weise kann eine Flüssigkeit (bei der es sich im Wesentlichen um eine Immersionsflüssigkeit handelt) über die äußeren Ansaugdurchlässe 19 angesaugt werden, während eine Bearbeitungsflüssigkeit 5 und eine Ansaugflüssigkeit 5, 7 abgegeben werden. Dies ermöglicht wiederum, Flüssigkeitsströmungen zwischen den Injektionsdurchlässen 17 und den Ansaugdurchlässen 18 zu stabilisieren, wie in 8 und 9 veranschaulicht.
Im Einzelnen stellen 8 und 9 echte Strömungseinschlüsse von Rhodamin dar, die mit einem Kopf erzielt wurden, wie er zum Beispiel in 7 dargestellt wird. 8 stellt Flüssigkeitsströmungen dar, wie sie experimentell beobachtet wurden, während die (nicht dargestellten) äußeren Ansaugdurchlässe deaktiviert sind. Wie in 8 zu sehen ist, biegen sich die HFCs in Richtung der Mitte. 9 stellt ähnliche Flüssigkeitsströmungen dar, wie sie erzielt werden, wenn (in 9 nicht dargestellte) äußere Durchlässe aktiviert sind und eine Flüssigkeit über die äußeren Durchlässe 19 angesaugt wird, während eine Bearbeitungsflüssigkeit abgegeben wird. Wie in 9 zu sehen ist, sind die HFCs nun stabilisiert.
Die äußeren Ansaugdurchlässe 19 können sich auf einer Ebene, d.h. ausgerichtet mit den Ansaugdurchlässen 18 befinden, um die nach innen gebogenen Flüssigkeitsströmungen am wirksamsten abzulenken. Die geeigneten Ansaugströmungsmengen (für die Kanäle 19) können z.B. durch Versuch und Irrtum, auf Grundlage sonstiger relevanter Versuchsparameter (der Geometrie von Durchlässen, Ansaug- und Injektionsströmungsmengen Q_a und Q_i usw.) verfeinert werden.
Die vorliegende Erfindung ist zwar unter Bezugnahme auf eine begrenzte Anzahl von Ausführungsformen, Varianten und die beigefügten Zeichnungen beschrieben worden, für Fachleute ist jedoch ersichtlich, dass verschiedene Änderungen vorgenommen werden können und gleichartige Elemente ausgetauscht werden können, ohne vom Umfang der vorliegenden Erfindung abzuweichen. Im Besonderen kann ein (einheitenähnliches oder verfahrensähnliches) Merkmal, das bei einer bestimmten Ausführungsform, Variante erwähnt worden ist oder in einer Zeichnung dargestellt worden ist, mit einem weiteren Merkmal in einer weiteren Ausführungsform, Variante oder Zeichnung kombiniert oder durch dieses ersetzt werden, ohne vom Umfang der vorliegenden Erfindung abzuweichen. Verschiedene Kombinationen der Merkmale, die im Hinblick auf jegliche der obigen Ausführungsformen oder Varianten beschrieben worden sind, können dementsprechend in Betracht gezogen werden, die innerhalb des Umfangs der beigefügten Ansprüche bleiben. Darüber hinaus können zahlreiche kleinere Modifizierungen vorgenommen werden, um eine bestimmte Situation oder ein bestimmtes Material an die Lehren der vorliegenden Erfindung anzupassen, ohne von ihrem Umfang abzuweichen. Daher soll die vorliegende Erfindung nicht auf die bestimmten offenbarten Ausführungsformen beschränkt sein, sondern die vorliegende Erfindung soll alle Ausführungsformen beinhalten, die in den Umfang der beigefügten Ansprüche fallen. Darüber hinaus können zahlreiche andere Varianten als die oben ausdrücklich erwähnten in Betracht gezogen werden. Insbesondere können andere Materialien als die ausdrücklich genannten in Betracht gezogen werden, und die vorliegenden vertikalen Köpfe sind nicht unbedingt auf drei Schichten 11 bis 13 beschränkt, d.h. es können zusätzliche „mittlere“ Schichten 12 bereitgestellt werden, um zusätzliche Ansaugdurchlässe oder -schlitze auszubilden.

Claims

Vertikaler Mikrofluidik-Sondenkopf, der aufweist: eine mittlere Schicht eines Materials; und zwei äußere Schichten; wobei die mittlere Schicht zwei gegenüberliegende Hauptflächen aufweist, die jeweils bis zu einer selben Kantenfläche genutet werden, die jeweils so an die Hauptflächen grenzt, dass jeweils zwei Sätze von n Mikrokanal-Hohlräumen, n ≥ 1, auf den Hauptflächen ausgebildet werden; und wobei die mittlere Schicht zwischen den beiden äußeren Schichten angeordnet ist, wobei letztere die auf den beiden Hauptflächen genuteten Mikrokanal-Hohlräume zumindest zum Teil verschließen, sodass zwei Sätze von n Mikrokanälen ausgebildet werden, die jeweils auf der Kantenfläche offen sind, sodass zwei gegenüberliegende Sätze von n Durchlässen auf der Kantenfläche ausgebildet werden.
Vertikaler Mikrofluidik-Sondenkopf nach Anspruch 1, wobei: die beiden Hauptflächen jeweils bis zu der Kantenfläche mehrfach so genutet werden, dass n ≥ 2 gilt.
Vertikaler Mikrofluidik-Sondenkopf nach Anspruch 1 oder 2, wobei: sich jeder Durchlass eines ersten der Sätze von n Durchlässen gegenüber einem Durchlass eines zweiten der Sätze von n Durchlässen befindet.
Vertikaler Mikrofluidik-Sondenkopf nach Anspruch 2, wobei: die gegenüberliegenden Sätze von n Durchlässen jeweils eine Grundfläche an der Kantenfläche aufweisen, wobei die Grundfläche im Wesentlichen ein Rechteck ausbildet, dessen Länge auf der Kantenfläche und jeweils parallel zu den Hauptflächen gemessen größer als oder gleich 1 mm ist.
Vertikaler Mikrofluidik-Sondenkopf nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei: ein Abstand zwischen einem Durchlass des ersten der Sätze von n Durchlässen und einem nächstgelegenen Durchlass des zweiten der Sätze von n Durchlässen zwischen 50 und 1.000 µm beträgt.
Vertikaler Mikrofluidik-Sondenkopf nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei: die beiden Hauptflächen jeweils so genutet werden, dass die Durchlässe jeweils ein Aspektverhältnis aufweisen, wodurch ein erster Durchlass des ersten der gegenüberliegenden Sätze und ein zweiter Durchlass des zweiten der gegenüberliegenden Sätze jeweils einen Schlitz ausbilden.
Vertikaler Mikrofluidik-Sondenkopf nach Anspruch 6, wobei: der erste Durchlass und der zweite Durchlass jeweilige Längen auf der Kantenfläche und jeweils parallel zu den Hauptflächen gemessen aufweisen; und die Längen sich wesentlich unterscheiden.
Vertikaler Mikrofluidik-Sondenkopf nach Anspruch 6 oder 7, wobei: eine kleinste der Längen zumindest gleich 50 µm ist.
Vertikaler Mikrofluidik-Sondenkopf nach einem der Ansprüche 6 bis 8, wobei: eine größte der Längen zumindest gleich 5 cm ist.
Vertikaler Mikrofluidik-Sondenkopf nach Anspruch 7, wobei: die Längen sich um einen Faktor zwischen 3,0 und 5,0 unterscheiden.
Vertikaler Mikrofluidik-Sondenkopf nach Anspruch 7, wobei: die Längen sich um einen Faktor gleich 4,0 unterscheiden.
Vertikaler Mikrofluidik-Sondenkopf nach einem der Ansprüche 1 bis 11, wobei: die Durchlässe der beiden gegenüberliegenden Sätze von n Durchlässen jeweilige Breiten aufweisen, wobei die Breiten auf der Kantenfläche und jeweils senkrecht zu den Hauptflächen gemessen werden und jeweils zwischen 20 µm und 200 µm betragen.
Vertikaler Mikrofluidik-Sondenkopf nach Anspruch 12, wobei: die Durchlässe eine im Wesentlichen gleiche Breite aufweisen.
Vertikaler Mikrofluidik-Sondenkopf nach einem der Ansprüche 1 bis 13, wobei: es sich bei der mittleren Schicht um einen Wafer oder einen Abschnitt eines Wafers handelt.
Vertikaler Mikrofluidik-Sondenkopf nach Anspruch 14, wobei: es sich bei dem Wafer oder dem Abschnitt eines Wafers um einen Silicium-Wafer eines Abschnitts eines Silicium-Wafers handelt.
Vertikaler Mikrofluidik-Sondenkopf nach Anspruch 15, wobei: es sich bei den äußeren Schichten jeweils um eine Glasschicht handelt, die mit dem Wafer oder dem Abschnitt des Wafers verbunden ist.
Vertikale Mikrofluidiksonde, die aufweist: einen vertikalen Mikrofluidik-Sondenkopf nach einem der Ansprüche 1 bis 16; einen Flüssigkeitsgeber, der dazu gestaltet ist, eine Flüssigkeit über die Durchlässe des ersten der Sätze von n Durchlässen abzugeben; und einen Flüssigkeitssauger, der dazu gestaltet ist, eine Flüssigkeit über Durchlässe des zweiten der Sätze von n Durchlässen anzusaugen.
Vertikale Mikrofluidiksonde nach Anspruch 17, wobei: die Durchlässe der beiden gegenüberliegenden Sätze von n Durchlässen, der Flüssigkeitsgeber und der Flüssigkeitssauger verbunden konstruiert sind, um zu ermöglichen, dass das System im Betrieb über Durchlässe des zweiten der Sätze von n Durchlässen eine Flüssigkeit ansaugt, die durch Durchlässe des ersten der Sätze von n Durchlässen abgegeben worden ist.
Verfahren zum Bearbeiten einer Fläche mit einem vertikalen Mikrofluidik-Sondenkopf nach Anspruch 1, wobei das Verfahren aufweist: Positionieren des Mikrofluidik-Sondenkopfes so, dass die Kantenfläche einer zu bearbeitenden Fläche zugewandt ist; Abgeben einer Bearbeitungsflüssigkeit über jeden Durchlass des ersten der Sätze von n Durchlässen so, dass die abgegebene Bearbeitungsflüssigkeit die Fläche bearbeitet; und Ansaugen der Flüssigkeit über jeden Durchlass des zweiten der Sätze von n Durchlässen.
Verfahren nach Anspruch 19, wobei das Ansaugen einer Flüssigkeit ein Ansaugen zumindest eines Teils der Bearbeitungsflüssigkeit, die durch einen Durchlass des ersten der Sätze von n Durchlässen abgegeben worden ist, über einen Durchlass des zweiten der Sätze von n Durchlässen aufweist.
Verfahren nach Anspruch 19 oder 20, wobei das Verfahren des Weiteren aufweist: Bereitstellen einer Immersionsflüssigkeit auf der zu bearbeitenden Fläche; wobei der Mikrofluidik-Sondenkopf so positioniert wird, dass er anschließend eine Bearbeitungsflüssigkeit in die Immersionsflüssigkeit abgibt.
Verfahren nach Anspruch 21, wobei die beiden Hauptflächen des Chips jeweils mehrfach so bis zu der Kantenfläche genutet werden, dass n ≥ 2 gilt, und wobei die Bearbeitungsflüssigkeit so abgegeben wird, dass laminare Strömungen von Bearbeitungsflüssigkeit aus jedem Durchlass des ersten Satzes von Durchlässen ausgebildet werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 19 bis 22, wobei das Verfahren des Weiteren ein Verschieben des Mikrofluidik-Sondenkopfes gegenüber der zu bearbeitenden Fläche während des Abgebens von Bearbeitungsflüssigkeit aufweist.
Verfahren nach Anspruch 23, wobei der Mikrofluidik-Sondenkopf gegenüber der zu bearbeitenden Fläche entlang einer Richtung verschoben wird, die im Hinblick auf eine Durchschnittsrichtung von Strömungen einer aus Durchlässen des ersten Satzes von Durchlässen abgegebenen Bearbeitungsflüssigkeit einen Winkel ausbildet, wobei der Winkel zwischen 30° und 60° beträgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 19 bis 24, wobei der vertikale Mikrofluidik-Sondenkopf des Weiteren einen oder mehrere äußere Ansaugdurchlässe auf der Kantenfläche auf jeder Seite der beiden gegenüberliegenden Sätze von n Durchlässen aufweist und wobei das Verfahren des Weiteren ein Ansaugen der Flüssigkeit über den einen oder die mehreren äußeren Ansaugdurchlässe aufweist, während eine Bearbeitungsflüssigkeit und eine Ansaugflüssigkeit abgegeben werden, um Flüssigkeitsströmungen zwischen Durchlässen des ersten der Sätze von n Durchlässen und Durchlässen des zweiten der Sätze von n Durchlässen zu stabilisieren.