DE60223193T2 - Herstellung von integrierten fluidischen Vorrichtungen - Google Patents

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Description

  • HINTERGRUND DER ERFINDUNG
  • Gebiet der Erfindung
  • Diese Erfindung betrifft das Gebiet der Herstellung integrierter Bauteile und genauer das Herstellen integrierter Bauteile zur Verwendung bei mikrofluidischen Anwendungen, so wie biologischen Anwendungen; im letzteren Fall sind solche Bauteile oft als Biochips bekannt. Biochips erfordern die Herstellung von Mikrokanälen für die Verarbeitung biologischer Fluide, und die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen solcher Kanäle.
  • Beschreibung des Standes der Technik
  • Der Stand der Technik ist im allgemeinen in zwei Arten von Bauteilen aufgeteilt: passive und aktive. Beide Arten schließen Mikrokanäle für den Transport biologischer Fluide ein. Bei passiven Bauteilen befindet sich die gesamte Steuerschaltung für den Fluidstrom auf externer Schaltung. Aktive Bauteile umfassen Steuerschaltung, die direkt im Biochip enthalten ist.
  • Die folgenden erteilten Patente der USA zeigen den Stand der Technik, der die Herstellung von Biochips mit Mikrokanälen für das Verarbeiten biologischer Fluide betrifft: US-Patent Nr. 6 186 606 „Microfluidic systems incorporating varied channel dimensions"; US Patent Nr. 6 180 536 „Suspended moving channels and channel actuators for ..."; US Patent Nr. 6 174 675 „Electrical current for controlling fluid parameters in ..."; US Patent Nr. 6 172 353 , „System and method for measuring low power signals"; US Patent Nr. 6 171 865 , „Simultaneous analyte determination and reference balancing ...; US Patent Nr. 6 171 850 , „Integrated devices and systems for performing temperature ..."; US Patent Nr. 6 171 067 , „Micropump"; US Patent Nr. 6 170 981 , "In situ micromachined mixer for microfluidic analytical ..."; US Patent Nr. 6 167 910 , "Multi-layer microfluidic devices"; US Patent Nr. 6 159 739 , "Device and method for 3-dimensional alignment of particles ..."; US Patent Nr. 6 156 181 , "Controlled fluid transport microfabricated polymeric substrates"; US Patent Nr. 6 154 226 ," Parallel print array"; US Patent Nr. 6 153 073 , "Microfluidic devices incorporating improved channel ..."; US Patent Nr. 6 150 180 , "High throughput screening assay systems in mi crosacel ..."; US Patent Nr. 6 150 119 , "Optimized high-throughput analytical system"; US Patent Nr. 6 149 870 , "Apparatus for in situ concentration and/or dilution of ..."; US Patent Nr. 6 149 787 , "External material accession systems and methods"; US Patent Nr. 6 148 508 „ "Method of making a capillary for electrokinetic transport of ..."; US Patent Nr. 6 146 103 , "Micromachined magnetohydrodynamic actuators and sensors"; US Patent Nr. 6 143 248 , "Capillary microvalve"; US Patent Nr. 6 143 152 , "Microfabricated capillary array electrophoresis device and ..."; US Patent Nr. 6 137 501 , "Addressing circuitry for microfluidic printing apparatus"; US Patent Nr. 6 136 272 , "Device for rapidly joining and splitting fluid layers"; US Patent Nr. 6 136 212 , "Polymer-based micromachining for microfluidic devices"; US Patent Nr. 6 132 685 , "High throughput microfluidic systems and methods"; US Patent Nr. 6 131 410 , "Vacuum fusion bonding of glass plates"; US Patent Nr. 6 130 098 , "Moving microdroplets"; US Patent Nr. 6 129 854 , "Low temperature material bonding technique"; US Patent Nr. 6 129 826 "Methods and systems for enhanced fluid transport"; US Patent Nr. 6 126 765 , "Method of producing microchannel/microcavity structures"; US Patent Nr. 6 126 140 , "Monolithic bi-directional microvalve with enclosed drive ..."; US Patent Nr. 6 123 798 , "Methods of fabricating polymeric structures incorporating ..."; US Patent Nr. 6 120 666 , "Microfabricated device and method for multiplexed ..."; US Patent Nr. 6 118 126 , "Method for enhancing fluorescence"; US Patent Nr. 6 107 044 , "Apparatus and methods for sequencing nucleic acids in ..."; US Patent Nr. 6 106 685 , "Electrode combinations for pumping fluids"; US Patent Nr. 6 103 199 , "Capillary electroflow apparatus and method"; US Patent Nr. 6 100 541 , "Microfluidic devices and systems incorporating integrated ..."; US Patent Nr. 6 096 656 , "Formation of microchannels from low-temperature ..."; US Patent Nr. 6 091 502 , "Device and method for performing spectral measurements in ..."; US Patent Nr. 6 090 251 , "Microfabricated structures for facilitating fluid introduction ..."; US Patent Nr. 6 086 825 , "Microfabricated structures, for facilitating fluid introduction ..."; US Patent Nr. 6 086 740 , "Multiplexed microfluidic devices and systems"; US Patent Nr. 6 082 140 , "Fusion bonding and alignment fxture"; US Patent Nr. 6 080 295 , "Electropipettor and compensation means for electrophoretic ..."; US patent Nr. 6 078 340 , "Using silver salts and reducing reagents in microfluidic printing"; US Patent Nr. 6 074 827 , "Microfluidic method for nucleic acid purification and processing"; US Patent Nr. 6 074 725 , "Fabrication of microfluidic circuits by printing techniques"; US Patent Nr. 6 073 482 , "Fluid flow module"; US Patent Nr. 6 071 478 , "Analytical system and method"; US Patent Nr. 6 068 752 , "Microfluidic devices incorporating improved channel. ..."; US Patent Nr. 6 063 589 , "Devices and methods for using centripetal acceleration to ..."; US Patent Nr. 6 062 261 , "Microfluidic circuit designs for performing electrokinetic ..."; US Patent Nr. 6 057 149 , "Microscale devices and reactions in microscale devices"; US Patent Nr. 6 056 269 , "Microminiature valve having silicon diaphgragm"; US Patent Nr. 6 054 277 , "Integrated microchip genetic testing system"; US Patent Nr. 6 048 734 , "Thermal micovalves in a fluid flow method"; US Patent Nr. 6 048 498 , "Microfluidic devices and systems"; US Patent Nr. 6 046 056 , "High throughput screening assay systems in microscale ..."; US Patent Nr. 6 043 080 , "Integrated nucleic acid diagnostic device"; US Patent Nr. 6 042 710 , "Methods and compositions for performing molecular separations"; US Patent Nr. 6 042 709 ; "Microfluidic sampling system and methods"; US Patent Nr. 6 012 902 , "Micropump"; US Patent Nr. 6 011 252 , "Method and apparatus for detecting low light levels"; US Patent Nr. 6 007 775 , "Multiple analyte diffusion based chemical sensor"; US Patent Nr. 6 004 515 , "Methods and apparatus for in situ concentration and/or ..."; US Patent Nr. 6 001 231 , "Methods and systems for monitoring and controlling fluid ..."; US Patent Nr. 5 992 820 "Flow control in microfluidics devices by controlled bubble ..."; US Patent Nr. 5 989 402 , "Controller/detector interfaces for microfluidic systems"; US Patent Nr. 5 980 719 , "Electrohydrodynamic receptor"; US Patent Nr. 5 972 710 , "Microfabricated diffusion-based chemical sensor"; US Patent Nr. 5 972 187 , "Electropipettor and compensation means for electrophoretic bias"; US Patent Nr. 5 965 410 , "Electrical current for controlling fluid parameters in ..."; US Patent Nr. 5 965 001 , "Variable control of electroosmotic and/or electrophoretic ..."; US 5 946 995 , "Methods and systems for enhanced fluid transport"; US Patent Nr. 5 958 694 , "Apparatus and methods for sequencing nucleic acids in ..."; US Patent Nr. 5 958 203 , "Electropipettor and compensation means for electrophoretic bias"; US Patent Nr. 5 957 579 , "Microfluidic systems incorporating varied channel dimensions"; US Patent Nr. 5 955 028 , "Analytical system and method"; US Patent Nr. 5 948 684 , "Simultaneous analyte determination and reference balancing ..."; US Patent Nr. 5 948 227 , "Methods and systems for performing electrophoretic ..."; US Patent Nr. 5 942 443 , "High throughput screening assay systems in microscale ..."; US Patent Nr. 5 932 315 , "Microfluidic structure assembly with mating microfeatures"; US Patent Nr. 5 932 100 "Microfrabricated differential extraction device and method ..."; US Patent Nr. 5 922 604 , "Thin reaction chambers for containing and handling liquid ..."; US Patent Nr. 5 922 210 , "Tangential flow planar microfabricated fluid filter and method ..."; US Patent Nr. 5 885 470 , "Controlled fluid transport in microfabricated polymeric ..."; US Patent Nr. 5 882 465 , "Method of manufacturing microfluidic devices"; US Patent Nr. 5 880 071 , Electropipettor and compensation means for electrophoretic bias"; US Patent Nr. 5 876 675 , "Microfluidic devices and systems"; US Patent Nr. 5 869 004 , "Methods and apparatus for in situ concentration and/or ...": US Patent Nr. 5 863 502 , "Parallel reaction cassette and associated devices"; US Patent Nr. 5 856 174 , "Integrated nucleic acid diagnostic device"; US Patent Nr. 5 855 801 , "IC-processed microneedles"; US Patent Nr. 5 852 495 , "Fourier detection of species migrating in a microchannel"; US Patent Nr. 5 849 208 , "Making apparatus for conducting biochemical analyses"; US Patent Nr. 5 842 787 , "Microfluidic systems incorporating varied channel dimensions"; US Patent Nr. 5 800 690 , "Variable control of electroosmotic and/or electrophoretic ..."; US Patent Nr. 5 779 868 , "Electropipettor and compensation means for electrophoretic bias"; US Patent Nr. 5 755 942 , "Partitioned microelectronic device array"; US Patent Nr. 5 716 852 , "Microfabricated diffusion-based chemical sensor"; US Patent Nr. 5 705 018 , "Micromachined peristaltic pump"; USA Patent Nr. 5 699 157 , "Fourier detection of species migrating in a microchannel"; US Patent Nr. 5 591 139 , "IC-processed Microneedles"; und US Patent Nr. 5 376 252 , "Microfluidic structure and process for its manufacture".
  • Das folgende veröffentlichte Papier beschreibt einen Polydimethylsiloxan(PDMS)-Biochip, der zur Kapazitätserfassung biologischer Einheiten (Mauszellen) in der Lage ist: L. L. Sohn, O. A. Saleh, G. R. Facer, A. J. Beavis, R. S. Allan und D. A. Notterman, "Capacitance cytometry: Measuring biological cells one by one', Proceedings of the National Academy of Sciences (USA), Band 97, Nr. 20, 26. September 2000, Seiten 10687–10690.
  • Die obengenannten US-Patente zeigen an, daß passive Biochip-Bauteile mit Mikrokanälen weitgehend aus der Kombination verschiedener Polymersubstrate hergestellt werden, so wie: Acrylonitril-Butadien-Styrol-Copolymer, Polycarbonat, Polydimethylsiloxan (PDMS), Polyethylen, Polymethylmethacrylat (PMMA), Polymethylpenten, Polypropylen, Polystyrol, Polysulfon, Polytetrafluorethylen (PTFE), Polyurethan, Polyvinylchlorid (PVC), Polyvinylidinfluorid (PVF) oder einem anderen Polymer. In diesem Fall wird Lithographie oder mechanisches Prägen verwendet, um vor dem Zusammensetzen und dem thermisch unterstützten Verbinden dieses Substrates mit einem anderen Substrat ein Netzwerk aus Mikrokanälen in einem dieser Substrate zu definieren. Das Ergebnis ist ein einfaches passives Biochip-Bauteil mit Mikrokanälen, das mit leitenden Schichten zur Verbindung mit einem externen Prozessor bemustert werden kann, der zum Einleiten der Fluidbewegung durch Elektrophorese oder Elektroosmose, und für die Analyse und Datenerzeugung verwendet wird. 1 zeigt ein Beispiel eines solchen passiven Biochip-Bauteils mit Mikrokanälen, das aus dem Verbinden solcher polymeren Substrate erhalten worden ist, wie es in dem US-Patent Nr. 6 167 910 beschrieben ist.
  • Die US-Patente des Standes der Technik zeigen auch, daß passive Biochip-Bauteile mit Mikrokanälen aus der Kombination verschiedener mikrobearbeiteter Siliciumdioxid- oder Quarz-Substrate hergestellt werden kann. Wiederum ist der Zusammenbau und das Schmelzbinden erforderlich. Das Ergebnis ist ein einfaches passives Biochip-Bauteil, das mit leitenden Schichten zur Verbindung mit einem externen Prozessor bemustert werden kann. 2 zeigt ein Beispiel eines solchen passiven Biochip-Bauteils mit Mikrokanälen, das aus dem Verbinden derartiger Siliciumdioxid-Substrate erhalten worden ist, wie es in dem US-Patent Nr. 6 131 410 beschrieben worden ist.
  • Diese Patente des Standes der Technik zeigen auch, daß ein passives Biochip-Bauteil mit Mikrokanälen aus einem passiven, mikrobearbeiteten Siliciumsubstrat hergestellt werden kann. In diesem Fall wird das Siliciumsubstrat als ein passives strukturelles Material benutzt. Wieder ist das Zusammensetzen und das Schmelzbinden wenigstens zweier Unteranordnungen erforderlich. Das Ergebnis ist ein einfacher passiver Biochip, der mit einem externen Prozessor verbunden werden muß. 3 zeigt ein Beispiel eines solchen passiven Biochip-Bauteils mit Mikrokanälen, das aus einem passiven, mikrobearbeiteten Siliciumsubstrat gemäß den Lehren des US-Patentes Nr. 5 705 018 erhalten worden ist.
  • Die früheren Patente zeigen auch an, daß ein aktives Biochip-Bauteil mit Mikrobehältern aus einem aktiven, mikrobearbeiteten Siliciumsubstrat hergestellt werden kann. In diesem Fall wird die Steuerelektronik, die in das Siliciumsubstrat integriert ist, als ein aktiver Fluidprozessor auf dem Chip und als Kommunikationseinrichtung benutzt. Das Ergebnis ist ein hochentwickelter Biochip, der in zuvor definierten Behältern verschiedene fluidische Operationen, Analyse und (Fern-)Datenkommunikationsfunktionen ohne die Notwendigkeit eines externen Fluidprozessors, der die Fluidbewegung, Analyse und Datenerzeugung steuert, ausführen kann. 4 zeigt ein Beispiel eines aktiven Biochip-Bauteils mit Mikrobehältern, das aus einem aktiven, mikrobearbeiteten Siliciumsubstrat erhalten worden ist, wie es in dem US-Patent Nr. 6 117 643 beschrieben ist.
  • Das veröffentlichte Papier offenbart, daß die Kapazitätserfassung biologischer Einheiten auf passivem Polydimethylsiloxan(PDMS)-Biochips durchgeführt werden kann, indem goldbeschichtete Kondensatorelektroden bei relativ geringer Frequenz von 1 kHz mit einem externen Detektor verwendet werden. 5 zeigt ein Beispiel eines solchen passiven Polydimethylsiloxan(PDMS)-Biochips mit Goldelektroden.
  • ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
  • Die vorliegende Erfindung betrifft eine verbesserte Herstellungstechnik für aktive Biochip-Bauteile mit Mikrokanälen aus einem aktiven mikrobearbeiteten Siliciumsubstrat, die zu einem hochentwickelten Biochip-Bauteil führt, das Fluidbewegung und Erfassung biologischer Einheiten in Mikrokanälen durchführen kann. Gemäß der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zur Herstellung einer Mikrostruktur für Anwendungen in der Mikrofluidik zur Verfügung gestellt, mit den Schritten Bereitstellen eines Siliciumsubstrats, das CMOS-Schaltkreise enthält und eine obere leitfähige Schicht aufweist, die eine erste Elektrode bildet; Ausbilden einer isolierenden Schutzschicht über der oberen leitfähigen Schicht; Ausbilden einer Opferschicht aus ätzbarem Material über der Schutzschicht; Ausbilden einer Siliciumnitrid-Trägerschicht über der Opferschicht aus ätzbarem Material; Aufbringen einer Maskenschicht über der Trägerschicht, um eine oder mehrere Öffnungen zu definieren, die in der Trägerschicht auszubilden sind; Durchführen eines anisotropen Ätzens durch die eine oder die mehreren Öffnungen hindurch, um eine oder mehrere Bohrungen zu erzeugen, die durch die Trägerschicht zu der Schicht aus ätzbarem Material hindurchgehen; Durchführen eines isotropen Ätzens in die Opferschicht durch die eine oder die mehreren Bohrungen, um einen Mikrokanal auszubilden, der sich unter der Trägerschicht erstreckt; Abscheiden einer Siliciumdioxidschicht durch PECVD über der Trägerschicht, bis über die oder jede Öffnung überhängende Teile der Schicht aufeinandertreffen und dadurch den in dem ätzbaren Material gebildeten Mikrokanal schließen; Wegätzen von Bereichen der Siliciumdioxidschicht rund um eine oder mehrere Öffnungen unter Beibehaltung von Teilen der Siliciumdioxidschicht, welche die eine oder die mehreren Öffnungen verschließen; und Abscheiden einer Elektrodenstruktur auf der Trägerschicht rund um die Teile der Siliciumdioxidschicht, welche die eine oder die mehreren Öffnungen verschließen.
  • Die Erfindung umfaßt das Bilden einer Struktur, die einen Stapel aus Schichten aufweist. Es wird von einem Fachmann verstanden werden, daß die kritischen Schichten nicht notwendigerweise direkt auf einander abgeschieden werden müssen. Es ist möglich, daß bei bestimmten Anwendungen zwischenliegende Schichten vorliegen können, und tatsächlich sind bei der bevorzugten Ausführungsform derartige Schichten, zum Beispiel eine Opferschicht aus TiN, unter der Trägerschicht vorhanden.
  • Die Erfindung bietet einen einfachen Ansatz für die Herstellung aktiver Biochip-Bauteile mit Mikrokanälen aus einem aktiven mikrobearbeiteten Siliciumsubstrat direkt über einem komplementären Metalloxidhalbleiterbauteil, CMOS-Bauteil, oder einem Hochspannungs-CMOS-Bauteil.
  • CMOS-Bauteile sind zu sehr kleinen Erfassungspegeln in der Lage, eine wichtige Voraussetzung, um elektronische Kapazitätserfassung (Identifikation) von biologischen Einheiten mit niedrigen Signalpegeln durchzuführen. CMOS-Bauteile können die erforderliche Datenverarbeitungs- und (Fern-)kommunikationsfunktionen durchführen. Hochspannungs-CMOS-Bauteile mit angemessenen Betriebsspannungen und Betriebsströmen sind in der Lage, die erforderliche Mikrofluidik in den Mikrokanälen durchzuführen und erlauben die Integration eines vollständigen Konzepts eines Laboratory-on-a-Chip.
  • Die Erfindung offenbart eine Technik, um in vorliegende CMOS- und Hochspannungs-CMOS-Prozesse die mikrobearbeitenden Schritte einzubauen, welche die Entwicklung der aktiven Mikrokanäle mit daran angebrachten Elektroden ermöglichen, die verwendet werden, um die Fluidbewegung hervorzurufen und/oder um die biologischen Einheiten zu identifzieren. Die Mikrokanäle werden ohne die Verwendung eines zweiten Substrates und ohne die Verwendung thermischen Bindens verschlossen. Tatsächlich sollten alle beschriebenen mikrobearbeitenden Schritte bevorzugt bei einer Temperatur ausgeführt werden, die 450°C nicht übersteigt, um den Abbau der darunterliegenden CMOS- und Hochspannungs-CMOS-Bauteile zu verhindern und jedwede mechanische Probleme zu verhindern, so wie Kunststoffdeformation, Abschälen, Rißbildung, Delaminieren und weitere derartige mit hoher Temperatur zusammenhängenden Probleme mit den dünnen Schichten, die bei der Mikrobearbeitung des Biochips verwendet werden.
  • Die Materialkombination, die bei der beschriebenen mikrobearbeitenden Sequenz verwendet wird, ist nicht typisch für mikroelektromechanische Systeme (MEMS), die typischerweise Polysilicium, das bei niedrigerem Druck aus der chemischen Gasphase abgeschieden worden ist, LPCVD-Polysilicium, und Siliciumdioxid, das plasmagestützt aus der chemischen Gasphase abgeschieden worden ist, PECVD SiO2, als Kombination verwendet. Die Verwendung von LPCVD-Polysilicium ist allgemein wegen seiner erforderlichen Abscheidetemperatur von mehr als 550°C nicht geeignet.
  • Die Erfindung benutzt bevorzugt als ein innovatives Opfermaterial die kollimierte reaktive physikalische Gasphasenabscheidung (Collimated Reactive Physical Vapour Deposition) von Titannitrid, CRPVD TiN. Bei diesem Prozeß wird das TiN mit der Unterstützung eines Kollimators abgeschieden, der die Atome auf die Trägerfläche richtet. Dieses Opfermaterial CRPVD TiN wird wegen seiner ausgezeichneten mechanischen Eigenschaften und seine ausgezeichnete Selektivität gegenüber Lösungen für das isotrope Naßätzen verwendet, die eingesetzt werden, um die Mikrokanäle in dicken Schichten aus plasmagestützt aus der chemischen Gasphase abgeschiedenem, PECVD, SiO2 zu definieren.
  • Typischerweise sind die Kondensatorelektroden entweder LPCVD-Polysilicium (vor den mikrobearbeitenden Schritten abgeschieden) oder physikalisch aus der Gasphase abgeschiedene Aluminiumlegierung, PVC Al-Legierung.
  • KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
  • Die Erfindung wird nun in weiteren Einzelheiten lediglich beispielhaft mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben, wobei:
  • 1 ein Beispiel eines passiven Biochip-Bauteils mit Mikrokanälen zeigt, das aus der Verbindung polymerer Substrate erhalten worden ist, wie es in dem US-Patent Nr. 6 167 910 beschrieben ist;
  • 2 ein Beispiel eines passiven Biochip-Bauteils mit Mikrokanälen zeigt, das aus der Verbindung von Siliciumdioxidsubstraten erhalten worden ist, wie es in dem US-Patent Nr. 6 131 410 beschrieben ist;
  • 3 ein Beispiel eines passiven Biochip-Bauteils mit Mikrokanälen zeigt, das aus einem passiven mikrobearbeiteten Siliciumsubstrat erhalten worden ist, wie es in dem US-Patent Nr. 5 705 018 beschrieben ist.
  • 4 ein Beispiel eines aktiven Biochip-Bauteils mit Mikrobehältern zeigt, das aus einem aktiven mikrobearbeiteten Siliciumsubstrat erhalten worden ist, wie es in dem US-Patent Nr. 6 117 643 beschrieben ist;
  • 5 ein Beispiel eines passiven Polydiemthylsiloxan(PDMS)-Biochips mit Goldelektroden zeigt, wie es in dem Artikel von L. L. Sohn, O. A. Saleh, G. R. Facer, A. J. Beavis, R. S. Allan und D. A. Notterman, „Capacitance cytometry: Measuring biological cells one by one', Proceedings of the National Academy of Siences (USA), Band 97, Nr. 20, 26. September 2000, Seiten 10687–10690 beschrieben ist;
  • 6 Schritt 1 einer mikrobearbeitenden Sequenz für einen Biochip veranschaulicht (Abscheiden von 0.1 μm PECVD Si3N4 bei 400°C);
  • 7 die Schritte 2 bis 6 der mikrobearbeitenden Sequenz für einen Biochip veranschaulicht (Abscheiden von 0.10 μm CRPVD TiN bei 400°C, Abscheiden von 10.0 μm PECVD SiO2 bei 400°C, Abscheiden von 0.10 μm CRPVD TiN bei 400°C, Abscheiden von 0.40 μm PECVD Si3N4 bei 400°C, Abscheiden von 0.20 μm CRPVD TiN bei 400°C);
  • 8 den Schritt 7 der mikrobearbeitenden Sequenz für einen Biochip veranschaulicht (erstes Muster, gefolgt von teilweisem anisotropem reaktiven Ionenrückätzen);
  • 9 den Schritt 8 der mikrobearbeitenden Sequenz für einen Biochip veranschaulicht (zweites Muster, gefolgt von anisotropem reaktiven Ionenrückätzen und Ätzlöchern);
  • 10 den Schritt 9 der mikrobearbeitenden Sequenz für einen Biochip veranschaulicht (Abscheiden von 0.10 μm CRPVD TiN bei 400°C);
  • 11 den Schritt 10 der mikrobearbeitenden Sequenz für einen Biochip veranschaulicht (anisotropes reaktives Ionenrückätzen von 0.10 μm CRPVD TiN);
  • 12 den Schritt 11 der mikrobearbeitenden Sequenz für einen Biochip veranschaulicht (gesteuertes isotropes Naßätzen des PECVD SiO2);
  • 13 den Schritt 12 der mikrobearbeitenden Sequenz für einen Biochip veranschaulicht (isotropes nasses Entfernen von freiliegendem CRPVD TiN mit etwas Hinterschneiden);
  • 14 den Schritt 13 der mikrobearbeitenden Sequenz für einen Biochip veranschaulicht (Abscheiden von 1.40 μm PECVD SiO2 bei 400°C);
  • 15 den Schritt 14 der mikrobearbeitenden Sequenz veranschaulicht (drittes Muster und isotropes Nassätzen des PECVD SiO2 bei 400°C);
  • 16 den Schritt 15 der mikrobearbeitenden Sequenz für einen Biochip veranschaulicht (standardmäßiges Abscheiden PVD Ti/CRPVD TiN/PVD Al-Legierung/CRPVD TiN bei 400°C);
  • 17 den Schritt 16 der mikrobearbeitenden Sequenz für einen Biochip veranschaulicht (standardmäßiges anisotropes RIE – Reactive Ion Etching – von PVD Ti/CRPVD TiN/PVC Al-Legierung/CRPVD TiN);
  • 18 rasterelektronenmikrographische, SEM – Scanning Electron Micrograph, Querschnittansichten zeigt, die die ausgezeichnete mechanische Stabilität einer TiN-Schicht zeigt, die über dem Mikrokanal liegen soll;
  • 19 eine rasterelektronenmikrographische, SEM, Draufsicht ist, die einen Mikrokanal zeigt, der durch Naßätzen dicken PECVD SiO2 durch eine 1.00 μm breite Öffnung gebildet ist; und
  • 20 rasterelektronenmikrographische, SEM, Querschnittansichten und Draufsichten sind, die den Verschluß der Mikrokanäle mit PECVD SiO2 zeigen.
  • GENAUE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
  • Gemäß den Grundsätzen der Erfindung wird ein Biochip auf einem vorliegenden CMOS- oder Hochspannungs-CMOS-Bauelement hergestellt. Mit Bezug auf 6 wird als ein vorbereitender Schritt ein herkömmlicher CMOS-Prozeß verwendet, um ein CMOS-Bauelement 10 bis zur dielektrischen Isolation 11 zwischen der letzten LPCVD-Polysiliciumebene 12 und der ersten Metallisierungsebene herzustellen. Die dielektrische Isolation 11, üblicherweise als das Zwischenebenendielektrikum ILD (Inter Level Dielectric) bezeichnet, liegt vor dem Beginn der mikrobearbeitenden Schritte vor. Ein Kontakt wird durch diese dielektrische Isolation geöffnet, um die letzte LPCVD-Polysiliciumschicht 12 zu erreichen, die für die Kapazitätserfassung als eine Elektrode verwendet wird, welche mit dem CMOS-Bauteil verbunden ist, und/oder als eine Elektrode, die für die Fluidbewegung mit den Hochspannungs-CMOS-Bauelementen verbunden ist.
  • Nach dem Vorbereiten des Vorläuferbauteiles wird eine Anzahl von Schichten abgeschieden, wie es in den folgenden Figuren gezeigt ist. Eine Schicht 14 mit ungefähr 0.10 μm PECVD Si3N4 bei 400°C wird auf der Schicht 12 abgeschieden. Als nächstes, wie in 7 gezeigt, wird eine Anzahl Schichten auf der Schicht 14 abgeschieden. Zunächst wird eine Schicht 16 mit ungefähr 0.10 μm CRPVD TiN 16 bei 400°C abgeschieden. Danach wird eine Schicht 18 mit ungefähr 10.0 μm PECVD SiO2 bei 400°C abgeschieden.
  • Als nächstes wird eine Schicht 20 mit ungefähr 0.10 μm CRPVD TiN bei 400°C auf der Schicht 18 abgeschieden. In den nächsten Schritt wird eine Schicht 22 mit ungefähr 0.40 μm PECVD Si3N4 bei 400°C auf der Schicht 20 abgeschieden. Anschließend wird eine Schicht 24 mit ungefähr 0.20 μm CRPVD TiN bei 400°C abgeschieden.
  • In dem nächsten Schritt, wie es in der 8 gezeigt ist, wird eine erste mikrobearbeitende Maske aufgelegt, um einen MEMS-Bereich zu definieren, und diesem folgt das anisotrope reaktive Ionenätzen (Anisotropic RIE – Reactive Ion Etching) des Schichtaufbaus 20, 22, 24 aus CRPVD TiN/PECVD Si3N4/CRPVD TiN, gefolgt von dem teilweise anisotropen RIE der Schicht 18 aus PECVD SiO2, um eine Schulter 17 zu bilden.
  • Anschließend, wie es in 9 gezeigt ist, wird eine zweite mikrobearbeitende Maske aufgelegt, um isotrope Naßätzöffnungen 26 zu definieren. Diesem folgt ein anisotropisches RIE des Schichtaufbaus 22, 24, 26 aus CRPVD TiN/PECVD Si3N4/CRPVD TiN und anschließend das Abschließen des anisotropen RIE der Schicht 18 aus PECVD SiO2 außerhalb des MEMS-Bereichs, um so die untere Schicht 16 aus CRPVD TiN bei 16a zu erreichen und die Schulter 17 zu beseitigen. Der Grad des Durchdringens h des anisotropen Ätzens in die Schicht 18 aus PECVD SiO2 des zukünftigen Mikrokanals ist nicht kritisch.
  • Als nächstes, wie es in der 10 gezeigt ist, wird eine Schicht 28 mit ungefähr 0.10 μm CRPVD TiN bei 400°C auf der Schicht 26 abgeschieden. Dann, wie in 11 gezeigt, wird ein anisotropes RIE der Schicht 28 aus CRPVD TiN durchgeführt, um 'Abstandhalter' 30 aus CRPVD TiN auf vertikalen Seitenwänden zu bilden, wobei die Bodenschicht entfernt wird, um Öffnungen zu bilden, wo ein isotropes Naßätzen durchgeführt wird, und auch um den Teil 28a zu entfernen, der sich über der Schulter 16a erstreckt. Es wird verstanden werden, daß in 11 nur eine Öffnung gezeigt ist, obwohl typischerweise mehrere vorliegen werden.
  • In dem nächsten Schritt, der in 12 gezeigt ist, wird ein isotropes Naßätzen bei dem PECVD SiO2 18 durchgeführt, indem entweder eine Mischung aus Ethylenglycol, C2H4O2H2, Ammoniumfluorid, NH4F, und Essigsäure, CH3COOH, oder als Alternative eine Mischung aus Ammoniumfluorid, NH4F, Flußsäure, HF, und Wasser, H2O, verwendet wird, um die Mikrokanäle 34 zu definieren. Diese beiden isotropen Naßätzungen sind selektiv für CRPVD TiN, das verwendet wird, um die obere Schicht 22 aus PECVD Si3N4 zu schützen.
  • Anschließend an das isotrope Naßätzen wird der Schichtaufbau aus CRPVD TiN/PECVD Si3N4/CRPVD TiN über den Mikrokanälen 34 angebracht. Die mechanischen Eigenschaften und die relative Dicke der Schichten 20, 22 aus CRPVD TiN und der Schicht 22 aus PECVD Si3N4 werden so eingestellt, daß die Struktur mechanisch stabil ist, d. h. sich über dem definierten Mikrokanal nicht nach oben oder nach unten biegt, nicht von den Kanten des darunterliegenden PECVD SiO2 abschält, nicht abbricht oder zusammenfällt. 18 zeigt eine rasterelektronenmikrographische, SEM, Querschnittsansicht, welche die ausgezeichnete mechanische Stabilität einer TiN-Schicht zeigt, die über dem Mikrokanal angebracht werden soll. Die Bilder dienen nur SEM-Zwecken und beschreiben nicht das optimale Bauteil. 18 zeigt eine rasterelektronenmikrographische, SEM, Draufsicht, die einen Mikrokanal darstellt, der durch Naßätzen dicken PECVD SiO2 durch eine 1.00 μm breite Öffnung gebildet ist. Das Bild dient nur SEM-Zwecken und beschreibt nicht das optimale Bauelement.
  • In dem nächsten Schritt, der in 13 gezeigt ist, wird das isotrope nasse Entfernen des CRPVD TiN durchgeführt, indem eine Mischung aus Ammoniumhydroxid, NH4OH, Wasserstoffperoxid, H2O2, und Wasser, H2O, verwendet wird. Dieses isotrope nasse Entfernen ist selektiv für das PECVD SiO2 und für das PECVD Si3N4. Anschließend an das isotrope Naßätzen wird die Schicht aus PECVD Si3N4 über den Mikrokanälen angebracht, wobei ihre mechanischen Eigenschaften und die Dicke angepaßt werden, so daß die Schicht mechanisch stabil ist, d. h. sich über dem definierten Mikrokanal nicht nach oben oder nach unten biegt, nicht von den Kanten des darunterliegenden PECVD SiO2 abschält, nicht abbricht oder zusammenfällt.
  • In dem folgenden Schritt, der in 14 gezeigt ist, wird der Verschluß der Öffnung 26 mit dem Abscheiden einer Schicht 40 aus ungefähr 1.40 μm PECVD SiO2 bei 400°C bewirkt. Dies ist möglich, weil der natürliche Überhang des PECVD SiO2 auf vertikalen Flächen ein seitliches Wachstum des abgeschiedenen Materials auf diesen Flächen und schließlich einen Verschluß der Öffnungen erlaubt. Dieser Verschluß der Öffnungen mit PECVD SiO2 ist kritisch, da er die Bildung eines eingeschlossenen Mikrokanals 34 ohne das Erfordernis des Verbindend zweier Substrate erlaubt und anders als der Stand der Technik die Herstellung aktiver Mikrokanäle im Gegensatz zu geöffneten Mikrobehältern ermöglicht. Etwas PECVD SiO2-Material 41 wird an dem Boden des Mikrokanals über der Elektrode 12 abgeschieden. 19 zeigt rasterelektronenmikrographische, SEM, Querschnittsansichten und Draufsichten, die den Verschluß der Mikrokanäle mit PECVD SiO2 zeigen. Wieder dienen die Bilder nur für den Zweck der SEM und beschreiben jedoch nicht das optimale Bauteil.
  • In dem nächsten Schritt, der in 15 gezeigt ist, wird eine dritte mikrobearbeitende Maske aufgelegt, um das isotrope Naßätzen des oberen PECVD SiO2 zu definieren, wo später PVD-Al-Legierungselektroden definiert werden. Dieses isotrope Naßätzen des oberen PECVD SiO2, wobei entweder eine Mischung aus Ethylenglycol, C2H4O2H2, Ammoniumfluorid, NH2F, und Essigsäure, CH3CCOH, oder als Alternative eine Mischung aus Ammoniumfluorid, NH4F, Flußsäure, HF, und Wasser, H2O, verwendet wird, ist selektiv für die darunterliegende Schicht aus PECVD Si3N4 innerhalb ebenso wie außerhalb des MEMS-Bereichs und hinterläßt eine Brücke aus SiO2 40, welche die Öffnung 26 verschließt.
  • Als nächstes, wie in der 16 gezeigt, wird das Abscheiden einer Struktur 42 aus PVD Ti/CRPVD TiN/PVD Al-Legierung/CRPVD TiN bei 400°C über dem MEMS-Bereich durchgeführt, um obere Elektroden zu bilden, ebenso wie über dem Nicht-MEMS-Bereich, um Verbindungen zu bilden.
  • Bei dem letzten Schritt, der in 17 gezeigt ist, wird ein anisotropes RIE auf der Schicht 42 aus PVD Ti/CRPVD TiN/PVD Al-Legierung/CRPVD TiN durchgeführt, welche obere Elektroden in dem MEMS-Bereich ebenso wie Verbindungen über dem Nicht-MEMS-Bereich definiert.
  • Die Kombination aus MEMS-Bereichen und Nicht-MEMS-Bereichen definiert nun einen Biochip, der dann fertiggestellt werden kann, indem die verbleibenden standardmäßigen CMOS-Herstellungsschritte abgearbeitet werden.
  • Der Fachmann wird verstehen, daß viele Variationen bei den beschriebenen Prozessen möglich sind.
  • Das Substrat könnte verschiedene Typen Niederspannungs-Bauelemente enthalten, einschließlich: empfindlichem MOS vom N-Typ, empfindlichem MOS vom P-Typ, Hochgeschwindigkeitsbipolar-NPN, Hochgeschwindigkeitsbipolar-PNP, Bipolar-NMOS, Bipolar-PMOS oder jedewedes andere Halbleiterbauelement, das zur Erfassung niedriger Signale und/oder den Betrieb bei hoher Geschwindigkeit in der Lage ist. Als Alternative könnte das Substrat verschiedene Typen von Hochspannungsbauelementen enthalten, einschließlich: MOM mit doppelt diffundierter Senke vom N-Typ, MOS mit doppelt diffundierter Senke vom P-Typ, MOS mit erweiterter Senke vom N-Typ, MOS mit erweiterter Senke vom P-Typ, Bipolar-PNP, Bipolar-PNP, Bipolar-NMOS, Bipolar-PMOS, Bipolar-CMOS-DMOS, Graben-MOS oder irgendein anderes Halbleiterbauelement, das zum Betrieb bei hohen Spannungen geeignet ist, wobei die Spannungen im Bereich von 10 bis 2000 Volt liegen.
  • Das Substrat könnte ein Verbundhalbleiterbereich sein, der auf dem Chip zu optoelektronischen Funktionen in der Lage ist, so wie Laseremission und Photoerfassung. In diesem Fall könnte das Substrat sein: Silicium mit derartigen optoelektronischen Funktionen auf dem Chip, ein III-V-Verbundhalbleiter, ein II-VI-Verbundhalbleiter, ein II-IV-Verbundhalbleiter oder Kombinationen aus II-III-IV-V-Halbleitern.
  • Die untere Kondensatorelektrode aus Polysilicium oder Al-Legierung des Schritts 0 könnte durch andere elektrisch leitende Schichten ersetzt werden, so wie: Kupfer, Gold, Platin, Rhodium, Wolfram, Molybden, Siliziden oder Polyziden.
  • Die Opferschicht 16 aus TiN könnte dicker, dünner gemacht werden oder einfach weggelassen werden, wenn die Selektivität des Naßätzens (17) schlechter, besser oder einfach gut genug ist, um das übermäßige Ätzen des Materials zu verhindern, das sich unter dieser Opferschicht aus TiN befindet, oder sie könnte einfach weggelassen werden, wenn das Fluid, das innerhalb des Mikrokanals vorliegt, in physikalischem Kontakt mit der Elektrode sein muß, die sich unter dieser Schicht aus TiN befindet.
  • Die Schicht 18 aus SiO2 des definierten Mikrokanals könnte dicker oder dünner als 10.0 μm gemacht werden, abhängig von der geforderten Größe des Mikrokanals.
  • Das SiO2-Material des Mikrokanals 18 könnte durch eine rotationsgegossene Polyimidschicht ersetzt werden. In diesem Fall würde ein isotropes Naßätzen, das für die anderen Schichten selektiv ist, verwendet werden müssen, um die Bildung des Mikrokanals in dem Polyimidfilm zu erlauben; dieselbe Dünn/Dick-Polymerfilm-Abscheidetechnik könnte verwendet werden, um den Verschluß der Öffnungen über den Mikrokanälen sicherzustellen; niedrigere Metallisierungstemperaturen wären zu verwenden, um die thermische Zersetzung des Polyimidfilms zu verhindern.
  • Das SiO2-Material 18 könnte mit verschiedenen Elementen legiert werden, so wie: Wasserstoff, Bor, Kohlenstoff, Stickstoff, Fluor, Aluminium, Phosphor, Chlor oder Arsen.
  • Die Opferschicht 20 aus TiN könnte dicker, dünner gemacht werden oder einfach weggelassen werden, wenn die Selektivität des Naßätzens (12) schlechter, besser oder einfach gut genug ist, um das übermäßige Ätzen des Materials, das sich über dieser Opferschicht aus TiN befindet, zu verhindern.
  • Die Opferschichten 20, 24 und 28 aus TiN könnten durch andere Opferschichten mit mechanischen Eigenschaften ersetzt werden, welche das Verwerten, Delaminieren, Rißbildung oder andere Verschlechterung in der abgehängten Struktur mit ausgezeichneter Selektivität für isotrope Naßätzlösungen, die verwendet werden, um die Mikrokanäle zu definieren, verhindern.
  • Die Opferschichten aus CRPVD TiN könnten durch andere Techniken abgeschieden werden, einschließlich: metallorganische chemische Gasphasenabscheidung, MOCVD, chemische Gasphasenabscheidung bei niedrigem Druck, LPCVD, plasmaunterstützte chemische Gasphasenabscheidung, PECVD, Langdurchgangsabscheidung, LTD – Long Through Deposition –, Hohlkathodenabscheidung, HCD – Hollow Cathode Deposition, und Hochdruckionisationsabscheidung, HPID – High Pressure Ionization Deposition.
  • Die obere Schicht 22 aus Si3N4 könnte dicker oder dünner als 0.40 μm gemacht werden, abhängig von ihren mechanischen Eigenschaften und von den mechanischen Eigenschaften der umgebenden Materialien, um mechanische Probleme zu vermeiden, so wie plastische Deformation, Abschälen, Reißen, Delaminieren und weitere solche Probleme in dem Ätzschritt, der in 12 gezeigt ist.
  • Die Opferschicht 23 aus TiN könnte dicker, dünner gemacht werden oder einfach weggelassen werden, wenn die Selektivität des Naßätzens der 12 schlechter, besser oder einfach gut genug ist, um das übermäßige Ätzen des Materials zu verhindern, das sich unter dieser Opferschicht aus TiN befindet.
  • Das teilweise anisotrope RIE, das in 8 gezeigt ist, könnte weggelassen werden, wenn es kein Erfordernis gibt, in dem Bauteil MEMS-Bereiche und Nicht-MEMS-Bereiche zu definieren.
  • Das Abscheiden und das teilweise RIE des CRPVD TiN, das jeweils in 10 und 11 veranschaulicht ist, welches 'Abstandhalter' aus CRPVD TiN auf vertikalen Seitenwänden der Öffnungen liefert, könnte weggelassen werden, wenn die Selektivität des Naßätzens, das in 12 gezeigt ist, derart ist, daß es kein Erfordernis gibt, diese 'Abstandhalter' aus CRPVD TiN auf vertikalen Seitenwänden der Öffnungen zu haben.
  • Die Opferschicht 28 aus TiN, die in 10 gezeigt ist, könnte dicker oder dünner gemacht werden, wenn die Selektivität des Naßätzens, das in 12 gezeigt ist, schlechter oder besser ist, um das übermäßige Ätzen des Materials zu verhindern, das sich hinter dieser Opferschicht aus TiN befindet.
  • Das nasse isotrope Ätzen des PECVD SiO2, das in 12 gezeigt ist, könnte durchgeführt werden, indem andere flüssige Mischungen verwendet werden, als entweder: a) das C2H4O2H2, NH4F und CH3COOH oder als Alternative b) NH4F, HF und H2O, um die Mikrokanäle richtig zu definieren. Irgendwelche andere isotrope Naßätztechniken könnten für das PECVD SiO2 verwendet werden, wenn sie selektiv genug für die Bodenschicht von 14 (oder für die Bodenelektrode 12, wenn keine solche Bodenschicht verwendet wird) und für die Kombination aus Schichten, die während dieses isotropen Naßätzens angebracht worden sind.
  • Das isotrope nasse Entfernen des CRPVD TiN, das in 13 gezeigt ist, kann weggelassen werden, wenn das zu opfernde CRPVD TiN in der Abfolge nicht verwendet wird. Das isotrope nasse Entfernen des CRPVD TiN, das in 13 gezeigt ist, könnte auch durchgeführt werden, indem andere flüssige Mischungen, als NH4OH, H2O2 und H2O verwendet werden, wenn das isotrope nasse Entfernen selektiv für das PECVD SiO2 und die anderen Schichten in Kontakt mit dem isotropen nassen Entfernen ist.
  • Das SiO2-Material des Mikrokanals, in 14 gezeigt, könnte dicker oder dünner als 1.40 μm gemacht werden, abhängig von der Größe der Öffnung, die gefüllt werden soll.
  • Das SiO2-Material des Mikrokanals, in 14 gezeigt, könnte durch einen abgeschiedenen Polymerfilm (wobei Plasmapolymerisierung oder eine andere Dünn/Dick-Polymerfilmabscheidetechnik verwendet wird), ersetzt werden, so wie: Acrylonitril-Butadien-Styrolcopolymer, Polycarbonat, Polydimethylsiloxan (PDMS), Polyethylen, Polymethylmethacrylat (PMMA), Polymethylpenten, Polypropylen, Polystyrol, Polysulfon, Polytetrafluorethylen (PTFE), Polyurethan, Polyvinylchlorid (PVC), Polyvinylidinfluorid (PVF). Das SiO2-Material des Mikrokanals könnte auch mit verschiedenen Elementen legiert werden, so wie: Wasserstoff, Bor, Kohlenstoff, Stickstoff, Fluor, Aluminium, Phosphor, Chlor oder Arsen.
  • Das isotrope Naßätzen des oberen PECVD SiO2, in 15 gezeigt, könnte durchgeführt werden, indem andere flüssige Mischungen verwendet werden als: a) das C2H4O2H2, NH4F und CH3COOH oder als Alternative b) NH4F, HF und H2O. Andere isotrope Naßätztechniken könnten eingesetzt werden, wenn sie selektiv genug für die untere angebrachte Schicht der 13 sind.
  • Das isotrope Naßätzen des oberen PECVD SiO2, in 15 gezeigt, könnte durch ein geeignetes Trockenätzen ersetzt werden, wenn ein solches Ätzen selektiv genug für die untere angebrachte Schicht der 13 ist.
  • Die obere Elektrode aus Al-Legierung, in den 16 und 17 gezeigt, könnte weggelassen werden, um die Anzahl der mikrobearbeitenden Schritte zu minimieren.
  • Die obere Elektrode aus Al-Legierung, in 16 gezeigt, könnte durch eine leitende Schicht mit höheren Schmelzpunkt ersetzt werden, wenn die anderen Schichten in einer solchen Weise kombiniert werden können, daß mechanische Probleme vermieden werden, so wie plastische Deformation, Abschälen, Rißbildung, Delaminieren und andere solche mit hoher Temperatur verbundene Probleme. In dem Fall könnte die Beschränkung der Temperatur auf 450°C bei den beschreibenden mikrobearbeitenden Schritten auf 750°C ohne Verschlechterung der darunterliegenden CMOS- und Hochspannungs-CMOS-Bauelemente erhöht werden.
  • Die obere Elektrode aus PVD Ti/CRPVD TiN/PVD Al-Legierung/CRPVD TiN, in 16 gezeigt, könnte durch LPCVD-Polysilicium ersetzt werden, bei Temperaturen, die im Bereich von 530 bis 730°C liegen, oder durch mittels plasmaunterstützter chemischer Gasphasenabscheidung abgeschiedenem Polysilicium, PECVD-Polysilicium, von 330 bis 630°C, wenn die anderen Schichten in einer solchen Weise kombiniert werden können, um mechanische Probleme zu vermeiden, so wie: plastische Deformation, Abschälen, Rißbildung, Delaminieren und andere mit hoher Temperatur verbundene Probleme. In dem Fall könnte die Beschränkung auf 450°C bei den beschriebenen mikroverarbeitenden Schritten auf 750°C ohne Verschlechterung der darunterliegenden CMOS- und Hochspannungs-CMOS-Bauteile erhöht werden.
  • Das obere PVD Ti/CRPVD TiN/PVD Al-Legierung/CRPVD TiN, das in 16 gezeigt ist, könnte auch durch eine andere Verbindungsstruktur ersetzt und bei einer anderen Temperatur als 400°C abgeschieden werden.
  • Die Erfindung kann bei Anwendungen eingesetzt werden, die die Verwendung aktiver (Elektronik auf dem Chip) Mikrokanäle umfassen, so wie andere mikrofluidische Anwendungen als die oben angesprochene Erfassung und/oder Fluidbewegung; Systeme mit mikrochemischer Erfassung/Analyse/Reaktor; Systeme mit mikrobiologischer Erfassung/Analyse/Reaktor; Systeme mit mikrobiochemischer Erfassung/Analyse/Reaktor; mikrooptofluidische Systeme; Mikrofluidzuführsysteme; Mikrofluidverbindungssysteme; Mikrofluidtransportsysteme; Mikrofluidmischsysteme; Systeme mit Mikroventilen/Pumpen; Mikroströmungs/ Drucksysteme; mikrofluidische Steuersysteme; Mikroheiz/Kühlsysteme; mikrofluidische Packungen; Mikro-Tintenstrahldrucker; Bauteile für ein Laboratorium auf einem Chip, LOAC – Laboratory-On-A-Chip, andere MEMS, die Mikrokanäle erfordern, und andere MEMS, die einen verschlossenen Kanal erfordern.
  • Die Erfindung betrifft eine verbesserte Herstellungstechnik für Biochip-Bauelemente mit Mikrokanälen, bevorzugt für aktive Bauteile aus einem aktiven mikrobearbeitenden Siliciumsubstrat, das zu einem verbesserten Biochip-Bauteil führt, die über die Verbindung in Mikrokanäle verschiedene fluidische, analytische und Datenkommunikationsfunktionen durchführen kann, ohne die Notwendigkeit eines externen Fluidprozessors für die Fluidbewegung, Analyse und die Datenerzeugung.
  • REFERENZEN, DIE IN DER BESCHREIBUNG GENANNT SIND
  • Diese Liste der Referenzen, die von dem Anmelder genannt sind, dient nur der Bequemlichkeit des Lesers. Sie bildet keinen Teil des europäischen Patentdokumentes. Obwohl große Sorgfalt getroffen worden ist, die Referenzen zu übernehmen, können Fehler oder Weglassungen nicht ausgeschlossen werden, und das EPA lehnt alle Verantwortlichkeit in dieser Hinsicht ab. Patentdokumente, die in der Beschreibung genannt sind
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Claims (12)

  1. Verfahren zur Herstellung einer Mikrostruktur für Anwendungen in der Mikrofluidik, mit den folgenden Schritten: Bereitstellen eines Siliciumsubstrats (10), das komplementäre Metalloxidhalbleiterschaltkreise (CMOS-Schaltkreise) enthält und eine obere leitfähige Schicht (12) aufweist, die eine erste Elektrode bildet; Ausbilden einer isolierenden Schutzschicht (14) über der oberen leitfähigen Schicht; Ausbilden einer Opferschicht (18) aus ätzbarem Material über der Schutzschicht; Ausbilden einer Siliciumnitrid-Trägerschicht (22) über der Opferschicht aus ätzbarem Material; Aufbringen einer Maskenschicht über der Trägerschicht, um eine oder mehrere Öff nungen (26) zu definieren, die in der Trägerschicht auszubilden sind; Durchführung eines anisotropen Ätzens durch die eine oder die mehreren Öffnungen hindurch, um eine oder mehrere Bohrungen zu erzeugen, die durch die Trägerschicht zu der Schicht aus ätzbarem Material hindurchgehen; Durchführung eines isotropen Ätzens in die Opferschicht durch die eine oder die mehreren Bohrungen, um einen Mikrokanal auszubilden, der sich unter der Trägerschicht erstreckt; Abscheiden einer Siliciumdioxidschicht (40) durch plasmaunterstütztes chemisches Aufdampfen (PECVD) über der Trägerschicht, bis über die oder jede Öffnung überhängende Teile der Schicht aufeinandertreffen und dadurch den in dem ätzbaren Material gebildeten Mikrokanal schließen; Wegätzen von Bereichen der Siliciumdioxidschicht rund um eine oder mehrere Öffnungen unter Beibehaltung von Teilen der Siliciumdioxidschicht, welche die eine oder die mehreren Öffnungen verschließen; und Abscheiden einer Elektrodenstruktur (42) auf der Trägerschicht rund um die Teile der Siliciumdioxidschicht, welche die eine oder die mehreren Öffnungen verschließen.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Opferschicht (18) aus Siliciumdioxid besteht.
  3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Opferschicht aus ätzbarem Material durch PECVD abgeschieden wird.
  4. Verfahren nach Anspruch 3, wobei die Opferschicht aus ätzbarem Material etwa 10 μm dick ist.
  5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei auf jeder Seite der Trägerschicht eine Opferschicht (20, 24) aus TiN gebildet wird.
  6. Verfahren nach Anspruch 6, wobei jede der TiN-Opferschichten durch kollimierte reaktive physikalische Dampfabscheidung (CRPVD) gebildet wird.
  7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei das anisotrope Ätzen durch die Trägerschicht hindurch ein anisotropes reaktives Ionenätzen ist.
  8. Verfahren nach Anspruch 1, wobei nach der Durchführung des isotropen Ätzens durch die Schutzschicht hindurch eine zusätzliche TiN-Schicht so über der Trägerschicht aufgebracht wird, daß sie sich in die eine oder die mehreren Öffnungen erstreckt und deren Seitenwände und Boden bedeckt, und wobei ein Teil der zusätzlichen TiN-Schicht, der den Boden der einen oder der mehreren Bohrungen bedeckt, weggeätzt wird und Seitenwand-Abstandsringe in der einen oder den mehreren Bohrungen zurückläßt.
  9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei die obere leitfähige Schicht aus Polysilicium besteht.
  10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei eine leitfähige TiN-Opferschicht über der Schutzschicht gebildet wird, um übermäßiges Ätzen durch die Opferschicht aus ätzbarem Material hindurch zu verhindern.
  11. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, wobei die Elektrodenstruktureine Verbundschicht ist, die physikalisch durch PVD aufgedampfte Ti/TiN/Al/TiN-Unterschichten aufweist.
  12. Verfahren nach Anspruch 11, wobei ein anisotropes Ätzen an den Unterschichten durchgeführt wird, um Elektroden und Zwischenverbindungen für die Mikrostrukturen zu definieren.
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