DE60214939T2

DE60214939T2 - Mikrofluidische Bauelemente

Info

Publication number: DE60214939T2
Application number: DE60214939T
Authority: DE
Inventors: Luc Granby Ouellet; Heather Bromont Tyler
Original assignee: Dalsa Semiconductor Inc
Current assignee: Teledyne Digital Imaging Inc
Priority date: 2001-07-24
Filing date: 2002-07-15
Publication date: 2007-09-06
Anticipated expiration: 2022-07-16
Also published as: US20030022505A1; JP2003175499A; US6825127B2; DE60214939D1; EP1279639A3; EP1279639A2; EP1279639B1

Description

Hintergrund der Erfindung
1. Gebiet der Erfindung
Diese Erfindung betrifft das Herstellen von Mikrostrukturen und genauer ein Verfahren zum Herstellen einer aktiven mikrofluidischen Vorrichtung aus einem mikro-materialbearbeiteten Substrat.
2. Beschreibung der verwandten Technik
Mikrofluidische Vorrichtungen werden in vielen Anwendungen eingesetzt. Es gibt sie in zwei Arten: aktiv und passiv. Typische Beispiele aktiver Vorrichtungen würden Mikro-Detektor/Analyse/Reaktorsysteme; mikrochemische Detektor/Analyse/Reaktorsysteme; mikro-opto-fluidische Systeme; Mikro-Fluid-Zufuhrsysteme; Mikro-Fluid-Verbindungssysteme; Mikro-Fluid-Transportsysteme; Mikro-Fluid-Mischsysteme; Mikro-Ventil/Pumpensysteme; Mikro-Durchfluß/Drucksysteme; Mikro-Fluid-Steuersysteme; Mikro-Heiz/Kühlsysteme; mikrofluidische Verpackung; Mikro-Tintenstrahldruck; Biochips und Laboratory-On-A-Chip-, LOAC-, Vorrichtungen sein. Typischer Beispiele passiver (d.h. Elektronik außerhalb des Chips) Mikrokanäle würden mikrochemische Detektor/Analysesysteme; Mikro-Detektor/Analysesysteme; mikrochemische Detektor/Analysesysteme; mikro-opto-fluidische Systeme; Mikrofluid-Zufuhrsysteme, Mikrofluid-Verbindungssysteme; Mikrofluid-Transportsysteme; Mikrofluid-Mischsysteme; Mikroventil/Pumpensysteme; Mikro-Durchfluß/Drucksysteme; Mikrofluid-Steuersysteme; Mikro-Heiz/Kühlsysteme; mikrofluidische Verpackung, Mikro-Tintenstrahldruck; Biochips und LOAC-Vorrichtungen sein.
Der Stand der Technik zeigt, daß passive mikrofluidische Vorrichtungen mit Mikrokanälen weitgehend aus der Kombination verschiedener Polymersubstrate hergestellt werden, so wie: Acrylnitrylbutadienstyrol-Copolymer, Polycarbonat, Polydimethylsiloxan (PDMS), Polyethylen, Polymethylmethacrylat (PMMA), Polymethylpenten, Polypropylen, Polystyrol, Polysul fon, Polytetrafluorethylen (PTFE), Polyurethan, Polyvinylchlorid (PVC), Polyvinylidinfluorid (PVF) oder anderes Polymer. In diesem Fall wird Lithographie oder mechanisches Stempeln verwendet, um vor dem Zusammenbau und dem thermisch unterstützten Verbinden dieses ersten Substrates mit einem weiteren solchen Substrat ein Netzwerk aus mikrofluidischen Kanälen in einem dieser Substrate zu definieren. Das Ergebnis ist eine einfache passive mikrofluidische Vorrichtung, die mit leitenden Schichten für den Anschluß an einen Prozessor bemustert werden kann, der dazu verwendet wird, Fluidbewegung durch Elektrophorese oder Elektroosmose, Analyse und Datenerzeugung zu bewirken. Die 1a bis 1c des US-Patentes Nr. 6 167 910 zeigen ein Beispiel einer passiven mikrofluidischen Vorrichtung, die aus dem Verschmelzen solcher polymeren Substrate erhalten worden ist.
Der Stand der Technik gibt auch an, daß passive mikrofluidische Vorrichtungen mit Mikrokanälen hergestellt werden können, indem verschiedene mikro-materialbearbeitete Siliciumoxid- oder Quarzsubstrate kombiniert werden. Wieder ist Zusammenbau und Schmelzbinden erforderlich. Das Ergebnis ist eine einfache passive mikrofluidische Vorrichtung, die mit leitenden Schichten zum Anschluß an einen externen Prozessor bemustert werden kann, der dazu verwendet wird, Fluidbewegung durch Elektrophorese oder Elektroosmose, Analyse und Datenerzeugung zu bewirken. 1 des US-Patentes Nr. 6 131 410 zeigt ein Beispiel solcher passiven mikrofluidischen Vorrichtungen mit Mikrokanälen, die aus dem Zusammenschmelzen solcher Siliciumoxidsubstrate erhalten worden sind.
Der Stand der Technik gibt an, daß passive mikrofluidische Vorrichtungen mit Mikrokanälen aus einem passiven mikro-materialbearbeiteten strukturellen Siliciumsubstrat hergestellt werden können. Wiederum ist der Zusammenbau und das Schmelzbinden von wenigstens zwei Unteranordnungen erforderlich. Das Ergebnis ist eine einfache passive mikrofluidische Vorrichtung zum Anschluß an einen externen Prozessor, der verwendet wird, um Fluidbewegung, Analyse und Datenerzeugung zu bewirken. Die 1 bis 3 des US-Patentes Nr. 5 705 018 zeigen ein Beispiel solcher passiven mikrofluidischen Vorrichtungen mit Mikrokanälen, die aus einem passiven mikro-materialbearbeiteten Substrat erhalten worden sind.
Der Stand der Technik offenbart auch, daß aktive mikrofluidische Vorrichtungen (ohne Mikrokanäle) aus einem aktiven mikro-materialbearbeiteten Siliciumsubstrat hergestellt werden können. In diesem Fall wird die Steuerelektronik, die in das Siliciumsubstrat integriert ist, als eine aktive Fluidprozessor- und Kommunikationsvorrichtung auf dem Chip verwendet. Das Ergebnis ist eine anspruchsvolle Vorrichtung, die in vordefinierten Behältern, ohne Mikrokanäle, verschiedene Funktionen der Fluidik, Analyse und (Fern-)Datenkommunikation ohne die Notwendigkeit eines externen Fluidprozessors, der für die Fluidbewegung, Analyse und Datenerzeugung zuständig ist, durchführen kann. 3B des US-Patentes Nr. 6 117 643 zeigt ein Beispiel solcher aktiver mikrofluidischer Vorrichtungen (ohne Mikrokanäle), die aus einem aktiven mikro-materialbearbeiteten Siliciumsubstrat erhalten worden sind.
Die WO 00/12428 offenbart ein Verfahren zum Herstellen einer mikromechanischen Komponente, einschließlich des Herstellens von Öffnungen und Bildens eines Hohlraums, wobei die Öffnungen mit dichtenden Deckeln versiegelt werden und Material auf der oberen Fläche entfernt wird. Das US-Patent Nr. 5 698 112 offenbart eine metallische Schicht, die für mikromechanische Komponenten vorgesehen ist, welche von einer schützenden TiN-Schicht für den Schutz gegen den Einfluß eines Ätzmittels umgeben ist, das verwendet wird, um in einer Opferschicht einen Hohlraum auszuätzen. Eine zusätzliche Schutzschicht wird in den Ätzlöchern, die zum Ätzen des Hohlraumes erzeugt werden, abgeschieden und wird anisotrop erneut geätzt.
Das Papier „Spin Deposition of Polymers over Holes and Cavities (Spin-Abscheidung von Polymeren über Löchern und Hohlräumen)", H. Elderstig u.a., Sensors and Actuators A 46–47 (1995) 95–97, XP004005063 diskutiert, wie Polymere auf einer perforierten Membran Spin-abgeschieden werden können, um die Löcher darin zu versiegeln.
Zusammenfassung der Erfindung
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zum Herstellen einer Mikrostruktur für Anwendungen in der Mikrofluidik zur Verfügung gestellt, das die Schritte aufweist
Bilden einer Schicht eines ätzbaren, sich verbrauchenden Materials auf einem Substrat;
Erzeugen einer mechanisch stabilen Trägerschicht über dem ätzbaren, sich verbrauchenden Material;
Abscheiden einer ersten TiN-Schutzschicht über der Trägerschicht;
Ausführen eines anisotropen, reaktiven Ionenätzens, um ein Muster von Löchern durch die Trägerschicht und die erste TiN-Schutzschicht zu bohren, wobei das Muster von Löchern auf einem geplanten Weg eines durchgehenden Mikrokanals liegt, der im Inneren des Material erzeugt werden soll;
Abscheiden einer zweiten TiN-Schutzschicht auf der ersten TiN-Schutzschicht, um an den Seitenwänden der Löcher Abstandhalter zu bilden;
Ausführen einer isotropen Ätzung durch jedes dieser Löcher, um einen korrespondierenden Hohlraum in dem ätzbaren Material unter jedem dieser Löcher zu erzeugen, wobei sich der entsprechende Hohlraum unter der Trägerschicht erstreckt;
Entfernen der TiN-Schutzschichten und
Abscheiden einer Schicht aus Siliziumdioxid auf der Trägerschicht mit Hilfe der PECVD, so daß, während die Schicht aus Siliziumdioxid auf der Trägerschicht wächst, sich überhängende Abschnitte der Siliziumdioxidschicht treffen, um jedes Loch zu verschließen.
Diese Erfindung betrifft eine verbesserte Mikro-Materialbearbeitungstechnik, die typischerweise eine maximale Bearbeitungstemperatur von weniger als 500°C verwendet, um mikrofluidische Elemente und Mikrokanäle über einer aktiven Halbleitervorrichtung herzustellen, was somit zu integrierten aktiven mikrofluidischen Vorrichtungen mit Mikrokanälen führt. Das Herstellen von mikrofluidischen Vorrichtungen mit Mikrokanälen erfordert die Herstellung von mikrofluidischen Elementen und Mikrokanälen für das Behandeln von Fluiden.
Die Löcher sollten im allgemeinen derart beabstandet sein, daß sich nach dem isotropen Ätzen die Hohlräume überlappen, um die Mikrokanäle zu bilden. Bei einer Ausführungsform können sie weiter voneinander entfernt gesetzt werden, um Pfeiler zwischen den Hohlräumen zu bilden. Die Ausführungsform ist zweckmäßig bei der Herstellung von Mikrofiltern.
Die Erfindung erlaubt das Herstellen aktiver mikrofluidischer Vorrichtungen mit Mikrokanälen aus einem aktiven mikro-materialbearbeiteten Siliciumsubstrat direkt über einer komplementären Metall-Oxid-Halbleitervorrichtung, CMOS-Vorrichtung, oder einer Hochspannungs-CMOS-(oder BCD-)Vorrichtung.
CMOS-Vorrichtungen sind für sehr geringe Erfassungspegel geeignet, eine wichtige Voraussetzung, um die elektronische Kapazitätserfassung (Identifikation) von Objekten in Suspension in den Fluiden mit geringen Signalpegeln durchzuführen. CMOS-Vorrichtungen können die erforderliche Datenverarbeitung und (Fern-)Kommunikationsfunktionen durchführen.
Hochspannungs-CMOS-(oder Bipolar-CMOS-DMOS, BCD)-Vorrichtungen mit adäquaten Betriebsspannungen und Betriebsströmen sind in der Lage, die erforderliche Mikrofluidik in den Mikrokanälen durchzuführen und die Integration eines vollständigen Konzeptes Laboratory-On-A-Chip zu ermöglichen.
Diese Erfindung benutzt eine verbesserte Mikro-Materialbearbeitungstechnik, die verwendet wird, um die CMOS- und Hochspannungs-CMOS-(oder BCD-)Vorrichtungen in die Mikromaterialbearbeitungsschritten zu integrieren, was die Herstellung der mikrofluidischen Elemente und Mikrokanäle bei einer maximalen Bearbeitungstemperatur erlaubt, die 500°C nicht überschreitet, ohne die Verwendung eines zweiten Substrats und ohne den Einsatz thermischen Bindens. Die maximale Bearbeitungstemperatur von 500°C verhindert die Qualitätsminderung der darunterliegenden CMOS- und Hochspannungs-CMOS-(oder BCD-)Vorrichtungen und beugt jeglichen mechanischen Problemen vor, so wie plastischer Deformation, Abschälen, Rißbildung, Delaminierung und anderer solcher mit hoher Temperatur in Verbindung stehender Probleme bei den dünnen Schichten, die bei der Mikromaterialverarbeitung der mikrofluidischen Vorrichtung verwendet werden.
Die Kombination aus neuen Materialien, wie beschrieben, ist untypisch für mikroelektromechanische Systeme (MEMS), die typischerweise Polysilicium aus chemischer Gasabscheidung bei niedrigem Druck, LPCVD-Polysilicium, und Siliciumoxid aus plasmagestützter chemischer Dampfabscheidung, PECVD-SiO₂, in Kombination verwenden. Die Verwendung von Polysilicium aus LPCVD ist wegen seiner erforderlichen Abscheidetemperatur von mehr als 550°C verboten.
Ein innovatives, sich verbrauchendes Material ist Titannitrid aus kollimierter reaktiver physikalischer Gasabscheidung, TiN aus CRPVD. Dieses sich verbrauchende TiN-Material aus CRPVD hat ausgezeichnete mechanische Eigenschaften, ausgezeichnete Selektivität für isotrope Naßätzlösungen, die verwendet werden, um die Mikrokanäle in dicken Schichten von SiO₂ aus PECVD, plasmagestützter chemischer Gasabscheidung, zu definieren, und eine Abscheidetemperatur von ungefähr 400°C.
Kurzbeschreibung der Zeichnungen
Die Erfindung wird nun in weiteren Einzelheiten nur beispielhaft mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben, in denen:
1 eine Zwischenstufe bei der Herstellung einer mikrofluidischen Vorrichtung bis zu und einschließlich Schritt 6 der Mikromaterialbearbeitungssequenz veranschaulicht;
2 Schritt 7 der Mikromaterialbearbeitungssequenz veranschaulicht;
3 Schritt 8 der Mikromaterialbearbeitungssequenz veranschaulicht;
4 Schritt 9 der Mikromaterialbearbeitungssequenz veranschaulicht;
5 Schritt 10 der Mikromaterialbearbeitungssequenz veranschaulicht;
6 Schritt 11 der Mikromaterialbearbeitungssequenz veranschaulicht;
7 Schritt 12 der Mikromaterialbearbeitungssequenz veranschaulicht;
8 Schritt 13 der Mikromaterialbearbeitungssequenz veranschaulicht;
9 rasterelektronenmikrographische SEM (Scanning Electron Micrograph) Querschnittsansichten und Draufsichten zeigt, welche den Verschluß der Mikrokanäle mit SiO₂ aus PECVD zeigen;
10 eine rasterelektronenmikrographische, SEM, Querschnittsansicht eines Mikrokanals zeigt, der mit dem Punktlinien-Loch-Ansatz erhalten worden ist;
11 eine rasterelektronenmikrographische SEM, Draufsicht auf einen Mikrokanal zeigt, der mit dem Punktlinien-Loch-Ansatz erhalten worden ist;
12 eine rasterelektronenmikrographische, SEM, Querschnittsansicht einer Anzahl unabhängiger Mikrokanäle zeigt, die mit dem Punktlinien-Loch-Ansatz erhalten worden sind;
13 eine rasterelektronenmikrographische, SEM, Draufsicht auf eine Anzahl unabhängiger Mikrokanäle zeigt, die mit dem Punktlinien-Loch-Ansatz erhalten worden sind;
14 eine rasterelektronenmikrographische, SEM, Draufsicht auf einen großen Kugelraum zeigt, der aus einer Matrix unabhängiger Löcher erhalten worden ist (die obere Schicht ist mechanisch entfernt worden, um die darunterliegenden Merkmale zu betrachten);
15 die Draufsicht auf einen Mikrokanal in T-Form ist, wobei der Punktlinien-Loch-Ansatz verwendet wird;
16 eine Draufsicht von sich schneidenden Mikrokanälen ist, wobei der Punktlinien-Loch-Ansatz verwendet wird;
17 eine Draufsicht auf einen gewinkelten Mikrokanalteiler ist, wobei der Punktlinien-Loch-Ansatz verwendet wird;
18 eine Draufsicht auf einen divergierenden/konvergierenden Mikrokanal ist, wobei der Punktlinien-Loch-Ansatz verwendet wird; und
19 eine Draufsicht auf ein Beispiel eines Filters ist, wobei der Punktlinien-Loch-Ansatz verwendet wird (je dünner das Oxid ist, desto kleiner ist der Abstand zwischen den Löchern und desto feiner der Filter).
Genaue Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen
Die Herstellungsschritte für mikrofluidische Vorrichtungen mit Mikrokanälen über existierenden CMOS- und Hochspannungs-CMOS-(oder BCD-)Vorrichtungen sind in unserem US-Patent Nr. 6 602 791 beschrieben.
Bei einem anfänglichen vorbereitenden Schritt, Schritt 0, wird ein CMOS-Prozeß verwendet, um eine Halbleitervorrichtung 10 (1) herzustellen, welche eine Zwischenschicht als dielektrische Isolation (ILD) 12 zwischen der letzten Ebene 14 des Polysiliciums aus LPCVD und der ersten Ebene des Metalls oder alternativ zwischen der ersten Ebene des Metalls und der zweiten Ebene des Metalls umfaßt. Die dielektrische Isolation 12 liegt vor dem Beginn der Mikromaterialbearbeitungsschritte vor, die beschrieben werden. Eine Öffnung wird durch diese dielektrische Isolation 12 geführt, um die Bereiche der letzten Polysiliciumschicht aus LPCVD oder der ersten metallischen Ebene zu erreichen, die als eine Elektrode, die mit den Hochspannungs-CMOS-Vorrichtungen für die Fluidbewegung verbunden ist, verwendet werden wird.
Im Schritt 1 des Mikromaterialbearbeitungsprozesses wird eine Schicht 16 aus Si₃O₄ aus PECVD, ungefähr 0.10 μm dick, bei 400°C abgeschieden. Im Schritt 2 wird eine Schicht 18 aus TiN aus CRPVD, ungefähr 0.10 μm, bei 400°C abgeschieden. Im Schritt 3 wird eine Schicht 20 aus SiO₂ aus PECVD, ungefähr 10.0 μm dick, bei 400°C abgeschieden.
Als nächstes wird im Schritt 4 eine Schicht 22 aus TiN aus CRPVD, ungefähr 0.10 μm dick, bei 400°C abgeschieden. Im Schritt 5 wird eine Schicht 24 aus Si₃N₄ aus PECVD, ungefähr 0.40 μm dick, bei 400°C abgeschieden. Im Schritt 6 wird eine Schicht 26 aus TiN aus CRPVD, ungefähr 0.20 μm dick, bei 400°C abgeschieden.
Im Schritt 7, in 2 gezeigt, wird die erste Mikromaterialbearbeitungsmaske aufgelegt, um den MEMS-Bereich zu definieren. Diesem folgt das anisotrope Reaktivionenätzen (anisotropes RIE) des Sandwich TiN aus CRPVD/Si₃N₄ aus PECVD/TiN aus CRPVD, gefolgt durch das partielle anisotrope RIE der Schicht 20 aus SiO₂ aus PECVD, was eine Restschulter 20a hinterläßt.
Im Schritt 8, in 3 gezeigt, wird die zweite Mikromaterialbearbeitungsmaske aufgelegt, um die isotropen Naßätzöffnungen 29 zu definieren, gefolgt von dem anisotropen RIE des Sandwich aus TiN aus CRPVD/Si₃N₄ aus PECVD/TiN aus CRPVD und gefolgt von dem Vollenden des anisotropen RIE des SiO₂ aus PECVD außerhalb des MEMS-Bereichs, um den Boden 28 der TiN-Schicht aus CRPVD zu erreichen. Der Grad des Eindringens der Öffnung 29 in die Schicht 20 aus SiO₂ aus PECVD des zukünftigen Mikrokanals ist nicht kritisch.
Im Schritt 9, in 4 gezeigt, wird eine Schicht aus TiN aus CRPVD 30, ungefähr 0.10 μm dick, bei 400°C abgeschieden.
Im Schritt 10, in 5 gezeigt, wird ein anisotropes Reaktivionenätzen (RIE) des TiN aus CRPVD, welches Abstandhalter 32 aus TiN aus CRPVD auf vertikalen Seitenwänden liefert, durchgeführt, um die Öffnungen dort zu bilden, wo ein isotropes Naßätzen durchgeführt werden wird.
Im Schritt 11, in 6 gezeigt, wird das isotrope Naßätzen der Schicht 20 aus SiO₂ aus PECVD durchgeführt, indem entweder eine Mischung aus Ethylenglykol, C₂H₄O₂H₂, Ammoniumfluorid, NH₄F und Essigsäure CH₃COOH oder als Alternative eine Mischung aus Ammoniumfluorid, NH₄F, Fluorwasserstoffsäure, HF, und Wasser, H₂O, verwendet wird, um so genau die Mikrokanäle zu definieren. Diese zwei isotropen Naßätzungen sind selektiv auf TiN aus CRPVD, das verwendet wird, um die obere Schicht aus Si₃N₄ aus PECVD zu schützen. Anschließend an das isotrope Naßätzen wird der Sandwich aus TiN aus CRPVD/Si₃N₄ aus PECVD/TiN aus CRPVD über den Mikrokanälen suspendiert. Die mechanischen Eigenschaften und relative Dicke der Schichten aus TiN aus CRPVD und Si₃N₄ aus PECVD werden so eingestellt, daß die Struktur mechanisch stabil ist, d. h. sich über dem definierten Mikrokanal nicht nach oben biegt oder nach unten biegt, nicht die Kanten des darunter liegenden SiO₂ aus PECVD abschält und nicht einreißt oder zusammenfällt.
Im Schritt 12, in 7 gezeigt, wird das isotrope nasse Entfernen des TiN aus CRPVD durchgeführt, indem eine Mischung aus Ammoniumhydroxid, NH₄OH, Wasserstoffperoxid, H₂O₂, und Wasser, H₂O, verwendet wird. Dieses isotrope nasse Entfernen ist selektiv für das SiO₂ aus PECVD und für das Si₃N₄ aus PECVD. Dieser Schritt führt zum Bilden des Hohlraums 34, welcher den Mikrokanal bildet, der sich aus der Zeichenebene erstreckt. Anschließend an das isotrope Naßätzen wird die Schicht aus Si₃N₄ aus PECVD über den Mikrokanälen so suspendiert, daß ihre mechanischen Eigenschaften und Dicke so eingestellt sind, daß die Schicht mechanisch stabil ist, d. h. sich über dem definierten Mikrokanal nicht nach oben biegt oder nach unten biegt, die Kanten des darunter liegenden SiO₂ aus PECVD nicht abschält, nicht einreißt oder zusammenfällt.
In Schritt 13, in 8 gezeigt, wird das Verschließen der Öffnung 29 mit dem Abscheiden einer Schicht 35 aus SiO₂ aus PECVD, ungefähr 1.40 μm dick, bei einer Temperatur von 400°C durchgeführt. Dies ist möglich, da das natürliche Überhängen von SiO₂ aus PECVD auf vertikalen Flächen ein seitliches Wachstum abgeschiedenen Materials auf diesen Flächen und schließlich ein Verschließen der Öffnungen erlaubt. Dieser Verschluß der Öffnungen 29 mit SiO₂ aus PECVD ist wichtig, da er die Bildung eines eingeschlossenen Mikrokanals erlaubt, ohne die Notwendigkeit, zwei Substrate zu verbinden, und die Herstellung aktiver Mikroka näle ermöglicht, im Gegensatz zu offenen Mikrobehältern. Etwas SiO₂-Material aus PECVD wird an dem Boden des Mikrokanals über der Elektrode abgeschieden.
9 zeigt rasterelektronenmikrographische, SEM, Querschnittansichten und Draufsichten, welche den Verschluß des Mikrokanals mit SiO₂ aus PECVD zeigen.
Die Bilder sind für die SEM-Demonstration des Verschlusses der langen und engen Öffnungen über den Mikrokanälen.
Soweit ist der Ansatz ähnlich dem, der in unserer ebenfalls anhängigen Anmeldung beschrieben ist, auf die oben Bezug genommen wurde. Bei dieser ebenfalls anhängigen Anmeldung liegen die Öffnungen 29 (3) in der Form langer und enger Kanäle vor. Die Herstellung von mikrofluidischen Vorrichtungen mit Mikrokanälen über existierenden CMOS und Hochspannungs-CMOS-(oder BCD-)Vorrichtungen kann verbessert werden, indem die langen und engen Kanäle durch eine Anzahl von "Punktlinien-Löchern" ersetzt werden, welche sich entlang dem Weg der Kanäle erstrecken, wie es hiernach beschrieben ist. Die Löcher werden in derselben Weise wie die Kanäle mit der Hilfe einer geeigneten Maske gebildet. Dieser Ansatz hat den Vorteil, daß er viel flexibler ist, da die Punktlinien-Löcher verwendet werden können, um eine große Vielfalt von eingeschlossenen mikrofluidischen Elementen zu erzeugen. Da die Löcher geringe Durchmesser haben, sind sie leicht zu verschließen, und die Löcher sind nahe genug, daß nach dem nassen isotropischen Ätzen (Schritt 11, 6) sich die geätzten Hohlräume überlappen, um einen kontinuierlichen Kanal zu bilden, der sich unter dem Weg der Löcher erstreckt. Die Löcher werden in derselben Weise verschlossen wie die Kanäle, wie es mit Bezug auf 8 beschrieben ist. Die Öffnung 29, die in 3 veranschaulicht ist, kann als eine aus einer Anzahl von Löchern gedacht werden, die sich normal zu der Ebene des Papiers erstrecken, anstelle eines kontinuierlichen Kanals, wie in der ebenfalls anhängigen Anmeldung.
Somit, anstatt daß eine kontinuierliche lange und enge Öffnung gebildet wird (Schritt 8, 3), wird eine Anzahl präzise angeordneter Löcher minimaler Größe, beabstandet durch eine maximale vorbestimmte Entfernung gebildet. Die Öffnungen dieser präzise angeordneten Löcher erlauben auch das Naßätzen (Schritt 11, 6) von Mikrokanälen, da der vorbestimmte Abstand zwischen den Löchern das Ätzüberlappen in der Richtung der ausgerichteten Löcher erlaubt.
Die Lochgröße der Anzahl der ausgerichteten Löcher sollte minimiert werden und bevorzugt ungefähr 0.8 μm sein. Die Lochgröße kann im Bereich zwischen 0.3 μm und 5.0 μm sein. Je kleiner die Größe des Lochs, desto einfacher der Verschluß.
Der maximale vorbestimmte Abstand zwischen benachbarten Löchern einer Anzahl ausgerichteter Löcher, die verwendet werden sollen, um einen unterliegenden Mikrokanal zu definieren, sollte minimiert werden. Er ist bevorzugt ungefähr 2.0 μm und kann im Bereich zwischen 0.8 μm und 10.0 μm sein. Wenn der maximale Abstand zwischen benachbarten Löchern kleiner gehalten wird als ein vorbestimmter Wert, welcher von der Dicke des SiO₂ aus PECVD abhängt (Schritt 3), haben die sich ergebenden Mikrokanäle glatte Seitenwände mit minimalen Riffeln und sind sogar leichter mit SiO₂ aus PECVD zu verschließen (Schritt 13, 8) als äquivalente lange und enge Öffnungen.
Der vorbestimmte Abstand zwischen benachbarten Löchern kann absichtlich vergrößert werden, um Restpfeiler zwischen den beiden naßgeätzten Bereichen zur Verwendung beispielsweise als mechanische Filter zu hinterlassen. In diesem Fall muß der Abstand zwischen benachbarten Löchern größer sein als die Dicke des SiO₂ aus PECVD (Schritt 3), das naßgeätzt werden soll. Die Dicke des SiO₂ aus PECVD (Schritt 3), das naßgeätzt werden soll, ist bevorzugt ungefähr 8.0 μm, kann jedoch im Bereich zwischen 1.0 und 100.0 μm liegen.
Der Mikrokanal, der mit dem Punktlinien-Loch-Ansatz erhalten werden kann, kann gerade sein oder kann einer gekrümmten Linie in der Ebene des Substrats folgen. In dem Fall werden die Punktlinien-Löcher in einer gekrümmten Linie angeordnet, um so die Bildung des geforderten gekrümmten Mikrokanals zu erlauben.
Die "Punktlinien-Löcher" können verwendet werden, um "Kugelräume" aus Matrizen unabhängiger Löcher herzustellen. Die Kugelräume können irgendeine Form haben und können eine variierende Größe haben, einschließlich recht großer Größen. In dem Fall eines groß bemessenen Kugelraums muß die kompressive oder ziehende mechanische Belastung der oberen Schichtstruktur (TiN aus CRPVD/Si₃N₄ aus PECVD/TiN aus CRPVD) minimal sein, bevorzugt geringer als 1000 MPa, um das Delaminieren oder Reißen der Struktur während des Naßätzens des darunterliegenden SiO₂ aus PECVD zu verhindern.
10 zeigt eine rasterelektronenmikrographische, SEM, Querschnittsansicht eines Mikrokanals, der mit dem Punktlinien-Loch-Ansatz erhalten worden ist. Das Bild dient lediglich SEM-Zwecken. In diesem Fall wurde der Schritt 9 nicht durchgeführt, um gegen das seitliche Ätzen der Öffnung zu schützen.
11 zeigt eine rasterelektronenmikrographische, SEM, Ansicht eines Mikrokanals, der mit Punktlinien-Löchern erhalten worden ist. Der Hohlraum 34 kann deutlich unter dem entsprechenden Loch 40 gesehen werden. Die Hohlräume, die mit jedem Loch verbunden sind, überlappen, um den Mikrokanal zu bilden.
12 zeigt eine rasterelektronenmikrographische, SEM, Querschnittsansicht einer Anzahl unabhängiger Mikrokanäle, die mit dem Punktlinien-Loch-Ansatz erhalten worden sind.
13 zeigt eine rasterelektronenmikrographische, SEM, Draufsicht auf eine Anzahl unabhängiger Mikrokanäle, die mit dem Punktlinien-Loch-Ansatz erhalten worden sind.
14 zeigt eine rasterelektronenmikrographische, SEM, Draufsicht auf einen groß bemessenen "Kugelraum", der aus einer Matrix unabhängiger Löcher erhalten worden ist. Die obere Schicht wurde mechanisch entfernt, um die darunterliegenden Merkmale freizulegen.
Es wird verstanden werden, daß die veranschaulichten Strukturen für SEM-Zwecke hergestellt worden sind und keine tatsächlichen Vorrichtungen darstellen.
15 zeigt ein Punktlinien-Loch-Layout für die Herstellung eines T-förmigen Mikrokanals mit dem Punktlinien-Loch-Ansatz. Die Löcher 40 sind in dem Werkstück, das in 8 gezeigt ist, in der Form eines T dargestellt. Wenn das anschließende isotrope Naßätzen (3) durchgeführt wird, überlappen sich die geätzten Hohlräume und bilden den T-förmigen Kanal 42. Dieser wird in derselben Weise verschlossen wie der einzelne Hohlraum, der mit Bezug auf 8 beschrieben ist.
16 zeigt die Bildung einer Kanalkreuzung 46 mit einer kreuzförmigen Anordnung von Löchern 40. Der Grundsatz ist derselbe wie bei 15. Nach dem nassen isotropen Ätzen überlappen die Ätzhohlräume, welche die Mikrokanäle 46 bilden. Diese werden in derselben Weise wie oben beschrieben verschlossen.
17 veranschaulicht die Herstellung eines gewinkelten Mikrokanal-Teilers 48, 18 veranschaulicht die Herstellung eines divergierenden/konvergierenden Mikrokanals 50 und 19 veranschaulicht die Herstellung eines Filters 52. Im letzteren Fall sind die Löcher 40 in einem Muster verteilt, daß nach dem Ätzen zu einem Muster von Hohlräumen 52 führt, welche den Filter bilden.
Viele Varianten der oben beschriebenen Strukturen werden den Fachleuten deutlich werden. Das Substrat könnte überhaupt keine aktive Vorrichtung haben und als ein passives Substrat verwendet werden. Beispiele geeigneter Substrate sind: Silicium, Quarz, Saphir, Aluminiumoxid, Acrylonitril-Butadien-Styrol-Copolymer, Polycarbonat, Polydimethylsiloxan (PDMS), Polyethylen, Polymethylmethacrylat (PMMA), Polymethylpenten, Polypropylen, Polystyrol, Polysulfon, Polytetrafluorethylen (PTFE), Polyurethan, Polyvinylchlorid (PVC), Polyvinylidinfluorid (PVF).
Das Substrat könnte verschiedene Typen von Niederspannungsvorrichtungen enthalten, einschließlich: sensitiver MOS vom N-Typ, sensitiver MOS vom P-Typ, bipolares Hochgeschwindigkeits-NPN, bipolares Hochgeschwindigkeits-PNP, bipolares NMOS, bipolares PMOS oder irgendeine andere Halbleitervorrichtung, die zur Erfassung niedriger Signale und/oder zum Hochgeschwindigkeitsbetrieb in der Lage ist.
Das Substrat könnte verschiedene Typen von Hochspannungsvorrichtungen enthalten, einschließlich: MOS vom N-Typ mit Double Diffused Drain, MOS vom P-Typ mit Double Diffused Drain, MOS vom N-Typ mit Extended Drain, MOS vom P-Typ mit Extended Drain, bipolares NPN, bipolares PNP, bipolares NMOS, bipolares PMOS, bipolares CMOS-DMOS (BCD), Trench-MOS oder irgendeine andere Halbleitervorrichtung, die zum Hochspannungsbetrieb bei Spannungen, die im Bereich von 10 bis 2.000 Volt liegen, in der Lage ist.
Das Substrat könnte einen Verbund-Haltleiterbereich haben, der zu optoelektronischen Funktionen auf dem Chip, so wie Laseremission und Lichterfassung, in der Lage ist. In dem Fall könnte das Substrat sein: Silizium mit solchen optoelektronischen Funktionen auf dem Chip, III-V-Verbindungshalbleiter, II-VI-Verbindungshalbleiter, II-IV-Verbindungshalbleiter oder Kombinationen aus II-III-IV-V-Halbleitern.
Die untere Polysilicium- oder Aluminiumlegierungs-Kondensatorelektrode des Schritts 0 könnte durch irgendwelche anderen leitenden Schichten ersetzt werden, so wie: Kupfer, Gold, Platin, Rhodium, Wolfram, Molybdän, Siliciden oder Polyciden.
Die untere Schicht aus Si₃N₄, die im Schritt 1 definiert worden ist, könnte dicker oder dünner gemacht werden, wenn die Selektivität des Naßätzens des Schrittes 11 schlechter oder besser ist, um das übermäßige Ätzen der Elektrode zu verhindern, die sich unter dieser Schicht aus Si₃N₄ befindet, oder sie könnte einfach weggelassen werden, wenn das Fluid in physikalischem Kontakt mit der Elektrode sein muß, die sich unter dieser Schicht aus Si₃N₄ befindet.
Die sich aufbrauchende TiN-Schicht, die im Schritt 2 definiert ist, könnte dicker, dünner gemacht werden oder einfach weggelassen werden, wenn die Selektrivität des Naßätzens im Schritt 11 schlechter, besser oder einfach gut genug ist, um das übermäßige Ätzen des Materials zu verhindern, das sich aus dieser aufbrauchenden Schicht aus TiN befindet, oder sie könnte einfach weggelassen werden, wenn das Fluid, das innerhalb des Mikrokanals vorliegen soll, in physikalischem Kontakt mit der Elektrode sein muß, die sich unter dieser Schicht aus TiN befindet.
Das SiO₂-Material des Mikrokanals, der im Schritt 3 definiert worden ist, könnte dicker oder dünner als 10.0 μm gemacht werden, abhängig von der erforderlichen Größe des Mikrokanals.
Das SiO₂-Material des Mikrokanals, der im Schritt 3 definiert wird, könnte durch einen abgeschiedenen dünnen/dicken Polymerfilm ersetzt werden (wobei Plasmapolymerisation oder andere Dünn/Dick-Polymerfilmabscheidetechniken verwendet werden), so wie: Acrylonitril-Butadien-Styrol-Copolymer, Polycarbonat, Polydimethylsiloxan (PDMS), Polyethylen, Polymethylmetacrylat (PMMA), Polymethylpenten, Polypropylen, Polystyrol, Polysulfon, Polytetrafluorethylen (PTFE), Polyurethan, Polyvinylchlorid (PVC), Polyvinylfluorid (PVF). In diesem Fall könnte ein geeignetes isotropes Naßätzen, das selektiv in bezug auf die anderen Schichten ist, eingesetzt werden, um den Mikrokanal in dem Dünn/Dick-Polymerfilm zu definieren. Niedrigere Metallisierungstemperaturen müßten verwendet werden, um die thermische Zersetzung der polymeren Filme zu verhindern.
Das SiO₂-Material des Mikrokanals, der im Schritt 3 definiert worden ist, könnte durch eine Im Spin-Verfahren aufgebrachte Polyimid-Schicht ersetzt werden. In diesem Fall sollte ein isotropisches Naßätzen, das selektiv für die anderen Schichten ist, verwendet werden, um die Bildung des Mikrokanals in dem Polyimidfilm zu erlauben.
Niedrigere Metallisierungstemperaturen sollten in diesem Fall verwendet werden, um die thermische Zersetzung des Polyimidfilms zu verhindern.
Das SiO₂-Material des Mikrokanals, der im Schritt 3 definiert worden ist, könnte mit verschiedenen Elementen legiert werden, so wie: Wasserstoff, Bor, Kohlenstoff, Stickstoff, Fluor, Aluminium, Phosphor, Chlor oder Arsen.
Das SiO₂-Material aus PECVD des Mikrokanals, der im Schritt 3 definiert worden ist, könnte durch andere Techniken als PECVD abgeschieden werden, einschließlich: chemischer Gasphasenabscheidung bei Niederdruck, LPCVD, metallorganische chemische Gasphasenabscheidung, MOCVD, Elektronen-Zyklotron-Resonanzabscheidung, ECRD, Hochfrequenz-Sputterabscheidung, RFSD.
Die sich aufbrauchende Schicht aus TiN, die im Schritt 4 definiert ist, könnte dicker, dünner gemacht werden oder einfach weggelassen werden, wenn die Selektivität des Naßätzens im Schritt 11 schlechter, besser oder einfach gut genug ist, um das übermäßige Ätzen des Materials zu verhindern, das sich über dieser sich aufbrauchenden Schicht aus TiN befindet.
Das sich aufbrauchende TiN, das im Schritt 4, im Schritt 6 und im Schritt 9 definiert worden ist, könnte durch andere Opferschichten ersetzt werden, welche: a) mechanische Eigenschaften haben, welche Verwerfen, Delaminierung, Reißen oder andere Verschlechterung der aufgehängten Strukturen, die im Schritt 11 erhalten worden sind, verhindern, und b) ausgezeichnete Selektivität gegenüber isotropen Naßätzlösungen haben, die verwendet werden, um die Mikrokanäle im Schritt 11 zu definieren.
Das sich aufbrauchende TiN aus CRPVD, das im Schritt 4, im Schritt 6 und im Schritt 9 definiert worden ist, könnte durch andere Techniken abgeschieden werden, welche umfassen: metallorganische chemische Gasphasenabscheidung, MOCVD, chemische Gasphasenabscheidung bei Niederdruck, LPCVD, plasmagestützte chemische Gasphasenabscheidung, PECVD, Long-Through-Abscheiden, LTD, Hohlkathodenabscheiden, HCD, und Hochdruck-Ionisationsabscheiden, HPID.
Die obere Schicht aus Si₃N₄, die im Schritt 5 definiert ist, könnte dicker oder dünner als 0.40 μm gemacht werden, abhängig von ihren mechanischen Eigenschaften und von den mechanischen Eigenschaften der umgebenden Materialien, um mechanischen Problemen vorzubeugen, so wie plastischer Deformation, Abschälen, Reißen, Delaminieren und weiterer solcher Probleme im Schritt 11.
Die sich aufbrauchende Schicht aus TiN, die im Schritt 6 definiert worden ist, könnte dicker, dünner gemacht werden oder einfach weggelassen werden, wenn die Selektivität des Naßätzschritts des Schritts 11 schlechter, besser oder einfach gut genug ist, um das übermäßige Ätzen des Materials zu verhindern, daß sich unter dieser sich aufbrauchenden Schicht aus TiN befindet.
Das teilweise anisotrope RIE, das im Schritt 7 definiert ist, könnte weggelassen werden, wenn es keine Notwendigkeit gibt, in der Vorrichtung MEMS-Bereiche und Nicht-MEMS-Bereiche zu definieren.
Das Abscheiden und teilweise RIE des TiN aus CRPVD, das jeweils im Schritt 9 und im Schritt 10 definiert ist, was für 'Abstandhalter' aus TiN aus CRPVD auf vertikalen Seitenwänden der Öffnungen sorgt, könnte weggelassen werden, wenn die Selektivität des Naßätzens im Schritt 11 derart ist, daß es keine Notwendigkeit für 'Abstandhalter' aus TiN aus CRPVD auf den vertikalen Seitenwänden der Öffnungen gibt. Die sich aufbrauchende Schicht aus TiN, die in Schritt 9 definiert ist, könnte dicker oder dünner gemacht werden, wenn die Selektivität des Naßätzens im Schritt 11 schlechter oder besser ist, um das übermäßige Ätzen des Materials zu verhindern, daß sich hinter dieser sich aufbrauchenden Schicht aus TiN befindet.
Das nasse isotrope Ätzen des SiO₂ aus PECVD, das im Schritt 11 definiert ist, könnte durchgeführt werden, indem andere Flüssigkeitsmischungen als entweder: a) das C₂H₄O₂H₂, NH₄F und CH3₃COOH oder als Alternative b) NH₄F, HF und H₂O verwendet werden, um genau die Mikrokanäle zu definieren. Irgendwelche anderen isotropen Naßätzprozesse für das SiO₂ aus PECVD könnten verwendet werden, wenn sie ausreichend selektiv für die Bodenschicht des Schritts 1 sind (oder für die untere Elektrode, wenn keine solche untere Schicht verwendet wird) und für die Kombination aus Schichten, die während dieses isotropen Naßätzens suspendiert werden.
Das isotrope nasse Entfernen des TiN aus CRPVD, das im Schritt 12 definiert ist, könnte weggelassen werden, wenn es keinen Einsatz von sich verbrauchenden TiN aus CRPVD in der Abfolge gibt.
Das isotrope nasse Entfernen des TiN aus CRPVD, das im Schritt 12 definiert ist, könnte durchgeführt werden, indem andere Flüssigkeitsmischungen als NH₄OH, H₂O₂ und H₂O verwendet werden, wenn das isotrope nasse Entfernen für das SiO₂ aus PECVD und für die anderen Schichten in Kontakt mit dem isotropen nassen Entfernen selektiv ist.
Das SiO₂-Material des Mikrokanals, das im Schritt 13 definiert ist, 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, das im Schritt 13 definiert ist, könnte mit verschiedenen Elementen legiert werden, so wie: Wasserstoff, Bor, Kohlenstoff, Stickstoff, Fluor, Aluminium, Phosphor, Chlor oder Arsen.
Die fluidischen Komponenten, die bearbeitet werden sollen, indem der Punktlinien-Loch-Ansatz verwendet wird, können ohne Beschränkungen auf Mikrokanäle in T-Form; sich schneidende Mikrokanäle; sich aufteilende Mikrokanäle; konvergierende Mikrokanäle; divergierende Mikrokanäle; Mikrokanäle mit variabler Breite; Filter angewendet werden, und können auch für Mikro-Erfassungs/Analyse/Reaktoren; mikrooptofluidische Systeme; Mikrofluidliefernde Systeme; Mikro-Fluid-Verbindungssysteme; Mikro-Fluid-Transportsysteme; Mikro-Fluid-Mischsysteme; Mikroventile/Pumpensysteme; Mikro-Durchfluß/Drucksysteme; Mikro-Fluid-Steuersysteme; Mikro-Heiz/Kühlsysteme; mikrofluidische Verpackungen; Mikro-Tintenstrahldrucken, Laboratory-On-A-Chip, LOAC, -Vorrichtungen; MEMS, welche umschlossene Mikrokanäle erfordern; und MEMS, welche Mikrokanäle erfordern, verwendet werden.
Ein wichtiger Vorteil des neu beschriebenen Punktlinien-Loch-Ansatzes ist seine Flexibilität.

Claims

Verfahren zum Herstellen einer Mikrostruktur für Anwendungen in der Mikrofluidik, umfassend die Schritte: Erzeugen einer Schicht eines ätzbaren, sich verbrauchenden Materials auf einem Substrat; Erzeugen einer mechanisch stabilen Trägerschicht über dem ätzbaren, sich verbrauchenden Material; Abscheiden einer ersten TiN-Schutzschicht über der Trägerschicht; Ausführen eines anisotropen, reaktiven Ionenätzens, um ein Muster von Löchern durch die Trägerschicht und die erste TiN-Schutzschicht zu bohren, wobei das Muster von Löchern auf einem geplanten Weg eines durchgehenden Mikrokanals liegt, der im Inneren des Materials erzeugt werden soll; Abscheiden einer zweiten TiN-Schutzschicht auf der ersten TiN-Schutzschicht, um an den Seitenwänden der Löcher Abstandhalter zu erzeugen; Ausführen einer isotropen Ätzung durch jedes dieser Löcher, um einen korrespondierenden Hohlraum in dem ätzbaren Material unter jedem dieser Löcher zu erzeugen wobei der entsprechende Hohlraum sich unter der Trägerschicht ausstreckt; Entfernen der TiN-Schutzschichten und Abscheiden einer Schicht von Siliciumdioxid auf der Trägerschicht mit Hilfe der PECVD, so dass während die Schicht des Siliciumdioxids auf der Trägerschicht wächst, überhängende Abschnitte der Siliciumdioxidschicht sich treffen, um jedes Loch abzuschließen.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Hohlräume miteinander kommunizieren, um den Mikrokanal zu bilden.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei zwischen angrenzenden Hohlräumen Stützen geformt werden, die voneinander separiert sind.
Verfahren nach Anspruch 1, 2 oder 3, wobei der Abstand zwischen benachbarten Löchern im Bereich von 0,8 μm bis 10,0 μm liegt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei das Muster T-förmig ist und das isotrope Ätzen einen T-förmigen Mikrokanal zum Ergebnis hat.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei das Muster kreuzförmig ist und das isotrope Ätzen sich schneidende Mikrokanäle zum Ergebnis hat.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei das Muster Y-förmig ist und das isotrope Ätzen eine Mikrokanal-Aufteilung zum Ergebnis hat.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei das Muster von Löchern die Form eines Arrays hat mit einem schmalen Abschnitt und einem breiten Abschnitt und das isotrope Ätzen zu einem Mikrokanal führt, der sich von einem schmalen Abschnitt zu einem breiten Abschnitt aufweitet.
Verfahren nach einem der vorgenannten Ansprüche, wobei die Schicht des ätzbaren Materials aus SiO₂ ist.
Verfahren nach einem der vorgenannter Ansprüche, wobei die Trägerschicht aus Si₃N₄ hergestellt wird.
Verfahren nach einem der vorgenannten Ansprüche, wobei die sich verbrauchende Schicht auf der Schicht des ätzbaren, sich verbrauchenden Materials vor der Abscheidung der Trägerschicht abgeschieden wird.
Verfahren nach einem der vorgenannten Ansprüche, wobei die TiN-Schichten mit Hilfe der PVD abgeschieden werden.