-
Stand der Technik
-
Aus
dem Stand der Technik ist die Herstellung und der Gebrauch von Mikronadeln
in unterschiedlichsten Ausführungen
bekannt. So wird etwa in
EP
0 652 600 B1 ein Verfahren zur Herstellung einer Ansammlung
von Mikronadeln aus einem Halbleitermaterial beschrieben, wobei
der Durchmesser der Mikronadeln so klein ist, dass erhebliche Quanteneffekte
erzeugt werden. Aufgrund der Quanteneffekte der Abmessung ist es
möglich,
Lichtemissionen herbeizuführen.
Daher ist es in der Schrift vorgesehen, die Ansammlung von Mikronadeln
als eine optische Halbleitervorrichtung zu gebrauchen.
-
Andererseits
werden Mikronadeln auch zum Transport von Fluiden in oder durch
eine biologische Barriere vorgeschlagen. Insbesondere werden gegenwärtig verschiedene
Ansätze
unternommen, um poröse
Silizium-Mikronadeln zur transdermalen Applikation von Medikamenten
einzusetzen. Grundsätzlich
gibt es, wie z. B. in
US
6,334,856 B1 erläutert, hierfür zwei Vorgehensweisen:
Entweder wird (a) ein Siliziumsubstrat erst porös gemacht und anschließend daraus
Mikronadeln durch Ätzen
strukturiert oder (b) das Substrat erst geätzt zur Bildung von Mikronadeln
und danach porosifiziert. Aus prozesstechnischen Gründen ist
die erste Vorgehensweise (a) sehr schwierig. Obwohl grundsätzlich geeignet
zur Herstellung von porösen
Mikronadeln, besteht in der zweiten Vorgehensweise (b) hingegen
der Nachteil, dass die damit hergestellten Mikronadeln typischerweise
Poren aufweisen, die insbesondere an den Flanken der Nadeln senkrecht
zur Oberfläche
ausgerichtet sind. Diese Eigenschaft ist eine Folge des Porosifiziervorgangs,
bei dem die Siliziumnadeln in einem flusssäurehaltigen Elektrolyten elektrochemisch geätzt werden.
Dabei bilden sich die Poren entlang der senkrecht auf der dem Elektrolyt
ausgesetzten Oberfläche
anliegenden Feldlinien aus.
-
Dadurch
verlaufen die entstehenden Poren hauptsächlich horizontal, d. h. parallel
zur Substratoberfläche,
wodurch ein Fluss des flüssigen
Medikamentes aus tief gelegenen Bereichen des Substrates nicht möglich und
die verabreichbare Menge begrenzt wird auf den in der jeweiligen
Nadel gespeicherten Anteil.
-
Es
ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein einfaches Verfahren
zur Herstellung von vertikal porosifizierten Mikronadeln bereitzustellen.
Diese Aufgabe wird gelöst
durch die Merkmale des unabhängigen
Anspruchs.
-
Offenbarung der Erfindung
-
Das
Verfahren mit den Merkmalen des unabhängigen Anspruchs hat gegenüber bisher
bekannten Verfahren den Vorteil, dass auf eine einfache und kontrollierbare
Weise hauptsächlich
vertikal porosifizierte Mikronadeln hergestellt werden können. Damit besteht
keine Begrenzung der verabreichbaren Menge durch den in der jeweiligen
Nadel gespeicherten Anteil mehr.
-
Das
erfindungsgemäße Verfahren
besteht aus einfachen Teilprozessen, deren Steuerung kontrolliert
und bequem eingestellt werden kann. So sind nach der Strukturierung
der Mikronadeln keine weiteren Lithographieschritte und Masken erforderlich. Weiter
sind die Teilprozesse weitgehend zeitunkritisch und sehen zudem
preiswerte Prozessmedien vor, so dass letztendlich ein preiswertes
Gesamtverfahren bereitgestellt wird.
-
Zweckmäßige Weiterbildungen
des Verfahrens ergeben sich aus weiteren abhängigen Ansprüchen und
aus der Beschreibung.
-
Zeichnung
-
Ausführungsbeispiele
der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und werden nachfolgend näher erläutert. Es
zeigen:
-
Die 1 bis 6 ein
erstes Ausführungsbeispiel
für ein
Verfahren zur Herstellung von vertikal porosifizierten Mikronadeln,
sowie
-
die 7 bis 9 weitere
Ausführungsbeispiele
des erfindungsgemäßen Verfahrens.
-
Es
wird ein Verfahren zur Herstellung von Mikronadeln aus porösem Material
mit zumindest weitgehend vertikal verlaufenden Poren vorgeschlagen, wobei
grundsätzlich
folgende Schritte vorgesehen sind:
- a) Bereitstellen
von Mikronadeln mit einer Höhe
h auf einem Silizium-Substrat
- b) Anordnen einer Lackschicht auf das Si-Substrat mit einer
Lackschichtdicke d kleiner als die Höhe h der Mikronadeln, wodurch
die Nadelspitze der Mikronadeln von der Lackschicht unbedeckt sind
und
- c) Porosifizieren des Si-Substrates durch ein elektrochemisches Ätzen in
einem Elektrolyten mit Flusssäure,
wobei der Porosifiziervorgang von der Nadelspitze der Mikronadeln
beginnt.
-
Die
einzelnen Schritte werden nachfolgend in einem ersten Ausführungsbeispiel
mit Hilfe der 1 bis 7 erläutert. Wie
in 1 dargestellt, wird im Schritt a) des Verfahrens
Mikronadeln 5 mit einer Höhe h auf einem Silizium-Substrat 10 bereitgestellt.
Das Bereitstellen eines solchen Silizium-Substrates 10 kann
einerseits dadurch erfolgen, dass ein bereits mit Mikronadeln 5 versehenes
Substrat 10 zur Weiterbehandlung zur Verfügung gestellt wird.
Andererseits ist es auch möglich,
auf einem zunächst
unbehandelten Substrat 10 die Mikronadeln 5 herzustellen.
Die Herstellung von Mikronadeln 5 aus einem Silizium-Substrat 10 mittels
isotropen oder anisotropen Ätzprozessen
ist aus dem Stand der Technik bekannt und wird hier daher nicht
eingehender behandelt. In 1 sind die für die Strukturierung erforderlichen Ätzmasken
bereits vollständig
entfernt worden. Typischerweise weisen die Mikronadeln 5 an ihrer
Nadelspitze 11 einen kleineren Durchmesser auf als an ihrer
Nadelbasis 12 an der Substratoberfläche. Die Seitenwände 13 verlaufen
also nicht senkrecht, sondern geneigt gegenüber der Substratoberfläche.
-
Im
Ausführungsbeispiel
weist das Si-Substrat 10 zusätzlich eine darauf aufgebrachte
Si-Oxidschicht 15 auf
(2). Diese Oxidschicht 15, entweder in
natürlicher
Weise gebildet oder in einem separaten Oxidierprozess herbeigeführt, kann
in einem späteren
Porosifizierschritt als Haftschicht und Leitstruktur dienen. Zwingend
erforderlich ist die Oxidschicht 15 für die Durchführung des
erfindungsgemäßen Verfahrens
jedoch nicht.
-
Im
Schritt b) des Verfahrens ist das Anordnen einer Lackschicht 20 auf
das Si-Substrat 10 mit einer Lackschichtdicke d kleiner
als die Höhe
h der Mikronadeln 5, wodurch die Nadelspitze 11 der
Mikronadeln 5 von der Lackschicht 20 unbedeckt
sind, vorgesehen. Die Lackschicht 20 kann aus Photolack bestehen.
Der Schritt b) wird in zwei Teilschritten b1) und b2) erreicht,
wobei im Teilschritt b1) zunächst eine
Lackschichtdicke aufgebracht wird, die über die Nadelspitzen 11 hinausreicht
(d > h), wie in 3 gezeigt.
Anschließend
wird – wie
in 4 dargestellt – die Lackschicht 20 in
einem Teilschritt b2) teilweise wieder entfernt, so dass die Nadelspitzen 11 freigelegt
werden (d < h).
Das teilweise Entfernen der Lackschicht 20 kann durch einen Ätzvorgang
erreicht werden. Die Lackschicht 20 wird rückgedünnt oder
rückgeschliffen.
Ein separater Vorgang für
das Rückdünnen der
Lackschicht 20 kann entfallen, wenn im nächsten Schritt
c) ein Elektrolyt eingesetzt wird, der Substanzen enthält, die
die Lackschicht 20 angreift. Je nach Material der Lackschicht 20 können auch
alternative oder zusätzliche
Lösungsmittel
zum Ätzen der
Lackschicht 20 erforderlich sein, z. B. Ketone wie Aceton
oder organische Acetate wie z. B. Ethylacetat.
-
In
einem weiteren Schritt c) erfolgt das Porosifizieren des Si-Substrates 10 durch
ein elektrochemisches Ätzen
in einem Elektrolyten mit Flusssäure, wobei
der Porosifiziervorgang von der Nadelspitze 11 der Mikronadeln 5 beginnt.
Als Elektrolyten wird bevorzugt eine Mischung aus Flusssäure und
Wasser und bei Bedarf Alkohol verwendet. Das Si-Substrat 10 wird
als Anode mit der Mikronadelseite, d. h. voran mit den Nadelspitzen 11,
in ein Ätzbecken
mit dem Elektrolyten eingetaucht. Dabei wird die nicht von der Lackschicht 20 abgedeckte
Si-Oxidschicht 15 sofort durch die Flusssäure entfernt
(5). Mit der örtlichen
Entfernung der Si-Oxidschicht 15 startet die eingeprägte Stromdichte
den Porosifiziervorgang an den Nadelspitzen 11. Bevorzugt
werden beim Porosifiziervorgang Prozessparameter wie die Stromdichte gezielt
so eingestellt, dass ein vertikales Porenwachstum gefördert wird.
Entlang der so erzeugten Feldlinien erfolgt der Porosifiziervorgang
vertikal in das Si-Substrat 10 hinein. Die so gebildeten
Poren 25 in den Mikronadeln 5 verlaufen daher
im wesentlichen vertikal zur Substratoberfläche. Geeignete Porengrößen liegen
im Bereich von 5 bis 50 nm. Durch die seitliche Bedeckung der Mikronadeln 5 findet
an deren Seitenwänden 13 nur
ein gering ausgeprägtes Porenwachstum
senkrecht zur Oberfläche
der Seitenwände 13 statt.
-
Wie
aus 6 erkennbar, wird während des Porosifiziervorgangs
die Lackschicht 20 nach und nach durch ein Lösungsmittel
im Elektrolyten entfernt. Ebenso wird durch die Unterkriechfähigkeit
der Flusssäure
mit Alkohol als Benetzungsmittel die Si-Oxidschicht 15 weiter entfernt,
wodurch Kanäle 30 zwischen
der Lackschicht 20 und den Seitenwänden 13 der Mikronadeln 5 gebildet
werden. Durch diese Kanäle 30 gelangt
der Elektrolyt nach und nach auch unter die Lackschicht 20.
Somit schreitet das unerwünschte
Porenwachstum an den Seitenwänden 13 der
Mikronadeln 5 zwar immer weiter voran, aber der wesentliche
Porenverlauf – also
die Hauptporenrichtung – bleibt
immer vertikal zur Oberfläche
des Si-Substrates 10: Das vertikale Porenwachstum bzw. die
Hauptporenrichtung hat einen zeitlichen Vorsprung gegenüber dem
seitlich beginnenden Porenwachstum, welches immer an den schon vorhandenen
vertikal verlaufenden Poren 25 wieder zum Erliegen kommt,
da an diesen Stellen bereits keine Ladungsträgermobilität mehr vorhanden ist und somit auch
kein weiteres Material herausgelöst
werden kann.
-
Zusammenfassend
wird festgestellt, dass das beschriebene Verfahren auf eine sehr
kontrollierte Weise die Herstellung von Mikronadeln 5 mit hauptsächlich vertikalen
Poren 25 gewährleistet.
-
Alternative
oder ergänzende
Maßnahmen
für einzelne
Teilschritte des Verfahrens, die aber ebenso auf das oben beschriebene
Prinzip beruhen, werden nun vorgestellt.
-
In
einem weiteren Ausführungsbeispiel
kann, abweichend vom ersten Ausführungsbeispiel,
im Schritt b) eine Lackschicht 20 auf dem Si-Substrat 10 aufgebracht
werden, die von Beginn an eine kleinere Dicke d als die Höhe h der
Mikronadeln 5 aufweist. Vorteilhaft braucht dann die Lackschicht 20 nicht
in einem separaten Schritt teilweise entfernt werden. Alle anderen
Teilschritte des Verfahrens verlaufen wie im ersten Ausführungsbeispiel.
-
Entsprechend
der 7 wird in einem weiteren Ausführungsbeispiel im Schritt c)
nach der vollständigen
Entfernung der Lackschicht 20 der Porosifiziervorgang an
der Oberfläche
des Si-Substrates 10 zwischen den Mikronadeln 5 fortgeführt. Je
nach konkreten Bedarf kann beliebig ins Substrat 10 weiterporosifiziert
werden (8). Vorzugsweise wird jedoch der
Anodisiervorgang rechtzeitig abgebrochen, bevor alles porös wird.
Damit bleibt die Stabilität
des Si-Substrates 10 erhalten und die hauptsächlich vertikalen
Poren 25 können
von der Rückseite
des Si-Substrates 10 angebohrt bzw. angetrencht werden.
Andererseits bietet das Weiterporosifizieren gemäß 8 die Möglichkeit
an, besonders dünne,
flexible und poröse
Mikronadeln 5 herzustellen. Zum Ablösen der gesamten porösen Oberflächenschicht mit
den Mikronadeln 5, die dem oberen Bereich des Si-Substrates 10 entspricht,
vom restlichen Si-Substrat 10 wird beim Erreichen der Zielsubstratdicke
ein Elektropoliturvorgang durch ein starkes Erhöhen der Stromdichte eingeleitet.
Dadurch löst
sich das Array der Mikronadeln 5 („Mikronadel-Pad") vom Si-Substrat 10 ab
und schwimmt im Elektrolyt auf.
-
Im übrigen kann
in einem weiteren Ausführungsbeispiel
besonders vorteilhaft an der Rückseite des
Si-Substrates 10 ein Zugang 35 zu den Poren 25 hergestellt
werden (9), welcher beispielsweise eine
Verbindung zu einem Reservoir für
Medikamentenwirkstoffe ermöglicht.
-
Zusammenfassend
wird festgestellt, dass ein sehr geeignetes Verfahren zur Herstellung
von Mikronadeln aus porösem
Material mit zumindest weitgehend vertikal verlaufenden Poren bereitgestellt wird.
Die so hergestellten Mikronadeln können aufgrund der weitgehend
vertikal verlaufenden Poren inbesondere zur Anwendung im medizinischen
Bereich, wie beispielsweise zur transdermalen Applikation von Medikamenten,
eingesetzt werden. Eine Verabreichung von Wirkstoffen durch Gewebe
hindurch wird ermöglicht.