DE10203212A1

DE10203212A1 - Wafer for use in detecting DNA and proteins is divided into biosensors, the area around each sensor being sealed by sealing ring

Info

Publication number: DE10203212A1
Application number: DE2002103212
Authority: DE
Inventors: Gerald Eckstein; Peter Groeppel; Manfred Wossler
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2002-01-28
Filing date: 2002-01-28
Publication date: 2003-08-21

Abstract

Wafer (1) is divided into biosensors (2). The area (3) around each sensor is sealed by a sealing ring (4). An Independent claim is included for a method for making a wafer with seals, as described above.

Description

Die Erfindung betrifft ein Substrat mit einer Vielzahl von Bauelementen sowie ein Verfahren zum Herstellen eines Bauelements. The invention relates to a substrate with a plurality of Components and a method for producing a Component.

Sensoren sind für viele Anwendungen das entscheidende Bindeglied zwischen Umwelt und einer rechnergesteuerten Auswertung und stellen daher ein hohes Entwicklungspotenzial für zukünftige Anwendungen in der Mikroelektronik dar. Sensors are the key for many applications Link between the environment and a computer-controlled Evaluation and therefore represent a high development potential for future applications in microelectronics.

Biosensoren zum Nachweis von DNA-Molekülen und Proteinen gewinnen in analytischen Methoden zunehmend an Bedeutung. Dem Biochip-Markt zum Nachweis von DNA-Molekülen und Proteinstrukturen wird ein signifikantes Marktpotenzial vorausgesagt. Während die inzwischen etablierten physikalischen Sensoren, wie z. B. Druck-, Beschleunigungs- oder Festkörper-Elektrolytsensoren ("Lambda"-Sonde) zur Messung des Sauerstoffpartialdrucks bereits Marktreife erlangt haben, sind Konzepte für chemisch-biologische Sensoren zwar bereits realisierbar, befinden sich aber noch überwiegend im Labormusterstadium. Biosensors for the detection of DNA molecules and proteins are becoming increasingly important in analytical methods. the Biochip market for the detection of DNA molecules and Protein structures will have significant market potential predicted. While the now established physical sensors such as B. pressure, acceleration or solid-state electrolyte sensors ("lambda" probe) for Measurement of oxygen partial pressure already ready for the market are concepts for chemical-biological Although sensors can already be implemented, they are still there predominantly in the laboratory sample stage.

Dies ist besonders auf die Schnittstelle zwischen Mikrofluidik und Mikroelektronik zurückzuführen, die nicht ohne weiteres kompatibel ist, da in der klassischen Mikroelektronik alle Komponenten hermetisch gegenüber der Umwelt abgeschlossen sein müssen, um einen Kontakt mit anderen stofflichen Systemen ausschließen zu können. Infolgedessen muss für diesen Sensortyp eine aufwändige Gehäusetechnik entworfen werden, wobei das Dichtungskonzept von zentraler Bedeutung ist. This is particularly due to the interface between Microfluidics and microelectronics attributed to that are not is easily compatible, since in the classic Microelectronics all components hermetically sealed against the Environment must be completed in order to contact to exclude other material systems. As a result, a complex one must be used for this type of sensor Housing technology to be designed, taking the sealing concept is of central importance.

Davon ausgehend liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine kostensparende Fertigung von Dichtungen für Bauelemente, insbesondere Biosensoren, anzugeben, die mit einer zunehmenden Miniaturisierung und Massenproduktion kompatibel ist. Proceeding from this, the object of the invention is a cost-saving production of seals for components, in particular biosensors to indicate that with a increasing miniaturization and mass production compatible is.

Diese Aufgabe wird durch die in den unabhängigen Ansprüchen angegebenen Erfindungen gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen finden sich in den Unteransprüchen. This task is accomplished by the in the independent claims specified inventions solved. Advantageous configurations can be found in the subclaims.

Demnach weist ein Substrat, das insbesondere ein Halbleiterwafer ist, eine Vielzahl von Bauelementen auf. Diese Bauelemente haben jeweils zumindest einen abzudichtenden Bereich, der typischerweise aktive Strukturen aufweist, mit deren Hilfe ein mit dem Bauelement in diesem Bereich in Kontakt tretendes Fluid analysiert wird. Der abzudichtende Bereich befindet sich dementsprechend auf einer Außenseite des Bauelements, also auf einer der beiden Seiten des Substrats. Mehrere der Bauelemente weisen jeweils zumindest eine Dichtung für ihren abzudichtenden Bereich auf. Accordingly, a substrate that has a particular Semiconductor wafer is based on a variety of components. These components each have at least one area to be sealed, typically active structures has, with the help of a component in this Area contacting fluid is analyzed. The The area to be sealed is accordingly on a Outside of the component, i.e. on one of the two sides of the substrate. Several of the components each have at least one seal for their area to be sealed.

Diese Dichtung ist typischerweise ihrerseits an der Außenseite ihres Bauelements, also auch an der Außenseite des Substrats angeordnet. Vorzugsweise enthält das Substrat eine Anzahl von gleichen Bauelementen, an denen jeweils die gleiche Dichtung angeordnet ist. Die Dichtungen für mehrere Bauelemente können auch zunächst miteinander verbunden sein. Sie werden dann vorzugsweise beim Zerteilen des Substrats in die einzelnen Bauelemente voneinander getrennt. This seal is typically in turn on the Outside of their component, so also on the outside of the Arranged substrate. The substrate preferably contains one Number of the same components, each with the same seal is arranged. The seals for several Components can also initially be connected to one another. They are then preferably used when cutting the substrate into the individual components are separated from each other.

Durch das Anbringen der Dichtung an dem Bauelement auf dem Substrat lassen sich in einfacher Weise eine Vielzahl von Dichtungen einer Vielzahl von Bauelementen zuordnen. Dichtung und Bauelement können danach miteinander verbunden als Einheit weiter prozessiert werden. So erübrigt sich ein Einlegen und schwieriges Platzieren eines O-Ringes zwischen Bauelement und einem Gehäuse, in das das Bauelement eingebaut wird. By attaching the seal to the component on the A variety of substrates can be easily Assign seals to a variety of components. poetry and component can then be connected together as Unit can be processed further. So there is no need Insert and difficult to place an O-ring between Component and a housing in which the component is installed becomes.

Vorzugsweise bildet die Dichtung einen Ring um den abzudichtenden Bereich. Preferably, the seal forms a ring around the area to be sealed.

Die Dichtung sollte aus einem weichen, vorzugsweise elastischen Material bestehen und dieses Material ist insbesondere ein anderes Material als das Material des Substrats. Neben klassischem Dichtungsmaterial wie Kupfer oder Papier bieten sich hier Polymere, insbesondere Elastomere, als Material an, aus dem die Dichtung besteht. The seal should be made of a soft, preferably elastic material exist and this material is in particular a different material than the material of the Substrate. In addition to classic sealing material such as copper or paper, here are polymers, in particular Elastomers, as the material from which the seal is made.

Als Polymer kann beispielsweise Silikon, ein Silikonharz und/oder Polydimethylsiloxan (PDMS) zum Einsatz kommen. For example, silicone, a silicone resin, can be used as the polymer and / or polydimethylsiloxane (PDMS) are used.

Die Dichtung kann aufgedruckt und/oder aufgespritzt werden. Bevorzugte Verfahren sind dabei Siebdruck, Schablonendruck und Dispensierverfahren. Alternativ kann die Dichtung auf lithografischem Wege aufgebracht werden, wie dies beispielsweise in Xia Y. und Whitesides G. M.: "Soft Lithography", Angewandte Chemie International Edition, 1998, Band 37, Seiten 550-575 für Elastomere beschrieben ist. The seal can be printed and / or sprayed on. Preferred methods are screen printing, stencil printing and dispensing. Alternatively, the seal can be applied lithographically, as described for example in Xia Y. and Whitesides GM: "Soft Lithography", Angewandte Chemie International Edition, 1998, volume 37 , pages 550-575 for elastomers.

Insbesondere ist die Dichtung einer Flüssigkeitsdichtung, also eine Dichtung, die gegen das Eindringen von Flüssigkeit abdichtet. Die Bauelemente sind vorzugsweise Halbleiterbauelemente, Sensorbauelemente, insbesondere Biosensoren. In particular, the seal is a liquid seal, a seal that prevents the ingress of liquid seals. The components are preferred Semiconductor components, sensor components, in particular Biosensors.

Bei einem Verfahren zur Herstellung von Bauelementen mit Dichtungen werden die Dichtungen auf die noch im Wafer befindlichen Bauelemente aufgebracht. Erst danach sollte der Wafer in die Bauelemente zerteilt werden. Bevorzugte Ausgestaltungen des Verfahrens ergeben sich analog zu den oben dargestellten bevorzugten Ausgestaltungen des Wafers. In a method of manufacturing components with Seals will be the seals on those still in the wafer existing components applied. Only then should the Wafers are divided into the components. preferred Refinements of the method result analogously to the Preferred embodiments of the wafer shown above.

Weitere wesentliche Vorteile und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung eines Ausführungsbeispiels anhand der Zeichnungen. Dabei zeigt: Further essential advantages and features of the invention result from the description of an exemplary embodiment based on the drawings. It shows:

Fig. 1 ein Substrat mit Bauelementen und Dichtungen und Fig. 1 shows a substrate with components and seals and

Fig. 2 ein Bauelement mit einer Dichtung. Fig. 2 shows a component with a seal.

In Fig. 1 erkennt man ein Substrat 1 in Form eines Wafers oder Nutzens mit einer Vielzahl von Bauelementen 2. Die Bauelemente 2 weisen auf der Oberseite des Substrats jeweils einen abzudichtenden Bereich 3 auf, der von einer Dichtung 4 umgeben wird, die jeweils auf dem Bauelement 2 angebracht ist. In Fig. 1 it can be seen a substrate 1 in the form of a wafer or other utility with a variety of components 2. The components 2 each have an area 3 to be sealed on the top of the substrate, which is surrounded by a seal 4 , which is in each case attached to the component 2 .

Die Herstellungsmethode kann je nach Strukturgröße und Viskosität des bei den Dichtungen 4 eingesetzten Abdichtungsmaterials auf einem der folgenden Materialien beruhen:

- Siebdruckverfahren und/oder
- Schablonendruckverfahren und/oder
- Dispensierverfahren

von abdichtenden, hydrophoben Materialien wie beispielsweise Silikon, Silikonharz und/oder PDMS. Bei Dispensierverfahren wird ein feiner Kanal, vergleichbar einer Spritzennadel, eingesetzt, durch den das Material auf das Substrat aufgetragen wird. Depending on the structure size and viscosity of the sealing material used in the seals 4 , the production method can be based on one of the following materials:

- screen printing process and / or
- stencil printing process and / or
- Dispensing procedure

of sealing, hydrophobic materials such as silicone, silicone resin and / or PDMS. Dispensing methods use a fine channel, comparable to a syringe needle, through which the material is applied to the substrate.

Mit diesen Verfahren sind Strukturgrößen kleiner als 300 µm herstellbar, wobei die geometrischen Abmessungen dieser Strukturen an die Anforderung des Sensorfeldes, also der Bauelemente 2, angepasst werden können. With these methods, structure sizes smaller than 300 μm can be produced, the geometric dimensions of these structures being able to be adapted to the requirements of the sensor field, that is to say the components 2 .

In Fig. 2 erkennt man ein Bauelement 2 des Substrats 1 in einer Seitenansicht. Auf einer nicht mit den anderen Bauelementen des Substrats verbundenen Seite, also einer Außenseite, des Bauelements 2 sind in einem abzudichtenden Bereich Sensorelemente 5 angeordnet. Die Sensorelemente 5sind von der Dichtung 4 umgeben, die einen Ring um die Sensorelemente 5 bilden. Die Dichtung 4 ist in Fig. 2 idealisierend im Querschnitt kreisförmig dargestellt. Je nach Aufbringungsverfahren wird sich real eher ein deichförmiger Querschnitt einstellen. A component 2 of the substrate 1 can be seen in a side view in FIG. 2. Sensor elements 5 are arranged in a region to be sealed on a side that is not connected to the other components of the substrate, that is to say an outside, of the component 2 . The sensor elements 5 are surrounded by the seal 4 , which form a ring around the sensor elements 5 . The seal 4 is ideally shown circular in cross section in FIG. 2. Depending on the application method, a dike-shaped cross-section will actually appear.

Der Vorteil der vorgestellten Lösung zur Prozessierung von Dichtungselementen auf Waferebene oder auf einem Nutzen liegt in dem hohen Durchsatz sowie in der präzisen Positionierung auf dem Substrat bzw. dem jeweiligen Bauelement. Dadurch ist stets ein regelmäßiger Aufbau der Bauelemente einschließlich Dichtung gegeben, so dass die Sensorelemente stets frei zugänglich sind. Bei einer alternativen Herstellung von Dichtungselementen auf Seiten des anzukoppelnden Fluidiksystems wäre eine präzise Fixierung zwischen Fluidiksystem und Bauelement mit wesentlich größerem Aufwand zu betreiben. The advantage of the presented solution for the processing of Sealing elements at the wafer level or on a benefit in the high throughput as well as in the precise positioning on the substrate or the respective component. This is always a regular construction of the components including Gasket given, so that the sensor elements are always free are accessible. In an alternative production of Sealing elements on the part to be coupled Fluidic system would be a precise fixation between Fluidic system and component with much greater effort to operate.

Claims

1. Substrate containing a plurality of components ( 2 ), each having at least one area ( 3 ) to be sealed, characterized in that several of the components ( 2 ) each have at least one seal ( 4 ) for their area to be sealed.

2. Substrate according to claim 1, characterized in that the seal 4 forms a ring around the area to be sealed ( 3 ).

3. Substrate according to at least one of the preceding claims, characterized in that the seal ( 4 ) contains a polymer, in particular an elastomer.

4. The component according to at least one of the preceding claims, characterized in that the seal ( 4 ) is printed and / or sprayed on.

5. Substrate according to at least one of the preceding claims, characterized in that the seal ( 4 ) is a liquid seal.

6. Substrate according to at least one of the preceding claims, characterized in that the components ( 2 ) are sensor components, in particular biosensors.

7. Substrate according to at least one of the preceding claims, characterized in that the substrate ( 1 ) is a wafer.

8. A method for producing a component ( 2 ) with a seal ( 4 ) from a substrate ( 1 ) with a plurality of components, each having at least one area ( 3 ) to be sealed, in which at least one of several of the components ( 2 ) a seal ( 4 ) is arranged for its area to be sealed.

9. The method according to claim 8, wherein the substrate ( 1 ) is divided into the components ( 2 ).