DE10210469A1

DE10210469A1 - Aufbringen eines Stoffs auf ein Substrat

Info

Publication number: DE10210469A1
Application number: DE10210469A
Authority: DE
Inventors: Ralph Mueller
Original assignee: Axaron Bioscience AG
Current assignee: Sygnis Pharma AG
Priority date: 2002-03-11
Filing date: 2002-03-11
Publication date: 2003-09-25

Abstract

Eine dünne Kapillare (10) wird mit dem Stoff (14) befüllt. Die Kapillarendfläche (22) berührt mit definierter Geschwindigkeit das Substrat (20). Dadurch benetzt der Stoff, der jenseits der Kapillarendfläche einen hängenden Meniskus (18) bildet, das Substrat. Zwischen Kapillarendfläche und Substrat breitet sich der Stoff - durch Kapillarkräfte getrieben - aus. Dadurch bildet sich auf dem Substrat ein Spot von der Größe und Form der Kapillarendfläche. Auf diese Weise können sehr regelmäßige Arrays von kleinen formdefinierbaren Spots auf einem Substrat aufgebracht werden. Das Spotting-Verfahren ist geeignet für den Aufbau von organischen Displays und Biochips.

Description

Organische Displays (OLED, organic light emitting diodes) haben ein großes Potential als Alternative zur allgemein verwendeten LCD-Technologie. Die großen Vorteile der OLED- Technologie sind u. a. die große Helligkeit und der Kontrast der Anzeige, keine Einschränkung des Betrachtungswinkels, Sichtbarkeit auch von der Rückseite, niedriger Energieverbrauch, Darstellung beliebiger Farben und eine schnelle Reaktionszeit.
Organische Displays werden i. d. R. auf einem Glas-Substrat aufgebaut, z. B. auf ITO (Indium Tin Oxyde) (siehe z. B.: J. Huang, M. Pfeiffer, A. Werner, J. Blochwitz, K. Leo, S. Liu: "Low-voltage organic electroluminescent devices using pin structures", Applied Physics Letters 80 (2002) 139-141 mit vielen weiteren Nachweisen). Sie können jedoch auch auf eine flexible Folie aufgebracht werden. Auf dem Glas-Substrat wird eine Matrix von leitenden Zeilen und Spalten aufgebracht. Diese aktivieren als Anode bzw. Kathode die ausgewählten Pixel. Zwischen Anode und Kathode werden drei organische Schichten aufgebracht: oben und unten je eine Elektronen- bzw. Loch-leitende organische Schicht; in der Mitte eine organische Leuchtschicht. Diese enthält spezielle Farbstoffe, die durch die Rekombination der Elektronen und Löcher angeregt werden können. Bei Anlegen einer Spannung zwischen Anode und Kathode auf dem jeweiligen Pixel kommt es dadurch zur Lichtemission mittels Fluoreszenz bzw. Phosphoreszenz durch die Farbstoffe in dem jeweiligen Pixel. Die für OLEDs verwendeten Farbstoffe sind häufig Tripletemitter.
Um ein farbiges Display zu erzeugen, das beispielsweise auf der RGB-Technologie (rot, grün, blau) basiert, müssen in den einzelnen Pixeln bzw. Teilpixeln unterschiedliche Farbstoffe enthalten sein. Es bedarf daher einer Technik, um die organischen Farbstoffe gezielt auf kleine Spots entsprechend den einzelnen Pixeln zu deponieren. Dieser Vorgang wird als "Spotting" bezeichnet.
Das Spotting findet nicht nur bei organischen Displays Anwendung, sondern seit vielen Jahren z. B. auch bei der Herstellung von DNA-Arrays, RNA-Arrays, Protein-Arrays, kurz allen Arten von Biochips, bei denen gezielt unterschiedliche Oligo- bzw. Polynukleotide auf unterschiedlichen Spots eines Substrats angeordnet werden müssen.
Das Spotting kann prinzipiell mit Hilfe von verschiedenen Techniken erfolgen.
Substanzen, insbesondere im Bereich der DNA-Arrays, können in situ, d. h. auf dem Substrat, synthetisiert werden. Dies kann etwa auf photochemischem Wege erfolgen (5. Wölfl, Laborwelt 3 (2000) 12-20) oder nasschemisch durch sukzessives Aufbringen der benötigten Chemikalien (S. K. Moore, IEEE Spectrum 3 (2001) 54-60). Letzteres kann beispielsweise mit Hilfe der "Tintenstrahl-Technik" (WO 98/29736) oder mit Hilfe von Stempeln erfolgen.
Bereits vollständig synthetisierte Substanzen können beispielsweise mit Hilfe von Nadeln oder Stempeln auf dem Substrat deponiert werden (US 5,807,522; EP 0 804 731 B1; WO 95/35505; US 6,024,925). Ebenso können Sie mit Hilfe der oben erwähnten Tintenstrahl-Technik gespottet werden.
Insbesondere die Tintenstrahl-Technik hat den Nachteil, dass der Durchmesser der mit dieser Technik erzeugten Spots bei etwa 120 µm liegt. Ferner sind durch Tintenstrahl-Technik erzeugte Spots im Wesentlichen kreisförmig. Wünschenswert wäre es hingegen, rechteckige Spots mit einer Kantenlänge von 30 × 60 µm zu erzeugen. Rechteckige Spots haben den Vorteil, dass sie bei einem Display ein subjektiv helleres und kontrastreicheres Bild erzeugen können. Ferner hat die reduzierte Spotgröße von 30 × 60 µ bei einem Display den Vorteil, eine höhere Auflösung zu gewährleisten. Bei einem DNA-Array können durch kleinere Spots mehr unterschiedliche Oligo- bzw. Polynukleotide auf einem Array platziert werden.
Aufgabe der Erfindung ist es daher, das Herstellen von Arrays mit unterschiedlichen Substanzen in unterschiedlichen Spots zu verbessern.
Diese Aufgabe wird durch die Erfindungen gemäß den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindungen sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.
Gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren zum Aufbringen eines Stoffs auf ein Substrat wird zunächst eine Kapillare mit einem substratseitigen und einem substratabgewandten Ende gewählt. Im Allgemeinen wird eine an beiden Seiten offene Kapillare gewählt. Der Stoff wird in der Regel vom substratabgewandten Ende aus in die Kapillare gefüllt, etwa durch Pumpen. Oder der Stoff wird durch Kapillarkräfte in die Kapillare gesogen (im Folgenden als "innerer Kapillareffekt" bezeichnet).
Als Stoff kommen in der Regel Lösungsmittel bzw. Lösungsmittel mit darin gelösten Substanzen, die es auf das Substrat zu bringen gilt, in Frage.
Wichtig ist, dass der Stoff das substratseitige Ende der Kapillare erreicht und am substratseitigen Ende aus der Kapillare austreten kann. In der Regel wird die Kapillare am substratseitigen Ende planpoliert sein und somit eine ebene Kapillarendfläche bilden.
Nach diesen Vorbereitungen wird die Kapillare derart an das Substrat herangeführt wird, dass der Stoff das Substrat benetzt. Dies kann prinzipiell auf zwei Weisen erreicht werden. Erstens kann die Kapillare auf dem Substrat aufgesetzt werden. Zweitens kann aber auch am substratseitigen Ende durch den Stoff ein hängender Meniskus gebildet werden, der einige Mikrometer über die Kapillarendfläche aus der Kapillare hinausragt.
Der Meniskus bildet sich aus aufgrund einer Druck- und/oder Gravitationskraft, die das Ausfließen der Flüssigkeit aus der Kapillare begünstigt. Dem gegenüber stehen zum Zurückhalten der Flüssigkeit in der Kapillare zwei Effekte: der innere Kapillareffekt und der kapillare Krümmungsdruck, also eine Oberflächenspannung durch die Krümmung des Meniskus.
Der Meniskus erlaubt, die Kapillare genau so nahe an das Substrat heran zu führen, dass der Meniskus gerade das Substrat benetzt. Diese zweite Möglichkeit kann "kontaktfrei" genannt werden.
Hat eine Benetzung des Substrats durch den Stoff stattgefunden, so füllt der Stoff - bei geeigneter Wahl der Bedingungen - aufgrund des Kapillareffekts im Wesentlichen ausschließlich den Raum zwischen Substrat und Kapillarendfläche aus, falls der Abstand zum Substrat kleiner ist als der Innendurchmesser der Kapillare bzw. falls der äußere Kapillareffekt den inneren überwiegt. Dies wird durch die Kapillarkräfte erreicht, die durch den engen Spalt zwischen Kapillarendfläche und Substrat entstehen (im Folgenden als "äußerer Kapillareffekt" bezeichnet).
Nach der Benetzung wird die Kapillare vom Substrat entfernt. Eine kleine Menge des Stoffs bleibt aufgrund der Benetzung auf dem Substrat zurück. Der gewünschte Effekt des Aufbringens des Stoffs auf das Substrat wurde erreicht.
Die Erfindung bietet eine ganze Reihe von Vorteilen.
Die Spotgröße ist exakt reproduzierbar und frei wählbar in Abhängigkeit der Dimensionen der Kapillare. Dadurch sind Spotdurchmesser von 1 µm bis mehrere Millimeter erzielbar. Derart kleine Spotgrößen sind mit herkömmlichen Techniken kaum erreichbar.
Ebenso ist das Volumen der aufgebrachten Stoffmenge exakt reproduzierbar. Auch dieses Spotvolumen hängt u. a. von den Dimensionen der Kapillare ab. Es kann im unteren Pikoliterbereich liegen. Durch Anwenden eines leichten Überdrucks auf die Kapillare können auch reproduzierbar Spotvolumina im unteren Nanoliterbereich eingestellt werden.
Auch höher viskose Lösungen, z. B. Polynukleotidlösungen mit DNA-Fragmenten von beispielsweise 20 kb Länge bei einer Konzentration von 500 ng/µl, wie sie für den Aufbau von speziellen DNA-Arrays Verwendung finden, können zuverlässig aufgebracht werden, indem die viskose Lösung mit einem leichten Überdruck in der Kapillare beaufschlagt wird.
Auch kann Kontamination des Substrats z. B. durch verschleppte Reste von Stoffen des letzten Spotvorgangs weitestgehend vermieden werden, da die Kapillare auf einfache Weise von Innen (Durchspülen) und Außen (Umspülen, Abwaschen) gereinigt werden kann.
Ferner gibt es nur einen geringen Verlust des Stoffs während des Spottings. Der Stoff bleibt entweder auf dem Substrat, wo er aufgebracht werden sollte, oder er haftet noch an der Kapillare, von wo aus er für das nächste Spotting verwendet werden kann. Dies ist besonders wichtig beim Aufbau von DNA- Arrays, bei denen der Stoff in der Regel eine DNA-Lösung ist, die wertvolle DNA-Proben enthält und nur in kleinen Mengen vorliegt. Auch ist die Verdunstung der Probe gering, da der Innendurchmesser der Kapillare und daher die Öffnung klein ist. Schließlich vermeidet auch der kleine Außendurchmesser der Kapillare höhere Verluste, da an der kleinen Außenfläche nur geringe Probenmengen haften können. Auch kann das Glas der Kapillare inert beschichtet werden, um ein Haften der Probe weiter zu vermeiden.
Die für die Herstellung von organischen Displays benötigten Farbstoffe sind häufig unpolar und daher nur in unpolaren Lösungsmitteln wie Xylol oder Toluol, nicht jedoch in wässrigen, also polaren Lösungsmitteln löslich. Entsprechend muss das Spotting der Farbstoffe aus diesen unpolaren Lösungsmitteln durchgeführt werden, während die Materialien der elektronen- und lochleitenden Schichten aus wässrigen Lösungen gespottet werden. Für den Aufbau von DNA-Arrays werden Oligo- bzw. Polynukleotide in wässrigen, also polaren Pufferlösungen gespottet.
Die bei Stempeltechniken verwendeten Druckmatrizen sind häufig der traditionellen Drucktechnik entlehnt. Solche Matrizen sind für unpolare Lösungsmittel optimiert. Nur unpolare Lösungsmittel bilden auf den Matrizen einen geschlossenen Film aus und führen daher zu einem gleichmäßigen Druckbild. Wässrige Lösungen hingegen neigen zur Tropfenbildung auf den Matrizen, sie perlen also aus, was zu einem verschmierten Druckbild führt.
Die Tintenstrahl-Technik wiederum ist stark abhängig von der Viskosität des verwendeten Lösungsmittels. Die genau definierte Ausbildung der Tropfen bedarf einer feinen Abstimmung auf die Viskosität des zu spottenden Lösungsmittels. Gewisse Konzentrationen bzw. gewisse Lösungsmittel können mit der Tintenstrahltechnik nicht zuverlässig gespottet werden.
Demgegenüber hat das erfindungsgemäße Verfahren den Vorteil, sowohl polare als auch unpolare Lösungsmittel spotten zu können. Ebenso kann es sich an die Viskosität des zu spottenden Stoffs leicht anpassen, indem z. B. ein leichter Überdruck, der den Stoff in die Kapillare fördert, variiert wird.
Bei der Tintenstrahltechnik wird die Probe auf das Substrat "geschossen", mit der damit verbundenen Unsicherheit hinsichtlich der genauen Lage des Spots. Im Gegensatz dazu wird bei der Erfindung die Kapillare definiert an einen Ort geführt, auf dem der Spot ausgebildet wird. Es ergibt sich dadurch eine hohe örtliche Präzision des Spottings.
Um möglichst kleine Spots zu erzeugen, kann das substratseitige Ende der Kapillare verjüngt werden. Dadurch wird die Kapillarendfläche entsprechend kleiner und damit auch der Spot.
Der Außenwand der Kapillare bzw. der Kapillarendfläche kann eine beliebige, zum Beispiel rechteckige Form aufgeprägt werden. Die benetzte Fläche kann dann genau die durch die Kapillarendfläche vorgegebene Form annehmen. Damit ist es möglich, beispielsweise rechteckige Spots zu spotten bzw. mit dem Stoff zu belegen. Dies ist für viele Anwendungen von entscheidender Bedeutung, wie es eingangs erläutert wurde. Außer einer rechteckigen Form können viele andere Formen gewählt werden. Häufig wird man flächendeckende Wabenmuster wählen, um den Raum auf dem Substrat optimal zu nutzen. Denkbar ist z. B. eine sechseckige Kapillarendfläche.
Um eventuelle Höhenunterschiede auszugleichen, kann die Kapillare vorteilhafterweise entweder federnd gelagert werden oder sie kann derart gewählt werden, dass sie im Falle einer Berührung des Substrats federnd nachgibt.
Zusätzlich zu dem erfindungsgemäßen Spotting kann das Aufbringen des Stoffs bzw. der im Stoff gelösten Moleküle (Farbstoffe, Oligo- bzw. Polynukleotide, etc.) durch das Anlegen elektrischer Felder zwischen Substrat und Kapillare unterstützt werden. Aufgrund der angelegten elektrischen Felder kommt es zu einer gerichteten Wanderung von in Lösung mit einer effektiven Ladung beladenen Moleküle. Auf diese Weise kann - bei geeigneter Elektrodenform - eine stärkere Konzentration bzw. Lokalisierung der aufzubringenden Substanzen erreicht werden. Durch eine solche Elektroosmose kann auch die Spotmenge und -größe reguliert werden. Speziell bei elektrisch geladenen Stoffen kann durch Messen des Stromintegrals während des Spottings die Menge des aufgebrachten Stoffs bzw. einzelner Molekülarten z. B. in einer Lösung bestimmt bzw. gesteuert werden.
Auch kann durch gezieltes Regeln der Spannung zwischen Substrat und Stoff bzw. Kapillare die Höhe des Meniskus im Detail gesteuert werden.
Für die Herstellung von organischen Displays werden beispielsweise rot, grün und blau emittierende Farbstoffe auf jeweils benachbarten Spots bzw. Teilpixeln gespottet. Dazu ist es vorteilhaft, einen Dispenser für jede Farbe zu verwenden, der die jeweilige Farbe auf die jeweiligen Teilpixel spottet. Der Dispenser kann so groß gewählt werden, dass er alle Teilpixel eines Displays mit einem Druckvorgang mit dem jeweiligen Farbstoff belegt. Oder der Dispenser kann kleiner gewählt werden, wobei das Display für jede Farbe durch mehrmaliges Aufbringen vollständig aufgebaut wird.
Der Aufbau des Dispensers wird dabei so gewählt, dass er eine Sockelplatte und eine Vielzahl von Kapillaren aufweist. Die Kapillaren haben jeweils ein substratseitiges und ein substratabgewandtes Ende und eine substratseitige Kapillarendfläche. Die Kapillaren werden derart durch die Sockelplatte gehalten, dass die Kapillarendflächen in einer Ebene liegen, damit sie beim Aufbringen alle das Substrat berühren können.
Der Dispenser kann ein Reservoir für die jeweilige Farbe bzw. den jeweiligen Stoff aufweisen, wobei das Reservoir derart angeordnet ist, dass der Stoff mit den substratseitigen offenen Enden der Kapillaren in Kontakt kommt. Ebenso kann im Dispenser für jede Kapillare ein eigenes kleines Reservoir vorgesehen sein.
Ferner ist es denkbar, einzelne Bereiche oder jede einzelne Kapillare des Dispensers mit einem jeweils individuellen Reservoir zu verbinden.
Im Folgenden wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert, die in den Figuren schematisch dargestellt sind. Gleiche Bezugsziffern in den einzelnen Figuren bezeichnen dabei gleiche Elemente. Im Einzelnen zeigt:
Fig. 1 eine schematische Darstellung des Aufbringens eines Stoffs auf ein Substrat;
Fig. 2 eine schematische Darstellung zweier Möglichkeiten, die Kapillarendfläche zu verkleinern; und
Fig. 3 eine schematische Darstellung eines Dispensers zum Aufbringen eines Stoffs auf ein Substrat für den Aufbau von organischen Displays.
Zum gezielten Spotting unterschiedlicher Substanzen auf unterschiedlichen Feldern wird eine Kapillare eingesetzt. Vorzugsweise besteht die Kapillare aus Glas, z. B. Quarzglas, das aus Stabilitätsgründen eine Polymerbeschichtung, z. B. aus Polyimiden, trägt.
Das Innere der Kapillare lässt sich mit polaren, wässrigen Lösungen benetzen, die äußere Polymerbeschichtung hingegen nicht.
Die Kapillare hat für Anwendungen in der DNA-Chip-Technologie vorzugsweise einen Außendurchmesser von 140 µm und einen Innendurchmesser von 100 µm.
Vor dem Spotting wird die Kapillare auf einer Schleifvorrichtung in die gewünschte, vorzugsweise rechteckige Form geschliffen. Außerdem wird die Kapillarendfläche plan poliert.
Der Vorgang des Spottings setzt sich aus verschiedenen Schritten zusammen. Grob gesprochen bedarf es zunächst eines Befüllens der Kapillare, d. h. einer Aufnahme des Stoffs in die Kapillare. Erst danach kann der eigentliche Vorgang des Spottings durch Abgabe des Stoffs aus der Kapillare erfolgen.
Zunächst wird der Stoff in ein kleines, verschließbares Gefäß gegeben. Die Kapillare wird mit ihrem substratabgewandten, offenen Ende in den Stoff getaucht.
Zum Befüllen der Kapillare bieten sich nun zwei Verfahren an.
Wässrige, polare Lösungen benetzen das aktivierte Glas der Kapillarinnenwand und werden daher ohne Zutun durch Kapillarkräfte in die Kapillare gesogen.
Lösungen, die die Kapillarinnenwand schlecht benetzen, z. B. unpolare Lösungen, werden durch einen leichten Überdruck in die Kapillare gepumpt. Zum Aufbauen des Überdrucks wird das Fläschchen mit dem Stoff verschlossen und mit Druck beaufschlagt. Es handelt sich dabei um einen aktiven Vorgang, bei dem der innere Kapillareffekt eine untergeordnete Rolle spielt.
Zur Aufnahme kleinster Volumina eines evtl. nur in geringen Mengen vorliegenden Stoffs, z. B. einer DNA-Lösung, kann die Kapillare auch mit ihrem substratseitigen Ende in den Stoff getaucht werden. Der Stoff kann dann wiederum entweder durch den inneren Kapillareffekt aufgenommen werden oder durch dosiertes Aufsaugen, indem ein Unterdruck auf der substratabgewandten Seite der Kapillare beaufschlagt wird. Das substratabgewandte Ende der Kapillare steht im letztgenannten Fall mit einem Pumpensystem in Verbindung, das vorzugsweise eine Syringe-, Schlauch- oder Druckmediumpumpe ist, mit den jeweils entsprechenden Ventilsystemen. Bedingung ist eine hinreichend kleine Fördermenge der Pumpe im Bereich weniger Nanoliter.
Natürlich können prinzipiell auch größere Volumina von vorne aufgesogen werden bzw. kleinste Volumina vom substratabgewandten Ende der Kapillare zugeführt werden.
Vor dem Aufsaugen des Stoffs kann die Kapillare noch mit einer Systemflüssigkeit gefüllt werden, um den aufzunehmenden Stoff nicht einer Grenzschicht mit Luft auszusetzen bzw. um einen inkompressiblen Kolben zu erzeugen.
Als Systemflüssigkeit wird vorzugsweise bidestilliertes, entgastes Wasser eingesetzt. Um kleine Druckschwankungen, wie sie während des Pumpvorgangs entstehen können, abzufangen, ist ein Puffervolumen der Systemflüssigkeit nötig, das vorzugsweise durch ein längeres Schlauchstück realisiert wird.
Der Fall eines aufgesogenen Stoffs ist in Fig. 1 dargestellt.
Fig. 1 zeigt eine Kapillare 10, in der sich eine Systemflüssigkeit 12 befindet. Die Kapillare 10 hat den zu spottenden Stoff 14 aufgesogen. Zwischen dem Stoff 14 und der Systemflüssigkeit 12 bildet sich eine Mischzone 16 aus. Unterhalb der Kapillare bildet sich ein hängender Meniskus 18 aus dem Stoff aus.
Eine Kapillare hat im Regelfall kein speziell ausgebildetes Reservoir. In einer glatten, rohrartigen Kapillare mit 100 µm Innendurchmesser kann auf diese Weise auf 10 mm Länge ein Stoffvolumen von circa 100 nl kontrolliert aufgenommen werden, was nach Abzug der Mischzone etwa 200 Volumenportionen bei der Benetzung eines Substrats entspricht.
Durch die kleinen Oberflächen der Kapillare und die hydrophobe Beschichtung der Außenseite der Kapillare mit Polymeren, an denen nach dem Eintauchen der Kapillare in die Lösung kaum wässrige Lösung haften bleibt, ist der Verlust an Stoff bei dem geschilderten Aufnehmen von Stoff in die Kapillare sehr gering. Er liegt unter 1 nl pro Aufnahmevorgang, was die Ausbeute z. B. einer DNA-Lösung deutlich erhöht.
Bei dem im Folgenden zu schildernden Spotting haben die folgenden beiden Herangehensweisen die reproduzierbarsten Spots ergeben, wobei die Kapillare jeweils vom substratabgewandten Ende her befüllt wurde:

a) Bei polaren Lösungsmitteln wird die gefüllte Kapillare zum Spotting an ihrem substratabgewandten Ende nicht mit Druck beaufschlagt, sondern offen an der Atmosphäre gehalten, ohne Kontakt zum evtl. von der substratabgewandten Seite her aufgenommenen Stoff. Die Kapillare wird z. B. senkrecht gehalten und der Stoff bildet aufgrund der Gravitation einen hängenden Meniskus am substratseitigen Ende der Kapillare.
b) Bei unpolaren Lösungsmitteln wird die gefüllte Kapillare zum Spotting an ihrem substratabgewandten Ende kurzzeitig mit Druck beaufschlagt. Sie wird jedoch nicht offen an der Atmosphäre gehalten, sondern in Kontakt zum von der substratabgewandten Seite her aufgenommenen Stoff.

Diese beiden Herangehensweisen werden im Folgenden stets unterstellt.
Im Folgenden wird wiederum auf Fig. 1 Bezug genommen. Zur gezielten Abgabe des Stoffs auf das Substrat 20 wird die Kapillare 10, die zum Substrat 20 hin offen ist, so ausgerichtet, dass die Kapillarendfläche 22 parallel zur Substratoberfläche ausgerichtet ist.
In der Regel wird die Kapillare 10 parallel zum Gravitationsfeld gehalten. Der Stoff 14 in der Kapillare 10 wird durch die Gravitationskraft soweit nach unten aus der Kapillare 10 heraus gefördert, bis der kapillare Krümmungsdruck ein Kräftegleichgewicht herstellt. Es bildet sich damit an der unteren bzw. substratseitigen Kapillarendfläche 22 ein hängender Meniskus 18 - von außerhalb der Kapillare 10 betrachtet ein konvexer Meniskus. Außer durch das Eigengewicht kann der Meniskus 18 beispielsweise auch durch den durch eine Pumpe erzeugten Überdruck erzeugt werden. Der hängende Meniskus 18 ragt bei Kapillaren von einigen Mikrometern Innendurchmesser nur wenige Mikrometer über die Kapillarendfläche 22 hinaus.
In Fig. 1 ist ganz links mit der Zeitangabe t = 0 s der Zustand nach Befüllen der Kapillare 10 unmittelbar vor dem eigentlichen Spotting bezeichnet.
Im Folgenden wird auf die zweite Darstellung von links in Fig. 1 mit der Zeitangabe t = 0.2 s Bezug genommen. Wird durch Bewegung der Kapillare 10 - oder des Substrats 20 - der Abstand zwischen Kapillarendfläche 22 und Substratoberfläche verringert, kommt es bei einem hinreichend geringen Abstand durch den eingestellten hängenden Meniskus 18 zu Grenzflächenkontakt. Der Pfeil in Fig. 1 gibt die Bewegungsrichtung der Kapillare an.
Im Folgenden wird auf die dritte Darstellung von links in Fig. 1 mit der Zeitangabe t = 0.3 s Bezug genommen. Wird die Kapillare 10 dann so weit in Richtung auf das Substrat 20 bewegt, dass der Abstand zwischen Kapillarendfläche 22 und Substrat 20 beispielsweise kleiner wird als der Innendurchmesser der Kapillare, so wird der äußere Kapillareffekt (siehe oben) stärker als der innere Kapillareffekt und der Stoff fließt in den Raum zwischen Kapillarendfläche 22 und Substratoberfläche, wie es in der vierten Darstellung von links in Fig. 1 mit der Zeitangabe t = 0.4 s gezeigt ist.
Ob und wie weit der Stoff fließt, wird durch die Kapillarkräfte zwischen Substrat 20 und Kapillarendfläche 22, also durch die beteiligten spezifischen Oberflächenspannungen bestimmt. Bringt eine Benetzung der beteiligten Oberflächen zwischen Kapillarendfläche 22 und Substratoberfläche einen energetischen Gewinn, so wird der Stoff genau bis zum Rand der Kapillarendfläche 22 fließen, aber nicht darüber hinaus.
Da in der Regel sowohl die Kapillare 10 aus Glas bzw. polymerbeschichtetem Glas als auch das Substrat 20 aus Glas besteht, sind die beteiligten spezifischen Oberflächenspannungen etwa gleich groß. Damit kommt es für das Fließen des Stoffs 14 in den Raum zwischen Kapillarendfläche 22 und Substratoberfläche nur noch entscheidend auf den Abstand zwischen Kapillarendfläche 22 und Substratoberfläche an.
Die benetzte Fläche nimmt genau die durch die Form der Kapillarendfläche 22 vorgegebene Form an, mit einem scharf definierten Rand. Damit ist es möglich, beispielsweise rechteckige Spots zu benetzen bzw. mit Stoff zu belegen. Dies ist für viele Anwendungen von entscheidender Bedeutung, darunter die Herstellung von organischen Displays, bei denen die Pixel des Displays idealerweise rechteckig sein sollten.
Ganz exakt betrachtet, findet Folgendes statt: Ein polares Lösungsmittel benetzt in der Regel die Kapillarinnenwand, nicht aber die Polymerbeschichtung der Kapillaraußenwand. Fließt ein polares Lösungsmittel in den Raum zwischen Kapillarendfläche 22 und Substratoberfläche, so fließt es bis zum Rand der Glaskapillare, jedoch nicht in den Bereich unterhalb der Polymerbeschichtung. Die Dimensionen der Glaskapillare ohne Beschichtung bestimmen also die Größe des Spots.
Somit lässt sich durch die Wahl des Kapillaraußendurchmessers sehr genau die Spotgröße einstellen. Weiterhin ist es möglich, durch Bearbeitung, z. B. konisches, quadratisches oder rechteckiges Anschleifen des substratseitigen, offenen Kapillarendes die Spotgröße zu verkleinern. Dies ist beispielhaft in Fig. 2 dargestellt. Im rechten Teil der Fig. 2 ist das Ende der Kapillare 10 konisch angeschliffen, wodurch die Kapillarendfläche 22 und damit die Spotgröße verkleinert wurde. Im linken Teil der Fig. 2 wurde das Kapillarende stufenförmig angeschliffen, um die Kapillarendfläche 22 zu verkleinern. Es können somit Spotdurchmesser von wenigen Mikrometer Durchmesser erreicht werden. Der Hauptanwendungsbereich liegt jedoch zwischen 10 µm und 1000 µm.
Der geeignete Substrat-Kapillar-Abstand für eine vollständige Benetzung des Raums unterhalb der Kapillarendfläche 22 hängt im Wesentlichen vom Kapillarinnendurchmesser ab. Wird die Kapillare parallel zum Gravitationsfeld gehalten, so bildet sich am substratseitigen, offenen Ende der Kapillare ein hängender Meniskus 18, wie er in Fig. 1 zu sehen ist. Die Höhe bzw. Tiefe dieses hängenden Meniskus 18 hängt vom Innendurchmesser der Kapillare 10 ab. Je größer der Innendurchmesser ist, desto tiefer hängt der Meniskus 18. In der Regel ist dabei die Höhe bzw. Tiefe des hängenden Meniskus 18 kleiner als der Innendurchmesser der Kapillare 10.
Zur Benetzung der Substratoberfläche muss daher die Kapillare 10 bis auf einen Abstand an das Substrat 20 herangeführt werden, der kleiner ist als die Höhe des hängenden Meniskus 18. Für eine Kapillare 10 mit einem Innendurchmesser von 5 µm muss z. B. ein Abstand von 2 µm eingehalten werden, was sich technisch über große Flächen nur schwer realisieren lässt.
Damit es zu einer vollständigen Benetzung des Raums unterhalb der Kapillarendfläche 22 kommt, muss die Kapillare eine bestimmte Mindestzeit in dem geeigneten kleinen Abstand zur Substratoberfläche verweilen. Der Grund dafür besteht darin, dass das Benetzen der Substratoberfläche und der Kapillarendfläche 22 durch den Stoff nicht instantan erfolgt. Vielmehr bedarf es eines Fließens der nötigen Substanzmenge durch die Kapillare 10 in den Raum zwischen Kapillarendfläche 22 und Substratoberfläche.
Nun ist es zwar theoretisch möglich, praktisch jedoch recht schwierig, eine Kapillare 10 eine vorgegebene Zeit in beispielsweise einem Abstand von 2 µm zur Substratoberfläche zu halten und dies gar über eine ganze Fläche mit einem Kapillararray zu erreichen.
In der Praxis ergibt sich daher ein Übergang zu dem eingangs erwähnten Kontakt-Verfahren. Die Kapillare 10 wird langsam an die Oberfläche herangeführt, bis sie diese berührt (Zeiten t = 0 s bis 0.3 s). Die Kapillare ist dabei federnd gelagert oder federt selbst.
Im Folgenden wird auf die fünfte Darstellung von links in Fig. 1 mit der Zeitangabe t = 0.8 s Bezug genommen. Anschließend wird die Kapillare 10 wiederum von der Substratoberfläche entfernt. Beim Heranführen und Entfernen durchläuft die Kapillare 10 auch die gewünschten kleinen Abstände von beispielsweise 2 µm zur Substratoberfläche. Wird die Kapillare entsprechend langsam bewegt, so hat der Stoff genügend Zeit, in den Raum zwischen Kapillarendfläche 22 und Substratoberfläche zu fließen und diesen zu benetzen.
Die geeignete Geschwindigkeit ergibt sich aus dem gewünschten Abstand (beispielsweise 2 µm) und der Zeitdauer, die der Stoff benötigt, um in den Raum zwischen Substratoberfläche und Kapillarendfläche 22 zu fließen. Diese Zeit hängt im Wesentlichen vom Kapillarinnendurchmesser und von der Viskosität des Stoffs ab. In Fig. 1 sind beispielhafte Zeiten angegeben, also etwa eine halbe bis eine Sekunde. In einem solchen Fall läge eine geeignete Geschwindigkeit für die Bewegung der Kapillare 10 daher im Bereich von einigen Mikrometern pro Sekunde.
Bei der Vergrößerung des Abstandes zwischen Substratoberfläche und Kapillarendfläche 22 fließt der Stoff von dem Raum zwischen Substratoberfläche und Kapillarendfläche 22 teilweise in die Kapillare zurück. Auch dieses Fließen wird durch die Viskosität des Stoffs und den Kapillarinnendurchmesser - sowie in der Regel durch die Gravitation - in seiner Geschwindigkeit begrenzt. Wird die Kapillare vollständig von der Substratoberfläche entfernt, so reißt ein Teil des Stoffs von der Kapillare ab und bleibt als Tropfen auf der Substratoberfläche zurück.
Bestand das Ziel lediglich darin, einen einzigen, in seiner Form wohl definierten Spot auf die Substratoberfläche zu bringen, so kann schlichtweg die Verdunstung des zurückbleibenden Tropfens abgewartet werden. Aufgrund des großen Krümmungsradius des extrem kleinen Tropfens verdunstet dieser innerhalb etwa einer Sekunde, abhängig vom exakten Krümmungsradius und dem Lösungsmittel, aus dem er gebildet ist. Die Verdunstungsrate kann durch Temperieren des Substrats gesteuert und der jeweiligen Anwendung angepasst werden.
Sollen mehrere Schichten übereinander auf dem Substrat deponiert werden, so wird man ebenfalls vor dem Aufbringen der nächsten Schicht das vollständige Verdunsten des zurückbleibenden Tropfens abwarten. Andernfalls käme es zu einer Vermischung der hintereinander aufgetragenen Stoffe, was in Spezialfällen kontrolliert von Bedeutung sein kann.
Wesentlich für das aufgetragene Volumen ist daher die Hin- aber vor allem die Wegfahrgeschwindigkeit der Kapillare von der Substratoberfläche. Wird die Kapillare insgesamt zu kurz in der Nähe der Substratoberfläche gehalten, so fließt nicht genügend Stoff in den Raum zwischen Substratoberfläche und Kapillarendfläche. Der aufzubringende Spot ist dann unvollständig und nicht reproduzierbar. Es müssen also Zeiten eingehalten werden, die ein Aus- und Zurückfließen des Mediums gewährleisten. Auch muss die umgebende Atmosphäre einen geeigneten Dampfdruck aufweisen, um die Verdunstung zu kontrollieren, damit sich der Meniskus stabil ausbilden kann.
Um ein regelmäßiges Array zu spotten wird die Kapillare von einem x-y-z-Roboter mit hoher Genauigkeit um eine vorgegebene Entfernung, z. B. 150 µm, weiter bewegt. Dies wird solange wiederholt, bis die gewünschten Zeilen und Spalten von Spots für das Array erzeugt wurden. Auf diese Weise können sehr regelmäßige Arrays erzeugt werden, bei denen sich in jedem einzelnen Spot etwaige Unregelmäßigkeiten der Kapillarendflächen 22 wiederholen bzw. erkennen lassen.
Wichtig für den Erfolg des Verfahrens ist auch eine benetzbare Substratoberfläche. Eine gute Vorbenetzung wird z. B. bei Befeuchtung des Raums erreicht, in dem sich das Substrat befindet. Hierbei wählt man die relative Feuchte z. B. über 35%.
Die präzise, reproduzierbare Stoffvolumenabgabe im Pikoliterbereich wird also durch den äußeren Kapillareffekt, der zwischen Kapillarendfläche 22 und Substratoberfläche auftritt, und ggf. einem kleinen Vordruck im Puffervolumen erreicht.
Mit einer erfindungsgemäß präparierten Kapillare bzw. einem erfindungsgemäß vorbereiteten Kapillararray lassen sich auch Volumina von mehr als 5 nl in Form von Tropfen auf ein Substrat aufbringen. Hierbei wird vorwiegend das Nicht- Kontakt-Verfahren verwendet. Das gewünschte Volumen wird durch eine Pumpe vorgegeben und bildet einen hängenden Tropfen am Kapillarende. Durch einen kurzen Oberflächenkontakt wird der Tropfen zum Abreißen gebracht. Die maximale Tropfengröße hängt von der benetzbaren Kapillarendfläche 22 ab. Für sehr große Tropfen (im µl-Bereich) ist diese Technik nicht mehr nutzbar. Stattdessen wird zunächst der Tropfen mit dem Substrat 20 in Berührung gebracht. Anschließend wird bei dem sich ergebenden Substrat-Kapillarabstand Stoff in den Raum zwischen Kapillarendfläche 22 und Substrat 20 gepumpt, bis das gewünschte Volumen erreicht ist. Bei diesem Verfahren lässt sich die Spotgröße und Spotform nicht genau reproduzieren; es sind der gewünschten Volumenmenge jedoch keine Grenzen gesetzt.
Im Folgenden wird die Anwendung des geschilderten Verfahrens auf die Herstellung organischer Displays geschildert.
Organische Displays werden i. d. R. auf einem Glas-Substrat aufgebaut, z. B. auf ITO (Indium Tin Oxyde). Auf dem Glas- Substrat wird eine Matrix von leitenden Zeilen und Spalten aufgebracht. Diese aktivieren als Anode bzw. Kathode die ausgewählten Pixel. Zwischen Anode und Kathode werden drei organische Schichten aufgebracht: oben und unten je eine Elektronen- bzw. Loch-leitende organische Schicht, die homogen auf dem ITO-Substrat aufgebracht werden. In der Mitte befindet sich eine organische Leuchtschicht. Diese enthält die erwähnten Farbstoffe.
Um ein farbiges Display zu erzeugen, das beispielsweise auf der RGB-Technologie (rot, grün, blau) basiert, müssen in den einzelnen Pixeln die jeweiligen Farbstoffe enthalten sein. Mit Hilfe des geschilderten Verfahrens können die Farbstoffe, nachdem sie in unpolaren Lösungsmitteln gelöst wurden, gezielt in dem benötigten Raster auf die leitende organische Schicht gespottet werden. Dazu werden nacheinander die drei Farben gespottet.
Anschließend wird die leitende organische Deckschicht aufgebracht, gefolgt von der leitenden ITO-Schicht.
Für die Herstellung von organischen Displays werden beispielsweise rote, grüne und blaue Farbstoffe auf jeweils benachbarten Spots bzw. Teilpixeln gespottet. Dazu wird ein Dispenser für jede Farbe verwendet, der die jeweilige Farbe auf die jeweiligen Teilpixel spottet. Der Dispenser ist so groß, dass er alle Teilpixel eines Displays mit einem Druckvorgang mit dem jeweiligen Farbstoff belegt.
Im Folgenden wird auf Fig. 3 Bezug genommen. Der Dispenser 24 besteht aus einer Sockelplatte 26, die eine Vielzahl von Kapillaren 28 hält. Die Sockelplatte 26 und die Kapillaren sind einstückig hergestellt. Die Kapillaren 28 haben eine Länge von wenigen Millimetern und einen Innendurchmesser von 100 µm. Möglich ist auch eine rechteckige Form der Kapillaren mit äußeren Abmessungen von 30 × 60 µm. Die Kapillaren 28 haben jeweils ein substratseitiges und ein substratabgewandtes Ende und eine substratseitige Kapillarendfläche 30. Die Kapillaren 28 werden derart durch die Sockelplatte 26 gehalten bzw. sind derart zusammen mit der Sockelplatte 26 ausgebildet, dass die Kapillarendflächen 30 in einer Ebene liegen, damit sie beim Aufbringen alle gleichzeitig das Substrat berühren.
Der Dispenser 24 trägt auf der substratabgewandten Seite ein Reservoir 32 für die jeweilige Farbe bzw. den jeweiligen Stoff, wobei das Reservoir mit den substratseitigen offenen Enden der Kapillaren 28 in Kontakt steht. Das Reservoir wird durch eine nicht gezeigte Pumpe mit einem leichten Überdruck beaufschlagt.
Der Dispenser ist aus einem Feld von 1000 × 1000 Kapillaren gebildet, um ein organisches Display von 1000 × 1000 Pixeln aufzubauen.
Der Dispenser kann z. B. auf Silizium-Basis aufgebaut werden. Dazu bietet sich ein photolithographisches Verfahren an, bei dem zunächst eine Maske erzeugt wird, die die Lage der Kapillaren definiert. Die einzelnen Kapillaren werden dann durch so genanntes Trench-Etching im Siliziumblock ausgebildet. Denkbar ist auch der Einsatz eines Erodierverfahrens zum Ausbilden der Kapillaren in Silizium.
Anschließend kann das Silizium in einem Plasma behandelt werden, wodurch die Oberfläche zu Siliziumdioxid, also Quarzglas, oxidiert wird. Damit hat der Silizium-Dispenser die gleichen Oberflächeneigenschaften wie eine Glas-Kapillare.
In gleicher Weise kann der Dispenser aus photobeschichtetem Glas (Foturan) oder anderen Materialien geschaffen werden. Bezugszeichen 10 Kapillare
12 Systemflüssigkeit
14 aufzubringender Stoff
16 Mischzone
18 hängender Meniskus
20 Substrat
22 Kapillarendfläche
24 Dispenser bzw. Kapillararray
26 Sockelplatte des Dispensers 24
28 kurze Kapillaren des Dispensers 24
30 Kapillarendflächen der kurzen Kapillaren 28
32 Reservoir des Dispensers 24

Claims

1. Verfahren zum Aufbringen eines Stoffs (14) auf ein Substrat (20),

a) wobei mindestens eine Kapillare (10) mit einem substratseitigen und einem substratabgewandten Ende gewählt wird, bei der das substratseitige Ende eine Kapillarendfläche (22) aufweist;

b) wobei die mindestens eine Kapillare (10) derart mit dem Stoff (14) befüllt wird, dass der Stoff das substratseitige Ende der mindestens einen Kapillare erreicht;

c) wobei die mindestens eine Kapillare (10) derart an das Substrat (20) herangeführt wird, dass der Stoff (14) das Substrat benetzt und aufgrund des Kapillareffekts im Wesentlichen ausschließlich den Raum zwischen Substrat und Kapillarendfläche (22) ausfüllt; und

d) wobei die mindestens eine Kapillare (10) anschließend vom Substrat (20) entfernt wird.

2. Verfahren nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass das substratseitige Ende der mindestens einen Kapillare (10) verjüngt wird.

3. Verfahren nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass dem substratseitigen Ende der mindestens einen Kapillare (10) eine vorgegebene Form aufgeprägt wird, wodurch sich eine substratseitige Kapillarendfläche (22) vorgegebener Form ergibt.

4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Kapillare (10) derart gewählt wird, dass sie im Falle einer Berührung des Substrats (20) federnd nachgibt.

5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Kapillare (10) federnd gelagert wird.

6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ausgewählte Molekülarten des Stoffs (14) während des Aufbringens auf dem Substrat (20) durch Elektroosmose aufkonzentriert werden.

7. Vorrichtung zum Aufbringen eines Stoffs (14) auf ein Substrat (20)

a) mit Mitteln zum Halten mindestens einer Kapillare (10) mit einem substratseitigen und einem substratabgewandten Ende, bei der das substratseitige Ende eine Kapillarendfläche (22) aufweist;

b) mit Mitteln zum Befüllen der mindestens einen Kapillare (10) mit dem Stoff (14) in der Weise, dass der Stoff das substratseitige Ende der mindestens einen Kapillare erreicht;

c) mit Mitteln zum Führen der mindestens einen Kapillare (10) an das Substrat (20) in einer Weise, dass der Stoff (14) das Substrat benetzt und im Wesentlichen ausschließlich den Raum zwischen Substrat und Kapillarendfläche (22) ausfüllt; und

d) mit Mitteln zum Entfernen der mindestens einen Kapillare (10) vom Substrat (20).

8. Vorrichtung zum Aufbringen eines Stoffs (14) auf ein Substrat (20)

a) mit einer Sockelplatte (26);

b) mit einer Vielzahl von Kapillaren (28);

c) wobei die Kapillaren (28) jeweils ein substratseitiges und ein substratabgewandtes Ende und eine substratseitige Kapillarendfläche (30) aufweisen; und

d) wobei die Kapillaren (28) derart durch die Sockelplatte (26) gehalten werden, dass die Kapillarendflächen (30) in einer Ebene liegen.

9. Vorrichtung nach dem vorhergehenden Anspruch, gekennzeichnet durch ein Reservoir (32) für den Stoff (14), wobei das Reservoir derart angeordnet ist, dass der Stoff mit den substratseitigen Enden der Kapillaren (28) in Kontakt kommt.