DE10310615B3

DE10310615B3 - Verfahren zur Herstellung eines Biochips und Biochip

Info

Publication number: DE10310615B3
Application number: DE2003110615
Authority: DE
Inventors: Michael Weber; Jochen Dangelmaier; Horst Theuss
Original assignee: Infineon Technologies AG
Current assignee: Infineon Technologies AG
Priority date: 2003-03-10
Filing date: 2003-03-10
Publication date: 2004-11-04
Anticipated expiration: 2023-03-11

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Biochip und ein Verfahren zur Herstellung desselben. Der Biochip ist auf der Basis eines Halbleiterchips (3) mit Mikrostrukturen (9) auf einer Oberseite (11) aufgebaut. Die Mikrostrukturen (9) in Form von Mikrokanälen (2) und/oder Mikroringen (5) sind photolithographisch aus einer Photolackschicht (4) aufgebaut, die sowohl die Kanalwände (12) als auch die Ringwände (13) bilden.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Biochip mit Mikrostrukturen auf einer Oberseite, und einen Biochip.
Mit derartigen Biochips wird eine definierte Führung von Flüssigkeiten auf Chiplevel durch Mikrokanäle erreicht. Außerdem werden Biochips dazu eingesetzt, um eine lokale Begrenzung kleiner Flüssigkeitsmengen in Form von Microspots auf einem definierten Gebiet einer Halbleiteroberfläche zu verteilen. Derartige Biochips dienen der Mikroanalyse von Flüssigkeitsströmen oder Flüssigkeitstropfen. Dafür werden in einem aufwendigen Verfahren Mikrokanalstrukturen in Glasplatten, Siliciumplatten oder Polymerplatten eingegraben, wobei das Problem einer eingeschränkten Dimensionierung der Mikrostruktur-Querschnitte auftritt.

Herstellverfahren für Biochips mit Mikrostrukturen sind aus J. Micromech. Microeng. 11 (2001), Seiten 1-8, Sensors and Actuators B 48 (1998), Seiten 356-361, sowie aus Sensors and Actuators A 103 (2003), Seiten 64-69, bekannt. Darüberhinaus sind Herstellverfahren für Biochips mit Mikrostrukturen bekannt, bei denen die Mikrostrukturen in Photolackschichten hergestellt werden. Die EP 0 794 616 A2 offenbart ein Verfahren zum Abdecken von Mikrostrukturen mit strukturiertem Photolack.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren zur Herstellung eines Biochips und einen Biochip zu schaffen, bei dem die Querschnitte der Mikrostrukturen mit einem preiswerten Verfahren und mit hoher Reproduzierbarkeit herstellbar sind und neben Mikrokanälen auch gleichzeitig Mikroringe hergestellt werden können.

Diese Aufgabe wird mit dem Gegenstand der unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.

Erfindungsgemäß wird ein Biochip auf der Basis eines Halbleiterchips angegeben. Dieser Halbleiterchip weist auf seiner Oberseite Mikrostrukturen auf, wobei die Mikrostrukturen Mikrokanäle und Mikroringe aufweisen. Diese Mikrostrukturen sind von einer Photolackschicht als Kanalwände beziehungsweise Ringwände umgeben.

Ein derartiger Biochip hat den Vorteil, dass der Querschnitt der Mikrostrukturen sowohl in Bezug auf die Höhe als auch in Bezug auf die Breite äußerst variabel ist. Die Höhe wird durch die Photolackschicht bestimmt, die zwischen 1 und 200 μm variierbar ist und die Breite der Mikrostrukturen wird durch die Maske zur Erzeugung der Mikrostrukturen bestimmt und kann von 0,5 μm bis 500 μm variiert werden. Auch der Durchmesser von Mikroringen zur Aufnahme von Flüssigkeitströpfchen kann an den jeweiligen Anwendungsfall aufgrund des Einsatzes der Photolackschicht vorteilhaft angepasst werden.

Außerdem können beliebig viele Mikroringe auf einem Halbleiterchip in Zeilen und Spalten angeordnet werden, um eine Vielzahl von Flüssigkeitströpfen in einem Vermessungs- oder Analyseschritt zu erfassen. Ein weiterer Vorteil der Photolackschicht besteht darin, dass bereits in die Photolackschicht Aktoren, wie Spiegel, Linsen oder andere optische Mikroeinrichtungen eingebaut werden können. Ein weiterer Vorteil eines solchen Biochips liegt in der Möglichkeit Mikrostrukturierungen der Photolackschicht für viele Biochips auf einem entsprechenden Halbleiterwafer vorzunehmen. Dabei wird die Wand des Mikrokanals auf einem Halbleiterwafer durch Strukturierung des Polymers der Photolackschicht ausgeformt und bildet damit auf dem Halbleiterwafer eine erhabene Struktur.

Die derart ausgebildeten Mikrokanäle und Mikroringe können nach oben offen auf dem Halbleiterchip ausgebildet sein oder von einer Mikrostrukturabdeckung bedeckt sein. Insbesondere bei Mikroringstrukturen ist es von Vorteil, diese mit einer Öffnung vorzusehen, um Mikrotropfen in den Mikroringen aufzunehmen, so dass in diesem speziellen Fall, wie der Microspot-Technik, keine Abdeckung nötig ist. Hier verhindert vorteilhaft die Polymerwand aus Photolack des Mikroringes das Zerfließen eines kleinen Flüssigkeitstropfens.

Anstelle der oben erwähnten großflächigen Photolackschicht als Mikrostrukturabdeckung können insbesondere die Mikrokanäle individuell und einzeln von einer strukturierten Photolackschicht abgedeckt sein, so dass die Flächen des Halbleiters zwischen den abgedeckten Mikrokanalstrukturen für Mikroverdrahtungen und andere Aufgaben eingesetzt werden können. Da das Mikrokanalsystem auf der Fläche des Halbleiterchips aufsitzt, können die Flüssigkeiten leicht über beispielsweise gentechnisch oder mikrosystemtechnisch aktive Chipgebiete geleitet werden. Dies ist von besonderem Vorteil bei elektrisch oder optisch auslesbaren Biochips in einer Ausführungsform von "micro arrays".

Dabei wird das gesamte Array mit der zu analysierenden Flüssigkeit gespült. Andererseits ermöglicht ein solches Kanalsystem, dass gleichzeitig die Benetzung ausgewählter Mikrospots erfolgt. Somit können mit einem derartigen Kanalsystem gleichzeitig unterschiedliche Substanzen gentechnisch analysiert werden.

Darüber hinaus zeichnet sich der Gegenstand der vorliegenden Erfindung durch seine hohe Flexibilität in der Geometrie aus. Sowohl die Wandbreite als auch die Kanalbreite sowie die umschlossene Querschnittsfläche lassen sich in weiten Grenzen variieren, ohne dass Ätzmittel, die den Halbleiterchip und die Strukturen auf dem Halbleiterchip beschädigen könnten, eingesetzt werden müssen, zumal der erfindungsgemäße Biochip ohne ein Eingraben von Strukturen auskommt, und er vielmehr die biosensitiven Strukturen, insbesondere die Mikrokanäle und die Mikroringe auf dem fertigen Halbleiterchip aufbaut.

Der erfindungsgemäße Biochip kann gleichzeitig Sensorstrukturen an der Oberseite des Halbleiterchips aufweisen, deren Sensorik im Bereich der Mikrostrukturen angeordnet ist. Diese Sensorstrukturen sind in das Halbleitermaterial eingearbeitet und über Leiterbahnen mit der Sensorik im Bereich der Mikrostrukturen elektrisch verbunden. Andererseits sind die für die Versorgung der Sensorstrukturen notwendigen Kontaktflächen auf der Oberseite des Halbleiterchips in Bereichen angeordnet, die außerhalb des Bereichs der Mikrostrukturen liegen. Neben Kontaktflächen, über die ein Zugriff zu den Sensorstrukturen möglich ist, können auch Außenkontakte außerhalb des Bereichs der Mikrostrukturen auf der Oberseite des Mikrochips angeordnet sein.

Für eine weitere Ausführungsform der Erfindung ist es vorgesehen, dass der Biochip einen mehrlagigen Stapel aus übereinander angeordneten Mikrostrukturen und Mikrostrukturabdeckungen im Wechsel aufweist. Dabei können in den gestapelten Mikrostrukturabdeckungen Verbindungsöffnungen vorgesehen werden, so dass zusätzlich zu einem Flüssigkeitsstrom parallel zu der Oberfläche des Halbleiterchips auch Flüssigkeitsströme senkrecht dazu möglich werden. Dies ist insbesondere von Vorteil für die Zuführung von zu messenden oder zu analysierenden Flüssigkeiten, da diese nun von oben eingebracht werden können und dann durch den mehrlagigen Stapel sich auf die einzelnen Messpositionen optimal verteilen können. Dabei ist sowohl das Material für die Mikrostrukturen als auch das Material für die Mikrostrukturabdeckungen in einem derartigen Stapel aus einem gleichartigen Photolackpolymer aufgebaut. Beim Aushärten der Photolackschichten in den einzelnen Lagen vernetzten diese Lagen untereinander und bilden somit einen von Kanälen, Durchgangslöchern und Ringstrukturen durchdrungenen Kunststoffkörper auf dem Halbleitermaterial des Biochips.

Ein Verfahren zur Herstellung eines Biochips mit Mikrokanälen auf einem Halbleiterchip weist die nachfolgenden Verfahrensschritte auf. Zunächst wird ein Halbleiterwafer mit einer Photolackschicht beschichtet. Anschließend wird diese Photolackschicht photolithographisch strukturiert, so dass Mikrokanäle und Mikroringe in der Photolackschicht ausgebildet werden. Abschließend kann die Photolackschicht ausgehärtet werden und der Halbleiterwafer in einzelne Halbleiterchips mit auf der Oberseite des Halbleiterchips angeordneten Mikrokanälen und Mikroringen getrennt werden. Wenn lediglich diese eine und erste Photolackschicht strukturiert und aufgebracht ist, erhält man einen Biochip mit nach oben offenen Mikrokanälen und Mikroringen.

Dieses kann für das Befüllen der Kanäle beziehungsweise der Mikroringe mit Hilfe von Pipetten und von oben von Vorteil sein. In einem weiteren Schritt können die mit Mikrostrukturen versehenen Halbleiterchips von einer für alle Mikrostrukturen gemeinsamen Deckplatte abgedeckt werden. Dazu wird ein weiterer zweiter Halbleiterwafer mit einer nicht strukturierten zweiten Photolackschicht in einzelne Halbleiterchips getrennt. Diese Halbleiterchips mit ihren Photolackschichten werden auf die Halbleiterchips des ersten Halbleiterwafers aufgelegt und in einem gemeinsamen Härteprozess wird die geschlossene zweite Photolackschicht des zweiten Halbleiterchips mit der strukturierten Photolackschicht des ersten Halbleiterchips vernetzt.

Damit werden die Mikrostrukturen von einer gemeinsamen Deckplatte aus einer gehärteten Photolackschicht abgedeckt und anschließend kann der zweite Halb-leiterwafer entfernt werden. Mit einem derartigen zweiten Halbleiterchip können jedoch auch gezielt nur die Mikrokanäle und oder die Mikroringe abgedeckt werden, wenn die zweite Photolackschicht auf dem zweiten Halbleiterwafer zu Mikrostrukturabdeckungen strukturiert wird. Damit können dann in vorteilhafter Weise abgedeckte Mikrokanäle und abgedeckte Mikroringe auf einem Halbleiterchip entstehen. Die verbleibende Oberfläche des Halbleiterchips kann dann für die Auswerteschaltung und/oder für Kontaktflächen und Außenkontakte eingesetzt werden.

Diese aus zwei Lagen bestehende Struktur kann beliebig gestapelt werden, so dass sich kreuzende Mikrokanäle und vertikale Durchgänge in den gestapelten Mikrostrukturen entstehen. An den Kreuzungspunkten können diese Mikrokanäle über Öffnungen untereinander verbunden werden, so dass eine Flüssigkeitsausbreitung nicht nur parallel zu der Halbleiterchipoberfläche möglich ist, sondern auch senkrecht dazu möglich ist. Ein Material, das sich für derartige Mikrostrukturen eignet, ist eine Photolackschicht aus Benzocyclobuten mit der Abkürzung BCB oder aus Polyimid mit der Abkürzung PI.

Es können jedoch auch für den Kanalaufbau optisch transparente Photolacke eingesetzt werden, so dass optische Prozesse, wie Ausleseprozesse an optischen Mikro-Array-Chips möglich sind. Um derartige Photolacke auf Halbleiterwafern gleichmäßig zu verteilen, werden diese Photolacke in einem Schleuderverfahren aufgebracht, das sich auch „spin-on coating" nennt. Alle Wände der Mikrostrukturen können mit einem derartigen Spin-On-Coating aufgebracht werden, wobei vorzugsweise ein transparenter Photolack eingesetzt wird, um auch durch dicke re Lackschichten die relativ komplexe Struktur insbesondere eines mehrlagigen Kanalsystems zu kontrollieren. Dabei liegen die Schichtdicken dieser transparenten Photolacke zwischen 1 bis 200 μm.

Die Erfindung wird nun anhand der beiliegenden Figuren näher erläutert.
1 zeigt einen schematischen Querschnitt durch einen Biochip einer ersten Ausführungsform der Erfindung,
2 zeigt einen schematischen Querschnitt durch einen Biochip einer zweiten Ausführungsform der Erfindung,
3 zeigt eine schematische Draufsicht auf einen Ausschnitt eines Biochips, der in 2 gezeigt wird,
4 zeigt einen schematischen Querschnitt durch einen Biochip mit einem mehrlagigen Mikrokanalsystem,
5 zeigt eine schematische perspektivische Ansicht eines Ausschnitts eines Biochips mit einer Mikroringstruktur.
1 zeigt einen schematischen Querschnitt durch einen Ausschnitt eines Biochips 100 einer ersten Ausführungsform der Erfindung. Dieser Biochip 100 weist einen Halbleiterchip 3 auf, auf dem eine erste strukturierte Photolackschicht 4 angeordnet ist, die Kanalwände 12 ausbildet. Zwischen den Kanalwänden 12 ist ein Abstand, der den eigentlichen Flüssigkeitskanal in Form eines Mikrokanals 2 bildet.
Auf der ersten Photolackschicht 4 ist eine zweite Photolackschicht 7 angeordnet, die derart strukturiert ist, dass sie den Mikrokanal 2 abdeckt. Ein derartiger Biochip 100 weist auf der Oberseite 11 des Halbleiterchips 3 nicht gezeigte Mikroringe, Auswertstrukturen sowie Sensorbereiche auf, die der Analyse der durch die Mikrokanäle fließenden Flüssigkeiten dient. Die Oberflächenbereiche, die nicht von den Mikrokanälen 2 und den Mikrokanalwänden 12 beansprucht werden, können für die Auswerteschaltung für Kontaktflächen und für Außenkontakte verwendet werden.
Die beiden Photolackschichten 4 und 7 sind aus einem gleichen transparenten Polymer aufgebaut und an ihren Berührungsflächen durch einen thermischen Aushärtevorgang miteinander vernetzt. Das Aufbringen der zweiten strukturierten Photolackschicht 7 auf die erste mit Mikrostrukturen versehene Photolackschicht wird dadurch erreicht, dass ein weiterer Halbleiterchip mit einer strukturierten Photolackschicht versehen wird und dann diese Photolackschicht mit dem nicht gezeigten weiteren Halbleiterwafer auf die Struktur des Halbleiterwafers 3 aufgesetzt wird.
Nach dem Vernetzen der beiden Photolacke untereinander, kann der weitere Halbleiterwafer entfernt werden. Mit diesem Kanalsystem mit strukturiertem Deckel, wie er beispielsweise für optische oder elektrische Mikro-Array-Biochips vorgesehen ist, wird erreicht, dass durch das Wandsystem aus Photolackmaterial klar definierte Microspots entstehen. Die Bedeckelung erfolgt durch Aufbringen einer entsprechend strukturierten Deckelgeometrie aus einem Photolack. Hierbei wird die Deckelstruktur auf einem zweiten Hilfsträger erzeugt und auf den Biochip aufgebracht. Bei einer Temperbehandlung vernetzen Wand und Deckel und der Hilfschip kann anschließend abgelöst werden. In ein derartiges Mikrokanalsystem können verschiedenartige Substanzen eingeschleust und analysiert werden. Es ist ferner möglich, dass über derartige Kanalsysteme Zu- und Ableitung von Prozessenergie über Kühl- beziehungsweise Heizflüssigkeit erfolgt.
2 zeigt einen schematischen Querschnitt durch einen Biochip 200 gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung. Komponenten mit gleichen Funktionen wie in 1 werden mit gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet und nicht extra erörtert.
Der Unterschied der zweiten Ausführungsform gemäß 2 unterscheidet sich von der Ausführungsform, die in 1 gezeigt wird dadurch, dass eine geschlossene Mikrostrukturabdeckung auf die Kanalwände 12 aufgebracht ist, was den Herstellungsprozess verbilligt, da ein Strukturierungsprozess eines weiteren Halbleiterwafers mit einer Photolackschicht entfällt.
3 zeigt eine schematische Draufsicht auf den Biochip 200 der in 2 im Querschnitt gezeigt wird. Bei dieser Draufsicht wurde die Mikrostrukturabdeckung 8 weggelassen, so dass die Kanalführung zu erkennen ist. In dieser Draufsicht sind zusätzlich zu den Mikrokanälen 2 zwei Mikroringstrukturen vorgesehen, in denen einzelne Flüssigkeitstropfen aufgefangen oder eingegrenzt werden können. Dabei wird die Mikroringwand 13 aus dem gleichen Photolackmaterial hergestellt wie die Mikrokanalwand 12.
4 zeigt einen schematischen Querschnitt durch einen Biochip 300 mit einem mehrlagigen Mikrokanalsystem 10. Dieses Mikrokanalsystem ist aus abwechselnden Photolackschichten mit Mikrokanälen 2, nicht gezeigten Mikroringen 5 und mit Mikrostrukturabdeckungen 8 aufgebaut. Die Mikrostrukturabdeckungen 8 können Öffnungen 14 an den Stellen aufweisen, wo sich Kanäle von zwei übereinanderliegenden Kanalsystemen kreuzen. Damit ist es möglich, dass sich auch ein Flüssigkeitsstrom senkrecht zur Oberseite 11 des Halbleiterchips 3 ausbreitet. Der Abschluss dieses mehrlagigen Mikrosystems bildet eine hier in diesem Querschnitt geschlossene Deckplatte 6, die aus einer durchgängigen Photolackschicht besteht.
Auf diese Weise lassen sich beliebig viele Kanalebenen realisieren. Als Abschluss wird ein strukturierter oder auch nicht strukturierter Deckel aufgebracht. Mit einer solchen Anordnung, wie sie 4 zeigt, können Kanäle überkreuzt werden und die Kanaleingänge können flexibler gestaltet sein, nämlich nicht nur seitlich, sondern auch senkrecht zur Chipoberseite angeordnet werden. Darüber hinaus ermöglicht eine derartige dreidimensionale Anordnung eine Integration von den verschiedensten Technologien in dem Kanalsystem durch Anordnung von Sensoren, optischen Spiegeln oder Linsen.
5 zeigt eine schematische perspektivische Ansicht eines Ausschnitts eines Biochips 400 und einer Mikroringstruktur auf diesem Ausschnitt. Diese Mikroringstruktur 5 ist auf der Oberseite 11 eines Halbleiterchips 3 angeordnet und die Ringwände 13 bestehen aus einem Photolackmaterial. Mit Hilfe dieses Photolackmaterials werden somit Rahmen um gentechnisch aktive Gebiete eines Microspots geformt. Diese bleiben ohne Deckel, sind also nach oben offen. Diese Ausführungsform der Erfindung, wie sie in 5 gezeigt wird, ermöglicht das "Impfen" eines jeden Spots in Form eines Mikroringes 5 mit unterschiedlichen, zu analysierenden Flüssigkeitssubstanzen über beispielsweise Mikropipetten.

Claims

Verfahren zur Herstellung eines Biochips (1) mit Mikrostrukturen (9) auf einem Halbleiterchip (3), das folgende Verfahrensschritte aufweist: – Beschichten eines Halbleiterwafers mit einer Photolackschicht (4), – photolithographisches Strukturieren von Mikrokanälen (2) und Mikroringen (5) in der Photolackschicht (4), – Aushärten der Photolackschicht (4), – Trennen des Halbleiterwafers in Halbleiterchips (3) mit auf der Oberseite des Halbleiterchips (3) angeordneten Mikrokanälen (2) und Mikroringen (5).
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass nach dem Trennen des Halbleiterwafers in Halbleiterchips (3) die Mikrokanäle (2) und Mikroringe (5) durch eine gemeinsame Deckplatte (6) abgedeckt werden.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein zweiter Halbleiterwafer mit einer zweiten Photolackschicht (7) beschichtet wird, und die zweite Photolackschicht (7) photolithographisch zu Mikrostrukturabdeckungen (8) der Mikrokanäle (2) strukturiert und auf den Mikrokanälen (2) positioniert wird, wonach abschließend der zweite Halbleiterwafer entfernt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Mikrostrukturen (9) und Mikrostrukturabdeckungen (8) aufeinander zu einem komplexen mehrlagigen Mikrosystem (10) auf einem Halbleiterchip (3) gestapelt werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass topfartige nach oben offene Mikrostrukturen (9) in die Photolackschicht (4) eingebracht werden.
Biochip auf der Basis eines Halbleiterchips (3) mit Mikrostrukturen (9) auf einer Oberseite (11), wobei die Mikrostrukturen (9) Mikrokanäle (2) und Mikroringe (5) aufweisen und wobei die Mikrostrukturen (9) von einer Photolackschicht (4) als Kanalwände (12) beziehungsweise Ringwände (13) umgeben sind.
Biochip nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Mikrokanäle (2) von einer Photolackschicht (5) als Mikrokanalabdeckung (8) bedeckt sind.
Biochip nach Anspruch 6 oder Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Biochip (1) Sensorstrukturen an seiner Oberseite aufweist, deren Sensorik im Bereich der Mikrostrukturen (9) angeordnet ist.
Biochip nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass Kontaktflächen und Außenkontakte außerhalb des Bereichs der Mikrostrukturen (9) auf der Oberseite (11) des Biochips (1) angeordnet sind.
Biochip nach einem der Ansprüche 6 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Biochip (1) einen mehrlagigen Stapel aus übereinander angeordneten Mikrostrukturen (9) und Mikrostrukturabdeckungen (8) mit Mikrokanalkreuzungen aufweist.