DE112014000462B4

DE112014000462B4 - Herstellung einer Mikrofluidchip-Packung oder -Baugruppe mit trennbaren Chips

Info

Publication number: DE112014000462B4
Application number: DE112014000462.6T
Authority: DE
Inventors: Emmanuel Delamarche; Yuksel Temiz
Original assignee: International Business Machines Corp
Current assignee: International Business Machines Corp
Priority date: 2013-06-28
Filing date: 2014-06-18
Publication date: 2023-06-01
Anticipated expiration: 2034-06-19
Also published as: JP2016529116A; US20160367984A1; WO2014207619A1; US10112193B2; US20180361380A1; JP6478231B2; GB201311680D0; DE112014000462T5; GB2531452A; GB201600188D0; US11198119B2

Abstract

Verfahren zur Herstellung einer Mikrofluidchip-Packung oder -Baugruppe (1), aufweisend:Bereitstellen (S1) eines Substrats (10, 30), welches mindestens einen Block (14, 14a) aufweist, der eine oder mehrere Mikrofluidstrukturen auf einer Stirnfläche (F) des Substrats aufweist; undpartielles Schneiden (S2) in das Substrat, um partielle Schnitte (10c) zu erhalten, so dass eine Restdicke (10r) des Substrats auf der Höhe der partiellen Schnitte (10c) eine Vereinzelung des mindestens einen Blocks (14, 14a) ermöglicht;Reinigen (S4) des mindestens einen Blocks; undAufbringen (S5 bis S7) einer Deckdünnschicht (62), um den mindestens einen Block (14, 14a) zu bedecken, wodurch mindestens ein bedeckter Block erhalten wird, wobei die aufgebrachte Deckdünnschicht immer noch die Vereinzelung jedes bedeckten Blocks ermöglicht, wobei jeder bedeckte Block nach der Vereinzelung einem Mikrofluidchip entspricht,wobei die Deckdünnschicht (62) starr genug ist, um die Mikrofluidstrukturen zu überspannen, ohne darin zusammenzufallen,wobei die Deckdünnschicht (62) ein Trockendünnschicht-Resist ist und eine Dicke von 10 µm bis 100 µm, vorzugsweise 30 µm bis 70 µm aufweist.

Description

GEBIET DER ERFINDUNG
Die Erfindung betrifft allgemein die Herstellung einer Mikrofluidchip-Packung oder - Baugruppe. Sie betrifft insbesondere Verfahren zur Herstellung mehrerer Mikrofluidchips auf demselben Wafer.
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Mikrofluidelemente beziehen sich im Allgemeinen auf im Mikromaßstab hergestellte Einheiten, welche zum Pumpen, Probennehmen, Mischen, Analysieren und Dosieren von Flüssigkeiten verwendet werden. Hervorstechende Merkmale dieser sind in dem besonderen Verhalten begründet, welches Flüssigkeiten im Mikrometer-Längenmaßstab zeigen. Die Strömung von Flüssigkeiten in Mikrofluidelementen ist typischerweise laminar. Durch Herstellen von Strukturen mit lateralen Dimensionen im Mikrometerbereich können Volumina von deutlich weniger als einem Nanoliter erreicht werden. Reaktionen, die in großen Maßstäben (durch Diffusion von Reaktionspartnern) beschränkt sind, können beschleunigt werden. Schließlich ist es möglich, dass parallele Ströme von Flüssigkeiten genau und reproduzierbar gesteuert werden können, wodurch ermöglicht wird, dass an Flüssig/Flüssig- und Flüssig/Fest-Grenzflächen chemische Reaktionen erfolgen und Gradienten hergestellt werden. Mikrofluidelemente werden dementsprechend für verschiedene Anwendungen in den Biowissenschaften verwendet. Mikrofluidelemente mit Mikrofluideinheiten werden im Allgemeinen als Mikrofluidchips bezeichnet.
Zum Beispiel machen Bioassays auf Mikrofluidbasis das Führen einer flüssigen Probe innerhalb eines mikrofluiden Strömungsweges erforderlich. Die Strömungsbedingungen (Volumenstrom und Strömungsgeschwindigkeit) sind wichtig, da sie das Ergebnis des Assays beeinflussen. Obwohl verschiedene Verfahren und Einheiten zum Strömen von Flüssigkeiten innerhalb mikrofluider Strömungswege entwickelt worden sind, fehlt diesen Verfahren entweder die Flexibilität oder sie arbeiten mit einem eingeschränkten Probentyp oder mit eingeschränkten Strömungsbedingungen.
Außerdem erscheint die Herstellung von Mikrofluidchips unter Verwendung von Halbleiter-Wafern wie z.B. Si-Wafern attraktiv: man kann erwarten, von einem Bereich vorhandener Verfahren zu profitieren, wie sie in den letzten Jahrzehnten kontinuierlich für integrierte Schaltungen entwickelt worden sind, um genaue Mikrofluidstrukturen zu erhalten. Jedoch weisen Mikrofluidelemente im Gegensatz zu dem, was bei der Halbleiter-Wafer-Verarbeitung geschieht, im Allgemeinen tiefe Strukturen auf, d.h. etwa einige Mikrometer bis zu 20 Mikrometern oder sogar tiefer. In vielen Fällen werden bei Mikrofluidanwendungen 5 Mikrometer bereits als eine geringe Tiefe angesehen, da durch eine so geringe Tiefe ein großer hydraulischer Widerstand auf einer Flüssigkeit erzeugt werden kann und diese blockiert oder mit Mikrokügelchen und Teilchen verstopft werden kann, eine so geringe Tiefe kann auch mit Proben inkompatibel sein, die Zellen enthalten. Als ein Ergebnis sind die Anforderungen, die bei der Herstellung von Mikrofluidchips gelten, für existierende Halbleiter-Wafer-Verfahren problematisch, wenn sie nicht sogar damit unvereinbar sind, sowohl in Bezug auf die Herstellungsverfahren als auch in Bezug auf die Herstellungskosten.
Die US 5 063 081 A offenbart ein Verfahren zum Herstellen von Mikrosensoren, die oberseitig mit einer permselektiven Schicht, einer proteinösen Photoresistschicht sowie einem immobilisierten Ligandenrezeptor als oberster Schicht ausgebildet sind.
Die US 6 830 990 B1 offenbart ein Verfahren zum Vereinzeln von Wafern, wobei Trenngräben in die Rückseite des Wafers geschnitten oder geritzt werden, sodass empfindliche Mikrostrukturen auf der Vorderseite nicht durch die Vereinzelung beschädigt oder kontaminiert werden.
Die US 6 425 972 B1 offenbart ein Verfahren zum Herstellen von Mikrofluidchips, bei dem übereinanderliegende Substratschichten während des Bondens mithilfe eines Vakuums miteinander in Kontakt gebracht werden.
Die DE 10 2008 001 952 A1 offenbart ein Verfahren zur Herstellung von vereinzelten, auf einem Siliziumsubstrat angeordneten mikromechanischen Bauteilen durch Ätzen von Vereinzelungsgräben, Bestrahlen des Bodens der Vereinzelungsgräben mit Laserlicht sowie Induzieren von mechanischen Spannungen im Substrat.
KURZDARSTELLUNG DER ERFINDUNG
Die der Erfindung zugrundeliegenden Aufgaben werden jeweils mit den Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Ausführungsformen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche.
Gemäß einer ersten Erscheinungsform ist die vorliegende Erfindung als ein Verfahren zur Herstellung einer Mikrofluidchip-Packung oder -Baugruppe verkörpert, aufweisend:

Bereitstellen eines Substrats, welches mindestens einen Block aufweist, der eine oder mehrere Mikrofluidstrukturen auf einer Stirnfläche des Substrats aufweist;
partielles Schneiden in das Substrat, um partielle Schnitte zu erhalten, so dass eine Restdicke des Substrats auf der Höhe der partiellen Schnitte eine Vereinzelung des mindestens einen Blocks ermöglicht;
Reinigen des mindestens einen Blocks und
Aufbringen einer Deckdünnschicht, um den mindestens einen Block zu bedecken, wodurch mindestens ein bedeckter Block erhalten wird, wobei die aufgebrachte Deckdünnschicht immer noch die Vereinzelung jedes bedeckten Blocks ermöglicht, wobei jeder bedeckte Block nach der Vereinzelung einem Mikrofluidchip entspricht.

Typischerweise weist das bereitgestellte Substrat mehrere Blöcke auf, welche jeweils eine oder mehrere Mikrofluidstrukturen auf einer Stirnfläche des Substrats aufweisen; bedeckt die aufgebrachte Deckdünnschicht die mehreren Blöcke und sind die erhaltenen partiellen Schnitte und die aufgebrachte Deckdünnschicht so ausgestaltet, dass eine Vereinzelung jedes der mehreren Blöcke ermöglicht wird.
Vorzugsweise wird das partielle Schneiden in das Substrat so durchgeführt, dass es eine Restdicke des Substrats nach dem partiellen Schneiden möglich macht, den mindestens einen Block per Hand abzutrennen, vorzugsweise durch Abspalten des mindestens einen Blocks.
In bevorzugten Ausführungsformen weist die aufgebrachte Deckdünnschicht Öffnungen auf, die Strukturen bilden, welche Strukturen der Mikrofluidchip-Baugruppe entsprechen, die bereits vorhanden sind oder anschließend herzustellen sind.
Erfindungsgemäß ist die aufgebrachte Deckdünnschicht ein Trockendünnschicht-Resist und vorzugsweise erfüllt die Deckdünnschicht eine oder mehrere der folgenden Bedingungen: sie weist ein Epoxidharz auf, sie ist ein Laminatblatt und sie weist einen Elastizitätsmodul von 3 bis 5 Gigapascal auf.
Erfindungsgemäß beträgt eine Dicke des aufgebrachten Trockendünnschicht-Resists 10 µm bis 100 µm, vorzugsweise 30 µm bis 70 µm.
Vorzugsweise weist das Aufbringen der Deckdünnschicht auf: Bereitstellen einer Dünnschicht, die mindestens zwei Schichten aufweist, umfassend die Deckdünnschicht und eine Trägerdünnschicht; Aufbringen der Deckdünnschicht gegen eine frei liegende Fläche auf der Stirnfläche des Substrats durch Pressen der Trägerdünnschicht, vorzugsweise durch Laminieren der Trägerdünnschicht; und Entfernen der Trägerdünnschicht.
In bevorzugten Ausführungsformen weist das Bereitstellen der Dünnschicht ferner ein Strukturieren der Deckdünnschicht, vorzugsweise durch Photolithographie; Schneiden; Stanzen oder Laserablation, vor dem Aufbringen der strukturierten Deckdünnschicht auf, um eine Deckdünnschicht zu erhalten, welche Öffnungen aufweist, die Strukturen bilden, die Strukturen der Mikrofluidchip-Baugruppe entsprechen, die bereits vorhanden sind oder anschließend herzustellen sind.
Vorzugsweise weist mindestens ein Block des Substrats einen Mikrofluid-Mikrokanal auf der Stirnfläche auf, wobei die mittlere Tiefe oder der mittlere Querschnittsdurchmesser des Mikrokanals 5 bis 50 Mikrometer, vorzugsweise 10 bis 20 Mikrometer beträgt.
In Ausführungsformen weist das Verfahren nach dem Reinigen und vor dem Aufbringen der Deckdünnschicht ferner einen Schritt eines Abscheidens von Reagenzien in einer oder mehreren der Mikrofluidstrukturen auf, wobei das Abscheiden von Reagenzien vorzugsweise ein Abscheiden von mindestens zwei Typen von Reagenzien entsprechend in Mikrofluidstrukturen mindestens zweier verschiedener Blöcke des Substrats oder innerhalb einer oder mehrerer Mikrostrukturen desselben Blocks aufweist.
Gemäß einer anderen Erscheinungsform ist die Erfindung als eine Mikrofluidchip-Packung oder -Baugruppe verkörpert, aufweisend:

ein Substrat, welches einen oder mehrere Blöcke aufweist, die jeweils eine oder mehrere Mikrofluidstrukturen auf einer Stirnfläche des Substrats aufweisen, wobei das Substrat einen oder mehrere partielle Schnitte aufweist, die sich in eine Dicke des Substrats erstrecken, so dass eine Restdicke des Substrats auf der Höhe der partiellen Schnitte eine Vereinzelung jedes des einen oder der mehreren Blöcke, vorzugsweise per Hand, ermöglicht; und
eine Deckdünnschicht, welche den einen oder die mehreren Blöcke bedeckt, wodurch ein oder mehrere bedeckte Blöcke gebildet werden, wobei die aufgebrachte Deckdünnschicht so ausgestaltet ist, dass sie eine Vereinzelung jedes des einen oder der mehreren bedeckten Blöcke ermöglicht, wobei jeder bedeckte Block nach der Vereinzelung einem Mikrofluidchip entspricht.

Erfindungsgemäß ist die Deckdünnschicht ein Trockendünnschicht-Resist und weist eine Dicke von 10 µm bis 100 µm, vorzugsweise 30 µm bis 70 µm auf.
Vorzugsweise weist die Deckdünnschicht Öffnungen auf, welche Strukturen bilden, die Mikrofluidstrukturen des einen oder der mehreren Blöcke entsprechen, wobei es sich bei den Mikrofluidstrukturen um ein oder mehreres handelt aus:

einer elektrischen Kontaktöffnung;
einem Flüssigkeitseintragsfeld und
einer Lüftungsöffnung.

Gemäß noch einer anderen Erscheinungsform ist die Erfindung als eine Verwendung einer solchen Mikrofluidchip-Packung oder -Baugruppe verkörpert, wobei: die Mikrofluidchip-Baugruppe einem Empfänger bereitgestellt wird und der Empfänger mindestens einen des einen oder der mehreren Blöcke von der Baugruppe abtrennt.
Gemäß einer letzten Erscheinungsform ist die Erfindung als ein Mikrofluidchip verkörpert, der gemäß den obigen Verfahren oder aus den obigen Mikrofluidchip-Packungen oder -Baugruppen zu erhalten ist, indem ein bedeckter Block von der Packung oder Baugruppe abgetrennt wird, wobei der Chip einen bedeckten Block aufweist und an einem Rand des Chips zurückgebliebene Zeichen eines partiellen Schnitts und zurückgebliebene Zeichen einer Vereinzelung zeigt, z.B. Spaltebenen oder Trennungsbrüche.
Einheiten und Verfahren, welche die vorliegende Erfindung verkörpern, werden nun mittels nicht beschränkender Beispiele und unter Bezugnahme auf die begleitenden Zeichnungen beschrieben. Technische Merkmale, die in den Zeichnungen dargestellt sind, sind nicht notwendigerweise maßstabsgetreu.
Figurenliste

1 bis 8 veranschaulichen schematisch wichtige Schritte von Herstellungsverfahren gemäß Ausführungsformen. Jeder Schritt ist unter Verwendung einer schematischen Teilabbildung eines Querschnitts einer Chippackung oder -baugruppe dargestellt, die sich auf einen Block derselben konzentriert. 1a, 2a, 5a und 8a sind (schematische) 3D-Darstellungen, welche 1, 2, 5 bzw. 8 entsprechen;
9 ist eine Photographie, welche eine Vereinzelung eines Chips veranschaulicht, wie auf andere Weise in 8 veranschaulicht und wie in Ausführungsformen angewendet;
10(a) bis 10(d) sind Photographien, welche Schritte S1, S3, S5 bzw. S8 veranschaulichen (auch in 1, 3, 5 und 8 veranschaulicht), wie in Ausführungsformen angewendet, (a) Ein Trockendünnschicht-Resist, strukturiert unter Verwendung eines Schneidplotters, wird (b) ausgerichtet und auf einen partiell getrennten Wafer laminiert, welcher (c) per Hand gespalten wird, wodurch Einzelchips erhalten werden, die gebrauchsfertig sind (d); und
11 ist ein Bild eines leicht geneigten Mikrofluidchips, welches durch Dicing getrennte (oben) und gespaltene (unten) Teile eines Mikrochips gemäß Ausführungsformen zeigt.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Die folgende Beschreibung ist wie folgt strukturiert. Zuerst werden allgemeine Ausführungsformen und wichtige Varianten beschrieben (Abschn. 1). Der nächste Abschnitt betrifft speziellere Ausführungsformen und Details der technischen Verwirklichung (Abschn. 2).
1. Allgemeine Ausführungsformen und wichtige Varianten
Zunächst wird unter Bezugnahme auf 1 bis 11 eine Erscheinungsform der Erfindung beschrieben, welche Herstellungsverfahren einer Mikrofluidchip-Packung oder -Baugruppe 1 betrifft. Im Wesentlichen geht es bei diesen Verfahren um die folgenden Schritte:

1. Zuerst wird ein Substrat 10, 30 bereitgestellt, Schritt S1 (1, 1a). Das Substrat weist einen oder (wahrscheinlicher) mehrere Blöcke 14, 14a auf. Jeder Block weist eine oder mehrere Mikrofluidstrukturen 20, 24, 34 auf, die auf einer Hauptstirnfläche F des Substrats sichtbar sind. Es wird angenommen, dass solche Mikrostrukturen in dieser Stufe des Verfahrens bereits eingearbeitet oder strukturiert sind, z.B. über Verfahren, welche auf dem Fachgebiet bekannt sind. Im Folgenden wird im Allgemeinen angenommen, dass mehrere Blöcke vorhanden sind, mit einer Ausnahme, welche die Herstellung spezieller Packungen betrifft. Wenn mehrere Blöcke vorhanden sind, betreffen die vorliegenden Herstellungsverfahren die Herstellung einer Baugruppe von Mikrofluidchips. Das Konzept von „Mikrofluidstrukturen“ (auch „Mikrostrukturen“ oder Mikrofluidmerkmalen") wird auf dem vorliegenden technischen Gebiet verbreitet verwendet, um Merkmale wie die folgenden zu bezeichnen: Mikrofluid-Mikrokanäle 20; Flüssigkeitseintragsfelder 24; elektrische Kontaktöffnungen, Kapillarpumpen 34 usw. Beispiele solcher Mikrofluidstrukturen sind in den Blöcken sichtbar, die vor allem in 1a abgebildet sind.

2. Zweitens schneidet man partiell in das Substrat 10, 30, Schritt S2 (2, 2a), um partielle Schnitte 10c zu erhalten. Man kann auch von partiellem Dicing sprechen. Die erhaltenen partiellen Schnitte 10c sind so ausgestaltet, dass eine Restdicke 10r des Substrats auf der Höhe der partiellen Schnitte 10c eine Vereinzelung der Blöcke 14, 14a ermöglicht.
3. Dann werden Blöcke und Mikrostrukturen darin gereinigt, Schritt S4 (4), wobei beliebige geeignete Verfahren angewendet werden; und
4. Schließlich wird eine Deckdünnschicht 62 aufgebracht (Schritt S5 bis S7, 5 bis 7), um die Blöcke 14, 14a zu bedecken, z.B. um Mikrostrukturen in den Blöcken zu versiegeln. Diese Deckdünnschicht sollte nicht mit einer Schutzdünnschicht verwechselt werden, welche man möglicherweise verwenden möchte, um die Chipbaugruppe vor dem Schneiden zu schützen. Erfindungsgemäß ist die Deckdünnschicht starr genug, um die Mikrostrukturen zu überspannen, ohne darin zusammenzufallen. Diese Deckdünnschicht sollte ansonsten die Mikrostrukturen geeignet abschließen und nicht die Mikrofluidfunktionalität der Chips beeinträchtigen. Dennoch wird die Deckdünnschicht so gewählt, dass die aufgebrachte Deckdünnschicht immer noch eine Vereinzelung jedes Blocks ermöglicht, z.B. sollte sie zu diesem Zweck spröde genug sein.

An diesem Punkt ist eine Baugruppe von Chips erhalten (oder eine Packung, wenn nur ein Block vorhanden ist), welche einem Benutzer zur anschließenden Vereinzelung (Schritt S8) der Blöcke bereitgestellt werden kann. Jeder bedeckte Block soll nach der Vereinzelung einem Mikrofluidchip entsprechen (der möglicherweise zur Verwendung bereit ist).
Im Schritt S2 ist „Schneiden“ weit auszulegen: der partielle Schnitt kann durch mechanisches Sägen durchgeführt werden, z.B. unter Verwendung einer Dicing-Säge (wie in 2a abgebildet), einer Drahtsäge usw. oder auch durch Einritzen oder Laser-Schneiden usw. Der Schneideschritt S2 kann typischerweise durch Schneiden quer zu einer mittleren Ebene des Substrats durchgeführt werden. Dadurch erstrecken sich partielle Schnitte 10c in die Dicke des Substrats 10, 30 und vor allem in die Dicke einer Hauptkomponente, z.B. eines Hauptkörpers 10 des Substrats.
Der partielle Schnitt wird vorzugsweise von oben durchgeführt (wie in 2a veranschaulicht), von derselben Seite, welche auch die Mikrostrukturen aufweist; der ungeschnittene Restabschnitt 10r ist in diesem Fall ein unterer Abschnitt. Speziell ist es für trübe Substrate wie Silicium vorteilhaft, den partiellen Schnitt von oben durchzuführen, um das Dicing einfacher an den Mikrostrukturen oder den Dicing-Markierungen auszurichten, z.B. mit Hilfe einer Kamera, die in dem Dicing-Werkzeug vorhanden ist. Die zu schneidenden Regionen können durch Strukturen (Dicing-Markierungen) markiert werden, die während der Herstellung der Mikrokanäle oder Mikroelektroden (falls vorhanden) hergestellt werden. Für transparente Substrate wie Pyrex, Glas usw. kann das Schneiden von jeder Seite durchgeführt werden, da die Dicing-Markierungen von beiden Seiten sichtbar sind. In diesem Fall muss die frei liegende Seite F des Substrats möglicherweise nicht durch eine zusätzliche Schutzdünnschicht geschützt werden, da das Dicing-Band bereits als ein solches fungieren kann.
Außerdem bringt der Schritt S2 ein Schneiden entlang einem Rand der Blöcke mit sich, d.h., um später eine Vereinzelung derselben zu ermöglichen, wie am besten in 2a zu sehen. Jedoch ist es in Abhängigkeit von dem Material, das für das Substrat gewählt wird, möglicherweise nicht erforderlich, entlang dem gesamten Rand der Blöcke zu schneiden, solange die Schnittlinien 10c eine anschließende Vereinzelung der Blöcke ermöglichen. Zum Beispiel können zusammenhängende gestrichelte Schnittlinien ausreichen, wobei die Schnitte durch Löcher verlaufen oder nicht, aber dies würde den Schneideschritt deutlich komplizierter machen. Daher wird bevorzugt, Schnitte 10c zu erhalten (Schritt S2), welche teilweise in der Dicke des Substrats verlaufen, wie in 2 oder 2a veranschaulicht (und im Gegensatz zum gewöhnlichen Dicing stehen), und zumindest teilweise in der Ebene, obwohl sie sich vorzugsweise entlang dem gesamten Rand der Blöcke erstrecken, wie in 2a abgebildet. Wie in 2a veranschaulicht, ist es am effizientesten, teilweise entlang Linien zu schneiden, wobei eine Matrix gebildet wird, wobei die Matrix die Blöcke 14, 14a abgrenzt. Da partielle Schnitte des Substrats vorgesehen sind, ist das Substrat nach dem Schritt S2 immer noch ein einzelnes Stück; die Blöcke 14, 14a befinden sich typischerweise auf einer Ebene. Im Gegensatz dazu bedeutet das Dicing bei der Verarbeitung auf Wafer-Ebene gewöhnlich das Abtrennen von Chips von einem Wafer nach der Wafer-Verarbeitung, d.h. der Wafer wird vollständig durchschnitten.
Bei dem Substrat handelt es sich vorzugsweise um eine im Wesentlichen planare, typischerweise geschichtete Trägerstruktur, welche außer einem Hauptkörper 10 (z.B. einem Wafer) eine oder mehrere Schichten 30, 32 aufweist, welche den Körper 10 bedecken. Die Schichten 30 weisen typischerweise dünne Schichten auf, welche ein Material wie z.B. ein Metall oder ein Oxid aufweisen können, d.h. sich von dem Material des Körpers 10 unterscheiden. Das Substrat kann ferner eine Schicht 32 aufweisen, z. B. einen photostrukturierten Trockendünnschicht-Resist 32 (z.B. PerMX3020) oder einen strukturierten Photoresist, zum Beispiel SU-8, in welchem Mikrofluidstrukturen 20 definiert sind. Zur Vereinfachung wird in 1 bis 8 angenommen, dass die Mikrostrukturen in das Substrat 10, 30 gekerbt, z.B. geätzt werden, während in der Ausführungsform der 11 Mikrostrukturen wie der Mikrokanal 20 in einem photostrukturierten Trockendünnschicht-Resist 32 definiert werden.
Der Körper 10 wird vor dem Schneiden S2 vorzugsweise auf einem Dicing-Band 11 angebracht, das Dicing-Band den Mikrofluidstrukturen gegenüber. Das Band 11 kann eine klebende Unterlage aufweisen, um den Körper 10 z.B. auf einem dünnen Metallblechrahmen zu halten. Bei dem Dicing-Band 11 kann es sich allgemeiner um eine beliebige Struktur handeln, welche den Körper 10 trägt, um den Körper während des Schneidens S2 zu halten und zu bewahren. Das Band 11 wird nach dem Schneiden S2 typischerweise entfernt, da es gewöhnlich nicht mit Reinigungslösungsmitteln kompatibel ist. Vor dem Schneiden kann, z.B. zum Schutz, eine schützende Photoresistschicht aufgebracht werden; und wenn dies der Fall ist, soll sie vor dem Reinigen oder während des Reinigens entfernt werden.
Nach dem Schneiden kann das gesamte Substrat gereinigt werden, Schritt S4. Der Reinigungsschritt S4 soll vorzugsweise ebenso ein Spülen und Trocknen des Substrats umfassen. Auch kann die Baugruppe 1, welche eine beliebige Mikrostruktur darauf umfasst, an diesem Punkt in Abhängigkeit von der gewünschten Anwendung eine Oberflächenbehandlung durchlaufen, funktionalisiert werden usw.
Die folgenden Schritte S5 bis S7 zielen darauf ab, eine Deckdünnschicht aufzubringen, um die Mikrofluidstrukturen zu bedecken und diese möglicherweise abzuschließen, z.B. die Kanäle 20 in jedem Block zu schließen. Vorzugsweise wird eine einzige Deckdünnschicht aufgebracht, um alle Mikrostrukturen auf dem Substrat zu bedecken, obwohl, falls erforderlich, auch mehrere Schichten vorgesehen sein können. Die Deckdünnschicht 62 wird somit nach dem partiellen Schneiden S2 und dem Reinigen S4 und vor jedem anschließenden Vereinzelungsschritt S8 ebenfalls auf Substratebene aufgebracht. Wie bereits erwähnt, muss die Deckdünnschicht 62 von einer schützenden Photoresist-Dünnschicht unterschieden werden, welche sonst vor dem Schneiden S2 aufgebracht und anschließend entfernt werden kann. Tatsächlich werden Schutzdünnschichten gewöhnlich vor dem Dicing aufgebracht, um einen verarbeiteten Wafer zu schützen. Da hier die Deckdünnschicht 62 nach dem Schneiden und Reinigen (z.B. nach dem Spülen, Reinigen und Trocknen) des partiell geschnittenen Substrats aufgebracht wird, werden für die gesamte Baugruppe saubere Mikrofluidstrukturen erhalten, d.h. auf Substratebene, etwas, was bislang nur auf Chipebene geschah. Die obige Lösung ist umso vorteilhafter, wenn das Schneiden S2, das Reinigen S4, die Oberflächenbehandlung (falls angewendet) und die Reagenzintegration S4a (falls angewendet), z.B. irgendeiner oder mehrere der Schritte, die vor dem Versiegeln erfolgen, in einer feuchten Umgebung durchzuführen sind. Sobald die frei liegende Fläche mit der Deckdünnschicht 62 versiegelt ist, kann die Baugruppe vereinzelt werden und die resultierenden Chips können sofort verwendet werden.
Es sei angemerkt, dass im Fall einer Verwendung des Chips für biologische Anwendungen, z.B. die Diagnostik, der Chip und die Abdeckung vor dem Versiegeln des Chips und der Chipvereinzelung auch unter Verwendung von Chemikalien wie 70 % Ethanol sterilisiert werden können. Dadurch wird das Risiko eines unerwünschten Einfüllens von Flüssigkeiten in die geschlossenen Kanäle während des Schneidens und der Oberflächenpräparation verhindert.
Von besonderem Interesse ist die Möglichkeit, nach dem partiellen Schneiden S2 und dem Reinigen S4 Reagenzien in den Mikrofluidstrukturen abzuscheiden. Das Verfahren kann somit einen Zwischenschritt S4a des Abscheidens von Reagenzien in einer oder mehreren der Mikrofluidstrukturen, z.B. Mikrokanälen, aufweisen. Entsprechend können Einheiten gemäß Ausführungsformen solche Reagenzien in Mikrostrukturen umfassen. Zu diesem Zweck kann man zum Beispiel Lösungen, welche Reagenzien enthalten, unter Verwendung eines Tintenstrahl-Spotters in Mikrokanälen zugeben und die Reagenzien trocknen. Das Laminieren eines Trockendünnschicht-Resists bei niedriger Temperatur (z.B. ungefähr 45 Grad) ist dann ideal, da durch dieses Verfahren Reagenzien wie Proteine nicht wesentlich beschädigt werden. Es bietet sich somit eine Möglichkeit zum Integrieren von Reagenzien vor dem Bedecken der Einheit mit der Deckdünnschicht 62. Verschiedene Reagenzien könnten in entsprechenden Blöcken 14, 14a oder sogar innerhalb verschiedener Mikrostrukturen 20 desselben Blocks abgeschieden werden. Diese Möglichkeit öffnet den Weg zur großmaßstäblichen Produktion von biochemisch funktionalisierten Mikrofluideinheiten.
Wie bereits angesprochen, weist das Substrat 10, 30 vorzugsweise mehrere Blöcke 14, 14a auf, welche jeweils (eingearbeitete oder auf andere Weise bereitgestellte) Mikrofluidstrukturen auf der Stirnseite F des Substrats aufweisen, 1, 1a. In diesem Fall bedeckt die aufgebrachte Deckdünnschicht 62 alle Blöcke 14, 14a. Die erhaltenen partiellen Schnitte 10c und die aufgebrachte Deckdünnschicht 62 sind so ausgestaltet, dass immer noch eine Vereinzelung der Blöcke 14, 14a ermöglicht wird. In Varianten wird nur ein Block bereitgestellt und das Verfahren beschränkt sich in diesem Fall auf die Herstellung einer speziellen Packung, wobei äußere laterale Abschnitte des Substrats, d.h. jenseits der partiellen Schnitte, in diesem Fall dazu dienen, den einzigen Block besser zu schützen, zu handhaben und zu transportieren.
Nun speziell Bezug nehmend auf 9, wird der Schritt des partiellen Schneidens S2 in das Substrat vorzugsweise so durchgeführt, dass eine Restdicke 10r des Substrats nach dem partiellen Schneiden S2 es möglich macht, die Blöcke per Hand zu trennen, z.B. durch Spalten der Blöcke 14, 14a. Der Körper 10, z.B. ein Si-Wafer, ist typischerweise der mechanische Hauptträger der Chipbaugruppe, so dass die mechanischen Eigenschaften der Baugruppe (beginnend mit der Robustheit) hauptsächlich durch den Körper 10 bestimmt werden. Somit muss in diesem Fall die Restdicke 10r nach dem Schneiden S2 des Körpers 10 (und allgemeiner des Substrats 10, 30 als ein ganzes) auf der Höhe der partiellen Schnitte 10c so ausgestaltet sein, dass eine anschließende Vereinzelung per Hand ermöglicht wird.
Da aus Effizienzgründen aus demselben Wafer mehrere Chips hergestellt werden, werden partielle Schnitte um jeden Block 14, 14a herum ausgeführt, vgl. 2a. Die Restdicke 10r des Körpers 10 nach dem Schneiden kann in Abhängigkeit von den beteiligten Materialien eingestellt werden (2), um ihn per Hand spaltbar zu machen: jeder Benutzer könnte somit zur Vereinzelung übergehen, wie in 9 veranschaulicht. Laterale Baugruppen von Chips, d.h. Blöcken 14, 14a können somit den Benutzern als ein einzelnes Objekt bereitgestellt werden. Der Benutzer kann dann ohne Ausrüstung die Blöcke trennen. Wie bereits angesprochen, könnte in Varianten einem Benutzer ein einziger Block 14 bereitgestellt werden, der von inaktiven lateralen Substratabschnitten umgeben ist, welche durch partielle Schnitte 10c, welche eine Vereinzelung ermöglichen, partiell von dem einzigen Block getrennt sind.
Die partiellen Schnitte werden vorzugsweise auf der Ebene einer inaktiven Region erhalten. Eine weitere Optimierung des Herstellungsverfahrens kann jedoch dazu führen, dass einige der funktionellen Merkmale so entworfen werden, dass sie sich von einem Block 14 zu einem anderen damit zusammenhängenden Block 14a erstrecken, z.B. elektrische Kontakte oder Lüftungsöffnungen usw., welche möglicherweise geschnitten werden können S2, z.B. in Hälften. Hierdurch werden am Ende elektrische Kontakte, Lüftungsöffnungen usw. für zwei oder mehr zusammenhängende Chips bereitgestellt, etwas, was die Herstellungsschritte vereinfachen kann und ermöglicht, auf dem ursprünglichen Substrat Raum zu sparen.
Tests mit Si-Wafern oder mit Glassubstraten führten zu dem Schluss, dass die Restdicke (sie sei als t_r bezeichnet) des Körpers 10 nach dem partiellen Schneiden S2 vorzugsweise in der Nähe der Hälfte der Anfangsdicke (oder t_i) liegen sollte, d.h. der Dicke vor dem partiellen Schneiden (die beigefügten Zeichnungen sind nicht notwendigerweise maßstabsgetreu). Zum Beispiel wurden die am besten zufrieden stellenden Ergebnisse erhalten für t_r = x ti, mit x ∈ [0,43 - 0,52]. Anderenfalls ist der Körper möglicherweise nicht robust genug und bricht während folgender Herstellungsschritte, d.h. während der Reinigung, während des Laminierens der Deckdünnschicht usw., wie es die Erfinder der vorliegenden Erfindung gefolgert haben. Auf der anderen Seite sollte die Restdicke nicht zu hoch sein, um einem Benutzer zu ermöglichen, die Chips zu vereinzeln. Man beachte, dass die anfängliche Wafer-Dicke t_i typischerweise von der Wafer-Größe abhängt, z.B. 525 µm für 4-Inch-Wafer bis 775 µm für 12-Inch-Wafer. Beste Ergebnisse sind zum Beispiel für 4-Inch-Si-Wafer erhalten worden, die partiell auf etwa 250 µm bis 350 µm geschnitten worden waren. Ein zufriedenstellender Kompromiss ist es typischerweise, Restdicken zu erhalten, welche nach dem partiellen Schneiden weniger als 500 µm und für Si-Wafer vorzugsweise weniger als 300 µm betragen. Für Glas-Wafer wird eine Schnitttiefe von 300 µm bis 350 µm, typischerweise 50 µm mehr als für einen Si-Wafer, bevorzugt, um ein einfacheres Brechen zu erreichen, da Glas keine kristallographischen Ebenen aufweist.
Nun Bezug nehmend auf 3, 5: die aufgebrachte Deckdünnschicht S5 bis S7 kann Öffnungen 62o aufweisen, welche Strukturen bilden, die Strukturen der Mikrofluidchip-Baugruppe entsprechen, die bereits vorhanden sind oder anschließend hergestellt werden. Die Deckdünnschicht kann somit so ausgestaltet sein, dass sie anschließende Herstellungsschritte anderer Mikrofluidstrukturen wie Lüftungsöffnungen, Flüssigkeitseintragsfelder, elektrischer Kontakte usw. unterstützt. Sie schützt auch nebenbei die Chips. Frei liegende Flächen der Baugruppe 1 können anderenfalls in einer früheren oder späteren Stufe des Herstellungsverfahrens geschützt werden, wie bereits erörtert. Dennoch wird jede Schutzdünnschicht vor dem Aufbringen der Deckdünnschicht 62 entfernt, welche nach dem Schneiden S2 und vor der Vereinzelung S8 aufgebracht wird. Abschnitte der Dünnschicht 62 sollen typischerweise auch die Schnitte 10c bedecken; es gibt keinen Grund, dies zu verhindern, da die Deckdünnschicht so gewählt wird, dass eine Vereinzelung ermöglicht wird (dies würde die Strukturierung und Abscheidung der Dünnschicht 62 sogar wesentlich komplizierter machen).
Für die Deckdünnschicht können verschiedene Materialien vorgesehen sein. Vorzugsweise ist jedoch die aufgebrachte Deckdünnschicht ein Trockendünnschicht-Resist 62. Außerdem kann der Trockendünnschicht-Resist vorzugsweise ein Epoxidharz aufweisen, ein Laminatblatt sein und/oder einen Elastizitätsmodul von 3 bis 5 Gigapascal aufweisen. Das Erfüllen einer dieser Bedingungen trägt zur Verbesserung der Eigenschaften der Deckdünnschicht bei. Es hat sich gezeigt, dass Polyepoxid-Dünnschichten für verschiedene Anwendungen am besten geeignet sind, insbesondere wenn die Blöcke per Hand gespalten werden. Sie sind vor allem starr genug, um Mikrostrukturen (z.B. Mikrokanäle 20) zu überspannen, ohne zusammenzufallen, wobei die Mikrostrukturen typischerweise 100 µm bis 200 µm breit sind. Dennoch ist die Deckdünnschicht 62 spröde genug, um ein Brechen zu ermöglichen, und weist trotzdem eine beachtliche Haftung an der Fläche auf, wodurch ein Delaminieren und Undichtigkeiten verhindert werden. Am praktischsten ist es, eine Deckdünnschicht zu verwenden, welche anfänglich als ein Laminatblatt bereitgestellt wird, um es auf die Fläche des Substrats aufzubringen, wie nachstehend noch detaillierter erörtert.
In Varianten kann jede Deckdünnschicht vorgesehen sein, die starr genug ist, wie Silicium oder dünnes Glas. Der Elastizitätsmodul der Abdeckung sollte typischerweise 3 bis 200 Gigapascal betragen. Wenn ein optisch klares Material benötigt wird, kann Glas verwendet werden, aber es führt zu unsaubereren Trennungsbrüchen, Grenzflächen usw. als Trockendünnschicht-Resiste, welche gewöhnlich optisch klar sind und deswegen eine anschließende Beobachtung/Erkennung ermöglichen.
Der Vollständigkeit halber können weiterentwickelte Ansätze verfolgt werden, z.B. (i) Laminieren eines Trockendünnschicht-Resists auf Glas und (ii) anschließendes Kleben dieser Dünnschicht/Glas-Schicht auf Mikrofluidstrukturen durch einen weiteren Laminierungsschritt (wobei die Trockendünnschicht mit den Mikrostrukturen in Kontakt steht). Der letztere Ansatz ist für Hochdruckfluidanwendungen interessant, wo Trockendünnschichten möglicherweise nicht resistent genug sind. Allgemeiner kann man versuchen, ein beliebiges geeignetes Material unter Verwendung einer dazwischen angeordneten Trockendünnschicht-Klebeschicht zu kleben.
Gemäß vielen Tests, die von den Erfindern durchgeführt wurden, werden beste Ergebnisse erhalten, wenn die Dicke des aufgebrachten Trockendünnschicht-Resists 62 10 µm bis 100 µm beträgt. Zufriedenstellende Ergebnisse wurden bereits mit 14 µm dicken Dünnschichten erhalten, aber optimale Ergebnisse wurden für Dicken von etwa 50 µm ± 20 µm erhalten. Die Deckdünnschicht selbst (egal, aus welchem Material sie hergestellt ist) soll vorzugsweise eine Schwankung der Dicke von weniger als 5 % aufweisen, um eine zufriedenstellende Haftung und Versiegelung sicherzustellen.
Zum Beispiel ist ein sehr bevorzugtes Material ein Trockendünnschicht-Resist, der aus 50 µm dickem DF-1050 von Engineered Material Systems, Inc. EMS, Ohio, USA, besteht, welches beachtliche mechanische Leistungseigenschaften für Anwendungen bietet, wie sie hierin erörtert werden. Das Material weist im Wesentlichen Epoxidharz, 6-Glycidyloxynaphth-1-yloxymethyloxiran und Antimon auf.
Nun Bezug nehmend auf 5 bis 7, wird in bevorzugten Ausführungsformen das Aufbringen S5 bis S7 der Deckdünnschicht 62 wie folgt durchgeführt:

• Erstens wird eine Dünnschicht 60 bereitgestellt S3a bis c, welche mindestens zwei Schichten aufweist, d.h. die Deckdünnschicht 62 selbst sowie eine Trägerdünnschicht 61;
• Zweitens wird die Deckdünnschicht 62 gegen eine frei liegende Fläche des Substrats aufgebracht S5 (d.h. auf der Stirnseite F), indem die Trägerdünnschicht 61 gepresst wird, vorzugsweise durch Laminieren S5 der Trägerdünnschicht 61, wie in 5 veranschaulicht. „Frei liegende Fläche“ bedeutet hier eine Fläche, die für eine weitere Verarbeitung in einer gegebenen Stufe des Herstellungsverfahrens zugänglich ist; und
• Drittens wird die Trägerdünnschicht 61 entfernt S6.

Ein praktischer Weg zum Aufbringen der Dünnschicht 62 ist es tatsächlich, sie über eine andere Schicht 61 indirekt gegen die Fläche zu pressen. Das Ausrichten der Trockendünnschicht 62 an dem Chip kann manuell erfolgen, z.B. unter Verwendung von Markierungen sowohl auf der Chipfläche als auch auf jeder der Dünnschichten 61, 62 oder mit einem beliebigen geeigneten Ausrichtungswerkzeug.
Die Schritte S3a bis c (3) können vor allem einen Schritt des Strukturierens S3c der Deckdünnschicht 62 umfassen. Dies wird vorzugsweise durch Photolithographie, Schneiden, Stanzen oder Laserablation und vorzugsweise vor dem Aufbringen S5 der strukturierten Deckdünnschicht 62 erreicht. Dadurch wird es möglich, eine Deckdünnschicht 62, z.B. einen Trockendünnschicht-Resist, zu erhalten, der Öffnungen 62o aufweist, die Strukturen bilden, welche Strukturen der Mikrofluidchip-Baugruppe entsprechen, die bereits vorhanden oder anschließend herzustellen sind. Das heißt, die Strukturen müssen Merkmalen entsprechen, d.h. funktionell zu diesen passen, welche bereits vorhanden sind 20 oder später auf der frei liegenden Fläche der Baugruppe 1 herzustellen sind. Von Vorteil ist eine Trockendünnschicht, die so strukturiert ist, dass sie später ermöglicht, elektrische Kontaktöffnungen 62, ein Flüssigkeitseintragsfeld, Lüftungsöffnungen usw. bereitzustellen, wobei diese Merkmale in einer späteren Stufe hergestellt oder montiert werden. Zumindest in einigen Ausführungsformen entsprechen die Strukturen Merkmalen 20, welche bereits vorhanden sind, und keine weiteren Merkmale sind herzustellen, so dass die Chips nach dem Aufbringen der Deckdünnschicht 62 und nach der Vereinzelung gebrauchsfertig sind (autonome Chips).
Wie in 3 und 10 zu sehen, kann die Dünnschicht 60 auch anfänglich als ein Trockendünnschicht-Resist bereitgestellt werden S3a, der zwischen zwei Trägerdünnschichten 61, 63 angeordnet ist. Eine 63 der beiden Trägerdünnschichten wird vor oder nach dem Strukturieren S3c des Trockendünnschicht-Resists 62 entfernt S3b, während die andere Trägerdünnschicht zum Laminieren bewahrt wird. Das heißt, in einigen Varianten wird die Dünnschicht 63 vor dem Strukturieren entfernt, während in anderen Varianten der gesamte Stapel 61 bis 63 strukturiert wird (im Gegensatz zu der Reihenfolge, die in 3 zu sehen ist), was in Abhängigkeit von der angewendeten Strukturierungstechnik einfacher und sauberer sein kann. Es sind auch Zwischenlösungen möglich. Zum Beispiel:

- Wenn Photolithographie angewendet wird, würde man zuerst die mehrschichtige Dünnschicht 61 bis 63 einer UV-Strahlung aussetzen und anschließend eine Trägerdünnschicht 63 entfernen und die Struktur entwickeln;
- Im Fall einer Laserablation kann die Trägerdünnschicht 63 vor der Laserablation entfernt werden, um die Materialdicke zu verringern;
- Bei Anwendung von Schneide-/Stanztechniken wird bevorzugt, zuerst den Stapel 61 bis 63 zu schneiden/stanzen und anschließend die Trägerdünnschicht 63 zu entfernen. In diesem Fall schützen die Trägerdünnschichten 61 und 63 den Trockendünnschicht-Resist 62 beim Schneiden. Nach dem Bilden von Durchgangslöchern in der gesamten Sandwichstruktur 61 bis 63 wird die Schutzdünnschicht 63 entfernt, vor dem Laminieren.

Es sind verschiedene Verfahren zur Herstellung von Mikrofluidchips entwickelt worden, welche hauptsächlich ein schnelles Prototypisieren von Polymeren und eine mikromaschinelle Bearbeitung von Silicium oder Glas umfassen. Im Allgemeinen werden Chips zu Forschungszwecken einer nach dem anderen hergestellt oder durch Kleben auf Wafer-Ebene hergestellt und anschließend getrennt. In den letzten Herstellungsschritten werden gewöhnlich feuchte Medien verwendet, z.B. Kühlwasser für die Dicing-Säge, und es ist eine aufwändige Chiphandhabung erforderlich. Es ist eine spezielle Sorgfalt erforderlich, insbesondere bei der Herstellung kapillarbetriebener Mikrofluidchips, da die Kanäle durch ein unerwünschtes Einfüllen von Flüssigkeiten verunreinigt werden können, die während der Schritte des Dicings, des Reinigens und der Oberflächenbehandlung vorhanden sind.
Stattdessen stellen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung eine Mikrofluidchip-Herstellung und Vereinzelung mit besonders hohem Durchsatz bereit, wobei die wesentlichen Schritte auf Substratebene, z.B. Wafer-Ebene, durchgeführt werden, wodurch die aufwändige Chip-für-Chip-Verarbeitung entfällt. Die Vereinzelung der gebrauchsfertigen Chips kann schließlich so einfach sein, wie eine Schokoladentafel durchzubrechen.
Eine besonders bevorzugte Ausführungsform ist es, den Wafer unter Verwendung einer Dicing-Säge etwa bis zur Hälfte der Wafer-Dicke (z.B. 525 µm) partiell zu schneiden, S2. Der partiell geschnittene Wafer wird dann gereinigt und ein vorstrukturierter Trockendünnschicht-Resist 61 bis 62 wird ausgerichtet und auf die Kanäle 20 laminiert S5. Es wird ein bedeckter Mikrofluidkörper erhalten, S6. Schließlich können die Chips durch Durchbrechen der Dicing-Schnitte vereinzelt werden, S8.
Wie bereits erörtert, sind die mechanischen Eigenschaften der Deckdünnschicht 62 von besonderer Wichtigkeit. Erfindungsgemäß ist das Deckmaterial 62 starr genug, um die Kanäle zu überspannen, ohne zusammenzufallen. Ein ideales Deckmaterial 62 sollte außerdem, zumindest für bestimmte Anwendungen, (i) spröde genug sein, um ein Brechen zu ermöglichen, (ii) eine gute Haftung an der Fläche aufweisen, um ein Delaminieren und Undichtigkeiten zu verhindern, (iii) ein Strukturieren durch Schneiden, Stanzen oder Photolithographie ermöglichen und (iv) nicht die Benetzbarkeit der Kanäle stören. All diese Anforderungen werden mit dem oben gegebenen bevorzugten Materialbeispiel gut erfüllt, also einem ~50 µm dicken DF-1050 von Engineered Material Systems, Inc. EMS.
Nun zu den Mikrokanälen: In Ausführungsformen können die Blöcke 14 als Teil der Mikrostrukturen vor allem Mikrofluid-Mikrokanäle 20 auf der Stirnfläche F des Substrats aufweisen. Die mittlere Tiefe oder der mittlere Querschnittsdurchmesser solcher Mikrokanäle 20 beträgt vorzugsweise 5 µm bis 50 µm und insbesondere 10 µm bis 20 µm. Dennoch ist die Mikrokanaltiefe typischerweise konstant. Im Mittel soll ein Mikrokanal typischerweise eine Breite von 100 µm bis 200 µm aufweisen. Dennoch kann für verkleinerte Abschnitte eine Breite von 50 µm verwendet werden, während für die breiteren Abschnitte bis zu 500 µm vorgesehen sein können. Die Kanäle sind typischerweise wenige mm lang, z.B. 4 mm oder mehr. Die Kanäle können in die Flächendicke des Körpers 10 oder eine dazu benachbarte Schicht 30 gekerbt (z.B. geätzt) werden oder innerhalb einer Schicht bereitgestellt werden, die den Körper bedeckt, z.B. eines Trockendünnschicht-Resists oder einer SU-8-Dünnschicht, die zu diesem Zweck aufgebracht und strukturiert wird, wie als solches bekannt ist.
Im Gegensatz zur gewöhnlichen Wafer-Verarbeitung weisen Mikrofluidelemente im Allgemeinen tiefe Strukturen auf, d.h. etwa einige Mikrometer, bis zu 20 Mikrometern oder sogar mehr. In vielen Fällen werden 5 Mikrometer in Mikrofluidanwendungen bereits als eine geringe Tiefe angesehen. Es gibt mehrere Gründe: durch eine so geringe Tiefe kann ein großer hydraulischer Widerstand auf einer Flüssigkeit erzeugt werden und diese kann blockiert oder mit Mikrokügelchen und Teilchen verstopft werden. Eine so geringe Tiefe kann auch mit Proben inkompatibel sein, die Zellen enthalten.
Bevorzugte Substrate weisen einen Wafer als einen Hauptkörper 10 auf, z.B. Wafer aus Silicium, Germanium, Galliumarsenid GaAs, anderen III-V- oder II-VI-Verbindungs-Materialien, da dies ermöglicht, die Erfahrungen zu nutzen, die sich für Verfahren für integrierte Schaltungen IC angehäuft haben. IC-Verfahren können jedoch gewöhnlich nicht als solche angewendet werden, um Mikrofluidstrukturen herzustellen, insbesondere wie hierin vorgesehen. Stattdessen müssen sie angepasst werden, um die typischen Abmessungen zu erreichen, die für solche Strukturen erforderlich sind, wie oben erörtert. In Varianten kann statt Halbleiter-Wafern auch Glas verwendet werden. In weniger bevorzugten Varianten werden andere Materialien verwendet, wie z.B. Metalle oder andere Materialien, die gewöhnlich in Mikrofluidelementen verwendet werden.
Der Wafer kann zum Beispiel ein <100>-Si-Wafer mit einer flachen Seite in der <110>-Richtung sein; somit weist die obere Fläche eine Normale in <100>-Richtung auf. Die Stirnfläche F liegt dementsprechend in diesem Fall parallel zu (100)-Ebenen, d.h. orthogonal zur (100)-Richtung in der Basis der reziproken Gittervektoren (Diamantstruktur für Si).
Die oben beschriebenen Herstellungsverfahren können einen weiteren Schritt des Abtrennens (der Vereinzelung) mindestens eines der Blöcke 14, 14a aus der Packung/Baugruppe aufweisen, um zur Herstellung einzelner Chips überzugehen.
Als Nächstes kann die Erfindung gemäß einer weiteren Erscheinungsform als eine Mikrofluidchip-Packung oder -Baugruppe 1 verkörpert sein. In Übereinstimmung mit bereits beschriebenen Herstellungsverfahren weist eine solche Packung/Baugruppe vor allem auf:

- Ein Substrat 10, 30, welches einen oder mehrere Blöcke 14, 14a mit Mikrofluidstrukturen darin aufweist. Als ein Ergebnis des Verfahrens des partiellen Schneidens S2 weist das Substrat 10, 30 partielle Schnitte 10c auf, welche sich in die Dicke des Substrats erstrecken. Die Restdicke des Substrats auf der Höhe dieser partiellen Schnitte 10c ermöglicht dennoch eine Vereinzelung jedes Blocks 14, 14a, vorzugsweise per Hand; und
- Eine Deckdünnschicht 62, welche die Blöcke bedeckt. Die aufgebrachte Deckdünnschicht ermöglicht immer noch eine Vereinzelung der bedeckten Blöcke 14, 14a, wie oben erörtert. Die Deckdünnschicht 62 ist erfindungsgemäß ein Trockendünnschicht-Resist, der eine Dicke von 10 µm bis 100 µm (oder insbesondere von 30 µm bis 70 µm) aufweist.

Außerdem kann die Deckdünnschicht 62 Öffnungen 62o aufweisen, welche Strukturen bilden, die Mikrofluidstrukturen der Blöcke entsprechen. Solche Mikrofluidstrukturen können vor allem aufweisen:

- eine elektrische Kontaktöffnung;
- eine Flüssigkeitseintragsfläche 24 und
- eine Lüftungsöffnung.

Solche Mikrofluidchip-Packungen oder -Baugruppen können einem Empfänger bereitgestellt werden, der dann die Blöcke einfach ohne spezielle Ausrüstung vereinzeln kann, z.B. einfach per Hand, so wie man Schokoladentafeln durchbricht.
Gemäß einer letzten Erscheinungsform kann die Erfindung als ein Mikrofluidchip verkörpert sein (der gemäß den Herstellungsverfahren der vorliegenden Erfindung zu erhalten ist), oder in ähnlicher Weise aus einer Mikrofluidchip-Packung oder - Baugruppe, wie oben erörtert. Der Chip wird durch Abtrennen eines bedeckten Blocks 14 von der Packung oder Baugruppe 1 erhalten. Der resultierende Chip soll deswegen an einem Rand eines bedeckten Blocks zurückgebliebene Zeichen eines partiellen Schnitts 10c und zurückgebliebene Zeichen der Vereinzelung aufweisen, z.B. Spaltebenen oder Trennungsbrüche. Man beachte, dass „Spalten“ in einem weiten Sinn nicht nur für kristalline Substrate (z.B. Wafer) gilt, sondern auch für nichtkristalline Substrate wie Glas-Wafer. Restspuren von Schnitten 10c sehen im Fall eines Si-Wafers wie eine polierte Spiegelfläche aus, vgl. 11.
Die obigen Ausführungsformen sind unter Bezugnahme auf die begleitenden Zeichnungen knapp beschrieben worden und können zahlreiche Varianten umfassen. Es können verschiedene Kombinationen der obigen Merkmale vorgesehen sein. Beispiele werden im nächsten Abschnitt gegeben.
2. Spezielle Ausführungsformen/Technische Einzelheiten der Realisierung
Das obige Konzept einer Mikrofluidchip-Baugruppe wurde vor allem wie folgt demonstriert: eine Mikrofluid-Teststruktur mit einem Eintragsfeld, einem 100 µm breiten Serpentinenkanal und einer Kapillarpumpe wurde auf einem 525 µm dicken Si-Wafer hergestellt, indem ein 20 µm dicker Trockendünnschicht-Resist PerMX3020 von DuPont strukturiert wurde, um Mikrofluidkanäle oben auf dem Si-Wafer zu strukturieren. Nach dem Aufbringen einer dünnen Photoresistschicht zum Schützen der Strukturen wurde der Wafer durch Dicing bis zu einer Tiefe von etwa 250 µm geschnitten. Unter Verwendung eines Tisch-Schneidplotters wurde ein 50 µm dicker DF-1050-Trockendünnschicht-Resist, EMS, USA, geschnitten, um das Eintragsfeld und elektrische Kontaktöffnungen 62o zu erzeugen (10a). Diese Deckdünnschicht wurde ausgerichtet und auf den durch Dicing partiell geschnittenen Wafer laminiert (10b). Im Vergleich zu anderen Mikrofluidkanal-Versiegelungstechniken wie Wafer-Bonding beansprucht die Trockendünnschicht-Laminierung viel weniger Zeit und ein viel geringeres Temperaturbudget. Die versiegelten Chips wurden dann einfach durch Spalten des Wafers per Hand getrennt, 10c und d. Eine optische Untersuchung des gespaltenen Chips zeigt keine wesentliche strukturelle Beschädigung auf der Deckdünnschicht, vgl. 11.
11 ist ein Bild, welches einen leicht geneigten Mikrofluidchip zeigt, der einen (durch Dicing) geschnittenen Teil (oben, in Nachbarschaft zu einem Rand eines partiellen Schnitts 10c) und einen gespalten Teil (unten, begrenzt durch den gespaltenen Rand 10s) eines Mikrofluidchips zeigt. Der Chip ist aus Silicium, wobei Mikrofluidstrukturen 24 in einem photostrukturierten Trockendünnschicht-Resist 32 (PerMX3020) definiert sind. Jenseits des Eintragsfelds 24, weist der Chip einen (teilweise sichtbaren) Serpentinenkanal und eine (nicht sichtbare) Kapillarpumpe auf. Die DF-1050-Schicht 62 weist die etwas größere kreisförmige Öffnung auf (äußere kreisförmige Öffnung) und ist dicker; die PerMX3020-Schicht 32 weist die kleinere innere kreisförmige Öffnung auf, der Kanal 20 ist in dieser Ausführungsform in der PerMX3020-Schicht 32 definiert.
Die Anwendbarkeit des gesamten Verfahrens auf Glassubstrate wurde ebenfalls untersucht und ausgewertet. Wie erfolgreich die Kapillarfüllung eines Einzelchips ist, kann unter Verwendung einer gefärbten Flüssigkeit geprüft werden. Die Herstellungskonzepte der vorliegenden Erfindung sind breit anwendbar und können einen Einfluss auf die gesamte mit Mikrofluidelementen beschäftigte Gemeinschaft haben.
Die hierin beschriebenen Verfahren können bei der Herstellung von Mikrofluidchips auf Wafer-Basis angewendet werden. Die resultierenden Chips können vom Hersteller vor allem in unbehandelter Wafer-Form (also als einzelner Wafer, der mehrere Chips ohne Gehäuse aufweist), als bloßer Chip oder in einer Form mit Gehäuse vertrieben werden. Im letzteren Fall ist der Chip in einem Gehäuse für einen Chip (z.B. einem Kunststoffträger) oder in einem Gehäuse für mehrere Chips montiert. In jedem Fall kann der Chip dann als Teil (a) eines Zwischenprodukts oder (b) eines Endprodukts mit anderen Chips oder anderen Mikrofluidelementen (Rohranschlüssen, Pumpen usw.) integriert werden, obwohl Anwendungen für autonome Chips bevorzugt werden.
Obwohl die vorliegende Erfindung in Bezug auf eine begrenzte Anzahl an Ausführungsformen, Varianten und die begleitenden Zeichnungen beschrieben worden ist, versteht der Fachmann, dass verschiedene Änderungen vorgenommen werden können und Ersetzungen durch Äquivalente vorgenommen werden können, ohne vom Umfang der vorliegenden Erfindung abzuweichen. Insbesondere kann ein (Vorrichtungs- oder Verfahrens-)Merkmal, das in einer gegebenen Ausführungsform, Variante angeführt oder in einer Zeichnung dargestellt wird, mit einem anderen Merkmal in einer anderen Ausführungsform, Variante oder Zeichnung kombiniert werden oder dieses ersetzen, ohne vom Umfang der vorliegenden Erfindung abzuweichen. Es können daher verschiedene Kombinationen der Merkmale, die in Bezug auf eine der obigen Ausführungsformen oder Varianten beschrieben werden, vorgesehen sein, welche innerhalb des Umfangs der anhängenden Patentansprüche bleiben. Außerdem können viele kleinere Modifikationen vorgenommen werden, um eine bestimmte Situation oder ein bestimmtes Material an die Lehren der vorliegenden Erfindung anzupassen, ohne von ihrem Umfang abzuweichen. Deswegen soll die vorliegende Erfindung nicht auf die speziellen offenbarten Ausführungsformen beschränkt sein, sondern alle Ausführungsformen umfassen, die unter den Umfang der anhängenden Patentansprüche fallen. Außerdem können viele andere Varianten als die oben ausdrücklich angesprochenen vorgesehen sein. Zum Beispiel könnten andere Materialien für die Deckdünnschicht 62 verwendet werden.
Bezugszeichenliste

1: Mikrofluidchip-Packung oder -Baugruppe
10: Hauptkörper des Substrats
10, 30: Substrat
10c: Partielle Schnitte
10r: Restdicke des Substrats auf der Höhe der partiellen Schnitte 10c
10s: Abgespaltener Rand
14, 14a: Blöcke (Chips)
20: Mikrofluidstrukturen/Mikrokanäle
24: Flüssigkeitseintragsfeld
30: Oxidschicht
32: Photostrukturierter Trockendünnschicht-Resist
34: Kapillarpumpe
61: Trägerdünnschicht
62: Deckdünnschicht
62o: Öffnungen

Claims

Verfahren zur Herstellung einer Mikrofluidchip-Packung oder -Baugruppe (1), aufweisend: Bereitstellen (S1) eines Substrats (10, 30), welches mindestens einen Block (14, 14a) aufweist, der eine oder mehrere Mikrofluidstrukturen auf einer Stirnfläche (F) des Substrats aufweist; und partielles Schneiden (S2) in das Substrat, um partielle Schnitte (10c) zu erhalten, so dass eine Restdicke (10r) des Substrats auf der Höhe der partiellen Schnitte (10c) eine Vereinzelung des mindestens einen Blocks (14, 14a) ermöglicht; Reinigen (S4) des mindestens einen Blocks; und Aufbringen (S5 bis S7) einer Deckdünnschicht (62), um den mindestens einen Block (14, 14a) zu bedecken, wodurch mindestens ein bedeckter Block erhalten wird, wobei die aufgebrachte Deckdünnschicht immer noch die Vereinzelung jedes bedeckten Blocks ermöglicht, wobei jeder bedeckte Block nach der Vereinzelung einem Mikrofluidchip entspricht, wobei die Deckdünnschicht (62) starr genug ist, um die Mikrofluidstrukturen zu überspannen, ohne darin zusammenzufallen, wobei die Deckdünnschicht (62) ein Trockendünnschicht-Resist ist und eine Dicke von 10 µm bis 100 µm, vorzugsweise 30 µm bis 70 µm aufweist.
Herstellungsverfahren nach Anspruch 1, wobei das bereitgestellte Substrat (10, 30) mehrere Blöcke (14, 14a) aufweist, welche jeweils eine oder mehrere Mikrofluidstrukturen auf einer Stirnfläche (F) des Substrats aufweisen; die aufgebrachte Deckdünnschicht (62) die mehreren Blöcke (14, 14a) bedeckt; und die erhaltenen partiellen Schnitte (10c) und die aufgebrachte Deckdünnschicht (62) so ausgestaltet sind, dass eine Vereinzelung jedes der mehreren Blöcke (14) ermöglicht wird.
Herstellungsverfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei das partielle Schneiden (S2) in das Substrat so durchgeführt wird, dass es eine Restdicke des Substrats nach dem partiellen Schneiden möglich macht, den mindestens einen Block (14) per Hand abzutrennen, vorzugsweise durch Abspalten des mindestens einen Blocks (14).
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die aufgebrachte (S5 bis S7) Deckdünnschicht Öffnungen (62o) aufweist, die Strukturen bilden, welche Strukturen der Mikrofluidchip-Baugruppe entsprechen, die bereits vorhanden sind oder anschließend herzustellen sind.
Verfahren nach Anspruch 4, wobei die Deckdünnschicht vorzugsweise eine oder mehrere der folgenden Bedingungen erfüllt: sie weist ein Epoxidharz auf, sie ist ein Laminatblatt und sie weist einen Elastizitätsmodul von 3 bis 5 Gigapascal auf.
Verfahren nach einem der Ansprüche 4 bis 5, wobei das Aufbringen (S5 bis S7) der Deckdünnschicht (62) aufweist: Bereitstellen (S3a bis c) einer Dünnschicht (60), die mindestens zwei Schichten aufweist, umfassend die Deckdünnschicht (62) und eine Trägerdünnschicht (61); Aufbringen (S5) der Deckdünnschicht (62) gegen eine frei liegende Fläche auf der Stirnfläche (F) des Substrats durch Pressen der Trägerdünnschicht (61), vorzugsweise durch Laminieren (S5) der Trägerdünnschicht (61); und Entfernen (S6) der Trägerdünnschicht (61).
Verfahren nach Anspruch 6, wobei das Bereitstellen (S3a bis c) der Dünnschicht (60) ferner ein Strukturieren (S3c) der Deckdünnschicht (62), vorzugsweise durch eines von: Photolithographie; Schneiden; Stanzen oder Laserablation, vor dem Aufbringen (S5) der strukturierten Deckdünnschicht (62) aufweist, um eine Deckdünnschicht (62) zu erhalten, welche Öffnungen (62o) aufweist, die Strukturen bilden, die Strukturen der Mikrofluidchip-Baugruppe entsprechen, die bereits vorhanden sind oder anschließend herzustellen sind.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei mindestens ein Block (14) des bereitgestellten Substrats einen Mikrofluid-Mikrokanal (20) auf der Stirnfläche (F) aufweist, wobei die mittlere Tiefe oder der mittlere Querschnittsdurchmesser des Mikrokanals (20) 5 bis 50 Mikrometer, vorzugsweise 10 bis 20 Mikrometer beträgt.
Herstellungsverfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei das Verfahren nach dem Reinigen (S4) und vor dem Aufbringen (S5 bis S7) der Deckdünnschicht ferner einen Schritt (S4a) eines Abscheidens von Reagenzien in einer oder mehreren der Mikrofluidstrukturen (20) aufweist, wobei das Abscheiden von Reagenzien vorzugsweise ein Abscheiden von mindestens zwei Typen von Reagenzien entsprechend in Mikrofluidstrukturen mindestens zweier verschiedener Blöcke (14, 14a) des Substrats oder innerhalb einer oder mehrerer Mikrostrukturen (20) desselben Blocks (14, 14a) aufweist.
Mikrofluidchip-Packung oder -Baugruppe (1), aufweisend: ein Substrat (10, 30), welches einen oder mehrere Blöcke (14, 14a) aufweist, die jeweils eine oder mehrere Mikrofluidstrukturen auf einer Stirnfläche (F) des Substrats aufweisen, wobei das Substrat (10, 30) einen oder mehrere partielle Schnitte (10c) aufweist, die sich in eine Dicke des Substrats erstrecken, so dass eine Restdicke des Substrats auf der Höhe der partiellen Schnitte (10c) eine Vereinzelung jedes des einen oder der mehreren Blöcke (14, 14a) ermöglicht; und eine Deckdünnschicht (62), welche den einen oder die mehreren Blöcke bedeckt, wodurch ein oder mehrere bedeckte Blöcke gebildet werden, wobei die aufgebrachte Deckdünnschicht so ausgestaltet ist, dass sie eine Vereinzelung jedes des einen oder der mehreren bedeckten Blöcke (14, 14a) ermöglicht, wobei jeder bedeckte Block nach der Vereinzelung einem Mikrofluidchip entspricht, wobei die Deckdünnschicht (62) starr genug ist, um die Mikrofluidstrukturen zu überspannen, ohne darin zusammenzufallen, wobei die Deckdünnschicht (62) ein Trockendünnschicht-Resist ist und eine Dicke von 10 µm bis 100 µm, vorzugsweise 30 µm bis 70 µm aufweist.
Mikrofluidchip-Packung oder -Baugruppe nach Anspruch 10, wobei die Deckdünnschicht (62) Öffnungen (62o) aufweist, welche Strukturen bilden, die Mikrofluidstrukturen des einen oder der mehreren Blöcke entsprechen, wobei es sich bei den Mikrofluidstrukturen um ein oder mehreres handelt aus: einer elektrischen Kontaktöffnung; einem Flüssigkeitseintragsfeld (24); und einer Lüftungsöffnung.
Mikrofluidchip-Packung oder -Baugruppe nach einem der Ansprüche 10 bis 11, wobei der eine oder die mehreren partiellen Schnitte (10c) eine Vereinzelung jedes des einen oder der mehreren Blöcke (14, 14a) per Hand ermöglicht.
Verwendung einer Mikrofluidchip-Packung oder -Baugruppe nach einem der Ansprüche 10 bis 12, wobei: die Mikrofluidchip-Baugruppe einem Empfänger bereitgestellt wird; und der Empfänger mindestens einen des einen oder der mehreren Blöcke (14a) von der Baugruppe abtrennt.
Mikrofluidchip, der nach dem Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9 oder aus der Mikrofluidchip-Packung oder -Baugruppe nach einem der Ansprüche 10 bis 12 zu erhalten ist, indem ein bedeckter Block (14) von der Packung oder Baugruppe (1) abgetrennt wird, wobei der Chip einen bedeckten Block (14) aufweist und an einem Rand des Chips zurückgebliebene Zeichen eines partiellen Schnitts (10c) und zurückgebliebene Zeichen einer Vereinzelung zeigt, z.B. Spaltebenen oder Trennungsbrüche.