DE4429739C1

DE4429739C1 - Verfahren zum Befüllen eines Containments

Info

Publication number: DE4429739C1
Application number: DE19944429739
Authority: DE
Inventors: Ralf Steinkuhl
Original assignee: Institut fuer Chemo und Biosensorik Muenster eV ICB
Current assignee: Institut fuer Chemo und Biosensorik Muenster eV ICB
Priority date: 1994-08-22
Filing date: 1994-08-22
Publication date: 1996-03-28
Anticipated expiration: 2014-08-23

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Befüllen eines Containments mit einem Fluid, wobei das Con tainment in einem in Siliziumtechnologie hergestell ten Sensor in einen Si-Wafer eingebracht ist und als eine von der Unterseite zur Oberseite des Si-Wafers verlaufende und sich verjüngende Öffnung ausgebildet ist, die an der Unterseite verschlossen ist, so daß ein Hohlraum entsteht. Die Befüllung erfolgt dabei mit einer speziellen Befüllungsvorrichtung mittels Vakuumtechnik.

Aus der DE 41 15 414 A1 ist bekannt Sensoren, insbe sondere Chemo- und Biosensoren, in Siliziumtechnolo gie herzustellen, wobei in einem Si-Wafer ein Con tainment eingebracht wird. Dieses Containment ist als eine von der Unterseite zur Oberseite verlaufende und sich verjüngende Öffnung ausgebildet. In dieses Con tainment kann dann eine Flüssigkeit eingefüllt wer den, mit der eine Membran ausgebildet wird. In dieser Membran sind dann Chemo- oder Biokomponenten ankop pelbar. Derartige Sensoren und die Verfahren zur Her stellung der Sensoren sowie die Dimensionierung des Containments sind ausführlich in der vorstehend er wähnten DE 41 15 414 A1 beschrieben. Die Befüllung des Containments mit Bio- bzw. Chemokomponenten er folgte dabei bisher so, daß der Sensor ganzflächig in die Membranflüssigkeit eingetaucht wird. Damit ist aber zwangsläufig ein hoher Verlust an Membranmateri al verbunden, da dieses nach der Befüllung am Sensor anhaftet. Dieser Verlust an Membranmaterial stellt einen nicht zu vernachlässigenden Kostenfaktor in der Wirtschaftlichkeit der Serienproduktion derartiger Sensoren dar. Gleichzeitig ist dieses Verfahren nur für die Containmentbefüllung mit einer Biokomponente geeignet. Weiter nachteilig ist, daß die Selektivbe füllung in Richtung auf Multienzymsensoren mit diesem Verfahren nach dem bisherigen Stand der Technik nicht möglich ist.

In der US 4 734 262 ist eine Vorrichtung beschrieben, mit der eine Reaktionsmischung gefiltert werden soll. Hierbei kann unter Ausnutzung einer Druckdifferenz die Filtration erfolgen. Dabei sollen sowohl Unter als auch Überdruck eingesetzt werden. Hierfür sind verschiedene Elemente im Filterbereich vorhanden, die wie ein Ventil arbeiten und die Öffnung bzw. Öffnun gen zum Filter durch Verbiegen unter Druckeinfluß freigeben. Beim einem Beispiel sind der die Reak tionsmischung aufnehmende Behälter und der obere Teil des Behälters, der ein Aufnahmebehälter ist, in ihrer Form aufeinander abgestimmt, um eine Abdichtung zu sichern.

Der Einsatz von Evakuiervorrichtungen zum Füllen von Hohlräumen ist für Flüssigkristallzellen aus der DE 34 21 723 A1, für Fasern enthaltende Metalle aus der US 4 573 517, für implantierbare Drucksensoren aus der US 4 407 296, zum Imprägnieren poröser Körper aus der DE 38 04 623 A1, für das Konservieren von Natur- oder Kunststeinen bzw. Beton aus der DE 25 40 704 A1 und für poröse Sandkerne von Gußhohlräumen aus der DE 29 23 026 A1 bekannt.

Ausgehend hiervon ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zur Befüllung eines Contain ments eines Sensors nach der DE 41 15 414 A1 zur Ver fügung zu stellen, das eine massenproduktionstaugli che Füllung von Fluiden in Containments ermöglicht.

Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merk malen des Anspruchs 1 gelöst. Die Unteransprüche zei gen vorteilhafte Weiterbildungen auf.

Erfindungsgemäß wird vorgeschlagen, zur Befüllung des Containments eine Befüllungsvorrichtung einzusetzen, wobei diese Befüllungsvorrichtung mit dem Fluid ge füllt und dann plan über der Öffnung des Containments aufgesetzt wird. Über eine Verbindung zu einer Vaku umanlage, insbesondere einer Vakuumpumpe, wird dann ein geschlossenes System hergestellt. Anschließend wird dann evakuiert, so daß nach Herstellung eines definierten Unterdrucks sich ein Befüllen des Hohl raums des Containments vollzieht. Der Vorteil des er findungsgemäßen Verfahrens ist vor allem darin zu sehen, daß in die Befüllungsvorrichtung eine genau abgemessene Menge des Fluids eingefüllt werden kann, nämlich genau die Menge, die zur Befüllung des Con tainments nötig ist. Durch das plane aufsetzen der Befüllungsvorrichtung über der Öffnung des Contain ments wird erreicht, daß schon allein ein Anlegen eines leichten Unterdrucks (bevorzugt im Bereich von 200 mbar bis 20 mbar) zum Befüllen des Hohlraumes aus reicht. Vorteilhaft ist weiterhin, daß es möglich ist, mehrere Hohlräume zu befüllen, indem mehrere Befüllungsvorrichtungen eingesetzt werden, die über eine Vakuumpumpe betrieben werden. Damit ist gewähr leistet, daß mit einer geringen Menge an benötigtem Fluid gearbeitet wird und selektive Containmentbefül lungen auf einem Sensorelement möglich sind.

Die Dimensionierung der Befüllungsvorrichtung ist dabei auf den Hohlraum des Containments ausgelegt. Das Containment weist dabei bevorzugt eine oberseiti ge Öffnung von 0,0001 bis 0,04 mm² und eine untersei tige Öffnung von 0,25 bis 0,55 mm² auf. Das Volumen eines derartigen Containments liegt im Bereich von 0,1 bis 0,001 mm³. Es ist dementsprechend ausrei chend, daß die Befüllungsvorrichtung so dimensioniert ist, daß sie das vorstehend definierte Volumen auf nehmen kann.

Für die Fälle, bei denen keine exakt plane, dichtende Auflage des Ausganges der Befüllungsvorrichtung über der Öffnung des Containments möglich ist, wird ein Dichtelement am Ausgang der Befüllungsvorrichtung angebracht. Das Dichtelement kann z. B. ein Dichtring aus Silikon sein.

Die Befüllungsvorrichtung selbst besteht aus einem separaten Ansaugstutzen, der mit entsprechenden Vor ratsbehältern zur Aufnahme des Fluids verbunden ist. Dadurch ist es auch möglich, zwei verschiedene Kom ponenten, die mittels geeigneter Absperrorgane zuge führt werden können, in das Containment einzufüllen.

Das Verfahren wird in der Folge mit Hilfe der Zeich nungen näher beschrieben.

Dabei zeigen:

Fig. 1 eine Befüllungsvorrichtung im Querschnitt, bestehend aus einem Ansaugstutzen und zwei mit dem Ansaugstutzen verbundenen Vorrats gefäßen für Fluide,

Fig. 2 die prinzipielle Anordnung einer Be füllungsvorrichtung auf einem Containment und

Fig. 3 die Befüllung von mehreren Containments.

Die Befüllungsvorrichtung ist so aufgebaut, daß sie aus einem Ansaugstutzen 15 besteht, wobei dessen Aus gang 21 mit der Oberseite 4 des Si-Wafers 8 verbunden wird.

Die Befüllungsvorrichtung 14 wird dabei mit dem Aus gang 21 auf die plane Oberseite 4 des Si-Wafers 8 genau über der Öffnung 6 des Containments plaziert. Die vom planen Ausgang 21 umschlossene innere Fläche 25 deckt nun mindestens die Öffnung 6 ab. Das Con tainment 7 ist hier im Beispielsfall in räumlicher Darstellung einem Pyramidenstumpf vergleichbar. Die Unterseite 5 des Si-Wafers 8 und somit auch die Un terseite des Containments 7 ist durch ein inertes Substrat 10 verschlossen, so daß ein Hohlraum ent steht. Die Oberfläche der Öffnung 6 beträgt im Bei spielsfall 0,01 mm². Bei absolut planen Oberflächen des Wafers 8 und der Ansatzfläche des Ausgangs 21 der Befüllungsvorrichtung 14 ergibt sich nun ein System, daß lediglich am Zugang 9 der Befüllungsvorrichtung 14 noch offen ist. An diesen Zugang 9 wird eine Vaku umanlage, bevorzugt ein Schlauch, angebracht, der mit einer Wasserstrahlpumpe verbunden ist (nicht abgebil det). Das System ist somit geschlossen. Mit Hilfe der Wasserstrahlpumpe wird dann ein Druck von ca. 80 mbar erzeugt. Dieser Unterdruck führt zum Austausch des Luftvolumens aus dem Containment 7.

Der Ausgang 21 ist somit in der Dimensionierung, d. h. im Durchmesser so gewählt, daß die innere Fläche 25 mindestens der Fläche der Öffnung 6 des Containments 7 entspricht. Die Befüllungsvorrichtung 14 nach Fig. 1 weist zwei Vorratsbehälter 16 und 17 auf, die mit einem Fluid 22, 23 gefüllt sind. Die Behälter 16, 17 sind mit dem Ansaugstutzen 15 verbunden. Die Vorrich tung verfügt weiterhin über geeignete Absperrorgane 18, 19 und 20. Zur Verwendung dieser Befüllungsvor richtung 14 wird die Vorrichtung 14 mit ihrem Ausgang 21 auf die Öffnung 6 des Containments 7 aufgelegt. Dann wird über den Zugang 9 und über das geöffnete Ventil 20 Vakuum auf das System gezogen. Anschließend wird das Ventil 20 geschlossen. Die Befüllung wird nun so durchgeführt, daß durch Öffnung entweder des Ventils 19 oder des Ventils 18 oder auch beider Ven tile die Fluide 22, 23 aus den Behältern 16 und/oder 17 angesaugt werden. Dabei ist dann auch vorgesehen, daß über das wieder geöffnete Ventil 20 eine etwaig überschüssige Membranflüssigkeit 22, 23 abgesaugt werden kann. Um den Verlust des Fluides möglichst klein zu halten, ist die Dimensionierung (Volumen) des Ansaugstutzens 15 möglichst klein auszulegen, so daß die Verluste an Fluidflüssigkeit möglichst klein sind. Ergänzend ist es auch möglich, daß die Befül lungsvorrichtung 14 in einen xy-Tisch eingesetzt wird, so daß die Befüllungsvorrichtung 14 exakt auf dem Wafer 8 bewegt werden kann.

Fig. 3 zeigt nun die Befüllung mehrerer Containments 7 auf einem Wafer 8. Dabei kann das Verfahren vor teilhaft auch zur Befüllung von mehreren Containments 7, die in dem Si-Wafer 8 eingebracht sind, verwendet werden. In dem Beispiel gemäß Fig. 3 werden zwei Be füllungsvorrichtungen 14 eingesetzt, wobei diese Be füllungsvorrichtungen 14 entweder mit gleichen oder mit unterschiedlichen Fluiden 22, 23 gefüllt sein können.

Bei nicht absolut plan abschließenden Oberflächen, sowohl einerseits der Ausgang 21 der Befüllungsvor richtung 14 wie andererseits der Oberseite 4 des Si- Wafers 8, ist vorgesehen, daß ein Dichtelement 11 eingesetzt wird. Im Beispielsfall nach Fig. 1 ist das Dichtelement ein Dichtring 11, der die Be füllungsvorrichtung 14 an seinem Ausgang 21 um schließt. Dadurch wird nun ein unproblematischer Ver fahrensablauf gewährleistet in der Weise, daß der Dichtring 11 die Verbindung der Befüllungsvorrichtung 14 mit der planen Oberseite 4 des Si-Wafers 8 ge währleistet. Zusätzlich ist es dann noch möglich ent sprechende Befestigungsvorrichtungen für die Befül lungsvorrichtung 14 vorzusehen, um ein Verrutschen der Befüllungsvorrichtung 14 sicherzustellen.

Claims

1. Verfahren zum Befüllen eines Containments mit einem Fluid, wobei das Containment in einem in Siliziumtechnologie hergestellten Sensor in ei nen Si-Wafer eingebracht ist und als eine von der Unterseite zur Oberseite des Si-Wafers ver laufende und sich verjüngende Öffnung ausge bildet ist, die an der Unterseite verschlossen ist, so daß ein Hohlraum entsteht, dadurch gekennzeichnet, daß

a) eine evakuierbare Befüllungsvorrichtung (14) verwendet wird, die aus einem Ansaugstutzen (15) und einem mit dem Ansaugstutzen (15) verbundenen Vorratsbehälter (16, 17) zur Aufnahme des Fluids (22, 23) besteht, wobei ein Ausgang des Ansaugstutzens (15) der Ausgang (21) für das Fluid (22, 23) und ein Ausgang des Ansaugstut zens (15) ein Zugang (9) für die Vakuumanlage ist, und wobei am Ansaugstutzen (15) und zwischen dem Vorratsbehälter (16, 17) und dem Ansaugstutzen (15) Absperrorgane (18, 19, 20) angeordnet sind,
b) das Fluid (22, 23) in einen Vorratsbehälter (16, 17) der Befüllungsvorrichtung (14) eingefüllt wird,
c) die Befüllungsvorrichtung (14) mit ihrem Ausgang (21) für das Fluid (22, 23) plan auf die ober seitige Öffnung (6) des Containments (7) aufge legt wird, so daß die durch die oberseitige Öff nung (6) des Containments (7) gebildete Fläche von der durch den Ausgang (21) umschlossenen Fläche (25) abgedeckt wird,
d) bei geöffnetem Absperrorgan (20) im An saugstutzen (15) und bei geschlossenem Absperr organ (18, 19) zwischen dem Vorratsbehälter (16, 17) und dem Ansaugstutzen (15) über den Zugang (9) zur Vakuumanlage ein Vakuum angelegt wird, das so ausgelegt ist, daß die sich im Hohlraum des Containments (7) befindliche Luft abgesaugt wird, und
e) das Absperrorgan (20) geschlossen und das Ab sperrorgan (18, 19) geöffnet wird, so daß das Fluid (22, 23) in den Hohlraum des Containments (7) gesaugt wird.

2. Verfahren zum Befüllen eines Containments nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein Vakuum im Be reich von 200 mbar bis 20 mbar eingestellt wird.

3. Verfahren zum Befüllen eines Containments nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß eine Befüllungsvor richtung (14) verwendet wird, die an ihrem Aus gang (21) zum Austritt des Fluids ein Dichtele ment (11) aufweist.