DE60217510T2

DE60217510T2 - Mikronadeln für die minimal invasive arzneimittelabgabe

Info

Publication number: DE60217510T2
Application number: DE60217510T
Authority: DE
Inventors: T. Steve Castroville CHO
Original assignee: Hospira Inc
Current assignee: Hospira Inc
Priority date: 2001-06-13
Filing date: 2002-05-22
Publication date: 2007-11-15
Anticipated expiration: 2022-05-23
Also published as: US20040186419A1; US6980855B2; US6767341B2; EP1418977A2; JP4286131B2; ES2308657T3; DE60227014D1; CA2450367C; EP1695734B1; JP2005503194A; ATE397473T1; DE60217510D1; WO2002100474A2; US20020193754A1; EP1695734A1; EP1418977B1; ES2278926T3; AU2002312013A1; CA2450367A1; WO2002100474A3

Description

Erfindungsgebiet
Die vorliegende Erfindung betrifft allgemein ein Gerät, das verwendet wird, um ein medizinisches Fluid an einen Patienten abzugeben, und ein Verfahren zum Herstellen dieses Geräts, und genauer ein Gerät, das eine Gruppe von Mikronadeln hat, um auf eine minimal invasive Weise durch die Haut ein medizinisches Fluid an einen Patienten abzugeben, und ein Verfahren zum Herstellen desselben.
Hintergrund der Erfindung
Es gibt viele medizinische Bedingungen und Verfahrensweisen, in denen es nötig ist, entweder ein Arzneimittel durch die dermale Schicht an einen Patienten abzugeben oder eine Blut- oder Gewebeprobe durch die dermale Schicht von einem Patient zu entziehen. Ein hypoderme Spritze mit spitzer Nadel wird am gebräuchlichsten benutzt, um durch die Haut ein medizinisches Fluid an einen Patient abzugeben. Ein bedeutender Teil der Bevölkerung betrachtet das Empfangen einer mit einer hypodermen Nadel abgegebenen Injektion als schmerzvolle und unangenehme Erfahrung. Obwohl die meisten Individuen diese Injektionen im Laufe ihres Lebens nur ein paar Mal zu empfangen genötigt sind, werden jene Personen, die an medizinischen Bedingungen wie beispielsweise Diabetes leiden, viel häufigere Injektionen benötigen.
Die Größe der Nadel, die mit herkömmlichen hypodermen Nadeln verwendet wird, ist für gewöhnlich ein paar Millimeter lang. Diese Nadeln, auf die als Makronadeln Bezug genommen wird, haben, verglichen mit der Größe einer biologischen Zelle, einen relativ großen Durchmesser. Die Schmerzen, die mit einer Nadel verbunden sind, die eine dermale Schicht einsticht, sind deutlich vom Durchmesser der Nadel abhängig. In einem Versuch, den Schmerzpegel zu lindern, den ein Individuum erfährt, wenn er eine Injektion erhält, wurde die Verwendung von Mikronadeln untersucht. Mikronadeln können in Längen hergestellt werden, die es erlauben, dass die dermale Schicht tief genug durchdrungen wird, damit eine Arzneimittelabgabe erfolgt, aber nicht so tief, um Nerven zu stimulieren, die Schmerzen und Unbehagen bewirken.
Als Alternative zu Makronadeln wurden Mikronadeln entwickelt, die einen in Mikrometern gemessenen Durchmesser haben. Die verringerte Größe vermindert das Unbehagen und die Schmerzen für den Patienten. Eine Nachforschung hat gezeigt, dass Silizium-Mikrosonden mit Querschnitten einer Größenordnung von einigen zehn Mikrometer lebendes Gewebe durchdringen können, ohne ein bedeutendes Trauma zu verursachen (K. Najafi, K. D. Wise and T. Mochizuki, "A High-Yield IC-Compatible Multichannel Recording Array," IEEE Micro Trans. on Electron Devices, Vol. Ed-32, S. 1206-1211, Juli, 1985, XP002030735).
Mehrere verschiedene Mikronadelarten wurden entwickelt. Glaspipetten wurden verwendet, um Mikronadeln mit einem Durchmesser von annähernd 20 μm herzustellen. Diese Mikronadeln können gebildet werden, indem eine Glaspipette relativ großen Durchmessers erhitzt und die Pipette ausgedehnt wird, bis ihr Durchmesser auf etwa 20 μm reduziert ist. Glasmikronadeln dieser Größe können verwendet werden, um Fluide aus einer einzigen Zelle zu entnehmen und sie da hinein zu injizieren. Jedoch ist die Ausdehnungstechnik, die benutzt wird, um die Mikronadel herzustellen, eher grob, und es ist schwierig, die Größe einer auf diese Weise hergestellten Mikronadel genau und reproduzierbar zu steuern. Überdies sind diese Mikronadeln äußerst zerbrechlich.
US-Patent Nr. 5.457.041 offenbart eine Gruppe an Mikronadeln, die sich aus einem stützenden Substrat nach außen erstrecken und Spitzenabschnitte haben, die geformt und größenbemessen sind, um sowohl eine biologisch aktive Substanz mit sich zu führen als auch in Ziel-Zellen im Gewebe einzustechen und sie zu penetrieren, so dass die biologische Substanz aus dem Spitzenabschnitt überführt und innerhalb der Ziel-Zellen abgela gert wird. Die Gruppe von Mikronadeln wird mittels der Verwendung von Siliziumscheiben und von Photolitographie basierenden Ätztechniken hergestellt. Das Ergebnis ist eine Gruppe fester Mikronadeln. Jede biologisch aktive Substanz, die von diesen Nadeln abgegeben wird, muss auf Spitzen der Mikronadeln geladen werden, um die Abgabe zu bewirken. Diese Spitzenaufladung ist nicht wirkungsvoll, um eine genau abgemessene Dosis einer biologisch aktiven Substanz abzugeben. Im allgemeinen benötigten medizinische Behandlungsmethoden, die die transdermale Injektion von Arzneimitteln in einen Patienten einschließen, die genaue Steuerung der abzugebenden Arzneimittelmenge. Die Abgabe zu kleiner Arzneimittelmengen kann das gewünschte Ergebnis nicht bewirken, und zu viel vom Arzneimittel kann ernste, möglicherweise fatale Folgen haben. Daher wäre es wünschenswert, ein Arnzeimittelabgabesystem, das auf Mikronadeln basiert, bereitzustellen, das die bessere Steuerung der Dosierung des durch die Mikronadeln abzugebenden Arzneimittels bietet, als es diese Technik aus dem Stand der Technik tut.
US-Patent Nr. 5.591.139 offenbart eine andere Art von Mikronadeln, die auf Silizium basiert. Eher als eine Gruppe von Nadeln herzustellen, die sich aus einer Substanz nach außen erstrecken, offenbart dieses Patent die Herstellung einer Mikronadel, die sich parallel zur Ebene eines Siliziumsubstrats erstreckt. Mittels Verwendung einer Kombination aus Maskierung- und Ätztechniken wird eine hohle Mikronadel gebildet, die einen Grenzflächenbereich und einen Schaft einschließt. Eine Ummantelung, die einen eingeschlossenen Kanal bestimmt, bildet den Schaft, der Öffnungen hat, um die Fluidbewegung zu erlauben. Der Grenzflächenbereich schließt Mikroschaltungselemente ein, die verwendet werden können, um Mikroheizgeräte, Mikrodetektoren oder andere Mikrovorrichtungen an der Mikronadel bereitzustellen. Obwohl die Mikronadel, die einen Fluidweg einschließt, äußerst nützlich ist, ist der in diesem Patent offenbarte Schaft der Mikronadel relativ dünn und schmal, und das Zerbrechen stellt ein Problem dar. Darüber hinaus erhöht das Einschließen der elektronischen Schaltung im Grenzflächenbereich die Kosten und Komplexität dieser Mikronadeln, und diese Schaltung ist nicht für alle Mikronadelanwendungen erforderlich. Schließlich stellt die Verwendung und Handhabung einer einzelnen Mikronadel im Gegensatz zu einer Mikronadel-Gruppe andere Herausforderungen dar.
Ein jüngeres Patent, das Gruppen vom Mikronadeln betrifft, ist das US-Patent Nr. 6.033.928, das eine Gruppe von Halbleiter-Mikronadeln offenbart, die jeweils einen Durchmesser haben, der klein genug ist, um Quantumauswirkungen zu zeigen. Diese Halbleiter basierenden Gruppen vom Mikronadeln können verwendet werden, um ein Halbleitergerät mit einer hohen Information-Verarbeitungsfunktionalität bereitzustellen, und werden hergestellt, indem ein Siliziumdioxidüberzug auf einem Siliziumsubstrat ausgebildet wird. Halbkreisförmige Körnchen, die aus Silizium gemacht sind und jeweils einen äußerst kleinen Durchmesser haben, werden dann durch Dampfabscheidung auf dem Überzug abgelagert. Nach dem Glühen der halbkreisförmigen Körnchen wird der Siliziumdioxidüberzug mittels der Verwendung der halbkreisförmigen Körnchen als erste punktierte Maske geätzt, wodurch eine zweite punktierte Maske gebildet wird, die den Siliziumdioxidüberzug umfasst. Die entstandene zweite punktierte Maske wird verwendet, um das Siliziumsubstrat auf eine bestimmte Tiefe zu ätzen, wodurch eine Anhäufung an Halbleiter-Mikronadeln gebildet wird. Man beachte, dass Arzneimittelabgabeapplikationen im allgemeinen keine Mikronadel benötigen, die ein Halbleiter ist.
WO-01/49362 offenbart ein Verfahren zum Bilden einer Nadel und eine Nadel, die einen verlängerten Körper hat, der aus einem Halbleitermaterial gebildet ist. Das Verfahren zum Bilden einer Nadel schließt den Schritt zum anisotropischen Ätzen eines Kanals in die Rückseite eines Halbleitersubstrats ein.
In Anbetracht des oben erörterten Standes der Technik wäre es wünschenswert, eine Mikronadel-Gruppe bereitzustellen, die jeweils einen Fluidkanal beinhalten, durch den eine gesteuerte Fluidmenge abgegeben werden kann. Vorzugsweise wären diese Gruppen vom Mikronadeln aufgebaut, um das Zerbrechen der einzelnen Nadeln in der Gruppe, ein gewöhnliches Problem in Zusammenhang mit Mikronadeln aus dem Stand der Technik, zu minimieren. Es wäre wünschenswert, ein Verfahren zum Herstellen einer solchen Mikronadel-Gruppe bereitzustellen, das herkömmliche Mikroabmessungen-Herstellungstechniken verwendet, so dass die Größe der Mikronadeln genau und reproduzierbar gesteuert werden. Es wäre weiterhin wünschenswert, ein Arzneimittelabgabesystem, das auf eine Mikronadel basiert, bereitzustellen, das die vollständige Steuerung über die Dosierung des von den Mikronadeln abgegebenen Arzneimittels bietet. Der Stand der Technik offenbart nicht ein solches Gerät oder Verfahren bzw. schlägt es nicht vor.
Zusammenfassung der Erfindung
In Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung wird eine hohle Mikronadel bestimmt, um durch die Haut ein Fluid zu befördern. Die Mikronadel hat einen allgemein kegeligen Körper mit einer abgeschrägten, nicht mit Kern versehenen Spitze, die in der Lage ist, ein Gewebe und eine große Basis einzustechen. Ein Fluidkanal erstreckt sich durch den Körper, der die in Fluidverbindung mit der Spitze stehende große Basis verbindet.
Die Höhe der Mikronadel, die die Entfernung der großen Basis zur Spitze ist, ist etwa dieselbe oder allgemein kleiner als eine Breite der großen Basis. Die Mikronadel wird mittels Verwendung von Halbleiter-Herstellungstechniken aus einem Substrat hergestellt, das auf Silizium basiert.
In einer Ausführungsform wird eine Gruppe an hohlen Mikronadeln hergestellt. Die Gruppe schließt ein Substrat mit mindestens einem Einlass und mehreren Auslässen ein, die mit dem mindestens einen Einlass in Fluidverbindung stehen. Die Mikronadeln erstrecken sich aus dem Substrat nach außen, wobei sich jede nahe am Auslass durch das Substrat befindet. Jede Mikronadel in der Gruppe ist allgemein, wie oben angemerkt, aufgebaut.
Ein Aspekt der vorliegenden Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen einer hohlen Mikronadel. Das Verfahren umfasst die Schritte zum Bereitstellen eines Substrats, zum Bilden einer Öffnung innerhalb des Substrats, so dass die Öffnung vollständig durch das Substrat geht, und das Entfernen eines allgemeinen Abschnitts des Substrats, einen Rest zurücklassend. Der Rest wird um die Öffnung herum angeordnet und ist allgemein kegelförmig, so dass die Öffnung allgemein an einer Mittelachse der kegeligen Form angeordnet ist. Der Schritt zum Entfernen eines allgemeinen Abschnitts des Substrats schrägt vorzugsweise eine Spitze der kegeligen Form ab.
In einem bevorzugten Verfahren ist das Substrat Silizium oder Polysilizium, und es werden herkömmliche Halbleiter-Herstellungsverfahren für den Herstellungsablauf verwendet. Um z. B. eine Öffnung zu bilden, wird eine erste Maske so gebildet, dass nur Abschnitte des Substrats, die einer gewünschten Stelle der Öffnung entsprechen, freiliegen. Die Öffnung wird dann geätzt und die erste Maske entfernt. Eine zweite Maske wird gebildet und auf dem nicht maskierten Bereich eine Nitridschicht gebildet. Die zweite Maske wird dann entfernt und das Substrat geätzt, um einen allgemeinen Abschnitt zu entfernen. Der Schritt zum Ätzen des Substrats umfasst vorzugsweise den Schritt zum Durchführen einer anisotropen Ätzung und dann das Durchführen einer isotropen Ätzung.
Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen einer Gruppe von hohlen Mikronadeln, das allgemein mit dem oben erörterten Verfahren übereinstimmt.
Kurze Beschreibung der Figuren
Die vorherigen Aspekte und viele der damit verknüpften Vorteile dieser Erfindung werden ohne weiteres gewürdigt werden, wenn dieselbe unter Bezugnahme auf die folgende detaillierte Beschreibung besser verständlich wird, sofern sie in Verbindung mit den begleitenden Zeichnungen vorgenommen wird, worin:
die 1A und 1B Seitenaufrisse von Mikronadeln aus dem Stand der Technik sind;
2 ein dreidimensionale Ansicht einer Gruppe von Mikronadeln aus dem Stand der Technik ist, die hergestellt werden können, indem Techniken verwendet werden, die für die Halbleiterherstellung alltäglich sind;
3A ist ein Seitenaufriss einer hohlen Mikronadel in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung;
3B ist eine Draufsicht der hohlen Mikronadel aus 3A;
4 ist ein Seitenaufriss einer weiteren Ausführungsform einer hohlen Mikronadel in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung, in der eine Basis der Mikronadel wesentlich breiter ist als eine Höhe der Mikronadel;
5 ist eine schematische Ansicht von einer Vielzahl als eine Gruppe gebildeten Mikronadeln, wobei jede Mikronadel in der Gruppe wie diejenige ist, die in den 3A–3B dargestellt wird;
6 ist ein Flussdiagramm, das die Abfolge der logischen Schritte darstellt, die verwendet werden, um eine hohle Mikronadel in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung herzustellen;
die 7A–7J sind schematische Darstellungen der Abfolge an logischen Schritten, die verwendet wird, um eine hohle Mikronadel in Übereinstimmung mit dem Flussdiagramm der 6 herzustellen.
Mikronadeln aus dem Stand der Technik
Bevor die vorliegende Erfindung erörtert wird, ist es dienlich, mehrere Beispiele von Mikronadeln aus dem Stand der Technik allgemein mit Bezug auf die 1A und 1B zu erwägen. 1A zeigt eine allgemein kegelförmige Mikronadel 10, die eine Breite W hat, die an ihrer Basis gemessen wird, und eine Höhe H hat, die von der Basis zur Spitze der Mikronadel gemessen wird. Man beachte, dass die Breite W wesentlich kleiner ist als die Höhe H der Mikronadel 10, und dass die Breite W der Basis dem Durchmesser der Mikronadel 10 an ihrer Basis entspricht.
Eine Mikronadel aus dem Stand der Technik (wie Mikronadel 10), die eine Basis hat, deren Breite etwa 30 μm und deren Höhe etwa 150 μm ist, wurde im World Wide Web bei der Adresse http://mems.mirc.gatech.edu/research/biomed.html offenbart. Auf ähnliche Weise wird eine Mikronadel, die eine Basis mit einer Breite hat, die von 0,5 μm bis 10 μm reicht, und die eine Höhe von etwa 100 μm hat, im US-Patent Nr. 4.969.468 beschrieben. Dieses Patent lehrt genauer, dass das Verhältnis der Höhe der Mikronadel zur Breite der Mikronadel in der Größenordnung von 10 zu 1 sein sollte, was zu einer relativ dünnen Mikronadel führt. US-Patent Nr. 5.457.041 offenbart Mikronadeln, deren Breite an der Basis von 0,5 μm bis 3,0 μm variieren und die 10 μm bis 25 μm groß sind. Jede dieser drei Quellen offenbart solchermaßen Mikronadeln aus dem Stand der Technik, deren Höhe die Breite ihrer Basis um ein Verhältnis von mindestens 8:1 übersteigt.
1B veranschaulicht eine allgemein zylindrische Mikronadel 12 aus dem Stand der Technik, deren Höhe H allgemein ihre an ihrer Basis gemessene Breite W übertrifft. US-Patent Nr. 6.033.928 offenbart eine Mikronadel, die wie die Mikronadel 12 geformt ist und eine Basis hat, deren Breite von 0,002 μm bis 0,05 μm reicht und deren Höhe im Bereich von 0,5 μm bis 2 μm liegt. Solchermaßen haben im allgemeinen die zylindrischen Mikronadeln 12 im Stand der Technik ein Höhen-zu-Breiten-Verhältnis von mindestens 4:1.
Die Mikronadeln aus dem Stand der Technik werden allgemein aus einem Material hergestellt, das auf Silizium basiert, indem herkömmliche Halbleiter-Herstellungsverfahren verwendet werden. Eine in 2 gezeigte Mikronadel-Gruppe 18 aus dem Stand der Technik schließt eine von Vielzahl Mikronadeln 10 aus 1A ein. Obwohl im Stand der Technik andere Mikronadeln und Gruppen offenbart werden, gleichen ihre Form(Höhe-zu-Breite)merkmale im allgemeinen denjenigen in den 1A, 1B dargestellten und denjenigen in 2 gezeigten. Mikronadeln aus dem Stand der Technik neigen dazu, dünnere "Spitzen"- oder zylindrische Aufbauten zu sein, deren Höhe allgemein größer ist als ihre Breite an der Basis.
Mikronadel der vorliegenden Erfindung
3A veranschaulicht eine Mikronadel 20 in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung. Im Gegensatz zu den oben erörterten Mikronadeln aus dem Stand der Technik hat die Mikronadel 20 eine Basis W, deren Breite W im Wesentlichen äquivalent mit ihrer Höhe H ist. In einer Ausführungsform sind die Breite und die Höhe etwa 100 μm; jedoch sollte angemerkt sein, dass dieses Beispiel einfach beispielhaft ist und nicht als den Schutzumfang der vorliegenden Erfindung einschränkend anzusehen ist. Die Mikronadel 20 beinhaltet weiterhin einen Fluidkanal 24 und eine abgeschrägte, nicht mit Kern versehene Spitze 25. 3B zeigt deutlich, dass der Fluidkanal 24 vollständig durch die Mikronadel geht. Man beachte, dass das Verhältnis der Höhe H zur Breite W der Mikronadel 20 im Wesentlichen 1:1 ist, wohingegen die Mikronadeln aus dem Stand der Technik Höhen-zu-Breiten-Verhältnisse im Bereich von 4:1 bis 10:1 haben. Indem gewährleistet wird, dass die Mikronadeln in der vorliegenden Erfindung eine Basis haben, die in Bezug auf ihre Höhe breit ist, wird eine stärkere Mikronadel, die nicht so leicht brechen kann, bereitgestellt.
4 veranschaulicht eine zweite Ausführungsform einer Mikronadel in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung. Die Mikronadel 22 beinhaltet eine Basis, deren Breite W ihre Höhe übertrifft, d. h. ihre Breite W ist etwa zweimal ihre Höhe H. In einer Ausführungsform ist die Breite W etwa 100 μm, während die Höhe H etwa 50 μm ist, ein Höhen-zu-Breiten-Verhältnis von etwa 1:2 bereitstellend. Jedoch sollte ähnlich angemerkt werden, dass die Abmessungen von 100 μm und 50 μm einfach beispielhaft sind und nicht dazu da sind, den Schutzumfang der vorliegenden Erfindung einzuschränken. Ein Schlüsselmerkmal der Mikronadel liegt darin, dass ihre Höhe-zu-Breite kleiner als 1:1 ist, womit die Mikronadel 22 eine Basis hat, die breiter ist als ihre Höhe. Die Mikronadel 22 beinhaltet weiterhin einen Fluidkanal 24' und eine nicht mit Kern versehene Spitze 25'.
5 veranschaulicht eine Mikronadel-Gruppe 26 von einer Vielzahl von Mikronadeln 20. Jede Mikronadel 20 in der Gruppe schließt einen Fluidkanal 24 und eine nicht mit Kern versehene Spitze 25 ein, und jede Mikronadel 20 hat ein Höhen-zu-Breiten-Verhältnis von etwa 1:1.
Herstellung der Mikronadel-Gruppe
Ein Flussdiagramm 28 in 6 veranschaulicht die Abfolge der logischen Schritte, die verwendet werden, um eine Mikronadel-Gruppe in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung herzustellen. Die 7A–7I veranschaulichen Querschnittansichten eines Substratmaterials während der entsprechenden Verfahrensschritte im Flussdiagramm 28, während 7J eine fertige Mikronadel darstellt.
Es wird vorweggenommen, dass die Photolitographie und andere Techniken, die für die Verwendung in der Halbleiterherstellungsindustrie entwickelt werden, bei der Herstellung einzelner Mikronadeln und Gruppen von Mikronadeln in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung vorteilhaft benutzt werden können. Solchermaßen wird vorweggenommen, dass Silizium ein bevorzugtes Substrat ist, obwohl auch andere Substanzen wie beispielsweise Germanium, das mittels betreffender Techniken gehandhabt werden kann, verwendet werden könnten. Im allgemeinen wird eine Gruppe, die mehrere Mikronadeln breiter Basis enthält, vorzugsweise in einem Fertigungsreihenverfahren hergestellt, irgendwie Schritten nachgehend, die den bei Halbleiterherstellungsverfahren verwendeten ähneln. Entsprechend wird ein Siliziumsubstrat für gewöhnlich eine Siliziumscheibe von 4, 6 oder 8 Zoll umfassen, auf der mehrere unterschiedliche Gruppen vom Mikronadeln gleichzeitig hergestellt werden. Um der Einfachheit willen wird in den 7A–7J jedoch nur die Herstellung von einer einziger Mikronadel-Gruppe darstellt. Zusätzlich wird es verständlich sein, dass die verschiedenen Schichten, die die Mikronadel umfassen, sehr dünn sind; jedoch werden die Ausmaße dieser Schichten, wie in den Figuren gezeigt, um der Deutlichkeit willen stark übertrieben dargestellt.
Es wird erwartet, dass die folgenden Ätztechniken bei der Herstellung von Mikronadeln in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung nützlich sind. Ein reaktives Ionenätz-(RIE)-Verfahren wird verwendet, um vorzugsweise Siliziumoxid, Siliziumnitrid oder ein Siliziumsubstrat zu verwenden. Für diesen Zweck schließt ein gewöhnliches System einen reaktiven Parallelplatten-Ionenätzaufbau mit einer Quartz-Elektrode von 5 Zoll und einen 1 KW-, 15 MHz Hochfrequenz-(HF)-Generator ein. Ein solches System kann eine Vielzahl von Mengenfluss-Controller, eine Drosselklappe und einen Controller (um einen konstanten Druck aufrechtzuerhalten) und eine Hochgeschwindigkeits-Turbomolekular-Vakuumpumpe einschließen. Das RIE kann verwendet werden, um Schichten wie beispielsweise Polyamid, Siliziumnitrid oder Siliziumoxid aus Siliziumsubstraten wie beispielsweise Scheiben, Scheibenstücken oder einzelnen Chips zu entfernen. Gut bekannte Verfahren stehen zur Verfügung, um Siliziumoxid und -nitrid zu ätzen (indem z. B. Kohlenstofffluorid, CF₄ verwendet wird), um Siliziumoxid vorzugsweise zu Siliziumnitrid zu ätzen (indem CF₄ und Fluoroform CH F₃ verwendet werden) und um Silizium vorzugsweise zu Siliziumoxid zu ätzen (mittels Verwendung von Silizium-hexafluorid SF₆).
Ein im Handel erhältliches System wie beispielsweise das oben beschriebene ist das Model C71/3-Plasma System der Cooke Vacuum Corporation. Ätzraten für die meisten Materialien sind 400–600 Angstrom/Minute. Ätzraten für Siliziumoxid können auf etwa 3% gesteuert werden. Die HF-Frequenz des Cooke-Systems ist 14,56 MHz, und die HF-Energie ist veränderlich bis zu 1000 Watt. Der Prozeßdruck kann im Bereich von weniger als 50 bis mehr als 1000 mtorr liegen. Die oberen und unteren Elektroden, die Quartz sind, sind unterbrechungsfrei Flüssigkeits-gekühlt. Am Krümmer stehen mehrere Gasgemische zur Verfügung.
Zusätzlich zum RIE kann auch Nassätzen vorteilhaft benutzt werden, um das Ätzen durchzuführen, das benötigt wird, um Mikronadeln in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung herzustellen. Nassätzen ist eine Technik, die flüssige Chemikalien verwendet, um Materialien, die eine Vorrichtung umgeben, zu entfernen, oder um dünne Schichten von der Oberfläche eines Substrats zu entfernen. Diese Technik beinhaltet das Eintauchen der Vorrichtung bzw. des Substrats in ein reines chemisches oder chemisches Gemisch über eine gegebene Zeitspanne. Die Zeit, die erforderlich ist, hängt von der Zusammensetzung und der Dicke der zu entfernenden Schicht sowie vom Ätzmittel und von der Temperatur ab. Ein Reihe von Chemikalien kann erforderlich sein, um die sich abwechselnden Schichten auf einer Vorrichtung oder einem Substrat zu entfernen.
Nassätzen kann verwendet werden, um organische Materialien, Silikone, Polyimide, Metallbeläge, Polysilizium oder Siliziumoxid- und Siliziumnitridschichten zu entfernen. Einige der vielen für das Ätzen verfügbaren Chemikalien schließen ein: Flusssäure, Salzsäure, Schwefelsäure, Salpetersäure, Phosphorsäure, Essigsäure, Wasserstoffperoxid, Chromtrioxid, Natriumhydroxid, Kaliumhydroxid, Ammoniumhydroxid und Ammoniumfluorid. Die Ätzzeit liegt abhängig von der Ätztemperatur und der Zusammensetzung und Dicke des zu ätzenden Materials im Bereich von 30 Sekunden bis zu 24 Stunden.
Nimmt man jetzt auf 6 Bezug, beginnt eine Logik an einem Block 30, in dem auf einem geeigneten Substrat eine Punktmustermaske ausgebildet wird. Wie oben angemerkt, ist Silizium ein bevorzugtes Substratmaterial. 7A zeigt eine Maske 52, die auf die obere Oberfläche eines Siliziumsubstrats 50 gelegt wird. Die Maske 52 beinhaltet eine runde Öffnung 56. Die Öffnung 56 befindet sich in einer Stelle, die einer gewünschten Stelle für einen Fluidkanal in einer Mikronadel entspricht, die hergestellt wird. Man beachte, dass zum Herstellen einer Gruppe von Mikronadeln eine Vielzahl von Öffnungen 56 auf einem größeren Abschnitt des Substrats 50 ausgebildet würden, wobei jede Öffnung der Stelle einer Mikronadel entspricht, die auf dem Substratmaterial hergestellt wird. Ungeachtet der Zahl an gebildeten Öffnungen 56, ist die Größe (Durchmesser) der Öffnungen in der Punktmustermaske etwa dieselbe wie die der Fluidkanäle in der fertigen Mikronadel-Gruppe.
Die Maske 52 kann mittels der Verwendung von Standard-Photolithographietechniken oder mittels der Verwendung von anderen Überdeckungstechniken erzeugt werden, die allgemein in der Halbleiterindustrie verwendet werden. Es wird vorweggenommen, dass die Maske 52 konstruiert werden wird, indem eine Siliziumdioxidschicht auf das Siliziumsubstrat 50 aufgetragen und dann die Öffnung 56 an der gewünschten Stelle in der Siliziumdioxidschicht ausgebildet wird.
Ist die Punktmustermaske einmal ausgebildet, bewegt sich die Logik zu einem Block 32, und durch das Ätzen des Substrats wird, wie in 7B dargestellt, da ein Fluidkanal 58 gebildet, wo die Öffnung 56 ihn bestimmt. Da das Substrat in allen Bereichen mit Ausnahme der von der Öffnung 56 bestimmten Bereiche von der Punktmustermaske bedeckt ist, ist der einzige Abschnitt des Substrats, der geätzt werden wird, der Abschnitt, der der Stelle der Öffnung 56 entspricht. Es wird erwartet, dass ein herkömmliches Massenverarbeitung-Ätzverfahren wie beispielsweise das Nassätzen, das eine Kaliumhydroxid-(KOH)-Lösung verwendet, vorteilhaft benutzt werden kann. In einem solchen Ätzverfahren ist die Maskenschicht in Bezug auf Chemikalien, die für das Ätzen verwendet werden, viel widerstandsfähiger als das Substrat; solchermaßen wird das Substrat vollständig geätzt, bevor die Maske entfernt wird. Vorzugsweise wird das Ätzverfahren fortfahren, bis as Substrat vollständig durchgeätzt wurde, um den Fluidkanal 58 zu bilden, der vollständig durch die Mikronadel und durch das stützende Substrat geht. Es sollte jedoch angemerkt sein, dass das Ätzverfahren bis auf eine besondere Tiefe gesteuert werden könnte, wenn ein Fluidkanal erwünscht ist, der nicht vollständig durch ein Substratmaterial geht. Da der Zweck des Fluidkanals darin liegt, einen Fluidweg zwischen der Spitze der Mikronadel und entweder einem Fluidzufuhr- oder einem Fluidaufnahmebehälter (hierin nicht gezeigt, s. 9 und 11) bereitzustellen, wenn der Ätzvorgang nicht ganz durch das Substrat ätzt, wäre ein zusätzlicher Schritt erforderlich, um den gewünschten Fluidweg zu vervollständigen. Es sollte angemerkt werden, dass das oben beschriebene RIE-Ätzverfahren ebenfalls benutzt werden kann, um das Siliziumsubstrat zu ätzen, während die Siliziumoxidschicht intakt zurückgelassen wird. Die Fachleute auf dem Gebiet werden erkennen, dass in diesem Schritt mehrere weitere Ätztechniken vorteilhaft angewandt werden können, und dass die oben angemerkten Techniken nur für einen bevorzugten Versuch beispielhaft sind und sie nicht vorgesehen sind, um den Schutzumfang der vorliegenden Erfindung einzuschränken.
Wurde der Fluidkanal 58 einmal durch das Substrat geätzt, rückt die Logik auf einen Block 34 vor, und die Punktmustermaske wird entfernt. Das Entfernen der Punktmustermaske ist die Umkehrung des Ätzverfahrens, da eine Chemikalie verwendet wird, die die Maske schneller auflöst als das Substrat. Solche Maskenentfernungstechniken sind im Stand der Technik gut bekannt. 7C veranschaulicht ein Ergebnis dieses Schritts, in dem die in den 7A und 7B zu sehende Punktmustermaske 52 vollständig vom Siliziumsubstrat 50 entfernt wurde.
Die Logik rückt jetzt auf einen Block 36 in 6 und auf den vierten Schritt vor, der die Bildung einer Nitridmustermaske darstellt. 7D veranschaulicht diesen Schritt, in dem eine Nitridmustermaske 60 auf dem Siliziumsubstrat 50 gebildet wurde. Man beachte die Bereiche des Siliziumsubstrats 50, in dem keine Nitridmustermaske gebildet wurde. Genauer wird die Nitridmustermaske nicht auf der Innenfläche der Öffnung 58, auf der unteren Oberfläche des Siliziumsubstrats noch auf Schulterbereichen 62 und 64 um die Öffnung in den Fluidkanal 58 herum ausgebildet. Speziell beachte man, dass der Schulterbereich 62 auf einer Seite des Fluidkanals viel kleiner ist als der Schulterbereich 64 auf der gegenüberliegenden Seite. Die Bedeutung des Unterschieds in der Größe zwischen dem Schulterbereich 62 und dem Schulterbereich 64 wird unten aus der Erörterung der anschließenden Schritte im Herstellungsablauf deutlich werden. Es sollte angemerkt werden, dass dieser Unterschied in den Schulterbereichen die Bildung der abgeschrägten, nicht mit Kern versehenen Spitze in der vorliegenden Erfindung ermöglicht. Es wird erwartet, dass eine Siliziumdioxidschicht vorteilhaft benutzt werden kann, um die Nitridmustermaske 60 zu bilden.
Wurde die Nitridmustermaske einmal beendet, rückt die Logik auf einen Block 38 vor, in dem eine Nitridschicht in allen Bereichen gezüchtet ist, die von der Nitridmustermaske 60 bedeckt waren. 7E veranschaulicht das Ergebnis des Nitridschicht-Wachstumsschritt, in dem eine Nitridschicht 66 gezüchtet wird. Man beachte, dass die Nitridschicht 66 die untere Oberfläche des Siliziumsubstrats 50, die Schulterbereiche 62 und 64 und die Wände des Fluidkanals 58 abdeckt. Ein Verfahren zum Züchten der Nitridschicht 66 stellt eine 300–700 Angstrom dicke Nitridschicht bereit, indem bei Vorliegen von Ammoniak (NH₃) eine chemische Tiefdruck-Dampfabscheidung (LPCVD) von Dichlorsilan (SiH₂Cl₂) bei einem Druck von etwa 1/2 Torr und einer Temperatur von etwa 820 Grad verwendet wird. Dies Fachleute auf dem Gebiet werden erkennen, dass weitere Verfahren zum Herstellen der Nitridschicht 66 verwendet werden können, und dass die oben angemerkte Technik nur als Beispiel für einen bevorzugten Versuch dient und nicht dazu da ist, den Schutzumfang der vorliegenden Erfindung einzuschränken.
Nachdem die Nitridschicht 66 gezüchtet wurde, bewegt sich die Logik zu einem Block 40 in 6, in dem das Nitridmuster 60 entfernt wird, um jene Abschnitte des Siliziumsubstrats 50 freizulegen, die nicht mit einer Nitridschicht 66 bedeckt sind. 7F veranschaulicht ein Siliziumsubstrat 50, eine Nitridschicht 66, eine Öffnung 58 und Schultern 62 und 64. Keine Maske oder Nitridschicht deckt die Bereiche 63 auf der oberen Oberfläche des Siliziumsubstrats 50 ab. Die Bereiche 63 können vorzugsweise durch Ätzen entfernt werden, ohne die von der Nitridschicht 66 bedeckten Abschnitte des Substrats 50 zu entfernen. Man beachte, dass die Nitridschicht 66 an den Schultern 62 und 64 das in der Nitridmaske 60 aus 7D bestimmte Verschiebungsmuster verfolgt.
Nachdem das Nitridmuster 60 entfernt ist, bewegt sich die Logik n einen Block 42 in 6, in dem eine anisotropische Schrägkantenätzung an Bereichen 63 durchgeführt wird. 7G veranschaulicht das Ergebnis, das man nach diesem siebten Schritt im Verfahren erhält. Die Fachleute auf dem Gebiet werden verstehen, dass mehrere verschiedene Ätzverfahren für die Verwendung mit Siliziumsubstraten zur Verfügung stehen. Speziell ist eine anisotropische Ätzung durch die Bildung von scharfen, winkligen Grenzflächen gekennzeichnet. Die anisotropische Ätzung kann verwendet werden, um Gräben oder Seitenwände zu bilden, die winkelig geformt sind, im Gegensatz zu der abgerundeteren Ätzung, die in einem isotropischen Ätzverfahren zu sehen ist. Im anisotropen Ätzen ätzen die Seitenwände viel langsamer als die Oberfläche, was zu scharfen Grenzflächen führt und die Bildung von Strukturen mit hohen Längenverhältnissen ermöglicht. Tetramethylammonium-hydroxid (N,N,N-Trimethyl-methanaminium-hydroxid oder TMAH) stellt eines von mehreren Ätzmitteln dar, die verwendet werden, um ein anisotropisches Ätzen zu erreichen. Man beachte, dass scharf definierte, winklige oder abgeschrägte Flächen 68 in das Siliziumsubstrat 50 aus 7G ausgebildet wurden. Es sollte angemerkt werden, dass auf ein anisotropisches Ätzen auch als ein "Schrägkantenätzen" Bezug genommen werden kann, während auf ein isotropisches Ätzen auch als ein "Abrundungs"-Ätzen Bezug genommen werden kann.
Die Logik rückt dann auf einen Block 42 in 6 vor. In diesem Block wird die Nitridschicht 66 entfernt. Wie oben angemerkt, können entweder die RIE- oder chemische Nassverfahren verwendet werden, um vorzugsweise die Nitridschicht 66 zu entfernen. Darüber hinaus werden die Fachleute auf dem Gebiet erkennen, dass zum Entfernen der Nitridschicht abwechselnd weitere Verfahren verwendet werden können. 7H veranschaulicht das Ergebnis, das man nach dem Entfernen der Nitridschicht erhält.
Schließlich rückt die Logik auf einen Block 44 vor, der anzeigt, dass ein isotropisches Abrundungsätzen durchgeführt wird. Man beachte, dass, da die Nitridschicht 66 entfernt wurde, die Schultern 62 und 64 nicht mehr länger geschützt sind. Solchermaßen wird im isotropischen Ätzverfahren ein Abschnitt des Siliziumsubstrats 50 an den Schultern 62 und 64 entfernt, die nicht mit Kern versehene Spitze der Mikronadel in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung bildend. Wie oben angemerkt, ist das isotropische Ätzen durch das Bilden abgerundeter Fläche wie beispielsweise die gekrümmte Fläche 70 gekennzeichnet; im Gegensatz zu den winkligeren Flächen, die in einem anisotropischen Ätzen gebildet werden.
7J veranschaulicht eine Mikronadel 22a, wie sie mittels Verwendung der in den 6 und 7A–7I beschriebenen Schritte hergestellt wird. Ein Verhältnis einer Höhe H zur Breite W der Mikronadel 22a ist kleiner als 1:2. Man beachte, dass die Größe und die Form des ursprünglichen Siliziumsubstrats 50 in 7A gehandhabt werden kann, um das Verhältnis der Höhe H zur Breite W in die fertige Mikronadel 22a der 7J zu ändern. Ein dickeres Substrat 50 in 7A wird zu einer Mikronadel führen, deren Höhe H in 7J größer ist. Die Handhabung des anisotropischen Ätzschritts aus 7G wird ebenfalls die Höhe H in der fertigen Mikronadel 22a beeinflussen. Eine kurze Ätzzeit wird zu einer kleineren Höhe H führen, während eine längere Ätzzeit zu einer größeren H führen wird.
Obwohl die vorliegende Erfindung in der bevorzugten Form ihrer Ausführung erläutert wurde, wird für den durchschnittlichen Fachmann auf dem Gebiet ersichtlich, dass zahlreiche Änderungen dieser Form im Rahmen des Schutzumfangs der nachfolgenden Ansprüche gemacht werden können. Dementsprechend ist es nicht beabsichtigt, dass der Schutzumfang der Erfindung in irgendeiner Weise durch die obige Beschreibung beschränkt wird, sondern vielmehr gänzlich durch Bezugnahme auf die nachfolgenden Ansprüche bestimmt wird.

Claims

Eine hohle Mikronadel (20), die folgendes umfasst: (a) einen allgemein kegelförmigen Körper, der eine abgeschrägte, nicht mit Kern versehene Spitze (25) hat, wobei die Spitze (25) spitz ist und in der Lage ist, Gewebe durchzustechen; (b) der kegelige Körper eine Basis einschließt, die eine Breite hat, die aus einem Substrat an einem gegenüberliegenden Ende von der Spitze (25) gebildet ist, und eine Höhe von der Basis zur Spitze (25) hat; und (c) einen Fluidkanal (24), der sich durch den kegelförmigen Körper erstreckt, eine Fluidverbindung zwischen der Basis und der Spitze (25) bereitstellend, worin der Körper eine konkav gekrümmte Oberfläche hat, die angrenzend an der Spitze (25) definiert ist; worin die Höhe im Wesentlichen äquivalent mit der oder kleiner als die Breite der Basis ist.
Die hohle Mikronadel (20) aus Anspruch 1, worin die Höhe der Mikronadel (20) in einem Bereich von etwa 50 μm bis etwa 100 μm liegt.
Die hohle Mikronadel (20) nach Anspruch 1, worin eine Höhe der Mikronadel (20) im Wesentlichen geringer als eine Breite der Basis ist.
Die hohle Mikronadel (20) nach Anspruch 1, worin die Höhe und die Breite ein Höhen-zu-Breiten-Verhältnis von etwa 1:1 bestimmen.
Die hohle Mikronadel (20) nach Anspruch 3, worin die Höhe und die Breite ein Höhen-zu-Breiten-Verhältnis von etwa 1:2 bestimmen.
Die hohle Mikronadel (20) nach Anspruch 1, worin die hohle Mikronadel (20) Silizium umfasst.
Die hohle Mikronadel (20) nach Anspruch 1, worin die gekrümmte Oberfläche die abgeschrägte Spitze (25) umgibt.
Das Gerät zur transkutanen Beförderung eines Fluids, das folgendes umfasst: (a) ein Substrat, wobei das Substrat mindestens einen Einlass und eine Vielzahl von Auslässen umfasst, die in Fluidverbindung mit dem mindestens einen Einlass sind; (b) eine Vielzahl von Mikronadeln nach irgendeinem der Ansprüche 1 bis 7, die in einer Gruppe (26) angeordnet sind und sich im Wesentlichen aus dem Substrat nach außen erstrecken.
Das Gerät nach Anspruch 6, worin das mindestens eine Substrat und die Mikronadeln Silizium umfassen.
Das Gerät nach Anspruch 6, worin die Gruppe (26) der Mikronadeln integral aus dem Substrat ausgebildet ist.
Ein Verfahren zum Herstellen einer hohlen Mikronadel (20) nach Anspruch 1, das folgende Schritte umfasst: (a) das Bereitstellen eines Substrats (50), das entweder ein Silizium oder ein Polysilizium umfasst; (b) das Bilden eines Fluidkanals (24; 58) im Substrat (50), und zwar derart, dass der Fluidkanal (24; 58) durch das Substrat (50) passiert; (c) das Entfernen eines wesentlichen Abschnitts des Substrats (50), wodurch ein Rest zurückgelassen wird, wobei der Rest den Fluidkanal (24; 58) umgibt und allgemein kegelig in der Form ist, so dass der Fluidkanal (24; 58) allgemein an einer Mittelachse der Kegelform entlang angeordnet ist; (d) worin der Schritt zum Entfernen eines wesentlichen Abschnitts des Substrats (50) den Schritt zum Abschrägen einer Spitze (25) der kegeligen Form umfasst; (e) worin der Schritt zum Bilden eines Fluidkanals (24; 58) folgende Schritte umfasst: (1) das Bilden einer ersten Maske (52) auf einer oberen Oberfläche des Substrats (50); (2) das Ätzen des Substrats (50) durch eine in der ersten Maske (52) ausgebildeten Öffnung (56), um den Fluidkanal (24; 58) zu bilden; und (3) das Entfernen der ersten Maske (52); (f) worin der Schritt zum Entfernen eines wesentlichen Abschnitts des Substrats (50) folgende Schritte umfasst: (1) das Bilden einer zweiten Maske (60); (2) das Ablagern einer Nitridschicht (66); (3) das Entfernen der zweiten Maske (60); und (4) das Ätzen des Substrats (50), um einen wesentlichen Abschnitt des Substrats zu entfernen.
Das Verfahren nach Anspruch 11, worin der Schritt zum Bilden der zweiten Maske (60) nicht das Bilden der zweiten Maske 60) auf den innen Oberflächen der Öffnung (58), auf der unteren Oberfläche des Siliziumsubstrats (50) und auf einem ersten und zweiten Schulterbereich (62; 64) um eine Öffnung in den Fluidkanal (58) herum umfasst.
Das Verfahren nach Anspruch 12, worin sich der erste Schulterbereich (64) auf einer Seite des Fluidkanals (58) befindet und viel kleiner ist als der zweite Schulterbereich (64) an der entgegengesetzten Seite, um die Bildung der abgeschrägten, nicht mit Kern versehenen Spitze (25) zu erlauben.