JP2004503377A - 熱噴射式比例型ヘッドおよびこのヘッドの製造方法ならびにこのヘッドを備えた機能化システムまたはアドレッシングシステム - Google Patents

Abstract

本発明は、所定量の液体を供給するための少なくとも１つの熱噴射式比例型デバイスを具備した噴射式比例型ヘッドであって、デバイスが、液体リザーバを形成するための穴付き平面状基板（２１）であって、大きな熱抵抗を有した誘電性絶縁性メンブラン（２２，２３）と、発熱抵抗（２５）を形成するエッチングされた半導体層と、によって被覆された、基板（２１）と；液体リザーバに対しての流体連通を可能とし得るようメンブランと半導体層とを貫通して形成されたオリフィス（２４）と；メンブラン上においてノズル（２７）の形態をなすように光リソグラフィーされた樹脂層であって、ノズルのダクト（２８）が、オリフィスと一直線状とされ、ダクトの体積によって、液体の所定供給量が制御されるようになっているような、光リソグラフィーされた樹脂層と；を具備している。

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、熱噴射式比例型ヘッドに関するものであり、より詳細には、所定量の液体を供給し搬送するためのノズルが設けられた少なくとも１つの熱噴射式比例型デバイスを備えた熱噴射式比例型ヘッドに関するものである。
【０００２】
また、本発明は、そのようなヘッドの製造方法に関するものである。
【０００３】
最後に、本発明は、特に生物学的または化学的マイクロリアクタのためのものといったような、そのようなヘッドを備えた機能化システムまたはアドレッシングシステムに関するものである。
【０００４】
本発明は、一般的には、所定体積の液体をなす複数滴の微小液滴を基板上へと堆積させるために使用されるような、あるいは、複数滴の微小液滴を微小リザーバ内へと添加または注入するために使用されるような、デバイスという分野に属するものである。
【０００５】
【従来の技術および発明が解決しようとする課題】
例えば、複数滴の液滴は、免疫試薬をなすＤＮＡ溶液とすることができ、特に医療検査において使用されるような、小型化された列またはマトリクスをなす液滴または試験リザーバを形成する。
【０００６】
例えば、非常に多数の生物学的分析を並列的に行うために使用し得るデバイスとして、バイオチップが公知である。この原理によれば、小型化された態様でもって、複数の試験用微小リザーバをマトリクス状に配置することができる。
【０００７】
各試験ポイントは、特定のポイントであって、化学的要素や生物学的要素の厳密な混合物または組合せから構成されている。このような混合物または組合せは、いくつかのプロセスによって形成することができ、これらプロセスは、２つのカテゴリーに大別することができる。
【０００８】
バイオチップ機能化プロセスと称されるようなこのようなプロセスの第１カテゴリーにおいては、構成要素は、１個ずつ適用され、反応は、ターゲットをなす微小リザーバ上における反応を容易とするためのあるいは禁止するための作用をアドレッシングすることによって、チェックされる。
【０００９】
バイオチップ機能化プロセスの第２カテゴリーにおいては、特定の構成要素が、ターゲットをなす微小リザーバ内へと機械的にポイントごとに添加される。本発明は、この第２カテゴリーに関するものである。
【００１０】
バイオチップ機能化プロセスは、第１に、『その場（ｉｎ ｓｉｔｕ） 』プロセスと、第２に、『その後（ｅｘ ｓｉｔｕ） 』プロセスと、に分類される。
【００１１】
ＡＦＦＩＭＥＴＲＩＸ（登録商標）プロセスは、その場合成プロセスの中の主要なものである。すなわち、例えばＤＮＡストランドの合成といったようなものが、固体支持体上に設置されたチップ上において直接的に行われる。このプロセスは、その場合成をベースとしている。すなわち、例えばＤＮＡストランドといったようなトレース量のヌクレオチドが、光リソグラフィーから派生した方法によって、チップ上において直接的に合成される。
【００１２】
光易変性保護基によって修飾されているようなハイブリッド化ユニット（ＵＨ）の表面が、光リソグラフィーマスクを通して、光照射される。このようにして光放射に対して曝されたＵＨは、選択的に保護解除され、次なる核酸に対して結合することができる。すべての所望のヌクレオチドが得られるまで、保護解除と結合とからなるサイクルが繰り返される。
【００１３】
シリコンからなるマイクロエレクトロニクス的容量を使用した他のその後プロセスによる実験が、既に行われている。チップは、シリコンから機械加工された皿状部材の底部に配置されるとともに個々にアドレッシングされる複数の白金製マイクロエレクトロニクス電極を備えている。例えばトレース量のヌクレオチドやＤＮＡストランドといったようなプローブが、ピロール基に対して結合され、電界によって、活性化された電極へと導かれる。活性化電極においては、遊離ピロールの存在により共重合が起こり、その結果、プローブどうしの電気化学的結合が起こる。
【００１４】
上記により、ＡＦＦＩＭＥＴＲＩＸ（登録商標）といったようなその場合成プロセスを使用することにより、高密度のハイブリッド化ユニットが得られるとともに、シリコン製支持体に対して適合して完全に制御される技術が使用される、ように思われる。しかしながら、主要な欠点は、コストが高いことであり、このため、例えば研究実験所や医療検査実験所といったような小規模団体では、そのような方法を使用することができない。また、光検出反応の効率が低いことは、チップ上に存在する複数のシーケンスにはかなり多くの冗長度が存在することを意味している。
【００１５】
特に光リソグラフィーマスクのために、製造が比較的困難であり、そのため、特に、大きな使用容量を有したターゲット目的物に対して適合するものとされる。
【００１６】
『その後』プロセスにおいては、すなわち、ＤＮＡストランドがその後に合成されるプロセスにおいては、各シーケンスは、他のものとは個別的に事前に合成されなければならず、その後、支持体に対して搬送されなければならない。手順全体として時間がかかるものであって、同一チップ上において多様なかつ多数のシーケンスを形成することができない。よって、形成されたチップは、低密度チップとなる。
【００１７】
その後であるかあるいはその場であるかにかかわらず、機械的アドレッシングプロセスとして分類されるアドレッシングプロセスの第２カテゴリーは、既に市販されている多くのプロセスによって示されている。この場合、例えば液圧的に駆動されるといったような手法によってロボット化された複数の微小ピペットが、マトリクス状に組み立てられていて、構成要素（通常は、ＤＮＡフラグメントやトレース量のヌクレオチドを含有した溶液）を採取し、例えば複数的の微小液滴といったような正確な適用量の形態でもって、試験チューブ内へとあるいは小型化支持体上へと、滴下する。通常は、スライドガラスが、支持体として使用される。あるいは、所定構造とされた支持体を使用することによって、材料内にエッチング形成された複数の支持微小井戸が、支持される。各塩基（Ａ，Ｇ，Ｃ，Ｔ）は、また、所望の順序でもってスライドガラス上に順次的に滴下することもできる。
【００１８】
このような従来的手法は、典型的には、９６ピン型マトリクスにおいて使用される。これよりも高密度のものが可能である。機械的プロセスの場合の対象物は、多数の試験を並列的に行わなければならないことにより、１０，０００ドットあるいはこれ以上となる。同一ウェハ上のピン数は、８，０００ともすることができる。
【００１９】
微小リザーバマトリクスの製造は、マイクロエレクトロニクス技術によって容易に達成し得るような単純な課題である。以下のものを形成することができる。
−化学的手段またはプラズマ手段によって微小機械加工されたマトリクスを有した単純な基板。１０，０００ドット／ｃｍ^２ という程度の密度が典型的である。しかしながら、１００，０００ドット／ｃｍ^２ という密度のものを形成することもできる。
−電子的システムまたはマイクロエレクトロニクス的システムを有した基板。ＣｉｓＢｉｏ（登録商標）社によって市販されている ＭＩＣＡＭチップが、このような基板の好例である。これは、上記第１の場合に示した（その後）プロセスである。
【００２０】
より困難な課題は、各微小リザーバ内へと正確に試薬（プローブ、あるいは、他のもの）を実際に分配することである。偏向型連続式圧電性『インクジェット』や『ドロップオンデマンド』や熱インクジェットといったようなキャピラリコンタクトを使用した『ピンアンドリング』による分配も含めて、滴定のためにいくつかの技術が使用されている。
【００２１】
熱インクジェットプリンタヘッドは、非常に広く使用されていて、信頼性が非常に高いものである。
【００２２】
一般に、例えば熱比例型微小放出器として機能するような、熱インクジェットプリンタヘッドは、以下のような動作原理を満たす。
【００２３】
放出される液体が、リザーバ内に収容されている。
【００２４】
発熱抵抗によって、リザーバ内の温度が非常に局所的に上昇し、加熱領域に対して接触している液体を蒸発させる。そのようにして形成されたガスバブルが、過圧を形成することによって、リザーバの外へと液滴を放出する。
【００２５】
図１は、この機能を理想的に達成している。
【００２６】
圧力の効果および毛細管力により、半径ｒ（６）を有したノズル（１）は、リザーバ（４）からの液体によって充填されている。このノズルは、深さＬ（２）のところに位置した熱入力システムによって囲まれている。熱入力システムは、例えば、ジュール効果によって動作する発熱抵抗（５）とされる。
【００２７】
高さ位置（３）のところにおける温度上昇の効果により、さらに、液体中の揮発種の蒸発により、液体の上部が、ｖ＝πｒ^２Ｌ というサイズの液滴を放出する。ここで、ｒは、ノズル（１）の半径（６）であり、Ｌは、液体柱の高さであって深さ（２）に対応する。
【００２８】
連続的に動作することができ、液滴シーケンスを形成することができる。また、液滴ごとに動作することもできる。ノズルの半径（ｒ）およびノズルの高さ（Ｌ）は、１０^５〜１０^２／ｃｍ^２ という放出密度でもって１ピコリットルという程度の液滴を形成し得るように、制御することができる。１つのホール（すなわち、ノズル穴）と次のホールとの間に熱的相互作用が存在しないことにより、ホール密度が重要である。
【００２９】
図１を参照して上述した原理が適用されている熱インクジェットプリンタヘッドデバイスには、主要な３つのタイプがある。
【００３０】
そのようなデバイスの第１のものは、“ＥＤＧＥＳＨＯＯＴＥＲ” デバイスであり、この場合には、一方の基板がシリコンから形成されて発熱部材を支持する基板とされかつ他方の基板がガラスから形成された基板とされているような２つの基板が、接着フィルムを使用して組み合わされるとともに、光リソグラフィーによって構造化されている。液滴は、デバイスのエッジから横方向に放出される。
【００３１】
第２のデバイスは、“ＳＩＤＥＳＨＯＯＴＥＲ” デバイスであり、この場合の構造は、第１のデバイスの構造と同様に、シリコン基板と接着フィルムとを備えている。しかしながら、デバイスは、金属プレートによってカバーされており、金属プレート上にノズルが形成される。液滴は、発熱部材に対向して放出される。
【００３２】
第３のデバイスは、“ＢＡＣＫＳＨＯＯＴＥＲ” デバイスであり、この場合には、プリントヘッドは、＜１１０＞という配向のシリコン基板から形成される。
【００３３】
インクが流通するダクトは、構造の一方の側面を異方性エッチングすることによって形成され、他方の側面上には、発熱部材および制御電子回路を支持するメンブランの形成を可能とする薄膜が、成膜される。ノズルは、メンブランの中央に配置され、発熱部材は、メンブランの両側に配置される。解像度は、３００ｄｐｉ（ｄｐｉ：ドットパーインチ、２５．４ｍｍ（１インチ）あたりのドット数）とか６００ｄｐｉとかいったように、大きなものとすることができる。
【００３４】
すべての場合において、すなわち、上記３つのデバイスにおいては、プリントヘッドは、それぞれがおよそ２０μｍ×３０μｍというノズルを約５０個程度だけ有してなる単一ラインから構成されている。放出時点における液滴速度は、１０〜１５ｍ／ｓである。
【００３５】
例えば、このタイプのデバイスは、ＰＣＴ出願第ＤＥ９１／００３６４号や、欧州特許出願公開明細書第０ ５３０ ２０９号や、独国特許出願公開明細書第４２　１４５５４号や、独国特許出願公開明細書第４２　１４５５５号や、独国特許出願公開明細書第４２　１４５５５号、に記載されている。
【００３６】
これらすべての熱インクジェットプリントヘッドデバイスは、特に、例えば熱比例型微小放出器ヘッドといったような応用において使用されたときには、熱損失が大きいという深刻な欠点を有している。
【００３７】
その結果、複数のホール（ノズル穴）からなる単一ラインによってヘッドを形成することしかできず、マトリクスを形成することはできない。したがって、密度および解像度が、全く十分ではない。
【００３８】
したがって、このような深刻な欠点を有していない噴射式比例型デバイスを備えた噴射式比例型ヘッドが要望されている。
【００３９】
また、上記欠点を有することなく、例えばＡＦＦＩＭＥＴＲＩＸ（登録商標）といったようなその場タイプのアドレッシングシステムまたは合成システムにおいて得られている密度および解像度と少なくとも同等の密度および解像度が得られるような噴射式比例型ヘッドが要望されている。現在のところ、機械的アドレッシングシステムでは、そのような密度および解像度を得ることができない。
【００４０】
【課題を解決するための手段】
本発明の目的は、特に、上記すべての要求を満たすような熱噴射式比例型デバイスのための熱噴射式比例型ヘッドを提供することである。
【００４１】
本発明の他の目的は、従来技術による噴射式比例型ヘッドにおける不利益や制限や欠陥や欠点を有していないとともに、従来技術による噴射式比例型ヘッドの場合に発生する問題点を解決し得るような、熱噴射式比例型ヘッドを提供することである。
【００４２】
上記目的および他の目的は、本発明に基づき、所定量の液体を供給するための少なくとも１つの熱噴射式比例型デバイスを具備した噴射式比例型ヘッドであって、デバイスが、
−液体リザーバを形成するための穴付き平面状基板であって、大きな熱抵抗を有しかつ拘束されていない誘電性絶縁性メンブランと、発熱抵抗を形成するエッチングされた半導体層と、によってこの記載順に被覆された、基板と；
−液体リザーバに対しての流体連通を可能とし得るようメンブランと半導体層とを貫通して形成されたオリフィスと；
−メンブラン上においてノズルの形態をなすように光リソグラフィーされた樹脂層であって、ノズルのダクトが、オリフィスと一直線状とされ、ダクトの体積によって、液体の所定供給量が制御されるようになっているような、光リソグラフィーされた樹脂層と；
を具備しているヘッドによって得られる。
【００４３】
本発明においては、加熱は、大きな熱抵抗を有しかつ拘束されていない（すなわち、ｃｏｎｓｔｒａｉｎ されていない）誘電性絶縁性メンブラン上において行われる。このため、加熱損失が大幅に低減され、この結果、単に一列だけをなすヘッドというのではなく、複数のノズルまたは複数のホールが２次元マトリクスを形成しているようなヘッドを形成することができる。
【００４４】
すなわち、従来技術においては決して言及されてこなかったような、基板上に３つの層を有しているという本発明によるデバイス構造であると、驚くべきことにかつ最適に、生成された熱が、大きなあるいは非常に大きな熱抵抗を有しているメンブランを通って、非常にゆっくりとしか伝搬することができない。よって、とりわけ熱損失が大きいといったような、従来技術による同様のデバイスにおける主要な欠点が、解消する。ヘッド内の噴射式比例型デバイスどうしは、互いに近接して配置することができ、従来よりもかなり大きな密度とすることができる。よって、本発明によるヘッドを使用することにより、複数のノズルすなわち複数の噴射式比例型ホールからなるとともに例えば１０^４個／ｃｍ^２といったような高密度の２次元マトリクスを形成することができる。
【００４５】
さらに、本発明によるデバイスにおいては、放出または供給される体積を、ノズルダクトの体積によって、容易にかつ非常に正確に決定することができ、ノズルダクト自体は、光リソグラフィーされた樹脂によって容易に形成することができる。
【００４６】
本発明によるヘッドは、例えば１０^４〜１０^５個／ｃｍ^２ といったような密度を有した完全に規定されたポイントから、完全に規定された量の液体を供給することができる。このことは、熱マイクロピペットタイプの機械的デバイスによっては、以前では決して得られなかったことである。
【００４７】
本発明によるデバイスによって供給または搬送される所定液体量は、通常は、１〜数ｎｌとされ、最大でも１００μｌとされる。これは、『マイクロピペット（微小滴定）』という用語が一般的に使用されるからである。
【００４８】
基板は、一般的には、単結晶シリコンとされ、可能であればドーピングされた単結晶シリコンとされる。
【００４９】
有利には、本発明においては、大きな熱抵抗を有しかつ拘束されていない誘電性絶縁性メンブランは、２つの層の積層から構成され、これら２つの層の厚さは、積層内における（熱的）機械的応力がゼロであるような厚さとされる。
【００５０】
ここで、メンブランは、基板上に形成されたＳｉＯ_２ からなる第１層と、ＳｉＮ_ｘ からなる第２層と、を有した積層から構成することができ、ｘは、好ましくは１．２とされる。
【００５１】
例えば、半導体層は、ポリシリコンあるいはドーピングされた多結晶シリコンとすることができる。ドーピング元素は、有利には、リンとすることができる。
【００５２】
また、発熱抵抗を形成するエッチングされた半導体層と、ノズルの形態とされた光リソグラフィーされた樹脂層と、の間に、化学的熱的絶縁層を設けることができる。
【００５３】
有利には、本発明によるヘッドは、複数個の熱噴射式比例型デバイスを具備している。
【００５４】
好ましくは、これは、本発明によるデバイスの構造によって形成することができ、その結果、複数のホールまたは複数のノズルは、２次元マトリクスの形態で配置される。
【００５５】
ヘッドが複数個の熱噴射式比例型デバイスを具備する場合には、デバイスの数は、１０ｍｍ^２ 〜１．５ｃｍ^２ というヘッド面積に対して、例えば１０^２〜１０^５個とすることができる。
【００５６】
有利には、本発明によるヘッドは、全体的に、単一の基板、単一の絶縁性メンブラン、単一の半導体層、および、単一の光リソグラフィーされた樹脂層、から形成される。
【００５７】
また、本発明は、請求項１に記載された噴射式比例型ヘッドの製造方法に関するものであって、以下の各ステップを記載順に行う。
−平面状基板の両面上に、大きな熱抵抗を有しかつ拘束されていない誘電性絶縁層すなわちメンブランを形成し；
−それら誘電性絶縁層上に、半導体層を成膜し；
−基板の上面上に位置している方の半導体層上に、感光性樹脂からなるパターンを形成するとともに、さらに、半導体層のうちの、樹脂によって被覆されていない領域を除去することによって、発熱抵抗パターンを形成し；
−基板の上面上に、化学的熱的絶縁層を形成することができ；
−基板の上面上に位置している方の、半導体層および大きな熱抵抗を有した誘電性絶縁層に、付加的には化学的熱的絶縁層に、オリフィスを形成し；
−基板の上面上に、感光性樹脂からなる厚い層を成膜するとともに、この厚い層を光リソグラフィーすることによって、オリフィスと一直線状をなすノズルを形成し；
−基板の背面上に位置した誘電性絶縁層に開口を形成し；
−基板の背面のうちの、誘電性絶縁層によって被覆されていない領域をエッチングすることによって、放出すべき液体のためのリザーバを形成するとともに、メンブランを解放する。
【００５８】
基板は、単結晶シリコンから形成することができ、可能であればドーピングされた単結晶シリコンから形成することができる。
【００５９】
有利には、誘電性絶縁性メンブランは、基板上において積層をなす２つの層を順次的に形成することによって構成され、２つの層の厚さは、積層内における（熱的）機械的応力がゼロであるような厚さとされる。
【００６０】
第１層は、ＳｉＯ_２ 層とすることができ、第２層は、ＳｉＮ_ｘ 層とすることができる。
【００６１】
半導体層は、一般的には、ポリシリコンすなわち多結晶シリコンから形成され、好ましくは、リンによってドーピングされたポリシリコンすなわちリンによってドーピングされた多結晶シリコンから形成される。
【００６２】
半導体層のうちの、樹脂によって被覆されていない領域は、好ましくは、プラズマエッチングプロセスによって除去される。
【００６３】
発熱抵抗パターンは、通常は、放出ヘッドを取り囲む正方形の形態とされる。しかしながら、発熱抵抗パターンは、局所的に十分な温度上昇をもたらし得るような任意の形状とすることができる。
【００６４】
化学的熱的絶縁層は、通常は、スピンオングラス（Ｓｐｉｎ Ｏｎ Ｇｌａｓｓ，ＳＯＧ）タイプの酸化シリコン層から形成される。
【００６５】
オリフィスまたはホールは、半導体層と、誘電性絶縁層と、形成されている場合には化学的熱的絶縁層と、において、各層に応じて化学エッチングおよび／またはプラズマエッチングプロセスを使用することによって、形成することができる。
【００６６】
開口は、好ましくは、基板の背面上に位置した誘電性絶縁層において、光リソグラフィーを行うことによって、形成される。
【００６７】
基板の背面上において被覆されていない領域は、通常は、化学的プロセスを使用してエッチングされる。しかしながら、プラズマによってエッチングすることもできる。
【００６８】
最後に、本発明は、　特に生物学的または化学的マイクロリアクタのためのものといったような、機能化システムまたはアドレッシングシステムに関するものであって、上述したような噴出式比例型ヘッドを具備している。
【００６９】
このタイプのシステムにおいては、比例して噴出される液体は、例えば、リンアミド化合物（ｐｈｏｓｐｈｏｒａｍｉｄｉｔｅｓ）といったような試薬の溶液とすることができる。
【００７０】
本発明によるこのタイプのシステムは、『その場』タイプのまたは『その後』タイプのシステムにおける上記困難点を解消する。
【００７１】
特に、ヘッドが複数の噴出デバイスからなるマトリクスを備えそのため複数のノズルを備えたような本発明によるシステムは、以下のような複数の利点を有している。
−多数の小さなハイブリッド化ユニット（＜１００μｍ×１００μｍ）を並列的に機能化できること。
−化学的手法を使用していること。よって、合成収率を改良できること。
−コストパフォーマンスの限界という問題点を引き起こすことなく、要求された所望シーケンスを形成し得るように、デバイスの融通性が大きいこと。
−低コストであること。
【００７２】
現在のところ、バイオチップの使用は、いくつかの大会社に限定されている。本発明によるシステムは、すべての潜在的な利用者による使用を可能とする。
【００７３】
よって、ゲノミクスやバイオチップ以外にも、本発明によるヘッドおよびシステムは、合成化学や医薬策定といったよう応用においても、使用することができる。
【００７４】
【発明の実施の形態】
以下、本発明について詳細に説明する。以下の説明は、添付図面を参照しつつ、本発明を何ら限定するものではなく単なる例示のために与えられる。
【００７５】
図２に示す熱比例型微小放出器は、構造として、第１に、単結晶シリコン製支持体（２１）を備えている。好ましくは、単結晶シリコンは、元素によってドーピングされている。可能であれば、塩基性溶液内における、例えば、シリコンの化学エッチングが可能とされる。
【００７６】
例えば、ドーピング元素は、ホウ素およびリンの中から選択することができる。
【００７７】
支持体上には、メンブランが設けられる。このメンブランは、ＳｉＯ_２ からなる第１絶縁層（２２）と、ｘ＝１．２としたときにＳｉＮ_ｘ という組成のものからなる第２絶縁層（２３）と、から構成されている。両絶縁層の相対的厚さは、単結晶シリコン製支持体に対しての機械的残留応力がごくわずかしか存在しないようにまた好ましくは全く存在しないように、制御される。
【００７８】
また、ＳｉＮ_ｘ 層の厚さは、好ましくは、両絶縁層の積層に起因する機械的残留応力が理論的にゼロであるようなものとされる。
【００７９】
ＳｉＯ_２ 層の厚さは、通常は、０．８〜１．６μｍとされ、一方、ＳｉＮ_ｘ 層の厚さは、通常は、０．２〜０．９μｍとされる。
【００８０】
このメンブラン内に、小さなホール（２４）が形成される。このホールは、通常は、円形とされ、例えば５〜５０μｍという直径とされる。
【００８１】
メンブランは、一体型の（あるいは、埋設型の）発熱抵抗（２５）を支持している。発熱抵抗（２５）は、通常は、可能な最小の電気抵抗が得られるよう高濃度でドーピングされた多結晶シリコンから形成される。
【００８２】
この多結晶シリコンのドーピング元素は、例えば、リンおよびホウ素の中から選択することができ、原子数において１０^１９〜１０^２０個／ｃｍ^３ というドーピング密度とされる。
【００８３】
このタイプの発熱抵抗は、最大では数百℃といったような高温にまで、例えば４０〜５００℃といったような温度にまで、局所的な加熱を行うことができる。
【００８４】
発熱抵抗は、好ましくは酸化シリコン層（２６）によって、熱的にかつ化学的に絶縁される。酸化シリコン層（２６）は、例えば、『スピンオングラス』タイプの酸化シリコン層とされる。
【００８５】
絶縁性酸化シリコン層上には、ノズルが追加される。このノズル（２７）は、使用される製造方法のために、通常は、例えばＳＶ８樹脂（ＣＩＰＥＣ（登録商標） ）といったような感光性樹脂から形成される。
【００８６】
ノズル（２７）のダクト（２８）は、メンブラン内に形成されたホールに対しておよび例えば酸化シリコン製といったような絶縁層内に形成されたホールに対して、一直線をなすものとされる。
【００８７】
本発明による製造方法は、図３〜図１２に図示されているような以下の各ステップを備えている。
【００８８】
１．基板すなわちノズル支持体（２１）を、両面研磨したシリコンウェハとする。このシリコンウェハは、例えば、厚さが３５０〜５００μｍ、寸法が１０〜１５ｃｍ、のものとされる。ウェハの寸法は、５０〜１０００個の熱比例型微小放出器を形成するに十分に大きなものである。上述したように、支持体（２１）は、単結晶シリコン製支持体であって、好ましくは、とりわけ例えばＫＯＨやＴＭＡＨといったような塩基性溶液内において、ドーピング済みシリコンの化学エッチングが可能であるようにして、元素によってドーピングされている。したがって、ドーピング元素は、ホウ素またはリンの中から選択することができ、原子数で１０^１６〜１０^１８個／ｃｍ^３ というドーピング密度とすることができる。
【００８９】
２．シリコンウェハの両面上に、例えば０．８〜１．６μｍという厚さでもって、酸化シリコン層（２２）を形成する（図３）。
【００９０】
酸化層（２２）は、通常は１１５０℃という温度における、シリコンの直接的酸化によって得られる。
【００９１】
３．その後、シリコンウェハの両面上に、ＳｉＮ_ｘ 層（２３）を成膜する（図４）。組成ＳｉＮ_ｘ において、ｘ＝１．２とする。この層（２３）の厚さは、ＳｉＯ_２ 層とＳｉＮ_ｘ 層との積層に起因する機械的残留応力が、理論的にゼロとなるようなものとされる。すなわち、ＳｉＮ_ｘ 層の厚さは、通常は、０．２〜０．９μｍとされる。
【００９２】
この成膜は、通常は、気相蒸着技術を使用して行われる。
【００９３】
シリコンウェハの背面上に位置するＳｉＯ_２層およびＳｉＮ_ｘ層は、メンブランを露出させるための化学エッチング時において、マスク層製造プロセスの最後において使用されることとなる。
【００９４】
４．その後、ポリシリコン層すなわち多結晶シリコン層（２５）を、ウェハの両面上に成膜する（図５）。この層の厚さは、通常は、０．５〜１．５μｍとされる。この層の成膜は、通常は、気相成膜技術を使用して行われる。
【００９５】
その後、例えばリンの拡散といったような手法によって、ポリシリコン層（２５）を、ドーピングする。これにより、ポリシリコン層を、可能な最小の電気抵抗率のものとする。そのため、ポリシリコン層（２５）内における例えばリンといったようなドーピング剤の濃度は、通常は、原子数において１０^１９〜１０^２０個／ｃｍ^３ とされる。拡散ドーピング操作は、通常は、温度Ｔ＝９５０℃で２５分間にわたってという条件で行われる。
【００９６】
５．ステップ４において成膜したポリシリコン層を、例えば１〜３μｍといったような厚さの感光性樹脂（２９）によって、正方形パターンでもって被覆する。例えば、感光性樹脂は、ＣＬＡＲＩＡＮＴ樹脂の中から選択することができる。
【００９７】
感光性樹脂（２９）は、一般的に、遠心成膜技術を使用して成膜することができる。
【００９８】
感光性樹脂（２９）を、光リソグラフィー技術を使用して、選択的にエッチングする。感光性樹脂によって保護されていないポリシリコン領域は、プラズマエッチングによって除去される。
【００９９】
このようにして形成されたパターンを使用することによって、ほぼリング形状とされた発熱抵抗が形成される（図６および図７）。
【０１００】
６．例えば、ポリシリコン製発熱抵抗を、通常は１００〜２００ｎｍ厚さとされるようなスピンオングラスタイプの酸化シリコン層（２６）によって、被覆する。これにより、ポリシリコン製発熱抵抗を、外部環境から電気的にかつ化学的に保護することができる（図８）。
【０１０１】
７．放出オリフィスを形成することとなるホール（２４）を、発熱抵抗の中央位置に、形成する（図９）。オリフィスの形成は、例えば、ＨＦ溶液内において酸化シリコン（『スピンオングラス』）の化学エッチングを行い、その後、ＳｉＮ_ｘ のプラズマエッチングを行い、さらにその後、ＨＦによって酸化シリコン層の化学エッチングを行うことにより、行われる。
【０１０２】
このホール（２４）は、通常は、円形であり、５〜５０μｍという直径を有している。
【０１０３】
８．スピンオングラス酸化シリコン層（２６）上に、感光性樹脂からなる厚い層（２７）を形成する。厚い層とは、通常は、１μｍ〜１００μｍという厚さを有した層を意味する。
【０１０４】
この場合の感光性樹脂は、通常は、 ＣＩＰＥＣ（登録商標）社によるＳＶ８樹脂（とされ、成膜技術は、遠心力を利用した成膜手法とされる。
【０１０５】
この成膜後に、感光性樹脂層に対して光リソグラフィーを適用することによって、ホールすなわち放出オリフィスを囲むものとして、ノズルのダクト（２８）を形成する（図１０）。
【０１０６】
９．光リソグラフィープロセスを使用することによって、上述したように、背面上に存在するＳｉＯ_２層およびＳｉＮ_ｘ層内に、開口（３１）を形成する（図１１）。
【０１０７】
１０．ＳｉＯ_２／ＳｉＮ_ｘ二重層によって保護されていない領域を、例えばＫＯＨ溶液またはＴＭＡＨ溶液内において化学エッチングすることによって、第１に、シリコン基板内に、放出すべき液体を収容するためのリザーバ（３２）を掘削形成し、さらには、発熱デバイスを支持しているメンブランと、放出ノズルと、を露出させる（図１２）。
【図面の簡単な説明】
【図１】熱比例型微小放出器に関しての理想的な理論的デバイスを示す概略的な断面図である。
【図２】本発明による熱比例型微小放出器を示す概略的な断面図である。
【図３】本発明による方法における各ステップを示す概略的な断面図である。
【図４】本発明による方法における各ステップを示す概略的な断面図である。
【図５】本発明による方法における各ステップを示す概略的な断面図である。
【図６】本発明による方法における各ステップを示す概略的な断面図である。
【図７】本発明による方法における各ステップを示す概略的な断面図である。
【図８】本発明による方法における各ステップを示す概略的な断面図である。
【図９】本発明による方法における各ステップを示す概略的な断面図である。
【図１０】本発明による方法における各ステップを示す概略的な断面図である。
【図１１】本発明による方法における各ステップを示す概略的な断面図である。
【図１２】本発明による方法における各ステップを示す概略的な断面図である。
【符号の説明】
２１　単結晶シリコン製支持体（平面状基板）
２２　第１絶縁層、ＳｉＯ_２ 層
２３　第２絶縁層、ＳｉＮ_ｘ 層
２４　ホール（オリフィス）
２５　発熱抵抗
２６　酸化シリコン層（化学的熱的絶縁層）
２７　ノズル
２８　ダクト
３１　開口
３２　液体リザーバ

Claims (23)

1. 所定量の液体を供給するための少なくとも１つの熱噴射式比例型デバイスを具備した噴射式比例型ヘッドであって、
   前記デバイスが、
   −液体リザーバを形成するための穴付き平面状基板（２１）であって、大きな熱抵抗を有した誘電性絶縁性メンブラン（２２，２３）と、発熱抵抗（２５）を形成するエッチングされた半導体層と、によって被覆された、基板（２１）と；
   −前記液体リザーバに対しての流体連通を可能とし得るよう前記メンブランと前記半導体層とを貫通して形成されたオリフィス（２４）と；
   −前記メンブラン上においてノズル（２７）の形態をなすように光リソグラフィーされた樹脂層であって、前記ノズル（２７）のダクト（２８）が、前記オリフィスと一直線状とされ、前記ダクトの体積によって、液体の所定供給量が制御されるようになっているような、光リソグラフィーされた樹脂層と；
   を具備することを特徴とするヘッド。
2. 請求項１記載のヘッドにおいて、
   液体の前記所定供給量が、１ｎｌ〜１００μｌであることを特徴とするヘッド。
3. 請求項１または２記載のヘッドにおいて、
   前記基板が、ドーピングされたまたはドーピングされていない単結晶シリコンであることを特徴とするヘッド。
4. 請求項１または２記載のヘッドにおいて、
   大きな熱抵抗を有した前記誘電性絶縁性メンブランが、２つの層の積層から構成され、
   これら２つの層の厚さが、前記積層内における熱的応力または機械的応力がゼロであるような厚さとされていることを特徴とするヘッド。
5. 請求項４記載のヘッドにおいて、
   前記メンブランが、前記基板上に形成されたＳｉＯ_２ からなる第１層と、ＳｉＮ_ｘ からなる第２層と、を有した積層から構成され、
   ｘが、好ましくは１．２とされていることを特徴とするヘッド。
6. 請求項１〜５のいずれか１項に記載のヘッドにおいて、
   前記半導体層が、ドーピングされたポリシリコンすなわちドーピングされた多結晶シリコンから形成されていることを特徴とするヘッド。
7. 請求項６記載のヘッドにおいて、
   前記ポリシリコンすなわち多結晶シリコンが、リンによってドーピングされていることを特徴とするヘッド。
8. 請求項１〜７のいずれか１項に記載のヘッドにおいて、
   さらに、前記エッチングされた半導体層と、ノズルの形態とされた前記光リソグラフィーされた樹脂層と、の間に、化学的熱的絶縁層が設けられていることを特徴とするヘッド。
9. 請求項１〜８のいずれか１項に記載のヘッドにおいて、
   複数個の熱噴射式比例型デバイスを具備していることを特徴とするヘッド。
10. 請求項９記載のヘッドにおいて、
    前記複数個のデバイスが、２次元マトリクスの形態で配置されていることを特徴とするヘッド。
11. 請求項９または１０記載のヘッドにおいて、
    １０^２〜１０^５個の前記デバイスを具備していることを特徴とするヘッド。
12. 請求項９〜１１のいずれか１項に記載のヘッドにおいて、
    前記ヘッドの全体が、単一の基板、単一の絶縁性メンブラン、単一の半導体層、単一の化学的熱的絶縁層、および、単一の光リソグラフィーされた樹脂層、から形成されていることを特徴とするヘッド。
13. 請求項１に記載された噴射式比例型ヘッドの製造方法であって、
    −平面状基板の両面上に、大きな熱抵抗を有した誘電性絶縁層すなわちメンブランを形成し；
    −それら誘電性絶縁層上に、半導体層を成膜し；
    −前記基板の上面上に位置している方の前記半導体層上に、感光性樹脂からなるパターンを形成するとともに、さらに、前記半導体層のうちの、前記樹脂によって被覆されていない領域を除去することによって、発熱抵抗パターンを形成し；
    −前記基板の前記上面上に、化学的熱的絶縁層を形成することができ；
    −前記基板の前記上面上に位置している方の、前記半導体層および大きな熱抵抗を有した前記誘電性絶縁層に、付加的には前記化学的熱的絶縁層に、オリフィスを形成し；
    −前記基板の前記上面上に、感光性樹脂からなる厚い層を成膜するとともに、この厚い層を光リソグラフィーすることによって、前記オリフィスと一直線状をなすノズルを形成し；
    −前記基板の背面上に位置した前記誘電性絶縁層に開口を形成し；
    −前記基板の前記背面のうちの、前記誘電性絶縁層によって被覆されていない領域をエッチングすることによって、放出すべき液体のためのリザーバを形成するとともに、前記メンブランを露出させる；
    ことを特徴とする方法。
14. 請求項１３記載の方法において、
    前記基板を、可能であればドーピングされているような、単結晶シリコンから形成することを特徴とする方法。
15. 請求項１３記載の方法において、
    前記誘電性絶縁性メンブランを、前記基板上において積層をなす２つの層を順次的に形成することによって構成し、
    前記２つの層の厚さを、前記積層内における熱的応力または機械的応力がゼロであるような厚さとすることを特徴とする方法。
16. 請求項１５記載の方法において、
    前記積層の第１層をＳｉＯ_２ 層とし、第２層をＳｉＮ_ｘ 層とすることを特徴とする方法。
17. 請求項１３記載の方法において、
    前記半導体層を、ドーピングされたポリシリコンすなわちドーピングされた多結晶シリコンから形成することを特徴とする方法。
18. 請求項１３記載の方法において、
    前記半導体層のうちの、前記樹脂によって被覆されていない領域を、プラズマエッチングプロセスによって除去することを特徴とする方法。
19. 請求項１３記載の方法において、
    前記オリフィスを、前記半導体層と、前記誘電性絶縁層と、形成されている場合には前記化学的熱的絶縁層と、において、各層に応じて化学エッチングおよび／またはプラズマエッチングプロセスを使用することによって、形成することを特徴とする方法。
20. 請求項１３記載の方法において、
    前記開口を、前記基板の背面上に位置した前記誘電性絶縁層において、光リソグラフィーを行うことによって、形成することを特徴とする方法。
21. 請求項１３記載の方法において、
    前記基板の背面上において被覆されていない前記領域を、化学的プロセスを使用してエッチングすることを特徴とする方法。
22. 特に生物学的または化学的マイクロリアクタのためのものといったような、機能化システムまたはアドレッシングシステムであって、
    請求項１〜１２のいずれか１項に記載されたヘッドを具備していることを特徴とする機能化システムまたはアドレッシングシステム。
23. 請求項１〜１２のいずれか１項または請求項２２に記載されたヘッドの使用であって、
    バイオチップ、ゲノミクス、合成化学、または、医薬策定において使用することを特徴とする使用。