NL1034489C2

NL1034489C2 - Werkwijzen voor het vervaardigen van een microstructuur.

Info

Publication number: NL1034489C2
Application number: NL1034489A
Authority: NL
Inventors: Johannes Oonk; Marko Theodoor Blom; Ronny Van T Oever
Original assignee: Micronit Microfluidics Bv
Priority date: 2007-10-09
Filing date: 2007-10-09
Publication date: 2009-04-14
Also published as: EP2207749A2; WO2009048321A3; WO2009048321A2; EP2207749B1; US20100288729A1

Description

Werkwijzen voor het vervaardigen van een microstructuur

Terrein van de uitvinding 5 De uitvinding heeft betrekking op werkwijzen voor het vervaardigen van een microstructuur waarbij gebruik wordt gemaakt van poederstralen en/of etsen en een maskerlaag. ‘Microstructuur’ is binnen het kader van de uitvinding gedefinieerd als ‘structuur gekenmerkt door de zeer kleine omvang ervan, in het bijzonder binnen het bereik van 10‘4 tot 10'7 meter, dat wil zeggen dat de significante kenmerken in tenminste één 10 richting niet volledig kunnen worden waargenomen zonder de hulp van een optische microscoop’, zie ook de opmerkingen bij de IPC hoofdklasse B81. Met ‘structuur’ wordt in het kader van de uitvinding bedoeld een holte, verdieping, reservoir, kanaal, tunnel, opening, doorgang, poort enzovoorts, maar ook alle mogelijke combinaties daarvan 15

Achtergrond van de uitvinding

Microfluïdics houdt zich bezig met microstructurele inrichtingen en systemen met fluïdische functies Daarbij kan het gaan om het manipuleren van zeer kleine hoeveelheden fluïdum, dat wil zeggen vloeistof of gas, in de orde van microliters, nanoliters of zelfs 20 picoliters. Belangrijke toepassingen liggen op het terrein van de biotechnologie, chemische analyse, medische testen, procesbewaking en milieumetingen. Daarbij kan een min of meer compleet miniatuur analysesysteem of synthesesysteem worden gerealiseerd op een microchip, een zogenaamd ‘lab-on-a-chip’ of, bij bepaalde toepassingen, een zogenaamde ‘biochip’. De inrichting of het systeem kan microfluidische componenten zoals 25 microkanalen, microtunnels of microcapillairen, mixers, reservoirs, diffusiekamers, pompen, kleppen enzovoorts omvatten.

De microchip is meestal opgebouwd uit één of meer lagen van glas, silicium of een kunststof zoals een polymeer. Met name glas is voor veel toepassingen zeer geschikt 30 vanwege een aantal eigenschappen. Zo is glas al vele eeuwen bekend en zijn er vele typen en samenstellingen geredelijk verkrijgbaar voor een gering bedrag. Daarnaast is glas 1034489 2 hydrofiel, chemisch inert, stabiel, optisch transparant, niet-poreus en geschikt voor prototyping; eigenschappen die in veel gevallen voordelig dan wel vereist zijn.

Voor het realiseren van holtes, verdiepingen, reservoirs, kanalen, tunnels, openingen, 5 doorgangen, poorten enzovoorts kan gebruik worden gemaakt van ‘mechanical abrasion’ zoals zandstralen of poederstralen, in het bijzonder in het geval van glas. Maar ook kan gebruik worden gemaakt van ‘etsen’ zoals chemisch en/of fysisch etsen middels een vloeistof (nat chemisch etsen) of een gas (droog etsen, RIE, plasma etsen), in het bijzonder in het geval van silicium. Hierbij merken we nog op dat de term ‘etsen’ doorgaans alleen 10 wordt gebruikt voor chemisch en/of fysisch etsen, maar dat soms hieronder ook ‘mechanical abrasion’ wordt verstaan. In het kader van de uitvinding zullen steeds de termen ‘poederstralen’ en ‘etsen’ worden gebruikt, waarbij onder poederstralen ook zandstralen valt.

15 Bij poederstralen of etsen van een gewenste microstructuur wordt veelal gebruik gemaakt van een gepatroneerde maskerlaag. Daarbij zullen in mindere of meerdere mate twee verschijnselen optreden welke meestal als nadelig worden beschouwd: ten eerste maskererosie en ten tweede ‘blast lag’ of ‘ets lag’. Maskererosie treedt op wanneer de maskerlaag, tijdens het poederstralen of etsen van de gewenste microstructuur, wordt 20 aangetast door de daarbij optredende chemische en/of fysische processen. Het maskermateriaal en de maskerdikte worden nu zo gekozen dat die aantasting gering zal zijn, althans zo klein dat de maskerlaag het proces in voldoende mate zal doorstaan. ‘Blast lag’ of ‘ets lag’ houdt in dat de blastsnelheid of etssnelheid, en daarmee de blastdiepte of de etsdiepte op een gegeven tijdstip, afhankelijk zijn van de vorm en afmetingen van de 25 opening in de maskerlaag. Die afhankelijkheid is op haar beurt weer afhankelijk van het type proces en de procesparameters. Doorgaans zal de blastsnelheid of de etssnelheid kleiner zijn naarmate de afmetingen van de opening kleiner zijn. ‘Blast lag’ en ‘ets lag’ zijn in de regel ongewenst, maar er kan ook met voordeel gebruik van worden gemaakt, zie bijvoorbeeld US2005/0148158 waarin wordt beschreven hoe in een enkele processtap een 30 relatief ondiepe en smalle breekgroef gelijktijdig wordt aangebracht met relatief diepe en brede fluidische structuren door slim gebruik te maken van ‘blast lag’.

3 W02007/000363 en US2007/0065967 beschrijven processen voor het vormen van een holte middels chemisch etsen met behulp van een maskerlaag in de vorm van een gatenpatroon. US2005/0113004 en US6422920 geven voorbeelden van het gebruik van poederstralen voor het maken van verdiepingen, doorgangen, holtes of openingen met een 5 speciale vorm. In GB2375063 en GB2375064 gaat het om poederstralen waarbij gebruik wordt gemaakt van meerdere ‘blast guns’ en van deeltjes met meerdere afmetingen. Hierin wordt beschreven hoe verschillende vormen van holtes, kanalen enzovoorts, ook in een enkele processtap, kunnen worden gerealiseerd door gebruik te maken van het verschijnsel ‘blast lag’ en door te ‘spelen’ met de invalshoek van de deeltjes, hun grootte, de 10 maskervorm, het aantal ‘guns’ enzovoorts.

Bekend is dus het gebruiken van het verschijnsel ‘blast lag’ voor het verkrijgen van een holte, verdieping, reservoir, kanaal enzovoorts met een gewenste specifieke vorm. Daarbij dienen de vorm en de afmetingen van de maskerlaag, bijvoorbeeld een bepaald 15 gatenpatroon, voor het gegeven proces correct te worden gekozen. Ook het realiseren van meerdere typen holtes, verdiepingen, reservoirs, kanalen enzovoorts met onderling verschillende vormen en afmetingen in een enkele productiestap, is bekend. Het aantal mogelijke vormen en afmetingen en combinaties daarvan blijft echter beperkt omdat er voor een gegeven proces een bepaald vast verband bestaat tussen enerzijds de blastsnelheid 20 of etssnelheid, en daarmee de blastdiepte of de etsdiepte op een gegeven tijdstip, en anderzijds de afmetingen van de blastopening of de etsopening in de maskerlaag.

Er bestaat nu behoefte aan een verbeterde werkwijze voor het vervaardigen van een microstructuur waarbij gebruik wordt gemaakt van poederstralen en/of etsen welke 25 werkwijze meer mogelijkheden biedt ten opzichte van bekende werkwijzen en waarmee een grotere variëteit aan holtes, verdiepingen, reservoirs, kanalen enzovoorts, en combinaties daarvan, kan worden gerealiseerd, en in voorkomend geval bij voorkeur in een enkele processtap. Doel van de uitvinding is te voorzien in die behoefte.

30

Samenvatting van de uitvinding

De uitvinding verschaft daartoe werkwijzen voor het vervaardigen van een microstructuur waarbij gebruik wordt gemaakt van poederstralen en/of etsen en een maskerlaag, met het 4 kenmerk, dat de maskerlaag door maskererosie op ten minste één gegeven tijdstip binnen ten minste één gebied geheel is weggesleten terwijl de microstructuur nog niet geheel is gerealiseerd. Met ‘maskerlaag’ wordt hier en in het navolgende bedoeld een enkelvoudige maskerlaag, dat wil zeggen een in een enkele processtap aangebrachte laag welke in een 5 enkele processtap is gepatroneerd, met een in hoofdzaak uniforme dikte en in hoofdzaak uniforme eigenschappen. Met name in het geval van poederstralen kan hierbij gebruik worden gemaakt van een combinatie van ‘verticale’, dat wil zeggen evenwijdig aan de dikterichting, en ‘horizontale, dat wil zeggen loodrecht op de dikterichting, erosie van de maskerlaag. De horizontale maskererosie treedt op aan de randen van de maskerstructuur. 10 Hierdoor zal, door de grootte van de maskeropeningen en de maskerstructuren op een juiste manier te kiezen, in een gebied met kleinere maskerstructuren op een gegeven tijdstip de maskerlaag volledig weggesleten zijn, terwijl in een ander gebied met grotere structuren de maskerlaag nog voldoende dikte heeft om als bescherming tegen het poederstralen te dienen.

15

Na het ten minste ene gegeven tijdstip kan de microstructuur volledig worden gerealiseerd waarbij weer gebruik kan worden gemaakt van poederstralen en/of van etsen. Ook kunnen er meerdere gebieden met verschillende groottes van maskerstructuren zijn, waarbij in elk gebied op een bepaald tijdstip de maskerlaag is weggesleten. Alle mogelijke combinaties 20 van het gebruik van poederstralen en/of etsen voor het wegslijten van de maskerlaag in één of meerdere gebieden en voor het realiseren van de gehele microstructuur vallen binnen het kader van de uitvinding.

Dergelijke werkwijzen bieden meer mogelijkheden ten opzichte van bekende werkwijzen 25 omdat er nu ook kan worden ‘gespeeld’ met het tijdstip of de tijdstippen waarop de maskerlaag in een bepaald gebied of bepaalde gebieden door maskererosie is weggesleten. Dat kan door een geschikte combinatie van proces, maskermateriaal, maskerpatroon en maskerdikte te kiezen. Een werkwijze volgens de uitvinding heeft als voordeel dat bijvoorbeeld in een enkele procesgang, met een enkele lithografische stap, een 30 maskerstructuur kan worden gedefinieerd en vervolgens een structuur met onderdelen met verschillende blastdiepte of etsdiepte kan worden gerealiseerd, terwijl hiervoor normaliter twee of meer gescheiden procesgangen, met aparte lithografische stappen, nodig zijn. Het is duidelijk dat dit tot een groot kostenvoordeel leidt. Dit alles zal nader worden toegelicht in 5 de navolgende beschrijving van uitvoeringsvoorbeelden van werkwijzen volgens de uitvinding.

5 Korte beschrijving van de figuren

De uitvinding wordt in het navolgende toegelicht aan de hand van een tweetal uitvoeringsvoorbeelden van een werkwijze volgens de uitvinding. Daarin toont: figuur 1 schematisch processtappen van een eerste uitvoeringsvoorbeeld van een werkwijze volgens de uitvinding; en 10 - figuur 2 schematisch processtappen van een tweede uitvoeringsvoorbeeld van een werkwijze volgens de uitvinding.

Uitvoeringsvoorbeelden van werkwijzen volgens de uitvinding 15 Figuur 1 geeft schematisch een aantal processtappen (I-IV) voor de vervaardiging van een microstructuur (A). Er wordt uitgegaan (I) van een substraat (1) met daarop aangebracht een maskerlaag (2) omvattende een grotere opening (3), meerdere kleinere openingen (4), een eerste gebied met grotere maskerstructuren (8) en een tweede gebied met kleinere maskerstructuren (7). Er wordt gestart met poederstralen waarbij ‘blast lag’ er voor zorgt 20 dat de blastsnelheid voor de kleinere openingen (4) kleiner is dan voor de grotere opening (3). Na verloop van tijd (II) zal een grotere en diepere holte (5) zijn ontstaan naast meerdere kleinere en ondiepere holtes (6). Het proces en het patroon van de maskerlaag (2) zijn zo gekozen dat daarna, op een gegeven tijdstip (III) een doorgang (5’) ontstaat terwijl dan de maskerlaag in het tweede gebied vrijwel geheel is weggesleten door een combinatie van 25 verticale en horizontale maskererosie, maar in het eerste gebied de dikte van de maskerlaag nog nauwelijks is afgenomen. Na het gegeven tijdstip (III) wordt doorgegaan met poederstralen waarbij de maskerlaag in het tweede gebied geheel wegslijt en uiteindelijk de gewenste microstructuur (A) ontstaat. Aldus kan in een enkele processtap en met een enkele maskerlaag (2) een microstructuur (A) worden vervaardigd die een doorgang (5”) en 30 een verdieping (6”) met een bepaalde gewenste diepte omvat. Bij de laatste stap (III-IV) had ook van etsen gebruik kunnen worden gemaakt. Ook is het denkbaar dat een dergelijke microstructuur (A) volgens de uitvinding wordt vervaardigd door bij de eerste stappen (I-II, 6 II-ÏÏI) een geschikt etsproces te gebruiken, en vervolgens (III-IV) verder te etsen of dan juist (ΙΠ) over te gaan op poeder stralen.

Figuur 2 geeft schematisch een aantal processtappen (Γ-ΙΙΓ) voor de vervaardiging van een 5 microstructuur (B). Er wordt weer uitgegaan (P) van een substraat (11) met daarop aangebracht een maskerlaag (12) omvattende een grotere opening (13), meerdere kleinere openingen (14), een eerste gebied met grotere maskerstructuren (18), een tweede gebied met kleinere maskerstructuren (19), een derde gebied met nog kleinere maskerstructuren (20) en een vierde gebied met nog weer kleinere maskerstructuren (21) . Er wordt gestart 10 met poederstralen waarbij ‘blast lag’ er weer voor zorgt dat de blastsnelheid voor de kleinere openingen (14) kleiner is dan voor de grotere opening (13). Na verloop van tijd (IP) is een grotere en diepere doorgang (15) ontstaan naast meerdere kleinere en ondiepere holtes (16). Het proces en het patroon van de maskerlaag (12) zijn zo gekozen dat op dat tijdstip (IP) de maskerlaag in het tweede gebied en het derde gebied vrijwel geheel, en in 15 het vierde gebied geheel, is weggesleten door een combinatie van verticale en horizontale maskererosie, maar in het eerste gebied de dikte van de maskerlaag nog nauwelijks is afgenomen. Daarna wordt doorgegaan met poederstralen waarbij de maskerlaag eerst in het derde gebied en vervolgens ook in het tweede gebied geheel wegslijt en uiteindelijk de gewenste microstructuur (B) ontstaat. Aldus kan in een enkele processtap en met een enkele 20 maskerlaag (12) een microstructuur (B) worden vervaardigd die een doorgang (15’) en een schuin aflopende verdieping (16’) omvat.

Het zal voor een deskundige duidelijk zijn dat de uitvinding geenszins beperkt is tot de gegeven uitvoeringsvoorbeelden, maar dat binnen het kader van de uitvinding vele variaties 25 en andere combinaties mogelijk zijn. Ook kan de techniek in beginsel bij allerlei materialen worden toegepast Essentieel is dat een gecombineerd gebruik wordt gemaakt van enerzijds het verschijnsel ‘blast lag’ en/of‘ets lag’ en anderzijds het verschijnsel ‘maskererosie’ door poederstralen en/of etsen, om aldus een bepaalde microstructuur te realiseren, en in voorkomend geval in een enkele processtap.

1034489

Claims

1. Werkwijze voor het vervaardigen van een microstructuur waarbij gebruik wordt gemaakt van poederstralen en een maskerlaag, met het kenmerk, dat de maskerlaag 5 door maskererosie op ten minste één gegeven tijdstip binnen ten minste één gebied geheel is weggesleten terwijl de microstructuur nog niet geheel is gerealiseerd.

2. Werkwijze volgens conclusie 1, met het kenmerk, dat het wegslijten ten minste deels het gevolg is van poederstralen.

3. Werkwijze volgens conclusie 1 of 2, met het kenmerk, dat het wegslijten ten minste 10 deels het gevolg is van etsen.

4. Werkwijze volgens een der conclusies 1-3, met het kenmerk, dat na het ten minste ene gegeven tijdstip de microstructuur volledig wordt gerealiseerd waarbij gebruik wordt gemaakt van poederstralen.

5. Werkwijze volgens een der conclusies 1-4, met het kenmerk, dat na het ten minste ene 15 gegeven tijdstip de microstructuur volledig wordt gerealiseerd waarbij gebruik wordt gemaakt van etsen.

6. Werkwijze voor het vervaardigen van een microstructuur waarbij gebruik wordt gemaakt van etsen en een maskerlaag, met het kenmerk, dat de maskerlaag door maskererosie op ten minste één gegeven tijdstip binnen ten minste één gebied geheel is 20 weggesleten terwijl de microstructuur nog niet geheel is gerealiseerd.

7. Werkwijze volgens conclusie 6, met het kenmerk, dat het wegslijten ten minste deels het gevolg is van etsen.

8. Werkwijze volgens conclusie 6 of 7, met het kenmerk, dat het wegslijten ten minste deels het gevolg is van poederstralen.

9. Werkwijze volgens een der conclusies 6-8, met het kenmerk, dat na het ten minste ene gegeven tijdstip de microstructuur volledig wordt gerealiseerd waarbij gebruik wordt gemaakt van etsen.

10. Werkwijze volgens een der conclusies 6-9, met het kenmerk, dat na het ten minste ene gegeven tijdstip de microstructuur volledig wordt gerealiseerd waarbij gebruik wordt 30 gemaakt van poederstralen. 1034489