DE19726000A1 - Miniaturisierter Gaschromatograph und dessen Verfahren zur Herstellung - Google Patents

Description

Ein miniaturisierter Gaschromathograph gefertigt mit der Mikrosystemtechnik er­ öffnet für die mobile Gasanalytik neue Möglichkeiten. Vom ersten Gaschroma­ thographen, der mit der Silizium Mikrosy­ stemtechnik aufgebaut wurde, berichtet 1979 von S. C. Terry [1]. Bei diesen bis­ her realisierten Systemen wurde die statio­ näre Phase wie in der Gaschromatographie üblich in der flüssigen Phase durch Bei­ mengen von Lösungsmitteln in das System eingebracht. Dieses Verfahren führt bei den Mikrosystemen zu nicht reproduzier­ baren Ergebnissen und fand deshalb bei den Herstellern wie auch Anwendern keine Akzeptanz. Die Abscheidung der stationä­ ren Phase mit der Plasma-unterstützten Gasphasenabscheidung (PECVD) von or­ ganischen Monomeren läßt reproduzierbare Phaseneigenschaften auch in der Massen­ fertigung erzielen. Erzeugte stationären Phasen, auch solche mit polaren Eigen­ schaften, halten höhere Temperaturbela­ stungen stand als herkömmliche stationäre Phase. Zudem sind die plasmapolymeri­ sierten Phasen unempfindlich gegenüber chemischen Lösungsmitteln und den mei­ sten Säuren.

Der prinzipielle Aufbau eines Gaschroma­ thographen ist in Abb. 1 skizziert. Dabei lassen sich die Komponenten wie das Pro­ beneingabesystem (1) mit miniaturisierten Kugelventilen, der Detektor (2) welcher integriert in der Trennsäule kein Totvolu­ men hat und letztendlich die Trennsäule (3) mit einer plasma-polymerisierten stationä­ ren Phase die große Vorteile gegenüber herkömmlichen Phasen hat, miniaturisieren und zu einem Mikrosystem verknüpfen.

Für die folgenden Ausführungen siehe Abb. 2. Für den Aufbau der Trennsäule wird eine thermisch oxidierte Silizium­ scheibe von der Rückseite her strukturiert und das verbleibende SiO₂ naßchemisch entfernt. Anschließend wird die Trennsäule von der anderen Seite der Siliziumscheibe (4) mit einem isotropen Plasmaätzprozeß geätzt. Sodann wird diese Siliziumscheibe mit dem verbleibenden Fotolack aus der Plasmaätzung und eine für die anodische Bondung geeignete Glasscheibe (5), die ebenfalls an den Bondflächen fotolithogra­ phisch abgedeckt ist, mit einer plasmapo­ lymerisierten organischen Phase (7) belegt. Dazu wird vorzugsweise die plasmaunter­ stützte Gasphasenabscheidung (PECVD) von organischen Monomeren, wie von J. Weichert [2], D. Peters [3] und S. Nehlsen [4] dokumentiert sind, verwendet. Der Fo­ tolack mit der darauf befindlichen plasma­ polymerisierten organischen Schicht wird dann von der Glas- und Siliziumscheibe näßchemisch entfernt (Abhebetechnik). Die beiden Scheiben werden dann mittels der anodischen Bondung verbunden. Die Kapillaren (8) für die Anbindung der Trennsäule an handelsübliche Probenauf­ gabesysteme und Detektoren werden vor­ zugsweise mit Glas (6) niedriger Schmelztemperatur eingeklebt.

Abb. 3 skizziert den Aufbau der Trenn­ säule mit dem Wärmeleitfähigkeitsdetektor (10) und dem baugleichen Flußdetektor. Hier wird im Gegensatz zu der zuvor be­ schriebenen Trennsäule vorzugsweise eine Si-Abdeckung (4) mit Löcher für die Ka­ pillaranschlüsse und den elektrischen An­ schlüssen (11) der Detektoren verwendet. Der Trennsäulengraben wird mit dem oben beschriebenen Plasmaätzprozeß struktu­ riert. Der Fotolack wird naßchemisch ent­ fernt und die Siliziumscheibe (4) wird auf der Grabenstruktur-Seite mit einer für die anodische Bondung geeigneten Glasschicht (9) kathodenbestäubt (besputtert). Es folgt eine Lithographie zur Passivierung der Bondflächen im oben beschriebenen PECVD-Prozeß. Für die Fertigung der Grundscheibe wird eine Si-Scheibe mit einer Isolationsschicht vorzugsweise Sili­ ziumdioxyd ausreichender Dicke für die elektrische Isolation belegt, um dann eine Metallschichtlage vorzugsweise aus Titan-Platin oder Nickel abzuscheiden. Diese Metallschichtlage wird lithographisch und vorzugsweise naßchemisch zu der entspre­ chenden Detektorgeometrie strukturiert. Anschließend wird der Trennsäulengraben wie oben beschrieben strukturiert. Die Si-Abdeckung sowie die Grundscheibe wer­ den wie oben beschrieben mit einer plas­ mapolymerisierten organischen Phase (7) beschichtet und anschließend die Abhebe­ technik angewandt. Die beiden Scheiben werden dann ausgerichtet lateral anodisch gebondet [5]. Auch hier werden Kapillaren mit der oben beschriebenen Verbindungs­ technik eingebracht.

Literatur

[1] S. C. Terry, J. H. Jermen and J. B. Angell, A gas chromatographic analyzer fabri­ cated on a silicon wafer, IEEE Trans. Electron Devices, ED 26 (1979) 1880-1886.
[2] J. Weichert, J. Müller: Plasma polymeri­ zation of silicon organic membranes for gas separation, Surface and Coatings Teehnology, 59 (1993) 342-344.
[3] D. Peters, J. Müller, T. Sperling: Insulation and passivation of three-dimensional sub­ strates by plasma-CVD thin films using silicon-organic compounds, Materials Sci­ ence and Engineering, A139 (1991) 380-384.
[4] S. Nehlsen, T. Hante and J. Müller: Gas permeation properties of plasma polym­ erized thin film siloxane-type membranes for temperatures up to 350°C, Journal of Membrane Science 106 (1995) 1-7.
[5] S. Nehlsen, V. Relling, F. Kraus, J. Lübke, J. Müller: Lateral Pyrex thin film anodic bonding and KOH deep etching of silieon substrates for micro fluid applica­ tions, submitted for publication to Micro­ system Technologies 96, Berlin.

Claims (9)

1. Gaschromatographische Trennsäule als Mikrosystem vorzugsweise in Silizium- Glas- bzw. Silizium-Silizium-Techno­ logie, bei der die Grabenstrukturen für die Trennsäule mit einem isotropen Si­ lizium-Plasmaätzprozeß strukturiert werden, als Detektor hinter der Trenn­ säule vorzugsweise ein Wärmeleitfähig­ keitsdetektor und vor der Säule ein im Aufbau dem Wärmeleitfähigkeitsde­ tektor identischer Flußsensor integriert wird, deren Heizdrähte und Zuleitungen unterätzt werden, deren stationäre Phase durch eine Plasmapolymerisation orga­ nischer Monomere im ganzen Gra­ benumfang aufgebracht wird und hochtemperaturfest ist.

2. Gaschromatographische Trennsäule deren Grabenstrukturen sowie die Ab­ deckung nach Anspruch 1 mit einer plasmapolymerisierten organischen Phase belegt werden, deren Ausgangs­ stoffe vorzugsweise HMDS, HMDSO, HMDSN, CHF₃ und Aluminiumacety­ lacetonat sind und damit die Trennei­ genschaften gezielt eingestellt werden kann.

3. Gaschromatographische Trennsäule nach Ansprüchen 1 u. 2, dadurch ge­ kennzeichnet, daß zum Plasmaätzen ein Prozeß verwendet wird, mit einer dic­ ken Fotolackmaske, Dicken bis zu < 20 µm, um Strukturtiefen < 100 µm zu er­ möglichen und ausreichend Fotolack verbleibt für die Strukturierung der plasmapolymerisierten organischen Phase mit der Abhebetechnik.

4. Gaschromatographische Trennsäule nach Ansprüchen 1 u. 2, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Fertigung auch mit einer Silikatglasabdeckung ohne Grabenstrukturen erfolgen kann.

5. Gaschromatographische Trennsäule nach Ansprüchen 1 bis 4, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Gas - Zu- und Abführungen mit einer naßchemischen Ätzung, vorzugsweise richtungsbevor­ zugende Ätzmischungen, von der Rück­ seite der Wafer aus realisiert werden.

6. Gaschromatographische Trennsäule nach Ansprüchen 1 bis 4, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Gas-Zu- und Ab­ führungen seiflich zwischen den beiden Wafern realisiert wird.

7. Gaschromatographische Trennsäule nach Ansprüchen 1 bis 5, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Kapillaren in die Löcher oder in die seiflichen Zuführun­ gen nach Anspruch 6 der Gas-Zu- und Abfuhr vorzugsweise mit Glas niedriger Schmelztemperatur eingeklebt werden.

8. Gaschromatographische Trennsäule mit Detektoren nach Ansprüchen 1 bis 7, da­ durch gekennzeichnet, daß die Detek­ torgeometrie der Geometrie der Trenn­ säule so angepaßt ist, daß der aktive Be­ reich der Detektoren vorzugsweise tan­ gential in die Trennsäule integriert wird und die Zuleitungen für den aktiven Be­ reich der Detektoren senkrecht zu der Trennsäulein der Ebene des Si-Wafers angeordnet werden, für eine verbesserte Unterätzung der Strukturen vorzugswei­ se perforiert.

9. Gaschromatographische Trennsäule mit Detektoren nach Ansprüchen 1 bis 8, da­ durch gekennzeichnet, daß der aktive Bereich der Detektoren und die Zulei­ tungen aus Metalldünnschichten vor­ zugsweise aus Titan-Platin Schichtpa­ keten oder Nickel von wenigen 100 nm Dicke mit Techniken der Dünnschicht­ technologie realisiert werden.