DE60107953T2

DE60107953T2 - Thermischer injektions- und dosierkopf, verfahren zu seiner herstellung sowie funktionalisierungs- oder adressierungssystem mit einem solchem kopf

Info

Publication number: DE60107953T2
Application number: DE60107953T
Authority: DE
Inventors: Anne-Marie Gue; Daniel Esteve; Veronique Conedera; Norbert Fabre
Original assignee: Centre National de la Recherche Scientifique CNRS
Current assignee: Centre National de la Recherche Scientifique CNRS
Priority date: 2000-07-13
Filing date: 2001-07-12
Publication date: 2006-01-19
Anticipated expiration: 2021-07-13
Also published as: US20040090483A1; JP2004503377A; CA2415574A1; ES2234861T3; DE60107953D1; EP1301269A1; FR2811588A1; ATE285292T1; WO2002005946A1; AU2001276442A1; US6854830B2; EP1301269B1; FR2811588B1; CA2415574C

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen thermischen Einspritz- und Dosierungskopf und insbesondere auf einen thermischen Einspritz- und Dosierungskopf, der mindestens eine thermische Einspritz- und Dosierungsvorrichtung mit Düse zum Liefern einer bestimmten Flüssigkeitsmenge umfaßt.
Die Erfindung bezieht sich außerdem auf ein Herstellungsverfahren eines solchen Kopfs.
Die Erfindung betrifft schließlich ein Funktionalisierungs- oder Ansteuerungssystem mit einem solchen Kopf, insbesondere für biologische oder chemische Mikroreaktoren.
Die Erfindung betrifft auf allgemeine Weise das Gebiet von Vorrichtungen, welche es ermöglichen, auf einem Substrat eine Vielzahl von Mikroflüssigkeitströpfchen eines bestimmten Volumens aufzubringen oder diese in Mikrobehälter einzubringen bzw. einzuspritzen.
Solche Flüssigkeitströpfchen können beispielsweise ADN-Lösungen oder immunologische Reaktionsmittel sein, welche auf diese Weise miniaturisierte Reihen oder Matrizen von Tröpfchen oder Probebehältern bilden, die insbesondere bei medizinischen Analysen eingesetzt werden.
Beispielsweise ist bekannt, dass Biochips Vorrichtungen sind, die die parallele Durchführung einer sehr großen Zahl von Bioanalysen gestatten. Das Prinzip besteht darin, in miniaturisierter Form Matrizen von Probe-Mikrobehältern herzustellen.
Jeder Probepunkt ist spezifisch und resultiert aus der Vermischung oder der Assoziierung präziser chemischer und biochemischer Elemente. Diese Gemische oder Zusammenlagerungen können durch verschiedene Verfahren hergestellt werden, die in zwei große Kategorien unterteilt werden können.
Bei der ersten Kategorie dieser Verfahren, der sogenannten Funktionalisierung der Biochips, werden die Bestandteile der Reihe nach eingebracht und die Reaktionen durch Anwenden einer Aktion, welche die Reaktion erleichtert oder hemmt, auf die in Betracht kommenden Mikrobehältern gesteuert.
In der zweiten Kategorie von Funktionalisierungsverfahren von Biochips werden mechanisch Punkt für Punkt die spezifischen Bestandteile in den in Frage kommenden Mikrobehälter eingebracht; diese letztere Kategorie kommt dem Gebiet der Erfindung nahe. Die Verfahren zur Funktionalisierung von Biochips sind einerseits in die sogenannten "in situ"-Verfahren und andererseits in die "ex situ"-Verfahren unterteilt.
Das Hauptverfahren der In-situ-Synthese, d.h. bei der die Synthese beispielsweise einer ADN-Kette direkt am Chip auf einem festen Träger vorgenommen wird, ist das von AFFIMETRIX^®. Dieses Verfahren beruht auf der In-situ-Synthese, d.h. direkt am Chip, von Oligonukleotiden, beispielsweise von ADN-Ketten, mit aus der Photolithographie herrührenden Methoden. Die Oberflächen der Hybridisierungseinheiten (UH), die von einer photolabilen Schutzgruppe modifiziert sind bzw. werden, werden über eine photolithographische Maske beleuchtet. Den UH, die auf diese Weise Lichtstrahlen ausgesetzt sind, wird selektiv ihr Schutz entzogen, und sie können damit anschließend mit der folgenden Nukleinsäure gekoppelt werden. Die Schutzentzug- und Kopplungszyklen werden wiederholt, bis die Gesamtheit der gewünschten Oligonukleotiden erhalten wird.
Weitere EX SITU-Verfahren sind bereits erprobt worden, indem die mikroelektronischen Kapazitäten von Silizium genutzt wurden. Der Chip umfaßt mehrere mikroelektronische Elektroden aus Platin, die am Boden von in Silizium eingearbeiteten Kuvetten angeordnet sind und individuell angesteuert werden. Die Sonden, wie z.B. Oligonukleotide oder ADN-Ketten, werden mit einer Pyrrol- bzw. Amidol-Gruppierung gekoppelt und werden durch ein elektrisches Feld auf die aktivierte Elektrode gerichtet, an der die Copolymerisierung in Gegenwart des freien Pyrrols erfolgt, womit eine elektrochemische Verankerung bzw. Haftung erhalten wird.
Aus den vorangehenden Ausführungen geht hervor, dass die In-situ-Syntheseverfahren, wie z.B. von AFFIMETRIX^®, es ermöglichen, erhöhte Dichten von Hybridisierungseinheiten zu erreichen und vollkommen gesteuerte Techniken einzusetzen, die mit Siliziumträgern kompatibel sind. Ihre Hauptnachteile sind ihre hohen Kosten, welche ihre Anwendung durch kleine Einrichtungen wie Forschungslaboratorien oder medizinische Analyselabors ausschließt, und die Tatsache, dass die schwache Leistung der Photodetektionsreaktion eine starke Redundanz in den auf dem Chip vorhandenen Sequenzen impliziert.
Die Herstellung ist relativ umständlich, insbesondere wegen der photolithographischen Masken, und ist somit vor allem für gezielte Aufgaben mit umfangreichen Anwendungsvolumen geeignet.
Bei den sogenannten "ex situ"-Verfahren, d.h. bei denen die Synthese der ADN-Kette ex situ erfolgt, muß jede Sequenz unabhängig von den anderen vorsynthetisiert und dann auf den Träger aufgebracht werden. Die Prozedur ist langwierig und schließt die Herstellung einer großen Anzahl unterschiedlicher Sequenzen auf ein und demselben Chip aus. Die so hergestellten Chips sind also Chips mit geringen Dichten.
Die zweite Kategorie von Aufbringungsverfahren, die als mechanische Aufbringungsverfahren bezeichnet werden können, ob sie nun ex situ oder in situ stattfinden, ist durch zahlreiche derzeit kommerzialisierte Verfahren repräsentiert, bei denen in einer Matrix angeordnete und beispielsweise pneumatisch betätigte, robotisierte Mikropipetten die Bestandteile – allgemein eine ADN-Fragmente oder Oligonukleotide enthaltende Lösung – entnommen werden können und in der Form präziser Dosen, beispielsweise von Mikrotröpfchen, in Proberöhrchen oder auf miniaturisierten Trägern eingebracht bzw. aufgebracht werden können. Allgemein werden Glasplättchen oder strukturierte Träger, welche in das Material geätzte Mikrobrunnen (micropuits) aufweisen, als Träger verwendet. Es kann auch sukzessive jede der Basen (A, G, C, T) in der gewünschten Reihenfolge auf dem Glasplättchen aufgebracht werden.
Diese herkömmlichen Techniken werden üblicherweise in Matrizen von 96 Punkten angewandt und können noch höhere Dichten erreichen. Die Aufgabe bestünde darin, mit diesen mechanischen Verfahren 10.000 Punkte und mehr zu erreichen, da die Anzahl von parallel durchzuführenden Tests erheblich ist. Die Anzahl von Analysepunkten bzw. Plots kann heute bis zu 8000 auf ein und derselben Platte erreichen.
Die Herstellung von Matrizen von Mikrobehältern ist ein einfaches Problem, das durch mikroelektronische Technologien leicht gelöst wird. Es können hergestellt werden:

– einfache Substrate, welche auf chemischem Weg oder mittels Plasma mikrobearbeitete Matrizen aufweisen. Dichten in der Größenordnung von 10.000 Punkten/cm² sind geläufig, es sind aber auch Dichten von 100.000 Punkten/cm² erreichbar;
– Substrate, die von elektronischen oder elektromechanischen Systemen verwirklicht werden, wie es durch den von der Firma CisBio^® im Handel erhältlichen Chip MICAM gut veranschaulicht ist. Dies ist das Verfahren (ex situ) das vorstehend im ersten Fall veranschaulicht wurde.

Das schwierigste Problem besteht nämlich darin, die Reaktionsmittel, Sonden und andere, spezifisch in jeden Mikrobehälter einzubringen. Mehrere Techniken werden für die Pipettierung verwendet: Aufbringung durch kapillaren "pin and ring"-Kontakt; kontinuierlicher abgelenkter piezoelektrischer "Tintenstrahl" oder "Tröpfchen nach Bedarf" oder aber thermischer Tintenstrahl.
Die Technik von Druckköpfen mit thermischem Tintenstrahl ist weit verbreitet und von großer Zuverlässigkeit.
Auf allgemeine Weise reagiert ein Druckkopf mit thermischem Tintenstrahl, der beispielsweise die Rolle eines thermischen Mikroinjektions-Dosierungsgeräts spielt, gemäß dem oben beschriebenen Funktionsprinzip.
Die auszustoßende Flüssigkeit ist in einen Behälter aufgenommen. Ein Heizwiderstand ermöglicht es, lokal begrenzt die Temperatur in dem Behälter zu erhöhen und die Flüssigkeit im Kontakt mit der Heizzone zu verdampfen. Die so gebildete Gasblase erzeugt einen Überdruck, der ein Tröpfchen vom Behälter nach außen abstößt.
1 veranschaulicht diese Funktion ideal.
Unter der Wirkung des Drucks und der Kapillarkräfte füllt sich die. Düse 1 mit dem Durchmesserr (6) mit Flüssigkeit, die aus einem Behälter 4 kommt. Die Düse wird bis zu einer Tiefe L (2) von einem Heizsystem umgeben, beispielsweise einem Heizwiderstand 5, der durch den Joule-Effekt funktioniert.
Unter der Wirkung der Temperaturerhöhung auf der Ebene (3) und der Verdampfung der flüchtigen Bestandteile der Flüssigkeit wird der obere Teil der Flüssigkeit ausgestoßen, indem sie ein Tröpfchen der Dimension v = π²L bildet, wobei r der Durchmesser (6) der Düse (1) ist und L die Höhe der der Tiefe (2) entsprechenden Flüssigkeitssäule ist.
Die Funktion ist kontinuierlich durchführbar: sie gestattet die Herstellung einer Abfolge von Tröpfchen. Sie funktioniert auch stoßweise (coup à coup). Die Steuerung des Innendurchmessers der Düse und seiner Höhe L ermöglicht es, Tröpfchen in der Größenordnung des Pikoliters mit Injektionsdichten von 10⁵ bis 10²/cm² zu realisieren. Die Dichte der Löcher ist hoch, da keine thermische Interaktion von einem Loch zum anderen stattfindet.
Es bestehen drei Haupttypen von Druckkopfvorrichtungen mit thermischem Tintenstrahl, welche das oben beschriebene Prinzip zur Anwendung bringen und in 1 dargestellt sind.
Die erste dieser Vorrichtungen ist die sogenannte "EDGESHOOTER"-Vorrichtung, bei der zwei Substrate, eines aus Silizium, welches das Heizelement trägt, und eines aus Glas, mittels einer Klebeschicht zusammengefügt sind und durch Photolithographie strukturiert sind. Der Ausstoß der Tröpfchen erfolgt lateral auf der Tranche der Vorrichtung.
Die zweite Vorrichtung ist die sogenannte "SIDESHOOTER"-Vorrichtung, deren Aufbau auf analoge Weise zu der vorangehenden Vorrichtung ein Siliziumsubstrat und eine Klebeschicht aufweist, die aber mit einer Metallschicht überzogen sind, auf der die Düsen ausgebildet sind. Der Ausstoß der Tröpfchen erfolgt gegenüber dem Heizelement.
Die dritte Vorrichtung ist die sogenannte "BACKSHOOTER"-Vorrichtung, bei der der Druckkopf auf der Basis von Siliziumsubstraten mit der Orientierung <110> hergestellt ist.
Die Tinte zuführenden Kanäle sind durch anisotropes Ätzen einer Seite des Substrats hergestellt, während auf der anderen Seite die dünnen Schichten aufgebracht sind, welche die Herstellung der das Heizelement und die elektronischen Teile tragenden Membran ermöglichen. Die Düsen befinden sich im Zentrum der Membran und die Heizelemente sind auf beiden Seiten derselben angeordnet. Die Auflösungen erreichen zwischen 300 dpi (doi per inch) und 600 dpi.
In allen Fällen, d.h. bei allen drei Vorrichtungen ist der Druckkopf aus einer einzigen Zeile gebildet, die nur etwa 50 Düsen von cirka 20 µm × 30 µm umfaßt. Die Geschwindigkeit der Tröpfchen beim Ausstoß variiert von 10 bis 15 m/s.
Solche Vorrichtungen sind beispielsweise in den Dokumenten PCT/DE 91/00364, EP-A-0 530 209, DE-A-42 14 554, DE-A-42 14555 und DE-A-42 14556 beschrieben.
Alle diese Druckkopfvorrichtungen mit thermischem Tintenstrahl, insbesondere in ihrer Anwendung als thermischer Mikroeinspritz-Dosierungskopf haben gemeinsam den Hauptnachteil, erhebliche thermische Verlust aufzuweisen.
Aus diesem Grund ist es nicht möglich, nur Köpfe herzustellen, die lediglich mit einer einzelnen Lochreihe versehen sind und nicht mit einer Matrix. Die Dichten und Auflösungen sind also äußerst ungenügend. Es besteht daher ein Bedarf an einem Einspritz- und Dosierungskopf mit einer thermischen Einspritz- und Dosierungsvorrichtung, die unter anderem nicht diesen Hauptnachteil aufweist.
Außerdem besteht ein Bedarf an einem Einspritz- und Dosierungskopf, der es ermöglicht, Dichten und Auflösungen zu erreichen, die mindestens mit denjenigen äquivalent sind, die in den Aufbringungs- oder Synthesesystemen in situ erreicht werden, wie z.B. bei AFFIMETRIX^®, ohne hingegen die Nachteile aufzuweisen. Kein mechanisches Aufbringungssystem gestattet nämlich derzeit, diese Dichten und Auflösungen zu erreichen.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen Einspritz- und Dosierungskopf mit thermischer Einspritz- und Dosierungsvorrichtung bereitzustellen, der unter anderem den gesamten oben angegebenen Bedürfnissen entspricht.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist außerdem, einen thermischen Einspritz- und Dosierungskopf bereitzustellen, der die Nachteile, Einschränkungen, Mängel und Unzulänglichkeiten von vorbekannten Einspritz- und Dosierungsköpfen nicht aufweist und der die von den vorbekannten Einspritz- und Dosierungsköpfen gestellten Probleme löst.
Diese und weitere Aufgaben werden gemäß der Erfindung durch einen Einspritz- und Dosierungskopf mit mindestens einer thermischen Einspritz- und Dosierungsvorrichtung zum Liefern einer bestimmten Flüssigkeitsmenge gelöst, wobei die Vorrichtung umfaßt:

– ein planes ausgehöhltes Substrat, das einen Flüssigkeitsbehälter bildet und in dieser Reihenfolge mit einer nicht belasteten, isolierenden dielektrischen Membran die einen hohen thermischen Widerstand aufweist, und mit einer geätzten Halbleiterschicht, welche einen Heizwiderstand bildet, bedeckt ist,
– wobei die Membran und die Halbleiterschicht von einer Öffnung durchsetzt sind, die in Fluidverbindung mit dem Flüssigkeitsbehälter steht, eine photolithographische Harzschicht in Form einer Düse auf der Membran, wobei der Kanal der Düse sich in der Verlängerung der Öffnung befindet und das Volumen des Kanals

Gemäß der Erfindung wird die Heizung auf einer isolierenden dielektrischen Membran mit erhöhtem thermischen Widerstand und ohne Einschränkung erstellt, wodurch die thermischen Verluste stark reduziert werden und es folglich möglich ist, einen Kopf einer zweidimensionalen Matrix von Düsen oder Löchern und nicht nur eine einzelne Linie oder Reihe herzustellen.
Mit anderen Worten ermöglicht der Aufbau der Vorrichtung gemäß der Erfindung mit drei Schichten auf dem Substrat, der im Stand der Technik vorher nie erwähnt wurde, auf überraschende und optimale Weise, dass die erzeugte Wärme nur sehr wenig in die Membran diffundiert, deren Wärmewiderstand hoch, ja sogar sehr hoch ist. Dies ist einer der Hauptnachteile der analogen Vorrichtungen nach dem Stand der Technik, nämlich die hohen thermischen Verluste, die eliminiert werden. Die Injektions-Dosierungsvorrichtungen eines Kopfs können nämlich einander angenähert werden und eine Dichte aufweisen, die erheblich über dem Stand der Technik liegt. Die Köpfe gemäß der Erfindung können so zweidimensionale Matrizen von Einspritz-Dosierungsdüsen oder -löchern mit starker Dichte tragen, beispielsweise 10⁴/cm².
Außerdem wird bei der Vorrichtung der Erfindung das zu liefernde Volumen einfach mit hoher Präzision von dem Volumen des Kanals der Düse bestimmt, die auf einfache Weise aus einem photolithographisch behandelten Harz hergestellt wird.
Der Kopf gemäß der Erfindung gestattet es, mit großer Zuverlässigkeit genau definierte Flüssigkeitsmengen an genau festgelegten Punkten mit einer Dichte von beispielsweise 10⁴ bis 10⁵/cm² zu liefern, was bisher mit mechanischen Vorrichtungen vom Typ mit thermischen Mikropipetten niemals erreicht wurde.
Die bestimmte, von der Vorrichtung zu liefernde Flüssigkeitsmenge beträgt allgemein von 1 bis einigen nl und bis zu 100 μl; dies ist der Grund, weswegen allgemein der Begriff "Mikropipette" verwendet wird.
Das Substrat ist allgemein aus monokristallinem Silizium, das eventuell dotiert ist.
Vorteilhafterweise besteht gemäß der Erfindung die nicht belastete, isolierende dielektrische Membran, die einen hohen thermischen Widerstand aufweist, aus einer Schichtung aus zwei Schichten, deren Dicken so sind, dass die (thermo)mechanische Belastung der Schichtung Null ist.
Die Membran kann somit aus der Schichtung in der Reihenfolge einer ersten Schicht aus SiO₂ auf dem Substrat und anschließend einer zweiten Schicht aus SiN_x gebildet sein, wobei x vorzugsweise 1,2 beträgt.
Die Halbleiterschicht kann beispielsweise aus Polysilizium oder polykristallinem, dotiertem Silizium sein. Das Dotierungselement kann vorteilhafterweise Phosphor sein.
Es ist außerdem möglich, eine chemisch und thermisch isolierende Schicht zwischen der den Heizwiderstand bildenden, geätzten Halbleiterschicht und der Schicht aus photolithographisch behandeltem Harz in Form einer Düse vorzusehen.
Vorteilhafterweise umfaßt der Kopf gemäß der Erfindung mehrere der thermischen Einspritz- und Dosierungsvorrichtungen.
Vorzugsweise, wobei dies durch die Struktur der erfindungsgemäßen Vorrichtung ermöglicht ist, sind die Vorrichtungen und folglich die Löcher oder Düsen in Form einer zweidimensionalen Matrix angeordnet.
Wenn der Kopf mehrere thermische Einspritz- und Dosierungsvorrichtungen umfaßt, können diese Vorrichtungen beispielsweise 10² bis 10⁵ für eine Kopfoberfläche von 10 mm² bis 1,5 cm² betragen.
Vorteilhafterweise ist der Kopf gemäß der Erfindung integral auf der Basis eines einzigen Substrats, einer einzigen isolierenden Membran, einer Halbleiterschicht und einer photolithographisch behandelten Harzschicht ausgebildet.
Die Erfindung bezieht sich auch auf ein Herstellungsverfahren eines Einspritz- und Dosierungskopfs gemäß dem Anspruch 1, bei dem die folgenden sukzessiven Schritte ausgeführt werden:

– Herstellung einer Schicht oder einer nicht belasteten, dielektrischen isolierenden Membran, die einen hohen thermischen Widerstand aufweist, auf den beiden Flächen eines planen Substrats,
– Aufbringen auf die isolierenden dielektrischen Schichten einer Halbleiterschicht,
– Herstellen einer lichtempfindlichen Harzstruktur auf der an der Oberseite des Substrats befindlichen Halbleiterschicht, und anschließendes Eliminieren durch Ätzen der von dem Harz nicht geschützten Zonen der Halbleiterschicht, wodurch eine Heizwiderstandstruktur erhalten wird,
– eventuelles Herstellen einer chemischen und thermisch isolierenden Schicht auf der Oberseite des Substrats,
– Einbringen einer Öffnung in die Halbleiterschicht, in die nicht belastete, dielektrische isolierende Membran, die einen hohen thermischen Widerstand aufweist, an der Oberseite des Substrats, und eventuell in die chemisch und thermisch isolierende Schicht,
– Aufbringen einer dicken lichtempfindlichen Harzschicht auf die Oberseite des Substrats und photolithographische Behandlung, um eine Düse in der Verlängerung der Öffnung herzustellen,
– Einbringen von Öffnungen in die dielektrische isolierende Schicht auf der Rückseite des Substrats,
– Ätzen der nicht von der isolierenden dielektrischen Schicht geschützten Zonen der Rückseite des Substrats derart, dass ein Behälter für die auszustoßende Flüssigkeit erzeugt und die Membran freigelegt wird. Das Substrat kann aus monokristallinem, eventuell dotiertem Silizium bestehen.

Vorteilhafterweise ist die isolierende dielektrische Membran durch sukzessives Aufbringen zweier eine Schichtung bildenden Schichten auf das Substrat hergestellt, wobei die Dicken der beiden Schichten derart sind, dass die (thermo)mechanische Beanspruchung der Schichtung Null ist.
Die erste Schicht kann eine SiO₂-Schicht und die zweite Schicht eine SiN_x-Schicht sein.
Die Halbleiterschicht besteht allgemein aus Polysilizium oder vorzugsweise aus mit Phosphor dotiertem, polykristallinem Silizium.
Die Zonen der Halbleiterschicht, die nicht von dem lichtempfindlichen Harz geschützt sind, werden durch ein Plasma-Ätzverfahren eliminiert.
Die Struktur des Heizwiderstands weist allgemein die Form eines Quadrats auf, welches den Ausstoßkopf umgibt, kann aber auch eine beliebige Geometrie aufweisen, die eine lokale, aber ausreichende Temperatursteigerung gestattet. Die chemisch und thermisch isolierende Schicht ist allgemein eine Siliziumoxidschicht vom SOG-Typ (SOG = spin on glass).
Die Öffnung oder das Loch in der eventuellen chemisch und thermisch isolierenden Schicht, in der Halbleiterschicht und in der isolierenden dielektrischen Schicht wird je nach Schicht durch ein chemisches und/oder Plasma-Ätzverfahren hergestellt.
Die Öffnungen der isolierenden dielektrischen Schicht auf der Rückseite des Substrats werden vorzugsweise durch Photolithographie hergestellt.
Die nicht geschützten Zonen der Rückseite des Substrats werden allgemein durch ein chemisches Verfahren geätzt, können aber auch durch Plasma geätzt werden.
Die Erfindung bezieht sich schließlich auf ein Funktionalisierungs- oder Ansteuerungssystem, insbesondere von chemischen oder biochemischen Mikroreaktoren, welche den oben beschriebenen Einspritz- und Dosierungskopf aufweisen.
In solchen Systemen ist die dosierte, eingespritzte Flüssigkeit beispielsweise eine Reaktionsmittellösung wie z.B. Phosphoramiditen, etc. ..
Ein solches System gemäß der Erfindung überwindet die oben erwähnten Schwierigkeiten bei solchen Systemen, ob sie nun vom in "situ"-Typ oder "ex situ"-Typ sind.
Insbesondere weisen die Systeme gemäß der Erfindung, bei denen die Köpfe Matrizen der Einspritzvorrichtung und somit der Düsen umfassen, die folgenden Vorteile auf:

– Möglichkeit der parallelen Funktionalisierung einer großen Anzahl von Hybridisierungseinheiten kleiner Dimensionen (< 100 µm × 100 µm);
– Verwendung des chemischen Wegs und somit Verbesserung der Syntheseleistungen;
– Flexibilität der Vorrichtung, die es gestattet, gewünschte Sequenzen nach Bedarf zu realisieren, ohne Problem der Rentabilitätsschwelle;
– geringe Kosten.

Derzeit ist die Verwendung von Biochips auf einige große Unternehmen beschränkt. Das System gemäß der Erfindung ermöglicht es, diese Anwendung allen möglichen Kunden zu eröffnen.
Die Köpfe und Systeme gemäß der Erfindung können außer in der Genforschung oder den Biochips ihre Anwendung auch in der kombinatorischen Chemie oder der pharmazeutischen Formulierung finden.
Die Erfindung wird nun in der folgenden Beschreibung, die nur veranschaulichend und nicht einschränkend ist, unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen detailliert beschrieben, wobei zeigen:
1 eine schematische Schnittansicht einer idealen theoretischen Vorrichtung einer thermischen Mikroeinspritz- und Dosiereinrichtung,
2 eine schematische Schnittansicht einer thermischen Mikroeinspritz- und Dosiereinrichtung gemäß der Erfindung, und
3 bis 12 schematische Schnittansichten, welche die verschiedenen Schritte des Verfahrens gemäß der Erfindung veranschaulichen.
Die Struktur der thermischen Mikroeinspritz- und Dosiervorrichtung der 2 umfaßt zunächst einen Träger bzw. ein Substrat 11 aus monokristallinem Silizium, wobei es sich vorzugsweise um ein durch ein Element dotiertes monokristallines Silizium handelt, so dass ein chemisches Ätzen des Siliziums insbesondere in Basislösungen möglich ist.
Das dotierende Element kann also beispielsweise aus Bor und Phosphor ausgewählt werden.
Auf dem Träger befindet sich eine Membran, die aus einer ersten Isolierschicht aus SiO₂ (22) und einer zweiten Schicht aus SiN_x (23) gebildet ist, wobei x = 1,2. Die relativen Dicken jeder dieser Isolierschichten werden so gesteuert, dass nur eine sehr geringe, vorzugsweise überhaupt keine mechanische Restbelastung bei dem Träger aus monokristallinem Silizium besteht. Außerdem ist die Dicke der Schicht aus SiN_X vorzugsweise so, dass die mechanische Restbelastung, die aus der Schichtung dieser zwei Schichten entsteht, theoretisch Null ist.
Die Dicke der Schicht aus SiO₂ beträgt allgemein 0,8 bis 1,6 µm, während die Dicke der Schicht aus SiN_x allgemein 0,2 bis 0,9 µm beträgt.
In diese Membran ist ein Loch 24 kleiner Dimensionen eingebracht. Dieses Loch ist allgemein kreisförmig mit einem Durchmesser von beispielsweise 5 bis 50 Mikron.
Die Membran trägt einen integrierten Heizwiderstand 25, der allgemein aus stark dotiertem, polykristallinem Silizium hergestellt ist, so dass er einen spezifischen elektrischen Widerstand erreicht, der so gering wie möglich ist.
Das dotierende Element dieses polykristallinen Siliziums wird beispielsweise unter Phosphor und Bor mit einem Gehalt von 10¹⁹ bis 10²⁰ at/cm³ ausgewählt.
Ein solcher Heizwiderstand kann lokal bis zu hohen Temperaturen aufheizen, die mehrere 100 Grad erreichen können, beispielsweise von 40 bis 500°C.
Der Heizwiderstand ist thermisch und chemisch vorzugsweise durch eine Siliziumoxidschicht 26 isoliert, beispielsweise eine Siliziumoxidschicht vom "spin on glass"-Typ (durch Rotation aufgebracht).
Eine Düse wird auf die Schicht aus isolierendem Siliziumoxid aufgebracht, wobei diese Düse 27 allgemein aufgrund des eingesetzten Herstellungsverfahrens aus einem lichtempfindlichen Harz, wie z.B. dem Harz SV8 (CIPEC^®), hergestellt ist.
Der Kanal 28 der Düse 27 verlängert das in die Membran und die Isolierschicht, beispielsweise aus Siliziumoxid, eingebrachte Loch.
Das Herstellungsverfahren gemäß der Erfindung umfaßt die folgenden Schritte, die in den 3 bis 12 veranschaulicht sind:

1. Das Substrat oder der Träger der Düse 21 ist ein doppelseitig poliertes Siliziumplättchen, das beispielsweise eine Dicke von 350 bis 500 µm aufweist und dessen Abmessungen 10 bis 15 cm betragen. Die Dimensionen des Plättchens ermöglichen die Herstellung von 50 bis 1000 thermischen Mikroeinspritz- und Dosierelementen. Wie bereits weiter oben angegeben wurde, handelt es sich um einen monokristallinen Siliziumträger, der vorzugsweise durch ein Element dotiert ist, so dass das chemische Ätzen des dotierten Siliziums, insbesondere in Basislösungen vom KOH-Typ oder TMAH-Typ möglich ist. Das dotierende Element kann somit unter Bor oder Phosphor mit einem Gehalt von beispielsweise 1016 bis 1018 at/cm³ ausgewählt werden.
2. Auf den beiden Seiten des Plättchens wird eine Siliziumoxidschicht 22 mit einer Dicke von beispielsweise 0,8 bis 1,6 µm aufgebracht (3). Die Oxidschicht 22 wird durch direkte Silizium-Oxidation allgemein bei einer Temperatur von 1150°C erhalten.
3. Eine SiN_x-Schicht (23) wird anschließend auf die beiden Flächen des Plättchens aufgebracht (4). In der Formel SiN_x stellt x eine reale Zahl x = 1,2 dar. Die Dicke dieser Schicht ist so, dass die aus der Aufeinanderschichtung der SiO₂-Schicht und der SiNx-Schicht resultierende mechanische Restbelastung theoretisch Null ist. So beträgt die Dicke der SiN_x-Schicht allgemein 0,2 bis 0,9 µm.
Die Aufbringung wird allgemein durch eine Aufbringungstechnik in Dampfphase realisiert.
Die SiO₂- und SiN_x-Schichten, die auf der Rückseite des Siliziumplättchens vorhanden sind, dienen am Ende des Herstellungsverfahrens als Abdeckschichten beim chemischen Ätzvorgang für die Freilegung der Membran.
4. Anschließend wird eine Polysiliziumschicht oder eine Schicht aus polykristallinem Silizium 25 ebenso auf die beiden Seiten des Plättchens aufgebracht (5). Die Dicke dieser Schicht beträgt allgemein 0,5 bis 1,5 µm. Die Aufbringung erfolgt allgemein durch eine Aufbringungstechnik in Dampfphase. Diese Schicht 25 wird anschließend beispielsweise durch Diffusion von Phosphor dotiert, um so einen geringstmöglichen spezifischen elektrischen Widerstand zu erreichen. Der Gehalt an Dotiermittel wie z.B. Phosphor der Polysiliziumschicht 25 beträgt allgemein 10¹⁹ bis 10²⁰ at/cm³. Der Dotiervorgang durch Diffusion wird allgemein unter den folgenden Bedingungen ausgeführt: T = 950°C während 25 min.
5. Die beim Schritt 4 aufgebrachte Polysiliziumschicht wird mit einem lichtempfindlichen Harz 29 gemäß einer quadratischen Struktur und in einer Dicke von beispielsweise 1 bis 3 µm überzogen. Dieses lichtempfindliche Harz wird beispielsweise unter den Harzen CLARIANT ausgewählt. Die Aufbringung des lichtempfindlichen Harzes 29 erfolgt allgemein mittels einer Aufbringungstechnik durch Zentrifugieren. Das lichtempfindliche Harz 29 wird selektiv durch eine Photolithographietechnik geätzt. Die von dem Harz nicht geschützten Polysiliziumzonen werden durch Plasmaätzen eliminiert.
Die so gebildete Struktur gestattet es, einen Heizwiderstand im wesentlichen in Form eines Ringes herzustellen (6 und 7).
6. Der Widerstand aus Polysilizium wird beispielsweise mit einer Siliziumoxidschicht vom "spin on glass"-Typ 26 mit einer allgemeinen Dicke von 100 bis 200 nm überzogen, um elektrisch und chemisch gegenüber der äußeren Umgebung geschützt zu sein (8).
7. Ein Loc 24, welches das Ausstoßloch, wir in der Mitte des Heizwiderstands durch chemisches Ätzen hergestellt, beispielsweise in einer HF-Lösung von Siliziumoxid ("spin on glass"), anschließendem Plasmaätzen des SiN_x und neuerlichem chemischen Ätzen durch HF der Siliziumoxidschicht (9). Dieses Loch 24 hat allgemein eine Kreisform mit einem Durchmesser von 5 bis 50 µm.
8. Eine dicke Schicht aus lichtempfindlichen Harz 27 basiert auf der "sein on glass"-Siliziumoxidschicht 26. Unter dicker Schicht ist allgemein eine Dicke von 1 µm bis 100 µm zu verstehen. Das lichtempfindliche Harz ist im allgemeinen das Harz SV8 von CITEC^®, und die Aufbringungstechnik ist eine Aufbringung durch Zentrifugieren. Anschließend an die Aufbringung wird die Harzschicht photolithographisch behandelt, um die Kanäle 28 der das Einspritzloch bzw. die Einspritzmündung umgebenden Düsen herzustellen (10).
9. Öffnungen 31 werden in den auf der Rückseite vorhandenen SiO₂- und SiN_x-Schichten durch ein photolithographisches Verfahren hergestellt, das vorstehend bereits dargestellt wurde (11).
10. Der chemische Ätzvorgang, beispielsweise in einer KOH- oder TMAH-Lösung der von der doppelten SiO₂/SiN_x-Schicht nicht geschützten Zonen ermöglicht es einerseits, den Behälter 32 in das Siliziumsubstrat einzubringen, welches die einzuspritzende Flüssigkeit aufnimmt, und andererseits die die Heizvorrichtung und die Ausstoßdüse tragende Membran freizulegen (12).

Claims

Einspritz- und Dosierungskopf mit mindestens eine r thermischen Einspritz- und Dosierungsvorrichtung zum Liefern einer bestimmten Flüssigkeitsmenge, wobei die Vorrichtung umfaßt – ein planes ausgehöhltes Substrat (21), das einen Flüssigkeitsbehälter bildet und in dieser Reihenfolge mit einer nicht belasteten, isolierenden dielektrischen Membran (22,23), die einen hohen thermischen Widerstand aufweist, und mit einer geätzten Halbleiterschicht, welche einen Heizwiderstand (25) bildet, bedeckt ist, – wobei die Membran und die Halbleiterschicht von einer Öffnung (24) durchsetzt sind, die in Fluidverbindung mit dem Flüssigkeitsbehälter steht, eine photolithographische Harzschicht in Form einer Düse (27) auf der Membran, wobei der Kanal (28) der Düse sich in der Verlängerung der Öffnung befindet und das Volumen des Kanals eine Steuerung der bestimmten zu liefernden Flüssigkeitsmenge gestattet.
Einspritz- und Dosierungskopf nach Anspruch 1, wobei die bestimmte Flüssigkeitsmenge von 1 nl bis 100 μl beträgt.
Einspritz- und Dosierungskopf nach einem der Ansprüche 1 oder 2, wobei das Substrat aus eventuell dotiertem monokristallinem Silicium besteht.
Einspritz- und Dosierungskopf nach einem der Ansprüche 1 oder 2, wobei die isolierende dielektrische Membran, die keiner hohen Wärmebeanspruchung unterliegt, aus einer Schichtung zweier Schichten gebildet ist, deren Dicken derart sind, dass die (thermo)mechanische Beanspruchung der Schichtung Null ist.
Kopf nach Anspruch 4, wobei die Membran durch die Schichtung in der Reihenfolge einer ersten Schicht aus SiO₂ auf dem Substrat und dann einer zweiten Schicht aus SiN_x, mit vorzugsweise x = 1,2, gebildet ist.
Kopf nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei die Halbleiterschicht aus Polysilicium oder dotiertem polykristallinem Silicium ist.
Kopf nach Anspruch 6, wobei das Polysilicium oder polykristalline Silicium mit Phosphor dotiert ist.
Kopf nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei außerdem eine chemisch und thermisch isolierende Schicht zwischen der geätzten Halbleiterschicht und der photolithographischen Harzschicht in Düsenform vorgesehen ist.
Kopf nach einem der Ansprüche 1 bis 8, mit mehreren thermischen Einspritz- und Dosierungsvorrichtungen.
Kopf nach Anspruch 9, wobei die Vorrichtungen in Form einer zweidimensionalen Matrix angeordnet sind.
Kopf nach einem der Ansprüche 9 oder 10, mit 10² bis 10⁵ Einspritzvorrichtungen.
Kopf nach einem der Ansprüche 9 bis 11, wobei der Kopf integral aus einem einzigen Substrat, einer einzigen isolierenden Membran, einer Halbleiterschicht, einer chemisch oder eventuell thermisch isolierenden Schicht und einer photolithographischen Schicht gebildet ist.
Verfahren zur Herstellung eines Einspritz- und Dosierungskopfs nach Anspruch 1, bei dem die folgenden sukzessiven Schritte ausgeführt werden: – Herstellung einer Schicht oder dielektrischen isolierenden Membran, die keiner hohen Wärmebeanspruchung unterliegt, auf den beiden Flächen eines planen Substrats, – Aufbringen einer Halbleiterschicht auf die isolierenden dielektrischen Schichten, – Herstellen einer lichtempfindlichen Harzstruktur auf der an der Oberseite des Substrats befindlichen Halbleiterschicht, und anschließendes Eliminieren der von dem Harz nicht geschützten Zonen der Halbleiterschicht durch Ätzen, wodurch man eine Heizwiderstandstruktur erhält, – eventuelles Herstellen einer chemischen und thermisch isolierenden Schicht auf der Oberseite des Substrats, – Einbringen einer Öffnung in die Halbleiterschicht, in die isolierende dielektrische Schicht, die keiner hohen Wärmebeanspruchung unterliegt, an der Oberseite des Substrats, und eventuell in die chemisch und thermisch isolierende Schicht, – Aufbringen einer dicken lichtempfindlichen Harzschicht auf die Oberseite des Substrats, und photolithographische Behandlung, um eine Düse in der Verlängerung der Öffnung herzustellen, – Einbringen von Öffnungen in die dielektrische isolierende Schicht auf der Rückseite des Substrats, – Ätzen der nicht von der dielektrischen isolierenden Schicht geschützten Zonen der Rückseite des Substrats derart, dass ein Behälter für die auszustoßende Flüssigkeit erzeugt und die Membran freigelegt wird.
Verfahren nach Anspruch 13, wobei das Substrat aus monokristallinem, eventuell dotiertem Silicium besteht.
Verfahren nach Anspruch 13, wobei die isolierende dielektrische Membran durch sukzessives Aufbringen zweier eine Schichtung bildenden Schichten auf das Substrat hergestellt wird, wobei die Dicken der beiden Schichten derart sind, dass die (thermo)mechanische Beanspruchung der Schichtung Null ist.
Verfahren nach Anspruch 15, wobei die erste Schicht der Schichtung eine SiO₂-Schicht und die zweite Schicht eine SiN_x-Schicht ist.
Verfahren nach Anspruch 13, wobei die Halbleiterschicht aus Polysilicium oder polykristallinem dotiertem Silicium besteht.
Verfahren nach Anspruch 13, wobei die Zonen der Halbleiterschicht, die nicht von dem lichtempfindlichen Harz geschützt sind, durch ein Plasma-Ätzverfahren eliminiert werden.
Verfahren nach Anspruch 13, wobei die Öffnung in der eventuellen chemisch und thermisch isolierenden Schicht, in der Halbleiterschicht und in der isolierenden dielektrischen Schicht durch ein chemisches und/oder Plasma-Ätzverfahren je nach der Schicht hergestellt wird.
Verfahren nach Anspruch 13, wobei die Öffnungen der isolierenden dielektrischen Schicht auf der Rückseite des Substrats durch Photolithographie hergestellt werden.
Verfahren nach Anspruch 13, wobei die nicht geschützten Zonen der Rückseite des Substrats durch ein chemisches Verfahren geätzt werden.
System zur Funktionalisierung oder Adressierung insbesondere von chemischen oder biochemischen Mikroreaktoren mit dem Einspritz- und Dosierungskopf gemäß einem der Ansprüche 1 bis 12.
Anwendung des Kopfs gemäß einem der Ansprüche 1 bis 12 oder des Systems gemäß Anspruch 22 bei Techniken, die Biochips, die Gentechnik, die kombinatorische Chemie oder die pharmazeutische Formulierung einsetzen.