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Dokumentenidentifikation DE3818614C2 13.06.1991
Titel Verfahren zur Herstellung von Mikrostrukturen
Anmelder Messerschmitt-Bölkow-Blohm GmbH, 8012 Ottobrunn, DE
Erfinder Kroy, Walter, Dipl.-Phys. Dr., 8012 Ottobrunn, DE;
Seidel, Helmut, Dipl.-Phys. Dr., 8130 Starnberg, DE;
Dette, Eduard, Dipl.-Ing., 8152 Vagen, DE
DE-Anmeldedatum 01.06.1988
DE-Aktenzeichen 3818614
Offenlegungstag 07.12.1989
Veröffentlichungstag der Patenterteilung 13.06.1991
Veröffentlichungstag im Patentblatt 13.06.1991
IPC-Hauptklasse B65D 85/50
IPC-Nebenklasse B65D 1/00   C12M 1/00   C12M 3/00   

Beschreibung[de]

In der Biotechnologie, insbesondere Biogenetik, Gentechnik, Zellforschung für die Pharmazie, die Heilung und Erforschung bisher insbesondere unheilbarer Krankheiten, aber auch in der Agrarforschung, um neue Nahrungsquellen und Energiequellen zu erschließen und die Umwelt wieder herzustellen, besteht die große Aufgabe eines sicheren, kontrollierten Umgangs und der Verwahrung benötigter Substanzen, insbesondere wenn diese eine Gefahr für die Umwelt bilden können.

Um diese Aufgaben für die menschliche Gesellschaft sozialverträglich zu lösen, ist absolute Sicherheit beim Hantieren mit Substanzmengen, wenn sie auch noch so klein sind, nötig.

Es sind Behälter für Zwecke der Medizin u. a. nach der DE-OS 27 14 232 bekannt, die in einem Kunststoffträger durch Tiefziehen hergestellt sind. Für besonders kleine Probenmengen und besonders sichere Verwahrung von kritischen Substanzen sind die bekannten Behältnisse nicht verwendbar.

Aufgabe der Erfindung ist es, das bekannte Verfahren des Ätzens mit Hilfe abdeckender Masken so weiterzubilden, daß sich hermetisch dicht abgeschlossene Mikrobehältnisse aus Halbleitermaterial herstellen lassen.

Gelöst wird diese Aufgabe durch eine Mikrostruktur hergestellt gemäß Patentanspruch 1, die den Vorteil aufweist, daß sie in großen Stückzahlen kostengünstig hergestellt werden kann. Sie ermöglicht eine sichere Aufbewahrung einer Vielzahl von Proben. Die matrixförmige Anordnung der Mikrokavitäten zueinander gestattet ein rechnergesteuertes Einfüllen von Substanzen, sowie deren gezielte Mischung und Untersuchung. Die einzelnen Behälter bestehen aus Inertmaterial. Die Behälter sind zuverlässig verschließbar und werden mit Vorteil auf Dauer nicht verändert.

Aus- und Weiterbildungen der Erfindung sind weiteren Ansprüchen sowie der Beschreibung und Zeichnung eines Ausführungsbeispiels zu entnehmen.

Auch Kombinationen dieser Merkmale gehören zur Erfindung. In der Zeichnung zeigen:

Fig. 1 eine Struktur mit einer einzelnen Mikrokavität und einer bestimmten Oberflächenorientierung des kristallinen Materials;

Fig. 2 eine Abwandlung von Fig. 1;

Fig. 3 eine Struktur aus kristallinem Material;

Fig. 4 eine Struktur in Abwandlung zu Fig. 3;

Fig. 5 eine Struktur in konstruktiver Abwandlung zu Fig. 1.

Wie Fig. 1 zeigt, besteht die Struktur aus Blockwänden mit einer, bevorzugt mehreren Kavitäten 2 darin, zur Aufnahme kleiner Substanzmengen, und der Block 1 ist abgeschlossen von einem Deckel 3. Block 1 und Deckel 3 sind aus kristallinem Material, wie Halbleitermaterial. Ebenso wird zum erfindungsgemäßen Verschluß des Behälters mit einer zweiten Maske ein Gegenstück erzeugt = Deckel 3, der zu den Vertiefungen 2 korrespondierende Erhebungen 4 aufweist, da die Masken geometrisch identisch sind. Diese Maskentechnik erlaubt eine hohe Präzision bei der Herstellung; sie ist an sich aus der Halbleitertechnik bekannt.

Bei Anwendung der genannten Technik ist hier wichtig, ein kristallrichtungsabhängiges anisotropes Ätzverfahren anzuwenden, weil sich dadurch, unter Ausnutzung der selbstbegrenzenden Wirkung von (111) Kristallebenen, Vertiefungen/Erhebungen mit hoher geometrischer Präzision und sehr engen Toleranzen realisieren lassen. Die Struktur nach Fig. 1 kann aus (100) Silizium hergestellt werden, wobei die seitlich begrenzenden (111) Ebenen einen Winkel von 54,7° zur Scheibenoberfläche aufweisen.

Bei Anwendung ähnlicher Materialien wie in Anspruch 2 genannt muß die Ätztechnik entsprechend angepaßt werden.

Der Deckel 3 kann mit einer Erhebung 4 versehen werden, die die gleiche 54,7°-Neigung zur Kristalloberfläche aufweist wie der Block 1 im Bereich 2 und dadurch einwandfrei dicht abschließt. Das gilt auch dann, wenn der Deckel eine Vielzahl von Erhebungen, und der Block 1 eine Vielzahl von Vertiefungen 2 aufweist. Sollte die Paßgenauigkeit, der in einem bestimmten Ätzverfahren hergestellten Erhebungen und Vertiefungen an Deckel 3 und Block 1 für einzelne Anwendungen von besonders gefährlichen Substanzen nicht ausreichen, wird zusätzlich eine umlaufende Dichtung verwendet.

Fig. 5 zeigt eine Ausführung, die ihrerseits mit der 54,7°-Schräge der Erhebung 4 des Deckels korrespondiert und mit einer weiteren Schräge einen Verschluß bilden. Außerdem können u. U. zusätzlich Klebstoffe oder andere Verbindungstechniken zur Erhöhung der Dichtheit angewandt werden. Insbesondere kann auch ein Laserstrahl im Naht-Schweißverfahren am umlaufenden Rand des Deckels zur Außen-Abdichtung angewandt werden. Eine Vielzahl von Kavitäten 2 ist, nach Größe, Ausbildung und Verteilung im Block 1 und 3 nicht beschränkt, darin unterzubringen, nicht nur eine einzelne Kavität.

Die Kavitäten 2 (und die Erhebungen 4) können insbesondere quadrat-, rechteck-, kreisförmig, oval oder rautenförmig sein. Sie können sich nach unten hin verjüngen oder erweitern - vergleiche Fig. 1 und Fig. 2 oder gleichen Querschnitt behalten (siehe Fig. 4), u. U. durch zusätzliche Nachbearbeitung (mittels Laserstrahl).

Eine zusätzliche Schicht oder Platte 5 kann als Träger oder Zwischenträger (wieder entfernbar) mit Vorteil aus gleichem Material, z. B. Silizium o. ä., als Boden des Behälters, ebenfalls hermetisch dicht abschließbar dienen.

Die Kavitäten 2 sind in ihrer Vielzahl vorteilhaft nach einem matrixbildenden Rastermaß über die Oberfläche des Kristalls verteilt angeordnet in X- und Y-Richtung, so daß sie mittels automatischer Probesubstanzfüll- oder -Entnahmeorgane bzw. Probenehmer abrasterbar sind nach vorgegebenen Programm wie in bekannten Analyseautomaten (SILAB - Siemens-Laborautomat) oder Handhabungsautomaten, Robotern für medizinische und andere Forschungszwecke.

Das Material des Blocks 1, 3 muß in jedem Fall inert sein gegenüber der Substanz, die untersucht, behandelt, verdünnt, gemischt o. a. zu einer Reaktion gebracht werden soll oder auf ihr Ausbleiben getestet wird.

Auch als reiner Lagerbehälter ist die aus Blöcken hergestellte Struktur der Erfindung brauchbar. Anschlüsse, Leitungen, Bohrungen, Sensoren, Lichtwellenleiter u. a. sind ein- oder anbringbar in gewünschter Weise, ebenso können Durchleuchtungen (X-ray, IR-, UV-Licht-, γ-Bestrahlungen), Brutbehandlungen u. a. Behandlungen mit dem Behälter erfolgen.

Diese Blöcke können mit Vorteil auf einer Trägerfläche zusammengesetzt sein. Auch SiO2-Glas (Quarzglas) oder Siliziumkeramiken sind als Schicht- oder Plattenkörper 5 wenigstens für einen Teil anwendbar. Deckel oder Boden können u. U. auch durch Folien, Bänder einschließlich Kunststoff ersetzt werden, zumindest vorübergehend (zeitweise), wenn hermetisch dicht verschließbar oder wieder verschließbar, z. B. wenn vorher von einer Hohlnadel durchstochen.

Die Maskentechnik kann auch im Zusammenhang mit anderen bekannten Dünn- oder Dickschichttechniken, z. B. für die Erhebungen 4 im Deckel oder Boden angewandt werden oder für Verbindungs- oder Deckschichten (z. B. opt. durch- oder undurchlässig) oder z. B. als Heizschicht oder Wärmesenke oder in Verbindung mit einem Feld-Effekt-Transistor o. a. (Halbleiter-)Bauelement.

Auch andere als vorbeschriebene Anwendungen für Forschungszwecke sind bei der Erfindung möglich.

Die Mikrostrukturen sind auch dadurch herstellbar, daß zusätzlich zu den beiden Blöcken 1, 3 eine Schicht oder ein plattenförmiger Körper mit wenigstens einem der Blöcke 1, 3 verbindbar ist, wobei der zusätzliche schicht- oder plattenförmige Körper aus einem Glas, einer Keramik oder Kunststoff in Form eines Trägers, einer Folie, einem Band oder dgl. besteht und zumindest vorübergehend (zeitweise) in einem der Blöcke 1, 3 hermetisch dicht verbindbar ist. Die Mikrostruktur ist zusätzlich außen (umlaufend) hermetisch dicht verschlossen und das Halbleitermaterial ist gegenüber einer in der Mikrokavität 2 aufzunehmenden Substanz (Probe) inert. Die Mikrostruktur ist ggf. für bestimmte Strahlung durchlässig und weist Anschlüsse für die Substanz (Probe) selbst oder deren Behandlung, Mischung und Untersuchung auf und wird als Lagerbehälter oder Laborbehälter für Substanzen (Proben) für medizinische u. a. Forschungszwecke verwendet.


Anspruch[de]
  1. 1. Verfahren zum Herstellen von Mikrostrukturen, bei dem mittels abdeckender Masken durch Ätzen der freibleibenden Oberflächenbereiche die angestrebten Strukturen erzeugt werden, dadurch gekennzeichnet, daß
    1. - in einem Block (1) aus kristallinem Halbleitermaterial wenigstens eine Mikrokavität (2) durch kristallrichtungsabhängiges, anisotropes Ätzen eingebracht wird
    2. - und daß in einem zweiten Block (3) aus dem gleichen Material mit Hilfe einer geometrisch exakt entsprechenden Maske auf die gleiche Weise wenigstens ein Oberflächenbereich so hergestellt wird, daß sich ein genau schließender Deckel mit Erhebungen (4) für die Mikrokavität (2) ergibt.
  2. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das kristalline Halbleitermaterial Silizium oder Galliumarsenid ist.
  3. 3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in den jeweiligen Block (1, 3) eine Vielzahl von Mikrokavitäten (2) vorbestimmter Form, Größe, Anordnung und Verteilung eingebracht werden.
  4. 4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Mikrokavitäten (2) matrixförmig (X-Y) in den Blöcken (1, 3) angeordnet werden.






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