在载体上形成亲水表面或表面区域的方法与流程

在载体上形成亲水表面或表面区域的方法
1.本发明涉及在载体的一个或多个硅表面上产生亲水表面或表面区域的方法以及可根据该方法制造的载体。
2.现有技术例如在用于芯片实验室应用的硅微阵列芯片的情况下，通常需要高度亲水的硅表面，其使得水性介质能够尽可能好地润湿或填充载体的结构。例如，这种硅微阵列可以包括被蚀刻在硅芯片中的小的所谓的沟槽单元的布置。特别是可以通过反应性离子蚀刻到硅晶体中的这些沟槽单元在微阵列内形成隔室，在所述隔室中各自反应可以相互独立地发生。例如，可以设置所述隔室用于进行一种或多种pcr反应。为此，载体的硅表面或特别是各个沟槽单元通过合适的方式被官能化。取决于应用，特别是硅芯片的个别表面或全部表面的疏水和/或疏油设计可能是必要的。这可以例如以排斥水性（和油性）溶液的氟化（光刻）漆表面的形式实施。这样氟化的漆表面因此是疏水和疏油的，但对碳氟化合物例如 fc-40或 fc-77 具有很高的吸引力，因此在微阵列的工作流程中可以用碳氟化合物覆盖并良好地彼此隔离沟槽单元。相反，沟槽单元本身的内部应该是高度亲水的，以便尽可能好地吸引水溶液，以使得例如用聚乙二醇、水性介质或类似物质以及实际的“生物内容物”，例如特定的pcr引物和/或酶的点样（bespotten）可以可靠地在水溶液中、在预处理中或在实验室芯片工作流程中在水相中填充例如 pcr预混物/洗出液时进行。
3.在载体的制造过程中或之后，沟槽单元或通常微阵列内的区域和/或隔室的亲水化不是没有问题的。例如，已知通过首先使用cf4-等离子体对硅表面进行氟化来使沟槽单元亲水化。这种氟化也常用于通过用氟自由基取代质子将硅载体上所得的漆表面转化为类似特氟隆的材料。在聚合物的情况下，表面的这种氟化是不可逆的，即已经并入聚合物结构中的氟原子甚至通过随后的聚合物表面润湿也没有被取代。相反，氟化硅表面上的水或水分或空气水分随后将氟基团替换为oh基团并提供基本上亲水的硅表面。但该方法在硅表面留下氟或hf（氟化氢），其与硅表面结合，以使得亲水化不完美，并且载体表面也并非完全不含异物。
4.在另一种方法中，硅表面通过所谓的o
2-等离子体剥离器（plasmastripper）中的氧等离子体通过氧化和随后与水分或空气水分接触而被亲水化。然而，这种方法的缺点是氧化反应所需的来自o
2-等离子体的氧自由基的寿命很短，因此只有短的扩散有效范围，尤其在具有深度与直径的高纵横比的沟槽中。因此，例如无法良好地到达沟槽单元中处于较深的硅区域。此外，较长的o
2-等离子体过程导致先前产生的类似特氟隆的芯片表面可能再次氧化，因此再次失去所需的疏水（和/或疏油）特性。使用臭氧气体（o3）也会对漆表面产生类似的破坏作用，并且以不希望的方式氧化或甚至剥除疏水（和/或疏油）表面漆。
5.此外，已知使用起强氧化作用的化学品，例如浓硫酸和过氧化氢的混合物（“piranha clean”）、红色发烟硝酸、盐酸/过氧化氢/水混合物或氨/过氧化氢/水混合物。原则上，这些化学品也可能损坏漆表面或使其氧化和/或导致从芯片表面脱落。此外，难以将这些化学品引入最初仍疏水的沟槽单元的内部，因此始终仍需要用于使表面，尤其沟槽单元的内表面，尤其具有高纵横比（深度:直径）的沟槽单元，尤其在具有硅表面的结构化载
体的情况下进行亲水化的有效方法。
6.发明公开本发明的优点所提出的方法用于在载体的一个或多个硅表面上产生亲水表面或表面区域。在此，通过加热过氧化氢水溶液而在反应器中产生过氧化氢的蒸气相。将所述具有一个或多个硅表面的载体引入蒸气相或暴露于蒸气相。这导致硅表面的有效亲水化。因此，所提出的方法使得能够例如使沟槽单元的内部或暴露的硅表面完美地亲水化。任选存在的漆表面由此不受损坏，尤其是不会被剥除或氧化。特别地，例如在类似特氟隆的表面层的意义上的氟化漆表面不受侵蚀、损坏或氧化，因此这些表面不受限制地保持由于先前的特氟隆化引起的高度显著的疏水和疏油行为。另一方面，通过所提出的方法实现暴露硅表面上的极其亲水化程度。因此特别地，沟槽单元可以特别有利的方式亲水化，以形成对水溶液或例如含peg的溶液或peg（peg-聚乙二醇）的高亲和力，这例如对于通过pcr反应的应用等是必需的。通过所提出的方法，具有硅表面的载体（例如硅晶片）（其例如被设置为芯片实验室环境中的pcr 应用的微阵列）因此可以通过过氧化氢蒸气的作用而非常有效地亲水化。
7.可以例如使用本身已知的接触角测量方法来检查可用所提出的方法产生的亲水表面，其中将水滴施加到要检查的表面上并且表征和测量其行为。发明人能够表明，使用所提出的方法亲水化的表面在该接触角测量方法中产生约0
°
，例如《0.5
°
的测量值。与通常达到5
°
至10
°
的测量值的常规技术相比，这是硅表面亲水化的明显改进。
8.在该方法的一个特别有利的实施方式中，将载体加热到高于经加热的过氧化氢溶液的温度的温度。载体的温度优选比经加热的过氧化氢溶液的温度高1-10℃，特别优选1-5℃。例如，相对于经加热的过氧化氢溶液高 3℃的载体温度就足够且有效。为了实施该方法，使过氧化氢水溶液在反应器中达到高温，以在反应器中产生足够的蒸气相。要处理的载体可以在加热过氧化氢溶液之前、之后或过程中引入反应器中。通过加热有利地调节反应器中的载体温度，以使得其高于，特别是略高于过氧化氢溶液或蒸气相的温度。由此确保了载体表面上不发生冷凝。在此，亲水化过程在一定程度上是半干法过程，其中特别是在载体或微阵列的隔室或沟槽单元的内部也实现硅表面的优异亲水化结果。这导致随后用水性介质填充微阵列时的明显改进。在该半干法过程中，载体表面和例如沟槽单元不变湿或不被液滴润湿。这例如对于随后应被亲水化的载体的自支撑的细丝结构（mems结构-微机电系统）而言是非常有利的。因此，总体而言，所提出的方法不仅可以有利地用于芯片实验室应用，而且通常也代表硅表面微观力学中的工艺谱系的扩展。
9.优选将过氧化氢溶液加热至30℃至90℃，特别是40℃至60℃，优选45℃的温度。在此，过氧化氢溶液的温度被选择得越低，过氧化氢溶液的长期稳定性越高。随着溶液温度的升高，长期稳定性逐渐降低。因此，在90℃的上限时，人们预料到溶液的稳定性低于 60℃或45℃ 或 30℃时，但也受益于蒸气混合物对所有类型的杂质的侵蚀性明显增加和亲水化作用增加，这一方面是由于根据阿伦尼乌斯定律的较高化学侵蚀性，另一方面是由于较高的蒸气压和因此蒸气相中反应性过氧化氢物类的较高密度。从这个意义上说，在此存在一方面在尽可能高温度下的所需侵蚀性和清洁效果和亲水化速度与另一方面在尽可能低温度下的所需长期稳定性之间的相反依赖性。
10.所述过氧化氢溶液可以是例如5-85％浓度的水溶液。特别优选的是以“perhydrol”为名可商购且可便宜获得的30％浓度的溶液。原则上，也可以使用较高百分比的过氧化氢溶液，例如85％浓度的过氧化氢溶液，其如通常用作例如火箭动力中的氧化剂。然而，在这种较高度浓缩的溶液的情况下，必须考虑到浓缩混合物的增大危险。由于使用30％浓度的溶液也已实现非常好的结果，这种溶液是特别优选的，因为其操作是基本上不危险的，并且其作为标准混合物可以便宜获得。
11.为了实施该方法，将要处理的载体表面引入具有过氧化氢溶液的蒸气相的反应器中，或在产生蒸气相过程中已经存在于其中。在此特别优选的是，要处理的表面向下取向（“面朝下”），以使得要处理的表面以特别有效的方式与蒸气相接触。原则上，也可以将载体以不同的方向引入反应器中。为此，可以特别有利地使用本身已知的反应器，其如例如从de 197 04 454 a1中关于牺牲层蚀刻技术中硅衬底的氟化氢蒸气蚀刻已知。为了加热过氧化氢溶液，可以在反应器的壁中设置常规的加热装置。为了加热载体，例如可以在反应器中设置盖子加热器。在此，该载体可以悬挂或夹在盖子的相应支架中，然后将具有盖子加热器的盖子安置到反应器上。可以使用常规的加热元件作为载体的加热器。该载体由此达到所需的温度。通过与反应器中的蒸气相接触，使要处理的硅表面有效地亲水化。为此所需的处理时间例如为5分钟至20分钟。例如，在10分钟的处理时间的情况下已可以实现有效亲水化。根据载体的应用和设计，更短或更长的处理时间可能是有用的。在作用时间过程中，载体的硅表面暴露于过氧化氢-水蒸气混合物，由此氧化并亲水化。例如10分钟后，通常已实现硅表面的完全亲水化和清洁。在此，在升高的温度下，过氧化氢相对于硅和常见杂质而言相对侵蚀性地反应，以使得这些硅和杂质可以与水性蒸气相相结合溶解。由于与例如通过hf蒸气对二氧化硅进行牺牲层蚀刻时不同，在该反应中没有形成反应水，也不需要通过热蒸发从载体表面去除反应水。在此背景下，过氧化氢浴和载体表面之间的温差可以非常小地保持在若干℃的范围内。在此特别有利的是，载体温度仅比过氧化氢浴略热，因为由此可以排除在硅表面上冷凝并形成液滴。这种液滴的形成可能任选不利，因为由此例如在细丝mems结构的情况下在表面上可发生不可逆的粘合（所谓的“粘住”）。此外，水滴在表面上留下干燥边缘，其至少构成光学问题。
12.在该方法的一个特别优选的实施方式中，载体是硅微阵列晶片，其包含可以通过所提出的方法有针对性地亲水化的各种区域或隔室。该硅微阵列晶片优选具有一个或多个沟槽单元，即具有特别高的纵横比（深度:直径）的蚀刻结构，其例如可以用作实施各种例如生化反应（例如关于pcr反应）的隔室。特别有利地，载体是微流体装置，特别是用于芯片实验室应用的微流体装置。这种微流体装置例如特别适合于自动实施各种反应，例如关于分子诊断方法。
13.所提出的方法的一个特别优点是由此也可以到达沟槽单元的内部，特别是具有高纵横比（深度与直径的比率）的沟槽单元的内部。在这方面，所提出的方法特别适用于“深的”沟槽单元。这主要是由于同样和尤其在蒸气相中的过氧化氢物类是非常长寿命和稳定的，因此其渗入到沟槽单元中的深处并且在与其表面接触时才有效。过氧化氢物类的反应或损失在与表面接触时才发生，这导致亲水化。与在来自等离子体的自由基相互碰撞时已发生物类损失以使得其有效范围非常有限的例如o2自由基的情况下不同，在所提出的方法的过氧化氢蒸气的情况下存在反应器中几乎不受限的有效范围。
14.可以例如通过光刻漆或通过其它介电层，例如氮化硅（sin）实现对不应亲水化的
表面的任选必要的掩蔽，以使得只有暴露的硅进行亲水化。
15.本发明还包括具有亲水表面或亲水表面区域的载体，其可以通过所述方法制造。关于该载体的进一步特征，参考以上描述。总体而言，通过所提出的方法可以实现相应处理的硅表面的极其亲水性能，以使得明显改进这样预处理的载体（例如芯片实验室微阵列）的后续填充。
16.本发明的其它特征和优点由以下结合附图对实施例的描述得出。在此，各个特征可以分别单独地或相互组合地实现。
17.在图中：图 1显示本身已知的反应器的截面图，其适合用于实施所提出的方法，且图 2显示用于根据图 1 的反应器的盖子的另一个实施方式的截面图。
18.实施例的描述图1显示了其中引入过氧化氢水溶液11的反应器10的截面图。将具有要处理的硅表面的载体100装入反应器的盖子20中。过氧化氢水溶液位于反应器内的容器12中，其中容器12被加热夹套13包围。加热夹套13允许通过流过加热夹套13的加热介质(箭头14)，例如加热回路中的水来加热过氧化氢水溶液11。当然，其它加热方法也是可行的。通过加热容器12，容器12内产生过氧化氢的均匀蒸气相15。朝向外部，反应器10被隔热夹套16封闭，以使得容器12内的温度保持恒定。反应器10的盖子20配备有密封件17，该密封件特别耐受过氧化氢蒸气15。在盖子20中存在加热装置18，以使得固定在盖子20内侧的载体100 （硅衬底）可以被加热到所需的温度。
19.图2显示了反应器10的盖子30的另一个可能的实施方式。在此，载体100不像图1中那样倒置地布置在，例如夹在上部加热装置18上，而是放置在位于下方的作为加热装置19的加热板上，该加热板通过腹板21与盖子30的上部连接。加热板19通过加热装置22被加热。
20.具有要处理的硅表面的载体100的布置因此可以通过根据图1的盖子20以特别简单的方式布置，其中要处理的表面朝着蒸气相15取向或其中要处理的表面向下布置，其中载体100例如通过合适的夹子等被夹紧。另一方面也可能的是，在根据图2的实施方式中，将载体100这样放置在盖子30的加热板19上，以使得载体100的要处理的表面虽然向下取向，但是仍可以被蒸气相15自由地环绕流过。
21.为了实际实施该方法，将过氧化氢水溶液11加热到例如30℃至90℃的温度，优选40℃至60℃的温度，例如45℃。可以特别有利地使用标准的 30％浓度的所谓的“perhydrol”溶液作为过氧化氢水溶液。在 30℃至 90℃，特别是 40℃至 60℃的温度范围内，优选在 45℃下，过氧化氢溶液具有足够的长期稳定性，并且可以用于反应器10中而在较长寿命时间内没有明显的浓度变化。过氧化氢溶液11的加热导致产生过氧化氢和水蒸气的蒸气相15。已经在产生气相之前、或在其之后才将载体100例如根据图1中的盖子20的设计倒置地，或根据图2中的盖子30的设计以要处理的表面向上地放置在反应器10中，并通过加热盖子20或30达到优选高于过氧化氢水溶液温度的温度。例如，使载体100达到比过氧化氢溶液11的温度高最多10℃，特别是高1℃至5℃，特别优选高3℃的温度。硅表面因此暴露于过氧化氢-水蒸气混合物15的作用，由此氧化并亲水化。通常，5 分钟至 20 分钟的反应时间可以适用于此。10分钟的反应时间是特别合适的，其中在这一作用时间后通常已实现要处理的硅表面的完全亲水化和清洁。