專利名稱：制造具有錐形孔的膜的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及制造具有錐形孔的膜的方法、涉及具有錐形孔的聚合物膜、和涉及
此類聚合物膜的用途。
背景技術(shù)：
懸浮雙層通常是跨越含有孔/孔隙的固體載體形成的。已知的是，雙層所跨越的孔/孔隙的面積影響雙層的穩(wěn)定性。
一方面，面積越小，雙層保持穩(wěn)定的時間一般越長。另一方面，雙層的面積越小，將孔蛋白引入所形成雙層的懸浮部分中需要的時間越長。
為了形成雙層，通常讓膜的兩面都接觸到含有雙層組分的液體。雖然液體施用在一面上，但膜的另一面上的液體通常穿越孔/孔隙流動。這一程序?qū)е略谝淮卧囼炛畠?nèi)或若干次試驗之后跨越孔的類脂雙層的自發(fā)形成。
許多研究群體已經(jīng)研究了適用于類脂雙層形成的固體載體。 l)Dogan等要求保護含有直徑范圍為1 P m 50 y m的圓孔的硅/ 二氧化硅載體或聚酰亞胺載體。在這項申請中沒有進一步規(guī)定孔直徑與膜厚度之間的縱橫比以及表面處理。 2)Takeuchi等以十分普遍的方式教導了朝著孔邊緣^M變窄的錐形孔。他們選擇的材料是Si/SiC^。權(quán)利要求中沒有規(guī)定孔和膜的幾何尺寸。這項申請中沒有進一步規(guī)定關(guān)于連續(xù)錐的幾何尺寸和表面處理的細節(jié)。 3)Pohl等報告了利用玻璃中或塑料中形成的孔的類脂雙層形成技術(shù)。他們要求保護的直徑范圍是50 ii m 300 ii m。沒有給出關(guān)于縱橫比或表面處理的進一步細節(jié)。
4)Heath等于2004年提交了一份專利申請，該專利申請描述從硅片制作的具有l(wèi)iim 200iim直徑的孔的膜。他們建議用絕緣材料如Si02或SixNy覆蓋膜的表面。除這種覆蓋外，還引入了硅烷化法表面改性，以期增加生物材料對膜表面的粘合。沒有給出關(guān)于孔的形狀以及孔直徑與孔附近的膜厚度之間的縱橫比的具體細節(jié)。
5)Ogier等于2000年和2001年分別發(fā)表2篇論文，描述了 SU8光致抗蝕劑系膜中孔的制作，該膜覆蓋了附加金層，可以通過使用硫醇化學進行改性。中心膜的厚度是10 ii m，孔直徑是約100 ii m。沒有提到關(guān)于縱橫比，尤其是孔直徑< 100 y m的情況下的進一步考慮。 為了支撐雙層以建立實際器件應(yīng)用的所謂懸浮雙層，需要具有孔的固體結(jié)構(gòu)。
這些通常具有薄膜的形狀，而該薄膜具有一個或多個開孔(孔隙)。據(jù)認為膜厚度以及孔
的直徑和表面性能代表影響形成跨孔雙層膜的動力學的主要因素(圖1)。 孔面積影響雙層的長期穩(wěn)定性 一般來說，跨小面積孔的雙層比覆蓋大面積的
雙層更具回彈性。 縱橫比定義為孔的直徑(d)與膜厚度(h)之間的比值，其影響該固體膜邊緣與流體雙層之間的界面的結(jié)構(gòu)性能?？走吘墤?yīng)當盡可能陡峭(sharp),換言之，膜[在膜向雙層過渡處]的厚度應(yīng)當盡可能小。
這導致在孔邊緣需要非常薄的膜，其需要仍是機械穩(wěn)定的。例如，有銳角錐形的孔邊緣是可能的解決方案。與此相反，縱橫比低的孔傾向于具有圓柱形、管狀形狀，這傾向于被成環(huán)有機相阻塞或截留空氣泡，從而妨礙雙層形成。 膜的表面性能，尤其孔邊緣的表面性能對于雙層形成也是重要的。疏水表面性能是優(yōu)選的，以期支撐類脂雙層的疏水芯對膜的濕潤。

發(fā)明內(nèi)容
因此，本發(fā)明的一個目的是提供制造具有錐形孔的膜的方法，其能夠在低孔直徑時形成高縱橫比。本發(fā)明的另一個目的是提供薄而穩(wěn)定的而且能夠容易地以降低的破裂風險操作的膜。進而，本發(fā)明的又一個目的是提供與硅系膜相比更低廉的制造方法。
本發(fā)明的又一個目的是提供具有直徑范圍為1 P m 30 ii m的錐形孔的相應(yīng)膜。
本發(fā)明的目的是通過制造具有錐形孔的膜的方法解決的，所述方法包括下列步驟 a)提供基材， b)在所述基材上沉積防粘層， c)在所述防粘層上沉積第一聚合物材料的第一聚合物層， d)將第一孔引入所述第一聚合物層中，所述第一孔具有第一直徑， e)將第二聚合物材料的第二聚合物層沉積到所述第一聚合物層上，該第二聚合
物層位于所述第一聚合物層上，且其中所述第二聚合物材料的一部分也延伸到并填充所
述第一孔， f)將第二孔引入所述第二聚合物層中，所述第二孔具有比所述第一直徑大的第二直徑，所述第二孔是與所述第一孔對齊的，使得所述第二聚合物材料延伸到并填充所述第一孔的所述部分得以去除， g)重復(fù)步驟e)和f)幾次，從而產(chǎn)生第三、第四、......第(n+2)聚合物層，在所述
第三、第四、......第(n+2)聚合物層中具有第三孔、第四孔、......第(n+2)孔，所述第三
孔、第四孔、......第(n+2)孔具有第三、第四、......第(n+2)直徑，且該直徑隨n增大而不
斷增大，n是0 10的整數(shù)， 因而所述方法得到在防粘層和基材上的聚合物膜，具有錐形孔的所述聚合物膜包含(n+2)個直徑遞增的孔，所述(n+2)個孔彼此對齊以形成所述錐形孔。
在一種實施方案中，所述(n+2)個孔是同心對準的。在一種實施方案中，所述第一直徑在lnm 100iim，優(yōu)選lnm 10 y m范圍內(nèi)。在一種實施方案中，所述第一聚合物層具有0.3nm 20iim，優(yōu)選0.3nm 2iim范圍內(nèi)的高度，且其中所述第二和若存在的第三、第四、......第(n+2)聚合物層具有
500nm lmm，優(yōu)選5 ii m 50 ii m范圍內(nèi)的高度。 在一種實施方案中，所述第一直徑與所述第一聚合物層的高度之比2 3。 優(yōu)選，所述基材由選自玻璃、硅、二氧化硅、氮化硅、GaAs、藍寶石
(saphire)、聚碳化物、聚碳酸酯的材料制成。在一種實施方案中，所述防粘層由選自對基材具有弱粘合力的金屬，例如金、
6銀、鉬、鈦、鋁、其合金，氟硅烷，云母，碳，水溶性材料(例如CaO、 Ca(OH)2)，可熱處理材料的材料制成，而且具有10nm 100nm范圍內(nèi)的厚度。 在一種實施方案中，所述第一、第二、和若存在的第三、第四、......第(n+2)聚
合物材料每次出現(xiàn)時都獨立地選自用于光學石印法、電子束石印法和壓印石印法的抗蝕劑。 在一種實施方案中，步驟b)通過選自下列的方法進行蒸發(fā)、濺射、電子槍蒸發(fā)、氣相沉積、升華、電化學沉積。
在一種實施方案中，步驟C)和e)獨立地通過選自下列的方法進行旋涂、浸
涂、噴涂、真空沉積、Langmuir-Blodgett技術(shù)、氣相沉積。 在一種實施方案中，步驟d)和f)獨立地通過選自下列的方法進行光學石印法、電子束石印法、壓印石印法和聚焦離子束蝕刻法。 在一種實施方案中，在步驟d)和f)中，引入多個第一孔和第二孔。 優(yōu)選，所述用于光學石印法、電子束石印法和壓印石印法的抗蝕劑選自用于光
學石印法、電子束石印法和壓印石印法的負色調(diào)抗蝕劑和正色調(diào)抗蝕劑。
在一種實施方案中，根據(jù)本發(fā)明的方法進一步包括下列步驟 h)通過使所述防粘層上的所述聚合物膜連同所述防粘層一起從所述基材上剝離而去除所述基材。
優(yōu)選，根據(jù)本發(fā)明的方法進一步包括下列步驟 i)通過干蝕刻，例如干氬蝕刻，02等離子體蝕刻或濕化學蝕刻，例如KI/IJ蟲刻去除金，使用強堿蝕刻去除鋁，去除所述防粘層。
在一種實施方案中，根據(jù)本發(fā)明的方法進一步包括下列步驟 i')通過干蝕刻，例如干氬蝕刻，或濕化學蝕刻，例如KI-^蝕刻，并使用所述
第一聚合物層作為蝕刻掩膜，將孔引入所述防粘層中。
在一種實施方案中，根據(jù)本發(fā)明的方法進一步包括下列步驟 h')通過使用干等離子體蝕刻，例如02等離子體蝕刻，或濕化學蝕刻，例如在H2S04/H202中氧化，選擇性蝕刻所述防粘層和所述基材上的所述聚合物膜，以減少所述聚合物膜的總厚度，和任選地通過使所述防粘層上的所述聚合物膜連同所述防粘層一起從所述基材上剝離而去除所述基材。
在一種實施方案中，根據(jù)本發(fā)明的方法進一步包括下列步驟 k)通過使用干等離子體蝕刻，例如02等離子體蝕刻，或濕化學蝕刻，例如在H2S04/H202中氧化，選擇性蝕刻所述防粘層上和若存在的所述基材上的所述聚合物膜，以減少所述聚合物膜的總厚度，和任選地通過使所述防粘層上的所述聚合物膜連同所述防粘層一起從所述基材上剝離而去除所述基材。 在一種實施方案中，所述基材去除后，所述聚合物膜和/或若存在的所述防粘層進一步通過選自下列的方法進行表面改性 a)固定其上的官能團或分子，以匹配要引入所述第一孔或引入所述防粘層中的所述孔中的類脂雙層的表面性能， b)通過經(jīng)由02等離子體處理引入OH基團的表面活化，c)通過諸如Ar、 CHF3、 CF4、 02-等離子體及其組合的蝕刻提高表面糙度，
d)例如通過浸涂、氣相沉積或蒸發(fā)和步驟a) d)的任何組合沉積一個或若干個功能層。 優(yōu)選，所述功能層選自氟硅烷、烷基硅烷、來自CH^、 CF4的氟化等離子體組分。 本發(fā)明的目的也是通過如以上所定義的具有錐形孔并包含(n+2)個聚合物層的聚合物膜來解決的，其中所述錐形孔是由所述(n+2)個聚合物層內(nèi)(n+2)個直徑各異的孔形成的，n是0 10的整數(shù)，所述n+2個孔彼此對齊以形成所述錐形孔。
優(yōu)選，所述(n+2))個孔是同心對齊的。 在一種實施方案中，所述錐形孔在其最小直徑處具有2 3的所述孔的直徑與所述孔在所述最小直徑處的所述聚合物層高度之比。 在一種實施方案中，聚合物膜是通過根據(jù)本發(fā)明的方法制造的。 在一種實施方案中，根據(jù)本發(fā)明的聚合物膜具有多個如以上所定義的錐形孔。 在一種實施方案中，根據(jù)本發(fā)明的聚合物膜進一步包含在其最小直徑處跨越孔
的類脂雙層，且任選地在所述類脂雙層中引入了生物膜蛋白例如孔蛋白或管蛋白。 本發(fā)明的目的也是通過根據(jù)本發(fā)明的膜用于形成類脂雙層的用途解決的。 本發(fā)明的目的也是通過根據(jù)本發(fā)明的聚合物膜用于生理學測量例如膜片鉗測量
(patch clamp measurements)或作為電子傳感器的用途解決的。


進而，參照各圖，其中 圖1顯示根據(jù)本發(fā)明的聚合物膜(縱橫比R : D/H 5 : l及更高)的設(shè)計的基
本原理，該膜具有錐形孔，并且具有類脂雙層和插入其中的孔蛋白。 圖2顯示由膜的兩層/多層結(jié)構(gòu)形成的錐形孔的示意性視圖。 圖3顯示此類錐形孔的制造。 圖4顯示圖3中所顯示的方法的變化方案。 圖5顯示該制造方法的另一種變化方案。 圖6顯示該制造方法的又一種變化方案。 圖7a顯示所得到的膜/孔結(jié)構(gòu)的SEM圖像。中心孔直徑是20iim。 SU8層的高度是500nm(500nm厚SU8膜中20 y m寬錐形孔)。 圖7b顯示1.5iim厚SU8層中中心4.5 y m寬孔(1.5 y m厚SU8膜中4.5 y m寬錐形孔)的SEM圖像。 圖8顯示根據(jù)本發(fā)明的實例膜的背襯(Ar-蝕刻和提起后有金的膜的背面)的SEM圖像。 圖9顯示氧氣等離子體蝕刻時間與所得到的膜厚度之間的關(guān)系。 圖10a和10b顯示氧氣等離子體蝕刻SU8膜的SEM圖像。 圖11a(CHF3/Ar等離子體處理的SU8的糙度-接觸角關(guān)系)和lib顯示SEM形態(tài)測定、水接觸角和AFM糙度分析的結(jié)果。 圖12a(CHF3/CF4等離子體處理的SU8的糙度-接觸角關(guān)系)和12b顯示SEM形態(tài)測定、水接觸角和AFM糙度分析。
圖13顯示SU8抗蝕劑中錐形孔的3 X 3陣列(2 y m厚膜中5 y m寬錐形孔的3 X 3 陣列)的例子。 圖14顯示使用根據(jù)本發(fā)明的膜與激光鉆孔膜比較(Sony SU8錐形孔10 y m對激 光鉆孔的非錐形孔)的生物傳感器性能圖。 圖15顯示根據(jù)本發(fā)明的表面改性SU8膜的生物傳感器性能評分圖。
具體實施例方式
本文中使用的術(shù)語"防粘層"系指要描述這樣的層，該層由于其對基材的低粘 合力而允許所述防粘層連同其上面的任何附加層一起從所述基材上剝離下來。從以上所 述顯而易見的是，所述防粘層只應(yīng)微弱地粘附到基材的平整表面上，但它對于附著到防 粘層另一面上的層應(yīng)當有更好的粘合性能。 因此，防粘層材料的確切選擇取決于基材的材料，而且可以由本領(lǐng)域技術(shù)人員 利用其知識而無需過多實驗就能確定。例如，本領(lǐng)域技術(shù)人員知道，金屬層對于二氧化 硅表面的粘合力非常小。 一般來說，防粘層是由選自金屬、氧化物、塑料或其它有機組 分的材料制成的，這些對可以制成基材的材料顯示出弱粘合力。防粘層材料的有用實例 是金、銀、鉬、鈦、云母、碳、氟硅烷、水溶性抗蝕劑和可熱處理薄膜材料。本發(fā)明中 使用的術(shù)語"孔"系指膜中由彼此疊加的多個即至少2個孔形成的開孔，其中每個孔都 是在膜內(nèi)的一層中或由一層形成的。根據(jù)本發(fā)明的膜具有至少2層。在一種實施方案 中，膜具有(n+2)層，其中n是選自0 10的整數(shù)，即0、 1、 2、 3、 4、 5、 6、 7、 8、 9、 10。 本文中使用的術(shù)語"縱橫比"定義為孔的直徑(d))與層/膜在特定直徑處的高度
/厚度(h))之間的比(d : h))。優(yōu)選，在根據(jù)本發(fā)明的錐形孔中，術(shù)語"縱橫比"系指最
小直徑處的直徑與高度之比，即最小孔的直徑與形成這個孔的層的高度之比。最小直徑 處的高度是形成具有最小直徑的孔的層的高度。 以下，我們提供實施具有直徑量級為10 i！ m或甚至更小和大縱橫比的孔的機械 上穩(wěn)定的膜的解決方案。如以上所述，我們認為，縱橫比(孔/孔隙的直徑(d與具有該 孔的膜的厚度(h)之比)對于雙層形成動力學來說是重要的。3 : l和更高的縱橫比是優(yōu) 選的，而d應(yīng)當?shù)扔诨蛐∮?0iim，禾口、 h小于2iim。
該設(shè)計的基本原理顯示于圖1中。 縱橫比的優(yōu)化要求含有單孔或孔陣列的10 ii m以下厚度的穩(wěn)定膜，每一個孔的 直徑優(yōu)選為10ym或以下。另外，制造方法應(yīng)當盡可能低廉，并且因此應(yīng)當依賴于聚合 物材料或聚合物材料與無機材料例如氧化物(氧化硅、氮化硅、氧化鋁)的復(fù)合結(jié)構(gòu)。
為了在晶片尺度上以低成本實施無支撐且穩(wěn)定的lOiim以下厚度的聚合物膜的 制造方法描述如下 通過沉積方法在犧牲性固化載體上沉積薄膜層1，并通過應(yīng)用壓花方法引入單 孔。該孔的直徑在lnm 100iim，優(yōu)選小于10 y m范圍內(nèi)。在這個第一層的上面，通 過沉積方法引入第二膜層2("支撐層")，并通過壓花方案引入第二孔。第二孔的直徑 優(yōu)選大于第一孔的直徑。層1的厚度在0.3nm 20iim范圍內(nèi)，優(yōu)選在0.3nm 2 y m 范圍內(nèi)。支撐層2的厚度在500nm lmm范圍內(nèi)，優(yōu)選在5iim 50范圍內(nèi)。
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層1的孔和層2的孔應(yīng)當以使較小孔部分或完全敞開的方式對齊(圖l))。本文中 使用的這種結(jié)構(gòu)在本文中也稱為錐形孔。這種兩層結(jié)構(gòu)可以用一個或多個附加層擴展， 其中每一層都含有孔(圖2)。該方法的示意性視圖顯示于圖3中，并將在實施例部分中 詳細解釋。 為了建立孔陣列，也可以將不止一個孔或孔隙包括到層l和隨后各層中。陣列 元件的數(shù)目可以在2 100以上變化。 壓花方法可以選自許多不同方法，例如光學石印法、電子束石印法、壓印石印 法和聚焦離子束蝕刻。 沉積方案可以選自許多不同方法旋涂、真空沉積、噴涂、浸涂。 潛在可用于層1和層2(及以下各層)的材料是可以分別通過所提到的沉積方法
和壓花方法進行沉積和壓花的聚合物。根據(jù)本發(fā)明可使用的優(yōu)選聚合物是正色調(diào)抗蝕劑
和負色調(diào)抗蝕劑。實例聚合物是負色調(diào)SU8穀抗蝕劑、正色調(diào)和負色調(diào)AZi)-抗蝕劑、
PMMA電子束抗蝕劑、UV6mix&mateh翁抗蝕劑。
通過背襯層延伸孔 在本發(fā)明人方法的一種變化方案中，圖3中的底下"層0"(例如金)可以用來 作為特定分子固定用錨固層，該層發(fā)揮某種功能，例如使表面性能與雙層的性能匹配。 如圖4中所示，"層0"可以使用干等離子體蝕刻或濕蝕刻并使用聚合物"層1"作為蝕 刻掩膜進行選擇性蝕刻。
膜的后制造設(shè)i十 為了進一步改善縱橫比，本發(fā)明人也建議通過使用干等離子體蝕刻法或濕蝕刻 法蝕刻聚合物膜，以在減少膜厚度同時使孔直徑保持幾乎恒定(圖5)。這反過來提高了 縱橫比。本發(fā)明人也期待孔的邊緣可以失去其初始矩形橫截面形狀，而且可以適配更具 三角形的橫截面，從而得到孔的錐形形狀。 在如上所述的延伸孔的情況下，干蝕刻法或濕蝕刻法不僅可以用來使"層l"以 受控方式變薄，而且也可以用來從底下"層0"的邊緣部分地去除"層l"(圖6)。所 得到的邊緣結(jié)構(gòu)由下列組成作為主要支撐層的"層2"，作為另一個支撐層的"層l" 和"層0"的邊緣環(huán)，這一方面可以是非常薄的(縱橫比更大)，另一方面可以進行裁剪 式表面改性。
表面改性 本發(fā)明人也建議了膜的許多表面改性，主要是為了提高膜表面的疏水性。疏水
性表面的目的是要改善形成支撐雙層的環(huán)(墊圈)的有機相的濕潤性(所謂"預(yù)處理")。
本發(fā)明人預(yù)期提高的膜對有機相的濕潤性增強了跨孔雙層的形成和穩(wěn)定性。 改性可以包括表面活化、清潔、糙度提高步驟(例如通過Ar、 CHF3、 CF4、 02
等離子體處理及其組合)，隨后可以通過浸涂法、氣相沉積法、或蒸發(fā)法進行功能層的沉
積。優(yōu)選的功能層由下列材料之一組成氟硅烷，烷基硅烷，來自所使用的各等離子體
的氟化組分。 進而，參照以下實施例，這些實施例是為了舉例說明而不是限制本發(fā)明而給出 的。 實施例1錐形孔制造
在500nm厚聚合物膜中實現(xiàn)10iim寬孔的制造方法的步驟顯示于圖3中。將頂 部具有天然二氧化硅的硅片(CyrstecGmbH，德國柏林)覆蓋40nm厚熱蒸發(fā)防粘層，例如 40nm厚熱蒸發(fā)金層(圖3， a)(二層O)。然后，將第一膜層旋涂到金上(圖3， b)(=層 1)。在本實施例中，本發(fā)明人使用了所謂2000.5配方(分類號SU82000.5， MicroResist Technology GmbH，德國柏林)的負色調(diào)SU8光致抗蝕劑(Micro Resist Technology GmbH， 德國柏林)，這給出以3000rpm旋涂的500nm厚層。在65°C lmin和95°C 2min的軟烘烤 之后，使用MJB3接觸準直器(Karl Suss GmbH，德國)以約250mJ/cm2的劑量在365nm 400nm波長使抗蝕劑層曝光。所應(yīng)用的掩膜是專門設(shè)計的，旨在對面積范圍為若干mm2 且其中心有孔/孔隙的圓形、矩形或正方形膜壓花。曝光后烘烤步驟由65t: lmin和95t: 2min的烘烤組成。 該層使用SU8顯影機(Micro Resist Technology GmbH，德國柏林)顯影2min(圖 3， c)后，將第二SU8抗蝕劑層("支撐層")(=層2)旋涂到第一層上(圖3， d)。在 這種情況下選擇SU82007配方，當以1000rpm旋涂時，該配方得到約13 y m厚層。在 65°C 2min和95t: 3min的軟烘烤之后，該支撐層使用相同準直器和約350mJ/cm2的紫外光 劑量進行曝光。在這個步驟期間，使用瞄準標記，小心地將支撐層中較大的孔與層1中 較小的孔對齊。在65°C lmin和95°C 2min的曝光后烘烤之后，使該結(jié)構(gòu)顯影2.5min(圖 3， e)。 剝離步驟在這些步驟之后，用尖銳的鑷子或任何其它合適的工具捏住該膜， 就可以將其提起。由于金層與氧化硅基材之間的弱粘合力，該膜容易地從基材上剝離下 來(圖3， f)。 脫金步驟然后，通過干氬蝕刻法或通過濕化學蝕刻法例如KI/I2蝕刻法，將金 層去除。圖7a和7b顯示所得到的膜/孔結(jié)構(gòu)的SEM圖像。
實施例2具有金背g層的錐形孔 本實施例描述經(jīng)由用來作為功能分子的錨固層的金背面層延伸的錐形孔的實 現(xiàn)。 該過程如實施例1中所述進行。這一階段不進行剝離步驟，但代替這一步驟的 是插入Ar等離子體蝕刻步驟或任何其它合適的蝕刻步驟，在此期間使金從孔區(qū)完全去除 (圖4a-d)。 此后，該膜層可以通過如實施例1中所述那樣剝離而提起。圖8顯示實施例膜 的背襯的SEM圖像。實施例3后制造設(shè)i十具有力汰到l非常大的縱橫比而薄化的膜的錐形孔
如以上所述，通過用干蝕刻法或濕蝕刻法減少膜厚度可以改善在聚合物膜中制 造的孔的縱橫比。在此，本發(fā)明人提供了使用氣氛等離子體蝕刻的實例。如實施例l中 所述那樣制造SU8膜系統(tǒng)。然而，如圖5a-d中所示，將晶片引入到反應(yīng)性離子蝕刻機 (PlasmaLab80， Oxford Instruments,德國)中，氧氣等離子體以200W施用不同的蝕刻時 間。圖9顯示02等離子體蝕刻時間與所得到的初始500nm厚SU8膜的厚度之間的關(guān)系。 圖10a和10b顯示02等離子體蝕刻的SU8膜的SEM圖像。中心膜的厚度是約150nm， 孔直徑是20iim，得到縱橫比為約130 : 1。 在另一種變化方案中，孔首先經(jīng)由金背襯層蝕刻(見實施例2)，然后使用氧等離子體使"層l"變薄(圖3b， c)，同時使"層l"中的孔的直徑稍微增大，如圖6c中所 示。 實施例4表面改性的膜
實施例4.1液相硅烷化 在甲苯中硅烷化之前，通過施用短時間氧等離子體處理(PlasmaLab80， Oxford Instruments,德國)，使膜表面清潔并覆蓋OH基團。在100 200W等離子體功率和 50 100mbar背景壓力下，1 10秒等離子體時間通常就足以使SU8表面活化。該硅 烷組分用無水甲苯稀釋，達到體積濃度為約1 3%。將活化的SU8表面在硅烷溶液中 浸沒10 60min，用新鮮溶液洗滌，干燥。
實施例4.2硅烷蒸氣沉積 為了硅烷的蒸氣沉積，將100 500iiL純硅烷溶液在油浴中加熱到100°C 16(TC的溫度(依賴于硅烷的類型，主要在乙氧基硅烷的情況下)或直接引入真空室中(例 如在氯硅烷的情況下)。在硅烷插入后將背景壓力調(diào)整到0.5mbar。讓活化的SU8表面進 入加熱的硅烷蒸氣中或進入真空室中，并在那里停留20 60min。通常，接觸角和XPS 測定表明硅烷成功地結(jié)合到SU8表面上。
實施例4.3通過等離子體處理進行表面改性 使用反應(yīng)性離子蝕刻機(PlasmaLab 80， Oxford Instruments,德國)改性例如SU8
膜的表面。Ar、 02、 CHF3、 CF4等離子體及其混合物對膜表面具有兩種作用。首先，它
們通過材料的部分去除而損害表面。這種影響通常增加被處理表面的表面糙度。第二，
已知CHF3和CF4等離子體以氟化組分部分地覆蓋被處理表面。通過使用反應(yīng)性離子蝕刻
等離子體方法，本發(fā)明人可以結(jié)合這兩種作用，并發(fā)現(xiàn)被處理的表面顯示出100°以上的
非常高的接觸角。 CHFJAr等離子體處理將諸如實施例1中制造的SU8膜插入PlasmaLab 80機器中，并以25sccm的CHF3 流量和25sccm的Ar流量處理1 10min。背景壓力是30mT，等離子體發(fā)生器功率是 200W。 SEM形態(tài)測定以及水接觸角和AFM糙度分析的結(jié)果分別顯示于圖lla和lib中。
CHFJCR等離子體處理將諸如實施例1中制造的SU8膜插入PlasmaLab 80機器中，并以20sccm的CHF3 流量和20sccm的CF4流量處理1 10min。背景壓力是25mT、等離子體發(fā)生器功率是 300W。 SEM形態(tài)測定以及水接觸角和AFM糙度分析的結(jié)果分別顯示于圖12a和12b中。
對于這兩種類型的等離子體，幾分鐘處理后就已經(jīng)可以看到接觸角大幅增加。 同時，表面的糙度隨等離子處理時間而增大。與CHF3/Ar等離子體處理的表面相比， CHF3/CF4等離子體處理的表面的糙度稍小。
實施例5錐形孔陣列 同樣對于非常小面積雙層的情況，為了滿足快速蛋白質(zhì)插入的要求，可以讓本 發(fā)明孔結(jié)構(gòu)排成陣列，以提供有效的較大雙層表面，同時有利地保持每一個單獨雙層的 面積都小。圖13顯示SU8抗蝕劑中3X3錐形孔陣列的實例。
實施例6與經(jīng)典孔比較的雙層形成與統(tǒng)計 圖14顯示使用標準預(yù)處理條件的SU-810 ii m錐形孔對10 y m激光鉆孔膜的生物
12傳感器性能的圖。本文中與雙層聯(lián)系在一起使用的術(shù)語"可摧毀(zappable)"系指雙層可
以被數(shù)百mV的短電壓脈沖破壞。在這些實驗中插入的孔蛋白是a-溶血素。結(jié)果顯示
10 m錐形孔膜在形成孔蛋白容易插入的大面積雙層時表現(xiàn)得更好(生物傳感器分值8)。
這里顯示的證據(jù)是強有力的。 以下解釋"生物傳感器評分"方案 10受控數(shù)目的孔蛋白插入 9雙層第一次形成，孔蛋白第一次插入 8雙層形成，孔蛋白插入 7開始時堵塞，但終究雙層形成并有孔蛋白插入 6雙層形成，孔蛋白插入，但雙層壽命短 5可摧毀雙層形成，但沒有孔蛋白插入 4開始時堵塞，但終究可摧毀雙形成層(無孔蛋白) 3雙層形成相對地容易(可摧毀)，但其壽命短 2無法去除的不可摧毀堵塞 1施用溶液后不可斷裂的聯(lián)系 O未評分 圖15顯示表面改性Sony SU-8膜即根據(jù)本發(fā)明形成的實施例膜的生物傳感器性 能分值圖。這些結(jié)果表明氟硅烷改善了具有孔蛋白的第一次通過雙層的機會(生物傳感 器分值9)。 根據(jù)本發(fā)明的膜與硅系膜相比是較便宜的，它們在lOym左右的低孔直徑時提 供非常高的縱橫比。進而，根據(jù)本發(fā)明的膜是非常薄而又穩(wěn)定的，因而可以容易地以降 低的破裂風險操作。
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1972， 12， 432-445。 本說明書、權(quán)利要求書和/或附圖中公開的本發(fā)明的特征，單獨地及以其任何組 合，均可以是實現(xiàn)呈其各種形式的本發(fā)明的材料。
權(quán)利要求
制造具有錐形孔的膜的方法，所述方法包括下列步驟a)提供基材b)在所述基材上沉積防粘層，c)在所述防粘層上沉積第一聚合物材料的第一聚合物層，d)將第一孔引入所述第一聚合物層中，所述第一孔具有第一直徑，e)將第二聚合物材料的第二聚合物層沉積到所述第一聚合物層上，該第二聚合物層位于所述第一聚合物層上，且其中所述第二聚合物材料的一部分也延伸到并填充所述第一孔，f)將第二孔引入所述第二聚合物層中，所述第二孔具有比所述第一直徑大的第二直徑，所述第二孔是與所述第一孔對齊的，使得所述第二聚合物材料延伸到并填充所述第一孔的所述部分得以去除，g)重復(fù)步驟e)和f)幾次，從而產(chǎn)生第三、第四、......第(n+2)聚合物層，在所述第三、第四、......第(n+2)聚合物層中具有第三孔、第四孔、......第(n+2)孔，所述第三孔、第四孔、......第(n+2)孔具有第三、第四、......第(n+2)直徑，且該直徑隨n增大而不斷增大，n是0～10的整數(shù)，因而所述方法得到在防粘層和基材上的聚合物膜，具有錐形孔的所述聚合物膜包含(n+2)個直徑遞增的孔，所述(n+2)個孔彼此對齊以形成所述錐形孔。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其中所述(n+2)個孔是同心對齊的。
3. 根據(jù)以上權(quán)利要求中任何一項的方法，其中所述第一直徑在lnm 100 y m，優(yōu)選 l腿 lOii m范圍內(nèi)。
4. 根據(jù)以上權(quán)利要求中任何一項的方法，其中所述第一聚合物層具有0.3nm 20iim，優(yōu)選0.3nm 2iim范圍內(nèi)的高度，且其中所述第二和若存在的第三、第四、 ......第(n+2)聚合物層有500nm lmm，優(yōu)選5 y m 50 y m范圍內(nèi)的高度。
5. 根據(jù)以上權(quán)利要求中任何一項的方法，其中所述第一直徑所述第一聚合物層的 高度之比蘭3。
6. 根據(jù)以上權(quán)利要求中任何一項的方法，其中所述基材由選自下列的材料制成玻璃、硅、二氧化硅、氮化硅、GaAs、藍寶石、聚碳化物、聚碳酸酯。
7. 根據(jù)以上權(quán)利要求中任何一項的方法，其中所述防粘層由選自下列的材料制成 對基材的粘合力弱的金屬，例如金、銀、鉬、鈦、鋁、其合金，氟硅烷，云母，碳，水 溶性材料(例如CaO、 Ca(OH)2)，可熱處理材料，而且具有10nm 100nm范圍內(nèi)的厚度。
8. 根據(jù)以上權(quán)利要求中任何一項的方法，其中所述第一、第二和若存在的第三、第 四、......第(n+2)種聚合物材料每次出現(xiàn)時都獨立地選自用于光學石印法、電子束石印法和壓印石印法的抗蝕劑。
9. 根據(jù)以上權(quán)利要求中任何一項的方法，其中步驟b)通過選自下列的方法進行蒸 發(fā)、濺射、電子槍蒸發(fā)、氣相沉積、升華、電化學沉積。
10. 根據(jù)以上權(quán)利要求中任何一項的方法，其中步驟c)和e)獨立地通過選自下列的方 法進行旋涂、浸涂、噴涂、真空沉積、LangmuirBlodgett技術(shù)、氣相沉積。
11. 根據(jù)以上權(quán)利要求中任何一項的方法，其中步驟d)和f)獨立地通過選自下列的方法進行光學石印法、電子束石印法、壓印石印法和聚焦離子束蝕刻。
12. 根據(jù)以上的權(quán)利要求中任何一項的方法，其中在步驟d)和f)中引入多個第一孔和第二孔。
13. 根據(jù)權(quán)利要求8 12中任何一項的方法，其中所述用于光學石印法、電子束石印 法和壓印石印法的抗蝕劑選自用于光學石印法、電子束石印法和壓印石印法的負色調(diào)抗 蝕蝕劑和正色調(diào)抗蝕劑。
14. 根據(jù)以上權(quán)利要求中任何一項的方法，進一步包括下列步驟h) 通過使所述防粘層上的所述聚合物膜連同所述防粘層一起從所述基材上剝離而去 除所述基材。
15. 根據(jù)權(quán)利要求14的方法，進一步包括下列步驟i) 通過干蝕刻，例如干氬蝕刻，02等離子體蝕刻或濕化學蝕刻，例如KI/^蝕刻去除 金，使用強堿蝕刻去除鋁，來去除所述防粘層。
16. 根據(jù)權(quán)利要求1 13或14中任何一項的方法，進一步包括下列步驟i')通過干蝕刻，例如干氬蝕刻，或濕化學蝕刻，例如KI-^蝕刻，并使用所述第一 聚合物層作為蝕刻掩膜，將孔引入所述防粘層中。
17. 根據(jù)權(quán)利要求1 13中任何一項的方法，進一步包括下列步驟h')通過使用干等離子體蝕刻，例如02等離子體蝕刻，或濕化學蝕刻，例如在 H2S04/H202中氧化，選擇性蝕刻所述防粘層和所述基材上的所述聚合物膜，以減少所述 聚合物膜的總厚度，和任選地通過使所述防粘層上的所述聚合物膜連同所述防粘層一起 從所述基材上剝離，去除所述基材。
18. 根據(jù)權(quán)利要求16的方法，進一步包括下列步驟k)通過使用干等離子體蝕刻，例如02等離子體蝕刻，或濕化學蝕刻，例如在H^(V H202中氧化，選擇性蝕刻所述防粘層上和若存在的所述基材上的所述聚合物膜，以減少 所述聚合物膜的總厚度，和任選地通過使所述防粘層上的所述聚合物膜連同所述防粘層 一起從所述基材上剝離，去除若存在的所述基材。
19. 根據(jù)權(quán)利要求14 18中任何一項的方法，其中所述基材去除后，所述聚合物膜 和/或若存在的所述防粘層進一步通過選自下列的方法進行表面改性a) 固定其上的官能團或分子，以匹配要引入到所述第一孔或引入到所述防粘層中的 所述孔中的類脂雙層的表面性能，b) 通過經(jīng)由02等離子體處理引入OH基團的表面活化，c) 通過諸如Ar、 CHF3、 CF4、 02-等離子體及其組合的蝕刻，提高表面糙度，d) 例如通過浸涂、氣相沉積或蒸發(fā)和步驟a) d)的任何組合，沉積一個或若干個功 能層。
20. 根據(jù)權(quán)利要求19的方法，其中所述功能層選自氟硅烷、烷基硅烷、來自CHF3、 CF4的氟化等離子體組分。
21. 具有錐形孔并包含(n+2)個如權(quán)利要求1 20中任何一項所定義的聚合物層的聚 合物膜，其中所述錐形孔由在所述(n+2)個聚合物層中的(n+2)個不同直徑的孔形成，n是 0 10的整數(shù)，所述(n+2)個孔彼此對齊而形成所述錐形孔。
22. 根據(jù)權(quán)利要求21的聚合物膜，其中所述(n+2)個孔是同心對齊的。
23. 根據(jù)權(quán)利要求21 22中任何一項的聚合物膜，其中所述錐形孔在其最小直徑處 具有2 3的所述孔的直徑與所述聚合物層在所述孔的所述最小直徑處的高度之比。
24. 根據(jù)權(quán)利要求21 23中任何一項的聚合物膜，其通過根據(jù)權(quán)利要求1 20中任 何一項的方法制造。
25. 根據(jù)權(quán)利要求21 24中任何一項的聚合物膜，具有多個如權(quán)利要求21 24中 任何一項所定義的錐形孔。
26. 根據(jù)權(quán)利要求21 25中任何一項的聚合物膜，進一步包含在其最小直徑處跨越 孔的類脂雙層，且任選地在所述類脂雙層中引入了生物膜蛋白，例如孔蛋白或管蛋白。
27. 根據(jù)權(quán)利要求21 25中任何一項的膜用于形成類脂雙層的用途。
28. 根據(jù)權(quán)利要求26的聚合物膜用于生理測量例如膜片鉗測量或作為電子傳感器的用
全文摘要
本發(fā)明提供了制造具有錐形孔的膜的方法，其能夠在低孔直徑時形成高縱橫比。本發(fā)明還提供了薄而穩(wěn)定的而且能夠容易地以降低的破裂風險操作的膜。進而，本發(fā)明提供了與硅系膜相比更低廉的制造方法。
文檔編號B81C99/00GK101690871SQ20091013250
公開日2010年4月7日 申請日期2009年3月31日 優(yōu)先權(quán)日2008年3月31日
發(fā)明者J·克拉克, J·韋塞爾斯, O·哈納克, T·賴德, 安田章夫 申請人:索尼德國有限責任公司;牛津納米孔技術(shù)有限公司