用于制造和對(duì)準(zhǔn)納米線的方法和這種方法的應(yīng)用的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明尤其描述一種用于制造導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的方法，所述導(dǎo)體結(jié)構(gòu)具有至少一個(gè)硅納米線（4），所述硅納米線具有小于50nm的直徑并且經(jīng)由電極（11，13，30）經(jīng)由至少兩個(gè)部位接觸，并且其中至少一個(gè)納米線（4）和電極（11，13，30）設(shè)置在襯底（1，5）上的一個(gè)平面中，其特征在于，a）將直徑在0.5nm至50nm的范圍中的催化活性的金屬納米顆粒放置在絕緣襯底（1）的表面（2）上，b）當(dāng)溫度在300℃至1100℃的范圍中、同時(shí)持續(xù)時(shí)間在10min至200min的范圍中時(shí)，表面和放置在其上的金屬納米顆粒經(jīng)受包含至少一種氣態(tài)的硅組分的氣流，其中形成至少一個(gè)長(zhǎng)度在5μm至200μm的范圍中的從襯底（1）伸出的納米線（4）；c）將所述至少一個(gè)從襯底（1）的表面伸出的納米線（4）通過安放具有與絕緣襯底（1）的表面（2）相配合的接觸面（6）的次級(jí)襯底（5）而放置到一個(gè)平面中；d）放置在絕緣襯底（1）上的至少一個(gè)納米線（4）在兩個(gè)不同的部位上與電極（11，13，30）接觸，或者至少一個(gè)附著在次級(jí)襯底（5）上的納米線在兩個(gè)不同的部位上與電極（11，13，30）接觸。
【專利說(shuō)明】用于制造和對(duì)準(zhǔn)納米線的方法和這種方法的應(yīng)用
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種用于制造和對(duì)準(zhǔn)納米線的方法和這種方法的應(yīng)用，此外，本發(fā)明涉及一種用于在單晶硅襯底中制造納米漏斗的方法，以及特別是這些方法或者由其所產(chǎn)生的結(jié)構(gòu)用于制造具有高敏感性的分子傳感器的應(yīng)用和用于所述分子傳感器的運(yùn)行的方法。
【背景技術(shù)】
[0002]對(duì)于納米線(Nanowires)在絕緣襯底上的以橫向方式的電子接觸,納米線平行于襯底的對(duì)準(zhǔn)是必要的。困難在于，平行地在絕緣襯底上得到納米線。對(duì)于這個(gè)步驟目前實(shí)行兩種方式。
[0003]a)定向的橫向生長(zhǎng)，以至于不需要任何后續(xù)的對(duì)準(zhǔn)。這非常難于實(shí)現(xiàn)，因?yàn)榻^緣襯底是無(wú)定形的并且納米線不能夠預(yù)設(shè)結(jié)晶的生長(zhǎng)方向。
[0004]b)能夠?qū)⒓{米線從生長(zhǎng)襯底剝離，并且(主要是在液體中懸浮地)轉(zhuǎn)移到另一個(gè)襯底上并且在該處橫向地放置在絕緣襯底上(以電泳/微流控/接觸印刷的方式…)。問題是:納米線的定位和定向難于實(shí)現(xiàn)，尤其是關(guān)于在晶片平面上工業(yè)化并行生產(chǎn)多個(gè)器件。特別是關(guān)于在限定的金屬電極之間的單獨(dú)的/一些納米線的接觸，目前還沒有任何經(jīng)濟(jì)的可并行化的方法。
【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]借助于在微米范圍(>1 μ m)中的(粗)光學(xué)光刻和光學(xué)光刻的非常粗的橫向的對(duì)準(zhǔn)公差(>1 μ m)，單獨(dú)的一微米長(zhǎng)的納米線能夠橫向地在絕緣襯底上電子接觸。對(duì)于所述過程，納米線在最終的襯底上的微米大小的局部限定的圓形的成核面上產(chǎn)生(生長(zhǎng))，對(duì)于所述過程不必將所述納米線從一個(gè)襯底轉(zhuǎn)移到另一個(gè)襯底上。在此，納米線關(guān)于襯底表面具有任意的定向(3D)。新的定向過程允許(在一個(gè)端部與襯底錨定的)納米線的任意的定向平行于襯底對(duì)準(zhǔn)(2D)，同時(shí)所述納米線還借助一側(cè)錨定在襯底上。納米線能夠徑向地從其生長(zhǎng)位置向外對(duì)準(zhǔn)到襯底上。這能夠?qū)崿F(xiàn)各個(gè)——橫向地位于襯底上的——納米線借助于光學(xué)光刻與傳導(dǎo)的金屬電極的電接觸。納米線經(jīng)由成核面的中心與圓形的電極接觸。第二電極在第一電極之外環(huán)形地布置并且接觸指向外的納米線的端部。對(duì)于晶體管應(yīng)用，柵極電極同樣能夠經(jīng)由納米線施加到兩個(gè)圓形的和環(huán)形的電極之間，以便制造納米線晶體管。雖然例如在圓形的設(shè)計(jì)方案的情況下存在優(yōu)選的形狀，用于接觸的電極的形狀本身對(duì)于基于這種技術(shù)的傳感器的功能性沒有影響。例如能夠是直線的或者以其它方式成形的電極，只要這些電極在底部和頂部接觸至少一個(gè)納米線并且一維的納米結(jié)構(gòu)是納米線之間唯一的導(dǎo)電連接。圓形的電極僅是通常提供最高的成效的電極(功能性傳感器在制造過程中的最高收益)。
[0006]在這里所介紹的用于制造和對(duì)準(zhǔn)納米線的方法僅需要在同一個(gè)襯底上的兩微米的不準(zhǔn)確的光學(xué)光刻步驟，以便制造完全實(shí)用的電子納米線生物傳感器。
[0007]a)光刻1:在優(yōu)選圓形的微米大的面上定位金催化劑，[0008]b)生長(zhǎng)直徑為20nm至40nm、長(zhǎng)10微米至20微米的納米線，
[0009]c)將任意3D定向的納米線平行于襯底對(duì)準(zhǔn)。在此，納米線通常徑向向外，如車輪的輪輻始于輪轂。
[0010]d)光刻2:同時(shí)將優(yōu)選圓形的電極在中心沉積在“輪轂”上并且在外部作為輪緣沉積在納米線的端部之上。外部的電極必須具有開口，由此內(nèi)部的電極能夠與帶狀導(dǎo)體接觸。
[0011]被接觸的納米線的數(shù)量能夠以兩種類型來(lái)控制。
[0012]a)催化劑顆粒在初始的成核區(qū)域上的密度限定了納米線的全部數(shù)量，
[0013]b)納米線的長(zhǎng)度具有高斯正態(tài)分布。外部電極距中心的距離因此能夠與部分長(zhǎng)度分布相協(xié)調(diào)。其余的納米線無(wú)源地/冗余地并且非接觸性地位于襯底上。
[0014]最大的工業(yè)的/經(jīng)濟(jì)的優(yōu)點(diǎn):
[0015]-低成本的制造。
[0016]-不需要耗費(fèi)的對(duì)準(zhǔn)技術(shù)，對(duì)于納米結(jié)構(gòu)的接觸不需要昂貴的電子束光刻。
[0017]-可并行地使用晶圓級(jí)。相似的器件迄今為止僅可能以耗費(fèi)的各個(gè)實(shí)驗(yàn)室原型來(lái)實(shí)現(xiàn)?；蛘呓?jīng)由納米級(jí)的光學(xué)光刻來(lái)實(shí)現(xiàn)，所述納米級(jí)的光學(xué)光刻需要極度昂貴且耗費(fèi)的設(shè)備。
[0018]為了根據(jù)這些方法工業(yè)并行地生產(chǎn)復(fù)雜的器件需要的是，25年舊的光刻設(shè)備；LPCVD爐；金屬化設(shè)備。
[0019]具體地，本發(fā)明根據(jù)第一方面涉及一種用于制造導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的方法，所述導(dǎo)體結(jié)構(gòu)具有至少一個(gè)納米線、特別是硅納米線，所述納米線具有小于50nm的直徑并且經(jīng)由電極經(jīng)由至少兩個(gè)部位接觸，并且其中至少一個(gè)納米線和電極設(shè)置在襯底上的一個(gè)平面中。該方法的特征在此特別在于，執(zhí)行下述方法步驟:
[0020]a)將直徑在0.5nm至50nm的范圍中的催化活性的金屬納米顆粒放置在優(yōu)選絕緣的襯底的表面上，
[0021]b)在300°C至1100°C的范圍中的溫度下，在IOmin至200min的范圍中的持續(xù)時(shí)間中，表面和放置在其上的金屬納米顆粒經(jīng)受包含至少一種氣態(tài)的用于構(gòu)造納米線的組分、特別是硅組分的氣流，其中形成至少一個(gè)長(zhǎng)度在5μπι至200μπι的范圍中的從襯底伸出的納米線(通常長(zhǎng)度在ΙΟμL?至100 μ m的范圍中，優(yōu)選在20μπ?至50μπ?的范圍中構(gòu)成)；
[0022]c)所述至少一個(gè)從襯底的表面伸出的納米線通過放置具有與絕緣襯底的表面相配合的接觸面的次級(jí)襯底而放置到一個(gè)平面中。
[0023]d)放置在絕緣襯底上的至少一個(gè)納米線在兩個(gè)不同的部位上與電極接觸，或者至少一個(gè)附著在次級(jí)襯底上的納米線在兩個(gè)不同的部位上與電極接觸。
[0024]當(dāng)將金顆粒作為催化劑顆粒(金屬納米顆粒)來(lái)使用時(shí)，所給出的300°C至1400°C、優(yōu)選300°C至1100°C的溫度范圍特別適合于步驟b)的范圍中的過程進(jìn)行。如果使用其它的材料、例如鋁顆粒或者二氧化鈦顆粒，那么必要時(shí)也能夠使用更高的直至1500°C或者甚至2000°C的溫度。用于不同類型的納米線的生長(zhǎng)溫度原則上能夠?yàn)閺氖覝刂敝烈材軌蛎黠@高于1000°C的上限。在1200°C下進(jìn)行的硅納米線生長(zhǎng)已被報(bào)道。對(duì)于硅而言，最高可能的溫度接近熔點(diǎn)，所述熔點(diǎn)為1410°C。對(duì)于其它的材料，在生產(chǎn)過程中的溫度的上限相似地接近相應(yīng)的熔點(diǎn)。必要時(shí)，過程參數(shù)窗是相應(yīng)大的。所述過程因此原則上與短的納米線一起作用，使得光學(xué)光刻能夠確保在用于a)催化劑沉積和b)電極沉積的兩個(gè)光刻步驟之間的準(zhǔn)確的對(duì)準(zhǔn)。也就是說(shuō)，納米線的最小的長(zhǎng)度通過兩個(gè)光刻步驟之間的最大的對(duì)準(zhǔn)準(zhǔn)確性性/公差來(lái)限制。在現(xiàn)代的設(shè)備中，光刻步驟的對(duì)準(zhǔn)公差能夠位于為僅幾百納米、必要時(shí)甚至低于IOOnm的范圍中。然而，經(jīng)濟(jì)優(yōu)點(diǎn)在于，經(jīng)由較長(zhǎng)的納米線，非常便宜的(并且舊的)設(shè)備的低的對(duì)準(zhǔn)公差已經(jīng)能夠?qū)崿F(xiàn)納米線的經(jīng)由金屬電極的可靠的接觸。
[0025]關(guān)于步驟c)補(bǔ)充地注意下述幾點(diǎn):次級(jí)襯底的接觸平面能夠是平坦的平面、但是也可以是彎曲的平面。在作為接觸平面的彎曲的平面的情況下，次級(jí)襯底例如能夠在初級(jí)襯底的表面上滾動(dòng)并且因此將納米線置于平面位置。如果是相應(yīng)的平坦地按壓到表面上的接觸平面，那么在此尤其重要的是，次級(jí)襯底的所述接觸面相對(duì)于初級(jí)襯底的在所述部位上構(gòu)成的表面相配合地、也就是說(shuō)基本上互補(bǔ)地構(gòu)成，以至于將結(jié)構(gòu)放到初級(jí)襯底的平面上。
[0026]此外，所提出的用于納米線的對(duì)準(zhǔn)過程原則上令人驚訝地適合于每個(gè)一維的納米結(jié)構(gòu)(由所有可獲得的材料構(gòu)成的納米線并且同樣還有碳納米管)。所述過程步驟c)本身應(yīng)被視為發(fā)明，也就是說(shuō)，不僅用于具有小于50nm的直徑的硅納米線，所述納米線經(jīng)由電極經(jīng)由至少兩個(gè)部位接觸，并且其中至少一個(gè)納米線和電極設(shè)置在襯底上的一個(gè)平面中；不僅用于如下方法步驟:在優(yōu)選絕緣的襯底的表面上放置具有在0.5nm至50nm的范圍中的直徑的催化活性的金屬納米顆粒，并且在300°C至1100°C的范圍中的溫度下，在IOmin至200min的范圍中的持續(xù)時(shí)間中，表面和放置在其上的金屬納米顆粒經(jīng)受包含至少一種氣態(tài)的硅組分的氣流,其中形成至少一個(gè)長(zhǎng)度在5μπι至200μπι的范圍中的從襯底伸出的納米線(通常長(zhǎng)度在ΙΟμL?至100 μ m的范圍中，優(yōu)選在20μπ?至50μπ?的范圍中構(gòu)成)。
[0027]為了獲得橫向并且徑向?qū)?zhǔn)到襯底上的納米線，能夠?qū)^程進(jìn)行修改，在所述過程中，放置在絕緣襯底上的至少一個(gè)納米線在兩個(gè)不同的部位上與電極接觸。
[0028]如之前所描述的， 納米線通過輔助工具被“扁平地按壓”在生長(zhǎng)襯底上。在此，基本上令人驚訝的是，這從預(yù)期角度來(lái)看根本是不可能的，本領(lǐng)域技術(shù)人員認(rèn)為在這樣的過程中納米線會(huì)受到損壞或者至少變得不可用。第一變型方案預(yù)見在于同一個(gè)襯底上的接觸。輔助工具的可能的抗附著的覆層在此能夠防止納米線附著在輔助工具上。
[0029]通過下述方式能夠?qū)崿F(xiàn)一種改進(jìn)方案或者變型方案:納米線不像之前所描述的那樣固定在生長(zhǎng)襯底上，而是被施加在次級(jí)襯底上，所述次級(jí)襯底代替輔助工具用于扁平按壓。次級(jí)襯底上的特殊的附著覆層在壓合這兩個(gè)襯底(初級(jí)的生長(zhǎng)襯底和附著覆層的次級(jí)襯底)時(shí)引起，納米線在將這兩個(gè)襯底分離之后以橫向并且徑向?qū)?zhǔn)的方式轉(zhuǎn)移到次級(jí)襯底上。在壓合這兩個(gè)襯底期間，通過位于其間的納米線防止這兩個(gè)襯底直接接觸，由此僅納米線與次級(jí)襯底的附著覆層直接接觸。借助于選擇性用于硅的等離子氧化能夠?qū)⒂袡C(jī)類的附著覆層在轉(zhuǎn)移納米線之后移除。
[0030]根據(jù)第一個(gè)優(yōu)選的實(shí)施方式，所提出的方法的特征在于，絕緣襯底是由硅、二氧化硅或者玻璃構(gòu)成的襯底。其它可能的能夠以相同的功能性來(lái)代替二氧化硅或者玻璃的襯底是氮化硅等。能過考慮每種經(jīng)受相應(yīng)的過程溫度的本身電絕緣的襯底。
[0031]另一個(gè)優(yōu)選的實(shí)施方式的特征在于，金屬納米顆粒是金納米顆粒，優(yōu)選具有在5nm至50nm的范圍中、優(yōu)選在20nm至45nm的范圍中的直徑。
[0032]根據(jù)另一個(gè)優(yōu)選的實(shí)施方式，所述方法的特征在于，在步驟a)的范圍中，將金屬納米顆粒在空間上在目的明確地限界的區(qū)域中放置在襯底的表面上，通常利用光刻法，例如尤其通過利用光學(xué)光刻來(lái)施加由光刻膠構(gòu)成的層的方式，其中優(yōu)選經(jīng)由結(jié)構(gòu)化的鉻掩膜經(jīng)由選擇性的曝光，在所述由光刻膠構(gòu)成的層中制造具有在0.02 μ m至10 μ m的范圍中、優(yōu)選在0.5μπι至5μπι的范圍中的直徑的孔(孔延伸直至襯底)，并且通過如下方式:
[0033]?隨后將優(yōu)選含水的溶液施加到光刻膠上，所述含水的溶液攜帶作為膠體的金屬納米顆粒，優(yōu)選為具有在0.5nm至500nm的范圍中的直徑的納米顆粒,尤其優(yōu)選是具有在5nm至150nm的范圍中的直徑的納米顆粒，其中將溶液蒸發(fā)并且其中隨后借助適當(dāng)?shù)娜軇?、?yōu)選借助丙酮來(lái)移除光刻膠，
[0034]?或者在真空中利用電子束金屬蒸鍍，將金屬膜、特別是金膜施加到由光刻膠構(gòu)成的所述層上，優(yōu)選具有在0.1nm至2nm的范圍中的層厚度，并且隨后將光刻膠和位于其上的金屬借助于適合的溶劑、優(yōu)選丙酮來(lái)移除。
[0035]該方法的另一個(gè)優(yōu)選的實(shí)施方式的特征在于，在步驟b)中，在350°C至500°C的范圍中、優(yōu)選在4000C至480°C的范圍中、尤其優(yōu)選在450°C至470°C的范圍中的溫度下進(jìn)行處
理。
[0036]又一個(gè)優(yōu)選的實(shí)施方式的特征在于,使用硅烷或者二硅烷作為氣態(tài)的娃組分，優(yōu)選與載氣、尤其優(yōu)選與氮?dú)饣蛘邭錃饨M合。優(yōu)選能夠使用氣態(tài)的硅組分、特別是硅烷或者二硅烷的在50sscm至200sscm的范圍中的氣流和運(yùn)載氣體的在IOOsscm至300sscm的范圍中的氣流.[0037]通常被證明為有利的是，在步驟b)的范圍中，將襯底之上的總壓強(qiáng)保持在Imbar至50mbar的范圍中、優(yōu)選在2mbar至IOmbar的范圍中。
[0038]所提出的方法的另一個(gè)優(yōu)選的實(shí)施方式的特征在于，在步驟a)中，將納米顆粒放置在至少一個(gè)、優(yōu)選多個(gè)彼此分離的成核區(qū)域中，以至于在步驟b)中在每個(gè)成核區(qū)域上構(gòu)成多個(gè)納米線，并且優(yōu)選在步驟d)的范圍中，在成核區(qū)域之上以接觸納米線的第一端部的方式優(yōu)選經(jīng)由金屬蒸鍍或者光刻沉積來(lái)制造第一中心電極，并且優(yōu)選經(jīng)由金屬蒸鍍或者光刻沉積來(lái)制造至少部分地環(huán)繞第一電極構(gòu)成的第二電極。
[0039]氺氺氺氺氺氺
[0040]與在上文中描述的對(duì)象無(wú)關(guān)地，也就是說(shuō)與用于在一個(gè)平面中在導(dǎo)體電路的范圍中制造納米線的方法無(wú)關(guān)地，本發(fā)明還涉及一種用于在結(jié)晶襯底中以干化學(xué)的方式制造凹部的方法。這種新型的干化學(xué)的蝕刻法能夠?qū)崿F(xiàn)將結(jié)晶襯底、尤其是單晶襯底、更尤其是單晶硅結(jié)構(gòu)化。
[0041]局部放置的催化劑、尤其是金催化劑能夠與晶向相關(guān)地實(shí)現(xiàn)對(duì)硅的選擇性的蝕亥1J。金催化劑減小了位于〈100〉晶面中的娃原子之間的鍵合能。與娃〈100〉表面相比明顯更慢地蝕刻硅〈111〉表面。這允許，局部地將納米大小的凹部蝕刻到硅〈100〉表面中，所述凹部的側(cè)壁具有硅〈111〉表面。由此，產(chǎn)生幾何形狀準(zhǔn)確限定比例的金字塔形的凹部。
[0042]凹部具有精確正方形至矩形的外形，在襯底表面上的側(cè)邊緣之間具有直角。凹部的下降的側(cè)面具有硅〈111〉定向，這引起凹部的四個(gè)相對(duì)置的/相鄰的側(cè)面在原子的尖銳的交叉點(diǎn)處會(huì)合(倒置的金字塔)。凹部的大小與過程持續(xù)時(shí)間相關(guān)并且因此能夠在沒有光刻法的情況下受限地受控。目前也通過實(shí)驗(yàn)確認(rèn)的結(jié)構(gòu)的尺寸在相應(yīng)的深度中位于O至400nm的棱邊長(zhǎng)處。該方法的新穎性尤其在于:
[0043]a)迄今為止不存在用于硅的干化學(xué)的選擇性的蝕刻過程；[0044]b)蝕刻過程通過催化劑局部受限，所述催化劑代替光刻使用；
[0045]c)結(jié)構(gòu)的尺寸能夠通過過程參數(shù)來(lái)控制，確切地說(shuō)，通過溫度和持續(xù)時(shí)間來(lái)控制，在所述持續(xù)時(shí)間中設(shè)立所述溫度。
[0046]相似的蝕刻機(jī)制通過液態(tài)的氫氧化鉀來(lái)觸發(fā)，所述液態(tài)的氫氧化鉀關(guān)于硅晶面的定向具有相同的蝕刻特性。當(dāng)然所述濕化學(xué)的過程需要耗費(fèi)的光刻法，以便局部地限制液體的蝕刻作用，以便例如產(chǎn)生具有預(yù)設(shè)尺寸的凹部。
[0047]優(yōu)選使用的金催化劑具有如下特點(diǎn)，所述金催化劑以特定的類型和方式來(lái)生產(chǎn)，并且僅在不超出一定的最大尺寸(幾納米)時(shí)才是活性的。該過程通常在高溫下進(jìn)行，所述高溫使得催化溶解的硅原子轉(zhuǎn)化為氣相。
[0048]硅晶片表面能夠借助所述方法而大面積地并且均勻地結(jié)構(gòu)化，不需要使用用于限制結(jié)構(gòu)的措施，例如以成結(jié)構(gòu)化的光刻膠或者金屬蝕刻掩膜的形式的蝕刻阻擋的形式，因?yàn)槲g刻作用通過催化劑和其在襯底上的定位而局部受限。
[0049]如果在相應(yīng)薄的硅層上應(yīng)用所述方法，所述硅層的厚度略微小于金字塔的深度，那么在側(cè)面的交點(diǎn)中、在金字塔的最深點(diǎn)處能夠制造硅薄膜中的幾納米大的開口，即所謂的納米孔。這些納米孔在現(xiàn)實(shí)中在發(fā)展基于納米孔的用于電子讀取DNA分子的生物傳感器時(shí)是非常重要的組成部分，相應(yīng)的涉及其它方面的這類傳感器將在下文中描述。對(duì)此，將DNA分子引導(dǎo)穿過這樣的納米孔并且在穿過孔時(shí)電子讀取。
[0050]同樣地，能夠使用這樣的方法來(lái)增大表面，這是用于提高太陽(yáng)能電池的效率的重要的過程步驟。
[0051]作為經(jīng)濟(jì)的和技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)，此外得出:非常簡(jiǎn)單地、穩(wěn)固地且低成本地在整個(gè)晶片上結(jié)構(gòu)化和制造納米結(jié)構(gòu)，完全不需要使用光刻法(自組裝)。對(duì)尺寸的過程控制允許多種變型方案，不需要準(zhǔn)備易受影響的、技術(shù)上復(fù)雜的進(jìn)而昂貴的光刻掩膜或者使用電子束光亥IJ。在沒有任何光刻措施的情況下在50nm以下的范圍中制造幾何形狀準(zhǔn)確限定的結(jié)構(gòu)允許以并行的方式在晶片級(jí)上發(fā)展新型的電子器件，在沒有所述方法的情況下所述電子器件僅可能以耗費(fèi)的實(shí)驗(yàn)室過程以單一原型的形式來(lái)制造。
[0052]因此，與在上文中描述的主題無(wú)關(guān)地，也就是說(shuō)與用于在一個(gè)平面中在導(dǎo)體電路的范圍中制造納米線的方法無(wú)關(guān)地，確切地說(shuō)，本發(fā)明此外涉及一種用于以干化學(xué)的方式在結(jié)晶襯底中制造凹部的方法。這種方法的特征優(yōu)選在于，在結(jié)晶襯底的表面上在要制造凹部的部位上放置催化劑顆粒，并且優(yōu)選在存在阻止襯底氧化的氣體環(huán)境時(shí)，至少在表面上存在催化劑顆粒(優(yōu)選整個(gè)襯底)的區(qū)域在至少5min的持續(xù)時(shí)間中、優(yōu)選在至少15min的持續(xù)時(shí)間中經(jīng)受至少500°C的溫度、優(yōu)選至少750°C的溫度、尤其優(yōu)選至少900°C的溫度、更尤其優(yōu)選在900°C至1100°C的范圍中的溫度。在此，構(gòu)成漏斗狀的、延伸到襯底的深度中的凹部，所述凹部的至少三個(gè)在襯底的深度中就漏斗的意義而言相交的限界面通過結(jié)晶襯底的晶面形成。
[0053]在本文中也存在用于這樣的由薄的薄膜中的漏斗構(gòu)成的納米孔的制造變型方案，，所述制造變型方案的特征在于，漏斗恰好不比薄膜層的厚度更深。在此，在沒有完全貫穿蝕刻的薄膜層中的最后幾納米能夠從背側(cè)(露出的并且完好的薄膜表面的背側(cè))通過任意類型的蝕刻過程來(lái)剝離。該方法具有如下優(yōu)點(diǎn)，借此通過下述方式可能在大面積的薄膜中制造唯一的或者準(zhǔn)確限定數(shù)量的納米孔:當(dāng)?shù)谝?最深的)漏斗開口或者準(zhǔn)確限定數(shù)量的漏斗開口已通過蝕刻打開時(shí)，從背側(cè)準(zhǔn)確地停止足夠慢的蝕刻過程。這種穿口(或者多個(gè)穿口)例如能夠經(jīng)由電學(xué)方法或者光學(xué)方法來(lái)檢測(cè)，并且以這種方式能夠在尖部開口的納米漏斗的數(shù)量是準(zhǔn)確控制的/優(yōu)選的情況下實(shí)現(xiàn)蝕刻過程的停止。
[0054]附加地，在過程結(jié)束時(shí)在凹部中存在的催化劑顆粒能夠作為用于硅納米線生長(zhǎng)的成核晶種來(lái)應(yīng)用，更確切地說(shuō)應(yīng)用在如在更上文中在第一方面的范圍中和在第一權(quán)利要求中所描述的那樣的方法中。這產(chǎn)生具有在最深點(diǎn)處接合的納米線的漏斗狀的結(jié)構(gòu)，相應(yīng)地，本發(fā)明還涉及這樣的在硅襯底中的新型的漏斗狀的結(jié)構(gòu)。
[0055]所提出的方法的第一個(gè)優(yōu)選的實(shí)施方式的特征在于，結(jié)晶襯底優(yōu)選是由硅構(gòu)成的單晶襯底，優(yōu)選是〈100〉硅晶片(例如SOI結(jié)構(gòu))。如果使用單晶〈100〉硅襯底，那么形成具有四個(gè)相交的限界面的漏斗，所述限界面從襯底表面通向襯底深處并且通過單晶的〈111〉晶面形成。即已確定，催化劑顆粒使得硅在所述的條件下沿著所述平面的分解明顯更慢，以至于自動(dòng)地構(gòu)成這類具有精確限定的限界面的漏斗。
[0056]優(yōu)選襯底的表面、特別是硅襯底的表面預(yù)先某種方式來(lái)處理，使得將位于其上的氧化層移除。
[0057]另一個(gè)優(yōu)選的實(shí)施方式的特征在于，催化劑顆粒是金屬納米顆粒，優(yōu)選是金納米顆粒。通常這樣的納米顆粒優(yōu)選具有在Inm至20nm的范圍中、尤其優(yōu)選在2nm至IOnm的范圍中的平均直徑。
[0058]在此能夠以不同的方式將納米顆粒放置在襯底上。例如利用如在上文中結(jié)合制造納米線所描述的方法那樣的方法。根據(jù)另一個(gè)優(yōu)選的實(shí)施方式，對(duì)于將至少一種金納米顆粒尤其放置在硅上進(jìn)行預(yù)設(shè)，使得在表面上優(yōu)選利用電子束金屬蒸鍍過程優(yōu)選在高真空中制造具有在0.1nm至2nm的范圍中的厚度的金層，基于不同的表面能量由所述金層形成金納米顆粒。
[0059]所提出的方法的另一個(gè)優(yōu)選的實(shí)施方式的特征在于，凹部是貫穿在該情況下在一定程度上構(gòu)成為具有限定的層厚度的板的襯底的貫通開口，這通過襯底的厚度小于凹部的幾何形狀的通過限界面形成的深度來(lái)實(shí)現(xiàn)。在此，凹部在襯底的表面中通常具有精確地通過表面和限界面之間的相交線形成的入口開口和通過襯底的相對(duì)置的下側(cè)的表面(或者與另一個(gè)其它的層、例如與由二氧化硅構(gòu)成的層的過渡面)和限界面形成的出口開口，所述出口開口具有較小的、通常在幾何形狀方面類似于入口的橫截面。
[0060]另一個(gè)優(yōu)選的實(shí)施方式的特征在于，入口開口具有矩形的或者優(yōu)選正方形的橫截面，所述橫截面具有50nm至500nm、優(yōu)選在150nm至250nm的范圍中的側(cè)邊長(zhǎng)。
[0061]此外，優(yōu)選凹部具有幾何形狀的通過限界面形成的深度，所述深度在50nm至500nm的范圍中、尤其優(yōu)選在150nm至250nm的范圍中，其中優(yōu)選所述幾何形狀的深度比單晶襯底的厚度大Inm至50nm、優(yōu)選大5nm至IOnm,以至于構(gòu)成具有出口開口的貫通開口。
[0062]氺氺氺氺氺氺
[0063]此外，本發(fā)明與上述主題無(wú)關(guān)地涉及一種用于制造用于測(cè)量長(zhǎng)鏈分子的特性的傳感器的方法；一種相應(yīng)制造的傳感器；以及一種用于運(yùn)行這類傳感器的方法，特別是以用于測(cè)定DNA分子的或者多肽的或者其它聚合物的特性。在此，優(yōu)選將在更上文中描述的兩種方法應(yīng)用于制造過程。
[0064]硅納米線的或者碳納米管的電阻關(guān)于電荷的改變或者關(guān)于一維結(jié)構(gòu)的表面上的電場(chǎng)的改變是非常敏感的。單個(gè)電荷或者單個(gè)極化分子足以可測(cè)量地改變電導(dǎo)率。通過在這樣敏感的電阻上牽引(由不同類型的DNA/多肽組成部分構(gòu)成的)長(zhǎng)鏈分子，能夠通過電阻改變來(lái)讀取單獨(dú)的分子組成部分的標(biāo)志。這能夠在具有或不具有對(duì)傳感器表面的事先生物官能化的情況下實(shí)現(xiàn)。同樣地，能夠使用CNT的壓阻特性來(lái)檢測(cè)鍵合力。通過一維的電導(dǎo)體(CNT或者納米線)直接在納米孔之上的組合可能的是，通過納米孔將分子在橫向方向上的固定在合適的位置中。納米孔的相應(yīng)側(cè)上的不同的電勢(shì)用于使得例如帶負(fù)電荷的DNA嘗試穿過納米孔。在分子的相反的端部上的反作用力能夠?qū)崿F(xiàn)分子在機(jī)械力下以限定的速度往復(fù)運(yùn)動(dòng)穿過孔。分子的(在納米線那側(cè)上的)端部能夠借助于原子力顯微鏡探針(ATM Tip)或者磁性小球/光學(xué)陷阱被牽引穿過孔。在此，力此時(shí)定向?yàn)?，使得機(jī)械力使分子如在絞盤中那樣圍繞傳感器偏轉(zhuǎn)(90° )，因此在分子和傳感器表面之間產(chǎn)生固定的機(jī)械接觸。穿過納米孔的引導(dǎo)用于橫向穩(wěn)定性和產(chǎn)生為了對(duì)在拉伸狀態(tài)下并且機(jī)械接觸一維導(dǎo)體的分子主動(dòng)地并且以受控的速度進(jìn)行掃描所需要的反作用力。
[0065]當(dāng)前使用納米孔，以便讀取經(jīng)過的DNA分子。這經(jīng)由兩個(gè)容器之間的離子電流的改變來(lái)實(shí)現(xiàn)，所述容器通過納米孔彼此分離，同時(shí)DNA分子經(jīng)過所述孔。所述納米孔作為單一孔在透射電子顯微鏡(TEM)中以耗費(fèi)的原型處理或者通過聚焦離子束沉積來(lái)產(chǎn)生。在此，納米孔傳感器中的問題此外在于:
[0066]i)耗費(fèi)地制造納米孔，
[0067]ii)包含納米氣泡，所述納米氣泡使得不可能使用并且在測(cè)量時(shí)引起許多噪音，
[0068]iii)通過大約2nm大小的孔非常難于獲得分子，
[0069]iv)制造和運(yùn)行僅在實(shí)驗(yàn)室原型的條件下是可能的。
[0070]納米線傳感器和納米管傳感器本身已經(jīng)實(shí)現(xiàn)，并且確定，最小的鍵合力/電荷量產(chǎn)生可測(cè)量的信號(hào)。化學(xué)的和生物的官能化能夠?qū)崿F(xiàn)特殊分子的選擇性鍵合和在傳感器上對(duì)其的檢測(cè)。然而，當(dāng)前沿著這樣的傳感器仍不能掃描到長(zhǎng)鏈的分子，因?yàn)槠駷橹惯@在技術(shù)上是不可能的。
[0071]新介紹的傳感器元件的優(yōu)點(diǎn):
[0072]a)納米氣泡不成問題，因?yàn)椴辉诳字羞M(jìn)行測(cè)量。納米氣泡可能不會(huì)出現(xiàn)，因?yàn)榭椎拇笮∧軌虼笥?nm至10nm。
[0073]b)首次可能借助納米線傳感器/納米管傳感器來(lái)測(cè)量長(zhǎng)鏈的分子。
[0074]c)將上述兩個(gè)發(fā)明信息組合，能夠以較小的技術(shù)耗費(fèi)來(lái)低成本地、并行地制造這樣的傳感器。
[0075]d)并行地運(yùn)行芯片上的多個(gè)傳感器能夠?qū)崿F(xiàn)并行地讀取多個(gè)分子，以便加速測(cè)量速度，這在長(zhǎng)鏈的DNA分子的情況下是關(guān)鍵的因素。
[0076]e)通過使用粗分辨率的低成本的光學(xué)光刻，與相似復(fù)雜的器件相比的極其低成本的制造。
[0077]具體地，本發(fā)明相應(yīng)地涉及一種用于制造尤其用于確定長(zhǎng)鏈分子、如特別是DNA分子或者多肽的分子特性的傳感器元件的方法，所述方法的特征在于，執(zhí)行下述方法步驟，其中序列必要時(shí)也能夠改變:
[0078]a)在襯底中、尤其是在單晶硅襯底中制造漏斗狀的貫通開口，所述貫通開口具有在上側(cè)上的矩形的或者正方形的入口開口和在與上側(cè)對(duì)置的下側(cè)上的關(guān)于橫截面更小的出口開口，所述出口開口是所述入口開口的優(yōu)選至多五分之一、尤其優(yōu)選至多十分之一，其中優(yōu)選使用如在上文中所描述的方法；
[0079]b)在上側(cè)上鄰接于入口開口或者靠近入口開口的區(qū)域中，在如在上文中所描述的方法中制造納米線并且將其在此放置在入口開口之上并且橋接所述入口開口以及在兩側(cè)上經(jīng)由電極接觸，或者將預(yù)制的CNT或者納米線放置到入口開口之上并且橋接所述入口并且在兩側(cè)上經(jīng)由電極接觸；
[0080]c)將這兩個(gè)電極集成到電路中，在所述電路中能夠經(jīng)由CNT或者納米線來(lái)測(cè)量電特性或者電子特性，特別是電阻作為時(shí)間的函數(shù)，特別是作為所測(cè)定的分子的位置的函數(shù)。
[0081]根據(jù)這樣的方法的第一個(gè)優(yōu)選的實(shí)施方式，所述方法的特征在于，在步驟a)的范圍中，從基于娃的整體襯底開始，所述整體襯底具有:表面的單晶〈100〉娃層，所述娃層具有在5nm至500nm的范圍中、優(yōu)選在IOOnm至300nm的范圍中的厚度；設(shè)置在所述硅層之下的二氧化硅層和設(shè)置在所述二氧化硅層之下的硅晶片，以干化學(xué)的或者濕化學(xué)的蝕刻方法、優(yōu)選以根據(jù)上文中的描述的方法，在硅層中制造漏斗狀的貫通開口，其中通過下述方式在硅層中在二氧化硅層的那側(cè)上制造正方形的或者矩形的具有在2nm至IOnm的范圍中的側(cè)邊長(zhǎng)的出口開口:在所述出口開口的區(qū)域中移除硅晶片和二氧化硅層以便露出所述出口以及將硅層轉(zhuǎn)化為絕緣的氧化的二氧化硅層。同樣對(duì)于完全熱氧化硅薄膜替選的是，從外部施加絕緣層，所述絕緣層由二氧化娃制成或者由其它類型的電絕緣的材料制成，所述二氧化硅或電絕緣的材料完全地覆蓋硅薄膜的表面，但是漏斗尖部/開口是打開的并且是可自由穿過的。
[0082]所述方法的另一個(gè)優(yōu)選的實(shí)施方式的特征在于，在傳感器元件的區(qū)域中，不僅在入口開口的上側(cè)上、而且在出口開口的下側(cè)上設(shè)置有用于容納液體的區(qū)域，在所述液體中能夠保持待測(cè)量的分子，并且其中附加地設(shè)置工具，特別是以磁性的和/或光學(xué)的和/或光電的和/或機(jī)械的運(yùn)動(dòng)元件的形式的工具，借助所述工具，至少部分地穿過貫通開口的分子能夠穿過所述貫通開口并且經(jīng)過納米線并且圍繞所述納米線運(yùn)動(dòng)，并且其中特別優(yōu)選設(shè)置一個(gè)電路，所述電路能夠?qū)崿F(xiàn)設(shè)定上側(cè)上的液體區(qū)域和下側(cè)上的液體區(qū)域之間的電勢(shì)差。
[0083]此外，本發(fā)明涉及一種傳感器元件，特別是根據(jù)如在上文中所描述的方法制造的傳感器元件，所述傳感器元件的特征在于，其具有絕緣襯底，所述絕緣襯底具有漏斗狀的貫通開口，所述貫通開口在上側(cè)上具有矩形的或者正方形的入口開口并且在與上側(cè)相對(duì)置的下側(cè)上具有關(guān)于橫截面更小的出口開口，所述出口開口是所述入口開口的優(yōu)選至多五分之一、尤其優(yōu)選至多十分之一。必要時(shí)也能夠?qū)⒙┒烽_口在熱轉(zhuǎn)換為二氧化硅的過程之后削平，并且最后能夠產(chǎn)生圓形的開口，所述圓形的開口不再相應(yīng)于起始的正方形的或者矩形的橫截面。納米線設(shè)置為與入口開口接合并且橋接所述入口開口并且在兩側(cè)上經(jīng)由電極接觸，并且將所述電極集成到電路中或者能夠?qū)⑺鲭姌O集成到電路中，在所述電路中能夠經(jīng)由納米線來(lái)測(cè)量電特性或者電子特性，尤其是電阻作為時(shí)間的函數(shù)，特別是作為測(cè)定的分子的位置的函數(shù)。
[0084]在此，優(yōu)選不僅在入口開口的上側(cè)上、而且在出口開口的下側(cè)上設(shè)置有用于容納液體的區(qū)域，在所述液體中能夠保持待測(cè)量的分子。
[0085]此外，優(yōu)選附加地設(shè)置工具，特別是以磁性的和/或光學(xué)的和/或光電的和/或機(jī)械的運(yùn)動(dòng)元件的形式的工具，借助于所述工具，至少部分地穿過貫通開口的分子能夠穿過所述貫通開口并且經(jīng)過納米線并且圍繞所述納米線運(yùn)動(dòng)。
[0086]此外，特別優(yōu)選設(shè)置一個(gè)電路，所述電路能夠?qū)崿F(xiàn)設(shè)定上側(cè)上的液體區(qū)域和下側(cè)上的液體區(qū)域之間的電勢(shì)差。
[0087]此外，本發(fā)明涉及一種用于測(cè)量長(zhǎng)鏈的分子、尤其是DNA分子或者多肽的特性的方法，優(yōu)選利用如在上文中所描述的傳感器元件，所述方法的特征在于，分子在一側(cè)上與優(yōu)選以磁性可控和/或光學(xué)可控的小珠的形式的電阻元件耦聯(lián)，所述電阻元件具有使得其不能夠穿過貫通開口的大小，并且所述電阻元件能夠通過外部的影響空間地相對(duì)于貫通開口并且橫向于表面移動(dòng)，使得將所述分子連同所耦聯(lián)的電阻元件引入到上側(cè)上的液體區(qū)域中，設(shè)定上側(cè)的液體區(qū)域和下側(cè)的液體區(qū)域之間的電勢(shì)差，以至于能夠牽引分子的自由端部穿過貫通開口并且進(jìn)入到下側(cè)的液體區(qū)域中，其中電阻元件保持阻擋在上側(cè)的液體區(qū)域中，并且施加外部作用，特別是以激光單束陷阱的形式或者磁場(chǎng)的形式的外部作用，以至于電阻元件遠(yuǎn)離和/或必要時(shí)在替選的過程中靠近貫通開口，其中圍繞CNT或者納米線引導(dǎo)分子鏈并且使所述分子鏈接觸所述CNT或者納米線，并且經(jīng)由CNT或者納米線來(lái)測(cè)量電特性或者電子特性，優(yōu)選作為時(shí)間的函數(shù)改變的電阻。
[0088]其它的實(shí)施方式在從屬權(quán)利要求中給出。
【專利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0089]在下文中根據(jù)附圖來(lái)描述本發(fā)明的優(yōu)選的實(shí)施方式，所述實(shí)施方式僅用于闡述并且不解釋為是限制性的。在附圖中示出:
[0090]圖1示出用于制造納米線的各個(gè)方法步驟的示意圖，其中在a)中示出襯底與放置在其上的納米顆粒，在b)中示出在所述襯底上生長(zhǎng)的并且從表面伸出的納米線，在c)中示出利用次級(jí)襯底折疊到表面上的納米線，并且其中在dl)中示出下述情況:次級(jí)襯底設(shè)計(jì)成僅用于向下折疊納米線并且能夠被再次移除，并且在d2)中示出下述情況:次級(jí)襯底構(gòu)成為是粘附性的并且納米線粘接地保持在所述次級(jí)襯底上；
[0091]圖2在a)中示出襯底上多組納米線的電子顯微鏡照片，在b)中示意性地示出在成核區(qū)域上從平面伸出的一組納米線，在c)中示出在將納米線向下折疊之后的根據(jù)圖b)的組，在d)中示出具有不同數(shù)量的納米線的成核區(qū)域的不同的視圖，分別在上部示出立體視圖，并且在其下部示出針對(duì)這些不同的覆蓋范圍與電極接觸的納米線的俯視圖；
[0092]圖3示出在硅襯底中制造漏斗時(shí)的不同的方法步驟，其中在a)中給出具有位于其上的金顆粒的示意剖視圖，在al)中示出a)的俯視圖，在b)中示出在第一漏斗生長(zhǎng)之后的剖面圖，在c)中示出在深的漏斗生長(zhǎng)之后的剖面圖，以及在Cl)中示出根據(jù)c)的情況的俯視圖；
[0093]圖4以其時(shí)間順序示出制造傳感器的各個(gè)步驟并且示出測(cè)量原理的示意剖面圖，其中a)不出SOI襯底,在所述SOI襯底上已設(shè)置有借助于光學(xué)光刻限定的具有0.5nm的蒸鍍的金的平面，在b)中示出在950°C下進(jìn)行的硅蝕刻過程的結(jié)果，這在預(yù)先限定的平面中制造隨機(jī)分布的納米漏斗，在c)中示出移除金殘余物和用KOH蝕刻硅晶片的背側(cè)的步驟的結(jié)果，其中針對(duì)該過程步驟優(yōu)選應(yīng)保護(hù)上側(cè)免受氫氧化鉀溶液，例如通過保護(hù)光刻膠，在d)中示出借助于HF移除Si02層的結(jié)果；在e)中示出自由懸置的薄膜在熱氧化步驟中轉(zhuǎn)化為Si02的結(jié)果，以便確保所期望的電絕緣，在f)中示出借助于光學(xué)光刻限定用于沉積金催化劑顆粒的位置的結(jié)果，其中金顆粒將在該處沉積，在g)中示出在表面上生長(zhǎng)的納米線，其中金顆粒局部地催化硅納米線的生長(zhǎng)并且其中通過無(wú)定形Si02襯底可任意定向，在h)中示出納米線在非粘附的輔助襯底的情況下橫向地固定在硅氧化物襯底上的結(jié)果，在i )中示出位于漏斗之上的納米線的端部借助于光學(xué)光刻與金屬電極的接觸，在j)中示出借助于光學(xué)光刻用由Si02或者氮化硅構(gòu)成的絕緣層對(duì)金屬電極的覆蓋，在k)中示出所產(chǎn)生的傳感器的俯視圖，其中金屬電極的一部分為了集成到測(cè)量電子器件中而保持露出，并且其中金屬電極的露出的部分位于液體室之外，在液體室中存在待研究的分子，并且其中納米線必要時(shí)化學(xué)地官能化，以便能夠?qū)崿F(xiàn)與DNA的/或其它的分子模塊的特定的堿基的目的明確的鍵合可能性，在I)中示出沿著k)中的虛線貫穿傳感器的剖視圖，其中將所述裝置嵌入到液體室中，在所述液體室中存在DNA (等)分子，并且其中DNA借助聚合物小球或者磁性球而官能化，其中附加地將電極浸入到液體室中，以便在獨(dú)立的容器之間產(chǎn)生靜電電勢(shì)，其中借助于光學(xué)陷阱或者磁場(chǎng)，將分子經(jīng)由懸掛的小球運(yùn)送至漏斗，并且其中靜電電勢(shì)將DNA牽引到漏斗中并且張緊分子，并且在m)中示出，借助于光學(xué)陷阱或者相對(duì)于襯底運(yùn)動(dòng)的磁場(chǎng)(或者反之亦然)，如何將小球上的分子沿著納米線平行于襯底牽引，其中電子標(biāo)記經(jīng)由納米線來(lái)讀?。?br> [0094]圖5示出類似于圖4k)的俯視圖，其中示出了在相同的納米漏斗之上不同分布的納米線
【具體實(shí)施方式】
[0095]根據(jù)本發(fā)明的第一方面，本發(fā)明涉及一種用于制造電路中的納米線結(jié)構(gòu)的方法。因此，該方面應(yīng)以更詳細(xì)的形式來(lái)描述，尤其是介紹一種用于制造在絕緣襯底上橫向?qū)?zhǔn)的電接觸的納米線的大規(guī)模陣列的方法。
[0096]該方法能夠?qū)崿F(xiàn)單獨(dú)的或者數(shù)量有限的納米線與金屬電極的有效接觸，為了所述目的，例如制造生物傳感器的大規(guī)模陣列，如這已經(jīng)在第三方面的范圍中闡述并且將在下文中詳細(xì)解釋。
[0097]關(guān)于氣液固(VLS)納米線的生長(zhǎng)過程的背景信息:
[0098]硅納米線能夠借助于在襯底上固定的催化劑顆粒來(lái)局部地生長(zhǎng)。在氣相沉積過程中，局部地在催化劑顆粒的位置上出現(xiàn)一維的纖維狀的晶體生長(zhǎng)。在此，包含硅的氣體僅在催化劑的位置上從氣態(tài)轉(zhuǎn)化為固態(tài)。晶體纖維的直徑基本上通過催化劑顆粒的直徑來(lái)限定。每個(gè)催化劑微粒產(chǎn)生最多一個(gè)晶體纖維(納米線)。適合于硅的催化劑顆粒是:金、TiO2和鋁等等。對(duì)于不同的催化劑材料存在不同的最佳過程溫度。在金的情況下，納米線通常能夠在325°C和>1000°C之間生長(zhǎng)。對(duì)于其它的金屬必要時(shí)適用的是更高的最低溫度。
[0099]晶體纖維的長(zhǎng)度隨著過程持續(xù)時(shí)間基本上線性地縮放。
[0100]納米線能夠在每個(gè)任意的不受影響地經(jīng)受所選擇的過程溫度的襯底上生長(zhǎng)。在這里所選擇的過程在大約456°C下進(jìn)行。這剛好低于溫度限制，超出所述溫度限制會(huì)出現(xiàn)整個(gè)襯底上的非催化的硅沉積。
[0101]詳細(xì)的方法進(jìn)程(也參見圖1):
[0102]選取襯底1，例如具有電絕緣表面2的襯底，例如氧化硅或者玻璃襯底。[0103]必要時(shí)在清潔、例如在利用RCA標(biāo)準(zhǔn)清潔方法的清潔之后，在所述襯底I上借助于光學(xué)光刻來(lái)施加光刻膠，所述光刻膠在所期望的用于納米線生長(zhǎng)的部位上包含孔。對(duì)此，襯底由光敏的光刻膠覆蓋。這種光刻膠膜通過經(jīng)由位于透明的石英玻璃載體上的結(jié)構(gòu)化的鉻掩膜進(jìn)行的選擇性的曝光而設(shè)有所期望的結(jié)構(gòu)。所述過程是下述過程，具有多種不同的曝光參數(shù)和層厚度的多種不同的光刻膠適合于所述過程。
[0104]在當(dāng)前情況下，孔能夠具有0.02微米至10微米的直徑。對(duì)于多種應(yīng)用而言，0.5微米至5微米是適合的。
[0105]現(xiàn)在，在光刻膠中位于所期望的部位上的孔用于:選擇性地在位于其下的襯底是可自由進(jìn)入的部位上沉積金催化劑顆粒。
[0106]對(duì)此存在兩種可能的過程，這兩種過程均引起相同的/類似的結(jié)果:
[0107]a)將含水的溶液施加到光刻膠和襯底上，所述溶液包含所期望的大小的金納米顆粒(膠體)。經(jīng)由純物理吸附，金膠體沉積在Si02或者玻璃襯底上的孔中。含水的溶液在幾小時(shí)后蒸發(fā)并且金膠體此時(shí)固定地保留在表面上。隨后，適當(dāng)?shù)娜軇?丙酮)移除光刻膠和在其上固定的金膠體。金膠體僅保留在襯底上的襯底通過光刻膠中的孔可自由進(jìn)入的部位上(所謂的剝離過程)
[0108]在含水的溶液中存在不同大小的在0.5納米和500納米之間的金納米顆粒。在本發(fā)明的實(shí)驗(yàn)檢驗(yàn)的范圍中，試驗(yàn)了具有大小特別是在5nm和150nm之間的顆粒的6至8種不同的溶液:在此表明，令人驚奇的是，僅具有40nm的直徑的金膠體在孔中沉積在襯底上。所有其它大小由于某些仍然未知的原因沒有進(jìn)入到孔中。由此，經(jīng)由借助于光刻膠和剝離的結(jié)構(gòu)化，小的金膠體結(jié)構(gòu)化地施加到襯底上。對(duì)大約40nm的顆粒選擇性地放置并且用于所述過程的發(fā)現(xiàn)當(dāng)前尚未完全了解。不受限于這些闡述，當(dāng)前看來(lái)似乎是，對(duì)此的物理原因可能是，金膠體受到與光刻膠的靜電的相互作用并且由于排斥原因而沒有進(jìn)入到孔中。大約40nm的金膠體與制造相關(guān)地可能具有另一種表面化學(xué)/表面電荷進(jìn)而不同于其余的顆粒。這可能是為什么迄今為止對(duì)于硅納米線的結(jié)構(gòu)化的生長(zhǎng)很少關(guān)注光學(xué)光刻和金膠體的含水的溶液的組合的原因。
[0109]b)第二種過程同樣適合于經(jīng)由光刻膠的預(yù)結(jié)構(gòu)化將催化劑施加到襯底上。借助于電子束金屬蒸鍍(在真空中)，薄的金膜能夠施加到結(jié)構(gòu)化的光刻膠層和在孔中露出的襯底上。在蒸鍍具有0.1nm至2nm的標(biāo)稱層厚度的金層時(shí)，在孔中露出的襯底上構(gòu)成金納米顆粒。該方法本身是已知的，對(duì)此參閱Albuschies, J., M.Baus, 0.Winkler, B.Hadam, B.Spangenberg,和 H.Kurz 的 High-density silicon nanowire growth fromself-assembled Au nanoparticles, Microelectronic Engineering, 2006.83 (4-9):第1530-1533頁(yè)，在該公開文獻(xiàn)中提到的對(duì)方法的詳細(xì)的描述相應(yīng)地結(jié)合到本說(shuō)明書中。
[0110]光刻膠和位于其上的金借助于適當(dāng)?shù)娜軇?例如在這里具體是丙酮)從襯底上移除。僅在光刻膠中的孔的位置處，金納米顆粒固定地保留在位于所述孔下的襯底上(剝離技術(shù))。
[0111]現(xiàn)在，結(jié)構(gòu)化地施加的金納米顆粒3——所產(chǎn)生的結(jié)構(gòu)示意性地在圖1a)中示出一用于硅納米線4在襯底I上的局部的生長(zhǎng)(生長(zhǎng)后的情況示意性地在圖1b)中示出)。
[0112]納米線4具有基本上由單獨(dú)的催化劑顆粒3預(yù)設(shè)的直徑。因?yàn)槲挥谄湎碌囊r底I是無(wú)定形的，所以不存在硅晶體纖維關(guān)于襯底的預(yù)設(shè)的生長(zhǎng)方向(對(duì)準(zhǔn))。[0113]在已經(jīng)存在金顆粒的區(qū)域上，在生長(zhǎng)過程之后存在多個(gè)任意定向的硅納米線，所述硅納米線在襯底上方的整個(gè)半空間中采用沒有準(zhǔn)確量化的角度分布(如位于襯底上的一半“海膽”，也參見圖2a)或b))。
[0114]襯底I上的納米線4的錨定點(diǎn)8位于初始存在催化劑金屬顆粒的位置處。根據(jù)納米線4的長(zhǎng)度，納米線4在橫向方向上遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出納米線4錨定在襯底I上的位置。
[0115]為了納米線4能夠與金屬電極11/13電接觸，納米線相對(duì)于襯底I的橫向的(平行的)對(duì)準(zhǔn)是必要的。
[0116]納米線4對(duì)于所述過程而言必須平行地位于電絕緣襯底I上。對(duì)于所述過程必要的是，納米線4的位置和定向必須是已知的，以便能夠在接下來(lái)的步驟中施加金屬電極11/13。納米線4的兩個(gè)端部對(duì)此必須連接在兩個(gè)不同的電極11/13之間。因此，納米線4表示兩個(gè)宏觀的電極11/13之間的唯一的電連接，所述電連接能夠?qū)崿F(xiàn)將單獨(dú)的或者一些納米線4連入到更大的電路中。
[0117]因?yàn)榇呋瘎╊w粒的位置經(jīng)由光學(xué)光刻來(lái)限定進(jìn)而是已知的，所以僅還必須確定定向。
[0118]對(duì)準(zhǔn)標(biāo)識(shí)能夠在所述過程之前施加到襯底上并且限定坐標(biāo)系。相對(duì)于所述坐標(biāo)系，能夠首先施加催化劑進(jìn)而限定納米線4的位置。當(dāng)定向已知時(shí)，能夠借助于襯底上的坐標(biāo)系將用于各個(gè)納米線4的金屬電極11/13施加到襯底I上。
[0119]用于平行地在襯底I上獲得納米線4的對(duì)準(zhǔn)過程基于機(jī)械地將力施加到納米線4上和由此產(chǎn)生的納米線4的定向方向的永久的改變，如在圖1c)至d)中示意性示出的。
[0120]使用具有一定幾何形狀的輔助工具5，以便將力施加到納米線4上，以至于相對(duì)于襯底I不平行地定向的納米線4在施加力之后平坦地位于襯底I上，也就是說(shuō)，平行于所述襯底的表面2。
[0121]力的(矢量)分量對(duì)此必須垂直于襯底I的方向上起作用。所述力經(jīng)由次級(jí)襯底5的平面或者彎曲的面來(lái)施加。
[0122]在平面的輔助工具的情況下，將納米線全部同時(shí)按壓到襯底上(三明治)。在彎曲的面的情況下，將納米線順序地按壓到襯底上(如在面輥/搟面杖中那樣)。在襯底上滾動(dòng)的球同樣是可能的。
[0123]也許基本上由于范德華力，納米線4固定地保留在襯底上。襯底和納米線上的特殊的粘附性的表面功能化能夠使所述過程更有效。因此，例如使用粘接劑，所述粘接劑沒有附著在輔助工具上，但是將納米線和襯底彼此牢固地連接。
[0124]為了防止納米線附著地保留在施加力的輔助工具5上(根據(jù)圖1dl的情況)，在輔助工具5上能夠設(shè)置有特殊的抗附著涂層，所述抗附著涂層與在其上應(yīng)固定有納米線4的襯底I相比具有與納米線4的更小的相互作用。然而，所述過程仍仍然在沒有粘接劑或者沒有輔助工具5的抗附著涂層的多種情況下起作用。
[0125]在這里所執(zhí)行的實(shí)驗(yàn)中，將掩膜對(duì)準(zhǔn)器(此外用于光刻)作為下述技術(shù)設(shè)備使用，所述技術(shù)設(shè)備能夠?qū)崿F(xiàn)將納米線襯底從下方起按壓到石英玻璃盤(輔助工具5)上。這樣的設(shè)備是尤其適合的，因?yàn)樵诳拷瓦h(yuǎn)離期間不會(huì)出現(xiàn)納米線襯底和石英玻璃盤之間的橫向移動(dòng)(或者僅出現(xiàn)非常小的橫向移動(dòng))。
[0126]如果初始的催化劑沉積面9的直徑相對(duì)于納米線的長(zhǎng)度是小的，那么納米線在對(duì)準(zhǔn)過程之后相對(duì)于催化劑面2的位置徑向地定向，如這例如能夠根據(jù)圖2c)看出。
[0127]借助關(guān)于徑向的設(shè)置的知識(shí)并且借助所述設(shè)置的已知的中心點(diǎn)，能夠?qū)⒔饘匐姌O精確地施加到納米線上，如在圖2d)中圖解說(shuō)明的一樣。
[0128]電極11至14能夠經(jīng)由光刻和電子束金屬蒸鍍和隨后的剝離技術(shù)來(lái)制造。
[0129]為了在液態(tài)介質(zhì)中進(jìn)行所述設(shè)置，通常還相對(duì)于環(huán)境進(jìn)行對(duì)金屬電極的鈍化/電絕緣，因此金屬電極不能夠經(jīng)由液態(tài)的介質(zhì)而導(dǎo)電連接。
[0130]用于制造納米線的過程的詳細(xì)描述:
[0131]將金催化劑(5nm至50nm)施加在襯底I上，所述襯底經(jīng)受在這里所選擇的465°C的過程溫度。襯底I對(duì)于所提出的應(yīng)用能夠是硅、二氧化硅或者常規(guī)的玻璃。
[0132]將襯底I提供到爐中，所述爐通常用于氣相沉積。這在該情況下是從外部加熱的石英玻璃管，在所述石英玻璃管中，內(nèi)部壓強(qiáng)能夠準(zhǔn)確地受控。
[0133]在465°C的過程溫度下，將由硅烷和氫氣構(gòu)成的氣體混合物提供到過程腔中。包含二硅烷和其它硅的氣體同樣是可能的(SiH4、Si2H6)
[0134]在過程期間的壓強(qiáng)降低到5毫巴。因?yàn)榘璧臍怏w在過程期間消耗，所以確保了通過過程腔的持續(xù)的氣流。用于特殊的過程的氣體量是dOOsccm (標(biāo)準(zhǔn)立方厘米)硅烷和200sccm氧氣。
[0135]氫氣在此是載氣，所述載氣不具有任何直接的化學(xué)催化作用，并且能夠通過另一種氣體例如氮?dú)獯?。所述過程在純硅烷的情況下也起作用，或者在存在其它的惰性氣體時(shí)也起作用。
[0136]過程持續(xù)時(shí)間通常為30分鐘至60分鐘，其中過程持續(xù)時(shí)間直接與所產(chǎn)生的納米線4的長(zhǎng)度成比例。線在過程持續(xù)時(shí)間中以可能基本上恒定的生長(zhǎng)速度生長(zhǎng)。在所給出的參數(shù)中，得出大約10微米至20微米每小時(shí)的生長(zhǎng)速度。納米線的直徑大致相應(yīng)于金顆粒的大小(5nm至50nm)。在所述過程開始時(shí)，存在延遲階段，在所述延遲階段期間基本上不發(fā)生任何生長(zhǎng)。生長(zhǎng)在幾分鐘之后才開始(也許首先是催化劑顆粒的激活和飽和，直至形成金和硅之間的對(duì)于生長(zhǎng)理想的共晶混合物)。
[0137]硅烷壓強(qiáng)(或者在存在其它氣體時(shí)的部分壓強(qiáng))和溫度確定生長(zhǎng)速度。更高的壓強(qiáng)和更高的溫度導(dǎo)致加快的生長(zhǎng)。
[0138]在所述過程中重要的是，在襯底上不發(fā)生氣體的任何非催化性的硅沉積。否則整個(gè)襯底(也可以是在催化劑顆粒之間)由無(wú)定形的硅層所覆蓋并且負(fù)面地影響例如SiO2襯底的電絕緣特性。
[0139]來(lái)自于硅烷氣體的硅的非催化性的沉積在大約470°C以上時(shí)開始并且相對(duì)不與襯底相關(guān)。
[0140]典型的參數(shù):襯底:Si02/玻璃；催化劑:金納米顆粒(5nm至50nm);過程溫度:465 0C ;過程持續(xù)時(shí)間:30分鐘至60分鐘；氣流:IOOsccm硅烷、200sccm氫氣；總壓強(qiáng):5mbar0
[0141]如在上文中所描述的，本發(fā)明此外根據(jù)另一個(gè)方面還涉及一種用于對(duì)單晶襯底進(jìn)行表面處理的干化學(xué)的方法。這種方法現(xiàn)在應(yīng)特別參考圖3在實(shí)驗(yàn)規(guī)定的范圍中詳細(xì)描述。
[0142]用于借助于新型的干化學(xué)蝕刻法在單晶硅中無(wú)光刻地制造金字塔狀的凹部的方法按如下方式來(lái)執(zhí)行:
[0143]襯底16是具有在襯底表面18中的〈100〉晶向的已清潔的娃晶片。晶片應(yīng)是不含氧化物的進(jìn)而在所述過程之前用氫氟酸來(lái)移除自然的氧化層:
[0144]在HF (氫氟酸)浴中一分鐘。用去離子水(DIH2O)沖洗十分鐘。但是，用于移除自然的氧化物的步驟不是強(qiáng)制必須的。大約2nm厚的自然的氧化層在所述過程期間通過金的蝕刻作用來(lái)克服并且不是金和硅之間的明確穩(wěn)固的蝕刻阻擋層。
[0145]隨后，在高真空中借助于電子束金屬蒸鍍來(lái)施加金層。標(biāo)準(zhǔn)的層厚度為0.1納米至2.0納米。
[0146]小的標(biāo)準(zhǔn)的層厚度引起:沒有形成閉合的金膜，而是在硅表面18上形成納米大小的金(Au)簇17 (參見圖3a)。用于施加Au納米顆粒17的其它方法對(duì)于過程也是適合的，例如如在上文中在本發(fā)明的第一方面的范圍中所描述的過程。
[0147]金和硅之間的不同的表面能量對(duì)形成Au納米顆粒17是意義重大的。(在相同的標(biāo)準(zhǔn)的層厚度下，顆粒例如在Si02上大約是在Si上的2至5倍大。)
[0148]將具有已施加的金顆粒17的硅晶片16在950°C下在標(biāo)準(zhǔn)壓強(qiáng)下在石英管爐中在氮?dú)猸h(huán)境或者其它的惰性氣體下加熱(僅需防止硅的氧化)。
[0149]首先產(chǎn)生原子的小的正方形的凹部19，所述凹部在過程時(shí)間中在其尺寸方面成比例地生長(zhǎng)(參見圖3b)。過程時(shí)間限定金字塔狀的凹部19的大小/深度。在950°C下在30分鐘之后，凹部具有大約200nm的直徑。根據(jù)金字塔形狀，深度相應(yīng)于凹部以57.x°下降的側(cè)面。具有硅〈111〉晶面的側(cè)面20在凹部19的中心中會(huì)合(相交)并且形成原子的尖銳的折痕。
[0150]雖然硅表面均勻地由金屬蒸鍍進(jìn)而金納米顆粒17具有非常高的密度(數(shù)量每面積)，但是蝕刻的凹部以每面積單位明顯更小的數(shù)量形成。
[0151]這樣的理論闡述不應(yīng)歸于限制性的特征，而是目前應(yīng)推測(cè)，在用金來(lái)蒸鍍時(shí)，出現(xiàn)統(tǒng)計(jì)分布的多種不同大小的金納米顆粒，并且金納米顆粒17的完全確定的大小主要能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)硅的催化的蝕刻。蝕刻的凹部19的分布在這種情況下可能精確地相應(yīng)于硅表面上的適合的金顆粒17的分布。但是，由此同樣可解釋的是，硅表面18中的晶體結(jié)構(gòu)的表面缺陷用作為用于蝕刻過程的成核晶種。在這種情況下，金字塔孔的密度可能與襯底相關(guān)并且與顆粒無(wú)關(guān)。
[0152]對(duì)于納米結(jié)構(gòu)化的硅表面的其它應(yīng)用而言，多余的金能夠借助于碘化鉀或者其它的溶解金的過程來(lái)移除(例如王水)。
[0153]附加地，凹部20中的金17能夠用作為用于硅納米線生長(zhǎng)的成核晶種，更確切地說(shuō)，在如在更上文中第一方面的范圍中和在第一權(quán)利要求中所描述的方法中。因此，獲得從金字塔狀的孔中生長(zhǎng)出來(lái)的硅納米線。
[0154]在薄的硅薄膜中制造納米漏斗(關(guān)于此也參見圖4a)至C)):
[0155]選取市售的具有〈100〉晶向作為娃頂層的SOI晶片:S0I=Silicon on Insulator(絕緣體上娃)。
[0156]SOI晶片23是具有普通厚度的常見的硅晶片。然而，在晶片的一側(cè)上存在薄的氧化硅層22和在其之上的另一個(gè)薄的單晶硅層21。在這種設(shè)置中，氧化物22位于晶片23和薄的硅層21之間。[0157]對(duì)于層厚度而言適合的尺寸是:
[0158]對(duì)于硅頂層21:5nm至500nm。位于其下的氧化層的厚度具有其次的作用。所述氧化層優(yōu)選必須是足夠厚的，以便能夠作為蝕刻阻擋來(lái)停止蝕刻過程(通常>5nm至10nm)。
[0159]現(xiàn)在，將在上文中所描述的干化學(xué)的蝕刻過程在SOI晶片上實(shí)施。(在過程持續(xù)時(shí)間中在950°C下)期望金字塔狀的凹部19的尺寸、尤其是深度，使得所產(chǎn)生的孔/金字塔(由限界面所限定的幾何金字塔)的深度可能比頂硅層的厚度深不為零的多個(gè)納米。例如200nm的絕緣體上硅和205nm深的金字塔。這引起蝕刻過程在深度為200nm時(shí)在氧化層上結(jié)束并且產(chǎn)生具有截尖部的金字塔。
[0160]在200nm的深度中在金字塔19的底部上形成由位于其下的SiO2層22構(gòu)成的平臺(tái)。
[0161]平臺(tái)的大小能夠非常準(zhǔn)確地設(shè)定。這經(jīng)由標(biāo)準(zhǔn)的金字塔深度和硅頂層21的當(dāng)前的厚度之間的差產(chǎn)生。
[0162]現(xiàn)在，SOI晶片能夠從下側(cè)起借助于通常的濕化學(xué)蝕刻法來(lái)結(jié)構(gòu)化，使得將位于其下的厚的硅層并且同樣將Si02層移除(參見根據(jù)圖4b)至e)的描述和下文中相應(yīng)的詳細(xì)的描述)。隨后僅保留初始的硅頂層21作為自由懸置的薄膜。將硅經(jīng)由氫氧化鉀溶液移除并且將SiO2層經(jīng)由氫氟酸移除。為了這個(gè)目的，硅頂層借助于由聚合物材料構(gòu)成的抗氫氧化鉀溶液和HF的保護(hù)膜來(lái)保護(hù)。在金字塔狀的凹部(在其最深的部位上)具有由SiO2構(gòu)成的平臺(tái)的位置處，現(xiàn)在存在相應(yīng)于平臺(tái)的大小的大的開口(洞/孔/孔口)。
[0163]同樣能夠?qū)OI晶片的下側(cè)上的硅23和SiO2層22結(jié)構(gòu)化地(局部地)移除，以至于晶片的大部分用作為對(duì)自由懸置的薄的硅頂層21的機(jī)械支撐。晶片的下側(cè)為了這個(gè)目的借助光學(xué)光刻來(lái)結(jié)構(gòu)化。光刻膠中的開口能夠?yàn)閹孜⒚字翈缀撩状?，根?jù)對(duì)自由懸置并且設(shè)置有漏斗的薄的硅薄膜的大小/面積的要求。
[0164]如在上文中所描述的，本發(fā)明也涉及一種用于制造傳感器元件的方法，其中所述傳感器元件優(yōu)選使用在上文中所描述的用于制造納米線或者用于在硅薄膜中制造漏斗狀的孔的方法。但是，替選地，例如能夠使用CNT來(lái)代替納米線，并且漏斗狀的開口也能夠利用濕化學(xué)法在硅薄膜中制造。用于制造的方法在下文中應(yīng)參考圖4a)至k)來(lái)說(shuō)明，并且操作方式參考圖41)至m)來(lái)說(shuō)明。
[0165]具有納米漏斗以用于分析長(zhǎng)鏈分子的納米線傳感器、傳感器幾何形狀和操作方式(參見圖4):
[0166]傳感器由電接觸的位于絕緣襯底(絕緣薄膜18/29)上的硅納米線4或者碳納米管(Carbon Nanotube, CNT)構(gòu)成。在納米線4 (或者CNT)下方存在納米漏斗19,所述納米漏斗為在襯底/薄膜中的朝向下側(cè)的開口。待分析的分子35是長(zhǎng)鏈的聚合物/多肽，所述聚合物/多肽由不同的子單元(蛋白質(zhì)/DNA)構(gòu)造。納米線4 (CNT)的電敏感性允許對(duì)長(zhǎng)鏈分子35的各個(gè)子單元在這二者之間直接物理接觸的情況下進(jìn)行檢測(cè)以及經(jīng)由納米線/CNT4進(jìn)行電子測(cè)定。為了將所有的子單元排序，將分子依照長(zhǎng)度在納米線/CNT4之上拉過進(jìn)而順序地提供電信息，所述電信息相應(yīng)于各個(gè)分子模塊。
[0167]為了改進(jìn)對(duì)分子子單元的電檢測(cè)，納米線/CNT4能夠特殊地化學(xué)官能化，以便在各個(gè)子單元和納米線4之間產(chǎn)生更強(qiáng)的相互作用，由此增強(qiáng)各個(gè)分子模塊的信號(hào)。在DNA的情況下，能夠?qū)⒒パa(bǔ)的堿基對(duì)施加到納米線/CNT上，以便通過鍵合產(chǎn)生更大的電信號(hào)。[0168]在此特別是存在兩種可能的操作方式:
[0169]A)相互作用能夠經(jīng)由納米線/CNT的靜電的并且分子特定的阻抗改變來(lái)檢測(cè)(如在檢測(cè)小分子時(shí)那樣)。
[0170]B)同樣可能的是，使用納米線/CNT的壓阻效應(yīng)，以便識(shí)別分子模塊。納米線/CNT的電阻隨著施加到納米線/CNT上的力和納米線/CNT的由此產(chǎn)生的擴(kuò)展/長(zhǎng)度改變而改變。分子子單元根據(jù)納米線/CNT的官能化而不同強(qiáng)度地鍵合到納米線/CNT上，并且在連續(xù)拉長(zhǎng)時(shí)將不同的力施加到納米線/CNT上，這隨后能夠以電學(xué)方式讀取。
[0171]在薄膜上具有漏斗的納米線傳感器的特殊的幾何形狀允許:準(zhǔn)確地在納米線上對(duì)分子進(jìn)行定位并且當(dāng)分子經(jīng)由納米線/CNT準(zhǔn)確限定地偏轉(zhuǎn)時(shí)施加準(zhǔn)確定向的牽引力/牽引速度。
[0172]為了能夠?qū)⒍ㄏ虻牧κ┘拥椒肿由喜⑶覟榱四軌蛟趥鞲衅魃蠈?duì)分子進(jìn)行定位，分子35在一個(gè)端部上借助聚合物小球36來(lái)官能化，所述聚合物小球的直徑為0.5微米至10微米大，以至于所述聚合物小球不能夠穿過漏斗19。同樣地，聚合物小球36用于，借助于光學(xué)陷阱，或者在磁性小球的情況下借助磁性陷阱使各個(gè)分子運(yùn)動(dòng)，并且經(jīng)由漏斗19對(duì)分子進(jìn)行定位(Optical Trap (光學(xué)陷講)=聚焦光束,借助所述聚焦光束,小的物體能夠在液體中運(yùn)動(dòng))。DNA例如能夠特定地在相應(yīng)的端部與完全不同的物體/聚合物小球化學(xué)地連接。
[0173]DNA的強(qiáng)的負(fù)電荷38允許，將分子朝向下側(cè)、也就是說(shuō)從液體區(qū)域33沿著示意性示出的方向39穿過漏斗19牽引到液體區(qū)域34中。這借助于在存在漏斗開口 19的薄膜29的上側(cè)和下側(cè)上的液體區(qū)域33/34之間的電勢(shì)來(lái)實(shí)現(xiàn)。所述電勢(shì)經(jīng)由在液體中分別在絕緣薄膜29之上和之下的電極產(chǎn)生。分子35也可能在沒有聚合物小球的情況下被牽引穿過漏斗開口。
[0174]分子現(xiàn)在經(jīng)受朝向下側(cè)的靜電牽引力39。所述力垂直于薄膜定向。借助于光學(xué)陷阱，現(xiàn)在能夠經(jīng)由聚合物小球36將橫向的牽引力施加到分子35上。由此，分子35張緊并且通過圍繞納米線的偏轉(zhuǎn)將機(jī)械力施加到所述納米線上。此外，由于出口開口 27的小的尺寸，分子相對(duì)于線4精確地固定在其位置中。借助于光學(xué)陷阱，牽引的速度能夠被準(zhǔn)確地控制并且在兩個(gè)方向上可逆地往復(fù)切換。這能夠?qū)崿F(xiàn)多次讀取以避免測(cè)量噪聲。
[0175]同時(shí)可獲得光學(xué)設(shè)備，所述光學(xué)設(shè)備能夠由唯一的光源借助于聲光分束器彼此相互獨(dú)立地在襯底上定位和移動(dòng)多至一百個(gè)光學(xué)陷阱。由此，能夠?qū)崿F(xiàn)襯底上的多個(gè)傳感器的并行的操作方式(并行的DNA排序)。
[0176]制造方法(參見圖4a)至k)和相應(yīng)的附圖描述):
[0177]如在對(duì)制造薄膜中的納米漏斗在上文中已經(jīng)單獨(dú)進(jìn)行的描述那樣，選取SOI晶片23/24。
[0178]借助于光學(xué)光刻在硅頂層21上限定應(yīng)存在漏斗19的面。在這些面上蒸鍍標(biāo)準(zhǔn)的層厚度為0.5nm的金，這在表面18上的清楚限定的區(qū)域中產(chǎn)生層9。在950°C和相應(yīng)的時(shí)間下的加熱過程提供納米漏斗19。如單獨(dú)所描述的，將硅晶片借助于氫氧化鉀溶液從下側(cè)處移除并且將SiO2層借助于氫氟酸蝕刻掉?，F(xiàn)在，自由懸置的硅薄膜21在熱氧化步驟中轉(zhuǎn)化為層29的電絕緣的SiO2。
[0179]在具有納米漏斗19的SiO2薄膜29上，此時(shí)在所期望的位置上借助于光學(xué)光刻限定存在用于生長(zhǎng)納米線4的金催化劑顆粒3的面。用于納米線生長(zhǎng)的面直接位于在其上產(chǎn)生納米漏斗19的面旁邊。納米線生長(zhǎng)過程如單獨(dú)所描述的那樣來(lái)實(shí)施。
[0180]未對(duì)準(zhǔn)的納米線4經(jīng)由折疊方法橫向地固定到襯底29上。納米線4的一部分如所期望的那樣位于納米漏斗19之上，但是一定的份額沒有位于所述納米漏斗之上。良好定位的納米線在漏斗之上的分布是統(tǒng)計(jì)學(xué)的并且能夠根據(jù)納米線密度和漏斗密度改變至一定程度。但是，這是毫無(wú)問題的，因?yàn)槁┒返娜肟陂_口是足夠大的(也參見圖5)。通過大量的能夠并行地在襯底29上制造的器件19/4，良好定位的納米線4的相對(duì)低的成效也足以在芯片上實(shí)現(xiàn)足夠大數(shù)量的良好定位的納米線4。
[0181]橫向定位的納米線4隨后經(jīng)由光學(xué)光刻與金屬電極30接觸。為了能夠在電解液體33/34中操作傳感器裝置，金屬電極30必須與環(huán)境電絕緣。對(duì)此，金屬電極30用由SiO2或者氮化硅構(gòu)成的層31來(lái)包覆，其中納米線4保持露出(同樣借助于光學(xué)光刻)。
[0182]為了操作傳感器，將所述裝置嵌入到適合于使用顯微鏡的腔中，以至于產(chǎn)生兩個(gè)彼此分離的液體容器33/34，所述液體容器僅通過薄膜29的孔19彼此連接。在分離的容器33/34中存在附加的電極，以便將靜電力施加到DNA分子上并且將所述DNA分子牽引穿過漏斗19。
[0183]借助于光學(xué)顯微鏡和光學(xué)陷講能夠?qū)⑿≈?6連同DNA35在適合的傳感器上定位，以便沿著納米線4牽引DNA35并且電學(xué)地讀取所述DNA。
[0184]附圖標(biāo)記列表
[0185]I 襯底，初級(jí)襯底
[0186]2 襯底表面
[0187]3 納米顆粒，金顆粒
[0188]4 納米線
[0189]5 次級(jí)襯底，輔助工具
[0190]6 5的表面
[0191]7 間隙
[0192]8 4在2上的連接點(diǎn)
[0193]9 具有納米顆粒的區(qū)域，成核區(qū)域
[0194]10 平面放置的納米線
[0195]11 中央的電極區(qū)域
[0196]13 部分環(huán)繞的第二電極
[0197]14 13 的端子
[0198]15 13中用于12的留空部
[0199]16 硅襯底
[0200]17 納米顆粒，金顆粒
[0201]18 16 的表面
[0202]19 凹部，16中的漏斗
[0203]20 19的限界面，晶面
[0204]21 硅層
[0205]22 二氧化硅層
[0206]23 硅晶片[0207]24整體襯底
[0208]25在用氫氧化鉀溶液處理之后在23中的下側(cè)的凹部
[0209]2622的露出的表面
[0210]2719 的出口開口
[0211]2819 的入口開口
[0212]29氧化層21、作為絕緣的襯底層的氧化硅層
[0213]30金屬電極
[0214]31絕緣層
[0215]3230的接觸區(qū)域
[0216]33上側(cè)上的液體
[0217]34下側(cè)上的液體
[0218]35分子鏈
[0219]36小珠，聚合物小球
[0220]3736的橫向運(yùn)動(dòng)
[0221]3835上的電荷
[0222]39由于 38以及在33和34之間的電勢(shì)差引起的牽引力
[0223]4021/29 的下側(cè)
【權(quán)利要求】
1.一種用于制造導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的方法，所述導(dǎo)體結(jié)構(gòu)具有至少一個(gè)納米線、特別是硅納米線(4)，所述納米線具有小于50nm的直徑并且經(jīng)由至少兩個(gè)部位經(jīng)由電極(11，13，30)來(lái)接觸，并且其中至少一個(gè)所述納米線(4)和所述電極(11，13，30)設(shè)置在襯底(1，5)上的一個(gè)平面中，其特征在于， a)在絕緣的襯底(I)的表面(2)上放置具有在0.5nm至50nm的范圍中的直徑的催化活性的金屬納米顆粒， b)在300°C至1100°C的范圍中的溫度下，在IOmin至200min的范圍中的持續(xù)時(shí)間中，所述表面和放置在其上的所述金屬納米顆粒經(jīng)受包含至少一種氣態(tài)的硅組分的氣流，其中形成至少一個(gè)從所述襯底(I)伸出的長(zhǎng)度在5μπι至200μπι的范圍中的納米線(4)； c)通過放置具有與絕緣的所述襯底(I)的所述表面(2)相配合的接觸面(6)的次級(jí)襯底(5)，將至少一個(gè)從所述襯底(I)的所述表面伸出的所述納米線(4)放置到一個(gè)平面中； d)放置在絕緣的所述襯底(I)上的至少一個(gè)所述納米線(4)在兩個(gè)不同的部位上與電極(11，13，30)接觸，或者至少一個(gè)附著在所述次級(jí)襯底(5)上的所述納米線在兩個(gè)不同的部位上與電極(11，13，30)接觸。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，絕緣的所述襯底(I)是由硅、二氧化硅、氮化娃或者玻璃構(gòu)成的襯底，并且所述金屬納米顆粒是金納米顆粒，優(yōu)選具有在5nm至50nm的范圍中、優(yōu)選在20nm至45nm的范圍中的直徑。
3.根據(jù)上述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的方法，其特征在于，在步驟a)的范圍中，通過下述方式將所 述金屬納米顆粒在空間限界并且彼此分離的區(qū)域中放置在所述襯底上:優(yōu)選地，尤其利用光學(xué)光刻來(lái)施加由光刻膠構(gòu)成的層，其中優(yōu)選經(jīng)由選擇性的曝光經(jīng)由結(jié)構(gòu)化的鉻掩膜，在所述由光刻膠構(gòu)成的層中制造具有在0.02 μ m至10 μ m的范圍中、優(yōu)選在0.5 μ m至5 μ m的范圍中的直徑的孔，并且 隨后將優(yōu)選含水的溶液施加到所述光刻膠上，所述溶液具有作為膠體的金屬納米顆粒，優(yōu)選為具有在0.5nm至500nm的范圍中的直徑、尤其優(yōu)選具有在5nm至150nm的范圍中的直徑的納米顆粒，其中將所述溶液蒸發(fā)并且其中隨后將光刻膠借助適當(dāng)?shù)娜軇?、?yōu)選丙酮來(lái)移除， 或者在真空中利用電子束金屬蒸鍍，將金屬膜、尤其是金膜施加到所述由光刻膠構(gòu)成的層上，所述金屬膜優(yōu)選具有在0.1nm至2nm的范圍中的層厚度，并且隨后將所述光刻膠和位于所述光刻膠上的金屬借助于適合的溶劑、優(yōu)選丙酮來(lái)移除。
4.根據(jù)上述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的方法，其特征在于，在步驟b)中，在350°C至500°C的范圍中、優(yōu)選在400V至480°C的范圍中、尤其優(yōu)選在450V至470°C的范圍中的溫度下進(jìn)行處理，并且通過將硅烷或者二硅烷作為氣態(tài)的硅組分優(yōu)選與載氣、尤其優(yōu)選為氮?dú)饣蛘邭錃饨M合使用，其中優(yōu)選使用硅烷或者二硅烷的在50sscm至200sscm的范圍中的氣流和載氣的在lOOsscm至300SScm的范圍中的氣流，并且通過將所述襯底之上的總壓強(qiáng)保持在Imbar至50mbar的范圍中、優(yōu)選2mbar至IOmbar的范圍中。
5.根據(jù)上述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的方法，其特征在于，在步驟a)中，將所述納米顆粒放置在至少一個(gè)、優(yōu)選多個(gè)彼此分離的成核區(qū)域(9)中，使得在步驟b)中在每個(gè)成核區(qū)域(9)之上構(gòu)成多個(gè)納米線(4)，并且在步驟d)的范圍中，在所述成核區(qū)域(9)之上以接觸所述納米線的第一端部的方式、優(yōu)選經(jīng)由金屬蒸鍍或者光刻沉積來(lái)制造中心的第一電極(11)，并且優(yōu)選經(jīng)由金屬蒸鍍或者光刻沉積來(lái)制造至少部分地環(huán)繞所述第一電極(11)構(gòu)成的第二電極(13)。
6.一種用于以干化學(xué)的方式在結(jié)晶襯底(16)中制造凹部(19)的方法， 其特征在于， 將催化劑顆粒(17)在結(jié)晶襯底(16)的表面(18)上放置在待產(chǎn)生所述凹部(19)的部位上，并且在存在防止所述襯底(16)氧化的氣體環(huán)境時(shí)，至少在其上所述催化劑顆粒(17)位于所述表面(18)上的區(qū)域在至少5min、優(yōu)選至少15min的持續(xù)時(shí)間中經(jīng)受至少500°C、優(yōu)選至少750°C、尤其優(yōu)選至少900V、更尤其優(yōu)選在900°C至1100°C的范圍中的溫度，其中構(gòu)成漏斗狀的凹部(19)，所述凹部的至少三個(gè)在所述襯底的深處會(huì)合的限界面(20)通過所述結(jié)晶襯底(16)的晶面形成。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的方法，其特征在于，所述結(jié)晶襯底(16)是單晶襯底、優(yōu)選為由硅構(gòu)成的單晶襯底，優(yōu)選是(100)硅晶片，尤其是SOI結(jié)構(gòu)，其中尤其優(yōu)選地在SOI結(jié)構(gòu)的情況下，所述限界面(20)是四個(gè)從所述襯底的所述表面通向深處的單晶的(111)晶面。
8.根據(jù)權(quán)利要求6或7所述的方法，其特征在于，所述催化劑顆粒(17)是金屬納米顆粒、優(yōu)選是金納米顆粒(17),優(yōu)選具有在Inm至20nm的范圍中、尤其優(yōu)選在2nm至IOnm的范圍中的直徑，其中優(yōu)選通過下述方式在所述表面(18)上生成所述金納米顆粒(17):在所述表面上優(yōu)選利用電子束金屬蒸鍍過程優(yōu)選在高真空中生成具有在0.1nm至2nm的范圍中的厚度的金層，基于不同的表面能量，由所述金層形成所述金納米顆粒(17)。
9.根據(jù)權(quán)利要求6或7所述的方法，其特征在于，通過所述襯底(16)的厚度小于所述凹部(19)的幾何形狀的通過所述限界面(20)形成的深度，所述凹部(19)是貫穿所述襯底(16)的貫通開口，并且其中在所述襯底的所述表面(18)中的所述凹部具有通過表面(18)和限界面(20)之間的交叉線形成的入口開口(28)和通過所述襯底(16)的相對(duì)置的下側(cè)的表面和所述限界面(20)形成的出口開口( 27)，所述出口開口具有較小的、在幾何形狀方面類似于所述入口開口( 28 )的橫截面。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的方法，其特征在于，所述入口開口(28)具有多邊形的、優(yōu)選矩形的或者正方形的橫截面，所述橫截面具有50nm至500nm、優(yōu)選在150nm至250nm的范圍中的側(cè)邊長(zhǎng)，并且所述凹部?jī)?yōu)選具有幾何形狀的通過所述限界面(20)形成的在50nm至500nm的范圍中、尤其優(yōu)選在150nm至250nm的范圍中的深度，其中優(yōu)選幾何形狀的所述深度比所述襯底的厚度大Inm至50nm、優(yōu)選大5nm至IOnm,使得構(gòu)成具有出口開口(27)的貫通開口。
11.一種用于制造傳感器元件、尤其是用于確定分子特性的傳感器元件的方法，其特征在于， a)在襯底(21)中、尤其是在單晶硅層中制造漏斗狀的貫通開口(19)，所述貫通開口具有在上側(cè)(18)上的矩形的或者正方形的入口開口(28)和在與所述上側(cè)(18)對(duì)置的下側(cè)(40)上的關(guān)于橫截面更小的出口開口(27)，所述出口開口是所述入口開口的優(yōu)選至多五分之一、尤其優(yōu)選至多十分之一，其中優(yōu)選使用根據(jù)權(quán)利要求6至10中任一項(xiàng)所述的方法； b)在所述上側(cè)(18)上的鄰接于所述入口開口(28)或者靠近所述入口開口的區(qū)域中，以根據(jù)權(quán)利要求1至5中任一項(xiàng)所述的方法來(lái)制造納米線(4)并且在此將所述納米線置于所述入口開口(28)之上并且橋接所述入口開口并且在兩側(cè)上經(jīng)由電極(30)接觸，或者將預(yù)制的CNT或納米管置于所述入口開口( 28 )之上并且橋接所述入口開口并且在兩側(cè)上經(jīng)由電極(30)接觸；c)將兩個(gè)所述電極(30)集成到電路中，在所述電路中，能夠經(jīng)由所述CNT或者納米線(4)來(lái)測(cè)量電特性或者電子特性，尤其是電阻作為時(shí)間的函數(shù)、尤其是作為所測(cè)定的分子(35)的位置的函數(shù)。
12.根據(jù)權(quán)利要求11所述的方法，其特征在于，在步驟a)的范圍中，從基于硅的整體襯底(24)開始，所述整體襯底具有:表面的單晶〈100〉娃層(21),所述娃層具有在5nm至500nm的范圍中、優(yōu)選在IOOnm至300nm的范圍中的厚度；設(shè)置在所述硅層之下的二氧化硅層(22)和設(shè)置在所述二氧化硅層之下的硅晶片(23)，以干化學(xué)的或者濕化學(xué)的蝕刻方法，優(yōu)選以根據(jù)權(quán)利要求6至10中任一項(xiàng)所述的方法，在所述硅層(21)中制造漏斗狀的貫通開口，其中在所述硅層(21)中在所述二氧化硅層(22)的那一側(cè)上通過下述方式制造正方形的或者矩形的具有在2nm至IOnm的范圍中的側(cè)邊長(zhǎng)的出口開口(27):在所述出口開口(27)的區(qū)域中移除所述硅晶片(23)和所述二氧化硅層(22)以露出所述出口開口(27)，并且將所述硅層(21)轉(zhuǎn)變?yōu)榻^緣的氧化的二氧化硅層(29)。
13.根據(jù)權(quán)利要求11或12所述的方法，其特征在于，在所述傳感器元件的區(qū)域中，不僅在所述入口開口(28)的上側(cè)上、而且在所述出口開口(27)的下側(cè)上設(shè)置用于容納液體的區(qū)域，在所述液體中能夠保持待測(cè)量的分子，并且其中附加地設(shè)置工具，尤其是以磁性的和/或光學(xué)的和/或光電的和/或機(jī)械的運(yùn)動(dòng)元件的形式的工具，借助于所述工具，至少部分地穿過所述貫通開口( 19 )的分子(35 )能夠穿過所述貫通開口( 19 )并且經(jīng)過所述納米線(4)并且圍繞所述納米線運(yùn)動(dòng)，并且其中尤其優(yōu)選地設(shè)置一個(gè)電路，所述電路能夠?qū)崿F(xiàn)設(shè)定所述上側(cè)上的液體區(qū)域和所述下側(cè)上的液體區(qū)域之間的電勢(shì)差。
14.一種傳感器元件，尤其是根據(jù)權(quán)利要求11至13中任一項(xiàng)所述的方法制造的傳感器元件，其特征在于，所述傳感器元件具有絕緣襯底(29)，所述絕緣襯底具有漏斗狀的貫通開口( 19)，所述貫通開口在上側(cè)(18)上具有優(yōu)選矩形的或者正方形的入口開口(28)并且在與所述上側(cè)(18 )相對(duì)置的下側(cè)(40 )上具有關(guān)于橫截面更小的出口開口( 27 )，所述出口開口是所述入口開口的優(yōu)選至多五分之一、尤其優(yōu)選至多十分之一，納米線(4)設(shè)置為接合到所述入口開口(28)之上并且橋接所述入口開口并且在兩側(cè)上經(jīng)由電極(30)接觸，并且所述電極(30)是集成到電路中的或者能夠集成到電路中，在所述電路中能夠經(jīng)由納米線(4)來(lái)測(cè)量電特性或者電子特性，尤其是電阻作為時(shí)間的函數(shù)、尤其作為已測(cè)定的分子(35)的位置的函數(shù)，其中優(yōu)選不僅在所述入口開口(28)的上側(cè)上、而且在所述出口開口(27)的下側(cè)上設(shè)置用于容納液體的區(qū)域，在所述液體中能夠保持待測(cè)量的分子，并且此外優(yōu)選地，其中附加地設(shè)置工具，特別是以磁性的和/或光學(xué)的和/或光電的和/或機(jī)械的運(yùn)動(dòng)元件的形式的工具，借助于所述工具，至少部分地穿過所述貫通開口( 19)的分子(35)能夠穿過所述貫通開口(19)并且經(jīng)過所述納米線(4)并且圍繞所述納米線運(yùn)動(dòng)，并且其中尤其優(yōu)選設(shè)置一個(gè)電路，所述電路能夠?qū)崿F(xiàn)設(shè)定所述上側(cè)上的液體區(qū)域和所述下側(cè)上的液體區(qū)域之間的電勢(shì)差。
15.一種用于利用根據(jù)權(quán)利要求14所述的傳感器元件來(lái)測(cè)量長(zhǎng)鏈分子的、尤其是DNA分子的特性的方法，其特征在于，所述分子(35)在一側(cè)上與優(yōu)選以磁性可控和/或光學(xué)可控的小珠的形式的電阻元件(36)耦聯(lián)，所述電阻元件具有使得其不能夠穿過所述貫通開口(19)的尺寸，并且所述電阻元件通過外部影響能夠空間地相對(duì)于所述貫通開口( 19)橫向于所述表面移動(dòng)，使得所述分子(35)連同所耦聯(lián)的電阻元件(36)被引入到所述上側(cè)上的液體區(qū)域(33)中，上側(cè)的液體區(qū)域(33)和下側(cè)的液體區(qū)域(34)之間的電勢(shì)差設(shè)定成，使得牽引所述分子(35)的自由端部穿過所述貫通開口(19)并且進(jìn)入到下側(cè)的液體區(qū)域(34)中，其中所述電阻元件(36)保 持阻擋在上側(cè)的液體區(qū)域(33)中，并且施加外部作用，尤其是以激光單束陷阱的形式或者磁場(chǎng)的形式的外部作用，使得所述電阻元件(36)遠(yuǎn)離所述貫通開口(19)和/或必要時(shí)在替選的過程中靠近所述貫通開口(19)，其中以圍繞所述CNT或者納米線(4)并且經(jīng)過接觸所述CNT或者納米線的方式引導(dǎo)分子鏈(35)，并且經(jīng)由所述CNT或者納米線(4)來(lái)測(cè)量電特性或者電子特性，優(yōu)選為作為時(shí)間的函數(shù)改變的電阻。
【文檔編號(hào)】B82Y10/00GK103958397SQ201280051913
【公開日】2014年7月30日 申請(qǐng)日期:2012年8月20日 優(yōu)先權(quán)日:2011年8月22日
【發(fā)明者】約爾格·阿布席斯 申請(qǐng)人:約爾格·阿布席斯