NL1024033C2

NL1024033C2 - Werkwijze voor het vervaardigen van nanokanalen en nanokanalen daarmee vervaardigd.

Info

Publication number: NL1024033C2
Application number: NL1024033A
Authority: NL
Inventors: Adrianus Bossche; Vladimir Gueorguiev Kutchoukov; Frederic Laugere; Wim Van Der Vlist
Original assignee: Univ Delft Tech
Priority date: 2003-08-04
Filing date: 2003-08-04
Publication date: 2005-02-07
Also published as: CA2526114A1; JP2007533467A; EP1654191A1; US20070039920A1; WO2005012159A1

Description

*

Werkwijze voor het vervaardigen van nanokanalen en nanokana-len daarmee vervaardigd

De onderhavige uitvinding heeft betrekking op een werkwijze voor het vervaardigen van ten minste een nanokanaal in een op een drager aangebracht halfgeleidermateriaal, waarbij een etsbewerking in het halfgeleidermateriaal en een 5 hechtbewerking voor het bevestigen van een op de drager aan te brengen deklaag aan. deze. drager wordt uitgevoerd. Tevens heeft de onderhavige uitvinding betrekking op nanokanalen die met deze werkwijze zijn vervaardigd.

De vervaardiging van nanokanalen heeft de laatste 10 jaren grote aandacht gekregen vanwege de toegenomen belangstelling voor het manipuleren en detecteren van afzonderlijke moleculen. De ontwikkelingen op het gebied van de optische technieken maken het steeds beter mogelijk om biochemische processen te bestuderen die op moleculair niveau plaatsvin-15 den. Daarmee wordt een groot onderzoekspotentieel blootgelegd op bijvoorbeeld het medische en biomedische gebied. Micro- en nanokanalen kunnen bijvoorbeeld worden toegepast voor de scheiding van biomoleculen, enzymatische tests en immunohy-bridiseringsreacties. Een voorbeeld van het gebruik van mi-20 cro- en nanokanalen is de optische detectie van moleculen. In dat geval is het belangrijk dat ten minste één zijde van het kanaal transparant is voor licht. Daarom wordt er veel onderzoek gedaan naar de vervaardiging van nanokanalen in transparant materiaal. Bij het onderzoek kan verder elektrische ma-25 nipulatie van de moleculen in de nanokanalen interessant zijn. Hiervoor worden dan elektrodes aangebracht aan weerszijden van de kanalen. Ook aan de ontwikkeling van nanokanalen voorzien van elektrodes wordt derhalve veel onderzoek gedaan.

30 In de stand van de techniek is het bekend om op een glasplaat of in een isolerende tussenlaag van twee glasplaten, door etsen kanalen te verkrijgen en vervolgens de twee glasplaten door middel van een lijmverbinding met elkaar te verbinden. Een nadeel van deze bekende techniek is dat de 1024033 Η I 2 I nauwkeurigheid van de afmetingen van de nanokanalen die op I deze wijze worden verkregen wordt begrensd door de beperkte I nauwkeurigheid waarmee de lijmlaag tussen de glasplaten kan I worden aangebracht. Deze beperkte nauwkeurigheid kan een aan- I 5 leiding voor lekkage vormen.

I Verder is uit de stand der techniek bekend dat na I het etsen van de kanalen elektroden kunnen worden opgedampt, I waarna de twee glasplaten via een lijmverbinding met elkaar I worden verbonden. Een nadeel van deze bekende techniek is dat 10 de uitlijning van de elektroden en de kanalen zeer nauwkeurig I moet plaatsvinden, wat een zware constructieeis vormt die de bruikbaarheid van de op de bekende wijze verkregen nanokana- len begrenst. Daarbij kan het op deze manier opbrengen van elektroden plaatselijke variaties in de hoogte van de aange- I 15 brachte tussenlaag veroorzaken, die na verbinding van de glasplaten lekkages kunnen veroorzaken.

I Een doel van de onderhavige uitvinding is derhalve I om een werkwijze te verschaffen voor de vervaardiging van na- I nokanalen tussen een drager en een deklaag waarbij de gevorm- I 20 de nanokanalen zeer nauwkeurig gedimensioneerd zijn en geen lekkages vertonen. Daarbij verdient het de voorkeur om bij de vervaardiging gebruik te maken van conventionele technieken.

I Een verder doel van de onderhavige uitvinding is om een werkwijze te verschaffen voor een nauwkeurige plaatsing I 25 van elektrodes rond de bovengenoemde nanokanalen die eenvou- I dig is uit te voeren en die bovendien een nauwkeurige dimen- sionering van de nanokanalen niet in de weg staat en geen I aanleiding geeft tot lekkages.

In een eerste aspect van de uitvinding wordt in de 30 hechtbewerking het halfgeleidermateriaal als hechtmiddel toe- gepast. Op deze wijze wordt een oppervlak verkregen met een perfecte vlakheid, waardoor bij verbinding van de deklaag aan het halfgeleidermateriaal het risico van lekkages is gemini- H maliseerd.

35 Het halfgeleidermateriaal wordt op de drager aange- bracht door middel van bijvoorbeeld LPCVD (low-pressure che- I mical vapour deposition). Als drager en deklaag kunnen onder I andere glas of een halfgeleiderwafer worden toegepast. De I 1024033 m 3 voorkeur gaat echter uit naar glas, omdat glas doorlaatbaar is voor zichtbaar licht en de producten met de nanokanalen derhalve kunnen worden ingezet bij toepassingen waar optische detectiemethoden worden gebruikt. Als halfgeleidermateriaal 5 kan elk toepasselijk soort halfgeleider worden toegepast. De voorkeur gaat echter uit naar amorf silicium vanwege de lage depositiesnelheid die dit materiaal bezit, waardoor het halfgeleidermateriaal zeer nauwkeurig in de gewenste laagdikte kan worden opgebracht. De laagdikte van het opgebrachte half-10 _geleidermateriaal ligt in de orde van...grootte van enkele tientallen nanometers, maar natuurlijk kunnen afhankelijk van de toepassing ook dikkere of dunnere lagen worden opgèbracht, zolang maar gewaarborgd is dat met de verkregen laag nanokanalen kunnen worden gemaakt en er een geslaagde verbinding 15 tussen de drager en de deklaag tot stand kan worden gebracht.

Het nanokanaal wordt in het halfgeleidermateriaal en eventueel ook gedeeltelijk in de onderliggende drager aangebracht. Dit kan worden uitgevoerd met gebruikelijke etstechnieken. De dimensies van het aangebrachte kanaal zijn onder 20 andere afhankelijk van de gebruikte techniek. Bij gebruikelijke lithografische technieken kan een kanaalbreedte vanaf ca. 0,5 um worden bereikt. Wanneer smallere kanalen gewenst zijn, kan bijvoorbeeld gebruik worden gemaakt van elektronenbundel lithograf ie, waarmee kanalen met een breedte van zelfs 25 enkele tientallen nanometers kunnen worden bereikt. De diepte van het kanaal wordt bepaald door de tijdsduur van het etsen en kan dus naar keuze worden ingesteld.

Tenslotte wordt de deklaag verbonden aan de drager via de daarop aangebrachte laag van halfgeleidermateriaal.

30 Dit wordt bij voorkeur uitgevoerd door anodisch binden. Het anodisch binden vindt plaats door het geheel te verwarmen tot een temperatuur van ten minste 350°C en bij voorkeur ongeveer 400°C, en vervolgens over het geheel een hoge spanning aan te leggen, bij voorkeur ca. 1000 V tot 1500 V.

35 In een verder aspect van de uitvinding wordt voordat het kanaal in de laag van halfgeleidermateriaal wordt aangebracht, de laag halfgeleidermateriaal lokaal gedoteerd voor de vorming van elektroden. Hiermee worden op voorafbepaalde 1024033 Η I 4 I plaatsen met behulp van ionimplantatietechnieken geleidende I delen in het halfgeleidende materiaal aangebracht. Vervolgens I wordt dwars door deze geleidende delen het kanaal uitgeëtst, I waardoor twee elektroden aan weerszijden van het kanaal ont- I 5 staan. Vanwege deze werkwijze zijn de twee elektroden perfect I uitgelijnd ten opzichte van elkaar en ten opzichte van het I kanaal. De nauwkeurige dimensionering van de nanokanalen zo- I als die in de onderhavige uitvinding plaatsvindt kan ook in I deze uitvoeringsvorm worden toegepast. Daarbij blijft het op- I 10 pervlak van de laag halfgeleidermateriaal door het via dote- ring aanbrengen van elektroden erg vlak, zodat ook in deze I uitvoeringsvorm het optreden van lekkages door het niet op I elkaar aansluiten van de boven- en onderlaag geminimaliseerd 15 Hieronder wordt ter toelichting een aantal uitvoe- I ringsvoorbeelden gegeven van de onderhavige uitvinding.

I Voorbeeld 1

In dit voorbeeld wordt een voorkeurswerkwijze voor I 20 de vorming van een nanokanaal tussen twee glazen platen gege- I ven.

I Als drager en deklaag werd gebruik gemaakt van gla- I zen platen van het Borofloat-type, verkrijgbaar bij Bullen

Ultrasonics, Ine., V.S.. In deze platen waren gaten voorge- 25 boord als aan- en afvoerleiding voor de nanokanalen. Op de drager werd met behulp van LPCVD (Low Pressure Chemical va- pour deposition) een amorfe silicium tussenlaag met een dikte I van 33 nm aangebracht. Vervolgens werd het patroon van het nanokanaal met behulp van een fotografisch masker aangebracht I 30 op de tussenlaag, waarna in een Alcatel fluoride etsapparaat de kanalen in de tussenlaag en gedeeltelijk in de drager wer- den geëtst.

Hierna werden zowel de behandelde drager met tussen- laag als de deklaag gereinigd in een oplossing van salpeter- 35 zuur. Vervolgens werd de deklaag op de drager met tussenlaag aangebracht en werd het geheel verbonden in een Electronic I Visions EVG501 bonder. Daartoe werd het geheel gedurende 2 I uur voorverwarmd op 400°C, waarna het binden plaatsvond bij I 1024033 ____________ 5 dezelfde temperatuur en onder het aanleggen van 1000 V gedurende 1 uur. Op deze wijze werd een nanokanaal gevormd met een diepte van 50 nm, een breedte van 40 pm en een lengte van 3 mm.

5

Voorbeeld 2

Volgens de werkwijze van voorbeeld 1 werden nanoka-nalen met verschillende afmetingen vervaardigd. In één set van experimenten hadden de kanalen een diepte van 50 nm en 10 een_1 engte. van_3_mm en diverse ^breedtes. Het._smalste kanaal had een breedte van 2 pm, het breedste kanaal had een breedte van 100 pm. in een andere set experimenten werden laddervormige kanalen gevormd, waarbij het ene been een breedte had van 2 pm en het andere been een breedte van 5 μια. De diepte 15 van de kanalen was ook hier 50 nm.

De kwaliteit van de gevormde kanalen werd gecontroleerd met behulp van electronenmicroscopie en fluorescentie-microscopie. Bij de controle met fluorescentiemicroscopie werd een fluorescente vloeistof (Rhodamine 6G) door het ge-20 vormde nanokanaal geleid. In alle gevallen liep de fluorescente vloeistof zonder het aanbrengen van over- of onderdruk onder invloed van capillaire krachten door de nanokanalen.

Bij de controle met electronenmicroscopie vertoonde het elec-tronenmicroscopische beeld geen onregelmatigheden in het ka-25 naai. Tevens werd er bij geen enkel nanokanaal dat was vervaardigd volgens de onderhavige werkwijze lekkage waargenomen.

Uit dit voorbeeld blijkt dat met de werkwijze volgens de onderhavige uitvinding nanokanalen kunnen worden ge-30 vormd met verschillende vooraf bepaalde groottes, die zonder, obstructies zijn en waardoorheen derhalve stroming kan plaatsvinden. De met de werkwijze volgens de onderhavige uitvinding vervaardigde nanokanalen blijken vrij van lekkage te zijn.

35 1024033

Claims

1. Werkwijze voor het vervaardigen van ten minste I een nanokanaal in een op een drager aangebracht halfgeleider- I 5 materiaal, omvattende een etsbewerking in het halfgeleiderma- I teriaal en een hechtbewerking voor het bevestigen van een op I de drager aan te brengen deklaag aan deze drager, met het I kenmerk, dat in de hechtbewerking het halfgeleidermateriaal I als hechtmiddel wordt toegepast. I 10

2. Werkwijze volgens conclusie 1, met het kenmerk, I dat de drager met de deklaag wordt verbonden door het over de I drager en deklaag bij een temperatuur van ten minste ca. 350 I °C aanbrengen van een hoog elektrisch potentiaalverschil.

3. Werkwijze volgens conclusie 1, met het kenmerk, I 15 dat het potentiaalverschil ca. 1500 V bedraagt.

4. Werkwijze volgens conclusies 1-3, met het ken- I merk, dat voorafgaande aan de etsbewerking het halfgeleider- materiaal lokaal wordt gedoteerd ter vorming van elektroden.

5. Nanokanalen begrensd door een drager en een op de 20 drager bevestigde deklaag, gekenmerkt door een laag halfge- H leidermateriaal welke de drager en de deklaag met elkaar ver- bindt. I 1024033