CN101690871A - 制造具有锥形孔的膜的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了制造具有锥形孔的膜的方法，其能够在低孔直径时形成高纵横比。本发明还提供了薄而稳定的而且能够容易地以降低的破裂风险操作的膜。进而，本发明提供了与硅系膜相比更低廉的制造方法。

Description

制造具有锥形孔的膜的方法
技术领域
本发明涉及制造具有锥形孔的膜的方法、涉及具有锥形孔的聚合物膜、和涉及此类聚合物膜的用途。
背景技术
悬浮双层通常是跨越含有孔/孔隙的固体载体形成的。已知的是，双层所跨越的孔/孔隙的面积影响双层的稳定性。一方面，面积越小，双层保持稳定的时间一般越长。另一方面，双层的面积越小，将孔蛋白引入所形成双层的悬浮部分中需要的时间越长。
为了形成双层，通常让膜的两面都接触到含有双层组分的液体。虽然液体施用在一面上，但膜的另一面上的液体通常穿越孔/孔隙流动。这一程序导致在一次试验之内或若干次试验之后跨越孔的类脂双层的自发形成。
许多研究群体已经研究了适用于类脂双层形成的固体载体。
1)Dogan等要求保护含有直径范围为1μm～50μm的圆孔的硅/二氧化硅载体或聚酰亚胺载体。在这项申请中没有进一步规定孔直径与膜厚度之间的纵横比以及表面处理。
2)Takeuchi等以十分普遍的方式教导了朝着孔边缘不断变窄的锥形孔。他们选择的材料是Si/SiO2。权利要求中没有规定孔和膜的几何尺寸。这项申请中没有进一步规定关于连续锥的几何尺寸和表面处理的细节。
3)Pohl等报告了利用玻璃中或塑料中形成的孔的类脂双层形成技术。他们要求保护的直径范围是50μm～300μm。没有给出关于纵横比或表面处理的进一步细节。
4)Heath等于2004年提交了一份专利申请，该专利申请描述从硅片制作的具有1μm～200μm直径的孔的膜。他们建议用绝缘材料如SiO2或SixNy覆盖膜的表面。除这种覆盖外，还引入了硅烷化法表面改性，以期增加生物材料对膜表面的粘合。没有给出关于孔的形状以及孔直径与孔附近的膜厚度之间的纵横比的具体细节。
5)Ogier等于2000年和2001年分别发表2篇论文，描述了SU8光致抗蚀剂系膜中孔的制作，该膜覆盖了附加金层，可以通过使用硫醇化学进行改性。中心膜的厚度是10μm，孔直径是约100μm。没有提到关于纵横比，尤其是孔直径＜100μm的情况下的进一步考虑。
为了支撑双层以建立实际器件应用的所谓悬浮双层，需要具有孔的固体结构。这些通常具有薄膜的形状，而该薄膜具有一个或多个开孔(孔隙)。据认为膜厚度以及孔的直径和表面性能代表影响形成跨孔双层膜的动力学的主要因素(图1)。
孔面积影响双层的长期稳定性：一般来说，跨小面积孔的双层比覆盖大面积的双层更具回弹性。
纵横比定义为孔的直径(d)与膜厚度(h)之间的比值，其影响该固体膜边缘与流体双层之间的界面的结构性能。孔边缘应当尽可能陡峭(sharp)，换言之，膜[在膜向双层过渡处]的厚度应当尽可能小。
这导致在孔边缘需要非常薄的膜，其需要仍是机械稳定的。例如，有锐角锥形的孔边缘是可能的解决方案。与此相反，纵横比低的孔倾向于具有圆柱形、管状形状，这倾向于被成环有机相阻塞或截留空气泡，从而妨碍双层形成。
膜的表面性能，尤其孔边缘的表面性能对于双层形成也是重要的。疏水表面性能是优选的，以期支撑类脂双层的疏水芯对膜的湿润。
发明内容
因此，本发明的一个目的是提供制造具有锥形孔的膜的方法，其能够在低孔直径时形成高纵横比。本发明的另一个目的是提供薄而稳定的而且能够容易地以降低的破裂风险操作的膜。进而，本发明的又一个目的是提供与硅系膜相比更低廉的制造方法。
本发明的又一个目的是提供具有直径范围为1μm～30μm的锥形孔的相应膜。
本发明的目的是通过制造具有锥形孔的膜的方法解决的，所述方法包括下列步骤：
a)提供基材，
b)在所述基材上沉积防粘层，
c)在所述防粘层上沉积第一聚合物材料的第一聚合物层，
d)将第一孔引入所述第一聚合物层中，所述第一孔具有第一直径，
e)将第二聚合物材料的第二聚合物层沉积到所述第一聚合物层上，该第二聚合物层位于所述第一聚合物层上，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)将第二孔引入所述第二聚合物层中，所述第二孔具有比所述第一直径大的第二直径，所述第二孔是与所述第一孔对齐的，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)重复步骤e)和f)几次，从而产生第三、第四、......第(n+2)聚合物层，在所述第三、第四、......第(n+2)聚合物层中具有第三孔、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)直径，且该直径随n增大而不断增大，n是0～10的整数，
因而所述方法得到在防粘层和基材上的聚合物膜，具有锥形孔的所述聚合物膜包含(n+2)个直径递增的孔，所述(n+2)个孔彼此对齐以形成所述锥形孔。
在一种实施方案中，所述(n+2)个孔是同心对准的。
在一种实施方案中，所述第一直径在1nm～100μm，优选1nm～10μm范围内。
在一种实施方案中，所述第一聚合物层具有0.3nm～20μm，优选0.3nm～2μm范围内的高度，且其中所述第二和若存在的第三、第四、......第(n+2)聚合物层具有500nm～1mm，优选5μm～50μm范围内的高度。
在一种实施方案中，所述第一直径与所述第一聚合物层的高度之比≥3。
优选，所述基材由选自玻璃、硅、二氧化硅、氮化硅、GaAs、蓝宝石(saphire)、聚碳化物、聚碳酸酯的材料制成。
在一种实施方案中，所述防粘层由选自对基材具有弱粘合力的金属，例如金、银、铂、钛、铝、其合金，氟硅烷，云母，碳，水溶性材料(例如CaO、Ca(OH)2)，可热处理材料的材料制成，而且具有10nm～100nm范围内的厚度。
在一种实施方案中，所述第一、第二、和若存在的第三、第四、......第(n+2)聚合物材料每次出现时都独立地选自用于光学石印法、电子束石印法和压印石印法的抗蚀剂。
在一种实施方案中，步骤b)通过选自下列的方法进行：蒸发、溅射、电子枪蒸发、气相沉积、升华、电化学沉积。
在一种实施方案中，步骤c)和e)独立地通过选自下列的方法进行：旋涂、浸涂、喷涂、真空沉积、Langmuir-Blodgett技术、气相沉积。
在一种实施方案中，步骤d)和f)独立地通过选自下列的方法进行：光学石印法、电子束石印法、压印石印法和聚焦离子束蚀刻法。
在一种实施方案中，在步骤d)和f)中，引入多个第一孔和第二孔。
优选，所述用于光学石印法、电子束石印法和压印石印法的抗蚀剂选自用于光学石印法、电子束石印法和压印石印法的负色调抗蚀剂和正色调抗蚀剂。
在一种实施方案中，根据本发明的方法进一步包括下列步骤：
h)通过使所述防粘层上的所述聚合物膜连同所述防粘层一起从所述基材上剥离而去除所述基材。
优选，根据本发明的方法进一步包括下列步骤：
i)通过干蚀刻，例如干氩蚀刻，O2等离子体蚀刻或湿化学蚀刻，例如KI/I2蚀刻去除金，使用强碱蚀刻去除铝，去除所述防粘层。
在一种实施方案中，根据本发明的方法进一步包括下列步骤：
i’)通过干蚀刻，例如干氩蚀刻，或湿化学蚀刻，例如KI-I2蚀刻，并使用所述第一聚合物层作为蚀刻掩膜，将孔引入所述防粘层中。
在一种实施方案中，根据本发明的方法进一步包括下列步骤：
h’)通过使用干等离子体蚀刻，例如O2等离子体蚀刻，或湿化学蚀刻，例如在H2SO4/H2O2中氧化，选择性蚀刻所述防粘层和所述基材上的所述聚合物膜，以减少所述聚合物膜的总厚度，和任选地通过使所述防粘层上的所述聚合物膜连同所述防粘层一起从所述基材上剥离而去除所述基材。
在一种实施方案中，根据本发明的方法进一步包括下列步骤：
k)通过使用干等离子体蚀刻，例如O2等离子体蚀刻，或湿化学蚀刻，例如在H2SO4/H2O2中氧化，选择性蚀刻所述防粘层上和若存在的所述基材上的所述聚合物膜，以减少所述聚合物膜的总厚度，和任选地通过使所述防粘层上的所述聚合物膜连同所述防粘层一起从所述基材上剥离而去除所述基材。
在一种实施方案中，所述基材去除后，所述聚合物膜和/或若存在的所述防粘层进一步通过选自下列的方法进行表面改性：
a)固定其上的官能团或分子，以匹配要引入所述第一孔或引入所述防粘层中的所述孔中的类脂双层的表面性能，
b)通过经由O2等离子体处理引入OH基团的表面活化，
c)通过诸如Ar、CHF3、CF4、O2-等离子体及其组合的蚀刻提高表面糙度，
d)例如通过浸涂、气相沉积或蒸发和步骤a)～d)的任何组合沉积一个或若干个功能层。
优选，所述功能层选自氟硅烷、烷基硅烷、来自CHF3、CF4的氟化等离子体组分。
本发明的目的也是通过如以上所定义的具有锥形孔并包含(n+2)个聚合物层的聚合物膜来解决的，其中所述锥形孔是由所述(n+2)个聚合物层内(n+2)个直径各异的孔形成的，n是0～10的整数，所述n+2个孔彼此对齐以形成所述锥形孔。
优选，所述(n+2))个孔是同心对齐的。
在一种实施方案中，所述锥形孔在其最小直径处具有≥3的所述孔的直径与所述孔在所述最小直径处的所述聚合物层高度之比。
在一种实施方案中，聚合物膜是通过根据本发明的方法制造的。
在一种实施方案中，根据本发明的聚合物膜具有多个如以上所定义的锥形孔。
在一种实施方案中，根据本发明的聚合物膜进一步包含在其最小直径处跨越孔的类脂双层，且任选地在所述类脂双层中引入了生物膜蛋白例如孔蛋白或管蛋白。
本发明的目的也是通过根据本发明的膜用于形成类脂双层的用途解决的。
本发明的目的也是通过根据本发明的聚合物膜用于生理学测量例如膜片钳测量(patch clamp measurements)或作为电子传感器的用途解决的。
附图说明
进而，参照各图，其中：
图1显示根据本发明的聚合物膜(纵横比R∶D/H～5∶1及更高)的设计的基本原理，该膜具有锥形孔，并且具有类脂双层和插入其中的孔蛋白。
图2显示由膜的两层/多层结构形成的锥形孔的示意性视图。
图3显示此类锥形孔的制造。
图4显示图3中所显示的方法的变化方案。
图5显示该制造方法的另一种变化方案。
图6显示该制造方法的又一种变化方案。
图7a显示所得到的膜/孔结构的SEM图像。中心孔直径是20μm。SU8层的高度是500nm(500nm厚SU8膜中20μm宽锥形孔)。
图7b显示1.5μm厚SU8层中中心4.5μm宽孔(1.5μm厚SU8膜中4.5μm宽锥形孔)的SEM图像。
图8显示根据本发明的实例膜的背衬(Ar-蚀刻和提起后有金的膜的背面)的SEM图像。
图9显示氧气等离子体蚀刻时间与所得到的膜厚度之间的关系。
图10a和10b显示氧气等离子体蚀刻SU8膜的SEM图像。
图11a(CHF3/Ar等离子体处理的SU8的糙度-接触角关系)和11b显示SEM形态测定、水接触角和AFM糙度分析的结果。
图12a(CHF3/CF4等离子体处理的SU8的糙度-接触角关系)和12b显示SEM形态测定、水接触角和AFM糙度分析。
图13显示SU8抗蚀剂中锥形孔的3×3阵列(2μm厚膜中5μm宽锥形孔的3×3阵列)的例子。
图14显示使用根据本发明的膜与激光钻孔膜比较(Sony SU8锥形孔10μm对激光钻孔的非锥形孔)的生物传感器性能图。
图15显示根据本发明的表面改性SU8膜的生物传感器性能评分图。
具体实施方式
本文中使用的术语“防粘层”系指要描述这样的层，该层由于其对基材的低粘合力而允许所述防粘层连同其上面的任何附加层一起从所述基材上剥离下来。从以上所述显而易见的是，所述防粘层只应微弱地粘附到基材的平整表面上，但它对于附着到防粘层另一面上的层应当有更好的粘合性能。
因此，防粘层材料的确切选择取决于基材的材料，而且可以由本领域技术人员利用其知识而无需过多实验就能确定。例如，本领域技术人员知道，金属层对于二氧化硅表面的粘合力非常小。一般来说，防粘层是由选自金属、氧化物、塑料或其它有机组分的材料制成的，这些对可以制成基材的材料显示出弱粘合力。防粘层材料的有用实例是金、银、铂、钛、云母、碳、氟硅烷、水溶性抗蚀剂和可热处理薄膜材料。本发明中使用的术语“孔”系指膜中由彼此叠加的多个即至少2个孔形成的开孔，其中每个孔都是在膜内的一层中或由一层形成的。根据本发明的膜具有至少2层。在一种实施方案中，膜具有(n+2)层，其中n是选自0～10的整数，即0、1、2、3、4、5、6、7、8、9、10。
本文中使用的术语“纵横比”定义为孔的直径(d))与层/膜在特定直径处的高度/厚度(h))之间的比(d∶h))。优选，在根据本发明的锥形孔中，术语“纵横比”系指最小直径处的直径与高度之比，即最小孔的直径与形成这个孔的层的高度之比。最小直径处的高度是形成具有最小直径的孔的层的高度。
以下，我们提供实施具有直径量级为10μm或甚至更小和大纵横比的孔的机械上稳定的膜的解决方案。如以上所述，我们认为，纵横比(孔/孔隙的直径(d与具有该孔的膜的厚度(h)之比)对于双层形成动力学来说是重要的。3∶1和更高的纵横比是优选的，而d应当等于或小于10μm，和、h小于2μm。
该设计的基本原理显示于图1中。
纵横比的优化要求含有单孔或孔阵列的10μm以下厚度的稳定膜，每一个孔的直径优选为10μm或以下。另外，制造方法应当尽可能低廉，并且因此应当依赖于聚合物材料或聚合物材料与无机材料例如氧化物(氧化硅、氮化硅、氧化铝)的复合结构。
为了在晶片尺度上以低成本实施无支撑且稳定的10μm以下厚度的聚合物膜的制造方法描述如下：
通过沉积方法在牺牲性固化载体上沉积薄膜层1，并通过应用压花方法引入单孔。该孔的直径在1nm～100μm，优选小于10μm范围内。在这个第一层的上面，通过沉积方法引入第二膜层2(“支撑层”)，并通过压花方案引入第二孔。第二孔的直径优选大于第一孔的直径。层1的厚度在0.3nm～20μm范围内，优选在0.3nm～2μm范围内。支撑层2的厚度在500nm～1mm范围内，优选在5μm～50范围内。
层1的孔和层2的孔应当以使较小孔部分或完全敞开的方式对齐(图1))。本文中使用的这种结构在本文中也称为锥形孔。这种两层结构可以用一个或多个附加层扩展，其中每一层都含有孔(图2)。该方法的示意性视图显示于图3中，并将在实施例部分中详细解释。
为了建立孔阵列，也可以将不止一个孔或孔隙包括到层1和随后各层中。阵列元件的数目可以在2～100以上变化。
压花方法可以选自许多不同方法，例如光学石印法、电子束石印法、压印石印法和聚焦离子束蚀刻。
沉积方案可以选自许多不同方法：旋涂、真空沉积、喷涂、浸涂。
潜在可用于层1和层2(及以下各层)的材料是可以分别通过所提到的沉积方法和压花方法进行沉积和压花的聚合物。根据本发明可使用的优选聚合物是正色调抗蚀剂和负色调抗蚀剂。实例聚合物是负色调
Figure G2009101325067D0000081
抗蚀剂、正色调和负色调-抗蚀剂、PMMA电子束抗蚀剂、UV6mix&
Figure G2009101325067D0000083
抗蚀剂。
通过背衬层延伸孔
在本发明人方法的一种变化方案中，图3中的底下“层0”(例如金)可以用来作为特定分子固定用锚固层，该层发挥某种功能，例如使表面性能与双层的性能匹配。如图4中所示，“层0”可以使用干等离子体蚀刻或湿蚀刻并使用聚合物“层1”作为蚀刻掩膜进行选择性蚀刻。
膜的后制造设计
为了进一步改善纵横比，本发明人也建议通过使用干等离子体蚀刻法或湿蚀刻法蚀刻聚合物膜，以在减少膜厚度同时使孔直径保持几乎恒定(图5)。这反过来提高了纵横比。本发明人也期待孔的边缘可以失去其初始矩形横截面形状，而且可以适配更具三角形的横截面，从而得到孔的锥形形状。
在如上所述的延伸孔的情况下，干蚀刻法或湿蚀刻法不仅可以用来使“层1”以受控方式变薄，而且也可以用来从底下“层0”的边缘部分地去除“层1”(图6)。所得到的边缘结构由下列组成：作为主要支撑层的“层2”，作为另一个支撑层的“层1”和“层0”的边缘环，这一方面可以是非常薄的(纵横比更大)，另一方面可以进行裁剪式表面改性。
表面改性
本发明人也建议了膜的许多表面改性，主要是为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撑双层的环(垫圈)的有机相的湿润性(所谓“预处理”)。本发明人预期提高的膜对有机相的湿润性增强了跨孔双层的形成和稳定性。
改性可以包括表面活化、清洁、糙度提高步骤(例如通过Ar、CHF3、CF4、O2等离子体处理及其组合)，随后可以通过浸涂法、气相沉积法、或蒸发法进行功能层的沉积。优选的功能层由下列材料之一组成：氟硅烷，烷基硅烷，来自所使用的各等离子体的氟化组分。
进而，参照以下实施例，这些实施例是为了举例说明而不是限制本发明而给出的。
实施例1锥形孔制造
在500nm厚聚合物膜中实现10μm宽孔的制造方法的步骤显示于图3中。将顶部具有天然二氧化硅的硅片(Cyrstec GmbH，德国柏林)覆盖40nm厚热蒸发防粘层，例如40nm厚热蒸发金层(图3，a)(＝层0)。然后，将第一膜层旋涂到金上(图3，b)(＝层1)。在本实施例中，本发明人使用了所谓2000.5配方(分类号：SU82000.5，Micro Resist TechnologyGmbH，德国柏林)的负色调SU8光致抗蚀剂(Micro Resist TechnologyGmbH，德国柏林)，这给出以3000rpm旋涂的500nm厚层。在65℃1min和95℃2min的软烘烤之后，使用MJB3接触准直器(Karl Suss GmbH，德国)以约250mJ/cm2的剂量在365nm～400nm波长使抗蚀剂层曝光。所应用的掩膜是专门设计的，旨在对面积范围为若干mm2且其中心有孔/孔隙的圆形、矩形或正方形膜压花。曝光后烘烤步骤由65℃ 1min和95℃ 2min的烘烤组成。
该层使用SU8显影机(Micro Resist Technology GmbH，德国柏林)显影2min(图3，c)后，将第二SU8抗蚀剂层(“支撑层”)(＝层2)旋涂到第一层上(图3，d)。在这种情况下选择SU82007配方，当以1000rpm旋涂时，该配方得到约13μm厚层。在65℃ 2min和95℃ 3min的软烘烤之后，该支撑层使用相同准直器和约350mJ/cm2的紫外光剂量进行曝光。在这个步骤期间，使用瞄准标记，小心地将支撑层中较大的孔与层1中较小的孔对齐。在65℃ 1min和95℃ 2min的曝光后烘烤之后，使该结构显影2.5min(图3，e)。
剥离步骤：在这些步骤之后，用尖锐的镊子或任何其它合适的工具捏住该膜，就可以将其提起。由于金层与氧化硅基材之间的弱粘合力，该膜容易地从基材上剥离下来(图3，f)。
脱金步骤：然后，通过干氩蚀刻法或通过湿化学蚀刻法例如KI/I2蚀刻法，将金层去除。图7a和7b显示所得到的膜/孔结构的SEM图像。
实施例2具有金背面层的锥形孔
本实施例描述经由用来作为功能分子的锚固层的金背面层延伸的锥形孔的实现。
该过程如实施例1中所述进行。这一阶段不进行剥离步骤，但代替这一步骤的是插入Ar等离子体蚀刻步骤或任何其它合适的蚀刻步骤，在此期间使金从孔区完全去除(图4a-d)。
此后，该膜层可以通过如实施例1中所述那样剥离而提起。图8显示实施例膜的背衬的SEM图像。
实施例3后制造设计：具有为达到非常大的纵横比而薄化的膜的锥 形孔
如以上所述，通过用干蚀刻法或湿蚀刻法减少膜厚度可以改善在聚合物膜中制造的孔的纵横比。在此，本发明人提供了使用气氛等离子体蚀刻的实例。如实施例1中所述那样制造SU8膜系统。然而，如图5a-d中所示，将晶片引入到反应性离子蚀刻机(PlasmaLab 80，OxfordInstruments，德国)中，氧气等离子体以200W施用不同的蚀刻时间。图9显示O2等离子体蚀刻时间与所得到的初始500nm厚SU8膜的厚度之间的关系。图10a和10b显示O2等离子体蚀刻的SU8膜的SEM图像。中心膜的厚度是约150nm，孔直径是20μm，得到纵横比为约130∶1。
在另一种变化方案中，孔首先经由金背衬层蚀刻(见实施例2)，然后使用氧等离子体使“层1”变薄(图3b，c)，同时使“层1”中的孔的直径稍微增大，如图6c中所示。
实施例4表面改性的膜
实施例4.1液相硅烷化
在甲苯中硅烷化之前，通过施用短时间氧等离子体处理(PlasmaLab80，Oxford Instruments，德国)，使膜表面清洁并覆盖OH基团。在100～200W等离子体功率和50～100mbar背景压力下，1～10秒等离子体时间通常就足以使SU8表面活化。该硅烷组分用无水甲苯稀释，达到体积浓度为约1～3％。将活化的SU8表面在硅烷溶液中浸没10～60min，用新鲜溶液洗涤，干燥。
实施例4.2硅烷蒸气沉积
为了硅烷的蒸气沉积，将100～500μL纯硅烷溶液在油浴中加热到100℃～160℃的温度(依赖于硅烷的类型，主要在乙氧基硅烷的情况下)或直接引入真空室中(例如在氯硅烷的情况下)。在硅烷插入后将背景压力调整到0.5mbar。让活化的SU8表面进入加热的硅烷蒸气中或进入真空室中，并在那里停留20～60min。通常，接触角和XPS测定表明硅烷成功地结合到SU8表面上。
实施例4.3通过等离子体处理进行表面改性
使用反应性离子蚀刻机(PlasmaLab 80，Oxford Instruments，德国)改性例如SU8膜的表面。Ar、O2、CHF3、CF4等离子体及其混合物对膜表面具有两种作用。首先，它们通过材料的部分去除而损害表面。这种影响通常增加被处理表面的表面糙度。第二，已知CHF3和CF4等离子体以氟化组分部分地覆盖被处理表面。通过使用反应性离子蚀刻等离子体方法，本发明人可以结合这两种作用，并发现被处理的表面显示出100°以上的非常高的接触角。
CHF 3 /Ar等离子体处理
将诸如实施例1中制造的SU8膜插入PlasmaLab 80机器中，并以25sccm的CHF3流量和25sccm的Ar流量处理1～10min。背景压力是30mT，等离子体发生器功率是200W。SEM形态测定以及水接触角和AFM糙度分析的结果分别显示于图11a和11b中。
CHF 3 /CF 4 等离子体处理
将诸如实施例1中制造的SU8膜插入PlasmaLab 80机器中，并以20sccm的CHF3流量和20sccm的CF4流量处理1～10min。背景压力是25mT、等离子体发生器功率是300W。SEM形态测定以及水接触角和AFM糙度分析的结果分别显示于图12a和12b中。
对于这两种类型的等离子体，几分钟处理后就已经可以看到接触角大幅增加。同时，表面的糙度随等离子处理时间而增大。与CHF3/Ar等离子体处理的表面相比，CHF3/CF4等离子体处理的表面的糙度稍小。
实施例5锥形孔阵列
同样对于非常小面积双层的情况，为了满足快速蛋白质插入的要求，可以让本发明孔结构排成阵列，以提供有效的较大双层表面，同时有利地保持每一个单独双层的面积都小。图13显示SU8抗蚀剂中3×3锥形孔阵列的实例。
实施例6与经典孔比较的双层形成与统计
图14显示使用标准预处理条件的SU-810μm锥形孔对10μm激光钻孔膜的生物传感器性能的图。本文中与双层联系在一起使用的术语“可摧毁(zappable)”系指双层可以被数百mV的短电压脉冲破坏。在这些实验中插入的孔蛋白是α-溶血素。结果显示10μm锥形孔膜在形成孔蛋白容易插入的大面积双层时表现得更好(生物传感器分值8)。这里显示的证据是强有力的。
以下解释“生物传感器评分”方案：
10受控数目的孔蛋白插入
9双层第一次形成，孔蛋白第一次插入
8双层形成，孔蛋白插入
7开始时堵塞，但终究双层形成并有孔蛋白插入
6双层形成，孔蛋白插入，但双层寿命短
5可摧毁双层形成，但没有孔蛋白插入
4开始时堵塞，但终究可摧毁双形成层(无孔蛋白)
3双层形成相对地容易(可摧毁)，但其寿命短
2无法去除的不可摧毁堵塞
1施用溶液后不可断裂的联系
0未评分
图15显示表面改性Sony SU-8膜即根据本发明形成的实施例膜的生物传感器性能分值图。这些结果表明氟硅烷改善了具有孔蛋白的第一次通过双层的机会(生物传感器分值9)。
根据本发明的膜与硅系膜相比是较便宜的，它们在10μm左右的低孔直径时提供非常高的纵横比。进而，根据本发明的膜是非常薄而又稳定的，因而可以容易地以降低的破裂风险操作。
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本说明书、权利要求书和/或附图中公开的本发明的特征，单独地及以其任何组合，均可以是实现呈其各种形式的本发明的材料。

Claims (28)

1.制造具有锥形孔的膜的方法，所述方法包括下列步骤：
a)提供基材
b)在所述基材上沉积防粘层，
c)在所述防粘层上沉积第一聚合物材料的第一聚合物层，
d)将第一孔引入所述第一聚合物层中，所述第一孔具有第一直径，
e)将第二聚合物材料的第二聚合物层沉积到所述第一聚合物层上，该第二聚合物层位于所述第一聚合物层上，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)将第二孔引入所述第二聚合物层中，所述第二孔具有比所述第一直径大的第二直径，所述第二孔是与所述第一孔对齐的，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)重复步骤e)和f)几次，从而产生第三、第四、......第(n+2)聚合物层，在所述第三、第四、......第(n+2)聚合物层中具有第三孔、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)直径，且该直径随n增大而不断增大，n是0～10的整数，
因而所述方法得到在防粘层和基材上的聚合物膜，具有锥形孔的所述聚合物膜包含(n+2)个直径递增的孔，所述(n+2)个孔彼此对齐以形成所述锥形孔。
2.根据权利要求1的方法，其中所述(n+2)个孔是同心对齐的。
3.根据以上权利要求中任何一项的方法，其中所述第一直径在1nm～100μm，优选1nm～10μm范围内。
4.根据以上权利要求中任何一项的方法，其中所述第一聚合物层具有0.3nm～20μm，优选0.3nm～2μm范围内的高度，且其中所述第二和若存在的第三、第四、......第(n+2)聚合物层有500nm～1mm，优选5μm～50μm范围内的高度。
5.根据以上权利要求中任何一项的方法，其中所述第一直径：所述第一聚合物层的高度之比≥3。
6.根据以上权利要求中任何一项的方法，其中所述基材由选自下列的材料制成：玻璃、硅、二氧化硅、氮化硅、GaAs、蓝宝石、聚碳化物、聚碳酸酯。
7.根据以上权利要求中任何一项的方法，其中所述防粘层由选自下列的材料制成：对基材的粘合力弱的金属，例如金、银、铂、钛、铝、其合金，氟硅烷，云母，碳，水溶性材料(例如CaO、Ca(OH)2)，可热处理材料，而且具有10nm～100nm范围内的厚度。
8.根据以上权利要求中任何一项的方法，其中所述第一、第二和若存在的第三、第四、......第(n+2)种聚合物材料每次出现时都独立地选自用于光学石印法、电子束石印法和压印石印法的抗蚀剂。
9.根据以上权利要求中任何一项的方法，其中步骤b)通过选自下列的方法进行：蒸发、溅射、电子枪蒸发、气相沉积、升华、电化学沉积。
10.根据以上权利要求中任何一项的方法，其中步骤c)和e)独立地通过选自下列的方法进行：旋涂、浸涂、喷涂、真空沉积、LangmuirBlodgett技术、气相沉积。
11.根据以上权利要求中任何一项的方法，其中步骤d)和f)独立地通过选自下列的方法进行：光学石印法、电子束石印法、压印石印法和聚焦离子束蚀刻。
12.根据以上的权利要求中任何一项的方法，其中在步骤d)和f)中引入多个第一孔和第二孔。
13.根据权利要求8～12中任何一项的方法，其中所述用于光学石印法、电子束石印法和压印石印法的抗蚀剂选自用于光学石印法、电子束石印法和压印石印法的负色调抗蚀蚀剂和正色调抗蚀剂。
14.根据以上权利要求中任何一项的方法，进一步包括下列步骤：
h)通过使所述防粘层上的所述聚合物膜连同所述防粘层一起从所述基材上剥离而去除所述基材。
15.根据权利要求14的方法，进一步包括下列步骤：
i)通过干蚀刻，例如干氩蚀刻，O2等离子体蚀刻或湿化学蚀刻，例如KI/I2蚀刻去除金，使用强碱蚀刻去除铝，来去除所述防粘层。
16.根据权利要求1～13或14中任何一项的方法，进一步包括下列步骤：
i’)通过干蚀刻，例如干氩蚀刻，或湿化学蚀刻，例如KI-I2蚀刻，并使用所述第一聚合物层作为蚀刻掩膜，将孔引入所述防粘层中。
17.根据权利要求1～13中任何一项的方法，进一步包括下列步骤：
h’)通过使用干等离子体蚀刻，例如O2等离子体蚀刻，或湿化学蚀刻，例如在H2SO4/H2O2中氧化，选择性蚀刻所述防粘层和所述基材上的所述聚合物膜，以减少所述聚合物膜的总厚度，和任选地通过使所述防粘层上的所述聚合物膜连同所述防粘层一起从所述基材上剥离，去除所述基材。
18.根据权利要求16的方法，进一步包括下列步骤：
k)通过使用干等离子体蚀刻，例如O2等离子体蚀刻，或湿化学蚀刻，例如在H2SO4/H2O2中氧化，选择性蚀刻所述防粘层上和若存在的所述基材上的所述聚合物膜，以减少所述聚合物膜的总厚度，和任选地通过使所述防粘层上的所述聚合物膜连同所述防粘层一起从所述基材上剥离，去除若存在的所述基材。
19.根据权利要求14～18中任何一项的方法，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层进一步通过选自下列的方法进行表面改性：
a)固定其上的官能团或分子，以匹配要引入到所述第一孔或引入到所述防粘层中的所述孔中的类脂双层的表面性能，
b)通过经由O2等离子体处理引入OH基团的表面活化，
c)通过诸如Ar、CHF3、CF4、O2-等离子体及其组合的蚀刻，提高表面糙度，
d)例如通过浸涂、气相沉积或蒸发和步骤a)～d)的任何组合，沉积一个或若干个功能层。
20.根据权利要求19的方法，其中所述功能层选自氟硅烷、烷基硅烷、来自CHF3、CF4的氟化等离子体组分。
21.具有锥形孔并包含(n+2)个如权利要求1～20中任何一项所定义的聚合物层的聚合物膜，其中所述锥形孔由在所述(n+2)个聚合物层中的(n+2)个不同直径的孔形成，n是0～10的整数，所述(n+2)个孔彼此对齐而形成所述锥形孔。
22.根据权利要求21的聚合物膜，其中所述(n+2)个孔是同心对齐的。
23.根据权利要求21～22中任何一项的聚合物膜，其中所述锥形孔在其最小直径处具有≥3的所述孔的直径与所述聚合物层在所述孔的所述最小直径处的高度之比。
24.根据权利要求21～23中任何一项的聚合物膜，其通过根据权利要求1～20中任何一项的方法制造。
25.根据权利要求21～24中任何一项的聚合物膜，具有多个如权利要求21～24中任何一项所定义的锥形孔。
26.根据权利要求21～25中任何一项的聚合物膜，进一步包含在其最小直径处跨越孔的类脂双层，且任选地在所述类脂双层中引入了生物膜蛋白，例如孔蛋白或管蛋白。
27.根据权利要求21～25中任何一项的膜用于形成类脂双层的用途。
28.根据权利要求26的聚合物膜用于生理测量例如膜片钳测量或作为电子传感器的用途。
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