CN103958397A - 用于制造和对准纳米线的方法和这种方法的应用 - Google Patents

用于制造和对准纳米线的方法和这种方法的应用 Download PDF

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Abstract

本发明尤其描述一种用于制造导体结构的方法，所述导体结构具有至少一个硅纳米线（4），所述硅纳米线具有小于50nm的直径并且经由电极（11，13，30）经由至少两个部位接触，并且其中至少一个纳米线（4）和电极（11，13，30）设置在衬底（1，5）上的一个平面中，其特征在于，a）将直径在0.5nm至50nm的范围中的催化活性的金属纳米颗粒放置在绝缘衬底（1）的表面（2）上，b）当温度在300℃至1100℃的范围中、同时持续时间在10min至200min的范围中时，表面和放置在其上的金属纳米颗粒经受包含至少一种气态的硅组分的气流，其中形成至少一个长度在5μm至200μm的范围中的从衬底（1）伸出的纳米线（4）；c）将所述至少一个从衬底（1）的表面伸出的纳米线（4）通过安放具有与绝缘衬底（1）的表面（2）相配合的接触面（6）的次级衬底（5）而放置到一个平面中；d）放置在绝缘衬底（1）上的至少一个纳米线（4）在两个不同的部位上与电极（11，13，30）接触，或者至少一个附着在次级衬底（5）上的纳米线在两个不同的部位上与电极（11，13，30）接触。

Description

用于制造和对准纳米线的方法和这种方法的应用
技术领域
本发明涉及一种用于制造和对准纳米线的方法和这种方法的应用，此外，本发明涉及一种用于在单晶硅衬底中制造纳米漏斗的方法，以及特别是这些方法或者由其所产生的结构用于制造具有高敏感性的分子传感器的应用和用于所述分子传感器的运行的方法。
背景技术
对于纳米线（Nanowires）在绝缘衬底上的以横向方式的电子接触，纳米线平行于衬底的对准是必要的。困难在于，平行地在绝缘衬底上得到纳米线。对于这个步骤目前实行两种方式。
a）定向的横向生长，以至于不需要任何后续的对准。这非常难于实现，因为绝缘衬底是无定形的并且纳米线不能够预设结晶的生长方向。
b）能够将纳米线从生长衬底剥离，并且（主要是在液体中悬浮地）转移到另一个衬底上并且在该处横向地放置在绝缘衬底上（以电泳/微流控/接触印刷的方式…）。问题是：纳米线的定位和定向难于实现，尤其是关于在晶片平面上工业化并行生产多个器件。特别是关于在限定的金属电极之间的单独的/一些纳米线的接触，目前还没有任何经济的可并行化的方法。
发明内容
借助于在微米范围（>1μm）中的（粗）光学光刻和光学光刻的非常粗的横向的对准公差（>1μm），单独的一微米长的纳米线能够横向地在绝缘衬底上电子接触。对于所述过程，纳米线在最终的衬底上的微米大小的局部限定的圆形的成核面上产生（生长），对于所述过程不必将所述纳米线从一个衬底转移到另一个衬底上。在此，纳米线关于衬底表面具有任意的定向（3D）。新的定向过程允许（在一个端部与衬底锚定的）纳米线的任意的定向平行于衬底对准（2D），同时所述纳米线还借助一侧锚定在衬底上。纳米线能够径向地从其生长位置向外对准到衬底上。这能够实现各个——横向地位于衬底上的——纳米线借助于光学光刻与传导的金属电极的电接触。纳米线经由成核面的中心与圆形的电极接触。第二电极在第一电极之外环形地布置并且接触指向外的纳米线的端部。对于晶体管应用，栅极电极同样能够经由纳米线施加到两个圆形的和环形的电极之间，以便制造纳米线晶体管。虽然例如在圆形的设计方案的情况下存在优选的形状，用于接触的电极的形状本身对于基于这种技术的传感器的功能性没有影响。例如能够是直线的或者以其它方式成形的电极，只要这些电极在底部和顶部接触至少一个纳米线并且一维的纳米结构是纳米线之间唯一的导电连接。圆形的电极仅是通常提供最高的成效的电极（功能性传感器在制造过程中的最高收益）。
在这里所介绍的用于制造和对准纳米线的方法仅需要在同一个衬底上的两微米的不准确的光学光刻步骤，以便制造完全实用的电子纳米线生物传感器。
a）光刻1：在优选圆形的微米大的面上定位金催化剂，
b）生长直径为20nm至40nm、长10微米至20微米的纳米线，
c）将任意3D定向的纳米线平行于衬底对准。在此，纳米线通常径向向外，如车轮的轮辐始于轮毂。
d）光刻2：同时将优选圆形的电极在中心沉积在“轮毂”上并且在外部作为轮缘沉积在纳米线的端部之上。外部的电极必须具有开口，由此内部的电极能够与带状导体接触。
被接触的纳米线的数量能够以两种类型来控制。
a）催化剂颗粒在初始的成核区域上的密度限定了纳米线的全部数量，
b）纳米线的长度具有高斯正态分布。外部电极距中心的距离因此能够与部分长度分布相协调。其余的纳米线无源地/冗余地并且非接触性地位于衬底上。
最大的工业的/经济的优点：
-低成本的制造。
-不需要耗费的对准技术，对于纳米结构的接触不需要昂贵的电子束光刻。
-可并行地使用晶圆级。相似的器件迄今为止仅可能以耗费的各个实验室原型来实现。或者经由纳米级的光学光刻来实现，所述纳米级的光学光刻需要极度昂贵且耗费的设备。
为了根据这些方法工业并行地生产复杂的器件需要的是，25年旧的光刻设备；LPCVD炉；金属化设备。
具体地，本发明根据第一方面涉及一种用于制造导体结构的方法，所述导体结构具有至少一个纳米线、特别是硅纳米线，所述纳米线具有小于50nm的直径并且经由电极经由至少两个部位接触，并且其中至少一个纳米线和电极设置在衬底上的一个平面中。该方法的特征在此特别在于，执行下述方法步骤：
a）将直径在0.5nm至50nm的范围中的催化活性的金属纳米颗粒放置在优选绝缘的衬底的表面上，
b）在300℃至1100℃的范围中的温度下，在10min至200min的范围中的持续时间中，表面和放置在其上的金属纳米颗粒经受包含至少一种气态的用于构造纳米线的组分、特别是硅组分的气流，其中形成至少一个长度在5μm至200μm的范围中的从衬底伸出的纳米线（通常长度在10μm至100μm的范围中，优选在20μm至50μm的范围中构成）；
c）所述至少一个从衬底的表面伸出的纳米线通过放置具有与绝缘衬底的表面相配合的接触面的次级衬底而放置到一个平面中。
d）放置在绝缘衬底上的至少一个纳米线在两个不同的部位上与电极接触，或者至少一个附着在次级衬底上的纳米线在两个不同的部位上与电极接触。
当将金颗粒作为催化剂颗粒（金属纳米颗粒）来使用时，所给出的300℃至1400℃、优选300℃至1100℃的温度范围特别适合于步骤b）的范围中的过程进行。如果使用其它的材料、例如铝颗粒或者二氧化钛颗粒，那么必要时也能够使用更高的直至1500℃或者甚至2000℃的温度。用于不同类型的纳米线的生长温度原则上能够为从室温直至也能够明显高于1000℃的上限。在1200℃下进行的硅纳米线生长已被报道。对于硅而言，最高可能的温度接近熔点，所述熔点为1410℃。对于其它的材料，在生产过程中的温度的上限相似地接近相应的熔点。必要时，过程参数窗是相应大的。所述过程因此原则上与短的纳米线一起作用，使得光学光刻能够确保在用于a）催化剂沉积和b）电极沉积的两个光刻步骤之间的准确的对准。也就是说，纳米线的最小的长度通过两个光刻步骤之间的最大的对准准确性性/公差来限制。在现代的设备中，光刻步骤的对准公差能够位于为仅几百纳米、必要时甚至低于100nm的范围中。然而，经济优点在于，经由较长的纳米线，非常便宜的（并且旧的）设备的低的对准公差已经能够实现纳米线的经由金属电极的可靠的接触。
关于步骤c）补充地注意下述几点：次级衬底的接触平面能够是平坦的平面、但是也可以是弯曲的平面。在作为接触平面的弯曲的平面的情况下，次级衬底例如能够在初级衬底的表面上滚动并且因此将纳米线置于平面位置。如果是相应的平坦地按压到表面上的接触平面，那么在此尤其重要的是，次级衬底的所述接触面相对于初级衬底的在所述部位上构成的表面相配合地、也就是说基本上互补地构成，以至于将结构放到初级衬底的平面上。
此外，所提出的用于纳米线的对准过程原则上令人惊讶地适合于每个一维的纳米结构（由所有可获得的材料构成的纳米线并且同样还有碳纳米管）。所述过程步骤c）本身应被视为发明，也就是说，不仅用于具有小于50nm的直径的硅纳米线，所述纳米线经由电极经由至少两个部位接触，并且其中至少一个纳米线和电极设置在衬底上的一个平面中；不仅用于如下方法步骤：在优选绝缘的衬底的表面上放置具有在0.5nm至50nm的范围中的直径的催化活性的金属纳米颗粒，并且在300℃至1100℃的范围中的温度下，在10min至200min的范围中的持续时间中，表面和放置在其上的金属纳米颗粒经受包含至少一种气态的硅组分的气流，其中形成至少一个长度在5μm至200μm的范围中的从衬底伸出的纳米线（通常长度在10μm至100μm的范围中，优选在20μm至50μm的范围中构成）。
为了获得横向并且径向对准到衬底上的纳米线，能够对过程进行修改，在所述过程中，放置在绝缘衬底上的至少一个纳米线在两个不同的部位上与电极接触。
如之前所描述的，纳米线通过辅助工具被“扁平地按压”在生长衬底上。在此，基本上令人惊讶的是，这从预期角度来看根本是不可能的，本领域技术人员认为在这样的过程中纳米线会受到损坏或者至少变得不可用。第一变型方案预见在于同一个衬底上的接触。辅助工具的可能的抗附着的覆层在此能够防止纳米线附着在辅助工具上。
通过下述方式能够实现一种改进方案或者变型方案：纳米线不像之前所描述的那样固定在生长衬底上，而是被施加在次级衬底上，所述次级衬底代替辅助工具用于扁平按压。次级衬底上的特殊的附着覆层在压合这两个衬底（初级的生长衬底和附着覆层的次级衬底）时引起，纳米线在将这两个衬底分离之后以横向并且径向对准的方式转移到次级衬底上。在压合这两个衬底期间，通过位于其间的纳米线防止这两个衬底直接接触，由此仅纳米线与次级衬底的附着覆层直接接触。借助于选择性用于硅的等离子氧化能够将有机类的附着覆层在转移纳米线之后移除。
根据第一个优选的实施方式，所提出的方法的特征在于，绝缘衬底是由硅、二氧化硅或者玻璃构成的衬底。其它可能的能够以相同的功能性来代替二氧化硅或者玻璃的衬底是氮化硅等。能过考虑每种经受相应的过程温度的本身电绝缘的衬底。
另一个优选的实施方式的特征在于，金属纳米颗粒是金纳米颗粒，优选具有在5nm至50nm的范围中、优选在20nm至45nm的范围中的直径。
根据另一个优选的实施方式，所述方法的特征在于，在步骤a）的范围中，将金属纳米颗粒在空间上在目的明确地限界的区域中放置在衬底的表面上，通常利用光刻法，例如尤其通过利用光学光刻来施加由光刻胶构成的层的方式，其中优选经由结构化的铬掩膜经由选择性的曝光，在所述由光刻胶构成的层中制造具有在0.02μm至10μm的范围中、优选在0.5μm至5μm的范围中的直径的孔（孔延伸直至衬底），并且通过如下方式：
●随后将优选含水的溶液施加到光刻胶上，所述含水的溶液携带作为胶体的金属纳米颗粒，优选为具有在0.5nm至500nm的范围中的直径的纳米颗粒，尤其优选是具有在5nm至150nm的范围中的直径的纳米颗粒，其中将溶液蒸发并且其中随后借助适当的溶剂、优选借助丙酮来移除光刻胶，
●或者在真空中利用电子束金属蒸镀，将金属膜、特别是金膜施加到由光刻胶构成的所述层上，优选具有在0.1nm至2nm的范围中的层厚度，并且随后将光刻胶和位于其上的金属借助于适合的溶剂、优选丙酮来移除。
该方法的另一个优选的实施方式的特征在于，在步骤b）中，在350℃至500℃的范围中、优选在400℃至480℃的范围中、尤其优选在450℃至470℃的范围中的温度下进行处理。
又一个优选的实施方式的特征在于，使用硅烷或者二硅烷作为气态的硅组分，优选与载气、尤其优选与氮气或者氢气组合。优选能够使用气态的硅组分、特别是硅烷或者二硅烷的在50sscm至200sscm的范围中的气流和运载气体的在100sscm至300sscm的范围中的气流.
通常被证明为有利的是，在步骤b）的范围中，将衬底之上的总压强保持在1mbar至50mbar的范围中、优选在2mbar至10mbar的范围中。
所提出的方法的另一个优选的实施方式的特征在于，在步骤a）中，将纳米颗粒放置在至少一个、优选多个彼此分离的成核区域中，以至于在步骤b）中在每个成核区域上构成多个纳米线，并且优选在步骤d）的范围中，在成核区域之上以接触纳米线的第一端部的方式优选经由金属蒸镀或者光刻沉积来制造第一中心电极，并且优选经由金属蒸镀或者光刻沉积来制造至少部分地环绕第一电极构成的第二电极。
******
与在上文中描述的对象无关地，也就是说与用于在一个平面中在导体电路的范围中制造纳米线的方法无关地，本发明还涉及一种用于在结晶衬底中以干化学的方式制造凹部的方法。这种新型的干化学的蚀刻法能够实现将结晶衬底、尤其是单晶衬底、更尤其是单晶硅结构化。
局部放置的催化剂、尤其是金催化剂能够与晶向相关地实现对硅的选择性的蚀刻。金催化剂减小了位于<100>晶面中的硅原子之间的键合能。与硅<100>表面相比明显更慢地蚀刻硅<111>表面。这允许，局部地将纳米大小的凹部蚀刻到硅<100>表面中，所述凹部的侧壁具有硅<111>表面。由此，产生几何形状准确限定比例的金字塔形的凹部。
凹部具有精确正方形至矩形的外形，在衬底表面上的侧边缘之间具有直角。凹部的下降的侧面具有硅<111>定向，这引起凹部的四个相对置的/相邻的侧面在原子的尖锐的交叉点处会合（倒置的金字塔）。凹部的大小与过程持续时间相关并且因此能够在没有光刻法的情况下受限地受控。目前也通过实验确认的结构的尺寸在相应的深度中位于0至400nm的棱边长处。该方法的新颖性尤其在于：
a）迄今为止不存在用于硅的干化学的选择性的蚀刻过程；
b）蚀刻过程通过催化剂局部受限，所述催化剂代替光刻使用；
c）结构的尺寸能够通过过程参数来控制，确切地说，通过温度和持续时间来控制，在所述持续时间中设立所述温度。
相似的蚀刻机制通过液态的氢氧化钾来触发，所述液态的氢氧化钾关于硅晶面的定向具有相同的蚀刻特性。当然所述湿化学的过程需要耗费的光刻法，以便局部地限制液体的蚀刻作用，以便例如产生具有预设尺寸的凹部。
优选使用的金催化剂具有如下特点，所述金催化剂以特定的类型和方式来生产，并且仅在不超出一定的最大尺寸（几纳米）时才是活性的。该过程通常在高温下进行，所述高温使得催化溶解的硅原子转化为气相。
硅晶片表面能够借助所述方法而大面积地并且均匀地结构化，不需要使用用于限制结构的措施，例如以成结构化的光刻胶或者金属蚀刻掩膜的形式的蚀刻阻挡的形式，因为蚀刻作用通过催化剂和其在衬底上的定位而局部受限。
如果在相应薄的硅层上应用所述方法，所述硅层的厚度略微小于金字塔的深度，那么在侧面的交点中、在金字塔的最深点处能够制造硅薄膜中的几纳米大的开口，即所谓的纳米孔。这些纳米孔在现实中在发展基于纳米孔的用于电子读取DNA分子的生物传感器时是非常重要的组成部分，相应的涉及其它方面的这类传感器将在下文中描述。对此，将DNA分子引导穿过这样的纳米孔并且在穿过孔时电子读取。
同样地，能够使用这样的方法来增大表面，这是用于提高太阳能电池的效率的重要的过程步骤。
作为经济的和技术的优点，此外得出：非常简单地、稳固地且低成本地在整个晶片上结构化和制造纳米结构，完全不需要使用光刻法（自组装）。对尺寸的过程控制允许多种变型方案，不需要准备易受影响的、技术上复杂的进而昂贵的光刻掩膜或者使用电子束光刻。在没有任何光刻措施的情况下在50nm以下的范围中制造几何形状准确限定的结构允许以并行的方式在晶片级上发展新型的电子器件，在没有所述方法的情况下所述电子器件仅可能以耗费的实验室过程以单一原型的形式来制造。
因此，与在上文中描述的主题无关地，也就是说与用于在一个平面中在导体电路的范围中制造纳米线的方法无关地，确切地说，本发明此外涉及一种用于以干化学的方式在结晶衬底中制造凹部的方法。这种方法的特征优选在于，在结晶衬底的表面上在要制造凹部的部位上放置催化剂颗粒，并且优选在存在阻止衬底氧化的气体环境时，至少在表面上存在催化剂颗粒（优选整个衬底）的区域在至少5min的持续时间中、优选在至少15min的持续时间中经受至少500℃的温度、优选至少750℃的温度、尤其优选至少900℃的温度、更尤其优选在900℃至1100℃的范围中的温度。在此，构成漏斗状的、延伸到衬底的深度中的凹部，所述凹部的至少三个在衬底的深度中就漏斗的意义而言相交的限界面通过结晶衬底的晶面形成。
在本文中也存在用于这样的由薄的薄膜中的漏斗构成的纳米孔的制造变型方案，，所述制造变型方案的特征在于，漏斗恰好不比薄膜层的厚度更深。在此，在没有完全贯穿蚀刻的薄膜层中的最后几纳米能够从背侧（露出的并且完好的薄膜表面的背侧）通过任意类型的蚀刻过程来剥离。该方法具有如下优点，借此通过下述方式可能在大面积的薄膜中制造唯一的或者准确限定数量的纳米孔：当第一（最深的）漏斗开口或者准确限定数量的漏斗开口已通过蚀刻打开时，从背侧准确地停止足够慢的蚀刻过程。这种穿口（或者多个穿口）例如能够经由电学方法或者光学方法来检测，并且以这种方式能够在尖部开口的纳米漏斗的数量是准确控制的/优选的情况下实现蚀刻过程的停止。
附加地，在过程结束时在凹部中存在的催化剂颗粒能够作为用于硅纳米线生长的成核晶种来应用，更确切地说应用在如在更上文中在第一方面的范围中和在第一权利要求中所描述的那样的方法中。这产生具有在最深点处接合的纳米线的漏斗状的结构，相应地，本发明还涉及这样的在硅衬底中的新型的漏斗状的结构。
所提出的方法的第一个优选的实施方式的特征在于，结晶衬底优选是由硅构成的单晶衬底，优选是<100>硅晶片（例如SOI结构）。如果使用单晶<100>硅衬底，那么形成具有四个相交的限界面的漏斗，所述限界面从衬底表面通向衬底深处并且通过单晶的<111>晶面形成。即已确定，催化剂颗粒使得硅在所述的条件下沿着所述平面的分解明显更慢，以至于自动地构成这类具有精确限定的限界面的漏斗。
优选衬底的表面、特别是硅衬底的表面预先某种方式来处理，使得将位于其上的氧化层移除。
另一个优选的实施方式的特征在于，催化剂颗粒是金属纳米颗粒，优选是金纳米颗粒。通常这样的纳米颗粒优选具有在1nm至20nm的范围中、尤其优选在2nm至10nm的范围中的平均直径。
在此能够以不同的方式将纳米颗粒放置在衬底上。例如利用如在上文中结合制造纳米线所描述的方法那样的方法。根据另一个优选的实施方式，对于将至少一种金纳米颗粒尤其放置在硅上进行预设，使得在表面上优选利用电子束金属蒸镀过程优选在高真空中制造具有在0.1nm至2nm的范围中的厚度的金层，基于不同的表面能量由所述金层形成金纳米颗粒。
所提出的方法的另一个优选的实施方式的特征在于，凹部是贯穿在该情况下在一定程度上构成为具有限定的层厚度的板的衬底的贯通开口，这通过衬底的厚度小于凹部的几何形状的通过限界面形成的深度来实现。在此，凹部在衬底的表面中通常具有精确地通过表面和限界面之间的相交线形成的入口开口和通过衬底的相对置的下侧的表面（或者与另一个其它的层、例如与由二氧化硅构成的层的过渡面）和限界面形成的出口开口，所述出口开口具有较小的、通常在几何形状方面类似于入口的横截面。
另一个优选的实施方式的特征在于，入口开口具有矩形的或者优选正方形的横截面，所述横截面具有50nm至500nm、优选在150nm至250nm的范围中的侧边长。
此外，优选凹部具有几何形状的通过限界面形成的深度，所述深度在50nm至500nm的范围中、尤其优选在150nm至250nm的范围中，其中优选所述几何形状的深度比单晶衬底的厚度大1nm至50nm、优选大5nm至10nm，以至于构成具有出口开口的贯通开口。
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此外，本发明与上述主题无关地涉及一种用于制造用于测量长链分子的特性的传感器的方法；一种相应制造的传感器；以及一种用于运行这类传感器的方法，特别是以用于测定DNA分子的或者多肽的或者其它聚合物的特性。在此，优选将在更上文中描述的两种方法应用于制造过程。
硅纳米线的或者碳纳米管的电阻关于电荷的改变或者关于一维结构的表面上的电场的改变是非常敏感的。单个电荷或者单个极化分子足以可测量地改变电导率。通过在这样敏感的电阻上牵引（由不同类型的DNA/多肽组成部分构成的）长链分子，能够通过电阻改变来读取单独的分子组成部分的标志。这能够在具有或不具有对传感器表面的事先生物官能化的情况下实现。同样地，能够使用CNT的压阻特性来检测键合力。通过一维的电导体（CNT或者纳米线）直接在纳米孔之上的组合可能的是，通过纳米孔将分子在横向方向上的固定在合适的位置中。纳米孔的相应侧上的不同的电势用于使得例如带负电荷的DNA尝试穿过纳米孔。在分子的相反的端部上的反作用力能够实现分子在机械力下以限定的速度往复运动穿过孔。分子的（在纳米线那侧上的）端部能够借助于原子力显微镜探针（ATM Tip）或者磁性小球/光学陷阱被牵引穿过孔。在此，力此时定向为，使得机械力使分子如在绞盘中那样围绕传感器偏转（90°），因此在分子和传感器表面之间产生固定的机械接触。穿过纳米孔的引导用于横向稳定性和产生为了对在拉伸状态下并且机械接触一维导体的分子主动地并且以受控的速度进行扫描所需要的反作用力。
当前使用纳米孔，以便读取经过的DNA分子。这经由两个容器之间的离子电流的改变来实现，所述容器通过纳米孔彼此分离，同时DNA分子经过所述孔。所述纳米孔作为单一孔在透射电子显微镜（TEM）中以耗费的原型处理或者通过聚焦离子束沉积来产生。在此，纳米孔传感器中的问题此外在于：
i）耗费地制造纳米孔，
ii）包含纳米气泡，所述纳米气泡使得不可能使用并且在测量时引起许多噪音，
iii）通过大约2nm大小的孔非常难于获得分子，
iv）制造和运行仅在实验室原型的条件下是可能的。
纳米线传感器和纳米管传感器本身已经实现，并且确定，最小的键合力/电荷量产生可测量的信号。化学的和生物的官能化能够实现特殊分子的选择性键合和在传感器上对其的检测。然而，当前沿着这样的传感器仍不能扫描到长链的分子，因为迄今为止这在技术上是不可能的。
新介绍的传感器元件的优点：
a）纳米气泡不成问题，因为不在孔中进行测量。纳米气泡可能不会出现，因为孔的大小能够大于2nm至10nm。
b）首次可能借助纳米线传感器/纳米管传感器来测量长链的分子。
c）将上述两个发明信息组合，能够以较小的技术耗费来低成本地、并行地制造这样的传感器。
d）并行地运行芯片上的多个传感器能够实现并行地读取多个分子，以便加速测量速度，这在长链的DNA分子的情况下是关键的因素。
e）通过使用粗分辨率的低成本的光学光刻，与相似复杂的器件相比的极其低成本的制造。
具体地，本发明相应地涉及一种用于制造尤其用于确定长链分子、如特别是DNA分子或者多肽的分子特性的传感器元件的方法，所述方法的特征在于，执行下述方法步骤，其中序列必要时也能够改变：
a）在衬底中、尤其是在单晶硅衬底中制造漏斗状的贯通开口，所述贯通开口具有在上侧上的矩形的或者正方形的入口开口和在与上侧对置的下侧上的关于横截面更小的出口开口，所述出口开口是所述入口开口的优选至多五分之一、尤其优选至多十分之一，其中优选使用如在上文中所描述的方法；
b）在上侧上邻接于入口开口或者靠近入口开口的区域中，在如在上文中所描述的方法中制造纳米线并且将其在此放置在入口开口之上并且桥接所述入口开口以及在两侧上经由电极接触，或者将预制的CNT或者纳米线放置到入口开口之上并且桥接所述入口并且在两侧上经由电极接触；
c）将这两个电极集成到电路中，在所述电路中能够经由CNT或者纳米线来测量电特性或者电子特性，特别是电阻作为时间的函数，特别是作为所测定的分子的位置的函数。
根据这样的方法的第一个优选的实施方式，所述方法的特征在于，在步骤a）的范围中，从基于硅的整体衬底开始，所述整体衬底具有：表面的单晶<100>硅层，所述硅层具有在5nm至500nm的范围中、优选在100nm至300nm的范围中的厚度；设置在所述硅层之下的二氧化硅层和设置在所述二氧化硅层之下的硅晶片，以干化学的或者湿化学的蚀刻方法、优选以根据上文中的描述的方法，在硅层中制造漏斗状的贯通开口，其中通过下述方式在硅层中在二氧化硅层的那侧上制造正方形的或者矩形的具有在2nm至10nm的范围中的侧边长的出口开口：在所述出口开口的区域中移除硅晶片和二氧化硅层以便露出所述出口以及将硅层转化为绝缘的氧化的二氧化硅层。同样对于完全热氧化硅薄膜替选的是，从外部施加绝缘层，所述绝缘层由二氧化硅制成或者由其它类型的电绝缘的材料制成，所述二氧化硅或电绝缘的材料完全地覆盖硅薄膜的表面，但是漏斗尖部/开口是打开的并且是可自由穿过的。
所述方法的另一个优选的实施方式的特征在于，在传感器元件的区域中，不仅在入口开口的上侧上、而且在出口开口的下侧上设置有用于容纳液体的区域，在所述液体中能够保持待测量的分子，并且其中附加地设置工具，特别是以磁性的和/或光学的和/或光电的和/或机械的运动元件的形式的工具，借助所述工具，至少部分地穿过贯通开口的分子能够穿过所述贯通开口并且经过纳米线并且围绕所述纳米线运动，并且其中特别优选设置一个电路，所述电路能够实现设定上侧上的液体区域和下侧上的液体区域之间的电势差。
此外，本发明涉及一种传感器元件，特别是根据如在上文中所描述的方法制造的传感器元件，所述传感器元件的特征在于，其具有绝缘衬底，所述绝缘衬底具有漏斗状的贯通开口，所述贯通开口在上侧上具有矩形的或者正方形的入口开口并且在与上侧相对置的下侧上具有关于横截面更小的出口开口，所述出口开口是所述入口开口的优选至多五分之一、尤其优选至多十分之一。必要时也能够将漏斗开口在热转换为二氧化硅的过程之后削平，并且最后能够产生圆形的开口，所述圆形的开口不再相应于起始的正方形的或者矩形的横截面。纳米线设置为与入口开口接合并且桥接所述入口开口并且在两侧上经由电极接触，并且将所述电极集成到电路中或者能够将所述电极集成到电路中，在所述电路中能够经由纳米线来测量电特性或者电子特性，尤其是电阻作为时间的函数，特别是作为测定的分子的位置的函数。
在此，优选不仅在入口开口的上侧上、而且在出口开口的下侧上设置有用于容纳液体的区域，在所述液体中能够保持待测量的分子。
此外，优选附加地设置工具，特别是以磁性的和/或光学的和/或光电的和/或机械的运动元件的形式的工具，借助于所述工具，至少部分地穿过贯通开口的分子能够穿过所述贯通开口并且经过纳米线并且围绕所述纳米线运动。
此外，特别优选设置一个电路，所述电路能够实现设定上侧上的液体区域和下侧上的液体区域之间的电势差。
此外，本发明涉及一种用于测量长链的分子、尤其是DNA分子或者多肽的特性的方法，优选利用如在上文中所描述的传感器元件，所述方法的特征在于，分子在一侧上与优选以磁性可控和/或光学可控的小珠的形式的电阻元件耦联，所述电阻元件具有使得其不能够穿过贯通开口的大小，并且所述电阻元件能够通过外部的影响空间地相对于贯通开口并且横向于表面移动，使得将所述分子连同所耦联的电阻元件引入到上侧上的液体区域中，设定上侧的液体区域和下侧的液体区域之间的电势差，以至于能够牵引分子的自由端部穿过贯通开口并且进入到下侧的液体区域中，其中电阻元件保持阻挡在上侧的液体区域中，并且施加外部作用，特别是以激光单束陷阱的形式或者磁场的形式的外部作用，以至于电阻元件远离和/或必要时在替选的过程中靠近贯通开口，其中围绕CNT或者纳米线引导分子链并且使所述分子链接触所述CNT或者纳米线，并且经由CNT或者纳米线来测量电特性或者电子特性，优选作为时间的函数改变的电阻。
其它的实施方式在从属权利要求中给出。
附图说明
在下文中根据附图来描述本发明的优选的实施方式，所述实施方式仅用于阐述并且不解释为是限制性的。在附图中示出：
图1示出用于制造纳米线的各个方法步骤的示意图，其中在a）中示出衬底与放置在其上的纳米颗粒，在b）中示出在所述衬底上生长的并且从表面伸出的纳米线，在c）中示出利用次级衬底折叠到表面上的纳米线，并且其中在d1）中示出下述情况：次级衬底设计成仅用于向下折叠纳米线并且能够被再次移除，并且在d2）中示出下述情况：次级衬底构成为是粘附性的并且纳米线粘接地保持在所述次级衬底上；
图2在a）中示出衬底上多组纳米线的电子显微镜照片，在b）中示意性地示出在成核区域上从平面伸出的一组纳米线，在c）中示出在将纳米线向下折叠之后的根据图b）的组，在d）中示出具有不同数量的纳米线的成核区域的不同的视图，分别在上部示出立体视图，并且在其下部示出针对这些不同的覆盖范围与电极接触的纳米线的俯视图；
图3示出在硅衬底中制造漏斗时的不同的方法步骤，其中在a）中给出具有位于其上的金颗粒的示意剖视图，在a1）中示出a）的俯视图，在b）中示出在第一漏斗生长之后的剖面图，在c）中示出在深的漏斗生长之后的剖面图，以及在c1）中示出根据c）的情况的俯视图；
图4以其时间顺序示出制造传感器的各个步骤并且示出测量原理的示意剖面图，其中a）示出SOI衬底，在所述SOI衬底上已设置有借助于光学光刻限定的具有0.5nm的蒸镀的金的平面，在b）中示出在950℃下进行的硅蚀刻过程的结果，这在预先限定的平面中制造随机分布的纳米漏斗，在c）中示出移除金残余物和用KOH蚀刻硅晶片的背侧的步骤的结果，其中针对该过程步骤优选应保护上侧免受氢氧化钾溶液，例如通过保护光刻胶，在d）中示出借助于HF移除SiO2层的结果；在e）中示出自由悬置的薄膜在热氧化步骤中转化为SiO2的结果，以便确保所期望的电绝缘，在f）中示出借助于光学光刻限定用于沉积金催化剂颗粒的位置的结果，其中金颗粒将在该处沉积，在g）中示出在表面上生长的纳米线，其中金颗粒局部地催化硅纳米线的生长并且其中通过无定形SiO2衬底可任意定向，在h）中示出纳米线在非粘附的辅助衬底的情况下横向地固定在硅氧化物衬底上的结果，在i）中示出位于漏斗之上的纳米线的端部借助于光学光刻与金属电极的接触，在j）中示出借助于光学光刻用由SiO2或者氮化硅构成的绝缘层对金属电极的覆盖，在k）中示出所产生的传感器的俯视图，其中金属电极的一部分为了集成到测量电子器件中而保持露出，并且其中金属电极的露出的部分位于液体室之外，在液体室中存在待研究的分子，并且其中纳米线必要时化学地官能化，以便能够实现与DNA的/或其它的分子模块的特定的碱基的目的明确的键合可能性，在l）中示出沿着k）中的虚线贯穿传感器的剖视图，其中将所述装置嵌入到液体室中，在所述液体室中存在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，其中附加地将电极浸入到液体室中，以便在独立的容器之间产生静电电势，其中借助于光学陷阱或者磁场，将分子经由悬挂的小球运送至漏斗，并且其中静电电势将DNA牵引到漏斗中并且张紧分子，并且在m）中示出，借助于光学陷阱或者相对于衬底运动的磁场（或者反之亦然），如何将小球上的分子沿着纳米线平行于衬底牵引，其中电子标记经由纳米线来读取；
图5示出类似于图4k）的俯视图，其中示出了在相同的纳米漏斗之上不同分布的纳米线
具体实施方式
根据本发明的第一方面，本发明涉及一种用于制造电路中的纳米线结构的方法。因此，该方面应以更详细的形式来描述，尤其是介绍一种用于制造在绝缘衬底上横向对准的电接触的纳米线的大规模阵列的方法。
该方法能够实现单独的或者数量有限的纳米线与金属电极的有效接触，为了所述目的，例如制造生物传感器的大规模阵列，如这已经在第三方面的范围中阐述并且将在下文中详细解释。
关于气液固（VLS）纳米线的生长过程的背景信息：
硅纳米线能够借助于在衬底上固定的催化剂颗粒来局部地生长。在气相沉积过程中，局部地在催化剂颗粒的位置上出现一维的纤维状的晶体生长。在此，包含硅的气体仅在催化剂的位置上从气态转化为固态。晶体纤维的直径基本上通过催化剂颗粒的直径来限定。每个催化剂微粒产生最多一个晶体纤维（纳米线）。适合于硅的催化剂颗粒是：金、TiO2和铝等等。对于不同的催化剂材料存在不同的最佳过程温度。在金的情况下，纳米线通常能够在325℃和>1000℃之间生长。对于其它的金属必要时适用的是更高的最低温度。
晶体纤维的长度随着过程持续时间基本上线性地缩放。
纳米线能够在每个任意的不受影响地经受所选择的过程温度的衬底上生长。在这里所选择的过程在大约456℃下进行。这刚好低于温度限制，超出所述温度限制会出现整个衬底上的非催化的硅沉积。
详细的方法进程（也参见图1）：
选取衬底1，例如具有电绝缘表面2的衬底，例如氧化硅或者玻璃衬底。
必要时在清洁、例如在利用RCA标准清洁方法的清洁之后，在所述衬底1上借助于光学光刻来施加光刻胶，所述光刻胶在所期望的用于纳米线生长的部位上包含孔。对此，衬底由光敏的光刻胶覆盖。这种光刻胶膜通过经由位于透明的石英玻璃载体上的结构化的铬掩膜进行的选择性的曝光而设有所期望的结构。所述过程是下述过程，具有多种不同的曝光参数和层厚度的多种不同的光刻胶适合于所述过程。
在当前情况下，孔能够具有0.02微米至10微米的直径。对于多种应用而言，0.5微米至5微米是适合的。
现在，在光刻胶中位于所期望的部位上的孔用于：选择性地在位于其下的衬底是可自由进入的部位上沉积金催化剂颗粒。
对此存在两种可能的过程，这两种过程均引起相同的/类似的结果：
a）将含水的溶液施加到光刻胶和衬底上，所述溶液包含所期望的大小的金纳米颗粒（胶体）。经由纯物理吸附，金胶体沉积在SiO2或者玻璃衬底上的孔中。含水的溶液在几小时后蒸发并且金胶体此时固定地保留在表面上。随后，适当的溶剂（丙酮）移除光刻胶和在其上固定的金胶体。金胶体仅保留在衬底上的衬底通过光刻胶中的孔可自由进入的部位上（所谓的剥离过程）
在含水的溶液中存在不同大小的在0.5纳米和500纳米之间的金纳米颗粒。在本发明的实验检验的范围中，试验了具有大小特别是在5nm和150nm之间的颗粒的6至8种不同的溶液：在此表明，令人惊奇的是，仅具有40nm的直径的金胶体在孔中沉积在衬底上。所有其它大小由于某些仍然未知的原因没有进入到孔中。由此，经由借助于光刻胶和剥离的结构化，小的金胶体结构化地施加到衬底上。对大约40nm的颗粒选择性地放置并且用于所述过程的发现当前尚未完全了解。不受限于这些阐述，当前看来似乎是，对此的物理原因可能是，金胶体受到与光刻胶的静电的相互作用并且由于排斥原因而没有进入到孔中。大约40nm的金胶体与制造相关地可能具有另一种表面化学/表面电荷进而不同于其余的颗粒。这可能是为什么迄今为止对于硅纳米线的结构化的生长很少关注光学光刻和金胶体的含水的溶液的组合的原因。
b）第二种过程同样适合于经由光刻胶的预结构化将催化剂施加到衬底上。借助于电子束金属蒸镀（在真空中），薄的金膜能够施加到结构化的光刻胶层和在孔中露出的衬底上。在蒸镀具有0.1nm至2nm的标称层厚度的金层时，在孔中露出的衬底上构成金纳米颗粒。该方法本身是已知的，对此参阅Albuschies,J.,M.Baus,O.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页，在该公开文献中提到的对方法的详细的描述相应地结合到本说明书中。
光刻胶和位于其上的金借助于适当的溶剂（例如在这里具体是丙酮）从衬底上移除。仅在光刻胶中的孔的位置处，金纳米颗粒固定地保留在位于所述孔下的衬底上（剥离技术）。
现在，结构化地施加的金纳米颗粒3——所产生的结构示意性地在图1a）中示出——用于硅纳米线4在衬底1上的局部的生长（生长后的情况示意性地在图1b）中示出）。
纳米线4具有基本上由单独的催化剂颗粒3预设的直径。因为位于其下的衬底1是无定形的，所以不存在硅晶体纤维关于衬底的预设的生长方向（对准）。
在已经存在金颗粒的区域上，在生长过程之后存在多个任意定向的硅纳米线，所述硅纳米线在衬底上方的整个半空间中采用没有准确量化的角度分布（如位于衬底上的一半“海胆”，也参见图2a）或b））。
衬底1上的纳米线4的锚定点8位于初始存在催化剂金属颗粒的位置处。根据纳米线4的长度，纳米线4在横向方向上远远超出纳米线4锚定在衬底1上的位置。
为了纳米线4能够与金属电极11/13电接触，纳米线相对于衬底1的横向的（平行的）对准是必要的。
纳米线4对于所述过程而言必须平行地位于电绝缘衬底1上。对于所述过程必要的是，纳米线4的位置和定向必须是已知的，以便能够在接下来的步骤中施加金属电极11/13。纳米线4的两个端部对此必须连接在两个不同的电极11/13之间。因此，纳米线4表示两个宏观的电极11/13之间的唯一的电连接，所述电连接能够实现将单独的或者一些纳米线4连入到更大的电路中。
因为催化剂颗粒的位置经由光学光刻来限定进而是已知的，所以仅还必须确定定向。
对准标识能够在所述过程之前施加到衬底上并且限定坐标系。相对于所述坐标系，能够首先施加催化剂进而限定纳米线4的位置。当定向已知时，能够借助于衬底上的坐标系将用于各个纳米线4的金属电极11/13施加到衬底1上。
用于平行地在衬底1上获得纳米线4的对准过程基于机械地将力施加到纳米线4上和由此产生的纳米线4的定向方向的永久的改变，如在图1c）至d）中示意性示出的。
使用具有一定几何形状的辅助工具5，以便将力施加到纳米线4上，以至于相对于衬底1不平行地定向的纳米线4在施加力之后平坦地位于衬底1上，也就是说，平行于所述衬底的表面2。
力的（矢量）分量对此必须垂直于衬底1的方向上起作用。所述力经由次级衬底5的平面或者弯曲的面来施加。
在平面的辅助工具的情况下，将纳米线全部同时按压到衬底上（三明治）。在弯曲的面的情况下，将纳米线顺序地按压到衬底上（如在面辊/擀面杖中那样）。在衬底上滚动的球同样是可能的。
也许基本上由于范德华力，纳米线4固定地保留在衬底上。衬底和纳米线上的特殊的粘附性的表面功能化能够使所述过程更有效。因此，例如使用粘接剂，所述粘接剂没有附着在辅助工具上，但是将纳米线和衬底彼此牢固地连接。
为了防止纳米线附着地保留在施加力的辅助工具5上（根据图1d1的情况），在辅助工具5上能够设置有特殊的抗附着涂层，所述抗附着涂层与在其上应固定有纳米线4的衬底1相比具有与纳米线4的更小的相互作用。然而，所述过程仍仍然在没有粘接剂或者没有辅助工具5的抗附着涂层的多种情况下起作用。
在这里所执行的实验中，将掩膜对准器（此外用于光刻）作为下述技术设备使用，所述技术设备能够实现将纳米线衬底从下方起按压到石英玻璃盘（辅助工具5）上。这样的设备是尤其适合的，因为在靠近和远离期间不会出现纳米线衬底和石英玻璃盘之间的横向移动（或者仅出现非常小的横向移动）。
如果初始的催化剂沉积面9的直径相对于纳米线的长度是小的，那么纳米线在对准过程之后相对于催化剂面2的位置径向地定向，如这例如能够根据图2c）看出。
借助关于径向的设置的知识并且借助所述设置的已知的中心点，能够将金属电极精确地施加到纳米线上，如在图2d）中图解说明的一样。
电极11至14能够经由光刻和电子束金属蒸镀和随后的剥离技术来制造。
为了在液态介质中进行所述设置，通常还相对于环境进行对金属电极的钝化/电绝缘，因此金属电极不能够经由液态的介质而导电连接。
用于制造纳米线的过程的详细描述：
将金催化剂（5nm至50nm）施加在衬底1上，所述衬底经受在这里所选择的465℃的过程温度。衬底1对于所提出的应用能够是硅、二氧化硅或者常规的玻璃。
将衬底1提供到炉中，所述炉通常用于气相沉积。这在该情况下是从外部加热的石英玻璃管，在所述石英玻璃管中，内部压强能够准确地受控。
在465℃的过程温度下，将由硅烷和氢气构成的气体混合物提供到过程腔中。包含二硅烷和其它硅的气体同样是可能的（SiH4、Si2H6）
在过程期间的压强降低到5毫巴。因为包含硅的气体在过程期间消耗，所以确保了通过过程腔的持续的气流。用于特殊的过程的气体量是：100sccm（标准立方厘米）硅烷和200sccm氢气。
氢气在此是载气，所述载气不具有任何直接的化学催化作用，并且能够通过另一种气体例如氮气代替。所述过程在纯硅烷的情况下也起作用，或者在存在其它的惰性气体时也起作用。
过程持续时间通常为30分钟至60分钟，其中过程持续时间直接与所产生的纳米线4的长度成比例。线在过程持续时间中以可能基本上恒定的生长速度生长。在所给出的参数中，得出大约10微米至20微米每小时的生长速度。纳米线的直径大致相应于金颗粒的大小（5nm至50nm）。在所述过程开始时，存在延迟阶段，在所述延迟阶段期间基本上不发生任何生长。生长在几分钟之后才开始（也许首先是催化剂颗粒的激活和饱和，直至形成金和硅之间的对于生长理想的共晶混合物）。
硅烷压强（或者在存在其它气体时的部分压强）和温度确定生长速度。更高的压强和更高的温度导致加快的生长。
在所述过程中重要的是，在衬底上不发生气体的任何非催化性的硅沉积。否则整个衬底（也可以是在催化剂颗粒之间）由无定形的硅层所覆盖并且负面地影响例如SiO2衬底的电绝缘特性。
来自于硅烷气体的硅的非催化性的沉积在大约470℃以上时开始并且相对不与衬底相关。
典型的参数：衬底：SiO2/玻璃；催化剂：金纳米颗粒（5nm至50nm）；过程温度：465℃；过程持续时间：30分钟至60分钟；气流：100sccm硅烷、200sccm氢气；总压强：5mbar。
如在上文中所描述的，本发明此外根据另一个方面还涉及一种用于对单晶衬底进行表面处理的干化学的方法。这种方法现在应特别参考图3在实验规定的范围中详细描述。
用于借助于新型的干化学蚀刻法在单晶硅中无光刻地制造金字塔状的凹部的方法按如下方式来执行：
衬底16是具有在衬底表面18中的<100>晶向的已清洁的硅晶片。晶片应是不含氧化物的进而在所述过程之前用氢氟酸来移除自然的氧化层：
在HF（氢氟酸）浴中一分钟。用去离子水（DIH2O）冲洗十分钟。但是，用于移除自然的氧化物的步骤不是强制必须的。大约2nm厚的自然的氧化层在所述过程期间通过金的蚀刻作用来克服并且不是金和硅之间的明确稳固的蚀刻阻挡层。
随后，在高真空中借助于电子束金属蒸镀来施加金层。标准的层厚度为0.1纳米至2.0纳米。
小的标准的层厚度引起：没有形成闭合的金膜，而是在硅表面18上形成纳米大小的金（Au）簇17（参见图3a）。用于施加Au纳米颗粒17的其它方法对于过程也是适合的，例如如在上文中在本发明的第一方面的范围中所描述的过程。
金和硅之间的不同的表面能量对形成Au纳米颗粒17是意义重大的。（在相同的标准的层厚度下，颗粒例如在SiO2上大约是在Si上的2至5倍大。）
将具有已施加的金颗粒17的硅晶片16在950℃下在标准压强下在石英管炉中在氮气环境或者其它的惰性气体下加热（仅需防止硅的氧化）。
首先产生原子的小的正方形的凹部19，所述凹部在过程时间中在其尺寸方面成比例地生长（参见图3b）。过程时间限定金字塔状的凹部19的大小/深度。在950℃下在30分钟之后，凹部具有大约200nm的直径。根据金字塔形状，深度相应于凹部以57.x°下降的侧面。具有硅<111>晶面的侧面20在凹部19的中心中会合（相交）并且形成原子的尖锐的折痕。
虽然硅表面均匀地由金属蒸镀进而金纳米颗粒17具有非常高的密度（数量每面积），但是蚀刻的凹部以每面积单位明显更小的数量形成。
这样的理论阐述不应归于限制性的特征，而是目前应推测，在用金来蒸镀时，出现统计分布的多种不同大小的金纳米颗粒，并且金纳米颗粒17的完全确定的大小主要能够实现对硅的催化的蚀刻。蚀刻的凹部19的分布在这种情况下可能精确地相应于硅表面上的适合的金颗粒17的分布。但是，由此同样可解释的是，硅表面18中的晶体结构的表面缺陷用作为用于蚀刻过程的成核晶种。在这种情况下，金字塔孔的密度可能与衬底相关并且与颗粒无关。
对于纳米结构化的硅表面的其它应用而言，多余的金能够借助于碘化钾或者其它的溶解金的过程来移除（例如王水）。
附加地，凹部20中的金17能够用作为用于硅纳米线生长的成核晶种，更确切地说，在如在更上文中第一方面的范围中和在第一权利要求中所描述的方法中。因此，获得从金字塔状的孔中生长出来的硅纳米线。
在薄的硅薄膜中制造纳米漏斗（关于此也参见图4a）至c））:
选取市售的具有<100>晶向作为硅顶层的SOI晶片：SOI=Siliconon Insulator（绝缘体上硅）。
SOI晶片23是具有普通厚度的常见的硅晶片。然而，在晶片的一侧上存在薄的氧化硅层22和在其之上的另一个薄的单晶硅层21。在这种设置中，氧化物22位于晶片23和薄的硅层21之间。
对于层厚度而言适合的尺寸是：
对于硅顶层21：5nm至500nm。位于其下的氧化层的厚度具有其次的作用。所述氧化层优选必须是足够厚的，以便能够作为蚀刻阻挡来停止蚀刻过程（通常>5nm至10nm）。
现在，将在上文中所描述的干化学的蚀刻过程在SOI晶片上实施。（在过程持续时间中在950℃下）期望金字塔状的凹部19的尺寸、尤其是深度，使得所产生的孔/金字塔（由限界面所限定的几何金字塔）的深度可能比顶硅层的厚度深不为零的多个纳米。例如200nm的绝缘体上硅和205nm深的金字塔。这引起蚀刻过程在深度为200nm时在氧化层上结束并且产生具有截尖部的金字塔。
在200nm的深度中在金字塔19的底部上形成由位于其下的SiO2层22构成的平台。
平台的大小能够非常准确地设定。这经由标准的金字塔深度和硅顶层21的当前的厚度之间的差产生。
现在，SOI晶片能够从下侧起借助于通常的湿化学蚀刻法来结构化，使得将位于其下的厚的硅层并且同样将SiO2层移除（参见根据图4b）至e）的描述和下文中相应的详细的描述）。随后仅保留初始的硅顶层21作为自由悬置的薄膜。将硅经由氢氧化钾溶液移除并且将SiO2层经由氢氟酸移除。为了这个目的，硅顶层借助于由聚合物材料构成的抗氢氧化钾溶液和HF的保护膜来保护。在金字塔状的凹部（在其最深的部位上）具有由SiO2构成的平台的位置处，现在存在相应于平台的大小的大的开口（洞/孔/孔口）。
同样能够将SOI晶片的下侧上的硅23和SiO2层22结构化地（局部地）移除，以至于晶片的大部分用作为对自由悬置的薄的硅顶层21的机械支撑。晶片的下侧为了这个目的借助光学光刻来结构化。光刻胶中的开口能够为几微米至几毫米大，根据对自由悬置并且设置有漏斗的薄的硅薄膜的大小/面积的要求。
如在上文中所描述的，本发明也涉及一种用于制造传感器元件的方法，其中所述传感器元件优选使用在上文中所描述的用于制造纳米线或者用于在硅薄膜中制造漏斗状的孔的方法。但是，替选地，例如能够使用CNT来代替纳米线，并且漏斗状的开口也能够利用湿化学法在硅薄膜中制造。用于制造的方法在下文中应参考图4a）至k）来说明，并且操作方式参考图4l）至m）来说明。
具有纳米漏斗以用于分析长链分子的纳米线传感器、传感器几何形状和操作方式（参见图4）：
传感器由电接触的位于绝缘衬底（绝缘薄膜18/29）上的硅纳米线4或者碳纳米管（Carbon Nanotube,CNT）构成。在纳米线4（或者CNT）下方存在纳米漏斗19，所述纳米漏斗为在衬底/薄膜中的朝向下侧的开口。待分析的分子35是长链的聚合物/多肽，所述聚合物/多肽由不同的子单元（蛋白质/DNA）构造。纳米线4（CNT）的电敏感性允许对长链分子35的各个子单元在这二者之间直接物理接触的情况下进行检测以及经由纳米线/CNT4进行电子测定。为了将所有的子单元排序，将分子依照长度在纳米线/CNT4之上拉过进而顺序地提供电信息，所述电信息相应于各个分子模块。
为了改进对分子子单元的电检测，纳米线/CNT4能够特殊地化学官能化，以便在各个子单元和纳米线4之间产生更强的相互作用，由此增强各个分子模块的信号。在DNA的情况下，能够将互补的碱基对施加到纳米线/CNT上，以便通过键合产生更大的电信号。
在此特别是存在两种可能的操作方式：
A）相互作用能够经由纳米线/CNT的静电的并且分子特定的阻抗改变来检测（如在检测小分子时那样）。
B）同样可能的是，使用纳米线/CNT的压阻效应，以便识别分子模块。纳米线/CNT的电阻随着施加到纳米线/CNT上的力和纳米线/CNT的由此产生的扩展/长度改变而改变。分子子单元根据纳米线/CNT的官能化而不同强度地键合到纳米线/CNT上，并且在连续拉长时将不同的力施加到纳米线/CNT上，这随后能够以电学方式读取。
在薄膜上具有漏斗的纳米线传感器的特殊的几何形状允许：准确地在纳米线上对分子进行定位并且当分子经由纳米线/CNT准确限定地偏转时施加准确定向的牵引力/牵引速度。
为了能够将定向的力施加到分子上并且为了能够在传感器上对分子进行定位，分子35在一个端部上借助聚合物小球36来官能化，所述聚合物小球的直径为0.5微米至10微米大，以至于所述聚合物小球不能够穿过漏斗19。同样地，聚合物小球36用于，借助于光学陷阱，或者在磁性小球的情况下借助磁性陷阱使各个分子运动，并且经由漏斗19对分子进行定位（Optical Trap（光学陷阱）=聚焦光束，借助所述聚焦光束，小的物体能够在液体中运动）。DNA例如能够特定地在相应的端部与完全不同的物体/聚合物小球化学地连接。
DNA的强的负电荷38允许，将分子朝向下侧、也就是说从液体区域33沿着示意性示出的方向39穿过漏斗19牵引到液体区域34中。这借助于在存在漏斗开口19的薄膜29的上侧和下侧上的液体区域33/34之间的电势来实现。所述电势经由在液体中分别在绝缘薄膜29之上和之下的电极产生。分子35也可能在没有聚合物小球的情况下被牵引穿过漏斗开口。
分子现在经受朝向下侧的静电牵引力39。所述力垂直于薄膜定向。借助于光学陷阱，现在能够经由聚合物小球36将横向的牵引力施加到分子35上。由此，分子35张紧并且通过围绕纳米线的偏转将机械力施加到所述纳米线上。此外，由于出口开口27的小的尺寸，分子相对于线4精确地固定在其位置中。借助于光学陷阱，牵引的速度能够被准确地控制并且在两个方向上可逆地往复切换。这能够实现多次读取以避免测量噪声。
同时可获得光学设备，所述光学设备能够由唯一的光源借助于声光分束器彼此相互独立地在衬底上定位和移动多至一百个光学陷阱。由此，能够实现衬底上的多个传感器的并行的操作方式（并行的DNA排序）。
制造方法（参见图4a）至k）和相应的附图描述）：
如在对制造薄膜中的纳米漏斗在上文中已经单独进行的描述那样，选取SOI晶片23/24。
借助于光学光刻在硅顶层21上限定应存在漏斗19的面。在这些面上蒸镀标准的层厚度为0.5nm的金，这在表面18上的清楚限定的区域中产生层9。在950℃和相应的时间下的加热过程提供纳米漏斗19。如单独所描述的，将硅晶片借助于氢氧化钾溶液从下侧处移除并且将SiO2层借助于氢氟酸蚀刻掉。现在，自由悬置的硅薄膜21在热氧化步骤中转化为层29的电绝缘的SiO2。
在具有纳米漏斗19的SiO2薄膜29上，此时在所期望的位置上借助于光学光刻限定存在用于生长纳米线4的金催化剂颗粒3的面。用于纳米线生长的面直接位于在其上产生纳米漏斗19的面旁边。纳米线生长过程如单独所描述的那样来实施。
未对准的纳米线4经由折叠方法横向地固定到衬底29上。纳米线4的一部分如所期望的那样位于纳米漏斗19之上，但是一定的份额没有位于所述纳米漏斗之上。良好定位的纳米线在漏斗之上的分布是统计学的并且能够根据纳米线密度和漏斗密度改变至一定程度。但是，这是毫无问题的，因为漏斗的入口开口是足够大的（也参见图5）。通过大量的能够并行地在衬底29上制造的器件19/4，良好定位的纳米线4的相对低的成效也足以在芯片上实现足够大数量的良好定位的纳米线4。
横向定位的纳米线4随后经由光学光刻与金属电极30接触。为了能够在电解液体33/34中操作传感器装置，金属电极30必须与环境电绝缘。对此，金属电极30用由SiO2或者氮化硅构成的层31来包覆，其中纳米线4保持露出（同样借助于光学光刻）。
为了操作传感器，将所述装置嵌入到适合于使用显微镜的腔中，以至于产生两个彼此分离的液体容器33/34，所述液体容器仅通过薄膜29的孔19彼此连接。在分离的容器33/34中存在附加的电极，以便将静电力施加到DNA分子上并且将所述DNA分子牵引穿过漏斗19。
借助于光学显微镜和光学陷阱能够将小珠36连同DNA35在适合的传感器上定位，以便沿着纳米线4牵引DNA35并且电学地读取所述DNA。
附图标记列表
1    衬底，初级衬底
2    衬底表面
3    纳米颗粒，金颗粒
4    纳米线
5    次级衬底，辅助工具
6    5的表面
7    间隙
8    4在2上的连接点
9    具有纳米颗粒的区域，成核区域
10   平面放置的纳米线
11   中央的电极区域
13   部分环绕的第二电极
14   13的端子
15   13中用于12的留空部
16   硅衬底
17   纳米颗粒，金颗粒
18   16的表面
19   凹部，16中的漏斗
20   19的限界面，晶面
21   硅层
22   二氧化硅层
23   硅晶片
24   整体衬底
25   在用氢氧化钾溶液处理之后在23中的下侧的凹部
26   22的露出的表面
27   19的出口开口
28   19的入口开口
29   氧化层21、作为绝缘的衬底层的氧化硅层
30   金属电极
31   绝缘层
32   30的接触区域
33   上侧上的液体
34   下侧上的液体
35   分子链
36   小珠，聚合物小球
37   36的横向运动
38   35上的电荷
39   由于38以及在33和34之间的电势差引起的牵引力
40   21/29的下侧

Claims (15)

1.一种用于制造导体结构的方法，所述导体结构具有至少一个纳米线、特别是硅纳米线（4），所述纳米线具有小于50nm的直径并且经由至少两个部位经由电极（11，13，30）来接触，并且其中至少一个所述纳米线（4）和所述电极（11，13，30）设置在衬底（1，5）上的一个平面中，其特征在于，
a）在绝缘的衬底（1）的表面（2）上放置具有在0.5nm至50nm的范围中的直径的催化活性的金属纳米颗粒，
b）在300℃至1100℃的范围中的温度下，在10min至200min的范围中的持续时间中，所述表面和放置在其上的所述金属纳米颗粒经受包含至少一种气态的硅组分的气流，其中形成至少一个从所述衬底（1）伸出的长度在5μm至200μm的范围中的纳米线（4）；
c）通过放置具有与绝缘的所述衬底（1）的所述表面（2）相配合的接触面（6）的次级衬底（5），将至少一个从所述衬底（1）的所述表面伸出的所述纳米线（4）放置到一个平面中；
d）放置在绝缘的所述衬底（1）上的至少一个所述纳米线（4）在两个不同的部位上与电极（11，13，30）接触，或者至少一个附着在所述次级衬底（5）上的所述纳米线在两个不同的部位上与电极（11，13，30）接触。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，绝缘的所述衬底（1）是由硅、二氧化硅、氮化硅或者玻璃构成的衬底，并且所述金属纳米颗粒是金纳米颗粒，优选具有在5nm至50nm的范围中、优选在20nm至45nm的范围中的直径。
3.根据上述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，在步骤a）的范围中，通过下述方式将所述金属纳米颗粒在空间限界并且彼此分离的区域中放置在所述衬底上：优选地，尤其利用光学光刻来施加由光刻胶构成的层，其中优选经由选择性的曝光经由结构化的铬掩膜，在所述由光刻胶构成的层中制造具有在0.02μm至10μm的范围中、优选在0.5μm至5μm的范围中的直径的孔，并且
随后将优选含水的溶液施加到所述光刻胶上，所述溶液具有作为胶体的金属纳米颗粒，优选为具有在0.5nm至500nm的范围中的直径、尤其优选具有在5nm至150nm的范围中的直径的纳米颗粒，其中将所述溶液蒸发并且其中随后将光刻胶借助适当的溶剂、优选丙酮来移除，
或者在真空中利用电子束金属蒸镀，将金属膜、尤其是金膜施加到所述由光刻胶构成的层上，所述金属膜优选具有在0.1nm至2nm的范围中的层厚度，并且随后将所述光刻胶和位于所述光刻胶上的金属借助于适合的溶剂、优选丙酮来移除。
4.根据上述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，在步骤b）中，在350℃至500℃的范围中、优选在400℃至480℃的范围中、尤其优选在450℃至470℃的范围中的温度下进行处理，并且通过将硅烷或者二硅烷作为气态的硅组分优选与载气、尤其优选为氮气或者氢气组合使用，其中优选使用硅烷或者二硅烷的在50sscm至200sscm的范围中的气流和载气的在100sscm至300sscm的范围中的气流，并且通过将所述衬底之上的总压强保持在1mbar至50mbar的范围中、优选2mbar至10mbar的范围中。
5.根据上述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，在步骤a）中，将所述纳米颗粒放置在至少一个、优选多个彼此分离的成核区域（9）中，使得在步骤b）中在每个成核区域（9）之上构成多个纳米线（4），并且在步骤d）的范围中，在所述成核区域（9）之上以接触所述纳米线的第一端部的方式、优选经由金属蒸镀或者光刻沉积来制造中心的第一电极（11），并且优选经由金属蒸镀或者光刻沉积来制造至少部分地环绕所述第一电极（11）构成的第二电极（13）。
6.一种用于以干化学的方式在结晶衬底（16）中制造凹部（19）的方法，
其特征在于，
将催化剂颗粒（17）在结晶衬底（16）的表面（18）上放置在待产生所述凹部（19）的部位上，并且在存在防止所述衬底（16）氧化的气体环境时，至少在其上所述催化剂颗粒（17）位于所述表面（18）上的区域在至少5min、优选至少15min的持续时间中经受至少500℃、优选至少750℃、尤其优选至少900℃、更尤其优选在900℃至1100℃的范围中的温度，其中构成漏斗状的凹部（19），所述凹部的至少三个在所述衬底的深处会合的限界面（20）通过所述结晶衬底（16）的晶面形成。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述结晶衬底（16）是单晶衬底、优选为由硅构成的单晶衬底，优选是（100）硅晶片，尤其是SOI结构，其中尤其优选地在SOI结构的情况下，所述限界面（20）是四个从所述衬底的所述表面通向深处的单晶的（111）晶面。
8.根据权利要求6或7所述的方法，其特征在于，所述催化剂颗粒（17）是金属纳米颗粒、优选是金纳米颗粒（17），优选具有在1nm至20nm的范围中、尤其优选在2nm至10nm的范围中的直径，其中优选通过下述方式在所述表面（18）上生成所述金纳米颗粒（17）：在所述表面上优选利用电子束金属蒸镀过程优选在高真空中生成具有在0.1nm至2nm的范围中的厚度的金层，基于不同的表面能量，由所述金层形成所述金纳米颗粒（17）。
9.根据权利要求6或7所述的方法，其特征在于，通过所述衬底（16）的厚度小于所述凹部（19）的几何形状的通过所述限界面（20）形成的深度，所述凹部（19）是贯穿所述衬底（16）的贯通开口，并且其中在所述衬底的所述表面（18）中的所述凹部具有通过表面（18）和限界面（20）之间的交叉线形成的入口开口（28）和通过所述衬底（16）的相对置的下侧的表面和所述限界面（20）形成的出口开口（27），所述出口开口具有较小的、在几何形状方面类似于所述入口开口（28）的横截面。
10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，所述入口开口（28）具有多边形的、优选矩形的或者正方形的横截面，所述横截面具有50nm至500nm、优选在150nm至250nm的范围中的侧边长，并且所述凹部优选具有几何形状的通过所述限界面（20）形成的在50nm至500nm的范围中、尤其优选在150nm至250nm的范围中的深度，其中优选几何形状的所述深度比所述衬底的厚度大1nm至50nm、优选大5nm至10nm，使得构成具有出口开口（27）的贯通开口。
11.一种用于制造传感器元件、尤其是用于确定分子特性的传感器元件的方法，其特征在于，
a）在衬底（21）中、尤其是在单晶硅层中制造漏斗状的贯通开口（19），所述贯通开口具有在上侧（18）上的矩形的或者正方形的入口开口（28）和在与所述上侧（18）对置的下侧（40）上的关于横截面更小的出口开口（27），所述出口开口是所述入口开口的优选至多五分之一、尤其优选至多十分之一，其中优选使用根据权利要求6至10中任一项所述的方法；
b）在所述上侧（18）上的邻接于所述入口开口（28）或者靠近所述入口开口的区域中，以根据权利要求1至5中任一项所述的方法来制造纳米线（4）并且在此将所述纳米线置于所述入口开口（28）之上并且桥接所述入口开口并且在两侧上经由电极（30）接触，或者将预制的CNT或纳米管置于所述入口开口（28）之上并且桥接所述入口开口并且在两侧上经由电极（30）接触；
c）将两个所述电极（30）集成到电路中，在所述电路中，能够经由所述CNT或者纳米线（4）来测量电特性或者电子特性，尤其是电阻作为时间的函数、尤其是作为所测定的分子（35）的位置的函数。
12.根据权利要求11所述的方法，其特征在于，在步骤a）的范围中，从基于硅的整体衬底（24）开始，所述整体衬底具有：表面的单晶<100>硅层（21），所述硅层具有在5nm至500nm的范围中、优选在100nm至300nm的范围中的厚度；设置在所述硅层之下的二氧化硅层（22）和设置在所述二氧化硅层之下的硅晶片（23），以干化学的或者湿化学的蚀刻方法，优选以根据权利要求6至10中任一项所述的方法，在所述硅层（21）中制造漏斗状的贯通开口，其中在所述硅层（21）中在所述二氧化硅层（22）的那一侧上通过下述方式制造正方形的或者矩形的具有在2nm至10nm的范围中的侧边长的出口开口（27）：在所述出口开口（27）的区域中移除所述硅晶片（23）和所述二氧化硅层（22）以露出所述出口开口（27），并且将所述硅层（21）转变为绝缘的氧化的二氧化硅层（29）。
13.根据权利要求11或12所述的方法，其特征在于，在所述传感器元件的区域中，不仅在所述入口开口（28）的上侧上、而且在所述出口开口（27）的下侧上设置用于容纳液体的区域，在所述液体中能够保持待测量的分子，并且其中附加地设置工具，尤其是以磁性的和/或光学的和/或光电的和/或机械的运动元件的形式的工具，借助于所述工具，至少部分地穿过所述贯通开口（19）的分子（35）能够穿过所述贯通开口（19）并且经过所述纳米线（4）并且围绕所述纳米线运动，并且其中尤其优选地设置一个电路，所述电路能够实现设定所述上侧上的液体区域和所述下侧上的液体区域之间的电势差。
14.一种传感器元件，尤其是根据权利要求11至13中任一项所述的方法制造的传感器元件，其特征在于，所述传感器元件具有绝缘衬底（29），所述绝缘衬底具有漏斗状的贯通开口（19），所述贯通开口在上侧（18）上具有优选矩形的或者正方形的入口开口（28）并且在与所述上侧（18）相对置的下侧（40）上具有关于横截面更小的出口开口（27），所述出口开口是所述入口开口的优选至多五分之一、尤其优选至多十分之一，纳米线（4）设置为接合到所述入口开口（28）之上并且桥接所述入口开口并且在两侧上经由电极（30）接触，并且所述电极（30）是集成到电路中的或者能够集成到电路中，在所述电路中能够经由纳米线（4）来测量电特性或者电子特性，尤其是电阻作为时间的函数、尤其作为已测定的分子（35）的位置的函数，其中优选不仅在所述入口开口（28）的上侧上、而且在所述出口开口（27）的下侧上设置用于容纳液体的区域，在所述液体中能够保持待测量的分子，并且此外优选地，其中附加地设置工具，特别是以磁性的和/或光学的和/或光电的和/或机械的运动元件的形式的工具，借助于所述工具，至少部分地穿过所述贯通开口（19）的分子（35）能够穿过所述贯通开口（19）并且经过所述纳米线（4）并且围绕所述纳米线运动，并且其中尤其优选设置一个电路，所述电路能够实现设定所述上侧上的液体区域和所述下侧上的液体区域之间的电势差。
15.一种用于利用根据权利要求14所述的传感器元件来测量长链分子的、尤其是DNA分子的特性的方法，其特征在于，所述分子（35）在一侧上与优选以磁性可控和/或光学可控的小珠的形式的电阻元件（36）耦联，所述电阻元件具有使得其不能够穿过所述贯通开口（19）的尺寸，并且所述电阻元件通过外部影响能够空间地相对于所述贯通开口（19）横向于所述表面移动，使得所述分子（35）连同所耦联的电阻元件（36）被引入到所述上侧上的液体区域（33）中，上侧的液体区域（33）和下侧的液体区域（34）之间的电势差设定成，使得牵引所述分子（35）的自由端部穿过所述贯通开口（19）并且进入到下侧的液体区域（34）中，其中所述电阻元件（36）保持阻挡在上侧的液体区域（33）中，并且施加外部作用，尤其是以激光单束陷阱的形式或者磁场的形式的外部作用，使得所述电阻元件（36）远离所述贯通开口（19）和/或必要时在替选的过程中靠近所述贯通开口（19），其中以围绕所述CNT或者纳米线（4）并且经过接触所述CNT或者纳米线的方式引导分子链（35），并且经由所述CNT或者纳米线（4）来测量电特性或者电子特性，优选为作为时间的函数改变的电阻。
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