CN1799003A - 使用压印光刻制造的传感器 - Google Patents

Abstract

本公开内容涉及一种包括在衬底(306)上淀积(704)可压印层(502)的工艺(700)。该可压印层(502)被压印成压印制造带(101)的图形。该图形从该可压印层(502)转移到待用于制造压印制造带(101)的衬底(306)。

Description

使用压印光刻制造的传感器

技术领域

本发明涉及传感器，尤其涉及通过压印光刻(imprintlithography)制造的传感器。

背景技术

现有技术纳米尺度传感器被用在很多应用中，并发现其特别适用于化学和/或生物传感和分析领域。这种现有技术纳米尺度传感器一般由不使用批处理制造技术的非重复的方法单独制造(因而效率低)。现有技术纳米尺度传感器可应用于如下分析领域，例如，气相色谱、离子耦合等离子体原子分析(ICPAA)、湿法化学分析、PCR(聚合酶链反应)、通过激光挥发的质谱分析、电泳和荧光标记法等。

化学和/或生物传感和分析一般需要很长时间获得有意义的数据，涉及远距离或笨重的设备，需要大的样品尺寸，要求高度训练的用户，并且涉及相当多的直接或间接成本。直接成本涉及每类分析所用的劳动力、程序和设备。间接成本部分地由(例如，在医学分析中或化学过程的监测中)能获得可用信息之前的延迟时间产生。某些化学或生物学分析的间接成本可以超过直接成本。

生物学和/或化学分析设备的某些实施例使用松散的管状线或管，它们的电阻使用两端结构进行测量。术语“松散”指线或管起初并不固定到衬底上，因此随后必须对其进行加固。

松散的管类结构的传感器的优势是简单和易于实验室验证。微小的线也可以通过化学气相淀积(CVD)工艺直接淀积到衬底上，该淀积工艺也是耗时和昂贵的。然而，对于实用的传感应用，以有效的可重复方法制造松散的纳米尺度的线或管是困难和昂贵的。

一些分析技术还需要传感器阵列来感测二维或三维构造的某些参数。很难将松散的管或线大量地制成阵列，特别是当管或线是纳米尺度时。一般而言，阵列中传感器的每个线或管都是单独制造的，这是耗时和昂贵的。

因此存在对制造纳米尺度线和管的技术的需求，该技术以比当今技术所允许的更廉价、更可复制、更易于生产的方式实现。

附图说明

贯穿附图使用相同的数字指示相似的特征或组成部分：

图1示出了压印制造的带的一个实施例的顶视图；

图2示出了该压印制造的带的另一个实施例的顶视图；

图3示出了绝缘体上硅(SOI)衬底的透视图，该衬底上可制造有一个或多个图1和2中示出类型的压印制造带；

图4是由电子和/空穴形成的电流的透视图，该电流流经图1和图2所示的压印制造带中的一个；

图5a、5b、5c、5d、5e和5f示出了可用于制造一个或多个压印制造带的技术的实施例；

图6示出了压印制造带阵列的一个实施例；

图7是可用于制造例如图5a、5b、5c、5d、5e和5f中所示的压印制造带的工艺的一个实施例的流程图；

图8示出了能够控制图7中所述工艺的操作的计算机或控制器的一个实施例的框图；以及

图9示出了图2中示出的压印制造带的另一个实施例。

具体实施方式

下面描述压印制造传感器100的不同实施例，该传感器可以使用这里描述的被称为压印光刻(IL)的压印或冲压工艺制造。IL技术可以制造纳米尺度、中尺度、微米尺度、大尺度、其它尺度、和/或这些尺度的组合的压印制造传感器100。该压印制造传感器的某些实施例可以在各种的化学和/或生物传感应用中用作平台，这些应用中检测可以被电学监控。

在本公开内容中描述的压印制造传感器的化学和/或生物传感应用的一个方面与功能化有关。因为功能化，压印制造传感器100的表面被处理、涂敷、成形、变粗糙或以其它的方式构造，使得一旦压印制造传感器的表面暴露于分析物，某些物种将被吸引、排斥、和/或附着到压印制造传感器的表面。这样，功能化能够导致压印制造传感器的表面被设计成促使或阻止某些物种的吸附。功能化的一个实施例涉及通过分子尺度层的探针物质化学和/或生化涂敷压印制造传感器。探针物质促使特定目标分子的表面吸附或者相互作用优先于其它物种。作为功能化过程中反应的目标分子的结果，压印制造传感器100的电学或磁学属性在存在或不存在目标物种时发生改变。电学或磁学属性的这种改变可以被电子传感设备(通常是基于计算机的)感测，该设备的操作和结构通常已知，不作进一步的描述。一个实施例中，功能化通过制造一层例如氧化硅或氮化硅的介质层完成，该介质层能易于质子化或去质子化以提供溶液中的质子的探测。

压印制造传感器100(特别是那些以纳米尺度形成的)的某些实施例可以提供极高的灵敏度。例如，以纳米尺度制造的压印制造传感器对于检测甚至单个分子的效应是足够灵敏的。这种压印制造传感器100(例如，那些用在这种生物学和化学领域用于功能化的)可以从更小的样品尺寸、简化的用法和/或更低的总成本更快地得到数据、提供更有意义的信息。因为具有高的表面积与体积比，生物学或化学压印制造传感器100在高灵敏度应用中呈现特殊的用途。然而，使用由相关IL技术制造的压印制造传感器100也能很好地服务于灵敏度要求不高的应用。压印制造传感器的一个特征是能够同时共同制造纳米尺度和大得多的器件，使得所得到的器件整体上具有相似的属性和灵敏度并可以被有效地比较。

IL可以在使用压印工艺的衬底表面提供清楚的或图形化的线条。这种清楚的或图形化的线条可以以纳米尺度、微米尺度、宏观尺度或这些尺度的组合压印。本公开内容中，术语“压印”或“冲压”线条指使用IL工艺制造的线条。后续处理通常在已经被压印或冲压产生压印线条的衬底上执行。这种压印线条还可以用作用于化学吸收的电学转换器。描述了改进的化学和/或生物学传感器的实例，该传感器将化学表面吸收转换为电学响应(例如电阻)。

本公开内容描述了压印制造带101的不同实施例，其具有独立“自由”纳米线传感技术的高的灵敏度、选择性和分辨率。提供了使用IL图形化和组织压印制造带101阵列的系统方法。而且，所描述的方法提供一种技术来修整和调整压印制造带101的电学和化学特性，进而改善它们的性能，并允许更可控和更便于制造的工艺。该压印制造传感器100的很多实施例提供的优势产生了有用的、可制造的压印制造带阵列。

包括压印制造带101在内的基于电学的元件，可以被物理整形以特别吸引表面的特定的和预定的区域，该表面被图形化以使用分析物中支持的特定目标物种进行功能化。合适的功能组包括但不限于感兴趣的化学/生物学群，例如硫醇、胺、硅烷醇、酒精、糖、路易斯酸和碱、偶极子、核酸、肽等(可能是不同的组合)。压印制造带101特别适用于通过吸引目标物种到暴露的外表面而进行的化学和/生物学功能化。

压印制造带101可以被图形化以提供功能化。功能化的一个描述在由Lieber等于2002年8月29日提交的美国专利申请US2002/0117659中有所描述(此处引用作为参考)。与压印制造带101相关的化学和/或生物学变化(基于压印制造带的结构被增强或延迟)可以用来调制流经压印制造带101的电流。通过与压印制造带101的粘合剂的电学耦合，分析物的存在可以改变压印制造带101的电学特性。压印制造带101可以被特定的反应实体、结合配对(bindingpartner)或特定的结合配对覆盖，选择它们是因为它们对于特定分析物的化学或生物学特殊性。相对于压印制造带101的外表面以一个相对的距离(优选地在纳米范围或小几十纳米)放置反应实体，在压印制造带中引起可探测的变化。

压印制造传感器100的两个实施例在图1和2中示出。本公开描述了各种相关技术以制造能够用在压印制造传感器100中的压印制造带101。同样，使用本公开内容中描述的IL大量地制造高灵敏度的生物学、化学或生物化学传感器的方法可以用来制造压印制造带101的很多实施例。

本公开内容应用于具有各种结构的压印制造带101。压印制造带101可以考虑成带状条，其具有在一个或两个基本正交的维度上的任何期望的横截面纵横比，并由半导体材料、导体材料或合成材料形成。压印制造带可以在第三个正交方向上延伸以提供带的路径。如有需要，可以设计厚度大于其宽度的矩形横截面的压印制造带。带的纵横比是带的高度除以宽度。然而，其它结构也是可行的，并被认为是本公开内容的一部分。

图1和2中示出的压印制造带的实施例的横截面结构基本上是矩形的，和使用的术语“带”的意思一致。该基本矩形的结构与很多现有技术传感器结构的圆形或椭圆形横截面比较。压印制造带的基本矩形的结构更一般地可以认为是梯形，其中侧墙实际上从与底部垂直向里或向外偏离一定角度。这种角度的偏离作为制造(特别是纳米尺度的)压印制造带的结果发生。由此，压印制造带由此可以偏离于严格的矩形横截面形状。还应当理解，边界表面可以具有某种程度的不规则性，甚至是缺陷，例如，粗糙、阻塞、内含物、脊、倒角(faceting)等。压印制造带从基本矩形的横截面结构的这种偏离被理解成与采用的工艺和材料细节有依赖关系。因为基本上是矩形的，宽于其厚度尺寸(具有较低纵横比)的压印制造带101比横截面基本上是方形的压印制造带(纵横比大约为1)提供更多的能与分析物反应的表面积。压印制造带101特别适用于某些应用。对于某些应用，例如压印传感器，压印制造带提供重要程度的对带宽度、高度、长度的独立控制，以及共同制造具有各种宽度、高度、长度、表面特征和/或其它方面的带的能力。或者，带材料合成物本身的几何形式和特征可以通过改变掺杂物种和掺杂浓度等而改变。设计中的这种控制和灵活性是期望的并由本公开内容的某些概念提供。

本公开内容描述了可以以纳米尺度、微米尺度、宏观尺度、中尺度或其它尺度范围制造的压印制造传感器和/或特征的不同实施例。例如“纳米尺度”、“微米尺度”、“宏观尺度”和“中尺度”这样的尺度术语将应用于电子电路和电子器件，其中，至少一个电子器件具有至少一个处于“纳米尺度”、“微米尺度”“宏观尺度”或“中尺度”范围的尺寸。然而，电学电路的所有部分不必在相同尺度内构造。例如，传感器结构本身可以在纳米尺度范围内制造，而电学供电电路可以在大一些的范围内制造。

使用IL可以制造具有各种横截面纵横比的压印制造传感器100，这是很重要的，因为改变压印制造带的纵横比改变了它的传感特性。例如，在分析过程中具有增大的表面积的压印制造带101允许更多的电子和/或空穴流经该带。改变压印制造传感器的纵横比还可以改变传感操作中暴露于分析物的表面积。与分析物接触的压印制造带101的表面积控制了化学反应的面积，因此，大大决定了功能化操作。分析物尺寸和压印制造带101的尺度之间的关系因此是十分重要的。

在某些实施例中，压印制造传感器100探测与感测表面接近的带电粒子，该带电粒子可以被吸收到该表面。带电粒子通过电荷或偶极子、或电荷的变化被吸引到压印制造带101的表面。通过精确地感测带电粒子，压印制造传感器100可以提供任何化学或生物学分析物或样品中的粒子的精确指示，而不管分析物或样品是气体、液体或是干的。

图1和图2描述了压印制造带101的两个实施例，它们被偏置以感测临近的带电粒子。图1和图2中示出了电子电路115，该电路以四端电阻测量或两端电阻测量偏置压印制造带101。

图1阐述了压印制造带101的四端电阻测量，其中，在两个内部电学接触108、110上测量接在两个外部电学接触104、106上的电压或电流源102的输出。电压或电流源102可以是两个外部电学接触点104、106上偏置的AC或DC。例如伏特计109的电势计应用在两个内部电学接触108、110上。

这样，压印制造传感器100可以看成是在两个外部电学接触104、106上具有电流源102的压印制造带101，这两个电学接触迫使电流流经压印制造带101。两个内部电学接触108、110位于外部两个电学接触104和106之间的某处。伏特计107的引线112和114在压印制造带101上分开已知的距离L，该距离由两个内部电学接触108、110之间的距离决定。伏特计107在感测事件中探测两个内部接触处的电压或电流。

知道了压印制造带101的电流和测量电压，它的电阻可以使用欧姆定律精确得出。通过确保两个外部电学接触104、106之间的电流恒定，欧姆定律可以计算两个内部接触之间的电阻。一个实施例中，两个内部电学接触108、110中的每一个都与两个外部电学接触104、106的相应的那个十分接近。

通过用已知的低频交变电流偏置压印制造带101，还可以执行锁定探测(lockin detection)，其中，电子噪声的影响从全部测量中去除。这样，噪声的影响可以从感测事件的总接收信号中提取。减少噪声的影响改善了分析的准确性。

压印制造传感器100的电学电路的另一个实施例如图2所示，其包括两个电学接触120、122。图2的实施例是两端电阻测量，其中，电学接触对120、122的之间强制电流由连在相同电学接触对120、122上的伏特计107感测。图1实施例中的内部电学接触108和外部电学接触104可以构造成、并从功能上认为是图2中的单一电学接触120。而且，图1实施例中的内部电学接触110和外部电学接触106可以看成形成了图2的单一电学接触122。使用图2中所示的两端电阻测量，存在一些由于电学接触和压印制造带101本身之间的结而产生的电阻。该接触电阻包括在总信号之中，使得将感测信号从噪声隔离更具有挑战性。使用图1中的四端电阻技术有助于减少接触电阻的影响。

图1和图2中显示的配置仅包括单个压印制造带101。然而，更为精致和复杂的压印制造带101的阵列在本公开内容的预定范围之内，如图6所描述。

压印制造传感器100的压印制造带101包括电学导电材料。这种电学导电材料包括一种或多种金属，例如，铂、铍、铝、钯；金属合金；陶瓷，例如铟锡氧化物、氧化钒，或钇钡铜氧化物；电学半导体材料，例如，硅、金刚石、锗、砷化镓、碲化镉、氧化锌、碳化硅、氧化锡、铟锡氧化物；和/或其它元素的、二元的、和多组分材料。同样，实际上可以形成压印制造带的任何电学导电材料都在压印制造传感器100的预定范围内。

当压印制造带101被(使用电压或电流电势梯度)电学偏置时，当任何带电粒子接近压印制造带101的表面时将产生电荷不平衡。然后这种电荷不平衡将改变流经压印制造带101的电流，这种改变用来在感测事件中探测带电粒子的存在、接近度、和/或数量。

阵列的不同实施例中的每个压印制造带101可以具有相同的或不同的横截面尺度以更好地探测不同的化学/或生物学物种。一个实施例中，压印制造带101的阵列将包括不同宽度、厚度等。压印制造带的阵列可以具有不同的尺度以从区分一个物种和其它相似的物种，其它相似的物种可能对背景噪声信号有贡献。或者，多个压印制造带可以被制造成具有相同的横截面结构，例如，如图6中所示的阵列。某些独立的压印制造带可以被提供不同的掺杂、表面制备或功能化技术。

压印制造带101优选地可以具有至少一个与皮米尺度或一些其它较大尺度相比的横截面纳米尺度。这提供了更准确的感测，因为单个带电粒子的影响可以被更精确地感测。当然，不具有纳米尺度维度不排除该制造方法的运用或它在压印制造传感器中的应用。此外，甚至在相对小的压印制造带101情况下可以提供大的表面积和体积比，这进一步增强了单个带电粒子的灵敏度。使用具有至少一个纳米维度的压印制造带101，和具有较大尺寸的压印制造带相比，可以获得空前的选择性和灵敏度。

压印制造带101概念能够产生大量的实用器件和阵列。一般而言，集成电路技术概念历史地生产了大量的很小尺寸的装置。某些为集成电路制造开发的技术(例如IL衬底冲压技术和绝缘体上硅(SOI)衬底的使用)在压印制造传感器100的制造过程中也可以使用。或者，固体半导体衬底可以用在本公开内容的某些实施例中。

IL是最近发展起来的光刻工艺，其包括在软光刻的领域内。最近的几年里，人们已经发现IL制造纳米尺度特征的能力。IL是一种冲压或压印工艺，通过该工艺，模具或模板中的图形被冲压到已经淀积到衬底上的材料上(例如，聚合物)。以这种方式，期望的图形或形貌特征在淀积的材料中快速地形成。诸如金属这样的材料被淀积到衬底306上以形成电学导电电路。使用IL形成这样的电学导电电路是理想的，因为它通过重复冲压制造和/或复制这些半导体或导体材料中的纳米尺度结构。这种冲压或压印可以导致大量地制造具有高分辨率、灵敏度和选择性的压印制造传感器。传感器的IL易于用在集成电路结构中的某些衬底上。

尽管其它技术可以用来制造纳米尺度特征(例如使用电子束等)，这些技术作为大量产品制造技术是站不住脚的，因为它们很耗时而且设备很昂贵。IL技术允许小特征被复制和生产。SOI技术提供足够薄的半导体有源层以允许相对薄的器件放置在衬底306上，如图3所示。

一个、多个或压印制造带101的阵列的IL包括使用例如S0I的技术淀积极薄的导体或半导体有源层302到衬底306上。在一个备选实施例中(未示出)，衬底306是固体半导体衬底。电学绝缘层304间隔在导体或半导体有源层302和衬底306之间。302、304、306的相对厚度在图3中没有按比例画出。导体或半导体有源层302可以以各种厚度淀积，其可以延伸到一个或几个原子厚度。一个说明性实施例中，半导体有源层302是50纳米(nm)厚或更薄，电学绝缘层304是350nm厚。制造时，可以在衬底的顶面上淀积多层。在衬底上淀积这些层之后，衬底被切割(或锯开)成多个芯片，这在半导体工艺中众所周知。本公开内容中，术语“衬底”指原始衬底，或从衬底切割的每个芯片。

导体或半导体有源层302被图形化(通过适当的压印/冲压、淀积、和/或刻蚀)以使压印制造带101形成为期望的结构。然后淀积层中的一层或多层被刻蚀以形成压印制造带101的期望形状。在SOI衬底306中，柄部317(即，厚硅层)形成衬底的基底。柄部317用来支撑绝缘体和有源硅层。SOI晶片的衬底包括氧化物绝缘层(也称为埋层氧化物层)和淀积在该绝缘体顶上的很薄的硅层。

尽管图3中示出的导体或半导体有源层302是连续的，但是导体或半导体有源层302的某部分可以在图形化工艺中去除。一个实施例中，在后续制造中保留的导体或半导体有源层302的部分仅仅是与压印制造带101有关的那些部分。

导体或半导体有源层302可以制成单个、多个原子或晶粒厚度。因此，衬底顶上的上硅层的淀积厚度可以决定压印制造带101的纳米尺度的厚度。压印制造带101的纳米尺度的宽度可以使用IL技术制造，如下面图5a、5b、5c、5d、5e和5f中所描述的。同样，IL可以用来控制迹线的宽度。因此，可以制造在两个维度(厚度和宽度)上是纳米尺度的压印制造带101。

衬底上淀积的半导体或导体层可以和期望的一样薄。通过使用覆盖有半导体或导体层(例如，具有纳米尺度的厚度)的衬底，淀积的半导体或导体层的厚度控制了压印制造带的最终厚度。因此，通过工艺或材料选择，压印制造带101的厚度(高度)可以减小到纳米尺度。这样，可以制造在两个维度(厚度和宽度)上是纳米尺度的压印制造带101。

有效薄衬底的另一个例子是浅注入或浅掺杂衬底。该薄的表面层提供比轻掺杂底部材料高得多的电导率。这里，掺杂剂浓度的厚度提供了有效的纳米尺度的薄。

IL还提供了传统半导体衬底上压印制造带101的制造，传统半导体衬底有例如，硅、砷化镓、绝缘体上硅等，它们的结构通常是刚性的。或者，衬底的另一个实施例包括非半导体基的衬底，其基于衬底材料的特定属性(例如，灵活性、尺寸、价格、耐用性等)选出。支撑半导体装置的衬底可以包括多种柔性和/或共形衬底，其中，为适应某些应用该衬底可以弯曲。柔性衬底306的例子包括某些塑料、金属箔、纸和织物。刚性衬底的例子包括某些塑料、玻璃、金属等。同样，多种衬底被认为在本公开内容的范围之内。

装置和电路可以淀积在柔性衬底上以精确成形环绕复杂几何结构(例如，人脑、其它身体部位或其它不规则形状的物体)的装置、电路或阵列。通过在柔性衬底上制造这类装置，有可能制成更准确地成形，例如环绕患者头部、手臂、嘴、或其它身体部位的不规则位置和形状的密度传感器阵列，以提供更为彻底和灵敏的探测。

使用IL图形化压印制造带101提供了系统的、精确的和预定的方法，其允许使用多种材料制造具有精确可控的横截面尺寸的压印制造带101。

使用具有期望的尺寸、电学特性和材料的压印制造带101可以得到改善的灵敏度、选择性、分辨率和响应度。例如，电学传感器的不同实施例可以用来感测电阻、电容或电阻抗。

压印制造带101的窄线宽提供了高的表面积-体积比，这对于快速、灵敏的转换器反应，以及小装置尺寸和低功耗是有用的。高的表面积-体积比提高了使用压印制造带的传感器的灵敏度，特别是当压印制造带制造成纳米尺度时。使用IL，可以小至20nm(纳米)或更小的横截面尺寸的制造方式生产亚光学宽度的线条。其它容易的制造技术不能生产具有这种小尺度的化学传感器结构。

压印制造带101的长度和横截面是压印制造带的电阻的固素。压印制造带101的电阻与其载流能力有关。

例如，如图4所示，由于压印制造带101的横截面的一维或二维的尺寸都减小，压印制造带尺寸达到单个原子的尺寸。电子和/或空穴402被限制成沿肩头410指示的方向顺序通过压印制造带101(每个电子和/或空穴以彼此紧跟的方式跟随先前的带电粒子)。当与带电粒子404有关的外部电场接近这些电子和/或空穴的连续流时，一个电子和/或空穴可能受影响或被局域化(粘附在某个位置)。该单个受扰的电子和/或空穴402能够影响(例如阻隔)在压印制造带101中沿着方向410流动的电子和/或空穴402的整个连续流。这种结构因此提供了一种极为灵敏的技术，用于调整压印制造带101的电阻与的包含在环境样品中的带电粒子404的小扰动的关系。

压印制造带101的一个或两个维度上的横截面也可以从图4中所示的尺度成比例增加。这种情况下，非常少量的电子和/或空穴(而不是一个接一个)并排或连续地通过压印制造带101。然而，压印制造带101提供改善的灵敏度的概念仍是相似的，因为甚至对少量电子和/空穴的扰动仍可以放大对带中的总电子流和/或空穴流的影响。

压印制造传感器100仅使用单个压印制造带101就可以用于感测各种液体、气体颗粒，或气体。在待检测带电粒子尺寸和该带电粒子上的电荷之间存在一些细微的关系。

在衬底表面上，可以制造最小宽度大约为10nm的压印制造带101。500,000nm可能是压印制造带宽度的实用上限。最终的纳米尺度线宽结构特别适用于转换器元件，为了略有不同的应用，例如生物学或化学传感器，转换器元件必须制造成各种结构。

现在依照图5a、5b、5c、5d、5e和5f描述IL工艺流程的一个实施例。图5a示出了一种典型的衬底306(例如SOI衬底306)，其上淀积有源层302和绝缘层304，如图3所示。在实际应用中，导体或半导体有源层302可以极薄，因为该层的深度决定了压印制造带101的最终厚度。衬底306为脆弱的层302和304提供支撑。尽管以SOI结构阐述302、304和306，但可以使用为导体或半导体有源层(由电学半导体或电学导体形成)提供适当支撑的任何其它结构。

在图5b中，压印层502添加在导体或半导体有源层302上。一个实施例中，压印层是聚合物。然后使用IL技术压印(或冲压)压印层502以在压印层502中形成期望的凹槽507。使用IL技术时，使用压印模板或模具305，压印或冲压压印层502(如图5b中所示)。压印模板或模具的轮廓被复制到压印层中。图形化的轮廓507精密按照压印制造传感器100的结构所需的电子电路的图形。这样，被冲压的压印层502的区域对应于最终形成压印制造带101和相关电子电路的导体或半导体有源层302的区域。

压印光刻技术的两个实施例在本说明内容描述的压印光刻的预定范围内，它们为“热压印光刻”和“步进快闪式(step and flash)压印光刻”。在“步进快闪式”压印光刻中，压印层502选择成具有光化学属性(例如包括光致抗蚀剂)，压印模板是光学透明的使得光可以施加到压印层上。通过使用光化学转换和发生在相对低温度下的压印层502的固化，使用“步进快闪式”压印光刻可以比使用“热压印”光刻以低得多的温度和/或压力在压印层上形成反转的形貌图形(即，可具有纳米尺度范围宽度的凹槽或沟槽507)。

热压印光刻和步进快闪式光刻依赖不同的机制在压印层502中形成形貌图形507，而这又基于压印模板305中形成的形貌图形507。本公开内容中描述的任何类型的IL可以使用热IL或步进快闪式IL。

热IL主要依赖于：a)给压印层502加热，和b)从压印模板305向压印层502中施加压力。为提供压印工艺，压印模板305(具有最终物体中所需的凹槽或沟槽的反转图形)被压紧到压印层502并在压印层502中形成相应的图形。压印模板305可以使用电子束光刻技术形成，每个母版压印模板只使用一次该技术。为了压印，压印模板305一般以一定的压力和比室温适当高的温度压到压印层502中。

步进快闪式IL依赖于穿过压印模板305透射到压印层502的光(例如紫外光)，压印模板305与压印层502接触。应用光到压印层(例如聚合物)将该聚合物硬化或固化成它所需的形状。在步进快闪式IL中，从压印模板305施加足够的压力，以先于光照射对压印层材料进行塑形。穿过压印模板305到达压印层502的光的频率(例如，对于某些压印层材料是紫外光)可以(例如，通过交联)调整形成压印层的光致抗蚀剂聚合物材料。

因此在步进快闪式IL中使用的压印模板305是透明的，所以光可以直接穿过压印模板305到达形成压印层502的材料。一个实施例中，在步进快闪式IL中使用的压印模板305由石英制成，其可以使用例如电子束光刻来刻蚀。在热IL中不需要压印模板是透光的。

在热IL中，压印模板305能够经受软化形成压印层502的材料所需的高温。例如它们可以由诸如硅的半导体形成。在步进快闪式IL中不需要压印模板能够经受这种高温，因为不使用高温。在不高的温度执行步进快闪式IL对于多层结构的制造是有用的，因为将最上层的温度升高到它可变形的温度也会造成下面的层到达可使它们变形或接近变形的温度。如果下层处于它们可以变形的温度或接近该温度，那么由压印光刻的冲压或压印动作在上层施加的压力可能作用破坏掩埋下层上的特征。

因此，在热IL过程中，衬底和压印层的温度必须被严格监控。而步进快闪式IL中，下层在固化后维持在较低的温度，使得多层淀积层将继续为固体。另外，步进快闪式IL不需要在每个循环加热和冷却压印层的时间。因此，与使用某些其它光刻技术构造的结构相比，使用步进快闪式IL通常可以构造更高的结构(因为原先淀积的层不被升温到足以导致原先淀积的层变形的温度)。

热IL过程中压印层502的温度高到足以使压印层502的材料一定程度上可变形并与压印模板305中形成的形状和图形相一致。将压印模板的形貌图形512驱动到压印层502的材料中所需的力依赖于压印层中所选的材料(即，聚合物或非聚合物)和压印模板的结构而变化。对于热压印IL，一旦压印模板305被驱动到压印层的材料中形成凹槽或沟槽时，压印层被冷却到一个温度，使其不再具有可变形的特性。对于步进快闪式IL，光直接穿过压印模板305直到压印层502被固化。

在图5c中，在图5b所示的压印之后，一层或多层金属层504被淀积在压印层502和/或导体或半导体有源层302的上表面(包括压印和非压印部分)上。一个实施例中，金属层504包括多个层(例如，5nm Ti和10nm Al)。在图5d中，保留的压印层502和压印层502上金属层504的部分被“剥离”，从而与导体或半导体有源层302分离。

剥离之后，图5c中的压印层502的剥离部分之下的有源层302的部分被暴露，如图5d所示。与导体或半导体有源层302直接接触的金属层504的那些部分(见图5c)仍与导体或半导体有源层302接触(见图5d)。

在图5e中，衬底经历反应离子刻蚀(RIE)。位于金属层504的剩余部分之下的导体或半导体有源层302的部分在RIE之后保留。导体或半导体有源层302暴露的部分在RIE之后被刻蚀掉。RIE刻蚀绝缘层304的厚度(深度)不明显。可以使用其它已知的刻蚀技术(例如湿法化学蚀刻)，它们在本公开内容的范围之内。

在图5f中，衬底经历化学蚀刻以去除金属层504的残留部分。因此该刻蚀暴露了导体或半导体有源层302。IL以后，在图5f中保留的导体或半导体有源层302的部分形成了压印制造带101(和相关的导体或半导体部分)。

使用如图5a、5b、5c、5d、5e和5f中所述的IL具有很多优点，包括定义和制造压印制造带101阵列的能力。IL可以同时生产纳米结构、微米结构、宏观结构、以及甚至大了好几个数量级的宏观结构。IL可以有效和高效地进行具有不同尺寸的压印制造带101的集成。同时制造纳米结构、微米结构和宏观结构的另一个重要优点在于，该部分的技术性能可以随尺寸改变；使得最佳尺寸可以随应用改变。IL的应用再现了特征的二维图形，其中的任一维可以延伸到纳米尺度。第三维可以和期望的一样大，因为该维度是压印制造带101的“长度”。

下面是使用利用其它工艺方法的IL在SOI衬底306上制造压印传感器(例如可以用作化学和/或生物学传感器)的技术。顶部的导体或半导体有源层302可以包括(例如使用离子注入应用的)掺杂剂。

衬底306被包括薄抗蚀剂(例如聚合物)的压印层502覆盖。在IL过程中，在压印层502中冲压出印迹507，如图5b所示。金属层504中的印迹的图形对应于形成图5f中所示的细长的压印制造带101的导体或半导体有源层302中的最终的图形。最终的图形化压印制造带理想地包括如前所述的接触点104、106、108、110、120和122。

在图5c中，金属层504(例如锡或铝)被淀积到薄的压印层502上。在图5b所示的冲压/压印工艺之后，金属层淀积在压印层的印迹部分中。在一个称为“剥离”(薄压印层502的剩余部分)的步骤之后，该薄压印层502以及相连的金属层被去除。在图5d所示的剥离之后保留在冲压/压印层502中的淀积材料，用作硬掩膜材料以防止硬掩膜材料之下的材料被刻蚀。如图5e所示，执行反应离子刻蚀(RIE)，或其它类型的干法刻蚀，通过刻蚀掉位于一些位置处的导体或半导体有源层减薄了衬底306，所述那些位置对应于金属层504的硬掩膜在剥离之后被去除的位置。印迹507原先的图形(如图5b所示，通过冲压薄压印层502制成)形成了突起，该突起是衬底306的上表面形成的导体或半导体有源层302中的最终图形，如图5f所示。

干法刻蚀的厚度(即，图5中RIE导致的厚度)对应于如图5f中所示的形成导体或半导体有源层302的突起的垂直厚度。通过选择压印制造带101的厚度使其与原始有源硅(例如，硅或SOI)层的厚度匹配，制造压印制造带101，其线高是预先确定的。这种厚度的确定主要由晶片或衬底306上的导体或半导体有源层302的淀积厚度产生。一个实施例中，压印制造带101形成转换器元件。在转换器实施例中最为有用的是，压印制造带101的上表面被设计或加工成提供增强的化学灵敏度。

例如，绝缘层304形成为薄的二氧化硅表面层。在一些情况下，二氧化硅提供用于化学和/生物学功能化的表面。二氧化硅层还可以提供抗化学腐蚀的钝化。这种表面功能化可以通过无机或有机物种(例如包括生物化学或抗原)执行。化学和/或生物学吸收干扰了压印制造带101的导电性，并可以通过电阻测量被感测到。为便于电学测量，压印制造带在任一端都具有导电的电学接触点，在两端电阻测量配置或四端电阻测量配置当中设置这些接触点。

测量的操作模式也可以包括前栅(未示出)和背栅。背栅通过另一个端子308(例如，在如图3中所示的衬底306的底部上)偏置衬底306。这种背栅偏置具有调整带中可获得的电子密度的效果，其通常表现得更像调整MOS晶体管的场效应。使用压印光刻制造压印制造带还可以允许共同制造非带状压印制造结构，这对于提供附加的功能，例如背栅接触，是理想的。

一个实施例中，压印制造带101与衬底紧密接触，且它们的横截面主要是方形、矩形或梯形。横截面结构依赖于这些因素，例如压印制造带101的宽度、导体或半导体有源层302的厚度、甚至再现导体或半导体有源层302的垂直的或倾斜侧壁的干法刻蚀工艺(RIE)的某些方面。矩形压印制造带101较长的维度可以水平或垂直地延伸，这取决于制造结构和工艺。形成压印制造带的导体或半导体有源层302具有圆形或椭圆形横截面(例如某些现有技术的松散的管状线)是不太可能的，因为使用IL时这种横截面结构是不太可能的形状。提供基本上为矩形和/或梯形的压印制造带101允许相对简单地计算压印制造带的尺寸和电阻。尽管使用IL技术难以提供椭圆形、圆形或其它结构，但是有可能提供各种非矩形或梯形结构。基本上为矩形、梯形或其它结构中的任一种都在本公开内容的压印制造带的范围内，只要用IL来制造压印制造带。

用来制造压印制造带101的IL工艺存在各种变形。IL工艺的一个实施例将用另一种本身是化学吸收的电学转换器的材料填充电阻压印层502的IL印迹。可以用来形成压印制造带101的材料的实例包括铂，它可以用来探测氢；非晶或多晶硅，类似于上面SOI硅例子，它可以用作场效应器件；以及金属氧化物，例如氧化锡、氧化钛或氧化钒。金属氧化物压印制造带101可以用作使用上述制造技术的化学传感器元件。

压印制造带提供了很多应用机会。例如图6示出了串联或并联使用(取决于它们怎么被功能化)的传感器结构的阵列600的制造。形成压印制造传感器100的压印制造带101的阵列600可以互连。实际上，已知很多应用(包括电势源的控制和感测)中互连阵列传感器的各种实施例。

配置有压印制造带的压印制造传感器可以有益地用在很多需要非固态材料或样品的高灵敏分析的应用中。本公开内容中，所描述的压印制造带采用了原先纳米尺度线方法的技术优点(高灵敏度、选择性和分辨率)，但是提供了使用IL图形化和组织压印制造带101的阵列的系统方法。而且，这里描述的方法提供了一种修整或调整压印制造带101的电学和化学特性的技术，进而优化了其性能，制成了更“可制造”的物件。本发明提供的优势可以产生有用的、可制造的压印制造带101阵列，如图6所示。需要强调运用到例如传感器阵列、多路复用器、多路信号分解器等电子装置的电子控制电路一般是已知的，并在本公开内容的范围之内。

图7示出了工艺700的一个实施例，工艺700用来形成如图5a、5b、5c、5d、5e和5f中所示的压印制造带101。工艺700包括702，其中，具有预定厚度的半导体有源层被放置，如图5a所提供的。一般而言，半导体有源层通过淀积半导体有源层到衬底上而提供。704中的工艺在半导体有源层上淀积了压印层502(如图5b中所示)。在706，压印层502被压印或冲压以产生压印的和没有压印的压印层502的部分(也如图5b中所示)。在708，保护层(即金属层)被淀积到压印层502的压印的和没有压印的部分，如图5c所示。保护层形成了一个硬掩模，保护该硬掩模下的材料不被进一步刻蚀。压印层502的没有压印的部分(包括淀积在压印层的没有压印的部分上的保护层的部分)在710中被剥离，如图5d所示。半导体有源层在712中被刻蚀，如图5e所示，其中，在剥离后位于保留的保护层之下的半导体有源层的部分不被刻蚀，而不位于保护层之下的部分被刻蚀。在714中，在708中淀积的保护层(例如，金属层)在剥离后的剩余部分被刻蚀，产生如图5f中所示的压印制造带101。

图9示出了图1中阐述的压印制造带101的变化的实施例。压印制造带的图9的实施例包括下降区域902，其比压印制造带的其它部分窄。某些实施例中，该下降区域在纳米到几十纳米的范围。与没有下降区域的压印制造带101相比，使用下降区域902可以导致显著增加的电阻。实际上，带的剩余部分远大于下降区域902，与该下降区域相比，其电阻可以忽略。下降区域902的使用允许压印制造带101的相对小的部分被构造成提供整个部分的期望电学特性。同样，该压印制造带可以被生产，并在容易的、精确和节省成本的各种配置和应用中使用。

图8阐述了控制器或计算机800的一个实施例，其可以使用图5a、5b、5c、5d、5e和5f中所示的技术，执行方法700以在图3所示的衬底306上产生压印制造带101。工艺部分或“加工”如802所示。工艺部分802可以包括各种工艺腔811，其间衬底306通常使用机器人机机装置812转移。该工艺的细节随淀积并随后被刻蚀的材料的深度、被压印并随后使用IL刻蚀的图形而变化，甚至在不同供应者之间变化。例如化学气相淀积、物理气相淀积、电化学淀积和反应离子刻蚀(RIE)的工艺是已知的，用于淀积和/或刻蚀工艺部分802中的特定材料。

控制器或计算机800包括中央处理器(CPU)852，存储器858、支持电路856和输入/输出(I/O)电路854。CPU 852是通用计算机，当其被包含在存储器858中的执行软件859编程时，变成特殊用途计算机，用于控制工艺部分802的硬件部件。存储器858可以包括只读存储器、随机存取存储器、可移动存储器、硬盘驱动器，或任何形式的数字存储设备。I/O电路包括已知的用于信息输出的显示器和键盘、鼠标、跟踪球或信息输入，其可以允许对控制器或计算机800进行编程以确定被工艺部分802执行的工艺(包括该工艺部分所包含的相关机器人动作)。支持电路856在现有技术中已知，包括诸如缓冲器、时钟、电源等这样的电路。

存储器858包括控制软件，当被CPU 852执行时，它使控制器或计算机800能够数字地控制工艺部分802的各种部件。由控制软件执行的工艺的详细描述参照图6，如图5a、5b、5c、5d、5e和5f描述。另一个实施例中，计算机或控制器800可以是模拟的。例如，专用集成电路能够控制例如在工艺部分802中发生的工艺。

尽管本发明在语言上针对特定的结构特征和方法步骤描述，应当理解由附加权利要求定义的本发明不必限制于所描述的特定的特征和步骤。而且，所描述的特定的特征和步骤代表执行所要求的发明的优选形式。

Claims (9)

1.一种制造传感器(100)的方法，包括：

在衬底上淀积可压印层(502)；

将该可压印层(502)压印成压印制造带(101)的图形；和

将该图形从可压印层(502)转移到待用于制造该压印制造带(101)的衬底(306)。

2.权利要求1所述的制造传感器(101)的方法，其中转移图形包括刻蚀。

3.权利要求1所述的制造传感器(101)的方法，其中压印制造带(101)的横截面在两个基本垂直的横截面维度上可延伸到纳米尺度。

4.权利要求1所述的制造传感器(100)的方法，其中压印制造带(101)的横截面在一个横截面维度上可延伸到纳米尺度。

5.一种方法，包括：

通过以下步骤制造压印制造带(101)：

在衬底(306)上提供(702)具有预定厚度的半导体有源层(302)，

在该半导体有源层(302)上淀积(704)可压印层(502)，

将可压印层(502)压印(706)成压印制造带(101)的图形，以产生可压印层(502)的压印部分(507)和可压印层(502)的非压印部分，

在可压印层(502)的压印部分和可压印层(502)的非压印部分上都淀积(708)保护层(504)，

从衬底去除可压印层(502)的非压印部分，其中，非压印部分包括在可压印层(502)的非压印部分上淀积的保护层(504)的那些部分，和

刻蚀(712)该半导体有源层(302)，其中，剥离之后位于剩余的保护层(504)之下的半导体有源层(302)的那些部分基本不被刻蚀，而没有位于剥离之后的剩余保护层(504)之下的半导体有源层(302)的那些部分充分被刻蚀。

6.权利要求5所述的方法，进一步包括功能化该压印制造带(101)。

7.一种传感器(100)，包括：

压印制造带(101)，使用压印光刻将其形成在衬底(306)上的图形化的半导体有源层(302)图形上，其中，压印制造带(101)的横截面在一个横截面维度上可延伸到纳米尺度。

8.权利要求7所述的传感器，进一步包括可压印层(502)，其中，图形化的半导体有源层(302)的图形至少部分地基于该可压印层(502)形成。

9.权利要求7所述的传感器，其中，衬底(306)至少在室温时是柔性的。

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