DE102015101425A1

DE102015101425A1 - Bauelement auf Basis eines strukturierbaren Substrats mit dreidimensionaler, Poren im nm-Bereich aufweisender Membranstruktur und halbleitertechnologische Verfahren zu dessen Herstellung

Info

Publication number: DE102015101425A1
Application number: DE102015101425.4A
Authority: DE
Inventors: Thomas Lisec; Eric Nebling; Stefan Kubick; Steffen Rupp
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Priority date: 2014-10-31
Filing date: 2015-01-30
Publication date: 2016-05-04
Anticipated expiration: 2035-01-31
Also published as: WO2016066505A1; CN107001029A; DE102015101425B4; US20180038841A1; EP3213068A1; JP2018504579A

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Bauelement, umfassend einen Träger aus einem strukturierbaren Material mit mindestens einer durchgehenden Öffnung, die von einer porösen Membran verschlossen ist, dadurch gekennzeichnet, dass die poröse Membran aus der die durchgehende Öffnung umgebenden Fläche des Bauelements herausragt. In manchen Ausgestaltungen umfasst das Bauelement weiterhin ein Trägersubstrat, wobei eine zum Bauelement weisende Seite des Trägersubstrats und die gegenüberliegende Seite des Bauelements vorzugsweise einen Fluidkanal bilden, wobei im bevorzugten Fall die mindestens eine durchgehende Öffnung des Trägers auf ihrer unverschlossenen Seite mit dem Fluidkanal kommuniziert. Das erfindungsgemäße Bauelement eignet sich zum Einbau und zur elektrochemischen Vermessung von Transmembranproteinen, vorzugsweise in Doppel-Lipidschichten. Die Erfindung schlägt auch verschiedene Verfahren zur Herstellung des Bauelements vor.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Bauelement, das sich zur Untersuchung von biologischen Species, insbesondere zur elektrochemischen Messung und Charakterisierung von Transmembranproteinen, eignet und für diesen Zweck eine freistehende, dreidimensional geformte, poröse Membranstruktur mit Poren im Nanometer-Bereich aufweist, sowie ein Verfahren zu dessen Herstellung.
Generell werden feinporige Strukturen aus Glas oder Teflon für die Messungen von Transmembranproteinen verwendet. Hierbei wird über die meistens singuläre Pore mit Durchmessern von wenigen µm bis zu 150 µm eine Lipid-Doppelschicht gespannt, in die nachfolgend die Transmembranproteine eingebracht werden. Diese porentragenden Strukturen sind zum einen schwer herzustellen und deshalb teuer und zum anderen mehrfach zu verwenden, müssen also gereinigt werden können. Seit einiger Zeit werden deshalb vermehrt derartige Porenstrukturen mittels Halbleiterprozessen in Silizium oder anderen strukturierbaren Materialien gefertigt, wobei sich die benötigten Elektroden als Mikroelektrodenstrukturen integrieren lassen. Der Vorteil ist hierbei, dass diese „Porenchips“ als relativ kostengünstiger Einwegartikel ausgelegt werden können. Ein Nachteil ist, dass je kleiner die Pore ist, desto dünner auch die sie tragende Membran sein muss, um hier den Porencharakter beizubehalten und keinen „dünnen Tunnel“ zu erzeugen. Die porentragenden Strukturen werden folglich instabil, da kleine Porengeometrien gefordert werden.
Im Artikel "A chip-based biosensor for the functional analysis of single ion channels", von C. Schmidt, M. Mayer, H. Vogel, Angew. Chem. Int. Ed., 2000, 39, No. 17, 3137–3140 wird die Herstellung einer planaren Membran mit Poren im µm-Bereich beschrieben. Die Herstellung erfolgt dadurch, dass in einem mit Si₃N₄ beschichteten Si-Chip durch eine Kombination von anisotropem KOH-Silizium-Ätzen und Reaktiv-Ionen-Ätzen der dadurch erhaltenen Öffnung bis zur Si₃N₄-Schicht diese freigestellt und sodann durch einen Ätzprozess mit einer oder wenigen Poren versehen wird. Beidseitig wird dann auf die verbliebenen Oberflächen SiO₂ aus der Gasphase aufgebracht. Der Chip wird schließlich in PDMS eingebettet, und die Poren werden mit einer Lipidmembran überspannt. Die Anzahl der Poren bleibt allerdings gering. 2 zeigt schematisch den Aufbau einer solchen Anordnung.
Von C. Striemer et. al., "Charge- and size-based separation of macromolecules using ultrathin silicon menbranes", Nature Letters, Vol. 445, 15 February 2007, 749-753, wird die Herstellung einer porösen Siliziummembran berichtet, die eine Vielzahl von Poren mit Durchmessern im Bereich von 9 bis 35 nm aufweist und sich für die ladungs- und größenbasierte Trennung von biologischen bzw. organischen Makromolekülen eignet. Das Verfahren umfasst die beidseitige thermische Abscheidung einer SiO₂-Schicht auf einem Siliziumsubstrat, die rückseitige Entfernung eines Teils und die völlige frontseitige Entfernung des Oxids und das Abscheiden einer Dreifachschicht aus Oxid/a-Silizium/Oxid mit 15 nm dicker a-Siliziumschicht, wobei unter a-Silizium amorphes Silizium zu verstehen ist, einen schnellen Temperschritt, bei dem das a-Silizium unter spontaner Ausbildung der Nanometer-Poren in nanokristallines Silizium umgewandelt wird, und das Freistellen dieser Schicht durch Wegätzen der Oxidschichten. Die entstandene Siliziummembran besitzt eine Vielzahl unregelmäßig verteilter Mikroporen. Nachteilig dabei bleibt jedoch das ungünstige Volumen-Flächen-Verhältnis dieses Chips. Wird die Membran vergrößert, verringert sich deren Stabilität. Zudem ist die fluidische Ankopplung volumen-mikromechanisch hergestellter Bauelemente bzw. deren Integration in ein System kompliziert.
Dünne Polymer-Membranen mit periodisch angeordneten Poren lassen sich mithilfe sich selbst organisierender Strukturen unter Verwendung der sogenannten Breath-Figures-Methode herstellen, wie zum Beispiel in "The influencing factors on the macroporous formation in polymer films by water droplet templating" von J. Peng, Y. Han, Y. Yang, B. Li, Polymer, 45 (2004) 447–452, beschrieben. Das Verfahren beruht auf der geordneten Kondensation monodisperser Wassertröpfchen auf einer dünnen Polymer-Lösemittel-Schicht in feuchter Atmosphäre. Nach Verdampfen von Wasser und Lösungsmittel verbleibt ein Polymer-Film mit einem Porenmuster, den "Abdrücken" der Tröpfchen entsprechend. Ein Überblick über verschiedene Variationen ist in "Advances in fabrication materials of honeycomb structure films by the breath-figure method" von L. Heng, B. Wang, M. Li, Y. Zhang and L. Jiang zu finden, Materials, 6 (2013), 460–482.
Alternativ kann die Selbstorganisation kolloidaler, monodisperser Partikel zu zweidimensionalen Arrays bei deren Sedimentation aus einer Dispersion oder unter dem Einfluss von Kapillarkräften für die Erzeugung einer porösen Membran genutzt werden, zum Beispiel beschrieben von K. Nagayama in "Two-dimensional self-assembly of colloids in thin liquid films", Colloids and Surfaces A, 109 (1996) 363–374. Ursprünglich entwickelt für photonischer Kristalle, wurde das Verfahren in "Electrochemical deposition of macroporous platinum, palladium and cobalt films using polystyrene latex sphere templates" von P. N. Bartlett, P. R. Birkin and M. A. Ghanem, Chem. Commun., 2000, 1671–1672, zur Herstellung einer Metall-Schicht mit periodisch angeordneten Poren verwendet.
In "Rapid fabrication of nanoporous membrane arrays and single-pore membranes from parylene C†" von R. Thakar, R. Zakeri, C. A. Morris and L. A. Baker, Anal. Methods, 4 (2012), 4353–4359, wird eine Membran aus Parylene C mit periodisch angeordneten sub-µm-Poren durch Beschichtung eines Kupfergitters mit sehr viel größeren Öffnungen (10 µm Durchmesser und mehr) hergestellt. Dank der hohen Konformität der Parylene-Abscheidung sind Größe und Form der entstehenden Poren sehr gut definiert.
In dem Artikel "Fully integrated micro Coriolis mass flow sensor operating at atmospheric pressure", von R. J. Wiegerink et. al., Proc. MEMS Conf., Cancun, Mexico, 2011 January 23–27, 1135–1138, wird ein Massenfluss-Sensor vorgestellt, dessen fluidischer Kanal im Substrat erzeugt und anschließend durch teilweises Wegätzen des Substrates freigestellt wird.
Mit ähnlichen Techniken wurden von Y. Xie, N. Banerjee, C. H. Mastrangelo hohle, nahezu sphärische Partikel aus Parylen hergestellt, wie von diesen Autoren in "Microfabricated spherical pressure sensing particles for pressure and flow mapping", Proc. Transducers Conf., Barcelona, Spain, 2013 June 16–20, 1771–1774 berichtet. Diese wurden zuerst innerhalb einer Ausnehmung in einem Siliziumsubstrat gebildet und anschließend vollständig davon abgelöst.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung liegt in der Bereitstellung einer Membran, die Poren mit Durchmessern im Nanometerbereich aufweist und trotz der hierfür erforderlichen extrem geringen Dicke (in der Regel etwa 100 nm bis 2 µm) eine hohe Stabilität besitzt, als integraler Bestandteil eines Bauelements, wobei die Herstellung des Bauelements so ausgelegt sein soll, dass sich auf einfache Weise Mikroelektroden in großer Nähe zu der Membran und damit den darin vorhandenen Poren erzeugen lassen, um sehr sensitive ortsaufgelöste elektrochemische Messungen zu ermöglichen, und wobei sich das Bauelement ohne Schwierigkeiten in größere Bauelemente oder sonstige größere Strukturen oder Baugruppen mit weiteren, gegebenenfalls komplexen Strukturen integrieren lässt, sodass eine Ankopplung an fluidische Systeme ohne weiteres möglich ist.
In Lösung dieser Aufgabe stellt die vorliegende Erfindung eine freistehende, dreidimensional geformte, poröse Membran bereit, die sich mittels mikromechanischer Techniken als integraler Bestandteil eines Bauelements herstellen lässt. Der Vorteil im Vergleich zu einer planaren Membran liegt zum einen in der vergrößerten Fläche und der höheren Steifigkeit, da die einzelne 3D-Struktur vergleichsweise klein gewählt werden kann. Zum anderen ragt die Membranstruktur aufgrund ihrer Dreidimensionalität aus der Fläche des Bauelements heraus, so dass sie von einem Flüssigkeitsmedium leichter erreicht wird, was eine Interaktion erleichtert. Die Poren selbst werden bevorzugt ohne lithographische Prozesse erzeugt, und zwar entweder unmittelbar bei der Membranabscheidung oder mit Hilfe einer geeigneten Nachbehandlung. Mehrere Membranen/Membranstrukturen können in einem Array zusammengefasst werden bzw. angeordnet sein.
Die Membran ist Bestandteil eines Bauelements wie in Anspruch 1 definiert. Das Bauelement umfasst einen Träger aus einem geeigneten, strukturierbaren Material mit mindestens einer durchgehenden Öffnung, die von der porösen Membran verschlossen ist, dadurch gekennzeichnet, dass die poröse Membran aus der die durchgehende Öffnung umgebenden Fläche des Bauelements herausragt, vorzugsweise um etwa 5 bis 300 µm. Es ist günstig, wenn das Bauelement in der Nachbarschaft der Öffnung auf der der Membran abgewandten Seite mindestens eine Elektrode oder ein Elektrodenpaar aufweist. Diese kann direkt auf der die Öffnung umgebenden Fläche des Bauelements oder auf einer darauf befindlichen Zwischenschicht angeordnet sein.
Das Bauelement kann ein Array von mehreren, beliebig angeordneten Öffnungen aufweisen, von denen jede einzelne wie oben beschrieben von einer porösen Membran verschlossen und ggf. mit Elektroden(-Paaren) versehen ist.
Die einzelnen Öffnungen besitzen in der Regel einen Durchmesser von nur wenigen Mikrometern, vorzugsweise im Bereich von 5 bis 100 µm. Die poröse Membran kann eine Struktur besitzen, die nach Art einer Blase (in etwa eiförmig oder sphärisch) aus der umgebenden Fläche des Bauelements herausragt. In der Regel ist der Durchmesser der porösen Membran in diesem Fall größer als der der Öffnung. Günstige Durchmesser für derartige Membranstrukturen liegen im Bereich von etwa 5 µm bis etwa 200 µm. Die poröse Membran kann auch zylinder-, trichter- oder pyramidenförmig geformt sein und dabei abgerundete Ecken und/oder Kanten besitzen. In diesem Fall entspricht die Form der Öffnung dem Grundriss der Membran. Dabei kann die Ausdehnung der porösen Membran parallel zu der umgebenden Fläche ebenfalls größer sein als die Öffnung.
Eine schematische Darstellung dieses Bauelements (hier mit ovaler Form der Membran) ist in 1 gezeigt. Die Poren 7 der Membran selbst liegen im Nanometer-Größenbereich, d.h. sie haben einen durchschnittlichen Durchmesser zwischen 1 und 1000 nm, vorzugsweise zwischen 50 und 1000 und stärker bevorzugt zwischen 50 und 500 nm bei einer Membrandicke von in der Regel etwa 0,1 bis 2 µm. Mit 1 ist das Substrat bezeichnet, die Bezugsziffer 9 bezeichnet die beidseitig der Öffnungen angeordneten Elektroden.
Erhältlich sind die erfindungsgemäßen Membranstrukturen bzw. die damit versehenen Bauelemente beispielsweise ausgehend von einem strukturierbaren flächigen Substrat, wie einem Siliziumwafer oder einem Siliziumchip. Dies soll nachfolgend unter Bezugnahme auf die 3a bis g, 4 und 5a bis c näher erläutert werden, bei denen es sich um vertikale Schnittzeichnungen durch die jeweiligen Konstrukte hindurch handelt. Es sei darauf hingewiesen, dass die Poren in der Membran in den 3, 5 und 6 anders als in 1 zur Vereinfachung nicht dargestellt sind.
Zuerst wird das Material, das später als Träger für die 3D-Membranstruktur dienen soll, mit Standardtechniken auf dem Substrat abgeschieden. Das kann zum Beispiel ein Oxid-/poly-Si/Oxid-Stack sein. Das Substratmaterial sollte mit hoher Selektivität zum Trägermaterial geätzt werden können. Im Falle eines Oxid/poly-Si/Oxid-Stacks wird dies durch die Oxidschichten gewährleistet, während das poly-Si für die mechanische Stabilität sorgt. Die Dicke des poly-Si sollte daher in der Regel zwischen etwa 5 und 100 µm, vorzugsweise zwischen 10 und 50 µm liegen. Poly-Si-Schichten mit solcher Dicke können mittels spezieller CVD-Prozesse hergestellt werden, zum Beispiel im Epitaxiereaktor bei Temperaturen von 900–1000°C. Die Dicke der Oxidschichten, erzeugt mittels herkömmlicher CVD-Prozesse, zum Beispiel LPCVD (low pressure chemical vapor deposition), liegt vorzugsweise im Bereich zwischen 0,2 und 1 µm. Anstelle des Oxids kann auch ein Nitrid oder Oxynitrid eingesetzt werden, zum Beispiel in Form eines Nitrid/poly-Si/Nitrid-Stacks. Bei den Oxiden, Nitriden und Oxynitriden kann es sich um solche des Siliziums oder um Metalloxide, -nitride bzw. oxynitride handeln. Durch diesen Stack (den Träger) hindurch sowie in einen Teil des Substrates darunter wird anschließend durch RIE (reaktives Ionenätzen) mittels einer herkömmlichen Lackmaske (Erster Lithographieschritt) bis in das Substrat hinein ein Sackloch geätzt. In 3a ist das Produkt dieser beiden Schritte zu sehen; das dort verwendete Siliziumsubstrat 1 ist auf seiner oberen Seite mit einer Dreifach-Schichtfolge (Oxid/Nitrid 2, poly-Si 3, Oxid/Nitrid 4, wobei es sich bei dem Oxid bzw. Nitrid vorzugsweise um eine Verbindung des Siliziums handelt) und rückseitig ebenfalls mit einer (Silizium-)Oxid- oder -Nitrid-Schicht 2' versehen, die jedoch zumindest zu diesem Zeitpunkt dort nicht vorhanden sein muss. Es sei angemerkt, dass in allen nachfolgenden Figuren identische Bezugsziffern verwendet werden.
Nach dem Entfernen des Lacks (Abschluss des ersten Lithographie-Schritts zur Ausbildung des Sacklochs) und einem oder mehreren fakultativen Reinigungsprozessen zur Säuberung des Substrates vor allem von organischen Verunreinigungen, zum Beispiel mithilfe einer RCA-Reinigung, wird über ein geeignetes Verfahren, vorzugsweise ein CVD- und insbesondere LPCVD-Verfahren, eine Schutzschicht, zum Beispiel ein Oxid, in dem Sackloch abgeschieden, welche das Sackloch vollständig auskleidet. Dies gelingt beispielsweise durch ein CVD-Verfahren unter Verwendung von TEOS (Tetraethoxysilan), wobei Siliziumoxid abgeschieden wird. Anschließend wird die Schutzschicht zumindest vom Boden des Sacklochs wieder entfernt. Wenn es sich bei der Schutzschicht um ein Oxid handelt, ist dies beispielsweise durch anisotropes Ätzen mit Hilfe von RIE möglich, so dass die Schutzschicht nur an den (meist senkrechten) Wänden des Sackloches erhalten bleibt. Das Produkt dieser weiteren Verfahrensschritte ist in 3b zu sehen, worin die Siliziumoxid-Schutzschicht mit der Bezugsziffer 6 bezeichnet ist.
An diesem Punkt wird die Form der späteren Membran festgelegt bzw. vorbereitet: Diese kann den Wänden des Sacklochs entsprechen, oder es können weitere Ätzschritte vorgenommen werden, mit denen weiteres Material aus dem Substrat in der Umgebung des Sacklochs entfernt wird. Dabei handelt es sich in der Regel um einen isotropen Ätzprozess, mit dem sich zum Beispiel eine Hinterschneidung des Sacklochs sowie gerundete Formen erzielen lassen, was in Hinblick auf die Form der späteren Membran günstig ist. Als Ätzgas hierfür eignen sich die üblichen Ätzgase für Silizium in der IC-Technologie, zum Beispiel eines der Gase SF₆, CF₄ und CHF₃ sowie ein Gemisch zweier oder mehrerer dieser Gase. Das Produkt dieses Schritts, d.h. die Ausbildung einer vom Sackloch abweichenden Form für die spätere Membran, ist schematisch in 3c zu sehen. Das (in dieser Ausführungsform gerundete) Sackloch ist mit der Bezugsziffer 5 bezeichnet.
Nach Festlegung der Form des Sacklochs wird dieses in einer ersten, bedeutenden Ausgestaltung der Erfindung isotrop mit einer Schicht ausgekleidet, die eine Schlüsselstellung für das weitere Vorgehen darstellt: Entweder wird diese Schicht später in die poröse Membran überführt, oder sie dient als Hilfsschicht zur Herstellung der porösen Membran. In einer Reihe von wichtigen Ausführungsformen, die nachstehend näher erläutert werden, handelt es sich bei dieser Schicht um eine Siliziumoxidschicht. Sofern das Sackloch nicht durch Ätzung aufgeweitet wurde und die Siliziumoxid-Schutzschicht 6 noch vollständig vorhanden ist, kann die Schicht 6 zu diesem Zweck genutzt werden. In der Regel, und insbesondere dann, wenn das Sackloch erst durch den genannten Ätzschritt seine endgültige Form erhalten hat, (wobei das Oxid aufgrund seiner Nutzung als Ätzmaskierung natürlich nur noch in den ungeätzt gebliebenen Halsbereichen des Sacklochs verblieben ist,) wird dieses Oxid entfernt, und eine neue Oxidschicht wird konform in dem ggf. erweiterten Sackloch abgeschieden, die die geätzte Kavität vollständig auskleidet, vorzugsweise mit einer Dicke von 0,1 bis 2 µm. Hierfür kann beispielsweise das oben genannte LPCVD-Verfahren eingesetzt werden. Soll die poröse Membran allerdings aus einem anderen Material als Siliziumoxid gebildet werden, kann in diesem Schritt das Sackloch nach Entfernen der Oxidschicht 6 isotrop mit einem solchen Material ausgekleidet werden, das nach Wunsch und unter Berücksichtigung der verschiedenen dafür nutzbaren Verfahren zum Erzeugen der Poren ausgewählt wird.
Der Fachmann kennt eine Vielzahl von Verfahren zum Erzeugen von Poren in dünnen Schichten, und diese können dem Grunde nach ohne Einschränkung eingesetzt werden, wobei natürlich die jeweiligen Gegebenheiten (z.B. die Verträglichkeit der übrigen Komponenten für die Temperatur, bei der das gewählte Verfahren mindenstens durchgeführt werden muss), zu berücksichtigen sind. Beispiele für Materialien, die in eine poröse Membran überführt werden oder als Hilfsschicht hierfür dienen können, sind neben Siliziumoxid CVD-abgeschiedenes poly-Si oder Siliziumnitrid, durch Sputtern oder galvanisch aus flüssiger Phase oder durch ALD (atomic layer deposition) aufgebrachte Metalle wie Aluminium oder Gold sowie organische Polymere wie Polystyrol oder Parylene.
Je nach Bedarf kann die Abscheidung weiterer Schichten, zum Beispiel einer temporären Stützschicht zur Versteifung der 3D-Strukur vor und/oder während der Ausbildung der porösen Membran oder einer Schicht, die als Hilfsschicht für die spätere Erzeugung der Poren im Membranmaterial gewählt wird, und/oder einer Ätzschutzschicht bei der Freistellung der 3D-Struktur, erforderlich oder günstig sein und der Abscheidung der genannten Schicht folgen. Als temporäre Stützschicht kann zum Beispiel poly-Si dienen, abgeschieden mittels LPCVD, oder ein Metall, abgeschieden durch Sputtern, CVD oder aus der flüssigen Phase, zum Beispiel durch galvanisches Abscheiden. Als Ätzschutzschicht können neben poly-Si oder Siliziumoxid verschiedene Metalloxide dienen, abgeschieden mittels ALD, wie zum Beispiel Al₂O₃, TiO₂, ZrO₂. Für die Ausbildung von Poren in der Membran kann ebenfalls poly-Si, abgeschieden durch LPCVD, oder eine Metallschicht, abgeschieden durch Sputtern, erforderlich sein. Voraussetzung ist in allen Fällen, dass der Abscheideprozess eine vollständige und möglichst konforme Auskleidung der im Substrat erzeugten 3D-Kavität gewährleistet. Gegebenenfalls werden die temporäre Stützschicht und/oder die anderen Hilfsschichten anschließend unter Verwendung einer herkömmlichen Lackmaske in einem zweiten Lithographieschritt mittels entsprechender Ätzprozesse von der Substratoberfläche entfernt. Der Einfachheit halber ist in 3d neben dem die 3D-Struktur auskleidenden Material 7 (der Schicht, die später in die poröse Membran überführt wird oder als Hilfsschicht dafür dient und die in vielen Ausführungsformen aus Siliziumoxid besteht) nur eine temporäre Stützschicht 8 dargestellt.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung, die mit allen anderen Ausführungsformen (und auch solchen, die erst nachstehend erläutert werden) kombiniert werden kann, werden auf der Trägeroberfläche, vorzugsweise in der Nähe der Sackloch-Öffnung, geeignete Metallelektroden abgeschieden und strukturiert (zum Beispiel aus einem Metall wie Pt, Au, Ir), was in 3e verdeutlicht ist (dort sind die Elektroden mit der Bezugsziffer 9 bezeichnet). Die Metallelektrode(n) kann/können zum Beispiel durch einen Liftoff-Prozeß erzeugt werden. Dazu wird auf das Substrat (bzw. die obere SiO₂-Schicht des Trägermaterial-Stacks) eine Lackmaske aufgebracht. Danach wird das Metall abgeschieden, zum Beispiel durch Aufdampfen. Danach wird das Substrat einem Lösungsmittel ausgesetzt. Die Lackmaske wird aufgelöst und das darauf befindliche Metall vom Substrat entfernt. An den Stellen, wo sich kein Lack befand, verbleibt das Metall auf der Oberfläche. Dieser Schritt wird als "dritter Lithographieschritt" bezeichnet. Die Abscheidung der Metallelektroden wird vorzugsweise nach der Ausbildung der vorstehend beschriebenen Schichten und vor der nachstehend erläuterten Freistellung der 3D-Struktur vorgenommen; dieser Schritt kann aber auch bereits voher oder erst nach der Freistellung der 3D-Struktur erfolgen.
Im nächsten Verfahrensschritt wird die 3D-Struktur freigestellt. Hierfür muss das die 3D-Struktur umgebende Material des Substrats, also Silizium im Falle eines Siliziumchips oder -wafers, entfernt werden. Dazu wird auf der Rückseite des Substrats, die ja in der Regel bereits mit einer Oxid- oder Nitridschicht bedeckt ist, eine Ätzöffnung definiert (dieser Schritt wird als vierter Lithographieschritt bezeichnet), oder die gesamte Substratfläche wird freigelegt. Die Vorderseite wird durch eine geeignete Schutzschicht, zum Beispiel einen Photolack, passiviert.
Das Material des Substrats wird anschließend mittels bekannter Verfahren an den gewünschten Stellen weggeätzt. Im Falle von Si als Substrat kann dies mittels DRIE (deep reactive ion etching) und/oder in XeF₂-Gasphase erfolgen. Die freigelegten 3D-Strukturen bleiben dabei in der zu Anfang des Prozesses erzeugten, dicken poly-Si-Schicht (dem Trägermaterial) verankert, siehe 3e. Das ursprünglich vorhandene Substrat kann vollständig weggeätzt werden, oder es können für spezifische Zwecke benötigte Teile stehen bleiben, die beispielsweise später als Trägersäulen 10 oder dergleichen dienen können, wie sie in 3e zu sehen sind. Der Schutzlack von der Vorderseite wird bevorzugt im O₂-Plasma entfernt. Die Verwendung von Lösungsmitteln ist jedoch ebenfalls möglich.
Zur Herstellung von Poren in der nun freistehenden 3D-Struktur kann zum Beispiel unter Verwendung der Breath-Figure-Methode ein Polymer-Film 11 mit einem Array bevorzugt monodisperser Poren erzeugt werden, der die gesamte Rückseite bedeckt, siehe 3f. Das Aufbringen des Polymers kann zum Beispiel aus einer Lösung, beispielsweise aus einer Polystyrol-Lösung in einem organischen Lösungsmittel, erfolgen. Anschließend können die Poren im Polymer-Film durch Trockenätzen (Reactive Ion Etching, RIE), wie es in der Halbleitertechnologie Standard ist, in das Material der 3D-Struktur, das in eine poröse Membran überführt werden kann, übertragen werden, wobei dieses in dieser Ausführungsform vorzugsweise aus Siliziumoxid besteht, aber statt dessen auch aus poly-Si oder Siliziumnitrid, abgeschieden mittels CVD, oder einem Metall wie Aluminium oder Gold, abgeschieden durch Sputtern oder durch galvanische Abscheidung aus einer flüssigen Phase oder durch ALD erzeugt, oder einem Stack aus mehreren Schichten solcher oder vergleichbarer Materialien übereinander bestehen kann. In Abhängigkeit vom Prozess zur Überführung des Materials der 3D-Struktur in eine poröse Membran muss die Vorderseite des Substrates unter Umständen durch eine geeignete Schutzschicht passiviert werden, zum Beispiel einen Photolack, um eine Beschädigung der darauf befindlichen Strukturen und Schichten zu vermeiden.
Anstelle des porösen Polymer-Films in 3f kann auch ein Array monodisperser Partikel auf der Rückseite aufgebracht werden. Die Partikel können zum Beispiel aus einem organischen Material bestehen, wie Polystyrol (PS), Polymethylmethacrylat (PMMA) oder Latex, oder aus einem anorganischen Material wie Siliziumoxid. Die Größe der Partikel sollte so gewählt werden, dass der Abstand zwischen benachbarten Partikeln im Array der gewünschten Porengröße in etwa entspricht. Durch Trockenätzen (Reactive Ion Etching, RIE), wie es in der Halbleitertechnologie Standard ist, kann die Porengeometrie des Partikelarrays in das Material der 3D-Struktur übertragen werden. Wiederum ist dieses Material vorzugsweise Siliziumoxid; es kann sich dabei aber auch um die im vorhergehenden Absatz genannten Materialien handeln.
Im letzten Verfahrensschritt wird/werden selektiv zur porösen Membran die weitere(n) vorhandene(n) Schichten, also die temporäre Stützschicht 8 und/oder die Hilfs- und/oder die Ätzschutzschicht(en), von der Innenseite der 3D-Struktur entfernt, so dass nur die poröse Membran verbleibt, wie aus 3g ersichtlich. Die hierfür erforderlichen Ätzprozesse müssen eine hohe Selektivität relativ zum Membranmaterial aufweisen. Besteht die Stützschicht aus poly-Si, kann dieses durch zeitkontrolliertes Ätzen in einer XeF₂-Gasphase entfernt werden. Schon freiliegende Siliziumflächen werden dabei etwas angegriffen. Außer Silizium ätzt XeF₂ nur einige Metalle, wie Mo und W, und geringfügig auch Siliziumnitrid. Siliziumoxid, alle anderen Metalle oder Metalloxide sowie organische Materialien werden hingegen nicht geätzt. Das Ätzgas kann jedoch unter Umständen, insbesondere bei längeren Prozessen, in organische Materialien eindringen. Daher wird der poröse Polymer-Film von der Außenseite der 3D-Struktur bevorzugt ebenfalls entfernt. Das kann mittels O₂-Plasma erfolgen. Das Übertragen der Porenstruktur des Polymer-Films in 3f sollte bevorzugt aus der Gasphase oder mittels eines Plasmas erfolgen.
Die poröse 3D-Struktur kann auch durch einen organischen Polymer-Film als solchen gebildet werden. In diesem Fall kann zum Beispiel unter Verwendung der Breath-Figure-Methode ein Polymer-Film 11 mit einem Array bevorzugt monodisperser Poren erzeugt werden. Anschließend werden sowohl die temporäre Stützschicht 8 als auch das (in diesem Fall bevorzugt verwendete) Siliziumoxid 7 durch Ätzen in der Gasphase entfernt, so dass nur der poröse Polymer-Film 11 stehen bleibt. Das Siliziumoxid 7 dient in dieser Ausgestaltung als Hilfsschicht für die Ausbildung der späteren Membran.
Die Größe der Poren in der freistehenden 3D-Strukur, deren mechanische Stabilität und physikalisch-chemische Eigenschaften können durch das Abscheiden weiterer Schichten gezielt optimiert werden. Die Schichtabscheidung erfolgt auf die Rückseite des Substrates, aus der die porösen 3D-Strukturen herausragen. Da die freistehenden 3D-Strukturen empfindlich sind, werden Prozesse bevorzugt, die sich durch eine konforme Beschichtung aus der Gasphase bei möglichst niedrigen Prozesstemperaturen auszeichnen. Beispiele sind die Abscheidung von Parylen mittels CVD oder die Abscheidung von Metalloxiden oder- nitriden mittels Atomic Layer Deposition. Die freistehende 3D-Struktur wird zumindest auf der äußeren Oberfläche und in den Porenöffnungen beschichtet, so dass sich der Durchmesser der Poren gleichmäßig verringert. Bevorzugt wird die 3D-Struktur jedoch allseitig mit einer Schicht 12 beschichtet, siehe 4.
In einer alternativen Ausführung besteht die freistehende 3D-Struktur aus Metall, das erst nach Freistellen der 3D-Struktur auf der Siliziumdioxidschicht erzeugt wird, oder ein solches Metall wird für die Porenbildung genutzt. Dafür kann zum Beispiel ein Array monodisperser Partikel, wie schon beschrieben, als Form für eine galvanische Abscheidung genutzt werden. Dazu muss auf die freigestellte 3D-Struktur gemäß 3e eine Galvanikstartschicht, zum Beispiel aus Gold, aufgebracht werden, zum Beispiel durch Sputtern. Auf der Galvanikstartschicht wird dann das Partikelarray erzeugt, analog zum Polymer-Film wie für 3f beschrieben. Nach der galvanischen Abscheidung eines geeigneten Metalls wie zum Beispiel von Gold, Nickel oder Kupfer in den Zwischenräumen des Partikelarrays werden die Partikel in einem geeigneten Lösungsmittel entfernt. Anschließend muss die Galvanikstartschicht aus den Poren herausgeätzt werden. Sodann kann durch Trockenätzen (Reactive Ion Etching, RIE), wie es in der Halbleitertechnologie Standard ist, eine Übertragung der Porenstruktur in das Siliziumoxid der 3D-Struktur erfolgen. Als Alternative kann auf das Trockenätzen verzichtet und nach dem Entfernen der temporären Stützschicht 8 auch noch das Siliziumoxid weggeätzt werden, das in diesem Fall wiederum als Hilfsschicht für die Ausbildung der späteren Membran gedient hat. Das Oxid kann zum Beispiel in HF-Gasphase mit hoher Selektivität zu vielen anderen Materialien entfernt werden. In dieser Gasphase wird außer Siliziumoxid nur noch Siliziumnitrid angegriffen, poly-Si, Metalle oder Metalloxide dagegen nicht. Organische Materialien werden ebenfalls nicht geätzt. Bei langen Ätzprozessen kann das HF jedoch in manche organischen Materialien eindringen und zu Defekten (Rissen, Delamination) führen, weshalb eine solche Kombination weniger günstig ist.
In einer zweiten, grundlegend anderen Ausgestaltung des Verfahrens wird die poröse Membran nicht erst nach der Freistellung der 3D-Struktur von der Rückseite her erzeugt, sondern als Teil der Schichtfolge, die die Ausnehmung im Substrat gemäß 3d auskleidet. Das hat den Vorteil, dass die Herstellungsbedingungen des Membranmaterials weniger eingeschränkt sind, da noch keine empfindliche freistehende 3D-Struktur vorhanden ist. Zum Beispiel sind viel höhere Temperaturen möglich. In diesem Falle wird in der Prozesssequenz gemäß 3d vorzugsweise erst Siliziumoxid als temporäre Stützschicht 13 und darauf das eigentliche Membranmaterial 14 in geeigneter Dicke, vorzugsweise in einer Dicke von 0,1 bis 2 µm, abgeschieden, was in 5a dargestellt ist. In einer bevorzugten Ausführungsform ist es schon intrinsisch porös. Intrinisch porös sind zum Beispiel dünne poly-Si-Schichten, die im Epitaxiereaktor bei Temperaturen von 900–1000°C abgeschieden wurden. Viele Dielektrika- wie auch Metall-Schichten sind nanoporös, wenn sie bei geringen Temperaturen (bei bis zu 250°C) abgeschieden wurden. Durch Ätzen können die Nanoporen aufgeweitet werden. In Aluminium lassen sich durch anodische Oxidation Poren erzeugen. Für die Anodisierung wird unter dem Aluminium noch eine leitende Hilfsschicht benötigt, zum Beispiel aus Gold.
Nach dem Ausbilden der porösen Membran als Innenschicht wird die 3D-Struktur in analoger Weise freigestellt wie bei den voranstehend beschriebenen Ausführungsformen. 5b zeigt das Bauelement nach Freistellung der 3D-Struktur analog zu 3e. Die poröse Membran 14 ist auf der Außenseite noch von der Siliziumoxidschicht 13 bedeckt, dem ersten Material, mit dem das die Form der 3D-Strukur vorgebende Sackloch im Substrat ausgekleidet wurde.
Wurden die Poren durch anodische Oxidation in Aluminium erzeugt, kann die dabei benötigte Hilfsschicht anschließend durch nasschemisches Ätzen in einem geeigneten Lösungsmittel entfernt werden. Alternativ können die Poren auch in die Hilfsschicht übertragen werden, z.B. durch einen Trockenätzprozess. Dabei dienen die schon vorhandenen Poren in der anodisierten Aluminiumschicht als Maskierung.
Das fertige Bauelement nach Entfernen des Siliziumoxides ist in 5c dargestellt. Wie schon beschrieben, kann das Oxid 13 zum Beispiel in einer HF-Gasphase entfernt werden.
Wenn für das spätere fertige Bauelement keine Trägersäulen oder dergleichen aus dem Substratmaterial benötigt werden, kann dieses auch auf mechanischem Wege vollständig entfernt bzw. gedünnt werden. In diesem Falle wird das Substrat vor dem Erzeugen der Maskierung (vierter Lithographieschritt) auf der Rückseite gemäß 3e und 5b durch Schleifen und Polieren auf die erforderliche Dicke gedünnt. Es kann auch durch weiteres Schleifen/Polieren und abschließendes ganzflächiges Ätzen vollständig entfernt werden. In diesem Fall entfällt die Maskierung.
In manchen Ausführungsformen der Erfindung ist es gewünscht, über der oder den Öffnungen, die von der Membran verschlossen sind, Fluidkanäle vorzusehen bzw. auszubilden. In 6 ist eine solche Ausgestaltung gezeigt. In diesen Fällen wird in günstiger Weise ein Trägersubstrat 15 auf der Vorderseite des Trägers aufgebracht oder montiert, zum Beispiel durch Aufbonden mittels einer Klebstoffschicht, bevor das Siliziumsubstrat teilweise oder vollständig entfernt wird. In dieses Trägersubstrat können ein oder mehrere fluidische Kanäle integriert sein, bzw. solche Kanäle 16 können zwischen der Vorderseite des beschichteten Polysilizium-Stacks und dem Trägersubstrat geformt werden. Es sollte klar sein, dass jede Membranstruktur auf dem Wafer oder Chip wie zum Beispiel in 1 gezeigt mit einem solchen Trägersubstrat versehen sein kann. Des Weiteren können sich auch die Elektroden 9 statt auf der Vorderseite des Trägers in den Kanälen 16 des Trägersubstrates 15 befinden.
Je nach Anwendungszweck werden Strukturen, die auf ganzen Wafern oder größeren Chips erzeugt wurden und eine Mehrzahl oder eine Vielzahl von porösen Membranstrukturen tragen, gegebenenfalls vereinzelt, zum Beispiel durch Zersägen des Wafers. Im vereinzelten oder einzelnen fertigen Bauelement können ebenfalls nur eine oder aber auch mehrere poröse Membranstrukturen vorhanden sein. Hierdurch lassen sich entweder einzelne Messungen oder gleichzeitige Multiparametermessungen oder gleichzeitige Messungen verschiedener Materialien durchführen.
Die erfindungsgemäßen, mit einer porösen Membran versehenen Bauelemente eignen sich für elektrochemische Messungen und Charakterisierungen von Transmembranproteinen, die in die nanoporösen 3-D-Strukturen eingebaut werden. Ein derartiger Porenchip kann direkt in einen Reaktor für zum Beispiel zellfreie Proteinsysnthese eingebaut werden, da er klein, günstig herzustellen und als Einwegartikel konzipiert ist. Die synthetisierten Proteine werden dabei direkt in die lipidtragenden Nanoporen eingebaut und gemessen. Da die mikrostrukturierten Elektroden den Poren direkt benachbart sind, kann mit dem erfindungsgemäßen Bauelement hochempfindlich gemessen werden; aufgrund der günstigen Herstellungskosten und der einfachen Bauart kann jedes Bauelement nach dem Gebrauch verworfen und durch ein neues Bauelement ersetzt werden.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Nicht-Patentliteratur

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C. Striemer et. al., “Charge- and size-based separation of macromolecules using ultrathin silicon menbranes”, Nature Letters, Vol. 445, 15 February 2007, 749-753 [0004]
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Y. Xie, N. Banerjee, C. H. Mastrangelo hohle, nahezu sphärische Partikel aus Parylen hergestellt, wie von diesen Autoren in "Microfabricated spherical pressure sensing particles for pressure and flow mapping", Proc. Transducers Conf., Barcelona, Spain, 2013 June 16–20, 1771–1774 [0009]

Claims

Bauelement, umfassend einen Träger aus einem strukturierbaren Material mit mindestens einer durchgehenden Öffnung, die von einer porösen Membran verschlossen ist, dadurch gekennzeichnet, dass die poröse Membran aus der die durchgehende Öffnung umgebenden Fläche des Bauelements herausragt.
Bauelement nach Anspruch 1, worin der Träger aus mindestens zwei Schichten aufgebaut ist, wobei eine erste Schicht aus einem Oxid oder Nitrid oder Oxynitrid besteht und eine zweite Schicht aus Polysilizium besteht und die poröse Membran auf der von der Polysiliziumschicht gebildeten Seite aus der Fläche des Bauelements herausragt.
Bauelement nach Anspruch 2, worin der Träger mindestens eine dritte Schicht aufweist, die sich auf der der ersten Schicht abgewandten Seite des Polysiliziums befindet.
Bauelement nach Anspruch 2, weiterhin umfassend ein Substrat aus einem strukturierbaren Material, vorzugsweise ein Siliziumsubstrat, sowie auf der Oberseite des Substrats eine Oxid-, Nitrid- oder Oxynitridschicht, die sich zumindest bereichsweise in unmittelbarer oder mittelbarer Nachbarschaft zur Polysiliziumschicht des Trägers befindet.
Bauelement nach einem der Ansprüche 2 bis 4, worin das Oxid oder Nitrid oder Oxynitrid der Schicht oder der Schichten ein Siliziumoxid, -nitrid oder -oxynitrid ist.
Bauelement nach einem der voranstehenden Ansprüche, umfassend eine Mehrzahl von durchgehenden Öffnungen, die jeweils von einer porösen Membran verschlossen sind, wobei zumindest ein Teil oder alle porösen Membranen aus der die durchgehende Öffnung umgebenden Fläche des Bauelements herausragen und vorzugsweise dieselbe Form und dieselben Maße besitzen.
Bauelement nach einem der voranstehenden Ansprüche, worin sich auf der der Membran abgewandten Seite des Bauelements in Nachbarschaft zu der mindestens einen durchgehenden Öffnung oder Pore mindestens eine Elektrode befindet.
Bauelement nach einem der voranstehenden Ansprüche, worin die poröse Membran aus Silizium, Siliziumoxid, Aluminiumoxid, einem mit Siliziumoxid oder einem Metalloxid beschichteten Metall, einem Metall, insbesondere Aluminium oder Gold, Siliziumnitrid, Polystyrol, Polymethylmethacrylat (PMMA), Latex oder Parylen besteht.
Bauelement nach einem der voranstehenden Ansprüche, worin die durchgehende Öffnung einen Durchmesser zwischen 5 und 100 µm besitzt und die poröse Membran Poren aufweist, deren Durchmesser durchschnittlich im Bereich zwischen 50 und 1000 nm, vorzugsweise zwischen 100 und 500 nm liegt.
Bauelement nach einem der voranstehenden Ansprüche, umfassend weiterhin ein Trägersubstrat, wobei eine zum Bauelement weisende Seite des Trägersubstrats und die gegenüberliegende Seite des Bauelements vorzugsweise einen Fluidkanal bilden, wobei im bevorzugten Fall die mindestens eine durchgehende Öffnung des Trägers auf ihrer unverschlossenen Seite mit dem Fluidkanal kommuniziert.
Verwendung eines Bauelements nach einem der voranstehenden Ansprüche zum Einbau und zur elektrochemischen Vermessung von Transmembranproteinen, vorzugsweise in Doppel-Lipidschichten.
Verfahren zum Herstellen eines Bauelements nach einem der Ansprüche 1 bis 10, umfassend die folgenden Schritte: (a) Bereitstellen eines Substrats aus einem strukturierbaren Material, auf dessen Vorderseite sich ein Träger aus einem ebenfalls strukturierbaren Material befindet, (b) Aufbringen einer Maske auf die Vorderseite des Trägers und Ätzen eines Sacklochs durch den Träger hindurch bis in das Substrat hinein an der Stelle, an der sich später die mindestens eine Öffnung befinden soll, (c) isotropes und konformes Abscheiden einer Schicht aus einem Material in dem Sackloch, das zur Überführung in eine poröse Membran oder als Hilfsschicht für deren Erzeugung vorgesehen ist, (d) sofern gewünscht, isotropes und konformes Abscheiden mindestens einer weiteren Schicht auf der Schicht aus dem Material, das zur Überführung in eine poröse Membran oder als Hilfsschicht für deren Erzeugung vorgesehen ist, ausgewählt unter Stützschichten, Ätzschichten und Hilfsschichten zur Erzeugung von Poren in der gemäß Schritt (c) aufgebrachten Schicht, (e) Freistellen des Materials, das zur Überführung in eine poröse Membran oder als Hilfsschicht für deren Erzeugung vorgesehen ist, durch Wegätzen von rückseitigem Substratmaterial, umfassend das Passivieren der Vorderseite des Trägers und solcher Bereiche der Rückseite des Substrats, die nicht angegriffen werden sollen, und Ätzen des Substratmaterials mit Hilfe von DRIE oder XeF₂-Gas, (f) Erzeugen von Poren in der Schicht aus dem Material, das zur Überführung in eine poröse Membran vorgesehen ist, oder Erzeugen einer porösen Schicht auf der Schicht, die als Hilfsschicht hierfür vorgesehen ist, (g) ggf. Entfernen der Schicht oder der Schichten, die gemäß Schritt (d) abgeschieden wurden, und/oder der Hilfsschicht.
Verfahren nach Anspruch 12, wobei das Material der Schicht, die gemäß Schritt (c) abgeschieden wird, sowie Schritt (f) aus einer der folgenden Kombinationen (i) bis (iv) gewählt wird: (i) das Material der Schicht, die gemäß Schritt (c) abgeschieden wird, wird ausgewählt unter Siliziumoxid, Polysilizium, Siliziumnitrid oder einem Metall, insbesondere Aluminium oder Gold; Schritt (f) umfasst: das außenseitige Aufbringen einer Schicht aus einem organischen Polymer, das Erzeugen von Poren im organischen Polymer mit Hilfe der Breath-Figure-Methode und das Übertragen der Poren in das Material der Schicht, die gemäß Schritt (c) abgeschieden wurde, durch Trockenätzen, (ii) das Material der Schicht, die gemäß Schritt (c) abgeschieden wird, wird ausgewählt unter Siliziumoxid, Polysilizium, Siliziumnitrid oder einem Metall, insbesondere Aluminium oder Gold; Schritt (f) umfasst: das außenseitige Aufbringen eines Arrays monodisperser Partikel aus einem organischen oder anorganischen Material derart, dass die Abstände zwischen den Partikeln der gewünschten Porengröße entsprechen, und Übertragen der Porengeometrie der Partikelarrays in die Schicht, die gemäß Schritt (c) abgeschieden wurde, durch Trockenätzen, (iii) das Material der Schicht, die gemäß Schritt (c) abgeschieden wird, besteht aus Siliziumoxid; Schritt (f) umfasst das außenseitige Aufbringen einer Schicht aus einem organischen Polymer, das Erzeugen von Poren im organischen Polymer mit Hilfe der Breath-Figure-Methode und das Wegätzen der Siliziumschicht durch Gasphasen-Ätzen, (iv) das Material der Schicht, die gemäß Schritt (c) abgeschieden wird, besteht aus Siliziumoxid; Schritt (f) umfasst in der angegebenen Reihenfolge das außenseitige Aufbringen einer Galvanik-Startschicht, das Aufbringen eines Arrays monodisperser Partikel auf der Galvanik-Startschicht, das galvanische Abscheiden eines Metalls, das Entfernen der Partikel mit Hilfe eines Lösungsmittels, das Herausätzen der Galvanikstartschicht aus den dabei erhaltenen Poren und entweder das Übertragen der Porenstruktur in die Siliziumoxidschicht durch Trockenätzen oder das Wegätzen der Siliziumoxidschicht.
Verfahren zum Herstellen eines Bauelements nach einem der Ansprüche 1 bis 10, umfassend die folgenden Schritte: (a) Bereitstellen eines Substrats aus einem strukturierbaren Material, auf dessen Vorderseite sich ein Träger aus einem ebenfalls strukturierbaren Material befindet, (b) Aufbringen einer Maske auf die Vorderseite des Trägers und Ätzen eines Sacklochs durch den Träger hindurch bis in das Substrat hinein an der Stelle, an der sich später die mindestens eine Öffnung befinden soll, (c') isotropes und konformes Abscheiden einer Schicht aus Siliziumoxid in dem Sackloch, (d') isotropes und konformes Abscheiden einer porösen Schicht oder einer nicht-porösen Schicht auf der Siliziumoxidschicht, wobei im Falle des Abscheidens einer nicht-porösen Schicht diese anschließend mit Poren versehen wird, (e') Freistellen der gemäß Schritt (c') abgeschiedenen Siliziumoxidschicht durch Wegätzen von rückseitigem Substratmaterial, umfassend das Passivieren der Vorderseite des Trägers und solcher Bereiche der Rückseite des Substrats, die nicht angegriffen werden sollen, und Ätzen des Substratmaterials mit Hilfe von DRIE oder XeF₂-Gas, (g') Wegätzen der gemäß Schritt (c') abgeschiedenen Siliziumoxidschicht.
Verfahren nach Anspruch 14, worin Schritt (d') ausgewählt ist unter: (i) Abscheiden einer intrinsisch porösen Polysiliziumschicht im Epitaxiereaktor bei Temperaturen von 900–1000°C, (ii) Abscheiden einer nanoporösen Dielektrikum- oder Metallschicht bei einer Temperatur von ≤ 250°C, (iii) Abscheiden einer leitenden metallischen Hilfsschicht und darauf einer Aluminiumschicht und Erzeugen von Poren in der Aluminiumschicht durch anodische Oxidation.
Verfahren nach Anspruch 12 oder 14, worin die Abscheidung gemäß Schritt (c) bzw. (d') in einer Dicke von 0,1 bis 2 µm erfolgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 16, worin der Träger auf dem Substrat durch das nacheinander erfolgende Abscheiden einer Dreifachschicht auf dem Substrat erzeugt wird, wobei die erste Schicht aus einem Oxid, einem Nitrid oder einem Oxynitrid des Siliziums oder eines Metalls, die zweite Schicht aus Polysilizium und die dritte Schicht aus einem Oxid besteht.
Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 17, umfassend das Abscheiden von Metallelektroden auf der Vorderseite des Trägers in der Nähe der mindestens einen durchgehenden Öffnung, dadurch gekennzeichnet, dass das entsprechende Metall nach dem Aufbringen einer Maske abgeschieden und die Maske anschließend nasschemisch, insbesondere mittels des Lift-Off-Verfahrens, entfernt wird.
Verfahren nach Anspruch 18, worin die Metallelektroden nach Schritt (d) bzw. (d') ausgebildet werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 19, weiterhin umfassend im Anschluss an den Schritt (b) und vor dem Schritt (c) bzw. (c') das Aufbringen einer Schutzschicht in dem Sackloch und das Entfernen dieser Schutzschicht von der Bodenfläche des Sacklochs und gegebenenfalls angrenzenden Bereichen, und Durchführen eines isotropen Ätzschritts unter Vergrößerung des Sacklochs, und/oder nach Abschluss des letzten Verfahrensschritts gemäß Anspruch 11 oder 13 das Dünnen oder Abtragen des (restlichen) rückseitigen Substratmaterials und/oder (k) das Aufbringen eines Trägersubstrats auf dem Bauelement, wobei eine zum Bauelement weisende Seite des Trägersubstrats und die gegenüberliegende Seite des Bauelements vorzugsweise einen Fluidkanal bilden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 20, weiterhin umfassend das Modifizieren der Größe der Poren in der Membran und/oder das Modifizieren der mechanischen Stabilität und oder der physikalisch-chemischen Eigenschaften der Membran durch Beschichten mindestens der äußeren Oberfläche der Membran und vorzugsweise der Porenöffnungen.