DE102015211392B4

DE102015211392B4 - Elektrodenstruktur und Verfahren zum Herstellen der Elektrodenstruktur und Biosensor-Chip die Elektrodenstruktur umfassend

Info

Publication number: DE102015211392B4
Application number: DE102015211392.2A
Authority: DE
Inventors: Stefan Partel; Stephan Kasemann; Can Dincer; Jochen Kieninger; Gerald Urban
Original assignee: FACHHOCHSCHULE VORARLBERG GmbH; Albert Ludwigs Universitaet Freiburg
Current assignee: FACHHOCHSCHULE VORARLBERG GmbH; Albert Ludwigs Universitaet Freiburg
Priority date: 2015-06-19
Filing date: 2015-06-19
Publication date: 2018-05-24
Anticipated expiration: 2035-06-20
Also published as: US11156579B2; DE102015211392A1; WO2016202667A1; US20180106749A1

Abstract

Verfahren zum Herstellen einer Elektrodenstruktur (100), wobei das Verfahren Folgendes umfasst:
Bereitstellen einer Ausgangsstruktur (101), wobei die Ausgangsstruktur (101) mindestens zwei erhöhte Regionen (102a, 102b) umfasst, die sich von einem Substrat (104) aus erstrecken, wobei obere Abschnitte (105a, 105b) der zwei erhöhten Regionen (102a, 102b) durch einen ersten lateralen Abstand (l₁) getrennt sind,
Abscheiden von Material (110) auf die erhöhten Regionen (102a, 102b) mittels Sputtern oder Verdampfen derart, dass benachbarte obere Abschnitte (111a, 111b) des abgeschiedenen Materials (110) durch einen zweiten lateralen Abstand (l₂) getrennt sind, der kleiner als der erste laterale Abstand (l₁) ist, und
Anbringen von Elektroden (112) auf die oberen Abschnitte (111a, 111b) des Materials (110).

Description

Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung betreffen ein Verfahren zum Herstellen einer Elektrodenstruktur gemäß dem unabhängigen Patentanspruch 1. Weitere Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung betreffen eine Elektrodenstruktur mit den Merkmalen des unabhängigen Patentanspruchs 14 und einen Biosensor gemäß Anspruch 15, der die Elektrodenstruktur umfasst.
Ein Biosensor ist eine analytische Vorrichtung, die das Detektieren einer biologischen Komponente ermöglicht. Die Vorrichtung besteht aus einem empfindlichen biologischen Element, das mit dem Analyt interagiert, einem Element, welches das Signal des biologischen Elements in ein leichter zu messendes Signal überträgt, und einer Signalverarbeitungseinheit, die das Ergebnis anzeigt. Die Übertragung der biologischen Interaktion eines Ereignisses in ein gemessenes Signal wird Wandler genannt.
Es gibt verschiedene Arten von Wandlern: elektrochemische, optische, elektronische, piezoelektrische, pyroelektrische und gravimetrische. Eine der verbreitetsten Methoden zum Übertragen des biologischen Ereignisses in ein messbares Signal ist elektrochemisch. Elektrochemische Sensoren weisen verschiedene Vorteile auf: sie sind äußerst empfindlich, schnell, preiswert und der Sensor erzeugt ein elektrisches Signal, das zu der Analytkonzentration proportional ist. Die elektrochemischen Veränderungen können durch unterschiedliche Detektionsverfahren erkannt und diese können als amperometrisch, potentiometrisch, Impedanz und konduktometrisch eingestuft werden. Dieser elektrochemische Wandler enthält drei Elektroden, eine Arbeitselektrode, eine Gegenelektrode und eine Referenzelektrode.
Um die Empfindlichkeit der herkömmlichen Elektroden zu steigern und um geringe kapazitive Ströme und geringfügige Widerstandseffekte zu erhalten, werden in der Elektrochemie zumeist Interdigitalelektrodenarrays (IDA oder IDE), auch bekannt als Mikrobandelektroden oder Interdigitalarray-Mikroelektroden (IDAM), eingesetzt. Die in dieser Erfindung vorgestellte Herstellungsmethode kann außerdem angewendet werden, um für eine Vorrichtung, die als akustische Oberflächenwelle (SAW - surface acoustic wave) oder mechanischer Ausleger verwendet werden kann, verschiedene Geometrien herzustellen oder um Nanodrähte zu kontaktieren.
Verschiedene Herstellungsverfahren werden verwendet, um diese Elektrodenarrays herzustellen. Wenn die Elektrodengröße im Mikrometerbereich liegt, werden der Siebdruck, das Laminieren und die Mask-Aligner-Lithographie als ein Verfahren für die anfängliche Strukturierung gemeldet, [1] bis [5]. In diesem Fall liegt die Elektrodengröße üblicherweise in dem Bereich von 200 µm bis hin zu 4 µm. Wenn die Elektrodengröße auf Größen im Submikron- und Nanometerbereich schrumpft, sind fortschrittlichere Methoden wie die Elektronenstrahl-, die fokussierte lonenstrahl-, die Nanopräge-, die Tief-Ultraviolett-, die Extrem-Ultraviolett- oder die Projektionsphotolithographie erforderlich, [6] bis [16]. Sogar durch das Bereitstellen selbstorganisierter Monoschichten (SAM - self-assembled monolayers) könnte das IDA-Muster erzeugt werden, wobei jedoch eine Musterübertragung erforderlich ist.
Diese herkömmlichen Prozesse sind jedoch teuer und einige sind zeitaufwendig und stellen bestimmte Anforderungen an das Substrat und den Photoresist. Für alle Nano-IDAs sind die Herstellungsmethoden (mit Ausnahme des fokussierten lonenstrahls) eine Kombination aus einem hochauflösenden Musterungsverfahren und einem anschließenden Abhebeprozess. Bei all diesen Methoden stellt der Abhebeprozess den entscheidendsten Schritt dar, der ohne ein erneutes Abscheiden erfolgreich sein muss, um hohe Erträge zu erzielen. Dies kann erreicht werden, wenn das Profil des Musters einen negativen Flanken-(Steigungs-) Winkel aufweist, andernfalls werden die seitlichen Steigungen während des Verdampfens mit dem leitfähigen Elektrodenmaterial beschichtet.
Es werden auch Doppelschichtverfahren verwendet, um eine Hinterschneidung zu erzeugen. Folglich sind bestimmte Anforderungen im Hinblick auf das Photoresist-Profil obligatorisch. Es ist sogar noch schwieriger, eine ausreichende Hinterschneidung zu erhalten, wenn die Fingermuster im Nanometerbereich liegen. Die Ansprüche an die Prozesssicherheit und -stabilität nehmen mit den schrumpfenden Spalten zwischen den Fingern zu.
Die Veröffentlichung „Berglund, C. N.; Clemens, J. T.; Nicollian, E. H.: Undercut Isolation-A Technique for Closely Spaced and Self-Aligned Metallization Patterns for MOS Integrated Cicruits; in: Journal of the Electrochemichal Society, 1973, Vol. 120, No. 9, Seite 1255-1260, ISSN 0013-4651“ beschreibt eine Ausgangsstruktur, bestehend aus einer Schicht SiO₂ und einer Schicht Al₂O₃. Auf der ersten Schicht Al₂O₃ wird eine zweite Schicht Al₂O₃ aufgewachsen, sodass die zweite Schicht Al₂O₃ die gesamte Ausgangsstruktur vollständig bedeckt, um diese zu passivieren.
Die US 2009/0215156 A1 offenbart einen Sensor mit einem ,Nano-Gap'. Diese Druckschrift beschreibt, dass zum Verringern des ,Nano-Gaps' ein Schritt einer Oxidierung ausgeführt wird. Durch den Oxidierungs-Schritt wird SiO2 an einer Ausgangsstruktur gebildet.
Die KR 10 2007 0 043 591 A1 beschreibt ein Verfahren zum Herstellen eines Nanogap Sensors unter Anwendung eines anisotropen Ätzprozesses. Dabei wird in ein Substrat eine V-förmige Struktur eingeätzt, die das Nanogap bildet. Die Breite des Nanogaps kann mittels eines Oxidationsprozesses verringert werden.
Ein alternatives Verfahren wird außerdem von Shim [17] erwähnt, welches eine Kombination aus Mask-Aligner-Lithographie und einem Schritt für das Nassätzen darstellt. Der Lithographie-Schritt fungiert als eine Nassätzmaske sowie eine selbstjustierende Maske für einen anschließenden Schritt der Metallverdampfung. In dem Nassätzschritt wird die Unterätzrate gesteuert und folglich kann der Spalt zwischen den zwei Metallschichten gesteuert werden. Er hat gezeigt, dass Spaltgrößen bis hin zu 250 nm mit einer Elektrodenbreite von mehr als 10 µm möglich sind, aber mit geringem Ertrag. Er hat außerdem gezeigt, dass alternative Substratmaterialien wie Polymere möglich sind, wodurch sich eine Eignung für die Massenproduktion ergibt. Leider weist der Prozess einige Nachteile auf. Die Linienkantenrauigkeit ist aufgrund der Tatsache, dass das Steuern des Nassätzschritts schwierig ist, sehr hoch. Das Herstellen von Spalten unterhalb von 250 nm ist eher kritisch. Ferner umfasst der Herstellungsprozess einen Abhebeprozess, welcher ebenso den Ertrag verringert.
Demnach ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, existierende Verfahren zum Herstellen von Elektrodenstrukturen zu verbessern und außerdem existierende Elektrodenstrukturen zu verbessern.
Gemäß der Erfindung werden die zuvor angesprochenen Probleme mit einem Verfahren zum Herstellen einer Elektrodenstruktur gelöst, wobei das Verfahren die Merkmale des unabhängigen Patentanspruchs 1 umfasst, und mit einer Elektrodenstruktur, die die Merkmale des unabhängigen Patentanspruchs 15 umfasst.
Gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren ist es möglich, Spalte zwischen benachbarten Elektroden im Nanometerbereich ohne einen Abhebeprozess zu erzeugen. Demnach ermöglicht die vorliegende Erfindung eine Massenproduktion z. B. von Interdigitalelektrodenarrays mit anpassbaren Nanospalten ohne einen Abhebeprozess. Daher sind ein sehr hoher Ertrag und eine sehr hohe Genauigkeit möglich. Ferner kann die Ausgangsstruktur in dem Mikrometerbereich liegen und eine Vielzahl von Musterungsmethoden kann verwendet werden, um die Ausgangsstruktur bereitzustellen. Die Ausgangsstruktur kann durch Lithographie oder eine beliebige andere Strukturierungsmethode realisiert werden, zum Beispiel Spritzgießen mit einem geeigneten Stempel. Es können verschiedene Substratmaterialien wie Silizium, Pyrex oder Polymere verwendet werden. Sogar ein Photoresist kann als Ausgangsstruktur verwendet werden. Ein anderer wesentlicher Vorteil liegt darin, dass der Elektrodenspalt, d. h. der seitliche Abstand zwischen den Elektroden, primär durch die Abscheidungsdicke gesteuert werden kann und dass das Anpassen des seitlichen Abstands zwischen den benachbarten oberen Abschnitten des abgeschiedenen Materials unabhängig von dem Masken- oder Stempelmuster möglich ist. Demnach können in einem späteren Stadium unterschiedliche seitliche Abstände von benachbarten oberen Abschnitten des abgeschiedenen Materials und folglich auch unterschiedliche Elektrodenspaltgrößen mit nur einer Maske hergestellt werden.
Zum Beispiel kann der Schritt des Abscheidens von Material auf die erhöhten Regionen das Sputtern von Material auf die erhöhten Regionen umfassen. Ein Sputterprozess ist gut steuerbar, sodass die Dicke des abgeschiedenen Materials, die zugehörige Spaltbreite, der Elektrodenspalt und die Linienbreitenrauigkeit in dem Nanometerbereich nach Belieben angepasst werden können.
Das Material, das auf eine erhöhte Region abgeschieden wird, kann eine erste seitliche Breite, die an die erhöhte Region angrenzt, und eine zweite seitliche Breite umfassen, die von der erhöhten Region entfernt ist, wobei die erste seitliche Breite kleiner ist als die zweite seitliche Breite. Dementsprechend kann das Material, das auf jede der erhöhten Regionen abgeschieden wird, eine kegelähnliche Form aufweisen, wobei die seitliche Breite von oben nach unten abnimmt. Anders ausgedrückt, bildet das Material, das auf die entsprechende der erhöhten Region abgeschieden wird, an jeder der erhöhten Regionen eine Hinterschneidung. Demnach wird ein Abschattungseffekt bereitgestellt, sodass im Vergleich zu nicht abgedeckten erhöhten Regionen, d. h. im Vergleich zu einem Fall, bei dem die erhöhten Regionen nicht mit abgeschiedenem Material abgedeckt wurden, weniger Subjekte in einen Raum zwischen den erhöhten Regionen eindringen können. Ferner verhindert die Kegelform, dass die geneigten Seitenwände des abgeschiedenen Materials mit leitfähigem Elektrodenmaterial beschichtet werden.
Die erhöhten Regionen können dauerhaft an der Ausgangsstruktur aufrechterhalten werden. Das heißt, dass ein Abhebeprozess entfallen kann. Dementsprechend kann das erfindungsgemäße Konzept die Probleme und Nachteile herkömmlicher Verfahren, bei denen ein Abhebeprozess verwendet wird, wie zuvor erwähnt, umgehen.
Das abgeschiedene Material kann ein Dielektrikum sein. Ein Dielektrikum ist nützlich, um eine gute Isolierung der Elektroden gegeneinander und gegenüber der Umgebung bereitzustellen, z. B. gegenüber den erhöhten Regionen oder Teilen des darunterliegenden Substrats.
Die Elektroden können an den oberen Abschnitten des abgeschiedenen Materials durch Verdampfen leitfähigen Materials angebracht werden. Ein Verdampfungsschritt kann ein gleichmäßiges Verteilen des leitfähigen Elektrodenmaterials ermöglichen. Ferner kann ein dünner Film oder eine dünne Schicht des leitfähigen Elektrodenmaterials bereitgestellt werden. Dies ist besonders wünschenswert, da die oberen Abschnitte des abgeschiedenen Materials zwischen sich bereits einen kleinen seitlichen Abstand umfassen können. Demnach kann das leitfähige Elektrodenmaterial, indem lediglich eine dünne Schicht leitfähigen Elektrodenmaterials auf das abgeschiedene Material aufgedampft wird, den Raum oder Spalt zwischen den oberen Abschnitten des abgeschiedenen Materials nicht verstopfen. Da das leitfähige Material als ein dünner und gleichmäßig verteilter Film bereitgestellt wird, kann das leitfähige Elektrodenmaterial, das oben auf einer ersten erhöhten Region bereitgestellt wird, nicht mit einem benachbarten leitfähigen Elektrodenmaterial in Berührung kommen, das oben auf einer zweiten erhöhten Region bereitgestellt wird. Demnach kann ein Kurzschluss verhindert werden.
Die erhöhten Regionen können ein Seitenverhältnis der Breite zur Höhe von ungefähr 1:1 umfassen. Wenn die Breite und die Höhe einer erhöhten Region im Wesentlichen gleich sind, wird das abgeschiedene Material auf der erhöhten Region so abgeschieden, dass es eine schmale aber hohe Kegelform umfasst. Anders ausgedrückt, liefert ein Seitenverhältnis von 1:1 eine gute Hinterschneidung, die durch das abgeschiedene Material geformt wird.
Die oberen Abschnitte der erhöhten Regionen können eine seitliche Breite von ungefähr 1 µm umfassen und der erste seitliche Abstand zwischen den oberen Abschnitten der erhöhten Regionen kann ungefähr 1 µm entsprechen. Dementsprechend können die oberen Abschnitte der erhöhten Regionen im Wesentlichen die gleiche seitliche Breite umfassen wie die seitliche Breite des Spalts zwischen zwei benachbarten erhöhten Regionen. Demnach können im Wesentlichen gleiche Abstände zwischen benachbarten Elektroden erzeugt werden. Dies kann besonders nützlich sein, wenn eine Vielzahl erhöhter Regionen bereitgestellt wird, wobei jede der Vielzahl erhöhter Regionen im Wesentlichen gleichmäßig von ihrer angrenzenden erhöhten Region beabstandet ist. Demnach stellt das erfindungsgemäße Verfahren einen hohen Ertrag bereit.
Der erste seitliche Abstand zwischen den erhöhten Regionen liegt zwischen ungefähr 3 µm und ungefähr 1 µm, vorzugsweise zwischen ungefähr 1 µm und ungefähr 800 nm und stärker bevorzugt zwischen ungefähr 800 nm und 500 nm. Anders ausgedrückt, kann der Raum oder Spalt, der zwischen zwei benachbarten erhöhten Regionen geformt wird, diese Abmessungen umfassen. Dementsprechend kann die Größe der Spalte angepasst werden, um in Abhängigkeit von der Wahl des Materials und der Dicke des Materials, das auf die erhöhten Regionen gesputtert werden soll, gute Ergebnisse zu erzielen.
Die Elektrodenstruktur kann Elektroden umfassen, die durch einen Elektrodenspalt getrennt sind, wobei der Elektrodenspalt einen seitlichen Abstand umfasst, der kleiner als ungefähr 100 nm, vorzugsweise kleiner als ungefähr 50 nm ist und stärker bevorzugt zwischen ungefähr 50 nm und 20 nm liegt. Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht eine Massenfertigung mit reproduzierbaren Ergebnissen, welche Elektrodenstrukturen bereitstellt, die Elektrodenspalte im Nanometerbereich umfassen.
Das abgeschiedene Material kann eine Dicke zwischen ungefähr 400 nm und ungefähr 700 nm umfassen. Diese bestimmte Auswahl eines Wertebereichs liefert überraschend gute Ergebnisse. Der Abscheidungsprozess und insbesondere ein Sputterprozess können präzise gesteuert werden, wobei das abgeschiedene Material die erhöhten Regionen in dem beanspruchten Wertebereich besonders vorteilhaft abdeckt. Der Spalt oder der seitliche Abstand zwischen den oberen Abschnitten des abgeschiedenen Materials kann innerhalb von Toleranzen von 10 Nanometern und weniger angepasst werden, wenn das abgeschiedene Material eine Dicke innerhalb des beanspruchten Bereichs umfasst. Wie erwähnt, kann der Spalt zwischen den Elektroden durch Ändern der Dicke des abgeschiedenen Materials angepasst werden. Je dicker die Schicht abgeschiedenen Materials ist, desto schmaler wird der Abstand benachbarter Elektroden. Ein weiterer Vorteil liegt darin, dass das Anpassen des Elektrodenspalts gänzlich ohne ein Verändern der Maskengestaltung, lediglich durch ein Verändern der Bedingungen des Abscheidungsprozesses geschehen kann. Zum Beispiel führen längere oder kürzere Sputterzeiten zu dickeren oder dünneren Schichten abgeschiedenen Materials. Demnach ist der Herstellungsprozess gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren sehr flexibel, was das Herstellen von Elektrodenstrukturen mit unterschiedlichen Elektrodenabständen anbelangt.
Das erfindungsgemäße Verfahren kann ferner das Bereitstellen einer Materialschicht umfassen, die zwischen den erhöhten Regionen und dem abgeschiedenen Material angeordnet wird. Dementsprechend kann es möglich sein, eine Materialschicht bereitzustellen, z. B. ein leitfähiges Material, die eine Hinterschneidung bereitstellt, gefolgt vom Abscheiden eines Materials, z. B. ein Dielektrikum, das die Materialschicht zumindest teilweise abdeckt. Dementsprechend kann das abgeschiedene Material die Form der darunterliegenden Materialschicht annehmen, die bereits eine Hinterschneidungsform umfassen kann.
Die Ausgangsstruktur kann durch Spritzgießen oder durch Heißprägen oder durch Nanoprägen oder durch Trockenätzen oder durch Nassätzen geformt werden. Es können unterschiedliche Substratmaterialien wie Silizium, Pyrex oder beliebige Polymere eingesetzt werden. Im Vergleich zu herkömmlichen Verfahren unter der Verwendung von Silizium, Glas, Keramik oder Ähnlichem als ein Substrat und als eine Ausgangsstruktur ist das erfindungsgemäße Bereitstellen einer Ausgangsstruktur, die durch eines von Spritzgießen, Heißprägen oder Nanoprägen geformt wird, zeit- und kosteneffektiver. Dies ermöglicht eine kommerzielle Massenproduktion von Elektrodenstrukturen und Biosensoren.
Benachbarte Bereiche von oberen Abschnitten abgeschiedenen Materials können eine Linienbreitenrauigkeit von ungefähr 20 nm bereitstellen. Eine solche Linienbreitenrauigkeit kann eine gute und klar definierte (physikalische und elektrische) Trennung zwischen zwei benachbarten Elektroden ermöglichen. Herkömmliche Lithographiemethoden werden zum Herstellen einer kritischen Abmessung in dem Submikron- oder Nanometerbereich verwendet. Diese herkömmlichen Herstellungsmethoden stellen möglicherweise jedoch nicht die notwendige Linienbreitenrauigkeit (LWR - line width roughness) bereit, um Strukturen in Bereichen zu realisieren, die kleiner als 100 Nanometer sind [17]. Gemäß der vorliegenden Erfindung weist die Ausgangsstruktur, die beispielsweise durch eine Mask-Aligner-Lithographie und einen anschließenden Schritt für das Trockenätzen hergestellt werden kann, eine relativ hohe LWR von ungefähr 50 nm auf. Aufgrund der Tatsache, dass der Sputterprozess die Ausgangsstrukturen-LWR glättet, kann eine noch bessere LWR für die Spalte zwischen benachbarten Elektroden realisiert werden. Zum Beispiel weist die LWR für eine anfängliche 520-nm-Struktur mit einer Ausgangs-LWR von ungefähr 50 nm nach dem Schritt des Abscheidens von Material darauf eine LWR von ungefähr 20 nm auf.
Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung wird eine Elektrodenstruktur bereitgestellt, die Folgendes umfasst: eine Ausgangsstruktur, wobei die Ausgangsstruktur mindestens zwei erhöhte Regionen umfasst, die sich von einem Substrat aus erstrecken, wobei obere Abschnitte der zwei erhöhten Regionen durch einen ersten seitlichen Abstand getrennt sind; ein Material, das auf die erhöhten Regionen abgeschieden ist, wobei benachbarte obere Abschnitte des Materials durch einen zweiten seitlichen Abstand getrennt sind, der kleiner als der erste seitliche Abstand ist, und Elektroden, die an den oberen Abschnitten des Materials angebracht sind.
Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung ist ein Biosensor-Chip bereitgestellt, welcher die zuvor genannte Elektrodenstruktur umfasst.
Im Folgenden werden Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung ausführlicher in Bezug auf die Figuren beschrieben, in denen

1A eine teilweise Seitenansicht einer Ausgangsstruktur gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung zeigt,
1B eine teilweise Seitenansicht einer Ausgangsstruktur nach dem Abscheiden von Material darauf gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung zeigt,
1C eine teilweise Seitenansicht einer Ausgangsstruktur nach dem Abscheiden von Material darauf und nach dem Anbringen von Elektroden gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung zeigt,
1D eine weitere teilweise Seitenansicht einer Ausgangsstruktur nach dem Sputtern von Material darauf und nach dem Anbringen von Elektroden gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung zeigt,
2A eine perspektivische Ansicht einer Ausgangsstruktur gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung zeigt,
2B eine Draufsicht der Ausgangsstruktur aus 2A zeigt,
3A eine Draufsicht einer Ausgangselektrodenstruktur gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung zeigt,
3B eine Draufsicht einer Ausgangselektrodenstruktur nach dem Anbringen von Elektrodenmaterial darauf gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung zeigt,
4 einen Beispielprozess mit unterschiedlichen Prozessschritten gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung zeigt,
5A eine REM-Aufnahme einer Elektrodenstruktur gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung zeigt,
5B eine weitere REM-Aufnahme zeigt, welche eine Nahaufnahme eines Teils von 5A ist,
5C eine weitere REM-Aufnahme zeigt, welche eine Nahaufnahme eines Teils von 5B ist,
6A eine Abbildung eines Plättchens zeigt, das zwei Biosensor-Chips umfasst, gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung,
6B eine Nahaufnahme eines Teils von 6A zeigt,
6C eine weitere Nahaufnahme eines Teils von 6B zeigt,
7 ein Diagramm zeigt, welches die Beziehung zwischen der geätzten Spaltgröße und seitlichen Spaltabständen an oberen und unteren Bereichen erhöhter Regionen darstellt,
8A eine REM-Aufnahme eines Teils einer Elektrodenstruktur gemäß einem Ausführungsbeispiel zeigt,
8B eine weitere REM-Aufnahme zeigt, die eine Nahaufnahme eines Teils einer Elektrodenstruktur gemäß einem Ausführungsbeispiel ist,
8C eine weitere REM-Aufnahme zeigt, die eine Nahaufnahme eines Teils einer Elektrodenstruktur gemäß einem Ausführungsbeispiel ist,
9 eine REM-Aufnahme eines Teils einer Elektrodenstruktur gemäß einem Ausführungsbeispiel mit zusätzlichen Hilfsmerkmalen zeigt,
10A ein Diagramm zeigt, das die Intensitätsverteilung gegenüber dem y-Abstand während der Lithographie ohne Hilfsmerkmale darstellt,
10B ein Diagramm zeigt, das die Intensitätsverteilung gegenüber dem y-Abstand während der Lithographie mit Hilfsmerkmalen darstellt,
11A eine REM-Aufnahme einer Elektrodenstruktur gemäß einem Ausführungsbeispiel zeigt,
11 B eine REM-Aufnahme zeigt, die eine Nahaufnahme eines Teils der Elektrodenstruktur von 11 A zeigt,
11C eine weitere REM-Aufnahme zeigt, welche eine Nahaufnahme eines Teils von 11B ist,
12 eine REM-Aufnahme einer Elektrodenstruktur gemäß einem Ausführungsbeispiel zeigt, bei dem ein Photoresist als erhöhte Regionen verwendet wird, und
13A bis 13E einen herkömmlichen Abhebeprozess auf dem Stand der Technik zeigen.

Gleiche oder gleichwertige Elemente oder Elemente mit gleicher oder gleichwertiger Funktionalität werden in der folgenden Beschreibung durch gleiche oder gleichwertige Bezugsziffern gekennzeichnet.
Zunächst soll ein herkömmlicher Schritt zum Herstellen von Elektroden auf dem Stand der Technik, der einen Abhebeprozess umfasst, in Bezug auf die 13A bis 13E beschrieben werden.
13A zeigt ein Substrat 1301 und eine Opferschicht 1302, die oben auf dem Substrat 1301 abgeschieden wird. Die Opferschicht 1302 kann ein Photoresist sein, der nach Belieben strukturiert werden kann, indem eine entsprechende Maske angebracht wird.
13B zeigt die strukturierte Opferschicht 1302 nach einem Photolithographie-Schritt. Dementsprechend wurde eine Ausgangsstruktur 1300 bereitgestellt, die kegelförmige Vorsprünge 1302a, 1302b, 1302c, 1302d, 1302e umfasst. Jeder der Vorsprünge umfasst an seinen lateralen Seiten einen abgeschrägten oder geneigten Abschnitt 1303.
13C zeigt einen nächsten Prozessschritt, bei dem Zielmaterial, d. h. ein leitfähiges Elektrodenmaterial 1304a, auf die Ausgangsstruktur 1302 angebracht wurde. Ferner wird zwischen benachbarten Vorsprüngen 1302a bis 1302e ein Spalt 1305 gebildet, durch den Zielmaterial 1304b eindringt und sich an dem Substrat 1301 ansammelt. Lediglich dieses Zielmaterial 1304b ist erwünscht, da es die endgültige Elektrodenstruktur, wie aus 13E ersichtlich, bereitstellt. Das Zielmaterial 1304a oben auf den Vorsprüngen 1302a bis 1302d ist stattdessen nicht erwünscht und muss demzufolge entfernt werden.
13D zeigt einen nächsten Prozessschritt, bei dem die Vorsprünge 1302a bis 1302d und das unerwünschte Zielmaterial 1304a, das darauf angeordnet ist, entfernt werden. Die Vorsprünge 1302a bis 1302d und das Zielmaterial 1304a können beispielsweise durch einen herkömmlichen Ätzprozess, wie durch die Bezugsziffer 1306 angezeigt, entfernt werden. Die zum Ätzen verwendete Chemikalie löst die Vorsprünge 1302a bis 1302d auf und das restliche Zielmaterial 1304a wird abgelöst, wie durch den Pfeil 1307 angezeigt.
13E zeigt den letzten Prozessschritt, bei dem die erwünschten Teile 1304b des Zielmaterials zurückbleiben und die erwünschte endgültige Elektrodenstruktur 1304 an dem Substrat 1301 bilden.
Der zuvor beschriebene herkömmliche Abhebeprozess kann eine einfache und effiziente Möglichkeit zum Herstellen von Elektrodenstrukturen 1304 bereitstellen, wobei jede Elektrode 1304b eine seitliche Breite in einem Mikrometerbereich umfassen kann. Außerdem können die Spalte 1308 zwischen benachbarten Elektroden 1304b eine seitliche Breite in dem Mikrometerbereich umfassen. Während des Abhebeprozesses können jedoch bestimmte Mängel mehr oder weniger regelmäßig auftreten. Zum Beispiel kann sich während des Schritts zum Ätzen, wie aus 13D ersichtlich, abgelöstes Zielmaterial 1304a auf dem Substrat 1301 und/oder auf den Elektroden 1304b abscheiden. Andere Mängel wie Grate aufgrund von zurückbleibendem Zielmaterial und/oder zurückbleibenden Verbindungen zwischen unerwünschten Teilen 1304a und erwünschten Teilen 1304b des Zielmaterials können auftreten. Zurückbleibende Teile von Zielmaterial können zu einer Verunreinigung und zu einer Bildung von Unebenheiten der andernfalls gleichmäßigen Oberfläche der Elektrodenstruktur führen. Dadurch kann ferner das Problem von Kurzschlüssen aufgrund von unerwünschten Verbindungen zwischen zurückbleibendem Elektrodenmaterial verursacht werden.
Das Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung bietet eine Lösung für diese Probleme. 1A zeigt einen Schritt des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Herstellen einer Elektrodenstruktur 100, wobei mindestens ein Teil der Elektrodenstruktur 100 in einer Seitenansicht abgebildet wird. Zunächst wird eine Ausgangsstruktur 101 bereitgestellt. Die Ausgangsstruktur 101 umfasst mindestens zwei erhöhte Regionen 102a, 102b. Die erhöhten Regionen 102a, 102b erstrecken sich von einem Substrat 104 aus oder stehen von diesem hervor.
Die erhöhten Regionen 102a, 102b umfassen jeweils einen oberen Abschnitt 105a, 105b, einen unteren Abschnitt 106a, 106b und einen ersten und einen zweiten Seitenabschnitt 107a, 107b, 108a, 108b oder einen linken Seitenabschnitt 107a, 107b und einen rechten Seitenabschnitt 108a, 108b. Der rechte Seitenabschnitt 108a der ersten erhöhten Region 102a liegt dem linken Seitenabschnitt 107b der zweiten erhöhten Region 102b gegenüber. Eine oder beide der gegenüberliegenden Oberflächen 108a, 107b (hier ist es exemplarisch der linke Seitenabschnitt 107b der zweiten erhöhten Region 102b) können einen geneigten Abschnitt 103 umfassen.
Die benachbarten zwei erhöhten Regionen 102a, 102b sind voneinander durch einen bestimmten seitlichen Abstand, d. h. einen seitlichen Abstand zwischen den gegenüberliegenden Abschnitten 108a, 107b, getrennt. Ein seitlicher Abstand zwischen den gegenüberliegenden Abschnitten 108a, 107b kann über die Höhe h der erhöhten Regionen 102a, 102b variieren, beispielsweise aufgrund des Bereitstellens eines geneigten Abschnitts 103. Anders ausgedrückt können die oberen Abschnitte 105a, 105b der zwei erhöhten Regionen 102a, 102b durch einen ersten seitlichen Abstand l₁ getrennt sein. Die unteren Abschnitte 106a, 106b der zwei erhöhten Regionen 102a, 102b können durch einen seitlichen Abstand l_u getrennt sein, der von dem ersten seitlichen Abstand l₁ abweichen kann. In dem Ausführungsbeispiel aus 1A ist der seitliche Abstand l₁ kleiner als der seitliche Abstand l_u. Insbesondere ist l₁ der minimale seitliche Abstand zwischen den ersten und den zweiten erhöhten Regionen 102a, 102b.
Im Hinblick auf das Verhältnis der Abstände l₁ zu l_u kann es jedoch auch möglich sein, dass der seitliche Abstand l₁ dem seitlichen Abstand l_u entspricht. Ferner kann es möglich sein, dass der seitliche Abstand l₁ geringfügig, z. B. bis zu ungefähr 15 %, größer ist als der seitliche Abstand l_u.
Ein Spalt 109 ist zwischen den ersten und den zweiten erhöhten Regionen 102a, 102b geformt. Der seitliche Abstand l₁ zwischen den oberen Abschnitten 105a, 105b definiert eine Öffnung des Spalts 109. In diesem Fall definiert der minimale seitliche Abstand l₁ die minimale Größe der Öffnung des Spalts 109.
1B zeigt einen weiteren Schritt des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Herstellen einer Elektrodenstruktur 100, wobei mindestens ein Teil der Elektrodenstruktur 100 in einer Seitenansicht abgebildet ist. Ein Material 110 wird auf die erhöhten Regionen 102a, 102b abgeschieden. Es ist erkennbar, dass Abschnitte des Materials 110 auch auf das Substrat 104, wie etwa neben und zwischen den erhöhten Regionen 102a, 102b, abgeschieden werden können.
Das Material 110, das auf die erhöhten Regionen 102a, 102b abgeschieden wird, umfasst einen oberen Abschnitt. Insbesondere umfasst der Abschnitt des Materials 110, der auf die erste erhöhte Region 102a abgeschieden wird, einen ersten oberen Abschnitt 111a. Der Abschnitt des Materials 110, der auf die zweite erhöhte Region 102b abgeschieden wird, umfasst einen zweiten oberen Abschnitt 111b.
Der erste obere Abschnitt 111a und der zweite obere Abschnitt 111b des abgeschiedenen Materials 110 werden durch einen zweiten seitlichen Abstand l₂ getrennt. Der zweite seitliche Abstand l₂ ist kleiner als der erste seitliche Abstand l₁ zwischen den oberen Abschnitten 105a, 105b der ersten und zweiten erhöhten Regionen 102a, 102b.
Ein Spalt 119 wird zwischen dem ersten und dem zweiten oberen Abschnitt 111a, 111b geformt. Der seitliche Abstand l₂ zwischen den oberen Abschnitten 111a, 111b definiert eine Öffnung des Spalts 119. In diesem Fall definiert der minimale seitliche Abstand l₂ die minimale Größe der Öffnung des Spalts 119. Der seitliche Abstand l₂, d. h. der Spalt 119 zwischen den oberen Abschnitten 111a, 111b des abgeschiedenen Materials 110, ist kleiner als der seitliche Abstand l₁, d.h. der Spalt 109 zwischen den oberen Abschnitten 105a, 105b der erhöhten Regionen 102a, 102b. Dementsprechend verkleinert sich die Öffnung des entsprechenden Spalts 109, 119 zwischen diesen benachbarten erhöhten Regionen 102a, 102b durch Abscheiden des Materials 110 auf den erhöhten Regionen 102a, 102b.
Das abgeschiedene Material 110 ist vorzugsweise ein Dielektrikum.
1C zeigt einen weiteren Schritt des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Herstellen einer Elektrodenstruktur 100, wobei mindestens ein Teil der Elektrodenstruktur 100 in einer Seitenansicht abgebildet ist. Bei diesem Schritt werden Elektroden 112a, 112b auf den oberen Abschnitten 111a, 111b des Materials 110 bereitgestellt.
Insbesondere wird eine erste Elektrode 112a an dem oberen Abschnitt 111a des Abschnitts des Materials 110 bereitgestellt, das auf die erste erhöhte Region 102a abgeschieden wird. Eine zweite Elektrode 112b wird an dem oberen Abschnitt 111b des Abschnitts des Materials 110 bereitgestellt, das auf die benachbarte zweite erhöhte Region 102b abgeschieden wird. Die Elektroden 112a, 112b werden vorzugsweise auf den entsprechenden oberen Abschnitten 111a, 111b angebracht, indem ein leitfähiges Material 112, wie beispielsweise Gold, verdampft wird.
Während des Verdampfungsvorgangs werden einige Teile 116 des leitfähigen Materials 112 durch den Spalt 119 eindringen. Aufgrund des kleinen seitlichen Abstands l₂ zwischen den oberen Abschnitten 111a, 111b des abgeschiedenen Materials 110 wird sich jedoch nur eine kleine Menge 112c des leitfähigen Materials 112 an einem unteren Abschnitt 113 des abgeschiedenen Materials 110 ansammeln.
Es ist erkennbar, dass sich das leitfähige Material 112 und insbesondere die Elektroden 112a, 112b, 112c nicht berühren. Dies ist der Tatsache geschuldet, dass die Kegelform des Materials 110, das auf die erhöhten Regionen 102a, 102b abgeschieden wird, einen Abschattungseffekt bereitstellt, welcher verhindert, dass das Elektrodenmaterial 112 die abgeschrägten oder geneigten Seitenwände 114, 115 abdecken kann. Der Abschattungseffekt wird nachfolgend ausführlicher in Bezug auf 1D beschrieben.
Ferner, wenn das abgeschiedene Material 110 ein Dielektrikum ist, weisen die Elektroden 112a, 112b, 112c keinen gemeinsamen verbundenen leitfähigen Bereich auf. Demnach sind sie physikalisch und elektrisch voneinander isoliert.
Bei einem Ausführungsbeispiel umfasst der Schritt des Abscheidens des Materials auf die erhöhten Regionen 102a, 102b das Sputtern des Materials auf die erhöhten Regionen 102a, 102b. Für die folgende Erörterung der verschiedenen Ausführungsbeispiele, wie in den Figuren abgebildet, wird angenommen, dass Material mittels Sputterns abgeschieden wurde, obwohl andere Prozesse zum Anbringen oder Abscheiden von Material auf den erhöhten Regionen 102a, 102b möglich sein können.
Das auf eine erhöhte Region 102a, 102b gesputterte Material 110 umfasst eine erste seitliche Breite W₁, die an den oberen Abschnitt 105a, 105b der erhöhten Region 102a, 102b angrenzt, und eine zweite seitliche Breite W₂, die von dem oberen Abschnitt 105a, 105b der erhöhten Region 102a, 102b entfernt ist. Die erste seitliche Breite W₁ ist kleiner als die zweite seitliche Breite W₂.
Obwohl diese Breiten W₁, W₂ in 1C lediglich exemplarisch in Bezug auf den gesputterten Materialabschnitt 110 gezeigt sind, der an der ersten erhöhten Region 102a bereitgestellt ist, gilt das gleiche Breitenverhältnis für das Material 110, das auf die zweite erhöhte Region 102b und auf beliebige verbleibende erhöhte Regionen gesputtert wird, die hier nicht gezeigt sind. Eine Ausnahme kann jedoch an den äußersten erhöhten Regionen auftreten, wie später in Bezug auf 9 unten beschrieben.
Da die Breite W₁ kleiner ist als die Breite W₂, umfasst das Material 110, das auf die erhöhte Region 102a gesputtert ist, eine Kegelform mit abgeschrägten oder sich verjüngenden Seitenwänden 114, 115. Anders ausgedrückt, kann das Material 110 die Form eines umgekehrten Kegelstumpfs umfassen.
Die erhöhten Regionen 102a, 102b werden dauerhaft an der Ausgangsstruktur 101 aufrechterhalten. Wie zuvor in Bezug auf die 13A bis 13E erwähnt, kann ein herkömmliches Verfahren zum Herstellen von Elektroden einen Abhebeprozessschritt umfassen, bei dem die erhöhten Strukturen oder Vorsprünge 1302a bis 1302e entfernt oder aufgelöst werden, nachdem ein Elektrodenmaterial 1304a, 1304b angebracht wurde.
Im Gegensatz dazu umfasst das Verfahren der vorliegenden Erfindung keinen solchen Verfahrensschritt des Entfernens der erhöhten Regionen 102a, 102b. Stattdessen werden die erhöhten Regionen 102a, 102b dauerhaft an der Ausgangsstruktur 101 aufrechterhalten. Demnach können jegliche Probleme, die mit herkömmlichen Abhebeprozessen einhergehen, durch das Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung vorteilhaft umgangen werden.
Dennoch umfassen die erhöhten Regionen 102a, 102b in Bezug auf 1C ein Seitenverhältnis der Breite zur Höhe von ungefähr 1:1. Das heißt, dass die seitliche Breite X₁ der erhöhten Region 102a im Wesentlichen der Höhe Y₁ der erhöhten Region 102a entspricht. Dieses Seitenverhältnis von 1:1 führt zu dem Effekt, dass das gesputterte Material 110 auf den oberen Abschnitt 105a der erhöhten Region 102a so abgeschieden wird, dass das Material 110 eine schmale aber hohe Kegelform, wie aus 1C ersichtlich, umfasst. Ein Seitenverhältnis der Breite zur Höhe von ungefähr 2:1 und sogar von ungefähr 3:1 würde immer noch ausreichen, um die erwünschte Kegelform bereitzustellen, d. h. um eine Hinterschneidung bereitzustellen, um die Elektroden physikalisch und elektrisch voneinander zu isolieren.
Ferner kann die seitliche Breite W₁ des Materials 110 der Höhe Y₂ des Materials 110 entsprechen oder kann kleiner als diese sein. Dies kann ebenso zu einer schmalen aber hohen Kegelform führen.
Diese bestimmte Kegelform entsteht, weil sich die Atome des gesputterten Materials 110 während des Sputterns ansammeln, sodass sich sowohl die Höhe Y als auch die seitliche Breite W des Materials 110 während des Sputterns vergrößern. Aufgrund des eingeschränkten Platzes in der seitlichen Richtung, welcher durch die seitliche Breite X₁ des oberen Abschnitts 105a der erhöhten Region 102a vorgegeben ist, sammeln sich die Atome des Materials 110 jedoch größtenteils in der Höhenrichtung Y an. Dementsprechend wächst das Material 110 nach oben, d.h. in einer Höhenrichtung Y, sodass ein schmaler und hoher Kegel geformt wird. Das Material 110 kann so wachsen, dass die seitliche Breite W₂ des oberen Kegelabschnitts im Wesentlichen der Höhe Y₂ des gesamten Kegels entspricht.
Ferner definiert die Höhe Y₂ des Materials 110, das auf die erhöhten Regionen 102a, 102b gesputtert wurde, die Dicke des Materials 110. Eine Dicke des abgeschiedenen Materials 110 zwischen ungefähr 400 nm und 700 nm kann für eine Ausgangsstruktur 101, die obere Abschnitte 105a, 105b mit einer seitlichen Breite X₁ von ungefähr 1 µm und einem seitlichen Abstand l₁ zwischen benachbarten oberen Abschnitten 105a, 105 von ungefähr 1 µm umfasst, gemäß einigen Ausführungsbeispielen besonders vorteilhaft sein. Wenn der seitliche Abstand l₁ kleiner ist als 1 µm, kann es möglich sein, Material 110 auf die erhöhten Regionen 102a, 102b abzuscheiden, wobei das Material 110 eine Dicke zwischen ungefähr 400 nm und 100 nm oder sogar weniger als 100 nm aufweist.
Wie zuvor erwähnt, formt die Kegelform des abgeschiedenen Materials 110 eine Hinterschneidung, die einen Abschattungseffekt bereitstellt. Die Hinterschneidung trägt dazu bei, eine ungewollte Abdeckung benachbarter Seitenwände 114, 115 des abgeschiedenen Materials 110 mit Elektrodenmaterial zu vermeiden. Wenn die Seitenwände 114, 115 mit Elektrodenmaterial 112 abgedeckt wären, könnte dies einen Kurzschluss verursachen, wenn sich solches ungewolltes Elektrodenmaterial 112 gegenseitig berührt.
Der Abschattungseffekt soll ausführlicher in Bezug auf die 1B, 1C und 1D beschrieben werden. Der Abschattungseffekt kann mit dem Effekt des verengten Bereichs einer Sanduhr vergleichbar sein. Es ist erkennbar, dass die zwei benachbarten Kegel des Materials 110 auch die Form einer Sanduhr umfassen.
Der seitliche Abstand l₂ zwischen benachbarten oberen Abschnitten 111a, 111b des abgeschiedenen Materials 110 ist kleiner als ein seitlicher Abstand l₃ zwischen benachbarten unteren Abschnitten 113a, 113b des abgeschiedenen Materials 110. Anders ausgedrückt, können die benachbarten oberen Abschnitte 111a, 111b des abgeschiedenen Materials 110 durch einen Spalt 119 getrennt sein, der eine Spaltbreite l₂ aufweist. Da das abgeschiedene Material 110 eine Kegelform umfasst, nimmt die Spaltbreite zwischen dem abgeschiedenen Material 110 von l₂ zu l₃ zu, während die seitliche Breite der Kegel 110 von W₂ zu W₁ abnimmt, wenn von oben nach unten betrachtet. Dementsprechend ist der Spalt 119 an oberen Abschnitten 111a, 111b des abgeschiedenen Materials 110 kleiner oder schmaler als an unteren Abschnitten 113a, 113b des abgeschiedenen Materials 110.
Demnach können Teile 116 des Elektrodenmaterials 112 nur durch den schmalen Spalt 119 an den oberen Abschnitten 111a, 111b in den Raum zwischen zwei benachbarten erhöhten Regionen 102a, 102b eindringen. Dementsprechend sammeln sich die Teile 116 unterhalb des schmalen Spalts 119 an und formen einen Stapel 112c von angesammeltem Elektrodenmaterial 112. Die seitliche Breite l₄ des Stapels 112c angesammelten Elektrodenmaterials 112 wird durch die Spaltbreite l₂ bestimmt und kann im Wesentlichen der Spaltbreite l₂ entsprechen.
Wie jedoch aus 1D ersichtlich, kann sich Elektrodenmaterial 112 außerdem zumindest teilweise entlang oberer seitlicher Abschnitte 130a bis 130d des abgeschiedenen Materials 110 ansammeln. Anders ausgedrückt, kann sich Elektrodenmaterial 112 zumindest teilweise in den Spalt 119 erstrecken. Da die lateralen Seitenwände 114, 115 der Kegel jedoch nach innen abgeschrägt oder verjüngt sind, kann das Elektrodenmaterial 112 nicht an diesen verjüngten Seitenwänden 114, 115 haften bleiben und die Seitenwände 114, 115 vollständig bedecken. Demnach trägt die durch die Kegelform des Materials 110 geformte Hinterschneidung dazu bei, zu vermeiden, dass Elektrodenmaterial 112 die einander gegenüberliegenden Seitenwände 114, 115 der Kegel 110 abdeckt, was andernfalls zu einem Kurzschluss führen würde.
Ferner wird der Spalt 119 zwischen den benachbarten oberen Abschnitten 111a, 111b des abgeschiedenen Materials 110 schmaler, wenn sich das Elektrodenmaterial in einer seitlichen Richtung ansammelt. Anders ausgedrückt, verkleinert sich der seitliche Abstand l₂ zwischen den benachbarten oberen Abschnitten 111a, 111b des abgeschiedenen Materials 110, wenn anhaftendes Elektrodenmaterial 112 in dem Spalt 119 zunimmt. Folglich wird ein schmalerer Spalt 129 zwischen Elektrodenmaterial 112 geformt, das sich entlang von zwei benachbarten oberen seitlichen Abschnitten 130b, 130c angesammelt hat. Der seitliche Abstand l₂ (1C) zwischen den oberen Abschnitten 111a, 111b des abgeschiedenen Materials 110 verkleinert sich zu dem kleineren seitlichen Abstand l₅ zwischen dem Elektrodenmaterial 112, das sich entlang der zwei benachbarten oberen seitlichen Abschnitte 130b, 130c angesammelt hat.
Für die folgende Erörterung wird dieser Spalt 129, der zwischen dem Elektrodenmaterial 112 geformt ist, das sich entlang der zwei benachbarten oberen seitlichen Abschnitte 130b, 130c angesammelt hat, auch als Elektrodenspalt 129 bezeichnet.
Zusammenfassend trägt die Hinterschneidung, die durch das kegelförmige abgeschiedene Material 110 geformt ist, dazu bei, zu vermeiden, dass leitfähiges Elektrodenmaterial 112 die Seitenwände 114, 115 des abgeschiedenen Materials 110 abdeckt. Ferner stellt die schmale Spaltbreite l₂ des Spalts 119 sicher, dass nur eine kleine Menge von Teilen 116 leitfähigen Materials 112 in den Raum zwischen benachbarten erhöhten Regionen 102a, 102b eindringt und dass die seitliche Breite l₄ des Stapels 112c angesammelten Elektrodenmaterials 112 durch die Spaltbreite l₂ bestimmt werden kann, sodass die seitliche Breite l₄ des Stapels 112c angesammelten Elektrodenmaterials 112 kleiner ist als die seitliche Breite l₃ der unteren Abschnitte 113a, 113b des abgeschiedenen Materials 110.
2A zeigt eine perspektivische Seitenansicht und 2B zeigt eine Draufsicht eines Teils einer Elektrodenstruktur 100. Die Elektrodenstruktur 100 umfasst eine Ausgangsstruktur 101, die eine erste erhöhte Region 102a und eine zweite erhöhte Region 102b umfasst. Die erste erhöhte Region 102a umfasst einen ersten oberen Abschnitt 105a. Die zweite erhöhte Region 102b umfasst einen zweiten oberen Abschnitt 105b.
Jeder der oberen Abschnitte 105a, 105b der erhöhten Regionen 102a, 102b umfasst eine seitliche Breite X₁, X₂, die bei einem Ausführungsbeispiel ungefähr 1 µm entsprechen kann. Jede der erhöhten Regionen 102a, 102b umfasst eine Höhe Y₁, die bei einem Ausführungsbeispiel ungefähr 1 µm entsprechen kann. Der erste seitliche Abstand l₁ zwischen den benachbarten oberen Abschnitten 105a, 105b der erhöhten Regionen 102a, 102b kann bei einem Ausführungsbeispiel ebenso ungefähr 1 µm entsprechen.
3A zeigt eine Draufsicht eines Ausführungsbeispiels einer Elektrodenstruktur 100 gemäß der vorliegenden Erfindung, bevor ein Material, zum Beispiel mittels Sputterns, auf die erhöhten Regionen 102a, 102b abgeschieden wurde. Die Elektrodenstruktur 100 umfasst eine Ausgangsstruktur 101. Die Ausgangsstruktur 101 umfasst eine Vielzahl erhöhter Regionen 102a, 102b, die sich von einem Substrat 104 aus erstrecken.
Eine erste Ausgangselektrodenstruktur 200a umfasst eine Vielzahl erhöhter Regionen 102a. Eine zweite Ausgangselektrodenstruktur 200b umfasst eine Vielzahl erhöhter Regionen 102b.
Jede der ersten erhöhten Regionen 102a umfasst eine seitliche Breite X₁. Jede der zweiten erhöhten Regionen 102b umfasst eine seitliche Breite X₂. Zwischen zwei benachbarten erhöhten Regionen 102a, 102b ist ein Spalt 109 bereitgestellt, der eine seitliche Breite l₁ umfasst. Wie zuvor erwähnt, kann jede der seitlichen Breiten X₁, X₂ der erhöhten Regionen 102a, 102b und der seitlichen Breite l₁ des Spalts 109 die gleiche Abmessung, zum Beispiel 1 µm, aufweisen.
Die erhöhten Regionen 102a, 102b sind auf interdigitale Weise angeordnet, d. h. die Anordnung aus 3A zeigt ein Interdigitalelektrodenarray. Das heißt, die erhöhten Regionen 102a der ersten Ausgangselektrodenstruktur 200a bilden Finger, die abwechselnd mit den erhöhten Regionen 102b oder Fingern der zweiten Ausgangselektrodenstruktur 200b fingerartig ineinandergreifen.
3B zeigt eine Draufsicht eines Ausführungsbeispiels einer Elektrodenstruktur 100 gemäß der vorliegenden Erfindung, nachdem ein Material auf die erhöhten Regionen 102a, 102b abgeschieden wurde. Da das Material 110 auf die erhöhten Regionen 102a, 102b abgeschieden wurde, sind lediglich die oberen Abschnitte 111a, 111b des abdeckenden abgeschiedenen Materials 110 in der Draufsicht aus 3B sichtbar. Die erhöhten Regionen 102a, 102b werden durch das abgeschiedene Material 110 abgedeckt und sind demnach in der Draufsicht aus 3B nicht sichtbar.
Daher haben sich die Abmessungen der seitlichen Breiten, die in der Draufsicht aus 3B sichtbar sind, im Vergleich zu dem vorherigen in 3A gezeigten Stadium verändert. Insbesondere umfassen die oberen Abschnitte 111a, 111b des abgeschiedenen Materials 110 eine seitliche Breite W₂, wie zuvor in Bezug auf 1C beschrieben. Die oberen Abschnitte 111a, 111b sind durch einen seitlichen Abstand l₂ getrennt. Anders ausgedrückt, ist ein Spalt 119 zwischen den oberen Abschnitten 111a, 111b geformt, wobei der Spalt 119 einen seitlichen Abstand l₂ umfasst.
Wenn die Draufsicht aus 3B mit der Draufsicht aus 3A verglichen wird, wird deutlich, dass die seitliche Breite W₂ von jedem der Vielzahl von Fingern, d. h. die seitliche Breite W₂ von jedem der oberen Abschnitte 111a des Materials 110, das auf die erste Ausgangselektrodenstruktur 200a abgeschieden ist, im Vergleich zu der seitlichen Breite X₁ von jeder der Vielzahl von erhöhten Regionen 102a der ersten Ausgangselektrodenstruktur 200a vergrößert ist. Gleiches gilt für die zweite Ausgangselektrodenstruktur 200b. Die seitliche Breite W₂ von jedem der Vielzahl von Fingern, d. h. die seitliche Breite W₂ von jedem der oberen Abschnitte 111b des Materials 110, das auf die zweite Ausgangselektrodenstruktur 200b abgeschieden ist, ist im Vergleich zu der seitlichen Breite X₂ von jeder der Vielzahl von erhöhten Regionen 102b der zweiten Ausgangselektrodenstruktur 200b vergrößert.
Der seitliche Abstand l₂ zwischen den sichtbaren Fingern 111a, 111b ist im Vergleich zu dem seitlichen Abstand l₁ zwischen den in 3A gezeigten sichtbaren Fingern 102a, 102b verkleinert.
Dies ist das Ergebnis des Abscheidungsschritts gemäß der vorliegenden Erfindung.
Immer noch in Bezug auf 3B wird deutlich, dass in einem weiteren Schritt Elektrodenmaterial 112 auf die Finger, d. h. auf die oberen Abschnitte 111a, 111b des abgeschiedenen Materials 110, angebracht werden kann, wie exemplarisch an dem linken Fingerabschnitt in 3B gezeigt. Ferner, wie zuvor in Bezug auf 1C beschrieben, können Teile 116 von Elektrodenmaterial 112 durch den Spalt 119 in den freien Raum zwischen benachbarten erhöhten Regionen 102a, 102b eindringen. Folglich sammeln sich diese Teile 116 unterhalb des Spalts 119 an und formen einen angesammelten Stapel 112c von Elektrodenmaterial, wie außerdem exemplarisch an dem linken Fingerabschnitt in 3B gezeigt. Aufgrund der Hinterschneidung und des Abschattungseffekts der Kegelform des abgeschiedenen Materials 110 wird der Raum zwischen den benachbarten erhöhten Regionen 102a, 102b jedoch nicht vollständig mit Elektrodenmaterial 112 ausgefüllt. Dementsprechend ist der Stapel 112c von Elektrodenmaterial 112 nicht mit Elektrodenmaterial 112 oben auf dem abgeschiedenen Material 110 verbunden. Demnach wird ein Kurzschluss verhindert.
Der erfindungsgemäße Abscheidungsschritt ermöglicht ein genaues Anpassen der Breite des Elektrodenspalts 129. Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht das Bereitstellen von Elektrodenspalten 129 im Nanometerbereich, insbesondere ist das Bereitstellen von Elektrodenspalten 129 von 100 nm oder weniger möglich. Während der erste seitliche Abstand l₁ zwischen den erhöhten Regionen 102a, 102b im Mikrometerbereich liegen oder bis hin zum Nanometerbereich reichen kann, kann der seitliche Abstand l₅ des Elektrodenspalts 129 im Nanometerbereich liegen. In einigen Ausführungsbeispielen kann der seitliche Abstand l₁ zwischen ungefähr 3 µm und 1 µm, vorzugsweise zwischen 1 µm und 800 nm, stärker bevorzugt zwischen ungefähr 800 nm und 500 nm und noch stärker bevorzugt zwischen ungefähr 500 nm und 100 nm liegen. In einigen Ausführungsbeispielen kann der seitliche Abstand l₅ des Elektrodenspalts 129 weniger als 100 nm betragen.
In Bezug auf 4 soll ein Beispiel eines erfindungsgemäßen Verfahrens ausführlich beschrieben werden.
Gemäß der Erfindung kann eine Elektrodenstruktur an unterschiedlichen Substraten wie Silizium, Glas, Kunststoff oder einem beliebigen Metall bereitgestellt werden. Gemäß dem beschriebenen Beispiel besteht der erste Schritt darin, die Ausgangssensorelektrodenstruktur 101 durch Photolithographie oder eine beliebige andere Musterungsmethode (Elektronenstrahl, lonenstrahl, Spritzgießen, Heißprägen, Nanoprägen, Tintenstrahldruck, Laminieren, Siebdruck...) zu definieren.
Zum Beispiel, wie auf der rechten Seite von SCHRITT 1 und SCHRITT 2 gezeigt, kann ein Kunststoffsubstrat 104p bereitgestellt sein, wobei ein Stempel 401, der ein Negativprofil der Ausgangsstruktur 101 umfasst, die positive Ausgangsstruktur 101 auf das Substrat 104p aufprägen kann. Seitenverhältnisse von 1:1 (Breite zu Höhe) oder höher, zum Beispiel bis zu 3:1, sind für eine erwünschte Hinterschneidung vorteilhaft.
In dem alternativen Beispiel, das auf der linken Seite von SCHRITT 1 und SCHRITT 2 gezeigt ist, wird Silizium als ein Substrat 104 verwendet und die Ausgangsstruktur 101 wird durch Photolithographie definiert. Das Muster der Ausgangsstruktur 101 wird durch Trockenätzen 1 µm tief in Silizium hinein geätzt und ein Photoresist 400 wird durch O₂-Plasma entfernt. Es ist nicht nötig, das Muster in das Substrat 104 zu ätzen, außerdem kann das Abdeckmaterial (beispielsweise Photoresist 400) bereits als eine Ausgangsstruktur 101 verwendet werden, was später in Bezug auf 12 beschrieben wird.
Das strukturierte Silizium 101 wird dann für das Formen des Hinterschneidungsprofils während eines Abscheidungsschritts, wie in SCHRITT 3 gezeigt, vorbereitet. Bei einem Ausführungsbeispiel kann der Abscheidungsschritt das Sputtern des Materials 110 auf die erhöhten Regionen 102a, 102b umfassen. Unterschiedliche Materialien können verwendet werden, um die Hinterschneidung während des Sputterprozesses zu definieren. Es ist außerdem möglich, ein Metall, das die Hinterschneidung formt, gefolgt von einer dielektrischen Schicht, die das Metall vollständig abdeckt, zu sputtern.
In diesem Beispiel wurde eine SiO₂-Schicht mit einer Dicke von 400 nm als Sputtermaterial 110 verwendet. Aufgrund der Tatsache, dass die erhöhten Regionen 102a, 102b, 102c, 102d nah beieinander liegen (circa 1 µm oder weniger) und sich das Substrat 104 in der Sputterkammer (nicht obligatorisch) dreht, wird ein Abschattungseffekt erzeugt, welcher das Hinterschneidungsprofil während des Sputterns formt.
In diesem Beispiel ist die Materialverteilung in der Sputterkammer wohldefiniert. Zum Beispiel führen eine SiO₂-Schicht von 400 nm und ein seitlicher Abstand l₁ von 500 nm zwischen den erhöhten Regionen 102a bis 102d zu einem Spalt 119 zwischen benachbarten erhöhten Regionen 102a, 102b von 150 nm, bevor Elektrodenmaterial 112 angebracht wird. Bei einem Ausführungsbeispiel wird Elektrodenmaterial 112 durch Verdampfen leitfähigen Materials angebracht.
Um eine effiziente Hinterschneidung aufrechtzuerhalten, müssen die erhöhten Regionen 102a bis 102d nah beieinander liegen. Eine ausreichende Hinterschneidung wird besonders zwischen zwei benachbarten Strukturen geformt. Dementsprechend können die äußersten lateralen Seitenwände der äußersten erhöhten Regionen 102c, 102d keine Hinterschneidung umfassen.
Durch eine korrekte Wahl der seitlichen Abstände und Höhen der erhöhten Regionen an dem Ausgangselektrodenmuster 101 kann eine Trennung zwischen den verdampften Elektroden 112a bis 112d erreicht werden, wie in SCHRITT 4 zu sehen. Ein anschließender Verdampfungsschritt mit der gewünschten Metallschicht erzeugt diese leitfähigen Elektroden 112a bis 112d.
Wie in SCHRITT 5 gezeigt, definiert eine endgültige Isolierschicht 402, in diesem Beispiel SU-8 3005, die Messbereiche eines Biosensors, d. h. Elektrodenpaare 112a bis 112d, Referenzelektrode 403 und Gegenelektrode 404. Zum Beispiel wird der Wafer für eine On-Chip-Referenzelektrode mit Silber (Ag) galvanisiert und anschließend wird eine Schicht aus Silberchlorid (AgCl) geformt. Bei einem letzten Schritt (hier nicht gezeigt) wird der Wafer durch einen Wafer-Dicer oder durch einen Laser zerteilt.
Silizium ist als Substratmaterial für Biosensoren in der Massenproduktion nicht gut geeignet, da die Biosensoren zumeist Wegwerfprodukte sind und demnach ist es im Vergleich zu Kunststoff teuer. Wie zuvor erwähnt kann der Lithographieschritt beispielsweise durch das Verwenden des Spritzgießens (oder Heißprägens) zum Herstellen vorstrukturierter Substrate, d. h. Ausgangsstrukturen 101 für die Massenproduktion, ersetzt werden. Der einzige Anspruch besteht darin, den Führungsstempel 401 mit dem gewünschten (negativen) Elektroden- und Chip-Muster herzustellen.
Die 5A, 5B und 5C zeigen REM-Aufnahmen, die ein Hinterschneidungsprofil nach dem Verdampfen zeigen. Anders ausgedrückt, wurden die REM-Aufnahmen nach dem Schritt des Anbringens von Elektrodenmaterial 112 an dem abgeschiedenen Material 110 gemacht. Demnach ist in diesen in den 5A bis 5C gezeigten REM-Aufnahmen lediglich das Elektrodenmaterial 112 sichtbar, das oben angebracht wird.
5A zeigt eine teilweise Übersicht für einige Fingerpaare, d. h. für die Elektroden 112a, 112b, eines Interdigitalelektrodenarrays 500. Das Elektrodenarray 500 umfasst eine erste Elektrode 112a und eine zweite Elektrode 112b. Da das Elektrodenarray 500, wie zuvor beschrieben, zum Beispiel mittels Sputterns eines Materials 110 auf erhöhte Regionen 102a, 102b bereitgestellt wurde, umfasst das Elektrodenarray 500 eine obere Struktur 502 und eine untere Struktur 503.
5B zeigt eine Nahaufnahme eines Fingerendes des Elektrodenarrays 500. Es ist erkennbar, dass der dunkle Bereich 501 zwischen der oberen Struktur 502 und der unteren Struktur 503 anzeigt, dass dort kein Metall, d. h. kein leitfähiges Elektrodenmaterial 112, vorhanden ist und eine ausreichende Trennung zwischen den Elektroden 112a, 112b erreicht wird.
5C zeigt eine weitere Nahaufnahme eines Fingerendes aus einem anderen Winkel (gegenüberliegende Seite im Vergleich zu 5B). Es ist erkennbar, dass zwischen den Strukturen 502, 503 der oberen und unteren Ebenen keine elektrische Konnektivität gegeben ist.
Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren wurde ein Biosensor-Chip hergestellt, der in den 6A bis 6C gezeigt ist. Dieser Biosensor-Chip und die Verfahrensschritte zum Erhalten des Biosensor-Chips sollen nun in Bezug auf die 6 bis 8 beschrieben werden.
6A zeigt die Gestaltung des gesamten Chips mit zwei getrennten Messeinheiten 601, 602.
6B ist eine Nahaufnahme des Hauptteils von Einheit 601 mit einer Referenzelektrode 604 auf der linken Seite, einer Gegenelektrode 605 auf der rechten bis oberen Seite und einem IDA-Fingermuster 603 in der Mitte.
6C zeigt eine Einzelheit des IDA-Fingermusters 603 mit Hilfsmerkmalen 606a, 606b oben, wobei die abgebildeten drei Linien und Zwischenräume 606a zu der Gegenelektrode 605 gehören und die abgebildeten drei Linien und Zwischenräume 606b bereitgestellt sind, um die Fingerstrukturen 603 von dem umgebenden Bereich zu trennen.
Wie aus den 6A bis 6C ersichtlich, umfasst das eigentliche Plättchen zwei voll funktionstüchtige IDA-Chips 601, 602. Die Größe des Plättchens entspricht 20 × 5,5 mm². Die große Größe des Chips 601, 602 ermöglicht ein gutes Handhaben und das Umsetzen der Mikrofluidik ist bequem. Die Ausgangsstruktur für das Fingermuster 603 umfasst erhöhte Regionen 102a, 102b mit einer seitlichen Breite X₁, X₂ von ungefähr 1 µm. Der seitliche Abstand l₁, d. h. die Breite des Spalts 109, zwischen benachbarten erhöhten Regionen 102a, 102b entspricht außerdem ungefähr 1 µm.
Es gibt 300 Fingerpaare mit einer entsprechenden Fingerlänge von 149 µm, was zu einem effektiven Elektrodenbereich von 0,175 mm² führt. Ferner ist für jeden Chip 601, 602 (zwei auf einem Plättchen) eine Referenzelektrode 604 mit einem Bereich von 0,258 mm² sowie eine Gegenelektrode 605 umgesetzt. Hilfsmerkmale 606a, 606b ermöglichen eine Trennung der Elektroden 603, 604, 605.
Die dunkel schattierten Bereiche 603, 604, 605, 607, 609 zeigen die Öffnungen oder Spalte nach dem Isolieren, alle anderen Bereiche werden mit SU-8 abgedeckt. An der Unterseite des Plättchens sind die Kontaktfelder 609 für jeden Chip 601, 602 sichtbar, d. h. für die Referenzelektrode 604, die zwei interdigitalen Fingerelektroden 603 und die Gegenelektrode 605.
Für das Herstellen von Chips und insbesondere für das Bereitstellen einer Ausgangsstruktur wurde Silizium als ein Substrat verwendet. Als eine Abdeckschicht für das Trockenätzen von Silizium wurde der Photoresist AZ 701 MiR mit einer Dicke von 760 nm verwendet. Das Soft-Bake wurde bei 90 °C 60 Sekunden lang auf einer Wärmeplatte im Kontaktmodus durchgeführt. Anschließend wurde der Wafer mit 160 mJ/cm² (i-line) bei einem Mask-Aligner im Vakuum-Kontaktmodus exponiert. Ein Post-Exposure-Bake von 60 Sekunden bei 110 °C wurde auf einer Wärmeplatte im Kontaktmodus durchgeführt.
Für das Entwickeln wurde der Entwickler AZ726 MIF verwendet und 60 Sekunden reichen aus, um die exponierten Bereiche aufzulösen. Der Wafer wurde mit Dl-Wasser gespült und trockengeschleudert. Die Ausgangsstruktur umfasste erhöhte Regionen mit einer seitlichen Breite von ungefähr 1 µm und einen Spalt von 1 µm zwischen den erhöhten Regionen. Die Spalte wurden durch Trockenätzen mit einer „Gas Chopping“-Methode (SF₆, C₄F₈) 1 µm in Silizium geätzt. Der Photoresist wurde dann durch O₂-Plasma entfernt.
Eine SiO₂-Schicht von 700 nm wurde auf die Ausgangsstruktur gesputtert (Oerlikon LLS EVO). Aufgrund des Effekts der Schattenmaskierung während des Abscheidungsschritts wurde eine inhomogene Verteilung der Oxidschicht realisiert.
7 zeigt die Beziehung zwischen dem Trockenätz-Abstand und dem minimalen Abstand zwischen den erhöhten Regionen. Sie zeigt Messdaten für eine 1 µm tiefe trockengeätzte Struktur und die minimale Spaltbreite, die durch Abscheiden von 400 nm SiO₂ gebildet wird.
Die Punkte 701 um die obere Linie 700 stellen den gemessenen Abstand an der Unterseite der Ausgangsstruktur mit dem größten Abstand dar. Die Punkte 702 um die untere Linie 703 stellen den gemessenen Abstand oben an der Ausgangsstruktur dar. Die Abszissenachse zeigt die unterschiedlichen seitlichen Abstände zwischen benachbarten erhöhten Strukturen. Zum Beispiel, wenn ein seitlicher Abstand (Größe des geätzten Spalts 109) von ungefähr 500 nm zwischen zwei erhöhten Regionen bereitgestellt wird, kann ein minimaler Abstand (Spalt 119) von 150 nm erzeugt werden, der an der Unterseite einen Abstand von 400 nm aufweist. Dementsprechend könnte dadurch an jeder Seite eine Hinterschneidung von ungefähr 125 nm ((400 nm - 150 nm)/2) erzeugt werden.
Das charakteristische Bilden einer Hinterschneidung wird verwendet, um während des anschließenden Verdampfungsschritts, bei dem Elektrodenmaterial auf dem zuvor abgeschiedenen Material angebracht wird, eine Trennung der oberen und unteren Strukturen 502, 503 (siehe 5) zu erreichen. Eine 100 nm dicke Schicht aus Gold (Au) wurde ausgewählt, um die Elektroden zu definieren.
Die 8A bis 8C zeigen weitere REM-Aufnahmen von Proben, die mit dem Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung hergestellt wurden, wobei das Material mittels Sputterns auf die erhöhten Regionen abgeschieden wurde.
8A zeigt eine Nahaufnahme einer 700 nm l/s geätzten Ausgangsstruktur, die mit 700 nm SiO₂-Material 110 gesputtert wurde. Das heißt, die Dicke t₁ des gesputterten Materials 110 beträgt ungefähr 700 nm. Der minimale seitliche Abstand l₂ zwischen benachbarten oberen Abschnitten 111a, 111b des gesputterten Materials 110 beträgt ungefähr 43 nm. Der minimale seitliche Abstand l₃ an der Unterseite 113 beträgt ungefähr 300 nm. Dementsprechend wurde durch das Sputtern des Materials 110 auf die erhöhten Regionen 102a, 102b eine Hinterschneidung geformt.
8B zeigt eine REM-Aufnahme einer weiteren Probe, die eine Hinterschneidung 800 umfasst, die nach dem Sputtern von 700 nm SiO₂ geformt wurde. Die Ausgangsstruktur wies zwischen benachbarten erhöhten Strukturen einen seitlichen Abstand von ungefähr 750 nm und eine Periode von ungefähr 1,6 µm auf.
8C zeigt eine REM-Aufnahme einer weiteren Probe, wobei die seitliche Breite der erhöhten Regionen ungefähr 1 µm betrug. Diese Probe wurde mit 500 nm SiO₂ abgeschieden. Die seitliche Breite l_e einer Elektrode 112 beträgt ungefähr 1,7 µm. Eine Periode l_p zwischen benachbarten Elektroden 112 beträgt ungefähr 2 µm. Die Spalte 119 zwischen benachbarten Elektroden 112 umfassen einen seitlichen Abstand l₂ von ungefähr 380 nm.
Wie zuvor erwähnt, kann eine Hinterschneidung nur zwischen zwei einander nahe liegenden Strukturen hinreichend geformt werden. Demnach können die äußersten Oberflächen der äußersten Fingerstrukturen nicht dazu in der Lage sein, eine Hinterschneidung bereitzustellen.
Zum Lösen des Problems, dass die äußersten Fingerstrukturen kein Hinterschneidungsprofil aufweisen, wurden Hilfsmerkmale hinzugefügt. Diese Hilfsmerkmale ermöglichen ein Trennen der Elektrodenbereiche und ihrer Bondstellen voneinander, um einen Kurzschluss zu vermeiden. Diese Hilfsmerkmale sind in 9 gezeigt.
9 zeigt einen Teil eines Interdigitalelektrodenarrays 900. Das Array 900 umfasst erste und zweite Elektrodenfingerstrukturen 112a, 112b, wobei die erste Elektrodenfingerstruktur 112a eine äußerste Fingerstruktur ist. In diesem Beispiel wurden drei zusätzliche Linien 901 von 1 µm (1 µm seitliche Breite und durch 1 µm voneinander getrennt) in der Gestaltung hinzugefügt, die das gesamte Elektrodenarray 900 (eine Elektrode plus die Verbindung und die Bondstelle) umgeben. Insbesondere liegen die Hilfsmerkmale 901 der äußersten Fingerstruktur 112a gegenüber.
Theoretisch würde nur ein Hilfsmerkmal 901 ausreichen, um das Elektrodenarray 900 von der Umgebung zu trennen. Dennoch wurden, um sicherzustellen, dass zwischen dem Außenumfang und dem Elektrodenarray 900 kein Kurzschluss erzeugt wird, zwei zusätzliche Linien von 1 µm hinzugefügt.
Die Größe der Hilfsmerkmale 901 hängt von dem gewünschten abgeschiedenen Material, z. B. der gewünschten dielektrischen Schicht ab. Wenn die Dicke einer SiO₂-Schicht größer als 700 nm ist, dann sollten der Abstand und die Merkmalsgröße der Hilfsmerkmale 901 so gewählt werden, dass sie größer als 1 µm aber nicht größer als 3 µm sind (besonders der Spalt zwischen den Strukturen sollte größer sein). Der große Abstand verhindert einen Kurzschluss der Hilfsmerkmale 901, da der Abstand zwischen den Hilfsmerkmalen 901 vor dem Verdampfungsschritt, d. h. nach dem Abscheidungsschritt, kleiner als 50 nm sein wird. Die Hilfsmerkmale 901 sollten nicht zu groß sein, da ansonsten der Abschattungseffekt nicht vorhanden ist und keine Hinterschneidung geformt wird.
Die Hilfsmerkmale 901 weisen außerdem eine zusätzliche Funktionalität auf. Die Fortführung der periodischen Fingerstruktur 112a, 112b des Arrays 900 mithilfe der Hilfsmerkmale 901 trägt dazu bei, die Verschiebung der Intensitätsverteilung zu überwinden, die sich aufgrund der Fresnel-Beugung ergibt.
Um an den äußersten Fingerstrukturen 112a eine bessere Einheitlichkeit der kritischen Abmessung (CD - critical dimension) zu erreichen, tragen die drei Hilfsmerkmale 901 zum Erhalten gleichmäßiger Intensitätsverteilungen für das gesamte Array 900 bei. Ein anwenderspezifisches Anpassen der äußersten Fingerstruktur 112a an der Maske wäre ebenso möglich, aber aufgrund der Tatsache, dass ein Spalt zwischen der Maske und dem Wafer während des Exponierens dominanter ist, ist es besser, sich dafür zu entscheiden, für alle Fingerstrukturen die gleichen Bedingungen zu schaffen.
Simulationen der äußeren Fingerstrukturen 112a sind in den 10A und 10B gezeigt. Das Diagramm 1000 aus 10A und das Diagramm 1010 aus 10B zeigen die Intensitätsverteilung gegenüber dem y-Abstand an der äußersten Fingerstruktur 112a des IDA-Muster-Arrays 900. Die unterschiedlichen Kurven stellen die Intensitätswerte für unterschiedliche Spaltabstände zwischen Maske und Wafer dar.
Das Diagramm 1000 aus 10A zeigt die Intensitätsverteilung eines Arrays, das Fingerstrukturen mit einer seitlichen Breite von ungefähr 500 nm und mit Spalten dazwischen umfasst, wobei die Spalte einen seitlichen Abstand von ungefähr 500 nm aufweisen. Die schwarzen Balken 1003 oben zeigen die Chrombereiche der Maske. Die unterschiedlichen Kurven in dem Diagramm 1000 zeigen den Einfluss durch Verändern des Spalts zwischen Maske und Wafer auf die Intensität.
Eine erste Kurve 1001 zeigt einen perfekten Kontakt zwischen Maske und Wafer (Spalt 0,0 µm). Eine zweite Linie 1002 zeigt einen Spalt von 0,1 µm und ist gegenüber der tatsächlichen Situation des Exponierens realistischer. Die schwarzen Balken 1003 oben zeigen die Chromschicht der Maske, wo das Licht während des Exponierens blockiert wird.
Durch Analysieren des Diagramms 1000, kann man an Linie 1002 (Spalt von ungefähr 0,1 µm) erkennen, dass die Intensitätsverteilung des äußersten ersten Fingers 112a 15 mJ/cm² höher ist als die des benachbarten (weiter innen liegenden) zweiten Fingers 112b. An Linie 1001 (Spalt von ungefähr 0,0 µm) kann man außerdem erkennen, dass die Intensitätsverteilung des äußersten ersten Fingers 112a sogar noch höher (60 mJ/cm²) ist.
Ferner ist die Intensität an den Rändern der nicht exponierten Sektoren 20 mJ/cm² höher als bei den Sektoren in dem Fingerarray. Dies führt zu einer Vergrößerung der CD von ungefähr 30 nm. Für Nano-IDA-Strukturen würde dieser Umstand zu einem Kurzschluss des äußeren Fingers führen.
10B zeigt ein Diagramm 1010 der Intensitätsverteilung mit Hilfsmerkmalen. Es ist erkennbar, dass eine homogene Intensitätsverteilung durch das Hinzufügen von drei Hilfsmerkmalen erreicht werden kann (zwei Merkmale weisen immer noch einige Intensitätsunterschiede auf).
Wie zuvor erwähnt, kann die seitliche Breite des Spalts, d. h. die Spaltbreite, zwischen oberen Abschnitten des abgeschiedenen Materials gesteuert werden, indem die Dicke des abgeschiedenen Materials verändert wird. Zum Beispiel, je dicker die Schicht abgeschiedenen Materials, desto schmaler wird die Spaltbreite.
Zum Herstellen einer kritischen Abmessung der Spaltbreite im Submikron- oder Nanometerbereich werden im Stand der Technik Lithographiemethoden verwendet. Solche herkömmlichen Verfahren stellen jedoch nicht die notwendige Linienbreitenrauigkeit (LWR) bereit, um Strukturen in dem Bereich von 100 Nanometer oder sogar weniger zu realisieren.
Gemäß der Erfindung weist die Ausgangsstruktur (z. B. durch eine Mask-Aligner-Lithographie und einen anschließenden Schritt für das Trockenätzen) bereits eine relativ hohe LWR von ungefähr 50 nm auf. Aufgrund der Tatsache, dass die Ausgangsstrukturen durch den Abscheidungsprozess, zum Beispiel einen Sputterprozess, weiter geglättet werden, kann eine bessere LWR für die Elektrodenstrukturen realisiert werden. Zum Beispiel weist eine anfängliche 520-nm-Struktur, die eine LWR von ungefähr 50 nm umfasst, nach dem Sputtern eine LWR von ungefähr 20 nm auf.
Die 11A, 11B und 11C zeigen REM-Aufnahmen eines Elektrodenarrays 900 und vergrößerte Einzelheiten des Elektrodenarrays 900.
Das Elektrodenarray 900, das in 11A gezeigt ist, umfasste erhöhte Regionen (nicht sichtbar) mit einer seitlichen Breite von ungefähr 520 nm und dazwischenliegende Spalte, wobei die Spalte einen seitlichen Abstand von ungefähr 520 nm aufweisen. Das Elektrodenarray 900 ist nach dem Abscheiden von 500 nm SiO₂ abgebildet. Infolgedessen wird ein nahezu defektfreier Bereich mit Spalten 119 mit einer Breite von 100 nm erreicht.
11B zeigt eine Detailansicht von zwei Linienenden. Da die 11A bis 11C eine Draufsicht zeigen, sind lediglich obere Abschnitte 111a, 111b des abgeschiedenen Materials 110 sowie ein Spalt 119 sichtbar, der zwischen benachbarten oberen Abschnitten 111a, 111b geformt wird.
11C zeigt eine weitere Nahaufnahme von einem Linienende. Es ist erkennbar, dass der Spalt 119, der zwischen benachbarten oberen Abschnitten 111a, 111b abgeschiedenen Materials 110 geformt ist, eine seitliche Breite von ungefähr 100 nm umfasst. Ferner ist die zuvor genannte Glättung der seitlichen Kanten aufgrund des Abscheidungsschritts erkennbar. Benachbarte Bereiche, d. h. die seitlichen Kanten 1120 und 1130 der benachbarten oberen Abschnitte 111a, 111b umfassen nach dem Abscheidungsschritt eine LWR von ungefähr 20 nm.
Nach dem Abscheiden des Materials wurde das Array 900 durch das Verdampfen von leitfähigem Elektrodenmaterial mit Elektroden ausgestattet. Nach dem Verdampfen wurde der Wafer mit einer endgültigen Dicke von 5 µm mit SU8-3005 aufgeschleudert. Das Soft-Bake wurde bei 95 °C 3 Minuten lang auf einer Wärmeplatte im Kontaktmodus durchgeführt. Anschließend wurde der Wafer 90 Sekunden lang auf einem Mask-Aligner in einem festen Kontaktmodus (i-line-Filter zum Beleuchten) exponiert. Die verwendete Maske definiert die Messbereiche und die Kontaktfelder. Nach dem Exponieren wurde ein Post-Exposure-Bake von 2 min bei 95 °C durchgeführt. Zum Entwickeln wurde PGMEA verwendet und 1 min reicht aus, um die nicht exponierten Bereiche aufzulösen. Das Spülen erfolgte mit IPA und Dl-Wasser. Die Kontakt- und Messbereiche werden definiert und eine On-Chip-Referenzelektrode wird durch Galvanisieren von Ag und AgCI (Referenz) hergestellt. Der letzte Schritt zum Bereitstellen eines Biosensors besteht darin, die einzelnen Chips mit einer Trennsäge oder einem Laser zu zerteilen.
Ferner wurde ein zusätzlicher Herstellungsprozess ohne Trockenätzen analysiert, was in 12 gezeigt ist. 12 zeigt einen REM-Querschnitt eines Photoresists SPR 9555 CM mit einer Dicke von 600 nm mit einer abgeschiedenen 400 nm dicken SiO₂-Schicht. Der Spalt l₁ zwischen dem Photoresist beträgt 870 nm bei einer Periode von 1,64 µm (1:1).
Anstatt des Übertragens des Musters der Photolithographie in das Siliziumsubstrat dient das Muster selbst als Ausgangsstruktur. Diese Herangehensweise ähnelt dem Prozessablaufplan für die Massenproduktion, bei dem ein Kunststoffsubstrat verwendet wird. Beide Verfahren enthalten temperaturempfindliche Materialien, die den Temperaturen während des Abscheidungs- und des Verdampfungsprozesses standhalten müssen. Nach dem Abscheidungsprozess wies der Photoresist keine Zerfallserscheinungen oder Verformungen des Profils auf und die Hinterschneidung wurde korrekt geformt. Die abgeschiedene SiO₂-Schicht schützt den darunterliegenden Photoresist in weiteren Prozessschritten (Verdampfungsschritt und Lithographieschritte zum Isolieren der Elektroden).
12 zeigt eine Elektrodenstruktur 100, die eine Ausgangsstruktur 101 umfasst. Die Ausgangsstruktur 101 umfasst zwei erhöhte Regionen 102a, 102b. Die erhöhten Regionen 102a, 102b umfassen den Photoresist SPR 9555 CM mit einer Dicke von 600 nm, wie zuvor erwähnt. Insbesondere können die erhöhten Regionen 102a, 102b aus der Photoresist-Struktur hergestellt werden, die auf das Substrat 104 aufgetragen wurde.
Zumindest obere Abschnitte 105a, 105b der zwei erhöhten Regionen 102a, 102b werden durch einen ersten seitlichen Abstand l₁ getrennt, der in diesem Beispiel 870 nm beträgt.
Material 110 wurde auf die erhöhten Strukturen 102a, 102b des Photoresists abgeschieden. Dementsprechend wird ein Spalt 119 zwischen benachbarten oberen Abschnitten 111a, 111b des abgeschiedenen Materials 110 geformt. Der Spalt umfasst eine zweite seitliche Breite l₂ von 352 nm.
In einem letzten Schritt werden Elektroden (nicht gezeigt) an den oberen Abschnitten 111a, 111b des abgeschiedenen Materials angebracht. Die Elektroden können durch das Verdampfen leitfähigen Materials angebracht werden.
Zusammenfassend werden die kritischen Strukturen bei herkömmlichen Herstellungsverfahren durch eine Photolithographie definiert. Gemäß der Erfindung wird die kritische Abmessung (Spalt zwischen den Elektroden) nicht vorrangig durch eine Photolithographie definiert, sondern durch einen genauen und leicht steuerbaren Abscheidungsprozess, wie das Sputtern oder Ähnliches. Die Dicke der abgeschiedenen Schicht (z. B. durch Sputtern) kann im Nanometerbereich (oder sogar weniger als ein Nanometer) gesteuert werden. Diese Tatsache ermöglicht ein sehr genaues Anpassen des Spalts zwischen den Elektroden.
Ferner, wie bereits erwähnt, wird der Abstand zwischen den Elektroden durch den Abscheidungsprozess definiert. Dies ermöglicht ein Verändern des Spalts ohne ein Ändern im Hinblick auf die Maskengestaltung, indem die Dicke der abgeschiedenen Schicht angepasst wird. Mit dem traditionellen Herstellungsverfahren, bei dem der Elektrodenspalt durch eine Photolithographie definiert wird, muss eine neue Maske gestaltet werden. Dadurch wird Zeit für das Gestalten benötigt und es ergeben sich Kosten für das Herstellen der Maske.
Ein anderer Vorteil dieses Herstellungsprozesses liegt im Beseitigen eines Abhebeprozesses. Der Abhebeprozess stellt einen der kritischen Schritte beim Herstellen von Nanoelektroden dar. Wenn ein Kurzschluss auftritt, dann wird er am wahrscheinlichsten in diesem Schritt erzeugt, weil ein Metallrest ungewollt abgeschieden wird und die Vorrichtung unbrauchbar wird. Indem der Abhebeprozess vollständig entfernt wird, wird kein Metallrest erzeugt und demnach kann es nicht zu einem Kurzschluss kommen.
Das erfindungsgemäße Verfahren ist eine Kombination aus dem Bereitstellen einer Ausgangsstruktur und zwei Abscheidungsprozessen. Die Ausgangsstruktur kann durch eine Lithographie oder eine beliebige andere Strukturierungsmethode bereitgestellt werden. Für die Massenproduktion kann die Ausgangsstruktur durch das Spritzgießen mit einem geeigneten Stempel hergestellt werden. Das Substratmaterial ist relativ unkritisch, d. h. es muss lediglich in einem Abscheidungsprozess eine Temperaturstabilität bereitstellen, wodurch Polymere als ein Substrat verwendet werden können. Der erste Abscheidungsprozess erfolgt in kurzen Abständen zwischen Substrat und Ziel, um das Hinterschneidungsprofil zu erzeugen. Das abgeschiedene Material kann ein Dielektrikum sein, um die Leitung zwischen den Elektroden zu verhindern. Der zweite Abscheidungsschritt ist ein Verdampfungsschritt, bei dem Substrat und Ziel eher in einem großen Abstand positioniert werden. Der Verdampfungsschritt wird verwendet, um die Elektroden zu formen.
SiO₂ wird in diesem Dokument lediglich als ein Beispiel erwähnt, d. h. das Bereitstellen oder Verwenden von SiO₂ für den Abscheidungsschritt ist nicht verpflichtend.
Obwohl einige Aspekte in dem Zusammenhang einer Apparatur beschrieben wurden, wird deutlich, dass diese Aspekte ebenso eine Beschreibung des zugehörigen Verfahrens darstellen, wobei ein Block oder eine Vorrichtung einem Verfahrensschritt oder einem Merkmal eines Verfahrensschritts entspricht. Dementsprechend stellen Aspekte, die in dem Zusammenhang eines Verfahrensschritts beschrieben werden, ebenso eine Beschreibung eines zugehörigen Blocks oder Teils oder Merkmals einer zugehörigen Apparatur dar.
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Claims

Verfahren zum Herstellen einer Elektrodenstruktur (100), wobei das Verfahren Folgendes umfasst: Bereitstellen einer Ausgangsstruktur (101), wobei die Ausgangsstruktur (101) mindestens zwei erhöhte Regionen (102a, 102b) umfasst, die sich von einem Substrat (104) aus erstrecken, wobei obere Abschnitte (105a, 105b) der zwei erhöhten Regionen (102a, 102b) durch einen ersten lateralen Abstand (l₁) getrennt sind, Abscheiden von Material (110) auf die erhöhten Regionen (102a, 102b) mittels Sputtern oder Verdampfen derart, dass benachbarte obere Abschnitte (111a, 111b) des abgeschiedenen Materials (110) durch einen zweiten lateralen Abstand (l₂) getrennt sind, der kleiner als der erste laterale Abstand (l₁) ist, und Anbringen von Elektroden (112) auf die oberen Abschnitte (111a, 111b) des Materials (110).
Das Verfahren gemäß Anspruch 1, bei dem das Material (110), das auf eine erhöhte Region (102a) abgeschieden wird, eine erste laterale Breite (W₁), die an die erhöhte Region (102a) angrenzt, und eine zweite laterale Breite (W₂), die von der erhöhten Region (102a) entfernt ist, umfasst, wobei die erste laterale Breite (W₁) kleiner ist als die zweite laterale Breite (W₂).
Das Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die erhöhten Regionen (102a, 102b) dauerhaft an der Ausgangsstruktur (101) aufrechterhalten werden.
Das Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem das abgeschiedene Material (110) ein Dielektrikum ist.
Das Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Elektroden (112) durch Verdampfen eines leitfähigen Materials auf die oberen Abschnitte (111a, 111b) des abgeschiedenen Materials (110) angebracht werden.
Das Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die erhöhten Regionen (102a, 102b) ein Seitenverhältnis der Breite zur Höhe von ungefähr 1:1 umfassen.
Das Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die oberen Abschnitte (105a, 105b) der erhöhten Regionen (102a, 102b) eine laterale Breite (X₁) von ungefähr 1 µm aufweisen und der erste laterale Abstand (l₁) zwischen den oberen Abschnitten (105a, 105b) der erhöhten Regionen (102a, 102b) ungefähr 1 µm beträgt.
Das Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6, bei dem der erste laterale Abstand (l₁) zwischen den erhöhten Regionen (102a, 102b) zwischen ungefähr 3 µm und ungefähr 1 µm, vorzugsweise zwischen ungefähr 1 µm und ungefähr 800 nm und weiter bevorzugt zwischen ungefähr 800 nm und 500 nm liegt.
Das Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Elektrodenstruktur (100) Elektroden (112a, 112b) umfasst, die durch einen Elektrodenspalt (129) getrennt sind, wobei der Elektrodenspalt (129) einen lateralen Abstand (l₅) umfasst, der kleiner als ungefähr 100 nm, vorzugsweise kleiner als ungefähr 50 nm ist und weiter bevorzugt zwischen ungefähr 50 nm und 20 nm liegt.
Das Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem das abgeschiedene Material (110) eine Dicke zwischen ungefähr 400 nm und ungefähr 700 nm umfasst.
Das Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Verfahren ein Bereitstellen einer Materialschicht umfasst, die zwischen den erhöhten Regionen (102a, 102b) und dem abgeschiedenen Material (110) angeordnet ist.
Das Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Ausgangsstruktur (101) durch Spritzgießen oder durch Heißprägen oder durch Nanoprägen oder durch Trockenätzen oder durch Nassätzen geformt wird.
Das Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem benachbarte Bereiche (1120, 1130) der oberen Abschnitte (111a, 111b) des abgeschiedenen Materials (110) eine Linienbreitenrauigkeit von ungefähr 20 nm bereitstellen.
Eine Elektrodenstruktur (100), die Folgendes umfasst: eine Ausgangsstruktur (101), wobei die Ausgangsstruktur (101) mindestens zwei erhöhte Regionen (102a, 102b) umfasst, die sich von einem Substrat (104) aus erstrecken, wobei obere Abschnitte (105a, 105b) der zwei erhöhten Regionen (102a, 102b) durch einen ersten lateralen Abstand (l₁) getrennt sind, ein Material (110), das mittels Sputtern oder Verdampfen auf die erhöhten Regionen (102a, 102b) abgeschieden ist, wobei benachbarte obere Abschnitte (111a, 111b) des Materials (110) durch einen zweiten lateralen Abstand (l₂) getrennt sind, der kleiner als der erste laterale Abstand (l₁) ist und Elektroden (112), die auf den oberen Abschnitten (111a, 111b) des Materials (110) angebracht sind.
Ein Biosensor-Chip, der die Elektrodenstruktur (100) nach Anspruch 14 umfasst.