DE102018107810A1

DE102018107810A1 - Transparenter Objektträger

Info

Publication number: DE102018107810A1
Application number: DE102018107810.2A
Authority: DE
Inventors: Heidemarie Schmidt; Ilona Skorupa; Katarzyna Wiesenhütter; Lars Rebohle
Original assignee: Helmholtz Zentrum Dresden Rossendorf eV
Current assignee: Helmholtz Zentrum Dresden Rossendorf eV
Priority date: 2018-04-03
Filing date: 2018-04-03
Publication date: 2019-10-10
Also published as: US20210024863A1; WO2019193030A1; US11912969B2

Abstract

Die Erfindung betrifft einen transparenten Objektträger. Die Aufgabe der Erfindung einen Objektträger anzugeben, an dem die Reichweite sowie die Stärke der oberflächennahen, elektrostatischen Kräfte, während eines Herstellungsprozesses des Objektträgers zu beeinflussen und einzustellen sind, wird durch einen transparenten Objektträger gelöst, welcher eine aufnahmeseitige Oberfläche und eine von der Aufnahmeseite abgewandte, also rückseitige Oberfläche ausweist und mindestens drei Schichten umfasst: eine elektrisch isolierende erste Schicht, eine auf der ersten Schicht angeordnete siliziumhaltige zweite Schicht sowie eine auf der zweiten Schicht angeordnete elektrisch isolierende dritte Schicht, wobei sich jeweils eine Grenzfläche zwischen der ersten und zweiten Schicht sowie zwischen der zweiten und dritten Schicht ausbildet, wobei die Grenzfläche zwischen der ersten und zweiten Schicht eine erste Flächenladungsdichte aufweist und die Grenzfläche zwischen der zweiten und dritten Schicht eine zweite Flächenladungsdichte aufweist, wobei die erste und zweite Flächenladungsdichte gleiche oder unterschiedliche Vorzeichen aufweisen und der Objektträger oberflächennahe, elektrostatischen Kräfte auf beiden Oberflächenseiten aufweist, deren Reichweite sowie Stärke während des Herstellungsprozesses zu beeinflussen und einzustellen sind.

Description

Die Erfindung betrifft einen transparenten Objektträger, der in der Biotechnologie und in einem Verfahren zur Impedanz-Messung eingesetzt werden kann.
Trägermaterialien auf Halbleiterbasis mit elektrisch aktiviertem Ladungsmuster als auch auf Basis von ferro- oder piezoelektrischen Materialien werden in der WO 2013/029609 A1 beschrieben. Diese Trägermaterialien werden für die Manipulation, Modifikation und die Bewegung elektrisch polarisierbarer Materialien mittels oberflächennaher, elektrostatischer Kräfte ausgenutzt. Das dem Stand der Technik zu Grunde liegende gemeinsame technische Merkmal ist die Ausnutzung oberflächennaher, elektrostatischer Kräfte, die durch das dotierte Halbleitermaterial oder durch die piezo- oder ferroelektrischen Materialien verursacht werden. Das Muster der oberflächennahen, elektrostatischen Kräfte wird durch das Muster der elektrisch aktivierten Dotier-Ionen in dem Halbleitermaterial vorgegeben. Bei dotierten Halbleitermaterialien mit optionaler Rückseitenelektrode genügen kleinste Spannungen, um die oberflächennahen, elektrostatischen Kräfte zu variieren oder zu minimieren. Die WO 2013/029609 A1 beschreibt, dass durch die optionale Verwendung einer isolierenden Deckschicht auf den Trägermaterialien die oberflächennahen, elektrostatischen Kräfte nicht durch die elektrisch polarisierbaren Biomaterialien, Polyelektrolytmaterialien, Atome, Ionen und Moleküle (kurz: epAIM) beeinflusst werden, selbst wenn diese in einem flüssigen Medium vorliegen.
Mit dem in der WO 2013/029609 A1 beschriebenen Trägermaterial kann die Reichweite der oberflächennahen, elektrostatischen Kräfte oberhalb des Trägermaterials nach dem Einbringen der elektrisch aktiven Ionen jedoch nicht weiter beeinflusst werden. Darüber hinaus ist das Trägermaterial nicht transparent für Licht im sichtbaren Spektralbereich, so dass eine Beobachtung der aufgrund der oberflächennahen, elektrostatischen Kräfte auf dem Trägermaterial adsorbierten Materialien nach heutigem Stand der Technik mittels Durchlichtmikroskopie nicht möglich ist. Weiterhin ist nachteilig, dass das Trägermaterial mechanisch starr und nicht elastisch formbar ist. Dadurch ist ein flexibler Einsatz in Produkten der Biotechnologie nicht möglich.
Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung einen Objektträger anzugeben, welcher die benannten Nachteile aus dem Stand der Technik nicht aufweist und an dem die Reichweite sowie die Stärke der oberflächennahen, elektrostatischen Kräfte, welche der Objektträger nach der Herstellung aufweist, variabel einzustellen und zu beeinflussen sind.
Die Aufgabe wird durch einen transparenten Objektträger gelöst, welcher eine aufnahmeseitige Oberfläche, geeignet für die Aufnahme eines Messobjektes, und eine von der Aufnahmeseite abgewandte, also rückseitige Oberfläche aufweist, und mindestens drei Schichten umfasst: eine elektrisch isolierende erste Schicht, eine auf der ersten Schicht angeordnete siliziumhaltige zweite Schicht sowie eine auf der zweiten Schicht angeordnete elektrisch isolierende dritte Schicht, wobei sich jeweils eine Grenzfläche zwischen der ersten und zweiten Schicht sowie zwischen der zweiten und dritten Schicht ausbildet, wobei die Grenzfläche zwischen der ersten und zweiten Schicht eine erste Flächenladungsdichte aufweist und die Grenzfläche zwischen der zweiten und dritten Schicht eine zweite Flächenladungsdichte aufweist, wobei die erste und zweite Flächenladungsdichte gleiche oder unterschiedliche Vorzeichen aufweisen und der Objektträger oberflächennahe, elektrostatische Kräfte auf beiden Oberflächenseiten aufweist, deren Reichweite sowie Stärke während des Herstellungsprozesses zu beeinflussen und einzustellen sind.
Unter einer aufnahmeseitigen Oberfläche des transparenten Objektträgers wird diejenige Oberfläche verstanden, die in Richtung eines zu untersuchenden Messobjekts gerichtet ist und beispielsweise geeignet ist, in direktem Kontakt mit dem Messobjekt zu stehen, bzw. vorgesehen und geeignet ist, ein Messobjekt aufzunehmen. Dementsprechend wird unter einer von der Aufnahmeseite abgewandten rückseitigen Oberfläche diejenige Oberfläche des transparenten Objektträgers verstanden, die nicht einem Messobjekt zugewandt ist und der Aufnahmeseite des Objektträgers gegenüberliegt, d.h. abgewandt ist.
Eine Flächenladungsdichte beschreibt die Ladungsverteilung in einer Grenzfläche. Je nachdem ob positive oder negative Ladungen vorliegen, sind für die Flächenladungsdichten positive oder negative Werte möglich. Liegen gleichnamige Ladungen für die erste und zweite Flächenladungsdichte vor, haben beide Flächenladungsdichten gleiche Vorzeichen, liegen ungleichnamige Ladungen für die erste und zweite Flächenladungsdichte vor, haben beide Flächenladungsdichten unterschiedliche Vorzeichen. Im Folgenden wird der absolute Wert der Flächenladungsdichte als Stärke der Flächenladungsdichte bezeichnet.
Der erfindungsgemäße Objektträger ist transparent und kann optional flexibel verformbar ausgebildet sein. Es kann z.B. vorgesehen sein, dass der Objektträger derart transparent ausgebildet ist, dass er einen Transmissionsgrad größer als 5% im Spektralbereich mit Wellenlängen größer als 200 nm, mit einem Transmissionsgrad größer als 10% im Spektralbereich mit Wellenlängen größer als 350 nm und mit einem Transmissionsgrad größer als 15% im Spektralbereich mit Wellenlängen größer als 400 nm aufweist. Eine Glasfolie kann beispielsweise die elektrisch isolierende dritte Schicht sein oder unter der elektrisch isolierenden dritten Schicht zum Einsatz kommen.
Aufgrund der Transparenz können mit diesem Objektträger elektrisch polarisierbare Materialien mittels Durchlichtmikroskopie beobachtet werden. Die Transparenz wird durch die Verwendung der mindestens drei dünnen Schichten, nämlich der elektrisch isolierenden ersten Schicht, der siliziumhaltigen zweiten Schicht und der elektrisch isolierenden dritten Schicht erreicht. Unter einer dünnen Schicht wird im Sinne dieser Erfindung eine Schichtdicke von kleiner als 1 µm verstanden.
Nach den Gesetzen der Optik in Festkörpern ist die Wahrscheinlichkeit der Absorption des Lichtes pro Wegeinheit in einem absorbierenden, homogenen Halbleiter bei niedrigen Energien in jeder Eindringtiefe gleich. Dann gilt ein exponentielles Gesetz, das Bouguer-Lambertsche Gesetz, welches besagt, dass die ursprüngliche Lichtintensität I₀ nach Durchlaufen der Schichtdicke d noch die vorhandene Lichtintensität I(d): $I (d) {/I}_{0} = e^{- (μ d)}$
aufweist, wobei µ der Absorptionskoeffizient ist und von den Eigenschaften des absorbierenden Materials abhängt. Der Kehrwert des Absorptionskoeffizienten ist die Eindringtiefe.
Nach den Gesetzen der Störstellen in Festkörpern ist die Reichweite der oberflächennahen, elektrostatischen Kräfte oberhalb eines Halbleitermaterials maximal so groß wie die Ausdehnung d_DL der oberflächennahen Raumladungszone im Halbleiter. Vorliegend kann für den Fall, dass die Raumladungszone an der Grenzfläche zwischen erster und zweiter Schicht nicht mit der Raumladungszone an der Grenzfläche zwischen zweiter und dritter Schicht überlappt, die Reichweite der elektrostatischen Kräfte an der aufnahmeseitigen Oberfläche des Objektträgers mit der Ausdehnung d_DL,top der Raumladungszone an der Grenzfläche zwischen zweiter und dritter Schicht gleichgesetzt werden und die Reichweite der elektrostatischen Kräfte an der abgewandten rückseitigen Oberfläche des Objektträgers kann mit der Ausdehnung d_DL,bottom der Raumladungszone an der Grenzfläche zwischen erster und zweiter Schicht gleichgesetzt werden.
Zusammenfassend hängt die Stärke der oberflächennahen elektrostatischen Kräfte im Wesentlichen zum einen von dem Abstand der Grenzflächen zwischen der ersten und zweiten Schicht und der zweiten und dritten Schicht zueinander ab, zum anderen auch von den Flächenladungsdichten an der jeweiligen Grenzfläche sowie der Dotierung des siliziumhaltigen Materials, aus welchem die siliziumhaltige zweite Schicht gebildet ist. Dabei wird unter einer siliziumhaltigen Schicht eine Schicht verstanden, die einen Anteil von mindestens 1 at.% (Atomprozent) Silizium aufweist.
In vorteilhaften Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Objektträgers ist die Stärke der ersten Flächenladungsdichte größer als die Stärke der zweiten Flächenladungsdichte, oder die Stärke der ersten Flächenladungsdichte ist kleiner als die Stärke der zweiten Flächenladungsdichte oder die Stärke der ersten Flächenladungsdichte und die Stärke der zweiten Flächenladungsdichte sind gleich groß. Damit kann die Stärke und Reichweite der oberflächennahen, elektrostatischen Kräfte auf der aufnahmeseitigen Oberfläche des transparenten Objektträgers und auf der rückseitigen Oberfläche des Objektträgers eingestellt werden.
Die siliziumhaltige Schicht stellt eine Quelle für während des Herstellungsprozesses lokal einstellbare, oberflächennahe, elektrostatische Kräfte dar, durch die elektrisch polarisierbare Materialien adsorbiert und/oder desorbiert werden können. Durch die Wahl der Spezies (Elektronen oder Löcher) und/oder Konzentration der Majoritätsladungsträger in der lokal dotierten siliziumhaltigen Schicht wird die Richtung und Stärke der oberflächennahen, elektrostatischen Kräfte an der Oberfläche des transparenten Objektträgers eingestellt.
Die Flächenladungsdichte zwischen der elektrisch isolierenden ersten Schicht und der die Dotier-Ionen verschiedener Spezies, beispielsweise Phosphor oder Bor, enthaltenden siliziumhaltigen zweiten Schicht sowie die Flächenladungsdichte zwischen der elektrisch isolierenden dritten Schicht und der die Dotier-Ionen enthaltenden siliziumhaltigen zweiten Schicht verursachen die oberflächennahen, elektrostatische Kräfte sowohl auf der aufnahmeseitigen Oberfläche des Objektträgers als auch auf der von der Aufnahmeseite abgewandten rückseitigen Oberfläche des erfindungsgemäßen transparenten Objektträgers mit unterschiedlicher Reichweite. Die Dicken d_ISO,top und d_ISO,bottom der elektrisch isolierenden ersten und dritten, Schicht bestimmen ebenfalls die Stärke der oberflächennahen, elektrostatischen Kräfte. Typischerweise hängt die Stärke, Richtung und Reichweite des elektrischen Feldes vom Muster der Grenzflächenzustände ab und kann während der Herstellung des transparenten Objektträgers modifiziert werden. Die Reichweite der elektrostatischen Kräfte beträgt entsprechend der Gleichsetzung zu der Ausdehnung d_DL,bottom der Raumladungszone an der Grenzfläche zwischen erster und zweiter Schicht auf der rückseitigen Oberfläche und zu der Ausdehnung d_DL,top der Raumladungszone an der Grenzfläche zwischen zweiter und dritter Schicht auf der aufnahmeseitigen Oberfläche des Objektträgers zwischen 1 nm und 2000 nm und ist entsprechend der Gleichsetzung zu der Ausdehnung der Raumladungszone höchstens gleich der Dicke des Objektträgers.
D.h. die Reichweite der oberflächennahen, elektrostatischen Kräfte wird durch die Modifikation der Flächenladungsdichten in mindestens einer der beiden Grenzflächen, entweder zwischen der rückseitigen elektrisch isolierenden ersten Schicht und der siliziumhaltigen zweiten Schicht oder der aufnahmeseitigen elektrisch isolierenden dritten Schicht und der siliziumhaltigen zweiten Schicht, eingestellt.
Im Allgemeinen kann eine dünne Schicht oder können mehrere dünne Schichten verschiedener Materialien mittels geeigneter Herstellungsverfahren auf einem transparenten Substrat oder einem Träger abgeschieden werden. Dabei können Herstellungsverfahren wie beispielsweise die physikalische Gasphasenabscheidung (PVD), die physikalische Kathodenzerstäubung und die chemische Gasphasenabscheidung (CVD) zum Einsatz kommen, wobei diese Verfahren in einer Vielzahl von verschiedenen Ausführungen zum Einsatz kommen können, beispielsweise als gepulste Laserdeposition (PLD), Sputtern, Elektronenstrahlverdampfen, Molekularstrahl-Epitaxie, plasmaunterstützte chemische Gasphasenabscheidung (PECVD), und andere Verfahren. Ein Substrat kann entweder als Träger während der Herstellung des transparenten Objektträgers genutzt werden, welches danach entfernt wird, oder es kann zur Stabilisation an dem transparenten Objektträger auf der von der Aufnahmeseite abgewandten rückseitigen Oberfläche des Objektträgers verbleiben. Allerdings sollte das Substrat dann ebenfalls transparent sein.
Im Allgemeinen kann eine elektrisch isolierende dünne Schicht auf einem transparenten Substrat abgeschieden werden. Im Allgemeinen kann eine Halbleiterschicht verschiedener Dicke auf einer elektrisch isolierenden dünnen Schicht abgeschieden werden, wobei in die Halbleiterschicht während der Schichtabscheidung und/oder nach der Schichtabscheidung mittels Ionenimplantation ein Ladungsmuster eingebracht werden kann. In der dünnen Halbleiterschicht bilden sich zwei Grenzflächen mit sogenannten Raumladungszonen aus. Erfindungsgemäß bildet sich an der Grenzfläche zwischen der elektrisch isolierenden, ersten Schicht und der siliziumhaltigen zweiten Schicht und zwischen der elektrisch isolierenden dritten Schicht und der siliziumhaltigen zweiten Schicht jeweils zum einen eine von der aufnahmeseitigen Oberfläche des Objektträgers abgewandte Raumladungszone, zum anderen eine der aufnahmeseitigen Oberfläche zugewandte Raumladungszone aus, wobei die Raumladungszonen jeweils eine Dicke von 1nm bis 2000nm, bevorzugt von 10nm bis 500nm aufweisen.
In einer weiteren Ausgestaltung des erfindungsgemäßen transparenten Objektträgers weisen die oberflächennahen, elektrostatischen Kräfte auf der aufnahmeseitigen Oberfläche und die oberflächennahen, elektrostatischen Kräfte auf der rückseitigen Oberfläche des Objektträgers in die gleiche Richtung, wobei die Reichweite der oberflächennahen, elektrostatischen Kräfte durch das Verhältnis einer Gesamtdicke der siliziumhaltigen zweiten Schicht zur Summe der Ausdehnung der Raumladungszone an der Grenzfläche zwischen der rückseitigen elektrisch isolierenden ersten Schicht und der siliziumhaltigen zweiten Schicht und der Ausdehnung der Raumladungszone an der Grenzfläche zwischen der der Aufnahmeseite zugewandten elektrisch isolierenden dritten Schicht und der siliziumhaltigen zweiten Schicht eingestellt wird, so dass die Reichweite der oberflächennahen, elektrostatischen Kräfte auf der aufnahmeseitigen Oberfläche und der rückseitigen Oberfläche des Objektträgers vergleichsweise so groß ist wie die Ausdehnung der Summe beider Raumladungszonen. Das hat den besonderen Vorteil, dass im Gegensatz zum Stand der Technik, die oberflächennahen, elektrostatischen Kräfte mittels zweier Grenzflächen und Flächenladungsdichten verstärkt bzw. variiert werden können. Bisher wurden nur nicht-transparente siliziumhaltige Träger verwendet, wobei sich die ausbildenden oberflächennahen, elektrostatischen Kräfte zwar auf beiden Seiten der siliziumhalten Schicht hätten ausbilden können, sich aber nicht auf der aufnahmeseitigen Oberfläche und der rückseitigen Oberfläche des Objektträgers überlagern konnten, da die Gesamtdicke des Objektträgers größer als die Summe beider Raumladungszonen war und dies verhinderte.
Die Dicke der siliziumhaltigen zweiten Schicht des erfindungsgemäßen Objektträgers beträgt höchstens 5 µm und weist für diese Dicke der siliziumhaltigen zweiten Schicht einen Transmissionsgrad von mehr als 80 % im IR-Spektralbereich auf. Die Dicke des Objektträgers ist so ausgeprägt, dass er im Nahen Infrarot transparent mit einem Transmissionsgrad von fast 100% ist. Vorzugsweise ist die Dicke des Objektträgers kleiner als 1 mm, bevorzugt kleiner als 100 µm und besonders bevorzugt kleiner als 10 µm. Ist die Dicke des Objektträgers kleiner als 10 µm, so ist der Transmissionsgrad im Spektralbereich mit Wellenlängen größer als 200 nm größer als 5%, im Spektralbereich mit Wellenlängen größer als 350 nm größer als 10% und im Spektralbereich mit Wellenlängen größer als 400 nm größer als 15%. Optional ist der Objektträger flexibel verformbar ausgebildet. Die Glasfolie kann beispielsweise die elektrisch isolierende erste Schicht sein oder unter der elektrisch isolierenden ersten Schicht zum Einsatz kommen.
Die Dicke der siliziumhaltigen Schicht hat auch einen Einfluss auf die Wechselwirkung der oberflächennahen, elektrostatischen Kräfte auf beiden Seiten des Objektträgers, die durch die Grenzflächen und die dazugehörigen Flächenladungsdichten entstehen. Dabei ist zu beachten, dass wenn die Dicke der siliziumhaltige Schicht größer als die Ausdehnung der beiden Raumladungszonen ist, die sich an den jeweiligen Grenzflächen der ersten und zweiten Schicht und zweiten und dritten Schicht ausbilden, nur die der aufnahmeseitigen Oberfläche des Objektträgers zugewandte Raumladungszone und die der aufnahmeseitigen Oberfläche des Objektträgers zugewandte Flächenladungsdichte die oberflächennahen, elektrostatischen Kräfte beeinflussen. Ist die Dicke der siliziumhaltigen zweiten Schicht gleich oder kleiner als die Ausdehnung der beiden Raumladungszonen, beeinflusst sowohl die der aufnahmeseitigen Oberfläche des Objektträgers zugewandte als auch die der aufnahmeseitigen Oberfläche abgewandte rückseitige Raumladungszone und die jeweiligen Flächenladungsdichten die oberflächennahen, elektrostatischen Kräfte auf der aufnahmeseitigen Oberfläche des transparenten Objektträgers. Das hat den Vorteil, dass die Reichweite der oberflächennahen, elektrostatischen Kräfte noch erhöht werden kann.
Im Allgemeinen kann eine Halbleiterschicht auf einem transparenten Substrat sowohl vor dem Einbringen des Ladungsmusters als auch nach dem Einbringen des Ladungsmusters thermisch mittels gepulster Laserstrahlung und/oder mittels Blitzlampenausheilung derart behandelt werden, dass die kristalline Struktur der Halbleiterschicht mit oder ohne Ladungsmuster verändert wird, so dass die dünne Halbleiterschicht elektrisch aktiviert wird. Die Aktivierung der elektrisch aktiven Dotier-Ionen in der Halbleiterschicht erfolgt typischerweise nur einmalig nach der Schichtabscheidung. Dagegen hängt die Dichte der Grenzflächenzustände, also die Flächenladungsdichten, hochempfindlich von der Behandlung des Objektträgers am Ort der Grenzfläche zwischen dünner siliziumhaltiger zweiter Schicht und rückseitiger elektrisch isolierender erster Schicht sowie am Ort der Grenzfläche zwischen dünner siliziumhaltiger zweiter Schicht und aufnahmeseitiger elektrisch isolierender dritter Schicht ab. Die Flächenladungsdichten liegen vorteilhaft im Bereich 10¹² bis 10²⁰ e/cm².
In einer bevorzugten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen transparenten Objektträgers ist auf der aufnahmeseitigen Oberfläche und/oder auf der rückseitigen Oberfläche des transparenten Objektträgers eine elektrisch leitfähige Schicht, insbesondere eine Elektrode ausgebildet. Unter einer elektrisch leitfähigen Schicht wird im Sinne dieser Erfindung eine Fläche oder werden Flächen verstanden, die zur Kontaktierung des Objektträgers für dessen Einsatz in der Biotechnologie verwendet werden.
In einer weiteren besonders bevorzugten Ausgestaltung ist die elektrisch leitfähige Schicht abschnittsweise oder vollständig transparent ausgebildet, wobei die elektrisch leitfähige Schicht, also insbesondere die Ausbildung als Elektrode als Abschirmung der oberflächennahen elektrostatischen Kräfte und/oder zur Kontaktierung ausgebildet ist. Durch die Ausgestaltung bzw. Strukturierung der elektrisch leitfähigen Schicht kann der Objektträger für dessen Einsatzbereich ausgestaltet und angepasst werden.
Im Allgemeinen kann eine elektrisch leitfähige, dünne Schicht auf einer elektrisch isolierenden, dünnen Schicht abgeschieden werden. Mittels Lithographie-Verfahren wie beispielsweise Elektronenstrahl-Lithographie und/oder Photo-Lithographie können elektrisch leitende, dünne Schichten strukturiert werden.
In einer bevorzugten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen transparenten Objektträgers weist die Grenzfläche zwischen der ersten und zweiten Schicht und/oder zwischen der zweiten und dritten Schicht jeweils ein Grenzflächenzustandsmuster auf, das durch eine räumlich/örtlich variierende Flächenladungsdichte in der jeweiligen Grenzfläche gebildet wird. Die Flächenladungsdichte, deren Dichte bzw. Betrag in der Grenzfläche variieren kann, wird auch als Ladungsmuster bezeichnet.
Die in die Grenzfläche eingebrachten oder in derselben generierten aktiven Störstellen bilden das Ladungsmuster, d.h. unterschiedliche Dichten von Grenzflächenladungen bilden ein Muster in dem erfindungsgemäßen transparenten Objektträger. Das Muster der Flächenladungsdichten kann in mindestens einer der beiden Grenzflächen während der Herstellung der siliziumhaltigen zweiten Schicht gebildet oder modifiziert werden. Die Grenzflächenzustände und die ionisierten Dotier-Ionen in der Raumladungszone der siliziumhaltigen zweiten Schicht erzeugen die wirkenden elektrostatischen Kräfte. Diese Kräfte werden am Ort der elektrisch leitfähigen Schichten zur Umgebung hin abgeschirmt. D.h. die zumindest abschnittsweise transparenten Bereiche der aufgebrachten elektrisch leitfähigen Schicht wirken zum einen als Abschirmung der elektrostatischen Kräfte, zum anderen werden sie als elektrisch leitende Kontakte genutzt.
Daher kann der erfindungsgemäße transparente Objektträger in einer Ausgestaltung zum Messen einer elektrisch-kapazitiven Impedanz verwendet werden. Eine Modellierung der elektrisch-kapazitiven Impedanz liefert Aussagen zum Einfluss der Anhaftung von Material im Bereich der Kontakte über den modellierten Kontaktwiderstand Rs. Die elektrische Impedanz kann in-situ, beispielsweise im Inkubator gemessen und zur störungsfreien Beobachtung, beispielsweise des Anhaftens von biologischen Materialien im Bereich der Kontakte an der objektseitigen Oberfläche des transparenten Objektträgers, verwendet werden.
Zur Beleuchtung eines Objektes, das durch die elektrostatischen Kräfte adsorbiert wurde, kann an der Rückseite, d.h. der von der aufnahmeseitigen Oberfläche abgewandten, rückseitigen Oberfläche des Objektträgers, ein optisches Mikroskop angeordnet werden, um das Objekt zu beobachten. Das zur Beleuchtung verwendete Licht kann polarisiert sein. Das optische Mikroskop, beispielsweise ein Polarisationsmikroskop, kann polarisiertes Licht für die Beleuchtung des Objektes verwenden und detektieren. Das optische Mikroskop, beispielsweise ein Laserraster-Mikroskop, kann Laserlicht für die Beleuchtung des Objektes verwenden und detektieren. Die Auflösungsgrenze optischer Mikroskope, d.h. der Abstand d, den zwei Punkte mindestens haben müssen, um noch als getrennte Punkte wahrgenommen werden zu können, beträgt d=λ/NA_Objektiv. Hierbei ist λ die Wellenlänge des für die Beleuchtung verwendeten Lichtes und NA_Objektiv die numerische Apertur des Objektivs des verwendeten Mikroskops. Die Auflösungsgrenze optischer Mikroskope beispielsweise von Immersionsmikroskopen, wird durch Einbringen einer Flüssigkeit zwischen dem Objekt und dem Objektiv des Mikroskops erhöht.
In einer weiteren Ausgestaltung des erfindungsgemäßen transparenten Objektträgers weist der transparente Objektträger mindestens zwei Abschnitte auf, die eine Polarisation einer auf den Objektträger auftreffenden Strahlung unterschiedlich beeinflussen. Das ist vorteilhaft, weil damit das Auflösungsvermögen in der Mikroskopie verbessert werden kann.
Besonders vorteilhaft ist, wenn der erfindungsgemäße transparente Objektträger als Bodenplatte einer Mikrotiterplatte ausgebildet ist, oder als Bodenplatte eines Mikrogrids ausgebildet ist, oder als eine Petrischale ausgebildet ist, oder als ein Mikroskopierplättchen ausgebildet ist. Die genauen Abmessungen (Länge×Breite×Höhe) der Mikrotiterplatten können z.B. gemäß ANSI-Standard 127,76 mm×85,48 mm×14,35 mm betragen. Anstelle einer bodenlosen Mikrotiterplatte kann auch ein Mikrogrid, beispielsweise ein 10x20 Mikrogrid der Kantenlänge von 100-200 µm, verwendet werden. Petrischalen sind flache, runde, durchsichtige Schalen mit übergreifendem Deckel. Petrischalen werden in verschiedenen Größen aus Laborglas und Kunststoff hergestellt. Häufig verwendete Außendurchmesser sind 50 und 92 bis 93 mm (= 90 mm Innendurchmesser) bei 15 mm Höhe. Im einfachsten Fall bildet der transparente Objektträger ein Mikroskopierplättchen, welches in der Mikroskopie eingesetzt wird.
Es ist ebenfalls besonders vorteilhalft, wenn der erfindungsgemäße transparente Objektträger flexibel ausgebildet ist und ausgebildet ist zum Auskleiden von Zellkulturflaschen. Zellkulturflaschen sind in der Biotechnologie weit verbreitet.
Die Erfindung soll nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert werden.
Die Abbildungen zeigen

1 Transparenter Objektträger mit Ladungsmuster im n-Si-Halbleiter und verschiedenen Dicken der Si-Halbleiterschicht;
2 Transparenter Objektträger mit Ladungsmuster im n-Si-Halbleiter und Modifikation der Flächenladungsdichten;
3 Transparenter Objektträger mit Ladungsmuster im p-Si-Halbleiter und verschiedenen Dicken der Si-Halbleiterschicht;
4 Transparenter Objektträger mit Ladungsmuster im p-Halbleiter und Modifikation der Flächenladungsdichten;
5 Transparenter Objektträger mit elektrisch leitfähigen Schichten und Ladungsmuster im n- und p-Si-Halbleiter;
6 Transparenter Objektträger mit als Elektroden ausgebildeten elektrisch-leitfähigen Schichten und Ladungsmuster im n- und p-Si-Halbleiter;
7 Verwendung des erfindungsgemäßen transparenten Objektträgers als Bodenplatte für bodenlose Mikrotiterplatte oder bodenloses Mikrogrid;
8 Verwendung des erfindungsgemäßen transparenten Objektträgers in einer Petrischale;
9 Verwendung des erfindungsgemäßen transparenten Objektträgers als Mikroskopierplättchen;
10 Verwendung des erfindungsgemäßen transparenten Objektträgers in einer Zellkulturflasche;
11 Elektrisch-kapazitive Impedanz-Messung bei einem n-Si-Halbleiter;
12 Elektrisch-kapazitive Impedanz-Messung bei einem p-Si-Halbleiter.

1 zeigt den erfindungsgemäßen transparenten Objektträger 1 mit Ladungsmuster im n-Si-Halbleiter und verschiedenen Dicken der siliziumhaltigen Schicht 2. In 1A ist die Dicke der siliziumhaltigen zweiten Schicht 2 d_total wesentlich größer als die ausgebildeten Raumladungszonen d_DL,top und d_DL,bottom zusammen, wohingegen in 1B die Dicke der siliziumhaltigen zweiten Schicht 2 gleich der Dicke der beiden Raumladungszonen ist, bzw. in 1C ist die Dicke d_total wesentlich kleiner als die Dicke der beiden Raumladungszonen. 3 zeigt denselben Sachverhalt für einen p-Si-Halbleiter als siliziumhaltige zweite Schicht 2. Durch das Verhältnis einer Gesamtdicke der siliziumhaltigen zweiten Schicht 2 und einer Dicke der jeweiligen Raumladungszone zwischen der rückseitigen d_DL,bottom und/oder aufnahmeseitigen d_DL,top elektrisch isolierenden ersten 4 bzw. dritten Schicht 3 und der siliziumhaltigen zweiten Schicht 2 kann die Reichweite der elektrostatischen Kräfte eingestellt werden. Die Dicke der siliziumhaltigen zweiten Schicht 2, die etwa 1µm beträgt, wenn sie für Strahlung im sichtbaren bis infraroten Wellenlängenbereich transparent sein soll, kann größer sein als die Ausdehnung der beiden Raumladungszonen d_DL,top und d_DL,bottom . In diesem Fall beeinflussen nur die jeweilige Raumladungszone und die Flächenladungsdichte die oberflächennahen, elektrostatischen Kräfte der jeweiligen Oberfläche des Objektträgers 1. Die Dicke der siliziumhaltigen zweiten Schicht 2 kann auch gleich oder kleiner sein als die Ausdehnung der beiden Raumladungszonen d_DL,top und d_DL,bottom . In diesen Fällen beeinflussen sowohl die aufnahmeseitige d_DL,top und die rückseitige d_DL,bottom Raumladungszone als auch die aufnahmeseitige und rückseitige Flächenladungsdichten die oberflächennahen, elektrostatischen Kräfte auf der aufnahmeseitigen Oberfläche 12 des Objektträgers 1. Das hat den entscheidenden Vorteil, dass die Reichweite der oberflächennahen, elektrostatischen Kräfte weiter erhöht werden kann.
Der transparente Objektträger 1 kann wahlweise auf einem flexiblen oder starren, transparenten oder opaken Substrat 11 aufgebracht sein, beispielhaft gezeigt in 1. Das Substrat 11 stellt somit einen Träger für den transparenten Objektträger 1 dar. Das ist auch für die Ausführungsbeispiele in den folgenden Figuren möglich, wobei das Substrat 11 aus Gründen der Übersichtlichkeit teilweise weggelassen wurde.
2 zeigt den erfindungsgemäße transparenten Objektträger 1 mit Ladungsmuster im n-Si-Halbleiter mit einer Modifikation der Grenzflächenzustandsdichten, auch Flächenladungsdichten. Je höher die Zustandsdichten an der Grenzfläche zwischen elektrisch isolierender, erster Schicht 4 und siliziumhaltiger zweiter Schicht 2 bzw. elektrisch isolierender, dritter Schicht 3 und siliziumhaltiger zweiter Schicht 2 sind, desto größer sind auch die sich ausbildenden oberflächennahen, elektrostatischen Kräfte. Bei einem n-Si-Halbleiter wirken die Kräfte anziehend und bei einem p-Si-Halbleiter abstoßend (Kraftpfeilrichtung). 4 zeigt diesen Sachverhalt für einen p-Halbleiter.
5 zeigt den transparenten Objektträger 1 mit elektrisch leitfähigen Schichten und Ladungsmuster im n- und p-Si-Halbleiter. Durch die leitfähige Schicht 5, 6 werden die elektrostatischen Kräfte abgeschirmt.
Durch eine Strukturierung dieser elektrisch leitfähigen Schichten 5, 6, beispielsweise mittels Lithographie-Verfahren z.B. Elektronenstrahl-Lithographie und/oder Photo-Lithographie können die elektrisch leitfähigen Schichten 5, 6 auch als Kontakte genutzt werden, wie es in 6 gezeigt ist. Daher kann der erfindungsgemäße transparente Objektträger 1 in einer Ausgestaltung zum Messen einer elektrisch-kapazitiven Impedanz verwendet werden. Eine Modellierung der elektrisch-kapazitiven Impedanz liefert Aussagen zum Einfluss der Anhaftung von Material im Bereich strukturierter Kontakte über den modellierten Kontaktwiderstand Rs. Im Gegensatz zu Lichtmikroskopen, die zwar eine Standardmethode bei der Untersuchung von biologischen Materialien darstellen, bietet die elektrisch-kapazitive Impedanz-Messung mit dem erfindungsgemäßen Objektträger und den integrierten strukturierten Elektroden den Vorteil, dass dieser Aufbau besonders für Langzeit-Untersuchungen geeignet ist, es keine Einschränkungen hinsichtlich Sterilisation, Inkubation und Einfrieren gibt und dass das biologische Material nicht beleuchtet werden muss. Die elektrische Impedanz kann in-situ, beispielsweise im Inkubator gemessen und zur störungsfreien Beobachtung, beispielsweise des Anhaftens von biologischen Materialien im Bereich strukturierter Kontakte an der aufnahmeseitigen Oberfläche des transparenten Objektträgers, verwendet werden. Die 11 und 12 zeigen die Anwendung in einer elektrisch-kapazitiven Impedanz-Messung mit unterschiedlich strukturierten elektrisch leitfähigen Schichten 5, 6, die als Kontaktflächen ausgebildet sind. Die Kontaktflächen können beispielsweise kreisförmig, ringförmig oder als geteilte Ringelektroden ausgebildet sein. Das hat den Vorteil, dass damit die Sensitivität der Gesamtimpedanz in Anhängigkeit von der Belegung der Elektroden mit Material einstellt werden kann.
7 zeigt ein besonderes Ausführungsbeispiel, bei dem der erfindungsgemäße Objektträger 1 als Bodenplatte für bodenlose Mikrotiterplatte 14 oder für ein bodenloses Mikrogrid verwendet wird. Das ist besonders vorteilhaft, weil auf dem transparenten Objektträger 1 die zu untersuchenden Materialien anhaften können und durch die gegebene Transparenz beispielsweise mittels eines Durchlichtmikroskops untersucht werden können. Bei der Verwendung des transparenten Objektträgers 1 in einem Mikrogrid können die Bereiche, an denen die zu untersuchenden Materialien anhaften, mittels frei wahlbarer Wände, die das sogenannte Mikrogrid (welches aus sogenannten einzelnen wells 10 besteht) bilden, voneinander getrennt werden. Diese Wände 10 können z.B. aus Silikon hergestellt werden.
Ebenso besondere Anwendungsbeispiele zeigen 8 und 9, bei dem der erfindungsgemäße Objektträger 1 in einer oder als Petrischale 7 oder als Aufsatz für einen Objektträger verwendet wird bzw. derart ausgebildet ist.
Durch die Flexibilität des erfindungsgemäßen transparenten Objektträgers 1 kann dieser auch in einer Zellkulturflasche 9 verwendet werden. Die ist schematisch in 10 dargestellt.
Bezugszeichenliste

1: transparenter Objektträger
2: siliziumhaltige zweite Schicht der Dicke d_total
3: elektrisch isolierende dritte Schicht der Dicke d_ISO,top
4: elektrisch isolierende erste Schicht der Dicke d_ISO,bottom
5: an die dritte Schicht grenzende elektrisch leitfähige Schicht der Dicke d_MET,top
6: an die erste Schicht grenzende elektrisch leitfähige Schicht der Dicke d_MET,bottom
7: Petrischale
8: Objektträger
9: Zellkulturflasche
10: Wand eines Untersuchungsbereichs, eines sogenannten wells
11: transparentes Substrat
12: aufnahmeseitige Oberfläche des Objektträgers
13: rückseitige Oberfläche des Objektträgers
14: Bodenplatte einer Mikrotiterplatte
ES: Elektrisch aktive Störstelle, Dotand im Halbleiter
ML: Majoritätsladung, welche eine elektrisch aktive Störstelle abschirmt
GL: Majoritätsladung, welche einen Grenzflächenzustand besetzt
DLtop: Raumladungszone an der Grenzfläche zwischen der elektrisch isolierenden, ersten Schicht und der siliziumhaltigen zweiten Schicht der Dicke d_DL,top
DLbottom: Raumladungszone an der Grenzfläche zwischen der elektrisch isolierenden, dritten Schicht und der siliziumhaltigen zweiten Schicht der Dicke d_DL,bottom
DNL: Bereich in der siliziumhaltigen Schicht, in welchem sich keine Raumladungszone ausbildet, der Dicke d_DNL

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

WO 2013/029609 A1 [0002, 0003]

Claims

Transparenter Objektträger (1), welcher eine zur Aufnahme eines Messobjektes vorgesehene aufnahmeseitige Oberfläche (12) und eine von der Aufnahmeseite abgewandte rückseitige Oberfläche (13) aufweist und mindestens drei Schichten umfasst: eine elektrisch isolierende erste Schicht (4), eine auf der ersten Schicht angeordnete siliziumhaltige zweite Schicht (2) sowie eine auf der zweiten Schicht angeordnete elektrisch isolierende dritte Schicht (3), wobei jeweils eine Grenzfläche zwischen der ersten (4) und zweiten Schicht (2) sowie zwischen der zweiten (2) und dritten Schicht (3) ausgebildet ist, wobei die Grenzfläche zwischen der ersten (4) und zweiten Schicht (2) eine erste Flächenladungsdichte aufweist und die Grenzfläche zwischen der zweiten (2) und dritten Schicht (4) eine zweite Flächenladungsdichte aufweist, wobei die erste und zweite Flächenladungsdichte gleiche oder unterschiedliche Vorzeichen aufweisen und der Objektträger (1) oberflächennahe, elektrostatischen Kräfte auf beiden Oberflächenseiten aufweist, deren Reichweite sowie Stärke während des Herstellungsprozesses zu beeinflussen und einzustellen sind.
Transparenter Objektträger (1) nach Anspruch 1, wobei die Stärke der ersten Flächenladungsdichte größer als die Stärke der zweiten Flächenladungsdichte ist, oder die Stärke der ersten Flächenladungsdichte kleiner als die Stärke der zweiten Flächenladungsdichte ist oder die Stärke der ersten Flächenladungsdichte und die Stärke der zweiten Flächenladungsdichte gleich groß sind.
Transparenter Objektträger (1) nach einem der Ansprüche 1 oder 2, wobei eine Flächenladungsdichte 10¹² bis 10²⁰ e/cm² beträgt.
Transparenter Objektträger (1) nach Anspruch 1, wobei auf der aufnahmeseitigen Oberfläche (12) und/oder auf der rückseitigen Oberfläche (13) des transparenten Objektträgers (1) eine elektrisch leitfähige Schicht (5, 6), insbesondere eine Elektrode ausgebildet ist.
Transparenter Objektträger (1) nach Anspruch 4, wobei die elektrisch leitfähige Schicht (5, 6) zumindest abschnittsweise transparent ausgebildet ist, wobei die elektrisch leitfähige Schicht (5, 6) als Abschirmung der oberflächennahen, elektrostatischen Kräfte und/oder zur Kontaktierung ausgebildet ist.
Transparenter Objektträger (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei die Grenzfläche zwischen der ersten (4) und zweiten Schicht (2) und/oder zwischen der zweiten (2) und dritten Schicht (3) jeweils ein Grenzflächenzustandsmuster aufweist, das durch eine räumliche und örtlich variierende Flächenladungsdichte in der jeweiligen Grenzfläche gebildet wird.
Transparenter Objektträger (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei der transparente Objektträger (1) mindestens zwei Abschnitte aufweist, die eine Polarisation einer auf den Objektträger auftreffenden Strahlung unterschiedlich beeinflussen.
Transparenter Objektträger (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei das Schichtsystem zum Messen einer elektrisch-kapazitiven Impedanz verwendet wird.
Transparenter Objektträger (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei der Objektträger ausgebildet ist als Bodenplatte einer Mikrotiterplatte (14) oder eines Mikrogrids oder ausgebildet ist als eine Petrischale (7) oder ausgebildet ist als ein Mikroskopierplättchen.
Transparenter Objektträger nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei der Objektträger flexibel ausgebildet ist und ausgebildet ist zum Auskleiden von Zellkulturflaschen (9).