DE112018000133B4

DE112018000133B4 - Nanostrukturierte biosensorenelektrode für verbessertes sensorsignal und verbesserte empfindlichkeit

Info

Publication number: DE112018000133B4
Application number: DE112018000133.4T
Authority: DE
Inventors: Emily Kinser
Original assignee: International Business Machines Corp
Current assignee: International Business Machines Corp
Priority date: 2017-01-30
Filing date: 2018-01-23
Publication date: 2022-03-24
Anticipated expiration: 2038-01-24
Also published as: JP2020505605A; US20190056344A1; CN110088877A; WO2018138624A1; US20180217080A1; JP6975243B2; GB2571497A; GB2571497B; CN110088877B; US20190056343A1; US10161898B2; GB201908749D0; US11022577B2; DE112018000133T5; US10775335B2

Abstract

Verfahren zum Ausbilden einer Elektrodenstruktur (22S, 22P), das Verfahren aufweisend:Bereitstellen einer Form (10S) mit einer Struktur, die sowohl eine Elektrodenbasisform (15) als auch eine Nanotopographieform (19) aufweist;Ausbilden einer metallischen Keimschicht (20) auf freiliegenden Oberflächen der Form (10S), die die Elektrodenbasisform (15) und die Nanotopographieform (19) aufweist;Elektroabscheiden eines leitfähigen metallhaltigen Materials (22) auf der metallischen Keimschicht (20) und in der Form (10S), um eine Elektrodenstruktur (22S, 22P) bereitzustellen, die das leitfähige metallhaltige Material (22) aufweist unddie Elektrodenbasisform (15) und die Nanotopographieform (19) aufweist; Entfernen der Form (10S) von der Elektrodenstruktur (22S, 22P); undAnbringen eines Bio-Funktionalisierungsmaterials (24) an der Elektrodenstruktur (22S, 22P).

Description

HINTERGRUND
Die vorliegende Erfindung betrifft Verfahren zum Ausbilden einer Elektrodenstruktur. Insbesondere betrifft die vorliegende Erfindung Verfahren zum Ausbilden einer nanostrukturierten Elektrodenstruktur, die für Biosensoranwendungen verwendet werden kann.
Biosensoren mit verbessertem Signal und verbesserter Empfindlichkeit sind für die Bereitstellung zuverlässiger Daten für Medizin- und Umweltüberwachung unerlässlich. Solche Biosensoren werden vor allem in Bereichen benötigt, die sich auf Ernährungssicherheit, Sicherheit der Wasserversorgung und die Gesundheitsbranche beziehen. Im Gesundheitswesen machen Glukosesensoren einen bedeutenden Teil des bestehenden Biosensormarkts aus. Platin (Pt) wird üblicherweise als Arbeitselektrode in Glukosesensoren verwendet, und Platin hat seine Biokompatibilität erwiesen. Üblicherweise werden externe elektrochemische Sensoren (sogenannte „Teststreifen“) verwendet. Es bestehen jedoch Einschränkungen bei der Zuverlässigkeit und Anwendbarkeit von Teststreifensensoren.
In-vivo-Glukosesensoren, die in einen menschlichen Körper implantiert werden, können verwendet werden, um den Blutzucker durchgehend zu überwachen. Die Fremdkörperreaktion beschränkt jedoch In-vivo-Biosensoren. Darüber hinaus kann die Fremdkörperreaktion die Sensor-Signalausgabe im Laufe der Zeit schwächen.
Trotz der in der Biosensortechnologie erzielten Fortschritte besteht immer noch ein Bedarf nach kostengünstigen Biosensoren, die ein verbessertes Sensorsignal und eine verbesserte Empfindlichkeit aufweisen und die zudem Fremdkörperreaktionen abschwächen können.
KURZDARSTELLUNG
Es sind Verfahren zum Ausbilden einer Elektrodenstruktur vorgesehen, die als Biosensor verwendet werden kann, wobei die Elektrodenstruktur eine nicht-zufällige Topographie aufweist, die sich auf einer Oberfläche einer Elektrodenbasis befindet. In einigen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung können ein verbessertes Sensorsignal und eine verbesserte Empfindlichkeit in einer solchen Elektrodenstruktur erreicht werden, wenn zwischen der nicht-zufälligen Topographie der Elektrodenstruktur und der Elektrodenbasis der Elektrodenstruktur keine Grenzfläche besteht. „Keine Grenzfläche“ bedeutet, dass die
Die Patentanmeldung US 2010/0066346 A1 betrifft durch Nanosäulen verstärkte Mikrostrukturen, deren Verwendungsverfahren und Verfahren zum Entwickeln von Nanosäulen-verstärkten Elektroden. Genauer gesagt, wird ein Verfahren zum Herstellen einer nanostrukturverstärkten 3D-Oberfläche beschriben, welches die folgenden Schritte umfasst:

(a) aufeinanderfolgendes Abscheiden von mindestens zwei Schichten eines Metallfilms auf einem flachen Substrat;
(b) Entwickeln einer nanoporösen Schablone durch Anodisieren der äußeren Metallschicht;
(c) Elektroabscheidung von Nanopartikeln auf das nanoporöse Templat; und
(d) Entfernen der Schablone.

Das Patent US 6 136 630 A betrifft Verfahren zur Herstellung mikromechanischer Vorrichtungen aus einkristallinen Halbleitersubstraten und dadurch gebildete monolithische Sensoren. Genauer gesagt, wird ein Verfahren zum Herstellen einer mikromechanischen Vorrichtung aus einem einkristallinen Halbleitersubstrat offenbart, wobei das Verfahren die folgenden Schritte umfasst:

a) Einführen eines Dotierungsmittels in einen Abschnitt des Substrats von einer ersten Oberfläche;
b) selektives Entfernen von unerwünschtem Substratmaterial von der ersten Oberfläche des Substrats, wobei nach Durchführung der Schritte a) und b) mindestens eine dotierte mechanische Struktur gebildet wird, und
c) selektives Entfernen von Substratmaterial von der ersten Oberfläche des Halbleitersubstrats, um die mindestens eine dotierte mechanische Struktur freizugeben, wobei die mindestens eine dotierte mechanische Struktur beweglich von dem Halbleitersubstrat getragen wird, aber elektrisch von diesem isoliert wird.

KURZDARSTELLUNG
Es sind Verfahren zum Ausbilden einer Elektrodenstruktur vorgesehen, die als Biosensor verwendet werden kann, wobei die Elektrodenstruktur eine nicht-zufällige Topographie aufweist, die sich auf einer Oberfläche einer Elektrodenbasis befindet. In einigen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung können ein verbessertes Sensorsignal und eine verbesserte Empfindlichkeit in einer solchen Elektrodenstruktur erreicht werden, wenn zwischen der nicht-zufälligen Topographie der Elektrodenstruktur und der Elektrodenbasis der Elektrodenstruktur keine Grenzfläche besteht. „Keine Grenzfläche“ bedeutet, dass die nicht-zufällige Topographie und die Elektrodenbasis einen einheitlichen Aufbau aufweisen (d.h. aus einem Stück sind) und eine einheitliche Zusammensetzung (d.h. ein gleiches Material) aufweisen. Andere Ausführungsformen beinhalten Elektrodenstrukturen, die eine Grenzfläche zwischen der nicht-zufälligen Topographie der Elektrodenstruktur und der Elektrodenbasis der Elektrodenstruktur aufweisen können.
In einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren zum Ausbilden einer Elektrodenstruktur vorgesehen, das ein Bereitstellen einer Form mit einer Struktur beinhaltet, die sowohl eine Elektrodenbasisform als auch eine Nanotopographieform aufweist. Eine metallische Keimschicht und ein leitfähiges metallhaltiges Material werden dann ausgebildet, um eine Elektrodenstruktur bereitzustellen, die das leitfähige metallhaltige Material beinhaltet und die die Elektrodenbasisform und die Nanotopographieform aufweist, die sich durch die Wirkung der Form ergeben. Die Form wird dann von der Elektrodenstruktur entfernt und ein Bio-Funktionalisierungsmaterial wird dann zu der Elektrodenstruktur hinzugefügt.
In einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren zum Ausbilden einer Elektrodenstruktur vorgesehen, das ein Bereitstellen einer Elektrodenbasis mit einer Elektrodenbasisform auf einem Substrat beinhaltet. Als nächstes wird eine strukturierte Materialschicht ausgebildet, die die Elektrodenbasis umgibt, wobei die strukturierte Materialschicht Öffnungen zum Definieren einer Nanotopographieform der Elektrodenstruktur enthält. Eine metallische Keimschicht wird dann auf freiliegenden Oberflächen der Elektrodenbasis und in den Öffnungen der strukturierten Materialschicht ausgebildet und danach wird ein leitfähiges metallhaltiges Material auf der metallischen Keimschicht und in den Öffnungen der strukturierten Materialschicht elektroplattiert, um die Elektrodenstruktur bereitzustellen, die die Elektrodenbasis mit der Elektrodenbasisform und das leitfähige metallhaltige Material mit der Nanotopographieform aufweist. Als nächstes wird die strukturierte Materialschicht entfernt und danach wird ein Bio-Funktionalisierungsmaterial an der Elektrodenstruktur angebracht.
Figurenliste

1 ist eine Querschnittsansicht einer beispielhaften Struktur gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, die eine erste Maskenschicht enthält, die so strukturiert ist, dass sie eine Öffnung zum Definieren einer Elektrodenbasisform aufweist, und die sich auf einer Oberfläche eines Substrats befindet.
2 ist eine Querschnittsansicht der beispielhaften Struktur von 1 nach einem Übertragen der Elektrodenbasisform in das Substrat, um ein strukturiertes Substrat mit der Elektrodenbasisform bereitzustellen, und einem Entfernen der ersten Maskenschicht von der resultierenden Struktur.
3 ist eine Querschnittsansicht der beispielhaften Struktur von 2 nach einem Ausbilden einer zweiten Maskenschicht, die so strukturiert ist, dass sie eine Mehrzahl von Öffnungen aufweist, die gemeinsam eine Nanotopographieform auf dem strukturierten Substrat definieren.
4 ist eine Querschnittsansicht der beispielhaften Struktur von 3 nach einem Übertragen der Nanotopographieform in das strukturierte Substrat, um eine Form bereitzustellen, die die Elektrodenbasisform und die Nanotopographieform enthält, und einem Entfernen der zweiten Maskenschicht.
5 ist eine Querschnittsansicht der beispielhaften Struktur von 4 nach einem Ausbilden einer metallischen Keimschicht auf den freiliegenden Oberflächen der Form.
6 ist eine Querschnittsansicht der beispielhaften Struktur von 5 nach einem Elektroplattieren eines leitfähigen metallhaltigen Materials, um eine Elektrodenstruktur bereitzustellen, die das leitfähige metallhaltige Material enthält und die Elektrodenbasisform und die Nanotopographieform der Form aufweist.
7 ist eine Querschnittsansicht der beispielhaften Struktur von 6 nach einem Entfernen von überschüssigem leitfähigem metallhaltigem Material, das sich oberhalb der Elektrodenbasisform der Form befinden kann.
8 ist eine Querschnittsansicht der beispielhaften Struktur von 7 nach einem Entfernen der Form von der Elektrodenstruktur.
9 ist eine dreidimensionale Darstellung der Elektrodenstruktur gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
10 ist eine Querschnittsansicht der beispielhaften Struktur von 8 nach dem Anbringen eines Biomoleküls an der Oberfläche der Elektrodenstruktur, was auch als Funktionalisierungsprozess bezeichnet wird.
11 ist eine Querschnittsansicht einer beispielhaften Struktur mit einem Substrat und einer Elektrodenbasis, die gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung verwendet werden kann.
12 ist eine Querschnittsansicht der beispielhaften Struktur von 11 nach einem Abscheiden einer dielektrischen Schicht.
13 ist eine Querschnittsansicht der beispielhaften Struktur von 12 nach einem Ausbilden eines Nanostrukturarrays in der dielektrischen Schicht.
14 ist eine Querschnittsansicht der beispielhaften Struktur von 13 nach einem Ausbilden einer metallischen Keimschicht auf den freiliegenden Oberflächen der Elektrodenbasis.
15 ist eine Querschnittsansicht der beispielhaften Struktur von 14 nach einem Elektroplattieren eines leitfähigen metallhaltigen Materials auf der metallischen Keimschicht.
16 ist eine Querschnittsansicht der beispielhaften Struktur von 15 nach einem Entfernen von überschüssigem leitfähigem metallhaltigem Material, das sich über der strukturierten dielektrischen Schicht befinden kann.
17 ist eine Querschnittsansicht der beispielhaften Struktur von 16 nach einem Entfernen der strukturierten dielektrischen Schicht.
18 ist eine Querschnittsansicht der beispielhaften Struktur von 11 nach einem Abscheiden einer Photoresistschicht.
19 ist eine Querschnittsansicht der beispielhaften Struktur von 18 nach einem Ausbilden eines Nanostrukturarrays in der Photoresistschicht.
20 ist eine Querschnittsansicht der beispielhaften Struktur von 19 nach einem Ausbilden einer metallischen Keimschicht auf freiliegenden Oberflächen der Elektrodenbasis.
21 ist eine Querschnittsansicht der beispielhaften Struktur von 20 nach einem Elektroplattieren eines leitfähigen metallhaltigen Materials.
22 ist eine Querschnittsansicht der beispielhaften Struktur von 21 nach einem Durchführen eines Photoresist-Abhebeprozesses.
23 ist eine Querschnittsansicht der beispielhaften Struktur von 19 nach einem Ätzen der freiliegenden Abschnitte der Elektrodenbasis unter Verwendung der strukturierten Photoresistschicht als Ätzmaske.
24 ist eine Querschnittsansicht der beispielhaften Struktur von 23 nach einem Entfernen der strukturierten Photoresistschicht.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung werden nun detaillierter unter Bezugnahme auf die folgende Beschreibung und die beigefügten Zeichnungen beschrieben. Es wird angemerkt, dass die beigefügten Zeichnungen nur zum Zweck der Veranschaulichung bereitgestellt werden und daher die Zeichnungen nicht maßstabsgerecht gezeichnet sind. Es wird auch angemerkt, dass gleiche und entsprechende Elemente mit gleichen Bezugszeichen bezeichnet sind.
In der folgenden Beschreibung sind zahlreiche spezifische Details angegeben, wie beispielsweise bestimmte Strukturen, Komponenten, Materialien, Abmessungen, Verarbeitungsschritte und Techniken, um ein Verständnis verschiedener Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung zu erreichen. Es ist für den Fachmann jedoch ersichtlich, dass verschiedene Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung ohne diese spezifischen Details umgesetzt werden können. In anderen Fällen wurden bekannte Strukturen oder Verarbeitungsschritte nicht detailliert beschrieben, um die vorliegende Erfindung nicht zu verschleiern.
Wie oben erwähnt, sind Verfahren zum Ausbilden einer Elektrodenstruktur vorgesehen, die als Biosensor verwendet werden kann, wobei die Elektrodenstruktur eine nicht-zufällige Topographie aufweist, die sich auf einer Oberfläche einer Elektrodenbasis befindet. In einigen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung können ein verbessertes Sensorsignal und eine verbesserte Empfindlichkeit in einer solchen Elektrodenstruktur erreicht werden, wenn sich zwischen der nicht-zufälligen Topographie der Elektrodenstruktur und der Elektrodenbasis der Elektrodenstruktur keine Grenzfläche befindet. „Keine Grenzfläche“ bedeutet, dass die nicht-zufällige Topographie und die Elektrodenbasis einen einheitlichen Aufbau aufweisen (d.h. aus einem Stück sind) und eine einheitliche Zusammensetzung (d.h. ein gleiches Material) aufweisen. Andere Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung beinhalten Elektrodenstrukturen, die eine Grenzfläche zwischen der nicht-zufälligen Topographie der Elektrodenstruktur und der Elektrodenbasis der Elektrodenstruktur aufweisen können.
Zunächst bezugnehmend auf die 1 bis 10 ist eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung gezeigt, in der ein Verfahren zum Ausbilden einer Elektrodenstruktur offenbart ist, bei der keine Grenzfläche zwischen der nicht-zufälligen Topographie der Elektrodenstruktur und der Elektrodenbasis der Elektrodenstruktur ausgebildet ist.
Zunächst bezugnehmend auf 1 ist eine beispielhafte Struktur gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung gezeigt, die eine erste Maskenschicht 12P enthält, die so strukturiert ist, dass sie eine Öffnung 14 zum Definieren einer Elektrodenbasisform aufweist, und die sich auf einer Oberfläche eines Substrats 10 befindet. Die Öffnung 14 hat eine Form, die verwendet wird, um die Elektrodenbasis einer resultierenden Elektrodenstruktur zu definieren, die nachfolgend ausgebildet werden soll. Die Form der Öffnung 14 kann auch eine zugehörige Verdrahtung für die Elektrodenstruktur enthalten. In einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann die erste Maskenschicht 12P aus einem lichtempfindlichen Material wie einem Photoresist bestehen. In einer alternativen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann die erste Maskenschicht 12P aus einer dielektrischen Dünnschicht bestehen, die im Folgenden als Hartmaske bezeichnet wird, die unter Verwendung von Photolithographie oder anderen dem Fachmann bekannten Mitteln strukturiert wurde.
Das Substrat 10, das in der vorliegenden Anmeldung verwendet werden kann, beinhaltet ein beliebiges Material, das auf einfache Weise wie hierin beschrieben strukturiert werden kann und das nachfolgend von der resultierenden Elektrodenstruktur entfernt werden kann, die in einer Form ausgebildet wird, die aus dem Substrat 10 hergestellt wird.
In einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung besteht das Substrat 10 aus einem Halbleitermaterial. Der Begriff „Halbleitermaterial“ bezeichnet ein Material, das einen elektrischen Leitfähigkeitswert zwischen einem Leiter, wie Kupfer, und einem Isolator, wie Glas, aufweist. Halbleitermaterialien können als elementare Materialien oder Verbundmaterialien vorliegen. Beispiele für Halbleitermaterialien, die als das Substrat 10 verwendet werden können, beinhalten Si, SiGe, SiGeC, SiC, Ge-Legierungen, III/V-Verbindungshalbleiter oder II/VI-Verbindungshalbleiter. In einigen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung kann das Substrat 10 ein einzelnes Halbleitermaterial aufweisen. In weiteren Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung kann das Substrat 10 einen mehrlagigen Stapel von Halbleitermaterialien aufweisen.
In einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann das Halbleitermaterial, das das Substrat 10 bilden kann, ein einkristallines Halbleitermaterial sein, wie beispielsweise einkristallines Silicium. „Einkristallin“ bezeichnet ein Material, bei dem das Kristallgitter der gesamten Probe durchgehend und bis zu den Rändern der Probe ohne Korngrenzen ununterbrochen ist. In einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann das Halbleitermaterial, das das Substrat 10 bilden kann, ein polykristallines Halbleitermaterial sein, wie beispielsweise polykristallines Silicium. Mit „polykristallin“ wird ein Material bezeichnet, das aus vielen Kristalliten (d.h. Körnern) unterschiedlicher Größe und Orientierung besteht. Bei noch einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann das Halbleitermaterial, das das Substrat 10 bilden kann, ein amorphes Halbleitermaterial wie beispielsweise amorphes Silicium sein. Mit „amorph“ wird ein Material bezeichnet, dem eine großräumige Kristallordnung eines Kristalls fehlt.
In einigen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung ist das Halbleitermaterial, das das Substrat 10 bildet, ein Bulk-Halbleitermaterial. „Bulk“ bedeutet, dass das gesamte Substrat 10 aus mindestens einem Halbleitermaterial besteht. In einem Beispiel besteht das Substrat 10 vollständig aus Silicium.
Ein weiteres Material, das als das Substrat 10 verwendet werden kann, ist ein Dielektrikum. Mit „Dielektrikum“ wird ein Material (d.h. Isolator) bezeichnet, das Strom kaum leitet. In einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung besteht das Dielektrikum, das das Substrat 10 bilden kann, aus einem Halbleiteroxid wie beispielsweise Siliciumdioxid. In einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann das Dielektrikum, das das Substrat 10 bilden kann, aus einem Halbleiternitrid wie beispielsweise Siliciumnitrid bestehen. Andere Dielektrika, wie beispielsweise dielektrische Metalloxide einschließlich Aluminiumoxid, können auch als das Material verwendet werden, das als das Substrat 10 verwendet werden kann.
In einigen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung kann das Substrat 10 aus einer Kombination eines Halbleitermaterials und eines Dielektrikums bestehen. Beispielsweise kann das Substrat 10 ein Materialstapel aus, von unten nach oben, einer Siliciumdioxidschicht und einer Siliciumschicht sein. Ein optionales Handhabungssubstrat kann sich unter der Siliciumdioxidschicht befinden. Das optionale Handhabungssubstrat kann aus einem Halbleitermaterial, einem Isolator oder einem leitfähigen Material bestehen.
Das Substrat 10 kann auch aus einem keramischen Material, einem elementaren Metall, einer Legierung aus einem elementaren Material oder einem anderen Material oder einer Kombination von Materialien bestehen, die wie hierin beschrieben leicht strukturiert werden können und danach leicht von einer Elektrodenstruktur entfernt werden können, die nachfolgend in einer Form aus dem Material ausgebildet wird, das das Substrat 10 bildet.
Die erste Maskenschicht 12P kann ein Positiv-Photoresistmaterial, ein Negativ-Photoresistmaterial, ein Hybrid-Photoresistmaterial oder eine Hartmaskenschicht enthalten, die aus einem Dielektrikum besteht. In einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann die erste Maskenschicht 12P bereitgestellt werden, indem zuerst eine Deckschicht aus Photoresistmaterial auf einer Oberfläche des Substrats 10 abgeschieden wird. Nach dem Abscheiden der Deckschicht aus Photoresistmaterial wird die Deckschicht aus Photoresistmaterial so strukturiert, dass sie eine Öffnung 14 aufweist, die eine Elektrodenbasisform definiert. Wenn eine Hartmaskenschicht verwendet wird, wird zuerst eine Deckschicht aus einem Hartmaskenmaterial (wie z.B. Siliciumnitrid) abgeschieden und danach ein strukturierter Photoresist, der eine Öffnung enthält, die die Elektrodenbasisform definiert, auf der Deckschicht aus Hartmaskenmaterial ausgebildet. Die Struktur in dem strukturierten Photoresist wird dann als Zwischenschritt auf das deckende Hartmaskenmaterial übertragen, gefolgt von einem nachfolgenden Übertragen der Struktur auf das Substrat 10. Das Übertragen der Struktur kann einen oder mehrere Ätzschritte beinhalten. Der strukturierte Photoresist kann auf dem Hartmaskenmaterial jederzeit entfernt werden, nachdem die Struktur auf die Deckschicht aus Hartmaskenmaterial übertragen wurde.
Die Öffnung 14, die die Elektrodenbasisform definiert, ist nicht auf eine bestimmte Form beschränkt. In einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist die Öffnung 14 (und somit die Elektrodenbasisform) polygonal. In einer solchen Ausführungsform kann die Öffnung 14 (und somit die Elektrodenbasisform) dreieckig, viereckig oder fünfeckig sein. In weiteren Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung kann die Öffnung 14 (und somit die Elektrodenbasisform) kreisförmig oder elliptisch sein. Die Öffnung 14 kann auch zusätzliche Strukturen wie Verdrahtungs- oder Sonden-Kontaktstellen enthalten, die zum Auslesen des elektrischen Signals aus der endgültigen Elektrodenstruktur (nicht gezeigt) erforderlich sind, wodurch sich eine zusammengesetzte Form für die Öffnung 14 ergibt.
Nun bezugnehmend auf 2 ist die beispielhafte Struktur von 1 gezeigt, nachdem die Elektrodenbasisform in das Substrat 10 übertragen wurde, um ein strukturiertes Substrat 10P mit der Elektrodenbasisform 15 bereitzustellen, und die erste Maskenschicht 12P von dem resultierenden strukturierten Substrat 10P entfernt wurde. Wie gezeigt, erstreckt sich die Elektrodenbasisform 15 nicht durch das ganze Originalsubstrat 10. Stattdessen verbleibt ein Teil des Originalsubstrats 10 nach dem Strukturübertragungsprozess unterhalb der Elektrodenbasisform 15.
Das Übertragen der durch die Öffnung 14 definierten Elektrodenbasisform 15 in das Substrat 10 kann unter Verwendung eines oder mehrerer Ätzprozesse durchgeführt werden. Beispiele für Ätzprozesse, die zum Übertragen der Elektrodenbasisform 15 in das Substrat 10 verwendet werden können, können Trockenätzen, Nassätzen oder eine beliebige Kombination davon beinhalten. Das Trockenätzen kann eines von reaktivem lonenätzen (RIE), Ionenstrahlätzen, Plasmaätzen oder Laserablation beinhalten. Das Nassätzen kann ein chemisches Ätzmittel beinhalten, das das Material, das das Substrat 10 bildet, selektiv gegenüber dem Maskenschichtmaterial entfernt. Die erste Maskenschicht 12P kann unter Verwendung eines beliebigen herkömmlichen Resist-Abhebeprozesses, beispielsweise einer Sauerstoffveraschung oder anderer chemischer Mittel, von dem strukturierten Substrat 10P entfernt werden. In einigen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung kann ein Planarisierungsprozess verwendet werden, um die erste Maskenschicht 12P zu entfernen.
Nun bezugnehmend auf 3 ist die beispielhafte Struktur von 2 gezeigt, nachdem eine zweite Maskenschicht 16P ausgebildet wurde, die so strukturiert ist, dass sie eine Mehrzahl von Öffnungen 18 aufweist, die gemeinsam eine Nanotopographieform auf dem strukturierten Substrat 10P definieren. Mit „Nanotopographieform“ wird ein Array von nicht-zufälligen (d.h. sich regelmäßig wiederholenden) einzelnen gegliederten Elementen bezeichnet, deren Größe kleiner als die Größe der Elektrodenbasisform 15 ist. In einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist mindestens eine Abmessung der Nanotopographieform kleiner als 1 µm.
Die Mehrzahl von Öffnungen 18 können unterschiedliche Formen und Größen haben. Beispielsweise können die Mehrzahl von Öffnungen 18 die Form eines Kreises, einer Ellipse oder einer Ringstruktur haben. In einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung können die Mehrzahl von Öffnungen 18, die bereitgestellt werden, eine kritische Abmessung, d.h. einen Durchmesser oder eine Breite, von 5 nm bis 900 nm haben. In einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung können die Mehrzahl von Öffnungen 18, die bereitgestellt werden, eine kritische Abmessung von 20 nm bis 300 nm haben.
In einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung hat jede Öffnung der Mehrzahl von Öffnungen 18 ein Mittenabstandsverhältnis von 2:1 bis 100:1. Mit „Mittenabstand“ wird der Abstand der Mitte zur Mitte des nächstgelegenen benachbarten Elements bezeichnet. Das „Mittenabstandsverhältnis“ wird auf Grundlage der kritischen Abmessung des Elements definiert, wobei der Abstand zwischen den Elementen proportional zu der kritischen Abmessung der Elemente ist. In einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung weist jede Öffnung der Mehrzahl von Öffnungen 18 ein Mittenabstandsverhältnis von 2:1 bis 20:1 auf.
In einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist die zweite Maskenschicht 16P ein Photoresistmaterial, das wie oben definiert ausgebildet und strukturiert werden kann. In einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist die zweite Maskenschicht 16P eine dielektrische Schicht, die wie oben definiert strukturiert werden kann. In noch einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist die zweite Maskenschicht 16P eine Komponente eines Blockcopolymers wie beispielsweise eines selbstanordnenden Blockcopolymers. Insbesondere können einige Blockcopolymere so verarbeitet sein, dass sie eine geordnete Struktur enthalten, die sich wiederholende Struktureinheiten beinhaltet. In einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann das Blockcopolymer eine beliebige Anzahl von Polymerblockkomponenten A und B enthalten, die auf beliebige Weise angeordnet sind. Zum Beispiel kann das Blockcopolymer entweder eine lineare oder eine verzweigte Struktur haben. In einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist das Blockcopolymer ein lineares Diblockcopolymer mit der Formel A-B. Konkrete Beispiele für geeignete Blockcopolymere, die zum Ausbilden der Struktureinheiten verwendet werden können, können ohne Einschränkung darauf beinhalten: Polystyrol-Block-Polymethylmethacrylat (PS-b-PMMA), Polystyrol-Block-Polyisopren (PS-b-PI), Polystyrol-Block-Polybutadien (PS-b-PBD), Polystyrol-Block-Polyvinylpyridin (PS-b-PVP), Polystyrol-Block-Polyethylenoxid (PS-b-PEO), Polystyrol-Block-Polyethylen (PS-b-PE), Polystyrol-b-polyorganosilicat (PS-b-POS), Polystyrol-Block-Polyferrocenyldimethylsilan (PS-b-PFS), Polyethylenoxid-Block-Polyisopren (PEO-b-PI), Polyethylenoxid-Block-Polybutadien (PEO-b-PBD), Polyethylenoxid-Block-Polymethylmethacrylat (PEO-b-PMMA), Polyethylenoxid-Block-Polyethylethylen (PEO-b-PEE), Polybutadien-Block-Polyvinylpyridin (PBD-b-PVP) und Polyisopren-Block-Polymethylmethacrylat (PI-b-PMMA).
Um die geordnete Struktur auszubilden, die sich wiederholende Struktureinheiten beinhaltet, wird das Blockcopolymer zunächst in einem geeigneten Lösungsmittelsystem gelöst, so dass sich eine Blockcopolymerlösung bildet, die dann auf eine Oberfläche aufgebracht wird, um eine Blockcopolymerschicht auszubilden, gefolgt von einem Tempern der Blockcopolymerschicht, wodurch eine Phasentrennung zwischen unterschiedlichen Polymerblockkomponenten bewirkt wird, d.h. ersten und zweiten Einheiten, die in dem Blockcopolymer enthalten sind. Das segregierte Blockcopolymer kann dann belichtet und entwickelt werden, um die zweite Maskenschicht 16P mit der Mehrzahl von Öffnungen 18 bereitzustellen.
Nun bezugnehmend auf 4 ist die beispielhafte Struktur von 3 gezeigt, nachdem die durch die Mehrzahl von Öffnungen 18 gebildete Nanotopographieform in das strukturierte Substrat 10P übertragen wurde, um eine Form 10S bereitzustellen, die die Elektrodenbasisform 15 und die Nanotopographieform 19 enthält, und die zweite Maskenschicht 16P entfernt wurde. Wie oben erwähnt, enthält die Nanotopographieform, die in das strukturierte Substrat 10P übertragen wird, ein Array von nicht-zufälligen (d.h. sich regelmäßig wiederholenden) einzelnen gegliederten Elementen (jedes der nicht-zufälligen einzelnen gegliederten Elemente ist in 4 als Element 19 bezeichnet), deren kritische Abmessung kleiner als die Größe der Elektrodenbasisform 15 ist, die auf dem Substrat 10 bereitgestellt ist.
Wie in 4 gezeigt, wird die Nanotopographieform, die alle nicht-zufälligen einzelnen gegliederten Elemente 19 enthält, innerhalb des Bereichs ausgebildet, der die Elektrodenbasisform 15 enthält. Wie ebenfalls gezeigt, muss sich die Nanotopographieform, die alle nicht-zufälligen einzelnen gegliederten Elemente 19 enthält, nicht durch die gesamte Form 10S erstrecken. Stattdessen kann ein Teil der Form 10S unter allen nicht-zufälligen einzelnen gegliederten Elementen 19 verbleiben, die gemeinsam die Nanotopographieform nach dem Strukturübertragungsprozess definieren. In einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung (nicht gezeigt) kann sich die Nanotopographieform vollständig durch die Dicke der Form 10S erstrecken.
Jedes der nicht-zufälligen einzelnen gegliederten Elemente 19, das unter Verwendung der zweiten Maskenschicht 16P ausgebildet wird, hat eine Form, eine Breite und einen Mittenabstand, die durch die Mehrzahl von Öffnungen 18 und den Ätzprozess definiert sind, der zum Übertragen der Struktur der Öffnungen 18 auf das strukturierte Substrat 10P verwendet wird. Zum Beispiel kann jedes der nicht-zufälligen einzelnen gegliederten Elemente 19 die Form einer Stange, eines Kegels, einer Ellipse oder einer Ringstruktur haben. In einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann jedes der nicht-zufälligen einzelnen gegliederten Elemente 19 eine kritische Abmessung im Bereich von 5 nm bis 900 nm haben. In einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann jedes der nicht-zufälligen einzelnen gegliederten Elemente 19 eine kritische Abmessung im Bereich von 20 nm bis 300 nm haben.
In einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung hat jedes der nicht-zufälligen einzelnen gegliederten Elemente 19 ein Mittenabstandsverhältnis von 2:1 bis 100:1. In einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung hat jedes der nicht-zufälligen einzelnen gegliederten Elemente 19 ein Mittenabstandsverhältnis von 2:1 bis 20:1.
In einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung hat jedes der nicht-zufälligen einzelnen gegliederten Elemente 19 eine Höhe von 5 nm bis 300 µm.In einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung hat jedes der nicht-zufälligen einzelnen gegliederten Elemente 19 eine Höhe von 50 nm bis 20 µm.
In einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung hat jedes der nicht-zufälligen einzelnen gegliederten Elemente 19 ein Seitenverhältnis (d.h. ein Verhältnis der Breite zu Höhe) von 1:1 bis 500:1. In einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung hat jedes der nicht-zufälligen einzelnen gegliederten Elemente 19 ein Seitenverhältnis (d.h. Breite zu Höhe) von 2:1 bis 100:1.
Die Höhe und das Seitenverhältnis jedes der nicht-zufälligen einzelnen gegliederten Elemente 19 wird durch die Tiefe bestimmt, bei der jedes der nicht-zufälligen einzelnen gegliederten Elemente 19 in dem strukturierten Substrat 10P ausgebildet wird.
Das Übertragen der Nanotopographieform in das strukturierte Substrat 10P kann unter Verwendung eines der oben zum Übertragen der Elektrodenbasisform in das Substrat 10 genannten Ätzprozesse erreicht werden. In einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, und wenn die zweite Maskenschicht 16P aus einem Photoresistmaterial besteht, kann die zweite Maskenschicht 16P unter Verwendung eines herkömmlichen Resistentwicklers wie beispielsweise einer Veraschung entfernt werden. In einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, und wenn die zweite Maskenschicht 16P eine Komponente eines Blockcopolymers oder eine dielektrische Schicht ist, kann die zweite Maskenschicht 16P unter Verwendung eines Ätzmittels entfernt werden, das die Komponente des Blockcopolymers oder die dielektrische Schicht selektiv entfernt.
Nun bezugnehmend auf 5 ist die beispielhafte Struktur von 4 gezeigt, nachdem eine metallische Keimschicht 20 auf den freiliegenden Oberflächen der Form 10S ausgebildet wurde. Die metallische Keimschicht 20 (die auch als Plattierungskeimschicht bezeichnet werden kann) enthält ein beliebiges Metall oder eine beliebige Metalllegierung, die das nachfolgende Elektroplattieren eines leitfähigen metallhaltigen Materials (das nachfolgend beschrieben wird) erleichtern können. Die metallische Keimschicht 20 kann Platin, Kupfer, Silber, Gold, Wolfram, Aluminium, Eisen, Palladium, Nickel, Titan, Zirconium oder eine beliebige Legierung davon enthalten. Die metallische Keimschicht 20 enthält üblicherweise dasselbe leitfähige Metall oder dieselbe Metalllegierung wie das nachfolgend ausgebildete leitfähige metallhaltige Material 22. Zum Beispiel wird eine Kupferkeimschicht zum Elektroplattieren einer Kupferschicht verwendet.
Die metallische Keimschicht 20 kann eine Dicke von 5 nm bis 25 nm haben, obwohl andere Dicken, die kleiner als 5 nm und größer als 25 nm sind, in der vorliegenden Anmeldung verwendet werden können. In der gezeigten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist die metallische Keimschicht 20 eine durchgehende Schicht, die unter Verwendung eines Abscheidungsprozesses wie beispielsweise chemischer Gasphasenabscheidung, plasmaverstärkter chemischer Gasphasenabscheidung, Atomlagenabscheidung oder physikalischer Gasphasenabscheidung ausgebildet werden kann.
Nun bezugnehmend auf 6 ist die beispielhafte Struktur von 5 gezeigt, nachdem ein leitfähiges metallhaltiges Material 22 auf der metallischen Keimschicht 20 elektroplattiert wurde, um eine Elektrodenstruktur mit der Elektrodenbasisform und der Nanotopographieform der Form 10S bereitzustellen. Das leitfähige metallhaltige Material 22 kann aus einem elementaren Metall oder einer Legierung bestehen, die ein oder mehrere elementare Metalle enthält. Beispiele für elementare Metalle, die als das leitfähige metallhaltige Material 22 verwendet werden können, beinhalten Platin, Kupfer, Silber, Gold, Wolfram, Aluminium, Eisen, Palladium, Nickel, Titan oder Zirconium, sind jedoch nicht darauf beschränkt. Da in einer idealen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung die metallische Keimschicht 20 aus demselben Material wie das leitfähige metallhaltige Material 22 besteht, ist die metallische Keimschicht 20 in der nachfolgenden Zeichnung nicht getrennt gezeigt.
Wie oben erwähnt, wird das leitfähige metallhaltige Material 22 unter Verwendung eines Elektroplattierungsprozesses ausgebildet. Elektroplattieren ist ein Verfahren, bei dem elektrischer Strom verwendet wird, um gelöste Metallkationen, die in einem Galvanisierbad (d.h. einem Elektrolyten) vorhanden sind, zu reduzieren, so dass die Metallkationen eine zusammenhängende Metallbeschichtung auf einer Elektrode bilden.
Wenn das leitfähige metallhaltige Material 22 in die Elektrodenbasisform 15 eingeführt wird, bildet die resultierende Struktur eine Elektrodenbasis 22S der Elektrodenstruktur, während die Nanotopographieform 19 eine nicht-zufällige Topographie in Form von sich wiederholenden einzelnen gegliederten Elementen 22P der Elektrodenstruktur bereitstellt. Gemäß dieser Ausführungsform der vorliegenden Erfindung haben die Elektrodenbasis 22S der Elektrodenstruktur und die nicht-zufällige Topographie, die durch die sich wiederholenden einzeln gegliederten Elemente 22P gebildet wird, einen einheitlichen Aufbau (d.h. sind aus einem Stück) und eine gleiche Zusammensetzung. Somit fehlt der bereitgestellten Elektrodenstruktur (22S, 22P) eine Grenzfläche zwischen der Elektrodenbasis 22S und der nicht-zufälligen Topographie, die durch die sich wiederholenden, einzeln gegliederten Elemente 22P gebildet wird. Jedes bereitgestellte sich wiederholende einzeln gegliederte Element 22P hat eine Form, eine Breite, einen Mittenabstand, eine Höhe und ein Seitenverhältnis, wie sie oben für die nicht-zufälligen einzelnen gegliederten Elemente 19 definiert sind.
Nun bezugnehmend auf 7 ist die beispielhafte Struktur von 6 gezeigt, nachdem überschüssiges leitfähiges metallhaltiges Material 22 entfernt wurde, das sich oberhalb der Elektrodenbasisform 15 der Form 10S befindet. Nachdem das überschüssige leitfähige metallhaltige Material 22 entfernt wurde, weist die resultierende Elektrodenstruktur (22S, 22P) eine planare Oberfläche auf, die der Oberfläche gegenüberliegt, die die nicht-zufällige Topographie in Form der sich wiederholenden nicht-zufälligen einzelnen gegliederten Elemente 22P enthält.
In einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann das Entfernen des überschüssigen leitfähigen metallhaltigen Materials 22 durch einen Planarisierungsprozess wie beispielsweise chemisch-mechanisches Planarisieren und/oder Schleifen durchgeführt werden. In einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann das Entfernen des überschüssigen leitfähigen metallhaltigen Materials 22 unter Verwendung von mindestens einem Ätzprozess wie beispielsweise einem chemischen Rückätzprozess und/oder einem reaktiven lonenätzprozess (RIE-Prozess) durchgeführt werden
Nun bezugnehmend auf 8 ist die beispielhafte Struktur von 7 gezeigt, nachdem die Form 10S von der Elektrodenstruktur (22S, 22P) entfernt wurde. In einigen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung kann die Form 10S entfernt werden, indem die Form 10S unter Verwendung eines chemischen Nassätzmittels vollständig aufgelöst wird. In einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann die Form 10S unter Verwendung von reaktivem lonenätzen (RIE) entfernt werden. In solchen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung ist die Form 10S eine Einwegform.
In einigen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung kann die Form 10S durch Lösen der resultierenden Elektrodenstruktur (22S, 22P) von der Form 10S entfernt werden. In einer solchen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann die Form 10S mehrfach wiederverwendet werden. In einem solchen Fall kann ein Trennmittel wie zum Beispiel Silikon auf der Innenseite der Form 10S aufgebracht werden, bevor das leitfähige metallhaltige Material 22 in die Form 10S eingeführt wird. Das Trennmittel kann jede Chemikalie enthalten, die ein Verbinden des leitfähigen metallhaltigen Materials mit den freiliegenden Oberflächen der Form 10S verhindern kann.
Nun bezugnehmend auf 9 ist eine dreidimensionale Darstellung der Elektrodenstruktur (22S, 22P) gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung gezeigt. In dieser Ausführungsform hat jedes der nicht-zufälligen einzelnen gegliederten Elemente 22P, die die nicht-zufällige Topographie der Elektrodenstruktur bilden, die Form einer Nanostange, die sich von der Elektrodenbasis 22S nach oben erstreckt. Zusätzliche jeweilige Verdrahtung und/oder zugehörige Sondenkontaktstellen, die zur Auswertung des elektrischen Signals erforderlich sind, können ebenfalls enthalten sein (nicht gezeigt).
Nach dem Ausbilden der Elektrodenstruktur, die in den 8 oder 9 gezeigt ist, kann, um die Struktur so zu funktionalisieren, dass sie als Biosensor wirkt, ein biofunktionalisiertes Material 24 auf die Oberfläche der Elektrodenstruktur (22S, 22P) wie in 10 gezeigt aufgebracht werden, die alle nicht-zufälligen, einzelnen gegliederten Elemente 22P enthält, die die Nanotopographieform der Elektrodenstruktur bilden. Jede der freiliegenden Flächen der Elektrodenbasis 22S kann auch mit dem Bio-Funktionalisierungsmaterial 24 beschichtet werden. Die Elektrodenstruktur (22S, 22P) kann als Komponente in verschiedenen Biosensoren verwendet werden, die andere bekannte Komponenten enthalten, wie beispielsweise Referenz- und Gegenelektrodenstrukturen, ohne darauf beschränkt zu sein.
Mit „Bio-Funktionalisierungsmaterial“ wird jeder Biorezeptor bezeichnet, der mit einem komplementären Ziel-Biomolekül bindet, so dass ein Bindungsereignis ausgelöst wird. In einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung erzeugen biochemische Reaktionen, an denen das Bio-Funktionalisierungsmaterial beteiligt ist, ein elektrisches Signal, das durch das nicht-zufällige einzelne gegliederte Element 22P der Elektrodenstruktur unter einem angelegten elektrischen Potential übertragen werden kann. Beispiele für Bio-Funktionalisierungsmaterialien, die verwendet werden können, beinhalten ein Oligonukleotid, eine Nukleinsäure, ein Peptid, einen Liganden, ein Protein, ein Enzym oder ein beliebiges anderes Material, das an ein komplementäres Ziel-Biomolekül binden kann. Wenn die Elektrodenstruktur (22P, 22S) als Glucosesensor verwendet wird, kann das Bio-Funktionalisierungsmaterial 24 aus Glucoseoxidase oder Glucosedehydrogenase bestehen.
Das Bio-Funktionalisierungsmaterial 24 kann auf eine Elektrodenstruktur (22S, 22P) der vorliegenden Erfindung unter Verwendung etablierter Bio-Funktionalisierungsprozesse aufgebracht werden, die dem Fachmann bekannt sind. Solche Bio-Funktionalisierungsprozesse beinhalten üblicherweise eine Reihe chemischer Reaktionen, die das Bio-Funktionalisierungsmaterial 24 an der Oberfläche der Elektrodenstruktur der vorliegenden Anmeldung anbringen.
Nun bezugnehmend auf die 11 bis 17 ist eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung gezeigt, in der ein Verfahren zum Ausbilden einer Elektrodenstruktur offenbart ist, bei dem eine Grenzfläche zwischen der nicht-zufälligen Topographie der Elektrodenstruktur und der Elektrodenbasis der Elektrodenstruktur ausgebildet wird.
Zunächst bezugnehmend auf 11 ist eine beispielhafte Struktur gezeigt, die ein Substrat 50 und eine Elektrodenbasis 52 beinhaltet, die gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung verwendet werden kann. In einigen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung können andere Abschnitte des Substrats 50, die die Elektrodenbasis 52 nicht beinhalten, mit einem Schutzdielektrikum (nicht gezeigt) geschützt sein.
Das Substrat 50, das in dieser Ausführungsform der vorliegenden Erfindung verwendet werden kann, kann eines der oben für das Substrat 10 genannten Materialien enthalten. In einem Beispiel kann das Substrat 50 ein Halbleitersubstrat wie beispielsweise Silicium sein.
Eine Elektrodenbasis 52 kann dann auf einem Abschnitt des Substrats 50 ausgebildet werden. Die Elektrodenbasis 52 kann durch Abscheiden eines leitfähigen Materials und nachfolgendes Strukturieren des leitfähigen Materials unter Verwendung eines bekannten Strukturierungsprozesses ausgebildet werden, wie beispielsweise Photolithographie und reaktivem lonenätzen. In einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann das leitfähige Material eines der oben für das leitfähige metallhaltige Material 22 erwähnten leitfähigen metallhaltigen Materialien enthalten. In dieser Ausführungsform der vorliegenden Erfindung hat die Elektrodenbasis 52 eine Elektrodenbasisform wie oben definiert.
Nun bezugnehmend auf 12 ist die beispielhafte Struktur von 11 gezeigt, nachdem eine dielektrische Schicht 54 abgeschieden wurde. Die dielektrische Schicht 54 kann ein beliebiges Hartmaskenmaterial wie zum Beispiel Siliciumnitrid enthalten. Die dielektrische Schicht 54 kann unter Verwendung eines beliebigen Abscheidungsprozesses ausgebildet werden, wie beispielsweise chemischer Gasphasenabscheidung oder plasmaverstärkter chemischer Gasphasenabscheidung. Die dielektrische Schicht 54 kann eine Höhe und eine Breite haben, die größer als die Höhe oder Breite der Elektrodenbasis 52 sind.
Nun bezugnehmend auf 13 ist die beispielhafte Struktur von 12 gezeigt, nachdem eine Nanotopographie auf der dielektrischen Schicht 54 ausgebildet wurde. Die Nanotopographie kann unter Verwendung eines beliebigen Strukturierungsprozesses ausgebildet werden, einschließlich beispielsweise Photolithographie und reaktivem lonenätzen. Der Strukturierungsprozess stellt eine strukturierte dielektrische Schicht 54P bereit, die Öffnungen aufweist, die Abschnitte der Oberflächen der darunterliegenden Elektrodenbasis 52 freilegen. Die Öffnungen haben die Form und Größe eines nicht-zufälligen einzelnen gegliederten Elements, wie oben definiert, und definieren somit gemeinsam die Nanotopographieform der Elektrodenstruktur der vorliegenden Anmeldung.
Nun bezugnehmend auf 14 ist die beispielhafte Struktur von 13 gezeigt, nachdem eine metallische Keimschicht 20 auf der freiliegenden Oberfläche der Elektrodenbasis 52 ausgebildet wurde. Die metallische Keimschicht 20 dieser Ausführungsform der vorliegenden Erfindung gleicht der metallischen Keimschicht, die in der vorherigen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung beschrieben wurde. In dieser Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann die metallische Keimschicht 20 durch einen selektiven Abscheidungsprozess so ausgebildet werden, dass die metallische Keimschicht 20 nur auf den freiliegenden Oberflächen der Elektrodenbasis 52 ausgebildet wird. In einer alternativen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann die metallische Keimschicht 20 überflüssig werden, wenn die Elektrodenbasis 52 einen Entwurf und ein Material aufweist, die eine nachfolgende Bearbeitung ohne das Vorhandensein einer metallischen Keimschicht ermöglichen. Alternativ kann eine zusammenhängende Schicht aus metallischem Keimmaterial ausgebildet werden, wie in der vorherigen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung beschrieben wurde.
Nun bezugnehmend auf 15 ist die beispielhafte Struktur von 14 gezeigt, nachdem ein leitfähiges metallhaltiges Material 22 auf der metallischen Keimschicht 20 elektroplattiert wurde. Das leitfähige metallhaltige Material 22, das bei dieser Ausführungsform der vorliegenden Erfindung verwendet wird, gleicht dem, das oben für die vorherige Ausführungsform der vorliegenden Erfindung beschrieben wurde. Das leitfähige metallhaltige Material 22 dieser Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann wie oben in der vorherigen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung beschrieben ausgebildet werden. Da die metallische Keimschicht 20 aus demselben Material wie das leitfähige metallhaltige Material 22 bestehen kann, ist die metallische Keimschicht 20 in den Zeichnungen nicht getrennt gezeigt. In dieser Ausführungsform der vorliegenden Erfindung weist die Elektrodenbasis 52 die Elektrodenbasisform auf, während das leitfähige metallhaltige Material 22, das in den in der strukturierten dielektrischen Schicht 54P vorhandenen Öffnungen ausgebildet ist, insgesamt die Nanotopographieform der Elektrodenstruktur definiert.
In einigen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung kann das leitfähige metallhaltige Material 22 ein gleiches leitfähiges Material wie die Elektrodenbasis 52 enthalten. In einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung enthält das leitfähige metallhaltige Material 22 ein anderes leitfähiges Material als das leitfähige Material, das die Elektrodenbasis 52 bildet.
Nun bezugnehmend auf 16 ist die beispielhafte Struktur von 15 gezeigt, nachdem überschüssiges leitfähiges metallhaltiges Material 22 entfernt wurde, das sich über der strukturierten dielektrischen Schicht 54P befinden kann. Nachdem das überschüssige leitfähige metallhaltige Material 22 entfernt ist, ist eine Elektrodenstruktur (52, 22P) ausgebildet, die die Elektrodenbasis 52 und nicht-zufällige einzelne gegliederte Elemente 22P beinhaltet, die die Nanotopographieform der Elektrodenstruktur dieser Ausführungsform der vorliegenden Erfindung bilden.
In einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann das Entfernen des überschüssigen leitfähigen metallhaltigen Materials 22 durch einen Planarisierungsprozess wie beispielsweise chemisch-mechanisches Planarisieren und/oder Schleifen durchgeführt werden. In einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann das Entfernen des überschüssigen leitfähigen metallhaltigen Materials 22 unter Verwendung von mindestens einem Ätzprozess wie beispielsweise einem chemischen Rückätzprozess und/oder einem reaktiven lonenätzprozess (RIE-Prozess) durchgeführt werden. In beiden Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung stellt der Entfernungsprozess eine Struktur bereit, bei der die oberste Fläche aller nicht-zufälligen einzelnen gegliederten Elemente 22P mit der obersten Fläche der strukturierten dielektrischen Schicht 54P koplanar ist.
Nun bezugnehmend auf 17 ist die beispielhafte Struktur von 16 gezeigt, nachdem die strukturierte dielektrische Schicht 54P entfernt wurde. Die strukturierte dielektrische Schicht 54P kann unter Verwendung eines Entfernungsprozesses entfernt werden, der das Dielektrikum, das die strukturierte dielektrische Schicht 54P bildet, selektiv gegenüber einem leitfähigen Metall oder dem Material des Substrats 50 entfernt. In einigen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung kann ein reaktives lonenätzen verwendet werden, um die strukturierte dielektrische Schicht 54P zu entfernen. In einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann ein chemischer Nassätzprozess verwendet werden, um die strukturierte dielektrische Schicht 54P zu entfernen. In noch einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann die strukturierte dielektrische Schicht 54P derart vertieft werden, dass die oberen Flächen der Elektrodenstruktur 52 freigelegt werden, während die Seitenwände der Elektrodenstruktur 52 von der strukturierten dielektrischen Schicht 54P bedeckt bleiben.
In einigen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung kann das Substrat 50 unter der in 17 gezeigten Elektrodenstruktur (52, 22P) entfernt werden, um eine freistehende Elektrodenstruktur (52, 22P) bereitzustellen. Das Entfernen des Substrats 50 kann unter Verwendung eines Planarisierungsprozesses oder einer Folge von Prozessen wie zum Beispiel chemisch-mechanischem Planarisieren oder mechanischem Schleifen durchgeführt werden. Die Elektrodenstruktur (52, 22P) kann funktionalisiert werden, um als Biosensor zu wirken. Insbesondere kann ein Bio-Funktionalisierungsmaterial, wie oben definiert, auf die Oberfläche der Elektrodenstruktur (52, 22P) aufgebracht werden, die in den 11 bis 17 bereitgestellt wurde.
Nun bezugnehmend auf die 18 bis 22 ist eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung gezeigt, in der ein Verfahren zum Ausbilden einer Elektrodenstruktur offenbart ist, bei dem eine Grenzfläche zwischen der nicht-zufälligen Topographie der Elektrodenstruktur und der Elektrodenbasis der Elektrodenstruktur ausgebildet wird. Diese Ausführungsform der vorliegenden Erfindung beginnt mit dem Bereitstellen der in 11 gezeigten beispielhaften Struktur.
Zuerst bezugnehmend auf 18 ist die beispielhafte Struktur von 11 gezeigt, nachdem eine Photoresistschicht 60 abgeschieden wurde. Die Photoresistschicht 60 kann ein Positiv- oder Negativ-Photoresistmaterial enthalten. Die Photoresistschicht 60 kann unter Verwendung eines beliebigen Abscheidungsprozesses ausgebildet werden, beispielsweise durch Rotationsbeschichtung. Die Photoresistschicht 60 kann eine Höhe und Breite haben, die größer als die Höhe oder Breite der Elektrodenbasis 52 sind.
Nun bezugnehmend auf 19 ist die beispielhafte Struktur von 18 gezeigt, nachdem die Photoresistschicht 60 strukturiert wurde. Das Strukturieren kann durch Belichten und Entwickeln der Photoresistschicht unter Verwendung von Photolithographie durchgeführt werden. Die Nanostrukturierung stellt eine strukturierte Photoresistschicht 60P bereit, die Öffnungen enthält, die Oberflächen der darunterliegenden Elektrodenbasis 52 freilegen. Die Öffnungen haben die Form und Größe eines nicht-zufälligen einzelnen gegliederten Elements, wie oben definiert, und definieren somit gemeinsam die Nanotopographieform der Elektrodenstruktur der vorliegenden Erfindung.
Nun bezugnehmend auf 20 ist die beispielhafte Struktur von 19 gezeigt, nachdem eine metallische Keimschicht 20 auf einer freiliegenden Oberfläche der Elektrodenbasis 52 ausgebildet wurde. Die metallische Keimschicht 20 dieser Ausführungsform der vorliegenden Erfindung gleicht der metallischen Keimschicht, die in der vorherigen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung beschrieben wurde. In dieser Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann die metallische Keimschicht 20 durch einen selektiven Abscheidungsprozess so ausgebildet werden, dass die metallische Keimschicht 20 nur auf den freiliegenden Oberflächen der Elektrodenbasis 52 ausgebildet wird. Alternativ kann eine zusammenhängende Schicht aus metallischem Keimmaterial ausgebildet werden, wie in der vorherigen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung beschrieben wurde.
Nun bezugnehmend auf 21 ist die beispielhafte Struktur von 20 gezeigt, nachdem ein leitfähiges metallhaltiges Material 22 auf der metallischen Keimschicht 20 elektroplattiert wurde. Das leitfähige metallhaltige Material 22, das bei dieser Ausführungsform der vorliegenden Erfindung verwendet wird, gleicht dem, das oben für die vorherige Ausführungsform der vorliegenden Erfindung beschrieben wurde. Das leitfähige metallhaltige Material 22 dieser Ausführungsform kann wie oben in der vorherigen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung beschrieben ausgebildet werden. Da die metallische Keimschicht 20 aus demselben Material wie das leitfähige metallhaltige Material 22 bestehen kann, ist die metallische Keimschicht 20 in den Zeichnungen nicht getrennt gezeigt. In dieser Ausführungsform der vorliegenden Erfindung weist die Elektrodenbasis 52 die Elektrodenbasisform auf, während das leitfähige metallhaltige Material 22, das in den in der strukturierten Photoresistschicht 60P vorhandenen Öffnungen ausgebildet ist, insgesamt die Nanotopographieform der Elektrodenstruktur der vorliegenden Anmeldung definiert.
In einigen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung kann das leitfähige metallhaltige Material 22 ein gleiches leitfähiges Material wie die Elektrodenbasis 52 enthalten. In einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung enthält das leitfähige metallhaltige Material 22 ein anderes leitfähiges Material als das leitfähige Material, das die Elektrodenbasis 52 bildet.
Nun bezugnehmend auf 22 ist die beispielhafte Struktur von 21 gezeigt, nachdem ein Abhebeprozess durchgeführt wurde, um die überschüssige strukturierte Photoresistschicht 60P zu entfernen. Nach dem Durchführen des Abhebeprozesses ist eine Elektrodenstruktur (52, 22P) ausgebildet, die die Elektrodenbasis 52 und nicht-zufällige einzelne gegliederte Elemente 22P beinhaltet, die die Nanotopographieform der Elektrodenstruktur dieser Ausführungsform der vorliegenden Erfindung bilden.
Der Abhebeprozess, der verwendet werden kann, beinhaltet jeden herkömmlichen Abhebeprozess, der das Material entfernen kann, das die strukturierte Photoresistschicht 60P bildet. Während des Abhebeprozesses können Abschnitte des leitfähigen metallhaltigen Materials 22 entfernt werden, die direkt auf der strukturierten Photoresistschicht 54P angeordnet sind. Nach dem Durchführen des Abhebeprozesses kann ein Planarisierungsprozess verwendet werden, um die nicht-zufälligen einzelnen gegliederten Elemente 22P der Elektrodenstruktur dieser Ausführungsform der vorliegenden Erfindung bereitzustellen.
In einigen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung kann das Substrat 50 unter der in 22 gezeigten Elektrodenstruktur (52, 22P) entfernt werden, um eine freistehende Elektrodenstruktur (52, 22P) bereitzustellen. Das Entfernen des Substrats 50 kann unter Verwendung eines Planarisierungsprozesses oder einer Folge von Prozessen wie zum Beispiel chemisch-mechanischem Planarisieren und mechanischem Schleifen durchgeführt werden. Die Elektrodenstruktur (52, 22P) kann mit einer bioaktiven Schicht funktionalisiert werden, um als Biosensor zu wirken. Insbesondere kann ein Bio-Funktionalisierungsmaterial, wie oben definiert, auf die Oberfläche der Elektrodenstruktur (52, 22P) aufgebracht werden, die in den 18 bis 22 bereitgestellt wird.
Nun bezugnehmend auf die 23 bis 24 ist eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung gezeigt, in der ein Verfahren zum Ausbilden einer Elektrodenstruktur offenbart ist, bei dem keine Grenzfläche zwischen der nicht-zufälligen Topographie der Elektrodenstruktur und der Elektrodenbasis der Elektrodenstruktur ausgebildet wird. Diese Ausführungsform der vorliegenden Erfindung beginnt mit dem Bereitstellen einer der beispielhaften Strukturen, die in den 13 oder 19 gezeigt sind. Beispielhaft ist die in 19 gezeigte Struktur gezeigt. Wenn die in 13 gezeigte beispielhafte Struktur verwendet wird, kann das Ätzen der freiliegenden Abschnitte der Elektrodenbasis 52, wie hier nachstehend offenbart, unter Verwendung der strukturierten dielektrischen Schicht 54P als Ätzmaske verwendet werden. Nach dem Ätzen kann die strukturierte dielektrische Schicht 54P wie in der oben erwähnten zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung offenbart entfernt werden. Bei dieser Ausführungsform der vorliegenden Erfindung weist die anfängliche Elektrodenbasis 52 im Gegensatz zu den vorherigen Ausführungsformen noch nicht die Elektrodenbasisform auf; in dieser Ausführungsform kann die Elektrodenbasis, die die Elektrodenbasisform nicht aufweist, lediglich als Elektrodenbasismaterial bezeichnet werden. Stattdessen wird die Elektrodenbasisform durch die Öffnungen, die in der strukturierten Photoresistschicht 60 vorhanden sind, und die Tiefe der Ätzung definiert, während die Abschnitte der strukturierten Photoresistschicht 60P auf dem Elektrodenbasismaterial und die Tiefe der Ätzung gemeinsam die Nanotopographieform der Elektrodenstruktur definieren.
Nun bezugnehmend auf 23 ist die beispielhafte Struktur von 19 gezeigt, nachdem die freiliegenden Abschnitte des Elektrodenbasismaterials unter Verwendung der strukturierten Photoresistschicht 60P als Ätzmaske geätzt wurden. Das Ätzen der freiliegenden Abschnitte des Elektrodenbasismaterials stellt eine Elektrodenstruktur der vorliegenden Erfindung bereit. Die Elektrodenstruktur beinhaltet eine Elektrodenbasis 52S mit einer nicht-zufälligen Topographie, die durch einzelne gegliederte Elemente 52P gebildet wird, die auf einer Oberfläche der Elektrodenbasis 52S angeordnet sind. Gemäß dieser Ausführungsform der vorliegenden Erfindung weisen die Elektrodenbasis 52S und die nicht-zufällige Topographie, die von den einzelnen gegliederten Elementen 52P gebildet wird, einen einheitlichen Aufbau und eine einheitliche Zusammensetzung auf.
Das Ätzen der freiliegenden Abschnitte des Elektrodenbasismaterials kann unter Verwendung eines anisotropen Ätzprozesses durchgeführt werden. In einem Beispiel ist der anisotrope Ätzprozess ein Trockenätzprozess, wie zum Beispiel reaktives lonenätzen. In einem weiteren Beispiel ist der anisotrope Ätzprozess ein chemischer Nassätzprozess, bei dem ein chemisches Ätzmittel das Material, das das Elektrodenbasismaterial bildet, selektiv gegenüber dem Photoresistmaterial entfernt.
Nun bezugnehmend auf 24 ist die beispielhafte Struktur von 23 gezeigt, nachdem die strukturierte Photoresistschicht 60P entfernt wurde. Das Entfernen des strukturierten Photoresists kann unter Verwendung eines beliebigen Photoresist-Abziehprozesses, beispielsweise Veraschung auf Sauerstoffplasma-Basis, durchgeführt werden. Wie in 24 gezeigt, stellt das Entfernen der strukturierten Photoresistschicht 60P von der in 23 gezeigten beispielhaften Struktur eine Elektrodenstruktur bereit, die eine Elektrodenbasis 52S mit einer nicht-zufälligen Topographie aufweist, die durch einzelne gegliederte Elemente 52P gebildet wird, die auf einer Oberfläche der Elektrodenbasis 52S angeordnet sind; die Elektrodenbasis 52S, die jetzt eine Elektrodenbasisform aufweist, besteht aus verbleibenden Abschnitten des Elektrodenbasismaterials. Gemäß dieser Ausführungsform der vorliegenden Erfindung weisen die Elektrodenbasis 52S und die nicht-zufällige Topographie, die von den einzelnen gegliederten Elementen 52P gebildet wird, einen einheitlichen Aufbau und eine einheitliche Zusammensetzung auf.
In einigen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung kann das Substrat 50 unter der in 24 gezeigten Elektrodenstruktur (52S, 52P) entfernt werden, um eine freistehende Elektrodenstruktur (52S, 52P) bereitzustellen. Das Entfernen des Substrats 50 kann unter Verwendung eines Planarisierungsprozesses oder einer Folge von Prozessen wie zum Beispiel chemisch-mechanischem Planarisieren und mechanischem Schleifen durchgeführt werden. Die Elektrodenstruktur (52S, 52P) kann funktionalisiert werden, um als Biosensor zu wirken. Insbesondere kann ein Bio-Funktionalisierungsmaterial, wie oben definiert, auf die Oberfläche der Elektrodenstruktur (52S, 52P) aufgebracht werden, die in den 23 bis 24 bereitgestellt wird.
Während die vorliegende Erfindung insbesondere in Bezug auf bevorzugte Ausführungsformen davon gezeigt und beschrieben wurde, ist es für Fachleute klar, dass das Vorangegangene und weitere Änderungen in Form und Details ausgeführt werden können, ohne vom Umfang der vorliegenden Erfindung abzuweichen. Es ist daher beabsichtigt, dass die vorliegende Erfindung nicht auf die bestimmten beschriebenen und gezeigten Formen und Details beschränkt ist, sondern in den Umfang der beigefügten Ansprüche fällt.

Claims

Verfahren zum Ausbilden einer Elektrodenstruktur (22S, 22P), das Verfahren aufweisend: Bereitstellen einer Form (10S) mit einer Struktur, die sowohl eine Elektrodenbasisform (15) als auch eine Nanotopographieform (19) aufweist; Ausbilden einer metallischen Keimschicht (20) auf freiliegenden Oberflächen der Form (10S), die die Elektrodenbasisform (15) und die Nanotopographieform (19) aufweist; Elektroabscheiden eines leitfähigen metallhaltigen Materials (22) auf der metallischen Keimschicht (20) und in der Form (10S), um eine Elektrodenstruktur (22S, 22P) bereitzustellen, die das leitfähige metallhaltige Material (22) aufweist und die Elektrodenbasisform (15) und die Nanotopographieform (19) aufweist; Entfernen der Form (10S) von der Elektrodenstruktur (22S, 22P); und Anbringen eines Bio-Funktionalisierungsmaterials (24) an der Elektrodenstruktur (22S, 22P).
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Bereitstellen der Form (10S) aufweist: ein erstes Strukturieren eines Substrats (10), um die Elektrodenbasisform (15) in dem Substrat (10) bereitzustellen; und ein zweites Strukturieren des Substrats (10), das die Elektrodenbasisform (15) enthält, um die Nanotopographieform (19) in dem Substrat (10) bereitzustellen.
Verfahren nach Anspruch 1, ferner aufweisend: Entfernen von überschüssigem leitfähigem metallhaltigem Material (22), das auf der Form (10S) ausgebildet ist.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Entfernen der Form (10S) ein in Kontakt bringen der Form (10S) mit einem chemischen Nassätzmittel aufweist.
Verfahren zum Ausbilden einer Elektrodenstruktur (22S, 22P), das Verfahren aufweisend: Bereitstellen einer Elektrodenbasis mit einer Elektrodenbasisform (15) auf einem Substrat (10), Ausbilden einer strukturierten Materialschicht, die die Elektrodenbasis umgibt, wobei die strukturierte Materialschicht Öffnungen (14) enthält, die eine Nanotopographieform (19) der Elektrodenstruktur (22S, 22P) definieren; Ausbilden einer metallischen Keimschicht (20) auf freiliegenden Oberflächen der Elektrodenbasis und in den Öffnungen (14), Elektroplattieren eines leitfähigen metallhaltigen Materials (22) auf der metallischen Keimschicht (20) und in den Öffnungen (14), um die Elektrodenstruktur (22S, 22P) bereitzustellen, die die Elektrodenbasis (52) mit der Elektrodenbasisform (15) und das leitfähige metallhaltige Material (22) mit der Nanotopographieform (19) aufweist; Entfernen der strukturierten Materialschicht; und Anbringen eines Bio-Funktionalisierungsmaterials (24) an der Elektrodenstruktur (22S, 22P).
Verfahren nach Anspruch 5, wobei die strukturierte Materialschicht eine strukturierte dielektrische Schicht (54) oder eine strukturierte Photoresistschicht (60) ist.
Verfahren nach Anspruch 5, ferner aufweisend: Entfernen des Substrats (10), wobei das Entfernen des Substrats (10) zwischen dem Entfernen der strukturierten Materialschicht und dem Anbringen des Bio-Funktionalisierungsmaterials (24) an der Elektrodenstruktur (22S, 22P) durchgeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder Anspruch 5, wobei die metallische Keimschicht (20) und das leitfähige metallhaltige Material (22) ein gleiches Metall oder eine gleiche Metalllegierung aufweisen.
Verfahren nach Anspruch 5, ferner aufweisend: Entfernen von überschüssigem leitfähigem metallhaltigem Material (22), das auf der strukturierten Materialschicht ausgebildet ist, durch Durchführen eines Planarisierungsprozesses oder eines Abhebeprozesses.
Verfahren nach Anspruch 5, wobei eine Grenzfläche zwischen der Elektrodenbasisform (15) und der Nanotopographieform (19) vorhanden ist.