JP2014531327A5

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Publication number: JP2014531327A5
Application number: JP2014526413A
Authority: JP
Filing date: 2012-08-20
Publication date: 2015-10-01
Anticipated expiration: 2032-08-20

Claims

特に分子特性の決定のためのセンサ素子を製造する方法であって、以下の工程ａ）〜ｃ）を有することを特徴とする方法。
ａ）基板（２１）に、特に単結晶シリコン層に、長方形又は正方形の入口開口部（２８）を上部側（１８）に有し、前記上部側（１８）と反対側の下部側（４０）に出口開口部（２７）を有する漏斗状の通過開口部（１９）を発生させ、前記出口開口部（２７）のほうが断面積が小さく、好ましくは少なくとも５分の１、特に好ましくは少なくとも１０分の１の大きさである；
ｂ）前記入口開口部（２８）に隣接する又は近接する前記上部側（１８）の領域において、
−５０ｎｍ未満の直径を有する少なくとも１つのナノワイヤ（４）を製造し、このナノワイヤと電極（１１，１３，３０）との接触を少なくとも２つの位置を介して形成し、前記少なくとも１つのナノワイヤ（４）と前記電極（１１，１３，３０）を基板（１，５）の１つの面に配置し、及び前記ナノワイヤを、前記入口開口部（２８）に架かる橋を形成するように前記入口開口部（２８）の上に置いて電極（３０）を介して両側に接触を形成する、
このとき、
ａ１）０．５〜５０ｎｍの範囲の直径を有する触媒活性金属ナノ粒子を絶縁基板（１）の表面（２）上に堆積させる；
ｂ１）前記表面とその上に堆積させた前記金属ナノ粒子を、３００〜１１００℃の範囲の温度で、１０〜２００分間、少なくとも１つの気体シリコン成分を含有するガス流にさらし、前記基板（１）から突出する５〜２００μｍの範囲の長さを有する少なくとも１つのナノワイヤ（４）を形成する；
ｃ１）前記基板（１）の前記表面から突出する前記少なくとも１つのナノワイヤ（４）を、前記絶縁基板（１）の前記表面（２）に対応する接触面（６）を有する第二の基板（５）を上に置くことによって、平面に横たわらせる；
ｄ１）前記絶縁基板（１）上に横たわらせた前記少なくとも１つのナノワイヤ（４）と電極（１１，１３，３０）との２つの異なる位置での接触、又は、前記第二の基板（５）上に付着している前記少なくとも１つのナノワイヤと電極（１１，１３，３０）との２つの異なる位置での接触、のいずれかを形成する；か、
−又は、既成のＣＮＴ又はナノワイヤ（４）を、前記入口開口部（２８）に架かる橋を形成するように前記入口開口部（２８）の上に置いて電極（３０）を介して両側に接触を形成する；
ｃ）前記２つの電極（３０）を回路に一体化させ、電気又は電子特性を前記ＣＮＴ又はナノワイヤ（４）を使用して測定することができ、特に、時間の関数として、特に分子（３５）の位置の関数として抵抗を測定できる。
工程ａ）において、厚さが５〜５００ｎｍの範囲、好ましくは１００〜３００ｎｍの範囲の表面単結晶＜１００＞シリコン層（２１）、その下に二酸化ケイ素層（２２）、及びその下にシリコンウエハ（２３）を有する、シリコーンベースの基板（２４）全体から始めて、前記シリコン層（２１）に漏斗状の通過開口部を、乾式化学又は湿式化学エッチング方法で、好ましくは請求項８〜１２のいずれかに記載の方法で製造し、辺長が２〜１０ｎｍの範囲の正方形又は長方形の出口開口部（２７）を前記二酸化ケイ素層（２２）側のシリコン層（２１）に製造するために、この出口開口部（２７）の領域の前記シリコンウエハ（２３）と前記二酸化ケイ素層（２２）を除去して前記出口開口部（２７）を露出させ、前記シリコン層（２１）を絶縁酸化した二酸化ケイ素層（２９）に変換する、ことを特徴とする請求項１に記載の方法。
前記センサ素子の領域の、前記入口開口部（２８）の上部側、及び前記出口開口部（２７）の下部側に、測定されるべき分子を保持できる液体を受け取る領域を設け、特に磁気及び／又は光学及び／又は電気光学及び／又は機械的可動素子の形状の手段を付加的に設け、それにより、少なくとも部分的に前記通過開口部（１９）を通過する分子（３５）が、この通過開口部（１９）を通って、前記ナノワイヤ（４）を越えて及び周囲を移動することができ、特に好ましくは、前記上部側の前記液体領域と前記下部側の前記液体領域との間に電位差を生み出せる回路を設ける、ことを特徴とする請求項１又は２に記載の方法。
前記工程ｂ）における前記ナノワイヤの製造での前記絶縁基板（１）がシリコン、二酸化ケイ素、窒化ケイ素又はガラスから構成される基板であって、前記金属ナノ粒子が金ナノ粒子であり、好ましくは、５〜５０ｎｍの範囲、好ましくは２０〜４５ｎｍの範囲の直径を有することを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の方法。
工程ａ１）において、空間的に制限された、互いに離れた領域内の前記基板上に前記金属ナノ粒子を堆積させ、より好ましくは、フォトレジストの層を塗布し、特に光リソグラフィーを使用し、好ましくは、構造化クロムマスクを介した選択的露光によって、このフォトレジスト層に０．０２〜１０μｍ、好ましくは０．５〜５μｍの範囲の直径を有する穴を製造する、及び、その後、
コロイド形態の金属ナノ粒子、好ましくは０．５〜５００ｎｍの範囲の直径、特に好ましくは、５〜１５０ｎｍの範囲の直径を有するナノ粒子を好ましくは含む水溶液を前記フォトレジストに塗布し、溶液を蒸発させ、続いて、適切な溶媒、好ましくはアセトンで前記レジストを除去する、又は、
減圧下で電子ビーム金属蒸発を使用して、好ましくは０．１〜２ｎｍの範囲の層厚の金属膜、特に金膜を、前記フォトレジスト層に塗布し、続いて、フォトレジストとその上に存在する金属を適切な溶剤、好ましくはアセトンで除去することによって金属ナノ粒子を堆積させる、ことを特徴とする、請求項１〜４のいずれかに記載の方法。
工程ｂ１）を、３５０〜５００℃の範囲、好ましくは４００〜４８０℃の範囲、特に好ましくは４５０〜４７０℃の範囲の温度で、気体シリコン成分としてシラン又はジシランを、好ましくは搬送ガス、特に好ましくは窒素又は水素と組み合わせて使用し、好ましくは５０〜２００ｓｃｃｍの範囲のガス流量のシラン又はジシラン、及び、１００〜３００ｓｃｃｍの範囲のガス流量の搬送ガスを使用して、基板の上の全圧を１〜５０ｍｂａｒの範囲、好ましくは２〜１０ｍｂａｒの範囲に維持することにより行う、ことを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の方法。
工程ａ１）において、前記ナノ粒子を少なくとも１つの、好ましくは２つ以上の互いに離間した核生成区域（９）に堆積させて、工程ｂ１）で、多数のナノワイヤ（４）を各核生成区域（９）の上に形成し、工程ｄ１）で、第一の中心電極（１１）を、好ましくは金属蒸着又はフォトリソグラフィー堆積によって、前記ナノワイヤの第一の端部と接触させて、前記核生成区域（９）の上に製造し、好ましくは金属蒸着又はフォトリソグラフィー堆積によって、前記第一の電極（１１）を少なくとも部分的に取り囲むように形成された第二の電極（１３）を製造する、ことを特徴とする請求項１〜６のいずれかに記載の方法。
工程ａ）に対し、結晶基板（１６）内の凹部（１９）の乾式化学製造の方法を用いることを特徴とし、
触媒粒子（１７）を、前記凹部（１９）を製造する位置で結晶基板（１６）の表面（１８）上に堆積させ、前記基板（１６）の酸化を防止するガス雰囲気の存在下で、前記表面（１８）上の前記触媒粒子（１７）が存在する少なくとも領域を、５００℃以上、好ましくは７５０℃以上、特に好ましくは９００℃以上、より好ましくは９００〜１１００℃の範囲の温度に、５分間以上、好ましくは１５分間以上にわたってさらし、少なくとも３つの境界面（２０）を有する漏斗状凹部（１９）を形成し、これらの境界面は前記基板の内部で合流し、及び、前記結晶基板（１６）の結晶面である、ことを特徴とする、請求項１〜７のいずれかに記載の方法。
前記結晶基板（１６）が単結晶基板であって、好ましくはシリコンから構成され、好ましくは（１００）シリコンウエハ、特にＳＯＩ構造であり、ＳＯＩ構造の場合、前記境界面（２０）が、特に好ましくは単結晶の４つの（１１１）結晶面であり、前記表面から延びて前記基板の内部で合流する、ことを特徴とする請求項８に記載の方法。
前記触媒粒子（１７）が、好ましくは１〜２０ｎｍ、特に好ましくは２〜１０ｎｍの範囲の直径を有する金属ナノ粒子、好ましくは金ナノ粒子（１７）であって、好ましくは電子ビーム金属蒸発工程を使用して、好ましくは高真空下で、前記表面上に０．１〜２ｎｍの範囲の厚さの金層を製造し、これを使用して異なる表面エネルギーに基づいて前記金ナノ粒子（１７）を形成することにより、前記金ナノ粒子（１７）を前記表面（１８）上に製造する、ことを特徴とする請求項８又は９に記載の方法。
前記基板（１６）の厚さが、前記境界面（２０）によって形成された前記凹部（１９）の幾何学的深さより小さいために、前記凹部（１９）が前記基板（１６）を貫通する通過開口部であって、前記基板の前記表面（１８）内の前記凹部は、前記表面（１８）と前記境界面（２０）との交差ラインによって形成された入口開口部（２８）と、前記基板（１６）の反対側の底面と前記境界面（２０）とによって形成された出口開口部（２７）を有し、出口開口部の断面積は前記入口開口部（２８）と同じ形状の、より小さな断面積である、ことを特徴とする請求項８又は９に記載の方法。
前記入口開口部（２８）は多角形、好ましくは、長方形又は正方形の断面積を有し、辺長は５０〜５００ｎｍ、好ましくは１５０〜２５０ｎｍの範囲であり、前記凹部は前記境界面（２０）によって形成された、好ましくは５０〜５００ｎｍ、特に好ましくは１５０〜２５０ｎｍの範囲の幾何学的深さを有し、前記幾何学的深さが好ましくは前記基板の厚さより１〜５０ｎｍ、好ましくは５〜１０ｎｍ大きく、その結果、出口開口部（２７）を有する通過開口部を形成する、ことを特徴とする請求項１１に記載の方法。
特に請求項１〜１２のいずれかに記載の方法で製造されたセンサ素子であって、
該センサ素子は、上部側（１８）に好ましくは長方形又は正方形の入口開口部（２８）と、前記上部側（１８）と反対側の下部側に（４０）より小さい出口開口部（２７）を有する漏斗状の通過開口部（１９）を有する絶縁基板（２９）を含み、この出口開口部（２７）は断面積がより小さく、好ましくは少なくとも５分の１、特に好ましくは少なくとも１０分の１の大きさであり、
ナノワイヤ又はＣＮＴ（４）を、前記入口開口部（２８）と関わらせて、前記入口開口部（２８）に架かる橋を形成するように配置し、電極（３０）を介して両側に接触接続させ、これらの電極（３０）を回路に一体化させ又は一体化させることができ、この回路内で電気又は電子特性を前記ナノワイヤ又はＣＮＴ（４）によって測定することができ、特に、時間の関数として、特に分子（３５）の位置の関数として抵抗を測定し、好ましくは、前記入口開口部（２８）の上部側及び前記出口開口部（２７）の下部側に、測定されるべき分子を保持できる液体を受け取る領域を設け、さらに好ましくは、特に磁気及び／又は光学及び／又は電気光学及び／又は機械的可動素子の形状の手段を付加的に設け、それにより、少なくとも部分的に前記通過開口部（１９）を通過する分子（３５）がこの通過開口部（１９）を通って、前記ナノワイヤ又はＣＮＴ（４）を越えて及び周囲を移動することができ、特に好ましくは、前記上部側の前記液体領域と前記下部側の前記液体領域との間に電位差を生み出せる回路を設ける、ことを特徴とするセンサ素子。
請求項１３に記載のセンサ素子を使用して、長鎖分子、特にＤＮＡ分子の特性を測定する方法であって、
前記分子（３５）の片側を、好ましくは磁気及び／又は光学的にアドレス可能なビーズの形状の抵抗素子（３６）に連結し、このビーズは、前記通過開口部（１９）を通過することができない大きさであり、外部からの影響によって、前記通過開口部（１９）に対して３次元的に及び前記表面に対して横方向に位置を変えることができ、
前記抵抗素子（３６）に連結されたこの分子（３５）は、前記上部側の前記液体領域（３３）に導入され、前記上部側の液体領域（３３）と前記下部側の液体領域（３４）の間に電位差が確立されて、前記分子（３５）の自由端が前記通過開口部（１９）を通って前記下部側液体領域（３４）内へ引っ張られ、前記抵抗素子（３６）が前記上部側液体領域（３３）に捕捉された状態になり、及び、特にレーザーシングルビームトラップの形状、又は磁場形状の外部からの影響が加えられて、前記抵抗素子（３６）が前記通過開口部（１９）から離れる及び／又は近づき、必要な場合は交互に操作して、前記分子鎖（３５）を前記ＣＮＴ又はナノワイヤ（４）の周囲を移動させ、それとの接触を形成し、前記ＣＮＴ又はナノワイヤ（４）に対する電気又は電子特性、好ましくは時間の関数として抵抗の変化を測定する、ことを特徴とする方法。