KR102562628B1

KR102562628B1 - 나노-세공 유동 셀들 및 제조 방법들

Info

Publication number: KR102562628B1
Application number: KR1020217015532A
Authority: KR
Inventors: 조셉 알. 존슨; 로저 쿠온
Original assignee: 어플라이드 머티어리얼스, 인코포레이티드
Priority date: 2018-10-29
Filing date: 2019-09-27
Publication date: 2023-08-03
Also published as: TWI772022B; JP7087200B2; CN112912726B; TW202138285A; KR20210065196A; JP2022505957A; US20200132663A1; TWI728526B; WO2020091924A1; US11249067B2; TW202026234A; CN112912726A; US20220155279A1; EP3874263A4; EP3874263A1

Abstract

나노-세공 유동 셀들 및 그의 제조 방법들이 본원에서 제공된다. 일 실시예에서, 유동 셀을 형성하는 방법은, 제1 기판 상에 다층 적층체를 형성하는 단계를 포함한다. 다층 적층체는, 제1 기판 상에 배치되는 멤브레인 층, 및 멤브레인 층 상에 배치되는 물질 층을 특징으로 하고, 멤브레인 층은 자신을 통해 형성되는 제1 개구를 갖는다. 방법은, 제2 기판에 제2 개구를 형성하기 위해 제2 기판의 표면을 패터닝하는 단계, 제2 기판의 패터닝된 표면을 다층 적층체의 표면에 접합하는 단계, 제1 기판을 박형화하는 단계, 및 멤브레인 층의 반대쪽 표면들을 노출시키기 위해, 박형화된 제1 기판, 및 물질 층의 적어도 부분들을 제거하는 단계를 더 포함한다.

Description

나노-세공 유동 셀들 및 제조 방법들

본원에서의 실시예들은, 솔리드-스테이트 나노-세공 센서들과 함께 사용될 유동 셀들 및 그의 제조 방법들에 관한 것이다.

솔리드-스테이트 나노-세공 센서들은, 저비용의, 고도의 이동성의, 그리고 신속한 처리의 생체고분자, 예컨대, DNA 또는 RNA 서열 분석 기술로서 부상하였다. 생체고분자 가닥의 솔리드-스테이트 나노-세공 서열 분석은, 약 0.1 nm 내지 약 100 nm의 직경을 갖는 나노규모 크기의 개구, 즉, 나노-세공을 통해 생체고분자 가닥을 전위시키는 것을 포함한다. 전형적으로, 나노-세공은, 2개의 전도성 유체 저장소를 분리하는 멤브레인 층을 통해 배치된다. 서열 분석될 생체고분자 가닥, 예컨대, 특징적으로 음으로 대전된 DNA 또는 RNA 가닥이 2개의 전도성 유체 저장소 중 하나 내로 도입되고, 이어서, 그들 사이에 전위를 제공함으로써 나노-세공을 통해 흡인된다. 생체고분자 가닥이 나노-세공을 통해 이동함에 따라, 그의 상이한 단량체 단위들, 예컨대, DNA 또는 RNA 가닥의 단백질 염기들이 상이한 백분율들의 나노-세공을 폐색시키며, 그에 따라, 나노-세공을 통한 이온성 전류 흐름이 변경된다. 결과적인 전류 신호 패턴이 사용되어 생체고분자 가닥의 단량체 단위들의 서열, 이를테면, DNA 또는 RNA 가닥의 단백질들의 서열이 결정될 수 있다.

종종, 멤브레인 층 및 그를 통해 배치된 나노-세공은, 이들과 함께 나노-세공 유동 셀을 형성하는 단결정질 규소 기판 상에 제조된다. 단결정질 규소 기판은 전형적으로, 반도체 디바이스들의 제조에서 사용되는 기판들과 동일하거나 유사하다. 반도체 디바이스들의 제조에서 사용되는 것들과 동일하거나 유사한 기판을 사용하는 것은, 상업적으로 입수가능한 반도체 디바이스 제조 장비 및 방법들을 사용하여 나노-세공 유동 셀을 제조하는 것을 용이하게 한다.

전형적으로, 멤브레인 층이 규소 기판의 전면측 표면 상에 증착되고, 나노-세공 개구는, 포토리소그래피 패터닝 및 식각 처리 시퀀스를 사용하여, 규소 기판을 통해서가 아니라 멤브레인 층을 통해 형성된다. 이어서, 규소 기판의 후면측 표면 내에 개구를 식각함으로써, 규소 기판에 근접하게 배치된 멤브레인 층의 표면이 노출된다. 전형적으로, 규소 기판의 후면측 표면 내의 개구는, 기판의 후면측 표면을 그 표면 상에 배치된 패터닝된 마스크를 통해 습식 또는 수성 규소 식각제, 이를테면, KOH에 노출시킴으로써 형성된다. 전형적인 규소 기판은, 그의 두께를 통해 이방성으로 식각하기 위해 9 시간 내지 13 시간 동안 규소 식각제에 노출될 필요가 있을 것이다. 이러한 긴 식각 시간은 나노-세공 유동 셀을 형성하는 사이클 시간을 그리고 그에 따라 비용을 바람직하지 않게 증가시킨다. 추가로, 통상적인 나노-세공 유동 셀에서의 고주파수 뉴클레오티드 검출 동안 멤브레인 층을 지지하는 데 사용되는 단결정질 기판에 축적되는 전하들은 전류 신호에서 배경 잡음을 바람직하지 않게 증가시킨다. 이러한 바람직하지 않은 배경 잡음은 나노-세공 센서 또는 유동 셀의 검출 분해능을 감소시킨다.

그에 따라서, 솔리드-스테이트 나노-세공 센서에서 사용하기 위한 나노-세공 유동 셀을 형성하는 개선된 방법들 및 그로부터 형성되는 개선된 나노-세공 유동 셀들이 관련 기술분야에 필요하다.

본 개시내용의 실시예들은, 솔리드-스테이트 나노-세공 센서에서 사용될 수 있는 디바이스들, 예컨대 나노-세공 유동 셀들, 및 그의 제조 방법들을 제공한다.

일 실시예에서, 유동 셀을 형성하는 방법은, 다층 적층체를 제2 기판, 예컨대 유리 기판에 이송하기 전에, 제1 기판, 예컨대 단결정질 규소 기판 상에 다층 적층체를 형성하는 단계를 포함한다. 여기서, 다층 적층체는 자신을 통해 형성되는 제1 개구를 갖는 멤브레인 층을 특징으로 하며, 멤브레인 층은 제1 기판 상에 배치되고, 물질 층이 멤브레인 층 상에 배치된다. 방법은, 내부에 제2 개구를 형성하기 위해 제2 기판을 패터닝하는 단계, 및 제2 기판의 패터닝된 표면을 다층 적층체의 표면에 접합하는 단계를 더 포함한다. 방법은, 제1 기판을 박형화하는 단계를 더 포함한다. 방법은, 멤브레인 층의 반대쪽 표면들을 노출시키기 위해, 박형화된 제1 기판, 및 제1 및 제2 물질 층들의 적어도 부분들을 제거하는 단계를 더 포함한다. 일부 실시예들에서, 제2 개구는 제2 기판을 통해 배치된다. 다른 실시예들에서, 방법은, 제2 기판을, 그를 통해 제2 개구가 배치되는 곳까지 박형화하는 단계를 포함한다. 여기서, 제2 기판은, 그의 패터닝된 표면이 다층 적층체의 표면에 접합되기 전에 또는 그 후에 박형화될 수 있다.

다른 실시예에서, 유동 셀을 형성하는 방법은, 제1 기판 상에 다층 적층체를 형성하는 단계를 포함하며, 다층 적층체는 제1 물질 층과 제2 물질 층 사이에 개재되는 멤브레인 층을 포함하고, 멤브레인 층은 자신을 통해 형성되는 제1 개구를 특징으로 한다. 방법은, 내부에 제2 개구를 형성하기 위해 제2 기판의 표면을 패터닝하는 단계, 제2 기판의 패터닝된 표면을 다층 적층체의 제1 표면에 접합하는 단계, 및 제1 표면의 반대쪽인 다층 적층체의 제2 표면을 노출시키기 위해 다층 적층체로부터 제1 기판을 제거하는 단계를 더 포함한다. 방법은, 내부에 제3 개구를 형성하기 위해 제3 기판의 표면을 패터닝하는 단계, 제3 기판의 패터닝된 표면을 다층 적층체의 제2 표면에 접합하는 단계, 및 제2 기판 및 제3 기판을, 그들을 통해 제2 개구 및 제3 개구들이 각각 배치되는 곳까지 박형화하는 단계를 더 포함한다. 방법은, 멤브레인 층의 반대쪽 표면들을 노출시키기 위해 제1 및 제2 물질 층들의 적어도 부분들을 제거하는 단계를 더 포함한다.

다른 실시예에서, 나노-세공 유동 셀은, 자신을 통해 형성되는 개구를 갖는 유리 기판, 및 유리 기판 상에 배치되는 멤브레인 층을 특징으로 한다. 멤브레인 층은, 자신을 통해 배치되는 단일 나노-세공을 특징으로 한다. 단일 나노-세공은, 유리 기판을 통해 형성되는 개구에 걸쳐 있는 멤브레인 층의 부분에 위치된다.

본 개시내용의 상기 언급된 특징들이 상세하게 이해될 수 있는 방식으로, 위에서 간략하게 요약된 본 개시내용의 보다 구체적인 설명이 실시예들을 참조하여 이루어질 수 있으며, 이러한 실시예들 중 일부가 첨부된 도면들에 예시되어 있다. 그러나, 첨부된 도면들은 본 개시내용의 단지 전형적인 실시예들을 예시하는 것이므로 본 개시내용의 범위를 제한하는 것으로 간주되어서는 안된다는 것이 유의되어야 하는데, 이는 본 개시내용이 다른 균등하게 유효한 실시예들을 허용할 수 있기 때문이다.
도 1은 일 실시예에 따른 나노-세공 센서의 개략적인 단면도이다.
도 2는 나노규모 크기의 개구, 이를테면, 도 1에서 설명된 나노-세공을 통해 생체고분자 가닥이 흡인됨에 따른 그 나노규모 크기의 개구를 통한 이온성 전류 흐름을 예시하는 그래프이다.
도 3은 일 실시예에 따른, 나노-세공 유동 셀을 형성하는 방법을 기재하는 흐름도이다.
도 4a 내지 도 4i는, 도 3에 기재된 방법의 다양한 양상들을 예시한다.
도 4j는, 도 3에 기재된 방법의 일 실시예에 따라 형성된 나노-세공 유동 셀의 개략적인 단면도이다.
도 4k는, 도 3에 기재된 방법의 다른 실시예에 따라 형성된 나노-세공 유동 셀의 개략적인 단면도이다.
도 5는 다른 실시예에 따른, 나노-세공 유동 셀을 형성하는 방법을 기재하는 흐름도이다.
도 6a 내지 도 6c는, 도 5에 기재된 방법의 다양한 양상들을 예시한다.
도 6d는, 도 5에 기재된 방법의 일 실시예에 따라 형성된 나노-세공 유동 셀의 개략적인 단면도이다.
이해를 용이하게 하기 위해서, 도면들에 공통된 동일한 요소들을 지정하기 위해 가능한 경우 동일한 참조 번호들이 사용되었다. 일 양상의 요소들 및 특징들은 추가적인 언급이 없이도 다른 양상들에 유익하게 포함될 수 있는 것으로 고려된다.

본 개시내용의 실시예들은, 솔리드-스테이트 나노-세공 센서에서 사용될 수 있는 디바이스들, 예컨대 나노-세공 유동 셀들, 및 그의 제조 방법들을 제공한다. 본원에 설명되는 방법들은 일반적으로, 패터닝된 다층 적층체를 호스트 기판에 이송하기 전에 희생 단결정질 규소 기판 상에 패터닝된 다층 적층체를 형성하는 단계를 포함한다. 패터닝된 다층 적층체는 전형적으로, 자신을 통해 배치되는 나노규모 개구를 갖는 멤브레인 층을 특징으로 한다. 호스트 기판은 전형적으로 유전체 유리 물질로 형성된다. 그에 따라, 본원에서 형성되는 나노-세공 유동 셀들에는 실질적으로 단결정질 규소 물질들이 없다. 유익하게는, 호스트 기판의 유리 물질은 단결정질 규소 기판을 포함하는 솔리드-스테이트 나노-세공 유동 셀들과 연관된 배경 잡음 수준들을 제거하거나 실질적으로 감소시킨다.

도 1은 일 실시예에 따른, 생체고분자 가닥을 서열 분석하는 데 사용될 수 있는 나노-세공 센서(100)의 개략적인 단면도이다. 여기서, 나노-세공 센서(100)는, 제1 저장소(102)와 제2 저장소(103) 사이에 개재되는 유동 셀(101)을 특징으로 한다. 여기서, 제1 및 제2 저장소들(102, 103) 각각은 전기 전도성 유체, 및 전압 소스(106)와 통신하는 개개의 전극(104, 105)을 갖는다. 전압 소스(106)는, 여기서는 나노-세공(108)인 단일 나노규모 크기의 개구를 통한 제1 저장소(102)로부터 제2 저장소(103)로의 이온성 전류 흐름을 생성하는 데 사용된다. 나노-세공(108)은 유동 셀(101)의 유전체 멤브레인 층(109)을 통해 배치된다.

여기서, 이온성 전류 흐름은 특징적으로 음으로 대전된 DNA 또는 RNA 생체고분자 가닥, 예컨대, 생체고분자 가닥들(107) 중 하나를 제1 저장소(102)로부터 나노-세공(108)을 통해 제2 저장소(103) 내로 흡인한다. 생체고분자 가닥(107)이 나노-세공(108)을 통해 흡인됨에 따라, 그 생체고분자 가닥의 단량체 단위들이 나노-세공(108)을 순차적으로 폐색시켜, 그 나노-세공을 통한 이온성 전류 흐름에서의 변화가 야기된다. 전형적으로, 이온성 전류 흐름에서의 변화는 나노-세공(108)을 동시에 통과하는 단량체 단위의 특성, 이를테면 치수 또는 전하에 대응한다. 여기서, 이온성 전류 흐름 및 이온성 전류 흐름에서의 변화들은 이온 전류 센서, 이를테면 피코 전류계(110)를 사용하여 측정된다.

도 2는, 생체고분자 가닥 또는 그의 부분, 예컨대, DNA 가닥 또는 RNA 가닥이 나노규모 크기의 개구, 이를테면, 도 1에서 설명된 나노-세공(108)을 통과함에 따른 그 나노규모 크기의 개구를 통한 이온성 전류 흐름을 예시하는 그래프(200)이다. 여기서, 그래프(200)는, 어떠한 생체고분자 가닥도 개구를 폐색시키지 않고 있고 이온성 전류가 개구를 통해 자유롭게 흐르는 기준선 값(201)을 도시한다. 생체고분자 가닥이 나노-세공 내로 흡인됨에 따라, 그의 단량체 단위가 나노-세공의 부분을 폐색시켜, 이온성 전류 흐름이 제1 값(202)으로 변경되는 것을 야기한다. 연속적인 단량체 단위들이 나노-세공을 폐색시킴에 따라, 즉, 생체고분자 가닥이 나노-세공을 통해 추가로 흡인됨에 따라, 이온성 전류 흐름은 대응하는 값들(203-206)로 변경되며, 이 값들은, 생체고분자 가닥에 의해 폐색된 나노-세공의 단면적의 백분율에 의존한다. 그에 따라, 생체고분자 가닥의 단량체 단위들에 대응하는 순차적 값들(202-206)은 생체고분자 가닥의 단량체 단위 서열, 예컨대, DNA 또는 RNA 염기 서열을 결정하는 데 사용될 수 있다.

도 3은 일 실시예에 따른, 나노-세공 유동 셀을 형성하는 방법(300)을 기재하는 흐름도이다. 도 4a 내지 도 4i는, 도 3에 기재된 방법(300)의 다양한 양상들을 예시한다.

방법(300)은, 활동(301)에서, 도 4a에 도시된 바와 같이, 제1 기판(401) 상에 다층 적층체를 형성하는 단계를 포함한다. 다층 적층체는, 제1 물질 층(402)과 제2 물질 층(405) 사이에 개재되는 멤브레인 층(403)을 특징으로 한다. 멤브레인 층(403)은 자신을 통해 형성된 제1 개구(404), 예컨대 단일 나노-세공을 갖는다. 전형적으로, 제1 기판(401)은 단결정질 규소로 형성되고 두께(T(1))를 갖는다. 두께(T(1))는, 반도체 디바이스 제조 설비에서 규소 기판들을 처리하는 데 사용되는 것과 동일하거나 유사한 장비 및 방법들을 사용하여 제1 기판(401)을 취급 및 처리하는 것을 용이하게 하도록 선택된다. 일부 실시예들에서, 제1 기판(401)은, 약 450 ㎛ 내지 약 800 ㎛, 이를테면, 약 600 ㎛ 내지 약 800 ㎛, 예컨대, 약 700 ㎛ 내지 약 800 ㎛의 두께(T(1))를 갖는다.

여기서, 다층 적층체를 형성하는 것은, 도 4a 내지 도 4b에 도시된 것과 같이, 제1 기판(401) 상에 제1 물질 층(402)을 증착하는 것, 제1 물질 층(402) 위에 멤브레인 층(403)을 증착하는 것, 및 멤브레인 층(403)을 통해 제1 개구(404)를 형성하기 위해 멤브레인 층(403)을 패터닝하는 것을 포함한다. 일부 실시예들에서, 다층 적층체를 형성하는 것은, 도 4c에 도시된 것과 같이, 멤브레인 층(403) 위에 제2 물질 층(405)을 증착하는 것을 더 포함한다. 일부 실시예들에서, 다층 적층체는 제1 물질 층(402)을 포함하지 않는다. 그러한 실시예들에서, 다층 적층체는, 제1 기판(401) 상에 증착된 멤브레인 층(403), 및 멤브레인 층(403) 상에 증착된 제2 물질 층(405)을 포함한다.

전형적으로, 제1 물질 층(402)은 유전체 물질, 이를테면 산화규소(Si_xO_y), 예컨대 SiO₂로 형성된다. 여기서, 제1 물질 층(402)은, 약 10 nm 초과, 이를테면, 약 10 nm 내지 약 500 nm, 약 10 nm 내지 400 nm, 약 10 nm 내지 약 300 nm, 예컨대, 약 10 nm 내지 약 200 nm의 두께(T(2))로 증착된다. 다른 실시예들에서, 제1 물질 층(402)은, 약 1 ㎛ 초과, 이를테면, 약 2 ㎛ 초과 또는 약 3 ㎛ 초과, 예컨대, 약 4 ㎛ 내지 약 6 ㎛의 두께(T(2))로 증착된다.

멤브레인 층(403)은, 제1 및 제2 물질 층들(402, 405)을 형성하는 데 사용되는 유전체 물질(들)과 상이한 유전체 물질로 형성된다. 예컨대, 일부 실시예들에서, 멤브레인 층(403)은, 질화규소 또는 산질화규소 물질, 이를테면, Si_xN_y 또는 SiO_xN_y로 형성된다. 전형적으로, 멤브레인 층(403)은, 약 500 nm 이하, 이를테면, 약 400 nm 이하, 약 300 nm 이하, 약 200 nm 이하, 약 100 nm 이하, 또는 약 50 nm 이하, 예컨대, 약 0.1 nm 내지 약 100 nm 또는 약 1 nm 내지 약 100 nm의 두께(T(3))로 증착된다.

제1 개구(404)는, 멤브레인 층(403)을 통해 연장되고 약 100 nm 미만, 이를테면 약 50 nm 미만, 또는 약 0.1 nm 내지 약 100 nm, 예컨대, 약 1 nm 내지 약 100 nm 또는 약 0.1 nm 내지 약 50 nm의 직경(D)을 갖도록 형성된다. 여기서, 제1 개구(404)는 적합한 리소그래피 및 물질 식각 패터닝 방법들 중 하나 또는 그들의 조합을 사용하여 형성된다. 전형적으로, 적합한 리소그래피 방법들은, 나노임프린트 리소그래피, 방향성 자기-조립, 포토리소그래피, ArF 레이저 액침 리소그래피, 심자외선(deep UV) 리소그래피, 또는 이들의 조합들을 포함한다.

여기서, 멤브레인 층(403) 위에 증착된 제2 물질 층(405)은, 제1 물질 층(402)을 형성하는 데 사용된 유전체 물질과 동일하거나 상이할 수 있는 유전체 물질로 형성된다. 일부 실시예들에서, 제2 물질 층(405)은, 약 10 nm 사이, 이를테면, 약 10 nm 내지 약 500 nm, 약 10 nm 내지 400 nm, 약 10 nm 내지 약 300 nm, 예컨대, 약 10 nm 내지 약 200 nm의 두께(T(4))로 증착된다. 본원에서, 다층 적층체의 층들은 임의의 적합한 증착 방법을 사용하여 형성될 수 있다. 예컨대, 일부 실시예들에서, 다층 적층체의 층들은, 화학 기상 증착(CVD) 또는 물리적 기상 증착(PVD) 방법들 중 하나 또는 이들의 조합을 사용하여 증착된다.

방법(300)은, 활동(302)에서, 여기서는 도 4d 내지 도 4e에 도시된 제2 개구(409)인 개구를 내부에 형성하기 위해 제2 기판(407)의 표면을 패터닝하는 단계를 포함한다. 전형적으로, 제2 기판(407)은, 반도체 디바이스 제조 설비에서 규소 기판들을 처리하는 데 사용되는 것과 동일하거나 유사한 장비를 사용하여 제2 기판(407)을 취급 및 처리하는 것을 용이하게 하도록 선택되는 두께(T(5))를 갖는 유전체 물질로 형성된다. 예컨대, 일부 실시예들에서, 제2 기판(407)은, 약 450 ㎛ 내지 약 800 ㎛, 이를테면, 약 600 ㎛ 내지 약 800 ㎛, 예컨대, 약 700 ㎛ 내지 약 800 ㎛의 두께(T(5))를 갖는다. 다른 실시예들에서, 제2 기판(407)은, 약 400 ㎛ 이하, 이를테면 약 300 ㎛ 이하, 예컨대 약 300 ㎛의 두께를 갖는다.

여기서, 제2 기판(407)은, 예컨대, 비-결정질 비정질 고체, 즉, 유리, 이를테면 투명한 실리카계 유리 물질, 예컨대 용융 실리카, 즉, 비정질 석영 물질, 또는 보로실리케이트 유리 물질로 형성된다. 일부 실시예들에서, 제2 기판(407)은 그의 후면측 표면 상에 증착되는 불투명 물질 층(408), 예컨대, 비정질 규소 층을 갖는다. 제2 기판(407)의 후면측 표면은, 여기서는, 제2 개구(409)가 형성되는 전면측 표면인 패터닝될 표면의 반대쪽이다. 사용될 때, 불투명 물질 층(408)은 전형적으로, 약 20 nm 이상, 예컨대 약 100 nm 이상의 두께(T(6))를 갖는다. 불투명 물질 층(408)은, 일부 실시예들에 따르면, 통상적인 반도체 디바이스 제조 장비의 광학 센서들에 의한 그 외에는 광학적으로 투명한 기판의 검출을 용이하게 한다.

여기서, 제2 개구(409)는, 여기서는 패터닝된 표면인 제2 기판(407)의 표면으로부터 약 100 ㎛ 이상 내지 제2 기판(407)의 두께(T(5)) 미만의 깊이(H)로 연장되도록 형성된다. 예컨대, 일부 실시예들에서, 제2 개구(409)의 깊이(H)는, 제2 기판(407)의 전면측 표면으로부터 약 100 ㎛ 내지 약 600 ㎛, 또는 약 200 ㎛ 내지 약 400 ㎛로 연장된다. 일부 다른 실시예들, 이를테면, 제2 기판(407)의 두께가 약 400 ㎛ 미만인 실시예들에서, 제2 개구(409)는 제2 기판(407)의 두께를 통해 연장되도록 형성된다.

여기서, 제2 개구(409)는, 약 1 ㎛ 내지 약 20 ㎛, 이를테면, 약 1 ㎛ 내지 약 15 ㎛, 약 5 ㎛ 내지 약 15 ㎛, 또는 약 5 ㎛ 내지 약 10 ㎛의 폭(W(1))을 갖도록 형성된다. 제2 개구(409)는, 임의의 적합한 조합의 포토리소그래피 및 물질 식각 패터닝 방법들을 사용하여 형성될 수 있다.

방법(300)은, 활동(303)에서, 도 4f 내지 도 4g에 도시된 것과 같이, 제2 기판(407)의 패터닝된 표면을 제1 기판(401) 상에 배치된 다층 적층체의 노출된 표면에 접합하는 단계를 포함한다. 전형적으로, 제2 기판(407)의 패터닝된 표면 및 다층 적층체의 노출된 표면은 적합한 직접 접합 방법을 사용하여 함께 접합된다. 직접 적합은, 2개의 기판 표면을, 그들 사이에 개재되는 중간 층들, 이를테면, 전도성 접착 층들, 땜납들 등의 사용 없이, 예컨대, 기판들 사이의 화학 결합들을 통해 원자 수준에서 결합시키는 방법들을 설명한다. 일 예에서, 적합한 직접 접합 방법은, 기판들(401, 407)의 접합될 표면들 중 하나 또는 둘 모두를 플라즈마 활성화하는 단계, 접합될 표면들을 접촉시키는 단계, 복합 기판을 형성하기 위해, 접촉된 기판들에 압축 접합력을 가하는 단계, 및 복합 기판을 어닐링하는 단계를 포함한다.

본원에서, 제2 기판(407)의 패터닝된 표면을 다층 적층체의 노출된 표면에 접합하는 것은, 제2 개구(409, 407)를 제1 개구(404)와 정렬시키는 것을 포함한다. 제1 및 제2 기판들(401, 407)이 적절히 정렬될 때, 결과적인 나노-세공 유동 셀에서의 제1 개구(404) 및 제2 개구(409)는 유체 연통할 것인데, 예컨대, 자신을 통해 형성된 제1 개구(404)를 갖는 멤브레인 층(403)의 부분이 제2 기판(407)에 형성된 제2 개구(409)에 걸쳐 있을 것이다.

방법(300)은, 활동(304)에서, 제1 기판(401)을 박형화하는 단계를 포함한다. 제1 기판(401)을 박형화하는 것은, 원하는 두께(T(7))(도 4h에 도시됨)를 달성하는 데 사용될 수 있는 연삭, 래핑, 화학적 기계적 연마(CMP), 식각, 또는 절단 방법들 중 임의의 것 또는 이들의 조합을 포함한다. 제1 기판(401)을 박형화하는 것이 절단 방법을 포함하는 실시예들에서, 제1 기판(401)의 표면은 전형적으로, 상부에 다층 적층체가 형성되기 전에, 수소 또는 헬륨 이온들 중 하나 또는 이들의 조합물이 약 100 nm의 깊이로 주입된다. 주입 프로세스는 바람직하게는, 제1 기판(401) 내에 손상, 예컨대, 미세기포들이 있는 층을 도입하여, 손상된 층을 따른 제1 기판(401)의 절단을 용이하게 한다. 전형적으로, 제1 기판(401)은, 약 100 ㎛ 미만, 이를테면, 약 50 ㎛ 미만, 약 10 ㎛ 미만, 또는 예컨대 약 1 ㎛ 미만의 두께(T(7))로 박형화된다. 일부 실시예들에서, 제1 기판(401)은, 약 500 nm 미만, 이를테면 약 200 nm 미만, 예컨대 약 100 nm 이하의 두께(T(7))로 박형화된다.

방법(300)은, 활동(305)에서, 원하는 두께(T(8))(도 4i에 도시됨)를 달성하기 위해 연삭, 래핑, CMP, 또는 식각 방법들 중 임의의 것 또는 이들의 조합을 사용하여 제2 기판(407)을 박형화하는 단계를 포함한다. 여기서, 제2 기판(407)은, 제2 개구(409)가 자신을 통해 배치될 때까지 박형화되는데, 즉, 두께(T(8))는 활동(302)에서 패터닝된 표면에 형성된 제2 개구(409)의 깊이(H)와 동일하거나 그 미만이다. 예컨대, 일부 실시예들에서, 박형화된 제2 기판(407)의 두께(T(8))는, 약 700 ㎛ 미만, 이를테면, 약 600 ㎛ 미만, 약 500 ㎛ 미만, 예컨대 약 400 ㎛ 미만, 또는 약 100 ㎛ 내지 약 700 ㎛, 이를테면 약 200 ㎛ 내지 약 500 ㎛이다. 일부 실시예들에서, 제2 기판(407)은, 그의 패터닝된 표면이 다층 적층체의 표면에 접합되기 전에 박형화된다.

방법(300)은, 활동(306)에서, 도 4j 또는 도 4k에 도시된 것과 같이, 제2 개구(409)에 걸쳐 있는 멤브레인 층(403)의 반대쪽 표면들을 노출시키기 위해, 박형화된 제1 기판(401), 및 제1 및 제2 물질 층들(402, 405)의 적어도 부분들을 제거하는 단계를 포함한다. 일부 실시예들에서, 박형화된 제1 기판(401), 및 제1 및 제2 물질 층들(402, 405)의 적어도 부분들을 제거하는 것은, 습식 또는 수성 식각제, 이를테면, KOH 또는 KOH와 HF의 조합물에 대한 그들의 노출을 포함한다.

도 4j에 도시된 것과 같은 일부 실시예들에서, 모든 또는 실질적으로 모든 제1 물질 층(402)이 제2 기판(407)으로부터 원위에 배치된 멤브레인 층(403)의 표면으로부터 제거된다. 도 4k에 도시된 것과 같은 다른 실시예들에서, 제3 개구(412)가 제1 물질 층(402)에 형성되고 멤브레인 층(403)의 표면이 그를 통해 노출된다. 제3 개구(412)는, 임의의 적합한 조합의 포토리소그래피 및 물질 식각 패터닝 방법들, 예컨대, 플라즈마 보조 식각 또는 습식 식각(수성 용액) 프로세스를 사용하여 형성될 수 있다.

도 4j는, 도 1에서 설명된 유동 셀(101) 대신 사용될 수 있는, 도 3에 기재된 방법에 따라 형성된 유동 셀(410)의 개략적인 단면도이다. 여기서, 유동 셀(410)은, 두께(T(8))를 갖는 제2 기판(407), 및 제2 기판(407) 상에 배치된 두께(T(4))를 갖는 제2 물질 층(405)을 포함한다. 폭(W(1))을 갖는 제2 개구(409)가 제2 기판(407)을 통해 그리고 추가로 제2 물질 층(405)을 통해 배치된다. 두께(T(3))를 갖는 멤브레인 층(403) 및 그를 통해 배치되는 제1 개구(404)가 제2 물질 층(405) 상에 배치되고 제2 개구(409)에 걸쳐 있다. 여기서, 제1 개구(404)는 제2 개구(409)와 유체 연통한다.

도 4k는, 도 1에서 설명된 유동 셀(101) 대신 사용될 수 있는, 도 3에 기재된 방법에 따라 형성된 나노-세공 유동 셀(411)의 개략적인 단면도이다. 여기서, 유동 셀(411)은 도 4j에서 설명된 유동 셀(410)과 실질적으로 동일하고, 멤브레인 층(403) 상에 배치된 제1 물질 층(402)을 더 포함하며, 제1 물질 층(402)은, 자신을 통해 배치된, 여기서는 제3 개구(412)인 개구를 갖는다. 여기서, 제1 물질 층(402)의 두께(T(9))는 약 1 ㎛ 내지 약 5 ㎛이다. 일부 실시예들에서, 제3 개구(412)의 폭은 제2 개구(409)의 폭(W(1))과 동일하다. 다른 실시예들에서, 제3 개구(412)의 폭은 제2 개구(409)의 폭(W(1))보다 작거나 그보다 크다. 여기서, 제3 개구(412)는 제2 개구(409)와 유체 연통하고, 이들 사이에 제1 개구(404)가 배치된다.

도 5는 다른 실시예에 따른, 유동 셀을 형성하는 방법을 기재하는 흐름도이다. 도 6a 내지 도 6c는, 도 4a 내지 도 4h에 예시된 양상들에 부가하여 도 5에 기재된 방법의 다양한 양상들을 예시한다.

여기서, 방법(500)의 활동들(501-502)은, 도 3에 기재되고 도 4a 내지 도 4e에 예시되고 위에 설명된 방법(300)의 활동들(301-302)과 동일하다.

방법(500)의 활동(503)은, 도 3에 기재되고 도 4f에 예시된 방법(300)의 활동(303)에서 설명된 것과 같이, 제2 기판(407)의 패터닝된 표면을 여기서는 제1 표면인 다층 적층체의 노출된 표면에 접합하는 단계를 포함한다.

방법(500)은, 활동(504)에서, 다층 적층체의 제2 표면을 노출시키기 위해 다층 적층체로부터 제1 기판(401)을 제거하는 단계를 포함한다. 여기서, 다층 적층체의 제2 표면은 제1 표면의 반대쪽이고, 제1 기판(401)이 그로부터 제거되기 전에 제1 기판(401)에 근접하게 배치된다. 다층 적층체로부터 제1 기판(401)을 제거하는 것은, 도 3에 기재된 방법(300)의 활동(304)에서 설명된 연삭, 래핑, 화학적 기계적 연마(CMP), 식각, 또는 절단 방법들 중 임의의 것 또는 이들의 조합을 포함할 수 있다.

방법(500)은, 활동(505)에서, 여기서는 제3 개구(609)인 개구를 내부에 형성하기 위해 제3 기판, 이를테면, 도 6a에 도시된 제3 기판(607)의 표면을 패터닝하는 단계를 포함한다. 일부 실시예들에서, 제3 기판(607)은 제2 기판(407)을 형성하는 데 사용된 것과 동일한 유전체 물질로 형성되고, 동일하거나 실질적으로 동일한 두께(T(5))를 갖는다. 일부 실시예들에서, 제3 기판(607)은, 방법(300)의 활동(302)에서 설명된 제2 기판(407)을 패터닝하는 방법들을 사용하여 패터닝된다. 일부 실시예들에서, 개구(609)는, 제2 기판(407)의 제2 개구(409)와 동일한 폭(W(1)) 및 깊이(H)를 갖도록 형성된다. 일부 실시예들에서, 제3 기판(607)은 그의 후면측 표면 상에 증착된 불투명 물질 층(608)을 포함한다. 일부 실시예들에서, 불투명 물질 층(608)은, 제2 기판(407) 상에 배치된 불투명 물질 층(408)과 동일한 물질로 형성되고 그와 동일한 두께(T(6))를 갖는다. 다른 실시예들에서, 제3 기판(607)은 제2 기판(407)의 유전체 물질과 상이한 유전체 물질로 형성되고, 방법(300)의 활동(302)에서 기재된 방법들과 상이한 방법을 사용하여 패터닝되고/거나, 제2 개구(409)의 폭(W(1)) 및 깊이(H)와 상이한 폭 및 깊이를 갖도록 개구가 형성된다.

방법(500)은, 활동(506)에서, 적합한 직접 접합 방법을 사용하여 제3 기판(607)의 패터닝된 표면을 다층 적층체의 제2 표면에 접합하는 단계를 포함한다. 적합한 직접 접합 방법은 도 3에 기재된 방법(300)의 활동(303)에서 설명된다. 본원에서, 제3 기판(607)의 패터닝된 표면을 다층 적층체의 제2 표면에 접합하는 것은, 도 6a 내지 도 6b에 도시된 것과 같이, 제3 기판(607)에 형성된 제3 개구(609)를 멤브레인 층(403)에 형성된 제1 개구(404)와 정렬시키는 것을 포함한다.

방법(500)은, 활동(507)에서, 제2 및 제3 기판(407, 607)을 제2 및 제3 개구들(409, 609)이 그들을 통해 각각 배치되는 두께(T(8))까지 박형화하는 단계를 포함한다. 전형적으로, 제2 및 제3 기판들(407, 607)을 박형화하는 것은, 도 6c에 도시된 원하는 두께(T(8))를 달성하기 위한 연삭, 래핑, CMP, 또는 식각 방법들 중 임의의 것 또는 이들의 조합을 포함하며, 이는, 제2 및 제3 기판들(407, 607) 각각에 대해 각각 동일하거나 상이할 수 있다.

방법(500)은, 활동(508)에서, 도 6d에 도시된 것과 같이, 멤브레인 층(403)의 반대쪽 표면들을 노출시키기 위해, 제1 및 제2 물질 층들(402, 405)의 적어도 부분들을 제거하는 단계를 포함한다. 일부 실시예들에서, 제1 및 제2 물질 층들(402, 405)의 적어도 부분들을 제거하는 것은, 식각제, 이를테면, KOH 또는 KOH와 HF의 조합물에 대한 그들의 노출을 포함한다.

도 6d는, 도 1에서 설명된 유동 셀(101) 대신 사용될 수 있는, 도 5에 기재된 방법을 사용하여 형성된 유동 셀(610)의 개략적인 단면도이다. 여기서, 유동 셀(610)은 도 4j에서 설명된 유동 셀(410)과 실질적으로 동일하고, 멤브레인 층(403) 상에 배치된 두께(T(4))를 갖는 제1 물질 층(402), 및 제1 물질 층(402) 상에 배치된 제3 기판(607)을 더 포함한다. 여기서, 제3 기판(607)은 제2 기판(407)의 두께(T(8))와 동일한 두께를 갖는다. 다른 실시예들에서, 제2 및 제3 기판들(407, 607)의 두께들은 상이하다. 제3 개구(609)는 제3 기판(607)을 통해 그리고 추가로 제1 물질 층(402)을 통해 배치된다. 제3 개구(609)의 폭은 제2 개구(409)의 폭(W(1))과 동일하다. 다른 실시예들에서, 제3 개구(609)의 폭은 제2 개구(409)의 폭(W(1))보다 작거나 그보다 크다. 본원에서의 실시예들에서, 제3 개구(609)는 제1 개구(404) 및 제2 개구(409)와 유체 연통한다.

전술한 내용이 본 개시내용의 실시예들에 관한 것이지만, 본 개시내용의 다른 그리고 추가적인 실시예들이 본 개시내용의 기본적인 범위로부터 벗어나지 않으면서 고안될 수 있으며, 본 개시내용의 범위는 하기의 청구항들에 의해 결정된다.

Claims

유동 셀을 형성하는 방법으로서,
제1 기판 상에 다층 적층체를 형성하는 단계 ― 상기 다층 적층체는 상기 제1 기판 상에 배치되는 멤브레인 층 및 상기 멤브레인 층 상에 배치되는 물질 층을 포함하고, 상기 멤브레인 층은 상기 멤브레인 층을 통해 형성되는 제1 개구를 가짐 ―;
제2 기판 내에 제2 개구를 형성하기 위해 상기 제2 기판의 표면을 패터닝하는 단계;
상기 제2 기판의 패터닝된 표면을 상기 다층 적층체의 표면에 접합하는 단계;
상기 제1 기판을 박형화하는 단계; 및
상기 멤브레인 층의 반대쪽 표면들을 노출시키기 위해, 박형화된 제1 기판, 및 상기 물질 층의 적어도 부분들을 제거하는 단계를 포함하는, 유동 셀을 형성하는 방법.
제1항에 있어서,
상기 제1 기판은 단결정질 규소로 형성되는, 유동 셀을 형성하는 방법.
제2항에 있어서,
상기 제2 기판은 유리 물질로 형성되는, 유동 셀을 형성하는 방법.
제3항에 있어서,
상기 유리 물질은 용융 실리카, 보로실리케이트, 또는 이들의 조합물을 포함하는, 유동 셀을 형성하는 방법.
제3항에 있어서,
상기 멤브레인 층은 유전체 물질로 형성되는, 유동 셀을 형성하는 방법.
제5항에 있어서,
상기 제1 개구는 100 nm 이하의 직경을 갖는, 유동 셀을 형성하는 방법.
제6항에 있어서,
상기 멤브레인 층은 100 nm 이하의 두께를 갖는, 유동 셀을 형성하는 방법.
제7항에 있어서,
상기 제2 기판의 패터닝된 표면을 상기 다층 적층체의 표면에 접합하는 단계는, 상기 제1 개구를 상기 제2 개구와 정렬시키는 단계를 포함하는, 유동 셀을 형성하는 방법.
유동 셀을 형성하는 방법으로서,
제1 기판 상에 다층 적층체를 형성하는 단계 ― 상기 다층 적층체는 제1 물질 층과 제2 물질 층 사이에 개재되는 멤브레인 층을 포함하고, 상기 멤브레인 층은 상기 멤브레인 층을 통해 형성되는 제1 개구를 가짐 ―;
제2 기판 내에 제2 개구를 형성하기 위해 상기 제2 기판의 표면을 패터닝하는 단계;
상기 제2 기판의 패터닝된 표면을 상기 다층 적층체의 제1 표면에 접합하는 단계;
상기 제1 표면의 반대쪽인 상기 다층 적층체의 제2 표면을 노출시키기 위해 상기 다층 적층체로부터 상기 제1 기판을 제거하는 단계;
제3 기판 내에 제3 개구를 형성하기 위해 상기 제3 기판의 표면을 패터닝하는 단계;
상기 제3 기판의 패터닝된 표면을 상기 다층 적층체의 제2 표면에 접합하는 단계;
상기 제2 개구 및 상기 제3 개구가 상기 제2 기판 및 상기 제3 기판을 통해 각각 배치되는 곳까지 상기 제2 기판 및 상기 제3 기판을 박형화하는 단계; 및
상기 멤브레인 층의 반대쪽 표면들을 노출시키기 위해 상기 제1 물질 층 및 상기 제2 물질 층의 적어도 부분들을 제거하는 단계를 포함하는, 유동 셀을 형성하는 방법.
제9항에 있어서,
상기 제1 기판은 단결정질 규소로 형성되는, 유동 셀을 형성하는 방법.
제10항에 있어서,
상기 제2 기판은 유리 물질로 형성되는, 유동 셀을 형성하는 방법.
제11항에 있어서,
상기 유리 물질은 용융 실리카, 보로실리케이트, 또는 이들의 조합물을 포함하는, 유동 셀을 형성하는 방법.
제11항에 있어서,
상기 멤브레인 층은 유전체 물질로 형성되는, 유동 셀을 형성하는 방법.
제13항에 있어서,
상기 제1 개구는 100 nm 이하의 직경을 갖는, 유동 셀을 형성하는 방법.
제14항에 있어서,
상기 멤브레인 층은 100 nm 이하의 두께를 갖는, 유동 셀을 형성하는 방법.
제15항에 있어서,
상기 제2 기판의 패터닝된 표면을 상기 다층 적층체의 표면에 접합하는 단계는, 상기 제1 개구를 상기 제2 개구와 정렬시키는 단계를 포함하는, 유동 셀을 형성하는 방법.
유동 셀 디바이스로서,
유리 기판; 및
상기 유리 기판 상에 배치되는 다층 적층체를 포함하며,
상기 다층 적층체는, 제1 유전체 물질 층과 제2 유전체 물질 층 사이에 개재되고 상기 제1 유전체 물질 층 및 상기 제2 유전체 물질 층과 접촉하는 멤브레인 층을 포함하고, 상기 멤브레인 층은 상기 유리 기판 상에 배치되고,
상기 멤브레인 층은, 상기 멤브레인 층을 통해 배치되는 단일 나노-세공을 갖고,
상기 단일 나노-세공은, 상기 유리 기판을 통해 형성되는 개구에 걸쳐 있는 상기 멤브레인 층의 부분에 위치되고,
상기 제1 유전체 물질 층 및 상기 제2 유전체 물질 층 각각을 통해 형성되는 개구들은 상기 멤브레인 층의 반대쪽 표면들을 노출시키는, 유동 셀 디바이스.
제17항에 있어서,
상기 유리 기판은 용융 실리카, 보로실리케이트, 또는 이들의 조합물로 형성되는, 유동 셀 디바이스.
제18항에 있어서,
상기 단일 나노-세공은 100 nm 이하의 직경을 갖는, 유동 셀 디바이스.
제19항에 있어서,
상기 멤브레인 층의 두께는 100 nm 미만인, 유동 셀 디바이스.