專利名稱：一種制作納米間隙和納米間隙傳感器的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種制作納米間隙和納米間隙傳感器的方法，尤其是一種利用半導(dǎo)體 制造工藝，以低成本制作納米間隙和納米間隙傳感器的簡(jiǎn)單方法，使納米間隙的位置和 寬度容易調(diào)整。
背景技術(shù)：
一般而言，納米間隙可用于電極，由此納米間隙可以被用來(lái)研究納米級(jí)結(jié)構(gòu)的電 學(xué)特性，或者被用作傳感器，以便測(cè)量化學(xué)材料或生物材料中的微量。尤其，在測(cè)量分 子水平的電學(xué)特性變化時(shí)，必需使用納米間隙。最近， 一種利用電遷移現(xiàn)象在金屬絲預(yù)定位置形成間隙的方法(Appl. Phys. Lett 75, 301), —種利用電子束光刻制作納米間隙的方法(Appl.Phys. Lett 80， 865 )， 一種先形成 相對(duì)大的間隙，再利用電化學(xué)沉積方法縮小間隙的方法(Appl. Phys. Lett 86,123105 ), 一種利用蔭罩板制作納米間隙的方法(U.S. Patent No. 6,897,009)等，已經(jīng)被作為制作 納米間隙的方法提出。然而，在利用電遷移現(xiàn)象在金屬絲預(yù)定位置形成間隙的方法中，準(zhǔn)備具有幾十到 幾百納米線寬的金屬絲，產(chǎn)生流經(jīng)金屬絲的電流，由此金屬絲中的原子逐漸移動(dòng)從而使 金屬絲的預(yù)定部分?jǐn)嚅_(kāi)，由此形成具有幾納米寬度的間隙。要精確控制納米間隙的位置 和大小是困難的。還有，在采用電子束光刻制作納米間隙的方法中，所述方法是利用電子束直接制 作圖案的方法，能夠獲得精確的納米間隙，但是難以大量制作納米間隙。還有，^Hf號(hào)為10-2004-0082418的韓國(guó)專利中公開(kāi)了一種通過(guò)在第一電極的一側(cè) 放置間隔裝置，形成第二電極，然后去除所述間隔裝置以形成納米間隙電極的方法。然 而，這種方法的缺點(diǎn)在于處理過(guò)程復(fù)雜，調(diào)節(jié)納米間隙寬度困難，并且，不可能同時(shí)形 成大量的納米間隙電極。還有，在采用在電化學(xué)沉積方法形成納米間隙的方法中，金屬電極被相對(duì)大的間 隙彼此分開(kāi)放置，形成于預(yù)定基片上，導(dǎo)電終端連接于金屬電極圖案，整個(gè)基片被浸入 電解質(zhì)溶液中，之后在其上施加電壓，以便電極層沉積于金屬電極圖案的表面，結(jié)果電 極層變厚以便逐漸減少間隙的寬度，從而在其中形成納米間隙，此處理過(guò)程復(fù)雜，并且 難于調(diào)節(jié)納米間隙大小。還有，在采用蔭罩板制作納米間隙的方法中，放置如納米管的納米結(jié)構(gòu)，其后在 納米結(jié)構(gòu)上沉積金屬材料，由此形成和納米結(jié)構(gòu)相同大小的納米間隙，所形成的納米間 隙大小由納米結(jié)構(gòu)決定，并且難以在期望位置形成納米間隙。因此，在考慮嘗試?yán)脗鹘y(tǒng)的半導(dǎo)體制造工藝生產(chǎn)納米間隙時(shí)，經(jīng)濟(jì)和有效的大 量生產(chǎn)納米間隙是困難的。由此，對(duì)例如單分子、納米粒子，蛋白質(zhì)和DNA等納米級(jí) 材料，使用納米間隙對(duì)其電學(xué)特性的直接評(píng)估和分析等受到限制。然而，由于半導(dǎo)體制 造工藝的持續(xù)進(jìn)步，納米級(jí)材料能夠被用具有納米間隙的電極處理。如果采用這一工藝， 便能夠測(cè)量單分子或納米粒子的物理和電學(xué)特性，比如電導(dǎo)率等。而且，通過(guò)控制流經(jīng) 分子的電流，已發(fā)展出納米級(jí)的電子器件，例如納米級(jí)整流器和納米級(jí)晶體管。此外， 對(duì)于生物技術(shù)的研究，例如用于觀察蛋白質(zhì)、DNA等在被置于具有納米級(jí)間隙的電極 之間并被施加藥物時(shí)，其電學(xué)特性的變化的生物設(shè)備，已經(jīng)在迅速的進(jìn)步。這種在分子 電子器件，生物設(shè)備等發(fā)展中的重要技術(shù)，是一種形成金屬納米間隙的技術(shù)，其中所述 金屬納米間隙具有納米級(jí)間隙，能夠在期望位置固定納米級(jí)材料。由此，在相關(guān)技術(shù)領(lǐng)域中仍然存在的技術(shù)問(wèn)題是，沒(méi)有能方便、經(jīng)濟(jì)和有效的制 作納米間隙的方法。公開(kāi)內(nèi)容 技術(shù)問(wèn)題因此，本發(fā)明被用來(lái)解決上述問(wèn)題，本發(fā)明的目的是提供一種利用半導(dǎo)體制造工藝， 低成本方便地制作納米間隙的方法。本發(fā)明的另 一個(gè)目的是，利用上述方法所構(gòu)造的納米間隙，提供一種制作納米間隙 傳感器的方法，用于研究納米級(jí)材料的物理和化學(xué)特性。本發(fā)明更進(jìn)一步的目的是，利用上述納米間隙和制作納米間隙傳感器的方法，提供 一種可以用來(lái)大量生產(chǎn)具有預(yù)定大小的納米間隙傳感器的方法。本發(fā)明還有另一個(gè)目的是利用通過(guò)上述方法制作的納米間隙傳感器，提供一種觀察
納米級(jí)材料的電學(xué)和化學(xué)特性的方法。 附圖簡(jiǎn)述

圖1為流;f呈示意圖，顯示了才艮據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例，制作納米間隙傳感器的過(guò)程；圖2為示意圖，闡明了根據(jù)本發(fā)明的方法，基于硅厚度和掩模圖案寬度進(jìn)行數(shù)值 計(jì)算來(lái)確定間隙大小(寬度)，以制造納米間隙傳感器；圖3為截面視圖，顯示了根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例，制作納米間隙傳感器的每一 步處理過(guò)程；圖4為示意圖，闡明了氧化處理中，二氧化^f圭在納米間隙上的形成； 圖5為示意圖，顯示了氧化處理后間隙尺寸減?。粓D6為通過(guò)本發(fā)明的制作納米間隙的方法所獲得的納米間隙的電子顯微照片；圖7為顯示了圖6中納米間隙的間隙大小的電子顯孩i照片；圖8為納米間隙的電子顯微照片，其中可以比較根據(jù)本發(fā)明的制作納米間隙的方 法所制作的納米間隙中，氧化處理之前和氧化處理之后的間隙大??；圖9為一種狀態(tài)示意圖，其中，通過(guò)將抗體附著到4艮據(jù)本發(fā)明所述方法制作的納 米間隙傳感器上而檢測(cè)抗原；圖10為利用納米間隙傳感器后測(cè)得的實(shí)驗(yàn)結(jié)果圖。圖ll為示意圖，顯示了將生物分子附著于現(xiàn)有的納米間隙傳感器的方法；并且 圖12為一種狀態(tài)示意圖，其中，將抗體直接附著于沖艮據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例制作的納 米間隙傳感器的電極表面，并且其上4建合有分析抗原。附圖要素描述10:硅基片20:掩模材料30:光刻膠40:埋層二氧化硅50:電極材料60:鈍化材料最佳方式
為完成上述目的，本發(fā)明 一方面提供了 一種制作納米間隙的方法，包括各向異性 地刻蝕基片。優(yōu)選地，為了在基片上形成V形截面(V凹槽)，基片的各向異性刻蝕包括干法 刻蝕或者濕法刻蝕基片。更為優(yōu)選地，基片的各向異性刻蝕包括使用能夠?qū)崿F(xiàn)各向異性 刻蝕的蝕刻劑的濕法刻蝕。作為優(yōu)選實(shí)施例，本發(fā)明公開(kāi)了一種制作納米間隙的方法，該方法使用能夠?qū)崿F(xiàn) 各向異性刻蝕的蝕刻劑來(lái)進(jìn)行濕法刻蝕硅基片，但是本發(fā)明并不局限于此。在各向異性 刻蝕中，用來(lái)制作納米間隙的基片可以是硅基片，氧化硅基片，玻璃基片，陶瓷基片或 者金屬基片。金屬基片可由金，銀，鉻，鈦，鉑，銅，把，ITO(銦錫氧化物)，或者鋁 組成。如相關(guān)技術(shù)領(lǐng)域中所熟知，可以利用上述任意基片制作納米間隙，并且，通過(guò)干 法或者濕法各向異性刻蝕，能夠在其上制作納米間隙。尤其是，制作納米間隙的方法是 利用半導(dǎo)體制造工藝完成的。在半導(dǎo)體制造工藝中，通過(guò)化學(xué)刻蝕形成圖案的方法，在硅基片上形成所需的電 子線路，已經(jīng)被廣泛利用于相關(guān)技術(shù)領(lǐng)域中。在這種情況下，依照刻蝕硅基片的方式不 同，刻蝕被分為各向同性刻蝕或者各向異性刻蝕。各向同性刻蝕或者各向異性刻蝕可以 根據(jù)硅基片的種類和用來(lái)刻蝕的蝕刻劑的種類進(jìn)行調(diào)整。在本發(fā)明中實(shí)現(xiàn)了通過(guò)各向異 性刻蝕方法制作納米間隙的方法，以作為形成納米間隙的方法。一般而言，在相關(guān)技術(shù)領(lǐng)域中，術(shù)語(yǔ)"納米間隙"是指具有范圍在幾納米到幾十 或者幾百納米的寬度的"間隙"，但是其大小并未被限制到任何明確的范圍中。如以下 所詳細(xì)描述，這樣的納米間隙一般被用作納米間隙傳感器，通過(guò)在納米間隙上形成電極， 利用生物器件來(lái)評(píng)估納米級(jí)分子的特性或者分析細(xì)胞，DNA，蛋白質(zhì)，或者抗原-抗體 復(fù)合物。通過(guò)本發(fā)明，如以下所詳細(xì)描述，根據(jù)分析對(duì)象，通過(guò)調(diào)節(jié)在硅基片上掩模圖 案的大小，納米間隙期望寬度可以被容易并且多樣地調(diào)節(jié)。根據(jù)本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例，如上所迷，運(yùn)用半導(dǎo)體制造工藝中的各向異性刻蝕方 法，能夠在低成本條件下容易地制作納米間隙。而且，使大量生產(chǎn)納米間隙成為可能。術(shù)語(yǔ)"各向異性刻蝕"指一種刻蝕方法，由于相較于基片的其它端面，基片的特 定端面被刻蝕的更快，使刻蝕形狀具有方向性，并且，本發(fā)明中使用的術(shù)語(yǔ)"各向異性 刻蝕"指一種使基片具有V形截面的刻蝕方法。相對(duì)照地，術(shù)語(yǔ)"各向同性刻蝕"指一 種刻蝕方法，其中由于基片在所有方向上都被以相同速度刻蝕，刻蝕基片所形成的納米 間隙的兩邊側(cè)壁都和基片平面垂直。因此，在各向異性刻蝕情況下，被實(shí)際刻蝕在基片
上的部分(間隙)寬度，相比于各向同性刻蝕情況下要窄很多，所以能夠容易地形成納 米級(jí)間隙。硅具有兩個(gè)屬性，即各向同性刻蝕和各向異性刻蝕，各向同性刻蝕在所有晶向上 具有相同速度，各向異性刻蝕根據(jù)晶向具有不同速度。所有種類的多晶硅和非晶硅展現(xiàn) 為各向同性屬性，但是單晶硅根據(jù)刻蝕溶液，能夠展現(xiàn)不同的屬性，如各向同性和各向 異性。同時(shí)，<100>,<110>,<111>型硅基片作為普遍出售的珪基片，被熟知和頻繁應(yīng)用于 相關(guān)技術(shù)領(lǐng)域中。在此之中，本發(fā)明中所要求的，各向異性刻蝕能夠形成V形截面的， 是<100>型硅基片。因此，依照本發(fā)明制作納米間隙時(shí)，優(yōu)選使用這種能夠遵循各向同 性刻蝕的硅基片。然而，在本發(fā)明的方法中，只要利用各向異性刻蝕能夠使硅基片形成 V形截面，任意種類的硅基片可以被應(yīng)用，并不局限于<100>型硅基片。在相關(guān)技術(shù)中被普遍所知的各種蝕刻劑都可以被用作完成本發(fā)明的利用濕法刻蝕 進(jìn)行各向異性刻蝕基片的材料。這些蝕刻劑，是用來(lái)完成各向異性刻蝕的化合物，能夠通過(guò)在異丙醇水溶液中添加KOH (氫氧化鉀)制造，并且，TMAH (四曱基氫氧化銨) 和EDP (乙二胺鄰苯二酚)中的任意一個(gè)可以被用作蝕刻劑。在這些蝕刻劑以外，在相 關(guān)技術(shù)領(lǐng)域，如半導(dǎo)體制造技術(shù)領(lǐng)域中能夠被用來(lái)完成各向異性刻蝕的任意蝕刻劑，可 以被用來(lái)完成如本發(fā)明中的各向異性刻蝕。同時(shí)，特別的，被應(yīng)用于本發(fā)明的，在硅基片上形成納米間隙的傳統(tǒng)半導(dǎo)體制造 工藝可以包括以下步驟在硅基片上沉積掩模材料；在沉積的掩模材料上應(yīng)用光刻膠； 通過(guò)進(jìn)行紫外線曝光^f吏所應(yīng)用的光刻膠顯影；通過(guò)去除掩模材料，曝光要被刻蝕的部分 基片，并去除殘留光刻膠；通過(guò)各向異性刻蝕硅基片得到V形截面(V凹槽)來(lái)形成納 米間隙。在上述過(guò)程中，在硅基片上沉積掩模材料可為如下步驟基于由硅基片厚度和期 望納米間隙大小(寬度)計(jì)算得到掩模圖案大小(寬度)，在硅基片上沉積掩模材料。即，在具有預(yù)定厚度(z)的硅基片上，期望納米間隙即寬度(w。)被確定后，在硅基片上沉積的掩模材料的圖案寬度(wm )由以下等式確定 [等式l〗wm = Wo + 2cotan(9) x z其中，根據(jù)硅基片，刻蝕角度(e)被預(yù)先設(shè)置為一個(gè)預(yù)定值。 利用上述等式通過(guò)調(diào)節(jié)硅基片的厚度(z)和掩模材料圖案的寬度(w。)，能夠容
易地調(diào)節(jié)如本發(fā)明所述的，在硅基片上制作的納米間隙的寬度。不能被例如KOH， TMAH或者EDP刻蝕劑刻蝕的用于上述硅基片各向異性刻蝕 的材料優(yōu)選用作沉積在硅基片上的掩模材料。氮化硅(Si3N4 )可以被優(yōu)選用作掩模材料。 然而，掩模材料并不局限于此，相關(guān)技術(shù)領(lǐng)域中所熟知并使用的任何材料，例如Si02， 都可以被用作掩模材料。如相關(guān)技術(shù)領(lǐng)域中所熟知，使應(yīng)用于掩模材料上的光刻膠顯影的步驟，優(yōu)選利用 紫外線曝光完成。去除掩模材料的步驟，如相關(guān)技術(shù)領(lǐng)域中所熟知，利用RIE(反應(yīng)性 離子刻蝕)方法完成，通過(guò)此方法，曝光要被刻蝕的部分。其后，通過(guò)光阻脫模處理， 能夠去除殘留光刻膠。如在相關(guān)技術(shù)領(lǐng)域中所普遍使用，光阻脫模處理包括以下步驟 通過(guò)浸入丙酮中溶解光刻膠，用曱醇清洗，再用蒸餾水清除光刻膠。在去除掩模材料和殘留光刻膠后，通過(guò)各向異性刻蝕硅基片，能夠形成本發(fā)明所述 的納米間隙，其中優(yōu)選使用能夠使各向異性刻蝕具有V形截面(V凹槽)的蝕刻劑。在 此情況下，如上所述，本發(fā)明方法可以包括利用能夠完成各向異性刻蝕的蝕刻劑刻蝕硅 基片的步驟，但并不僅限于此。即，對(duì)于本領(lǐng)域的熟練技術(shù)人員顯而易見(jiàn)的是，本發(fā)明 所迷的納米間隙，能夠利用相關(guān)技術(shù)領(lǐng)域中所熟知的方法，通過(guò)刻蝕硅基片來(lái)制作，以 具有V形截面，例如利用02或者CF4氣體的干法刻蝕方法。因此，各種修改、增加和 替換被包括在本發(fā)明的范圍和精神中。在此情況下，用于本發(fā)明中的基片優(yōu)選但不局限 于<100>型硅基片。通過(guò)上述過(guò)程，在硅基片上的納米間隙形成之后，本發(fā)明所述制作納米間隙的方法 優(yōu)選進(jìn)一步包括從硅基片去除殘留掩模材料的步驟。從硅基片去除殘留掩模材料的步 驟，優(yōu)選通過(guò)使用HF的濕法刻蝕方法來(lái)完成，但并不僅限于此。通過(guò)利用任何普遍使 用的濕法刻蝕或者干法刻蝕的方法，均可以去除殘留掩模材料。同時(shí)，當(dāng)所使用的硅基 片為SOI (絕緣體上硅結(jié)構(gòu))晶片時(shí)，作為優(yōu)選，本發(fā)明所述制作納米間隙的方法進(jìn)一 步包括，在形成納米間隙之后，通過(guò)濕法或者干法刻蝕的方法，伴隨著去除殘留掩模材 料的過(guò)程，去除埋層二氧化硅(Si02)的過(guò)程。在此情況下，殘留材料和埋層二氧化硅 可以通過(guò)使用HF的濕法刻蝕方法去除。優(yōu)選地，本發(fā)明所述制作納米間隙的方法進(jìn)一步包括氧化處理的步驟，所述氧化處 理是一種在從硅基片上去除殘留掩模材料之后，縮小納米間隙(寬度)的過(guò)程。如附圖 5所示，通過(guò)上述過(guò)程制作的納米間隙寬度，通過(guò)氧化處理能夠被進(jìn)一步縮小。完成氧 化處理后，如附圖4所示，產(chǎn)生了在硅基片上形成二氧化硅(Si02)的效果，并由此縮
小納米間隙的寬度。氧化處理可以通過(guò)高溫下?tīng)t內(nèi)的千法氧化完成，例如，溫度大約為 ioooDc,也可以通過(guò)濕法氧化完成，其中迅速形成大量二氧化硅，并由此縮小納米間 隙。濕法氧化處理需要的處理時(shí)間比干法氧化處理少。相對(duì)照地，干法氧化處理得到的 納米間隙密度比濕法氧化處理得到的納米間隙密度高。在干法氧4匕處理中，通過(guò)注入氧 氣使硅原子(Si)和氧氣(02)反應(yīng)，形成二氧化硅(Si02)。相對(duì)照地，在濕法氧化過(guò) 程中，利用水蒸氣使硅原子(Si)和水分子(H20)反應(yīng)，形成二氧化硅(Si02)和氫 氣(H2)。在另 一方面，本發(fā)明公開(kāi)了 一種利用通過(guò)本發(fā)明的納米間隙制作方法所制造的納米 間隙，制作納米間隙傳感器的方法。尤其是，制作納米間隙傳感器的方法包括在基片上 沉積絕緣材料的步驟，在所述基片上形成由以上方法制作的納米間隙，并形成納米間隙 電極。如上所述，本發(fā)明所述納米間隙可作為生物傳感器應(yīng)用，通過(guò)在納米間隙之間放置 實(shí)體生物樣本或者未必是呈現(xiàn)出實(shí)體的生物樣本，例如納米級(jí)分子，納米級(jí)細(xì)胞或者抗 原-抗體，用以檢測(cè)生物樣本的分子特性。因此，通過(guò)在納米間隙上形成作為傳感器的 電極和附加完成鈍化過(guò)程的處理，實(shí)現(xiàn)本發(fā)明所述的納米間隙傳感器的功能。在納米間隙上形成電極的方法中，通過(guò)沉積用作電極的金屬和光電操作，能夠形成 電極。在此情況下，光電操作包括以下步驟，應(yīng)用光刻膠，根據(jù)掩模圖案利用紫外線曝 光形成光刻膠顯影，去除形成電極的金屬，并去除光刻膠顯影。用來(lái)形成電極的金屬并 不因此受到局限，只要其具有導(dǎo)電性，并且作為優(yōu)選的是金，銀，鉻，鈦，鉑，銅，鋁， 鈀，ITO或者它們的合金。電子束沉積法是用作金屬沉積處理的優(yōu)選方法，其中的電子 束具有長(zhǎng)平均自由程。在金屬沉積處理之后，還可以進(jìn)一步利用如八1203或者Si02的材料，對(duì)納米間隙 傳感器中用作傳感器以外的其它部分進(jìn)行鈍化處理。鈍化處理中，由于材料并不與在納 米間隙傳感器中用作傳感器部分以外的其他部分附著，在利用納米間隙傳感器測(cè)量時(shí)， 小樣本即已足夠。甚至在鈍化處理中，電子束沉積方法可以如在金屬沉積處理中那樣被 應(yīng)用，其中所述電子束具有長(zhǎng)平均自由程。除上述材料以外，是絕緣材料并且用其能夠 實(shí)現(xiàn)電子束沉積的其他材料，均可以被用作鈍化材料。再進(jìn)一步而言，本發(fā)明提供了 一種用上述方法制作的納米間隙傳感器。本發(fā)明所述納米間隙傳感器中，納米間隙傳感器包括電壓-電流特性，并且能夠?yàn)?電學(xué)，化學(xué)，電化學(xué)或者生物分析，檢測(cè)由對(duì)象濃度引起的電流變化，或者檢測(cè)發(fā)生在
被分析的納米級(jí)對(duì)象和特定鍵結(jié)構(gòu)之間的鍵合結(jié)果的情況，其中特定鍵結(jié)構(gòu)能在電壓-電流特性上產(chǎn)生可;f念測(cè)到的變化。術(shù)語(yǔ)"納米級(jí)分析對(duì)象"指細(xì)胞，DNA，蛋白質(zhì)，抗原-抗體或者酶底復(fù)合物，或 類似物質(zhì)。由此，本發(fā)明所述納米間隙傳感器優(yōu)選用作生物傳感器。在此情況下，納米 間隙傳感器能夠基于分析對(duì)象的不同而做各種修改。例如，當(dāng)分析DNA分子時(shí)可以采 用納米間隙傳感器，通過(guò)將兩端帶有巰基的DNA固定到電極上，然后在其上固定一個(gè) 金粒子等，所述DNA可以被附著在其上以便分析。進(jìn)一步地，當(dāng)分析蛋白質(zhì)時(shí)，納米 間隙傳感器可以被應(yīng)用，通過(guò)在電極上覆蓋玻璃，聚合體，或者陶瓷涂層，將如半胱氨 酸的聯(lián)結(jié)體附著到電極的曝光部分，并且由此附著蛋白質(zhì)以分析。進(jìn)一步地，當(dāng)分析抗 原-抗體反應(yīng)時(shí)，納米間隙傳感器可以被應(yīng)用，通過(guò)鍵連特定抗體到上述聯(lián)結(jié)體，之后 將特定抗原鍵連到其上。如此，在本發(fā)明所述的納米間隙傳感器中，基于分析對(duì)象，本 領(lǐng)域的熟練技術(shù)人員可以對(duì)納米間隙傳感器做各種修改，這些修改包括在本發(fā)明的范圍 中。同時(shí)，在本發(fā)明所迷納米間隙傳感器中，分析對(duì)象，如抗體，不論是否通過(guò)聯(lián)結(jié)體 (如附圖12所示)，都能夠被直接附著于納米間隙中形成的電極的表面。相形之下,在傳 統(tǒng)納米間隙傳感器中，如附圖11所示，應(yīng)用的測(cè)量方法是，將分析對(duì)象附著于組成納 米間隙傳感器的兩電極之間的底部。在本發(fā)明所述納米間隙傳感器中，也可以將分析對(duì) 象附著于組成納米間隙傳感器的兩電極之間的底部。然而，如前所述，通過(guò)直接附著分 析對(duì)象到電極上，能夠更容易地固定要測(cè)量的分子，并且相比于傳統(tǒng)納米間隙傳感器， 所需分析樣本的數(shù)量減少。由此，本發(fā)明所述的納米間隙傳感器，具有分析對(duì)象能被直 接附著于納米間隙電極上的形式，于傳統(tǒng)納米間隙傳感器相比更為有用。再進(jìn)一步而言，本發(fā)明提供了一種利用納米間隙傳感器分析的方法，分析納米級(jí)材 料的特性和它們的電學(xué)和化學(xué)屬性，所利用的納米間隙傳感器依照本發(fā)明的上述方法制 作。在下文中，將參考附圖，詳細(xì)描述根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)具體實(shí)施例的利用硅基片制作 納米間隙傳感器的方法。圖1為流程示意圖，示出了根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例，制作納米間隙傳感器的處 理過(guò)程，圖2為數(shù)值計(jì)算示意圖，顯示了本發(fā)明中為制作納米間隙傳感器，基于硅厚度 和掩模圖案寬度來(lái)確定間隙大小(寬度)，圖3為截面示意圖，示出了根據(jù)本發(fā)明的一 個(gè)實(shí)施例，制作納米間隙傳感器的每一步處理過(guò)程，圖4為闡明了氧化過(guò)程中納米間隙
上二氧化硅形成的視圖，圖5為顯示了氧化過(guò)程后間隙尺寸減小的視圖。首先，如圖2所示，基于掩模圖案的大小，掩模材料20被沉積在硅基片10上， 其中掩模圖案的大小由硅基片IO的厚度和期望納米間隙(S10)的大小計(jì)算得到(如圖 3(a))。在納米間隙傳感器中，硅基片的厚度并不受特殊的限制，只要硅基片足夠堅(jiān)固 能允許金屬在其上沉積。如上所述，<100>型硅基片能夠被各向異性刻蝕，優(yōu)選使用其 作為硅基片10。如上所述，優(yōu)選氮化硅(Si3N4)薄膜或者Si02,它們不會(huì)被用于各向異性刻蝕的 蝕刻劑(如KOH, TMAH或EDP )刻蝕，被用作掩模材料20沉積于硅基片10上。通過(guò)步驟10 ( S10 )掩模材料20被沉積于硅基片10上，之后在沉積掩模材料20 (S20)上應(yīng)用光刻膠30 (如圖3 (b))。通過(guò)完成紫外線(UV)曝光(S30),使應(yīng)用 于掩模材料20上的光刻膠30顯影(如圖3 (c))。通過(guò)利用RIE (反應(yīng)性離子刻蝕)去 除掩模材料20,曝光硅基片中需要被刻蝕的部分，并且去除殘留光刻膠30 (S40)(如 圖3 (d))。其后，利用蝕刻劑(S50)，通過(guò)各向異性刻蝕硅基片10,形成具有V形截面的納 米間隙(如圖3 (e))。在此情況下，通過(guò)用硅基片IO厚度除以刻蝕率，能夠計(jì)算刻蝕 所需時(shí)間。在通過(guò)各向異性刻蝕硅基片IO形成納米間隙之后，去除硅基片IO上的殘留掩模 材料20和埋層二氧化硅40 (如圖3 (f))。在此情況下，通過(guò)HF濕法刻蝕，是完成去 除殘留掩模材料20和埋層二氧化硅40的優(yōu)選處理過(guò)程，但是并不局限于此。其后，進(jìn)行氧化過(guò)程(S70)以縮小納米間隙大小。圖5為顯示了通過(guò)氧化處理， 納米間隙縮小的狀態(tài)^L圖。當(dāng)完成氧化過(guò)程后，如圖4所示，形成了二氧化硅(Si02)。 為了通過(guò)迅速形成大量二氧化硅，來(lái)縮小納米間隙，優(yōu)選通過(guò)濕法氧化法完成。在完成納米間隙之后，形成了作為傳感器的電極，然后進(jìn)行鈍化過(guò)程。通過(guò)金屬 沉積形成電;f及，所述金屬通過(guò)光電梯:作，；帔沉積在納米間隙的兩側(cè)壁上。因?yàn)殡娮邮?積方法的平均自由程長(zhǎng)，所以用所述方法作為沉積金屬和沉積鈍化材料的優(yōu)選方法，在 金屬沉積完成后，沉積鈍化材料也通過(guò)所述方法完成鈍化過(guò)程。用于形成電極的金屬并 不局限于所述實(shí)施例，只要求金屬具有導(dǎo)電性，同時(shí)，作為優(yōu)選的金屬是金，鉑，銅或 者它們的合金。在下文中，參考優(yōu)選實(shí)施例，本發(fā)明將被詳細(xì)描述。然而，本發(fā)明并不局限于下 述實(shí)施例，并且所述實(shí)施例對(duì)于本領(lǐng)域的熟練技術(shù)人員是顯而易見(jiàn)的，而且可能有各種
修改，但均被包括在本發(fā)明的范圍和精神中。發(fā)明方式具體實(shí)施例具體實(shí)施例1:納米間隙的形成準(zhǔn)備具有500 iim厚度和4英寸大小的硅基片，和用作蝕刻劑的KOH。如圖2所示，0的值為大約54.6Q (理論值為54.74° )。因此，e值和硅基片的厚度均已被確定， 由此利用圖2中的等式，光掩模的厚度被確定為714pm,所以準(zhǔn)備具有以上厚度的長(zhǎng)矩 形光掩才莫。將只能被用作蝕刻劑的KOH輕微刻蝕的Si3N4，沉積在準(zhǔn)備好的硅基片上，沉積 厚度為200nm,利用了 LPCVD (低壓化學(xué)氣相沉積法)。其后，在沉積的SisN4上施加 厚度為2nm的光刻膠(AZ5214E,由美國(guó)Clariant有限公司制造)，其后通過(guò)進(jìn)行紫外 線曝光，使所應(yīng)用的光刻膠顯影。其后，去除具有矩形圖案的光刻膠，并且通過(guò)反應(yīng)性離子刻蝕去除Si3N4，從而， 通過(guò)KOH將基片中要被刻蝕的部分曝光。其后，去除和清潔殘留光刻膠，為了獲得均勻的刻蝕和高速的刻蝕速率，利用20%的KOH在8(/C反應(yīng)6小時(shí)完成各向異性刻蝕，由此形成納米間隙。在此情況下，刻 蝕速度為大約1.4pm/min。 電子顯微照片如圖7，如上所述，顯示了利用KOH,通過(guò) 完成各向異性刻蝕形成的納米間隙形狀。其后，為了進(jìn)一步縮小通過(guò)各向異性刻蝕形成的納米間隙，利用49。/。的HF,通過(guò) 濕法刻蝕去除并清潔硅基片上殘留的Si3N4,之后在溫度為1000 C的爐內(nèi)完成干法氧 化。電子顯樣i照片如圖8所示，顯示了通過(guò)此干法氧化，納米間隙被進(jìn)一步縮小。具體實(shí)施例2:納米間隙傳感器的制作準(zhǔn)備<100>型硅基片和KOH，硅基片的大小為4英寸，包括厚度為lpm的頂層硅和大小為375nm的埋層二氧化硅。如圖'2所示，e的值被設(shè)置為大約54.6° (理論值為54.74° )。由此利用圖2中的等式，光掩模的厚度被確定為1.4pm,并且準(zhǔn)備具有以上厚 度的長(zhǎng)矩形光掩模。將只能被用作蝕刻劑的KOH輕微刻蝕的Si3N4,利用LPCVD (低壓化學(xué)氣相沉 積法)，沉積在準(zhǔn)備好的硅基片上，沉積厚度為200nm。其后，在沉積的SisN4上施加 厚度為2|im的光刻膠(AZ5214E,由美國(guó)Clariant有限公司制造)，其后通過(guò)進(jìn)行紫外 線曝光，使應(yīng)用的光刻膠顯影。其后，去除具有矩形圖案的光刻膠，并且通過(guò)反應(yīng)性離 子刻蝕去除Si3N4，從而，通過(guò)KOH將基片中要被刻蝕的部分曝光。其后，去除和清潔殘留光刻膠，為了獲得均勻的刻蝕和高速的刻蝕速率，利用20%的KOH在80。C反應(yīng)60-90秒完成各向異性刻蝕，由此形成納米間隙。在此情況下，刻 蝕速度為大約1.4|_im/min。其后，為了進(jìn)一步縮小通過(guò)各向異性刻蝕形成的納米間隙，利用49。/。的HF,通過(guò)濕法刻蝕去除并清潔硅基片上殘留的Si3N4,之后在溫度為1000°C的爐內(nèi)完成干法氧 化。納米間隙的電子顯微照片如圖6所示，此納米間隙通過(guò)利用KOH各向異性刻蝕， 其后利用HF完成濕法刻蝕而形成。其后，利用電子束沉積法沉積電極形成材料Cr/Au,,并通過(guò)光電操作形成電極， 其后利用電子束沉積法，通過(guò)沉積A1203，將除傳感部分以外的部分鈍化，由此制作了 納米間隙傳感器。具體實(shí)施例3:利用納米間隙傳感器測(cè)量生物材料其后，利用具體實(shí)施例2中制作的納米間隙傳感器，測(cè)量生物材料。首先，將能 夠穩(wěn)定鍵合抗體的聯(lián)結(jié)體附著在金電極部分，此金電極部分顯露于納米間隙傳感器外， 其后anti-PSA (前列腺特異性抗原)抗體在聯(lián)結(jié)體上鍵合。在此情況下，如韓國(guó)專利公 開(kāi)發(fā)布的第2006-57140號(hào)文件所公開(kāi)的，N-末端被三個(gè)半胱氨酸標(biāo)記的蛋白質(zhì)-G聯(lián) 結(jié)體，被作為聯(lián)結(jié)體使用。存在多個(gè)實(shí)例，其中，蛋白質(zhì)-G被修改，并且被用于將抗 體穩(wěn)定鍵合到載體上。如在韓國(guó)專利公開(kāi)發(fā)布的第2006-57140號(hào)文件所公開(kāi)的情況下 發(fā)現(xiàn)，通過(guò)用1-5個(gè)半胱氨酸標(biāo)記了蛋白質(zhì)-G聯(lián)結(jié)體的N-末端，抗體被穩(wěn)定的固定。 尤其是發(fā)現(xiàn)，用l-3個(gè)半胱氨酸結(jié)合蛋白質(zhì)-G，能夠更穩(wěn)定的固定抗體。在此情況下， 完整的蛋白質(zhì)-G可以凈皮應(yīng)用。然而，當(dāng)只有Bl和B2區(qū)域;波選擇，并且其N-末端;j皮用 l-5個(gè)半胱氨酸標(biāo)記，就能夠獲得相同的效果，其中Bl和B2區(qū)域?yàn)榭贵w結(jié)合部分。因 此，在本發(fā)明中，釆用了這樣的聯(lián)結(jié)體，其中，蛋白質(zhì)-G的Bl和B2區(qū)域的N-末端用 l-5個(gè)半胱氨酸標(biāo)記。由于標(biāo)記在聯(lián)結(jié)體N-末端的半胱氨酸與金具有親和力，它們能夠 容易地被吸附在本發(fā)明所迷的納米間隙傳感器的金電極上。在本實(shí)施例中，anti-PSA抗 體被固定在具有聯(lián)結(jié)體的納米間隙傳感器上，之后在其中施加濃度為10 ng/ml, 1 ng/ml 或者100pg/ml的PSA,從而測(cè)量納米間隙傳感器上的電流。
圖9顯示了應(yīng)用抗體和抗原于本發(fā)明所述的納米間隙傳感器上的狀態(tài)示意視圖。 圖10為顯示了利用本發(fā)明所述納米間隙傳感器，測(cè)量電流相對(duì)于PSA濃度變化的結(jié)果 曲線圖。盡管本發(fā)明中公開(kāi)的優(yōu)選實(shí)施例為了說(shuō)明本發(fā)明的目的，但本領(lǐng)域的熟練技術(shù)人 員將意識(shí)到在不脫離本發(fā)明所附權(quán)利要求所公開(kāi)的范圍和精神的條件下，可能有各種修 改、增加和替換。工業(yè)適應(yīng)性如上所述，依據(jù)制作納米間隙和納米間隙傳感器的方法，利用半導(dǎo)體制造工藝，在 不需要昂貴設(shè)備的基礎(chǔ)上，納米間隙和納米間隙傳感器能夠簡(jiǎn)單的和容易的被大量生 產(chǎn)。由此，根據(jù)本發(fā)明制造各種電極，測(cè)量各種材料的電學(xué)特性，并且將電極應(yīng)用于各 種傳感器是可以實(shí)現(xiàn)的。
權(quán)利要求
1.形成納米間隙的方法，包括各向異性地刻蝕基片。
2. 如權(quán)利要求l所述的形成納米間隙的方法，其中所述基片為硅基片，氧化硅基片，玻璃基片，陶瓷基片或者金屬基片。
3. 如權(quán)利要求2所述的形成納米間隙的方法，其中所述金屬基片從金、銀、鉻、鈦、 柏、銅、鈀、ITO (銦錫氧化物)，或者鋁中選擇。
4. 如權(quán)利要求2所述的形成納米間隙的方法，其中所述基片為硅基片或者氧化硅基 片。
5. 如權(quán)利要求l所述的形成納米間隙的方法，其中所述基片被刻蝕以具有V形截面。
6. 如權(quán)利要求4所述的形成納米間隙的方法，其中所述硅基片是單晶硅基片。
7. 如權(quán)利要求6所述的形成納米間隙的方法，其中所述硅基片為<100>型。
8. 如權(quán)利要求l所述的形成納米間隙的方法，其中利用了刻蝕劑完成基片的各向異 性刻蝕，所述蝕刻劑能夠?qū)崿F(xiàn)各向異性刻蝕。
9. 如權(quán)利要求8所述的形成納米間隙的方法，其中所述蝕刻劑從KOH、 TMAH、 EDP 中選擇。
10. 如權(quán)利要求l所述的形成納米間隙的方法，其中利用了干法刻蝕完成基片的各向 異性刻蝕。
11. 如權(quán)利要求1-10中任意一個(gè)所述的形成納米間隙的方法，在所述基片刻蝕之前， 包括a) 在所述基片上沉積掩模材料；b) 在所述沉積的掩^f莫材料上施用光刻膠；c) 使所施用的光刻膠顯影；并且d) 通過(guò)去除掩^^莫材料，曝光所述基片要被刻蝕的部分。
12. 如權(quán)利要求ll所述的形成納米間隙的方法，其中所述掩模材料為氮化硅(Si3N4) 薄膜。
13. 如權(quán)利要求ll所述的形成納米間隙的方法，其中通過(guò)確定所述基片厚度和所迷掩 模材料圖案的寬度來(lái)調(diào)節(jié)所迷納米間隙的大小，利用下述等式[等式l〗<formula>formula see original document page 2</formula>其中Z為所述基片厚度，Wm為所述掩模材料圖案的寬度，并且W。為所述納 米間隙的寬度。
14. 如權(quán)利要求ll所述的形成納米間隙的方法，其中通過(guò)利用紫外線曝光使所述光刻膠顯影。
15. 如權(quán)利要求ll所述的形成納米間隙的方法，其中通過(guò)去除掩模材料，曝光所述基 片要被刻蝕的部分，是利用反應(yīng)性離子刻蝕來(lái)完成的。
16. 如權(quán)利要求11或15所述的形成納米間隙的方法，進(jìn)一步包括，在通過(guò)去除所述掩 模材料，曝光所述基片要被刻蝕的部分之后 去除殘留光刻膠。
17. 如權(quán)利要求ll所述的形成納米間隙的方法，進(jìn)一步包括，刻蝕所述基片之后 去除基片上殘留的掩模材料。
18. 如權(quán)利要求17所述的形成納米間隙的方法，其中利用濕法刻蝕或者干法刻蝕去除 殘留的掩才莫材對(duì)牛。
19. 如權(quán)利要求18所述的形成納米間隙的方法，其中通過(guò)利用HF的濕法刻蝕去除殘 留的掩模材料。
20. 如權(quán)利要求11所述的形成納米間隙的方法，進(jìn)一步包括 減小所制作的所述納米間隙寬度的氧化處理。
21. 如權(quán)利要求20所述的形成納米間隙的方法，其中通過(guò)利用所述HF的濕法刻蝕， 完成所述氧化過(guò)程。
22. 利用如權(quán)利要求1-21中任意一項(xiàng)方法所制作的納米間隙。
23. 制作納米間隙傳感器的方法，包括在如權(quán)利要求22所述的納米間隙上形成電極。
24. 如權(quán)利要求23所述的制作納米間隙傳感器的方法，其中通過(guò)沉積金、銀、鉻、鈦、 賴、銅、鋁、把、ITO、或者其合金在所述納米間隙上而形成所述電極。
25. 如權(quán)利要求23或24所迷的制作納米間隙傳感器的方法，其中所述電極的形成利用 電子束;冗積、完成。
26. 如權(quán)利要求23所述的制作納米間隙傳感器的方法，進(jìn)一步包括 鈍化處理
27. 如權(quán)利要求26所述的制作納米間隙傳感器的方法，其中所述鈍化處理是，在所述納米間隙傳感器的傳感部分之外的其他部分上，沉積Al203或者Si02的過(guò)程。
28. 如權(quán)利要求26或27所述的方法，其中所述鈍化處理利用所述電子束沉積來(lái)完成。
29. 利用如4又利要求23-28中任意一項(xiàng)方法所制作的納米間隙傳感器。
30. 如權(quán)利要求29所述的納米間隙傳感器，其中所述傳感器用于檢測(cè)分析對(duì)象的電學(xué) 特性的變化。
31. 如權(quán)利要求29所述的納米間隙傳感器，其中所述傳感器用于檢測(cè)分析對(duì)象的化學(xué) 特性的變化。
32. 如權(quán)利要求29所述的納米間隙傳感器，其中所述傳感器用于檢測(cè)分析對(duì)象的電化 學(xué)特性的變化。
33. 如權(quán)利要求29所述的納米間隙傳感器，其中所述傳感器用于檢測(cè)分析對(duì)象的生物 特性的變化。
34. 如權(quán)利要求30-33中任意一個(gè)所述的納米間隙傳感器，其中所述分析對(duì)象被附著 在所述納米間隙傳感器的電極上。
35. 如權(quán)利要求34所述的納米間隙傳感器，其中通過(guò)附著在納米間隙傳感器電極表面 的所述聯(lián)結(jié)體，所述分析對(duì)象被附著在所述電極上。
36. 如權(quán)利要求30-33中任意一項(xiàng)所述的納米間隙傳感器，其中所述分析對(duì)象為核普 酸、蛋白質(zhì)、抗原或者抗體，或者酶或酶底物。
37. 如權(quán)利要求36所述的納米間隙傳感器，其中所述抗原為PSA, —種前列腺癌癥標(biāo) 志物。
38. 如權(quán)利要求29所述的納米間隙傳感器，其中用來(lái)鍵合抗體的聯(lián)結(jié)體被附著于所述 傳感器電極的表面。
39. 如權(quán)利要求38所述的納米間隙傳感器，其中所述聯(lián)結(jié)體是一個(gè)包括蛋白質(zhì)-G的片 段，或其抗體鍵合區(qū)域，所述蛋白質(zhì)-G的一個(gè)N-末端被半胱氨酸標(biāo)記。
40. 如權(quán)利要求39所述的納米間隙傳感器，其中所述聯(lián)結(jié)體是一個(gè)包括蛋白質(zhì)-G的Bl 和B2區(qū)域的片段，所述蛋白質(zhì)-G的N-末端被三個(gè)半胱氨酸標(biāo)記。
41. 如權(quán)利要求38-40中任意一項(xiàng)所述的納米間隙傳感器，其中所述傳感器包括與所 述聯(lián)結(jié)體鍵合的抗體。
42. 如權(quán)利要求39-41中任意一項(xiàng)所述的納米間隙傳感器，其中所述電極由金制成。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種制作納米間隙和納米間隙傳感器的方法，和用這種方法制作的納米間隙和納米間隙傳感器。本發(fā)明涉及的這種制作納米間隙和納米間隙傳感器的方法，能夠通過(guò)運(yùn)用了半導(dǎo)體制造工藝的各向異性刻蝕實(shí)現(xiàn)。通過(guò)本發(fā)明中的方法，納米間隙和納米間隙傳感器能夠被簡(jiǎn)單和廉價(jià)地大量生產(chǎn)。
文檔編號(hào)H01L21/302GK101156228SQ200680011497
公開(kāi)日2008年4月2日 申請(qǐng)日期2006年9月5日 優(yōu)先權(quán)日2005年10月21日
發(fā)明者樸惠貞, 鄭鳳鉉, 金常圭 申請(qǐng)人:韓國(guó)生命工學(xué)研究院