用于處理單分子的設備的制造方法
【專利摘要】本發明涉及一種用于制造用于處理單分子的設備的方法。根據此方法，將自組裝抗蝕劑(155)沉積在處理層(110、PL)上，并允許其自組裝成具有兩相(155a、155b)的圖案。然后選擇性地移除這兩個相中的一個(155a)，并通過剩余抗蝕劑(155b)的掩膜在處理層(110、PL)中產生至少一個孔隙。因此，可容易地生產小尺寸的孔隙，該孔隙允許處理單分子(M)，例如在DNA測序中處理。
【專利說明】用于處理單分子的設備的制造方法發明領域
[0001 ] 本發明涉及一種用于制造可用于處理單分子的設備的方法。

【背景技術】
[0002]US 2010/0327847 Al公開了一種具有一個孔隙的固態分子傳感器，所述孔隙延伸穿過石墨烯層。在分子穿過所述孔隙時，測量所述層的電特性改變。此傳感器的一個缺點是石墨烯層的高導電性，與之相比，由分子引起的傳導性改變非常小。
[0003]此外，在文獻(H.W.Ch.Postma, “Rapid sequencing of individual DNAmolecules in graphene nanogaps”，Nano Lett.10 (2010) 420-425)中已描述，可通過使DNA分子穿過兩個石墨烯層之間的間隙來對其進行測序。然而，在使用自由石墨烯層時，相關聯的設備在機械上并不非常穩固。此外，所述層之間的較長間隙允許長的分子通過，所述分子具有許多不同的取向和配置，使得測量結果的解讀很困難。


【發明內容】

[0004]本發明的目的是提供改善的用于處理單分子的裝置，尤其是用于核酸(例如DNA)的測序的裝置。
[0005]此目的是通過根據權利要求1所述的制造方法和根據權利要求14所述的設備實現的。優選的實施例公開于從屬權利要求中。
[0006]根據本發明的方法用于制造一種設備，其中可借助該設備來處理單個分子(或原子)，尤其是諸如蛋白質或核酸的大分子。用在這一背景中的術語“核酸”應當最通常地包括含有天然存在和/或非天然存在的核苷酸或其修改形式的分子(例如，DNA、RNA)，以及LNA (鎖核酸)和PNA (肽核酸)。這些分子的處理可以包括其物理和/或化學轉化或改變。然而，在許多重要的應用中，所述處理將是感測，具體來講用于檢測分子的不同區段。因此，舉例來講，其可能是對ss-DNA、ds-DNA等進行測序。
[0007]所述制造方法包括以下步驟，所述步驟優選地以所列舉的順序來執行，但也可以按任何其它適當順序執行:
[0008]a)提供(固態)材料層。出于引用的目的，在下文中，這個層將被稱為“處理層“(表示其在制造工序中被進一步處理，且其參與在所實現的設備中的單分子處理)。
[0009]所述處理層可任選地包括由不同材料和/或結構組成的兩個或更多個子層。此夕卜，所述處理層可以是均質的或(例如，幾何形地或化學地)具有結構的。如術語“層”所表示，該處理層通常將具有薄片狀幾何形狀，具有與其厚度相比相當大的寬度和長度。
[0010]b)將材料沉積于前述處理層上(即，在其外表面上)，其中所述材料應具有一定特征以自組裝成由具有不同(化學和/或物理)組成的(至少)兩個不同區域組成的圖案，且其中這些區域中的至少一個可以被選擇性地移除。由于這些屬性，所述材料將在下文中被稱為“自組裝抗蝕劑”。此外，具有特定組成的區域將被稱為自組裝抗蝕劑的“相”，也就是說，所述抗蝕劑組裝成具有至少兩個不同相的圖案(從本發明的意義上說)，所述至少兩個不同相中的至少一個可被選擇性地移除。在所述自組裝抗蝕劑沉積之后，允許其自組裝成其相關聯的相圖案。
[0011]c)選擇性地移除前述自組裝抗蝕劑的(至少)一個相，留下另一個相組成的圖案。舉例來講，所述移除可以通過選擇性蝕刻而完成。
[0012]d)通過由剩余的自組裝抗蝕劑提供的掩膜，在所述處理層中產生至少一個孔隙，其中所述孔隙使得其允許單分子穿過所實現的設備。舉例來講，所述孔隙可以通過用蝕刻劑蝕刻所述處理層而產生，所述蝕刻劑并不會影響自組裝抗蝕劑的剩余相。
[0013]所述方法具有下述優勢，其允許產生小的孔隙，通過該小的孔隙可以可靠地處理單分子。這是通過開發某些抗蝕劑的自組裝特性以產生納米尺寸的結構而實現的，所述納米尺寸的結構對于所期望的目的是適當的。同時，所述制造方法允許批量生產，因為可以此方式并行生產大量孔隙。對于諸如電子束光刻的生產方法來說，這是相當有利的，因為通過這些生產方法只能順序地生產較小尺寸的孔隙。
[0014]在處理層中產生所述至少一個孔隙之后，在處理層上仍存在自組裝抗蝕劑的掩膜。根據本發明的一個實施例，此殘余的抗蝕劑仍留在原地，用作(例如)電絕緣。根據本發明的另一實施例，所述制造方法包括額外的步驟“e) ”:從所述處理層移除剩余的自組裝抗蝕劑。在這種情況下，在設備的生產期間，所述自組裝抗蝕劑僅用作中間掩膜。
[0015]所述處理層可在步驟b)中的自組裝抗蝕劑沉積之前被任選地預處理，其中這一預處理使得其影響由自組裝抗蝕劑形成的所得的相圖案。因此，圖案的形成可視需要來控制或調整。
[0016]舉例來講，前述預處理可以包括為所述處理層提供特定(被任選地結構化的)表面化學性。根據優選的實施例，處理層的預處理包括將抗蝕劑沉積到處理層上和這一抗蝕劑的圖案化。出于引用的目的，在下文中，這一抗蝕劑將被稱為“主抗蝕劑”。借助主抗蝕劑的圖案化，可在處理層的表面上產生(例如)類似于溝槽或孔洞的受限區域，自組裝抗蝕劑可在所述受限區域中發展成特定的相圖案。因此，所述主抗蝕劑可以用作一種用于所述自組裝抗蝕劑的框架或基體。
[0017]所述主抗蝕劑的前述圖案化可以具體通過光學光刻和/或電子束光刻來完成。光學光刻有利地允許在一個步驟中實現大面積的并行處理，從而為其提供粗粒結構，自組裝抗蝕劑稍后可以將精細的結構添加到所述粗粒結構上。
[0018]根據本發明的進一步開發，步驟b)、c)和d)-也就是自組裝抗蝕劑的沉積、這一抗蝕劑的一個相的移除以及至少一個孔隙的產生-可以第一次相對于第一處理層執行，且第二次相對于第二處理層執行，其中所述第一和第二處理層可以是相同或不同的。任選地，也可以重復其它相關步驟，例如剩余自組裝抗蝕劑的移除和/或(結構化的)主抗蝕劑的沉積。在對同一處理層執行所述處理步驟時，這將導致根據所施加的兩種自組裝抗蝕劑的不同圖案而在所述層中產生孔隙。在對不同的處理層執行所述處理步驟時，所得的孔隙將位于不同層中，且還可以任選地具有不同圖案。
[0019]在前述實施例的具體實現中，第二處理層包括第一處理層。這使得后期產生的孔隙也將穿透已包括首次所生產孔隙的第一處理層。
[0020]在上述實施例的另一實現中，可以存在將新的材料層沉積到第一處理層(其已經在首次的步驟a)_d)中被結構化)上的其它中間步驟，其中這一新的層被稍后在第二次的步驟b)-d)中被結構化的第二處理層包含。
[0021]在前述步驟的第一次執行和第二次執行中應用的自組裝抗蝕劑的圖案可優選地在對齊方式和/或幾何形狀方面不同。這允許產生復雜的孔隙結構。
[0022]根據前述實施例的優選實現，第一和第二圖案每一個都包括(至少)一個相組成的條紋，其中所述不同圖案的條紋相對于彼此傾斜。于是借助所述自組裝抗蝕劑產生的孔隙將為傾斜的狹縫。優選地，所述傾斜的狹縫處于不同的層中且彼此疊置，因此通常在其疊置區域中組成更小的孔隙。
[0023]一般來講，通過自組裝抗蝕劑的相產生的圖案可以包括由一個相組成的條紋或圓柱體。條紋允許產生溝槽，而圓柱體使得在處理層中產生圓孔。
[0024]在本發明的另一優選實施例中，自組裝抗蝕劑可以包括嵌段共聚物。自組裝抗蝕劑的大分子則由兩個(或更多個)單體組成，其中由僅一種類型的單體組成的區段構成“嵌段”，并且其中不同的嵌段相交替。通過適當地選擇單體，對應的嵌段將具有特定化學和/或物理屬性，使得大分子(自)排列成特定圖案。
[0025]所述處理層可以具體包括非傳導性子層或材料，例如Si02、S1x或h-BN。作為補充或者作為另外一種選擇，所述處理層可以包括導電子層或材料。
[0026]前述導電子層或材料可以具體包括石墨烯，或者由石墨烯衍生的材料，例如石墨炔(參見 D.MalkoX.Neiss,F.Vinesc 和 A.Gorling,Phys Rev.Lett.108，086804 (2012))。由于石墨烯在納米級尺度的有利的電和機械屬性，石墨烯(或衍生物)是一種優選的材料。石墨烯(或其衍生物)可以存在于五個或更少個納米層中，優選地在兩個納米層中，或者更優選地在一個納米層中。因此，可實現有利的較小厚度。
[0027]根據本發明的另一開發，可以將額外的層至少部分地沉積在所述處理層上，其中所述額外的層可以具體是傳導性或非傳導性層。額外的層可以是有利的，因為它增加了機械穩定性，提供了電絕緣(如果它是非傳導性的)，且有助于使經過處理的單分子適當地取向。此外，在本發明的結構化步驟的另一應用中，額外的層可以組成另一個處理層，或者其一部分。
[0028]取決于所述單分子的預期處理，可能需要所述設備的額外部件。此類部件可以具體通過電路來實現，所述電路適于控制與穿過所述孔隙的分子的交互作用。此電路優選地連接到處理層和/或其子層。另外，所述孔隙可以嵌入到微流體回路中，確保將所關注分子(例如，DNA片段)傳送至孔隙。
[0029]在優選的實施例中，前述電路可以適于感測傳導性變化，所述傳感性變化發生在分子或分子的不同部分穿過所述孔隙時。因此，舉例來講，能夠通過檢測跨越所述孔隙的穿隧電流的出現(這應當是取決于堿基的)來實現ss-DNA的測序。
[0030]為了允許并行處理多個單分子，優選地提供多個孔隙。優選地，這些孔隙設置于通用載體或基底上/中。本發明還包括一種用于處理單分子的設備，其中所述設備可通過上述任一種方法獲得。這意味著可以通過下述步驟生產所述設備:
[0031](a)提供“處理層”，(b)將自組裝抗蝕劑沉積到所述處理層上，并使其自組裝成由兩個相組成的圖案，(C)選擇性地移除所述自組裝抗蝕劑的一個相，以及(d)通過剩余的自組裝抗蝕劑的掩膜在所述處理層中產生至少一個孔隙。用于所述設備的其它制造方法包括(例如)通過電子束光刻來產生孔隙。
[0032]根據優選的實施例，前述設備可以包括:
[0033]a)具有第一孔隙的底層，所述第一孔隙例如是狹縫或者優選的是孔洞。所述第一孔隙可以通過上文所述類型的方法(即，通過施加自組裝抗蝕劑)或者任何其它方法來生產。所述底層可以具體是非傳導性基底。
[0034]b)導電頂層，其沉積于所述底層上且具有設置于所述第一孔隙上方的第二孔隙，以共同提供單分子可穿過的孔隙，其中所述頂層被所述第二孔隙劃分成兩個(電)分離的部分。舉例來講，所述頂層可以由石墨烯組成或者包括石墨烯，和/或所述第二孔隙可以是狹縫。此外，所述第二孔隙可以通過上文所述類型的方法(即，通過施加自組裝抗蝕劑)或者任何其它方法來生產。
[0035]上述設備的優勢是，它可以被制造具有以下特征中的一些或全部:
[0036]-其可具有大量孔隙，例如多于1000個，優選地多于10，000個，更優選地多于100，000 個。
[0037]-其可具有被布置成極高的空間密度的孔隙，具體來講極高的線性密度，例如大于每cm 3-105個孔隙。借助本發明的方法，可在狹縫或溝槽中以<30nm的周期性將孔隙間隔放置，使得允許連接所有這些孔隙并測量每個孔隙上的電流。
[0038]-其可以具有尺寸(直徑)小于10nm、優選地小于7nm、更優選地小于5nm的孔隙。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0039]根據下文所述的實施例將顯而易見本發明的這些和其它方面，并將結合所述實施例來說明這些和其它方面。
[0040]在下圖中:
[0041]圖1示出了對根據本發明的第一設備的示意性俯視圖；
[0042]圖2示出了沿著線I1-1I穿過圖1所示設備的剖面；
[0043]圖3示出了對根據本發明的第二設備的示意性俯視圖，其中幾個底層狹縫與幾個頂層狹縫交叉；
[0044]圖4示出了沿著線IV-1V穿過圖3的設備的剖面；
[0045]圖5示意性地示出了被組裝成層狀圖案的自組裝抗蝕劑的大分子；
[0046]圖6示意性地示出了被組裝成圓柱形圖案的自組裝抗蝕劑，以及此抗蝕劑的一個分子;
[0047]圖7-12示意性地示出了在單一施加自組裝抗蝕劑的處理層中產生孔隙的連續基本步驟；
[0048]圖13-24示意性地示出了制造根據本發明的設備的連續步驟，包括借助自組裝抗蝕劑產生石墨烯條紋(圖13-17)，借助自組裝抗蝕劑來垂直切割這些石墨烯條紋(圖18-21)，以及借助自組裝抗蝕劑產生穿過所述基底的孔洞作為最后一個步驟(圖22-24)；
[0049]圖25示意性地示出了通過圖13-24中所示工序生產的設備的透視圖；
[0050]圖26-29示意性地示出了對圖13-24所示的制造工序的修改,其中借助自組裝抗蝕劑產生穿過所述基底的孔洞是第一步驟；
[0051]圖30-38示意性地示出了制造根據本發明的設備的連續步驟，包括借助光學光刻產生石墨烯條紋(圖30)，借助自組裝抗蝕劑垂直切割這些石墨烯條紋(圖31-34)，以及借助自組裝抗蝕劑產生穿過所述基底的孔洞作為最后一個步驟(圖32-38)。
[0052]相似的參考編號，或者是相差100的整數倍的編號在圖中指代相同或相似的部件。此外，圖13-24和26-38的右手側都示出了中間產物的俯視圖，而這些圖的左手側都示出了沿著相應虛線的剖視圖。

【具體實施方式】
[0053]US 2010/0327847 Al描述了石墨烯層/電極在納米孔測序中的使用。在此專利中，提議將納米孔嵌入到石墨烯中，在所述納米孔周圍保留有若干區域。
[0054]然而，已知石墨烯具有極高的傳導性。已報道了在室溫約10，000cm 2/Vs的移動性(K.S.Novoselov、A.K.Geim、S.V.Morozov、D.Jiang、Y.Zhang、S.V.Dubonos、
1.V.Grigorieva和 A.A.Firsov, “Electric Field Effect in Atomically Thin CarbonFilms”，Science，306 (204) 666-669)。因此，US2010/0327847 Al 所述裝置中的電流將不被調制或幾乎不被調制，且裝置在確定穿過納米孔的堿基方面具有不良的有效性，因為幾乎所有電流都將從剩余石墨烯中的納米孔旁邊經過。
[0055]鑒于此，使用納米隙看似更為有效，如Postma所提議(H.ff.Ch.Postma,“Rapid sequencing of individual DNA molecules in graphene nanogaps”， NanoLett.10(2010)420-425)。如這一論文中所述，使用納米隙具有下述額外優點，其避免了將(納米)電極對齊到納米孔的問題。
[0056]然而，出于實踐的目的，Postma在其理論計算中所考慮的裝置具有兩個嚴重的缺占-
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[0057]-為了生產可以容易地制造的裝置，納米隙或“狹縫”將必須具有橫跨整個石墨烯電極的有限長度。這將是約為0.1-1 μ m的尺寸。由于所要測量的單鏈DNA(SS-DNA)是極具柔性的，這將允許DNA以許多方式穿過納米隙，特別是折疊方式。這將破壞以所設想的單堿基分辨率進行測量的機會。
[0058]-所述石墨烯層不具有機械支撐，且盡管石墨烯是堅固的材料，但因此制造的裝置將不是非常穩固。
[0059]-將出現穿過帶有離子電荷的緩沖液體的分流電流，該電流可淹沒將要測量的任何穿隧電流。
[0060]為了處理這些所述問題，可以使用具有交叉狹縫的(石墨烯)裝置。
[0061]圖1和2示意性地描述了根據前述概念設計的示例性設備100。此設備100的中心部件是兩個層，即:
[0062]“底層”110，包括細長的矩形第一狹縫111，其寬度為wb，且沿X方向延伸。
[0063]“頂層”120，設置于前述底層110上，所述頂層由兩個斷開的部分120a、120b組成，所述兩個部分由第二狹縫121分離，所述第二狹縫的寬度為wt，且沿y方向延伸。
[0064]第一狹縫111和第二狹縫121相對于彼此垂直取向，且在(矩形)孔隙A的區域中部分地重疊，其中單分子M可穿過所述孔隙A。
[0065]如圖所示，設備100還包括觸點130a、130b，所述觸點設置于頂層部分120a、120b上。經由這些觸點，頂層連接到電路140。此電路140適于感測發生在頂層部分120a和120b與穿過孔隙A的單分子之間的電交互作用。
[0066]應注意，圖1和2所示的設置通常沿X方向和y方向以最大為晶圓尺度周期性地重復，從而產生可單獨尋址的大量孔隙A。
[0067]此外，圖3和4以相似的視圖示出了第二設備200，所述設備是類似于設備100設計的。唯一的區別是，底層210中的幾個(在這里是4個)平行狹縫211與頂層220中的幾個(在這里是3個)垂直狹縫221交叉。所述幾個狹縫可以分別具有相同的寬度wt或wb,或者是不同的寬度。如果分子M穿過以此方式產生的孔隙A中的一個，則經由頂層220的鄰近部分220a、220b或220b、220c或220c、220d感測電信號。
[0068]所述具有交叉納米狹縫的裝置100、200具有優于已知裝置的下述優點，以使用石墨稀納米孔執行基于橫向導電的測序:
[0069]-與US2010/0327847 Al中提議的納米孔裝置結構相反，僅在DNA將穿過納米開口時才產生(穿隧)電流。此外，所述裝置具有相對于零背景進行測量的關鍵性優點，也就是說，在沒有DNA穿過裝置時產生(非常)有限的信號、直至無信號。
[0070]-此裝置結構可被容易地制造，且確保了僅ss-DNA可以穿過的單個納米開口。不必制作納米孔，而是僅兩條具有nm寬度的狹縫。
[0071]-ssDNA不能以折疊方式穿過所述裝置，而折疊方式也將阻止單堿基的檢測。
[0072]上述種類的設備需要產生寬度(wt、wb)約為幾個nm的孔隙或狹縫。舉例而言，基于Postma(上述)對穿隧電流執行的計算，需要約l_2nm的寬度。此類狹縫可通過電子束光刻而產生，但此技術對于納米孔測序裝置的快速晶圓級制造來說并不理想。理想的是，相關人員將使用光學光刻技術。然而，目前的光學技術并不能提供制造合適的納米狹縫所需的l-2nm寬度。
[0073]為了解決此問題，在本發明的實施例中，提議通過使用嵌段共聚物自組裝來在所述的交叉狹縫裝置或其它裝置中制作所需的孔隙(狹縫、納米孔等)。具體來講，提議以三種方式使用嵌段共聚物自組裝以進行石墨烯納米孔測序:
[0074]-用嵌段共聚物自組裝以減小通過電子束或光學光刻(在抗蝕劑中)制作的窄間隙，甚至更進一步地實現所需的納米級尺寸(此方法的優勢為，其最好地適合對于石墨烯中的納米隙上的電絕緣需求)。
[0075]-減小通過光學光刻(在抗蝕劑中)制作的納米孔的尺寸。
[0076]-上述預制圖案所在處(在抗蝕劑中)是通過電子束光刻制作的。
[0077]嵌段共聚物能夠自組裝成極為規則的圖案，在長度尺度上具有小到約5nm的密集特征(參見Black等人，IBM J.Res.&Dev.2007，51 (5)，605)。最常用的嵌段共聚物、二嵌段共聚物是由不同類型的共聚化單體的兩個嵌段制成的，其以線性方式共價連接在一起。所述嵌段共聚物自組裝過程是通過游離能量的最小化來推動的，且取決于Flory-Huggins相互作用參數(針對不同嵌段的不混溶性的測量結果)。嵌段共聚物可形成許多不同的相，這主要取決于嵌段的體積分數。在施加到薄膜中時，在薄膜中大體僅觀察到球形、圓柱形和層狀的相。自組裝特征可通過允許在預圖案化的表面特征(石墨外延(grapho-epitaxy))之間發生自組裝來對準和引導。關于本發明，將使用的典型嵌段共聚物包括
[0078]PS-b-PMMA(聚(苯乙烯_b_甲基丙烯酸甲酯))，
[0079]PS-b-PDMS (聚(苯乙烯_b_ 二甲基硅氧烷))，
[0080]PS-b-PEO (聚(苯乙烯-b-環氧乙烷))，
[0081]PS-b-PVP (聚(苯乙烯-b-乙烯基吡啶)，
[0082]PMMA-b-PDMS(聚(甲基丙烯酸甲酯_b_ 二甲基硅氧烷))，
[0083]PS-b-PI (聚(苯乙烯-b_異戊二烯)，
[0084]或者形成自組裝圖案的其它嵌段共聚物。
[0085]圖5示意性地示出了通過嵌段共聚物大分子BCP的自組裝形成的層狀圖案。所述大分子BCP包括嵌段BI和B2的交替序列，其中第一嵌段BI由第一類型的單體組成，且第二嵌段B2由不同的第二類型單體組成。不同嵌段B1、B2的長度(即，所含單體的數量)可以是相同或不同的。大分子BCP具有至少大致相同的空間配置，這意味著其可以自組裝成不同大分子BCP的等同嵌段彼此接近的圖案。在所示實例中，這導致產生具有寬度分別為dl和d2的條紋或“相”的層狀圖案。舉例來講，此類圖案可以用體積分數為50% PS和50%PMMA的嵌段共聚物產生。
[0086]圖6示出了嵌段共聚物的另一自組裝圖案，其中所述圖案包括嵌入到第二相B2中的第一相的圓柱體BI。舉例來講，此類圖案可以用體積分數為30% PMMA(作為第一相BI)和70% PS (作為第二相B2)的嵌段共聚物產生。
[0087]圖7-12示出了根據本發明的制造方法的示意性連續基本步驟。
[0088]在圖7中，制造方法以提供處理層110 (或更一般來講是指“PL”)開始，例如，所述處理層可以是圖1和2的設備100的非傳導性基底(例如，S12)。
[0089]在處理層110的一側上，例如通過光學光刻已沉積且已圖案化“主抗蝕劑”151。此圖案化導致形成主抗蝕劑151的壁，所述壁在其之間限制了溝槽或通道。
[0090]圖8示出了下一步驟，其中已將自組裝抗蝕劑155沉積于前述溝槽中。根據上文闡釋的原理，自組裝抗蝕劑155已自組裝成第一相155a和第二相155b的圖案。在所示實例中，所述圖案呈現由沿y方向延伸的三個條紋組成的層狀圖案。
[0091]在圖9中，自組裝抗蝕劑的中央的第一相155a已被移除(例如通過選擇性蝕刻)，其中第二相155b的抗蝕刻性與第一相155a相比明顯較高。相應地，僅保留了具有第二相155b的平行條紋組成的圖案。
[0092]在不同的方法中，第一相155a可通過光解降解和降解產物的后續溶解而被選擇性地移除。舉例來講，PMMA可以在暴露于UV (例如，使用256nm的光)下時比PS更快地降解。此方法將是非常合適的，因為整個晶圓可被一次性暴露于UV。因此無需使用高分辨率工具。
[0093]在圖10中，第二相155b的前述剩余物已被用作掩膜，通過該掩膜蝕刻所述處理層110以產生孔隙A，在這種情況下是狹縫。狹縫A可稍后用作孔隙，所述孔隙使單分子可以穿過。作為另一選擇，由第二相的前述剩余物形成的圖案被轉印到下層的硬掩膜層中(例如，二氧化硅或氮化硅)，所述硬掩膜層隨后用于蝕刻處理層110以產生孔隙A。
[0094]在圖11中，示出了(選用的)額外步驟，其中已移除了自組裝抗蝕劑的剩余物155b和主抗蝕劑151。相應地，僅留下了具有孔隙A的處理層110。然而，如果(例如)想要將處理層上的剩余抗蝕劑用作電絕緣，則也可能不使用此步驟。
[0095]圖12示出了如果要生產圖1和2的設備100的下一步驟。然后將頂層120 (例如，為石墨烯)沉積在結構化的基底I1上。在此頂層120中，隨后用與圖7-10所示方法完全相同的方法沿垂直于基底110的孔隙A的方向(即，沿X方向)產生孔隙或狹縫，但現在是將頂層120作為“處理層”來進行的。
[0096]盡管圖7-11示出了實踐上的重要情況，其中僅存在自組裝抗蝕劑的第一相的一個中央條紋155a，但一般來講也能夠使用由第一相和第二相組成的多個(三個以上)條紋，和/或使用基體中的圓柱體的圖案，以并行產生數個孔隙(狹縫、孔洞)(例如，參見下文圖15-17或22-24)。舉例來講，這種類型的方法可用于生產圖3和4的設備200。
[0097]應注意，對于生物傳感器設備的每次使用來說，必須一次性并行地產生數以百萬計的納米孔，以供單次診斷測試的DNA處理使用，因為單個細胞的DNA由3xl09個堿基組成(如果僅對染色體組的一部分進行測序，則較少的納米孔可足夠使用)。
[0098]所述制造工序是有利的，因為它允許使用光學光刻。根據2011年的光學光刻技術背景，此技術僅可制作約22nm尺寸的特征。然而，從制造的角度來說，使用光學光刻將是理想的。其具有優于電子束光刻的兩個關鍵優點，即:
[0099]-整個晶圓可被一次性照射(例如，圖案化)，導致比電子束光刻所需的時間短得多，因為在電子束光刻的情況下，必須單獨地刻寫每個細紋或圖案。
[0100]-可能更低的生產成本，因為光學光刻是傳統的圖案化技術(且自組裝從本質上來說也是低成本工藝)。
[0101]由于目前的光學光刻并不能形成所需的納米級圖案，上述提議通過使用嵌段共聚物自組裝抗蝕劑來解決這一問題。舉例來講，此方法對于在上述(圖1-4)種類的設備中形成所需的納米隙來說是理想的，因為需要兩個垂直的細紋。
[0102]在利用自組裝抗蝕劑的實驗中，使用從甲苯溶液離心澆注的PS-b-PMMA嵌段共聚物，可生成平均具有9nm細紋寬度的細紋。在烘箱中以200°C對樣本退火，以促進嵌段共聚物的自組裝。
[0103]前述圖案可用作蝕刻圖案，以便在下層的介質層中進行蝕刻，所述介質層例如為Si02、SiNx*六邊形氮化硼(h-BN，其與石墨烯結構緊密匹配)。隨后，直接在石墨烯層中進行蝕刻，因為在含氧血漿中幾秒鐘便足以蝕刻掉石墨烯單層或雙層。
[0104]除上述狹縫產生之外，或者作為另外一種選擇，相關人員可使用減小通過傳統光學光刻形成的(圓形)納米孔尺寸的工藝(參見下文圖35-38)。在實驗中，使用不同的嵌段共聚物混合物，可在標準抗蝕劑層中，在通過傳統的光學產生而獲得的65nm孔內部觀察到通過嵌段共聚物自組裝而形成的10-14nm尺寸的納米孔。
[0105]盡管上述說明是指使用光學光刻，但在預圖案化步驟中使用電子束光刻也是可行的。這將具有優于傳統電子束光刻的優勢，其中可制作更寬的圖案，使得相關人員可在更有利的電子束條件下工作。所需的窄間隙則可使用嵌段共聚物自組裝來制作。
[0106]圖13-24示出了另一制造工序，其中使用不同的參數和對象將上述基本步驟(圖7-11)重復三次。圖13-24的右手側都示出了中間產物的俯視圖，而這些圖的左手側都示出了沿著相應虛線的剖視圖。
[0107]在圖13中，所述工序以提供第一處理層320(或“PL1”)開始，所述第一處理層設置于基底310上。舉例來講，基底310可以是非傳導性材料，例如S12，而第一處理層320是傳導性材料，例如石墨烯單層或雙層。
[0108]在圖14中，已將(傳統)主抗蝕劑351沉積于第一處理層320上，且已被圖案化或結構化，例如通過光學光刻，以產生沿y方向的(寬)溝槽。
[0109]圖15示出已將自組裝抗蝕劑355沉積在主抗蝕劑的溝槽中并自組裝成第一相355a和第二相355b交替的層狀結構。
[0110]在圖16中，自組裝抗蝕劑的第一相355a已被移除，僅留下了用作蝕刻掩膜的第二相355b。此蝕刻的執行已在第一處理層320中產生了孔隙Al (狹縫)。相應地，此層現在被分成了平行條紋 320a、320b、320c、320d 和 320e。
[0111]在圖17中，主抗蝕劑351和(第一)自組裝抗蝕劑的剩余部分355b已被移除。此夕卜，應當指出的是，左手側的剖面圖現在已相對于前述圖中的剖視圖旋轉了 90°。
[0112]針對后續處理步驟，(經預圖案化的)石墨烯層320將再次被視為將在其中產生下一孔隙的處理層PLl，在這種情況下是垂直于第一狹縫Al的狹縫A2。
[0113]根據圖18，將(第二)主抗蝕劑352沉積到前述處理層PLl的頂部上，其中所示抗蝕劑已被圖案化，例如通過光學光刻，以產生垂直于所預制的石墨烯條紋的溝槽。
[0114]在圖19中，已將(第二)自組裝抗蝕劑356沉積于前述溝槽中，并自組裝成下述圖案:第一相356a的一個中央條紋嵌入到第二相356b的兩個條紋之間。
[0115]在圖20中，自組裝抗蝕劑的第一相已被移除，且抗蝕劑的剩余相356b已被用作掩膜，已通過所述掩膜蝕刻處理層320。這導致產生了沿X方向的窄狹縫A2，從而將處理層的預制條紋切割成兩部分。
[0116]針對后續處理步驟，基底310將被視為將在其中產生后續孔隙的處理層PL2，在這種情況下是穿過基底310的孔洞A3。
[0117]根據圖21，這一子工序以移除先前的自組裝抗蝕劑剩余物356b開始，留下了主抗蝕劑352，其中主抗蝕劑352的中央溝槽沿X方向。
[0118]圖22示出了已將(第三)自組裝抗蝕劑357沉積并自組裝成下述圖案:第一相的圓柱體357a嵌入到第二相357b中。
[0119]在圖23中，自組裝抗蝕劑的第一相已被移除，且抗蝕劑的剩余相357b已被用作掩膜，已通過所述掩膜蝕刻基底310(第二處理層)。這導致形成了穿透基底310的一行圓形孔隙或孔洞A3。
[0120]圖24示出了在(可選地)移除(第二)主抗蝕劑352和剩余(第三)自組裝抗蝕劑357b之后的最終裝置300。所述裝置可以經受進一步制造步驟，例如施加額外(例如，絕緣)層和/或連接到電路(參見圖1-4)。
[0121]圖25示出了設備300的示意性透視圖(尺寸未按比例繪制)。可看出，傳導性石墨烯的平行細紋或條320a-320e仍留在基底310上。這些細紋每一個都被切成兩部分，所述部分可連接到電路(未示出)且位于(納米)孔洞或孔隙A3的相反側上，其中單分子M可穿過所述孔洞或孔隙。此外，所得電極對320a-320e每一個都可以被放置到其自身的微流體電路中(未示出)。
[0122]圖26-29示意性地示出了上述相對于圖13-24的制造工序的修改。在此方法中，作為第一步驟而非最后一個步驟，借助自組裝抗蝕劑來產生穿透基底310的孔洞A3。
[0123]根據圖26，所述工序以將主抗蝕劑353沉積到基底310上(而無石墨烯在頂部)開始，所述基底將被視為后續步驟的處理層PLl。此外，已將主抗蝕劑353圖案化，例如通過光學光刻，從而產生沿X方向的中央溝槽。
[0124]圖27示出了已將自組裝抗蝕劑358沉積并自組裝成下述圖案:第一相的圓柱體358a嵌入到第二相358b中。
[0125]在圖28中，自組裝抗蝕劑的第一相已被移除，且抗蝕劑的剩余相358b已被用作掩膜，已通過所述掩膜蝕刻基底310(處理層)。這導致形成了穿透基底310的一行圓形孔隙或孔洞A3。
[0126]圖29示出了在已將石墨烯層320沉積到基底310頂部上從而覆蓋孔洞A3之后的所述裝置。現在可類似于圖13-21的步驟來繼續其它制造，根據所述步驟，首先在石墨烯層中產生平行條紋(利用狹縫Al)，然后將其垂直切割成兩部分(利用狹縫A2)。與上述圖21相反，基底310中的孔洞或孔隙A3現在已經存在，從而允許直接跳到圖24所實現的設備300。
[0127]圖30-38示意性地示出了設備400的替代制造工序的連續步驟。
[0128]此工序以圖30中借助(例如)光學光刻而在石墨烯層420中產生(寬)條紋開始。此石墨烯層420是后續步驟的“處理層”PLl。
[0129]根據圖31，已將主抗蝕劑451沉積于石墨烯層420上，且已通過(例如)光學光刻而圖案化，以產生垂直于石墨烯條紋的中央溝槽。
[0130]圖32示出了下一步驟，其中已將自組裝抗蝕劑455沉積到前述溝槽中，且已自組裝成三個條紋的圖案，即沿X方向延伸的第一相455a和第二相455b。
[0131]在圖33中，自組裝抗蝕劑的中央第一相已被移除，且第二相的剩余部分455b已被用作掩膜，已通過所述掩膜蝕刻處理層420以產生狹縫或孔隙Al。
[0132]根據圖34，自組裝抗蝕劑的剩余部分455b和主抗蝕劑451已被移除。這完成了將石墨烯條紋垂直切成兩部分的子工序。
[0133]接下來，必須產生穿透基底410的孔洞。這是以圖35中將其它主抗蝕劑452沉積到預圖案化的石墨烯層420上而開始的。此外，這一主抗蝕劑452被圖案化以產生一行孔洞。
[0134]在出于前述目的而使用光學光刻時，可能并行地處理整個晶圓(圖中僅示出了一小部分)。然而，這些孔洞相對較大，且因此需要被窄化，以便用于(例如)納米孔測序的預期應用。
[0135]此窄化開始于圖36中，將自組裝抗蝕劑456沉積到預制孔洞中，其中此抗蝕劑自組裝成下述圖案:第一相的圓柱體456a被第二相456b環繞。
[0136]在圖37中，自組裝抗蝕劑的第一相已被移除，且抗蝕劑的剩余相456b已被用作掩膜，已通過所述掩膜蝕刻基底410 (第二處理層PL2)。這導致形成了穿透基底410的一行小的圓形孔隙或孔洞A3。
[0137]圖38示出了在(可選地)移除主抗蝕劑452和剩余自組裝抗蝕劑456b之后的最終設備400。設備400具有傳導性石墨烯的平行細紋或條420a-420c，其中這些細紋每一個都被切成兩部分，所述部分可連接到電路(未示出)且位于(納米)孔洞或孔隙A3的相反側上，其中單分子M可穿過所述孔洞或孔隙。所述裝置可以經受進一步制造步驟，例如施加額外(例如，絕緣)層和/或連接到電路(參見圖1-4)。此外，優選地將電極對420a-420c中每一個都放置到其自身的微流體電路中。
[0138]上述種類的工序已在實驗中加以執行。硅樹脂基底在背面被局部蝕刻至10nm或更小的厚度。該基底設置有石墨烯單層或雙層。將抗蝕劑旋涂到所述石墨烯層上，并在所述抗蝕劑層中形成100nm-300nm的溝槽。所述溝槽填充有對稱的嵌段共聚物，其在退火時形成層狀圖案。所述石墨烯層可任選地使用中性取向層來預處理，以實現嵌段共聚物的垂直對齊。所述層狀嵌段共聚物圖案被用作蝕刻抗蝕劑掩膜，以將細紋間隔物圖案轉印到石墨烯層中。其后，從基底上剝離剩余的嵌段共聚物和抗蝕劑，并施加新的抗蝕劑層。通過垂直于第一溝槽的光學光刻形成溝槽寬度約30nm-60nm的新溝槽。此溝槽填充有非對稱的嵌段共聚物，其能夠形成圓柱形相，其中所述圓柱體相對于基底呈垂直取向，且圓柱體定位于石墨烯細紋頂部上。所述石墨烯層可任選地利用中性取向層來預處理，以實現嵌段共聚物的垂直對齊(舉例來講，可出于此目的而使用刷狀聚合物，尤其是隨機刷狀共聚物，其由隨機聚合的單體A和B以及可與表面發生反應的端基組成)。同樣，將所述嵌段共聚物層用作蝕刻掩膜，以蝕刻穿過石墨烯和穿過下層的基底。在剩余嵌段共聚物的剝離之后，獲得具有細小的石墨烯電極的納米孔陣列。隨后，可以通過傳統的半導體類工藝步驟，使用在層下具有5nm Cr作為觸點的Au電極來制作裝置的所需觸點和其余部分。構造這些接觸電極可以容易地使用傳統光刻術完成。
[0139]作為本發明的另一實施例，提議并不移除石墨烯頂部的抗蝕劑或另一保護層(例如PMMA)，或賦予其最佳形狀(例如錐形)。這增加了石墨烯頂部的狹縫高度，從而減小了 ss-DNA將穿過交叉狹縫裝置中的納米開口的角度。此外，這還具有下述關鍵性優勢:避免了穿過石墨烯層頂部上的離子緩沖溶液的極大分路電流，該電流將淹沒任何小的緩沖電流。
[0140]概括地說，本發明公開了使用嵌段共聚物自組裝的納米測序裝置(固態納米孔)的制造，尤其是交叉狹縫納米測序裝置的制造。所述納米測序裝置可以具體由石墨烯層組成。
[0141]盡管已在附圖和前述說明中詳細示出和描述了本發明，但此類圖示和說明應當視為例示性或示例性而非約束性的；本發明并不限于所公開的實施例。根據對附圖、公開內容和隨附權利要求的研究，本領域的技術人員在實踐所主張的本發明時可理解和實施所公開實施例的其它變化形式。在權利要求書中，詞語“包括”并不排除其它元件或步驟，而不定冠詞“一”或“一個”并不排除多個。在相互不同的從屬權利要求中描述某些措施并不表明這些措施不能夠有利地結合起來使用。在權利要求書中的任何元件符號不應視為限制其范圍。
【權利要求】
1.一種用于制造用于處理單分子(M)的設備(100、200、300、400)的方法，所述方法包括下述步驟: a)提供“處理層”(PL、PL1、PL2)； b)將自組裝抗蝕劑(155、355、356、357、455、456)沉積在所述處理層上，并使其自組裝成兩個相(155a、155b、355a、355b、356a、356b、357a、357b、455a、455b、456a、456b)的圖案； c)選擇性地移除所述自組裝抗蝕劑的一個相(155a、355a、356a、357a、455a、456a)； d)通過剩余的自組裝抗蝕劑(155b、355b、356b、357b、455b、456b)的掩膜在所述處理層(PL、PL1、PL2)中產生至少一個孔隙(A、A1、A2、A3)。
2.根據權利要求1所述的方法， 其特征在于，所述方法包括下述額外的步驟: e)移除剩余的自組裝抗蝕劑(155b、355b、356b、357b、455b、456b)。
3.根據權利要求1所述的方法， 其特征在于，所述處理層(PL、PL1、PL2)在所述自組裝抗蝕劑(155、355、356、357、455、456)的沉積之前被預處理，以影響所得的相(155a、155b、355a、355b、356a、356b、357a、357b、455a、455b、456a、456b)的圖案。
4.根據權利要求3所述的方法， 其特征在于，所述預處理包括主抗蝕劑(151、351、352、353、451、452)的沉積及其圖案化，優選地通過光學光刻和/或電子束光刻來進行圖案化。
5.根據權利要求1所述的方法， 其特征在于，步驟b)、c)和d)分別對第一處理層(PLl)和第二處理層(PL2)執行了兩次。
6.根據權利要求5所述的方法， 其特征在于，所述第二處理層(PL2)包括所述第一處理層(PLl)。
7.根據權利要求5所述的方法， 其特征在于，在第一次執行和第二次執行中施加的所述自組裝抗蝕劑(355、356、357、455、456)的圖案在對齊和/或幾何形狀上不同。
8.根據權利要求7所述的方法， 其特征在于，所述圖案中的每一個都包括一個相的條紋，其中不同圖案的條紋彼此傾斜。
9.根據權利要求1所述的方法， 其特征在于，所述自組裝抗蝕劑(155、355、356、357、455、456)包括嵌段共聚物。
10.根據權利要求1所述的方法， 其特征在于，所述處理層包括非傳導性子層(110、210、310、410)或材料和/或傳導性子層(120、220、320、420)或材料。
11.根據權利要求10所述的方法， 其特征在于，所述傳導性子層(120、220、320、420)或材料包括石墨烯或由石墨烯衍生的材料，所述石墨烯或由石墨烯衍生的材料優選地存在于少于五個的單層中，且最優選地存在于一個單層中。
12.根據權利要求1所述的方法， 其特征在于，將額外的層至少部分地沉積在所述處理層(PL、PL1、PL2)上，特別是非傳導性的額外的層。
13.根據權利要求1所述的方法， 其特征在于，所述處理層(PL、PL1、PL2)連接到電路(140)，通過所述電路能夠控制與穿過所述孔隙(A、A1、A2、A3)的分子(M)的交互作用。
14.一種用于處理單分子(M)的設備(100、200、300、400)，所述單分子能夠通過根據權利要求I所述的方法獲得。
15.根據權利要求14所述的設備(300、400)， 其特征在于，所述設備包括 a)底層(310、410)，其具有第一孔隙(A3)； b)導電頂層(320、420)，其設置于所述底層(310、410)上且具有第二孔隙(A2)，所述第二孔隙設置于所述第一孔隙(A3)上方以提供單分子(M)能夠穿過的孔隙，其中所述頂層(320)被所述第二孔隙(A2)分成兩個斷開的部分。
【文檔編號】G03F7/00GK104350420SQ201380026733
【公開日】2015年2月11日 申請日期:2013年3月14日 優先權日:2012年3月22日
【發明者】P·J·范德扎格, E·佩特斯, R·科萊, F·C·M·J·M·范德爾夫特 申請人:皇家飛利浦有限公司