WO2001003178A1 - Verfahren zur herstellung einer elektrodenanordnung - Google Patents
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- WO2001003178A1 WO2001003178A1 PCT/DE2000/002094 DE0002094W WO0103178A1 WO 2001003178 A1 WO2001003178 A1 WO 2001003178A1 DE 0002094 W DE0002094 W DE 0002094W WO 0103178 A1 WO0103178 A1 WO 0103178A1
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Definitions
- the invention relates to a method for producing an electrode arrangement in a substrate, in which individual electrode regions have a lateral spacing and / or vertical offset from one another, according to the preamble of patent claim 1.
- Such an electrode arrangement plays an essential role in the field of nanotechnology, the main area of application of the present method.
- Nanostructuring of electrode arrangements is used, for example, to produce biochemical sensors, with the aid of which impedimetric molecular binding events such as the hybridization of DNA with special oligonucleotides or the binding of antibodies to antigens can be detected.
- a substrate with an interdigital electrode arrangement is used.
- the corresponding oligonucleotides or antigens are bound between the electrodes on the substrate.
- the ratio of the electrode spacing to the layer thickness of the dielectric is close to or less than one. Since the thickness of the binding layer, which in the present application example is composed of a monolayer of oligonucleotides or antigens oriented perpendicular to the surface, is only a few 100 nm, the electrode spacing must accordingly be selected in the same or a smaller dimension.
- the sensitivity of these methods depends crucially on the electrode spacing of the measuring arrangement used.
- the electrode arrangements previously used in these methods have distances between the electrodes which are considerably larger than the dimensions of the molecular species to be detected, which are immobilized as a dielectric interaction layer between the electrodes.
- methods of microstructuring were therefore used in order to be able to produce electrode structures with smaller mutual spacings between the electrodes. For example, from K. Reimer et al. , Sensors & Actuators A46-47 (1995), pp. 66-70 known to produce the required fine electrode structures with the help of electron beam lithography.
- Another method for producing nano-structured electrode arrangements is known from M.
- a silicon wafer with a layer structure is provided, in which the structures for the electrodes are first defined by means of photolithography and a subsequent etching step by creating areas of different heights on the surface The height difference of these areas, which corresponds to the later vertical spacing of the electrodes, is predetermined by the thickness of an etched through insulation layer in the layer structure.
- a metallization layer is vapor-deposited onto the surface, which sic h on areas of different heights. This results in different electrode areas on different levels of the structured surface.
- This simplified method creates a vertical offset or a distance between the electrodes, which is defined by the layer thickness of the insulator.
- the electrode structure becomes three-dimensional. An additional lateral structuring of the electrode areas is not necessary, so that the expensive electron beam technology can be avoided.
- the method still requires a complex manufacturing process with several Lithography and etching steps that increase the cost of the electrode assembly.
- Indentations are etched into a substrate surface into which the electrode structure is introduced. In this way, a thin sensitive layer can be applied essentially flat to the substrate surface provided with the electrodes.
- DE 40 13 593 AI describes a thick-film biosensor, which is composed of several layers of a suitable ceramic material.
- the uppermost layer has several openings, each of which receives partial electrodes applied using thick-film technology.
- a further method for producing a microelectrode array for amperometric applications can be found in EP 0 653 629 A2.
- openings are made by means of photoablation in a thin layer of insulating material on a substrate, through which the electrodes are accessible.
- the electrodes can either be formed as an intermediate layer between the thin insulating layer and the substrate, or can be introduced as an electrically conductive paste into the openings of the thin insulating layer.
- EP 0 585 933 A2 discloses a planar electrode arrangement for the electrical measurement of biological activities, in which a close-knit
- Electrode array is used on a substrate.
- the electrodes are deposited using a vapor deposition process with subsequent structuring by photolithography and created an etching technique.
- An insulating layer is then applied to the electrode structure and locally removed again at the locations of the respective electrodes using an etching technique.
- the object of the present invention is to provide a method with which electrode structures, in particular with dimensions in the micrometer and nanometer range, can be implemented in a cost-effective and simple manner.
- the present invention deviates from the conventional methods of microstructuring and uses mechanical structuring with the aid of an embossing element to produce the distances between the
- At least one electrically conductive layer for forming the electrode regions is applied to a surface of a substrate.
- an embossing element is pressed onto the surface, so that there is a lateral distance and / or a vertical offset between individual electrode areas.
- an electrode structure is created in which individual electrode areas are offset vertically, i.e. an offset in the direction of the surface normal of the substrate, and / or laterally spaced apart by a gap.
- the size of the offset or distance is preferably controlled via the contact pressure of the embossing element and / or the temperature of the substrate.
- a stamp can also be used as the stamping element, in which the height of the stamping structure corresponds to the size of the vertical offset to be produced, so that the stamp is completely pressed on in this case.
- the embossing structure or topography of the embossing element is of course chosen in accordance with the desired structuring of the electrode arrangement.
- the embossing element will have, for example, rectangular plateaus protruding from the base of the embossing element, which have the shape of the electrode areas define that should lie in a different plane after the embossing process than the electrode areas remaining in the original plane. If these plateaus lie in one plane, the vertical offset of individual electrode areas is identical. If the embossing element has plateaus of different heights, then different electrode spacings can be achieved in a single embossing process.
- a suitably shaped embossing stamp is used to generate a lateral or horizontal distance between individual electrode regions.
- different distances between the electrode areas can be achieved by an elevation (hereinafter referred to as cutting edge) of the embossing structure that tapers at a certain angle in the embossing direction.
- the electrode layer is cut through with the cutting edge, the shape of the cutting edge, such as the radius of curvature of the cutting edge or the angle forming the edge, and the depth of penetration determining the extent of the cut. Controlled penetration depths can be achieved in that the cutting edge has only a certain height above the base of the embossing element.
- the pressure and temperature ranges required for the embossing process are identical or lower than in the case of creating a vertical offset, since less material has to flow overall.
- a combination of embossed structures for vertical offset and lateral is also a matter of course Separation possible in an embossing stamp if such electrode structures are to be produced.
- an embossing element with an embossing structure is used in which the contours of the plateaus define an interdigital structure, so that an interdigital electrode arrangement can be produced with the technique according to the invention.
- the embossing element itself only has to be produced once, for example using conventional structuring techniques, such as electron beam lithography, and can subsequently be used for the production of a large number of electrode arrangements in series production.
- a master can be produced by conventional structuring processes, from which a larger number of embossing dies are reproduced. This can be done, for example, by embossing the master into suitably deformable
- Layers e.g. polymers
- fixation or transfer of the structure into harder materials can be achieved. This leads to a significant reduction in manufacturing costs compared to the previously known manufacturing technologies for such electrode structures.
- non-planar, three-dimensional nanostructured electrodes with height differences or a mutual offset or distance of a few nanometers down to the micrometer range can be produced without any problems.
- the production of flat electrode structures with lateral distances in the Nanometer to micrometer range is possible with the method in a very simple way.
- the method according to the invention thus enables the production of electrode structures in the micrometer and nanometer range in a surprisingly simple manner and very inexpensively, so that nothing stands in the way of the use of sensors based on this technology as single use products in the biomedical field.
- embossing element it is not necessary for the embossing element to come into direct contact with the conductive layer. Rather, another layer or layer sequence, for example one, can be applied to the conductive layer before the embossing process is carried out
- Insulation layer as long as the desired result of the embossing is still achieved.
- the present method is not limited to the stamping of a single electrically conductive layer. Rather, a multi-layer System of alternating electrically conductive and insulating layers can be provided on the substrate or applied thereon. Completely different materials can be used for both the conductive and the insulating layers, depending on the desired function.
- the subsequent embossing process allows individual areas of this entire layer system to be displaced vertically with respect to one another. For example, a
- Electrode region of an initially lying electrically conductive layer comes into contact with a lower lying electrically conductive layer, so that lower lying layer regions can be contacted through the opening created.
- a substrate made of plastic for example, can be used as the carrier for the electrically conductive layer or the layer system.
- a carrier substrate of any hardness can be used, on which a layer with a lower hardness than that of the at least one electrically conductive layer is applied
- Embossing element is applied.
- the thickness of this layer must be greater than the vertical offset of the electrode areas to be generated.
- Figure 2 shows an example of the implementation of the
- FIG. 3 shows an example of different embossing structures that can be used on an embossing stamp.
- FIG. 1 shows a substrate 1 with an electrically conductive layer 2 applied thereon to form the electrodes.
- a stamp 3 is used which has a topography of the embossing surface in the form of rectangular plateaus 4 which have the same height.
- a substrate made of polymethylacrylate (PMMA) was used as substrate 1.
- PMMA polymethylacrylate
- the PMMA surface was then vapor-deposited with a 20 nm thick layer 2 of silver as the electrically conductive layer to be structured.
- a silicon wafer in the submicrometer range was structured by means of electron beam lithography with lines at a distance of 500 nm to 2 ⁇ m.
- This stamp was then embossed with a pressure of approx. 100 * 10 5 Pa and at a temperature of approx. 200 ° C through the metallization layer 2 into the PMMA layer 1.
- the metal layer was sheared off at the edges of the structures 4 of the stamp and offset by approximately 100 nm.
- the penetration depth of the stamp and thus the offset of the metallization layer in the depth can be controlled.
- FIG. 2 shows a substrate 1 with an applied layer sequence of an electrically conductive first layer 2 to form first electrodes, an insulating intermediate layer 5 and an electrically conductive second layer 6 to form second electrodes.
- a stamp 7 is also used, which has a topography of the embossing surface in the form of rectangular plateaus 8, the plateaus in this case having different heights.
- the layers subjected to the embossing process are displaced in accordance with the topography of the embossing element in the direction of the surface normal of the layers, so that there is a height offset between individual regions of the electrodes formed by the layers.
- Offset can occur via the topography or the profile of the embossing structures (height and spacing of the structures) of the embossing element, the process parameters (pressure, temperature, time, embossing depth) and the material properties (plasticity, rigidity, etc.) and the thickness of the various layers to be controlled.
- the process parameters pressure, temperature, time, embossing depth
- the material properties plasticity, rigidity, etc.
- FIG. 3 shows various examples of embossed structures that can be used alone or in combination in the method according to the invention.
- pointed shapes 9-11 are also shown.
- a horizontal spacing or a lateral separation between individual electrode regions can be produced by means of these cutting-shaped elevations or cutting edges 9-11, depending on the shape and penetration depth of the latter Structures in the electrically conductive layers and the underlying material depends and can be controlled specifically.
- Layer 2 are generated by which the electrode regions are spaced apart.
- Such a stamp for cutting through the electrode layers for generating a lateral distance can be produced, for example, by anisotropic wet etching of silicon. With this etching technique, tapered shapes can be easily achieved in the silicon, which act like a cutting tool and when stamped on
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- Investigating Or Analyzing Materials By The Use Of Electric Means (AREA)
- Micromachines (AREA)
Abstract
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer Elektrodenanordnung in einem Substrat (1), bei der einzelne Elektrodenbereiche (2a, 2b, 6a, 6b) einen lateralen Abstand und/oder vertikalen Versatz zueinander aufweisen. Bei dem erfindungsgemässen Verfahren wird zumindest eine elektrisch leitfähige Schicht (2, 6) zur Bildung der Elektrodenbereiche auf eine Oberfläche eines Substrates (1) aufgebracht. In einem weiteren Schritt wird ein Prägeelement (3, 7) auf die Oberfläche aufgedrückt, so dass ein lateraler Abstand und/oder vertikaler Versatz zwischen einzelnen Elektrodenbereichen (2a, 2b, 6a, 6b) entsteht. Durch nachfolgendes Entfernen des Prägeelementes ist auf diese Weise eine Elektrodenstruktur entstanden, bei der einzelne Elektrodenbereiche durch einen lateralen Abstand und/oder vertikalen Versatz voneinander beabstandet sind. Das erfindungsgemässe Verfahren ermöglicht in überraschend einfacher Weise und sehr kostengünstig die Herstellung von Elektrodenstrukturen im Mikro- und Nanometerbereich.
Description
Verfahren zur Herstellung einer Elektrodenanordnung
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer Elektrodenanordnung in einem Substrat, bei der einzelne Elektrodenbereiche einen lateralen Abstand und/oder vertikalen Versatz zueinander aufweisen, gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.
Eine derartige Elektrodenanordnung spielt gerade im Bereich der Nanotechnologie, dem Hauptanwendungs- gebiet des vorliegenden Verfahrens, eine wesentliche Rolle. Die Nanostrukturierung von Elektrodenanordnungen wird beispielsweise zur Herstellung biochemischer Sensoren eingesetzt, mit deren Hilfe impedimetrisch molekulare Bindungsereignisse wie die Hybridisierung einer DNA mit speziellen Oligonukleotiden oder die Bindung von Antikörpern zu Antigenen detektiert werden können. In einem konkreten Anwendungsfall wird hierbei beispielsweise ein Substrat mit einer interdigitalen Elektrodenanordnung eingesetzt. Die entsprechenden Oligonukleotide bzw. Antigene werden zwischen den Elektroden auf dem Substrat gebunden. Zur elektrischen Erfassung einer durch ein Bindungsereignis hervorgerufenen dielektrischen Änderung der durch die gebundenen Stoffe gebildeten Bindungsschicht zwischen den Elektroden muß gewährleistet sein, daß die elektrischen Feldlinien des zwischen den Elektroden vorliegenden elektrischen Feldes überwiegend in dieser
Bindungs- bzw. Wechselwirkungsschicht verlaufen. Dies erfordert, daß das Verhältnis des Elektrodenabstandes zur Schichtdicke des Dielektrikums nahe oder kleiner eins ist. Da die Dicke der Bindungsschicht, die sich im vorliegenden Anwendungsbeispiel aus einem Monolayer aus senkrecht zur Oberfläche ausgerichteten Oligonukleo- tiden bzw. Antigenen zusammensetzt, nur wenige 100 nm beträgt, muß dementsprechend der Elektrodenabstand in derselben oder einer kleineren Dimension gewählt werden.
Zur elektrischen Detektion von molekularen Spezies bzw. molekularen Bindungsereignissen sind potentio- metrische, kapazitive und impedimetrische Verfahren bekannt. Die EP 0710691 Bl sowie die DE 19610115 AI geben Anwendungsbeispiele hierzu an.
Die Sensitivität dieser Verfahren hängt allerdings entscheidend vom Elektrodenabstand der eingesetzten Meßanordnung ab. Die bisher bei diesen Verfahren verwendeten Elektrodenanordnungen weisen Abstände der Elektroden auf, die wesentlich größer sind als die Dimensionen der nachzuweisenden molekularen Spezies, die als dielektrische Wechselwirkungsschicht zwischen den Elektroden immobilisiert sind. Zur Verbesserung der Nachweisempfindlichkeit wurde daher auf Verfahren der Mikrostrukturierung übergegangen, um Elektrodenstrukturen mit geringeren gegenseitigen Abständen der Elektroden herstellen zu können. So ist beispielsweise aus K. Reimer et al . , Sensors & Actuators A46-47 (1995), S. 66-70 bekannt, die erforderlichen feinen Elektrodenstrukturen mit Hilfe der Elektronenstrahl-Lithographie zu erzeugen.
Ein weiteres Verfahren zur Herstellung nano- strukturierter Elektrodenanordnungen ist aus M. Paeschke, „Dünnfilm Metallelektroden als elektrochemische Verstärker und dielektrische Transducer", VDI Fortschrittsberichte Nr. 274, insb. S. 37/38 bekannt. Bei dieser Technik werden die Abstände zwischen den Elektroden nicht lateral auf einem Substrat erzeugt, sondern durch vertikalen Versatz einzelner Elektrodenbereiche im Substrat. Hierzu wird ein Siliziumwafer mit einem Schichtaufbau bereitgestellt, in den zunächst mittels Photolithographie und einem nachfolgenden Ätzschritt die Strukturen für die Elektroden durch Erzeugung von Bereichen unterschiedlicher Höhe auf der Oberfläche definiert werden. Der Höhenunterschied dieser Bereiche, der dem späteren vertikalen Abstand der Elektroden entspricht, ist durch die Dicke einer durchätzten Isolationsschicht im Schichtaufbau vorgegeben. In einem weiteren Schritt wird eine Metallisierungsschicht auf die Oberfläche aufgedampft, die sich auf den Bereichen unterschiedlicher Höhe niederschlägt. Auf diese Weise ergeben sich unterschiedliche Elektrodenbereiche auf unterschiedlichen Ebenen der strukturierten Oberfläche.
Mit diesem vereinfacht dargestellten Verfahren wird ein vertikaler Versatz bzw. ein Abstand zwischen den Elektroden erzeugt, der durch die Schichtdicke des Isolators definiert ist. Die Elektrodenstruktur wird dreidimensional. Eine zusätzliche laterale Strukturierung der Elektrodenbereiche ist nicht erforderlich, so daß die teure Elektronenstrahl-Technologie vermieden werden kann. Das Verfahren erfordert jedoch noch immer einen aufwendigen Herstellungsprozeß mit mehreren
Lithographie- und Ätzschritten, der die Kosten für die Elektrodenanordnung erhöht .
Aus der DE 41 07 220 AI ist ein Dünnfilmsensor zum Nachweis von Gasen bekannt, bei dem muldenförmige
Vertiefungen in eine Substratoberfläche geätzt werden, in die die Elektrodenstruktur eingebracht wird. Auf diese Weise kann eine dünne sensitive Schicht im wesentlichen eben auf die mit den Elektroden versehene Substratoberfläche aufgebracht werden.
Die DE 40 13 593 AI beschreibt einen Dickschicht- Biosensor, der sich aus mehreren Schichten eines geeigneten Keramikmaterials zusammensetzt. Die oberste Schicht weist hierbei mehrere Durchbrüche auf, die jeweils in Dickschicht-Technik aufgebrachte Teilelektroden aufnehmen.
Ein weiteres Verfahren zur Herstellung eines Mikroelektroden-Arrays für amperometrische Anwendungen ist der EP 0 653 629 A2 zu entnehmen. Bei diesem Verfahren werden mittels Photoablation Öffnungen in eine dünne Schicht aus isolierendem Material auf einem Substrat eingebracht, durch die die Elektroden zugänglich sind. Die Elektroden können hierbei entweder als Zwischenschicht zwischen der dünnen isolierenden Schicht und dem Substrat ausgebildet sein, oder als elektrisch leitfähige Paste in die Öffnungen der dünnen isolierenden Schicht eingebracht werden.
Die EP 0 585 933 A2 offenbart schließlich eine planare Elektrodenanordnung zur elektrischen Messung biologischer Aktivitäten, bei der ein engmaschiges
Elektrodenarray auf einem Substrat eingesetzt wird. Die Elektroden werden über ein Aufdampfverfahren mit nachfolgender Strukturierung durch Photolithographie
und eine Ätztechnik erzeugt. Anschließend wird eine isolierende Schicht auf die Elektrodenstruktur aufgebracht und mit Hilfe einer Ätztechnik lokal an den Stellen der jeweiligen Elektroden wieder entfernt.
Auf dem Hauptanwendungsgebiet dieser Art von Sensoren, dem biomedizinischen Bereich, werden jedoch in der Regel Einwegprodukte benötigt . Für derartige Produkte stellen die obigen Herstellungstechniken sehr kostenträchtige Verfahren dar.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein Verfahren anzugeben, mit dem Elektrodenstrukturen, insbesondere mit Dimensionen im Mikrometer- und Nanometerbereich, auf kostengünstige und einfache Weise realisiert werden können.
Die Aufgabe wird mit dem Verfahren nach Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen des Verfahrens sind Gegenstand der Unteransprüche.
Die vorliegende Erfindung weicht von den gängigen Verfahren der Mikrostrukturierung ab und setzt eine mechanische Strukturierung mit Hilfe eines Präge- elementes zur Erzeugung der Abstände zwischen den
Elektroden ein. Überraschenderweise hat sich hierbei gezeigt, daß sich durch diesen Prägevorgang auf einfache Weise insbesondere Mikro- und NanoStrukturen erzeugen lassen, bei denen einzelne Elektrodenbereiche einen lateralen Abstand und/oder vertikalen Versatz zueinander aufweisen, wie dies beispielsweise hinsichtlich des vertikalen Versatzes bei der Anordnung aus M. Paeschke, „Dünnfilm Metallelektroden als
elektrochemische Verstärker und dielektrische Transducer", VDI Fortschrittsberichte Nr. 274, insb. S. 37/38 der Fall ist.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird zumindest eine elektrisch leitfähige Schicht zur Bildung der Elektrodenbereiche auf eine Oberfläche eines Substrates aufgebracht. In einem weiteren Schritt wird ein Prägeelement auf die Oberfläche aufgedrückt, so daß ein lateraler Abstand und/oder ein vertikaler Versatz zwischen einzelnen Elektrodenbereichen entsteht. Durch nachfolgendes Entfernen des Prägeelementes ist auf diese Weise eine Elektrodenstruktur entstanden, bei der einzelne Elektrodenbereiche durch einen vertikalen Versatz, d.h. einen Versatz in Richtung der Oberflächennormalen des Substrates, und/oder lateral durch einen Spalt voneinander beabstandet sind.
Die Größe des Versatzes bzw. Abstandes wird vorzugsweise über den Anpreßdruck des Prägeelementes und/oder die Temperatur des Substrates gesteuert. Es kann jedoch auch ein Stempel als Prägeelement eingesetzt werden, bei dem die Höhe der Prägestruktur der Größe des zu erzeugenden vertikalen Versatzes ent- spricht, so daß der Stempel in diesem Fall vollständig aufgedrückt wird.
Die Prägestruktur bzw. Topographie des Prägeelementes wird hierbei selbstverständlich entsprechend der gewünschten Strukturierung der Elektrodenanordnung gewählt. So wird das Prägeelement in einer einfachen Ausführungsform beispielsweise rechteckige, von der Grundfläche des Prägeelementes hervortretende Plateaus aufweisen, die die Form der Elektrodenbereiche
definieren, die nach dem Prägevorgang in einer anderen Ebene liegen sollen als die in der ursprünglichen Ebene verbleibenden Elektrodenbereiche. Liegen diese Plateaus in einer Ebene, so ist der vertikale Versatz einzelner Elektrodenbereiche identisch. Weist das Prägeelement Plateaus unterschiedlicher Höhe auf, so können dadurch in einem einzigen Prägevorgang unterschiedliche Elektrodenabstände realisiert werden.
Zur Erzeugung eines lateralen bzw. horizontalen Abstandes zwischen einzelnen Elektrodenbereichen wird ein geeignet ausgeformter Prägestempel eingesetzt. So können beispielsweise durch eine in Prägerichtung unter einem bestimmten Winkel spitz zulaufende Erhebung (im folgenden als Schneide bezeichnet) der Prägestruktur je nach Eindringtiefe in das Material unterschiedliche Abstände der Elektrodenbereiche erzielt werden. Durch Aufdrücken der Prägestruktur wird die Elektrodenschicht hierbei mit der Schneide durchtrennt, wobei die Form der Schneide, wie beispielsweise der Krümmungsradius der schneidenden Kante oder der die Kante bildende Winkel, und die Eindringtiefe das Ausmaß der Durchtrennung bestimmen. Kontrollierte Eindringtiefen lassen sich dadurch erzielen, daß die Schneide nur eine bestimmte Höhe über der Grundfläche des Prägeelementes aufweist.
Bei dieser Technik der Erzeugung eines lateralen Abstandes sind die für den Prägevorgang erforderlichen Druck- und Temperaturbereiche identisch oder niedriger als im Falle der Erzeugung eines vertikalen Versatzes, da insgesamt weniger Material fließen muß.
Selbstverständlich ist auch eine Kombination von Prägestrukturen für vertikalen Versatz und laterale
Trennung in einem Prägestempel möglich, falls derartige Elektrodenstrukturen erzeugt werden sollen.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform wird ein Prägeelement mit einer Prägestruktur eingesetzt, bei der die Umrisse der Plateaus eine Interdigitalstruktur definieren, so daß mit der erfindungsgemäßen Technik eine interdigitale Elektrodenanordnung erzeugt werden kann.
Das Prägeelement selbst muß dabei nur einmal, beispielsweise mit üblichen Strukturierungstechniken, wie Elektronenstrahl-Lithographie, hergestellt werden und kann nachfolgend zur Herstellung einer Vielzahl von Elektrodenanordnungen in einer Serienproduktion eingesetzt werden. Außerdem kann durch übliche Strukturierungsverfahren ein Master hergestellt werden, von dem durch Vervielfältigung eine größere Zahl von Prägestempeln abgeformt wird. Dies kann beispielsweise durch Prägen des Masters in geeignet verformbare
Schichten (z.B. Polymere) und anschließende Fixierung oder Übertragung der Struktur in härtere Materialien erreicht werden. Dies führt zu einer deutlichen Reduzierung der Fertigungskosten im Vergleich zu den bisher bekannten Herstellungstechnologien für derartige Elektrodenstrukturen .
Mit dem Verfahren lassen sich nichtplanare, dreidimensional nanostrukturierte Elektroden mit Höhenunterschieden bzw. einem gegenseitigen Versatz oder Abstand von wenigen Nanometern bis in den Mikrometerbereich problemlos herstellen. Auch die Herstellung von ebenen Elektrodenstrukturen mit lateralen Abständen im
Nanometer- bis Mikrometerbereich ist mit dem Verfahren auf sehr einfache Weise möglich.
Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht somit in überraschend einfacher Weise und sehr kostengünstig die Herstellung von Elektrodenstrukturen im Mikro- und Nanometerbereich, so daß dem Einsatz von auf dieser Technologie beruhenden Sensoren als Einmalprodukte im biomedizinischen Bereich nichts mehr im Wege steht.
Es ist nicht erforderlich, daß das Prägeelement direkt mit der leitfähigen Schicht in Berührung kommt. Vielmehr kann auf der leitfähigen Schicht vor Durchführung des Prägevorganges eine weitere Schicht oder Schichtfolge aufgebracht werden, beispielsweise eine
Isolationsschicht , solange das gewünschte Ergebnis des Prägens noch erzielt wird.
Es versteht sich von selbst, daß die Wahl der Materialien eine Prägung der Struktur zulassen muß.
Dies betrifft insbesondere die Härte des Prägeelementes und die Elastizität der zu prägenden Schichten. Dem Fachmann fällt es jedoch nicht schwer geeignete Materialkombinationen zu finden. So lassen sich als Material für das Prägeelement beispielsweise Silizium oder Si02 einsetzen, da diese Materialien eine ausreichende Härte und Steifigkeit sowie Temperaturbeständigkeit aufweisen und sich ein daraus gefertigtes Prägeelement durch eine hohe Lebensdauer auszeichnet.
Weiterhin ist das vorliegende Verfahren nicht auf das Prägen einer einzigen elektrisch leitfähigen Schicht beschränkt. Vielmehr kann ein Multischicht-
System aus abwechselnd elektrisch leitfähigen und isolierenden Schichten auf dem Substrat vorgesehen sein bzw. darauf aufgebracht werden. Hierbei können sowohl für die leitenden als auch für die isolierenden Schichten entsprechend der gewünschten Funktion vollkommen unterschiedliche Materialien eingesetzt werden. Durch den anschließenden Prägevorgang können einzelne Bereiche dieses gesamten Schichtsyste s vertikal gegeneinander verschoben werden. So kann beispielsweise auch erreicht werden, daß ein
Elektrodenbereich einer anfänglich oben liegenden elektrisch leitfähigen Schicht in Berührung mit einer tiefer liegenden elektrisch leitfähigen Schicht kommt, so daß tiefer liegende Schichtbereiche durch die entstandene Öffnung kontaktiert werden können.
Für den Aufbau der elektrisch leitfähigen Schicht bzw. des Multischichtsystems können prinzipiell alle bekannten Beschichtungstechniken, wie beispielsweise Spin-Coating, PVD, CVD oder Laser-Ablation, eingesetzt werden, die geeignet sind, die verschiedenen Funktionalitäten der einzelnen Schichten zu erzeugen bzw. zu erhalten.
Als Träger für die elektrisch leitfähige Schicht bzw. das Schichtsystem kann beispielsweise ein Substrat aus Kunststoff verwendet werden.
Ebenso kann ein Trägersubstrat beliebiger Härte eingesetzt werden, auf dem vor dem Aufbringen der zumindest einen elektrisch leitfähigen Schicht eine Schicht mit einer geringeren Härte als die des
Prägeelementes aufgebracht wird. Die Dicke dieser Schicht muß dabei größer sein als der zu erzeugende vertikale Versatz der Elektrodenbereiche.
Das erfindungsgemäße Verfahren wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen in Verbindung mit den Zeichnungen nochmals veranschaulicht. Hierbei zeigen: Figur 1 ein Beispiel für die Durchführung des Verfahrens an einer Einfachschicht;
Figur 2 ein Beispiel für die Durchführung des
Verfahrens an einem Multischichtsystem; und
Figur 3 ein Beispiel für unterschiedliche an einem Prägestempel einsetzbare Prägestrukturen.
Figur 1 zeigt ein Substrat 1 mit einer darauf aufgebrachten elektrisch leitfähigen Schicht 2 zur Bildung der Elektroden. Bei diesem Beispiel wird ein Stempel 3 eingesetzt, der eine Topographie der prägenden Fläche in Form von rechteckigen Plateaus 4 aufweist, die die gleiche Höhe aufweisen. Durch Aufdrücken des Stempels 3 auf die Oberfläche des Substrates 1 mit der elektrisch leitfähigen Schicht 2 wird ein Versatz zwischen einzelnen Bereichen der elektrisch leitfähigen Schicht erzeugt, so daß vertikal gegeneinander versetzte Elektrodenbereiche 2a und 2b entstehen.
Als Substrat 1 wurde im vorliegenden Beispiel ein Substrat aus Polymethmethylacrylat (PMMA) eingesetzt. Selbstverständlich ist es auch möglich, dieses polymere Trägermaterial zunächst auf ein härteres Substrat aufzubringen, beispielsweise mittels Spin-Coating auf einen Siliziumwafer .
Die PMMA-Oberfläche wurde anschließend mit einer 20 nm dicken Schicht 2 aus Silber als zu strukturierender elektrisch leitfähiger Schicht bedampft.
Zur Herstellung des Stempels 3 wurde ein Silizium- wafer im Submikrometerbereich mittels Elektronenstrahl- Lithographie mit Linien im Abstand von 500 nm bis 2 μm strukturiert .
Dieser Stempel wurde dann mit einem Druck von ca. 100*105 Pa und bei einer Temperatur von ca. 200° C durch die Metallisierungsschicht 2 hindurch in die PMMA-Schicht 1 geprägt. Hierdurch wurde die Metallschicht an den Kanten der Strukturen 4 des Stempels abgeschert und um ca. 100 nm in die Tiefe versetzt. Je nach Wahl der Parameter Druck und Temperatur kann die Eindringtiefe des Stempels und somit der Versatz der Metallisierungsschicht in die Tiefe gesteuert werden.
Figur 2 zeigt ein Substrat 1 mit einer darauf aufgebrachten Schichtfolge aus elektrisch leitfähiger erster Schicht 2 zur Bildung erster Elektroden, isolierender Zwischenschicht 5 und elektrisch leitfähiger zweiter Schicht 6 zur Bildung von zweiten Elektroden. Bei diesem Beispiel wird ebenfalls ein Stempel 7 eingesetzt, der eine Topographie der prägenden Fläche in Form von rechteckigen Plateaus 8 aufweist, wobei die Plateaus in diesem Fall unterschiedliche Höhen aufweisen. Durch Aufdrücken des Stempels 7 auf die Oberfläche des Substrates 1 mit der Schichtfolge wird ein unterschiedlicher Versatz zwischen einzelnen Bereichen der Schichtfolge erzeugt. In diesem Beispiel werden zudem sowohl Bereiche der ersten Elektroden 2a und 2b wie auch Bereiche der zweiten Elektroden 6a und 6b vertikal gegeneinander
versetzt, so daß ermöglicht wird, einen geringen Abstand zwischen den ersten und den zweiten Elektroden zu erzeugen.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren werden die dem Prägevorgang unterzogenen Schichten nach Maßgabe der Topographie des Prägeelementes in Richtung der Oberflächennormalen der Schichten verschoben, so daß ein Höhenversatz zwischen einzelnen Bereichen der durch die Schichten gebildeten Elektroden entsteht. Dieser
Versatz kann über die Topographie bzw. das Profil der prägenden Strukturen (Höhe und Abstand der Strukturen) des Prägeelementes, die Prozeßparameter (Druck, Temperatur, Zeit, Prägetiefe) und die Materialeigenschaften (Plastizität, Steifigkeit, etc.) sowie die Dicke der verschiedenen Schichten gesteuert werden. In einem Einfachschichtsystem werden auf diese Weise Elektroden gleichen Materials getrennt. In einem Multischicht- system lassen sich durch Wahl der Materialien auch Kombinationen von verschiedenen Elektrodensystemen erzeugen.
Aus Figur 3 sind schließlich verschiedene Beispiele für Prägestrukturen gezeigt, die beim erfindungsgemäßen Verfahren allein oder in Kombination eingesetzt werden können. Neben den bereits in den vorangegangenen Beispielen erläuterten Strukturen in Form von rechteckigen Plateaus 4 sind auch spitz zulaufende Formen 9 - 11 dargestellt. Durch diese schneidenförmigen Erhebungen bzw. Schneiden 9 - 11 kann ein horizontaler Abstand bzw. eine laterale Trennung zwischen einzelnen Elektrodenbereichen erzeugt werden, der bzw. die von der Form und Eindringtiefe dieser
Strukturen in die elektrisch leitfähigen Schichten und das darunterliegende Material abhängt und dadurch gezielt gesteuert werden kann.
Die Wirkung eines Prägevorgangs mit der Schneide 9 ist im unteren Bereich der Figur schematisch dargestellt. In diesem Fall ist auf einem Substrat 1 eine Polymerschicht 12 aufgebracht, die die elektrisch leitfähige Schicht 2 trägt. Durch Einprägen des Stempels 13 mit der Struktur 9 kann ein Spalt 14 definierter Breite in der elektrisch leitfähigen
Schicht 2 erzeugt werden, durch den die Elektrodenbereiche voneinander beabstandet sind.
Ein derartiger Stempel zum Durchtrennen der Elektrodenschichten für die Erzeugung eines lateralen Abstandes kann beispielsweise durch anisotropes Naßätzen von Silizium hergestellt werden. Mit dieser Ätztechnik lassen sich auf einfache Weise spitz zulaufende Formen im Silizium erreichen, die wie ein Schneidewerkzeug wirken und beim Aufprägen die
Elektrodenschicht durchtrennen bzw. zerschneiden.
Claims
1. Verfahren zur Herstellung einer Elektrodenanordnung in einem Substrat (1), bei der einzelne Elektrodenbereiche (2a, 2b, 6a, 6b) einen lateralen Abstand und/oder vertikalen Versatz zueinander aufweisen, wobei zumindest eine elektrisch leitfähige Schicht (2, 6) zur Bildung der Elektrodenbereiche auf eine Oberfläche des Substrates (1) aufgebracht wird, dadurch gekennzeichnet, daß der laterale Abstand und/oder vertikale Versatz zwischen den einzelnen Elektrodenbereichen (2a, 2b, 6a, 6b) nach dem Aufbringen der zumindest einen elektrisch leitfähigen Schicht (2, 6) durch Aufdrücken eines Prägeelementes (3, 7) auf die Oberfläche des Substrates (1) erzeugt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, daß die Größe des Abstandes und/oder Versatzes über den Anpreßdruck des Prägeelementes (3, 7) und/oder die Temperatur des Substrates (1) gesteuert wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Größe des vertikalen Versatzes über die Höhe einer Prägestruktur des Prägeelementes (3, 7) eingestellt wird.
. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2 , dadurch gekennzeichnet, daß die Größe des lateralen Abstandes über die Höhe und Form einer Prägestruktur des Prägeelementes eingestellt wird.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere durch isolierende Zwischenschichten voneinander beabstandete elektrisch leitfähige Schichten (2, 6) zur Bildung der Elektrodenbereiche auf das Substrat (1) aufgebracht werden.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß ein Substrat (1) aus Kunststoff eingesetzt wird.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß vor dem Aufbringen der zumindest einen elektrisch leitfähigen Schicht (2, 6) eine Schicht mit einer geringeren Härte als die des Präge- elementes auf die Oberfläche des Substrates (1) aufgebracht wird, wobei die Dicke der Schicht größer ist als der zu erzeugende vertikale Versatz der Elektrodenbereiche (2a, 2b, 6a, 6b) .
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß ein Prägeelement (3, 7) aus Silizium oder Si02 eingesetzt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß ein Prägeelement (3, 7) mit einer Prägestruktur eingesetzt wird, die Bereiche unterschiedlicher Höhe und/oder Form aufweist, so daß die einzelnen Elektrodenbereiche (2a, 2b, 6a, 6b) einen unterschiedlichen vertikalen Versatz und/oder lateralen Abstand zueinander erhalten.
10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß ein Prägeelement (3, 7) mit einer Prägestruktur eingesetzt wird, die die Form einer Interdigitalstruktur aufweist.
11. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß das Prägeelement (3, 7) bei einer Temperatur aufgedrückt wird, die eine plastische Verformung und Auftrennung der elektrisch leitfähigen Schicht (2, 6) erlaubt.
12. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß mit dem Prägeelement (3, 7) ein vertikaler Versatz und/oder lateraler Abstand der einzelnen Elektrodenbereiche (2a, 2b, 6a, 6b) von weniger als 500 nm erzeugt wird.
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