利用电介质击穿法在固态膜中形成孔隙的方法和设备技术

提供了利用电介质击穿法在固态膜中形成孔隙的方法和设备。在一种所公开的布置中，所述膜包含位于膜一侧的第一表面区域部分和位于膜另一侧的第二表面区域部分。膜的第一表面区域部分与包含离子溶液的第一浴槽接触。第二表面区域部分与包含离子溶液的第二浴槽接触。通过与包含离子溶液的第一和第二浴槽分别接触的第一和第二电极施加跨膜电压，以在膜中形成孔隙。在所述膜与所述第一或第二电极之间提供串联的限流电阻器。所述限流电阻器的电阻比所述孔隙形成之后的任何时间时的所述孔隙的电阻高至少10％。

【技术实现步骤摘要】
利用电介质击穿法在固态膜中形成孔隙的方法和设备本申请是2016年5月20日递交的申请号为201680028909.5，专利技术名称为“利用电介质击穿法在固态膜中形成孔隙的方法和设备”的分案申请。
本专利技术涉及一种利用电介质击穿法在固态膜中形成单个或多个孔隙的方法和设备。所述孔隙可以是纳米级孔隙，所述纳米级孔隙可以称为纳米孔，其各自具有纳米级的尺寸，例如小于约100nm的长度和/或直径。所得多孔膜可以用于广泛的多种应用中。
技术介绍
纳米孔可以用于其中需要纳米级操作的多种装置。一项重要的应用是局域化、检测和/或表征分子，如聚核苷酸或多肽。纳米孔过滤器和纳米级多孔膜对于许多关键的生物学分离和表征程序以及过滤工艺来说同样重要。多项其它微流体和纳米流体处理和控制应用类似地依赖于纳米材料的纳米级特征。为了产生纳米级结构，如纳米级薄材料中的纳米孔，通常需要按单个原子的精度进行操控。这与大部分的传统微电子制造工艺形成鲜明对比，传统微电子制造工艺在特征上只需要低至几十个纳米的精度。未达到原子水平的特征分辨率和制造精度对于利用在纳米级显现具体特征的方式操控纳米级薄材料来说是个挑战。已经提出了在固态膜中制备纳米孔的多种方法，如WO03003446A3中所公开的方法。高精度纳米级处理在历史上必需一次一个制造的范例，这通常成本高且效率低。一般来说，传统微电子生产的高体积、分批制造技术已经与纳米级特征产生和材料操控不相容。这已经阻碍了多项重要纳米级应用的商业化实施。已经探索出电介质击穿法作为形成纳米级孔隙的一种替代方法。然而，已发现控制电介质过程具有挑战性。为了避免对其中形成有孔隙的膜造成损伤和/或为了实现所期望的孔隙尺寸，发现必需对每个孔隙的击穿过程进行个别的电子控制。在较厚的膜中，因需要较大电压而难以形成孔隙。较大电压使膜损伤的风险或不规则孔隙形成的风险增大。除非提供了复杂的微流体布置以便在不同位置形成彼此隔离的多个流体腔室，否则只能一次一个地在所指定溶液腔室之间产生具有所期望的精密尺寸的孔隙，这限制了商业应用的可能性。
技术实现思路
本专利技术的一个目标是提供能够在固态膜中快速且低费用地形成单个或多个孔隙、尤其是纳米级孔隙的方法和设备。根据本专利技术的一个方面，提供一种利用电介质击穿法在固态膜中形成多个孔隙的方法，其中所述膜包含位于膜一侧的第一表面区域部分和膜另一侧的第二表面区域部分，且多个目标区域中的每一个包含位于膜中的向第一或第二表面区域部分敞开的凹槽或流体通道，所述方法包含：使所述膜的整个第一表面区域部分与包含离子溶液的第一浴槽接触且使整个第二表面区域部分与包含离子溶液的第二浴槽接触；以及通过与包含离子溶液的第一和第二浴槽分别接触的第一和第二电极施加跨膜电压，以在所述膜的多个目标区域中的每一个中形成孔隙。第一和第二浴槽可以包含彼此不同的离子。两种浴槽的离子强度可以不同。作为提供离子溶液的一个替代方案，第一和/或第二浴槽可以包含离子液体。因此，提供一种可以利用电介质击穿法并行形成多个孔隙的方法。在一个实施例中，并行形成至少10个孔隙，任选地至少50个、任选地至少100个、任选地至少1000个、任选地至少10000个、任选地至少100000个、任选地至少1000000个孔隙。使离子溶液的连续本体与多个目标区域达成同时接触。所述电极能够跨越所有目标区域同时施加电位差。电介质击穿和孔隙形成并行发生，借此在与单个孔隙所需相同量的时间内形成多个孔隙。因此可以高效地产生多个孔隙。在一个实施例中，所述方法是以在每个目标区域中形成单个孔隙的方式应用。这可以例如使用具有适合形状和/或尺寸和/或空间分布的凹槽或流体通道来实现。举例来说，所述可以布置成当在目标区域之一中发生电介质击穿时，所引起的整个膜在目标区域中的电阻减少(由于孔隙提供了新的电路径)不能防止相邻目标区域中发生电介质击穿(例如通过使相邻目标区域定位足够的远)。每个目标区域包含其中将第一浴槽与第二浴槽分隔的膜材料的厚度比别处薄的区域(以便有利于在相对于其它区域的那个特定区域中发生电介质击穿)。在这种薄化是由凹槽或流体通道提供的情况下，凹槽或流体通道的平均深度比其中不存在凹槽或流体通道的膜区域的平均厚度典型地小至少10％且可以小至少20％、30％、40％、50％、60％、70％、80％、90％、95％或99％。在一个特定实施例中，凹槽或流体通道的厚度是约5-6nm且凹槽或流体通道外的区域的厚度是约50-60nm。在其它实施例中，凹槽或流体通道的厚度可以小至约2-3nm。在一个实施例中，流体通道形成于厚度超过300nm的膜中。在这种实施例中，凹槽或流体通道的厚度布置成约2-3nm将会使凹槽或流体通道的平均深度比其中不存在凹槽或流体通道的膜区域的平均厚度小至少99％。在一个实施例中，每个目标区域中的孔隙生长直至孔隙直径等于或大于将第一浴槽与第二浴槽分隔的膜材料在目标区域中的最小厚度。最小厚度可以是凹槽底部的厚度或流体通道末端的厚度。本专利技术人已经认识到，当孔隙直径等于或稍微大于其中形成有孔隙的膜材料的厚度时(典型地在膜材料厚度的约1倍与1.5倍之间)，孔隙生长速率突然减小。这是因为孔隙直径与孔隙厚度相当时，通路电阻变得明显，其引起跨越孔隙的电压降减小。换句话说，通路电阻充当限流电阻器。通过有意使孔隙生长直至达到这个点，有可能在不使用复杂电子设备的情况下精确控制孔隙直径。具体地说，有可能同时形成尺寸相同的多个孔隙，即使其中那些孔隙开始生长的时间可能稍有不同和/或已经历稍微不同的生长速率(由于电介质击穿过程的随机性质)。当一些孔隙的直径变得等于或大于其中形成有所述孔隙的膜材料的厚度时，其它孔隙将快速地赶上，从而引起高度均一的尺寸分布(例如使得不同孔隙之间的直径偏差在约10-20％或更佳范围内)。由于现代制造工艺能够按高精确度控制膜材料厚度(即，在凹槽或流体通道的形成期间)，因此基于利用膜材料厚度控制孔隙尺寸的这种方法能够精确控制孔隙尺寸。举例来说，低至1nm或甚至亚纳米的厚度精确度是现实可行的，而使用标准平版印刷方法在垂直于深度的方向上能够形成的特征精确度典型地是几十纳米数量级。可以使用本专利技术方法产生的孔隙直径可以在0.1nm到100nm范围内，如1.0nm到10nm。可以产生0.5nm、0.6nm、0.7nm、0.8nm、0.9nm、1.5nm、2nm、3nm、4nm或5nm的孔隙。孔隙之间的距离(间距)可以是10nm或更大，任选的是50nm或更大，任选的是100nm或更大，任选的是1微米或更大，任选的是50微米或更大，这取决于应用。所述孔隙可以按规则阵列(例如方形或六角形堆积阵列)或不规则阵列提供。举例来说，对于孔隙直径为2nm且孔隙间距为20nm的方形堆积阵列，所述阵列中的孔隙密度是1/121nm2。在一个实施例中，凹槽底部或流体通道末端的膜材料厚度是通过利用多个不同层(例如两个层)形成膜以及使用其中两个层之间的界面界定凹槽或流体通道的边界(例如分别为底部或末端)来控制，例如通过将蚀刻过程布置成在界面处或靠近(例如刚好超过)界面处减缓或本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种使用电介质击穿法在固态膜中形成孔隙的方法，其中所述膜包含位于所述膜一侧的第一表面区域部分和位于所述膜另一侧的第二表面区域部分，所述方法包含：/n使所述膜的所述第一表面区域部分与包含离子溶液的第一浴槽接触且使所述第二表面区域部分与包含离子溶液的第二浴槽接触；以及/n通过与包含离子溶液的所述第一和第二浴槽分别接触的第一和第二电极施加跨越所述膜的电压，以在所述膜中形成孔隙，其中/n在所述膜与所述第一或第二电极之间提供串联的限流电阻器，所述限流电阻器的电阻比所述孔隙形成之后的任何时间时的所述孔隙的电阻高至少10％。/n

【技术特征摘要】
20150520 GB 1508669.71.一种使用电介质击穿法在固态膜中形成孔隙的方法，其中所述膜包含位于所述膜一侧的第一表面区域部分和位于所述膜另一侧的第二表面区域部分，所述方法包含：
使所述膜的所述第一表面区域部分与包含离子溶液的第一浴槽接触且使所述第二表面区域部分与包含离子溶液的第二浴槽接触；以及
通过与包含离子溶液的所述第一和第二浴槽分别接触的第一和第二电极施加跨越所述膜的电压，以在所述膜中形成孔隙，其中
在所述膜与所述第一或第二电极之间提供串联的限流电阻器，所述限流电阻器的电阻比所述孔隙形成之后的任何时间时的所述孔隙的电阻高至少10％。


2.根据权利要求1所述的方法，其中所述限流电阻器包含提供于所述第一或第二浴槽中的流体电阻器、至少部分地提供于所述第一和第二浴槽外部的外部电阻器，或这两种。


3.根据权利要求1或2所述的方法，其中：
提供多个限流电阻器，所述限流电阻器中的每一个包含位于所述膜中的向所述第一或第二表面区域部分敞开的流体通道；以及
经由所述第一电极和第二电极施加的电压并行形成多个孔隙，每个孔隙在相应的一个流体通道中形成。


4.根据权利要求3所述的方法，其中所述多个流体通道包括具有不同流体电阻的流体通道，并且相应的多个不同尺寸的孔隙通过所述第一和第二电极并行生长。


5.根据权利要求3或4所述的方法，其中：
所述膜包含第一层和第二层；
所述一个或多个流体通道中的每一个通过向下去除所述第一层的一部分至所述第一层与所述第二层之间的所述界面处来形成；
所述第二层通过原子层沉积法形成。


6.根据权利要求3至5中任一项所述的方法，其中：
所述膜包含第一层和第二层；
位于所述多个目标区域中的每一个处的孔隙是利用电介质击穿法穿过所述第二层的至少一部分而形成；
所述第二层包含多个子层，每个子层利用原子层沉积法形成；以及
所述多个子层包含重复多次的子层序列，每个重复序列至少包含第一子层以及与所述第一子层直接相邻的第二子层；其中可选地，所述重复序列中的每个子层均使用四个或更少循环的原子层沉积法形成。


7.根据权利要求6所述的方法，其中：
所述第一子层相对于所述第二子层是非外延的；并且可选地，所述第一子层包含HfO2且所述第二子层包含A12O3。


8.根据权利要求6或7所述的方法，其中：
所述第二层经形成而在所述子层重复序列的一侧或两侧具有保护层；
所述保护层...

【专利技术属性】
技术研发人员：谢平，肯·希利，贾斯廷·米尔斯，
申请(专利权)人：牛津纳米孔技术公司，
类型：发明
国别省市：英国;GB