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Stand der Technik
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Die Erfindung geht aus von einer Vorrichtung oder einem Verfahren nach Gattung der unabhängigen Ansprüche. Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist auch ein Computerprogramm.
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Eine DNA-Analyse bzw. Analyse von DNA (deoxyribonucleic acid; Desoxyribonukleinsäure) stellt eine häufig eingesetzte Methode beispielsweise in der medizinischen Diagnostik, Forensik usw. dar. Die vollständige DNA-Entschlüsselung des menschlichen Genoms im Jahr 2001 war ein Meilenstein in der Geschichte der Medizin. Damals benötigte man für diese Aufgabe 11 Jahre.
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Offenbarung der Erfindung
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Vor diesem Hintergrund werden mit dem hier vorgestellten Ansatz ein Verfahren, weiterhin ein Steuergerät, das dieses Verfahren verwendet, sowie schließlich ein entsprechendes Computerprogramm gemäß den Hauptansprüchen vorgestellt. Durch die in den abhängigen Ansprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen der im unabhängigen Anspruch angegebenen Vorrichtung möglich.
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Gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung können Poren, insbesondere kontaktierte Poren, beispielsweise kontaktierte Nanoporen, für eine Analyse auf molekularer Ebene, beispielsweise für eine DNA-Sequenzierung hergestellt bzw. bereitgestellt werden. Dabei können beispielsweise Prozesse aus der Mikrosystemtechnik so kombiniert werden, dass Porenstrukturen in einem Substrat bzw. Basismaterial erzeugt werden können.
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Vorteilhafterweise kann gemäß Ausführungsformen insbesondere eine gezielte bzw. definierte, technisch einfach umzusetzende und reproduzierbare Erzeugung von Poren, beispielsweise Nanoporen in einem 2D-Material, vorgenommen werden. Damit kann eine Analyse, wie zum Beispiel eine DNA-Sequenzierung, beschleunigt werden. So kann gemäß Ausführungsformen insbesondere eine gezielte und reproduzierbare Erzeugung von Poren in einer definierten Größe und an einer definierten Position erreicht werden bzw. können an vordefinierten Positionen gezielt Poren in einer vordefinierten Größe erzeugt werden. Zudem kann beispielsweise eine gezielte Kontaktierung der Poren erreicht werden.
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Es wird ein Verfahren zum Herstellen einer Porenvorrichtung für eine Analyse von Molekülen vorgestellt, wobei das Verfahren folgende Schritte aufweist:
Ausformen zumindest einer Mulde in einer ersten Oberfläche eines Substrats, insbesondere wobei die Mulde ein sich zumindest teilweise verjüngendes Schnittprofil, speziell ein zumindest teilweise V-förmiges Schnittprofil aufweist;
Anordnen einer Metallschicht in einem Bereich der zumindest einen Mulde;
Entfernen der Metallschicht außerhalb eines Muldengrundes der zumindest einen Mulde, wobei von der Metallschicht in dem Muldengrund der zumindest einen Mulde ein Metallpartikel belassen wird; und
Bilden einer Pore zum Durchlassen eines zu analysierenden Moleküls von dem Muldengrund der zumindest einen Mulde bis zu einer von der ersten Oberfläche abgewandten, zweiten Oberfläche des Substrats unter Verwendung des Metallpartikels.
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Dieses Verfahren kann beispielsweise in Software oder Hardware oder in einer Mischform aus Software und Hardware beispielsweise in einem Steuergerät implementiert sein. In der Porenvorrichtung kann zumindest eine Pore gebildet werden. Bei den Molekülen kann es sich um Biomoleküle handeln, insbesondere um DNA-Moleküle bzw. DNS-Moleküle. Das Substrat kann Silizium oder dergleichen als ein Basismaterial aufweisen. Insbesondere kann das Substrat als ein Siliziumwafer oder dergleichen ausgeformt sein. Die Mulde kann beispielsweise durch eine pyramidenförmige Ausnehmung ausgeformt sein. Der Muldengrund kann einen Boden oder eine tiefste Stelle der Mulde repräsentieren. Die Metallschicht kann zumindest ein Metall, zumindest ein Edelmetall oder dergleichen aufweisen. Die zumindest eine Pore kann ein rechteckiges, dreieckiges, vieleckiges, ovales oder rundes Querschnittsprofil aufweisen. Eine Pore kann so gebildet werden, dass weniger als zwei zu analysierende Moleküle, beispielsweise DNA-Moleküle, parallel durch die Pore durchgelassen werden.
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Gemäß einer Ausführungsform kann im Schritt des Ausformens die zumindest eine Mulde durch anisotropes Ätzen ausgeformt werden. Zusätzlich oder alternativ kann im Schritt des Entfernens die Metallschicht durch ionenassistiertes Ätzen oder nasschemisches Ätzen entfernt werden. Zusätzlich oder alternativ kann im Schritt des Bildens die Pore durch metallassistiertes Ätzen gebildet werden. Eine solche Ausführungsform bietet den Vorteil, dass bekannte Prozesse bzw. Abläufe aus der Mikrosystemtechnik, wie beispielsweise anisotropes KOH-Ätzen von Silizium oder Germanium, Metallstrukturierung, Metall-assistiertes chemisches Ätzen (MaCE, Metall-assisted Chemical Etching), 2D-Materialsynthese, z. B. Graphen-CVD (Chemical Vapor Deposition; chemische Gasphasenabscheidung), Trockenätztechniken und dergleichen, angewandt und kombiniert werden können, sodass doe Poren auf dem Substrat erzeugt werden können.
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Insbesondere kann im Schritt des Entfernens ein Metallpartikel mit einer Abmessung von maximal 10 Nanometern, insbesondere maximal 5 Nanometern, speziell maximal 3 Nanometern oder insbesondere maximal 2 Nanometern belassen werden. Zusätzlich oder alternativ kann im Schritt des Bildens eine Pore mit einer Querschnittsabmessung von maximal 10 Nanometern, insbesondere maximal 5 Nanometern, speziell maximal 3 Nanometern oder insbesondere maximal 2 Nanometern gebildet werden. Hierbei kann eine Abmessung eines Metallpartikels im Wesentlichen einer Abmessung eines Querschnittsprofils einer Pore entsprechen. Eine solche Ausführungsform bietet den Vorteil, dass zuverlässig erreicht werden kann, genau ein zu analysierendes Molekül zu einer Zeit durch eine Pore durch zulassen. Für eine DNA-Sequenzierung können beispielsweise Minimaldurchmesser von 3 Nanometer im Falle einer Doppelstrang-DNA bzw. 1,5 Nanometer im Falle einer Einzelstrang-DNA erzeugt werden.
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Auch kann das Verfahren einen Schritt des Erzeugens zumindest einer Elektrode auf der zweiten Oberfläche des Substrats aufweisen. Dabei kann eine Öffnung der zumindest einen Pore durch die zumindest eine Elektrode freiliegen gelassen werden. Eine solche Ausführungsform bietet den Vorteil, dass eine Analyse eines Moleküls bei einem Durchtritt durch die Pore zuverlässig, schnell und genau ermöglicht werden kann.
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Dabei kann im Schritt des Erzeugens ein passivierter Film eines elektrisch leitfähigen Materials zumindest teilflächig auf der zweiten Oberfläche des Substrats aufgebracht werden. Zudem kann der passivierte Film strukturiert werden. Auch kann der passivierte Film elektrisch kontaktiert werden. Außerdem kann der passivierte Film in einem Bereich der zumindest einen Pore abgetragen werden. Der aufgebrachte passivierte Film kann eine Schicht des elektrisch leitfähigen Materials zwischen zwei Passivierungsschichten aufweisen. Das Strukturieren und zusätzlich oder alternativ das Abtragen des passivierten Films in einem Bereich der zumindest einen Pore kann durch Ätzen erfolgen. Das Aufbringen des passivierten Films kann vor dem Schritt des Bildens der Pore ausgeführt werden, wobei das Strukturieren, das Kontaktieren und zusätzlich oder alternativ das Abtragen nach dem Schritt des Bildens der Pore ausgeführt werden können. Eine solche Ausführungsform bietet den Vorteil, dass die zumindest eine Elektrode auf genau definierte Weise, ohne Beeinträchtigung der Pore oder Poren sowie direkt benachbart zu der Pore oder den Poren erzeugt werden kann.
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Ferner kann im Schritt des Erzeugens die zumindest eine Elektrode erzeugt werden, um zumindest in einem Teilabschnitt eines Umfangs der Öffnung an die Pore anzugrenzen und zusätzlich oder alternativ eine Abmessung aufzuweisen, die einer Querschnittsabmessung der zumindest einen Pore entspricht oder ähnelt. Eine solche Ausführungsform bietet den Vorteil, dass die Porenvorrichtung so ausgeführt werden kann, dass Moleküle auf eine geeignete von verschiedenen Arten analysiert werden können, beispielsweise anhand eines elektrischen Oberflächenpotenzials oder eines elektrischen Tunnelstroms, die sich beispielsweise ändern, während ein Molekül durch eine Pore hindurchtritt.
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Es wird auch ein mikrofluidisches System zum Analysieren von Molekülen vorgestellt, wobei das System folgende Merkmale aufweist:
zumindest eine Porenvorrichtung, die gemäß einer Ausführungsform des vorstehend genannten Verfahrens hergestellt ist; und
eine Trägereinrichtung, in der zumindest ein Kanal zum Führen einer molekülhaltigen Probe ausgeformt ist, wobei die zumindest eine Porenvorrichtung zum Durchströmen der zumindest einen Pore mit der Probe mindestens teilweise innerhalb des zumindest einen Kanals fixierbar oder fixiert ist.
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Das mikrofluidische System kann als ein sogenanntes Westentaschenlabor bzw. Lab-on-Chip (LoC) ausgeführt sein. In Verbindung mit dem mikrofluidischen System kann eine durch Ausführen einer Ausführungsform des vorstehend genannten Verfahrens hergestellte Porenvorrichtung vorteilhaft eingesetzt bzw. verwendet werden.
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Gemäß einer Ausführungsform können in der Trägereinrichtung ein erster Kanal zum Führen einer molekülhaltigen, ersten Probe und ein zweiter Kanal zum Führen einer molekülfreien, zweiten Probe ausgeformt sein. Hierbei kann eine erste Porenvorrichtung mindestens teilweise innerhalb des ersten Kanals fixierbar oder fixiert sein, wobei eine zweite Porenvorrichtung mindestens teilweise innerhalb des zweiten Kanals fixierbar oder fixiert sein kann. Die Trägereinrichtung kann auch zumindest einen weiteren ersten Kanal zum Führen einer molekülhaltigen Probe, beispielsweise der ersten Probe aufweisen. Jedem Kanal der Trägereinrichtung kann zumindest eine Porenvorrichtung zugeordnet sein. Eine solche Ausführungsform bietet den Vorteil, dass zumindest zwei unabhängig voneinander betreibbare Kanäle und Porenvorrichtungen bereitgestellt werden können. So lassen sich beispielsweise Störeinflüsse bei der Analyse mittels einer Referenzprobe berücksichtigen.
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Es wird ferner ein Verfahren zum Analysieren von Molekülen vorgestellt, wobei das Verfahren folgende Schritte aufweist:
Leiten einer molekülhaltigen Probe durch zumindest eine Porenvorrichtung, die gemäß einer Ausführungsform des vorstehend genannten Verfahrens hergestellt ist; und
Auswerten eines Messsignals von zumindest einer Elektrode, die benachbart zu der zumindest einen Pore der zumindest einen Porenvorrichtung angeordnet ist.
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Dieses Verfahren kann beispielsweise in Software oder Hardware oder in einer Mischform aus Software und Hardware beispielsweise in einem Steuergerät implementiert sein. Das Verfahren zum Analysieren kann in Verbindung mit oder unter Verwendung von zumindest einer Porenvorrichtung ausgeführt werden, die gemäß einer Ausführungsform des vorstehend genannten Verfahrens hergestellt ist. Auch kann das Verfahren zum Analysieren in Verbindung mit oder unter Verwendung von einer Ausführungsform des vorstehend genannten mikrofluidischen Systems ausgeführt werden.
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Gemäß einer Ausführungsform kann im Schritt des Auswertens ein Messsignal ausgewertet werden, das ein mittels der zumindest einen Elektrode erfasstes, molekülabhängiges, elektrisches Oberflächenpotenzial repräsentiert. Bei einem Durchtritt eines Moleküls durch eine Pore können Änderungen des elektrischen Oberflächenpotenzials erfasst werden. Eine solche Ausführungsform bietet den Vorteil, dass die Analyse von Molekülen exakt, schnell und zuverlässig ausgeführt werden kann.
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Alternativ kann im Schritt des Auswertens ein Messsignal ausgewertet werden, das einen mittels der zumindest einen Elektrode erfassten, molekülabhängigen, elektrischen Tunnelstrom repräsentiert. Bei einem Durchtritt eines Moleküls durch eine Pore können Änderungen des elektrischen Tunnelstroms erfasst werden. Eine solche Ausführungsform bietet den Vorteil, dass Moleküle sicher, schnell und genau analysiert werden können.
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Ferner kann im Schritt des Leitens eine weitere, molekülfreie Probe durch eine weitere Porenvorrichtung geleitet werden, die nach dem Verfahren gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche hergestellt ist. Dabei kann im Schritt des Auswertens ein Referenzsignal von zumindest einer weiteren Elektrode, die benachbart zu der zumindest einen Pore der zumindest einen weiteren Porenvorrichtung angeordnet ist, ausgewertet werden und das Messsignal mit dem Referenzsignal verglichen werden. Eine solche Ausführungsform bietet den Vorteil, dass eine Kalibrierung bzw. Berücksichtigung von Störeinflüssen für die Analyse auf zuverlässige und einfache Weise ermöglicht werden kann.
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Der hier vorgestellte Ansatz schafft ferner ein Steuergerät, das ausgebildet ist, um die Schritte einer Variante eines hier vorgestellten Verfahrens in entsprechenden Einrichtungen durchzuführen, anzusteuern bzw. umzusetzen. Auch durch diese Ausführungsvariante der Erfindung in Form eines Steuergeräts kann die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe schnell und effizient gelöst werden.
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Hierzu kann das Steuergerät zumindest eine Recheneinheit zum Verarbeiten von Signalen oder Daten, zumindest eine Speichereinheit zum Speichern von Signalen oder Daten, zumindest eine Schnittstelle zu einem Sensor oder einem Aktor zum Einlesen von Sensorsignalen von dem Sensor oder zum Ausgeben von Steuersignalen an den Aktor und/oder zumindest eine Kommunikationsschnittstelle zum Einlesen oder Ausgeben von Daten aufweisen, die in ein Kommunikationsprotokoll eingebettet sind. Die Recheneinheit kann beispielsweise ein Signalprozessor, ein Mikrocontroller oder dergleichen sein, wobei die Speichereinheit ein Flash-Speicher, ein EPROM oder eine magnetische Speichereinheit sein kann. Die Kommunikationsschnittstelle kann ausgebildet sein, um Daten drahtlos und/oder leitungsgebunden einzulesen oder auszugeben, wobei eine Kommunikationsschnittstelle, die leitungsgebundene Daten einlesen oder ausgeben kann, diese Daten beispielsweise elektrisch oder optisch aus einer entsprechenden Datenübertragungsleitung einlesen oder in eine entsprechende Datenübertragungsleitung ausgeben kann.
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Unter einem Steuergerät kann vorliegend ein elektrisches Gerät verstanden werden, das Sensorsignale verarbeitet und in Abhängigkeit davon Steuer- und/oder Datensignale ausgibt. Das Steuergerät kann eine Schnittstelle aufweisen, die hard- und/oder softwaremäßig ausgebildet sein kann. Bei einer hardwaremäßigen Ausbildung können die Schnittstellen beispielsweise Teil eines sogenannten System-ASICs sein, der verschiedenste Funktionen des Steuergeräts beinhaltet. Es ist jedoch auch möglich, dass die Schnittstellen eigene, integrierte Schaltkreise sind oder zumindest teilweise aus diskreten Bauelementen bestehen. Bei einer softwaremäßigen Ausbildung können die Schnittstellen Softwaremodule sein, die beispielsweise auf einem Mikrocontroller neben anderen Softwaremodulen vorhanden sind.
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In einer vorteilhaften Ausgestaltung erfolgt durch das Steuergerät eine Steuerung einer Ausführungsform des vorstehend genannten mikrofluidischen Systems. Hierzu kann das Steuergerät beispielsweise auf Sensorsignale wie das Messsignal und das Referenzsignal zugreifen. Die Ansteuerung erfolgt über Aktoren wie beispielsweise eine mikrofluidische Pumpe, ein mikrofluidisches Ventil und zusätzlich oder alternativ eine andere mikrofluidische Einrichtung.
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Von Vorteil ist auch ein Computerprogrammprodukt oder Computerprogramm mit Programmcode, der auf einem maschinenlesbaren Träger oder Speichermedium wie einem Halbleiterspeicher, einem Festplattenspeicher oder einem optischen Speicher gespeichert sein kann und zur Durchführung, Umsetzung und/oder Ansteuerung der Schritte des Verfahrens nach einer der vorstehend beschriebenen Ausführungsformen verwendet wird, insbesondere wenn das Programmprodukt oder Programm auf einem Computer oder einer Vorrichtung ausgeführt wird.
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Ausführungsbeispiele des hier vorgestellten Ansatzes sind in den Zeichnungen dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigt:
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1 eine schematische Schnittansicht eines Teilabschnittes eines mikrofluidischen Systems gemäß einem Ausführungsbeispiel;
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2 ein schematisches Diagramm eines Messsignals gemäß einem Ausführungsbeispiel;
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3 bis 16 schematische Darstellungen einer Porenvorrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel in unterschiedlichen Herstellungszuständen;
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17 bis 21 schematische Darstellungen einer Porenvorrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel in unterschiedlichen Herstellungszuständen;
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22 eine schematische Schnittansicht eines Teilabschnittes eines mikrofluidischen Systems gemäß einem Ausführungsbeispiel;
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23 ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens zum Herstellen gemäß einem Ausführungsbeispiel; und
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24 ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens zum Analysieren gemäß einem Ausführungsbeispiel.
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Bevor nachfolgend auf Ausführungsbeispiele eingegangen wird, werden zunächst Hintergründe und Grundlagen beispielhaft erläutert.
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Als Methode zur DNA-Entschlüsselung wird häufig das sogenannte Sanger-Verfahren eingesetzt, bei dem die interessierende DNA mittels DNA-Polymerase abgeschrieben wird. Während des Abschreibevorgangs werden Didesoxy-Nukleotide eingebaut, die abhängig vom Einbau zu unterschiedlichen Fragmenten aufgrund zufälliger Strangabbrüche führen. Durch Elektrophorese werden die Nukleinsäurestränge entsprechend ihrer Länge aufgetrennt und die Sequenz abgelesen. Diese Methode der DNA-Sequenzierung ist in der Geschwindigkeit limitiert durch die Vielzahl an benötigten Prozessschritten auf dem Weg zur entschlüsselten DNA. Neben der klassischen Sanger-Methode wurden eine Vielzahl von sogenannten NextGenerationSequencing-Verfahren entwickelt, die beispielsweise auch auf der Verwendung von Fluoreszenzmarkern beruhen. Für die vollständige Decodierung eines menschlichen Genoms auf herkömmlichem Wege werden in spezialisierten Laboren beispielsweise mehrere Tage benötigt.
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In der nachfolgenden Beschreibung günstiger Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden für die in den verschiedenen Figuren dargestellten und ähnlich wirkenden Elemente gleiche oder ähnliche Bezugszeichen verwendet, wobei auf eine wiederholte Beschreibung dieser Elemente verzichtet wird.
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1 zeigt eine schematische Schnittansicht eines Teilabschnittes eines mikrofluidischen Systems 100 gemäß einem Ausführungsbeispiel. Das mikrofluidische System 100 ist ausgebildet, um Moleküle zu analysieren. Bei den Molekülen handelt es sich beispielsweise um DNA-Moleküle bzw. DNS-Moleküle (DNA = deoxyribonucleic acid; DNS = Desoxyribonukleinsäure), von denen lediglich beispielhaft ein DNA-Molekül 105 in der Darstellung von 1 gezeigt ist. Bei dem mikrofluidische System 100 handelt es sich beispielsweise um das mikrofluidische System aus 22 oder ein ähnliches mikrofluidisches System.
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Das mikrofluidische System 100 weist eine Porenvorrichtung 110 für die Analyse von Molekülen, hier beispielsweise den DNA-Molekülen 105 auf. In 1 ist die Porenvorrichtung 110 schematisch und in einem Teilabschnitt dargestellt. Die Porenvorrichtung 110 ist gemäß dem Verfahren aus 23 oder einem ähnlichen Verfahren hergestellt, wie es auch unter Bezugnahme auf die 3 bis 21 veranschaulicht ist.
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Die Porenvorrichtung 110 weist ein Substrat 120 auf, das beispielsweise aus Silizium ausgeformt ist. In dem Substrat 120 ist zumindest eine Pore 125 ausgeformt. In der Darstellung von 1 ist lediglich beispielhaft eine Pore 125 gezeigt. Die Pore 125 ist ausgebildet, um ein DNA-Molekül 105 durch die Porenvorrichtung 120 durchzulassen. Das DNA-Molekül 105 ist in der Darstellung von 1 teilweise innerhalb der Pore 125 angeordnet.
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Ferner weist die Porenvorrichtung 110 zumindest eine Elektrode 130 auf. In der Darstellung von 1 ist lediglich eine Elektrode 130 gezeigt. Die Elektrode 130 ist an einer Oberfläche des Substrats 120 angeordnet. Im Bereich der Pore 125 weist die Elektrode 130 eine Durchgangsöffnung auf, sodass die Pore 125 freiliegt. Die Elektrode 130 weist eine Schicht aus einem leitfähigen Material 132, hier beispielsweise Graphen, bzw. eine Graphen-Schicht 132 zwischen zwei Passivierungsschichten 134, 136 bzw. Schichten 134, 136 aus einem Passivierungsmaterial, beispielsweise Bornitrid (BN), sowie eine elektrische Verbindung 138 bzw. einen elektrischen Kontakt 138 auf.
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Das mikrofluidische System 100 weist ferner ein Voltmeter 140 und eine elektrische Leitung 145 zum Leiten elektrischen Stromes auf. Über die elektrische Leitung 145 ist das Voltmeter 140 mit dem leitfähigen Material 132 der Elektrode 130 der Porenvorrichtung 110 elektrisch verbunden. Das Voltmeter 140 ist elektrisch zwischen die Elektrode 130 und Masse 150 geschaltet.
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Unter Verwendung des mikrofluidischen Systems 100 ist eine DNA-Sequenzierung mittels der Poren 125 bzw. Nanoporen 125 durchführbar. Die Poren 125 können auch als Nanoporen 125 bezeichnet werden, wenn ihre Querschnittsabmessung im Bereich weniger Nanometer liegt. Ein in Lösung befindliches DNA-Molekül 105 wird über Elektrophorese durch die mit Graphen-Elektroden 130 versehene Pore 125 geleitet. Während des Durchtritts des DNA-Moleküls 105 ist eine Abfolge unterschiedlicher Basen der DNA beispielsweise über eine Änderung des elektrischen Oberflächenpotenzials an Graphen-Kontakten der Elektrode 130 auslesbar.
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2 zeigt ein schematisches Diagramm eines Messsignals 245 gemäß einem Ausführungsbeispiel. In dem Diagramm ist an der Abszissenachse die Zeit t aufgetragen, wobei an der Ordinatenachse eine elektrische Spannung V aufgetragen ist. Das Messsignal 245 repräsentiert einen Graphen des Diagramms bzw. eine zeitliche Änderung der elektrischen Spannung V. Das Messsignal 245 bzw. die elektrische Spannung V ist an der zumindest einen Elektrode der Porenvorrichtung aus 1 oder einer ähnlichen Porenvorrichtung erfassbar bzw. abgreifbar und beispielsweise durch das Voltmeter aus 1 oder ein ähnliches Messgerät messbar.
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In den 3 bis 14 ist nachfolgend beispielhaft eine Prozesssequenz zur Herstellung einer Struktur zur DNA-Analyse mittels Poren bzw. Nanoporen und 2D-Materialien wie Graphen veranschaulicht. Anders ausgedrückt wird im Folgenden eine Prozesssequenz beschrieben, mit der insbesondere regulär angeordnete und elektrisch kontaktierte Poren bzw. Nanoporen zur DNA-Sequenzierung erzeugbar sind.
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3 zeigt eine schematische Schnittdarstellung eines Teilabschnittes einer Porenvorrichtung 110 gemäß einem Ausführungsbeispiel in einem ersten Herstellungszustand. Bei der Porenvorrichtung 110 handelt es sich um die Porenvorrichtung aus 1 oder eine ähnliche Porenvorrichtung. In dem ersten Herstellungszustand ist auf ein Substrat 120, das aus Silizium ausgeformt ist, eine Siliziumnitrid-Struktur 321 als Ätzmaske aufgebracht. Dabei ist die Siliziumnitrid-Struktur 321 an ersten Oberfläche bzw. Seite des Substrats 120 angeordnet. Die Siliziumnitrid-Struktur 321 bedeckt eine Teilfläche der ersten Oberfläche des Substrats 120, wobei ein Teilabschnitt der ersten Oberfläche freiliegt.
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4 zeigt eine schematische Schnittdarstellung der Porenvorrichtung 110 aus 3 in einem zweiten Herstellungszustand. Hierbei ist auf die Porenvorrichtung 110 zudem eine Substratisolationsschicht 422 aufgebracht, wie es in 4 symbolisch durch Pfeile veranschaulicht ist. Die Substratisolationsschicht 422 ist dabei auf einer zweiten Oberfläche aufgebracht, die von der ersten Oberfläche des Substrats 120 abgewandt ist. Dabei ist die Substratisolationsschicht 422 ganzflächig auf der zweiten Oberfläche aufgebracht.
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5 zeigt eine schematische Schnittdarstellung der Porenvorrichtung 110 aus 4 in einem dritten Herstellungszustand. Dabei ist in dem von der Siliziumnitrid-Struktur 321 freiliegenden Teilabschnitt der ersten Oberfläche des Substrats 120 zumindest eine Mulde 523 ausgeformt. In der Darstellung von 5 ist lediglich beispielhaft und darstellungsbedingt eine Mulde 520 gezeigt. Die Mulde 523 ist hierbei durch anisotropes Ätzen beispielsweise mittels KOH ausgeformt, wie es symbolisch durch Pfeile in 5 veranschaulicht ist. Die Mulde 523 ist so ausgeformt, dass zwischen einem Grund bzw. Boden der Mulde 523 und der zweiten Oberfläche des Substrats 120 Substratmaterial verbleibt. Die Mulde 520 weist in der Darstellung von 5 ein V-förmiges Schnittprofil auf.
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Insbesondere ist die Mulde 523 durch KOH-Ätzen in (100)-Richtung ausgeformt, um die Mulde 520 beispielsweise als ein dreieckiges Loch auszubilden bzw. als eine inverse Pyramide zu erzeugen. Durch KOH-Ätzen in einkristallinem Silizium oder Germanium als das Material des Substrats 120 lassen sich Mulden 523 als inverse Pyramiden mit atomar glatten Wänden erzeugen. Hierfür sind oder werden in der Siliziumnitrid-Struktur 321 lithografisch quadratische Ätzbereiche definiert, in denen die erste Oberfläche des Substrats 120 freiliegt und deren Kantenlänge so mit der verwendeten Substratdicke korrespondiert, dass am Grund der Ätzgruben bzw. Mulden 523 eine inverse Pyramidenspitze entsteht.
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6 zeigt eine schematische Schnittdarstellung der Porenvorrichtung 110 aus 5 in einem vierten Herstellungszustand. Dabei ist eine Metallschicht 624 auf Seiten der ersten Oberfläche des Substrats 120 an der Porenvorrichtung 110 angeordnet bzw. aufgebracht. Die Metallschicht 624 weist zum Beispiel Platin (Pt) oder ein anderes Edelmetall auf. Genau gesagt ist die Metallschicht 624 bzw. Edelmetallschicht 624 auf die Mulde 523 und die Siliziumnitrid-Struktur 321 aufgebracht, wie es symbolisch durch Pfeile in 6 veranschaulicht ist.
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7 zeigt eine schematische Schnittdarstellung der Porenvorrichtung 110 aus 6 in einem fünften Herstellungszustand. Hierbei ist die Metallschicht bis auf ein Metallpartikel 725 am Grund der Mulde 523 entfernt, insbesondere durch Ätzen. Das Metallpartikel 725 repräsentiert ein Stück Metall bzw. Edelmetall am Grund der Mulde 523. Somit ist die Metallschicht außerhalb des Grundes der Mulde 523 von der Mulde 523 sowie von der Siliziumnitrid-Struktur 321 entfernt bzw. abgetragen.
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Anders ausgedrückt veranschaulichen 6 und 7 insbesondere einen Prozess zur selbstorganisierenden Herstellung von Metallpartikeln 725 bzw. Metall-Nanopartikeln. Zur DNA-Sequenzierung mit Poren bzw. Nanoporen können auf diese Weise Löcher bzw. Poren erzeugt bzw. gebildet werden, deren Durchmesser mit dem von DNA-Strängen korrespondiert. Um für die Porenerzeugung das sogenannte Metal-assisted Chemical Etching (MaCE) zu nutzen, werden die Metallpartikel 725 erzeugt, deren Größe im Wesentlichen einer gewünschten Porengröße entspricht. Erfahrung mit halbleitertechnischen Prozessen wie der Metallschichtdeposition mittels Sputtern zeigt, dass sich bei der Beschichtung strukturierter Oberflächen mit der Metallschicht 624 insbesondere Schichtdickenunterschiede zwischen Mulden und Ätzflanken ergeben. Diese Schichtdickenunterschiede können für die Erzeugung isolierter Metallpartikel 725 genutzt werden. Nach der Deposition der Metallschicht 624 wird durch einen geeigneten Ätzschritt mit linearer zeitlicher Ätzrate die Metallschicht 624 entfernt. Durch die Schichtdickenschwankung zwischen Flanken und Grund der Mulden 523 bzw. inversen Pyramiden wird das Metall von Seitenflächen und Bergspitzen auf dem Substrat 120 früher entfernt als in den Tälern bzw. auf dem Grund der Mulden 523. Bei entsprechend hoher Präzision der KOH-geätzten Pyramiden werden somit Metallpartikeln 725 jeweils am Grund der Mulden 523 bzw. inversen Pyramiden gebildet. Als Ätzverfahren zum Entfernen der Metallschicht 694 eignen sich beispielsweise ionenassistiertes Ätzen oder nasschemisches Ätzen.
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8 zeigt eine schematische Schnittdarstellung der Porenvorrichtung 110 aus 7 in einem sechsten Herstellungszustand. Dabei ist an der zweiten Oberfläche des Substrats 120 eine Elektrode der Porenvorrichtung 130 erzeugt bzw. zumindest vorbereitet. Dazu ist auf der Substratisolationsschicht 422 eine erste Passivierungsschicht 134 aufgebracht. Auf der ersten Passivierungsschicht 134 ist eine Graphen-Schicht 132 aufgebracht. Auf der Graphen-Schicht 132 ist eine zweite Passivierungsschicht 136 aufgebracht. Die Passivierungsschichten 134, 136 weisen beispielsweise Bornitrid (BN) als Passivierungsmaterial auf. Somit ist auf der zweiten Oberfläche des Substrats 120 bzw. der Substratisolationsschicht 422 ein passivierter Graphen-Film aufgebracht, der Graphen-Schicht 132 zwischen den Passivierungsschichten 134, 136 umfasst, wie es symbolisch durch Pfeile in 8 veranschaulicht ist.
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Der passivierte Graphen-Film wird hierbei nach einem Ätzen der Mulden 523 bzw. inversen Pyramiden und dem Erzeugen der Metallpartikel 725 zunächst ganzflächig auf der unstrukturierten zweiten Oberfläche bzw. Rückseite des Substrats 120 aufgebracht. Als Herstellmethode können sowohl transferbasierte als auch transferfreie Graphen-Abscheidemethoden verwendet werden. Um den Einfluss von Störeinflüssen wie Feuchte oder Gasadsorption auf das Graphen zu minimieren, ist oder wird die Graphen-Schicht 132 verkapselt bzw. passiviert. Als Material für die Passivierschichten 134, 136 bietet sich insbesondere hexagonales Bornitrid an, welches die elektrischen Eigenschaften des Graphens nicht beeinträchtigt bzw. noch verbessert und das Graphen gleichzeitig hermetisch verkapselt und elektrisch isoliert. Als Alternative zu Graphen können auch andere leitfähige 2D-Materialien wie Molybdändisulfid (MoS2) oder Phosphen verwendet werden.
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9 zeigt eine schematische Schnittdarstellung der Porenvorrichtung 110 aus 8 in einem siebten Herstellungszustand. Hierbei ist die Pore 125 von dem Grund der Mulde 523 bis zu der zweiten Oberfläche des Substrats 120 bzw. der Substratisolationsschicht 422 gebildet. Die Pore 125 ist dabei durch metallassistiertes Ätzen unter Verwendung des mit Metallpartikels 725 gebildet. Genauer gesagt wird zum Bilden der Pore 125 das Material des Substrats 120, beispielsweise Silizium, das zwischen dem Grund der Mulde 523 und der zweiten Oberfläche des Substrats 120 verbleibt, mit einer Mischung aus Flusssäure bzw. Fluorwasserstoff (HF) und Wasserstoffperoxid (H2O2) als Ätzmedium weggeätzt. Bei dem metallassistierten Ätzen handelt es sich beispielsweise um den sogenannten MaCE-Prozess.
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Beim metallassistierten Ätzen wird das Ätzmedium an einer Dreiphasengrenze zwischen Metallpartikel 725, Silizium des Substrats 120 und Ätzflüssigkeit chemisch aktiviert. Als Ätzmedium wird üblicherweise eine Mischung aus Flusssäure und Wasserstoffperoxid verwendet. Wasserstoffperoxid führt an der Dreiphasengrenze zu einer Oxidation des Siliziums und anschließend wird das erzeugte Siliziumoxid (SiOx) durch den in der Lösung enthaltenen Fluorwasserstoff entfernt. Da ein Ätzangriff im Bereich des katalytisch wirkenden Metallpartikels 725 erfolgt, entspricht die Größe des geätzten Bereichs, d.h. der Querschnitt der Pore 125, der Größe des bereitgestellten Metallpartikels 725 an der Siliziumoberfläche. Die Ätzung erfolgt solange, bis die verbleibende Substrat-Restschichtdicke unterhalb des Grundes der Mulde 523 bzw. der invertierten Pyramidenspitze durchgeätzt ist.
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Nachfolgend wird unter Bezugnahme auf 10 bis 13 ein beispielhafter Prozessfluss zum Strukturieren von Graphen-Elektroden veranschaulicht. Für eine parallele DNA-Sequenzierung mit einem Array aus Poren 125 bzw. Nanoporen ist jede Pore 125 einzeln zu kontaktieren.
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10 zeigt eine schematische Schnittdarstellung der Porenvorrichtung 110 aus 9 in einem achten Herstellungszustand. Dabei ist das in der Pore 125 verbliebene Metallpartikel 724 entfernt und ist ferner auf einem Teilabschnitt der zweiten Passivierungsschicht 136 auf Seiten der zweiten Oberfläche des Substrats 120 eine Abdeckschicht 1060 aus einem Abdeckmittel, Fotolack oder dergleichen aufgebracht, wie es symbolisch durch Pfeile veranschaulicht ist. Somit ist die Abdeckschicht 1060 teilflächig auf dem passivierten Graphen-Film aufgebracht.
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11 zeigt eine schematische Schnittdarstellung der Porenvorrichtung 110 aus 10 in einem neunten Herstellungszustand. Dabei ist der passivierte Graphen-Film aus der Graphen-Schicht 132 und den Passivierungsschichten 134, 136 teilweise weggeätzt, wie es symbolisch durch Pfeile veranschaulicht ist. Genauer gesagt sind die von der Abdeckschicht 1060 freiliegenden bzw. unbedeckten Abschnitte des passivierten Graphen-Films weggeätzt. Somit ist die Substratisolationsschicht 422 teilweise freigelegt, nachdem freiliegendes Bornitrid und Graphen weggeätzt ist.
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12 zeigt eine schematische Schnittdarstellung der Porenvorrichtung 110 aus 11 in einem zehnten Herstellungszustand. Hierbei ist die Abdeckschicht von der zweiten Passivierungsschicht 136 entfernt bzw. abgetragen. Somit verbleibt der passivierte Graphen-Film bzw. Schichtstapel aus erster Passivierungsschicht 134, Graphen-Schicht 132 und zweiter Passivierungsschicht 136 in einem Pore 125 umgebenden Abschnitt und einem die Pore 125 überdeckenden Abschnitt auf Seiten der zweiten Oberfläche des Substrats 120.
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13 zeigt eine schematische Schnittdarstellung der Porenvorrichtung 110 aus 12 in einem elften Herstellungszustand. Dabei ist zu dem passivierten Graphen-Film bzw. dem Schichtstapel aus erster Passivierungsschicht 134, Graphen-Schicht 132 und zweiter Passivierungsschicht 136 lediglich beispielhaft eine elektrische Verbindung 138 bzw. ein elektrischer Kontakt 138 hinzugefügt. Der elektrische Kontakt 138 ist ausgebildet, um eine elektrische Verbindung mit der Graphen-Schicht 132 zu ermöglichen. Dabei ist der elektrische Kontakt 138 gemäß dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel lateral an einer Seite des Schichtstapels angeordnet.
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14 zeigt eine schematische Schnittdarstellung der Porenvorrichtung 110 aus 13 in einem zwölften Herstellungszustand. Hierbei sind im Bereich der Pore 125 die Substratisolationsschicht 422, die erste Passivierungsschicht 134, die Graphen-Schicht 132 und die zweite Passivierungsschicht 136 weggeätzt. Somit ist die Pore 125 sowohl von Seiten der ersten Oberfläche des Substrats 120 als auch von Seiten der zweiten Oberfläche des Substrats 120 zugänglich.
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Somit ist ausgehend von dem in 13 gezeigten, elften Herstellungszustand zur Öffnung des die Pore 125 abdeckenden, passivierten Graphen-Films der Elektrode 130 ein zusätzlicher Ätzschritt zur Strukturierung des passivierten Graphen-Films durchzuführen, um den in 14 gezeigten, zwölften Herstellungszustand zu erreichen. Dies kann beispielsweise durch Sauerstoff-Plasmaätzen erfolgen, wobei der Ätzangriff von der Seite der Mulde 523 aus erfolgt, um ausschließlich das Graphen im Bereich der Pore 125 zu ätzen, ohne weiteres Graphen auf der zweiten Oberfläche bzw. Rückseite des Substrats 120 zu beeinträchtigen. Dieser Schritt kann am Ende der Prozesssequenz bzw. als letzter Herstellungsschritt oder Herstellungszustand erfolgen, um beim Einsatz der Abdeckschicht bzw. von Photolacken zur Lithografie und Strukturierung von Graphen-Kontakten und deren elektrischer Anbindung ein Eindringen des Lacks in die Poren 125 zu verhindern.
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15 zeigt eine schematische Draufsicht auf eine Oberseite der Porenvorrichtung 110 aus 14. Die Oberseite entspricht dabei der zweiten Oberfläche des Substrats 120. Die Porenvorrichtung 110 weist lediglich beispielhaft vier Poren 125 sowie vier Elektroden auf. Hierbei sind in 15 von der Porenvorrichtung 110 darstellungsbedingt das Substrat 120, die Poren 125, die zweiten Passivierungsschichten 136 und die elektrischen Kontakte 138 dargestellt. In 15 ist erkennbar, dass die Elektroden gemäß dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel eine rechteckige oder quadratische Grundfläche aufweisen. Jede der Elektroden ist hierbei eine jeweilige Pore 125 umgebend angeordnet. Die Poren 125 weisen gemäß dem hier gezeigten Ausführungsbeispiel ein rechteckiges oder quadratisches Schnittprofil auf.
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16 zeigt eine schematische Draufsicht auf eine Unterseite der Porenvorrichtung 110 aus 14 bzw. 15. Die Unterseite entspricht hierbei der ersten Oberfläche des Substrats. 16 sind von der Porenvorrichtung 110 darstellungsbedingt die Siliziumnitrid-Struktur 321 bzw. Ätzmaske, die lediglich beispielhaft vier Mulden 523 und die Poren 125 gezeigt.
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In den 17 bis 20 ist nachfolgend beispielhaft ein alternativer Prozessfluss zum strukturieren von Elektroden bzw. zur Erzeugung von Graphen-Kontakten zur Messung von Tunnelstromänderungen durch die Pore dargestellt.
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17 zeigt eine schematische Darstellung einer Porenvorrichtung 110 gemäß einem anderen Ausführungsbeispiel in einem achten Herstellungszustand. Hierbei entspricht die Porenvorrichtung 110 der in 10 dargestellten Porenvorrichtung mit Ausnahme dessen, dass die Abdeckschicht 1060 lediglich außerhalb eines die Pore 125 abdeckenden Bereichs des passivierten Graphen-Films aufgebracht ist. Gemäß dem hier gezeigten Ausführungsbeispiel ist benachbart zu dem die Pore 125 abdeckenden Bereich die Abdeckschicht 1060 in zwei Abschnitten aufgebracht.
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18 zeigt eine schematische Schnittdarstellung der Porenvorrichtung 110 aus 17 in einem neunten Herstellungszustand. Dabei ist der passivierte Graphen-Film mit der Graphen-Schicht 132 und den Passivierungsschichten 134, 136 teilweise weggeätzt, wie es symbolisch durch Pfeile veranschaulicht ist. Genauer gesagt sind die von der Abdeckschicht 1060 freiliegenden bzw. unbedeckten Abschnitte des passivierten Graphen-Films weggeätzt. Somit ist die Substratisolationsschicht 422 teilweise freigelegt, nachdem freiliegendes Bornitrid und Graphen weggeätzt ist. Dabei liegt die Substratisolationsschicht 422 in dem die Pore 125 abdeckenden Bereich frei. Gemäß dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel sind somit zwei Schichtstapel aus Graphen-Schicht 132 und Passivierungsschichten 134, 136 erzeugt.
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19 zeigt eine schematische Schnittdarstellung der Porenvorrichtung 110 aus 18 in einem elften Herstellungszustand. Dabei sind zu dem passivierten Graphen-Film bzw. den Schichtstapeln jeweils eine elektrische Verbindung 138 bzw. ein elektrischer Kontakt 138 hinzugefügt. Somit sind zwei durch einen die Pore 125 überdeckenden Zwischenraum getrennte Elektroden 130 erzeugt. Ein erster der elektrischen Kontakte 138 ist ausgebildet, um eine elektrische Verbindung mit einer ersten der Elektroden 130 zu ermöglichen. Ein zweiter der elektrischen Kontakte 138 ist ausgebildet, um eine elektrische Verbindung mit einer zweiten der Elektroden 130 zu ermöglichen. Dabei ist jeder der elektrischen Kontakte 138 auf einer von der Pore 125 abgewandten lateralen Seite der jeweiligen Elektrode 130 angeordnet.
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20 zeigt eine schematische Schnittdarstellung der Porenvorrichtung 110 aus 19 in einem zwölften Herstellungszustand. Hierbei ist im Bereich der Pore 125 die Substratisolationsschicht 422 weggeätzt. Somit ist die Pore 125 sowohl von Seiten der ersten Oberfläche des Substrats 120 als auch von Seiten der zweiten Oberfläche des Substrats 120 zugänglich.
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21 zeigt eine schematische Draufsicht auf eine Oberseite der Porenvorrichtung 110 aus 20. Die Porenvorrichtung 110 entspricht hierbei der in 15 gezeigten Porenvorrichtung mit Ausnahme dessen, dass benachbart zu jeder der Poren 125 zwei Elektroden erzeugt sind und jede der Elektroden eine parallelogrammförmige oder parallelogrammähnliche Grundfläche aufweist. Dabei grenzen erste Enden der jeweiligen zwei Elektroden jeder der Poren 125 an einander gegenüberliegenden Seiten einer Öffnung der jeweiligen Pore 125 an, wobei sich die Elektroden zu einem zweiten Ende derselben hin verbreitern. An dem zweiten Ende ist jede der Elektroden durch den jeweiligen elektrischen Kontakt 138 kontaktiert.
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22 zeigt eine schematische Schnittansicht eines Teilabschnittes eines mikrofluidischen Systems 100 gemäß einem Ausführungsbeispiel. Das mikrofluidische System 100 ist beispielsweise dem in 1 gezeigten mikrofluidischen System ähnlich. Das mikrofluidische System 100 ist ausgebildet, um Moleküle 105 zu analysieren, bei denen es sich beispielsweise um DNA-Moleküle 105 handelt. Dabei ist das mikrofluidische System 100 gemäß dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel als ein Westentaschenlabor bzw. Lab-on-Chip-System (LoC-System) ausgeführt. Von dem mikrofluidischen System 100 sind in der Darstellung von 22 hierbei Porenvorrichtungen 110 und eine Trägereinrichtung 2270 mit Kanälen 2272, 2274 gezeigt.
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Das mikrofluidische System 100 weist gemäß dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel lediglich beispielhaft zwei Porenvorrichtungen 110 auf. Bei jeder der Porenvorrichtungen 110 handelt es sich lediglich beispielhaft um eine Porenvorrichtung aus 20 bzw. 21. Gemäß einem anderen Ausführungsbeispiel handelt es sich bei jeder der Porenvorrichtungen 110 um eine Porenvorrichtung aus einer der 1, 14, 15 bzw. 16 oder eine ähnliche Porenvorrichtung. Dabei sind die Porenvorrichtungen 110 in dem mikrofluidischen System 100 aufgenommen bzw. eingespannt.
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Die Trägereinrichtung 2270 des mikrofluidischen Systems 100 ist ausgebildet, um zumindest eine Porenvorrichtung 110 zu fixieren bzw. aufzunehmen. Die Porenvorrichtungen 110 sind hierbei der Trägereinrichtung 2270 angeordnet. In der Trägereinrichtung 2270 sind gemäß dem hier gezeigten Ausführungsbeispiel die Kanäle 2272 und 2274 ausgeformt. Ein Signalkanal 2272 ist ausgebildet, um eine molekülhaltige Probe bzw. Probe mit den Molekülen 105 zu führen. Bei der molekülhaltigen Probe handelt es sich um eine mit DNA versehene Lösung. Ein Referenzkanal 2274 ist ausgebildet, eine molekülfreie Probe bzw. DNA-freie Lösung zu führen.
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Eine erste der Porenvorrichtungen 110 ist zum Durchströmen der zumindest einen Pore der Porenvorrichtung 110 mit der molekülhaltigen Probe mindestens teilweise innerhalb des Signalkanals 2272 fixiert. Eine zweite der Porenvorrichtungen 110 ist zum Durchströmen der zumindest einen Pore der Porenvorrichtung 110 mit der molekülfreien Probe mindestens teilweise innerhalb des Referenzkanals 2274 fixiert. Die Porenvorrichtungen 110 sind im Hinblick auf einen Fluidfluss innerhalb des mikrofluidischen Systems 100 bezüglich einander parallel geschaltet.
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Anders ausgedrückt zeigt 22 beispielhaft zwei DNA-Porenchips bzw. Porenvorrichtungen 110 in Kombination mit einem geeigneten Lab-on-Chip-System als mikrofluidisches System 100, in dem die Porenvorrichtungen 110 eingespannt sind. Die Trägereinrichtung 2270 des mikrofluidischen Systems 100 weist vorgefertigte mikrofluidische Kanäle 2272, 2274 auf, die mit den Poren der Porenvorrichtungen 110 fluidisch verbunden sind. Einer dieser Kanäle ist oder wird mit einer DNA-freien Referenzflüssigkeit versehen, um Störgrößen wie elektromagnetische Einflüsse, Temperatureinflüsse oder ähnliches aus einem Messsignal eliminieren zu können.
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23 zeigt ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens 2300 zum Herstellen gemäß einem Ausführungsbeispiel. Das Verfahren 2300 zum Herstellen ist ausführbar, eine Porenvorrichtung für eine Analyse von Molekülen herzustellen. Durch Ausführen des Verfahrens 2300 zum Herstellen ist die Porenvorrichtung aus einer der 1, 14, 15, 16, 20, 21 bzw. 22 oder eine ähnliche Porenvorrichtung herstellbar. Bei einer Ausführung des Verfahrens 2300 zum Herstellen sind Herstellungszustände, wie sie in den 3 bis 14 bzw. den 3 bis 9 und 17 bis 20 gezeigt sind, oder ähnliche Herstellungszustände erreichbar.
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Das Verfahren 2300 zum Herstellen weist einen Schritt 2310 des Ausformens zumindest einer Mulde in einer ersten Oberfläche eines Substrats auf, insbesondere wobei die Mulde ein sich zumindest teilweise verjüngendes Schnittprofil, speziell ein zumindest teilweise V-förmiges Schnittprofil aufweist. In einem bezüglich des Schrittes 2310 des Ausformens nachfolgend ausführbaren Schritt 2320 des Anordnens wird bei dem Verfahren 2300 eine Metallschicht in einem Bereich der zumindest einen ausgeformten Mulde angeordnet. Nachfolgend wird in einem Schritt 2330 des Entfernens die Metallschicht außerhalb eines Muldengrundes der zumindest einen Mulde entfernt. Hierbei wird in dem Schritt 2330 des Entfernens von der Metallschicht in dem Muldengrund der zumindest einen Mulde ein Metallpartikel belassen. Nachfolgend wird in einem Schritt 2340 des Bildens unter Verwendung des Metallpartikels eine Pore zum Durchlassen eines zu analysierenden Moleküls von dem Muldengrund der zumindest einen Mulde bis zu einer von der ersten Oberfläche abgewandten, zweiten Oberfläche des Substrats gebildet.
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Gemäß einem Ausführungsbeispiel weist das Verfahren 2300 zum Herstellen auch einen Schritt 2350 des Erzeugens zumindest einer Elektrode auf der zweiten Oberfläche des Substrats auf. Dabei wird die Elektrode im Schritt 2350 des Erzeugens so erzeugt, dass eine Öffnung der zumindest einen Pore durch die zumindest eine Elektrode freiliegen gelassen wird. Der Schritt 2350 des Erzeugens ist optional vor, oder nach einem der vorstehend genannten Schritte 2310, 2320, 2330 und 2340 ausführbar.
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Insbesondere kann der Schritt 2350 des Erzeugens auch Teilschritte aufweisen. Dabei kann im Schritt 2350 des Erzeugens ein passivierter Film eines elektrisch leitfähigen Materials zumindest teilflächig auf der zweiten Oberfläche des Substrats aufgebracht werden, kann der passivierte Film strukturiert werden, kann der passivierte Film elektrisch kontaktiert werden und kann der passivierte Film in einem Bereich der zumindest einen Pore abgetragen werden. Die Teilschritte können zu unterschiedlichen Zeitpunkten während einer Ausführung des Verfahrens 2300 zum Herstellen durchgeführt werden.
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Optional kann im Schritt 2350 des Erzeugens die zumindest eine Elektrode erzeugt werden, um zumindest in einem Teilabschnitt eines Umfangs der Öffnung an die Pore anzugrenzen. Ein Beispiel hierfür findet sich in 14, 15 bzw. 16. Zusätzlich oder alternativ kann im Schritt 2350 des Erzeugens die zumindest eine Elektrode erzeugt werden, um eine Abmessung aufzuweisen, die einer Querschnittsabmessung der zumindest einen Pore entspricht oder ähnelt. Ein Beispiel hierfür findet sich in 20 bzw. 22.
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Gemäß einem Ausführungsbeispiel kann im Schritt 2310 des Ausformens die zumindest eine Mulde durch anisotropes Ätzen ausgeformt werden. Zusätzlich oder alternativ kann im Schritt 2330 des Entfernens die Metallschicht durch ionenassistiertes Ätzen oder nasschemisches Ätzen entfernt werden. Zusätzlich oder alternativ kann im Schritt 2340 des Bildens die Pore durch metallassistiertes Ätzen gebildet werden.
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Insbesondere wird der Schritt 2330 des Entfernens so ausgeführt, dass ein Metallpartikel mit einer Abmessung von maximal 2 Nanometern, maximal 3 Nanometern, maximal 5 Nanometern oder maximal 10 Nanometern belassen wird. Zusätzlich oder alternativ wird der Schritt 2340 des Bildens so ausgeführt, dass eine Pore mit einer Querschnittsabmessung von maximal 2 Nanometern, maximal 3 Nanometern, maximal 5 Nanometern oder maximal 10 Nanometern gebildet wird.
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24 zeigt ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens 2400 zum Analysieren gemäß einem Ausführungsbeispiel. Das Verfahren 2400 zum Analysieren ist ausführbar, um Moleküle zu analysieren. Dabei ist das Verfahren 2400 zum Analysieren in Verbindung mit oder unter Verwendung von dem mikrofluidischen System aus 1 bzw. 22 oder einem ähnlichen mikrofluidischen System ausführbar. Auch ist das Verfahren 2400 zum Analysieren in Verbindung mit oder unter Verwendung von der Porenvorrichtung aus einer der 1, 14, 15, 16, 20, 21 und 22 oder einer ähnlichen Porenvorrichtung ausführbar.
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Das Verfahren 2400 zum Analysieren weist einen Schritt 2410 des Leitens einer molekülhaltigen Probe durch zumindest eine Porenvorrichtung auf. Dabei ist die Porenvorrichtung gemäß dem Verfahren zum Herstellen aus 23 oder einem ähnlichen Verfahren hergestellt. Es handelt sich somit um die Porenvorrichtung aus einer der 1, 14, 15, 16, 20, 21 bzw. 22 oder eine ähnliche Porenvorrichtung. In einem Schritt 2420 des Auswertens wird ein Messsignal von zumindest einer Elektrode ausgewertet, die benachbart zu der zumindest einen Pore der zumindest einen Porenvorrichtung angeordnet ist. Der Schritt 2420 des Auswertens ist dabei zumindest während einer Ausführung des Schrittes 2410 des Leitens durchführbar.
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Gemäß einem Ausführungsbeispiel wird im Schritt 2420 des Auswertens ein Messsignal ausgewertet, das ein mittels der zumindest einen Elektrode erfasstes, molekülabhängiges, elektrisches Oberflächenpotenzial repräsentiert. Hierbei ist beispielsweise die Porenvorrichtung aus einer der 1, 14, 15 und 16 oder eine ähnliche Porenvorrichtung verwendbar. Alternativ wird im Schritt 2420 des Auswertens ein Messsignal ausgewertet, das einen mittels der zumindest einen Elektrode erfassten, molekülabhängigen, elektrischen Tunnelstrom repräsentiert. Dabei ist insbesondere die Porenvorrichtung aus einer der 20, 21 und 22 verwendbar.
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Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel wird im Schritt 2410 des Leitens eine weitere, molekülfreie Probe durch eine weitere Porenvorrichtung geleitet. Die weitere Porenvorrichtung ist hierbei insbesondere identisch mit der Porenvorrichtung. Hierbei wird ferner im Schritt 2420 des Auswertens ein Referenzsignal von zumindest einer weiteren Elektrode, die benachbart zu der zumindest einen Pore der zumindest einen weiteren Porenvorrichtung angeordnet ist, ausgewertet und wird das Messsignal mit dem Referenzsignal verglichen. Dabei ist beispielsweise das mikrofluidische System aus 22 verwendbar.
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Unter Bezugnahme auf die 1 bis 24 werden nachfolgend Ausführungsbeispiele zum Auslesen von DNA-Molekülen 105 während eines Transfers durch zumindest eine Pore 125 im Hinblick auf Auslesemechanismen mit anderen Worten zusammenfassend erläutert.
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Gemäß einem Ausführungsbeispiel wird zur Analyse eines DNA-Moleküls 105 eine Messung von Änderungen im elektrischen Oberflächenpotenzial durchgeführt. Jede Base im DNA-Strang besitzt eine andere chemische Zusammensetzung und erzeugt damit ein charakteristisches elektrisches Feld an der Oberfläche. Dieses charakteristische Oberflächenpotenzial lässt sich über Elektroden 130, deren Ausdehnung kleiner ist als die Ausdehnung einer einzelnen Base, theoretisch auslesen. Um die Potenzialänderungen messen zu können, ist es beispielsweise wichtig, dass das Kontaktmaterial sehr gut vor äußeren Einflüssen geschützt ist, damit die Messsignale 245 nicht von äußeren Einflüssen wie Rauschen überdeckt werden. Ein beispielhafter Prozessfluss zur Herstellung von Poren 125 mit Elektroden 130 bzw. elektrischen Kontakten aus Graphen zur Messung des Oberflächenpotenzials ist in den 3 bis 14 veranschaulicht.
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Gemäß einem Ausführungsbeispiel wird zur Analyse eines DNA-Moleküls 105 eine Messung von Änderungen im Tunnelstrom durch eine Pore 125 durchgeführt. Ein solcher Auswerteprozess nutzt den Effekt, dass sich mit jeder Base des DNA-Strangs, die sich im Bereich der Pore 125 befindet, eine chemische Zusammensetzung sowie eine Dichte an Ionen innerhalb der Pore 125 ändert, was zu einer Änderung des Tunnelstroms zwischen zwei entgegengesetzt an der Pore 125 angeordneten Elektroden 130 führt. Das Tunnelstromprinzip hat den Vorteil, dass sich Änderungen in der Höhe von Potenzialbarrieren zwischen zwei Elektroden 130, wie sie z. B. durch ein Ausfüllen eines Raums der Pore 125 durch eine DNA-Base hervorgerufen wird, exponentiell auf einen elektrischen Stromfluss auswirken, was eine Signalstärke erhöhen kann. Ein beispielhafter modifizierter Prozessfluss zur Herstellung von Poren 125 mit Elektroden 130 bzw. Tunnelkontakten aus Graphen zur Messung des Tunnelstroms ist in den 3 bis 9 und 17 bis 21 veranschaulicht. Für eine solche Art der DNA-Auslese können die Elektroden 130 in der Dimension einer Größe der Pore 125 strukturiert sein bzw. werden. Neben nanolithografischen Verfahren wie Elektronenstrahlschreiben oder Nanoimprint könnten auch hier selbstorganisierende Ansätze verfolgt werden. Wichtig auch bei diesem Ansatz ist eine zuverlässige Passivierung der Graphen-Schicht 132, um ein hohes Signal-zu-Rausch-Verhältnis zu erreichen.
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Für beide Auswerteverfahren ist es sinnvoll, auf dem Substrat 120 bzw. in dem mikrofluidischen System 100 mindestens eine der kontaktierten Poren 125 als Referenzstruktur zu nutzen und diese auf geeignete Art und Weise mit einer DNA-freien Lösung zu versehen, sodass gegebenenfalls äußere Einflüsse wie Sensordrift, Temperaturschwankungen oder Störpotenziale beispielsweise durch eine subtraktive Auswertung eliminiert werden können (Messsignal = Signal (mit DNA versetzte Pore) - Signal (Referenzpore)). Ein Beispiel hierfür ist in 22 dargestellt. Um ein solches Referenzsignal zu realisieren, ist ein Gesamtsystem vorgesehen, in dem der DNA-Porenchip bzw. die Porenvorrichtung 110 Teil eines mikrofluidischen Lab-on-Chip-Systems bzw. mikrofluidischen Systems 100 ist, in dem einzelne Poren 125 oder auch Gruppen von Poren 125 über mikrofluidische Kanäle 2272 und 2274 einzeln mit unterschiedlichen DNA-Proben oder mit DNA-freier Referenzflüssigkeit beaufschlagt werden können.
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Umfasst ein Ausführungsbeispiel eine „und/oder“-Verknüpfung zwischen einem ersten Merkmal und einem zweiten Merkmal, so ist dies so zu lesen, dass das Ausführungsbeispiel gemäß einer Ausführungsform sowohl das erste Merkmal als auch das zweite Merkmal und gemäß einer weiteren Ausführungsform entweder nur das erste Merkmal oder nur das zweite Merkmal aufweist.
