用于纳米孔dna测序的隧穿结的制造方法

用于纳米孔dna测序的隧穿结的制造方法
【专利摘要】本发明涉及用于纳米孔DNA测序的隧穿结的制造。提供了一种形成纳米器件的机制。用导电流体填充贮液器，并且形成隔膜以分开纳米器件中的贮液器。所述隔膜包括电极层，所述电极层具有形成于其中的隧穿结。形成所述隔膜以具有穿过所述隔膜的一个或多个其它层形成的纳米孔，使得所述纳米孔与所述电极层的隧穿结对准。通过电镀或者无电沉积将所述电极层的隧穿结变窄到窄尺寸。当向所述电极层施加电压时，由在所述隧穿结中的碱基产生隧穿电流，该隧穿电流作为区分所述碱基的电流特征信号被测量。当在所述隧穿结的内表面上形成有机涂层时，在所述电极层与所述碱基之间形成瞬态键。
【专利说明】用于纳米孔DNA测序的隧穿结的制造

【技术领域】
[0001] 本发明涉及纳米器件，并且更具体地，涉及纳米器件中的隧穿结和纳米孔结构。

【背景技术】
[0002] 纳米孔测序是确定脱氧核糖核酸（DNA)链上核苷酸出现的顺序的方法。纳米孔是 内径在几个纳米量级上的小孔。纳米孔测序背后的理论是关于当将纳米孔浸没在导电流体 中并且在所述纳米孔上施加电势（电压）时所发生的。在这些条件下，可以测量由于穿过纳 米孔的离子的传导导致的微小电流，并且电流的量对于纳米孔的尺寸和形状非常敏感。如 果单个的DNA碱基或DNA链(或DNA分子的一部分）穿过纳米孔，则这可以产生流过纳米孔 的电流的幅度的变化。也可以在纳米孔周围放置其它电学或光学传感器，以便在DNA穿过 纳米孔时能够区分DNA碱基。
[0003] 可以使用各种方法将DNA驱动通过纳米孔。例如，电场可以将DNA向着纳米孔吸 弓丨，并且其可以最终穿过所述纳米孔。纳米孔的尺度意味着：可以迫使DNA -次一个碱基地 作为长链穿过孔洞，就像线穿过针眼一样。


【发明内容】

[0004] 根据一个实施例，提供了一种形成纳米器件的方法。所述方法包括用导电流体 填充贮液器以及形成将所述纳米器件中的贮液器分开的隔膜。所述隔膜包括电极层，所 述电极层具有形成于其中的隧穿结。所述方法包括形成所述隔膜以具有穿过所述隔膜的 一个或多个其它层形成的纳米孔，使得所述纳米孔与所述电极层的隧穿结对准；以及通过 电镀或者无电沉积将所述电极层的隧穿结变窄到窄尺寸。当向所述电极层施加电压时， 由在所述隧穿结中的碱基产生隧穿电流，该隧穿电流作为区分所述碱基的电流特征信号 (signature)被测量。当在所述隧穿结的内表面上形成有机涂层时，在所述电极层与所述碱 基之间形成瞬态键。
[0005] 根据一个实施例，提供了一种形成纳米器件的方法。所述方法包括用导电流体填 充贮液器以及形成将所述纳米器件中的贮液器分开的隔膜。所述隔膜包括电极层，所述电 极层具有形成于其中的隧穿结。形成所述隔膜以具有穿过所述隔膜的一个或多个其它层形 成的纳米孔，使得所述纳米孔与所述电极层的隧穿结对准。通过如下步骤在所述电极层中 形成所述隧穿结：图案化所述电极层，所述电极层具有通过所述电极层的金属条连接的两 个框；在所述电极层顶上涂布电子束抗蚀剂；以及穿过所述电子束抗蚀剂打开间隙形状的 窗口，以使得穿过所述电子束抗蚀剂的所述间隙形状窗口可见所述金属条的一部分。通过 如下步骤在所述电极层中形成所述隧穿结：蚀刻掉穿过所述电子束抗蚀剂的所述间隙形状 的窗口可见的所述金属条的所述部分，以及去除所述电子束抗蚀剂，得到在所述金属条的 所述部分被蚀刻掉的位置具有隧穿结的电极层。当向所述电极层施加电压时，由在所述隧 穿结中的碱基产生隧穿电流，该隧穿电流作为区分所述碱基的电流特征信号被测量。当在 所述隧穿结的内表面上形成有机涂层时，在所述电极层与所述碱基之间形成瞬态键。
[0006] 根据一个实施例，提供了一种形成纳米器件的方法。所述方法包括用导电流体填 充贮液器以及形成将所述纳米器件中的贮液器分开的隔膜。所述隔膜包括电极层，所述电 极层具有形成于其中的隧穿结。所述方法包括形成所述隔膜以具有穿过所述隔膜的一个或 多个其它层形成的纳米孔，使得所述纳米孔与所述电极层的隧穿结对准。通过如下步骤在 所述电极层中形成所述隧穿结：在衬底顶上涂布电子束抗蚀剂；打开具有第一细长延伸部 分的第一窗口；以及打开具有第二细长延伸部分的第二窗口，其中所述电子束抗蚀剂的一 部分将所述第一细长延伸部分与所述第二细长延伸部分分开。通过沉积所述电极层的金属 以覆盖所述电子束抗蚀剂、覆盖具有所述第一细长延伸部分的所述第一窗口并且覆盖具有 所述第二细长延伸部分的所述第二窗口，在所述电极层中形成所述隧穿结。通过去除与所 述电子束抗蚀剂接触的所述金属，以便以具有所述第一细长延伸部分的所述第一窗口的图 案以及具有所述第二细长延伸部分的所述第二窗口的图案留下具有所述隧穿结的所述电 极层，在所述电极层中形成所述隧穿结。所述隧穿结形成于并且位于所述电子束抗蚀剂的 所述部分被去除的位置。当向所述电极层施加电压时，由在所述隧穿结中的碱基产生隧穿 电流，该隧穿电流作为区分所述碱基的电流特征信号被测量。当在所述隧穿结的内表面上 形成有机涂层时，在所述电极层与所述碱基之间形成瞬态键。
[0007] 根据一个实施例，提供了一种形成纳米器件的方法。所述方法包括用导电流体填 充贮液器以及形成将所述纳米器件中的贮液器分开的隔膜。所述隔膜包括电极层，所述电 极层具有形成于其中的隧穿结。通过聚焦离子束在所述电极层中形成所述隧穿结。所述方 法包括形成所述隔膜以具有穿过所述隔膜的一个或多个其它层形成的纳米孔，使得所述纳 米孔与所述电极层的隧穿结对准；以及通过电镀或者无电沉积将所述电极层的隧穿结变窄 到窄尺寸。当向所述电极层施加电压时，由在所述隧穿结中的碱基产生隧穿电流，该隧穿电 流作为区分所述碱基的电流特征信号被测量。当在所述隧穿结的内表面上形成有机涂层 时，在所述电极层与所述碱基之间形成瞬态键。
[0008] 阅读了下面的附图和详细描述之后，根据各实施例的其它系统、方法、设备、设计 结构和/或计算机程序产品对于本领域技术人员将是显而易见的或者变得显而易见。旨在 所有这些另外的系统、方法、设备、设计结构和/或计算机程序产品包含在本说明书中、在 实施例的范围内并且受到所附权利要求的保护。为了更好地理解所述特征，参考说明书和 附图。

【专利附图】

【附图说明】
[0009] 在说明书的结论处的权利要求中特别指出并且清楚地要求保护被认为是本发明 的主题。从以下结合附图的详细描述，本发明的前述及其它特征是显而易见的，在附图中： [0010] 图1A是示出根据一个实施例的(通过聚焦电子束切割，聚焦He离子束切割和诸如 电子束光刻/金属剥离工艺的其它方法)制造隧穿结以及精细调整结尺寸的工艺的示意图。
[0011] 图1B示出了根据实施例继续该制造隧穿结的工艺的示意图。
[0012] 图1C示出了根据实施例继续该制造隧穿结的工艺的示意图。
[0013] 图2A示出了根据实施例隧穿结与纳米孔的示意性集成。
[0014] 图2B示出了根据实施例继续隧穿结与纳米孔的示意性集成。
[0015] 图2C示出了根据实施例继续隧穿结与纳米孔的示意性集成。
[0016] 图2D示出了根据实施例继续隧穿结与纳米孔的示意性集成。
[0017] 图2E示出了根据实施例继续隧穿结与纳米孔的示意性集成。
[0018] 图2F示出了根据实施例继续隧穿结与纳米孔的示意性集成。
[0019] 图3A示出了根据实施例的用于DAN测序的隧穿结纳米孔器件的示意图。
[0020] 图3B示出了根据实施例的具有有机涂层的用于DAN测序的隧穿结纳米孔器件的 示意图。
[0021] 图4A示出了根据实施例隧穿结与纳米孔的示意性集成。
[0022] 图4B示出了根据实施例继续隧穿结与纳米孔的示意性集成。
[0023] 图4C示出了根据实施例继续隧穿结与纳米孔的示意性集成。
[0024] 图5示出了根据实施例用于在纳米孔内自组装的分子。
[0025] 图6示出了根据各实施例利用的计算机。
[0026] 图7示出了根据实施例的流程图。
[0027] 图8A示出了根据实施例通过e-束光刻和反应离子蚀刻方法(作为图1中的一种 工艺）制作隧穿结的示意图。
[0028] 图8B示出了根据实施例在该层顶上涂布e束抗蚀剂留下小窗口。
[0029] 图8C示出了根据实施例蚀刻掉该窗口中的金属线的可见部分。
[0030] 图8D示出了根据实施例去除e-束抗蚀剂，得到了隧穿结(在图1B中示出）。
[0031] 图9A示出了根据实施例的e-束光刻和金属剥离方法，该方法包括在层顶上涂布 e_束抗蚀剂以及打开具有细长延伸部分的窗口。
[0032] 图9B示出了根据实施例在该层顶上沉积导电(金属）层。
[0033] 图9C示出了根据实施例剥离不直接在衬底上的导电层，得到（图1B中所示的）隧 穿结。
[0034] 图10A示出了根据实施例电镀沉积或者无电沉积以收缩初始间隙的工艺。
[0035] 图10B示出了根据实施例通过电镀沉积或无电沉积收缩间隙(示为图1C中的隧穿 结)。
[0036] 图1认、1川、11(：和110-起示出了根据实施例形成隧穿结纳米孔器件的方法。

【具体实施方式】
[0037] 示例性实施例提供了通过聚焦电子束切割制作纳米尺寸的隧穿结并且然后通过 扩展的电子束（expanded electron beam)技术，精细调节结尺寸。示例性实施例也包括在 纳米器件中集成这种隧穿结和纳米孔以用于DNA测序目的。
[0038] 最近，对于将纳米孔用作诸如DNA、核糖核酸（RNA)和蛋白质等的生物分子的快速 分析的传感器的兴趣不断增加。特别强调的是纳米孔在DNA测序方面的应用，因为这项技 术被认为有望将测序的成本降低到$1000/人类基因以下。纳米孔DNA测序中的一个问题 是通过撬动（leferaging)纳米孔平台来电区分各个DNA碱基。
[0039] 根据示例性实施例，公开了一种使用聚焦电子束(例如，利用小至0. 4nm的束尺寸） 来切割薄金属层(在图1A中示为切割线105)以形成隧穿结的方法。在低强度电子束下，可 能发生材料迁移，并且材料迁移可用于精细调整隧穿结的间隙尺寸。如果该薄金属层位于 自支撑（free-standing)隔膜上，则也可以在该间隙处穿过该隔膜的顶部制作纳米孔(示为 图2B-21中的纳米孔206、208 )，从而正好在内表面、在入口处和/或在纳米孔的出口处制作 隧穿结，来通过隧穿电流实现DNA测序目的。
[0040] 现在转向附图，图1A-1C (统称为图1)示出了根据示例性实施例通过聚焦电子束 切割制作隧穿结并且通过扩展的电子束精细调整结尺寸的工艺的示意图。图1A-1C是该示 意图的俯视图。在图1A中，衬底101可以是任何电绝缘衬底，并且层102可以是诸如衬底 101顶上的金属的任何导电层。通过电压源103在导电层102的两端之间施加电压，并且通 过电流计104监测电流。聚焦电子束(未示出）可以小至0. 4nm，并且聚焦电子束在导电层 102的中心位置执行如线105所示的线扫描(例如，在真空中）。本领域技术人员理解电子束 光刻（e-束光刻)，并且理解跨表面以图案化的方式扫描电子束的实践。
[0041] 高能、高密度电子束可以在其路线上逐渐将材料溅射/蚀刻到真空中。当正施加 电压源103处的电压时，通过其对应的电流计104测量的电流用作这样的反馈：一旦导电层 102被电子束切割成两半，流过电流计104的电流就下降到零（0)，如图1B所示。图1B示 出了导电层102的左半边和右半边。这样，可以制造隧穿结106而不损伤下面的衬底101。 隧穿结是两个导电部分之间的纳米尺寸的间隙，其对应于先前在图1A中所示的线105。
[0042] 注意，一种备选方法是使用聚焦离子束切割薄导电(金属）层102制作隧穿结106 (示为图1A中的切割线105)。类似于电子束，聚焦离子束中的高能（l-50keV)离子轰击导 电(金属)层102并且物理研磨纳米尺寸的间隙106,如图1B中所示。聚焦氦（He)离子束可 以具有小至亚rim尺度的束尺寸，因此可以制作尺寸为纳米量级的间隙。与电子束切割方法 相比，聚焦离子束切割方法为处理不同情况提供了各种具有各种质量的离子。例如，He离 子(作为聚焦离子束)提供小的束尺寸(亚nm)和深的切割深度，因为小的离子容易穿透固体 材料(即，导电层102)。此外，镓（Ga)离子(作为聚焦离子束）在切割过程中提供亚nm深度 控制，因为大的离子在固体材料(例如，导电层102)中的穿透深度较小。作为聚焦离子束方 法中He和Ga离子的组合，可以首先利用He离子，再利用Ga离子(或者反之亦然)来在导电 层102中切割纳米尺寸的间隙106。
[0043] 制作隧穿结106 (S卩，该间隙）的另一种方法是使用电子束（e束）光刻来界定/图 案化掩膜，并且随后用导电(金属)1〇2的反应离子蚀刻来界定间隙106或者通过导电(金属） 102的剥离工艺来形成间隙106。相应地，在图8和9中示出了制作隧穿结106 (纳米尺寸 间隙)的两个实例。图8 (图8A-图8D)示出了根据实施例通过e束光刻和反应离子蚀刻方 法制作隧穿结106 (纳米尺寸间隙)的示意图。图8A示出了电绝缘衬底101，衬底101顶上 具有导电层102 (如图1A中所讨论的)。如图8B中所示，在电绝缘衬底101和导电层2上 涂布诸如聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA)的e束抗蚀剂120。通过e束光刻在抗蚀剂120上制作 间隙形状窗口 121。穿过间隙形状窗口 121可见(导电层的)金属线102的一部分。如图8C 所示，通过反应离子蚀刻来蚀刻间隙形状窗口 121中的金属线102的可见部分。如图8D中 所示，以溶剂(异丙醇（IPA)等）清洁抗蚀剂120并且露出金属间隙106 (S卩，隧穿结106)。 这得到了与图1B中所示的相同的隧穿结106,但是利用的备选的方法。剩下的制造步骤与 此处描述的相同。
[0044] 作为制作隧穿结106 (纳米尺寸间隙）的其它实例，图9 (图9A-9C)示出了根据实 施例的e束光刻和金属剥离方法。
[0045] 图9A以电绝缘衬底101开始，然后在电绝缘衬底101 (不像图1A，此时电绝缘衬 底101上没有导电层102)顶上涂布e束抗蚀剂122。通过e束光刻在抗蚀剂122上制作/ 打开窗口 123和124。每个窗口 123和124也具有在抗蚀剂122上打开的细长延伸部分，在 该细长延伸部分之间存在抗蚀剂122的一小部分175,抗蚀剂122的该小部分175防止该细 长部分(例如，彼此）连接两个窗口 123和124。小部分175可以具有几个纳米(例如，2、3、 4、5nm，等等)的宽度，取决于电子束尺寸和剂量。如图9B中所不，导电(金属)层102沉积在 电绝缘衬底101、窗口 123 (及其细长延伸部分）和窗口 124 (及其细长延伸部分）的顶上。 导电层102覆盖芯片表面的各处。注意，虚的隐藏线代表在导电层102下方隐藏的图案化 的两个窗口 123和124以及它们各自的细长延伸部分。将芯片（S卩，导电(金属））层102、电 绝缘衬底101、窗口 123 (及其细长延伸部分）和窗口 124 (及其细长延伸部分）浸渍在诸如 IPA的溶剂中，该溶剂溶解e-束抗蚀剂122。因此，与e束抗蚀剂122接触的导电层102的 金属被剥离，而直接接触衬底101的导电层102的金属保留。这样，制作了具有间隙106的 导电(金属）层102,如图9C所示。这得到了与图1B中所示的相同的隧穿结106,但是利用 备选的方法。剩下的制造步骤与此处描述的相同。
[0046] 现在转回图1，图1B还示出了利用扩展的（S卩，低强度）电子束覆盖面积107,导电 层102中的(金属)材料可以迁移并且可以调整隧穿结106的间隙尺寸；S卩，隧穿结106的尺 寸可以减小或增加以成为如图1C中所示的隧穿结108。例如，为了实现期望尺寸的隧穿结 (间隙）108,可以使用低强度电子束来轰击（图1B中的）隧穿结（间隙）106处的导电层102。 这将导致导电层102的材料变得较软并且在表面张力下流动。可以利用低强度电子束来引 起导电层102材料流动，使得隧穿结（间隙）108加宽和/或流动，从而隧穿结（间隙）108变 窄。正如通过图1B中的隧穿结（间隙）106到图1C中的隧穿结（间隙）108的尺寸减小（不 是按比例缩小）所看出的，材料迁移已经导致隧穿结106变窄。如果衬底101是薄的隔膜， 则可以实时地在透射电子显微镜下监测整个隧穿过程。因此，可以通过在适当的时刻关闭 电子束来获得(调整）隧穿结（间隙）108的确切尺寸。在精细调整隧穿结106之后，现在在 图1C中由精细调整后的隧穿结（间隙）108代表隧穿结106。
[0047] 代替如上所讨论的利用低强度电子束轰击导电层102,备选的方法（图10)利用间 隙106的顶端上的金属的电镀来将间隙106收缩成图1C所示的隧穿结108。在这种情况 下，图10 (图10a和10B)示出了电镀或无电沉积以收缩隧穿结106的实例。
[0048] 像在图1A和1B中一样，图10A示出了电绝缘衬底101、导电层102、间隙106、导电 层102的两端之间的电压源103以及安培计104 (电流随着电阻减小而增加）。
[0049] 图10A示出了可以处于开放容器中的溶液125。溶液125包含需要被涂布在间隙 106的顶端上的金属(例如，与导电层102相同的金属)的离子。通过安培计104测量的电流 在电镀期间被用作间隙106的尺寸的指标。电镀电压源126通过利用电极127和130产生 用于电镀的电镀电压。电极127被浸渍在溶液127中，而电极130连接到导电层102 (即， 不在溶液125中的左侧框)。电极对127和130用于在间隙106的左侧上镀敷金属。假设 图10用于在金属间隙106 (即，在间隙106处的导电金属102的顶端上)上镀敷Pd (或者任 何期望的金属）。用于电镀Pd的溶剂125可以是PdCl2、Pd醋酸盐和/或Pd(NH 3)2Cl2。接 通电压源126的电压以将薄的金属离子(例如，Pd离子)层放置在间隙106 (例如的左顶端） 上，以将其尺寸减小到图10B所示的隧道结108。一旦实现了期望的间隙尺寸（由安培计104 上测量的增加的电流指示)，则通过关闭电压源126来停止镀敷过程。最终的间隙108在图 10B中示为隧穿结108。
[0050] 在无电沉积的情况下，将不需要电极126和127,但是需要还原剂（S卩，在溶液125 中)来与金属盐反应以在间隙106 (处的导电金属102)的顶端上产生金属。为了在间隙106 上无电沉积Pd，在80°C的温度下，溶液125可以是Pd (NH3) 2C12，其中还原剂是NH40H、Na2EDTA (EDTA是乙二胺四乙酸)和/或肼的混合物。一旦实现了期望的间隙尺寸（由安培计104上 测量的增加的电流指示)，则可以通过移除用于无电沉积的溶液125来停止镀敷过程。再次， 最终的(变窄的）间隙108在图10B中示为隧穿结108。用于制作完成的器件的剩余制造步 骤与此处描述的相同。
[0051] 图2A-2F示出了根据示例性实施例的隧穿结108与纳米孔的示意性集成。图2A、 2B、2D和2E (包括4A和4B)是该示意图的横截面视图，图2C和2F (包括4C)是该示意图 的俯视图。在图2A中，衬底201可以是任何衬底，例如Si(硅)。层202和203是诸如Si3N 4 (硅和氮的化合物）的电绝缘膜。绝缘层203用作通过干法或湿法蚀刻来蚀刻穿过衬底201 的蚀刻掩膜，并且该蚀刻在绝缘层202上停止。这样，绝缘层202的一部分将是自支撑隔膜。 导电层204 (对应于图1中的导电层102)是导电层，并且隧穿结205 (对应于图1中的隧穿 结/间隙108)是使用图1中描述的方法在导电层204的自支撑隔膜部分中制作的隧穿结。 隧穿结205将在透射电子显微镜下可见，并且纳米尺寸的孔(纳米孔）206可以通过隧穿结 205制作并且位于绝缘层202下方，如图2B所示。这样，隧穿结205与纳米孔206集成。如 图2B中所见，纳米孔206是穿过绝缘层202的孔，而隧穿结205是导电(金属）层204中的 间隙。
[0052] 图2C示出了图2B中的示意图的俯视图。如在图2C的俯视图中所见的，隧穿结205 (对应于图1的隧穿结/间隙108)仅位于导电层（金属）204 (对应于导电层102)之间，并 且隧穿结205将导电层204分成左半边和右半边。纳米孔206穿过隧穿结205形成并且行 经衬底201。
[0053] 为了与导电溶液一起作用，绝缘(盖帽）层207 (也称为钝化层，其可以是氧化物层 和/或氮化硅层）被沉积在导电层204上，如图2D所示(例如，正好在制作了隧穿结205之 后）。隧穿结205将在透射电子显微镜下可见，并且纳米尺寸的孔(纳米孔）208可以通过隧 穿结205和下方的绝缘层202制作，如图2E所示。这样，隧穿结205嵌入在纳米孔208中。 现在纳米孔206可以被认为是纳米孔208的一部分。穿过绝缘层207向下到达导电层204 来打开过孔窗口 209和210,用于电接通隧穿结205的两侧。窗口 209和210可以用作将例 如布线连接到导电层204的该左半边和右半边的电极/或连接。
[0054] 图2F示出了图2E的俯视图。在图2F中，导电层204 (用点线示为轮廓）被掩埋 在绝缘(钝化)层207下方，其中导电层204的窗口 209和210是暴露的。尽管在图2F中不 可见，但是纳米孔208行经绝缘层202和绝缘(钝化）层207。
[0055] 如图4A、4B和4C示出了根据示例性实施例的图2A-2F的变型，其中纳米孔208和 隧穿结在相同的电子束切割工艺中制造并且具有相同的形状。绝缘(盖帽）层207 (也称为 钝化层，其可以是氧化物层和/或氮化硅层)沉积在导电层204上，如图4A中所示。使用聚 焦电子束来切割穿过自支撑隔膜部分处的所有层207、204和202并且将导电层204切成两 半，如图4B中所示。这样，隧穿结205和纳米孔208具有完全相同的形状。穿过绝缘层207 向下到达导电层204来打开过孔窗口 209和210,用于电接通隧穿结205的两侧。窗口 209 和210可以用作将例如布线连接到导电层204的该左半边和右半边的电极/或连接。
[0056] 图4C示出了图2B的俯视图。在图4C中，导电层204 (示为点线）被掩埋在绝缘 (钝化）层207下方，其中导电层204的窗口 209和210是暴露的。尽管在图4C中不可见， 但是纳米孔208行经绝缘层202和绝缘(钝化）层207。
[0057] 图3A和3B示出了根据示例性实施例的用于DNA测序的隧穿结(例如，隧穿结106、 108和205)和纳米孔器件300的示意性(系统)。图3A和3B示出了隧穿结和纳米孔器件 300的横截面视图。
[0058] 在图3A和3B中，元件301-310分别与元件201-210相同。然而，图3B包括此处 所讨论的有机涂层。隧穿结和纳米孔器件300分割两个贮液器311和312。导电溶液313 填充两个贮液器311和312以及纳米孔308。带负电的DNA314(每个碱基被示为碱基315) 可以被电压源318的电压驱动到纳米孔308中，电压源318的电压分别通过两个电极316 和317施加在两个贮液器311和312之间。在隧穿结305的(左侧窗口 309和右侧窗口 310 处的）两侧之间施加电压源319的电压，并且在安培计320处监测基线隧穿电流。如此处 所讨论的，基线隧穿电流可以被存储在计算机600 (在图6中示出）的存储器15中，供进一 步使用。随着DNA碱基315经过隧穿结305 (其为导电(金属）层304中的间隙)，DNA碱基 315中的每一个可以通过其在安培计320处的相应隧穿电流信号被识别。
[0059] 例如，打开电压源318以将DNA314驱动到隧穿结305中，隧穿结305是将导电层 304分成两半的间隙。当例如碱基315a处于隧穿结305中时，打开电压源319 (此时，电压 源318关闭）以测量碱基315a的隧穿电流。例如，在电压源319施加电压的情况下，电流流 过导电层304的窗口 309 (用作电极)，穿过导电层304、进入导电溶液(液体）313、进入DNA 碱基315a (其产生隧穿电流特征信号)、经过导电溶液313出来、进入导电层304的右侧、经 过窗口 310 (用作电极)出来并且进入安培计320供测量。安培计320可以通过计算机600 (测试设备)实现和/或集成在计算机600中，来测量基线隧穿电流和DNA碱基315a产生的 隧穿电流。计算机600的软件应用被配置成测量、显示、绘制曲线/曲线图、分析和/或记 录被测试的每个DNA碱基315的测量隧穿电流。在上面的实例中，软件应用605 (和/或利 用软件应用605的用户）可以将隧道结305中没有DNA碱基315时测量的基线电流与在隧 穿结305中测量的对应于每个碱基315 (-次一个）的隧穿电流相比较。在该实例中，软件 应用605 (或者利用软件应用605的用户）将DNA碱基315a的隧穿电流(特征信号）与基线 隧穿电流相比较。DNA碱基315a的隧穿电流(特征信号）可以具有与安培计320测量的基 线隧穿电流不同的特别特性，并且DNA碱基315a的隧穿电流(信号）可以用于从DNA314上 的其它DNA碱基315识别和/或区分DNA碱基315 a。
[0060] 例如，所测量的DNA碱基315a的隧穿电流特征信号可以具有软件应用605 (和/ 或观看两条不同绘图的显示器45的用户）能够确定的正脉冲、负脉冲、较高或较低的电流 (幅值)、颠倒关系、上升或下降绘图、特别的频率和/或与基线隧穿电流的任何其它差异。该 独特的隧穿电流特征信号可以（被软件应用605)用于区分DNA碱基315a与其它DNA碱基 315。注意，在电极层之间的安培计320处测量的隧穿电流不需要导电（电极)层304的左部 分和右部分(它们在图3B中被显示为电极304a和304b)之间的任何电布线，因为电子以量 子机械方式简单地从一个电极移动到另一个。例如，当DNA碱基315远离(例如，距离比电 子的波长长很多）隧穿结305时，存在基线隧穿电流。当DNA碱基315a接近(例如，在电子 波长的距离内）隧穿结305时，电子的隧穿路径将被重新安排成从导电（电极）层304的左 部分隧穿到DNA碱基315a，然后到达导电（电极）层304的右部。这样，流过DNA碱基315a 的隧穿电流（电子）将产生添加到基线隧穿电流迹线上的电流特征信号(例如，隧穿电流的 增加，通常在数十PA的量级)。跨DNA碱基的隧穿电流依赖于DNA碱基的电子和化学结构； 因此，不同的DNA碱基将产生不同的隧穿电流特征信号。如果不同碱基的隧穿电流特征信 号之间的差异小或者是随机的，则可以对相同DNA碱基进行重复测量；可以拟合隧穿电流 特征信号的幅值的柱状图并且统计学数据将提供足够的分辨率以区分DNA碱基。
[0061] 图3B利用针对图3A讨论的方法，只是导电层304被涂布了有机涂层325,涂层 325可以瞬态键321 (例如，与DNA碱基315的氢键（S卩，瞬态键321))。在图3B中，有机涂 层325形成的这些瞬态键321将固定DNA碱基315的取向和DNA碱基315的相对于导电层 304的距离，以改善通过安培计320测量的隧穿电流信号以及更好地识别DNA碱基315。如 果有机涂层325和/或瞬态键321是导电的，则它们将帮助收缩隧穿间隙尺寸并且也增强 隧穿电流特征信号。此外，当测量碱基315的隧穿电流时，有机涂层325产生的瞬态键321 将DNA314保持在适当位置而不热移动。热运动的力可能导致DNA314移动，但是瞬态键321 将碱基315固定在隧穿结305中来防止热运动导致的DNA移动。
[0062] 在一种实施方式中，有机涂层325由双官能小分子构成，该小分子在一端与导电 层304形成共价键，并且在在纳米孔308中暴露的(有机涂层325的)另一端，有机涂层325 包括能够与DNA形成强的氢键和/或能够使核苷酸质子化以形成酸碱相互作用的官能基。 如果导电层304由诸如金、钯、钼等的金属制成，则与导电层304键合的第一官能性可以被 选择为硫醇、腈和/或重氮盐。如果导电层304由氮化钛或者氧化铟锡（ΙΤ0)制成，则从磷 酸、异羟肟酸、和/或间苯二酚官能性选择共价键官能性。小的双官能分子被设计成使得由 于与DNA的相互作用引起的任何电荷形成可以容易地被转移到导电层304,并且因此在两 个官能基之间夹置η共轭部分（moiety)(例如，苯、联苯等等)。第二官能性是可以与DNA 形成强氢键的基团。这些基团的实例包括但不限于醇、羧酸、羧酰胺、磺酰胺和/或磺酸。 可以用于形成与DNA的相互作用的其它基团是单个的自组装核苷酸。例如，腺嘌呤单磷酸、 鸟嘌呤单磷酸等可以在氮化钛电极上自组装，或者巯基胸腺嘧啶或巯基胞嘧啶在诸如金和 /或钼的金属电极上自组装。图5示出了根据示例性实施例在纳米孔内自组装的分子的实 例。分子可以用作有机涂层325。
[0063] 参考图3B，如上文中所讨论的，施加电压源318以将DNA314移动到纳米孔308中。 当施加电压源319的电压（并且电压源318关闭）时，电流流过左电极304a、进入有机涂层 325a、进入瞬态键321a (其用作或者可以被认为是布线)、进入DNA碱基315a (产生隧穿电 流)、经过瞬态键321b出来、经过有机涂层325b出来、经过右电极304b出来、并且进入安培 计320,来测量DNA碱基315a的隧穿电流。安培计320可以与计算机600集成，并且计算机 600可以在显示器45上显示DNA碱基315a的隧穿电流，与当隧穿结305内没有碱基315时 测量的基线隧穿电流对照。
[0064] 图7示出了根据示例性实施例形成隧穿结纳米孔器件300的方法700,并且可以参 考图1、2和3。
[0065] 在操作705,通过电子束雕刻(切割或尺寸调整)来制作隧穿结108、205、305。使用 低强度电子束，可以通过使导电层1〇2、204、304的材料(金属)迁移离开隧穿结间隙，由此使 得该间隙更宽，来加宽隧穿结1〇8、205、305 ;类似地，使用跨过图1的区域107低强度电子 束展开，隧穿结1〇8、205、305可以变窄从而引起导电层102、204、403的材料流向（进入）隧 穿结间隙，由此使得该间隙更小。
[0066] 在操作710,将隧穿结108、205与纳米孔208集成，如图2B-2F所示。集成的（组 合的）隧穿结205和纳米孔208形成穿过多层207、204和202的孔，如图2E所示。隧穿结 205与纳米孔208之间的区别可以在图2F中看到。该区别也贯彻到图3中示出的隧穿结 305,在图3中隧穿结305是导电层304而不是层307、302、301和303之间的间隙（S卩，将导 电层304分成两半)。在一种实施方式中，隧穿结108、205在形成纳米孔208 (和/或纳米 孔206)之前形成。
[0067] 在操作715,纳米孔208分割两个导电粒子缓冲贮液器312和313,并且DNA314被 电加载到纳米孔308和隧穿结305中。隧穿结305位于导电层304的左半边304a和右半 边304b之间。左半边304a和右半边304b用作通过电压源319接通隧穿结305 (以及其中 的碱基315)以便用安培计320测量隧穿电流的电极。
[0068] 在操作720,在隧穿结305的内表面上有和/或没有有机涂层325的情况下，使用 每个单独的碱基315的隧穿电流（由安培计320测量)区分DNA碱基315。计算机600可以 测量、分析、区分、显示和（在存储器15中）记录/存储为DNA314的不同碱基315测量的不 同隧穿电流。在具有导致瞬态键321a和321b的有机涂层325的情况下的碱基315的隧穿 电流测量结果将不同于在没有有机涂层325并且没有瞬态键的情况下的相同碱基315的隧 穿电流测量结果。例如，在存在有机涂层325 (导致瞬态键321a和321b)的情况下为碱基 315a测量的隧穿电流可能具有比没有有机涂层325的情况更大的幅值。
[0069] 转向图11A、11B、11C和11D(统称为图11)，图11是形成此处讨论的纳米器件300 的方法1100。在框1102,用导电流体313填充贮液器。在框11104,形成将纳米器件300中 的贮液器311和312分开的隔膜，其中该隔膜包括具有形成于其中的隧穿结（间隙106)的 电极层102。在框1106,该隔膜具有形成为穿过该隔膜的其它层的纳米孔206,使得该纳米 孔206与该电极层的隧穿结对准。
[0070] 在框1108,通过电镀或无电镀将电极层102的隧穿结106变窄到窄尺寸卿，变窄 到隧穿结108的尺寸)。在下文中讨论在变窄到隧穿结108之前形成隧穿结106的选择。
[0071] 参考图11B，作为一种选择，通过如下步骤在电极层102中形成隧穿结：最初在框 1124形成电极层102，该电极层102具有通过该电极层的金属条连接的两个框（如图8A所 示)，在框1126在电极层102的顶上涂布电子束抗蚀剂120 (如图8B所示)，在框1128穿过 电子束抗蚀剂120打开间隙形状的窗口 121以制作穿过电子束抗蚀剂120的间隙形状窗口 121可见的金属条的部分（102)，在框1130蚀刻掉穿过电子束抗蚀剂120的间隙形状窗口 121可见的金属条的部分(如图8C所示)，以及在框1132去除电子束抗蚀剂120,得到在金 属条的该部分被蚀刻掉的位置具有隧穿结106的电极层102 (如图8D所示)。
[0072] 可以使用反应离子蚀刻来蚀刻掉穿过电子束抗蚀剂120的间隙形状窗口 121可见 的金属条的该部分。因此，电子束抗蚀剂120下方的电极层102保留并且未被蚀刻掉。电 子束抗蚀剂是聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA)。可以利用电子束光刻来穿过电子束抗蚀剂120打 开间隙形状的窗口 121，以制作穿过电子束抗蚀剂120的间隙形状窗口可见的金属条的该 部分。
[0073] 参考图11C，作为另一选择，通过如下步骤在电极层102中形成隧穿结（S卩，间隙 106):在框1134在衬底101顶上涂布电子束抗蚀剂122,在框1136在所涂布的电子束抗蚀 剂中打开具有第一细长延伸部分的第一窗口 123(如图9A所示)，以及在框1138打开具有第 二细长延伸部分的第二窗口 124,其中电子束抗蚀剂122的部分175将第一细长延伸部分与 第二细长延伸部分分开。此外，在框1140,电极层102的金属被沉积成覆盖电子束抗蚀剂， 以覆盖具有第一细长延伸部分的第一窗口并且覆盖具有第二细长延伸部分的第二窗口。在 框1142,去除与电子束抗蚀剂122接触的金属，以便以第一窗口 123 (及其第一细长延伸部 分）的图案以及以第二窗口 124 (及其第二细长延伸部分）的图案留下具有隧穿结106的电 极层102,其中隧穿结106形成于并且位于电子束抗蚀剂122的部分175被去除的位置(如 图9C所示)。
[0074] 参考图11D，作为一个选择，通过电镀使电极层102的隧穿结变窄到窄尺寸，该电 镀包括：在框1110将隧穿结106放置在具有金属的金属离子的溶液125中，在框1112将电 镀电压(通过电压源126)施加到不在溶液125中的电极层102的一端以及在溶液125中具 有隧穿结106的电极层102的另一端(如图10A所示)，以及在框1114通过使金属的金属离 子附着到隧穿结的顶端，该金属的金属离子将隧穿结106变窄到窄尺寸(见图10B)。当实现 了隧穿结108的窄尺寸时关闭电镀电压。对于利用Pd的电镀，该溶液包括PdCl 2、Pd醋酸 盐和Pd(NH3)2Cl2中的至少一种。
[0075] 作为图11D中的另一部分，通过无电镀使电极层的隧穿结变窄到窄尺寸，该无电 镀包括：在框1116将隧穿结106放置在溶液126中，其中溶液125包括金属的金属离子； 以及在框1118将金属离子的溶液125与化学还原剂组合(现在添加到溶液125)以与金属 离子反应，该反应导致金属的金属离子通过附着到隧穿结的顶端而使隧穿结变窄到窄尺寸 (如图10B所示)。一旦实现了隧穿结的窄尺寸，就从溶液125去除隧穿结108。对于Pd的无 电沉积，在80摄氏度的温度下，金属离子的溶液是Pd (NH3) 2C12，并且化学还原剂包括ΝΗ40Η、 Na2EDTA/或肼的混合物。
[0076] 在框1120,当向该电极层施加电压时，由在该隧穿结中的碱基产生隧穿电流，该隧 穿电流作为区分该碱基的电流特征信号被测量。在框1122,当在该隧穿结的内表面上涂布 有机涂层时，在该电极层与该碱基之间形成瞬态键。
[0077] 电极层的材料包括金、钯、钼、氮化钛、钌、掺杂氧化锌、氧化铟锡、钨、铝和铜中的 至少一种。在一种情况下，通过聚焦电子束和/或通过He离子束将隧穿结106切割到电极 层102中。
[0078] 现在转到图6,图6示出了具有用于实施示例性实施例的各种软件和硬件元件的 计算机600的框图。可以与此处讨论的任何元件相结合地利用计算机600。
[0079] 该图示描绘了计算机600,其可以是任何类的计算装置和/或测试设备(包括安培 计、电压源、连接器等)。计算机600可以包括和/或耦合到存储器15、通信接口 40、显示器 45、用户接口 50、处理器60和软件605。通信接口 40包括用于经由网络进行通信并且(经 由线缆、插座、布线、电极等)连接到此处讨论的纳米器件的硬件和软件。此外，通信接口 40 包括用于与此处讨论的电压源、安培计、隧穿电流等通信、在操作上连接到它们、读取并且 控制它们的硬件和软件。用户接口 50可以包括例如跟踪球、鼠标、指点装置、键盘、触摸屏 等，用于与计算机600交互，例如，输入信息、进行选择、独立地控制不同的电压源和/或显 示、观看和记录每个碱基的隧穿电流特征信号。
[0080] 计算机600包括可以是计算机可读存储介质的存储器15。一个或多个诸如软件应 用605的应用（例如，软件工具)可以存在于存储器15上或者耦合到存储器15,并且软件应 用605包括以计算机可读指令的形式根据示例性实施例操作和起作用的逻辑和软件部件。 根据示例性实施例，软件应用程序605可以包括图形用户接口（GUI)，用户可以观看该GUI 并且与其相互作用。
[0081] 本领域技术人员将理解，本发明的各方面可以实现为系统、方法或计算机程序产 品。因此，本发明各方面的形式可以为完全硬件实施例、完全软件实施例(包括固件、常驻软 件、微代码等)、或者组合软件和硬件方面的实施例，在此它们可以全部统称为"电路"、"模 块"或"系统"。此外，本发明各方面的形式可以为包含在一个或多个计算机可读介质中的 计算机程序产品，该计算机可读介质上包含有计算机可读程序代码。
[0082] 可以采用一个或多个计算机可读介质的任何组合。计算机可读介质可以是计算 机可读信号介质或者计算机可读存储介质。计算机可读存储介质例如可以是--但不限 于--电、磁、光、电磁、红外线、或半导体的系统、设备或装置，或者上述的任意合适的组 合。计算机可读存储介质的更具体的实例(非穷举的列表）包括：具有一个或多个导线的电 连接、便携式计算机盘、硬盘、随机存取存储器（RAM)、只读存储器（ROM)、可擦式可编程只 读存储器（EPROM或闪存）、光纤、便携式紧凑盘只读存储器（CD-ROM)、光存储器件、磁存储 器件、或者上述的任意合适的组合。在本文件中，计算机可读存储介质可以是任何包含或存 储程序的有形介质，该程序可以被指令执行系统、设备或者装置使用或者与其结合使用。 [0083] 计算机可读信号介质可以包括例如在基带中或者作为载波一部分传播的数据信 号，该数据信号中承载了计算机可读的程序代码。这种传播的数据信号可以采用多种形 式，包括--但不限于--电磁信号、光信号或上述的任意合适的组合。计算机可读的信号 介质还可以是计算机可读存储介质以外的任何计算机可读介质，该计算机可读介质可以发 送、传播或者传输用于由指令执行系统、设备或者装置使用或者与其结合使用的程序。
[0084] 计算机可读介质上包含的程序代码可以用任何适当的介质传输，包括--但不限 于--无线、有线、光缆、RF等等，或者上述的任意合适的组合。
[0085] 可以以一种或多种程序设计语言的任意组合来编写用于执行本发明各方面的 操作的计算机程序代码，该程序设计语言包括面向对象的程序设计语言一诸如Java、 Smalltalk、C++等，还包括常规的过程式程序设计语言一诸如"C"语言或类似的程序设计 语言。程序代码可以完全地在用户计算机上执行、部分地在用户计算机上执行、作为一个独 立的软件包执行、部分在用户计算机上部分在远程计算机上执行、或者完全在远程计算机 或服务器上执行。在涉及远程计算机的情形中，远程计算机可以通过任意种类的网络-- 包括局域网（LAN)或广域网（WAN)-连接到用户计算机，或者，可以连接到外部计算机(例 如利用因特网服务提供商来通过因特网连接)。
[0086] 在此将参考根据本发明实施例的方法、设备(系统）和计算机程序产品的流程图图 示和/或框图，在此处描述了本发明的各方面。应当理解，流程图和/或框图的每个方框以 及流程图和/或框图中各方框的组合，都可以由计算机程序指令实现。这些计算机程序指 令可以提供给通用计算机、专用计算机或其它可编程数据处理装置的处理器，从而生产出 一种机器，使得这些计算机程序指令在通过计算机或其它可编程数据处理装置的处理器执 行时，产生了实现流程图和/或框图中的一个或多个方框中规定的功能/动作的装置。
[0087] 也可以把这些计算机程序指令存储在计算机可读介质中，这些指令使得计算机、 其它可编程数据处理装置、或其他设备以特定方式工作，从而，存储在计算机可读介质中的 指令就产生出包括实现流程图和/或框图中的一个或多个方框中规定的功能/动作的指令 的制造品。
[0088] 该计算机程序指令也可以加载到计算机、其它可编程数据处理设备或者其它装置 上，使得在计算机、其它可编程设备或其它装置上执行一系列操作步骤以产生计算机实现 的处理，从而在计算机或其它可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图和/或框图 的一个或多个框中规定的功能/动作的处理。
[0089] 附图中的流程图和框图示出了根据本发明各种实施例的系统、方法和计算机程序 产品的可能实现方式的架构、功能和操作。就这一点而言，流程图或框图中的每一个框可以 代表代码模块、代码片段或代码部分，该代码模块、代码片段或代码部分包括一个或多个用 于实施(一个或多个)特定逻辑功能的可执行指令。应当注意，在一些备选实施方式中，框中 标注的功能可能不按图中示出的顺序发生。例如，连续示出的两个框实际上可以基本上同 时被执行，或者这两个框有时可以以相反的顺序被执行，这取决于所涉及的功能。也应当注 意，框图和/或流程图中的每一个框，以及框图和/或流程图中框的组合，可以由执行特定 功能或动作的专用的基于硬件的系统或者由专用硬件与计算机指令的组合实现。
[0090] 本文中使用的术语仅仅是为了描述特定实施例，并不意图限制本发明。如本文中 所使用的，单数形式的"一"、"一个"和"该"也意图包含复数形式，除非上下文中另外明确指 出。还应当理解，术语"包含"和/或"包括"，如果在本说明书中使用了，则指明存在该的特 征、整数、步骤、操作、元件和/或部件，但是不排除存在或添加一个或多个其它特征、整数、 步骤、操作、元件、部件和/或它们的组。
[0091] 下面的权利要求中的所有装置或步骤加功能元素的对应结构、材料、动作和等效 物旨在包括用于与特别要求保护的其它要求保护的元素相结合地执行功能的任何结构、材 料或动作。已经为了说明和描述了目的呈现了本发明的说明书，但是该说明书并不是穷尽 的或者限于所公开的形式的发明。在不脱离本发明的精神和范围的情况下，对于本领域技 术普通技术人员而言，很多修改和改变是显而易见的。选择和描述该实施例是为了最好地 解释本发明的原理和实践应用，并使得本领域普通技术人员能够对于适于所想到的特定用 途的具有各种修改的各种实施例理解本发明。
[0092] 本申请中描绘的流程图仅仅是一个实例。在不脱离本发明的精神的情况下，可以 存在该流程图或其中描述的步骤的很多变型。例如，该步骤可以以不同的顺序进行或者可 以添加、删除或修改步骤。所有这些变型都被认为是所要求保护的方面的一部分。
[〇〇93] 尽管已经描述了本发明的示例性实施例，但是应当理解，现在以及将来，本领域技 术人员可以进行落入后附权利要求的范围内的各种改进和增强。这些权利要求应当被认为 保持对被首先描述的本发明的适当保护。
【权利要求】
1. 一种形成纳米器件的方法，所述方法包括： 用导电流体填充贮液器； 在所述纳米器件中形成分开所述贮液器的隔膜，所述隔膜包括具有形成于其中的隧穿 结的电极层； 形成所述隔膜以具有穿过所述隔膜的一个或多个其它层形成的纳米孔，使得所述纳米 孔与所述电极层的所述隧穿结对准；以及 通过电镀或者无电沉积将所述电极层的所述隧穿结变窄到窄尺寸； 其中当向所述电极层施加电压时，由在所述隧穿结中的碱基产生隧穿电流，该隧穿电 流作为区分所述碱基的电流特征信号被测量；以及 其中当在所述隧穿结的内表面上形成有机涂层时，在所述电极层与所述碱基之间形成 瞬态键。
2. 根据权利要求1所述的方法，其中通过电镀将所述电极层的所述隧穿结变窄到所述 窄尺寸包括： 将所述隧穿结放置在具有金属的金属离子的溶液中； 向不在所述溶液中的所述电极层的一端并且向在所述溶液中的具有所述隧穿结的所 述电极层的另一端施加电镀电压；以及 通过使所述金属的金属离子附着到所述隧穿结的顶端，使所述隧穿结变窄到所述窄尺 寸。
3. 根据权利要求2所述的方法，还包括：当实现了所述隧穿结的所述窄尺寸时关闭所 述电镀电压。
4. 根据权利要求2所述的方法，其中对于利用Pd的电镀，所述溶液包括PdCl2、Pd醋酸 盐和Pd(NH 3)2Cl2中的至少一种。
5. 根据权利要求1所述的方法，其中通过无电镀将所述电极层的所述隧穿结变窄到所 述窄尺寸包括： 将所述隧穿结放置在溶液中，所述溶液包括金属的金属离子；以及 组合所述金属离子的所述溶液与化学还原剂以便与所述金属离子反应，所述反应引起 所述金属的所述金属离子通过附着到所述隧穿结的顶端而使所述隧穿结变窄到所述窄尺 寸。
6. 根据权利要求5所述的方法，还包括：一旦实现了所述隧穿结的所述窄尺寸，就从所 述溶液移除所述隧穿结。
7. 根据权利要求5所述的方法，其中对于Pd的无电沉积，所述金属离子的溶液是 Pd(NH3)2Cl2 ;以及 其中在80摄氏度的温度下，所述化学还原剂包括NH4OH、Na2EDTA和肼的混合物。
8. 根据权利要求1所述的方法，其中所述电极层的材料包括金、钯、钼、氮化钛、钌、掺 杂氧化锌、氧化铟锡、鹤、错和铜中的至少一种。
9. 根据权利要求1所述的方法，其中通过聚焦电子束将所述隧穿结切割到所述电极层 中。
10. 根据权利要求1所述的方法，其中通过He离子束将所述隧穿结切割到所述电极层 中。
11. 一种形成纳米器件的方法，所述方法包括： 用导电流体填充贮液器； 在所述纳米器件中形成分开所述贮液器的隔膜，所述隔膜包括具有形成于其中的隧穿 结的电极层；以及 形成所述隔膜以具有穿过所述隔膜的一个或多个其它层形成的纳米孔，使得所述纳米 孔与所述电极层的所述隧穿结对准； 其中通过如下步骤在所述电极层中形成所述隧穿结：图案化所述电极层，所述电极层 具有通过该电极层的金属条连接的两个框；在所述电极层的顶上涂布电子束抗蚀剂；穿过 所述电子束抗蚀剂打开间隙形状的窗口以使得穿过所述电子束抗蚀剂的所述间隙形状的 窗口可见所述金属条的一部分；蚀刻掉穿过所述电子束抗蚀剂的所述间隙形状的窗口可见 的所述金属条的所述部分；以及去除所述电子束抗蚀剂，得到在所述金属条的所述部分被 蚀刻掉的位置具有所述隧穿结的所述电极层； 其中当向所述电极层施加电压时，由在所述隧穿结中的碱基产生隧穿电流，该隧穿电 流作为区分所述碱基的电流特征信号被测量；以及 其中当在所述隧穿结的内表面上形成有机涂层时，在所述电极层与所述碱基之间形成 瞬态键。
12. 根据权利要求11所述的方法，其中通过反应离子蚀刻来蚀刻掉穿过所述电子束抗 蚀剂的所述间隙形状的窗口可见的所述金属条的所述部分。
13. 根据权利要求11所述的方法，其中在所述电子束抗蚀剂下方的所述电极层保留并 且未被蚀刻掉。
14. 根据权利要求11所述的方法，其中所述电子束抗蚀剂是聚甲基丙烯酸甲酯 (PMMA)〇
15. 根据权利要求11所述的方法，其中通过电子束光刻来穿过所述电子束抗蚀剂打开 所述间隙形状的窗口，以使得穿过所述电子束抗蚀剂的所述间隙形状的窗口可见所述金属 条的所述部分。
16. 根据权利要求11所述的方法，还包括：通过电镀或者无电镀将所述电极层的所述 隧穿结变窄到窄尺寸。
17. 根据权利要求11所述的方法，其中所述电极层的材料包括金、钯、钼、氮化钛、钌、 掺杂氧化锌、氧化铟锡、鹤、错和铜中的至少一种。
18. -种形成纳米器件的方法，所述方法包括： 用导电流体填充贮液器； 在所述纳米器件中形成分开所述贮液器的隔膜，所述隔膜包括具有形成于其中的隧穿 结的电极层；以及 形成所述隔膜以具有穿过所述隔膜的一个或多个其它层形成的纳米孔，使得所述纳米 孔与所述电极层的所述隧穿结对准； 其中通过如下步骤在所述电极层中形成所述隧穿结： 在衬底顶上涂布电子束抗蚀剂； 打开具有第一细长延伸部分的第一窗口； 打开具有第二细长延伸部分的第二窗口，其中所述电子束抗蚀剂的一部分将所述第一 细长延伸部分与所述第二细长延伸部分分开； 沉积所述电极层的金属以覆盖所述电子束抗蚀剂、覆盖具有所述第一细长延伸部分的 所述第一窗口并且覆盖具有所述第二细长延伸部分的所述第二窗口；以及 去除与所述电子束抗蚀剂接触的所述金属，以便以具有所述第一细长延伸部分的所述 第一窗口的图案以及具有所述第二细长延伸部分的所述第二窗口的图案留下具有所述隧 穿结的所述电极层，其中所述隧穿结形成于并且位于所述电子束抗蚀剂的所述部分被去除 的位置； 其中当向所述电极层施加电压时，由在所述隧穿结中的碱基产生隧穿电流，该隧穿电 流作为区分所述碱基的电流特征信号被测量；以及 其中当在所述隧穿结的内表面上形成有机涂层时，在所述电极层与所述碱基之间形成 瞬态键。
19. 根据权利要求18所述的方法，还包括：通过电镀或者无电镀将所述电极层的所述 隧穿结变窄到窄尺寸；并且 其中所述电极层的材料包括金、钯、钼、氮化钛、钌、掺杂氧化锌、氧化铟锡、钨、铝和铜 中的至少一种。
20. -种形成纳米器件的方法，所述方法包括： 用导电流体填充贮液器； 在所述纳米器件中形成分开所述贮液器的隔膜，所述隔膜包括具有形成于其中的隧穿 结的电极层， 通过聚焦离子束将所述隧穿结形成到所述电极层中； 形成所述隔膜以具有穿过所述隔膜的一个或多个其它层形成的纳米孔，使得所述纳米 孔与所述电极层的所述隧穿结对准；以及 通过电镀或者无电沉积将所述电极层的所述隧穿结变窄到窄尺寸； 其中当向所述电极层施加电压时，由在所述隧穿结中的碱基产生隧穿电流，该隧穿电 流作为区分所述碱基的电流特征信号被测量；以及 其中当在所述隧穿结的内表面上形成有机涂层时，在所述电极层与所述碱基之间形成 瞬态键。
【文档编号】B82Y40/00GK104109633SQ201410155307
【公开日】2014年10月22日 申请日期:2014年4月17日 优先权日:2013年4月18日
【发明者】彭红波, S·M·罗斯纳格尔, A·K·罗尤鲁, G·A·斯托洛维茨基, 王德强 申请人:国际商业机器公司