Kurzfassung
In dieser Doktorarbeit wird ein neuartiges Konzept zur Herstellung von suspendierten Nanokanal Resonatoren als dynamisch mechanischer Biosensor vorgestellt. Die neue Herstellungsmethode umfasst die Herstellung von Polymerproben mit Mikro- und Nanokanälen mithilfe von UVNanoimprinting,
die konformale Beschichtung von Innen mit Al2O3 über ein in dieser Arbeit
entwickeltes Gasphasenabscheidungskonzept, sowie die selektive Suspension der Nanokanäle mit maskiertem reaktiven Ionenätzen. Die Entwicklung und Konstruktion eines dedizierten Reaktors für die Gasphasenabscheidung von Al2O3 stellen die größte Herausforderung und Errungenschaft dieser Arbeit dar. Der Reaktor funktioniert als Atomlagenabscheidungsreaktor im „Stop-Flow“-Modus und für das neuentwickelte „Flow-Through“-Gasphasenabscheidungskonzept. Hierbei wird der Gasfluss in und entlang der Mikro- und Nanokanäle der Polymerproben über einen Druckgradienten forciert. Die Gasphasenabscheidung von Al2O3 wurde zunächst für die Beschichtung von Kanälen mit lateralen Abmessungen im Mikrometerbereich
evaluiert. Wir haben Mikrokanäle mit Aspektverhältnissen von mehr als 5000 bei einem Durchmesser von 17,1 μm x 7,5 μm und einer Länge von 5 cm erfolgreich beschichtet. Das Konzept wurde weiterentwickelt, um auch Nanokanäle zu beschichten, wobei ein Fokus auf der Designintegration mit
Mikrokanälen lag. Die kleinsten erfolgreich beschichteten Nanokanäle haben Abmessungen von 500 nm x 500 nm und sind 50 μm lang. Darüber hinaus wurde ein „Flow-Through“-Kondensations-Gasphasenabscheidungskonzept entwickelt, in dem eine konformale Beschichtung von Nanokanälen mit mehr als 60 nm Al2O3 pro Prozesszyklus erreicht wurde. Hierdurch wurde die erforderliche
Herstellungszeit dieser Dicke drastisch von mindestens fünf Tagen auf zwei Stunden reduziert. Die Proben mit beschichteten Mikro- und Nanokanälen wurden mit wasserbasierten und organischen Lösungsmitteln, sowie Biomolekülen (DNA) gefüllt und durchflossen, um die chemische Kompatibilität
zu testen, sowie die Hohlheit der Nanokanäle nach dem Abscheidungsprozess zu beweisen. Nach der selektiven Suspendierung der Nanokanäle mit reaktivem Ionenätzen, wurde außerdem die mechanische Performance über Reflektometrie evaluiert. Diese haben gezeigt, dass die 20 Eigenfrequenzen der suspendierten Nanokanäle im MHz Bereich liegen und Qualitätsfaktoren in der Größenordnung von 102 aufweisen. Die experimentellen Messungen wurden mit Finite-Element-Simulationen (COMSOL®) zur Leistungsprognose und Modellierung ergänzt. Alles in allem belegen diese Ergebnisse, dass unser innovatives Herstellungskonzept für die Herstellung von funktionalen fluidischen Proben mit suspendierten Nanokanälen verwendet werden kann und diese als mechanische Resonatoren für Sensorapplikationen geeignet sind.
The detection, identification, and characterization of individual bio)molecules on a single-entity basisis the ultimate challenge in the development of sensors. Advancements in micro- and nanostructuringmethodologies over the last decades allowed to fabricate sensors based on novel detection techniquesat the nanoscale. Among the various detection techniques, mass spectrometry based on micro- andnano-electromechanical systems (MEMS/NEMS) has emerged as a powerful label-free detection and characterization concept. Furthermore, utilizing suspended hollow micro- and nanochannels as resonators enables the detection and weighing of single molecules in their natural environment: in solution. Flowing the analyte through the channel confines the liquid and reduces the channel dimensions to the range of the molecule, thus maximising the sensitivity by minimizing the mass of the system. On the other hand, the nanochannels resonate in a vacuum, minimizing the damping to achieve a high Q-factor. In the fields of life science, these ultrasensitive systems are gaining attention due to their potential not only for the characterization of structures like virions and cells, but also of nanoparticles and large biomolecules. In addition, they could enable the development of biomarkerbased early disease detection. However, to measure single molecules, there are still challenges to overcome, since most of the channel resonators are too heavy to reach the single molecule level. The challenges for the fabrication of such devices with suspended channels in the nanometric regime are huge, and even more for integrating them into a functional device with a fluidic system. This PhD thesis presents a novel concept for the fabrication of suspended nanochannel resonators as dynamic mechanical biosensors. This novel fabrication method includes fabricating polymer devices with micro- and nanochannels via UV nanoimprinting and then conformally coating them from the inside with Al2O3 via a Gas Phase Deposition (GPD) method developed in his thesis, and the selective suspension of the Al2O3 nanochannels by masked Reactive Ion Etching (RIE). The design and construction of a dedicated reactor for gas phase deposition of Al2O3 represents one of the major challenges and accomplishments of this work. The reactor works for atomic layer deposition in a “Stop-Flow” mode, and for a novel “Flow-Through” deposition concept, for flowing the gases into and along the micro- and nanochannels of the devices. The gas phase deposition of Al2O3 was first evaluated for coating channels with lateral dimensions in the micron range. We successfully coated microchannels with aspect ratios (AR) higher than 5000 at a cross-section of 17.1 μm x 7.5 μm and a length of 5 cm. The concept was further pushed to also coat nanochannels with a focus on the design integration with microchannels. The smallest successfully coated nanochannels have dimensions of 500 nm x 500 nm and are 50 μm long. In addition, a “Flow-Through” condensation GPD process was developed to conformally coat the nanochannels with more than 60 nm of Al2O3 in just one process cycle, drastically reducing the necessary process time for this thickness from five days to two hours. The devices with the coated micro- and nanochannels have been used to flow aqueous solutions, solvents, and biomolecules (DNA) to prove their chemical compatibility and that they are still hollow after the deposition. And, after selectively releasing them by RIE, the mechanical performance of the suspended nanochannels was evaluated by reflectometry, showing that the suspended nanochannels resonate in the MHz regime, with quality factors in the order of 102. The experimental measurements were complemented by finite element simulations (COMSOL®) for their performance prediction and modelling. All in all, these results prove that our innovative fabrication concept is valid for the fabrication of functional fluidic devices with suspended nanochannels, working as mechanical nanoresonators.