MÉTODOS QUE UTILIZAN PUNTAS DE MICROSCOPIO COMO SONDAS DE BARRIDO.

Un método de nanolitografía que comprende: proporcionar un sustrato;

proporcionar una punta de microscopio como sonda de barrido; recubrir la punta con un compuesto de patronamiento; y poner en contacto la punta recubierta con el sustrato de manera que se aplique el compuesto al sustrato con la ayuda de un medio de transporte, en donde el medio de transporte forma un menisco que cierra la brecha entre la punta y el sustrato de manera que el compuesto de patronamiento sea transportado hasta el sustrato por medio de transporte capilar, con el fin de producir un patrón deseado

Campo de la invención

Esta invención se relaciona con métodos de microfabricación y nanofabricación. La invención también se relaciona con métodos para llevar a cabo la formación de imágenes de microscopio de fuerza atómica. 5

Antecedentes de la invención

Los métodos litográficos son el centro de la microfabricación hoy en día, la nanotecnología y la electrónica molecular. Estos métodos se basan a menudo en la modelación de una película resistente, seguido por un grabado químico del sustrato.

La tecnología de pluma de inmersión, donde se transporta la tinta sobre un objeto afilado hasta un sustrato de papel 10 por medio de fuerzas capilares, tiene aproximadamente 4000 años de antigüedad. Ewing, The Fountain Pen: A Collector's Companion (Running Press Book Publishers, Philadelphia, 1997). Se ha utilizado extensamente a lo largo de la historia el transporte de moléculas a escala macro.

Por medio de la presente invención, se han fusionado estos dos conceptos dispares pero relacionados, con relación al mecanismo de escala y de transporte, para crear nanolitografía de "pluma de inmersión" (DPN). DPN utiliza una 15 punta de microscopio como sonda de barrido (SPM) (por ejemplo, una punta de microscopio de fuerza atómica (AFM)) como "plumilla" o "pluma," un sustrato de estado sólido (por ejemplo, oro) como "papel", y moléculas con una afinidad química para el sustrato de estado sólido como "tinta". El transporte capilar de moléculas de la punta al sustrato sólido se utiliza en DPN para escribir directamente patrones que consisten de una colección relativamente pequeña de moléculas en dimensiones submicroscópicas. 20

DPN no es el único método litográfico que le permite a uno transportar directamente moléculas a sustratos de interés en un modo de impresión positivo. Por ejemplo, la impresión de microcontacto, que utiliza un sello elastomérico, puede depositar patrones de moléculas con función tiol directamente sobre sustratos de oro. Xia et al., Angew. Chem. Int. Ed. Engl., 37:550 (1998); Kim et al., Nature, 376:581 (1995); Xia et al., , Science, 273:347 (1996); Yan et al., J. Am. Chem. Soc., 120:6179 (1998); Kumar et al., J. Am. Chem. Soc., 114:9188 (1992). Este método es una 25 técnica paralela a la DPN, permitiéndole a uno depositar un patrón completo o series de patrones sobre un sustrato de interés en una etapa. Esta es una ventaja sobre una técnica serial como DPN, a menos que uno esté tratando de colocar selectivamente diferentes tipos de moléculas en sitios específicos dentro de un tipo particular de nanoestructura. En este sentido, DPN complementa la impresión de microcontacto y muchos otros métodos existentes de micro y nanofabricación. 30

Existen también una variedad de técnicas de impresión negativa que se basan en instrumentos tipo sonda de escaneo, haces de electrones, o heces moleculares para sustratos patrón utilizando monocapas que se ensamblan por sí mismas y otros materiales orgánicos como capas de resistencia (es decir, para remover material para procesamiento posterior o etapas de adsorción). Bottomley, Anal. Chem., 70:425R (1998); Nyffenegger et al., Chem. Rev., 97:1195 (1997); Berggren et al., Science, 269:1255 (1995); Sondag-Huethorst et al., Appl. Phys. Lett., 64:285 35 (1994); Schoer et al., Langmuir, 13:2323 (1997); Xu et al., Langmuir, 13:127 (1997); Perkins et al., Appl. Phys. Lett., 68:550 (1996); Carr et al., J. Vac. Sci. Technol. A, 15:1446 (1997); Lercel et al., Appl. Phys. Lett., 68:1504 (1996); Sugimura et al., J. Vac. Sci. Technol. A, 14:1223 (1996); Komeda et al., J. Vac. Sci. Technol. A, 16:1680 (1998); Muller et al., J. Vac. Sci. Technol. B, 13:2846 (1995); Kim et al., Science, 257:375 (1992). Sin embargo, DPN puede suministrar cantidades relativamente pequeñas de una sustancia molecular a un sustrato en una forma 40 nanolitográfica que no cuenta con una resistencia, un sello, métodos de procesamiento complicados, o instrumentación no comercial sofisticada.

Un problema que ha plagado a AFM desde su invención es la estrecha brecha capilar formada entre una punta AFM y la muestra cuando se lleva a cabo un experimento al aire que condensa agua del ambiente e influye significativamente los experimentos de formación de imágenes, especialmente aquellos que tratan de lograr una 45 resolución de nanómetros o incluso de angstroms. Xu et al., J. Phys. Chem. B, 102:540 (1998); Binggeli et al., Appl. Phys. Lett, 65:415 (1994); Fujihira et al., Chem. Lett., 499 (1996); Piner et al., Langmuir, 13:6864 (1997). Se ha demostrado que este es un problema dinámico, y o bien se transportará agua, dependiendo de la humedad relativa y de las propiedades de humectación del sustrato, desde el sustrato hasta la punta o viceversa. En este último caso, podrían formarse patrones metaestables, a escala de longitud nanométrica, de capas muy delgadas de agua 50 depositada de la punta del AFM (Piner et al., Langmuir, 13:6864 (1997)).La presente invención muestra que, cuando las moléculas transportadas pueden anclarse por sí mismas al sustrato, se forman estructuras de superficie estable, que resultan en un nuevo tipo de nanolitografía, DPN.

La presente invención también supera los problemas provocados por la condensación de agua que se presenta cuando se lleva a cabo una AFM. En particular, se ha encontrado que la resolución de un AFM se mejora considerablemente cuando se recubre la punta del AFM con ciertos compuestos hidrófobos antes de llevar a cabo una AFM.

Resumen de la invención 5

Como se observó más arriba y como se reivindica en las reivindicaciones, la invención proporciona un método de litografía denominada como nanolitografía de "pluma de inmersión", o DPN. DPN es una técnica de nanolitografía de escritura directa, por medio de la cual se suministran moléculas a un sustrato de interés en un modo de impresión positiva. DPN utiliza un sustrato sólido como "papel" y una punta de microscopio como sonda de barrido (SPM) (por ejemplo, una punta de microscopio de fuerza atómica (AFM)) como la "pluma". Se recubre la punta con un 10 compuesto para patronamiento (la "tinta"), y se pone en contacto la punta recubierta con el sustrato de manera que se aplique el compuesto para patronamiento al sustrato para producir un patrón deseado. Las moléculas del compuesto para patronamiento se suministran desde la punta al sustrato por medio de transporte capilar. DPN es útil en la fabricación de una variedad de dispositivos a escala micro y nano. La invención también describe sustratos diseñados por medio de DPN y kits para llevar a cabo la DPN. 15

La invención describe además un método para llevar a cabo la formación de imágenes con un AFM en aire. El método comprende el recubrimiento de una punta de AFM con un compuesto hidrófobo. Luego, se lleva a cabo la formación de imágenes del AFM en aire utilizando la punta recubierta. Se selecciona el compuesto hidrófobo de manera que se mejore la formación de imágenes realizadas utilizando la punta del AFM comparado con la formación de imágenes con el AFM llevadas a cabo utilizando una punta no recubierta del AFM. Finalmente, la invención 20 describe puntas de AFM recubiertas con los compuestos hidrófobos.

Breve descripción de los dibujos

Figura 1. Representación esquemática de una nanolitografía de "pluma de inmersión" (DPN). Un menisco de agua forma entre la punta del microscopio de fuerza atómica (AFM) recubierta con 1-octadecanotiol (ODT) y el sustrato de oro (Au). El tamaño del menisco, que está controlado por la humedad relativa, afecta la velocidad de transporte del 25 ODT, el área de contacto efectiva del sustrato de la punta, y la resolución de la DPN.

Figura 2A. Imagen de la fuerza lateral de un cuadrado de 1 μm por 1 μm del ODT depositado sobre un sustrato de Au por la DPN. Este patrón fue generado por barrido del área de 1 μm2 con una velocidad de barrido de 1 Hz durante un período de 10 min con una humedad relativa del 39%. Luego se incrementó el tamaño del barrido hasta 3 μm, y se incrementó la velocidad del barrido hasta 4 Hz durante la grabación de la imagen. Entre más rápida la 30 velocidad del barrido se evita el transporte del ODT.

Figura 2B. Imagen de la fuerza lateral del enrejado resuelto de una monocapa de autoensamblaje del ODT (SAM) depositado sobre un sustrato de Au(111)/mica por DPN. La imagen ha sido filtrada con una transformada rápida de fourier (FFT), y la FFT de los datos... [Seguir leyendo]

1. Un método de nanolitografía que comprende:

proporcionar un sustrato;

proporcionar una punta de microscopio como sonda de barrido;

recubrir la punta con un compuesto de patronamiento; y

poner en contacto la punta recubierta con el sustrato de manera que se aplique el compuesto al sustrato con la 5 ayuda de un medio de transporte, en donde el medio de transporte forma un menisco que cierra la brecha entre la punta y el sustrato de manera que el compuesto de patronamiento sea transportado hasta el sustrato por medio de transporte capilar, con el fin de producir un patrón deseado.

2. El método de la Reivindicación 1 en donde el sustrato es oro y el compuesto de patronamiento es una proteína o péptido o tiene la fórmula R1SH, R1SSR2, R1SR2, R1SO2H, (R1)3P, R1NC, R1CN, (R1)3N, R1COOH, o ArSH, en 10 donde:

R1 y R2 tienen cada uno la fórmula X(CH2)n- y, si un compuesto está sustituido tanto con R1 como con R2, entonces R1 y R2 pueden ser iguales o diferentes;

n es 0 - 30;

Ar es un arilo; 15

X es -CH3, -COOH, -CO2(CH2)mCH3, -OH, -CH2OH, etilén glicol, hexa(etilén glicol), -O(CH2)mCH3, -NH2, -NH(CH2)mNH2, halógeno, glucosa, maltosa, fulereno C60, un ácido nucleico, una proteína, o un ligando; y

m es 0 - 30.

3. El método de la Reivindicación 2 en donde el compuesto de patronamiento tiene la fórmula R1SH o ArSH.

4. El método de la Reivindicación 3 en donde el compuesto de patronamiento es propanoditiol, hexanoditiol, 20 octanoditiol, n-hexadecanotiol, n-octadecanotiol, n-docosanotiol, 11-mercapto-1-undecanol, ácido 16-mercapto-1-hexadecanoico, a,a'-p-xililditiol, 4,4'-bifenilditiol, terfenilditiol, o ADN-alcanotiol.

5. El método de la Reivindicación 1 en donde el sustrato es aluminio, arseniuro de galio o dióxido de titanio y el compuesto de patronamiento tiene la fórmula R1SH, en donde:

R1 tiene la fórmula X(CH2)n-; 25

n es 0 - 30;

X es -CH3, -COOH, -CO2(CH2)mCH3, -OH, -CH2OH, etilén glicol, hexa(etilén glicol), -O(CH2)mCH3, -NN2, -NH(CH2)mNH2, halógeno, glucosa, maltosa, fulereno C60, un ácido nucleico, una proteína, o un ligando; y

m es 0 - 30.

6. El método de la Reivindicación 5 en donde el compuesto de patronamiento es ácido 2-mercapto-acético o n-30 octadecanotiol.

7. El método de la Reivindicación 1 en donde el sustrato es dióxido de silicio y el compuesto de patronamiento es una proteína o péptido o tiene la fórmula R1SH o R1SiCl3, en donde:

R1 tiene la fórmula X(CH2)n- ;

n es 0 - 30; 35

X es -CH3, -COOH, -CO2(CH2)mCH3, -OH, -CH2OH, etilén glicol, hexa(etilén glicol), -O(CH2)mCH3, -NH2, -NH(CH2)mNH2, halógeno, glucosa, maltosa, fulereno C60, un ácido nucleico, una proteína, o un ligando; y m es 0 - 30.

8. El método de la Reivindicación 7 en donde el compuesto de patronamiento es ácido 16-mercapto-1-hexadecanoico, octadeciltriclorosilano o 3-(2-aminoetilamino)propiltrimetoxisilano. 5

9. El método de la Reivindicación 1 en donde la punta es recubierta con el compuesto de patronamiento poniendo en contacto a la punta con una solución del compuesto de patronamiento una o más veces.

10. El método de la Reivindicación 9 que comprende además secar la punta cada vez que es removida de la solución del compuesto de patronamiento, excepto la última vez de manera que la punta está húmeda aún cuando se la pone en contacto con el sustrato para producir el patrón deseado. 10

11. El método de la Reivindicación 9 que comprende además:

enjuagar la punta después de que ha sido utilizada para aplicar el patrón al sustrato;

recubrir la punta con un compuesto de patronamiento diferente; y

poner en contacto la punta recubierta con el sustrato de manera que se aplica el compuesto de patronamiento al sustrato con el fin de producir un patrón deseado. 15

12. El método de la Reivindicación 11 en donde las etapas de poner en contacto, recubrimiento y lavado, se repiten utilizando tantos compuestos de patronamiento diferentes como sea necesario para la elaboración del(de los) patrón(es) deseado(s).

13. El método de la Reivindicación 12 que comprende además proporcionar un sistema de posicionamiento para alinear un patrón con respecto al(a los) otro(s) patrón(es). 20

14. El método de la Reivindicación 1 en donde se proporcionan una pluralidad de puntas.

15. El método de la Reivindicación 14 en donde cada una de la pluralidad de puntas es puesta en contacto con el mismo compuesto de patronamiento.

16. El método de la Reivindicación 14 en donde la pluralidad de puntas es puesta en contacto con una pluralidad de compuestos de patronamiento. 25

17. El método de la Reivindicación 14 en donde cada punta produce el mismo patrón que la otra(s) punta(s).

18. El método de la Reivindicación 17 que comprende además suministrar un sistema de posicionamiento para alinear un patrón con respecto al(a los) otro(s) patrón(es).

19. El método de la Reivindicación 14 en donde al menos una punta produce un patrón diferente a aquel producido por la(s) otra(s) puntas(s). 30

20. El método de la Reivindicación 19 que comprende además suministrar un sistema de posicionamiento para alinear un patrón con respecto al(a los) otro(s) patrón(es).

21. El método de la Reivindicación 1 en donde la punta es recubierta con un primer compuesto de patronamiento y se la utiliza para aplicar el primer compuesto de patronamiento a alguno o a todo de un segundo compuesto de patronamiento que ya ha sido aplicado al sustrato, siendo el segundo compuesto de patronamiento capaz de 35 reaccionar o de combinarse en forma estable con el primer compuesto de patronamiento.

22. El método de la Reivindicación 1 que comprende además tratar la punta ante de recubrirla con el compuesto de patronamiento para mejorar la fisisorción del compuesto de patronamiento.

23. El método de la Reivindicación 22 en donde la punta es recubierta con una capa delgada sólida de adhesión para mejorar la fisisorción del compuesto de patronamiento. 40

24. El método de la Reivindicación 23 en donde la punta es recubierta con titanio o cromo para formar la capa delgada sólida de adhesión.

25. El método de la Reivindicación 22 en donde el compuesto de patronamiento está en solución acuosa y se trata la punta para hacerla hidrofílica con el propósito de mejorar la fisisorción del compuesto de patronamiento.

26. El método de cualquiera de las Reivindicaciones 1 - 25 en donde la punta es una punta de microscopio de fuerza atómica.

27. El método de cualquiera de las reivindicaciones 1 a 25, en donde la punta es una punta de microscopio óptico de 5 barrido de campo cercano (NSOM) o una punta de microscopio de túnel de barrido (STM).

28. El método de cualquiera de las reivindicaciones 1 a 27, en donde se suministra el compuesto al sustrato.

29. El método de cualquiera de las reivindicaciones 1 a 28, en donde se utiliza la punta para escribir el patrón.

30. El método de cualquiera de las reivindicaciones 1 a 29, en donde la punta es una punta hueca.

31. El método de cualquiera de las reivindicaciones 1 a 30, en donde el compuesto es una proteína o péptido. 10

32. El método de cualquiera de las reivindicaciones 1 a 30, en donde el compuesto es un ácido nucleico, preferiblemente un oligonucleótido, un ADN o un ARN.

33. El método de patronamiento de un sustrato de acuerdo con el método de cualquiera de las Reivindicaciones 1 - 32.