Dr. Stefan Partel vom Forschungszentrum Mikrotechnik promovierte mit der Arbeit "Fabrication of interdigitated electrode arrays for biosensors by advanced mask aligner lithography” am Institut für Mikrosystemtechnik der Uni Freiburg.

Die Arbeit beschäftigt sich mit der Entwicklung und Herstellung eines hoch sensitiven elektrochemischen Biosensors. Der amperometrische Sensor basiert auf Redoxreaktionen an ineinandergreifenden Elektrodenstrukturen (IDAs) mit Elektrodenabständen im Submikrometer – bzw. Nanometer-Bereich. Die Herstellung der Initialstrukturen erfolgte dabei durch Mask Aligner Lithographie. Der Lithographieprozess wurde unter Zuhilfenahme von Simulationen optimiert. Dazu wurde ein Dissolution Rate Monitor (DRM) angefertigt, der den Fotolackabtrag während des Entwicklungsprozesses misst. Die somit erhaltenen Daten ermöglichen es ein parameterbasiertes Fotolackmodell zu entwickeln. Mithilfe der Simulation konnte ein erster Biosensor (Gen1) mit einem Elektrodenabstand von einem Mikrometer auf einem transparenten Substrat hergestellt werden. Dies wurde mithilfe einer dünnen Titanschicht realisiert, die die Rückseitenreflektion am Substrat unterdrückt. Die elektrochemische Auswertung zeigte eine Signalverstärkung von 14 (PAP).
Der zweite hergestellte Biosensor (Gen2) basiert auf einem mehrschichtigen Substrataufbau und ermöglicht eine weitere Reduktion des Elektrodenabstandes. Elektrodenabstände bis 140 nm wurden mit dieser Fertigungsmethode realisiert. Der Elektrodenabstand wird primär durch den thermischen Oxidationsprozess definiert. Somit können mit nur einer Lithographiemaske die Elektrodenabstände im Nachhinein angepasst werden. Elektrochemische Messungen haben gezeigt, dass auch diese Herstellungsmethode für Biosensoren geeignet ist.
Der dritte hergestellte Biosensor (Gen3) verzichtet komplett auf einen lift-off Prozess und lässt ebenfalls eine Anpassung des Elektrodenabstandes nach der Lithographie zu. Die Anforderungen an den Lithographieprozess sind hierbei relative gering, eine Initialstruktur von 1 μm ist ausreichend, um effektive Elektrodenabstände im Nanometerbereich zu erzielen. Dabei wird der Abstand primär durch einen Beschichtungsprozess gesteuert und die Lithographie spielt eine untergeordnete Rolle. Durch die Beschichtung wird ein negativer Flankenwinkel erreicht, der nötig ist um die Elektroden elektrisch zu separieren. Mittels Hilfsstrukturen (AsFe) kann der Flankenwinkels bei kritischen Strukturen optimiert werden, was zu einer präzisieren Linienbreite führt und somit die Prozessstabilität verbessert. Mit dieser Herstellungsmethode konnten Verstärkungsfaktoren von 116 (ferrocenemethanol) erreicht werden. Unseres Wissens ist dies die bisher höchste dokumentierte Verstärkung, die mittels IDAs erzielt wurde. Der Herstellungsprozess ist hervorragend für die Massenfertigung geeignet, die Initialstruktur kann beispielsweise mittels Spritzguss oder Heißprägen erstellt werden. Der negative Flankenwinkel und die Elektroden werden mittels Beschichtung hergestellt. Das Maskendesign wurde mit Hilfe von Simulation optimiert. Durch die Prozesskombination und die Strukturoptimierung ist es möglich, mit Mask Aligner Belichtung Strukturen unter 100 nm zu erzeugen.

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