CN101759142A

CN101759142A - 纳流体测试器件的制备方法

Info

Publication number: CN101759142A
Application number: CN201010034281A
Authority: CN
Inventors: 张加勇; 王晓峰; 王晓东; 杨富华; 马慧莉; 程凯芳
Original assignee: Institute of Semiconductors of CAS
Current assignee: Institute of Semiconductors of CAS
Priority date: 2010-01-20
Filing date: 2010-01-20
Publication date: 2010-06-30

Abstract

一种纳流体测试器件的制备方法，包括：在衬底上生长一层电热绝缘材料层和基底材料层；去除基底材料层的四边，形成图形作为制备侧墙的基底；在该电热绝缘材料层的上面和基底材料层的表面及侧面淀积侧墙材料层；去除基底材料层上表面和电热绝缘材料层表面的侧墙材料层，形成侧墙；去除基底材料层，只保留纳米尺寸的侧墙；在该侧墙材料层的一条边上搭上一条制作电极的抗腐蚀的金属层；在电热绝缘材料层及金属层上制备一层制作纳流体通道的抗腐蚀绝缘材料层；抛光表面，去除金属层上面的抗腐蚀绝缘材料层；再用湿法腐蚀方法去除剩余的侧墙材料层形成纳流体通道；最后淀积一层绝缘材料将纳流体通道封顶，再在通道两端开孔并在通道两侧的金属上引出电极即可形成纳流体测试器件。

Description

纳流体测试器件的制备方法

技术领域

本发明涉及微纳技术领域，特别涉及一种纳流体测试器件的制备方法。本发明提出了一种采用侧墙工艺、湿法腐蚀方法和化学机械抛光(CMP)制备纳流体测试器件的方法。该方法尽量避免使用电子束曝光的成本高、周期长的不足，制备方法简单，可控性好，在突破光刻分辨率限制及提高纳流体测试器件的制备效率等方面具有很大的优越性。

背景技术

纳流通道在微纳米技术领域尤其是在微纳米生物领域有着广泛的应用。将纳流通道与电极相结合构成的纳流体测试器件，可以实现对DNA/RNA、蛋白质及多肤、药物、毒品和氨基酸等进行检测分析，应用在基因测序、药物筛选、蛋白组学、临床诊断等领域。为了实现这种纳流体测试器件，首先必须获得宽度为纳米级的纳流通道，然后再在通道内制作间距更小的电极。但是，在宽度为纳米级的纳流通道内制备间距更小的电极，存在非常的技术困难；即使能实现，也存在重复性差和成本高的缺陷。因此，如何实现纳流通道和电极的有效的结合成为我们研究的重要方向。

目前，纳米结构的制备方法主要有：光刻、电子束刻蚀、聚焦离子束刻蚀、微接触印刷、电化学方法和电迁移方法等。但是，光学光刻方法受到光波波长限制，刻蚀的极限在微米量级，难以达到纳米量级；微接触印刷、电子束刻蚀和聚焦离子束刻蚀的方法周期长成本高；电化学和电迁移方法工艺可靠性较低，可能导致与CMOS工艺的不兼容。为了突破光刻分辨率限制及提高器件与CMOS工艺的兼容性，寻找简单而低成本的制备纳流体测试器件的方法，我们提出本发明构思。

发明内容

本发明的主要目的在于提供一种纳流体测试器件的制备方法，以寻找到一种纳流体测试器件的制备方法，并且制备方法简单且成本较低，能够突破光刻分辨率限制，并提高纳流体测试器件的制备效率。

为达到上述目的，本发明提供一种纳流体测试器件的制备方法，包括如下步骤：

步骤1：在衬底上生长一层抗腐蚀的电热绝缘材料层和基底材料层；

步骤2：用光刻和干法刻蚀的方法去除基底材料层的四边，形成图形作为制备侧墙的基底；

步骤3：在该电热绝缘材料层的上面和基底材料层的表面及侧面淀积侧墙材料层；

步骤4：采用干法回刻，去除基底材料层上表面的和电热绝缘材料层表面的侧墙材料层，将形成高和宽均为纳米尺寸的侧墙；

步骤5：用湿法腐蚀的方法去除基底材料层，只保留纳米尺寸的侧墙；

步骤6：采用光刻或电子束光刻+薄膜淀积+剥离工艺在该侧墙材料层的一条边上搭上一条制作电极的抗腐蚀的金属层；

步骤7：再用薄膜淀积工艺，在电热绝缘材料层及金属层上制备一层制作纳流体通道的抗腐蚀绝缘材料层；

步骤8：然后用化学机械抛光的方法，抛光表面，去除金属层上面的抗腐蚀绝缘材料层，同时切断侧墙材料层两旁的金属的连接；

步骤9：再用湿法腐蚀方法去除剩余的侧墙材料层形成纳流体通道；

步骤10：最后淀积一层绝缘材料将纳流体通道封顶，再在通道两端开孔并在通道两侧的金属上引出电极即可形成纳流体测试器件。

其中所述电热绝缘材料层是氮化硅或SiO₂；所述基底材料层是SiO₂、氮化硅或多晶硅；所述侧墙材料层是SiO₂、氮化硅或多晶硅；所述抗腐蚀金属层是钨、镍、铜、银、金或铂，所述抗腐蚀绝缘材料层和绝缘材料是SiO₂或氮化硅。

其中步骤1中所述衬底是半导体材料衬底或绝缘材料衬底。

其中所述半导体材料衬底是硅片或SOI片，所述绝缘材料衬底是SiO₂或玻璃。

其中所述基底材料层的厚度为20-2000nm。

其中所述侧墙材料层形成的侧墙的宽度为5-200nm。

其中所述纳流体通道的宽度为5-200nm，高度大于所淀积的金属的厚度并小于侧墙的高度。

从上述技术方案可以看出，本发明具有以下有益效果：

本发明提供的这种纳流体测试器件的制备的方法，采用薄膜工艺、光刻剥离工艺、光刻干法刻蚀工艺、湿法刻蚀工艺和侧墙工艺制备了纳流体测试器件。这种纳流体测试器件的制备方法的特点在于：结构简单，制备方便，测试器件尺寸小，尽量避免了使用电子束曝光(EBL)，聚焦离子束曝光(FIB)等技术，大大降低了成本，集成度大幅度的提高，同时突破光刻分辨率限制及提高了纳流体测试器件的制备效率等。

附图说明

为进一步描述本发明的具体技术内容，以下结合实施例及附图详细说明如后，其中：

图1是本发明提供的纳流体测试器件的制备方法的流程图；

图2-图10是制备纳流体测试器件的结构示意图，其中图2-图10中的(b)均是(a)的俯视图。

具体实施方式

请参阅图1至图10所示，本发明一种纳流体测试器件的制备方法，包括如下步骤：

步骤1：在衬底101上生长一层抗腐蚀的电热绝缘材料层102和基底材料层103；所述的电热绝缘材料102，可以是氧化物、氮化物、硫化物或者是由氧化物、氮化物、硫化物中的至少两种构成的混合物中的任一种；所述在衬底上生长一层电热绝缘材料102，可以是采用溅射法、蒸发法、等离子体辅助淀积法、化学气相淀积法、金属有机物热分解法、激光辅助淀积法和热氧化方法中的一种实现；所述电热绝缘材料102，对于步骤5中湿法去除基底材料层103和后叙的步骤9中湿法去除侧墙材料层104时使用的腐蚀液均具抗腐蚀性；其中所述的基底材料层103，可以是氧化物、氮化物、硫化物或者是由氧化物、氮化物、硫化物中的至少两种构成的混合物中的任一种；所述淀积一层基底材料层103，可以是采用溅射法、蒸发法、等离子体辅助淀积法、化学气相淀积法、金属有机物热分解法、激光辅助淀积法和热氧化方法中的一种实现(图2)；

步骤2：用光刻和干法刻蚀的方法去除基底材料层103的四边，形成图形作为制备侧墙的基底(图2)；

步骤3：在该电热绝缘材料层102的上面和基底材料层103的表面淀积侧墙材料层104；其中所述的侧墙材料层104，可以是氧化物、氮化物、硫化物或者是由氧化物、氮化物、硫化物中的至少两种构成的混合物中的任一种；所述淀积一层侧墙材料层104，可以是采用溅射法、蒸发法、等离子体辅助淀积法、化学气相淀积法、金属有机物热分解法、激光辅助淀积法和热氧化方法中的一种实现；所述的侧墙材料层104，对于后叙的步骤5中去除基底材料层103时使用的腐蚀液具有抗腐蚀性(图3)；

步骤4：采用干法回刻，去除基底材料层103上表面的和电热绝缘材料层102表面的侧墙材料层104，将形成高和宽均为纳米尺寸的侧墙(图4)；

步骤5：用湿法腐蚀的方法去除基底材料层103，只保留纳米尺寸的侧墙；其中的腐蚀液可以是HF酸、TMAH溶液、热浓磷酸等中的一种(图5)；

步骤6：再用光刻或电子束光刻+薄膜淀积+剥离工艺在抗腐蚀绝缘材料层106上搭上一条制作电极的抗腐蚀的金属层105；所述的抗腐蚀的金属层105，对于步骤9中去除侧墙材料层104时使用的腐蚀液具有抗腐蚀性；所述抗腐蚀的金属层105，可以是钨、镍、铜、银、金或铂中的任一种；所述抗腐蚀的金属层105，可以是采用溅射法、蒸发法和化学气相淀积法中的一种制备的(图6)；

步骤7：采用薄膜淀积工艺制备一层制作纳流体通道的抗腐蚀绝缘材料层106；所述的抗腐蚀材料层106，对于步骤9中去除侧墙材料层104时使用的腐蚀液具有抗腐蚀性；所述抗腐蚀材料层106，可以是氧化物、氮化物、硫化物或者是由氧化物、氮化物、硫化物中的至少两种构成的混合物中的任一种；所述淀积抗腐蚀材料层106，可以是采用溅射法、蒸发法、等离子体辅助淀积法、化学气相淀积法、金属有机物热分解法、激光辅助淀积法和热氧化方法中的一种实现的(图7)；

步骤8：然后用化学机械抛光(CMP)的方法抛光表面同时切断侧墙104两旁的金属105的连接，其中所述的抛光过程中，必须将侧墙顶部的金属105抛断，并且不能抛到电热绝缘层102上的金属105(图8)；

步骤9、再用湿法腐蚀方法去除剩余的侧墙材料104形成纳流体通道107，其中的腐蚀液可以是HF酸、TMAH溶液、热浓磷酸等中的一种(图9)；

步骤10、最后淀积一层绝缘材料108将纳流体通道107封顶，再在通道两端开孔并在通道两侧的金属105上引出电极即可形成纳流体测试器件。其中所述的绝缘材料108，可以是氧化物、氮化物、硫化物或者是由氧化物、氮化物、硫化物中的至少两种构成的混合物中的任一种；所述淀积一层绝缘材料108，可以是采用溅射法、蒸发法、等离子体辅助淀积法、化学气相淀积法、金属有机物热分解法、激光辅助淀积法和热氧化方法中的一种实现的(图10)。

实施例一

1、采用单晶硅片、SOI片等半导体或者绝缘材料作为衬底101；

2、采用薄膜制备工艺，在衬底上制备200nm氮化硅作为电热绝缘层102和450nm多晶硅作为基底材料层103；

3、用光刻和干法刻蚀的方法去除基底材料层103的四边，形成图形作为制备侧墙的基底；

4、在该电热绝缘材料层102的上面和基底材料层103的表面及侧面淀积200nm SiO₂作为侧墙材料层104；

5、采用干法回刻，去除基底材料层103上表面的和电热绝缘材料层102表面的侧墙材料层104，将形成高450nm和宽88nm的SiO₂侧墙；

6、用恒温TMAH溶液漂去侧墙基底103(恒温TMAH溶液对衬底氮化硅和侧墙二氧化硅的刻蚀选择比很高)，TMAH溶液的温度恒定在70℃中，只保留纳米尺寸的侧墙；

7、采用光刻或电子束光刻+薄膜淀积+剥离工艺在该侧墙材料层104的一条边上搭上一条制作电极的钨金属层105，金属厚度为50nm；

8、再用PECVD制备结构为200nm SiO₂/100nm SiN/200nm SiO₂的叠层作为制作纳流体通道的抗腐蚀绝缘材料层106，其中SiN作为CMP工艺的截止层；

9、用化学机械抛光(CMP)的方法抛光表面至SiN截止层同时切断侧墙104两旁的金属105的连接，再用稀释的缓冲HF去除剩余的侧墙材料104形成纳流体通道107；

10、最后淀积一层500nm的SiO₂108将纳流体通道107封顶，再在通道两端开孔并在通道两侧的金属上105引出电极即可形成纳流体测试器件，该期间的通道宽度为88nm高度为350nm，电极间距为88nm。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种纳流体测试器件的制备方法，包括如下步骤：

2.根据权利要求1所述的纳流体测试器件的制备方法，其中所述电热绝缘材料层是氮化硅或SiO₂；所述基底材料层是SiO₂、氮化硅或多晶硅；所述侧墙材料层是SiO₂、氮化硅或多晶硅；所述抗腐蚀金属层是钨、镍、铜、银、金或铂，所述抗腐蚀绝缘材料层和绝缘材料是SiO₂或氮化硅。

3.根据权利要求1所述的纳流体测试器件的制备方法，其中步骤1中所述衬底是半导体材料衬底或绝缘材料衬底。

4.根据权利要求3所述的纳流体测试器件的制备方法，其中所述半导体材料衬底是硅片或SOI片，所述绝缘材料衬底是SiO₂或玻璃。

5.根据权利要求1所述的纳流体测试器件的制备方法，其中所述基底材料层的厚度为20-2000nm。

6.根据权利要求1所述的纳流体测试器件的制备方法，其中所述侧墙材料层形成的侧墙的宽度为5-200nm。

7.根据权利要求1所述的纳流体测试器件的制备方法，其中所述纳流体通道的宽度为5-200nm，高度大于所淀积的金属的厚度并小于侧墙的高度。