CN102445480A - 在纳米孔表面和孔内制备纳米间隙电极的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及在纳米孔表面和孔内制备纳米间隙电极的方法，可以实现二维双通道同时检测分子过孔的信号变化，提高纳米孔测序的精确度。所述在纳米孔表面制备纳米间隙电极的方法是：在基材表面形成线宽度为微米级金属线，将金属线刻蚀成线宽度为纳米级，然后在对应于纳米级线宽的金属线位置，在基材上刻蚀出贯穿的纳米孔，同时蚀断金属线，从而直接在纳米孔孔口形成表面纳米间隙电极。作为本发明的改进，在基材表面形成线宽度为微米级金属线，将金属线刻蚀至线宽度为10-50nm，然后在金属线上刻蚀，形成相对的电极，并在基材上对应于纳米间隙的位置刻蚀出贯穿的纳米孔，最后使金属线向纳米孔边缘生长，从而在纳米孔孔口形成表面纳米间隙电极。

Description

在纳米孔表面和孔内制备纳米间隙电极的方法
技术领域
本发明涉及一种在纳米孔表面和孔内制备纳米间隙电极的方法。 
背景技术
纳米孔用于生物分子的检测就是通过电泳，驱动一个生物分子穿过一个直径为几纳米数量级的小孔。1996年，Kasianowicz及其同事首次报道了单链DNA或RNA在电场作用下通过自组装在脂质双分子层上的α-溶血素纳米孔，并且在DNA分子通过孔时改变纳米孔的电导，引起电流变化，从而产生了阻塞电流(blockade current)的现象。由于不同的碱基具有不同的原子组成，所以他们在穿过纳米孔时会产生的阻塞电流大小不同，根据可检测到的信号可以区分出四种不同的碱基A、T、C、G，从而获得了DNA或者RNA分子的序列信息，可以实现直接、快速的检测单链DNA或RNA分子碱基的方法[Branton D，et al.，Nature Biotechnol.2008，26，1146-1153；Deamer D W，Branton D.Acc Chem Res.2002，35，817-825]。这种检测的方法较前两代检测方法具有更快的检测速度，更低的检测成本，是一种极具吸引力的新研究方向，也是达到低成本测序目标的新技术之一，此方法一经报道立刻引起了界内的广泛注视，大量的研究者也投入到此项技术发展的研究中来。 
由于生物纳米孔需要组装在脂质双分子层膜上才能使用，脂质双分子层膜的化学稳定性很差，不易保存等缺点使得研究人员考虑到用其他材料代替生物的纳米孔以克服其存在的固有缺点。于是在2001年Li.et.al等人[Li J，et al.Nature，2001，412，166-169]率先利用自行改装的带离子束反馈监测控制系统的聚焦离子束工作站，实现了Si3N4薄膜上1.8nm的纳米孔可靠制备。这个工作的完成，开启固态纳米孔(solid-state nanopore)研究的先河。固态纳米孔相对于生物纳米孔来说具有更易保存，化学稳定性好，孔径尺寸以及通道长度可控等优势，因此成为近几年纳米孔研究中的热点。 
然而，由于当前制备材料的稳定性及绝缘性、加工工艺、纳米雕刻技术的限制，现在的固态纳米孔的长度还无法达到单个核苷酸的长度(＜0.4nm)，所以一条链穿过纳米孔的过程中，多个核苷酸将同时阻塞在孔内引起电流的变化，受限于这些因素暂时还无法单纯地依靠检测纵向的阻塞电流的变化，来实现DNA的单碱基测序。 
基于量子隧道效应产生的横向隧道电流可以很好地弥补这一点，这就需要通过纳米间隙电极来测得。在两个电极之间加上一定的电压，当两个电极的间距达到纳米尺度时，由于量子隧道效应会有少量的电子通过，从一个电极到达另一个电极，从而形成隧道电流。隧道电流的大小与两电极之间的间距有关，间距每改变0.1nm，电流就会增大数十倍。 
在纳米孔孔内制备上纳米间隙电极，在纳米孔检测大分子过孔产生阻塞电流的同时，纳米间隙电极测量大分子过孔时在横向产生的隧道电流的大小，从而实现二维双通道同时检测 分子过孔的信号变化，提高纳米孔测序的精确度。 
发明内容
本发明提供一种在纳米孔表面和孔内制备纳米间隙电极的方法，可以实现二维双通道同时检测分子过孔的信号变化，提高纳米孔测序的精确度。 
所述在纳米孔表面制备纳米间隙电极的方法是：在基材表面形成线宽度为微米级金属线，将金属线刻蚀成线宽度为纳米级，然后在对应于纳米级线宽的金属线位置，在基材上刻蚀出贯穿的纳米孔，同时蚀断金属线，从而直接在纳米孔孔口形成表面纳米间隙电极。需要说明的是，此处金属线的蚀断和纳米孔的刻蚀在实际操作中并不是同时发生，前述的“同时”是指，由于金属线的线宽度为纳米级，因此，只需要一步刻蚀步骤就可以达到刻蚀纳米孔和蚀断金属线的目的，形成纳米间隙电极和形成纳米孔无需分步骤操作。 
优选，使用聚焦电子束将金属线刻蚀成线宽度为纳米级。 
优选，使用聚焦电子束、高能电子束或直接控制AFM的针尖在金属线上刻蚀出纳米间隙。 
作为本发明的改进，在基材表面形成线宽度为微米级金属线，将金属线刻蚀至线宽度为10-50nm，然后在金属线上刻蚀，形成两个相对的电极，并在基材上对应于纳米间隙的位置刻蚀出贯穿的纳米孔，最后使金属线向纳米孔边缘生长，从而在纳米孔孔口形成间距为1-1onm的表面纳米间隙电极。优选的方案如下所示： 
一、在基材表面形成线宽度为微米级金属线，将金属线刻蚀至线宽度为10-50nm，然后在金属线上刻蚀，形成两个相对的电极，电极间距在10-50nm之间，并在基材上对应于纳米间隙的位置刻蚀出贯穿的纳米孔，最后采用聚焦离子束诱导沉积方法对电极进行诱导沉积，使金属线向纳米孔边缘生长，从而在纳米孔孔口形成间距为1-1onm的表面纳米间隙电极。 
二、在基材表面形成线宽度为微米级金属线，将金属线刻蚀至线宽度为10-50nm，然后在金属线上刻蚀，形成两个相距40～500nm的电极，并在基材上对应于纳米间隙的位置刻蚀出贯穿的纳米孔，最后采用电化学方法在电极表面沉积金属，使金属线向纳米孔边缘生长，从而在纳米孔孔口形成间距为1-1onm的表面纳米间隙电极。 
三、在基材表面形成线宽度为微米级金属线，将金属线刻蚀至线宽度为10-50nm，然后在金属线上刻蚀，形成两个相对的电极，电极间距在10-50nm之间，并在基材上对应于纳米间隙的位置刻蚀出贯穿的纳米孔，最后在电极表面覆盖胶体金溶液，施加交流偏压，在双电泳作用下，胶体金纳米颗粒在电极间连成一条纳米线，然后将交流偏压变成直流偏压，使纳米线中的缺陷部位产生断裂，从而在纳米孔孔口形成间距为1-1onm的表面纳米间隙电极。 
一种在纳米孔表面制备纳米间隙电极的方法，在基材表面形成金属线，使用聚焦电子束在金属线上刻蚀出纳米间隙，然后在基材上对应于纳米间隙的位置刻蚀出贯穿的纳米孔，从而在纳米孔孔口形成表面纳米间隙电极。 
一种在纳米孔孔内制备纳米间隙电极的方法，在氮化硅基材上形成线宽为5μm金属线图形，然后在金属线上沉积一层表层覆盖层，在对应金属线的位置，刻蚀出贯穿氮化硅基材和表层覆盖层的纳米孔，从而在纳米孔孔内形成纳米间隙电极。 
基材可以通过以下方法制备：双面抛光的硅晶圆，清洗以去除硅晶圆表面自然氧化形成的二氧化硅。通过溅射或热氧化生长形成一层纳米量级厚的二氧化硅薄膜，使用低压气相化学沉积(Low Pressure Chemical Vapor Deposition，LPCVD)或等离子增强化学沉积(PECVD)的方法在二氧化硅薄膜沉积一层10-100nm的氮化硅，将这一面定义为正面。硅片的另一面LPCVD或PECVD沉积一层几百纳米的氮化硅，将这一面定义为反面。在反面涂覆光刻胶后曝光显影形成刻蚀窗图形，然后用等离子刻蚀(RIE)刻蚀，在氮化硅薄膜上刻蚀出几百微米的正方形的腐蚀窗(5)，紧接着用50％的四甲基(TMAH)溶液在90℃条件下腐蚀硅基底，直到二氧化硅层停止，最终形成一个低应力自支撑氮化硅薄膜的窗口，构成悬臂结构，窗口氮化硅薄膜即可作为本发明所述基材。 
本发明可以在纳米孔表面和孔内制备纳米间隙电极，以实现二维双通道同时检测分子过孔的信号变化，提高纳米孔测序的精确度。 
附图说明
图1是实施例1-6所述基材的制备流程； 
图2是实施例1的制备流程； 
图3是实施例2的制备流程(俯视方向)； 
图4是实施例3的制备流程； 
图5是实施例4的制备流程； 
图6是实施例5的制备流程； 
图7是实施例6的示意图； 
图8是实施例7的制备流程。 
具体实施方式
以下实施例中，所述基材按图1所示流程进行制备。 
如图1所示，双面抛光的4寸硅晶圆1，先用浓硫酸和双氧水的混合溶液清洗10-15分钟，接着用BOE清洗，以去除硅晶圆表面自然氧化形成的二氧化硅。通过溅射或热氧化生长形成一层纳米量级厚的二氧化硅薄膜2，使用低压气相化学沉积(Low Pressure Chemical Vapor  Deposition，LPCVD)或等离子增强化学沉积(PECVD)的方法在二氧化硅薄膜沉积一层10-100nm的氮化硅3，将这一面定义为正面。硅片的另一面LPCVD或PECVD沉积一层几百纳米的氮化硅4，将这一面定义为反面。在反面涂覆光刻胶后曝光显影形成刻蚀窗图形，然后用等离子刻蚀(RIE)刻蚀，在氮化硅薄膜上刻蚀出几百微米的正方形的腐蚀窗5，紧接着用50％的四甲基(TMAH)溶液在90℃条件下腐蚀硅基底，直到二氧化硅层停止，最终形成一个低应力自支撑氮化硅薄膜的窗口，构成悬臂结构6。 
实施例1 
正面氮化硅薄膜上，经紫外光刻在光刻胶上形成需要的金属线图案，然后使用电子束蒸镀仪蒸镀出金属线图形7。最后在腐蚀窗的金属线位置，使用聚焦电子束刻蚀在金属线上刻蚀出一条纳米间隙8，然后再刻蚀一个纳米孔9，在纳米孔孔口形成表面纳米间隙电极。 
实施例2 
正面氮化硅薄膜上，经紫外光刻在光刻胶上形成需要的金属线图案，然后使用电子束蒸镀仪蒸镀出金属线图形7。最后在腐蚀窗的金属线位置，使用聚焦电子束将线宽度为微米级的金属线刻蚀成一条纳米线10，然后使用聚焦离子束或者高能电子束刻蚀出一个纳米量级的小孔11，刚好刻蚀断金属纳米线，在纳米孔孔口形成表面纳米间隙电极。这种方法制备的表面纳米间隙电极，间距能控制在10-50nm范围内。通过刻蚀纳米孔时刚好刻蚀断纳米金属线的这种方法制备形成的纳米间隙电极的间距都会比纳米孔的孔径稍大一点，图3由于图片太小，无法具体示出。 
实施例3 
在实施例2基础上，用聚焦离子束诱导沉积方法在纳米间隙电极12表面沉积Pt线条。制作Pt线条的宽度设定在5-50nm之间，长度依据FIB刻蚀的纳米电极到纳米孔边缘的距离而定，厚度为几纳米到几十纳米之间。选择30kV的加速电压，选择不同的离子束束流沉积Pt线条，先选择其中的一条电极进行诱导沉积一侧Pt线条13，观测到Pt线靠近孔边缘的时候停止沉积，然后从另外一条电极开始沉积另一侧Pt线条14，观测到Pt线靠近孔边缘的时候停止沉积，最终可以在纳米孔上方形成间距为1-10nm的的纳米间隙电极。 
实施例4 
在实施例2基础上，在纳米间隙电极上滴胶体金溶液15，使胶体金纳米颗粒的溶液覆盖于电极表面，外加交流偏压，产生梯度场，在双电泳的作用下，胶体金纳米颗粒会在电极间连成一条纳米线16。当交流偏压变成直流偏压时，基于电子迁移原理，纳米线中的缺陷部位会产生微小的断裂17，然后再用高能电子束或者聚焦离子束在断裂部位进一步刻蚀，将断裂部位的间距控制在1-10nm，最终形成集成了间距为1-10nm的表面间隙电极18的纳米孔。 
实施例5 
正面氮化硅薄膜上，经紫外光刻在光刻胶上形成需要的金属线图案，然后使用电子束蒸 镀仪蒸镀出金属线图形。最后在腐蚀窗的金属线位置，使用聚焦电子束将线宽度为微米级的金属线刻蚀成一条纳米线19，最后直接控制AFM的针尖机械刻蚀出一个纳米间隙20，然后再用高能电子束在纳米间隙之间刻蚀一个纳米孔21，最终形成了集成表面间隙电极的纳米孔。 
实施例6 
在实施例2基础上，利用电化学方法将电解液中的金属沉积到前面制做的金属电极上面。在沉积的过程中可以测量到2～3μA的沉积电流，所对应的沉积侧向速度为1A/s。在电极的生长中，随着两个电极距离的不断接近，在开始相距较远的时候首先测量到两电极之间电解质的电阻，接下来相距nm级的间距时，可以观察到隧道电流并且伴随着电阻的进一步降低，隧道电流与相应的间隙大小呈负指数变化。当两个电极连接时就会产生量化电阻率。用锁相放大器监测两电极之间的距离，最终在纳米孔上形成了间距为1-10nm的间隙电极23。 
实施例7 
双面抛光的4寸硅晶圆24，先用浓硫酸和双氧水的混合溶液清洗10-15分钟，接着用BOE清洗，以去除硅晶圆表面自然氧化形成的二氧化硅。通过溅射形成一层几纳米的二氧化硅薄膜25，使用低压气相沉积方法(Low Pressure Chemical Vapor Deposition，LPCVD)在二氧化硅薄膜上(即正面)沉积一层10-100nm的氮化硅26。正面的氮化硅薄膜上，经传统光刻方法在光刻胶上形成需要的金属线图案，然后使用电子束蒸镀仪蒸镀出金属线图形27。然后用电子束曝光曝光出金属线的图案，进一步蒸镀上金属，这就形成完整的金属线图形28，接着在金属线上沉积一层氮化硅29。硅片反面LPCVD沉积一层400nm左右的氮化硅30，光刻形成刻蚀窗图形，接着用RIE刻蚀，在氮化硅薄膜上刻蚀出腐蚀窗31，紧接着用TMAH溶液在刻蚀窗上继续腐蚀硅，形成悬臂结构32。最后在腐蚀窗的金属线位置，使用聚焦电子束打出纳米量级的小孔，刚好打断金属线，在纳米孔孔内形成纳米间隙电极33。当然，也可以先形成悬臂结构后再在正面氮化硅薄膜上形成金属线图形，然后沉积氮化硅后刻蚀得到纳米孔，在纳米孔孔内形成纳米间隙电极。 

Claims (9)

1.一种在纳米孔表面制备纳米间隙电极的方法，其特征在于，在基材表面形成线宽度为微米级金属线，将金属线刻蚀成线宽度为纳米级，然后在对应于纳米级线宽的金属线位置，在基材上刻蚀出贯穿的纳米孔，同时蚀断金属线，从而直接在纳米孔孔口形成表面纳米间隙电极。
2.如权利要求1所述的在纳米孔表面制备纳米间隙电极的方法，其特征在于，使用聚焦电子束将金属线刻蚀成线宽度为纳米级。
3.如权利要求1所述的在纳米孔表面制备纳米间隙电极的方法，其特征在于，使用聚焦电子束、高能电子束或直接控制AFM的针尖在金属线上刻蚀出纳米间隙。
4.如权利要求1-3中任一项所述的在纳米孔表面制备纳米间隙电极的方法，其特征在于，在基材表面形成线宽度为微米级金属线，将金属线刻蚀至线宽度为10-50nm，然后在金属线上刻蚀，形成两个相对的电极，并在基材上对应于纳米间隙的位置刻蚀出贯穿的纳米孔，最后使金属线向纳米孔边缘生长，从而在纳米孔孔口形成间距为1-10nm的表面纳米间隙电极。
5.如权利要求4所述的在纳米孔表面制备纳米间隙电极的方法，其特征在于，在基材表面形成线宽度为微米级金属线，将金属线刻蚀至线宽度为10-50nm，然后在金属线上刻蚀，形成两个相对的电极，电极间距在10-50nm之间，并在基材上对应于纳米间隙的位置刻蚀出贯穿的纳米孔，最后采用聚焦离子束诱导沉积方法对电极进行诱导沉积，使金属线向纳米孔边缘生长，从而在纳米孔孔口形成间距为1-10nm的表面纳米间隙电极。
6.如权利要求4所述的在纳米孔表面制备纳米间隙电极的方法，其特征在于，在基材表面形成线宽度为微米级金属线，将金属线刻蚀至线宽度为10-50nm，然后在金属线上刻蚀，形成两个相距40～500nm的电极，并在基材上对应于纳米间隙的位置刻蚀出贯穿的纳米孔，最后采用电化学方法在电极表面沉积金属，使金属线向纳米孔边缘生长，从而在纳米孔孔口形成间距为1-10nm的表面纳米间隙电极。
7.如权利要求4所述的在纳米孔表面制备纳米间隙电极的方法，其特征在于，在基材表面形成线宽度为微米级金属线，将金属线刻蚀至线宽度为10-50nm，然后在金属线上刻蚀，形成两个相对的电极，电极间距在10-50nm之间，并在基材上对应于纳米间隙的位置刻蚀出贯穿的纳米孔，最后在电极表面覆盖胶体金溶液，施加交流偏压，在双电泳作用下，胶体金纳米颗粒在电极间连成一条纳米线，然后将交流偏压变成直流偏压，使纳米线中的缺陷部位产生断裂，从而在纳米孔孔口形成间距为1-10nm的表面纳米间隙电极。
8.一种在纳米孔表面制备纳米间隙电极的方法，其特征在于，在基材表面形成金属线，使用聚焦电子束在金属线上刻蚀出纳米间隙，然后在基材上对应于纳米间隙的位置刻蚀出贯穿的纳米孔，从而在纳米孔孔口形成表面纳米间隙电极。
9.一种在纳米孔孔内制备纳米间隙电极的方法，其特征在于，通过电子束光刻的方法在氮化硅基材上形成线宽为5μm的金属线图形，然后在金属线上沉积一层表层覆盖层，在对应金属线的位置，刻蚀出贯穿氮化硅基材和表层覆盖层的纳米孔，从而在纳米孔孔内形成纳米间隙电极。
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