CN103193189A

CN103193189A - 一种用于dna检测的多电极纳米孔装置及其制造方法

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Publication number: CN103193189A
Application number: CN2013100548558A
Authority: CN
Inventors: 陈云飞; 章寅; 刘磊; 沙菁; 袁志山; 倪中华; 易红
Original assignee: Southeast University
Current assignee: Southeast University
Priority date: 2013-02-21
Filing date: 2013-02-21
Publication date: 2013-07-10
Anticipated expiration: 2033-02-21
Also published as: CN103193189B

Abstract

本发明公开了一种用于DNA检测的多电极纳米孔装置及其制造方法，该纳米孔装置包括第一SiO₂绝缘层、Si基底、SiO₂掩膜层、Pt门电极、第二SiO₂绝缘层、微米Pt径向电极、第三SiO₂绝缘层、腐蚀槽、纳米通孔、电子束诱导沉积SiO₂栅极绝缘层、电子束诱导沉积纳米Pt径向电极、Ag/AgCl电极、第一电流表、第一可调电压源、第二电流表、第二可调电压源、第三可调电压源。该纳米孔装置制造方法，首先采用传统MEMS工艺加工微米级基片，再使用双束系统中的气体注入系统和聚焦离子束系统，进行纳米级精度加工，制得多电极纳米孔装置。本发明通过门电极控制DNA分子穿过纳米孔时的速度，采集阻塞电流、遂穿电流信号，得到高分辨率待测DNA分子结构信息，完成DNA测序。

Description

一种用于DNA检测的多电极纳米孔装置及其制造方法

技术领域

本发明涉及微电子机械加工，属于微电子机械技术领域，具体涉及一种用于DNA检测的多电极纳米孔装置及其制造方法。

背景技术

目前，在对各种带电生物单分子的检测和研究分析方面，普遍采用纳米孔技术。纳米孔技术以其高通量、低成本的特性，使得1000 美元/人的宏伟基因组测序计划成为可能，而且在寻找疾病基因、进行疾病诊断和治疗方面带来质的进步[Service R. F., Science. 2006, 311, 1544-1546]。

当前，纳米孔技术的实现主要采用以下方法，首先将两个充满电解液的液池通过纳米孔连接，其中一个液池添加待检测DNA分子；然后利用电压源对两个液池施加偏置电压，驱动离子和DNA分子通过纳米孔，其中DNA分子会阻塞离子的通过，宏观上表现为离子电流幅值的变化，称之为阻塞电流信号；最后通过对阻塞电流信号进行分析研究，得到纳米孔DNA分子的结构信息，完成DNA测序。但是，由于DNA分子通过纳米孔速度过快，在120mV偏置电压下DNA分子通过纳米的孔速度大约为30bp/μm，而现有的传感器达不到这么高的分辨率，这就直接导致无法通过以上方法来完成对DNA分子的单碱基识别。

为解决上述问题，[Yen P. C., et al. Rev. Sci. Instrum. 2012, 83(3)] 提出了通过改变纳米孔壁电荷密度，使纳米孔壁带正电的方法，从而使DNA分子通过纳米孔时与孔壁相互吸引、减缓过孔速度，但是该方法下，由于DNA分子被孔壁吸引，首先靠近孔壁进而通过纳米孔，而靠近孔壁的离子运动相对较慢，此时就导致了DNA分子通过纳米孔时阻塞电流信号幅值小、分辨率低。

因此，基于上述问题，本发明提供一种用于DNA检测的多电极纳米孔装置及其制造方法。

发明内容

发明目的：本发明为克服现有纳米孔DNA检测装置的不足，提供一种用于DNA检测的多电极纳米孔装置及其制造方法，通过可靠的纳米精度多电极加工，达到控制DNA分子过孔速度，并且提高纳米孔检测技术的分辨率的目的。

技术方案：本发明一方面提供一种用于DNA检测的多电极纳米孔装置，包括第一SiO₂绝缘层、Si基底、SiO₂掩膜层、Pt门电极、第二SiO₂绝缘层、微米Pt径向电极、第三SiO₂绝缘层、腐蚀槽、纳米通孔、电子束诱导沉积SiO₂栅极绝缘层、电子束诱导沉积纳米Pt径向电极、Ag/AgCl电极、第一电流表、第一可调电压源、第二电流表、第二可调电压源和第三可调电压源；所述Si基底下方设有SiO₂掩膜层，上方设有第一SiO₂绝缘层；所述第一SiO₂绝缘层上方设有Pt门电极；所述Pt门电极上方设有第二SiO₂绝缘层；所述第二SiO₂绝缘层上方设有微米Pt径向电极；所述微米Pt径向电极上方设有第三SiO₂绝缘层；所述第一电流表连接第一可调电压源并连接Ag/AgCl电极两端；所述Ag/AgCl电极设置在纳米通孔两侧，其中一端连接第二电流表；所述第二电流表连接第二可调电压源并连接微米Pt径向电极两侧；所述第三可调电压源的一侧连接Pt门电极，另一侧接地。

所述腐蚀槽设置在多电极纳米孔装置中间下部。

所述纳米通孔设置在多电极纳米孔装置中间。

所述电子束诱导沉积SiO₂栅极绝缘层位于纳米通孔内壁，并包裹纳米孔内壁Pt门电极露出部分。

所述电子束诱导沉积纳米Pt径向电极与微米Pt径向电极相连接，位于第二SiO₂绝缘层上并向纳米通孔中心凸出。

本发明另一方面提供一种用于DNA检测的多电极纳米孔装置制造方法，该方法包括以下步骤：

步骤1、提供Si基底，用热氧化的方法使Si基底上方生长第一SiO₂绝缘层，下方生长SiO₂掩膜层。

步骤2、在SiO₂掩膜层中间刻蚀释放窗口。

步骤3、在第一SiO₂绝缘层上层沉积Pt薄膜，作为Pt门电极。

步骤4、在Pt门电极上层沉积第二SiO₂绝缘层，通过光刻的方法露出引线部分。

步骤5、在第二SiO₂绝缘层沉积Pt薄膜，通过光刻的方法得到两个微米Pt径向电极。

步骤6、在两个微米Pt径向电极上沉积第三SiO₂绝缘层，并通过光刻的方法刻蚀第三SiO₂绝缘层位于微米Pt径向电极的尖端和引线上方的部分，其中第三SiO₂绝缘层被刻蚀部分剩余厚度为180～220nm。

步骤7、释放SiO₂掩膜层上的窗口，使用TMAH溶液刻蚀Si基底得到上述薄膜层的悬空自支撑结构，并腐蚀第三SiO₂绝缘层露出的微米Pt径向电极的尖端和引线部分。

步骤8、采用聚焦离子束在两个微米Pt径向电极中间制作纳米通孔，并贯穿第一SiO₂绝缘层、Pt门电极、第二SiO₂绝缘层。

步骤9、用电子束诱导沉积绝缘材料的方法，沉积SiO₂栅极绝缘层将纳米孔壁露出的Pt门电极部分进行包裹。

步骤10、用电子束诱导沉积的方法，在纳米通孔两侧沉积两个纳米Pt径向电极，并连接至微米Pt径向电极。

所述步骤2中，采用反应离子刻蚀工艺刻蚀。

所述步骤3中，沉积采用溅射或蒸镀的方法。

所述步骤4中，沉积采用等离子体增强化学汽相沉积。

所述步骤5和步骤6中，通过光刻的方法进行图形化处理。

所述步骤7中，刻蚀溶液选用浓度为20%～30%的TMAH溶液。

所述步骤8中，采用聚焦离子束系统制作纳米通孔，直径为20～100nm。

所述步骤9和步骤10中，电子束诱导沉积采用双束系统中的气体注入系统，其中包裹Pt门电极的电子束诱导沉积SiO₂栅极绝缘层的厚度为5～35nm，沉积后两个纳米Pt径向电极之间的间距为1～20nm。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

本发明提出的一种用于DNA检测的多电极纳米孔装置及其制造方法，该方法，首先采用传统MEMS工艺加工微米级基片，再使用双束系统中的气体注入系统和聚焦离子束系统，进行纳米级精度加工，最后制得多电极纳米孔装置，此方法制得的多电极纳米孔装置具有高稳定性。该装置通过改变Pt门电极上的门电压改变纳米孔壁表面的电荷密度从而来控制DNA分子穿过纳米孔时的速度；同时，通过采集和分析纳米孔两端的离子电流信号和纳米Pt径向电极间的遂穿电流信号，能够高分辨率的获得待测DNA分子的结构信息，完成DNA分子测序。

附图说明

图1A至图1F所示为本发明实施例中采用传统MEMS微米精度加工制造方法示意图；

图2A至图2D所示为本发明实施例中采用双束系统纳米精度加工制造方法示意图，其中图2A至图2D所示的为图1F中白色虚线框中部分；

图3所示为本发明实施例的结构示意图；

其中，图中序号如下：1-第一SiO₂绝缘层、2-Si基底、3-SiO₂掩膜层、4-Pt门电极、5-第二SiO₂绝缘层、6-微米Pt径向电极、7-第三SiO₂绝缘层、8-腐蚀槽、9-纳米通孔、10-电子束诱导沉积SiO₂栅极绝缘层、11-电子束诱导沉积纳米Pt径向电极、12-Ag/AgCl电极、13-第一电流表、14-第一可调电压源、15-第二电流表、16-第二可调电压源、17-第三可调电压源。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明所述的一种用于DNA检测的多电极纳米孔装置及其制造方法做详细说明：

如图1A-2D所示的一种用于DNA检测的多电极纳米孔装置制造方法，包括以下步骤：

步骤1、提供Si基底2，用热氧化的方法使Si基底2上方生长第一SiO₂绝缘层1，下方生长SiO₂掩膜层3。

步骤2、在SiO₂掩膜层3中间刻蚀释放窗口。

步骤3、在第一SiO₂绝缘层1上层沉积Pt薄膜，作为Pt门电极4。

步骤4、在Pt门电极4上层沉积第二SiO₂绝缘层5，通过光刻的方法露出引线部分。

步骤5、在第二SiO₂绝缘层5沉积Pt薄膜，通过光刻的方法得到两个微米Pt径向电极6。

步骤6、在两个微米Pt径向电极6上沉积第三SiO₂绝缘层7，并通过光刻的方法刻蚀第三SiO₂绝缘层7位于微米Pt径向电极6的尖端和引线上方的部分，其中第三SiO₂绝缘层7被刻蚀部分剩余厚度为180 nm、200 nm 、220nm。

步骤7、释放SiO₂掩膜层3上的窗口，使用TMAH溶液刻蚀Si基底2得到上述薄膜层的悬空自支撑结构，并腐蚀第三SiO₂绝缘层7露出的微米Pt径向电极6的尖端和引线部分。

步骤8、采用聚焦离子束(Focus Ion Beam, FIB)在两个微米Pt径向电极6中间制作纳米通孔9，并贯穿第一SiO₂绝缘层1、Pt门电极4、第二SiO₂绝缘层5。

步骤9、用电子束诱导沉积绝缘材料的方法，沉积SiO₂栅极绝缘层10将纳米孔壁露出的Pt门电极4部分进行包裹。

步骤10、用电子束诱导沉积的方法，在纳米通孔9两侧沉积两个纳米Pt径向电极11，并连接至微米Pt径向电极6。

步骤2中，采用反应离子刻蚀工艺（Reactive Ion Etching，RIE）刻蚀。

步骤3中，沉积采用溅射或蒸镀的方法。

步骤4中，沉积采用等离子体增强化学汽相沉积（Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition，PECVD）。

步骤5和步骤6中，通过光刻的方法进行图形化处理。

步骤7中，优选刻蚀溶液浓度为20%、25%、30%的TMAH溶液，同时TMAH溶液对第三SiO₂绝缘层7也造成部分腐蚀效果，在步骤6中第三SiO₂绝缘层7位于微米Pt径向电极6的尖端和引线上方保留的部分被完全腐蚀掉，防止微米Pt径向电极6翘起。

步骤8中，采用聚焦离子束系统制作纳米通孔9，直径为20 nm、40 nm、60 nm、80 nm、100nm。

步骤9和步骤10中，电子束诱导沉积采用双束系统中的气体注入系统，其中包裹Pt门电极4的电子束诱导沉积SiO₂栅极绝缘层10的厚度为5 nm 、10 nm 、20nm 、30nm 、35nm，沉积后两个纳米Pt径向电极11之间的间距为1 nm、10 nm 、15 nm 、20nm。

如图3所示的采用上述方法制得的一种用于DNA检测的多电极纳米孔装置，包括第一SiO₂绝缘层1、Si基底2、SiO₂掩膜层3、Pt门电极4、第二SiO₂绝缘层5、微米Pt径向电极6、第三SiO₂绝缘层7、腐蚀槽8、纳米通孔9、电子束诱导沉积SiO₂栅极绝缘层10、电子束诱导沉积纳米Pt径向电极11、Ag/AgCl电极12、第一电流表13、第一可调电压源14、第二电流表15、第二可调电压源16和第三可调电压源17； Si基底2下方设有SiO₂掩膜层3，上方设有第一SiO₂绝缘层1；第一SiO₂绝缘层1上方设有Pt门电极4； Pt门电极4上方设有第二SiO₂绝缘层5；第二SiO₂绝缘层5上方设有微米Pt径向电极6；微米Pt径向电极6上方设有第三SiO₂绝缘层7；第一电流表13连接第一可调电压源14并连接Ag/AgCl电极12两端；Ag/AgCl电极12设置在纳米通孔9两侧，其中一端连接第二电流表15；第二电流表15连接第二可调电压源16并连接微米Pt径向电极6两侧；第三可调电压源17的一侧连接Pt门电极4，另一侧接地。

腐蚀槽8设置在多电极纳米孔装置中间下部。

纳米通孔9设置在多电极纳米孔装置中间。

电子束诱导沉积SiO₂栅极绝缘层10位于纳米通孔9内壁，并包裹纳米孔内Pt门电极4露出部分。

电子束诱导沉积纳米Pt径向电极11与微米Pt径向电极6相连接，位于第二SiO₂绝缘层5上并向纳米通孔9中心凸出。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以作出若干改进，这些改进也应视为本发明的保护范围。

Claims

1.一种用于DNA检测的多电极纳米孔装置，其特征在于：包括第一SiO₂绝缘层（1）、Si基底（2）、SiO₂掩膜层（3）、Pt门电极（4）、第二SiO₂绝缘层（5）、微米Pt径向电极（6）、第三SiO₂绝缘层（7）、腐蚀槽（8）、纳米通孔（9）、电子束诱导沉积SiO₂栅极绝缘层（10）、电子束诱导沉积纳米Pt径向电极（11）、Ag/AgCl电极（12）、第一电流表（13）、第一可调电压源（14）、第二电流表（15）、第二可调电压源（16）和第三可调电压源（17）；所述Si基底（2）下方设有SiO₂掩膜层（3），上方设有第一SiO₂绝缘层（1）；所述第一SiO₂绝缘层（1）上方设有Pt门电极（4）；所述Pt门电极（4）上方设有第二SiO₂绝缘层（5）；所述第二SiO₂绝缘层（5）上方设有微米Pt径向电极（6）；所述微米Pt径向电极（6）上方设有第三SiO₂绝缘层（7）；所述第一电流表（13）连接第一可调电压源（14）并连接Ag/AgCl电极（12）两端；所述Ag/AgCl电极（12）设置在纳米通孔（9）两侧，其中一端连接第二电流表（15）；所述第二电流表（15）连接第二可调电压源（16）并连接微米Pt径向电极（6）两侧；所述第三可调电压源（17）的一侧连接Pt门电极（4），另一侧接地。

2.根据权利要求1所述的一种用于DNA检测的多电极纳米孔装置，其特征在于：所述腐蚀槽（8）设置在多电极纳米孔装置中间下部。

3.根据权利要求1所述的一种用于DNA检测的多电极纳米孔装置，其特征在于：所述纳米通孔（9）设置在多电极纳米孔装置中间。

4.根据权利要求1所述的一种用于DNA检测的多电极纳米孔装置，其特征在于：所述电子束诱导沉积的SiO₂栅极绝缘层（10）位于纳米通孔（9）内壁，并包裹Pt门电极（4）露出部分。

5.根据权利要求1所述的一种用于DNA检测的多电极纳米孔装置，其特征在于：所述电子束诱导沉积的纳米Pt径向电极（11）与微米Pt径向电极（6）相连接，位于第二SiO₂绝缘层（5）上并向纳米通孔（9）中心凸出。

6.一种用于DNA检测的多电极纳米孔装置制造方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1、提供Si基底（2），用热氧化的方法使Si基底（2）上方生长第一SiO₂绝缘层（1），下方生长SiO₂掩膜层（3）；

步骤2、在SiO₂掩膜层（3）中间刻蚀释放窗口；

步骤3、在第一SiO₂绝缘层（1）上层沉积Pt薄膜，作为Pt门电极（4）；

步骤4、在Pt门电极（4）上层沉积第二SiO₂绝缘层（5），通过光刻的方法露出引线部分；

步骤5、在第二SiO₂绝缘层（5）沉积Pt薄膜，通过光刻的方法得到两个微米Pt径向电极（6）；

步骤6、在两个微米Pt径向电极（6）上沉积第三SiO₂绝缘层（7），并通过光刻的方法刻蚀第三SiO₂绝缘层（7）位于微米Pt径向电极（6）的尖端和引线上方的部分，其中第三SiO₂绝缘层（7）被刻蚀部分剩余厚度为180～220nm；

步骤7、释放SiO₂掩膜层（3）上的窗口，使用TMAH溶液刻蚀Si基底（2）得到上述薄膜层的悬空自支撑结构，并腐蚀第三SiO₂绝缘层（7）露出的微米Pt径向电极（6）的尖端和引线部分；

步骤8、采用聚焦离子束在两个微米Pt径向电极（6）中间制作纳米通孔（9），并贯穿第一SiO₂绝缘层（1）、Pt门电极（4）、第二SiO₂绝缘层（5）；

步骤9、用电子束诱导沉积绝缘材料的方法，沉积SiO₂栅极绝缘层（10）将纳米孔壁露出的Pt门电极（4）部分进行包裹；

步骤10、用电子束诱导沉积的方法，在纳米通孔（9）两侧沉积两个纳米Pt径向电极（11），并连接至微米Pt径向电极（6）。

7.根据权利要求6所述的一种用于DNA检测的多电极纳米孔装置制造方法，其特征在于：

所述步骤2中，采用反应离子刻蚀工艺刻蚀；

所述步骤3中，沉积采用溅射或蒸镀的方法；

所述步骤4中，沉积采用等离子体增强化学汽相沉积；

所述步骤5和步骤6中，通过光刻的方法进行图形化处理。

8.根据权利要求6所述的一种用于DNA检测的多电极纳米孔装置制造方法，其特征在于：

所述步骤7中，刻蚀溶液选用浓度为20％～30％的TMAH溶液；

所述步骤8中，采用聚焦离子束系统制作纳米通孔（9），直径为20～100nm；

所述步骤9和步骤10中，电子束诱导沉积采用双束系统中的气体注入系统，其中包裹Pt门电极（4）的电子束诱导沉积SiO₂栅极绝缘层（10）的厚度为5～35nm，沉积后两个纳米Pt径向电极（11）之间的间距为1～20nm。