CN103449355B

CN103449355B - 纳米孔阵列的制作方法

Info

Publication number: CN103449355B
Application number: CN201210177735.2A
Authority: CN
Inventors: 董立军; 赵超
Original assignee: Institute of Microelectronics of CAS
Current assignee: Ruili Flat Core Microelectronics Guangzhou Co Ltd
Priority date: 2012-05-31
Filing date: 2012-05-31
Publication date: 2016-03-30
Anticipated expiration: 2032-05-31
Also published as: CN103449355A

Abstract

本发明提供了一种纳米孔阵列的制造方法，包括：施加第一腐蚀液，在基材的两面形成不穿通的多个凹槽或者盲孔；在基材的两面上施加酸碱性不同的第二腐蚀液和第三腐蚀液，继续腐蚀凹槽或者盲孔直至其相互穿通，第二腐蚀液与第三腐蚀液发生中和而停止腐蚀，最终形成纳米孔阵列。依照本发明的纳米孔阵列的制造方法，通过在预先制备好盲孔的基材两面分别施加酸碱性不同的腐蚀液，利用酸碱中和的化学自停止来控制纳米孔的腐蚀，具有简单低成本并且高效率的优点。

Description

纳米孔阵列的制作方法

技术领域

本发明属于微细加工领域，涉及一种用于生物遗传技术的纳米孔阵列的制造方法。

背景技术

近年来，纳米孔正在成为分子生物学研究和遗传技术方面的重要器件。纳米孔具体应用在以下三个方面：1、纳米孔应用于单分子级生物物理学研究，使用纳米孔可以分析DNA的折叠、解折叠和解螺旋、检测单分子DNA的相互作用、实现分子生物力谱的研究；2、使用纳米孔可以检测分子甲基化、区分不同长度分子，从而应用于疾病的早期诊断；3、通过阻滞电流的测量来实现DNA测序。

纳米孔由于使用材质不同，可以分为生物纳米孔和固态纳米孔。固态纳米孔具有可以精确控制孔径、可集成、高稳定性的优点。常用的单个固态纳米孔的制备方法包括电子束或者激光缩孔、透射电镜钻孔等，但是小于10nm纳米孔阵的制造一直是个难题，目前还没有低成本并且高效率的解决方案。

发明内容

有鉴于此，本发明的主要目的在于提出一种化学自停止方面来制作纳米孔阵的方法，主要优点是与使用传统的IC光刻技术相比能精确控制孔的位置、具有低成本和高一致性。

为此，本发明提供了一种纳米孔阵列的制造方法，包括：施加第一腐蚀液，在基材的两面形成不穿通的多个凹槽或者盲孔；在基材的两面上施加酸碱性不同的第二腐蚀液和第三腐蚀液，继续腐蚀凹槽或者盲孔直至其相互穿通，第二腐蚀液与第三腐蚀液发生中和而停止腐蚀，最终形成纳米孔阵列。

其中，形成多个凹槽或者盲孔的步骤进一步包括：在基材的两面上形成掩模层；光刻-刻蚀形成掩模层图形；利用掩模层图形，施加第一腐蚀液，刻蚀基材形成不穿通的多个凹槽或者盲孔。

其中，掩模层包括氧化物、氮化物、氮氧化物、光刻胶及其组合。

其中，形成掩模层的方法包括PECVD、PECVD、HDPCVD、MOCVD、ALD及其组合。

其中，第二腐蚀液或者第三腐蚀液能够腐蚀基材。

其中，基材包括硅。其中，第一腐蚀液包括KOH、TMAH。其中，第二腐蚀液、第三腐蚀液中的一个与第一腐蚀液相同，另一个包括酸。

其中，凹槽或者盲孔具有V形或者倒锥形剖面。

其中，在基材的两面上施加酸碱性不同的第二腐蚀液和第三腐蚀液的步骤进一步包括：将基材粘贴在第一开口容器的一端；提供尺寸大于第一开口容器的第二开口容器，其中装有第二腐蚀液；将第一容器以及基材置入第二开口容器中；在第一开口容器内倒入第三腐蚀液。

依照本发明的纳米孔阵列的制造方法，通过在预先制备好盲孔的基材两面分别施加酸碱性不同的腐蚀液，利用酸碱中和的化学自停止来控制纳米孔的腐蚀，具有简单低成本并且高效率的优点。

附图说明

以下参照附图来详细说明本发明的技术方案，其中：

图1为依照本发明的纳米孔阵列的制造方法的示意图，其中在基材两面形成了掩模图形；

图2为依照本发明的纳米孔阵列的制造方法的示意图，其中刻蚀基材形成盲孔；以及

图3为依照本发明的纳米孔阵列的制造方法的示意图，其中在基材两面施加不同的腐蚀液。

具体实施方式

以下参照附图并结合示意性的实施例来详细说明本发明技术方案的特征及其技术效果，公开了一种纳米孔阵列的制造方法。需要指出的是，类似的附图标记表示类似的结构，本申请中所用的术语“第一”、“第二”、“上”、“下”等等可用于修饰各种器件结构或工艺步骤。这些修饰除非特别说明并非暗示所修饰器件结构或工艺步骤的空间、次序或层级关系。

参照图1，在基材上下两面上形成掩模图形。

提供基材1，用作纳米孔阵列的主体结构，其材质可以是硅基材料，例如单晶硅、多晶硅、非晶硅、微晶硅等等，也可以是类似的半导体材料，例如单晶锗、SiGe、SiC、Si:H、GaAs、GaN、InP、InSb等等，还可以是其他金属或者非金属材料，例如Al、Cu、Ti、Ta及其氮化物，或者是对于酸碱性腐蚀液腐蚀速率不同的树脂材料等等。优选地，为了与IC制作工艺特别是CMOS工艺兼容以节省成本，基材1优选地为体硅(通常是单晶的)，例如硅片(或称做硅晶圆、硅晶片)。

采用LPCVD、PECVD、HDPCVD、MOCVD、ALD等常规沉积方法，在基材1的上下两面上分别沉积形成掩模层2A和2B。掩模层2的材质优选为与基材1具有较高刻蚀选择比的材料，例如当基材1为硅基材质时，掩模层2为氧化硅、氮化硅、氮氧化硅及其组合；当基材1为其他半导体材料时，掩模层2为基材1的相应的氧化物、氮化物、氮氧化物及其组合；当基材1为金属、金属氮化物或者树脂材料时，掩模层2为金属氧化物、氮化硅等致密材料或者光刻胶。

采用CMOS工艺兼容的传统曝光-显影-光刻技术，刻蚀掩膜层2A和2B形成了掩模层图形，在上下两面分别具有露出了基材1的开口2C和2D。值得注意的是，虽然图1中显示的开口2C和2D形状、数量、尺寸不同，但是可以依照未来纳米孔阵列分布需要，合理设置两种开口的形状、数量、尺寸。例如基材1上表面的开口2C不一定如图所示比下表面的开口2D宽，而是也可以宽度相等或者宽度更小。开口2C的数量不一定如图1所示为小于开口2D数目，而是可以与开口2D数目相等或者更小。在俯视图中(未示出)，开口2C可以是包围了所有开口2D的圆形、矩形或其他多边形，也可以是与开口2D一一对应的多个开口，或者是分成几部分而包围了多个开口2D的多个圆形、矩形或其他多边形。特别地，由于采用了CMOS工艺，因此开口的尺寸可以与当前CMOS特征尺寸保持一致或者与其接近，也即可以为10nm以下。此外，当光刻精度大于10nm时，可以采用多层多次掩模，通过掩模相移技术使得制作得到的开口尺寸比光刻精度更小。

参照图2，以掩模图形为掩模，刻蚀基材形成多个凹槽或者盲孔。将基材1浸入含有第一腐蚀液的液槽中，或者从双面喷淋第一腐蚀液，湿法腐蚀基材1，在基材1的上下两面中分别形成了未穿通的多个凹槽或者盲孔1A和1B。对于硅材料的基材1而言，选用KOH或者TMAH的第一腐蚀液3A(未示出)，由于在<100>和<111>方向上腐蚀速率不同，因此所形成的凹槽或者盲孔1A与1B具有V形或者倒锥形剖面，也即凹槽或者盲孔1A/1B在靠近基材1中心的宽度要小于靠近基材1表面的宽度。通过控制腐蚀液浓度、工作温度以及腐蚀时间，使得上下两面的凹槽/盲孔1A与1B不互相穿通。类似地，对于其他材料的基材1，可以选用强酸(HF、HCl等)与强氧化剂(H₂SO₄、HNO₃、H₂O₂等)的组合，并且可以选择恰当的浓度、温度以控制腐蚀速率，形成不穿通的凹槽或者盲孔。值得注意的是，腐蚀得到的基材1的凹槽或者盲孔的宽度依照图1中掩模图形尺寸而确定，因此可以得到10nm左右以及以下的极微细结构。优选地，形成了凹槽/盲孔之后，刻蚀去除掩模图形。

参照图3，在基材两面施加不同腐蚀液，腐蚀使得凹槽或者盲孔相互穿通，形成多个通孔，构成纳米孔阵列。可以如图3所示，采用例如石蜡等耐腐蚀粘合材料将刻蚀过而具有凹槽或者盲孔的基材1粘贴、密封在第一开口容器4A(例如与硅片尺寸一致的玻璃皿或量杯，或者特制的玻璃容器)的一端，第一开口容器4A实质上两端均开口也即为圆柱环壁状(例如玻璃环壁)；提供第二开口容器4B(例如玻璃液槽)，第二开口容器4B的尺寸大于第一开口容器4A，其中装有第二腐蚀液3B；将第一容器4A以及基材1置入第二开口容器4B中；在第一开口容器4A内倒入第三腐蚀液3C。其中，第二腐蚀液3B与第三腐蚀液3C酸碱性相反，也即其中一个为碱性，另一个为酸性。第二腐蚀液3B、第三腐蚀液3C中的一个可以与第一腐蚀液3A作用相同，作为继续腐蚀基材1以形成通孔的主要腐蚀液，而另一个则作为利用化学中和作用以控制腐蚀停止点的辅助液。例如，第二腐蚀液3B可以是KOH、TMAH等碱性腐蚀液，第三腐蚀液3C可以是HCl、H₂SO₄、HNO₃、H₃PO₄、草酸、醋酸等酸性中和液(也即包括酸)，反之亦然。当基材1上下两面的凹槽、盲孔1A或者1B被继续刻蚀并最终穿通时，酸碱性不同的第二和第三腐蚀液在通孔中相遇而发生中和，形成化学自停止，从而得到纳米孔阵图。此外，虽然图3中显示了采用两个容器以分别容纳酸碱性不同的腐蚀液的方法，但是也可以采用其他方法在基材1两面提供不同的腐蚀液，例如通过双面喷淋、或者单面半浸渍(例如仅将基材的一面浸渍一种类型腐蚀液，翻面之后再浸渍另一种类型腐蚀液，并且多次轮换)等等，只要能够使得第二和第三腐蚀液在通孔中相遇而化学自停止。

尽管已参照一个或多个示例性实施例说明本发明，本领域技术人员可以知晓无需脱离本发明范围而对工艺流程做出各种合适的改变和等价方式。此外，由所公开的教导可做出许多可能适于特定情形或材料的修改而不脱离本发明范围。因此，本发明的目的不在于限定在作为用于实现本发明的最佳实施方式而公开的特定实施例，而所公开的器件结构及其制造方法将包括落入本发明范围内的所有实施例。

Claims

1.一种纳米孔阵列的制造方法，包括：

施加第一腐蚀液，在基材的两面形成不穿通的多个凹槽或者盲孔；

在基材的两面上施加酸碱性不同的第二腐蚀液和第三腐蚀液，继续腐蚀凹槽或者盲孔直至其相互穿通，第二腐蚀液与第三腐蚀液发生中和而停止腐蚀，最终形成纳米孔阵列，

2.如权利要求1所述的纳米孔阵列的制造方法，其中，形成多个凹槽或者盲孔的步骤进一步包括：在基材的两面上形成掩模层；光刻-刻蚀形成掩模层图形；利用掩模层图形，施加第一腐蚀液，刻蚀基材形成不穿通的多个凹槽或者盲孔。

3.如权利要求2所述的纳米孔阵列的制造方法，其中，掩模层包括氧化物、氮化物、氮氧化物、光刻胶及其组合。

4.如权利要求2所述的纳米孔阵列的制造方法，其中，形成掩模层的方法包括LPCVD、PECVD、HDPCVD、MOCVD、ALD及其组合。

5.如权利要求1所述的纳米孔阵列的制造方法，其中，第二腐蚀液或者第三腐蚀液能够腐蚀基材。

6.如权利要求1所述的纳米孔阵列的制造方法，其中，基材包括硅。

7.如权利要求6所述的纳米孔阵列的制造方法，其中，第一腐蚀液包括KOH、TMAH。

8.如权利要求6所述的纳米孔阵列的制造方法，其中，第二腐蚀液、第三腐蚀液中的一个与第一腐蚀液相同，另一个包括酸。

9.如权利要求1所述的纳米孔阵列的制造方法，其中，凹槽或者盲孔具有V形或者倒锥形剖面。