具体实施方式
根据一个实施例,提供了一种制造晶片级纳米通道阵列的方法,该纳米通道阵列用于DNA测序或生物分子的其它基于芯片实验室的分析。纳米通道可以提供在单分子级别研究分子特性的平台。微/纳米通道可以筛选、操纵和检测DNA样本。存在很多种可能的制造纳米通道的方式,包括光刻、电子束光刻、聚焦离子束、纳米压印光刻和干涉光刻。每种方法都有其自己的优点,但是很难通过使用这些技术制造10纳米以下的纳米通道。
在一个实施例中,介绍了一种制造10纳米以下(接近目标分子(例如DNA、RNA和氨基酸)的物理尺寸)的(2D)纳米通道的方法,从而纳米通道还能够在横向方向上限制DNA/RNA分子的运动。这允许研究与目标分子在纳米流体通道中的分子输运有关的纳米观信息。此外,该方法也能够按比例扩大,从而在晶片水平上制造纳米通道。
图1A-1D示出了制造用于DNA/RNA测序或肽检测的纳米器件100(和纳米器件200)中的纳米通道(即,纳米通道)的过程。图1A-1D示出了对应于一个纳米通道的过程,但是适用于大量纳米通道。
图1A示出了电绝缘衬底101,其可以包括诸如硅的材料。可以在电绝缘衬底101下方沉积电绝缘薄膜102。可以在电绝缘衬底101顶上沉积电绝缘薄膜103。
电绝缘薄膜102和103可以包括诸如氧化铪、二氧化硅等的材料。对于直径为200nm的晶片,电绝缘衬底101可以具有700微米的厚度,并且电绝缘薄膜102和103可以具有几(例如2、3、4、5等)纳米或几十(例如10、15、20、25、30等)纳米的厚度。
如此处讨论的,视图(A)是纳米器件100和200的横截面视图,并且视图(B)是纳米器件100和200的俯视图。
在图1B中,将纳米线104选择性地放置在绝缘薄膜103上。纳米线104可以是单壁或多壁碳纳米管、硅纳米线等。
将绝缘材料105沉积在绝缘薄膜103和纳米线104上,如图1C中所见。绝缘材料105可以是诸如二氧化硅的任何绝缘材料。绝缘材料105的厚度可以为纳米线的直径的若干倍,例如几十(例如10、15、20、25等)纳米。
绝缘材料105覆盖纳米线104,并且打开两个开口106和107用于纳米通道。可以通过反应离子蚀刻打开两个开口106和107,这是本领域技术人员能够理解的。两个开口106和107可以具有100微米(μm)到1毫米(mm)的直径。为了防止与衬底101短路,两个开口106和107的深度为纳米线104的厚度。具体地,开口106和107的深度将停止在绝缘薄膜103处(例如,不穿透或不穿过绝缘薄膜103)。
在图1D中,通过去除被绝缘材料105覆盖的纳米线104形成纳米通道108(纳米通道)。可以使用氧等离子体去除纳米线104(例如,碳纳米管),由此留下构图的纳米通道108来代替纳米线104。纳米通道108的长度可以为几个纳米(例如,4纳米)到几百微米。(氧等离子体的)气体能够容易地穿过并且蚀刻掉具有几纳米(例如,4纳米)到几微米的长度的碳纳米管(即,纳米线104)。可以调整参数(温度、压力)来控制碳纳米管的蚀刻速率,以便具有不同的长度。开口106和107将是流体纳米通道108的入口和出口(正如本领域技术人员所理解的)。纳米线104的直径决定了纳米通道108的宽度。纳米通道108的直径可以从纳米变化到微米,或者甚至更大,其对应于纳米线104的直径。类似地,纳米线104的长度对应于纳米通道108的长度。纳米线104可以通过标准半导体工艺或其它方法制造。对于由硅制造的纳米线104,可以通过不同的反应离子蚀刻或湿法蚀刻时间获得纳米通道108的不同直径。在一种情况下,碳纳米管可以具有1-10nm的直径,并且硅纳米线可以具有达到100nm的直径。
在俯视图的视图B中,虚线示出了新形成的纳米通道108在绝缘材料105下方行进,将开口106(例如,入口)连接到开口107(例如,出口)。在不必使用常规的光刻、电子束光刻、聚焦离子束、纳米压印光刻和干涉光刻钻通绝缘材料105的情况下,以期望的图形形成了纳米通道108。
图2A-2C示出了制造用于DNA/RNA测序或肽检测的纳米器件200中的晶片级的纳米通道108阵列的过程。先前对图1A-1D的讨论适用于图2A-2C。
图2A示出了纳米线阵列的横截面视图(A)和俯视图(B),所述纳米线是纳米线104。电绝缘衬底101(其可以是硅)具有沉积在顶上的电绝缘膜103和沉积在下方的电绝缘膜102。纳米线104的阵列被选择性地放置在整个晶片上。
在图2B中,沉积绝缘材料105以完全覆盖电绝缘膜103和纳米线104的阵列的顶部。产生开口106和107以允许单个纳米线104的两端(例如,第一末端和第二末端)暴露。
在图2C中,纳米通道108中的每一个是在选择性去除(即,蚀刻掉)它们对应的纳米线104之后形成的。开口106和107用作流体纳米通道108的入口和出口,也用作用于先前蚀刻的开口。每个纳米通道108通过其相应的入口和出口(即,开口106和107)被单独地访问。虚线示出了纳米通道108的阵列在电绝缘材料105下方行进,连接相应的开口106到开口107。在一种情况下,可以利用具有不同直径的纳米线104(例如,具有不同直径的碳纳米管)来制造具有不同直径的对应纳米通道。
图3A和3B示出了用于在纳米器件100、200中进行DNA/RNA测序或肽检测的系统300。图3A示出了俯视图并且图3B示出了系统300的侧视图。为了简短起见,系统300仅示出了3个纳米通道108,但是应当理解,可以按需要包含多于3个或少于3个纳米通道108。纳米器件100、200包括此处所讨论的所有层,并且不重复各种层的讨论。
开口106被特别标识为(入口)开口106a、106b和106c,这些开口106a、106b和106c分别连接到其自己的储存器350(图3B示出)。开口107被特别标识为(出口)开口107a、107b和107c,这些开口107a、107b和107c分别连接到其自己的储存器355(图3B示出)。尽管在图3A中未示出,但是单个的储存器350被密封到并且放置在相应的开口106a、106b和106c顶上。类似地,单个的储存器355被密封到并且放置在相应的开口107a、107b和107c顶上。在俯视图中,各个储存器350、355已经被剥离。
电极310a、310b和310c分别在位于对应的开口106a、106b和106c上的其自己的单独的储存器350中。类似地,电极311a、311b和311c分别在位于对应的开口107a、107b和107c上的其自己的单独的储存器355中。
因此,对应的纳米通道108通过其入口开口106连接到其自己的入口储存器350并且通过其开口107连接到其出口储存器355。每个储存器350、每个纳米通道108和每个储存器355都填充有导电溶液。该导电溶液可以是电解质溶液,这是本领域技术人员能够理解的。
DNA或肽(表示为(一个或多个)分子370)的样本可以被引入到相应的储存器350中,以便当DNA分子370在纳米通道108中时使用已知技术之一进行测序。电极310a、310b和310c以及电极311a、311b和311c可以是Ag/AgCl电极,其可以通过来自相应电压源316a、316b和316c的电压在相应纳米通道108内提供电场。可以通过相应的电流计315a、315b和315c监测每个相应纳米通道108内的单独的电流,并且可以读取DNA分子370的碱基,这是本领域技术人员能够理解的。
图4A和4B示出了根据一个实施例的制造用于纳米器件100、200的纳米通道108的方法400。可以以任何组合参考图1、2、3和5。
在框402,将电绝缘膜103沉积在衬底101上。在框404,在电绝缘膜103上构图(一个或多个)纳米线104。在框406,将电绝缘材料105沉积在纳米线104和电绝缘膜103上并覆盖纳米线104和电绝缘膜103。
在框408,第一圆形孔洞/开口106分别形成在电绝缘材料105中作为入口,其中第一圆形孔洞/开口106形成在纳米线104的第一末端(如图1C和2B中所示)上,并且第一圆形孔洞/开口106暴露所述第一末端。在开口106中的纳米线104的暴露的第一末端的长度可以为几个(例如,1、2、3、4、5……9)或几十(例如,10、15、20、25等)纳米。
在框410,第二圆形孔洞/开口106分别形成在电绝缘材料105中作为出口,其中第二圆形孔洞/开口107形成在纳米线104的与所述第一末端相对的第二末端上,并且第二圆形孔洞/开口107暴露所述第二末端。在开口107中的纳米线104的暴露的第二末端的长度可以为几个(例如,1、2、3、4、5……9)或几十(例如,10、15、20、25等)纳米。
在框412,通过在第一圆形孔洞/开口106中流入并且从第二圆形孔洞/开口107流出蚀刻剂来蚀刻掉纳米线104,形成分别将第一圆形孔洞/开口106连接到第二圆形孔洞/开口107的纳米通道108。
在框414,将第一储存器350附着(并且密封)在第一圆形孔洞/开口106(如图3B中所示)上方以在第一末端的原先位置处与相应的纳米通道108连接。
在框416,将第二储存器355附着(并且密封)在第二圆形孔洞/开口107上以在第二末端的原先位置处与相应的纳米通道连接。
纳米通道108通过去除相应的纳米线104自形成。第一储存器350、第二储存器355以及纳米通道108都填充有导电溶液。
该方法利用第一圆形孔洞/开口106既作为用于流动蚀刻剂以最初形成相应纳米通道108的入口,也作为用于将(一个或多个)分子370从相应的第一储存器350驱动(通过电压源315的电压)到它们相应连接的纳米通道108的入口。该方法包括利用第二圆形孔洞/开口107既作为用于使蚀刻剂流出以最初形成相应纳米通道108的出口,也作为用于将分子从纳米通道108驱动到第二储存器355中的出口。
在图3A和图3B中,电压源315产生的电场驱动分子370从第一储存器350、穿过第一圆形孔洞/开口106进入纳米通道108、穿过第二圆形孔洞107并且出来进入第二储存器355中。系统300在分子370位于纳米通道108中时对其进行测序。
第一圆形孔洞/开口106是从第一储存器350到纳米通道108的第一连接,并且第二圆形孔洞/开口107是从第二储存器355到纳米通道108的第二连接。
纳米线104可以是碳纳米管,其中蚀刻剂去除相应的碳碳纳米管从而留下纳米通道108而不影响绝缘材料105。纳米通道108的直径是由相应碳纳米管的直径导致的,并且对应于相应碳纳米管的直径。此外,纳米通道108的长度是由碳纳米管的长度导致的,并且对应于碳纳米管的长度。
第一圆形孔洞/开口106的深度在第一末端向下至碳纳米管而不到达衬底101,并且第二圆形孔洞/开口107的深度在第二末端向下至碳纳米管而不到达衬底101。
图5示出了可以实现、控制和/或调节电压源315以及安培计316的测量的计算机500(作为用于测试和分析的计算机测试设备的一部分)的实例。
此处讨论的各种方法、过程、模块、流程图、工具、应用、电路、元件和技术也可以结合和/或利用计算机500的能力。此外,可以利用计算机500的能力来实现此处讨论的示例性实施例的特征。可以利用计算机500的一个或多个能力来实现、连接到和/或支持此处在图1-4中讨论的任何元件(这是本领域技术人员能理解的)。例如,计算机500可以是任何类型的计算装置和/或测试设备(包括安培计、电压源、连接器等)。计算机500的输入/输出装置570(具有适当的软件和硬件)可以通过线缆、插头、布线、电极、膜片钳(patch clamp)等耦合到此处讨论的纳米器件和结构。此外,正如此处所讨论的,输入/输出装置570的通信接口包括用于与电压源、安培计和电流跟踪(例如,电流的幅值和持续时间)等通信、操作时连接到电压源、安培计和电流跟踪(例如,电流的幅值和持续时间)等、读取和/或控制电压源、安培计和电流痕迹(例如,电流的幅值和持续时间)等的硬件和软件。输入/输出装置570的用户接口可以包括例如跟踪球、鼠标、指点装置、键盘、触摸屏等,用于与计算机500交互,例如,输入信息、进行选择、独立地控制不同的电压源和/或显示、观看和记录每个碱基、分子、生物分子等的电流痕迹。
通常,就硬件架构而言,计算机500可以包括通过本地接口(未示出)通信地耦合的一个或多个处理器510、计算机可读存储器520、以及一个或多个输入和/或输出(I/O)装置。所述本地接口可以是例如,但不限于,一条或多条总线或其它有线或无线连接,这是本领域中已知的。所述本地接口可以具有另外的元件,例如,控制器、缓冲器(高速缓冲存储器)、驱动器、转发器和接收器,以实现通信。此外,所述本地接口可以包括地址、控制和/或数据连接以便在前述部件之间实现适当的通信。
处理器510执行可以存储在存储器520中的软件的硬件装置。处理器510实际上可以是任何定制的或市场上可购买到的处理器、计算机500相关联的若干处理器中的中央处理器(CPU)、数据信号处理器(DSP)或与的辅助处理器,并且处理器510可以是基于半导体的微处理器(为微芯片形式)或宏处理器。
计算机可读存储器520可以包括非易失性存储元件(例如,随机存取存储器(RAM),例如,动态随机存取存储器(DRAM)、静态随机存取存储器(SRAM)等)和非易失性存储元件(例如,ROM、可擦除可编程只读存储器(EPROM)、电可擦除可编程只读存储器(EEPROM)、可编程只读存储器(PROM)、紧凑盘只读存储器(CD-ROM)、磁盘、磁跌、盒式存储器(cartridge)、盒带等)中的任何一种或组合。此外,存储器520可以结合电子、磁、光和/或其它类型的存储介质。注意,存储器520可以具有分布式架构,其中各种部件彼此远离地放置,但是可以被处理器510访问。
计算机可读存储器520中的软件可以包括一个或多个单独的程序,每一个程序包括用于执行逻辑功能的可执行指令的有序列表。存储器520中的软件包括适当的操作系统(O/S)550、编译器540、源代码530、以及示例性实施例的一个或多个应用程序560。如图所示,应用程序560包括用于实施示例性实施例的特征、处理、方法、功能和操作的很多功能性部件。
操作系统550可以控制其它计算机程序的执行,并且提供调度、输入-输出控制、文件和数据管理、存储器管理以及通信控制和相关服务。
应用程序560可以是源程序、可执行程序(对象代码)、脚本或包括要执行的指令组的任何其它实体。当源程序,然后通常通过(可以包含或不包含在存储器520中的)编译器(例如编译器540)、汇编程序、解释程序等翻译所述程序,以便与O/S550相结合适当地操作。此外,应用程序560可以被写为(a)面向对象的编程语言,其具有数据的类和方法,或(b)过程编程语言,其具有例程、子例程和/或函数。
I/O装置570可以包括诸如例如但不限于鼠标、键盘、扫描仪、麦克风、摄影机等的输入装置(或外围设备)。此外,I/O装置也可以包括输出装置(或外围设备),所述输出装置例如是但不限于打印机、显示器等。最后,I/O装置570还可以包括传递输入和输出的装置,例如,但不限于,NIC或调制器/解调器(用于访问远程设备、其它文件、设备、系统或网络)、射频(RF)或其它收发器、电话接口、桥、路由器等I/O装置570也包括用于经由各种网络进行通信的部件,所述网络例如是互联网或内联网。I/O装置570可以利用蓝牙连接和线缆(通过,例如通用串行总线(USB)端口、串行端口、并行端口、火线、HDMI(高分辨率多媒体接口)等)连接到处理器510和/或与处理器510通信。
在应用程序560以硬件实现的示例性实施例中,应用程序560可以用每一个都在本领域中公知的如下技术中的任何一种或组合实现:具有用于对数据信号实施逻辑函数的逻辑门的(一个或多个)分立逻辑电路、具有适当的组合的逻辑门的特定用途集成电路(ASIC)、(一个或多个)可编程门阵列(PGA)、现场可编程门阵列(FPGA)等。
本文中使用的术语仅仅是为了描述特定实施例,并不意图限制本发明。如本文中所使用的,单数形式的“一”、“一个”和“该”也意图包含复数形式,除非上下文中另外明确指出。还应当理解,术语“包含”和/或“包括”,如果在本说明书中使用了,则指明存在所述的特征、整数、步骤、操作、元件和/或部件,但是不排除存在或添加一个或多个其它特征、整数、步骤、操作、元件、部件和/或它们的组。
下面的权利要求中的所有装置或步骤加功能元素的对应结构、材料、动作和等效物旨在包括用于与特别要求保护的其它要求保护的元素相结合地执行功能的任何结构、材料或动作。已经为了说明和描述了目的呈现了本发明的说明书,但是该说明书并不是穷尽的或者限于所公开的形式的发明。在不脱离本发明的精神和范围的情况下,对于本领域技术普通技术人员而言,很多修改和改变是显而易见的。选择和描述该实施例是为了最好地解释本发明的原理和实践应用,并使得本领域普通技术人员能够对于适于所想到的特定用途的具有各种修改的各种实施例理解本发明。
本申请中描绘的流程图仅仅是一个实例。在不脱离本发明的精神的情况下,可以存在该流程图或其中描述的步骤的很多变型。例如,所述步骤可以以不同的顺序进行或者可以添加、删除或修改步骤。所有这些变型都被认为是所要求保护的方面的一部分。
尽管已经描述了本发明的优选实施例,但是应当理解,现在以及将来,本领域技术人员可以进行落入后附权利要求的范围内的各种改进和增强。这些权利要求应当被认为保持对被首先描述的本发明的适当保护。