CN105776127A - 一种DNA碱基序列检测的双层SiN纳米孔结构的制作方法 - Google Patents

一种DNA碱基序列检测的双层SiN纳米孔结构的制作方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种DNA碱基序列检测的双层SiN纳米孔结构及其制作方法。包括：首先提供一硅基体作为基板；在基体两侧表面通过LP‑CVD工艺沉积由3层纳米薄膜组成的结构层，从基体向上分别为SiN/SiO2/SiN；接着使用LP‑CVD工艺在所述结构层表面沉积牺牲层；刻蚀基体一侧所述结构层和所述牺牲层形成基体释放窗口；接着使用碱性溶液刻蚀所述硅基体得到由所述结构层和所述牺牲层组成的自支撑纳米薄膜。刻蚀掉所述自支撑纳米薄膜上方的牺牲层，得到悬空所述结构层。接着，使用氦离子束在悬空所述结构层上刻蚀出纳米通孔。最后使用缓冲过的氢氟酸刻蚀所述结构层中的SiO2得到由SiO2空腔分割开的双层SiN纳米孔结构。本发明工艺简单，与CMOS工艺的兼容使其有较好的扩展性，同时可以重复循环使用，在生化检测领域有着较广的使用前景。

Description

一种DNA碱基序列检测的双层SiN纳米孔结构的制作方法
技术领域
本发明属于微纳器件制备与应用技术领域，涉及一种双层纳米孔的生物分子检测器件的制作方法，特别是涉及一种DNA碱基序列检测的双层SiN纳米孔结构及其制作方法。
背景技术
使用纳米孔(nanopore)进行DNA分子碱基序列的识别已经研究20年。当DNA分子在电场力的作用下穿过纳米孔时，改变纳米孔内的离子电流幅值，并借该电流幅值来识别碱基。因为碱基之间的碱基很小，在0.34nm。所以科学家们一直追求更薄的纳米孔，如石墨烯，二硫化钼，氮化硼等超薄材料制作成的纳米孔。但是，都没有考虑到DNA分子在溶液中的热运动的影响。因此，当前的基于固态纳米孔的基因测序，一直没有取得突破性的进展。
其中，Ling，X.S(Ling，X.S.“Methods of sequencing nucleis acids usingnanopores and active kinetic proofreading”，WO/2013/119784，Internationalapplication No：PCT/US2013/025106(2013))，提出的利用纳米孔作为动力学校对的机理来测量断链杂交探针，给基于固态纳米孔的DNA碱基序列的检测带来了新的希望。然而，这种实现动力学校对的芯片的结构以及如何制造出来都没有得到很好的解决。本发明将正对设计出一种用于DNA序列检测的双层纳米孔芯片结构以及如何制造的。这种工艺简单、制造成本低的DNA碱基序列检测的固态纳米孔芯片制造方法，必将具有重要的意义。
发明内容
技术问题：鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种DNA碱基序列检测的双层SiN纳米孔结构的制作方法，用于解决现有技术不可行的弊端，同时实现现有技术与CMOS技术相兼容，能有效降低制造工艺复杂程度问题。
技术方案：为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种DNA碱基序列检测的双层SiN纳米孔结构及其制作方法，所述制作方法至少包括步骤：
1)提供一硅基体作为基板；
2)在基体两侧表面通过低压化学气相沉积法(Low Pressure Chemical VaporDeposition，LP-CVD)工艺沉积3层纳米薄膜组成的结构层，从基体向上分别为SiN/SiO2/SiN；
3)使用LP-CVD工艺在所述结构层表面沉积牺牲层；
4)利用反应离子刻蚀(Reaction ion etching，RIE)刻蚀所述基体一侧所述结构层和所述牺牲层形成基体释放窗口；
5)接着使用碱性溶液刻蚀所述硅基体得到由所述结构层和所述牺牲层组成的自支撑纳米薄膜；
6)再次使用刻蚀的办法，刻蚀掉所述自支撑纳米薄膜上方的牺牲层，得到悬空所述结构层；
7)接着，使用氦离子束在所述结构层(即SiN/SiO2/SiN结构)上刻蚀出纳米通孔；
8)最后使用缓冲过的氢氟酸(Buffered Oxide Etch，BOE)刻蚀所述结构层中的SiO2得到由SiO2空腔分割开的双层SiN纳米孔结构。
可选地，所述步骤2)中采用LP-CVD工艺沉积3层纳米薄膜组成的结构层。从基体向上分别为SiN/SiO2/SiN，对应的每层厚度区间分别为2～10nm，5～30nm和5～30nm。
可选地，所述步骤3)中采用LP-CVD工艺在所述结构层表面沉积牺牲层。所述牺牲层是双纳米薄膜，从基体向上分别为由SiO2/SiN，或者是多晶硅/SiN，对应的每层厚度区间分别为100～600nm，100～200nm。
可选地，所述步骤4)中利用RIE刻蚀所述基体一侧所述结构层和所述牺牲层形成基体释放窗口，窗口尺寸范围为550um×550um～750um×750um。
可选地，所述步骤5)中利用碱性溶液刻蚀所述硅基体得到由所述结构层和所述牺牲层组成的自支撑纳米薄膜，所使用的碱性溶液为KOH或者是TMAH。
可选地，所述步骤6)中刻蚀掉所述自支撑纳米薄膜上方的所述牺牲层，得到悬空所述结构层，悬空所述结构层的直径在2um～5um内。
可选地，所述步骤7)中使用氦离子束在悬空所述结构层上刻蚀出纳米通孔。氦离子束刻蚀得到的纳米孔尺寸在2nm～300nm内。
可选地：所述步骤8)中使用缓冲过的氢氟酸(Buffered Oxide Etch，BOE)刻蚀所述结构层中的SiO2得到由SiO2空腔分割开的双层SiN纳米孔结构。氢氟酸缓冲液刻蚀纳米孔中SiO2的时间在5s～20s。
如上所述，本发明提供一种DNA碱基序列检测的双层SiN纳米孔结构及其制作方法。包括：首先提供一硅基体作为基板；在基体两侧表面通过LP-CVD工艺沉积由3层纳米薄膜组成的结构层，从基体向上分别为SiN/SiO2/SiN；接着使用LP-CVD工艺在所述结构层表面沉积牺牲层；刻蚀基体一侧所述结构层和所述牺牲层形成基体释放窗口；接着使用碱性溶液刻蚀所述硅基体得到由所述结构层和所述牺牲层组成的自支撑纳米薄膜。刻蚀掉所述自支撑纳米薄膜上方的牺牲层，得到悬空所述结构层。接着，使用氦离子束在悬空所述结构层上刻蚀出纳米通孔。最后使用缓冲过的氢氟酸刻蚀所述结构层中的SiO2得到由SiO2空腔分割开的双层SiN纳米孔结构。
本发明具有以下有益效果：
1、与CMOS技术兼容，降低制造成本。
2、够实现双层纳米孔的制造。
3、可以实现DNA分子的动力学校对实验。
附图说明
图1显示为本发明DNA碱基序列检测的双层SiN纳米孔结构及其制作方法的工艺流程图。
图2显示为本发明所需的硅基体示意图。
图3～图5显示为本发明DNA碱基序列检测的双层SiN纳米孔结构及其制作方法步骤2)中呈现的结构示意图。
图6～图7显示为本发明DNA碱基序列检测的双层SiN纳米孔结构及其制作方法步骤3)中呈现的结构示意图
图8显示为本发明DNA碱基序列检测的双层SiN纳米孔结构及其制作方法步骤4)呈现的结构示意图。
图9显示为本发明DNA碱基序列检测的双层SiN纳米孔结构及其制作方法步骤5)呈现的结构示意图。
图10显示为本发明DNA碱基序列检测的双层SiN纳米孔结构及其制作方法步骤6)呈现的结构示意图。
图11显示为本发明DNA碱基序列检测的双层SiN纳米孔结构及其制作方法步骤7)呈现的结构示意图。
图12显示为本发明DNA碱基序列检测的双层SiN纳米孔结构及其制作方法步骤8)呈现的结构示意图。
图13显示为本发明DNA碱基序列检测的双层SiN纳米孔结构及其制作方法步骤8)呈现的结构示意图中双纳米孔局部放大示意图。
图14显示为本发明双层纳米孔高分辨透射电子显微镜(HRTEM)实物图。
元件标号说明
S1～S8 步骤
1 硅基体
2 结构层
20 结构层-1
21 结构层-2
200 SiN薄膜层-1
201 SiO2薄膜层-1
202 SiN薄膜层-2
210 SiN薄膜层-3
211 SiO2薄膜层-2
212 SiN薄膜层-4
3 牺牲层
30 牺牲层-1
31 牺牲层-2
300 SiO2薄膜层-3
301 SiN薄膜层-5
310 SiO2薄膜层-4
311 SiN薄膜层-6
4 释放窗口
5 基体硅腐蚀槽
6 悬空结构层窗口
7 纳米通孔
8 SiO2空腔
9 双SiN纳米孔
90 SiN纳米孔-1
91 SiN纳米孔-2
具体实施方式
以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。
请参阅附图1至图14。需要说明的是，本实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，遂图式中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。
如图1所示，本发明提供一种DNA碱基序列检测的双层SiN纳米孔结构及其制作方法，所述制作方法至少包括以下步骤：
S1，提供一包括硅基体；
S2，通过LP-CVD工艺分别在基体两侧表面沉积3层纳米薄膜组成的结构层，由基体向上分别为SiN/SiO2/SiN；
S3，LP-CVD工艺在所述结构层表面沉积牺牲层；
S4，LP-CVD工艺在所述结构层表面沉积牺牲层；
S5，刻蚀所述硅基体得到由所述结构层和所述牺牲层组成的自支撑纳米薄膜；
S6，蚀掉所述自支撑纳米薄膜上方的牺牲层，得到悬空所述结构层；
S7，使用氦离子束在所述结构上刻蚀出纳米通孔；
S8，使用缓冲过的氢氟酸刻蚀所述结构层中的SiO2得到由SiO2空腔分割开的双层SiN纳米孔结构
下面结合具体附图对本发明DNA碱基序列检测的双层SiN纳米孔结构的方法作详细的介绍。
首先执行步骤S1，提供一包括硅基体1，如图2所示。所述硅基体1可以是已掺杂后的单晶硅、多晶硅或者多晶硅等，在此不限。本实施例中，所述硅基体1为掺杂后的单晶硅。
然后执行步骤S2，如图3～图5所示。LP-CVD工艺在基体1两侧表面分别沉积2～10nm的SiN薄膜(SiN薄膜层-1，SiN薄膜层-2)，5～30nm的SiO2薄膜(SiO2薄膜层-3，SiO2薄膜层-4)和5～30nm的SiN薄膜(SiN薄膜层-3，SiN薄膜层-4)。这三层纳米薄膜组成结构层2。
本实施例中，上述3层薄膜厚度分别为5nm，10nm，10nm。也可以选择要求范围内的其他厚度，请参阅附图3和图5。
接着执行步骤S3，使用LP-CVD工艺在所述结构层表面沉积牺牲层3；所述牺牲层3是双纳米薄膜，从基体向上分别为由厚度为100～600nm的SiO2(SiO2薄膜层-3，SiO2薄膜层-4)和厚度为100～200nm的SiN(SiN薄膜层-5，SiN薄膜层-6)。
本实施例中，上述SiO2薄膜厚度为300nm。也可以选择为100nm，200nm，400nm，500nm和600nm。上述SiN薄膜厚度为120nm，也可以选用在100nm～200nm内的其他参数。请参阅附图3和图5。
本实施例中，SiO2薄膜可以使用多晶硅薄膜代替。多晶硅薄膜厚度与SiO2薄膜厚度相同。
接着执行步骤S4，在述所述牺牲层3表面上涂敷光刻胶，之后通过光刻图形化所述光刻胶形成开口，再利用反应离子刻蚀工艺(Reactive-Ion Etching，RIE)刻蚀所述开口以下的所述牺牲层3和结构层2形成释放窗口4，所述释放窗口4的尺寸范围为550um×550um～750um×750um。可以为550um×550um，600um×600um，也可以选择为750um×750um。本实施例中，如图8所示，所述释放窗口4的尺寸为600um×600um。
接着执行步骤S5，将整个结构放入碱性溶液中，利用步骤S4刻蚀形成的释放窗口4进行释放，去除所述硅基体1，得到基体硅腐蚀槽5和由所述结构层2和所述牺牲层3组成的自支撑纳米薄膜。具体地，如图9所示，在本实施例中，去除半所述硅基体1的碱性溶液为浓度为25％的TMAH溶液。也可以选择使用KOH去除所述硅基体1。
接着执行步骤S6，在所述结构层2和所述牺牲层3组成的自支撑纳米薄膜(SiN薄膜层-1，SiO2薄膜层-1，SiN薄膜层-2，SiO2薄膜层-3，SiN薄膜层-5)上涂敷光刻胶，之后通过光刻图形化所述光刻胶形成开口，再利用反应离子刻蚀工艺(Reactive-Ion Etching，RIE)刻蚀所述开口以下的牺牲层-1，30形成悬空结构层窗口6。
为了保护所述SiN薄膜层-2，在本步骤中的RIE刻蚀，刻蚀所述SiO2薄膜层-3时，剩余10nm～20nm停止采用RIE刻蚀，采用到常温缓冲过的氢氟酸(Buffered Oxide Etch，BOE)刻蚀剩余的所述SiO2薄膜层-3。这样可以保护所述SiN薄膜层-2不被RIE刻蚀。所述悬空结构层窗口6的直径在2um～5um之间。
本实例中，RIE刻蚀所述SiO2薄膜层-3层的剩余厚度为20nm。可选择地为10nm或者15nm。随后，采用到常温BOE刻蚀剩余的所述SiO2薄膜层-3得到所述悬空结构层窗口6，所述悬空结构层窗口6的直径为4um，图10所示。
可选择使用多晶硅薄膜代替所述牺牲层3中的SiO2薄膜层-3和SiO2薄膜层-4。此时，在所述结构层2和所述牺牲层3组成的自支撑纳米薄膜(SiN薄膜层-1，SiO2薄膜层-1，SiN薄膜层-2，SiO2薄膜层-3，SiN薄膜层-5)上涂敷光刻胶，之后通过光刻图形化所述光刻胶形成开口，再利用深反应离子刻蚀工艺(Deep Reactive-Ion Etching，DRIE)刻蚀所述开口以下的牺牲层-1，30形成悬空结构层窗口6。在本步骤中的DRIE刻蚀，刻蚀所述多晶硅时，剩余10nm～20nm停止采用DRIE刻蚀，采用碱性溶液中刻蚀剩余的多晶硅得到所述悬空结构层窗口6。这样可以有效保护所述SiN薄膜层-2不被DRIE刻蚀。所述悬空结构层窗口6的直径在2um～5um之间。
接着执行步骤S7，使用氦离子束在所述悬空结构层窗口6(即SiN薄膜层-1，SiO2薄膜层-1，SiN薄膜层-2)上刻蚀出纳米通孔7。刻蚀得到的所述纳米通孔7的直径在2nm～300nm内。请参阅附图11，本实例中的所述纳米通孔7的直径为250nm。
最后执行步骤S8，请参阅附图12～13，采用缓冲过的BOE刻蚀所述所述纳米通孔7的SiO2薄膜层-1得到双层纳米孔。氢氟酸缓冲液刻蚀纳米孔中SiO2的时间在5s～20s。本实例中，采用BOE刻蚀SiO2薄膜层-1的时间为10s，得到所述由SiO2空腔8分割开的双层SiN纳米孔9。最终制备出来的所述双层纳米孔9的高分辨透射电子显微镜(HRTEM)实物图见图14。
综上所述，本发明提供的一种DNA碱基序列检测的双层SiN纳米孔结构及其制作方法，解决了传统基于固态纳米孔测序的方法中没有考虑到DNA分子在溶液中的热运动的影响。本发明提出的双层纳米孔结构可以实现DNA分子的动力学校对实验，实现DNA分子中的额碱基序列的识别。此外，本发明工艺简单、制造成本低、与CMOS工艺的完全兼容使其有较好的扩展性和较广的使用范围。所以，本发明有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值。
上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。

Claims (8)

1.一种DNA碱基序列检测的双层SiN纳米孔结构的制作方法，其特征在于，所述制作方法包括以下步骤：
1.)提供一硅基体作为基板；
2.)在基板两侧表面通过低压化学气相沉积法LP-CVD工艺沉积3层纳米薄膜组成的结构层，该结构层从基板向上的层结构顺序为SiN/SiO2/SiN；
3.)使用LP-CVD工艺在所述结构层表面沉积牺牲层；
4.)利用反应离子刻蚀RIE，刻蚀所述硅基体一侧所述结构层和所述牺牲层形成硅基体释放窗口；
5.)使用碱性溶液刻蚀所述硅基体得到由所述结构层和所述牺牲层组成的自支撑纳米薄膜；
6.)再次使用刻蚀的办法，刻蚀掉所述自支撑纳米薄膜上方的牺牲层，得到悬空的所述结构层；
7.)使用氦离子束在所述结构层上刻蚀出纳米通孔；
8.)最后使用缓冲过的氢氟酸BOE刻蚀所述结构层中的SiO2，得到由SiO2空腔分割开的双层SiN纳米孔结构。
2.根据权利要求1所述的DNA碱基序列检测的双层SiN纳米孔结构的制作方法，其特征在于：所述3层纳米薄膜组成的结构层SiN/SiO2/SiN，各层厚度顺序为2～10nm，5～30nm和5～30nm。
3.根据权利要求1所述的DNA碱基序列检测的双层SiN纳米孔结构的制作方法，其特征在于：所述步骤3)中采用LP-CVD工艺在所述结构层表面沉积牺牲层，该牺牲层是双纳米薄膜，从硅基体向上分别为由SiO2/SiN，或者是多晶硅/SiN，对应的每层厚度区间顺序为100～600nm，100～200nm。
4.根据权利要求1所述的DNA碱基序列检测的双层SiN纳米孔结构的制作方法，其特征在于：所述步骤4)中利用RIE刻蚀所述硅基体一侧所述结构层和所述牺牲层形成基体释放窗口，窗口尺寸范围为550um×550um～750um×750um。
5.根据权利要求1所述的DNA碱基序列检测的双层SiN纳米孔结构的制作方法，其特征在于：所述步骤5)中利用碱性溶液刻蚀所述硅基体得到由所述结构层和所述牺牲层组成的自支撑纳米薄膜，所使用的碱性溶液为KOH或者是TMAH。
6.根据权利要求1所述的DNA碱基序列检测的双层SiN纳米孔结构的制作方法，其特征在于：所述步骤6)中，所述悬空的结构层的直径在2um～5um内。
7.根据权利要求1所述的DNA碱基序列检测的双层SiN纳米孔结构的制作方法，其特征在于：所述步骤7)中使用氦离子束在悬空所述结构层上刻蚀出纳米通孔，氦离子束刻蚀得到的纳米孔尺寸在2nm～300nm内。
8.根据权利要求1所述的DNA碱基序列检测的双层SiN纳米孔结构的制作方法，其特征在于：所述步骤8)中使用缓冲过的氢氟酸BOE刻蚀所述结构层中的SiO2得到由SiO2空腔分割开的双层SiN纳米孔结构，氢氟酸缓冲液刻蚀纳米孔中SiO2的时间为5s～20s。
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