CN109182484B - 一种dna碱基序列检测的纳米孔三明治结构及其制作方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种DNA碱基序列检测的纳米孔三明治结构及其制作方法。首先在基体两侧表面沉积Si3N4/SiO2/Si3N4三层纳米薄膜；接着刻蚀基体一侧薄膜形成基板释放窗口；接着刻蚀基体另外一侧薄膜中的顶层Si3N4；然后使用碱性溶液从基体释放窗口刻蚀基板得到由Si3N4/SiO2两层纳米薄膜组成的自支撑纳米薄膜。接着在SiO2上方沉积Si3N4，再次得到悬空的纳米薄膜结构，退火，使用氦离子束刻蚀出纳米通孔；最后使用缓冲过的氢氟酸刻蚀SiO2，得到由SiO2空腔和两个Si3N4纳米孔组成的三明治结构。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，有较广的使用前景。

Description

一种DNA碱基序列检测的纳米孔三明治结构及其制作方法
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碱基序列检测的纳米孔三明治结构及其制作方法。
背景技术
基于纳米孔的DNA测序方法是1996年John Kasianowicz在Coultre的专利基础上提出来的，其工作原理为利用DNA通过纳米孔时，由于DNA物理占位，将会改变纳米通道的电阻，电阻的变化将导致离子电流的变化，形成类似方波信号的调制电流，调制电流的波形与生物分子的物理信息直接相关。通过分析方波信号的幅度、驻留时间，辨识DNA的四种碱基(A，C，G，T)，从而达到对DNA的测序目的。该方法的优势在于它简化了对DNA的化学修饰、扩增和表面吸附等工艺，具有结构简洁、速度快、操作简便等特点，同时省去了昂贵的荧光试剂和CCD照相机的费用。因此，基于纳米孔的测序方法被认为是第三代基因测序技术中最具竞争力的测序方案。然而，DNA分子在电场驱动下通过纳米孔的同时，受到布朗运动的影响。而当前采用AFM操控技术、磁镊技术、浓度差技术等，都没有解决此问题。纳米孔的基因测序，一直没有取得突破性的进展。
本发明将正对设计出一种DNA碱基序列检测的纳米孔三明治结构及其制作方法。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
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碱基序列检测的纳米孔三明治结构及其制作方法，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等问题。
为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种DNA碱基序列检测的纳米孔三明治结构及其制作方法，所述制作方法包括步骤：
1)提供一基板；
2)通过低压化学气相沉积法Low Pressure Chemical Vapor Deposition，LP-CVD在基板两侧表面各沉积Si3N4/SiO2/Si3N4三层纳米薄膜；
3)利用反应离子刻蚀工艺Reaction ion etching,RIE刻蚀所述基板一侧的Si3N4/SiO2/Si3N4三层纳米薄膜，形成基板释放窗口；利用反应离子刻蚀工艺刻蚀基板另外一侧的Si3N4/SiO2/Si3N4三层纳米薄膜中的顶层Si3N4,得到Si3N4/SiO2双层纳米薄膜窗口，所述Si3N4/SiO2双层纳米薄膜窗口位于基板释放窗口在基板另外一侧所相应的区域范围内；
4)然后采用单面刻蚀技术，使用碱性溶液从所述基板释放窗口处向Si3N4/SiO2双层纳米薄膜窗口刻蚀基板得到由Si3N4/SiO2两层纳米薄膜组成的自支撑纳米薄膜；
5)使用Plasma Enhanced Chemical Vapor DepositionPE-CVD在所述自支撑纳米薄膜上方沉积一层Si3N4，再次得到悬空的Si3N4/SiO2/Si3N4纳米薄膜结构；
6)然后，将所述悬空的Si3N4/SiO2/Si3N4纳米薄膜结构放置于真空炉或者有保护气的炉管中进行退火处理；
7)接着，使用氦离子束在悬空的Si3N4/SiO2/Si3N4纳米薄膜结构上刻蚀出纳米通孔，纳米孔直径范围在1-100nm；
8)最后使用缓冲过的氢氟酸Buffered Oxide Etch，BOE刻蚀Si3N4/SiO2/Si3N4纳米薄膜结构中的SiO2，得到由SiO2空腔和两个Si3N4纳米孔组成的三明治结构。
可选的，所述步骤1)中基板的材料为锗或锗硅。
可选的，所述步骤2)中在基板两侧表面沉积Si3N4/SiO2/Si3N4三层纳米薄膜，其中与基板接触的Si3N4厚度范围在1～20nm，中间的SiO2厚度为10-30nm，最外层Si3N4的厚度大于30nm。
可选的，所述步骤3)中刻蚀所述基板一侧的三层纳米薄膜形成的基板释放窗口面积范围为400um2～1mm2；
可选的，所述步骤4)刻蚀基板另外一侧所述Si3N4/SiO2/Si3N4三层纳米薄膜中的顶层Si3N4得到的Si3N4/SiO2双层纳米薄膜窗口面积范围为1um2～1mm2；
可选的，所述步骤4)使用碱性溶液从基体释放窗口刻蚀所述基板得到由所述Si3N4/SiO2两层纳米薄膜组成的自支撑纳米薄膜，所使用的碱性溶液为KOH或者TMAH。
可选的，所述步骤5)使用PE-CVD在所述自支撑Si3N4/SiO2上方沉积厚度为5-10nm的Si3N4,再次得到悬空的Si3N4/SiO2/Si3N4纳米薄膜结构。
可选的，所述步骤6)将所述Si3N4/SiO2/Si3N4纳米薄膜结构放置于真空炉或者由保护气的炉管中进行退火处理，退火温度范围为600-1000℃，退火时间为5-60min。
可选的，所述步骤7)中氦离子束在悬空的Si3N4/SiO2/Si3N4纳米薄膜结构上刻蚀出纳米通孔，纳米孔直径范围在1～100nm内。
可选的，所述步骤8)中使用缓冲过的氢氟酸刻蚀Si3N4/SiO2/Si3N4纳米薄膜结构中的SiO2得到由SiO2空腔和两个Si3N4纳米孔组成的三明治结构，氢氟酸缓冲液刻蚀纳米孔中SiO2的时间在1s～60s。
如上所述，本发明提供一种DNA碱基序列检测的纳米孔三明治结构及其制作方法。首先提供一基板；通过LP-CVD工艺在基体两侧表面沉积Si3N4/SiO2/Si3N4三层纳米薄膜；其中与基体接触的Si3N4厚度范围在1～20nm，中间的SiO2厚度为10-30nm，最外层Si3N4的厚度大于30nm。接着刻蚀基体一侧所述三层纳米薄膜形成基板释放窗口；接着刻蚀基体另外一侧所述Si3N4/SiO2/Si3N4三层纳米薄膜中的顶层Si3N4。然后单面刻蚀技术，使用碱性溶液从基体释放窗口刻蚀所述基板得到由所述Si3N4/SiO2两层纳米薄膜组成的自支撑纳米薄膜。接着，使用PE-CVD在SiO2上方沉积厚度为5-10nm的Si3N4，再次得到悬空的Si3N4/SiO2/Si3N4纳米薄膜结构。然后，将前文所述的结构放置于真空炉或者由保护气的炉管中进行退火处理，退火温度范围为600-1000℃，退火时间为5-60min。使用氦离子束在悬空的Si3N4/SiO2/Si3N4纳米薄膜结构上刻蚀出纳米通孔。最后利用纳米通孔，使用缓冲过的氢氟酸刻蚀所述Si3N4/SiO2/Si3N4纳米薄膜中的SiO2，得到由SiO2空腔和两个Si3N4纳米孔组成的三明治结构。
本发明具有以下有益效果：
1.能够与CMOS技术兼容，降低制造成本。
2.能够实现三层纳米孔三明治结构的精确可控制造。
3.可以实现DNA分子的动力学校对试验，是实现固态纳米孔测序的有力工具。
附图说明
图1显示为本发明DNA碱基序列检测的纳米孔三明治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基板示意图。
图3～图5显示为本发明DNA碱基序列检测的纳米孔三明治结构及其制作方法步骤2)中呈现的结构示意图。
图6显示为本发明DNA碱基序列检测的纳米孔三明治结构及其制作方法步骤3)中形成基板释放窗口呈现的结构示意图
图7显示为本发明DNA碱基序列检测的纳米孔三明治结构及其制作方法步骤3)中形成Si3N4/SiO2双层纳米薄膜窗口呈现的结构示意图。
图8显示为本发明DNA碱基序列检测的纳米孔三明治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碱基序列检测的纳米孔三明治结构及其制作方法步骤5-6)呈现的结构示意图。
图10显示为本发明DNA碱基序列检测的纳米孔三明治结构及其制作方法步骤7)呈现的结构示意图。
图11显示为本发明DNA碱基序列检测的纳米孔三明治结构及其制作方法步骤8)呈现的结构示意图。
图12显示为本发明DNA碱基序列检测的纳米孔三明治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13显示为本发明纳米孔三明治结构的高分辨透射电子显微镜(HRTEM)图。
元件标号说明
S1～S8 步骤
1 基板
2 第一复合膜
20 第一Si3N4纳米薄膜
21 第一SiO2纳米薄膜
22 第二Si3N4纳米薄膜
3 第二复合膜
30 第三Si3N4纳米薄膜
31 第二SiO2纳米薄膜
32 第四Si3N4纳米薄膜
4 释放窗口
5 Si3N4/SiO2双层纳米薄膜窗口
6 基板刻蚀槽
7 第五Si3N4纳米薄膜
8 纳米孔
9 纳米孔三明治
90 第一Si3N4纳米孔
91 第二Si3N4纳米孔
92 SiO2纳米腔
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13。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碱基序列检测的纳米孔三明治结构及其制作方法，所述制作方法至少包括以下步骤：
S1，提供一包括基板；
S2，通过低压化学气相沉积法工艺在基板两侧表面沉积Si3N4/SiO2/Si3N4三层纳米薄膜；
S3，利用反应离子刻蚀刻蚀所述基板一侧所述三层纳米薄膜形成基板释放窗口；
利用RIE刻蚀基板另外一侧所述三层纳米薄膜中的顶层Si3N4,得到Si3N4/SiO2双层纳米薄膜窗口；
S4,使用碱性溶液刻蚀所述基板得到由所述Si3N4/SiO2两层纳米薄膜组成的自支撑纳米薄膜；
S5，使用PE-CVD在所述自支撑纳米薄膜上方沉积Si3N4，得到悬空的Si3N4/SiO2/Si3N4纳米薄膜结构；
S6，退火；
S7，使用氦离子束在悬空的Si3N4/SiO2/Si3N4纳米薄膜结构上刻蚀出纳米通孔；；
S8,使用缓冲过的氢氟酸刻蚀Si3N4/SiO2/Si3N4纳米薄膜结构中的SiO2得到由SiO2空腔和两个Si3N4纳米孔组成的三明治结构；
下面结合具体附图对本发明DNA碱基序列检测的纳米孔三明治结构及其制作方法作详细的介绍。
首先执行步骤S1，提供一包括基板1，如图2所示。所述基板1可以是单晶，多晶或者已经掺杂的硅、锗或锗硅，在此不限。本实施例中，所述基板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工艺在基板1两侧表面分别沉积厚度一致的第一复合膜2和第二复合膜3。所述第一复合膜2是有Si3N4纳米薄膜20，SiO2纳米薄膜21以及第二Si3N4纳米薄膜22自下而上构成。所述第二复合膜3是有第三Si3N4纳米薄膜30，第二SiO2纳米薄膜31以及第四Si3N4纳米薄膜32自下而上构成。在LP-CVD沉积工艺中所述第一Si3N4纳米薄膜20与所述第三Si3N4纳米薄膜30同时沉积，二者的厚度范围在1～20nm。所述第一SiO2纳米薄膜21与所述第二SiO2纳米薄膜31同时沉积，二者的厚度范围为10-30nm。所述第二Si3N4纳米薄膜22与所述第四Si3N4纳米薄膜32同时沉积，二者的厚度均大于30nm。
本实施例中，所述第一Si3N4纳米薄膜20与所述第三Si3N4纳米薄膜30厚度为5nm。所述第一SiO2纳米薄膜21与所述第二SiO2纳米薄膜31厚度为20nm。所述第二Si3N4纳米薄膜22与所述第四Si3N4纳米薄膜32的厚度为10nm。也可以选择要求范围内的其他厚度，请参阅附图3-5。
接着执行步骤S3，在述所述第二复合膜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第二复合膜3形成释放窗口4，所述释放窗口4的尺寸范围为面积范围为400um2～1mm2。可以为200um×200um，300um×300um，也可以选择为1mm×1mm。本实施例中，如图6所示，所述释放窗口4的尺寸为600um×600um；
在述所述第一复合膜2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第一复合膜2形成Si3N4/SiO2双层纳米薄膜窗口5，Si3N4/SiO2双层纳米薄膜窗口5的尺寸范围为面积范围为所述双层纳米薄膜的面积范围为1um2～1mm2。可以为1um×1um，也可以选择为1mm×1mm。本实施例中，如图7所示，所述Si3N4/SiO2双层纳米薄膜窗口5的尺寸为4um×4um。
上述制备释放窗口、Si3N4/SiO2双层纳米薄膜窗口的顺序可以调换，可以在所述第一复合膜2刻蚀出释放窗口4，在所述第二复合膜3刻蚀出所述Si3N4/SiO2双层纳米薄膜窗口5。以上调换不影响刻蚀不影响最终结果。
接着执行步骤S4，将整个结构放入碱性溶液中，利用步骤S2刻蚀形成的释放窗口4进行单面释放，去除所述基板1，得到基板刻蚀槽6和由所述Si3N4纳米薄膜20和所述SiO2纳米薄膜21组成的自支撑纳米薄膜。具体地，如图8所示，在本实施例中，去除半所述硅基板1的碱性溶液为浓度为25％的TMAH溶液。也可以选择使用KOH去除所述硅基板1。
接着执行步骤S5，使用PE-CVD在所述Si3N4纳米薄膜20和所述SiO2纳米薄膜21上方沉积第五Si3N4纳米薄膜7,所述第五Si3N4纳米薄膜7的厚度范围为5-10nm。得到所述Si3N4纳米薄膜20、所述SiO2纳米薄膜21、所述纳米薄膜-3构成的悬空纳米薄膜结构。在本实施例中，使用PE-CVD沉积的所述第五Si3N4纳米薄膜7的厚度为20nm。
接着执行步骤S6，退火。将所述Si3N4纳米薄膜20、所述SiO2纳米薄膜21、所述纳米薄膜-3构成的悬空纳米薄膜结构放置于真空炉或者由保护气的炉管中进行退火处理，退火温度范围为600-1000℃，退火时间为5-60min。在本实施例中氩气保护炉管中退火温度为800℃，退火时间为10min。也可以选择要求范围内的其他参数，如图9所示。
接着执行步骤S7，使用氦离子束在已经退火后的所述Si3N4纳米薄膜20、所述SiO2纳米薄膜21、所述纳米薄膜-3构成的悬空纳米薄膜结构，即三层悬空的纳米薄膜上刻蚀出纳米孔8。刻蚀得到的所述纳米8的直径在1～100nm内。请参阅附图10，本实例中的所述纳米孔8的直径为80nm。
最后执行步骤S8，请参阅附图11～13，利用所述纳米孔8，采用缓冲过的BOE刻蚀所述Si3N4纳米薄膜20、所述SiO2纳米薄膜21、所述纳米薄膜-3构成的悬空纳米薄膜结构的SiO2所述SiO2纳米薄膜21得到SiO2纳米腔92和第一Si3N4纳米孔90，第二Si3N4纳米孔91组成的纳米孔三明治9。氢氟酸缓冲液刻蚀纳米孔中SiO2的时间在1s～60s。
本实例中，采用BOE刻蚀SiO2纳米薄膜21的时间为5s，得到所述由SiO2纳米腔92、第一Si3N4纳米孔90，第二Si3N4纳米孔91组成的纳米孔三明治9。最终制备出来的所述纳米孔三明治9的高分辨透射电子显微镜(HRTEM)实物图见图13。
综上所述，本发明提供的一种DNA碱基序列检测的纳米孔三明治结构及其制作方法，解决了传统基于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。本发明提出的纳米孔三明治结构可以实现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 (1)

1.一种DNA碱基序列检测的纳米孔三明治结构的制作方法，其特征在于；其制作方法包括以下步骤：
1）提供一基板；
2）通过低压化学气相沉积法LP-CVD在基板两侧表面各沉积Si3N4/SiO2/Si3N4三层纳米薄膜；
3）利用反应离子刻蚀工艺RIE刻蚀所述基板一侧的Si3N4/SiO2/Si3N4三层纳米薄膜，形成基板释放窗口；利用反应离子刻蚀工艺刻蚀基板另外一侧的Si3N4/SiO2/Si3N4三层纳米薄膜中的顶层Si3N4, 得到Si3N4/SiO2双层纳米薄膜窗口，所述Si3N4/SiO2双层纳米薄膜窗口位于基板释放窗口在基板另外一侧所相应的区域范围内；
4）然后采用单面刻蚀技术，使用碱性溶液从所述基板释放窗口处向Si3N4/SiO2双层纳米薄膜窗口刻蚀基板得到由Si3N4/SiO2两层纳米薄膜组成的自支撑纳米薄膜；
5）使用等离子体增强化学气相沉积PE-CVD在所述自支撑纳米薄膜上方沉积一层Si3N4，再次得到悬空的Si3N4/SiO2/Si3N4纳米薄膜结构；
6）然后，将所述悬空的Si3N4/SiO2/Si3N4纳米薄膜结构放置于真空炉或者有保护气的炉管中进行退火处理；
7）接着，使用氦离子束在悬空的Si3N4/SiO2/Si3N4纳米薄膜结构上刻蚀出纳米通孔，纳米孔直径范围在1-100nm；
8）最后使用缓冲过的氢氟酸Buffered Oxide Etch，BOE刻蚀Si3N4/SiO2/Si3N4纳米薄膜结构中的SiO2，得到由SiO2空腔和两个Si3N4纳米孔组成的三明治结构；
所述步骤1）中基板的材料为锗或锗硅；
所述步骤2）中在基板两侧表面沉积Si3N4/SiO2/Si3N4三层纳米薄膜，其中与基板接触的Si3N4厚度范围在1~20nm，中间的SiO2厚度为10-30nm，最外层Si3N4的厚度大于30nm；
所述步骤3）中刻蚀所述基板一侧的三层纳米薄膜形成的基板释放窗口面积范围为400um2 ~1mm2；
所述步骤4）刻蚀基板另外一侧所述Si3N4/SiO2/Si3N4三层纳米薄膜中的顶层Si3N4得到的Si3N4/SiO2双层纳米薄膜窗口面积范围为1um2 ~1mm2；
所述步骤4）使用碱性溶液从基体释放窗口刻蚀所述基板得到由所述Si3N4/SiO2两层纳米薄膜组成的自支撑纳米薄膜，所使用的碱性溶液为KOH或者TMAH；
所述步骤5）使用PE-CVD在所述自支撑Si3N4/SiO2上方沉积厚度为5-10nm的Si3N4，再次得到悬空的Si3N4/SiO2/Si3N4纳米薄膜结构；
所述步骤6）将所述Si3N4/SiO2/Si3N4纳米薄膜结构放置于真空炉或者由保护气的炉管中进行退火处理，退火温度范围为600-1000℃，退火时间为5-60min；
所述步骤8）中使用缓冲过的氢氟酸刻蚀Si3N4/SiO2/Si3N4纳米薄膜结构中的SiO2得到由SiO2空腔和两个Si3N4纳米孔组成的三明治结构，氢氟酸缓冲液刻蚀纳米孔中SiO2的时间在1s~60s。
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