CN111108591A - 形成用于生物应用的自支撑膜的方法 - Google Patents

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Abstract

公开了使用定向自组装制造受良好地控制的纳米孔的方法和使用选择性蚀刻制造自支撑膜的方法。一方面，通过与嵌段共聚物的定向自组装以缩小特征的临界尺寸来形成一个或多个纳米孔，所述特征然后被转移到薄膜上。另一方面，一种方法包括：提供基板，所述基板在其高度可蚀刻层上方具有薄膜；形成穿过在所述高度可蚀刻层上方的所述薄膜的一个或多个纳米孔，例如通过孔径减小工艺；以及然后选择性地去除所述高度可蚀刻层的在所述一个或多个纳米孔下方的部分以形成薄自支撑膜。

Description

形成用于生物应用的自支撑膜的方法
背景技术
领域
本文所公开的方面涉及使用定向自组装制造受良好地控制的纳米孔的方法和使用选择性蚀刻制造自支撑膜(free-standing membrane)的方法。
相关技术描述
纳米孔被广泛地用于诸如脱氧核糖核酸(DNA)和核糖核酸(RNA)测序的应用。在一个示例中，使用电检测方法执行纳米孔测序，该方法一般包括将未知样品传输通过浸入在导电流体中的纳米孔，并且在纳米孔上施加电位。测量因离子传导通过纳米孔而产生的电流。跨越纳米孔表面的电流密度的幅值取决于纳米孔尺寸和样品的组成，诸如当时占据纳米孔的DNA或RNA。不同核苷酸会导致跨越纳米孔表面的电流密度的特性变化。测量这些电流变化并将其用于对DNA或RNA样品进行测序。
已经使用各种方法进行生物测序。通过合成的测序、或第二代测序用于鉴定哪些碱基已连结到DNA单链。一般包括使整个DNA链穿过单个孔的第三代测序用于直接地读取DNA。一些测序方法要求将DNA或RNA样品切碎并然后重组。另外，一些测序方法使用生物膜和生物孔，这些生物膜和生物孔具有保质期并且在使用之前必须冷藏。
最近，已经使用作为形成在自支撑膜(诸如氮化硅或氧化硅)上的纳米级孔的固态纳米孔进行测序。然而，当前固态纳米孔制造方法，诸如使用隧穿电子显微镜、聚焦的离子束、或电子束，不能容易地且廉价地实现制造纳米孔阵列必需的大小和位置控制要求。另外，当前纳米孔制造方法是耗时的。此外，当前自支撑膜制造方法是手动的、耗时的且昂贵的，并且不能有效地用于重复地形成具有对于DNA或RNA测序而言的最佳薄度的自支撑膜。
因此，本领域中需要的是制造用于生物应用的受良好地控制的纳米孔和自支撑膜的改进的方法。
发明内容
公开了使用定向自组装制造受良好地控制的纳米孔的方法和使用选择性蚀刻制造自支撑膜的方法。一方面，通过与嵌段共聚物的定向自组装以缩小特征的临界尺寸来形成一个或多个纳米孔，所述特征然后被转移到薄膜上。另一方面，一种方法包括：提供基板，所述基板在其高度可蚀刻层上方具有薄膜；形成穿过在所述高度可蚀刻层上方的所述薄膜的一个或多个纳米孔，例如通过孔径减小工艺；以及然后选择性地去除所述高度可蚀刻层的在所述一个或多个纳米孔下方的部分以形成薄自支撑膜。
一方面，提供了一种用于形成基板的方法。所述方法包括：提供基板，所述基板在其高度可蚀刻层上方具有薄膜；形成穿过在所述高度可蚀刻层上方的所述薄膜的一个或多个纳米孔；以及选择性地去除所述高度可蚀刻层的在所述一个或多个纳米孔下方的部分以形成薄自支撑膜。
另一方面，提供了一种用于形成基板的方法。所述方法包括：提供基板，所述基板在其高度可蚀刻层上方具有薄膜；形成穿过在所述高度可蚀刻层上方的所述薄膜的一个或多个纳米孔，形成所述一个或多个纳米孔包括：在所述薄膜中形成至少一个第一特征；将嵌段共聚物沉积在所述第一特征中，所述嵌段共聚物至少包括第一域和第二域；以及蚀刻所述第二域；以及选择性地去除所述高度可蚀刻层的在所述一个或多个纳米孔下方的部分以形成薄自支撑膜。
另一方面，公开了一种基板。所述基板包括：第一硅层；介电层，所述介电层设置在所述第一硅层上方；第二硅层，所述第二硅层设置在所述介电层的一部分上方；自支撑膜，所述自支撑膜设置在所述第二硅层上方，所述自支撑膜具有至少一个纳米孔和从中穿过而形成的至少一个开口；第一孔眼(well)，所述第一孔眼设置在所述至少一个纳米孔下方；以及第二孔眼，所述第二孔眼设置在所述至少一个纳米孔上方。
附图说明
为了能够详细地理解本公开内容的上述特征的方式，可以参考各方面来提供以上简要地概述的本公开内容的更具体的描述，其中一些方面在附图中示出。然而，应注意，附图仅示出了示例性方面，并且因此不应视为对其范围的限制，并且可以允许其他等效方面。
图1是用于形成具有用于生物应用的自支撑膜的基板的方法的工艺流程。
图2A至图2K描绘了根据本文所公开的工艺流程的具有自支撑膜的基板的剖视图，所述自支撑膜具有从中穿过而形成的一个或多个纳米孔。
为了便于理解，已经尽可能地使用相同的附图标记标示各图共有的相同元件。设想的是，一个方面的要素和特征可以有益地并入其他方面，而无需进一步叙述。
具体实施方式
公开了使用定向自组装制造受良好地控制的纳米孔的方法和使用选择性蚀刻制造自支撑膜的方法。一方面，通过与嵌段共聚物的定向自组装以缩小特征的临界尺寸来形成一个或多个纳米孔，所述特征然后被转移到薄膜上。另一方面，一种方法包括：提供基板，所述基板在其高度可蚀刻层上方具有薄膜；形成穿过在所述高度可蚀刻层上方的所述薄膜的一个或多个纳米孔，例如通过孔径减小工艺；以及然后选择性地去除所述高度可蚀刻层的在所述一个或多个纳米孔下方的部分以形成薄自支撑膜。
作为示例，本文所描述的方法涉及在半导体基板上形成纳米孔。还设想了所描述的方法可用于在各种材料上形成其他孔状结构，所述各种材料包括固态和生物材料。作为示例，本文所描述的方法涉及形成一个或多个沟槽或管；然而，还设想了其他蚀刻特征和它们的任何组合。出于说明目的，描述了具有氧化硅层的绝缘体上硅(silicon oninsulator，SOI)基板；然而，还设想了任何合适的基板材料和介电材料。另外，本文所描述的方法涉及基板的顶侧和背侧。顶侧和背侧一般是指基板的相对侧并且不一定是指向上或向下取向。
图1是用于形成具有用于生物应用的自支撑膜的基板的方法100的工艺流程。
在方法100之前，处理基板。将薄膜沉积在基板的硅层上方。方法100在操作110处通过提供基板开始，所述基板在硅层上方具有薄膜。在操作120处，穿过在硅层上方的薄膜形成一个或多个纳米孔。在操作130处，选择性地蚀刻硅层的在一个或多个纳米孔下方的部分以形成薄自支撑膜。
基板一般是任何合适的基板，诸如掺杂或未掺杂硅(Si)基板。沉积在基板的顶侧上方的薄膜一般是任何合适的薄膜。薄膜一般通过任何合适的沉积工艺来沉积，包括但不限于原子层沉积(ALD)、物理气相沉积(PVD)、化学气相沉积(CVD)和电子束沉积(EBD)，并且薄膜具有任何合适的厚度，例如小于约10纳米(nm)、小于约5nm、小于约2nm或小于约1nm。一个或多个纳米孔一般通过任何合适的技术来形成。在之后的图2A至图2K的描述中，作为示例，使用嵌段共聚物的定向自组装形成一个或多个纳米孔。还设想了一个或多个纳米孔通过其他合适的方法形成，包括但不限于接缝利用(seam exploitation)、或循环ALD和RIE蚀刻，以及介电击穿。
图2A至图2K描绘了根据本文所公开的工艺流程(诸如在方法100的各个阶段)的具有自支撑膜的基板200的剖视图，所述自支撑膜具有从中穿过的一个或多个纳米孔。
如图2A所示，在第一Si层202上方生长、形成或以其他方式沉积介电层，诸如氧化物层204。然后，将第二Si层206沉积在氧化物层204上方以形成绝缘体上硅(SOI)基板，如图2B所示。第二Si层206的厚度一般是任何合适的厚度，例如，在约0.5nm与约200nm之间，诸如约80nm，或者在约1微米(μm)与约10μm之间，诸如约6μrn。
然后，将薄膜208沉积在第二Si层206上方，如图2C所示。薄膜208一般通过任何合适的沉积工艺来沉积，包括但不限于ALD，并且一般具有小于约60纳米、小于约5nm、小于约2nm或小于约1nm的厚度。在图2C的示例中，薄膜208是氧化硅(SiO)膜。
如图2D所示，将薄膜208图案化为具有至少一个第一特征210(示出了一个)和一个或多个第二特征212(示出了两个)。图案化一般用标准光刻(1ithography)来实现。在图2D的示例中，第一特征210具有第一宽度或直径，并且第二特征212具有第二宽度或直径。第一特征210包括一个或多个侧壁214和底部216，底部216对应于第二Si层206的第一表面，如图2E所示，图2E是图2D的放大部分。第一宽度或直径一般在约10纳米(nm)与约100nm之间，例如，在约20nm与约60nm之间，诸如大约在约35nm与约50nm之间，诸如约50nm。第二宽度或直径一般在约0.5μm与约10μm之间，诸如约1μm。
嵌段共聚物218沉积在第一特征210中，如图2F所示。嵌段共聚物218一般由相分离成域的共聚物组成。如图2F所示，嵌段共聚物218相分离成A域220和B域222。A域220环绕B域222。B域222一般居中地位于第一特征210的中心处或附近。然后，选择性地蚀刻B域222，如图2G所示。预先地蚀刻第一特征210，使得在第一特征210的底部处存在剩余的介电层。剩余的嵌段共聚物218用作用于蚀刻介电层224的硬掩模。因此，穿过介电层224形成纳米孔226，如图2H所示。
如上文所讨论，图2A至图2H示出了用于穿过薄膜208形成纳米孔226的示例。本文还设想了用于形成纳米孔226的任何合适的方法。例如，纳米孔可以通过其他孔径减小工艺形成，所述孔径减小工艺诸如循环原子层沉积或化学气相沉积，以及蚀刻介电材料，或氧化基板以形成介电材料并分解在薄弱点或接缝处的介电材料以形成纳米孔。在一些方面，一个完整沉积和蚀刻循环将适合于形成受良好地控制的纳米孔；然而，在其他方面，取决于要形成的纳米孔的大小，循环的多次重复将适合于形成受良好地控制的纳米孔。
纳米孔226的大小(即，直径)为约100nm或更小。一方面，纳米孔226的大小在约1nm与约10nm之间，例如，在约2nm与约3nm之间，诸如约2nm。另一方面，纳米孔226的大小在约0.5nm与约5nm之间，例如在约1nm与约3nm之间，诸如2nm。另一方面，纳米孔226的大小在约1.5nm与约1.8nm之间，诸如约1.6nm，其大致是单链DNA的大小。另一方面，纳米孔226的大小在约2nm与约3nm之间，诸如约2.8nm，其大致是双链DNA的大小。
在已经形成纳米孔226之后，使用选择性蚀刻工艺来去除第二Si层206的在纳米孔226和一个或多个第二特征212下方的部分，如图2J所示。选择性地蚀刻第二Si层206的部分一般包括将基板200定位在蚀刻腔室中、引入被选择用于去除硅的蚀刻剂以及将基板200暴露于硅蚀刻剂以去除第二Si层206的部分。例如，使用基于自由基的化学物质以原子级精度传递可调谐的选择性以去除第二Si层206。选定的蚀刻剂和自由基选择性地蚀刻在薄膜208上方的第二Si层。例如，SiO2：Si的选择性刻蚀的比率为约1∶2000。用于执行选择性蚀刻的腔室的示例是可从加利福尼亚州圣克拉拉市的应用材料公司(Applied Materials，Inc.ofSanta Clara，California)获得的
Figure BDA0002416109270000051
SelectraTM蚀刻腔室。
尽管前述示例设想的是选择性地蚀刻Si层206，但是还设想了蚀刻层一般是任何合适的高度可蚀刻层。
一旦第二Si层206的部分已经被选择性地蚀刻，则由薄膜208形成自支撑膜240，如图2J所示。自支撑膜240包括至少一个纳米孔226和一个或多个开口，在这里，在第二Si层206上方形成一个或多个第二特征212。自支撑膜240是薄的，例如小于或等于约50纳米，诸如小于约10nm、小于约5nm、小于约2nm或小于约1nm。自支撑膜240是任何合适的材料，诸如薄介电膜。
在用于形成自支撑膜240的所公开的方法期间任选地执行进一步的基板处理。例如，在自支撑膜240的一个或多个部分上方形成附加层228，诸如氮化硅(SiN)层。另外，将正极230和负极232沉积在自支撑膜240的一个或多个部分上，由此形成适合于诸如DNA测序之类的生物应用的半导体基板。在DNA测序的示例中，在自支撑膜240的一个侧面上形成第一孔眼，并且在自支撑膜240的另一侧面上形成第二孔眼。一方面，将在其中具有DNA的溶液设置在第一孔眼中，将不具有DNA的溶液设置在第二孔眼中。由于DNA带负电荷，因此DNA将跟随电流并通过纳米孔226从第一孔眼移动到第二孔眼。当DNA移动通过纳米孔226时，它将阻止流过纳米孔226的电流并测量电流变化，使得可以对DNA进行测序，例如通过鉴定移动通过纳米孔226的碱基。另一方面，将在其中具有DNA的溶液另外地或替代地设置在第二孔眼中。
作为示例，图2A至图2K描绘了根据一个操作序列的工艺流程的各个阶段。设想的是，可以以任何合适的次序来执行图2A至图2K中所示的且本文所描述的操作。例如，在进一步的实施方式中，可以在保护纳米孔226的同时选择性地蚀刻第二Si层206的一部分，并且然后在完成选择性蚀刻的同时可以不对纳米孔226进行保护。
本公开内容的益处包括快速地形成一般可单独地寻址的受良好地控制的纳米孔和纳米孔阵列的能力。所公开的方法一般提供穿过薄膜的在大小和位置方面受良好地控制的纳米孔。制造受良好地控制的纳米孔的方法提供改进的信噪比，因为纳米孔的大小与被传输通过纳米孔的样品(诸如DNA单链)的大小类似，这增加了通过纳米孔的电流的变化。另外，制造具有受良好地控制的纳米孔的方法可以使得样品(诸如DNA)自由地通过纳米孔。
本文所描述的方法还提供了用于生物应用(诸如DNA测序)的自支撑膜，所述自支撑膜是薄的(例如，小于或等于1nm)、介电的、对盐溶液(KCl)有耐化学性，对蚀刻工艺的化学物质具有高选择性，是物理上和电气上无针孔的，具有低应力，并且是可润湿的。自支撑膜越薄，越多电场将集中在纳米孔的边缘周围，因此，根据本文所描述的方法制造的自支撑膜的薄度允许在生物应用(诸如DNA碱基鉴定)中使用期间实现高信噪比。
尽管前述内容针对的是本公开内容的各方面，但是在不脱离本公开内容的基本范围的情况下，可以设想本公开内容的其他和进一步方面，并且本公开内容的范围由所附权利要求书确定。

Claims (15)

1.一种用于形成基板的方法，包括：
提供基板，所述基板在其高度可蚀刻层上方具有薄膜；
形成穿过在所述高度可蚀刻层上方的所述薄膜的一个或多个纳米孔；和
选择性地去除所述高度可蚀刻层的在所述一个或多个纳米孔下方的部分以形成自支撑膜。
2.如权利要求1所述的方法，其中选择性地去除所述高度可蚀刻层的所述部分包括：
将所述基板定位在蚀刻腔室中；
将被选择用于去除所述高度可蚀刻层的蚀刻剂引入到所述蚀刻腔室；和
将所述基板暴露于所述蚀刻剂以选择性地去除所述高度可蚀刻层的所述部分。
3.如权利要求1所述的方法，其中所述自支撑膜是介电膜，并且其中所述高度可蚀刻层包括硅。
4.如权利要求1所述的方法，进一步包括：
将生物样品沉积在所述自支撑膜的至少一个侧面上；和
通过引导所述生物样品通过所述自支撑膜中的所述一个或多个纳米孔来分析所述生物样品。
5.如权利要求1所述的方法，其中所述一个或多个纳米孔的每一个的直径小于或等于约100纳米，并且其中所述自支撑膜的厚度小于或等于约50纳米。
6.一种用于形成基板的方法，包括：
提供基板，所述基板在其高度可蚀刻层上方具有薄膜；
使用孔径减小工艺形成穿过在所述高度可蚀刻层上方的所述薄膜的一个或多个纳米孔；和
选择性地去除所述高度可蚀刻层的在所述一个或多个纳米孔下方的部分以形成薄自支撑膜。
7.如权利要求6所述的方法，其中选择性地去除所述高度可蚀刻层的所述部分包括：
将所述基板暴露于被选择用于选择性地去除所述高度可蚀刻层的所述部分的蚀刻剂。
8.如权利要求6所述的方法，进一步包括：
将生物样品沉积在所述自支撑膜的至少一个侧面上；和
通过引导所述生物样品穿过所述自支撑膜中的所述一个或多个纳米孔来分析所述生物样品。
9.如权利要求6所述的方法，其中所述孔径减小工艺包括：
在所述薄膜中形成至少一个第一特征；
将嵌段共聚物沉积在所述第一特征中，所述嵌段共聚物至少包括第一域和第二域；和
蚀刻所述第二域。
10.如权利要求6所述的方法，其中所述孔径减小工艺包括：
在所述薄膜中形成至少一个第一特征；
将介电材料沉积在所述至少一个第一特征上方；和
蚀刻所述介电材料的在所述至少一个第一特征上方的部分。
11.如权利要求10所述的方法，其中所述方法进一步包括：
重复进行沉积所述介电材料和蚀刻所述介电材料的所述部分，直到形成至少一个纳米孔。
12.如权利要求6所述的方法，其中所述孔径减小工艺包括：
在所述薄膜中形成至少一个第一特征；
氧化所述基板以在所述基板上方形成介电材料来填充至少一个开口，所述介电材料中形成有至少一个接缝；和
利用所述至少一个接缝以形成至少一个纳米孔。
13.如权利要求6所述的方法，进一步包括：
将一个或多个附加层沉积在所述薄膜上方；和
将正极和负极沉积在所述薄膜上方。
14.一种基板，包括：
第一硅层；
介电层，所述介电层设置在所述第一硅层上方；
第二硅层，所述第二硅层设置在所述介电层的一部分上方；
自支撑膜，所述自支撑膜设置在所述第二硅层上方，所述自支撑膜具有至少一个纳米孔和从中穿过而形成的至少一个开口；
第一孔眼，所述第一孔眼设置在所述至少一个纳米孔下方；和
第二孔眼，所述第二孔眼设置在所述至少一个纳米孔上方。
15.如权利要求14所述的基板，包括：
含DNA流体，所述含DNA流体处于所述第一孔眼和所述第二孔眼的至少一个中，其中所述至少一个纳米孔的每一个的直径小于或等于约100纳米，并且其中所述自支撑膜的厚度小于或等于约50纳米。
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