CN112748640A - 一种场效应细胞培养皿的制备流程 - Google Patents

一种场效应细胞培养皿的制备流程 Download PDF

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Abstract

一种场效应细胞培养皿制备工艺流程由清洗、源极光刻、源极扩散、漏极光刻、漏极扩散、栅极光刻、栅极外延、硅化光刻、金属硅化、热氧化、切割、合体、除菌组成。通过这个流程可以制备出由皿壁和皿底组成的场效应细胞培养皿。皿底由10×10～700×700个场效应传感器组成的传感器阵列。场效应传感器的结构是在一个n型半导体衬底上，制备两个不同掺杂浓度p型半导体的源极和漏极，栅极在源极和漏极之间，细胞在皿底场效应传感器的栅极培养，并控制栅极电位。该细胞培养皿制备流程有益之处在于流程简单，易于实现，可降低制造成本。

Description

一种场效应细胞培养皿的制备流程
技术领域
本发明属生物传感器领域，涉及一种细胞膜电位检测传感器的制备流程，具体地说，涉及一种依靠场效应管检测细胞膜电位的细胞培养皿的制备流程。
背景技术
中国发明专利ZL201210282543.8描述了一种场效应细胞培养皿结构，这种细胞培养皿是在皿底制作了一个场效应管阵列。细胞在培养皿中培养时，细胞有机会与该阵列中的一个场效应管贴壁生长，细胞膜电位可控制该场效应管的栅极。当细胞膜电位变化，该场效应管栅极电位发生变化，由此可控制场效应管漏源之间导电沟道的电阻变化。通过测量该场效应管的漏源电流，即可检测到细胞膜电位的变化。
在这种场效应细胞培养皿发明之前已经出现了神经元-场效应管传感器(包家立，生物化学与生物物理进展，2018，45(5)：529-535)。这种传感器结构是n基底p-沟道场效应管，神经元贴敷在栅极隔离层上，细胞外液接地，基底、源极、漏极接正电压，漏源电流被栅极电压所调制。微电极刺入神经元，并用电流刺激细胞，膜电位在栅极变化并被检测(Fromherz P，
Figure BSA0000194223100000012
A等，Science，1991，252：1290-1293)。这种传感器的制备主要有清洗、匀胶、曝光、显影、坚膜、电极制作、刻蚀、切割等工艺，其中硅片工艺和神经芯片装配工艺是细胞-场效应管的关键技术(
Figure BSA0000194223100000011
A等，Physical Review Letters，1995，75(8)：1671-1673和2004，92(3)：038102；Physical Review E，1997，55(2)：1779-1782)。
硅片工艺：从表面(100)、电阻5-10Ω/cm的n型硅片上切割一块30×10mm2芯片，在掩膜氧化物用氟化铵溶液在1000℃腐蚀开16个径向道生长湿氧气，道2.5mm长(芯片中心从0.5到3mm)，第一个毫米宽60μm，向外逐步扩大到700μm，这些p型道用硼，直流电阻400Ω。场氧化物(1μm)在1000℃生长，刺激点(直径20-50μm)被蚀刻在道内末端，覆盖一层薄氧化物(大约10nm)，在1100℃干氧气快速热处理炉中生长。打开后连接道周边的点，用钢丝粘合。最后，树脂玻璃室(半径1.5mm)用硅酮胶粘结。从导电通道末端分离的刺激点区域连接到外部的电极。
神经芯片装配：从欧洲医蛭(hirudo medicinalis)中分离的Retzius细胞，并保存在具有培养基(L-15)的塑料培养皿，培养基具有2％胎牛血清(Gibco)、5mg/ml葡萄糖和50μg/ml硫酸庆大霉素培养三天以上。细胞被胞外基质包被，胞外基质用分散酶/胶原酶处理30分钟后移去。用基本过氧化氢(30％过氧化氢，30％氨/水＝1∶1.5)热(80℃)清除芯片。用赖氨酸滴(1mg/ml水，分子量(MW)15000-30000)作为粘合剂滴到刺激点并干燥2-3h。然后，玻璃室用水冲洗3h并充满无血清培养基。用玻璃吸管(齿顶圆直径约100μm)吸进一个神经元，转移到玻璃室，在立体显微镜下观察控制转移一个刺激点。
CMOS细胞电信号传感芯片是一种以CMOS传感器为电极，它测量细胞电信号的要求是后续电路具备高输入阻抗，以补偿电极特性和溶液界面态带来的影响。这种传感器直接与MOS管的栅极相连，以满足高输入阻抗的要求(朱大中等，固体电子学研究与进展，2005，25(4)：507-512)。该传感器采用lift-off工艺制作Au/Cr/Al电极。电极顶层金属为Au，有较好的生物兼容性和抗蚀能力。Cr层作为Au和Al的黏附层，Au和Cr采用交流溅射方法生长。芯片在电解液环境中测试细胞电信号需要充分保护芯片电路和管脚。其制作方法是在电极制备完成后，芯片表面用聚酰亚胺层处理，以保护芯片上电路和芯片管脚。芯片用陶瓷封装，并将直径20mm、底部边长1.5mm方孔玻璃容器粘合在芯片座上，作为细胞培养的腔体。
标准CMOS工艺是微电子工业的主流工艺。多晶Si自对准工艺限制了MOS传感单元及其电路的单片集成。要想与CMOS工艺兼容，必须考虑以下几个方面：(1)新结构传感单元的设计；(2)相关电路的设计；(3)压焊区的绝缘封装(施朝霞、朱大中，半导体学报，2007，28(8)：1272-1277)。多层浮栅电极场效应管结构可与CMOS工艺兼容(Bausells等，Sensorsand Actuators B，1999，57：56)。片上集成的电路通过反馈或保持漏源电压和漏源电流恒定的方法使传感器输出与阈值电压呈线性(Morgenshtein等，Sensors and Actuators B，2004，97：122)。芯片封装可采用裸露传感区倒装(flip-chip bonding)技术(Sudakov等，ICECS Conference，Israel，2004)。
一种光寻址单细胞传感器(LAPS)的制备工艺是采用1000℃热氧化法在n-型硅片上表面氧化一层30mn厚的SiO2，用金刚砂将硅片厚度磨减至100μm，并用聚二甲基硅氧烷(polydimethysiloxane，PDMS)在芯片表面做培养测量腔，腔体上表面用光学增透玻璃密封，玻璃表面镀金电极作为参考电极(王平等，浙江大学学报(工学版)，2005，39(9)：1404-1408)。用多聚鸟胺酸和层纤维蛋白的混合液(polyornithine+laminine，PLOL)在LAPS表面做培养前处理。
场效应细胞传感器表面处理也是一项关键技术。影响细胞与硅表面耦合因素有化学因素和物理因素。化学因素包括表面官能团和表面电荷。物理因素包括表面粗糙度、表面张力等。表面处理方法有涂布法、制作特殊“形貌”法、表面亲水性改变法(包括离子注入法、氨基硅烷处理法)等(王平等，传感技术学报，2004，(2)：342-348)。
发明内容
本发明的目的是提供一种场效应细胞培养皿的制备流程。这个流程由清洗1、源极光刻2、源极扩散3、漏极光刻4、漏极扩散5、栅极光刻6、栅极外延7、硅化光刻8、金属硅化9、热氧化10、切割11、合体12、除菌13组成。在该制备流程中，把原始晶圆片作为工件，进行清洗1。用设计好的皿底15源极32暴露的掩膜版对衬底31工件进行源极光刻2和源极扩散3，在工件上制备出场效应传感器22的源极32。用设计好的皿底15漏极35暴露的掩膜版对该工件进行漏极光刻4和漏极扩散5，制备出场效应传感器22的漏极35。用设计好的皿底15栅极34暴露的掩膜版对该工件进行栅极光刻6和栅极外延7，制备出场效应传感器22的删极34。用设计好的皿底15源极连接线33、漏极连接线25、参考接件23、信号接件24暴露的掩膜版对该工件进行硅化光刻8和金属硅化9，制备出场效应传感器22的漏极连接线25和源极连接线33，其中所有场效应传感器的源极连接线33并接，并与参考接件23连接，各个场效应传感器22的漏极连接线25分别与信号接件24连接。把该工件进行热氧化10，使场效应传感器22一侧的工件表面制备出SiO2绝缘层36。将工件上多个皿底15切割出来，分成单个的皿底15。将皿壁与皿底合体12，成为一个完整的场效应细胞培养皿。把完整的场效应细胞培养皿进行除菌13。
光刻流程包括涂胶51、前烘52、掩膜53、曝光54、去掩膜55、去氧化层56、去胶57。涂胶51是在衬底工件表面涂一层光刻胶，保护住不想被蚀刻的区域，采用负性胶。前，52将胶膜中的溶剂全部挥发，使胶膜保持干燥。掩膜53是把设计好的皿底15掩膜版覆盖在工件表面，掩膜版的图案覆盖在涂有光刻胶的工件上。曝光54采用紫外线光照射在工件没有被掩膜版图案所覆盖的光刻胶上，使之产生光化学反应。去掩膜55是去除覆盖在工件表面上的掩膜版。去氧化层56是把去掩膜55的工件用氢氟酸溶液浸泡数小时，去掉工件上的氧化层，露出硅层。去胶57是采用兆声波清洗42方法，把去氧化层56的工件放在兆声波清洗池对其表面的光刻胶进行清洗。
扩散流程包括离子注入61和注入测量62。离子注入61是把以三价元素，如硼，以一定的掺杂浓度注入到工件露出硅层的区域，把该区域做成p阱(p-well)的场效应传感器22源极32或漏极35。注入测量62对该工件源极32或漏极35注入杂质、掺杂均匀性、注入曲线、注入损伤等掺杂特性进行测量。
栅极外延7是把工件置于高频感应炉加热，在高温下，氢气(H2)携带四氯化硅(SiCl4)或三氯氢硅(SiHCl3)、硅烷(SiH4)或二氯氢硅(SiH2Cl2)等进入栅极光刻后工件露出的栅极硅层区域，并进行化学反应，使含硅反应气体还原或分解，产生的硅原子在衬底31硅表面上外延生长，掺杂剂为磷烷(PH3)或三氯化磷(PCl3)。
合体12由粘合71和清洗1两个流程组成。用耐高温强力玻璃胶把场效应细胞培养22皿壁14和皿底15粘合在一起。合体12后，把成品的场效应细胞培养皿进行清洗，以清除在切割11、合体12过程中的各种污物。
本发明的有益之处在于：采用本流程可以制备出一种场效应细胞培养皿，其有益之处在于流程简单，易于实现，可以降低场效应细胞培养皿的制造成本。
附图说明
图1是场效应细胞培养皿制备流程图。
图2是场效应细胞培养皿组成图。
图3是场效应细胞培养皿底图。
图4是场效应传感器结构图。
图5是清洗流程图。
图6是光刻流程图。
图7是扩散流程图。
图8是合体流程图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明加以详细说明。
实施例：
参见图1，一种场效应细胞培养皿制备工艺流程由清洗1、源极光刻2、源极扩散3、漏极光刻4、漏极扩散5、栅极光刻6、栅极外延7、硅化光刻8、金属硅化9、热氧化10、切割11、合体12、除菌13组成。通过这个流程可以制备出如图2所示由皿壁14和皿底15组成的场效应细胞培养皿。皿底15由传感器阵列21，以及参考接件23，信号接件24和连接线25组成，如图3所示。传感器阵列21由10×10～700×700个场效应传感器22组成。场效应传感器22的结构如图4所示，它是在一个n型半导体衬底31上，制备两个不同掺杂浓度p型半导体的源极32和漏极35，在源极32上制备了连接线33，在漏极35上制备了连接线25，栅极34在源极32和漏极35之间。在有场效应传感器22一侧的衬底31表面上制备SiO2绝缘层36。
根据这种传感器结构，其制备流程是：把原始晶圆片作为工件，进行清洗1，把晶圆表面上的各种杂质洗脱，为整个场效应整个培养皿的制作做好准备。首先，用设计好的皿底15源极32暴露的掩膜版(图3)对衬底31工件进行源极光刻2和源极扩散3，在工件上制备出场效应传感器22的源极32。其次，用设计好的皿底15漏极35暴露的掩膜版对该工件进行漏极光刻4和漏极扩散5，制备出场效应传感器22的漏极35。再次，用设计好的皿底15栅极34暴露的掩膜版对该工件进行栅极光刻6和栅极外延7，制备出场效应传感器22的删极34。第四次用设计好的皿底15源极连接线33、漏极连接线25、参考接件23、信号接件24暴露的掩膜版对该工件进行硅化光刻8和金属硅化9，制备出场效应传感器22的漏极连接线25和源极连接线33，其中所有场效应传感器22的源极连接线33并接，并与参考接件23连接，各个场效应传感器22的漏极连接线25分别与信号接件24连接。把该工件进行热氧化10，使场效应传感器22一侧的工件表面制备了SiO2绝缘层36。在一个原始晶圆片工件上可以制作多个如图3那样的皿底15，切割11将该工件上多个皿底15切割出来，分成单个的皿底15。合体12将皿壁14与皿底15合为一体，成为一个完整的场效应细胞培养皿。除菌13把完整的场效应细胞培养皿进行除菌，以确保场效应细胞培养皿成品的合格性。
晶圆片选用掺杂物为磷的CZ晶圆片，规格为8寸SOI硅片，<100>晶向，厚725μm，表面氧化层厚25μm，掺磷浓度约为1015/cm3，电阻率约为0.001～1000Ω·cm。
清洗1由溶液浸泡41、兆声波清洗42、冲洗43和烘干44组成，如图5所示。首先，将晶圆片工件放置在清洗液浸泡41数十分钟，例如，RCA公司的清洗液产品，其标准清洗液-2(RCA-2/SC-2)由水、过氧化氢、盐酸组成。SC-2可以除去碱金属离子、氢氧根离子、残余金属。然后，将工件放置兆声波清洗池进行兆声波清洗42，兆声波约850kHz。之后，将工件用净水冲洗43。最后，将冲洗43后的工件放在轴线烘干机上进行烘干44。清洗效果直接影响场效应细胞培养皿的成品率、性能和可靠性。
在源极光刻2和漏极光刻4中，光刻流程被重复应用，因此，对光刻流程单独进行阐述。图6是光刻流程，它包括涂胶51、前烘52、掩膜53、曝光54、去掩膜55、去氧化层56、去胶57。涂胶51是在工件表面涂一层光刻胶，也称光阻剂(photeresist)，保护住不想被蚀刻的区域；采用负性胶，如Kodak 747、Kodak KTFR胶等。前烘52将胶膜中的溶剂全部挥发，使胶膜保持干燥，有利于光化学反应。掩膜53是把设计好的皿底15掩膜版覆盖在衬底31工件表面，掩膜版的图案覆盖在涂有光刻胶的衬底31工件上。曝光54采用紫外线光照射在工件没有被掩膜版图案所覆盖的光刻胶上，使之产生光化学反应。去掩膜55是去除覆盖在工件上的掩膜版。去氧化层56是把去掩膜55的工件用氢氟酸溶液浸泡数小时，去掉工件上的氧化层，露出硅层。去胶57是采用兆声波清洗42方法，把去氧化层56的工件放在兆声波清洗池对其表面的光刻胶进行清洗。此时，工件上没有被掩膜版图案所覆盖的硅层裸露出来，可以进行扩散流程。
源极光刻2是采用图6的光刻流程，其中掩膜53环节把设计好的皿底15源极32暴露的掩膜版覆盖在涂有光刻胶的工件表面。
漏极光刻4是采用图6的光刻流程，在掩膜53环节把设计好的皿底15漏极35暴露的掩膜版覆盖在涂有光刻胶的工件表面。
在源极扩散3和漏极扩散5中，扩散工艺被重复应用，因此，对扩散流程单独进行阐述。扩散流程包括离子注入61和注入测量62，如图7所示。离子注入61是把三价元素，如硼，以一定的掺杂浓度注入到衬底31工件上露出硅层的区域，把该区域做成p阱(p-well)的场效应传感器22源极32或漏极35。注入测量62对该工件源极32或漏极35的注入杂质、掺杂均匀性、注入曲线、注入损伤等掺杂特性进行测量。
源极扩散3是把三价元素，如硼，以一定的掺杂浓度，如1.5～15×1015/cm3注入到工件露出硅层的区域，这个浓度要高于衬底31掺磷浓度(1015/cm3)一个数量级，把该区域做成p阱(p-well)的场效应传感器22源极32。
漏极扩散5是把三价元素，如硼，以一定的掺杂浓度，如1.5～15×1016/cm3注入到工件露出硅层的区域，这个浓度要高于源极扩散3的掺杂浓度一个数量级(1.5～15×1015/cm3)，把该区域做成p阱(p-well)的场效应传感器22漏极35。
栅极光刻6是采用图6的光刻流程，在掩膜53环节把设计好的皿底15栅极34暴露的掩膜版覆盖在涂有光刻胶的工件表面。
栅极外延7是把工件置于高频感应炉加热，在高温下，氢气(H2)携带四氯化硅(SiCl4)或三氯氢硅(SiHCl3)、硅烷(SiH4)或二氯氢硅(SiH2Cl2)等进入栅极光刻6后工件露出的栅极硅层区域进行化学反应，使含硅反应气体还原或分解，产生的硅原子在衬底31硅表面上外延生长，掺杂剂为磷烷(PH3)或三氯化磷(PCl3)。栅极外延7处理的结果是在工件栅极34露出硅层的区域生长出一层与衬底31晶向相同的高阻单晶外延层。新单晶层的导电类型为空穴为多数载流子、电阻率与衬底31不同的电学特性。
硅化光刻8是采用图6的光刻流程，在掩膜53环节把设计好的皿底15连接线33、连接线25、参考接件23、信号接件24暴露的掩膜版覆盖在涂有光刻胶的工件表面。
金属硅化9是把工件置于高频感应炉加热。感应炉加镍(Ni)金属蒸汽，金属蚀刻剂为H2O2+H2SO4+H2O，一次退火温度350℃，时间30s；二次退火温度450℃，时间30s。金属硅化9处理的结果是在工件连接线33、连接线25、参考接件23、信号接件24制备出一层具有金属导电性的硅化物，以作为场效应传感器22源极32和漏极35的金属连接线，并根据硅化光刻8的掩膜版，源极32连接线33与参考接件23连接，漏极35连接线25与信号接件24连接。
热氧化10是把工件置于氧化炉，氧化炉中有纯净的干氧气，工件表面的硅与氧气结合生成一层SiO2薄膜，起到保护场效应细胞培养皿表面传感阵列的作用。热氧化10以75～200℃/s的温度变化率快升和快降，工件上产生SiO2保护层。
切割11采用激光切割机将工件中的多个场效应细胞培养皿底15切割为个体皿底15。
合体12由粘合71和清洗1两个流程组成，如图8所示。用耐高温强力玻璃胶，如UV胶粘合，把场效应细胞培养皿壁14和皿底15粘合71在一起。合体12后，把成品的场效应细胞培养皿进行清洗，清洗1流程采用图5流程，以清除在切割11、合体12过程中的各种污物。
除菌13将成品场效应细胞培养皿放置在紫外线下照射1小时，以杀菌消毒。

Claims (5)

1.一种场效应细胞培养皿的制备流程，由清洗、源极光刻、源极扩散、漏极光刻、漏极扩散、栅极光刻、栅极外延、硅化光刻、金属硅化、热氧化、切割、合体、除菌组成，把原始晶圆片作为工件，进行清洗；用设计好的皿底源极暴露的掩膜版对工件进行源极光刻和源极扩散；用设计好的皿底漏极暴露的掩膜版对工件进行漏极光刻和漏极扩散；用设计好的皿底栅极暴露的掩膜版对工件进行栅极光刻和栅极外延；用设计好的皿底源极连接线、漏极连接线、参考接件、信号接件暴露的掩膜版对工件进行硅化光刻和金属硅化，所有场效应传感器的源极连接线并接，并与参考接件连接，各个场效应传感器的漏极连接线分别与信号接件连接；该工件进行热氧化，在场效应传感器一侧的工件表面制备SiO2绝缘层；将工件上多个皿底切割出来，分成单个的皿底；将皿壁与皿底合体，成为一个完整的场效应细胞培养皿；把完整的场效应细胞培养皿进行除菌。
2.根据权利要求1所述的一种场效应细胞培养皿的制备流程，其特征在于，所述的光刻流程包括涂胶、前烘、掩膜、曝光、去掩膜、去氧化层、去胶，涂胶是在衬底工件表面涂一层光刻胶，采用负性胶；前烘将胶膜中的溶剂全部挥发；掩膜是把设计好的皿底掩膜版覆盖在工件表面，掩膜版的图案覆盖在涂有光刻胶的工件上；曝光采用紫外线光照射在工件没有被掩膜版图案所覆盖的光刻胶上；去掩膜是去除覆盖在工件表面上的掩膜版；去氧化层是把工件用氢氟酸溶液浸泡数小时，去掉工件上的氧化层，露出硅层；去胶是采用兆声波清洗方法，把去氧化层的工件放在兆声波清洗池对其表面的光刻胶进行清洗。
3.根据权利要求1所述的一种场效应细胞培养皿的制备流程，其特征在于，所述的扩散流程包括离子注入和注入测量；离子注入是把以三价元素以一定的掺杂浓度注入到工件露出硅层的区域，把该区域做成p阱(p-well)的场效应传感器源极或漏极；注入测量对该工件源极或漏极注入杂质、掺杂均匀性、注入曲线、注入损伤等掺杂特性进行测量。
4.根据权利要求1所述的一种场效应细胞培养皿的制备流程，其特征在于，栅极外延是把工件置于高频感应炉加热，在高温下，氢气(H2)携带四氯化硅(SiCl4)或三氯氢硅(SiHCl3)、硅烷(SiH4)或二氯氢硅(SiH2Cl2)进入栅极光刻后工件露出的栅极硅层区域，掺杂剂为磷烷(PH3)或三氯化磷(PCl3)。
5.根据权利要求1所述的一种场效应细胞培养皿的制备流程，其特征在于，用耐高温强力玻璃胶把场效应细胞培养皿壁和皿底粘合在一起，把成品的场效应细胞培养皿进行清洗。
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