CN113237932B - 一种对电极型纳米电学传感器的制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种对电极型纳米电学传感器的制备方法，该方法首先在硅衬底上涂覆光刻胶，接着利用聚焦粒子束对光刻胶进行曝光并显影，光刻胶曝光显影后的形状截面为顶部开口小，底部开口大的正梯形或“凸”字型，最后利用物理气相沉积法在曝光的光刻胶上沉积金属，形成封闭的具有上下对电极的纳米流道。相比于现有的工艺，本发明公开的制备方法工艺步骤简单，成功率高，成本较低；利用本发明公开的制备方法制备的对电极型纳米电学传感器可以很容易将对电极间隙降低至40nm以下，最小可以低于5nm，显著提高对电极型纳米电学传感器的灵敏度，有利于实现单分子的高精度检测。

Description

一种对电极型纳米电学传感器的制备方法
技术领域
本发明属于传感器领域，尤其涉及一种电学传感器的制备方法。
背景技术
基于纳米流道的纳米电学传感器在危险品检测、生物信息素检测、环境信息感知等领域具有非常重要的应用。纳米电学传感器实现单分子检测主要利用循环伏安法对单分子信号进行放大。循环伏安法的增益与电极间距的平方成反比，因此决定纳米电学传感器检测精度的关键是纳米传感器内对电极的间隙。现有纳米电学传感器中的电极有平面叉指型和对电极型两种类型，其中平面叉指型纳米电学传感器由于其电极之间间距较大，不利于被测分子在电极间发生循环氧化还原反应，因此无法达到单分子检测的精度；对电极型纳米电学传感器在单分子检测中优势明显。
2013年S.G.Lemay等报道间隙为40nm的对电极型纳米电学传感器首次实现单分子检测，但是该传感器对单个分子只能产生20fA的微弱信号，这对于单分子电学检测的应用来说难度很大，报道中提到解决信号太弱问题的手段就是要降低电极间隙，然而这样的技术方案几乎是不能实现，因为如果降低电极之间的间隙，大面积平行板式金属电极很容易因为发生形变而相互接触，从而导致短路。除此之外，Lemay等人的报道也提到了对电极型纳米电学传感器的制备工艺，其制备过程中需要进行5次紫外光刻，3次干法刻蚀，2次离子束刻蚀，3次湿法腐蚀，3次等离子体化学气相沉积，1次蒸发镀膜和1次溅射镀膜，这个工艺过程非常繁琐复杂，在一定程度上也影响了该技术的应用。
因此，亟需一种对电极型纳米电学传感器的制备方法，能够简化现有技术中对电极型纳米电学传感器的制备过程，并通过该方法制备的对电极型纳米电学传感器的电极间隙能够满足单分子检测的需求。
发明内容
有鉴于此，本发明提供一种对电极型纳米电学传感器的制备方法，该制备方法工艺简单，易操作，且通过该方法制备的对电极型纳米电学传感器，其电极间隙最小可以达到5nm，提高了单分子检测的精度。
为达此目的，本发明采用以下技术方案：一种对电极型纳米电学传感器的制备方法，所述方法包括：
S1.在硅衬底上涂覆光刻胶；
S2.利用聚焦粒子束对光刻胶进行曝光并显影，光刻胶曝光后的形状截面为顶部开口小，底部开口大的正梯形或“凸”字型；
S3.利用物理气相沉积法在曝光的光刻胶上沉积金属，形成封闭的具有上下对电极的纳米流道。
优选的，所述步骤S1中涂覆光刻胶的方法为旋涂或喷涂。
优选的，所述步骤S1中的光刻胶为正性电子束光刻胶或离子束光刻胶。
优选的，所述步骤S1中光刻胶的厚度为40nm～2.5μm。
优选的，所述步骤S3中沉积金属的厚度大于光刻胶顶部开口封闭所需的厚度。
优选的，所述步骤S3中物理气相沉积法为电子束蒸发、热蒸发、磁控溅射中任意一种。
本发明的有益效果是：本发明公开的对电极型纳米电学传感器的制备方法，采用一次聚焦粒子束曝光和金属沉积工艺即可完成对电极型纳米电学传感器制备，相比于现有的工艺，本发明公开的制备方法工艺步骤简单，成功率高，成本较低；利用本发明公开的制备方法制备的对电极型纳米电学传感器可以很容易将对电极间隙降低至40nm以下，最小可以低于5nm，显著提高对电极型纳米电学传感器的灵敏度，有利于实现单分子的高精度检测。
附图说明
图1为本发明的步骤2中光刻胶曝光显影后的正梯形截面形状示意图；
图2为本发明的步骤2中光刻胶曝光显影后的凸型截面形状示意图；
图3为本发明的步骤3中沉积金属时光刻胶显影的正梯形形状上开口逐渐被封闭的示意图；
图4为本发明的步骤3中沉积金属时光刻胶显影的正梯形形状上开口完全被封闭的示意图；
图5为本发明实施例1中制备的纳米电学传感器的纳米流道结构示意图；
图6为本发明实施例2中制备的纳米电学传感器的纳米流道结构示意图；
图中：1.硅衬底 2.光刻胶 3.金属沉积层。
具体实施方式
本领域的普通技术人员将会意识到，这里所述的实施例是为了帮助读者理解本发明的原理，应被理解为本发明的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。本领域的普通技术人员可以根据本发明公开的这些技术启示做出各种不脱离本发明实质的其它各种具体变形和组合，这些变形和组合仍然在本发明的保护范围内。
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。
一种对电极型纳米电学传感器的制备方法，所述方法包括：
S1.在硅衬底上采用旋涂或者喷涂的方式涂覆一层或者多层正性电子束或者离子束光刻胶，光刻胶的厚度范围是40nm～2.5μm，一般而言，光刻胶的厚度越小越有利于降低纳米电学传感器中纳米流道的宽度和对电极间隙；
S2.利用聚焦粒子束对光刻胶进行曝光并显影，光刻胶曝光显影后的形状截面为顶部开口小，底部开口大的正梯形或“凸”字型，如图1和图2所示，这样的形状有利于沉积金属时沉积在光刻胶顶部的金属和图形底部的金属会分离，而且随着金属沉积厚度的增加顶部开口逐渐缩小，最终形成封闭的纳米流道其顶部开口宽度越小越有利于降低纳米电学传感器中对电极间隙；
S3.利用物理气相沉积法在曝光的光刻胶上沉积金属，形成封闭的具有上下对电极的纳米流道，沉积金属可以根据纳米电学传感器的设计需要选取，一般选择金，在金属沉积的过程中，光刻胶上图形的顶部开口会因为金属的附着而逐渐缩小，如图3所示，并最终闭合，形成封闭的有上下对电极的纳米流道，如图4所示。沉积金属的厚度一定要大于光刻胶顶部开口封闭所需的厚度；物理气相沉积法为电子束蒸发、热蒸发、磁控溅射中任意一种。
实施例1
在硅衬底上以4krpm速度旋涂浓度为4.5％PMMA 950K电子束光刻胶，180℃温度下烘胶3分钟，光刻胶的厚度约为250nm，之后利用聚焦电子束对光刻胶进行曝光，聚焦电子束的加速电压为10kV，光阑为30μm，曝光剂量为160uC/cm2，接着利用MIBK∶IPA＝1∶3的显影液对曝光后的光刻胶进行常温显影60秒，最后利用电子束蒸发的方式在光刻胶表面进行金属沉积，本实施例选择的金属为：Ti(10nm)和Au(100nm)，形成如图5所示的有对电极的闭合纳米流道，流道宽度约280nm。
实施例2
在硅衬底上以7krpm速度旋涂浓度为3％的PMMA/MA电子束光刻胶，200℃温度下持续烘胶10分钟，光刻胶的厚度约为40nm，再以7krpm的速度旋涂1％的PMMA 950K电子束光刻胶，180℃温度下烘胶3分钟，此种光刻胶的厚度约为30nm，接着利用聚焦电子束对光刻胶进行曝光，聚焦电子束的加速电压加速电压10kV，光阑为7μm，曝光剂量220uC/cm2，接着利用MIBK∶IPA＝1∶3的显影液对曝光后的光刻胶进行常温显影60秒。最后利用电子束蒸发的方式在光刻胶表面进行金属沉积，本实施例选择的金属为：Ti(10nm)和Au(100nm)，形成如图6所示的有对电极的闭合纳米流道，流道宽度约5nm。

Claims (6)

1.一种对电极型纳米电学传感器的制备方法，其特征在于，所述方法包括：
S1.在硅衬底上涂覆光刻胶；
S2.利用聚焦粒子束对光刻胶进行曝光并显影，光刻胶曝光显影后的形状截面为顶部开口小，底部开口大的正梯形或“凸”字型；
S3.利用物理气相沉积法在曝光的光刻胶上沉积金属，形成封闭的具有上下对电极的纳米流道。
2.根据权利要求1所述的对电极型纳米电学传感器的制备方法，其特征在于，所述步骤S1中涂覆光刻胶的方法为旋涂或喷涂。
3.根据权利要求1所述的对电极型纳米电学传感器的制备方法，其特征在于，所述步骤S1中的光刻胶为正性电子束光刻胶或离子束光刻胶。
4.根据权利要求1所述的对电极型纳米电学传感器的制备方法，其特征在于，所述步骤S1中光刻胶的厚度为40nm～2.5μm。
5.根据权利要求1所述的对电极型纳米电学传感器的制备方法，其特征在于，所述步骤S3中沉积金属的厚度大于光刻胶顶部开口封闭所需的厚度。
6.根据权利要求1所述的对电极型纳米电学传感器的制备方法，其特征在于，所述步骤S3中物理气相沉积法为电子束蒸发、热蒸发、磁控溅射中任意一种。
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