CN113866145A - 一种快速聚合酶链式反应用硅基芯片的制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及核酸检测芯片技术领域，尤其涉及一种快速聚合酶链式反应用硅基芯片的制造方法，于单晶硅晶圆片上沉积氮氧化硅膜；开窗及形成沟道得到预处理的晶圆片，进行湿法刻蚀，湿法刻蚀后的晶圆片具有湿法刻蚀沟道；对湿法刻蚀后的晶圆片进行清洗，采用玻璃盖片对清洗后的晶圆片进行密封键合；对键合后的晶圆片进行切割获得核酸检测芯片。本发明使得聚合酶链式扩增反应的时间大为缩减，且沉积的氮氧化硅膜能够抵抗后续工艺中碱性溶液的腐蚀，并且不需要额外的清洗工艺去除，可以保证玻璃盖片与芯片基材具有足够强度，不会出现剥离现象，还具有减少反射光对荧光测试的干扰问题，提高测试的准确性。
Description
技术领域
本发明涉及核酸检测芯片技术领域，尤其涉及一种聚合酶链式反应用硅基芯片的制造方法。
背景技术
核酸是由核苷酸单体聚合成的生物大分子化合物，包括脱氧核糖核酸(DNA)和核糖核酸(RNA)两大类，广泛存在于所有动植物、微生物及生物体内，是生命必不可少的遗传物质。所有生物包括动植物、细菌、病毒等都要靠核酸类遗传物质将遗传信息传递到下一代，每一个种属都有特定的基因组DNA序列或RNA序列。以新冠病毒核酸检测为例：对新冠病毒进行检测最常见的技术是采用反转录实时荧光聚合酶链式反应扩增法(RT-qPCR)判断新冠病毒是否为阳性。该方法的基本原理是采集病毒样本，提取(或不提取)病毒RNA，将样本与新冠病毒检测试剂混合后，加入到多孔反应板或微流控芯片中，进行RT-qPCR扩增；通过新冠病毒核酸检测试剂盒中的反转录酶将病毒RNA反转成cDNA，加热至93至95℃左右使得双链DNA解离，再降温至退火温度退火使得DNA单链与探针和引物结合并扩增，最终使得目标片段DNA倍增，整个高温变性、低温退火、适温延伸的过程重复约45个循环，可以使得扩增目标片段DNA扩增百万倍以上，在此过程中荧光基团被DNA聚合酶的核酸外切酶活性逐渐释放出来，使整个过程中荧光信号会由弱变强，表征扩增目标片段DNA浓度的变化，最终反映原始样品中是否含目标片段拷贝数的多少。如果样本中不含有新冠病毒的RNA，一般情况下经过上述反应后荧光强度不会有显著变化，即样本为阴性。
实现荧光定量PCR反应除需要qPCR检测仪器以外，反应所需耗材的性能和成本是实现检测性价比优势的关键因素。目前RT-qPCR反应使用的耗材材质多使用有机大分子材质，常见材质为聚乙烯材质、聚二甲基硅氧烷、聚丙烯或者聚碳酸酯等橡胶或塑料材质，上述耗材的加工方式主要通过制作模具通过注塑方式进行加工，密封方式主要通过光学密封盖(如8连管)，光学膜(96孔板)，注塑芯片(黏贴胶)等方式进行密封。上述技术存在的问题在于，使得新冠病毒整个检测过程耗时，一般约2小时，影响了检测效率，不利于相关新冠病毒快速检测和管理部门的预防筛查决策，造成如疫情集中爆发区、机场、海关等特殊场景的人员等待和货物积压情况，影响了人、物的安全和流通。
发明内容
针对上述问题，本发明提出一种快速聚合酶链式反应用硅基芯片的制造方法。
一种快速聚合酶链式反应用硅基芯片的制造方法，包括以下步骤：
步骤1，于单晶硅晶圆片上沉积氮氧化硅膜；
步骤2，于所述氮氧化硅膜上开窗及形成第一预设深度范围和第一预设宽度范围的沟道得到预处理的晶圆片；
步骤3，对所述预处理的晶圆片进行湿法刻蚀获得湿法刻蚀后的晶圆片，所述湿法刻蚀后的晶圆片具有第二预设深度范围和第二预设宽度范围的湿法刻蚀沟道；
步骤4，对所述湿法刻蚀后的晶圆片进行清洗获得清洗后的晶圆片；
步骤5，采用玻璃盖片对所述清洗后的晶圆片进行密封键合获得键合后的晶圆片；
步骤6，对所述键合后的晶圆片进行切割获得核酸检测芯片。
本发明所述的快速聚合酶链式反应用硅基芯片的制造方法，步骤1中采用等离子体增强气相沉积法沉积所述氮氧化硅膜，所述氮氧化硅膜的氧含量不高于30％，折射率不低于1.9，厚度不低于20nm。
本发明所述的快速聚合酶链式反应用硅基芯片的制造方法，所述步骤1中所述等离子体增强气相沉积法沉积所述氮氧化硅膜时，采用硅烷与氨气的比例为0.5，氨气与一氧化氮的比例为50，沉积温度400℃，沉积时间35分钟至40分钟。
本发明所述的快速聚合酶链式反应用硅基芯片的制造方法，所述步骤2采用激光刻蚀法，所述激光刻蚀法的激光采用纳秒激光或飞秒激光或皮秒激光。
本发明所述的快速聚合酶链式反应用硅基芯片的制造方法，所述步骤2中所述第一预设深度范围为20微米至100微米，所述第一预设宽度范围为20微米至100微米。
本发明所述的快速聚合酶链式反应用硅基芯片的制造方法，所述步骤3的湿法刻蚀采用质量百分比为1％的氢氧化钾溶液，其中异丙醇含量10％，反应温度为80℃，反应时间为6小时至10小时。
本发明所述的快速聚合酶链式反应用硅基芯片的制造方法，所述步骤3中的所述第二预设深度范围为200微米至250微米，所述第二预设宽度范围为150微米至200微米。
本发明所述的快速聚合酶链式反应用硅基芯片的制造方法，所述步骤4采用10％盐酸、10％双氧水的混合液，在氮气鼓泡装置中清洗，清洗完成后采用烘干温度为150℃，烘干时间为10分钟进行烘干。
本发明所述的快速聚合酶链式反应用硅基芯片的制造方法，所述步骤5采用键合机进行键合，键合温度400℃，电压1000伏，压力500帕。
本发明所述的快速聚合酶链式反应用硅基芯片的制造方法，步骤5之后步骤6之前，还包括在所述晶圆片或所述玻璃盖片上形成孔洞，所述孔洞作为样本进出通道。
本发明所述的快速聚合酶链式反应用硅基芯片的制造方法，所述步骤6采用纳秒激光进行切割或者半导体砂轮切割机切割。
本发明所述的快速聚合酶链式反应用硅基芯片的制造方法，所述孔洞的直径为1mm。
本发明所述的快速聚合酶链式反应用硅基芯片的制造方法，所述单晶硅晶圆片采用99.9999％的单晶硅晶圆片。
有益效果：本发明采用单晶硅晶圆片，可以解决升降温速度问题，使得聚合酶链式扩增反应的时间大为缩减，且沉积的氮氧化硅膜能够抵抗后续工艺中碱性溶液的腐蚀，并且不需要额外的清洗工艺去除，可以保证玻璃盖片与芯片基材具有足够强度，不会出现剥离现象，在芯片基材和玻璃盖片间存在的氮氧化硅膜，还具有减少反射光对荧光测试的干扰问题，提高测试的准确性。
附图说明
图1是本发明的方法流程示意图；
图2是本发明的结构示意图；
图3是本发明的反应所需要的沟道示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，但不作为本发明的限定。
参照图1和图2，一种快速聚合酶链式反应用硅基芯片的制造方法，包括以下步骤：
步骤1，于单晶硅晶圆片11上沉积氮氧化硅膜12；
步骤2，于氮氧化硅膜12上开窗及形成第一预设深度范围和第一预设宽度范围的沟道13得到预处理的晶圆片；
步骤3，对预处理的晶圆片进行湿法刻蚀获得湿法刻蚀后的晶圆片，湿法刻蚀后的晶圆片具有第二预设深度范围和第二预设宽度范围的湿法刻蚀沟道15；
步骤4，对湿法刻蚀后的晶圆片进行清洗获得清洗后的晶圆片；
步骤5，采用玻璃盖片对清洗后的晶圆片进行密封键合获得键合后的晶圆片；
步骤6，对键合后的晶圆片进行切割获得核酸检测芯片。
本发明的快速聚合酶链式反应用硅基芯片的制造方法，步骤1中采用等离子体增强气相沉积法沉积氮氧化硅膜，氮氧化硅膜的氧含量不高于30％，折射率不低于1.9，厚度不低于20nm。
本发明的快速聚合酶链式反应用硅基芯片的制造方法，步骤1中等离子体增强气相沉积法沉积氮氧化硅膜时，采用硅烷与氨气的比例为0.5，氨气与一氧化氮的比例为50，沉积温度400℃，沉积时间35分钟至40分钟。
步骤1采用的单晶硅晶圆片为经过抛光、清洗工艺的晶圆片，通过去油、去脂、去颗粒、烘干后在单晶硅晶圆片表面沉积氮氧化硅膜(SiNxOy)；本发明的氮氧化硅膜更为致密，能够抵抗后续工艺中碱性溶液的腐蚀，并且不需要额外的清洗工艺去除；此外，氧含量不高于30％可以保证后续键合工艺中玻璃盖片与芯片基材具有足够强度，不会出现剥离现象。在芯片基材和玻璃盖片间存在的氮氧化硅膜，还具有减少反射光对荧光测试的干扰问题，提高测试的准确性。
本发明的快速聚合酶链式反应用硅基芯片的制造方法，单晶硅晶圆片采用99.9999％的单晶硅晶圆片。单晶硅的导热系数高达150W/m.K，采用高导热的硅基材料作为聚合酶链式反应的反应基材，相比于目前检测用的耗材材质如聚二甲基硅氧烷、高密度聚乙烯、聚丙烯或者聚碳酸酯等橡胶或塑料，可以解决升降温速度问题，在加热部件的配合下，升降温速率可超过15℃/s，使得聚合酶链式扩增反应的时间缩减到30分钟以内，极大减少核酸检测时间。硅基芯片采用太阳能级别的晶圆片，相比于半导体级别的晶圆片，可以节省材料成本，节省光刻机、光刻胶和配套清洗工艺，便于普及使用。
本发明的快速聚合酶链式反应用硅基芯片的制造方法，步骤2采用激光刻蚀法，激光刻蚀法的激光采用纳秒激光或飞秒激光或皮秒激光。
本发明的快速聚合酶链式反应用硅基芯片的制造方法，步骤2中第一预设深度范围为20微米至100微米，第一预设宽度范围为20微米至100微米。
步骤2还可以采用化学腐蚀法或机械法，优选采用激光刻蚀法，特别是纳秒激光，采用氮氧化硅膜作为掩膜，利用激光刻蚀法进行开窗和预开槽工艺形成图案雏形，避免了光刻机、光刻胶、光刻胶清洗和掩膜去除的清洗工艺，提高了沟道的形成速度，极大降低了硅基芯片的制造成本，通过控制纳秒激光能量效率，形成上述沟道，可以显著提高后续湿法刻蚀反应的速率，大幅缩短结构形成时间，并且采用单层掩膜，不需要额外的光固化掩膜形成蚀刻图案先行去掉氮化硅或二氧化硅掩膜再进行刻蚀。
本发明的快速聚合酶链式反应用硅基芯片的制造方法，步骤3的湿法刻蚀采用质量百分比为1％的氢氧化钾溶液，其中异丙醇含量10％，反应温度为80℃，反应时间为6小时至10小时。
本发明的快速聚合酶链式反应用硅基芯片的制造方法，步骤3中的第二预设深度范围为200微米至250微米，第二预设宽度范围为150微米至200微米。
结合图3，预处理的晶圆片置于碱性溶液中，使得硅与溶液反应被刻蚀掉，形成聚合酶链式反应所需要的沟道15，通过控制反应液的浓度和反应时间，可以控制沟道深度和宽度。
本发明的快速聚合酶链式反应用硅基芯片的制造方法，步骤4采用10％盐酸、10％双氧水的混合液，在氮气鼓泡装置中清洗，清洗完成后采用烘干温度为150℃，烘干时间为10分钟进行烘干。
步骤4为标准酸洗工序，用以在形成聚合酶链式反应所需要的沟道后，去除晶圆表面的钠、钾、铁、氯、金属离子，并烘干备用。
本发明的快速聚合酶链式反应用硅基芯片的制造方法，步骤5采用键合机进行键合，键合温度400℃，电压1000伏，压力500帕。
通过键合工序对沟道进行密封，键合可以采用真空热压使得晶圆片与玻璃盖片直接键合；也可以选用化学法键合或采用环氧树脂热固化键合或采用丙烯酸类树脂光固化键合。
本发明的快速聚合酶链式反应用硅基芯片的制造方法，步骤5之后步骤6之前，还包括在晶圆片或玻璃盖片上形成孔洞，孔洞作为样本进出通道16，孔洞的直径为1mm。
以下具体介绍本发明的两种实施例。
第一种实施例，包括以下步骤：
第一步，采用等离子体增强气相沉积法于99.9999％的单晶硅晶圆片上沉积氮氧化硅膜，采用硅烷与氨气的比例为0.5，氨气与一氧化氮的比例为50，沉积温度400℃，沉积时间40分钟，形成50nm厚的氮氧化硅膜，折射率为1.9；
第二步，于氮氧化硅膜上选用纳秒激光开窗及刻槽得到预处理的晶圆片，晶圆片表面形成宽度100微米，深度50微米的沟道；
第三步，对预处理的晶圆片进行湿法刻蚀，采用质量百分比为1％的氢氧化钾溶液，其中异丙醇含量10％，在80℃反应10小时，获得湿法刻蚀后的晶圆片，湿法刻蚀后的晶圆片形成宽度200微米，深度250微米的湿法刻蚀沟道；
第四步，对湿法刻蚀后的晶圆片进行清洗，采用10％盐酸、10％双氧水的混合液，在氮气鼓泡装置中清洗，清洗完成后在150℃温度条件下烘10分钟烘干晶圆片；
第五步，采用标准键合机对清洗后的晶圆片和玻璃盖片进行密封键合获得键合后的晶圆片，键合温度400℃，电压1000伏，压力500帕；
第六步，采用纳秒激光直接切割获得单个核酸检测芯片。
第一种实施例中，参照图3，沟道开孔在侧面，无须另外开孔工艺，切割完成后，获得需要的硅基芯片。
第二种实施例，包括以下步骤：
第一步，采用等离子体增强气相沉积法于99.9999％的单晶硅晶圆片上沉积氮氧化硅膜，采用硅烷与氨气的比例为0.5，氨气与一氧化氮的比例为50，沉积温度400℃，沉积时间35分钟，形成35nm厚的氮氧化硅膜，折射率为1.9；
第二步，于氮氧化硅膜上选用纳秒激光开窗刻槽得到预处理的晶圆片，晶圆片表面形成宽度100微米，深度100微米的沟道；
第三步，对预处理的晶圆片进行湿法刻蚀，采用质量百分比为1％的氢氧化钾溶液，其中异丙醇含量10％，在80℃反应6小时，获得湿法刻蚀后的晶圆片，湿法刻蚀后的晶圆片形成宽度1500微米，深度200微米的湿法刻蚀沟道；
第四步，对湿法刻蚀后的晶圆片进行清洗，采用10％盐酸、10％双氧水的混合液，在氮气鼓泡装置中清洗，清洗完成后在150℃温度条件下烘10分钟烘干晶圆片；
第五步，采用标准键合机对清洗后的晶圆片和玻璃盖片进行密封键合获得键合后的晶圆片，键合温度400℃，电压1000伏，压力500帕；
第六步，采用超声钻孔机在玻璃盖片上形成直径1mm的孔洞，孔洞作为样品进入通道和样品输出通道；
第七步，采用半导体砂轮刀片切割机直接切割获得单个核酸检测芯片。
第二种实施例中，沟道的开孔在玻璃面，采用砂轮刀片切割机切割，获得需要的硅基芯片。
本发明采用单晶硅晶圆片，可以解决升降温速度问题，使得聚合酶链式扩增反应的时间大为缩减，且沉积的氮氧化硅膜能够抵抗后续工艺中碱性溶液的腐蚀，并且不需要额外的清洗工艺去除，可以保证玻璃盖片与芯片基材具有足够强度，不会出现剥离现象，在芯片基材和玻璃盖片间存在的氮氧化硅膜，还具有减少反射和阻碍硅基材受激发射产生的光对荧光测试的干扰问题，提高测试的准确性。
通过说明和附图，给出了具体实施方式的特定结构的典型实施例，基于本发明精神，还可作其他的转换。尽管上述发明提出了现有的较佳实施例，然而，这些内容并不作为局限。
对于本领域的技术人员而言，阅读上述说明后，各种变化和修正无疑将显而易见。因此，所附的权利要求书应看作是涵盖本发明的真实意图和范围的全部变化和修正。在权利要求书范围内任何和所有等价的范围与内容，都应认为仍属本发明的意图和范围内。
Claims (13)
1.一种快速聚合酶链式反应用硅基芯片的制造方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1，于单晶硅晶圆片上沉积氮氧化硅膜；
步骤2，于所述氮氧化硅膜上开窗及形成第一预设深度范围和第一预设宽度范围的沟道得到预处理的晶圆片；
步骤3，对所述预处理的晶圆片进行湿法刻蚀获得湿法刻蚀后的晶圆片，所述湿法刻蚀后的晶圆片具有第二预设深度范围和第二预设宽度范围的湿法刻蚀沟道；
步骤4，对所述湿法刻蚀后的晶圆片进行清洗获得清洗后的晶圆片；
步骤5，采用一玻璃盖片对所述清洗后的晶圆片进行密封键合获得键合后的晶圆片；
步骤6，对所述键合后的晶圆片进行切割获得核酸检测芯片。
2.根据权利要求1所述的快速聚合酶链式反应用硅基芯片的制造方法，其特征在于，步骤1中采用等离子体增强气相沉积法沉积所述氮氧化硅膜，所述氮氧化硅膜的氧含量不高于30％，折射率不低于1.9，厚度不低于20nm。
3.根据权利要求2所述的快速聚合酶链式反应用硅基芯片的制造方法，其特征在于，所述步骤1中所述等离子体增强气相沉积法沉积所述氮氧化硅膜时，采用硅烷与氨气的比例为0.5，氨气与一氧化氮的比例为50，沉积温度400℃，沉积时间35分钟至45分钟。
4.根据权利要求1所述的快速聚合酶链式反应用硅基芯片的制造方法，其特征在于，所述步骤2采用激光刻蚀法，所述激光刻蚀法的激光采用纳秒激光或飞秒激光或皮秒激光。
5.根据权利要求1所述的快速聚合酶链式反应用硅基芯片的制造方法，其特征在于，所述步骤2中所述第一预设深度范围为20微米至100微米，所述第一预设宽度范围为20微米至100微米。
6.根据权利要求1所述的快速聚合酶链式反应用硅基芯片的制造方法，其特征在于，所述步骤3的湿法刻蚀采用质量百分比为1％的氢氧化钾溶液，其中异丙醇含量10％，反应温度为80℃，反应时间为6小时至10小时。
7.根据权利要求1所述的快速聚合酶链式反应用硅基芯片的制造方法，其特征在于，所述步骤3中的所述第二预设深度范围为200微米至250微米，所述第二预设宽度范围为150微米至200微米。
8.根据权利要求1所述的快速聚合酶链式反应用硅基芯片的制造方法，其特征在于，所述步骤4采用10％盐酸、10％双氧水的混合液，在氮气鼓泡装置中清洗，清洗完成后采用烘干温度为150℃，烘干时间为10分钟进行烘干。
9.根据权利要求1所述的快速聚合酶链式反应用硅基芯片的制造方法，其特征在于，所述步骤5采用键合机进行键合，键合温度400℃，电压1000伏，压力500帕。
10.根据权利要求1所述的快速聚合酶链式反应用硅基芯片的制造方法，其特征在于，步骤5之后步骤6之前，还包括在所述晶圆片或所述玻璃盖片上形成孔洞，所述孔洞作为样本进出通道。
11.根据权利要求1所述的快速聚合酶链式反应用硅基芯片的制造方法，其特征在于，所述步骤6采用纳秒激光进行切割或者半导体砂轮切割机切割。
12.根据权利要求10所述的快速聚合酶链式反应用硅基芯片的制造方法，其特征在于，所述孔洞的直径为1mm。
13.根据权利要求1所述的快速聚合酶链式反应用硅基芯片的制造方法，其特征在于，所述单晶硅晶圆片采用99.9999％的单晶硅晶圆片。
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