CN118131392A - 零模波导芯片及其制备方法、零模波导检测系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及半导体器件技术领域，公开了零模波导芯片及其制备方法、零模波导检测系统。零模波导芯片包括半导体衬底、第一膜层和第二膜层，第一膜层设置在半导体衬底上，第一膜层上设置有第一纳米孔；第二膜层设置在半导体衬底和第一膜层之间，第二膜层上设置有第二纳米孔；第二纳米孔与第一纳米孔连通，适于形成设置待测样品的激发区域，且第二纳米孔的径向尺寸小于第一纳米孔的径向尺寸。荧光发射光照射在双层纳米孔结构的第二膜层表面，在第二纳米孔附近形成强局域场，激发区域限制在纳米孔底部很小范围内覆盖第二纳米孔内的待测样品，使待测样品的发射光集中来自这一小的激发区域，背景噪声降到最低，提高零模波导芯片的信噪比及荧光检测的准确性。

Description

零模波导芯片及其制备方法、零模波导检测系统
技术领域
本发明涉及半导体器件技术领域，具体涉及一种零模波导芯片及其制备方法、零模波导检测系统。
背景技术
零模波导(Zero-Mode Waveguide，简称ZMW)芯片通过激励光学消逝场限制有效观测体积，进而极大降低了背景噪声，目前多应用于DNA测序、RNA测序、蛋白-蛋白相互作用、配体-受体结合、膜蛋白等诸多研究领域，日益成为了解和认知生物分子间机制的有效工具。
目前单分子检测对于探测灵敏度提出了更高的需求，随之对芯片信噪比的提升提出了更高的需求。现有常规的ZMW芯片是在100nm-200nm厚度的金属薄膜上，由数千到数百万个亚波长的纳米孔组成阵列，纳米孔的直径通常为50nm-250nm，如图1所示。金属薄膜形成波导包层，纳米孔内部形成波导芯进而形成波导结构，此类波导结构具有截止波长，当入射光高于截止波长时，波导内没有传播模式，因而被称为“零模波导”。
然而ZMW芯片尽管降低了背景噪声，但纳米孔阵列底部的荧光信号仍然较为微弱，如何在低背景噪声下获得更高的信号强度成为增强信噪比的关键。因此，亟待构建基于零模波导机理的信号增强方法与器件。
发明内容
有鉴于此，本发明提供了一种零模波导芯片及其制备方法、零模波导检测系统，以解决现有的用于单分子荧光检测的零模波导芯片荧光信号弱，影响检测准确性的问题。
第一方面，本发明提供了一种零模波导芯片，包括半导体衬底、第一膜层和第二膜层，第一膜层设置在半导体衬底上，第一膜层上设置有第一纳米孔，第一纳米孔贯穿第一膜层；第二膜层设置在半导体衬底和第一膜层之间，第二膜层上设置有第二纳米孔，第二纳米孔贯穿第二膜层；第二纳米孔与第一纳米孔相连通，且第二纳米孔的径向尺寸小于第一纳米孔的径向尺寸；激发光限于第一纳米孔靠近第二纳米孔的区域和第二纳米孔所形成的激发区域内，激发区域内适于设置待测样品。
有益效果：第一纳米孔和第二纳米孔形成双层纳米孔结构，双层纳米孔结构把激发区域限制在纳米孔底部很小范围内，且足以覆盖设置在第二纳米孔内的待测样品，使得待测样品受激发产生的荧光发射信号集中来自这一小的激发区域，将背景噪声降到最低，进而提高零模波导芯片的信噪比，有助于提高荧光发射光的强度；更重要的是，待测样品发出的发射光照射到双层纳米孔结构时，发射光与金属膜层表面作用，在第二纳米孔附近形成强局域场，进一步实现对荧光信号的增强，进而提高荧光检测的准确性。
在一种可选的实施方式中，第一纳米孔与第二纳米孔同轴设置。
本发明中，同轴设置的双层纳米孔有助于在激发区域形成更加均匀稳定的强局域场，有助于荧光信号的增强。
在一种可选的实施方式中，第一膜层的厚度为100nm，第二膜层的厚度为10nm。
本发明中，超薄的第二膜层上的第二纳米孔增强了从第二纳米孔输出的管沟和的同时也保证了发射光的透光率，在具有良好的观测体积的同时得到了更强的荧光信号，实现信噪比的提升。
在一种可选的实施方式中，第一纳米孔的径向尺寸为200nm，第二纳米孔的径向尺寸范围为30nm-200nm。
在一种可选的实施方式中，第二纳米孔的径向尺寸为50nm。
本发明中，在第一纳米孔厚度100nm，直径200nm，以及第二纳米孔厚度10nm的前提下，第二纳米孔的直径为50nm时，形成的局域场增强效果最佳。
在一种可选的实施方式中，第一膜层和第二膜层为相同的金属膜层；或，第一膜层和第二膜层为不同的金属膜层。
第二方面，本发明提供一种零模波导检测系统，包括：上述的零模波导芯片、激光光源、检测元件以及光学控制组件；激光光源适于发出激发光；检测元件适于接收发射光；光学控制组件适于将激发光引导至激发区域，以激发设置在激发区域内的待测样品发出发射光，以及将发射光引导至检测元件。
在一种可选的实施方式中，光学控制组件包括：滤光片、二向色镜和物镜；激发光依次穿过滤光片、二向色镜和物镜到达发射增强型零模波导芯片的激发区域，以激发待测样品发出发射光；发射光依次穿过物镜和二向色镜到达检测元件。
第三方面，本发明还提供一种零模波导芯片的制备方法，包括：
提供半导体衬底；
在半导体衬底上制备第二膜层；
在第二膜层上制备第一膜层；
在第一膜层上形成第一纳米孔；
在第二膜层上形成第二纳米孔，第二纳米孔与第一纳米孔相连通，且第二纳米孔的径向尺寸小于第一纳米孔的径向尺寸；激发光限于第一纳米孔靠近第二纳米孔的区域和第二纳米孔所形成的激发区域内，激发区域内适于设置待测样品。
在一种可选的实施方式中，在第二膜层上制备第一膜层采用电子束负胶光刻工艺；在第一膜层上形成第一纳米孔采用剥离工艺；在第二膜层上形成第二纳米孔采用聚焦离子束刻蚀工艺。
附图说明
为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为现有技术中零模波导芯片的示意图；
图2为本发明实施例的零模波导芯片的结构示意图；
图3为本发明实施例的零模波导芯片场强增强的原理示意图；
图4为本发明实施例的零模波导芯片中激发光的场强分布仿真示意图；
图5为本发明实施例中第二纳米孔下方不同位置处强度的电场模散点与拟合曲线示意图；
图6为现有技术中零模波导芯片的荧光信号强度仿真示意图；
图7为本发明实施例的零模波导芯片的荧光信号强度仿真示意图；
图8为本发明实施例的零模波导芯片的发射光在不同位置的场强点线图；
图9为本发明的零模波导芯片与现有技术的零模波导芯片在第一检测点处的发射光电场模的点线对比图；
图10为本发明实施例的零模波导检测系统的示意图；
图11为制备本发明实施例的零模波导芯片的工艺流程图。
附图标记说明：
1、半导体衬底；2、第一膜层；21、第一纳米孔；3、第二膜层；31、第二纳米孔；4、待测样品；
10、零模波导芯片；20、激光光源；30、检测元件；40、滤光片；50、二向色镜；60、物镜；
100、强局域场；A、第一检测点；B、第二检测点；C、第三检测点。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。可理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，而非对本发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本发明相关的部分而非全部结构。在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本发明的概念。在附图中示出了根据本发明实施例的各种结构示意图。这些图并非是按比例绘制的，其中为了清楚表达的目的，放大了某些细节，并且可能省略了某些细节。图中所示出的各种区域、层的形状以及它们之间的相对大小、位置关系仅是示例性的，实际中可能由于制造公差或技术限制而有所偏差，并且本领域技术人员根据实际所需可以另外设计具有不同形状、大小、相对位置的区域/层。在本发明的上下文中，当将一层/元件称作位于另一层/元件“上”时，该层/元件可以直接位于该另一层/元件上，或者它们之间可以存在居中层/元件。另外，如果在一种朝向中一层/元件位于另一层/元件“上”，那么当调转朝向时，该层/元件可以位于该另一层/元件“下”。
针对相关技术中单分子检测对于高信噪比的要求，本发明在传统零模波导芯片光学消逝场激励的前提下，设计一种双层纳米孔结构实现局域光学电磁场信号的增强，形成强局域场，进而提高荧光信号强度以及荧光检测准确性。
如图2和图3所示，本实施例中提供了一种零模波导芯片10，包括：半导体衬底1、第一膜层2和第二膜层3，第一膜层2设置在半导体衬底1上，第一膜层2上设置有第一纳米孔21，第一纳米孔21贯穿第一膜层2；第二膜层3设置在半导体衬底1和第一膜层2之间，第二膜层3上设置有第二纳米孔31，第二纳米孔31贯穿第二膜层3；第二纳米孔31与第一纳米孔21相连通，且第二纳米孔31的径向尺寸小于第一纳米孔21的径向尺寸；激发光限于第一纳米孔21靠近所述第二纳米孔31的区域和第二纳米孔31所形成的激发区域内，，激发区域内适于设置待测样品4。
本实施例的零模波导芯片10，包括在衬底上叠层设置的两层金属的薄膜结构，两层薄膜结构成型有大小不同的第一纳米孔21和第二纳米孔31。激发区域包含全部的第二纳米孔31以及靠近第二纳米孔31的第一纳米孔21的部分区域。
第一纳米孔21和第二纳米孔31形成双层纳米孔结构，在纳米尺度下，当从下方来的激发光照射到双层纳米孔结构时，如图4所示的激发光场强的仿真示意图，双层纳米孔结构能够把激发区域限制在纳米孔底部很小范围内，且足以覆盖设置在第二纳米孔31内的待测样品4，使得待测样品4受激发产生的信号集中来自这一小的激发区域，将背景噪声降到最低，进而提高零模波导芯片10的信噪比；更重要的是，激发区域内的待测样品受激发产生荧光信号时，荧光发射光与金属膜层表面作用，在第二纳米孔附近形成如图3所示的强局域场100，进一步实现对荧光信号的增强，进而提高荧光检测的准确性。
根据仿真推测，双层纳米孔结构的表面会形成消逝波，光学消逝波也是一种电磁波；又由于金属的第一膜层2和第二膜层3中含有自由电子，荧光发射光会激起电子气的纵向振动，振动产生的电荷密度波沿着待测样品4与金属膜层接触的界面传播，从而在金属的膜层形成表面等离子波。因此，在形成径向尺寸更小的第二纳米孔31的情况下，表面等离子波和光学消逝波会发生共振，形成如图3所示的强局域场100，提高荧光发射光的强度，进而提高荧光检测的准确性。
具体地，上述的半导体衬底1采用厚度在190μm-210μm范围内的石英玻璃，其对于可见光的透过率大于等于90％，透光性好，结构稳定。
在一个实施例中，第一纳米孔21与第二纳米孔31同轴设置。同轴设置的双层纳米孔有助于在激发区域形成更加均匀和稳定的强局域场100，提高荧光信号强度。
在一个实施例中，第一膜层2的厚度为100nm，第二膜层3的厚度为10nm。超薄的第二膜层3上的第二纳米孔31增强了从第二纳米孔31输出的管沟和的同时也保证了发射光的透光率，在具有良好的观测体积的同时得到了更强的荧光信号，实现信噪比的提升。
在一个实施例中，第一纳米孔21的径向尺寸为200nm，第二纳米孔31的径向尺寸范围为30nm-200nm。
由于零模波导存在截止波长λC，大于该波长的光不能载波道中传输，而是在纳米孔底部产生光学消逝波。截止波长λC与零模波导的纳米孔直径相关，可以通过公式λC＝1.7d计算得到，其中λC为截止波长，d为第一纳米孔21的直径。在本实施例中，以第一膜层2厚度为100nm，第一纳米孔21为圆柱孔，根据上述公式可得当d＜0.588λC时，可在第一纳米孔21内产生光学消逝波，本实施例取d＝200nm。
本实施例中在第一膜层2厚度100nm，第一纳米孔21直径200nm的基础上进一步设置厚度为10nm的第二膜层3，直径在30nm-200nm的第二纳米孔31。然后从第二纳米孔31底部沿Z轴向下每隔10nm设置检测点，如图5所示，将不同检测点数据进行曲线拟合得到激发光强度随Z轴不同位置的变化趋势，由图5可知，本实施例的零模波导芯片10具备光学消逝场特征，把激发区域限定在双层纳米孔底较小区域内。
如图3所示，在强局域场100区域内选取具有代表性的三个检测点：第一检测点A、第二检测点B和第三检测点C，在第一纳米孔21厚度100nm，直径200nm，以及第二纳米孔31厚度10nm的前提下，得到第二纳米孔31的直径为50nm时，形成的局域场增强效果最佳，如图8所示。
当然，仅此三个检测点不能说明第二纳米孔31直径越小局域场增强效果越好，还需要考虑局域场的耦合情况。
进一步地，将本实施例中具有双层纳米孔结构的零模波导芯片10与常规的零模波导芯片在相同条件下进行仿真实验，具体包括待测样品4设置于相同位置、采用相同的光源发出的激发光、仿真实验的各参数设置相同、相同大小和厚度的材料以及相同的仿真边界条件。荧光信号场强分布以及强度的仿真结果如图6和图7所示，可明显看出，本实施例中荧光信号分布更广，且电场模强度更高。
将本实施例中在不同直径的第二纳米孔31中通过第一检测点A测得的场强，与常规零模波导芯片在相同的第一检测点A位置的场强进行量化对比，如图9所示，可得出本实施例中的双层纳米孔结构对于发射光场强的提高尤为明显，尤其是选取第二纳米孔31直径为50nm时对发射光信号强度有大幅提升。
在一个实施例中，第一膜层2和第二膜层3为相同的金属膜层；或，第一膜层2和第二膜层3为不同的金属膜层。
第一膜层2可以为金层、铝层或银层；第二膜层3优选金层或者其他贵金属膜层。
如图10所示，本实施例还提供一种零模波导检测系统，包括：
上述的零模波导芯片10、激发光源、检测元件30以及光学控制组件，其中，激光光源20适于发出激发光，检测元件30适于接收发射光，光学控制组件适于将激发光引导至激发区域，以激发设置在激发区域内的待测样品4发出发射光，以及将发射光引导至检测元件30。
在一个实施例中，光学控制组件包括：滤光片40、二向色镜50和物镜60；激发光依次穿过滤光片40、二向色镜50和物镜60到达发射增强型零模波导芯片10的激发区域，以激发待测样品4发出发射光；发射光依次穿过物镜60和二向色镜50到达检测元件30。
二向色镜50和滤光片40用于将激发光与发射光分开，检测元件30可以是CMOS相机。从芯片底部观察待测样品4发出的荧光发射光，并通过CMOS相机拍摄进行量化。
如图11所示，本实施例还提供一种零模波导芯片10的制备方法，用于制备上述的零模波导芯片10，包括如下步骤：
S101，提供半导体衬底1；
S102，在半导体衬底1上制备第二膜层3；
S103，在第二膜层3上制备第一膜层2；
S104，在第一膜层2上形成第一纳米孔21；
S105，在第二膜层3上形成第二纳米孔31，第二纳米孔31与第一纳米孔21相连通，且第二纳米孔31的径向尺寸小于第一纳米孔21的径向尺寸；激发光限于第一纳米孔21靠近第二纳米孔31的区域和第二纳米孔31所形成的激发区域内，激发区域内适于设置待测样品4。
半导体衬底1采用厚度在190μm-210μm范围内的石英玻璃，其对于可见光的透过率大于等于90％，透光性好，结构稳定。
在制备第二膜层3之前还需要将半导体衬底1进行表面处理，包括：采用丙酮、异丙醇和纯水，先后依次超声清洗并吹干，以去除半导体衬底1表面的杂质和水汽。
第一膜层2和第二膜层3的厚度和材质如上所述，在此不再赘述。
通过上述方式制得零模波导芯片10，得到包括直径较大的第一纳米孔21和直径较小的第二纳米孔31，第一纳米孔21和第二纳米孔31相连通。激发区域正好覆盖较小的第二纳米孔31区域，使得待测样品4受激发产生的信号集中来自这一小的激发区域，将背景噪声降到最低，进而提高零模波导芯片10的信噪比，为高信噪比单分子荧光检测提供了解决方案；更重要的是，当待测样品4发出的荧光发射光照射到双层纳米孔结构时，在待测样品4与第二纳米孔附近形成如图3所示的强局域场100，进而实现荧光发射光的增强，进一步提高荧光检测的准确性。
在一个实施例中，在第二膜层3上制备第一膜层2采用电子束负胶光刻工艺；在第一膜层2上形成第一纳米孔21采用剥离工艺；在第二膜层3上形成第二纳米孔31采用聚焦离子束刻蚀工艺。
以下详细说明本实施例中零模波导芯片10的制备工艺过程：
S1，提供半导体衬底1。采用厚度在190μm-210μm范围内的石英玻璃，其对于可见光的透过率大于等于90％。在制备第二膜层3之前还需要将半导体衬底1进行表面处理，包括：采用丙酮、异丙醇和纯水，先后依次超声清洗并吹干，以去除半导体衬底1表面的杂质和水汽。
S2，沉积厚度为10nm的超薄金层，即沉积第二膜层3。
S3，在完成超薄金层沉积之后，在超薄金层上依次涂覆光刻胶和导电胶，光刻胶涂覆超薄金层的整个上表面，导电胶以与要形成的第一纳米孔21尺寸相同的样式存在，以遮挡要形成第一纳米孔21的区域。
S4，电子束曝光光刻胶，并显影去除第一膜层2上导电胶以外的光刻胶。
S5，采用电子束蒸镀(Electron Beam Evaporation，简称EBE)工艺沉积生长厚度为100nm的第一膜层2。
S6，采用剥离(Lift-off)工艺去除光刻胶层、导电胶层以及导电胶上的第一膜层2材料，最终得到具有第一纳米孔21的第一膜层2。
S7，在第一纳米孔21露出的第二膜层3上通过聚焦离子束(Focused-ion-beam，简称FIB)刻蚀技术加工成型第二纳米孔31。
在以上的描述中，对于各层的构图、刻蚀等技术细节并没有做出详细的说明。但是本领域技术人员应当理解，可以通过各种技术手段，来形成所需形状的层、区域等。另外，为了形成同一结构，本领域技术人员还可以设计出与以上描述的方法并不完全相同的方法。另外，尽管在以上分别描述了各实施例，但是这并不意味着各个实施例中的措施不能有利地结合使用。
虽然结合附图描述了本发明的实施例，但是本领域技术人员可以在不脱离本发明的精神和范围的情况下做出各种修改和变型，这样的修改和变型均落入由所附权利要求所限定的范围之内。

Claims (10)

1.一种零模波导芯片，其特征在于，包括：
半导体衬底；
第一膜层，设置在所述半导体衬底上；所述第一膜层上设置有第一纳米孔，所述第一纳米孔贯穿所述第一膜层；
第二膜层，设置在所述半导体衬底和所述第一膜层之间；所述第二膜层上设置有第二纳米孔，所述第二纳米孔贯穿所述第二膜层；所述第二纳米孔与所述第一纳米孔相连通，且所述第二纳米孔的径向尺寸小于所述第一纳米孔的径向尺寸；激发光限于所述第一纳米孔靠近所述第二纳米孔的区域和所述第二纳米孔所形成的激发区域内，所述激发区域内适于设置待测样品。
2.根据权利要求1所述的零模波导芯片，其特征在于，所述第一纳米孔与所述第二纳米孔同轴设置。
3.根据权利要求1所述的零模波导芯片，其特征在于，所述第一膜层的厚度为100nm，所述第二膜层的厚度为10nm。
4.根据权利要求3所述的零模波导芯片，其特征在于，所述第一纳米孔的径向尺寸为200nm，所述第二纳米孔的径向尺寸范围为30nm-200nm。
5.根据权利要求4所述的零模波导芯片，其特征在于，所述第二纳米孔的径向尺寸为50nm。
6.根据权利要求1-5任一项所述的零模波导芯片，其特征在于，所述第一膜层和所述第二膜层为相同的金属膜层；或，所述第一膜层和所述第二膜层为不同的金属膜层。
7.一种零模波导检测系统，其特征在于，包括：
权利要求1-6任一项所述的零模波导芯片；以及，
激光光源，适于发出激发光；
检测元件，适于接收发射光；
光学控制组件，适于将所述激发光引导至所述激发区域，以激发设置在所述激发区域内的待测样品发出发射光，以及将所述发射光引导至所述检测元件。
8.根据权利要求7所述的零模波导检测系统，其特征在于，所述光学控制组件包括：滤光片、二向色镜和物镜；
所述激发光依次穿过滤光片、二向色镜和物镜到达所述发射增强型零模波导芯片的激发区域，以激发所述待测样品发出发射光；
所述发射光依次穿过所述物镜和二向色镜到达所述检测元件。
9.一种零模波导芯片的制备方法，其特征在于，包括：
提供半导体衬底；
在所述半导体衬底上制备第二膜层；
在所述第二膜层上制备第一膜层；
在所述第一膜层上形成第一纳米孔；
在所述第二膜层上形成第二纳米孔，所述第二纳米孔与所述第一纳米孔相连通，且所述第二纳米孔的径向尺寸小于所述第一纳米孔的径向尺寸；激发光限于所述第一纳米孔靠近所述第二纳米孔的区域和所述第二纳米孔所形成的激发区域内，所述激发区域内适于设置待测样品。
10.根据权利要求9所述的零模波导芯片的制备方法，其特征在于，在所述第二膜层上制备第一膜层采用电子束负胶光刻工艺；
在所述第一膜层上形成第一纳米孔采用剥离工艺；
在所述第二膜层上形成第二纳米孔采用聚焦离子束刻蚀工艺。
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