CN107416762B - 一种硅纳米孔结构及其制作方法 - Google Patents

一种硅纳米孔结构及其制作方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种硅纳米孔结构及其制作方法。包括：一绝缘衬底上的硅片作为基板；在基体两侧表面沉积SiN纳米薄膜，将基体一侧的SiN刻蚀形成硅表面；同时刻蚀SiN纳米薄膜形成基体释放窗口；将金属纳米颗粒均匀分散在硅表面；在金属纳米颗粒和硅表面上方沉积保护层，在保护层上方涂覆一层增粘剂和抗碱性刻蚀液的胶，使用碱性溶液刻蚀硅基体得到由SOI氧化层、SOI顶层硅、金属纳米颗粒、保护层和保护胶组成的自支撑纳米薄膜。去除保护胶与增粘剂和SOI氧化层，刻蚀去除自支撑纳米薄膜上方部分保护层，得到保护层窗口；使用双氧水、氢氟酸配置成的刻蚀液体，辅助金属纳米颗粒刻蚀得到硅纳米孔结构。本发明工艺简单，可重复循环使用，在生化检测领域使用前景广。

Description

一种硅纳米孔结构及其制作方法
技术领域
本发明属于微纳器件制备与应用技术领域，涉及一种纳米孔制作方法，特别是涉及一种硅纳米孔结构及其制作方法。
背景技术
使用纳米孔(nanopore)进行DNA分子碱基序列的识别已经研究20年。当DNA分子在电场力的作用下穿过纳米孔时，改变纳米孔内的离子电流幅值，并借该电流幅值来识别碱基。随着纳米孔DNA测序方法研究的深入，科学家们认为纳米孔阵列传感器可以实现DNA平行检测，达到高通量测序的目的。其中最具有希望的是基于固态纳米孔阵列的全内反射荧光平行检测DNA序列技术。借助于电子倍增CCD相机捕捉纳米孔阵列中每个纳米孔的DNA过孔信号，实现多个光学信号与离子电流信号一一对应，实现高通量DNA测序。(McNally B,Singer A,Yu Z,et al.Optical recognition of converted DNA nucleotides forsingle-molecule DNA sequencing using nanopore arrays[J].Nano letters,2010,10(6):2237-2244.)
作为核心功能单元，固态纳米孔的制造直接关系到检测***的性能指标。适用于DNA测序的固态纳米孔制造方法，按照制造机理可以概括为两大类：第一类是基于高能粒子的“自上而下”的刻蚀技术(如聚焦离子束和高能电子束)；第二类是在第一类基础上，基于“自下而上”的缩孔技术(电子束辅助沉积和原子层沉积等)。然而，现有的固态纳米孔制造方法都是借助于纳米级加工工具，如聚焦离子束(Focused Ion Beam,FIB)、透射电子显微镜(Transmission Electron Microscope，TEM)等，同时受到设备腔体的限制，制造效率低。因此，现有方法约束了固态纳米孔阵列传感器的制造与应用。如何实现低成本、高效的固态纳米孔阵列的制造，是纳米孔DNA测序技术向微纳制造技术提出严峻的挑战。因此，研究新型固态纳米孔阵列制造方法具有十分重要的意义。本发明将正对设计出一种硅纳米孔芯片结构以及如何制造的。这种工艺简单、制造成本低的固态纳米孔芯片制造方法，必将具有重要的意义。
发明内容
鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种硅纳米孔结构及其制作方法，用于解决现有技术不可行的弊端，同时实现现有技术与CMOS技术相兼容，能有效降低制造工艺复杂程度问题。
为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种硅纳米孔结构及其制作方法，所述制作方法至少包括步骤：
1)提供一绝缘衬底上的硅片(Silicon-On-Insulator，SOI)为基板；
2)在基板两侧表面沉积一层SiN纳米薄膜；
3)刻蚀所述基体一侧所述SiN纳米薄膜形成硅表面；
4)刻蚀所述基体一侧所述SiN纳米薄膜形成基体释放窗口；
5)将金属纳米颗粒均匀分散在所述硅表面；
6)在所述金属纳米颗粒和硅表面上方沉积保护层；
7)在保护层上方涂覆一层增粘剂以及抗碱性刻蚀液的胶；
8)接着使用碱性溶液刻蚀所述硅基体得到由SOI氧化层、SOI顶层硅、所述金属纳米颗粒、所述保护层和所述保护胶组成的自支撑纳米薄膜；
9)去除保护胶和SOI氧化层；
10)再次使用刻蚀的办法，刻蚀掉所述自支撑纳米薄膜上方的部分保护层；
11)最后，使用双氧水、氢氟酸配置成的刻蚀液体，辅助金属纳米颗粒刻蚀得到硅纳米孔结构；
可选地，所述步骤1)中采用SOI顶层硅厚度区间分别为50～500nm。
可选地，所述步骤2)中采用沉积SiN纳米薄膜工艺可以是化学气相沉积、外延生长或者是原子层沉积，SiN纳米薄膜的厚度区间分别为20～200nm。
可选地，所述步骤3)刻蚀所述基体一侧所述SiN纳米薄膜形成硅表面。所述刻蚀方法可以为反应离子刻蚀，也可以是磷酸溶液刻蚀。所述SiN纳米薄膜被完全刻蚀。
可选地，所述步骤4)刻蚀所述基体一侧所述SiN纳米薄膜形成基体释放窗口，窗口尺寸范围为550μm×550μm～750μm×750μm。所述刻蚀方法可以为反应离子刻蚀，也可以是磷酸溶液刻蚀。所述基体释放窗口内的SiN纳米薄膜被完全刻蚀。
可选地，所述步骤5)将金属纳米颗粒均匀分散在所述硅表面。金属纳米颗粒可以是金、银、铂其中一种，或混合物。金属纳米颗粒的直径范围在2～200nm。
可选地，所述步骤6)在所述金属纳米颗粒和硅表面上方沉积保护层。沉积工艺可以为物理气相沉积、化学气相沉积或者是原子层沉积。保护层材料可以是氮化硅、氧化硅或者是二者组成的复合保护层，所述保护层的厚度在50nm～1μm。
可选地，所述步骤7)在保护层上方涂覆一层增粘剂以及抗碱性刻蚀液的胶。涂覆增粘剂的厚度范围为1μm～3μm，所述抗KOH刻蚀胶的厚度范围为2μm～3μm。
可选地，所述步骤8)中使用碱性溶液刻蚀所述硅基体得到由SOI氧化层、SOI顶层硅、所述金属纳米颗粒、所述保护层和所述保护胶组成的自支撑纳米薄膜。使用的碱性溶液可以是KOH或者是TMAH。
可选地，所述步骤9)中去除保护胶和SOI氧化层。分别使用丙酮去除所述保护胶，使用缓冲过的氢氟酸(Buffered Oxide Etch，BOE)刻蚀所述SOI氧化层。丙酮去除所述保护胶的时间范围在5～30min，BOE刻蚀所述SOI氧化层的时间范围在5～60s。
可选地，所述步骤10)中使用RIE刻蚀的办法，刻蚀掉所述自支撑纳米薄膜上方的部分保护层，得到保护层窗口。保护层窗口面积在4μm2～200μm2，也可以是多个窗口组成的阵列。
可选地，所述步骤11)中使用双氧水(H2O2)、氢氟酸(HF)配置成的刻蚀液体，辅助金属纳米颗粒得到硅纳米孔阵列结构。其中H2O2的浓度范围在5％～20％，HF的浓度范围在0.05％～1％，刻蚀时间为5s～2min。
如上所述，本发明提供一种硅纳米孔结构及其制作方法。包括：首先提供一绝缘衬底上的硅片(Silicon On Insulator，SOI)作为基板。在基体两侧表面沉积SiN纳米薄膜。接着使用刻蚀技术将基体一侧的SiN刻蚀形成硅表面。同时刻蚀SiN纳米薄膜形成基体释放窗口。将金属纳米颗粒均匀分散在所述硅表面。随后，在所述金属纳米颗粒和硅表面上方沉积保护层。接着，在保护层上方涂覆一层增粘剂和抗碱性刻蚀液的胶。之后，使用碱性溶液刻蚀所述硅基体得到由SOI氧化层、SOI顶层硅、所述金属纳米颗粒、所述保护层和所述保护胶组成的自支撑纳米薄膜。在去除保护胶与增粘剂和SOI氧化层后，再次使用刻蚀的办法，去除所述自支撑纳米薄膜上方的部分保护层，得到保护层窗口。最后，使用双氧水、氢氟酸配置成的刻蚀液体，辅助金属纳米颗粒刻蚀得到硅纳米孔结构。
本发明具有以下有益效果：
1.与CMOS技术兼容，降低制造成本。解决了前人制造固态纳米孔阵列制造遇到高成本、低效的困难，有利于固态纳米孔传感器的大规模集成制造与应用。
2.硅纳米孔尺寸可控。纳米孔长度是由SOI顶层硅厚度控制。同时，纳米孔直径由金属纳米颗粒尺寸控制。相比较传统制造技术中的纳米孔尺寸控制方法，本发明提出的基于金属纳米颗粒和SOI顶层硅间接控制硅纳米孔尺寸方法更为简单、高效。
附图说明
图1显示为本发明硅纳米孔结构及其制作方法的工艺流程图。
图2显示为本发明所需的硅基体示意图。
图3显示为本发明硅纳米孔结构及其制作方法步骤2)中呈现的结构示意图。
图4显示为本发明硅纳米孔结构及其制作方法步骤3)中呈现的结构示意图。
图5显示为本发明硅纳米孔结构及其制作方法步骤4)中呈现的结构示意图。
图6显示为本发明硅纳米孔结构及其制作方法步骤5)中呈现的结构示意图。
图7显示为本发明硅纳米孔结构及其制作方法步骤6)中呈现的结构示意图。
图8显示为本发明硅纳米孔结构及其制作方法步骤7)中呈现的结构示意图。
图9显示为本发明硅纳米孔结构及其制作方法步骤8)中呈现的结构示意图。
图10～11显示为本发明硅纳米孔结构及其制作方法步骤9)中呈现的结构示意图。
图12显示为本发明硅纳米孔结构及其制作方法步骤10)中呈现的结构示意图。
图13显示为本发明硅纳米孔结构及其制作方法步骤11)中呈现的结构示意图。
元件标号说明
S1～S11 步骤
1 基体
10 SOI顶层硅
100 硅纳米孔
11 SiO2
110 SiO2窗口
12 硅衬底
120 刻蚀槽
2 SiN薄膜
20 SiN薄膜-1
21 SiN薄膜-2
210 硅衬底释放窗口
3 金属纳米颗粒
4 保护层
40 保护层窗口
5 保护胶
具体实施方式
以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。
请参阅附图1至图12。需要说明的是，本实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，遂图式中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。
如图1所示，本发明提供一种硅纳米孔结构及其制作方法，所述制作方法至少包括以下步骤：
S1，提供一SOI为基板；
S2，在基体两侧表面沉积SiN纳米薄膜；
S3，刻蚀基体一侧所述SiN纳米薄膜形成硅表面；
S4，刻蚀基体一侧所述SiN纳米薄膜形成基体释放窗口；
S5，金属纳米颗粒在硅表面均匀分散；
S6，在所述金属纳米颗粒和硅表面上方沉积一层保护层；
S7，在保护层上方涂覆一层增粘剂以及抗碱性刻蚀液的胶；
S8，使用碱性溶液刻蚀所述硅基体得到自支撑纳米薄膜；
S9，去除保护胶和SOI氧化层；
S10，刻蚀出保护层窗口；
S11，使用双氧水、氢氟酸配置成的刻蚀液体，辅助金属纳米颗粒刻蚀得到硅纳米孔结构；
下面结合具体附图对本发明硅纳米孔结构及其制作方法作详细的介绍。
首先执行步骤S1，提供一SOI为基板，如图2所示。其中，SOI基体顶层硅10的厚度区间分别为50～500nm。本实施例中，SOI基体顶层硅10的厚度选择100nm。
然后执行步骤S2，在基体1两侧表面分别沉积20～200nm的SiN薄膜(SiN薄膜-1，SiN薄膜-2)。采用沉积SiN纳米薄膜工艺可以是化学气相沉积、外延生长或者是原子层沉积。本实施例中，采用化学气相沉积SiN薄膜，所沉积的上述SiN薄膜厚度为80nm。也可以选择要求范围内的其他沉积方法以及SiN薄膜厚度，请参阅附图3所示。
接着执行步骤S3，刻蚀所述SiN薄膜-1形成硅表面，SiN薄膜-1被完全刻蚀。所述刻蚀方法可以为反应离子刻蚀，也可以是磷酸溶液刻蚀。在本实例中，采用反应离子刻蚀方法刻蚀。
接着执行步骤S4，在述所述SiN薄膜-2表面上涂敷光刻胶，之后通过光刻图形化所述光刻胶形成开口，再刻蚀所述开口以下的所述SiN薄膜-2形成硅衬底释放窗口210，所述硅衬底释放窗口210的尺寸范围为550μm×550μm～750μm×750μm。可以为550μm×550μm，600μm×600μm，也可以选择为750μm×750μm。其中，刻蚀方法可以为反应离子刻蚀，也可以是磷酸溶液刻蚀。本实施例中，如图5所示，采用反应离子刻蚀方法，刻蚀出的所述释硅衬底释放窗口21的尺寸为600μm×600μm。
接着执行步骤S5，将金属纳米颗粒均匀分散在所述硅表面。金属纳米颗粒可以是金、银、铂其中一种，或混合物。金属纳米颗粒的直径范围在2～200nm。本实施例中，如图6所示，所述金属纳米颗粒3为银纳米颗粒，其直径为50nm，也可以选择要求范围内的其他直径。
接着执行步骤S6，如图7所示，在所述金属纳米颗粒3和SOI顶层硅10上方沉积一层SiN纳米薄膜，得到保护层4。沉积工艺可以为物理气相沉积、化学气相沉积或者是原子层沉积。保护层4的材料可以是氮化硅、氧化硅或者是二者组成的复合保护层，所述保护层4的厚度在50nm～1μm。本实施例中，选用化学气相沉积的办法沉积保护层4，保护层4是500nmSiN，也可以选用要求范围内的其他尺寸。
接着执行步骤S7，在保护层4上方涂覆抗碱性刻蚀液胶5，需要说明的是在涂覆抗碱性腐蚀液胶之前，需要涂覆增粘剂。增粘剂的厚度范围为1μm～3μm，抗碱性刻蚀液胶5的厚度范围为2μm～3μm。本实例选用的增粘剂的厚度为1.7μm，所述抗碱性刻蚀液胶5为的厚度为2.4μm，如图8所示。
接着执行步骤S8，将整个结构放入碱性溶液中，利用步骤S4刻蚀形成的硅衬底释放窗口210进行释放，去除所述硅衬底12，得到所述刻蚀槽120、所述顶层硅10、所述SiO211和所述金属纳米颗粒。具体地，如图9所示，在本实施例中，去除半所述硅衬底12的碱性溶液为浓度为25％的TMAH溶液。也可以选择使用KOH去除所述硅衬底12。
接着执行步骤S9，去除保护胶和SOI氧化层。具体地，使用丙酮去除所述抗碱性刻蚀液胶5，使用缓冲过的氢氟酸(Buffered Oxide Etch，BOE)刻蚀所述SiO211。丙酮去除所述抗碱性刻蚀液胶5的时间范围在5～30min，BOE刻蚀所述SiO211的时间范围在5～60s。本实例中采用丙酮去胶的时间为25min，BOE刻蚀所述SiO211的时间为30s，如图10～11所示。
接着执行步骤S10，使用RIE刻蚀，得到保护层窗口40。在所述保护层4上涂敷光刻胶，之后通过光刻图形化所述光刻胶形成开口，再利用反应离子刻蚀工艺(RIE)刻蚀所述开口以下的保护层4，形成保护层窗口40。保护层窗口面积在4μm2～200μm2，也可以是多个窗口组成的阵列。本实例中，保护层窗口仅为1个，其面积为78.5μm2，如图12所示。
最后执行步骤S11，使用双氧水、氢氟酸配置成的刻蚀液体，辅助所述金属纳米颗粒3刻蚀得到硅纳米孔100。其中H2O2的浓度范围在5％～20％，HF的浓度范围在0.05％～1％，刻蚀时间为5s～2min。本实例中，H2O2的浓度为9％，HF的浓度范围在0.06％，刻蚀时间为80s，如图13所示。
综上所述，本发明提供的一种硅纳米孔结构及其制作方法，解决了前人制造固态纳米孔阵列制造遇到高成本、低效的难题。且本发明提出的硅纳米孔结构尺寸可控，有利于固态纳米孔传感器的大规模集成制造与应用。此外，本发明工艺简单、制造成本低、与CMOS工艺的完全兼容使其有较好的扩展性和较广的使用范围。所以，本发明有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值。
上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。

Claims (10)

1.一种硅纳米孔结构的制作方法，其特征在于，所述制作方法包括以下步骤：
1)提供一绝缘衬底上的硅片(Silicon-On-Insulator，SOI)为基板；
2)在所述基板的两侧表面沉积有一层SiN纳米薄膜；
3)刻蚀所述基板一侧的所述SiN纳米薄膜形成硅表面；
4)刻蚀所述基板一侧的所述SiN纳米薄膜形成基板释放窗口；
5)将金属纳米颗粒均匀分散在所述硅表面上，金属纳米颗粒为金、银、铂的其中一种或其混合物，所述金属纳米颗粒的直径范围为2～200nm；
6)在所述金属纳米颗粒和硅表面的上方沉积有保护层，所述沉积的方式为物理气相沉积、化学气相沉积或者是原子层沉积的其中一种，所述保护层为氮化硅、氧化硅的其中一种或是二者的组合物，所述保护层的厚度为50nm～1μm；
7)在所述保护层的上方涂覆有一层增粘剂，并在所述增粘剂上涂覆有抗碱胶，所述抗碱胶为抗碱性刻蚀液的胶；
8)通过碱性溶液刻蚀所述基板得到由SOI氧化层、SOI顶层硅、所述金属纳米颗粒、所述保护层和所述抗碱胶组成的自支撑纳米薄膜；
9)去除抗碱胶和SOI氧化层；
10)再次使用刻蚀的办法，刻蚀掉所述自支撑纳米薄膜上方的部分保护层；
11)使用双氧水、氢氟酸配置成的刻蚀液体，辅助金属纳米颗粒刻蚀得到硅纳米孔结构。
2.根据权利要求1所述的硅纳米孔结构的制作方法，其特征在于：所述步骤1)中采用SOI顶层硅厚度区间为50～500nm。
3.根据权利要求1所述的硅纳米孔结构的制作方法，其特征在于：所述步骤2)中采用沉积SiN纳米薄膜工艺为化学气相沉积、外延生长或者是原子层沉积，SiN纳米薄膜的厚度区间为20～200nm。
4.根据权利要求1所述的硅纳米孔结构的制作方法，其特征在于：所述步骤3)中刻蚀所述基板一侧所述SiN纳米薄膜形成硅表面，所述刻蚀方式为反应离子刻蚀或磷酸溶液刻蚀，所述SiN纳米薄膜被完全刻蚀。
5.根据权利要求1所述的硅纳米孔结构的制作方法，其特征在于：所述步骤4)中刻蚀所述基板一侧所述SiN纳米薄膜形成有基板释放窗口，所述基板释放窗口的窗口大小为550μm×550μm～750μm×750μm，所述刻蚀方式为反应离子刻蚀或磷酸溶液刻蚀，所述基板释放窗口内的SiN纳米薄膜被完全刻蚀。
6.根据权利要求1所述的硅纳米孔结构的制作方法，其特征在于：所述步骤7)在保护层上方涂覆一层增粘剂以及抗碱胶，涂覆增粘剂的厚度范围为1μm～3μm，所述抗碱胶的厚度范围为2μm～3μm。
7.根据权利要求1所述的硅纳米孔结构的制作方法，其特征在于：所述步骤8)中使用碱性溶液刻蚀所述基板得到由SOI氧化层、SOI顶层硅、所述金属纳米颗粒、所述保护层和所述抗碱胶组成的自支撑纳米薄膜，所述碱性溶液为KOH或者是TMAH。
8.根据权利要求1所述的硅纳米孔结构的制作方法，其特征在于：所述步骤9)中去除抗碱胶和SOI氧化层，分别使用丙酮去除所述抗碱胶，使用缓冲过的氢氟酸(Buffered OxideEtch，BOE)刻蚀所述SOI氧化层，丙酮去除所述抗碱胶的时间为5～30min，BOE刻蚀所述SOI氧化层的时间为5～60s。
9.根据权利要求1所述的硅纳米孔结构的制作方法，其特征在于：所述步骤10)中使用RIE刻蚀的办法，刻蚀掉所述自支撑纳米薄膜上方的部分保护层，得到保护层窗口，所述保护层窗口的窗口面积在4μm2～200μm2。
10.根据权利要求1所述的硅纳米孔结构的制作方法，其特征在于：所述步骤11)中使用双氧水(H2O2)、氢氟酸(HF)配置成的刻蚀液体，辅助金属纳米颗粒得到硅纳米孔阵列结构，其中H2O2的浓度范围在5％～20％，HF的浓度范围在0.05％～1％，刻蚀时间为5s～2min。
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