一种适于生物分子检测的芯片单元的制备方法
【专利摘要】本发明公开了一种适于生物分子检测的芯片单元的制备方法，包括衬底上淀积电热绝缘材料和基底材料；光刻和干法刻蚀的方法制作图形作为制备侧墙的基底；淀积侧墙材料；干法回刻形成高和宽均为纳米尺寸的侧墙；用湿法腐蚀的方法去侧墙基底；光刻或电子束光刻+薄膜淀积+剥离工艺在侧墙上搭上制作电极金属层；薄膜淀积工艺制备绝缘材料层；化学机械抛光方法抛光表面同时切断侧墙两旁的金属连接；湿法腐蚀方法去除剩余的侧墙材料形成纳流体通道；晶片键合封顶，减薄封顶晶片；通道两端开孔并在通道两侧的金属上开孔引出电极即得。本发明能突破光刻分辨率限制及提高芯片单元与CMOS工艺的兼容性，并提高适于生物分子检测的芯片单元的制备效率。
【专利说明】一种适于生物分子检测的芯片单元的制备方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及微纳【技术领域】，尤其涉及一种适于生物分子检测的芯片单元的制备方法。
【背景技术】
[0002]纳流体通道在微纳米【技术领域】尤其是在微纳米生物领域有着广泛的应用。将纳流体通道与电极相结合构成的适于生物分子检测的芯片单元，可以实现对DNA/RNA、蛋白质、药物、毒品和氨基酸等进行检测分析，应用在基因测序、药物筛选、蛋白组学、临床诊断等领域。为了实现这种适于生物分子检测的芯片单元，首先必须获得宽度为纳米级的纳流体通道，然后再在通道内制作间距更小的电极。但是，在宽度为纳米级的纳流体通道内制备间距更小的电极，存在非常大的技术困难；即使能实现，也存在重复性差和成本高的缺陷。因此，如何实现纳流体通道和电极的有效的结合成为我们研究的重要方向。
[0003]目前，纳米结构的制备方法主要有:光刻、电子束刻蚀、聚焦离子束刻蚀、微接触印刷、电化学方法和电迁移方法等。但是，光学光刻方法受到光波波长限制，刻蚀的极限在微米量级，难以达到纳米量级；微接触印刷、电子束刻蚀和聚焦离子束刻蚀的方法周期长成本高；电化学和电迁移方法工艺可靠性较低，可能导致与CMOS工艺的不兼容。
【发明内容】
[0004]为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种适于生物分子检测的芯片单元的制备方法，简单且成本较低，能突破光刻分辨率限制及提高芯片单元与CMOS工艺的兼容性，并提高适于生物分子检测的芯片单元的制备效率。
[0005]为实现上述目的，本发明采取如下技术方案:
一种适于生物分子检测的芯片单元的制备方法，包括如下步骤:
(1)在衬底上生长一层抗腐蚀的电热绝缘材料层，然后在电热绝缘材料层上沉积一层基底材料层；
(2)用光刻和干法刻蚀的方法去除基底材料层的四边，形成图形作为制备侧墙的基底；
(3)在电热绝缘材料层的上表面和基底材料层的外表面淀积一层侧墙材料层；
(4)采用干法回刻，去除基底材料层上表面的侧墙材料层和电热绝缘材料层上表面的部分侧墙材料层，形成高和宽均为纳米尺寸的侧墙材料层；
(5)采用湿法腐蚀的方法去除基底材料层，只保留纳米尺寸的侧墙材料层；
(6)采用光刻或电子束光刻+薄膜淀积+剥离工艺在侧墙材料层的一条边上搭上一条制作电极的抗腐蚀的金属层；
(7)采用薄膜淀积工艺在步骤(6)所得单元上表面制备一层制作纳流体通道的抗腐蚀绝缘材料层；
(8)采用化学机械抛光CMP的方法抛光步骤所得单元的上表面，同时切断侧墙材料层两旁的金属层的连接，即所述的抛光过程中，将侧墙材料层顶部的金属层抛断，并保留电热绝缘层上的金属层；
(9)采用湿法腐蚀方法去除剩余的侧墙材料层形成纳流体通道；
(10)采用晶片键合的方式，在步骤(9)所得单元上表面制备封顶晶片，将纳流体通道封顶，然后减薄封顶晶片的厚度至几微米-几十微米量级；
(11)在纳流体通道两端开孔，并从纳流体通道通道两侧的金属层上引出电极即获得适于生物分子检测的芯片单元。
[0006]更进一步的，步骤(7)采用薄膜淀积工艺制备结构从上到下依次为Si02、SiN和Si02的叠层作为制作纳流体通道的抗腐蚀绝缘材料层，其中SiN作为步骤(8)化学机械抛光CMP方法的截止层，即步骤(8)用化学机械抛光CMP方法抛光步骤(7)所得单元上表面至抗腐蚀绝缘材料层的SiN截止层。
[0007]更进一步的，纳流体通道的宽度为5_200nm，且高度大于所淀积的金属层的厚度并小于侧墙材料层的高度。
[0008]更进一步的，电热绝缘材料、基底材料层、侧墙材料层和抗腐蚀材料层为氧化物、氮化物或硫化物，或者是由氧化物、氮化物、硫化物中的至少两种构成的混合物。
[0009]更进一步的，电热绝缘材料层为氮化硅或Si02 ;所述基底材料层为Si02、氮化硅或多晶硅；所述侧墙材料层为Si02、氮化硅或多晶硅；所述抗腐蚀金属层为钨、镍、铜、银、金或钼；所述抗腐蚀绝缘材料层为Si02或氮化娃。
[0010]更进一步的，衬底为半导体材料衬底或绝缘材料衬底；所述半导体材料衬底选择硅片或SOI片；所述绝缘材料衬底选择S12或玻璃。
[0011]更进一步的，基底材料层的厚度优选20-2000nm ;所述侧墙材料层形成的侧墙的宽度优选5-200nm。
[0012]更进一步的，步骤(I)中生长电热绝缘材料、淀积基底材料层，步骤(3 )淀积侧墙材料层和步骤(7)淀积抗腐蚀材料层分别采用溅射法、蒸发法、等离子体辅助淀积法、化学气相淀积法、金属有机物热分解法、激光辅助淀积法和热氧化方法中的一种实现；所述步骤
(6)抗腐蚀金属层采用溅射法、蒸发法和化学气相淀积法中的一种制备。
[0013]更进一步的，侧墙材料层对步骤(5)中去除基底材料层时使用的腐蚀液具有抗腐蚀性；所述金属层对步骤(9)中去除侧墙材料层时使用的腐蚀液具有抗腐蚀性；所述抗腐蚀材料层对于步骤(9)中去除侧墙材料层时使用的腐蚀液具有抗腐蚀性。
[0014]更进一步的，步骤(5)湿法腐蚀方法采用腐蚀液为HF酸、TMAH溶液或热浓磷酸；所述步骤(9)湿法腐蚀方法采用腐蚀液为HF酸、TMAH溶液或热浓磷酸。
[0015]有益效果:(1)本发明提供的适于生物分子检测的芯片单元的制备的方法，采用薄膜工艺、光刻剥离工艺、光刻干法刻蚀工艺、湿法刻蚀工艺和侧墙工艺制成，采用的全部都是传统硅平面工艺，与CMOS工艺具有天然的兼容性；
(2)本发明只需要用光学光刻条件就可以大规模的实现具备纳米尺寸的芯片单元，避免了使用电子束曝光(EBL)，聚焦离子束曝光(FIB)等技术，因而突破了光学分辨率的限制，降低了成本，提高了芯片单元的制备效率。
【专利附图】
【附图说明】
[0016]图1为本发明提供的适于生物分子检测的芯片单元的制备方法的流程图；
图2为步骤(I)、步骤(2)所制作芯片单元的结构示意图。
[0017]图3为步骤(3)所制作芯片单元的结构示意图。
[0018]图4为步骤(4)所制作芯片单元的结构示意图。
[0019]图5为步骤(5)所制作芯片单元的结构示意图。
[0020]图6为步骤(6)所制作芯片单元的结构示意图。
[0021]图7为步骤(7)所制作芯片单元的结构示意图。
[0022]图8为步骤(8)所制作芯片单元的结构示意图。
[0023]图9为步骤(9)所制作芯片单元的结构示意图。
[0024]图10为步骤(10)所制作芯片单元的结构示意图。
[0025]图11为步骤(11)所制作芯片单元的结构示意图。
【具体实施方式】
[0026]下面结合附图对本发明作更进一步的说明。
[0027]如图1所示，本发明提供的一种适于生物分子检测的芯片单元的制备方法，包括如下步骤:
(I)如图2所示，在衬底101上生长一层抗腐蚀的电热绝缘材料层102，然后在电热绝缘材料层102上沉积一层基底材料层103。
[0028]其中，衬底101为半导体材料衬底或绝缘材料衬底，半导体材料衬底可以选择硅片或SOI片，绝缘材料衬底可以选择S12或玻璃；电热绝缘材料102，可以为氧化物、氮化物或硫化物，或者是由氧化物、氮化物、硫化物中的至少两种构成的混合物，本发明优选氮化硅或Si02 ;在衬底101上生长一层电热绝缘材料102，可以采用溅射法、蒸发法、等离子体辅助淀积法、化学气相淀积法、金属有机物热分解法、激光辅助淀积法和热氧化方法中的一种实现；电热绝缘材料102，对于步骤(5)中湿法去除基底材料层103和后叙的步骤(9)中湿法去除侧墙材料层104时使用的腐蚀液均具抗腐蚀性；基底材料层103，可以为氧化物、氮化物或硫化物，或者是由氧化物、氮化物、硫化物中的至少两种构成的混合物，本发明优选Si02、氮化硅或多晶硅，基底材料层103的厚度优选20-2000nm ;淀积一层基底材料层103，可以采用溅射法、蒸发法、等离子体辅助淀积法、化学气相淀积法、金属有机物热分解法、激光辅助淀积法和热氧化方法中的一种实现。
[0029](2)用光刻和干法刻蚀的方法去除基底材料层103的四边，形成图形作为制备侧墙的基底，如图2所不。
[0030](3)如图3所示，在电热绝缘材料层102的上表面和基底材料层103的外表面淀积一层侧墙材料层104。
[0031]其中侧墙材料层104，可以为氧化物、氮化物或硫化物，或者是由氧化物、氮化物、硫化物中的至少两种构成的混合物，本发明优选Si02、氮化硅或多晶硅，侧墙材料层104的宽度优选5-200nm ;淀积一层侧墙材料层104，可以采用溅射法、蒸发法、等离子体辅助淀积法、化学气相淀积法、金属有机物热分解法、激光辅助淀积法和热氧化方法中的一种实现；侧墙材料层104，对于后叙的步骤(5)中去除基底材料层103时使用的腐蚀液具有抗腐蚀性。
[0032](4)如图4所示，采用干法回刻，去除基底材料层103上表面的侧墙材料层104和电热绝缘材料层102上表面的部分侧墙材料层104，形成高和宽均为纳米尺寸的侧墙材料层 104。
[0033](5)如图5所示，用湿法腐蚀的方法去除基底材料层103，只保留纳米尺寸的侧墙材料层104 ;其中的腐蚀液可以是HF酸、TMAH溶液和热浓磷酸等中的一种。
[0034](6)如图6所示，再用光刻或电子束光刻+薄膜淀积+剥离工艺在侧墙材料层104的一条边上(任选其中一条边)搭上一条制作电极的抗腐蚀的金属层105。
[0035]其中，抗腐蚀的金属层105，对于步骤9中去除侧墙材料层104时使用的腐蚀液具有抗腐蚀性；抗腐蚀的金属层105，可以为钨、镍、铜、银、金和钼中的任一种；抗腐蚀的金属层105，可以是采用溅射法、蒸发法和化学气相淀积法中的一种制备的。
[0036](7)如图7所示，采用薄膜淀积工艺在步骤(6)所得单元上表面制备一层制作纳流体通道的抗腐蚀绝缘材料层106。
[0037]抗腐蚀材料层106，对于步骤9中去除侧墙材料层104时使用的腐蚀液具有抗腐蚀性；抗腐蚀材料层106，可以为氧化物、氮化物或硫化物，或者是由氧化物、氮化物、硫化物中的至少两种构成的混合物，本发明优选Si02或氮化硅；淀积抗腐蚀材料层106，可以是采用溅射法、蒸发法、等离子体辅助淀积法、化学气相淀积法、金属有机物热分解法、激光辅助淀积法和热氧化方法中的一种实现的。
[0038](8)如图8所示，用化学机械抛光(CMP)的方法抛光步骤(7)所得单元的上表面，同时切断侧墙104两旁的金属105的连接，即所述的抛光过程中，必须将侧墙顶部的金属105抛断，并且不能抛到电热绝缘层102上的金属105。
[0039](9)如图9所示，用湿法腐蚀方法去除剩余的侧墙材料层104形成纳流体通道107，其中的腐蚀液可以是HF酸、TMAH溶液、热浓磷酸等中的一种，其中纳流体通道107的宽度优选5-200nm，且高度大于所淀积的金属105的厚度并小于侧墙104的高度。
[0040](10)如图10所示，用晶片键合的方式，在步骤(9)所得单元上表面制备封顶晶片108，将纳流体通道107封顶，然后减薄封顶晶片108的厚度至几微米-几十微米量级。
[0041](11)如图11所示，在纳流体通道107两端开孔，并在纳流体通道107通道两侧的金属105上引出电极即可形成适于生物分子检测的芯片单元。
[0042]为了进一步说明生物分子检测的芯片单元的具体制备过程，作为本发明的一种【具体实施方式】，本发明包括如下步骤:
(1)采用单晶硅片、SOI绝缘硅片等半导体或者绝缘材料作为衬底101；
(2)采用薄膜制备工艺，在衬底上制备200nm氮化硅作为电热绝缘层102和450nm多晶硅作为基底材料层103 ；
(3)用光刻和干法刻蚀的方法去除基底材料层103的四边，形成图形作为制备侧墙的基底；
(4)在该电热绝缘材料层102的上面和基底材料层103的表面及侧面淀积200nmSi02作为侧墙材料层104 ；
(5)采用干法回刻，去除基底材料层103上表面的和电热绝缘材料层102表面的侧墙材料层104，将形成高450nm和宽88nm的Si02侧墙；
(6)用恒温四甲基氢氧化铵TMAH溶液漂去侧墙基底103(恒温TMAH溶液对衬底氮化硅和侧墙二氧化硅的刻蚀选择比很高)，TMAH溶液的温度恒定在70°C中，只保留纳米尺寸的侧墙；
(7)采用光刻或电子束光刻+薄膜淀积+剥离工艺在该侧墙材料层104的一条边上搭上一条制作电极的鹤金属层105,金属厚度为50nm ；
(8)再用薄膜淀积工艺PECVD制备结构为200nmSi02/100nm SiN/200nm Si02的叠层作为制作纳流体通道的抗腐蚀绝缘材料层106，其中SiN作为CMP工艺的截止层；
(9)用化学机械抛光(CMP)的方法抛光表面至SiN截止层同时切断侧墙104两旁的金属105的连接，再用稀释的缓冲HF去除剩余的侧墙材料104形成纳流体通道107 ；
(10)用晶片键合方式，用封顶晶片108将纳流体通道107封顶，并将封顶晶片108从背面进行减薄，厚度减薄至几微米-几十微米量级；
(11)最后再在通道两端开孔并在通道两侧的金属上105引出电极即可形成适于生物分子检测的芯片单元，该芯片单元的通道宽度为88nm高度为350nm，电极间距为88nm，且可以进行规模化的制备，而传统光学刻蚀只能实现微米量级的电极间距。
[0043]以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出:对于本【技术领域】的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
【权利要求】
1.一种适于生物分子检测的芯片单元的制备方法，其特征在于包括如下步骤: (1)在衬底(101)上生长一层抗腐蚀的电热绝缘材料层(102)，然后在电热绝缘材料层(102)上沉积一层基底材料层(103); (2)用光刻和干法刻蚀的方法去除基底材料层(103)的四边，形成图形作为制备侧墙的基底； (3)在电热绝缘材料层(102)的上表面和基底材料层(103)的外表面淀积一层侧墙材料层(104)； (4)采用干法回刻，去除基底材料层(103)上表面的侧墙材料层(104)和电热绝缘材料层(102)上表面的部分侧墙材料层(104)，形成高和宽均为纳米尺寸的侧墙材料层(104)； (5)采用湿法腐蚀的方法去除基底材料层(103)，只保留纳米尺寸的侧墙材料层(104)； (6)采用光刻或电子束光刻+薄膜淀积+剥离工艺在侧墙材料层(104)的一条边上搭上一条制作电极的抗腐蚀的金属层(105)； (7)采用薄膜淀积工艺在步骤(6)所得单元上表面制备一层制作纳流体通道的抗腐蚀绝缘材料层(106)； (8)采用化学机械抛光CMP的方法抛光步骤(7)所得单元的上表面，同时切断侧墙材料层(104)两旁的金属层(105)的连接，即所述的抛光过程中，将侧墙材料层(104)顶部的金属层(105)抛断，并保留电热绝缘层(102)上的金属层(105); (9)采用湿法腐蚀方法去除剩余的侧墙材料层(104)形成纳流体通道(107); (10)采用晶片键合的方式，在步骤(9)所得单元上表面制备封顶晶片(108)，将纳流体通道(107)封顶，然后减薄封顶晶片(108)的厚度至几微米-几十微米量级； (11)在纳流体通道(107)两端开孔，并从纳流体通道(107)通道两侧的金属层(105)上引出电极即获得适于生物分子检测的芯片单元。
2.根据权利要求1所述的一种适于生物分子检测的芯片单元的制备方法，其特征在于:所述步骤(7)采用薄膜淀积工艺制备结构从上到下依次为Si02、SiN和Si02的叠层作为制作纳流体通道的抗腐蚀绝缘材料层(106)，其中SiN作为步骤(8)化学机械抛光CMP方法的截止层，即步骤(8)用化学机械抛光CMP方法抛光步骤(7)所得单元上表面至抗腐蚀绝缘材料层的SiN截止层。
3.根据权利要求1所述的一种适于生物分子检测的芯片单元的制备方法，其特征在于:所述纳流体通道(107)的宽度为5-200nm，且高度大于所淀积的金属层(105)的厚度并小于侧墙材料层(104)的高度。
4.根据权利要求1所述的一种适于生物分子检测的芯片单元的制备方法，其特征在于:所述电热绝缘材料(102)、基底材料层(103)、侧墙材料层(104)和抗腐蚀材料层(106)为氧化物、氮化物或硫化物，或者是由氧化物、氮化物、硫化物中的至少两种构成的混合物。
5.根据权利要求1或4所述的一种适于生物分子检测的芯片单元的制备方法，其特征在于:所述电热绝缘材料层(102)为氮化硅或Si02 ;所述基底材料层(103)为Si02、氮化硅或多晶硅；所述侧墙材料层(104)为Si02、氮化硅或多晶硅；所述抗腐蚀金属层(105)为钨、镍、铜、银、金或钼；所述抗腐蚀绝缘材料层(106)为Si02或氮化娃。
6.根据权利要求1所述的一种适于生物分子检测的芯片单元的制备方法，其特征在于:所述衬底(101)为半导体材料衬底或绝缘材料衬底；所述半导体材料衬底选择硅片或SOI片；所述绝缘材料衬底选择S12或玻璃。
7.根据权利要求1所述的一种适于生物分子检测的芯片单元的制备方法，其特征在于:所述基底材料层(103)的厚度为20-2000nm ;所述侧墙材料层(104)形成的侧墙的宽度为 5_200nm。
8.根据权利要求1所述的一种适于生物分子检测的芯片单元的制备方法，其特征在于:所述步骤(I)中生长电热绝缘材料(102)、淀积基底材料层(103)，步骤(3)淀积侧墙材料层(104)和步骤(7)淀积抗腐蚀材料层(106)分别采用溅射法、蒸发法、等离子体辅助淀积法、化学气相淀积法、金属有机物热分解法、激光辅助淀积法和热氧化方法中的一种实现；所述步骤(6)抗腐蚀金属层(105)采用溅射法、蒸发法和化学气相淀积法中的一种制备。
9.根据权利要求1所述的一种适于生物分子检测的芯片单元的制备方法，其特征在于:所述侧墙材料层(104)对步骤(5)中去除基底材料层(103)时使用的腐蚀液具有抗腐蚀性；所述金属层(105)对步骤(9)中去除侧墙材料层(104)时使用的腐蚀液具有抗腐蚀性；所述抗腐蚀材料层(106)对于步骤(9)中去除侧墙材料层(104)时使用的腐蚀液具有抗腐蚀性。
10.根据权利要求1所述的一种适于生物分子检测的芯片单元的制备方法，其特征在于:所述步骤(5)湿法腐蚀方法采用腐蚀液为HF酸、TMAH溶液或热浓磷酸；所述步骤(9)湿法腐蚀方法采用腐蚀液为HF酸、TMAH溶液或热浓磷酸。
【文档编号】B01L3/00GK104190484SQ201410470410
【公开日】2014年12月10日 申请日期:2014年9月16日 优先权日:2014年9月16日
【发明者】张加勇, 刘昭麟 申请人:山东华芯半导体有限公司