一种晶体纳米线生物探针器件的制备方法与流程

本发明涉及生物材料和器件领域，特别是涉及晶体纳米线生物探针器件及制备，涉及在衬底上利用沟道引导横向纳米线生长技术，通过微加工工艺，制作形成微纳生物探针器件产品的制作方法。本发明是沟道引导定向生长、电学集成的平面半导体纳米线制备的生物探针的方法。

二、

背景技术：

当前社会，微电子及光电子器件等半导体器件已经广泛应用于现代科技、国民经济和日常生活中的方方面面，这些品种繁多的半导体器件与材料的外延技术密切相关。

液-液相-固相(SLS)生长机制SLS生长的机理有点类似于VLS机制，与VLS机制的区别仅在于，在VLS机制生长过程中，所需的原材料由气相提供；而在SLS机制生长过程中，所需的原料是从溶液中提供的，一般来说，此方法中常用低熔点金属(如In、Sn或Bi等)作为助溶剂(fluxdroplet)，相当于VLS机制中的催化剂。

纳米线的量级和生物细胞尺度相近，硅基材料和人体构造的炭基材料属性相似，对人体无害，易降解，将硅基纳米科技和生物领域相结合，将取得巨大的效用。

三、

技术实现要素：

针对上述问题，本发明的目的是，提供一种制备高质量平面半导体生物探针纳米线器件的方法。尤其是沿特定沟道定向生长、转移和集成方法制备平面半导体纳米线器件。

本发明采取以下技术方案：一种晶体纳米线生物探针器件的制备方法，其特征步骤包括：1)采用具有一定硬度，耐350℃温度的支撑性材料作为洁净衬底的表面；2)在衬底上通过光刻刻蚀技术制作出深度约100±10nm(不超过350nm深)生物探针形状的引导沟道；3)再次使用光刻对准技术在沟道的特定位置上定义催化剂区域，通过平面纳米线引导生长方法，使直径约50±10nm直径的晶体纳米线精确地沿着探针位置的所述引导沟道生长，形成生物探针形状的纳米线；蒸镀电极金属(如，Al,Pt)，在于引导沟道特定位置形成几十至一百纳米的金属膜图案作为金属探针的电极部分；

进一步的，通过光刻和蒸镀技术在生物探针上制作80-120nm厚度的金属手臂；4)在衬底上通过转移纳米线生物探针，经封装即得，测试后即可对微纳细胞、溶液进行探测。

所述衬底为硅片、玻璃或陶瓷片，硅片P型或者N型单晶硅片、P型或者N型多晶硅片，玻璃为普通玻璃，石英玻璃等非晶体衬底。

步骤3)中，再次使用光刻对准技术在沟道的位置上催化剂区域，通过平面纳米线引导生长方法，使直径约50±10nm直径的晶体纳米线精确地沿着探针位置的所述引导沟道生长，形成生物探针形状的纳米线；蒸镀In,Sn等催化剂金属，在于引导沟道特定位置形成几十纳米的金属膜图案；在PECVD系统中利用等离子体处理技术，在350℃、功率2-5W时进行处理，使金属膜缩球形成直径在几百纳米到几微米之间的准纳米催化颗粒；再次使用PECVD系统覆盖一层适当厚度的非晶硅(几纳米到几百纳米)的非晶硅作为前驱体介质层；在真空氛围下，350℃环境中退火，利用IP-SLS生长模式，使得纳米线从催化剂区域沿着引导沟道生长，形成并获得生物探针形状的纳米线。

通过光刻刻蚀方法制作引导沟道；其中刻蚀方法用湿法刻蚀：氢氧化钾(KOH)、氢氧化钠(NaOH)等碱性腐蚀体系，也可以是氢氟酸+硝酸(HF+HNO3)、氢氟酸+硝酸+醋酸(HF+HNO3+CH3COOH)等酸性腐蚀体系，还可以是乙二胺邻苯二酚(Ethylene DiaminePyrocatechol)等体系；或者采用干法刻蚀，即利用ICP-RIE进行刻蚀。

生长出晶体纳米线，纳米线为Si，Ge,SiGe,Ga等晶体材料形成。

电极金属使用PT(12nm)-AL(80nm)体系,可以是Ti-Au体系，是Ni金属，金属接触均使用快速热退火过程提高接触性能。可使用热蒸发系统或者电子束蒸发系统。

利用光刻处理探针头窗口部分，使用HF对窗口进行刻蚀，使得探针头部分悬空，方便使用。本发明制备方法，生物探针特征是具有高迁移率(＞100㎝²/v.s)高开关比(＞10⁶)，亚阈值电压接近于0，SSD小于(160mV/)的高性能器件；

根据制备方法得到的晶体纳米线生物探针器件，其中生物探针头的角度包含1-90°内各种角度，探针头总长度在50～100um，探针头使用长度从20nm～10um，探针头纳米线为Si，Ge,SiGe,Ga等晶体材料制备，直径在20-80nm。

用光刻刻蚀制作出高电学特性的器件。其金属接触使用PT(12nm)-AL(80nm)体系,或是Ti-Au体系，或是Ni金属，金属接触均使用快速热退火过程提高接触性能。可使用热蒸发系统或者电子束蒸发系统。

生物探针特征是具有高迁移率(＞100㎝²/v.s)高开关比(＞10⁶)，亚阈值电压接近于0，SSD小于(160mV/)的高性能器件。

本发明通过制作特定沟道，利用平面纳米线生长过程中引导台阶的导向作用，获得高质量自行向排列的纳米线生物探针阵列，并将其转移和器件集成，获得高性能生物探针器件，并可对微纳细胞、溶液进行探测的方法。本发明使用常规的PECVD，CVD等多种薄膜沉积系统和微加工系统实现。解决了以硅为代表的各种半导体纳米线，在特定引导沟道中大规模引导生长，并制作成生物探针的关键技术问题。本发明强调，由于此类纳米线与引导沟道的接触界面可以有效调节，以及金属臂对纳米线的固定，平面纳米线可以进一步进行剥离和转移到其他柔性衬底之上。由于金属手臂的存在，可方便进行其他电学器件连接和集成，使得对微钠物质的测量更为便捷。本发明为基于平面半导体纳米线的高性能场效应晶体管、传感器和光电器件提供了关键技术基础。

本发明在真空中或者氢气、氮气等非氧化性气氛中退火(温度在280℃以上)，利用IP-SLS生长模式获得沟道台阶引导的纳米线，即为生物探针纳米线；利用光刻蒸镀技术在生物探针上形成金属手臂，形成器件。本发明由于此类纳米线与引导沟道的接触界面可以有效调节，以及金属臂对纳米线的固定，平面纳米线可以进一步进行剥离和转移到其他柔性衬底之上。由于金属手臂的存在，可方便进行其他电学器件连接和集成，使得对微钠物质的测量更为便捷。本发明为基于平面半导体纳米线的高性能场效应晶体管、传感器和光电器件提供了关键技术基础。

本发明的有益效果，本发明采用IP-SLS等方法在PECVD中生长沟道台阶引导的纳米线，并利用现代微加工技术进行制作成生物探针器件。IP-SLS方法可以生长平面纳米线，结合台阶沟道引导技术就可以生长出高质量、特定形状的平面半导体单晶纳米线。通过光刻蚀技术形成的引导沟道和定位的催化剂区域后就可实现纳米线生长的自定位、自定向。由于此类纳米线与引导沟道截面可以有效调节，加上金属手臂的固定与集成，可以进一步进行剥离(如腐蚀法剥离)和转移到其他柔性衬底之上。由于金属手臂的集成和探针头的开口，可以方便的进行器件的集成和使用。本发明制备生物探针纳米线器件的方法在平面半导体纳米线的高性能场效应晶体管、传感器、光电器件和生物探测领域的应用方面有着广阔的前景。

四、附图说明

图1：平面生物探针纳米线器件制备过程流程图；

图2：平面生物探针纳米线器件原理示意图；

图3：平面生物探针纳米线器件SEM形貌图；

图4：平面生物探针纳米线器件电学性能图。

五、具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案、作用和有点更加明白，以下结合具体实例，对本发明进行进一步的详细解说。流程图如附图1所示。一种平面生物探针纳米线器件的生长、转移和集成平面半导体纳米线的技术。是特定沟道下的定向生长、转移和集成平面半导体纳米线的方法，其步骤如下：1)通过酸碱热溶液或者分别通过丙酮、酒精、去离子水超声处理对覆盖氧化层的晶体衬底进行处理，去除表面附着的杂质，暴露出晶体洁净表面。2)利用光刻刻蚀技术定义生物探针引导生长沟道，再次使用光刻对准技术在沟道的特定位置上定义催化剂区域。3)蒸镀In,Sn金属，通过lift off，使之仅存在于引导沟道特定位置形成几十纳米的金属膜图案；4)在PECVD系统中利用等离子体处理技术，在350℃、功率2-5W时进行处理，使金属膜缩球形成直径在几百纳米到几微米之间的准纳米催化颗粒；5)再次使用PECVD系统覆盖一层适当厚度的非晶硅(几纳米到几百纳米)的非晶硅作为前驱体介质层。6)在真空氛围下，350℃环境中退火，利用IP-SLS生长模式，使得纳米线从催化剂区域沿着特定引导沟道生长，形成并获得生物探针形状的纳米线。7)再次利用光刻对准技术和金属蒸镀技术，在生物探针纳米线两侧搭上金属电极，充当金属臂。8)利用光刻定义探针头窗口部分，使用HF对窗口进行刻蚀，使得探针头部分悬空，方便使用。

衬底可以是P型或者N型单晶硅衬底，可以是P型或者N型多晶硅片，也可以是普通玻璃，石英玻璃等非晶体衬底。

通过光刻刻蚀制作出深度约200nm的引导沟道，探针形状的引导沟道(见图一)，其中生物探针头的角度包含1-90°内各种角度，探针头总长度在50～100um，探针头使用长度从20nm～10um。刻蚀方法可用湿法刻蚀：氢氧化钾(KOH)、氢氧化钠(NaOH)等碱性体系，也可以是氢氟酸+硝酸(HF+HNO3)、氢氟酸+硝酸+醋酸(HF+HNO3+CH3COOH)等酸性体系，还可以是乙二胺邻苯二酚(Ethylene DiaminePyrocatechol)等体系；也可以是干法刻蚀体系，利用ICP-RIE进行刻蚀。

平面生长的纳米线可以是Si,SiGe,Ge,Ga平面单晶纳米线阵列，直径分布在40～100nm之间。

利用光刻蒸镀技术制作金属电极，可使用热蒸发系统、电子束蒸发系统等，金属电极接触使用PT(12nm)-AL(80nm)体系,可以是Ti-Au体系，可以是Ni金属，金属电极接触均使用快速热退火过程提高接触性能。

更具体的：300nmSiO₂氧化层衬底上平面生物探针纳米线器件制备包括以下步骤：

1)采用300nmSiO₂氧化层衬底(经表面氧化的硅片)，分别使用丙酮、酒精、去离子水超声处理，去除衬底表面附着的杂质。硅片可采用纯单晶或多晶硅硅片。

2)通过有掩膜光刻技术在衬底表面定义生物探针图案，使用ICP-RIE刻蚀在表面形成沟道，清洗光刻胶之后形成生物探针沟道的阵列。

3)在PECVD系统中，在1-50W功率下利用等离子体处理技术使之形成直径在几百纳米到几个微米之间的纳米催化颗粒；350℃的温度下形成直径在几百纳米的纳米催化颗粒。

4)继续在PECVD系统中覆盖一层适当厚度的非晶硅层作为前驱体介质层；300℃-400℃下覆盖一层适当厚度的非晶硅层。真空中或者氢气、氮气等非氧化性气氛中退火在400℃下，催化液滴被激活后可以吸收周围的非晶硅，从而可以诱导生长出平面硅纳米线，同时纳米线会沿着引导沟道侧壁定向生长，形成所需的沟道。

5)在氢气氛围中利用等离子体处理表面残余的非晶硅15分钟直至表面颜色恢复正常色泽。

6)再次使用光刻定义金属臂电极图案，使用电子束蒸发技术，蒸镀10nm铂和60nm铝，之后清洗掉的光刻胶和残余的金属。

7)使用光刻对探针头区域进行窗口处理，使用4％浓度的HF刻蚀窗口区域，使生物探针头区域悬空。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。