专利名称：用于碱基序列检测的单层石墨烯纳米孔结构及其制备方法
技术领域：
本发明属于微电子机械系统领域，涉及一种单层石墨烯纳米孔结构及其制作方法，特别是涉及一种用于碱基序列检测的单层石墨烯纳米孔结构及其制作方法。
背景技术：
利用微电子机械加工技术制作的生物传感器在生物、医疗等领域得到了广泛应用。这些传感器具有成本低、可批量生产、稳定性好、灵敏度高等优点。当待测物尺寸为纳米或者亚纳米级，要求传感器必须有很高的灵敏度，才能进行有效的识别检测。提高灵敏度有效方法之一便是降低传感器检测元件的尺寸，这样才能在有效的时域和空域里检测出待测物。因此，制造出纳米尺寸的传感器，能够有效的提高传感器的灵敏度，使器件的品质因子得到显著提高。当前检测DNA碱基序列的诸多方法中，由于电极间距与DNA碱基尺寸不在同一个尺度上，导致检测效果受到制约。Xiaogan Liang, Stephen Y.Chou 在 Nanogap DetectorInside Nanofluidic Channel for Fast Real-Time Label-Free DNA Analysis, 8,2008,Nano Letters中详细介绍了用于DNA序列检测的纳米电极的制造技术,但是制备出的最小电极间距为9nm，并不能实现DNA碱基序列的识别，并指出电极间距尺寸需要进一步减小，才能使得纳米电极检测DNA碱基序列成为可能。但是作者采用的方法，受到现行制造技术的约束，无法继续减小电极的尺寸。Makusu Tsutsui, Yuhui He, Masayuki Furuhashi等在Transverse electric field dragging of DNA in a nanochannel, 5,2012, Scientificreports 一文中在金纳米线上制造出尺寸在200nmX50nmX60nm的纳米通道,用该纳米通道作为纳电极检测DNA碱基序列。文中检测X-DNA通过该纳米通道的信号，但是检测效果不明显。这是因为该纳米通道的尺寸较大，使得用于识别DNA碱基序列的隧穿电流信号被其它信号所淹没。所以进一步降低检测电极尺寸是识别DNA碱基序列的重要保障。电极间距是影响检测DNA碱基序列传感器的一个决定因素。由于单层石墨烯的厚度仅为0.34nm,与DNA分子的碱基间距大小一致，因此，用石墨烯超薄的特性优点，将石墨烯制作成纳米孔作为纳米电极，能有效的检测出DNA分子的碱基序列。Zuzanna S.Siwy和Matthew Davenport 在 Graphene opens up to DNA,5,2010,Nature Nanotechnology 一文中评述了石墨稀纳米孔对DNA序列检测的如景。当如用石墨稀纳米孔检测DNA序列的研究已经受到极大的关注，均是利用纳米级的石墨烯纳米孔约束DNA。当待测DNA通过石墨烯纳米孔时，DNA在纳米孔内的占位产生电流信号的变化，并以此变化的信号来识别DNA碱基序列。然而这种方法检测到的信号亦不能识别出DNA碱基序列，仅能检测出待测DNA过石墨烯纳米孔的特征。
发明内容
技术问题: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用于碱基序列检测的单层石墨烯纳米孔结构及其制作方法，用于解决碱基序列检测时纳米电极尺寸过大、灵敏度低问题，同时实现现有技术与COMS技术相兼容，能有效降低制造工艺复杂程度、控制成本上升等问题。技术方案:本发明的用于碱基序列检测的单层石墨烯纳米孔结构，包括从下至上依次连接的掩膜衬底、半导体层、氧化硅绝缘层、电极层和绝缘层，掩膜衬底中部设置有释放窗口，半导体层中设置有位于释放窗口上方并与之连通的刻蚀槽，氧化硅绝缘层中设置有位于刻蚀槽上方并与之连通的氧化硅纳米盲孔和位于氧化硅纳米盲孔中央上方的氧化硅纳米孔，电极层包括石墨烯微片和位于石墨烯微片两端并与之电连接的金属微电极，石墨烯微片上设置有位于氧化硅纳米孔上方并与之连通的石墨烯纳米孔，绝缘层上设置有对称分布于金属微电极外端边缘上方的两个外接窗口，外接窗口用于与外界电相连，绝缘层上还设置有位于中心的刻蚀窗口和位于刻蚀窗口中心的绝缘层纳米孔，绝缘层纳米孔位于石墨烯纳米孔上方并与之连通。本发明中，石墨烯微片为单层石墨烯，从下至上依次连接的氧化硅绝缘层、电极层和绝缘层形成夹心结构。本发明中，氧化硅纳米孔、石墨烯纳米孔和绝缘层纳米孔组成的一个连通的纳米孔。本发明的一个优选方案中，掩膜衬底的材料为材料为氧化娃或氮化娃，半导体层的材质为娃、锗或锗娃。本发明的制备上述用于碱基序列检测的单层石墨烯纳米孔结构的方法，包括以下步骤:I)在半导体层的下侧制作出掩膜衬底，半导体层的上侧制作出氧化硅绝缘层；2)在掩膜衬底的中央刻蚀制作释放窗口 ；3)将单层石墨烯转移到氧化硅绝缘层的上表面，并通过图形化处理，得到形状规则的石墨烯微片，石墨烯微片位于释放窗口正上方中央；4)在石墨烯微片两端分别制作一个金属微电极，两个金属微电极通过石墨烯微片实现电相连，石墨烯微片和金属微电极构成了电极层；5)制作覆盖氧化硅绝缘层和电极层上表面的绝缘层，刻蚀绝缘层上位于金属微电极外端边缘上方的部位，得到用于与外界电相连的外接窗口，刻蚀绝缘层上位于石墨烯微片上方的部位，减小这个部位绝缘层的厚度，得到刻蚀窗口 ；6)释放半导体层，得到刻蚀槽以及悬空在刻蚀槽上方的氧化硅绝缘层、电极层和绝缘层悬空复合膜结构；7)在氧化硅绝缘层中央制作出位于刻蚀槽上方并与之连通的氧化硅纳米盲孔；8)在氧化硅绝缘层中央制作出位于氧化硅纳米盲孔上方并与之连通的氧化硅纳米孔，在石墨烯微片上制作出位于氧化硅纳米孔上方并与之连通的石墨烯纳米孔，在绝缘层上的刻蚀窗口中央制作出位于石墨烯纳米孔上方并与之连通的绝缘层纳米孔，氧化硅纳米孔、石墨烯纳米孔和绝缘层纳米孔组成一个连通的纳米孔。有益效果:本发明提供一种用于碱基序列检测的单层石墨烯纳米孔结构及其制作方法，与现有技术相比，本发明具有如下优点:I)电极尺寸小，检测精度高。检测DNA分子碱基序列，要求DNA通过电极时，电极的尺寸尽可能的与碱基尺寸大小一致。由于石墨烯的厚度为0.34nm,与DNA分子碱基间距大小一致，因此，用石墨烯纳米孔作为纳米电极，能有效的检测出DNA分子的碱基序列。2)利用纳米盲孔孔将DNA链拉直，提高DNA碱基序列的分辨率。相对于现有的检测技术，纳米孔有效的控制DNA的形状，使得DNA以最有利于识别的方式通过纳米孔，提高碱基识别的分辨率。综上，本发明提供的一种体积小、工艺简单而且成本低的碱基序列检测的单层石墨烯纳米孔结构及其制作方法，在电极尺寸得到控制的同时，通过石墨烯纳米孔来实现检测，同时利用金属微电极实现器件内外的电连接，实现检测信号的输送。
图1为基板的结构示意图；图2为电极层的结构示意图；图3为绝缘层的结构示意图；图4为半导体层表面制作出掩膜衬底和氧化硅绝缘层的结构示意图；图5为掩膜衬底中央刻蚀出释放窗口的结构示意图；图6为石墨烯微片图形化后的结构示意图；图7为石墨烯微片外接金属微电极的结构示意图；图8为覆盖绝缘层后的结构示意图；图9为在绝缘层上制作刻蚀窗口后的结构示意图；图10为在绝缘层上制作外接窗口后的结构示意图；图11为释放半导体层后的结构示意图；图12为在氧化硅绝缘层中央制作纳米盲孔后的结构示意图；图13为制作纳米孔后的本发明石墨烯纳米孔结构整体示意图。图中有:掩膜衬底1、半导体层2、氧化硅绝缘层3、电极层4、绝缘层5，释放窗口11，刻蚀槽21，纳米盲孔31，氧化硅纳米孔32，石墨烯微片41，金属微电极42，石墨烯纳米孔43，外接窗口 51、刻蚀窗口 52，绝缘层纳米孔53。
具体实施例方式以下结合说明书附图和具体实施例进一步说明本发明，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。请参阅图4至图13，需要说明的是，以下具体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4至图13所示，本发明用于碱基序列检测的单层石墨烯纳米孔结构，其制作方法包括以下步骤:步骤1)，如图4所示，首先在作为基体的半导体层2的下侧制作出掩膜衬底1，半导体层2的上侧制作出氧化硅绝缘层3。在本实施例中，半导体层2为硅，氧化硅绝缘层3为氧化硅，掩膜衬底I的材料为氧化硅，利用热氧化工艺同时在半导体层2的上侧和下侧得到掩膜衬底I和氧化硅绝缘层3。在步骤2)中，如图5所示,利用反应离子刻蚀工艺(Reactive-1on Etching, RIE)刻蚀掩膜衬底I，在掩膜衬底I上形成一个释放窗口 11。在步骤3)中，如图6所示，将石墨烯转移到氧化硅绝缘层3表面，并通过图形化处理，得到形状规则的石墨烯微片41，实现石墨烯微片41位于半导体释放结束得到的释放窗口(11)正上方中央。在本实施例中，利用光刻和氧等离子刻蚀，得到形状规则的石墨烯微片41。在步骤4)中，如图7所示，采用溅射或蒸镀、在氧化硅绝缘层3表面和石墨烯微片41表面沉积一层金属，再通过剥离或刻蚀方法,形成金属微电极42,金属微电极42通过石墨烯微片41实现电相连。在本实施例中，金属微电极41的材料为金。步骤5)中，如图8所示，制作绝缘层5将整个结构覆盖。刻蚀石墨烯微片41上方的绝缘层，减小石墨烯微片表面的绝缘层厚度，便于后续加工。得到刻蚀窗口 52，如图9所示。刻蚀金属微电极42外端边缘上方的绝缘层5，得到外接窗口 51，用于形成引线，实现电极与外界的电连接，如图10所示。需要说明的是，可以先加工刻外接窗口 51，然后加工蚀窗口 52。在本实施例中，先加工出刻蚀窗口 52，然后加工外接窗口 51。在制作外接窗口 51时，表面预留一层很薄的绝缘层5，外接窗口 51的预留绝缘层5在步骤6)释放时，会被碱性溶液腐蚀完，实现与外界电相连。在本实施例中，利用光刻和常温缓冲过的氢氟酸(BufferedOxide Etch, BOE)刻蚀得到外接窗口 51和蚀窗口 52。步骤6)，将整个结构放入碱性溶液中，利用步骤2)刻蚀形成的释放窗口 11进行释放，去除半导体层2，得到刻蚀槽21，并形成局部悬空的绝缘层5覆盖，电极层4和氧化硅绝缘层3组成的夹心结构复合膜结构。同时，利碱性溶液释放功能，刻蚀掉外接窗口 51表面剩余的绝缘层。具体地，如图11所示，在本实施例中，去除半导体层2的碱性溶液为浓度为25%的TMAH溶液。步骤7)中，在刻蚀槽21 —侧的氧化硅绝缘层3中央制作出氧化硅纳米盲孔31如图12所示.在本实施例中,利用聚焦离子束(Focused 1n beam, FIB)刻蚀氧化娃绝缘层3，在氧化硅绝缘层3形成纳米盲孔31。步骤8)，如图13所示，在氧化硅纳米盲孔31中央制作氧化硅纳米孔32，并依次在石墨烯微片41和绝缘层5上制作出石墨烯纳米孔43和绝缘层纳米孔53 ;实现氧化娃纳米孔32、石墨烯纳米孔43和绝缘层纳米孔53的连通。在本实施例一中，利用透射电子显微镜(Transmission electron microscope, TEM)在纳米盲孔31中央制作出氧化娃纳米孔32,接着加工氧化硅纳米孔32处加工石墨烯纳米孔43和绝缘层层纳米孔53，形成一个纳米通孔。综上所述，本发明提供的用于碱基序列检测的单层石墨烯纳米孔结构及其制作方法，解决了传统制造工艺无法达到制作出单纳米级别的电极问题。该制作工艺简单，成本低、且具有结构体积小的优点，同时，本发明与CMOS工艺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。
权利要求
1.一种用于碱基序列检测的单层石墨烯纳米孔结构，其特征在于，该结构包括从下至上依次连接的掩膜衬底(I)、半导体层(2)、氧化硅绝缘层(3)、电极层(4)和绝缘层(5)，所述掩膜衬底(I)中部设置有释放窗口(11)，所述半导体层(2)中设置有位于释放窗口(11)上方并与之连通的刻蚀槽(21)，所述氧化硅绝缘层(3)中设置有位于刻蚀槽(21)上方并与之连通的氧化硅纳米盲孔(31)和位于所述氧化硅纳米盲孔(31)中央上方的氧化硅纳米孔(32)，所述电极层(4)包括石墨烯微片(41)和位于所述石墨烯微片(41)两端并与之电连接的金属微电极(42)，所述石墨烯微片(41)上设置有位于氧化硅纳米孔(32)上方并与之连通的石墨烯纳米孔(43 )，所述绝 缘层(5 )上设置有对称分布于金属微电极(42 )外端边缘上方的两个外接窗口(51)，所述外接窗口(51)用于与外界电相连，绝缘层(5)上还设置有位于中心的刻蚀窗口(52)和位于所述刻蚀窗口(52)中心的绝缘层纳米孔(53)，所述绝缘层纳米孔(53)位于石墨烯纳米孔(43)上方并与之连通。
2.根据权利要求1所述的用于碱基序列检测的单层石墨烯纳米孔结构，其特征在于，所述石墨烯微片(41)为单层石墨烯，从下至上依次连接的氧化硅绝缘层(3)、电极层(4)和绝缘层(5)形成夹心结构。
3.根据权利要求1所述的用于碱基序列检测的单层石墨烯纳米孔结构，其特征在于，所述的氧化硅纳米孔(32)、石墨烯纳米孔(43)和绝缘层纳米孔(53)组成的一个连通的纳米孔。
4.根据权利要求1所述的用于碱基序列检测的单层石墨烯纳米孔结构，其特征在于:所述掩膜衬底(I)的材料为氧化硅或氮化硅，所述半导体层(2)的材质为硅、锗或锗硅。
5.一种制备权利要求1所述的用于碱基序列检测的单层石墨烯纳米孔结构的方法，其特征在于，该方法包括以下步骤: 1)在半导体层(2)的下侧制作出掩膜衬底(1)，半导体层(2)的上侧制作出氧化硅绝缘层(3); 2)在所述掩膜衬底(I)的中央刻蚀制作释放窗口(11)； 3)将单层石墨烯转移到氧化硅绝缘层(3)的上表面，并通过图形化处理，得到形状规则的石墨烯微片(41)，所述石墨烯微片(41)位于释放窗口(11)正上方中央； 4)在所述石墨烯微片(41)两端分别制作一个金属微电极(42)，所述的两个金属微电极(42)通过石墨烯微片(41)实现电相连，石墨烯微片(41)和金属微电极(42)构成了电极层⑷； 5 )制作覆盖所述氧化硅绝缘层(3 )和电极层(4 )上表面的绝缘层(5 )，刻蚀绝缘层(5 )上位于金属微电极(42)外端边缘上方的部位，得到用于与外界电相连的外接窗口(51)，刻蚀绝缘层(5)上位于石墨烯微片(41)上方的部位，减小这个部位绝缘层的厚度，得到刻蚀窗口(52)； 6)释放所述半导体层(2)，得到刻蚀槽(21)以及悬空在刻蚀槽(21)上方的氧化硅绝缘层(3 )、电极层(4 )和绝缘层(5 )悬空复合膜结构； 7)在所述氧化硅绝缘层(3)中央制作出位于刻蚀槽(21)上方并与之连通的氧化硅纳米盲孔(31)； 8)在所述氧化硅绝缘层(3)中央制作出位于氧化硅纳米盲孔(31)上方并与之连通的氧化硅纳米孔(32)，在石墨烯微片(41)上制作出位于氧化硅纳米孔(32)上方并与之连通的石墨烯纳米孔(43 )，在绝缘层(5 )上的刻蚀窗口( 52 )中央制作出位于石墨烯纳米孔(43 )上方并与之连通的绝缘层纳米孔(53)，氧化硅纳米孔(32)、石墨烯纳米孔(43)和绝缘层纳米孔(53)组成一个连通的纳米孔`。
全文摘要
本发明提供一种用于碱基序列检测的单层石墨烯纳米孔结构及其制备方法，将石墨烯微片转移到用半导体层支撑的氧化硅绝缘层表面，通过在石墨烯微片两端面的上表面制作金属微电极。再制作绝缘层将石墨烯微片和金属微电极表面覆盖，形成夹心结构。最后，通过释放半导体层和制作纳米孔实现氧化硅绝缘层、石墨烯微片和绝缘层间的贯穿。当待测碱基穿过纳米孔时，通过识别检测到的碱基电信号，实现碱基序列的识别。本发明工艺简单、成本低且结构体积小，与CMOS工艺的兼容使其有较好的扩展性，在生物医疗领域有着较广的使用前景。
文档编号G01N27/30GK103105422SQ20131001781
公开日2013年5月15日 申请日期2013年1月17日 优先权日2013年1月17日
发明者易红, 袁志山, 陈云飞, 倪中华 申请人:东南大学