納流體測試器件的製備方法
2023-05-24 15:53:11 1
專利名稱：納流體測試器件的製備方法
技術領域：
本發明涉及微納技術領域，特別涉及一種納流體測試器件的製備方法。本發明提出了一種採用側牆工藝、溼法腐蝕方法和化學機械拋光(CMP)製備納流體測試器件的方法。該方法儘量避免使用電子束曝光的成本高、周期長的不足，製備方法簡單，可控性好，在突破光刻解析度限制及提高納流體測試器件的製備效率等方面具有很大的優越性。
背景技術：
納流通道在微納米技術領域尤其是在微納米生物領域有著廣泛的應用。將納流通道與電極相結合構成的納流體測試器件，可以實現對DNA/RNA、蛋白質及多膚、藥物、毒品和胺基酸等進行檢測分析，應用在基因測序、藥物篩選、蛋白組學、臨床診斷等領域。為了實現這種納流體測試器件，首先必須獲得寬度為納米級的納流通道，然後再在通道內製作間距更小的電極。但是，在寬度為納米級的納流通道內製備間距更小的電極，存在非常的技術困難；即使能實現，也存在重複性差和成本高的缺陷。因此，如何實現納流通道和電極的有效的結合成為我們研究的重要方向。 目前，納米結構的製備方法主要有光刻、電子束刻蝕、聚焦離子束刻蝕、微接觸印刷、電化學方法和電遷移方法等。但是，光學光刻方法受到光波波長限制，刻蝕的極限在微米量級，難以達到納米量級；微接觸印刷、電子束刻蝕和聚焦離子束刻蝕的方法周期長成本高；電化學和電遷移方法工藝可靠性較低，可能導致與CMOS工藝的不兼容。為了突破光刻解析度限制及提高器件與CMOS工藝的兼容性，尋找簡單而低成本的製備納流體測試器件的方法，我們提出本發明構思。
發明內容
本發明的主要目的在於提供一種納流體測試器件的製備方法，以尋找到一種納流體測試器件的製備方法，並且製備方法簡單且成本較低，能夠突破光刻解析度限制，並提高納流體測試器件的製備效率。 為達到上述目的，本發明提供一種納流體測試器件的製備方法，包括如下步驟
步驟1 :在襯底上生長一層抗腐蝕的電熱絕緣材料層和基底材料層；
步驟2 :用光刻和幹法刻蝕的方法去除基底材料層的四邊，形成圖形作為製備側牆的基底； 步驟3 :在該電熱絕緣材料層的上面和基底材料層的表面及側面澱積側牆材料層； 步驟4:採用幹法回刻，去除基底材料層上表面的和電熱絕緣材料層表面的側牆材料層，將形成高和寬均為納米尺寸的側牆； 步驟5 :用溼法腐蝕的方法去除基底材料層，只保留納米尺寸的側牆； 步驟6 :採用光刻或電子束光刻+薄膜澱積+剝離工藝在該側牆材料層的一條邊
上搭上一條製作電極的抗腐蝕的金屬層；
步驟7 :再用薄膜澱積工藝，在電熱絕緣材料層及金屬層上製備一層製作納流體 通道的抗腐蝕絕緣材料層； 步驟8 :然後用化學機械拋光的方法，拋光表面，去除金屬層上面的抗腐蝕絕緣材 料層，同時切斷側牆材料層兩旁的金屬的連接； 步驟9 :再用溼法腐蝕方法去除剩餘的側牆材料層形成納流體通道； 步驟10 :最後澱積一層絕緣材料將納流體通道封頂，再在通道兩端開孔並在通道
兩側的金屬上引出電極即可形成納流體測試器件。
其中所述電熱絕緣材料層是氮化矽或Si02 ;所述基底材料層是Si(^、氮化矽或多
晶矽；所述側牆材料層是SiOy氮化矽或多晶矽；所述抗腐蝕金屬層是鎢、鎳、銅、銀、金或
鉬，所述抗腐蝕絕緣材料層和絕緣材料是Si02或氮化矽。
其中步驟1中所述襯底是半導體材料襯底或絕緣材料襯底。 其中所述半導體材料襯底是矽片或SOI片，所述絕緣材料襯底是Si02或玻璃。 其中所述基底材料層的厚度為20-2000nm。 其中所述側牆材料層形成的側牆的寬度為5-200nm。 其中所述納流體通道的寬度為5-200nm，高度大於所澱積的金屬的厚度並小於側 牆的高度。 從上述技術方案可以看出，本發明具有以下有益效果 本發明提供的這種納流體測試器件的製備的方法，採用薄膜工藝、光刻剝離工藝、 光刻幹法刻蝕工藝、溼法刻蝕工藝和側牆工藝製備了納流體測試器件。這種納流體測試器 件的製備方法的特點在於結構簡單，製備方便，測試器件尺寸小，儘量避免了使用電子束 曝光(EBL)，聚焦離子束曝光(FIB)等技術，大大降低了成本，集成度大幅度的提高，同時突 破光刻解析度限制及提高了納流體測試器件的製備效率等。
為進一步描述本發明的具體技術內容，以下結合實施例及附圖詳細說明如後，其 中 圖1是本發明提供的納流體測試器件的製備方法的流程圖； 圖2_圖10是製備納流體測試器件的結構示意圖，其中圖2_圖10中的(b)均是 (a)的俯視圖。
具體實施例方式
請參閱圖1至圖IO所示，本發明一種納流體測試器件的製備方法，包括如下步 驟 步驟1 :在襯底101上生長一層抗腐蝕的電熱絕緣材料層102和基底材料層103 ; 所述的電熱絕緣材料102，可以是氧化物、氮化物、硫化物或者是由氧化物、氮化物、硫化物 中的至少兩種構成的混合物中的任一種；所述在襯底上生長一層電熱絕緣材料102，可以 是採用濺射法、蒸發法、等離子體輔助澱積法、化學氣相澱積法、金屬有機物熱分解法、雷射 輔助澱積法和熱氧化方法中的一種實現；所述電熱絕緣材料102，對於步驟5中溼法去除基 底材料層103和後敘的步驟9中溼法去除側牆材料層104時使用的腐蝕液均具抗腐蝕性；其中所述的基底材料層103，可以是氧化物、氮化物、硫化物或者是由氧化物、氮化物、硫化 物中的至少兩種構成的混合物中的任一種；所述澱積一層基底材料層103，可以是採用濺 射法、蒸發法、等離子體輔助澱積法、化學氣相澱積法、金屬有機物熱分解法、雷射輔助澱積 法和熱氧化方法中的一種實現(圖2); 步驟2 :用光刻和幹法刻蝕的方法去除基底材料層103的四邊，形成圖形作為製備 側牆的基底(圖2); 步驟3 :在該電熱絕緣材料層102的上面和基底材料層103的表面澱積側牆材料 層104 ;其中所述的側牆材料層104，可以是氧化物、氮化物、硫化物或者是由氧化物、氮化 物、硫化物中的至少兩種構成的混合物中的任一種；所述澱積一層側牆材料層104，可以是 採用濺射法、蒸發法、等離子體輔助澱積法、化學氣相澱積法、金屬有機物熱分解法、雷射輔 助澱積法和熱氧化方法中的一種實現；所述的側牆材料層104，對於後敘的步驟5中去除基 底材料層103時使用的腐蝕液具有抗腐蝕性(圖3); 步驟4 :採用幹法回刻，去除基底材料層103上表面的和電熱絕緣材料層102表面 的側牆材料層104，將形成高和寬均為納米尺寸的側牆(圖4); 步驟5 :用溼法腐蝕的方法去除基底材料層103，只保留納米尺寸的側牆；其中的 腐蝕液可以是HF酸、TMAH溶液、熱濃磷酸等中的一種(圖5); 步驟6 :再用光刻或電子束光刻+薄膜澱積+剝離工藝在抗腐蝕絕緣材料層106 上搭上一條製作電極的抗腐蝕的金屬層105 ;所述的抗腐蝕的金屬層105，對於步驟9中去 除側牆材料層104時使用的腐蝕液具有抗腐蝕性；所述抗腐蝕的金屬層105，可以是鎢、鎳、 銅、銀、金或鉑中的任一種；所述抗腐蝕的金屬層105，可以是採用濺射法、蒸發法和化學氣 相澱積法中的一種製備的(圖6); 步驟7 :採用薄膜澱積工藝製備一層製作納流體通道的抗腐蝕絕緣材料層106 ;所 述的抗腐蝕材料層106，對於步驟9中去除側牆材料層104時使用的腐蝕液具有抗腐蝕性； 所述抗腐蝕材料層106，可以是氧化物、氮化物、硫化物或者是由氧化物、氮化物、硫化物中 的至少兩種構成的混合物中的任一種；所述澱積抗腐蝕材料層106，可以是採用濺射法、蒸 發法、等離子體輔助澱積法、化學氣相澱積法、金屬有機物熱分解法、雷射輔助澱積法和熱 氧化方法中的一種實現的(圖7); 步驟8 :然後用化學機械拋光(CMP)的方法拋光表面同時切斷側牆104兩旁的金 屬105的連接，其中所述的拋光過程中，必須將側牆頂部的金屬105拋斷，並且不能拋到電 熱絕緣層102上的金屬105 (圖8); 步驟9、再用溼法腐蝕方法去除剩餘的側牆材料104形成納流體通道107，其中的 腐蝕液可以是HF酸、TMAH溶液、熱濃磷酸等中的一種(圖9); 步驟10、最後澱積一層絕緣材料108將納流體通道107封頂，再在通道兩端開孔並 在通道兩側的金屬105上引出電極即可形成納流體測試器件。其中所述的絕緣材料108，可 以是氧化物、氮化物、硫化物或者是由氧化物、氮化物、硫化物中的至少兩種構成的混合物 中的任一種；所述澱積一層絕緣材料108，可以是採用濺射法、蒸發法、等離子體輔助澱積 法、化學氣相澱積法、金屬有機物熱分解法、雷射輔助澱積法和熱氧化方法中的一種實現的 (圖10)。 實施例一
1、採用單晶矽片、SOI片等半導體或者絕緣材料作為襯底101 ; 2、採用薄膜製備工藝，在襯底上製備200nm氮化矽作為電熱絕緣層102和450nm
多晶矽作為基底材料層103 ; 3、用光刻和幹法刻蝕的方法去除基底材料層103的四邊，形成圖形作為製備側牆 的基底； 4、在該電熱絕緣材料層102的上面和基底材料層103的表面及側面澱積200nm Si02作為側牆材料層104 ; 5、採用幹法回刻，去除基底材料層103上表面的和電熱絕緣材料層102表面的側 牆材料層104，將形成高450nm和寬88nm的Si02側牆； 6、用恆溫TMAH溶液漂去側牆基底103 (恆溫TMAH溶液對襯底氮化矽和側牆二氧 化矽的刻蝕選擇比很高)，TMAH溶液的溫度恆定在7(TC中，只保留納米尺寸的側牆；
7、採用光刻或電子束光刻+薄膜澱積+剝離工藝在該側牆材料層104的一條邊上 搭上一條製作電極的鎢金屬層105，金屬厚度為50nm ;8、再用PECVD製備結構為200nm Si02/100nm SiN/200nm Si02的疊層作為製作納
流體通道的抗腐蝕絕緣材料層106，其中SiN作為CMP工藝的截止層； 9、用化學機械拋光(CMP)的方法拋光表面至SiN截止層同時切斷側牆104兩旁的
金屬105的連接，再用稀釋的緩衝HF去除剩餘的側牆材料104形成納流體通道107 ; 10、最後澱積一層500nm的Si02108將納流體通道107封頂，再在通道兩端開孔並
在通道兩側的金屬上105引出電極即可形成納流體測試器件，該期間的通道寬度為88nm高
度為350nm，電極間距為88nm。 以上所述的具體實施例，對本發明的目的、技術方案和有益效果進行了進一步詳 細說明，所應理解的是，以上所述僅為本發明的具體實施例而已，並不用於限制本發明，凡 在本發明的精神和原則之內，所做的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本發明的保 護範圍之內。
權利要求
一種納流體測試器件的製備方法，包括如下步驟步驟1在襯底上生長一層抗腐蝕的電熱絕緣材料層和基底材料層；步驟2用光刻和幹法刻蝕的方法去除基底材料層的四邊，形成圖形作為製備側牆的基底；步驟3在該電熱絕緣材料層的上面和基底材料層的表面及側面澱積側牆材料層；步驟4採用幹法回刻，去除基底材料層上表面的和電熱絕緣材料層表面的側牆材料層，將形成高和寬均為納米尺寸的側牆；步驟5用溼法腐蝕的方法去除基底材料層，只保留納米尺寸的側牆；步驟6採用光刻或電子束光刻+薄膜澱積+剝離工藝在該側牆材料層的一條邊上搭上一條製作電極的抗腐蝕的金屬層；步驟7再用薄膜澱積工藝，在電熱絕緣材料層及金屬層上製備一層製作納流體通道的抗腐蝕絕緣材料層；步驟8然後用化學機械拋光的方法，拋光表面，去除金屬層上面的抗腐蝕絕緣材料層，同時切斷側牆材料層兩旁的金屬的連接；步驟9再用溼法腐蝕方法去除剩餘的側牆材料層形成納流體通道；步驟10最後澱積一層絕緣材料將納流體通道封頂，再在通道兩端開孔並在通道兩側的金屬上引出電極即可形成納流體測試器件。
2. 根據權利要求1所述的納流體測試器件的製備方法，其中所述電熱絕緣材料層是氮 化矽或Si02 ;所述基底材料層是SiOy氮化矽或多晶矽；所述側牆材料層是Si(^、氮化矽或 多晶矽；所述抗腐蝕金屬層是鎢、鎳、銅、銀、金或鉑，所述抗腐蝕絕緣材料層和絕緣材料是 Si02或氮化矽。
3. 根據權利要求1所述的納流體測試器件的製備方法，其中步驟1中所述襯底是半導 體材料襯底或絕緣材料襯底。
4. 根據權利要求3所述的納流體測試器件的製備方法，其中所述半導體材料襯底是矽 片或SOI片，所述絕緣材料襯底是Si02或玻璃。
5. 根據權利要求1所述的納流體測試器件的製備方法，其中所述基底材料層的厚度為 20-2000nm。
6. 根據權利要求1所述的納流體測試器件的製備方法，其中所述側牆材料層形成的側 牆的寬度為5-200nm。
7. 根據權利要求1所述的納流體測試器件的製備方法，其中所述納流體通道的寬度為 5-200nm，高度大於所澱積的金屬的厚度並小於側牆的高度。
全文摘要
一種納流體測試器件的製備方法，包括在襯底上生長一層電熱絕緣材料層和基底材料層；去除基底材料層的四邊，形成圖形作為製備側牆的基底；在該電熱絕緣材料層的上面和基底材料層的表面及側面澱積側牆材料層；去除基底材料層上表面和電熱絕緣材料層表面的側牆材料層，形成側牆；去除基底材料層，只保留納米尺寸的側牆；在該側牆材料層的一條邊上搭上一條製作電極的抗腐蝕的金屬層；在電熱絕緣材料層及金屬層上製備一層製作納流體通道的抗腐蝕絕緣材料層；拋光表面，去除金屬層上面的抗腐蝕絕緣材料層；再用溼法腐蝕方法去除剩餘的側牆材料層形成納流體通道；最後澱積一層絕緣材料將納流體通道封頂，再在通道兩端開孔並在通道兩側的金屬上引出電極即可形成納流體測試器件。
文檔編號G01N33/48GK101759142SQ20101003428
公開日2010年6月30日 申請日期2010年1月20日 優先權日2010年1月20日
發明者張加勇, 楊富華, 王曉東, 王曉峰, 程凱芳, 馬慧莉 申請人:中國科學院半導體研究所