SiN薄膜纳米孔芯片制造工艺实验研究袁志山;蔺卡宾;杨浩杰;纪安平;沙菁;谢骁;倪中华;易红;陈云飞【摘要】针对第3代基因测序的需求，提出一种大规模的氮化硅薄膜纳米孔芯片制造技术．通过测量不同膜厚氮化硅薄膜的应力，选择适用于纳米孔制造的最佳厚度为100 nm．采用低压化学气相沉积、反应离子刻蚀和释放工艺制备出高成品率的氮化硅纳米薄膜芯片．在此基础上，使用聚焦离子束和高能电子束实现氮化硅薄膜纳米孔的制造．研究聚焦离子束刻蚀时间、电流与纳米孔直径的关系．实验结果表明，采用聚焦离子束将氮化硅薄膜的厚度减薄至40 nm以下时，制作纳米孔的效果更好．采用聚焦离子束制造的氮化硅薄膜纳米孔最小直径为26 nm，而采用电子束制备的最小直径可达3.5 nm．该方法为基于固体纳米孔的DNA测序检测提供了有力的支撑．%Aiming at the requirements of the third generation gene sequence technique,a fabrication method for large scale silicon nitride (SiN)film nanopore device is presented.First,100 nm is cho-sen as the optimal thickness suitable for fabrication of nanopore through measuring the stress of SiN nanofilms with different thickness.High yield SiN nanofilm chips are manufactured by using low pressure chemical vapor deposition (LP-CVD),reactive ion etching (RIE)and release process. Then,focused ion beam (FIB )and high energy electron beam are used to manufacture SiN film nanopore on SiN nanofilm chips after process optimization.Relationships between FIB etching time, beam current and the diameter of nanopore are researched.The experimental results show that when the thickness of SiN is reduced to below 40 nm by FIB milling,the fabrication effect of nanopore is better.The minimum diametersof SiN film nanopore for FIB and electron beam are 26 and 3.5 nm, respectively.The proposed method provides strong support for DNA sequencing based on solid-state nanopore.【期刊名称】《东南大学学报（自然科学版）》【年(卷),期】2016(046)005【总页数】5页(P977-981)【关键词】氮化硅;纳米孔;聚焦离子束;电子束【作者】袁志山;蔺卡宾;杨浩杰;纪安平;沙菁;谢骁;倪中华;易红;陈云飞【作者单位】东南大学江苏省微纳生物医疗器械设计与制造重点实验室，南京211189; 广东工业大学机电工程学院，广州510006;东南大学江苏省微纳生物医疗器械设计与制造重点实验室，南京211189;东南大学江苏省微纳生物医疗器械设计与制造重点实验室，南京211189;东南大学江苏省微纳生物医疗器械设计与制造重点实验室，南京211189;东南大学江苏省微纳生物医疗器械设计与制造重点实验室，南京211189;东南大学MEMS教育部重点实验室，南京210096;东南大学江苏省微纳生物医疗器械设计与制造重点实验室，南京211189;东南大学江苏省微纳生物医疗器械设计与制造重点实验室，南京211189;东南大学江苏省微纳生物医疗器械设计与制造重点实验室，南京211189【正文语种】中文【中图分类】TN4利用纳机电系统(nanoelectromechanical systems, NEMS)技术制造的传感器具有体积小、功耗低、易大规模生产等优点．这类传感器已在生物芯片、可穿戴设备、航空航天、工业控制、消费电子等领域得到广泛的应用．基于纳米孔的DNA测序芯片便是这类传感器的典型代表．基于纳米孔的第3代基因测序方法极大地缩短测序时间,降低了成本,有望改变癌症和遗传疾病的诊断和治疗手段．第3代基因测序的器件可分为生物纳米孔和固体纳米孔器件[1]．其测序原理是不同体积碱基通过同一纳米孔时的占位电流值不同[2]．常用的生物纳米孔有α溶血素(α-hemolysin)和耻垢分枝杆菌细胞外膜蛋白质通道(MspA)[3-5]．目前,可以利用核酸外切酶将DNA分子中的单个碱基剪切下来,并通过α溶血素纳米孔实现碱基的识别[5]．但生物纳米孔的机械强度不高,尺寸不可调,且使用寿命有限,易受外界条件的影响．这些缺点限制了生物纳米孔的使用．为了克服生物纳米孔的固有缺陷,研制低成本、高寿命、尺寸可调的固体纳米孔成为国内外学者新的研究热点．固体纳米孔,如氮化硅(silicon nitride, SiN)、氧化硅(silicon oxide, SiO2),已经显示出稳定性高、持续时间长、可重复性较好等优异性能[6-8]．制造固体纳米孔器件所使用的NEMS技术是大批量制造方法,可降低测序成本．其中,SiN薄膜纳米孔已经广泛应用于基因测序的研究．本文使用圆片级、低成本、高效的NEMS方法制造出SiN薄膜芯片.同时，本文借助离子束和电子束加工方法，制造出SiN薄膜纳米孔.1.1 SiN薄膜芯片工艺设计SiN薄膜芯片的制造工艺如图1所示．具体步骤如下:① 提供一组双面抛光的n型硅片(中阻硅)．② 沉积SiN纳米薄膜．采用低压化学气相沉积方法(LP-CVD)在硅片表面制造出低应力SiN纳米薄膜．③ 刻蚀基体Si释放窗口．通过光刻、反应离子刻蚀(RIE)工艺在硅片的背面刻蚀出基体Si的释放窗口．④ 释放Si基体．采用质量分数为25%的四甲基氢氧化铵 (TMAH)溶液刻蚀Si,得到悬空的SiN薄膜．⑤ 划片、清洗芯片．1.2 SiN薄膜芯片版图设计图2为硅的各项异性腐蚀结构图．其中,D为设计的释放窗口边长,d为释放结束后SiN薄膜的边长,h为释放后腐蚀腔的深度．根据碱性溶液湿法释放Si时,Si(111)面与(100)面间的夹角为54.7°[9]，则有设计的SiN薄膜尺寸为100 μm×100 μm,实验中使用的硅片厚度为430 μm,根据式(1)可计算出释放窗口尺寸为707 μm×707 μm．实验设计的芯片尺寸为2.5 mm×2.5 mm．划片槽尺寸设计为50 μm×50 μm,位于芯片的4个角上．单个芯片的划片槽与周围3个芯片的划片槽连接,形成一个大的划片槽(尺寸为100 μm×100 μm)．1.3 SiN薄膜制造LP-CVD工艺常用于在衬底表面淀积一层均匀的介质薄膜．本实验选择LP-CVD工艺制作SiN薄膜主要考虑到该工艺是在真空反应室内实现的,沉积的薄膜均匀,且允许硅片以垂直方式排列．另外,该工艺适用于大批量生产,可降低成本．在制备过程中,需要将原材料以气体的形式输送到硅片附近，使其在高温下发生化学反应生成所需的薄膜材料,并沉积在硅片表面．同时，反应生成的副产品会被泵抽走[10]．本文采用LP-CVD技术沉积SiN，SiN是由含Si的气体和NH3反应生成[10]，其反应式如下：薄膜材料在制作过程中都会出现本征应力．本征应力在薄膜上分布可能是均匀的,也可能是不均的．如果分布不均,就会出现应力梯度,引起形变．而SiN芯片是悬空的纳米薄膜结构,存在过大的本征应力,会降低芯片的使用寿命．因此,实验设计厚度分别为40,80,100和120 nm 四种不同的SiN薄膜,并测量其内应力值．实验具体过程如下:① 提供一组4片双面抛光的n型硅片．② 通过LP-CVD工艺分别在硅片表面制造出厚度不同的低应力SiN纳米薄膜．③ 通过RIE工艺刻蚀掉硅片一侧的SiN．④ 用膜厚仪和应力仪测量SiN膜厚及其对应的应力值．采用椭偏仪测量得到4组SiN薄膜的厚度分别为37.5,82.0,99.1和122.5 nm．图3为不同厚度SiN薄膜对应的压应力图．从图中可知，122.5 nm SiN薄膜的应力最小,99.1 nm SiN薄膜次之,其余2组的应力值远大于这2组．考虑到SiN纳米孔通常是采用电子束或聚焦离子束(FIB)加工,薄膜材料越厚,其制造难度越大．本实验中,采用多点测量方法得到的SiN薄膜厚度为99.5 nm,所以SiN薄膜厚度选择为100 nm．1.4 SiN薄膜芯片制造1.4.1 释放窗口制造在已制备SiN薄膜的硅片表面涂敷光刻胶，具体参数为：光刻胶型号为LC100A,厚度为1.4 μm；软烘温度为110 ℃,时间为90 s.通过紫外曝光和坚膜(坚膜温度为135 ℃,时间为30 min)后,采用RIE刻蚀释放窗口内的SiN(刻蚀时间为1 min)．刻蚀后采用膜厚仪测量窗口内是否含有SiN．SiN抗腐蚀能力很强,残留的SiN会影响最终的释放工艺．如果含有SiN,继续使用RIE刻蚀,时间为1 min．本实验中刻蚀后检测的SiN薄膜厚度为0．刻蚀后的硅片如图4所示．1.4.2 Si释放将硅片放置于盛有质量分数为25%的TMAH的烧杯中,再将烧杯置于水浴锅中进行释放，温度为80 ℃, 时间为24 h．释放结束后,用镊子将硅片轻取出放入去离子水中,置换10 min．再次更换去离子水,反复进行3次后取出,放入烘箱中85 ℃下干燥30 min．释放后得到SiN薄膜芯片,其核心结构为悬空SiN纳米薄膜,如图5所示．1.4.3 划片、清洗将释放后的硅片贴在蓝膜上,采用硅刀进行划片．划片时的水压和气压调至最小值,以免造成悬空的SiN薄膜损伤．划片后,采用丙酮去除蓝膜．接着，采用酒精和去离子水清洗薄膜芯片,并放入烘箱中烘干．最后，将芯片储存在真空器皿中．其中,采用显微镜观察薄膜是否破损来判断成品率,结果如表1所示．抽样的平均成品率约为98.13%．目前,常用的制备SiN薄膜纳米孔的方法有2种:① 采用聚焦离子束刻蚀出纳米孔；② 采用FEI公司型号为Titan 80-300的透射电子显微镜(TEM)的高能电子束进行加工．本文分别研究采用离子束和电子束加工SiN薄膜纳米孔的方法．2.1 基于FIB的SiN薄膜纳米孔制造采用FIB刻蚀纳米孔的加工模式有2种．一种是在额定工作电压、电流下,直接通过人为控制刻蚀时间制备纳米孔．这种方法的时间控制精度较低,以s为单位．工作电压为30 kV, 电流为7.7 pA时，用该方法加工出的纳米孔直径均大于100 nm,如图6所示．图中方格为测量值，曲线是测量拟合曲线.另一种方法是通过减薄局部SiN膜厚度后,利用FIB刻蚀纳米孔．本文采用FIB减薄SiN纳米薄膜，设计深度与实测深度关系如图7所示．实验中深度采用原子力显微镜(AFM)测量．结果表明，采用1.1和7.7 pA工作电流对SiN纳米薄膜的减薄效果相当．当设计减薄深度大于40 nm时,剩余的SiN薄膜厚度急剧减小;当设计减薄深度达到80 nm时,SiN薄膜被完全刻蚀．为了研究不同电流对刻蚀的纳米孔直径的影响,在相同电压(30 kV)下,分别选择1.1,7.7,24,40和80 pA的工作电流进行加工，加工时间均为22 ms,结果如图8所示．当电流增加到40 pA之后,孔径并没有随着电流的增加而增大,反而趋于一致,说明当工作电流大于40 pA时,电流大小对孔径的影响较小．同时,从图中可知,要制造出直径较小的纳米孔,必须使用小电流．综上所述,通过减薄工艺和选用较小工作电流可实现小尺寸纳米孔的制备．图9为减薄后纳米孔直径与刻蚀时间之间的关系．减薄的工作参数如下：工作电压30 kV, 电流为7.7 pA．圆形减薄区域直径为500 nm,剩余的SiN薄膜厚度小于40 nm.结果表明,当加工时间小于16 ms时,没有加工出纳米孔;当时间增加到16 ms时,最小孔径可达26 nm,如图10(a)所示．随着刻蚀时间的增加,纳米孔的直径也逐渐增大．2.2 基于TEM的SiN薄膜纳米孔制造利用FIB加工的最小纳米孔直径为26 nm,而实际测序中,纳米孔的直径要求在10 nm以下，该值超过FIB的加工范围．而100 nm厚的SiN纳米薄膜超过TEM的电子束加工范围．因此,需要先对SiN纳米薄膜进行减薄，降低SiN薄膜厚度．SiN纳米孔制造过程示意图见图11.具体步骤如下：① 采用FIB对SiN薄膜进行减薄．减薄的盲孔尺的直径为500 nm,深度为70 nm．FIB的工作电压为30 kV,电流为7.7 pA．② 采用TEM电子束制作纳米孔．将减薄后的芯片装夹在TEM样品杆上,并放入TEM腔体中,抽真空．当腔体真空度达标后进行粗调,并找到减薄的盲孔．盲孔区域的SiN薄膜厚度较小,为SiN薄膜纳米孔加工区域．随后进行原位放大,加热到450 ℃,并进行精细调、聚焦．紧接着打孔,打孔时间控制在300 s左右．最后利用TEM进行成像表征．详细工艺参数如表2所示．图10(b)为采用本方法制备的SiN薄膜纳米孔,纳米孔的最小直径为3.5 nm．本文通过NEMS工艺制作出SiN薄膜芯片,再借助于FIB和TEM实现SiN薄膜纳米孔的制造．这种圆片级、工艺简单、高成品率的SiN薄膜芯片制造方法为SiN 纳米孔的制造提供了支持．同时，利用FIB减薄将SiN薄膜厚度降低至40 nm以下时,制作纳米孔的效果更好．另外,采用FIB或者TEM制造SiN薄膜纳米孔,加工出的纳米孔最小直径分别为26和3.5 nm．[1]Taniguchi M. 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