基于MEMS的納米孔芯片設(shè)計(jì)制造

葉佳佳

摘? 要：在傳統(tǒng)的生物過孔實(shí)驗(yàn)中通常使用MEMS（微機(jī)電系統(tǒng)）設(shè)計(jì)制造的單層納米孔芯片。而隨著對生物結(jié)構(gòu)探索的進(jìn)一步加深，需要多層納米孔結(jié)構(gòu)才能滿足實(shí)驗(yàn)需求。該文針對納米孔測序設(shè)計(jì)了多層納米孔芯片制造的MEMS實(shí)驗(yàn)過程，包括芯片版圖設(shè)計(jì)、薄膜沉積、窗口及基體釋放、納米孔制造等多種工藝，最終得到實(shí)驗(yàn)所需的多層納米孔芯片。

關(guān)鍵詞：多層芯片? MEMS? 納米孔? 生物測序?qū)嶒?yàn)

中圖分類號：TN305.7? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A文章編號：1672-3791（2021）04（b）-0005-07

Experiment Design of Nanopore Chip Manufacturing Based on MEMS

YE Jiajia

（School of Physical Science and Technology， Soochow University， Suzhou， Jiangsu Province，215000 China）

Abstract：Single nanopore chips designed and manufactured by MEMS（Micro-Electro-Mechanical Systems） are used for traditional biological nanopore experiments. With development of exploring for biological structures， multilayer nanopore structure is required for experiment. Multilayer nanopore structure is designed for nanopore sequencing by MEMS， include chip layout design， film deposition， window and substrate release， nanopore manufacturing， finally we get the nanopore chip for sequencing experiment.

Key Words：Multilayer chip;MEMS;Nanopore;Biological sequencing experiment

MEMS是微機(jī)電系統(tǒng)（Micro-Electro-Mechanical Systems）的簡稱，利用集成電路制造技術(shù)和微加工技術(shù)把微結(jié)構(gòu)、微傳感器、控制處理電路甚至接口、通信和電源等制造在一塊或多塊芯片上。在設(shè)計(jì)好多層納米孔薄膜結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，需要使用MEMS工藝來實(shí)現(xiàn)芯片的最終誕生。相較于傳統(tǒng)機(jī)械，MEMS涉及的領(lǐng)域更小，生產(chǎn)的產(chǎn)品也更小，最大不超過厘米級，甚至是微米級的尺寸，在厚度方向則更加細(xì)小。從上述內(nèi)容可以看出，MEMS可以革命性地影響幾乎所有類別的產(chǎn)品。它用微加工技術(shù)將各種產(chǎn)品整合到基于硅的微電子芯片上，做到systems-on-a-chip。

1? 芯片設(shè)計(jì)

芯片應(yīng)用以納米孔測序?qū)嶒?yàn)[1]需求為例，由于DNA過單納米孔存在諸多形態(tài)、運(yùn)動(dòng)往復(fù)等不確定性，因此需要設(shè)計(jì)雙納米孔來進(jìn)行進(jìn)一步的信號驗(yàn)證檢測[2]。基于此，設(shè)計(jì)了雙納米孔結(jié)構(gòu)薄膜芯片，這是一個(gè)氮化硅（Si3N4）—氧化硅（SiO2）—氮化硅（Si3N4）三層結(jié)構(gòu)，在此三層結(jié)構(gòu)上加工出約5～10 nm的納米孔后，利用HF溶液腐蝕掉中間氧化硅的一部分。同時(shí)，為了減小噪聲，在結(jié)構(gòu)層上再設(shè)計(jì)沉積一層較厚的SiO2薄膜。在SiO2表面沉積150 nm厚度的Si3N4犧牲層，作為后續(xù)腐蝕步驟的掩膜。此二層統(tǒng)稱為犧牲層，是為了達(dá)到降噪目的或者為制造工藝所需的步驟。

2? 芯片制造工藝

最終芯片結(jié)構(gòu)如圖1（d）所示，Si3N4/SiO2犧牲層刻蝕掉一定尺寸的窗口露出底部Si3N4/SiO2/Si3N4結(jié)構(gòu)層，在刻蝕掉金字塔狀的Si基體腐蝕腔后得到懸空的三層結(jié)構(gòu)薄膜層。三層結(jié)構(gòu)薄膜制造工藝的總體流程如圖1所示，（1）襯底提供：為芯片襯底硅基底，n型硅片，晶向面為（100），直徑為100 mm，厚度為400 μm;（2）薄膜制造：低壓化學(xué)氣相沉積（LP-CVD）方法制造出Si3N4/SiO2/Si3N4/SiO2/Si3N4結(jié)構(gòu)多層薄膜;（3）釋放窗口制造：利用光刻轉(zhuǎn)移掩膜圖形，得到基體釋放窗口;（4）懸空薄膜制造：KOH、HF濕法腐蝕得到懸空三明治結(jié)構(gòu)薄膜。

2.1 薄膜沉積

LP-CVD（低壓化學(xué)氣相沉積）[3]是在高溫低壓的反應(yīng)爐中加熱沉底并通過含薄膜成分的氣體沉積的薄膜形成辦法，控制溫度壓強(qiáng)等反應(yīng)環(huán)境能得到均勻致密、壓力平均的薄膜。

在裝爐之前用標(biāo)準(zhǔn)的RCA過程清洗硅片去除硅片表面的氧化層或者金屬化層，在70℃的H2O∶NH4OH∶H2O2（比例為6∶1∶1）溶液中浸沒10 min;在流動(dòng)的去離子水中浸沒5～10 min;在70℃的H2O∶HCL∶H2O2（比例為6∶1∶1）溶液中浸沒10 min;最后在流動(dòng)的去離子水中浸沒5～10 min以清洗殘余的溶液。

在芯片的五層薄膜結(jié)構(gòu)中，從襯底往上的前兩層Si3N4為用于測序的結(jié)構(gòu)層能有效阻擋H2O和離子的擴(kuò)散，而最外層的Si3N4因?yàn)槠淇垢g能力和抗氧化能力而作為刻蝕掩膜?；瘜W(xué)計(jì)量比的Si3N4具有很大的參與張應(yīng)力[4]，約為1 GPa，如此大的殘余應(yīng)力可引起數(shù)百納米厚的薄膜斷裂，為了得到所需厚度的耐用耐化學(xué)腐蝕的膜結(jié)構(gòu)，可通過LP-CVD沉積非化學(xué)計(jì)量比SixNy薄膜。沉積Si3N4的源氣體為二氯硅烷（SiH2Cl2）和氨氣（NH3），壓強(qiáng)和溫度范圍分別為200～500 mTorr和700 ℃～900 ℃。在SiH2Cl2/NH3的值在6∶1，沉積溫度為800 ℃，壓強(qiáng)為200 mTorr時(shí)，可以沉積出應(yīng)力較小的薄膜。

SiO2容易用腐蝕劑溶解，且腐蝕劑不易損害其他薄層，與Si3N4在化學(xué)溶劑中也有高選擇比，所以它被用作犧牲材料。SiO2薄膜的源氣體為二氯硅烷（SiH2Cl2）和二氧化氮（NO2）這兩種，殘余應(yīng)力約為200 MPa。SiO2和Si3N4具體的工藝參數(shù)見表1。

按設(shè)計(jì)的前三層薄膜的結(jié)構(gòu)，結(jié)合沉積速率，各層薄膜的沉積時(shí)間分別為9 min氮化硅、26 min氧化硅、18 min氧化硅。干涉儀測得擬合厚度為26.5（2.0）nm SiNx、18.1（2.8）nm SiOx、51.0（1.6）nm SiO。硅片爐中取出在潔凈室內(nèi)放置過夜后進(jìn)行后兩層薄膜的沉積，沉積時(shí)間分別為400 min氧化硅、150 min氮化硅，其余參數(shù)不變。沉積完成后同樣用干涉儀或者橢偏儀測得，結(jié)果符合實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)。

2.2 芯片工藝版圖設(shè)計(jì)

在沉積完薄膜之后，需要進(jìn)行后續(xù)芯片三維形態(tài)的制造，所以需要設(shè)計(jì)工藝版圖來協(xié)助后續(xù)的制造流程。圖2（a）為反面芯片的整體版圖設(shè)計(jì)圖，圖2（b）為單個(gè)芯片的釋放窗口與劃片溝槽的設(shè)計(jì)，尺寸與最終芯片一致，為3.5 mm×3.5 mm。正面版圖設(shè)計(jì)與正面區(qū)別在于沒有劃片槽，以及中央的釋放窗口尺寸不同。

在完成芯片工藝版圖的設(shè)計(jì)之后，需要按照設(shè)計(jì)制作掩膜版。掩膜是一塊能夠透射紫外線的石英板，上面包括刻有上述設(shè)計(jì)圖案的不透光金屬膜，一般為鉻層，掩膜版上圖案與實(shí)際芯片比例為1∶1。

2.3 釋放窗口制造

2.3.1 Si釋放窗口的制造（反面窗口）

釋放過程為：涂膠（1.7 μm，LCA00A，2 000 r/min）;前烘（110 ℃，90 s）;紫外曝光（45 s，設(shè)備MA6A）;使用的掩膜版為反面沒有劃片槽的掩膜版;掩膜板圖案和圓片沿X、Y、Z軸對準(zhǔn);水浴3 min，溶解掉光刻膠感光部分，留下了與掩膜板一致的圖形;堅(jiān)膜（135 ℃，30 min）。隨后進(jìn)行反應(yīng)離子刻蝕（RIE），暴露出的背側(cè)窗口內(nèi)的全部沉積薄膜，露出Si表面，設(shè)計(jì)刻蝕厚度為8 000A，時(shí)間為3 min。清洗，去膠后進(jìn)行正面釋放窗口的制造。

2.3.2 SiO2釋放窗口的制造（正面窗口）

使用圖2的正面掩膜版重復(fù)上述光刻步驟，掩膜版兩端的十字對準(zhǔn)標(biāo)記進(jìn)行正反對準(zhǔn)，具體見圖3。使用反面掩膜版，光刻工序步驟及工藝參數(shù)不變，RIE刻蝕時(shí)間為1 min，刻蝕厚度為2 000A，刻蝕掉正面最頂層窗口中的SiN，露出SiO表面。RIE刻蝕之后同樣進(jìn)行金屬前去膠處理，在120 ℃溶液中靜置25 min，清洗干凈殘余溶液。

2.4 濕法腐蝕釋放工藝

2.4.1 Si基體釋放

標(biāo)注芯片各部分的結(jié)構(gòu)尺寸具體見圖4，D為釋放窗口的正方形邊長，h為腐蝕腔深度，即為硅片的整體厚度，d為自支撐三明治結(jié)構(gòu)薄膜尺寸，由于單晶硅的晶面結(jié)構(gòu)差異，晶面（100）的硅片正面在KOH、TMAH等溶液中腐蝕得很快，而具有54.7°的（111）側(cè)邊腐蝕明顯更慢，腐蝕速率比約為400∶1。因此，硅片表面由硬掩膜形成的大正方形開口圖形將被腐蝕形成1個(gè)由正方形底部和4個(gè)斜面組成的槽，稱為硅的各向異性腐蝕[5]，各晶面存在54.7°的夾角，因此尺寸存在關(guān)系：

設(shè)計(jì)所需得到d×d= 60μm×60 μm的懸空三明治結(jié)構(gòu)薄膜，Si基體總厚度h=430 μm，代入公式（1）算得釋放窗口D的尺寸為D×D=670 μm×670 μm。進(jìn)行背面Si釋放時(shí)對正面進(jìn)行涂膠保護(hù)。隨后將芯片置于50 ℃的KOH腐蝕液中進(jìn)行恒溫水浴。Si與KOH反應(yīng)會產(chǎn)生氫氣，通過產(chǎn)生氣泡的劇烈程度來判斷基體Si的腐蝕是否正常進(jìn)行，28 h后檢查硅片，發(fā)現(xiàn)基本不產(chǎn)生新的氣泡，判斷腐蝕已基本完成。測得腐蝕腔深度為319 μm，計(jì)算得腐蝕速率為11.2 μm/h。繼續(xù)腐蝕，45 h后檢查硅片的釋放窗口透光，代表Si基體完全釋放。完成清洗后將圓片置于丙酮中去膠，每10 min換一次丙酮，共2次。最后將圓片從丙酮中取出，并清洗。

2.4.2 SiO2釋放

在光刻中去掉了圓片正面一小塊區(qū)域的Si3N4，而暴露出了下面的SiO2層，SiO2在HF腐蝕劑中為各向同性腐蝕，但是對于Si3N4和SiO2兩種硅化物卻有高度的選擇比，SiO2的腐蝕速率遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于Si3N4，因此可以保護(hù)下層的Si3N4不被腐蝕。將清洗后的硅片置于HF溶液中，緩慢晃動(dòng)樣品架，使硅片與HF溶液充分接觸，3 min之后取出芯片用去離子水或者異丙醇清洗，腐蝕速率約為2 nm/s。

最終得到的多層薄膜見圖5，圖5（a）表示單個(gè)芯片的背部槽的平面形態(tài)得到兩面懸空，直徑為9 μm的薄膜且薄膜完整，沒有出現(xiàn)破裂、擠壓等現(xiàn)象。

最終成品的圓片照片見圖6，可以看到圓片的反面基本與正面掩膜版一致。圓片的邊緣與其他部分呈現(xiàn)不同顏色，是由于在薄膜沉積過程中由于裝置邊緣有夾具夾持造成的薄膜厚度不均勻，因而反應(yīng)在光的折射顏色上，掩膜版設(shè)計(jì)避免了這部分不合格薄膜區(qū)的使用。一個(gè)圓片上約有400個(gè)單個(gè)芯片，由于預(yù)留了溝槽，可以很輕松地徒手將整塊圓片掰成單個(gè)芯片，與原來的劃片方法相比簡單便捷，也避免了芯片的進(jìn)一步污染。

3? 納米孔制造

在通過MEMS完成薄膜芯片制造之后，需要借助離子束或電子束加工來完成芯片懸空薄膜上納米孔的制造。選擇聚焦離子束刻蝕（FIB）[6]刻蝕納米孔，將離子源經(jīng)離子束加速后聚焦轟擊到樣品表面，將原子從材料表面剝離，來實(shí)現(xiàn)納米尺度的加工。常用的FIB一般為高能鎵離子束。FIB（FEI，helios 600i）電壓為30 kV，工作電流為7.7 pA，在上述制造得到的薄膜上嘗試不同的加工時(shí)間得到不同孔徑納米孔陣列（見圖7），其中得到的最小納米孔的直徑約為40 nm。至此完成了測序?qū)嶒?yàn)用多層納米孔芯片。

與高能鎵離子束刻蝕相比，氣場發(fā)射器的優(yōu)點(diǎn)是采用基于場離子發(fā)射原理和惰性氣體使用的原子大小的發(fā)射源（原子水平的離子源，ALIS），避免了使用液態(tài)金屬離子源可能造成的金屬離子污染。此外，使用低質(zhì)量氦離子極大地減少了濺射對樣品的破壞。該文用蔡司公司的ORION NanoFab氦離子顯微鏡[7]，高能氦離子能夠被精確控制，以100 nA的工作電流快速去除樣品材料以得到小直徑的納米孔，并且保持離子束在一個(gè)相當(dāng)穩(wěn)定的尺寸形態(tài)。除此之外，其獨(dú)有的用于電荷中和的集成電子注入槍，能在成像和制造模式下，為沒有圖層樣品進(jìn)行電荷處理，以得到高分辨率的圖像。

首先使用顯微鏡對懸空薄膜的厚度進(jìn)行測量（見圖8），工作電壓為30 kV，電流為20 pA，成像模式為SEM（掃描電子顯微鏡），方法倍數(shù)為58 k，預(yù)估薄膜的厚度為100 nm左右，稍厚于設(shè)計(jì)的80 nm。

在用氦離子束刻蝕好9個(gè)納米孔陣列之后，通過STIM和STEM成像并比較它們的結(jié)果來確定刻蝕納米孔的確定參數(shù)（見圖9）。圖9（a）為STIM模式下的孔陣列圖，電壓為30 kV，電流為1.02 pA，可以看到孔在曝光時(shí)間在4 s時(shí)出現(xiàn);在STEM模式下，電壓為5 kV，曝光時(shí)間為5 s時(shí)孔開始出現(xiàn)。需要注意的是這是在同一芯片上的孔，由于想要得到盡可能小的孔徑，因此使用了不同的成像模式來進(jìn)一步確定氦離子束曝光時(shí)間，以期得到最佳實(shí)驗(yàn)參數(shù)。

綜上所示，為了能確保出現(xiàn)納米孔，最終選擇在STEM模式下的圖像判斷，確定曝光時(shí)間為5 s和6 s，各加工5個(gè)芯片。曝光時(shí)間為6 s的納米孔在氦離子顯微鏡ORION NanoFab和TEM顯微鏡JEM-2100下的成像見圖10。圖10（a）中納米孔的直徑為5 nm左右，圖10（b）中直徑稍大于5 nm，但也達(dá)到了所需求的小于10 nm的水平。因此選用氦離子束加工符合實(shí)驗(yàn)用納米孔的要求。

曝光時(shí)間為5 s的納米孔在氦離子顯微鏡中的成像見圖11。顯示直徑為3 nm，但是在TEM刻蝕的孔并沒有完全穿透，其具體情況見圖11（6）。產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因有兩種：一是因?yàn)榭自诤るx子刻蝕的時(shí)候確實(shí)沒有穿透，只是減薄到了一定的程度，使這塊區(qū)域與其他區(qū)域?qū)﹄x子束的反射不一樣，誤以為孔已經(jīng)打通。二是在氦離子加工中納米孔已經(jīng)形成，但是由于納米孔孔徑過小，只有約3 nm，在TEM[8]中尋找納米孔必須使用更高的放大倍數(shù)在薄膜中尋找更長的時(shí)間，更長的曝光時(shí)間可能會導(dǎo)致材料的融化進(jìn)而堵住了本來直徑就極小的納米孔。因此5 s的曝光時(shí)間并不是一個(gè)好的工藝參數(shù)。

在完成納米孔制造之后，將芯片置于HF溶液中，輕輕晃動(dòng)，使HF充分進(jìn)入到納米孔中，SiO2會被刻蝕掉一部分，最終得到兩層分開的Si3N4納米孔結(jié)構(gòu)。

4? 結(jié)語

通過實(shí)際的實(shí)驗(yàn)需求，設(shè)計(jì)了多層納米孔測序芯片的制造過程，使用了MEMS制造出了設(shè)計(jì)好的五層薄膜的芯片，成功得到了懸空的多層結(jié)構(gòu)薄膜，并用氦離子顯微鏡ORION NanoFab制造了直徑約為5 nm的納米孔，確定了加工參數(shù)，并成功用TEM進(jìn)行了圖像表征。MEMS制造方法工藝簡單，成本低廉，成品率高，而氦離子顯微鏡加工也能大批量制造高質(zhì)量的小徑納米孔，為后續(xù)的DNA測序?qū)嶒?yàn)提供了傳感器硬件保障。

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