固态纳米孔制造方法和包括固态纳米孔的传感器与流程

本发明涉及纳米孔技术领域，更具体地说，它涉及固态纳米孔制造方法和包括固态纳米孔的传感器。

背景技术：

纳米孔是指一种二维材料上的直径在纳米尺度的孔。含有纳米孔的器件通常会置于溶液环境中，将溶液隔开成两个部分，二而纳米孔是连接两边溶液的唯一通道。当外置电压加载溶液两端时，溶液中的离子、带电分子和颗粒等就会在电场力的驱动下做电泳运动并穿过纳米孔，这些带电分子等穿孔时，会引起相关信号，如离子电流信号发生变化，从而被检测到。目前，纳米孔在探测dna、蛋白质、microrna及痕量金属离子等分子传感领域中表现出优异的性能。

纳米孔分为生物纳米孔和固态纳米孔，生物纳米孔的孔径和厚度单一、难以调控且稳定性不够好，固态纳米孔则以其稳定性及与硅基半导体工业的较好兼容性而受到广泛关注。但是，如何制造具有合理检测分辨率的固态纳米孔一直是行业难题。

技术实现要素：

本发明的目的是提供固态纳米孔制造方法和包括固态纳米孔的传感器，解决如何制造具有合理检测分辨率的固态纳米孔的技术问题。

本发明的上述技术目的是通过以下技术方案得以实现的：

根据本发明的一个方面，提供一种固态纳米孔制造方法，该制造方法包括以下步骤：

在硅衬底的一面上沉积sin层；

分别在所述sin层上和所述硅衬底的另一面上沉积sio2层；

在一面的所述sio2层上制备抗蚀剂层，刻蚀这一面的所述抗蚀剂层和所述sio2层形成刻蚀槽，该刻蚀槽使得所述sin层的一面曝光，移除这一面的所述抗蚀剂层；

在另一面的所述sio2层上制备抗蚀剂层，刻蚀这另一面的所述抗蚀剂层和所述sio2层形成刻蚀槽，两面的刻蚀槽对齐，这另一面的所述刻蚀槽使得所述硅衬底的另一面曝光，移除这另一面的所述抗蚀剂层；

分别在两面的所述sio2层上印刷金电极；

从所述硅衬底的另一面曝光的部分刻蚀所述硅衬底，使得所述sin层的另一面曝光；

使用氦离子束穿过所述sin层曝光的部分形成纳米孔。

作为进一步优化的，所述sin层通过低温化学气相沉积工艺或等离子体增强化学气相沉积工艺沉积在所述硅衬底上。

作为进一步优化的，所述抗蚀剂层采用正性光刻胶。

作为进一步优化的，所述刻蚀这一面的所述抗蚀剂层和所述sio2层形成刻蚀槽步骤以及所述刻蚀这另一面的所述抗蚀剂层和所述sio2层形成刻蚀槽步骤中，具体包括：

通过光刻技术在所述抗蚀剂层形成方形槽；

通过显影工艺去除所述抗蚀剂层的在所述方形槽内部的区域；

蚀刻所述sio2层形成刻蚀槽。

作为进一步优化的，所述正性光刻胶为az-mir701光刻胶；和/或，所述显影工艺采用cd-26显影剂；和/或，通过缓冲氧化物刻蚀工艺刻蚀所述sio2层。

作为进一步优化的，通过koh湿法蚀刻工艺刻蚀所述硅衬底。

作为进一步优化的，所述刻蚀槽刻蚀有多个，每个所述刻蚀槽均对应一个所述纳米孔。

作为进一步优化的，所述金电极通过金属印刷工艺印刷在所述sio2层上。

根据本发明的另一个方面，提供一种传感器，包括硅衬底，所述硅衬底的一面依次设有sin层和sio2层，所述硅衬底的另一面设有sio2层，两面的所述sio2层上均设有金电极，该传感器的两面均开设有分别贯穿各自对应的所述sio2层的刻蚀槽，两面的刻蚀槽对齐，所述硅衬底上开设有刻蚀腔，所述刻蚀腔与所述刻蚀槽对齐，所述sin层开设有纳米孔，所述纳米孔连通两面的所述刻蚀槽和所述刻蚀腔。

作为进一步优化的，所述刻蚀槽有多个，所述纳米孔有多个且与所述刻蚀槽一一对应。

综上所述，本发明具有以下有益效果：本发明提供的固态纳米孔的制造方法能够快速简单地制造出具有合理分辨率的纳米孔，可通过调整sin层的厚度来提高垂直分辨率，通过调整纳米孔直径来调整水平分辨率，且本发明提供的制造方法有助于作为阵列集成，基于mems(micro-electro-mechanicalsystem，微机电系统)和金属印刷技术简化了导线和接触面积的加工，便于进一步的集成设计。

附图说明

图1是实施例中的固态纳米孔制造方法的工艺步骤示意图；

图2是实施例中的固态纳米孔制造方法的执行步骤s1后的结构示意图；

图3是实施例中的固态纳米孔制造方法的执行步骤s2后的结构示意图；

图4是实施例中的固态纳米孔制造方法的执行步骤s3过程中的结构示意图；

图5是实施例中的固态纳米孔制造方法的执行步骤s4后的结构示意图；

图6是实施例中的固态纳米孔制造方法的执行步骤s5后的正面视角的结构示意图；

图7是实施例中的固态纳米孔制造方法的执行步骤s6后的背面视角的结构示意图；

图8是实施例中的固态纳米孔制造方法的执行步骤s7后的正面视角的结构示意图；

图9是实施例中的固态纳米孔制造方法制备的传感器的半剖后的结构示意图。

具体实施方式

为了使本发明所要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚、明白，以下结合附图和实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明提供一种固态纳米孔制造方法，如图1所示，该制造方法包括以下步骤：

步骤s1，在硅衬底的一面上沉积sin层。

步骤s2，分别在sin层上和硅衬底的另一面上沉积sio2层。

步骤s3，在一面的sio2层上制备抗蚀剂层，刻蚀这一面的抗蚀剂层和sio2层形成刻蚀槽，该刻蚀槽使得sin层的一面曝光，移除这一面的抗蚀剂层。

步骤s4，在另一面的sio2层上制备抗蚀剂层，刻蚀这另一面的抗蚀剂层和sio2层形成刻蚀槽，两面的刻蚀槽对齐，这另一面的刻蚀槽使得硅衬底的另一面曝光，移除这另一面的抗蚀剂层。

步骤s5，分别在两面的sio2层上印刷金电极。

步骤s6，从硅衬底的另一面曝光的部分刻蚀硅衬底，使得sin层的另一面曝光。

步骤s7，使用氦离子束穿过sin层曝光的部分形成纳米孔。

值得说明的是，以上步骤s3和步骤s4没有严格的先后顺序，在实际制造过程中也可以依据需要将这两个步骤进行结合，例如分别在两面的sio2层上制备抗蚀剂层，然后分别刻蚀对应的抗蚀剂层和sio2层形成刻蚀槽，再分别去除两面的抗蚀剂层。

下面结合具体附图对本发明的固态纳米孔的制造方法作详细的介绍。

首先执行步骤s1，如图2所示，在硅衬底12的一面上沉积sin层14，为阐述方便，以下内容中一面称为正面，另一面称为背面，仅为阐述方便，不用于限制实际使用时的正面和背面。通过各种常用技术，例如低温化学气相沉积(lpcvd)工艺和等离子体增强化学气相沉积(pecvd)工艺在硅衬底12的正面上沉积sin层14，该sin层14用作形成纳米孔的薄膜，形成的纳米孔的直径可小至2nm。

然后执行步骤s2，如图3所示，分别在sin层14上和硅衬底12的另一面上沉积sio2层16a、16b，sin层14上沉积了sio2层16a，硅衬底12的背面沉积了sio2层16b，两面的sio2层16a、16b用作不导电或绝缘层。

然后执行步骤s3，在一面的sio2层16a上制备抗蚀剂层20，刻蚀这一面的抗蚀剂层20和sio2层16a形成刻蚀槽24a，该刻蚀槽24a使得sin层14的一面曝光，移除这一面的抗蚀剂层20。如图4所示，在正面的的sio2层16a上制备抗蚀剂层20，具体的，抗蚀剂层20采用正性光刻胶，例如az-mir701光刻胶。刻蚀这一面的抗蚀剂层20和sio2层16a形成刻蚀槽24a具体包括：首先，通过标准光刻技术在抗蚀剂层20上形成方形槽，在使用正性光刻胶的情况下，通过例如使用cd-26显影剂的显影工艺去除抗蚀剂层20的在方形槽内部的区域，随后通过例如缓冲氧化物刻蚀(boe)等湿法刻蚀技术来刻蚀sio2层16a形成刻蚀槽24a，该刻蚀槽24a使得sin层14的正面被曝光。刻蚀槽24a完成之后，使用有机溶剂例如丙酮移除抗蚀剂层20，如图5所示。

然后执行步骤s4，在另一面的sio2层16b上制备抗蚀剂层，刻蚀这另一面的抗蚀剂层和sio2层16b形成刻蚀槽24b，两面的刻蚀槽24a、24b对齐，这另一面的刻蚀槽24b使得硅衬底12的另一面曝光，移除这另一面的抗蚀剂层。在背面通过与上述步骤s3相同的方法步骤在sio2层16b上形成刻蚀槽24b，如图5所示，硅衬底12的背面的特定区域被曝光以用于下一步的刻蚀处理。作为优化，本发明提供的固态纳米孔的制造方法也可以集成制造，即采用步骤s3和s4的方法步骤在sio2层16a、16b上刻蚀形成多个刻蚀槽24a、24b。

然后执行步骤s5，分别在两面的sio2层16a、16b上印刷金电极。如图6所示，用金属印刷技术将金电极30a、30b、30c、30d印刷在正面的sio2层16a上；如图7所示，金电极40a、40b、40c、40d也通过金属印刷技术印刷在背面的sio2层16b上。如图6和图7所示，刻蚀槽24a、24b被金电极围住。当刻蚀槽24a、24b有多个时，金电极的布局依照工艺参数进行设计和印刷以保证正常功能。

然后执行步骤s6，从硅衬底12的另一面曝光的部分刻蚀硅衬底12，使得sin层14的另一面曝光，如图7所示，通过例如koh湿法刻蚀工艺对硅衬底12的背面曝光的部分进行刻蚀，直到硅衬底12上形成刻蚀腔50，从而使得sin层14的背面曝光。

最后执行步骤s7，使用氦离子束穿过sin层14曝光的部分形成纳米孔62，如图8所示，sin层14的特定区域已从正面和背面暴露在空气中，使用氦离子显微镜(him)的氦离子束穿过sin层14在刻蚀槽24a、24b处曝光的部分从而形成纳米孔62。当刻蚀槽24a、24b有多个时，每一个刻蚀槽24a均需对应开设一个纳米孔62，从而使得一个sin层14上可以制备多个纳米孔62。

本发明提供的固态纳米孔的制造方法能够快速简单地制造出具有合理分辨率的纳米孔62，可通过调整sin层14的厚度来提高垂直分辨率，通过调整纳米孔62直径来调整水平分辨率，且本发明提供的制造方法有助于作为阵列集成，基于mems(micro-electro-mechanicalsystem，微机电系统)和金属印刷技术简化了导线和接触面积的加工，便于进一步的集成设计。

本发明还提供了一种传感器，该传感器通过前述的制造方法制备而成，如图8和图9所示，该传感器包括硅衬底12，硅衬底的一面依次设有sin层14和sio2层16a，硅衬底12的另一面设有sio2层16b，两面的sio2层16a、16b上均设有金电极，该传感器的两面均设有刻蚀槽24a、24b，两面的刻蚀槽24a、24b对齐且分别分别贯穿各自对应的sio2层16a、16b，硅衬底12上开设有刻蚀腔50，刻蚀腔50与刻蚀槽24a对齐，sin层14开设有纳米孔62，纳米孔62连通两面的刻蚀槽24a和刻蚀腔50。作为优化，刻蚀槽24a、24b有多个，纳米孔62也有多个且与刻蚀槽24a/24b一一对应。该传感器可应用于生物分子例如dna、蛋白质和rna等迁移的检测、电化学的存储以及液体和气体的分离。

以上具体实施例仅仅是对本发明的解释，其并不是对本发明的限制，本领域技术人员在阅读完本说明书后可以根据需要对以上实施例做出没有创造性贡献的修改，但只要在本发明的权利要求范围内都受到专利法的保护。