技术领域
本发明涉及微纳技术领域，尤其涉及一种用于生物分子检测的芯片单元的制备方法。
背景技术
纳流体通道在微纳米技术领域尤其是在微纳米生物领域有着广泛的应用。将纳流体通道与电极相结合构成的适于生物分子检测的芯片单元，可以实现对DNA/RNA、蛋白质、药物、毒品和氨基酸等进行检测分析，应用在基因测序、药物筛选、蛋白组学、临床诊断等领域。为了实现这种适于生物分子检测的芯片单元，首先必须获得宽度为纳米级的纳流体通道，然后再在通道内制作间距更小的电极。但是，在宽度为纳米级的纳流体通道内制备间距更小的电极，存在非常大的技术困难；即使能实现，也存在重复性差和成本高的缺陷。因此，如何实现纳流体通道和电极的有效的结合成为我们研究的重要方向。
目前，纳米结构的制备方法主要有：光刻、电子束刻蚀、聚焦离子束刻蚀、微接触印刷、电化学方法和电迁移方法等。但是，光学光刻方法受到光波波长限制，刻蚀的极限在微米量级，难以达到纳米量级；微接触印刷、电子束刻蚀和聚焦离子束刻蚀的方法周期长成本高；电化学和电迁移方法工艺可靠性较低，可能导致与CMOS工艺的不兼容。
发明内容
为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种用于生物分子检测的芯片单元的制备方法，简单且成本较低，能突破光刻分辨率限制及提高芯片单元与CMOS工艺的兼容性，并提高适于生物分子检测的芯片单元的制备效率。
为实现上述目的，本发明采取如下技术方案：
一种用于生物分子检测的芯片单元的制备方法，包括如下步骤：
（1）在衬底上依次生长抗腐蚀的电热绝缘材料层、第二侧墙材料层和基底材料层；
（2）用光刻和干法刻蚀的方法去除基底材料层的四边，形成图形作为制备第一侧墙的基底；
（3）在第二侧墙材料层的上表面和基底材料层的上表面及侧面淀积第一侧墙材料层；
（4）采用干法回刻，去除基底材料层上表面的第一侧墙材料层和第二侧墙材料层上表面的部分第一侧墙材料层，将形成高和宽均为纳米尺寸的第一侧墙材料层；
（5）采用湿法腐蚀的方法去除基底材料层，只保留纳米尺寸的第一侧墙材料层；
（6）以第一侧墙材料层为掩膜干法刻蚀第二侧墙材料层至电热绝缘材料层的上表面，形成第一侧墙在上，第二侧墙材料层在下的堆叠侧墙；
（7）采用光刻或电子束光刻+薄膜淀积+剥离工艺在该堆叠侧墙的一条边上搭上一条制作电极的抗腐蚀的金属层；
（8）采用薄膜淀积工艺，在电热绝缘材料层及金属层上制备一层制作纳流体通道的抗腐蚀绝缘材料层；
（9）用化学机械抛光CMP的方法抛光步骤（8）所得单元的上表面，去除金属层上面的抗腐蚀绝缘材料层，同时切断第一侧墙两旁的金属的连接；即抛光过程中，须将第一侧墙顶部的金属层抛断，并且不能抛到第二侧墙上表面；
（10）在步骤（9）抛光后所得单元的上表面淀积一层钝化层薄膜，并用光刻+干法刻蚀的方法在堆叠侧墙的两端、金属层的两侧开通孔至第二侧墙材料层的底面，并保留光刻胶，然后用湿法腐蚀方法透过开好的通孔去除第二侧墙材料层形成纳流体通道，保留剩余的第一侧墙材料层作为通道封顶层，然后去除光刻胶；
（11）在纳流体通道两侧的金属层上引出电极即生成适于生物分子检测的芯片单元。
更进一步的，步骤（8）采用薄膜淀积工艺制备结构从上到下依次为SiO2、SiN 和SiO2的叠层作为制作纳流体通道的抗腐蚀绝缘材料层，其中SiN作为步骤（9）化学机械抛光CMP方法的截止层，即步骤（9）用化学机械抛光CMP方法抛光步骤（8）所得单元上表面至抗腐蚀绝缘材料层的SiN截止层。
更进一步的，步骤（10）和步骤（11）分别用下述步骤（10a）和（11a）代替：
（10a）在步骤（9）抛光后所得单元的上表面淀积一层钝化层薄膜，然后在第二侧墙材料层两侧的金属层上引出电极；
（11a）用光刻+干法刻蚀的方法在堆叠侧墙的两端、金属层的两侧开通孔至第二侧墙材料层的底面，并保留光刻胶，然后用湿法腐蚀方法透过开好的通孔去除第二侧墙材料层形成纳流体通道，保留剩余的第一侧墙材料层作为通道封顶层，然后去除光刻胶，即生成适于生物分子检测的芯片单元。
更进一步的，电热绝缘材料、基底材料层、第二侧墙材料层、第一侧墙材料层和抗腐蚀绝缘材料层为氧化物、氮化物或硫化物，或者是由氧化物、氮化物、硫化物中的至少两种构成的混合物。
更进一步的，电热绝缘材料层为氮化硅或SiO2；所述基底材料层为SiO2、氮化硅或多晶硅；第二侧墙材料层和第一侧墙材料层为SiO2、氮化硅或多晶硅；所述抗腐蚀金属层为钨、镍、铜、银、金或铂；所述抗腐蚀绝缘材料层为SiO2或氮化硅。
更进一步的，衬底为半导体材料衬底或绝缘材料衬底；所述半导体材料衬底选择硅片或SOI片；所述绝缘材料衬底选择SiO2或玻璃。
更进一步的，基底材料层的厚度为20-2000nm；所述第二侧墙材料层的厚度为20-2000nm；所述第二侧墙材料层和第一侧墙材料层形成的堆叠侧墙的宽度为5-200nm；所述纳流体通道的宽度为5-200nm。
更进一步的，步骤（1）中生长电热绝缘材料、第二侧墙材料层和基底材料层，步骤（3）淀积第一侧墙材料层和步骤（8）淀积抗腐蚀绝缘材料层分别采用溅射法、蒸发法、等离子体辅助淀积法、化学气相淀积法、金属有机物热分解法、激光辅助淀积法和热氧化方法中的一种实现；所述步骤（7）抗腐蚀金属层采用溅射法、蒸发法和化学气相淀积法中的一种制备。
更进一步的，电热绝缘材料层对步骤（10）中湿法去除第二侧墙材料层时使用的腐蚀液具有抗腐蚀性；所述第二侧墙材料层和第一侧墙材料层对步骤（5）中去除基底材料层时使用的腐蚀液具有抗腐蚀性；所述金属层对步骤（10）中去除第二侧墙材料层时使用的腐蚀液具有抗腐蚀性；所述抗腐蚀绝缘材料层对于步骤（10）中去除第二侧墙材料层时使用的腐蚀液具有抗腐蚀性。
更进一步的，步骤（5）湿法腐蚀方法采用腐蚀液为HF酸、TMAH溶液、热浓磷酸、氢氧化钾溶液或氢氧化钠；所述步骤（10）湿法腐蚀方法采用腐蚀液为HF酸、TMAH溶液、热浓磷酸、氢氧化钾溶液或氢氧化钠溶液。
有益效果：（1）本发明提供的适于生物分子检测的芯片单元的制备的方法，采用薄膜工艺、光刻剥离工艺、光刻干法刻蚀工艺、湿法刻蚀工艺和侧墙工艺制成，采用的全部都是传统硅平面工艺，与CMOS工艺具有天然的兼容性；
（2）本发明只需要用光学光刻条件就可以大规模的实现具备纳米尺寸的芯片单元，避免了使用电子束曝光(EBL)，聚焦离子束曝光(FIB)等技术，因而突破了光学分辨率的限制，降低了成本，提高了芯片单元的制备效率。
附图说明
图1为本发明提供的适于生物分子检测的芯片单元的制备方法的流程图；
图2为步骤（1）所制作芯片单元的结构示意图。
图3为步骤（2）所制作芯片单元的结构示意图。
图4为步骤（3）所制作芯片单元的结构示意图。
图5为步骤（4）所制作芯片单元的结构示意图。
图6为步骤（5）所制作芯片单元的结构示意图。
图7为步骤（6）所制作芯片单元的结构示意图。
图8为步骤（7）、（8）所制作芯片单元的结构示意图。
图9为步骤（9）所制作芯片单元的结构示意图。
图10为步骤（10）所制作芯片单元淀积钝化层薄膜后的结构示意图。
图11为步骤（10）所制作芯片单元金属层两侧打孔后的正视图和俯视图。
图12为步骤（10）所制作芯片单元形成纳流体通道后的结构示意图。
图13为步骤（11）所制作芯片单元的结构示意图。
图14为本发明所制作成的芯片单元的俯视图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作更进一步的说明。
如图1所示，本发明提供的一种用于生物分子检测的芯片单元的制备方法，包括如下步骤：
（1）如图2所示，在衬底101上依次生长抗腐蚀的电热绝缘材料层102、第二侧墙材料层103和基底材料层104。
其中，衬底101为半导体材料衬底或绝缘材料衬底，半导体材料衬底可以选择硅片或SOI片，绝缘材料衬底可以选择SiO2或玻璃；电热绝缘材料102，可以为氧化物、氮化物或硫化物，或者是由氧化物、氮化物、硫化物中的至少两种构成的混合物，本发明优选氮化硅或SiO2；在衬底101上生长一层电热绝缘材料102，可以采用溅射法、蒸发法、等离子体辅助淀积法、化学气相淀积法、金属有机物热分解法、激光辅助淀积法和热氧化方法中的一种实现；电热绝缘材料层102，对于步骤10中湿法去除第二侧墙材料层103时使用的腐蚀液具有抗腐蚀性；第二侧墙材料层103，对于步骤5中湿法去除基底材料层103时使用的腐蚀液具抗腐蚀性；第二侧墙材料层103和基底材料层104，可以为氧化物、氮化物、硫化物或多晶硅，或者是由氧化物、氮化物、硫化物中的至少两种构成的混合物，本发明优选SiO2、氮化硅或多晶硅，基底材料层103的厚度优选20-2000nm；沉积第二侧墙材料层103和基底材料层104，可以采用溅射法、蒸发法、等离子体辅助淀积法、化学气相淀积法、金属有机物热分解法、激光辅助淀积法和热氧化方法中的一种实现。
（2）用光刻和干法刻蚀的方法去除基底材料层104的四边，形成图形作为制备第一侧墙105的基底，如图3所示。
（3）如图4所示，在第二侧墙材料层103的上面和基底材料层104的上表面及侧面淀积第一侧墙材料层105。
其中第一侧墙材料层105，可以为氧化物、氮化物、硫化物或多晶硅，或者是由氧化物、氮化物、硫化物中的至少两种构成的混合物，本发明优选SiO2、氮化硅或多晶硅，侧墙材料层104的宽度优选5-200nm；淀积一层侧墙材料层105，可以采用溅射法、蒸发法、等离子体辅助淀积法、化学气相淀积法、金属有机物热分解法、激光辅助淀积法和热氧化方法中的一种实现；侧墙材料层105，对于后叙的步骤（5）中去除基底材料层104时使用的腐蚀液具有抗腐蚀性。
（4）如图5所示，采用干法回刻，去除基底材料层104上表面的第一侧墙材料层105和第二侧墙材料层103上表面的部分第一侧墙材料层105，将形成高和宽均为纳米尺寸的第一侧墙材料层105。
（5）如图6所示，用湿法腐蚀的方法去除基底材料层104，只保留纳米尺寸的第一侧墙材料层105；采用的腐蚀液可以是HF酸、TMAH溶液、热浓磷酸、氢氧化钾溶液、氢氧化钠等中的一种。
（6）如图7所示，以第一侧墙材料层105为掩膜干法刻蚀第二侧墙材料103至电热绝缘材料层102的上表面，形成第一侧墙105在上，第二侧墙103在下的堆叠侧墙1。
（7）如图8所示，采用光刻或电子束光刻+薄膜淀积+剥离工艺在该堆叠侧墙1的一条边上（任选其中一条边）搭上一条制作电极2的抗腐蚀的金属层106。
其中，抗腐蚀的金属层106，对于步骤10中去除第二侧墙材料层103时使用的腐蚀液具有抗腐蚀性；抗腐蚀的金属层106，可以是钨、镍、铜、银、金或铂中的任一种；所述抗腐蚀的金属层106，可以是采用溅射法、蒸发法和化学气相淀积法中的一种制备的。
（8）如图8所示，采用薄膜淀积工艺，在电热绝缘材料层102及金属层106上制备一层制作纳流体通道的抗腐蚀绝缘材料层107。
抗腐蚀材料层107，对于步骤10中去除侧墙材料层104时使用的腐蚀液具有抗腐蚀性；抗腐蚀材料层107，可以为氧化物、氮化物或硫化物，或者是由氧化物、氮化物、硫化物中的至少两种构成的混合物，本发明优选SiO2或氮化硅；淀积抗腐蚀材料层107，可以是采用溅射法、蒸发法、等离子体辅助淀积法、化学气相淀积法、金属有机物热分解法、激光辅助淀积法和热氧化方法中的一种实现的。
（9）如图9所示，用化学机械抛光(CMP)的方法抛光步骤（8）所得单元的上表面，去除金属层106上面的抗腐蚀绝缘材料层107，同时切断第一侧墙105两旁的金属106的连接；其中所述的抛光过程中，必须将侧墙顶部的金属106抛断，并且不能抛到第二侧墙103上表面。
（10）如图10、图11、图12所示，在抛光后的表面淀积一层钝化层薄膜108以保护芯片单元的结构，并用光刻+干法刻蚀的方法在堆叠侧墙1的两端、金属层106的两侧开通孔110至第二侧墙材料层103的底面，并保留光刻胶，用湿法腐蚀方法透过开好的通孔110去除第二侧墙材料层103形成纳流体通道109，保留剩余的第一侧墙材料层105作为通道封顶层，然后去除光刻胶；其中所述的腐蚀液可以是HF酸、TMAH溶液、热浓磷酸、氢氧化钾溶液、氢氧化钠溶液等中的一种。
（11）如图13、图14所示，最后在纳流体通道109两侧的金属层106上引出电极2即可形成适于生物分子检测的芯片单元。
为了进一步说明生物分子检测的芯片单元的具体制备过程，作为本发明的一种具体实施方式，本发明包括如下步骤：
（1）采用单晶硅片、SOI片等半导体或者绝缘材料作为衬底101；
（2）采用薄膜制备工艺，在衬底上制备200nm氮化硅作为电热绝缘层102、300nm二氧化硅作为第二侧墙材料层103和1000nm多晶硅作为基底材料层104；
（3）用光刻和干法刻蚀的方法去除基底材料层104的四边，形成图形作为制备侧墙的基底；
（4）在该第二侧墙材料层103的上面和基底材料层104的表面及侧面淀积400nm SiN作为第一侧墙材料层105；
（5）采用干法回刻，去除第二侧墙材料层103上表面的和基底材料材料层104表面的第一侧墙材料层105，将形成高约1000nm和宽200nm的SiO2侧墙；
（6）用恒温TMAH溶液漂去第一侧墙基底104(恒温TMAH溶液对多晶硅和SiN的刻蚀选择比很高)，TMAH溶液的温度恒定在70℃中，只保留纳米尺寸的第一侧墙；
（7）再以第一侧墙105为掩膜干法刻蚀第二侧墙材料103至电热绝缘材料层102的上表面，形成第一侧墙105在上和第二侧墙103在下的堆叠侧墙1，其中第一侧墙高度为700nm-1000nm，第二侧墙高度为300nm；
（8）采用光刻或电子束光刻+薄膜淀积+剥离工艺在该堆叠侧墙1的一条边上搭上一条制作电极2的钨金属层106，金属厚度为100nm；
（9）再用PECVD制备结构为500nm SiO2/100nm SiN/500nm SiO2的叠层作为制作纳流体通道的抗腐蚀绝缘材料层107，其中SiN作为CMP工艺的截止层；
（10）用化学机械抛光(CMP)的方法抛光表面至SiN截止层同时切断第一侧墙105两旁的金属106的连接；
（11）再在抛光后的表面淀积一层二氧化硅钝化层薄膜108以保护芯片单元的结构，并用光刻+干法刻蚀的方法在堆叠侧墙1的两端、金属电极2106的两侧开通孔110至第二侧墙103的底面，并保留光刻胶，用HF溶液透过开好的通孔110去除第二侧墙103形成纳流体通道109，保留剩余的第一侧墙105作为通道封顶层，然后去除光刻胶；
（12）最后再在通道两端开孔并在通道两侧的金属上105引出电极2即可形成适于生物分子检测的芯片单元，该芯片单元的通道宽度为200nm，高度为300nm，电极2间距为88nm，且可以进行规模化的制备，而传统光学刻蚀只能实现微米量级的电极2间距。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
