一、技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及生物材料和器件領(lǐng)域，特別是涉及晶體納米線生物探針器件及制備，涉及在襯底上利用溝道引導(dǎo)橫向納米線生長技術(shù)，通過微加工工藝，制作形成微納生物探針器件產(chǎn)品的制作方法。本發(fā)明是溝道引導(dǎo)定向生長、電學(xué)集成的平面半導(dǎo)體納米線制備的生物探針的方法。

二、

背景技術(shù)：

當(dāng)前社會(huì)，微電子及光電子器件等半導(dǎo)體器件已經(jīng)廣泛應(yīng)用于現(xiàn)代科技、國民經(jīng)濟(jì)和日常生活中的方方面面，這些品種繁多的半導(dǎo)體器件與材料的外延技術(shù)密切相關(guān)。

液-液相-固相(sls)生長機(jī)制sls生長的機(jī)理有點(diǎn)類似于vls機(jī)制，與vls機(jī)制的區(qū)別僅在于，在vls機(jī)制生長過程中，所需的原材料由氣相提供；而在sls機(jī)制生長過程中，所需的原料是從溶液中提供的，一般來說，此方法中常用低熔點(diǎn)金屬(如in、sn或bi等)作為助溶劑(fluxdroplet)，相當(dāng)于vls機(jī)制中的催化劑。

納米線的量級(jí)和生物細(xì)胞尺度相近，硅基材料和人體構(gòu)造的炭基材料屬性相似，對(duì)人體無害，易降解，將硅基納米科技和生物領(lǐng)域相結(jié)合，將取得巨大的效用。

三、

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

針對(duì)上述問題，本發(fā)明的目的是，提供一種制備高質(zhì)量平面半導(dǎo)體生物探針納米線器件的方法。尤其是沿特定溝道定向生長、轉(zhuǎn)移和集成方法制備平面半導(dǎo)體納米線器件。

本發(fā)明采取以下技術(shù)方案：一種晶體納米線生物探針器件的制備方法，其特征步驟包括：1)采用具有一定硬度，耐350℃溫度的支撐性材料作為潔凈襯底的表面；2)在襯底上通過光刻刻蝕技術(shù)制作出深度約80-350nm如100±10nm作為金屬探針的形狀的引導(dǎo)溝道；3)再次使用光刻對(duì)準(zhǔn)技術(shù)在溝道的特定位置上定義催化劑區(qū)域，通過平面納米線引導(dǎo)生長方法，使直徑約50±10nm直徑的晶體納米線精確地沿著探針位置的所述引導(dǎo)溝道生長，形成生物探針形狀的納米線；蒸鍍電極金屬膜(如，al,pt)，在于引導(dǎo)溝道特定位置形成幾十至一百納米的金屬膜圖案作為金屬探針的電極；步驟3)中，使用光刻對(duì)準(zhǔn)技術(shù)在溝道的位置上催化劑區(qū)域，是通過平面納米線引導(dǎo)生長方法，使直徑約50±10nm直徑的晶體納米線精確地沿著金屬探針形狀的所述引導(dǎo)溝道生長：先蒸鍍in或sn等催化劑金屬，在引導(dǎo)溝道形成幾十納米的金屬膜圖案；在pecvd系統(tǒng)中利用等離子體處理技術(shù)，在350℃、功率2-5w時(shí)進(jìn)行處理，使金屬膜縮球形成直徑在幾百納米到幾微米之間的準(zhǔn)納米催化顆粒；再次使用pecvd系統(tǒng)覆蓋一層適當(dāng)厚度的非晶硅或其它納米線材料(幾納米到幾百納米)作為前驅(qū)體介質(zhì)層；在真空氛圍下，350℃環(huán)境中退火，利用ip-sls生長模式(選擇性激光燒結(jié))，使得晶體納米線從催化劑區(qū)域沿著引導(dǎo)溝道生長，形成并獲得生物探針形狀的納米線。生長晶體納米線材料為si，ge,sige,ga等。所述襯底為硅片、玻璃或陶瓷片，硅片p型或者n型單晶硅片、p型或者n型多晶硅片，玻璃為普通玻璃，石英玻璃等非晶體襯底。

進(jìn)一步的，通過光刻和蒸鍍技術(shù)在生物探針上制作80-120nm厚度的金屬手臂即金屬探針的電極；4)在襯底上通過轉(zhuǎn)移納米線生物探針，經(jīng)封裝即得，測試后即可對(duì)微納細(xì)胞、溶液進(jìn)行探測。

所述襯底為硅片、玻璃或陶瓷片，硅片p型或者n型單晶硅片、p型或者n型多晶硅片，玻璃為普通玻璃，石英玻璃等非晶體襯底。

通過光刻刻蝕方法制作引導(dǎo)溝道；其中刻蝕方法用濕法刻蝕：氫氧化鉀(koh)、氫氧化鈉(naoh)等堿性腐蝕體系，也可以是氫氟酸+硝酸(hf+hno3)、氫氟酸+硝酸+醋酸(hf+hno3+ch3cooh)等酸性腐蝕體系，還可以是乙二胺鄰苯二酚(ethylenediaminepyrocatechol)等體系；或者采用干法刻蝕，即利用icp-rie進(jìn)行刻蝕。

生長出晶體納米線，納米線為si，ge,sige,ga等晶體材料形成。

電極金屬使用pt(12nm)-al(80nm)體系,可以是ti-au體系，是ni金屬，金屬接觸均使用快速熱退火過程提高接觸性能?？墒褂脽嵴舭l(fā)系統(tǒng)或者電子束蒸發(fā)系統(tǒng)。

利用光刻處理探針頭窗口部分，使用hf對(duì)窗口進(jìn)行刻蝕，使得探針頭部分懸空，方便使用。本發(fā)明制備方法，生物探針特征是具有高遷移率(＞100㎝²/v.s)高開關(guān)比(＞10⁶)，亞閾值電壓接近于0，ssd小于(160mv/)的高性能器件；

根據(jù)制備方法得到的晶體納米線生物探針器件，其中生物探針頭的角度包含1-90°內(nèi)各種角度，探針頭總長度在50～100um，探針頭使用長度從20nm～10um，探針頭納米線為si，ge,sige,ga等晶體材料制備，直徑在20-80nm。

用光刻刻蝕制作出高電學(xué)特性的器件。其金屬接觸使用pt(12nm)-al(80nm)體系,或是ti-au體系，或是ni金屬，金屬接觸均使用快速熱退火過程提高接觸性能。可使用熱蒸發(fā)系統(tǒng)或者電子束蒸發(fā)系統(tǒng)。

生物探針特征是具有高遷移率(＞100㎝²/v.s)高開關(guān)比(＞10⁶)，亞閾值電壓接近于0，ssd小于(160mv/)的高性能器件。本發(fā)明解決了以硅為代表的各種半導(dǎo)體納米線，在特定引導(dǎo)溝道中大規(guī)模引導(dǎo)生長，并制作成生物探針的關(guān)鍵技術(shù)問題。本發(fā)明強(qiáng)調(diào)，由于此類納米線與引導(dǎo)溝道的接觸界面可以有效調(diào)節(jié)，以及金屬臂對(duì)納米線的固定，平面納米線可以進(jìn)一步進(jìn)行剝離和轉(zhuǎn)移到其他柔性襯底之上。由于金屬手臂的存在，可方便進(jìn)行其他電學(xué)器件連接和集成，使得對(duì)微鈉物質(zhì)的測量更為便捷。本項(xiàng)技術(shù)為基于平面半導(dǎo)體納米線的高性能場效應(yīng)晶體管、傳感器和光電器件提供了關(guān)鍵技術(shù)基礎(chǔ)。

本發(fā)明的有益效果，本發(fā)明采用ip-sls等方法在pecvd中生長溝道臺(tái)階引導(dǎo)的納米線，并利用現(xiàn)代微加工技術(shù)進(jìn)行制作成生物探針器件。ip-sls方法可以生長平面納米線，結(jié)合臺(tái)階溝道引導(dǎo)技術(shù)就可以生長出高質(zhì)量、特定形狀的平面半導(dǎo)體單晶納米線。通過光刻蝕技術(shù)形成的引導(dǎo)溝道和定位的催化劑區(qū)域后就可實(shí)現(xiàn)納米線生長的自定位、自定向。由于此類納米線與引導(dǎo)溝道截面可以有效調(diào)節(jié)，加上金屬手臂的固定與集成，可以進(jìn)一步進(jìn)行剝離(如腐蝕法剝離)和轉(zhuǎn)移到其他柔性襯底之上。由于金屬手臂的集成和探針頭的開口，可以方便的進(jìn)行器件的集成和使用。本發(fā)明制備生物探針納米線器件的方法在平面半導(dǎo)體納米線的高性能場效應(yīng)晶體管、傳感器、光電器件和生物探測領(lǐng)域的應(yīng)用方面有著廣闊的前景。

四、附圖說明

圖1：平面生物探針納米線器件制備過程流程圖；

圖2：平面生物探針納米線器件原理示意圖；

圖3：平面生物探針納米線器件sem形貌圖；

圖4：平面生物探針納米線器件電學(xué)性能圖。

五、具體實(shí)施方式

以下結(jié)合具體實(shí)例，對(duì)本發(fā)明進(jìn)行進(jìn)一步的詳細(xì)說明。流程圖如附圖1所示。一種平面生物探針納米線器件的生長、轉(zhuǎn)移和集成平面半導(dǎo)體納米線的技術(shù)。是特定溝道下的定向生長、轉(zhuǎn)移和集成平面半導(dǎo)體納米線的方法，其步驟如下：1)通過酸堿熱溶液或者分別通過丙酮、酒精、去離子水超聲處理對(duì)覆蓋氧化層的晶體襯底進(jìn)行處理，去除表面附著的雜質(zhì)，暴露出晶體潔凈表面。2)利用光刻刻蝕技術(shù)定義生物探針引導(dǎo)生長溝道，再次使用光刻對(duì)準(zhǔn)技術(shù)在溝道的特定位置上定義催化劑區(qū)域。3)蒸鍍in,sn金屬，通過liftoff，使之僅存在于引導(dǎo)溝道特定位置形成幾十納米的金屬膜圖案；4)在pecvd系統(tǒng)中利用等離子體處理技術(shù)，在350℃、功率2-5w時(shí)進(jìn)行處理，使金屬膜縮球形成直徑在幾百納米到幾微米之間的準(zhǔn)納米催化顆粒；5)再次使用pecvd系統(tǒng)覆蓋一層適當(dāng)厚度的非晶硅(幾納米到幾百納米)的非晶硅作為前驅(qū)體介質(zhì)層。6)在真空氛圍下，350℃環(huán)境中退火，利用ip-sls生長模式，使得納米線從催化劑區(qū)域沿著特定引導(dǎo)溝道生長，形成并獲得生物探針形狀的納米線。7)再次利用光刻對(duì)準(zhǔn)技術(shù)和金屬蒸鍍技術(shù)，在生物探針納米線兩側(cè)搭上金屬電極，充當(dāng)金屬臂。8)利用光刻定義探針頭窗口部分，使用hf對(duì)窗口進(jìn)行刻蝕，使得探針頭部分懸空，方便使用。

襯底可以是p型或者n型單晶硅襯底，可以是p型或者n型多晶硅片，也可以是普通玻璃，石英玻璃等非晶體襯底。

尤其是通過光刻刻蝕制作出深度約200nm的引導(dǎo)溝道，即作為探針形狀的引導(dǎo)溝道(見圖1)，其中探針頭形狀即生物探針頭形成一個(gè)角度，角度包含1-90°內(nèi)各種角度，探針頭總長度在50～100um，探針頭使用長度從20nm～10um?？涛g方法可用濕法刻蝕：氫氧化鉀(koh)、氫氧化鈉(naoh)等堿性體系，也可以是氫氟酸+硝酸(hf+hno3)、氫氟酸+硝酸+醋酸(hf+hno3+ch3cooh)等酸性體系，還可以是乙二胺鄰苯二酚(ethylenediaminepyrocatechol)等體系；也可以是干法刻蝕體系，利用icp-rie進(jìn)行刻蝕。

平面生長的納米線可以是si,sige,ge,ga平面單晶納米線陣列，直徑分布在40～100nm之間。

利用光刻蒸鍍技術(shù)制作金屬電極，可使用熱蒸發(fā)系統(tǒng)、電子束蒸發(fā)系統(tǒng)等，金屬電極接觸使用pt(12nm)-al(80nm)體系,可以是ti-au體系，可以是ni金屬，金屬電極接觸均使用快速熱退火過程提高接觸性能。

更具體的，在300nmsio2氧化層襯底上平面生物探針納米線器件制備包括以下步驟：

1)采用300nmsio2氧化層襯底(經(jīng)表面氧化的硅片，氧化層為300nmsio2)，分別使用丙酮、酒精、去離子水超聲處理，去除襯底表面附著的雜質(zhì)。硅片可采用純單晶或多晶硅硅片。

2)通過有掩膜光刻技術(shù)在襯底表面定義生物探針圖案，使用icp-rie刻蝕在表面形成溝道，清洗光刻膠之后形成生物探針溝道的陣列。

3)先蒸鍍in或sn等催化劑金屬，在引導(dǎo)溝道形成幾十納米的金屬膜圖案；在pecvd系統(tǒng)中，在1-50w、如15或25w的功率下利用等離子體處理技術(shù)使之形成直徑在幾百納米到幾個(gè)微米之間的納米催化顆粒；在350℃的溫度下形成直徑在幾百納米的納米級(jí)催化顆粒。

4)繼續(xù)在pecvd系統(tǒng)中覆蓋一層適當(dāng)厚度的非晶硅層作為前驅(qū)體介質(zhì)層；300℃-400℃下覆蓋一層適當(dāng)厚度的非晶硅層。真空中或者氫氣、氮?dú)獾确茄趸詺夥罩型嘶鹪?00℃下，催化劑金屬液滴被激活后可以吸收周圍的非晶硅等材料，從而可以誘導(dǎo)生長出平面硅納米線(探針)等材料的納米線，同時(shí)納米線會(huì)沿著引導(dǎo)溝道側(cè)壁定向生長，形成所需的溝道。

5)在氫氣氛圍中利用等離子體處理表面殘余的非晶硅15分鐘直至表面顏色恢復(fù)正常色澤。

6)再次使用光刻定義金屬臂電極圖案，位置在硅納米線(探針)的兩端，使用電子束蒸發(fā)技術(shù)，蒸鍍10nm鉑和60nm鋁，之后清洗掉的光刻膠和殘余的金屬。

7)使用光刻對(duì)探針頭襯底區(qū)域進(jìn)行窗口區(qū)域處理，使用4％濃度的hf刻蝕窗口區(qū)域，使生物探針頭區(qū)域懸空。

以上所述的具體實(shí)施例，對(duì)本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和有益效果進(jìn)行了進(jìn)一步詳細(xì)說明，所應(yīng)理解的是，以上所述僅為本發(fā)明的具體實(shí)施例而已，并不用于限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所做的任何修改、等同替換、改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。