用于生物微粒捕获的微阵列芯片研究

用于生物微粒捕获的微阵列芯片研究 分类号 学号 M200972099 学校代码1 0 4 8 7 密级 硕士学位论文 用于生物微粒捕获的微阵列芯片的研究 学位申请人: 姜华男 学科专业: 半导体芯片系统设计与工艺 指导教师: 于 军 教授 答辩日期: 2012 年1 月9 日 A Thesis Submitted in Partial Fulfillment of the Requirements for the Degree of Master of Engineering Research on Microarray Chip for Bioparticle Capture Candidate : Jiang Hua-nan Major : Design and Techniques of Semiconductor Chips Supervisor : Prof. Yu Jun Huazhong University of Science & Technology Wuhan 430074, P.R.China January, 2012 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作 及取得的研究成果。尽我所知，除文中已经标明引用的内容外，本论文不 包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做 出贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声 明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名: 日期: 年 月 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即: 学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许 论文被查阅和借阅。本人授权华中科技大学可以将本学位论文的全部或部 分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段 保存和汇编本学位论文。 保 密?，在____________年解密后适用本授权书。 本论文属于 不保密?。 (请在以上方框内打“?”) 学位论文作者签名: 指导教师 签名: 日期: 年 月 日 日期: 年 月 日 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 摘 要 微阵列技术提供了一种快速检测蛋白质、核酸、细胞等生物微粒的方法。在生物、 制药、检疫等许多领域中，生物微粒的捕获是一项基础性的工作。通过捕获分离出样 品中不需要的生物微粒，实现对样品的提纯;通过捕获特定的蛋白质分子或者细胞， 可以用于疾病的诊断;生物传感器件的表面修饰可以靠捕获生物微粒到器件的特定位 置来实现。 本文设计并制造了一种能够捕获溶液中的生物微粒的微阵列芯片。芯片采用n 型 硅片为材料，尺寸为22 mm×22 mm ，捕获阵列是60×60 的微圆柱阵列。圆柱直径为 100 μm，中心间距为150 μm，高度为100 μm。圆柱阵列通过光刻、溅射、剥离、ICP 刻蚀等微电子工艺制备。在ICP 刻蚀中，提出了增加基片温度和刻蚀/钝化时间比的方 法抑制了刻蚀底部的“草地”;提出了在钝化和刻蚀阶段通入SF 和C F 混合气体的 6 4 8 方法平滑了刻蚀侧壁的粗糙程度，并通过多次试验优化了基片温度、刻蚀/钝化时间、 混合气体流量等参数，取得了良好的刻蚀结果。 芯片的表面修饰分为纳米Au 颗粒的制备和MUA 分子层的自组装两个步骤。纳 米Au 颗粒通过将芯片浸入到HAuCl4 的HF 溶液中制备，将表面制备了纳米Au 颗粒 的芯片浸入MUA 的无水乙醇溶液中实现了MUA 分子在Au 上的自组装。 本文利用偶联在MUA 分子层上的蛋白质分子来捕获生物微粒。生物微 粒的捕获 实验分为抗体捕获和细胞捕获两部分，实验结果用荧光标记法检测。微阵列 芯片对抗 体的捕获效率约为72 ,~86 ,，对细胞的捕获效率为80 ,。 关键词: 微阵列芯片 ICP 刻蚀 自组装单分子层 生 物微粒捕获 I 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 Abstract Microarray technology provides a method for rapid detection of proteins, nucleic acids, cells and other bioparticles. Bioparticle capture is a fundamental work in biology, pharmacy, diagnosis and other fields. Sample can be purified by capturing the other impurities biology particles in it, disease diagnosis can be done by capturing some specific proteins or cells. Moreover, capture technology can locate particles in designed places to manufacture biosensors. In this paper a microarray chip for biology particles capture in solution is design and manufactured. The chip is made of n-type silicon wafer, with a size of 22 mm×22 mm. The capture area is 60×60 microposts array. The diameter of a single micropost is 100 μm, and the height is 100 μm, too. The microposts’center distance is 150 μm. The microposts array is manufactured by lithography, magnetron sputtering, lift-off and ICP etching. During the etching, increasing the substrate temperature and etching/passivation ratio is applied to control the micrograss, a gas mixture of SF and C F is applied to smooth the sidewall 6 4 8 roughness. Optimized parameters such as substrate temperature, etching/passivation time, gas mixture ratio are obtained by experiment. Chip modification consists of Au nanoparticles preparation and MUA monolayers assembly. Au nanoparticles are prepared by immersing chips into HAuCl4 solution containing HF, and MUA monolayers assembled on the gold is obtained by immersing chips into ethanol resolution containing MUA. Specific protein is modified on MUA monolayers to capture bioparticles. Antibody capture and cell capture are carried out on microarray chips. The chip has a capture efficiency of 72 ,~86 , to antibody, and 80 , to cell. Keywords: Microarray chip ICP etching SAMs bioparticle capture II 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 目 录 摘 要.................................................................................................................... I Abstract ..............................................................................................................II 1 绪论 1.1 生物芯片简 介.......................................................................................... 1 1.2 微阵列芯 片.............................................................................................. 1 1.3 生物微粒捕获技 术.................................................................................. 3 1.4 本文的研究目标和研究内 容.................................................................. 7 2 微阵列芯片的材料、工艺和检测技术 2.1 微阵列芯片的基片材 料.......................................................................... 9 2.2 微阵列芯片的加工工 艺........................................................................ 10 2.3 微阵列芯片的检测技 术........................................................................ 14 2.4 本章小 结................................................................................................ 16 3 微阵列芯片的设计与制备 3.1 芯片的设计方 案.................................................................................... 17 3.2 芯片的制 备............................................................................................ 17 3.3 本章小 结................................................................................................ 26 4 微阵列芯片的表面修饰 4.1 蛋白质分子的固定方 式........................................................................ 27 4.2 自组装单分子 层.................................................................................... 27 4.3 芯片的表面修 饰.................................................................................... 28 4.4 本章小 结................................................................................................ 31 III 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 5 生物微粒的捕获实验 5.1 小鼠α-SMA 捕获实 验.......................................................................... 32 5.2 小鼠淋巴瘤细胞捕获实 验.................................................................... 35 5.3 本章小 结................................................................................................ 36 6 总结和展 望............................................................................................. 37 致 谢............................................................................................................... 39 参考文 献....................................................................................................... 40 附录1 攻读硕士学位期间发表的论 文.................................................... 45 IV 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 1 绪 论 1.1 生物芯片简介 生物芯片是20 世纪80 年代后期伴随着人类基因组发展起来的， 最初仅仅指 的是基因芯片 也叫DNA 芯片 。基因芯片的巨大成功引起了众多国家、公 司以及科研 机构的浓厚兴趣，研究开发的力度逐年增强。经过二十多年的发展，生物芯 片已经成 为融电子学、生命科学、物理学为一体的崭新技术。现在的生物芯片是指通 过微电子 技术和 MEMS 技术在硅、玻璃、陶瓷、塑料等固体表面加工构建的微型生物化学分 析器件和系统，以实现对细胞、蛋白质、核酸以及其他生物组分准确、快速、高通量 的分析检测。与传统的生物化学分析仪器相比，生物芯片具有成本低、体积小、分析 迅速准确、过程自动化、所需样品和试剂量少等优点。 根据原理和结构的不同，生物芯片有不同的分类方式。按照芯片原理和用途的不 同，生物芯片包括DNA 芯片、毛细管电泳芯片、介电电泳芯片、PCR 芯片、蛋白质 芯片以及微型全分析系统 Micro Total Analysis System, ?TAS 或芯片实验室 Lab-on-a-Chip 。根据芯片结构的不同，生物芯片主要可分为微阵列芯片和微流控芯 片两大类。微阵列芯片以生物分子间的亲和结合技术为基础，在基片上阵列化地固定 识别分子，以达到对特定分子的捕获、检测的目的。微流控芯片利用微纳米加工技术 在基片上制造微腔、微管道等结构，在一块微米级的芯片上实现样品制备、反应、分 离、检测等基本操作，自动完成分析全过程，是当今微型全分析系统发展的主要方向。 生物芯片技术已广泛应用于基因测序、疾病诊断、药物筛选和新药开发、环境保 护、司法鉴定和生物信息学研究等领域当中，随着技术进一步发展，必将在诸多领域 里带来一场革命，“从根本上改变医学行为和我们的生活质量，从而改变世界的面貌” [1] 。 1.2 微阵列芯片 微阵列芯片是将核酸、蛋白质、细胞等生命物质阵列化地固定在经过设计的芯片 1 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 表面，用于生物样品分析和检测的一类载体的总称。它一般具有使用方便、测量迅速、 一块芯片上所包含的数据量大等优点。按照在芯片上固定的物质不同，微阵列芯片可 被分成以下几种: 1 基因芯片 在基因测序的研究中，为了从核酸分子中找到特定的基因，科学家们发明了基因 探针。基因探针也叫核酸探针，是一段带有检测标记且顺序已知的，与目的基因互补 的核酸序列 DNA 或RNA 。基因探针通过分子杂交与目的基因结合，产生杂交信号， 进而识别出特定基因。基因芯片也叫DNA 微阵列芯片，是在基因探针的基础上发展 而来。它在基片上固定大量 通常每平方厘米点阵密度高于 400 基因探针，与携带标 记的样品分子进行杂交，通过检测每个探针分子的杂交信号强度进而获取样品分子的 数量和序列信息。由于固定的探针数量很多，所以基因芯片可以一次性检测分析大量 样品，从而克服了传统技术操作步骤繁琐、自动化程度低、检测序列数量少、检测效 率低等缺点。而且，通过设计不同的探针阵列、使用特定的分析方法可使该技术具有 多种不同的应用价值，如基因表达谱测定、实变检测、多态性分析、基因组文库作图 及杂交测序等。 2 蛋白质微阵列芯片 基因芯片实质上通过检测mRNA 的丰度或者DNA 的拷贝数来分析基因的表达模 式和表达水平，但是仅根据 mRNA 的丰度并不能对蛋白质的表达水平作出有效的评 估。实际上，某些基因的mRNA 水平相等时，其蛋白质的表达水平可以相差20 倍以 [2] 上;反之，当某一种蛋白质的表达水平稳定时，各mRNA 的水平也可相差达30 倍 ， 因此研究基因表达的产物――蛋白质是得到完整的生物信息不可缺少的组成部分。蛋 白质微阵列芯片就是在这样的背景下诞生的。现在的蛋白质微阵列芯片已发展成一类 新型器件，除了研究蛋白质的表达，还能利用蛋白质,蛋白质、酶,底物以及蛋白质 ,其他生物分子间的相互作用实现对生命物质快速、准确、大信息量检测，应用领域 扩展至临床诊断、药物筛选、新型传感器件等。 3 组织微阵列 组织微阵列又称组织芯片，是生物芯片的重要组成部分。它是将数十个、数百个 2 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 乃至上千个小的组织片样品整齐有序地排列在某载体上 石蜡块、硅化的玻璃片等 ， 进行同一指标的原位组织学研究。组织微阵列组织芯片技术可以与其他很多常规技术 如免疫组织化学 IHC 、核酸原位杂交 ISH 、荧光原位杂交 FISH 、原位PCR 等结合 应用，可对数百种不同的生物组织同时比较形态结构、检测基因和蛋白表达水平，是 对基因芯片和蛋白芯片的补充和印证。与传统的病理组织片相比，组织微阵列具有体 [3] 积小、高通量、成本低、并根据不同的需要进行组合和设计 等优点。另外，组织微 阵列消耗的的生物组织很少，在组织样本需求量日益增长的今天凸显出巨大的优势。 4 细胞微阵列 细胞微阵列又叫做细胞芯片，是将抗体、蛋白质、类脂等物质固定在经过设计的 载体表面，并利用电学、磁学、力学等技术为辅助，将活细胞固定在芯片之上以实现 对细胞的培养、捕获、刺激等时间上和空间上的精确控制的新型器件。结合微型化的 化学分析方法，细胞微阵列还能对细胞样品进行触发、检测细胞表型的改变、跟踪细 胞对外界刺激的反应。目前已有的细胞芯片有微流控细胞芯片、微量电穿孔细胞芯片、 细胞免疫芯片等。 5 糖微阵列 糖微阵列也叫做糖芯片，是将大量天然的糖或者人工合成的糖阵列化地固定在载 体之上，用于糖生物学研究的新型技术。根据固定在芯片上的糖的特征，糖微阵列可 以分为单糖微阵列、寡糖微阵列、多糖微阵列和复合糖微阵列;根据用途的不同，糖 微阵列可以分为功能糖组学微阵列和药物糖组学微阵列。糖微阵列可以同时对大量的 糖和其他生物物质的相互作用进行分析检测，可用于功能糖组学、药物筛选、抗体结 合特异性分析、细胞黏附检测和酶测定等方面的研究。 1.3 生物微粒捕获技术 目前已有多种方法对生物微粒进行捕获，这些方法可以分为物理方法和生物方法 两大类。常用的物理方法有超声、激光、电场。超声是利用超声场的能量实现对生物 [4] 微粒的捕获，局限性是只能对少量细胞进行捕获 。激光方法是将激光束聚焦，在利 [5] 用焦点处的光梯度力捕获生物微粒 。最初激光的方法也存在捕获生物微粒数量少的 3 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 缺点，但是已有科研人员设法提高微粒的捕获量，例如在 Fourier 平面改变激光的相 [6] [7] 位 ，以及用扫描光束代替原来的单束激光 。电场方法主要是利用生物微粒在非均 匀电场中被极化所产生的介电力来实现捕获，利用介电力进行生物微粒捕获、操控的 技术称为介电电泳技术 Dielectrophoresis 。介电电泳技术能实现对大量生物微粒的捕 获，是目前应用得比较成熟的技术[8, 9] 一般来讲，用于微阵列芯片中的生物微粒捕获技术应该满足对特定生物微粒的高 度特异性和高度敏感性、样品预处理简单甚至不需要样品预处理、捕获生物 微粒后能 够在一定时间内保持其生物活性等要求，目前除了介电电泳，采用物理方法很难实现 对大量的生物微粒的捕获，而采用生物方法进行捕获则能克服这一困难。生物方法是 指选择能与待捕获的生物微粒进行特异性结合的生物分子进行捕获，最常见的就是利 用抗体修饰的芯片捕获相应的抗原。实际上，目前微阵列芯片中采用的捕获技术多以 生物方法为主，用物理方法增强捕获效率。 马里兰大学的Urdaneta[10]等人利用多频率介电电泳技术 MFDEP ，在不同的电极 上接不同频率的电压，将活酵母细胞和死酵母细胞分别捕获到不同区域，实现了细胞 的分离，细胞的分离照片如图1.1 所示。 图1.1 MFDEP 芯片分离细胞的照片 [11] 华中科技大学的黄成军 设计了一种基于行波介电电泳泳技术和层流技术的芯 片，成功地实现了对Jurkat 细胞和血红细胞的分离。该芯片采用三层夹心 结构，底层 是微电极阵列，中间层是细胞流动的微管道，上层是PDMS 盖片，在盖片下加工有微 管道。芯片设计原理图如图1.2 所示。 4 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 图1.2 行波介电电泳芯片设计原理图 巴黎第六大学的 Saliba[12] 等人利用微接触印刷技术 Microcontact Printing 在 PDMS 基片上布置铁磁铃阵列，在外加磁感应强度的作用下，经过抗体修饰的超顺磁 性微米磁珠被铁磁铃所产生的磁场所捕获，重叠成柱形阵列。芯片结构和捕获细胞的 图片如图1.3 所示。他们用此方法实现了Jurkat 细胞和Raji 细胞的捕获，捕获率高于 94 ,，和流式细胞仪相比，样品的用量减少为十分之一。 图1.3 微米磁珠阵列芯片示意图和捕获细胞的照片 韩国高等科学技术院的Kim[13]等人设计了一种简单的捕获平台，芯片的示意图如 图1.4 所示。核心部分由置有抗体的PDMS 芯片和组织切片上扣在一起构成，这种平 台最多能够一次检测4 种抗原物质。他们用人的乳腺肿瘤组织切片作为实验材料，同 5 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 时检测了4 种跟肿瘤有关的蛋白质。 图1.4 蛋白质捕获平台结构示意图 哈佛医学院的Stott[14]等人设计了一种新颖的细胞捕获芯片，芯片结构如图1.5 所 示。这种芯片靠修饰在芯片表面的EpCAM 抗体来捕获人外周血中的CTC 细胞，利用 人字形结构的盖片在通道内的液体中产生微涡旋以增加CTC 细胞和EpCAM 抗体的接 触几率，极大地提高了细胞的捕获效率。这种芯片的另一优点是采集到的外 周血可以 直接用于检测，省去了对样品的预处理。 图1.5 利用微涡旋增强捕获效率的CTC 捕获芯片结构示意图 马里兰大学的 Fernandes[15]等人设计了一种新颖的用于捕获检测细菌的微器件， 器件的结构如图1.6 所示。其功能单元被称为“biological nanofactroy ”，此单元由起捕 获作用的抗体、起感应和合成作用的蛋白质HGLPT 构成。当抗体捕获到特定细菌的 6 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 时候，HGLPT 会在被捕获细菌的表面合成autoinducer-2，此物质会诱导细菌内部的质 粒，进而产生一种绿色荧光蛋白。这种新型的微器件靠自身合成的荧光物质作为标记 物，避免了外加标记物的繁琐以及可能引起的对生物特性的改变。 图1.6 细菌捕获器件结构示意图 1.4 本文的研究目标和研究内容 微阵列技术提供了一种检测蛋白质、核酸、细胞等生物微粒的方法。在生物、制 药、检疫等许多领域中，生物微粒的捕获是一项基础性的工作。比如:通过分离出样 品中不需要的生物微粒，实现对样品的提纯;通过捕获特定的蛋白质分子或者细胞， 可以用于疾病的诊断;使生物微粒被捕获到器件的特定位置，可以制成生物传感器。 本文研究课来源是:教育部中央高校基本科研专项资金项目 “用于捕获肺癌患 者循环肿瘤细胞微流控芯片的研制及应用” No.HUST2010JC051 。本文的研究目标是 制造一种捕获效率高、捕获结果方便检测、加工简单的微阵列芯片。全文的主要内容 包括以下几个部分: 第一章 绪论。简单介绍了生物芯片，重点介绍了生物芯片中的微阵列芯片的发展 历程、分类以及应用。对常用的生物微粒的捕获方法和研究现状进行了探讨，提出了 本文的研究目标和研究内容。 第二章 微阵列芯片的材料、工艺和检测技术。列举了微阵列芯片常用的基片材料， 并针对不同的材料，讨论了相应加工技术的分类和优缺点。对本文中所用到的光刻、 7 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 溅射薄膜以及干法刻蚀作了较为详细的叙述。介绍了微阵列芯片的检测技术。 微阵列芯片的设计与制备。详细论述了微阵列芯片的设计、 第三章 基片材料 和制备过程。探讨了ICP 刻蚀中各工艺参数对刻蚀结果的影响、Bosch 工艺中出现“草 地”和侧壁粗糙的原因，并结合实验优化了工艺参数，一定程度上消除了“草地”， 侧壁的粗糙度也得到了很好的控制。 第四章 微阵列芯片的表面修饰。综合讨论了蛋白质分子在固相基片上 的固定方 式、硫醇类分子在Au 上形成自组装单分子层的特性以及Au 的电化学沉积工艺，在 此基础上确定并实现了芯片修饰方案:先用纳米Au 颗粒作为预备层，然后在Au 颗 粒上自组装MUA 分子层。 生物微粒捕获实验。利用一抗和二抗间的特异性结合，分别对 第五章 小鼠α-SMA 和小鼠淋巴瘤细胞进行了捕获实验，并评估了芯片的捕获效率。 第六章 全文总结。对本论文所作的工作及成果进行总结，针对研究中存在的问题 和不足展开下一步研究计划。 8 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 2 微阵列芯片的材料、工艺和检测技术 2.1 微阵列芯片的基片材料 用来捕获生物微粒，并且能在一定时间内很好地维持所捕获生物微粒的活性，为 后期的分析、检测等实验提供承载平台的固相材料称为微阵列芯片的基片。为了达到 预期的捕获目的、方便后续实验，基片材料的选取必须遵循两点基本原则: 1 基片 材料必须有优良的的生物相容性质，不会改变甚至破坏被捕获微粒的生物特性; 2 基 片材料的稳定性要好，具备一定的机械强度。除此之外，基片材料最好能便于加工。 常见的微阵列芯片材料主要有以下几种类型: 1 玻璃和硅 芯片实验室的概念提出以后，增加芯片的数据通量成为整个生物芯片研究的重点 之一，促使芯片结构从早期的二维平面结构向现在的三维立体结构转化。人们急切地 希望找到一种成熟的技术能够在芯片表面按照需要加工出各式各样的微结构。当时的 微电子工艺技术的加工精度上已经达到 1 μm ，所以很自然的成为了生物芯片加工工 艺的首选。相应的，芯片材料选取了玻璃和硅。硅和玻璃经过表面化学修饰后可以引 [16] 入化学基团 比如硅羟基 ，再借助偶联试剂就能将蛋白质分子固定在基片 表面 。由 于生物芯片的作用对象有相当一部分是蛋白质，多数细胞表面也会表达相应蛋白质， 硅和玻璃的作为基片材料有着很大的优势。此外，硅和玻璃还具有荧光背景低、表面 性质稳定、具有良好的生物相容性等优点。从长远看，硅和玻璃的基片材质更容易整 合进入现有的微电子工艺流程中。 随着生物芯片研究的深入特别是不断的商品化，硅和玻璃的缺点也日益凸显，主 要的因素是加工精度和成本之间的平衡问题。尽管研究人员对此进行了大量的改进， 最终的成本仍然不尽如人意。 2 高分子材料 为了降低成本，人们把目光投向了一些高分子材料。除了成本优势，高分子材料 9 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 的加工方法灵活多样、加工步骤也较为简单快速，促进了生物芯片的进一步发展。目 前已经用于制作生物芯片的高分子材料有很多，比如聚二甲基硅氧烷 PDMS 、聚甲 基丙烯酸甲酯 PMMA 、聚乙烯 PE 、聚苯乙烯 PS 、聚碳酸酯 PC 、聚对苯二甲酸丁 [17] 二醇酯 PBT 等 。目前用得最多的高分子材料是PDMS 和PMMA 。 相对硅和玻璃，高分子材料的不足之处在于: 1 会受到某些有机溶剂的腐蚀。 这会限制能够分析检测的生物物质的种类; 2 导热性较差。利用电场对生物微粒进 行操作的时候经常会伴随着发热，芯片导热性差会使得生物微粒所处环境温度过高而 失去活性; 3 对高分子材料的表面性质研究得不是很透彻。 2.2 微阵列芯片的加工工艺 微阵列芯片的加工方法主要取决于所选择的基片材料。下面就微阵列芯片常用的 加工工艺进行介绍。 2.2.1 硅和玻璃的常用加工技术 硅是微电子领域里最主要的材料，硅材料的加工技术非常之多。微阵列芯片研究 中对硅材料加工的常用工艺有光刻、薄膜制备以及刻蚀。玻璃的某些性质跟硅类似， 因而两者的加工方法也有许多相似之处。 光刻 光刻是一种图形复印技术，其构想来源于印刷技术中的照相制版技术。在以硅和 玻璃为材料的微阵列芯片制造过程中常常是最开始的步骤，它将掩模板的图形转移到 基片之上。光刻的一般过程包括涂胶、前烘、曝光、后烘、显影、漂洗、坚膜等步骤， 在实际操作中视光刻胶以及后续的工艺情况，具体步骤有所增减。在光刻过程中，光 刻胶在受到光辐照之后发生光化学反应，其内部分子结构会发生变化，曝光和未曝光 部分在显影液中的溶解速度相差非常大。利用光刻胶的这种特性，就可以在基片表面 涂抹光刻胶，通过掩模板使光刻胶的部分区域曝光，再经过显影就可以在基片之上留 下由光刻胶构成的掩模板图形。显影后剩余的光刻胶可以作为保护膜，对基片表面没 有被光刻胶覆盖的区域进行刻蚀，从而把光刻胶上的图形转移到基片上去，得到所需 10 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 要的微阵列结构。 光刻胶一般有正胶和负胶两种，前者曝光部分在显影液中最终被溶解掉，未曝光 部分固化，留下的是掩模板的“正性”复印图形，因而叫正胶;后者的溶解 特性相反， 最终留下的是掩模板的“负性”复印图形，因而叫负胶。通常来讲，正胶有较高的分 辨率，但是粘附性较差，成本也较高;负胶有很好的粘附性和抗腐蚀能力，成本较低 但分辨率也较低。 薄膜制备 在微阵列芯片的制备过程中，薄膜一般有三种作用:充当刻蚀保护层、充当电极 以及充当改性层。常用的薄膜材料有二氧化硅 SiO ，氮化硅 Si N ，各种金属及其 2 3 4 氧化物。薄膜的制备方法也很多，具体方法的选取应由基片的材料和所需薄膜的性质 来决定。 1 物理气相淀积 物理气相淀积是利用某种物理过程，将原子或分子由源转移到基片表面上并淀积 成薄膜的一种技术，其中最为基本的方法是真空蒸发和溅射。真空蒸发是在真空腔中 将待蒸发的源材料加热到熔融态，使其原子获得足够能量后蒸发脱离材料表面，飞向 衬底淀积形成薄膜。而溅射则是利用在强电场作用下气体放电产生的高能离子轰击溅 射出靶材原子形成薄膜。蒸发有着较高的淀积速率，相对较高的真空度以及由此导致 的较高的薄膜质量，在平面薄膜的制备中有着广泛应用。但是其台阶覆盖能力差，无 法满足对微阵列芯片中微结构的覆盖，并且在淀积多元化合金属薄膜 主要在高分子材 料上作电极 时，组分难以控制。 溅射是利用带有电荷的离子轰击靶面，使靶面原子被溅射出来在基片上淀积成薄 膜。蒸发过程中原子的动能一般只有 0.1eV~0.2eV，而被溅射出的原子的动能一般可 达 10eV~50eV，所以溅射原子在淀积表面的迁移能力更强，台阶覆盖能力也随之提升。 2 热氧化 硅的热氧化法是指硅与氧或水汽等氧化剂，在高温下经化学反应生成二氧化硅。 二氧化硅在生物芯片中常常充当绝缘层、刻蚀保护层、支撑层等。硅的热氧化一般是 在高温炉内进行，有干氧氧化、水汽氧化和湿氧氧化三种方法。干氧氧化是指在高温 11 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 下，硅与氧气反应生成二氧化硅，生成的二氧化硅具有结构致密、干燥、均匀性和重 复性好，掩蔽能力强，与光刻胶粘附好等优点，但是二氧化硅的生长速率较慢。水汽 氧化指的是在高温下，硅与高纯水产生的蒸气反应生成二氧化硅，生成二氧化硅的速 率较快，但致密性差一些。湿氧氧化的氧化剂是通过高纯水 一般被加热到95?左右 的氧气，此方法是干氧氧化和水汽氧化的某种折衷。如果要制备较厚 100nm 以上 的 二氧化硅，则一般采用干氧-湿氧-干氧交替的方法，而对于较薄的二氧化硅则常用干 氧氧化直接制备。 3 化学气相淀积 化学气相淀积 Chemical Vapor Deposition, CVD 是把含有构成薄膜元素的气态反 应剂或者液态反应剂的蒸气，以合理的流速引入反应室，在衬底表面发生化学反应并 在衬底表面上淀积成薄膜。该方法具有台阶覆盖能力好、厚度均匀、对衬底材料的附 着性好、薄膜成分易控制、成膜密度高等优点。化学气相淀积可以制备出微阵列芯片 中所需要的所有薄膜。目前常用的方式有常压化学气相淀积 APCVD 、低压化学气相 淀积 LPCVD 和等离子体增强化学气相淀积 PECVD 三种。APCVD 常用于淀积较厚 的薄膜，LPCVD 主要用于生长多晶硅与氮化硅，PECVD 淀积温度低，常用于淀积磷 硅玻璃与氮化硅。 剥离 在微阵列芯片的制造过程中，剥离工艺常用来制备具有部分薄膜覆盖的结构 比如 电极 。剥离的一般方法是在光刻显影后进行薄膜制备，薄膜会附着在光刻胶和裸露的 基片之上。然后用不腐蚀薄膜材料的溶剂除去光刻胶，光刻胶上附着的薄膜会随着光 刻胶的去除而剥落，最终得到所需要的薄膜图形。对于大多数光刻胶和薄膜，可以用 丙酮来充当剥离溶剂。剥离的效果跟图形的精度、薄膜的厚度、光刻胶的厚度以及薄 膜材料密切相关，高的图形精度、过厚或是延展性良好的金属薄膜会增加剥离的难度。 刻蚀 刻蚀是用溶剂对基片的部分区域进行腐蚀，加工出沟道、深槽、台阶、微柱阵列 等三维结构。光刻显影后留下的光刻胶可以用作刻蚀的保护层，也可用其他的薄膜充 当保护层。 12 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 刻蚀工艺分为湿法刻蚀和干法刻蚀两大类。湿法刻蚀是使用特定的溶液 与需要被 腐蚀的材料发生化学反应，除去没有被保护层覆盖区域的材料。湿法刻蚀的优点是工 艺简单、刻蚀速率较快，缺点是一般具有各向同性，并且对保护层的要求较高。对于 硅来说，不同晶面的原子排布密度有差别，在溶液中的腐蚀速度不同，所以通过选择 适当的溶液也能够进行各向异性刻蚀，例如采用湿法刻蚀可以在硅的 100 晶面上得到 V 形深槽结构，在 110 晶面上则可以得到侧壁基本陡直的沟槽。常用的硅刻蚀溶液主 要有硝酸 HNO3 、氢氟酸 HF 和水 或醋酸 的混合液;KOH 的水溶液和异丙醇 IPA 的混合液;乙二胺、邻苯二酚和水的混合液。对于玻璃和陶瓷，可以用氢氟酸或者氢 氟酸和NH Cl 的混合液进行刻蚀。 4 干法刻蚀是利用高能离子束轰击或者等离子体激活的化学反应完成刻蚀的方法。 干法刻蚀主要可以分为三种，一种是通过高能离子轰击被刻蚀材料，使材料表面产生 损伤并去除损伤的物理过程完成刻蚀。第二种是利用辉光放电产生的活性粒子与被刻 蚀材料发生化学反应产生挥发性物质完成刻蚀。第三种是将上述两种方法结合起来， 称为反应离子刻蚀 RIE 。反应离子刻蚀是目前用得最多的干法刻蚀技术，具有分辨率 高、各向异性好、刻蚀的均匀性好等优点。但是在刻蚀过程中，离子会对基片上的保 护层和需要刻蚀的材料同时进行轰击，所以刻蚀的选择比要比湿法刻蚀差。干法刻蚀 可用于制备生物芯片中的微通道、微反应池和高纵深比的微阵列结构。 2.2.2 高分子材料的常用加工技术 高分子材料的加工主要可分为两类:一是直接加工法 Direct Technology ，利用激 光直接在材料表面加工出需要的结构;二是复制加工法 Replication Technology ，先制 作一个与所需结构相反的模具，然后再用模具复制出高分子材料结构。复制加工方法 所需的模具经常可以多次使用，所以成本较低，并且加工工艺简单，不需要昂贵的设 备，所以是目前应用最广的高分子材料加工方法。复制加工中非常重要的一步是模具 的制作，它直接决定了后续加工的成败。模具加工方法主要有硅片微加工法、微机械 加工技术以及电铸。硅片的微加工法在 2.2.1 中已经叙述过，这里仅对后两种加以介 绍。 13 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 微机械加工是将宏观加工方法，如磨、钻、铣、车等用于微细结构的加工。它的 优点在于可加工的材料多种多样，特别是不锈钢等合金类材料，并且制作模具的重复 性好。但是其加工的精细程度有限，一般只能满足10 ?m 左右的结构。 电铸是将加工好的硅基芯片用电铸的方法得到与之相反的模具，电铸的 材料多为 镍合金，此方法制得的模具耐用性好，精细度高。 将制得的模具应用注塑、热压和浇铸等成型技术就能加工出需要的高分子材料芯 片，下面对这几种技术予以介绍。 注塑是将高分子材料加热至流动状态，然后压入放有模具的注塑腔内，待高分子 材料温度降低固化，就能制造出所需的微结构。注塑加工对设备有着较高的要求，但 [18] 是采用此方法制作出的芯片的重复性好 。 热压是通过施加外力将模具与高分子材料紧密压合，同时给材料加温，当高分子 材料的温度升高到玻璃化温度时会变软，从而复制出模具上的微结构。为了避免高分 子材料在玻璃化状态下出现气泡，热压过程一般需要在真空中进行。和热压相似的加 [19] 工方法是冷压，它不需要对材料进行加热，只用压力成型 ，这种方法步骤简单，但 是对模具和加工材料的要求更高。 对于常态下为流动态的高分子材料，可用浇铸的方法制备出微结构。以PDMS 为 例，首先将PDMS 和固化剂按照一定比例混合，然后将混合物置于模具之上并施加适 当压力，再放入烘箱中加热一定时间，待材料固化后剥离模具就能制得所需的微结构。 PDMS 材质的芯片一般采用硅片、SU-8 光刻胶作为模具。 2.3 微阵列芯片的检测技术 微阵列芯片的检测技术主要有两种:一种是标记检测法，另一种是无标记检测法。 1 标记检测法 标记检测法是用能够对检测仪器产生响应的示踪物质标记待检测的细胞、抗体以 及其他生物微粒，依靠检测标记物质的存在和多少来对结果进行定性、定量分析。常 用的标记物质有酶分子、荧光分子以及胶体金颗粒。 酶分子主要用于抗体的标记。酶标记检测法是将抗体与酶分子用交联剂结合为酶 14 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 标抗体，酶标抗体和芯片上与之对应的蛋白质分子产生特异性反应，于是芯片上就被 引入了酶标记分子。检测的时候再加入底物，底物会被酶分子催化产生颜色，颜色的 深浅反应了酶分子的多少，进而反应了抗体含量的多少，因此可以对结果进行定量分 析。对颜色深浅的定量检测是靠酶标仪来实现的，工作原理如下:光源灯发出的光经 过滤色片之后成为单色光，单色光照射到待测样本上之后，一部分单色光被吸收，另 一部分则透过样本进入光电检测器。光电检测器将接收到的光转化成电信号，在经过 一系列的信号放大、模数转换、数据计算和处理之后，检测结果以吸光度的形式给出。 酶标检测法的灵敏性和特异性较高，但缺点也很明显，由于是通过比较入射光和出射 光的强度来检测结果，所以要求芯片的透光性好，只能用于玻璃、高分子材料如PDMS 、 PMMA 等芯片的检测。 用于标记生物微粒的常用荧光试剂有异硫氰酸荧光素 Fluorescein Isothiocyanate, FITC 、四氯荧光素 Tetrachlorofluorescein, TET 、羧基四甲基罗丹明 Carboxytetramethylrhodamine, TAMRA 等。除了可标记抗体，荧光标记物还能标记细 [20] 胞内的物质 。荧光标记物在受到一定波长的激励光照射时会发射出荧光，不同的荧 光标记物发射出的荧光颜色和强度各不相同，且有各自的吸收峰，通过检测荧光的强 度或者采集荧光图像就能得到结果。用于检测荧光标记物的仪器有荧光显微镜、激光 扫描荧光显微镜、激光共聚焦扫描成像系统等。荧光标记检测法的重复性好、选择性 强、发光稳定，可用于透光性质不好或者不透光材料的微阵列芯片检测。 胶体金标记技术是以胶体金颗粒作为示踪物质标记抗原抗体的一种新型技术。胶 体金是由氯金酸 HAuCl 在还原剂的作用下聚合成一定大小的金颗粒，并由于静电作 4 用形成一种稳定的疏水胶体状态。胶体金颗粒在弱碱环境下带负电，能与多数蛋白质 分子、某些酯类上的正电基团形成稳固的结合。由于这种结合是静电作用，所以不会 影响生物微粒的活性。胶体金作为标记物质另一优点是可以通过控制还原剂的种类和 剂量，控制产生胶体金颗粒的大小，目前能够制得的胶体金颗粒的直径范围为几纳米 到几百纳米。胶体金标记一般用于定性或者半定量的检测。 2 无标记检测法 无标记检测法利用待检测生物物质自身的性质，直接检测物质的含量或者生物分 15 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 子之间的相互作用。它的优点是避免了标记物质对生物微粒可能产生的影 响，并且可 以对生物微粒作实时检测。目前已经使用的无标记检测法有表面等离子体共振技术 [2 1] [22] 、扫描电镜技术、质谱分析技术、原子力显微镜技术 、以及多种技术相结合，如 [23] BIA/MS 技术就是将等离子体共振技术和质谱分析技术相结合的新型技术 。 2.4 本章 本章叙述了微阵列芯片常用的基片材料、加工工艺以及检测技术。目前，玻璃、 硅和高分子材料是主要的基片材料。玻璃和硅因为其良好的表面性质、生物相容性以 及和微加工技术的完全兼容性，是微阵列芯片的理想材料。高分子材料是为了降低用 玻璃或硅制作芯片的成本而引进的，其优点有加工技术多样化，加工周期短。但是有 很多已经用于微阵列芯片的高分子材料的表面性质并不是很清楚，并且高分子材料无 法承受某些有机物溶剂的腐蚀，影响了其应用范围。 对于玻璃和硅材料，微电子工艺中的加工技术有许多可以直接用于微阵列芯片的 加工，最为常用的技术是光刻、薄膜溅射以及湿法刻蚀和反应离子刻蚀。对于高分子 材料，由于直接加工方法所需的设备成本太高，一般是利用模具复制的技术制造所需 要的微结构。 微阵列芯片的检测手段分为标记检测和无标记检测。标记检测是用示踪物标记待 检测物质，通过对示踪物的检测间接地得到结果。其优点是标记物质种类多，标记、 检测手段成熟。缺点是标记物可能会对生物微粒的性质产生一些影响。无标记检测的 兴起时间比较晚，是直接针对物质自身的物化性质进行检测。无标记检测避免了引入 标记物对生物特性可能带来的影响，并且能对某些有机物的含量进行精确的测量，揭 示生物微粒之间相互作用的过程，这是标记检测法不能做到的。 16 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 3 微阵列芯片的设计与制备 3.1 芯片的设计方案 溶液中的生物微粒一般都是悬浮状态，如果采用平面形状的微阵列，悬浮在上层 的生物微粒很难和芯片接触，大大降低了芯片能捕获到的微粒数量。为了避免这一情 况，本文中的微阵列芯片被设计成三维结构，即在基片上加工出具有一定纵向高度的 微阵列，依靠微阵列的侧表面来捕获悬浮的生物微粒。本文设计的微阵列为60×60 个 直径为100 μm 的圆柱，圆柱等间距排列，圆柱中心之间的距离为150 μm 。 用于制造微阵列芯片的基片材料一般有玻璃、硅以及高分子材料。硅材料的表面 性质稳定、生物相容性好、加工技术化，因而本研究中采用n 型硅片作为芯片材 料。采用n 型硅的好处是有利于后期的Au 颗粒制备，原因将在4.3.1 节中叙述。 3.2 芯片的制备 光刻 1 掩模板的制作 本文采用 Tanner 公司的 L-edit 软件 版本 11.10 来绘制掩模板。L-edit 是一款在 windows 系统下运行的软件，常用于光刻掩模板和电路版图设计。在掩模板绘制前还 需要确定实验中使用的光刻胶是正胶还是负胶，在本文中使用的光刻胶为负胶，但光 刻后经过溅射金属薄膜使得图形再次经过翻转，所以掩模板的图形和芯片的 图形是一 致的，即掩模板为负版。 2 光刻工艺 本文选用的光刻胶是AZ 5214 E，这是一种正性光刻胶，但是在特定的工艺条件 下会产生图像反转，从而可以当做负胶使用。与一般光刻工艺相比，AZ 5214 E 反转 胶工艺最大的区别在于有两次曝光步骤和一次后烘步骤，具体来说分为清洗、涂胶、 前烘、前曝光、后烘、泛曝光、显影。本文中使用Karl-Suss MJB-3 型光刻机进行曝 17 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 光，紫外线波长为173 nm，功率为100 W。 ?清洗 清洗是为了去除硅片上的杂质和污渍，保证光刻胶在硅片上的附着性和均匀性。 本文采用标准的硅片清洗方法:将切割好的硅片依次放入丙酮、无水乙醇中各进行超 声波清洗 10 min，然后用去离子水冲洗干净，再用氮气吹干。 丙酮的作用是去除硅 片上附着的大多数有机物，无水乙醇的作用是作为丙酮的溶剂和进一步去除有机物颗 粒。 ?涂胶 本文采用旋转甩胶的方法完成光刻胶的涂覆。需要注意的是，清洗吹干后的硅片 表面仍存在少量的水分，会影响光刻胶在硅片表面的附着，所以在涂胶前应当进行烘 焙。将硅片置于 140?的热板上烘焙10 min，然后用氮气流降温。匀胶过程分两阶段 进行，第一阶段的匀胶转速为500 r/min，时间为15 s，目的是将光刻胶布满整个硅片; 第二阶段的匀胶转速为4000 r/min，时间为30 s 。匀胶结束后附着在硅片上的光刻胶 厚度约为1.3 μm 。 ?前烘 前烘的目的是蒸发掉光刻胶中的溶剂，使光刻胶固化。前烘同时可以减轻因告诉 [24] 旋转形成的薄膜应力，进一步提高光刻胶的附着性 。一般来说，过高的前烘温度会 造成肌肤效应和减小感光成分的活性，过低的前烘温度会造成光刻胶溶剂的蒸发不 足，导致光刻胶的附着性变差，易污染掩模板，使图形变形。前烘的方式有干燥循环 热风、红外线辐射、烘箱和热板。如果光刻胶表面的溶剂挥发速度比光刻胶内部溶剂 的挥发速度快，当表面的光刻胶固化时，再继续烘焙，光刻胶表面会变得粗糙。在热 板烘烤中，热量从硅片背面传入，光刻胶内部的溶剂将向表面移动而离开光刻胶，因 而能解决光刻胶表面粗糙的问题。本文使用热板在97?下对基片烘焙120 s。 ?前曝光 和一般的正胶工艺不同，AZ 5214 E 反转胶工艺中的前曝光的曝光剂量很小，不 是为了使曝光区域内起抑制溶解作用的感光剂失去活性，而是激活曝光区域内的光刻 胶中的一种交联介质。本文的前曝光时间为90 s 。 18 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 华 ?后烘 在后烘过程中，前曝光中被激活的交联介质和曝光的感光剂会生成一种在显影液 中溶解度非常低的物质，并且不再有感光性。后烘是反转工艺中最为关键的一步，对 温度的要求很高。对于AZ 5214 E 来说，后烘的最佳温度一般在110?至125?范围 之内，具体的工艺参数选择需要通过多次实验优化。本文中采用的后烘温度为112?， 时间为120 s。 ?泛曝光 泛曝光 flood exposure 也称裸曝光，是指不用掩模板，直接将基片置于光源下进 行曝光。它是反转胶工艺中的特有步骤。泛曝光虽然是对整个基片曝光，但是由于在 后烘中生成的难溶物质不再有感光性，所以实际上是对前曝光中未曝光的光刻胶进行 曝光。本文中泛曝光的时间为160 s。 ?显影 前曝光阶段中未曝光的光刻胶仍然保持着正胶的性质，经过泛曝光，其 内部的溶 解抑制剂失去活性，在显影液中的溶解度很大，经过一定时间的显影便会被完全除去， 所留下来的光刻胶是掩模板图形的“负版”。本文用的显影液是AZ 300 MIF Developer ， 主要成分是四甲基氢氧化铵，显影时间为45 s 。显影完毕剩余的光刻胶厚度为1.1 μm 。 显影之后的图形如图3.1 所示，淡红色部分为光刻胶，灰色圆形部分是硅片。 图3.1 显影完毕的显微照片 19 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 Cr 薄膜的制备 Cr 薄膜的作用是在刻蚀过程中作为保护层。本文采用溅射的方法在显影后的硅片 上制备Cr 薄膜。溅射的Cr 薄膜不能太厚，否则会影响剥离效果，并且过厚的薄膜由 于应力，在硅片上的附着性会变差。太薄的薄膜在后期刻蚀的时候边缘可能会被侵蚀 而部分脱落，导致刻蚀图形变差。Cr 薄膜在日本ANELVA 公司生产的 SPF-430H 溅 -4 射系统中用射频磁控溅射法制备，设定的射频功率为100 W，真空度为2×10 Pa ，氩 气气压为4 mTorr ，基片冷却方式为水冷。溅射速率约为14 nm/min ，溅射时间为13min。 Cr 膜厚为100 nm 左右。 剥离 为了去除覆盖在光刻胶上的薄膜，需要进行剥离操作。将溅射完毕的基片浸入丙 酮中 10 min，由于光刻胶溶于丙酮，覆盖在光刻胶上的Cr 膜也会随着光刻胶的溶解 而破裂，附着在硅材料上面的 Cr 膜则不会受到影响。这样，经过剥离之后，硅片上 就制备出跟掩模板图形一致的Cr 点阵，如图3.2 所示。 图3.2 Cr 膜阵列的显微照片 ICP 刻蚀 反应离子刻蚀由于其选择性高、刻蚀各向异性好，容易得到陡直侧壁等优点，在 硅的深槽刻蚀中有着巨大的优势。ICP Inductive Coupled Plasma 刻蚀是 反应离子刻蚀 技术的一种，是通过感应线圈产生交变电磁场进行能量耦合产生等离子体的刻蚀技 术。一般的反应离子刻蚀机产生的等离子体，离子的电离度为百分之几，而ICP 能达 20 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 华 到的电离度为 70 ,~80 ,，因此离子的密度更大，刻蚀的速率更快。ICP 刻蚀中常用 工艺方法有低温刻蚀 Cryogenic etching 和Bosch 工艺刻蚀。 1 Bosch 工艺原理 Bosch 工艺也被称为钝化/刻蚀交替刻蚀 Time-Multiplexed Alternating Etching 。 [25] Bosch 工艺分为两个基本步骤 : 钝化步骤和刻蚀步骤。钝化步骤中通入C F 气体， 4 8 C F 在等离子体状态下分解成离子态 CF 基和活性 F 基，如反应式 3.1 所示。其中 4 8 2 CF 基与硅表面发生反应，形成 CF 高分子钝化层，如反应式 3.2 所示。高分子钝 2 2 n 化层同时覆盖在侧壁和底部。 C F ? 4 CF 3.1 4 8 2 n CF ? CF 3.2 2 2 n 钝化步骤之后紧接着进行刻蚀步骤，刻蚀步骤通入气体SF 。SF 的作用是电离产 6 6 生更多的F 离子，如反应式 3.3 所示。F 离子会对附着在侧壁和底部的高 分子钝化层 进行腐蚀，如反应式 3.4 所示。 SF6 ? Sx1Fy1+Sx2Fy2+F- 3.3 CF + F- ? CF 3.4 2 n x Si+ F- ? SiFy 3.5 附着在底部的高分子钝化层由于受到大量反应离子的撞击而被除去，附着在侧壁 的高分子钝化层受到很少的离子撞击，只是缓慢的被化学反应消耗。最终在侧壁上留 下的高分子钝化层就成为了侧壁的保护层，硅的刻蚀只在垂直的方向上发生，如反应 式 3.5 所示。 钝化和刻蚀步骤交替进行直至达到需要的刻蚀深度。采用Bosch 工艺能在硅片上 制造出纵向高度极高、侧壁陡直的微结构，其缺点是刻蚀底部会出现“草地” micrograss 和刻蚀侧壁粗糙度较大。侧壁的粗糙度和“草地”可以经过调整优化实验参数而得到 改善。 影响刻蚀结果的因素很多，比如ICP 功率、刻蚀室的压强、RF 偏置功率、基片 刻蚀步骤的持续时间。 的温度、气体流量、钝化/ ICP 功率决定了产生的离子的数量，因而影响着刻蚀速率。一般来说，ICP 功率 21 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 越大，刻蚀速率越大。 增加压强会增大F 离子和其他离子的密度，所以有助于增大刻蚀速率， 但是随着 压强的增大，离子的能量会降低，反而会影响刻蚀速率。并且随着离子能量的降低， [26] 离子的轰击方向会容易朝向侧壁，导致钻蚀 。 RF 偏置功率越大，离子轰击刻蚀材料的速度越大，轰击的垂直度也越好，因而 刻蚀速率也会增大，但过高的偏置功率会导致保护层的消耗增加，甚至损伤。 2 实验 刻蚀工艺在Oxford Instruments Plasma-lab system 100 刻蚀机上进行。本文先采用 系统内置的 Bosch 工艺来进行刻蚀，根据刻蚀结果来改进、优化刻蚀参数。内置的 Bosch 工艺参数如表3.1 所示。 表3.1 内置的Bosch 工艺参数 ICP 功率/W 700 钝化:10 RF 偏置功率/W 刻蚀:25 钝化:C F 100 4 8 气体流量/sccm 刻蚀:SF 100 6 钝化:10 时间/s 刻蚀:10 循环次数/次 30 氦气压/Torr 10 总气压/mTorr 40 基片温度/ ? 10 得到的微圆柱阵列如图3.3 所示。可以看到刻蚀底面出现了许多颗粒状的突起，即产 生了 “草地”，并且圆柱靠近底部的侧壁也比较粗糙。 “草地”是刻蚀过程中残留在底部的聚合物充当微小掩膜所引起的，此聚合物是 [27] C 和F 形成的复杂有机物 。一个自然而然的想法是增加RF 偏置功率来抑 制“草地”