技术领域
[0001] 本文所公开的方面涉及在
基板上大批量制造
生物感测装置阵列的方法，每个生物感测装置具有竖直或
水平隔膜(membrane)，该竖直或水平隔膜具有从中穿过的一个或多个固态纳米孔，并且涉及用于每个纳米孔的简单的流体寻址(addressing)的方法。
背景技术
[0002] 纳米孔广泛地用于诸如脱
氧核糖核酸(DNA)和核糖核酸(RNA)测序的应用。在一个示例中，使用电检测方法执行纳米孔测序，该电检测方法一般包括运输未知样品通过浸入在导
电流体中的纳米孔，并且在纳米孔两端施加电位。测量因离子传导通过纳米孔而产生的电流。跨纳米孔表面的电流
密度的幅值取决于纳米孔尺寸和样品组成，诸如当时占据纳米孔的DNA或RNA。不同的核苷酸会导致跨纳米孔表面的电流密度的特性变化。测量这些电流变化并将其用于对DNA或RNA样品进行测序。
[0003] 已经使用各种方法进行生物测序。通过合成进行的测序、或第二代测序用于鉴定哪些
碱基已连结到DNA单链。一般包括使整个DNA链穿过单个孔的第三代测序用于直接地读取DNA。一些测序方法要求将DNA或RNA样品切碎并然后重组。另外地，一些测序方法使用生物隔膜和生物孔，这些生物隔膜和生物孔具有保质期并且在使用之前必须冷藏。
[0004] 最近，已经使用作为形成在自
支撑隔膜(诸如氮化
硅或氧化硅)上的
纳米级孔的固态纳米孔进行测序。然而，当前固态纳米孔制造方法，诸如使用隧道
电子显微镜、聚焦的离子束、或电子束，不能容易地且廉价地实现制造纳米孔阵列必需的大小和
位置控制要求。另外地，当前纳米孔制造方法是耗时的。此外，当前自支撑隔膜制造方法是手动的、耗时的且昂贵的，并且不能有效地用于重复地形成具有对于DNA或RNA测序而言的最佳厚度的自支撑隔膜，诸如竖直隔膜。
[0005] 因此，本领域中需要大规模制造具有从中穿过的一个或多个固态纳米孔的竖直或水平隔膜的方法，以及用于纳米孔的流体寻址的方法。
发明内容
[0006] 本文所公开的方面涉及在基板上大批量制造生物感测装置阵列的方法，每个生物感测装置具有竖直或水平隔膜，该竖直或水平隔膜具有从中穿过的一个或多个固态纳米孔，并且涉及用于每个纳米孔的简单的流体寻址的方法。一方面，公开了一种用于将
电压从正极穿过自支撑隔膜施加到负极而形成纳米孔的方法。其他方面，公开了用于在晶片上形成多个纳米孔的方法。另一方面，公开了一种用于形成纳米孔装置的单侧处理方法，以提供在纳米孔的任一侧上具有浴槽(bath)的装置，所述装置可从所述基板的单侧寻址。另一方面，公开了一种用于流体地寻址多个纳米孔装置的方法。
[0007] 一方面，公开了一种用于形成生物测序装置的方法。所述方法包括：在基板上形成多个纳米孔装置，每个纳米孔装置具有第一浴槽和第二浴槽；形成通过多个第一通道与所述第一浴槽中的每个流体连通的第一浴槽储存器(bath reservoir)；以及形成通过多个第二通道与所述第二浴槽中的每个流体连通的第二浴槽储存器。
[0008] 另一方面，公开了一种用于形成纳米孔装置的方法。所述方法包括：在基板上的第一可非选择性地蚀刻的材料上方沉积第一可选择性地蚀刻的材料；在所述第一可选择性地蚀刻的材料上方沉积介电材料；在所述介电材料上方沉积第二可选择性地蚀刻的材料；在所述第二可选择性地蚀刻的材料上方沉积第二可非选择性地蚀刻的材料；以及选择性地蚀刻所述第一可选择性地蚀刻的材料和所述第二可选择性地蚀刻的材料以在所述基板的单侧上和所述介电材料的任一侧上形成第一浴槽和第二浴槽。
[0009] 另一方面，公开了一种用于生物测序应用的装置。所述装置包括：多个纳米孔装置；第一浴槽储存器；以及第二浴槽储存器。所述第一浴槽储存器通过一系列第一通道流体地耦接到所述多个纳米孔装置中的每个，并且所述第二浴槽储存器通过一系列第二通道流体地耦接到所述多个纳米孔装置中的每个。
附图说明
[0010] 为了能够详细地理解本公开内容的上述特征的方式，可以参考各方面来提供以上简要地概述的本公开内容的更特定的描述，其中一些示例在附图中示出。然而，应注意，附图仅示出了示例性方面，并且因此不应视为对其范围的限制，并且可以允许其他等效方面。
[0011] 图1A至图1D描绘了在本文所公开的方法的各个阶段的基板的截面图。
[0012] 图2是上面具有多个纳米孔装置的晶片的俯视图。
[0013] 图3是在DNA测序工艺期间上面具有两个纳米孔装置的图2的晶片的一部分的截面图。
[0014] 图4A至图4C描绘了图2的晶片的一部分的各种配置的俯视图。
[0015] 图5A至图5M描绘了在本文所公开的方法的各个阶段的用于生物测序应用的基板的截面图。
[0016] 图6A是由多个通道连接到第一浴槽储存器和第二浴槽储存器的多个基板的俯视图。
[0017] 图6B是连接到第一浴槽储存器和第二浴槽储存器的基板中的一个的截面图。
[0018] 图7是用于生物测序应用的基板的三维视图。
[0019] 为了便于理解，已经尽可能地使用相同的附图标记标示各图共有的相同元件。设想的是，一个方面的要素和特征可以有益地并入其他方面，而不进一步叙述。
具体实施方式
[0020] 本文所公开的方面涉及在基板上大批量制造生物感测装置阵列的方法，每个生物感测装置具有竖直或水平隔膜，该竖直或水平隔膜具有从中穿过的一个或多个固态纳米孔，并且涉及用于每个纳米孔的简单的流体寻址的方法。一方面，公开了一种用于将电压从正极穿过自支撑隔膜施加到负极而形成纳米孔的方法。其他方面，公开了用于在晶片上形成多个纳米孔的方法。另一方面，公开了一种用于形成纳米孔装置的单侧处理方法，以提供在纳米孔的任一侧上具有浴槽的装置，所述装置可从所述基板的单侧寻址。另一方面，公开了一种用于流体地寻址多个纳米孔装置的方法。
[0021] 作为示例，本文所描述的方法涉及在
半导体基板上形成固态纳米孔。还设想了所描述的方法可有用于在各种材料上形成其他孔状结构，所述各种材料包括固态和
生物材料。作为示例，本文所描述的方法涉及形成沟槽；然而，还设想了其他蚀刻特征和它们的任何组合。出于说明目的，描述了具有氧化硅介电层的硅基板；然而，还设想了任何合适的基板材料和介电材料。另外地，本文所描述的方法涉及基板的顶侧和背侧。顶侧和背侧一般是指基板的相对侧并且不一定要求向上或向下取向。
[0022] 图1A至图1D描绘了在本文所公开的方法的各个阶段的上面形成一个或多个纳米孔的基板100的截面图。
[0023] 基板100一般包括硅层102。自支撑隔膜104沉积在基板100上。出于说明目的，图1A至图1D示出了竖直自支撑隔膜。然而，本文还设想了水平自支撑隔膜。自支撑隔膜104一般通过任何合适的方法沉积或形成，其示例在下面公开。
[0024] 一方面，该方法开始于在自支撑隔膜104的任一侧上沉积正极106a和负极106b。如图1A所示，正极106a和负极106b远离自支撑隔膜104一定距离沉积。导电流体108沉积在
电极106a、106b中的每个与自支撑隔膜104之间的空间内。如图1B所示，正极106a和负极106b邻近自支撑隔膜104沉积。从正极106a向负极106b施加电压以击穿自支撑隔膜104并形成从中穿过而形成的纳米孔110，如图1C和图1D所示，这些图是具有从中穿过的纳米孔110的基板100的俯视图。一旦纳米孔110穿过在基板100上的自支撑隔膜104形成，基板100就可以用作用于测序应用(诸如生物测序，例如DNA或RNA测序)的装置。例如，一般执行连续或间歇电流感测以确定纳米孔110中的DNA或RNA样品的大小。
[0025] 正极106a和负极106b任选地被选择性地去除，如图1C所示。一方面，通
过喷墨印刷来沉积导电流体108。一方面，连续地施加电压。另一方面，电压是脉冲的。该电压一般是大于或等于自支撑隔膜104的材料的
击穿电压的任何电压。纳米孔110的大小或直径一般随电压增加到高于材料的击穿电压并随施加电压的次数增加而增加。
[0026] 纳米孔110的大小和位置受良好地控制。受良好地控制的纳米孔110的大小一般是适合于对一定大小的样品进行测序的直径。一方面，纳米孔110的大小为约100纳米(nm)或更小。一方面，纳米孔110的大小在约0.5nm与约5nm之间，例如在约1nm与约3nm之间，诸如2nm。另一方面，纳米孔110的大小在约1.6nm与约1.8nm之间，诸如约1.6nm，其大致是单链DNA的大小。另一方面，纳米孔110的大小在约2nm与约3nm之间，诸如约2.8nm，其大致是双链DNA的大小。纳米孔110的受良好地控制的位置一般是在基板上的适合于一个或多个纳米孔的配置的任何位置。
[0027] 图2是上面具有多个纳米孔装置220的晶片200的俯视图。每个纳米孔装置220具有至少一个纳米孔110。一方面，每个纳米孔装置220具有单个纳米孔110。另一方面，每个纳米孔装置220具有多个纳米孔110。一方面，纳米孔装置220是上述基板100，其制造方法已经在晶片200上进行多次以将大批量制造引入纳米孔制造。另一方面，纳米孔装置220是根据任何合适的纳米孔制造方法形成的能够进行生物测序的类似装置。晶片200一般使用晶片制造设备形成，并且可以包括多达数百至数千甚至数百万个密集地堆积的纳米孔装置220。纳米孔装置220可以单独地切分并出售，以某种布置方式分组在晶片200上，因此它们可以分组地切分并然后插入到DNA测序装置中，或者留在整个晶片200为DNA测序装置的晶片200上。在晶片200上的纳米装置220的阵列可以用于并行化测序，从而使测序时间更快，或者可以用于在单个晶片200上执行多个测试(包括其他生物学测试)。
[0028] 在纳米孔装置220已经沉积或形成在晶片200上之后，一般将含样品的溶液沉积在纳米孔110的一侧上，而将无样品的溶液沉积在纳米孔110的另一侧上。在DNA测序的示例中，将含DNA的溶液沉积在纳米孔110的一侧上，而将无DNA的溶液沉积在纳米孔110的另一侧上。一方面，为每个纳米孔110单独地添加所沉积的溶液。另一方面，将共同的含DNA的溶液添加到所有负极(
阳极)侧，而将共同的无DNA的溶液池添加到所有正极(
阴极)侧，反之亦然。一方面，将用于DNA溶液的容器制造到晶片200中。另一方面，用于DNA溶液的容器是从不同界面例如DNA合成板制造的。
[0029] 图3是在DNA测序工艺期间上面具有两个纳米孔装置220的晶片200的一部分300的截面图。如图3所示，两个纳米孔装置220的每个都分别具有阴极322a、322b，并且共享一个公共阳极324。将一般为DNA在导电液体中的含DNA的溶液添加到阴极储存器326a、326b。在测序期间，在纳米孔两端施加电压，并且DNA从阴极储存器326a、326b通过纳米孔110流到阳极储存器328。当DNA流过纳米孔110时，测量通过纳米孔110的电流，使得可以对DNA样品进行测序。由于连接了纳米孔装置220，因此DNA测序工艺一般是并行化的。
[0030] 图4A至图4C描绘了晶片200的一部分400的各种配置的俯视图。如图4A所示，纳米孔装置220共享公共阳极储存器或正电压。如图4B所示，纳米孔装置220中的每个具有其自己的阴极储存器和其自己的阳极储存器。如图4C所示，前两个纳米孔装置220共享一个阳极储存器，而后两个纳米孔装置220共享另一个阳极储存器，并且纳米孔装置220中的每个具有其自己的阴极储存器。图4A的示例一般可用于已经被验证的单个DNA序列。图4B的示例一般可用于选择单个经测序的DNA库。图4C的示例一般可用于从大类似DNA库中选择高
质量的经测序的DNA。
[0031] 一些方面，诸如图4A至图4C中所示的那些，每个纳米孔是可单独地电寻址的。为了可电寻址，纳米孔在纳米孔的一侧上至少需要其自己的储存器，诸如阴极或阳极储存器。这种单独电寻址能
力可用于调整通过纳米孔的测序速度，以及防止
信号混合。
[0032] 图5A至图5M描绘了在本文所公开的方法的各个阶段的用于生物测序应用的基板500的截面图。如上面所讨论，在生物测序工艺期间，将含样品的流体和无样品的流体分别施加到纳米孔的任一侧。图5A至图5M示出了在单侧制造工艺的各个阶段的用于生物测序应用的基板500，其提供了从基板的顶侧添加含样品的流体和/或无样品的流体。
[0033] 如图5A所示，在基板500的第一硅层502上方沉积或生长氧化物层504。然后，在氧化物层502上方沉积第一氮化物层506，如图5B所示。然后，使用蚀刻工艺来蚀刻氮化物层506的一部分。蚀刻工艺一般是任何合适的蚀刻工艺。然后，沉积第二硅层508以填充第一氮化物层506的先前经蚀刻的部分，如图5C所示。接着，在第二硅层508的至少一部分上方沉积介电层510并将其
图案化，如图5D所示。介电层一般是任何合适的介电材料，包括但不限于氧化物和氮化物。一方面，诸如金属氧化物层的介电层510是
原子层，其沉积至约1纳米(nm)至约10nm之间的厚度，例如约5nm。在剩余第一氮化物层506、第二硅层508和介电层510上方沉积第二氮化物层512。然后，使用蚀刻工艺来蚀刻第二氮化物层512的部分。在图5F中所示的示例中，蚀刻在介电层510上方的第二氮化物层512的一部分，以及在第二硅层508的一部分上方的第二氮化物层512的一部分。然后，在第二氮化物层512的经蚀刻的部分上方沉积第三硅层514，如图5G所示。接着，在基板500的第二氮化物层512和第三硅层514上方沉积第三氮化物层516，如图5H所示。然后，蚀刻第三氮化物层516的部分并用导电材料518来进行填充，如图5I所示。然后，蚀刻第三氮化物层516的部分以暴露第二硅层508和第三硅层514。
[0034] 然后选择性地蚀刻第二硅层508和第三硅层514，如图5K所示。例如，使用基于自由基的化学物质来达成可调谐的选择性，从而以原子级
精度去除第二硅层508和第三硅层514。
选定蚀刻剂和自由基选择性地蚀刻第二硅层508和第三硅层514。用于执行选择性蚀刻的腔室的示例是可从加利福尼亚州圣克拉拉应用材料有限公司(Applied Materials,Inc.of Santa Clara,California)获得的 SelectraTM蚀刻腔室。如图5L所示，第二硅层508和第三硅层514的选择性蚀刻提供了第一浴槽520和第二浴槽522。第一浴槽
520和第二浴槽522
定位在介电层510的任一侧，但是能够从顶部填充。例如，第一浴槽520和第二浴槽522一般被填充有缓冲流体。然后从第一导电材料部分518a向第二导电材料部分
518b施加电压，这提供了对介电层510的一部分的介
电击穿以形成纳米孔110。如果用溶液来填充两个浴槽520、522，则在被进入液体所陷于的纳米孔110附近可能形成气泡。如图7所示，在任一侧纳米孔110上的液体通道都有一个入口和一个出口，使得一个或多个气泡不会陷于纳米孔110附近。
[0035] 上述单侧工艺允许第一浴槽520和第二浴槽522彼此隔离，但是也可以从同一侧(诸如基板500的顶侧)填充。
[0036] 在图5A至图5M的示例中，描述了各种硅、
电介质、氮化物和导电层。本文所公开的方法更一般地适用于在堆叠中沉积各种可非选择性地蚀刻的层和可选择性地
刻蚀的层，并且选择性地刻蚀可选择性地刻蚀的层以在基板的同一侧上形成第一浴槽和第二浴槽，第一浴槽和第二浴槽由自支撑隔膜分开，自支撑隔膜可以具有从中穿过的纳米孔。在进一步的实施方式中，湿法蚀刻工艺用于在基板的同一侧上形成第一浴槽和第二浴槽。
[0037] 图6A是通过多个通道634a、634b连接到第一浴槽储存器630和第二浴槽储存器632的多个基板600的俯视图。图6B是连接到第一浴槽储存器630和第二浴槽储存器632的基板500中的一个的截面图。
[0038] 一方面，第一浴槽储存器630一般是用于含样品的导电流体(诸如含DNA的导电流体储存器)的储存器，并且第二浴槽储存器632一般是用于无样品的导电流体的储存器，或者反之亦然。另一方面，第一浴槽储存器630和第二浴槽储存器632容纳含样品的流体。如图6A所示，可以分别通过通道634a和通道634b从公共第一浴槽储存器630和公共第二浴槽储存器632对多个基板500(示出三个)进行流体地寻址。一方面，通道634a和634b是内部通道。
相应地，可以通过将导电流体远离浴槽一定距离滴入较大储存器中来填充多个浴槽。一方面，由于上述单侧处理方法，从顶侧填充浴槽和储存器。然后，导电流体经由毛细作用填充通道，并且因此使其进入基板500的浴槽中。
[0039] 尽管图6A至图6B示出了根据本文所描述的方法形成的基板500，但是从一个或多个储存器流体地寻址多个纳米孔装置的方法适用于通过任何合适的制造工艺形成的纳米孔装置。
[0040] 本公开内容的益处包括快速地形成一般可从基板的一侧或两侧流体地寻址的大批量的受良好地控制的纳米孔和纳米孔阵列的能力。所公开的方法一般提供穿过薄隔膜的在大小上受良好地控制的纳米孔。制造受良好地控制大小的纳米孔的方法提供改进的
信噪比，因为纳米孔的大小与被传输通过纳米孔的样品(诸如DNA单链)的大小类似，这增加了通过纳米孔的电流的变化。
[0041] 本文所描述的方法还提供了用于生物应用(诸如DNA测序)的竖直或水平自支撑隔膜，该自支撑隔膜是薄的(例如，小于或等于10nm)、介电的、对盐溶液(KCl)耐化学性的，具有对蚀刻工艺的化学物质的高选择性，是物理且电气无针孔的，具有低
应力，并且是可润湿的。越薄自支撑隔膜，越多
电场就将集中在边缘周围，因此，根据本文所描述的方法制造的自支撑隔膜的厚度允许在用于生物应用(诸如DNA碱基鉴定)期间实现高信噪比。
[0042] 更进一步，本文所描述的方法和设备允许通过不同的方式流体地寻址不同的纳米孔。例如，本文所描述的方法提供了单独地或组合地对来自共同含样品源和共同无样品源的一个或多个纳米孔的简单的流体寻址。此外，所形成的纳米孔装置阵列可以被运输到远离制造位点的位置处进行填充。
[0043] 尽管前述内容涉及本公开内容的各方面，但是在不脱离本公开内容的基本范围的情况下，可以设想本公开内容的其他和进一步方面，并且本公开内容的范围由所附
权利要求书确定。
