具体实施方式

提供了用于制造紧邻的良好控制的固态纳米孔及所述纳米孔的阵列的方法。在一个实施方式中，将多个井及一个或多个通道形成于基板中。井中的每一者均与一个通道相邻。每个井的侧壁的一部分均暴露，暴露侧壁的该部分最接近相邻的通道。每个井的暴露侧壁的该部分均被朝向相邻的通道侧向蚀刻。接着形成将每个井连接到相邻通道的纳米孔。每个纳米孔均可以与相邻的纳米孔隔开达小于1μm的距离。

举个例子，本文中所公开的方法涉及在半导体芯片上固态纳米孔形成。也预期，所公开的方法可用来在各种材料(包括固态及生物材料)上形成其他微流体装置及孔状结构。举个例子，本文中所公开的方法也涉及形成角锥形隧道；然而，也考虑其他的蚀刻特征及其任何组合。为了说明的目的，描述了硅基板；然而，也考虑任何合适的基板材料及介电材料(例如玻璃)。

图1是依据本公开内容用于形成多个纳米孔的方法100的工艺流程。图2A-2N描绘芯片200的俯视图及横截面图，多个纳米孔依据本文中所公开的方法(例如在方法100的各个阶段)形成在该芯片中。虽然图2A-2N是用特定的序列示出，但也预期，可以用任何合适的顺序执行图2A-2N中所描绘的方法100的各个阶段。为了促进更清楚地了解方法100，将使用图2A-2N中的芯片200的各种视图来描述及展示图1的方法100。虽然方法100是使用图2A-2N来描述的，但也可以包括未示于图2A-2N中的其他操作。

在方法100之前，提供基板202。基板202一般是任何合适的半导体基板，例如掺杂过或未掺杂的硅(Si)基板。基板202可以具有200μm到2000μm之间的厚度。在一个实施方式中，基板202是具有包括<100>平面的晶体结构的Si。在操作110中，将第一层204沉积于基板202上，如图2A的横截面图中所示。第一层204可以充当硬掩模。在至少一个实施方式中，第一层204是氢氧化钾(KOH)抗蚀刻阻挡层，例如氮化硅(SiN)。第一层204可以具有约1nm到约100nm之间的厚度。在一个实施方式中，第一层204具有约50nm的厚度。第一层204一般是通过任何合适的方法来沉积的，包括但不限于原子层沉积(ALD)、物理气相沉积(PVD)、或化学气相沉积(CVD)。

在操作120中，形成多个井206A-206B和一个或多个通道208，如图2B-2C中所示。图2B是芯片200的俯视图，而图2C是通过图2B中标示2C的线的横截面。该多个井206A-206B中的每一者均被设置在该一个或多个通道中的一个通道208附近。在至少一个实施方式中，在芯片200上形成偶数个井。虽然仅示出两个井206A-206B及一个通道208，但也可以利用任何数量的井及通道，如以下图3A-3B中所示出及描述。形成至少两个井206A-206B、或偶数数量的井允许成对地利用井(及以后利用耦接到井的纳米孔)。

为了在操作120中形成井206A-206B及通道208，将第一光刻胶层210沉积于第一层204上。接着执行图案化工艺以形成井206A-206B及通道208。一般而言，图案化工艺包括以下步骤：光刻或图案化第一光刻胶层210，及例如通过反应性离子蚀刻法(RIE)蚀刻第一层204及基板202。蚀刻可以是定向蚀刻。接着移除第一光刻胶层210。

可以将井206A-206B及通道208蚀刻到10nm到2μm之间的深度213。在一个实施方式中，将井206A-206B及通道208蚀刻到具有约250nm的深度213。井206A-206B可以与通道208隔开达20nm到500nm之间的距离212。通道208可以具有约1nm到200nm的宽度214。在一个实施方式中，通道208可以具有小于100nm的宽度214。因此，第一井206A可以与第二井206B隔开达小于1000nm的距离。

在操作130中，将第二层216(例如相对于第一层204展现合适的蚀刻选择性程度的材料，例如氧化物层)沉积或生长在第一层204、该多个井206A-206B、及通道208上以涂覆芯片200的每个暴露面，如图2D-2E中所示。图2D是芯片200的俯视图，而图2E是通过图2D中标示2E的线的横截面。第二层216沉积在芯片200的每个暴露面上方的保形层中。第二层216可以具有1nm到100nm之间的厚度。在一个方面中，第二层216具有5nm到10nm之间的厚度。在一个实施方式中，例如通过将第一层204暴露于氧或水(H₂O)来氧化第一层204，以形成第二层216。在另一个实施方式中，使用ALD来沉积第二层216。在又一个实施方式中，通过例如由ALD、CVD、或PVD来沉积金属或半导体层然后氧化金属或半导体层以形成第二层216，来形成第二层216。

第二层216可以是KOH抗蚀刻层。在至少一个实施方式中，第二层216包括SiN。第二层216可以是抗碱的。第二层216一般包括具有相对于SiO₂而言是低的蚀刻速率的任何合适的介电材料。第二层216的合适材料的示例进一步包括但不限于Al₂O₃、Y₂O₃、及TiO₂。第二层216的蚀刻速率与SiN的蚀刻速率相比一般大于约10:1，例如约100:1，例如约1,000:1。

在操作140中，暴露井206A-206B中的每一者的侧壁222的一部分，如图2F-2G中所示。图2F是芯片200的俯视图，而图2G是通过图2F中标示2G的线的横截面。暴露侧壁222的该部分与通道208相邻，且是基板202的一部分。在一个实施方式中，暴露通道208的侧壁的一个或多个部分。在此类实施方式中，暴露通道208的侧壁的与第一井206A相邻的第一部分，且暴露通道208的侧壁的与第二井206B相邻的第二部分。可以将通道208的侧壁的第一部分及侧壁的第二部分直接设置在彼此对面。可以将通道208的侧壁的第一部分及侧壁的第二部分设置在彼此附近。

为了暴露侧壁222的该部分，执行第二图案化工艺。在第二图案化工艺中，沉积平坦化层218以为了改善光刻工艺提供平坦面。接着将第二光刻胶层220沉积于平坦化层218上。可以将掩模与侧壁222的待暴露的部分对准。第二图案化工艺包括以下步骤：光刻或图案化第二光刻胶层220及平坦化层218。第二图案化工艺进一步包括以下步骤：例如通过RIE或通过湿蚀刻工艺，来蚀刻第二光刻胶层220及平坦化层218，以暴露井206A-206B的侧壁222的该部分。

在操作150中，从井206A-206B的暴露侧壁222的部分选择性地蚀刻第二层216，如图2H-2I中所示。图2H是芯片200的俯视图，而图2I是通过图2H中标示2I的线的横截面。在操作140中暴露通道208的侧壁的部分的一个实施方式中，从通道208的暴露侧壁的部分选择性地蚀刻第二层216。

为了从暴露侧壁222的部分移除第二层216，在一个实施方式中利用了湿蚀刻剂。例如，可以使用氟化物基蚀刻剂(例如稀释的氢氟酸(DHF))，因为氧化物对氟化物蚀刻有选择性。在另一个实施方式中，利用各向同性的干蚀刻剂来从暴露侧壁222的部分移除第二层216。例如，干蚀刻剂可以包括含氟蒸气或等离子体。在一个示例中，含氟蒸气或等离子体包括氟离子和/或氟自由基。选择性蚀刻可以移除第二层216，同时保持第一层204完整。可以选择性地从暴露侧壁222的部分移除第二层216，同时保留井206A-206B的侧表面上的第二层216，如图2I中所示。可以接着移除第二光刻胶层220及平坦化层218。通过移除第二光刻胶层220及平坦化层218，芯片200具有在井206A-206B的侧壁的未暴露部分上的抗碱第二层216及暴露侧壁222的部分上的暴露硅晶体表面。

在操作160中，朝向通道208侧向蚀刻暴露侧壁222的部分。侧向蚀刻剂可以包括碱性液体化学物质，例如KOH浸蚀剂，或通过暴露于四甲基氢氧化铵(TMAH)来进行，如图2J及2K中所示。图2J是芯片200的俯视图，而图2K是通过图2J中标示2K的线的横截面。在一个实施方式中，侧向蚀刻剂包括各向异性蚀刻。在另一个实施方式中，侧向蚀刻剂包括各向同性蚀刻。在操作140中暴露通道208的侧壁的部分的一个实施方式中，朝向井206A-206B侧向蚀刻通道208的暴露侧壁的部分。

侧向蚀刻包括以下步骤：用与基板202的平坦上表面平行的方式蚀刻基板202。侧向蚀刻可以是各向异性蚀刻。朝向通道208侧向蚀刻暴露侧壁222的部分形成了在第一层204下方通过基板202的隧道224或路径。隧道224是角锥或截头锥形的，且与第一层204的平坦上表面平行。隧道224的尺寸可以取决于暴露侧壁222的部分的尺寸而变化。可以蚀刻隧道224，直到只有第二层216的薄膜膜(thin film membrane)仍然存在于隧道224与通道208之间为止。

可以执行侧向蚀刻达预定的时间量以沿着晶体结构的晶体小面或晶格蚀刻基板202。预定的时间段一般被决定为相对于掩模开口减少或消除侧向蚀刻。一般而言，Si基板202的<100>平面将用与溶液的温度及KOH在H₂O中的浓度对应的速率蚀刻。对于大部分的情境而言，KOH将用约0.4nm/s与约20nm/s之间的速率蚀刻Si的<100>平面。可以通过冷却或加热溶液将速率加速或减速。可以在0到100摄氏度的温度下将暴露侧壁222的部分暴露于蚀刻剂达0.5到5分钟。在一个实施方式中，将30重量百分比的KOH水溶液加热到约40度，且施用达约1分钟。

在操作170中，形成多个纳米孔226A-226B以将隧道224连接到通道208，如图2L-2N中所示。图2L是芯片200的俯视图，而图2M是通过图2L中标示2M的线的横截面。图2N绘示具有井206A-206B的芯片260的实施方式，所述井被设置在通道208的同一侧，其中纳米孔226A-226B是实质平行的或同轴地对准的。可以依据如针对图2A-2M所描述的方法100形成图2N的芯片260。

可以通过施加电压以诱发保留在隧道224与通道208之间的第二层216的薄膜膜的介电击穿来形成纳米孔226A-226B，从而造成形成良好控制的、局部的、及强健的纳米孔。纳米孔226A-226B形成于角锥或截头锥形的隧道224的尖端处。可以可选地将一个或多个电极240形成于芯片200上以施加电压。可以将该一个或多个电极240设置在井206A-206B内及通道208内的第二层216上。可以接着在形成纳米孔226A-226B之后移除该一个或多个电极240。在另一个实施方式中，芯片200包括配置为施加电压的电极。可以将玻璃滑件(glassslide)228沉积于第二层216上及粘合到该第二层。

所施加的电压一般例如通过降解第二层216的一部分来移除第二层216的至少一部分以形成纳米孔226-226B。所施加的电压一般包括大于第二层216的击穿电压的典型电压。例如，氧化硅的击穿电压一般是在约2百万伏特(MV)/cm与约6MV/cm之间，或在材料的约200-600毫伏特(mV)/nm之间。在一个方面中，所施加的电压稍微小于第二层216的击穿电压，且施加电流较长时间，以缓慢地击穿其余的膜。在另一个方面中，所施加的电压大于基板材料的击穿电压，使得纳米孔226A-226B炸穿该基板材料。若形成了具有比所需的尺寸大的尺寸的纳米孔226A-226B，则可以执行氧化工艺以减少纳米孔226A-226B的尺寸。例如，可以氧化角锥或截头锥形的隧道224的尖端以减少纳米孔226A-226B的尺寸。在一个实施方式中，不将第二层216沉积于通道208的设置在隧道224之间的一部分上，或从该通道的该部分移除该第二层。在此类实施方式中，可以使用操作160的侧向蚀刻来形成纳米孔226A-226B，且不需要施加电压来形成纳米孔226A-226B。

形成至少两个井206A-206B且随后形成至少两个纳米孔226A-226B允许将耦接到井206A-206B的纳米孔226A-226B成对地利用或用作双孔，以将大分子(例如蛋白质)和/或生物聚合物(例如DNA)测序。例如，可以将芯片200填以包括生物聚合物和/或大分子的电解质或导电流体。单链DNA或大分子可以穿过耦接到第一井206A的纳米孔226A再穿过耦接到第二井206B的纳米孔226B以决定生物聚合物和/或大分子的性质或附接到生物聚合物和/或大分子的材料。电性质包括电信号，该电信号可以基于DNA碱基对的尺寸和/或形状而改变。耦接到第一井206A的纳米孔226A可以控制可以用以将生物聚合物和/或大分子吸引到纳米孔226A的收集速率，且耦接到第二井206B的纳米孔226B可以控制生物聚合物和/或大分子用以穿过纳米孔226B的速度或速率，反之亦然。在另一个实施方式中，经由施加具有不同大小的电场，两个纳米孔226A、226B都影响生物聚合物和/或大分子用以穿过纳米孔的速率。因此，利用双纳米孔允许双纳米孔彼此流体连通，从而在仍然维持控制的同时造成了改善的信噪比及较高的生物聚合物和/或大分子的捕捉速率。

因为已经依据本文中所公开的方法形成纳米孔226A-226B，所以纳米孔226A-226B的尺寸及位置被良好地控制。纳米孔226A-226B的良好控制的尺寸一般是适于将某个尺寸的试样测序的直径。在一个方面中，纳米孔226A-226B的尺寸为约100nm或更小。在一个方面中，纳米孔226A-226B是在约5nm x 5nm与约50nm x 50nm之间。在一个实施方式中，纳米孔226A-226B具有约5nm与50nm之间的直径。在一个实施方式中，纳米孔226A-226B为约20nm x20nm。在另一个方面中，纳米孔226A-226B的尺寸是在约1.5nm与约1.8nm之间，例如约1.6nm，其大致为单链DNA的尺寸。在另一个方面中，纳米孔226A-226B的尺寸是在约2nm与约3nm之间，例如约2.8nm，其大致为双链DNA的尺寸。纳米孔226A-226B的良好控制的位置一般是基板上的适用于一个或多个纳米孔的配置的任何位置。在一个实施方式中，纳米孔226A-226B彼此隔开小于1μm，例如彼此隔开小于100nm。

在一个方面中，芯片200包括纳米孔226的阵列，如图3A-3F中所示。本文中所公开的方法一般用来控制该多个纳米孔226中的每一者的位置，使得形成用于测序或其他过程的所需配置的纳米孔阵列。方法100不限于上述的操作，且可以包括一个或多个各种其他的操作。

图3A-3F分别绘示依据各种实施方式的芯片300、350的各种实施方式，所述芯片具有呈现各种设计或布局的多个纳米孔。芯片300及350可以是图2A-2N的芯片200。此外，图3A-3F的通道308、隧道324、井306A-306B、及纳米孔326A-326B可以分别是图2A-2N的通道208、隧道224、井206A-206B、及纳米孔226A-226B。

在图3A-3B中，芯片300包括呈直角设计的井对阵列。芯片300绘示耦接到纳米孔的三对井306A-306B，其中每个井306A-306B均由隧道324耦接到通道308。图3B绘示图3A的芯片300的中心中的纳米孔326A-326B的特写。如图3B中所示，纳米孔326A及326B相对于彼此用实质直角设置。在一个实施方式中，三对井306A-306B中的每一者具有用于将生物聚合物和/或大分子测序的相异功能，例如提供对生物聚合物和/或大分子的不同流体及电气出入口(electrical access)。例如，在已经在芯片300上形成了纳米孔326A-326B之后，一般将含试样的溶液沉积在第一组井306A-306B中且将无试样的溶液沉积在第二组井306A-306B上方。

在通道308朝向芯片300的中心延伸时，芯片300的每个通道308均可以变窄。通道308可以具有约1μm到20μm的宽度330。在一个实施方式中，通道308具有约10μm的宽度330。隧道324可以具有从一个通道308延伸到另一个通道308的约0.1μm到0.5μm的长度332。在一个实施方式中，隧道324具有约0.25μm的长度332。在另一个实施方式中，纳米孔326A-326B彼此隔开小于1μm，例如彼此隔开小于100nm。在图3A-3B中，通道308具有高达20μm的宽度，同时仍然容许纳米孔326A-326B彼此隔开小于1μm。

因为纳米孔326A-326B相对于彼此用实质直角设置，所以纳米孔326A与326B之间的距离并不取决于通道308的宽度330，因为纳米孔326A-326B不由通道308分离。具有较宽的通道308也允许隧道324更大。利用具有紧密隔开的纳米孔326A-326B及较大的隧道324及通道308的芯片300允许较大量的流体穿过通道308及隧道324，从而造成在将生物聚合物和/或大分子测序时遭遇较少的电阻。如此，可以实现较高的流量及增强的电气性质，且可以将较大的生物聚合物和/或大分子测序。

在图3C-3D中，依据一个实施方式，芯片350包括呈平行或同轴对准设计的井对阵列。芯片350绘示耦接到纳米孔的三对井306A-306B，其中每个井306A-306B均由隧道324耦接到通道308。图3D绘示图3C的芯片350的中心中的纳米孔326A-326B的特写。如图3D中所示，纳米孔326A及326B彼此实质平行地设置或同轴地对准。在一个实施方式中，三对井306A-306B中的每一者具有用于将生物聚合物和/或大分子测序的相异功能，例如提供对生物聚合物和/或大分子的不同流体及电气出入口。例如，在已经在芯片300上形成了纳米孔326A-326B之后，一般将含试样的溶液沉积在第一组井306A-306B中且将无试样的溶液沉积在第二组井306A-306B上方。

在图3E-3F中，依据另一个实施方式，芯片370包括呈平面内或同轴对准设计的井对阵列。芯片370绘示耦接到纳米孔的三对井306A-306B，其中每个井306A-306B均由隧道324耦接到通道308。图3F绘示图3E的芯片370的中心中的纳米孔326A-326B的特写。如图3F中所示，纳米孔326A及326B彼此实质平面内地设置或同轴地对准。纳米孔326A及326B被设置为在彼此附近或彼此实质平行。纳米孔326A及326B可以彼此隔开达距离372。与芯片300类似，纳米孔326A-326B彼此隔开的距离372并不取决于通道308的宽度，因为纳米孔326A-326B不由通道308分离。因此，可以实现较高的流量及增强的电气性质，且可以将较大的生物聚合物和/或大分子测序。

在一个实施方式中，三对井306A-306B中的每一者具有用于将生物聚合物和/或大分子测序的相异功能，例如提供对生物聚合物及/或大分子的不同流体及电气出入口。例如，在已经在芯片300上形成了纳米孔326A-326B之后，一般将含试样的溶液沉积在第一组井306A-306B中且将无试样的溶液沉积在第二组井306A-306B上方。

图3A-3F的实施方式仅是具有双纳米孔设计的芯片的三个示例，且不限于上述的实施方式。也考虑任何合适的双纳米孔布局或设计。

本公开内容的益处包括快速形成良好控制的纳米孔及具有紧邻地形成的纳米孔对的纳米孔阵列的能力。所公开的方法大致提供了尺寸及位置被良好控制的通过薄膜膜的纳米孔。制造良好控制的尺寸的纳米孔的方法提供了改善的信噪比及更高的生物聚合物和/或大分子捕捉速率，同时维持了高控制水平。单链生物聚合物和/或大分子能够用更高的收集速率捕捉，且能够用增加的速度传送通过纳米孔，这增加了穿过纳米孔的电流的改变。因此，利用良好控制的纳米孔对提供了改善的DNA序列读数。

虽然以上内容涉及本公开内容的方面，但也可以在不脱离本公开内容的基本范围的情况下设计本公开内容的其他的及另外的方面，且本公开内容的范围是由随后的权利要求所决定的。