基于CMOS技术的平面固态纳米孔：迈向可扩展的纳米流体集成

《Advanced Engineering Materials》：Planar Solid-State Nanopores Toward Scalable Nanofluidic Integration Based on CMOS Technology

　　摘要

固态纳米孔（SSNPs）在从单分子检测和选择性过滤到渗透能收集以及离子电子学等多个应用领域具有巨大潜力。随着对这些应用需求的增加，一种改进纳米孔平台的设计方案是整合互补的纳米流体组件，包括纳米通道和纳米反应器，以实现完全集成的芯片实验室系统。在这里，我们提出了一种基于标准硅技术的可扩展平面SSNPs制造策略，该技术已用于先进的集成电路。我们展示了一个原型设备，该设备通过纳米孔连接两个微流体储液池，对其电噪声特性进行了表征，并量化了在压力驱动流动下产生的流动电流。使用硅纳米制造工艺还可以独立设计每个平面纳米孔的几何形状和尺寸（长度、宽度、高度），使纳米孔自然成为同一芯片上混合了微尺度和纳米尺度通道的流体系统的一部分。这一工艺支持高密度微/纳米流体的晶圆级制造，提供了出色的机械稳定性，并且与互补的金属氧化物半导体电子设备完全兼容。这些特性共同构成了一个多功能、可集成的纳米流体平台，适用于下一代传感、能源和分析应用。

1 引言

纳米孔是一个纳米级的孔隙，用于连接两个充满电解质的流体储液池。当在纳米孔上施加电场时，会诱导离子传输，从而产生可观的离子电流[1]。离子和水分子通过这种纳米孔的传输是一个基本过程，它决定了基于纳米孔的设备的功能和性能。与宏观系统中的传输不同，纳米尺度限制内的离子和溶剂动力学主要受其与孔隙表面的强相互作用的影响。表面电荷密度、润湿性、表面偶极矩和纳米尺度粗糙度等参数对这些相互作用有重要影响[1]。这些微观细节构成了包括离子浓度极化[1]、电流整流[2]、诱导电荷电动力学效应[3]、电渗流[4]和蓝色能源（渗透能）生成[5]等一系列高度耦合、非线性和非平衡行为的基础。利用纳米孔平台的离子传输行为已经开发出了多种技术应用，包括神经形态电路[6-8]和离子电子晶体管[9]。固态纳米孔（SSNPs）通常由硅[10-12]、氮化硅（SiNx）、二氧化硅（SiO2）、石墨烯和过渡金属硫属化合物（例如MoS2和WS2）[1, 13]等材料制成的合成膜制成。与生物纳米孔相比，SSNPs具有更高的机械强度、化学稳定性以及尺寸和几何形状的可调性。传统的SSNPs通常是垂直配置的，通过离子束或电子束钻孔、各向异性化学蚀刻、金属辅助化学蚀刻[1, 13-15]以及光刻和反应离子蚀刻（RIE）的组合[1]来制造。这些方法实现的孔径范围从亚纳米到数百纳米不等。尽管制造过程相对简单，但传统的垂直配置存在严重限制：同一基底需要同时承担两个功能：作为孔隙的载体和孔隙形成的机械支撑。随着纳米孔密度的增加，后者会不断侵蚀前者。使用这种垂直纳米孔制造微/纳米通道以实现离子电路与标准硅（Si）技术基本不兼容。此外，垂直系统对孔隙形状的控制有限，由于蚀刻过程的限制，几何形状通常只能选择几种方案。精确调节侧壁倾斜角度和表面曲率仍然是一个重大挑战，但新兴证据表明，纳米孔的几何形状在离子整流和分析物传输动力学中起着关键作用[10, 11, 16]。为了应对这些挑战，平面或共面纳米孔的新配置受到了越来越多的关注[17-19]。在这种配置下，纳米孔在流体路径所在的同一平面内横向排列，使得可以串联多个传感元件。这种共面设计具有与辅助纳米流体元件（例如混合器、分离器、反应器）更好的集成性，简化了设备组装，并增强了与光学读出等正交检测方法的兼容性[17, 19]。此外，串联纳米孔阵列通过允许多个检测点的信号平均，提高了传感精度，从而减少了变异性并增强了分析物的区分能力[18]。已经提出了几种制造这种平面纳米孔的方法。其中，聚焦离子束（FIB）铣削技术因其能够精确雕刻共面纳米结构而脱颖而出[17]。例如，有一种基于玻璃的纳米孔设备，其中包含两个到八个串联的共面纳米孔，用于实时电阻脉冲检测病毒衣壳[17]；增加孔的数量可以减少脉冲变异性并提高检测精度。同样，串联的共面纳米孔也被用于提高单分子分析的信号保真度[18]。然而，基于FIB的制造策略在吞吐量、对准精度、可重复性或均匀性以及与可扩展制造技术的兼容性方面存在不足。它需要大量的人工，并且需要高端设备，这限制了其广泛采用。解决这些缺点是实现平面纳米孔技术在集成纳米流体系统中更广泛应用的关键步骤。在本工作中，我们报告了一种基于标准Si纳米制造工艺技术的稳健且可扩展的平面SSNPs（pSSNPs）制造策略，该技术已用于先进的集成电路。一旦使用电子束光刻（EBL）和RIE生产出连接到相应微流体储液池的pSSNPs，就通过阳极键合来密封流体通道。然后使用电子显微镜对pSSNPs进行成像，并从电流-电压（I–V）特性、噪声性能和流动电流等方面进行电学分析。通过详细的实验分析，我们建立了一个通用的pSSNPs噪声模型。该模型不仅捕捉了我们测量中观察到的关键特征，还为评估目前实验无法达到的更小纳米孔的噪声行为提供了一个预测框架。我们的方法能够在同一纳米流体平面内精确定义纳米孔的尺寸（长度、宽度和高度）、形状和不对称程度。该工艺支持在单个基底上集成多个具有独立控制设计的纳米孔，允许它们的战略性放置和串联排列。这样的配置使得在连续流动下从分析物中顺序获取信号成为可能，为多路传感和高分辨率信号反卷积开辟了新的可能性。除了传感器集成之外，该平台还为开发纳米流体逻辑电路、可编程离子系统和微型化流体计算架构提供了巨大潜力，标志着向下一代多功能纳米流体芯片迈出了一步。

2 实验部分

pSSNPs的制造涉及Si处理和阳极晶圆键合。对制造出的设备的表征包括显微镜成像和电学测量。由于这两部分都很重要，因此将在下面的小节中分别描述。

2.1 平面纳米孔的制造

尽管制造方法允许定义不同尺寸的纳米孔，但在这项工作中我们专注于长度为60纳米、横截面名义宽度为50纳米、高度为50纳米的pSSNPs，它们相对于基底表面是横向排列的。参考图1，pSSNP设备是在厚度为525微米的单面抛光（100）Si晶圆上制造的。按照标准清洁协议，制造过程首先是为EBL定义对准标记（nB5, NanoBeam Ltd.）。通过暴露负性氢硅氧烷（HSQ）抗蚀剂（步骤1）生成了宽50纳米、高50纳米的二氧化硅纳米线。然后通过低压化学气相沉积（ExperTech CTR-200 Compact Thermal Reactor）沉积了450纳米厚的非晶Si层，以最小化纳米孔区域的地形变化（步骤2）。虽然这些氧化物纳米线的尺寸决定了纳米孔的宽度和高度，但纳米孔的长度是在连接到它们的微流体储液池的反应性离子蚀刻过程中定义的（Applied Materials Precision 5000 Mark II）（步骤3）。在这个阶段，保持储液池之间的纳米孔结构需要一个垂直的侧壁轮廓，因此需要使用合适的蚀刻化学物质。还创建了10微米深的中间缓冲区域，以减轻毛细效应并确保受控的流体输送（步骤4），之后使用深度RIE（Tegal 110 S/DE）在Si基底上蚀刻了直径为250微米的通孔（步骤5）。随后通过使用缓冲氢氟酸（BHF）选择性地去除牺牲氧化物纳米线来打开pSSNPs。为了提高表面润湿性并确保稳定的电解质相互作用，通过原子层沉积（ALD）（Picosun R-200 ALD Unit）沉积了一层薄薄的（≤5纳米）氧化铪（HfO2）[20]。这一步骤会导致纳米孔的宽度和高度减小，同时长度增加约10纳米（即HfO2厚度的两倍）。最后，通过将图案化的Si晶圆与硼硅酸盐玻璃基底在380°C下、950伏偏压下进行阳极键合24小时，将纳米孔及其相应的微流体储液池封闭起来（步骤6）。

2.2 特性分析和数据处理

制造过程中一个特别重要的步骤是可靠地密封pSSNPs及其微流体储液池（图2a）。成功的阳极键合可以实现坚固的封闭，使得能够在使用3D打印制造的定制四端多入口-出口设置中对定义明确的pSSNPs进行电化学表征（图2b和支持信息[SI]）。在每次电学测量之前，芯片会用去离子水（DIW）彻底清洗和冲洗。然后通过通孔将电解质插入入口和出口。每个端子都使用家用漂白剂氯化银线重新制作了Ag/AgCl电极（步骤21）。这种带有电极的配置代表了一种典型的四点探针设置，用于消除在测量两个电极之间的离子电流时从I–V曲线中提取纳米孔电导时寄生接触和串联电阻的影响。这种配置的另一个优点是它可以对称地评估电极。图2（a）是一个完成的pSSNP设备，尺寸为10毫米×10毫米；（b）是加载了pSSNP设备的定制测量单元的顶视图，以及入口、出口和电极；（c）是用于孔形成的牺牲SiO2纳米线和两个储液池的顶视图；（d）是在去除SiO2纳米线和晶圆键合后的pSSNP的横截面和侧视图（图1，步骤6）。pSSNP = 平面固态纳米孔。

2.2.1 平面纳米孔的制造

虽然制造方法允许定义不同尺寸的纳米孔，但在这项工作中我们专注于长度为60纳米、横截面名义宽度为50纳米、高度为50纳米的pSSNPs，它们相对于基底表面是横向排列的。参考图1，pSSNP设备是在厚度为525微米的单面抛光（100）Si晶圆上制造的。按照标准清洁协议，制造过程首先是为EBL定义对准标记（nB5, NanoBeam Ltd.）。通过暴露负性氢硅氧烷（HSQ）抗蚀剂生成了宽50纳米、高50纳米的二氧化硅纳米线（步骤1）。然后通过低压化学气相沉积（ExperTech CTR-200 Compact Thermal Reactor）沉积了450纳米厚的非晶Si层，以最小化纳米孔区域的地形变化（步骤2）。虽然这些氧化物纳米线的尺寸决定了纳米孔的宽度和高度，但纳米孔的长度是在连接到它们的微流体储液池的反应性离子蚀刻过程中定义的（Applied Materials Precision 5000 Mark II）（步骤3）。在这个阶段，保持储液池之间的纳米孔结构需要一个垂直的侧壁轮廓，因此需要使用合适的蚀刻化学物质。还创建了10微米深的中间缓冲区域，以减轻毛细效应并确保受控的流体输送（步骤4），之后使用深度RIE（Tegal 110 S/DE）在Si基底上蚀刻了直径为250微米的通孔（步骤5）。随后通过使用缓冲氢氟酸（BHF）选择性地去除牺牲氧化物纳米线来打开pSSNPs。为了提高表面润湿性并确保稳定的电解质相互作用，通过原子层沉积（ALD）（Picosun R-200 ALD Unit）沉积了一层薄薄的（≤5纳米）氧化铪（HfO2）[20]。这一步骤会导致纳米孔的宽度和高度减小，同时长度增加约10纳米（即HfO2厚度的两倍）。最后，通过将图案化的Si晶圆与硼硅酸盐玻璃基底在380°C下、950伏偏压下进行阳极键合24小时，将纳米孔及其相应的微流体储液池封闭起来（步骤6）。

2.2.2 特性分析和数据处理

制造过程中一个特别非平凡的步骤是可靠地密封pSSNPs及其微流体储液池（图2a）。成功的阳极键合可以实现坚固的封闭，使得能够在使用3D打印制造的定制四端多入口-出口设置中对定义明确的pSSNPs进行电化学表征（图2b和支持信息[SI]）。在每次电学测量之前，芯片会用去离子水（DIW）彻底清洗和冲洗。然后通过通孔将电解质插入入口和出口。每个端子都使用家用漂白剂重新制作了Ag/AgCl电极（步骤21）。这种带有电极的配置代表了一种典型的四点探针设置，用于消除在测量两个电极之间的离子电流时从I–V曲线中提取纳米孔电导时寄生接触和串联电阻的影响。这种配置的另一个优点是它可以对称地评估电极。图2（a）是一个完成的pSSNP设备，尺寸为10毫米×10毫米；（b）是加载了pSSNP设备的定制测量单元的顶视图，以及入口、出口和电极；（c）是用于孔形成的牺牲SiO2纳米线和两个储液池的顶视图；（d）是在去除SiO2纳米线和晶圆键合后的pSSNP的横截面和侧视图（图1，步骤6）。pSSNP = 平面固态纳米孔。对于测量，将DIW通过通孔注入两个注射器，连接到左侧和右侧的储液池。然后，通过其中一个注射泵缓慢将DIW注入pSSNP，以避免形成气泡。之后，将不同KCl浓度（5、10、50、100、500毫摩尔和1摩尔）的电解质注入两个储液池。离子电流的唯一路径是通过pSSNP的，这一点通过对称性测试和模拟得到了验证。使用电导率计（Lab 945, Xylem Analytics Germany Sales GmbH & Co. KG）校准了KCl溶液的电阻率。电解质的pH值约为6.5。随后，拆卸注射器，并使用Axopatch 200B（Molecular Device Inc.）记录离子电流。信号由Axon Digidata 1550A（Molecular Device LLC.）数字化，并使用Axon pCLAMP 10（Molecular Device LLC.）软件记录。采样频率为10千赫兹，使用1千赫兹的四极贝塞尔低通滤波器。整个实验设置放置在一个法拉第笼内，以防止电磁干扰。在另一个实验中，使用压力调节器来控制N2气体压力，压力范围从0到5巴。通过将压力调节器的出口连接到装有KCl电解质的储液池的入口和出口，将压力设置在一个储液池的一侧，如图2b所示。然后，在零偏压下打开和关闭压力时记录离子电流。为了避免在压力建立/下降过程中的瞬态影响，每次测量的电流记录至少持续5秒。每个压力下重复测量10次。在不同的实验中，使用了不同的样品，但它们的尺寸应该非常相似。

3 结果与讨论

在扫描电子显微镜下获取了pSSNP的图像，如图2所示：(c) 是在晶圆键合前（图1，步骤4）垂直排列的SiO2纳米线图案的俯视图和倾斜后的俯视图；(d) 是晶圆键合后（图1，步骤6）矩形截面的pSSNP的侧视图。图2c中的SiO2纳米线定义了在用BHF去除后pSSNP的横截面积，该纳米孔的宽度和高度分别与纳米线的宽度和厚度相同（图1，步骤5）。

3.1 平面固态纳米孔的导电性

从各自的I-V曲线中提取了这些60纳米长的pSSNPs在每种电解质（KCl）浓度（从5 mM到1 M）下的导电性。测量是在基线电流稳定后进行的。在开孔条件下，通过施加-120到120 mV的偏压，以10 mV的步长获得I-V特性，如图3a所示。

(a) 不同KCl浓度下60纳米长pSSNPs的I-V特性。(b) pSSNP导电性与电解质导电性的变化，通过模型拟合可以得到纳米孔的宽度和表面电荷密度。pSSNP的导电性随着KCl浓度的增加而增加，即随着电解质导电性的增加而增加，如图3b所示。导电性与导电性的关系偏离了理想线性，这证实了通过电双层（EDL）的表面传导所起的作用[22]。通过使用简单的方形柱电阻模型[23]对数据拟合，可以提取出（近似）方形截面的pSSNP的宽度以及pSSNP侧壁的表面电荷密度σ。提取的宽度为46纳米，与图2c中直接测量的值非常吻合。对于ALD HfO2层（图1，步骤6），提取的表面电荷密度为-0.008 C/m2，与我们之前的发现[20]一致。值得注意的是，尽管在这种尺寸的纳米孔中表面传导并不占主导地位，并且可能只会在通过模型拟合提取表面电荷时引入一些不确定性，但提取值的数量级仍然是可靠的（详见补充信息中的图S9）。

3.2 平面纳米孔的噪声特性

对于在Si基底上制造的垂直SSNPs[2, 24, 25]来说，噪声一直是一个关键问题。作为纳米流体和离子电子设备的高潜力平台，研究了pSSNPs的离子电流噪声特性，即功率谱密度（PSD）S。纳米孔噪声可以在频域中分为四个组成部分（即1/f噪声、白噪声、介电噪声和电容噪声），每个组成部分在特定的频率范围内占主导地位，并且可以用数学公式表示[2, 26]。

(1)其中f是频率，a1–4是拟合系数。具体来说，表示热噪声，R是纳米孔电阻，k是玻尔兹曼常数，T是开尔文温度。在低频率下，噪声PSD主要由1/f噪声成分主导，即方程(1)中的第一项。在中等频率下，由于介电损耗引起的介电噪声开始成为主要的噪声源，它对频率呈线性依赖，即方程(1)中的第三项。在高频率下，噪声主要由外部放大器电压噪声引起的电流波动主导，即方程(1)中的最后一项。白噪声与频率无关[2, 24]，即方程(1)中的第二项。不同实验中噪声源开始占主导的过渡区域可能会有显著差异[2]。典型的噪声PSD如图4a中的黑色实线曲线所示。对于我们的pSSNPs，1/f噪声表现良好，其水平与其他材料（如SiNx和玻璃[27, 28]）制成的纳米孔相当。然而，在高频范围>200 Hz处观察到一个明显的独特特征。与模型曲线相比，噪声PSD显著降低，并且观察到一个平台。这一特征归因于输入-输出微流体通道的寄生电容和电阻引起的低通滤波效应。值得一提的是，由于在损耗性Si基底上的当前设计和制造，pSSNPs的寄生电容和电阻比传统的垂直纳米孔要大得多。如果将整个过程转移到无损耗的基底（如熔融石英）上，可以显著抑制甚至消除高频下的寄生电容和噪声。有关噪声分析的更多细节可以在补充信息中的支持性注释S4中找到。在更高的频率下，噪声PSD在读出放大器的带宽附近（即100 kHz）下降。噪声PSD是使用方程(1)中的噪声模型进行拟合的，首先分别在其对应的频率范围内处理每个噪声成分，然后将它们组合成一个完整的模型（红色实线曲线）。有关曲线拟合的详细信息可以在图3b的图例中找到，也可以在补充信息中的支持性注释S4中找到。

4 结论

我们展示了基于标准硅技术制造pSSNPs的新工艺方案的概念验证。由于其平面结构类似于用于大规模集成电路集成的互补金属氧化物半导体（CMOS）技术，该工艺方案能够实现pSSNPs与其他纳米流体元件在单个芯片上的无缝集成。我们的原型设备中，一个pSSNP连接到了两个微尺度储液池，其低噪声和流动电流特性已经得到了评估，表明其在纳米尺度上的流体操控和传感能力具有潜力。了解各种噪声来源既是本研究的先决条件，也是核心目标。我们的研究特别关注潜在的噪声问题，尤其是在高频情况下，因为pSSNPs是在有损耗的硅衬底上制造的。尽管如此，本文介绍的pSSNP技术具有可扩展性、机械稳定性，并且与CMOS技术完全兼容，从而为高密度和高通量的纳米流体设备集成铺平了道路。这一进展标志着朝着实现多功能纳米流体平台迈出了重要一步，这些平台结合了传感、分析和流体控制功能，从而满足了下一代纳米孔应用中对系统级集成日益增长的需求。

**支持信息**
更多支持信息可以在在线的“支持信息”部分找到。

**作者贡献**
Shi-Li Zhang和Dongping Wu提出了这个想法；Shi-Li Zhang负责项目的监督；Ngan Hoang Pham在Mohammad Hadi Khaksaran和Won-Yong Lee的帮助下制造了纳米孔；Mohammad Hadi Khaksaran在Javier Cruz和Klas Hj?rt的支持下完成了阳极键合；Chenyu Wen和Won-Yong Lee在Ngan Hoang Pham、Mohammad Hadi Khaksaran和Shi-Li Zhang的指导下进行了测量和模拟；Ngan Hoang Pham、Chenyu Wen、Mohammad Hadi Khaksaran、Won-Yong Lee和Shi-Li Zhang共同分析了数据；Ngan Hoang Pham、Chenyu Wen和Shi-Li Zhang撰写了手稿。所有作者都对手稿进行了审阅。

**致谢**
本研究部分由瑞典研究委员会（2022-03222）资助。我们感谢Myfab Uppsala提供的设施和实验支持，Myfab作为瑞典研究委员会（2019-00207）支持的国家级研究基础设施也为此做出了贡献。

**资金来源**
本研究部分由瑞典研究委员会（2022-03222）资助。