Nghiên cứu, chế tạo và ứng dụng cảm biến sinh học dựa trên cấu trúc nano silicon

Cảm biến sinh học dựa trên cấu trúc của sợi nano nanowire based biosensors...3 CHƯƠNG II: QUI TRÌNH DEA VÀ CÁC KĨ THUẬT DÙNG ĐỂ CHẾ TẠO SỢI NANO SILICON ...7 I.. PHẦN MỞ ĐẦU Phát hiện

iv

MỤC LỤC

TRANG PHỤ BÌA i

LỜI CẢM ƠN ii

LỜI CAM ĐOAN iii

MỤC LỤC iv

DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT vi

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ vii

MỞ ĐẦU viii

CHƯƠNG I TỒNG QUAN 1

I Lịch sử phát triển Cảm biến sinh học (biosensor) 1

II Cảm biến sinh học dựa trên cấu trúc của sợi nano (nanowire based biosensors) 3

CHƯƠNG II: QUI TRÌNH DEA VÀ CÁC KĨ THUẬT DÙNG ĐỂ CHẾ TẠO SỢI NANO SILICON 7

I Qui trình Deposition and Etching under Angle (DEA) để chế tạo sợi nano silicon .7

II Các kĩ thuật cơ bản sử dụng trong qui trình DEA 12

II.1 Công nghệ quang khắc .12

II.2 Công nghệ ăn mòn thẳng đứng 17

II.3 Kỹ thuật tạo màng mỏng kim loại dị hướng 18

III.4 Kỹ thuật ăn mòn dị hướng màng kim loại 22

CHƯƠNG III CHẾ TẠO SỢI NANO SILICON BẰNG PHƯƠNG PHÁP DEA VÀ KẾT QỦA CHẾ TẠO 24

I Chế tạo sợi bằng Qui trình DEA 24

II Kết quả chế tạo 27

II.1 Kích thước và tính chất bề mặt 27

II.2 Tính chất điện 28

CHƯƠNG IV KHẢO SÁT KHẢ NĂNG PHÁT HIỆN DNA CỦA CẢM BIẾN 30

I Biến đổi bề mặt sợi Si-NWs 30

I.1 Tạo sự đồng nhất trên bề mặt sợi có lớp SiO2 30

I.2 Tạo sự đồng nhất trên bề mặt sợi Si không có SiO2 35

II Định lượng DNA bằng cảm biến sinh học Si- NWs 40

II2 Phát hiện bắp chuyển gen bằng cảm biến Si-NWs 42 KẾT LUẬN 45 TÀI LIỆU THAM KHẢO 46

vi

DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT

APTES AminoPropylTriEthoxySilane

theo góc nghiên

đọng hơi hóa học áp suất thấp

học pha hơi kèm hỗ trợ plasma

SOI Silicon On Insulator, slic trên đế điện môi

DANH MỤC HÌNH VẼ

Hình 1: Mô hình cảm biến sinh học đầu tiên 1

Hình 2: Nguyên lí hoạt động và cấu trúc của bộ kít nano sinh học dựa trên sợi nano 4

Hình 3: Sử dụng bộ kít sợi nano để phát hiện nhanh 6

Hình 4: Sơ đồ khối các bước công nghệ cơ bản của qui trình DEA 10

Hình 5: Mô hình mặt nạ 13

Hình 6: Quy trình quang khắc 13

Hình 7: Cách phủ lớp photoresist 15

Hình 8: Các phương pháp chiếu 16

Hình 9: Cấu tạo hệ ăn mòn ion phản ứng 18

Hình 10: Cấu tạo hệ bốc bay chân không cơ bản 19

Hình 11: Màng bay hơi trên bậc thang 19

Hình 12: Nguồn bay hơi bằng chùm tia điện tử 21

Hình 13: Sơ đồ hệ ăn mòn phún xạ 23

Hình 14: Hình ảnh SEM và AFM của sợi nano silicon chế tạo ra 27

Hình 15 : Đặc trưng I-V của sợi nano silicon dài 10 micron 28

Hình 16 : Các chất sử dụng để silane hóa 31

Hình 17: Cơ chế phản ứng của quá trình silan hoá 31

Hình 18: Ảnh SEM của bề mặt wafer silic sau khi xử lý bằng dung dịch APTES 32 Hình 19: Sợi silicon trước khi gắn glutaraldehyte 32

Hình 20: Ảnh SEM của bề mặt wafer sau khi xử lý bằng dung dịch glutaraldehyde 33

Hình 21: Sau khi gắn thụ thể là PNA 33

Hình 22: Cơ chế khử lớp SiO2 trên mặt sợi Si-NWs 35

viii

Hình 24: Loại bỏ các nhóm chức bảo vệ gốc amin 36

Hình 25: Lớp bề mặt của sợi sau khi xử lý qua TFA và NH4OH 36

Hình 26: Lớp bề mặt của sợi sau khi gắn thụ thể là PNA 37

Hình 27: Sản phẩm ly trích DNA của bắp chuyển gene 41

Hình 28: Hệ thiết bị để tiến hành ghi lại sự thay đổi của dòng điện chạy qua sợi 42 Hình 29 : Đặc trưng I-t của chíp sạch (chip chưa biến đổi bề mặt sợi) cho thấy dòng điện qua sợi không thay đổi khi cho dung dịch chứa DNA đi qua 43

Hình 29: Đặc trưng I-t của chíp chip chưa biến đổi bề mặt sợi và chíp đã biến đổi bề mặt khi cho dung dịch chứa 1 nM DNA 43

PHẦN MỞ ĐẦU

Phát hiện và định lượng nhanh các phần tử sinh học như glucose, protein, ADN… ở nồng độ siêu nhỏ là một yêu cầu vô cùng quan trọng trong nhiều lĩnh vực nghiên cứu và ứng dụng của các ngành sinh học, y

tế, dược phẩm và nông nghiệp… Ví dụ thông qua việc phát hiện các protein đặc trưng (protein markers), ADN đột biến (gen mutation), kháng nguyên và kháng thể (antibodies, antigents), glucose… trong bệnh phẩm, cho phép chẩn đoán nhanh, chính xác nhiều bệnh nguy hiểm như ung thư, lây nhiễm virus, sản phẩm đột biến gen, tiểu đường… Những thành tựu đột phá trong lĩnh vực sinh học phân tử và y sinh gần đây đã xác định được trên 140 chất đánh dấu sinh học (biological markers) như vậy, mở ra những khả năng hoàn toàn mới cho nghiên cứu

và ứng dụng trong các ngành khoa học liên quan như sinh học, y học, dược phẩm, nông nghiệp…

Có nhiều kĩ thuật và phương pháp đã và đang được sử dụng để phân tích và định lượng các phần tử sinh học trên như kĩ thuật ELISA, Polymer Chain Reaction (PCR), Surface Plosmon Resonance (SPR), cộng hưởng từ, phân tích hóa học… Tuy thế, chưa có phương pháp nào trong các phương pháp truyền thống này có đầy đủ khả năng cho phép phát hiện nhanh, chính xác, đồng thời các phân tử sinh học nói trên Do

đó việc nghiên cứu, chế tạo ra một thế hệ cảm biến mới có khả năng như thế đang được đặc biệt quan tâm và đầu tư nghiên cứu

Và một khả năng đặc biệt quan trọng đối với các thiết bị phân tích hiện nay cần được nghiên cứu, nâng cao đó là độ nhạy Ví dụ việc phát hiện nhanh các chất đánh dấu sinh học nói trên ở nồng độ siêu nhỏ (trong khoảng nM-fM), sẽ cho phép chẩn đoán được bệnh trong thời

gian tiền nhiễm bệnh Trong thời gian này, các phương pháp y học (cả

truyền thống và hiện đại) đều phát huy rất hiệu quả trong việc chữa trị, thậm chí với những bệnh hiểm nghèo như ung thư Gần đây, nghiên cứu của các nhà y học Anh cho thấy, nếu bệnh ung thư tuyến tiền liệt được phát hiện trong giai đoạn sơ khởi (tiền nhiễm bệnh), thì bệnh nhân

uống nhiều nước, ăn nhiều rau quả, tránh căng thẳng (tress), thì bệnh gần như không phát triển hoặc thậm chí khỏi hẳn

Cảm biến sinh học trên cơ sở sợi nano silicon (Silicon nanowire biosensors): Sợi nano được định nghĩa là vật liệu ở dạng sợi

với đường kính sợi trong khoảng 1-100 nm Như thế, chúng ta phải bó ít nhất 1 triệu sợi nano lại với nhau để có một vật thể có kích thước ngang bằng sợi tóc người với đường kính trung bình là 100 micron Khi ở dạng siêu nhỏ sợi nano, phần lớn các lớp nguyên tử cấu tạo nên sợi sẽ nằm

trên bề mặt, dẫn đến các tính chất của sợi, đặc biệt là điện trở của sợi,

rất nhạy với các thay đổi của môi trường bên ngoài Tính chất này làm sợi nano trở thành vật liệu lí tưởng để chế tạo các cảm biến sinh học thế

hệ mới - cảm biến sinh học sợi nano - với khả năng hoàn toàn mới mà

linh kiện truyền thống không có được Do đó, việc nghiên cứu qui trình công nghệ, chế tạo ra các cảm biến sợi Si-NWs và ứng dụng cảm biến loại này vào phân tích sinh học đã và đang được quan tâm đặc biệt, và được tiến hành ở các nhóm nghiên cứu thuộc các Đại học hàng đầu trên thế giới và trong nước

Mục tiêu của luận văn Thạc sĩ này là: “Nghiên cứu, chế tạo và ứng dụng cảm biến sinh học dựa trên cấu trúc nano silicon” Đề tài

được thực hiện, sử dụng các thiết bị chế tạo và đo đạc tại Phòng thí Nghiệm Công Nghệ Nano, ĐHQG Tp.HCM

Nội dung nghiên cứu được trình bày trong các phần chính sau:

Chương 1 – Tổng quan

- Giới thiệu sơ lược về cảm biến sinh học

- Giới thiệu về cảm biến sinh học

Chương 2 – Qui trình DEA và các kĩ thuật dùng để chế tạo sợi nano silicon

- Qui trình chế tạo deposition and etching under angle (DEA)

- Các kĩ thuật và công nghệ cơ bản của DEA để chế tạo sợi nano silicon

Chương 3 – Chế tạo sợi nano bằng phương pháp DEA và kết quả chế tạo

- Chi tiết các bước chế tạo sợi nano silicon bằng phương pháp DEA

- Kêt quả chế tạo

Chương 4 – Khảo sát khả năng phát hiện DNA của cảm biến

- Biến đổi bề mặt sợi silicon thích hợp cho việc gắn thụ thể

- Đo đạc, phát hiện DNA của cây bắp chuyển gen

Kết luận

Nghiên cứu, chế tạo, ứng dụng cảm biến sinh học sợi nano silicon

1

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN

I Lịch sử phát triển cảm biến sinh học (biosensor)

Theo IUPAC (International Union of Pure and Applied Chemistry) thì:

“Cảm biến sinh học (biosensor) là một thiết bị tích hợp có khả năng cung cấpthông tin phân tích định lượng hoặc bán định lượng đặc trưng, bao gồm phần

tử nhận biết sinh học (bioreceptor) kết hợp trực tiếp với một phần tử chuyển

đổi.” Cảm biến sinh học là thiết bị sử dụng các tác nhân sinh học như enzym,

các kháng thể, để phát hiện, đo đạc hoặc phân tích hoá chất Do vậy cấu tạocủa cảm biến sinh học bao gồm 3 thành phần cơ bản: thành phần hoá học,thành phần sinh học và thành phần vật lý

Hình 1: Mô hình cảm biến sinh học đầu tiên.

Giáo sư Leyland D.Clark được biết như là người đi tiên phong trong lĩnh

vực cảm biến sinh học Năm 1956 ông công bố bài báo đầu tiên về điện cựcoxy hoá Những năm tiếp theo ông tiếp tục thực hiện rất nhiều thí nghiệmnhằm cố gắng mở rộng khả năng hoạt động của cảm biến như phát hiện đượcthêm nhiều tác nhân, nâng cao độ chính xác của cảm biến Vào năm 1962, tạihội nghị New York Academy of Science, ông đã thuyết trình một bài về cảmbiến sinh học: “To make electrochemical sensors (pH, polarographic,potentiometric or conductometric) more intelligent by adding enzyme

transducers as membrane enclosed sandwiches” Ông đưa ra mô hình đầu tiên

về cảm biến sinh học

Cảm biến sinh học theo mô hình của D.Clark bao gồm điện cực oxy hóa,

trên đó có màng giữ enzyme glucose (glucose oxidase) Khi mật độ glucosetrong môi trường phản ứng giảm thì mật độ chất oxi hóa trên bề mặt điện cực

cũng giảm một cách tương ứng Dựa trên sự thay đổi đó, Clark đã phát hiện ra

sự thay đổi của nồng độ glucose trong môi trường cần kiểm tra

Những năm tiếp theo, nhóm của Guilbault và Montalvo lần đầu tiên công

bố chi tiết về chế tạo thành công cảm biến sinh học dựa trên điện cực chứa

enzyme đo điện thế, một cảm biến đo nồng độ urê dựa trên điện cực cố định

enzyme urê (urease) bằng màng chất lỏng chọn lọc NH4+

Năm 1975 Lubber và Opitz đã mô tả một cảm biến sợi quang (fibre-optic

sensor) gắn các chất chỉ thị dùng để đo nồng độ CO2 và O2 Cũng vào năm

1975, một số vi khuẩn cũng đã được sử dụng như những thành phần sinh học

trên các điện cực vi sinh để đo nồng độ cồn

Năm 1975 công ty Yellow Springs Instrument (Ohio) lần đầu tiên biến ýtưởng của Clark thành hiện thực thông qua việc thương mại hóa các cảm biến

sinh học Sản phẩm đầu tiên là thiết bị phân tích glucose dựa trên hydrogen

peroxide và đó cũng là cột mốc đầu tiên đánh dấu sự xuất hiện của các cảm

biến sinh học trong đời sống

Vào năm 1982, Shichiri và các đồng nghiệp đã báo cáo và mô tả về cảm

biến glucose in vivo, là loại cảm biến dạng kim đầu tiên cho các xét nghiệm

dưới da

Trong thập kỉ vừa qua, cùng với sự phát triển nhanh chóng của khoa học

và công nghệ, đặc biệt là các ngành công nghệ vật liệu và chế tạo nano , cảm

biến sinh học thế hệ mới- cảm biến nano sinh học - cũng đạt được những tiến

bộ vượt bậc Trong cấu trúc của cảm biến nano sinh học, các điện cực hay phầnnhạy của thiết bị truyền thống bây giờ được thay thế bằng các vật liệu và linhkiện nano có độ nhạy cao hơn Ví dụ các điện cực micro trước đây được thaythế bằng các cấu trúc nano như ống nano cacbon hay sợi nano của vật liệu bándẫn hoặc kim loại với độ nhạy ở mức đơn phân tử (single molecule) mà cấutrúc micro không có khả năng này Ngoài ra, những thành tựu đột phá tronglĩnh vực sinh học phân tử và y sinh gần đây đã xác định được trên 140 chất

đánh dấu sinh học (biological markers), giúp nâng cao đáng kể độ đặc hiệu của

Nghiên cứu, chế tạo, ứng dụng cảm biến sinh học sợi nano silicon

II Cảm biến sinh học dựa trên cấu trúc của sợi nano (nanowire based

biosensors).

Sợi nano được định nghĩa là vật liệu ở dạng sợi với đường kính sợi trongkhoảng 1-100 nm Như thế, chúng ta phải bỏ ít nhất 1 triệu sợi nano lại với

nhau để có một vật thể có kích thước ngang bằng sợi tóc người với đường kính

trung bình là 100 micron Khi ở dạng siêu nhỏ sợi nano, phần lớn các lớpnguyên tử cấu tạo nên sợi sẽ nằm trên bề mặt, dẫn đến các tính chất của sợi,

đặc biệt là điện trở của sợi, rất nhạy với các thay đổi của môi trường bên

ngoài Tính chất này làm sợi nano trở thành vật liệu lí tưởng để chế tạo các

cảm biến sinh học thế hệ mới – bộ kít sinh học sợi nano - với khả năng hoàn

toàn mới mà linh kiện truyền thống không có Cấu tạo và nguyên lí làm việccủa bộ kít sinh học sợi nano được minh họa trong Hình 2

Về mặt tổng thể, bộ kít sợi nano sinh học hoạt động dựa trên nguyên lílàm việc của transitor hiệu ứng trường (Field Effect Transistor - FET), một linhkiện phổ biến và truyền thống nhất của công nghệ vi điện tử Các khả năng làm

việc ưu việt của bộ kít sợi nano có thể được trình bày vắn tắt dưới đây:

Hình 2: Nguyên lí hoạt động và cấu trúc của bộ kít nano sinh học dựa trên sợi nano là sợi bán dẫn silic loại P có chứa các hạt dẫn mang điện dương Hai đầu sợi nano có các tiếp xúc điện (không mô tả trong hình vẽ) để cho dòng điện chạy qua sợi nano Trên bề mặt sợi được thụ động hóa các mồi sinh học (bioreceptor) để bắt cặp với các tumour markers cần phát hiện (a) Sự bắt cặp của các receptors/biomarkers diễn ra trên bề mặt sợi, diễn ra khi dung dịch có chứa các tumour markers được cho chảy qua sợi nano Các tumour marker, phần lớn là các chất sinh học có tích điện làm tăng (b) hoặc giảm dòng điện chạy qua sợi (c) Bộ kít chứa nhiều sợi nano, cho phép phát hiện cùng lúc

Nghiên cứu, chế tạo, ứng dụng cảm biến sinh học sợi nano silicon

5

i. Chỉ cần một vài phân tử biomarkers từ dung dịch hoặc không khíbám lên bề mặt sợi cũng đủ làm thay đổi đáng kể điện trở của sợi -

tính siêu nhạy của bộ kít.

ii Vì bộ kít hoạt động thông qua sự đo đạc trực tiếp, liên tục của điệntrở, cho phép các phân tích được phát hiện nhanh (trong khoảng

vài giây đến phút) - tính siêu nhanh của bộ kít sợi nano.

iii Vì các cặp mồi sinh học được thiết kế để sử dụng có tính kết cặp

siêu chọn lọc, cho phép cảm biến có độ chọn lọc rất cao với chất

cần phát hiện - tính chọn lọc đặc trưng rất cao của cảm biến.

Tính kết cặp siêu chọn lọc của các cặp mồi sinh học là một tínhchất đặc thù, nhưng tuyệt vời của tự nhiên, cho phép phân biệttừng cá thể riêng biệt trong một quần thể cực phức tạp, phong phú

Ví dụ trong khi trái đất có trên 6 tỉ người với từng ấy phân tửDNA khác biệt, nhưng một phân tử DNA sẽ chỉ kết cặp duy nhấtvới một DNA khác được thiết kế tương thích Hoặc nếu receptor

là một kháng nguyên đã được thiết kế sẵn, thì kháng nguyên nàychỉ bắt cặp với một kháng thể duy nhất với kháng nguyên đó

iv Một bộ kít sinh học có thể được chế tạo bao gồm nhiều sợi nano,

mà mỗi sợi được gắn kết với một mồi sinh học đặc trưng, chophép phát hiện đồng thời, cùng lúc nhiều loại phân tử sinh họckhác nhau Khả năng này nâng cao tính chính xác của phép phân

tích - tính đồng bộ và đa dạng của bộ kít sợi nano.

Hình 3: Sử dụng bộ kít sợi nano để phát hiện nhanh, siêu nhạy biomarker loại PSA trong máu người để chẩn đoán ung thư tiền liệt tuyến Sự bám dính của PSA lên bề mặt sợi nano bán dẫn loại P(NW1) làm tăng dòng điện chạy qua sợi, trong khi dòng qua sợi nano bán dẫn loại N(NW2) lại giảm đi Sự kết hợp của hai sợi trên cùng một bộ kít như thế nâng cao đáng kể độ chính xác của phép phân tích.

Trong thời gian qua các nhà khoa học đã dùng nhiều công nghệ chế tạokhác nhau, chế tạo thành công bộ kít nano dựa trên các cấu trúc sợi nano silic

Ví dụ thiết bị của nhóm nghiên cứu thuộc đại học Harvard, Mỹ, có khả năngphát hiện nhanh (trong vài giây) và siêu nhạy (ở nồng độ fM) một số phân tửsinh học như protein (ứng dụng phát hiện ung thư, virut) và DNA ngoại lai(phát hiện bệnh Cystic fibrosis, một bệnh về sai hỏng gen trong trẻ sơ sinh).Hình 3 trình bày kết quả phát hiện biomarkers loại PSA để chẩn đoán ung thưtiền liệt tuyến Trong ví dụ này, nồng độ PSA được phát hiện ở nồng độ nhỏnhất là 0.9 ng/ml, tức là nhạy hơn các phương pháp truyền thống hàng nghìnlần Hơn nữa PSA được đo trực tiếp từ máu của bệnh nhân, không cần qua

bước chuẩn bị mẫu, như thế rút ngắn đáng kể thời gian phân tích

Với nhiều ưu việt như khả năng phát hiện nhanh, siêu nhạy các chỉ thị ung

thư và các chất sinh học quan trọng khác như DNA, proteins, virut… bộ kít sợinano đã và đang được các nhóm nghiên cứu và công ty đa quốc gia đầu tư,

nghiên cứu, để thương mại hóa trong một vài năm tới [ref] Do đó mục tiêu của

luận văn Thạc sỹ này là: “Nghiên cứu, chế tạo và ứng dụng của cảm biến

sinh học dựa trên cấu trúc nano silicon” Công việc được thực hiện tại PTN

CNNN, ĐHQG Tp.HCM

Nghiên cứu, chế tạo, ứng dụng cảm biến sinh học sợi nano silicon

7

CHƯƠNG 2

QUI TRÌNH DEA VÀ CÁC KĨ THUẬT DÙNG

ĐỂ CHẾ TẠO SỢI NANO SILICON

I Qui trình Deposition and Etching under Angle (DEA) để chế tạo sợi

nghiên cứu hàng đầu trên thế giới (Lieber group tại Đại học Harvard;

http://cmliris.harvard.edu/ Health group tại Đại học Caltech ;

http://www.its.caltech.edu/~heathgrp/ Yang group tại Đại học California;

http://www.cchem.berkeley.edu/pdygrp/main.html Viện Công Nghệ NanoMESA+, Hà lan; http://www.mesaplus.utwente.nl/) Viện nghiên cứu A-starSingapore; http://www.a-star.edu.sg/ v.v… Các kết quả nghiên cứu về sợi nanonói chung và cảm biến sợi nano nói riêng đã và đang được công bố trên hơn

5000 nghìn bài báo, tại các tạp chí khoa học uy tín lớn nhất trên thế giới nhưScience và Nature Vì những lí do trên, có thể nói rằng đến ngày hôm nay, cácnhóm nghiên cứu đã phát minh, sáng tạo ra rất nhiều phương pháp để chế tạosợi nano kim loại và bán dẫn, với kích thước và tính chất đa dạng, phù hợp chocác mục đích nghiên cứu và ứng dụng khác nhau ( Hình 2)

Tuy các nhóm nghiên cứu đã gần như làm chủ được công nghệ chế tạo sợi

nano, nhưng việc chế tạo được linh kiện nano (hình 2d) với các đường dẫn kết

nối ra mạch điều khiển bên ngoài vẫn còn là một vấn đề vô cùng khó khăn Để

đi đến linh kiện như hình 2d, các nhà khoa học phải thực hiện rất nhiều bước

thực nghiệm như chọn lọc đơn sợi, rồi chế tạo điện cực cho đơn sợi đó Cáccông việc này là rất khó khăn và đòi hỏi nhiều thời gian vì cấu trúc siêu nhỏcủa sợi Việc này cần đến các thiết bị chuyên dụng, đắt tiền Ngoài ra, độ lặplại của linh kiện cũng không cao do việc chế tạo thủ công, đơn chiếc Việc sửdụng các thiết bị quang khắc nano chuyên dụng nhu E-Beam nanolithography,

Focused Ion Beam, AFM để chế tạo các đơn sợi ở các vị trí định sẵn sẽ loại bỏđược việc chọn lọc sợi và dễ dàng hơn trong việc tạo điện cực kết nối mạch

ngoài Tuy thế các thiết bị quang khắc nano nói trên đều rất đắt tiền, đi kèm với

năng suất thấp, dẫn đến giá thành chế tạo linh kiện quá cao, hạn chế khả năng

nghiên cứu cũng như ứng dụng rộng rãi của linh kiện sợi nano nói chung vàcảm biến sợi nano nói riêng Hiện nay các nhóm nghiên cứu trên thế giới đangtập trung nghiên cứu, tìm kiếm các phương pháp chế tạo mới, cho phép chế tạo

đồng loạt, nhằm hạ giá thành, tiến tới việc thương mại hóa rộng rãi linh kiện

loại này trong vòng 3-5 năm tới Khi đó, với nhiều ưu việt vượt trội, linh kiện

và thiết bị dựa trên cấu trúc sợi nano được kì vọng sẽ góp phần thay đổi bảnchất nhiều nghiên cứu và ứng dụng truyền thống trong nhiều lĩnh vực, từquang học, đến điện học, y tế …

Với những lí do nêu trên, việc nghiên cứu để đưa ra công nghệ chế tạo

được các sợi nano, và sau đó là linh kiện nano, trong điều kiện còn hạn chế

nhiều về cơ sở vật chất, kiến thức chuyên ngành của Việt nam là một nhiệm vụ

tuy khó khăn, nhưng cấp thiết và mang nhiều ý nghĩa và ích lợi quan trọng.

Để giải quyết được nhiệm vụ này, nhóm tác giả đã chọn các phương pháp

nghiên cứu sau:

• Nghiên cứu, phân tích các tài liệu, bài báo chuyên ngành (> 100 bài báo,tạp chí), về chế tạo nano nói chung và chế tạo sợi nano nói riêng Từ mỗibài báo, tìm cách học hỏi các điểm mạnh, cũng như chỉ ra các điểm hạnchế của mỗi phương pháp chế tạo, đúc rút ra phương pháp khả thi để chếtạo sợi nano Silicon

• Trao đổi kiến thức với các chuyên gia hàng đầu trong lĩnh vực chế tạo

nano và sợi nano (MINATEC của Pháp, Nanosens của Hà lan, Nhómnghiên cứu Biosensors ĐH Tổng hợp Twente, Hà lan …)

• Tìm hiểu khả năng chế tạo của các thiết bị và cơ sở vật chất hiện có củaPTN CNNN, ĐHQG TP.HCM

Từ các thông tin và phân tích nói trên, nhóm tác đã đưa ra một qui trìnhchế tạo mới, phù hợp với điều kiện cơ sở của PTN Công Nghệ Nano, ĐHQGTP.HCM, để

Nghiên cứu, chế tạo, ứng dụng cảm biến sinh học sợi nano silicon

C Ăn mòn ướt SiO2

Ăn mòn tạo nên 1 kênh

D Lắng đọng tạo lớp mạ Crom

lắng đọng theo góc nghiên

E Ăn mòn lớp mạ bằng chùm ion (Ion Beam Etching)

Hình 4: Sơ đồ khối các bước công nghệ cơ bản của qui trình DEA, phần lớn chỉ sử dụng các kĩ thuật cơ bản của công nghệ micro mà PTN CNNN hiện có,

để chế tạo sợi nano Silicon trên đế silicon Chíp chế tạo ra có các đơn sợi nano silicon, mỗi đơn sợi đều có điện cực nối ra mạch điều khiển mạch ngoài, thích hợp cho việc đo đạc, khảo sát và ứng dụng làm cảm biến đinh lượng sinh học sau này.

Si- NW

G Nhìn từ trên

điện cực

Sợi Si-NW

Nghiên cứu, chế tạo, ứng dụng cảm biến sinh học sợi nano silicon

11

việc sử dụng làm cảm biến sinh học tiếp theo (Hình 4)

Qui trình công nghệ để chế tạo sợi nano nói trên gồm các bước cơ bản sau:

 Chế tạo lớp cách điện SiO2 trên đế silicon loại đặc biệt SOI

(semiconductor on insulator - SoiTec), với lớp silicon trên cùng có độ dày

30 nm, hạt dẫn loại P với nồng độ hạt tải 5 10 18 hạt tải /cm3, lớp cách

điện SiO2 có độ dày 150 nm, đế silic có độ dày 500-700 micron

 Quang khắc để tạo cửa sổ ăn mòn

 Ăn mòn khô để tạo bậc nano trên lớp SiO2

 Bốc bay tạo màng Cr trên bậc nano SiO2

 Ăn mòn dưới góc nghiêng để loại bớt màng Cr, tuy thế do cấu trúc ăn

mòn, một phần màng Cr được che chắn bởi bậc nano SiO2, tạo lên sợinano Cr nằm dọc theo bậc SiO2 (Bước này được thực hiện trên thiết bị

Ion Beam Etching (IBE) của Viện nghiên cứu MESA+, Hà lan, do PTNCNNN hiện chưa có thiết bị IBE

 Ăn mòn thẳng đứng Silicon, dùng Cr làm lớp bảo vệ, để có được các sợi

nano silic nằm bên dưới sợi nano Cr

 Ăn mòn ướt với độ chọn lọc cao, loại bỏ lớp Cr, để có được các sợi nano

silic

 Bốc bay đường dẫn (Pt/Ni) cho các sợi nano silicon

 Ủ nhiệt để tạo tiếp xúc Ohmic cho sợi silicon (Ni dùng làm vật liệu bámdính và giúp tạo tiếp xúc Ohmic

 Bốc bay tạo lớp cách điện cho điện cực Pt/Ni (vì trong khi đo đạc trong

dung dịch, chỉ sợi Silic là được tiếp xúc với dung dịch đo, trong khi các

điện cực cần được cách điện hoàn toàn với dung dịch để tranh dòng điện

rò giữa hai điện cực kim loại

Kĩ thuật và thông số chi tiết của các bước công nghệ cơ bản trên sẽ đượcnghiên cứu, khảo sát và trình bày chi tiết trong chương 3

Qui trình này chỉ sử dụng các kĩ thuật cơ bản là: bốc bay và ăn mòn dưới

góc nghiêng- Deposition and Etching under Angle (DEA) để chế tạo ra các

sợi nano có kích thước nhỏ, ở qui mô wafer Hơn nữa vì các kĩ thuật sử dụng làcác kĩ thuật của công nghệ micro, do đó qui trình chế tạo không quá đắt tiền,phù hợp với điều kiện trong nước Qui trình công nghệ để chế tạo được trình

bày trong Hình 4 được gọi vắn tắt là Qui trình DEA (depostion and etching

under angles) trong luận văn này

Trong phần tiếp theo, một số kĩ thuật cơ bản của qui trình DEA sẽ đượctrình bày vắn tắt để cung cấp các thông tin cơ bản của các kĩ thuật chế tạo được

sử dụng trong luận văn này

II Các kĩ thuật cơ bản sử dụng trong qui trình DEA

II.1 Công nghệ quang khắc

Trong qui trình công nghệ chế tạo sợi nano silicon, quang khắc được thựchiện để truyền hình ảnh cửa sổ từ mặt nạ (mask) lên lớp mỏng vật liệu nhạybức xạ, gọi là chất cảm quang, phủ trên mặt phiến silicon Những hình ảnh này

xác định các vùng cửa sổ định hình trên đế silic mà sau này các sợi nano

silicon sẽ được tạo ra theo chiều dọc của các cửa sổ Hình ảnh trên vật liệu cảmquang không phải là phần tử cố định cửa sổ định hình, mà chỉ là bản sao hìnhdạng cấu trúc mà ta muốn chuyển vào lớp SiO2 sau này

Để nhận được hình dạng thật của cấu trúc, những hình ảnh trên lớp cảm

quang phải được truyền tiếp xuống lớp vật liệu bên dưới SiO2 Việc này đượcthực hiện qua công đoạn ăn mòn khô (dry etching), sử dụng hỗn hợp khí CHF3

+ O2 Trong qui trình công nghệ này, lớp cảm quang có chức năng chính là

định hình cho bậc nano trên màng mỏng SiO2, do đó chất lượng của lớp cảm

quang sẽ góp phần quyết định đến chất lượng định hình của bậc nano, mà cuốicùng là của sợi nano sau này Điều này yêu cầu tiến hành thực nghiệm, thay

đổi các thông số của quá trình quang khắc là thời gian chiếu sáng và thời gian

hiện để tạo ra các cửa sổ có chất lượng tốt nhất với loại cảm quang sử dụng

Nghiên cứu, chế tạo, ứng dụng cảm biến sinh học sợi nano silicon

- Chuyển hình ảnh từ mặt nạ lên photoresist

- Rửa, tạo hình ảnh lên photoresist

- Ăn mòn lớp oxit bên dưới photoresist và tách lớp photoresist

Quang khắc được sử dụng rộng rãi nhất trong công nghiệp bán dẫn để chếtạo các vi mạch điện tử Ngoài ra, quang khắc được sử dụng trong ngành khoahọc và công nghệ vật liệu để chế tạo các chi tiết vật liệu nhỏ, chế tạo các linhkiện vi cơ điện tử Hạn chế của quang khắc là do ánh sáng bị nhiễu xạ nênkhông thể hội tụ chùm sáng xuống kích cỡ quá nhỏ, vì thế nên không thể chếtạo các chi tiết có kích thước nano (độ phân giải của thiết bị quang khắc tốtnhất là 50 nm), do đó khi chế tạo các chi tiết nhỏ cấp nanomet, người ta phải

thay bằng công nghệ quang khắc chùm điện tử (electron beam lithography).

Trong luận văn này, thiết bị quang khắc quang học được sử dụng với mục đích

để tạo các cấu trúc có kích thước micron (bước B hình 4), và do đó đạt yêu cầu

đề ra

QUI TRÌNH QUANG KHẮC

Chuẩn bị bề mặt:

- Thổi khí nitơ có áp suất cao

- Tẩy các tạp hữu cơ và vô cơ bằng hóa chất

- Rửa trong nước DI

- Ủ nhiệt ở khoảng 150~200oC, 5-10 phút để loại hơi nước

- Phủ lớp primer

Mục đích: làm tăng khả năng kết dính giữa wafer và photoresist

Primer thường sử dụng là HMDS (hexamethyldislazane)

Phủ photoresist:

Ở giai đoạn này nền được quay trong máy spinner, các thông số chính đểđiều chỉnh lớp photoresist trong giai đoạn này:

- Tốc độ 3000-6000 vòng/phút

Nghiên cứu, chế tạo, ứng dụng cảm biến sinh học sợi nano silicon

2

=

Trong đó k: hằng số của thiết bị quay spinner (80-100)

p: hàm lượng chất rắn trong resist (%)

w: tốc độ quay của spinner (vòng/1000)

Hình 7: Cách phủ lớp photoresist

Sấy sơ bộ Pre-Baking (Soft-Baking): làm bay hơi dung môi có trong

photoresist Trong quá trình sấy độ dày lớp phủ sẽ giảm khoảng 25%

Chiếu (exposure): Trong giai đoạn này, hệ sẽ được chiếu ánh sáng để chuyển

hình ảnh lên nền, mặt nạ được đặt giữa hệ thấu kính và nền

Có 3 phương pháp chiếu dựa vào vị trí đặt mặt nạ:

- mặt nạ tiếp xúc (là cách sử dụng trong luận văn này)

- mặt nạ đặt cách photoresist khoảng cách nhỏ

- mặt nạ đặt cách xa photoresist, ánh sáng được chiếu qua hệ thấu kính.Hình ảnh thu nhỏ 1:4 đến 1:10

Hình 8: Các phương pháp chiếu

Tráng rửa (developing): Dùng hóa chất tách các photoresist chưa đóng rắn, để

tạo nên cấu trúc

a Đối với photoresist âm:

- chất rửa: xylen

- chất súc lại: n-butylacetate

b Đối với photoresist dương:

- chất rửa: (NaOH, KOH), nonionic soln (TMAH)

- Thông số kiểm soát trong quá trình rửa: nhiệt độ rửa, thời gian rửa,

phương pháp rửa, chất rửa

Sấy khô Post-Baking (Hard-Baking): làm cho lớp photoresist cứng hoàn toàn,

đồng thời tách toàn bộ dung môi ra khỏi resist

Nghiên cứu, chế tạo, ứng dụng cảm biến sinh học sợi nano silicon

17

- nhiệt độ: 120-150oC

- thời gian: 30 phút

II.2 Công nghệ ăn mòn thẳng đứng

Trong qui trình chế tạo sợi nano silicon, việc tạo ra các bậc nano SiO2 có

chất lượng cao là yếu tố rất quan trọng trong việc tạo ra sợi nano silicon tốt sau

này Do đó phương pháp ăn mòn ion phản ứng (reactive ion etching-RIE) được

sử dụng với mục đích chính là tạo ra các bậc nano có độ cao thích hợp, có cạnhthẳng và siêu mịn (smooth edge), cho phép chế tạo sợi nano có kích thước

tương tự như thế sau này

Phương pháp RIE được sử dụng rộng rãi trong công nghệ vi điện tử Trong

hệ diode bản phẳng song song, phiến được giữ bởi điện cực dưới liên kết tụ caotần (RF) Điện cực nối đất chính là buồng phản ứng nên có diện tích lớn Diệntích nối đất lớn cùng với áp suất làm việc thấp (< 500 mTorr) làm cho phiến bịbắn phá mạnh bởi các ion năng lượng cao từ plasma, do bề mặt phiến tự phâncực âm Tính chọn lọc của hệ thiết bị này tương đối thấp so với hệ ăn mòn dạng

trường hợp này cần năng lượng bắn phá ion cao để tẩy bỏ lớp polymer khỏi

oxide cũng như để đưa các chất phản ứng tới bề mặt oxide để có phản ứng tạothành SiFx

Plasma mật độ cao, áp suất thấp (high density plasma-HDP) hay được sửdụng cho ăn mòn phụ thuộc tỉ số chiều sâu/chiều rộng (d/w) Tuy nhiên, cácnguồn HDP sẽ sinh ra các điện tử nóng dẫn đến làm tăng mức độ phân ly cácion và các gốc HDP phát sinh rất nhiều gốc hoạt tính và ion so với RIE hoặc

MERIE Đặc biệt, nồng độ F cao làm giảm tính chọn lọc đối với Si Người ta

đã nghiên cứu nhiều phương pháp khác nhau để tăng tính chọn lọc của plasma

mật độ cao Một trong những phương pháp đó là sử dụng khí có tỉ lệ C/F cao

như C2F, C4F8 hoặc C5F8

Hình 9: Cấu tạo hệ ăn mòn ion phản ứng.

II.3 Kỹ thuật tạo màng mỏng kim loại dị hướng

 Phương pháp bốc bay nhiệt

Thiết bị bay hơi đơn giản được trình bày trên hình 10 Đế cần phủ màng

sẽ được đặt trong buồng chân không của hệ bốc bay Chân không được tạo rabằng hệ bơm khuếch tán hoặc bơm nhiệt độ thấp Các hệ bơm khuếch tán

thường có bẫy lạnh để hạn chế hơi dầu của bơm bay vào buồng Vật liệu cần

lắng đọng được đặt vào vào chén nung (crucible) và được đốt nóng bằng lò

điện trở Vật liệu được nung nóng đến khi bay hơi Vì áp suất trong buồng chânkhông thường cỡ 10-5 mmHg, các nguyên tử vật liệu sẽ bay thẳng lên đế và tích

tụ thành màng trên bề mặt đế Các hệ chân không có thể được trang bị đến 4chén nung và cùng lúc có thể kết tủa màng cho 24 phiến Hơn nữa, nếu cần tạomàng hợp kim, có thể sử dụng nhiều chén nung cùng một lúc

Nghiên cứu, chế tạo, ứng dụng cảm biến sinh học sợi nano silicon

tượng bóng (shadow) và màng thường bị đứt đoạn trên một phía của tiếp xúc

(hình 11a) Đây là vấn đề đặc biệt hệ trọng vì khâu phủ màng kim loại là những

công đoạn cuối cùng của quy trình chế tạo

Hình 11: Màng bay hơi trên bậc thang: (a) Trường hợp nhiệt độ đế thấp; (b) Nhiệt độ đế cao và quay đế.

Phương pháp thường được sử dụng để cải thiện độ phủ bậc là quay phiến

trong quá trình bay hơi Giá đỡ phiến hình chỏm cầu được thiết kế sao cho cóthể quay phiến xung quanh đỉnh của buồng chân không Tốc độ lắng đọng trên

vách tuy vẫn nhỏ hơn tốc độ lắng đọng trên mặt phẳng nhưng đồng đều theotrục (hình 1.5b) Một thông số quan trọng là tỉ số giữa chiều cao và chiều rộngbậc Tỉ số này càng nhỏ hơn 1 thì độ đồng đều của màng càng tốt.

Phương pháp thứ hai để cải thiện độ phủ bậc là đốt nóng phiến Nhiều hệbay hơi sử dụng đèn hồng ngoại hoặc sợi đốt kim loại để nung nóng phiến Các

nguyên tử đến được bề mặt có thể khuếch tán trên bề mặt trước khi liên kết hoáhọc để tạo màng Hiệu ứng bóng tạo ra gradient nồng độ, và khuếch tán sẽ giúpvật liệu di chuyển đến vùng có tốc độ lắng đọng thấp Tương tự trường hợpkhuếch tán trong khối, chúng ta có thể xác định hệ số khuếch tán bề mặt theodạng Arrhenius:

Năng lượng hoạt hoá bề mặt nhỏ hơn nhiều so với năng lượng hoạt hoá

khuếch tán khối, do đó khuếch tán mặt có thể xảy ra rất mạnh ngay cả ở nhiệt

độ vài trăm oC Nếu thời gian trung bình trước khi kết hợp là , ta có chiều dàikhuếch tán bề mặt đặc trưng:

Vì D s phụ thuộc nhiệt độ theo hàm mũ, việc nung nóng phiến trên nhiệt

độ phòng có thể làm tăng đáng kể L s Bằng phương pháp này có thể phủ màngliên tục trên các bậc thang cao hơn nhiều Một nhược điểm của phương pháp

nung nóng đế là khó có thể lắng đọng màng hợp kim: hệ số khuếch tán của các

nguyên tử khác loại có thể rất khác nhau, do đó thành phần của màng ở phía

dưới và phía trên khác nhau Nhược điểm thứ hai là khi nhiệt độ đế tăng hình

thái màng bị ảnh hưởng, thường là tạo các hạt kích thước lớn

 Bốc bay chùm tia điện tử

Việc nhiễm bẩn vật liệu bay hơi từ chính vật liệu làm chén nung vẫn làvấn đề nan giải Vấn đề này có thể khắc phục bằng cách chỉ nung vật liệu bay

hơi mà không gia nhiệt cho chén Để thực hiện việc này người ta sử dụng kỹ

thuật bay hơi bằng chùm tia điện tử, với nguồn bay hơi thông dụng được miêu

tả trên hình 12

Một súng điện tử ở phía dưới chén nung phát ra chùm điện tử cường độ

cao và năng lượng cao Việc bố trí sợi đốt ở phía dưới làm giảm thiểu lắng