基于多孔硅微腔微阵列的制备及检测∗

陈位荣，贾振红，吕小毅，李鹏

(1.新疆大学物理科学与技术学院，新疆乌鲁木齐830046；2.新疆大学信息科学与工程学院，新疆乌鲁木齐830046)

0 引言

多孔硅是一种易于制备、具有巨大比表面积和海绵状形貌的纳米硅材料，其生物亲和性好，是优良的生物材料，具有良好的化学稳定性，能形成多种光子晶体结构，在生物传感领域具有广泛的应用[1−3]．多孔硅孔隙大小可控，内表面吸附性良好，多孔结构可捕获孔内不同尺寸大小的生物分子，同时也具有造价低廉，能与现有传统的硅加工技术兼容等特点，常用于高灵敏度的生物检测[4]．

目前已报道的各种多孔硅生物传感器，主要有利用多层光栅结构或者微腔结构，基于折射率变化[5−7]和荧光变化的两类传感器[8,9]．基于折射率变化的生物传感器具有免标记的优点．其中，多孔硅微腔结构的传感器，是一种具有一维缺陷态的多孔硅光子晶体器件，其反射谱具有缺陷峰高透过率、线宽较窄的优良光学特性[10]．结合多孔硅光子晶体技术，基于折射率变化检测的生物传感器可以获得极高的检测灵敏度[11,12]．在生物芯片研究领域，具有布拉格结构的多孔硅传感器阵列已应用于生物传感[13]．这类阵列因需要通过光谱仪逐一分析每一个单元的折射率的变化，很难应用于高通量、快速的生物检测．

本文成功制备出一个8×8的多孔硅光子晶体微腔的微阵列，微阵列的每个阵列单元直径300µm，间距200µm．研究了微阵列在633nm激光入射情况下的光学特性．借助数字图像测量方法，分析了阵列单元反射率变化情况．制备的多孔硅光子晶体微腔的微阵列器件，可实现低成本、肉眼易观察、快速、实时且并行的测量．

1 材料和方法

1.1 多孔硅微腔的微阵列制作

实验中采用的晶向为<100>，电阻率为0.03-0.04Ω·cm，厚度为400µm的P型单晶硅为载片．为了使整个微阵列具有相同的光学特性，用一个厚度均匀、对氢氟酸腐蚀有很好阻碍作用的掩模材料氮化硅[14]．图1描述了制作微阵列的整个实验过程．

图1 多孔硅微阵列制造过程的技术步骤

步骤A，使用等离子体增强化学气相沉积法将氮化硅沉积在硅基底上，形成厚度为1.5µm的保护膜；氮化硅在硅片进行电化学腐蚀过程中用作掩蔽材料，因为它显示了在氢氟酸溶液中相对于光致抗蚀剂更好的抗腐蚀性，有效的保护硅片3-4 min．步骤B，在氮化硅薄膜上采用一个标准的光刻流程，得到一个8×8的平方掩模矩阵，每个阵列单元直径300µm，间距200µm，除圆形单元外的其它区域，都覆盖着Si3N4膜；步骤C，在CHF3/O2环境中用反应离子刻蚀法，按照掩膜板所示，刻蚀厚度为1.5µm，得到微阵列，图2为微阵列表面的扫描电子显微镜图；步骤D，通过单槽阳极电化学腐蚀法制备多孔硅微腔，黑暗和常温环境下对微阵列进行电化学腐蚀．

图2 微阵列表面的扫描电子显微镜图

图3 阵列单元表面的扫描电子显微镜图

图4 一个阵列单元的中间（左）和边缘（右）位置截面的扫描电子显微镜图

电化学腐蚀由两个腐蚀步骤组成：电解抛光和多孔硅微腔结构的形成．体积比为1:1的氢氟酸(浓度为40%)和酒精（浓度≥99%）的混合液作为电解液．对微阵列进行电解抛光，电流密度为400mA/cm2，得到一个13µm的微室；在得到的微室上进行多孔硅微腔的腐蚀，折射率为1.58的多孔硅层，电流密度为60mA/cm2，厚度为100nm；折射率为1.13的多孔硅层，电流密度为110mA/cm2，厚度为140nm；缺陷层，电流密度为110mA/cm2，厚度为560nm．介质层的总数为25层．电化学腐蚀完成后，微阵列中每个圆形单元成为多孔硅微腔，其它区域仍覆盖有厚约为1.05.µm的Si3N4膜．图3为腐蚀后多孔硅微腔的微阵列，其中一个阵列单元表面扫描电子显微镜图，多孔硅的孔径大小为30nm左右．图4为腐蚀后多孔硅微腔的微阵列中一个阵列单元的中间和边缘位置截面的扫描电子显微镜图．缺陷层厚度为560nm，整个多孔硅微腔厚度为3.3µm．

1.2 多孔硅微腔微阵列表面光学特性的分析

图5为多孔硅微腔的微阵列表面光学特性的检测光路．用氦氖激光器作光源，激光通过光阑A1，经过两个透镜L1和L2组成的系统进行准直扩束，再经过光阑A2时，控制光斑大小，使光斑正好覆盖样品表面，最后通过半反半透镜（5:5）到达数字相机．

1.3 用数字图像显示阵列单元亮度

波长为633nm的激光通过光阑，经过两个透镜准直扩束，控制光斑大小，使光斑正好覆盖微阵列，再经过半透半反镜L3垂直到达微阵列表面．用数字相机拍摄微阵列表面反射光情况如图6所示．

图5 多孔硅微腔的微阵列表面光学特性的检测光路

图6 数字相机拍摄激光垂直入射微阵列表面反射光情况

多孔硅微腔微阵列表面和截面的扫描电子显微镜图和数字相机拍摄的图片都显示了微阵列中每个阵列单元很好的一致性和光学特性．

2 讨论与分析

阵列的每一个单元都是多孔硅微腔结构，是一种典型的含缺陷态的一维光子晶体．这种结构是由两个完全对称的布拉格反射镜和中间的法布里珀罗谐振腔构成[15]．布拉格反射镜由低孔隙率层和高孔隙率层交替堆叠构成，分别对应于高折射率和低折射率的区域[16]．布拉格反射镜与缺陷层的光学厚度满足以下关系[17]：

其中dH，dL和dC分别是高、低折射率层和缺陷层的厚度；nH，nL和nC分别是两个对称分布的布拉格反射镜的高、低折射率和缺陷层的折射率；λc是多孔硅微腔的中心波长，m为整数．多孔硅微腔的缺陷态波长即光透射波长位于633nm．图7给出多孔硅微腔光透射波长处于633nm模拟仿真的反射谱图．图8为在相同的实验条件下，普通硅片制备出的多孔硅微腔，光透射波长处于633nm的实验反射谱图．从实验和模拟仿真的多孔硅微腔的反射谱图来看，实验室制备的多孔硅微腔结构较为成功．

图7 光透射波长处于633nm的模拟仿真的反射谱图

图8 光透射波长处于633nm实验反射谱图

3 总结

我们结合标准光刻工艺和单槽阳极电化学腐蚀法，设计并成功制备出多孔硅微腔的微阵列，研究了633nm激光垂直入射，多孔硅微腔的微阵列的光学特性．通过数字图像测量方法，克服了光谱仪不能并行测量微阵列每一阵列单元波长变化的困难，实现了低成本、肉眼易观察、快速、实时且并行的测量．本文的研究结果可应用于生物传感器阵列的检测．