倏逝场照明的集成零模波导纳米孔芯片

2022-01-20俞鹏飞付博文李传宇李超周连群郭振

光学精密工程 2022年1期

俞鹏飞付博文李传宇李超周连群*郭振

倏逝场照明的集成零模波导纳米孔芯片

俞鹏飞1，2，付博文2，3，李传宇2，4，李超1，2，周连群1，2*，郭振2，5*

（1.中国科学技术大学，安徽合肥 230026；2.中国科学院苏州生物医学工程技术研究所中国科学院生物医学检验技术重点实验室，江苏苏州 215163； 3.复旦大学，上海 200433；4.苏州国科芯感医疗科技有限公司，江苏苏州 215163；5.季华实验室，广东佛山 528200）

为了降低零模波导照明系统的成本、缩小尺寸，设计并完成衍射光栅、光波导以及零模波导的片上集成，并对集成化芯片的微纳结构及性能进行验证。采用时域有限差分法对集成化芯片进行了仿真设计，基于微纳加工手段制备出片上衍射光栅、光波导以及零模波导阵列结构，对微观结构进行表征，并借助荧光微球对芯片的性能进行验证。通过荧光微球测试，制备的集成化芯片可以实现荧光微球的有效激发；通过微观结构表征，衍射光栅周期为（352.8±2.6） nm，齿宽为（155.3±2.4） nm，刻蚀深度为（67.8±3.5） nm；光波导芯层的宽度为（504.05±10.35） nm，高度为（184.9±8.9） nm；零模波导直径为（200.2±6.4） nm，深度为（301.3±7.6） nm，满足设计要求。芯片尺寸为22 mm×22 mm，最小线宽为155 nm，通过8个衍射光栅、约1 000条光波导以及数十万个零模波导阵列结构的片上集成，为零模波导的照明提供了一种紧凑且有效的解决方案。

集成光学；光波导；衍射光栅；零模波导阵列

1 引　言

零模波导（Zero-Mode Waveguide，ZMW）是在透明衬底上由金属包层薄膜构成的圆孔，孔径一般为50～250 nm［1］。ZMW的横截面尺寸足够小，它存在一个截止波长，大于该波长的光无法穿过它进行传输，进入ZMW内的光强度随着距孔开口的距离呈e指数规律衰减［2］。当入射光从衬底方向照射时，ZMW的底部可以形成体积在仄升（1021L）量级的薄层光场［3］，相比于传统的共聚焦显微镜的观测体积小了3～4个数量级［4］。ZMW通常是阵列化后大规模并行使用的［5-7］，由于具有超越光学衍射极限的空间分辨率、高的时间分辨率、良好的信噪比，ZMW可广泛应用于单分子实时DNA测序［8］，λ-阻遏齐聚反应动力学研究［9］，利用双色荧光互相关光谱快速筛选DNA限制酶活性［10］，标记膜蛋白在模型膜和活细胞脂质双层膜中的扩散分析［11］。

2 实　验

2.1　集成芯片的设计

图1　集成芯片的结构及工作流程

综合考虑材料折射率及微纳加工工艺的要求，光栅及波导包层材料采用二氧化硅（532 nm激光下折射率=1.46），波导和光栅芯层材料采用氮化硅（532 nm激光下折射率=1.9）。可以采用端接耦合、棱镜耦合、光栅耦合多种方法将来自光源的光耦合进入波导中，为了使阵列波导之间的光能强度归一化，本文采用光栅耦合器作为波导的输入耦合器。光栅的表面积与光源入射到芯片上的光斑大小相匹配，耦合光栅的表面积约为4 900 μm2，对准光栅的表面积约为1 600 μm2，两种光栅的形状和截面尺寸相同，形状为光栅线弯曲成焦点位于光栅-波导界面处一系列共焦椭圆。这样可以让光学模式以更小的距离直接从光栅聚焦到波导中，光栅通过平板波导和锥形波导使模式大小匹配地进入矩形波导中。为了提高光栅的耦合效率，在光栅下方的二氧化硅层中掩埋了金属作为光栅的反射层，根据时域有限差分（Finite-DifferenceTime-Domain，FDTD）的数值分析结果（Lumerical FDTD软件），当金属铝掩埋在二氧化硅层中的合适位置时，相对于不掩埋铝，光栅的耦合效率提高了1.44倍，由于金属铝的热传导系数较二氧化硅大，铝层对于光栅的散热也是有利的［17］。光栅的耦合效率与光栅的参数关系如图2所示。最终采用的光栅耦合器截面尺寸为：光栅周期1=355 nm，光栅刻蚀深度2=68 nm，光栅齿宽3=155 nm，顶部包层沉积SiO2，厚度4=280 nm，采用100 nm厚度的铝作为光栅的反射层，铝位于光栅芯层下方5=260 nm处。当光源波长为532 nm时，该衍射耦合光栅的耦合效率为63.6%。

图2　衍射光栅仿真结果

波导结构由波导芯层和波导包层构成，包围波导芯的波导包层具有比波导芯低的折射率，用于将被引导的光波的模态轮廓（或直径）限制在亚微米（或仅几微米）范围内。由于光波导倏逝场幅值呈指数衰减，光波仅在波导芯外部延伸亚微米到几微米的距离，为纳米尺寸的ZMW提供照明。根据：

可得：

其中：光波长=532 nm，波导芯层折射率core=1.9，波导包层折射率clad=1.46，为波导芯层厚度。由式（2）得，<217 nm，对于矩形波导，综合考虑功率容量、传播模式以及加工工艺要求等因素，采用的波导芯层厚度为180 nm，宽度为500 nm。

图3　ZMW底部和波导芯中心的距离与ZMW底部光能量密度的关系

ZMW底部和波导芯中心的距离是芯片设计的参数之一。图3显示了波导芯层材料分别为TiO2和Si3N4时，通过FDTD数值分析结果（Lumerical FDTD软件）得到该参数与ZMW底部光能量密度的关系，以及几个典型参数时波导和ZMW截面电场分布。综合考虑到加工工艺难度及波导传输中的损耗等因素，该距离取为170 nm。由于波导芯顶部包层SiO2厚度为280 nm，波导芯厚度为180 nm，ZMW延伸进入波导包层200 nm，ZMW的金属包层采用金，厚度为100 nm，ZMW的深度共为300 nm，考虑到加工过程中刻蚀倾角，ZMW的孔径确定为200 nm。

2.2　集成芯片的加工

图4为集成化芯片的具体加工工艺。采用四英寸JGS1玻璃作为基底，直径为101.6 mm，厚度为（500±10）μm，可见光透过率>90%。采用丙酮、异丙醇和无水乙醇分别超声清洗，去除基底表面杂质；接着采用Lift-off工艺镀Al（图4（a）），旋涂紫外光刻胶AZ5214，使用光刻机进行曝光并显影，使用电子束蒸镀机沉积Cr和Al，厚度分别为10，100 nm，剥离残留的光刻胶及其表面覆盖的金属Al；之后沉积SiO2（图4（b）），采用气体SiH4（100 mL/min）+N2O（710 mL/min）PECVD沉积；再沉积Si3N4（图4（c）），采用气体SiH4（350 mL/min）+NH3（23 mL/min）+N2（300 mL/min）PECVD沉积；再采用电子束光刻光栅（图4（d）），旋涂电子束正胶后进行电子束曝光，束流为2 nA，曝光剂量为200 μC/cm2，使用刻蚀机对Si3N4反应离子刻蚀，刻蚀气体是CHF3（50 mL/min）+O2（5 mL/min），得到刻蚀深度68 nm的光栅阵列结构；除胶后电子束套刻波导芯层（图4（e）），旋涂电子束负胶，后进行电子束曝光，束流10 nA，曝光剂量为350 μC/cm2，后烘坚模，使用刻蚀机对Si3N4反应离子刻蚀，刻蚀气体是CHF3（50 mL/min）+O2（5 mL/min），得到刻蚀深度为180 nm的波导阵列结构；除胶后PECVD沉积SiO2（图4（f））；之后，紫外光刻波导包层（图4（g）），旋涂紫外光刻胶AZ5214并前烘，使用光刻机进行曝光并显影，接下来继续反应离子刻蚀，刻蚀气体是SF6（25 mL/min）+O2（25 mL/min），得到刻蚀深度为280 nm的SiO2包层结构；清洗后Lift-off工艺镀Au（图4（h）），旋涂紫外光刻胶AZ5214，使用光刻机进行光刻，在光刻胶上使用电子束蒸镀机沉积Ti和Au，厚度分别为10，100 nm，剥离残留的光刻胶及表面覆盖的金属Au；之后进行电子束光刻套刻（图4（i）），旋涂电子束正胶后进行电子束曝光，使用刻蚀机对Au离子束刻蚀，将图案转移到金属Au层，接着对Au下方的SiO2进行刻蚀，刻蚀深度为200 nm，最终得到刻蚀深度为300 nm的ZMW结构。

图4　芯片加工工艺（每张图左右分别显示不同角度的芯片截面）

3 结果与讨论

3.1　集成芯片的加工结果

集成芯片加工完成后，对重要结构进行了扫描电子显微镜（Scanning Electron Microscopy，SEM）、显微镜表征，部分表征结果如图5所示。光栅结构上覆盖的为光刻胶以及在FIB切割过程起保护作用的金属铂，表征后统计得光栅周期为（352.8±2.6）nm，齿宽为（155.3±2.4）nm，刻蚀深度为（67.8±3.5）nm。图5（b）为集成化芯片中波导芯结构的表征，波导阵列包含了Y型分支波导和L型波导等，波导芯上覆盖光刻胶以及金属铂，表征后统计得波导芯宽度为（504.05±10.35）nm，高度为（184.9±8.9）nm。图5（c）为集成化芯片中ZMW及位于其下方的波导芯结构，表征后统计得ZMW孔径为（200.2±6.4）nm，深度为（301.3±7.6）nm。表征结果显示，集成化芯片的衍射光栅、光波导及ZMW均满足设计要求。

3.2　集成芯片性能验证

图6　集成芯片性能验证实验装置及结果

4 结　论

本文采用FDTD对衍射光栅、光波导以及ZMW阵列集成的芯片进行了仿真设计，基于微纳加工手段制备出集成芯片，并借助荧光微球对集成芯片进行了性能验证。集成芯片最小线宽155 nm，通过8个衍射光栅完成光波耦合，约1 000条波导完成光波传输，再利用波导中的倏逝场实现对数十万个ZMW阵列的照明。实验结果表明，集成芯片可以实现荧光微球的有效激发。通过上千条光波导以及数十万个ZMW阵列结构的片上集成，为ZMW的照明提供了一种紧凑且有效的解决方案，解决了ZMW照明系统存在的鲁棒性差、复杂、昂贵，空间要求高的问题。未来将对集成芯片进行结构优化，并与CMOS工艺结合［18］，直接完成荧光信号的片上读取与分析，具有较广阔的应用前景。

［1］ LEVENE M J， KORLACH J， TURNER S W，. Zero-mode waveguides for single-molecule analysis at high concentrations［J］.， 2003， 299（5607）： 682-686.

［2］ MIYAKE T， TANII T， SONOBE H，. Real-time imaging of single-molecule fluorescence with a zero-mode waveguide for the analysis of Protein-Protein interaction［J］.， 2008， 80（15）： 6018-6022.

［3］ ARDUI S， AMEUR A， VERMEESCH J R，. Single molecule real-time （SMRT） sequencing comes of age： applications and utilities for medical diagnostics［J］.， 2018， 46（5）： 2159-2168.

［4］ KIM S H. TIRF-based single-molecule detection of the RecA presynaptic filament dynamics［J］.， 2018， 600： 233-253.

［5］ AKKILIC N， GESCHWINDNER S， HÖÖK F. Single-molecule biosensors： Recent advances and applications［J］.， 2020， 151： 111944.

［6］ TAYLOR A B， ZIJLSTRA P. Single-molecule plasmon sensing： current status and future prospects［J］.， 2017， 2（8）： 1103-1122.

［7］ PATRA S， BAIBAKOV M， CLAUDE J B，. Surface passivation of zero-mode waveguide nanostructures： benchmarking protocols and fluorescent labels［J］.， 2020， 10（1）： 5235.

［8］ LARKIN J， HENLEY R Y， JADHAV V，. Length-independent DNA packing into nanopore zero-mode waveguides for low-input DNA sequencing［J］.， 2017， 12（12）： 1169-1175.

［9］ BARULIN A， CLAUDE J B， PATRA S，. Deep ultraviolet plasmonic enhancement of single protein autofluorescence in zero-mode waveguides［J］.， 2019， 19（10）： 7434-7442.

［10］ MASUD AAL， MARTIN W E， MOONSCHI F H，. Mixed metal zero-mode guides （ZMWs） for tunable fluorescence enhancement［J］.， 2020， 2（5）： 1894-1903.

［11］ KURMOO Y， HOOK A L， HARVEY D，. Real time monitoring of biofilm formation on coated medical devices for the reduction and interception of bacterial infections［J］.， 2020， 8（5）： 1464-1477.

［12］ ZAMBRANA-PUYALTO X， PONZELLINI P， MACCAFERRI N，. A hybrid metal-dielectric zero mode waveguide for enhanced single molecule detection［J］.（，）， 2019， 55（65）： 9725-9728.

［13］ ZHAO Y， CHEN D， YUE H，. Dark-field illumination on zero-mode waveguide/microfluidic hybrid chip reveals T4 replisomal protein interactions［J］.， 2014， 14（4）： 1952-1960.

［14］ BESSMELTSEV V P， ZAVYALOV P S， KOROLKOV V P，. Diffractive focusing fan-out element for the parallel DNA sequencer［J］.，，2017， 53（5）： 457-465.

［15］刘全，黄爽爽，鲁金超，等. 用于飞秒激光制备光纤光栅的相位掩模研制［J］. 光学精密工程， 2020， 28（4）： 844-850.

LIU Q， HUANG SH SH， LU J CH，. Phase mask for fabrication of fiber Bragg gratings by femtosecond laser［J］.， 2020， 28（4）： 844-850. （in Chinese）

［16］计吉焘，翟雨生，吴志鹏，等. 基于周期性光栅结构的表面等离激元探测［J］. 光学精密工程， 2020， 28（3）： 526-534.

JI J T， ZHAI Y SH， WU ZH P，. Detection of surface plasmons based on periodic grating structure［J］.， 2020， 28（3）： 526-534. （in Chinese）

［17］王汉斌，杨依枫，袁志军，等. 光纤激光光谱合束及光栅热效应研究进展［J］. 强激光与粒子束， 2020， 32（12）： 29-48.

WANG H B， YANG Y F， YUAN ZH J，. Research progress on fiber laser spectral beam combining system and grating thermal analysis［J］.， 2020， 32（12）： 29-48. （in Chinese）

［18］宁永慧，刘辉，赵庆磊，等. 大面阵高帧频CMOS成像电子学系统设计［J］. 光学精密工程， 2019， 27（5）： 1167-1177.

NING Y H， LIU H， ZHAO Q L，. High-frame frequency imaging system of large area CMOS image sensor［J］.， 2019， 27（5）： 1167-1177. （in Chinese）

Integrated zero-mode waveguide nanopore chip illuminated by evanescent field

YU Pengfei1，2，FU Bowen2，3，LI Chuanyu2，4，LI Chao1，2，ZHOU Lianqun1，2*，GUO Zhen2，5*

（1，230026，；2，，215163，；3，200433，；4，，215263，；5，528200，），：；

To reduce the cost and size of zero-mode waveguide lighting systems， the on-chip integration of diffraction gratings， optical waveguides， and zero-mode waveguides was designed and completed， and the micro-nanostructure and performance of the integrated chip were verified. The FDTD method was used to simulate and design the integrated chip. The on-chip diffraction grating， optical waveguide， and zero-mode waveguide array were fabricated by micro-nano machining methods， and the micro-nanostructure was characterized. A fluorescent microsphere test was performed to verify the performance of the chip. The test shows that the prepared integrated chip can realize the effective excitation of the fluorescent microsphere. The micro-nanostructure characterization shows that the diffraction grating period， tooth width， and etching depth are （352.8±2.6） nm，（155.3±2.4） nm， and （67.8±3.5） nm， respectively. The width and height of the waveguide core layer are （504.05±10.35） nm and （184.9±8.9） nm， respectively. The diameter and depth of the zero-mode waveguide are （200.2±6.4） nm and （301.3±7.6） nm， respectively， which meet the design requirements. The 22 mm× 22 mm chip， with a minimum linewidth of 155 nm， provides a compact and efficient solution for zero-mode waveguide illumination through the on-chip integration of eight diffraction gratings， approximately 1 000 optical waveguides， and hundreds of thousands of zero-mode waveguide array structures.

integration optics； optical waveguide； diffraction grating； zero-mode waveguide array

TP212.3

10.37188/OPE.2021.0138

1004-924X（2022）01-0062-09

2021-03-18；

2021-04-23.

国家重点研发计划资助项目（No.2018YFF01011003）；国家自然科学基金青年基金资助项目（No.61874133，No.61901469，No.22005331）；江苏省重点研究开发项目（No.BE2019684，No.BE2018080，No.BE2020768）；江苏省政策引导类计划（No.BZ2019069）；季华实验室资助项目（No.X190181TD190）；中科院青年创新促进会资助项目（No.2019322，No.2018360，No.201856）；中国科学院科研仪器设备研制项目（No.YJKYYQ20200046，No.YJKYYQ20190057）；中国科学院重大科研仪器研制项目（No. ZDKYYQ20210004）；苏州市科技支撑计划资助项目（No.SYG201907）；中国科学院苏州生物医学工程技术研究所自主部署项目（No.Y851591105， No.E055011301）

俞鹏飞（1994-），男，安徽滁州人，硕士研究生，2016年于大连理工大学获得学士学位，主要从事微机电系统与微纳加工工艺方面的研究。E-mail：ypf@mail.ustc.edu.cn