[0001] 本发明涉及传感器领域，具体地，涉及制作纳米孔阵列的方法、纳米孔阵列和纳米孔阵列传感器。

[0002] 纳米孔是一种纳米尺度、固定于生物膜或固态材料衬底中的孔隙结构，可分为生物纳米孔和固态纳米孔两种类型。基于纳米孔的单分子测序简称纳米孔测序，属于第3代测
序的技术路线之一，由于纳米孔测序具有免标记、无扩增、低成本、读取长度长、支持高通量
测序等优点，被认为是最具希望实现低成本人类基因组测序的新一代测序技术，受到了世
界各国学术界和产业界的普遍重视。

[0003] 现阶段，纳米孔测序的主流机制是离子阻塞电流检测法，测序过程中，DNA分子在电场力的作用下穿过纳米孔，从而阻塞了纳米孔通道内离子的流动，造成离子电流的剧烈
下降。根据离子阻塞电流的下降幅度、阻塞信号的持续时间、阻塞信号的产生频率，研究人
员可以对待测DNA片段的阻塞面积、阻塞长度、碱基类型等物理信息进行评估。但如何低成
本、批量地制备纳米孔阵列结构，已经成为当下制备纳米孔的关键挑战之一。

[0004] 因此，目前的制作纳米孔阵列的方法、纳米孔阵列和纳米孔阵列传感器仍有待改进。

[0034] 下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附
图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

[0035] 本申请是基于发明人对以下技术问题的发现而提出的：

[0036] 相关技术中，纳米孔测序的主流机制是离子阻塞电流检测法，测序过程中，DNA分子在电场力的作用下穿过纳米孔，从而阻塞了纳米孔通道内离子的流动，造成离子电流的
剧烈下降。从而根据离子阻塞电流的下降幅度、阻塞信号的持续时间、阻塞信号的产生频
率，对DNA片段的物理信息进行评估。发明人发现，阻塞电流受到纳米孔内壁表面材料的影
响，通过对孔内壁的表面状态进行修饰，可有效减小低频噪声的幅值，提高测序的信噪比，
进而提高测序结果的准确性和稳定性。通过在纳米孔内部修饰功能性材料，可以改变内壁
表面的电学性质，进而有效减小纳米孔DNA测序中的低频噪声影响，提高测序信噪比，实现
高精度测试。

[0037] 在本发明的一个方面，本发明提出了一种制作纳米孔阵列的方法，采用硅片作为基底，通过物理或化学沉积在硅片基底上沉积掩膜层，利用光刻技术将图案化阵列转移至
掩膜层以形成图案化层，随后采用干法刻蚀去除对应掩膜层使硅露出，利用腐蚀液对硅的
各向异性腐蚀的特性在基片上表面形成锥型刻蚀腔，在锥型刻蚀腔上沉积功能材料层，功
能材料层附着在锥形内壁上，从而功能材料层与第一刻蚀腔具有相同的锥尖结构，再通过
湿法腐蚀从基片背面将包裹锥尖处的功能材料层的硅膜刻蚀掉，使得位于锥尖处的功能材
料层露出。最后采用聚焦离子束对锥尖处的功能材料进行刻蚀，功能材料层的锥尖经刻蚀
后被打开，最终同步形成多个纳米孔，获得大规模纳米孔阵列。

[0038] 具体地，参考图1，制作纳米孔阵列的方法包括以下步骤：

[0039] S10：提供硅片

[0040] 根据本发明的一些实施例，在该步骤提供硅片，硅片具有相对设置的第一主表面和第二主表面。硅片的厚度不受特别限制，例如，硅片的厚度可以为250‑300微米。

[0041] S20：在硅片的第一主表面上形成第一掩膜层，在硅片的第二主表面上形成第二掩膜层

[0042] 根据本发明的一些实施例，参考图2中的(a)，在该步骤形成第一掩膜层210和第二掩膜层220，形成第一掩膜层和第二掩膜层的材料均不受特别限制，只要其与湿法刻蚀硅片
的刻蚀液之间不发生腐蚀反应即可，例如，形成第一掩膜层和第二掩膜层的材料均可以包
括氮化硅和氧化硅中的至少之一。

[0043] S30：对第一掩膜层进行第一干法刻蚀

[0044] 根据本发明的一些实施例，参考图2中的(b)，在该步骤对第一掩膜层进行第一干法刻蚀以形成第一图案化层211，其中，第一图案化层包括多个第一子凹槽，即第一掩膜层
中被第一干法刻蚀所刻蚀掉的区域所形成的凹槽。由此，可以在后续湿法刻蚀过程中，沿着
多个第一子凹槽进行各向异性的湿法刻蚀，形成第一刻蚀腔。

[0045] 根据本发明的一些实施例，参考图4和图5，形成第一图案化层进一步包括：

[0046] 参考图4中的(b)，在第一掩膜层210远离硅片100的一侧形成第一光刻胶层10。

[0047] 参考图4中的(c)，对第一光刻胶层进行第一图案化处理以暴露第一掩膜层的部分表面，具体地，在该步骤中可以采用第一掩模板11对第一光刻胶层上需要保留的区域进行
遮挡，从而通过光照处理使得第一光刻胶层上第一凹槽对应的区域被刻蚀掉，从而暴露出
第一掩膜层210上对应第一凹槽的部分表面。

[0048] 参考图5中的(d)和(e)，在该步骤通过对第一掩膜层210进行第一干法刻蚀以形成第一图案化层211，其中，第一凹槽形成在第一图案化处理时未被第一掩模板遮挡的区域，
即第一图案化层211中不具有原有的第一掩膜层210材料的位置处为第一凹槽。

[0049] 参考图5中的(f)，在形成第一图案化层211之后，可以通过光照处理将剩余的第一光刻胶层去除，具体地，可以采用与前述对第一光刻胶层进行第一图案化处理相同的条件，
所不同的是，无需采用掩模板进行遮挡。

[0050] 根据本发明的一些实施例，第一干法刻蚀的方法不受特别限制，例如，第一干法刻蚀可以采用电感耦合等离子体的方法进行刻蚀。

[0051] S40：对第二掩膜层进行第二干法刻蚀

[0052] 根据本发明的一些实施例，参考图2中的(b)，在该步骤对第二掩膜层进行第二干法刻蚀以形成第二图案化层221，其中，第二图案化层211包括多个第二子凹槽，第二子凹槽
即第二掩膜层中被第二干法刻蚀所刻蚀掉的区域所形成的凹槽。其中，一个第二子凹槽在
硅片100上的正投影覆盖多个第一子凹槽在硅片100上的正投影，即一个第二子凹槽对应多
个第一子凹槽。由此，可以在后续湿法刻蚀过程中，沿着多个第二子凹槽进行各向异性的湿
法刻蚀，形成第二刻蚀腔。

[0053] 根据本发明的一些实施例，形成第二图案化层进一步包括：

[0054] 参考图6中的(b)，在第二掩膜层220远离硅片100的一侧形成第二光刻胶层20。

[0055] 参考图6中的(c)，对第二光刻胶层进行第二图案化处理以暴露第二掩膜层的部分表面，具体地，在该步骤中可以采用第二掩模板21对第二光刻胶层上需要保留的区域进行
遮挡，从而通过光照处理使得第二光刻胶层上第二凹槽对应的区域被刻蚀掉，从而暴露出
第二掩膜层210上对应第二凹槽的部分表面。

[0056] 参考图7中(d)和(e)，在该步骤通过的对第二掩膜层220进行第二干法刻蚀以形成第二图案化层221。其中，第二凹槽形成在第二图案化处理时未被第二掩模板遮挡的区域，
即第二图案化层221中不具有原有的第一掩膜层220材料的位置处为第二凹槽。

[0057] 参考图7中的(f)，在形成第二图案化层221之后，可以通过光照处理将剩余的第一光刻胶层去除，具体地，可以采用与前述对第二光刻胶层进行第二图案化处理相同的条件，
所不同的是，无需采用掩模板进行遮挡。

[0058] 根据本发明的一些实施例，第二干法刻蚀的方法不受特别限制，例如，第二干法刻蚀可以采用电感耦合等离子体的方法进行刻蚀。

[0059] 需要特别说明的时，第一图案层和第二图案化层的形成顺序不受特别限制，例如，可以先在硅片的两侧表面分别形成第一掩膜层和第二掩膜层，再对第一掩膜层进行第一干
法刻蚀，随后对第二掩膜层进行第二干法刻蚀；也可以先在硅片的一侧表面形成第一掩膜
层，在对第一掩膜层进行第一干法刻蚀之后，再在硅片的另一侧表面形成第二掩膜层，随后
再对第二掩膜层进行第二干法刻蚀。本领域技术人员可以根据实际情况进行选择。

[0060] S50：对第一子凹槽进行第一湿法刻蚀

[0061] 根据本发明的一些实施例，参考图2中的(c)，在该步骤通过对第一子凹槽进行第一湿法刻蚀以形成第一刻蚀腔310，第一刻蚀腔310的结构不受特别限制，只要通过第三湿
法刻蚀形成第三刻蚀腔时，第一刻蚀腔所暴露的结构具有尖端即可，例如，第一刻蚀腔310
可以为锥形结构，锥形结构的锥尖朝向第二刻蚀腔320。

[0062] 根据本发明的一些实施例，第一湿法刻蚀的刻蚀液不受特别限制，例如，第一湿法刻蚀的刻蚀液可以为氢氧化钾溶液。采用氢氧化钾溶液对硅片进行湿法刻蚀时具有各向异
性，由此便于形成具有锥形结构的第一刻蚀腔。

[0063] 根据本发明的一些实施例，第一刻蚀腔的深度不受特别限制，例如，在硅片的厚度方向上，第一刻蚀腔的深度可以为3‑5微米。当第一刻蚀腔的深度位于上述范围内时，可以
采用较低浓度的刻蚀液进行刻蚀处理，从而便于对于第一刻蚀腔的刻蚀深度进行调控。

[0064] S60：对第二子凹槽进行第二湿法刻蚀

[0065] 根据本发明的一些实施例，参考图2中的(c)，在该步骤对第二子凹槽进行第二湿法刻蚀以形成第二刻蚀腔320，其中，第一刻蚀腔310与第二刻蚀腔320不连通，由此，可以通
过后续的第三湿法刻蚀使得锥形结构的功能材料层暴露出来，若第一刻蚀腔与第二刻蚀腔
相连通，则无法形成具有锥形结构的功能材料层。

[0066] 根据本发明的一些实施例，第一湿法刻蚀的刻蚀速率v1与第二湿法刻蚀的刻蚀速率v2不受特别限制，例如，v1:v2＝(60‑80)：(5‑15)。由此，可便于快速的形成具有锥形结构
的第一刻蚀腔，以及较快的形成第二刻蚀腔，并通过速率调控使得第二刻蚀腔与第二刻蚀
腔不连通。根据本发明的一些实施例，第二湿法刻蚀液的刻蚀液浓度不受特别限制，例如，
第二湿法刻蚀液的刻蚀液浓度可以与第一湿法刻蚀的刻蚀液浓度相同。

[0067] 根据本发明的一些实施例，第二刻蚀腔的深度不受特别限制，例如，当第二刻蚀腔的高度与第一刻蚀腔的高度之和为a，硅片基底的厚度为b时，b‑a的差值应当不小于5微米。
即第二刻蚀腔的深度与第一刻蚀腔的深度之和与硅片厚度的差值不小于5微米。具体地，当
硅片的厚度为300微米时，第二刻蚀腔的深度可以为290微米；当硅片的厚度为250微米时，
第二刻蚀腔的深度可以为240微米。当第二刻蚀腔的深度与第一刻蚀腔的深度之和与硅片
厚度的差值不小于5微米时，可以便于后续进行第三湿法刻蚀时对于刻蚀速率进行调控；当
第二刻蚀腔的深度与第一刻蚀腔的深度之和与硅片厚度的差值小于5微米时，由于第三湿
法刻蚀的速率较快，不利于对于第三刻蚀腔的结构进行控制，容易暴露出除锥尖结构以外
的功能材料层，不利于形成较小孔径的纳米孔。

[0068] 需要特别说明的是，第一湿法刻蚀与第二湿法刻蚀可以是同步进行的，也可以是依前后顺序进行的，例如，可以先进行第一湿法刻蚀，再进行第二湿法刻蚀，也可以先进行
第二湿法刻蚀，再进行第一湿法刻蚀。本领域技术人员可以根据实际情况进行选择。

[0069] 需要特别说明的是，对于第一湿法刻蚀和第二湿法刻蚀的速率调节不限于刻蚀液浓度调节，也可以通过第一湿法刻蚀和第二湿法刻蚀的刻蚀温度、刻蚀时间进行调整以实
现在第二刻蚀腔深度较大，第一刻蚀腔深度较小的结构。

[0070] S70：在第一刻蚀腔远离第二刻蚀腔的一侧表面形成功能材料层

[0071] 根据本发明的一些实施例，参考图2中的(d)，在该步骤中在第一刻蚀腔310远离第二刻蚀腔320的一侧表面形成功能材料层400。形成功能材料层的材料不受特别限制，例如，
形成功能材料层的材料可以包括金属、金属氧化物和非金属氧化物中的至少之一。由于功
能材料层可以选择多种材料，故形成的纳米孔的孔内壁的表面电学性质各不相同，相应地
也具有不同物理、化学性质，从而使得该纳米孔阵列可被广泛应用于生物分子检测、分子存
储和计算等多个领域。

[0072] 根据本发明的一些实施例，形成功能材料层的工艺不受特别限制，只要其能在第一刻蚀腔远离第二刻蚀腔的一侧表面形成功能材料层即可，例如，形成功能材料层的工艺
可以包括电子束蒸发、磁控溅射和原子层沉积中的至少之一。

[0073] S80：对第二刻蚀腔进行第三湿法刻蚀

[0074] 根据本发明的一些实施例，参考图3中的(e)，在该步骤通过第三湿法刻蚀，使得第二刻蚀腔的深度增大，形成第三刻蚀腔330，从而暴露出位于锥尖处的功能材料层400。

[0075] 根据本发明的一些实施例，第三湿法刻蚀液的刻蚀液浓度不受特别限制，例如，第三湿法刻蚀液的刻蚀液浓度可以与第二湿法刻蚀的刻蚀液浓度相同。

[0076] 根据本发明的一些实施例，第一湿法刻蚀的刻蚀速率v1与第三湿法刻蚀的刻蚀速率v3不受特别限制，例如，v1:v3＝(60‑80)：(1‑5)。由此，可便于缓慢的形成第三刻蚀腔，从
而缓慢的暴露出位于锥尖处的金属层，而不过多的暴露出无需进行后续刻蚀的金属层。

[0077] 需要特别说明的是，对于第三湿法刻蚀的速率调节不限于刻蚀液浓度调节，也可以通过对第三湿法刻蚀的刻蚀温度、刻蚀时间进行调整以形成第三刻蚀腔结构。

[0078] S90：对位于锥尖的功能材料层进行第四刻蚀

[0079] 根据本发明的一些实施例，参考图3中的(f)和(g)，在该步骤通过对位于锥尖的功能材料层400进行第四刻蚀以形成多个纳米孔500，最终得到纳米孔阵列。由此，可通过简便
的方法制备具有孔径均一、制备流程简便、可重复性高等优点的纳米孔阵列结构。

[0080] 根据本发明的一些实施例，第四刻蚀的工艺不受特别限制，例如，第四刻蚀可以为通过聚焦离子束源对位于锥尖的功能材料层400进行刻蚀。第四刻蚀的刻蚀速率可以通过
离子束的加速电压、工作电流和束斑大小调节，由于离子束对硅和功能材料层的选择性，使
得其仅会刻蚀功能材料层400，最终使得位于锥尖处的功能材料层400被刻蚀去除，形成纳
米孔500。

[0081] 根据本发明的一些实施例，通过前述的方法形成的纳米孔的孔径不受特别限制，例如，形成纳米孔的孔径范围可以为1‑500nm。由此，可便于通过该纳米孔阵列结构制备多
种纳米孔阵列传感器。

[0082] 总言之，本发明提出一种制作纳米孔阵列的方法，其至少具有如下优点：

[0083] 第一，纳米孔的开孔过程(即第四刻蚀)处于无液体环境，可以有效地避免常规工艺采用的湿法腐蚀过程中液体环境带来的气泡、溶液波动，以及水浴加热过程中温度分布
不均衡等问题，可以有效提高纳米孔阵列制备的均匀性。

[0084] 第二，由于聚焦离子束可以对大范围面积同时进行加工，且刻蚀速率可以通过加速电压，工作电流以及束斑大小等调节，可以精准控制制备过程中纳米孔的尺寸。

[0085] 第三，整个制备过程中均采用半导体工艺和MEMS技术，能够实现大规模的制备，易于批量生产的同时可以降低制作成本，使得该制作方法能够被广泛应用于半导体、集成电
路和纳米加工领域。

[0086] 在本发明的另一个方面，本发明提出了一种纳米孔阵列，纳米孔阵列是通过前面方法制作得到的。由此，该纳米孔阵列具有前述的制作纳米孔阵列的方法的全部特征及优
点，在此不再赘述。

[0087] 在本发明的又一个方面，本发明提出了一种纳米孔阵列传感器，参考图8，纳米孔阵列传感器包括前述的纳米孔阵列。由此，该纳米孔阵列传感器具有前述的纳米孔阵列结
构的全部特征及优点，在此不再赘述。总言之，该纳米孔阵列传感器具有内部电化学性质可
调，检测灵敏度高，检测速度快，复现性高的优点。

[0088] 在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必
须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

[0089] 此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者
隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三
个等，除非另有明确具体的限定。

[0090] 在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在
第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示
第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第
一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

[0091] 在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特
点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不
必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任
一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技
术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结
合和组合。

[0092] 尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述
实施例进行变化、修改、替换和变型。