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

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 SiO
2
30
I.2 Tạo sự đồng nhất trên bề mặt sợi Si không có SiO
2
35
II Định lượng DNA bằng cảm biến sinh học Si- NWs 40
v
II1 Ly trích DNA của bắp chuyển gene 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


AFM Automic Force Microscope, kính hiển vi lực nguyên tử
APTES AminoPropylTriEthoxySilane
BOX Buried oxide lớp oxít bên trong
DEA Deposition and Etching under Angles, lắng đọng và ăn mòn
theo góc nghiên
DNA Deoxyribo Nucleic Acid
FET Field Effect Transistor, Tranzitor hiệu ứng trường
HDP High Density Plasma Plasma mật độ cao, áp suất thấp
IBE Ion Beam Etching ăn mòn bằng chùm ion
LPVCD Low Pressure Chemical Vapour Deposition, phương pháp lắng
đọng hơi hóa học áp suất thấp

PNA Peptide Nucleic Acid
PTN CNNN Phòng Thí Nghiện Công Nghệ NaNo
PECVD Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition lắng đọng hoá
học pha hơi kèm hỗ trợ plasma
RNA RiboNucleic Acid
RIE Reactive Ion Etching, phản ứng ăn mòn ion
Si – NW Silicon Nano Wire, sợi nano silic
SOI Silicon On Insulator, slic trên đế điện môi
TFA TriFluoroacetic Acid
UV Utra Violet, tia cực tím


vii
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 SiO
2
trên mặt sợi Si-NWs. 35
Hình 23: Sợi silic sau khi gắn 10-N-BOC. 36


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 NH
4
OH 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

không cần dùng đến các phương pháp can thiệp của y học hiện đại (tốn
kém, nhiều ảnh hưởng phụ). Trong trường hợp này, bệnh nhân chỉ cần
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 cấp
thông 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 tạo
của 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 cực
oxy hoá. Những năm tiếp theo ông tiếp tục thực hiện rất nhiều thí nghiệm

nhằm cố gắng mở rộng khả năng hoạt động của cảm biến như phát hiện được
thêm nhiều tác nhân, nâng cao độ chính xác của cảm biến. Vào năm 1962, tại
hội nghị New York Academy of Science, ông đã thuyết trình một bài về cảm
biến sinh học: “To make electrochemical sensors (pH, polarographic,
potentiometric or conductometric) more intelligent by adding enzyme
Nghiên cứu, chế tạo, ứng dụng cảm biến sinh học sợi nano silicon
2
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 glucose
trong 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 CO
2
và O
2
. 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 ý
tưởng 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 phần
nhạy của thiết bị truyền thống bây giờ được thay thế bằng các vật liệu và linh
kiện nano có độ nhạy cao hơn. Ví dụ các điện cực micro trước đây được thay
thế bằng các cấu trúc nano như ống nano cacbon hay sợi nano của vật liệu bán
dẫn hoặc kim loại với độ nhạy ở mức đơn phân tử (single molecule) mà cấu
trúc micro không có khả năng này. Ngoài ra, 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), giúp nâng cao đáng kể độ đặc hiệu của
cảm biến sinh học nói chung. Và sự kết hợp các ưu việt của công nghệ nano
Nghiên cứu, chế tạo, ứng dụng cảm biến sinh học sợi nano silicon
3
(vật liệu và linh kiện nano với độ nhạy cao) với công nghệ sinh học (độ đặc
hiệu cao của chất đánh dấu sinh học) đã chế tạo ra những thế hệ cảm biến mới
có khả năng xác định nhanh, chính xác, với độ đặc hiệu cao các phần tử sinh
học quan trọng như DNA, proteins, vi khuẩn, virut gây bệnh…. Có rất nhiều
cảm biến nano sinh học đã và đang được nghiên cứu, phát triển trong thời gian
qua và mỗi loại có những ưu điểm khác nhau. Tuy nhiên trong luận văn này
chúng tôi tập trung nghiên cứu về công nghệ chế tạo và ứng dụng của cảm biến
sinh học dựa trên cấu trúc của 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 trong
khoảng 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 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 – 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 việc
của 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 lí
làm việc của transitor hiệu ứng trường (Field Effect Transistor - FET), một linh
kiện 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:
Nghiên cứu, chế tạo, ứng dụng cảm biến sinh học sợi nano silicon
4
(d)
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
nhiều markers khác nhau, nâng cao độ chính xác của phép chẩn đoán bệnh (d).
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 khí
bám 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 điện
trở, 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 tính
chất đặc thù, nhưng tuyệt vời của tự nhiên, cho phép phân biệt
từng 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 tử
DNA khác biệt, nhưng một phân tử DNA sẽ chỉ kết cặp duy nhất
với một DNA khác được thiết kế tương thích. Hoặc nếu receptor
là một kháng nguyên đã được thiết kế sẵn, thì kháng nguyên này
chỉ 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, cho
phép phát hiện đồng thời, cùng lúc nhiều loại phân tử sinh học
khác nhau. Khả năng này nâng cao tính chính xác của phép phân
tích - tính đồng bộ và đa dạng của bộ kít sợi nano.
Nghiên cứu, chế tạo, ứng dụng cảm biến sinh học sợi nano silicon
6
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 tạo
khác 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 năng

phát hiện nhanh (trong vài giây) và siêu nhạy (ở nồng độ fM) một số phân tử
sinh 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 thư
tiền liệt tuyến. Trong ví dụ này, nồng độ PSA được phát hiện ở nồng độ nhỏ
nhất là 0.9 ng/ml, tức là nhạy hơn các phương pháp truyền thống hàng nghìn
lần. 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 sợi
nano 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
nano silicon
Với rất nhiều tính chất ưu việt như tính dẫn điện, tính chất quang, và tính
siêu nhạy khi sử dụng làm cảm biến mà thiết bị và linh kiện truyền thống
không có được, linh kiện và cảm biến xây dựng trên cấu trúc sợi nano đã và
đang được quan tâm nghiên cứu tại các Phòng Thí Nghiệm và các đơn vị
nghiên cứu hàng đầu trên thế giới (Lieber group tại Đại học Harvard;
Health group tại Đại học Caltech ;
Yang group tại Đại học California;
Viện Công Nghệ Nano

MESA+, Hà lan; Viện nghiên cứu A-star
Singapore; v.v… Các kết quả nghiên cứu về sợi nano
nói 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 như
Science và Nature. Vì những lí do trên, có thể nói rằng đến ngày hôm nay, các
nhóm nghiên cứu đã phát minh, sáng tạo ra rất nhiều phương pháp để chế tạo
sợi nano kim loại và bán dẫn, với kích thước và tính chất đa dạng, phù hợp cho
các 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. Các
công việc này là rất khó khăn và đòi hỏi nhiều thời gian vì cấu trúc siêu nhỏ
của sợi. Việc này cần đến các thiết bị chuyên dụng, đắt tiền. Ngoài ra, độ lặp
lại của linh kiện cũng không cao do việc chế tạo thủ công, đơn chiếc. Việc sử
dụng 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 bỏ
được việc chọn lọc sợi và dễ dàng hơn trong việc tạo điện cực kết nối mạch
Nghiên cứu, chế tạo, ứng dụng cảm biến sinh học sợi nano silicon
8
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 và
cảm biến sợi nano nói riêng. Hiện nay các nhóm nghiên cứu trên thế giới đang
tập 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 bản
chất nhiều nghiên cứu và ứng dụng truyền thống trong nhiều lĩnh vực, từ

quang 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 mỗi
bài báo, tìm cách học hỏi các điểm mạnh, cũng như chỉ ra các điểm hạn
chế của mỗi phương pháp chế tạo, đúc rút ra phương pháp khả thi để chế
tạo 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, Nhóm
nghiên 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 của
PTN CNNN, ĐHQG TP.HCM.
Từ các thông tin và phân tích nói trên, nhóm tác đã đưa ra một qui trình
chế tạo mới, phù hợp với điều kiện cơ sở của PTN Công Nghệ Nano, ĐHQG
TP.HCM, để
Nghiên cứu, chế tạo, ứng dụng cảm biến sinh học sợi nano silicon
9
Si
3
N
4
Si
-45
o
45

o
SiO
2
SiO
2
Đế Si
Si
A Lắng đọng SiO
2
/
Si
3
N
4
Si
3
N
4
B Quang khắc, ăn mòn Si
3
N
4
B Nhìn từ trên
l
W=3 µm
C Ăn mòn ướt SiO
2
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)
Nghiên cứu, chế tạo, ứng dụng cảm biến sinh học sợi nano silicon
10
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.
chế tạo được linh kiện sợi nano silicon (Si), có kích thước và tính chất phù cho
F Tách lớp Si
3
N
4
F Nhìn từ trên
Mặt nạ
G Tách lớp SiO
2
G Nhìn từ trên
H Ăn mòn lớp Si
Vùng gắn điện cực
Mặt nạ sợi nano Cr
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 SiO
2
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 /cm
3
, lớp cách
điện SiO
2
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 SiO
2
 Bốc bay tạo màng Cr trên bậc nano SiO
2
 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 SiO
2
, tạo lên sợi
nano Cr nằm dọc theo bậc SiO
2
. (Bước này được thực hiện trên thiết bị
Ion Beam Etching (IBE) của Viện nghiên cứu MESA+, Hà lan, do PTN
CNNN 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 bám
dính 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 được
nghiên cứu, khảo sát và trình bày chi tiết trong chương 3.
Nghiên cứu, chế tạo, ứng dụng cảm biến sinh học sợi nano silicon
12
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 là
các 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 được
trình 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 thực
hiện để truyền hình ảnh cửa sổ từ mặt nạ (mask) lên lớp mỏng vật liệu nhạy
bức 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 cảm
quang không phải là phần tử cố định cửa sổ định hình, mà chỉ là bản sao hình

dạng cấu trúc mà ta muốn chuyển vào lớp SiO
2
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 SiO
2
. Việc này được
thực hiện qua công đoạn ăn mòn khô (dry etching), sử dụng hỗn hợp khí CHF
3
+ O
2
. Trong qui trình công nghệ này, lớp cảm quang có chức năng chính là
định hình cho bậc nano trên màng mỏng SiO
2
, do đó chất lượng của lớp cảm
quang sẽ góp phần quyết định đến chất lượng định hình của bậc nano, mà cuối
cùng 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
13
Hình 5: Mô hình mặt nạ
Hình 6: Quy trình quang khắc
Các giai đoạn cơ bản để tạo quang khắc:
- Chuẩn bị bề mặt
- Sấy sơ bộ
- Phủ photoresist lên đế
Cr
Nghiên cứu, chế tạo, ứng dụng cảm biến sinh học sợi nano silicon
14

- 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 chế
tạo các vi mạch điện tử. Ngoài ra, quang khắc được sử dụng trong ngành khoa
học và công nghệ vật liệu để chế tạo các chi tiết vật liệu nhỏ, chế tạo các linh
kiện vi cơ điện tử. Hạn chế của quang khắc là do ánh sáng bị nhiễu xạ nên
không thể hội tụ chùm sáng xuống kích cỡ quá nhỏ, vì thế nên không thể chế
tạo các chi tiết có kích thước nano (độ phân giải của thiết bị quang khắc tốt
nhất 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 150~200
o
C, 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 để
điều chỉnh lớp photoresist trong giai đoạn này:
- Tốc độ 3000-6000 vòng/phút
- Thời gian quay: 15-30 giây

Nghiên cứu, chế tạo, ứng dụng cảm biến sinh học sợi nano silicon
15
- Độ dày lớp phủ: 0.5-15µm
Công thức thực nghiệm để tính độ dày lớp phủ photoresist
w
kp
t
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%.
Các phương pháp thực hiện:
a. Dùng lò đối lưu nhiệt
- nhiệt độ: 90-100
o
C
- thời gian: 20 phút
b. Dùng tấm gia nhiệt
- nhiệt độ: 75-85
o
C
- thời gian: 45 giây
c. Dùng sóng viba và đèn hồng ngoại.
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.
Nghiên cứu, chế tạo, ứng dụng cảm biến sinh học sợi nano silicon

16
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.
Điều kiện sấy:
Nghiên cứu, chế tạo, ứng dụng cảm biến sinh học sợi nano silicon
17
- nhiệt độ: 120-150
o
C
- 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 SiO
2
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 cạnh
thẳng 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 cao
tần (RF). Điện cực nối đất chính là buồng phản ứng nên có diện tích lớn. Diện
tích nối đất lớn cùng với áp suất làm việc thấp (< 500 mTorr) làm cho phiến bị
bắn phá mạnh bởi các ion năng lượng cao từ plasma, do bề mặt phiến tự phân
cực âm. Tính chọn lọc của hệ thiết bị này tương đối thấp so với hệ ăn mòn dạng
ống tròn truyền thống vì có sự phún xạ vật lý mạnh. Tính chọn lọc có thể được
cải thiện nếu polymer hoá bề mặt silicon bằng polymer fluorocarbon, lúc đó sẽ
xảy ra ăn mòn chọn lọc giữa SiO
2
và Si.
Ăn mòn vật liệu điện môi, đặc biệt là SiO
2
và Si
3
N
4
, là một khâu cơ bản
trong công nghệ chế tạo các linh kiện bán dẫn hiện đại. Do vật liệu điện môi có
năng lượng liên kết lớn, việc ăn mòn các vật liệu này đòi hỏi sử dụng plasma
tăng cường bởi ion với hoá chất chứa Flo. Có thể thu được vách ăn mòn thẳng
đứng khi thêm vào hợp chất của F chứa carbon như CF
4
, CHF
3
, C

4
F
8
. Trong
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 tạo
thành SiF
x
.
Plasma mật độ cao, áp suất thấp (high density plasma-HDP) hay được sử
dụng cho ăn mòn phụ thuộc tỉ số chiều sâu/chiều rộng (d/w). Tuy nhiên, các
nguồn HDP sẽ sinh ra các điện tử nóng dẫn đến làm tăng mức độ phân ly các
ion 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