Chế tạo microcantilever và ứng dụng trong phát hiện DNA chỉ thị ung thư gan

Khối lượng của chất hấp phụ lên thanh có mối liên hệ với độ lệch tần số được biểu diễn bởi biểu thức: ∆? = 2?∆? ?0, dưới đây là một ví dụ về một đồ thị thể hiện sự dịch chuyển tần số khi

NGUYỄN DUY KHANH

CHẾ TẠO MICROCANTILEVER VÀ ỨNG DỤNG TRONG PHÁT HIỆN DNA CHỈ THỊ UNG THƯ GAN

LUẬN VĂN THẠC SĨ

Thành phố Hồ Chí Minh - 2015

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HỒ CHÍ MINH

PTN CÔNG NGHỆ NANO

NGUYỄN DUY KHANH

CHẾ TẠO MICROCANTILEVER VÀ ỨNG DỤNG TRONG PHÁT HIỆN DNA CHỈ THỊ UNG THƯ GAN

Chuyên ngành: Vật liệu và Linh kiện Nanô (Chuyên ngành đào tạo thí điểm)

LUẬN VĂN THẠC SĨ

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: TS TỐNG DUY HIỂN

Thành phố Hồ Chí Minh - 2015

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HỒ CHÍ MINH

PTN CÔNG NGHỆ NANO

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan các kết quả có được trong luận văn này hoàn toàn là do tôi và nhóm nghiên cứu thực hiện, không sao chép từ bất cứ tài liệu nào khác Tất cả các tài liệu tham khảo, công trình khoa học, sách, bài báo quốc tế… đều được trính dẫn cụ thể, rõ ràng Tác giả xin chịu mọi trách nhiệm về luận văn tốt nghiệp này

Nguyễn Duy Khanh

LỜI CẢM ƠN

Lời đầu tiên tôi xin gửi lời cảm ơn đến TS Tống Duy Hiển đã tận tình hướng dẫn

và truyền cảm hứng nghiên cứu khoa học cho tôi

Tôi xin gửi lời cảm ơn tới các đồng nghiệp của tôi trong nhóm Bionanosensors rói riêng và ở PTN Công nghệ nano nói chung Tôi đã học hỏi được rất nhiều thứ

từ đồng nghiệp, không chỉ đơn thuần là kiến thức, nghiên cứu thuần túy mà là cả thái độ, sự cần cù chăm chỉ và sáng tạo trong nghiên cứu khoa học

Xin cảm ơn anh Toán và các đồng nghiệp tại Viện ITIMS (ĐHBKHN) đã giúp đỡ tôi trong việc so mask và tạo mặt nạ mặt sau của wafer Nếu không có sự giúp đỡ này thì nhóm nghiên cứu chúng tôi không thể chế tạo thành công microcantilever tại Việt Nam trong điều kiện hiện nay

Tôi cũng xin gửi lời cảm ơn tới các thầy cô đã dạy tôi trong khóa học cao học này Các thầy cô đến từ nhiều nơi khác nhau, từ trong Nam ra ngoài Bắc và đa số các thầy cô đều là những giảng viên cao cấp trong các trường đại học/viện nghiên cứu hàng đầu ở Việt Nam Được tiếp xúc, học hỏi từ nhiều thầy cô đến từ nhiều nơi trên đất nước không chỉ giúp tôi có được kiến thức mà còn cho tôi có được cái nhìn rộng mở, đa dạng hơn

Cuối cùng, tôi xin gửi lời cảm ơn đến gia đình, đặc biệt là Bố của tôi Bố đã truyền cho tôi tinh thần, nghị lực và sức chiến đấu của một người lính cụ Hồ Con đường tôi đi, dấu chân tôi bước luôn có gia đình, bè bạn, người thân theo dõi, sát cánh

và chia sẻ cùng tôi

Một lần nữa, xin cảm ơn tất cả mọi người!

Nguyễn Duy Khanh

MỤC LỤC

LỜI CAM ĐOAN i

LỜI CẢM ƠN i

DANH MỤC CÁC KÍ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT vi

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ vii

DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU x

MỞ ĐẦU xi

CHƯƠNG I 1

TỔNG QUAN 1

1.1 Microcantilever 1

1.1.1 Tổng quan về microcantilever 1

1.1.2 Nguyên lý hoạt động của microcantilever 2

1.1.2.1 Mô hình độ uốn tĩnh 2

1.1.2.2 Mô hình động 3

1.1.3 Yếu tố chất lượng (Quality Factor – QF) 7

1.1.4 Ảnh hưởng của nhiệt độ 9

1.1.5 Giới hạn phát hiện và tín hiện trên nhiễu 9

1.1.5.1 Giới hạn phát hiện 9

1.1.5.2 Tín hiện trên nhiễu 10

1.1.6 Chế tạo microcantilever 11

1.1.7 Ứng dụng của microcantilever 12

1.2 DNA chỉ thị ung thư gan 14

1.2.1 Tổng quan về DNA 14

1.2.2 Trình tự DNA và quá trình nhân đôi 16

1.2.3 Đặc tính hóa lý của DNA 16

1.2.4 Ung thư gan 17

1.2.4.1 Ung thư là gì? 17

1.2.4.2 Ung thư gan là gì ? 18

1.2.4.3 Những yếu tố nguy cơ dẫn đến ung thư gan 19

CHƯƠNG II 21

QUY TRÌNH VÀ THIẾT BỊ CHẾ TẠO MICROCANTILEVER 21

2.1 Quy trình chế tạo Microcantilever 21

2.1.1 Sơ đồ khối của quy trình chế tạo 21

2.1.2 Wafer cho chế tạo Microcantilever 22

2.1.3 Ăn mòn lớp SiN mặt trước để tạo hình thanh dao động 24

2.1.4 Ăn mòn lớp SiN mặt sau 25

2.1.5 Ăn mòn lớp SiO2 mặt sau 27

2.1.6 Ăn mòn lớp Si 380 µm 28

2.1.7 Ăn mòn lớp SiO2 hi sinh để thu được cantilever 29

2.2 Các thiết bị chính cho việc chế tạo và đo đạc 30

2.2.1 Máy quang khắc Suss MJB4 30

2.2.2 Hệ ăn mòn DRIE (Deep Reactive Ions Etching) SAMCO RIE – 200iP 32

2.2.3 Máy đo chiều dày cơ Dektak 150 38

2.2.4 Hệ đo tần số và độ lệch SCALA 38

CHƯƠNG III 41

QUY TRÌNH BIẾN ĐỔI BỀ MẶT ĐỂ GẮN KẾT DNA CHỈ THỊ UNG THƯ GAN 41

3.1 Tạo đơn lớp phân tử Cysteamine lên thanh dao động phủ vàng 41

3.2 Gắn phân tử GAD lên phân tử Cysteamine 42

3.3 Cố định đơn chuỗi DNA (DNA receptor) lên phân tử Cysteamine 43

3.4 Lai hóa DNA đích (DNA target) vào đơn chuỗi DNA 43

CHƯƠNG IV 46

KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 46

4.1 Kết quả chế tạo thanh dao động SiN 46

4.1.1 Hình ảnh của chip cantilever đã chế tạo 46

4.1.2 Tần số và chỉ số chất lương (quality factor-QF) của thanh dao động đã chế tạo 51

4.2 Kết quả thực nghiệm sử dụng microcantilevers phát hiện DNA 55

4.2.1 Tần số và QF của chip cantilever 55

4.2.2 Độ dịch chuyển tần số trước và sau khi gắn kết Cysteamine lên thanh

dao động 57

4.2.3 Độ lệch của thanh dao động trước và sau khi gắn kết Cysteamine và ứng suất của đơn lớp Cysteamine 58

4.2.4 Thời gian lai hóa DNA 60

4.2.5 Mối quan hệ giữa nồng độ DNA target và sự thay đổi tần số của thanh dao động 61

CHƯƠNG V 64

KẾT LUẬN VÀ ĐỊNH HƯỚNG NGHIÊN CỨU 64

5.1 Kết luận 64

5.2 Định hướng nghiên cứu 64

TÀI LIỆU THAM KHẢO 66

DANH MỤC CÁC KÍ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT

CVD Chemical Vapour Deposition

DNA Deoxyribonucleic acid

DRIE Deep reactive ion etching

FWHM Full width half maximum

GAD Glutaraldehyde

HF Hydrogen Fluoride

LPCVD Low Pressure Chemical Vapour Deposition

MEMS Microelectromechanical systems

NEMS Nanoelectromechanical systems

PSD Position Senstive Detector

PVD Physical Vapour Deposition

QF Quality Factor

RF Radio frequency

RIE Reactive ion etching

SOI Silicon on insulator

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ

Hình 1.1 a) Cantilever đơn tinh thể silic với chiều dày 340 nm

b) Cantilever đơn tinh thể silic với chiều dày 57 nm

Hình 1.2 a) Cantilever chịu tải trọng ở cuối thanh

b) Cantilever bị tải trọng đều toàn thanh

Hình 1.3 Ví dụ về độ lệch của thanh với hai ứng suất khác nhau

Hình 1.4 Tần số cộng hưởng của nanocantilevers: Tần số cộng hưởng giảm dần

theo sự tăng khối lượng của các chất hay virut gắn kết trên thanh Bản quyền của American Institute of Physics (2004)

Hình 1.5 Ví dụ về một phổ tần số cộng hưởng và cách xác định yếu tố chất

lượng Q

Hình 1.6 Mối quan hệ giữa: a, khối lượng của thanh dao động với Q

b, độ dày của thanh dao động với Q

Hình 1.7 Minh họa thử nghiệm lai hóa Bản quyền của American Association

for the Advancement of Science

Hình 1.8 Cấu trúc của DNA và các thành phần cấu tạo nên nó

Hình 2.1 Sơ đồ tóm tắt quy trình chế tạo microSiN Cantilever

Hình 2.2 Wafer Si với các lớp màng mỏng chuẩn bị cho việc chế tạo tiếp theo Hình 2.3 Đồ thị biểu diễn thời gian đưa khí vào buồng cho việc ăn mòn

Hình 2.4 Minh họa mặt cắt wafer sau khi ăn mòn lớp SiN mặt trên để tạo hình

thanh dao động

Hình 2.5 Mô hình quang khắc sử dụng mask 2 để ăn mòn mặt dưới

Hình 2.6 Cấu trúc chip cantilever sau khi đã tạo mask bảo vệ mặt dưới lớp gồm

Al và PR

Hình 2.7 Cấu trúc chip cantilever sau khi đã ăn mòn lớp SiN ở mặt dưới

Hình 2.8 Cấu trúc chip cantilever sau khi đã ăn mòn lớp SiO2

Hình 2.9 Cấu trúc của chip cantilever sau khi ăn mòn hết lớp Si từ mặt sau của

đế

Hình 2.10 Cấu trúc của chip chứa cantilever sau khi đã ăn mòn hết lớp hi sinh

SiO2

Hình 2.11 Thiết bị quang khắc Suss MJB4 tại LNT

Hình 2.12 Ba kiểu tiếp xúc cơ bản trong hệ quang khắc

Hình 2.13 Mô hình thể hiện quá trình thụ động hóa bằng C4F8 và khắc bằng SF6

trong hệ DRIE

Hình 2.14 Hệ khắc khô DRIE SAMCO 200iP tại LNT

Hình 2.15 Giao diện máy tính với màn hình cảm ứng, jog dial, set switch,

nút tắt khẩn cấp và công tắc nguồn chính

Hình 2.16 Màn hình chính chỉ ra toàn bộ sơ đồ khối và tình trạng của hệ ở thời

điểm hiện tại

Hình 2.17 Màn hình Mode, có 3 mục chính là: login Menu, Auto Sequence và

Operation Thông thường thì mode hoạt động là “Auto”

Hình 2.18 Màn hình hiển thị thay đổi, nơi người dùng có thể thay đổi công

thức, các bước chạy

Hình 2.19 Thiết bị Dektak 150 tại LNT

Hình 2.20 Mô hình hệ scala đo tần số và độ lệch của microcantilever

Hình 2.21 Hệ SCALA tại LNT

Hình 3.1 Cantilever khi đã gắn đơn lớp phân tử Cysteamine

Hình 3.2 Cantilever khi đã gắn GAD lên

Hình 3.3 Cantilever khi đã cố định DNA receptor

Hình 3.4 Cantilever khi đã lai hóa DNA target

Hình 3.5 Sơ đồ mô tả quy trình biến đổi bề mặt Au và lai hóa DNA

Hình 4.1 Ảnh chụp wafer sau khi đã ăn mòn lớp SiN mặt trên, hình ảnh của các

thanh dao động đã hiện lên

Hình 4.2 Ảnh chụp toàn bộ wafer sau khi đã đã ăn mòn lớp SiN mặt trên

Hinh 4.3 Ảnh mặt sau wafer sau khi đã ăn mòn lớp SiN

Hình 4.4 Ảnh chụp toàn bộ mặt dưới wafer sau khi đã ăn mòn hết lớp SiN

Hình 4.5 Ảnh chụp chip SiN Cantilever 100 nm với 9 cantilever

a) chụp từ mặt dưới chip và b) chụp từ mặt trên chip

Hình 4.6 Chụp trên nguyên wafer, chip chưa được tách ra, SiN Cantilever dày 1

µm, rộng 100 µm dài 500 µm, khoảng cách giữa cách thanh 1 µm

Hình 4.7 Chip SiN Cantilever đã được tách ra

a) Chip chứa 3 cantilever, b) Chip chứa 9 cantilever

Hình 4.8 Phổ tần số của 8 Cantilever trên cùng một chip một số thanh cho

QF > 20

Hình 4.9 Phổ tần số của một chip chứa 2 Cantilever

Hình 4.10 Phổ tần số và QF của một chip chứa 2 Cantilever, với Qmax = 29

Hình 4.11 Phổ tần số của chip 1 - 4

Hình 4.12 Phổ tần số của chip 5 - 10

Hình 4.13 Phổ tần số của một thanh dao động và cách xác định chỉ số Q

Hình 4.14 Phổ tần số cộng hưởng của một thanh dao động điển hình trước và

sau khi gắn kết Cysteamine

Hình 4.15 Độ lệch của 80 microcantilever trước và sau khi gắn Cysteamine

Hình 4.16 Ứng suất bề mặt của 80 cantilever sau khi gắn đơn lớp phân tử

Cysteamine

Hình 4.17 Đồ thị thể hiện mối quan hệ giữa thời gian bắt cặp DNA và độ lệch

của cantilever

Hình 4.18 Đồ thị thể hiện mối quan hệ giữa độ dịch chuyển tần số khi lai hóa

DNA và nồng độ của DNA target

DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU

Bảng 1 Các bước khắc trong một chu kì

Bảng 2 Chi tiết về mối quan hệ giữa khối lượng và mật độ phân tử của DNA target với nồng độ của nó

MỞ ĐẦU

Ngày nay, microcantilever đang nổi lên là cảm biến với nhiều ứng dụng trong phát hiện các chất hóa học, sinh học Nó được xem là cảm biến có dạng các

hệ vi cơ điện tử (MEMS – Microelectromechanical systems) với ít nhất một chiều

có kích thước micro Độ nhạy của microcantilever phụ thuộc vào tần số cộng hưởng của nó, tần số cộng hưởng cao sẽ cho độ nhạy cao Tần số cộng hưởng của micro/nanocantilevers lại phụ thuộc vào kích cỡ, cấu trúc của nó, kích cỡ càng nhỏ thì tần số càng cao Như vậy độ nhạy của microcantilever phụ thuộc vào kích

cỡ của nó, kích cỡ càng nhỏ cho độ nhạy càng cao Tùy thuộc vào mục đích sử dụng, giới hạn phát hiện khác nhau, microcantilever có thể có các định dạng và cấu trúc khác nhau Ở một cấu trúc đơn giản nhất, microcantilever có cấu trúc thanh hình chữ nhật

Microcantilever có hai mô hình hoạt động: Mô hình tĩnh và mô hình động

Ở mô hình tĩnh, microcantilever bị uốn cong do ảnh hưởng của ứng suất bề mặt hoặc hấp phụ khối lượng hoặc bị ảnh hưởng ở cả hai yếu tố Dưới đây là hình ảnh minh họa mô hình uốn tĩnh

Nếu microcantilever hấp phụ các chất trên toàn thanh, độ lệch của thanh sẽ được biểu diễn theo công thức:

𝑓0 = 3.515

2 𝜋

1

𝑙2 √𝐸𝐼𝜌𝐴

Ở đây, 𝑓0 là tần số dao động của thanh, l là chiều dài, E là modun Young, I là momen quán tính, A là diện tích cắt ngang của thanh và 𝜌 là khối lượng riêng của thanh

Khối lượng của chất hấp phụ lên thanh có mối liên hệ với độ lệch tần số được biểu diễn bởi biểu thức: ∆𝑚 = 2𝑚∆𝑓

𝑓0, dưới đây là một ví dụ về một đồ thị thể hiện sự dịch chuyển tần số khi cantilever bắt cặp với virut

Nguyên lý hoạt động cơ bản của microcantilever dựa trên dịch chuyển tần

số có thể được giải thích như sau: Tần số cộng hưởng ban đầu của microcantilever

là f0, khi nó hấp phụ một chất sinh học hay hóa học nào đó sẽ làm cho khối lượng của nó thay đổi, khối lượng thay đổi sẽ dẫn tới tần số thay đổi Như vậy, dựa vào

sự thay đổi tần số của microcantilever có thể phát hiện ra được có chất nào bị hấp phụ trên thanh hay không Tần số dịch chuyển càng nhiều thì chất hấp phụ /gắn kết trên thanh càng nhiều và ngược lại

Microcantilever được ứng dụng rất nhiều trong các ứng dụng phát hiện các chất sinh học, hóa học Dưới đây là một số hình ảnh mình họa việc bắt cặp các chất trên thanh

I.P Burg và S.R Manalis đã báo cáo rằng, những thay đổi về khối lượng trên cantilever của nhóm chế tạo có thể phát hiện được khối lượng xuống tới 10-19g/𝜇m2 Microcantilever có lớp áp điện có thể phát hiện được độ nhạy nồng độ xuống tới 10 pg/ml Bằng việc sử dụng polysilicon nanocantilever hoạt động trong chân không, B.Ilic và Y.Yang có thể phát hiện được khối lượng 1,5 fg các đơn virut Đặc biệt, sử dụng SiN Cantilever để phát hiện DNA, nhóm của B.Ilic và Y.Yang phát hiện được khối lượng xuống tới 1,65 ag

Trong nghiên cứu này, tác giả và nhóm nghiên cứu sẽ trình bày kết quả chế tạo microcantilever lần đầu tiên tại Việt Nam Sau chế tạo thành công, microcantilever sử dụng 2 chất là Cysteamine và Glutaraldehyde (GAD) để cố định đơn chuỗi DNA và lai hóa DNA bổ sung với nó Cặp DNA này có tên P53 chỉ thị tín hiệu ung thư gan Nghiên cứu thành công công đề tài này cũng là cơ sở

để ứng dụng microcantilever cho việc phát hiện các biomarker chỉ thị ung thư gan

Hình 1.1 a) Cantilever đơn tinh thể silic với chiều dày 340 nm

b) Cantilever đơn tinh thể silic với chiều dày 57 nm

Microcantilever có thể được chế tạo ở các định dạng và kích thước khác nhau, trên một chip có thể chứa một hoặc nhiều thanh dao động Do kích thước nhỏ và có thể chế tạo ở nhiều loại định dạng khác nhau nên microcantilever có thể được tích hợp trong các hệ vi lưu (microfluidics)

1.1.2 Nguyên lý hoạt động của microcantilever

Nhìn chung, microcantilever hoạt động ở một trong hai mô hình: Mô hình

động và mô hình tĩnh Mô hình độ uốn tĩnh là mô hình mà các chất hấp phụ lên

thanh dao động gây ra sự mất cân bằng ứng suất làm cho thanh dao động uốn lên hoặc uốn xuống Mô hình động là mô hình mà ở đó các chất gắn kết lên thanh dao động làm tăng khối lượng của thanh đồng thời giảm tần số cộng hưởng Cảm biến dựa trên mô hình thứ nhất là công nghệ đã được sử dụng từ lâu Cảm biến dựa trên mô hình thứ hai được ứng dụng ở nhiều mô hình khác nhau cho việc phát hiện các chất thêm vào có khối lượng siêu nhỏ

1.1.2.1 Mô hình độ uốn tĩnh

Mô hình uốn tĩnh được sử dụng để xác định khối lượng chất hấp phụ lên bề mặt thanh dao động Khối lượng hấp phụ càng nhiều, độ uốn của thanh càng lớn [2-4] Độ uốn của thanh là kết quả của hai cơ chế: Khối lượng thêm vào và ứng suất của thanh khi hấp phụ các chất [5 – 7] Tuy thế, ứng suất có thể không nhất thiết phải liên quan tới khối lượng chất bị hấp phụ Hình 1.2 là mô hình thể hiện tải trọng trên cantilever

Hình 1.2 a) Cantilever chịu tải trọng ở cuối thanh

b) Cantilever bị tải trọng đều toàn thanh

Nếu tải trọng tập trung ở phần cuối thanh có dạng hình chữ nhật (hình 1.2a), độ uốn của thanh sẽ cho bởi phương trình:

𝜎 = 𝐹𝐿33𝐸𝐼 (1.1)

Ở đây, E là môđun Young của vật liệu làm thanh, L là chiều dài thanh, F là tải trọng, I = wt3/12 (w: độ rộng, t: chiều dày của thanh) là mômen của thanh Độ cứng k của thanh được cho bởi phương trình:

𝑘 = 3𝐸𝐼

𝐿3 (1.2) Một ví dụ độ uốn của microcantilever loại này là phần đầu của microcantilever trong kính hiển vi lực nguyên tử (AFM) Phương trình (1.2) nhìn chung được sử dụng để tính toán độ cứng của các micro/nanocantilevers dò ảnh

Trong trường hợp tải trọng phân đều trên toàn bộ mặt trên của thanh thì độ uốn sẽ được cho bởi phương trình:

𝜎 = 𝑤0𝐿48𝐸𝐼 (1.3) Một ví dụ mô tả trường hợp này là các chất hấp phụ đều trên bề mặt thanh Nếu chỉ một mặt của thanh được hấp phụ, ứng suất sẽ tạo ra ở mặt đó Sự khác nhau

về ứng suất ở mặt trên và mặt dưới của thanh tạo ra độ uốn mà không phụ thuộc vào khối lượng chất được hấp phụ Phương trình Stoney được sử dụng chỉ ra sự khác nhau trong ứng suất trên mỗi mặt của thanh đối với độ uốn của nó (hình 1.3)

Hình 1.3 Ví dụ về độ lệch của thanh với hai ứng suất khác nhau

Độ uốn của thanh có thể được tính toán sử dụng biểu thức R-1 = 2Δz/L2, ở đây, Δz

là độ lệch của thanh Hấp phụ cân bằng giữa 2 mặt sẽ cân bằng mỗi mặt, chỉ khi

có sự hấp phụ khác nhau giữa mặt trên và mặt dưới thanh mới gây ra độ lệch

Có tính đến các điều kiện biên của thanh (R >> L) [8], phương trình (1.5) có thể giải được và độ lệch của thanh sẽ là:

Δz = 3𝐿2(1− 𝜐)

𝐸ℎ 2 (𝛥𝜎1 − 𝛥𝜎2) (1.6) Những thay đổi trong ứng suất có thể là kết quả của quá trình hấp phụ các chất hay tương tác tĩnh điện giữa các phân tử mang điện trên bề mặt cũng như những thay đổi trong tính kị nước của bề mặt và những thay đổi hình thể của các phân tử

bị hấp phụ

1.1.2.2 Mô hình động

Hiểu biết cơ bản về cơ chế hoạt động cơ học của cantilever là thiết yếu để phát triển cảm biến với độ nhậy và hình dáng tối ưu Độ cứng, tần số cộng hưởng

và yếu tố chất lượng sẽ được trình bày trong mục này bằng cách sử dụng phương trình vi phân Euler-Bernoulli một chiều áp dụng cho thanh dao động đồng nhất, mỏng và phẳng

𝐸̂ 𝐼𝜕4𝑤(𝑥,𝑡)

𝜕𝑥 4 + (𝜌𝐴 + 𝜒)𝜕2𝑤(𝑥,𝑡)

𝜕𝑡 2 + 𝜉𝜕𝑤(𝑥,𝑡)

𝜕𝑡 = 𝑞(𝑥, 𝑡) (1.7) 𝐸̂ và ρ là môđun Young và khối lượng riêng của vật liệu làm thanh dao động, diện tích cắt ngang A = wt, I là mômen quán tính, 𝜉 là hệ số tắt dần trên đơn vị chiều dài trên đơn vị vận tốc, và 𝜒 là khối lượng thêm vào trên đơn vị chiều dài q(x,t) thể hiện tải trọng trên thanh Khối lượng thêm vào 𝜒 có thể tồn tại bởi hấp phụ phân tử trên bề mặt thanh hay nó mô tả khối lượng phân tử của môi trường xung quanh mà được gia tốc bởi chuyển động của thanh Điều này dẫn đến sự phụ thuộc của tần số cộng hưởng vào cách thức gây ra cộng hưởng từ môi trường xung quanh Ảnh hưởng của quán tính quay và biến dạng trượt và các điều kiện không tuyến tính do biên độ dao động lớn không được tính trong phương trình (1.7) Giả

sử thanh dao động với w ≫ t, môđun Young được cho bởi:

𝐸̂ = 𝐸1− 𝜐 2 (1.8)

𝜐 là tỉ suất Poisson, E là mô đun Young của vật liệu làm thanh Mô men quán tính đối với thanh dao động dạng hình chữ nhật được tính toán theo:

Giả sử rằng thời gian dao động điều hòa phụ thuộc vào một tách biến với w(x,t)

= W(x)T(t) có thể được thực hiện Đối với trường hợp không có khối lượng thêm vào, ta có phương trình thể hiện tần số Eigen 𝜔0:

𝐸̂𝐼

𝜌𝐴+ 𝜒

𝜕4𝑊(𝑥)

𝜕𝑥4 𝑊(𝑥) = − 𝜉

𝜌𝐴+ 𝜒

𝜕𝑇(𝑡)

𝜕(𝑡) 𝑇(𝑡) −

𝜕2𝑇(𝑡)

𝜕𝑡2 𝑇(𝑡) ≡ 𝜔02 = 𝑐𝑜𝑛𝑠𝑡 (1.10) Biến thời gian có thể được viết như sau:

𝑑2𝑇(𝑡)

𝑑𝑡2 + 𝜉

𝜌𝐴+ 𝜒

𝑑𝑇(𝑥) 𝑑(𝑡) + 𝜔0 2𝑇(𝑡) = 0 (1.11) Phương pháp giải là một hàm của thời gian bằng với mô hình của dao động điều hòa một chiều với T(t) = 𝐵𝑒−𝛾𝑡sin(𝜔0+ 𝜑)

Sự thay đổi vị trí có thể được viết:

𝐸̂𝐼 𝜌𝐴+ 𝜒

𝑑4 𝑊(𝑥)

𝑑𝑥4 − 𝜔02 𝑊(𝑥) = 0 (1.12) Cách giải phương trình vi phân bậc 4 đồng nhất là giải tổng của 4 biến độc lập: W(x) = c1cos (𝜆

𝐿𝑥) + c2 sin (𝜆

𝐿𝑥) + c3 sinh(𝜆

𝐿𝑥) + c4 cosh( 𝜆

𝐿𝑥) (1.13)

Các hằng số c1, c2, c3, c4 là các điều kiện biên:

W(0) = 0, 𝑑𝑊(𝑥)

𝑑(𝑥) |𝑥=0

= 0 , 𝑑2𝑊(𝑥)

𝑑𝑥 2 |𝑥=𝐿 = 0 , 𝑑3𝑊 (𝑥)

𝑑𝑥 3 |𝑥=𝐿 = 0 Với L là chiều dài của cantilever và tham số 𝜆 được định nghĩa bởi:

(𝜆

𝐿)4 ∶= 𝜌𝐴𝜔02

𝐸̂𝐼 (1.14) Bằng cách giả sử các điều kiện biên này, ta có:

Cos 𝜆 cosh 𝜆 = -1 (1.15) Với các giá trị 𝜆a hữu hạn 4 mô hình đầu tiên là:

Yếu tố chất lượng Q được xác định bởi:

Q = 𝜔(𝜌𝐴+ 𝜒)

𝜉 (1.18) Như đã đề cập ở phương trình (11), tần số cộng hưởng của thanh có thể sử dụng

mô hình dao động điều hòa 1 chiều như sau:

f = 12𝜋√ 𝑘𝑚.𝑛 = 1

2𝜋√𝑘

𝑚 ∗ (1.19) với n = 0.24 như tham số hình học cho mô hình cơ bản của thanh dao động hình chữ nhật dẫn tới m* = mn như là khối lượng hiệu dụng và k là độ cứng:

k = 𝐸̂(ℎ

𝐿)3 𝑏

4 (1.20) Khối lượng thêm vào thanh dao động phân bố đều trên bề mặt thanh có thể được thể hiện liên quan tới thay đổi tần số bởi:

số cộng hưởng giảm sau khi cố định kháng thể và sau khi các kháng thể bắt cặp với virut Dựa vào sự dịch chuyển tần số có thể tính được khối lượng kháng thể cũng như khối lượng virut trên thanh

Hình 1.4 Tần số cộng hưởng của nanocantilevers: tần số cộng hưởng của thanh khi chưa hấp phụ bất kì chất nào (bên phải, màu đen), tần số cộng hưởng của thanh sau khi đã cố định kháng thể (màu xanh dương) và tần số cộng hưởng của thanh sau khi đã bắt cặp với virut (màu đỏ, bên trái) Tần số cộng hưởng giảm dần theo sự tăng khối lượng của các chất hay virut gắn kết trên thanh Bản

quyền của American Institute of Physics (2004)

Độ nhạy trên 1 đơn vị diện tích có thể diễn đạt bởi biểu thức sau:

∆𝑚

𝐴 ≈ −4𝜋√𝑛 L2 √𝜌3(1− 𝜐2)

𝐸 2∆𝑓 (1.24) Khả năng phát hiện ra khối lượng nhỏ nhất tương ứng với việc xác định được thay đổi tần số nhỏ nhất Bằng cách xem xét tất cả các thông số của vật liệu tạo thanh là hằng số, chỉ chiều dài của thanh là thay đổi thì để đạt được độ phân giải khối lượng tốt hơn và như thế độ nhạy khối lượng cao hơn, thanh dao động cần phải giảm chiều dài Tuy thế, giảm chiều dài cũng thường đi cùng với giảm diện tích Khả năng thứ hai để có thay đổi tần số cao hơn đối với thay đổi khối lượng là để hệ hoạt động tại mode cao hơn

Một công thức đơn giản thể hiện tần số cộng hưởng của thanh dao động là [9]:

1.1.3 Yếu tố chất lượng (Quality Factor – QF)

Yếu tố chất lượng Q của một microcantilever thể hiện định dạng của phổ tần số của nó Theo đó, mỗi một mode tần số cộng hưởng có yếu tố chất lượng của nó Theo định nghĩa toán học, yếu tố chất lượng ở mode thứ i, Qi được định nghĩa là tỉ số của tần số cộng hưởng của mode thứ i, fi, trên độ rộng bán phổ của mode đó:

𝑄𝑖 = 𝜔𝑖

∆𝜔 = 𝑓𝑖

𝐹𝑊𝐻𝑀 (1.26)

Ở đây, 𝜔𝑖 = 2𝜋𝑓𝑖 và ∆𝜔 = 2𝜋𝐹𝑊𝑀𝐻

Yếu tố chất lượng phụ thuộc vào hình dáng của cantilever và môi trường

mà nó hoạt động Tăng ảnh hưởng chống lại dao động dẫn tới giá trị Q thấp Đối với yếu tố chất lượng bằng 10, dịch chuyển tần số cộng hưởng có thể phát hiện nhỏ nhất là khoảng 25 Hz, trong khi đó, Q = 100 cho phép độ phân giải tần số dưới 10 Hz

Yếu tố chất lượng chỉ ra độ hẹp của phổ tần số Hình 1.5 [10] là ví dụ chỉ

ra phổ tần số và yếu tố chất lượng Q của thanh dao động:

chỉ đối với cảm biến mà còn đối với các máy tạo dao động và bộ lọc trong các thiết bị xử lý tín hiệu số

Q của thiết bị cộng hưởng Silic đã được báo cáo là lên tới 109 trong môi trường chân không và nhiệt độ thấp [11] Như đã chỉ ra trong hình 1.6, các giá trị giảm khi kích thước giảm từ milimet tới nm Sự phụ thuộc vào kích thước của Q làm giảm hiệu suất của thiết bị và đưa ra giới hạn tương lai với các ứng dụng của NEMS

Hình 1.6 Mối quan hệ giữa: a, thể tích của thanh dao động với Q

b, độ dày của thanh dao động với Q

Q còn có thể được định nghĩa như sau:

Q = 2𝜋 𝑊0

∆𝑊 (1.27) Trong đó, W0 là năng lượng dao động được lưu trữ và ΔW là tổng năng lượng mất mát trên 1 chu kì Độ ổn định tần số của một thiết bị cộng hưởng phụ thuộc vào các thông số khác nhau Dịch chuyển tần nhỏ nhất có thể phát hiện là:

𝛿𝜔 = √𝜔0𝑘𝐵 𝑇𝐵

𝑘𝑄〈𝐴 2 〉 (1.28)

Ở đây, B, k, kB, T lần lượt là độ rộng vùng, độ cứng, hằng số Boltzmann và nhiệt

độ tuyệt đối 〈𝐴2〉 là bình phương biên độ dao động Từ phương trình (1.28) thấy rằng, độ phân giải tần số của thiết bị cộng hưởng liên quan tới cải thiện yếu tố chất lượng Q

Nghịch đảo của Q có thể được viết như sau [12]:

Qint thể hiện cho tất cả ảnh hưởng bởi cấu trúc bên trong của thanh, trong khi đó

Qext bao gồm tất cả các ảnh hưởng từ bên ngoài

1.1.4 Ảnh hưởng của nhiệt độ

Ồn cơ nhiệt là kết quả của microcantilever trong cân bằng nhiệt với môi trường nó hoạt động Năng lượng mất mát khi microcantilever hoạt động được chuyển đổi thành nhiệt Mối quan hệ giữa mất mát năng lượng và kích thích nhiệt ngẫu nhiên được thể hiện trong “định lý dao động – mất mát” của cơ học thống

kê Kết quả là nếu yếu tố chất lượng Q thấp thì độ ồn nhiệt lớn Bình phương biên

độ dao động liên quan tới mode dao động tại nhiệt độ T có thể được xác định từ định lý cân bằng năng lượng chỉ ra trong phương trình dưới đây:

L, w, và t lần lượt là chiều dài, chiều rộng và độ dày của cantilever E là môđun Young, 𝜌 là khối lượng riêng của vật liệu tạo cantilever

Tương tự, độ lệch được cho bởi:

1.1.5 Giới hạn phát hiện và tín hiện trên nhiễu

1.1.5.1 Giới hạn phát hiện

Cantilever dựa trên cộng hưởng có khả năng phát hiện vượt qua giới hạn phát hiện của cảm biến dựa trên độ uốn của thanh Dựa vào tần số cộng hưởng, cantilever có thể phát hiện ra các đơn tế bào, virut, và các chuỗi phân tử DNA Sử dụng nanocantilevers đo độ dịch chuyển tần số có thể phát hiện ra khối lượng bám lên thanh nhỏ tới attogram Cách phát hiện này là khó có thể đạt được nếu dùng các cảm biến dựa trện độ uốn, thậm chí số lượng phân tử gắn kết trên thanh phải

đủ lớn để tạo ra ứng suất lớn đủ để uốn cong thanh Một nghiên cứu đã chỉ ra rằng cần phải có khoảng 2 × 1010 các phân tử trên 1 mm2 mới có thể phát hiện được

độ uốn của thanh [13] Đây cũng là bằng chứng để chứng tỏ rằng các phân tử hấp phụ không đều trên thanh có thể sẽ không đủ tạo ra ứng suất để uốn thanh cong [14] Tuy thế, các thiết bị cảm biến siêu nhạy cần phải được hoạt động trong chân không để tránh mất mát năng lượng thì mới có thể phát hiện được nồng độ hay khối lượng các chất rất nhỏ

Mặc dù các thiết bị cảm biến dựa trên cộng hưởng có độ nhay cao hơn các thiết bị cảm biến dựa trên độ lệch nhưng cảm biến dựa trên độ lệch lại có lợi thế

là nó có thể hoạt động tốt trong môi trường lỏng Cảm biến dựa trên độ lệch cho phép xác định được độ lệch trong thời gian thực trong quá trình các chất gắn kết lên thanh trong môi trường lỏng Tuy thế, gần đây cảm biến cộng hưởng đã có những tiến bộ đó là cải thiện được độ nhạy của thiết bị trong môi trường lỏng Kết quả chỉ ra rằng yếu tố chất lượng cao hơn đối với các mode cộng hưởng cao hơn cho thấy đã có những cải thiện đối với các thiết bị hoạt động trong môi trường lỏng [15] Tần số cộng hưởng cao hơn cùng với các mode cao hơn cũng giúp giảm tải thủy động học của các cảm biến và điều này cho phép tăng độ nhạy

Đối với các ứng dụng lab-on-a-chip, cảm biến dựa trên độ lệch có thể được

sử dụng nhưng sẽ yêu cầu một số điều kiện khác Do độ nhạy của các cantilever dựa trên độ lệch tỉ lệ với bình phương chiều dài nên có thể thiết kế chiều dài cantilever dài hơn

1.1.5.2 Tín hiện trên nhiễu

Các quá trình hóa học và các dao động của cantilever có một phạm vi nhiễu ảnh hưởng đáng kể tới độ nhạy của cantilever Một số ảnh hưởng nhiễu là do những dao động trong các thành phần cơ học nhưng hệ phát hiện trong nhiều trường hợp có thể là nguồn nhiễu đáng kể Chẳng hạn trong các hệ đo bằng quang học, có nhiễu trong cường độ và pha của các tín hiệu được phát hiện Các hệ dựa trên độ uốn tĩnh là dễ bị ảnh hưởng đáng kể tới nhiễu 1/f Thực tế, nhiễu này thường là yếu tố chủ yếu bởi việc tăng khă năng phát hiện nhỏ nhất của cantilever [16,17] Mặc dù nhiễu này chưa được hiểu hoàn toàn, một số nghiên cứu đã chỉ

ra rằng ồn điện trong các cantilever áp điện phụ thuộc vào hình dáng, nồng độ pha tạp [18] Trong khi đó các hệ kiểm soát nhiệt độ có thể được sử dụng, dao động nhiệt nhỏ có ảnh hưởng đáng kể trên các cantilever có phủ lớp kim loại, chẳng hạn như phủ vàng sử dụng cho chuyển động một mặt có hệ số giãn nở nhiệt khác nhau đối với cantilever Dao động và những thay đổi nhiệt cũng có thể ảnh hưởng tới các thiết bị cộng hưởng

Trong các hệ phát hiện cộng hưởng, độ rộng tần số cộng hưởng cho thấy giới hạn cơ bản của thiết bị và đặc điểm này thường được thảo luận trong yếu tố chất lượng Q có thể bị ảnh hưởng bởi nhiều yếu tố Như đã thảo luận ở trên, trong môi trường lỏng, độ nhớt là cơ chế mất mát chủ yếu giới hạn Q Yếu tố này đòi hỏi việc thiết kế các thiết bị mà tối ưu hóa tỉ lệ của khối lượng máy tạo dao động đối với Q Khi ở áp suất thấp, độ nhớt được loại bỏ nhưng các chất hóa học được

phủ cũng có thể đóng góp tới mất mát cơ học và sự suy giảm yếu tố chất lượng

Q

1.1.6 Chế tạo microcantilever

Cấu trúc ở kích thước nanomét có thể đạt được chủ yếu bằng 2 cách: down, phương pháp từ trên xuống và bottom-up, phương pháp từ dưới lên trên Trong phương pháp top-down, cấu trúc ban đầu là lớn, cấu trúc đó sẽ được chia nhỏ từ từ bằng cách loại bỏ dần vật liệu để cuối cùng đạt được cấu trúc và hình dạng nhỏ như mong muốn Sử dụng các công cụ hay thiết bị hiện tại để định dạng cấu trúc từ lớn tới nhỏ, từ thô tới chi tiết Trong phương pháp bottom-up thì ngược lại, vật liệu ban đầu là nhỏ như nguyên tử hay phân tử, chúng được kết hợp lại để xây dựng và hình thành thiết bị với kích thước mong muốn Ví dụ điển hình cho trường hợp này là sự tự lắp ghép của các tinh thể và việc phát triển của các loài sinh học Kết hợp cả 2 phương pháp này là công nghệ chế tạo micro/nano được biết như ngày nay

top-Đối với micro/nanocantilever, do cần phải kết nối với các thành phần điện

tử, cấu trúc thường được gắn lên phần trên một đế bán dẫn được định dạng từ trên xuống dưới

Phương pháp chế tạo top-down chủ yếu phụ thuộc vào 2 quá trình: (1) chế tạo micro khối, dựa trên khắc chọn lọc của khối đế silic để định dạng phần cơ, và (2) chế tạo micro bề mặt được đặc điểm hóa bởi quá trình phủ, khắc, và tạo ra lớp màng mỏng trên bề mặt đế Trong khi chế tạo microcantilever được phát triển thành công trong cả 2 quá trình trên thì nanocantilevers hầu như được làm bằng chế tạo micro bề mặt bởi độ chính xác cao hơn và lựa chọn vật liệu nhiều hơn

Các phương pháp chế tạo chính cho microcantilever là: Phủ lớp màng mỏng, quang khắc, và khắc

Phủ màng là một trong những quá trình cơ bản của chế tạo MEMS Với một wafer ban đầu là silic hay SOI (Silicon on insulator) wafer (wafer silic ở giữa

có lớp cách điện SiO2), để chế tạo được các cấu trúc cantilever khác nhau thì cần phải phủ một số lớp màng mỏng lên wafer như SiO2 hay Si3N4 Có nhiều phương pháp phủ khác nhau nhưng 2 phương pháp chủ yếu là: phương pháp lắng đọng pha hơi hóa học (Chemical Vapour Deposition – CVD) và phương pháp lắng đọng pha hơi vật lý (Physical Vapour Deposition – PVD) Trong phương pháp CVD, wafer được tiếp xúc với các chất dễ bay hơi để phản ứng và/hoặc phân hủy trên

bề mặt đế để tạo ra lớp phủ mong muốn Quá trình chế tạo micro sử dụng rộng rãi công nghệ CVD để phủ các vật liệu ở nhiều dạng khác nhau gồm: đơn tinh thể,

đa tinh thể, vô định hình Phương pháp PVD mô tả nhiều phương pháp được sử dụng để phủ màng mỏng bằng ngưng tụ vật liệu màng bốc bay Dù thực hiện bằng phương pháp nào thì màng được tạo ra yêu cầu có độ tinh khiết và độ dày chính xác cao Thông thường, lớp SiO2 được tạo bằng phương pháp ôxi hóa nhiệt và lớp

Si3N4 được tạo bằng phương pháp lắng đọng pha hơi vật lý áp suất thấp (LPCVD – Low Pressure Chemical Vapour Deposition)

Quang khắc là một quá trình quan trọng trong chế tạo cantilever Đây là quá trình cần thiết trước khi thực hiện ăn mòn Wafer được rửa sạch sau đó phủ một lớp cảm quang (photoresist) lên bằng thiết bị quay phủ (spin – coating) Sử dụng mặt nạ trong quá trình quang khắc để định hình cantilever Quá trình quang khắc sẽ sử dụng tia UV để chiếu Tùy theo chất cảm quang âm hay dương mà chất cảm quang bị chiếu sẽ bị rửa trôi hay giữ lại sau khi develop Nếu là chất cảm quang dương thì chỗ nào được chiếu sáng sẽ bị rửa trôi sau khi develop và ngược lại

Tiếp theo quá trình quang khắc là quá trình khắc (etching) Quá trình khắc

có 2 loại: Khắc ướt (wet etching) và khắc khô (dry etching) Quá trình khắc ướt

sử dụng hóa chất để ăn mòn cấu trúc mong muốn Chẳng hạn có thể dùng dung dịch BHF để ăn mòn lớp silic oxit Phương pháp này đơn giản, rẻ tiền nhưng chỉ thực hiện để khắc các cấu trúc đơn giản vì rất khó kiểm soát tốc độ ăn mòn và định dạng mong muốn Quá trình khắc khô là kĩ thuật cao, kiểm soát tốt hơn nên cho độ chính xác cao hơn Quá trình khắc khô sử dụng chùm ion để bắn vào vùng muốn ăn mòn Hai hệ cho quá trình khắc khô là RIE (reactive ion etching) và DRIE (deep reactive ion etching) Để ăn mòn các lớp màng mỏng khác nhau cần

sử dụng các khí tạo ion khác nhau cho quá trình ăn mòn Chẳng hạn đối với hệ RIE có thể dụng hỗn hợp khí CHF3 và O2 để ăn mòn lớp SiN

1.1.7 Ứng dụng của microcantilever

Microcantilever có nhiều ứng dụng trong phát hiện các chất hóa học và sinh học Nếu một chất nào đó gắn kết lên cantilever sẽ xảy ra: (1) khối lượng của thanh thay đổi dẫn tới tần số cộng hưởng của thanh thay đổi; (2) chất bám lên thanh làm cho độ lệch (độ uốn) của thanh thay đổi và có thể tạo ra ứng suất ảnh hưởng tới độ cong của thanh Dựa vào sự thay đổi tần số hay thay đổi về độ lệch

có thể xác định được có chất gắn kết lên thanh hay không đồng thời xác định được khối lượng của chất đó gắn kết trên thanh Nhìn chung, kích cỡ của thanh càng nhỏ, tần số càng lớn thì độ nhạy càng cao

Gfeller và các đồng nghiệp [19,20] đã chứng minh rằng thanh dao động có thể được sử dụng như một cảm biến cho kích thích vi khuẩn phát triển Các tế bào Ecoli được phủ lên trên các cantilever với một lớp mỏng đường dinh dưỡng và giữ trong môi trường ẩm, lớp dinh dưỡng hấp phụ nước; khối lượng tổng hợp tăng gây ra sự dịch chuyển tương đương trong tần số cộng hưởng Khi chúng so sánh với sự dịch chuyển tần số quan sát được bởi khối lượng thêm vào trên cantilever với đường cong phát triển vi khuẩn, tất cả đặc điểm vi khuẩn phát triển được quan sát Bằng cách hợp nhất kháng sinh trong cantilever phủ, chúng chứng minh sự thiết thực của cách tiếp cận cho xác định nhanh sức đề kháng kháng sinh Ứng dụng mới này của mảng cantilever đưa ra nhiều lợi thế qua các phương pháp phát hiện vi khuẩn thông thường bao gồm phát hiện nhanh chóng trong thời gian thực, khối lượng chất phân tích nhỏ và độ nhạy cao

Ramos và các đồng nghiệp [21] gần đây đã chỉ ra rằng phản ứng của các cantilever dao động đối với sự hấp phụ vi khuẩn phụ thuộc vào khối lượng thêm vào, vị trí cố định của các tế bào trên thanh và độ cứng của các tế bào vi khuẩn Chúng dự báo rằng các độ nhạy phát hiện có thể tăng bởi một hoặc nhiều hơn bằng cách giám sát các mode chuyển động cao hơn hoặc giảm kích thước của cantilever Tuy nhiên, các tính chất cơ học của các phân tử hấp phụ trở lên tăng quan trọng như kích cỡ của hệ cộng hưởng được giảm

Campbell và Mutharasan [22,23] đã phân tích sự phát hiện của virut mầm bệnh Bacillus trong chất lỏng dưới cả hai điều kiện là dòng chảy và không có dòng chảy Họ đã báo cáo việc phát hiện virut B anthracis tại nồng độ rất thấp (300 virut/mL) bằng sử dụng cantilever kích thước milimet có kích thích áp điện được phủ kháng thể cụ thể đối với B anthracis Lựa chọn cao được chứng minh bởi phát hiện B anthracis trong sự có mặt của các virut Bacillus khác tại tỉ lệ lên tới 1/500

Nugaeva và các đồng nghiệp [24] đã sử dụng các mảng cantilever cho cố định lựa chọn và phát hiện nhanh chóng các bào tử nấm Mảng cantilever được tiếp xúc với dạng hệ sợi Aspergillus niger hay dạng men đơn bào Saccharomyces cerevisiae như là các mô hình để khám phá sự tiện ích của nó cho phát hiện tăng trưởng của sinh vật eukaryotic sử dụng mảng cantilever Công việc này khai thác các tương tác phân tử sinh học cụ thể của các protein cấy vào bề mặt với các cấu trúc phân tử trên bề mặt tế bào nấm để đạt được cố định lựa chọn của các bào tử

Họ phát hiện ra rằng, các protein có hiệu suất và mối quan hệ khác nhau để gắn kết các bào tử Mầm cố định các bào tử lớn nhất và sự phát triển mycelium được quan sát trên bề mặt cantilever chức năng hóa glubin miễn dịch G Họ cũng tìm

ra rằng các bào tử cố định và mầm của nấm A.niger và men S cerevisiae dẫn tới dịch chuyển trong tần số cộng hưởng trong vòng vài giờ trong sự tương phản với các kĩ thuật thông thường yêu cầu tới vài ngày Đo dịch chuyển tần số là tương ứng với khối lượng của các bào tử nấm và cảm biến này có thể phát hiện nấm target trong phạm vi 103 – 106 CFU/mL Công việc này là ví dụ điển hình cho ứng dụng quan trọng của mảng cantilever trong y khoa và chuẩn đoán nông nghiệp và giám giám chất lượng nước, thực phẩm

Fritz và các đồng nghiệp đã tiên phong sử dụng cantilever để phát hiện sự lai hóa axit nucleic Độ lệch của mỗi cantilever trong mảng được xác định sử dụng

kĩ thuật độ lệch chùm quang DNA oligonucleotides tổng hợp đã gắn nhóm thiol với các chuỗi base khác nhau được cố định hóa trị lên trên bề mặt phủ vàng của cantilever Khi cantilever được nhúng vào dung dịch chứa oligo bổ sung, quá trình lai hóa tạo ra thay đổi ứng suất giữa lớp vàng chức năng hóa và bề mặt silic không phủ vàng làm cong cantilever Điều này được chỉ ra trong hình 1.7 Công việc này kích thích sự thích thú trong sử dụng độ nhạy cơ hóa phát hiện lai hóa DNA Một thử nghiệm quyết định cho cảm biến lai hóa DNA đó là khả năng của nó để nhận thấy việc ghép không đối xứng Fritz và các đồng nghiệp đã quan sát ứng suất giữa cặp oligos bổ sung và cặp với một đơn base ghép không đối xứng giữa 2 chuỗi DNA mà có thể phát hiện được

Hình 1.7 Minh họa thử nghiệm lai hóa B, sau khi đưa chuỗi DNA bổ sung đầu tiên (xanh lá cây), quá trình lai hóa xảy ra trên cantilever đã cố định DNA receptor (màu đỏ) và làm cong thanh C, đưa chuỗi DNA bổ sung thử hai (màu vàng), quá trình lai hóa xảy ra trên cantilever đã cố định DNA receptor (màu xanh da trời) và làm cong thanh Bản quyền của American Association for the

Advancement of Science

I.P Burg và S.R Manalis đã báo cáo rằng, cantilever của họ có thể phát hiện được khối lượng trên đơn vị diện tích nhỏ cỡ 10-19 g/ 𝜇m2 [25] Microcantilever

có lớp áp điện có thể phát hiện độ nhạy với nồng độ thấp khoảng 10 pg/ml [26]

Sử dụng nanocantilever đa tinh thể silic hoạt động trong chân không, B.Ilic và Y.Yang có thể phát hiện được đơn virus baculo khối lượng 1.5 fg [27] Đặc biệt,

sử dụng SiN Cantilever để phát hiện DNA, nhóm nghiên cứu B.Ilic và Y.Yang đã phát hiện được khối lượng nhỏ xuống tới 1.65 ag [28]

1.2 DNA chỉ thị ung thư gan

1.2.1 Tổng quan về DNA

DNA (Acid Deoxyribo Nucleic) là một phân tử axit nucleic mang thông tin

di truyền mã hóa cho hoạt động sinh trưởng và phát triển của các vật chất hữu cơ bao gồm cả một số virut Hầu hết các phân tử DNA là những chuỗi xoắn kép, chuỗi này bao gồm hai chuỗi dài có cấu tạo bởi các phân tử nucleotides, mỗi nucleotide lại bao gồm một nuclebase (Guanine – G, Thymine – T, Adenine – A

và Cytosine – C) DNA thường được coi là vật liệu di truyền ở cấp độ phân tử tham gia quyết định các tính trạng Trong quá trình sinh sản, phân tử DNA được nhân đôi và truyền cho thế hệ sau

Hình 1.8 Cấu trúc của DNA và các thành phần cấu tạo nên nó

Trong những tế bào sinh vật nhân thật, DNA nằm trong nhân tế bào trong khi ở các tế bào vi khuẩn hay các prokaryote khác, DNA không được màng nhân bao bọc vẫn nằm trong các tế bào chất Ở những bào quan sản sinh năng lượng như lục nạp và ty thể cũng như ở nhiều loại virut cũng mang những phân tử DNA đặc thù

Mỗi chuỗi polynucleotide chính là do các phân tử nucleotide liên kết với nhau thông qua liên kết phosphodieste giữa gốc đường của nucleotide này với gốc phosphate của nucleotide tiếp theo Mỗi nucleotide được tạo thành từ một phân tử đường ribose một gốc phosphate và một bazo nito Trong DNA chỉ có 4 loại nucleotide và những loại này khác nhau ở thành phần nuclebase

Trong môi trường dịch thể, 2 chuỗi polynucleotide của một phân tử DNA liên kết với nhau bằng liên kết hidro Liên kết này được tạo ra giữa 2 gốc nuclebase của 2 nucleotide đối diện nhau trên 2 chuỗi tương tự như những bậc thang trên 1 chiếc thang dây

Do cấu tạo hóa học của các nucleotide mà liên kết hydro chỉ hình thành giữa 2 loại nucleotide nhất định là A với T bằng 2 liên kết hydro, C với G bằng 3 liên kết hydro Nguyên tắc hình thành liên kết trên được gọi là nguyên tắc bổ sung

và nó phổ biến trên mọi loài sinh vật

Trong tế bào, dưới tác dụng của một số protein đặc hiệu, 2 chuỗi phân tử DNA có thể tách nhau ra do các liên kết hydro bị cắt đứt Khi đó, các nucleotide trên mỗi chuỗi có thể tạo thành liên kết với các nucleotide tự do trong môi trường nội bào Kết quả của quá trình này là tạo thành 2 phân tử DNA giống hệt nhau từ

1 phân tử DNA ban đầu Đây cũng chính là nguồn gốc của đặc tính di truyền của sinh vật

1.2.2 Trình tự DNA và quá trình nhân đôi

Tại các gen trên 1 chuỗi phân tử ADN, trật tự sắp xếp các nucleotide tạo thành trình tự của gen Dựa trên thông tin từ trình tự này, các RNA thông tin được tạo ra thông qua quá trình phiên mã Mối quan hệ giữa trình tự gen với trình tự của các amino axit trên protein được gọi là mã di truyền Thực chất, ba nucleotide liên tiếp (gọi là bộ ba hay một codon) trên gen sẽ thông qua những bộ ba tương ứng ở RNA thông tin và RNA vận chuyển mà quy định cho một loại amino axit nhất định Một loại amino axit có thể được quy định bởi một số codon, tuy nhiên mỗi codon chỉ mã hóa cho một loại amino axit Có 3 codon không mã hóa cho amino axit mà là tín hiệu kết thúc vùng mã hóa

Ở nhiều loài sinh vật, chỉ có một phần nhỏ trình tự của bộ gen là dùng để

mã hóa protein Chức năng của phần còn lại là vẫn còn đang được giả định Thực chất, một số vùng DNA có khả năng bám với protein liên kết DNA mà vùng này điều khiển quá trình nhân đôi và phiên mã có vai trò quan trọng Trình tự của DNA cũng xác định khả năng và vị trí mà DNA có thể bị phân hủy bởi các enzyme giới hạn, một công cụ quan trọng của ngành kĩ thuật di truyền Bản đồ các khả năng và vị trí cắt trên DNA genome có thể sử dụng như là dấu vân tay của mỗi cá thể nhất định và được ứng dụng trong kĩ thuật vân tay DNA

Quá trình tự nhân đôi DNA hay tổng hợp DNA là một cơ chế sao chép các phân tử DNA mạch kép trước mỗi lần phân bào Kết quả của quá trình này là tạo

ra hai phân tử DNA gần như giống nhau hoàn toàn, chỉ sai khác với tần số rất thấp (thông thường dưới 1/10000) Đây là cơ chế nhân đôi thực hiện dựa trên nguyên tắc bổ sung và tế bào có hệ thống tìm kiếm và sửa chữa các sai hỏng DNA hoạt động hiệu quả

Quá trình nhân đôi DNA được tổng hợp theo một chiều duy nhất là chiều

từ 5’ đến 3’ đồng thời một đoạn DNA được tổng hợp liên tục còn một đoạn được tổng hợp theo từng đoạn rồi nối lại với nhau

1.2.3 Đặc tính hóa lý của DNA

Các liên kết hydro giữ hai chuỗi xoắn kép là những liên kết yếu khiến chúng

dễ dàng được tách ra nhờ enzyme hoặc nhiệt độ trên 90 độ C Những enzyme như helicase có chức năng tháo xoắn các chuỗi cho phép các DNA polymerase, RNA polymerase thực hiện hoạt động Trong quá trình tháo xoắn, các helicase phải cắt các liên kết phosphodieste của một trong hai chuỗi để tránh các chuỗi bị xoắn vòng quanh

Trong tự nhiên, cũng như ở điều kiện invitro, phân tử DNA có thể tồn tại dưới dạng sợi vòng, mạch kép Ở dạng cấu trúc này, cấu trúc xoắn không gian không dễ dàng bị tháo xoắn do nhiệt hay các quá trình hóa học nếu không làm đứt gãy 1 mạch Trong tự nhiên, các topoisomerase thực hiện nhiệm vụ tháo xoắn bằng cách cắt tạm thời một mạch và gắn lại sau khi đã tháo xoắn quá trình này là bước khởi đầu cho hoạt động phiễn mã

Chiều ngang nhỏ bé của chuỗi xoắn kép làm nó không thể tìm ra được bởi kính hiển vi điện tử thông thường trừ khi được nhuộm màu thật đậm Trong khi

đó, DNA tìm thấy trong một số tế bào có thể đạt chiều dài ở cấp vĩ mô – xấp xỉ 5 centimet trong nhiễm sắc thể của người Do đó, tế bào phải nén hay “đóng gói” DNA để có thể mang nó Đó là một trong những chức năng của nhiễm sắc thể khi

nó chứa những protein hình ống tên histone xung quanh dải DNA Nhiễm sắc thể

sẽ quấn quanh protein histone này làm DNA có chiều dài gọn hơn

1.2.4 Ung thư gan

1.2.4.1 Ung thư là gì?

Cơ thể chúng ta được tạo thành từ hàng tỷ tế bào sống Ở một cơ thể bình thường, tế bào phát triển, phân chia thành những tế bào mới và chết đi theo một cách có trật tự Trong thời kì đầu của đời sống, các tế bào bình thường phân chia nhanh hơn nên cơ thể của chúng ta phát triển lớn dần lên Sau khi qua tuổi trưởng thành, hầu như các tế bào phân chia (sinh ra) chỉ để thay thế các tế bào chết đi hoặc chữa lành những vết thương

Ung thư bắt đầu khi các tế bào trong một phần nào đó của cơ thể bắt đầu phát triển ngoài tầm kiểm soát Có rất nhiều loại ung thư nhưng tất cả đều xuất phát do sử phát triển mất kiểm soát của các tế bào bất thường

Sự phát triển của tế bào ung thư là khác thường so với những tế bào bình thường Thay vì chết đi, các tế bào ung thư vẫn phát triển và sinh ra tế bào bất thường mới Các tế bào ung thư cũng vẫn có thể xâm lấn vào các mô khác mà đôi khi các tế bào bình thường không thể làm được Sự phát triển ngoài tầm kiểm soát

và xâm lấn vào các mô khác là nguyên nhân gây ra tế bào ung thư

Các tế bào trở thành tế bào ung thư do sự hư hại đối với DNA DNA nằm trong mỗi tế bào và chỉ đạo toàn bộ hoạt động của nó Trong một tế bào bình thường, khi DNA bị hư hỏng, tế bào sẽ sửa chữa các hư hỏng đó hoặc tế bào sẽ chết đi Trong tế bào ung thư, DNA bị hư hỏng không được sửa chữa và không bị chết đi như tế bào bình thường khác Thay vào đó, tế bào này tạo thành một tế bào mới mà cơ thể không cần đến Các tế bào mới sinh ra này giống như các tế bào ban đầu mà DNA bị hư hỏng

Hầu như tất cả các DNA bị hư hỏng là do sai hỏng xảy ra trong khi các tế bào bình thường tái tạo hay bởi một yếu tố nào đó trong môi trường sống Trong một số trường hợp, nguyên nhân gây ra sự hư hại DNA là rõ ràng chẳng hạn như

do hút thuốc Nhưng thông thường thì rất khó để tìm ra nguyên nhân

Trong hầu hết các trường hợp, các tế bào ung thư hình thành nên khối u Một số ung thư, chẳng hạn như ung thư bạch cầu thì rất hiếm khi hình thành nên khối u Thay vào đó, các tế bào ung thư này liên quan đến máu và cơ quan tạo máu và lưu thông qua các mô khác khi chúng phát triển

Các tế bào ung thư thường di chuyển tới các phần khác của cơ thể nơi chúng bắt đầu phát triển và hình thành các khối u mới thay thế các mô bình thường Quá trình này được gọi là sự di căn Điều này xảy ra khi các tế bào ung thư đi vào máu hay mạch bạch huyết của cơ thể

Khi mà ung thư lan từ chỗ này tới chỗ khác thì tên gọi ung thư vẫn gọi theo tên nơi mà bắt đầu xảy ra ung thư Chẳng hạn, ung thư vú lan tới gan thì vẫn gọi

là ung thư vú như nơi nó hình thành ban đầu chứ không phải là ung thư gan Tương

tự như vậy, ung thư tiền liệt tuyến lan tới xương là ung thư tiền liệt tuyến di căn chứ không phải là ung thư xương

Các loại ung thư khác nhau có thể phải điều trị khác nhau Chẳng hạn, ung thư phổi và ung thư vú là những bệnh rất khác nhau Chúng phát triển với tốc độ khác nhau và phản ứng đối với trị liệu cũng khác nhau

Không phải tất cả các khối u đều là ác tính Khối u không phải là ung thư được gọi là u lành Các u lành có thể gây ra một số vấn đề, chúng có thể phát triển rất lớn và chèn ép lên các cơ quan và mô khỏe mạnh khác Tuy thế chúng không phát triển vào các mô khác Do chúng không thể xâm lấn nên chúng cũng không thể lan tới các phần khác của cơ thể (gây di căn) Những khối u này hầu như không bao giờ đe dọa tới sự sống

Nguyên nhân gây ra ung thư rất đa dạng, phức tạp và chỉ hiểu được một phần Có nhiều nguyên nhân được biết là làm tăng nguy có bị ung thư gồm sử dụng thuốc lá, các chế độ ăn, nhiễm trùng nhất định, tiếp xúc với phóng xạ, thiếu hoạt động cơ thể, béo phì và ô nhiễm môi trường [29] Những yếu tố có thể trực tiếp đe dọa gen hay kết hợp với những lỗi gen tồn tại với các tế bào gây ra những thay đổi khối u ác tính [30]

Ung thư có thể phát hiện bằng nhiều cách bao gồm sự có mặt của các dấu hiệu và triệu chứng, xét nghiệm sàng lọc hay chuẩn đoán hình ảnh Sử dụng kính hiển vi để quan sát một mẫu mô có thể phát hiện và chuẩn đoán được ung thư Ung thư thường được điều trị bằng hóa trị liệu, xạ trị và phẫu thuật Cơ hội sống sót của bệnh nhân ung thư phụ thuộc lớn vào loại, vị trí của ung thư và sự lan rộng của bệnh khi bắt đầu điều trị Trong khi ung thư có thể ảnh hưởng tới mọi người

ở tất cả độ tuổi, và một vài loại ung thư thường gặp ở trẻ em thì các nguy cơ phát triển bệnh ung thư nhìn chung tăng theo độ tuổi Vào năm 2007, ung thư gây ra khoảng 13% cái chết trên toàn thế giới (7.9 triệu người) Tỉ lệ này tăng cao ở những người già và những thay đổi về hoàn cảnh sống ở các nước đang phát triển [31]

1.2.4.2 Ung thư gan là gì ?

trọng trong quá trình chuyển hóa và một số các chức năng khác trong cơ thể như

dự trữ glycogen, tổng hợp protein huyết tương và thải độc Ngoài ra, gan cũng sản sinh dịch mật, một dịch thể quan trọng trong quá trình tiêu hóa Gan được xem là nhà máy hóa chất của cơ thể vì nó đảm trách cũng như điều hòa rất nhiều các phản ứng sinh hóa mà các phản ứng này chỉ xảy ra ở một số tổ chức đặc biệt của cơ thể

Ung thư gan

Ung thư gan là loại ung thư xuất phát từ gan Ung thư gan nguyên phát thường được chuẩn đoán chiếm hàng thứ 5 trên toàn cầu và nguyên nhân đứng hàng thứ 2 gây ra cái chết của bệnh ung thư Ung thư gan là những khối u ác tính phát triển trên bề mặt hoặc bên trong gan Chúng được hình thành từ bản thân của gan hay từ cấu trúc bên trong gan gồm mạch máu hay ống mật Các khối u gan được phát hiện trên thiết bị chuẩn đoán hình ảnh hay biểu hiện theo triệu chứng như một khối bụng, đau bụng, vàng da, buồn nôn hoặc rối loạn chức năng gan Nguyên nhân dẫn đến ung thư gan là nhiễm virut viêm gan B hay virut viêm gan

C

1.2.4.3 Những yếu tố nguy cơ dẫn đến ung thư gan

Ung thư khác nhau có các yếu tố nguy cơ khác nhau Một vài yếu tố nguy

cơ như hút thuốc có thể được thay đổi Những yếu tố khác như độ tuổi, tiền sử gia đình là không thay đổi Tuy thế, các yếu tố gây ung thư không nói cho chúng ta biết hết mọi thứ Có một yếu tố nguy cơ hay thậm chí là một số yếu tố nguy cơ không có nghĩa là chúng ta bị mắc bệnh Trong khi đó có một số người mắc bệnh ung thư có thể có rất ít hoặc không tìm ra các yếu tố nguy cơ được biết Các nhà khoa học đã tìm ra một số yếu tố nguy cơ gây ra ung thư biểu mô tế bào gan (hepatocellular carcinoma – HCC)

1 Giới tính: HCC thường được tìm thấy ở đàn ông nhiều hơn phụ nữ Phần lớn

có lẽ là vì các hành vi ảnh hưởng đến một số nguy cơ được mô tả dưới đây

2 Dòng giống: Ở Mỹ, những người Mỹ gốc Á và những người ở các đảo trên Thái Bình Dương có tỉ lệ ung thư cao nhất, tiếp sau là người Mỹ bản địa (người Mỹ da đỏ), thổ dân Alaska, người châu Mỹ la tinh, người Mỹ gốc Phi và người da trắng

3 Bệnh sơ gan: Bệnh sơ gan là bệnh mà các tế bào gan trở nên bị hư hại và được thay thế bởi mô sẹo Người bị bênh sơ gan có nguy cơ cao bị ung thư gan Hầu hết (không phải tất cả) mọi người mắc bệnh ung thư gan đã có một số dấu hiệu của xơ gan

4 Bệnh viêm gan virut mãn tính: Trên toàn thế giới, hầu như tất cả các yếu tố nguy cơ dẫn đến ung thư gan là nhiễm virut viêm gan B (hepatitis B virus – HBV) mãn tính (thời gian dài) hoặc virut viêm gan C (hepatitis C virus – HCV) Những nhiễm này dẫn đến sơ gan và là nguyên nhân dẫn tới ung thư gan ở nhiều nơi trên thế giới Ở Mỹ, nguyên nhân đến từ nhiễm virut viêm gan C nhìn chung là nhiều hơn nguyên nhân do HCC, trong khi đó ở Châu Á và các nước đang phát triển, virut viêm gan B là nguyên nhân chủ yếu Người bị nhiễm cả hai loại virut có

nguy cơ cao dẫn đến viêm gan mãn tính, bệnh sơ gan và ung thư gan Nguy cơ này thậm chí còn cao hơn nếu họ uống rượu nặng

5 Sử dụng rượu nặng: Lạm dụng rượu là nguyên nhân dẫn đến bệnh xơ gan ở Mỹ

mà điều này là nguyên nhân dẫn đến nguy cơ ung thư gan

6 Sự béo phì: Béo phì tăng nguy cơ dẫn đến ung thư gan Điều này là có thể bởi béo phì có thể tạo ra bệnh gan nhiễm mỡ và xơ gan

7 Bệnh tiểu đường loại 2: Tiểu đường loại 2 có liên quan tới nguy mắc bệnh ung thư gan, thường thì những bệnh nhân cũng có những yếu tố nguy cơ khác như sử dụng rượu nặng và/hoặc viêm gan virut mãn tính Nguy cơ này có thể tăng bởi những người tiểu đường loại 2 mà những người này có xu hướng thừa cân hay béo phì do đó có thể gây ra những vấn đề về gan

Ngoài ra còn có những yếu tố nguy cơ khác như: Bệnh chuyển hóa di truyền, độc

tố nấm mốc (aflatoxins), Vinyl clorua và thorium dioxide, steroid đồng hóa, thạnh tín, nhiễm kí sinh

2.1 Quy trình chế tạo Microcantilever

2.1.1 Sơ đồ khối của quy trình chế tạo

Sau khi tham khảo các tài liệu và trao đổi với các chuyên gia trong lĩnh vực chế tạo micro/nano, dựa trên các điều kiện về thiết bị của LNT và các đơn vị trong nước, chúng tôi đưa ra quy trình công nghệ chế tạo Silicon Nitride (SiN) microcantilever (Hình 2.1)

Hình 2.1 Sơ đồ tóm tắt quy trình chế tạo microSiN Cantilever

2.1.2 Wafer cho chế tạo Microcantilever

Wafer ban đầu dùng để chế tạo microcantilever có cấu trúc SiN 1µm/SiO21µm /Si 380µm/ SiO2 1µm/ SiN 1µm Để có được wafer có trúc này chúng tôi sử dụng wafer ban đầu là Si 380µm và phủ thêm các lớp SiO2 và SiN

Lớp SiO2 được phủ bằng phương pháp oxi hóa ướt tại 1100 độ C theo phản ứng:

Si +2H2O = SiO2 + 2H2Thời gian cần thiết để chế tạo lớp SiO2 với độ dày 1µm là 1 giờ

Wafer sau khi được phủ lớp SiO2 tiếp tục được phủ lớp SiN bằng phương pháp LPCVD Có nhiều cách để tạo thành lớp SiN trên lớp SiO2 nhưng nếu sử dụng phương pháp LPCVD thì trong quá trình ăn mòn ướt sau này bằng dung dịch HF, lớp SiN sẽ không bị hòa tan trong dung dịch HF Lớp SiN được thành trong môi trường khí N2 tại nhiệt độ 1300 0C theo phản ứng:

2Si + N2 = 2SiN Hiện nay do hệ LPCVD của PTN Công Nghệ Nano chưa dùng được cho việc chế tạo lớp SiN có ứng suất chất thích hợp (có ứng suất 100- 200 Mpa) cho việc chế tạo thanh dao động, do đó bước tạo lớp SiN được TS Tống Duy Hiển tiến hành trên hệ LPCVD của Viện Công Nghệ Nano, MESA+, Đại học Tổng Hợp Twente,

2.1.3 Ăn mòn lớp SiN mặt trước để tạo hình thanh dao động

Wafer đã phủ SiO2 và SiN đã sẵn sàng cho việc bắt đầu chế tạo Trước hết

cần phủ một lớp photoresist lên mặt trên và thực hiện quang khắc sử dụng Mask

1 để định hình thanh dao động Sau khi được quang khắc và đưa vào dung dịch

developer để tạo hình thanh dao động, wafer được khắc để tạo hình thanh dao động bằng hệ DRIE (Deep Reactive Ions Etching)

Có một điểm cần nêu rõ ở đây là: Bình thường để ăn mòn lớp SiN, chúng tôi sử dụng thiết bị Reactive Ions Etching chuyên dụng là hệ Oxford 80+, sử dụng hỗn hợp khí CHF3 + O2 để ăn mòn lớp SiN Tuy nhiên trong quá trình thực hiện luận văn này, thiết bị chuyên dụng nói trên bị hỏng, do đó chúng tôi đã sử dụng

hệ DRIE để ăn mòn lớp SiN

Quá trình khắc được thực hiện trong 4 bước như sau:

Thời gian ( giây )

Bảng 1 Các thông số trong một chu kì khắc

Tổng thời gian cho 1 chu kì 4 bước trên là 8 giây Sau đây là đồ thị biểu diễn thời gian sử dụng khí cho 2 chu kì liên tiếp nhau:

Hình 2.3 Đồ thị biểu diễn thời gian đưa khí vào buồng cho việc ăn mòn

Qua đồ thị ta thấy rằng, quá trình khắc là quá trình đưa khí SF6 vào và quá trình phủ là quá trình đưa khí C4F8 vào Trong một chu kì thì thời gian khắc là 6 giây còn thời gian phủ là 2 giây (tổng cộng 8 giây trên 1 chu kì), các chu kì cứ luân phiên liên tục nhau như vậy

Tiến hành ăn mòn 3 mẫu để khảo sát tốc độ ăn mòn của SiN

Mẫu 1: Cho ăn mòn trong 10 chu kì (80s), đo chiều sâu ăn mòn được 150 nm, tốc

Hình 2.4 Minh họa mặt cắt wafer sau khi ăn mòn lớp SiN mặt trên để tạo hình

thanh dao động

2.1.4 Ăn mòn lớp SiN mặt sau

Sau khi đã ăn mòn tạo hình thanh dao động lớp SiN mặt trên, wafer được chuẩn bị để ăn mòn mặt sau Trước hết cần tạo mặt nạ để bảo vệ phần không bị

ăn mòn Ở đây chúng tôi sử dụng mặt nạ 2 lớp là Al và photoresist Wafer được phún xạ một lớp màng mỏng Al có bề dày 200 nm Sau đó thực hiện phủ lớp

photoresist có độ dày 1,5 µm Thực hiện quá trình quang khắc thứ 2 sử dụng Mask

2 cho việc ăn mòn mặt dưới Quá trình quang khắc này được thể hiện ở hình 2.5

bên dưới