Chế tạo sợi si ứng dụng trong việc phát hiện chất chỉ thị sinh học để chẩn đoán ung thư gan

Tương tự với mô hình trong công nghệ máy tính, nhiều cảm biến sinh học khác nhau dựa trên cấu trúc transitor, có khả năng phát hiện đồng thời nhiều chất cần phân tích khác nhau, được chế

PHẠM MINH KHANG

CHẾ TẠO SỢI SILIC ỨNG DỤNG TRONG VIỆC PHÁT HIỆN CHẤT

CHỈ THỊ SINH HỌC ĐỂ CHẨN ĐOÁN UNG THƢ GAN

Chuyên ngành: Vật liệu và Linh kiện Nanô

(Chuyên ngành đào tạo thí điểm)

PHẠM MINH KHANG

CHẾ TẠO SỢI SILIC ỨNG DỤNG TRONG VIỆC PHÁT HIỆN CHẤT

CHỈ THỊ SINH HỌC ĐỂ CHẨN ĐOÁN UNG THƢ GAN

Chuyên ngành: Vật liệu và Linh kiện Nanô

(Chuyên ngành đào tạo thí điểm)

LỜI CAM ĐOAN

Tôi cam đoan nội dung đề tài này do chúng tôi và nhóm nghiên cứu thực hiện Kết quả trình bày trung thực chính xác Đề tài này chưa được công bố trên bất kỳ phương tiện nào

Kết quả thực nghiệm đo tác giả và nhóm nghiên cứu thực hiện Mọi bảng biểu,

đồ thị, hình ảnh do có được do chúng tôi xử lý kết quả thí nghiệm mà có

Xin cam đoan mọi thông tin là đúng sự thật, nếu có bất kỳ vấn đề gì tôi chịu hoàn toàn trách nhiệm

Tp HCM, ngày 1 tháng 1 năm 2014

LỜI CẢM ƠN

Lời đầu tiên tôi xin được gửi tới TS Tống Duy Hiển lời biết ơn chân thành và sâu sắc nhất Thầy là người đã trực tiếp giao đề tài và tận tình chỉ bảo, hướng dẫn, giúp

đỡ tôi trong quá trình nghiên cứu và hoàn thành luận văn

Tôi xin chân thành cảm ơn ThS Phạm Văn Bình, anh đã đồng hướng dẫn, đã tạo điều kiện giúp tôi hoàn thành luận văn này

Tôi xin cảm ơn đề tài KC04 đã cấp kinh phí để tôi có thể thực hiện luận văn này

Xin cảm ơn giáo viên phản biện đã dành thời gian đọc, góp ý và đánh giá cho đề tài

Xin cảm ơn các thầy cô Trường ĐH Công Nghệ ĐHQGHN và thầy Đặng Mậu Chiến đã hợp tác mở chuyên ngành mà tôi đang theo học này tại Tp HCM

Tôi xin chân thành cảm ơn ThS Phan Thanh Nhật Khoa, bạn Phạm Xuân Thanh Tùng, bạn Nguyễn Thị Ngọc Nhiên, các anh chị và các bạn thuộc Phòng Thí Nghiệm Công Nghệ Nano (LNT) đã giúp đỡ, tạo điều kiện thuận lợi cho tôi trong suốt quá trình thực hiện đề tài này

Tôi xin gửi lời cảm ơn tới các thầy, cô đã giảng dạy trong quá trình suốt khóa học Và đặc biệt gửi lời cảm ơn đến chị Nguyễn Thị Mỹ Lê - phòng đào tạo của LNT

đã hỗ trợ nhiệt tình trong suốt thời gian khóa học diễn ra

Và tôi cũng xin chân thành cảm ơn các anh chị, các bạn ở LNT đã tạo điều kiện

để tôi học tập, nghiên cứu hoàn thành tốt bản luận văn

Xin cảm ơn tất cả bạn bè anh em gần xa, đặc biệt anh Bùi Hà Quốc Thắng đã động viên và giúp tôi nhiều trong phần tài liệu, kiến thức, xử lý số liệu

Cuối cùng tôi xin được cảm ơn những người thân yêu trong gia đình, đã luôn động viên, cổ vũ để tôi hoàn thành tốt luận văn của mình

MỤC LỤC

TRANG BÌA PHỤ Error! Bookmark not defined

LỜI CAM ĐOAN 3

LỜI CẢM ƠN 4

MỤC LỤC 5

DANH MỤC CÁC BẢNG 7

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ 7

DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT 10

MỞ ĐẦU 11

CHƯƠNG I: TỔNG QUAN 14

1.1 Giới thiệu về cảm biến sinh học 14

1.1.1 Khái niệm cảm biến sinh học 14

1.1.2 Lịch sử phát triển của cảm biến sinh học 14

1.1.3 Phân loại cảm biến sinh học 15

1.1.4 Ứng dụng và thị trường cảm biến sinh học 16

1.2 Tổng quan về cảm biến sinh học phát hiện chất chỉ thị trong gan 17

1.2.1 Nhu cầu về phát hiện chất chỉ thị trong gan 17

1.2.2 Các phương pháp phát hiện chất chỉ thị trong gan 18

1.2.3 Nguyên lí hoạt động của cảm biến 19

1.3 Phương pháp chế tạo Transistor hiệu ứng trường sợi Silic 22

1.3.1 Phương pháp Top down 22

1.3.2 Phương pháp Bottom up 26

CHƯƠNG II: CHẾ TẠO VÀ HOẠT HÓA BỀ MẶT SỢI NANO 28

2.1 Chế tạo cảm biến dựa trên transistor hiệu ứng trường sợi Silic 28

2.1.1 Nguyên vật liệu 28

2.1.2 Qui trình chế tạo 29

2.2 Phương pháp chức năng hóa bề mặt 46

2.2.1 Vật liệu, hóa chất cần thiết 47

2.2.2 Qui trình chức năng hóa bề mặt sợi Si 48

2.2.3 Cách bố trí thí nghiệm kiểm chứng 52

CHƯƠNG III: KHẢO SÁT VỀ KÍCH THƯỚC VÀ TÍNH CHẤT ĐIỆN CỦA SỢI SILIC 55

3.1 Tính chất hình thái sợi Si tạo thành 55

3.2 Kết quả đo đạc – đánh giá tính chất điện của sợi Si 57

3.2.1 Đặc trưng I – V 58

3.2.2 Tính chất điện của sợi khi có điện thế Bias 59

3.3 Đánh giá hiệu quả cố định thụ thể gắn huỳnh quang trên bề mặt wafer silic 62

CHƯƠNG IV: ỨNG DỤNG CỦA CẢM BIẾN SINH HỌC SỢI SILIC TRONG VIỆC PHÁT HIỆN CHẤT CHỈ THỊ AFP CỦA UNG THƯ GAN 68

4.1 Chuẩn bị AFP 68

4.2 Chuẩn bị hệ đo 68

4.3 Tiến hành đo đạc, kiểm tra 69

KẾT LUẬN – HƯỚNG PHÁT TRIỂN 74

I Kết luận 74

II Cách khắc phục hạn chế và hướng phát triển của đề tài 75

TÀI LIỆU THAM KHẢO 77

DANH MỤC CÁC BẢNG

Bảng 1.1: Các biomarker và các receptor tương ứng của ung thư gan 19

Bảng 2.1: Thông số thiết dặt của máy quay li tâm Spinner 6RC 32

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ Hình 1.1: Nguyên lí cấu tạo của một cảm biến sinh học 14

Hình 1.2: (a) Cấu tạo của một cảm biến sinh học dựa trên cấu trúc transitor hiệu ứng trường sợi Silic Hai điện cực nguồn và máng được nối với nhau qua kênh dẫn sợi Silic kích thước nanomet Độ dẫn qua sợi được điều chỉnh bằng thế điện áp vào cực cổng ở đế Silic (b) Sự thay đổi tính cường độ dòng điện chạy qua sợi Si loại P khi có các phần tử bị bắt lại trên sợi Dòng điện giảm khi đối tượng mang điện tích dương, cùng dấu với điện tích hạt tải chính trong sợi, làm dòng điện qua sợi giảm Trong khi đối tượng mang điện tích âm bị bắt thì làm dòng điện tăng lên 20

Hình 1.3: Chíp Si NW FET gồm nhiều sợi Si đặt song song nhau, mỗi sợi được gắn một phần tử khác nhau nhằm phát hiện những đối tượng khác nhau, nên cảm biên có thể đo đồng thời nhiều thông số khác nhau 21

Hình 1.4: Độ dài sợi silic và độ rộng của vùng chứa sợi và chất làm thụ động hóa bề mặt là những thông số cần quan tâm khi chế tạo Si NW FET 22

Hình 1.5: Ba quá trình của cơ chế ăn mòn là quá trình khuếch tán, quá trình ăn mòn, và quá trình thải sản phẩm của quá trình ăn mòn ra ngoài 23

Hình 1.6: Ba cơ chế ăn mòn: a- đẳng hướng, b- dị hướng, c- siêu dị hướng 24

Hình 2.1: Cấu tạo của một cảm biến dựa trên transistor hiệu ứng trường sợi Si 28

Hình 2.2: Sơ đồ khối các bước chế tạo FET sợi Si, chỉ sử dụng các kĩ thuật cở bản của công nghệ micro Phần lớn các bước được thực hiện tại PTN CNNN Tuy nhiên bước pha tạp Bo vẫn còn phải thực hiện trên thiết bị của đối tác nước ngoài (Viện MESA+, Hà Lan) 30

Hình 2.3: Máy quay li tâm 32

Hình 2.4: Thiết bị nung nhiệt 33

Hình 2.5: Sơ đồ khối các bước làm giảm bề dày lớp Si bề mặt 34

Hình 2.6: Cơ cấu một lò oxi hóa nhiệt 35

Hình 2.7: Thiết bị oxi hóa PEO 601 của PTN CNNN được sử dụng để oxi hóa đế SOI, làm mỏng lớp Si từ 1000 nm về 100 nm, thích hợp cho việc chế tạo cảm biến sợi nano

Si 35

Hình 2.8: Giản đồ nhiệt quá trình oxi hóa của thiết bị oxi hóa PEO 601 35

Hình 2.9: Máy Ellipsometer sử dụng để đo độ dày màng mỏng SiO 2 tạo ra trên đế SOI 36

Hình 2.10: Kết quả đo bề dày lớp SiO 2 tạo thành sau khi oxi hóa lần một bằng máy Ellipsometer 36

Hình 2.11: Pha tạp Bo vùng điện cực 38

Hình 2.12: Các bước tạo sợi Si 39

Hình 2.13: Hình ảnh chụp bằng kính hiển vi quang học của cảm biến có một sợi Si Sợi có chiều ngang khoảng 2um, chiều dài thay đổi (tùy loại chip) từ 14um-40um 40

Hình 2.14: Hình ảnh chụp bằng kính hiển vi quang học của cảm biến có ba sợi Si Sợi có chiều ngang khoảng 2um, chiều dài thay đổi (tùy loại chip) từ 14um-40um 40

Hình 2.15: Hình ảnh chụp bằng kính hiển vi quang học của cảm biến có 4 sợi Si Sợi có chiều ngang khoảng 2um, chiều dài thay đổi (tùy loại chip) từ 14um-40um 41

Hình 2.16: Hình ảnh chụp bằng kính hiển vi quang học của cảm biến, trên đó có 3 vùng chứa sợi Mỗi vùng có 3 sợi, 4 sợi và 5 sợi Sợi có chiều ngang khoảng 2um, chiều dài thay đổi (tùy loại chip) từ 14um-40um 41

Hình 2.17: Các bước tạo backgate từ phía trên của wafer 42

Hình 2.18: Hệ phún xạ UNIVEX 350 tại PTN CNNN được sử dụng để chế tạo điện cực cho các đơn sợi Si 43

Hình 2.19: Các bước thực hiện đểchế tạo điện cực điện Pt/Ti cho các sợi Si Tiếp theo là tạo lớp cách điện SiO 2 cho các điện cực này Với cấu trúc này, chỉ phần sợi Si là tiếp xúc với dung dịch trong các bước đo đạc sau này còn lại toàn bộ bề mặt của chip được phủ bởi lớp cách điện SiO 2 45

Hình 2.20: Wafer trong đó có chứa các chip sợi Si sau khi kết thúc qui trình chế tạo 46 Hình 2.21: Sơ đồ khối các bước chức năng hóa bề mặt chip sợi Silic 48

Hình 2.22: Cơ chế hình thành lớp SAM trên bề mặt Si-OH 49

Hình 2.23: Linker 3-glycidoxypropyl trimethoxysilane (GPTS) 50

Hình 2.24: Qui trình chức năng hóa bề mặt trên bề mặt Si có phủ lớp Si tự nhiên 50 Hình 2.25: Chip sau khi làm sạch được gắn một vòng epoxy bao quanh vùng làm việc.54

Hình 3.1: Kênh dẫn 1 sợi Si của chip loại 10x15mm 55 Hình 3.2: Kênh dẫn 4 sợi Si của chip loại 10x15mm 55 Hình 3.3: Hình ảnh SEM (scanning electron microscopy) mô tả tổng thể cấu trúc của một chip loại 10x10mm bao gồm các sợi Si có độ dài 14 µm, đường dẫn và vùng cửa

sổ (sensing area) 56 Hình 3.4: Hình ảnh SEM của một chip chứa kênh dẫn gồm 5 sợi Si 56 Hình 3.5: Hệ thiết bị khảo sát tính chất điện Agilent – Probe Station (a); Thiết bị khảo sát tính chất điện (b) và đế giữ chíp (c) 57 Hình 3.6: Đặc trưng I-V cảm biến FET sợi Si với kênh dẫn là một sợi Si khi không có điện thế biasing (Vg= 0) Đặc trưng tuyến tính thu được thể hiện tiếp xúc Ohmic giữa sợi Si và đường dẫn kim loại Pt/Ti 58 Hình 3.7: Đặc trưng I-V cảm biến Si NW FET với kênh dẫn là bốn sợi Si khi không có điện thế biasing (Vg= 0) 59 Hình 3.8: Sơ đồ khối mô tả cách kết nối các điện áp, thông số để đo ảnh hưởng của điện thế Bias đến tính chất điện của sợi Si 60 Hình 3.9: Đặc trưng tính chất điện của 1 sợi Si với các điện thế bias khác nhau Các điện thế bias được thay đổi từ -4V đến 4V với bước nhảy 1V và V DS thay đổi từ -2V đến 2V 61 Hình 3.10: Đặc trưng tính chất điện của sợi Si với các điện thế bias khác nhau Cảm biến FET sợi Si với kênh dẫn là loại chứa 4 sợi Si Các điện thế bias được thay đổi từ - 4V đến 4V với bước nhảy 1V và V DS thay đổi từ -2V đến 2V 61 Hình 3.11: Ảnh chụp bằng kính hiển vi huỳnh quang các mẫu (a) không gắn GPTS (b) gắn GPTS trong 8 giờ (c) gắn GPTS trong 16 giờ (d) gắn GPTS trong 24 giờ trước khi đánh siêu âm 63 Hình 3.12: Ảnh chụp bằng kính hiển vi huỳnh quang các mẫu (a) không gắn GPTS (b) gắn GPTS trong 8 giờ (c) gắn GPTS trong 16 giờ (d) gắn GPTS trong 24 giờ sau khi đánh siêu âm trong 3 phút 64 Hình 3.13: Ảnh chụp bằng kính hiển vi huỳnh quang các mẫu gắn GPTS trong 16 giờ (a) không chiếu UV (b) chiếu UV trong 15 phút (c) chiếu UV trong 30 phút trước khi đánh siêu âm 64

Hình 3.14: Ảnh chụp bằng kính hiển vi huỳnh quang các mẫu gắn GPTS trong 16 giờ (a) không chiếu UV (b) chiếu UV trong 15 phút (c) chiếu UV trong 30 phút sau khi

đánh siêu âm trong 3 phút 65

Hình 3.15: Ảnh chụp bằng kính hiển vi huỳnh quang các mẫu (a) ngâm thụ thể trong 1 giờ (b) ngâm thụ thể trong 3 giờ (c) ngâm thụ thể trong 5 giờ trước khi đánh siêu âm.65 Hình 3.16: Ảnh chụp bằng kính hiển vi huỳnh quang các mẫu (a) ngâm thụ thể trong 1 giờ (b) ngâm thụ thể trong 3 giờ (c) ngâm thụ thể trong 5 giờ sau khi đánh siêu âm trong 3 phút 66

Hình 3.17: Thụ thể F-LCA bám trên thành giếng epoxy 67

Hình 3.18: Thụ thể F-LCA có xuất hiện trong vùng làm việc của chip 67

Hình 4.1: Hệ giữ chíp và hổ trợ đo phát hiện các chất chỉ thị sinh học 69

Hình 4.2: Đặc trưng I-V của sợi Si với các giá trị khác nhau của V BG 70

Hình 4.3: Đồ thị I-t biểu thị sự bắt cặp của thụ thể với AFP ở nồng độ 500 ng/ml 71

Hình 4.4: Đồ thị I-t biểu thị sự bắt cặp của thụ thể với AFP ở nồng độ 100 ng/ml 72

Hình 4.5: Đồ thị I-t biểu thị sự chênh lệch về dòng khi đo chip trong PBS pH 7.4 và trong dung dịch AFP ở nồng độ 100 ng/ml 73

Hình 4.6: Đồ thị I-t biểu thị sự chênh lệch về dòng khi đo chip trong PBS pH 7.4 và trong dung dịch AFP ở nồng độ 500 ng/ml 73

DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT

HCC : Hepatocellular carcinoma

SOI : Semiconductor on insulator

DI : De-ion (khử ion)

Si NW FET : Silicon Nanowire Field Effect Transistor

SAM : Self assembled monolayer

SEM : Scanning electron microscopy

GPTS : 3-glycidoxypropyltrimethoxysilane

AFP : Alpha fetoprotein

F-LCA : Fluorescein-Lens culinaris agglutinin

PBS : Phosphate buffered saline

MỞ ĐẦU

Cảm biến sinh học là một lĩnh vực đã được nghiên cứu từ lâu và hiện vẫn đang thu hút được nhiều nguồn lực và ngân sách Mục đích của mọi hệ cảm biến sinh học đều nhằm phát hiện được một đối tượng sinh học cần phân tích nào đó Quá trình cảm biến dựa trên một sự gắn kết đặc biệt hoặc phản ứng của chất cần phân tích với một phần tử nhận diện đã được biết trước Trong các phương pháp phân tích không phá hủy mẫu, phép phân tích dựa chủ yếu vào sự thay đổi tính chất vật lý của cảm biến khi

có sự bắt cặp giữa chất phân tích và chất thử hoặc có sản phẩm mới tạo thành Nhu cầu khoa học ngày nay, không những yêu cầu phải phát hiện một chất phân tích đặc biệt nào đó mà đòi hỏi phân tích tổng hợp cùng lúc nhiều yếu tố khác nhau Vì thế yêu cầu tích hợp một lượng lớn các cảm biến trong một quy trình phân tích tối ưu là một đòi hỏi thiết thực

Trong nền công nghệ máy vi tính, một thành tựu đột phá là sự chế tạo thành công mạch tích hợp, gồm các transitor được chế tạo đồng thời và kết hợp lại với nhau trong một con chíp duy nhất Tương tự với mô hình trong công nghệ máy tính, nhiều cảm biến sinh học khác nhau dựa trên cấu trúc transitor, có khả năng phát hiện đồng thời nhiều chất cần phân tích khác nhau, được chế tạo đồng thời với nhiều transitor tích hợp lại thành một đơn chíp có thể phát hiện đồng thời nhiều thông số mong muốn

Để thực hiện quá trình cảm biến, các transitor trong một chíp cần có một bộ phận chuyển đổi tính hiệu từ các quá trình phản ứng sinh hóa, các quá trình bắt cặp đặc biệt của chất phân tích thành tín hiệu điện có thể ghi nhận được

Chính vì có mối liên hệ này đòi hỏi ta phải nghiên cứu sự đáp ứng của chất bán đẫn, chất chính yếu trong công nghệ máy tính, với môi trường sinh hóa xung quanh

nó Tại bề mặt của chất bán dẫn, điện tích xuất hiện do thế điện của các phân tử lận cận gây ra Điện tích này ảnh hưởng đến độ dẫn của chất bán dẫn Sự thay đổi về độ dẫn điện của chất bán dẫn có thể dễ dàng đo được bằng cách bố trí hợp lý các hệ đo điện có độ chính xác cao

Transitor có cấu tạo gồm ba điện cực: cực nguồn, cực máng và cực cổng Bằng cách thay đổi điện thế cực cổng có thể tăng hoặc giảm điện tích chạy qua cực nguồn và cực máng Transitor với tính chất như thế gọi là transitor hiệu ứng trường (Field Effect

Transistor-FET) Dòng điện trong transitor với một hiệu điện thế không đổi có thể được điều khiển bằng thay đổi điện áp vào cực cổng, ngoài ra còn có thể bởi các điện tích của các thành phần hóa học tại bề mặt chất bán dẫn Những yêu cầu của loại transitor ứng dụng làm cảm biến sinh học này khác so với loại dùng trong các mạch logic của máy tính Chất bán dẫn, làm bộ phận cảm biến của transitor, phải được để lộ

ra trong môi trường chứa chất phân tích Bộ phận cảm biến này phải đủ nhỏ và phải có diện tích bề mặt lớn để làm bộ phận cảm biến thông qua hiệu ứng bề mặt Vì độ chính xác phụ thuộc tỉ lệ điện tích bề mặt so với tổng điện tích

Dựa trên các yêu cầu đó transitor hiệu ứng trường dùng sợi silic là một lựa chọn tốt nhất, vì chúng là chất bán dẫn được sử dụng làm các transitor trong công nghệ máy tính từ lâu, nên công nghệ chế tạo mạch tích hợp từ các transitor dùng silic là một lợi thế lớn

Kể từ khi transitor hiệu ứng trường sợi Silic (Si NW FET) được chế tạo và ứng dụng làm cảm biến sinh học vào 2001 bởi Y Cui (http://www.stanford.edu/group/cui_group/) và Lieber (http://cmliris.harvard.edu/), ngoài ra Si NW FET đã thu hút sự nhiều nhóm nghiên và viện nghiên cứu trên thế giới: Peidong Yang: http://www.cchem.berkeley.edu/pdygrp/main.html; Health group- Caltech: http://www.its.caltech.edu/~heathgrp/Publications.html#; Viện Công Nghệ Nano MESA http://www.mesaplus.utwente.nl/; Viện nghiên cứu A-star Singapore: http://www.a-star.edu.sg; Autralia Research Council: http://www.materials.com.au/; Đại học KTH Thụy Điển http://www.kth.se; Nanosens: http://www.nanosens.nl/product.htm

Vì cảm biến Si NW FET là một thiết bị hứa hẹn với nhiều ứng dụng tiềm năng

từ quản lý sức khỏe đến nghiên cứu thuốc Thiết bị đã chứng tỏ khả năng phát hiện nhiều chất phân tích khác nhau, như chuỗi DNA, các biomaker của ung thư, các thụ thể lớn hơn như virus Chúng cũng được dùng kiểm soát hoạt tính các enzyme và nghiên cứu về cơ chế của các phân tử thuốc tiềm năng Phát hiện các chất phân tích với độ nhạy và độ đặc hiệu cao trong một thời gian hợp lý là một lợi thế đang dần thành hiện thực của Si NW FET

Ung thư gan là một trong những loại ung thư nhiều nhất trên thế giới, và là ung thư có tỉ lệ tử vong cao nhất ở nam giới Với số lượng bệnh nhân rất lớn đang cần phải phân tích mẫu phẩm thường xuyên để phục vụ công đoạn điều trị, cộng với khoảng trên 10000 ca mắc mới mỗi năm, thêm vào đó là số lượng khổng lồ trên 10 triệu người

bị nhiễm siêu vi B và siêu vi C (là những đối tượng có khả năng bị ung thư gan cao, cần được đi khám định kì) đang tạo ra một nhu cầu rất lớn về phân tích kiểm tra các chỉ thị ung thư gan trong máu để chẩn đoán sớm và điều trị ung thư gan Nhưng đến thời điểm này, có thể nói rằng tất cả các cơ sở khám và chữa bệnh trong nước hiện đang phải sử dụng các thiết bị, máy móc và công nghệ nhập ngoại để thực thi các công việc này Việc không làm chủ được công nghệ nguồn, không chế tạo được các bộ KÍT

để phân tích định tính và định lượng các chỉ thị sinh học của ung thư gan đã và đang hạn chế rất nhiều đến khả năng chẩn đoán sớm và điều trị ung thư gan Do đó, việc nghiên cứu, làm chủ công nghệ, chế tạo thành công bộ kít nano sinh học phục vụ cho việc phát hiện với độ nhạy cao các chỉ thị ung thư gan, phục vụ chẩn đoán ung thư gan với độ chính xác cao là hết sức cần thiết, và vì thế được xác định là đối tượng nghiên cứu chính của đề tài nghiên cứu này

Chính vì thế, chúng tôi chọn đề tài chế tạo cảm biến dựa trên cấu trúc Si W FET

để phát hiện các chất chỉ thị sinh học của gan Nhưng vì đây là một đề tài có liên quan đến rất nhiều lĩnh vực khác nhau từ vật liệu, vật lý, hóa học, sinh học và y học Đồng thời trên thế giới nó là lĩnh vực mới nên cũng chưa có kết quả để đối chiếu Do đó nhiệm vụ ban đầu là chế tạo thành công chíp Si W FET, sau đó ứng dụng phát hiện các chất chỉ thị trong ung thư gan trong dung dịch nuôi cấy với nồng độ các chất chỉ thị sinh học cao để đánh giá tính chất, khả năng phát hiện của chíp chế tạo được

CHƯƠNG I: TỔNG QUAN

1.1 Giới thiệu về cảm biến sinh học

1.1.1 Khái niệm cảm biến sinh học

Cảm biến sinh học (biosensor) là thiết bị phân tích trong đó kết hợp tính đặc hiệu của yếu tố nhận diện sinh học (biorecognition element) với bộ chuyển đổi (transducer) tạo ra tín hiệu tương ứng với nồng độ chất cần phân tích (Hình 1.1) Tín hiệu này có thể được sinh ra do thay đổi về nồng độ proton, giải phóng hay hấp thu các khí như NH3 hay O2, hoặc do hiện tượng phản xạ, hấp thu, phát xạ, tỏa nhiệt, những thay đổi về khối lượng, v.v Yếu tố nhận diện có thể là enzyme, kháng thể, nucleic acid, bào quan, vi khuẩn, tế bào, hay lát cắt mô, v.v Bộ chuyển đổi (transducer) sẽ chuyển tín hiệu đó thành tín hiệu có thể đo được như dòng điện, điện thế, sự thay đổi nhiệt độ, hấp thu ánh sáng, gia tăng khối lượng bằng phương pháp điện hóa, nhiệt, quang, hay áp điện Nhìn chung về nguyên tắc, phân tử nhận diện có thể kết hợp với

bộ chuyển đổi phù hợp để tạo ra cảm biến sinh học có thể hoạt động được

Hình 1.1: Nguyên lí cấu tạo của một cảm biến sinh học

1.1.2 Lịch sử phát triển của cảm biến sinh học

Trong hơn 50 năm qua, số lượng lớn các tài liệu liên quan đến lĩnh vực cảm biến sinh học cho thấy đây là một lĩnh vực khoa học rất thú vị Nhiều nhà nghiên cứu thuộc các chuyên ngành khác nhau đều tham gia lĩnh vực này, từ hóa học tới vật lý, vi sinh vật học, và cả kỹ thuật điện Khái niệm cảm biến sinh học đã được đưa ra cách đây hơn bốn thập niên Theo Malhotra (2003), cảm biến sinh học đã trải qua những mốc lịch sử quan trọng, đánh dấu những bước phát triển rõ rệt

Giáo sư Clark là cha đẻ của khái niệm cảm biến sinh học khi công bố nghiên

ở New York, ông trình bày thí nghiệm của mình, trong đó enzyme glucose oxidase (GOX) được “bẫy” trong một màng thẩm tích trên bề mặt của điện cực oxy Khi nồng

độ glucose trong môi trường giảm, nồng độ oxy trên bề mặt điện cực cũng giảm tương ứng Tuy nhiên mối quan tâm về cảm biến sinh học chỉ thực sự gia tăng kể từ khi Updike và Hicks (1967) dùng thuật ngữ “điện cực enzyme” để mô tả một thiết bị tương tự, trong đó enzyme GOX được giữ trong một lớp gel polyacrylamide gắn trên

bề mặt điện cực oxy để phát hiện và định lượng nhanh glucose Thí nghiệm này đánh dấu sự khởi đầu cho các nghiên cứu và ứng dụng của cảm biến sinh học trong lĩnh vực công nghệ sinh học và môi trường Guilbault và Montalvo (1969) sử dụng điện cực thủy tinh kết hợp với enzyme để đo nồng độ urea bằng phương pháp đo điện thế Hầu hết các nghiên cứu về các cảm biến sinh học enzyme lúc bấy giờ đều tập trung vào cảm biến theo dõi glucose trong máu dựa vào phương pháp đo dòng Các cảm biến sinh học đo dòng được chia làm ba thế hệ Thế hệ cảm biến đầu tiên được đề nghị bởi Clark và Lyons và được Updike và Hicks bổ sung khi sử dụng thuật ngữ “điện cực enzyme” Rechnitz và cộng sự (1971) đã phát triển một cảm biến kết hợp điện cực chọn lọc ion (Ion Selective Electrode - ISE) với betaglucosidase để tạo ra benzaldehyde và cyanide Roche (1976) giới thiệu thiết bị phân tích lactate LA 640 sử dụng hexacyanoferrate (Fe(CN)6 3-/4+) làm chất trung gian cho vận chuyển electron từ enzyme lactate dehydrogenase tới điện cực để phát hiện lactate Đây là “cảm biến enzyme thế hệ thứ hai” Thế hệ cảm biến enzyme thứ ba được đánh dấu bằng việc sử dụng chất trung gian vận chuyển electron (O2 hay chất nhân tạo)

Enzyme và chất trung gian cùng được cố định trên bề mặt điện cực Năm 1986,

Di Gleria và cộng sự chế tạo cảm biến sinh học hoạt động theo nguyên tắc điện hóa gián tiếp sử dụng ferrocene thay cho O2 để làm giảm các chất gây nhiễu như uric acid

và ascorbic acid

1.1.3 Phân loại cảm biến sinh học

Cảm biến sinh học có thể được phân loại theo các yếu tố nhận diện sinh học (biorecognition element) hay theo phương thức chuyển đổi tín hiệu (signal

transduction) (Malhotra, 2003; Rodriguez – Mozar, 2004)

1.1.3.1 Phân biệt dựa vào yếu tố nhận diện sinh học

Dựa vào các yếu tố nhận diện sinh học, cảm biến sinh học được phân chia thành các nhóm sau:

 Cảm biến sinh học xúc tác (catalytic biosensors): còn gọi là cảm biến sinh học enzyme, sử dụng enzyme làm yếu tố nhận diện sinh học được cố định trên bộ chuyển đổi tín hiệu như điện cực, sợi phát quang, hiệu ứng trường điện từ (field effect transistor - FET) Sử dụng enzyme làm yếu tố nhận diện rất phổ biến trong thế hệ cảm biến thứ nhất nhờ khả năng thương mại hóa và dễ dàng phân tách và tinh sạch từ nhiều nguồn khác nhau (Rogers và Mascini, 1998)

 Cảm biến sinh học ái lực (bioaffinity sensors): là thiết bị phân tích sử dụng yếu

tố nhận diện sinh học kháng thể, protein, vật liệu mô phỏng sinh học, hay DNA được tích hợp với một bộ chuyển đổi tín hiệu (Rogers và Mascini, 1998)

 Cảm biến sinh học dựa trên tế bào sống (cell - based biosensors): sử dụng vi sinh vật sống còn nguyên vẹn, hoặc mô làm yếu tố nhận diện sinh học Tế bào được chia thành hai nhóm dựa vào cơ chế cảm biến, khả năng biểu hiện đặc hiệu đối với chất hóa học hay tình trạng “stress”, được sử dụng để khảo sát môi trường, khí quyển (Rodriguez-Mozaz và Lopez, 2005) và phát hiện tác nhân gây “stress”, bao gồm dioxin, các chất gây rối loạn nội tiết và sự bức xạ ion

hóa

1.1.3.2 Phân biệt dựa vào tính năng của bộ chuyển đổi

Dựa vào bản chất hoạt động của bộ chuyển đổi, cảm biến sinh học được phân biệt thành các nhóm sau:

 Bộ chuyển đổi điện hóa (electrochemical transducer):

 Kỹ thuật đo thế (potentiometric): đo điện thế giữa điện cực so sánh và điện cực hoạt động trong điều kiện dòng điện bằng 0 Điện thế đo được

tỷ lệ thuận với logarit của độ hoạt động của ion trong dung dịch

 Kỹ thuật đo dòng (amperometric): đo dòng điện sinh ra do quá trình oxi hóa – khử của chất cần phân tích xảy ra ở điện cực hoạt động Nồng độ của chất cần phân tích tỷ lệ thuận với dòng điện sinh ra

 Kỹ thuật đo độ dẫn điện (conductometric): đo sự thay đổi tính dẫn điện của dung dịch khi nồng độ ion thay đổi

 Bộ chuyển đổi quang học (optical transducer): đây là loại cảm biến ra đời sớm nhất, hoạt động dựa vào đặc tính như hấp thụ ánh sáng (absorption), phát huỳnh quang (fluorescence), hóa phát quang (chemiluminescence), hệ số khúc

xạ (refractive index)

 Bộ chuyển đổi áp điện (piezoelectric transducer): hiện tượng áp điện là thuộc tính của tinh thể bất đẳng hướng (như tinh thể thạch anh) Khi tinh thể bị tác động, nó sẽ gây ra một điện trường Loại cảm biến này hoạt động dựa vào sự tạo ra dòng điện từ tinh thể dao động Tần số dao động phụ thuộc tuyến tính vào

sự thay đổi khối lượng của vật liệu hấp thụ tại bề mặt tinh thể Điển hình là phương pháp cân vi lượng tinh thể thạch anh (quart crystal microbalance -

QCM)

1.1.4 Ứng dụng và thị trường cảm biến sinh học

Cảm biến sinh học được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực, như phân tích thực phẩm (Prodromidis và Karayannis, 2002), khủng bố sinh học (Burkle, 2003), môi trường (Rodriguez-Mozaz và Lopez, 2005), và trong lĩnh vực theo dõi và chẩn đoán sức khỏe con người (Vikas, 2007)

Cảm biến sinh học lý tưởng phải được thiết kế để phát hiện những phân tử có ý nghĩa, mầm bệnh và độc tố, cung cấp thông tin mang tính thăm dò đối với chất phân tích một cách chính xác, đáng tin cậy và nhanh chóng Hằng năm, chi phí đầu tư cho chương trình nghiên cứu và phát triển cảm biến sinh học ước tính lên tới 300 triệu đôla

Mỹ (Luong và cộng sự, 2008) Trong khoảng thời gian từ năm 1984 đến năm 1990 có khoảng 3000 bài báo khoa học và 200 bằng sáng chế về lĩnh vực cảm biến sinh học

Từ năm 1998 đến năm 2004, hơn 6000 bài báo và 1100 phát minh liên quan tới lĩnh vực cảm biến sinh học được công bố Đáng chú ý hơn cả, ngoài các cảm biến đo hàm lượng glucose và lactate trong máu (chiếm 85% thị trường cảm biến sinh học) và các thiết bị cầm tay khác, rất ít cảm biến sinh học được thương mại hóa thành công do giá thành để triển khai còn tương đối cao hay do trở ngại về mặt kỹ thuật

1.2 Tổng quan về cảm biến sinh học phát hiện chất chỉ thị trong gan

1.2.1 Nhu cầu về phát hiện chất chỉ thị trong gan

Theo WHO thống kê và công bố năm 2007 ung thư gan là một trong năm loại ung thư gây tử vong cao nhất trên toàn thế giới với hơn 653.000 ca tử vong mỗi năm

Tỷ lệ phát bệnh cao ở vùng Châu Á và Châu Phi, tuổi trung niên và nam giới thường mắc bệnh cao hơn Ở châu Á, nơi có tỉ lệ mắc viêm gan B khá cao, ung thư gan đặc biệt phổ biến Việt Nam được coi là một trong các quốc gia có tỷ lệ mắc ung thư gan cao nhất thế giới, với trên 10000 ca mắc mới mỗi năm Hiện nay, ung thư gan được chia làm 2 loại dựa vào nơi xuất hiện ung thư đầu tiên của cơ thể: ung thư gan thứ phát hay ung thư tế bào gan nguyên phát

 Ung thư gan thứ phát: Là ung thư xuất phát từ tế bào của các phần khác của

cơ thể lan đến gan Ung thư gan thứ phát có thể từ: ung thư đường tiêu hóa, vú, phổi, ung thư tủy… Tùy theo cơ quan nào di căn đến gan mà gọi tên, ví dụ từ ung thư phổi thì gọi là ung thư gan thứ phát do di căn từ ung thư phổi

 Ung thư tế bào gan nguyên phát (hepatocellular carcinoma - HCC): Trên 80% ung thư gan là ung thư tế bào gan nguyên phát Ung thư tế bào gan nguyên phát

là ung thư xuất phát từ gan Nó còn được gọi là ung thư gan nguyên phát hoặc ung thư gan Gan được cấu tạo từ nhiều loại tế bào khác nhau (ví dụ tế bào ống mật, mạch máu và những tế bào dự trữ mỡ) Tuy nhiên, 80 % mô gan là do tế bào gan tạo nên Vì vậy, ung thư gan nguyên phát chủ yếu (>90 – 95%) xuất phát từ tế bào gan và được gọi là ung thư tế bào gan hoặc carcinoma Ung thư này xảy ra ở nam gấp đôi nữ và thường gặp ở tuổi trên 50 Hiện nay khoa học chưa biết chính xác nguyên nhân HCC nhưng viêm gan do siêu vi mãn tính và

xơ gan là yếu tố nguy cơ HCC, trong đó xơ gan chiếm 80% trường hợp HCC

Dạng khác của ung thư gan là ung thư đường mật Đây là ung thư xuất phát từ ống dẫn mật và nguyên nhân là do viêm xơ chai đường mật nguyên phát Ung thư đường mật có thể do nhiễm ký sinh trùng, chẳng hạn như sán lá nhỏ Ung thư này phát triển theo đường dẫn mật, rất khó thấy trên phim X quang

Nguyên nhân chính gây ung thư gan: Cho đến nay “nguyên nhân chính gây ra

ung thư gan” vẫn còn là câu hỏi chưa được trả lời rõ ràng và nhiều nghiên cứu đang được tiến hành nhằm tìm ra câu trả lời chính xác trong thời gian tới Hiện nay các nhà khoa học chỉ có thể xác định một số nguy cơ sau đây có thể dẫn đến HCC là: viêm gan siêu vi B, viêm gan siêu vi C, uống rượu kéo dài dẫn tới xơ gan (sau đó là HCC), do Aflatoxin B1, thuốc và hóa chất, bệnh ứ sắt và xơ gan v.v… Tỷ lệ nhiễm HBV (siêu vi B) trên thế giới là 2 tỷ người (WHO, 2008) trong đó 350 triệu người mắc bệnh mãn tính và 25% trong số người mắc bệnh mãn tính ngay từ nhỏ sẽ chết vì ung thư gan hay

xơ gan Việt Nam có tỷ lệ người nhiễm HBV cao thứ 2 trên thế giới Theo các nghiên

cứu của Bộ Y Tế, ước tính tỷ lệ người mang HBsAg mãn tính vào khoảng 15% - 20%

dân số (12 - 16 triệu người)

Trong khi đó ước tính 3% dân số toàn thế giới nhiễm HCV (siêu vi C) Tại Việt Nam, tỷ lệ người nhiễm HCV vào khoảng 1,8 – 4% dân số, khoảng 193.100 người đã chết do siêu vi C trong 10 năm gần đây, trong đó có 165.900 người chết do viêm gan

mãn tính, và các biến chứng của viêm gan, và 27.000 người chết do ung thư gan

1.2.2 Các phương pháp phát hiện chất chỉ thị trong gan

Mặc dù có nhiều tiến bộ của y học và kĩ thuật phân tích nhưng cho đến nay chưa có 1 kỹ thuật nào hoàn hảo để có thể chẩn đoán được sớm và đúng của 1 trường hợp u gan, hay ung thư tế bào gan Đôi khi phải vận dụng uyển chuyển, kết hợp nhiều

kỹ thuật vào từng tình huống cụ thể mới có thể chẩn đoán được Các kỹ thuật riêng lẻ càng có độ nhạy và đặc hiệu càng cao sẽ giúp cho việc phối hợp chẩn đoán ngày càng hiệu quả

Hiện nay, có nhiều phương pháp để chẩn đoán 1 trường hợp ung thư gan và có thể chia thành 2 nhóm:

 Nhóm 1: Nhóm chẩn đoán hình ảnh như: siêu âm, CT, MRI, giải phẫu bệnh…

 Nhóm 2: Nhóm các xét nghiệm để chẩn đoán 1 u gan như: nhóm xét nghiệm chức năng gan, nhóm xét nghiệm nguyên nhân gây bệnh gan và nhóm xét nghiệm máu để tìm dấu ấn ung thư (cancer biomarkers) Trong đó, nhóm xét nghiệm tìm các dấu ấn ung thư trong máu đang rất được quan tâm nghiên cứu trong thời gian gần đây vì trong phương pháp này không cần đến thiết bị chuyên dụng, đắt tiền như CT và MRI, và cũng không phải thực hiện các kĩ thuật giải phẫu bệnh

Hiện nay, có trên 60 biomarker được dùng cho việc phát hiện ung thư gan Các marker này được chia làm 4 nhóm chính: markers đối với mô (Tissue markers), markers đối với huyết thanh (Serum markers), markers đối với tế bào ung bướu

(Tumor cell markers) và markers đối với những yếu tố do di truyền (Genetic markers) Tuy nhiên, cách phân nhóm này chỉ mang tính tương đối vì một vài marker có thể thuộc nhiều nhóm khác nhau [9] Trong đó, nhóm xét nghiệm tìm các biomarkers là một hướng đang rất được quan tâm nghiên cứu trong thời gian gần đây vì trong phương pháp này không cần đến thiết bị chuyên dụng, đắt tiền như CT và MRI, và cũng không phải thực hiện các kĩ thuật phức tạp của giải phẫu bệnh, nhưng vẫn cho kết quả chẩn đoán với độ chính xác cao Do đó nhóm tác giả sẽ sử dụng hai bộ kít nano chế tạo ra để phát hiện các biomarkers trong huyết thanh, phục vụ chẩn đoán ung thư trong đề tài này

Ung thư thường có tính di căn, nên khi mắc bệnh ung thư ở các giai đoạn sau thường là ung thư của nhiều cơ quan (vú, phổi, gan,…) do sự di căn gây ra Do đó, có một vài biomarker là marker thông dụng, chỉ định cho nhiều loại ung thư Đồng thời, chưa có một marker nào là hoàn toàn đặc trưng cho 1 loại ung thư Do đó, việc sử dụng nhiều marker để phát hiện một loại ung thư là cần thiết Đối với ung thư gan, marker đặc trưng và thông dụng nhất là AFP, tuy nhiên các nghiên cứu gần đây cho thấy những marker như AFP-L3, DCP, GP73, có ưu thế hơn bởi độ nhạy và tính chuyên biệt cao Do đó sau khi đã trao đổi với các chuyên gia trong nước và quốc tế về lĩnh vực này, trong đề tài KC04 nhóm tác giả sẽ sử dụng bộ kít nano sinh học để phát

hiện đồng thời 04 biomarker là AFP, AFP-L3, DCP, GP73 (Bảng 1.1), ứng dụng kết

quả thu được vào việc phát hiện sớm ung thư gan Tuy nhiên với giới hạn về thời gian, chúng tôi chỉ phát hiện chỉ thị AFP trong luận văn cao học này

Đặc điểm chung của các biomarker được chọn nói trên là chúng đều là các protein (kháng thể đơn dòng) Do các protein đều có nhóm chức NH2 , yếu tố này cho phép thực hiện các kĩ thuật xử lí bề mặt để tạo các nhóm hóa học chức năng (functional groups) trên bề mặt của sợi và thanh nano Các nhóm hóa học chức năng này sẽ liên kết với nhóm chức NH2 để giữ các các receptor này ở trên bề mặt sợi nano

và thanh nano

Bảng 1.1: Các biomarker và các receptor tương ứng của ung thư gan

Receptor

kháng thể đơn dòng của DCP

kháng thể đơn dòng của GP73

*Biomarker sẽ được nghiên cứu và phát hiện trong luận văn cao học này

1.2.3 Nguyên lí hoạt động của cảm biến

Bộ kít sinh học sợi nano (nanowire): 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 – 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 1.2 dưới đây [10-28]

Hình 1.2: (a) Cấu tạo của một cảm biến sinh học dựa trên cấu trúc transitor hiệu ứng trường sợi Silic Hai điện cực nguồn và máng được nối với nhau qua kênh dẫn sợi Silic kích thước nanomet Độ dẫn qua sợi được điều chỉnh bằng thế điện áp vào cực cổng ở đế Silic (b) Sự thay đổi tính cường độ dòng điện chạy qua sợi Si loại P khi có các phần tử bị bắt lại trên sợi Dòng điện giảm khi đối tượng mang điện tích dương, cùng dấu với điện tích hạt tải chính trong sợi, làm dòng điện qua sợi giảm Trong khi đối tượng mang điện tích âm bị bắt thì làm dòng điện tăng lên

Một FET cảm biến có cấu trúc là một transitor có ba điện cực, trong đó cực nguồn và máng nối vối nhau qua một kênh chất bán dẫn và cực cổng nhằm điều khiển

sự dẫn điện của kênh này Một FET cảm biến nano, kênh dẫn được làm từ vật liệu nano Silic Để phát hiện một đối tượng sinh học nào đó, ta cần gắn các chất nhận biết

nó lên trên bề mặt sợi Silic để khi có phản ứng xảy ra, hoặc quá trình bắt cặp của chúng xảy ra sẽ làm ảnh hưởng đến độ dẫn điện của sợi Si, kênh dẫn của transitor Chất này được chọn tiên quyết để có thể bắt được phân tử mục tiêu (chất cần phân tích) với tính chuyên biệt duy nhất và ái lực càng mạnh càng tốt

Nếu sợi Silic là chất bán dẫn loại P thì khi có phần tử tích điện âm bị bắt lại trên

bề mặt sợi sẽ làm tăng dòng điện chạy qua sợi, ngược lại nếu chất cần phân tích mang điện tích dương, khi bị bắt lại sợi Silic loại P sẽ làm giảm dòng điện chạy trong sợi Silic Tương tự, với sợi Silic là bán dẫn loại N, thì khi phần tử mang điện tích âm bị bắt lại trên bề mặt sẽ làm giảm dòng điện qua sợi và trường hợp phần tử mang điện dương bị bắt sẽ làm tăng cường độ dòng điện qua sợi Biên độ thay đổi tín hiệu điện giúp ta định lượng các chất cần phân tích

Hiện tượng này gọi là hiệu ứng trường Cơ chế quá trình có thể giải thích bằng

cơ chế tiếp xúc P-N như sau: khi đối tượng mang điện tích dương bị bắt lại trên bề mặt sợi Silic loại P, với thành phần hạt tải chính là proton mang điện dương, do thế tĩnh điện nên chúng đẩy nhau tạo ra một vùng không gian ở giữa không mang điện nên làm giảm độ dẫn điện chạy qua sợi Trong khi đó nếu đối tượng bị bắt lại mang điện tích

âm, chúng sẽ hút các lỗ trống về phía mình làm tăng cường kênh dẫn trong sợi Silic

Khi tích hợp nhiều Si NW FET này trong một chíp, và mỗi sợi Silic được chức năng các phần tử nhận biết những đối tượng khác nhau nhằm phát hiện nhiều đối tượng cùng lúc

Hình 1.3: Chíp Si NW FET gồm nhiều sợi Si đặt song song nhau, mỗi sợi được gắn một phần tử khác nhau nhằm phát hiện những đối tượng khác nhau, nên cảm biên

có thể đo đồng thời nhiều thông số khác nhau

Si NW FET có thể được chia ra thành 3 nhóm dựa theo chất gắn kết trên bề mặt sợi: gắn enzyme, gắn miễn dịch, và dựa trên tế bào

Ưu điểm của Si NWs FET là khả năng chuyển đổi tín hiệu trực tiếp từ sự tương tác của các phần tử sinh học xảy ra trên bề mặt sợi Silic thành tín hiệu điện mà không qua một quá trình trung gian nào cả Công nghệ xử lý bề mặt vật liệu silic có từ lâu đời

và hoàn chỉnh nên việc chức năng hóa bề mặt sợi Silic để thành các loại cảm biến khác nhau, mang lại sự thuận tiện trong chế tạo Chính vì quá trình chuyển đổi tín hiệu trực tiếp nên thời gian đáp ứng nhanh, có thể tái sử dụng bằng phương pháp tái chức năng

bề mặt Trong quá trình chế tạo, độ dẫn điện của sợi Silic có thể được kiểm soát nhờ kiểm soát tỉ lệ pha tạp Môi trường để đưa chất cần phân tích vào NW cảm biến ảnh hưởng rất lớn đến sự hoạt động của cảm biến: nồng độ ion, độ tinh khiết của nước, độ pH,….chính vì thế với các nhóm nghiên cứu khác nhau trên thế giới khi thực hiện đo trong môi trường khác nhau thì khó mà so sánh được nên cần có một môi trường chuẩn cho tất cả các nghiên cứu sau này

Các thông số quan trọng cần quan tâm khi chế tạo Si NW FET là: [1] Độ dài kênh dẫn, là chiều dài sợi Silic; [2] độ rộng kênh dẫn, là độ rộng của điện cực; [3] loại

chất thụ động điện cực Với Si NW FET thì đế Si có vai trò làm điện cực cổng, kích thước của thiết bị ảnh hưởng trực tiếp tới thời gian đáp ứng

Hình 1.4: Độ dài sợi silic và độ rộng của vùng chứa sợi và chất làm thụ động hóa

bề mặt là những thông số cần quan tâm khi chế tạo Si NW FET

 Độ dài kênh dẫn (khoảng cách giữa điện cực nguồn và điện cực máng)

 Độ rộng kênh dẫn: (độ rộng của điện cực nguồn và điện cực máng) (Sheehan

& Whitnan) khi mô phỏng cho thấy rằng độ rộng này ảnh hưởng trực tiếp và lớn đến

số lượng chất phân tích bị bắt lại trên bề mặt NW, vì độ nhạy phụ thuộc vào dòng các chất phản ứng đi qua sợi cảm biến Khi kênh dẫn rộng hơn thì thời gian để cho được một tín hiệu ra là nhỏ hơn nhiều đối với cùng một nồng độ chất phân tích cho trước

Độ rộng kênh dẫn tính theo lý thuyết tối ưu là 2-10µm Điện cực: thường đươc làm từ

Au, Pt, Ni có độ dày khoảng 50 - 100nm Lớp đệm cho điện cực thường là: Ti, Cr, Al (5 - 50nm), có chức năng tạo tiếp xúc thuần trở giữa sợi silic và các kim loại làm điện cực Ngoài ra phần điện cực còn được phủ một lớp chất bảo vệ thường là Si3N4 để ngăn chặn quá trình bị ăn mòn, phản ứng điện hóa hoặc sự thay đổi công thoát khi có những chất lạ bám lên bề mặt nó

1.3 Phương pháp chế tạo Transistor hiệu ứng trường sợi Silic

Có 2 phương pháp chính được sử dụng để chế tạo FET sợi Si dùng làm cảm biến là: Top - down và Bottom - up Trong đó sợi Si có thể được chế tạo với nhiều kích thước khác nhau, mật độ hạt tải khác nhau, và độ linh động của hạt tải khác nhau Tất cả các yếu tố đó ảnh hưởng đến sự hoạt động của cảm biến Có rất nhiều nghiên cứu đã được tiến hành nhằm đánh giá sự phụ thuộc của đặc tính cảm biến với kích thước của sợi Si và nồng độ pha tạp Khi so sánh tính chất điện của FET dùng sợi Si trong môi trường có độ pH khác nhau cho thấy rằng sự ảnh hưởng của môi trường là giảm dần theo chiều tăng dần kích thước đường kính sợi Si [29] Từ thực nghiệm cho thấy sợi Si pha tạp nhẹ thì nhạy hơn so với sợi Si pha tạp nhiều hoặc không pha tạp

[30]

1.3.1 Phương pháp Top down

Top down là phương pháp chế tạo Si NW FET từ wafer SOI (semiconductor on insulator) dựa trên các cơ chế ăn mòn và lithography Chi tiết hơn ta có: ăn mòn, cắt, khắc ướt, làm khuôn để có được cấu trúc mong muốn Wafer sử dụng chế tạo sợi Silic trong phương pháp TD thường là loại SOI có ba lớp: (1) lớp đáy là lớp Si pha tạp nhiều có chức năng đóng vai trò là cực cổng của FET, (2) lớp giữa là lớp điện môi SiO2 có kích thước 50-200nm, (3) lớp trên là lớp đơn tinh thể Si (20-300 nm) Từ đó chúng ta sẽ chế tạo sợi nano bằng các phương pháp khắc Kỹ thuật dùng trong TD có thể là phương pháp ăn mòn ướt, ăn mòn khô, quang khắc, khắc bằng chùm tia điện tử, hoặc phương pháp dịch chuyển về kích thước nano như phương pháp dịch chuyển thành cấu trúc NW trong siêu mạng Sợi nano được chế tạo từ TD có tính đồng nhất và định hướng cao, kích thước sợi có thể đạt được mức 100nm NW được chế tạo bằng

TD có hiệu suất cao theo một hướng và vị trí cho trước, như thế dễ dàng chế tạo thành những thiết bị có chức năng mong muốn

1.3.1.1 Ăn mòn

Có hai loại ăn mòn là: ăn mòn ướt là quá trình ăn mòn xảy ra ở pha lỏng và ăn mòn khô là quá trình ăn mòn xảy ra ở pha khí Trong quy trình chế tạo Si NW FET bằng kỹ thuật ăn mòn ướt, cần chú ý nhất là hướng ưu tiên của quá trình ăn mòn Si, vì quá trình này kiểm soát kích thước sợi Si Ngoài ra kỹ thuật ăn mòn SiO2 cũng là một điều cần quan tâm lưu ý Cơ chế quá trình ăn mòn gồm ba bước: quá trình khuếch tán chất ăn mòn (chất phản ứng) lên lớp bề mặt màng, quá trình ăn mòn màng mỏng (phản ứng xảy ra giữa chất ăn mòn và màng mỏng làm cho màng mỏng bị ăn mòn), cuối cùng là quá trình khuếch tán ngược của sản phẩm của quá trình ăn mòn ra ngoài

Hình 1.5: Ba quá trình của cơ chế ăn

nhanh, HF 1% đã có tốc độ ăn mòn 5nm/s, nên rất khó kiểm soát, đặc biệt khi cần kiềm soát ở độ chính xác từng nanomet Vì thế trong thực tế, HF được pha loãng trong buffer để có tốc độ ăn mòn thấp và cố định trong suốt quá trình ăn mòn cho phép thời gian ăn mòn tương ứng với một độ sâu nhất định

 Ăn mòn ướt Si: chất ăn mòn thường dùng là dung dịch KOH nồng độ thấp Trong cơ chế ăn mòn ướt màng silic để hình thành cấu trúc sợi, ta cần biết cơ chế

ăn mòn ướt có thể giống nhau về mọi hướng, có khi ưu tiên một hướng nào đó Xét về hình thái vật liệu khi bị ăn mòn có thể chia ra làm ba loại: ăn mòn đẳng hướng, ăn mòn

dị hướng và ăn mòn đẳng hướng hoàn toàn

Hình 1.6: Ba cơ chế ăn mòn: a- đẳng hướng, b- dị hướng, c- siêu dị hướng

Kết hợp với quá trình ăn mòn là quá trình lithography dùng chế tạo sợi trong phương pháp TD

Lithography có nhiều loại, trong đó hai loại chủ yếu hay được sử dụng để chế tạo sợi nano là: photolithography, dùng tác nhân là photon, và e_beam lithography, dùng tác nhân là chùm điện tử Trong quy trình này chất resist được phủ lên vật liệu mong muốn, sau khi nó bị chiếu sáng hoặc chiếu chùm electron thì tính chất hóa học của nó thay đổi, các phần này sẽ bị hòa tan (hoặc giữ lại) sau khi được nhúng trong thuốc hiện (developer), từ đó làm nên những cấu trúc mong muốn Có hai loại resist chính, positive (vị trí nào bị chiếu thì bị tẩy đi) và negative (vị trí nào không bị chiếu thì bị tẩy đi) khi qua bước development Photoresist thường được phủ tạo dạng màng mỏng bằng phương pháp spinning coating, khi tốc độ quay càng cao thì màng càng mỏng Tất cả các photoresist cần làm khô trước khi được chiếu sáng Quy trình lithography thường gồm các bước sau:

 Làm sạch bề mặt wafer

Coating - là quá trình phủ một lớp chất nhạy sáng lên bề mặt wafer Có hai loại photoresist: một loại khi bị chiếu thì sẽ bị rửa đi, loại khác là nơi nào bị chiếu sẽ được giữ lại

 Pre-Bake (Soft Bake): là quá trình nung tại nhiệt độ thấp làm bay hơi các thành phần dung môi trong lớp resist nhằm mục đích:

- Tránh ô nhiễm mặt nạ và các bụi bẩn bám trên mặt nạ;

- Tránh cấu trúc xốp và bọt trong resist khi bơm khí N2 trong suốt quá trình chiếu;

- Tăng độ kết dính của resist với đế;

- Tránh quá trình xói mòn khi đưa qua bước development;

- Tránh sự phân lớp trong một lớp resist khi thực hiện nhiều bước phủ đồng thời;

- Tránh bị rỗ khi sau đó có những quá trình xử lý nhiệt tiếp theo (coating, ăn mòn khô)

 Bước tiếp theo trong quá trình lithography là bước sắp xếp mặt nạ và wafer cho đúng trước khi chiếu sáng hoặc chiếu chùm electron

 Exposure: chiếu ánh sáng hoặc chiếu chùm electron lên lớp resist

 Development: quá trình hình thành cấu trúc mong muốn khi rửa wafer Với những vị trí resist bị chiếu sáng hoặc không chiếu sáng sẽ bị rửa đi tùy theo loại resist chúng ta dùng loại dương hay âm

 Post-Bake (Hard Bake): là bước nung nhiệt sau quá trình development nhằm làm tăng độ bền nhiệt, hóa, và vật lý của cấu trúc resist đã được hình thành cho những quá trình tiếp theo như mạ điện, ăn mòn

 Tiếp đó là những bước thực hiện khác mà dùng resist như mặt nạ (ăn mòn, mạ điện, phún xạ)

1.3.1.3 SNAP

Molecular beam epitaxy để tạo ra một khuôn mẫu trên một lớp siêu mạng từ đó các sợi nano sẽ mọc lên trên một cấu trúc siêu mạng Sau đó khuôn mẫu này sẽ được

chuyển về dạng wafer SOI pha tạo P hoặc N trước đó Cho ta sản phẩm có tính định hướng cao Phương pháp này có nhiều ưu điểm như: chế tạo đươc sợi nano đồng nhất

có tính định hướng cao, và có thể kiểm soát chiều dài của sợi nhưng nó cũng gặp phải nhiều nhược điểm như chi phí cao, tốc độ hình thành sợi chậm

1.3.2 Phương pháp Bottom up

Là phương pháp tạo sợi Silic từ các các nguyên tử, phân tử ban đầu PP này thường dùng để chế tạo các sợi nano bán dẫn của các nguyên tố nhóm 4 và sợi nano của các oxide kim loại PPBU có thể tạo các sợi nano chất lượng cao, tuy nhiên hình dáng các sợi này mọc ngẫu nhiên theo nhiều hướng khác nhau và được đặc trưng bởi

sự phân bố độ dài và đường kính sợi nano Sự thay đổi về hình thái học (tính định hướng thấp) của các sợi nano so với các sợi được tổng hợp bằng PPTD (tính định hướng cao) làm giới hạn khi chế tạo các CB khi so sánh với sợi được tổng hợp bằng PPBU vì sự kém đồng nhất, mất trật tự về vị trí và hướng phát triển các sợi Phương pháp BU cho phép chế tạo sợi nano trên một diện tích rộng của đế, nó chỉ bị giới hạn bởi nhiệt độ của quá trình được dùng để tạo sợi nano 800-10000C Trong phương pháp này, hầu hết đế là wafer Si Tuy nhiên có thể lựa chọn các đế là các vật liệu có nhiệt độ thấp hơn bằng cách phát triển sợi nano trên một đế có nhiệt độ ổn định sau đó chuyển chúng sang đế mới ở nhiệt độ ổn định thấp hơn như thủy tinh hoặc nhựa Có hai hướng tiếp cận chính để chế tạo sợi nano theo phương pháp BU là:

- CVD (chemical vapor deposotion) dựa trên cơ chế chuyển từ trạng thái hơi

sang trạng thái lỏng rồi cuối cùng ổn định ở trạng thái rắn (VLS vapor liquid solid) Trong phương pháp tổng hợp VLS, sợi nano được tổng hợp theo kiểu từng nguyên tử một Các hạt nano mồi, xúc tác được phân tán đồng đều trên đế, một dòng khí chứa các nguyên tử cần thiết để hình thành sợi nano được thổi vào đế ở một nhiệt độ xác định Các chất ban đầu này (như SiH4 để tạo sợi Si) trước tiên được tách ra trên mầm hạt kim loại xúc tác, sau đó giải phóng kim loại ở trạng thái nóng chảy để hình thành hợp kim ở trạng thái lỏng Chất bán dẫn kết tủa để mọc lên thành NW có kích thước

do hạt nano mầm (xúc tác) quyết định kích thước hạt sợi nano, đường kính sợi nano bằng với kích thướt hạt mầm xúc tác Một ưu điểm của cơ chế VLS là nồng độ pha tạp

có thể dễ dàng được điều chỉnh bằng cách thêm chất pha tạp vào trong khí gas mang vào để có được sợi nano loại N hay P Sợi nano sau đó được chuyển lên đế Silic tinh khiết và dùng kỹ thuật định hướng chúng, kết quả ta có màng sợi nano song song và đồng nhất Ngoài cách lắng đọng hơi lòng rắn, với những chất không có các tiền chất hỗn hợp của nó ban đầu, chúng ta có phương pháp kích thích bay hơi vật liệu bằng tác nhân laser (laser ablation)

- Bốc bay laser: nguồn laser được hội tụ tại một vùng không gian nhỏ với năng

lượng cao làm bay hơi chất bán dẫn ban đầu đang ở thể rắn Khí kim loại này được mang vào buồng lắng đọng bằng dòng khí mang Tương tự cơ chế VLS, đế Si cũng

CHƯƠNG II: CHẾ TẠO VÀ HOẠT HÓA BỀ MẶT SỢI NANO

2.1 Chế tạo cảm biến dựa trên transistor hiệu ứng trường sợi Silic

Cấu tạo của một transistor hiệu ứng trường sợi Si:

Cấu trúc của một cảm biến dựa trên transistor hiệu ứng trường sợi Si được mô

tả trong Hình 2.1 Hai điện cực nguồn và máng được nối với nhau qua kênh dẫn sợi Silic kích thước micromet Độ dẫn qua sợi được điều chỉnh bằng thế điện áp vào cực cổng ở đế Silic

Hình 2.1: Cấu tạo của một cảm biến dựa trên transistor hiệu ứng trường sợi Si

2.1.1 Nguyên vật liệu

 Vật liệu:

 Wafer SOI (Silicon On Insulator) có đường kính 4 inch, dày khoảng 500

µm, gồm có 3 lớp: Lớp dưới cùng là lớp đế Si, ở giữa là 1 lớp SiO2 dày khoảng 1000 nm đóng vai trò lớp cách điện và trên cùng là 1 lớp Si đơn tinh thể có bề dày khoảng 1000 nm

 Mask 1: Mở cửa sổ điện cực để pha tạp

 Mask 2: Tạo sợi Si

 Mask 3: Tạo back gate

 Hydrogen peroxide: công thức phân tử H2O2; khối lượng phân tử 34,0147 g/mol; khối lượng riêng 1,463 kg/l

 BHF (buffered hydrofluoric acid) 7:1 là dung dịch đệm NH4F (ammonium fouride) của HF (hydrofluoric acid) theo tỉ lệ NH4F(40%) : HF là 7:1

2.1.2 Qui trình chế tạo

Như đã trình bày ở 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 là một nhiệm vụ tuy khó khăn, nhưng cấp thiết và mang nhiều ý nghĩa và lợi ích 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, về chế tạo nano nói chung và chế tạo sợi nano nói riêng Từ đó 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 Si

 Để phát hiện được các biomarkers sợi nano Si sử dụng phải là các sợi có chất lượng cao, ở dạng đơn tinh thể Và sợi như thế thường được chế tạo

từ các đế silicon đặc biệt loại semiconductor on insulator (SOI) Do đó trong quá trình tìm hiểu các tài liệu, các công nghệ liên quan đến việc chế tạo sợi nano từ đế SOI được quan tâm đặc biệt

 Trao đổi kiến thức với các chuyên gia hàng đầu trong lĩnh vực chế tạo nano và sợi nano Tìm hiểu khả năng chế tạo của các thiết bị và cơ sở vật chất hiện có của Phòng Thí Nghiệm Công Nghệ Nano (PTN CNNN) ĐHQG TP HCM và các đơn vị trong nước

 Dựa trên phương pháp top – down, nhóm nghiên cứu đã đưa ra qui trình thực nghiệm chế tạo FET sợi Si theo các bước sau

Có thể nói rằng, cho đến thời điểm này, có rất nhiều phương pháp đã và đang được nghiên cứu, sử dụng bởi các nhóm nghiên cứu khác nhau để chế tạo sợi nano Si Tuy nhiên mỗi phương pháp đều có các ưu và nhược điểm riêng

Sau khi tìm hiểu tài liệu, nhóm tác giả đã đưa ra một phương pháp chế tạo mới, phù hợp với điều kiện của PTN CNNN, ĐHQG TP.HCM, để chế tạo được linh kiện sợi nano Si từ đế SOI, có kích thước và tính chất phù hợp cho việc sử dụng làm cảm biến sinh học tiếp theo Qui trình công nghệ cùng dựa trên phương pháp top-down để chế tạo FET sợi Si được trình bày trong Hình 2.2 và bao gồm các bước kĩ thuật chủ yếu sau:

1 Làm sạch wafer

2 Giảm bề dày của lớp Si bề mặt

3 Pha tạp Boron vùng điện cực

4 Tạo sợi Si

5 Tạo backgate

6 Phủ Ti/Pt làm điện cực

7 Gia nhiệt nhanh tạo tiếp xúc ohmic

Hình 2.2: Sơ đồ khối các bước chế tạo FET sợi Si, chỉ sử dụng các kĩ thuật cở bản của công nghệ micro Phần lớn các bước được thực hiện tại PTN CNNN Tuy nhiên bước pha tạp Bo vẫn còn phải thực hiện trên thiết bị của đối tác nước ngoài (Viện MESA+, Hà Lan).

2.1.2.1 Làm sạch Wafer

Trong khi lưu trữ, trên bề mặt wafer Si sẽ các chất bẩn bám vào, sự hình thành lớp SiO2 tự nhiên Những chất gây ô nhiễm, có thể là phân tử, ion, các nguyên tử tự nhiên Những chất còn lại của quá trình đánh bóng, phủ chất cảm quang là những ví dụ

Phủ Ti/Pt làm điện

cực Tạo backgate

Gia nhiệt nhanh tạo tiếp xúc ohmic

dung dịch ăn mòn Do đó, cần phải hạn chế các chất gây ô nhiễm trên bề mặt wafer ở mức tối đa

Nhiều kỹ thuật làm sạch và ăn mòn đã được sử dụng trong quá trình chế tạo các thiết bị bán dẫn và tất cả các quy trình này đều được thực hiện ở trong phòng sạch

Việc làm sạch wafer và xử lý bề mặt trước khi chế tạo bằng phương pháp ướt được dựa trên việc sử dụng các hóa chất ở dạng lỏng, các dung môi hữu cơ hoặc là hỗn hợp của cả hai

Những dung môi thường được sử dụng để loại bỏ các tạp chất hữu cơ là: aceton, ethanol, isopropanol (IPA)… Ngoài ra các wafer sau khi được rửa bằng hóa chất cần phải được rửa lại bằng nước DI (deionized water) và thổi khô bằng súng hơi cao áp khí Nitơ để nhanh chóng loại bỏ phần nước còn lại bám trên bề mặt wafer Cuối cùng có thể đem wafer đi nung nhiệt để loại bỏ hoàn toàn lượng hơi nước cũng như các dung môi hữu cơ còn lại

Việc rửa wafer được tiến hành thông qua 4 bước sau:

 Bước 1: Ngâm wafer trong Aceton

 Bước 2: Ngâm wafer trong Piranha

 Bước 3: Ngâm wafer trong BHF

 Bước 4: Nung nhiệt wafer

 Qui trình thực nghiệm rửa wafer SOI:

Ngâm wafer trong aceton trong 5 phút để loại bỏ bụi bẩn và các chất hữu cơ bám trên bề mặt

Rửa lại bằng nước DI Chuẩn bị dung dịch Piranha- hỗn hợp của acid sulfuric

H2SO4 (98%) và hydrogen peroxide H2O2 (30%) theo tỉ lệ 3:1 Ngâm wafer trong dung dịch Piranha 3 phút để loại bỏ hoàn toàn các tạp chất hữu cơ và các tạp chất thấy được khác trên bề mặt wafer Sau đó, lấy wafer ra rửa lại bằng nước DI, xịt khô bằng súng hơi cao áp Nitơ và đem quay khô bằng máy quay li tâm Spinner 6RC với các thông số như Bảng 2.1

Bảng 2.1: Thông số thiết dặt của máy quay li tâm Spinner 6RC

Bước Tốc độ (vòng/phút) Thời gian tăng tốc (s) Thời gian quay (s)

Việc quay wafer trong máy quay li tâm với vận tốc cao sẽ giúp loại bỏ lượng nước còn bám dính lại trên bề mặt wafer sau khi đã xịt khô bằng súng hơi cao áp Nitơ

Hình 2.3: Máy quay li tâm

Tiếp theo, ngâm wafer trong dung dich BHF 7:1 trong thời gian là 15 phút để

ăn mòn lớp silic oxide SiO2 tự nhiên hình thành trên bề mặt wafer

Phản ứng ăn mòn: SiO2 + 6HF H2SiF6 + 2H2O (2.1)

Tốc độ ăn mòn 80 nm/phút

Sau đó rửa sạch wafer bằng nước DI, xịt khô bằng súng hơi Nitơ và quay khô bằng máy quay li tâm với thông số như trên

Cuối cùng, đem nung nhiệt wafer ở nhiệt độ 1200C trong vòng 5 phút để loại bỏ hoàn toàn lượng hơi nước còn lại trên bề mặt wafer

Hình 2.4: Thiết bị nung nhiệt

2.1.2.2 Oxi hóa tạo lớp silic oxide SiO2

Wafer trong quy trình chế tạo Transistor hiệu ứng trường sợi Si là wafer SOI có

3 lớp và lớp đơn tinh thể silic ở trên cùng là nơi hình thành cấu trúc sợi Si mong muốn Lớp Si đơn tinh thể có bề dày khoảng 1000 nm, trong khi đó cấu trúc sợi Si cần tạo ra chỉ có bề dày khoảng 100 nm Vì thế cần giảm bề dày lớp Si từ 1000 nm xuống còn

100 nm Để thực hiện được mục đích đó, sử dụng lặp đi lặp lại quy trình oxi hóa bề mặt wafer tạo lớp SiO2 rồi sau đó ăn mòn lớp SiO2 bằng dung dịch BHF để cuối cùng còn lại lớp Si có kích thước mong muốn

Quá trình oxi hóa của các chất bán dẫn có thể được thực hiện theo nhiều phương pháp khác nhau Bao gồm: oxi hóa nhiệt, anod hóa bằng điện hóa học (electrochemical anodization), và phản ứng plasma (plasma reaction)

Hình 2.5: Sơ đồ khối các bước làm giảm bề dày lớp Si bề mặt

Trong quy trình oxi hóa nhiệt có 2 phương pháp là: oxi hóa khô và oxi hóa ướt

Oxi hóa khô được thể hiện qua phương trình sau:

(2.2)

Oxi sẽ khuếch tán thông qua lớp SiO2 được tạo ra Vì vậy với quá trình này sẽ không đạt được trạng thái bão hòa về độ dày của lớp SiO2 mặc dù tốc độ phát triển lớp SiO2 được làm chậm lại và khi đó độ dày này càng tăng Khi bắt đầu, bề dày lớp SiO2

hình thành sẽ tỉ lệ với thời gian oxi hóa Nhưng khi đạt đến bề dày cao hơn (>1m), sự phát triển lớp oxít sẽ tỷ lệ với căn bậc hai của thời gian Một lớp SiO2 hình thành sẽ cần một lớp silic bằng khoảng 44% bề dày của nó Như vậy cứ 1 nm Si sau khi oxi hóa hình thành 1 lớp SiO2 dày khoảng 2.2 nm

Quá trình oxi hóa ướt được thể hiện qua phản ứng sau:

Hình 2.6: Cơ cấu một lò oxi hóa nhiệt

Tiến hành oxi hóa wafer bằng lò oxi hóa PEO 601

Hình 2.7: Thiết bị oxi hóa PEO 601 của PTN CNNN được sử dụng để oxi hóa đế SOI, làm mỏng lớp Si từ 1000 nm về 100 nm, thích hợp cho việc chế tạo cảm biến

sợi nano Si

Giản đồ quá trình gia nhiệt của thiết bị oxi hóa PEO 601 được thể hiện ở Hình 2.8

Hình 2.8: Giản đồ nhiệt quá trình oxi hóa của thiết bị oxi hóa PEO 601

Quá trình làm việc của máy gồm các bước chính sau đây:

 Bước 1: Gia nhiệt từ nhiệt độ phòng đến 6000 C : 15 phút

 Buớc 2: Gia nhiệt từ 6000C đến 8000C: 15 phút

 Bước 3: Gia nhiệt từ 8000C đến 10500C: 45 phút

 Bước 4: Oxi hóa ở 10500C: 240 phút

 Buớc 5: Giảm từ 10000C xuống đến 5000C trong vòng 99 phút

Sau khi quá trình oxi hóa kết thúc, đem mẫu đi đo bề dày lớp SiO2 tạo thành bằng máy đo Ellipsometer (Hình 2.9)

Hình 2.9: Máy Ellipsometer sử dụng để đo độ dày màng mỏng SiO 2 tạo ra trên đế

SOI

Kết quả sau lần oxi hóa đầu tiên, bề dày lớp SiO2 hình thành là 644 nm

Hình 2.10: Kết quả đo bề dày lớp SiO 2 tạo thành sau khi oxi hóa lần một bằng máy

Ellipsometer

Sau khi oxi hóa, tiến hành ăn mòn lớp SiO2 bằng dung dịch BHF 7:1 Wafer trong được ngâm trong dung dịch BHF cho đến khi bề mặt wafer chuyển từ trạng thái dính ướt sang trạng thái trơn tuột nước Rửa sạch wafer bằng nước DI, sau đó làm khô bằng súng hơi N2 và quay khô bằng máy quay li tâm với tốc độ 3000 vòng/phút Sau khi oxi hóa lần đầu và ăn mòn lớp SiO2 đã tạo ra xong thì bề dày lớp đơn tinh thể Si còn lại khoảng 710 nm, để đạt được bề dày lớp Si là 100nm, tiếp tục tiến hành quy trình oxi hóa bề mặt wafer và ăn mòn lớp Si đã bị oxi hóa trong dung dịch BHF

Oxi hóa wafer lần 2 với thông số giống như oxi hóa lần đầu tiên Kết quả đo bề dày lớp SiO2 bằng máy đo Ellipsometer như sau:

Bề dày lớp SiO2 là 588 nm

Tiếp tục ăn mòn lớp SiO2 sau lần oxi hóa thứ 2 bằng dung dịch BHF giống như sau lần oxi hóa đầu tiên Qua 2 lần oxi hóa và ăn mòn, bề dày lớp Si còn lại là 442 nm Tiến hành oxi hóa wafer lần 3 với các thông số như sau:

 Bước 1: Gia nhiệt từ nhiệt độ phòng đến 6000 C : 15 phút

 Buớc 2: Gia nhiệt từ 6000C đến 8000C: 15 phút

 Bước 3: Gia nhiệt từ 8000C đến 10500C: 45 phút

 Bước 4: Oxi hóa ở 10500C: 180 phút

 Buớc 5: Giảm từ 10000C xuống đến 5000C trong vòng 99 phút

Các thông số khác của máy không thay đổi và giống như 2 lần oxi hóa đầu tiên

Sau lần oxi hóa thứ 3, bề dày lớp SiO2 hình thành đo được là 464 nm Tiếp tục

ăn mòn lớp silic oxide bằng dung dịch BHF 7:1 Tiến hành oxi hóa wafer lần cuối để tạo một lớp SiO2 làm mặt nạ che cho quy trình pha tạp Phospho ở điện cực ở bước tiếp theo Thông số oxi hóa lần cuối như sau:

 Bước 1: Gia nhiệt từ nhiệt độ phòng đến 6000 C: 15 phút

 Buớc 2: Gia nhiệt từ 6000C đến 8000C: 15 phút

 Bước 3: Gia nhiệt từ 8000C đến 10500C: 45 phút

 Bước 4: Oxi hóa ở 10500

C: 120 phút

 Buớc 5: Giảm từ 10000C xuống đến 5000C trong vòng 99 phút

Bề dày lớp SiO2 tạo thành ở lần oxi hóa cuối cùng này là 300 nm Lớp silic oxide này được sử dụng làm mặt nạ cho quá trình pha tạp điện cực (cấy ion Bo) để tạo

các vùng điện cực có nồng độ pha tạp cao (5.1018 ion/cm3), cho phép tạo các tiếp xúc Ohmic sau này

Hình 2.11: Pha tạp Bo vùng điện cực

2.1.2.4 Tạo sợi Si

Để tạo sợi Si, ta tiến hành quy trình quang khắc để làm mặt nạ che phủ cho bước ăn mòn bề mặt Si để tạo sợi Si như mong muốn

Hình 2.12: Các bước tạo sợi Si

2.1.2.4a Quang khắc

Đầu tiên ta làm sạch wafer

- Phủ lớp primer HMDS tạo độ kết dính giữa wafer với chất cảm quang, thông

số phủ của máy spinner 6RC được thiết đặt như đã đề cập phần trên

- Tiếp theo, phủ lớp chất cảm quang cũng với thông số phủ quay như trên

- Nung nhiệt ở nhiệt độ 950C trong 1 phút

- Chiếu UV bằng máy mask aligner MJB4 với chế độ chiếu là “ hard-contact” và thời gian chiếu là 4,5 s

- Tiếp tục nung nhiệt wafer ở nhiệt độ 1200C trong 1 phút

- Sau đó đem ngâm wafer trong dung dịch tráng rửa ảnh trong vòng 50s, rồi rửa sạch bằng nước DI

- Tiếp tục nung nhiệt wafer ở thiết bị hot plate ở nhiệt độ 1200C trong 5 phút Ở bước ăn mòn tạo sợi Si này không nên hard-bake wafer với thời gian lâu vì như vậy lớp photoresist sẽ bị co lại dẫn đến sợi Si tạo ra không đẹp và không đúng kích thước cần chế tạo

Ta có ảnh của sợi Si sau quy trình quang khắc chụp bằng kính hiển vi kim loại học GX51: