倏逝場(chǎng)照明的集成零模波導(dǎo)納米孔芯片

俞鵬飛付博文李傳宇李超周連群*郭振

倏逝場(chǎng)照明的集成零模波導(dǎo)納米孔芯片

俞鵬飛1，2，付博文2，3，李傳宇2，4，李超1，2，周連群1，2*，郭振2，5*

（1.中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)，安徽 合肥 230026；2.中國(guó)科學(xué)院 蘇州生物醫(yī)學(xué)工程技術(shù)研究所 中國(guó)科學(xué)院生物醫(yī)學(xué)檢驗(yàn)技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 蘇州 215163； 3.復(fù)旦大學(xué)，上海 200433；4.蘇州國(guó)科芯感醫(yī)療科技有限公司，江蘇 蘇州 215163；5.季華實(shí)驗(yàn)室，廣東 佛山 528200）

為了降低零模波導(dǎo)照明系統(tǒng)的成本、縮小尺寸，設(shè)計(jì)并完成衍射光柵、光波導(dǎo)以及零模波導(dǎo)的片上集成，并對(duì)集成化芯片的微納結(jié)構(gòu)及性能進(jìn)行驗(yàn)證。采用時(shí)域有限差分法對(duì)集成化芯片進(jìn)行了仿真設(shè)計(jì)，基于微納加工手段制備出片上衍射光柵、光波導(dǎo)以及零模波導(dǎo)陣列結(jié)構(gòu)，對(duì)微觀(guān)結(jié)構(gòu)進(jìn)行表征，并借助熒光微球?qū)π酒男阅苓M(jìn)行驗(yàn)證。通過(guò)熒光微球測(cè)試，制備的集成化芯片可以實(shí)現(xiàn)熒光微球的有效激發(fā)；通過(guò)微觀(guān)結(jié)構(gòu)表征，衍射光柵周期為（352.8±2.6） nm，齒寬為（155.3±2.4） nm，刻蝕深度為（67.8±3.5） nm；光波導(dǎo)芯層的寬度為（504.05±10.35） nm，高度為（184.9±8.9） nm；零模波導(dǎo)直徑為（200.2±6.4） nm，深度為（301.3±7.6） nm，滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。芯片尺寸為22 mm×22 mm，最小線(xiàn)寬為155 nm，通過(guò)8個(gè)衍射光柵、約1 000條光波導(dǎo)以及數(shù)十萬(wàn)個(gè)零模波導(dǎo)陣列結(jié)構(gòu)的片上集成，為零模波導(dǎo)的照明提供了一種緊湊且有效的解決方案。

集成光學(xué)；光波導(dǎo)；衍射光柵；零模波導(dǎo)陣列

1 引　言

零模波導(dǎo)（Zero-Mode Waveguide，ZMW）是在透明襯底上由金屬包層薄膜構(gòu)成的圓孔，孔徑一般為50～250 nm［1］。ZMW的橫截面尺寸足夠小，它存在一個(gè)截止波長(zhǎng)，大于該波長(zhǎng)的光無(wú)法穿過(guò)它進(jìn)行傳輸，進(jìn)入ZMW內(nèi)的光強(qiáng)度隨著距孔開(kāi)口的距離呈e指數(shù)規(guī)律衰減［2］。當(dāng)入射光從襯底方向照射時(shí)，ZMW的底部可以形成體積在仄升（1021L）量級(jí)的薄層光場(chǎng)［3］，相比于傳統(tǒng)的共聚焦顯微鏡的觀(guān)測(cè)體積小了3～4個(gè)數(shù)量級(jí)［4］。ZMW通常是陣列化后大規(guī)模并行使用的［5-7］，由于具有超越光學(xué)衍射極限的空間分辨率、高的時(shí)間分辨率、良好的信噪比，ZMW可廣泛應(yīng)用于單分子實(shí)時(shí)DNA測(cè)序［8］，λ-阻遏齊聚反應(yīng)動(dòng)力學(xué)研究［9］，利用雙色熒光互相關(guān)光譜快速篩選DNA限制酶活性［10］，標(biāo)記膜蛋白在模型膜和活細(xì)胞脂質(zhì)雙層膜中的擴(kuò)散分析［11］。

2 實(shí)　驗(yàn)

2.1　集成芯片的設(shè)計(jì)

圖1　集成芯片的結(jié)構(gòu)及工作流程

綜合考慮材料折射率及微納加工工藝的要求，光柵及波導(dǎo)包層材料采用二氧化硅（532 nm激光下折射率=1.46），波導(dǎo)和光柵芯層材料采用氮化硅（532 nm激光下折射率=1.9）?？梢圆捎枚私玉詈?、棱鏡耦合、光柵耦合多種方法將來(lái)自光源的光耦合進(jìn)入波導(dǎo)中，為了使陣列波導(dǎo)之間的光能強(qiáng)度歸一化，本文采用光柵耦合器作為波導(dǎo)的輸入耦合器。光柵的表面積與光源入射到芯片上的光斑大小相匹配，耦合光柵的表面積約為4 900 μm2，對(duì)準(zhǔn)光柵的表面積約為1 600 μm2，兩種光柵的形狀和截面尺寸相同，形狀為光柵線(xiàn)彎曲成焦點(diǎn)位于光柵-波導(dǎo)界面處一系列共焦橢圓。這樣可以讓光學(xué)模式以更小的距離直接從光柵聚焦到波導(dǎo)中，光柵通過(guò)平板波導(dǎo)和錐形波導(dǎo)使模式大小匹配地進(jìn)入矩形波導(dǎo)中。為了提高光柵的耦合效率，在光柵下方的二氧化硅層中掩埋了金屬作為光柵的反射層，根據(jù)時(shí)域有限差分（Finite-DifferenceTime-Domain，F(xiàn)DTD）的數(shù)值分析結(jié)果（Lumerical FDTD軟件），當(dāng)金屬鋁掩埋在二氧化硅層中的合適位置時(shí)，相對(duì)于不掩埋鋁，光柵的耦合效率提高了1.44倍，由于金屬鋁的熱傳導(dǎo)系數(shù)較二氧化硅大，鋁層對(duì)于光柵的散熱也是有利的［17］。光柵的耦合效率與光柵的參數(shù)關(guān)系如圖2所示。最終采用的光柵耦合器截面尺寸為：光柵周期1=355 nm，光柵刻蝕深度2=68 nm，光柵齒寬3=155 nm，頂部包層沉積SiO2，厚度4=280 nm，采用100 nm厚度的鋁作為光柵的反射層，鋁位于光柵芯層下方5=260 nm處。當(dāng)光源波長(zhǎng)為532 nm時(shí)，該衍射耦合光柵的耦合效率為63.6%。

圖2　衍射光柵仿真結(jié)果

波導(dǎo)結(jié)構(gòu)由波導(dǎo)芯層和波導(dǎo)包層構(gòu)成，包圍波導(dǎo)芯的波導(dǎo)包層具有比波導(dǎo)芯低的折射率，用于將被引導(dǎo)的光波的模態(tài)輪廓（或直徑）限制在亞微米（或僅幾微米）范圍內(nèi)。由于光波導(dǎo)倏逝場(chǎng)幅值呈指數(shù)衰減，光波僅在波導(dǎo)芯外部延伸亞微米到幾微米的距離，為納米尺寸的ZMW提供照明。根據(jù)：

可得：

其中：光波長(zhǎng)=532 nm，波導(dǎo)芯層折射率core=1.9，波導(dǎo)包層折射率clad=1.46，為波導(dǎo)芯層厚度。由式（2）得，<217 nm，對(duì)于矩形波導(dǎo)，綜合考慮功率容量、傳播模式以及加工工藝要求等因素，采用的波導(dǎo)芯層厚度為180 nm，寬度為500 nm。

圖3　ZMW底部和波導(dǎo)芯中心的距離與ZMW底部光能量密度的關(guān)系

ZMW底部和波導(dǎo)芯中心的距離是芯片設(shè)計(jì)的參數(shù)之一。圖3顯示了波導(dǎo)芯層材料分別為T(mén)iO2和Si3N4時(shí)，通過(guò)FDTD數(shù)值分析結(jié)果（Lumerical FDTD軟件）得到該參數(shù)與ZMW底部光能量密度的關(guān)系，以及幾個(gè)典型參數(shù)時(shí)波導(dǎo)和ZMW截面電場(chǎng)分布。綜合考慮到加工工藝難度及波導(dǎo)傳輸中的損耗等因素，該距離取為170 nm。由于波導(dǎo)芯頂部包層SiO2厚度為280 nm，波導(dǎo)芯厚度為180 nm，ZMW延伸進(jìn)入波導(dǎo)包層200 nm，ZMW的金屬包層采用金，厚度為100 nm，ZMW的深度共為300 nm，考慮到加工過(guò)程中刻蝕傾角，ZMW的孔徑確定為200 nm。

2.2　集成芯片的加工

圖4為集成化芯片的具體加工工藝。采用四英寸JGS1玻璃作為基底，直徑為101.6 mm，厚度為（500±10）μm，可見(jiàn)光透過(guò)率>90%。采用丙酮、異丙醇和無(wú)水乙醇分別超聲清洗，去除基底表面雜質(zhì)；接著采用Lift-off工藝鍍Al（圖4（a）），旋涂紫外光刻膠AZ5214，使用光刻機(jī)進(jìn)行曝光并顯影，使用電子束蒸鍍機(jī)沉積Cr和Al，厚度分別為10，100 nm，剝離殘留的光刻膠及其表面覆蓋的金屬Al；之后沉積SiO2（圖4（b）），采用氣體SiH4（100 mL/min）+N2O（710 mL/min）PECVD沉積；再沉積Si3N4（圖4（c）），采用氣體SiH4（350 mL/min）+NH3（23 mL/min）+N2（300 mL/min）PECVD沉積；再采用電子束光刻光柵（圖4（d）），旋涂電子束正膠后進(jìn)行電子束曝光，束流為2 nA，曝光劑量為200 μC/cm2，使用刻蝕機(jī)對(duì)Si3N4反應(yīng)離子刻蝕，刻蝕氣體是CHF3（50 mL/min）+O2（5 mL/min），得到刻蝕深度68 nm的光柵陣列結(jié)構(gòu)；除膠后電子束套刻波導(dǎo)芯層（圖4（e）），旋涂電子束負(fù)膠，后進(jìn)行電子束曝光，束流10 nA，曝光劑量為350 μC/cm2，后烘堅(jiān)模，使用刻蝕機(jī)對(duì)Si3N4反應(yīng)離子刻蝕，刻蝕氣體是CHF3（50 mL/min）+O2（5 mL/min），得到刻蝕深度為180 nm的波導(dǎo)陣列結(jié)構(gòu)；除膠后PECVD沉積SiO2（圖4（f））；之后，紫外光刻波導(dǎo)包層（圖4（g）），旋涂紫外光刻膠AZ5214并前烘，使用光刻機(jī)進(jìn)行曝光并顯影，接下來(lái)繼續(xù)反應(yīng)離子刻蝕，刻蝕氣體是SF6（25 mL/min）+O2（25 mL/min），得到刻蝕深度為280 nm的SiO2包層結(jié)構(gòu)；清洗后Lift-off工藝鍍Au（圖4（h）），旋涂紫外光刻膠AZ5214，使用光刻機(jī)進(jìn)行光刻，在光刻膠上使用電子束蒸鍍機(jī)沉積Ti和Au，厚度分別為10，100 nm，剝離殘留的光刻膠及表面覆蓋的金屬Au；之后進(jìn)行電子束光刻套刻（圖4（i）），旋涂電子束正膠后進(jìn)行電子束曝光，使用刻蝕機(jī)對(duì)Au離子束刻蝕，將圖案轉(zhuǎn)移到金屬Au層，接著對(duì)Au下方的SiO2進(jìn)行刻蝕，刻蝕深度為200 nm，最終得到刻蝕深度為300 nm的ZMW結(jié)構(gòu)。

圖4　芯片加工工藝（每張圖左右分別顯示不同角度的芯片截面）

3 結(jié)果與討論

3.1　集成芯片的加工結(jié)果

集成芯片加工完成后，對(duì)重要結(jié)構(gòu)進(jìn)行了掃描電子顯微鏡（Scanning Electron Microscopy，SEM）、顯微鏡表征，部分表征結(jié)果如圖5所示。光柵結(jié)構(gòu)上覆蓋的為光刻膠以及在FIB切割過(guò)程起保護(hù)作用的金屬鉑，表征后統(tǒng)計(jì)得光柵周期為（352.8±2.6）nm，齒寬為（155.3±2.4）nm，刻蝕深度為（67.8±3.5）nm。圖5（b）為集成化芯片中波導(dǎo)芯結(jié)構(gòu)的表征，波導(dǎo)陣列包含了Y型分支波導(dǎo)和L型波導(dǎo)等，波導(dǎo)芯上覆蓋光刻膠以及金屬鉑，表征后統(tǒng)計(jì)得波導(dǎo)芯寬度為（504.05±10.35）nm，高度為（184.9±8.9）nm。圖5（c）為集成化芯片中ZMW及位于其下方的波導(dǎo)芯結(jié)構(gòu)，表征后統(tǒng)計(jì)得ZMW孔徑為（200.2±6.4）nm，深度為（301.3±7.6）nm。表征結(jié)果顯示，集成化芯片的衍射光柵、光波導(dǎo)及ZMW均滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。

3.2　集成芯片性能驗(yàn)證

圖6　集成芯片性能驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)裝置及結(jié)果

4 結(jié)　論

本文采用FDTD對(duì)衍射光柵、光波導(dǎo)以及ZMW陣列集成的芯片進(jìn)行了仿真設(shè)計(jì)，基于微納加工手段制備出集成芯片，并借助熒光微球?qū)尚酒M(jìn)行了性能驗(yàn)證。集成芯片最小線(xiàn)寬155 nm，通過(guò)8個(gè)衍射光柵完成光波耦合，約1 000條波導(dǎo)完成光波傳輸，再利用波導(dǎo)中的倏逝場(chǎng)實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)十萬(wàn)個(gè)ZMW陣列的照明。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，集成芯片可以實(shí)現(xiàn)熒光微球的有效激發(fā)。通過(guò)上千條光波導(dǎo)以及數(shù)十萬(wàn)個(gè)ZMW陣列結(jié)構(gòu)的片上集成，為ZMW的照明提供了一種緊湊且有效的解決方案，解決了ZMW照明系統(tǒng)存在的魯棒性差、復(fù)雜、昂貴，空間要求高的問(wèn)題。未來(lái)將對(duì)集成芯片進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，并與CMOS工藝結(jié)合［18］，直接完成熒光信號(hào)的片上讀取與分析，具有較廣闊的應(yīng)用前景。

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

［15］ 劉全，黃爽爽，魯金超，等. 用于飛秒激光制備光纖光柵的相位掩模研制［J］. 光學(xué)精密工程， 2020， 28（4）： 844-850.

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

［16］ 計(jì)吉燾，翟雨生，吳志鵬，等. 基于周期性光柵結(jié)構(gòu)的表面等離激元探測(cè)［J］. 光學(xué)精密工程， 2020， 28（3）： 526-534.

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

［17］ 王漢斌，楊依楓，袁志軍，等. 光纖激光光譜合束及光柵熱效應(yīng)研究進(jìn)展［J］. 強(qiáng)激光與粒子束， 2020， 32（12）： 29-48.

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

［18］ 寧永慧，劉輝，趙慶磊，等. 大面陣高幀頻CMOS成像電子學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)［J］. 光學(xué)精密工程， 2019， 27（5）： 1167-1177.

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

Integrated zero-mode waveguide nanopore chip illuminated by evanescent field

YU Pengfei1，2，F(xiàn)U Bowen2，3，LI Chuanyu2，4，LI Chao1，2，ZHOU Lianqun1，2*，GUO Zhen2，5*

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

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

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

TP212.3

A

10.37188/OPE.2021.0138

1004-924X（2022）01-0062-09

2021-03-18；

2021-04-23.

國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃資助項(xiàng)目（No.2018YFF01011003）；國(guó)家自然科學(xué)基金青年基金資助項(xiàng)目（No.61874133，No.61901469，No.22005331）；江蘇省重點(diǎn)研究開(kāi)發(fā)項(xiàng)目（No.BE2019684，No.BE2018080，No.BE2020768）；江蘇省政策引導(dǎo)類(lèi)計(jì)劃（No.BZ2019069）；季華實(shí)驗(yàn)室資助項(xiàng)目（No.X190181TD190）；中科院青年創(chuàng)新促進(jìn)會(huì)資助項(xiàng)目（No.2019322，No.2018360，No.201856）；中國(guó)科學(xué)院科研儀器設(shè)備研制項(xiàng)目（No.YJKYYQ20200046，No.YJKYYQ20190057）；中國(guó)科學(xué)院重大科研儀器研制項(xiàng)目（No. ZDKYYQ20210004）；蘇州市科技支撐計(jì)劃資助項(xiàng)目（No.SYG201907）；中國(guó)科學(xué)院蘇州生物醫(yī)學(xué)工程技術(shù)研究所自主部署項(xiàng)目（No.Y851591105， No.E055011301）

俞鵬飛（1994-），男，安徽滁州人，碩士研究生，2016年于大連理工大學(xué)獲得學(xué)士學(xué)位，主要從事微機(jī)電系統(tǒng)與微納加工工藝方面的研究。E-mail：ypf@mail.ustc.edu.cn

周連群（1981-），男，山東金鄉(xiāng)人，博士，研究員，博士生導(dǎo)師，主要從事生物醫(yī)學(xué)傳感器和儀器的開(kāi)發(fā)工作。E-mail：zhoulq@sibet.ac.cn