用于高通量低温电子显微镜的厚度可控微图案芯片的制备

该方案对于在纳米尺度上调控成像区域的厚度至关重要，可成功利用冷冻电镜观察不同尺寸的蛋白质和纳米材料。Mem 的 fabrication 技术可实现微芯片的大规模生产，同时能够根据实验目的选择微图案孔穴的深度和设计。

该技术可提高生物大分子高通量三维结构分析的效率，此类分析广泛应用于商业药物发现。然而，带有易损氮化硅薄膜的薄晶圆和微芯片在操作上较为困难。操作过程中需注意避免弯曲晶圆，或对氮化硅窗口施加垂直方向的力。开始对光刻胶（PR）进行图形化时，先在沉积有氮化硅的硅晶圆上覆盖六甲基二硅氮烷（HMDS）溶液，随后将晶圆置于匀胶机上，以3000 RPM的转速旋涂30秒。

将涂覆后的晶圆置于热板上，在 95 摄氏度下烘烤 30 秒，以使水表面具有疏水性，并确保光刻胶（PR）的良好涂覆效果。接下来，使用正性光刻胶对晶圆进行旋涂，并在 100 摄氏度下烘烤 90 秒。旋涂所得的光刻胶厚度为 500 纳米。使用对准仪，通过铬掩模将涂有光刻胶的晶圆暴露于紫外光下照射 5 秒。

使用显影液显影光刻胶一分钟，然后将晶圆浸入去离子水中冲洗两次。接着通过向水面吹氮气来干燥带有光刻胶图形的晶圆。完成光刻胶图形化后，使用实验室自制的反应离子刻蚀机进行刻蚀，射频功率设为50瓦，六氟化硫气体流速为每分钟3标准立方厘米。

以每秒六埃的速率刻蚀暴露的氮化硅。将图案化氮化硅的硅片浸入室温丙酮中30分钟，以去除光刻胶。随后用去离子水冲洗硅片两次，并用氮气吹干。

为了刻蚀暴露的硅，将氮化硅图形化晶圆浸入新配制的氢氧化钾溶液中，并持续搅拌，直至在图形化晶圆的另一侧观察到自支撑的氮化硅窗口。通过将刻蚀后的晶圆多次浸入去离子水中，对其进行清洗。

然后将晶圆在空气中干燥。为了去除刻蚀残留物，用镊子轻轻按压芯片阵列的边缘，获得待进行微图案化的芯片阵列。随后将芯片阵列浸入新配制的氢氧化钾溶液中30秒，接着用去离子水冲洗两次，用氮气吹干芯片，并在空气中干燥一小时。

为了获得固体支撑，采用之前演示的旋涂方法制备一片空白的525微米硅片。在烘烤硅片之前，将其连接到硅片上的刻蚀射线，然后按照之前所述步骤操作，以获得具有微图案的硅片。将图案化芯片浸泡于60摄氏度的1-甲基-2-吡咯烷酮溶液中过夜，以去除光刻胶。

第二天，用去离子水将芯片组冲洗两次。用氮气干燥图案化芯片组后，使用反应离子刻蚀机进行氧等离子体处理，以去除光刻胶残留物：氧气流量为100标准立方厘米/分钟，射频功率为150瓦，处理时间为1分钟。随后，将微图案化芯片浸入氢氧化钾溶液中30秒，以彻底去除残留的光刻胶。

然后冲洗芯片组并彻底干燥。用去离子水将两毫克每毫升的氧化石墨烯溶液稀释10倍，并对稀释后的溶液进行10分钟的超声处理，以分散片层的团聚物。随后在室温下以300 × g离心稀释后的溶液30秒。

使用放电电流为15百万安培的辉光放电器，对微图案芯片的硅刻蚀面进行一分钟的辉光放电处理，使芯片表面带正电荷。处理完成后，将三微升溶液滴加到微图案芯片的辉光放电面。一分钟后，用滤纸吸去芯片上多余的溶液。

将转移后的芯片置于石蜡膜上，用去离子水滴清洗，并用滤纸吸去多余水分。在已转移的一侧重复滴涂操作两次，在另一侧进行一次。将转移后的芯片在室温下干燥过夜。

在光刻工艺过程中，通过使用不同设计的铬掩模来操控微图案芯片的结构。控制了自支撑氮化硅薄膜的数量和尺寸。观察发现，所制备的微图案芯片可包含多达25,000个悬空孔。

窗口处的拉曼光谱显示出典型的峰位特征。此外，多重取向的六角衍射图样表明，窗口由多层结构组成。利用扫描电子显微镜和原子力显微镜研究了带窗口微孔的结构与深度。图像中观察到一种井状结构的带窗口微孔，证实了带窗口微图案芯片设计的可行性。借助该微图案芯片，使用冷冻电子显微镜对若干生物样本和无机纳米颗粒进行了成像。

根据图案的尺寸和设计，优化纯涂层厚度、光照强度以及显影时间等条件，对于微米级图案化至关重要。通过应用聚焦离子束（FIB）或光刻石墨烯等纳米图案化技术，可制备出小至数微米的图案，从而拓展该微米器件在与其他分析技术联用时的应用范围。