用于生物實(shí)體的光學(xué)檢測(cè)的制作方法
【專(zhuān)利摘要】本發(fā)明涉及用于生物實(shí)體的光學(xué)檢測(cè)。本公開(kāi)描述了用于操作和處理生物實(shí)體樣本的集成半導(dǎo)體器件和方法。器件包括下襯底、至少一個(gè)設(shè)置在下襯底上的光信號(hào)導(dǎo)管、至少一個(gè)設(shè)置在下襯底上的保護(hù)接合焊盤(pán)、配置以形成保護(hù)區(qū)域的保護(hù)件（設(shè)置在至少一個(gè)保護(hù)接合焊盤(pán)上）、微流體通道（其中微流體通道的第一側(cè)在下襯底上形成且微流體通道的第二側(cè)在保護(hù)件上形成）、與傳感器控制電路相連的光傳感器陣列、以及與流體控制電路、和傳感器控制電路相連的邏輯電路。
【專(zhuān)利說(shuō)明】用于生物實(shí)體的光學(xué)檢測(cè)

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本申請(qǐng)總體上涉及半導(dǎo)體領(lǐng)域，更具體地，涉及用于生物實(shí)體的光學(xué)檢測(cè)。

【背景技術(shù)】
[0002] 在過(guò)去的幾十年里，包括器件制造以及藥物制造和生物制劑制造的醫(yī)學(xué)技術(shù)工業(yè) 經(jīng)歷了顯著的商業(yè)增長(zhǎng)和技術(shù)發(fā)展。多年以來(lái)，隨著DNA的發(fā)現(xiàn)以及DNA測(cè)序技術(shù)的發(fā)展， 我們對(duì)于生物信息的作用在生物的開(kāi)發(fā)，操作和相互作用中的理解有了顯著的提高。通過(guò) DNA測(cè)序檢測(cè)技術(shù)的改進(jìn)，科學(xué)家和醫(yī)生對(duì)疾病獲得了更深入的了解，以及可以根據(jù)病人的 遺傳傾向獲得了更有效地治療方法。因此，DNA測(cè)序的使用和作用在醫(yī)療保健方面具有顯 著地提高
[0003] DNA序列是一系列核苷酸堿基對(duì)(腺嘌呤、鳥(niǎo)嘌呤、胞嘧啶、和胸腺嘧啶)，其在生物 系統(tǒng)中具有指定的蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)。通過(guò)DNA序列的分析，可以收集用于診斷目的和治療目的 重要信息。另外，其他生物實(shí)體（bio-entities)，諸如蛋白質(zhì)、小分子、和病菌的鑒別和分類(lèi) 推進(jìn)了醫(yī)療認(rèn)知從而造福人類(lèi)。
[0004] 封裝測(cè)序儀采用電介質(zhì)上電潤(rùn)濕技術(shù)（EW0D)，用于控制使用擴(kuò)大技術(shù)和標(biāo)記技 術(shù)，這類(lèi)技術(shù)通過(guò)使用帶有模擬到數(shù)字轉(zhuǎn)變系統(tǒng)的熒光燈和外部光學(xué)系統(tǒng)進(jìn)行光學(xué)檢測(cè)， 并允許電腦處理所需處理的大量產(chǎn)生數(shù)據(jù)。許多封裝EW0D序列儀的實(shí)施具有玻璃襯底和 透明電極，這可能存在問(wèn)題。例如，光線可以照射穿過(guò)玻璃襯底并照射進(jìn)入進(jìn)行分析的液滴 (在測(cè)序過(guò)程中）。在這個(gè)情況下，由于干涉圖樣具有折射的不同透明指數(shù)以及透明材料的 不同厚度，因此傳導(dǎo)是非高效的。此外，EW0D測(cè)序儀中的集成濾色器可能會(huì)減小光射入傳 感器陣列的效率。
[0005] 因此，存在改進(jìn)生物實(shí)體操作器件和加工技術(shù)的需要。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 為解決上述問(wèn)題，本發(fā)明提供了一種集成半導(dǎo)體器件，用于操作和處理生物實(shí)體 樣本，所述器件包括：下襯底；至少一個(gè)光信號(hào)導(dǎo)管，設(shè)置在下襯底上；至少一個(gè)保護(hù)接合 焊盤(pán)，設(shè)置在下襯底上和部分光信號(hào)導(dǎo)管的上方；保護(hù)件，包括上襯底且被配置以形成被保 護(hù)區(qū)域，并且設(shè)置在至少一個(gè)保護(hù)接合焊盤(pán)上，其中，至少一個(gè)光信號(hào)導(dǎo)管從被保護(hù)區(qū)域的 外側(cè)延伸至被保護(hù)區(qū)域的內(nèi)側(cè)；微流體通道，微流體通道的第一側(cè)形成在下襯底上，微流體 通道的第二側(cè)形成在保護(hù)件上，保護(hù)件連接至襯底以便為包含生物實(shí)體樣本的液滴提供微 流體通道，微流體通道連接至流體控制電路；光傳感器陣列，連接至傳感器控制電路；以及 邏輯電路，連接至流體控制電路和傳感器控制電路，其中，在下襯底上形成流體控制電路、 傳感器控制電路和邏輯電路。
[0007] 其中，流體控制電路、傳感器控制電路和邏輯電路嵌入層間介電（ILD)層中，并且 ILD層上方進(jìn)一步包括多個(gè)電極，多個(gè)電極連接至流體控制電路。
[0008] 其中，微流體通道的第一側(cè)包括：高k介電層；以及疏水涂層，覆蓋高k介電層。
[0009] 其中，疏水涂層是自組裝單層或聚四氟乙烯層。
[0010] 其中，微流體通道的第二側(cè)包括：介電層，位于保護(hù)件的上方；以及疏水涂層，位 于介電層的上方。
[0011] 該集成半導(dǎo)體器件進(jìn)一步包括表面處理區(qū)域，表面處理區(qū)域設(shè)置在微流體通道的 第一側(cè)的高k介電層上。
[0012] 其中，微流體通道連接至微流體網(wǎng)格，微流體網(wǎng)格連接至多個(gè)容器且被配置為允 許傳輸和混合多個(gè)容器中包含的流體，流體包括生物實(shí)體樣本和試劑。
[0013] 其中，光信號(hào)導(dǎo)管被配置為將光傳導(dǎo)到目標(biāo)分子上，并且光檢測(cè)器被配置為檢測(cè) 來(lái)自目標(biāo)分子的響應(yīng)。
[0014] 其中，保護(hù)件是不透明的。
[0015] 該集成半導(dǎo)體器件進(jìn)一步包括位于保護(hù)件上方和高k介電層下方的多個(gè)電極，其 中，電極是不透明的。
[0016] 此外，本發(fā)明還提供了一種集成半導(dǎo)體器件，用于操作和處理生物實(shí)體樣本，所述 器件包括：下襯底；至少一個(gè)光信號(hào)導(dǎo)管，設(shè)置在下襯底上并且被配置為將光傳導(dǎo)到目標(biāo) 分子上；至少一個(gè)保護(hù)接合焊盤(pán)，設(shè)置在下襯底上和部分光信號(hào)導(dǎo)管的上方；保護(hù)件，包括 上襯底且被配置以形成被保護(hù)區(qū)域，并且設(shè)置在至少一個(gè)保護(hù)接合焊盤(pán)上，其中，至少一個(gè) 光信號(hào)導(dǎo)管從被保護(hù)區(qū)域的外側(cè)延伸至被保護(hù)區(qū)域的內(nèi)側(cè)；具有受體的表面處理區(qū)域，設(shè) 置在被保護(hù)區(qū)域內(nèi)和下襯底上，并且被配置為與目標(biāo)分子相互作用；微流體通道，微流體通 道的底面形成在下襯底上，微流體通道的頂面形成在保護(hù)件上，保護(hù)件連接至襯底以便提 供微流體通道；以及光檢測(cè)器，設(shè)置在下襯底內(nèi)且被配置為檢測(cè)來(lái)自目標(biāo)分子的響應(yīng)。
[0017] 其中，下襯底不包含濾色器。
[0018] 其中，微流體通道的底面和頂面包括疏水涂層。
[0019] 其中，微流體通道的底面和頂面還包括高k介電層。
[0020] 其中，氧化物或抗反射涂層設(shè)置在光檢測(cè)器和表面處理區(qū)域之間。
[0021] 該集成半導(dǎo)體器件進(jìn)一步包括設(shè)置在下襯底上的多個(gè)電極。
[0022] 此外，還提供了一種利用集成半導(dǎo)體器件操作和處理生物實(shí)體樣本的方法，方法 包括：從第一容器中提供生物實(shí)體樣本液滴，第一容器連接至微流體網(wǎng)格；使用電濕潤(rùn)效 應(yīng)，將生物實(shí)體樣本液滴從微流體網(wǎng)格傳輸?shù)轿⒘黧w通道，生物實(shí)體樣本液滴與微流體通 道中的表面處理部相接觸，其中，在下襯底上提供微流體通道的一側(cè)；穿過(guò)設(shè)置在下襯底上 的光信號(hào)導(dǎo)管將光傳導(dǎo)到表面處理部；以及使用光傳感器陣列檢測(cè)光信號(hào)，通過(guò)生物實(shí)體 樣本液滴和表面處理部上的受體之間的相互作用來(lái)增強(qiáng)光信號(hào)，光傳感器陣列形成在下襯 底上。
[0023] 該方法進(jìn)一步包括：從連接至微流體網(wǎng)格的第二容器中提供試劑液滴；以及在微 流體網(wǎng)格中混合生物實(shí)體樣本液滴和試劑液滴，以形成制備好的樣本液滴。
[0024] 其中，將生物實(shí)體樣本液滴從微流體網(wǎng)格傳輸?shù)轿⒘黧w通道的步驟包括將制備好 的樣本液滴傳輸?shù)轿⒘黧w通道中。
[0025] 該方法進(jìn)一步包括提供光纜輸入端或提供光柵耦合器，其中光纜輸入端用于為光 提供到光信號(hào)導(dǎo)管的光路徑。

【專(zhuān)利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0026] 圖1是EW0D裝置的截面圖。
[0027]圖2是使用電濕潤(rùn)以運(yùn)輸和操作生物實(shí)體樣本液滴的流體控制系統(tǒng)的截面圖。
[0028] 圖3示出了使用電濕潤(rùn)流體控制系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)特定動(dòng)作的示意圖。
[0029] 圖4是用于傳輸及混合目標(biāo)生物實(shí)體樣本和生物試劑的微流體網(wǎng)格 (microfluidic grid)的不意圖。
[0030] 圖5是根據(jù)一個(gè)實(shí)施例的在生物實(shí)體操作和加工系統(tǒng)中使用的下晶圓的截面圖。
[0031] 圖6是根據(jù)另一實(shí)施例的在生物實(shí)體操作和加工系統(tǒng)中使用的下晶圓的截面圖。
[0032] 圖7是根據(jù)一個(gè)實(shí)施例的在生物實(shí)體操作和加工系統(tǒng)中使用的下晶圓的頂視圖。
[0033] 圖8A和圖8B示出了根據(jù)一個(gè)實(shí)施例的在生物實(shí)體操作和加工系統(tǒng)中使用的下晶 圓上的光學(xué)導(dǎo)管和光輸入的側(cè)視圖。
[0034] 圖9A-圖9F示出了根據(jù)一個(gè)實(shí)施例的用于形成生物實(shí)體操作和加工系統(tǒng)中使用 的下晶圓的方法的實(shí)施例的截面圖。
[0035] 圖10是根據(jù)一個(gè)實(shí)施例的可以在生物實(shí)體操作和加工系統(tǒng)中使用的上晶圓的截 面圖。
[0036] 圖11A和圖11B示出了根據(jù)一個(gè)實(shí)施例的在生物實(shí)體操作和加工系統(tǒng)中使用的下 晶圓和上晶圓相接合的實(shí)施例的側(cè)視圖。
[0037] 圖12是根據(jù)一個(gè)實(shí)施例的微流體生物實(shí)體操作和加工系統(tǒng)的截面圖。
[0038] 圖13是用于操作和加工生物實(shí)體樣本的具有集成半導(dǎo)體器件的方法的流程圖。
[0039] 本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在閱讀下面的詳細(xì)描述后，將更清楚上面簡(jiǎn)要描述的附圖中 公開(kāi)的各種特征。

【具體實(shí)施方式】
[0040] 應(yīng)該理解，以下公開(kāi)內(nèi)容提供了許多用于實(shí)施本發(fā)明的不同特征的不同實(shí)施例或 實(shí)例。以下描述組件和配置的具體實(shí)例以簡(jiǎn)化本發(fā)明。當(dāng)然，這僅僅是實(shí)例，并不是用于限 制本發(fā)明。而且，在以下描述中，第一部件形成在第二部件上方或者之上可以包括第一部件 和第二部件直接接觸形成的實(shí)施例，還可以包括附加部件插入形成在第一部件和第二部件 之間，從而使得第一部件和第二部件不直接接觸的實(shí)施例。為了簡(jiǎn)化和清晰的目的，各個(gè)部 件可以以不同比例任意繪制。其中，不同圖(通常在兩個(gè)或更多圖中)中所示的部件，為描述 清楚而使用相同的符號(hào)。但是，應(yīng)該理解這并不用于限制這些部件。
[0041] 圖1是電介質(zhì)上電濕潤(rùn)（EW0D)裝置100的截面圖。裝置100包括襯底102 (其 上具有三個(gè)材料層)。這些材料層包括電極層104、介電層106、和疏水（hydrophobic)涂層 108。電極層104通過(guò)開(kāi)關(guān)112與可變電壓源110相連。電壓源110的另一端與探針114 相連。如圖1所示，裝置100將探針114設(shè)置為插入所示具有兩不同狀態(tài)的液滴中。當(dāng)沒(méi) 有電壓通過(guò)探針114加載時(shí)，液滴的一個(gè)狀態(tài)由液滴116A描述。由于疏水涂層108，液滴 116A具有所示接觸角Θ"通過(guò)探針114從電壓源110加載電壓，可以減小接觸角且增大接 觸面積。因此，當(dāng)加載電壓時(shí)，液滴是液滴116Β。然后，接觸角減小到θν，使液滴116Β的重 心接近下面的電極層104。加載電壓導(dǎo)致的接觸角改變根據(jù)下列等式與所加載電壓相關(guān)。

【權(quán)利要求】
1. 一種集成半導(dǎo)體器件，用于操作和處理生物實(shí)體樣本，所述器件包括： 下襯底； 至少一個(gè)光信號(hào)導(dǎo)管，設(shè)置在所述下襯底上； 至少一個(gè)保護(hù)接合焊盤(pán)，設(shè)置在所述下襯底上和部分所述光信號(hào)導(dǎo)管的上方； 保護(hù)件，包括上襯底且被配置以形成被保護(hù)區(qū)域，并且設(shè)置在所述至少一個(gè)保護(hù)接合 焊盤(pán)上，其中，所述至少一個(gè)光信號(hào)導(dǎo)管從所述被保護(hù)區(qū)域的外側(cè)延伸至所述被保護(hù)區(qū)域 的內(nèi)側(cè)； 微流體通道，所述微流體通道的第一側(cè)形成在所述下襯底上，所述微流體通道的第二 側(cè)形成在所述保護(hù)件上，所述保護(hù)件連接至所述襯底以便為包含所述生物實(shí)體樣本的液滴 提供所述微流體通道，所述微流體通道連接至流體控制電路； 光傳感器陣列，連接至傳感器控制電路；以及 邏輯電路，連接至所述流體控制電路和所述傳感器控制電路，其中，在所述下襯底上形 成所述流體控制電路、所述傳感器控制電路和所述邏輯電路。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的集成半導(dǎo)體器件，其中，所述流體控制電路、所述傳感器控制 電路和所述邏輯電路嵌入層間介電（ILD)層中，并且所述ILD層上方進(jìn)一步包括多個(gè)電極， 所述多個(gè)電極連接至所述流體控制電路。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的集成半導(dǎo)體器件，其中，所述微流體通道的第一側(cè)包括： 高k介電層；以及 疏水涂層，覆蓋所述高k介電層。
4. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的集成半導(dǎo)體器件，其中，所述疏水涂層是自組裝單層或聚四 氟乙烯層。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的集成半導(dǎo)體器件，其中，所述微流體通道的第二側(cè)包括： 介電層，位于所述保護(hù)件的上方；以及 疏水涂層，位于所述介電層的上方。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的集成半導(dǎo)體器件，進(jìn)一步包括表面處理區(qū)域，所述表面處理 區(qū)域設(shè)置在所述微流體通道的第一側(cè)的高k介電層上。
7. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的集成半導(dǎo)體器件，其中，所述微流體通道連接至微流體網(wǎng)格， 所述微流體網(wǎng)格連接至多個(gè)容器且被配置為允許傳輸和混合所述多個(gè)容器中包含的流體， 所述流體包括所述生物實(shí)體樣本和試劑。
8. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的集成半導(dǎo)體器件，其中，所述光信號(hào)導(dǎo)管被配置為將光傳導(dǎo) 到目標(biāo)分子上，并且光檢測(cè)器被配置為檢測(cè)來(lái)自所述目標(biāo)分子的響應(yīng)。
9. 一種集成半導(dǎo)體器件，用于操作和處理生物實(shí)體樣本，所述器件包括： 下襯底； 至少一個(gè)光信號(hào)導(dǎo)管，設(shè)置在所述下襯底上并且被配置為將光傳導(dǎo)到目標(biāo)分子上； 至少一個(gè)保護(hù)接合焊盤(pán)，設(shè)置在所述下襯底上和部分所述光信號(hào)導(dǎo)管的上方； 保護(hù)件，包括上襯底且被配置以形成被保護(hù)區(qū)域，并且設(shè)置在所述至少一個(gè)保護(hù)接合 焊盤(pán)上，其中，所述至少一個(gè)光信號(hào)導(dǎo)管從所述被保護(hù)區(qū)域的外側(cè)延伸至所述被保護(hù)區(qū)域 的內(nèi)側(cè)； 具有受體的表面處理區(qū)域，設(shè)置在所述被保護(hù)區(qū)域內(nèi)和所述下襯底上，并且被配置為 與所述目標(biāo)分子相互作用； 微流體通道，所述微流體通道的底面形成在所述下襯底上，所述微流體通道的頂面形 成在所述保護(hù)件上，所述保護(hù)件連接至所述襯底以便提供所述微流體通道；以及 光檢測(cè)器，設(shè)置在所述下襯底內(nèi)且被配置為檢測(cè)來(lái)自所述目標(biāo)分子的響應(yīng)。
10. -種利用集成半導(dǎo)體器件操作和處理生物實(shí)體樣本的方法，所述方法包括： 從第一容器中提供生物實(shí)體樣本液滴，所述第一容器連接至微流體網(wǎng)格； 使用電濕潤(rùn)效應(yīng)，將所述生物實(shí)體樣本液滴從所述微流體網(wǎng)格傳輸?shù)轿⒘黧w通道，所 述生物實(shí)體樣本液滴與所述微流體通道中的表面處理部相接觸，其中，在下襯底上提供所 述微流體通道的一側(cè)； 穿過(guò)設(shè)置在所述下襯底上的光信號(hào)導(dǎo)管將光傳導(dǎo)到所述表面處理部；以及 使用光傳感器陣列檢測(cè)光信號(hào)，通過(guò)所述生物實(shí)體樣本液滴和所述表面處理部上的受 體之間的相互作用來(lái)增強(qiáng)所述光信號(hào)，所述光傳感器陣列形成在所述下襯底上。
【文檔編號(hào)】G01N21/17GK104048919SQ201310364764
【公開(kāi)日】2014年9月17日 申請(qǐng)日期:2013年8月20日 優(yōu)先權(quán)日:2013年3月14日
【發(fā)明者】張華倫, 張儀賢, 鄭創(chuàng)仁 申請(qǐng)人:臺(tái)灣積體電路制造股份有限公司