专利名称：实施分析反应的基材的制作方法
实施分析^的M
相关申请的交叉引用
本申请依据35 U.S.C. § 119(e)要求2006年6月12日提交的 U. S. S. N. 60/812， 863的 M，J，在此明确舰过引用将^4^内容并^^文。
关于联邦赞助研究的声明
本发明的-^分是借助赠支持利用NHGRI微No. R01-HG003710-01做出 的，并JUM"对^^发明享有一些^U，J。
背景技术：
以及生物^L处理方面产生了巨大i^/艮。特别地，固态电子学技术与生物研究 应用的结合取得了很多重要i^，包括例如^"阵列技术，即DNA阵列(参见 美国专利No. 6， 261， 776 )、祸t流体芯片净M^(参见美国专利No. 5， 976， 336 )、化 学敏感场效应晶体管(ChemFET)，以及其它有价值的传感器净M^。
频式波导(OT)躺組些半科制造^ii一步扩糊研究树断的 不同领域。特别地，ZMW阵列用于一系列生物化学分析，##别用于基因分析领 域。，典型地包^±于透明_^#上的不透明&^中的开口、井洞或纳ifU^ 芯部。由于芯部的狭窄凡变，因jtb^始终阻止频率高于特定截止频率的电^！ 射传播穿过该芯部，尽管如前所迷，骑将穿过有1^巨离而叙芯部，并在芯 部内提供非常小的辐照体积。通过辐照非常小的体积，有可能访问 (interrogate)极少量的反应物，包括例如单^"反应。
4通it^单衬^c平监^a^，能糾确地识别和/雌躲定的組狄 特别有前景的单分子DNA排序技术领域的基础，该技术通过单聚合酶 (polymerase enzyme)以才^1依赖方式进行DNA链的分子合成来监控分子。
尽管取得了前述的进步，然而仍存拟艮多另外的^i^逃艮。本发明提供 了很多这样的^i^服
本发明一般针对于用于化学和生物化学分析的基材的配置和/或制造中的 ，且特别针对于在这样的M中制造有光学特征的JjN"，例如^^莫式波导 (層)。
第一方面，本发明提供了一种:f^莫式波导&时，所iii^包含具有至少第 一表面的透明M层，位于透明差浙层的第一表面^Jl的金属^t^和穿透该 ^t^到醋明J^层的孔，絲成由金属^^包围的芯部区域，其中i议 该芯部的尺度以阻止频率高于截止频率的电磁^4t传播穿透整个芯部。差浙还 包括位于M^上的牺牲阳极。
相关联地，本发明提供了监M应的方法，包括在包^r属^g"的零 模式波导的芯部中提供^1^^,其中频式波导包括牺牲阳极，并监控芯 部的辐照体积内的^L^^物'
另一方面，本发明提供了一种^^式波导^，所ii^包M明^t层、 不透明^^和芯部，包含穿透^Jr并至少部分延伸到透明JjN"层内的孔。
图1提供了位于J^上的，式波导(ZMW)的示意性图解。
图2提供了包^l牲阳极层的ZMW的示意性图解。
图3提供了包括M明M层内的增加^P、区域的ZMW的示意性图解。
发明g图4提供了图3所示的ZMW的示例性制itii程。
图5显示了制造图3所示的ZMW的替《^性示例制造过程。
图6为包括凹陷表面的ZMW的对比优势的示意性图解。
发明详述
本发明一般针对于用于化学和生物化学分析的基材的配置和/或制造中的 改进，且特别针对于在这样的M中制造有光学特征的M，例如M式波导 (層)。
在本发明的上下文中，分析M-^:包含刚性或半刚性固体M，典型地 在整个配置中1^是平面的，^^I相关检测系统例如荧M微镜、光学成像系 ^4电信号检测系统可以在该糾上进行并监控感兴趣的^。典型地，这样 的M可具有制造于基材内或位于M的表面上的附加功能部件。这样的部件 包括例如衬辦，如衬连接部分，例如胁、核酸非特异性化学4^^团、 结合肽等，或者性能改t基团例如疏水氛亲水基团，以侵在M上提供相对疏 7仏亲水的区域。同样地，该^N"可以具有制造于糾Jii^中的结构部件，
包括例如屏障、井洞、柱体、柱状物、沟道、槽、电接触部、掩才錄、
等，
##本发明提供的特力醉决方案的需要，本发明"^^可以应用于一系列不
同的緒类型。例如，第一方面，本发明提供了包^i^于其中的雜式波导 (層)阵列的糾。典型地，ZMW的特棘于包围芯部部件的^t部件，其中设 定芯部的凡变，以使iiA芯部中的电磁能量的频剩氐于特定阈值或截止频率， 并被阻止完4^播穿透该芯部。结果，在芯部的这种电磁能量的方向仅在芯部 的一部分内产生极小的辐照区域。在将芯部提供作为由&^界定的开放^K 时，结果是在芯部内能够辐照极小的体积。能够，欧小的体积，例如化学或 生物化学反应物的体积，拟艮多应用中特别有价值。在美国专利No.6，917，726中描述了这些層阵列，及其制姊用途，出于所有目的将^^并A^,
f^莫式波导典型地包括从约IO咖到约250nm的横戴面Xj1， W^具有从 约20nm到约100nm的橫栽面;d。 ZMW的横戴面典型为圆形，然而^可以具 有狭长结构，例如椭圆、椭球、狭缝、凹槽或其它非圆形形状。本文讨论的零 模式波导的芯部的深度典型地至少部分由M^的厚度限定，其厚度的典型范 围从约25nm到约500nm，且M约50nm到约200nm的厚度。依据所需的应用， 可以从可用深度的整个范围中选^r所需的深度。
通常将本发明的M式波导制it^i^中，该M包括沉积于透明M上 的透明基材层和不透明的&^。波导的芯部部分包含穿透^t^到达透明层 的孑L，以P艮定具有开放的上端和被透明基材封闭的下端的井洞。图1显示了这 样的波导的示意性图解。如图所示，整个JjH"100包括波导芯部102， ^于不 透明的^J: 104之内并JLil;续穿ii^透明M层106。
可以通过多种方法进行ZMW的制造。然而，在M的方面，使用如下的分 层制造策略在透明平面M例如玻璃、熔结氧化珪、石英、氧化铝、透明聚 ，等上提供薄金属膜。通常如下进行芯部的界定在透明M上提供适当的 皿剂(resist)层并对抗蚀剂层进行显影以得到作为所需波导芯部的负像的 柱状物或柱体。然后，将不透明膜例如薄金属膜或半^^HJr^^在M上以 提供^&，并除去皿剂柱状物以在^i置产生由&a^包围的孑L^芯部，
许多金属膜中的做。这样的金属包括铝、金、银铬等及其组合，例如多层 ^C^物。半*^&还可用于^Mt应用中，并包^N如可以使用例如^i目沉 积而沉糸、于JjN"上的M iii-v族、iv族和/或ii-vi族半导沐中的任何。
可以通过半"^^制造领域已知的各种方法进行抗蚀剂柱状物的界定，包括 例如光刻法、电子束平版印刷(e-beam lithography)技术，纳米压印平版印 刷等。
7在至少第一方面，零模式波导的整体结构可以并入附加功能体
(functionality),在^i^'師中，该附加功食fe^作为附加层胁于^^糾。 如上所述，M的^式波导包^于透明M材料上的金属^t层，在 将这样的金^f^N"用于化学和/或生物化学辦时，J^^将不可狄^^露于 可能s^^损害金属的环境中，包括例^f目对高盐浓度和/或非中性pH的环境， 例如酸f生員性条件。所有这些因素增加了这样的材料易于腐蚀的趋势。特别 地，将这些金属部件暴露于高盐环嫂中可能产生电^^蚀的缺。相应地，在 至少一方面，本发明提fr"种^^莫式波导基时，该M包括怍为差浙部件的牺 牲或电蚀(galvanic)阳极。这样的电蚀阳极可以^J时的一部分，例如作为 -~^分或作为分离层沉积在JjN"上，或可以将其作为独立部件添加到^！ 物中，例Vft为颗粒、条带或丝线。可以佳月各种不同金属中的任啊作为电蚀 阳极，包括例力辨、镁、铝、铁、镍、或可以充当下方^t^r属的牺牲阳极 的任何其它金属。应理解，最佳金属阳极层的选择可以在某种禾l^Ji取决于下 方^&的构成(咖ke-up)。另外，由于装置所暴露的环境会才^t应用所需而 变化，因jtb^r属的还原电势将不同于它们的标准值。因此，多种材料可以用作 牺牲阳极。对于具有半电池电势X(在所用的条件下)的^t^材料，以及具有 半电池电势Y的阳fe^料，若Y小于X，则金属可以用作牺牲阳极。在某些tfr^
X，和Y，的另一表面态，并JL^Y，小于X，，则这些;WI"可以用作牺牲阳极。 在牺牲阳 ^辆性能中她的材料包拾镁、锌、铍、镉、铀、铝、铟、锡、 铅、铁、镍、铜、铬、鄉鵠。在特别优选的方面，锌层与金属^&""^^ 积减j5t^于金属^t^4Ui。可以^f^]^t金属膨W^支^^t^上提供阳 M,包拾絲、蒸发、等离子体^f目^^等'
W目关实施方案中，可以通过位于阳M和^t^之间的非导电层使附加 层与^^电绝缘。在该实施方案中，可以直接对阳^ 口电势，由此去除阳W"料具有特定i^f、电势的P艮制，在该实施方案中，本发明提供与^&的 电接触部，以及与P日极层的独立电接触部'可以在单独步骤中施加非导电层， 或者其可以是待胁的其它材料之一的自然JM^b。例如，铝的自然IU欲是
不导电的，并JI4^页域已知在导电铝层上形成氧^^纟^^的方法。
在上述制造过程的情形中，"~^可以##层与金属^&共;^H或作为后 续层:;W^金属^t^^Ji。 一旦去除繊剂柱状物，将穿透电蚀阳;feUM金属 ^t^i^波导芯部。典型地，阳^#为约O.lnm到约100nm厚，^i4M^ l皿到约100nm厚，Mi々lnm到约S0nm厚，且在某些情形中^J々10nm到约50nm 厚。在图2中显示了才Mt本发明此方面的波导基材的实施例。如图所示，并参 考图l，整个層装置200同样包括位于M层104中的芯部102，该芯部进而 位于透明糾106的表面上。然而，除前述W卜，牺牲阳^ 208位于^J:
104的Ji4面上，并用于防止应用期间金属^t^的it/变电化腐蚀。
在^f戈方面中，可以不按标准沉积工艺#^立的阳极部件添加到波导阵列。 特别地，可以4f^适的金属颗粒、条带等^^K于波导阵列上，只要其具有足够 的尺寸例如足够大^A够小，以致不影响波导的功能，例如阻塞过多数目芯部 的开口。
在另一脊R性的结构配置中，零模式波导在芯部的末端具有越过^^延 伸到透明基材中的空间或体积。特别地，通过提供由芯部产生的体积的另夕卜延 伸，相比^P、与芯部共同延伸的^式波导(例如图1所示)，可以获得很多优 势。图3显示了具有这#^^性结构的波导的实施例。如图所示，频式波导 狄300包括穿透^& 304的芯部302所述^W 304 ^^、于透明狄306 上。该波导结构还包括凹陷308，该凹陷是芯^M 、向透明M306内的延伸或 井洞，以增加整个波导结构的^P、。特别地，在包括改性的表面(例如具有加 工过的表面，该表面包拾活性分子和/或连#子和/或保护性的表面处理，即 用以抑制非特异H4面締合)的ZMW的情形中，还可以从下方J^N"表面进一步
9除去所得到的活'錄面'因此，目标^ (例如在活'錄面进行的M)将落
在ZMW的最^9L^^的ii^iUt^'因此，通过使下方^#表面凹陷，可以 ^^歸活'錄面定位于，JW^K内。图6中示意'lt^示了该优势，
在无凹陷的ZMW中，如图6的画面I所示。如图所示，ZMW^600包括位 于^t^ 604内穿透到透明JjN"层606的芯部602。在Z丽芯部602内提供由 Xs608表示的活'錄面，该活性表面例如用于拟亍所需的目标反应例如核^^合 反应，并且该活性表面通过连^^分子610与下方基材606表面偶联。由于连 接体610的尺寸以及可能的其它表面改性，活性表面608可淑立于，WMp、(由 虚线612示出界限)的ii^夕h^。然而，通过使下方緒的下表面凹陷，可 以减弱这种潜在的问题。特别地，如图6中的画面II所示，ZMW620在芯部622 的底部包括凹陷下表面624，使得活'tt面608充分^ JWMp、内。这特别提 供了具有更易于调节的观M积的零模式波导，例i礎过单独^t^厚度的可 调性、对位于波导下方的光学体系(optics)的更高信号水平、产生改善的信噪比。
除了前面所述的优势W卜，检测区域^p、的增;^统计检测^^k内目标分 子的占有率方面提供优势。在某些情况中，需要^^斤物在每个约束中均具有且 ^si具有一个^;见察的分子。在^t层的底部和装置的底面处于同一位置的情形 中，该约束具有l^短的衰减长度指l^减的分布'结果是以下情W艮罕见 一个^i^^^i^^测区而第二个衬不会存在于检测区^Ji，由財第一分 子狄背景噪声。通过斷^面，分布M改变以樹以阶跃函数，其中装置的 "-^分位于检测区"内"，具有相对一致的X!i^效率，而装置的另一^分位于检 测^(M 、"外"，具有将两个区域分隔的非常快的指絲减。在后H"W中，随机 得到其中一个衬位于检测区内JU殳有衬位于指絲减区内的配置的辦大 大增加。由深井洞提供的相对一致性的附加优势是，单^荧M出的7jC平对 位置的絲性较小，因此，当由于将荧光团束绰于装置的柔'^ii掩沐而存在一些起伏自由度时，JM^荧缝出的水平在时间上更均匀，，
例如直径，但也可以根据所需的应用和功能性而改变其深度'
可以通过很多方法制造才M^发明该方面的线的^^莫式波导。例如，在第
"H^r面，在^4F、金属^a^前，制造井洞作为層制造中的附加^L^步骤。特别地，^f]抗蚀剂柱状物的负像，将透明材料层(例如与下方透明糾具有
相同或相合:^且成的材料)沉农、于透明差>#上。然后，将金属^/昏，和任逸的任何附加层例如电蚀阳M沉积于其上。一M结构中除去柱状物，就在M
层中留下具有延伸到透明^#层内的额夕卜 、的波导芯部。图4示意'f^示出
如图4所示，提供具有Ji4面402的透明糾400。然后，錄面402上沉积抗蚀剂层404。对抗蚀剂进^#光并显影以产生所需波导芯部的负像，如柱状体406所示。然后，在JjN"的膝^面402上^4H附加透明材料层408以fe围g状体406的透明差jf^层。透明材^F^iiAJiM与下方的透明Jj时400相同或相似。例如，^C璃狄的',中，可^^半科制造领域中^^的各种才棘中的^^T技^4^t表面^^Si02层，所述技术包括例如^C璃J^走涂、等离子增强化学W目^^、 W目^^v5M^氧化成Si(u例如热氧化)。然后，^it明层408上^4P、金属^^410。然后，4M例如剥离(lift-off )或"敲离(knock-off)"方法从^K^除去l^a状体，产生位于^^中的波导结构的开放芯部412。 jtk^卜，芯部的僻^jy^伸到附加透明层408中，以便向芯部提供附加的餘。
在^^性的工艺中，波导芯部可以用作附加刻蚀步骤中的掩樣l特别地，使用上述工艺制造ZMW。然后，金属M层充当后续刻蚀步骤的掩^。 ^ii种
如，当^^)各向异lt^离子刻蚀(RIE)刻蚀糾时，所得到的要素(feature)将具有竖直的侧壁且具有与^W:中的开口相同的^L图.在该情况中，贿技术中已知的方法为，以相对于包覆材料的良^4择^^>￡^#材料，在各向同'ltt^行刻蚀H狄湿'^ft学刻滅RIE)的',中，可以控制时间以敏
导致刻蚀^Pi著大于波导XA。作为g或补充，可以^^更加晶态的M，例如石英等，其中刻蚀的各向务對級更大而不论刻烛^H(p何，从而产生更
受限制的刻蚀空间。作为替代，可以使用干法刻蚀技术。图5示意,fg显示了该工艺。
如图5所示，丽糾500包括穿透位于透明糾506上的金属^t 504的ZMW芯部502,在^^发明的该方面，透明M包括iUM^料，例如玻璃、石英或熔结IUt^。 4鹏本发明的该方面，^t^兼任后续刻蚀步骤的掩模层。特别地，将J^暴露于适当的刻蚀剂(如箭头508所示)中，刻蚀剂在芯"W^、中刻蚀出附加的深度，例如阴影区508和凹区510所示。在某些情形中，可能需要在^t层中使用在平版印刷技术中更常规使用的金属，例4媒、金等，因为它们相比其它金属具有对较苛刻的刻蚀环境的更高容忍度，或者更好地充当掩膜材料，提供更高緒率特征.
1权利要求
1. 零模式波导基材，包括具有至少第一表面的透明基材层；位于该透明基材层的第一表面上的金属包覆层；穿透该包覆层到达该透明基材层的孔，并形成由该金属包覆层包围的芯部区域，其中设定该芯部的尺度以阻止频率高于截止频率的电磁辐射完全传播穿过该芯部；以及位于该包覆层上的牺牲阳极。
2. 如权利要求1所述的^^莫式波导M,其中牺牲阳极与金属^t^相连。
3. :h5u'漆求1所述的零模式波导基材，其中牺牲阳极包含位于驢层的 Ji4面上的金属层。
4. :N又利要求1所述的賴式波导，其中牺牲阳极包絲自Zn、 Mg、 Al和 Fe的金属。
5. 如权矛决求1所述的^式波导Jj时，其中牺牲阳极包含位于该^m^ 的Ji4面上的锌层。
6. io^'漆求1所述的賴式波导，其中牺牲阳极包^T属颗粒、丝线或棘
7. :H5U'J要求6所述的，式波导，其中牺牲阳秘;C^i^亥^^Ui但 并不与该包a^相连。
8. 賴式波导糾包括 透明基材层；不透明M层；以及芯部，其包含穿i^亥^^并至少部分延伸到该透明JjH"层内的孔。
9. ^f5U'决求8所述的零模式波导，其中该透明M层包含至少第"HI:明层和第4明层，第^明;g^于第""it明层4Ui，且该^a^于第-逸明层4Ui，其中所述3U^f申穿透该^t^和第二透明层。
10. 如WJ要求9所述的^式波导M,其中该^t^包^^属。
11. :H又矛漆求8所述的:f^莫式波导，还包含活'錄面，所it^'Il4面位于 芯部内并JL^少部分位于延伸到透明J^N"层内的部分芯部中。
12. d^又利要求11所述的賴式波导，其中该活'錄面包^^SI。
13. j&^应的方法，包括在包^r属&W的^i式波导的芯部内提供^J^1^,其中该，式 波导包^^4生阳极；和监控该芯部的辐照^(^MK内的^i;^^。
全文摘要
基材，包括为提供附加fvπclionai元件而制造的零模式波导基材和/或包括增加的体积以定位活性表面的部件和/或减轻下方基材的负面电化学特性的部件。
文档编号G02B6/10GK101467082SQ200780021826
公开日2009年6月24日 申请日期2007年6月11日 优先权日2006年6月12日
发明者D·B·罗伊特曼, G·奥托, M·福奎特, P·佩鲁索, S·特纳 申请人:加利福尼亚太平洋生物科学公司