用于生物实体的光学检测的制作方法
【专利摘要】本发明涉及用于生物实体的光学检测。本公开描述了用于操作和处理生物实体样本的集成半导体器件和方法。器件包括下衬底、至少一个设置在下衬底上的光信号导管、至少一个设置在下衬底上的保护接合焊盘、配置以形成保护区域的保护件（设置在至少一个保护接合焊盘上）、微流体通道（其中微流体通道的第一侧在下衬底上形成且微流体通道的第二侧在保护件上形成）、与传感器控制电路相连的光传感器阵列、以及与流体控制电路、和传感器控制电路相连的逻辑电路。
【专利说明】用于生物实体的光学检测
【技术领域】
[0001] 本申请总体上涉及半导体领域，更具体地，涉及用于生物实体的光学检测。
【背景技术】
[0002] 在过去的几十年里，包括器件制造以及药物制造和生物制剂制造的医学技术工业 经历了显著的商业增长和技术发展。多年以来，随着DNA的发现以及DNA测序技术的发展， 我们对于生物信息的作用在生物的开发，操作和相互作用中的理解有了显著的提高。通过 DNA测序检测技术的改进，科学家和医生对疾病获得了更深入的了解，以及可以根据病人的 遗传倾向获得了更有效地治疗方法。因此，DNA测序的使用和作用在医疗保健方面具有显 著地提高
[0003] DNA序列是一系列核苷酸碱基对(腺嘌呤、鸟嘌呤、胞嘧啶、和胸腺嘧啶)，其在生物 系统中具有指定的蛋白质结构。通过DNA序列的分析，可以收集用于诊断目的和治疗目的 重要信息。另外，其他生物实体（bio-entities)，诸如蛋白质、小分子、和病菌的鉴别和分类 推进了医疗认知从而造福人类。
[0004] 封装测序仪采用电介质上电润湿技术（EW0D)，用于控制使用扩大技术和标记技 术，这类技术通过使用带有模拟到数字转变系统的荧光灯和外部光学系统进行光学检测， 并允许电脑处理所需处理的大量产生数据。许多封装EW0D序列仪的实施具有玻璃衬底和 透明电极，这可能存在问题。例如，光线可以照射穿过玻璃衬底并照射进入进行分析的液滴 (在测序过程中）。在这个情况下，由于干涉图样具有折射的不同透明指数以及透明材料的 不同厚度，因此传导是非高效的。此外，EW0D测序仪中的集成滤色器可能会减小光射入传 感器阵列的效率。
[0005] 因此，存在改进生物实体操作器件和加工技术的需要。
【发明内容】
[0006] 为解决上述问题，本发明提供了一种集成半导体器件，用于操作和处理生物实体 样本，所述器件包括：下衬底；至少一个光信号导管，设置在下衬底上；至少一个保护接合 焊盘，设置在下衬底上和部分光信号导管的上方；保护件，包括上衬底且被配置以形成被保 护区域，并且设置在至少一个保护接合焊盘上，其中，至少一个光信号导管从被保护区域的 外侧延伸至被保护区域的内侧；微流体通道，微流体通道的第一侧形成在下衬底上，微流体 通道的第二侧形成在保护件上，保护件连接至衬底以便为包含生物实体样本的液滴提供微 流体通道，微流体通道连接至流体控制电路；光传感器阵列，连接至传感器控制电路；以及 逻辑电路，连接至流体控制电路和传感器控制电路，其中，在下衬底上形成流体控制电路、 传感器控制电路和逻辑电路。
[0007] 其中，流体控制电路、传感器控制电路和逻辑电路嵌入层间介电（ILD)层中，并且 ILD层上方进一步包括多个电极，多个电极连接至流体控制电路。
[0008] 其中，微流体通道的第一侧包括：高k介电层；以及疏水涂层，覆盖高k介电层。
[0009] 其中，疏水涂层是自组装单层或聚四氟乙烯层。
[0010] 其中，微流体通道的第二侧包括：介电层，位于保护件的上方；以及疏水涂层，位 于介电层的上方。
[0011] 该集成半导体器件进一步包括表面处理区域，表面处理区域设置在微流体通道的 第一侧的高k介电层上。
[0012] 其中，微流体通道连接至微流体网格，微流体网格连接至多个容器且被配置为允 许传输和混合多个容器中包含的流体，流体包括生物实体样本和试剂。
[0013] 其中，光信号导管被配置为将光传导到目标分子上，并且光检测器被配置为检测 来自目标分子的响应。
[0014] 其中，保护件是不透明的。
[0015] 该集成半导体器件进一步包括位于保护件上方和高k介电层下方的多个电极，其 中，电极是不透明的。
[0016] 此外，本发明还提供了一种集成半导体器件，用于操作和处理生物实体样本，所述 器件包括：下衬底；至少一个光信号导管，设置在下衬底上并且被配置为将光传导到目标 分子上；至少一个保护接合焊盘，设置在下衬底上和部分光信号导管的上方；保护件，包括 上衬底且被配置以形成被保护区域，并且设置在至少一个保护接合焊盘上，其中，至少一个 光信号导管从被保护区域的外侧延伸至被保护区域的内侧；具有受体的表面处理区域，设 置在被保护区域内和下衬底上，并且被配置为与目标分子相互作用；微流体通道，微流体通 道的底面形成在下衬底上，微流体通道的顶面形成在保护件上，保护件连接至衬底以便提 供微流体通道；以及光检测器，设置在下衬底内且被配置为检测来自目标分子的响应。
[0017] 其中，下衬底不包含滤色器。
[0018] 其中，微流体通道的底面和顶面包括疏水涂层。
[0019] 其中，微流体通道的底面和顶面还包括高k介电层。
[0020] 其中，氧化物或抗反射涂层设置在光检测器和表面处理区域之间。
[0021] 该集成半导体器件进一步包括设置在下衬底上的多个电极。
[0022] 此外，还提供了一种利用集成半导体器件操作和处理生物实体样本的方法，方法 包括：从第一容器中提供生物实体样本液滴，第一容器连接至微流体网格；使用电湿润效 应，将生物实体样本液滴从微流体网格传输到微流体通道，生物实体样本液滴与微流体通 道中的表面处理部相接触，其中，在下衬底上提供微流体通道的一侧；穿过设置在下衬底上 的光信号导管将光传导到表面处理部；以及使用光传感器阵列检测光信号，通过生物实体 样本液滴和表面处理部上的受体之间的相互作用来增强光信号，光传感器阵列形成在下衬 底上。
[0023] 该方法进一步包括：从连接至微流体网格的第二容器中提供试剂液滴；以及在微 流体网格中混合生物实体样本液滴和试剂液滴，以形成制备好的样本液滴。
[0024] 其中，将生物实体样本液滴从微流体网格传输到微流体通道的步骤包括将制备好 的样本液滴传输到微流体通道中。
[0025] 该方法进一步包括提供光缆输入端或提供光栅耦合器，其中光缆输入端用于为光 提供到光信号导管的光路径。
【专利附图】
【附图说明】
[0026] 图1是EW0D装置的截面图。
[0027]图2是使用电湿润以运输和操作生物实体样本液滴的流体控制系统的截面图。
[0028] 图3示出了使用电湿润流体控制系统可以实现特定动作的示意图。
[0029] 图4是用于传输及混合目标生物实体样本和生物试剂的微流体网格 (microfluidic grid)的不意图。
[0030] 图5是根据一个实施例的在生物实体操作和加工系统中使用的下晶圆的截面图。
[0031] 图6是根据另一实施例的在生物实体操作和加工系统中使用的下晶圆的截面图。
[0032] 图7是根据一个实施例的在生物实体操作和加工系统中使用的下晶圆的顶视图。
[0033] 图8A和图8B示出了根据一个实施例的在生物实体操作和加工系统中使用的下晶 圆上的光学导管和光输入的侧视图。
[0034] 图9A-图9F示出了根据一个实施例的用于形成生物实体操作和加工系统中使用 的下晶圆的方法的实施例的截面图。
[0035] 图10是根据一个实施例的可以在生物实体操作和加工系统中使用的上晶圆的截 面图。
[0036] 图11A和图11B示出了根据一个实施例的在生物实体操作和加工系统中使用的下 晶圆和上晶圆相接合的实施例的侧视图。
[0037] 图12是根据一个实施例的微流体生物实体操作和加工系统的截面图。
[0038] 图13是用于操作和加工生物实体样本的具有集成半导体器件的方法的流程图。
[0039] 本领域普通技术人员在阅读下面的详细描述后，将更清楚上面简要描述的附图中 公开的各种特征。
【具体实施方式】
[0040] 应该理解，以下公开内容提供了许多用于实施本发明的不同特征的不同实施例或 实例。以下描述组件和配置的具体实例以简化本发明。当然，这仅仅是实例，并不是用于限 制本发明。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 和第二部件直接接触形成的实施例，还可以包括附加部件插入形成在第一部件和第二部件 之间，从而使得第一部件和第二部件不直接接触的实施例。为了简化和清晰的目的，各个部 件可以以不同比例任意绘制。其中，不同图(通常在两个或更多图中)中所示的部件，为描述 清楚而使用相同的符号。但是，应该理解这并不用于限制这些部件。
[0041] 图1是电介质上电湿润（EW0D)装置100的截面图。装置100包括衬底102 (其 上具有三个材料层)。这些材料层包括电极层104、介电层106、和疏水（hydrophobic)涂层 108。电极层104通过开关112与可变电压源110相连。电压源110的另一端与探针114 相连。如图1所示，装置100将探针114设置为插入所示具有两不同状态的液滴中。当没 有电压通过探针114加载时，液滴的一个状态由液滴116A描述。由于疏水涂层108，液滴 116A具有所示接触角Θ"通过探针114从电压源110加载电压，可以减小接触角且增大接 触面积。因此，当加载电压时，液滴是液滴116Β。然后，接触角减小到θν，使液滴116Β的重 心接近下面的电极层104。加载电压导致的接触角改变根据下列等式与所加载电压相关。
【权利要求】
1. 一种集成半导体器件，用于操作和处理生物实体样本，所述器件包括： 下衬底； 至少一个光信号导管，设置在所述下衬底上； 至少一个保护接合焊盘，设置在所述下衬底上和部分所述光信号导管的上方； 保护件，包括上衬底且被配置以形成被保护区域，并且设置在所述至少一个保护接合 焊盘上，其中，所述至少一个光信号导管从所述被保护区域的外侧延伸至所述被保护区域 的内侧； 微流体通道，所述微流体通道的第一侧形成在所述下衬底上，所述微流体通道的第二 侧形成在所述保护件上，所述保护件连接至所述衬底以便为包含所述生物实体样本的液滴 提供所述微流体通道，所述微流体通道连接至流体控制电路； 光传感器阵列，连接至传感器控制电路；以及 逻辑电路，连接至所述流体控制电路和所述传感器控制电路，其中，在所述下衬底上形 成所述流体控制电路、所述传感器控制电路和所述逻辑电路。
2. 根据权利要求1所述的集成半导体器件，其中，所述流体控制电路、所述传感器控制 电路和所述逻辑电路嵌入层间介电（ILD)层中，并且所述ILD层上方进一步包括多个电极， 所述多个电极连接至所述流体控制电路。
3. 根据权利要求1所述的集成半导体器件，其中，所述微流体通道的第一侧包括： 高k介电层；以及 疏水涂层，覆盖所述高k介电层。
4. 根据权利要求3所述的集成半导体器件，其中，所述疏水涂层是自组装单层或聚四 氟乙烯层。
5. 根据权利要求1所述的集成半导体器件，其中，所述微流体通道的第二侧包括： 介电层，位于所述保护件的上方；以及 疏水涂层，位于所述介电层的上方。
6. 根据权利要求1所述的集成半导体器件，进一步包括表面处理区域，所述表面处理 区域设置在所述微流体通道的第一侧的高k介电层上。
7. 根据权利要求1所述的集成半导体器件，其中，所述微流体通道连接至微流体网格， 所述微流体网格连接至多个容器且被配置为允许传输和混合所述多个容器中包含的流体， 所述流体包括所述生物实体样本和试剂。
8. 根据权利要求1所述的集成半导体器件，其中，所述光信号导管被配置为将光传导 到目标分子上，并且光检测器被配置为检测来自所述目标分子的响应。
9. 一种集成半导体器件，用于操作和处理生物实体样本，所述器件包括： 下衬底； 至少一个光信号导管，设置在所述下衬底上并且被配置为将光传导到目标分子上； 至少一个保护接合焊盘，设置在所述下衬底上和部分所述光信号导管的上方； 保护件，包括上衬底且被配置以形成被保护区域，并且设置在所述至少一个保护接合 焊盘上，其中，所述至少一个光信号导管从所述被保护区域的外侧延伸至所述被保护区域 的内侧； 具有受体的表面处理区域，设置在所述被保护区域内和所述下衬底上，并且被配置为 与所述目标分子相互作用； 微流体通道，所述微流体通道的底面形成在所述下衬底上，所述微流体通道的顶面形 成在所述保护件上，所述保护件连接至所述衬底以便提供所述微流体通道；以及 光检测器，设置在所述下衬底内且被配置为检测来自所述目标分子的响应。
10. -种利用集成半导体器件操作和处理生物实体样本的方法，所述方法包括： 从第一容器中提供生物实体样本液滴，所述第一容器连接至微流体网格； 使用电湿润效应，将所述生物实体样本液滴从所述微流体网格传输到微流体通道，所 述生物实体样本液滴与所述微流体通道中的表面处理部相接触，其中，在下衬底上提供所 述微流体通道的一侧； 穿过设置在所述下衬底上的光信号导管将光传导到所述表面处理部；以及 使用光传感器阵列检测光信号，通过所述生物实体样本液滴和所述表面处理部上的受 体之间的相互作用来增强所述光信号，所述光传感器阵列形成在所述下衬底上。
【文档编号】G01N21/17GK104048919SQ201310364764
【公开日】2014年9月17日 申请日期:2013年8月20日 优先权日:2013年3月14日
【发明者】张华伦, 张仪贤, 郑创仁 申请人:台湾积体电路制造股份有限公司