在微流体结构中产生化学物图案的方法

在微流体结构中产生化学物图案的方法
【专利摘要】本发明提供了流通池和制造流通池的方法。该方法包括组合三个部分：第一衬底、第二衬底以及位于第一衬底和第二衬底之间的微流体流道，该微流体流道具有光刻胶干膜构成的壁。在第一衬底或第二衬底中形成有用于入口和出口的通孔。通过纳米压印光刻工艺将图案化的捕获点压印在第一衬底和第二衬底上。在其他实施例中，部分图案化的捕获点的选择性地粘附于表面化学物图案上，表面化学物图案由分别设置在软底层的露出部分上的氧化硅岛部形成。
【专利说明】
在微流体结构中产生化学物图案的方法

【技术领域】
[0001]本发明涉及生物传感器和形成生物传感器的方法。更具体地，本发明涉及微流体器件及其形成方法。

【背景技术】
[0002]生物传感器是用于感测和检测生物分子的器件并且基于电子、电化学、光学和/或机械的检测原理来进行操作。生物传感器可以感测或通过分子标签感测电荷、光子以及生物体或生物分子的机械性质。可以通过检测生物体或生物分子本身或通过具体的反应物与生物体或生物分子之间的相互作用和反应来实施检测。生物传感器在提高敏感性和增大信息内容的同时持续微型化从而减小样品尺寸。
[0003]流通池(flow cell)是一种生物传感器类型,其包括微流体结构,该微流体结构允许利用例如显微镜、分光镜或折射计，通过透明窗口对其内容进行外部检测。流通池包括多个在其上发生生化反应的捕获点(capture site)。可以对位于一个或若干个微流体流道上的或其中的(随机分布)捕获点进行图案化或不进行图案化。可以使用流通池来分析生物分子、进行反应以及辐照样品。例如，流通池可以用于使用光学感测的荧光染料来对脱氧核糖核酸(DNA)进行测序。
[0004]光学传感器技术得到持续性的改进，该改进源于使用更好的、具有更高像素和更好敏感性的照相机以从流通池中获得更多信息。得益于改进的光学感测技术，进一步使用半导体工艺技术使流通池中的捕获点微型化。例如，由于半导体制造工艺与生物应用之间的兼容性问题，以及半导体制造工艺上的限制和/或局限性，因此在使用半导体工艺制造流通池的过程中出现了挑战。


【发明内容】

[0005]根据本发明的一个方面，提供了一种形成流通池的方法，该方法包括:使用纳米压印光刻将图案化的助粘剂压印在第一衬底上；使用纳米压印光刻将生物介质压印在第一衬底上的图案化的助粘剂上以形成第一捕获点图案；在第一衬底和第二衬底中的至少一个上形成图案化的聚合物层；以及聚合物将第一衬底接合至第二衬底；其中，第一衬底和第二衬底中的至少一个是透明的。
[0006]优选地，该方法还包括:在压印生物介质之后软烘第一衬底。
[0007]优选地，该方法还包括:使用纳米压印光刻将图案化的助粘剂压印在第二衬底上；以及使用纳米压印光刻将生物介质压印在第二衬底上的图案化的助粘剂上以形成第二捕获点图案。
[0008]优选地，该方法还包括:在压印生物介质之后软烘第一衬底和第二衬底。
[0009]优选地，第一捕获点图案和第二捕获点图案是对准的。
[0010]优选地，该方法还包括:在第二衬底中用激光钻出一个或多个通孔。
[0011]优选地，聚合物接合包括:使第一衬底和第二衬底对准；安装第一衬底和第二衬底；以及在低于100摄氏度的温度下烘烤第一衬底和第二衬底。
[0012]根据本发明的另一方面，提供了一种形成流通池的方法，该方法包括:提供第一衬底，第一衬底具有基底、位于基底上的软底层以及涂覆的顶层；通过压印穿过涂覆的顶层并且停止在软底层和涂覆的顶层的界面的下方来压印表面化学物图案；将第一衬底暴露于助粘剂，助粘剂选择性地与涂覆的顶层发生反应并且粘附至涂覆的顶层；将第一衬底暴露于生物介质，生物介质选择性地粘附于助粘剂；在第一衬底或第二衬底上形成图案化的聚合物层；以及聚合物将第一衬底接合至第二衬底；其中，第一衬底和第二衬底中的至少一个是透明的。
[0013]优选地，涂覆的顶层是旋涂玻璃(SOG)氧化物。
[0014]优选地，软底层是热塑料树脂。
[0015]根据本发明的又一方面，提供了一种流通池，包括:第一衬底；第二衬底，具有通孔；图案化的光刻胶干膜，位于第一衬底和第二衬底之间，图案化的光刻胶干膜形成位于第一衬底和衬底之间的微流体流道的壁；以及多个图案化的捕获点，位于第一衬底和第二衬底中的至少一个上的微流体流道内，多个捕获点中的每个均包括图案化的助粘剂和生物介质；其中，第一衬底和第二衬底中的至少一个是透明的。
[0016]优选地，图案化的助粘剂和生物介质是共价键合的。
[0017]优选地，将图案化的捕获点设置在表面化学物图案上，并且表面化学物图案是分别被设置在基底上方的软底层的露出部分上的氧化硅岛部。
[0018]优选地，软底层包括铝、铜、钛、它们的合金或它们的组合。
[0019]优选地，软底层是热塑料树脂。
[0020]优选地，使多个图案化的捕获点凹进至第一衬底内、第二衬底内或这两者内。
[0021]优选地，第一衬底和第二衬底的厚度约为或小于1_。
[0022]优选地，透明衬底是石英。
[0023]优选地，多个第一图案化的捕获点位于第一衬底上，而多个第二图案化的捕获点位于第二衬底上，并且从上往下看时，多个第一图案化的捕获点未与多个第二图案化的捕获点对准。
[0024]优选地，生物介质是水凝胶。

【专利附图】

【附图说明】
[0025]当结合附图进行阅读时，根据下面详细的描述可以更好地理解本发明。应该强调的是，根据工业中的标准实践，各种部件没有被按比例绘制。实际上，为了清楚的讨论，各种部件的尺寸可以被任意增大或减小。
[0026]图1A和图1B是根据本发明的各个实施例的流通池的截面图；
[0027]图1C是根据本发明的各个实施例的流通池的顶视图；
[0028]图2A和图2B是根据本发明的一个或多个方面的制造流通池的方法的各个实施例的流程图；
[0029]图3A至图3L是根据本发明的图2A和图2B的方法的各个实施例的流通池的截面图；
[0030]图4是根据本发明的一个或多个方面的制造流通池的方法的一些实施例的流程图；
[0031]图5A至图5E是根据本发明的图4的方法的各个实施例的流通池的截面图；以及
[0032]图6A至图6J是根据本发明的一些实施例的流通池的截面图。

【具体实施方式】
[0033]应该理解，以下公开提供了多种不同实施例或实例，用于实现本发明的不同特征。下文中描述了组件和布置的特定实例以简化本发明。当然，这些仅是实例并且不旨在限制本发明。而且，在以下描述中，在第二部件上方或上形成第一部件可以包括第一部件和第二部件直接接触的实施例，也可以包括额外的部件可以形成在第一部件和第二部件之间使得第一部件和第二部件不直接接触的实施例。此外，在此可使用诸如“顶部”、“前面”、“底部”以及“后面”的空间关系术语，以提供元件之间的相对关系且并不旨在暗指任何绝对的方向。为了简明和清楚可以任意比例绘制各个部件。
[0034]流通池包括多个生物受体，这些生物受体在一个或多个图案化的捕获点中与具有不同特性的生物材料发生反应。一种这样的反应是聚合酶链式反应(PCR)，它可以在一个位点上乘以分子链个数的数量级。使用多种方法来区分用于检测的不同的反应物和反应。一种常用的方法是使用荧光或磷光标签标记反应，可以从外部拍摄到这种荧光或磷光标签放射的可检测的光子。可以制造不同标记以放射不同的荧光、磷光或其他可检测和可区分的辐射。可以基于转换的信号来确定检测的性质。转换的信号可以是光子，例如，产生不同波长的光以用于不同的生物材料或反应。在对脱氧核糖核酸(DNA)测序的实例中，对于不同的DNA碱基(例如，A、G、C和T)可以放射出不同的颜色。
[0035]生物受体位于将生物材料输送至传感器的各个微流体流道内。微流体流道可以是微流体系统的一部分，该微流体系统包括泵、阀门和各种测量器件，诸如，流量计、压力传感器和温度传感器。流体处理和传感的组合可有益地成为一体。
[0036]半导体工艺通常包括烘烤、固化和将各种表面暴露于等离子体能量和辐射能量。在高温(例如，约100摄氏度以上或150摄氏度以上)和/或高能条件下，这些工艺可能损害或毁坏通常是脆弱的生物分子或非常薄的表面化学物层的有机的生物受体和捕获点。根据各个实施例，捕获点的表面改性化学物包括助粘剂(adhesive promoter)层(例如,六甲基二硅氮烷(HMDS)或3-氨丙基三乙氧基硅烷(APTES))以及生物介质层(例如，琼脂或水凝胶)。在一些实施例中，可以混合助粘剂层和生物介质层并且一起应用于表面。通常表现为硅烷形式的助粘剂粘附在含硅的表面上。生物介质层粘附于助粘剂。如果没有助粘剂，生物介质可能从含硅的表面上脱离。
[0037]因此，通常在所有半导体工艺都完成之后对粘附有生物分子的表面进行生物功能化，从而避免它们暴露于高温工艺。在一些设计中，微流体流道与捕获点一起直接形成在衬底上，通常衬底为透明衬底(诸如，石英)或不透明衬底(诸如，硅晶圆)。流通池的至少一侧是透明的从而允许对发出的辐射进行光学感测。词语“透明的”的使用并不旨在将本发明的衬底限制为100%透光的衬底。反之，本发明中所使用的透明的与本领域的通常用法一致，指的是具有足够的透射率以获得所得到的器件的期望的功能。
[0038]在其他设计中，微流体流道形成在微流体衬底上，该微流体衬底随后与另一个具有捕获点的衬底相接合。在微流体流道位于其中之一的衬底的情况下，微流体流道的形成(通常是在衬底中蚀刻流道或通孔)可能难以在透明衬底上制造。当使用高温接合工艺时，为了避免损坏，要在接合工艺和形成微流体流道之后，将温度敏感材料沉积在微流体流道的内壁上。高浓度的材料经过对材料具有一定亲合力的微流体流道表面而流过每个流通池。然而，附在表面上的材料的密度和厚度均难以控制，并且这种工艺较缓慢并且浪费温度敏感材料。在一些情况下，随着试剂的浓度从入口至出口发生改变，材料密度在整个流通池或一批流通池(不统一)内发生变化。随机的、未对准的位置以及不均匀的浓度使得采用图像处理算法对不同位点上的可检测的活动的分辨变得复杂。这些位置可以彼此覆盖并且难以分辨。随机性还使得不同的流通池之间难以发生关联，因为每个流通池都具有不同的捕获点布置。
[0039]本发明的各个实施例关注的是晶圆级工艺以及通过避免高温处理和/或允许对透明衬底使用捕获点密集图案而不进行传统光刻来解决这些问题中的多个问题的流通池。生物受体(例如，DNA引物)在流通池制造后附着在捕获点上。使用助粘剂层和生物介质来图案化位点位置以形成捕获点。密度问题以及随机、未对准的位置问题均通过迫使生物受体仅粘附在图案化的捕获点上来解决。所选择的用于捕获点的材料允许在制造流通池中使用特定的半导体工艺(在其他情况下不能被使用)，例如，使用低温烘烤和固化的工艺。本发明的各种方法实施例可以在半导体制造设备中实施。更具体地说，对诸如石英和玻璃的透明衬底上的材料的处理以及对透明衬底的蚀刻通常不与CMOS工艺的一些阶段兼容，其原因在于例如对玻璃的处理可以引入对于其他CMOS工艺而言被视为污染物的颗粒。本发明的一些实施例包括当将玻璃用作透明衬底时，对玻璃不进行处理或最小限度对玻璃进行处理。
[0040]在某些实施例中，通过组合两个衬底(其中至少一个是透明的)来形成本发明的流通池。图1A至图1C是根据本发明的一些实施例的流通池100的截面图和顶视图。图1A是通过图1C的剖面线A-A’截取的流通池100的截面图。图1B是通过图1C的剖面线B-B’截取的视图。流通池100包括第一衬底101，该衬底接合至透明衬底103。第一衬底101具有微流体入口 107/109以及为流出口 109/107。微流体流道图案表示为流道111、113和115。各种流道111、113和115均通过多个路径相互连接，且根据流通池的设计各种流道可以是不同尺寸的。流道包括多个位于接近透明衬底103的流道底部上的或位于第一衬底101上的流道顶部(或两者都有)的捕获点117。图1A和图1B示出了位于流道111和113的顶部和底部上的捕获点117。捕获点117形成在第一衬底101和透明衬底103上。捕获点117在不同的流道中可以具有不同的密度。在一些实施例中，第一衬底101和透明衬底103上的捕获点117在顶视图中是对准的。在其他实施例中，第一衬底101和透明衬底103上的捕获点117在顶视图中是偏移的，从而使得光学探测器在每个位置上仅仅看到一个捕获点117。
[0041]捕获点具有特定的允许一些材料与其相结合的化学物质。根据各个实施例，将其上可以接合多种生物材料的生物介质(包括琼脂或聚乙二醇(PEG)水凝胶)沉积在捕获点上。生物介质通过助粘剂层连接至衬底上的捕获点上，该助粘剂层可以是3-氨丙基三乙氧基硅烷(APTES)或六甲基二硅氮烷(HMDS)。
[0042]接合聚合物层沉积在第一衬底101和透明衬底103之间。接合聚合物层119限定出微流体流道111、113和115，并且将相邻接的微流体流道彼此密封隔绝。接合聚合体层119粘附在第一衬底101和透明衬底103上，并且还沿着外周密封流通池100，使得通向微流体流道111、113和115的唯一通道穿过入口 /出口 107/109。
[0043]图2A是根据本发明的一个或多个方面的制造流通池器件的方法200的一些实施例的流程图。图3A至图3L是根据图2A的方法200的一个或多个步骤构造的部分制造的流通池器件的截面图。
[0044]在图2的操作202中，在第一或第二衬底中以激光钻出通孔。其他形成通孔的技术包括各种蚀刻技术和射流钻孔。圆柱形孔的激光钻孔基本上通过吸收源于聚焦的激光束的能量以熔融和蒸发(也称为“烧蚀”)衬底材料而实现。根据激光能量的方向，激光钻出的通孔可以在截面上具有倒梯形形状。在一些实施例中，通过微爆钻孔或超声钻孔来形成通孔。微爆炸通过驱动空气或惰性气体的高速液流来去除材料，空气或惰性气体包括精细研磨的粒子，其直径通常约为0.0Olmm至0.025_。超声钻孔包括使用高频振动来一点点锤击穿过材料。根据用来形成通孔的工艺，需要通过蚀刻或清洁将副产物从衬底上去除。
[0045]每个流通池形成至少两个通孔-进口和出口。两个以上的通孔可以用于不同的进口流体，或者如果流通池执行分析物分离，则使用一个以上的出口。通孔可以形成在分开的衬底或同一衬底上。两个通孔可以形成在同一衬底上，第一衬底或者第二衬底上。图3A是在形成通孔之前衬底301的截面图。图3B是其中具有通孔303的衬底301的截面图。
[0046]在操作204至208中，在第一衬底上形成多个第一捕获点。在操作204中，纳米压印光刻(NIL)模具(stamp)将图案化的助粘剂压印在第一衬底上。在NIL工艺中，样品液(也称为墨水)在压印动作中转移到平坦的目标面上。模具可以是有机硅材料，诸如，聚二甲基硅氧烷(PDMS )、硅材料或氧化硅材料。通过模制、光刻图案化或离子束图案化形成岛部。根据所使用的工艺，岛部可以是具有较小节距的小型部件。例如，岛部可以是十几埃，其在横向上的节距处于相同的数值范围内。在一些实例中，每个岛部均具有约10至50埃的宽度和长度。在其他实例中，每个岛部均可以具有约50至200埃的宽度和长度。岛部尺寸由流通池的使用来决定。对于DNA测序而言，其中，通过光学感测仪器可检测到较小的簇，岛部可以为约20埃。如果流通池与细胞或较大的生物分子共同工作，那么可以使用较大的岛部。
[0047]岛部与储液器中的液体样品相接触，就像模具首次接触墨水池。一些液体样本通过岛部保留在岛部表面上。然后将模具压在衬底的表面上从而将至少一部分液体样品从岛部表面转移到衬底表面。图3C示出了第一衬底301和位于第一衬底301上方的NIL模具305。第一衬底301可以是石英、硅、蓝宝石、碳化硅或不与分析物发生反应的透明的或非透明的衬底。NIL模具305包括在其表面上具有助粘剂309的多个岛部307。助粘剂是接合至衬底301的液态化学物质(例如，硅烷基的或含硫基的分子)，并且可以与生物介质相接合从而将生物介质固定在衬底上。在一些实施例中，助粘剂是HMDS或APTES。
[0048]NIL模具305与第一衬底301相接触并且如图3D所示那样被提起。助粘剂309的一部分遗留下来并且在第一衬底301上形成助粘剂压印。助粘剂压印可以是单层。第一衬底上的图案化的助粘剂309具有与NIL模具305上的岛部307相同的图案。助粘剂的转移可以是不完全的，一些助粘剂材料可以保留在岛部307上。另外，虽然在图3C中助粘剂309仅仅涂在岛部307上，但助粘剂309可以存在于NIL模具305中的岛部307之间的凹陷区域中。然而，由于仅岛部表面接触第一衬底301，所以位于岛部之间的附加的助粘剂309不影响压印的图案。
[0049]在图2A的操作206中，NIL模具将生物介质压印在第一衬底上的图案化的助粘剂上。助粘剂和生物介质形成捕获点。图案化的助粘剂和位于图案化的助粘剂上的生物介质形成捕获点图案。用于压印生物介质的NIL模具可以是用于压印助粘剂的相同的NIL模具或具有相同的岛部图案的不同的NIL模具。图3E示出了第一衬底301和位于第一衬底301上方的NIL模具315。NIL模具315包括表面上具有生物介质材料311的多个岛部307。生物介质材料是可接合至引物的支持介质以在流通池中发生反应。生物介质可以是天然的或人造的材料。在一些实施例中，生物介质材料是琼脂或水凝胶，例如，聚乙二醇(PEG)水凝胶。
[0050]NIL模具315与第一衬底301相接触且如图3F所示那样被提起。生物介质311的一部分遗留在第一衬底301上的助粘剂309上。由于将生物介质311直接压印在助粘剂图案309上，所以NIL模具315要仔细地与助粘剂图案309对准。可以多次实施生物介质311的压印从而增大生物介质311层的厚度。第一衬底上的图案化的生物介质311具有与NIL模具315上的岛部317相同的图案。在一些实施例中，图3C的NIL模具305和图3E的NIL模具315由不同的材料形成但具有相同的岛部图案。可以不完全转移生物介质，一些生物介质可以保留在岛部317上。另外，虽然在图3E中生物介质311仅仅涂在岛部317上，但生物介质311可以存在于NIL模具315的岛部317之间的凹陷区域中。然而，由于仅岛部表面接触第一衬底301，所以位于岛部之间的额外的生物介质311不影响压印的图案。
[0051]根据用作助粘剂和用作生物介质的具体材料，可以在相对较低的温度下烘烤衬底从而使生物介质和助粘剂形成共价键合。在一些实施例中，在40摄氏度至200摄氏度下形成共价键。在一些实施例中，使用用于固化的UV/Vis/IR光来辐照材料从而促进共价键合。捕获点包括助粘剂层和键合在助粘剂层上方的生物介质层。
[0052]重新参考图2A，在操作210中，在第一衬底或第二衬底上形成图案化的聚合物层。可以在形成捕获点之前或之后形成图案化的聚合物层。在一些实施例中，通过使用光刻胶(PR)干膜来形成聚合物层。将PR干膜应用于衬底，第一衬底或第二衬底。然后使PR干膜暴露于用于图案化的光线并且显影从而去除PR干膜中未曝光的部分。在一些实施例中，取决于PR干膜的类型，去除曝光的部分。选择用来溶解PR干膜的显影剂以具有生物兼容性。PR膜具有低溶剂含量，由此在低于100摄氏度(例如，约在90摄氏度)的低烘烤温度下PR膜将硬化。在低温下，已经形成的捕获点将不会受损。图案化的聚合物层变成微流体流道的外壁并且密封流通池。图3G和图3H是衬底351在形成图案化的聚合物层353之前和之后的截面图。图案化的聚合物层353具有介于约10微米至几百微米之间的厚度。例如，图案化的聚合物层353可以为约100微米。
[0053]重新参考图2A，除了 NIL模具形状不同，对第二衬底进行的操作212至216 (图31至图3L)与对第一衬底进行的操作204至208 (图3C至图3F)相同。当在第二衬底上形成捕获点时使用操作212至216。当在捕获点之前形成图案化的聚合物层时，对NIL模具进行适当塑形以插入到聚合物图案之间。根据一些实施例，使用聚合物层图案来对准NIL模具。参考图31，具有流道基底356、岛部357以及助粘剂359的NIL模具355插入到聚合物图案353之间从而将助粘剂359压印到第二衬底351上。在一些实施例中，流道基座356具有一个成角度的侧面或两个成角度的侧面，从而形成梯形形状以在压印过程中将NIL模具355与微流体流道对准。在图3J中，NIL模具355从第二衬底351上提起，将图案化的助粘剂359遗留在第二衬底351上。在图3K中，NIL模具365将生物介质361压印在助粘剂359上。在图3L中，NIL模具365从第二衬底351上提起，留下生物介质361。操作216与操作208相同，并且如果通过软烘操作接合捕获点中的材料时，则可以使用该操作。在所示的实施例中，图案化的聚合物层形成在第一和第二衬底上。在其他实施例中，图案化的聚合物层可以仅形成在第一和第二衬底中的一个上，并且随后与第二和第一衬底中的另一个相接合。
[0054]重新参考图2A，在操作218中，第一衬底和第二衬底通过第一衬底或第二衬底上的图案化的聚合物层进行接合。在一些实施例中，图案化的聚合物层以非重叠或重叠的方式形成在第一衬底和第二衬底两者上。重叠的实施例可以用于增大微流体流道的高度。图2B是示出了操作218的更多细节的工艺流程图。在操作220中，第一衬底和第二衬底是对准的。可以通过第一衬底和第二衬底上的对准标记来实施对准。如果使用对准标记，该对准标记则设置在衬底中位于流通池外侧的区域上。对准标记可以设置在划线区域中，该划线区域将在将接合的衬底切块时随后被去除。对准标记也可以是流通池的一部分。例如，可以使用图案化的聚合物层作为对准标记来实施对准。
[0055]在操作222中，安装第一衬底和第二衬底。在一些实施例中，当定位传感器可以使用位于非透明衬底上的并且可透过透明衬底探测到的部件时，将透明的衬底安装在非透明的衬底上。在安装衬底之后，在操作224中，在低于100摄氏度的温度下烘烤第一衬底和第二衬底，在烘烤过程中可以具有或不具有向下的压力。除了烘烤之外，可以应用紫外(UV)线代替烘烤来促进聚合物层与衬底的接合。一旦接合，图案化的聚合物层形成接合的衬底的密封件。接合操作可以包括烘烤、机械压力应用以及UV光线中的一个或多个。在某些实施例中，UV光线可以是图案化的，由此将这种应用指向聚合物层的区域而不指向捕获点。用来形成图案化的聚合物层的光刻掩模可以用来图案化UV光线。
[0056]在接合操作之后，将任意的背面胶带或承载装置(handling apparatus)从接合的衬底上去除。在一个实施例中，UV胶带应用于一个衬底上从而有助于承载。将衬底和聚合物相接合的UV光线也可以降解胶带上的粘合剂从而使其容易地去除。在接合操作之后，可以将衬底切块或单一化从而形成如图1A至图1C中所示的单个的流通池。可以在切割之前或之后去除胶带。由此形成的流通池具有图案化的捕获点，这些捕获点具有小尺寸和高密度从而能够在诸如DNA测序的生物反应过程中捕获更多信息。缩短了对目标进行测序的时间。NIL压印工艺允许在形成捕获点之前将图案化的聚合物层形成在衬底上，从而降低了用于PR干膜的光刻工艺中的用作显影剂的化学物质或其他部分对捕获点上的化学物质造成影响的可能性。另外避免了使用化学机械抛光(CMP)在蚀刻的缺角(divot)中形成捕获点的潜在的损害性操作。这个方法还允许在半导体制造中使用透明的衬底，而不存在由于蚀刻玻璃或石英衬底引起的污染问题。
[0057]本发明还涉及了使用INL工艺在衬底上形成捕获点的可选的方法。图4是形成捕获点的方法400的流程图。图5A至图5E中的截面图与方法400中的各个操作相应。在操作402中，提供了具有基底、基底上的软底层以及涂覆的顶层的衬底。
[0058]图5A是包括基底501、软底层503和涂覆的顶层505的衬底500的截面图。基底501可以是透明的衬底或非透明的衬底。软底层503比NIL模具柔软并且允许NIL模具令软底层503变形。软底层503可以是热塑料树脂或金属层。金属层可以包括铝、铜、钛和它们的合金中的一种或多种。软底层503具有介于约3微米至约10微米之间的厚度。软底层503可以使用包括物理汽相沉积(PVD)、化学汽相沉积(CVD)或旋涂工艺的半导体沉积工艺沉积在衬底501上。涂覆的顶层505是厚度介于约1000埃至约5000埃之间的氧化硅。涂覆的顶层505可以是使用旋涂工艺沉积的旋涂玻璃(SOG)。SOG可以部分固化或完全固化并且是薄而软的，从而允许NIL模具穿透。
[0059]在图4的操作404中，通过使NIL模具压印穿过涂覆的顶层并且停止在软底层和涂覆顶层的界面之下来形成表面化学物图案。图5B包括NIL模具507。在压印的工艺中，NIL模具507穿透涂覆的顶层505，在软底层503中形成凹痕，并且在不到达基底501的情况下停止。NIL模具507可以是可以图案化以形成穿孔部件509的硅材料、氧化硅材料、蓝宝石或其他硬质材料。通过光刻图案化或离子束图案化来形成穿孔部件509。根据所使用的工艺，穿孔部件509可以是小型的并且具有小节距。例如，穿孔部件509可以是十几埃，其在横向上的节距处于相同的数值范围内。在一些实例中，每个穿孔部件509都可以具有约10至50埃的宽度和长度。在其他实例中，每个穿孔部件509都可以具有约50至200埃的宽度和长度。穿孔部件节距尺寸由使用的流通池来决定。对于DNA测序而言，其中，可以通过光学感测仪器探测到较小的簇，穿孔部件可以为约40埃。如果流通池与细胞或大型的生物分子共同工作，那么可以使用较大的节距。穿孔部件509的厚度由涂覆的顶层505和软底层503的厚度来决定。由于压印被设计成在到达基层501之前停止，所以穿孔部件厚度小于涂覆的顶层505和软底层503的厚度之和。
[0060]可以对穿孔部件509表面进行表面处理从而增大其硬度并且确保其在压印操作过程中不与衬底500上的材料相接合。例如，可以使用约200至460摄氏度下的附加的烘烤操作或UV固化来硬化穿孔部件。可在压印操作之后清洁衬底500从而确保不会有氧化硅材料余留在开口 511的底部。将检查NIL模具507并且如果需要的话将其更换从而确保压印操作过程中的机械完整性。
[0061]如图5C所示，将NIL模具507提起，在涂覆的顶层505和软底层503中的衬底500中留下开口 511。涂覆的顶层505的剩余部分是表面化学物图案。在后续的操作中捕获点形成在表面化学物图案上。因此，穿孔部件的尺寸并不限定捕获点的尺寸，而是穿孔部件之间间距的尺寸限定了捕获点的尺寸。
[0062]参考图4，在操作406中，将衬底暴露于仅与涂覆顶层发生反应并且粘附其上的助粘剂。根据各个实施例，软底层不与助粘剂形成接合。在一些实施例中，选择软底层从而不会被助粘剂浸润。可通过旋涂和冲洗工艺将衬底暴露于助粘剂。助粘剂选择性地粘附在含硅的表面，尤其是含有氧化硅的图案化的涂覆顶层上。软底层覆盖和保护下面的基底使其不受到助粘剂的损害。然后，在操作408中，将衬底暴露于仅粘附于助粘剂的生物介质。涂覆顶层的每个图案化的部件均变成具有助粘剂层和其上的生物介质的捕获点。
[0063]图是衬底500在助粘剂513粘附在图案化的涂覆顶层之后的截面图。如图所示，助粘剂513粘附在图案化的涂覆顶层的顶部和侧面，该图案化的涂覆顶层是位于软底层的露出部分上方的氧化硅岛部。捕获点是三维的，诸如箱型或圆柱型。在一些实施例中，捕获点具有顶面和四个侧壁。在其他实施例中，捕获点具有顶面和环形侧壁。与仅具有一个顶面的二维捕获点相比，三维的形状允许将更多表面区域用作捕获点。
[0064]在操作410中，软烘衬底从而使生物介质和图案化的助粘剂形成共价键合。操作410与图2A中的操作208相同。在操作410之后，捕获点形成在衬底上。图4的方法400可以用来在一块或多块衬底上制备捕获点。图5E是流通池550的截面图。流通池550包括两个基底551和553，两者均具有捕获点555。基底551、软底层561和捕获点555是第一衬底。基底553、软底层561和捕获点555第二衬底。每个捕获点555均包括由涂覆顶层形成的氧化硅岛部，该涂覆顶层位于由压印操作形成的软底层561的露出的部分上方。
[0065]基底553包括通孔557，可以在沉积软底层之后以及可选择地沉积涂覆顶层之后形成该通孔。尽管仅仅示出了一个通孔557，但其中形成有两个或更多通孔的实施例是可预期的。图案化的聚合物层559设置在第一衬底和第二衬底之间并且限定出微流体流道壁。图2A和图2B的操作218中的聚合物接合工艺用于附着图案化的聚合物层。虽然图5E示出了设置在两个软底层561之间的图案化的聚合物层，但其他实施例可以包括直接接触基底551和553的图案化聚合物层。
[0066]在一些实施例中，在衬底接合之后形成捕获点。在图4的压印操作404之后，使用图案化的聚合物层来接合衬底。然后，通过流过助粘剂层和/或生物介质来完成捕获点。由于暴露的涂覆顶层选择性地与助粘剂材料相接合，可使助粘剂流经微流体流道并将其冲洗，随后，可使生物介质材料流经微流体流道并将其冲洗。该可选的实施例具有不会令捕获点的化学物质暴露于任何高温的优点；然而，捕获点上的不同层的厚度难以控制。
[0067]根据一些实施例，流通池可以包括如图6A至图6J所示的凹进的捕获点。在图6A中，提供了透明的衬底601和承载装置603。承载装置(不透明层)可以是胶带/聚合物或通过PVD/CVD沉积的多层膜，或者是与透明衬底601相接合的另一个衬底。在图6B中，衬底上形成了数个凹槽605。在一些实例中，通过图案化并且蚀刻透明衬底601来形成凹槽605。在图6C中，在凹槽中形成捕获点607。在一些实施例中，通过对助粘剂和生物介质顺序进行NIL压印来形成捕获点607。在其他实施例中，通过对助粘剂和生物介质的混合物进行组合NIL压印来形成捕获点。在另外的其他实施例中，通过连续地沉积助粘剂和生物介质以及通过CMP去除不在凹槽中的部分来形成捕获点607。在图6D中，根据之前描述的图2A的操作210，在透明衬底601上形成图案化的聚合物层609。
[0068]在图6E中，提供了第二衬底611。第二衬底611可以是透明的或非透明的。在图6F中，以与在第一衬底601中形成凹槽605类似的工艺在第二衬底611中形成凹槽613。在图6G中，以与图2A的操作202所述的类似的工艺在第二衬底611中形成一个或多个通孔615。在图6H中，以与在第一衬底中形成捕获点607类似的工艺在第二衬底611中形成捕获点617。
[0069]在图61中，根据图2A的操作218所描述的聚合物接合工艺接合图6D和图6H中的两个衬底。在图6J中，从图61的流通池中去除承载装置603。
[0070]根据各个实施例，流通池中的捕获点可以具有相对平坦的表面(图1A至图1C)、突出的三维(3-D)结构(图5E)或凹进的结构(图6J)。可以使用所描述的NIL压印工艺来制造各个捕获点结构。在一个流通池中，位于一侧的捕获点可以具有与位于另一侧的捕获点不同的结构。例如，在一些实施例中，流通池的一侧可以具有突出的3-D捕获点，而相对侧可以具有凹进的捕获点。对捕获点的设计的考虑其中包括微流体流道中的预期的流速、生物样品的尺寸、流通池中的预期反应的性质、最大化表面区域或分离各簇的重要性以及制造费用。
[0071]本发明的一方面涉及了一种流通池的制造方法，该方法包括:使用纳米压印光刻将图案化的助粘剂压印在第一衬底上；使用纳米压印光刻将生物介质压印在第一衬底上的图案化的助粘剂上从而形成第一捕获点图案；在第一衬底或第二衬底上形成图案化的聚合物层；以及聚合物将第一衬底接合至第二衬底。第一衬底或第二衬底或两个衬底均是透明的。该方法还包括在压印生物介质之后软烘第一衬底从而使生物介质和图案化的助粘剂形成共价键合。在一些实施例中，该方法还包括使用纳米压印光刻将图案化的助粘剂压印在第二衬底上以及使用纳米压印光刻将生物介质压印在第二衬底上的图案化的助粘剂上从而形成第二捕获点图案。在顶视图中第一捕获点图案和第二捕获点图案可以是对准的。在一些实施例中，该方法还包括在第二衬底中用激光钻出一个或多个通孔。聚合物接合操作可以包括使第一衬底和第二衬底对准，安装第一衬底和第二衬底，以及在低于100摄氏度的温度下烘烤第一衬底和第二衬底。
[0072]本发明的另一个方面涉及了一种制造流通池的方法。该方法包括:提供具有基底、位于基底上的软底层以及涂覆的顶层的第一衬底；通过压印穿过涂覆顶层并且在软底层和涂覆顶层的界面以下停止来压印表面化学物图案；将第一衬底暴露于助粘剂；将第一衬底暴露于生物介质；在第一衬底或第二衬底上形成图案化的聚合物层；以及聚合物将第一衬底接合至第二衬底。助粘剂仅与涂覆的顶层发生反应并且粘附其上，而生物介质仅粘附于助粘剂。第一衬底或第二衬底或两个衬底均为透明的。在一些实施例中，涂覆的顶层是旋涂玻璃(SOG)氧化物。在一些实施例中，软底层是热塑料树脂。
[0073]本发明还涉及了一种具有透明衬底以及可以是透明的或不透明的底部衬底的流通池。衬底之一具有通孔。该流通池还包括位于第一衬底和第二衬底之间的图案化的光刻胶干膜。图案化的聚合物层形成位于第一衬底和第二衬底之间的微流体流道的壁面。多个图案化的捕获点位于第一衬底、第二衬底或这两者上的微流体流道内。多个捕获点分别包括图案化的助粘剂和生物介质。图案化的助粘剂和生物介质可以形成共价键合。图案化的捕获点可以设置在表面化学物图案上，该表面化学物图案具有分别设置在基底上方的软底层中的露出部分上的氧化硅岛部。软底层可以是铝、铜、钛、它们的合金、它们的组合，或热塑料树脂。可使多个图案化的捕获点凹进至第一衬底、第二衬底或这两者中，直接形成在第一衬底、第二衬底或这两者的平坦的表面上。第一衬底和第二衬底可以约为或小于Imm厚并且可以由石英形成。生物介质是水凝胶。
[0074]在描述这些实施例的一个或多个时，本发明可以提供若干优于现有技术装置的优点。在讨论实施例所涵盖的优点或益处时，应该注意这些益处和/或结果可能存在于一些实施例中，但并不是在每个实施例中均是必要的。另外，应该理解，在此所公开的不同的实施例提供了不同的特征和优点，并且可以在不背离本发明的精神和范围的情况下，做出多种改变、替换和变化。
【权利要求】
1.一种形成流通池的方法，所述方法包括: 使用纳米压印光刻将图案化的助粘剂压印在第一衬底上； 使用纳米压印光刻将生物介质压印在所述第一衬底上的所述图案化的助粘剂上以形成第一捕获点图案； 在所述第一衬底和第二衬底中的至少一个上形成图案化的聚合物层；以及 聚合物将所述第一衬底接合至所述第二衬底； 其中，所述第一衬底和所述第二衬底中的至少一个是透明的。
2.根据权利要求1所述的方法，还包括: 在压印所述生物介质之后软烘所述第一衬底。
3.根据权利要求1所述的方法，还包括: 使用纳米压印光刻将图案化的助粘剂压印在所述第二衬底上；以及使用纳米压印光刻将生物介质压印在所述第二衬底上的所述图案化的助粘剂上以形成第二捕获点图案。
4.根据权利要求3所述的方法，还包括: 在压印所述生物介质之后软烘所述第一衬底和所述第二衬底。
5.根据权利要求3所述的方法，其中，所述第一捕获点图案和所述第二捕获点图案是对准的。
6.根据权利要求1所述的方法，还包括: 在所述第二衬底中用激光钻出一个或多个通孔。
7.根据权利要求1所述的方法，其中，所述聚合物接合包括: 使所述第一衬底和所述第二衬底对准； 安装所述第一衬底和所述第二衬底；以及 在低于100摄氏度的温度下烘烤所述第一衬底和所述第二衬底。
8.一种形成流通池的方法，所述方法包括: 提供第一衬底，所述第一衬底具有基底、位于所述基底上的软底层以及涂覆的顶层；通过压印穿过所述涂覆的顶层并且停止在所述软底层和所述涂覆的顶层的界面的下方来压印表面化学物图案； 将所述第一衬底暴露于助粘剂，所述助粘剂选择性地与所述涂覆的顶层发生反应并且粘附至所述涂覆的顶层； 将所述第一衬底暴露于生物介质，所述生物介质选择性地粘附于所述助粘剂； 在所述第一衬底或第二衬底上形成图案化的聚合物层；以及 聚合物将所述第一衬底接合至所述第二衬底； 其中，所述第一衬底和所述第二衬底中的至少一个是透明的。
9.根据权利要求8所述的方法，其中，所述涂覆的顶层是旋涂玻璃(SOG)氧化物。
10.一种流通池，包括: 第一衬底； 第二衬底，具有通孔； 图案化的光刻胶干膜，位于所述第一衬底和所述第二衬底之间，所述图案化的光刻胶干膜形成位于所述第一衬底和所述衬底之间的微流体流道的壁；以及 多个图案化的捕获点，位于所述第一衬底和所述第二衬底中的至少一个上的微流体流道内，所述多个捕获点中的每个均包括图案化的助粘剂和生物介质； 其中，所述第一衬底和所述第二衬底中的至少一个是透明的。
【文档编号】G01N21/05GK104515737SQ201310689189
【公开日】2015年4月15日 申请日期:2013年12月12日 优先权日:2013年9月27日
【发明者】蔡尚颖, 洪丽閔, 彭荣辉 申请人:台湾积体电路制造股份有限公司