多孔基材中波导的制作方法

专利名称：多孔基材中波导的制作方法
描述本发明系关于一种根据权利要求1所述之装置、一种根据权利要求19所述之装置用途、根据权利要求20、22与24之化学物质或生化反应及/或键结的检测方法，以及关于一种根据权利要求18之准备一装置的方法。
本发明之装置适合在生化(键结)反应的检测方法中，作为生物芯片基础组件(biochip base modules)中之基料(bases)，且特别是基于研究酵素反应、核酸杂交、蛋白质-蛋白质间相互反应、以及其它在生物学与医学上关于基因组、含基因组织蛋白质、或是药物研究等之目的。
目前在分子生物学领域中，生物芯片正逐渐被使用以快速获得组织与器官之相关讯息；化学(生化)反应之检测，意即在已定义测试材料中的生化相关分子之检测，在生物科学与医学诊断中是格外重要的；因为这样的原因，生物芯片的发展正持续地在进行中。这样的生物芯片通常是小型的复合功能组件，其具有生物与科技组件，特别是固定于生物芯片基础组件表面上、以及作为特定反应共同参与者之生物分子。这些功能组件通常被结构化为具有行列之形式，因而又称之为「微数组(microarray)」；由于在一个芯片上可能配置有上千的生物或生化功能组件，因此这些芯片通常以微技术(microtechnical)之方法来制造。
特别适用的生物与生化功能组件为去氧核醣核酸(DNA)、核醣核酸(RNA)、氨核酸(PNA)(在核酸与其化学衍生物中，举例而言，可能存在单一组成部分如寡核酸、三股结构或其组合)、糖类、缩氨酸、蛋白质(例如抗体、抗原、受体)、组合化学物质之衍生物(例如有机分子)、细胞组成(例如细胞器)、个别细胞、多细胞组织与细胞集合。
「微数组」是最广泛的生物芯片变体，其为如玻璃、金、塑料或硅等所制成之小晶圆(芯片)。举例而言，为了检测所对应的生物或生化(键结)反应，少量的所溶解之不同探针分子(capture molecule)，如已知的核酸序列，系以非常小液滴之形式(亦即一“点”)点状式地或矩阵式地固定在生物芯片基础模块的表面。
在实际应用上，每一芯片系使用了数百甚至数千液滴，举例而言，欲进行研究的一可能包含了以萤光所标记之目标分子的分析物系被送达表面；这一般导致该分析物中所含的目标分子与该等固定的探针分子之间不同的化学(键结)反应。如上述所提及，为了观察该等反应或键结，该等目标分子系以通常为萤光物质之染料分子组成所标记；自该萤光物质所放射光线之存在与强度提供了关于在基材上个别液滴中反应或键结的发展之信息，因此而可得到关于目标分子及/或探针分子的存在及/或特性。当分析物中所对应之萤光标记分子分别与固定于支撑基材表面的探针分子进行反应与键结时，该反应与键结系可分别以雷射激发与所对应的萤光讯号之量测而检测。
相较于平面基材，以具有既定高孔隙度之基材作为该等生物芯片之基底具有多项优势；由于高孔隙度基材具有较大的表面积，因而能够发生更多的反应检测，这增加了生物分析检测的灵敏度。溶解于分析物中的目标分子系藉由多孔基材前后侧间的信道之抽送，而被带至与基材表面接触的密闭空间内(＜10μm)；在这样的尺寸尺度中，扩散作用是一种相当有效的传输途径，在一个短周期时间中，扩散作用涵盖了欲进行检测的目标分子与固定于表面的探针分子之间的距离；这能够增加键结反应的速率，因而能够明显缩短该检测方法的所花费的时间。
具有既定之此类型孔隙的基材的例子之一是以电化学形成之多孔硅(参阅DE4202452、EP0553465或DE19820756)。
目前在药物研究与临床诊断上所使用的许多分析方法系使用光学方法来检测欲检测之物质与探针分子(例如DNA杂合、抗体-抗原相互反应与蛋白质相互反应)之间的键结情形。在此一情形中，所提供之该欲检测物质系具有一标记，该标记在以一适当波长范围的光激发之后会发出萤光(萤光方法)，或是能够产生化学反应并接着产生光(化学发光方法)。如果所欲检测物质(即目标分子)与表面之固定探针结合，便能够进行光学检测，例如藉由冷光；在此「冷光」所指的是紫外光至红外光光谱范围中光子的自发性方放射。冷光激发机制可能是光学或非光学种类，例如电、化学、生化、及/或热激发过程；因此，特别是化学-、生物-、与电-冷光以及萤光与磷光均包含在本发明中之「冷光」目的。
然而，具有高光学密度与低反射性的多孔基材，如在可见光谱范围中具有50％～70％折射率之多孔硅，并无法产生预期中与萤光或化学发光方法结合之结果，在实验上所观察到的光讯号范围比理论计算所得的值小多了，与理论值相比，较小的实验上观察到的光讯号范围是源于使用多孔基材之故；另一方面，亦由于基材与萤光放射或欲研究之键结，以及在萤光方法中英光激发等问题。
若产生之(冷)光贯穿了孔隙的体积，那么孔隙壁的折射率便扮演了一个决定性的角色，以有效将光讯号导引至表面。在化学发光的情形中，光讯号系于各空间方向中等向性地播送，因此所产生的光中仅有非常的少部分会在个别孔隙的孔径角度中直接播送，而所有其它的光路径系于传达至所考虑之孔隙开口之前，便经孔隙壁多次反射；因此，即使反射率仅稍微小于100％，讯号的强度仍然会在多次反射后产生衰减。此效应所产生的结果系为，此一比例之所产生的光讯号将在离开孔隙后的路径上产生衰减，而对整体光讯号几乎没有任何贡献。
由于孔隙壁多次反射产生衰减之问题通常会结合萤光激发的问题，对冷光放射而言，同样亦产生了一个严重的问题；仅有在孔隙开口方向直接播送的萤光探针(fluorophores，分析物中的萤光物质)能够以萤光讯号未衰减之形式获得，其它所有的光路径都会在抵达孔隙开口之前，就经孔隙壁至少反射一次，即使其具有的反射率仅仅些微低于100％，但这些多次反射将导致欲检测之光讯号明显衰减。
为了解决前述之强度衰减问题，已经有关于在孔隙壁上配置反射层之相关议题，以减少该等反射损失，藉以使得激发或放射光能以一改良方式而被导出该等孔隙；然而，这样的解决方式在讯号产生方面仍无法产生明显的改善。
因此本发明的构想之一在于提供一装置或「生物芯片基础模块」，以利生化反应及/或键结之检测；该装置或模块系用于传送一高绝对讯号产生，且同时于根据萤光或化学发光之分析方法中，具有低背景讯号，以在最终生物芯片进行测试时，增加其检测灵敏度。本发明之另一目的在于提供一生化反应及/或键结之检测方法，其可允许一较高的绝对讯号产生，该绝对讯号产生具有一改良之讯杂比(signal-to-noiseratio)。最后，本发明具有之另一目的在于提供一方法，来准备本发明装置之一较佳实施例。
藉由根据权利要求1所述之装置、一种根据权利要求19所述之装置用途、根据权利要求20、22与24之检测方法，以及关于一种根据权利要求23之准备方法，可分别达成上述该等目的。较佳的具体实施例则为权利要求中之附属项的标的。
根据本发明，一装置包含了二维成型支撑材料，其系分布于至少一表面区域并具有贯穿该支撑材料之一表面与其对面之表面的多重孔隙，其具有-该等孔隙系各自以支撑材料中沿该等孔隙之特定水平轴所形成的孔隙壁(22)之一孔隙边界区域而界定其范围；-至少部分孔隙壁在至少一些区段中具有一层状结构，其包含一形成该孔隙边界区域之第一层，以及邻近于该第一层之一第二层，其与该孔隙边界区域之间呈间隔配置；以及-该第一层之折射率nwaveguide系大于该第二层之折射率n2。
因此，该支撑材料系具有散置于其中的多重孔隙，其系于该支撑材料中延伸，并允许了例如一液态分析物自该支撑材料之其中一表面流通至其对面之表面。该等孔隙系沿着其水平轴而被孔隙边界区域界定了其范围，该孔隙边界区域系位于支撑材料的孔隙壁中；因此该孔隙边界范围建构了孔隙壁之外部表面，亦即支撑材料与孔隙间之界面。该等孔隙壁系为延伸于该等孔隙间之该支撑材料的体积比例，使得该等孔隙系藉由该等孔隙壁而彼此分离。
本发明系为了将该等孔隙壁中至少一部份的至少部分区段建构为一层状结构而提出；在此处，一形成了孔隙边界区域(孔隙-支撑材料界面)之第一层系与一与该孔隙边界区域间隔之第二层相邻；在该孔隙之中心轴上，该第二层更是位于较第一层为远处。举例而言，若该孔隙具有一本质上为矩形之截面(该截面平行于该支撑材料之表面平面)，则以剖面图而言，该第一层最好具有一本质上为框架状之形状；举例而言，该第二层可设计为与该第一层具有相同中心。若该等孔隙具有一矩形或圆形之柱状形状，那么该第一层的形状最好是一中空圆柱状，其内径系对应于该孔隙之直径。
该第一层的厚度最好是在50nm至1000nm的范围内，更佳的是50nm至500nm；举例而言，该第二层可为支撑材料本身的一部份，或是配置于该支撑材料之核心与该第一层之间；在后者之情形中，第二层的厚度最好至少是1μm。较佳的是，在该等孔隙边界区域中，支撑材料的所有孔隙皆具有这样的孔隙壁层状结构；较佳实施例是该层状结构延伸为该等孔隙之整体长度。
藉由所描述之层状结构，便可能能够在接近孔隙边界区域之孔隙壁中定义一波导；该层状结构具有之第一层的折射率nwaveguide系大于第二层的折射率n2；当一分析物(液体或气体)被引入该等孔隙(其折射率npore小于第一层的折数率nwaveguide)中，便能于第一层中以一波导模式之形式产生一光讯号。举例而言，从该支撑材料之一表面开始，激发光便能够耦合至该第一层，该第一层形成了一波导核心并具有折射率nwaveguide，然后，由于较小折射率(n2，npore＜nwaveguide)之层的限制，仅以波导模式之形式产生于第一层中。
一在所感兴趣之波长范围中是透明的、且具有之较佳厚度为≤20nm之黏接增进层得以配置于第一层与第二层间适当的区段中，其特别能够改善第一层与第二层之机械接合。
第一层之层材料所具有的光学性质最好是适用于欲耦合之激发光的波长；第一层最好在已定光谱范围或是所感兴趣之光谱范围内是透明的，举例而言，该光谱范围系包含了可见光、紫外光、或红外光范围。以此方式产生于第一层之波导模式具有一与折射率差异及波导几何有关的消逝场，其系延伸至该等孔隙，特别是在伊接近孔隙边界区域的范围内；此消逝场系以一孔隙边界区域间距离之指数函数而衰减，而能够利用来激发配置于孔隙边界区域内或是在当时与其最接近之萤光物质(该消逝场的贯穿深度约达1μm)。
在一开始所描述之关于萤光激发的问题，可以藉由导入一有效激发光来避免，例如以萤光的激发，藉由在一低光损失的波导模式中有效地传送该激发光到孔隙而不是藉由在孔隙墙间经过复数次反射的高光损失的传送方法。该波导的概念在冷光(兼具萤光与化学发光)的发射情况下也是相当有用的。例如，如果所要检测的物质在孔隙边界区域发射出静止不动的探针分子，也就是说在波导模式的渐近场区域内，一稍后也许会位在该装置外以低光损失耦合的光子会引导向一检测器。在一开始所描述之经由多次反射或者是在孔隙墙之间不完全的反射之衰减现象，将不会发生。因此，这将使得大幅度的增加绝对的讯号场强度而且达到讯号噪声的讯杂比持续改善的情况变的可能。
根据一较佳的具体实施例，该层状的结构具有一邻近第二层以及在空间上间隔于第一层的第三层。
该第一层更包含Ta2O5、HfO5、Y2O3、Al2O3、Nb2O5、Si3N4、TiO2、TaO2、以及/或是铝、硅或是Hf之氮化物或是氮氧化物，而第二层包含玻璃、塑料，尤其是有机或非有机高分子，透明介电片以及/或是二氧化硅(SiO2)。该第一层与第二层之材料系以第一层材料的折射率nwavieguide始终大于第二层材料之折射率n2之方式来选择。除此之外，该操作上导入该孔隙之分析物系由对应于它的折射率npore来选择，其中nwaveguide＞npore。
该第三层更包含金属、半导体层以及或是塑料层尤其是有机或非有机高分子。尤其是，该第三层也许系设计成反射式以及/或是非穿透的方式以为了将多重性的孔隙化分成形成区域的群组或是隔间，而使得在各群组间的「光学误接干扰」的现象可以藉由反射墙来避免。该第三层更包含掺杂n型或p型之硅。
根据一较佳的具体实施例，该在一靠近支撑材料表面区域之孔隙直径随着靠近材料表面的方向而增加。在靠近表面的孔隙区域更具有一漏斗状或是锥形状之外形，这使得孔隙直径能够持续的随着支撑材料的表面方向增加。该第一层更好是引导进孔隙的圆锥状区域一直到支撑材料的表面。这样的安排允许了激发光能够特别有效的耦合于该组成该波导核心之第一层。该孔隙或孔隙墙在该支撑材料的表面之该区域内这样的安排也相当的改善了冷光光线之外的耦合之检测，其系由第一层导入到该支撑材料的表面。
更进一步，该孔隙基本上可以是柱状的，尤其是矩形的，圆形长条状的或是椭圆形的。
根据另一个具体实施例，该第一层具有一散射中心以及或是缺陷。在第一层的接口以及/或是在第一层的本身，这样一个特殊的散射中心/缺陷之组合也许系可以藉由，例如粗糙化或者是掺杂化来分别改善激发光之耦合进来以及发射光之耦合出去。
该孔隙更具有一在500奈米到100微米之孔隙直径。该支撑材料更具有一介于100到5000微米之厚度。该孔隙密度更包含一104到108/cm2之范围。
根据一较佳的具体实施例，该支撑材料具有一由非透光性以及/或是能在一预先设定之光频谱范围内反射之材料所制成之超结构。该超结构可以有任意的形式。该超结构基本上更是一由支撑材料的一面到该支撑材料相反的另一面延伸之状柱形架构，而且该柱状形架构至少包含一孔隙。该架构将该支撑材料区分成区域或隔间。该架构最好系由一反射式或是非透明材料所制程，以使得能避免各别的区域之间之「光学误接干扰」。该架构也可能具有部分架构具有一个或多个开孔边的形式。该柱状架构的柱状轴更排列在与孔隙的纵向轴平行的方向。该架构的柱状轴以及该孔隙的纵向轴最好系垂直于该两互相面向的支撑材料的表面。该架构更具有一硅质核心。
根据一较佳的具体实施例，由去氧核醣核酸(DNA)、蛋白质以及配体所组成之探针分子或探针系共价的键结于该孔隙至少其中之一之孔隙边界区域之至少某些区段。该探针分子更佳者系为透过终端的氨基群或硫醇基群键结到一个接着一个透过共价键以及/或是离子键群键结于该孔隙边界区域之该连接子分子的寡核酸探针。该连接子分子通常系为基于一双功能的的有机硅化合物。该双功能的有机硅化合物可能的实施方式系为具有一个或多个选自环氧化物、甘油化物、氯化物、硫醇基以及氨基终端功能基之硅烷化合物。该硅烷化合物更好系为一glycidoxyalkylalkoxysilane像是例如3-glycidoxyPropyltrimethoxysilane、一mercaptoalkylalkoxysilane像是例如γ-mercaptopropyltrimethoxysilane，或是一aminoalkylalkoxysilane像是例如N-β(aminoethyl)γ-aminopropyltrimethoxysilane.在本文中，作为像与实际探针分子或探针键结之环氧化物或glycidoxy与trialkoxysilane基等功能基间的间隔物之akkylene自由基长度，系不受到任何限制；此类型之间隔物同样可为聚乙烯醇(polyethylene glycol)自由基。作为探针分子之寡核酸系以例如文献Tet.Let.22，1981，pages1859～1862中所提及之合成步骤加以制备；在制备过程中，寡核酸能够以5’端或是3’端之端胺基簇而衍生。此类型之探针分子亦能够附加第一处理孔隙边界区域或具有氯源之第一层，例如Cl2、SOCl2、COCl2或是(COCl)2，其适于使用例如过氧化物、ano化合物或Bu3SnH为一自由基起始剂者，而后接随有与适当之亲水性核酸化合物之一反应，特别是，与具有端初始胺基簇或硫醇簇之寡核酸或DNA分子(参阅WO 00/33976)之反应。若使用于本发明该等装置的架构之第一层为一Si3N4层，那么后者(例如在其表面)可转化为一氧化层，以藉由连接子分子而共价附着于对应之探针分子。
探针分子系选自DNA、蛋白质、与配体、较佳为具有端胺基或硫醇基簇之寡核酸，其经由连接子分子之附着可产生一有用且完备之生物芯片。在本发明中，这样的装置所具有之微数组密度可具有96个样本之支撑，根据本发明之装置，习知技术中的生物芯片技术能藉此而平行化。
根据本发明，上述之所发明装置能够应用于生化反应及/或键结检测方法中作为一样本支撑基底之用途，特别是针对此点，用以研究酵素反应、核酸杂交、蛋白质-蛋白质间之相互反应、以及蛋白质-配体间之相互反应。
根据本发明之另一构想，提出一种用以检测化学或生化反应及/或键结之方法，其包含步骤-提供本发明之一装置或一生物芯片；-引入一欲研究物质至该支撑材料之至少一孔隙中，该欲研究物质的折射率npore系小于该第一层的折射率nwaveguide；-耦合出该欲研究物质之冷光；以及-研究该欲研究材料之冷光。
在此处，所欲研究物质可为气态或是液态；由于第一层的折射率nwaveguide系大于第二层的折射率n2与填满分析物之孔隙的折射率npore，因而能够于第一层中以波导模式引导所欲自消逝场范围检测之激发光或放射光，使光讯号得以有效耦合进或耦合出，这是由于因不完美孔隙所产生之多次反射而引起的高损失衰减现象并未发生之故。因此，绝对讯号产生之一持续性改善以及一所得讯杂比之改善能够藉此而实现。
此外，在一较佳实施例中，本发明包含了步骤以波导模式将激发光耦合至该层状结构之该第一层，用以于孔隙边界区域处激发该欲研究材料于波导模式之消逝场。正如之前已经详细叙述的，举例而言，能够于孔隙边界区域处经由波导模式之消逝场来激发萤光探针，而非激发其体积；与习用之体积激发的方式比较，这样的方式能够有效改善萤光探针在孔隙边界区域的激发现象达数倍之多。
根据本发明之另一构想，提出一种用以检测化学或生化反应及/或键结之方法，该方法包含步骤-提供一本发明之一装置或一生物芯片；-引入一欲研究物质至该支撑材料之至少一孔隙中，该欲研究物质的折射率npore系小于该第一层的折射率nwaveguide；-以波导模式将激发光耦合至该层状结构之该第一层，用以于孔隙边界区域(18)处激发该欲研究材料于波导模式之消逝场；以及-在该欲研究材料相互反应后，研究自该第一层所耦合出之激发光。
因此，化学或生化反应及/或键结并不是藉由一欲研究材料(欲研究分析物)可能放射之冷光而检测，而是以其对波导中引导之模式的影响，来检测欲研究材料的反应及/或键结情形；因而该欲研究之材料或是化学制程能以一「无卷标」之方式加以检测。
根据一较佳之变化例，此将由于当时邻近于该孔隙边界区域之折射率改变而发生，该改变系由于分析物分子附着或键结至第一层孔隙边界区域之探针分子所致；这样的折射率改变将解调波导中所引导模式之参数，导致一个经由波导模式消逝场之耦合现象。举例而言，藉由分子附着或键结前后之波导模式比较量测，便能够检测此一解调现象。
举例而言，检测得以由下列步骤进行(a)藉由剩余光之耦合的几何现象，观察波导中激发模式之衰减减少量或增加量；该模式之衰减能够藉由例如在波导输出处之光强度的改变而量测获得；(b)耦合光之几何可被连续调整，且波导模式的衰减能够被加以纪录；由此一方向可知，波导表面或是固定(且因而键结)有探针分子之孔隙边界区域的折射率变化能够被加以检测(同样的，较佳的是经由分子附着前后之比较量测而检测)。
根据本发明之另一较佳变化例，附着的分子可经由固定之探针分子而吸收波导表面特定波长范围的光，以经由波导所引导模式之消逝场来汲取能量(由于附着分子的吸收现象)；该等分子系被吸收至提供有探针分子之孔隙边界区域中。
举例而言，以具有剩余光之耦合的几何现象之波导中所引导模式衰减之减少量与增加量的方式能够有效进行检测，该模式之衰减能够藉由例如在波导输出处之光强度的改变而量测获得。
根据本发明之另一构想，提出一种用以控制化学或生化反应或合成之方法，其包含步骤-提供一本发明之一装置或一生物芯片；-引入一合成物质至该支撑材料之至少一孔隙中，该合成物质的折射率npore系小于该第一层的折射率nwaveguide；-以波导模式将光耦合至该层状结构之该第一层，用以于孔隙边界区域)处激发该合成材料于波导模式之消逝场。
本发明之该等装置特别适用于孔隙壁之孔隙边界区域上的分子之局部限制的光可控制合成；举例而言，在EP 0619321与EP 0476104中均描述了用于平面基材之光可控制合成方法，关于光可控制合成方法与其结构之完整参考文献系揭露于文件中；因此在这样的范围中，该等文件系可视为本发明之部分揭露文献。光的有效传送至孔隙中(经由波导)可经由消逝场而驱动或控制孔隙壁之孔隙边界区域上的光化学反应；特别是，能够于孔隙边界区域上进行复杂序列之光可控制性化学反应。
个别孔隙或区域/间隔之间的光学误接干扰能够藉由反射/吸收壁而被制止，这解决了平面基材上之光可控制合成反应的一个主要问题。
根据本发明之另一构想，提出一种用以准备本发明所提出之装置的方法，该方法包含步骤(a)提供一以硅制成之二维支撑材料，其具有彼此相对的两表面；(b)以电化学蚀该该支撑材料之一表面)以产生盲孔，其深度小于支撑材料厚度；(c)将该支撑材料自其对面之表面移除至少至该等盲孔之底部，以获得孔隙，其系自该支撑材料之该一表面延伸贯穿至该对面之表面；(d)将步骤(c)中所获得之该支撑材料形成一氧化态，使得该支撑材料之孔隙壁，至少在接近孔隙之区域中，包含二氧化硅，以形成该第二层；以及(e)涂布至少一孔隙壁，以形成该第一层。
此一较佳准备方法能够用来准备本发明装置之一特别较佳的具体实施例；在这里的一个起始点最好为一单晶硅基板，举例而言，其可为n型掺杂。
在蚀刻支撑材料之前，在支撑材料的一表面上与步骤(b)中所产生之盲孔的内表面上之至少一些区域中，最好是配置一屏蔽层，其可于蚀刻步骤后再移除。
较佳的是，该等盲孔系产生以使得盲孔间的距离系设计为本质上为规则配置，亦可于某些区段中变化为形成于随增加之硅壁厚度之内部过渡区域中，内部过渡区域之硅壁厚度系由于盲孔间增加之距离数量而大于在区域内部的硅壁厚度。
在步骤(c)中进行蚀刻之支撑材料最好是根据硅壁厚度之关系而进行一热氧化作用，使得在具有增加之硅壁厚度的内部过渡区域之情形中，当硅壁未被完全氧化时，具有较薄的硅壁厚度之区域即能够被完全氧化，以使得硅核心仍然残留于壁中。
在本发明方法之步骤(b)中，系对硅进行电化学蚀刻；举例而言，这样的方法在EP 0296348、EP 0645621、WO 99/25026、DE 4202454、EP 0553465或DE 19829756中均曾揭露，该等参考文献所揭露之范围系因此而为本发明之一部份参考。在此一电化学蚀刻方式中，举例而言，具有一构想比例为1∶300(或是更多)之该等盲孔或是孔隙系于硅中被蚀刻为本质上之规则配置；因此，藉由参数的适当选择，电化学孔隙蚀刻方法使孔隙间隔(间距)得以被调整于特定之限制中，所产生之硅壁的厚度亦得以藉由改变孔隙间隔或于规则配置的盲孔或孔隙中舍去一整列孔隙，而加以局部调整。
为了获得能够延伸贯穿该支撑材料或基材(硅基圆)、且在该支撑材料脸测表面皆具开口之孔隙，硅晶圆的后侧系以例如KOH蚀刻加以腐蚀，举例而言，在蚀刻了盲孔之后，晶圆前侧与盲孔或孔隙内部系以一屏蔽层加以保护，例如以CVD沉积而成、具有厚度100nm的一氮化硅层；举例而言，该屏蔽层接着能够藉由HF处理而加以去除。举例而言，溅镀(sputtering)、雷射消熔及/或 光处理，例如一CMP处理，均同样适合用于进行硅晶圆之后侧腐蚀。
这产生了一具有规则孔隙之硅晶圆或硅支撑材料，该等孔隙建构了贯穿之管状物，其提供了硅晶圆与另一硅晶圆彼此间之前后侧连接。
该等孔隙之直径能够于制备之后再进行加大或增广，例如以KOH蚀刻之方式；若使用硅(100)为初始材料，则藉由这样的蚀刻能够获得本质上为方形之孔隙，此乃由于晶体结构之故。举例而言，假设一孔隙直径约为5μm，且两孔隙间之中心点距离(间距)为12μm，藉由此一蚀刻方式可能将孔隙直径自5μm加大为10至11μm，同时，孔隙之间的硅壁厚度将减少至2μm至1μm；因此能够获得具有一较大或较小方形晶格之薄硅壁。此处之孔隙深度与硅壁长度则分别对应至硅晶圆之原始厚度，当打开该孔隙时，其系小于在后侧的硅层厚度。
在氧化步骤(d)，以此方式获得之晶格系根据特定孔隙-壁之厚度关系，而于一热氧化处理中转化为二氧化硅，例如以一温度为1100℃历时6小时之热氧化处理；在此处理中，除了由于硅氧化为二氧化硅所产生之该等壁之区域体积增加之外，基材之结构本质上仍未改变。
若在步骤(b)中，盲孔或是孔隙间的距离周期性的增加，例如些微地每1μm之距离增加5、10或20个孔隙，则将产生一由孔隙数组所组成之超结构(例如5×5、10×10、20×20)。在此区域之间的硅壁厚度会藉由所增加的孔隙间隔数而大于区域内部之硅壁厚度。一个随后的氧化作用可将薄硅壁区之区域完全氧化为二氧化硅；然而在该等区域之间的过渡区中之硅壁则因其具有渐渐增加的壁厚度而无法完全被氧化，使得在该等壁中仍残余有硅核心；在朝向壁外部的截面上，该硅核心可转化为二氧化硅而形成框架。此将可局部产生具穿透性之二氧化硅区域，其彼此间系由非穿透性之硅核心壁所分隔。
该波导，亦即该第一层，最好是以一CVD制程而加以制备，然而亦可以使用溅镀、气相沉积或是湿式化学组合步骤。相较于溅镀或是气相沉积制程，藉由CVD制程的帮助较能够于孔隙整体长度上获得一沉积均匀之波导材料(层状结构)，除了大构想比例之外；举例而言，若使用之波导材料为Si3N4，后者可由以DCS(dichlorosilane)与NH3作为前驱物质、温度为650℃、压力为400mTorr之反应器而沉积制得。
由于波导材料系沉积于一整体区域中，因而若需要的话，将可接着将该波导材料自硅基材之平面表面移除，举例而言，可利用一CMP溅镀或蚀刻处理；电浆蚀刻在此例中亦同样适合，其特别能够在孔隙开口波导中，产生较佳之漏斗型结构。
根据本发明之另一构想，本发明提出一种用以检测化学或生化反应及/或键结之方法，该方法包含步骤-提供一装置，该装置具有一二维成型支撑材料，其系分布于至少一表面区域并具有贯穿该支撑材料之一表面与其对面之表面的多重孔隙，该等孔隙系各自以支撑材料(中沿该等孔隙之特定水平轴所形成的孔隙壁之一孔隙边界区域而界定其范围，且探针分子系经由适当的连接子分子而固定至其中；-引入一欲研究物质至该支撑材料之至少一孔隙中，在该孔隙边界区域之区域中，该欲研究物质的折射率npore系大于该孔隙壁的折射率npore wall；-以该孔隙之波导模式耦合出该欲研究物质之冷光，形成一波导；以及-研究该欲研究材料之冷光。
在此一具体实施例中，引入至该孔隙之分析物(气体或液体)的折射率系大于该孔隙壁的折射率npore wall，藉此该等孔隙系被结合。因此，填满有该分析物之孔隙本身即为波导(波导核心)，以使得该等孔隙可被视为「液态核心波导」。
针对波导之此一具体实施例，其核心系为填有分析物之孔隙本身，便必须考量结构之变化与几何性，其系类似于前棉所描述之以沉积所得的波导；举例而言，该支撑材料系更可为一超结构，以形成区域/间隔。为了尽可能确定进入波导之光耦合之效率，在此处之具体实施例中便必须尽量避免孔隙开口处的尖锐边缘；该孔隙开口区域最好是具有一漏斗型的结构，较佳的几何结构则与激发光之环型分布有关。
本方法最好是更包含步骤以波导模式将激发光耦合至至少一孔隙，用以激发该欲研究材料。
本发明系藉由下列例子并参考伴随的较佳具体实施例之图式而加以描述，其中
第1A至1C图系图标说明本发明之装置之一较佳具体实施例之截面图，该截面积平面系沿着孔隙之纵轴方向；第2A图系图标说明本发明之装置之一较佳具体实施例之平面图；第2B图系图标说明在第2A图中之具体实施例之截面图，其中该截面系沿着平行于孔隙之纵轴方向；第3A至3E图系描述一可能的孔隙具体实施例之截面图；第4A图描述一液态核心波导之具体实施例之平面图；第4B图描述在第4A图所描述之具体实施例之截面图，其中该截面系沿着平行于孔隙之纵轴方向；以及第5A至3C图描述用于液态核心波导之孔隙几何形状之较佳具体实施例。
第1A图系描述本发明之装置之一较佳具体实施例之截面图。该非常图标之截面图之截平面系沿着本实施例所描述的四个孔隙10以及由一延伸经过二维所成形的支撑材料之表面12到相对的表面14之长轴方向。在本具体实施例中，该孔隙10系为柱状，其孔隙10之柱状轴系符合于与二维的支撑材料16垂直之表面。在操作上，一分析物可能可以通过该孔隙10到相反的表面14以使得能够研究，例如，生化反应以及/或是附着等。
在每一种情况下，一孔隙10之形式系由一孔隙边界区域18来定义，例如在本实施例中，各该孔隙10系被其定义为柱状形式。该定义孔隙10之柱形的端面系为开放的以使得，例如一分析物可以由该表面12引入而且由该表面14离开该孔隙10。该藉以沿着孔隙10之长轴以围绕该孔隙10之边界区域18系代表一第一层20之外部表面，该第一层系为该孔隙墙22之一部份。该孔隙墙22系与该延伸于该孔隙之间之支撑材料的体积相称。因此，该孔隙墙22将该孔隙10彼此分隔开来。该孔隙边界区域18因此系为介于该孔隙墙22与该孔隙10之内部之间的特殊接口。
在第1A图所描述之具体实施例，所有的孔隙墙22超过其全部的长度具有一层状的结构，其最外层系为该第一层20。该第一层20系被配置为邻近于在空间上远离该指定的孔隙10之第二层24。在本发明的具体实施例中，该第二层24系藉由第一层20由该特定孔隙10中分离出来。
而在第1B图所描述之具体实施例，由该第一层20与该第二层24组成之该孔隙墙22中，藉由第二层24所充满之该孔隙墙22之核心或该支撑材料16之核心，在第1A图所描述之该具体实施例更提供一第三层26来组成该孔隙墙22之核心区域。
该第一层20之折射率nwaveguide系远大于该第二层24之折射率n2。在操作上，一分析物系被引入该孔隙10，而该孔隙10之折射率npore系可能小于该第一层20之折射率nwaveguide。该孔隙墙22之层状结构之第一层20因此系被该第二层24与在该孔隙10中之该分析物所围绕，其中各该孔隙10具有一较小的折射率。以这样适当的选择折射率之方式建构该结构层能使得一电磁波可以在第一层20之波导模式之形式中来传递，而该传递的方向系为平行于该孔隙之纵轴方向。该波导模式(主要模式与更高阶的模式)因此在第一层20中被导入于靠近该孔隙10之区域。虽然在该第一层20之间之该电磁波强度系远大于同样的排列方式之邻近层，但是该电磁波之一渐进电磁场进入了特别是邻近于该孔隙10内部之孔隙边界区域18之空间。该消逝场系沿着与该波导之纵向轴垂直之方向呈指数关系地衰减。
当一光学激发讯号引入该第一层20时，该位在或邻近所指定的孔隙边界区域18之研究物质可能会藉由在该波导20导入模式下之该消逝场以光所激发。相反的，在消逝场区域中藉由所研究之材料所发射之光子可能会像透过该第一层20之波导模式引导一样离开该支撑材料16。
相反地，在第1A与1B图所描述之具体实施例并不受限于在不完全反射孔隙墙中由多重的反射所引起衰减的原则，其中该原则系已经由先前技术中所熟知。相反的，激发光可能会被引入以及导入该第一层20中以当作低损失的波导模式。作为一第一层20之一波导模式，该所侦测的光学讯号系可以从该支撑材料16耦合出来，并且导向一侦测器。激发光可能会藉由使用一个或多个任意排列的激发光源耦合到第一层20，其相当于结合绕射的光学组件。该激发光可能会同步的发亮或者是由不同的方向以相等或者是不同的波长接连着发亮。该光源可能是前后一致叠合的同调光光源或者是前后非一致叠合非同调光光源。该激发可以藉由例如全像术之方法来执行。
该冷光系藉由利用至少一个侦测器，例如电荷耦合组件(CCD)相机、光电二极管数组、雪崩型光电二极管数组、多频脉板以及/或是多频脉光电倍增管来检测。
在第1A图(四个构成组件之具体实施例)所描述之具体实施例之分层可以选择如下该位在该孔隙10(折射率npore)之分析物之主要成分空气、水、包含水缓冲溶液，其中该水缓冲溶液可能少量占有有机溶剂、甘油第一层20(折射率nwaveguide)Ta2O5、HfO2、Y2O3、Al2O3、Nb2O5、Si3N4、TiO2、TaO2、以及/或是铝、硅或是Hf之氮化物或是氮氧化物第二层24(折射率n2)玻璃、塑料、透明介电片以及/或是二氧化硅(SiO2)第三层26(折射率n3)金属、半导体，尤其是硅(非掺杂、p-型或n-型掺杂)、塑料，尤其是非有机或有机高分子。
在第1B图所描述之具体实施例之分层材料(三个构成组件之具体实施例)可以选择如下该位在该孔隙10(折射率npore)之分析物之主要成分空气、水、包含水缓冲溶液，其中该水缓冲溶液可能少量占有有机溶剂、甘油第一层20(折射率nwaveguide)Ta2O5、HfO2、Y2O3、Al2O3、Nb2O5、Si3N4、TiO2、TaO2、以及/或是铝、硅或是Hf之氮化物或是氮氧化物第二层24(折射率n2)玻璃、塑料、透明介电片以及/或是二氧化硅(SiO2)。
在该孔隙边界区域18以及或是在该波导本身(也就是说在第一层20)之一特定的散射中心或缺陷之组合可以是有利的。这些散射中心或缺陷可以藉由例如粗糙化该孔隙边界区域18或特别的掺杂该第一层20来执行。这样的量测可以改善该激发光之耦合进与耦合出。
第1C图描述了本发明的另一个具体实施例。在第1C图中所描述之具体实施例中，该孔隙10本身系作为光波导使用。该孔隙10因此组成一「液态核心波导」。由于该孔隙墙22之折射率以及该孔隙10在操作上所包含之该分析物之折射率npore＞npore wall之事实(其中npore wall系为该支撑材料16之该孔隙墙22之折射率)，使得上述之构想系为可行的。
参照在第1A与1B图所描述之具体实施例，其中该波导系在该孔隙墙中所形成，而在第1C图之具体实施例中，该孔隙10本身即组成该波导。该激发光以及所研究材料之各别的发射光子可以以低损失的波导模式的形式传拨离开开支撑材料，而不会历经在一开始所描述之经由多重的反射而导致严重的讯号损失之衰减机制。
第2A图描述本发明之装置之一特殊的较佳具体实施例之平面图。在该具体实施例中，该散置于孔隙10之间之支撑材料16额外地限制于一超结构以为了产生一更进一步之超结构。该支撑材料16系被分成复数个小区域或隔间28，其中该小区域或隔间28在每个情况下都包含至少一个孔隙。该区域28(其中四个如第2A图中所示)举例来说更可由邻近的区域28以一由较佳的折射材料所制成之架构状墙之协助所分离。
如上述之第1A图所示，该孔隙墙22可以具有一可以用来建构成折射墙之第三层26。例如，该架构状折射墙可以由金属或半导体来建构。在该区域28之内，该介于该孔隙10之间之孔隙墙22更由一可以通过预定的波长频谱范围或所感兴趣的波长频谱范围之光线之透光材料所组成。该几何形状有效的抑制从一区域28到一邻近的区域28之散射的光线的传递以及光学讯号光线误接干扰。
第2B图以较高的截面图标说明在第2A图中之具体实施例，其中该截面系沿着平行于孔隙10之纵轴方向。在这样的情况下，该二唯的支撑材料16系以矩阵性地散布并且规则地排列于在每个都具有矩形的柱状之孔隙10。该超结构以一同样的具有矩形柱状形式形成一矩形结构。该用以定义该区域28之柱状架构之纵轴系平行于该孔隙10之纵轴。在这样的情况下，例如每一个介于该孔隙10之间的第六孔隙墙22具有一核心区域或是一由一折射材料所组成之第三层26。在该区域28之间之该余留的孔隙墙22在预定的波长频谱范围内系为透光性的。
第3A至3E标说明较佳的孔隙墙几何形状之较高的截面图。为了确保光线能够尽可能的有效地耦合进入或耦合出该波导20，一种靠近该支撑材料16之表面12或14之孔隙墙几何形状之特殊的设计是有益的。在第3C图中，该孔隙10之直径dpore在沿着该支撑材料之表面12与14之方向而接近该表面12或14连续地增加，而在第3图中所描述特殊的不同变异型，已被证实特别地具有优势。该孔隙10因此在接近该支撑材料16之表面具有一圆锥状或是漏斗状之结构。
为了进可能的将光线耦合进入该第一层20，下面的因素需要列入考虑
(1)该波导结构在支撑材料16的表面12或14之较高部分对照于该不属于该波导结构或该层状结构之支撑材料16之表面12或14，更高的部分系为所预期的入射光线之耦合进入部分。这个因素，特别是藉由在第3A与3C图之具体实施例实施这个特殊的范围。
(2) 在层状结构之间或是在孔隙10之内部区域内之尖锐的边缘必须要避免。
特殊的较佳实施例，如第3C图所示，系为在孔隙10的开口区域形成一漏斗状结构。孔隙10之开口区域之精确的几何形状，也就是开口角、分层厚度以及该表面的曲面程度，也与该激发光线的角度分布有关。然而，在第3B与3E图所描述之具体实施例也是可能的。在第3E图所描述之变异型系特别以四面体形式之孔隙墙区域为特征，其在表面12与14之区域具有所定义之耦合进入的区域，而该区域系倾斜于该相对于表面12，14之平面。因此，以一相对于该耦合进入区域可调整的角度耦合进入激发光线是可能的。尤其是，以这样的方式选择性地只激发一单一波导模式也是可能的。该支撑材料16之上表面12与底表面14可以具有不同的孔隙开口几何形状。
第4A图之平面图与第4B图之截面图描述本发明的另一个具体实施例。在第4图中所描述之具体实施例系为之前所描述之概念之具体实施例，在该概念中该孔隙10本身形成该波导以使得该孔隙系用来作为一「液态核心波导」。在这样的情况下，散置于一规则排列的孔系10之间之该支撑材料16可以限制于另一个所要求的超结构。如同在第2图中已经详细描述，这样的超结构可以藉由例如分割复数个孔隙成被包围的区域或隔间之方式来实施，该区域或隔间系彼此之间相互以反射的以及/或是非透光墙26来分隔。该藉以围绕该区域28之架构状墙26设计具有至少一开口端。该区域28之较佳的柱状结构设计之柱状轴系以平行该孔隙10纵轴之方式排列。
第5A至5C图以一较高的截面标一用于液态核心波导之较具优势之孔隙几何形状之具体实施例。同样的如同在第3C图中所描述之具体实施例，当该孔隙10本身系用来作为一波导时，在接近该支撑材料16之区域，穿透式或者是漏斗式之加宽孔隙在较多的光线耦合进入与耦合输出之目的也具有优势。第5C图与第3E图所示之定义耦合进入区域之变异型相符合。
组件符号说明10 孔隙12 二维支撑材料表面14 二维支撑材料表面12对面之表面16 二维支撑材料表面18 孔隙边界区域20 孔隙壁层状结构之第一层22 孔隙壁24 孔隙壁层状结构之第二层26 孔隙壁层状结构之第三层28 区域或间隔
权利要求
1.一种具有一二维成型支撑材料(16)的装置，该支撑材料具有分布于至少一表面区域并由该支撑材料(16)之一表面(12)贯穿至其对面之表面(14)的多重孔隙(10)，其具有-该等孔隙(10)乃各自以通过该支撑材料(16)中沿该等孔隙之特定长轴方向所形成的孔隙壁(22)之一孔隙边界区域(18)来界定范围；-至少部分的该孔隙壁(22)在至少一些区段中具有一层状结构，其包含一形成该孔隙边界区域(18)之第一层(20)，以及邻近于该第一层(20)且与该孔隙边界区域(18)隔开的一第二层(24)；以及-该第一层(20)之折射率nwaveguide系大于该第二层(24)之折射率n2。
2.如权利要求1之装置，其中该第一层(20)在一已定的光谱范围中是可穿透的。
3.如权利要求2之装置，其中该已定之光谱范围系为可见光、紫外光或红外光光谱范围。
4.如前述权利要求中任一项之装置，其中该层状结构具有邻近于该第二层(24)且与该第一层(20)隔开的一第三层(26)。
5.如前述权利要求中任一项之装置，其中该第一层(20)包含了Ta2O5、HfO2、Y2O3、Al2O3、Nb2O5、Si3N4、TiO2、TaO2及/或Al、Si或Hf之氮化物或氮氧化物，而该第二层(24)包含了玻璃、塑料、透明介电质及/或二氧化硅。
6.如前述权利要求中任一项之装置，其中该第三层(26)包含金属、半导体及/或塑料。
7.如权利要求6之装置，其中该第三层(26)包含硅。
8.如前述权利要求中任一项之装置，其中在接近于该支撑材料(16)表面之区域中的孔隙之直径(dpore)乃朝着该支撑材料(16)之表面(12，14)增加。
9.如前述权利要求中任一项之装置，其中该等孔隙(10)本质上乃为圆柱状或长条状。
10.如前述权利要求中任一项之装置，其中该第一层(20)具有散射中心及/或缺陷。
11.如前述权利要求中任一项之装置，其中该等孔隙(10)具有一范围为500nm至100μm孔隙直径(dpore)。
12.如前述权利要求中任一项之装置，其中该支撑材料(16)的厚度乃介于100μm至5000μm之间。
13.如前述权利要求中任一项之装置，其中该等孔隙(10)的密度乃介于104至108/cm2之范围内。
14.如前述权利要求中任一项之装置，其中该支撑材料(16)具有至少一超结构(26)，其由一非透明材料所制成及/或于该已定光谱范围中发生反射。
15.如权利要求14之装置，其中该超结构本质上乃为一圆柱形框架(26)，其自该支撑材料(16)之一表面(12)延伸至其对面之表面(14)，且包含至少该等孔隙(10)的其一。
16.如权利要求15之装置，其中该框架(26)包含至少一由硅制成的核心。
17.如前述权利要求中任一项之装置，其中选自于包含有DNA、蛋白质与配体之群组的探针分子乃被共价，结合于至少该等孔隙(20)之其一的孔隙边界区域(18)的至少部分区段。
18.如权利要求17之装置，其中该探针分子为寡核酸探针，其系透过端胺基或硫醇基而连结至连接子分子，其乃依序经由共价及/或离子基结合至该孔隙边界区域。
19.一种利用前述权利要求中任一项之装置作为检测生化反应及/或键结以及特别是在研究酵素反应、核酸杂交、蛋白质-蛋白质间之相互反应、以及蛋白质-配体间之相互反应的一样本支撑基础的方法。
20.一种检测化学或生化反应及/或键结之方法，其包含步骤-提供一如权利要求17或18所述之装置；-引入一欲研究物质至该支撑材料(16)之至少一孔隙(10)中，该欲研究物质的折射率npore乃小于该第一层的折射率nwaveguide；-耦合出该欲研究物质之冷光；以及-研究该欲研究材料之冷光。
21.如权利要求20之方法，其更包含步骤将以波导模式存在的激发光耦合至该层状结构之该第一层(20)，用以激发在波导模式之消逝场中的孔隙边界区域(18)处的该欲研究材料。
22.一种检测化学或生化反应及/或键结之方法，该方法包含步骤-提供一如权利要求17或18所述之装置；-引入一欲研究物质至该支撑材料(16)之至少一孔隙(10)中，该欲研究物质的折射率npore系小于该第一层的折射率nwaveguide；-以波导模式将激发光耦合至该层状结构之该第一层(20)，用以激发在波导模式之消逝场中的孔隙边界区域(18)处的该欲研究材料；以及-在与该欲研究材料相互反应后，研究自该第一层(20)所耦合出之激发光。
23.一种制作如权利要求1至18所述之任一装置的方法，该方法包含步骤(a)提供一以硅制成之二维支撑材料(16)，其具有彼此相对的两表面；(b)以电化学蚀刻该支撑材料(16)之一表面(12，14)以产生盲孔，其深度小于该支撑材料厚度；(c)自相对之表面(14，12)移除该支撑材料(16)至少至该等盲孔之底部以获得孔隙(10)，其乃自该支撑材料(16)之该一表面(12，14)延伸贯穿至相对之表面(14，12)；(d)使步骤(c)中所获得之该支撑材料(16)处于一氧化态，以使得该支撑材料(16)之孔隙壁(22)，至少在接近该等孔隙之区域中，包含二氧化硅进以形成该第二层(24)；以及(e)在该一孔隙壁(22)的至少其一上进行涂覆以形成该第一层(20)。
24.一种检测化学或生化反应及/或键结之方法，该方法包含步骤-提供一具有一二维成型支撑材料(16)的装置，该支撑材料具有分布于至少一表面区域并由该支撑材料(16)之一表面(12)贯穿至其对面之表面(14)的多重孔隙(10)，其具有该等孔隙(10)乃各自以通过该支撑材料(16)中沿该等孔隙之特定长轴方向所形成的孔隙壁(22)之一孔隙边界区域(18)来界定范围，且探针分子乃经由适当的连接子分子而固定至其中；-引入一欲研究物质至该支撑材料(16)之至少一孔隙(10)中，该欲研究物质的折射率npore系大于在该孔隙边界区域(18)之区域中的该孔隙壁(22)折射率nporewall；-以该孔隙(10)之波导模式耦合出该欲研究物质之冷光进以形成一波导；以及-研究该欲研究材料之冷光。
25.如权利要求24之方法，其更包含步骤将以波导模式存在的激发光耦合至该等孔隙(10)中的至少其一孔隙以便激发该欲研究材料。
26.一种控制化学或生化反应或合成之方法，其包含步骤-提供一如权利要求17或18所述之装置；-引入一合成物质至该支撑材料之至少一孔隙中，该合成物质的折射率npore乃小于该第一层的折射率nwaveguide；-以波导模式将光耦合至该层状结构之该第一层，用以激发在波导模式之消逝场中的孔隙边界区域处的该合成材料。
全文摘要
本发明乃涉及一种具有一二维成型支撑材料(16)的装置，该支撑材料具有分布于至少一表面区域并由该支撑材料(16)之一表面(12)贯穿至其对面之表面(14)的多重孔隙(10)，其具有该等孔隙(10)乃各自以通过该支撑材料(16)中沿该等孔隙之特定长轴方向所形成的孔隙壁(22)之一孔隙边界区域(18)来界定范围；至少部分的该孔隙壁(22)在至少一些区段中具有一层状结构，其包含一形成该孔隙边界区域(18)之第一层(20)，以及邻近于该第一层(20)且与该孔隙边界区域(18)隔开的一第二层(24)；以及该第一层(20)之折射率n
文档编号B01D69/02GK1646914SQ03808848
公开日2005年7月27日 申请日期2003年4月16日 优先权日2002年4月19日
发明者S·德廷格, M·弗里茨, K·福奇斯, T·哈内德, H·－C·汉科, A·马丁, R·梅尔滋 申请人:因芬尼昂技术股份公司