操纵流体微滴的微流控芯片以及方法

专利名称：操纵流体微滴的微流控芯片以及方法
技术领域：
本发明涉及微流控芯片。
此外，本发明涉及一种操纵流体微滴的方法。
背景技术：
生物传感器可以表示为用于检测分析物的的装置，该装置将生物 部件与物理化学或物理检测部件相组合。
这样的生物传感器可以在微流尺度上与基于微滴的液体操纵和 处理系统(如，基于微滴的样本制备、混合、以及稀释) 一起操作。 更具体地，这样的系统可以涉及通过基于电润湿的技术对微滴的处置。
WO 2006/044966公开了 一种单侧电介质上电润湿装置，其对于微 流控实验室应用来说是有用的。该装置包括衬底、布置在衬底上的控 制电极元件阵列、布置在衬底和控制电极元件阵列上并且覆盖衬底和 控制电极元件阵列的第一电介质膜、布置在第一电介质膜上的至少一 个接地电极元件、布置在第一电介质膜和所述至少一个接地电极元件 上且覆盖第一电介质膜和所述至少一个接地元件的第二电介质膜、以 及布置在第二电介质膜上的电润湿兼容表面膜。还公开了一种制造该 装置的方法。

发明内容
本发明的目的是在微流控装置中精确地移动流体微滴。 为了实现上述目的，提供了一种根据独立权利要求的操纵流体微 滴的微流控芯片和方法。 -
根据本发明示例实施例，提供了一种用于操纵流体微滴(例如， 要分析的样本)的微流控芯片，所述微流控芯片包括多个电极，被 布置在所述微流控芯片的流程后端(Back End of the Line, BEOL)部
5分中；以及控制单元(例如具有处理能力的集成电路)，适于控制所述 多个电极的电位，以产生用于使流体微滴沿着预定义的轨迹(例如， 沿着微流控芯片表面上特定的、预定义的路径)移动的电力。
根据本发明的另一示例实施例，提供了一种操纵流体微滴的方 法，所述方法包括控制多个电极的电位以产生用于使所述流体微滴 沿着预定义的轨迹移动的电力，所述多个电极被布置在微流控芯片的 流程后端部分中。
术语"流程后端"(BEOL)或"流程后端部分"可以具体地表示 集成电路制造中在晶片上用布线互连有源部件的部分。通常，当在所 加工的晶片上沉积第一金属层时开始BEOL。 BEOL包括触点、绝缘 体、金属层面、以及用于芯片与外壳连接的接合点。因此，具体地， 集成电路的不与所加工的半导体衬底直接接触的每个结构部件可以被 看作属于BEOL。
与此相反，术语"流程前端"(Front End of the Line, FEOL)或
"流程前端部分"可以具体地表示集成电路制造中在半导体中将独立 的器件(晶体管、电阻器等)图案化的第一部分。FEOL通常包含一直 到(但不包含)沉积金属层的任何步骤。因此，具体地集成电路中作 为所加工的半导体衬底的一部分的每个结构部件可以被看作属于 FEOL。
换言之，流程后端部分可以直接位于流程前端部分的顶部(在与 制造过程相对应的空间方向上)。
术语"生物传感器"可以具体地表示可以用于对包括诸如DNA、 RNA、蛋白质、酶、细胞、细菌、病毒等生物分子在内的分析物进行 检测的任何装置。生物传感器可以将生物部件(例如，在能够检测分 子的传感器有源表面处的俘获分子)与生物化学或物理检测器部件(例 如，具有由传感器事件可修改的电容的电容器、或具有可以由传感器 事件可修改的氧化还原电位的层、或具有由传感器事件可修改的阈值 电压或沟道导电率的场效应晶体管)相组合。
术语"微流控芯片"可以具体地表示具体地以半导体技术，更具 体地以硅半导体技术，以及进一步具体地以CMOS技术形成为集成电
6路(即，电子芯片)的微流控装置。由于使用微工艺技术使得单片集 成的微流控芯片具有非常小尺寸的特性，从而，具体地当微流控芯片 的尺寸或更准确地微流控芯片部件的尺寸接近或达到生物分子尺寸的 量级时，所述微流控芯片可以具有较大的空间分辨率和较高的信噪比。 术语"生物粒子"可以具体地表示在生物学或在生物学或生物化
学过程中起到重要作用的任何粒子(如，基因、DNA、 RNA、蛋白质、 酶、细胞、细菌、病毒等)。
术语"衬底"可以具体地表示诸如半导体、玻璃、塑料、绝缘体 等之类的任何合适的材料。根据示例实施例，术语"衬底"可以用于 一般地定义在感兴趣的层或部分之下或之上的层的元件。此外，衬底 还可以是在其上形成例如半导体晶片(如，硅晶片或硅芯片)之类的 层的任何其他元件。
术语"流控样本"可以具体地表示物质的阶段的任何子集。这样 的流体可以包括液体、气体、等离子体、以及在某种程度上的固体及 其混合物。流控样本的示例是DNA，所述DNA包含流体、血液、(皮 下组织、肌肉或脑组织中的)间质液、尿、以及其他体液。例如，流 控样本可以是生物物质。这样的物质可以包括蛋白质、多肽、核酸、 DNA链等。
术语"流体微滴"可以具体地表示体积较小的(如，在纳升(或 更小)、微升、或毫升(或更大)量级上的)流体结构。微滴可以是小 体积的液体，部分地或几乎完全被自由面约束。
术语"电润湿"可以具体地表示用于激励微流控装置中的微滴的 技术。电润湿可以允许在直接电控制下独立地操纵大量的微滴而不用 泵、阀或甚至固定沟道。可以从所施加的电场得到的力的方面来理解 电润湿的现象。电解质微滴的角处的边缘场趋于将该微滴向下拉到电 极上，使宏观接触角变小，并增大微滴接触面积。
根据本发明的示例实施例，在包括(半导体)衬底的电子芯片体 系结构中提供单片集成的微流控芯片，在所述(半导体)衬底中微流 控芯片的第一电子部件形成在流程前端部分。在流程前端部分的上方， 可以提供由其他层和结构组成的第二叠层作为流程后端部分。根据本发明的示例实施例，可以在流程后端部分中提供用于操纵或处置流体 微滴的有源区域。由于有机会在空间上单独地产生流体激励信号并将
该信号应用到微流控表面，所以流体激励部件的BEOL处理是有利的。 当可以将用作流体激励器的纳电极制造得足够小时，这样的体系结构 可以是尤为有禾ij的。例如，可以将这样的纳电极布i在尺寸为250nm、 130nm或更小的FEOL中，使得可以操纵独立的微滴(droplet)或纳微 滴(nanodroplet)。这可以允许获得流体移动控制的精度的提高，并且 可以允许操纵在微升或纳升量级上的、体积非常小的样本。
针对流体激励使用BEOL部分的特定优点是可以使流控样本的 液体成分(如，水溶液)与BEOL层相互作用，并通过BEOL叠层与下 面布置的FEOL叠层适当地分开，使得FEOL部件(如，场效应晶体管 的栅极区域)不会受到流控液体样本污染或损坏的危险。因此，通过 在BEOL中执行流体激励，可以可靠地将液体成分与在FEOL层中在 BEOL层下方提供的微电子检测元件去耦合或隔离。以标准BEOL过程 提供的材料(例如，铜)具有用作BEOL电极的有利特性，所述BEOL 电极可以与掩埋式FEOL晶体管连接。
与本发明示例实施例相反，传统的方法(如，WO 2006/044966 的方法)在微滴输送方面表现出有限的效用，因为出于平衡考虑微滴 趋于稳定在相邻的电极之间。为了避免这样的局限性，本发明的实施 例引入了关键的革新，这种革新允许制造更小的电极(例如，250nm 以及更小)并且还很大程度上减小了电极之间的间距，使得微滴达不 到电极之间的平衡状态(如果需要的话，电极之间的间隔甚至可以在 纳米量级上)。同时，本发明的实施例提供了一种微流控芯片的制造方 法，解决了传统芯片制造过程中的复杂性。
因此，本发明的实施例解决了传统微流控芯片中存在的局限性， 所述传统流控芯片可能在流控粒子沿着芯片表面移动到期望的位置方 面缺乏精确性并且采用更复杂的制造方案。
由于分子诊断学领域正在朝着芯片上实验室(lab-on-chip)技术 的扩展使用发展，所以分子诊断学领域变得可以实现在纳米级操纵流 体。可以在基于微滴的"数字"流控电路中执行流控操作，而不是使用机械或电动泵来驱动微沟道内大量的流体。然后可以在数字流控电 路中执行整个生物分析。这样的构思可以消除许多问题，如，与基于 沟道的微流控相关联的泄漏和限制。由于能够利用例如间接的表面润 湿的优点来处置流体微滴，数字流控电路是可能的。
根据本发明的示例实施例，可以提供微流控处理装置，所述微流 控处理装置包括由衬底层、衬底氧化硅层、氮化硅层、第二氧化硅层、 包括第一金属电极和第二金属电极的层、以及钝化层(例如，由碳化 硅制成的)组成的叠层。电极可以至少部分地被相应的阻挡层(可以
由Ta/TaN制成)所包围并嵌入第二氧化硅层，使得每个电极的至少限 定的区域暴露，作为适于处理微流体的接触区域。
这样的微流控装置可以完全与标准IC处理相兼容，并且可以允许 纳微滴的高度受控处置。这样的微流控装置还易于制造并且可以与标 准后端CMOS工艺相兼容。此外，这样的装置可以在具有小临界尺寸 的电极方面高度可縮放。这样的微流控装置还可以容易地集成到芯片 上实验室平台中。此外，这样的微流控装置可以允许对微滴处置的精 确电子控制。这样的装置还可以具有较高的通用性，并且可以用于例 如基于微流控的系统和装置。
接下来，将说明微流控芯片的其他示例实施例。然而，这些实施 例还用于操纵流体微滴的方法。
控制单元可以适于控制多个电极的电位，使得在特定时刻，所述 多个电极中恰好两个(或更多，例如四个)相邻电极被激励以提供具 有相反极性的电位。换言之，大量电极中只有少量电极可以在特定时 刻被激励，使得例如正极/正端子可以用于电极中的一个，或者负极/ 负端子可以用于另一个。这可以根据有效电压的极性以及根据电特性 (如，电荷、极化性等)来强制带电样本或微滴从电极中的一个移动 到另一个。在两个电极的这种控制期间，其余电极保持在浮置电位， 即，不是必须被控制。因此，采用非常简单的方式，使得沿着预定路 径精确地输送流体是可能的。
微流控芯片可以包括衬底，其中以金属镶嵌技术(damascene technique)在所述衬底上具体地在衬底的上部形成多个电极。金属镶
9嵌技术可以表示用于将诸如银或铜之类的金属置于衬底中的金属嵌入 技术，并且可以是产生掩埋式电极部分的非常简单的过程，所述掩埋 式电极部分可以与在金属镶嵌电极部分上方和/或下方提供的其他电 极结构相组合，该金属镶嵌电极部分被用作位置较低的集成电路部件 和电极的尺寸较小的表面部分之间的桥接。
微流控芯片可以在衬底与所述多个电极之间具有阻挡结构。利用
这样的阻挡结构(可以是由Ta/TaN制成的)，可以以提高的质量来制造 微流控芯片。
可以在所述多个电极上提供图案化的钝化层。所述多个电极中的 每个可以包括形成于衬底中的第一部分呢以及可以包括在所述第一部 分上方并且被布置在钝化层的槽中的第二部分，其中所述第二部分的 暴露面积比所述第一部分的表面面积小。因此，可以执行从衬底内部 较大电极尺寸到有源表面处较小电极尺寸的转换，其中用于流体激励 的微流控芯片的功能有效尺寸可以依赖于表面附近部分的较小尺寸。 这可以允许制造最小的电极结构，从而允许高效地激励非常小体积的 流体。
对所述多个电极中的每个可独立寻址。换言之，专用于特定电极 的电信号仅可以用于该电极。这可以允许精确地调节微滴移动可能的 路径。
微流控芯片可以包括衬底，在所述衬底中和/或上布置多个电极， 该微流控芯片还可以包括覆盖物，其中可以在衬底和覆盖物之间提供 间隙用于容纳流体微滴。因此，非常小尺寸的(例如，具有微升或更 小量级的体积的)的样本可以被夹在衬底与覆盖物之间，并从而可以 有效地防止该样本蒸发，这对于非常小的体积的独立液滴沿微流控芯 片表面的移动特别重要。因此，覆盖物可以保护样本并防止样本蒸发。
微流控芯片可以被用作单侧电润湿装置或单侧电介质上电润湿 装置。单侧电润湿装置具有在电极材料与样本之间的直接接触。关于 单侧电介质上电润湿，可以在电极与流体之间提供电介质层。CMOS 工艺可以与这两个方案(单侧电润湿和单侧电介质上电润湿技术)都 兼容。微流控装置可以没有反电极。反电极可以用于与流体微滴的电连 接，使得流体微滴的电位保持等于反电极的电位。本发明的实施例不 需要这样的反电极，从而可以被制造得更小并且可以更易于操作。这 可以允许简单的构造。除此之外，对流控样本的电影响仅可以从流控 样本的一侧(空间)起作用。因此，可选的覆盖元件也可以没有任何 电极结构。
可以将所述多个电极布置在微流控芯片的流程后端部分的上表 面上。因此，流控激励部件可以直接位于集成电路的末端，这可以简 化微流控装置的构造。
微流控芯片可以包括在流程后端部分中的至少一个中间金属化 结构，具体地，至少一个中间铜结构，其中所述多个电极可以经由所 述至少一个中间金属化结构电耦合至微流控芯片的流程前端部分。采 用这种方式，可以将流体分离部件与掩埋的较低位置集成电路元件在 空间上分开以提供其他电功能，如，电控制功能。
所述多个电极的至少一部分的暴露表面具有小于300nm的尺寸。 因此，可以制造出尺寸非常小的电极，这是操纵体积非常小体积的流 体的基础。
可以以CMOS技术来制造微流控芯片。CMOS技术，具体地最新 代CMOS技术允许制造尺寸非常小的结构，使得通过具体地在流程前 端中实现CMOS技术将提高装置的(空间)精度。BiCMOS工艺实际 上是添加双极晶体管的、具有某些附加工艺步骤的CMOS工艺。
可以将微流控芯片装置单片地集成在半导体衬底中，具体地，包 括由IV族半导体(如，硅或锗)以及III族-IV族半导体(如，砷化镓) 组成的组中的至少一种。
微流控芯片可以包括多个阱，这多个阱中的每个被布置在所述多 个电极中相应的一个电极的上方并且适于至少部分地容纳流体微滴。 因此，在电极上方可以提供凹口 (如，表面中的下沉)，该凹口可以接 收沿着阱/电极对的路径移动的微滴。这样的凹槽布置可以在特定电极 处为微滴提供稳定的支撑，使得微滴可以安全地从一个阱/电极对移动 到下一个阱/电极对。微流控装置可以是传感器装置、传感器读出装置、芯片上实验室、 电泳装置、样本输送装置、样本混合装置、样本洗涤装置、样本提纯
装置、样本放大装置(ample amplification device,)、样本提取装置或 杂化分析装置(的至少一部分)。具体地，可以在任何类型的生命科学 装置中实现微流控装置。
根据本发明的示例实施例，可以提供用于处置纳微滴的电润湿装 置。具体地，可以提供微流控激励装置，可以根据标准半导体制造技 术来制造该微流控激励装置，并且例如可以将所述微流控激励装置集 成在正常CMOS流程中，在所述正常CMOS流程中可以放置一个或跟 多个附加传感器。此外，这可以允许制造超小电极，从而电极可以彼 此非常接近并非常高效地激励流体。
流体的激励(移动)方向可以依赖于电极的控制，具体地，依赖 于电极形状和分离以及依赖于施加到电极的AC (交流)场接通和断开 的方式。
因此，可以提供两个或跟多个电极的布置，所述电极可以是等间 距的，这有助于创建均匀地拖曳流体的规则且均匀的对流环。这样的 微流控装置的表面可以是平坦的，以避免流体与表面之间的摩擦力。 电极的形状可以是矩形的，或者可以具有诸如梯形形状之类的备选形 状。本发明的实施例不限于光致抗蚀剂图案化(即，在嵌入衬底中的 金属电极上方的钝化层中的开口)的大小，使得可以使用传统的后端 CMOS工艺。示例性电极金属材料可以是铝或铜。在蚀刻于电绝缘层 中的槽中可以预见阻挡层，随后在所述电绝缘层中沉积了铜材料；可 以提到的是可以使用与CMOS制造兼容的任何阻挡材料。
电渗透的有利特性是利用传递至流体的动量来移动流体本身，并 且流体拖曳浸入其中的任何物体。这与通过流体来拖曳粒子的电泳相 反。本发明的实施例与具有要激励的生物分子(例如，相应缓冲溶液 中的DNA以及合适缓冲溶液中的蛋白质)的许多种特定流体兼容。
本发明的实施例提供了一种避免任何复杂性、具体地避免液滴稳 定在电极之间的微流控装置。为此，可以实现后端半导体工艺的使用， 这可以允许制造较小(例如，250nm以及更小)的电极，并且可以允许显著减小电极之间的间距使得微滴达不到在相邻电极之间的平衡状 态(如果需要的话，间距可以在纳米的量级上)。
根据示例实施例，可以通过选择性地偏置相邻电极对来移动液 滴，使得通过允许所有直接围绕的电极的电位浮置，这些相邻电极对 选择性地用作驱动或参考电极。这可以表示为单侧电润湿装置。这样， 不需要提供连续的接地电极。此外，如果需要的话，可以将微滴限制 在所覆盖的微沟道内以避免微滴蒸发。
根据本发明的示例实施例，可以在CMOS平台上制造电润湿系统， 这允许驱动和浮置电极由针对该电极的合适CMOS电子设计来控制。
可以在由第一电极和第二电极所施加的电场产生的力、以及稳定 在两者之一中(例如，第一电极中)的微滴的方面，来理解电润湿现 象。电解质微滴的角处的边缘场趋于将微滴向下拉到第二电极上，减 小微观接触角，以及增大微滴接触面积。最终结果可以是微滴从一个 电极到另一电极的位移。可以根据Lippmann-Young方程通过电位来控 制电极表面上液体微滴的接触角
cos e( 0 - cos 9(0) = ~^~K2
在该方程中，e(F)是在电位rf的接触角，Y^是液体蒸汽界面处
的表面张力，s和t分别是绝缘层的介电常数和厚度。在施加交流(AC) 电压的情况下，将V替换成均方根(RMS)电压。
根据示例实施例，可以提供一种制造装置的方法，该方法与标准 IC工艺完全兼容并且允许纳微滴的高度受控处置。具体地，可以提供 一种用于微流控处置的装置。更具体地，可以提供一种制造纳电极的 方法，该方法与标准IC工艺兼容并且允许将微流控激励装置用在生物 分子处置中。
对于任何方法步骤，可以实现从半导体技术已知的任何传统过 程。形成层或部件可以包括诸如CVD (化学气相沉积)、PECVD (等 离子增强化学气相沉积)、ALD (原子层沉积)、或溅射之类的沉积技 术。去除层或部件可以包括诸如湿蚀刻、等离子蚀刻等在内的蚀刻技 术以及诸如光刻、UV光刻、电子束光刻等的图案化技术。
13本发明的实施例不限于特定材料，因此可以使用许多不同的材 料。对于导电性结构，可以使用金属化结构、硅化物结构、或多晶硅 结构。对于半导体区域或部件，可以使用晶体硅。对于绝缘部分，可 以使用氧化硅或氮化硅。
可以在纯的晶体硅晶片上或在SOI晶片(绝缘体上硅)上形成生
物传感器。
可以实现诸如CMOS、 BIPOLAR、以及BICMOS之类的任何工艺技术。
从下文所描述的实施例的示例，本发明的以上限定的方面和其他 方面将显而易见，并且参考这些实施例的示例，本发明的以上限定的 方面和其他方面将得以说明。


以下将参考实施例的示例来描述本发明，然而本发明不限于所述
实施例的示例。
图1至图6示出了根据本发明示例实施例的微流控芯片。 图7至图13示出了根据本发明示例实施例的、在微流控芯片的制
造期间获得的层序列。
具体实施例方式
附图中的图示是示意性的。在不同附图中，以相同的参考标记来 提供相似或相同的元素。
在下文中，参考图l，将说明根据本发明示例实施例的、用于操 纵流体微滴101的微流控芯片100。
装置100包括硅衬底107，在所述硅衬底107中集成了多个部件。 在装置100的上面部分，在硅衬底107上方的电绝缘层140中形成电极 103。然而，可以将电绝缘层140和硅衬底107表示为"衬底"。
微流控芯片100包括流程前端部分105和流程后端部分104，其中 电极103形成在流程后端部分104中。
在流程前端部分105，作为集成电路提供控制电路106，所述控制电路106适于控制多个电极103的电位，以选择性地产生用于使流体微 滴101沿着预定义的轨迹(即，根据图l在从左到右的水平方向上)移 动的电力。
备选地，还可以在单独的装置中与微流控芯片100分开地形成控 制电路106。
控制电路106适于控制多个电极103的电位，使得在图l所示的情 况下， 一个电极103a具有正极性，另一电极103b具有负极性，而所有 其余电极103浮置，即，不具有任何限定的电位。因此，在本实施例中， 在分别带正电和负电的电极103a和103b之间产生电场，使得当微滴101 带正电时微滴101在电力的影响下从带正电的电极103a被输送至带负 电的电极103b。因此，根据图l的体系结构，在微升情形下的流体微滴 IOI的输送是可能的。
电极103包括以金属镶嵌技术集成在层140内的金属镶嵌部分 110，以及包括暴露部分lll (暴露于样本室中，液体微滴101在样本室 中移动)，所述暴露部分111填充在钝化层109中形成的槽中，以与相应 的金属镶嵌部分110导电连接。除此之外，在钝化层109中的每个槽中 形成阻挡部分108，所述阻挡部分108可以由Ta/TaN制成。电极103的部 分110和111是由铜材料制成的。
经由埋入式电连接120 (可以由不同金属化层中的若干结构构 成)，可对多个电极103中的每个电极103独立寻址(address)。
微流控装置100包括抬高的覆盖元件112，其中在钝化层109的表 面和覆盖112之间形成作为样本室的间隙121。在该间隙121内，容纳流 体微滴IOI，并且保护流体微滴101不受外部影响且不蒸发。
微流控芯片100是以COMS技术形成的，并且适于作为生物传感器 芯片，即，由生物相容的材料制成，所述生物相容的材料使得可以在 微流控装置100中输送和分析包括蛋白质和DNA在内的生物样本(如， 微滴IOI)。
采用装置IOO，可以对微滴101执行微流控激励。为此，可以将流 体微滴101在图1中从左侧移动到右侧，并且可以在该移动过程中使流 体微滴101与其他流体微滴相互作用(例如，以便进行混合、合并、或
15触发反应)。例如，可以执行化学或生物化学反应、细胞溶解、聚合酶
链反应(PCR)、洗涤步骤等，以处置或分析流控样本101。在该过程 的结尾，可以将流控样本101输送至感测部分130以供感测/检测。感测 部分130包括感测袋131，在所述感测袋131中固定了多个俘获分子132。 当流体微滴101中包括与俘获分子132互补的分子时，可能出现杂化事 件并且传感器袋130环境中相应的电特性可能发生改变，从而产生感测 电极133电位的变化，该变化也可以由控制单元106来感测。
生物传感器芯片100基于以下现象例如，当抗体的抗体接合片 段(antibody-binding fragment)或DNA单链序列(作为俘获分子132) 符合流控样本101的目标分子的相应序列或结构时，固定在感测电极 132表面上的俘获分子132可以选择性地与流控样本101中的目标分子
杂化。当在传感器表面发生这样的杂化或传感器事件时，这可以改变 该表面的电特性，该电特性的改变可以由控制单元106检测为传感器事件。
在下文中，参考图2，将说明根据本发明另一示例实施例的微流 控芯片200。
在更详细描述图2之前，将说明AC电渗透(ACEO)。 当向电极103施加电位时，电场使得电荷201、 202在电极103的表 面上累积，这可以改变表面附近的电荷密度，并且可以形成电偶层。 该过程可以称作电极极化。电偶层与电场的切向分量相互作用。如从 图2可以看出，可以在电偶层上产生净力，该净力导致流体运动。
在交替的电场中，电偶层中电荷201、 202的符号和电场切向分量 的方向都发生改变。因此，当极性改变时，流体上合力的方向保持相 同。
在平行电极103表面上的电渗透速度v可以是
1 《Q2 8 Hr(l + Q2)2
其中，s是电解质的介电常数，Ke是施加到电极103的电势，^是电 解质的粘度，r是从电极间隙的中心到感兴趣的点的距离。无纲量频率 Q由以下给出<formula>formula see original document page 17</formula>
其中，O)是所施加的电场的角频率，CJ是电解质的导电率，K是电
偶层的倒易德拜长度(reciprocal Debye length)。 AC电渗透所驱动的 大量流体运动依赖于电极103的几何特性，并且是可以在数字上计算 的。数字仿真预测电极103顶部流体的环流。
返回图2，说明了AC电渗透系统，其中参考数字203和204表示库 仑力，参考数字201、 202表示电偶层中的感生电荷。以参考数字205 来表示电场的切向分量，参考数字206示出了流体流动的方向和速度。
接下来，参考图3，将说明根据本发明示例实施例的微流控芯片
300。
装置300包括硅衬底301、氧化硅层302、氮化硅层303、 Ta/TaN阻 挡层10S、铜电极103以及非常薄的碳化硅层304。
为了制造微流控芯片300，所有制造仅涉及例如在金属镶嵌技术 中使用的标准流程后端(BEOL)处理。在本实施例中使用碳化硅层 304来允许执行电介质上电润湿(EWOD)。
与此相反，图4所示的根据本发明另一示例实施例的微流控芯片 400包括图案化的碳化硅层401，所述碳化硅层401允许执行电润湿 (EW)。图4示出了沿着图5的线K-K'的横截面
从而图5示出了微流控装置400的平面图。
经由包括在封装中的入口501在装置400中注入左侧的微滴506。 中心部分的微滴507是受控滴落运动的示例，沿着箭头509所指示的方 向移动。在图5的右侧示出了两个微滴505，如图5中箭头510所指示的， 这两个微滴目前被相应的力所合并。
如从图5可以看出，每个电极103包括厚接触部分502，可以经由 该厚接触部分502来向相应的电极103施加电信号；包括薄中间部分 503;以及包括面积比厚接触部分502的面积小的矩形末端部分504。使 各个电极103的部分504对齐，以形成流体运动轨迹505。流体运动轨迹 505是垂直于长方形中间部分503而布置的。接触部分502的面积比轨迹 部分504的面积大，从而接触部分502以交替的几何方式布置在流体运动轨迹505的不同侧上。
如从图5可以看出，电极103中的一些带负电，其他的带正电，从 而启动中间部分中微滴507的滴落运动，或右侧两个微滴508的合并运动。
图6示出了根据本发明另一示例实施例的微流控芯片600的平面图。
此外，在该实施例中，每个电极103包括接触部分502、中间部分 503、以及流体接触部分504。图6示出了流体在其中启动流体循环的布 置，即，沿着图6中箭头601的循环流体运动。图6中的每个电极103可
独立寻址。
在下文中，参考图7至图13，将说明根据本发明示例实施例的制 造微流控装置的过程。
为了获得图7所示的层序列，在层140的槽中形成Ta/TaN阻挡加上 铜种子700 (在BEOL处理的情况下)。以铜材料填充含有衬里的槽以 形成电极103。
为了获得图8所示的层序列，在图7所示的层序列上沉积钝化层
109。
此后，如从图9所示的层序列可以看出，在图8所示的层序列的表 面上沉积光致抗蚀剂层900。
为了获得图10所示的层序列，将光致抗蚀剂层900图案化，并对 钝化层109进行蚀刻以形成槽1000。例如通过剥离(stripping)来去除 光致抗蚀剂900。
为了获得图ll所示的层序列，在图10所示的层序列上沉积Ta/TaN 阻挡1100和铜种子结构1101。
为了获得图12所示的层序列，执行镀铜过程，以产生铜结构1200。
为了获得图13所示的层序列，通过执行金属CMP ("化学机械抛 光")来部分地去除铜层112，然后沉积有机BTA层1300用于电极隔离。
在图13中，每个电极103以垂直于纸平面的方向延伸。可以使用 例如与每个电极103相关联的键合焊盘以及利用内部(意味着芯片上) 或外部电子部件来(以正或负电压)对每个电极103独立寻址。例如可以利用标准CMOS工艺在铜电极103的每一端处制造键合焊盘。可以将 电极阵列嵌入微流控沟道作为其关键部分，随后将所述电极阵列封装 到通用芯片上实验室上。通过这种方式，可以显著提高所产生的微流 控芯片的质量。
最后应注意的是，上述实施例说明而不限制本发明，在不脱离所 附权利要求所限定的本发明的范围的前提下，本领域技术人员可以设 计出许多备选实施例。在权利要求中，圆括号中的任何参考标记都不 应被就诶是为限制权利要求。词语"包括"和"包含"等不排除除了 权利要求或说明书全文中所列之外的元件、材料或步骤的存在。单个 提及的元件不排除这样的元件的复数提及，反之亦然。在列举了若干 装置的权利要求中，这些装置中的一些可以由同一软件或硬件项目来 体现。重要的是在互不相同的从属权利要求中陈述的特定措施并不表 示不能有利地使用这些措施的组合。
权利要求
1、一种用于操纵流体微滴(101)的微流控芯片(100)，所述微流控芯片(100)包括多个电极(103)，被布置在所述微流控芯片(100)的流程后端部分(104)中；控制单元(106)，适于控制所述多个电极(103)的电位，以产生用于使流体微滴(101)沿着预定义的轨迹移动的电力。
2、 根据权利要求l所述的微流控芯片(100)，所述微流控芯片 (100)适于与所述多个电极(103)的对齐方向平行地或垂直地对流体微滴(101)执行液体和/或分子输送。
3、 根据权利要求2所述的微流控芯片(100)，所述微流控芯片 (100)适于使用由介电电泳、电渗透、以及电泳组成的组中的一种技术来对流体微滴(101)执行液体和/或分子输送。
4、 根据权利要求l所述的微流控芯片(100)，所述控制单元(106) 适于控制所述多个电极(103)的电位，使得在特定时刻所述多个电极(103)中两个相邻的电极被激励以提供具有相反极性的电位。
5、 根据权利要求4所述的微流控芯片(100)，其中，所述控制电 路(106)适于控制所述多个电极(103)的电位，使得当所述多个电 极(103)中两个相邻的电极被激励时，其余的电极(103)具有浮置 电位。
6、 根据权利要求l所述的微流控芯片(100)，包括衬底(107)， 其中，所述多个电极(103)是以金属镶嵌技术形成在衬底(107)上 的。
7、 根据权利要求6所述的微流控芯片(100)，包括在衬底(107) 与所述多个电极(103)之间的阻挡结构(108)。
8、 根据权利要求l所述的微流控芯片(100)，包括所述多个电极 (103)上图案化的钝化层(109)，其中，所述多个电极(103)中的每个电极包括在衬底(107)中形成的第一部分(110)以及包括在所述第一部分(110)上方并且在所述钝化层(109)的槽中的第二部分 (111)，其中，所述第二部分(111)的暴露面积比所述第一部分(110) 的表面积小。
9、 根据权利要求l所述的微流控芯片(100)，其中，所述多个电 极(103)中的每个电极可独立寻址。
10、 根据权利要求l所述的微流控芯片(100)，包括衬底(107) 并包括覆盖物(112)，所述多个电极(103)被布置在所述衬底(107) 中和/或所述衬底(107)上，其中在所述衬底(107)与所述覆盖物(112) 之间提供间隙(121)以容纳流体微滴(101)。
11、 根据权利要求10所述的微流控芯片(100)，其中，所述覆盖 物(122)没有电极。
12、 根据权利要求l所述的微流控芯片(100)，所述微流控芯片 (100)适于作为单侧电润湿装置或作为单侧电介质上电润湿装置。
13、 根据权利要求l所述的微流控芯片(100)，其中，所述微流 控芯片(100)没有反电极。
14、 根据权利要求l所述的微流控芯片(100)，其中，所述多个 电极(103)被布置在所述微流控芯片(100)的流程后端部分(104) 的上表面处。
15、 根据权利要求l所述的微流控芯片(100)，包括在所述流程 后端部分(104)中的至少一个中间金属化结构(113)，具体地至少一 个中间铜结构，其中所述多个电极(103)经由所述至少一个中间金属 化结构(113)电耦合至所述微流控芯片(100)的流程前端部分(104)。
16、 根据权利要求l所述的微流控芯片(100)，其中，所述多个 电极(103)的至少一部分的暴露表面具有小于300nm的尺寸，具体地 具有小于100nm的尺寸。
17、 根据权利要求l所述的微流控芯片(100)，所述微流控芯片 (100)是以CMOS技术制造的。
18、 根据权利要求l所述的微流控芯片(100)，所述微流控芯片 (100)单片地集成在半导体衬底(107)中，具体地包括由IV族半导体和m族-v族半导体组成的组中的一种。
19、 根据权利要求l所述的微流控芯片(100)，所述微流控芯片 (100)适于作为生物传感器芯片。
20、 根据权利要求l所述的微流控芯片(100)，包括多个阱(220)， 所述多个阱(220)中的每个被布置在所述多个电极(103)中相应的 一个电极的上方并且适于至少部分地容纳流体微滴(101)。
21、 一种操纵流体微滴(101)的方法，所述方法包括 控制多个电极(103)的电位以产生用于使所述流体微滴(101)沿着预定义的轨迹移动的电力，所述多个电极(103)被布置在微流控 芯片(100)的流程后端部分(104)中。
全文摘要
本申请公开了一种用于操纵流体微滴(101)的微流控芯片(100)，所述微流控芯片(100)包括多个电极(103)，被布置在微流控芯片(100)的流程后端部分(104)中；以及控制电路(106)，适于控制所述多个电极(103)的电位以产生用于使流体微滴(101)沿着预定义的轨迹移动的电力。
文档编号B01F13/00GK101687191SQ200880023117
公开日2010年3月31日 申请日期2008年6月25日 优先权日2007年7月3日
发明者巴勃罗·加西亚特洛 申请人:Nxp股份有限公司