用于生物芯片的基板及制备该基板的方法

专利名称：用于生物芯片的基板及制备该基板的方法
技术领域：
本发明的一个或多个实施方式涉及用于生物芯片的基板及制备该基板的方法，所 述基板包括纳米结构的点。
背景技术：
随着基因组计划的进展，已经从不同生物体鉴定出基因组核苷酸序列。随着关于 被鉴定核苷酸序列的信息的获得，已经开始积极研究基因表达模式和基因产物的功能。生物芯片是通过将生物材料(诸如活的生物、微生物以及动物和植物的细胞、器 官和神经的酶、肽(peptide)、蛋白、抗体和脱氧核糖核酸(DNA))结合到类似于半导体芯片 的微芯片而制备的生物测定装置。利用半导体工艺的纳米技术、生物技术以及微机电系统 (“MEMS”)技术的进展加速了生物芯片的发展。由微阵列组成的蛋白芯片和DNA芯片有可能很快商品化。DNA芯片是检测DNA的 装置。通过在基板(诸如玻璃基板或半导体基板)上的一小块区域排列包括数百到数千万 具有已知的序列和/或功能的DNA的探针DNA，制备DNA芯片。当样品的遗传材料被滴加到 附着有探针DNA的这类DNA芯片时，只有对应于探针DNA的基因(即，只有具有与探针DNA 碱基序列的互补序列的基因)与所述探针DNA结合。未与探针DNA结合的基因被冲洗掉。 因为DNA芯片上排列的探针DNA碱基序列的序列和/或功能是已知的，通过鉴定与DNA芯 片上基因结合的碱基就能很容易的获得样品的遗传信息。因此，利用DNA芯片可以很快分 析出基因的独特遗传表达、单核苷酸多态性和拷贝数变化，或细胞或组织中的突变等方面。 此外，DNA芯片还可用于分析遗传表达，或用于致病细菌感染试验，抗生素抗性试验，关于对 环境因素的生物反应的研究，食品安全检测，罪犯识别，新药开发，动植物的医学检查等等。具有附着到基板的探针生物分子的生物芯片是通过以下方式形成的在基板的目 标区域合成单链DNA或将预制的单链或双链DNA点样到基板的指定区域。但是，很难控制 附着到基板的生物分子点的密度，从而无法进行精确分析。

发明内容
根据本发明的一个或多个实施方式，用于生物芯片的基板包括基底，附着有多种 生物材料的多个点，其中所述多个点中的每一个包括多个子点(sub spots)。在一个实施方式中，多个子点中的每一个可以具有边长约lnm到约liim的形状。在另一个实施方式中，多个子点中的每一个可以具有边长约lnm到约500nm的形 状。在另一个实施方式中，子点间的距离范围可以是约lnm到约liim。在另一个实施方式中，多个子点中的每一个可以具有选自以下组的任意形状椭 圆形，多边形，海星形，齿轮形和三叶草形。根据一个或多个实施方式，多个子点中的每一个可以是亲水的，基底可以是疏水 的，或多个子点和基底都是亲水的，其中生物分子只生长于光刻图案化的子点区域。
4
根据一个或多个实施方式，多个子点中的每一个可以由选自氧化物、电介质材料、 聚合物、半导体材料及其任意组合中的任意一种形成。根据本发明的一个或多个实施方式，一种制备用于生物芯片的基板的方法，所述 方法包括将子点形成材料应用于基板以形成子点材料层；将光致抗蚀剂应用于子点材料 层并进行光刻以形成光致抗蚀剂(PR)图案；和蚀刻子点材料层的未被PR图案覆盖的部分 以形成多个子点。在一个实施方式中，子点形成材料可以是选自氧化物、电介质材料、聚合物、半导 体材料及其任意组合中的任意一种。在另一个实施方式中，光刻可以使用选自i线、KrF、ArF、F2、极紫外(EUV)光、X射 线和电子束中的任意一种。在另一个实施方式中，光刻可以使用具有多条衬线的掩模。在另一个实施方式中，光刻可以是选自无掩模光刻、纳米压印光刻、间隔物光刻和 浸没式光刻中的任意一种。在另一个实施方式中，子点材料层部分的蚀刻可以包括利用干蚀刻或湿蚀刻对子 点材料层的部分进行蚀刻；如果应当引入和子点材料之间的中间层，利用图案化和蚀 刻的中间层材料可以提供掩模的第二层，所谓的硬掩模，目的是为子点材料制备比冊图案 化更精细的结构。因此，附着到生物芯片的生物分子的均勻性和密度可以被改进，因此由检测产生 的数据的可靠性被提高。此外，利用半导体工艺可以大量生产用于生物芯片的基板，从而可 以提高经济效益。本发明的一个或多个实施方式不限于上面描述的实施方式，还可以包括其他实施 方式。本发明的这些及其他实施方式和特征根据下面的描述将更清楚，或可以通过实施所 描述的实施方式领会到，这对本领域普通技术人员来说是显而易见的。


这些和/或其他方面根据下面对实施方式的描述并结合附图将变得清楚和更易
理解图1是显示本发明的用于生物芯片的基板的示例实施方式的俯视平面示意图；图2是显示图1的基板的子点的俯视平面示意图；图3是显示图1的基板的子点示例实施方式的侧视示意图；图4显示图1的基板的子点的示例形状；图5A到5F是显示制备本发明的用于生物芯片的基板的方法的示例实施方式的截 面示意图；图6A是显示通过干蚀刻形成的子点示例实施方式的截面示意图；图6B是显示通过湿蚀刻形成的子点示例实施方式的截面示意图；图7是显示具有衬线的掩模的示意图。
具体实施例方式现在将详细给出关于实施方式、附图所示实施例的参考。为了清楚的目的将附图中元件和层的尺寸放大。在这方面，显示的实施方式可能具有不同的形式，不应被视为限于 本文所做的描述。因此，实施方式在下面只是通过参照附图用于描述，以解释说明书的特 征。应理解当元件或层被称为位于另一元件或层“上”或与其“连接”时，所述元件或层 可以直接位于另一元件或层或直接与另一元件或层连接，或者可以存在插入元件或层。相 反，当元件或层被称为“直接位于”另一元件或层上或“直接与其连接”时，不存在插入元件 或层。相似的数目通篇都是指相似的元件。本文使用的术语“和/或”包括一种或多种相 关所列项目的任意和所有组合。应理解，尽管本文中术语第一、第二、第三等可用于描述不同的元件、组分、区域、 层和/或部分，这些元件、组分、区域、层和/或部分不应被这些术语限制。这些术语只是用 于将一个元件、组分、区域、层或部分与另一区域、层或部分区分。因此，下面讨论的第一元 件、组分、区域、层或部分可以被称为第二元件、组分、区域、层或部分而不脱离本发明的教导。空间相关术语，诸如“在...下面”等等，在本文中用于方便的描述附图显示的一 种元件或部件与另一元件或部件的关系。应理解空间相关术语旨在包括使用或操作中装置 的不同方向，除了附图描述的方向外。例如，如果附图中的装置被颠倒，被描述为相对于另 一元件或部件“在下面”的元件然后被定向为相对于其他元件或组件“在上面”。因此，示例 术语“在...下面”可以包括上和下两个方向。装置可以另外定向(旋转90度或在另一方 向)，本文空间相对的描述语也做相应解释。本文使用的术语仅仅是为了描述具体实施方式
，不是为了限制本发明。本文使用 的单数形式“一”和“该”还意在包括复数形式，除非上下文清楚的另外指出。还应进一步 了解在本说明书中使用时，术语“包括”和/或“包含，，说明所述特征、整体、步骤、操作、元 件和/或组分的存在，但不排除一种或多种其他特征、整体、步骤、操作、元件、组分和/或其 集合的存在或添加。在本文中本发明的实施方式参照截面图(其是本发明理想化实施方式(和中间结 构)的示意图)进行描述。这样的话，例如作为制备技术和/或限差结果的示意图形状的 变化可以被预期。因此，本发明的实施方式不应限于本文所示区域的具体形状，可以包括例 如由制备技术造成的形状变化。除非另外定义，所有本文使用的术语(包括技术和科学术语)与本发明所属领域 普通技术人员通常理解的具有相同的含义。还应进一步理解，诸如在常用字典里定义的那 些术语应被解释为与相关领域情况下它们的含义一致，不应按理想化或过于正式的意思解 释，除非本文中清楚的如此定义。本文描述的所有方法都可以按照适当的顺序进行，除非本文另外指示或与上下文 明显矛盾。任意和所有实施例或示例语言(例如，“诸如”)的使用仅仅是为了更好的说明 本发明，而不是对本发明的范围进行限制，除非另外声明。说明书中没有语言应被视为指示 任何未要求的元件如本文使用的一样对实施本发明是重要的。在下文中，本发明将参照附图进行详细描述。在一个实施方式中，用于生物芯片的基板包括基底，多个点，其中所述多个点中的 每一个包括多个子点，所述子点具有多个附着到其的生物材料。
图1是显示本发明的用于生物芯片的基板10的实施方式的俯视平面示意图。参照图1，基板10包括基底11和在基底11上形成的多个点12。具有相同碱基序 列的生物分子(例如，探针DNA)附着到多个点12。对于单个点来说，附着到多个点12的探 针DNA的碱基序列可以是相同或不同的。在一个实施方式中，基板10的基底11可以是柔性基板或刚性基板。例如，基底11 可以由硅、玻璃或塑料形成。通常，基底11由疏水性材料形成，使得生物分子不附着到基底 11。在一个实施方式中，多个点12中的每一个包括子点13的阵列。图2是显示图1 的基板10的多个点12的子点13的俯视平面图。具有相同碱基序列的生物分子(例如，探 针DNA)附着到子点13的阵列。对于单个子点来说，附着到子点13的探针DNA的碱基序列 可以是相同或不同的。参照图2，基板10的多个点12中的每一个包括子点13的阵列。在一个实施方式 中，每个子点13可以具有边长为约lnm到约1 ym的矩形形状，子点13的数目不受限制。例 如，如果多个子点13中的每一个具有矩形形状，所述多个子点13中的每一个的两边k和L2 可以彼此相等㈦=L2)，或两边1^和1^2中的一个可以大于另一个(Li>L2，Li<L2)。多 个子点13中的每一个的大小和子点13之间的距离L3的范围可以是约lnm到约1 y m。根据一个或多个实施方式，子点13可以由氧化物、电介质材料、聚合物或半导体 材料形成。通常，子点13由亲水性材料形成，使得生物分子可以附着到子点13。如上所述， 基底11是疏水性的，使得生物分子不附着到基底11，而子点13是亲水性的，使得生物分子 附着到子点13。相反，如果基底11是亲水性的而子点13是疏水性的，则生物分子会分布 于基底11上的子点13之间。在另一个实施方式中，整个基板10，即多个子点13和基底11 都是亲水性的，其中生物分子只生长于光刻图案化的子点区域。图3是图1的基板10的子点13的实施方式的侧视示意图。参照图3，多个子点 13在基底11上形成。当生物芯片形成时，生物分子14附着到多个子点13。尽管多个子点13中的每一个在图2中都具有矩形形状，本发明不限于此，多个子 点13的每一个可以是图4所示的椭圆形，多边形，海星形，齿轮形，三叶草形等。根据形成 多个子点13时使用的掩模形状或蚀刻方法，多个子点13中的每一个的形状可以变化，这将 在后面详细解释。如上所述，基板10包括多个点12，点12包括多个子点13，每个子点13都具有约 lnm到约lym的大小。因此，每个附着有生物分子的子点13的面积大大小于多个点12中 每一个的表面积，增加静电力，从而导致生物分子和子点13之间的活性结合。也就是说，与 包括一个平面点的用于生物芯片的基板不同，因为多个点12中的每一个包括多个子点13， 所以生物分子的偶联、结合或连接被改进。因为典型的基板包括一个平面点，该点上不同位置间的生物分子密度差异较高。 但是，因为图1的基板10可以显著增加多个子点13与生物分子间的结合力，可以实现均一 的生物分子密度。因此，当探针生物分子和靶生物分子杂交然后利用电检测或荧光成像分 析靶生物分子时，可以降低点上成像定位造成的数据差异。在一个实施方式中，多个子点13中的每一个具有小于荧光波长\的特征尺寸，例 如，每个具有小于荧光波长的约lnm到约500nm的直径。如果多个子点13中的每一个具有小于荧光波长、的特征尺寸，例如，500nm，并具有小于荧光波长的约lnm到约500nm的直 径，在光学检测过程中，扫描器读取相邻子点的数据平均值，而不是读取一个子点的单个数 据。因此，一个点中相邻子点之间的非一致性被降低。因此，考虑到不同的荧光波长，可以 适当调整多个子点13中的每一个的大小和形状。在一个实施方式中，一种制备用于生物芯片的基板的方法包括将子点形成材料应 用于基板以形成子点材料层；将光致抗蚀剂应用于子点材料层并进行光刻以形成光致抗蚀 剂(PR)图案；和蚀刻子点材料层的未被冊图案覆盖的部分以形成多个子点。图5A到5F是显示根据本发明实施方式制备用于生物芯片的基板的方法的示例实 施方式的截面示意图。参照图5A，制备基底21。基底21可以由柔性基板或刚性基板形成。例如，基底21 可以由硅、玻璃或塑料形成。参照图5B，子点材料层22在基底21上形成。子点材料层22可以由电介质材料、 聚合物或半导体材料形成。通过控制基底21和子点材料层22的材料，基底21或子点材料 层22可以是亲水性的，另一者可以是疏水性的。因此，生物分子可以附着到子点或在子点 之间。在另一个实施方式中，子点材料层22和基底21都是亲水性的，其中生物分子只生长 于光刻图案化的子点区域。参照图5C，将光致抗蚀剂层23应用于子点材料层22。参照图5D，利用光刻将光致 抗蚀剂层23图案化以形成光致抗蚀剂(PR)图案23a。可以通过掩模光刻、无掩模光刻、纳 米压印光刻、间隔物光刻或浸没式光刻将光致抗蚀剂23图案化，上述光刻法通常利用i线、 KrF、ArF、F2、极紫外光(EUV)、X射线或电子束。如果应当引入冊和子点材料之间的中间 层，利用冊图案化和蚀刻的中间层材料可以提供掩模的第二层，所谓的硬掩模，目的是为 子点材料制备比冊图案化更精细的结构。参照图5E和5F，子点材料层22未被冊图案23a覆盖的部分被蚀刻以形成多个子 点22a。多个子点22a中的每一个的大小和形状可以根据蚀刻方法的不同而变化。例如，可 以进行具有定向性的干蚀刻，例如，反应离子蚀刻(RIE)。此外，如图3所列举，所述方法还 可以包括将生物分子14附着到多个子点13 (未在图5显示)。图6A是显示通过干蚀刻形成的子点22a的截面图。参照图6A，如果蚀刻是垂直进 行，形成有冊图案23a的子点22a的顶表面不受蚀刻时间的影响。图6B是显示通过湿蚀 刻形成的子点22a的截面图。但是，参照图6B，如果湿蚀刻是各向同性进行，子点22a的顶 表面不受冊图案23a保护，并随着蚀刻时间的增加被蚀刻。即，如图6B所示，在湿蚀刻的 情况下，随着蚀刻时间增加，每个子点22a的大小减小，每个子点22a的表面积减小，最终每 个子点22a的平坦表面被蚀刻掉从而被去除。即，每个子点22a的大小和形状会改变，这取 决于蚀刻方法和蚀刻时间以及光刻法。图7是显示具有多条衬线72的掩模70的示意图。为了形成具有如图4所示不同 形状的子点，可以使用包括图7所示的掩模图案71和多条衬线72的掩模70作为一个图案， 该多条衬线72为了光学邻近效应校正(opticalproximity correction)的目的被添加到 掩模图案71。因此，利用掩模70可以控制每个子点的大小和形状以及子点间的间距。利用 掩模70确定的每个子点的大小和形状以及子点间的间距可能影响在后续工艺中用于生物 芯片的基板与生物分子的结合稳定性，以及在检测工艺中影响信噪比(SNR)。
如上所述，根据本发明一个或多个实施方式，用于生物芯片的基板的每个子点具 有边长约lnm到约lym的形状。考虑到存在于附着到生物芯片的样品基因中并在被激发 时发射的荧光的荧光波长，每个子点的大小可能被调整。尽管具体显示并描述了本发明的一个或多个实施方式，本领域普通技术人员应理 解可以在形式和细节上作出各种修改而不脱离下列权利要求限定的本发明教导的精神和 范围。示例实施方式只应被视为描述性意义，而不是为了限制。因此，所有这类修改都包括 在权利要求的范围内。
权利要求
一种用于生物芯片的基板，所述基板包括基底，形成在所述基底上的多个点，多种生物材料附着到所述点，其中所述多个点中的每一个包括多个子点。
2.如权利要求1所述的生物芯片，其中所述多个子点中的每一个具有边长lnm到1y m 的形状。
3.如权利要求2所述的生物芯片，其中所述多个子点中的每一个具有边长lnm到 500nm的形状。
4.如权利要求1所述的生物芯片，其中所述子点之间的距离范围是lnm到lym。
5.如权利要求1所述的生物芯片，其中所述多个子点中的每一个具有选自椭圆形、多 边形、海星形、齿轮形和三叶草形中的任意一种。
6.如权利要求1所述的生物芯片，其中多个子点中的每一个是亲水性的，所述基底是 疏水性的。
7.如权利要求1所述的生物芯片，其中所述多个子点和所述基底都是亲水性的。
8.如权利要求1所述的生物芯片，其中所述多个子点中的每一个由选自氧化物、电介 质材料、聚合物、半导体材料及其任意混合物中的任意一种形成。
9.一种制备用于生物芯片的基板的方法，所述方法包括 将子点形成材料施加到基底以形成子点材料层；将光致抗蚀剂施加到所述子点材料层并进行光刻以形成光致抗蚀剂图案；和 蚀刻所述子点材料层的未被所述光致抗蚀剂图案覆盖的部分以形成多个子点。
10.如权利要求9所述的方法，其中所述子点形成材料是选自氧化物、电介质材料、聚 合物、半导体材料及其任意组合中的任意一种。
11.如权利要求9所述的方法，其中所述光刻使用选自i线、KrF、ArF、F2、极紫外光、X 射线和电子束中的任意一种。
12.如权利要求9所述的方法，其中所述光刻使用具有多条衬线的掩模。
13.如权利要求9所述的方法，其中所述光刻是选自无掩模光刻、纳米压印光刻、间隔 物光刻和浸没式光刻中的任意一种。
14.如权利要求9所述的方法，其中所述多个子点中的每一个具有边长lnm到1y m的 形状。
15.如权利要求9所述的方法，其中所述多个子点中的每一个具有边长lnm到500nm的 形状。
16.如权利要求9所述的方法，其中所述子点之间的距离范围是lnm到1y m。
17.如权利要求9所述的方法，其中所述子点材料层的所述部分的蚀刻包括利用干蚀 刻或湿蚀刻对子点材料层的所述部分进行蚀刻。
18.如权利要求9所述的方法，其中在光致抗蚀剂和所述子点形成材料之间引入中间层。
19.如权利要求9所述的方法，还包括将多个生物分子附着到所述子点。
20.一种用于生物芯片的基板，所述基板包括基底，在所述基底上形成的多个点，其中所述多个点的每一个包括多个子点，并且其中子点具有与其附着的多种生物材料。
全文摘要
一种用于生物芯片的基板和制备该基板的方法。所述用于生物芯片的基板具有在基底上形成的纳米结构点，探针生物分子附着到所述基底，提高了基板与点间的结合效率，并提高了生物分子检测的效率。
文档编号G01N33/48GK101852795SQ20091025844
公开日2010年10月6日 申请日期2009年11月5日 优先权日2008年11月5日
发明者赵成豪 申请人:三星电子株式会社