CN101326465A - 带有聚焦微结构阵列的分析装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种包括第一材料(10)和第二材料(20)的装置，其中，将所述第一材料和第二材料彼此相对地设置，从而形成至少一个聚焦微结构，所述聚焦微结构的焦点(30)位于所述第一材料之外。

Description

带有聚焦微结构阵列的分析装置
本发明涉及用于处理和/或检测样本中的一种或多种分析物的装置的领域。
本发明还涉及描绘诸如晶片分档器或晶片扫描仪的光学投影打印机的特征或评估其质量的领域，以及描绘诸如光致抗蚀剂的感光材料的特征的领域。
本发明还涉及IC制造方法，其中，采用特定晶片和测试掩模来优化芯片制造过程。
本发明涉及样本中的分析物的处理和检测，尤其涉及溶液中的生物分子的检测。所述检测通常以这样的方式发生，即，在衬底材料上提供待分析的流体，其含有针对作为检测对象的分析物的结合物质(bindingsubstance)。在分析物也是DNA链的情况下，这样的俘获探针可以是对应的DNA链。之后，结合物质俘获流体内通常设有标签，并且优选为光学荧光标签的分析物(就两个互补DNA链而言，将这一过程称为杂化)，并使所述分析物即使在去除了流体之后仍然保留在那里。之后，可以对所述分析物进行检测。
但是，就光学检测而言，由于样本中的分析物的体积或量非常小，信噪比变得过低，不足以完成适当的样本分析，因而检测步骤的分辨率会在一定程度上降低。
因此，本发明的目的在于提供一种分析装置，其允许获得更高的分辨率。
这一目的是通过本申请的根据权利要求1所述的装置实现的。相应地，提供了一种包括第一材料和第二材料的装置，其中，将所述第一材料和第二材料彼此相对地设置，从而使之形成至少一个聚焦微结构，所述聚焦微结构的焦点位于所述第一材料之外。
这样做，能够通过本发明获得一个或多个下述优点：
-由于具有高数值孔径n.NA＞1，其中，n为折射率，NA为几何孔径，因而获得了非常高的分辨率。
-由于所述聚焦微结构生成的反射镜是消色差的(无颜色误差的)，因此不管光波长如何都具有相同的诸如焦距等光学特性，
-在采用硅片作为衬底时，这使得其是在IC制造环境下定制的，
-所述的能够获得的非常高的分辨率(对于193纳米的光波长而言低于30纳米)使所述装置能够用于研究IC制造工艺，包括分档器工具评估，
-在采用玻璃或塑料或聚苯乙烯作为衬底时，所述装置对低成本医疗或生物应用变得颇具吸引力，
-由于通过所述聚焦微结构实现了光的会聚，因而对于大多数应用而言均能够提高信噪比，
-但是，在大多数应用中，都能够使所述装置保持相当简单的构造，从而避免复杂的设计，
-在很多应用当中，都能够以简单的方式使用所述装置的聚焦结构来测试所述装置的制造(如下文所述)，
-由于能够对来自下半球的散射光进行重定向和会聚，因而具有提高的会聚效率，
就本发明而言，“焦点”一词包括平行束在受到所述聚焦微结构反射时会聚的点。
根据本发明的实施例，将所述第一材料和第二材料彼此相对地设置，从而形成至少一个聚焦微结构，所述聚焦微结构的像点与所述焦点具有从≥0到≤宽度×2的距离，其中，“宽度”是指聚焦微结构的宽度。
根据本发明的实施例，将所述第一材料和第二材料彼此相对地设置，从而形成至少一个聚焦微结构，所述聚焦微结构的像点与所述焦点具有从≥0到≤宽度的距离。
就本发明而言，“像点”一词还包括所述聚焦微结构形成图像的点。
就本发明而言，词语“高度”和“宽度”包括下述内容：“高度”是指反射镜的顶点(pole)与剖面之间的距离，所述剖面实际上是所获得的圆的弦，宽度是该弦的长度。
根据本发明的优选实施例，所述聚焦微结构具有球形。
根据本发明的优选实施例，所述聚焦微结构具有椭圆形。
这样做，对于大多数应用而言，都能够通过最简单的方式提供用于本发明的聚焦微结构。
根据优选实施例，所述聚焦微结构的高度∶宽度比≥0.1∶1并且≤1∶1，优选≥0.2∶1并且≤0.8∶1，最优选≥0.3∶1并且≤0.6∶1。
根据优选实施例，所述聚焦微结构的焦距∶高度比≥1∶1并且≤3∶1，优选≥1.5∶1并且≤2.5∶1最优选≥1.8∶1并且≤2∶1。
就本发明而言，“焦距”一词包括从所述微结构的焦点到所述第一材料内的凹坑的底部的距离。
根据本发明的优选实施例，所述至少一个聚焦微结构的高度≥0.2μm并且≤100μm，优选≥1μm并且≤80μm，更优选≥5μm并且≤50μm，最优选≥10μm并且≤30μm。
根据本发明的优选实施例，所述至少一个聚焦微结构的宽度≥2μm并且≤100μm，优选≥10μm并且≤80μm，更优选≥20μm并且≤70μm，最优选≥30μm并且≤50μm。
根据本发明的优选实施例，以沟槽的形式提供所述聚焦微结构中的至少一个。
根据本发明的优选实施例，以细长条的形式提供所述聚焦微结构中的至少一个。
应当注意，就本发明而言，“条”一词不限于某种程度的直线结构：根据本发明的实施例，所述条包括弯曲的和/或弧形的元件。
根据本发明的优选实施例，所述第一材料具有≥0.2并且≤2的吸收率值k。已经证明其最适合本发明。所述第一材料优选具有≥0.5并且≤1.8，更优选≥1并且≤1.5的吸收率值k。
就本发明而言，“吸收率值”一词尤其是指和/或包括材料折射率的虚部。
根据本发明的优选实施例，第一材料选自包括Si、Mo、Ti、TiO、TiN、Al、Au、Ag、Cu、有机聚合物、SiO2或其混合物的集合，所述有机聚合物优选地选自包括聚丙烯酸、聚(甲基)丙烯酸、聚丙烯酸酯、聚(甲基)丙烯酸酯、聚碳酸酯、聚苯乙烯及其混合物的集合。
根据本发明的优选实施例，第一材料具有≥0.1并且≤7的折射率n(实部)。所述第二材料优选具有≥0.10并且≤5，更优选≥0.99并且≤2的折射率n。
根据本发明的优选实施例，所述第二材料具有≥0并且≤0.2的吸收率值k。已经证明其最适合本发明。所述第一材料优选具有≥0.0并且≤0.1，更优选≤0的吸收率值k。
根据本发明的优选实施例，所述第二材料选自包括SiO2、Al2O3、HfO、MgF2、Ta2O5及其混合物的集合。
根据本发明的优选实施例，所述第二材料具有≥1.3并且≤3的折射率n。所述第二材料优选具有≥1.5并且≤2.5，更优选≥1.7并且≤2.2的折射率n。
根据本发明的优选实施例，所述聚焦微结构具有(就顶视图而言)基本上为圆形的形状。
根据本发明的优选实施例，所述装置包括多个聚焦微结构，所述聚焦微结构(就顶视图而言)具有基本上为圆形的形状。
根据本发明的优选实施例，所述装置包括多个聚焦微结构，所述聚焦微结构(就顶视图而言)具有基本上为圆形的形状，并且按照周期性图案布置，其中，两个聚焦微结构之间的间距P优选满足P≥D，更优选满足P≥2×D。
根据本发明的另一实施例，所述装置包括多个被形成为具有长度L的细长条的聚焦微结构，其中，优选L≥W，W是所述聚焦微结构的宽度。
根据本发明的优选实施例L≥50×W，更优选≥100×W，更优选≥1000×W，更优选≥10000×W。
根据本发明的优选实施例，所述装置还包括朝向所述聚焦微结构发射光的发光机构和用于探测(例如)由带有标签的分析物发射的光的探测机构。
本发明还涉及一种制造根据本发明的装置的方法，其包括以下步骤：
(a)提供第一材料
(b)在所述第一材料中提供至少一个凹坑
(c)提供第二材料，使得至少所述至少一个凹坑由所述第二材料填充
(d)以任选方式去除所述第二材料和/或第一材料的一部分，优选将该部分抛光去除
(e)任选地应用优选为薄金属涂层或电介质涂层的第三材料，以提高反射镜的反射率。
根据本发明的优选实施例，步骤(b)包括对第一材料进行干法蚀刻。
根据本发明的优选实施例，所述干法蚀刻步骤包括在所述第一材料上提供包括至少一个孔的氧化物硬掩模，通过所述孔向所述第一材料提供蚀刻材料，接下来去除所述氧化物硬掩埋。
根据本发明的优选实施例，所述氧化物硬掩模在一定程度上按照具有≥100nm并且≤1000nm的厚度的层的形式形成。
根据本发明的优选实施例，所述氧化物硬掩模中的至少一个孔具有≥0.05μm并且≤5μm的直径。
根据本发明的优选实施例，所述氧化物硬掩模中的至少一个孔具有≥0.1μm并且≤1μm的直径。
根据本发明的优选实施例，步骤(b)包括采用包括氧化剂和酸的材料进行蚀刻。所述氧化剂优选为H2O2；所述酸优选为无机酸，更优选为H2SO4。所述氧化剂和酸的比例优选为≥0.05∶1并且≤0.2∶1。优选在≥1分钟并且≤5分钟的时间段内采用包括氧化剂和酸的材料进行蚀刻。
根据本发明的优选实施例，步骤(b)包括采用包括氧化剂和碱的材料进行蚀刻。所述氧化剂优选为H2O2；所述碱优选为氨水。所述氧化剂和所述碱的比例优选为≥0.05∶1并且≤0.2∶1。优选在≥1分钟并且≤5分钟的时间段内采用包括氧化剂和碱的材料进行蚀刻。
根据本发明的优选实施例，步骤(b)包括采用包括氧化剂和酸的材料进行蚀刻，接下来采用包括氧化剂和碱的材料进行蚀刻。
根据本发明的优选实施例，在提供所述蚀刻材料之后剥离所述氧化物硬掩模。优选采用≥1％并且≤50％的HF水溶液来剥离所述氧化物硬掩模。
根据本发明的优选实施例，步骤(d)包括第二材料的蚀刻。
本发明还涉及针对IC的制造质量的测试IC制造机构(即晶片分档器或扫描仪)的方法，并且包括对光致抗蚀剂的测试，其包括以下步骤：
(a)在所述晶片上提供多个根据权利要求1所述的聚焦微结构
(b)采用光致抗蚀剂涂覆所述晶片
(c)提供具有测试结构的特定测试掩模
(d)通过位于反射镜结构上的分档器对所述测试掩模成像
(e)对所述抗蚀剂图案显影
(f)在步骤(b)的产物上，使用光学显微镜、散射计、AFM或扫描电子显微镜沿上下方向或者沿横截面评估反射镜晶片上的图案和/或评价所述晶片制造机构
(g)使用所述评估结果来修改工具设置，以修改掩模布局，并由此改进IC制造工艺。
本发明的发明人发现，可以将本发明用于测试晶片制造机构的质量，所述晶片制造机构通常包括晶片分档器或扫描仪以及抗蚀剂提供机构。这一晶片制造机构的质量对于必须以极高的细心和准确度执行的晶片制造非常关键。因此，晶片的制造步骤受到持续的监视。Dirksen等人的US2005/0117148A1公开了一种用于确定光学成像系统的准确度的系统。
在大多数应用中，这样的晶片制造机构包括一个或多个下述装置：
1)晶片分档器或晶片扫描仪，例如将来自标线片的图像投射到硅晶片上的感光层(称为抗蚀剂)上的光学工具。
2)抗蚀剂显影、蚀刻、沉积或抛光工具。
在晶片分档器/扫描仪内受到处理之后，接下来，将所述晶片从分档器内取出，并将其转移到抗蚀剂显影、蚀刻、沉积或抛光工具内。在大多数应用中，将这一循环重复若干次(20-30次)。
如果在这样的晶片制造机构中采用根据本发明的晶片，那么(例如)可以通过显微镜中的扫描来判断晶片制造机构的准确度。
根据本发明的优选实施例，所述方法包括以下步骤：
a)将测试标线片布置在待测试的IC制造机构的成像系统的标线片平面或物平面内；
b)将本发明中所述的涂覆了光致抗蚀剂的晶片布置在待测试的晶片制造机构的成像系统的晶片平面内；
c)利用成像系统来完成对所述测试标线片的若干次曝光，采用成像系统的另一聚焦或曝光剂量形成每一测试图像；
d)对所述晶片上的光致抗蚀剂显影，利用分辨率高于成像系统的分辨率的检测装置检测所述测试图像，以及
e)分析所述检测装置的输出信号，以确定晶片台(stage)位置噪声和晶片台聚焦噪声的值以及诸如扩散长度等的抗蚀剂参数。
根据本发明的优选实施例，出于使晶片在分档器中对准的目的，为所述晶片提供至少一个对准标记。于是，分档器能够容易地对处于晶片的预定位置，即反射镜所在位置的测试标线片结构成像。
根据本发明的实施例，出于使晶片在光学显微镜、AFM或SEM(扫描电子显微镜)中对准的目的，所述晶片还设有通常具有不同的布局的额外标记。
根据本发明的优选实施例，所述晶片还设有至少一个包括有关所述晶片和/或位于所述晶片上的微结构的位置的信息的标记。
本发明还涉及包括用于执行上述方法的软件的计算机程序。
本发明还涉及器件的制造过程，例如，一般而言的芯片、微处理器或存储器件的制造，其中，采用根据本发明的晶片作为测试晶片，通过一种或多种前述方法评价晶片制造机构，并采用所述结果并借助所述检测和/或评价的结果重新设置这一系统的元件。
可以将根据本发明的装置以及借助本方法和/或装置测试方法制造的装置用于各种各样的系统和/或应用，其中的一个或多个如下所述：
-用于分子诊断的生物传感器，
-对诸如血液或唾液等的复杂生物混合物内的蛋白质和核酸进行快速、灵敏的检测，
-用于化学、药品或分子生物的高吞吐量筛选装置，
-测试装置，例如，用于犯罪学中的DNA或蛋白质、(医院中的)现场测试以及集中式实验室或科学研究中的诊断
-用于心脏病学、传染病和肿瘤学中的DNA或蛋白质诊断、食品和环境诊断的工具，
-用于组合化学的工具，
-分析装置，
-纳流体装置和微流体装置。
前述部件以及所要求保护的部件和在所描述的实施例中根据本发明所要采用的部件就其尺寸、外形、材料选择和技术概念而言没有任何特殊的例外，因而能够在不受任何限制的情况下应用相关领域内已知的选择标准。
通过从属权利要求、附图和下文中对各个附图和例子的说明公开了本发明的附加的其它的细节、特征和优点，其中，附图以示范性的方式示出了根据本发明的装置的优选实施例。
图1示出了根据本发明的第一实施例的第一材料和第二材料的组件的非常概略的截面图；
图2示出了根据本发明的第二实施例的第二材料的透视图；
图3像图1那样示出了第一材料和第二材料的组件的非常概略的截面图，其示出了聚焦微结构的焦距和高度；
图4示出了根据本发明的第二实施例的第一材料和第二材料的组件的非常概略的截面图；
图5示出了由多个具有圆形的聚焦微结构构成的组件的非常概略的顶视图；
图6示出了带有光致抗蚀剂材料的根据本发明的第三实施例的第一材料和第二材料的组件的非常概略的截面图；
图7示出了在对抗蚀剂进行曝光和显影之后的根据图6的第一材料和第二材料的组件的非常概略的截面图；
图8示出了根据本发明的实施例的测试晶片的非常概略的顶视图；
图9示出了包括具有细长条外形的聚焦微结构的根据本发明的实施例的测试晶片的非常概略的顶视图；
图10示出了包括具有弧形细长条外形的聚焦微结构的根据本发明的实施例的测试晶片的非常概略的顶视图。
图1示出了根据本发明的第一实施例的第一材料和第二材料10和20的组件1的非常概略的截面图。从图1中可以看出，第一材料和第二材料10和20形成了在某种程度上为球形的聚焦微结构。聚焦微结构使入射光发生弯曲，并将其引导至焦点30，焦点30位于第一材料和第二材料10和20中的任一者之外。分别由“W”和“H”表示如上所述的聚焦微结构的宽度和高度。
图2示出了根据本发明的第二实施例的第一材料10’的透视图。从图2中可以看出，所述聚焦微结构的外形在某种程度上被设置成细长的坑或槽。但是，对于一些应用而言，还可以期望将所述聚焦微结构形成为圆形或椭圆形(从顶部看)。
图3是像图1那样示出了第一材料和第二材料的组件的非常概略的截面图，其示出了所述聚焦微结构的焦距(由“F”表示)和高度(由“H”表示)。
图4示出了根据本发明的第二实施例的第一材料和第二材料的组件1’的非常概略的截面图。这一实施例与图1的实施例的区别在于，在第一材料和第二材料之间提供了涂层35。所述涂层可以由金属材料构成；但是，对于一些应用而言，所述涂层还可以是如上所述的氧化物材料。应当注意，在图4中，所述涂层覆盖了全部第一材料10；但是，在不同实施例中(在附图中未示出)，所述涂层可以仅存在于聚焦微结构内和/或周围。
在另一实施例中(也未在图中示出)，去除第二材料，使得只有凹坑处仍然由第二材料填充，而第一材料的其他部分则未由第二材料覆盖。对本发明的一些应用而言，这种方案也表现出了优越性。
图5示出了由多个具有圆形形状的聚焦微结构构成的组件的非常概略的顶视图。所述聚焦微结构的间距P和直径D如上所述，即，P＞D。
但是，根据另一实施例(在图中未示出)，可以按照具有细长沟槽或者细长条的形式的周期性图案布置聚焦微结构。
图6示出了带有光致抗蚀剂材料的根据本发明的第三实施例的第一材料和第二材料10和20的组件1”的非常概略的截面图。所述光致抗蚀剂是以层50的形式施加的(请注意，只是为了清楚的原因才示出了“焦点”40)。
图7示出了在对抗蚀剂进行曝光和显影之后的根据图6的第一材料和第二材料的组件的非常概略的截面图。在这一实施例中，采用(例如)波长为365、248、193和/或157nm的平行光射束对所述光致抗蚀剂进行曝光。在对所述抗蚀剂显影之后，形成了抗蚀剂图案51。
图8示出了根据本发明的实施例的测试晶片100的非常概略的顶视图。所述晶片包括管芯110的周期性图案(只示出了几个，实际上还有很多)，其包括反射镜或线性反射镜的阵列。典型地，对于扫描仪而言，所述管芯大约为26×32mm，对于分档器而言，所述管芯大约为20×20。此外，对于分档器还存在额外的标记120。
此外，所述晶片包括如上所述的额外的对准标记120以及槽口或取向平面(flat)130。
应当指出，还可以将所述聚焦微结构用于采用了聚焦微结构的阵列的测试掩模(图中未示出)，例如，所述阵列可以与图5所示的阵列类似。
图9示出了包括细长条形状的聚焦微结构的根据本发明的实施例的测试晶片100’的非常概略的顶视图。所述晶片包括由细长条110’构成的周期性图案(只示出了几个，实际上还有很多)。所述测试晶片的其他部件与图8所示的测试晶片中的类似。
从图9中可以看出，条110’相对于虚线具有大约为30°的角度θ，在图9中，所述虚线由字母“A”表示。根据其他实施例(图中未示出)，角度θ选自0°、45°、60°和90°。
图10示出了包括具有细长的弧形条形状110”的聚焦微结构的根据本发明的实施例的测试晶片100”的非常概略的顶视图。所述测试晶片的其他部件与图8和图9所示的测试晶片中的类似。
上述具体实施例中的特定的元件和特征的组合只是示范性的；显然可以设想用本申请以及通过引用而结合在本文中的专利/申请中的其他教导来与这些教导进行交换或替换。本领域技术人员将认识到，在不背离权利要求限定的本发明的精神和范围的情况下，本领域普通技术人员能够想到文中描述的内容的变化、修改及其他实施方式。相应地，上述说明只是为了举例，而并非意在做出限制。本发明的范围由权利要求及其等同物限定。此外，在说明书和权利要求中采用的附图标记不限制所要求保护的本发明的范围。

Claims (11)

1、一种包括第一材料(10)和第二材料(20)的装置(1)，其中，将所述第一材料和第二材料彼此相对地设置，从而形成至少一个聚焦微结构，所述聚焦微结构的焦点(30)位于所述第一材料之外。
2、根据权利要求1所述的装置，其中，将所述第一材料和第二材料彼此相对地设置，从而形成至少一个聚焦微结构，所述聚焦微结构的像点与所述焦点的距离从至少为0到至多为宽度的2倍，其中，“宽度”是所述聚焦微结构的宽度。
3、根据权利要求1或2所述的装置，其中，所述聚焦微结构的高度∶宽度比至少为0.1∶1并且至多为1∶1，优选至少为0.2∶1并且至多为0.8∶1，最优选至少为0.3∶1并且至多为0.6∶1。
4、根据权利要求1到3中的任一项所述的装置，其中，所述聚焦微结构的焦距∶高度比至少为1∶1并且至多为3∶1，优选至少为1.5∶1并且至多为2.5∶1，最优选至少为1.8∶1并且至多为2∶1。
5、根据权利要求1到4中的任一项所述的装置，其中，所述至少一个聚焦微结构是以细长条(10)的形式提供的。
6、根据权利要求1或2所述的装置，其中，所述第一材料从包括Si、Mo、Ti、TiO、TiN、玻璃、石英、有机聚合物材料的组中选择，所述有机聚合物材料优选为PMMA、聚苯乙烯、聚碳酸酯或其混合物。
7、根据权利要求1到3中的任一项所述的装置，其中，所述第二材料从包括SiO2、Al2O3、HfO、MgF2、Ta2O5、TiN、流体及其混合物的组中选择。
8、根据权利要求1到7中的任一项所述的装置的制造方法，其包括以下步骤：
(a)提供第一材料
(b)在所述第一材料中提供至少一个凹坑
(c)提供第二材料，使得至少所述至少一个凹坑由所述第二材料填充
(d)以任选方式去除所述第二材料，优选对所述第二材料进行抛光去除，至少直到所述微结构的焦点位于所述第一材料和第二材料中的任一者之外。
9、一种针对IC的制造质量来测试IC制造机构的方法，并且包括对光致抗蚀剂的测试，该IC制造机构优选为晶片分档器或扫描仪，该方法包括以下步骤：
(a)在所述晶片(100)上提供多个根据权利要求1所述的聚焦微结构(110)
(b)采用光致抗蚀剂涂覆所述晶片
(c)提供具有测试结构的特定测试掩模
(d)通过位于反射镜结构上的分档器对所述测试掩模成像
(e)对所述抗蚀剂图案显影
(f)在步骤(b)的产物上，使用光学显微镜、散射计、AFM或扫描电子显微镜沿上下方向或者沿横截面评估反射镜晶片上的图案和/或评价所述晶片制造机构
(g)使用所述评估结果来修改工具设置，以修改掩模布局，并由此改进IC制造工艺。
10、一种用于测试IC制造工艺的方法，其包括以下步骤：
a)将测试标线片布置在待测试的IC制造机构的成像系统的标线片平面或物平面内；
b)将本发明中所述的涂覆了光致抗蚀剂的晶片布置在待测试的晶片制造机构的成像系统的晶片平面内；
c)利用所述成像系统来完成对所述测试标线片的若干次曝光，采用所述成像系统的另一聚焦或曝光剂量形成每一测试图像；
d)对所述晶片上的光致抗蚀剂显影；
e)利用分辨率高于成像系统的分辨率的检测装置来检测所述测试图像，并分析所述检测装置的输出信号，以确定晶片台位置噪声和晶片台聚焦噪声的值以及诸如扩散长度等的抗蚀剂参数。
11、一种包括根据权利要求1到7中的任一项所述的装置的系统，所述装置是由根据权利要求8所述的方法制造的和/或适于执行根据权利要求9和10所述的方法，该系统用于以下应用中的一项或多项：
-用于分子诊断的生物传感器
-对诸如血液或唾液等复杂生物混合物内的蛋白质和核酸进行快速、灵敏的检测
-用于化学、药品或分子生物学的高吞吐量筛选装置
-测试装置，例如，用于犯罪学中的DNA或蛋白质、(医院中的)现场测试、集中式实验室或科学研究中的诊断
-用于心脏病学、传染病和肿瘤学中的DNA或蛋白质诊断、食品和环境诊断的工具
-用于组合化学的工具
-分析装置
-纳流体装置和微流体装置
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