CN103803479B - 集成电微流控探针卡、系统及其使用方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种生物场效应晶体管(BioFET)设备的测试和处理方法、系统和装置。晶圆级生物传感器处理工具包括晶圆载物台、集成电微流控探针卡以及流体供应器和回流器。该集成电微流控探针卡包括流控底座(其可以为透明的)、流控底座中的微流体通道、位于流控底座的底部的至少一个微流控探针和多个电探针顶端、位于流控底座的侧部的流体和电子输入口和输出口以及位于流控底座上的至少一个操作凸缘。该方法包括对准晶圆、安装集成电微流控探针卡、使测试流体流动以及测试电气性能。该工具还可以用于标识或标记晶圆上的设备区中的流体。本发明还提供了一种集成电微流控探针卡、系统及其使用方法。

Description

集成电微流控探针卡、系统及其使用方法
技术领域
本发明涉及在芯片上形成和测试生物传感器的方法。具体地，本发明涉及用于测试生物场效应晶体管(bioFET)的系统和方法及其形成方法。
背景技术
生物传感器是用于感测和检测生物分子的设备并基于电子、电化学、光学和机械检测原理运行。包括晶体管的生物传感器是电检测电荷、光子和生物实体或生物分子的机械性能的传感器。通过检测生物实体或生物分子本身或者通过指定反应物与生物实体/生物分子之间的相互作用或反应，可完成检测。这种生物传感器可使用半导体工艺制造，能够将生物分子信息快速转变成电信号并易于应用到集成电路(IC)和微机电系统(MEMS)中。
BioFET(生物场效应晶体管、生物敏感场效应晶体管、生物活性场效应晶体管或生物有机场效应晶体管)是包括用于电检测生物分子或生物实体的晶体管的生物传感器的一种类型。尽管BioFET在很多方面具有优越性，但是例如由于半导体制造工艺与生物学应用之间的兼容性问题，增加了其制造和/或操作的挑战性。
发明内容
为了解决现有技术中所存在的问题，根据本发明的一个方面，提供了一种集成电微流控探针卡，包括：透明流控底座，所述流控底座具有第一主面和第二主面以及位于所述第一主面和所述第二主面之间的至少一个副面；多个微流体通道，位于所述流控底座中；至少一个微流控探针和多个电探针顶端，布置在所述第一主面上，所述至少一个微流控探针连接至所述多个微流体通道中的至少一个；至少一个流体入口和至少一个流体出口，位于所述流控底座的一个或多个副面上；输入/输出电端口，位于所述流控底座上，电连接至所述多个电探针顶端；以及一个或多个操作凸缘，附接至所述流控底座。
在所述集成电微流控探针卡中，还包括：连接至所述多个微流体通道的压力传感器、流量计或温度传感器中的一个或多个。
在所述集成电微流控探针卡中，还包括：连接至所述多个微流体通道的电磁电极或铁磁电极以及用于控制所述电磁电极或所述铁磁电极的控制器。
在所述集成电微流控探针卡中，还包括：位于所述多个微流体通道中的阀、泵、加热器或它们的组合。
在所述集成电微流控探针卡中，所述流控底座包括硅树脂、环氧树脂或光刻胶。
在所述集成电微流控探针卡中，所述流控底座包括聚二甲硅氧烷(PDMS)或聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)。
根据本发明的另一方面，提供了一种晶圆级生物传感器处理工具，包括：晶圆载物台；集成电微流控探针卡，可拆卸地附接至卡固定臂，所述集成电微流控探针卡包括：流控底座，所述流控底座具有第一主面和第二主面以及位于所述第一主面和所述第二主面之间的至少一个副面；多个微流体通道，位于所述流控底座中；至少一个微流控探针，设置在所述第一主面上，所述至少一个微流控探针流体连通至所述多个微流体通道中的至少一个；多个电探针顶端，设置在所述第一主面上；至少一个流体入口和至少一个流体出口，位于所述流控底座的一个或多个副面上；输入/输出电端口，位于所述流控底座上，电连接至所述多个电探针顶端；和一个或多个操作凸缘；流体供应器，可拆卸地连接至所述集成电微流控探针卡的所述至少一个流体入口；以及回流器，可拆卸地连接至所述集成电微流控探针卡的所述至少一个流体出口；其中，所述卡固定臂被配置为移动所述集成电微流控探针卡以紧靠晶圆载物台上的晶圆密封所述至少一个微流控探针并使所述多个电探针顶端与所述晶圆上的导电表面电接触。
在所述集成电微流控探针卡中，还包括：位于所述晶圆载物台上方的显微镜；以及被配置为照亮所述晶圆载物台上的晶圆的至少一个光源；其中，所述流控底座是透明的。
在所述集成电微流控探针卡中，所述晶圆载物台被配置为相对于所述卡固定臂在至少两个方向上移动。
在所述集成电微流控探针卡中，还包括：被配置为操作一个或多个探测工具的显微操作器。
根据本发明的又一方面，提供了一种用于测试部分制成的生物传感器设备晶圆的方法，所述方法包括：在晶圆级生物传感器处理工具的晶圆载物台上对准所述部分制成的生物传感器设备晶圆；将集成电微流控探针卡安装至所述部分制成的生物传感器设备晶圆上的设备区；在所述集成电微流控探针卡上的流体探针与所述设备区之间形成密封；将所述集成电微流控探针卡上的一个或多个电探针顶端电连接至所述设备区的导电区域；使测试流体从流体供应器流动至所述集成电微流控探针卡；以及基于测试流体流，通过所述一个或多个电探针顶端电气测量所述设备区的一个或多个生物场效应晶体管的电性能。
在所述方法中，还包括；测量流体压力的变化；测量所述集成电微流控探针卡中的所述测试流体的温度。
在所述方法中，还包括：将所述晶圆暴露于光；测量所述晶圆的光辐射等级。
在所述方法中，还包括：使所述测试流体从所述集成电微流控探针卡流出。
在所述方法中，还包括：使第二测试流体从所述流体供应器流至所述集成电微流控探针卡；以及基于第二测试流体流，通过所述一个或多个电探针顶端电气测量所述设备区的一个或多个生物场效应晶体管的电性能。
在所述方法中，还包括：基于电性能测量值将所述设备区标记为合格或不合格。
在所述方法中，还包括：从所述晶圆的所述设备区移除所述集成电微流控探针卡；将所述集成电子微流控探针安装至所述晶圆上的第二设备区；以及重复流动操作和电测量操作。
在所述方法中，还包括：基于生物传感器设备设计形成所述集成电微流控探针卡。
根据本发明的又一方面，提供了一种制造生物传感器设备晶圆的方法，所述方法包括：在晶圆上形成生物场效应晶体管、非生物场效应晶体管和互连结构；在晶圆级生物传感器处理工具的晶圆载物台上对准所述晶圆；将集成电微流控探针卡安装至所述晶圆上的设备区，以在所述集成电微流控探针卡上的流体探针与所述晶圆的所述设备区之间形成密封；标识或标记所述晶圆上的所述设备区中的流体。
在所述方法中，还包括：形成具有图案化流体探针的集成电微流控探针卡。
附图说明
根据以下结合附图的详细描述可以最好地理解本发明。需要强调的是，根据工业中的标准实践，各种不同部件没有按比例绘制，并且只是用于图示的目的。实际上，为了使论述清晰，可以任意增加或减小各种部件的数量和尺寸。
图1是根据本发明的一个或多个方面的晶圆级生物传感器处理工具的实施例的示意图。
图2是根据本发明的一个或多个方面的集成电微流控探针卡和部分生物场效应晶体管的截面图。
图3和图4是根据本发明的一个或多个实施例的集成电微流控探针卡的立体图。
图5和图6是根据本发明的多个方面的用于测试和制造生物场效应晶体管的方法实施例的流程图。
具体实施方式
应该理解，以下公开提供了用于实现本发明不同特征的许多不同实施例或实例。以下描述了部件和配置的具体实例以简化本发明。当然，这些仅仅为实例而不用于构成限制。此外，在以下描述中，第一部件形成在第二部件上方或第二部件上，可包括第一和第二部件被形成为直接接触的实施例，并且还可以包括形成插入第一和第二部件之间的附加部件以使第一和第二部件不直接接触的实施例。此外，对诸如“顶部”、“前部”、“底部”和“后部”的相关术语的参考用于提供元件之间的相对关系，并非旨在说明任何绝对方向。为了简单和清楚，各种部件可以按不同比例任意绘制。
在生物场效应晶体管(BioFET)中，控制半导体在源级和漏极接触件之间的电导的金属-氧化物-半导体场效应晶体管(MOSFET)包括作为表面受体的固定化探针模块的生物或生化兼容层或生物官能化层。实质上，BioFET是具有半导体传感器的场效应晶体管。BioFET的优势是无标记运行的前景。具体地，BioFET能够避免昂贵和费时的标记操作，诸如对具有例如荧光粉或放射性探针的分析物的标记。当被标记的分析物按照设计作出反应并发出荧光或放射性时，由于放射是短暂的，因此具有很短的测量机会。然而，尽管具有这些昂贵、费时和设计限制的缺点，被标记分析物的使用提供了大量的反应并在某些场合下适用，例如用于检测新的生物传感器。
由于靶生物分子或生物实体与感测表面或固定在BioFET的感测表面上的受体分子的结合，BioFET的典型的检测机制是传感器的电导调制。当靶生物分子或生物实体结合到感测表面或固定化受体上时，BioFET的漏极电流按照感测表面的电位变化。可以测量漏极电流的这种改变并可以确定受体与靶生物分子或生物实体的结合。很多生物分子或生物实体(诸如离子、酶、抗体、配体、受体、肽、寡核苷酸、器官的细胞、生物体和组织片)可以用于官能化BioFET的感测表面。例如，为了检测ssDNA(单链脱氧核糖核酸)，可以官能化具有固定的互补ssDNA单链的BioFET的感测表面。同样，为了检测诸如肿瘤标记的蛋白质，可以官能化具有单克隆抗体的BioFET的感测表面。
各种类型的BioFET的一个差别是感测表面的位置。感测表面的一个实例是位于连接至BioFET的栅极的浮栅的顶部。在感测表面的其他实例中，生物分子直接结合或通过受体结合到栅极或BioFET的栅极电介质上。这些BioFET直接感测靶生物分子并比在浮栅上具有感测表面的那些BioFET更加准确。
BioFET设备可包括多个BioFET和其他晶体管以及电路。每个BioFET均具有与微流体通道或阱相关的感测表面，生物物质在微流体通道或阱中流动并被检测。BioFET设备可通过若干实体来制造，而装配/检测可由其他实体完成。在一个典型的方案中，在半导体生产制造设备中的半导体衬底上使用互补型金属-氧化物-半导体(CMOS)工艺兼容技术制造晶体管(包括BioFET和非BioFET)。在一些实施例中，BioFET设备上的微流体结构在晶体管和管道形成之后在衬底上直接形成。在一些实施例中，BioFET设备上的微流体结构单独形成并附接在半导体生产制造设备上。在一些实施例中，BioFET设备上的微流体结构单独形成并附接在另一个设备上，该设备可能是半导体生产制造设备的用户或供应商。
装备半导体生产制造设备以执行对在制造设备上生产的半导体设备的芯片级、晶圆级和晶圆级芯片的尺寸测试。一般的半导体探针台通常包括用于部分或完全装配设备的电探测的显微操作器和探针卡。如果发现任何缺陷，该产品会在装运前被重新加工或标记。然而，传统的半导体探针台没有被配置在操作条件下测试BioFET设备。尽管可以检测基本的电气性能，但是BioFET设备中使用生物体液的部分(诸如感测表面和微流体通道)不能使用传统的半导体探针台测试。
在生物实验室中，送样系统通常使用一排吸头或打印头，以将生物样品转移到具有固定尺寸的靶标(例如，96孔板)上的标本上。一个或多个流体供应器连接至将流体注入容器(通常为板上的试管或孔(well))的输送移液管。容器或移液管均可相对于彼此移动。送样系统可包括可同时输送流体至多个容器的若干移液管。一些移液管还可从一个容器拾取流体然后输送至另一个容器。
本发明提供了用于BioFET设备(诸如片上实验室设备)晶圆级芯片尺寸后处理和测试的系统。在不必为了在客户现场完成测试而装运从而不会产生相应延误的情况下来检验BioFET设备的功能和产量的能力使得在半导体代工厂大量生产生物医学设备成为可能。晶圆级生物传感器处理工具可集成后处理(感测表面官能化、送样)和测试(光探测流体动力学和生物反应、电探测设备特性)。晶圆级生物传感器处理工具可通过所附接的显微镜实时监测生物反应。如果检测到问题，晶圆级生物传感器处理工具允许测试和诊断/故障排除。晶圆级生物传感器处理工具还加快向BioFET设备的生产商的反馈。
本发明提供了晶圆级生物传感器处理工具，其结合了用于在一个平台进行电处理的和生物处理和测试的各种功能。图1是根据本发明的多个实施例的晶圆级生物传感器处理工具100的示意图。晶圆级生物传感器处理工具100可封装在腔室中以可用于环境控制。例如，多种处理和测试可在不同于周围环境的温度和压力环境中执行。腔室可包括进气口和出气口以在处理和测试期间控制大气成分。对于大批量生产，还可以将负载锁和自动化晶圆托架/盒处理集成到晶圆级生物传感器处理工具100中。
当晶圆进入晶圆级生物传感器处理工具100时，已经形成了BioFET和电路。晶圆113放置在工具100中的晶圆载物台103上。晶圆113以虚线示出，这是因为其在非运行状态下不属于晶圆级生物传感器处理工具100的一部分。晶圆113可由晶圆传输机器人手臂(未示出)定位或者由操作员手动放置。晶圆载物台103至少部分透明，以允许操作期间来自光源109的光线穿过晶圆载物台传输光线。晶圆载物台103可以是同时可处理或测试一个以上晶圆或工件的基架、基座或传送带。晶圆载物台103可以在一个或多个方向上移动。根据多个实施例，晶圆载物台103在至少两个方向x和y上具有移动自由度。在一些实施例中，晶圆载物台103可在3个方向上移动：x、y和z；x、z和θ(旋转)；或x、y和θ(旋转)。晶圆载物台103还可包括具有传感器和加热器/冷却器的嵌入式温度控制器，其中加热器/冷却器配置为通过传导加热或冷却来改变晶圆113的温度。在一些实施例中，晶圆载物台103可容纳部分晶圆(部分地成片状)、管芯、封装衬底上的多个管芯或封装芯片。
晶圆级生物传感器处理工具100还包括定位在晶圆载物台103上方的集成电微流控探针卡101。集成电微流控探针卡101包括包含一个或多个流体探针127和一个或多个电探针123的流控底座121。流控底座121包括至少一组流体入口和流体出口117，其接收来自流体供应器115的测试流体或处理流体并使得使用过的流体返回至回流器116。图2至图4示出了集成电微流控探针卡的不同实施例，并且将更详细地讨论集成电微流控探针卡的各种特征。
集成电微流控探针卡101还包括一个或多个附接至集成电微流控探针卡的边缘或侧部的操作凸缘119。通过一个或多个卡固定臂125或者通过使用一个或多个操作凸缘119的显微操作器手臂来固定和移动集成电微流控探针卡101。运行期间，卡固定臂125在集成电微流控探针卡101上施加向下的力，以便于流体探针127倚靠着晶圆113密封。因此，配置卡固定臂125以至少在向下的方向上移动集成电微流控探针卡101。根据多种实施例，卡固定臂125具有能够横向以及垂直移动的可动关节和/或基座。
根据多种实施例，集成电微流控探针卡至少部分透明，使得位于集成电微流控探针卡101上部的显微镜111可透过流控底座121观测晶圆113上的生物反应。操作凸缘119以不阻碍光线向显微镜111传播的方式定位。至少在流体探针127上部的部分流控底座121是透明的。显微镜111上部的光源107可用于透过集成电微流控探针卡101照亮晶圆或者通过分析物中具有特定波长的放射标记触发荧光或磷光。
显微镜111可以安装至能够记录和测量使用显微镜捕获的图像的各种光学特征的相机。此外，显微镜111可以从晶圆载物台103和集成电微流控探针卡101独立地移动，以便透过透明的流控底座121仅集中于部分可见区域。
晶圆级生物传感器处理工具100还包括能够支撑多个探测工具(例如探针、划片、喷嘴、吸管头或电极)的一个或多个显微操作器105。通过探测工具，少量的处理流体或测试流体可添加到晶圆113中或从晶圆113中提取出来。显微操作器105可以通过操作界面来控制并具有足够的移动精度来对准被检测BioFET设备的很小面积。例如，如果BioFET测试失败，可以添加少量蚀刻剂以从晶圆的表面移除层或者移除部分感测表面以进一步检测失败的原因。显微操作器105可与显微镜111协同工作。例如，显微操作器105可通过在晶圆载物台103的特定区域滴些流体来校准，该液滴可由附接至显微镜111的相机自动验证。在另一个实例中，操作员可通过使用显微操作器105锯或划线来移除部分材料层，并通过透过显微镜111观察来验证结果。
图2包括集成电微流控探针卡201和晶圆113的部分221的截面图。该集成电微流控探针卡201包括流控底座217。该流控底座217具有正对着晶圆部分221的主面251和正对着远离晶圆部分221的方向的另一主面253。一个或多个电探针213和一个或多个流体探针209在主面251上形成或安装。一个或多个操作凸缘215靠近副面255在另一个主面253上形成或安装或者在副面255上形成或安装，以免阻碍从主面253观察晶圆部分221。至少一个电子端口(未示出)、至少一个流体入口203和至少一个流体出口205布置在副面255上。词语“主”和“副”的使用不意味着主面的表面积必定大于副面的表面积。相反，这些词用于区分朝向晶圆的表面还是远离晶圆的表面还是正交于晶圆的表面。
电探针213包括导电材料制成的电探针顶端以及用于支撑电探针顶端并用于将电探针顶端电气连接至流控底座217上的电子端口的底座。电探针顶端可由金属制成并可包括弹性材料或接合点。电探针顶端处的导电材料可被配置以使用小于接触焊盘223的面积的接触面形成与晶圆部分221的表面上的接触焊盘223的电接触。
微流体通道207位于流控底座217内部，其引导来自流体入口203的流体通过流体探针209到达流体出口205。微流体通道207可包括阀、泵、加热器或与流体接触的能够控制或引导流体的其他设备。其他设备可包括能够增加、减少或偏转流体流动的各种电极。实例为用作磁泳(magnetophoresis)的磁铁或铁磁体或电极、用作电泳的金属电极或者用作介电泳的特定介电材料。阀、泵和加热器可以是微机电系统(MEMS)。微流体通道207还可包括各种传感器和微传感器，诸如压力传感器、流量计、温度传感器和连接至液流的电传感器。
流体探针209包括用于引导去向和来自晶圆部分221的被测试流体的管道211。测试或处理期间，集成电微流控探针卡201定位在晶圆部分221的上部，以便集成电微流控探针卡201上的电探针213与晶圆部分221上的金属焊盘223对准，同时流体探针209与晶圆部分221上的BioFET阱229对准。然后，集成电微流控探针卡201或者通过向上移动晶圆载物台或者通过降低集成电微流控探针卡201来与晶圆221安装，以在流体探针209与BioFET阱229之间形成密封。为形成密封，可使流控底座217和/或流体探针209变形。然而，流控底座217和流体探针209被设计为从晶圆上拆卸下来之后恢复它们的原始形状，因此它们可以被再次使用。
流控底座217和流体探针209可由硅树脂、环氧树脂或光刻胶形成。在一些实施例中，流控底座217和流体探针209可由聚二甲基硅氧烷(PDMS)或聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)形成。在某些实施例中，流控底座217和流体探针209可由相同材料制成，其是生物兼容性材料并可以再次使用。在一些实施例中，材料是可模制的。
晶圆部分221在衬底225上形成，衬底225包括具有电接触焊盘223的互连结构231和位于封闭微流体孔229的微流体结构227内的感测表面233。在一些实施例中，微流体结构227可基于感测表面233的定位而具有不同的结构。例如，在一些实施例中，感测表面位于或临近BioFET的栅极处，这允许微流体结构227嵌入到互连结构中。
在一些实施例中，可形成具有电探针、电子端口、流体入口和出口以及操作凸缘的流体安装模块。在电探针的同一侧配备凹部。流体探针插头被设计为补充BioFET设备上的微流体结构。例如，如果在BioFET设备上具有包括入口和出口的孔结构，那么可使用诸如图2的流体探针209的管道式流体探针。如果在BioFET设备上没有微流体结构，那么可使用阱式微流控探针，其中，微流控探针围绕并覆盖BioFET上的感测表面。对流控底座上的凹部的使用使得同一流控底座可用于多个BioFET设备布局。对凹部用的使用还使得流体探针被移除而用于清洁。在其他实施例中，可形成流控底座和流体探针来用于每个BioFET设备。
晶圆部分221可包括一个BioFET设备、部分BioFET设备或多个BioFET设备。在一些实施例中，集成电微流控探针卡201在不同位置具有很多流体探针和电探针，以使用一个集成电微流控探针卡同时测试多个BioFET设备。另一方面，具有一个或几个流体探针和一个或几个电探针的简易的集成电微流控探针卡201可用于以类似的方式分别测试待检测BioFET设备。在一个实例中，集成电微流控探针卡包括具有用于流体探针的凹部的流控底座。根据待测试的BioFET的数目和BioFET的位置，凹部可配置有流体探针或覆盖不用于测试的凹部的盲法兰(blank flange)。在一些实施例中，可添加或移除附加探针。这种集成电微流控探针卡可以是能够测试不同BioFET设备的通用卡。
图3和图4均为集成电微流控探针卡实施例300和400的立体图。在图3中，集成电微流控探针卡300包括具有窗口313的流控底座301，显微镜111(图1)透过该窗口313可记录或观测反应。因为使用了观测窗口，所以流控底座301可以是透明的或者可以是不透明的。控制凸缘303附接至流控底座301的顶面。电子端口311也在流控底座301的顶面上形成。在其他实施例中，操作凸缘和电子端口可位于正交于晶圆113(图1)的副面上。流体入口和出口305在副面上形成。尽管在每个副面上仅示出了一个流体入口和出口，但是在流控底座301上可能有另外的流体入口和出口。此外，流体入口和出口305可在流控底座301的同侧或异侧。在最靠近晶圆的主面上，布置有流体探针309和电探针307。在一些实施例中，电探针307是柔性的，以与晶圆上的接触焊盘223(图2)形成可靠的电接触。在某些实施例中，电探针是机械致动的，以通过显微操作器手臂上的一个或多个关节的移动来接触晶圆上的不同接触焊盘223。除感测电气性能之外，电探针还可用于提供偏置电压或电流。
在图4中，集成电微流控探针卡400包括具有窗口413的流控底座401，通过显微镜111(图1)透过该窗口413可记录或观测反应。因为使用了观测窗口，所以流控底座401可以是透明的或者可以是不透明的。在图4的实施例中，流体探针409是透明的以允许观测。在这个实施例中，操作凸缘403附接至流控底座401的顶面。在其他实施例中，操作凸缘403附接在正交于晶圆113(图1)的副面上。在一些实施例中，流体入口和出口405和电子端口411在流控底座401的副面上形成。尽管示出了三个流体入口和出口405，但是在一些实施例中也可能有附加的流体进出口。流控底座401在这个实施例中为圆柱形并仅具有一个副面。在最靠近晶圆113的主面上，布置有一个或多个流控底座409和电探针407。在一实施例中，电探针407是柔性的，以与晶圆上的接触焊盘223(图2)形成可靠的电接触。在某些实施例中，电探针407是机械致动的，以通过显微操作器手臂上的一个或多个关节的移动来接触晶圆113上的不同接触焊盘。除感测电气性能之外，电探针407还可用于提供偏置电压或电流。
图5和图6是根据本发明的多个实施例的测试和处理部分或完全装配的BioFET设备的工艺流程图。图5是测试部分装配或完全装配的BioFET设备的方法500的工艺流程图。在操作502中，形成集成电微流控探针卡。该操作由测试BioFET设备的设备执行，其还可以是制造BioFET设备的同一设备。集成电微流控探针卡还可以由单独设备(例如，制造商的客户)形成。正如所讨论的，该集成电微流控探针卡可包括多种运行机制(例如，MEMS)以实现除测试之外的诊断检查。
在操作504中，将工件在晶圆级生物传感器处理工具的载物台上对准。工件包括部分装配或者完全装配的BioFET设备。工件可能是晶圆、部分晶圆(部分切割)、管芯、封装衬底上的多个管芯或封装芯片的形状。尽管在这里对晶圆级生物传感器处理工具的描述集中于晶圆处理，但是所讨论的概念可应用于其他工件形状和类型。在一些实施例中，可使用工件上的对准标记或压痕光学地或机械地确认对准。
在操作506中，集成电微流控探针卡安装至工件的设备区。正如所讨论的，该安装包括集成电微流控探针卡朝向工件移动或者工件朝向集成电微流控探针卡移动。安装后，集成电微流控探针卡上的一个或多个流体探针倚靠着通常位于感测表面上(例如，感测表面233(图2))的工件的部分设备区密封，该工件可包括或不包括微流体结构上的接触。此外，集成电微流控探针卡上的的电探针(例如，电探针213(图2))还与工件上的接触焊盘的形成电接触。
在操作508中，使测试流体流动至集成电微流控探针卡。在一些实施例中，测试流体流过一个或多个流体入口，例如流体入口203(图2)。该测试流体可包括生物物质或生物物质的代替物以测试BioFET。集成电微流控探针卡上的各种流动机制可向具有感测表面的一个或多个微流体孔或通道输送或引导测试流体。此外，在操作510和512中，晶圆可暴露于光中，然后可通过透明的流控底座或流控底座中的观测窗口测量流体性能或光辐射等级。例如，可在感测表面上部的微流体阱中添加或混合两种测试流体。显微镜(例如，显微镜11(图1))可通过测量特定频率下的光辐射等级来记录反应程度，例如，可在辐照之后透过透明流控底座或透过观测窗口通过显微镜测量该反应引起的光子辐射。
在操作514中，通过一个或者多个电探针顶端来测量一个或者多个BioFET基于测试流体的变化。测试流体包括当附接至感测表面时会改变BioFET的电气性能的材料。当选择性施加电压或电流时，电探针顶端可测量电压或电流。在一些实施例中，电探针顶端在测试流体流动之前和之后感测通过BioFET的电流中的差异。感测到的变化与设计所期望的结果比较，同时还与基于显微镜的光学测量的期望结果比较。如果感测的变化与期望结果匹配，那么BioFET设备正如所设计和制造的运行正常且通过测试。
在一些实施例中，电探针顶端为BioFET设备提供电能用于BioFET设备对测试流体进行测试和分析。测试结果被提供给晶圆级生物传感器处理工具并与期望结果比较。在这种情况下，在提供测试结果之前，由BioFET设备执行信号处理和进一步的操作。BioFET设备可根据测试的对象由多个测试和分析程序预编程，这些程序由晶圆级生物传感器处理工具激活。例如，一种测试可聚焦于感测表面保持受体的能力。包括可由显微镜检测的对受体具有很好亲和性的标记或着色的测试流体可用于测试感测表面。显微镜数据与来自电探针顶端的数据比较，以检验受体是否附接至感测表面。另一种测试可集中于晶体管栅极对多个绑定标记中的细微变化的灵敏度。可设计出多个测试程序并且结果可用于调整BioFET设备设计和/或制造工艺。
在操作516中，在测试和读取之后，测试流体可从集成电探针卡流出。该流出过程包括抽真空、增加清洗液流(例如，去离子水、惰性流体或气体)并干燥。在生物材料用于测试的一些情况下，在进一步处理之前，流控底座和BioFET设备中的流体通道被冲洗和清洁。感测表面上的一些受体会需要湿润或其他防腐技术以防止在搁置或装运期间劣化或剥离。
在操作518中，BioFET设备可基于测试工艺期间BioFET的性能被标记为“通过”或“未通过”。该标记可以是通过划线或以其他方式在BioFET设备上做标记的物理标记。该标记还可以是非物理性标记，例如通过将缺陷的数量和位置录入数据库。如果可能，标记的BioFET设备可进行进一步处理以纠正检测到的问题或者从制造过程中移除。
在操作520中，集成电微流控探针卡被从设备区移除并移动到下一个设备区。如果集成的电探针卡已经测试完晶圆上的所有设备，那么集成电微流控探针卡移动到远离晶圆的起始位置。在一些实施例中，仅晶圆上的某些测试设备用于方法500。例如，一些BioFET设备设计旨在作为单次使用，测试会限制为代表晶圆上剩余BioFET设备的成品率的晶圆上的几个测试BioFET设备。对于可重复使用的更加复杂的设计或为了验证制造过程，需要测试每个BioFET设备。
方法500包括一些光学操作。例如，形成集成电微流控探针卡的操作502可由另一个设备执行。在一些情况下，可以使用通用的集成电微流控探针卡。如果使用的标记不是光致发光或者具有其他光探测特性(诸如染色)，则可以省略利用光学测量的操作510和512。如果BioFET为单次使用的BioFET，则可以省略使测试流体从BioFET设备和集成电微流控探针卡中涌出。将集成电微流控探针卡从晶圆上移除之后，集成的电子流流体探针卡不会移动到测试工件上的另一位置。正如所讨论的，该工件不是在其上具有很多设备的整体晶圆。
方法500包括一些可选操作。例如，通过使不同的测试流体流动或者通过在操作516之后沿着虚线返回至操作508来改变测试流体流动特性可执行多个测试。通过在操作520之后沿着虚线至操作506可测试多个设备区。
除测试之外，晶圆级生物传感器处理工具还可用于执行一些处理，诸如在感测表面和微流体结构中的其他流体表面上建立理想的化学反应(诸如涂覆和附接受体)。图6是用于在BioFET设备上后加工处理的方法600的工艺流程图。在操作602中，形成集成电微流控探针卡。正如所讨论的，集成电微流控探针卡可包括多种操作机构(例如，MEMS)。
在操作604中，将工件在晶圆级生物传感器处理工具上对准。工件包括部分装配或完全装配的BioFET设备。工件可以是晶圆(例如晶圆113(图1))、部分晶圆(例如，晶圆部分221(图2)(部分地切割))、管芯、位于封装衬底上的多个管芯或封装芯片部分的形状。使用工件上的对准标记或压痕来光学地或机械地确认对准。在操作606中，集成电微流控探针卡安装至工件的设备区。该操作与图5的操作506相同。
在操作608中，流体在工件的设备区标识(stamp)或标记(print)。在一些实施例中，流体探针在设备区表面上形成密封以当流体流过流体探针时在表面上有效地形成图案。流体探针可在流体探针的接触设备区的表面上包括另外的图案。可交替地或连续地应用一种或多种流体以实现期望的化学反应。在一些实施例中，流体探针可包括与能够释放由流体探针限定的区域中的一定量的流体的打印头(printer head)类似的喷嘴。在一个实例中，受体的自对准单层可通过压印在设备区表面上来应用。在其他实施例中，通过图案化流体探针来获得标记效果，使得表面的一个或多个部分可由流体润湿而表面的其他部分没有被流体润湿。然后，流体探针暴露在流体中并且图案化部分通过标记转移至设备区表面。另一种标记效果可使用流体渗透性材料作为流体探针表面，并且图案化部分表面以便其不会被流体渗透。一个实例是使用多孔介电材料作为流体探针表面并使用非介电材料涂覆部分流体探针表面。当流体流过安装在设备区上的集成电微流控探针卡时，流体流过介电材料并在设备区表面上印记图案。本领域技术人员可使用前述技术中的一个或多个或本领域技术人员已知的其他技术设计在设备区上标识或标记图案的流体探针。
在操作610中，流体可从集成电微流控探针卡中流出。正如关于图5的操作516所论述的，流出过程可涉及多种流体和气体。如果标识或标记需要使用不同流体的组合应用，那么在操作612中改变流体。在一些实施例中，可使用一种流体和化学品反应首先处理设备区的感测表面，然后使用另一种流体和化学品反应处理附接的受体。例如，为使用模块的自组装单层(SAM)，第一步可能是标记图案以处理感测表面。下一步可能是附接硅烷基团、甲硅烷基、硅烷醇基团、膦酸基、胺基、硫醇基、烷基、烯基、炔基、叠氮基或环氧基团的头部基团。在头部基团形成之后，受体附接至SAM的头部基团。如果在操作612中改变流体，则处理过程沿着虚线返回至操作608。
在操作614中，集成电微流控探针卡从设备区移除并移动至下一个设备区。操作614与图5的操作520相同。
根据本发明的一个方面涉及集成电微流控探针卡，其具有透明流控底座、流控底座中的微流体通道、至少一个微流控探针和多个微流控探针顶端、流体入口和出口、一个或多个电子端口以及一个或多个操作凸缘。流控底座具有第一和第二主面以及位于第一和第二主面之间的副面。微流控探针和电探针布置在第一主面上。至少一个流体入口和至少一个流体出口布置在流控底座的一个或多个副面上。至少一个微流控探针流体连通至多个微流体通道中的一个，流控底座上的电子端口电气连接至多个电探针顶端。
在另一个实施例中，本发明涉及晶圆级生物传感器处理工具，其具有晶圆载物台、可拆卸地附接至卡固定臂上的集成电微流控探针卡以及流体供应器和回流器。配置卡固定臂以移动集成电微流控探针卡以倚靠着晶圆载物台上的晶圆密封至少一个微流控探针并通过晶圆上的导电表面电接触多个电探针顶端。晶圆级生物传感器处理工具还可包括显微镜、至少一个光源和显微操作器。
在又一个方面中，本发明涉及用于测试部分制成生物传感器设备晶圆的方法。该方法包括对准晶圆级生物传感器处理工具的晶圆载物台上的部分制成生物传感器设备晶圆、经由卡固定臂将集成电微流控探针卡安装至部分装配的生物传感器设备晶圆上的设备区以在集成电微流控探针卡上的流体探针和设备区之间形成密封并使集成电微流控探针卡上的一个或多个电探针顶端电接触设备区的导电表面、使测试流体从流体供应器流动至集成电微流控探针卡以及经由一个或多个电探针顶端基于测试流体流动电气测量设备区的一个或多个生物场效应晶体管的电气性能。
在另一个方面中，本发明涉及用于制造生物传感器设备晶圆的方法。该方法包括：在晶圆上形成生物场效应晶体管、非生物场效应晶体管和互连结构；将晶圆在晶圆级生物传感器处理工具的晶圆载物台上对准；经由显微操作器臂将集成电微流控探针卡安装至晶圆上的设备区以在集成电微流控探针卡和晶圆的设备区之间形成密封；以及标识或标记晶圆上的设备区中的流体。
在描述这些实施例中的一个或多个时，本发明可提供相对于现有技术设备的若干优势。在接下来对优势或利益的讨论中，应当注意，这些优势和/或结果可在一些实施例中示出，但是并非需要在每个实施例中示出。此外，应当理解，这里公开的不同实施例提供了不同的特征和优势，并且可以形成各种变化、替代和变型而不偏离本发明的主旨和范围。

Claims (20)

1.一种集成电微流控探针卡，包括：
透明流控底座，所述流控底座具有第一主面和第二主面以及位于所述第一主面和所述第二主面之间的至少一个副面；
多个微流体通道，位于所述流控底座中；
至少一个微流控探针和多个电探针顶端，布置在所述第一主面上，所述至少一个微流控探针连接至所述多个微流体通道中的至少一个；
至少一个流体入口和至少一个流体出口，位于所述流控底座的一个或多个副面上；
输入/输出电端口，位于所述流控底座上，电连接至所述多个电探针顶端；以及
一个或多个操作凸缘，附接至所述流控底座。
2.根据权利要求1所述的集成电微流控探针卡，还包括：连接至所述多个微流体通道的压力传感器、流量计或温度传感器中的一个或多个。
3.根据权利要求1所述的集成电微流控探针卡，还包括：连接至所述多个微流体通道的电磁电极或铁磁电极以及用于控制所述电磁电极或所述铁磁电极的控制器。
4.根据权利要求1所述的集成电微流控探针卡，还包括：位于所述多个微流体通道中的阀、泵、加热器或它们的组合。
5.根据权利要求1所述的集成电微流控探针卡，其中，所述流控底座包括硅树脂、环氧树脂或光刻胶。
6.根据权利要求1所述的集成电微流控探针卡，其中，所述流控底座包括聚二甲硅氧烷(PDMS)或聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)。
7.一种晶圆级生物传感器处理工具，包括：
晶圆载物台；
集成电微流控探针卡，可拆卸地附接至卡固定臂，所述集成电微流控探针卡包括：
流控底座，所述流控底座具有第一主面和第二主面以及位于所述 第一主面和所述第二主面之间的至少一个副面；
多个微流体通道，位于所述流控底座中；
至少一个微流控探针，设置在所述第一主面上，所述至少一个微流控探针流体连通至所述多个微流体通道中的至少一个；
多个电探针顶端，设置在所述第一主面上；
至少一个流体入口和至少一个流体出口，位于所述流控底座的一个或多个副面上；
输入/输出电端口，位于所述流控底座上，电连接至所述多个电探针顶端；和
一个或多个操作凸缘；
流体供应器，可拆卸地连接至所述集成电微流控探针卡的所述至少一个流体入口；以及
回流器，可拆卸地连接至所述集成电微流控探针卡的所述至少一个流体出口；
其中，所述卡固定臂被配置为移动所述集成电微流控探针卡以紧靠晶圆载物台上的晶圆密封所述至少一个微流控探针并使所述多个电探针顶端与所述晶圆上的导电表面电接触。
8.根据权利要求7所述的晶圆级生物传感器处理工具，还包括：
位于所述晶圆载物台上方的显微镜；以及
被配置为照亮所述晶圆载物台上的晶圆的至少一个光源；
其中，所述流控底座是透明的。
9.根据权利要求7所述的晶圆级生物传感器处理工具，其中，所述晶圆载物台被配置为相对于所述卡固定臂在至少两个方向上移动。
10.根据权利要求7所述的晶圆级生物传感器处理工具，还包括：被配置为操作一个或多个探测工具的显微操作器。
11.一种用于测试部分制成的生物传感器设备晶圆的方法，所述方法包括：
在晶圆级生物传感器处理工具的晶圆载物台上对准所述部分制成的生物传感器设备晶圆；
将集成电微流控探针卡安装至所述部分制成的生物传感器设备晶圆上的设备区；
在所述集成电微流控探针卡上的流体探针与所述设备区之间形成密封；
将所述集成电微流控探针卡上的一个或多个电探针顶端电连接至所述设备区的导电区域；
使测试流体从流体供应器流动至所述集成电微流控探针卡；以及
基于测试流体流，通过所述一个或多个电探针顶端电气测量所述设备区的一个或多个生物场效应晶体管的电性能。
12.根据权利要求11所述的方法，还包括；
测量流体压力的变化；
测量所述集成电微流控探针卡中的所述测试流体的温度。
13.根据权利要求11所述的方法，还包括：
将所述晶圆暴露于光；
测量所述晶圆的光辐射等级。
14.根据权利要求11所述的方法，还包括：
使所述测试流体从所述集成电微流控探针卡流出。
15.根据权利要求14所述方法，还包括：
使第二测试流体从所述流体供应器流至所述集成电微流控探针卡；以及
基于第二测试流体流，通过所述一个或多个电探针顶端电气测量所述设备区的一个或多个生物场效应晶体管的电性能。
16.根据权利要求11所述的方法，还包括：
基于电性能测量值将所述设备区标记为合格或不合格。
17.根据权利要求11所述的方法，还包括：
从所述晶圆的所述设备区移除所述集成电微流控探针卡；
将所述集成电子微流控探针安装至所述晶圆上的第二设备区；以及
重复流动操作和电测量操作。
18.根据权利要求11所述的方法，还包括：
基于生物传感器设备设计形成所述集成电微流控探针卡。
19.一种制造生物传感器设备晶圆的方法，所述方法包括：
在晶圆上形成生物场效应晶体管、非生物场效应晶体管和互连结构；
在晶圆级生物传感器处理工具的晶圆载物台上对准所述晶圆；
将集成电微流控探针卡安装至所述晶圆上的设备区，以在所述集成电微流控探针卡上的流体探针与所述晶圆的所述设备区之间形成密封，其中，所述集成电微流控探针卡包括位于同一表面上的微流体探针和电探针顶端；以及
标识或标记所述晶圆上的所述设备区中的流体。
20.根据权利要求19所述的方法，还包括：
形成具有图案化流体探针的集成电微流控探针卡。
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