CN104034656A - 可扩展的生物芯片及其制造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种可扩展的生物芯片及其制造方法。生物芯片包括采用聚合物而接合在一起的流体部分和感测部分。流体部分在一侧上具有微流体通道图案且在另一侧上具有流体连接至微流体通道图案的流体入口和流体出口。在用牺牲保护层保护微流体通道图案之后，通过激光钻孔形成流体入口和流体出口。在低温下进行聚合物的接合而没有破坏感测部分的感测表面上的图案化的表面化学物。

Description

可扩展的生物芯片及其制造方法
技术领域
本发明涉及生物传感器和形成生物芯片的方法。更具体地，本发明涉及具有生物传感器和流体器件的生物芯片及其形成方法。
背景技术
生物传感器是用于感测和检测生物分子的器件并且基于电、电化学、光学和机械检测原理来工作。包括晶体管的生物传感器是对生物体或生物分子的电荷、光子和机械特性进行电感测的传感器。可通过检测生物体或生物分子自身或通过特定的反应物与生物体/生物分子之间的相互作用和反应来进行检测。这样的生物传感器可采用半导体工艺来制造，可迅速转换电信号，并且可容易地应用于集成电路(IC)和微机电系统(MEMS)。
生物芯片实质上是可同时执行数百或数千个生物化学反应的微型实验室。生物芯片可检测特定的生物分子，测试它们的特性，处理信号，甚至可以直接分析数据。生物芯片能够使研究人员快速筛选大量的生物分析物来用于从疾病诊断到生物恐怖剂(bioterrorism agent)检测的各种目的。先进的生物芯片与流体通道(fluidic channel)一起使用多个生物传感器，以整合反应、感测和样本管理。尽管生物芯片在许多方面都具有优势，但是，例如由于半导体制造工艺、生物应用之间的兼容性问题以及对半导体制造工艺的束缚和/或限制，在生物芯片的制造和/或操作方面出现了挑战。
发明内容
根据本发明的一个方面，提供了一种制造生物芯片的方法，包括：在流体衬底上形成微流体通道图案；在微流体通道图案上方沉积牺牲保护层；在流体衬底中用激光钻出通孔；移除牺牲保护层；提供具有修正表面图案的感测晶圆；在感测晶圆上或流体衬底的微流体通道图案侧上形成聚合物图案；以及以小于约100摄氏度的温度，通过聚合物图案来接合感测晶圆和流体衬底。
优选地，沉积牺牲保护层包括热生长氧化硅。
优选地，温度小于约60摄氏度。
优选地，移除牺牲保护层包括湿清洗。
优选地，修正表面图案包括生物功能化图案。
优选地，聚合物是光刻胶。
优选地，接合感测晶圆和流体衬底包括：用等离子体处理聚合物的表面以及使感测晶圆和流体衬底对准接触。
优选地，该方法还包括：将接合后的感测晶圆和流体衬底切割为多个生物芯片，其中通孔包括流体入口和流体出口。
根据本发明的另一方面，提供了一种制造生物芯片的方法，包括：提供一侧上具有微流体通道图案、用激光钻出通孔且在微流体图案上没有产生激光后烧结副产品的流体衬底；形成具有多个生物传感器的感测晶圆；在感测晶圆的感测表面侧上沉积光刻胶；曝光光刻胶的曝光部分；从感测晶圆中去除光刻胶的移除部分而在感测晶圆上保留光刻胶的剩余部分，以在感测表面上形成第一图案；用化学方法修正第一图案；在感测晶圆上或流体衬底的微流体通道图案侧上形成聚合物图案；以及通过聚合物图案来接合感测晶圆和流体衬底。
优选地，用化学方法修正图案包括生物功能化图案的表面。
优选地，该方法还包括：在感测晶圆的感测表面侧上沉积第二光刻胶；曝光第二光刻胶的曝光部分；从感测晶圆中去除第二光刻胶的移除部分以在感测表面上形成第二图案；以及生物功能化第二图案，第一图案和第二图案被不同地生物功能化。
优选地，用化学方法修正图案包括使图案亲水或疏水。
优选地，该方法还包括：从感测晶圆中移除光刻胶的剩余部分。
优选地，聚合物是聚倍半硅氧烷(PSQ)
优选地，通过旋涂沉积光刻胶、曝光光刻胶来形成微流体通道图案、从微流体通道移除光刻胶、以及烘焙光刻胶的剩余部分，在流体衬底上形成聚合物图案。
优选地，接合感测晶圆和流体衬底包括：用等离子体处理流体衬底上的聚合物的表面，并且使感测晶圆和流体衬底对准接触，其中，在接合过程中感测晶圆的温度不超过约60摄氏度。
根据本发明的又一方面，提供了一种生物芯片，包括：流体衬底，具有位于第一侧的微流体通道图案、位于第二侧的流体入口和流体出口，流体入口和流体出口流体连接至微流体通道图案，其中，岛状部件位于流体通道图案中且具有平坦部分；感测器件，具有位于感测表面下方的多个生物传感器，感测表面位于具有第一化学物的第一图案的第一侧上；以及聚合物，将流体衬底的第一侧和感测器件的感测表面侧密封接合。
优选地，流体衬底是透明的。
优选地，感测表面还包括具有第二化学物的第二图案。
优选地，聚合物是光刻胶聚合物。
优选地，该生物芯片还包括位于感测器件的第二侧上的电接触件。
附图说明
当结合附图阅读时，根据以下详细描述最好理解本发明的方面。需要强调的是，根据工业的标准惯例，各个部件不是按照比例绘制。实际上，为了清楚地讨论，可随意增大或减小各个部件的尺寸。
图1是根据本发明各个实施例的生物芯片的截面图。
图2A至图2C是根据本发明一个或多个方面的制造生物芯片器件的方法的各个实施例的流程图。
图3至图4、图5A至图5C、图6、图7A-图7C和图8至图17是根据本发明一个或多个方面的根据图2A至图2C中的方法的一步或多步而部分制造的生物芯片器件的截面图。
具体实施方式
应该理解，为了实现本发明的不同特征，以下发明提供了许多不同的实施例或实例。下文描述了部件和配置的具体实例以简化本发明。当然这些只是实例并不意在限制。而且，在下文的描述中，第一部件形成在第二部件上或第二部件上方可包括第一部件和第二部件被形成为直接接触的实施例，并且还可包括在第一部件和第二部件之间形成附加的部件使得第一部件和第二部件不直接接触的实施例。而且，诸如“顶部”、“前面”、“底部”和“背面”的相关术语的引用用于提供元件之间的相对关系但不用于表示任何绝对的方向。为了简化和清楚，各个部件可以按照不同比例绘制。
简单传统的生物芯片包含在一个或多个阱(well)中与各种感兴趣的生物材料发生反应的各种生物受体(bioreceptor)。一种常用的方法是用发出可检测光子的荧光或磷光生物受体来标记反应。协同方法将传感器编码为生物芯片上的位置，使得阳性反应和光子检测与该位置相关，从而确定反应的实质，例如生物材料的识别。信号可以为光信号、磁信号、电信号或诸如表面声波或微天平重量的质量敏感测量。随机方法是以不同的荧光、磷光或其他可检测和可辨的传感器对传感器编码。阳性检测与所转换的信号类型相关以确定反应的实质。转换信号可以为光子，例如，对于不同的生物材料或表面等离子体共振生成不同波长的光。
更为先进的生物芯片不仅包含生物传感器，而且还包含将生物材料传送至传感器的各种流体通道。流体通道可以是包括泵、阀和诸如流量计、压力传感器和温度传感器的各种测量器件的微流体系统的一部分。因为生物芯片将电处理和流体处理结合在一起，所以流体处理能力成功地集成在半导体芯片环境内。生物芯片的潜在用途是作为芯片实验室，其中医务人员可使用小生物芯片来执行本领域的测试，同时获得结果以及继续治疗或进一步分析而无需到实验室。特别是对于工作在保存样本非常困难的偏远地区的医务人员，芯片实验室器件可节省大量的运输和等待时间。这种芯片实验室器件通常是一次性或不回收的器件。正因为如此，制造成本必须较低以便在经济上可行。
半导体工艺通常涉及烘焙、固化和将各种表面曝光于等离子体能和辐射能。在高温(即，约60摄氏度以上)和/或高能下，这些工艺将破坏或损坏通常为敏感生物分子的生物受体。例如，生物受体可以是抗体/抗原、酶、核酸/DNA、细胞结构/细胞和仿生受体。温度在约100摄氏度以上时，DNA和酶被破坏或损坏。温度在约60摄氏度或以上时，蛋白质和细胞可被破坏或损坏。因此，通常在所有的半导体工艺完成后，进行生物分子附着的表面的生物功能化。在一些设计中，流体通道与生物传感器一起直接形成在通常为硅晶圆的半导体衬底上。在硅上直接形成流体通道(通常为蚀刻)会破坏生物传感器。干蚀刻花费许多材料、时间和能量来在硅中蚀刻通道大小。然而，湿蚀刻更难以控制。
根据各个实施例，通过接合两个衬底来形成生物芯片，两个衬底为形成微流体通道的流体衬底以及其上附着生物传感器和生物受体的传感晶圆。本发明的各个实施例可以想到一种工艺及一种生物芯片，其允许在大约为室温的温度下在接合流体衬底和感测晶圆之前进行生物功能化而没有以高温、高能半导体工艺破坏生物分子。进一步地，流体衬底包括微流体通道和入口/出口。流体衬底独立于感测晶圆形成，从而减小了总周期。
图1是根据本发明各个实施例的生物芯片100的截面图。生物芯片100包括流体衬底101和感测晶圆103，它们之间具有接合聚合物105。接合聚合物105是不与被分析物、生物受体或任何测试流体发生反应的生物兼容材料。接合聚合物可以是光刻胶。在一个实例中，光刻胶是聚倍半硅氧烷(PSQ)。
流体衬底101具有穿过流体衬底101的流体入口107/109和流体出口109/107。流体衬底101具有第一表面121和第二表面123。第一表面121包括微流体通道图案，如图示为通道以及阱111、113、115、117和119，在本发明中统称为腔体。各个腔体111、113、115、117和119通过各种通路相互连接，并且取决于生物芯片的设计可以为不同大小。一些腔体可与生物传感器匹配来提供具有感测表面的阱。一些腔体可以是流体容器。一些腔体可包括将与被分析物发生可检测到的反应的生物受体。腔体之间的流体衬底101部件是岛状部件(island feature)，例如岛状部件127、129、131和133。根据各个实施例，岛状部件包括接合至接合聚合物105的平坦部分，因此通过接合聚合物接合至感测晶圆103。
感测晶圆103包括图案化的感测表面139和一个或多个生物传感器125。生物传感器可以是生物场效晶体管(BioFET)、光学传感器(例如，CMOS传感器)、电化学生物传感器和质量敏感传感器(例如，具有嵌入的压电晶体)。生物传感器125通过互连结构135连接至一个或多个电极137。电极137为生物芯片供电并且向生物芯片提供输入/输出电信号。电极137可以是诸如球栅阵列、铜柱或焊料的凸块。在各个实施例中，电极137能够读取从样本收集的数据，并且可进一步控制生物分析。生物芯片可插入在具有对应电极焊盘的模块内，该模块还包括输入/输出器件和电源。尽管图1只示出了一个生物传感器，但是腔体111、113、115、117和119均可具有对应的生物传感器。
在一些实施例中，生物传感器在感测晶圆的外部且只提供图案化的感测表面139。通过一个或多个透明衬底101或103从外部检测被分析物和/或反应的存在。在这样的实施例中，生物芯片100可插入到光电探测器中，其将激活反应并通过生物芯片某处的阳极光电探测或具体类型光子的阳极光电探测来分析被分析物的范围或特性。
如图1所示，图案化的感测表面139包括两种类型的生物受体141和143。每一个腔体都只可包括一种类型的生物受体，诸如腔体111、115、117和119。腔体还可包括多种类型的生物受体，诸如具有两种生物受体141和143的腔体113。生物受体可如图所示具有不同的密度，并且可在腔体内具有内部图案。例如，在截面中腔体111和119都包括配置成两组的生物受体141。本发明的各个实施例包括在感测表面139上具有多种图案化的生物受体。在一些实施例中，除图案化的生物受体外，还可以包括随机的生物受体。
图2A至图2C是根据本发明一个或多个方面的制造生物芯片器件的方法的各个实施例的流程图。图3至图4、图5A至图5C、图6、图7A至图7C和图8至图17是根据图2A至图2C的方法的一步或多步部分制造的生物芯片器件的截面图。在图2A的操作201中，提供了在一侧具有微流体通道图案和激光所钻的通孔的流体衬底。在一些实施例中，通过形成感测晶体管的实体之外的实体来形成流体衬底。在其他实施例中，同一实体生产流体衬底和感测晶圆。
图2B进一步示出了操作201的细节。在操作211中，在流体衬底上形成微流体通道图案。图3示出了流体衬底301。流体衬底301可以是石英、玻璃、硅、蓝宝石或者不会与被分析物或溶剂发生反应的其他适合的衬底材料。根据一些实施例，流体衬底可至少为10微米厚或约11微米厚。取决于生物芯片是否被设计用于外部光电探测或检查，流体衬底301可以是透明或不透明的。
首先通过用通道图案图案化衬底301上方的光刻胶(未示出)来形成微流体通道图案。在显影光刻胶并移除部分光刻胶后，将剩余的光刻胶用作图案来蚀刻图4中的微流体通道图案。通过湿蚀刻或干蚀刻在流体衬底301内蚀刻微流体通道303、305、307、309和311。在一些实施例中，干蚀刻用于在约100nm处形成通道和阱。在微流体通道网内，各个通道和阱相互连接。包括泵、阀、传感器和其他微机电系统(MEMS)器件的其他部件可形成或嵌入流体衬底301中。通道和阱之间的场区是岛状部件，例如部件313、315、317和319。流体衬底301最终将通过接合聚合物在这些岛状部件处接合至感测晶圆。为了避免相邻通道和阱之间的泄露，接合聚合物将通道和阱单独密封。通过确保岛状部件和感测晶圆的表面之间的良好匹配，可实现更好的密封。因此，设计各个工艺以确保岛状部件顶部的至少一部分保持平坦且能够良好粘合。例如，导致光刻胶下方的衬底301欠蚀刻的工艺应被避免或最小化。
返回参照图2B，在操作213中，在微流体通道图案的上方沉积牺牲保护层。牺牲保护层共形地覆盖微流体通道图案。在一些实施例中，牺牲保护层是热沉积氧化硅(热氧化物)。可通过在高温下(通常在约500摄氏度以上或在约800摄氏度和1200摄氏度之间)将流体衬底301暴露于氧气(干氧化)或蒸汽(湿氧化)来沉积热氧化物。热氧化物有时称为高温氧化物。通过消耗一部分流体衬底301来生成热氧化物。热氧化物的厚度可至少为5nm且可以多达100nm。
在其他实施例中，在没有消耗一部分流体衬底301的情况下来沉积牺牲保护层。牺牲保护层可以是采用诸如等离子体增强(PE)CVD、低压(LP)CVD、高密度等离子体(HDP)CVD和原子层沉积(ALD)的各种常用化学汽相沉积(CVD)技术而沉积的氧化硅。CVD氧化物的厚度可至少为5nm且可以多达100nm。
除氧化硅以外，可使用其他共形沉积的材料，例如金属氧化物。因为牺牲保护层将被移除，所以可使用在激光钻孔期间保护微流体通道图案的表面且可被完全移除的任何共形沉积的材料。而且，牺牲保护层材料可以是生物兼容的。
图5A示出了流体衬底301，其具有位于包括岛状部件313的微流体通道图案上方的牺牲保护层321。图5B和图5C示出了岛状部件313的细节。图5B是热氧化物牺牲保护层321的实施例。因为热氧化工艺消耗流体衬底，所以岛状部件313的角部被稍微圆化，因为这些角部从两侧都受到磨损。然而，岛状部件313顶部的大部分保持平坦或基本平坦。例如，岛状部件边缘的曲率半径可约为热氧化物厚度的20％至25％。在另一个实例中，对于宽度约为100nm的岛状部件来说，约75％以上的顶面保持平坦。图5C是岛状部件313上方的CVD氧化物牺牲保护层321的实施例。图5C的岛状部件313的角部没有如图5B所示那样被圆化。因为CVD工艺不消耗下方的衬底且不在衬底上方沉积材料，所以下方的形状保留且最大面积的平坦区域可用于接合流体衬底与感测晶圆。
返回参照图2B，在操作215中，在流体衬底内用激光钻出通孔。图6是具有微流体通道图案上方的牺牲保护层321以及用激光钻出的通孔323和325的流体衬底301的截面图。通常通过吸收来自聚焦激光束的能量来熔化和蒸发(也称作“烧蚀”)衬底材料来用激光钻出圆柱形孔。激光钻孔工艺使得衬底被熔化驱逐(melt expulsion)。熔化驱逐是通过蒸发生成的腔体内的气压(反冲力)急剧累积而造成的结果。对于发生熔化驱逐，必须形成熔化层，以及由于蒸发而作用于表面的压力梯度必须足够大以克服表面张力且从孔中排出熔化的材料。在流体衬底中，熔化驱逐使得细小的液体微粒高速从孔中排出。一些细小的液体微粒在衬底上凝结和附着。
图6示出了靠近激光钻孔323和325的边缘凝结的熔化驱逐微粒的这些小碎片327。如果露出流体衬底301，则在流体衬底301上烧结这些小碎片327。因此，附着的这些小碎片327不能被移除干净但不影响周围的部件。例如，移除这些小碎片的一种方法是对衬底301的微流体通道图案侧进行化学机械抛光(CMP)。CMP中所使用的研磨液和抛光运动不仅移除了小碎片，而且使岛状部件313变圆以使岛状部件变为丘形，丘形顶部上的大部分是不平坦的。丘形岛状部件不能与感测晶圆很好的接合且会造成穿过不同流体通道和阱的泄露。
取决于激光能量的方向，激光钻孔323和325可具有图6所示截面中的倒置梯形形状或梯形形状。为了保证对齐，从衬底301的微流体通道图案侧执行激光钻孔。
返回参照图2B，在操作217中，移除牺牲保护层。移除牺牲保护层也移除了小碎片，因为牺牲保护层而使得小碎片不会烧结在衬底上。可通过常用的湿蚀刻或干蚀刻工艺移除牺牲保护层。图7A是牺牲保护层移除后流体衬底301的截面图。图7B和图7C是示出岛状部件313的截面图的特写。在图7B中，岛状部件313具有对应于热氧化物牺牲保护层移除后的圆角。在图7C中，岛状部件313具有对应于CVD氧化物牺牲保护层移除后的尖直角。因为牺牲保护层非常薄，所以调整移除蚀刻工艺以使对下方衬底的损坏最小化。在操作217后，工艺返回至图2A中的方法200。
在操作203中，提供具有修正表面图案的感测晶圆。图2C进一步示出了操作203的细节。在操作221中，形成具有生物传感器的感测晶圆。如本发明所讨论的，在感测晶圆内或上形成各种生物传感器。图8所示的一个实例是在具有感测表面侧803和背侧805的感测晶圆801内形成BioFET。感测晶圆801包括位于感测表面侧803上的多个BioFET807。互连结构809连接至BioFET807，其还连接至感测晶圆801的背侧805上的电极811。采用常用的CMOS工艺在感测晶圆上直接形成BioFET。感测晶圆上的其他生物传感器可包括电极、表面等离子体共振传感器、电位生物传感器和与常用的CMOS工艺兼容的其他生物传感器。还可采用常用CMOS工艺在感测晶圆上直接形成附加器件，例如，各种MEMS器件可包括共振器、驱动器、阀、加速器、压力传感器、加热器、冷却器等。尽管图8示出了BioFET，但本发明的各个实施例可设想和包括其他生物传感器。
返回参照图2C，在操作223中，在感测晶圆的感测表面侧上沉积光刻胶。图9示出了具有沉积在感测表面侧803上的光刻胶901的感测晶圆801。沉积工艺可包括固化或软烘以使光刻胶凝固。光刻胶901是生物兼容材料。在操作225中，如图9所示，光刻胶的曝光部分曝光于光辐射903。通过光辐射903所穿透的光掩模来限定曝光部分。一些光线被光掩模阻挡。在操作227中，从感测晶圆中去掉光刻胶中的移除部分以在感测表面上形成第一图案。在曝光部分可溶于光刻胶显影剂的正性光刻胶的情况下，移除部分可与曝光部分相同。在未曝光部分可溶于光刻胶显影剂的负性光刻胶的情况下，移除部分还可与曝光部分相反。在操作227中，光刻胶显影剂用于去掉光刻胶的移除部分而在感测表面上留下第一图案。图10是示出在操作227后感测晶圆801的截面图。感测晶圆表面803的露出部分和被图案化光刻胶1001覆盖的部分形成第一图案。
返回参照图2C，在操作229中，以化学方法修正第一图案。在图11的实施例中，对光刻胶图案之间的露出感测表面执行化学修正。化学修正包括一次或多次表面处理以改变生物受体的特性或附着。在一些实施例中，表面处理使得感测表面亲水或疏水。在一些实施例中，表面处理包括用聚赖氨酸、氨基硅烷、环氧硅烷或硝化纤维来功能化表面。在一些情况下，应用三维晶格材料来用化学方法或物理方法束缚(entrap)生物材料。化学束缚包括用强接合保持化学材料。物理束缚包括通过不让生物材料穿过凝胶基质的小孔来保持生物材料。物理束缚的实例包括水凝胶和干凝胶。一个实例是溶胶凝胶，其是在有生物元素(与诸如PEG的其他稳定聚合物一起)存在的情况下通过聚合硅酸盐单体(添加为诸如TMOS或TEOS的四烷基硅酸乙酯)而生成的玻璃硅。另一实例是通过游离基引发聚合的丙烯酸酯水凝胶。化学表面修正还可包括在感测表面附着生物受体。生物受体可添加或涂覆在功能化的表面上或者可通过层沉积成为固定层以形成生物受体。
表面功能化和生物受体的附着可在一次操作中形成或分别形成。在一些实施例中，化学修正操作229包括多次操作。在其他实施例中，化学修正操作只包括一次操作。在一些实例中，首先用与生物受体形成接合的功能化的化学物质来涂覆第一图案。功能化的化学物质附着在露出的感测表面但不附着至光刻胶。随后，喷射、沉积感测表面或将感测表面暴露于一定剂量的生物受体，生物受体容易接合至感测表面上的功能化的化学物质。感测表面可包括作为形成感测晶圆的一部分而沉积的其他材料层。例如，感测表面可包括金属氧化物。
根据各个实施例，包括可选的生物受体的一种或多种化学物质可通过印刷头印刷在第一图案上。印刷头在精确位置处释放少量的墨水化合物(ink chemical)。不同位置可使用多种类型的墨水化合物。相同位置处不同墨水化合物的组合可用于生成不同的生物受体。例如，取决于所使用的化学物质，能够印刷三种墨水化合物(A、B、C)的印刷头可被调整为生成七种或更多的生物受体(A、B、C、AB、BC、AC、ABC等)。增加墨水化合物的数量可指数型地增加被印刷的不同生物受体的数量。采用印刷技术，可精细地控制像素和生物受体的大小或功能化化学物质的浓度。然而，缩小印刷头尺寸，换言之，缩小像素大小受到限制。采用现有技术很难实现比一微米小很多的尺寸。
结合使用印刷和光刻技术可进一步缩小感测表面的面积。因为光刻技术可限定比像素小的面积，所以它可用于减小感测表面面积。例如，一部分像素可被光刻胶覆盖，光刻胶可随后被移除，从而得到比之前单独使用印刷技术小的感测表面面积。
在另一些实施例中，功能化和生物受体的附着发生在光刻胶图案上而不是在露出的感测表面上。在特定实施例中，通过提供容易与某些生物受体接合的聚合物表面，光刻胶聚合物自身可为一种功能化的物质。
图11是具有光刻胶图案的感测晶圆801的截面图，表面化学物1101位于光刻胶1001之间。可通过喷射、涂覆、凝结或印刷在晶圆上沉积表面化学物1101。根据各个实施例，表面化学物1101在整个感测晶圆801上具有均匀的浓度。如果印刷方法用于沉积，则表面化学物1101可分组为像素，例如图11的像素1103和1105。每一个像素都有大致相同的大小。可通过限制可用表面的大小来形成较小的像素，例如像素1107。可通过合并相邻像素来形成较大的像素。尽管图11的实施例只包括一种表面化学物1101，但是如本发明所讨论的，印刷方法可沉积多种表面化学物1101。
返回参照图2C，可选操作231至操作237是操作223至操作229的重复，形成不同的图案和不同的表面化学物。取决于生物芯片的类型，这些操作可被重复多次以形成具有多种不同生物受体和/或特性的感测晶圆。在后续的操作中，要注意不破坏在操作229中沉积的生物受体和/或表面化学物。在一些实施例中，可执行使表面化学物免受光刻操作影响的附加步骤。例如，可在表面化学物1101上方使用保护层。
在一些实施例中，采用不同于形成第一图案的方法来形成感测晶圆上的第二图案。图12和图13示出了感测晶圆的截面图，其中在没有光子图案的情况下，采用印刷方法直接在第一表面化学物上方沉积第二图案。图12示出了其上具有表面化学物1101的感测晶圆801，但是形成第一图案的光刻胶已被移除并且露出光刻胶图案下方的感测晶圆表面。如图13所示，然后采用印刷技术沉积第二表面化学物1301。因为印刷头不需要与表面直接接触，所以可沉积第二表面化学物1301而不影响第一表面化学物1101。如图所示，第二表面化学物1301的浓度不同于第一表面化学物1101的浓度。
在一些实施例中，操作227中的光刻胶保留为最终生物芯片的一部分，因此没有被移除。第二表面化学物1301可沉积在没有用于接合的部分光刻胶上。
返回参照图2A，在操作205中，在感测晶圆或流体衬底的微流体通道图案侧上形成聚合物图案。聚合物图案用于接合感测晶圆和流体衬底。根据各个实施例，聚合物是光刻胶。在一些实施例中，聚合物是负性光刻胶。聚合物可以是聚倍半硅氧烷(PSQ)。图14是在形成聚合物图案的过程中流体衬底301的截面图。聚合物材料1401沉积在流体衬底301上。在该实例中，聚合物1401是负性光刻胶。光图案1403照射聚合物1401并改变了被照射的光刻胶的化学性质。未曝光部分可溶于光刻胶显影剂且在显影过程中被洗掉。图15示出了所保留的部分。聚合物部分1501限定了与感测晶圆的接合区域。
返回参照图2A，在操作207中，在小于约100摄氏度或小于约60摄氏度的温度下，通过聚合物图案来接合感测晶圆和流体衬底。根据各个实施例，用等离子体处理聚合物表面以增强其粘性。等离子体破坏了聚合物表面的化学键且生成了容易粘附至氧化硅的悬挂键，在暴露于周围环境的硅晶圆上总是存在其薄层。然后，流体衬底被翻转并与感测晶圆对准。图16示出了具有聚合物图案1501以及两种表面化学物1101和1301的流体衬底301和感测晶圆801的截面图。在对准后，流体衬底和感测晶圆被放置在一起。在一些实施例中，施加压力以确保均匀接合。在其他实施例中，对流体衬底和感测晶圆中的一个或两个加热。然而，因为表面化学物1101和1301可能对过高的温度敏感，所以感测晶圆801的温度可低于约60摄氏度或约为室温。
图17是用于形成接合的聚合物图案却施加在感测晶圆801上的实施例的可选截面图。在特定实施例中，聚合物图案1701可以是图10和图11中的光刻胶图案1001。处理光刻胶图案1001以增强其用于接合至流体衬底301的粘性。当然，选择处理方法从而不损坏表面化学物1101。
在流体衬底和感测晶圆接合后，将集成工件切割以形成单独的生物芯片。本发明所述的各个实施例允许一个实体，例如半导体制造厂制造生物芯片而无需包括诸如封装厂的第二个实体。
本发明的一个方面涉及一种制造生物芯片的方法，该方法包括：在流体衬底上形成微流体通道图案；在微流体通道图案上方沉积牺牲保护层；在流体衬底中用激光钻出通孔；移除牺牲保护层；提供具有修正表面图案的感测晶圆；在感测晶圆上或流体衬底的微流体通道图案侧上形成聚合物图案；以及在低于约100摄氏度的温度下，通过聚合物图案来接合感测晶圆和流体衬底。
本发明的另一个方面涉及制造生物芯片的方法。该方法包括：提供流体衬底，其一侧具有微流体通道图案，用激光钻出通孔，并且在微流体图案上没有产生激光后烧结副产品；形成具有多个生物传感器的感测晶圆；在感测晶圆的感测表面侧上沉积光刻胶；曝光光刻胶中的曝光部分；将光刻胶的移除部分从感测晶圆中移除，以在感测表面上形成第一图案；用化学方法修正第一图案；在感测晶圆上或流体衬底的微流体通道图案侧上形成聚合物图案；以及通过聚合物图案接合感测晶圆和流体衬底。
在又一方面中，本发明涉及一种生物芯片，其具有流体衬底、感测器件和位于它们之间的接合聚合物。流体衬底包括位于第一侧的微流体通道图案和位于第二侧的流体入口和流体出口。流体入口和流体出口流体连接至微流体通道图案。微流体通道图案包括具有平坦部分的岛状部件。感测器件具有多个生物芯片，位于具有第一化学物的第一图案的第一侧的感测表面下方。聚合物将流体衬底的第一侧和感测器件的感测表面侧密封接合。
在描述这些实施例中的一个或多个时，本发明相对现有器件可提供许多优点。在下面讨论的优点或优势中，需要注意到这些优势和/或结果可在一些实施例中存在，但不要求存在于每一个实施例。而且，应该理解，本发明所公开的不同实施例提供了不同的特征和优点，且在不背离本发明的精神和范围的情况下，可做出各种改变、替代和变更。

Claims (10)

1.一种制造生物芯片的方法，包括：
在流体衬底上形成微流体通道图案；
在所述微流体通道图案上方沉积牺牲保护层；
在所述流体衬底中用激光钻出通孔；
移除所述牺牲保护层；
提供具有修正表面图案的感测晶圆；
在所述感测晶圆上或所述流体衬底的微流体通道图案侧上形成聚合物图案；以及
以小于约100摄氏度的温度，通过所述聚合物图案来接合所述感测晶圆和所述流体衬底。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，接合所述感测晶圆和所述流体衬底包括：用等离子体处理聚合物的表面以及使所述感测晶圆和所述流体衬底对准接触。
3.根据权利要求1所述的方法，还包括：将接合后的感测晶圆和流体衬底切割为多个生物芯片，其中所述通孔包括流体入口和流体出口。
4.一种制造生物芯片的方法，包括：
提供一侧上具有微流体通道图案、用激光钻出通孔且在所述微流体图案上没有产生激光后烧结副产品的流体衬底；
形成具有多个生物传感器的感测晶圆；
在所述感测晶圆的感测表面侧上沉积光刻胶；
曝光所述光刻胶的曝光部分；
从所述感测晶圆中去除所述光刻胶的移除部分而在所述感测晶圆上保留所述光刻胶的剩余部分，以在所述感测表面上形成第一图案；
用化学方法修正所述第一图案；
在所述感测晶圆上或所述流体衬底的微流体通道图案侧上形成聚合物图案；以及
通过所述聚合物图案来接合所述感测晶圆和所述流体衬底。
5.根据权利要求4所述的方法，其中，用化学方法修正所述图案包括生物功能化所述图案的表面。
6.根据权利要求5所述的方法，还包括：
在所述感测晶圆的感测表面侧上沉积第二光刻胶；
曝光所述第二光刻胶的曝光部分；
从所述感测晶圆中去除所述第二光刻胶的移除部分以在所述感测表面上形成第二图案；以及
生物功能化所述第二图案，所述第一图案和所述第二图案被不同地生物功能化。
7.根据权利要求4所述的方法，其中，用化学方法修正所述图案包括使所述图案亲水或疏水。
8.根据权利要求4所述的方法，其中，通过旋涂沉积所述光刻胶、曝光所述光刻胶来形成所述微流体通道图案、从微流体通道移除所述光刻胶、以及烘焙所述光刻胶的剩余部分，在所述流体衬底上形成所述聚合物图案。
9.根据权利要求8所述的方法，其中，接合所述感测晶圆和所述流体衬底包括：用等离子体处理所述流体衬底上的聚合物的表面，并且使所述感测晶圆和所述流体衬底对准接触，其中，在接合过程中所述感测晶圆的温度不超过约60摄氏度。
10.一种生物芯片，包括：
流体衬底，具有：
位于第一侧的微流体通道图案；
位于第二侧的流体入口和流体出口，所述流体入口和所述流体出口流体连接至所述微流体通道图案；
其中，岛状部件位于所述流体通道图案中且具有平坦部分；
感测器件，具有位于感测表面下方的多个生物传感器，所述感测表面位于具有第一化学物的第一图案的第一侧上；以及
聚合物，将所述流体衬底的第一侧和所述感测器件的感测表面侧密封接合。
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