CN104048919A - 用于生物实体的光学检测 - Google Patents

Abstract

本发明涉及用于生物实体的光学检测。本公开描述了用于操作和处理生物实体样本的集成半导体器件和方法。器件包括下衬底、至少一个设置在下衬底上的光信号导管、至少一个设置在下衬底上的保护接合焊盘、配置以形成保护区域的保护件（设置在至少一个保护接合焊盘上）、微流体通道（其中微流体通道的第一侧在下衬底上形成且微流体通道的第二侧在保护件上形成）、与传感器控制电路相连的光传感器阵列、以及与流体控制电路、和传感器控制电路相连的逻辑电路。

Description

用于生物实体的光学检测

技术领域

本申请总体上涉及半导体领域，更具体地，涉及用于生物实体的光学检测。

背景技术

在过去的几十年里，包括器件制造以及药物制造和生物制剂制造的医学技术工业经历了显著的商业增长和技术发展。多年以来，随着DNA的发现以及DNA测序技术的发展，我们对于生物信息的作用在生物的开发，操作和相互作用中的理解有了显著的提高。通过DNA测序检测技术的改进，科学家和医生对疾病获得了更深入的了解，以及可以根据病人的遗传倾向获得了更有效地治疗方法。因此，DNA测序的使用和作用在医疗保健方面具有显著地提高

DNA序列是一系列核苷酸碱基对（腺嘌呤、鸟嘌呤、胞嘧啶、和胸腺嘧啶），其在生物系统中具有指定的蛋白质结构。通过DNA序列的分析，可以收集用于诊断目的和治疗目的重要信息。另外，其他生物实体（bio-entities），诸如蛋白质、小分子、和病菌的鉴别和分类推进了医疗认知从而造福人类。

封装测序仪采用电介质上电润湿技术（EWOD），用于控制使用扩大技术和标记技术，这类技术通过使用带有模拟到数字转变系统的荧光灯和外部光学系统进行光学检测，并允许电脑处理所需处理的大量产生数据。许多封装EWOD序列仪的实施具有玻璃衬底和透明电极，这可能存在问题。例如，光线可以照射穿过玻璃衬底并照射进入进行分析的液滴（在测序过程中）。在这个情况下，由于干涉图样具有折射的不同透明指数以及透明材料的不同厚度，因此传导是非高效的。此外，EWOD测序仪中的集成滤色器可能会减小光射入传感器阵列的效率。

因此，存在改进生物实体操作器件和加工技术的需要。

发明内容

为解决上述问题，本发明提供了一种集成半导体器件，用于操作和处理生物实体样本，所述器件包括：下衬底；至少一个光信号导管，设置在下衬底上；至少一个保护接合焊盘，设置在下衬底上和部分光信号导管的上方；保护件，包括上衬底且被配置以形成被保护区域，并且设置在至少一个保护接合焊盘上，其中，至少一个光信号导管从被保护区域的外侧延伸至被保护区域的内侧；微流体通道，微流体通道的第一侧形成在下衬底上，微流体通道的第二侧形成在保护件上，保护件连接至衬底以便为包含生物实体样本的液滴提供微流体通道，微流体通道连接至流体控制电路；光传感器阵列，连接至传感器控制电路；以及逻辑电路，连接至流体控制电路和传感器控制电路，其中，在下衬底上形成流体控制电路、传感器控制电路和逻辑电路。

其中，流体控制电路、传感器控制电路和逻辑电路嵌入层间介电（ILD）层中，并且ILD层上方进一步包括多个电极，多个电极连接至流体控制电路。

其中，微流体通道的第一侧包括：高k介电层；以及疏水涂层，覆盖高k介电层。

其中，疏水涂层是自组装单层或聚四氟乙烯层。

其中，微流体通道的第二侧包括：介电层，位于保护件的上方；以及疏水涂层，位于介电层的上方。

该集成半导体器件进一步包括表面处理区域，表面处理区域设置在微流体通道的第一侧的高k介电层上。

其中，微流体通道连接至微流体网格，微流体网格连接至多个容器且被配置为允许传输和混合多个容器中包含的流体，流体包括生物实体样本和试剂。

其中，光信号导管被配置为将光传导到目标分子上，并且光检测器被配置为检测来自目标分子的响应。

其中，保护件是不透明的。

该集成半导体器件进一步包括位于保护件上方和高k介电层下方的多个电极，其中，电极是不透明的。

此外，本发明还提供了一种集成半导体器件，用于操作和处理生物实体样本，所述器件包括：下衬底；至少一个光信号导管，设置在下衬底上并且被配置为将光传导到目标分子上；至少一个保护接合焊盘，设置在下衬底上和部分光信号导管的上方；保护件，包括上衬底且被配置以形成被保护区域，并且设置在至少一个保护接合焊盘上，其中，至少一个光信号导管从被保护区域的外侧延伸至被保护区域的内侧；具有受体的表面处理区域，设置在被保护区域内和下衬底上，并且被配置为与目标分子相互作用；微流体通道，微流体通道的底面形成在下衬底上，微流体通道的顶面形成在保护件上，保护件连接至衬底以便提供微流体通道；以及光检测器，设置在下衬底内且被配置为检测来自目标分子的响应。

其中，下衬底不包含滤色器。

其中，微流体通道的底面和顶面包括疏水涂层。

其中，微流体通道的底面和顶面还包括高k介电层。

其中，氧化物或抗反射涂层设置在光检测器和表面处理区域之间。

该集成半导体器件进一步包括设置在下衬底上的多个电极。

此外，还提供了一种利用集成半导体器件操作和处理生物实体样本的方法，方法包括：从第一容器中提供生物实体样本液滴，第一容器连接至微流体网格；使用电湿润效应，将生物实体样本液滴从微流体网格传输到微流体通道，生物实体样本液滴与微流体通道中的表面处理部相接触，其中，在下衬底上提供微流体通道的一侧；穿过设置在下衬底上的光信号导管将光传导到表面处理部；以及使用光传感器阵列检测光信号，通过生物实体样本液滴和表面处理部上的受体之间的相互作用来增强光信号，光传感器阵列形成在下衬底上。

该方法进一步包括：从连接至微流体网格的第二容器中提供试剂液滴；以及在微流体网格中混合生物实体样本液滴和试剂液滴，以形成制备好的样本液滴。

其中，将生物实体样本液滴从微流体网格传输到微流体通道的步骤包括将制备好的样本液滴传输到微流体通道中。

该方法进一步包括提供光缆输入端或提供光栅耦合器，其中光缆输入端用于为光提供到光信号导管的光路径。

附图说明

图1是EWOD装置的截面图。

图2是使用电湿润以运输和操作生物实体样本液滴的流体控制系统的截面图。

图3示出了使用电湿润流体控制系统可以实现特定动作的示意图。

图4是用于传输及混合目标生物实体样本和生物试剂的微流体网格（microfluidic grid）的示意图。

图5是根据一个实施例的在生物实体操作和加工系统中使用的下晶圆的截面图。

图6是根据另一实施例的在生物实体操作和加工系统中使用的下晶圆的截面图。

图7是根据一个实施例的在生物实体操作和加工系统中使用的下晶圆的顶视图。

图8A和图8B示出了根据一个实施例的在生物实体操作和加工系统中使用的下晶圆上的光学导管和光输入的侧视图。

图9A-图9F示出了根据一个实施例的用于形成生物实体操作和加工系统中使用的下晶圆的方法的实施例的截面图。

图10是根据一个实施例的可以在生物实体操作和加工系统中使用的上晶圆的截面图。

图11A和图11B示出了根据一个实施例的在生物实体操作和加工系统中使用的下晶圆和上晶圆相接合的实施例的侧视图。

图12是根据一个实施例的微流体生物实体操作和加工系统的截面图。

图13是用于操作和加工生物实体样本的具有集成半导体器件的方法的流程图。

本领域普通技术人员在阅读下面的详细描述后，将更清楚上面简要描述的附图中公开的各种特征。

具体实施方式

应该理解，以下公开内容提供了许多用于实施本发明的不同特征的不同实施例或实例。以下描述组件和配置的具体实例以简化本发明。当然，这仅仅是实例，并不是用于限制本发明。而且，在以下描述中，第一部件形成在第二部件上方或者之上可以包括第一部件和第二部件直接接触形成的实施例，还可以包括附加部件插入形成在第一部件和第二部件之间，从而使得第一部件和第二部件不直接接触的实施例。为了简化和清晰的目的，各个部件可以以不同比例任意绘制。其中，不同图（通常在两个或更多图中）中所示的部件，为描述清楚而使用相同的符号。但是，应该理解这并不用于限制这些部件。

图1是电介质上电湿润（EWOD）装置100的截面图。装置100包括衬底102（其上具有三个材料层）。这些材料层包括电极层104、介电层106、和疏水（hydrophobic）涂层108。电极层104通过开关112与可变电压源110相连。电压源110的另一端与探针114相连。如图1所示，装置100将探针114设置为插入所示具有两不同状态的液滴中。当没有电压通过探针114加载时，液滴的一个状态由液滴116A描述。由于疏水涂层108，液滴116A具有所示接触角θ₀。通过探针114从电压源110加载电压，可以减小接触角且增大接触面积。因此，当加载电压时，液滴是液滴116B。然后，接触角减小到θ_v，使液滴116B的重心接近下面的电极层104。加载电压导致的接触角改变根据下列等式与所加载电压相关。

$\cos {\mathrm{\θ}}_V-\cos {\mathrm{\θ}}_0=\frac{{\mathrm{\ϵ\ϵ}}_o}{2{\mathrm{\γ}}_{\mathrm{LG}}t}{V}^2---\left(1\right)$

在等式（1）中，V是所加载的电势或电压，θ_v是加载电压V时的接触角，以及θ₀是未加载电压V时的接触角。其他变量包括：ε，介电层106的介电常数；ε₀，真空介电常数；γ_LG，表面张力；和t，介电层106的厚度。这种装置100中液滴的表面疏水性操作可以被称为电介质上电湿润（EWOD）。因此，通过使用EWOD，可以改变和控制疏水表面上的液滴的物理结构（参见图1），而利用不同位置施加电压改变接触角，则可以迫使液滴朝向施加电压的方向移动。

图2是允许使用EWOD原理的传输和操作生物实体样本液滴的流体控制系统200的截面图。流体控制系统200围绕微流体通道202操作，以控制通道内的液滴204。液滴204是生物实体样本液滴。此处，“生物实体”可以是指DNA、RNA、蛋白质、小分子、病毒或其他病菌、或任何可以被测序、识别、或分类的物质。这样的行为可能在医疗环境或工业环境中发生。在本公开所有各处描述中，示出了DNA测序的实例；但是，实施例并不限于这些实例。

参见图2，下衬底206（其上具有多层）提供微流体通道202的底部。这些层包括被第一介电层210围绕的三个电极（电极208A、电极208B、电极208C）。在介电层210的上方是提供微流体通道202的底面的第一疏水涂层212。

另一疏水涂层提供微流体通道202的顶面，其在上衬底214上形成。上衬底214是其上沉积有多个材料层的衬底。这些层包括顶部电极层216、第二介电层218、和形成微流体通道202顶面的第二疏水涂层220。翻转上衬底214并靠近第一疏水涂层212的表面。因此，液滴204通过在底部上的第一疏水涂层212和在顶部上的第二疏水涂层220被物理地限制。

底部电极208A、电极208B、和电极208C通过选择任意这三个电极的组合与开关222相连。开关222与电压源224依次相连，电源的另一侧与顶部电极层216相连。通过选择性地将电压加载到电极208A、电极208B、和电极208C的不同组合，可以改变液滴204所在位置的电场。在本示例性实施例中，加载DC电势，但在其他实施例中，可以使用AC电势代替。通过控制底部电极208A、电极208B、和电极208C与顶部电极216之间的电场，液滴204自身可以通过不同的方式被操作和传输。通过参考图3可以更好地理解。

图3示出了使用EWOD流体控制系统可以实现的特定动作的示意图。描述了四个实例性的动作：侧向移动300A、液滴分离300B、液滴合并300C、和液滴形成300D。如以上所述，这些实例描述了在流体控制系统200中动作的执行，穿过衬底214俯视液滴204。

在侧向移动300A的描述中，液滴204位于电极208B的上方。当维持开关222使得底部电极208A与电压源224未连接（OFF）、底部电极208B为OFF、且底部电极208C与电压源224连接（ON）时，液滴向电极208C的方向移动，直到位于电极208C的上方。

在液滴分离300B的描述中，液滴204开始位于底部电极208B上方。当维持开关222使得底部电极208B为OFF且底部电极208A与208C均为ON时，靠近底部电极208A的液滴204的一部分将向左移动，且靠近底部电极208C的液滴204的一部分将向右移动，从而导致液滴204被分为位于底部电极208C上方的液滴204A和位于底部电极208A上方的液滴204B。

在液滴合并300C的描述中，液滴204A开始位于底部电极208C的上方且液滴204B开始位于底部电极208A的上方。当维持开关222使得底部电极208A和底部电极208C均为OFF且底部电极208B为ON时，液滴204A和液滴204B均向底部电极208B移动。液滴204A和液滴204B将在底部电极208B上方合并以形成一个液滴。

液滴形成300D在图3中也有描述。液滴形成300D描述了从较大的生物实体样本液滴形成生物实体样本液滴的过程。液滴形成300D的操作使用前文所述的三个底部电极（电极208A、电极208B、和电极208C），并进一步包括大电极302。大电极302可以允许在液滴304中放置大容量的液体。为了形成液滴204，所有四个电极（电极302、电极208A、电极208B、和电极208C）均处于导通（ON）以通过正方形底部电极将液滴304沿轨道指向拉出，然后，底部电极208B和电极208C处于截止（OFF）。底部电极208B和电极208C上的液体通过其他电极的导通状态被拉开，且通过在截止（OFF）状态下的底部电极208B和电极208C的疏水性推开。保留208A上方的液滴304的一部分以形成液滴204。

这些实例假设任何其他邻近电极处于截止状态（OFF）。当液滴移动穿过微流体通道202、以及穿过微流体网格时（如图2），侧向移动300A、液滴分离300B、液滴合并300C、和液滴形成300D动作可以用来操作和传输液滴。

图4是用于传输和混合目标生物实体或分子的微流体网格400的示意图。例如，微流体网格400可以用于传输和混合目标DNA样本和生物制剂。微流体网格包括沿图2中电极（如电极208A、电极208B、和电极208C）排列的多个平行和垂直的通道。结合图3中描述的动作可以用于在微流体网格400中移动液滴、分开液滴、合并液滴、和形成液滴。

多个垂直的通道被标记为垂直通道402A-J，而多个水平通道被标记为水平通道404A-L。每个垂直通道402A-J和每个水平通道404A-L可以由多个线性排列的电极形成。垂直通道402A-J和水平通道404A-L之间的空间可以是空白空间（empty space），这是由于在电极处于导通状态时疏水涂层212和疏水涂层220可以有效地阻止液滴从一个亲水通道向另一个亲水通道的“跳跃”（jumping）。在一个实施例中，在通道间的空间中使用材料屏障（material barrier）。

微流体网格400也包括多个罐（tank），液滴从罐中引入多个通道中。沿顶部排列的是多个试剂罐406A-E。在微流体网格400的描述性实施例中，这些试剂罐包括腺嘌呤试剂罐406A、胸腺嘧啶试剂罐406B、鸟嘌呤试剂罐406C、胞嘧啶试剂罐406D、和缓冲液罐406E。其他微流体网格400的实施例可以包括其他生物试剂。液滴可以通过垂直通道402B、402D、402F、402H、和402J被分配到微流体网格400中，并且选择性地维持电极从而组成水平和垂直的通道，这些液滴可以被放置在微流体网格400中的任何位置，且可以分开、混合、或与其他液滴相溶。沿着水平通道404C描述了一些试剂液滴（包括实例性的缓冲液液滴408A和实例性的腺嘌呤试剂液滴408B）。

微流体网格400的左手侧描述的是一些生物实体样本罐410A-D。在一个描述性实施例中，用于DNA测序的，每个生物实体样本罐包含不同的目标DNA片段，标记为目标DNA片段罐410A中的D1、目标DNA片段罐410B中的D2、目标DNA片段罐410C中的D3、和目标DNA片段罐410D中的D4。在用于DNA测序的实施例中，这些罐保留DNA样本的片段以用于测序。在用于诊断的实施例中，其他类型的生物实体样本（诸如抗体）可以在样品罐中呈现。

在单一序列中对人或病菌的实体基因的测序需要相当长的时间。通过将DNA样本破碎为许多样本，每个样本可以进行相似的操作以降低所需的总时间，从而获得实体序列。片段应事先被标记以便单独的平行测序结果可以被重新结合。每个图4中的正方形均是目标DNA片段，例如实例性的目标DNA片段410，结合图3中及以上的描述可以对其进行操作，包括混合用于标记的试剂液滴。微流体网格400下面的区域包括光传感器阵列，其可以用于光基测量，以对目标DNA片段样本进行测序。参照图5可以更好地理解。

图5是在微流体生物实体操作和处理系统中使用的具有下衬底510的下晶圆500的截面图。下衬底510包括流体控制电路区域、基于固态的光传感器区域、逻辑电路区域、和微流体通道区域。电路区域和光传感器区域在下衬底510上或下衬底510中形成。如所描述的，下衬底510是硅衬底。但是，在其他实施例中，下衬底510可以是由其他合适的元素半导体（诸如，金刚石或锗）、合适的化合物半导体（诸如，碳化硅、砷化铟、或磷化铟）、或合适的合金半导体（诸如，碳化硅锗、磷砷化镓、或磷化铟镓）形成的衬底。

流体控制电路区域包括流体控制电路，其包括多个与相关的晶体管和其他电路组件相连接的金属化层。传感器区域包括光传感器阵列520和光传感器控制电路。在一个描述性的实施例中，光传感器阵列520是基于晶体管的光传感器的阵列和CMOS图像传感器阵列。但是，在另一个实施例中，光传感器阵列520可以包括光电二极管、有源像素传感器、光电晶体管、光敏电阻器、电耦合器件等。光传感器阵列520受控于光传感器控制电路，传感器控制电路也包括多个晶体管和其他电路组件。最终，在逻辑电路区域中，有一些有效地逻辑电路，包括晶体管和其他电路组件。逻辑电路允许从下衬底510输入或输出。进一步，逻辑电路与光传感器控制电路和流体控制电路均相连，以提供用于优化运行的信号处理，例如模拟到数字的转换和数字到模拟的转换。流体控制电路、光传感器控制电路、和逻辑电路嵌入到层间介电层（ILD）530中。

ILD530的顶部上是多个底部电极（如同图2中的底部电极）。在图5中描述了两个底部电极540。更多的电极可以在实例中示出，但是为了清楚的描述下衬底510，两个电极就足够了。在一个描述性的实施例中，底部电极540由铜铝合金制成。但在其他实施例中，也可以使用不同的合适的材料形成电极。如前面所述的底部电极540是固态长方形。底部电极540与流体控制电路相连，且因此底部电极均可以处于导通或截止的状态（结合图3中的描述）。

在底部电极540的侧环绕和顶部是介电层550。在一个描述性的实施例中，介电层550是由原子层沉积（ALD）工艺、或化学气相沉积（CVD）工艺形成的高k介电层，然后进行退火工艺。在介电层550的上方是疏水涂层560。在一个描述性的实施例中，疏水涂层560由聚四氟乙烯（PTFE）制成，而在其他实施例中，疏水涂层560是自组装（self-assembled）的单层。

介电层550的一部分进行表面处理以产生表面处理区域570。在示例性实施例中，表面处理区域570可以包含受体（receptor）以提高DNA测序速度，而在其他实施例中，可以应用具有与抗体结合的受体的表面处理。当包含与特定受体反应的组分的液滴接触到表面处理区域570时，表面处理区域570允许识别反应产生光线。例如，分子标记可以被添加到与目标DNA片段相结合的碱基对上，在结合物上释放标记，在释放标记的同时发出光信号。

图6示出了允许光传感器阵列620接近表面处理区域670的下晶圆600的另一个实施例。在光传感器阵列620和表面处理区域670之间是氧化物层或减反射涂（ARC）层680。光传感器阵列620在另一个衬底690（可以是硅）上。与下晶圆500相同，下晶圆600也包括ILD630、底部电极640、介电层650、和疏水涂层660。

图7示出了上晶圆500或600的顶视图。介电层550和650分别在下衬底510和下衬底610上形成，且其起到具有输入结构的光信号导管或波导710的作用，输入结构被配置为连接输入源与光信号导管710。用于将光信号导管710分成不同路径的波导分路器720与光信号导管710相连。尽管波导分路器720示出了将光信号导管710分成两个路径，但应该理解，通过波导分路器720可以形成多于两个路径。还示出了介电层550或650与疏水涂层560和疏水涂层660、以及表面处理区域740覆盖电极730。除了已示出的一种方式外，也可以使用一些其他合适的电极配置。

图8A和图8B示出了沿图7中的线B-B’的光信号导管。图8A示出了光缆802的输入端。光信号导管804在衬底806上形成。光缆802可以与衬底806相连使得光缆802的光核心（optical core）为进入光信号导管804的入射光810提供光通道。通过粘合剂812（诸如，聚二甲基硅氧烷（PDMS））、粘合剂紧固系统、或任何其他合适的附着系统，光缆802可以附着并保持在合适的位置。

图8B示出了可选实施例的侧视图。光信号导管824具有光栅耦合器（grating coupler）822。在这样一个实施例中，激光或者其他光源可以远程提供，且可以是定向射入光栅耦合器822中，其中入射光820传导进光导管824。

图9A-图9F是根据一个或多个实施例的在不同制造阶段的下晶圆900的截面图。首先，图9A示出了在制造的早期阶段中的下晶圆900。光信号导管902可以设置在衬底906上，衬底906可以具有的材料诸如但不限于，玻璃、硅（Si）、砷化锗（GeAs）、玻纤、金属等。此外，衬底906可以包含电路，诸如CMOS器件；互连线；传感器；电极；光电探测器；掺杂区域等（如光传感器阵列520、620；ILD530、ILD630；和底部电极540、640）。在一个实施例中，可以图案化光信号导管902以分散光，或提供分离导管部分。例如，光信号导管902可以是高介电材料，诸如氮化硅（Si3N4）、氮氧化硅（SiON）、二氧化铪（HfO2）、五氧化二钽（Ta₂O₅）等。典型的光信号导管902的厚度可以介于约500埃与约600埃之间。在一个实施例中，可以采用干式蚀刻技术以图案化光信号导管902，并且与湿式蚀刻相比，干式蚀刻可以提供更好的光学导管临界尺寸控制，另外，一些实施例可以具有带有光滑外表面的光学信号导管902，使得光学信号更有效地传输。

图9B示出了在形成牺牲层912之后的下晶圆900的截面图。在一个实施例中，牺牲层912可以是硬质材料或非聚合物材料，诸如锗（Ge）、硅（Si）、钛钨合金（TiW）、铝（Al）等，以及可以通过等离子体沉积、化学气相沉积、物理气相沉积、或其他方法有利地沉积在衬底906和光信号导管902上方。在一个实施例中，牺牲层912可以具有介于约2000埃和约6000埃之间的厚度。

图9C示出了在图案化牺牲层912之后的下晶圆900的截面图。牺牲层912可以通过光刻或任何其他合适工艺图案化或从未来的封装覆盖区域922的外侧区域中去除，仅在封装覆盖区域922中保留牺牲层912的材料。牺牲层912的去除可以通过对部分牺牲层912材料适当的使用蚀刻剂来实现，包括（但不限于）过氧化氢（H₂O₂）、磷酸（H₃PO₄）、氢氧化钾（KOH）、氢氧化四甲基铵（TMAH）、乙二胺邻苯二酚（EDP）、二氟化氙（XeF₂）等。

图9D示出了在形成接合层后的下晶圆900的截面图。接合层934可以沉积在图案化的牺牲层912和光信号导管902的上方。在一个实施例中，可以应用接合层934以便将其放置在接合区域932中以覆盖光信号导管902，并且提供在信号导管902上方的用于接合保护墙（cap wall）的焊盘。在一些实施例中，接合层934可以是氧化物，诸如二氧化硅等，以及可以通过诸如化学气象沉积工艺、等离子体增强沉积工艺、或任何其他合适的工艺沉积。备选地，接合层934可以是氮化物、金属层、多晶硅层等，并且接合层的材料可以根据光信号导管902的性质进行选择。牺牲层912可以通过在其下的接合层934保护光信号导管902，在这个区域中，接合层934将在之后被去除。

在本原理的一个实施例中，在接合层934下使用硬牺牲层912代替牺牲光刻胶（PR）会更有利，这是因为聚合物的残留物会干扰下晶圆900的表面化学性质。此外，由于软材料上的氧化物，对沉积在牺牲光刻胶层上的接合层934进行平坦化会出现问题：在平坦化过程中，平坦化中的应力和压力可以导致聚合物类型的光刻胶变形且接合层被破坏。但是，可以使用具有生物相容性的光刻胶，且此类具有生物相容性光刻胶的化学性质可以通过用于封闭区域的材料测试来确定，这将在后面进行讨论。在这样的情况下，为了不干扰测试程序和任何目标分子的化学性质，具有生物相容性的光刻胶的化学性质将作为优选。

接合层934可以在衬底906表面上方沉积且其厚度介于约4毫米（40000埃）和0.5毫米（5000埃）之间，并在其后进行平坦化，例如，使用化学机械抛光使其厚度降到介于约2毫米（20000埃）和约0.4毫米（4000埃）之间。接合层934可以在能够接受的结合技术范围内提供平坦化表面的能力，并允许光信号导管902的厚度大于约600纳米（6000埃）。因此，在一个实用的实施例中，可以使用光信号导管的厚度介于约200纳米（2000埃）和约600纳米（6000埃）之间，以及接合层覆盖光信号导管902且具有平坦化的接合层。

图9E示出了在图案化接合层934之后的下晶圆900的截面图。接合层934可以被图案化或通过蚀刻去除接合层934的材料而在保护接合焊盘（cap bonding pad）904中形成保护接合焊盘，从而限定或形成封装覆盖区域922，接合层934的材料保留在接合区域932中作为目标用于接合保护墙904。在一个特别实用的实施例中，接合层934可以通过干式蚀刻技术（诸如等离子体增强蚀刻或离子溅射）进行蚀刻。备选地，根据接合层934的材料，可以有利地采用湿式蚀刻或其他类型的蚀刻以图案化接合层934。在一个实施例中，接合层934可以在图案化之前进行平坦化，这可以避免在图案化过程中，对因底层不平引起（topography-induced）的掩膜或光刻胶覆盖不足导致的无意中露出的衬底或光信号导管的一部分的损坏和污染。此外，在图案化之前，平坦化接合层934减少或防止了由于对已经图像化了的接合层区域的平坦化而引起的损坏或变形。

图9F示出了在去除牺牲层912及露出光信号导管902之后的下晶圆900的截面图。例如，可以通过如上所讨论的用于与图案化牺牲层912相似的湿式蚀刻或气相蚀刻方法，以实施牺牲层912的去除。因此，光信号导管902在封装覆盖区域922中露出。

图10是在生物实体操作和处理系统中可以使用的上晶圆1000的截面图。上晶圆1000包括上衬底1010。在示例性实施例中，上衬底1010是玻璃晶圆或硅晶圆，且不需要是透明的。但是，在其他实施例中，上衬底1010可以由其他合适的元素半导体（诸如，金刚石或锗）；合适的化合物半导体（诸如，碳化硅、砷化铟、或磷化铟）；或合适的合金半导体（诸如，碳化硅锗、砷磷化镓、或磷化铟镓）形成。上衬底1010上方是顶部电极1020。在示例性实施例中，顶部电极1020是氧化铟锡（ITO）层。但是，在其他实施例中，顶部电极1020可以是铝层、铜铝合金层、或另一种合适的电极层。（在某些应用中,顶部电极是不必要的,可以利用左右电极的电压差来改变水滴的接触角进而驱动水滴）。

介电层1030在顶部电极1020上方沉积。在这个实例中，介电层1020是在退火之前通过ALD工艺沉积的高k介电层。此外，介电层1030的顶部是疏水涂层1040。在示例性实施例中，疏水涂层1040由PTFE制成，但是在其他实施例中，疏水涂层1040由自组装的单层制成。

图11A和图11B示出了在生物实体操作和处理系统1100中使用的下晶圆900和上晶圆1000相接合的示意图。图11A示出了具有设置在保护墙1104下方以及覆盖保护区域1108外侧的光信号导管902的保护接合焊盘904的生物实体操作和处理系统1100的实施例。图11B示出了具有设置在保护墙1104下的区域中但露出光信号导管902的外部部分的保护接合焊盘904的生物实体操作和处理系统1100的实施例。如图9B-图9F所示的步骤中，可以去除保留在保护区域1108的外侧的保护接合焊盘904和牺牲材料912，以露出光信号导管902的外部部分。备选地，例如，在一个分开的步骤中，在保护件（cap）1102应用到保护接合焊盘904后，光信号导管902的外部部分可以露出。

使用粘合剂，诸如环氧树脂，通过熔融接合、或其他合适的技术，保护墙1104可以与保护接合焊盘904接合。例如，在一个实用的实施例中，低温（＜300℃）退火的熔融接合可适用于保护接合焊盘904的材料是氧化物的情况。上晶圆1000可以与保护墙1104接合以形成保护件1102并限定保护区域1108。在接合上晶圆1000之前，气态环境或流体材料可提供保护区域1108，或在保护件1102接合后通过密封开口提供保护区域1108。在一个实施例中，保护件1102优选地配置以保留不透水或不透液体，其中保护区域保持流动材料。同样的，保护区域1108保持气态材料，包括保护件结构和接合缝的保护件1102将是不透气的。

通过保护接合焊盘904，接合材料和保护墙1104与光信号导管902的分离允许表面与平面的接合，这是因为接合层934和保护接合焊盘904放置在信号导管902与衬底906的上方，然后进行平坦化。由于接合焊盘904的平坦化，接合焊盘904可以用于由光信号导管902以及衬底906引起的底板不平的补偿。本领域普通技术人员应理解，为保持合适的平坦表面，保护接合焊盘904的厚度将至少像光信号导管902的高度一样，使得保护接合焊盘904放置在光信号导管902的顶部。在一个特别使用的实施例中，光信号导管902将小于约600纳米，且平坦化的保护接合焊盘904厚于光信号导管902。

图12是集成了图5中下晶圆500和图10中上晶圆1000的集成微流体生物实体操作和处理系统1200的截面图。因此，图12包括在其上具有流体控制电路、光传感器控制电路、和逻辑电路的衬底510，此外光传感器阵列520也在其中。ILD530围绕这些部件，且集成下晶圆500包括沉积在其上的底部电极540，以及覆盖在底部电极540上的介电层550。在一些区域中，介电层550未覆盖电极，介电层550可以用作图7-图9F中所描述的光信号导管。在介电层550的顶部是用作微流体通道1210底部的疏水涂层560。

微流体生物实体操作和处理系统1200还包括上晶圆1000，上晶圆1000包括上衬底1010，在这个实施例中上衬底1010是硅衬底。在上衬底1010上方是顶部电极1020、介电层1030、和疏水涂层1040。使用图11A和图11B所描述的方法接合下晶圆500和上晶圆1000，使得表面处理区域570沿光传感器阵列520排列，并且使疏水涂层560和1040相互靠近但不接触，以形成微流体通道1210。在示例性实施例中，表面处理区域570在疏水涂层560上形成，其可以通过使表面处理区域570靠近光传感器阵列520而提高性能。在表面处理区域570下存在疏水涂层560，但是疏水涂层560并不是必须的。

在操作中，使用图3中所描述的动作，使液滴1202与包含受体的表面处理区域570相接触，例如侧向移动300A。液滴1202包括被标记的生物实体样本，例如在液滴（诸如，图4中实例性的腺嘌呤试剂液滴408B）中混合的特殊的DNA碱基。当液滴1202与表面处理区域570的受体接触时，化学反应可以使标记从液滴中的生物实体样本中移出。标记的移动可以增强或强化光放射。在一些实施例中，标记附着比标记移出更能增强或强化光放射。放射在光传感器阵列520中被感测到。这一信号通过光传感器控制电路获取，且传输给逻辑电路用于信号处理。根据光放射的频率或色彩，可以检测出特定的碱基对。在实施例中，液滴1202中的抗体被检测，放射可以表明在液滴1202中的生物实体样本中存在特定抗体。在使用这一方法处理液滴1202后，液滴1202可以被移出微流体通道1210，且可以被移出微流体网格400。

现在将根据图13描述具有集成半导体器件的用于操作和处理生物实体样本的方法1300。方法开始于步骤1302，生物实体样本液滴通过第一容器（reservoir）获得。第一容器与微流体网格相连。方法1300继续进行到步骤1304，使用电湿润效应，生物实体样本液滴从微流体网格中移动到微流体通道中。在微流体通道中，生物实体样本液滴与微流体通道中的表面处理上的受体相接触。在生物实体样本液滴和表面处理上的受体之间，生化试剂通过接触触发。在步骤1306中，通过下衬底或第一衬底上形成的光传感器阵列感测由生物实体样本液滴和表面处理上的受体反应所产生的光信号。

为了更好地描述操作中的方法1300，可以参考图12中的集成微流体生物实体操作和处理系统1200和以上对如图3和图4中的一些其他描绘的讨论。本方法也可以通过参考本公开中其他对集成微流体生物实体操作和处理系统的实施例来解释。因此，参考图12并不是限制性的实例。图4中的容器410A可以包括大体积的生物实体样本。通过使用如图3中液滴形成300D描述的动作，生物实体样本液滴1202从大体积（larger volume）中形成并引入图4中的微流体网格400。生物实体样本液滴1202传输通过微流体网格400，其包括多个微流体通道，其中一个是图12中的微流体通道1210。微流体通道1210位于沉积在下衬底510上的材料堆叠的顶部，下衬底510的顶层是疏水涂层560，提供微流体通道1210的底面。通过使用逻辑电路以控制流体控制电路，从而完成生物实体样本液滴1202通过微流体通道1210的传输。

通过使用电湿润效应，生物实体样本液滴1202移动穿过图4中的微流体网格400和图12中的微流体通道1210。底部电极540如图3所描述的处于导通或截止状态，从而根据底部电极的导通或截止状态提供对生物液滴1202的疏水表面和亲水表面的控制。通过控制底部电极540，并结合顶部电极1020，生物实体样本液滴1202被引导与表面处理区域570接触（对其应用过表面处理）。通过运用逻辑电路控制流体控制电路，完成引导生物实体样本液滴1202与表面处理区域570的接触。

由于表面处理，表面处理区域570中的受体和生物实体样本液滴1202可以进行生化反应，从而强化或增强荧光灯信号。这一光通过光传感器阵列520接收。光传感器520检测光并将对应信号发送到逻辑电路用于处理。逻辑电路可以通过色彩和频率解析信号以确定所发生的生化反应。生化反应可以表明特定的在目标DNA片段中检测到的碱基核酸，或在生物实体样本液滴中呈现的特定抗体。在生物实体样本液滴1202被处理后，其可从微流体通道1210去除。在一些实施例中，为了清洗，缓冲液液滴（诸如图4中的缓冲液液滴408A）可以传输通过微流体通道1210。

此外，在一些方法的实施例中，使用图3中的液滴合并300C操作，从图4中腺嘌呤罐406A中获得的腺嘌呤试剂液滴408B与生物实体样本液滴1202相接合。液滴合并300C操作可以在微流体网格400中混合生物实体样本液滴1202和腺嘌呤试剂液滴408B。然后，混合的生物实体样本液滴1202可以直接在微流体通道1210中与表面处理区域570接触。在其他实施例中，与腺嘌呤试剂液滴408B不同的试剂可以被用于制造不同的混合生物实体样本液滴1202。

集成微流体生物实体操作和处理系统的优点在于在衬底510上提供光信号导管。通过光信号导管光穿过衰逝波（evanescent wave）传送到分析站点，因此需要制造透明的衬底且用于包含EWOD的生物实体分析方案不需要透明顶部电极。这使得在材料使用方面提供更大的灵活性。而且，由于EWOD方法可以在同一时间约束被测序的特定碱基对，则包含光信号导管的生物实体分析可以避免在光传感器上方对滤色片集成的需要，避免对色分化的需要。一个较宽泛的实施例是用于操作和处理生物实体样本的集成半导体器件。器件包括下衬底、至少一个设置在下衬底上的光信号导管、至少一个设置在下衬底上和光信号导管的一部分上方的保护接合焊盘、包括上衬底的保护件（配置以形成保护区域且设置在至少一个保护接合焊盘上）、微流体通道、与传感器控制电路相连的光传感器阵列、以及与流体控制电路和传感器控制电路相连的逻辑电路。至少一个光信号导管从保护区域的外侧延伸至保护区域的内侧。微流体通道的第一侧在下衬底上形成，且微流体通道的第二侧在保护件上形成，保护件与衬底相连以便给包含生物实体样本的液滴提供微流体通道，且微流体通道与流体控制电路相连。在下衬底上形成流体控制电路、传感器控制电路、和逻辑电路。

另一个较宽泛实施例是用于操作和处理基因样本的集成半导体器件。器件包括下衬底、至少一个设置在下衬底上的光信号导管（配置为将光传输到目标分子上）、至少一个设置在下衬底上和光信号导管的一部分上方的保护接合焊盘、包含上衬底的保护件（配置以形成保护区域且其设置在至少一个保护接合焊盘上）、具有设置在保护区内和下衬底上的表面处理区域（配置为与目标分子相互作用）、微流体通道、和设置在下衬底内的光检测器（photodetector）（配置以检测目标分子的响应）。至少一个光信号导管从保护区的外侧延伸至保护区的内侧。微流体通道的底面在下衬底上形成，且微流体导管的顶面在保护件上形成，保护件与衬底相连从而提供微流体沟槽。

又一个较宽泛的实施例是具有集成半导体器件的用于操作和处理生物实体样本的方法。方法包括从第一容器中提供生物实体样本液滴，第一容器与微流体网格相连，使用电湿润效应将生物实体样本液滴从微流体网格传输到微流体通道中，生物实体样本液滴与微流体通道中的表面处理相接触，其中下衬底提供微流体通道的一侧，穿过设置在下衬底上的光信号导管将光传导到表面处理上，使用光传感器阵列检测光信号，通过生物实体样本液滴与表面处理的相互作用增强光信号，光传感器阵列在下衬底上形成。

通过上述讨论和实例对本公开进行描述。但并没有对本公开和权利要求的全部范围与主旨进行彻底探讨。本领域普通技术人员可以明显的认为一些变化和组合在本公开的范围和主旨之内。例如通过本公开，DNA测序和抗体识别均可作为实例。本公开的范围和主旨可以超出这些实例的背景限制。因此，本公开的全部范围仅由权利要求限制。

Claims (10)

1.一种集成半导体器件，用于操作和处理生物实体样本，所述器件包括：

下衬底；

至少一个光信号导管，设置在所述下衬底上；

至少一个保护接合焊盘，设置在所述下衬底上和部分所述光信号导管的上方；

保护件，包括上衬底且被配置以形成被保护区域，并且设置在所述至少一个保护接合焊盘上，其中，所述至少一个光信号导管从所述被保护区域的外侧延伸至所述被保护区域的内侧；

微流体通道，所述微流体通道的第一侧形成在所述下衬底上，所述微流体通道的第二侧形成在所述保护件上，所述保护件连接至所述衬底以便为包含所述生物实体样本的液滴提供所述微流体通道，所述微流体通道连接至流体控制电路；

光传感器阵列，连接至传感器控制电路；以及

逻辑电路，连接至所述流体控制电路和所述传感器控制电路，其中，在所述下衬底上形成所述流体控制电路、所述传感器控制电路和所述逻辑电路。

2.根据权利要求1所述的集成半导体器件，其中，所述流体控制电路、所述传感器控制电路和所述逻辑电路嵌入层间介电（ILD）层中，并且所述ILD层上方进一步包括多个电极，所述多个电极连接至所述流体控制电路。

3.根据权利要求1所述的集成半导体器件，其中，所述微流体通道的第一侧包括：

高k介电层；以及

疏水涂层，覆盖所述高k介电层。

4.根据权利要求3所述的集成半导体器件，其中，所述疏水涂层是自组装单层或聚四氟乙烯层。

5.根据权利要求1所述的集成半导体器件，其中，所述微流体通道的第二侧包括：

介电层，位于所述保护件的上方；以及

疏水涂层，位于所述介电层的上方。

6.根据权利要求1所述的集成半导体器件，进一步包括表面处理区域，所述表面处理区域设置在所述微流体通道的第一侧的高k介电层上。

7.根据权利要求1所述的集成半导体器件，其中，所述微流体通道连接至微流体网格，所述微流体网格连接至多个容器且被配置为允许传输和混合所述多个容器中包含的流体，所述流体包括所述生物实体样本和试剂。

8.根据权利要求1所述的集成半导体器件，其中，所述光信号导管被配置为将光传导到目标分子上，并且光检测器被配置为检测来自所述目标分子的响应。

9.一种集成半导体器件，用于操作和处理生物实体样本，所述器件包括：

下衬底；

至少一个光信号导管，设置在所述下衬底上并且被配置为将光传导到目标分子上；

至少一个保护接合焊盘，设置在所述下衬底上和部分所述光信号导管的上方；

保护件，包括上衬底且被配置以形成被保护区域，并且设置在所述至少一个保护接合焊盘上，其中，所述至少一个光信号导管从所述被保护区域的外侧延伸至所述被保护区域的内侧；

具有受体的表面处理区域，设置在所述被保护区域内和所述下衬底上，并且被配置为与所述目标分子相互作用；

微流体通道，所述微流体通道的底面形成在所述下衬底上，所述微流体通道的顶面形成在所述保护件上，所述保护件连接至所述衬底以便提供所述微流体通道；以及

光检测器，设置在所述下衬底内且被配置为检测来自所述目标分子的响应。

10.一种利用集成半导体器件操作和处理生物实体样本的方法，所述方法包括：

从第一容器中提供生物实体样本液滴，所述第一容器连接至微流体网格；

使用电湿润效应，将所述生物实体样本液滴从所述微流体网格传输到微流体通道，所述生物实体样本液滴与所述微流体通道中的表面处理部相接触，其中，在下衬底上提供所述微流体通道的一侧；

穿过设置在所述下衬底上的光信号导管将光传导到所述表面处理部；以及

使用光传感器阵列检测光信号，通过所述生物实体样本液滴和所述表面处理部上的受体之间的相互作用来增强所述光信号，所述光传感器阵列形成在所述下衬底上。