CN116457096A - 用于微流体装置的可调电极封盖 - Google Patents

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Abstract

公开了一种形成微流体装置的方法。该方法包括在衬底上形成第一介电层，在第一介电层中部分地形成电极，以及在电极上形成第二介电层。该方法包括用金属材料填充在第二介电层中形成的两个井，使得金属材料与电极直接接触。该方法包括在金属材料上和在第二介电层上形成第三介电层。该方法包括用结构材料填充在井之间形成的通道，使得结构材料不直接接触电极。该方法包括：在第三介电层上和在结构材料上形成第四介电层；通过在第四介电层中形成的至少一个通气孔提取结构材料；以及在第四介电层上形成第五介电层。

Description

用于微流体装置的可调电极封盖
技术领域
本公开涉及用于微流体装置的可定制电极封盖以及制造包括可定制电极封盖的微流体装置的方法。
背景技术
现今的微流体技术，尤其是当它们用于医疗保健时，主要由荧光检测方法支配，其中荧光团由特定波长的入射光源激发，导致它们发射较长波长的光以产生提供关于流体样品内的分析物的存在的信息的信号。DNA测序、酶联免疫吸附测定(ELISA)和荧光原位杂交(FISH)只是证明广泛采用这种基于荧光的方法的几个例子。
发明内容
本公开的实施例涉及一种制造包括可定制电极帽的微流体装置的方法。该方法包括在衬底上形成第一介电层。该方法还包括在第一介电层中部分地形成电极。该方法还包括在电极上形成第二介电层。该方法还包括用金属材料填充在第二介电层中形成的两个井，使得金属材料与电极直接接触。该方法还包括在金属材料上和在第二介电层上形成第三介电层。该方法还包括用结构材料填充在两个井之间形成的通道，使得结构材料不直接接触电极。该方法还包括在第三介电层上和在结构材料上形成第四介电层。该方法还包括通过在第四介电层中形成的至少一个通气孔提取结构材料。该方法还包括在第四介电层上形成第五介电层。
其它实施例涉及包括通过上述方法形成的可定制电极帽的微流体装置。
上述发明内容并非旨在描述本公开的每个所示实施例或每种实施方式。
附图说明
本申请中包括的附图并入说明书中并形成说明书的一部分。它们示出了本公开的实施例，并且与说明书一起解释了本公开的原理。附图仅说明某些实施例，而不限制本公开。
图1A示出了根据本公开的一些实施例的在制造工艺中的一个阶段的装置的截面俯视透视图。
图1B示出了根据本公开的一些实施例的在制造工艺中的后续阶段的图1A的装置的截面俯视透视图。
图1C示出了根据本公开的一些实施例的在制造工艺中的后续阶段的图1B的装置的截面俯视透视图。
图1D示出了根据本公开的一些实施例的在制造工艺中的后续阶段的图1C的装置的截面俯视透视图。
图1E示出了根据本公开的一些实施例的在制造工艺中的后续阶段的图1D的装置的截面俯视透视图。
图1F示出了根据本公开的一些实施例的在制造工艺中的后续阶段的图1E的装置的截面俯视透视图。
图1G示出了根据本公开的一些实施例的在制造工艺中的后续阶段的图1F的装置的截面俯视透视图。
图1H示出了根据本公开的一些实施例的在制造工艺中的后续阶段的图1G的装置的截面俯视透视图。
图1I示出了根据本公开的一些实施例的在制造工艺中的后续阶段的图1H的装置的截面俯视透视图。
图1J图示了根据本公开的一些实施例的在制造工艺中的后续阶段的图1I的装置的截面俯视透视图。
图2描绘了根据本公开的一些实施例的用于形成诸如图1J中所示的装置的方法的流程图。
图3A描绘了根据本公开的一些实施例的使用诸如图2中描绘的方法形成的装置。
图3B描绘了根据本公开的一些实施例的已经被放大的图3A的装置的局部视图。
图3C描绘了根据本公开的一些实施例的已经被放大的图3B的装置的局部视图。
图3D描绘了根据本公开的一些实施例的已经被放大的图3C的装置的局部视图。
图3E描绘了根据本公开的一些实施例的已经被放大的图3D的装置的局部视图。
图3F描绘了图3E的装置在随后操作之后的局部视图。
图4A描绘了根据本公开的一些实施例的包括多个通气孔的诸如图1H中所示的装置的顶视图。
图4B描绘了根据本公开的一些实施例在提取工艺中的一个阶段的图4A的装置的局部截面图。
图4C描绘了根据本公开的一些实施例在提取工艺中的另一阶段的图4B的装置的局部截面视图。
图4D描绘了根据本公开的一些实施例在提取工艺中的另一个阶段的图4C的装置的局部截面图。
图4E描绘了根据本公开的一些实施例在提取工艺中的另一个阶段的图4D的装置的局部截面图。
图4F描绘了根据本公开的一些实施例在提取工艺中的另一个阶段的图4E的装置的局部截面图。
图4G描绘了根据本公开的一些实施例的图4F的装置的顶视图。
图4H描绘了根据本公开的一些实施例的在图4B-4F中所示的提取工艺之后的图4A的装置的截面视图。
具体实施方式
本公开描述了用于微流体装置的可定制电极封盖以及制造包括可定制电极帽的微流体装置的方法的实施例。
从体外诊断学和药学以及生命科学研究到药物控释和实验室测试，预计全球微流体市场到2023年达到279亿美元。在这个市场中，与本发明相关的微流体芯片和微流体传感器代表2023的预计市场规模的44亿美元(CAGR 20％)和19亿美元(CAGR 21.1％)。尽管由于低成本制造，聚合物材料作为材料平台占主导地位，但是硅基微流体平台在收入上占2.62亿美元(2018)，由2023(CAGR 14.1％)预计为5.06亿美元，这是由于硅为某些应用提供的独特的和不可替代的优点，诸如与其它材料选择(诸如弹性体、热塑性塑料或纸)相比，卓越的特征扩展(feature scaling)、平行样品处理能力、与CMOS电路的直接集成、热稳定性、耐氧化剂性和与溶剂的相容性。
许多这些微流体装置包含必须与流体样品接口的电极，并且在许多情况下，使用劣质工艺来形成电极，诸如减成蚀刻或电子束蒸发，这降低了产率并且限制了可扩展性。然而，为了利用将允许装置中的数百到数千个电极和通道的并行化和扩展，实现较高的样品通量、较快的结果时间和多个分析物的同时检测，本公开对制造友好的铜初级电极的选择启用直接电镀可扩展的次级金属帽(secondary metal cap)。因此，本公开的一个优点是能够使用电沉积用任何选择的金属直接封盖铜金属、电极、互连或三维支架。
本公开的另一个优点是，这些特征可随后被流体密封而不需要粘合。如下面进一步详细描述的，本公开还描述了提取工艺的实施，例如碳拉工艺，用于密封微流体芯片，避免对降低产量的粘合工艺的需要。
该工艺还使其自身适于同时并行地供给多个感测装置所需的多层(三维)流体网络。因此，本公开的另一个优点是其开辟了硅基微流体技术的可能性，诸如用于在单个流体样品中具有多个生物标记靶点(biomarker target)的健康护理的多重复杂检测(multiplexing complex assays)。
尽管它们很流行，但是在微流体技术中使用荧光检测方法通常需要庞大的仪器，包括大且昂贵的光学器件，这至多限制了台式尺寸系统的可扩展性。这些技术的尺寸和成本有助于将它们保持在场外并保持隔离在研究或集中实验室内。因此，需要可部署用于在健康护理、农业、工业和环境设置中进行快速现场诊断和监测的便携式装置。
在这些领域中，电气检测已经被认为是朝向设备便携性的关键途径，并且将允许快速或实时的结果。作为一个示例，已经开发了电纳米间隙装置以将结合或邻近事件转换成有用的电信号。这些装置根据电阻/阻抗、电容/电介质或场效应的原理工作以产生这些信号。例如，一些已知的技术试图利用倾斜蒸发技术和自抑制试剂损耗来创建纳米间隙装置。然而，这些方法都不能将它们用于可靠的或可扩展的制造工艺以生产电检测装置。最近，一些技术已经使用在纳米通道内图案化横向钯电极，采用使用氦离子束切割钯的水基抛光和脱模层。另一种技术通常使用相同的工艺，但是使用氢倍半硅氧烷“敲落”特征的实施方式来限定纳米间隙而不是氦离子束。虽然这些改进增加了可制造性的要素并且可以在晶片规模上执行，但是氦离子束切割是不可扩展工艺并且“敲落”方法需要昂贵且低吞吐量的电子束光刻。另外，这些工艺仅使用钯作为电极材料来说明。希望开发其中任何贵金属或合金都可以用于形成适合给定应用的可扩展电极的技术。
除了纳米间隙电极对之外，出于几个其它目的金属电极还用于微流体中。例如，金属电极用作电阻脉冲感测(RPS)装置中的感测电极，以及用于控制异质流体中用于分选以及用于电穿孔与流体和粒子运动的粒子的动力学的电极。换句话说，对在微全分析系统(μTAS)和芯片实验室(LOC)装置中可以与微流体样品接口的专用金属电极的需求是普遍存在的。
这种需要的一种表现存在于RPS技术中。考虑到RPS技术的成熟度和直接的商业相关性，RPS技术用作说明性示例，尽管该需要广泛地应用于具有已经描述的其它电极功能的装置。RPS装置用于通过使悬浮在弱导电流体中的单个颗粒流过纳米收缩来计数和测量它们的尺寸，在纳米收缩处，它们由位于收缩区域的任一侧上的电极来进行电感测。自从1950年代早期RPS发明以来，已有许多学术上的实施和技术上的改进。在学术领域之外，并且在一些情况下作为学术领域的扩展，这种沿用已久的技术的若干商业版本已经以各种形式出现。然而，电极集成的挑战限制了单个RPS装置内可用的通道的数量。实际上，许多商业上可用的选择只不过是简单的单通道Coulter计数器。相反，最终允许数百至数千个RPS电极和通道的平台将使得能够实现更高的样品通量、更快的结果时间以及通过并行处理流体样品而使得可能的多个分析物的同时检测。
为此，如以下进一步详细讨论的，本文公开的用于微流体装置的可定制电极封盖和制造包括可定制电极帽的微流体装置的方法促进对微流体环境稳健的电极材料的大规模和可扩展并行化。
本公开体现了用于可制造地形成初级铜(Cu)电极的结构和方法，所述初级铜电极被封盖或涂覆有次级贵金属(secondary noble metal)或合金并且密封在硅芯片上的微流体腔内。特别地，次级贵金属或合金可以直接布置在初级铜电极上，意味着没有衬垫。换句话说，本公开的实施例不包括插入在初级铜电极和次级贵金属或合金之间的任何衬垫或其它材料。
次级封盖金属(secondary capping metal)的性质可以被定制为与复杂流体(诸如生物样品(例如基于尿或血液的样品))接触，并且因此可以用于直接控制流体的流动(例如通过电渗)，或者用于在延长的持续时间内并且更可靠地定量检测在这些流体中发现的颗粒(例如使用RPS)。
作为微流体的衬底材料，与其它材料选择(诸如弹性体、热塑性塑料或纸)相比，硅提供了卓越的特征扩展、平行样品处理能力、与互补金属氧化物半导体(CMOS)电路的直接集成、热稳定性、耐氧化剂性和与溶剂的相容性。因此，使用硅给予本公开的实施例一组明显优于这些其它材料平台的优点。然而，使用硅基平台的一个缺点是对用于最终与微流体环境接口的初级电极的金属施加的制造限制。特别地，与硅基平台一起使用通常限于铝(Al)、钛(Ti)、钽(Ta)、氮化钛(TiN)、氮化钽(TaN)、钨(W)和铜(Cu)。这些是可以使用镶嵌工艺无缝集成的材料，由此金属(典型地为Cu)被沉积到图案化结构中，然后使用化学机械抛光(CMP)(半导体工艺中的标准)来平坦化。不幸的是，当与流体环境结合时，这些相同的材料会迅速降解。
本公开的实施例克服了这些基本材料限制，并且扩展了可用材料的列表以包括更惰性的次级贵金属，诸如金(Au)、铂(Pt)、铑(Rh)、钯(Pd)等。特别地，这些次级金属可作为封盖层不需要衬垫而直接电沉积或无电沉积到以其他方式埋在介电材料(诸如氧化硅)下面的Cu电极的尖端上，从而选择性地在预定位置涂覆Cu。电沉积的金属也可以沉积在精确尺寸的蚀刻井内，以精确地控制所得的次级金属的几何形状。此外，次级金属结构本身可以在微流体通道或储存器内制造，以检测或操纵流体内发现的颗粒或控制流体通过微流体装置的流动。另外，暴露的次级金属电极所在的腔也可以在制造期间使用碳拉工艺被流体密封，由此有机抗蚀剂材料充当替代支撑以形成通道和储存器，此后用介电材料涂覆填充的腔，然后在沉积厚氧化物或氮化物密封之前提取抗蚀剂材料以流体密封最终装置。因此，本公开的实施例在微流体领域内具有广泛的适用性。特别地，在对于给定应用需要硅基方法的上述优点的情况下，本公开的实施例的属性在芯片实验室(LOC)或现场(POC)分析装置的领域中具有特别的重要性。此外，本公开的实施例使得能够进行流体可密封工艺而不需要粘合。另外，本公开的实施例可直接与CMOS电路集成。
应当理解，上述优点是示例性优点，并且不应当被解释为限制。本公开的实施例可以包含所有、一些前述优点，或者不包含前述优点，同时保持在本公开的范围内。
本文参照相关附图描述本公开的各种实施例。在不脱离本公开的范围的情况下，可以设计出替代实施例。注意，在以下描述和附图中的元件之间阐述了各种连接和位置关系(例如，上方、下方、相邻等)。除非另外指明，这些连接和/或位置关系可以是直接的或间接的，并且本公开不旨在在这方面进行限制。因此，实体的偶联可以指直接或间接偶联，并且实体之间的位置关系可以是直接或间接位置关系。作为间接位置关系的一个例子，本说明书中提到在层“B”上形成层“A”包括这样的情况，其中一个或多个中间层(例如层“C”)在层“A”和层“B”之间，只要层“A”和层“B”的相关特性和功能基本上不被(一个或多个)中间层改变。
以下定义和缩写用于解释权利要求和说明书。如本文所用，术语“包含”、“包括”、“具有”、“含有”或其任何其它变型旨在涵盖非排他性的包括。例如，包括一系列要素的组合物、混合物、工艺、方法、制品或装置不一定仅限于那些要素，而是可以包括未明确列出的或此类组合物、混合物、工艺、方法、制品或装置固有的其他要素。
为了下文描述的目的，术语“上”、“下”、“右”、“左”、“垂直”、“水平”、“顶部”、“底部”及其派生词应涉及所描述的结构和方法，如附图中所定向的。术语“覆盖”、“在…顶上”、“在顶部上”、“定位在”或“定位在…顶上”表示第一元件(诸如第一结构)存在于第二元件(诸如第二结构)上，其中中间元件(诸如界面结构)可存在于第一元件和第二元件之间。术语“直接接触”是指第一元件(诸如第一结构)和第二元件(诸如第二结构)在两个元件的界面处没有任何中间导电、绝缘或半导体层的情况下连接。应注意，术语“对…具有选择性”(诸如例如“第一元件对第二元件具有选择性”)意指第一元件可被蚀刻，且第二元件可充当蚀刻停止层(etch stop)。
为了简洁起见，在此可能详细描述或可能不详细描述与半导体装置和集成电路(IC)制造有关的常规技术。此外，本文所述的各种任务和工艺步骤可并入具有本文未详细描述的额外步骤或功能性的更综合过程或工艺中。特别是，半导体装置和基于半导体的IC的制造中的各种步骤是公知的，因此为了简洁起见，许多传统步骤将在此仅简要提及或将被完全省略而不提供公知的工艺细节。
通常，用于形成将被封装到IC中的微芯片的各种工艺分为四个一般类别，即，膜沉积、去除/蚀刻、半导体掺杂和图案化/光刻。
沉积是将材料生长、涂覆或以其它方式转移到晶片上的任何工艺。可用的技术包括物理气相沉积(PVD)、化学气相沉积(CVD)、电化学沉积(ECD)、分子束外延(MBE)以及最近的原子层沉积(ALD)等。另一种沉积技术是等离子体增强化学气相沉积(PECVD)，其是一种使用等离子体内的能量来在晶片表面引发反应的工艺，否则该工艺将需要与常规CVD相关联的更高温度。在PECVD沉积期间的高能离子轰击还可以改善膜的电学和机械性能。
去除/蚀刻是从晶片去除材料的任何工艺。示例包括蚀刻工艺(湿法或干法)、化学机械平坦化(CMP)等。去除工艺的一个示例是离子束蚀刻(IBE)。通常，IBE(或研磨)是指干法等离子体蚀刻方法，其利用远程宽束离子/等离子体源，通过物理惰性气体和/或化学反应气体手段来去除衬底材料。与其它干法等离子体刻蚀技术类似，IBE具有诸如刻蚀速率、各向异性、选择性、均匀性、纵横比和最小化衬底损伤的益处。干法去除工艺的另一个示例是反应离子蚀刻(RIE)。通常，RIE使用化学反应等离子体去除沉积在晶片上的材料。利用RIE，等离子体在低压(真空)下通过电磁场产生。来自RIE等离子体的高能量离子攻击晶片表面并与其反应以去除材料。
半导体掺杂是通过掺杂例如晶体管源极和漏极，通常通过扩散和/或通过离子注入来改变电特性。这些掺杂工艺之后是炉退火或快速热退火(“RTA”)。退火用于激活注入的掺杂剂。导体(例如，多晶硅、铝、铜等)和绝缘体(例如，各种形式的二氧化硅、氮化硅等)两者的膜都用于连接和隔离晶体管及其部件。半导体衬底的各个区域的选择性掺杂允许衬底的导电性随着电压的施加而改变。通过形成这些各种组件的结构，可构建数百万个晶体管并将其布线在一起以形成现代微电子装置的复杂电路。
半导体光刻是在半导体衬底上形成三维浮雕图像或图案，以便随后将图案转移到衬底上。在半导体光刻中，图案由称为光致抗蚀剂的光敏聚合物形成。为了构建构成晶体管的复杂结构和连接电路的数百万个晶体管的许多布线，重复多次光刻和蚀刻图案转移步骤。印刷在晶片上的每个图案与先前形成的图案对准，并且逐渐地构建导体、绝缘体和选择性掺杂区域以形成最终装置。
现在参考附图，其中相同的数字表示相同或相似的元件，图1A-图1J描绘了在制造工艺中的不同阶段的示例性装置100。图1A-图1J的结构使用基本上为截面的视图来描绘，以说明该结构的分层方面和形成该结构的方法，但是该视图也稍微倾斜以示出顶部或最上表面，以说明在形成该结构的方法的一些阶段去除材料。
如图1A所示，第一介电层108已在下层衬底104上形成。如本文所用，术语“形成”可包括例如通过生长形成或通过沉积形成。特别地，第一介电层108已通过在衬底104上生长或沉积第一介电材料而形成。
在本实施例中，衬底104由硅制成。然而，在替代实施例中，衬底104可由另一衬底材料制成，例如石英。应当理解，衬底的材料可以是本领域技术人员已知的支持芯片实验室制造工艺的任何合适的材料或材料的组合，并且其可以是单层或多个子层。在本实施例中，第一介电材料为二氧化硅。然而，在替代实施例中，其它介电材料可用于第一介电层108。
在本公开的至少一个实施例中，第一介电层108形成为衬底104上的相对较厚的层。更具体地说，在至少一个实施例中，第一介电层108相对于装置的随后形成的层厚，如下所述。选择第一介电层108的厚度以提供电极的电隔离(下面将进一步详细讨论)并使电噪声最小化。
另外，如图1A所示，凹陷112，也可以称为沟槽，已经在第一介电层108中形成，以便由第一介电层108限定。特别地，每个凹陷112从第一介电层108的最上表面110向下延伸到第一介电层108中。在本实施例中，凹陷112已经通过对第一介电层108应用第一光刻工艺而形成。第一光刻工艺可以是本领域技术人员已知的能够限定用于电极的凹陷的任何合适的光刻工艺。
每个凹陷112通过第一介电层108的第一区域120与任何其它凹陷112分离，在对第一介电层108应用第一光刻工艺之后，第一介电层在相邻凹陷112之间保留并因此向上延伸。在本公开的至少一些实施例中，第一介电层的第一区域120延伸到最上表面110。
另外，如图1A所示，电极116已经在每个凹陷112中形成，使得每个电极116部分地在第一介电层108中形成。更具体地，每个电极116的表面区域的至少一部分被第一介电层108覆盖，使得每个电极116至少部分地嵌入到第一介电层108中。换句话说，第一介电层108至少部分地围绕电极116中的每一个。然而，电极116没有被第一介电层108完全覆盖或包围。相反，每个电极116填充第一介电层108中的对应凹陷112，使得每个电极116的最上表面118与第一介电层108的最上表面110大致共面。术语“共面”是指布置在同一几何平面上的多个平面表面。因此，电极116被布置在凹陷112中，使得每个电极116的最上表面118通常被布置在与第一介电层108的最上表面110相同的几何平面上。术语“一般地”解释了两者之间的差异，该差异足够小以能够如下面进一步详细讨论的那样进一步减小。
电极116可以使用本领域技术人员已知的任何合适的技术形成。在本公开的至少一个实施例中，电极116由能够用作电极的第一金属材料制成。在本实施例中，每个电极116由铜制成。然而，在替代实施例中，电极的材料可以是本领域技术人员已知的任何合适的材料或材料的组合。在本实施例中，使用标准Cu镶嵌工艺将铜电极116嵌入第一介电层108内，使得最上表面118与第一介电层108的最上表面110至少基本上共面。
另外，如图1A所示，电极116已经被进一步处理，以便与第一介电层108至少基本上共面。更具体地，电极116已经被进一步处理，使得每个电极116的最上表面118与第一介电层108的最上表面110至少基本上共面。在本公开的至少一些实施例中，使用抛光工艺来使得电极116的最上表面118与第一介电层108的最上表面110至少基本上共面。术语“至少基本上”考虑了两者之间的剩余差异，其对于后续工艺和操作的执行是不重要的。例如，至少基本共面的表面可以在原子水平上不共面。
尽管图1A中所示的本公开的实施例包括两个电极116，但是在替代实施例中，装置100包括多于两个电极。实际上，装置100包括大量(诸如数百至数千个)电极116的可扩展性是本公开的一个优点。在这样的实施例中，电极的数量是两个的倍数，使得每个电极是一对电极的一部分。另外，在这样的实施例中，在第一介电层108中形成的凹陷112的数量对应于电极的数量。因此，电极在本文中也可以成对提及。例如，第一介电层108的每个第一区域120布置在一对电极的电极116之间。
现在转向图1B，示出了在通过分别在第一介电层108和电极116的基本共面的最上表面110、118(图1A中示出)上生长或沉积第二介电材料层而形成第二介电层124之后的装置100。特别地，第二介电层124在每个电极116的整个最上表面118上以及在每对电极116之间的第一介电层108的第一区域120上延伸。换句话说，第二介电层124掩埋电极116。
在本公开的至少一些实施例中，第二介电层124可由氧化硅或氮化硅组成。在本公开的至少一些实施例中，第二介电层124可形成为具有十纳米至数百纳米之间(包括十纳米至数百纳米)的厚度。第二介电层124用作后续在电极116的第一金属材料上电沉积其它材料的阻挡层。
第二介电层124可以使用多种沉积方法形成。举例来说，在本公开的至少一个实施例中，可通过首先使用原子层沉积(ALD)施加薄晶种层(具有例如在二与数十纳米之间(包括二与数十纳米)的厚度)来形成第二介电层124。在这样的实施例中，这之后是化学气相沉积(CVD)的形式，例如等离子体增强CVD(PECVD)。在此类实施例中，ALD晶种层提供与电极耦合的改进界面，且因此促进更好的电沉积阻挡层。这是有利的，因为第二介电层124作为电沉积阻挡层的功能避免了埋入式电极116的毛细涂敷(capillary coating)。更具体地说，改进由第二介电层124提供的阻挡层减少了埋入式电极116的毛细涂敷的量。
现在参考图1C，井128在第二介电层124中形成。更具体地，在每个电极116上形成至少一个井128。例如，可以通过第二光刻工艺结合反应离子蚀刻(RIE)来形成井128。换句话说，通过应用至少一种工艺以去除第二介电层124的特定部分来形成井128。特别地，在去除之前，第二介电层124的被去除的特定部分位于电极116上方。形成至少一个井128的工艺使得能够精确地确定至少一个井128的尺寸和形状。
在本公开的一些实施例中，诸如图1C中所描绘，井128经形成以便位于一对电极的电极116的相邻边缘处。在这样的实施例中，应用工艺以从一对相邻电极116中的每一个的顶部上的区域以及从那些电极116之间去除第二介电层124。
在至少一些替代实施例中，井128可在具有电极116的更大或不同下层区域而不是边缘的位置中形成。在这样的实施例中，应用工艺以从每个电极116的顶部上的区域去除第二介电层124。在至少一些替代实施例中，井128可以在相邻电极116的边缘处的位置中和在具有电极116的更大或不同下层区域的位置中形成。基于电极116和装置100的用途来确定井128的位置和数量。
每个井128在第二介电层124中形成，以便从第二介电层124的最上表面126向下延伸到电极116。更具体地，每个井128延伸到相应电极116的最上表面118。在一些实施例中，诸如图1C所示，每个井128还延伸到第一介电层108的第一区域120中。在这样的实施例中，井128在每个电极116的顶部上以及在一对电极的电极116之间打开表面区域。换句话说，通过从那些位置去除第二介电层124，并且因此在那些位置处形成井128，每个电极116的最上表面118的至少一部分以及每个电极116的相邻侧表面119的至少一部分被暴露。
现在转向图1D，井128(图1C中所示)填充有第二金属材料，以便在一对电极的每个电极116的相邻端部上形成帽132。特别地，第二金属材料与电极116的第一金属材料直接接触，使得帽132与电极116直接接触。换句话说，在电极116和帽132之间没有插入衬垫或附加材料。相反，直接在电极116上形成帽132。
可通过例如直接应用电镀、电沉积或无电沉积工艺来形成帽132。与其它方法相比，以此方式，在没有衬垫的情况下应用第二金属材料，以便涂覆电极116的由井128暴露的部分。通过使至少一个井128能够具有精确尺寸和成形，用第二金属材料填充至少一个井128能够形成具有基本上类似精确尺寸和成形的帽132。
在本公开的至少一些实施例中，第二金属材料可以是贵金属，诸如例如但不限于金(Au)、铂(Pt)、铑(Rh)、钯(Pd)或适用于微流体环境的合金。因此，井128填充有第二金属材料，以便在每个电极116上形成贵金属电极帽132。如图1D所示，在本公开的至少一些实施例中，每个帽132覆盖对应电极116的最上表面118(图1C所示)的至少一部分和对应电极116的相邻侧表面119(图1C所示)的至少一部分。
在本公开的至少一些实施例中，可以单独使用电镀或无电沉积来填充井128。然而，在一些实施例中，可以应用第二金属材料的附加修整化学机械抛光(CMP)以补偿从晶片边缘到中心以及不同尺寸和尺度的共同定位的井之间的沉积速率的差异。在这些实施例中，这可使用适当的浆料化学物质和缓冲剂来实现少量沉积材料，诸如Rh。在任一情况下，处理电极帽132以便与第二介电层124的最上表面126基本共面。
如图1E中所示，在第二介电层124的最上表面126(图1D中所示)上和在电极帽132的最上表面134(图1D中所示)上形成第三介电层136。换句话说，第三介电层136形成为涂覆或覆盖帽132的第二金属材料。在本公开的至少一些实施例中，第三介电层136由毯覆式氧化硅及氮化硅形成。在本公开的至少一些实施例中，第三介电层136形成为具有五纳米至500纳米之间(包括五纳米和500纳米)的厚度。在本公开的一些实施例中，第三介电层136的厚度约为十纳米。
现在转向图1F，在每对电极116上的帽132之间的第三介电层136和第二介电层124中形成通道140。例如，可以通过至少一种被应用以去除介电层的特定部分的工艺来形成通道140。在至少一些实施例中，所述至少一个工艺是基于RIE的通道蚀刻。在本实施例中，例如，至少一个工艺包括与RIE结合的第三光刻工艺。形成通道140的工艺使得能够精确地确定通道140的尺寸和形状。
形成通道140以便延伸到第一介电层108的最上表面110且延伸到相邻帽132的相邻内侧表面135。换句话说，通过应用至少一种工艺来去除第三介电层136的特定部分和第二介电层124的保留在两个井128(图1C中示出)之间的部分使得第一介电层108的在帽132之间的部分被暴露来形成通道140。另外，通过应用至少一个工艺，还暴露了帽132的相邻内侧表面135。
值得注意的是，通道140不延伸到电极116。相反，第一电极层108的帽132和区域120防止电极116由于通道140的形成而暴露。换句话说，电极116保持被第一电极层108、帽132和第二电极层124掩埋。如下面进一步详细解释的，防止电极116的暴露防止了电极116的容易降解的材料在装置的后续使用中暴露于流体样品。因此，电极116的表面被保护免受流体样品的快速氧化、腐蚀和/或结垢，这减少了对装置100的功能的负面影响。
现在转向图1G，通道140填充有结构材料144。如图所示，因为通道140没有延伸到电极116，所以结构材料144不直接接触电极116。在本公开的至少一个实施例中，结构材料144可以例如是有机平面化层(OPL)。OPL充当随后被移除的结构替代物。在本公开的至少一个实施例中，通道140被旋涂OPL填充和覆盖。然后使用CMP抛光OPL以形成牺牲结构替代物，用于随后沉积形成通道140的顶部(下面进一步详细讨论)的材料。
在本公开的实施例中，其中通道140具有大于几微米的宽度，包括适当的填充特征，其支持通道140的顶部的完整性。这样的填充特征可以包括例如柱。填充特征未在图1G中示出，但可以以如下方式形成。填充特征由第一介电层108、第二介电层124和第三介电层136构成。更具体地，在形成通道140时形成填充特征，并且因此，填充特征被形成为具有与通道140相同的深度。因此，通过去除第三介电层136、第二介电层124和第一介电层108的部分，使得保留三个材料层的柱或柱体，来形成填充特征。因此，每个柱被分层，具有在基部的第一介电层108、在中间的第二介电层124和在顶部的第三介电层136。下面参照图3C描述包括这种填充特征的示例。
如图1H中所示，在第三介电层136的最上表面138(图1G中所示)上和在结构材料144的最上表面146(图1G中所示)上形成第四介电层148。在本公开的至少一些实施例中，第四介电层148可使用CVD形成。在本公开的至少一些实施例中，第四介电层可具有例如100纳米至300纳米之间(包括100纳米和300纳米)的厚度。
第四介电层148用第四光刻工艺图案化且被蚀刻以产生通气孔152的周期阵列，通气孔152被蚀刻在掩埋结构材料144上方且向下蚀刻到掩埋结构材料。图1H中仅示出一个通气孔152。然而，本公开能够在第四介电层148中形成多个通气孔152。每个通气孔152的直径足够小，以允许通过沉积随后的第五介电层(下面进一步详细讨论)来封闭通气孔。在本公开的至少一些实施例中，每个通气孔152的直径例如在100纳米和300纳米之间(包括100纳米和300纳米)。
现在转到图1I，结构材料144(图1H中所示)经由通气孔152被选择性地抽出，产生先前已由结构材料144占据的空腔156。在本公开的一些实施例中，碳拉工艺用于选择性地提取结构材料144。在本公开的一些实施例中，碳拉工艺可以是例如基于RIE的定向O2剥离。通过在腔156上形成第四介电层148并从腔156中提取结构材料144，开始在腔156上流体密封。
现在转到图1J，第五介电层160在第四介电层148的最上表面150(图1H中示出)上形成，以便关闭或密封通气孔152(图1H中示出)，从而为微流体装置100提供流体密封。在本实施例中，第五介电层160相对较厚。例如，第五介电层160的厚度相对于第二、第三和第四介电层124、136、148的厚度是大的。第五介电层160提供结构刚性以在每对电极116之间形成通道140和腔156的坚固且可靠的密封。在形成第五介电层160之后，打开流体和/或电接入点以使装置100准备好使用。在本公开的至少一些实施例中，流体进入端口被蚀刻在两级电介质中以允许将流体引入到装置100中。
值得注意的是，如图1J所示，装置100包括与帽132的第二金属材料直接接触的电极116的第一金属材料，其可由适于与不同流体介质接口的若干贵金属或金属合金组成。
另外，装置100的帽132与腔156接口，该腔用作储存器，诸如纳米通道或更大的结构，其随后可以填充有流体，包括液体或气体。然而，电极116不直接与腔156接口。
还应注意，帽132是良好结构化和界定的，这可通过诸如以上关于图1C所讨论的模板化良好蚀刻工艺来实现。
另外，腔156被流体密封。更具体地，首先用薄介电层，诸如第四介电层148密封腔156，该介电层包括通气孔152，通过该通气孔使用碳拉拔工艺(诸如上文关于图1I所讨论的)提取结构材料144。然后，腔156进一步由厚介电层流体密封，诸如第五介电层160，流体密封腔156以便能够将液体限制在装置100内。
在本公开的一些实施例中，诸如以上关于图1A-图1J描述的实施例，产生装置100的最终结构包括实施四个光刻层以图案化各种特征，包括电极116、帽132、通道140和通气孔152。取决于装置的特定用途所需的装置100的复杂性，可以根据需要添加附加的光刻层。例如，在本公开的一些实施例中，另一光刻层可以用于生成用于多通道装置的互连层。作为另一示例，在本公开的一些实施例中，另一光刻层可用于产生用于样品和试剂分配的三维流体网络。
换句话说，在本公开的一些实施例中，通过应用基本相同的工艺，可以形成具有比关于图1A-图1J所示和所描述的那些更复杂形状的装置。在这样的实施例中，具有三维电极或被构造在二维电极上的多层腔或其组合的装置的区域可以用作支架或用作形成更宽范围的帽几何形状的基础。在特定应用要求或能够从这种类型的复杂性中受益的情况下，其可以通过本公开来实现。例如，根据本公开，可以形成L形、Ω形、闭环、指形和梳形电极帽结构，每个都具有光刻精度。
图2描绘根据本公开的一些实施例的用于形成图1J中所示的装置100的方法200的流程图。如以上关于图1A-图1J所讨论的，在本公开的至少一些实施例中，形成装置100包括形成装置100，使得通过帽132的金属材料以及第一介电层108的第一介电材料来防止结构材料144与电极116之间的直接接触。
在操作204开始，形成第一介电层108。更具体而言，在本公开的至少一些实施例中，第一介电层108在衬底104上形成，如以上关于图1A所讨论的。
在操作208，形成电极116。更具体而言，在本公开的至少一些实施例中，电极116部分地在第一介电层108中形成，如以上关于图1A所讨论的。如以上关于图1A所讨论的，在本公开的至少一些实施例中，形成电极116包括形成电极116，使得每个电极116的最上表面118与第一介电层108的最上表面110至少基本上共面。
在操作212，形成第二介电层124。更具体而言，在本公开的至少一些实施例中，第二介电层124在电极116上形成，如以上关于图1B所讨论的。如以上关于图1B所讨论的，在本公开的至少一些实施例中，形成第二介电层124包括形成第二介电层124，使得第二介电层124在每一电极116的整个最上表面118上延伸。另外，在本公开的至少一些实施例中，形成第二介电层124包括形成第二介电层124，使得第二介电层124具有与电极116直接接触的最下表面127(图1B中示出)。另外，在本公开的至少一些实施例中，形成第二介电层124包括在电极116之间形成与第一介电层108直接接触的第二介电层124。
在操作216，用金属材料填充在第二介电层124中形成的井128。更具体而言，在本公开的至少一些实施例中，井128在第二介电层124中形成，如以上关于图1C所讨论的，并且填充有第二金属材料以形成与电极116直接接触的帽132，如以上关于图1D所讨论的。如以上关于图1C所讨论的，在本公开的至少一些实施例中，每个井128延伸穿过第二介电层124的最上表面126并且延伸穿过第二介电层124的最下表面127。
在操作220，形成第三介电层136。更具体而言，在本公开的至少一些实施例中，第三介电层136在帽132的第二金属材料上和第二介电层124上形成，如以上关于图1E所讨论的。如以上关于图1E所讨论的，在本公开的至少一些实施例中，形成第三介电层136包括在两个井128之间形成与第二介电层124直接接触的第三介电层136。另外，在本公开的至少一些实施例中，形成第三介电层136包括形成第三介电层136，使得第三介电层136不直接接触电极116。
在操作224处，用结构材料144填充在第三介电层136中形成的通道140。更具体来说，在本公开的至少一些实施例中，通道140在两个井128之间在第三介电层136中形成，如以上关于图1F所讨论的，且填充有结构材料144，使得结构材料144不直接接触电极116，如以上关于图1G所讨论的。
在操作228，形成第四介电层148。更具体而言，在本公开的至少一些实施例中，第四介电层148在第三介电层136上和在结构材料144上形成，如以上关于图1H所讨论的。
在操作232，提取结构材料144。更具体而言，在本公开的至少一些实施例中，结构材料144通过在第四介电层148中形成的至少一个通气孔152提取，如以上关于图1I所讨论的。
在操作236，形成第五介电层160。更具体而言，在本公开的至少一些实施例中，第五介电层160在第四介电层148上形成，如以上关于图1J所讨论的。如以上关于图1J所讨论的，在本公开的至少一些实施例中，形成第五介电层160包括形成第五介电层160，使得第五介电层160流体密封至少一个通气孔152。
上述方法200和装置100是根据本公开的一些实施例的说明性示例。然而，方法200和装置100的一个优点是其可适应于或可定制用于各种应用或用途。例如，在诸如用于在微流体装置内电动地移动流体的驱动电极或基于电阻脉冲感测(RPS)原理的装置中的感测电极的应用中，不需要结构良好且精确限定的电极帽(如帽132)。因此，在这样的实施例中，井(类似于井128)的形成可以是不必要的。在这样的实施例中，用于形成这样的装置的方法可以跳过执行操作212和220的动作的操作。换句话说，在这样的实施例中，用于形成这样的装置的方法可以从执行操作208的动作直接进行到执行操作216的动作，随后是操作224的动作。这种方法在此被称为减少步骤的方法。这种减少步骤的方法的一个结果在图3A-图3F中示出。
如图3A-图3C所示，示例性装置300包括在装置300的中心通过通道368连接的微流体贮存器364，在该中心处定位有具有不同功能的几个电极316(图3D中所示)、317(图3B中所示)和318(图3D中所示)。图3B是图3A的已被放大的局部视图。图3B示出了位于通道区域外部的力电极317。力电极317负责使储存器364中的离子粒子移动通过通道368。图3C是图3B的已被放大的局部视图。一起考虑，图3A-图3C示出了在较大装置300的环境下的通道368。
图3D是图3C的已被放大的局部视图。图3D示出了位于通道368内的横向电极316对。横向电极316基本上类似于上述电极116。图3D还示出了位于通道区域外部的感测电极318。感测电极负责测量当粒子通过时通过通道368的流体电导的变化。
图3E描绘了在Rh帽332的电沉积之前的多面Cu电极316。相反，图3F描绘了在Rh帽332的电沉积之后的多面Cu电极316。如通过比较图3E和图3F所示，横向电极对实际上被加盖；然而，它们之间的间隙尺寸和帽332的形态的精度表现出变化，并且在实践中可能难以控制。另外，从晶片边缘到中心(未示出)的间隙尺寸存在变化，这可能导致感测性能的变化。
因此，虽然减少步骤的方法可能对于横向电极对316不理想，但归因于此类对中的电极所需的精度，通道区域外部的感测电极318对上文提及的变化是不可知的。因此，这种减少步骤的方法可以应用于这些类型的电极和与它们类似的其它类型的电极。
回到图3C，填充特征372示出在通道368的任一侧上的贮存器364中。在本实施例中，填充特征372形成为圆形柱。然而，在替代实施例中，填充特征372可形成为具有不同的结构或几何形状。不管形状或几何结构如何，形成填充特征372以便在上述以及图1H和图1I中所示的碳拉工艺期间为薄的第四介电层(诸如148，如图1H-图1J中所示)提供结构支撑。下面参照图4A-图4H更详细地描述这种碳拉工艺的一个说明性示例。
特别地，如图4A中所示，装置400包括周期性排列的通气孔452的阵列，其基本上类似于以上参照图1H和图1I描述的通气孔152。在图4A所示的实施例中，通气孔452具有大约200纳米的直径。在替代实施例中，通气孔452可具有不同直径，所述直径足够小以允许通过沉积后续第五介电层来封闭所述通气孔。在图4A所示的实施例中，第四介电层448由氧化硅制成。在替代实施例中，第四介电层448可由不同介电材料制成。在图4A所示的实施例中，第四介电层448具有约为300纳米的厚度。在替代实施例中，第四介电层448可具有不同厚度，所述不同厚度足够厚以为通气孔152提供结构支撑且足够薄以防止一旦移除结构材料后填充腔。
通气孔452位于填充特征472(在图4A中不可见)上方和之间，其基本上类似于以上关于图3C描述的填充特征372。在图4A-图4H所示的实施例中，通气孔452与位于第四介电层448下面的填充特征472对齐，使得通气孔452位于填充特征472上方和之间。
填充特征472与碳拉工艺(诸如定向的基于RIE的O2剥离)结合使用，以去除结构材料(诸如OPL)，在第四介电层下方形成腔456(图4H中所示)。在图1A-图1J的环境下，结合基本上类似的提取工艺使用基本上类似的填充特征使得能够去除结构材料144，从而在第四介电层148下方形成腔156。
图4B-图4F示出了提取工艺的时间顺序。箭头指示时间序列的进展。在图4B-图4F中，第四介电层是光学透明的，使得能够视觉观察结构材料的提取。图4B示出了在执行提取工艺之前的装置400。图4C示出了在提取工艺已经执行了两分钟之后的装置400。图4D示出了在提取工艺已经执行了四分钟之后的装置400。图4E示出了在提取工艺已经执行了六分钟之后的装置400。图4F示出了在提取工艺已经执行了十二分钟之后的装置400。
如图4G中所示，在没有填充特征的流体入口上形成无支撑的膜。
图4H是在完成提取工艺之后腔456的截面扫描电子显微镜图像。如图4H中所示，薄的第四介电层448通过柱填充特征472支撑在腔456上。腔456基本上类似于上面参照图1I和图1J所述的腔156。第四介电层448基本上类似于上面参照图1H-1J描述的第四介电层148。
已经出于说明的目的呈现了对各种实施例的描述，并且不旨在穷举的或限于所公开的实施例。在不背离所描述的实施例的范围的情况下，许多修改和变化对于本领域的普通技术人员将是显而易见的。选择本文所使用的术语以最好地解释实施例的原理、实际应用或对市场上存在的技术改进，或使本领域的其他普通技术人员能够理解本文所公开的实施例。

Claims (21)

1.一种方法，包括：
在衬底上形成第一介电层；
在第一介电层中部分地形成电极；
在电极上形成第二介电层；
用金属材料填充在第二介电层中形成的两个井，使得金属材料与电极直接接触；
在金属材料上和在第二介电层上形成第三介电层；
用结构材料填充在所述两个井之间形成的通道，使得结构材料不直接接触电极；
在第三介电层上和在结构材料上形成第四介电层；
通过在第四介电层中形成的至少一个通气孔提取结构材料；以及
在第四介电层上形成第五介电层。
2.根据权利要求1所述的方法，其中形成电极包括形成电极使得每个电极的最上表面与第一介电层的最上表面至少基本上共面。
3.根据权利要求2所述的方法，其中形成第二介电层包括形成第二介电层使得第二介电层在每个电极的整个最上表面上延伸。
4.根据权利要求1所述的方法，其中：
形成第二介电层包括形成第二介电层使得第二介电层具有与电极直接接触的最下表面并具有与最下表面直接相对的最上表面，以及
所述两个井中的每个井延伸穿过第二介电层的最上表面并延伸穿过第二介电层的最下表面。
5.根据权利要求1所述的方法，其中形成第二介电层包括形成在电极之间的区域中与第一介电层直接接触的第二介电层。
6.根据权利要求1所述的方法，其中形成第三介电层包括形成在所述两个井之间的区域中与第二介电层直接接触的第三介电层。
7.根据权利要求1所述的方法，其中第三介电层不直接接触电极。
8.根据权利要求1所述的方法，其中形成第五介电层包括形成第五介电层使得第五介电层密封所述至少一个通气孔。
9.根据权利要求1所述的方法，其中金属材料和第一介电层防止结构材料与电极之间的直接接触。
10.一种微流体装置，包括：
在衬底上形成的第一介电层；
嵌入在第一介电材料中的一对电极；
在电极上形成的第二介电层；
在第二介电层中形成的两个帽，使得每个帽与对应的电极直接接触；
在帽上和在第二介电层上形成的第三介电层；
在两个帽之间形成的腔；
在第三介电层上形成且位于腔上方的第四介电层；以及
在第四介电层上形成的第五介电层。
11.根据权利要求10所述的微流体装置，其中第四介电层包括延伸穿过第四介电层的至少一个通气孔。
12.根据权利要求11所述的微流体装置，其中所述至少一个通气孔通向腔。
13.根据权利要求11所述的微流体装置，其中第五介电层密封所述至少一个通气孔。
14.根据权利要求10所述的微流体装置，其中每个电极的最上表面与第一介电层的最上表面至少基本上共面。
15.根据权利要求10所述的微流体装置，其中第二介电层在每个电极的基本上整个最上表面上延伸。
16.根据权利要求10所述的微流体装置，其中：
第二介电层具有与电极直接接触的最下表面并具有与最下表面直接相对的最上表面，以及
每个帽的最上表面与第二介电层的最上表面至少基本上共面。
17.根据权利要求10所述的微流体装置，其中第三介电层不直接接触电极。
18.根据权利要求10所述的微流体装置，其中帽和第一介电层防止电极暴露给腔。
19.根据权利要求10所述的微流体装置，其中：
腔至少部分地由帽和第一介电层界定，以及
腔至少部分地由第四介电层和第五介电层流体密封。
20.一种微流体装置，包括：
嵌入在第一介电材料中的一对电极；
在每个电极上的金属帽；
在金属帽之间的腔，其中腔不接触电极；以及
在腔上方且在电极与金属帽的顶部上的至少一个介电层。
21.一种包括程序代码的计算机程序，当所述程序在计算机上运行时，所述程序代码适于执行根据权利要求1至9中任一项所述的方法步骤。
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