CN117642514A - 具有缩小尺度单元阱的集成分析器件的阵列 - Google Patents

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Abstract

提供了集成分析器件的阵列。所述阵列用于分析以大数量高密度方式分布的高度多路复用的光学反应，包括生物化学反应，如核酸测序反应。特别地，当阵列内器件的单元阱的横向维度减小时，例如当它们减小到2μm或甚至更小时，阵列提供了提高的光学收集效率和减小的背景信号。

Description

具有缩小尺度单元阱的集成分析器件的阵列
相关申请的交叉引用
本申请要求于2021年5月4日提交的美国临时申请号63/184,195的权益，该申请的公开以引用方式全文并入本文中。
关于联邦政府资助的研究的声明
不适用。
背景技术
在分析系统中，增加给定系统在任何给定时间实施的分析的数量的能力一直是提高这类系统的效用并延长其寿命的关键组成部分。特别地，通过增加给定系统的分析的多路复用因子，可以增大系统的总体吞吐量，从而在增加其有用性的同时降低与使用相关的成本。
在光学分析中，增加多路复用通常会造成更多的困难，因为这可能需要更复杂的光学系统、增强的照射或检测能力、以及新的反应抑制策略。在一些情况下，系统试图将多路复用增加许多倍甚至成数量级地增加多路复用，这进一步牵连到以上那些注意事项。同样，在一些情况下，使用系统的分析环境高度敏感，以至于可能不容许给定系统中不同分析之间的变化。这些目标往往与简单地使系统更大和更高性能的暴力方法不一致，因为这样的步骤往往会产生更严重的后果，例如，在反应间串扰、由较低信号和较高噪声中的任一者或两者导致的信噪比降低等。因此，希望提供对其所需分析具有显著增加的多路复用的分析系统，特别是用于高灵敏度反应分析，并且在许多情况下，这样做的同时最大限度地减少这种增加的多路复用的负面影响。
与此同时，需要持续提高分析系统的性能，并降低与系统制造和使用相关的成本。特别是，需要持续增加分析系统的吞吐量，同时还需要缩小分析系统的尺度并降低其复杂度。持续需要具有灵活构造和易于扩展的分析系统。
发明内容
在一个方面，本发明通过提供一种集成分析器件的阵列来解决这些和其他问题，各个器件包括：
纳米级发射体(nanoscale emission volume)；
激励源，其光学耦合到纳米级发射体；
检测器层，其光学耦合到纳米级发射体；
上部导光元件，其设置在纳米级发射体和检测器层之间；和
下部导光元件，其设置在上部导光元件和检测器层之间；
其中从纳米级发射体发射光学信号；和
其中上部导光元件将来自纳米级发射体的光学信号引导通过下部导光元件直至检测器层中的感测区域。
在一些方面，本文所述的技术涉及阵列，其中阵列中的各个器件具有不大于约3.0μm的最大横向维度。
在一些方面，本文所述的技术涉及阵列，其中所述阵列中的各个器件具有不大于约25μm的最大垂直维度。
在一些方面，本文所述的技术涉及阵列，其中所述纳米级发射体与所述上部导光元件之间的距离不大于约5μm。
在一些方面，本文所述的技术涉及阵列，其中所述下部导光元件与所述感测区域之间的距离不大于约5μm。
在一些方面，本文所述的技术涉及阵列，其中所述下部导光元件包括截锥体形状、圆柱体形状、椭圆柱体形状、正方柱体形状、矩形柱体形状、或这些形状的组合。
在一些方面，本文所述的技术涉及阵列，其中所述下部导光元件包括截锥体形状。
在一些方面，本文所述的技术涉及阵列，其中所述下部导光元件包括多个截锥体形状。
在一些方面，本文所述的技术涉及阵列，其中所述下部导光元件包括圆柱体形状。
在一些方面，本文所述的技术涉及阵列，其中所述下部导光元件包括截锥体形状和圆柱体形状。
在一些方面，本文所述的技术涉及阵列，其中所述下部导光元件包括嵌入在低折射率包层材料中的高折射率芯材料。
在一些方面，本文所述的技术涉及阵列，其中所述光学信号由所述纳米级发射体内的多个光学发射器产生。
在一些方面，本文所述的技术涉及阵列，其中所述多个光学发射器中的各个光学发射器具有不同的发射幅度。
在一些方面，本文所述的技术涉及阵列，其中各个器件的检测器层包括单个感测区域。
在一些方面，本文所述的技术涉及阵列，其中所述上部导光元件包括衍射光学元件。
在一些方面，本文所述的技术涉及阵列，其中所述衍射光学元件是菲涅耳透镜。
在一些方面，本文所述的技术涉及阵列，其中所述上部导光元件包括非晶硅。
在一些方面，本文所述的技术涉及一种阵列，其还包括激光抑制滤波器(laser-rejection filter)。
在一些方面，本文所述的技术涉及阵列，其中所述激光抑制滤波器包括薄膜干涉滤波器。
在一些方面，本文所述的技术涉及阵列，其中所述激光抑制滤波器被配置为减少来自所述激励源的激励信号的传输。
在一些方面，本文所述的技术涉及阵列，其中所述激光抑制滤波器被配置为允许从所述纳米级发射体发射的光学信号的传输。
在一些方面，本文所述的技术涉及阵列，其中所述激光抑制滤波器设置在所述下部导光元件和所述检测器层之间。
在一些方面，本文所述的技术涉及阵列，其中所述激光抑制滤波器设置在所述上部导光元件和所述下部导光元件之间。
在一些方面，本文所述的技术涉及阵列，其中所述激光抑制滤波器包括选择性吸收材料。
在一些方面，本文所述的技术涉及阵列，其中所述选择性吸收材料是介电材料。
在一些方面，本文所述的技术涉及阵列，其中所述介电材料为非晶硅或氮化硅。
在一些方面，本文所述的技术涉及阵列，其中所述激光抑制滤波器和所述下部导光元件包括选择性吸收材料。
在一些方面，本文所述的技术涉及阵列，其中各个器件还包括隔板元件。
在一些方面，本文所述的技术涉及阵列，其中通过蚀刻各个器件之间的沟槽来制备所述隔板元件。
在一些方面，本文所述的技术涉及阵列，其中所述隔板元件包括不透明材料、吸收材料或反射材料。
在一些方面，本文所述的技术涉及阵列，其中所述隔板元件包括金属。
在一些方面，本文所述的技术涉及阵列，其中将所述隔板元件设置为邻近所述上部导光元件。
在一些方面，本文所述的技术涉及阵列，其中将所述隔板元件设置为邻近所述下部导光元件。
在一些方面，本文所述的技术涉及阵列，其中各个器件还包括在隔板元件层内的激光抑制滤波器。
在一些方面，本文所述的技术涉及阵列，其中各个器件还包括衍射光学元件，所述衍射光学元件设置在所述下部导光元件和所述检测器层之间。
在一些方面，本文所述的技术涉及阵列，其中所述衍射光学元件是菲涅耳透镜。
在一些方面，本文所述的技术涉及阵列，其还包括：孔隙层，所述孔隙层设置在所述激励源和所述检测器层之间。
在一些方面，本文所述的技术涉及阵列，其中所述孔隙层设置在所述激励源和所述上部导光元件之间。
在一些方面，本文所述的技术涉及阵列，其中所述孔隙层设置在所述上部导光元件和所述检测器层之间。
在一些方面，本文所述的技术涉及阵列，其中所述孔隙层包括氮化钛。
在一些方面，本文所述的技术涉及阵列，其包括至少两个设置在所述激励源和所述检测器层之间的孔隙层。
在一些方面，本文所述的技术涉及阵列，其包括至少三个设置在所述激励源和所述检测器层之间的孔隙层。
在一些方面，本文所述的技术涉及阵列，其中所述激励源是波导激励源。
在一些方面，本文所述的技术涉及阵列，其中使所述纳米级发射体对准在所述波导激励源正上方。
在一些方面中，本文所述的技术涉及阵列，包括光学耦合到多个纳米级发射体的多个波导激励源。
在一些方面，本文所述的技术涉及阵列，其中将所述多个波导激励源定向为彼此平行。
在一些方面中，本文所述的技术涉及阵列，其中使所述多个纳米级发射体对准在所述多个波导激励源的正上方。
在一些方面，本文所述的技术涉及阵列，其中将所述多个纳米级发射体布置为规则的网格图案。
在一些方面，本文所述的技术涉及阵列，其中将所述多个纳米级发射体布置为偏移的网格图案。
在一些方面，本文所述的技术涉及阵列，其中所述检测器层与所述阵列是一体的。
在一些方面，本文所述的技术涉及阵列，其中所述检测器层与所述阵列不是一体的。
在一些方面，本文所述的技术涉及阵列，其中所述感测区域是矩形的。
在一些方面，本文所述的技术涉及阵列，其中所述感测区域是正方形的。
在一些方面，本文所述的技术涉及阵列，其中所述检测器层是CMOS传感器的一部分。
在一些方面，本文所述的技术涉及阵列，该阵列还包括设置在所述纳米级发射体内的分析物。
在一些方面，本文所述的技术涉及阵列，其中所述分析物包括生物样本。
在一些方面，本文所述的技术涉及阵列，其中所述生物样本包括核酸。
在一些方面，本文所述的技术涉及阵列，其中所述生物样本包括聚合酶。
在一些方面，本文所述的技术涉及阵列，其中所述阵列包括至少1,000个纳米级发射体。
在另一个方面，本发明提供了用于生产本文公开的集成分析器件的阵列的方法。
附图说明
图1A-1B示意性地示出了可以使用所公开的集成分析器件的阵列进行的示例性核酸测序过程。
图2提供了集成分析器件的示意框图。
图3A-3B证明了单元阱(unit cell)的横向维度对集成分析器件的阵列内的单元阱之间的信噪比和串扰的影响。
图4A-4G示出了集成分析器件的替代配置，包括光学收集路径中的各种导光元件，以提高光学收集的效率并降低背景噪声。
图5A-5D示出了包括另外的衍射光学元件的集成分析器件的另外的替代配置。
图6A-6E示出了具有缩小尺度的示例性集成分析器件的设计特征。
图7A-7E示出了所公开的缩小尺度单元阱的示例性下部导光元件的代表性设计特征。
图8A-8E示出了用于制造所公开的分析器件阵列的示例性方法。
图9示出了在纳米阱的基底产生纳米坑。
图10示出了用于直接印制纳米坑的基本工艺流程。
具体实施方式
集成分析器件
多路复用光学分析系统广泛用于各种不同的应用中。这样的应用可以包括对单个分子的分析，并且可以包括例如在单个生物分子进行反应时实时观察它们。为了便于讨论，本文根据如下的优选应用来讨论这种多路复用系统：即，核酸序列信息的分析，特别是单分子核酸序列的分析。尽管根据特定应用进行了描述，但是应当理解，本文所描述的器件和系统的应用具有更广泛的应用。
在核酸测序分析的情况下，可以监测单个的固定化核酸合成复合物，包括聚合酶、人们试图阐明其序列的模板核酸和与模板序列的一部分互补的引物序列，以便在将单个核苷酸加入到扩展引物序列中时识别所述单个核苷酸。通常通过在添加的核苷酸加入之前、期间或之后观察添加的核苷酸上的光学可检测标记来监测加入。可以实时监测这些单分子引物延伸反应，以确定在延伸产物中的持续加入核苷酸，从而阐明潜在的模板序列。该过程也可以称为单分子实时(或SMRTTM)测序。
在优选的方面中，将固定化的模板/聚合酶-引物复合物提供在光学受限的区域内，例如零模波导(ZMW)、或者接近透明衬底的表面、光学波导、或类似物(参见例如美国专利号6,917,726和7,170,50以及美国专利申请公开号2007/0134128，它们的全部公开内容针对所有目的以引用方式整体并入本文中)。对于要使用的荧光标记的核苷酸，用适当的激发辐射照射光学受限区域。因为复合物在光学受限区域内，或者在非常小的照射体内，所以只有紧邻复合物周围的反应体受到激发辐射。因此，那些与复合物相互作用的荧光标记的核苷酸(例如，在加入事件期间)在该照射体内存在足够的时间以确认它们已经被加入。尽管本文公开的器件中的目的分析物是加入荧光标记的核苷酸的模板/聚合酶-引物复合物，但是应当理解的是，可以使用本公开的成阵列的器件来监测其他目的分析物，特别是目的荧光分析物。
刚刚描述的测序过程的示意图如图1A和1B所示。如图1A所示，在例如零模波导106的光学受限的观察体(如虚线104所示)内提供聚合酶、模板核酸和引物序列的固定化复合物102。当适当的核苷酸类似物(例如核苷酸108)被引入到新生核酸链中时，其被照射与引入期间观察体内标记核苷酸类似物的保留时间相对应的延长时间段，这产生与该保留相关的信号，例如如图1B中的A迹线所示的信号脉冲112。一旦引入，附着在标记的核苷酸类似物的多聚磷酸盐组分上的标记被释放。当下一个合适的核苷酸类似物(例如核苷酸110)与复合物接触时，它也被引入，在图1B的T迹线中产生相应的信号114。通过监测新生链中碱基的引入，如模板序列的潜在互补性所表明的，可以获得模板的长序列段(long stretches ofsequence)信息。
上述测序反应可以引入到器件的阵列中，通常是集成分析器件的阵列，该阵列提供对多个测序反应的同时观察，理想情况下是实时的。虽然各个器件的组件和系统中的器件的配置可以变化，但各个集成分析器件通常至少部分地包括如图2中的框图所示的一般结构。如图所示，集成分析器件200通常包括反应阱202，分析物(即聚合酶模板复合物和相关的荧光反应物)设置在反应阱202中，并且从反应阱202发出光学信号。分析系统还包括检测器元件220，其被设置为与反应阱202光学连通。反应阱202和检测器元件220之间的光学连通由光具组204提供，该光具组204由一个或以上通常用206、208、210和212表示的光学元件组成，用于有效地将来自反应阱202的信号引导到检测器220。这些光学元件通常包括任意数量的元件，例如透镜、滤波器、光栅、反射镜、棱镜、折射材料、孔隙等，或者这些元件的各种组合，这取决于应用的具体情况。通过将这些元件集成到单个器件结构中，提高了反应阱和检测器之间的光学耦合效率。集成分析系统的实例，包括用于照射反应阱和检测从反应阱发射的光学信号的各种方法，描述于美国专利申请公开号2012/0014837、2012/0019828和2012/0021525中，这些专利申请公开针对所有目的各自通过引用整体并入本文。在美国专利申请公开号2016/0061740中描述了集成分析系统的另外的实例，包括如下系统，该系统包括具有用于空间分离和发射信号的光束整形的高效透镜元件的成阵列的集成分析器件的系统，针对所有目的，该专利申请公开全文通过引用并入本文。下面将详细描述针对缩小尺寸的集成器件而优化的光学系统的更具体的实例。
如上所述，设置在反应阱(例如，图2中的元件202)内或以其他方式固定在器件表面上的分析物(例如，具有相关荧光反应物的聚合酶模板复合物)发射光，所述光透射到检测器元件(例如，图2中的元件220)。对于荧光分析物，分析物由激发光源照射，而对于其他分析物，例如化学二聚体或其他这样的分析物，可能不需要激发光源。反应阱体的至少一部分(即发射体)光学耦合到检测器元件，从而由检测器元件测量从该发射体内的分析物(例如从该发射体内的多个光学发射器)发射的光。为了最大化同时测量的分析物的数量，尽可能地减小本分析器件的尺寸，使得各个器件内的发射体是纳米级发射体。理想地，纳米级发射体和检测器元件之间的光学耦合是高效的，从而最大化器件的灵敏度并最大化信号输出。同样重要的是最小化成阵列分析系统中单元阱之间的串扰，以及最小化由来自激励源(例如激励波导源)的散射或以其他方式干扰的光能引起的背景噪声。
传统的分析系统通常测量多个彼此各异的光谱信号或信号事件，因此必须利用复杂的光学系统来分离和区别检测这些不同的信号事件。然而，可以通过减少检测到的可区分光谱信号的量或数量来简化集成器件的光路。然而，理想的情况是在不减少可检测到的彼此各异的反应事件的数量的情况下实现这种减少。例如，在基于四个不同的可检测信号事件来区分四个不同反应的分析系统中，其中典型的系统将为各个不同的反应分配不同的信号谱，从而检测和区分各个信号事件，在替代方法中，四个不同的信号事件将由少于四个不同的信号光谱来表示，并且将代之以至少部分地依赖于信号事件之间的其他非光谱区别。
例如，传统上为了识别和表征四种不同的核苷酸各自的引入而使用四种光谱可区分信号的测序操作(例如“四色”测序系统)可以在替代配置的情形下使用单色或双色分析，例如，依赖于仅具有一个或两个彼此各异的或可区分的光谱信号的信号。然而，在这样的替代配置中，这种对信号光谱复杂性的依赖性的降低并不以牺牲将信号与多个(即，大量不同的信号产生反应事件)区分开来的能力为代价。特别地，这种替代配置可以依赖于不同于发射光谱的一个或以上信号特征(例如包括信号强度、激发光谱或两者)来彼此区分信号事件，而不是仅仅依赖于信号光谱来区分反应事件。
在一种特定的替代配置中，从而可以通过利用信号强度作为两个或以上信号事件之间的区别特征来简化集成分析器件中的光路。在其最简单的迭代中，参考示例性测序过程，两种不同的核苷酸将带有这样的荧光标记，各个荧光标记在相同的激发照射下发射荧光，即具有相同或基本重叠的谱带，从而将提供使用单个激励源激发的益处。在相同的光照下，来自各个荧光标记的所得信号将具有不同的信号强度或幅度，因此将可以通过它们各自的信号幅度来区分。这两个信号可以具有部分或完全重叠的发射光谱，但是将无需基于发射光谱中的任何差异来分离信号。甚至更有用的是，可以通过四种不同的核苷酸各自的信号幅度来区分它们，所述四种不同的核苷酸带有在相同的激发照射下各自发射荧光、但响应于该照射具有可区分的发射强度的荧光标记。
因此，对于使用信号幅度不同的两个或以上信号事件的分析系统，这种系统的集成分析器件可以很容易地通过去除通常用于分离光谱彼此各异的信号的部分或全部组件而受益，例如多个激励源及其相关联的光具组，以及用于信号事件的颜色分离光学器件，例如滤波器和二向色器，在许多情况下，这需要用于各个光谱的彼此各异的信号的至少部分分离的光具组和检测器。结果，用于这些集成分析器件的光路被大大简化，允许将检测器元件放置在更靠近反应阱的位置，并提高这些器件的检测过程的整体性能。
可以通过多种方式提供信号产生分析物，该分析物将在特定的激发照射谱图下产生不同的信号幅度。例如，可以使用不同的荧光标记，其呈现重叠但包括不同最大值的激发光谱图。因此，对于各个荧光组，在窄波长下的激发通常会产生不同的信号强度。如将理解的，这种相同的方法可以用于两个以上的标记组，其中在给定激发光谱处产生的发射具有可区分的强度或幅度。
类似地，两个不同的荧光标记基团可以具有相同或基本相似的激发光谱，但由于这些标记基团的量子产率而提供不同且可区分的信号发射强度。此外，尽管以两种彼此各异的荧光染料来描述，但是应当理解，各个不同的标记基团可以各自包括多个标记分子。例如，各个反应物可以包括能量转移染料对，其在用单个照射源激发时产生不同强度的发射。例如，标记基团可以包括以给定激发波长激发的供体荧光团和以供体的发射波长激发的受体荧光团，从而导致能量转移到受体。通过使用不同的受体，其激发光谱在不同程度上与供体的发射光谱重叠，这种方法可以产生针对给定激发波长和水平以不同信号幅度发射的整体标记基团。同样，调节供体和受体之间的能量转移效率将同样导致在给定激发照射下的不同信号强度。
或者，可以由给定反应物上不同倍数的信号产生标记基团提供不同的信号幅度，例如，将单个标记分子放在一个反应物上，而将2个、3个、4个或更多个单独的标记分子放在不同的反应物上。所产生的发射信号将反映反应物上存在的标记的数量，并从而将表明该反应物的身份。
用于上述目的的与荧光试剂(如核苷酸类似物)有关的示例性组合物和方法描述在例如美国专利申请公开号2012/0058473、2012/0077189、2012/0052506、2012/0058469、2012/0058482、2010/0255488、2009/0208957中，其针对所有目的各自通过引用整体并入本文。
因此，在优选实施方案中，本公开的集成分析器件的阵列不通过颜色来区分光学信号。因此，在这些实施方案中，器件优选地在其收集路径中不包括滤色元件，并且各个器件优选地包括检测器层中的单个感测区域，更具体地为单个像素。此外，在优选实施方案中，本发明的集成分析器件的阵列不在空间上将发射信号分离成收集路径中的一个或以上光束。
如上所述，使用这种方法的集成分析器件可以通过消除光谱辨别要求来降低复杂性，例如，使用信号幅度或其他非光谱特征作为信号辨别的基础。如图2的框图所示，集成分析器件200可以包括限定在器件的表面层上的反应阱202。如该图所示，反应阱包括设置在表面层中的纳米阱。这样的纳米阱可以构成衬底表面中的凹陷或设置为穿过另外的衬底层至下面的透明衬底的孔隙，例如，如在零模波导(ZMW)阵列中使用的(例如，参见美国专利号7,181,122和7,907,800，以及下文)。然而，还应当理解，在一些实施方案中，目的样本可以以其他方式被限制，并且可以从分析器件中省略这些实施方案中的纳米级反应阱。例如，如果目的靶标被固定在缺少单独反应阱的器件表面上的图案中，则可以无需对样本进行物理分离而在这些位置处观察到结合事件或其他目的事件。如本领域普通技术人员所理解的，可以使用这种方法适当地监测杂交反应(例如固定化核酸与其互补序列之间的杂交反应)，或结合反应(例如抗体与其配体之间的结合反应，其中可以将结合对的任一成员固定在器件表面的特定位置)。
激发照射从激励源(未示出)传递到反应阱或固定化靶，所述激励源可以与衬底分离或也集成到衬底中。例如，在图2的框图中，反应阱202下方的光波导(或波导层)可用于将激发光传送到反应阱及其它固定的靶，其中从波导发出的倏逝场照射在照射体内的反应物。在例如美国专利号7,820,983和美国专利申请公开号2012/0085894中描述了使用光波导来照射反应阱，这些专利各自均针对所有目的通过引用整体并入本文。纳米级反应阱(本文也称为“纳米阱”或“ZMW”)可以起到增强向下发射到器件中的荧光并限制向上散射光的量的作用。所发射的光，无论是来自纳米级反应阱还是来自固定靶，均通过包括一个或以上光学元件的集成光具组被引导至检测器，这将在下文中更详细地描述。
在本公开的上下文中应该理解，器件中两个组件的“光学耦合”并不意味着耦合的方向性。换言之，由于光能通过光学器件的传输是完全可逆的，因此第一组件到第二组件的光学耦合应被视为等效于第二组件到第一组件的光学耦合。
然后检测并记录来自反应阱202的入射到检测器层220的感测区域上的发射信号。感测区域可以对应于阵列检测器(例如CMOS检测器)中的一个或以上像素。
检测器层能够耦合到适当的电路，通常集成到衬底中，用于向处理器提供信号响应，任选地将处理器集成包括在相同的器件结构内，或者处理器与检测器层和相关电路分离但电子耦合至检测器层和相关电路。电路类型的实例描述于美国专利申请公开号2012/0019828中。
如从上述公开中可以理解的，本文所述的集成分析器件不需要在使用传统四色光学器件的系统中所需的更复杂的光路，在一些情况下免除了对冗余信号分离光学器件、二向色器、棱镜或滤波器层的需要。可以相应地缩小器件的规模，以在集成器件的阵列中容纳更高程度的多路复用。
在缩小尺度的集成分析器件中改进的光学收集路径
从以上描述中可以理解，随着集成光学器件的单元阱尺寸的缩小，收集路径中的光学元件(例如，图2的光具组)的尺寸也优选缩小。横向维度下限至多约2μm，通过裁切透镜元件(同时保持数值孔径不变)和缩小单元阱的垂直维度(即物体和图像距离)，可以大致缩小单元阱设计。然而，随着单元阱的横向维度变得小于约2μm，经裁切的透镜，例如经裁切的菲涅耳透镜，可能会迅速失去其效率，并且会减少传输到传感器的光学信号的部分。
例如，图3A和3B示出了在各种模拟情形中，横向单元阱尺寸(表示为检测器“像素大小”)对信噪比(图3A)和单元间串扰(图3B)的影响。具体地，使用已知的单元阱设计(参见例如美国专利申请公开号2016/0061740)并对透镜和孔隙开口尺寸进行修改以进行比较，来进行这些图中所示的基准测试结果。标记为“+透镜，标准孔隙”的曲线描绘了随着像素尺寸的减小，示例性先前设计的信噪比(SNR)(图3A)和单元间串扰(图3B)。像素尺寸的减小导致各个器件中的透镜的侧面被修裁。在该模拟中，孔隙开口未发生变化。
类似地，标记为“+透镜，减小孔隙”的曲线模拟了在具有修裁后的透镜和孔隙开口的单元阱设计中，作为横向像素尺寸的函数对SNR和串扰的影响，与先前的单元阱设计相比，这些修裁后的透镜和孔隙开口的尺寸与像素尺寸成比例地减小。
标记为“-透镜，标准孔隙”的曲线在没有透镜的情况下模拟单元阱，从而使传感器充满入射光。与先前的设计相比，该模型中的孔隙开口没有变化。
最后，标记为“-透镜，减小孔隙”的曲线模拟了没有透镜的单元阱，但与之前的设计相比，孔隙开口的尺寸与像素尺寸成比例地减小。
为了解决收集路径效率降低和单元阱之间串扰增加的问题，可以在光学堆叠中引入另外的光学元件和适应性变化。通过这种光学元件的适当设计和组合，可以提高光学堆叠的收集效率，同时还保持了高的信噪比。改进的性能可以包括减少来自散射激发光的噪声和调制单元阱之间的串扰。
如前所述，当器件单元阱的横向维度缩小时，尤其是当它们缩小至约2μm以下时，裁切集成器件的透镜元件会导致光传输效率降低。具体地，对于给定波长的光，在保持物体和图像的位置不变的情况下裁切透镜会产生更小的数值孔径和更少聚焦的图像。这些影响反过来会导致收集效率的损失和串扰的增加，因为杂散光从集成器件逸出并被相邻器件的传感器区域捕获。
为了有助于以最大的效率和最小的串扰和背景噪声将发射的导向至传感器，可以用一种新颖的“聚光结构”代替现有集成器件的单个透镜元件，该“聚光结构”位于发射体和单元阱的检测器层之间，并且彼此相对靠近。具体地，可以设计和制造聚光结构，使得从单元阱的发射体发出的光能到检测器层的传输被优化。聚光结构通常包括至少两个特征—上部导光元件和下部导光元件。这些特征各自通常由被低折射率材料包围的高折射率材料制成，其中高折射率的材料为透射光提供通过聚光结构到达检测器层的光路。
本发明聚光结构的上部导光元件通常具有面向下的弯曲或阶梯形状，其被设计成将光朝向检测器层弯曲，而下部导光元件具有至少一个圆柱形、面向上的锥形结构或其他合适的几何形状，其被设计用于捕获从上部导光元件发射的光并用于以高效率和最小串扰将该光传输到检测器层中的传感器区域。如上所述，上部导光元件通常紧邻发射体，而下部导光元件通常紧邻检测器层中的感测区域。发射体、聚光结构(至少包括上部导光元件和下部导光元件)和感测区域之间具有相对较小的总体垂直间距，从而将这些新型器件与较大的现有技术器件(即，单元阱尺寸大于约2.5μm的器件)区分开来，其中认为在更远的距离上传输、并通过更传统的透镜和孔隙的光将根据更传统的射线光学表现。
因此，在一些实施方案中，上部导光元件是衍射光学元件(DOE)，例如衍射菲涅耳元件。
在实施方案中，纳米级发射体和上部导光元件之间的距离不大于约5μm、约4μm、约3μm、约2μm、约1μm、或甚至更小。
在实施方案中，下部导光元件和感测区域之间的距离不大于约5μm、约4μm、约3μm、约2μm、约1μm、或甚至更小。
如上所述，下部导光元件可以包括一个或以上圆柱形或面朝上的锥形或截头锥形结构，这些结构被设计为将光引导和限制在单元阱内，并防止泄漏到周围的阱中。不意欲受理论约束，将这种限制理解为是由高折射率材料和低折射率材料之间界面处的透射光的全内反射(“TIR”)产生的。特别地，通过调节下部导光元件的侧壁角度和/或通过调制下部导光元件及其周围材料的折射率对比度，可以将进入下部导光元件的发散光能引导到检测器层。该特征的设计空间可以借助于模型和仿真工具进行搜索和优化，例如基于时域有限差分法(FDTD)的代码，例如由Lumerical提供的代码。
本文公开的下部导光元件的设计在各种方面与先前的方法均不同。例如，尽管上部导光元件，特别是诸如衍射菲涅耳光学元件的衍射光学元件优选是本发明集成器件中的收集路径的一部分，但是下部导光元件本身不一定包括图像形成透镜，该图像形成透镜将物体平面中的各个点映射到图像平面中的相关的彼此各异的点。在其他先前的方法中，高折射率材料被形成为简单的圆柱体，而不是具有锥形侧面的锥形，使得不会显著改变通过器件的光的角度图案。还有其他先前的用于光学限制的方法依赖于复合抛物面聚光器(CPC)，如在太阳能电池应用等中使用的那样。然而，与本文所述的下部导光元件不同，传统CPC不包括用于入射光线的入射表面，并且通常存在根据CPC的聚光能力来描述CPC的形状的特定公式。
因此，在一些实施方案中，提供了分析器件的阵列，各个器件包括纳米级发射体、光学耦合到纳米级发射体的激励源、光学耦合到纳米级发射体的检测器层、设置在纳米级发射体和检测器层之间的上部导光元件、以及设置在上部导光元件和检测器层之间的下部导光元件，其中从纳米级发射体发射光学信号，并且其中上部导光元件将来自纳米级发射体的光学信号引导至下部导光元件，下部导光元件又将光学信号引导至检测器层中的感测区域。
在更具体的实施方案中，上述阵列中的各个器件的最大横向维度不超过约3.0μm、约2.7μm、约2.5μm、约2.4μm、约2.3μm、约2.2μm、约2.1μm、约2.0μm、约1.9μm、约1.8μm、约1.7μm、约1.6μm、约1.5μm、或甚至更小。
图4A-4D提供了包括本发明聚光结构的集成分析器件的示例性设计，其中来自样本的光发射，包括高角度发散光束，在各个情况下均以从发射体405发射的箭头示出。来自样本的光发射通过上部导光元件450，然后在入射表面476处进入下部导光元件。将光学信号引导通过下部导光元件，从而优化在出射表面478(如短箭头所示)处通过下部导光元件并最终到达检测器层490的总光能。由此将聚光结构(即，至少上部导光元件和下部导光元件)配置为优化从样本到检测器层的发射信号的传输。这是通过增加信号捕获和减少对检测器的串扰和其他背景噪声来实现的。
如上所述，本公开的下部导光元件(也可以称为“光锥”、“光管”或“光学隧道”)可以包括嵌入具有相对低折射率的包层材料(即“低折射率包层材料”)中的具有相对高折射率的芯材料(即“高折射率芯材料”)，例如，如图4A的集成分析器件401所示。特别地，下部导光元件470的高折射率芯472可以通过在高折射率472和低折射率474材料之间的边界处提供高反射率来将光限制在高折射率体内，从而通过减小透射光在下部导光元件的芯内的角展度来起作用。选择合适的高折射率和低折射率材料是本领域普通技术人员将可以理解的设计选择。
更具体地说，如图4A所示，通过光波导源440将激发光提供给反应阱406中的分析物。当来自反应阱内的发射体405(指定为星形)的光通过上部导光元件450进入下部导光元件470时，由于芯材料和围绕它的包层材料之间的折射率差异很大，任何与光锥侧壁相交的光线均会被大量反射回到下部导光元件。如图4A所示，例如可以将下部导光元件制成截锥体的形状，具有锥形侧面和比出射表面478相对更大的入射表面476。如本领域普通技术人员所理解的，关于上部导光元件和下部导光元件的具体设计的细节，例如包括直径、侧壁角、芯和包层材料等，可以取决于材料和设计约束条件。将在下文中更详细地提供具体设计特征。例如，在先前通过引用并入的美国专利申请公开号2012/0018928中也描述了可适用于本发明集成器件的示例性下部导光元件。
尽管在图4A-4D中的入射表面476和出射表面478作为平面表面示出，但应该理解，可以将这些表面形成为任何合适的形状。例如，如果需要，这些表面可以是弯曲的或阶梯形状的。还应当理解，当从上方观察时，这些表面优选地是椭圆形形状或圆形形状，但是在本发明的下部导光元件中也可使用其他形状。例如，下部导光元件可以具有矩形或正方形表面结构，这在出射表面478非常靠近检测器层490的感测区域的情况下可能是特别有利的。出射表面的形状优选地被设计为与感测区域中的一个或以上像素的形状相匹配。
在一些实施方案中，下部导光元件可以包括圆柱形导光元件。圆柱形导光元件被理解为截锥体的变体，其中入口和出口直径相等。对于圆柱形元件，较大的直径可以增加信号捕获的量，但也可以增加相邻阱之间的串扰，从而增加背景噪声。较小直径的圆柱形导光元件可以降低背景噪声，但以收集的光学信号为代价。圆柱形结构的主要优点在于易于制造。取决于材料、制造工艺和蚀刻化学的性质，获得直的侧壁角可以显著降低工艺复杂性，并降低否则对于锥形导光元件预期的侧壁角度变化。在一些实施方案中，下部导光元件可以具有椭圆柱体形状、正方柱体形状、或矩形柱体形状。根据需要，具有这些柱体形状中的任何一个的导光元件的壁可以是非锥形的或锥形的，并且入射表面和出射表面可以相应地具有相等或不相等的表面积。如刚刚提到的，具有非圆柱体形状的下部导光元件在其易于制造性方面会具有优势。
包括集光结构的集成分析器件可任选地包括另外的光学元件。例如，如图4A所示，可以将滤波器元件(例如激光抑制滤波器元件480)设置在下部导光元件和检测器层490之间。图4A的示例性集成分析器件401还包括金属层410、蚀刻停止层420以及孔隙层460、461和462，其细节将在后面的部分中提供。
如本领域普通技术人员将理解的，本发明器件的上部导光元件和下部导光元件的芯和包层可以由任何合适的光学材料形成。在一些实施方案中，上部导光元件和下部导光元件可以由不同的材料形成。然而，在这些实施方案中，为了避免在界面处的反射，对不同的芯材料进行阻抗匹配可以是有利的。在优选实施方案中，上部导光元件和下部导光元件的芯由相同的材料制备。
在一些实施方案中，集成分析器件的上部导光元件和下部导光元件可以通过另一光学元件(例如通过滤波器元件)有利地彼此分离。例如，图4B示出了替代性集成分析器件402，其中激光抑制滤波器元件480设置在上部导光元件450和下部导光元件470之间。应当理解，在这些实施方案中的任何一个中，上部导光元件的取向可以有利地与图4A-4D中所示的设计反向。
图4C示出了另一个可选的光学元件，该光学元件可包括在具有缩小的横向维度的集成分析器件的收集路径中，并包括上部导光元件和下部导光元件。具体地，图4C的集成分析器件403包括隔板元件层485，其中隔板元件层作为在围绕下部导光元件的包层和检测器层之间的不透明材料层而示出。在优选实施方案中，隔板元件层内的开口包括激光抑制滤波器，例如激光抑制滤波器480。
具体地，为了限制和准直收集路径中的光，可以用不透明材料、吸收性材料或反射性材料物理阻挡掉优选的光路或对优选的光路施加内衬。可以在相邻单元阱的部分之间蚀刻沟槽，并用金属(例如Al、W)填充、或用吸收材料(例如TiN)对沟槽施加内衬。隔板材料可以被限制在单元阱之间的串扰最高的位置，例如在具有高衍射量的单元阱的部分中(例如，光离开上部导光元件或下部导光元件的部分)。可以将隔板元件另外地或替代性地设置在单元阱之间，例如在上部导光元件层中，以限制来自一个单元阱的光进入相邻阱的透镜，在激光抑制滤波器层中，和/或在激光反射滤波器层和检测器层之间，以拦截离开下部导光元件的高角度衍射光。仍然另外地或替代性地，隔板元件可以被放置在发射体和上部导光元件之间的层中。通常，隔板元件被设计为准直从下部导光元件或从单元阱的其他特征衍射的光，并且防止相邻单元阱之间的过度光学串扰，例如通过穿过下部导光元件周围的包层的杂散光。隔板元件还可以阻挡来自激励源的杂散激励(也称为“泵浦”)光。从单个器件的上方观察，隔板元件中的开口可以是圆形、椭圆形、矩形、正方形或任何其他合适的形状。
如本领域普通技术人员所理解的，激光抑制滤波器元件可以显著增大光学堆叠的整体垂直厚度的厚度值，从而显著增大单元阱的整体纵横比值。为了减小该纵横比并改善光学串扰和收集效率，任选地可以通过在光学收集路径内提供吸收滤波器元件来消除激光抑制滤波器堆叠，该吸收滤波器元件被配置为选择性地吸收散射激发照射并防止该背景信号到达感测区域。在图4D的集成分析器件404中示出了包括该特征的示例性器件设计，其中下部导光元件470的芯包括吸收材料。在下部导光元件中使用的吸收材料优选地是介电材料，例如非晶硅或氮化硅，类似于上部导光元件的芯材料的优选材料选择。特别地，选择的材料在荧光团的发射波长范围内具有低吸收并且在激励源的波长范围内具有相对较高的吸收。这种选择确保了信号发射波长可以以很小的衰减通过收集路径，同时抑制了由来自激励源的散射光引起的噪声。在下文中还针对多层和混合激光抑制滤波器设计描述了吸收滤波器层的实例。
由于所需的散射激发光衰减(通常至少为5个数量级)，优选几乎没有或没有散射激发光可以避开吸收材料。这可以通过存在至少一个、理想情况下两个或以上不透明孔隙层来实现，在水平面中，所述不透明孔隙层紧贴在吸收性材料周围。本发明公开的孔隙元件优选由吸收性材料制成。在图4A-4D的器件中示出孔隙元件460、461和462，并且将在下文中更详细地描述。
如上所述，本发明集成器件的上部导光元件可以是衍射光学元件，例如菲涅耳波带板或透镜。已经使用各种技术将这种衍射光学元件及其变体引入到先进的光学器件中，例如，作为照射系统中(参见例如美国专利号6,002,520)、发光器件中(参见例如美国专利号1)、固态成像器件中(例如美国专利号7,499,094)、图像传感器中(参见例如美国专利号8,411,375)和集成红外传感器(参见例如美国专利申请公开号2013/0043552)中的成像光学器件。衍射光学元件，例如菲涅耳透镜，也已被用于集成分析器件的阵列中，用于来自照射体的光发射的空间分离和光束整形的目的，如美国专利申请公开号2016/0061740中所述，其先前通过引用整体并入本文。可以使用类似的方法来实现本发明公开的透镜元件的设计及其到本发明分析器件阵列中的集成。易于使用标准微芯片制造技术制造这种光学元件，例如使用标准沉积、去除和图案化技术。
取决于在形成上述聚光结构中使用的制造工艺，如果导光元件的纵横比大，则可能难以蚀刻高折射率导光元件芯或芯周围的低折射率包层。为了避免这种可能性，可以将两个或以上浅锥体互相叠置在彼此上方，以形成整体更深的下部导光元件，其中在单独的步骤中制造各个单独的浅锥体。可以调整独立锥体的深度、它们的侧壁角以及各个锥体的入口和出口直径，以实现下部导光元件的最佳性能。此外，给定的下部导光元件内的各个锥体可以具有其自己的特定尺寸，给定的下部导光元件中的不同锥体无需相同。在图4E(具有两个堆叠的锥体)和4F(具有三个堆叠的锥体)中示出了具有包括堆叠的锥体的下部导光元件的示例性器件。在具有堆叠锥体的器件中，在一些情况下，在堆叠锥体之间包括另外的吸收材料“毯状”层，例如富碳非晶硅材料(CRAS)层等将是有利的。
或者，本发明分析器件的下部导光元件替代性地也可以具有混合配置，其包括一个或以上锥体与一个或以上圆柱体的组合。这种混合结构可以有助于克服制造中任何可能的困难，同时满足性能指标。在图4G中示出了具有包括混合结构的下部导光元件的示例性器件，该混合结构包括堆叠在锥形元件上的圆柱形元件。
如前所述，在光学堆叠中包括抑制滤波器可占单元阱堆叠总垂直厚度的很大一部分。减少总堆叠厚度可以有助于保持光准直并减少相邻阱之间的光学串扰。同样如上所述，在下部导光元件的芯中使用高吸收性材料可能是有利的，但这种材料通常需要至少2μm至3μm的厚度，以便提供散射的吸收以降低背景噪声。在一些实施方案中，因此本发明的聚光结构可以包括沉积在上部导光元件和下部导光元件之间的损耗材料的“毯状层”。其他配置可以包括在下部导光元件自身内的毯状层，例如在锥体的腰部中，或者在下部导光元件的出口处。如上所述，用于制造毯状层的损耗材料可以例如包括富碳非晶硅材料。
仍在本发明聚光结构的其他实施方案中，在下部导光元件下方包括另外的衍射光学元件可能是有利的，特别是在聚光结构的底部和检测器层之间的间距增加的情况下。例如，在一些情况下，作为制造工艺的一部分，用于制造本发明的小单元阱光学器件的阵列的传感器可能需要被平坦化。这种平坦化层，例如平坦化氧化物层，可以厚至2μm，并且可以具有大至500nm的变化。如果离开下部导光元件的光学信号没有被充分准直，则平坦化层的厚度和平坦化层中的变化会因此导致阱之间的串扰增加。在下部导光元件下方加入第二衍射光学元件可以在光离开聚光结构时进一步准直光，并因此在光到达传感器之前通过氧化物层传播时减小其发散。在聚光结构底部的第二衍射光学元件可以具有与上部导光元件相同的维度，或者可以针对不同维度的性能对其进行优化。
因此，在一些实施方案中，聚光结构可以包括作为上部导光元件的第一衍射光学元件、下部导光元件和下部导光元件下方的第二衍射元件，其中优选地由折射率匹配材料制成这三个组件。如刚刚提到的，在聚光结构的底部包括第二衍射元件可以在光学信号通过光学堆叠时至少部分地准直光学信号。在图5A-5C中示出了包括第二衍射光学元件的示例性光学器件。在图5A的示例性器件中，下部导光元件包括毯状高折射率层。在图5B的示例性器件中，下部导光元件具有圆柱体形状，并且激光抑制滤波器元件位于上部导光元件(衍射光学元件)和下部导光元件之间。在图5C的示例性器件中，下部导光元件具有截锥体形状，并且激光抑制滤波器元件位于上部导光元件(衍射光学元件)和下部导光元件之间。
任何上述特征均可以在本发明公开的本发明小尺度单元阱器件中的聚光结构的设计和制造中进行组合。例如，这样的器件可以包括一个或以上锥体和/或一个或以上圆柱体。根据需要，它们可以包括三个或以上堆叠的锥体或若干层毯状高折射率材料。该配置也可以与吸收材料相结合，其中聚光结构的锥体和/或圆柱体由选择性吸收材料而不是毯状层制成。
具有第二衍射光学元件的配置也可以扩展为包括多元件中继(relay)配置，其中使用多个衍射光学元件来调整器件内的光学路径。此外，器件内的各个衍射光学元件可以具有变化的尺寸，并且被配置为面向上或面向下的取向，例如，如图5D的聚光结构中所示。
图6A-6E示出了另外的示例性小尺度光学器件及其设计特征的示例性维度。在各种情况下，各个示例性单元阱的横向维度为1.8μm，并且各个示例性单元阱包括0.19μm垂直厚度的波导激励源、包括每阶梯具有0.12μm垂直厚度的阶梯状衍射光学元件的上部导光元件，以及波导源和上部导光元件之间的0.56μm的垂直厚度。图6A的器件包括单个截锥体作为下部导光元件，其中截锥体的入口直径为1.4μm，出口直径为1.0μm，垂直维度为1.5μm至3μm。该器件还包括在下部导光元件下方垂直厚度为1.5μm的激光抑制层，以及在下部集光元件和传感器层之间垂直厚度为1.0μm的平坦化氧化物层。
图6B和6C的器件是图6A的器件的变体，其中一个截锥体(图6C)或两个堆叠的截锥体(见图6B)作为下部导光元件。各个锥体的垂直维度为0.75μm至1.25μm。图6B和6C的器件还包括在上部导光元件和下部导光元件之间的垂直厚度为1.5μm的激光抑制滤波器层。
图6D和6E的器件是图6C和6E的器件的变体，其中省略了激光抑制滤波器层，但锥体由选择性吸收散射激发照射的材料制成，从而防止该背景信号到达感测区域。
因此，本发明集成分析器件的阵列中的各个器件可具有的最大垂直维度不超过约25μm、约20μm、约15μm、约10μm、约8μm、约6μm、约5μm、约4μm、约3μm、或甚至更小。此外，各个器件可以包括最大垂直维度不超过约6μm、约5μm、约4μm、约3μm、约2μm、约1μm、或甚至更小的下部导光元件。各个器件的下部导光元件可以是一个或以上截锥体和/或一个或以上圆柱体。因此，在一些实施方案中，各个锥体或圆柱体层的垂直维度不大于约6μm、约5μm、约4μm、约3μm、约2μm、约1μm、或甚至更小。
图7A-7E示出了本发明的小单元阱器件的示例性下部导光元件的另外的优选设计特征。这些结构反射下部导光元件，该下部导光元件具有0.75μm垂直厚度的单个截锥体结构(图7A、7B、7D和7E)或具有堆叠在截锥体上的圆柱体和1.25μm至2.25μm垂直厚度的混合结构(图7C)。在这些结构中，截锥体的侧壁角范围从75°(图7C)到81°(图7A和7B)到84°(图7D和7E)，入口直径范围从1.26μm(图7E)到1.34μm(图7B)到1.4μm(图7A、7C和7D)，出口直径范围从1.1μm(图7B、图7C和图7E)到1.16μm(图7A)到1.24μm(图7D)。在一些实施方案中，下部导光元件不包括截锥体，而是简单地为圆柱形、正方形、矩形或其他适当形状的芯材料的柱体。
在一些实施方案中，本发明器件的下部导光元件的截锥体的侧壁角因此可以为约60°至约90°、约70°至约90°、约72°至约85°、或甚至约75°至83°。在一些实施方案中，本发明器件的下部导光元件的截锥体的侧壁角可以是约75°、约81°或约84°。
下面详细描述了制造本发明的集成分析器件的阵列的一般方法。在图8A-8E中示出了用于制造示例性阵列的下部导光元件层的更具体的示例性工艺流程。具体地，图8A示出了沉积500nm的氧化物层、100nm的TiN、750nm的氧化物和100nm的TiN的膜的结果。TiN层提供了单元阱的孔隙层，这将在下面描述。图8B示出了TiNAP2层的图案化，使用该层作为硬掩模来蚀刻下方的氧化物锥形腔，并在TiN上停止。随后的开口步骤移除TiN层以图案化TiNAP1层。如图8C所示，将锥体的芯材料(例如，富含碳的非晶硅(CRAS)材料)沉积到腔中，并根据需要在TiNAP2层上方过度填充。图8D示出了蚀刻CRAS以形成圆柱形柱体的结果。图8E示出了用CRAS柱体之间的氧化物层填充的结果。然后可以抛光氧化物表面，并且可以通过在下部导光层上方沉积必要的层来继续制造。
在替代性的制造方法中，可以将芯材料层层叠到已经被图案化以打开适当形状的孔隙阵列的孔隙层(如TiNAP层)上。然后，可以对芯材料的高(如2μm至3μm)圆柱形、椭圆形、正方形、矩形或其他适当形状的柱体进行图案化和蚀刻，以形成下部导光元件的阵列。在这些结构中，可以理解，下部导光元件的侧壁角可以是约90°或者可以小于90°。
仍在其他可供选择的制造方法中，TiNAP1和TiNAP2层独立于下部导光元件层进行图案化和蚀刻，并且不一定用作所述层的硬掩模和/或蚀刻停止层。
孔隙层
如上所述，本发明公开的集成分析器件可任选地包括一个或以上的孔隙层。在纳米级分析器件的其他层之间或之内制造孔隙层，例如在ZMW/纳米阱层和上部导光元件层之间、在上部导光元件层和下部导光元件之间、在下部导光元件层和激光抑制滤波器层之间，和/或在激光抑制滤波器层和检测器层之间。孔隙提供开口以允许从ZMW/纳米阱发射的光最大限度地传输到给定单元阱内的检测器元件的感测区域，同时最小化来自激励源(例如波导)、来自器件内的自发荧光或来自相邻单元阱之间的串扰的光的背景传输。孔隙层通常由不希望光传输的光阻挡材料和期望光传输的透明材料构成。用于孔隙层中的合适的光阻挡材料包括，例如氮化钛、诸如铬的金属或任何其他合适的光阻挡材料。光阻挡材料优选为氮化钛。用于孔隙层的合适的透明材料包括例如SiO2、Si3N4、Al2O3、TiO2、GaP等。在优选实施方案中，孔隙层的厚度约为100nm。
激光抑制滤波器元件
如上所述，本发明公开的集成分析器件可以另外包括设计用于传输某些波长的光并同时显著减少或阻挡其他波长的光的特征。特别地，期望将与信号相关的光尽可能多的传输到检测器，并阻挡所有或至少大部分与噪声相关的光。
因此，本发明公开的阵列集成分析器件可另外且可选地在激光抑制滤波器层内包括一个或以上激光抑制滤波器元件。激光抑制滤波器层设置在集成器件的激励源和检测器层之间，通常设置在下部导光元件和检测器层(如图4A所示)之间，但任选地设置在上部导光元件与下部导光元件之间(如图4B所示)。这种激光抑制滤波器元件(也称为泵浦抑制滤波器或散射滤波器)在完全集成的分析器件(例如本发明公开的器件)的情况下是特别重要的，因为这些器件的集成性质可以对所有层的总厚度施加约束，并且还会使得必须确保抑制的角带宽增大。对于非集成检测器器件，负责抑制非信号光的沉积层可以有几十微米厚(对于若干参与的滤波器求和)，但通常只需要抑制小于10度的角度范围上的光(包括视场(“FOV”)和滤波器倾斜)。然而，对于如本文举例说明的器件的集成器件，用于泵浦抑制的层可能需要薄到5微米或甚至更小。
集成器件的另一个考虑因素是确保被抑制的非信号光被有效地终止(即，它被有效地从光学系统中去除，例如通过吸收将其转化为热)。对于非集成器件，这种终止通常不是关键的，而对于集成器件，反射光可以通过几次(原则上是一次)反射到达另一个检测器位置，此外不存在用于被抑制的光从器件逃逸的局部出射端口。出于这些原因，重要的是要确保将散射光有效地转换为热，理想情况下是一次反射。在本公开的后续部分中描述了适用于本发明集成器件的两种类型的激光抑制滤波器元件的详细特性。
适用于本发明器件的激光抑制滤波器元件的材料包括，例如，非晶硅/氧化硅干涉堆叠、类聚合物抗蚀剂、掺杂PECVD氧化物、具有吸收染料的有机硅等。在优选实施方案中，激光抑制滤波器元件是薄膜干涉滤波器。在更优选的实施方案中，由非晶硅和氧化硅的层制备激光抑制滤波器元件。
类似的激光抑制滤波器设计已在美国专利申请公开号2016/0061740中进行了描述，该申请先前通过引用整体并入本文。
多层和混合激光抑制滤波器元件
理想的激光抑制滤波器提供对样本激发波长处的光能的深度抑制(例如，对于典型的激光照射源，在532nm处OD>＝6)，在样本发射波长处显示高透射的宽窗口，并进一步显示目的波长之间的小斯托克斯位移。此外，期望激光抑制滤波器显示具有角度和偏振的最小色散、最小厚度和受控的终止。此外，滤波器堆叠优选地是廉价的，并且在适合于制造集成器件的其他组件的条件(例如，温度)下易于制造。
在介电薄膜激光抑制滤波器的情况下，在设计这种堆叠时，在非信号光的宽入射角范围上获得足够的滤波器性能有时会是具有挑战性的。例如，给定特定的波长范围，边缘滤波器可以提供高的反射效率，但仅在特定的入射角范围内(通常从法线入射直到某个值)。在本文所述的一些集成器件设计中，为了防止激励源的散射光子到达检测器，可能需要抑制宽角度光谱，尤其是为了阻挡具有比典型薄膜堆叠所能充分支持的入射角更高的入射角的光子。
本发明的公开内容通过在一个方面提供包括低折射率全内反射(TIR)层的多层激光抑制滤波器以减少高角度散射光的透射，从而解决了这个问题。具体地，为了最小化背景信号，将低折射率层包括在激励源和检测器层之间的器件堆叠中。相比具有更高入射角的射线(例如，图中的外部射线)，传统的介电材料长通滤波器更有效地反射具有更低入射角的射线(例如，附图中的中间射线)。当将这种滤波器设计引入到集成器件中时，来自波导的高角度散射光具有相对更高的机会被传输通过滤波器堆叠并到达传感器。然而，在本发明公开的设计方案中，可以将低折射率TIR层加入至集成激励波导和低角度抑制滤波器(例如介电滤波器堆叠)之间。高角度散射光在遇到低折射率TIR层时经历全内反射，并且在多次反弹之后从侧面离开集成器件。同时，较低角度散射光透射通过低折射率TIR层，但被介电滤波器堆叠抑制。TIR层和滤波器堆叠的组合效应因此产生阻挡具有宽角光谱的散射光的阻挡滤波器。
本发明主题的多层滤波器堆叠的低折射率TIR层的一种候选材料是空气，其具有几乎为零的色散和低折射率，但其他低折射率材料也适用，包括具有低折射率和其他合适性质的其他气体、液体和固体。低折射率TIR层的材料的具体选择将取决于相邻层的折射率和其他物理性质，如本领域普通技术人员将理解的。
为了有助于收集散射光并减少多次散射的机会，可选地，可以在器件中加入吸收层或补块(patch)。基于它们的吸收波长、它们消散光能的能力以及它们在集成器件的制造中的适用性来选择用于这种吸收层的材料。
取决于一个或以上低折射率层的位置、厚度、材料选择和层数，上述广角谱多层边缘滤波器的各种配置是可能的。如上所述，低折射率层可以放置在激励波导包层的正下方，从而产生最短的谐振腔长度，并因此限制了二次散射的机会。然而，可以或者将低折射率层放置在薄膜堆叠内，或者放置在薄膜堆叠和检测层之间。这些配置增加了谐振腔长度，因此可以增加二次散射的机会，但这些配置可以有利地有利于器件的制造。
在任何情况下，将另外的TIR设计约束纳入激光抑制滤波器设计会为低折射率层产生增值。例如，通过将一个或以上低折射率层作为集成组件引入激光抑制滤波器设计中，如因为滤波器不再局限于薄膜堆叠而是可以包括从激励波导到检测层的层，所以可以完全优化集成器件性能。
本发明的公开在另一个方面进一步提供了激光抑制滤波器元件，包括介电材料堆叠和吸收层的组合。这种混合滤波器利用了干涉涂层和吸收层对入射角的互补依赖性。具体地，如上所述，用于抑制的干涉涂层通常对以法向入射为中心的锥体表现最佳，其中色散作为干涉薄膜中角度的余弦影响性能，而吸收抑制层的性能往往随着入射角的增加而增加，其中色散作为吸收层中角度的余弦影响性能。由于这种互补性质，可以在宽角度范围内以最小厚度抑制目标最小值的情况下获得混合涂层。对于更高折射率的薄膜和更低折射率的吸收层，该厚度减小。注意，在混合抑制滤波器中可以有效地使用对非信号光具有吸收(但对信号光具有最小吸收)的薄膜。
作为适用于与介电滤波器堆叠组合使用的吸收染料的一个例子，Aptina red1具有在600nm以上具有高透射的吸收光谱。参见Pang等人(2011)Lab Chip 11:3698，图2。尽管该出版物中使用的厚度相对较大(8μm)，但根据器件的激光激发波长，可以使用较薄的层。例如，5μm层在532nm处提供的OD>6，4.7μm层在540nm处提供的OD>6，并且2.8μm层在562nm处提供的OD>6。本领域普通技术人员容易确认适用于本发明混合滤波器堆叠的其他吸收染料和颜料。
特别地，吸收染料层(例如Aptina red1染料层)的激光抑制有利地显示出无偏振色散、弱角度色散和非信号光的受控终止。此外，成角度的不均匀散射可以允许吸收染料层的进一步变薄。如果半球的某些部分具有要被抑制的较低强度的非信号光，或者如果强度在某些角度具有已知的偏振依赖性，则该信息可用于进一步减小混合抑制滤波器厚度(对于给定的抑制目标)。吸收抑制滤波器的缺点，例如Aptina red1染料的层，包括适度大的消光系数、相对大的厚度(5μm)，以及需要使用具有相当大的斯托克斯位移(532nm至～620nm)的样本染料。然而，通过在本发明的混合抑制滤波器中吸收层与介电材料堆叠的组合，这些缺点可以在很大程度上被抵消。
对于混合抑制滤波器的介电材料堆叠组件，通过使用非常高折射率的材料作为滤波器的干涉部分，可以获得特别有利的抑制滤波器(尤其是那些对角度依赖性低的滤波器)。尽管可以使用如下所述且本领域普通技术人员将理解的其他合适的材料，可用于为此目的的具有532nm泵浦的示例性材料是：作为高折射率材料的GaP(磷化镓)，以及作为低折射率材料的TiO2。值得注意的是，TiO2通常用作常用生产涂层的高折射率材料。然而，该材料也显示出在0度至45度之间的显著的角色散(具有蓝移)，以及在p偏振光学信号(靠近570nm的上部迹线)和s-偏振光学信号(靠近570nm的中部迹线)之间的显著偏振色散(分光)。
通过选择用于构建堆叠的材料、各个层的厚度和层数，可以根据需要调制混合抑制滤波器的介电材料堆叠组件的光学特性。用于制造干涉滤波器的介电材料通常是具有特定折射率的非导电材料，通常是金属盐和金属氧化物。示例性材料包括SiO2、SiO、Si2O3、Al2O3、BeO、MgO、CeF3、LiF、NaF、MgF2、CaF2、TiO2、Ta2O5、ZrO2、HfO2、Sb2O3、Y2O3、CeO2、PbCl2和ZnS。由于GaP具有极高的折射率，因此也可使用GaP。优选设计具有整体结构(H/2L H/2)N的介电材料堆叠，其中H层是具有相对高折射率的第一材料，而L层是具有相对低折射率的第二材料。如本领域所理解的，根据所需的光学特性选择堆叠内各个层的物理厚度。值“N”是括号内结构的重复单元数，是一个整数。随着总厚度的增加(如随着N的增加)，不透射带中的透射趋于零(对于给定的入射角)。
应该理解，为了获得混合激光抑制滤波器元件的最佳性能，可以改变涂层的顺序。例如，这些层的顺序可以为：首先是吸收涂层，其次是干涉涂层，或者反之亦然。吸收材料可以承载在诸如PMMA的主体材料中，并且可以被成形或图案化以适应有限的体积或允许更简单的集成。
本领域普通技术人员可以理解，可以在不同的工艺步骤中形成涂层，并连接成组件。
在一些实施方案中，激光抑制滤波器元件是多层或混合抑制滤波器元件。
在具体实施方案中，激光抑制滤波器元件是多层滤波器元件，包括介电干涉滤波器层和低折射率全内反射层。在更具体的实施方案中，各个器件还包括吸收层。
在其他具体实施方案中，激光抑制滤波器元件是包括吸收层和介电材料堆叠层的混合抑制滤波器元件。
在一些实施方案中，激光抑制滤波器元件在532nm处显示低的光传输，在620nm以上显示高的光传输。
已在美国专利申请公开号2016/0061740中描述了类似的多层和混合激光抑制滤波器，该申请先前通过引用整体并入本文。
用于固定化分析物的纳米坑
如上所述，在DNA测序分析的情形下，可以将包括聚合酶、模板核酸和引物序列的核酸合成复合物固定在光学受限区域或非常小的照射体内，并实时监测，以便在单个核苷酸被引入到扩展引物序列中时识别它们。参见图1A。然而，为了获得有意义的序列信息，优选的是，在照射体内(如在设置在集成分析器件的表面中或表面上的单个纳米阱或孔隙内)存在不多于一个核酸序列复合物(即，一个目的分析物或分子)。
例如，如美国专利申请公开号2011/0257040A1所述，为了减少纳米阱中多个分子加载事件的发生率，本领域中通常使用的是基本上不满载目的分析物或分子的阵列。当加载至少于所有纳米阱的37％时，分子到阵列中的随机分布导致一个或更少的分子被加载到大多数纳米阱中。这种类型的加载被称为“泊松限制”分析物加载，这意味着几乎没有足够的分子被加入到阵列中，使得在大多数情况下分析物在阵列中的泊松式随机统计分布导致每个纳米阱中有一个或更少的分析物。在ZMW的情况下，对于ZMW直径的范围(例如，70nm至100nm)，已经获得了约30％的单分子占有率的现有技术产率。对于这种加载程度，典型的ZMW阵列中约60％的ZMW没有进行加载(例如，没有分析物分子)。在大多数情况下，虽然这种随机分布方法在确保将不多于单一模板或酶(或其他分析物)分子加载在阵列(例如ZMW阵列)的各个观察体/反应体中是有效的，但是希望开发用于增加这种阵列的模板和酶加载密度的方法和组合物。更高的加载密度将允许同时分析阵列中更多的分析物分子，增加这种系统的吞吐量，同时降低分析成本。
为了最大限度地提高单个分析物纳米阱的加载密度，希望通过在纳米阱底部设计稍微不同的表面，从而在各个纳米阱内创建功能小岛。优选这种戏称为“纳米坑”的功能小岛的大小从酶直径(～5nm)到酶+复合物熵排除空间(～20～30nm)不等。酶+复合物熵排除空间对应于酶和DNA复合物周围的空间，在该空间中，仅仅由于静电排斥和布朗运动的结合，在统计上不太可能发现另一种聚合酶。这一概念在图9中示出。纳米坑的岛部分优选具有二氧化硅表面并且被氧化铝包围，但是在本公开的范围内应当考虑反应性材料和非反应性材料的其他合适的组合。在美国专利申请公开号2011/0257040A1中已经描述了具有功能岛的纳米级孔隙。
在一些实施方案中，可以通过在本发明集成分析器件的阵列的纳米阱中直接印制而形成纳米坑。具体而言，在器件阵列的制造过程中，可以简单地将纳米坑直接写入器件阵列的表面。可用于打印这种小尺度特征的技术包括，例如电子束光刻、纳米压印光刻和光刻。优选通过光刻来印制纳米坑特征，更具体地为深UV光刻或浸没式光刻。纳米坑的直接印制可能需要尺寸在40nm至10nm范围内的特征。
图10示出了沿着工艺中心线通过直接印制在纳米阱底部制备纳米坑的基本工艺流程。可以在蚀刻停止工艺期间将坑图案化，例如在激励波导部分完成之后不久(其中波导在图10的图示中显示为在纳米坑正下方的矩形)。示例性工艺流程参见美国专利申请公开号2016/0061740。在图案化之后，可以掩埋纳米坑以用于制造流程的ZMW部分。如图10的中心路径所示，然后可以使用ZMW流程的最后步骤，即“内衬工艺”来重新暴露纳米坑。图10还示出了如果难以用简单的直接流程来维持纳米坑结构，则可以通过增加蚀刻停止层的厚度(图10的右侧流程)或通过在纳米坑的顶部加入保护(图10中的左侧流程)来扩展工艺的稳健性。用于这种保护的材料可以是，例如可以通过气相蚀刻以高选择性去除的非晶硅，或者金属，例如氮化钛和过氧化氢。
集成分析器件的阵列
为了获得基因测序广泛应用所需的大量序列信息，例如在研究和诊断中，需要高通量系统。如上所述，例如为了提高系统的测序通量，通常监测多个复合物，其中各个复合物对单独的模板序列进行测序。在基因组测序或其他大DNA组分测序的情况下，这些模板通常将包括基因组DNA的重叠片段。通过对各个片段进行测序，然后可以从片段的重叠序列数据中组装连续序列。
如上所述，如图1A和1B所示，这种测序系统的模板/DNA聚合酶-引物复合物通常固定在光学受限区域内，如零模波导(ZMW)或纳米阱，或靠近透明衬底、光波导等的表面。优选地，这样的反应阱在衬底上大量排列，以达到基因组或其他大规模DNA测序方法所需的规模。这样的阵列优选地包括完整的集成分析器件，例如图2的框图中所示的器件以及图4A-4G、5A-5D和6A-6E中所示单元阱中的器件。在美国专利申请公开号2012/0014837；2012/0019828；和2012/0021525中也提供了包括光学分析器件阵列的集成系统的实例。
可以以超高密度制造集成分析器件的阵列(例如包括ZMW/纳米阱的器件阵列)，随时随地提供从1000ZMW/cm2至1,000,000ZMW/cm2或更多。因此，在任何给定时间，均可以在单个分析系统内或甚至在单个衬底上分析在100、1000、3000、5000、10,000、20,000、50,000、100,000、100万、1000万、2500万、5000万、1亿、或甚至更多个纳米级发射体或其他反应区域中发生的反应。
已经描述了使用上述系统在阵列中数千或数万个ZMW/纳米阱的同时靶向照射。然而，随着对多路复用的期望增加，阵列上的ZMW的密度以及提供这种阵列的靶向照射能力的难度增加，因为ZMW串扰(来自相邻ZMW的信号在它们离开阵列时相互污染)、由更高水平的更密集照射引起的信噪比降低等问题增加。本发明的阵列和方法解决了其中的一些问题。
生产集成分析器件的阵列的方法
在另一个方面，本公开提供了生产集成分析器件的阵列的方法。如上所述，这样的阵列例如可用于大规模的核酸测序，具体包括基因组测序。可以通过多种方法生产这样的阵列。生产本发明阵列的一种优选方法涉及使用微制造方法，例如半导体或MEMS处理方法，这些方法已被高度开发用于生产集成电路。类似的工艺已被用于创建用于各种应用的MEMS(微机电系统)，包括喷墨打印机、加速度计、压力换能器和显示器(例如数字微镜显示器(DMD))。微制造方法可以应用于大型衬底，如晶圆，随后可以将其切成许多器件，从而允许一次生产许多器件。
例如，本发明的方法可以应用抗蚀剂工艺，如光刻胶，以在衬底或其他层上限定结构元件。蚀刻工艺可用于产生三维结构，包括集成分析器件中的组件结构。沉积工艺可以用于将层加至器件上。其他半导体工艺，如灰化、抛光、脱模、剥离和湿法清洁，也可以用于产生本发明的结构，如下文更详细描述的。
例如，光刻技术可用于限定聚合物材料(如光刻胶)制成的掩模层，例如使用常规光刻、电子束光刻等。或者，光刻技术可以与层沉积方法联用应用来沉积金属掩模层，例如，使用铝、金、铂、铬或其他常规使用的金属，或其他无机掩模层(例如，基于二氧化硅的衬底，例如硅、SiO2等)。或者，可以采用负显影工艺来限定对应于例如纳米阱的抗蚀剂柱体。例如参见美国专利号7,170,50，该专利针对所有目的通过引用整体并入本文。然后可以在抗蚀剂柱体上沉积掩模层，并且随后去除柱体。在特别优选的方面中，下面的衬底和掩模层均由相同的材料制成，在特别优选方面中，该材料是透明衬底材料，例如基于SiO2的衬底，例如玻璃、石英或熔融二氧化硅。通过提供相同材料的掩模和下层，可以确保这两层与它们所暴露的环境具有相同的相互作用，从而最大限度地减少任何混合表面相互作用。
在基于SiO2的衬底和掩模层的情况下，可以采用传统的制造工艺。例如，带有表面暴露特征的玻璃衬底，例如波导，可以在其表面上沉积一层抗蚀剂。然后通过抗蚀剂层的适当曝光和显影来限定掩模层的负像，以提供抗蚀剂岛，其中人们希望保留对下面特征的访问。然后在表面上沉积掩模层，并且例如通过剥离工艺去除剩余的抗蚀剂岛，以向下面的特征提供开口。在金属层的情况下，沉积可以通过多种方式实现，包括蒸发、溅射等。例如在美国专利号7,170,50中描述了这样的方法。在二氧化硅基掩模层的情况下，可以采用化学气相沉积(CVD)工艺将硅层沉积到表面上。在剥离抗蚀剂层之后，热氧化工艺可以将掩模层转化为SiO2。或者，可以使用蚀刻方法来使用传统工艺蚀刻到下层的接入点。例如，可以在下面的衬底上沉积硅层。然后在硅层的表面上沉积抗蚀剂层，并进行曝光和显影以限定掩模的图案。然后使用适当的差分蚀刻从硅层蚀刻接入点，以去除硅但不去除下面的SiO2衬底。一旦限定了掩模层，使用例如热氧化工艺将硅层再次转化为SiO2。
在各个上述示例性微制造技术中，该工艺从清洁的衬底层开始。在本发明方法中使用的衬底层可以是任何合适的刚性材料。衬底层材料可以包括例如无机氧化物材料，例如二氧化硅。优选的衬底层材料包括检测器层，例如CMOS晶圆，即由CMOS传感器或CCD阵列组成的晶圆。例如，参见：CMOS Imagers From Phototransduction to Image Processing(2004)Yadid-Pecht and Etienne-Cummings,eds.；Springer；CMOS/CCD Sensors andCamera Systems(2007)Holst and Lomheim；SPIE Press。
如上所述，本发明的方法在一些情况下使用抗蚀剂来限定和生产光刻结构。这些抗蚀剂可以是(例如)光刻胶或电子束抗蚀剂。光刻胶可以使用UV、深UV、G线、H线、I线或其他合适的波长或一组波长来显影。所使用的抗蚀剂的类型，以及从而用于处理的仪器的类型，将取决于所创建的特征的维度。在本文所述的许多工艺中，较高分辨率的抗蚀剂和设备将用于生产对应于反应体的纳米阱，其中纳米阱的尺寸可以在10nm至500nm的数量级上，并且较低分辨率的抗阻剂和相关仪器用于创建集成分析器件的其余部分，其可以具有在1微米至20微米的维度上的特征。许多抗蚀剂在本领域中是已知的，并且许多可从诸如Rohm和Haas以及Shipley的公司商购获得。在本发明的工艺中使用的抗蚀剂可以是负性或正性光刻胶。在本文描述使用负性光刻胶的工艺的情况下，应当理解，在可行的情况下也可以使用合适的正性光刻胶，反之亦然。在适当的情况下，还可以采用化学增幅以提高抗蚀剂的灵敏度。可以适当地进行抗蚀剂的去除、衬底的清洁、漂洗、灰化和干燥，如本领域所教导和已知的那样。
在一些情况下，用于光刻纳米阱的工具使用光刻曝光工具，该光刻曝光工具能够创建具有约10nm至约100nm的特征尺寸的结构。例如，这样的系统包括AMSL XT1250曝光工具。
在本发明的一些方面中使用蚀刻工艺，以在衬底或其他层中产生三维特征，例如，形成光学元件或透镜、或反应体如纳米阱。所使用的蚀刻工艺将取决于所使用的材料类型、特征的维度和抗蚀剂体系。在一些情况下，采用湿法蚀刻或湿法化学蚀刻。也可以采用电化学蚀刻。在一些实施方案中，使用等离子体蚀刻或反应离子蚀刻(RIE)作为蚀刻工艺。例如，在需要具有高纵横比的结构的情况下，也可以采用深反应离子蚀刻(DRIE)。也可以使用干气相蚀刻，例如使用二氟化氙。可以适当地使用体微机械加工或表面微机械加工来创建本公开的器件结构。在本公开的方法中使用的蚀刻可以是灰度级蚀刻。控制抗蚀剂形成和蚀刻的条件以产生具有期望几何形状的侧壁，例如具有期望的侧壁角度。
本发明的一些工艺涉及反射层或包层的沉积。这些反射层的沉积可以通过湿法工艺(包括从溶液中旋涂在层上)或通过气相工艺来完成。合适的工艺包括电镀、溅射沉积、物理气相沉积、蒸发、分子束外延、原子层沉积和化学气相沉积。金属可以用作反射层和包层。合适的金属包括金、镍、铝、铬、钛、铂和银。反射层和/或包层可以包括铝，其可以通过溅射沉积，例如使用可从CVC、Novellus或MRC商购获得的溅射工具。
在本发明工艺过程中沉积层时，在一些情况下，在移至工艺的下一步骤之前对层进行处理。例如，可以对沉积层进行退火、平坦化、清洁、钝化或轻微蚀刻，以提高其性能。
在本发明的一些方法中，沉积保护层或牺牲层。保护层可以是聚合物层，或者可以是无机层。合适的保护层或牺牲层包括锗(Ge)和非晶硅(a-Si)。保护层可以用于产生如本文所述的特征。可以根据其选择性反应性(例如对湿化学蚀刻剂)来选择保护层或牺牲层的材料类型。例如，在一些情况下，在二氧化硅和铝存在的情况下，用加热的过氧化氢选择性蚀刻锗的能力使得其可用于生产与纳米阱结合的光学结构。
在一些工艺中，可以采用回缩(pull-back)工艺。回缩工艺通常包括从层内的特征的边缘进行蚀刻，以缩小特征的维度。可以使用湿化学试剂进行回缩，该试剂选择性地与具有暴露边缘的层反应。在一些情况下，使用过氧化氢对锗层进行回缩。
一些方法采用抛光步骤从表面去除表面区域。合适的方法包括化学机械抛光或化学机械平坦化(CMP)。
本发明的一些方法包括平坦化层。沉积平坦化层的方法取决于所使用的材料类型。平坦化层可以是硬材料，例如无机材料，例如氮化硅；其可以是诸如铝的金属材料；或者它可以是软材料，例如聚合物材料，例如有机或硅基聚合物。平坦化层可以是玻璃，例如二氧化硅材料。在一些情况下，平坦化层包括旋涂玻璃，例如硅酸盐、磷硅酸盐或硅氧烷材料。合适的旋涂玻璃材料可从例如Honeywell Corporation获得。平坦化层可以包括例如掺杂有其他试剂以控制其熔融特性的玻璃，例如硼磷硅酸盐玻璃(BPSG)。合适的聚合物平坦化材料包括例如聚酰亚胺。
在完成本发明公开的阵列后，例如通过在下文实施例的工艺流程之后，可以进一步处理阵列，例如通过将阵列分离成单独的芯片并准备好用其进行测序。进一步的处理步骤将取决于情况，但通常可以包括以下处理：表面处理(一系列湿法处理/气相处理，以将吸引DNA聚合酶的特定表面下放至纳米阱底部)；堆叠(保护经表面处理的器件晶圆的顶表面的工艺，并在一些情况下创建用于测序混合物的阱)；减薄(可以将经复合顶部电镀处理和表面处理的器件晶圆减薄的工艺，包括磨削研磨、抛光或其他处理)；划片(使用标准半导体划片切割将复合晶圆分割成单个芯片的工艺)；以及封装(包括标准拾取和放置工具以将芯片安装到衬底上并创建用于数据收集的电/光输出的工艺)。这些进一步的工艺步骤或者在本领域中是已知的，或者在参考文献中公开，例如美国专利申请公开号2008/0176769和2011/0183409，针对所有目的将其全文通过引用并入本文。
如前所述，可将本发明的阵列引入分析系统，用于分析阵列的纳米阱中发生的多种反应。本文所述的阵列通常具有可从顶部接近流体并且可从底部接近光学分析的纳米阱。因此，通常将所述阵列引入到引入了目的反应混合物的容器中。在一些情况下，单个纳米阱均与一体积的流体接触，该流体可以具有例如可以被分析的多个核酸模板分子，并且其可以包括用于进行待分析的反应的核苷酸、辅因子和其他添加剂。
可以将包括所述阵列的容器放置在具有适当光学组件、计算机控制和数据分析系统的仪器内。包括所述阵列的容器可以保持在仪器内，从而可以控制反应条件，例如容器温度和容器气氛条件。容器气氛条件可以包括样本上方气体的组成，例如湿度和其他气体物质如氧气的水平。
对于相关领域的普通技术人员来说，在不偏离本发明或其任何实施方案的范围的情况下，可以对本文所述的方法和应用进行其他适当的调整和修改，这将是显而易见的。虽然已经提供了具体的例子，但以上描述是说明性的而非限制性的。前述实施方案的任何一个或多个特征可以以任何方式与本发明中的任何其他实施方案的一个或多个特征相组合。此外，在阅读说明书后，本发明的许多变化方式对本领域技术人员来说将变得显而易见。因此，本发明的范围应通过参考所附权利要求及其等同物的全部范围来确定。
本文提及的所有专利、专利出版公开和其他已公开的参考文献均通过引用的方式整体并入本文，如同其各自均通过引用单独且具体地并入本文一样。

Claims (59)

1.一种集成分析器件的阵列，各个器件包括：
纳米级发射体；
激励源，其光学耦合到所述纳米级发射体；
检测器层，其光学耦合到所述纳米级发射体；
上部导光元件，其设置在所述纳米级发射体和所述检测器层之间；和
下部导光元件，其设置在所述上部导光元件和所述检测器层之间；
其中从所述纳米级发射体发射光学信号；和
其中所述上部导光元件和所述下部导光元件将来自所述纳米级发射体的所述光学信号引导到所述检测器层中的感测区域。
2.根据权利要求1所述的阵列，其中所述阵列中的各个器件具有不大于约3.0μm的最大横向维度。
3.根据权利要求1所述的阵列，其中所述阵列中的各个器件具有不大于约25μm的最大垂直维度。
4.根据权利要求1所述的阵列，其中所述纳米级发射体与所述上部导光元件之间的距离不大于约5μm。
5.根据权利要求1所述的阵列，其中所述下部导光元件与所述感测区域之间的距离不大于约5μm。
6.根据权利要求1所述的阵列，其中所述下部导光元件包括截锥体形状、圆柱体形状、椭圆柱体形状、正方柱体形状、矩形柱体形状、或这些形状的组合。
7.根据权利要求6所述的阵列，其中所述下部导光元件包括截锥体形状。
8.根据权利要求7所述的阵列，其中所述下部导光元件包括多个截锥体形状。
9.根据权利要求6所述的阵列，其中所述下部导光元件包括圆柱体形状。
10.根据权利要求6所述的阵列，其中所述下部导光元件包括截锥体形状和圆柱体形状。
11.根据权利要求1所述的阵列，其中所述下部导光元件包括嵌入在低折射率包层材料中的高折射率芯材料。
12.根据权利要求1所述的阵列，其中所述光学信号由所述纳米级发射体内的多个光学发射器产生。
13.根据权利要求12所述的阵列，其中所述多个光学发射器中的各个光学发射器具有不同的发射幅度。
14.根据权利要求1所述的阵列，其中各个器件的检测器层包括单个感测区域。
15.根据权利要求1所述的阵列，其中所述上部导光元件包括衍射光学元件。
16.根据权利要求15所述的阵列，其中所述衍射光学元件是菲涅耳透镜。
17.根据权利要求1所述的阵列，其中所述上部导光元件包括非晶硅。
18.根据权利要求1所述的阵列，还包括激光抑制滤波器。
19.根据权利要求18所述的阵列，其中所述激光抑制滤波器包括薄膜干涉滤波器。
20.根据权利要求18所述的阵列，其中所述激光抑制滤波器被配置为减少来自所述激励源的激励信号的传输。
21.根据权利要求18所述的阵列，其中所述激光抑制滤波器被配置为允许从所述纳米级发射体发射的光学信号的传输。
22.根据权利要求18所述的阵列，其中所述激光抑制滤波器设置在所述下部导光元件和所述检测器层之间。
23.根据权利要求18所述的阵列，其中所述激光抑制滤波器设置在所述上部导光元件和所述下部导光元件之间。
24.根据权利要求18所述的阵列，其中所述激光抑制滤波器包括选择性吸收材料。
25.根据权利要求24所述的阵列，其中所述选择性吸收材料是介电材料。
26.根据权利要求25所述的阵列，其中所述介电材料为非晶硅或氮化硅。
27.根据权利要求18所述的阵列，其中所述激光抑制滤波器和所述下部导光元件包括选择性吸收材料。
28.根据权利要求1所述的阵列，其中各个器件还包括隔板元件。
29.根据权利要求28所述的阵列，其中通过蚀刻各个器件之间的沟槽来制备所述隔板元件。
30.根据权利要求28所述的阵列，其中所述隔板元件包括不透明材料、吸收材料或反射材料。
31.根据权利要求28所述的阵列，其中所述隔板元件包括金属。
32.根据权利要求28所述的阵列，其中将所述隔板元件设置为邻近所述上部导光元件。
33.根据权利要求28所述的阵列，其中将所述隔板元件设置为邻近所述下部导光元件。
34.根据权利要求28所述的阵列，其中各个器件还包括在隔板元件层内的激光抑制滤波器。
35.根据权利要求1所述的阵列，其中各个器件还包括衍射光学元件，所述衍射光学元件设置在所述下部导光元件和所述检测器层之间。
36.根据权利要求35所述的阵列，其中所述衍射光学元件是菲涅耳透镜。
37.根据权利要求1所述的阵列，还包括：
孔隙层，所述孔隙层设置在所述激励源和所述检测器层之间。
38.根据权利要求37所述的阵列，其中所述孔隙层设置在所述激励源和所述上部导光元件之间。
39.根据权利要求37所述的阵列，其中所述孔隙层设置在所述上部导光元件和所述检测器层之间。
40.根据权利要求37所述的阵列，其中所述孔隙层包括氮化钛。
41.根据权利要求37所述的阵列，包括至少两个设置在所述激励源和所述检测器层之间的孔隙层。
42.根据权利要求41所述的阵列，包括至少三个设置在所述激励源和所述检测器层之间的孔隙层。
43.根据权利要求1所述的阵列，其中所述激励源是波导激励源。
44.根据权利要求43所述的阵列，其中使所述纳米级发射体对准在所述波导激励源正上方。
45.根据权利要求43所述的阵列，包括光学耦合到多个纳米级发射体的多个波导激励源。
46.根据权利要求45所述的阵列，其中将所述多个波导激励源定向为彼此平行。
47.根据权利要求46所述的阵列，其中使所述多个纳米级发射体对准在所述多个波导激励源正上方。
48.根据权利要求47所述的阵列，其中将所述多个纳米级发射体布置为规则的网格图案。
49.根据权利要求47所述的阵列，其中将所述多个纳米级发射体布置为偏移的网格图案。
50.根据权利要求1所述的阵列，其中所述检测器层与所述阵列是一体的。
51.根据权利要求1所述的阵列，其中所述检测器层与所述阵列不是一体的。
52.根据权利要求1所述的阵列，其中所述感测区域是矩形的。
53.根据权利要求52所述的阵列，其中所述感测区域是正方形的。
54.根据权利要求1所述的阵列，其中所述检测器层是CMOS传感器的一部分。
55.根据权利要求1至54中任一项所述的阵列，还包括设置在所述纳米级发射体内的分析物。
56.根据权利要求55所述的阵列，其中所述分析物包括生物样本。
57.根据权利要求56所述的阵列，其中所述生物样本包括核酸。
58.根据权利要求57所述的阵列，其中所述生物样本包括聚合酶。
59.根据权利要求1至54中任一项所述的阵列，其中所述阵列包括至少1,000个纳米级发射体。
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