DE102013105100B4 - System und Verfahren eines integrierten Halbleiterbauteils für die Handhabung und Verarbeitung einer biologischen Einheit - Google Patents

System und Verfahren eines integrierten Halbleiterbauteils für die Handhabung und Verarbeitung einer biologischen Einheit Download PDF

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Abstract

Integriertes Halbleiterbauteil für die Handhabung und Verarbeitung von Bio-Einheit-Proben, wobei das Bauteil aufweist:einen mikrofluidischen Kanal (202), wobei der mikrofluidische Kanal (202) mit einem fluidischen Steuerschaltkreis (504) verbunden ist;eine Fotosensoranordnung (506), die mit einem Sensorsteuerschaltkreis (508) verbunden ist; undeinen logischen Schaltkreis (510), der mit dem fluidischen Steuerschaltkreis (504) sowie mit dem Sensorsteuerschaltkreis (508) verbunden ist,wobei der fluidische Steuerschaltkreis (504), der Sensorsteuerschaltkreis (508) sowie der logische Schaltkreis (510) auf einer Vorderseite eines ersten Substrats (502) ausgebildet sind,wobei der fluidische Steuerschaltkreis (504), der Sensorsteuerschaltkreis (508) sowie der logische Schaltkreis (510) in eine Intermetall-Dielektriums-Schicht, IMD, (512) eingebettet sind.

Description

  • HINTERGRUND
  • Die Medizintechnologie-Industrie hat einschließlich der Gerätehersteller sowie der Medikamenten- und Präparatehersteller über die letzten Jahrzehnte sowohl in kommerzieller als auch in technologischer Hinsicht ein deutliches Wachstum erfahren. Seit der Entdeckung der DNA hat sich unser Verständnis für ihre Rolle als Bioinformation bei der Entwicklung, der Funktionsweise sowie dem Zusammenwirken von Pathogenen sowie sämtlichen Lebensformen dank der Entwicklung von DNA-Sequenzierungstechniken über die Jahre deutlich erhöht. Aufgrund von Verbesserungen bei den Technologien für die DNA-Sequenzermittlung haben Wissenschaftler und Ärzte einen größeren Einblick in Krankheiten erlangt sowie effizientere Behandlungsmethoden für Patienten auf Grundlage ihrer genetischen Auslegung entwickelt. Die Verwendung und die Bedeutung der DNA-Sequenzierung hat somit im Gesundheitswesen eine stärkere Bedeutung erlangt.
  • DNA-Sequenzen sind eine Abfolge der Nukleotidbasen Adenin, Guanin, Cytosin sowie Thymin, welche die Ausbildung von Proteinen in biologischen Systemen vorgeben. Durch die Analysierung einer DNA-Sequenz kann wichtige Information sowohl für diagnostische als auch therapeutische Zwecke erlangt werden. Darüber hinaus hat die Identifizierung sowie Quantifizierung anderer biologischer Einheiten (Bio-Einheiten), etwa von Proteinen, kleinen Molekülen sowie Pathogenen, das Potential des medizinischen Kenntnisstands zum Nutzen der Menschheit vorangetrieben.
  • Es befindet sich derzeit eine breite Vielfalt von Technologien für die Handhabung sowie Verarbeitung von Bio-Einheiten in der Verwendung, einschließlich der Verwendung von Verstärkungs- und Kennzeichnungstechnologien innerhalb verschiedener Verfahren, welche die optische Detektion erlauben. Dies kann unter Verwendung von fluoreszierenden Farbstoffen sowie externen optischen Systemen mit Analog-zu-Digital-Umwandlungssystemen erfolgen, welche die umfangreiche Computerverarbeitung ermöglichen, die für die Bewältigung der produzierten, großen Datenmengen benötigt wird. Es bestehen jedoch weiterhin viele technische Hürden, etwa die Steuerung der Flüssigkeitsproben, welche die zu beobachtende Bio-Einheit enthalten. Darüber hinaus sind, obwohl seit dem Abschluss des Human Genome Project der Preis für die DNA-Sequenzierung deutlich gefallen ist, weitere Kostenersparnisse erforderlich, damit die DNA-Sequenzierung ihre vollständige Wirkung entfalten kann. Die existierenden Technologien für die Handhabung sowie Verarbeitung von Bio-Einheiten sind daher noch nicht vollständig befriedigend.
  • Stand der Technik zum Gegenstand der Erfindung ist beispielsweise zu finden in US 2011 / 0 312 828 A1 , US 2010 / 0 200 781 A1 , US 2009 / 0 218 223 A1 , US 2008 / 0 053 205 A1 und US 2010 / 0 181195 A1 .
  • Die Erfindung sieht ein integriertes Halbleiterbauteil gemäß Anspruch 1, ein integriertes Halbleiterbauteil gemäß Anspruch 13 und ein Verfahren gemäß Anspruch 16 vor. Ausgestaltungen sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
  • Figurenliste
  • Aspekte der vorliegenden Offenbarung werden am besten anhand der nachstehenden, genauen Beschreibung verstanden, wenn diese mit den begleitenden Zeichnungen gelesen wird. Es wird betont, dass gemäß der üblichen Praxis in der Industrie verschiedene Elemente der Figuren nicht maßstabsgetreu gezeichnet sind. Tatsächlich können die Abmessungen der verschiedenen Elemente willkürlich vergrößert oder verkleinert sein, um die Diskussion zu vereinfachen.
    • 1 ist eine Querschnittsansicht einer Electrowetting-auf-Dielektrikum-Vorrichtung.
    • 2 ist eine Querschnittsansicht eines Flüssigkeitssteuersystems, welches den Electrowetting-Effekt dazu verwendet, um Probentropfen einer Bio-Einheit zu transportieren und handzuhaben.
    • 3 ist ein Diagramm, welches veranschaulicht, wie bestimmte Aktionen unter Verwendung eines Electrowetting-basierten Flüssigkeitssteuersystems erreicht werden können.
    • 4 ist eine Ansicht eines mikrofluidischen Rasters für den Transport und das Vermischen von Zielproben einer Bio-Einheit mit biologischen Reagenzien.
    • 5 ist eine Querschnittsansicht eines unteren Substrats für die Verwendung in einem System für die Handhabung und Verarbeitung einer Bio-Einheit gemäß einer Ausführungsform.
    • 6 zeigt Draufsichten von drei optischen Komponenten, welche in einem System für die Handhabung und Verarbeitung einer Bio-Einheit gemäß einer Ausführungsform verwendet werden können.
    • 7 ist eine Querschnittsansicht eines oberen Substrats, welches in einem System für die Handhabung und Verarbeitung einer Bio-Einheit gemäß einer Ausführungsform verwendet werden kann.
    • 8 ist eine Querschnittsansicht eines mikrofluidischen Systems für die Handhabung sowie Verarbeitung einer Bio-Einheit gemäß einer Ausführungsform.
    • 9 ist eine Querschnittsansicht eines mikrofluidischen Systems für die Handhabung sowie Verarbeitung einer Bio-Einheit gemäß einer zusätzlichen Ausführungsform, welche eine Anordnung von Farbfiltern aufweist.
    • 10 ist eine Querschnittsansicht eines unteren Substrats eines mikrofluidischen Systems für die Handhabung sowie Verarbeitung einer Bio-Einheit gemäß einer Ausführungsform, bei der eine rückseitige Belichtung vorgesehen ist.
    • 11 ist ein Flussdiagramm eines Verfahrens für die Handhabung sowie die Verarbeitung von Proben einer Bio-Einheit mithilfe eines integrierten Halbleiterbauteils.
  • Die verschiedenen Merkmale, welche in den Zeichnungen offenbart sowie zuvor beschrieben worden sind, werden dem Fachmann durch das Lesen der nachstehenden, genauen Beschreibung verdeutlicht.
  • GENAUE BESCHREIBUNG
  • Es sollte verstanden werden, dass die nachstehende Offenbarung viele unterschiedliche Ausführungsformen und Beispiele für die Umsetzung verschiedener Elemente der Erfindung bereitstellt. Spezifische Beispiele für Komponenten und Anordnungen werden nachstehend beschrieben, um die vorliegende Offenbarung zu vereinfachen. Diese sind selbstverständlich lediglich Beispiele und nicht dazu vorgesehen, zu beschränken. Darüber hinaus kann die Ausbildung eines ersten Merkmals über einem zweiten Merkmal in der nachstehenden Beschreibung Ausführungsformen umfassen, bei welchen das erste und das zweite Bauteil in unmittelbarem Kontakt miteinander ausgebildet sind, sowie Ausführungsformen, bei welchen zusätzliche Elemente zwischen dem ersten und dem zweiten Merkmal angeordnet sind, so dass das erste und das zweite Merkmal nicht unmittelbar miteinander in Kontakt stehen. Verschiedene Elemente können zur Vereinfachung sowie zur Klarstellung in den Figuren willkürlich in unterschiedlichen Maßstäben gezeichnet sein. Wo immer in den verschiedenen Figuren dargestellte Elemente bei zwei oder mehr Figuren übereinstimmen, werden dieselben Bezugszeichen verwendet, um die Beschreibung zu vereinfachen. Dies sollte jedoch nicht derart verstanden werden, dass es diese Merkmale beschränkt.
  • 1 ist eine Querschnittsansicht einer Electrowetting-auf-Dielektrikum(EWOD)-Vorrichtung 100. Die Vorrichtung 100 umfasst ein Substrat mit drei darauf ausgebildeten Materialschichten. Diese Materialschichten umfassen eine Elektrodenschicht 104, eine dielektrische Schicht 106 sowie eine hydrophobe Beschichtung 108. Die Elektrodenschicht 104 ist mit einer regelbaren Spannungsquelle 110 über einen Schalter 112 verbunden. An gegenüberliegenden Enden der Spannungsquelle 110 ist eine Sonde 114 angebracht. Wie in 1 gezeigt ist, positioniert die Vorrichtung 100 die Sonde 114 derart, dass sie in einen in zwei verschiedenen Zuständen gezeigten Tropfen eindringt. Der Tropfen 116A zeigt den Tropfen in einem Zustand, bei dem keine Spannung an die Sonde 114 angelegt ist. Aufgrund der hydrophoben Beschichtung 108 weist der Tropfen 116A, wie gezeigt, einen Kontaktwinkel θo auf. Durch Anlegen einer Spannung mithilfe der Spannungsquelle 110 durch die Sonde 114 kann der Kontaktwinkel verringert und damit der Kontaktbereich vergrößert werden. Der Tropfen 116B ist somit der Tropfen, wenn eine Spannung angelegt ist. Der Kontaktwinkel wird dann auf θv verringert, wodurch das Volumen des Tropfens 116B näher an der darunterliegenden Elektrodenschicht 104 angeordnet ist. Die Änderung des Kontaktwinkels aufgrund der angelegten Spannung steht mit der angelegten Spannung entsprechend der nachstehend wiedergegebenen Gleichung (1) in Beziehung. cos θ V − cos θ 0 = ε ε 0 2 γ L G t V 2
    Figure DE102013105100B4_0001
  • In der Gleichung (1) ist V das angelegte elektrische Potential oder die Spannung, θv ist der Kontaktwinkel bei der angelegten Spannung V und θo ist der Kontaktwinkel ohne angelegte Spannung V. Andere Variablen umfassen: ε, die dielektrische Konstante der dielektrischen Schicht 106; εo, die dielektrische Feldkonstante; γLG, die Oberflächenspannung; sowie t, die Dicke der dielektrischen Schicht 106. Diese Art der Manipulation der vorliegenden Hydrophobizität des Tropfens in der Vorrichtung 100 kann als Electrowetting-auf-Dielektrikum (EWOD) bezeichnet werden. Somit kann durch die Verwendung von EWOD die körperliche Gestalt eines Tropfens auf einer hydrophoben Oberfläche verändert und gesteuert werden, wie es in 1 zu sehen ist.
  • Die 2 ist eine Querschnittsansicht eines fluidischen Steuersystems 200, welches den Transport und die Manipulierung eines Bio-Einheit-Probentropfens unter Verwendung der EWOD-Prinzipien erlaubt. Das fluidische Steuersystem 200 wird um einen mikrofluidischen Kanal 202 herum betrieben, um einen Tropfen 204 innerhalb des Kanals zu steuern. Der Tropfen 204 ist ein Bio-Einheit-Probentropfen. Eine „Bio-Einheit“ oder „biologische Einheit“, wie vorliegend beschrieben, kann sich auf eine DNA, eine RNA, ein Protein, ein kleines Molekül, einen Virus oder andere Pathogene beziehen, oder auf irgendeinen Gegenstand, der sequenziert, identifiziert oder quantifiziert werden kann. Derartige Maßnahmen können bei medizinischen oder industriellen Anwendungen genutzt werden. Durch die Beschreibung hinweg wird als Beispiel die DNA-Sequenzierung vorgestellt, obwohl die Ausführungsformen nicht auf dieses Beispiel beschränkt sind.
  • Wie in 2 zu sehen ist, wird der Bodenabschnitt des mikrofluidischen Kanals 202 durch ein erstes Substrat 206 mit verschiedenen darauf ausgebildeten Schichten gebildet. Diese Schichten umfassen drei Elektroden 208A, 208B sowie 208C, welche von einer ersten dielektrischen Schicht 210 umgeben sind. Oberhalb der dielektrischen Schicht 201 ist eine erste hydrophobe Beschichtung 212 ausgebildet, welche die untere Oberfläche bzw. die Bodenfläche des mikrofluidischen Kanals 202 bildet.
  • Die Deckfläche des mikrofluidischen Kanals 202 wird von einer weiteren hydrophoben Beschichtung gebildet, welche über einem zweiten Substrat 214 ausgebildet ist. Das zweite Substrat 214 ist ein Glassubstrat, auf dem mehrere Materialschichten abgeschieden sind. Diese Schichten umfassen eine Deckelektrodenschicht 216, eine zweite dielektrische Schicht 218 sowie eine zweite hydrophobe Beschichtung 220, welche die Deckfläche des mikrofluidischen Kanals 202 ausbildet. Das zweite Substrat 214 ist umgekehrt angeordnet und der Oberfläche der ersten hydrophoben Beschichtung 212 bis auf einen kurzen Abstand angenähert. Der Tropfen 204 wird somit aufgrund der ersten hydrophoben Beschichtung 212 an dem Boden sowie aufgrund der zweiten hydrophoben Beschichtung 212 an der Oberseite physikalisch gebunden.
  • Die Bodenelektroden 208A, 208B sowie 208C sind mit einem Schalter 222 verbunden, welcher in der Lage ist, irgendeine Kombination der drei Elektroden auszuwählen. Der Schalter 222 ist wiederum mit einer Spannungsquelle 224 verbunden, von der die gegenüberliegende Seite mit der Deckelektrodenschicht 216 verbunden ist. Durch wahlweises Anlegen einer Spannung an verschiedene Kombinationen von Elektroden 208A, 208B sowie 208C kann das elektrische Feld, in welchem der Tropfen 204 angeordnet ist, verändert werden. Bei der dargestellten Ausführungsform wird ein DC-Potential angelegt, wobei jedoch in anderen Ausführungsformen auch ein AC-Potential stattdessen verwendet werden kann. Durch Steuern der elektrischen Felder zwischen den Bodenelektroden 208A, 208B sowie 208C und der Deckelektrode 216 kann der Tropfen 204 auf verschiedene Weise manipuliert und transportiert werden. Dies ist besser mit Bezug auf 3 zu verstehen.
  • 3 ist ein Diagramm, welches veranschaulicht, wie bestimmte Aktionen unter Verwendung eines EWOD-Flüssigkeitssteuerungssystems erreicht werden können. Vier beispielhafte Aktionen sind dargestellt: eine seitliche Bewegung 300A, eine Tropfenteilung 300B, eine Tropfenvereinigung 300C sowie eine Tropfenausbildung 300D. Diese Beispiele veranschaulichen in der Draufsicht Vorgänge, welche in dem fluidischen Steuersystem 200 durchgeführt werden können, in Blickrichtung auf den Tropfen 204 durch das Substrat 214.
  • Wie bei der seitlichen Bewegung 300A dargestellt ist, ist der Tropfen 204 oberhalb der Elektrode 208B angeordnet. Wenn der Schalter 222 derart eingestellt ist, dass die Bodenelektrode 208A von der Spannungsquelle 224 getrennt ist (OFF), befindet sich die Bodenelektrode 208B im OFF-Zustand und die Bodenelektrode 208C ist mit der Spannungsquelle 224 verbunden (ON), so dass sich der Tropfen in die Richtung der Elektrode 208C bewegt, bis er über der Elektrode 208C angeordnet ist.
  • Wie es bei der Tropfenteilung 300B dargestellt ist, ist der Tropfen 204 anfänglich über der Bodenelektrode 208B angeordnet. Wenn der Schalter 322 derart eingestellt wird, dass die Bodenelektrode 208B im OFF-Zustand ist und die Bodenelektroden 208A und 208C im ON-Zustand sind, wird sich der Anteil des Tropfens 204, welcher am nächsten an der Bodenelektrode 208A angeordnet ist, nach links bewegen, wobei sich der Anteil des Tropfens 204, welcher am nächsten zu der Bodenelektrode 208C angeordnet ist, nach rechts bewegen wird, wodurch verursacht wird, dass der Tropfen 204 in einen Tropfen 204A, welcher über der Bodenelektrode 208C angeordnet ist, und einen Tropfen 204B, welcher über der Bodenelektrode 208A angeordnet ist, aufgeteilt wird.
  • Wie bei der Tropfenvereinigung 300C dargestellt ist, ist der Tropfen 204A anfänglich oberhalb der Elektrode 208C und der Tropfen 204B oberhalb der Elektrode 208A angeordnet. Wenn der Schalter 222 derart eingestellt wird, dass die Bodenelektroden 208A und 208C im OFF-Zustand sind und die Bodenelektrode 208B im ON-Zustand ist, werden die Tropfen 204A und 204B jeweils in Richtung der Bodenelektrode 208B bewegt. Die Tropfen 204A und 204B werden sich über der Bodenelektrode 208B miteinander vereinigen, um einen einzigen Tropfen auszubilden.
  • Eine Tropfenausbildung 300D ist ebenso in 3 gezeigt. Die Tropfenausbildung 300D zeigt die Ausbildung eines Bio-Einheit-Probentropfens aus einem größeren Bio-Einheit-Probentropfen. Die Durchführung der Tropfenausbildung 300D verwendet die drei Bodenelektroden 208A, 208B und 208C, wie diskutiert worden ist, und darüber hinaus umfasst sie eine größere Elektrode 302. Die größere Elektrode 302 ermöglicht die Anordnung eines größeren Flüssigkeitsvolumens in einem einzigen Tropfen 304. Um einen Tropfen 204 auszubilden, werden sämtliche der vier Elektroden (302, 208A, 208B und 208C) in den ON-Zustand geschaltet, um den Tropfen 304 entlang des Pfads, welcher durch die quadratischen Bodenelektroden vorgegeben ist, zu ziehen; daraufhin werden die Bodenelektroden 208B und 208C in den OFF-Zustand geschaltet. Die Flüssigkeit oberhalb der Bodenelektroden 208B und 208C wird in dem ON-Zustand der anderen Elektroden weggezogen und in dem OFF-Zustand der Bodenelektroden 208B und 208C aufgrund der Hydrophobizität weggedrückt. Der Anteil des Tropfens 304 oberhalb der Elektrode 208A bleibt zurück, um den Tropfen 204 auszubilden.
  • Bei diesen Beispielen wurde angenommen, dass jegliche der anderen angrenzenden Elektroden im OFF-Zustand sind. Die seitliche Bewegung 300A, die Tropfenteilung 300B, die Tropfenvereinigung 300C sowie die Tropfenausbildung 300D können dazu verwendet werden, Tropfen zu manipulieren sowie zu transportieren, während sich diese durch den mikrofluidischen Kanal 202 gemäß 2 und ebenso durch ein mikrofluidisches Raster bewegen.
  • Die 4 ist ein Diagramm eines mikrofluidischen Rasters 400 für den Transport und die Mischung von Ziel-Bio-Einheiten. Das mikrofluidische Raster 400 kann beispielsweise dazu verwendet werden, DNA-Proben und biologische Reagenzien zu transportieren und miteinander zu vermischen. Das mikrofluidische Raster umfasst eine Vielzahl horizontaler und vertikaler Pfade entlang von Elektroden, etwa entlang der Elektroden 208A, 208B und 208C gemäß 2. Vorgänge wie diese werden in Verbindung mit 3 beschrieben und sie können dazu verwendet werden, Tropfen in dem mikrofluidischen Raster 400 zu bewegen, zu teilen, zu vereinigen sowie auszubilden.
  • Die Vielzahl vertikaler Pfade ist als vertikale Pfade 402A-J gekennzeichnet, während die Vielzahl horizontaler Pfade als horizontale Pfade 404A-L gekennzeichnet ist. Jeder der vertikalen Pfade 402A-J sowie jeder der horizontalen Pfade 404A-L kann aus einer Vielzahl linear angeordneter Elektroden ausgebildet sein. Die Lücken zwischen den vertikalen Pfaden 402A-J sowie den horizontalen Pfaden 404A-L können Freiraum sein, da die hydrophoben Beschichtungen 212 und 220 auf effektive Weise einen Tropfen davon abhalten, dass ein Tropfen von einem hydrophilen Pfad auf einen anderen mit Elektroden im ON-Zustand „springt“. Bei manchen Ausführungsformen bestehen Materialgrenzen in den Lücken zwischen den Pfaden.
  • Das mikrofluidische Raster 400 umfasst ebenso eine Vielzahl Gefäße, aus welchen die Tropfen in die Vielzahl Pfade eingeleitet werden können. Entlang der Oberseite ist eine Anzahl von Reagenzgefäßen 406A-E angeordnet. Bei der dargestellten Ausführungsform des mikrofluidischen Rasters 400 umfassen diese Reagenzgefäße ein Adenin-Reagenzgefäß 406A, ein Thymin-Reagenzgefäß 406B, ein Guanin-Reagenzgefäß 406C, ein Cytosin-Reagenzgefäß 406D sowie ein Puffergefäß 406E. Andere Ausführungsformen mikrofluidischer Raster 400 können andere biologische Reagenzien umfassen. Die Tropfen können über vertikale Pfade 402B, 402D, 402F, 402H und 402J in das mikrofluidische Raster 400 eingeleitet werden, durch wahlweises Beaufschlagen der Elektroden, welche den horizontalen und den vertikalen Pfad bilden, dass diese Tropfen an irgendeiner Stelle innerhalb des mikrofluidischen Rasters 400 angeordnet und geteilt werden können, sowie mit anderen Tropfen vermischt oder vereinigt werden können. Eine Anzahl von Reagenztropfen, einschließlich des beispielhaften Puffertropfens 408 sowie des beispielhaften Adenin-Reagenztropfen 408B, sind entlang des horizontalen Pfads 404C dargestellt.
  • Auf der linken Seite des mikrofluidischen Rasters 400 ist eine Anzahl von Bio-Einheit-Probengefäßen 410A-D dargestellt. Bei der dargestellten Ausführungsform, welche für DNA-Sequenzen verwendet wird, enthält jedes Bio-Einheit-Probengefäß einen unterschiedlichen Ziel-DNA-Anteil, welcher als D1 in dem Ziel-DNA-Anteilgefäß 410A, als D2 in dem Ziel-DNA-Anteilgefäß 410B, als D3 in dem Ziel-DNA-Anteilgefäß 410C sowie als D4 in dem Ziel-DNA-Anteilgefäß 410D gekennzeichnet ist. Bei den für die DNA-Sequenzierung verwendeten Ausführungsformen enthalten diese Gefäße Anteile einer zu sequenzierenden DNA-Probe. Bei für die Diagnose verwendeten Ausführungsformen können in den Probengefäßen andere Arten von Bio-Einheit-Proben, etwa Antikörper, vorliegen.
  • Die Sequenzierung des gesamten Genoms einer Person oder eines Pathogens während eines einzelnen Sequenzierungsschritts würde eine unakzeptabel lange Zeit in Anspruch nehmen. Durch die Aufteilung einer DNA-Probe in mehrere Proben kann gleichzeitig jede Probe verarbeitet werden, um die Gesamtzeit, welche dazu benötigt wird, die gesamte Sequenz zu erhalten, zu verringern. Die Anteile sollten im Vorhinein gekennzeichnet werden, so dass die einzelnen, parallelen Sequenzierungen anschließend wieder miteinander verbunden werden können. Jedes Quadrat in 4 ist ein Ziel-DNA-Anteil, etwa ein beispielhafter Ziel-DNA-Anteil 410, welcher, wie zuvor mit Bezug auf 3 beschrieben, manipuliert werden kann, einschließlich des Vermischens mit einem Reagenztropfen für die Kennzeichnung. Der Bereich unterhalb des mikrofluidischen Rasters 400 umfasst eine Lichtsensoranordnung, welche dazu verwendet werden kann, um lichtbasierte Messungen vorzunehmen, um die Ziel-DNA-Anteilproben zu sequenzieren. Dies kann besser mit Bezug auf 5 verstanden werden.
  • 5 ist eine Querschnittsansicht eines unteren Wafers 500 für die Verwendung in einem mikrofluidischen Bio-Einheit-Handhabungs- und Verarbeitungssystem. Der untere Wafer 500 umfasst vier Hauptfunktionsbereiche: einen fluidischen Steuerschaltkreisbereich, einen festkörperbasierten Fotosensoranordnungsbereich, einen logischen Schaltkreisbereich sowie einen mikrofluidischen Kanalbereich. Der Schaltkreis- sowie der Fotosensoranordnungsbereich sind auf oder in einem Substrat 502 ausgebildet. Wie es dargestellt ist, ist das Substrat 502 ein Siliziumsubstrat. Bei anderen Ausführungsformen kann das Substrat 502 ein Substrat sein, welches aus einem anderen geeigneten elementaren Halbleiter, etwa aus Diamant oder Germanium, ausgebildet ist; oder aus einem geeigneten Verbindungshalbleiter, wie Siliziumkarbid, Indiumarsenid, oder Indiumphosphid; oder aus einem geeigneten Legierungshalbleiter, wie Silizium-Germanium-Karbid, Gallium-Arsen-Phosphid oder Gallium-IndiumPhosphid.
  • Der fluidische Steuerschaltkreisbereich umfasst einen fluidischen Steuerschaltkreis 504, welcher eine Vielzahl Metallisierungsschichten umfasst, die mit zugeordneten Transistoren oder anderen Schaltkreiskomponenten verbunden sind. Der Sensoranordnungsbereich umfasst eine Fotosensoranordnung 506 sowie einen Fotosensorsteuerschaltkreis 508. Bei der dargestellten Ausführungsform ist die Fotosensoranordnung 506 eine Anordnung von transistorbasierten Fotosensoren sowie eine CMOS-Bildsensoranordnung. Bei anderen Ausführungsformen kann die Fotosensoranordnung jedoch auch Fotodioden, aktive Pixelsensoren, Fototransistoren, Fotowiderstände, ladungsgekoppelte Bauteile oder dergleichen umfassen. Die Fotosensoranordnung 406 wird mithilfe des Fotosensorsteuerschaltkreises 508 gesteuert, welcher ebenso eine Vielzahl Transistoren und andere Schaltkreiskomponenten umfasst. Schließlich existieren in dem logischen Schaltkreisbereich ein umfangreicher logischer Schaltkreis 510, einschließlich Transistoren und andere Schaltkreiskomponenten. Der logische Schaltkreis 510 erlaubt die Eingabe zu und die Ausgabe von dem unteren Wafer 500. Weitere logische Schaltkreiskomponenten 510 sind sowohl mit dem Fotosensorsteuerschaltkreis 508 als auch dem fluidischen Steuerschaltkreis 504 verbunden, um beide für den optimalen Betrieb mit Signalverarbeitung zu versorgen, etwa eine Analog-zu-Digital- sowie eine Digital-zu-Analog-Wandlung. Der fluidische Steuerschaltkreis 502, der Fotosensorsteuerschaltkreis 508 sowie der logische Schaltkreis 510 sind in eine Zwischenmetall-DielektrikumSchicht (IMD) 512 eingebettet.
  • Auf der Oberseite der IMD 512 ist eine Mehrzahl Bodenelektroden, in etwa entsprechend der Bodenelektroden gemäß 2, ausgebildet. In 5 sind darüber hinaus drei Bodenelektroden dargestellt: die Bodenelektroden 514A, 514B sowie 514C. Im praktischen Anwendungsfall können noch viel mehr Elektroden vorliegen, wobei jedoch die drei dargestellten für eine verständliche Beschreibung des unteren Wafers 500 angemessen sind. Bei der dargestellten Ausführungsform sind die unteren Elektroden 514A, 514B und 514C aus einer Aluminium-Kupfer-Legierung hergestellt. Bei anderen Ausführungsformen können jedoch auch andere Materialien verwendet werden, welche ebenso für Elektroden geeignet sind. Die Bodenelektroden 514A und 514C sind in der Draufsicht geschlossene Rechtecke, wobei dies die Bodenelektrode 514B jedoch nicht ist. Dies wird weiter unten mit Bezug auf 6 diskutiert. In 5 ist lediglich die Bodenelektrode 514A mit dem Metallisierungsstapel des fluidischen Steuerschaltkreises verbunden. Sämtliche Bodenelektroden 514A, 514B und 514C stehen jedoch in Kommunikation mit dem fluidischen Steuerschaltkreis 504, so dass sich sämtliche entweder in einem ON- oder einem OFF-Zustand befinden können, wie es in Bezug auf 3 beschrieben worden ist.
  • Eine dielektrische Schicht 516 ist oben auf und an den Seiten der Bodenelektroden 514A, 514B und 514C ausgebildet. Bei der dargestellten Ausführungsform ist die dielektrische Schicht 516 eine dielektrische Schicht mit hohem k-Wert, welche mithilfe von atomarer Schichtabscheidung (ALD) oder chemischer Dampfabscheidung (CVD) ausgebildet worden ist, gefolgt von einem Aushärtprozess. Über der dielektrischen Schicht 516 ist eine hydrophobe Beschichtung 518 ausgebildet. Bei der dargestellten Ausführungsform besteht die hydrophobe Beschichtung 518 aus Polytetrafluorethylen (PTFE), während es sich bei anderen Ausführungsformen um eine selbstorganisierende Monoschicht handelt. In 5 ist weiterhin ein Kontaktpad 520 dargestellt, welches durch Ätzen durch einen Anteil der hydrophoben Beschichtung 518, die dielektrische Schicht 516 sowie eine Dicke der IMD 512 bereitgestellt ist. Andere Ausführungsformen können zusätzliche Metallschichten und andere Variationen aufweisen, wobei jedoch in jeder Ausführungsform ein Kontaktpad 520 bereitgestellt sein kann, um zu ermöglichen, dass dem unteren Wafer 500 Leistung hinzugefügt wird oder dieses an Erde angelegt wird, oder, um eine Signal-/Steuerungseingabe oder -ausgabe zu ermöglichen.
  • Die 6 zeigt Draufsichten dreier Variationen der Bodenelektrode 514B, welche auch als optische Komponente dient, welche bei Handhabungs- und Verarbeitungssystemen für Bio-Einheiten verwendet werden können. Somit sind bei den dargestellten Ausführungsformen die optischen Komponenten 600A, 600B und 600C aus Aluminium ausgebildet. Andere Ausführungsformen können aus anderen Materialien hergestellt sein. Die optische Komponente 600A ist ein rechtwinkliges Gitter, das eine Mehrzahl regelmäßig beabstandeter Löcher durch eine rechtwinklige Platte aufweist. Durch Steuern des Abstands sowie der Abmessungen der rechtwinkligen Löcher kann die optische Komponente 600A bestimmte Wellenlängen des Lichts voneinander trennen. Dies kann bei der DNA-Sequenzierung behilflich sein, weil manche Marker Licht bei einer spezifischen, identifizierbaren Frequenz erzeugen, wenn sie entfernt werden. Das Hintergrundrauschen kann durch die Verwendung der optischen Komponente 600A als Bodenelektrode 514B verringert werden.
  • Die optische Komponente 600B ist eine Vielzahl konzentrischer Ringe, wobei ein regelmäßiger Abstand zwischen den Ringen ausgebildet ist. Durch Verwendung der optischen Komponente 600B oder einer ähnlichen Komponente als Bodenelektrode 514B kann die Bündelung von Licht auf die Sensoranordnung ermöglicht werden. Die zusätzliche optische Komponente 600C kann als die Bodenelektrode 514B verwendet werden. Die optische Komponente 600C kann eine Durchlassstruktur sein, welche es lediglich erlaubt, dass Licht von oberhalb des unteren Wafers 500 nach unten auf die Fotosensoranordnung 506 hindurchtritt. Die optische Komponente 600C kann dazu dienen, die Detektierung durch die Fotosensoranordnung 506 von unter einem Winkel einfallendem Licht zu beschränken. Andere optische Komponenten können auf die beschriebene Weise verwendet werden, um optische Interferenz, Beugung, ein Gitter sowie spektrofotometrische Funktionen für biooptische Anwendungen bereitzustellen. Die optischen Komponenten 600A, 600B und 600C sind lediglich wenige Beispiele. Andere Ausführungsformen können einen transparenten Leiter, etwa ein Indiumzinnoxid (ITO) als Bodenelektrode 514B umfassen.
  • Die 7 ist eine Querschnittsansicht eines oberen Wafers 700, welcher in einem Bio-Einheit-Handhabungs- und Verarbeitungssystem verwendet werden kann. Der obere Wafer 700 umfasst ein Substrat 702. Bei der dargestellten Ausführungsform ist das Substrat 702 ein Glaswafer. Bei anderen Ausführungsformen kann das Substrat 702 jedoch eines der zuvor bei alternativen Ausführungsformen des Substrats 502 des unteren Wafers 500 gemäß 5 genannten Materialien sein. Über dem Substrat 702 ist eine Deckelektrode 704 angeordnet. Bei der dargestellten Ausführungsform ist die Deckelektrode 705 eine ITO-Schicht. Bei anderen Ausführungsformen kann jedoch die Deckelektrode 704 eine Aluminiumschicht oder eine andere geeignete Elektrodenschicht sein.
  • Eine dielektrische Schicht 706 ist über der Deckelektrode 704 abgeschieden. Bei diesem Beispiel ist die dielektrische Schicht 706 eine dielektrische Schicht mit hohem k-Wert, welche mithilfe von ALD abgeschieden worden ist, bevor sie ausgeheizt wurde. Zusätzlich ist auf der Oberseite der dielektrischen Schicht 706 eine hydrophobe Beschichtung 708 angeordnet. Bei der dargestellten Ausführungsform ist die hydrophobe Beschichtung 708 aus PTFE hergestellt, wobei jedoch bei anderen Ausführungsformen die hydrophobe Beschichtung 708 aus einer selbstorganisierenden Monoschicht ausgebildet sein kann. Ein Anteil der hydrophoben Beschichtung 708 wurde mit einer Oberflächenbehandlung behandelt, um DNA-Ziel-Fragmente zu kennzeichnen, um einen oberflächenbehandelten Bereich 710 auszubilden. Bei der dargestellten Ausführungsform kann der oberflächenbehandelte Bereich 710 die DNA-Bindung unterstützen, während bei anderen Ausführungsformen eine Oberflächenbehandlung zur Antibody-Bindung angewendet werden kann. Der oberflächenbehandelte Bereich 710 ermöglicht es, dass identifizierbare Reaktionen stattfinden, welche Licht erzeugen, wenn ein Tropfen, welcher Komponenten enthält, welche mit der bestimmten Oberflächenbehandlung reagieren, in Kontakt mit dem oberflächenbehandelten Bereich 710 gebracht wird. Beispielsweise kann ein Molekularmarker Basenpaaren hinzugesetzt werden, welche sich mit dem Ziel-DNA-Fragment verbinden, wodurch der Marker infolge der Kombination freigesetzt wird, und wobei die Freisetzung des Markers ein Lichtsignal aussendet.
  • Die 7 zeigt ebenso einen Kontaktpadbereich 712. Der Kontaktpadbereich 712 kann auf einfache Weise durch Wegätzen eines Anteils der hydrophoben Beschichtung 708 und der dielektrischen Schicht 706 ausgebildet werden, so dass ein elektrischer Kontakt mit einem freigelegten Bereich der Deckelektrode 704 hergestellt werden kann. Bei anderen Ausführungsformen können zusätzliche Kontaktschichten über dem freigelegten Anteil der Deckelektrode 704 abgeschieden werden, um die Drahtanbindung zu ermöglichen.
  • Die 8 ist eine Querschnittsansicht eines integrierten mikrofluidischen Systems 800 für die Bio-Einheit-Handhabung und -Verarbeitung, welches den unteren Wafer 500 gemäß 5 und den oberen Wafer 700 gemäß 7 verwendet. Die 8 umfasst somit das Substrat 502, wobei zusätzlich zu der darin ausgebildeten Fotosensoranordnung 506 auf diesem der fluidische Steuerschaltkreis 504, der Fotosensorsteuerschaltkreis 508 sowie der logische Schaltkreis 510 ausgebildet sind. Eine IMD 512 umgibt diese Elemente, wobei der integrierte, untere Wafer 508 Bodenelektroden 514A, 514B und 514C aufweist, welche darauf mit einer darüber liegenden dielektrischen Schicht 516 abgeschieden sind. Auf der dielektrischen Schicht 516 ist eine hydrophobe Beschichtung 518 ausgebildet, welche als Boden eines mikrofluidischen Kanals 802 dient.
  • Das mikrofluidische System 800 für die Bio-Einheit-Handhabung und -Verarbeitung umfasst ebenso ein Substrat 702, welches bei dieser Ausführungsform ein Glassubstrat ist. Über dem Substrat 702 sind eine Deckelektrode 704, eine dielektrische Schicht 706 sowie eine hydrophobe Beschichtung 708 angeordnet. Während die dargestellte Ausführungsform des mikrofluidischen Systems 700 für die Bio-Einheit-Handhabung und -Verarbeitung nicht den gemäß 7 gezeigten Kontaktpadbereich 712 aufweist, können andere Ausführungsformen ein solches Merkmal aufweisen. Die hydrophobe Beschichtung 708 umfasst einen oberflächenbehandelten Bereich 710. Der untere Wafer 500 sowie der obere Wafer 700 werden unter Verwendung von Die-Level- oder Wafer-Level-Verpackungstechnologien miteinander verbunden, so dass der oberflächenbehandelte Bereich 710 mit der Fotosensoranordnung 506 fluchtet, so dass die hydrophoben Beschichtungen 518 und 708 einander angenähert werden, ohne sich zu berühren, um den mikrofluidischen Kanal 802 auszubilden. Während bei der dargestellten Ausführungsform der oberflächenbehandelte Bereich 710 auf der hydrophoben Beschichtung 708 ausgebildet ist, kann stattdessen bei anderen Ausführungsformen der oberflächenbehandelte Bereich 710 auf der hydrophoben Beschichtung 518 des unteren Wafers 500 ausgebildet sein, wodurch die Leistungsfähigkeit verbessert werden kann, indem der oberflächenbehandelte Bereich 710 näher an die Fotosensoranordnung 506 angenähert wird.
  • Im Betrieb wird ein Tropfen 804 in Kontakt mit dem oberflächenbehandelten Bereich 710 unter Verwendung der in 3 gezeigten Schritte gebracht, etwa entsprechend der seitlichen Bewegung 300A. Der Tropfen 804 umfasst eine gemarkerte Bio-Einheit-Probe, etwa eine DNA, welche mit einem Reagenztropfen vermischt ist, beispielsweise mit einem Adenin-Reagenztropfen 408B gemäß 4. Wenn der Tropfen 804 den oberflächenbehandelten Bereich 710 kontaktiert, können chemische Reaktionen den Marker aus den Bio-Einheit-Proben in dem Tropfen entfernen. Die Entfernung des Markers kann eine Lichtemission verstärken oder intensivieren. Die Emission tritt durch die Bodenelektrode 514B hindurch, welche bei dieser Ausführungsform in Form der optischen Komponente 600A gemäß 6 ausgebildet ist, und wird dann in der Fotosensoranordnung 506 gemessen. Dieses Signal wird von dem Fotosensorsteuerschaltkreis 508 festgehalten und an den logischen Schaltkreis 510 für die Signalverarbeitung weitergeleitet. Abhängig von der Frequenz oder der Farbe der Lichtemission kann ein spezifisches Basenpaar detektiert werden. Bei Ausführungsformen, bei welchen in dem Tropfen 804 Antibodies getestet werden, kann die Emission das Vorliegen des bestimmten Antibodys in der Bio-Einheits-Probe in dem Tropfen 804 identifizieren. Nachdem der Tropfen 804 auf diese Weise verarbeitet worden ist, kann er aus dem mikrofluidischen Kanal 802 und aus dem mikrofluidischen Raster 400 herausbewegt werden.
  • Wie in 8 zu sehen ist, stellt das mikrofluidische System zur Bio-Einheit-Handhabung und -verarbeitung 800 einen mikrofluidischen Steuerschaltkreis 504 (mit zugeordneten Bodenelektroden 514A, 514B und 514C), einen logischen Schaltkreis 510 sowie eine Fotosensoranordnung 506 und einen Fotosensorsteuerschaltkreis 508 auf einem einzigen Wafer, dem unteren Wafer 500, bereit. Der untere Wafer 500 bildet weiterhin eine Unterseite eines mikrofluidischen Kanals 804. Der obere Wafer 700, welcher mit dem unteren Wafer 500 verbunden ist, bildet die Oberseite des mikrofluidischen Kanals sowie die Deckelektrode 704. Bei der dargestellten Ausführungsform mit dielektrischen Schichten 706 und 516 mit hohem k-Wert kann ein elektrisches Potential von ungefähr 5 Volt dazu verwendet werden, um Tropfen wie den Tropfen 804 zu bewegen und zu handhaben, sowie um die verschiedenen Schaltkreiskomponenten für die Bildermittlung und -verarbeitung mit elektrischer Leistung zu versorgen, wobei sämtliche Komponenten auf einem einzigen Chippaket ausgebildet sind.
  • Die 9 ist eine Querschnittsansicht eines integrierten mikrofluidischen Systems 900 für die Bio-Einheit-Handhabung und -Verarbeitung gemäß einer zusätzlichen Ausführungsform, welche eine Farbfilteranordnung aufweist. Verschiedene Elemente sind entsprechend dem mikrofluidischen System 900 für die Bio-Einheit-Handhabung und -verarbeitung sowie dem mikrofluidischen System 800 für die Bio-Einheit-Handhabung und -verarbeitung gemäß 8 ausgebildet. Solche gemeinsamen Merkmale sind gleich bezeichnet, um unnötige Wiederholungen in dieser Offenbarung zu vermeiden. Unterhalb der Bodenelektroden 514A, 514B und 514C ist eine Farbfilteranordnung (CFA) 902 ausgebildet, mit einer Mehrzahl roter, blauer und grüner Filter. Wie in 9 dargestellt ist, ist die Bodenelektrode 514B als die optische Komponente 600C gemäß 6 ausgebildet. Wenn somit eine Emission durch Entfernen des Markers aus den Bio-Einheit-Probentropfen 904 durch eine Reaktion an dem oberflächen behandelten Bereich 710 verursacht wird, tritt der Pfad durch die Öffnung der Bodenelektrode 514B sowie durch die CFA 902 hindurch, bevor er auf die Fotosensoranordnung 506 trifft, in welcher die Emission detektiert werden kann. Die Hinzufügung der CFA 902 erlaubt es, dass traditionellere Verfahren für die Detektierung der Emissionsfarbe angewendet werden können. Durch Detektierung der Farbe der Emissionen kann der bestimmte Marker, welcher durch die Reaktion an dem oberflächenbehandelten Bereich 710 entfernt wird, identifiziert werden. Auf diese Weise können DNA-Fragmente sequenziert und spezifische Pathogene detektiert werden.
  • Während bei den dargestellten Ausführungsformen der oberflächenbehandelte Bereich 710 auf einer hydrophoben Beschichtung 708 des oberen Wafers 700 ausgebildet ist, kann bei anderen Ausführungsformen der oberflächenbehandelte Bereich 710 auf der hydrophoben Beschichtung 518 des unteren Wafers 500 stattdessen ausgebildet sein, wodurch die Leistungsfähigkeit verbessert werden kann, indem der oberflächenbehandelte Bereich 710 näher an die Fotosensoranordnung 506 angenähert wird.
  • Die 10 ist eine Querschnittsansicht eines integrierten mikrofluidischen Systems 100 für die Bio-Einheit-Handhabung und -Verarbeitung gemäß einer zusätzlichen Ausführungsform, welche eine rückseitige Beleuchtung verwendet. Der untere Wafer des Systems 1000 wird auf einem Substrat 1002 hergestellt. Bei der dargestellten Ausführungsform ist das Substrat 1002 ein P-Typ-Silizium-Substrat, wobei es jedoch bei anderen Ausführungsformen dieses, wie zuvor beschrieben, andere Materialien aufweisen kann. Während der Herstellung wird eine Vielzahl Metallschichten abgeschieden, um den fluidischen Steuerschaltkreis 1004, den Fotosensorsteuerschaltkreis 1006 sowie den logischen Schaltkreis 1008 auszubilden. Eine Vielzahl Fotodetektoren wird in dem Substrat 1002 ausgebildet, um eine Fotosensoranordnung 1010 herzustellen, welche in Kommunikation mit dem Fotosensorsteuerschaltkreis 1006 steht. Nachdem eine IMD 1012 den Steuer- und den logischen Schaltkreis bedeckt hat, wird der Materialstapel auf dem Substrat 1002 mit einem Trägerwafer 1014 verbunden. Der Trägerwafer 1014 ist bei der dargestellten Ausführungsform ein Siliziumwafer, bei anderen Ausführungsformen kann er jedoch auch ein Glaswafer oder ein Wafer aus einem anderen Material sein.
  • Nach dem Verbinden des Trägerwafers 1014 mit der Oberseite der IMD 1012 werden die miteinander verbundenen Wafer umgedreht und daraufhin die Rückseite des Substrats 1002 verdünnt. Bei der vorliegenden Ausführungsform wird ein Nassätzprozess mit hoher Selektivität unter Verwendung von Fluorwasserstoff, Salpetersäure und Salzsäure (HNA) dazu verwendet, um das Substrat 1002 zu verdünnen. Bei einer alternativen Ausführungsform wird ein chemisch-mechanischer Planarisierungsprozess (CMP) dazu verwendet, um das Substrat 1002 zu verdünnen. Nach dem Verdünnungsprozess liegen die Fotodetektoren in der Fotosensoranordnung 1010 nahe an der Rückseite des Substrats 1002. Dadurch kann die Gesamtstapelhöhe zwischen der Fotosensoranordnung 1010 und der Emissionsquelle verkleinert werden, wodurch die Leistungsfähigkeit verbessert wird.
  • Eine Antireflexbeschichtung (ARC) 1016 wird auf der Oberseite der Rückseite des Substrats 1002 abgeschieden und strukturiert. Bei der dargestellten Ausführungsform kann die ARC 1016 eine Siliziumoxid-ARC-Schicht sein. Nachdem die ARC 1016 strukturiert worden ist, kann eine Vielzahl Bodenelektroden abgeschieden werden. Die 10 veranschaulicht vier Bodenelektroden: die Bodenelektroden 1018A, 1018B, 1018C und 1018D. Bei der dargestellten Ausführungsform sind die Bodenelektroden 1018A und 1018C transparente Bodenelektroden, die aus ITO hergestellt sind. Währenddessen sind die Bodenelektroden 1018B und 1018D rückseitige Metallelektroden, die aus einer Aluminium-Kupfer-Legierung hergestellt sind. Andere Konfigurationen und Materialien können für die Bodenelektroden 1018A, 1018B, 1018C und 1018D bei anderen Ausführungsformen verwendet werden. Bei Ausführungsformen, bei denen mehr als ein Material für die Bodenelektroden verwendet wird, können verschiedene Prozesse für die Abscheidung und die Strukturierung verwendet werden. Grundsätzlich wird ein Teil der Fotosensoranordnung 1010 von einem lichtundurchlässigen Material bedeckt, welches bei der dargestellten Ausführungsform mit der Bodenelektrode 1018B versehen ist. Das undurchlässige Material wird als eine Dunkelreferenz verwendet, um die Signalstärke des Fotosensors 1010 zu bestimmen, welche anderen Quellen als sichtbarem Licht zuzuordnen ist, etwa Hitze.
  • Eine dielektrische Schicht 1020 ist auf der Oberseite der Bodenelektroden als auch den freigelegten Anteilen der ARC 1016 und auf der Rückseite des Substrats 1002 abgeschieden. Bei der dargestellten Ausführungsform ist die dielektrische Schicht 1020 eine dielektrische Schicht mit hohem k-Wert, welche mithilfe eines ALD-Prozesses abgeschieden und daraufhin ausgeheizt worden ist, während bei anderen Ausführungsformen die dielektrische Schicht 1020 mithilfe eines CVD-Verfahrens abgeschieden worden ist, bevor sie ausgehärtet wurde. Über der dielektrischen Schicht 1020 ist eine hydrophobe Beschichtung 1022 abgeschieden. Die hydrophobe Beschichtung 1022 stellt die untere Hälfe eines mikrofluidischen Kanals 1024 bereit, durch welchen ein Tropfen 1026 bewegt werden kann. Bei der dargestellten Ausführungsform wird die hydrophobe Beschichtung 1022 aus PTFE hergestellt. Bei anderen Ausführungsformen kann sie eine selbstorganisierende Monoschicht sein. In 10 ist ebenso ein Kontaktpad 1028 dargestellt, welches mithilfe von Ätzen durch die hydrophobe Beschichtung 1022, die dielektrische Schicht 1020 sowie durch das Substrat 1002 und einen Anteil der IMD 1012 hindurch ausgebildet ist. Das Kontaktpad 1028 stellt einen Ort für die Drahtverbindung bereit, um die Signaleingabe und -ausgabe sowie eine Stromzufuhrverbindung mit dem logischen Schaltkreis 1008 und anderen in der IMD 1012 eingebetteten Schaltkreisen zur Verfügung zu stellen.
  • Der auf dem unteren Substrat 1002 basierende Wafer wird mit einem oberen Wafer, etwa dem Wafer 700 gemäß 7, verbunden. Somit umfasst der obere Wafer 700 ein Substrat 702, eine Deckelektrode 704, eine dielektrische Schicht 706 sowie eine hydrophobe Beschichtung 708 mit einem oberflächenbehandelten Bereich 710. Neben der hydrophoben Beschichtung 1022 bildet die hydrophobe Beschichtung 708 den mikrofluidischen Kanal 1024. Wie mit Bezug auf andere Ausführungsformen bereits diskutiert wurde, kann der Tropfen 1026 in Kontakt mit dem oberflächenbehandelten Bereich 701 gebracht werden, wodurch erreicht wird, dass charakteristische biochemische Reaktionen stattfinden, mit Bio-Einheiten, die Licht emittieren. Diese Lichtemissionen werden mithilfe der Fotosensoranordnung 1010 detektiert und daraufhin verarbeitet, um die bei der Reaktion beteiligten Einheiten zu bestimmen. Durch die Bestimmung dieser Einheiten kann eine Nukleotidbase oder ein spezifischer Antikörper registriert werden. Während bei der dargestellten Ausführungsform der oberflächenbehandelte Bereich 710 auf der hydrophoben Beschichtung 708 ausgebildet ist, kann bei anderen Ausführungsformen der oberflächenbehandelte Bereich 710 auf der hydrophoben Beschichtung 1022 des Wafers ausgebildet sein, welcher auf dem unteren Substrat 1002 basiert, wodurch die Leistungsfähigkeit verbessert werden kann, indem der oberflächenbehandelte Bereich 710 näher an die Fotosensoranordnung 1010 angenähert wird.
  • Die 11 ist ein Flussdiagramm eines Verfahrens 1100 für die Handhabung und Verarbeitung von Bio-Einheit-Proben mit einem integrierten Halbleiterbauteil. Das Verfahren 1100 startet mit dem Schritt 1102, bei dem ein Bio-Einheit-Probentropfen aus einem ersten Reservoir entnommen wird. Das erste Reservoir ist mit einem mikrofluidischen Raster verbunden. Das Verfahren 1100 kann mit dem Schritt 1104 fortsetzen, bei dem der Bio-Einheit-Probentropfen von dem mikrofluidischen Raster in einen mikrofluidischen Kanal unter Verwendung eines Electrowetting-Effekts transportiert wird. Wenn sich der Bio-Einheit-Probentropfen in dem mikrofluidischen Kanal befindet, kontaktiert er eine Oberflächenbehandlung in dem mikrofluidischen Kanal. Eine biochemische Reaktion wird durch den Kontakt zwischen dem Bio-Einheit-Probentropfen und der Oberflächenbehandlung ausgelöst. In dem Schritt 1106 wird ein photonisches Signal, welches durch die Interaktion des Bio-Einheit-Probentropfens mit der Oberflächenbehandlung erzeugt wird, durch eine Fotosensoranordnung detektiert, welche auf dem ersten Substrat ausgebildet ist.
  • Zur besseren Veranschaulichung des Verfahrens 1100 während des Betriebs wird nunmehr Bezug auf das integrierte, mikrofluidische System 800 für die Bio-Einheit-Handhabung und - verarbeitung gemäß 8 sowie einige andere zuvor diskutierte Figuren, etwa auf die 3 und 4, Bezug genommen. Das Verfahren 1100 kann ebenso mit Bezug auf andere Ausführungsformen des hierin beschriebenen integrierten mikrofluidischen Systems zur Bio-Einheit-Handhabung und -verarbeitung beschrieben werden. Es wird somit als nicht beschränkendes Beispiel Bezug auf 8 genommen. Ein Reservoir 410A gemäß 4 kann ein größeres Volumen einer Bio-Einheit-Probe aufweisen. Durch Verwenden des als Tropfenausbildung 300D gemäß 3 bezeichneten Verfahrens wird ein Bio-Einheit-Probentropfen 804 aus dem größeren Volumen ausgebildet und in das mikrofluidische Raster 400 gemäß 4 (Schritt 1102) eingeleitet. Der Bio-Einheit-Probentropfen 804 wird durch das mikrofluidische Raster 400 transportiert, welches eine Mehrzahl mikrofluidischer Kanäle umfasst, von denen einer der mikrofluidische Kanal 802 gemäß 8 ist. Der mikrofluidische Kanal 802 ist auf der Oberseite eines Materialstapels angeordnet, welcher auf einem Substrat 502 ausgebildet ist, wobei die Deckschicht von diesem die hydrophobe Beschichtung 518 ist, welche die Bodenseite des mikrofluidischen Kanals 802 darstellt. Der Transport des Bio-Einheit-Probentropfens 804 durch den mikrofluidischen Kanal wird mithilfe des logischen Schaltkreises 502 erreicht, um den fluidischen Steuerschaltkreis 504 zu steuern.
  • Der Bio-Einheit-Probentropfen 804 wird durch das mikrofluidische Raster 400 gemäß 4 sowie den mikrofluidischen Kanal 802 gemäß 8 unter Verwendung des Electrowetting-Effekts hindurchbewegt. Bodenelektroden 514A, 514B und 514C befinden sich entweder in einem ON- oder einem OFF-Zustand, wie es in 3 angegeben ist, um den biologischen Tropfen kontrollierten hydrophoben oder hydrophilen Oberflächen gemäß dem ON- oder dem OFF-Zustand auf den Bodenelektroden auszusetzen. Durch die Steuerung der Bodenelektroden 514A, 514B und 514C wird in Verbindung mit der Deckelektrode 704 der Bio-Einheit-Probentropfen 804 in Kontakt mit dem oberflächenbehandelten Bereich 710 gebracht, welcher eine Oberflächenbehandlung erfahren hat (Schritt 1104). Das Überführen des Bio-Einheit-Probentropfens 804 in Kontakt mit dem oberflächenbehandelten Bereich 710 wird mithilfe des logischen Schaltkreises 510 erreicht, indem dieser die Steuerung des fluidisch gesteuerten Schaltkreises 504 übernimmt.
  • Aufgrund der Oberflächenbehandlung können der oberflächenbehandelte Bereich 710 sowie der Bio-Einheit-Probentropfen 804 eine biochemische Reaktion erfahren, welche das fluoreszierende Lichtsignal intensiviert oder verstärkt. Dieses Licht tritt durch die Bodenelektrode 514B zu einer Fotosensoranordnung 506 hindurch. Der Fotosensor 506 detektiert das Licht und ein entsprechendes Signal wird daraufhin an den logischen Schaltkreis 510 zur Weiterverarbeitung (Schritt 1106) weitergeleitet. Der logische Schaltkreis 510 kann das Signal entsprechend der Farbe oder Frequenz interpretieren, um die stattgefundene biochemische Reaktion zu ermitteln. Die biochemische Reaktion kann angeben, dass ein bestimmtes Basennukleotid in einem Ziel-DNA-Fragment detektiert worden ist, oder dass ein bestimmter Antibody in dem Bio-Einheit-Probentropfen vorgelegen hat. Nachdem der Bio-Einheit-Probentropfen 804 verarbeitet worden ist, kann er aus dem mikrofluidischen Kanal 802 herausbewegt werden. Bei manchen Ausführungsformen kann ein Puffertropfen, etwa ein Puffertropfen 408A gemäß 4, durch den mikrofluidischen Kanal 802 transportiert werden, um diesen zu reinigen.
  • Zusätzlich wird bei manchen Ausführungsformen des Verfahrens 1100 ein Adenin-Reagenztropfen 408B, welcher aus dem Adenin-Reagenzbehälter 406A gemäß 4 bezogen wird, mit dem Bio-Einheit-Probentropfen 804 kombiniert, unter Verwendung der Tropfenvereinigung 300C gemäß 3. Der Tropfenvereinigungsvorgang 300C kann den Bio-Einheit-Probentropfen 804 und den Adenin-Reagenztropfen 408B in dem mikrofluidischen Raster 400 vermischen. Der vermischte Bio-Einheit-Probentropfen 804 kann daraufhin in Kontakt mit dem oberflächenbehandelten Bereich 710 in dem mikrofluidischen Kanal 802 gebracht werden. Bei manchen Ausführungsformen kann die Bodenelektrode 514B eine optische Komponente zusätzlich zu ihrer Funktion als Elektrode sein. Somit kann die Bodenelektrode 514B die optische Komponente 600A bei einer Ausführungsform sein und 600B bei einer anderen Ausführungsform. Bei anderen Ausführungsformen wird ein anderes Reagenz als der Adenin-Reagenztropfen 408B dazu verwendet, um einen anderen gemischten Bio-Einheit-Probentropfen 804 zu erzeugen.
  • Eine der breiteren Ausführungsformen ist ein integriertes Halbleiterbauteil für die Handhabung und Verarbeitung von Bio-Einheit-Proben. Das Bauteil kann einen mikrofluidischen Kanal umfassen, wobei der Kanal mit einem fluidischen Steuerschaltkreis verbunden ist, sowie eine Fotosensoranordnung, die mit dem Sensorsteuerschaltkreis verbunden ist. Das Bauteil kann ebenso einen logischen Schaltkreis aufweisen, der mit dem fluidischen Steuerschaltkreis sowie dem Sensorsteuerschaltkreis verbunden ist. Der fluidische Steuerschaltkreis, der Sensorsteuerschaltkreis sowie der logische Schaltkreis können auf einer Vorderseite eines ersten Substrats ausgebildet sein.
  • Eine andere der breiten Ausführungsformen ist ein integriertes Halbleiterbauteil für die Handhabung und Verarbeitung genetischer Proben. Das integrierte Halbleiterbauteil kann einen mikrofluidischen Kanal umfassen, wobei der mikrofluidische Kanal mit einem fluidischen Steuerschaltkreis verbunden ist. Das Bauteil kann weiterhin eine Fotosensoranordnung aufweisen, die mit dem Sensorsteuerschaltkreis verbunden ist, sowie eine optische Komponente, die mit der Fotosensoranordnung fluchtet, um ein Lichtsignal zu manipulieren, bevor das Lichtsignal die Fotosensoranordnung erreicht, sowie ein mikrofluidisches Raster, das mit dem mikrofluidischen Kanal verbunden ist und den Transport des genetischen Probentropfens mittels Electrowetting bereitstellt. Darüber hinaus kann das Bauteil einen logischen Schaltkreis aufweisen, welcher mit dem fluidischen Steuerschaltkreis und dem Sensorsteuerschaltkreis verbunden ist. Der fluidische Steuerschaltkreis, der Sensorsteuerschaltkreis sowie der logische Schaltkreis sind auf dem ersten Substrat ausgebildet.
  • Noch ein anderes der breiten Ausführungsformen ist ein Verfahren für die Handhabung und Verarbeitung von Bio-Einheit-Proben mit einem integrierten Halbleiterbauteil. Das Verfahren kann die folgenden Schritte aufweisen. Bereitstellen eines Bio-Einheit-Probentropfens aus einem ersten Reservoir, wobei das erste Reservoir mit einem mikrofluidischen Raster verbunden ist; Transportieren des Bio-Einheit-Probentropfens aus dem mikrofluidischen Raster in einem mikrofluidischen Kanal unter Verwendung eines Electrowetting-Effekts, sowie Detektieren eines photonischen Signals mithilfe einer Fotosensoranordnung. Der Bio-Einheit-Probentropfen kann eine Oberflächenbehandlung in dem mikrofluidischen Kanal kontaktieren, wobei eine Seite des mikrofluidischen Kanals auf einem ersten Substrat bereitgestellt ist. Das photonische Signal wird durch eine Interaktion des Bio-Einheit-Probentropfens mit der Oberflächenbehandlung verstärkt, wobei die Fotosensoranordnung auf dem ersten Substrat ausgebildet ist.

Claims (18)

  1. Integriertes Halbleiterbauteil für die Handhabung und Verarbeitung von Bio-Einheit-Proben, wobei das Bauteil aufweist: einen mikrofluidischen Kanal (202), wobei der mikrofluidische Kanal (202) mit einem fluidischen Steuerschaltkreis (504) verbunden ist; eine Fotosensoranordnung (506), die mit einem Sensorsteuerschaltkreis (508) verbunden ist; und einen logischen Schaltkreis (510), der mit dem fluidischen Steuerschaltkreis (504) sowie mit dem Sensorsteuerschaltkreis (508) verbunden ist, wobei der fluidische Steuerschaltkreis (504), der Sensorsteuerschaltkreis (508) sowie der logische Schaltkreis (510) auf einer Vorderseite eines ersten Substrats (502) ausgebildet sind, wobei der fluidische Steuerschaltkreis (504), der Sensorsteuerschaltkreis (508) sowie der logische Schaltkreis (510) in eine Intermetall-Dielektriums-Schicht, IMD, (512) eingebettet sind.
  2. Integriertes Halbleiterbauteil nach Anspruch 1, bei dem eine erste Seite des mikrofluidischen Kanals (202) auf dem ersten Substrat (502) und eine zweite Seite des mikrofluidischen Kanals (202) auf einem zweiten Substrat (214) ausgebildet ist, wobei das zweite Substrat (214) mit dem ersten Substrat (502) derart verbunden ist, dass der mikrofluidische Kanal (202) für einen Tropfen, welcher eine Bio-Einheit-Probe umfasst, bereitgestellt ist.
  3. Integriertes Halbleiterbauteil nach Anspruch 1 oder 2, das weiterhin eine Vielzahl Elektroden (514A, 514B, 514C) über der IMD-Schicht (512) aufweist, wobei die Vielzahl Elektroden (514A, 514B, 514C) mit dem fluidischen Steuerschaltkreis (504) verbunden ist.
  4. Integriertes Halbleiterbauteil nach Anspruch 2 oder 3, bei dem die erste Seite des mikrofluidischen Kanals (202) aufweist: eine dielektrische Schicht (516) mit hohem k-Wert; und eine hydrophobe Beschichtung (518), welche die dielektrische Schicht mit hohem k-Wert bedeckt.
  5. Integriertes Halbleiterbauteil nach einem der vorangegangenen Ansprüche, das weiterhin aufweist: eine Antireflexbeschichtung (1016), wobei die Antireflexbeschichtung (1016) über einer Rückseite des ersten Substrats (502, 1014) ausgebildet ist, wobei das erste Substrat (502, 1014) verdünnt und mit einem Trägerwafer verbunden ist; und eine Vielzahl Elektroden (514A, 514B, 514C), die mit dem fluidischen Steuerschaltkreis (504) verbunden sind, wobei die Vielzahl Elektroden (514A, 514B, 514C) über der Antireflexbeschichtung (1016) ausgebildet ist.
  6. Integriertes Halbleiterbauteil nach Anspruch 5, bei dem einige der Vielzahl Elektroden (514A, 514B, 514C), die mit dem fluidischen Steuerschaltkreis (504) verbunden sind, transparente Elektroden sind.
  7. Integriertes Halbleiterbauteil nach Anspruch 4, bei dem die hydrophobe Beschichtung (518) eine selbstorganisierende Monoschicht oder eine Polytetrafluorethylenschicht ist.
  8. Integriertes Halbleiterbauteil nach Anspruch 3, das weiterhin eine Farbfilteranordnung (902) aufweist, die oberhalb der Fotosensoranordnung angeordnet ist.
  9. Integriertes Halbleiterbauteil nach Anspruch 2, bei dem das zweite Substrat (214, 702) aufweist: ein transparentes Substrat (702); eine transparente Elektrodenschicht (704), die über dem Substrat (702) abgeschieden ist; eine dielektrische Schicht (706) mit hohem k-Wert über der transparenten Elektrodenschicht (704); und eine hydrophobe Beschichtung (708) über der dielektrischen Schicht (706) mit hohem k-Wert.
  10. Integriertes Halbleiterbauteil nach Anspruch 9, das weiterhin einen oberflächenbehandelten Bereich (710) aufweist, wobei der oberflächenbehandelte Bereich (710) ein Anteil der hydrophoben Beschichtung (708) ist, welcher eine Oberflächenbehandlung erfahren hat, welche messbar eine kontaktierende Bio-Einheit-Probe verändert.
  11. Integriertes Halbleiterbauteil nach einem der vorangegangenen Ansprüche, bei dem der mikrofluidische Kanal (202, 802) mit einem mikrofluidischen Raster (400) verbunden ist, wobei das mikrofluidische Raster (400) mit einer Vielzahl Reservoirs verbunden und darauf ausgelegt ist, den Transport und die Vermischung von Flüssigkeiten, welche in der Vielzahl Reservoirs enthalten sind, zu erlauben, wobei die Flüssigkeiten Bio-Einheit-Proben und Reagenzien umfassen.
  12. Integriertes Halbleiterbauteil nach Anspruch 4, bei dem die hydrophobe Beschichtung (518) einen oberflächenbehandelten Bereich umfasst, wobei der oberflächenbehandelte Bereich ein Anteil der hydrophoben Beschichtung (518) ist, welche eine Oberflächenbehandlung erfahren hat, welche messbar eine kontaktierende Bio-Einheit-Probe verändert.
  13. Integriertes Halbleiterbauteil für die Handhabung und Verarbeitung von Bio-Einheit-Proben, wobei das Bauteil aufweist: einen mikrofluidischen Kanal (202), wobei der mikrofluidische Kanal (202) mit einem fluidischen Steuerschaltkreis (504) verbunden ist; eine Fotosensoranordnung (506), die mit einem Sensorsteuerschaltkreis (508) verbunden ist; eine optische Komponente (600A, 600B, 600C), welche mit der Fotosensoranordnung (506) axial ausgerichtet ist, um ein Lichtsignal zu manipulieren, bevor dieses die Fotosensoranordnung erreicht; ein mikrofluidisches Raster (400), das mit dem mikrofluidischen Kanal (202) verbunden ist und den Transport des Bio-Einheit-Probentropfens mittels Elektrobenetzung bereitstellt; und einen logischen Schaltkreis (510), der mit dem fluidischen Steuerschaltkreis (504) sowie dem Sensorsteuerschaltkreis (508) verbunden ist, wobei der fluidische Steuerschaltkreis (504), der Sensorsteuerschaltkreis (508) sowie der logische Schaltkreis (510) auf einem ersten Substrat (502) ausgebildet sind, wobei die optische Komponente (600A, 600B, 600C) eine der folgenden Komponenten aufweist: eine Vielzahl lichtundurchlässiger, konzentrischer Ringe (600B), mit einem Abstand zwischen angrenzenden, konzentrischen Ringen; und ein rechtwinkliges Gitter (600A).
  14. Integriertes Halbleiterbauteil nach Anspruch 13, bei dem eine Bodenfläche des mikrofluidischen Kanals (202) auf dem ersten Substrat (502) und eine Deckfläche des mikrofluidischen Kanals (202) auf einem zweiten Substrat (214) ausgebildet sind, wobei das zweite Substrat (214) mit dem ersten Substrat (502) derart verbunden ist, dass der mikrofluidische Kanal (202) bereitgestellt ist, und wobei die Bodenfläche und die Deckfläche des mikrofluidischen Kanals (202) eine hydrophobe Beschichtung (518, 708) aufweisen.
  15. Integriertes Halbleiterbauteil nach Anspruch 13, bei dem der logische Schaltkreis (510) darauf ausgelegt ist, eine Analog-zu-Digital-Umwandlung bereitzustellen.
  16. Verfahren für die Handhabung und Verarbeitung von Bio-Einheit-Proben mit einem integrierten Halbleiterbauteil, wobei das Verfahren aufweist: Bereitstellen eines Bio-Einheit-Probentropfens aus einem ersten Reservoir, wobei das erste Reservoir mit einem mikrofluidischen Raster (400) verbunden ist; Transportieren des Bio-Einheit-Probentropfens aus dem mikrofluidischen Raster (400) in einen mikrofluidischen Kanal (202) unter Verwendung eines Elektrobenetzungs- Effekts, wobei der Bio-Einheit-Probentropfen eine Oberflächenbehandlung in dem mikrofluidischen Kanal (202) kontaktiert, wobei eine Seite des mikrofluidischen Kanals (202) auf einem ersten Substrat (502) bereitgestellt wird, und Detektieren eines photonischen Signals mit einer Fotosensoranordnung (506), wobei das photonische Signal durch eine Interaktion des Bio-Einheit-Probentropfens mit der Oberflächenbehandlung verstärkt wird, wobei die Fotosensoranordnung (506) auf dem ersten Substrat (502) ausgebildet ist, wobei das Detektieren eines photonischen Signals an einer Fotosensoranordnung (506) weiterhin das Bereitstellen einer optischen Komponente (600A, 600B) zwischen dem Bio-Einheit-Probentropfen und der Fotosensoranordnung (506) aufweist, wobei die optische Komponente (600A, 600B) eine der folgenden Komponenten aufweist: eine Vielzahl lichtundurchlässiger, konzentrischer Ringe (600B), mit einem Abstand zwischen angrenzenden, konzentrischen Ringen; und ein rechtwinkliges Gitter (600A).
  17. Verfahren nach Anspruch 16, das weiterhin aufweist: Bereitstellen eines Reagenztropfens aus einem zweiten Reservoir, das mit dem mikrofluidischen Raster (400) verbunden ist; und Vermischen des Bio-Einheit-Probentropfens mit dem Reagenztropfen in dem mikrofluidischen Raster (400), um einen vorbereiteten Probentropfen auszubilden.
  18. Verfahren nach Anspruch 17, bei dem das Transportieren des Bio-Einheit-Probentropfens aus dem mikrofluidischen (400) Raster in einen mikrofluidischen Kanal (202) das Transportieren des vorbereiteten Probentropfens in dem mikrofluidischen Kanal (202) aufweist.
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