JP2021061820A - バイオセンサー - Google Patents

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Abstract

【課題】 より高いスループットとスペクトル選択的な集束素子または集束構造を有するバイオセンサーを提供する。【解決手段】 バイオセンサーは、検知素子、および検知素子上に配置されたカバーを含む。検知素子は、フォトダイオードが埋設された第１の基板と、基板上に配置されたフィルター層とを含む。カバーは、第２の基板、第２の基板に配置された上部光学素子と、上部光学素子に配置された上部反応ウェルとを含む。【選択図】 図１

Description

本発明は、バイオセンサーに関するものであり、特に、集束素子または集束構造を有するバイオセンサーに関するものである。
近年、ＣＭＯＳ画像センサが生物学的または生化学的検出に用いられている。そのような用途の場合、蛍光分子がレポーターとして機能し、生物学的または生化学的サンプルに標識を付けることができる。生物学的または生化学的サンプルは、フォトダイオード上に配置されることができ、生体試料または生化学サンプルから放出される蛍光は、フォトダイオードに向けられ、所定の作業プロセスまたはアルゴリズムに基づいて生体信号をデコードする。蛍光信号は、通常、短波長の励起光を必要として、長波長の放射光信号を生成する。従って、適切な光学素子は、フォトダイオードに入射する短波長の励起光をブロックして、長波長の弱い放射光信号を識別するために不可欠である。既存のＣＭＯＳイメージセンサーは意図した目的に適しているが、全ての点で完全に満足できるものではない。例えば、反応ウェルは検出素子にのみ形成され、通常、１つの反応ウェルは少なくとも１つの検出画素に対応する。従って、既存のバイオセンサーのスループットは現在のニーズを満たすことができない。また、いくつかのデバイスは、フレネルレンズ、マイクロレンズ、輝度上昇フィルム（ｂｒｉｇｈｔ ｅｎｈａｎｃｅｍｅｎｔ ｆｉｌｍｓ； ＢＥＦ）などの集光要素を含み、放射光を検出素子に集束し、信号を増強する。しかしながら、フレネルレンズ、マイクロレンズ、輝度上昇フィルム（ＢＥＦ）は、放射光のみを集光するほどスペクトル選択的（ｓｐｅｃｔｒｕｍ−ｓｅｌｅｃｔｉｖｅ）ではないため、励起光からのノイズ強度も増加する。
その結果、より高いスループットとスペクトル選択的な集束素子を有する新規バイオセンサーが必要とされる。
より高いスループットとスペクトル選択的な集束素子または集束構造を有するバイオセンサーを提供する。
本開示のいくつかの実施形態では、バイオセンサーが提供される。バイオセンサーは、検知素子と検知素子上に配置されたカバーを含む。検知素子は、フォトダイオードが埋設された第１の基板、および基板上に配置されたフィルター層を含む。カバーは、第２の基板、第２の基板に配置された上部光学素子、および上部光学素子に配置された上部反応ウェルを含む。
詳細な説明は、添付の図面と併せて以下の実施形態に説明される。
本発明は、添付の図面を参照しながら以下の詳細な説明及び例を読むことで、より完全に理解することができる。
図１は、本開示のいくつかの実施形態によるバイオセンサーの断面図を示している。 図２は、本開示のいくつかの実施形態によるバイオセンサーの断面図を示している。 図３は、本開示のいくつかの実施形態によるバイオセンサーの断面図を示している。 図４は、本開示のいくつかの実施形態によるバイオセンサーの断面図を示している。 図５は、本開示のいくつかの実施形態による上部光学素子１１６Ｃの上面図を示している。 図６Ａは本開示のいくつかの実施形態による、線Ａ−Ａ’に沿った図５の様々な断面図を示している。 図６Ｂは本開示のいくつかの実施形態による、線Ａ−Ａ’に沿った図５の様々な断面図を示している。 図６Ｃは本開示のいくつかの実施形態による、線Ａ−Ａ’に沿った図５の様々な断面図を示している。 図６Ｄは本開示のいくつかの実施形態による、線Ａ−Ａ’に沿った図５の様々な断面図を示している。 図６Ｅは本開示のいくつかの実施形態による、線Ａ−Ａ’に沿った図５の様々な断面図を示している。 図６Ｆは本開示のいくつかの実施形態による、線Ａ−Ａ’に沿った図５の様々な断面図を示している。 図６Ｇは本開示のいくつかの実施形態による、線Ａ−Ａ’に沿った図５の様々な断面図を示している。 図６Ｈは本開示のいくつかの実施形態による、線Ａ−Ａ’に沿った図５の様々な断面図を示している。 図６Ｉは本開示のいくつかの実施形態による、線Ａ−Ａ’に沿った図５の様々な断面図を示している。 図６Ｊは本開示のいくつかの実施形態による、線Ａ−Ａ’に沿った図５の様々な断面図を示している。 図７Ａは、本開示のいくつかの実施形態によるバイオセンサーの断面図を示している。 図７Ｂは、本開示のいくつかの実施形態によるバイオセンサーの断面図を示している。 図７Ｃは、本開示のいくつかの実施形態によるバイオセンサーの断面図を示している。 図８Ａは、本開示のいくつかの実施形態によるバイオセンサーの断面図を示している。 図８Ｂは、本開示のいくつかの実施形態によるバイオセンサーの断面図を示している。 図８Ｃは、本開示のいくつかの実施形態によるバイオセンサーの断面図を示している。 図９は、本開示のいくつかの実施形態によるバイオセンサーの断面図を示している。
本開示のバイオセンサーは、以下の説明で詳細に説明される。以下の発明を実施するための形態では、説明のために、多数の特定の詳細および実施形態が本開示の完全な理解を提供するために明記されている。以下の発明を実施するための形態で説明された特定の構成要素および構造は、本開示を明瞭に説明するために記述されている。しかしながら、本明細書で記述される例示的な実施形態は、単に説明のために用いられることは明らかであり、発明の概念は、これらの例示的な実施形態に限定されることなく、種々の形態で実施することができる。また、異なる実施形態の図面では、本開示を明瞭に説明するために、類似の番号および／または対応の番号を用いて、類似の構成要素および／または対応の構成要素を示すことができる。しかしながら、異なる実施形態の図面では、類似の番号および／または対応の番号の使用は、異なる実施形態間の相関関係を示唆するものではない。また、この明細書では、例えば、「第２の材料層上／第２の材料層の上方に配置された第１の材料層」などの表現は、第１の材料層および第２の材料層の直接接触、または第１の材料層と第２の材料層との間に１つ以上の中間層がある非接触状態を指している。上述の状況では、第１の材料層は、第２の材料層に直接接触しなくてもよい。
また、この明細書では、関連する表現が用いられる。例えば、「より低い」、「底部」、「より高い」、または「上部」は、もう１つに対する１つの構成要素の位置を説明するのに用いられる。仮に装置が上下反転された場合、「より低い」側の構成要素は、「より高い」側の構成要素となる、ということが了解されるべきである。
特に定義されなければ、本明細書で使用される全ての技術的および科学的用語は、この発明が属する技術分野の当業者によって一般的に理解されるのと同じ意味を有している。さらに理解されることであろうが、一般に使用される辞書で定義されているような用語は、関連した技術分野の文脈におけるその意味と一致した意味を持つものとして解釈されるべきであり、本明細書で明確にそのように定義されない限り、理想化された又は過度に形式的な意味で解釈されない。
説明において、相対的な用語、例えば“下方”“上方”“水平”“垂直”“上の”“下の”“上”“下”“上部”“底部”などと、その派生語（例えば“水平に”“下方に”“上方に”など）は、記述されるように、または、議論において図面に示されるように、方向を示すものとして解釈されるべきである。これらの関連用語は、説明の便宜上のためのものであり、装置が特定の方向で構成される、または動作されることを必要とするものではない。「接続された」または「相互接続された」などの接合、結合などに関連する用語は、特に記述されない限り、構造が直接または間接的に中間構造によって、互いに固定または接合された関係を示し、２つの構造が可動、または強固に接合された関係を示してもよい。
第１、第２、第３などの用語は、ここでは各種の素子、構成要素、領域、層、部分および／またはセクションを説明するのに用いられることができるが、これらの素子、構成要素、領域、層、部分および／またはセクションは、これらの用語によって制限されてはならない。これらの用語は単に一素子、構成要素、領域、層、部分またはセクションを他の一素子、構成要素、領域、層またはセクションから識別するのに用いられることは理解される。従って、第１の素子、構成要素、領域、層、部分またはセクションは、本開示の例示的な実施形態の技術から逸脱しない限りにおいては、第２の素子、構成要素、領域、層、部分またはセクションと呼ばれてもよい。
本開示の実施形態は、カバー内に集束素子または集束構造を含むバイオセンサーを提供する。その結果、カバー内に反応ウェルも設計できるため、スループットを向上させる。
図１は、本開示のいくつかの実施形態によるバイオセンサー１００の断面図を示している。図１に示すように、バイオセンサー１００は、検知素子１０およびカバー２０を含む。
検知素子１０は、本質的に、基板１０２、フォトダイオード１０４、フィルター層１０６、パッシベーション層１０８、および改質層１１０を含む。
基板１０２は、フォトダイオード１０４が埋設されている。本開示のいくつかの実施形態では、基板１０２は、半導体ウェハなどのバルク半導体基板である。例えば、基板１０２はシリコンウェハである。基板１０２は、シリコンまたはゲルマニウムなどの別の元素半導体材料を含むことができる。いくつかの他の実施形態では、基板１０２は化合物半導体を含む。化合物半導体は、ヒ化ガリウム、炭化ケイ素、ヒ化インジウム、リン化インジウム、別の適切な材料、またはそれらの組み合わせを含むことができるが、これらに限定されない。
いくつかの実施形態では、基板１０２は、絶縁体オンインシュレータ（ＳＯＩ）基板を含む。ＳＯＩ基板は、酸素（ｓｅｐａｒａｔｉｏｎ ｂｙ ｉｍｐｌａｎｔａｔｉｏｎ ｏｆ ｏｘｙｇｅｎ： ＳＩＭＯＸ）プロセス、ウェハボンディングプロセス、別の適用可能な方法、またはそれらの組み合わせを用いて製造されることができるが、これらに限定されない。いくつかの実施形態では、基板１０２は、アンドープ基板である。
フィルター層１０６は、基板１０２上に配置される。フィルター層１０６は、スパッタリング、スピンコーティング、化学蒸着（ＣＶＤ）、低圧化学蒸着（ＬＰＣＶＤ）、低温化学蒸着（ＬＴＣＶＤ）、急速熱化学蒸着（ＲＴＣＶＤ）、プラズマ化学蒸着（ＰＥＣＶＤ）、原子層堆積（ＡＬＤ）、物理気相堆積プロセス、分子ビーム堆積プロセス、任意の他の適切なプロセス、またはそれらの組み合わせを用いて形成されることができるが、これらに限定されない。フィルター層１０６は、顔料系ポリマー、顔料系染料、染料系ポリマー、樹脂系材料、誘電干渉フィルター、プラズモニックメタ表面構造、または誘電体メタ表面構造を含む有機カラーフィルターまたは無機カラーフィルターであることができる。フィルター層１０６は、特定の波長範囲の光が通過することを遮断する、および／または別の特定の波長範囲の光が通過することを可能にすることができる。いくつかの実施形態では、フィルター層は、必要に応じて赤色カラーフィルター、緑色カラーフィルター、青色カラーフィルター、シアン色カラーフィルター、マゼンタ色カラーフィルター、黄色カラーフィルター、または赤外線（ＩＲ）パスフィルターで作られることができるが、本開示はそれに限定されない。
パッシベーション層１０８は、フィルター層１０６上に配置される。パッシベーション層１０８は、スパッタリング、スピンコーティング、化学蒸着（ＣＶＤ）、低圧化学蒸着（ＬＰＣＶＤ）、低温化学蒸着（ＬＴＣＶＤ）、急速熱化学蒸着（ＲＴＣＶＤ）、プラズマ化学蒸着（ＰＥＣＶＤ）、原子層堆積（ＡＬＤ）、物理気相堆積プロセス、分子ビーム堆積プロセス、任意の他の適切なプロセス、またはそれらの組み合わせを用いて形成されることができるが、これらに限定されない。パッシベーション層１０８は、剥離、腐食、または損傷からフィルター層１０６およびフォトダイオード１０４を保護することができる。具体的には、パッシベーション層１０８は、サンプルの溶液がフィルター層１０６またはフォトダイオード１０４に接触するのを防ぐことができる。パッシベーション層１０８の材料は、金属酸化物、金属窒化物、酸化ケイ素、窒化ケイ素、またはそれらの組み合わせを含むが、これらに限定されない。いくつかの実施形態では、金属酸化物、または金属窒化物、酸化ケイ素、または窒化ケイ素は、酸化ケイ素（例えばＳｉＯ２）、酸化チタン（例えばＴｉＯ２）、酸化タンタル（例えばＴａ２Ｏ５）、酸化アルミニウム（例えばＡｌ２Ｏ３）、酸化ニオブ（例えばＮｂ２Ｏ５）、窒化ケイ素（例えばＳｉ３Ｎ４）、窒化チタン 、窒化タンタル、またはそれらの組み合わせを含むが、これらに限定されない。また、パッシベーション層１０８は、生体試料の固定化のために、自己組織化単分子膜（ＳＡＭ）、機能性ポリマー、またはヒドロゲルでコーティングまたは処理されることができる。いくつかの実施形態によれば、パッシベーション材料は透明または半透明であってもよい。
改質層１１０は、パッシベーション層１０８上に配置される。改質層１１０は、スパッタリング、スピンコーティング、化学蒸着（ＣＶＤ）、低圧化学蒸着（ＬＰＣＶＤ）、低温化学蒸着（ＬＴＣＶＤ）、急速熱化学蒸着（ＲＴＣＶＤ）、プラズマ化学蒸着（ＰＥＣＶＤ）、原子層堆積（ＡＬＤ）、物理気相堆積プロセス、分子ビーム堆積プロセス、任意の他の適切なプロセス、またはそれらの組み合わせを用いて形成されることができるが、これらに限定されない。また、改質層１１０は、生体試料の固定化または排除のために、自己組織化単分子膜（ＳＡＭ）、機能性ポリマー、またはヒドロゲルでコーティングまたは処理されることができる。いくつかの実施形態によれば、改質材料は透明または半透明であってもよい。
改質層１１０の材料は、金属、金属合金、金属酸化物、金属窒化物、ケイ素、酸化ケイ素、窒化ケイ素、またはそれらの組み合わせを含むが、これらに限定されない。いくつかの実施形態では、金属、金属合金、金属酸化物、金属窒化物、ケイ素、酸化ケイ素、窒化ケイ素は、銀（Ａｇ）、アルミニウム（Ａｌ）、金（Ａｕ）、ニオブ（Ｎｂ）、チタン（Ｔｉ）、タングステン（Ｗ）、それらの合金、ケイ素（例えば、Ｓｉ：Ｈ）、酸化ケイ素（例えばＳｉＯ２）、酸化チタン（例えばＴｉＯ２）、酸化タンタル（例えばＴａ２Ｏ５）、酸化アルミニウム（例えばＡｌ２Ｏ３）、酸化ニオブ（例えばＮｂ２Ｏ５）、窒化ケイ素（例えばＳｉ３Ｎ４）、窒化チタン 、窒化タンタル、またはそれらの組み合わせを含むが、これらに限定されない。本明細書で用いられる「反応ウェル」という用語は、生体試料が配置または捕捉された領域、空間、または構造を指している。改質層１１０は、下部反応ウェル１２０Ｌを含む。いくつかの実施形態では、下部反応ウェル１２０Ｌは、図１に示されるように、改質層１１０の開口部であることができる。従って、下部反応ウェル１２０Ｌの底面は、パッシベーション層１０８の上面であることができる。改質層１１０の材料がパッシベーション層１０８と異なるとき、選択的表面コーティングが行なわれ、生体試料を捕捉でき得る官能基でパッシベーション層１０８を改質し、生体試料を捕捉できない可能性がある別の官能基で改質層１１０を改質することができる。従って、生体試料は、下部反応ウェル１２０Lに局在化されることができる。
もう一つの実施形態では、改質層１１０は、下部反応ウェル１２０Ｌのような開口を有していなくてもよい。下部反応ウェル１２０Ｌは、特定の領域のみが所望の生体試料を捕捉できるように、改質層１１０の表面の一部を改質して形成されてもよい。例えば、改質層１１０の表面上の官能基のいくつかは、所望の生体試料を捕捉できるように改質されてもよい。
カバー２０は、検知素子１０上に配置される。カバー２０は、本質的に、基板１１４、上部光学素子１１６Ａ、およびブロッキング層１１８を含む。基板１１４の材料は、ガラス、サファイア、プラスチック、ポリマー、またはそれらの組み合わせを含むが、これらに限定されない。例えば、プラスチックまたはポリマーは、ビスベンゾシクロブテン（ＢＣＢ）、ポリイミド（ＰＩ）、ポリメチルメタクリレート（ＰＭＭＡ）、シクロオレフィンポリマー（ＣＯＰ）、ポリカーボネート（ＰＣ）、ポリジメチルシロキサン（ＰＤＭＳ）、その他の適切な材料、またはそれらの組み合わせを含むことができるが、これらに限定されない。
上部光学素子１１６Ａは、基板１１４に配置される。上部光学素子１１６Ａは、放物面を有する集束素子である。集束素子の凹面は、フォトダイオード１０４に面している。集束素子の材料は、銀（Ａｇ）、アルミニウム（Ａｌ）、金（Ａｕ）、銅（Ｃｕ）、白金（Ｐｔ）、ニオブ（Ｎｂ）、ニッケル（Ｎｉ）、チタン（Ｔｉ）、タングステン（Ｗ）、その合金、またはそれらの組み合わせを含むことができるが、これらに限定されない。
いくつかの実施形態では、バイオセンサー１００は、上部光学素子１１６Ａと上部反応ウェル１２０Ｕとの間に導波路１２２をさらに含むことができる。
改質層１１８は、基板１１４上に配置される。具体的には、改質層１１８は、上部光学素子１１６Ａ上に配置される。改質層１１８は、上部反応ウェル１２０Ｕを含む。いくつかの実施形態では、上部反応ウェル１２０Ｕは、図１に示されるように、改質層１１８の開口であってもよい。もう一つの実施形態では、改質層１１８は、上部反応ウェル１２０Ｕのような開口を有していなくてもよい。従って、上部反応ウェル１２０Ｕの底面は、導波路層１２２の上面であってもよい。改質層１１８の材料が導波路層１２２と異なるとき、選択的表面コーティングが行なわれ、生体試料を捕捉でき得る官能基で導波路層１２２を改質し、生体試料を捕捉できない可能性がある別の官能基で改質層１１８を改質することができる。従って、生体試料は、上部反応ウェル１２０Lに局在化されることができる。
上部反応ウェル１２０Ｕは、特定の領域のみが所望の生体試料を捕捉できるように、改質層１１８の表面の一部を改質して形成されてもよい。例えば、改質層１１８の表面上の官能基のいくつかは、所望の生体試料を捕捉できるように改質されてもよい。上部反応ウェル１２０Ｕは、上部光学素子１１６Ａに対応する。
生物試料１２４Ｌは、下部反応ウェル１２０Ｌに配置される。生物試料１２４Ｕは、上部反応ウェル１２０Ｕに配置される。まず、図１に示されるように、励起光１２６Ａがバイオセンサー１００に上から照射する。励起光１２６Ａの一部は、上部光学素子１１６Ａによってブロックされる。２つの隣接する上部光学素子１１６Ａ間にギャップがあるため、励起光１２６Ａがギャップを通過したとき、励起光１２６Ａは回折される。従って、励起光１２６Ａは依然として生体試料１２４Ｌを照射および励起することができる。生体試料１２４Ｌからの信号は、フォトダイオード１０４によって得られる。
次いで、励起光１２６Ａがオフにされる。導波路１２２は、励起光１２６Ｂを出射する。いくつかの実施形態では、励起光１２６Ｂの波長は、励起光１２６Ａの波長と同じである。励起光１２６Ｂは、生体試料１２４Ｕを照射および励起する。生体試料１２４Ｕの放射光Ｌは、上部光学素子１１６Ａの凹面で反射され、集束された後、フォトダイオード１０４を照射する。従って、生体試料１２４Ｕからの信号が得られる。
従って、集束素子／構造がカバーに配置されているため、カバーは反応ウェルも有するように設計されることができ、それによりバイオセンサーの反応ウェルの数を増加させる。その結果、バイオセンサーのスループットを大幅に向上させることができる。
図２は、本開示のいくつかの実施形態によるバイオセンサー２００の断面図を示している。バイオセンサー１００の要素または層に対応する同じまたは類似の要素または層は、同じ参照番号で示されていることに留意されたい。いくつかの実施形態では、同じ参照番号で示された同じまたは類似の要素または層は、同じ意味を有し、簡潔にするために繰り返さない。
バイオセンサー２００とバイオセンサー１００との違いの１つは、バイオセンサー２００のカバー２０が基板１１４に配置された上部光学素子１１６Ｂを含むことである。
上部光学素子１１６Ｂは、生体試料１２４Ｕが励起光１２６Ａによって励起されるのを防ぐための遮光層である。遮光層の材料は、銀（Ａｇ）、アルミニウム（Ａｌ）、金（Ａｕ）、銅（Ｃｕ）、白金（Ｐｔ）、ニオブ（Ｎｂ）、ニッケル（Ｎｉ）、チタン（Ｔｉ）、タングステン（Ｗ）、その合金、またはそれらの組み合わせを含むことができるが、これらに限定されない。
上部反応ウェル１２０Ｕは、ボウル状の形状を有する。上部反応ウェル１２０Ｕは側壁を有する。カバー２０は、側壁に配置された集束構造１２８Ａをさらに含む。具体的には、集束構造１２８Ａは、上部反応ウェル１２０Uの側壁にコンフォーマルに配置される。集束構造１２８Ａは反射層である。反射層の材料は、銀（Ａｇ）、アルミニウム（Ａｌ）、金（Ａｕ）、銅（Ｃｕ）、白金（Ｐｔ）、ニオブ（Ｎｂ）、ニッケル（Ｎｉ）、チタン（Ｔｉ）、タングステン（Ｗ）、その合金、またはそれらの組み合わせを含むことができるが、これらに限定されない
従って、生体試料１２４Ｕの放射光Ｌは、集束構造１２８Ａによって反射され、集束された後、フォトダイオード１０４を照射する。従って、生体試料１２４Ｕからの信号が得られる。
従って、集束素子／構造がカバーに配置されているため、カバーは反応ウェルも有するように設計されることができ、それによりバイオセンサーの反応ウェルの数を増加させる。その結果、バイオセンサーのスループットを大幅に向上させることができる。
図３は、本開示のいくつかの実施形態によるバイオセンサー３００の断面図を示している。バイオセンサー２００の要素または層に対応する同じまたは類似の要素または層は、同じ参照番号で示されていることに留意されたい。いくつかの実施形態では、同じ参照番号で示された同じまたは類似の要素または層は、同じ意味を有し、簡潔にするために繰り返さない。
バイオセンサー３００とバイオセンサー２００との違いの１つは、バイオセンサー３００のカバー２０が上部反応ウェル１２０Ｕの側壁に配置された集束構造１２８Ｂを含むことである。
集束構造１２８Ｂは、上部反応ウェル１２０Ｕの側壁の屈折率よりも高い屈折率を有する材料を含む。材料は、酸化ニオブ（Ｎｂ２Ｏ５）、酸化タンタル（Ｔａ２Ｏ５）、酸化チタン（ＴｉＯ２）、窒化ケイ素（Ｓｉ３Ｎ４）、酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）、高屈折率ポリマー、またはこれらの組み合わせが含まれるが、これらに限定されない。屈折率が１．５より高いとき、屈折率は高屈折率とみなされる。
集束構造１２８Ｂの屈折率は、上部反応ウェル１２０Ｕの側壁の屈折率よりも高いため、生体試料１２４Ｕの放射光Ｌが集束構造１２８Ｂから側壁に入射したとき、放射光Ｌは、集束構造１２８Ｂと改質層１１８の側壁との間の界面で部分的に反射される。
従って、生体試料１２４Ｕの放射光Ｌは、反射されて、集束された後、フォトダイオード１０４を照射する。従って、生体試料１２４Ｕからの信号が得られる。
従って、集束素子／構造がカバーに配置されているため、カバーは反応ウェルも有するように設計されることができ、それによりバイオセンサーの反応ウェルの数を増加させる。その結果、バイオセンサーのスループットを大幅に向上させることができる。
図４は、本開示のいくつかの実施形態によるバイオセンサー４００の断面図を示している。バイオセンサー１００の要素または層に対応する同じまたは類似の要素または層は、同じ参照番号で示されていることに留意されたい。いくつかの実施形態では、同じ参照番号で示された同じまたは類似の要素または層は、同じ意味を有し、簡潔にするために繰り返さない。
バイオセンサー４００とバイオセンサー１００との違いの１つは、バイオセンサー４００のカバー２０が基板１１４に配置された上部光学素子１１６Ｃを含むことである。
図５は、本開示のいくつかの実施形態による上部光学素子１１６Ｃの上面図を示している。図５に示されるように、上部光学素子１１６Ｃは同心格子（ｃｏｎｃｅｎｔｒｉｃ ｇｒａｔｉｎｇ）である。
図６Ａ〜図６Ｊは本開示のいくつかの実施形態による、線Ａ−Ａ’に沿った図５の様々な断面図を示している。
上部光学素子１１６Ｃは、上面１１６ＣＴに上部突出構造１１６ＴＰを含むことができ、底面１１６ＣＢに下部突出構造１１６ＢＰを含むことができる。上部光学素子１１６Ｃは、中央に開口を有してもよい。上部突出構造１１６ＴＰは複数の突出部を含み、下部突出構造１１６ＢＰは複数の突出部を含む。
光は、上面１１６ＣＴを照射すると想定する。図６Ａに示すように、上部光学素子１１６Ｃは、上部突出構造１１６ＴＰ、下部突出構造１１６ＢＰ、および開口を含む。上部光学素子１１６Ｃは上部突出構造１１６ＴＰを含むため、光は中心に向かって導かれ、中心に集光される。次いで、上部光学素子１１６Ｃは開口を含むため、光の一部は反射されず、底面１１６ＢＰから放射される。
再度、図４に示すように、上部光学素子１１６Ｃは、図６Ｂ、図６Ｃ、または図６Ｇの上部光学素子と同様であることができる。上部光学素子１１６Ｃは、励起光１２６Ａが生体試料１２４Ｕを照射するのを防ぐことができる。その結果、生体試料１２４Ｕからの放射光Ｌは、上部光学素子１１６Ｃにより集光され、フォトダイオード１０４を照射することができる。従って、フォトダイオード１０４は、生体試料１２４Ｌおよび生体試料１２４Ｕからの放射光を同時に受光しない。
突出構造は光を集光させることができ、開口は光が他の表面から放射されることができるかどうかを決定するということが理解されることができる。突出部の高さ、幅、およびピッチは、どの光の波長が集光されることができるかを決定する。
図７Ａは、本開示のいくつかの実施形態によるバイオセンサー５００の断面図を示している。バイオセンサー２００の要素または層に対応する同じまたは類似の要素または層は、同じ参照番号で示されていることに留意されたい。いくつかの実施形態では、同じ参照番号で示された同じまたは類似の要素または層は、同じ意味を有し、簡潔にするために繰り返さない。
バイオセンサー５００とバイオセンサー２００との違いの１つは、バイオセンサー５００は、改質層１１０および下部反応ウェル１２０Ｌを含まないことである。バイオセンサー５００は、図６Ａ、図６Ｄ、図６Ｈ、または図６Ｉのものと同様であり得る上部光学素子１１６Ｃを含む。上部光学素子１１６Ｃの上部突出構造１１６ＴＰは、励起光１２６Ａに敏感になるように設計されており、励起光１２６Ａは中心に向かって導かれ、中心に集光される。次いで、上部光学素子１１６Ｃは開口を含むため、光の一部は反射されず、底面１１６ＢＰから放射されて生体試料１２４Ｕを励起する。下部反応ウェル１２０Ｌはバイオセンサー５００に含まれていないため、導波管１２２は不要であり得る。いくつかの実施形態では、上部光学素子１１６Ｃの底部突出構造１１６ＢＰは、生体試料１２４Ｕからの放射光Ｌに敏感になるようにさらに設計されることができ、従って、放射光Ｌが増強され、よって信号強度を高めることができる。検知素子１０は、このような変性プロセス（ｄｅｎａｔｕｒｉｎｇ ｐｒｏｃｅｓｓ）などの洗浄プロセスを経ることなく再利用することができる。
図７Ｂは、本開示のいくつかの実施形態によるバイオセンサー６００の断面図を示している。バイオセンサー３００の要素または層に対応する同じまたは類似の要素または層は、同じ参照番号で示されていることに留意されたい。いくつかの実施形態では、同じ参照番号で示された同じまたは類似の要素または層は、同じ意味を有し、簡潔にするために繰り返さない。
バイオセンサー６００とバイオセンサー３００との違いの１つは、バイオセンサー６００は、改質層１１０および下部反応ウェル１２０Ｌを含まないことである。バイオセンサー６００は、図６Ａ、図６Ｄ、図６Ｈ、または図６Ｉのものと同様であり得る上部光学素子１１６Ｃを含む。上部光学素子１１６Ｃの上部突出構造１１６ＴＰは、励起光１２６Ａに敏感になるように設計されており、励起光１２６Ａは中心に向かって導かれ、中心に集光される。次いで、上部光学素子１１６Ｃは開口を含むため、光の一部は反射されず、底面１１６ＢＰから放射されて生体試料１２４Ｕを励起する。下部反応ウェル１２０Ｌはバイオセンサー６００に含まれていないため、導波管１２２は不要であり得る。いくつかの実施形態では、上部光学素子１１６Ｃの底部突出構造１１６ＢＰは、生体試料１２４Ｕからの放射光Ｌに敏感になるようにさらに設計されることができ、従って、放射光Ｌが増強され、よって信号強度を高めることができる。検知素子は、このような変性プロセス（ｄｅｎａｔｕｒｉｎｇ ｐｒｏｃｅｓｓ）などの洗浄プロセスを経ることなく再利用することができる。
図７Ｃは、本開示のいくつかの実施形態によるバイオセンサー７００の断面図を示している。バイオセンサー４００の要素または層に対応する同じまたは類似の要素または層は、同じ参照番号で示されていることに留意されたい。いくつかの実施形態では、同じ参照番号で示された同じまたは類似の要素または層は、同じ意味を有し、簡潔にするために繰り返さない。
バイオセンサー７００とバイオセンサー４００との違いの１つは、バイオセンサー７００は、改質層１１０および下部反応ウェル１２０Ｌを含まないことである。バイオセンサー７００は、図６Ａまたは図６Ｄのものと同様であり得る上部光学素子１１６Ｃを含む。上部光学素子１１６Ｃの上部突出構造１１６ＴＰは、励起光１２６Ａに敏感になるように設計されており、励起光１２６Ａは中心に向かって導かれ、中心に集光される。次いで、上部光学素子１１６Ｃは開口を含むため、光の一部は反射されず、底面１１６ＢＰから放射されて生体試料１２４Ｕを励起する。下部反応ウェル１２０Ｌはバイオセンサー７００に含まれていないため、導波管１２２は不要であり得る。いくつかの実施形態では、上部光学素子１１６Ｃの底部突出構造１１６ＢＰは、生体試料１２４Ｕからの放射光Ｌに敏感になるようにさらに設計されることができ、従って、放射光Ｌが増強され、よって信号強度を高めることができる。検知素子は、洗浄プロセス、例えば変性プロセス（ｄｅｎａｔｕｒｉｎｇ ｐｒｏｃｅｓｓ）を経ることなく再利用されることができる。
図８Ａは、本開示のいくつかの実施形態によるバイオセンサー８００の断面図を示している。バイオセンサー５００の要素または層に対応する同じまたは類似の要素または層は、同じ参照番号で示されていることに留意されたい。いくつかの実施形態では、同じ参照番号で示された同じまたは類似の要素または層は、同じ意味を有し、簡潔にするために繰り返さない。
バイオセンサー８００とバイオセンサー５００との違いの１つは、バイオセンサー８００は、改質層１１０および下部反応ウェル１２０Ｌを含むことである。いくつかの実施形態では、生体試料１２４Ｕは、異なる励起光により励起される。例えば、生体試料１２４Ｌは励起光１２６Ａにより励起され、生体試料１２４Ｕは励起光１２６Ｃにより励起される。励起光１２６Ａと１２６Ｃの波長は異なる。
上部光学素子１１６Ｃは、図６Ａ、図６Ｄ、図６Ｈ、または図６Ｉの上部光学素子と同様であることができる。上部光学素子１１６Ｃの上部突出構造１１６ＴＰは、励起光の１つに敏感になるように設計されている。例えば、上部突出構造１１６ＴＰは、励起光１２６Ｃに敏感である。言い換えれば、上部光学素子１１６Ｃは、励起光１２６Ｃを集光し、励起光１２６Ｃの一部が上部光学素子１１６Ｃを通過するようにさせることができる。対照的に、上部突出構造１１６ＴＰは、励起光１２６Ａに敏感でない。言い換えれば、上部光学素子１１６Ｃは、励起光１２６Ａを集光しない。励起光１２６Ａは、上部光学素子１１６Ｃにより反射される。いくつかの実施形態では、上部光学素子１１６Ｃの底部突出構造１１６ＢＰは、生体試料１２４Ｕからの放射光Ｌに敏感になるようにさらに設計されることができ、従って、放射光Ｌが増強され、よって信号強度を高めることができる。
その結果、生体試料１２４Ｌが下部反応ウェル１２０Ｌに配置されていても、検知素子は、洗浄プロセス、例えば変性プロセスを経ることなく、依然として再利用されることができる。後続の検出を行うには、カバー２０のみを交換する必要がある。
図８Ｂは、本開示のいくつかの実施形態によるバイオセンサー９００の断面図を示している。バイオセンサー６００の要素または層に対応する同じまたは類似の要素または層は、同じ参照番号で示されていることに留意されたい。いくつかの実施形態では、同じ参照番号で示された同じまたは類似の要素または層は、同じ意味を有し、簡潔にするために繰り返さない。
バイオセンサー９００とバイオセンサー６００との違いの１つは、バイオセンサー９００は、改質層１１０および下部反応ウェル１２０Ｌを含むことである。いくつかの実施形態では、生体試料１２４Ｌおよび生体試料１２４Ｕは、異なる励起光によりそれぞれ励起される。例えば、生体試料１２４Ｌは励起光１２６Ａにより励起され、生体試料１２４Ｕは励起光１２６Ｃにより励起される。励起光１２６Ａと１２６Ｃの波長は異なる。
上部光学素子１１６Ｃは、図６Ａ、図６Ｄ、図６Ｈ、または図６Ｉの上部光学素子と同様であることができる。上部光学素子１１６Ｃの上部突出構造１１６ＴＰは、励起光の１つに敏感になるように設計されている。例えば、上部突出構造１１６ＴＰは、励起光１２６Ｃに敏感である。言い換えれば、上部光学素子１１６Ｃは、励起光１２６Ｃを集光し、励起光１２６Ｃの一部が上部光学素子１１６Ｃを通過するようにさせることができる。対照的に、上部突出構造１１６ＴＰは、励起光１２６Ａに敏感でない。言い換えれば、上部光学素子１１６Ｃは、励起光１２６Ａを集光しない。励起光１２６Ａは、上部光学素子１１６Ｃにより反射される。いくつかの実施形態では、上部光学素子１１６Ｃの底部突出構造１１６ＢＰは、生体試料１２４Ｕからの放射光Ｌに敏感になるようにさらに設計されることができ、従って、放射光Ｌが増強され、よって信号強度を高めることができる。
その結果、生体試料１２４Ｌが下部反応ウェル１２０Ｌに配置されていても、検知素子は、洗浄プロセス、例えば変性プロセスを経ることなく、依然として再利用されることができる。後続の検出を行うには、カバー２０のみを交換する必要がある。
図８Ｃは、本開示のいくつかの実施形態によるバイオセンサー１０００の断面図を示している。バイオセンサー７００の要素または層に対応する同じまたは類似の要素または層は、同じ参照番号で示されていることに留意されたい。いくつかの実施形態では、同じ参照番号で示された同じまたは類似の要素または層は、同じ意味を有し、簡潔にするために繰り返さない。
バイオセンサー１０００とバイオセンサー７００との違いの１つは、バイオセンサー１０００は、改質層１１０および下部反応ウェル１２０Ｌを含むことである。いくつかの実施形態では、生体試料１２４Ｌおよび生体試料１２４Ｕは、異なる励起光によりそれぞれ励起される。例えば、生体試料１２４Ｌは励起光１２６Ａにより励起され、生体試料１２４Ｕは励起光１２６Ｃにより励起される。励起光１２６Ａと１２６Ｃの波長は異なる。
上部光学素子１１６Ｃは、図６Ａまたは図６Ｄの上部光学素子と同様であることができる。上部光学素子１１６Ｃの上部突出構造１１６ＴＰは、励起光の１つに敏感になるように設計されている。例えば、上部突出構造１１６ＴＰは、励起光１２６Ｃに敏感である。言い換えれば、上部光学素子１１６Ｃは、励起光１２６Ｃを集光し、励起光１２６Ｃの一部が上部光学素子１１６Ｃを通過するようにさせることができる。対照的に、上部突出構造１１６ＴＰは、励起光１２６Ａに敏感でない。言い換えれば、上部光学素子１１６Ｃは、励起光１２６Ａを集光しない。励起光１２６Ａは、上部光学素子１１６Ｃにより反射される。上部光学素子１１６Ｃの底部突出構造１１６ＢＰは、生体試料１２４Ｕからの放射光Ｌに敏感になるようにさらに設計されることができ、従って、放射光Ｌが増強され、よって信号強度を高めることができる。
その結果、生体試料１２４Ｌが下部反応ウェル１２０Ｌに配置されていても、検知素子は、洗浄プロセス、例えば変性プロセスを経ることなく、依然として再利用されることができる。後続の検出を行うには、カバー２０のみを交換する必要がある。
図９は、本開示のいくつかの実施形態によるバイオセンサー１１００の断面図を示している。バイオセンサー１００の要素または層に対応する同じまたは類似の要素または層は、同じ参照番号で示されていることに留意されたい。いくつかの実施形態では、同じ参照番号で示された同じまたは類似の要素または層は、同じ意味を有し、簡潔にするために繰り返さない。
バイオセンサー１１００とバイオセンサー１００との違いの１つは、バイオセンサー１１００は、下部反応ウェル２１６Ｃを含むことである。図９に示されるように、下部光学素子２１６Ｃは同心格子である。下部光学素子２１６は、図６Ｈまたは図６Ｉと同様であり得る上部突出構造および中央の開口を含む。下部光学素子２１６Ｃの上部突出構造１１６ＴＰは、生体試料１２４Ｕおよび／または１２４Ｌからの放射光Ｌに敏感になるように設計されている。
図９に示すように、カバー２０は、検知素子１０と整列していない。生体試料１２４Ｕからの放射光Ｌは、中心に向かって導かれ、他の表面から放射されることもできる。その結果、フォトダイオード１０４は、生体試料１２４Ｕからの光Ｌを依然として受けることができる。
従って、カバーと検知素子の不整合によって引き起こされる、カバー上の生体試料からの放射光の受信の失敗が適切に解決されることができる。また、検出素子上の生体試料からの放射光は、下部光学素子によって再配向されて垂直光を形成することもでき、それによりクロストークが低減されることができる。
要約すると、本開示の実施形態により提供されるバイオセンサーの利点は、少なくとも以下を含む。
（１） スループットはカバーに集束素子または集束構造を配置することにより、向上されることができる。
（２） 励起光は、集束素子の突出構造を介してさらにブロックされることができる。
（３） 検知素子は、洗浄プロセスを経ることなく再利用でき、カバー上の生体試料の検出を妨げない。
（４） カバーと検出素子の不整合によって引き起こされる、カバー上の生体試料からの放射光の受信の失敗は、適切に解決されることができる。
本開示及びそれらの利点の一部の実施形態が詳細に説明されてきたが、添付の請求の範囲によって定義されるように、本開示の精神および範囲を逸脱せずに、本明細書において種々の変更、置換、および代替をすることができることを理解すべきである。例えば、本明細書で述べられる特徴、機能、プロセス、および材料の多くが本開示の範囲を逸脱することなく変更できることが当業者にとっては容易に理解されるだろう。また、本出願の範囲は、本明細書中に述べられたプロセス、機械、製造、物質の組成、手段、方法、及びステップの特定の実施形態に限定されることを意図するものではない。当業者が本開示の開示から容易に理解するように、本明細書で述べられた対応する実施形態と、実質的に同様の結果を達成する、現存の、または後に開発される、開示、プロセス、機械、製造、物質の組成、手段、方法、またはステップが本開示に従って利用され得る。よって、添付の特許請求の範囲は、上述のプロセス、機械、製造、物質の組成、手段、方法、またはステップをその範囲内に含むように意図される。
１００、２００、３００、４００、５００、６００、７００、８００、９００、１０００、１１００ バイオセンサー
１０ 検知素子
２０ カバー
１０２ 基板
１０４ フォトダイオード
１０６ フィルター層
１０８ パッシベーション層
１１０ 改質層
１１４ 基板
１１６Ａ 上部光学素子
１１６Ｂ 上部光学素子
１１６Ｃ 上部光学素子
１１６ＣＴ 上面
１１６ＴＰ 上部突出構造
１１６ＣＢ 底面
１１６ＢＰ 下部突出構造
１１８ ブロッキング層
１２０Ｕ 上部反応ウェル
１２０Ｌ 下部反応ウェル
１２２ 導波路
１２４Ｕ 生物試料
１２４Ｌ 生物試料
１２６Ａ 励起光
１２６Ｂ 励起光
１２６Ｃ 励起光
Ｌ 放射光
１２８Ａ 集束構造
１２８Ｂ 集束構造
２１６Ｃ 下部反応ウェル

Claims (10)

  1. 検知素子、および
    前記検知素子上に配置されたカバーを含み、
    前記検知素子は、
    フォトダイオードが埋設された第１の基板と、
    前記基板上に配置されたフィルター層とを含み、かつ
    前記カバーは、
    第２の基板、
    前記第２の基板に配置された上部光学素子と、
    前記上部光学素子に配置された上部反応ウェルとを含むバイオセンサー。
  2. 前記上部光学素子は放物面を有する集束素子であり、前記上部光学素子の材料は、銀（Ａｇ）、アルミニウム（Ａｌ）、金（Ａｕ）、銅（Ｃｕ）、白金（Ｐｔ）、ニオブ（Ｎｂ）、ニッケル（Ｎｉ）、チタン（Ｔｉ）、タングステン（Ｗ）、その合金、またはそれらの組み合わせを含む請求項１に記載のバイオセンサー。
  3. 前記上部光学素子は、前記基板に面する底面および前記底面の反対側の上面を有する上部同心格子であり、前記上部同心格子は、前記上面に上部突出構造を含む請求項１に記載のバイオセンサー。
  4. 前記上部光学素子は、前記基板に面する底面および前記底面の反対側の上面を有する上部同心格子であり、前記上部同心格子は、前記下面に下部突出構造を含む請求項１に記載のバイオセンサー。
  5. 前記上部光学素子は、前記基板に面する底面および前記底面の反対側の上面を有する上部同心格子であり、前記上部同心格子は、前記上面に上部突出構造および前記下面に下部突出構造を含む請求項１に記載のバイオセンサー請求項１に記載のバイオセンサー。
  6. 前記上部光学素子は遮光層であり、前記遮光層の材料は、銀（Ａｇ）、アルミニウム（Ａｌ）、金（Ａｕ）、銅（Ｃｕ）、白金（Ｐｔ）、ニオブ（Ｎｂ）、ニッケル（Ｎｉ）、チタン（Ｔｉ）、タングステン（Ｗ）、その合金、またはそれらの組み合わせを含む請求項１に記載のバイオセンサー。
  7. 前記フィルター層に配置された下部反応ウェル、および
    前記フィルター層上のパッシベーション層をさらに含み、
    前記カバーは、前記上部光学素子と前記上部反応ウェルの間に配置された導波路をさらに含む請求項１に記載のバイオセンサー。
  8. 前記フィルター層上に配置された下部光学素子をさらに含み、前記下部光学素子は、前記基板に面する底面および前記底面の反対側の上面を有する下部同心格子であり、前記下部同心格子は、前記上面に上部突出構造を含む請求項１に記載のバイオセンサー請求項１に記載のバイオセンサー。
  9. 前記フィルター層上に配置された下部光学素子をさらに含み、前記下部光学素子は、前記基板に面する底面および前記底面の反対側の上面を有する下部同心格子であり、前記下部同心格子は、開口を含む請求項１に記載のバイオセンサー請求項１に記載のバイオセンサー。
  10. 前記上部反応ウェルは側壁を有し、前記カバーは前記上部反応ウェルの側壁に配置された集束構造をさらに含み、前記集束構造は、前記上部反応ウェルの側壁の屈折率よりも高い屈折率を有する材料を含み、前記材料は、酸化ニオブ（Ｎｂ２Ｏ５）、酸化タンタル（Ｔａ２Ｏ５）、酸化チタン（ＴｉＯ２）、窒化ケイ素（Ｓｉ３Ｎ４）、酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）、および高屈折率ポリマー、またはこれらの組み合わせを含み、前記集束構造は反射層である。



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