KR20220024702A - 통합 디바이스를 위한 광학 나노구조 제거기 및 관련 방법들 - Google Patents

통합 디바이스를 위한 광학 나노구조 제거기 및 관련 방법들 Download PDF

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KR20220024702A
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빙 셴
제임스 비치
카일 프레스톤
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Abstract

포토닉 밴드갭 광학 나노구조물들에 관련된 장치들 및 방법들이 설명된다. 이러한 광학 나노구조물들은 금지된 포토닉 밴드갭들 또는 허용된 포토닉 대역들을 나타낼 수 있고, 제1 파장에서 복사를 제거(예를 들어, 차단 또는 감쇠)하는 한편, 제2 파장에서 복사의 투과를 허용하기 위해 사용될 수 있다. 포토닉 밴드갭 광학 나노구조물들의 예들은 하나, 두 개 또는 세 개의 차원에서의 주기성 또는 준-주기성 및 적어도 두 개의 차원에서의 구조적 변화들을 갖는 주기적 및 준-주기적 구조물들을 포함한다. 이러한 포토닉 밴드갭 광학 나노구조물들은 포토다이오드들, 및 포토다이오드들에 의해 수신되는 복사를 분석하도록 배열된 CMOS 회로를 포함하는 통합 디바이스 내에 형성될 수 있다.

Description

통합 디바이스를 위한 광학 나노구조 제거기 및 관련 방법들
관련 출원들에 대한 교차 참조
본 출원은 35 U.S.C.§119(e) 하에서, 2019년 6월 19일자로 출원되고 대리인 문서번호가 R0708.70061US00이며 발명의 명칭이 "통합 디바이스를 위한 광학 나노구조 제거기 및 관련 방법들(OPTICAL NANOSTRUCTURE REJECTER FOR AN INTEGRATED DEVICE AND RELATED METHODS)"인 미국 가특허 출원 제62/863,635호의 우선권을 주장하며, 그것의 전체내용은 여기에 참조로 포함된다.
기술분야
본 출원은 광학 나노구조물을 사용하여 통합 디바이스에서 원하지 않는 복사(radiation)를 감소시키는 것에 관한 것이다.
샘플들의 분석에 사용되는 기기의 영역에서, (하나 이상의 샘플에 포함되는) 다수의 분석물 또는 시료를 병렬로 분석하기 위해, 미세 가공 칩들(microfabricated chips)이 사용될 수 있다. 일부 경우들에서, 광학 여기 복사(optical excitation radiation)는 별개의 분석들이 수행되는 칩 상의 복수의 개별 사이트에 전달된다. 여기 복사는 각각의 사이트에 있는 시료, 시료에 부착된 형광단(fluorophore), 또는 시료와의 상호작용에 관여하는 형광단을 여기시킬 수 있다. 여기에 응답하여, 복사가 사이트로부터 방출될 수 있고, 방출된 복사는 센서에 의해 검출될 수 있다. 사이트에 대한 방출된 복사로부터 획득된 정보, 또는 방출된 복사의 결여는 해당 사이트에서의 시료의 특성을 결정하기 위해 사용될 수 있다.
포토닉 밴드갭 광학 나노구조물들에 관련된 장치들 및 방법들이 설명된다. 그러한 광학 나노구조물은 금지된 포토닉 밴드갭들(prohibited photonic bandgaps) 또는 허용된 포토닉 밴드갭들(allowed photonic bandgaps)을 나타낼 수 있고, 제1 파장에서 복사를 제거(reject)(예를 들어, 대부분의 복사를 차단 또는 감쇠)하는 한편, 제2 파장에서 복사의 투과를 허용하기 위해 사용될 수 있다. 포토닉 밴드갭 광학 나노구조물들의 예들은 두 개 또는 세 개의 차원의 구조적 변화들(structural variations) 및 하나, 두 개 또는 세 개의 차원에서의 주기성 또는 준-주기성(quasi-periodicity)을 갖는 주기적 및 준-주기적 구조물들을 포함한다. 이러한 포토닉 밴드갭 광학 나노구조물들은 포토다이오드들, CCD 포토다이오드 어레이들, CMOS 포토다이오드 어레이들, 이미지 센서 어레이들, 형광 센서 어레이들 등과 같은 광학 센서들을 포함하는 통합 디바이스 내에 형성될 수 있다. 예시적인 실시예에서, 포토닉 밴드갭 광학 나노구조물은 시료에 전달된 광학적 여기(excitation)에 대한 응답으로 시료에 의해 방출된 복사를 분석하기 위해 광학적 검출이 사용되는, 시료 분석을 위한 기기들과 관련하여 사용될 수 있다. 포토닉 밴드갭 광학 나노구조물들은 이러한 맥락에서 배경 잡음에 기여하는 하나 이상의 파장 대역에서 특정 복사를 감소시키는 한편, 유용한 신호를 포함하는 파장 대역에서는 복사의 투과를 허용하여 신호 대 잡음비를 개선하는 데 유용할 수 있다.
일부 실시예들은 제1 표면을 갖는 기판; 및 기판 상에 형성되는 복수의 픽셀을 포함하는 통합 디바이스에 관한 것이다. 복수의 픽셀 중 적어도 일부는 샘플을 수용하도록 구성되는 반응 챔버; 반응 챔버로부터 방출되는 복사를 검출하도록 구성되는 센서; 여기 복사를 반응 챔버에 결합하도록 구성되는 도파관; 및 도파관과 센서 사이에 배치되는 광학 나노구조물을 포함한다. 광학 나노구조물은 기판의 제1 표면에 실질적으로 평행한 평면에서 구조적 변화들을 포함하도록 패터닝되고, 제1 표면에 실질적으로 수직인 방향에서 광학 나노구조물에 입사하는 여기 복사의 적어도 일부를 제거한다.
일부 실시예들에서, 구조적 변화들은 평면 내의 적어도 하나의 차원에서 주기적 또는 준-주기적이다.
일부 실시예들에서, 광학 나노구조물은 포토닉 밴드갭을 나타낸다.
일부 실시예들에서, 구조적 변화들은 평면 내의 두 개의 차원에서 주기적 또는 준-주기적이다.
일부 실시예들에서, 구조적 변화들은 150nm 내지 500nm의 주기성을 나타낸다.
일부 실시예들에서, 광학 나노구조물은 구조적 변화들 내에서 누락되거나 현저히 상이한 주기적 컴포넌트를 갖지 않는다.
일부 실시예들에서, 광학 나노구조물은 제1 굴절률을 갖는 유전체 재료의 제1 복수의 이산 영역을 포함한다.
일부 실시예들에서, 유전체 재료의 제1 복수의 이산 영역은 평면 내에서 100nm 내지 300nm의 폭을 나타낸다.
일부 실시예들에서, 광학 나노구조물은 유전체 재료의 제2 복수의 이산 영역을 포함하고, 유전체 재료의 제1 및 제2 이산 영역들은 기판의 제1 표면에 수직인 방향을 따라 서로 이격된다.
일부 실시예들에서, 유전체 재료의 제1 및 제2 이산 영역은 평면에 평행한 방향을 따라 서로 엇갈려 있다.
일부 실시예들에서, 유전체 재료의 제1 복수의 이산 영역은 제1 굴절률과 상이한 제2 굴절률을 갖는 재료의 영역들에 의해 분리된다.
일부 실시예들에서, 유전체 재료의 제1 복수의 이산 영역은 평면에 수직인 방향으로 연장된다.
일부 실시예들에서, 유전체 재료의 제1 복수의 이산 영역은 기판의 제1 표면에 수직인 방향을 따라 100nm 내지 300nm의 높이를 나타낸다.
일부 실시예들에서, 통합 디바이스는 반응 챔버와 센서 사이에 배치되는 조리개를 더 포함한다.
일부 실시예들에서, 통합 디바이스는 반응 챔버와 센서 사이에 배치되어 센서 상으로의 방출 복사의 집광(concentration)을 증가시키는 광학 요소를 더 포함한다.
일부 실시예들에서, 광학 요소는 방출 복사의 동일한 파장에 대해 제1 굴절률을 갖는 유전체 재료의 디스크를 포함하고, 제1 굴절률은 디스크를 둘러싸는 재료에 대한 제2 굴절률과 상이하다.
일부 실시예들은 통합 디바이스를 동작시키는 방법에 관한 것이다. 방법은 기판 상에 형성된 도파관으로부터, 도파관에 인접하여 형성된 반응 챔버에 여기 복사를 결합하는 단계 - 여기 복사는 제1 파장을 가짐 -; 반응 챔버로부터의 방출 복사를 광학 나노구조물을 통해 센서에 통과시키는 단계 - 광학 나노구조물은 기판의 제1 표면에 평행한 평면에서 구조적 변화들을 포함하도록 패터닝되고, 방출 복사는 제1 파장과 상이한 제2 파장을 갖고, 여기 복사에 의한 반응 챔버 내의 적어도 하나의 방출기의 여기에 응답하여 생성됨 -; 및 광학 나노구조물로 여기 복사의 적어도 일부를 제거하는 단계를 포함한다.
일부 실시예들에서, 방법은 기판 상에 형성된 센서로 광학 나노구조물을 통과하는 방출 복사의 적어도 일부를 검출하는 단계를 더 포함한다.
일부 실시예들에서, 여기 복사의 일부를 제거하는 단계는 여기 복사의 일부가 광학 나노구조물로부터 반사되게 하는 단계를 포함한다.
일부 실시예들에서, 제1 파장은 광학 나노구조물의 포토닉 밴드갭 내부에 있다.
일부 실시예들에서, 제2 파장은 광학 나노구조물의 포토닉 밴드갭 외부에 있다.
일부 실시예들에서, 구조적 변화들은 평면 내의 적어도 하나의 차원에서 주기적 또는 준-주기적이다.
일부 실시예들에서, 구조적 변화들은 평면 내의 두 개의 차원에서 주기적 또는 준-주기적이다.
일부 실시예들에서, 방법은 반응 챔버로부터의 방출 복사를 조리개를 통해 통과시키는 단계를 더 포함한다.
일부 실시예들에서, 방법은 조리개로 여기 복사를 제거하는 단계를 더 포함한다.
일부 실시예들에서, 방법은 반응 챔버와 광학 나노구조물 사이에 위치된 유전체 디스크로 방출 복사를 집광시키는 단계를 더 포함한다.
일부 실시예들은 통합 디바이스를 제조하기 위한 방법에 관한 것이다. 방법은 제1 표면을 갖는 기판 상에, 복수의 픽셀 중 적어도 일부가 반응 챔버 및 센서를 포함하도록 복수의 픽셀을 형성하는 단계; 복수의 픽셀 중 적어도 일부 내에 도파관을 형성하는 단계; 및 복수의 픽셀 중 적어도 일부 내에서 도파관과 센서 사이에 광학 나노구조물을 형성하는 단계를 포함한다. 광학 나노구조물을 형성하는 단계는 기판의 제1 표면에 실질적으로 평행한 평면에 구조적 변화들을 포함하도록 제1 유전체 재료를 패터닝하는 단계를 포함한다.
일부 실시예들에서, 제1 유전체 재료를 패터닝하는 단계는 제1 유전체 재료에 주기적 또는 준-주기적 패턴들을 형성하는 단계를 포함한다.
일부 실시예들에서, 구조적 변화들을 포함하도록 제1 유전체 재료를 패터닝하는 단계는 제1 유전체 재료 내에 공극들을 형성하기 위해 제1 유전체 재료를 에칭하는 단계를 포함한다.
일부 실시예들에서, 방법은 공극들을 제1 유전체 재료와 상이한 제2 유전체 재료로 채우는 단계를 더 포함한다.
일부 실시예들에서, 방법은 복수의 픽셀 중 적어도 일부에 도파관을 형성하기 전에 평탄화 프로세스 단계를 수행하는 단계를 더 포함한다.
일부 실시예들에서, 도파관을 형성하는 단계는 제1 유전체 재료와 동일한 재료를 사용하여 도파관을 형성하는 단계를 포함한다.
본 교시들의 전술한 및 다른 양태들, 구현들, 동작들, 기능성들, 특징들 및 실시예들은 첨부 도면들과 함께 이하의 설명으로부터 더욱 완전하게 이해될 수 있다.
통상의 기술자는 본 명세서에 설명된 도면이 단지 예시 목적임을 이해할 것이다. 일부 경우들에서, 본 발명의 이해를 용이하게 하기 위해 본 발명의 다양한 양태가 과장되거나 확대되어 보여질 수 있음을 이해해야 한다. 도면들에서, 유사한 참조 문자들은 일반적으로 다양한 도면들 전체에 걸쳐 유사한 특징들, 기능적으로 유사한 및/또는 구조적으로 유사한 요소들을 지칭한다. 도면들은 반드시 비례에 맞는 것은 아니며, 대신에 교시의 원리들을 설명하는 데 중점을 둔다. 도면들은 어떤 식으로든 본 교시의 범위를 제한하도록 의도되지 않는다.
도 1-1은 일부 실시예들에 따른 통합 디바이스의 픽셀에서의 구조물의 예를 도시하는 개략도이다.
도 1-2는 일부 실시예들에 따른 예시적인 광학 나노구조물의 스펙트럼 응답을 도시하는 플롯이다.
도 1-3A는 일부 실시예들에 따라 하나의 차원(x 방향)에서 주기적이고 적어도 두 개의 차원(x 및 z)에서 구조적 변화들을 갖는 광학 나노구조물의 예를 도시하는 평면도이다.
도 1-3B는 일부 실시예들에 따른 복수의 층을 포함하는 광학 나노구조물의 예를 도시하는 입면도이다.
도 1-3C는 일부 실시예들에 따라 두 개의 차원에서 주기적인 광학 나노구조물의 예를 도시하는 평면도이다.
도 1-3D는 일부 실시예들에 따라 두 개의 차원에서 주기적인 광학 나노구조물의 다른 예를 도시하는 사시도이다.
도 1-3E는 일부 실시예들에 따라 하나의 차원에서 준-주기적인 광학 나노구조물의 예를 도시하는 평면도이다.
도 1-3F는 일부 실시예들에 따라 두 개의 차원에서 준-주기적인 광학 나노구조물의 예를 도시하는 평면도이다.
도 1-4A는 일부 실시예들에 따라 도 1-1의 구조물 내에서의 여기 복사의 예시적인 전기장을 도시하는 플롯이고, 여기서 전기장은 제1 파장에서 계산된다.
도 1-4B는 일부 실시예들에 따라 도 1-1의 구조물 내의 반응 챔버로부터 방출될 수 있는 방출 복사의 예시적인 전기장을 도시하는 플롯이고, 여기서 전기장은 제2 파장에서 계산된다.
도 1-5는 일부 실시예들에 따라 두 가지 유형의 광학 나노구조물에 대한 입사각의 함수로서 광학적 제거를 도시하는 플롯이다.
도 2-1은 일부 실시예들에 따른 통합 디바이스의 픽셀에서의 구조물의 다른 예를 도시하는 개략도이다.
도 2-2는 일부 실시예들에 따라 도 2-1의 구조물을 도시하며 방출 복사의 복사선을 포함한다.
도 2-3은 일부 실시예들에 따른 통합 디바이스의 픽셀에서의 구조물의 다른 예를 도시하는 개략도이다.
도 3은 일부 실시예들에 따른 통합 디바이스의 예시적인 구조물의 절단도를 도시한다.
도 4-1A 내지 도 4-1J는 일부 실시예들에 따라 광학 나노구조물을 제조하기 위한 예시적인 방법에 연관된 구조물들을 도시한다.
도 4-2A 내지 도 4-2J는 일부 실시예들에 따라 광학 나노구조물을 제조하기 위한 예시적인 방법에 연관된 구조물들을 도시한다.
도 5-1A는 일부 실시예들에 따른 컴팩트한 모드 고정 레이저 모듈을 포함하는 분석 기기의 블록도 도시이다.
도 5-1B는 일부 실시예들에 따른 분석 기기에 통합된 컴팩트한 모드 고정 레이저 모듈을 도시한다.
도 5-2는 일부 실시예들에 따른 광학 펄스들의 트레인을 도시한다.
도 5-3은 일부 실시예들에 따라, 하나 이상의 도파관을 통해 펄스형 레이저에 의해 광학적으로 여기될 수 있는 병렬 반응 챔버들의 예를 도시하고, 각각의 챔버에 대한 대응하는 검출기들을 더 보여준다.
도 5-4는 일부 실시예들에 따라, 도파관으로부터의 반응 챔버의 광학적 여기를 도시한다.
도 5-5는 일부 실시예들에 따른 통합된 반응 챔버, 광 도파관, 및 타임 비닝 광 검출기의 추가 세부사항을 도시한다.
도 5-6은 일부 실시예들에 따라 반응 챔버 내에서 발생할 수 있는 생물학적 반응의 예를 도시한다.
도 5-7은 상이한 감쇠 특성들을 갖는 두 개의 상이한 형광단에 대한 방출 확률 곡선들을 도시한다.
도 5-8은 일부 실시예들에 따른 형광 방출의 타임 비닝 검출(time-binning detection)을 도시한다.
도 5-9는 일부 실시예들에 따른 타임 비닝 광 검출기를 도시한다.
도 5-10A는 일부 실시예들에 따라 샘플로부터의 형광 방출의 펄스 여기 및 타임 비닝 검출을 도시한다.
도 5-10B는 일부 실시예들에 따라 샘플의 반복된 펄스 여기 후의 다양한 타임 빈들(time bins)에서 축적된 형광 광자 카운트의 히스토그램을 도시한다.
도 5-11A 내지 도 5-11D는 일부 실시예들에 따라 4개의 뉴클레오티드(T, A, C, G) 또는 뉴클레오티드 유사체에 대응할 수 있는 상이한 히스토그램들을 도시한다.
도 6-1A는 일부 실시예들에 따라 광학 나노구조물의 설계에 사용하기 위한 제1 예시적인 실리콘-풍부 질화물 재료에 대해 굴절률 및 소광 계수 대 파장의 그래프를 도시한다.
도 6-1B는 일부 실시예들에 따라 광학 나노구조물의 설계에 사용하기 위한 제2 예시적인 실리콘-풍부 질화물 재료에 대해 굴절률 및 소광 계수 대 파장의 그래프를 도시한다.
본 발명의 특징들 및 장점들은 도면들과 관련하여 취해질 때 아래에 제시된 상세한 설명으로부터 더욱 명백해질 것이다. 도면들을 참조하여 실시예들을 설명할 때, 방향 참조들("위", "아래", "최상부", "최하부", "좌측", "우측", "수평", "수직" 등)이 사용될 수 있다. 이러한 참조들은 독자가 정상적인 방향으로 도면을 보는 데 도움을 주기 위한 것으로서만 의도된다. 이러한 방향 참조들은 구현된 디바이스의 특징들의 선호되는 또는 유일한 배향을 설명하도록 의도된 것이 아니다. 디바이스는 다른 배향들을 사용하여 구현될 수 있다.
I. 광학 나노구조 제거기(Optical Nanostructure Rejecter)를 갖는 통합 디바이스
이하에서는, 샘플들을 분석하는 기기들에 주로 관련하여 광학 나노구조 제거기의 실시예들이 설명된다. 그러나, 본 발명의 실시예들은 샘플들을 분석하는 기기들로만 제한되지 않는다. 광학 나노구조 제거기들은 광학 이미징 디바이스들, 광학 센서들, 반도체 레이저들 또는 발광 다이오드들 등과 같은 다른 응용들에 유용할 수 있다.
샘플들을 분석하기 위한 기기들은 계속 개선되고 있으며, 기기의 전체 크기를 감소시키는 데 도움이 될 수 있는 미세 가공 디바이스들(예를 들어, 전자 칩들, 광전자 칩들, 미세 유체 칩들 등)을 통합할 수 있다. 분석될 샘플들은 공기(예를 들어, 유해 가스 누출, 연소 부산물, 또는 독성 화학 성분에 대한 감지), 물 또는 다른 섭취 가능한 액체들, 식품 샘플들, 및 대상체로부터 채취된 생물학적 샘플들(혈액, 소변 등)을 포함할 수 있다. 일부 경우들에서, 기술자 또는 의료 인력들이 서비스가 필요한 현장으로 기기를 쉽게 운반하여 샘플을 빠르고 정확하게 분석할 수 있도록, 샘플들을 분석하기 위한 휴대용 핸드핼드 기기들을 갖는 것이 바람직하다. 임상 세팅들에서, 인간 유전자의 시퀀싱 또는 일반 혈액 검사 분석과 같은 더 복잡한 샘플 분석을 위해, 데스크탑 크기의 기기가 요구될 수 있다.
둘 다가 여기에 참조로 포함되는 미국 특허 출원 공개 제2015/0141267호 및 미국 특허 제9,617,594호에 설명된 것들과 같은 고급 분석 기기들에서, 일회용 통합 디바이스("칩" 및 "일회용 칩"으로도 지칭됨)는 대규모 병렬 샘플 분석들을 수행하기 위해 사용될 수 있다. 통합 디바이스는 하나의 샘플 또는 상이한 샘플들의 병렬 분석들을 위해 배열된 반응 챔버들을 갖는 다수의 픽셀이 존재할 수 있는 패키징된 생체 광전자 칩(bio-optoelectronic chip)을 포함할 수 있다. 예를 들어, 생체 광전자 칩 상의 반응 챔버들을 갖는 픽셀들의 수는 약 10,000개 내지 약 10,000,000개일 수 있다. 일부 실시예들에서, 일회용 칩은 고급 분석 기기의 리셉터클 내에 장착될 수 있고, 기기의 광학 및 전자 컴포넌트들과 인터페이스할 수 있다. 일회용 칩은 각각의 새로운 샘플 분석을 위해 사용자에 의해 쉽게 교체될 수 있다.
도 1-1은 예를 들어 생체 광전자 칩의 픽셀에 포함될 수 있는 일부 컴포넌트들을 도시하는 단순화된 도면이다. 샘플 분석 디바이스에서, 픽셀은 기판(1-105) 상에 형성된 반응 챔버(1-130), 광 도파관(1-115), 광학 나노구조물(1-135), 및 센서(1-122)를 포함할 수 있다. 도파관(1-115)은 원격 광학 소스로부터 픽셀로 광학 에너지를 전송할 수 있고, 여기 복사를 반응 챔버(1-130)에 제공할 수 있다. 일부 실시예들에서, 도파관(1-115)에 의해 전송되는 여기 복사는 소멸 결합(evanescent coupling)을 통해 반응 챔버(1-130)에 결합될 수 있다. 화살표(1-140)는 도파관(1-115)으로부터의 여기 복사가 반응 챔버(1-130)에 결합하는 것을 도시한다. 여기 복사는 반응 챔버(1-130)에 존재하는 하나 이상의 분석물을 여기시킬 수 있다. 분석물(들)로부터 방출된 복사는 센서(1-122)에 의해 검출될 수 있다. 화살표(1-142)는 하향 방향으로 전파하는 방출 복사를 도시한다(그러나, 방출 복사선들은 다른 각도들에서 방출될 수 있음). 일부 실시예들에 따라, 센서(1-122)로부터의 신호 또는 그것의 결여는 반응 챔버(1-130) 내의 분석물의 존재 또는 부재에 관한 정보를 제공할 수 있다. 일부 구현들에서, 센서(1-122)로부터의 신호는 반응 챔버에 존재하는 분석물의 유형을 식별할 수 있다.
샘플 분석을 위해, 하나 이상의 분석물을 포함하는 샘플이 반응 챔버(1-130) 위에 퇴적될 수 있다. 예를 들어, 샘플은 반응 챔버(1-130) 위의 저장소 또는 미세유체 채널에 배치될 수 있고, 그에 의해 샘플은 반응 챔버와 접촉하게 된다. 일부 경우들에서, 샘플은 반응 챔버(1-130)를 포함하는 처리된 표면 상에 액적으로서 인쇄될 수 있다. 샘플 분석 동안, 분석될 샘플로부터의 적어도 하나의 분석물이 반응 챔버(1-130)에 들어갈 수 있다. 일부 구현들에서, 분석물 자체가 도파관(1-115)으로부터 전달된 여기 복사(1-140)에 의해 여기될 때 형광을 발할 수 있다. 일부 경우들에서, 분석물은 하나 이상의 링크된 형광 분자를 지닐 수 있다. 또 다른 경우들에서, 분석물은 반응 챔버(1-130) 내에 이미 존재하는 형광단을 켄칭할 수 있다. 형광 개체가 반응 챔버에 들어가고 여기 복사에 의해 여기될 때, 형광 개체는 여기 복사와는 다른 파장에서 복사를 방출할 수 있으며, 이는 센서(1-122)에 의해 검출된다.
본 발명자들은 도파관(1-115)을 따라 이동하는 여기 복사의 일부가 도파관(1-115)으로부터 멀리 복사될 수 있고, 일부 상황들에서는 (도파관으로부터 직접 오는 것인지 또는 반사 및/또는 산란에 의한 것인지에 상관없이) 센서(1-122)에 의해 수신 및 검출될 수 있음을 인식하고 이해했다. 여기 복사의 검출은 방출 복사의 검출을 방해하고 신호 대 잡음비를 감소시킬 수 있다. 이는 결국 샘플들을 분석하거나 식별하는 디바이스의 능력에 부정적인 영향을 미칠 수 있다.
도파관(1-115)으로부터 멀어지는 여기 에너지의 복사(화살표(1-144)에 의해 표시됨)는 도파관 측벽들의 거칠기로 인해, 또는 도파관, 인접 재료와의 도파관 계면, 또는 인접 재료 내의 다른 결함들의 존재로 인해 발생할 수 있는 도파관 자체로부터의 산란에 기인하여 발생할 수 있다. 추가적으로 또는 대안적으로, 여기 에너지는 도파관 코어의 굴절률과 도파관 클래딩의 굴절률 간의 차이가 유한하다는 사실로 인해 도파관으로부터 멀리 복사될 수 있고, 그에 의해 센서(1-122)를 향해 확장되는 소멸 필드들을 발생시킬 수 있다.
본 발명자들은 도파관(1-115)과 센서(1-122) 사이에 광학 나노구조물(1-135)과 같은 광학 제거기를 삽입함으로써 여기 복사의 검출이 감소되어 신호 대 잡음비를 개선할 수 있음을 인식하고 이해했다. 광학 나노구조물은 여기 복사와 방출 복사 사이의 특성 파장의 차이에 기초하여 신호와 잡음을 구별하도록 구성될 수 있다. 광학 나노구조물은 여기 복사(1-144)를 제거(예를 들어, 여기 복사의 대부분을 차단 또는 감쇠)하는 한편, 방출 복사(1-142)가 통과하여 센서(1-122)에 도달하는 것을 허용하도록 설계될 수 있다. 일부 경우들에서, 광학 나노구조물(1-135)에 입사하고 센서(1-122)를 향해 이동하는 방출 복사(1-142)의 대부분은 광학 나노구조물을 통해 투과된다. 일부 실시예들에서, 광학 나노구조물은 적어도 하나의 포토닉 밴드갭(photonic bandgap)을 나타내도록 설계된 광학 나노구조물을 포함할 수 있으며, 이에 의해 광학 나노구조물(1-135)에 입사되고 포토닉 밴드갭 내의 파장을 갖는 광학 에너지가 제거된다.
본 발명자들은 포토닉 밴드갭 광학 제거기들이 하나, 두 개 또는 세 개의 차원에서의 주기성, 또는 적어도 두 개의 차원에서의 구조적 변화들을 갖는 주기적(또는 준-주기적) 광학 나노구조물을 형성함으로써 달성될 수 있음을 인식하고 이해했다. 일부 실시예들에서, 주기성(또는 준-주기성)은 광의 전파가 금지되는 스펙트럼 밴드(포토닉 밴드갭)를 발생시킬 수 있다. 이러한 속성은 주기적인 고체 상태 결정 내부에서 금지되는 특정 파장을 갖는 블로흐 파동들(Bloch waves)과 유사하다. 금지된 밴드갭 내에서, 광학 나노구조물에 입사하는 복사는 소멸적으로 간섭하고, 결과적으로 제거된다. 일부 실시예들에서, 광학 나노구조물은 여기 복사의 파장이 금지된 포토닉 밴드갭 내부에 있는 한편, 방출 복사의 파장은 금지된 포토닉 밴드갭 외부에 있도록 설계될 수 있다. 결과적으로, 방출 복사는 투과되고 여기 복사는 반사된다. 일부 구현들에서, 방출 복사의 대부분이 투과되고 여기 복사의 대부분이 반사된다. 일부 구현들에서, 방출 복사의 75% 내지 95%가 투과되고 여기 복사의 75% 내지 95%가 반사된다. 일부 구현들에서, 방출 복사의 85% 내지 99%가 투과되고 여기 복사의 85% 내지 99%가 반사된다.
일부 실시예들에 따르면, 광학 나노구조물이 (금지된 포토닉 밴드갭이 아닌) 허용된 포토닉 대역을 나타내도록 설계되는 반대 성능이 획득될 수 있다. 이러한 실시예들에서, 허용된 포토닉 대역 내부의 파장들은 투과되고 허용된 대역 외부의 파장들은 제거된다. 일부 그러한 실시예들에서, 광학 나노구조물은 여기 복사의 파장이 허용된 포토닉 대역 외부에 있는 반면, 방출 복사의 파장이 허용된 포토닉 대역 내부에 있도록 설계될 수 있다. 그 결과, 포토닉 밴드갭 광학 나노구조물과 관련하여 위에서 설명된 양에 따라, 방출 복사는 (적어도 부분적으로) 투과되고 여기 복사는 (적어도 부분적으로) 반사된다.
위에서 언급한 바와 같이, 본 명세서에 설명된 유형들의 광학 나노구조물들은 도 1-1에 설명된 구조를 갖는 통합 디바이스들에 관련하여만 사용하는 것으로 제한되지 않는다. 더 일반적으로, 본 명세서에 설명된 광학 나노구조물들의 실시예들은 하나 이상의 파장 또는 하나 이상의 파장 범위를 제거하는 것이 바람직하고 하나 이상의 파장 또는 하나 이상의 파장 범위의 투과를 허용하는 것이 바람직한 응용들에서 사용될 수 있다. 다른 가능한 맥락들 중에서, 본 명세서에 설명된 광학 나노구조물들은 광학 통신 시스템, 광학 이미징 시스템, 라이다 시스템 등과 함께 사용될 수 있다.
도 1-2는 일부 실시예들에 따라 예시적인 광학 나노구조물의 시뮬레이션된 스펙트럼 응답들을 도시하는 플롯이다. 구체적으로, 도 1-2는 예시적인 광학 나노구조물에 연관된 반사 계수(1-202), 투과 계수(1-204) 및 흡수 계수(1-206)를 파장의 함수로서 도시한다. 반사 계수는 반사된 복사의 전력과 입사 복사의 전력 사이의 비율을 표현한다. 투과 계수는 투과된 복사의 전력과 입사 복사의 전력 사이의 비율을 표현한다. 흡수 계수는 흡수된 전력과 입사 복사의 전력 사이의 비율을 표현한다. 도 1-2에 도시된 바와 같이, 이 광학 나노구조물은 약 515nm 내지 약 550nm의 금지된 포토닉 밴드갭(1-201)을 나타낸다. 금지된 포토닉 밴드갭(1-201) 내의 파장들에 대해, 투과 계수(1-204)는 0.1보다 작으며, 이는 입사 전력의 10% 미만이 광학 나노구조물을 통과함을 나타낸다. 나머지 전력은 반사되거나 흡수된다. 이러한 경우에서, 입사 전력의 50% 내지 80%는 반사되고 나머지 전력은 흡수된다. 예시적인 광학 나노구조물의 세부사항은 아래에 제공된다.
금지된 포토닉 밴드갭(1-201) 외부의 파장들에 대해, 더 많은 양의 입사 전력이 광학 나노구조물을 통해 투과될 수 있다. 예를 들어, 570nm보다 큰 파장에서 입사 전력의 50% 이상이 투과될 수 있다. 600nm보다 큰 파장에서 입사 전력의 90% 이상이 투과될 수 있다. 일부 실시예들에서, 광학 나노구조물은 여기 복사의 파장이 포토닉 밴드갭(1-201) 내에 있고 방출 복사의 파장이 포토닉 밴드갭(1-201) 외부에 있도록 설계될 수 있다. 이러한 나노구조물에 대한 하나의 특정 예에서, 여기 복사는 510nm 내지 550nm의 파장을 가질 수 있고 방출 파장은 560nm 내지 700nm일 수 있다. 여기 및 방출 파장의 다른 값들도 상이한 파장 범위에서 포토닉 밴드갭을 갖도록 설계된 광학 나노구조물에 대해서 가능하다. 포토닉 밴드갭들은 제한된 대역폭들을 가질 수 있다. 대역폭은 예를 들어 150nm 미만, 100nm 미만, 50nm 미만, 또는 30nm 미만일 수 있다.
도 1-2에 플롯팅된 결과들에 대해, 예시적인 나노구조물은 2차원 주기적 광학 나노구조물이었다(이것의 예는 도 1-3D에 도시됨). 나노구조물은 실리콘 산화물 재료의 단일 층에 형성된 실리콘 질화물 포스트들의 입방 구조로서 배열되었다. 포스트들의 주기성(p3)은 250nm였고, 포스트 폭(w3)은 140nm였다. 층의 두께는 125nm였다.
포토닉 밴드갭(1-201)의 스펙트럼 위치, 및 포토닉 밴드갭 내부 및 외부의 계수 값들은 아래에서 더 설명되는 바와 같이, 나노구조물의 상이한 구조적 특징들(예를 들어, 주기성, 재료, 포스트 폭 또는 라인 폭, 포스트 형상 등)에 의존할 수 있다. 일부 실시예들에서, 광학 나노구조물의 특징부들(features)은 분석될 샘플들의 유형 및/또는 이용가능한 여기 소스 및 방출기들의 유형에 의존하여 조절될 수 있다. 일부 실시예들에서, 구조적 특징부들은 포토닉 밴드갭 내의 입사 복사에 대해, 일부 실시예들에서는 최종 값들을 포함하여 25% 내지 15%, 일부 실시예들에서는 최종 값들을 포함하여 15% 내지 10%, 일부 실시예들에서는 최종 값들을 포함하여 10% 내지 5%, 그리고 또한 일부 실시예들에서는 최종 값들을 포함하여 5% 내지 1%가 나노구조물을 통해 투과되도록 조절될 수 있다. 일부 경우들에서, 포토닉 밴드갭 내의 입사 복사의 1% 미만이 나노구조물을 통해 투과된다. 일부 실시예들에서, 구조적 특징부들은 포토닉 밴드갭 외부의 입사 복사에 대해, 일부 실시예들에서는 최종 값들을 포함하여 50% 내지 75%, 일부 실시예들에서는 최종 값들을 포함하여 75% 내지 90%, 일부 실시예들에서는 최종 값들을 포함하여 90% 내지 95%, 그리고 또한 일부 실시예들에서는 최종 값들을 포함하여 95% 내지 99%가 광학 나노구조물을 통해 투과되도록 조절될 수 있다. 일부 경우들에서, 포토닉 밴드갭 외부의 입사 복사의 99% 초과가 광학 나노구조물을 통해 투과된다.
도 1-2의 스펙트럼 응답은 금지된 포토닉 밴드갭을 나타내도록 설계되어, 포토닉 밴드갭 내부의 파장들을 갖는 복사는 제거되고 포토닉 밴드갭 외부의 파장들을 갖는 복사는 투과되게 하는 광학 나노구조물에 관한 것이다. 대안적으로, 광학 나노구조물들은 허용된 포토닉 대역을 나타내도록 설계되어, 허용된 포토닉 대역 내의 파장들을 갖는 복사는 투과되고 허용된 포토닉 대역 외부의 파장들을 갖는 복사는 제거되게 할 수 있다. 하나의 그러한 나노구조물의 스펙트럼 응답(도 1-2에 도시되지 않음)은 허용된 포토닉 대역 내에서는 높은 투과 계수(예를 들어, 일부 실시예들에서는 최종 값들을 포함하여 50% 내지 75%, 일부 실시예들에서는 최종 값들을 포함하여 75% 내지 90%, 일부 실시예들에서는 최종 값들을 포함하여 90% 내지 95%, 그리고 또한 일부 실시예들에서는 최종 값들을 포함하여 95% 내지 99%)를 나타낼 수 있고, 허용된 포토닉 대역 외부에서는 낮은 투과 계수(예를 들어, 일부 실시예들에서는 최종 값들을 포함하여 25% 내지 15%, 일부 실시예들에서는 최종 값들을 포함하여 15% 내지 10%, 일부 실시예들에서는 최종 값들을 포함하여 10% 내지 5%, 그리고 또한 일부 실시예들에서는 최종 값들을 포함하여 5% 내지 1%)를 나타낼 수 있다. 이러한 광학 나노구조물들은 여기 복사들의 파장이 허용된 포토닉 대역 외부에 있고 방출 복사의 파장이 허용된 포토닉 대역 내부에 있도록 설계될 수 있다.
다시 도 1-1을 참조하면, 반응 챔버(1-130)는 투명 또는 반투명 층(1-110)으로 형성될 수 있다. 일부 실시예들에 따르면, 반응 챔버는 50㎚ 내지 1㎛의 깊이를 가질 수 있다. 일부 실시예들에서, 반응 챔버(1-130)의 최소 직경은 50㎚ 내지 300㎚일 수 있다. 반응 챔버(1-130)가 제로 모드 도파관으로서 형성된다면, 일부 경우들에서, 최소 직경은 50㎚보다도 작을 수 있다. 큰 분석물이 분석되어야 하는 경우, 최소 직경은 300㎚보다 클 수 있다. 반응 챔버는 반응 챔버의 바닥이 도파관(1-115)의 최상부보다 최대 500㎚ 높을 수 있도록 광 도파관(1-115) 위에 위치될 수 있다. 일부 실시예들에 따르면, 광 도파관(1-115)으로부터의 여기 복사, 및 반응 챔버(1-130)로부터의 방출 복사가 예를 들어 10% 넘게 감쇠되지 않고서 투명 또는 반투명 층(1-110)을 통과하도록, 투명 또는 반투명 층(1-110)은 산화물 또는 질화물로 형성될 수 있다.
일부 구현들에서, 기판(1-105) 상에 형성되고 기판과 광 도파관(1-115) 사이에 위치되는 하나 이상의 추가 투명 또는 반투명 층(1-137)이 존재할 수 있다. 이러한 추가 층들은 산화물 또는 질화물로 형성될 수 있고, 일부 구현들에서 투명 또는 반투명 층(1-110)과 동일한 유형의 재료일 수 있다. 광학 나노구조물(1-135)은 예를 들어 도파관(1-115)과 센서(1-122) 사이의 이러한 추가 층들(1-137) 내에 형성될 수 있다. 광 도파관(1-115)의 바닥으로부터 센서(1-122)까지의 거리는 500㎚ 내지 10㎛일 수 있다.
다양한 실시예들에서, 기판(1-105)은 실리콘과 같은 반도체 기판을 포함할 수 있다. 그러나, 일부 실시예들에서, 다른 반도체 재료들이 사용될 수 있다. 센서(1-122)는 기판(1-105) 상에 패터닝되고 형성되는 반도체 포토다이오드를 포함할 수 있다. 센서(1-122)는 상호연결부들(1-170)을 통해 기판 상의 다른 상보성 금속 산화물 반도체(complementary metal-oxide-semiconductor)(CMOS) 회로에 연결될 수 있다.
광학 나노구조물(1-135)은 금지된 포토닉 밴드갭 또는 허용된 포토닉 대역을 나타내도록 배열될 수 있다. 위에서 설명된 바와 같이, 포토닉 밴드갭 또는 허용된 대역의 스펙트럼 위치는 여기 복사를 제거하고 방출 복사가 나노구조물을 통해 센서(1-122)까지 통과하는 것을 허용하도록 선택될 수 있다. 일부 실시예들에서, 광학 나노구조물(1-135)은 기판(도 1-1의 xy 평면)의 표면(예를 들어, 표면(1-107))에 평행한 평면에서 구조적 변화들 및 주기성을 포함하도록 패터닝된다. 일부 실시예들에서, 광학 나노구조물(1-135)은 xy 평면에서 주기적(또는 준-주기적)인 구조적 변화들을 가질 수 있다. 구조적 변화들은 x축 또는 y축을 따르는 것과 같은 하나의 차원에서, 또는 x축 및 y축을 따르는 것과 같은 두 개의 차원에서 주기적(또는 준-주기적)일 수 있다. 일부 실시예들에서, 구조적 변형들은 상이한 굴절률들을 갖는 두 개 이상의 재료를 포함할 수 있다.
일부 실시예들에 따라, 하나의 차원에서의 주기성과 적어도 두 개의 차원에서 구조적 변화들을 갖는 광학 나노구조물의 예가 도 1-3A에 도시되어 있다. 구현된 1차원 구조물에서, 바들(bars)은 y 방향에서 주기성 또는 피치(P1)보다 훨씬 큰 유한 거리만큼 확장될 수 있다. 일부 구현들에서, y 방향의 연장된 거리는 관심 영역(예를 들어, 반응 챔버(1-130)의 직경, 도파관(1-115)의 폭, 또는 센서(1-122)의 직경)보다 훨씬 더 크다. 도 1-3A는 기판(1-105)의 표면(1-107)에 평행하거나 실질적으로 평행한 하나의 축(이 예에서 x축)을 따라 주기적인 광학 나노구조물을 도시한다. 이러한 예에서, 광학 나노구조물(1-135)은 주기적 방식으로 x축을 따라 교대하는 2개의 재료(1-302 및 1-304)를 포함한다. 재료들(1-302 및 1-304)은 방출 복사의 파장에서 상이한 굴절률들을 갖고/거나 여기 복사의 파장에서 상이한 굴절률들을 갖는다. 일부 실시예들에서, 광학 나노구조물은 구조적 변화들 내에서 누락되거나 현저히 상이한 주기적 컴포넌트를 갖지 않는다. 일부 실시예들에서, 2개 초과의 재료가 사용될 수 있고, 주기적 패턴으로 배열될 수 있음(예를 들어, 2개의 재료를 교대시키거나 도시된 패턴에 제3 재료를 주기적으로 추가함)을 이해해야 한다.
본 명세서에 설명된 실시예들에 따른 광학 나노구조물을 형성하기 위해 임의의 적합한 재료들(1-302 및 1-304)이 사용될 수 있다. 예시적인 재료들은 유전체 및 전도성 재료들 중 하나 또는 둘 다를 포함하지만 이에 제한되지는 않는다. 이러한 유전체 및 전도성 재료들의 예들은 실리콘(비정질, 나노결정, 마이크로결정, 단결정 또는 다결정, 도핑 또는 도핑되지 않음), 실리콘 질화물, 실리콘 탄화물, 실리콘 산화물 및 이들의 합금들 또는 혼합물들(특히, 실리콘-풍부 질화물 및/또는 질소-도핑된 실리콘을 포함함), 공기, 중합체, 알루미늄, 구리, 티타늄 질화물, 텅스텐, 티타늄 산화물, 게르마늄, 탄탈럼 등을 포함한다. 일례에서, 재료(1-302)는 실리콘을 포함하고, 재료(1- 304)는 실리콘 질화물을 포함한다. 다른 예에서, 재료(1-302)는 실리콘을 포함하고, 재료(1-304)는 실리콘 산화물을 포함한다. 다른 예에서, 재료(1-302)는 실리콘을 포함하고, 재료(1-304)는 중합체를 포함한다. 다른 예에서, 재료(1-302)는 실리콘 질화물을 포함하고, 재료(1-304)는 실리콘 산화물을 포함한다. 다른 예에서, 재료(1-302)는 실리콘 질화물을 포함하고, 재료(1-304)는 공기를 포함한다. 다른 조합들도 가능하다.
본 발명자들은 특정 n(굴절률) 및 k(소광 계수)를 갖는 실리콘-풍부 질화물 재료들을 포함하는 특정 재료들이 성능을 최적화하기 위해 광학 나노구조물(1-135)의 설계에 사용될 수 있음을 발견했다. 이러한 재료들은 예를 들어 광학 나노구조물의 설계에서 필터들로서 사용되거나, 본 명세서에 설명된 바와 같이 광학 나노구조물(1-135)을 형성하기 위해 사용될 수 있다. 이러한 재료들의 비-제한적인 예는 실리콘-풍부 질화물 재료들을 포함한다. 실리콘-풍부 질화물 재료들의 두 가지 예인 실리콘-풍부 질화물 I 및 실리콘-풍부 질화물 II의 특성들은 각각 도 6-1A 및 도 6-1B의 그래프들에 도시되어 있다. 각각의 그래프에는 재료의 n 및 k 값 대 파장이 보여져 있다.
도 1-3A의 도시된 예에서, 광학 나노구조물(1-135)은 x축을 따라 주기적으로 반복되는 단위 셀을 포함한다. 단위 셀이 반복되는 주기성(P1)은 일부 실시예들에서는 150nm 내지 2㎛, 일부 실시예들에서는 150nm 내지 1㎛, 일부 실시예들에서는 150nm 내지 500nm, 일부 실시예들에서는 150nm 내지 400nm, 일부 실시예들에서는 150nm 내지 300nm, 일부 실시예들에서는 200nm 내지 300nm, 일부 실시예들에서는 230nm 내지 270nm, 또는 일부 실시예들에서는 240nm 내지 260nm일 수 있다. 다른 범위들도 가능하다. x축을 따른 제1 재료(1-302)의 폭(W1)은 일부 실시예들에서는 50nm 내지 1㎛, 일부 실시예들에서는 50nm 내지 500nm, 일부 실시예들에서는 100nm 내지 500nm, 일부 실시예들에서는 100nm 내지 300nm, 일부 실시예들에서는 150nm 내지 300nm, 일부 실시예들에서는 100nm 내지 250nm, 일부 실시예들에서는 150nm 내지 250nm, 일부 실시예들에서는 100nm 내지 150nm, 일부 실시예들에서는 150nm 내지 200nm, 일부 실시예들에서는 130nm 내지 150nm, 일부 실시예들에서는 130nm 내지 140nm일 수 있다. 일부 실시예들에서, 주기성(P1) 및 폭(W1)은 결과적인 광학 나노구조물의 스펙트럼 응답이 여기 복사를 제거하고 방출 복사의 통과를 허용하도록 선택될 수 있다. 예를 들어, P1 및 W1은 선택된 여기 복사의 특성 파장이 금지된 포토닉 밴드갭 내부에 있고 결과적인 방출 복사의 특성 파장이 금지된 포토닉 밴드갭 외부에 있도록, 또는 방출 복사의 파장이 허용된 포토닉 대역 내부에 있고 여기 복사의 파장이 허용된 포토닉 대역 외부에 있도록 선택될 수 있다.
재료들(1-302 및 1-304)은 도 4-1A 내지 도 4-1J와 관련하여 아래에서 논의되는 제조 프로세스를 사용하는 것과 같은 임의의 적절한 방식으로 광학 나노구조물로 형성될 수 있다. 일부 실시예들에서, 재료들(1-302 및 1-304)은 예를 들어 적절하게 설계된 포토마스크(들) 및 포토리소그래피 프로세스들을 사용함으로써 하나 이상의 리소그래피 단계를 통해 패터닝될 수 있다. 일부 실시예들에서, 재료(1-302)는 도 1-3A의 예에 도시된 바와 같이 y축을 따라 연장되는 복수의 바를 포함하지만, 상이한 형상들 및 배향들도 가능하다.
일부 실시예들에서, 광학 나노구조물(1-135)은 주기적 또는 준-주기적 방식으로 배열된 복수의 재료 층을 포함할 수 있다. 일부 실시예들에서, 복수의 층을 갖는 것은 광학 나노구조물의 투과 및/또는 반사 계수를 향상시킬 수 있다. 예를 들어, 복수의 층을 갖는 것은 금지된 포토닉 밴드갭 내부에서의 반사 계수의 증가 및 금지된 포토닉 밴드갭 외부에서의 투과 계수의 증가를 초래할 수 있거나, 허용된 포토닉 대역 내부에서의 투과 계수의 증가 및 허용된 포토닉 대역 외부에서의 반사 계수 증가를 초래할 수 있다.
도 1-3B는 일부 실시예들에 따라 주기적 방식으로 배열된 복수의 재료 층을 갖는 나노구조물의 예시적인 입면도를 도시한다. 이 예는 z 방향으로 적층된 4개의 층을 갖는 광학 나노구조물을 도시하지만, 임의의 다른 적절한 수의 층이 사용될 수 있다. 다층 광학 나노구조물에서, 각각의 층은 기판(1-105)의 표면(1-107)에 수직인 축을 따라(예를 들어, z축을 따라) 상이한 위치에 형성될 수 있다. 일부 경우들에서, 각각의 층은 (예를 들어, 도 1-3A에 보여진 바와 같이) 하나의 차원에서 주기적인, 또는 (예를 들어, x축 및 y축을 따라) 두 개의 차원에서 주기적인 패터닝된 재료들(1-302, 1-304)을 포함할 수 있다. 도 1-3B의 광학 나노구조물은 제1 재료(예를 들어, 유전체 재료 또는 전도성 재료)의 제1 복수의 이산 영역(1-302), 및 상이한 굴절률을 갖는 제2 재료(예를 들어, 유전체 재료, 전도성 재료, 또는 공기)의 제2 복수의 이산 영역(1-304)을 포함한다.
일부 실시예들에서, 하나의 층의 이산 영역들은 다른 층의 이산 영역들에 대해 엇갈려 있다. 예를 들어, 도 1-3B의 예시적인 광학 나노구조물에서, 제1 층 및 제3 층 각각은 제2 층 및 제4 층에 대해 x축을 따라 엇갈려 있다.
다층 광학 나노구조물의 각각의 층은 일부 실시예들에서는 50nm 내지 1㎛, 일부 실시예들에서는 50nm 내지 500nm, 일부 실시예들에서는 100nm 내지 500nm, 일부 실시예들에서는 100nm 내지 300nm, 일부 실시예들에서는 150nm 내지 300nm, 일부 실시예들에서는 100nm 내지 250nm, 일부 실시예들에서는 150nm 내지 250nm, 일부 실시예들에서는 100nm 내지 150nm, 일부 실시예들에서는 150nm 내지 200nm, 일부 실시예들에서는 120nm 내지 150nm, 일부 실시예들에서는 120nm 내지 140nm, 일부 실시예들에서는 120nm 내지 130nm, 또는 일부 실시예들에서는 130nm 내지 140nm인 높이(H1) 또는 두께를 가질 수 있다. 다른 범위들도 가능하다. 상이한 층들은 상이한 높이들을 가질 수 있다. 대안적으로, 모든 층은 본질적으로 동일한 높이를 가질 수 있다.
일부 실시예들에서, 광학 나노구조물은 평면 내에서 두 개의 차원에서 주기적 또는 준-주기적인 구조적 변화들을 가질 수 있다. 평면 내에서 두 개의 차원에서 구조적 변화들을 갖는 광학 나노구조물들의 예들은 도 1-3C 및 도 1-3D에 도시된다. 도 1-3C의 예에서, 제2 재료(1-314)의 열들은 제1 재료(1-312)의 영역들에 의해 서로 분리된다. 제1 및 제2 재료(1-312, 1-314)는 재료들(1-302, 1-304)에 대해 위에서 설명된 재료들 중 임의의 것일 수 있다. 도 1-3C의 예에서, 제2 재료(1-314)는 제1 재료(1-312)보다 낮은 굴절률 값을 가질 수 있다. 도 1-3D의 예에서, 제1 재료(1-322)의 열들은 제2 재료(1-324)의 영역들에 의해 서로 분리된다. 제1 및 제2 재료들(1-322, 1-324)은 재료들(1-302, 1-304)에 대해 위에서 설명된 재료 중 임의의 것일 수 있다. 도 1-3D의 예에서, 제2 재료(1-324)는 제1 재료(1-322)보다 높은 굴절률 값을 가질 수 있다.
도 1-3C 및 도 1-3D에 도시된 예들에 대해, x축을 따른 주기성(P2 및 P3)은 도 1-3A와 관련하여 위에서 설명된 범위들 중 임의의 것 내의 값을 가질 수 있다. 마찬가지로, y축을 따른 주기성들은 도 1-3A와 관련하여 위에서 설명된 범위들 중 임의의 것 내의 값을 가질 수 있다. 평면형의 2차원 광학 나노구조물의 단위 셀 내에서 하나의 재료로 형성된 특징부는 정사각형, 직사각형, 다각형, 삼각형, 원형 또는 불규칙한 형상과 같은 임의의 적절한 형상을 가질 수 있다. x축을 따른 구조적 특징부들의 폭들(W2 및 W3)은 도 1-3A와 관련하여 위에서 설명된 범위들 중 임의의 것 내의 값을 가질 수 있다. 마찬가지로, y축을 따른 구조적 특징부의 폭은 도 1-3A와 관련하여 위에서 설명된 범위들 중 임의의 것 내의 값을 가질 수 있다. 일부 실시예들에서, 도 1-3C 또는 도 1-3D에 도시된 것들과 같은 평면형의 2차원 광학 나노구조물의 복수의 층은 z축을 따른 스택으로 형성될 수 있다. 층들은 도 1-3B의 배열과 마찬가지로 엇갈려 있을 수 있다. 각각의 층의 높이(H3)는 도 1-3B과 관련하여 위에서 설명된 범위들 중 임의의 것 내의 값을 가질 수 있다.
하나의 차원에서 주기적인 광학 나노구조물들과 비교하여, 두 개의 차원 또는 세 개의 차원에서 주기적인 것들은 추가적인 설계 파라미터들을 제공한다. 결과로서, 두 개의 차원 또는 세 개의 차원에서 주기적인 광학 나노구조물들은 원하는 스펙트럼 응답을 엔지니어링하는 데 더 큰 유연성을 제공한다. 일부 실시예들에서, 두 개의 차원 또는 세 개의 차원에서 주기적인 광학 나노구조물들은 포토닉 밴드갭 또는 허용된 포토닉 대역 내부에서 더 평평한 스펙트럼 응답들을 갖고/거나 포토닉 밴드갭 또는 허용된 포토닉 대역의 가장자리들에서 더 가파른 롤오프들(roll-offs)을 갖는다. 더 가파른 롤오프들은 포토닉 밴드갭 또는 허용된 대역의 가장자리 근처에서 여기 및 방출 파장의 투과 계수와 반사 계수 사이에 더 큰 차이를 유발할 수 있다.
도 1-3A, 도 1-3B, 도 1-3C 및 도 1-3D와 관련하여 설명된 예들은 하나의 차원 또는 두 개의 차원에서 주기성을 나타낸다. 추가적으로 또는 대안적으로, 금지된 포토닉 밴드갭 또는 허용된 포토닉 대역을 특징으로 하는 스펙트럼 응답을 달성하기 위해 준-주기적 광학 나노구조물들이 사용될 수 있다. 일부 실시예들에 따르면, 여기에 설명된 유형들의 준-주기적 광학 나노구조물들은 두 개 이상의 교대 빌딩 블록을 포함할 수 있다. 준-주기적 광학 나노구조물들의 예들은 피보나치 수열에 기초한 1차원 포토닉 구조물들(도 1-3E에 보여짐), 펜로즈 구조에 기초한 2차원 포토닉 구조물들(도 1-3F에 보여짐), 20면체 준-결정 구조를 갖는 3차원 포토닉 구조물들, 투-모스 수열(Thue-Morse sequence)에 기초한 1, 2 또는 3차원 포토닉 구조물들, 주기-배가 수열(period-doubling sequence)에 기초한 1, 2 또는 3차원 포토닉 구조물들, 루딘-샤피로 수열(Rudin-Shapiro sequence)에 기초한 1, 2 또는 3차원 포토닉 구조물들, 칸토어 수열(Cantor sequence)에 기초한 1, 2 또는 3차원 포토닉 구조물들, 및 다른 것들을 포함한다. 일부 이러한 구조물들은 변환 대칭을 갖지 않더라도 포토닉 밴드갭 또는 허용된 대역을 갖는 스펙트럼 응답들을 발생시킬 수 있다. 여기에 설명된 유형들의 준-주기적 구조물들은 결정론적으로 비주기적일 수 있다.
다시 도 1-1을 참조하면, 도파관(1-115)과 센서(1-122) 사이의 광학 나노구조물의 존재는 방출 에너지(1-142)의 투과를 허용하면서 여기 복사(1-144)의 제거를 초래할 수 있다. 여기 복사(1-144)는 도파관(1-115)으로부터 직접 오고/거나 디바이스의 다른 표면들로부터 산란될 수 있다. 본 발명자들은 본 실시예들의 광학 나노구조물이 예를 들어 다층 유전체 간섭 필터보다 넓은 범위의 각도로부터의 여기 복사(1-144)의 투과를 감소시키는 데 더 효과적일 수 있음을 인식하고 이해했다.
도 1-4A 및 도 1-4B는 도 1-1에 도시된 것과 유사한 예시적인 구조를 갖는 통합 디바이스에 대해 계산된 예시적인 전기장 패턴들을 도시한다. 그러나, 마이크로디스크가 시뮬레이션에 포함되며, 도파관(1-115)과 광학 나노구조물(1-135) 사이에 위치된다. 마이크로디스크는 아래에서 추가로 설명되며 방출 복사를 센서(1-122)에 집광하는 데 도움이 된다. 이러한 시뮬레이션을 위해, 도파관(1-115) 및 광학 나노구조물은 실리콘 산화물에 의해 둘러싸인 실리콘 질화물을 포함한다. 광학 나노구조물은 도 1-3D에 보여진 바와 같은 입방 결정을 갖는 단일층의 평면형 2차원 나노구조물로서 형성된다. 제1 재료(1-322)는 실리콘 질화물로 형성되고, 제2 재료(1-324)는 실리콘 산화물로 형성된다. 이 예에 대해, 층의 피치(P3)는 260nm이고, 폭(W3)은 160nm이며, 두께(H3)는 125nm이다.
이러한 예시적인 시뮬레이션에 대해, 여기 복사는 532nm의 특성 파장(λ = λexcitation)을 가지며 방출 복사는 572nm의 특성 파장장(λ = λemission)을 갖는다. 다른 실시예들에서, 다른 광학 나노구조물 파라미터들(주기성, 폭, 두께 등) 및/또는 다른 파장들(예를 들어 620nm-650nm 범위의 방출 파장을 생성하기 위한 500nm-540nm 범위의 여기 파장을 포함함)이 사용될 수 있다. 전기장 패턴들은 여기 및 방출 복사에 대해 이하의 초기 조건들로 시뮬레이션 영역 내에서 (예를 들어, 유한 차분 시간 영역 분석을 사용하여) 맥스웰 방정식들(Maxwell's equations)의 해를 구하는 소프트웨어로 계산되었다: 1) λ = λexcitation에서의 복사는 외부 소스로부터 단일 모드 도파관(1-115)으로 결합되고, 2) λ = λemission의 복사는 반응 챔버(1-130)에서 생성된다.
도 1-4A에 도시된 바와 같이, λ=λexcitation에 대해, 전기장의 상당 부분은 여기 복사를 반응 챔버(1-130)에 전달하는 도파관(1-115) 내로 속박된다. 그러나, 여기 복사에 대한 상당한 양의 전기장은 도파관에 연관된 소멸 필드로 인해 도파관(1-115) 아래로 확장되고, 도파관의 벽들 및 반응 챔버를 포함하는 픽셀 내의 다른 구조물로부터 산란된다. 광학 나노구조물(1-135)은 대부분의 여기 전기장을 도파관 쪽으로 다시 반사할 수 있다. 광학 나노구조물(1-135)이 없으면, 전기장이 센서(1-122)에 도달하여 배경 잡음에 기여할 수 있다. 이 결과는 검출 시스템의 신호 대 잡음비를 감소시킬 수 있으므로 바람직하지 않다. 도파관(1-115)과 센서(1-122) 사이에 광학 나노구조물을 사용하면 센서(1-122)에 인접한 영역에서 전기장의 크기가 상당히 감소된다. 결과로서, 검출되는 여기 에너지의 양이 상당히 감소된다.
도 1-4B에 도시된 바와 같이, 반응 챔버(1-130)로부터 센서를 향해 진행하는 λ = λemission에서의 방출 복사는 대부분 광학 나노구조물(1-135)을 투과하여 센서(1-122)까지 진행할 수 있다. 위에서 언급된 바와 같이, 마이크로디스크(145)는 방출 복사를 센서(1-122)에 집광 또는 컨덴싱하는 것을 돕는다.
본 발명자들은 일부 상황들에서 여기 복사가 상이한 입사각들로 광학 나노구조물(1-135)에 충돌할 수 있다는 것을 추가로 인식하였다. 이것은 다른 가능한 이유들 중에서도, 여기 복사가 광학 나노구조물에 충돌하기 전에 픽셀 내의 구조물로부터 복수 회 반사되고 산란되기 때문일 수 있다. 이러한 문제를 인식하여, 본 발명자들은 본 실시예의 광학 나노구조물의 유리한 특성이 예를 들어 다층 간섭 필터보다 더 넓은 입사각 범위에 걸쳐 복사를 제거하는 능력임을 이해했다.
다른 유형의 광학 제거기들과 비교하여, 본 명세서에 설명된 유형들의 광학 나노구조물들은 넓은 입사각 범위에 걸쳐 광학적 제거를 제공한다. 단일층 광학 나노구조물에 대해, 이러한 거동은 xy 평면 내의 (하나의 차원 또는 두 개의 차원에서의) 주기적 또는 준-주기적 구조적 변화들의 존재로 인한 것이다. 도 1-5는 입사각(수평축)의 함수로서 플롯팅된 관심 파장들에서 두 개의 상이한 광학 구조물에 연관된 제거율을 도시하는 플롯이다. 제거율은 광학 구조물을 통해 투과된 특성 방출 파장(이 예에서는 572nm)에서의 방출 복사량을, 광학 구조물을 통해 투과된 특성 여기 파장(이 예에서는 532nm)에서의 여기 복사량으로 나눈 비율이다. 방출 복사와 여기 복사에 대해 동일한 양의 전력이 광학 구조물에 입사된다. 입사각은 광학 구조물의 평면 표면에 대한 법선에 대해 측정된다.
제1 제거율 곡선(1-501)은 z축을 따라 교대하는 굴절률들을 갖는 23개 층을 갖는 다층 간섭 필터에 대해 플롯팅된다(그러나, 다른 것들 중에서도, 10개 내지 50개 층, 10개 내지 40개 층, 20개 내지 50개 층, 또는 20개 내지 40개 층과 같은 임의의 다른 수의 층이 사용될 수 있음). 이러한 광학 구조물은 xy 평면에서 구조적 변화들을 나타내지 않는다. 따라서, 각각의 xy 평면에서, 굴절률이 균일하다. 이러한 광학 구조물의 제거율은 20º 미만에서 비교적 높지만, 20º보다 큰 입사각에 대해서는 크게 떨어진다. 이러한 강하는 약 22°보다 큰 각도로 광학 구조물에 충돌하는 상당한 양의 여기 복사가 광학 구조물을 통해 투과되고 센서(1-122)에서 배경 신호에 기여할 수 있음을 의미한다.
제2 제거율 곡선(1-502)은 면내 구조적 변화들을 갖는 본 실시예들의 예시적인 단일층 광학 나노구조물에 대해 플롯팅된다. 예시적인 광학 나노구조물은 실리콘 산화물에 매립된 실리콘 질화물의 본질적으로 정사각형인 열들을 갖는 입방 격자를 갖는다. 열들은 140nm의 폭을 갖고, x 및 y 방향 둘 다에서의 주기성은 250nm이다. 층의 두께는 125nm이다. 도 1-5에 도시된 바와 같이, 제거율은 45° 미만의 모든 각도에 대해 약 10보다 크다. 따라서, 이러한 광학 나노구조물은 다층 간섭 필터들보다 넓은 입사각 범위에 걸쳐 여기 복사의 더 나은 제거를 제공할 수 있다.
통합 디바이스의 픽셀에 포함될 수 있는 광학 구조물의 다른 예가 도 2-1에 보여진다. 일부 구현들에 따르면, 하나 이상의 조리개 층(2-110)이 센서(1-122) 위에 형성될 수 있다. 조리개 층(2-110)은 광 감소 재료를 통한 개구 또는 홀(2-112)을 포함할 수 있다. 광 감소 재료는 금속, 중합체, 반도체, 또는 조리개 층(2-110)에 입사하는 대부분의 여기 복사를 제거(예를 들어, 흡수 및/또는 반사)하는 임의의 재료를 포함할 수 있다. 일부 경우들에서, 광 감소 재료는 방출 복사를 또한 제거할 수 있다. 홀(2-112)은 반응 챔버(1-130)으로부터의 방출이 조리개 층(2-110)을 통과하여 센서(1-122)에 도달하도록 허용할 수 있는 반면, 광 감소 재료는 다른 방향들로부터의(예를 들어, 인접 픽셀들로부터의 또는 산란된 여기 복사로부터의) 복사를 차단하거나 감쇠시킨다. 예를 들어, 조리개 층(2-110)은 넓은 입사각에서의 산란된 여기 복사를 차단하거나 감쇠시켜, 센서(1-122)에 부딪히고 배경 잡음에 기여하지 못하게 할 수 있다. 일부 실시예들에서, 조리개 층(2-110)은 전도성 재료로 형성될 수 있고 기판(1-105) 상에 또는 그 위에 형성된 회로에 대한 전위 기준 평면 또는 접지 평면을 제공할 수 있다. 일부 실시예들에서, 조리개 층(2-110)은 유전체 재료로 형성될 수 있다. 조리개 층 내의 홀(2-112)은 정사각형, 직사각형, 디스크, 타원, 다각형 등과 같은 임의의 적절한 방식으로 성형될 수 있다.
도 2-1의 예에서, 두 개의 조리개 층(2-110)이 포함된다. 하나의 조리개 층은 도파관(1-115)와 광학 나노구조물(1-135) 사이에 배치된다. 다른 조리개 층은 광학 나노구조물(1-135)과 센서(1-122) 사이에 배치된다. 그러나, 임의의 다른 적합한 수의 조리개 층 및 위치가 사용될 수 있음을 이해해야 한다. 일부 경우들에서, 단일 조리개 층이 사용될 수 있고, 반응 챔버(1-130)와 광학 나노구조물(1-135) 사이에, 또는 광학 나노구조물(1-135)과 센서(1-122) 사이에 위치될 수 있다.
일부 실시예들에서, 컨덴싱 광학 요소(2-160)는 반응 챔버로부터 방출된 방출 복사를 센서 상에 집광하기 위해 사용될 수 있다. 도 2-1의 예에서, 컨덴싱 광학 요소(2-160)는 반응 챔버(1-130)와 광학 나노구조물(1-135) 사이에 위치되지만, 다른 배치들도 가능하다. 일부 실시예들에 따르면, 컨덴싱 광학 요소(2-160)는 방출 복사의 파장에서 투명하고 컨덴싱 광학 요소(2-160)를 둘러싸는 재료의 굴절률과 상이한(예를 들어, 더 큰) 굴절률을 갖는 하나 이상의 재료로 만들어질 수 있다. 이러한 방식으로, 컨덴싱 광학 요소(2-160)는 반응 챔버(1-130)로부터의 방출 복사의 소정의 포커싱을 제공할 수 있다. 일부 실시예들에서, 광학 요소(2-160)는 디스크(예를 들어, 마이크로디스크)로서 형성되어 회전 대칭을 제공할 수 있다. 광학 요소(2-160)는 디스크의 중심이 z축을 따라 반응 챔버(1-130)의 중심과 정렬되도록 위치될 수 있다. 일부 실시예들에서, 반응 챔버(1-130), 광학 요소(2-160), 조리개(2-112) 및 센서(1-122)는 z축을 따라 서로 정렬될 수 있다.
일부 실시예들에 따르면, 여기에 설명된 유형들의 디바이스들은 통합 디바이스를 위한 칩 내에 복수의 레벨을 구축하기 위해 재료 퇴적 및 패터닝의 연속적인 단계들에 의해 제조될 수 있다. 일부 구현들에서, 통합 디바이스를 위한 칩은 2개의 기판 또는 웨이퍼를 서로 접합함으로써 획득될 수 있다. 예를 들어, 통합 디바이스(픽셀에서의 예시적인 구조물이 도 2-1에 도시됨)는 CMOS 기판(1-101)에 정렬되고 접합될 수 있는 생체 광학 기판(1-100)으로부터 형성될 수 있다. 예시적인 생체 광학 기판(1-100)은 수 개의 픽셀을 포함할 수 있으며, 각각의 픽셀은 반응 챔버(1-130), 도파관(1-115), 광학 나노구조물(1-135), 및 임의적으로 하나 이상의 조리개 층(2-110) 및 하나 이상의 광학 요소(2-160)를 갖는다. 예시적인 CMOS 기판(1-101)은 센서들(1-122)(예를 들어, 픽셀당 하나) 및 센서들에 의해 생성된 신호들을 처리하기 위한 회로들을 갖는 복수의 대응하는 픽셀을 포함할 수 있다. 층들(2-202)은 신호들을 라우팅 및/또는 처리하기 위해 사용될 수 있는 전도체 층들 또는 반도체 층들을 나타낸다.
일부 실시예들에 따라, 한 쌍의 조리개 층(2-110)과 컨덴싱 광학 요소(2-160)의 효과가 도 2-2에 도시되어 있다. 도시된 바와 같이, z축에 실질적으로 평행하게 방출된 복사선들은 조리개 층들 내의 개구들을 바로 통과한다. z축으로부터 실질적으로 벗어난 각도들로 방출된 복사선들은 조리개 층들(2-110) 중 하나에 의해 제거된다. 더 작은 각도들로 방출된 복사선들은 광학 요소(2-160)에 의해 포커싱된다. 결과적으로, 반응 챔버(1-130)로부터 방출된 복사가 센서(1-122) 상에 집광되어 신호 대 잡음비가 증가한다.
통합 디바이스의 픽셀에 포함될 수 있는 구조물의 다른 예가 도 2-3에 도시되어 있다. 일부 구현들에 따르면, 반응 챔버(1-130)가 형성될 수 있는 층(1-110) 위에 하나 이상의 광 감소 층(2-150)이 형성될 수 있다. 광 감소 층들(2-150)은 하나 이상의 금속 층으로 형성될 수 있다. 일부 경우들에서, 광 감소 층들(2-150)은 반도체 및/또는 산화물 층을 포함할 수 있다. 광 감소 층들(2-150)은 광 도파관(1-115)으로부터의 여기 복사가 반응 챔버(1-130) 위의 샘플 내로 진행하고 샘플 내의 형광단을 여기시키는 것을 감소시키거나 방지할 수 있다. 추가로, 광 감소 층들(2-150)은 반응 챔버 위로부터의 외부 복사가 센서(1-122)까지 통과하는 것을 방지할 수 있다. 반응 챔버 외부로부터의 방출은 원하지 않는 배경 복사 및 신호 잡음에 기여할 수 있다. 광 감소 층들(2-150)은 본 명세서에 설명된 것들 중 임의의 것과 함께 사용될 수 있다.
일부 실시예들에 따라, 일회용 칩에 대한 예시적인 구조물(3-100)이 도 3에 도시되어 있다. 일회용 칩 구조물(3-100)은 반도체 기판(3-105)을 갖고 기판 상에 형성된 복수의 픽셀(3-140)을 포함하는 생체 광전자 칩(3-110)을 포함할 수 있다. 각각의 픽셀(3-140)은 도 1-1 내지 도 2-3과 관련하여 위에서 설명된 바와 같은 광학 나노구조물의 구조 및 실시예를 가질 수 있다. 일부 실시예들에서, 픽셀들(3-140)의 행들(또는 열들)에 여기 복사를 제공하는 도파관들(3-115)의 행들(또는 열들)이 있을 수 있다. 도 1-1의 도파관(1-115)은 일부 구현들에서 그런 도파관들 중 어느 하나의 역할을 할 수 있다. 여기 복사는, 예를 들어 광학 포트(3-150)를 통해 도파관들에 결합될 수 있다. 일부 실시예들에서, 포커싱된 빔으로부터의 여기 복사를 복수의 도파관(3-115)에 연결되는 하나 이상의 수신 도파관 내로 결합하기 위해, 격자 결합기가 생체 광전자 칩(3-110)의 표면에 형성될 수 있다.
일회용 칩 구조물(3-100)은 칩(3-110) 상의 픽셀 영역 주위에 형성되는 벽들(3-120)을 더 포함할 수 있다. 벽들(3-120)은 칩을 지지하는 플라스틱 또는 세라믹 케이싱의 일부일 수 있다. 벽들(3-120)은 그 안에 적어도 하나의 샘플이 배치되고 생체 광전자 칩(3-110)의 표면 상의 반응 챔버들(1-130)과 직접 접촉할 수 있는 적어도 하나의 저장소(3-130)를 형성할 수 있다. 벽들(3-120)은 예를 들어 저장소(3-130)의 샘플이 격자 결합기 및 광학 포트(3-150)를 포함하는 영역에 유입되는 것을 방지할 수 있다. 일부 실시예들에서, 일회용 칩 구조물(3-100)은 일회용 칩의 외부 표면 상의 전기 접촉부 및 패키지 내의 상호연결부들을 더 포함할 수 있고, 그에 의해 생체 광전자 칩(3-110) 상의 회로와 칩이 장착된 기기 내의 회로 사이에 전기적 연결들이 이루어질 수 있다.
위에서 언급된 바와 같이, 광학 나노구조물(1-135)은 도 3에 도시된 것과 같은 일회용 칩(3-100)에만 제한되지 않는다. 광학 나노구조물(1-135)의 예시적인 실시예들은 광센서 어레이를 갖는 이미징 칩과 같은 다른 칩들에 포함될 수 있다. 이러한 이미징 칩들은 카메라들, 비디오 카메라들, 스마트폰들 및 광학 감지 어레이들에 사용될 수 있다.
Ⅱ. 광학 나노구조물들을 제조하기 위한 방법들
도 4-1A 내지 4-1J는 광학 나노구조물(예를 들어, 위에서 설명된 광학 나노구조물 중 어느 하나)을 제조하기 위한 방법에 연관된 예시적인 구조물을 도시한다. 도 4-1A에 도시된 프로세스 단계에서, 리소그래피 단계들이 수행될 수 있는 기판(4-100)이 제공되거나 획득된다. 기판(4-100)은 기판(4-100) 상에 이미 형성된 소정의 구조물을 포함할 수 있다. 예를 들어, 기판(4-100)은 광학 나노구조물(1-135) 아래에 도 1-1 또는 도 2-1에 보여진 구조물의 일부를 포함할 수 있다. 일부 실시예들에서, 기판(4-100)은 벌크 반도체 기판을 포함할 수 있지만, 일부 구현들에서는 다른 유형들의 벌크 기판이 사용될 수 있다.
일부 실시예들에 따르면, 제1 재료 층(4-102)은 도 4-1B에 도시된 바와 같이 기판(4-100) 상에 퇴적 또는 성장될 수 있다. 제1 재료 층(4-102)은 예를 들어 물리적 기상 증착(PVD), 플라즈마 강화 화학적 기상 증착(PECVD), 고밀도 플라즈마(HDP) PECVD, 또는 스퍼터링에 의해 퇴적될 수 있다. 제1 재료 층(4-102)은 광학 나노구조물(1-135)에 대해 위에서 설명된 다른 가능한 재료들 중에서도 특히 비정질 실리콘, 실리콘 질화물, 티타늄 질화물, 티타늄 산화물, 특정 n(굴절률) 및 k(소광 계수) 값들을 갖는 실리콘-풍부 질화물 재료들, 예컨대 실리콘-풍부 질화물 I 및 실리콘-풍부 질화물 II를 포함할 수 있다. 후속하여, 포토레지스트 층(4-104)이 제1 재료 층(4-102) 상에 퇴적될 수 있고 도 1-4C에 도시된 바와 같이 포토리소그래피 노광 및 현상 프로세스를 사용하여 패터닝될 수 있다. 패터닝된 포토레지스트 층(4-104)을 에칭 마스크로 사용하여, 도 4-1D에 도시된 바와 같이 제1 재료 층(4-102)에 공극들을 형성하기 위해 포토레지스트가 제거된 영역들에서 제1 재료 층(4-102)이 에칭될 수 있다. 잔여 포토레지스트는 세정 단계에서 기판으로부터 제거될 수 있다. 에칭된 제1 재료층(4-102)의 결과적인 구조는 예를 들어 도 1-3A 내지 도 1-3F와 관련하여 위에서 설명된 단일층 구조들 중 하나에 따라 배열될 수 있는 복수의 재료 영역(4-106)을 포함할 수 있다. 재료 영역들(4-106)은 예를 들어 광학 나노구조물(1-135)의 열들을 형성할 수 있다.
일부 구현들에서, 도 4-1E에 도시된 바와 같이, (제1 재료 층과 상이한 굴절률을 갖는) 제2 재료 층(4-108)이 재료 영역들(4-106) 상에 퇴적될 수 있다. 제2 재료층(4-108)은 PVD, PECVD, HDP PECVD 또는 스퍼터링과 같은 임의의 적절한 퇴적 프로세스에 의해 퇴적될 수 있다. 제2 재료 층(4-108)은 광학 나노구조물(1-135)에 대해 위에서 설명된 다른 가능한 재료들 중에서도 특히 실리콘 산화물, 실리콘 질화물, 티타늄 질화물, 티타늄 산화물, 특정 n(굴절률) 및 k(소광 계수) 값들을 갖는 실리콘-풍부 질화물 재료들, 예컨대 실리콘-풍부 질화물 I 및 실리콘-풍부 질화물 II를 포함할 수 있다. 일부 경우들에서, 제2 재료 층(4-108)은 재료 영역들(4-106) 사이의 영역들을 채운다. 일부 구현들에 따르면, 제2 재료 층(4-108)은 예를 들어 화학 기계적 연마(CMP)를 통해 평탄화되어 도 4-1F에 도시된 바와 같은 평탄한 표면을 야기할 수 있다. 그러나, 일부 경우들에서, 제2 재료 층(4-108)의 평탄화 단계를 수행하지 않고서, 하나 이상의 층이 제2 재료 층(4-108) 상에 퇴적될 수 있다. 일부 실시예들에서, 도 4-1F에 도시된 구조물이 광학 나노구조물(1-135)를 형성할 수 있고, 예를 들어 도 1-3A 내지 도 3-3F와 관련하여 위에서 설명된 단일층 구조들 중 하나에 따라 배열될 수 있다.
임의적으로, 하나 이상의 추가 층이 광학 나노구조물에 추가될 수 있으며, 이는 예를 들어 도 1-3B의 배열로 이어진다. 도 4-1G 내지 도 4-1J는 일부 실시예들에 따라 제2 나노구조물 층을 형성하기 위한 단계들에 연관된 구조물들을 도시한다. 추가 층들은 유사한 단계들을 사용하여 형성될 수 있다. 일부 구현들에서, 제3 재료 층(4-110)은 도 4-1G에 도시된 바와 같이 제2 재료 층(4-108) 상에 퇴적 또는 성장될 수 있다. 제3 재료 층(4-110)은 예를 들어 PVD, PECVD, HDP PECVD, 또는 스퍼터링에 의해 퇴적될 수 있다. 제3 재료 층(4-110)은 광학 나노구조물(1-135)에 대해 위에서 설명된 다른 가능한 재료들 중에서도 특히 비정질 실리콘, 실리콘 질화물, 티타늄 질화물, 티타늄 산화물, 특정 n(굴절률) 및 k(소광 계수) 값들을 갖는 실리콘-풍부 질화물 재료들, 예컨대 실리콘-풍부 질화물 I 및 실리콘-풍부 질화물 II를 포함할 수 있다. 일부 구현들에서, 제3 재료 층(4-110)은 제1 재료 층(4-102)과 동일한 재료일 수 있다. 일부 실시예들에 따라, 포토레지스트 층(4-112)이 제3 재료 층(4-110) 상에 퇴적될 수 있고 포토리소그래피 노광 및 현상 프로세스를 사용하여 패터닝될 수 있다. 패터닝된 포토레지스트 층(4-112)을 에칭 마스크로 사용하여, 도 4-1H에 도시된 바와 같이 포토레지스트가 제거된 영역들에서 제3 재료 층(4-110)이 에칭될 수 있다. 잔여 포토레지스트는 에칭 후에 기판으로부터 제거될 수 있다. 결과적인 구조물은 복수의 재료 영역(4-114)을 포함할 수 있다.
후속하여, 제4 재료층(4-116)은 예를 들어 PVD, PECVD, HDP PECVD 또는 스퍼터링을 통해 재료 영역들(4-114) 상에 퇴적될 수 있다. 일부 경우들에서, 도 4-1I에 도시된 바와 같이, 제4 재료 층(4-116)은 재료 영역들(4-114) 사이의 영역들을 채운다. 일부 실시예들에 따라, 제4 재료 층(4-116)은 제3 재료 층(4-110)의 굴절률과 상이한 굴절률을 갖는 재료로 이루어질 수 있다. 제4 재료 층(4-116)은 광학 나노구조물(1-135)에 대해 위에서 설명된 다른 가능한 재료들 중에서도 특히 실리콘 산화물, 실리콘 질화물, 티타늄 질화물, 티타늄 산화물, 특정 n(굴절률) 및 k(소광 계수) 값들을 갖는 실리콘-풍부 질화물 재료들, 예컨대 실리콘-풍부 질화물 I 및 실리콘-풍부 질화물 II를 포함할 수 있다. 일부 경우들에서, 제4 재료 층(4-116)은 제2 재료 층(4-108)과 동일한 재료일 수 있다. 일부 구현들에 따르면, 제4 재료 층(4-116)은 예를 들어 CMP 프로세스 단계를 사용하여 평탄화되어 도 4-1J에 도시된 바와 같은 평탄한 표면을 야기할 수 있다. 다른 구현들에서, 제4 재료 층의 평탄화를 수행하지 않고서, 하나 이상의 층이 제4 재료 층(4-116) 상에 퇴적될 수 있다.
광학 나노구조물을 제조하기 위한 다른 예시적인 방법에 연관된 구조물들의 추가적인 예들이 도 4-2A 내지 도 4-J에 도시되어 있다. 이러한 제조 방법은 도 4-1A 내지 도 4-1J의 제조 방법과 일부 면에서 유사하다. 그러나, 도 4-1A 내지 도 4-1J의 제조 방법과 달리, 이중 마스크 층들(4-104/4-103 및 4-112/4-111)이 재료 영역의 형성을 위한 에칭 마스크들로서 사용된다. 기판(4-100) 및 층들(4-102, 4-104, 4-106, 4-108, 4-110, 4-112, 4-114 및 4-116)은 도 4-2A 내지 도 4-J와 관련하여 설명된 것과 동일한 특성들을 가질 수 있다. 일부 경우들에서, 이중 마스크 층(때때로 이중층 레지스트라고도 지칭됨)은 단일 포토레지스트 층에 비해 개선된 에칭 선택성 또는 개선된 패터닝 충실도를 제공할 수 있다. 일부 실시예들에서, 마스크 층 중 하나(예를 들어, 4-103, 4-111)는 예를 들어 금속, 산화물, 질화물 또는 반도체로 형성된 소위 "하드 마스크"를 포함할 수 있다.
광학 나노구조물(1-135)을 형성하는 예시적인 방법은 도 4-2A에 도시된 것과 같은 기판(4-100)을 획득하는 것을 포함할 수 있다. 도 4-1A와 관련하여 위에서 언급된 바와 같이, 기판은 패터닝된 구조를 포함할 수 있다. 제1 재료 층(4-102)은 위에서 설명된 바와 같이 기판(4-100) 상에 퇴적 또는 성장될 수 있다. 추가적으로, 제1 레지스트 층(4-103)은 도 4-2B에 도시된 바와 같이 제1 재료 층(4-102) 상에 퇴적될 수 있다. 제1 레지스트 층(4-103)은 중합체가 아니라 경질 재료일 수 있다. 예를 들어, 제1 레지스트 층(4-103)은 다른 가능한 재료들 중에서도 특히 실리콘 산화물, 실리콘 질화물, 또는 탄탈럼, 특정 n(굴절률) 및 k(소광 계수) 값들을 갖는 실리콘-풍부 질화물 재료들, 예컨대 실리콘-풍부 질화물 I 및 실리콘-풍부 질화물 II를 포함할 수 있다. 일례에 따르면, 제1 재료 층(4-102)은 실리콘 질화물일 수 있고 제1 레지스트 층(4-103)은 실리콘 산화물일 수 있지만, 다른 재료 조합들이 사용될 수 있다. 다음으로, 포토레지스트 층(4-104)(제2 레지스트 층)이 제1 레지스트 층(4-103) 상에 퇴적될 수 있고 포토리소그래피 노광 및 현상 프로세스를 사용하여 패터닝되어 도 4-2C에 도시된 구조물을 생성할 수 있다. 패터닝된 포토레지스트 층(4-104)을 제1 에칭 마스크로 사용하여, 도 4-2D에 도시된 바와 같이, 포토레지스트로부터 제1 레지스트 층(4-103)으로 패턴을 전사하기 위해 포토레지스트가 제거된 영역들에서 제1 레지스트 층(4-103)이 에칭될 수 있다. 이 에칭 단계 동안 및/또는 후에, 포토레지스트 층(4-104)이 제거될 수 있다.
제1 레지스트 층(4-103)을 에칭 마스크로 사용하여, 제1 재료 층(4-102) 내에 공극들을 형성하기 위해 제1 레지스트 층(4-103)이 제거된 영역들에서 제1 재료 층(4-102)이 에칭될 수 있다. 에칭 프로세스는 도 4-2E에 도시된 바와 같이 재료 영역들(4-106)을 남긴다. 일부 경우들에서, 잔여 제1 레지스트 층(4-103)은 기판으로부터 제거될 수 있다. 다른 경우들에서, 잔여 제1 레지스트 층은 도 4-2E에 도시된 바와 같이 재료 영역들(4-106) 상에 남을 수 있다. 일부 경우들에서, 제1 레지스트 층은 제1 재료 층(4-102) 및 제2 재료 층(4-108)보다 훨씬 얇을 수 있고 광학 나노구조물(4-135)의 성능에 눈에 띄게 영향을 미치지 않을 수 있다. 일부 구현들에서, 제1 레지스트 층(4-103)은 제2 재료 층(4-108)과 동일한 재료일 수 있다. 재료 영역들(4-106)을 형성하기 위해 에칭한 후, 도 4-2F에 도시된 바와 같이 제2 재료 층(4-108)이 재료 영역(4-106) 상에 퇴적될 수 있다. 제2 재료 층은 재료 영역들(4-106) 사이의 영역들을 채울 수 있다. 일부 경우들에서, 제2 재료 층(4-108)은 예를 들어 CMP를 통해 평탄화될 수 있다. 도 4-2F의 구조물은 도 1-3A 내지 도 1-3F와 관련하여 위에서 설명된 단일층 광학 나노구조물(1-135)을 형성할 수 있다.
임의적으로, 하나 이상의 추가 층이 광학 나노구조물에 추가될 수 있으며, 이는 예를 들어 도 1-3B의 배열로 이어진다. 도 4-2G 내지 도 4-2J는 일부 실시예들에 따라 제2 나노구조물 층을 형성하기 위한 단계들에 연관된 구조물들을 도시한다. 추가적인 층들은 유사한 단계들을 사용하여 형성될 수 있다. 예를 들어, 제3 재료 층(4-110)은 도 4-2G에 도시된 바와 같이 제2 재료 층(4-108) 상에 퇴적 또는 성장될 수 있다. 후속하여, 제1 레지스트 층(4-111)이 제3 재료 층(4-110) 상에 퇴적될 수 있고, 포토레지스트 층(4-112)이 제1 레지스트 층(4-111) 상에 퇴적될 수 있다. 포토레지스트 층은 포토리소그래피 노광 및 현상 프로세스를 사용하여 패터닝될 수 있다. 위에서 설명되고 도 4-2H에 도시된 바와 같이, 포토레지스트 층(4-112)은 포토레지스트가 제거된 영역에서 제1 레지스트 층(4-111)을 에칭하기 위한 에칭 마스크를 제공할 수 있고, 제1 레지스트 층은 제3 재료 층(4-110)을 에칭하기 위한 에칭 마스크를 제공할 수 있다. 잔여 포토레지스트(4-112)는 제3 재료 층(4-110)의 에칭 동안 또는 에칭 후에 제거될 수 있다. 제3 재료 층(4-110)의 에칭은 재료 영역들(4-114)을 형성한다. 도 4-2I에 도시된 바와 같이, 제4 재료 층(4-116)은 재료 영역들(4-114) 상에 퇴적될 수 있고 재료 영역들(4-114) 사이의 공간을 채울 수 있다. 일부 실시예들에 따르면, 제4 재료 층(4-116)은 도 4-2J에 도시된 바와 같이 평탄화될 수 있다.
도 4-1H 및 도 4-2H의 도시들은 제2 재료 영역들(4-114)의 바닥들과 제1 재료 영역들(4-106)의 최상부들 사이의 제2 재료 층(4-108)의 균일한 층으로, 제2 재료 영역들(4-114)의 바닥들이 제1 재료 영역들(4-106)의 최상부들로부터 수직으로 이격되도록, 제2 재료 영역들(4-114)이 제1 재료 영역들(4-106) 위에 형성되는 것을 나타낸다. 그러나, 일부 구현들에서는 이러한 바닥들과 최상부들 사이에 공간이 없을 수 있다. 예를 들어, 제2 재료 층의 평탄화 단계는 제1 재료 영역들(4-106)의 최상부 위에 있는 제2 재료 층(4-108)의 대부분 또는 전부를 제거할 수 있고, 그에 의해 제2 재료 영역들(4-114)의 바닥은 제1 재료 영역들(4-106)의 최상부들과 본질적으로 동일한 높이에 있게 된다.
Ⅲ. 예시적인 생물 분석 응용
고급 분석 기기에 사용되는 일회용 칩 상의 반응 챔버들로부터 방출되는 복사 검출을 개선하기 위해 통합 반도체가 사용될 수 있는 예시적인 생물 분석 응용이 설명된다. 기구의 리셉터클에 장착될 때, 일회용 칩은 고급 분석 기기 내의 광학 및 전자 장치와 광학 및 전자 통신을 할 수 있다. 기기는 외부 인터페이스에 대한 하드웨어를 포함할 수 있고, 그에 의해 칩으로부터의 데이터가 외부 네트워크에 통신될 수 있다. 실시예들에서, 용어 "광학"은 자외선, 가시광선, 근적외선, 및 단파장 적외선 스펙트럼 대역을 지칭할 수 있다. 다양한 샘플들에 대해 다양한 유형의 분석이 수행될 수 있지만, 이하의 설명은 유전자 시퀀싱을 설명한다. 그러나, 본 발명은 유전자 시퀀싱을 위해 구성된 기기들로 제한되지 않는다.
개요에서, 그리고 도 5-1A를 참조하면, 휴대용 고급 분석 기기(5-100)는 기기(5-100) 내에 교체가능한 모듈로서 장착되거나 그에 다르게 결합된 하나 이상의 펄스형 광학 소스(5-108)를 포함할 수 있다. 휴대용 분석 기기(5-100)는 광학 결합 시스템(5-115) 및 분석 시스템(5-160)을 포함할 수 있다. 광학 결합 시스템(5-115)은 광학 컴포넌트들의 소정의 조합(예를 들어, 이하의 컴포넌트들 중의 하나 또는 하나 초과를 포함하거나 포함하지 않을 수 있음: 렌즈, 미러, 광학 필터, 감쇠기, 빔 조향 컴포넌트, 빔 성형 컴포넌트)을 포함할 수 있고, 펄스형 광학 소스(5-108)로부터 분석 시스템(5-160)으로 출력 광학 펄스들(5-122)을 조작 및/또는 결합하도록 구성된다. 분석 시스템(5-160)은 광학 펄스들을 샘플 분석을 위한 적어도 하나의 반응 챔버로 지향시키고, 적어도 하나의 반응 챔버로부터 하나 이상의 광학 신호(예를 들어, 형광, 후방 산란 복사)를 수신하고, 수신된 광학 신호들을 표현하는 하나 이상의 전기 신호를 생성하도록 배열된 복수의 컴포넌트를 포함할 수 있다. 일부 실시예들에서, 분석 시스템(5-160)은 하나 이상의 광 검출기를 포함할 수 있으며, 광 검출기들로부터의 전기 신호들을 처리하도록 구성된 신호 처리 전자장치(예를 들어, 하나 이상의 마이크로컨트롤러, 하나 이상의 필드 프로그래밍가능한 게이트 어레이, 하나 이상의 마이크로프로세서, 하나 이상의 디지털 신호 프로세서, 로직 게이트 등)를 또한 포함할 수 있다. 분석 시스템(5-160)은 또한 외부 디바이스들(예를 들어, 기기(5-100)가 하나 이상의 데이터 통신 링크를 통해 접속할 수 있는 네트워크 상의 하나 이상의 외부 디바이스)에 데이터를 전송하고 그들로부터 데이터를 수신하도록 구성된 데이터 전송 하드웨어를 포함할 수 있다. 일부 실시예들에서, 분석 시스템(5-160)은 분석될 하나 이상의 샘플을 유지하는 생체 광전자 칩(5-140)을 수용하도록 구성될 수 있다.
도 5-1B는 컴팩트한 펄스형 광학 소스(5-108)를 포함하는 휴대용 분석 기기(5-100)의 더 상세한 예를 도시한다. 이 예에서, 펄스형 광학 소스(5-108)는 컴팩트한 수동 모드 고정 레이저 모듈(5-110)을 포함한다. 수동 모드 고정 레이저는 외부 펄스 신호의 적용 없이 광학 펄스들을 자율적으로 생성할 수 있다. 일부 구현들에서, 모듈은 기기 섀시 또는 프레임(5-102)에 장착될 수 있으며, 기기의 외부 케이싱 내부에 위치될 수 있다. 일부 실시예들에 따르면, 펄스형 광학 소스(5-108)는 광학 소스를 동작시키고 광학 소스(5-108)로부터의 출력 빔에 작용하도록 사용될 수 있는 추가 컴포넌트들을 포함할 수 있다. 모드 고정 레이저(5-110)는 레이저의 종방향 주파수 모드들의 위상 고정을 유도하는, 레이저 캐비티 내의 또는 레이저 캐비티에 결합된 요소(예를 들어, 포화 흡수기, 음향 광학 변조기, Kerr 렌즈)를 포함할 수 있다. 레이저 캐비티는 캐비티 엔드 미러들(cavity end mirrors)(5-111, 5-119)에 의해 부분적으로 정의될 수 있다. 주파수 모드들의 이러한 고정은 레이저의 펄스화된 동작을 초래하고(예를 들어, 캐비티 내 펄스(5-120)는 캐비티 엔드 미러들 사이에서 앞뒤로 바운스함), 부분적으로 투과성인 하나의 엔드 미러(5-111)로부터 출력 광학 펄스들(5-122)의 스트림을 생성한다.
일부 경우들에서, 분석 기기(5-100)는 제거가능한 패키징된 생체 광전자 또는 광전자 칩(5-140)("일회용 칩"이라고도 지칭됨)을 수용하도록 구성된다. 일회용 칩은 예를 들어 복수의 반응 챔버, 반응 챔버들에 광학 여기 에너지를 전달하도록 배열된 통합된 광학 컴포넌트, 및 반응 챔버들로부터의 형광 방출을 검출하도록 배열된 통합된 광 검출기를 포함하는, 도 4에 도시된 것과 같은 생체 광전자 칩(3-110)을 포함할 수 있다. 일부 구현들에서, 칩(5-140)은 단일 사용 후에 폐기될 수 있는 반면, 다른 구현들에서 칩(5-140)은 2회 이상 재사용될 수 있다. 칩(5-140)이 기기(5-100)에 의해 수용될 때, 그것은 펄스형 광학 소스(5-108)와 전기 및 광학 통신을 하고, 분석 시스템(5-160) 내의 장치와 전기 및 광학 통신을 할 수 있다. 예를 들어, 칩 패키지 상의 전기 접촉부들을 통해 전기 통신이 이루어질 수 있다.
일부 실시예들에서, 도 5-1B를 참조하면, 일회용 칩(5-140)은 추가적인 기기 전자장치들을 포함할 수 있는 인쇄 회로 보드(PCB)와 같은 전자 회로 보드(5-130) 상에 (예를 들어, 소켓 접속을 통해) 장착될 수 있다. 예를 들어, PCB(5-130)는 전기 전력, 하나 이상의 클럭 신호, 및 제어 신호들을 광전자 칩(5-140)에 제공하도록 구성된 회로, 및 반응 챔버들로부터 검출된 형광 방출을 표현하는 신호들을 수신하도록 배열된 신호 처리 회로를 포함할 수 있다. 일부 구현들에서, 광전자 칩으로부터 반환된 데이터는 부분적으로 또는 전체적으로 기기(5-100) 상의 전자장치에 의해 처리될 수 있지만, 데이터는 네트워크 접속을 통해 하나 이상의 원격 데이터 프로세서에 전송될 수 있다. PCB(5-130)는 또한 광전자 칩(5-140)의 도파관들에 결합된 광학 펄스들(5-122)의 광학 결합 및 전력 레벨들과 관련하여 칩으로부터 피드백 신호들을 수신하도록 구성된 회로를 포함할 수 있다. 피드백 신호들은 광학 펄스들(5-122)의 출력 빔의 하나 이상의 파라미터를 제어하기 위해 펄스형 광학 소스(5-108) 및 광학 시스템(5-115) 중 하나 또는 둘 다에 제공될 수 있다. 일부 경우들에서, PCB(5-130)는 광학 소스, 및 광학 소스(5-108) 내의 관련 회로를 동작시키기 위해 펄스형 광학 소스(5-108)에 전력을 제공하거나 라우팅할 수 있다.
일부 실시예들에 따르면, 펄스형 광학 소스(5-108)는 컴팩트한 모드 고정 레이저 모듈(5-110)을 포함한다. 모드 고정 레이저는 이득 매질(5-105)(일부 실시예들에서 고체 상태 재료일 수 있음), 출력 결합기(5-111), 및 레이저 캐비티 엔드 미러(5-119)를 포함할 수 있다. 모드 고정 레이저의 광학 캐비티는 출력 결합기(5-111) 및 엔드 미러(5-119)에 의해 바인딩될 수 있다. 레이저 캐비티의 광축(5-125)은 레이저 캐비티의 길이를 증가시키고 원하는 펄스 반복률을 제공하기 위해 하나 이상의 접힘(회전)을 가질 수 있다. 펄스 반복률은 레이저 캐비티의 길이(예를 들어, 광학 펄스가 레이저 캐비티 내에서 왕복하기 위한 시간)에 의해 결정된다.
일부 실시예들에서, 빔 성형, 파장 선택, 및/또는 펄스 형성을 위해 레이저 캐비티 내의 추가적인 광학 요소들이 존재할 수 있다(도 5-1B에 도시되지 않음). 일부 경우들에서, 엔드 미러(5-119)는 종방향 캐비티 모드들의 수동 모드 고정을 유도하고 모드 고정 레이저의 펄스형 동작을 초래하는 포화 흡수기 미러(saturable-absorber mirror)(SAM)를 포함한다. 모드 고정 레이저 모듈(5-110)은 이득 매질(5-105)을 여기시키기 위한 펌프 소스(예를 들어, 레이저 다이오드, 도 5-1B에 도시되지 않음)를 더 포함할 수 있다. 모드 고정 레이저 모듈(5-110)의 추가 세부사항은 2017년 12월 15일자로 출원된 미국 특허 출원 제15/844,469호("컴팩트한 모드 고정 레이저 모듈(Compact Mode-Locked Laser Module))"에서 찾을 수 있으며, 이 출원은 여기에 참조로 통합된다.
레이저(5-110)가 모드 고정될 때, 캐비티 내 펄스(5-120)는 엔드 미러(5-119)와 출력 결합기(5-111) 사이를 순환할 수 있으며, 캐비티 내 펄스의 일부는 출력 펄스(5-122)로서 출력 결합기(5-111)를 통해 전송될 수 있다. 따라서, 도 5-2의 그래프에 도시된 바와 같이, 캐비티 내 펄스(5-120)가 레이저 캐비티의 출력 결합기(5-111)와 엔드 미러(5-119) 사이에서 앞뒤로 바운스됨에 따라, 출력 펄스들의 트레인(5-122)이 출력 결합기에서 검출될 수 있다.
도 5-2는 출력 펄스들(5-122)의 시간적 강도 프로파일들을 도시하지만, 도시는 비례에 맞지 않는다. 일부 실시예들에서, 방출된 펄스들의 피크 강도 값들은 대략 동일할 수 있고, 프로파일들은 가우스 시간 프로파일을 가질 수 있지만, sech2 프로파일과 같은 다른 프로파일들이 가능할 수 있다. 일부 경우들에서, 펄스들은 대칭적인 시간 프로파일을 갖지 않을 수 있고, 다른 시간적 형상들을 가질 수 있다. 각각의 펄스의 지속시간은 도 5-2에 나타낸 바와 같이 반치전폭(FWHM) 값에 의해 특성화될 수 있다. 모드 고정 레이저의 일부 실시예들에 따르면, 초단 광학 펄스들은 100 피코초(ps) 미만의 FWHM 값들을 가질 수 있다. 일부 경우들에서, FWHM 값들은 약 5ps 내지 약 30ps일 수 있다.
출력 펄스들(5-122)은 일정한 간격들(T)에 의해 분리될 수 있다. 예를 들어, T는 출력 결합기(5-111)와 캐비티 엔드 미러(5-119) 사이의 왕복 이동 시간에 의해 결정될 수 있다. 일부 실시예들에 따르면, 펄스 분리 간격(T)은 약 1ns 내지 약 30ns일 수 있다. 일부 경우들에서, 펄스 분리 간격(T)은 약 0.7 미터 내지 약 3 미터 사이의 레이저 캐비티 길이(레이저 캐비티 내의 광축(5-125)의 대략적인 길이)에 대응하는 약 5ns 내지 약 20ns일 수 있다. 실시예들에서, 펄스 분리 간격은 레이저 캐비티에서의 왕복 이동 시간에 대응하므로, 3미터의 캐비티 길이(6미터의 왕복 거리)는 약 20ns의 펄스 분리 간격(T)을 제공한다.
일부 실시예들에 따르면, 요구되는 펄스 분리 간격(T) 및 레이저 캐비티 길이는 칩(5-140) 상의 반응 챔버들의 수, 형광 방출 특성들, 및 광전자 칩(5-140)으로부터의 데이터를 판독하기 위한 데이터 핸들링 회로의 속도의 조합에 의해 결정될 수 있다. 실시예에서, 상이한 형광단들이 그들의 상이한 형광 감쇠율 또는 특성 수명들에 의해 구별될 수 있다. 따라서, 선택된 형광단들에 대한 적절한 통계를 수집하여 그들의 상이한 감쇠율을 구별하기 위해, 충분한 펄스 분리 간격(T)이 있어야 한다. 추가로, 펄스 분리 간격(T)이 지나치게 짧으면, 데이터 핸들링 회로는 많은 수의 반응 챔버에 의해 수집되는 대량의 데이터를 따라갈 수 없다. 약 5ns 내지 약 20ns의 펄스 분리 간격(T)이 약 2ns까지의 감쇠율을 갖는 형광단들에 적합하고, 약 60,000 내지 10,000,000개의 반응 챔버로부터의 데이터를 핸들링하는 데 적합하다.
일부 구현들에 따르면, 빔 조향 모듈(5-150)은 펄스형 광학 소스(5-108)로부터 출력 펄스들을 수신할 수 있고, 적어도, 광전자 칩(5-140)의 광학 결합기(예를 들어, 격자 결합기) 상으로의 광학 펄스들의 위치 및 입사각들을 조절하도록 구성된다. 일부 경우들에서, 광전자 칩(5-140) 상의 광학 결합기에서의 빔 형상 및/또는 빔 회전을 추가적으로 또는 대안적으로 변경하기 위해, 펄스형 광학 소스(5-108)로부터의 출력 펄스들(5-122)이 빔 조향 모듈(5-150)에 의해 조작될 수 있다. 일부 구현들에서, 빔 조향 모듈(5-150)은 광학 결합기 상으로의 출력 펄스들의 빔의 포커싱 및/또는 편광 조절들을 더 제공할 수 있다. 빔 조향 모듈의 일례는 2016년 5월 20일자로 출원되고 발명의 명칭이 "펄스형 레이저 및 바이오 분석 시스템(Pulsed Laser and Bioanalytic System)"인 미국 특허 출원 제15/161,088호에 설명되어 있으며, 이것은 여기에 참조로 포함된다. 빔 조향 모듈의 다른 예는 2016년 12월 16일자로 출원되고 발명의 명칭이 "컴팩트한 빔 성형 및 조향 어셈블리(Compact Beam Shaping and Steering Assembly)"인 별도의 미국 특허 출원 제62/435,679호에 설명되어 있으며, 이것은 여기에 참조로 포함된다.
도 5-3을 참조하면, 펄스형 광학 소스로부터의 출력 펄스들(5-122)은 예를 들어 생체 광전자 칩(5-140) 상의 하나 이상의 광 도파관(5-312)에 결합될 수 있다. 일부 실시예들에서, 광학 펄스들은 격자 결합기(5-310)를 통해 하나 이상의 도파관에 결합될 수 있지만, 일부 실시예에서는 광전자 칩 상의 하나 이상의 광 도파관의 단부에 대한 결합이 사용될 수 있다. 일부 실시예들에 따르면, 쿼드 검출기(5-320)는 격자 결합기(5-310)에 대한 광학 펄스들(5-122)의 빔의 정렬을 돕기 위해 반도체 기판(5-305)(예를 들어, 실리콘 기판) 상에 위치될 수 있다. 하나 이상의 도파관(5-312), 및 반응 챔버들 또는 반응 챔버들(5-330)은 기판, 도파관, 반응 챔버들, 및 광 검출기들(5-322) 사이에 유전체 층들(예를 들어, 실리콘 이산화물 층들)을 개재하여 동일한 반도체 기판 상에 통합될 수 있다.
각각의 도파관(5-312)은 도파관을 따라 반응 챔버들에 결합되는 광학 전력을 균등화하기 위해 반응 챔버들(5-330) 아래에 테이퍼링된 부분(5-315)을 포함할 수 있다. 감소 테이퍼는 도파관의 코어 외부에 더 많은 광학 에너지를 강제하여 반응 챔버들에 대한 결합을 증가시키고 반응 챔버들로의 광 결합에 대한 손실을 포함하여 도파관을 따른 광학 손실을 보상할 수 있다. 제2 격자 결합기(5-317)는 광학 에너지를 통합된 포토다이오드(5-324)로 지향시키기 위해 각각의 도파관의 단부에 위치될 수 있다. 통합된 포토다이오드는 도파관 아래로 결합되는 전력량을 검출하고, 검출된 신호를 예를 들어 빔 조향 모듈(5-150)을 제어하는 피드백 회로에 제공할 수 있다.
반응 챔버들(5-330) 또는 반응 챔버들(5-330)은 도파관의 테이퍼링된 부분(5-315)과 정렬될 수 있고, 터브(5-340) 내로 리세스될 수 있다. 각각의 반응 챔버(5-330)에 대해 반도체 기판(5-305) 상에 위치된 광 검출기들(5-322)이 존재할 수 있다. 일부 실시예들에서, 반도체 흡수체(도 5-5에서 광학 필터(5-530)로서 도시됨)는 각각의 픽셀에서 도파관과 광 검출기(5-322) 사이에 위치될 수 있다. 반응 챔버들 내에 있지 않은(예를 들어, 반응 챔버들 위의 용액 내에 분산된) 형광단들의 광학적 여기를 방지하기 위해, 금속 코팅 및/또는 다층 코팅(5-350)이 반응 챔버들의 주위에, 그리고 도파관 위에 형성될 수 있다. 금속 코팅 및/또는 다층 코팅(5-350)은 각각의 도파관의 입력 및 출력 단부들에서 도파관(5-312) 내의 광학 에너지의 흡수 손실들을 감소시키기 위해 터브(5-340)의 가장자리를 넘어 상승될 수 있다.
광전자 칩(5-140) 상에 복수의 행의 도파관, 반응 챔버, 및 타임 비닝 광 검출기가 존재할 수 있다. 예를 들어, 일부 구현들에서, 총 65,536개의 반응 챔버에 대해, 각각 512개의 반응 챔버를 갖는 128개의 행이 있을 수 있다. 다른 구현들은 더 적거나 더 많은 반응 챔버를 포함할 수 있고, 다른 레이아웃 구성들을 포함할 수 있다. 펄스형 광학 소스(5-108)로부터의 광학 전력은 하나 이상의 스타 결합기 또는 다중 모드 간섭 결합기를 통해, 또는 칩(5-140)에 대한 광학 결합기(5-310)와 복수의 도파관(5-312) 사이에 위치된 임의의 다른 수단을 통해 복수의 도파관에 분산될 수 있다.
도 5-4는 도파관(5-315)의 테이퍼링된 부분 내의 광학 펄스(5-122)로부터 반응 챔버(5-330)로의 광학 에너지 결합을 도시한다. 도면은 도파관 치수들, 반응 챔버 치수들, 상이한 재료들의 광학 속성들, 및 반응 챔버(5-330)로부터 도파관(5-315)의 테이퍼링된 부분까지의 거리를 설명하는 광학 파장의 전자기장 시뮬레이션으로부터 생성되었다. 도파관은 예를 들어 실리콘 이산화물의 주변 매질(5-410) 내의 실리콘 질화물로 형성될 수 있다. 도파관, 주변 매질, 및 반응 챔버는 2015년 8월 7일자로 출원되고 발명의 명칭이 "분자들의 프로빙, 검출 및 분석을 위한 통합된 디바이스(Integrated Device for Probing, Detecting and Analyzing Molecules)"인 미국 특허 출원 제14/821,688호에 설명된 미세가공 프로세스들에 의해 형성될 수 있다. 일부 실시예들에 따르면, 소멸 광학 필드(evanescent optical field)(5-420)는 도파관에 의해 수송되는 광학 에너지를 반응 챔버(5-330)에 결합한다.
반응 챔버(5-330)에서 발생하는 생물학적 반응의 비-제한적인 예가 도 5-5에 도시되어 있다. 이 예는 표적 핵산에 상보적인 성장 가닥으로의 뉴클레오티드 또는 뉴클레오티드 유사체의 서열적 통합(sequential incorporation)을 도시한다. 서열적 통합은 반응 챔버(5-330)에서 발생할 수 있으며, DNA 시퀀싱을 위해 고급 분석 기기에 의해 검출될 수 있다. 반응 챔버는 약 150㎚ 내지 약 250㎚의 깊이, 및 약 80㎚ 내지 약 160㎚의 직경을 가질 수 있다. 금속화 층(5-540)(예를 들어, 전기 기준 전위에 대한 금속화)은 인접한 반응 챔버들 및 다른 원하지 않는 광원들로부터의 스트레이 복사(stray radiation)를 제거하는 애퍼처 또는 조리개를 제공하기 위해 광 검출기(5-322) 위에 패터닝될 수 있다. 일부 실시예들에 따르면, 중합 효소(5-520)가 반응 챔버(5-330) 내에 위치될 수 있다(예를 들어, 챔버의 베이스에 부착됨). 중합 효소는 표적 핵산(5-510)(예를 들어, DNA로부터 유래된 핵산의 일부)을 취하고, 성장하는 상보적인 핵산 가닥을 시퀀싱하여, 성장하는 DNA(5-512) 가닥을 생성할 수 있다. 상이한 형광단들로 표지된 뉴클레오티드들 또는 뉴클레오티드 유사체들은 반응 챔버 위의 및 반응 챔버 내부의 용액에 분산될 수 있다.
표지된 뉴클레오티드 또는 뉴클레오티드 유사체(5-610)가 도 5-6에 도시된 바와 같이 성장하는 상보적인 핵산 가닥에 통합될 때, 하나 이상의 부착된 형광단(5-630)은 도파관(5-315)으로부터 반응 챔버(5-330) 내로 결합된 광학 에너지의 펄스들에 의해 반복적으로 여기될 수 있다. 일부 실시예들에서, 형광단 또는 형광단들(5-630)은 임의의 적합한 링커(5-620)를 사용하여 하나 이상의 뉴클레오티드 또는 뉴클레오티드 유사체(5-610)에 부착될 수 있다. 통합 이벤트는 최대 약 100ms의 기간 동안 지속될 수 있다. 이 시간 동안, 모드 고정 레이저로부터의 펄스들에 의한 형광단(들)의 여기로 인한 형광 방출의 펄스들은 예를 들어 타임 비닝 광 검출기(5-322)로 검출될 수 있다. 일부 실시예들에서, 신호 핸들링(예를 들어, 증폭, 판독, 라우팅, 신호 전처리 등)을 위해 각각의 픽셀에 하나 이상의 추가 통합 전자 디바이스(5-323)가 존재할 수 있다. 일부 실시예들에 따르면, 각각의 픽셀은 형광 방출을 통과시키고 여기 펄스로부터의 복사의 투과를 감소시키는 적어도 하나의 광학 필터(5-530)(예를 들어, 반도체 흡수체)를 포함할 수 있다. 일부 구현들은 광학 필터(5-530)를 사용하지 않을 수 있다. 상이한 방출 특성들(예를 들어, 형광 감쇠율, 강도, 형광 파장)을 갖는 형광단들을 상이한 뉴클레오티드들(A, C, G, T)에 부착하고, 상이한 방출 특성을 검출하고 구별함으로써, DNA 가닥(5-512)이 핵산을 통합하는 동안, 성장하는 DNA 가닥의 유전자 서열의 결정을 가능하게 한다.
일부 실시예들에 따르면, 형광 방출 특성들에 기초하여 샘플들을 분석하도록 구성되는 고급 분석 기기(5-100)는 상이한 형광 분자들 사이의 형광 수명들 및/또는 강도들의 차이, 및/또는 상이한 환경들에서의 동일한 형광 분자들의 수명들 및/또는 강도들 사이의 차이들을 검출할 수 있다. 설명을 위해, 도 5-7은 예를 들어 2개의 상이한 형광 분자들로부터의 형광 방출을 표현할 수 있는 2개의 상이한 형광 방출 확률 곡선(A 및 B)을 플로팅한다. 곡선 A(점선)를 참조하면, 짧은 또는 매우 짧은 광학 펄스에 의해 여기된 후, 제1 분자로부터의 형광 방출의 확률
Figure pct00001
는 도시된 바와 같이 시간이 지남에 따라 감쇠할 수 있다. 일부 경우들에서, 시간의 경과에 따른 광자 방출 확률의 감소는 지수 감쇠 함수
Figure pct00002
로 표현될 수 있고, 여기서
Figure pct00003
는 초기 방출 확률이고, τ1은 방출 감쇠 확률을 특징짓는 제1 형광 분자에 연관된 시간 파라미터이다. τ1은 제1 형광 분자의 "형광 수명", "방출 수명" 또는 "수명"으로 지칭될 수 있다. 일부 경우들에서, τ1의 값은 형광 분자의 국소 환경에 의해 변경될 수 있다. 다른 형광 분자들은 곡선 A에 보여진 것과는 상이한 방출 특성들을 가질 수 있다. 예를 들어, 다른 형광 분자는 단일 지수 감쇠와는 다른 감쇠 프로파일을 가질 수 있으며, 그것의 수명은 반감기 값 또는 소정의 다른 메트릭에 의해 특징지어질 수 있다.
제2 형광 분자는 도 5-7에서 곡선 B에 대해 도시된 바와 같이, 지수적이지만 측정가능하게 상이한 수명 τ2를 갖는 감쇠 프로파일
Figure pct00004
를 가질 수 있다. 보여진 예에서, 곡선 B의 제2 형광 분자의 수명은 곡선 A의 수명보다 짧고, 방출 확률
Figure pct00005
는 곡선 A에 대한 것에 비해 제2 분자의 여기 직후에 더 높다. 일부 실시예들에서, 상이한 형광 분자들은 약 0.1㎱ 내지 약 20㎱ 범위의 수명들 또는 반감기 값들을 가질 수 있다.
상이한 형광 분자들의 존재 또는 부재를 식별하고/하거나 형광 분자들이 종속되는 상이한 환경들 또는 조건들을 식별하기 위해 형광 방출 수명들의 차이들이 사용될 수 있다. 일부 경우들에서, (예를 들어, 방출 파장이 아닌) 수명에 기초하여 형광 분자들을 식별하는 것은 분석 기기(5-100)의 양태들을 단순화할 수 있다. 예를 들어, 수명에 기초하여 형광 분자들을 식별할 때, 파장 구별 광학계(예컨대, 파장 필터들, 각각의 파장에 대한 전용 검출기들, 상이한 파장들에서의 전용 펄스형 광학 소스들, 및/또는 회절 광학계)는 개수가 감소되거나 제거될 수 있다. 일부 경우들에서, 광학 스펙트럼의 동일한 파장 영역 내에서 방출하지만 측정가능하게 상이한 수명들을 갖는 상이한 형광 분자들을 여기시키기 위해, 단일 특징 파장에서 동작하는 단일 펄스형 광학 소스가 사용될 수 있다. 동일한 파장 영역에서 방출하는 상이한 형광 분자들을 여기시키고 식별하기 위해 상이한 파장들에서 동작하는 복수의 소스가 아닌 단일 펄스형 광학 소스를 사용하는 분석 시스템은 동작 및 유지 관리가 덜 복잡할 수 있고 더 컴팩트할 수 있으며 더 낮은 비용으로 제조될 수 있다.
형광 수명 분석에 기초하는 분석 시스템들은 특정 이점들을 가질 수 있지만, 분석 시스템에 의해 획득되는 정보의 양 및/또는 검출 정확도는 추가의 검출 기술들을 허용함으로써 증가될 수 있다. 예를 들어, 일부 분석 시스템들(5-160)은 형광 파장 및/또는 형광 강도에 기초하여 샘플의 하나 이상의 속성을 식별하도록 추가로 구성될 수 있다.
다시 도 5-7을 참조하면, 일부 실시예들에 따라, 상이한 형광 수명들은 형광 분자의 여기 후에 형광 방출 이벤트들을 타임-비닝하도록 구성된 광 검출기로 구별될 수 있다. 타임 비닝은 광 검출기에 대한 단일 전하 축적 사이클 동안 발생할 수 있다. 전하 축적 사이클은 광 생성 캐리어들(photo-generated carriers)이 타임 비닝 광 검출기의 빈들에 축적되는, 판독 이벤트들 사이의 간격이다. 방출 이벤트들의 타임 비닝에 의해 형광 수명을 결정하는 개념은 도 5-8에서 그래프로 소개된다. t1 직전의 시간 te에서, 동일한 유형(예를 들어, 도 5-7의 곡선 B에 대응하는 유형)의 형광 분자 또는 형광 분자들의 앙상블은 짧은 또는 매우 짧은 광학 펄스에 의해 여기된다. 큰 분자 앙상블에 대해, 방출 강도는 도 5-8에 도시된 바와 같이 곡선 B와 유사한 시간 프로파일을 가질 수 있다.
그러나, 단일 분자 또는 적은 수의 분자에 대해, 본 예에 대해 도 5-7의 곡선 B의 통계에 따라 형광 광자들의 방출이 발생한다. 타임 비닝 광 검출기(5-322)는 방출 이벤트들로부터 생성된 캐리어들을 개별 타임 빈들에 축적할 수 있다. 도 5-8에는 3개의 빈이 나타나 있지만, 실시예들에서는 더 적은 수의 빈 또는 더 많은 수의 빈이 사용될 수 있다. 빈들은 형광 분자(들)의 여기 시간 te에 대하여 시간적으로 분리된다. 예를 들어, 제1 빈은 시간 te에서의 여기 이벤트 이후에 발생하는 시간 t1과 t2 사이의 간격 동안 생성된 캐리어들을 축적할 수 있다. 제2 빈은 시간 t2와 t3 사이의 간격 동안 생성된 캐리어들을 축적할 수 있고, 제3 빈은 시간 t3와 t4 사이의 간격 동안 생성된 캐리어를 축적할 수 있다. 많은 수의 방출 이벤트가 합산될 때, 타임 빈들에 축적되는 캐리어들은 도 5-8에 도시된 감쇠 강도 곡선에 근접할 수 있고, 비닝된 신호들은 상이한 형광 분자들, 또는 형광 분자가 위치된 상이한 환경들을 구별하기 위해 사용될 수 있다.
타임-비닝 광 검출기(5-322)의 예들은 2015년 8월 7일자로 출원되고 발명의 명칭이 "수신된 광자들의 시간적 비닝을 위한 통합된 디바이스(Integrated Device for Temporal Binning of Received Photons)"인 미국 특허 출원 제14/821,656호, 및 2017년 12월 22일자로 출원되고 발명의 명칭이 "직접 비닝 픽셀을 갖는 통합된 광 검출기(Integrated Photodetector with Direct Binning Pixel)"인 미국 특허 출원 제15/852,571호에 설명되어 있으며, 이들 둘 다의 전체 내용은 참조에 의해 여기에 포함된다. 설명을 위해, 타임 비닝 광 검출기의 비-제한적 실시예가 도 5-9에 도시되어 있다. 단일 타임 비닝 광 검출기(5-322)는 광자 흡수/캐리어 생성 영역(5-902), 캐리어 방출 채널(5-906), 및 복수의 캐리어 저장 빈(5-908a, 5-908b)을 포함할 수 있고, 이들 모두는 반도체 기판 상에 형성된다. 캐리어 수송 채널들(5-907)은 광자 흡수/캐리어 생성 영역(5-902)과 캐리어 저장 빈들(5-908a, 5-908b) 사이에 접속될 수 있다. 도시된 예에서, 2개의 캐리어 저장 빈이 도시되어 있지만, 더 많거나 더 적을 수 있다. 캐리어 저장 빈들에 접속된 판독 채널(5-910)이 존재할 수 있다. 광자 흡수/캐리어 생성 영역(5-902), 캐리어 방출 채널(5-906), 캐리어 저장 빈(5-908a, 5-908b) 및 판독 채널(5-910)은 캐리어들의 광 검출 능력, 제한, 및 수송을 제공하기 위해 반도체를 국부적으로 도핑함으로써 및/또는 인접 절연 영역들을 형성함으로써 형성될 수 있다. 타임 비닝 광 검출기(5-322)는 또한 디바이스를 통해 캐리어들을 수송하기 위해 디바이스 내에 전기장들을 발생시키도록 구성되는, 기판 상에 형성된 복수의 전극(5-920, 5-921, 5-922, 5-923, 5-924)을 포함할 수 있다.
동작에서, 펄스형 광학 소스(5-108)(예를 들어, 모드 고정 레이저)로부터의 여기 펄스(5-122)의 일부는 타임 비닝 광 검출기(5-322)를 통해 반응 챔버(5-330)에 전달된다. 초기에, 일부 여기 복사 광자들(5-901)이 광자 흡수/캐리어 생성 영역(5-902)에 도착할 수 있고, 캐리어들(밝은 음영 원들로 보여짐)을 생성할 수 있다. 여기 복사 광자들(5-901)과 함께 도착하여 대응 캐리어들(어두운 음영 원들로 보여짐)을 생성하는 일부 형광 방출 광자들(5-903)이 또한 존재할 수 있다. 처음에, 여기 복사에 의해 생성된 캐리어들의 수가 형광 방출에 의해 생성된 캐리어들의 수에 비해 너무 클 수 있다. 시간 간격 │te-t1│ 동안 생성되는 초기 캐리어들은 예를 들어 제1 전극(5-920)을 사용하여 그것들을 캐리어 방출 채널(5-906) 내로 게이팅함으로써 제거될 수 있다.
나중에, 대부분의 형광 방출 광자들(5-903)은 광자 흡수/캐리어 생성 영역(5-902)에 도착하고 반응 챔버(5-330)로부터의 형광 방출을 표현하는 유용하고 검출가능한 신호를 제공하는 캐리어들(어두운 음영 원들로 표시됨)을 생성한다. 일부 검출 방법들에 따르면, 제2 전극(5-921) 및 제3 전극(5-923)은 나중에(예를 들어, 제2 시간 간격 │t1 - t2│ 동안) 생성된 캐리어들을 제1 캐리어 저장 빈(5-908a)에 지향시키도록 나중에 게이팅될 수 있다. 후속하여, 제4 전극(5-922) 및 제5 전극(5-924)은 캐리어들을 제2 캐리어 저장 빈(5-908b)으로 지향시키기 위해 나중에(예를 들어, 제3 시간 간격 │t2 - t3│ 동안) 게이팅될 수 있다. 각각의 캐리어 저장 빈(5-908a, 5-908b)에서 상당한 수의 캐리어들 및 신호 레벨들을 축적하기 위해, 많은 수의 여기 펄스들에 대해, 전하 축적이 여기 펄스 이후에 이러한 방식으로 계속될 수 있다. 나중에, 신호는 빈들로부터 판독될 수 있다. 일부 구현들에서, 각각의 저장 빈에 대응하는 시간 간격들은 서브 나노초 시간 스케일이지만, 일부 실시예들에서(예를 들어, 형광단들이 더 긴 감쇠 시간들을 갖는 실시예들에서) 더 긴 시간 스케일들이 사용될 수 있다.
여기 이벤트(예를 들어, 펄스형 광학 소스로부터의 여기 펄스) 후에 캐리어들을 생성하고 타임 비닝하는 프로세스는 단일 여기 펄스 후에 한 번 발생하거나, 타임 비닝 광 검출기(5-322)에 대한 단일 전하 축적 사이클 동안의 복수의 여기 펄스 후에 여러 번 반복될 수 있다. 전하 축적이 완료된 후, 캐리어들은 판독 채널(5-910)을 통해 저장 빈들로부터 판독될 수 있다. 예를 들어, 적절한 바이어싱 시퀀스가 전극들(5-923, 5-924) 및 적어도 전극(5-940)에 인가되어 저장 빈들(5-908a, 5-908b)로부터 캐리어들을 제거할 수 있다. 전하 축적 및 판독 프로세스들은 광전자 칩(5-140) 상에서 대규모 병렬 동작으로 발생하여 데이터 프레임들을 야기할 수 있다.
도 5-9와 관련하여 설명된 예는 복수의 전하 저장 빈(5-908a, 5-908b)을 포함하지만, 일부 경우들에서는 단일 전하 저장 빈이 대신 사용될 수 있다. 예를 들어, 타임 비닝 광 검출기(5-322)에는 bin1만이 존재할 수 있다. 그러한 경우에서, 단일 저장 빈(5-908a)은 상이한 여기 이벤트들 이후 상이한 시간 간격들에서 보기 위해 가변 시간 게이팅 방식으로 동작될 수 있다. 예를 들어, 제1의 일련의 여기 펄스들 내의 펄스들 후에, 저장 빈(5-908a)에 대한 전극들은 제1 시간 간격 동안(예를 들어, 제2 시간 간격 │t1 - t2│ 동안) 생성된 캐리어들을 수집하도록 게이트될 수 있으며, 축적된 신호는 제1의 미리 결정된 수의 펄스들 후에 판독될 수 있다. 동일한 반응 챔버에서의 후속하는 일련의 여기 펄스들 내의 펄스들 후, 저장 빈(5-908a)에 대한 동일한 전극들은 상이한 간격(예를 들어, 제3 시간 간격 │t2 - t3│) 동안 생성된 캐리어들을 수집하도록 게이팅될 수 있고, 축적된 신호는 제2의 미리 결정된 수의 펄스 후에 판독될 수 있다. 필요한 경우, 캐리어들은 유사한 방식으로 나중의 시간 간격들 동안 수집될 수 있다. 이러한 방식으로, 여기 펄스가 반응 챔버에 도착한 후의 상이한 기간들 동안의 형광 방출에 대응하는 신호 레벨들이 단일 캐리어 저장 빈을 사용하여 생성될 수 있다.
여기 후의 상이한 시간 간격들 동안 전하 축적이 어떻게 수행되는지에 관계없이, 판독된 신호들은 예를 들어 형광 방출 감쇠 특성을 표현하는 빈들의 히스토그램을 제공할 수 있다. 반응 챔버들로부터의 형광 방출을 취득하기 위해 2개의 전하 저장 빈이 사용되는 예시적인 프로세스가 도 5-10A 및 도 5-10B에 도시되어 있다. 히스토그램의 빈들은 반응 챔버(5-330)에서 형광단(들)이 여기된 후 각각의 시간 간격 동안 검출되는 광자들의 수를 나타낼 수 있다. 일부 실시예들에서, 빈들에 대한 신호들은 도 5-10A에 도시된 바와 같이 많은 수의 여기 펄스 후에 축적될 것이다. 여기 펄스들은 펄스 간격 시간(T)에 의해 분리된 시간들(te1, te2, te3,… teN)에서 발생할 수 있다. 일부 경우들에서, 반응 챔버에서 관찰되는 단일 이벤트(예를 들어, DNA 분석에서의 단일 뉴클레오티드 통합 이벤트)에 대해 전자 저장 빈들에 신호들이 축적되는 동안 반응 챔버에 적용되는 105 내지 107개의 여기 펄스(5-122)(또는 그 일부)가 존재할 수 있다. 일부 실시예들에서, 하나의 빈(빈 0)은 각각의 광학 펄스와 함께 전달되는 여기 에너지의 진폭을 검출하도록 구성될 수 있으며, (예를 들어, 데이터를 정규화하기 위해) 기준 신호로서 사용될 수 있다. 다른 경우들에서, 여기 펄스 진폭은 안정적일 수 있고, 신호 취득 동안 1회 이상 결정될 수 있으며, 각각의 여기 펄스 후에는 결정되지 않고, 그에 의해 각각의 여기 펄스 후에는 빈 0 신호 취득이 존재하지 않는다. 그러한 경우들에서, 여기 펄스에 의해 생성된 캐리어들은 도 5-9와 관련하여 위에서 설명된 바와 같이 광자 흡수/캐리어 생성 영역(5-902)으로부터 제거되고 폐기될 수 있다.
일부 구현들에서, 도 5-10A에 도시된 바와 같이, 여기 이벤트 후에 형광단으로부터 단일 광자만이 방출될 수 있다. 시간 te1에서의 제1 여기 이벤트 이후, 시간 tf1에서의 방출된 광자는 제1 시간 간격(예를 들어, 시간 t1과 t2 사이) 내에서 발생할 수 있고, 그에 의해 결과적인 전자 신호가 제1 전자 저장 빈에 축적된다(빈 1에 기여함). 시간 te2에서의 후속 여기 이벤트에서, 시간 tf2에서의 방출된 광자는 제2 시간 간격(예를 들어, 시간 t2와 t3 사이) 내에서 발생할 수 있고, 그에 의해 결과적인 전자 신호는 빈 2에 기여한다. 시간 te3에서의 다음 여기 이벤트 이후, 광자는 제1 시간 간격 내에서 발생하는 시간 tf3에서 방출될 수 있다.
일부 구현들에서, 반응 챔버(5-330)에서 수신된 각각의 여기 펄스 후에 방출 및/또는 검출된 형광 광자가 존재하지 않을 수 있다. 일부 경우들에서, 반응 챔버에 전달되는 10,000개의 여기 펄스마다 반응 챔버에서 검출되는 형광 광자는 1개 정도로 적을 수 있다. 펄스 여기 소스(5-108)로서 모드 고정 레이저(5-110)를 구현하는 것의 한 가지 이점은 모드 고정 레이저가 높은 펄스 반복률(예를 들어, 50㎒ 내지 250㎒)에서의 빠른 턴오프 시간들 및 높은 강도를 갖는 짧은 광학 펄스들을 생성할 수 있다는 것이다. 이러한 높은 펄스 반복률들을 이용하면, 10 밀리초 전하 축적 간격 내의 여기 펄스들의 수는 50,000 내지 250,000개일 수 있고, 그에 의해 검출가능한 신호가 축적될 수 있다.
많은 수의 여기 이벤트 및 캐리어 축적 후, 타임 비닝 광 검출기(5-322)의 캐리어 저장 빈들이 판독되어, 반응 챔버에 대해 다중 값 신호(예를 들어, 두 개 이상의 값의 히스토그램, N차원 벡터 등)를 제공할 수 있다. 각각의 빈에 대한 신호 값들은 형광단의 감쇠율에 의존할 수 있다. 예를 들어, 다시 도 5-8을 참조하면, 감쇠 곡선 B를 갖는 형광단은 감쇠 곡선 A를 갖는 형광단에 비해 빈 1 대 빈 2의 신호 비율이 더 높을 것이다. 존재하는 특정 형광단을 결정하기 위해, 빈들로부터의 값들이 분석되고, 교정 값들과 및/또는 서로와 비교될 수 있다. 시퀀싱 응용을 위해, 형광단들을 식별하면, 예를 들어 성장하는 DNA 가닥에 통합되고 있는 뉴클레오티드 또는 뉴클레오티드 유사체를 결정할 수 있다. 다른 응용들에 대해, 형광단을 식별하면, 형광단에 링크될 수 있는 관심있는 분자 또는 시료의 정체를 결정할 수 있다.
신호 분석을 이해하는 데 더 도움을 주기 위해, 축적된 다중 빈 값들은, 예를 들어 도 5-10B에 도시된 바와 같이 히스토그램으로서 플로팅될 수 있거나, N차원 공간 내의 벡터 또는 위치로서 기록될 수 있다. 교정 실행들(calibration runs)은 4개의 뉴클레오티드 또는 뉴클레오티드 유사체에 연결된 4개의 상이한 형광단에 대해 다중 값 신호들에 대한 교정 값들(예를 들어, 교정 히스토그램들)을 취득하기 위해 별개로 수행될 수 있다. 예로서, 교정 히스토그램들은 도 5-11A(T 뉴클레오티드에 연관된 형광 라벨), 도 5-11B(A 뉴클레오티드에 연관된 형광 라벨), 도 5-11C(C 뉴클레오티드에 연관된 형광 라벨), 및 도 5-11D(G 뉴클레오티드에 연관된 형광 라벨)에 도시된 바와 같이 나타날 수 있다. 측정된 다중 값 신호(도 5-10B의 히스토그램에 대응함)와 교정 다중 값 신호들의 비교는 성장하는 DNA 가닥에 통합되는 뉴클레오티드 또는 뉴클레오티드 유사체의 정체 "T"(도 5-11A)를 결정할 수 있다.
일부 구현들에서, 상이한 형광단들을 구별하기 위해, 형광 강도가 추가적으로 또는 대안적으로 사용될 수 있다. 예를 들어, 일부 형광단들은 그들의 감쇠율이 유사하더라도 상당히 다른 강도들로 방출하거나 여기 확률들의 상당한 차이(예를 들어, 적어도 약 35%의 차이)를 가질 수 있다. 측정된 여기 에너지 및/또는 다른 취득된 신호에 대해 비닝된 신호들(빈들 5-3)을 참조함으로써, 강도 레벨들에 기초하여 상이한 형광단들을 구별하는 것이 가능할 수 있다.
일부 실시예들에서, 동일한 유형의 상이한 개수의 형광단이 상이한 뉴클레오티드들 또는 뉴클레오티드 유사체들에 연결될 수 있고, 그에 의해 뉴클레오티드들이 형광단 강도에 기초하여 식별될 수 있다. 예를 들어, 2개의 형광단이 제1 뉴클레오티드(예를 들어, "C") 또는 뉴클레오티드 유사체에 연결될 수 있고, 4개 이상의 형광단이 제2 뉴클레오티드(예를 들어, "T") 또는 뉴클레오티드 유사체에 연결될 수 있다. 형광단의 수가 상이하기 때문에, 상이한 뉴클레오티드들에 연관된 상이한 여기 및 형광단 방출 확률들이 존재할 수 있다. 예를 들어, 신호 축적 간격 동안 "T" 뉴클레오티드 또는 뉴클레오티드 유사체에 대해 더 많은 방출 이벤트가 존재할 수 있고, 그에 의해 빈의 겉보기 강도는 "C" 뉴클레오티드 또는 뉴클레오티드 유사체에 대한 것보다 훨씬 더 높다.
형광단 감쇠율들 및/또는 형광단 강도들에 기초하여 뉴클레오티드들 또는 임의의 다른 생물학적 또는 화학적 시료를 구별하는 것은 분석 기기(5-100)에서의 광학적 여기 및 검출 시스템의 단순화를 가능하게 한다. 예를 들어, 광학 여기는 단일 파장 소스(예를 들어, 복수의 소스가 아닌 하나의 특징 파장을 생성하는 소스, 또는 복수의 상이한 특징 파장에서 동작하는 소스)로 수행될 수 있다. 추가적으로, 파장 식별 광학계들 및 필터들은 상이한 파장들의 형광단들을 구별하기 위해 검출 시스템에서 필요하지 않을 수 있다. 또한, 상이한 형광단들로부터의 방출을 검출하기 위해, 각각의 반응 챔버에 대해 단일 광 검출기가 사용될 수 있다.
문구 "특징 파장" 또는 "파장"은 제한된 복사 대역폭 내의 중심 또는 우세 파장(예를 들어, 펄스형 광학 소스에 의해 출력되는 20㎚ 대역폭 내의 중심 또는 피크 파장)을 지칭하기 위해 사용된다. 일부 경우들에서, "특징 파장" 또는 "파장"은 소스에 의해 출력되는 복사의 총 대역폭 내의 피크 파장을 지칭하기 위해 사용될 수 있다.
약 560㎚ 내지 약 900㎚ 범위의 방출 파장들을 갖는 형광단들이 타임 비닝 광 검출기(CMOS 프로세스들을 사용하여 실리콘 웨이퍼 상에 제조될 수 있음)에 의해 검출될 수 있는 적절한 양의 형광을 제공할 수 있다. 이러한 형광단들은 유전자 시퀀싱 응용을 위해 뉴클레오티드들 또는 뉴클레오티드 유사체들과 같은 관심 생물학적 분자들에 연결될 수 있다. 이 파장 범위의 형광 방출은 더 긴 파장의 형광에 비해 실리콘 기반 광 검출기에서 더 높은 반응성으로 검출될 수 있다. 추가적으로, 이러한 파장 범위 내의 형광단들 및 연관된 링커들은 성장하는 DNA 가닥들에 대한 뉴클레오티드 또는 뉴클레오티드 유사체의 통합을 방해하지 않을 수 있다. 일부 구현들에서, 약 560㎚ 내지 약 660㎚ 범위의 방출 파장들을 갖는 형광단들이 단일 파장 소스로 광학적으로 여기될 수 있다. 이 범위의 예시적인 형광단은 매사추세츠 주 월섬의 Thermo Fisher Scientific Inc.로부터 입수할 수 있는 Alexa Fluor 647이다. 약 560㎚ 내지 약 900㎚의 파장들에서 방출하는 형광단들을 여기시키기 위해, 더 짧은 파장(예를 들어, 약 500㎚ 내지 약 650㎚)에서의 여기 에너지가 사용될 수 있다. 일부 실시예들에서, 타임 비닝 광 검출기들은 예를 들어 Ge와 같은 다른 재료들을 광 검출기 활성 영역들에 통합함으로써, 반응 챔버들로부터의 더 긴 파장의 방출을 효율적으로 검출할 수 있다.
Ⅳ. 결론
이와 같이, 고급 분석 시스템(5-100)에 대한 시스템 아키텍처의 여러 실시예의 여러 양태를 설명하였지만, 본 기술분야의 통상의 기술자에게는 다양한 변경, 수정 및 개선이 쉽게 떠오를 수 있다는 것을 알아야 한다. 이러한 변경들, 수정들 및 개선들은 본 개시내용의 일부로 의도되며, 본 발명의 사상 및 범위 내에 있도록 의도된다. 본 교시내용이 다양한 실시예 및 예와 함께 설명되었지만, 본 교시내용은 이러한 실시예들 또는 예들에 제한되는 것으로 의도되지 않는다. 반대로, 본 교시내용은 본 기술분야의 통상의 기술자에 의해 이해되는 바와 같이 다양한 대안, 수정 및 등가물을 포함한다.
다양한 발명의 실시예가 설명되고 도시되었지만, 본 기술분야의 통상의 기술자들은 기능을 수행하고/하거나, 설명된 결과들 및/또는 하나 이상의 이점을 얻기 위한 다양한 다른 수단 및/또는 구조를 쉽게 구상할 것이고, 이러한 변형들 및/또는 수정들 각각은 설명된 본 발명의 실시예의 범위 내에 있는 것으로 고려된다. 더 일반적으로, 본 기술분야의 통상의 기술자는 설명된 모든 파라미터, 치수, 재료 및 구성이 예시로서 의도되고, 실제 파라미터들, 치수들, 재료들 및/또는 구성들이 본 발명의 교시가 사용되는 특정 응용 또는 응용들에 의존할 것임을 쉽게 알 것이다. 본 기술분야의 통상의 기술자는 설명된 구체적인 발명의 실시예들에 대한 다수의 등가물을 일상적인 실험을 넘어서지 않는 것을 사용하여 인식하거나 확인할 수 있을 것이다. 따라서, 전술한 실시예들은 단지 예로서 제시된 것이며, 첨부된 청구항들 및 그 균등물의 범위 내에서, 본 발명의 실시예들은 구체적으로 설명되고 청구된 것과 달리 실시될 수 있다는 것을 이해해야 한다. 본 개시내용의 발명의 실시예들은 설명된 각각의 개별적인 특징, 시스템, 시스템 업그레이드 및/또는 방법에 관한 것일 수 있다. 추가로, 그러한 특징, 시스템, 시스템 업그레이드 및/또는 방법이 상호 불일치하지 않는 경우, 2개 이상의 그러한 특징, 시스템 및/또는 방법의 임의의 조합이 본 개시내용의 발명의 범위 내에 포함된다.
또한, 본 발명의 일부 이점이 표시될 수 있지만, 본 발명의 모든 실시예가 설명된 모든 이점을 포함하는 것은 아님을 알아야 한다. 일부 실시예들은 유리한 것으로 설명된 임의의 특징들을 구현하지 않을 수 있다. 따라서, 전술한 설명 및 도면은 단지 예일 뿐이다.
특허, 특허 출원, 기사, 서적, 논문 및 웹 페이지를 포함하지만 이에 제한되지 않는 본 출원에서 인용된 모든 문헌 및 유사한 자료는, 그러한 문헌 및 유사한 자료의 형식에 관계없이 그 전체 내용이 참조에 의해 명시적으로 포함된다. 통합된 문헌 및 유사한 자료 중 하나 이상이 정의된 용어, 용어 사용, 설명된 기술 등을 포함하지만 이에 제한되지 않는 본 출원과 다르거나 모순되는 경우, 본 출원이 우선한다.
사용된 섹션 제목들은 구성 목적으로만 사용되며, 어떤 식으로든 설명된 주제를 제한하는 것으로 해석되어서는 안된다.
또한, 설명된 기술은 방법으로서 구현될 수 있고, 그것의 적어도 하나의 예가 제공되어 있다. 방법의 일부로서 수행되는 동작들은 임의의 적절한 방식으로 순서가 정해질 수 있다. 따라서, 예시적인 실시예들에서 순차적인 동작들로 보여지더라도, 설명된 것과 상이한 순서로 동작들이 수행되는 실시예들이 구성될 수 있고, 이는 일부 동작들을 동시에 수행하는 것을 포함할 수 있다.
정의되고 사용된 모든 정의들은 사전적 정의, 참조로 통합된 문서들에서의 정의, 및/또는 정의된 용어들의 일반적인 의미에 우선하는 것으로 이해되어야 한다.
수치 값들 및 범위들은 대략적인 또는 정확한 값들 또는 범위들로서 명세서 및 청구항들에 설명될 수 있다. 예를 들어, 일부 경우들에서, 용어 "약", "대략" 및 "실질적으로"가 값과 관련하여 사용될 수 있다. 이러한 언급들은 언급된 값뿐만 아니라 값의 합리적 변동을 빼거나 더한 것을 포괄하도록 의도된 것이다. 예를 들어, 문구 "약 10 내지 약 20"은 일부 실시예들에서 "정확히 10 내지 정확히 20"은 물론, 일부 실시예들에서 "10 ± δ1 내지 20 ± δ2"를 의미하도록 의도된다. 값에 대한 변동량 δ1, δ2는 일부 실시예들에서 값의 5% 미만, 일부 실시예들에서 값의 10% 미만, 일부 실시예들에서 값의 20% 미만일 수 있다. 큰 범위의 값, 예를 들어 100배 이상을 포함하는 범위가 주어지는 실시예들에서, 값에 대한 변동량 δ1, δ2는 50% 정도로 높을 수 있다. 예를 들어, 동작가능한 범위가 2으로부터 200까지 확장되는 경우, "대략 80"은 40 내지 120의 값을 포함할 수 있으며, 범위는 1 내지 300으로 클 수 있다. 정확한 값들이 의도될 때, "정확히"라는 용어가 사용되고, 예를 들면 "정확히 2 내지 정확히 200"이다.
용어 "인접한"은 서로 매우 근접하게(예를 들어, 2개의 요소 중 더 큰 요소의 가로 또는 세로 치수의 약 1/5 미만의 거리 내에) 배열된 2개의 요소를 지칭할 수 있다. 일부 경우들에서, 인접한 요소들 사이에 중간 구조들 또는 층들이 존재할 수 있다. 일부 경우들에서, 인접한 요소들은 중간 구조물들 또는 요소들 없이 서로 바로 인접할 수 있다.
명세서 및 청구항들에서 사용될 때의 단수 표현(부정 관사 "a" 및 "an")은 반대로 명확하게 표시되지 않는 한, "적어도 하나"를 의미하는 것으로 이해되어야 한다.
명세서 및 청구항들에서 사용될 때의 문구 "및/또는"은 이렇게 결합된 요소들 중 "어느 하나 또는 둘 다"를 의미하는 것으로서, 즉 일부 경우들에서는 결합적으로 존재하고 다른 경우들에서는 분리되어 존재하는 요소들을 의미하는 것으로 이해되어야 한다. "및/또는"으로 나열된 복수의 요소는 동일한 방식으로, 즉 이렇게 결합된 요소들 중 "하나 이상"으로 해석되어야 한다. "및/또는"이라는 절에 의해 구체적으로 식별된 요소들 이외의 다른 요소들은, 구체적으로 식별된 요소들에 관련되는지 관련되지 않는지에 무관하게, 임의적으로 존재할 수 있다. 따라서, 비-제한적인 예로서, "포함하는"과 같은 개방형 언어와 함께 사용될 때, "A 및/또는 B"에 대한 언급은 일 실시예에서 A만을 지칭할 수 있고(임의적으로, B가 아닌 요소들을 포함함); 다른 실시예에서 B만을 지칭할 수 있고(임의적으로 A가 아닌 요소들을 포함함); 또 다른 실시예에서 A 및 B 둘 다를 지칭할 수 있는(임의적으로 다른 요소들을 포함함) 등이다.
명세서들 및 청구항들에서 사용될 때, "또는"은 위에서 정의된 "및/또는"과 동일한 의미를 갖는 것으로 이해되어야 한다. 예를 들어, 목록 내의 항목들을 구분할 때, "또는" 또는 "및/또는"은 포함적인 것으로서, 즉, 다수의 요소 또는 요소들의 목록 중 적어도 하나는 물론, 하나보다 많이 포함하며, 나열되지 않은 추가의 항목들을 임의적으로 포함하는 것으로 해석되어야 한다. "~ 중 단 하나" 또는 "~ 중 정확히 하나", 또는 청구항들에서 사용될 때의 "~로 이루어진"과 같이 명확하게 반대로 표시된 용어들만이 다수의 요소 또는 요소들의 목록 중 정확히 하나의 요소의 포함을 지칭할 것이다. 일반적으로, 사용된 용어 "또는"은 "~ 중 어느 하나", "~ 중 하나", "~ 중 단 하나", 또는 "~ 중 정확히 하나"와 같은 배제의 용어가 후속할 때, 배제의 대안들(즉, "하나 또는 다른 하나, 그러나 둘 다는 아님")을 나타내는 것으로 해석되어야 한다. 청구항들에서 사용될 때, "본질적으로 ~로 이루어지는"은 특허법 분야에서 사용될 때 일반적인 의미를 가질 것이다.
명세서 및 청구항들에서 사용될 때, 하나 이상의 요소의 목록을 참조하는 문구 "적어도 하나"는 요소들의 목록 내의 요소들 중 임의의 하나 이상으로부터 선택된 적어도 하나의 요소를 의미하지만, 요소들의 목록 내에 구체적으로 나열된 각각의 모든 요소 중 적어도 하나를 반드시 포함하지는 않고, 요소들의 목록 내의 요소들의 임의의 조합들을 배제하지 않음을 이해해야 한다. 이러한 정의는 또한 문구 "적어도 하나"가 참조하는 요소들의 목록 내에서 구체적으로 식별되는 요소들에 관련이 있는지 여부에 관계없이, 구체적으로 식별되는 그러한 요소들 외의 요소들이 임의적으로 존재하는 것을 허용한다. 따라서, 비-제한적인 예로서, "A 및 B 중 적어도 하나"(또는 동등하게, "A 또는 B 중 적어도 하나" 또는 동등하게 "A 및/또는 B 중 적어도 하나")는, 일 실시예에서는 B의 존재 없이(그리고, 임의적으로 B 외의 요소들을 포함하여) 적어도 하나 - 임의적으로 하나 초과를 포함함 - 의 A를 지칭할 수 있고; 다른 실시예에서는 A의 존재 없이(그리고, 임의적으로 A 외의 요소들을 포함하여) 적어도 하나 - 임의적으로 하나 초과를 포함함 - 의 B를 지칭할 수 있고; 또 다른 실시예에서는 적어도 하나 - 임의적으로 하나 초과를 포함함 - 의 A, 및 적어도 하나 - 임의적으로 하나 초과를 포함함 - 의 B(및 임의적으로 다른 요소들을 포함함)를 지칭할 수 있는 등이다.
청구항들에서는 물론, 상기 명세서에서, "포함하는(comprising, including)", "지니는(carrying)", "갖는(having)", "함유하는(containing)", "수반하는(involving)", "보유하는(holding)", "이루어진(composed of)" 등과 같은 모든 전이 문구들은 개방형인 것으로, 즉 포함하지만 제한되지 않음을 의미하는 것으로 이해되어야 한다. 전이 문구들 "구성된(consisting of)" 및 "본질적으로 구성된(consisting essentially of)"만이 각각 폐쇄형 또는 반-폐쇄형 전이 문구들일 것이다.
청구항들은 그 효과에 대해 언급되지 않는 한 설명된 순서 또는 요소들로 제한되는 것으로 읽혀서는 안된다. 첨부된 청구항들의 사상 및 범위를 벗어나지 않고서, 본 기술분야의 통상의 기술자에 의해 형태 및 세부사항의 다양한 변경들이 이루어질 수 있음을 이해해야 한다. 이하의 청구항들 및 그것의 등가물들의 사상 및 범위 내에 있는 모든 실시예가 청구된다.

Claims (30)

  1. 통합 디바이스로서,
    제1 표면을 갖는 기판; 및
    상기 기판 상에 형성되는 복수의 픽셀
    을 포함하고, 상기 복수의 픽셀 중 적어도 일부는:
    샘플을 수용하도록 구성되는 반응 챔버;
    상기 반응 챔버로부터 방출되는 방출 복사를 검출하도록 구성되는 센서;
    여기 복사를 상기 반응 챔버에 결합하도록 구성되는 도파관; 및
    상기 도파관과 상기 센서 사이에 배치되는 광학 나노구조물(optical nanostructure)
    을 포함하고, 상기 광학 나노구조물은 상기 기판의 상기 제1 표면에 실질적으로 평행한 평면에서 구조적 변화들(structural variations)을 포함하도록 패터닝되고, 상기 제1 표면에 실질적으로 수직인 방향에서 상기 광학 나노구조물에 입사하는 상기 여기 복사의 적어도 일부를 제거(reject)하는, 통합 디바이스.
  2. 제1항에 있어서, 상기 구조적 변화들은 상기 평면 내의 적어도 하나의 차원에서 주기적 또는 준-주기적(quasi-periodic)인, 통합 디바이스.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 광학 나노구조물은 포토닉 밴드갭(photonic bandgap)을 나타내는, 통합 디바이스.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 구조적 변화들은 상기 평면 내의 두 개의 차원에서 주기적 또는 준-주기적인, 통합 디바이스.
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 구조적 변화들은 150nm 내지 500nm의 주기성을 나타내는, 통합 디바이스.
  6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 광학 나노구조물은 상기 구조적 변화들 내에서 누락되거나 현저히 상이한 주기적 컴포넌트를 갖지 않는, 통합 디바이스.
  7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 광학 나노구조물은 제1 굴절률을 갖는 유전체 재료의 제1 복수의 이산 영역을 포함하는, 통합 디바이스.
  8. 제7항에 있어서, 상기 유전체 재료의 상기 제1 복수의 이산 영역은 상기 평면 내에서 100nm 내지 300nm의 폭을 나타내는, 통합 디바이스.
  9. 제7항 또는 제8항에 있어서, 상기 광학 나노구조물은 상기 유전체 재료의 제2 복수의 이산 영역을 포함하고, 상기 유전체 재료의 상기 제1 및 제2 이산 영역들은 상기 기판의 상기 제1 표면에 수직인 방향을 따라 서로 이격되는, 통합 디바이스.
  10. 제9항에 있어서, 상기 유전체 재료의 상기 제1 및 제2 이산 영역들은 상기 평면에 평행한 방향을 따라 서로 엇갈려 있는, 통합 디바이스.
  11. 제7항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 유전체 재료의 상기 제1 복수의 이산 영역은 상기 제1 굴절률과 상이한 제2 굴절률을 갖는 재료의 영역들에 의해 분리되는, 통합 디바이스.
  12. 제7항 내지 제11항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 유전체 재료의 상기 제1 복수의 이산 영역은 상기 평면에 수직인 방향으로 연장되는, 통합 디바이스.
  13. 제12항에 있어서, 상기 유전체 재료의 상기 제1 복수의 이산 영역은 상기 기판의 제1 표면에 수직인 방향을 따라 100nm 내지 300nm의 높이를 나타내는, 통합 디바이스.
  14. 제1항 내지 제13항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 반응 챔버와 상기 센서 사이에 배치되는 조리개를 더 포함하는, 통합 디바이스.
  15. 제1항 내지 제14항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 반응 챔버와 상기 센서 사이에 배치되어, 상기 센서 상으로의 상기 방출 복사의 집광(concentration)을 증가시키는 광학 요소를 더 포함하는, 통합 디바이스.
  16. 제15항에 있어서, 상기 광학 요소는 상기 방출 복사의 동일한 파장에 대해 제1 굴절률을 갖는 유전체 재료의 디스크를 포함하고, 상기 제1 굴절률은 상기 디스크를 둘러싸는 재료에 대한 제2 굴절률과 상이한, 통합 디바이스.
  17. 통합 디바이스를 동작시키는 방법으로서,
    기판 상에 형성된 도파관으로부터, 상기 도파관에 인접하여 형성된 반응 챔버에 여기 복사를 결합하는 단계 - 상기 여기 복사는 제1 파장을 가짐 -;
    상기 반응 챔버로부터의 방출 복사를 광학 나노구조물을 통해 센서에 통과시키는 단계 - 상기 광학 나노구조물은 상기 기판의 제1 표면에 실질적으로 평행한 평면에서 구조적 변화들을 포함하도록 패터닝되고, 상기 방출 복사는 상기 제1 파장과 상이한 제2 파장을 갖고, 상기 여기 복사에 의한 상기 반응 챔버 내의 적어도 하나의 방출기의 여기에 응답하여 생성됨 -; 및
    상기 광학 나노구조물로 상기 여기 복사의 적어도 일부를 제거하는 단계
    를 포함하는, 방법.
  18. 제17항에 있어서, 상기 기판 상에 형성된 센서로 상기 광학 나노구조물을 통과하는 상기 방출 복사의 적어도 일부를 검출하는 단계를 더 포함하는, 방법.
  19. 제17항 또는 제18항에 있어서, 상기 여기 복사의 일부를 제거하는 단계는 상기 여기 복사의 상기 일부가 상기 광학 나노구조물로부터 반사되게 하는 단계를 포함하는, 방법.
  20. 제17항 내지 제19항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제1 파장은 상기 광학 나노구조물의 포토닉 밴드갭 내부에 있는, 방법.
  21. 제20항에 있어서, 상기 제2 파장은 상기 광학 나노구조물의 상기 포토닉 밴드갭 외부에 있는, 방법.
  22. 제17항 내지 제21항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 구조적 변화들은 상기 평면 내의 적어도 하나의 차원에서 주기적 또는 준-주기적인, 방법.
  23. 제17항 내지 제22항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 구조적 변화들은 상기 평면 내의 두 개의 차원에서 주기적 또는 준-주기적인, 방법.
  24. 제17항 내지 제23항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 반응 챔버로부터의 방출 복사를 조리개를 통해 통과시키는 단계를 더 포함하는, 방법.
  25. 제24항에 있어서, 상기 조리개로 상기 여기 복사를 제거하는 단계를 더 포함하는, 방법.
  26. 제17항 내지 제25항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 반응 챔버와 광학 나노구조물 사이에 위치된 유전체 디스크로 상기 방출 복사를 집광시키는 단계를 더 포함하는, 방법.
  27. 통합 디바이스를 제조하기 위한 방법으로서,
    제1 표면을 갖는 기판 상에, 복수의 픽셀 중 적어도 일부가 반응 챔버 및 센서를 포함하도록 상기 복수의 픽셀을 형성하는 단계;
    상기 복수의 픽셀 중 적어도 일부 내에 도파관을 형성하는 단계; 및
    상기 복수의 픽셀 중 적어도 일부 내에서 상기 도파관과 상기 센서 사이에 광학 나노구조물을 형성하는 단계
    를 포함하고, 상기 광학 나노구조물을 형성하는 단계는:
    상기 기판의 상기 제1 표면에 실질적으로 평행한 평면에 구조적 변화들을 포함하도록 제1 유전체 재료를 패터닝하는 단계를 포함하는, 방법.
  28. 제27항에 있어서, 상기 제1 유전체 재료를 패터닝하는 단계는 상기 제1 유전체 재료에 주기적 또는 준-주기적 패턴들을 형성하는 단계를 포함하는, 방법.
  29. 제27항 또는 제28항에 있어서, 상기 구조적 변화들을 포함하도록 제1 유전체 재료를 패터닝하는 단계는 상기 제1 유전체 재료 내에 공극들을 형성하기 위해 상기 제1 유전체 재료를 에칭하는 단계를 포함하는, 방법.
  30. 제29항에 있어서, 상기 공극들을 상기 제1 유전체 재료와 상이한 제2 유전체 재료로 채우는 단계를 더 포함하는, 방법.
KR1020227001807A 2019-06-19 2020-06-18 통합 디바이스를 위한 광학 나노구조 제거기 및 관련 방법들 KR20220024702A (ko)

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