TWI259279B - Device manufacturing method for the production of silicon substrates having functionalized surface and device manufactured thereby - Google Patents

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1259279 九、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 本發明係關於一種用於製造呈—处 、有S月色化表面之石夕基枯 叙置製造方法以及由此方法製壯 k之衣置。本發明亦特別Μ 衣能夠用作化學或生物感測器之裝置。 【先前技術】 具有内在保護性Si〇2層之石夕丰4 2曰 < 夕表面鈥供使矽表面結構化及 改質之能力之基底，以形成積 /取檟體電路（ICs)。但，如果在基

礎石夕基材上引入官能性，則 J檟體電路的應用領域可能顯著 擴展。引入生物官能性特別需要。為擴展石夕用於此新用途 之適用性’需要能夠將多種不同官能性加入石夕表面之技術。 WO第00/26019號討論具有共價結合到矽表面之單層之 多孔性石夕基材。但，多孔石夕表面對製造ICS而言不足^句 勻，且在所產生的裝置中產生缺陷。因此，此技術不足以 製造官能化的ICS。此文獻中討論的方法具有額外缺點，所 用的條件可能使反應期間存在一定量氧。這可能導致石夕表 面區域終止於Si02’而非有機單層，因此在有機單層中產 生缺陷。對於需要奈米尺寸特徵的ICS，在ICS投人使用時， 在單層中存在甚至很小^02區域可產生不精確性。 使用新技術所面對的一個難題為，可能損害自然覆蓋矽 表面的Si〇2層。Si〇2層本質上保護下面的矽基材，因此應 避免導致此保護效應降低的改質。 。其中在矽表面上需要官能性的一個特殊領域為化學感測 器領域。在此領域已由官能化層加到矽基材取得成功，例 94267.doc 1259279 如，官能化聚合物層。最近已用場效應電晶體（FETs)取得 進展。此等裝置提供快速回應化學感測，並可用現有平面 1C技術與已知fets組合製造。 離子感測場效應電晶體（ISFET)為已知以FE丁為基礎的化 學感測器的一個簡單實例。在ISFET*，覆蓋FE丁閘區域的 氧化矽亦作為化學感測器。一般電解質與氧化物閘電接 觸依賴電解吳之PH，氧化物表面上的不同比例石夕醇部分 將被質子化。因此，在閘氧化物首先與電解質溶液接觸時， 表面上的矽醇基團可能質子化或去質子化，導致在氧化物/ 電解質接合處形成界面電勢。該界面電勢直接影響氧化物 中的電場，以及FE丁裝置中的渠溝電阻。以此方式，即丁感 測電解質溶液之pH。 此等裝置對pH變化顯示很快回應。另外，感測器之選擇 性及靈敏性可由改變用作閘之物質控制。八丨2〇3、si3N4、及 Ta2〇5為可用作通常§丨〇2代替物的適合物質之實例。 但，ISFET裝置本質上僅可應用於檢測pH變化。因此， 需要進一步發展，以提供具有增加適用性之感測器。最初 期望能夠帛單由含離子載體的PVC薄膜直接沈積於FET之 閘氧化物上使ISFET變成能夠檢測其他離子的感測器。但發 現此等結構對二氧化碳不穩定而且敏感，因此不適合實際 應用。此解決此等問題，在PVC薄膜和氧化物閘之間併入 額外間層，產生稱為化學FET之裝置。依賴併入pvc薄膜之 離子載體，可設計化學FETs選擇性用於 ' 94267.doc 1259279 測器領域具有很寬應用。近期化學FETs裝置之描述發現於 歐洲專利申請案第02076942.8號，其全文係以引用之方式 併入本文中。 但，化學FETs具有各種缺陷。使用額外間層導致顯著低 於最初ISFET之感測器反應時間。化學FET亦具有有限靈敏 性，因此，信號-雜訊比可能不適宜。因此，此等裝置類型 不適用於很小體積高稀釋樣品的檢測物質。 此外，由共價或離子鍵合使所有層相互結合之需要使製 造化學FETs複雜化。因此，單獨層必須分別包含能夠用^ 形成適合鍵的表面活性基團以及所需感測離子載體及任何 其他所需官能基。 ㈣W命丹虿快迷初始 衣回應，但能夠適用於檢測多種不同物質。新型感 里性蛋白…物糸統相容，以使其能夠用於檢測特 μ㈣ 物物f的存在。另外，感測器應具有 冋莖破性，以使1 另 L ，、此夠用於小體積檢測物質。為易於， 【發明内容】 感測器應較佳製造簡單。 4易於h 因此，本發明之目 面之新穎方法。亦需 測器之途徑。 的為提供—種能夠使宫能性引入石夕表 要該方法提供新型改良化學及生物感 : = 本發明在第-裝置製造方法中取得 或多個靶部分之矽基材 94267.doc 1259279 般為經拋光的石夕基材，該背景及 有Si-H鍵； 革巴部分在表 面上具 (b) 用圖案化輻射束且在氧存在下昭 …、射邊一或多個靶部 分’以在該靶部分上提供氧化矽層； (c) 使至少一部分該背景部分與包含 1刀，、匕3或多種選自1-埽 及1 -快之化合物之第一組合物反應； ⑷ ⑷ 或多種選自I稀及1-炔 ，以使該一或多種化合

自該乾部分移除該氧化石夕層 使一或多個革巴部分與包含一 之化合物之額外組合物反應 物共價結合到該乾部分。 可視需要重複步驟 為使不同組合物結合到其他靶區域， (e)—或多次。 本方法為—種圖案化方法，該方法提供-種在其表面上 具有單層之石夕基材，該單層由預定圖案的不同化合物組 j通吊，“部分至少部分用第一組合物形成的單層覆 -2貞多個革巴部分用由一或多種不同組合物形成的單 層復盍。官能化分子，例如與化學或生物物質相互作用之 :子 1用於覆盍靶部分。因此，以上方法提供產生圖 木化梦基材之技術’該圖案化石夕基材具有—或多種結合到 其表面之特定靶部分之官能化分子。 化合物結合到靶部分一般在所需化合物存在下由局部昭 射相關革巴部分取得。此等反應僅在受照射之區域發生，這 使化合物能夠結合到特定標明位置。因此，可產生具有數 革P刀之單一裝置，且各部分用相同或不同官能化分子 94267.doc 1259279 γ旻盖《。另外， 用微影Μ刻技術昭射阳 有奈采-微米尺寸之 ^射因此，能夠製造具 射靶部分可以、車接 個以上的靶部分時，照 刀了以連續或平行方式進行。 ' 夕基材的整個表面用有機單層覆罢，n· # γ # 需處包含官能化或惰性化合:广層在所 單屏萍签^、 次者，基材可部分用有機 -般緻密且幾乎不…：'層對化學和熱均穩定， ^ ,Λ_ . 、乳和水。因此，該單層作為保護層， u可與由自然Si〇2層給予者比較之保護度。 本發明之方法—般在經拋光时表面上進行。雖然多孔 性石夕表面先前已用浠及炔官能化，但發明者驚言牙發現，經 拋光㈣面亦可官能化。因Λ，本發明比先前所述方法具 有更ι應用’特別由於其可用於高品質1〇製造所需的標準 石夕晶圓上。 本發明之方法一般實質或總體在無氧下進行。這有助於 防止在矽表面形成Si〇2斑片以及減少有機單層中的缺陷 數。 本發明之目的亦在第二裝置製造方法中取得，其包括以 下步驟ι- Ο 1) 提供 具有背 景部分 及一或 多個靶 部分之 經拋光 的石夕 基材，該负厅、及革巴部分在表面上具有鍵； (b 1)使一或多個革巴部分與包含一或多種選自稀及1、块 之化合物之額外組合物反應，以使該一或多種化合 物共價結合到該靶部分；及 (c 1)使至少/部分该背景部分與包含一或多種選自1、歸 94267.doc -10- 1259279 及1-炔之化合物之第一組合物反應。 為使不同組合物結合$1丨甘 、 J /、他靶區域，可重複步驟邙一 或多次。 本發明之第二方法亦提供經圖案化的矽表面，因此，— 般提供本發明之上述第—方法之優點。 雖然本發明之方法a + 去在吕月匕化積體電路領域令具有寬 用，但目前設想的主要用途A制1 ^ 哭mi & 晋用延為衣仏新型感測器裝置。感挪 4置由本舍明之方法應用於在-或多個乾部分具有部八 電晶體結構之矽基材製造。 刀 μ、 殿貝知例中，結合到釦 口Ρ为的化合物為能夠盥特定 -物…… 或生物物質作用的受體化 口“產生在各乾部分具有FET類 FET之閘區域由直接 W置该 田士 ^ , 丨刀表面的党體化合物形成。 ’本㈣亦提供―伽^ 該裝置包括·· 次Ik之瓜置。 •具有背景部分及一或多個靶部分之 光的石々其从 土材’一般為經拋

光的矽基材，至少一個革巴部分在 I 體結構； ，、有一部分電晶 -由共價鍵直接偶合到至少一部分 層，該有機單層包括受體化合物，各受體有機早 覆蓋該或各具有電晶體結㈣ =口物能約在 或生物物質作用； 之一分之區域與化學 其中與含受體化合物之有機單層組〜 成場效應電晶體。 刀龟晶體結構形 矽基材中的部分電晶體結構和直 /、k結合到矽表面之 94267.doc 1259279 受體化合物之組合形成一種FET感測器，且受體化八物之抑 層形成FET之閘。因此，本發明之裝置能夠作為化學或生物 物質所用之感測器。 本發明裝置的一個關鍵特徵為受體化合物直接結合到石夕 基材。這產生高靈敏裝置，這比先前已知的化學FET装置提 供更精確且更快速感測。此外，裝置之信號_雜訊比改良， 且可感測很小體積的檢測物質。 可使多種不同官能化化合物結合到矽表面。因此，可用 本發明之感測器簡單由所需官能化化合物結合到靶區域檢 測多種化學或生物物質。因&，本發明之感測器適用於生 物醫學及化學應用。 本發明的一個特殊優點為在單矽基材上產生感測器陣列 之能力。在此具體實施例中，可存在大餘部分，且各在 土材中包έ #分電晶體結構。本發明之方法能夠使不 同受體化合物明4定位於各乾部分。這產生具有區域陣列 :感測器’且各區域對不同物質具有靈敏度。因此，可望 得到具有超過100個不同感測區域之感測器，這使單個裝置 能夠-次檢測报多不同物質。藉由使用適合電子電路，感 測益能夠在很短時間階段内提供各感測區域電信號之讀 數。 _ “月之衣置之較佳用途係作為生物感測器，其中感測 為受體為（例如）設計盥 & J 卞一特疋生物物質作用的寡糖或募肽。因 此’本發明亦提供使 — 文春糖或暴肽結合到矽表面（一般為經拋 光的碎表面）之方法。 94267.doc I259279 在-具體實施例中，本發明之裝置與在 成微渠之美姑紐人 、面具有所形 土才…。例如，微渠為在基材表面中的 般使基材結合到本發明之裝置，例如，裝置和其 面結合，以使裝置表面上形成微渠。 、材之表 可使液體樣品插入微渠’以使液體樣品在裝 =革巴部分上流動。絲部分作為生物感測器時，這使= -品能夠在該或各靶部分上分析。在 ’- 微渠跨二或多個穸晋夕车； 、體只細例中’ 同赤_ ^ 表面延伸，且使各裝置表面進行相 £不同“b化。因此，該具體實施例進-步增加裝 列之分析能力。 糸 以下進一步關於 【實施方式】 貫例性具體實施例及附圖描述本發明 〇 乂本發明之第-方法更詳細描述於圖4至if系列中。在此 糸列圖中’基材1之平滑區域描繪用Si〇2覆蓋之表面；陰暗 區域描繪終止於Si_H鍵之表面；而條紋區 二 有機單層之表面。 八有 圖la描系會具有背景部分2和革巴部分3aMd之石夕基材ι。如 圖會’乾部分—般相鄰於背景部分或包含於其内。此外， 背景部分一般為可包含一或多個靶部分之單個區域。或 者，可有一或多個組成背景部分之單獨區域。 靶部分可為任何大小，但一般為微米或奈米大小。可使 用-些I㈣分，例如’可存在單個部分，這切基材上 產生單個官能化區域。或者，可在單個基材上存在^或更多 靶部分，例如1〇、50、1〇〇或甚至200或更多。 94267.doc -13 - 1259279 本發明之方法用在其表面具有si_H鍵之矽基材作為原材 料。一般利用經拋光的矽基材。經拋光的矽基材一般具有 小於20微米之平度，例如，小於1〇微米，小於5微米或小於 1微米。具有此半度值之經拋光的基材在市面上有售，且普 遍用於製造ICs。 矽表面較佳經摻雜，特別用心型摻雜。適合矽基材之實 例包括η-型摻雜的Si(100)，5〇〇-55〇微米厚，電阻率〇〇卯 至0.02歐姆釐米；及卜型摻雜的Si(ln)，々乃^⑽微米厚， 電阻率1至5歐姆釐米。 典型石夕基材在其表面上具有SiQ2層，因此，該層需要除 去。這可由钮刻整個基材進行，包括背景部分2及革巴部分h 至3d。所產生的基材騎於圖㈣，在此，陰暗的乾和背 景部分代表終止於Si_H之表面。進行此㈣步驟的適合條 件為此技藝上所熟悉。例如，可用稀HF處理。 蝕刻後’在氧存在下照射靶部分W3d。單獨照射靶部 分而不照射整個基材用圖案化輕射束取得。此步驟一般由 通過罩幕照射進行，罩幕具有與背景部分2相同之形狀。可 使用標準微影蝕刻技術。所用輻射波長必須足以導致靶部 分氧化。適合波長為約248奈米，雖然亦可使用選擇性波 長。此步驟產生如圖_的石夕基材，其"巴部分_ 用乳切層覆蓋，而背景部分2在其表面具有si_H,如陰暗 區域所纟會。 至少一部分 1 -炔之化合 下一步驟包括用由第一組合物組成之層覆 背景部分。第一組合物包括一或多種選自卜稀 94267.doc -14- 1259279 物’較佳包括1_烯。i•烯和L快可為直鏈或分支化合物。直 鏈化口物車乂仏’主要因為此等化合物在矽表面上產生更緻 密的單層。 ' 第 σ物之1烯和1 -炔可未經取代或在任何位置用一 或多個取代基取代。取代基較佳位於鏈的ω位置。適合取 代基之實例包括簡單化學取代基，例如，_素、氰基'叛 酸衍生物（包括@旨及酸胺）、烧氧基、硫基、胺（包括單_及二 -烧基胺）及經基。取代基亦可為能夠與化學或生物物質作用 之文體衍生物。以下；# ，卜η 一 物以下進一步關於本發明之裝置描述適合受 體衍生物。如需要，術α甘 而要取代基可由適合保護基保護，保護基 可在1-烯和:U炔加到矽基材之後除去。 弟組合物一般包括一或多種式⑴或（ΙΑ)之化合物·· (CH2)n-X—(CH2)m_R/ (I) (CH2)n- χ— (CH2)m— R/ (IA) 在以上二式中，獨立代表1至36之整數，較佳6至3〇, =至：°X代表單鍵…)—C⑼- 二二或二個雙鍵及心鍵之未經取代的CA 伸快基。X較佳代⑼办或二乙炔基戈 等基圑X中，在所蛉在此 、、、σ工工手側描繪的原子結合到基團 2 η而在右手侧上的基團結合到基團(。⑺。 或上述取代基之〜R|較佳代表氣。 戈表風 =較佳具體實施例中，組合物包括蛋白質排斥性 ’布5、、W如’蛋白質排斥性料可為氧化烯之嵌段寡聚 94267.doc -15. 1259279 物或聚合物。氧化烯之實例包括氧化乙烯、對映異構純及 外消旋氧化丙烯及在伸烷基鏈中具有四或更多碳之氧化 烯。蛋白質排斥性烯之具體實例包括式（νπ)者 (CH2)n-x~ (ch2- ch2- 〇)m- CH3 其I n和m獨立為至少i之整數，x係如以上對式⑴和（⑷所 界疋者。η較佳為6至14，m較佳為1至3〇〇，例如，3至乃〇 , 匕括3、4、5、6、12、44及220。讀佳至少為1〇，例如， 至少20。X較佳為_c〇〇_或_〇_，特別為_〇_。此化合物之具 ^ # Η Λ CH2=CH-(CH2)9-C00-(CH2CH20)6-CH3 2 碳稀單層吸收比較，在447奈米光存在下此化合物結合和 導致BSA減少㈣％。亦可使用對應蛋白f排斥性块。 在—選擇性具體實施例中，蛋白質排斥性稀或块為蛋白 貝排斥性蛋白質或其衍生物，例如酪蛋白。天然產物(如， 路蛋白）在某些例中最佳，因為它們可用於醫療領域或與食 品相關的產物。 西步驟⑷之反應由在表面於烯或炔基與㈣鍵之間形成共 價鍵發生。此反應的典型反應方案闡明於方案！中：' 方案1. (CH2)n— X—(CH2)m— R’ (I)

—Si\ Η -V 、(CH2)I 广 X-(CH2)m-R/ 2方案中描料⑽)表面，雖㈣應亦可在攜 子的其他類型矽表面進行。式 ” ⑴之化合物可用式(IA)或(VH) 之化5物或另—種具有丨·稀或^基的含 烯和炔之化合物。 貧曰貝排斥 94267.doc 1259279 反應一般由第一組合物溶於有機溶劑之溶液施加到矽表 面且貫質或較佳完全在無氧氣（和其他氧化劑）存在下進 打。反應期間氣氛中的氧氣濃度較佳低於1〇〇ppb，較佳低 於50PPb、20PPb或l〇ppb，更佳低於51)帅或1 ppb。為引 發反應，反應一般在加熱或1；¥或可見輻射存在下進行（例 如，具有約248奈米波長之Uv輕射）。較佳方法為加熱到約 100至約180°c之溫度。適合溶劑之實例為甲苯。因此步驟 (c) $致在月不部分表面上形成緻密的單層，如圖1 d中的條 紋區域所繪。由此技術形成的單層之實例描繪於圖2中，其 中R代表-X-(CH2)m-R’，且m係如上所界定者。單層一般 施加到整個背景部分。❻，如需要，可使單層僅施加到一 部分背景部分。例如，這可由背景部分之表面在⑽輕射存 反應進行，uv輻射係選擇性應用於該欲經反應的表面 P刀在此例中，背景部分的其餘部分一般以習知方式用 Si〇2層塗覆（例如，在氧氣存在下照射）。 I旦包含第一組合物之單層已施加到背景部分，在反應 步驟⑷除去覆蓋革巴部分的桃層。這一般由在溫和條件下 蝕刻$行，該條件應使Si〇2層除去，但不應損害在步驟（c) 中於月豕口p分上形成的單層用稀HF蝕刻適用於此步驟。在 ^ ‘（d)後，基材如圖le中所繪，其中背景部分^仍用單層（有 ^'、文）设盍，而靶部分3&至3(1現在於表面上具有Si-H鍵，如 陰暗區域所示。 下步，使一或多個靶部分與包含一或多種選自烯及 、、之化口物之額外組合物反應，較佳與1 -烯反應。該額外 94267.doc -17- 1259279 、、、ό物 1與第一組合物不同。用於額外組合物的稀及 ^炔可為直鏈或分支化合物。直鏈化合物較佳，主要因為 此等化合物在矽表面上產生更緻密的單層。 用於額外組合物之1 _烯和1 _快可未經取代或在任何位置 用一或多個取代基取代。取代基較佳位於鏈的〇 _位置。^ 烯和1-炔較佳在鏈的〇 _位置攜帶單個取代基。可依賴欲引 入單層的官能性使用任何取代基。適合取代基之實例包括 簡早化學取代基，例如，齒素、氰基、羧酸衍生物（包括酯 及I胺）、&氧基、硫基、胺（包括單-及二_烧基胺）及羥基。 取代基亦可為能夠與化學或生物物質作用之受體衍生物。 以下進一步關於本發明之裝置描述適合受體衍生物。如需 要，取代基可由適合保護基保護，保護基可在丨_烯和丨_炔加 到矽基材之後除去。 。亥頜外組合物較佳包含至少一個經取代的丨_烯或丨-炔。 适使得能夠在一或多個靶部分於矽基材之表面引入官能 性。較佳取代基包括受體衍生物。或者，取代基為能夠在 與矽表面反應後轉化成受體衍生物之官能基。 3頜外組合物一般包括一或多種式（π)或⑴之化合物： 户^ (CH2)n— X’— (CH2)m— R" (Π) (CH2)n- X7— (CH2)m- R;/ (IIA) 在以上二式中，n*m獨立代表1至36之整數，較佳6至 30，更佳 8至24。X，代表單鍵_s、_c(〇)_〇、〇 或3或一個雙鍵及/或叁鍵之未經取代的CrC4伸烯基或 94267.doc -18- 1259279 伸快基。X’較佳代表-〇_、_s_ _c(〇)_〇_或二乙炔基。在此 等基團X，中，在所給式左手側描繪的原子結合到基團 (CH2)n，而在右手側的基團結合到基團（CH2)m。R，，代表氫或 上述取代基之一。R”較佳代表上述取代基之一。R”更佳代 表受體衍生物。 在一具體實施例中，式（11)和（ΠΑ)中的基團_(CH2)『由基 團-(CH2_CH2-〇-)ni-取代，其中m為至少1之整數，較佳1至 300，例如，3至 250，包括3、4、5、6、12、44 及 220。m 更仏至少為10 ’例如，至少2 0。 步驟（e)之反應由類似於方案丨所繪的反應方案進行，但其 中化合物⑴視需要用化合物（11)或（11八）或另一種化合物代 曰。適合反應條件為關於步驟（c)所述者。但，步驟…）之反 應較佳由照射靶部分而不由加熱引發。可用圖案化輻射束 在一或多個特定靶部分選擇性應用照射，例如，由通過罩 幕照射。由於反應僅在引發時發生，這使額外組合物的卜 烯和1-炔僅加在所選擇的靶部分。應用照射的時間一般依 賴所用輻射之波長及強纟。❹，利用248奈米韓射，時間 在數分或甚至不到1分鐘。如果使用較長波長，例如， 奈米，可能需要照射約1 ·5至2.5小時更長時間。 在本發明一較佳方法中，步驟（e)重複一或多次。各重複 用上述頟外組合物在一或多個不同靶部分進行。各重複一 般使用不同額外組合物。這導致在不同革巴部分加上不同化 合物。參考_，本發明之方法因此可用於在部分h加一 種組合物，而在各部分3bBd加不同組合物。亦可設想一 94267.doc -19- 1259279 :多個乾部分不與烯或块反應。此等部分—般與氧氣反 ^以在表面上生成叫層。生成Si〇2層的適合技術為技 π上所熟悉，例如，在氧氣存在下照射靶部分。 步驛⑷-般用曝光裝置進行，步驟（C)用曝光裝置亦佳， 例如’微影裝置。適用於進行本發明方法之微影裝置之實 例描述於歐洲專利第1424599號，其内容係以引用之方式併 么本文巾纟此叙置中，石夕基材置入併入微影裝置之基材 台之流體處理單位或流動室。流動室使所需流體進入流動 至’在此接觸基材表面，以使流體能夠與基材在曝光時反 。曝光後，然後一般將流體沖出流動室。流動室在曝光 =y用性氣體清洗’如氬氣，以保證氧氣自基材周圍的 氣氛排出。曝光用標準微影蝕刻技術。因A，可將此裝置 用於本發明，以使第_或額外組合物按次序與♦基材反應。 進行本發明方法的―選擇性裝置包括在曝光前置於石夕基 材上的玻锅盍。在用標準微影技術進行曝光前，基材和蓋 内的區域可用惰性氣體清洗，以排除氧氣，並插入第一或 額外組合物。 女而要，可在本發明之方法中包括額外步驟。例如，在 步驟（c)已完成後，可用不同區域作為背景部分重複步驟 (a)、（b)及（c)。 圖3a至f以圖解形式描繪本發明之第二方法，除以下所述 外，其餘與本發明之第-方法相如對圖Mi，在此等 圖中，陰暗區域描繪終止於以七鍵之表面，而條紋區域描 矣冒其上具有有機層之表面。 94267.doc -20- 1259279 圖3a描繪具有背景部分2和靶部分化至％之矽基材。矽基 材為經拋光的矽基材。經拋光的矽基材一般具有小於2〇微 米之平度，例如，小於10微米，小於5微米或小於⑽米。具有 此平度值之經拋光的基材在市面上有售，且普遍用於製造 ICs。矽較佳如以上關於本發明之第一方法所述為&型摻 雜。 在圖3神，背景和靶部分之表面終止於Si-H鍵。為形成 此類型基材，可根據關於本發明第一方法所述之技術韻刻 經拋光的矽基材，該基材典型在其表面上具有以〇2層。 蝕刻後，使一或多個靶部分與包括一或多種選自烯和 1炔之化口物之頟外組合物反應，其中該額外組合物係如 上所界疋者。反應一般由該額外組合物溶於有機溶劑之溶 液施加到石夕表面進行。適合溶劑之實例為甲苯。為引發反 應反應叙在加熱或UV或可見輻射存在下進行（例如，具 有約2 4 8奈来波長之u v _)。引發反應的較佳方法為使用 UV幸田射卩用圖案化輕射束在一或多個欲經照射的乾部分 =應用照射’例如，通過罩幕照射。由於反應僅在引 毛日寸毛生k使所需1 -烯或1 -炔僅結合在所選擇的靶部分。 利用248奈米波長，應用輕射的時間一般在數分或甚至更 ^ 士果使用車父長波長，例如，365奈米，可能需要照射約 1.5至2.5小時更長時間。 心、貝或較彳土元全在無氧氣（和其他氧化劑）下進行。 重要的疋，在該具體實施例中，由於Si-H終止的表面不受

Si〇2表面保★雈，n n u ^ °且易與存在的氧氣反應，氧氣（及氧化劑） 94267.doc 21 1259279 s在反應期間實質或較佳完全自氣氛排除。如果使氧氣與 Η表面反應，則在最終產物中可能出現Si〇2斑片，導致 用S此化石夕基材製造的裝置令產生缺陷。反應期間氣氛 尹的氧氣濃度較佳低於1〇〇 ppb，較佳低於5〇 ppb、2〇 或1〇 Ppb ’更佳低於5 ppb或〗ppb。 二：較佳具體實施例中，在步驟⑽中照射靶部分重複 、或夕人各重複用上述額外組合物在一或多個不同靶部 分進行。各重複一般使用不同額外組合物。這導致在不同 乾部分加上不同化合物。參考圖3b至3e，本發明之方法因 此可用於在部分“加一種組合物，而在各部分加不 同組合物。亦可設想一或多個乾部分不與烤或快反應。此 4部分一般與氧反應，以在表面上生成Si〇2層。生成Si〇2 層的適合技術為技藝上所熟悉，包括（例如）在氧氣存在下，昭2 射革ε部分。 在本發明第二方法之最後步驟，使背景部分與包括一或 多種選自"希和r炔之化合物之第-組合物反應。此步驟一 般用與以上關於本發明第-方法所述步驟⑷相同之技術進 行可由用UV輻射照射進行步驟（c丨）。 本發明之第二方法—般用曝光裝置進行，例如，微影裝 置。以上關於本發明第一方法所述類型之裝置為適合裝置 之實例。 本發明之方法用於制；生_ 用於裂k 些用途所用之官能化石夕表面。 本發明設想的一個龄破田、入4 特殊用延為製造新型FET類型化學或生 物感測器。因此，太私明t μ A , 尽&月亦關於較佳由本發明方法製造的 94267.doc -22- 1259279 新型FET裝置。 可如圖If中所示表示本發明之裝置。矽基材2—般為如上 所述的經拋光矽基材。此處所示基材具有4個靶^分^至 3 d，但可使用任何數個乾部分。例如，裝置可包含單個 部分（並因此包含單個FET感測器）。或者，可在單個其材上 存在2或更多乾部分（例如1G、5G、1⑻或甚至2GG或更多）及 因此相當妻丈量的FET感測器。各革巴部分之大小—般在奈米或 本發明裝置的一或 含一部分電晶體結構 電晶體。 多個（一般各個）靶部分在其表面上包 。该電晶體結構部分一般為缺乏閘之 :材:在-或多個靶部分全部或部分用包含受體化合物 之人機早層覆盍。背景部分一般在其表面上具有包含惰性 般為烷，例如，下式之烷 化口物（例如’蛋白f排斥性化合物）之單層。此等惰性化合 物一般 A, W ^ (ch2)— X— (CH2)m— R7 ^中^ m、X#°R’係如上所界定者。為促進單層緻密，炫 烴一般為直鏈。 化Ϊ:選擇性具體實施例中，惰性化合物為蛋白質排斥性 仏口 例如’惰性化合物可選自嵌段寡聚物或聚合物， 例如，氧彳卜、陡 ^ 及外消扩^ 。虱化烯之實例包括氧化乙烯、對映異構純 稀。2^化丙烯及在伸絲鏈中具有四或更多碳之氧化 貝排斥性烯之具體實例包括式（VIII)者 94267.doc -23- 1259279 (CH2)^ X-(CH2CH20)m- CH3 其中n、m和x係如關於式㈤)所界定者。 在另一選擇性具體眘 占所妯二 例中，蛋白質排斥性化合物為蛋 貝、&蛋白'貝或其衍生物，例如酪蛋白。 :夕们靶邛刀(-般為各靶部分)具有包含受體化合物 之早層。$巴部分上的單 。 之混合物，此等化合物二:：;化合物或不同化合物 之至^一種為雙體化合物。如需要， 壬：一個靶部分可存在惰性化合物及受體化 :::在各個不同乾部分之單層可包含相同或不同受體: 所用受體化合物為可與 以改進⑪基材之表面電勢。二 f作狀化合物， 層之雙層電… b方式’影響以上且包含單 與先前㈣裝置比::Λ體化合人物之單層可作為fet之閘。 降低的層厚度，且：置：::二物直接結合到石夕基材產生 產 乂 里敔性增加。熟諳此藝者能夠由 _ (匕3所遥擇的化合物作為閘）之FET決定特 =:否為受體化合物。如果_輪 合物。 、、擇的化曰物為本發明意義内的受體化 同受體化合物可用’包括離子載體，例如，具 明的-個特殊㈣為"=團之化合物。但，本發 質、卜“'為此夠用與生物物質(如葡萄糖、蛋白 在=日、細8及病毒)作用之化合物作為受體化合物。 又月k佳具體實施例中，受體化合物由受體衍生 94267.doc •24- ^259279 用連接4組成。受體衍生物為能夠與化學或生物物質作 惰性絲性基團，且連接劑為使受體衍生物連接_基材之 ;妒、登ΐ合連接劑包括伸院基，例如直鏈伸烧基。連接 般選自下式之伸烷基 其中n、m和X’係如上所界^者。受體衍生物係、如上所緣在 連接4的右手側結合到基團（CH2)m，而秒基材係於連接劑 的左手側結合。 、使用連接劑在離矽表面一定距離保持受體衍生物，特別 =受體衍生物之活性部位。這促進受體衍生物和欲檢測物 貝間之作用。使用連接劑亦產生更緻密且更穩定的單層。 在受體衍生物為龐大基團時，連接劑特別有用。 較佳受體化合物為自募糖或寡肽衍生者，其中寡糖或募 肽能夠與化學或生物作用，如上所述。由於寡糖及寡肽傾 向為大化合物，較佳受體化合物由結合到連接劑的寡糖或 募肽（作為受體衍生物）組成。此等受體化合物之實例為式 (III)之化合物：

(III) 其中η、m和X’係如上所界定者。 在此化合物中存在一些反應性基團（例如，-0H和 94267.doc -25- 1259279 -C〇〇H)，因此，建議用適合保護基保護此等位置士、… Me及SPh為可使用的標準保護基之實例。在受體化合物已 結合到碎基材後，—般除去保護基。式⑽之化合物盘士 勒-拜爾伽㈣叫综合症（GBS)抗體作用。因此，其二 在於本發明裝置之單層產生用於此等抗體之感測器。 包含受體化合物之單層作為電晶體閘。因此，在鱼矽美 材表面上存在的電晶體結構部分結合時，形成場效應電= 體（FET)。因此，該裝置適合用作感測器。為、;肖除結果中的 試驗誤差，裝置—般包含數個檢測相同物質的脑。但， 由於很大量靶區域可併入單個裝置，所以可產生能夠作為 用於超過UK)種不同物質之感測器，即使存在：或更多各 FET類型。因此，例如，對於在單個步驟中存在—些不同抗 體的血液和血清檢驗，該裝置提供簡單快速檢驗。 本發明之裝置較佳由本發明之上述方法製造。此係藉由 用矽基材進行該方法進行，矽基材一般為在一或多個靶區 域具有部分電晶體結構之經拋光的矽基材。然後用以上圖 案化方法在所需位置提供具有惰性或官能化化合物之單 層。 為使它們能夠與矽基材根據以上反應方案〗反應，製造有 機單層所用的化合物應為卜烯或^炔（且較佳為丨_烯）。例 如，所用1-烯和1-炔為以上式⑴、（ΙΑ)、（π)、（ΠΑ)或（VII) 者。此等化合物一般根據技藝上已知的方法製造。在受體 化合物為式（ΠΙ)之化合物時，製造有機單層所用的對應 1-烯或1-炔分別為式（ΙΠΑ)或（ΙΠΒ)之化合物 94267.doc -26- 1259279

(ΙΠΑ)

OH (mB) 其中n、m和Xf係如上所界定者。 可由以下實例中所述之方法製造式（ΙΠ)之寡糖衍生物並 使其結合到矽，包括經拋光的矽。 需要時，可由已知技術使連接劑結合到適合受體衍生 物。例如，可根據方案II加連接劑： 方案II : RD—LG + H0—(CH2)m~~X’~(CH2)n—CH=CH2 (V) RD-O—(CH2)—X—(CH2)n—CH=CH2 (IV) 在此方案中，RD代表受體衍生物，LG代表離去基圑。適 合離去基圑包括（例如）鹵素。化合物RD-LG與式（V)與連接 劑反應，以提供式（IV)之受體化合物。式（IV)之化合物具有 適合直接結合到矽的1 -烯基。結合到矽係如上述進行，特 別參考方案1。 本發明另一方面係關於使寡糖或寡肽結合到矽表面之方 法，包括結合到經拋光的矽表面。該方法包括使式（VI)或 94267.doc -27- 1259279 (VIA)之化合物： (VI) -O—CC^^x7—(CH2)n__CH_CH^ 养承物一〇m/—(CH2)n—CH 三⑶2 (VIA) 與在其表二具有Si-H鍵之石夕基材反應之步驟。在式⑽和 (via)中’暴聚物代表寡糖或寡肽衍生物，且m X，係如 =所界疋者。式（VI)之烯較佳。反應實質在無氧下且在加 '、或照射下進行。該照射可為光或uv輕射，-般為光或具 ί約248奈米波長之UV輻射。為僅在所選擇_表面區域 貫現反應，可視需要使用„化照射 2㈣〇至戰之溫度。存在氧（或其他氧化劑）應保持到 如’以上提到的較佳最大水平），以避免在反應期 間於矽表面生成Si〇2。 在使用365奈米輕射時，反應一般繼續日 間根據所用輻射之油具B才汉應时 給的單声i由/、 &變化。這導致形成如圖2中所 、:=層’其中圖2之尺為基圏〇_寡聚物，且〜χ係如 上所界定者。 結合的任何吨，此反應中所用的石夕表面一般由 餘刻矽基材之表面製備。 \ / 4>s )=^ HO—(CHH(CH2)n—ch=ch2 H〇—(CHH(CH2)n—CHeCH2 團：Γ:)或(Μ之寡糖或寡肽衍生物-般由具有離去基 團之养糖〜寡。=^之連接劑反應製造 (V) (VA) 其中n、x’係如上 ^ 1疋者。养糖或寡肽上的離去可為 94267.doc -28- 1259279 任何已知離去基圑，例如硫基或i素。該反應與在以上方 案II對受體衍生物更概括描繪者相同。 實例： 本實例描述三糖之製造及對經拋光矽之結合。在本發明 裝置中使用該三糖提供對吉勒-拜爾綜合症（GBS)抗體靈敏 之 FET。 在以下方案3中描繪三聚物1之全部合成及對石夕之連接。

H0、 AcO

、C02Me AcO AcO

在市面上有售

AcO、？AC Me02C? QAqPP|V

AcO AcO* OAc OPiv

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H— H— H— H— H— H— H 一 H—

Si

Si 94267.doc -29- 1259279 卞三聚物合成之合成總覽及對矽之偶合 合成乳糖單位描繪於方案4中。自市售乙酸乳糖2開始， 在6個步驟獲得0.5克二聚物4，這足夠在此方法中用於其餘 步驟。

2 _c_ 33%

12

e 67%

SEt a)HSEt，BF3.Et20, CH2C12 ; b)t-BuOK，MeOH ; c)DMF， 丙Κ (aceton)，二甲氧基丙;)：完，H2S〇4 ; d)新戊醯氯，DMAP 吡啶，40°(3,3 6小時；6)新戊醯氯，〇311，（：112(：12，-78°(：; f)p_TsOH，MeOH，50°C，1.5小時。 總共產生0.5克化合物4 方案4.合成乳糖單位 唾液酸單位可如方案5中所繪自市售唾液酸1合成。在4 個步驟中，0.5克唾液酸1轉變為88毫克化合物3。

94267.doc -30- 1259279 a)HCl(2.2M)，MeOH，1.5小時；b)AcCn，2天；c)吼咬或 DBU，50°C，2小日寺；d)PhSC卜 CH2C12，暗處，3(TC，2天。 自0.5克化合物1開始，產生0.081克化合物3 卞％ S.合成唾液酸單位 乳糖和唾液酸單位然後以72%產率偶合成三聚物（方案 6) 〇 注：對生物檢驗需要僅10微克。

a)AgOTf，CH3CN(無水），MS 3A，暗處，1天40°C，1天 60°C，1 天 70〇C ° 卞％L合成三聚物3 然後使因此產生的三聚物以上述方式偶合到連接劑，且 使連接劑結合到矽表面。然後使三聚物去保護（方案7)。 94267.doc 1259279

Si

Si 方％Ί.偶合到矽及去保護 偶合到矽之步驟由首先用2.5% HF蝕刻η-型矽（100)晶圓 歷2分鐘以除去Si02進行。（或者，可使用η-型矽（111)晶圓， 在此例中，於40% NH4F中進行蝕刻）。然後在上述三聚物之 溶液中浸潰矽晶圓，且欲經官能化的晶圓之區域在248奈 米、365奈米、447奈米、508奈米或65 8奈米照射。 雖然以上已描述本發明之明確具體實施例，但應瞭解， 可在所述以外的其他方面實施本發明。描述不用於限制本 發明。 【圖式簡單說明】 圖1 a-1 f以圖解形式描繪本發明之第一方法； 圖2顯示用本發明之方法在矽表面上形成的單層；及 圖3a-3f以圖解形式描繪本發明之第二方法。 94267.doc -32- 1259279 在各圖中’相似數子表不相似元件 【主要元件符號說明】 1 $夕基材 2 背景部分 3a，3b，3c，3d 革巴部分 94267.doc -33-

Claims (1)

1. [—______ ,__________ |7卜卜‘ /V月卜曰終/’吏)正本| i_____ 1259辨118383號專利申請案 中文申請專利範圍替換本(94年12月） 十、申請專利範圍： 1·種用於製造具有官能化表面之矽基材之裝置製造方 法，其包括以下步驟： (a) 提供具有背景部分及一或多個靶部分之經拋光的矽 基材，該背景及靶部分在表面上具有Si-H鍵； (b) 用圖案化輻射束且在氧存在下照射該一或多個靶部 分，以在該靶部分上提供氧化矽層； (c) 使至少一部分該背景部分與包含一或多種選自^烯 及1-炔之化合物之第一組合物反應； (d) 自该乾部分移除該氧化石夕層； 0)使一或多個靶部分與包含一或多種選自丨_烯及丨_炔之 化合物之額外組合物反應，以使該一或多種化合物共 價結合到該乾部分。 2·根據清求項1之方法，其中該步驟（e)包括在額外組合物存 在下，用圖案化輻射束照射該一或多個靶部分。 3.根據請求項1或2之方法，該方法進一步包括重複步驟（幻 一或多次，各重複在一或多個不同靶部分且在包括一或 多種選自1-稀和；U炔之化合物之額外組合物存在下進 行，各額外組合物係相同或不同。 4， 一種用於製造具有官能化表面之矽基材之裝置製造方 法，其包括以下步驟·· (al)提供具有背景部分及一或多個靶部分之經拋光的矽 基材’該背景及靶部分在表面上具有Si-H鍵； (bl)使一或多個靶部分與包含一或多種選自丨_烯及丨—炔 94267-941230.doc 1259279 之化合物之額外組合物反應，以使該一或多種化合 物共"U結合到該乾部分；及 5. 6. (Cl)使至少一部分該背景部分與包含一或多種選自1-烯 及丨·炔之化合物之第一組合物反應。 根據明求項4之方法，其中該步驟（bl)包括在額外組合物 在下用圖案化輻射束照射該一或多個乾部分。 根據明求項4或5之方法，該方法進一步包括重複步驟（b J) 或夕人’各重複在一或多個不同靶部分且在包括一或 k自1 -烯和1 -炔之化合物之額外組合物存在下進 行且各額外組合物係相同或不同。 8. 9. 根據請求項1、2 在其表面具有一 、4或5之方法，其中該一或多個乾部分 部分電晶體結構。 才、據明求項7之方法，其中該矽基材包括1 〇或更多個靶部 刀且各在其表面具有一部分電晶體結構。 根據π求項i、2、4或5之方法，其中該第一組合物包括 一或多種式⑴或（IA)之化合物··

   (CH2)n — X—(CH2)m — R/ (I) =(CH2)n— X— (CH2)m— R7 (ΙΑ) 其中η和m獨立代表丨至％之整數；χ代表單鍵、_〇_、、 、-〇-C(〇)-、或含一或二個雙鍵及/或叁鍵之未 經取代的CyC：4伸烯基或伸炔基；且R，代表气。 1 〇·根據請求項1、2、4或5之方法 一或多種式（II)或（IIA)之化合物 其中該額外組合物包括 94267-941230.doc 1259279 (CH2)n— χ/— (CH2)m— R〃 (Π) (CH2)n — — (CH2)m— R〃 （HA) 其中n和m獨立代表1至36之整數；X’代表單鍵、-0-、-S-、 -C(0)-0-、-0-C(0)-、或含一或二個雙鍵及/或叁鍵之未 經取代的C2-C4伸烯基或伸炔基；R"代表氫或選自鹵素、 氰基、魏酸衍生物（包括S旨及醯胺）、烧氧基、硫基、胺（包 括單-及二-烷基胺）、羥基、及能夠與化學或生物物質作 用之受體衍生物。 11. 根據請求項10之方法，其中該Rn代表能夠與化學或生物 物質作用之募糖或寡肽。 12. 根據請求項11之方法，其中該額外組合物包括式（IIIA)或 (IIIB)之化合物：

   (ΠΙΑ)

   OH

   OH (IIIB) 該化合物視需要在糖單位上用保護基保護，其中n、m和 X’係如請求項10所界定者。 1 3. —種作為感測器之裝置，其包括： 94267-941230.doc 1259279 夕個革巴部分之經搬光的石夕Λ好， 至少一個靶部分在且声& θ /暴材 ,.^ , ，、表面具有一部分電晶體結構； 單層，該有機單層二:：物基材之表面之有機 夠在霜…々二括文體化合物’各受體化合物能 夠在覆蓋該或各呈有—…w合物能 域中盘化與…:4分電晶體結構之乾部分之區 τ 一化学或生物物質作用； 其中與含受體化合物之有爲 A 、 ’機;早層結合之電晶體级W 部分形成場效應電晶體。 L曰體、、、。構之该 14·根據請求項13之裝 中任一項^ & μ衣置係藉由或可由請求項1至12 Υ仕項之方法獲得。 15.根據請求項13之裝置 1Π , . ^ Τ该石夕基材具有2或更多、較佳 10或更多個靶部分。 罕乂仏 1 6 ·根據凊求項1 5之举 區域中包括第：: 該單層在覆蓋第1部分之 Θ型文體化合物，而在覆蓋第二靶部分 σ"中匕括不同類型的受體化合物。 1 7 _根據請求項13 … 項之裝置，其中在覆蓋至少- 从 次之早層包括一或多種募糖或募肽衍生 物0 18.根據請求項17之 盆 、 展置，、中3亥在覆盍至少一個靶部分之 區域中之星爲& ^ h /τττ、 _

   〇、、χ/、 94267-941230.doc (III) 1259279 其中η、χ«係如請求項1〇項所界定者。 1 9· 一種根據請求項13至丨8中任一項之裝置作為感剛器之用 途。 2 0 · —種使寡糖或寡肽衍生物偶合到經拋光的石夕表面之方 法’該方法包括使式（VI)或（VIA)之化合物： 募聚物一0—(CH2)m- χ/- - (CH2)n—CH=CH2 (VI) 寡聚物 一〇—(CH2)m- Χ’一 -(CH2)n—CHECH2 (VIA) 與在其表面具有Si-H鍵之矽基材實質在無氧下且在加熱 或UV或可見輻射存在下反應，其中該募聚物代表募糖气 募肽衍生物，且η、m、Xf係如請求項1 〇項所界定者。 94267-941230.doc