TWI450854B - 立體奈米流道裝置及其製作方法 - Google Patents

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Description

立體奈米流道裝置及其製作方法
本發明是有關於一種流道結構，且特別是有關於一種立體奈米流道裝置及其製作方法。
美國2010年3月通過的健保改革法案，將個人化醫療列入法案內。其中生物標記檢驗為個人化醫療之關鍵技術之一。目前各種生物標記濃度範圍101 mg/mL(ppt)～10-12 ppt，高達13個級距。對於數千種以上之檢驗，其每項檢測應在50nL～500nL之血漿檢體完成檢驗，對於極低濃度之分子數量將相對稀少，但是針對於低濃度樣品檢測時檢體體積也不能太少，而成為無效之樣品。因此一個可以兼具容納足夠樣品及快速濃縮生物標記的微流道在檢驗上就顯得很重要。
介電泳技術是一種有效濃縮蛋白質的方式，但使用金屬電極式的介電泳有電極水解、濃縮效率低、產生焦耳熱等問題。近年來已發展出無電極介電泳技術用來解決金屬介電泳技術的問題。根據介電泳公式(FDEP =2πa3 εm Re(K*(ω))▽E2 )，要產生足夠的介電泳力需要有一個足夠大的電場梯度，而無電極介電泳主要利用結構設計產生一個壓縮電場，有矩形、圓柱與三角形等不同設計。其中三角形之壓縮結構設計可以將樣品完整地濃縮在結構侷限處是最有效率的濃縮方式。然而，由於奈米結構是利用電子束微影技術製作，搭配100nm左右深的流道，造成反應體積僅pL。由於某些生物標記分子大小約在數十奈米但是如此低量之反應體積對於極低濃度(pM～fM)之檢測時，其反應體積內所含的分子將相對減少甚至沒有分子。
本揭露提出一種立體奈米流道裝置，包括第二基板、第一基板以及一流道層，且流道層介於上、第一基板之間，其中由上、第一基板與流道層構成之至少一流道包括一流道入口、一流道出口與位於流道出入口之間的至少一壓縮通道。這個壓縮通道於X-Y平面的尺寸與X-Z平面的尺寸均縮減至少2個級數。
本揭露另提出一種立體奈米流道裝置的製作方法，包括在一基板上形成一第一絕緣層，然後在第一絕緣層中形成一第一開口，再於第一絕緣層上形成一圖案化光阻。所述圖案化光阻具有至少一第二開口，其中第二開口鄰接第一開口並暴露出第一絕緣層。之後，以圖案化光阻為罩幕，蝕刻第一絕緣層並持續蝕刻基板，以形成一容置空間，其深度比第一絕緣層的厚度大至少2個級數。最後，移除圖案化光阻，並於基板表面形成一第二絕緣層。
本揭露又提出一種立體奈米流道裝置，包括蝕刻一矽晶片，以藉由不同晶面的蝕刻速率不同，來形成一壓縮通道。所述壓縮通道於X-Y平面的尺寸與X-Z平面的尺寸均縮減至少2個級數。然後，組合上述矽晶片與一第一基板以及一第二基板。
基於上述，為讓本發明之上述特徵和優點能更明顯易懂，下文特舉實施例，並配合所附圖式作詳細說明如下。
下文中請參照圖式，以便更充分地描述本揭露之實施例。然而，本揭露可以許多不同形式來實踐，且不應將其解釋為限於本文所述之實施例。另外，在圖式中為明確起見可能將各層以及區域的尺寸及其相對尺寸作誇張的描繪，而未按尺寸繪製。
圖1A是一實施例之立體奈米流道裝置的立體圖；圖1B與圖1C分別是圖1A之114區域內的X-Y平面上視圖與X-Z平面剖面圖。
請參照圖1A～圖1C，實施例中之立體奈米流道裝置100包括第二基板102、第一基板104以及介於第二、第一基板102與104之間的流道層106，其中由第二、第一基板102、104與流道層106構成流道108。在圖1A中顯示有兩條流道108，但在圖1B與圖1C僅顯示一條流道108。至於流道108則包括一流道入口110、一流道出口112與位於流道出入口110與112之間的壓縮通道114，在圖1A中顯示4個壓縮通道，而在圖1B與圖1C僅顯示一個壓縮通道114。這個壓縮通道114於X-Y平面的尺寸與X-Z平面的尺寸均縮減至少2個級數(order)，譬如由微米級縮減至奈米級。舉例來說，壓縮通道114於X-Y平面的尺寸可由數百微米的第一尺寸S1逐漸縮減至數百奈米的第二尺寸S2(如圖1B)，而使電場壓縮；壓縮通道114於X-Z平面的尺寸可由數十微米的第三尺寸S3逐漸縮減至數百乃至數十奈米的第四尺寸S4(如圖1C)，因此能使電場進一步壓縮至高達107 V/m的壓縮電場，並進一步使反應體積提升至nL等級，可提供足夠的分子數量來偵測。
另外，上述實施例之立體奈米流道裝置可利用各種適當的製程製作，其中如以製程成本來考量，可利用以下方式製作。
圖2A至圖2G是圖1之立體奈米流道裝置的一種製作流程剖面圖。
首先，可準備一個如矽晶片的基板200，並在其上沉積一層譬如數百奈米厚度的氧化層之絕緣層202，如圖2A所示。
然後，請見圖2B，在絕緣層202中形成一開口，其詳細步驟例如先利用黃光微影與顯影製程，在絕緣層202上形成一層圖案化光阻204，此時部份絕緣層202會從開口206暴露出來，這個開口206即對應於圖1B中的第2尺寸S2的位置。
接著，請見圖2C，以圖案化光阻204為罩幕，蝕刻絕緣層202，直到露出開口206中的基板200。
隨後，請見圖2D，完全移除圖案化光阻204，就能得到具有開口206的絕緣層202。之後，於基板200與絕緣層202上另外形成一整層的光阻208。
接著，請見圖2E，利用黃光微影與顯影製程，將光阻208圖案化而形成另一圖案化光阻，並使部份絕緣層202從開口210暴露出來，這些開口210即對應於圖1B中的第1尺寸S1的位置並鄰接開口206。
隨後，如圖2F所示，以光阻208為罩幕，蝕刻絕緣層202及其下方的基板200，直到基板200形成深度接近圖1C中的第三尺寸S3的容置空間212。此時，容置空間212的深度比絕緣層202的厚度大至少2個級數。
然後，請見圖2G，在移除光阻208後，為了要使結構達絕緣，可再次於曝露出的基板200表面沉積一層可達絕緣目的厚度的絕緣層214作為絕緣表面。
以上製程僅為說明圖1之立體奈米流道裝置100的其中一種製作方法，但本發明並不限於此。
另外，圖1之立體奈米流道裝置100的流道108的數目、形狀、排列方式以及壓縮通道114的數目與形狀均可做變更，只要符合X-Y平面與X-Z平面之尺寸均縮減，利用三度空間之流道設計，使電場在局部產生比傳統2D更大的局部高電場，達到定量濃縮之目的。
舉例來說，圖1的壓縮通道114有4個，且壓縮通道114於X-Y平面的尺寸先縮減，於X-Z平面的尺寸再縮減。
圖3A所顯示的壓縮通道300則是於X-Z平面的尺寸先縮減，於X-Y平面的尺寸再縮減。圖3B所顯示的壓縮通道302則是X-Z平面的尺寸與X-Y平面的尺寸同時縮減。
另外，圖1之立體奈米流道裝置100中的壓縮通道114尺寸最小的位置是在流道層106與第二基板102之間，如圖1C所示，但本發明並不限於此。譬如，立體奈米流道裝置100中的壓縮通道114尺寸最小的位置400可位於流道層106內(如圖4A)；或者，立體奈米流道裝置100中的壓縮通道114尺寸最小的位置402可位於流道層106與第一基板104之間(如圖4B)。
圖4A還顯示了一第一電極404a與一第二電極404b，這兩個電極404a、404b以垂直於流道108的方向分別配置於流道入口110和流道出口112的流道層106與第一基板104與上。而為了使電極404a、404b在沉積時不易斷裂，流道層106的側壁106a可具有梯度。除此之外，電極404a、404b還可設置在流道108以外的位置。
圖5A是另一實施例之立體奈米流道裝置的立體圖；圖5B與圖5C分別是圖5A的流道層之Y-Z平面上視圖與X-Y平面(或X-Z平面)剖面圖。
請參照圖5A～圖5C，這個實施例中之立體奈米流道裝置500包括第一基板502、第二基板504以及介於第一、第二基板502與504之間的流道層506，其中由第一、第二基板502、504與流道層506構成流道508。至於流道508包括一流道入口510、一流道出口512與位於流道出入口510與512之間的壓縮通道514。當所述流道層506是矽晶片時，能藉由矽晶各晶面的蝕刻速率不同，利用蝕刻製程輕易完成壓縮通道514的製作，譬如圖5B即顯示由<111>晶面蝕刻完成的壓縮通道514。這個壓縮通道514於X-Y平面的尺寸與X-Z平面的尺寸均縮減至少2個級數，譬如由毫米級縮減至微米級。
圖6是利用圖2A至圖2G的製程製作出來的立體奈米流道裝置之壓縮通道的掃瞄式電子顯微鏡(SEM)相片，圖7是圖6的四倍放大SEM相片。從圖6可看出X-Y平面與X-Z平面上的尺寸縮減，而從圖7可觀察出壓縮通道尺寸最小的位置(箭頭指向的位置)是奈米級的尺寸。
以下利用幾個模擬實驗來驗證本實施例的結果。
模擬試驗
模擬電壓：10Vp-p
模擬頻率：10kHz
設定管道寬度：500μm
對照例：當流道裝置如圖8所示，僅在X-Y平面上有尺寸的縮減，則其X方向的介電泳力(FDEP-X )=8fN、Y方向的介電泳力(FDEP-y )=8fN。
實驗例：但是使用本揭露的立體奈米流道裝置(如圖9所示)，則不但FDEP-X 達800fN、FDEP-y 達800fN，還因為X-Z平面也有電場梯度，而得到Z方向介電泳力(FDEP-y )=80fN的效果。
綜上所述，本揭露與傳統介電泳技術相比，因為多增加Z方向之壓縮結構，將使得電場壓縮更有效率，而且不 用昂貴的奈米製程技術，使用如高分子翻模技術即可製作出高達107 V/m的壓縮電場。更重要的是3D結構將使反應體積提升至nL等級，可提供足夠的分子數量來偵測。
雖然本實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何所屬技術領域中具有通常知識者，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可作些許之更動與潤飾，故本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。
100、500‧‧‧立體奈米流道裝置
102、502‧‧‧第二基板
104、504‧‧‧第一基板
106、506‧‧‧流道層
106a‧‧‧側壁
108、508‧‧‧流道
110、510‧‧‧流道入口
112、512‧‧‧流道出口
114、300、302、514‧‧‧壓縮通道
200‧‧‧基板
202、214‧‧‧絕緣層
204‧‧‧圖案化光阻
206、210‧‧‧開口
208‧‧‧光阻
212‧‧‧容置空間
404a‧‧‧第一電極
404b‧‧‧第二電極
400、402‧‧‧位置
S1‧‧‧第一尺寸
S2‧‧‧第二尺寸
S3‧‧‧第三尺寸
S4‧‧‧第四尺寸
圖1A是一實施例之立體奈米流道裝置的立體圖。
圖1B是圖1A之壓縮通道區域內的X-Y平面上視圖。
圖1C是圖1A之壓縮通道區域內的X-Z平面剖面圖。
圖2A至圖2G是圖1之立體奈米流道裝置的一種製作流程剖面圖。
圖3A與圖3B顯示上述實施例之立體奈米流道裝置的壓縮通道之兩種例子。
圖4A與圖4B顯示上述實施例之立體奈米流道裝置的壓縮通道尺寸最小的位置之兩種例子。
圖5A是另一實施例之立體奈米流道裝置的立體圖。
圖5B是圖5A的流道層之Y-Z平面上視圖。
圖5C是圖5A的流道層之X-Y平面(或X-Z平面)剖面圖。
圖6是立體奈米流道裝置之壓縮通道的SEM相片。
圖7是圖6的四倍放大SEM相片。
圖8是對照例的流道裝置。
圖9是實驗例的立體奈米流道裝置。
100．．．立體奈米流道裝置
104．．．第一基板
106．．．流道層
108．．．流道
110．．．流道入口
112．．．流道出口
114．．．壓縮通道

Claims (15)

  1. 一種立體奈米流道裝置，包括：一第一基板、一第二基板以及一流道層，該流道層的側壁具有梯度，且該流道層介於該第一基板與該第二基板之間，其中由該第一基板、該第二基板與該流道層構成之至少一流道包括一流道入口、一流道出口與位於該流道入口和該流道出口之間的至少一壓縮通道，該壓縮通道於X-Y平面的尺寸與X-Z平面的尺寸均縮減至少2個級數。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之立體奈米流道裝置，其中該第一基板、該第二基板與該流道層的表面為一絕緣層。
  3. 如申請專利範圍第1項所述之立體奈米流道裝置，更包括一第一電極與一第二電極，以垂直於該流道的方向分別配置於該流道入口和該流道出口的該第一基板與該流道層之絕緣層上。
  4. 如申請專利範圍第1項所述之立體奈米流道裝置，其中該壓縮通道於X-Y平面的尺寸先縮減，於X-Z平面的尺寸再縮減。
  5. 如申請專利範圍第1項所述之立體奈米流道裝置，其中該壓縮通道於X-Z平面的尺寸先縮減，於X-Y平面的尺寸再縮減。
  6. 如申請專利範圍第1項所述之立體奈米流道裝置，其中該壓縮通道於X-Z平面的尺寸與於X-Y平面的尺寸同時縮減。
  7. 如申請專利範圍第1項所述之立體奈米流道裝置，其中該壓縮通道位於該流道層與該第二基板之間。
  8. 如申請專利範圍第1項所述之立體奈米流道裝置，其中該壓縮通道位於該流道層與該第一基板之間。
  9. 如申請專利範圍第1項所述之立體奈米流道裝置，其中該壓縮通道位於該流道層內。
  10. 如申請專利範圍第1項所述之立體奈米流道裝置，其中該壓縮通道於X-Y平面的尺寸與X-Z平面的尺寸均由微米級縮減至奈米級。
  11. 如申請專利範圍第1項所述之立體奈米流道裝置，其中該壓縮通道於X-Y平面的尺寸與X-Z平面的尺寸均由毫米級縮減至微米級。
  12. 一種立體奈米流道裝置的製作方法，包括：在一基板上形成一第一絕緣層；在該第一絕緣層中形成一第一開口；在該第一絕緣層上形成一圖案化光阻，該圖案化光阻具有至少一第二開口，其中該第二開口鄰接該第一開口並暴露出該第一絕緣層；以該圖案化光阻為罩幕，蝕刻該第一絕緣層並持續蝕刻該基板，以形成一容置空間，其中該容置空間的深度比該第一絕緣層的厚度大至少2個級數；移除該圖案化光阻；以及於該基板表面形成一第二絕緣層。
  13. 如申請專利範圍第12項所述之立體奈米流道裝置的製作方法，其中該基板包括矽晶片，且該第一絕緣層包括氧化層。
  14. 一種立體奈米流道裝置的製作方法，包括：蝕刻一矽晶片，以藉由不同晶面的蝕刻速率不同，來形成一壓縮通道，該壓縮通道於X-Y平面的尺寸與X-Z平面的尺寸均縮減至少2個級數；以及組合該矽晶片與一第一基板以及一第二基板。
  15. 如申請專利範圍第14項所述之立體奈米流道裝置的製作方法，其中該壓縮通道為由該矽晶片之<111>晶面蝕刻完成的。
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