TWI835578B - Optoelectronic tweezer device and fabrication method thereof - Google Patents
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Abstract
Description
本發明是有關於一種光鑷裝置及其製造方法。 The invention relates to an optical tweezers device and a manufacturing method thereof.
光鑷(Optoelectronic Tweezer,OET)是一種操作微小顆粒(例如半導體顆粒、金屬顆粒、金屬奈米線、生物細胞或其他粒子)的工具。一般而言,光鑷的操作可以通過高度聚焦的雷射束來執行。奈米或微米級的介電質顆粒可以被雷射束產生的力操作。光鑷是以非機械接觸的方式來操作,且可通過選擇適當波長的雷射來減少光鑷對欲夾持之顆粒的損傷。因此,許多生物技術的研究都藉由光鑷來操作單細胞。 Optoelectronic Tweezer (OET) is a tool for manipulating tiny particles (such as semiconductor particles, metal particles, metal nanowires, biological cells or other particles). In general, the operation of optical tweezers can be performed with a highly focused laser beam. Nano- or micron-sized dielectric particles can be manipulated by the force generated by the laser beam. Optical tweezers operate in a non-mechanical contact manner, and can reduce damage to the particles to be clamped by the optical tweezers by selecting the appropriate wavelength of laser. Therefore, many biotechnology studies rely on optical tweezers to manipulate single cells.
本發明提供一種光鑷裝置,可以提升被光線照射後所產生的光電流。 The invention provides an optical tweezers device that can increase the photocurrent generated after being irradiated by light.
本發明提供一種光鑷裝置的製造方法,可以節省光鑷裝置的生產成本。 The invention provides a manufacturing method of an optical tweezers device, which can save the production cost of the optical tweezers device.
本發明的至少一實施例提供一種光鑷裝置,其包括透明基底、半導體層、第一電極、絕緣結構以及反射層。半導體層位於透明基底之上,且包括第一摻雜區、第二摻雜區以及過渡區。過渡區位於第一摻雜區與第二摻雜區之間。第一電極位於第一摻雜區上,且電性連接至第一摻雜區。絕緣結構位於該過渡區上。絕緣結構具有在透明基底的法線方向上重疊於第一電極的第一開口。反射層位於絕緣結構上,且具有在法線方向上重疊於第一開口的第二開口。 At least one embodiment of the present invention provides an optical tweezers device, which includes a transparent substrate, a semiconductor layer, a first electrode, an insulating structure and a reflective layer. The semiconductor layer is located on the transparent substrate and includes a first doped region, a second doped region and a transition region. The transition region is located between the first doped region and the second doped region. The first electrode is located on the first doping region and is electrically connected to the first doping region. The insulating structure is located on this transition zone. The insulation structure has a first opening overlapping the first electrode in a normal direction of the transparent substrate. The reflective layer is located on the insulating structure and has a second opening overlapping the first opening in a normal direction.
本發明的至少一實施例提供一種光鑷裝置的製造方法,包括以下步驟。形成半導體材料層於透明基底之上。對半導體材料層執行摻雜製程,以形成包括第一摻雜區、第二摻雜區以及過渡區的半導體層,其中過渡區位於第一摻雜區與第二摻雜區之間。形成絕緣結構於半導體層的過渡區上,其中絕緣結構具有第一開口。形成導電層於絕緣結構以及半導體層上,其中導電層包括位於於第一摻雜區上的第一電極以及位於絕緣結構上的反射層。絕緣結構的第一開口在透明基底的法線方向上重疊於第一電極,且反射層具有在法線方向上重疊於第一開口的第二開口。 At least one embodiment of the present invention provides a method for manufacturing an optical tweezers device, including the following steps. A semiconductor material layer is formed on the transparent substrate. A doping process is performed on the semiconductor material layer to form a semiconductor layer including a first doped region, a second doped region and a transition region, wherein the transition region is located between the first doped region and the second doped region. An insulating structure is formed on the transition region of the semiconductor layer, wherein the insulating structure has a first opening. A conductive layer is formed on the insulating structure and the semiconductor layer, wherein the conductive layer includes a first electrode located on the first doped region and a reflective layer located on the insulating structure. The first opening of the insulation structure overlaps the first electrode in the normal direction of the transparent substrate, and the reflective layer has a second opening that overlaps the first opening in the normal direction.
10,20,30,40,50:光鑷裝置 10,20,30,40,50: Optical tweezers device
100:透明基底 100:Transparent base
110,110A,110B,110C:半導體層 110,110A,110B,110C: semiconductor layer
110a:半導體材料層 110a: Semiconductor material layer
112,112a,112A,112B,112C:第一摻雜區 112,112a,112A,112B,112C: first doped region
114,114B,114C:過渡區 114,114B,114C: Transition area
116,116A,116B,116C:第二摻雜區 116,116A,116B,116C: second doped region
120,220:絕緣結構 120,220: Insulation structure
120a:絕緣材料層 120a: Insulating material layer
130:介電層 130: Dielectric layer
132:第一通孔 132: First through hole
200:緩衝溶液 200:Buffer solution
222a:第一絕緣材料層 222a: first insulating material layer
224a:第二絕緣材料層 224a: Second insulating material layer
222b:圖案化的第一絕緣材料層 222b: Patterned first insulating material layer
224b:圖案化的第二絕緣材料層 224b: Patterned second insulating material layer
300:顆粒/誘發極化顆粒 300: Particles/Induced Polarization Particles
400:對向電極 400: Counter electrode
D1:第一方向 D1: first direction
D2:第二方向 D2: second direction
E1:第一電極 E1: first electrode
E2:第二電極 E2: second electrode
E3:反射層 E3: Reflective layer
LF:流動方向 LF: flow direction
LS:光束 LS: beam
ND:法線方向 ND: normal direction
O1:第一開口 O1: First opening
O2:第二開口 O2: Second opening
PR1:第一罩幕圖案 PR1: First veil pattern
PR2:第二罩幕圖案 PR2: Second veil pattern
PR3:第三罩幕圖案 PR3: The third veil pattern
R1:第一區 R1: The first area
R2:第二區 R2:Second area
R3:第三區 R3: The third area
Ta,Tb:厚度 Ta, Tb: thickness
W1,W2,Wa,Wb:寬度 W1,W2,Wa,Wb: Width
圖1A是依照本發明的一實施例的一種光鑷裝置的剖面示意圖。 1A is a schematic cross-sectional view of an optical tweezers device according to an embodiment of the present invention.
圖1B是圖1A的光鑷裝置的上視示意圖。 Figure 1B is a schematic top view of the optical tweezers device of Figure 1A.
圖2是依照本發明的一實施例的一種光鑷裝置的剖面示意圖。 Figure 2 is a schematic cross-sectional view of an optical tweezers device according to an embodiment of the present invention.
圖3A至圖9A是依照本發明的一實施例的一種光鑷裝置的製造方法的剖面示意圖。 3A to 9A are schematic cross-sectional views of a manufacturing method of an optical tweezers device according to an embodiment of the present invention.
圖3B至圖9B是圖3A至圖9A的結構的上視示意圖。 Figures 3B to 9B are schematic top views of the structures of Figures 3A to 9A.
圖10是依照本發明的一實施例的一種光鑷裝置的剖面示意圖。 Figure 10 is a schematic cross-sectional view of an optical tweezers device according to an embodiment of the present invention.
圖11是依照本發明的一實施例的一種光鑷裝置的剖面示意圖。 Figure 11 is a schematic cross-sectional view of an optical tweezers device according to an embodiment of the present invention.
圖12是依照本發明的一實施例的一種光鑷裝置的剖面示意圖。 Figure 12 is a schematic cross-sectional view of an optical tweezers device according to an embodiment of the present invention.
圖13至圖17是依照本發明的一實施例的一種光鑷裝置的製造方法的剖面示意圖。 13 to 17 are schematic cross-sectional views of a method for manufacturing an optical tweezers device according to an embodiment of the present invention.
圖1A是依照本發明的一實施例的一種光鑷裝置10的剖面示意圖。圖1B是圖1A的光鑷裝置的上視示意圖,其中圖1A對應了圖1B的線a-a’的位置。圖1B繪示了第一電極E1、第二電極E2以及反射層E3,並省略繪示其他構件。
FIG. 1A is a schematic cross-sectional view of an
請參考圖1A與圖1B,光鑷裝置10包括透明基底100、半導體層110、第一電極E1、絕緣結構120以及反射層E3。在本實施例中,光鑷裝置10還包括第二電極E2、介電層130、緩衝溶液200、多個顆粒300以及對向電極400。在一些實施例中,光鑷
裝置10為自鎖式光鑷(Self Locking Optical Tweezer,SLOT)裝置。
Referring to FIGS. 1A and 1B , the
透明基底100之材質例如包括玻璃、石英、有機聚合物或是其他可適用的材料。相較於使用矽晶圓作為基底,選用透明基底100可以節省光鑷裝置10的生產成本。
The material of the
半導體層110位於透明基底100之上。在一些實施例中,半導體層110之材質例如包括多晶矽、非晶矽、單晶矽或其他合適的材料。半導體層110包括第一摻雜區112、第二摻雜區116以及過渡區114,其中過渡區114位於第一摻雜區112與第二摻雜區116之間。
The
多個第一摻雜區112彼此分離。在一些實施例中,第一摻雜區112陣列於透明基底100之上,舉例來說,第一摻雜區112於透明基底100上的垂直投影為圓形、橢圓形、三邊形、四邊形、五邊形、六邊形或其他幾何形狀,且多個第一摻雜區112沿著第一方向D1與第二方向D2陣列於透明基底100之上。圖1A繪示了光鑷裝置10中的兩個第一摻雜區112,但第一摻雜區112的數量可以依照實際需求而進行調整。在一些實施例中,第一摻雜區112的寬度W1為2微米至100微米。
The plurality of first
過渡區114彼此分離,且每個過渡區114環繞對應的一個第一摻雜區112。在一些實施例中,過渡區114與第一摻雜區112為同心圓的形狀,但本發明不以此為限。在其他實施例中,第一摻雜區112可以包括圓形以外的形狀,且過渡區114的形狀隨著第一摻雜區112的形狀而變化。在一些實施例中,過渡區114
的寬度W2為2微米至20微米。
The
第二摻雜區116環繞多個過渡區114。在本實施例中,第二摻雜區116為連續的結構,且過渡區114與第一摻雜區112分佈於第二摻雜區116中。
The second
在一些實施例中,第一摻雜區112與第二摻雜區116中的一者為P型半導體,第一摻雜區112與第二摻雜區116中的另一者為N型半導體,且過渡區114為本質半導體或輕摻雜的純度接近於本質的半導體。因此,半導體層110包括由第一摻雜區112、過渡區114與第二摻雜區116構成的多個PIN二極體。
In some embodiments, one of the first
多個絕緣結構120位於半導體層110的過渡區114上。每個絕緣結構120設置於對應的一個過渡區114上,且多個絕緣結構120彼此分離。在本實施例中,絕緣結構120為環形,但本發明不以此為限。絕緣結構120的形狀視過渡區114的形狀而定。在一些實施例中,絕緣結構120垂直投影至透明基底100的形狀約等於過渡區114垂直投影至透明基底100的形狀。
A plurality of insulating
絕緣結構120具有在透明基底100的法線方向ND上重疊於半導體層110的第一摻雜區112的第一開口O1。在本實施例中,絕緣結構120環繞第一開口O1。換句話說,第一開口O1橫向地被絕緣結構120所封閉。在其他實施例中,絕緣結構120不完全環繞第一開口O1。第一開口O1的底部的寬度大於、等於或小於第一摻雜區112的寬度W1。當第一開口O1的底部的寬度大於第一摻雜區112的寬度W1而使部分過渡區114未被絕緣結構
120覆蓋時,會使半導體層110出現漏電的風險。當第一開口O1的底部的寬度小於第一摻雜區112的寬度W1而使部分第一摻雜區112被絕緣結構120覆蓋時,會減少對顆粒300的極化效果。因此,第一開口O1的底部的寬度較佳等於第一摻雜區112的寬度W1。
The
在圖1A中,絕緣結構120以單層繪示,但本發明不以此為限。絕緣結構120可以為單層或多層結構。在一些實施例中,絕緣結構120的材料例如包括氧化矽、氮化矽、氮氧化矽或其他合適的材料或上述材料的組合。
In FIG. 1A , the insulating
在一些實施例中,第一電極E1沿著第一方向D1與第二方向D2陣列於半導體層110上,但本發明不以此為限。在其他實施例中,第一電極E1以其他排列方式陣列於半導體層110上。第一電極E1位於第一摻雜區112上,且電性連接至第一摻雜區112。絕緣結構120環繞第一電極E1。在本實施例中,第一電極E1直接形成於第一摻雜區112上。在本實施例中,第一電極E1為島狀結構,且每個第一電極E1重疊於對應的一個第一摻雜區112。在一些實施例中,第一電極E1的側壁與第一摻雜區112的邊界實質上對齊,但本發明不以此為限。在其他實施例中,第一電極E1的側壁偏離第一摻雜區112的邊界。
In some embodiments, the first electrodes E1 are arrayed on the
第二電極E2位於第二摻雜區116上,且電性連接至第二摻雜區116。在本實施例中,第二電極E2直接形成於第二摻雜區116上。第二電極E2環繞絕緣結構120。在本實施例中,第二電
極E2為連續結構,且第二電極E2環繞島狀的第一電極E1。在一些實施例中,第二電極E2的側壁與第二摻雜區116的邊界實質上對齊,但本發明不以此為限。在其他實施例中,第二電極E2的側壁偏離第二摻雜區116的邊界。
The second electrode E2 is located on the second
反射層E3位於絕緣結構120上,且分離於第一電極E1以及第二電極E2。在一些實施例中,反射層E3為環形,但本發明不以此為限。反射層E3的形狀視絕緣結構120的頂面的形狀而定。在一些實施例中,反射層E3垂直投影至透明基底100的形狀約等於絕緣結構120垂直投影至透明基底100的形狀。反射層E3具有在法線方向ND上重疊於第一開口O1的第二開口O2。在本實施例中,反射層E3環繞第二開口O2。換句話說,第二開口O2橫向地被反射層E3所封閉。在其他實施例中,反射層E3不完全環繞第二開口O2。在一些實施例中,反射層E3的側壁與絕緣結構120的側壁實質上對齊,但本發明不以此為限。在其他實施例中,反射層E3的側壁偏離絕緣結構120的側壁。
The reflective layer E3 is located on the
第一電極E1、第二電極E2以及反射層E3可以為單層或多層結構。第一電極E1、第二電極E2以及反射層E3的材料包括金屬或其他合適的具有導電以及反光特性的材料。在一些實施例中,第一電極E1、第二電極E2以及反射層E3屬於相同導電層。換句話說,第一電極E1、第二電極E2以及反射層E3是透過同一次沉積製程形成。在一些實施例中,第一電極E1、第二電極E2以及反射層E3包括相同的材料。在一些實施例中,絕緣結構120
的厚度大於第一電極E1的厚度、第二電極E2的厚度以及反射層E3的厚度。
The first electrode E1, the second electrode E2 and the reflective layer E3 may have a single-layer or multi-layer structure. The materials of the first electrode E1, the second electrode E2 and the reflective layer E3 include metal or other suitable materials with conductive and reflective properties. In some embodiments, the first electrode E1, the second electrode E2 and the reflective layer E3 belong to the same conductive layer. In other words, the first electrode E1, the second electrode E2 and the reflective layer E3 are formed through the same deposition process. In some embodiments, the first electrode E1, the second electrode E2, and the reflective layer E3 include the same material. In some embodiments, the insulating
介電層130位於半導體層110之上。在本實施例中,介電層130形成於第二電極E2、反射層E3以及絕緣結構120之上。介電層130覆蓋第二電極E2的頂面以及反射層E3的頂面。介電層130具有在法線方向ND上重疊於第一開口O1以及第二開口O2的第一通孔132。在一些實施例中,介電層130的材質包括氧化矽、氮化矽、氮氧化矽、有機材料或其他合適的材料。
The
第一通孔132暴露出第一電極E1的至少部分頂面。在本實施例中,介電層130具有陣列的多個第一通孔132,每個第一通孔132重疊於對應的一個第一電極E1。在一些實施例中,第一通孔132的寬度、第一開口O1的寬度以及第二開口O2的寬度彼此相同,但本發明不以此為限。在其他實施例中,第一通孔132的寬度小於第一開口O1的寬度以及第二開口O2的寬度。另外,雖然在圖1A中,介電層130未填入第一開口O1以及第二開口O2中,但本發明不以此為限。在其他實施例中,介電層130填入第一開口O1以及第二開口O2中。在一些實施例中,第一通孔132的寬度為2微米至100微米。
The first through
對向電極400重疊於多個第一電極E1。在一些實施例中,對向電極400包括可以透光的材料(例如銦錫氧化物、銦鋅氧化物、鋁錫氧化物、鋁鋅氧化物、銦鎵鋅氧化物、有機導電材料或其他合適的材料或上述材料的堆疊層)或不透光的材料(例
如金屬)。
The
緩衝溶液200位於對向電極400與第一電極E1之間。緩衝溶液200位於對向電極400與介電層130之間。在一些實施例中,緩衝溶液200填入介電層130的第一通孔132,且緩衝溶液200接觸對向電極400、第一電極E1以及介電層130。在一些實施例中,緩衝溶液200例如為生理緩衝溶液或其他緩衝溶液(例如等滲緩衝溶液)。多個顆粒300位於緩衝溶液200中。顆粒300可以為生物顆粒、有機物顆粒或無機物顆粒。顆粒300的粒徑為2微米至100微米。
The
在一些實施例中,在對向電極400以及第一電極E1上以一頻率施加交流電,以使對向電極400與第一電極E1之間產生電場。誘發極化顆粒300會因為介電泳力(dielectrophoretic force)而被吸引至介電層130重疊於第一電極E1的第一通孔132上。
In some embodiments, an alternating current is applied at a frequency on the
請參考圖2,選擇需要的誘發極化顆粒300,並以光束LS照射選定的誘發極化顆粒300下方的半導體層110的位置。光束LS從透明基底100背對半導體層110的一側進入光鑷裝置10。
Referring to FIG. 2 , the required induced
在一些實施例中,光束LS照射所選之第一電極E1下方的PIN二極體。LS的直徑為2微米至120微米。舉例來說,光束LS照射第一摻雜區112以及過渡區114,使選定的誘發極化顆粒300的下方的PIN二極體產生光電流,並反轉選定的誘發極化顆粒300的介電泳力的方向,使選定的誘發極化顆粒300被排斥並離開介電層130的第一通孔132。在一些實施例中,緩衝溶液200
沿著流動方向LF流動,因此,離開第一通孔132的誘發極化顆粒300會順著緩衝溶液200而流動至下游。在一些實施例中,收集並分析流至下游的誘發極化顆粒300,但本發明不以此為限。在其他實施例中,收集並分析保留於第一通孔132上的誘發極化顆粒300。
In some embodiments, the light beam LS illuminates the PIN diode beneath the selected first electrode E1. LS diameters range from 2 microns to 120 microns. For example, the light beam LS irradiates the first
在一些實施例中,光束LS包括雷射光、紫外光、可見光或其他合適的光。 In some embodiments, the light beam LS includes laser light, ultraviolet light, visible light or other suitable light.
在一些實施例中,穿過透明基底100、過渡區114以及絕緣結構120的光束LS可以被反射層E3反射,並重新回到半導體層110,因此,半導體層110可以產生較大的光電流。在一些實施例中,半導體層110產生的光電流與暗電流的比值大於或等於兩個數量級。
In some embodiments, the light beam LS passing through the
半導體層110的摻雜形態會影響PIN二極體照光後所產生的電流的方向。在本實施例中,第一摻雜區112為N型半導體,第二摻雜區116為P型半導體,且誘發極化顆粒300的表面帶有負電。在其他實施例中,第一摻雜區112為P型半導體,第二摻雜區116為N型半導體,且誘發極化顆粒300的表面帶有正電。
The doping form of the
圖3A至圖9A是依照本發明的一實施例的一種光鑷裝置的製造方法的剖面示意圖。圖3B至圖9B是圖3A至圖9A的結構的上視示意圖。在此必須說明的是,圖3A至圖9B的實施例沿用圖1A、圖1B和圖2的實施例的元件標號與部分內容,其中採用相同或近似的標號來表示相同或近似的元件,並且省略了相同技 術內容的說明。關於省略部分的說明可參考前述實施例,在此不贅述。 3A to 9A are schematic cross-sectional views of a manufacturing method of an optical tweezers device according to an embodiment of the present invention. Figures 3B to 9B are schematic top views of the structures of Figures 3A to 9A. It must be noted here that the embodiments of FIGS. 3A to 9B follow the component numbers and part of the content of the embodiments of FIGS. 1A , 1B and 2 , where the same or similar numbers are used to represent the same or similar elements, and Omitting the same skills Description of technical content. For descriptions of omitted parts, reference may be made to the foregoing embodiments and will not be described again here.
請參考圖3A與圖3B,形成半導體材料層110a於透明基底100之上。在本實施例中,由於半導體材料層110a位於透明基底100之上,可以藉由薄膜製程形成半導體材料層110a,藉此降低光鑷裝置的生產成本。在一些實施例中,形成半導體材料層110a的方法例如包括低溫多晶矽(Low Temperature Poly-Silicon)製程或其他合適的製程。此外,相較於在晶圓上製作光鑷裝置,採用薄膜製程可以較輕易的獲得大面積的光鑷裝置。
Referring to FIGS. 3A and 3B , a
請參考圖4A至圖5A以及圖4B至圖5B,對半導體材料層110a執行摻雜製程,以形成包括第一摻雜區112、第二摻雜區116以及過渡區114的半導體層110,其中過渡區114位於第一摻雜區112與第二摻雜區116之間。
Referring to FIGS. 4A to 5A and 4B to 5B, a doping process is performed on the
請先參考圖4A與圖4B,形成第一罩幕圖案PR1於半導體材料層110a的第一區R1之上,且第一罩幕圖案PR1暴露出半導體材料層110a的第二區R2以及第三區R3,其中第一區R1環繞第三區R3,且第一區R1位於第二區R2以及第三區R3之間。在一些實施例中,第一罩幕圖案PR1例如為圖案化的光阻。
Please refer to FIG. 4A and FIG. 4B. A first mask pattern PR1 is formed on the first region R1 of the
以第一罩幕圖案PR1為遮罩,對半導體材料層110a的第二區R2以及第三區R3執行第一摻雜製程以形成半導體材料層110a。第一摻雜製程例如是P型摻雜或N型摻雜。在本實施例中,第一摻雜製程為P型摻雜製程。在本實施例中,第一摻雜製程於
第二區R2以及第三區R3中形成具有相同摻雜類型的第二摻雜區116以及第一摻雜區112a。
Using the first mask pattern PR1 as a mask, a first doping process is performed on the second region R2 and the third region R3 of the
在執行第一摻雜製程之後,移除第一罩幕圖案PR1。在一些實施例中,藉由蝕刻(例如灰化)移除第一罩幕圖案PR1。 After performing the first doping process, the first mask pattern PR1 is removed. In some embodiments, the first mask pattern PR1 is removed by etching (eg, ashing).
請參考圖5A與圖5B,形成第二罩幕圖案PR2於半導體材料層110a的第一區R1以及第二區R2之上,且第二罩幕圖案PR2暴露出半導體材料層110a的第三區R3。在一些實施例中,第二罩幕圖案PR2例如為圖案化的光阻。
Referring to FIG. 5A and FIG. 5B, a second mask pattern PR2 is formed on the first region R1 and the second region R2 of the
以第二罩幕圖案PR2為遮罩,對半導體材料層110a的第三區R3執行第二摻雜製程。第二摻雜製程例如是P型摻雜或N型摻雜。在本實施例中,第二摻雜製程不同於第一摻雜製程,且第二摻雜製程為N型摻雜製程。在本實施例中,第二摻雜製程於第三區R3中形成第一摻雜區112。
Using the second mask pattern PR2 as a mask, a second doping process is performed on the third region R3 of the
至此,包括第一摻雜區112、第二摻雜區116以及過渡區114的半導體層110大致完成,其中半導體材料層110a(請參考圖4A)的第三區R3對應第一摻雜區112的位置,半導體材料層110a的第二區R2對應第二摻雜區116的位置,且半導體材料層110a的第一區R1對應過渡區114的位置。
At this point, the
在執行第二摻雜製程之後,移除第二罩幕圖案PR2。在一些實施例中,藉由蝕刻(例如灰化)移除第二罩幕圖案PR2。 After performing the second doping process, the second mask pattern PR2 is removed. In some embodiments, the second mask pattern PR2 is removed by etching (eg, ashing).
請參考圖6A與圖6B,形成絕緣材料層120a於半導體層110上。在一些實施例中,絕緣材料層120a包括氧化矽、氮化矽、
氮氧化矽或其他合適的材料。
Referring to FIGS. 6A and 6B , an insulating
在一些實施例中,絕緣材料層120a中包括氫元素,且對半導體層110與絕緣材料層120a執行退火製程,以使絕緣材料層120a中的氫元素擴散至半導體層110,藉此修復半導體層110在摻雜製程中所產生的損傷。在一些實施例中,前述退火製程是將半導體層110與絕緣材料層120a使用快速熱退火製程加熱至攝氏400度至攝氏625度。
In some embodiments, the insulating
請參考圖7A與圖7B,圖案化絕緣材料層120a,以形成暴露出第一摻雜區112以及第二摻雜區116的絕緣結構120。在本實施例中,形成第三罩幕圖案PR3於絕緣材料層120a上,並以第三罩幕圖案PR3為遮罩對絕緣材料層120a進行一次或多次的蝕刻製程,以形成多個絕緣結構120,其中每個絕緣結構120的第一開口O1暴露出對應的第一摻雜區112,且第二摻雜區116被絕緣結構120之間的空隙所暴露出來。在一些實施例中,第三罩幕圖案PR3例如為圖案化的光阻。
Referring to FIGS. 7A and 7B , the insulating
在一些實施例中,在圖案化絕緣材料層120a之後,移除第三罩幕圖案PR3。在一些實施例中,藉由蝕刻(例如灰化)移除第三罩幕圖案PR3。
In some embodiments, after patterning the insulating
請參考圖8A與圖8B,形成導電層於絕緣結構120以及半導體層110上,其中導電層包括位於第一摻雜區112上的第一電極E1、位於第二摻雜區116上的第二電極E2以及位於絕緣結構120上的反射層E3。
Referring to FIGS. 8A and 8B , a conductive layer is formed on the insulating
在本實施例中,由於絕緣結構120的頂面與半導體層110的頂面之間具有斷差,因此,在沉積導電層時,位於絕緣結構120的頂面上的反射層E3會分離於位於半導體層110的頂面上的第一電極E1以及第二電極E2。
In this embodiment, since there is a gap between the top surface of the insulating
請參考圖9A與圖9B,形成介電層130於半導體層110之上。在本實施例中,介電層130形成於部分第一電極E1、第二電極E2以及絕緣結構120上。介電層130具有重疊於第一電極E1的第一通孔132,且介電層130覆蓋第二電極E2的頂面以及反射層E3的頂面。
Referring to FIGS. 9A and 9B , a
最後,請回到圖1A與圖1B,提供重疊於第一電極E1的對向電極400;提供緩衝溶液200於對向電極400與第一電極E1之間以及對向電極400與介電層130之間;提供多個顆粒300於緩衝溶液200中。至此,光鑷裝置10大致完成。
Finally, please return to FIGS. 1A and 1B to provide the
圖10是依照本發明的一實施例的一種光鑷裝置20的剖面示意圖。在此必須說明的是,圖10的實施例沿用圖1A、圖1B和圖2的實施例的元件標號與部分內容,其中採用相同或近似的標號來表示相同或近似的元件,並且省略了相同技術內容的說明。關於省略部分的說明可參考前述實施例,在此不贅述。 Figure 10 is a schematic cross-sectional view of an optical tweezers device 20 according to an embodiment of the present invention. It must be noted here that the embodiment of Figure 10 follows the component numbers and part of the content of the embodiment of Figures 1A, 1B and 2, where the same or similar numbers are used to represent the same or similar elements, and the same or similar elements are omitted. Description of technical content. For descriptions of omitted parts, reference may be made to the foregoing embodiments and will not be described again here.
圖10的光鑷裝置20與圖1A與圖1B的光鑷裝置10的差異在於:光鑷裝置10的半導體層110中的N型半導體與P型半導體的位置不同於光鑷裝置20的半導體層110A中的N型半導體與P型半導體的位置。光鑷裝置10的半導體層110中的第一摻雜區
112與第二摻雜區116分別是N型半導體與P型半導體,而光鑷裝置20的半導體層110A中的第一摻雜區112A與第二摻雜區116A分別是P型半導體與N型半導體。
The difference between the optical tweezers device 20 of FIG. 10 and the
在圖10的實施例中,第一電極E1電性連接至P型半導體,而第二電極E2電性連接至N型半導體。在本實施例中,誘發極化顆粒300的表面帶有正電。
In the embodiment of FIG. 10 , the first electrode E1 is electrically connected to the P-type semiconductor, and the second electrode E2 is electrically connected to the N-type semiconductor. In this embodiment, the surface of the induced
圖11是依照本發明的一實施例的一種光鑷裝置30的剖面示意圖。在此必須說明的是,圖11的實施例沿用圖1A、圖1B和圖2的實施例的元件標號與部分內容,其中採用相同或近似的標號來表示相同或近似的元件,並且省略了相同技術內容的說明。關於省略部分的說明可參考前述實施例,在此不贅述。
FIG. 11 is a schematic cross-sectional view of an
圖11的光鑷裝置30與圖1A與圖1B的光鑷裝置10的差異在於:光鑷裝置10的半導體層110包括PIN二極體,而光鑷裝置30的半導體層110B包括NIN結構。
The difference between the
在圖11的實施例中,半導體層110B中的第一摻雜區112B與第二摻雜區116B皆為相同摻雜類型的半導體,如N型半導體。過渡區114B為為本質半導體或輕摻雜類型的P型半導體。在圖11的實施例中,第一電極E1與第二電極E2皆電性連接至N型半導體。
In the embodiment of FIG. 11 , the first
在本實施例中,當光束照射至NIN結構時,NIN結構會產生光電流,藉此吸引或排斥顆粒300。
In this embodiment, when a light beam is irradiated to the NIN structure, the NIN structure generates a photocurrent, thereby attracting or repelling the
圖12是依照本發明的一實施例的一種光鑷裝置40的剖
面示意圖。在此必須說明的是,圖12的實施例沿用圖1A、圖1B和圖2的實施例的元件標號與部分內容,其中採用相同或近似的標號來表示相同或近似的元件,並且省略了相同技術內容的說明。關於省略部分的說明可參考前述實施例,在此不贅述。
Figure 12 is a cross-section of an
圖12的光鑷裝置40與圖1A與圖1B的光鑷裝置10的差異在於:光鑷裝置10的半導體層110包括PIN二極體,而光鑷裝置40的半導體層110C包括PIP結構。
The difference between the
在圖12的實施例中,半導體層110C中的第一摻雜區112C與第二摻雜區116C皆為相同摻雜類型的半導體,如P型半導體。過渡區114C為本質半導體或輕摻雜類型的N型半導體。在圖12的實施例中,第一電極E1與第二電極E2皆電性連接至P型半導體。
In the embodiment of FIG. 12 , the first
在本實施例中,當光束照射至PIP結構時,PIP結構會產生光電流,藉此吸引或排斥顆粒300。
In this embodiment, when a light beam is irradiated onto the PIP structure, the PIP structure generates a photocurrent, thereby attracting or repelling the
圖13至圖17是依照本發明的一實施例的一種光鑷裝置50的製造方法的剖面示意圖。在此必須說明的是,圖13至圖16的實施例沿用圖1A、圖1B和圖2的實施例的元件標號與部分內容,其中採用相同或近似的標號來表示相同或近似的元件,並且省略了相同技術內容的說明。關於省略部分的說明可參考前述實施例,在此不贅述。
13 to 17 are schematic cross-sectional views of a manufacturing method of the
請參考圖13至圖15,在本實施例中,絕緣結構220包括多層結構。舉例來說,形成絕緣結構220於過渡區114上的方法
包括以下步驟。請參考圖13,形成第一絕緣材料層222a於半導體層110上。形成第二絕緣材料層224a於第一絕緣材料層222a上。在一些實施例中,第一絕緣材料層222a與第二絕緣材料層224a包括不同的材料。舉例來說,第一絕緣材料層222a包括氧化矽,且第二絕緣材料層224a包括氮化矽。形成第三罩幕圖案PR3於第二絕緣材料層224a之上,其中第三罩幕圖案PR3在法線方向ND上重疊於半導體層110的過渡區114。在一些實施例中,第三罩幕圖案PR3的寬度大於或等於過渡區114的寬度。
Please refer to FIGS. 13 to 15 . In this embodiment, the
請參考圖13與圖14,以第三罩幕圖案PR3為遮罩,執行乾蝕刻製程以圖案化第一絕緣材料層222a以及第二絕緣材料層224a。圖案化的第一絕緣材料層222b以及圖案化的第二絕緣材料層224b暴露出第一摻雜區112以及第二摻雜區116。在一些實施例中,前述乾蝕刻製程為等向性蝕刻製程(例如雷射蝕刻或電漿蝕刻)。在一些實施例中,圖案化的第一絕緣材料層222b部分覆蓋第一摻雜區112以及第二摻雜區116。
Referring to FIGS. 13 and 14 , using the third mask pattern PR3 as a mask, a dry etching process is performed to pattern the first insulating
請參考圖14與圖15,在乾蝕刻製程後,以第三罩幕圖案PR3為遮罩,執行濕蝕刻製程以移除至少部分圖案化的第一絕緣材料層222b。在一些實施例中,圖案化的第二絕緣材料層224b也可以於濕蝕刻製程中被部分移除。在濕蝕刻製程中,圖案化的第一絕緣材料層222b的蝕刻速率大於圖案化的第二絕緣材料層224b的蝕刻速率。換句話說,圖案化的第一絕緣材料層222b會於濕蝕刻製程中被移除較多。在一些實施例中,前述濕蝕刻製程為
異向性蝕刻製程。在一些實施例中,利用濃度為0.45%的氫氟酸進行濕蝕刻製程。
Referring to FIGS. 14 and 15 , after the dry etching process, using the third mask pattern PR3 as a mask, a wet etching process is performed to remove at least part of the patterned first insulating
透過乾蝕刻製程與濕蝕刻製程,可以獲得多個絕緣結構220,每個絕緣結構220包括第一絕緣層222以及第二絕緣層224。第一絕緣層222位於第二絕緣層224與過渡區114之間。在本實施例中,第一絕緣層222與第二絕緣層224皆為環形,且第一絕緣層222的寬度Wa小於第二絕緣層224的寬度Wb。在一些實施例中,第一絕緣層222的厚度Ta大於第二絕緣層224的厚度Tb。因此,有助於使絕緣結構220在濕蝕刻製程後出現下窄上寬的剖面形狀。
Through a dry etching process and a wet etching process, a plurality of insulating
請參考圖16,形成導電層於絕緣結構120以及半導體層110上,其中導電層包括位於於第一摻雜區112上的第一電極E1、位於第二摻雜區116上的第二電極E2以及位於絕緣結構220上的反射層E3。
Referring to FIG. 16 , a conductive layer is formed on the insulating
在本實施例中,由於絕緣結構220的頂面與半導體層110的頂面之間具有斷差,因此,在沉積導電層時,絕緣結構220的頂面上的反射層E3會分離於半導體層110的頂面上的第一電極E1以及第二電極E2。由於第一絕緣層222的寬度小於第二絕緣層224的寬度,可以減少反射層E3接觸第一電極E1及/或第二電極E2的機率,進而降低短路的風險。
In this embodiment, since there is a gap between the top surface of the insulating
在本實施例中,第一電極E1的側壁與第一絕緣層222的側壁之間具有間隙,且第二電極E2的側壁與第一絕緣層222的側
壁之間具有間隙。
In this embodiment, there is a gap between the side wall of the first electrode E1 and the side wall of the first insulating
請參考圖17,形成介電層130於半導體層110之上。在本實施例中,介電層130形成於第二電極E2、絕緣結構120以及反射層E3上。介電層130具有重疊於第一電極E1的第一通孔132,且介電層130覆蓋第二電極E2的頂面以及反射層E3的頂面。在一些實施例中,部分介電層130填入第一電極E1的側壁與第一絕緣層222的側壁之間的間隙以及第二電極E2的側壁與第一絕緣層222的側壁之間的間隙。在法線方向ND上,部分介電層130位於部分第二絕緣層224與部分半導體層110之間。在一些實施例中,部分介電層130位於第一絕緣層222與第一電極E1之間以及第一絕緣層222與第二電極E2之間。
Referring to FIG. 17 , a
最後,提供重疊於第一電極E1的對向電極400;提供緩衝溶液200於對向電極400與第一電極E1之間以及對向電極400與介電層130之間;提供多個顆粒300於緩衝溶液200中。至此,光鑷裝置50大致完成。
Finally, the
綜上所述,本發明的光鑷裝置包括位於絕緣結構上的反射層。通過反射層的設置,在對光鑷裝置的背面照射光束時,穿過透明基底、半導體層以及絕緣結構的光束可以被反射層反射,並重新回到半導體層,因此,半導體層可以產生較大的光電流。 To sum up, the optical tweezers device of the present invention includes a reflective layer located on an insulating structure. Through the arrangement of the reflective layer, when the back side of the optical tweezers device is irradiated with a light beam, the light beam passing through the transparent substrate, semiconductor layer and insulating structure can be reflected by the reflective layer and return to the semiconductor layer. Therefore, the semiconductor layer can produce a larger photocurrent.
10:光鑷裝置 10: Optical tweezers device
100:透明基底 100:Transparent base
110:半導體層 110: Semiconductor layer
112:第一摻雜區 112: First doped region
114:過渡區 114:Transition area
116:第二摻雜區 116: Second doping region
120:絕緣結構 120:Insulation structure
130:介電層 130: Dielectric layer
132:第一通孔 132: First through hole
200:緩衝溶液 200:Buffer solution
300:顆粒/誘發極化顆粒 300: Particles/Induced Polarization Particles
400:對向電極 400: Counter electrode
E1:第一電極 E1: first electrode
E2:第二電極 E2: second electrode
E3:反射層 E3: Reflective layer
ND:法線方向 ND: normal direction
O1:第一開口 O1: First opening
O2:第二開口 O2: Second opening
W1,W2:寬度 W1, W2: Width
Claims (15)
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