СЕНСОР С АКТИВНОЙ ПОВЕРХНОСТЬЮ Российский патент 2024 года по МПК G01N21/64 

Перекрестная ссылка на родственные заявки

Настоящая заявка заявляет приоритет предварительной патентной заявки США 62/850894, поданной 21 мая 2019 года и озаглавленной "Сенсоры с активной поверхностью" (Sensors Having an Active Surface), которая полностью включена в настоящую заявку посредством ссылки.

Область и уровень техники

Разнообразные протоколы биологических или химических исследований включают выполнение большого количества контролируемых реакций на локальных поддерживающих поверхностях или внутри предварительно заданных реакционных камер. Предполагаемые реакции можно затем наблюдать или детектировать, а последующий анализ может помочь идентифицировать или раскрывать свойства веществ, принимающих участие в реакции. Например, в некоторых сложных видах анализа неизвестный аналит, содержащий идентифицируемую метку (например, флуоресцентную метку), может быть в контролируемых условиях подвергнут действию тысяч известных зондов. Каждый известный зонд может быть помещен в соответствующую лунку микропланшета. Наблюдение химических реакций, которые происходят в указанных лунках между известными зондами и неизвестным аналитом, может помочь идентифицировать или выявить свойства аналита. Иные примеры таких протоколов содержат известные процессы секвенирования ДНК, такие как секвенирование путем синтеза (sequencing-by-synthesis, SBS).

В некоторых, уже существующих протоколах детектирования флуоресценции используется оптическая система для направления возбуждающего светового излучения на флуоресцентно-меченные аналиты, а также для детектирования сигналов флуоресценции, которые могут испускаться из аналитов. Однако такие оптические системы могут быть сравнительно дорогостоящими, и могут занимать сравнительно большое пространство. К примеру, такие оптические системы могут включать в себя конструкцию из объективов, фильтров и источников света. В других существующих системах детектирования контролируемые реакции происходят на локальных несущих поверхностях или внутри заранее определенных реакционных камер проточной ячейки, которая не требует большой оптической системы для детектирования флуоресцентного излучения. Проточные ячейки таких систем могут быть построены как расходный элемент однократного использования.

Раскрытие сущности изобретения

Соответственно, было бы выгодно, чтобы проточная ячейка представляла собой небольшое и недорогое устройство. В сравнительно небольшой проточной ячейке было бы выгодно использовать как можно больше активной площади сенсора фотодетектирующего устройства и/или обеспечить как можно большую активную площадь сенсора. За счет предлагаемых вариантов осуществления изобретения могут быть преодолены недостатки существующих подходов, и получены дополнительные преимущества.

В одном аспекте изобретения предложено устройство. Устройство содержит подложку, сенсор, расположенный сверху подложки и содержащий активную поверхность, формовочный слой, расположенный сверху подложки и покрывающий боковые стороны сенсора, причем формовочный слой имеет высоту формовки относительно верхней поверхности подложки, при этом высота формовки больше высоты активной поверхности сенсора относительно верхней поверхности подложки. Устройство также содержит покровный слой, расположенный сверху формовочного слоя и сверху активной поверхности сенсора. Активная поверхность сенсора, покровный слой и формовочный слой образуют промежуток над активной поверхностью сенсора, определяющий проточный канал.

Согласно некоторым примерам осуществления изобретения, формовочный слой покрывает проволочное соединение, которое связывает контактную площадку сенсора с контактной площадкой подложки.

Согласно некоторым примерам осуществления, через сенсор проходит сквозная перемычка в кремнии (Trough Silicon Via, TSV) и электрически соединяет контактную площадку сенсора с перераспределительным слоем сенсора (ReDistribution Layer, RDL), который расположен на нижней поверхности сенсора и имеет электрический контакт с контактной площадкой подложки.

Согласно некоторым примерам осуществления, формовочный слой включает в себя первый и второй формовочные слои, причем первый формовочный слой содержит сквозную перемычку в формовочном слое (Trough Molding Via, TMV), проходящую через первый формовочный слой к контактной площадке подложки, перераспределительный слой, расположенный на верхней поверхности сенсора и соединяющий контактную площадку сенсора со сквозной перемычкой TMV, и второй формовочный слой, расположенный сверху указанного перераспределительного слоя и первого формовочного слоя.

Согласно некоторым примерам осуществления, сверху активной поверхности сенсора расположен пассивирующий слой. Согласно некоторым таким примерам, сверху пасссивирующего слоя расположено функционализированное покрытие.

Согласно некоторым примерам осуществления, проточный канал охватывает по существу всю активную поверхность сенсора.

Согласно некоторым примерам осуществления, проточный канал охватывает всю активную поверхность сенсора и по меньшей мере часть неактивной поверхности сенсора.

Согласно некоторым примерам осуществления, проточный канал охватывает горизонтальную поверхность формовочного слоя.

Согласно некоторым примерам осуществления, покровный слой содержит впускной порт и выпускной порт.

Согласно некоторым примерам осуществления, поверхность формовочного слоя отделяет впускной порт и активную поверхность сенсора внутри проточного канала.

Согласно некоторым примерам осуществления, подложка содержит один или более диэлектрических слоев, причем каждый из указанных одного или более диэлектрических слоев внутри содержит один или более электропроводящих каналов.

Согласно некоторым примерам осуществления, сенсор представляет собой комплементарное металл-оксид-полупроводниковое (КМОП) детектирующее устройство.

Согласно некоторым примерам осуществления, устройство является частью картриджа для выполнения биологического анализа, химического анализа или обоих видов анализа.

В другом аспекте изобретения предложено устройство. Устройство содержит: сенсор, расположенный сверху подложки и содержащий активную поверхность и контактную площадку; сквозную перемычку в кремнии (TSV), проходящую через сенсор и электрически соединяющую контактную площадку сенсора с перераспределительным слоем (RDL), расположенным на нижней поверхности сенсора, при этом перераспределительный слой имеет электрический контакт с контактной площадкой подложки; формовочный слой, расположенный сверху подложки и покрывающий боковые стороны сенсора, причем формовочный слой имеет высоту формовки относительно верхней поверхности подложки, при этом высота формовки по существу равна высоте активной поверхности сенсора относительно верхней поверхности подложки. Устройство также содержит промежуточный слой, расположенный сверху формовочного слоя; сквозную перемычку в кремнии (TSV), находящуюся в электрическом контакте с контактной площадкой подложки, причем сквозная перемычка TSV проходит через подложку. Покровный слой расположен сверху промежуточного слоя и сверху активной поверхности, при этом активная поверхность сенсора, покровный слой и промежуточный слой вместе образуют промежуток над активной поверхностью сенсора, определяющий проточный канал

В еще одном аспекте изобретения предложен способ. Способ содержит этапы, на которых: размещают на подложке сенсор, причем сенсор содержит активную поверхность; размещают на подложке формовочный слой, причем формовочный слой имеет высоту формовки относительно верхней поверхности подложки, при этом высота формовки больше высоты активной поверхности сенсора относительно верхней поверхности подложки; и размещают покровный слой на верхние поверхности формовочного слоя, так что покровный слой и формовочный слой образуют промежуток над активной поверхностью сенсора, определяющий проточный канал. Согласно некоторым примерам осуществления, способ содержит формирование проволочных соединений контактной площадки сенсора с контактной площадкой подложки, при этом формовочный слой покрывает указанные проволочные соединения.

Согласно некоторым примерам осуществления, способ содержит формирование сквозной перемычки TSV, проходящей от контактной площадки сенсора через сенсор, и формирование перераспределительного слоя (RDL) на нижней поверхности сенсора, при этом контактная площадка сенсора электрически соединена с перераспределительным слоем.

Согласно некоторым примерам осуществления, указанный формовочный слой представляет собой второй формовочный слой, а способ дополнительно содержит формирование первого формовочного слоя до высоты по существу равной высоте активной поверхности сенсора относительно подложки; формирование сквозной перемычки в формовочном слое (TMV) сквозь первый формовочный слой до контактной площадки подложки; формирование перераспределительного слоя (RDL) на верхней поверхности сенсора для электрического соединения контактной площадки сенсора со сквозной перемычкой TMV; и формирование второго формовочного слоя сверху перераспределительного слоя (RDL) и первого формовочного слоя.

Согласно некоторым примерам осуществления, способ содержит формирование впускного порта и выпускного порта в покровном слое.

Согласно некоторым примерам осуществления, способ дополнительно содержит формирование пассивирующего слоя на поверхности сенсора. Согласно некоторым примерам, способ дополнительно содержит формирование реакционных углублений в пассивирующем слое. В некоторых таких примерах способ дополнительно содержит формирование функционализированного покрытия на пассивирующем слое.

Следует понимать, что все комбинации рассмотренных выше аспектов дополнительных идей, которые более подробно будут рассмотрены ниже (при условии, что эти идеи не противоречат друг другу), предполагается считать частью раскрываемого в описании объекта изобретения.

Упомянутые и прочие задачи, отличительные признаки и преимущества настоящего изобретения будут понятны из последующего подробного описания различных аспектов в совокупности с прилагаемыми чертежами.

Краткое описание чертежей

Упомянутые и прочие задачи, отличительные признаки и преимущества настоящего изобретения будут понятны из последующего подробного описания различных аспектов в совокупности с прилагаемыми чертежами, среди которых:

фиг. 1-5 представляют виды в разрезе одного примера различных этапов изготовления устройства, соответствующего настоящему изобретению,

фиг. 1 представляет вид в разрезе одного примера разрезания сенсорной пластины, содержащей множество сенсоров. Данные сенсоры содержат, например, активную поверхность,

фиг. 2 представляет вид в разрезе одного примера крепления кристаллов сенсоров с фиг. 1 к подложке в соответствии с одним или более аспектами настоящего изобретения,

фиг. 3 представляет вид в разрезе одного примера формирования проволочных соединений от контактных площадок сенсора к контактным площадкам подложки фиг. 2 в соответствии с одним или более аспектами настоящего изобретения,

фиг. 4 представляет вид в разрезе одного примера формирования формовочного слоя сверху подложки с фиг. 3 в соответствии с одним или более аспектами настоящего изобретения,

фиг. 5А представляет вид сверху структуры с фиг. 4 в соответствии с одним или более аспектами настоящего изобретения,

фиг. 5В представляет вид в разрезе по штриховой линии "X" с фиг. 5А после прикрепления покровного слоя, и иллюстрирует разветвленную структуру в соответствии с одним или более аспектами настоящего изобретения,

фиг. 5С представляет вид в разрезе по штриховой линии "Y" с фиг. 5А после прикрепления покровного слоя в соответствии с одним или более аспектами настоящего изобретения,

фиг. 6 представляет блок-схему одного примера осуществления процесса изготовления устройства, раскрытого на фиг. 5В, в соответствии с одним или более аспектами настоящего изобретения,

фиг. 7-11 представляют виды в разрезе одного примера различных этапов изготовления устройства, соответствующего настоящему изобретению,

фиг. 7 представляет вид в разрезе одного примера разрезания сенсорной пластины, содержащей множество сенсоров. Данные сенсоры содержат, например, активную поверхность,

фиг. 8 представляет вид в разрезе одного примера крепления сенсоров с фиг. 7 к подложке в соответствии с одним или более аспектами настоящего изобретения,

фиг. 9 представляет вид в разрезе одного примера формирования формовочного слоя сверху подложки фиг. 8 в соответствии с одним или более аспектами настоящего изобретения,

фиг. 10А представляет вид сверху структуры с фиг. 9 в соответствии с одним или более аспектами настоящего изобретения,

фиг. 10В представляет вид в разрезе по штриховой линии "X" с фиг. 10А после прикрепления покровного слоя, и иллюстрирует разветвленную структуру в соответствии с одним или более аспектами настоящего изобретения,

фиг. 10С представляет вид в разрезе по штриховой линии "Y" с фиг. 10А после прикрепления покровного слоя в соответствии с одним или более аспектами настоящего изобретения,

фиг. 11 представляет вид в разрезе одного примера прикрепления покровного слоя сверху формовочного слоя и сверху активной поверхности сенсора фиг. 10 в соответствии с одним или более аспектами настоящего изобретения,

фиг. 12 представляет блок-схему одного примера осуществления процесса изготовления устройства, раскрытого на фиг. 10В, в соответствии с одним или более аспектами настоящего изобретения,

фиг 13-18 представляют виды в разрезе одного примера различных этапов изготовления устройства, соответствующего настоящему изобретению,

фиг. 13 представляет вид в разрезе одного примера разрезания сенсорной пластины, содержащей множество сенсоров. Данные сенсоры содержат, например, активную поверхность,

фиг. 14 представляет вид в разрезе одного примера крепления сенсоров с фиг. 13 к подложке в соответствии с одним или более аспектами настоящего изобретения

фиг. 15 представляет вид в разрезе одного примера формирования первого формовочного слоя сверху подложки с фиг. 14 в соответствии с одним или более аспектами настоящего изобретения,

фиг. 16 представляет вид в разрезе одного примера формирования сквозной перемычки в формовочном слое (TMV) и верхнего перераспределительного слоя (RDL) сверху контактных площадок сенсора, а также первого формовочного слоя с фиг. 15 в соответствии с одним или более аспектами настоящего изобретения,

фиг. 17 представляет вид в разрезе одного примера создания второго формовочного слоя сверху первого формовочного слоя с фиг. 16,

фиг. 18А представляет вид сверху структуры с фиг. 17 в соответствии с одним или более аспектами настоящего изобретения

фиг. 18В представляет вид в разрезе по штриховой линии "X" с фиг. 18А после прикрепления покровного слоя, и иллюстрирует разветвленную структуру в соответствии с одним или более аспектами настоящего изобретения,

фиг. 18С представляет вид в разрезе по штриховой линии "Y" с фиг. 18А после прикрепления покровного слоя в соответствии с одним или более аспектами настоящего изобретения,

фиг. 19 представляет блок-схему одного примера осуществления процесса изготовления устройства, раскрытого на фиг. 18В, в соответствии с одним или более аспектами настоящего изобретения,

фиг. 20 представляет вид в разрезе одного примера формирования формовочного слоя и покровного слоя для образования проточного канала над активной поверхностью сенсора, и иллюстрирует разветвленную структуру в соответствии с одним или более аспектами настоящего изобретения,

фиг. 21 представляет блок-схему одного примера осуществления процесса изготовления устройства, раскрытого на фиг. 20, в соответствии с одним или более аспектами настоящего изобретения,

фиг. 22 представляет вид в разрезе одного примера создания формовочного слоя и покровного слоя для образования проточного канала над активной поверхностью сенсора, и иллюстрирует разветвленную структуру в соответствии с одним или более аспектами настоящего изобретения.

Осуществление изобретения

Аспекты настоящего изобретения, а также определенные характеристики, преимущества и подробности будут рассмотрены ниже более полно со ссылками на примеры осуществления, которые не носят ограничительного характера, и которые иллюстрированы прилагаемыми чертежами. Описания хорошо известных материалов, технологического инструмента, приемов обработки и т.п. опущены, чтобы не заслонять собой значимые детали. Однако следует понимать, что подробное описание и конкретные примеры, хотя и указывают на аспекты изобретения, приведены только в целях иллюстрации, а не в целях установления ограничений. Для специалистов в данной области из описания настоящего изобретения должна быть очевидна возможность различных замен, модификаций, добавлений и/или устройств, которые попадают в границы идеи и/или объема основной концепции изобретения.

Терминология приближенных значений, в том виде, в каком она используется в настоящем описании и формуле изобретения, может быть применена для уточнения любого численного представления, которое может допускать изменение, которое не приводит к изменению основной функции, к которой изменение относится. Соответственно, величина или параметр, которые определены посредством такого термина или терминов как «приблизительно» или «по существу», не ограничены точным указанным значением. К примеру, данные термины могут ссылаться на значение большее, меньшее или равное ±5% величины или параметра, например, большее, меньшее или равное ±2%, или большее, меньшее или равное ±1%, или большее, меньшее или равное ±0,5%, или большее, меньшее или равное ±0,2%, или большее, меньшее или равное ±0,1%, или большее, меньшее или равное ±0,05%. К примеру, термин «по существу все» может охватывать что-либо целиком, например, на 5% меньше, чем все количество, или на 2% меньше, чем все количество, или на 1% меньше, чем все количество, или на 0,5% меньше, чем все количество, или на 0,1% меньше, чем все количество. Согласно другому примеру, термин «по существу равный» может охватывать факт равенства величине, например, ±5% величины, или ±2% величины, или ±1% величины, или ±0,5% величины, или ±0.1% величины. В некоторых случаях язык приближенных значений может соответствовать точности инструмента, предназначенного для измерения определенной величины.

Терминология, используемая в настоящем описании, предназначена для описания только определенных примеров, и не имеет целью устанавливать ограничения. Предполагается, что в том виде, в каком они используются в настоящем описании, существительные в форме единственного числа включают в себя также и множественное число, если контекст явным образом не указывает на иное. Также следует понимать, что глаголы «содержать» (и любая его форма, такая как «содержит» и «содержащий», «иметь» (и любая его форма, такая как «имеет» и «имеющий»), «включать в себя» (и любая его форма, такая как «включает» и «включающий»), являются глаголами с открытым множеством дополнений. В результате, способ или устройство, которое «содержит», «имеет», или «включает в себя» один или более этапов или элементов, обладает указанными одним или более этапами или элементами, но не ограничено обладанием только указанными этапами или элементами. Аналогично, этап способа или элемент устройства, который «содержит», «имеет», или «включает в себя» один или более отличительных признаков, обладает указанными одним или более отличительными признаками, но не ограничен обладанием только указанными одним или более отличительными признаками. Кроме того, устройство или конструкция, которая выполнена определенным образом, выполнена по меньшей мере указанным образом, но может также быть выпонлена способами, которые не перечислены.

Далее, термины «соединять», «соединенный», «находиться в контакте» и/или им подобные в настоящем описании использованы в широком смысле, чтобы охватить множество разнообразных компоновок и приемов сборки. Такие компоновки и приемы включают в себя помимо других возможных: (1) непосредственное сопряжение одного компонента с другим без применения промежуточных компонентов (т.е. компоненты находятся в прямом физическом контакте), и (2) сопряжение одного компонента с другим компонентом с установкой между ними одного или более промежуточных компонентов, в том случае, если один компонент «соединен» или «находится в контакте» с другим компонентом тем или иным образом при функциональной связи (например, электрической, гидравлической, физической, оптической и т.п.) с другим компонентом (несмотря на присутствие между ними одного или более дополнительных компонентов). Следует понимать, что некоторые компоненты, которые находятся друг с другом в непосредственном физическом контакте, могут находиться или могут не находиться друг с другом в электрическом контакте и/или контакте по текучей среде. Более того, два компонента, которые соединены электрически или по текучей среде, могут находиться или могут не находиться друг с другом в непосредственном физическом контакте, при этом между ними могут быть расположены один или более других компонентов.

В том виде, в каком это используется в настоящем изобретении, термин «проточная ячейка» может предусматривать устройство, содержащее крышку (покровный слой), проходящую поверх реакционной структуры для образования между ними проточного канала, который сообщается с множеством реакционных зон реакционной структуры, и может содержать детектирующее устройство, выполненное с возможностью детектирования предполагаемых реакций, которые происходят в реакционных зонах или вблизи реакционных зон. Проточная ячейка может содержать твердотельное светодетектирующее устройство или устройство формирования изображений, такое как прибор с зарядовой связью (ПЗС) или комплементарное металл-оксид-полупроводниковое (КМОП) светодетектирующее устройство. В качестве конкретного примера, проточная ячейка может быть выполнена с возможностью связи по текучей среде и электрической связи с картриджем (содержащим встроенный насос), который может быть выполнен с возможностью связи по текучей среде и/или электрической связи с системой биологического анализа. Картридж и/или система биологического анализа может доставлять реакционный раствор в реакционные зоны проточной ячейки в соответствии с установленным протоколом (например, секвенирования путем синтеза), и осуществлять множество событий визуализации (формирования изображений). Например, картридж и/или система биологического анализа может направлять один или более реакционных растворов через опроточный канал проточной ячейки, и тем самым через реакционные зоны. По меньшей мере один из реакционных растворов может содержать четыре типа нуклеотидов, имеющих одинаковые или разные флуоресцентные метки. Нуклеотиды могут связываться с реакционными зонами проточной ячейки, например, с соответствующими олигонуклеотидами в реакционных зонах. Картридж и/или система биологического анализа может затем освещать реакционные зоны посредством источника света возбуждения (например, твердотельным источником света, таким как светоизлучающий диод (англ. Light Emitting Diode, LED)). Свет возбуждения может иметь предварительно заданную длину волны или длины волн, в том числе диапазон длин волн. Флуоресцентные метки, возбуждаемые падающим светом возбуждения, могут создавать сигналы излучения (например, свет с длиной волны или длинами волн, которые отличаются от света возбуждения, и потенциально, друг от друга), которые могут быть детектированы светочувствительными элементами (световыми сенсорами) проточной ячейки.

Проточные ячейки, описываемые в настоящем изобретении, могут быть выполнены с возможностью осуществления различных биологических или химических процессов. Точнее, рассматриваемые проточные ячейки могут быть использованы в различных процессах и системах, где требуется детектирование события, свойства, качества или характеристики, которые являются признаками предполагаемой реакции. Например, рассматриваемые в изобретении проточные ячейки могут содержать или могут быть объединены со светодетектирующими устройствами, биосенсорами и их компонентами, а также системами биологического анализа, которые работают с биосенсорами.

Проточные ячейки могут быть выполнены с возможностью проведения множества предполагаемых реакций, которые могут быть детектированы индивидуально или коллективно. Проточные ячейки могут быть выполнены с возможностью проведения многочисленных циклов, в которых множество предполагаемых реакций происходят параллельно. Например, проточные ячейки могут быть использованы для секвенирования плотной матрицы элементов ДНК посредством итерационных циклов манипулирования ферментами (sequence а dense array of DNA features through iterative cycles of enzymatic manipulation) и для детектирования/приема света или изображения. Как таковые, проточные ячейки могут иметь связь по текучей среде с одним или более микрофлюидными каналами, которые доставляют реагенты или иные реакционные компоненты в реакционном растворе в реакционную зону проточной ячейки. Может быть предусмотрено, чтобы реакционные зоны были разнесены друг от друга друг от друга предварительно заданным образом, например, равномерно или с повторением. В ином варианте реакционные зоны могут быть распределены случайным образом. Каждая из реакционных зон может быть связана с одним или более световодами и одним или более светочувствительными элементами, чтобы детектировать свет от соответствующей реакционной зоны. Согласно одному примеру, световоды содержат один или более фильтров для выделения определенных длин волн света. Световоды могут представлять собой, например, фильтр поглощения (например, органический фильтр поглощения), такой, что материал фильтра поглощает свет определенной длины волны (или диапазона длин волн), но позволяет проходить свету по меньшей мере одной предварительно заданной длины волны (или диапазона длин волн). В некоторых проточных ячейках реакционные зоны могут быть расположены в реакционных углублениях или камерах, которые могут по меньшей мере частично обособить предполагаемые реакции, проводимые в проточной ячейке.

В том смысле, в каком он используется в настоящем описании, термин «предполагаемая реакция» заключает в себе изменение по меньшей мере одного -химического, электрического, физического или оптического свойства (или качества) исследуемого химического или биологического вещества, например, исследуемого аналита. В определенных проточных ячейках предполагаемой реакцией является событие достоверного связывания, например, такое как инкорпорирование флуоресцентно-меченной биомолекулы в исследуемый аналит. В более общем смысле предполагаемой реакцией может быть химическое превращение, химическое изменение или химическое взаимодействие. Предполагаемой реакцией может также быть изменение электрических свойств. В определенных проточных ячейках предполагаемая реакция заключается в инкорпорировании флуоресцентно-меченной биомолекулы в аналит. Аналитом может являться олигонуклеотид, а флуоресцентно-меченной биомолекулой может являться нуклеотид. Предполагаемая реакция может быть детектирована, когда свет возбуждения направляют на олигонукпекотид, содержащий меченный нуклеотид, и при этом флуорофор испускает детектируемый сигнал флуоресценции. Согласно другому примеру проточных ячеек, детектируемая флуоресценция является результатом хемилюминесценции или биолюминесценции. Предполагаемая реакция может также увеличивать резонансный перенос энергии флуоресценции (Fluorescence Resonance Energy Transfer, FRET), например, за счет приведения донорного флуорофора в близость с акцепторным флуорофором, уменьшать FRET за счет разделения донорного и акцепторного флуорофоров, увеличивать флуоресценцию за счет отделения гасителя флуоресценции от флуорофора, или уменьшать флуоресценцию за счет совмещения гасителя флуоресценции и флуорофора.

В том смысле, в каком он используется в настоящем описании, термин «электрическая связь» относится к передаче электрической энергии между любой комбинацией источника энергии, электрода, проводящей части подложки, капли, проводящей дорожки, провода, другого участка цепи и т.п. Термин «электрическая связь» может быть использован в отношении непосредственных или косвенных соединений; при этом электрическая связь может осуществляться через различные промежуточные среды, например текучую промежуточную среду, воздушный промежуток и т.п.

В том смысле, в каком он используется в настоящем описании, термин «реакционный раствор», «реакционный компонент» или «реагент» описывает любое вещество, которое может быть использовано для получения по меньшей мере одной предполагаемой реакции. Например, потенциальные реакционные компоненты включают в себя реагенты, ферменты, пробы, другие биомолекулы и буферные растворы. Реакционные компоненты могут быть доставлены в реакционную зону рассматриваемых в изобретении проточных ячеек в растворе и/или могут быть иммобилизованы (зафиксированы) в реакционной зоне. Реакционные компоненты могут взаимодействовать непосредственно или опосредованно с другим веществом, таким как исследуемый аналит, иммобилизованный в реакционной зоне проточной ячейки.

В том смысле, в каком он используется в настоящем описании, термин «реакционная зона» представляет собой локальную область, где может происходить по меньшей мере одна предполагаемая реакция. Реакционная зона может содержать несущие поверхности реакционной структуры или подложки, на которых может быть иммобилизовано вещество. Например, реакционная зона может содержать поверхность реакционной структуры (которая может быть расположена в канале проточной ячейки), на которой закреплен реакционный компонент, такой как колония нуклеиновых кислот. В некоторых проточных ячейках нуклеиновые кислоты в колонии имеют одинаковую последовательность, являясь, к примеру, клональными копиями одноцепочечной или двухцепочечной матрицы. Однако в некоторых проточных ячейках реакционная зона может содержать только одну молекулу нуклеиновой кислоты, например, в одноцепочечной или двухцепочечной форме

Ниже в описании будут даваться ссылки на чертежи, которые для облегчения читаемости выполнены не в масштабе, при этом для обозначения подобных элементов везде в разных чертежах использованы одинаковые ссылочные обозначения.

Фиг. 1 представляет вид в разрезе одного примера сенсорной пластины 100, содержащей множество сенсоров в соответствии с одним или более аспектов настоящего изобретения. Сенсоры содержат, например, активную поверхность 115, неактивную поверхность 116, и контактные площадки 126. Штриховые линии 105 указывают места разрезания сенсорной пластины 100 на отдельные сенсоры 121, 123 и 125.

Согласно одному примеру, поверхность сенсора может состоять из активной поверхности и неактивной поверхности. В том смысле, в каком он используется в настоящем описании, термин «поверхность сенсора» относится к активной поверхности и неактивной поверхности. Термин «активная поверхность» относится к поверхности или части поверхности сенсора, где активно осуществляется функция детектирования. Термины «активная поверхность» и «активная поверхность сенсора» могут использоваться в настоящем описании взаимозаменяемым образом. Например, активная поверхность сенсора изображений - это поверхность, содержащая светочувствительные зоны или пиксели для детектирования света. Не имеющие ограничительного характера примеры функции (функций) сенсора включают, например, детектирование света (например, имеющее предварительно заданный диапазон детектируемых длин волн), детектирование присутствия одного или более веществ (например, биологического или химического вещества), и детектирование изменения концентрации вещества (например, концентрации ионов).

Биологическое или химическое вещество включает в себя биомолекулы, исследуемые пробы, исследуемые аналиты и иное химическое соединение, которое может быть использовано для детектирования, идентификации или анализа других химических соединений, или которое функционирует в качестве посредника для исследования или анализа других химических соединений. Согласно одному примеру, активная поверхность представляет собой сплошную область, в то время как согласно другому примеру, активная поверхность может содержать дискретные области на поверхности сенсора. В том смысле, в каком он используется в настоящем описании, термин «неактивная поверхность» относится к поверхности или части поверхности сенсора, которая не предназначена для осуществления функции детектирования. Согласно одному примеру, неактивная поверхность представляет собой сплошную область, которая окружает активную поверхность и проходит по периметру поверхности сенсора. Согласно другому примеру, неактивная поверхность может содержать дискретные области на поверхности сенсора, которые примыкают к одной или более активным поверхностям. Неактивная поверхность может содержать, например, контактные площадки 126, как показано на фиг. 1.

В том смысле, в каком он используется в настоящем изобретении, «сенсор» может включать в себя, например, один или более полупроводниковых материалов, и может быть выполнен, к примеру, в форме комплементарного металл-оксид-полупроводникового (КМОП) детктирующего устройства (например, КМОП формирователя изображений) или прибора на зарядовой связи (ПЗС), другого типа устройства детектирования изображений. Схема КМОП детектирующего устройства может содержать пассивные электронные элементы, схему синхронизирующего генератора и тактового генератора, аналого-цифровой преобразователь и т.п., а также матрицу фотодетекторов для преобразования фотонов (света) в электроны, которые затем преобразуются в напряжение. Сенсор может быть изготовлен на кремниевой подложке (кремниевой пластине), из которой его впоследствии вырезают.Толщина сенсора может зависеть от размера кремниевой пластины, на которой он изготовлен. Термин «размер» может относиться к диаметру в том случае, если кремниевая пластина круглая. Например, стандартная кремниевая пластина диаметром 51 мм может иметь толщину около 275 мкм, в то время как стандартная кремниевая пластина диаметром 300 мм может иметь толщину около 775 мкм. Дополнительно, толщина кремниевой пластины может быть уменьшена до требуемой величины путем шлифования или химико-механического полирования (Chemical Mechanical Polishing, CMP). Термин «активная область сенсора» относится к поверхности сенсора, которая будет вступать в контакт с реакционными компонентами для осуществления детектирования. Хотя данный пример включает планарные сенсорные устройства, следует понимать, что вместо них могут быть использованы непланарные устройства, или комбинация тех и других устройств. Сенсор может включать в себя дополнительные компоненты. Например, сенсор может также содержать светофильтры, реакционные камеры, пассивирующие слои и функционализированные покрытия и т.п., как будет рассмотрено ниже.

Используемые в настоящем изобретении термины «КМОП детектирующее устройство» и «КМОП формирователь изображений» относятся к сенсорам, изготовленным по КМОП технологии, или сенсорам, содержащим КМОП элемент. Далее будет приведен один пример изготовления полупроводникового устройства по КМОП технологии. Сначала на полупроводниковой подложке р-типа выполняется защита МОП-области с каналом n-типа (n-МОП области или NMOS, от англ. N-channel Metal-Oxide Semiconductor), в то время как в МОП-области с каналом р-типа (р-МОП области или PMOS, от англ P-channel Metal-Oxide-Semiconductor) создается карман n-типа. Это можно осуществить, например, используя один или более литографических процессов. Затем в обеих областях n-МОП и р-МОП может быть сформирован тонкий слой подзатворного оксида и затвор (например, поликремния). Затем с каждой стороны временного (англ. dummy) затвора в подложке р-типа n-МОП области могут быть сформированы области легирования примесью n + типа (т.е. сформированы исток и сток), при этом одна область легирующей примеси n + типа в качестве основы (в данном случае кармана) контактирует с р-МОП областью. Это можно осуществить, например, используя маску. Такой же процесс маскирования и легирования может затем быть использован для формирования истока и стока в р-МОП области, при этом основа контактирует с n-МОП областью. Затем может быть выполнена металлизация, чтобы сформировать выводы от различных областей n-МОП и р-МОП транзисторов (т.е. основы, истока, стока и затвора).

Определение «комплементарный» в названии относится к тому, что в интегральные схемы, изготовляемые по КМОП технологии, включаются оба типа полевых транзисторов (англ. MOSFET): транзистор n-типа и транзистор р-типа. Каждый полевой МОП-транзистор содержит металлический затвор с подзатворным диэлектриком, например оксидом (отсюда в названии слова металл-оксид), и полупроводниковый материал ниже затвора (отсюда в названии полупроводниковый). Интегральные схемы изготовляют на части полупроводниковой подложки или пластины, которую после изготовления микросхем разрезают, при этом микросхемы, изготовленные по КМОП технологии, отличаются высокой помехозащищенностью и низким статическим потреблением энергии (т.к. один из транзисторов всегда заперт).

Согласно одному примеру, КМОП детектирующее устройство может содержать, например, миллионы фотодетекторов, которые также именуют пикселями. Каждый пиксель содержит фотодетектор, который накапливает заряд от падающего светового потока, усилитель для преобразования накопленного заряда в напряжение, и ключ выбора пикселя. Каждый пиксель может содержать, например, индивидуальную микролинзу для сбора большего светового потока или иные средства улучшения качества изображения, например, подавления шума. Согласно одному примеру, КМОП детектирующее устройство имеет длину приблизительно 9200 мкм, ширину приблизительно 8000 мкм и толщину приблизительно 600-1000 мкм. Согласно одному примеру, КМОП детектирующее устройство имеет толщину 680 мкм. КМОП детектирующее устройство может содержать матрицу пикселей. Согласно одному примеру, матрица содержит 4384×3292 пикселей и имеет общие размеры 7272 мкм × 5761 мкм.

Согласно одному примеру, сенсор представляет собой биосенсор, и содержит реакционную структуру с множеством реакционных зон, выполненных с возможностью детектирования предполагаемых реакций, которые происходят вблизи реакционных зон или в реакционных зонах. Сенсор может содержать твердотельное светодетектирующее устройство или устройство формирования изображений (например, ПЗС или КМОП светодетектирующее устройство), и, опционально, установленную на сенсоре проточную ячейку. Проточная ячейка может содержать по меньшей мере один проточный канал, который имеет сообщение по текучей среде с реакционными зонами, чтобы направлять в эти зоны реакционный раствор. Множество реакционных зон может быть распределено случайным образом по реакционной структуре, или организовано предварительно заданным образом (например, рядом друг с другом в виде матрицы, как в микрочипе). Реакционная зона может также включать в себя реакционную камеру, или углубление, которое по меньшей мере частично определяет пространственную область или объем, предназначенный для отделения предполагаемой реакции. Реакционное углубление может быть по меньшей мере частично отделено от окружающей структуры или других пространственных областей. Например, реакционные углубления могут представлять собой нанолунки, представляющие собой выемки, гнезда, лунки, канавки, полости или впадины на внутренних областях поверхности детектирования, и содержат зазор или отверстие (т.е. являются открытыми со сторон), так что указанные нанолунки могут иметь сообщение по текучей среде с проточным каналом.

В качестве одного конкретного примера, сенсор выполнен с возможностью осуществления связи по текучей среде и электрической связи с системой биологического анализа. Система биологического анализа может подавать реакционный раствор в реакционные зоны в соответствии с установленным протоколом (например, секвенирования путем синтеза), и совершать множество событий формирования изображений (визуализации). Например, система биологического анализа может направлять реакционные растворы, чтобы они проходили по реакционным зонам. По меньшей мере один из указанных реакционных растворов может содержать четыре типа нуклеотидов, содержащих одинаковые или разные флуоресцентные метки. Указанные нуклеотиды могут связываться с реакционными зонами, например, с соответствующими олигонуклеотидами в реакционных зонах. Система биологического анализа может затем освещать реакционные зоны посредством источника света возбуждения (например, посредством твердотельного источника света, такого как светоизлучающий диод). Свет возбуждения может иметь предварительно заданную длину волны или длины волн, в том числе диапазон длин волн. Флуоресцентные метки, возбуждаемые падающим излучением возбуждения, могут создавать сигналы излучения (например, свет с длиной волны или длинами волн, которые отличаются от длины волны света возбуждения, и потенциально друг от друга), которые могут быть детектированы светочувствительными элементами (световыми сенсорами).

На фиг. 2 представлен вид в разрезе одного примера подготовки к помещению сенсоров из сенсорной пластины 100 с фиг. 1 на подложку 130 в соответствии с одним или более аспектами настоящего изобретения, например, сенсоров 121, 123 и 125. При последующем обсуждении будет рассматриваться сенсор 121. В качестве примера, подложка 130 может быть в форме круглой пластины или в форме панели. Согласно одному примеру, подложка 130 может содержать или иметь форму диэлектрического слоя или многослойного диэлектрика с проходящими сквозь него одним или более электропроводящими каналами. Согласно другому примеру, подложка может, вместо этого, иметь форму диэлектрического слоя без проводящих каналов. Не носящие ограничительного характера примеры диэлектрических материалов, которые могут быть использованы в диэлектрическом слое, включают диэлектрические материалы с малой диэлектрической проницаемостью (т.н. low-k диэлектрики, у которых диэлектрическая проницаемость меньше диэлектрической проницаемости диоксида кремния, приблизительно равной 3,9), такие как эпоксидная смола армированная стекловолокном, полиамиды, диоксид кремния легированный фтором, диоксид кремния легированный углеродом, пористый диоксид кремния, а также диэлектрические материалы с большой диэлектрической проницаемостью (т.н. highlit диэлектрики, у которых диэлектрическая проницаемость выше, чем приблизительно 3,9), такие как нитрид кремния (SiNx) и диоксид гафния. Сенсор 121 может быть прикреплен к подложке 130 с использованием, например, адгезивной пасты для присоединения кристалла или пленки, которая может обеспечить, например, низкую или сверхнизкую нагрузку на сенсор и высокую температурную стабильность. Примеры паст для присоединения кристалла включают Supreme 3HTND-2DA и EP3HTSDA-1 от компании MasterBond (США), и LOCTITE ABLESTIK ATB-F100E от компании Henkel Corp.(США). Примером адгезивной пленки для присоединения кристалла является LOCTITE ABLESTIK CDF100 от компании Henkel Corp.(США). Согласно одному примеру, сенсор может быть непосредственно прикреплен к подложке, тогда как, согласно другим примерам между сенсором и подложкой может быть помещена некоторая структура, покрытие или слой. Сенсор 121 содержит активную поверхность 115, неактивную поверхность 116 и контактные площадки 126. Согласно одному примеру, проводящие каналы, проходящие сквозь подложку 130, включают контактные площадки 145 верхней стороны подложки, сквозные электрические перемычки 150, и контактные площадки 155 нижней стороны подложки. Согласно одному примеру, контактные площадки 145 верхней стороны подложки составляют часть матрицы контактных площадок (Land Grid Array, LGA), которая может быть выполнена в виде печатной платы или керамического материала. Таким образом, сенсор 121 электрически соединяется с контактными площадками нижней стороны подложки. Согласно одному примеру, поверхность сенсора содержит одно или более реакционных углублений 106.

Согласно одному примеру, реакционные углубления 106 представляют собой нанолунки. Согласно одному примеру, подложка 130 может содержать множество металлических слоев.

Согласно одному примеру, на поверхности сенсора предусмотрен пассивирующий слой, чтобы защитить сенсор от причиняющих вред реакционных компонентов, и служить в качестве несущей поверхности или основания для химической среды уровня подложки. Пассивирующий слой может представлять собой одиночный слой или множество слоев. В случае множества слоев различные слои могут содержать одинаковые или разные материалы. Согласно одному примеру, пассивирующий слой включает в себя оксид, такой как диоксид кремния или оксинитрид кремния. Согласно другому примеру, пассивирующий слой включает в себя оксид металла, такой как пентаоксид тантала (Ta₂O₅). Согласно еще одному примеру, пассивирующий слой может включать в себя низкотемпературную пленку такую как нитрид кремния (Si_xN_y). К примеру, пассивирующий слоев может содержать множество слоев, из которых по меньшей мере один из составляющих слоев содержит пентаоксид тантала (Ta₂O₅), и по меньшей мере один из составляющих слоев содержит низкотемпературную пленку. В некоторых аспектах пассивирующий слой имеет толщину в интервале от приблизительно 5 нм до приблизительно 500 нм. Пассивирующий слой может иметь практически плоскую поверхность или может быть профилирован и содержать каналы и/или элементы, такие как реакционные углубления. Пассивирующий слой может быть сформирован, например, путем использования процессов химического осаждения из газовой фазы (Chemical Vapor Deposition, CVD), таких как плазмо-химическое осаждение из газовой фазы (Plasma-Enhanced CVD, PECVD) или химическое осаждение из газовой фазы при низком давлении (Low-Pressure CVD, LPCVD). Согласно одному примеру, в пассивирующем слое формируют реакционные углубления 106. Реакционные углубления 106 на подложке могут быть изготовлены с использованием, например, полупроводниковой технологии, так что может быть сформирован рисунок реакционных углублений и могут быть вытравлены реакционные углубления в пассивирующем слое или ином основании поверх поверхности сенсора. Реакционные углубления могут определять области, содержащие реакционные зоны для проведения требуемых реакций.

На фиг. 3 изображен вид в разрезе одного примера формирования проволочных соединений для электрического соединения сенсоров с подложкой. Проволочные соединения 140 соединяют контактные площадки 126 сенсора с контактными площадками 145 верхней стороны подложки, которые электрически соединены с контактными площадками 155 нижней стороны подложки посредством одиночной сквозной перемычки 150, как показано на фиг. 3, или в альтернативном варианте посредством нескольких сквозных перемычек, которые проходят через множество металлических слоев подложки 130. Проволочные соединения могут состоять из одного или более металлов, таких как алюминий, медь, серебро, золото или из любой их комбинации. Металлы в проволочных соединениях могут быть в элементарной форме, в форме сплавов или в форме композитов. К примеру, проволочное соединение может быть получено эвтектической пайкой.

На фиг. 4 изображен вид в разрезе одного примера формовочного слоя 160, сформированного поверх подложки 130. Согласно одному примеру, формовочный слой образован непосредственно на подложке, в то время как в другом примере между формовочным слоем и подложкой может быть размещена промежуточная структура (например, покрытие или слой). Формовочный слой 160 покрывает поверхность подложки 130, включая контактные площадки 145 подложки. Формовочный слой также покрывает боковые стороны сенсора 121, проволочные соединения 140 и контактные площадки 126 сенсора. В зависимости от геометрии сенсора формовочный слой может покрывать различные стороны сенсора в разной степени или в одинаковой степени. Формовочный слой 160 содержит окна 118, соответствующие активным поверхностям сенсора, например, активной поверхности 115 сенсора 121. В примере фиг. 4 окна 118 охватывают активную поверхность 115, а также часть неактивной поверхности 116. В другом примере (например, показанном на фиг. 22) окна 118 не охватывают (т.е. не оставляют открытой) часть неактивной поверхности 116. Часть формовочного слоя 160 над поверхностью сенсора, т.е. формовочный свес 161, может быть скошена (например, под 45° или более), чтобы удобнее было отделять отливочную форму от сенсоров во время изготовления. В данном примере толщина формовочного свеса 161 увеличивается от контактной площадки сенсора к периферии или к наружному краю сенсора. Однако в другом примере толщина формовочного свеса может быть практически одинаковой. Формовочный слой 160 выполнен так, чтобы получить верхнюю поверхность, которая является достаточно плоской, чтобы сверху формовочного слоя 160 обеспечить установку покровного слоя (крышки) (как показано на фиг. 5). Формовочный слой 160 выполнен до определенной высоты относительно верхней поверхности подложки 130 (т.е. до «высоты формовки»), которая больше высоты активной поверхности 115 сенсора 121, измеренной относительно верхней поверхности подложки 130 (т.е. «высоты активной поверхности»). Согласно фиг. 4, высота формовки обозначена "h₂", а высота активной поверхности обозначена "h₁". Согласно одному примеру, высота формовки превышает высоту активной поверхности на величину приблизительно от 40 мкм до приблизительно 200 мкм. Согласно одному примеру, высота формовки приблизительно на 75 мкм больше высоты активной поверхности. Согласно другому примеру, высота формовки приблизительно на 100 мкм больше высоты активной поверхности. Таким образом, толщиной формовочного слоя управляют, чтобы регулировать высоту покровного слоя над поверхностью 115 сенсора, как будет рассмотрено ниже согласно фиг. 5.

К не носящим ограничительного характера примерам материала формовочного слоя 160 относится, например, эпоксидный или пластмассовый формовочный состав (например, феноловый отвердитель, диоксид кремния, катализатор, пигмент и разделительная смазка для формы). Во время создания формовочного слоя поверхность сенсора может быть защищена при помощи, например, защитного покрытия (например, механического крепления, такого как формовочная шпилька), которое удаляют после нанесения формовочного слоя, чтобы создать окно над активной поверхностью (например, окно 118 с фиг. 4). В качестве альтернативы, формовочный слой может быть нанесен конформно и затем выровнен до уровня сенсора (сенсоров). Согласно одному примеру конформного нанесения и планаризации, формовочный слой может быть нанесен на всю структуру подобно одеялу, после чего проведен процесс его планаризации (например, химико-механической полировки, СМР) до требуемой толщины над поверхностью сенсора. Также, хотя формовочный слой в данном примере описан как одиночный слой, следует понимать, что формовочный слой может состоять из множества слоев. Например, формовочный слой 160 может быть сформирован за множество операций с множеством материалов.

На фиг. 5 изображен пример вида сверху структуры с фиг. 4, где изображены сенсоры 121, 123 и 125, расположенные поверх подложки 130. Сенсор 121 содержит активную поверхность 115, контактные площадки 126, проволочные соединения 140, и также показаны контактные площадки 145 подложки, рассмотренные выше согласно фиг. 2-4. Фиг. 5В представляет вид в разрезе по штриховой линии "X" с фиг. 5А после размещения покровного слоя 170 поверх формовочного слоя 160 в соответствии с одним или более аспектами настоящего изобретения, чтобы сформировать проточную ячейку. Согласно одному примеру, покровный слой 170 находится в непосредственном контакте с формовочным слоем 160. Согласно другому примеру, покровный слой 170 и формовочный слой 160 не находятся в прямом контакте, а разделены промежуточным слоем (например, дистанционирующим слоем), покрытием или пленкой, как показано в примере на фиг. 11. Размещение покровного слоя 170 можно осуществлять с применением, например, сравнительно точных роботизированных станков (также называемых «манипуляторами-перекладчиками»), и в результате получать промежуток 181 над активной поверхностью 115 сенсора 121. Согласно одному примеру, установка покровного слоя 170 поверх формовочного слоя 160 над поверхностью сенсора формирует над поверхностью сенсора промежуток 181, который определяет проточный канал.

В сущности, формовочный слой 160 служит в качестве дистанционирующего слоя между покровным слоем 170 и поверхностью сенсора. Согласно одному примеру, промежуток 181 над активной поверхностью определяет проточный канал 180 проточной ячейки. В примере, изображенном на фиг. 5В, проточный канал 180 охватывает всю активную поверхность 115 сенсора 121, а также часть неактивной поверхности 116 сенсора 121. В настоящем описании говорится, что проточный канал «охватывает» поверхности, которые образуют промежуток 181, который определяет проточный канал. К примеру, согласно фиг. 5В, проточный канал 180 охватывает активную поверхность 115 и часть неактивной поверхности 116. Аналогично, проточный канал 180 охватывает участки формовочного слоя 160 и покровного слоя 170, которые образуют промежуток 181. Согласно одному примеру, проточный канал 180 охватывает по существу всю активную поверхность 115 сенсора 121. Согласно другому примеру, проточный канал 180 охватывает приблизительно более половины активной поверхности 115 сенсора 121.

Фиг. 5С представляет вид в разрезе по штриховой линии "Y" с фиг. 5А после размещения покровного слоя 170 поверх формовочного слоя 160 в соответствии с одним или более аспектами настоящего изобретения, чтобы сформировать проточную ячейку. Покровный слой 170 содержит впускной и выпускной порты 175, которые обеспечивают втекание текучих сред в проточный канал 180 и истечение текучих сред из проточного канала 180. Каждый из указанных портов 175 может служить в качестве либо впускного порта, либо выпускного порта в зависимости от направления течения. Согласно фиг. 5С, каждый из портов 175 может служить в качестве впускного или выпускного порта. Как показано на фиг. 5С, проточный канал охватывает всю активную поверхность 115 сенсора 123, всю неактивную поверхность 116 сенсора 123, а также участки формовочного слоя 160. Горизонтальные участки формовочного слоя 160, охватываемые проточным каналом 180, т.е. участки поверхности 162 формовочного слоя, определяют расстояние между впускным/выпускным портами 175 и активной поверхностью сенсора. Таким образом, поверхность 162 формовочного слоя находится между впускным/выпускным портами 175 и активной поверхностью сенсора. В сущности, протекание текучей среды, втекающей в проточный канал 180 из порта 175, способно становиться более равномерным, прежде чем текучая среда дойдет до детектирующей поверхности сенсора, что является желательным для детектирования предполагаемых реакций и более эффективного использования активной поверхности сенсора. Согласно одному примеру, проточный канал 180 охватывает по существу всю активную поверхность 115 сенсора 123. Согласно другому примеру, проточный канал 180 охватывает приблизительно более половины активной поверхности 115 сенсора 123.

Процесс создания формовочного слоя в областях вне активной поверхности 115 сенсора (а не в области активной поверхности) может быть назван процессом корпусирования с разветвлением (fan-out packaging). Описываемый в настоящем описании процесс корпусирования с разветвлением способствует более эффективному использованию активной поверхности сенсора, посредством, например, создания электропроводящих путей и способов нанесения покровного слоя, которые улучшают использование активной поверхности сенсора. Покровный слой может содержать материалы, которые являются инертными в отношении падающего света и прозрачными для падающих световых или иных волн, которые могут инициировать детектирующее действие сенсора. Желательно, чтобы материал покровного слоя обладал низкой автофлуоресценцией или был нефлуоресцирующим, чтобы способствовать, например, детектированию в проточной ячейке реакции с флуоресценцией. Материалом покровного слоя 170 может являться пластик или стекло с низкой автофлуоресценцией. Согласно одному примеру, покровным слоем может служить алюмосиликатное стекло. Согласно другому примеру, покровным слоем может служить боросиликатное стекло (например, щелочно-земельное боро-алюмосиликатное стекло, такое как стекло Eagle XG® от компании Corning, США). Согласно другому примеру, покровным слоем может служить боросиликатное стекло (например, стекло Borofloat® 33 от компании Schott AG, Германия). Толщина покровного слоя может составлять, например, приблизительно от 300 мкм до приблизительно 1000 мкм. Вещество (вещества), например, биологическое или химическое вещество (вещества) может быть введено в проточный канал 180 для детектирования активной поверхностью сенсора.

Согласно одному примеру, активная поверхность сенсора отличается сравнительной однородностью и низкой шероховатостью, т.е. активная поверхность является настолько гладкой, насколько это позволяет соответствующий процесс ее изготовления. Согласно другому примеру, множество каналов для жидкости (жидкостей) может присутствовать во вспомогательном слое, расположенном в пространстве выше сенсора. Опциональный вспомогательный слой может содержать, например, стекло, как было описано выше, на поверхности сенсора. Такой вспомогательный слой может иметь шероховатость практически равную шероховатости активной поверхности сенсора, и бесшовный интерфейс с активной поверхностью, чтобы обеспечить обмен по текучей среде с уменьшенным, а в некоторых случаях с минимальным захватом или задерживанием текучих сред, или даже вообще без задерживания.

Далее, будет рассмотрена блок-схема одного примера осуществления процесса 600 изготовления устройства фиг. 5В, соответствующего настоящему изобретению. Согласно одному примеру, сенсоры изготовлены на пластине, как было описано выше согласно фиг. 1. Хотя пример относится к КМОП-детектирующему прибору, могут быть использованы сенсоры с активными чувствительными элементами-пикселями других типов. Например, приборы на основе ПЗС и других технологий, таких как, например, технология светодетектирующих МОП-приборов с каналом n-типа (N channel Metal Oxide Semiconductor, NMOS), также называемых сенсорами типа "Live MOS", и сенсоров изображений с различными цветными фильтрами, например, микроцветоделителями, которые отличаются от массива цветных фильтров Байера (мозаики микросветофильтров) тем, что преломляют свет так, что различные комбинации длин волн (цветов) попадают на различные светочувствительные элементы. Сенсор Live MOS дает качество изображения сравнимое с ПЗС-сенсором с полнокадровым переносом сигналов (FFT, Full Frame Transfer) при низком энергопотреблении характерном для КМОП-сенсора, и может быть отмечена его способность высококачественного получения изображений в течение продолжительного периода времени. Упрощенная схема, которая сокращает расстояние от каждого фотодиода до соответствующей ему микролинзы на кристалле (что позволяет получить более плотно упакованный сенсор с более высоким разрешением) обеспечивает превосходную чувствительность и качество изображения даже, когда свет падает под большим углом падения. Согласно одному примеру, изготовление сенсора может содержать формирование пассивирующего слоя (какой был рассмотрен выше согласно фиг. 2) на поверхности сенсора, чтобы данный слой защищал сенсор от причиняющих вред реакционных компонентов, и служил в качестве опорной поверхности для химической среды уровня подложки сенсора.

«Химическая среда уровня подложки» может быть нанесена на всю поверхность или на часть поверхности сенсора (т.е. «функционализироваиное покрытие») для обеспечения иммобилизации на нем биомолекул (или биологических или химических веществ). Функционализированное покрытие может содержать множество функционализированных молекул, которые, в некоторых аспектах, включают полимерные покрытия, прикрепленные ковалентной связью к поверхности пассивирующего слоя над подложкой. Полимерные покрытия, такие как сополимер N-(5-азидоацетамидилпентил)акриламида и акриламида (PAZAM), используются при формировании подложек и операциями с подложками, например, молекулярных матриц или проточных ячеек. Пассивирующий слой может быть нанесен, по меньшей мере в одной области, с использованием зерен, покрытых полимером, прикрепленным ковалентной связью, таким как PAZAM, и использован для определения последовательности нукпеотидов полинуклеотида, прикрепленного к поверхности подложки (в некоторых аспектах). Согласно некоторым примерам, нуклеиновые кислоты могут быть иммобилизованы на функционализированной поверхности сенсора, такой как поверхность реакционных углублений (например, нанолунок). Могут быть использованы природные нуклеотиды и ферменты, структура которых выбрана для взаимодействия с природными нуклеотидами. Природные нуклеотиды включают, например, рибонуклеотиды или дезоксирибонукпеотиды. Природные нуклеотиды могут быть в форме моно-, ди-, или три-фосфатов, и могут иметь основание, выбранное из: аденина (А), тимина (Т), урацила (U), гуанина (G) или цитозина (С). Однако следует понимать, что могут быть использованы искусственные нуклеотиды, модифицированные нуклеотиды или аналоги вышеупомянутых нукпеотидов.

На этапе 610 на подложке монтируют один или более сенсоров. К примеру, сенсоры могут быть получены из сенсорной пластины, которую разрезали и разделили на отдельные сенсоры. Размещение сенсора на подложке может включать подготовку, которая может содержать, например, процессы литографии и нанесения покрытий, при этом монтаж можно выполнять с использованием, например, прецизионных роботов (также называемых манипуляторами-перекладчиками). Согласно одному примеру, затем может быть выполнена панелизация, чтобы объединить кристалл сенсора с несущим слоем. Панелизация может включать в себя, например, нанесение несущего слоя, прикрепление сенсора к кристаллу, позиционирование кристалла на несущем слое и крепление при помощи формовочного компаунда, планаризацию (или «верхнюю шлифовку») формовочного компаунда и нанесение пленки на обратную сторону.

Затем, на этапе 620 выполняют проволочное соединение контактных площадок сенсора (например, контактных площадок 126 с фиг. 4) с контактными площадками подложки (например, с контактными площадками 145 с фиг. 4). На этапе 630 на подложке формируют формовочный слой, но не поверх активной поверхности сенсора. Изготовление формовочного слоя может включать в себя покрытие/защиту поверхности (поверхностей) сенсора при помощи, например, защитного слоя (например, механического крепления, такого как формовочная шпилька), который удаляют после нанесения формовочного слоя. К примеру, формовочный слой может быть нанесен в жидком или твердом виде, а его форма может быть обеспечена компрессионным формованием.

На этапе 630 сверху формовочного слоя и над поверхностью сенсора помещают покровный слой для образования проточного канала. Размещение покровного слоя может быть выполнено с использованием, например, процесса поверхностного монтажа. В данном примере размещение покровного слоя выполняют на уровне неразрезанной пластины, но, согласно другому примеру, установка покровного слоя может быть выполнена после разрезания пластины на кристаллы. В процессе поверхностного монтажа покровный слой располагают над формовочным слоем, используя, например, прецизионные роботизированные станки, о которых шла речь выше, и прикрепляют некоторым образом (например, используя эпоксидный клей). Такие станки могут быть использованы для помещения устройств с поверхностным монтажом на печатную плату или аналогичную структуру. В указанных станках могут использоваться, например, пневматические присоски, которыми управляют в трех направлениях, чтобы установить покровный слой. Формовочный слой может находиться в непосредственном контакте с покровным слоем, или, в ином случае, может быть отделен покрытием, пленкой или слоем другого материала. Состав покровного слоя может быть таким, какой был описан выше согласно фиг. 4. К примеру, покровный слой может представлять собой стеклянную пластину, которая приклеена к формовочному слою. После завершения процесса 600, к примеру, подложка может быть разрезана на индивидуальные кристаллы, каждый из которых содержит один или более сенсоров проточных ячеек.

На фиг. 7 в разрезе изображен один пример пластины 700 сенсоров, на которой содержится множество сенсоров, в соответствии с одним или более аспектами настоящего изобретения. Сенсоры содержат, например, активную поверхность 715 с контактными площадками 726 сенсора. Штриховые линии 705 указывают линии разрезания пластины 700 сенсоров на отдельные сенсоры (например, сенсоры 721, 723 и 725, показанные на фиг. 8). Сенсор 721 содержит контактные площадки 726. Контактные площадки 726 сенсора через сквозные перемычки в кремнии (Trough Silicon Via, TSV) 727 электрически соединены с перераспределительным слоем (ReDistribution Layer, RDL) 728 сенсоров, расположенным на обратной стороне сенсора 721. Таким образом, сенсор 721 электрически соединен с перераспределительным слоем 728 через контактные площадки 726 и сквозные перемычки TSV 727. Сквозные перемычки TSV 727 могут быть выполнены из переходного металла, такого как вольфрам, или иного подобного материала. Перераспределительный слой 728 сенсоров может быть выполнен из металла, такого как вольфрам, медь, золото, никель или иного подобного материала. Согласно одному примеру, и как говорилось выше, реакционные углубления 706 могут быть сформированы в пассивирующем слое или посредством пассивирующего слоя, который сформирован на поверхности сенсора. Реакционные углубления 706 могут быть сформированы с использованием, например, полупроводниковой технологии, так что может быть сформирован рисунок реакционных углублений и могут быть вытравлены реакционные углубления в пассивирующем слое или иной основе над поверхностью сенсора. Реакционные углубления могут определять области, содержащие реакционные зоны для проведения требуемых реакций. Согласно одному примеру, реакционные углубления 706 представляют собой нанолунки.

На фиг. 8 изображен вид в разрезе одного примера размещения вырезанных сенсоров фиг. 7 на подложке 730 в соответствии с одним или более аспектами настоящего изобретения. Для последующего рассмотрения будет взят сенсор 721. К примеру, подложка 730 может быть в форме круглой пластины или в форме панели, и может принимать форму диэлектрического слоя с одним или более сквозными проводящими каналами. Не носящие ограничительного характера примеры диэлектрических материалов были приведены выше в отношении подложки 130 фиг. 2. Сенсор 721 может быть прикреплен к подложке 730 с применением, например, адгезивной пасты для крепления кристаллов или пленки, которые могут обеспечить, например, низкую или сверхнизкую нагрузку на сенсоре и высокую температурную стабильность. Согласно одному примеру, сенсор может быть непосредственно прикреплен к подложке, в то время как согласно другим примерам, между подложкой и сенсором может быть расположена некоторая структура, покрытие или слой. Сенсор 721 содержит активную поверхность 715, неактивную поверхность 716 и контактные площадки 726. Согласно одному примеру, проводящие каналы через подложку 730 включают в себя контактные площадки 729 верхней стороны подложки, электрические сквозные перемычки 750 и контактные площадки 755 нижней стороны подложки. Согласно одному примеру, контактные площадки 729 верхней стороны подложки являются частью матрицы контактных площадок(LGA), которая может быть выполнена на печатной плате или керамическом материале. Перераспределительный слой 728 сенсоров электрически соединен с контактными площадками 729 верхней стороны подложки посредством, например, массива шариковых выводов, андерфилла капиллярного растекания (capillary underfill), припоя, материала для крепления кристаллов или пленки.

На фиг. 9 изображен вид в разрезе одного примера формовочного слоя 760, сформированного поверх подложки 730. Согласно одному примеру, формовочный слой сформирован непосредственно на подложке, в то время как согласно другому примеру, между формовочным слоем и подложкой может быть расположена промежуточная структура (например, покрытие или слой). Формовочный слой 760 покрывает поверхность подложки 730 и боковые стороны сенсора 721. Формовочный слой 760 содержит окна 718, соответствующие активным поверхностям сенсоров, например, активной поверхности 715 сенсора 721. Согласно одному примеру, формовочный свес 761 скошен (например, под углом 45° или более), чтобы обеспечить более удобное отделение формы от сенсоров по изготовлении, как показано на фиг. 9. Согласно другим примерам, формовочный свес может иметь практически однородную толщину. Формовочный слой 760 выполнен так, чтобы его верхняя поверхность была достаточно плоской, чтобы дать возможность сверху формовочного слоя 760 поместить покровный слой (как показано на фиг. 10. Формовочный слой 760 выполнен до определенной высоты относительно верхней поверхности подложки 730 (т.е. до «высоты формовки»), которая больше высоты активной поверхности сенсора 721, измеренной относительно верхней поверхности подложки 730 (т.е. «высоты активной поверхности»). Согласно фиг. 9, высота формовки обозначена "h₂", а высота активной поверхности обозначена "h₁". Согласно одному примеру, высота формовки превышает высоту активной поверхности на величину приблизительно от 40 мкм до приблизительно 200 мкм. Согласно одному примеру, высота формовки приблизительно на 75 мкм больше высоты активной поверхности. Согласно другому примеру, высота формовки приблизительно на 100 мкм больше высоты активной поверхности. Не имеющие ограничительного характера примеры материала и изготовления формовочного слоя 760 были рассмотрены выше в отношении фиг. 4.

Как было сказано выше, хотя формовочный слой 760 в данном примере описан как одиночный, следует понимать, что формовочный слой может включать в себя несколько слоев, сформированных за множество этапов.

На фиг. 10А изображен пример вида сверху структуры с фиг. 9, где изображены сенсоры 721, 723 и 725, расположенные поверх подложки 730. Сенсор 721 содержит активную поверхность 715, контактные площадки 726, проволочные соединения 740, и контактные площадки 745 подложки, рассмотренные выше согласно фиг. 7-9. Фиг. 10В представляет вид в разрезе по штриховой линии "X" с фиг. 10А после размещения покровного слоя 770 поверх формовочного слоя 760 в соответствии с одним или более аспектами настоящего изобретения, чтобы сформировать проточную ячейку. Согласно одному примеру, покровный слой 770 находится в непосредственном контакте с формовочным слоем 760. Согласно другому примеру, покровный слой 770 и формовочный слой 760 не находятся в прямом контакте, а разделены промежуточным слоем (например, дистанционирующим слоем), покрытием или пленкой, как показано в примере на фиг. 11. Размещение покровного слоя 770 можно осуществлять с применением, например, сравнительно точных роботизированных станков (также называемых «манипуляторами-перекладчиками»), и в результате получать промежуток или зазор 781 над активной поверхностью 715 сенсора 721. В сущности, формовочный слой 760 служит в качестве дистанционирующего элемента между покровным слоем 770 и поверхностью сенсора. Согласно одному примеру, промежуток 781 над активной поверхностью определяет проточный канал 780 проточной ячейки. Согласно одному примеру, проточный канал 780 охватывает всю активную поверхность 715 сенсора 721, а также часть неактивной поверхности 716 сенсора. Согласно одному примеру, проточный канал 780 охватывает по существу всю активную поверхность 715 сенсора 721. Согласно другому примеру, проточный канал 780 охватывает приблизительно более половины активной поверхности 715 сенсора 721.

Фиг. 10С представляет вид в разрезе сенсора 723 по штриховой линии "Y" с фиг. 10А после размещения покровного слоя 770 поверх формовочного слоя 760 в соответствии с одним или более аспектами настоящего изобретения, чтобы сформировать проточную ячейку. Покровный слой 770 содержит впускной и выпускной порты 775, которые обеспечивают втекание текучих сред в проточный канал 780 и истечение текучих сред из проточного канала 780. Как показано на фиг. 10С, проточный канал охватывает всю активную поверхность 715 сенсора 723, всю неактивную поверхность 716 сенсора 723, а также участки формовочного слоя 760. Горизонтальные участки формовочного слоя 760, охватываемые проточным каналом 780, т.е. участки поверхности 762 формовочного слоя, определяют расстояние между впускным/выпускным портами 775 и активной поверхностью сенсора. Таким образом, поверхность 762 формовочного слоя находится между впускным/выпускным портами 775 и активной поверхностью сенсора. В сущности, протекание текучей среды в проточный канал 780 из порта 775, способно становиться более равномерным, прежде чем текучая среда дойдет до детектирующей поверхности сенсора, что является желательным для детектирования предполагаемых реакций и более эффективного использования активной поверхности сенсора. Согласно одному примеру, проточный канал 780 охватывает по существу всю активную поверхность 715 сенсора 723. Согласно другому примеру, проточный канал 780 охватывает приблизительно более половины активной поверхности 715 сенсора 723.

На фиг. 11 изображена иная структура 1100, где формовочный слой 1160 сформирован до высоты формовки по существу равной высоте активной поверхности. Поверх формовочного слоя 1160 сформирован дистанционирующий или промежуточный слой 1165, который поддерживает покровный слой 1170, что в результате дает промежуток или зазор 1181 над активной поверхностью 1115 сенсора 1121, определяющий проточный канал 1180. В данном примере, чтобы регулировать высоту покровного слоя над поверхностью 1115 сенсора, управляют толщиной промежуточного слоя 1165.

Далее, согласно блок-схеме фиг. 12, будет рассмотрен один пример процесса 1200 для изготовления устройства, изображенного на фиг. 10В, в соответствии с настоящим изобретением. К примеру, сенсоры могут быть подготовлены так, как было описано выше в отношении процесса 600 на фиг. 6. На этапе 1210 в пластине формируют сквозные перемычки в кремнии (TSV), чтобы обеспечить электрическое соединение с сенсором через контактные площадки сенсора. На этапе 1220 на нижней или обратной стороне подложки сенсора формируют перераспределительный слой (RDL) сенсоров, который электрически соединен со сквозными перемычками TSV. Это может быть выполнено, если сначала расположить перераспределительный слой сенсоров на нижней поверхности подложки сенсора, а затем литографически сформировать рисунок и вытравить перераспределительный слой предварительно заданной формы. После этого, согласно одному примеру, на всю поверхность или на часть поверхности сенсора может быть нанесена химическая среда уровня подложки сенсора, чтобы создать функционализированное покрытие, как это было описано в связи с фиг. 6.

На этапе 1230 сверху подложки помещают один или более сенсоров, например, захватывают и помещают на подложку, после чего выполняют панелизацию, как это было рассмотрено в отношении фиг. 6. Размещение сенсоров на подложку приводит перераспределительный слой сенсоров в электрический контакт с контактными площадками подложки, которые могут быть частью матрицы контактных площадок(LGA). На этапе 1240 формируют формовочный слой поверх подложки и с боковых сторон сенсора, одновременно оставляя окно над поверхностью сенсора. Изготовление формовочного слоя может включать в себя покрытие/защиту поверхности (поверхностей) сенсора при помощи, например, защитного слоя (например, механического крепления, такого как формовочная шпилька), который удаляют после нанесения формовочного слоя. Формовочный слой формируют до высоты формовки, которая больше высоты активной поверхности. Таким образом, для регулирования высоты покровного слоя над поверхностью сенсора управляют толщиной формовочного слоя. К примеру, формовочный слой может быть нанесен в жидком или твердом виде, а его форма может быть обеспечена компрессионным формованием. На этапе 1250 поверх формовочного слоя и поверх поверхности сенсора, используя, например, процесс поверхностного монтажа, формируют покровный слой для образования проточного канала. В ином варианте, как было выше рассмотрено согласно фиг. 11, сверху формовочного слоя может быть сформирован промежуточный слой, на который опирается покровный слой. Таким образом, не обязательно, чтобы покровный слой находился в непосредственном контакте с формовочным слоем. По окончании процесса 1200 подложка может быть разрезана на индивидуальные кристаллы, каждый из которых содержит один или более сенсоров проточных ячеек.

На фиг. 13 изображен вид в разрезе одного примера пластины 1300 сенсоров, на которой содержится множество сенсоров, в соответствии с одним или более аспектами настоящего изобретения. Сенсоры содержат, например, активную поверхность 1315, неактивную поверхность 1326 и контактные площадки 1326 сенсора. Штриховые линии 1305 указывают линии разрезания пластины 1300 сенсоров на отдельные сенсоры (например, сенсоры 1321, 1323 и 1325, показанные на фиг. 14). Согласно одному примеру, реакционные углубления 1306 (показаны на фиг. 15) сформированы в пассивирующем слое или посредством пассивирующего слоя, нанесенного на поверхность сенсора, как было рассмотрено выше. Согласно одному примеру, реакционные углубления 1306 представляют собой нанолунки.

На фиг. 14 изображен вид в разрезе одного примера размещения сенсоров, вырезанных из пластины 1300 с фиг. 13, на подложке 1330 в соответствии с одним или более аспектами настоящего изобретения, т.е. сенсоров 1321, 1323 и 1325. Для последующего рассмотрения будет взят сенсор 1321. К примеру, подложка 1330 может быть в форме круглой пластины или в форме панели. Сенсор 1321 может быть прикреплен к подложке 1330 с применением, например, адгезивной пасты для крепления кристаллов или пленки, которые могут обеспечить, например, низкую или сверхнизкую нагрузку на сенсоре и высокую температурную стабильность. Согласно одному примеру, сенсор может быть непосредственно прикреплен к подложке, в то время как согласно другим примерам, между подложкой и сенсором может быть расположена некоторая структура, покрытие или слой. Сенсор 1321 содержит активную поверхность 1315 и контактные площадки 1326. Согласно одному примеру, проводящие каналы через подложку 1330 включают в себя контактные площадки 1345 верхней стороны подложки, электрические сквозные перемычки 1350 и контактные площадки 1355 нижней стороны подложки. Согласно одному примеру, контактные площадки 1345 верхней стороны подложки являются частью матрицы контактных площадок (LGA), которая может быть выполнена на печатной плате или керамическом материале.

На фиг. 15 изображен вид в разрезе одного примера первого формовочного слоя, сформированного поверх подложки, т.е. формовочного слоя 1360. Согласно одному примеру, данный формовочный слой нанесен непосредственно на подложку, в то время как согласно другому примеру, между данным формовочным слоем и подложкой может быть размещена промежуточная структура (например, покрытие или слой). Первый формовочный слой 1360 покрывает поверхность подложки 1330, включая контактные площадки 1345 подложки, и также покрывает боковые стороны сенсора 1321. В зависимости от геометрии сенсора данный формовочный слой может покрывать разные стороны сенсора в различной степени или в одинаковой степени. Формовочный слой 1360 формируют до высоты практически равной высоте активной поверхности 1315 сенсора 1321, и не заходят за границу поверхности сенсора.

Согласно фиг. 16, через первый формовочный слой 1360 к контактной площадке 1345 подложки проведена сквозная перемычка в формовочном слое (Trough-Mold Via, TMV) 1327. Сквозная перемычка TMV 1327 может быть изготовлена, например, путем лазерного сверления. Канал для сквозной перемычки TMV 1327 может быть заполнен металлом, таким как вольфрам, медь, золото или никель. Перераспределительный слой (RDL) 1328 сенсора сформирован на верхней стороне сенсора 1321 (и верхней стороне первого формовочного слоя 1360), чтобы электрически соединить контактные площадки 1326 сенсора со сквозной перемычкой TMV 1327.

Фиг. 17 изображает добавление второго формовочного слоя 1365 поверх перераспределительного слоя 1328 и первого формовочного слоя 1360. Как и в случае первого формовочного слоя, согласно некоторым примерам, второй формовочный слой представляет собой пленку или ламинат. Второй формовочный слой 1365 выполнен так, что его верхняя поверхность является достаточно плоской, чтобы на нее можно было поместить покровный слой. Второй формовочный слой 1365 имеет высоту относительно верхней поверхности подложки 1330 (т.е. высоту формовки, обозначенную "h₂"), которая больше высоты активной поверхности сенсора 1321 относительно верхней поверхности подложки 1330 (т.е. высоты активной поверхности, обозначенной "h₁"). Согласно одному примеру, высота формовки превышает высоту активной поверхности на величину приблизительно от 40 мкм до приблизительно 200 мкм. Согласно одному примеру, высота формовки приблизительно на 75 мкм больше высоты активной поверхности. Согласно другому примеру, высота формовки приблизительно на 100 мкм больше высоты активной поверхности. Таким образом, толщиной второго формовочного слоя управляют, чтобы регулировать высоту покровного слоя над поверхностью 1315 сенсора, о чем пойдет речь ниже согласно фиг. 18. Формовочный свес 1361 может быть скошенным (например, под 45° или более) для облегчения снятия формы с сенсоров. Первый и второй формовочные слои могут быть изготовлены в соответствии с материалами и приемами, которые были рассмотрены выше в отношении формовочного слоя 160 фиг. 4-5. Согласно другим примерам, второй формовочный слой 1360 представляет собой пленку или ламинат.

На фиг. 18А изображен пример вида сверху структуры фиг. 17, где изображены сенсоры 1321, 1323 и 1325, расположенные поверх подложки 1330. Сенсор 1321 содержит активную поверхность 1315, контактные площадки 1326, проволочные соединения 1340, и контактные площадки 1345 подложки, рассмотренные выше согласно фиг. 7-9. Фиг. 18В представляет вид в разрезе по линии "X" с фиг. 18А после размещения покровного слоя 1370 поверх второго формовочного слоя 1365 в соответствии с одним или более аспектами настоящего изобретения, чтобы сформировать проточную ячейку. Согласно одному примеру, покровный слой 1370 находится в непосредственном контакте со вторым формовочным слоем 1365. Согласно другому примеру, покровный слой 1370 и второй формовочный слой 1365 не находятся в прямом контакте, а разделены промежуточным слоем (например, дистанционирующим слоем), покрытием или пленкой. Установку покровного слоя 1370 можно осуществлять с применением, например, сравнительно точных роботизированных станков (также называемых «манипуляторами-перекладчиками»), и в результате получать промежуток 1381 над активной поверхностью 1315 сенсора 1321. В сущности, второй формовочный слой 1365 служит дистанционирующим элементом между покровным слоем и поверхностью сенсора. Согласно одному примеру, промежуток 1381 над активной поверхностью определяет проточный канал 1380 проточной ячейки. Согласно одному примеру, проточный канал 1380 охватывает всю активную поверхность 1315 сенсора 1321, а также часть неактивной поверхности 1316 сенсора 1321. Согласно одному примеру, проточный канал 1380 охватывает по существу всю активную поверхность 1315 сенсора 1321. Согласно другому примеру, проточный канал 1380 охватывает приблизительно более половины активной поверхности 1315 сенсора 1321.

Фиг. 18С представляет вид в разрезе сенсора 1323 по штриховой линии "Y" на фиг. 18А после размещения покровного слоя 1370 поверх второго формовочного слоя 1365 в соответствии с одним или более аспектами настоящего изобретения, чтобы сформировать проточную ячейку. Покровный слой 1370 содержит впускной и выпускной порты 1375, которые обеспечивают втекание текучих сред в проточный канал 1380 и истечение текучих сред из проточного канала 1380. Как показано на фиг. 18С, проточный канал охватывает всю активную поверхность 1315 сенсора 1323, всю неактивную поверхность 1316 сенсора 1323, а также участки первого формовочного слоя 1360. Горизонтальные участки формовочного слоя 1360, охватываемые проточным каналом 1380, т.е. участки поверхности 1362 формовочного слоя, определяют расстояние между впускным/выпускным портами 1375 и активной поверхностью сенсора. Таким образом, поверхность 1362 формовочного слоя находится между впускным/выпускным портами 1375 и активной поверхностью сенсора. В сущности, протекание текучей среды, втекающей в проточный канал 1380 из порта 1375, способно становиться более равномерным, прежде чем текучая среда дойдет до детектирующей поверхности сенсора, что является желательным для детектирования предполагаемых реакций и более эффективного использования активной поверхности сенсора. Согласно одному примеру, проточный канал 1380 охватывает по существу всю активную поверхность 1315 сенсора 1323. Согласно другому примеру, проточный канал 1380 охватывает приблизительно более половины активной поверхности 1315 сенсора 1323.

Далее, согласно блок-схеме фиг. 19 будет рассмотрен один пример процесса 1900 для изготовления устройства, соответствующего настоящему изобретению, какое изображено на фиг. 18В. Согласно некоторым примерам, изготовление сенсоров производится на пластине, как это было описано согласно фиг. 1. Как было рассмотрено выше в отношении процесса 600 и 1200, согласно одному примеру, на поверхность сенсора может быть нанесен пассивирующий слой, служащий для защиты сенсора от причиняющих вред реакционных компонентов, и в качестве опорной поверхности для химической среды уровня подложки сенсора. Далее, на всю поверхность или на часть поверхности сенсора может быть нанесена химическая среда уровня подложки сенсора, чтобы создать функционализированное покрытие, как это было описано в связи с процессом 600 и 1200. На этапе 1910 отдельные сенсоры помещают на подложку, т.е. захватывают и помещают на подложку, после чего выполняют панелизацию, как это было рассмотрено в отношении фиг. 6. На этапе 1920 формируют первый формовочный слой на подложке и боковых сторонах сенсора, но не на поверхности сенсора. Изготовление формовочного слоя может включать в себя покрытие/защиту поверхности (поверхностей) сенсора при помощи, например, защитного слоя (например, механического крепления, такого как формовочная шпилька), который удаляют после нанесения формовочного слоя. К примеру, формовочный слой может быть нанесен в жидком или твердом виде, а его форма может быть обеспечена компрессионным формованием. Первый формовочный слой выполняют до высоты, которая по существу равна высоте поверхности сенсора, чего можно добиться, например, планаризацией.

На этапе 1930 формируют сквозные перемычки (TMV) в первом формовочном слое до достижения контактных площадок верхней стороны подложки. Сквозная перемычка TMV может быть изготовлена путем лазерного сверления или сравнимого процесса. Канал для сквозной перемычки TMV может быть заполнен металлом, таким как вольфрам, медь, золото или никель. На этапе 1940 формируют перераспределительный слой (RDL) сенсора на верхней стороне сенсора, чтобы электрически соединить контактные площадки сенсора со сквозной перемычкой TMV. Это может быть выполнено, если сначала расположить перераспределительный слой сенсоров на поверхности сенсора, а затем литографически сформировать рисунок и вытравить перераспределительный слой заранее определенной формы. На этапе 1950 наносят второй формовочный слой. Состав и изготовление второго формовочного слоя может быть подобным составу и изготовлению первого формовочного слоя. Второй формовочный слой формируют до высоты формовки, которая больше высоты активной поверхности, чтобы получить промежуток над сенсоромопределяющий проточный канал. На этапе 1960 поверх второго формовочного слоя помещают покровный слой, используя, например, процесс поверхностного монтажа. В ином варианте, как было описано в отношении фиг. 11, поверх формовочного слоя может быть сформирован дистанционирующий или промежуточный слой, который поддерживает покровный слой. Таким образом, согласно некоторым примерам, покровный слой не находится в непосредственном контакте со вторым формовочным слоем. Согласно одному примеру, по завершении процесса 1900 подложка может быть разрезана на индивидуальные кристаллы, каждый из которых содержит один или более сенсоров проточной ячейки.

На фиг. 20 в разрезе изображен один пример структуры 2000, соответствующей одному или более аспектам настоящего изобретения Сенсоры 2021, 2023 и 2025 прикреплены к подложке 2030, как это было описано ранее. Для дальнейшего рассмотрения будет взят сенсор 2021. К примеру, структура и состав подложки могут быть такими, какие были рассмотрены в отношении подложки 130 фиг. 2. Сенсор 2021 может быть прикреплен к подложке 2030, например, посредством адгезивной пасты для крепления кристаллов, или пленки, которые могут давать, к примеру, низкую или сверхнизкую нагрузку на сенсор и обеспечивать высокую температурную стабильность. Согласно одному примеру, сенсор может быть непосредственно прикреплен к подложке, в то время как в других примерах структуры между подложкой и сенсором может быть предусмотрено покрытие или слой. Сенсор 2021 содержит активную поверхность 2015, неактивную поверхность 2016 и контактные площадки 2026. Согласно одному примеру, электропроводящие каналы через подложку 2030 содержат контактные площадки 2045 верхней стороны подложки, сквозные перемычки 2050 и контактные площадки 2055 нижней стороны подложки. Согласно одному примеру, контактные площадки 2045 верхней стороны подложки являются частью матрицы контактных площадок (LGA), которая может быть выполнена на печатной плате или керамическом материале. Согласно одному примеру, подложка 2030 может содержать множество металлических слоев.

Формовочный слой 2060 покрывает поверхность подложки 2030, включая контактные площадки 2045 подложки. Согласно одному примеру, данный формовочный слой нанесен непосредственно на подложку, в то время как согласно другому примеру, между данным формовочным слоем и подложкой может быть размещена промежуточная структура (например, покрытие или слой). Формовочный слой также покрывает боковые стороны сенсора 2021 и контактные площадки 2026 сенсора. Формовочный слой 2060 содержит окна 2018, соответствующие активным поверхностям сенсоров, например, активной поверхности 2015. В примере фиг. 20 окна 2018 охватывают активную поверхность 2015, а также часть неактивной поверхности 2016. Согласно другому примеру, окна 2018 не охватывают (т.е. не обнажают) неактивную поверхность 2016. Часть формовочного слоя 2060 над поверхностью сенсора (т.е. формовочный свес 2061) может быть скошена (например, под углом 45° или более) для более удобного отделения формы от сенсоров во время изготовления. В данном примере толщина формовочного свеса 2061 увеличивается в направлении от контактной площадки сенсора к периферии и наружному краю сенсора. Однако, согласно другому примеру, толщина формовочного свеса 2061 может быть по существу неизменной. Формовочный слой 2060 выполнен так, чтобы его верхняя поверхность была достаточно плоской, чтобы дать возможность сверху формовочного слоя 2060 расположить покровный слой 2070. Формовочный слой 2060 выполнен до высоты "h₂" формовки, которая больше высоты "h₁" активной поверхности. Согласно одному примеру, высота формовки превышает высоту активной поверхности на величину приблизительно от 40 мкм до приблизительно 200 мкм.

Согласно одному примеру, покровный слой 2070 находится в непосредственном контакте с формовочным слоем 2060. Согласно другому примеру, покровный слой 2070 и формовочный слой 2060 не находятся в прямом контакте, а разделены промежуточным слоем. Состав покровного слоя 2070 и его нанесение могут быть такими же, как были рассмотрены выше в отношении фиг. 5В. В сущности, формовочный слой 2060 служит дистанционирующим элементом между покровным слоем и поверхностью сенсора. Согласно одному примеру, промежуток 2081 над активной поверхностью определяет проточный канал 2080 проточной ячейки. В примере фиг. 20 проточный канал 2080 охватывает всю активную поверхность 2015 сенсора 2021, а также часть неактивной поверхности 2016 сенсора 2021. Согласно одному примеру, проточный канал 2080 охватывает по существу всю активную поверхность 2015 сенсора 2021. Согласно другому примеру, проточный канал 2080 охватывает приблизительно более половины активной поверхности 2015 сенсора 2021.

Далее, согласно блок-схеме фиг. 21 будет рассмотрен один пример процесса 2100 для изготовления устройства, соответствующего настоящему изобретению, какое изображено на фиг. 20. На этапе 2110 один или более сенсоров помещают на подложку, например, захватывают и помещают на подложку, после чего выполняют панелизацию, как это было рассмотрено в отношении фиг. 6. На этапе 2120 формируют формовочный слой на подложке и боковых сторонах сенсора, оставляя свободным окно над поверхностью сенсора. Изготовление формовочного слоя может включать в себя покрытие/защиту поверхности (поверхностей) сенсора при помощи, например, защитного слоя (например, механического крепления, такого как формовочная шпилька), который удаляют после нанесения формовочного слоя. Согласно одному примеру, формовочная шпилька покрывает/защищает поверхность (поверхности) сенсора, когда формируют формовочный слой. На этапе 2125 выборочно удаляют участки формовочного слоя непосредственно над активной поверхностью сенсора. Формовочный слой наращивают до высоты формовки, которая больше высоты активной поверхности. Таким образом, толщиной формовочного слоя управляют, чтобы регулировать высоту покровного слоя над поверхностью сенсора. К примеру, формовочный слой можно наносить в жидком или твердом виде, а его форму обеспечивать компрессионным формованием. На этапе 2130 над поверхностью сенсора поверх формовочного слоя помещают покровный слой, используя, например, процесс поверхностного монтажа для образования проточного канала. Слова «формовочный слой», поверх которого на данном этапе помещают покровный слой, относятся к «исходному» формовочному слою перед выборочным удалением участков. Точнее, покровный слой в данном примере может покрывать участки формовочного слоя, которые остаются после выборочного удаления, а также пространство над поверхностью сенсора. С другой стороны, как было рассмотрено выше в отношении фиг. 11, сверху формовочного слоя может быть создан промежуточный слой, на который опирается покровный слой. Таким образом, не обязательно, чтобы покровный слой находился в непосредственном контакте с формовочным слоем. Согласно одному примеру, по завершении процесса 2100 подложка может быть порезана на индивидуальные кристаллы, каждый из которых содержит один или более сенсоров проточной ячейки.

На фиг. 22 в разрезе изображен один пример структуры 2200, соответствующей одному или более аспектам настоящего изобретения Сенсоры 2221, 2023 и 2225 прикреплены к подложке 2230, как это было описано ранее. В примере фиг. 22 проточный канал 2280 охватывает всю активную поверхность 2215, но нисколько не охватывает неактивную поверхность 2216. Формовочный слой покрывает поверхность подложки 2230, боковые стороны сенсора 2221, неактивную поверхность 2216, контактные площадки 2226 сенсора, и контактные площадки 2245 подложки. Таким образом, неактивная поверхность 2216 не охвачена промежутком 2281 или проточным каналом 2280. Кроме того, окна 2218 не охватывают (т.е. не обнажают) неактивную поверхность 2216. Согласно одному примеру, электропроводящие каналы, проходящие через подложку 2230, содержат контактные площадки 2245 верхней стороны подложки, сквозные перемычки 2250 и контактные площадки 2255 нижней стороны подложки. Согласно одному примеру, контактные площадки 2245 верхней стороны подложки являются частью матрицы контактных площадок (LGA), которая может быть выполнена на печатной плате или керамическом материале. Согласно одному примеру, подложка 2230 может содержать множество металлических слоев. Согласно одному примеру, формовочный слой нанесен непосредственно на подложку, в то время как согласно другому примеру, между данным формовочным слоем и подложкой может быть размещена промежуточная структура (например, покрытие или слой). Формовочный слой 2260 содержит окна 2218, соответствующие активным поверхностям сенсоров, например, активной поверхности 2215. Формовочный слой 2260 выполнен так, чтобы его верхняя поверхность была достаточно плоской, чтобы дать возможность сверху формовочного слоя 2260 расположить покровный слой 2270. Формовочный слой 2260 выполнен до высоты "h₂" формовки, которая больше высоты "ИГ активной поверхности. Согласно одному примеру, высота формовки превышает высоту активной поверхности на величину приблизительно от 40 мкм до приблизительно 200 мкм. Согласно одному примеру, покровный слой 2270 находится в непосредственном контакте с формовочным слоем 2260. Согласно другому примеру, покровный слой 2270 и формовочный слой 2260 не находятся в прямом контакте, а разделены промежуточным слоем. Состав покровного слоя 2270 и его нанесение могут быть такими же, как были рассмотрены выше в отношении фиг. 5В.

Следует понимать, что вышеприведенное описание преследует цель иллюстрации, а не ограничения идеи изобретения. Например, рассмотренные выше примеры (и/или аспекты) могут быть использованы в сочетании друг с другом. Кроме того, может быть произведено множество модификаций, чтобы адаптировать конкретную ситуацию или материал к идеям различных примеров осуществления, не выходя за границы их объема. Хотя приведенные в описании размеры и типы материалов имеют целью определение параметров различных примеров осуществления, они ни в коей мере не означают ограничение, а являются просто примерами. При рассмотрении вышеприведенного описания специалистам будет очевидна возможность множества других примеров осуществления изобретения. Поэтому, объем указанных различных примеров осуществления следует определять, обращаясь к прилагаемой формуле изобретения, наряду со всеми эквивалентами, на которые имеет право формула изобретения.

В формуле изобретения термины «первый», «второй», «третий» и т.п.используются просто в качестве меток, и не предполагается, что они предъявляют какие-то числовые структурные или иные требования к своим объектам. Формы термина «охарактеризованный» в настоящем описании охватывают отношения, при которых элемент охарактеризован частично, а также отношения, при которых элемент охарактеризован полностью. Далее, следует понимать, что не обязательно, чтобы все задачи изобретения или рассмотренные выше преимущества могли быть достигнуты в соответствии с каким-либо конкретным примером осуществления. Таким образом, например, специалистам следует признать, что рассмотренные в описании системы и технические приемы могут быть осуществлены или выполнены способом, который обеспечивает достижение или оптимизацию одного преимущества или группы преимуществ, как раскрыто в настоящем документе, при этом не обязательно достижение решения других задач или получения преимуществ, как может быть раскрыто или предложено в настоящем документе.

Хотя объект изобретения был подробно описан в отношении лишь ограниченного количества примеров, следует ясно понимать, что объект изобретения не ограничен такими раскрытыми примерами. Напротив, объект изобретения может быть модифицирован, чтобы включить в себя любое количество вариантов, модификаций, замен или эквивалентных структур, которые до этого описаны не были, но которые соответствуют идее и объему объекта изобретения. Кроме того, хотя были описаны различные примеры объекта изобретения, следует понимать, что аспекты изобретения могут включать в себя только некоторые из описанных примеров. Также, хотя некоторые примеры описаны, как содержащие определенное количество элементов, следует понимать, что объект изобретения может быть реализован на практике с меньшим или большим количеством элементов, нежели указанное.

Следует понимать, что все комбинации рассмотренных выше идей (при условии, что эти идеи не противоречат друг другу) предполагается считать частью раскрываемого в описании объекта изобретения. В частности, предполагается, что все комбинации заявленного объекта изобретения, которые появляются в конце настоящего описания, являются частью раскрываемого объекта изобретения.

Изобретение относится к биологическим и химическим исследованиям аналита. Проточная ячейка содержит подложку, содержащую контактную площадку подложки, сенсор, расположенный сверху подложки и содержащий активную поверхность и контактную площадку сенсора, пассивирующий слой, расположенный сверху активной поверхности сенсора, при этом пассивирующий слой содержит реакционные углубления, формовочный слой, расположенный сверху подложки и покрывающий боковые стороны сенсора, причем формовочный слой имеет высоту формовки относительно верхней поверхности подложки, при этом высота формовки больше высоты активной поверхности сенсора относительно верхней поверхности подложки, и покровный слой, расположенный сверху достаточным образом плоской верхней поверхности формовочного слоя и сверху активной поверхности, при этом покровный слой и формовочный слой вместе образуют промежуток над активной поверхностью сенсора, определяющий проточный канал. Изобретение обеспечивает возможность создания небольшой и недорогой проточной ячейки с большой активной площадью сенсора. 3 н. и 17 з.п. ф-лы, 22 ил.

1. Проточная ячейка, содержащая:

подложку, содержащую контактную площадку подложки,

сенсор, расположенный сверху подложки и содержащий активную поверхность и контактную площадку сенсора,

пассивирующий слой, расположенный сверху активной поверхности сенсора, при этом пассивирующий слой содержит реакционные углубления,

формовочный слой, расположенный сверху подложки и покрывающий боковые стороны сенсора, причем формовочный слой имеет высоту формовки относительно верхней поверхности подложки, при этом высота формовки больше высоты активной поверхности сенсора относительно верхней поверхности подложки, и

покровный слой, расположенный сверху достаточным образом плоской верхней поверхности формовочного слоя и сверху активной поверхности, при этом

покровный слой и формовочный слой вместе образуют промежуток над активной поверхностью сенсора, определяющий проточный канал.

2. Проточная ячейка по п. 1, дополнительно содержащая проволочное соединение, связывающее контактную площадку сенсора с контактной площадкой подложки, при этом формовочный слой покрывает проволочное соединение.

3. Проточная ячейка по п. 1, дополнительно содержащая сквозную перемычку в кремнии (TSV), проходящую через сенсор и электрически соединяющую контактную площадку сенсора с перераспределительным слоем сенсора (RDL) на нижней поверхности сенсора, причем перераспределительный слой находится в электрическом контакте с контактной площадкой подложки.

4. Проточная ячейка по п. 1, в которой формовочный слой включает в себя первый формовочный слой и второй формовочный слой, причем первый формовочный слой содержит сквозную перемычку в формовочном слое (TMV), проходящую через первый формовочный слой, при этом устройство дополнительно содержит перераспределительный слой (RDL), соединяющий контактную площадку сенсора с перемычкой в формовочном слое, причем второй формовочный слой расположен сверху указанного перераспределительного слоя и первого формовочного слоя.

5. Проточная ячейка по любому из пп. 1-4, дополнительно содержащая функционализированное покрытие, расположенное сверху пассивирующего слоя.

6. Проточная ячейка по любому из пп. 1-5, в которой проточный канал охватывает по существу всю активную поверхность сенсора.

7. Проточная ячейка по любому из пп. 1-6, в которой проточный канал охватывает всю активную поверхность сенсора и по меньшей мере часть неактивной поверхности сенсора.

8. Проточная ячейка по любому из пп. 1-7, в которой проточный канал охватывает горизонтальную поверхность формовочного слоя.

9. Проточная ячейка по любому из пп. 1-8, в которой покровный слой содержит впускной порт и выпускной порт.

10. Проточная ячейка по п. 9, в которой поверхность формовочного слоя находится между впускным портом и активной поверхностью сенсора внутри проточного канала.

11. Проточная ячейка по любому из пп. 1-10, в которой подложка содержит один или более диэлектрических слоев, причем каждый из указанных одного или более диэлектрических слоев внутри содержит один или более электропроводящих каналов.

12. Проточная ячейка по любому из пп. 1-11, в которой сенсор представляет собой комплементарное металл-оксид-полупроводниковое (КМОП) детектирующее устройство.

13. Проточная ячейка по любому из пп. 1-12, представляющая собой часть картриджа для выполнения биологического анализа, химического анализа или обоих видов анализа.

14. Способ изготовления проточной ячейки, содержащий этапы, на которых:

размещают на подложке сенсор, причем сенсор содержит активную поверхность и контактную площадку сенсора, а подложка содержит контактную площадку подложки,

размещают на подложке формовочный слой, который покрывает боковые стороны сенсора,

формируют пассивирующий слой на поверхности сенсора,

формируют реакционные углубления в пассивирующем слое,

выборочно удаляют участки формовочного слоя непосредственно над активной поверхностью сенсора, и

размещают покровный слой сверху достаточным образом плоской верхней поверхности формовочного слоя и сверху активной поверхности сенсора для образования промежутка над активной поверхностью сенсора, при этом указанный промежуток определяет проточный канал.

15. Способ по п. 14, дополнительно содержащий формирование проволочных соединений контактной площадки сенсора с контактной площадкой подложки, при этом формовочный слой покрывает указанные проволочные соединения.

16. Способ по п. 14, дополнительно содержащий формирование:

сквозной перемычки в кремнии (TSV), проходящей от контактной площадки сенсора через сенсор, и

перераспределительного слоя (RDL) на нижней поверхности сенсора, при этом контактную площадку сенсора электрически соединяют с перераспределительным слоем.

17. Способ по п. 14, в котором указанный формовочный слой представляет собой второй формовочный слой, при этом способ дополнительно содержит формирование:

первого формовочного слоя до высоты по существу равной высоте активной поверхности сенсора относительно подложки,

сквозной перемычки в формовочном слое (TMV) сквозь первый формовочный слой до контактной площадки подложки,

перераспределительного слоя (RDL) на верхней поверхности сенсора для электрического соединения контактной площадки сенсора со сквозной перемычкой в формовочном слое, и

второго формовочного слоя сверху перераспределительного слоя и первого формовочного слоя.

18. Способ по любому из пп. 14-17, дополнительно содержащий формирование впускного порта и выпускного порта в покровном слое.

19. Способ по любому из пп. 14-18, дополнительно содержащий формирование функционализированного покрытия на пассивирующем слое.

20. Проточная ячейка, содержащая:

сенсор, расположенный сверху подложки и содержащий активную поверхность и контактную площадку сенсора,

сквозную перемычку в кремнии (TSV), проходящую через сенсор и электрически соединяющую контактную площадку сенсора с перераспределительным слоем (RDL), расположенным на нижней поверхности сенсора, при этом перераспределительный слой находится в электрическом контакте с контактной площадкой подложки,

формовочный слой, расположенный сверху подложки и покрывающий боковые стороны сенсора, причем формовочный слой имеет высоту формовки относительно верхней поверхности подложки, при этом высота формовки по существу равна высоте активной поверхности сенсора относительно верхней поверхности подложки,

промежуточный слой, расположенный сверху формовочного слоя,

сквозную перемычку в кремнии (TSV), находящуюся в электрическом контакте с контактной площадкой подложки, причем сквозная перемычка в кремнии проходит через подложку, и

покровный слой, расположенный сверху промежуточного слоя и сверху активной поверхности,

при этом покровный слой и промежуточный слой вместе образуют промежуток над активной поверхностью сенсора, определяющий проточный канал.