采用集成封装件的BioMEMS和平面光电路

摘要

采用集成封装件的BioMEMS和平面光电路。公开了一种BioMEMS微机电装置及其制造方法。提供衬底，在该衬底上形成至少一个信号管道。可以在信号管道上沉积由牺牲材料构成的牺牲层并且可选地对该牺牲层进行图案化以从封装覆盖区域外部去除牺牲材料。可以在信号管道的至少一部分上以及牺牲层(若包括的话)上沉积接合层。可以对接合层进行平坦化和图案化以形成一个或多个覆盖件接合垫并且限定封装覆盖区域。可以将覆盖件接合在覆盖件接合垫上以限定覆盖区域，从而使得信号管道从覆盖区域外部延伸至覆盖区域内部。此外，可以在覆盖区域内提供诸如流体的测试材料。

说明书

相关申请

本申请要求于2012年5月2日提交的美国临时申请第“61/641,657” 号的优先权，其全部内容结合于此作为参考。

技术领域

本发明涉及采用集成封装件的BioMEMSN和平面光电路。

背景技术

BioMEMS器件是用于生物应用的具有传感元件的微机电系统，并且常 常具有连接在封装射流器件和外部环境之间的光或电信号管道。常常使用 包围封装射流器件与外部环境隔离的覆盖件，由于光信号管道到达被覆盖 件保留的流体材料所以该覆盖件直接接合在光信号管道上方。习惯上，用 聚二甲基硅氧烷(“PDMS”)的粘着接合或者阳极接合可以用来将覆盖件 接合在信号管道上方，但是这需要管道引入最小的形貌变化(例如，在阳 极接合的情况下小于1000埃)。使用PDMS作为接合剂直接接合在管道上 是常用的，由于其折射率与SiO₂的相似，因此并不干扰光信号管道的操作。 通常，这种使用PDMS的BioMEMS系统易于保持原型并且不需要洁净室 环境。然而，在一些情况下，因为PDMS不能牢固地接合在具有更大形貌 变化的管道上方，所以PDMS带来了管道形貌引起的局限性，该局限性通 常需要信号管道的高度小于200纳米。此外，PDMS吸收覆盖区域中对信 号的产生起关键作用的诸如荧光团的分子，并且，在某些情况下PDMS也 可以是多孔的，从而使得水穿过密封件蒸发。

此外，阳极接合或者通过静电场直接接合在管道上需要高电压，特别 是对于厚度超过几百埃的管道，通常需要约800V至1000V来实现适当的 接合。与这种阳极接合相关的高能量可能改变光或者电管道的物理性能， 从而使得管道效率降低或者在其他方面不合适。而且，阳极接合也会出现 管道形貌引起的局限性(＜100nm)，并且有时需要高达约400至500摄 氏度的温度，这可能使其与在CMOS晶圆上制造BioMEMS器件不兼容。

射流器件的粘着接合技术所用的其他方法包括使用胶或者环氧树脂来 将聚碳酸酯覆盖件直接接合到管道上。然而，这种技术中所用的这些材料 可能干扰信号管道的功能。

发明内容

为了解决现有技术中存在的问题，根据本发明的一方面，提供了一种 微机电器件，包括：衬底；至少一个信号管道，设置在所述衬底上；至少 一个覆盖件接合垫，设置在所述衬底上和所述信号管道的一部分的上方； 以及覆盖件，被配置用于形成覆盖区域，所述覆盖件设置在所述至少一个 覆盖件接合垫上，并且其中所述至少一个信号管道从所述覆盖区域外部延 伸至所述覆盖区域内部；其中，所述覆盖件被配置成保持所述覆盖区域内 的受控环境。

所述的器件进一步包括设置在所述覆盖区域内并且被配置成与预定类 型的靶分子相互作用的受体。

在所述的器件中，所述信号管道是光信号管道。在一个实施例中，所 述的器件进一步包括在所述衬底设置的光检测器，其中，所述光信号管道 被配置成将光传输到靶分子，并且所述光检测器被配置成检测来自所述靶 分子的响应。

在所述的器件中，所述信号管道是电信号管道。

在所述的器件中，所述覆盖件接合垫是折射率低于所述信号管道的折 射率的氧化物。

在所述的器件中，所述覆盖件通过粘合剂、阳极接合或者熔融接合中 的一种接合到所述覆盖件接合垫。

在所述的器件中，所述覆盖区域至少部分地填充有流体测试材料。

根据本发明的另一方面，提供了一种微机电器件，包括：衬底；至少 一个信号管道，设置在所述衬底上；至少一个覆盖件接合垫，具有平坦的 第一表面并且设置在所述衬底上和所述信号管道的一部分的上方；输入结 构，与所述信号管道连接；以及覆盖件，被配置用于形成覆盖区域，所述 覆盖件设置在所述至少一个覆盖件接合垫的平坦的第一表面上，并且其中 所述至少一个信号管道从所述覆盖区域外部延伸至所述覆盖区域内部。

所述的器件进一步包括设置在所述覆盖区域内并且被配置成与靶分子 相互作用的表面化学层。在一个实施例中，所述的器件进一步包括设置在 所述覆盖区域内并且被配置成与预定类型的靶分子相互作用的受体。在另 一个实施例中，所述的器件进一步包括设置在所述衬底并且被配置成与所 述靶分子相互作用的一个或多个电极。

根据本发明的又一方面，提供了一种用于形成微机电装置的方法，包 括：提供衬底；形成在所述衬底上设置的至少一个信号管道；在所述至少 一个信号管道的至少一部分上形成由牺牲材料构成的牺牲层；在所述至少 一个信号管道的至少一部分上沉积接合层；图案化所述接合层以形成一个 或多个覆盖件接合垫并且限定封装覆盖区域；以及将覆盖件接合到覆盖件 接合垫，其中所述至少一个信号管道从所述封装覆盖区域外部延伸至所述 封装覆盖区域内部。

在所述的方法中，在沉积所述接合层之前形成所述牺牲层，其中在所 述至少一个信号管道和所述牺牲层的上方沉积所述接合层。在一个实施例 中，所述的方法进一步包括：在图案化所述接合层之后，从所述封装覆盖 区域去除牺牲材料。

所述的方法进一步包括：在图案化所述接合层之前平坦化所述接合层。

在所述的方法中，提供所述衬底包括提供在所述衬底设置的一个或多 个电极。在一个实施例中，所述覆盖件接合垫比所述信号管道厚。

在所述的方法中，通过阳极接合、熔融接合或者环氧树脂接合中的一 种将所述覆盖件接合到所述覆盖件接合垫。

所述的方法进一步包括：提供在通过所述覆盖件限定的区域内设置的 流体测试材料。

附图说明

为更充分地理解本发明实施例及其优点，现在将结合附图所作的以下 描述作为参考，其中：

图1是示出在信号管道上方施加的覆盖件的俯视图；

图2A和图2B是示出在覆盖件下方和覆盖区域内设置的光管道和光输 入结构的侧视图；

图3A至图3B是示出使用射流器件实施例的截面图；

图4A至图4F和图5A至图5B是示出用于形成BioMEMS器件结构的 方法的实施例的示意图。

具体实施方式

在下面详细讨论本发明实施例的制造和使用。然而，应该理解，本发明提 供了许多可以在各种具体环境中实现的可应用的发明构思。所讨论的具体实施 例仅仅是制造和使用所公开主题的示例性具体方式，而不用于限制不同实施例 的范围。以下将针对具体环境描述实施例，也就是用于形成BioMEMS器件结 构的系统和方法。

本文公开了一种用于BioMEMS封装件应用的器件(尤其是微流体) 以及形成该器件的方法。本文公开的实施例避免了信号管道的干扰或损伤 并且克服了由信号管道施加的形貌局限性。信号管道允许在封装件或覆盖 区域的内部和外部之间控制或者感应。本文描述了示出本发明原理的附图， 但是并不意味着限制，并且附图没有按比例绘制。

图1是示出根据本发明在光管道上方施加的覆盖件的俯视图，得到 BioMEMS器件结构100。衬底106可以具有一个或多个信号管道或者导波 管102，其可以可选地是设置在衬底上的光或电管道或导波管，其中输入 结构被配置成将输入源与信号管道连接。输入结构可以是耦合结构，诸如 但不限于充当光源和光信号管道102之间的接口的光栅耦合器110或电缆 接合结构112。可选地，信号管道102可以传导电信号以发送电信号或者 使电信号进入到覆盖区域108中或者从覆盖区域内部108收集信号，并且 输入结构可以被配置成安装诸如导线或者互连件的电气连接。例如，信号 管道102可以与覆盖区域108内部的材料相互作用。在一些实施例中，信 号管道102可以通过施加AC电压和测量经过覆盖区域108中的材料的电 流来测量阻抗。

覆盖件壁104可以设置在信号管道102上方以限定和容纳封闭的覆盖 区域108。覆盖区域108可以被配置成封闭一定容积并且保持受控环境与 信号管道102接触。例如，覆盖区域108可以是储液室(fluid reservoir)， 或者可以包含气体环境或者任何的材料组合。在一个有用的实施例中，覆 盖区域108可以至少部分地填充有流体，并且该流体可以具有用于测试的 材料。本领域技术人员将认识到，虽然本文公开的原理被部分地描述成光 和光的传输，但是有利的是，在所描述的实施例中可以使用任何频率的电 磁辐射。因此，可以用红外线和紫外线辐射、无线电传输、x射线、伽马 射线和任何其他辐射来替代可见光。

图2A是示出BioMEMS器件结构的一部分200的实施例的侧视图，其 中信号管道102设置在覆盖件202下方和覆盖区域108内。信号管道具有 位于覆盖区域108外部的光缆210输入端。具有覆盖件壁104和覆盖件顶 206的覆盖件202可以设置在覆盖件接合垫204的上方以限定覆盖区域 108。因此，覆盖件202可以保持测试材料与外部环境分离并且防止污染。

信号管道102可以形成在衬底106上和覆盖件202下方，其中覆盖件 接合垫204将覆盖件202与信号管道102分离开。可以将光缆210接合到 衬底106从而使得光缆210的光芯212为入射光214提供到达信号管道102 的光路。可以通过诸如PDMS的粘合剂208、通过粘接固定系统、通过阳 极接合、通过熔融接合或者通过另一接合或连接系统将光缆210接合并且 固定到合适的位置。

此外，限定覆盖区域108的覆盖件202可以具有用于引入测试材料的 一个或多个开口。因此，可以在覆盖区域108内部没有任何特定环境的情 况下生产BioMEMS测试器件，然后可以在后面的时间点在覆盖区域108 中捕获样品。

图2B是示出BioMEMS器件结构的一部分220的可选实施例的侧视 图，其中光管道102设置在覆盖件202下方和覆盖区域108内。管道具有 位于覆盖区域108外部的光栅耦合器110。在这个实施例中，可以远程提 供激光或者其他光源并且可以将激光或其他光源引导到光栅耦合器110 中，然后传输到光管道102中。

图3A是示出BioMEMS器件结构的实施例的传感部分300的操作的截 面图。可以在衬底106中设置光检测器308或者其他光敏器件，诸如但不 限于光电二极管、有源像素传感器、光电晶体管、光敏电阻器、电荷耦合 器件等。可选地，可以在衬底中或在衬底上设置电学或化学传感器，并且 该电学或化学传感器可以被配置成当与信号管道102相互作用时通过靶分 子302来检测性能或反应。有利的是，光管道102还可以设置在衬底106 的表面上，并且可以具有表面化学层306和被配置成与特定或预定类型的 靶分子302相互作用的受体304。表面化学层306可以可选地设置在信号 管道102上或者在覆盖区域108中的任何其他有利位置，并且可以被配置 成吸引靶分子302或者与靶分子302相互作用。可选地，表面化学层306 可以是滤光器，并且可以被专门调整为过滤从靶分子302发出的荧光。有 利的是，受体304可以是分子、蛋白质、抗体、酶、聚合酶、细菌、细胞 等。靶分子302可以例如是具有荧光染料的分析物，或者可选地可以是荧 光蛋白、荧光标记的抗体、荧光标记的DNA等。诸如来自信号管道102 的隐失波的光传输激发靶分子302中的荧光染料、标记或者蛋白，并且通 过光检测器308来检测来自靶分子302的荧光响应。如图3B所示，可以在 衬底106设置一个或多个电极310。例如，电极310可以但不限于设置在 衬底106的表面上或者包含在衬底106内。

电极310可以被配置成通过例如控制或者测取来自靶分子的数据读取 与靶分子302相互作用。在一个实施例中，电极310可以电阻加热包含在 覆盖区域108中的流体或者环境。在可选的实施例中，电极310可以施加 AC电压用于通过介电泳帮助将分析物或者靶分子302引导到信号管道102 或受体304。在另一个实施例中，可以将电极310配置成读取靶分子302 或覆盖区域108中的材料的电气特性。例如，电极310可以向覆盖区域108 施加AC电压，并且读取覆盖区域108的阻抗或电流。

图4A至图4F和图5A至图5B是根据一个或多个实施例处于制造的各 个阶段中的BioMEMS器件结构的截面图。最初，图4A示出处于制造初期 阶段的BioMEMS器件结构400。信号管道102可以设置在衬底106上，其 中衬底106是诸如但不限于玻璃、硅(Si)、砷化镓(GaAs)、玻璃纤维、 金属等的材料。此外，衬底106可以可选地包含诸如CMOS器件、互连线、 传感器、电极、光检测器、掺杂区等电路。在一个实施例中，可以图案化 信号管道102以分散光或者提供分离的管道部分。光信号管道102例如可 以是高k材料，诸如氮化硅(Si₃N₄)、氮氧化硅(SiON)、二氧化铪(HfO₂)、 五氧化二钽(Ta₂O₅)等。可选地，电信号管道102可以例如是金属或者其 他导电材料，诸如金(Au)、铝(Al)、铜(Cu)、氮化钛(TiN)以及 它们的合金等。典型的信号管道102的厚度可以介于约500埃和约6000埃 之间。在本发明的一个实施例中，可以使用干蚀刻技术来图案化光信号管 道102，并且干蚀刻技术可以提供比湿蚀刻更好的光管道临界尺寸控制。 而且，一些实施例可以具有带有光滑外表面的光信号管道102，从而使得 光信号更有效地传输。

图4B示出在形成牺牲层412之后的BioMEMS器件结构400的截面图。 在一个实施例中，牺牲层412可以是诸如锗(Ge)、硅(Si)、钛钨合金 (TiW)、铝(Al)等硬质材料或者非聚合物材料，并且有利的是可以通 过等离子体汽相沉积、化学汽相沉积或物理汽相沉积等沉积在衬底106和 信号管道102的上方。在一个实施例中，牺牲层412的厚度可以介于约2000 埃和约6000埃之间。

图4C示出在图案化牺牲层412之后的BioMEMS器件结构400的截面 图。可以通过光刻或者任何其他合适的工艺图案化牺牲层412或者从将来 的封装覆盖区域422外部的区域去除牺牲层412，只留下位于封装覆盖区 域422中的牺牲层412的材料。可以通过适合于特定的牺牲层412材料的 蚀刻剂来完成牺牲层412的去除，所述蚀刻剂包括但不限于过氧化氢 (H₂O₂)、磷酸(H₃PO₄)、氢氧化钾(KOH)、四甲基氢氧化铵(TMAH)、 乙二胺邻苯二酚(EDP)、二氟化氙(XeF₂)等。

图4D示出在形成接合层之后的BioMEMS器件结构400的截面图。接 合层434可以沉积在图案化的牺牲层412和信号管道102的上方。在一个 实施例中，可以涂覆接合层434从而使得接合层位于接合区域432中以覆 盖信号管道102并且提供用于在信号管道102上方接合覆盖件壁104的垫。 在一些实施例中，接合层434可以是诸如二氧化硅等氧化物，并且可以通 过例如化学汽相沉积工艺、等离子体增强沉积工艺或者任何其他合适的工 艺沉积。可选地，接合层434可以是氮化物、金属层、多晶硅层等，并且 可以根据信号管道102的性能来选择接合层材料。

在随后将去除接合层434的区域中，牺牲层412可以保护信号管道102 使其与上方的接合层434接合。

在本发明的一个实施例中，在接合层434下方具有硬牺牲层412而不 是牺牲光刻胶(PR)可能是有利的，因为聚合物残留物可能干扰BioMEMS 器件传感结构的表面化学层306。此外，在牺牲光刻胶层上沉积的接合层 434的平坦化可能也会产生问题，因为氧化物位于软材料上：在平坦化期 间由平坦化产生的应力和压力可以引起聚合物类型的光刻胶变形以及接合 层失效。然而，可以使用生物可相容的光刻胶，并且可以通过预期用于覆 盖区域108的测试材料来确定这种生物可相容的光刻胶的化学作用。在这 种情况下，将会优选不干扰测试程序和任何靶分子302的化学作用的生物 可相容的光刻胶。

接合层434沉积在衬底106表面上方的厚度可以介于约4微米(40,000 埃)和0.5微米(5,000埃)之间，并且随后可以使用例如化学机械抛光向 下平坦化使其厚度介于约2微米(20,000埃)至约0.4微米(4,000埃)之 间。接合层434可以提供能够接受接合技术范围的平坦化表面，同时允许 信号管道102的厚度高至约600纳米(6,000埃)。因此，一个有用的实施 例可以是信号管道厚约200纳米(2,000埃)至约600纳米(6,000埃)之 间，并且接合层覆盖信号管道102同时具有平坦化的接合表面。

图4E示出在图案化接合层434之后的BioMEMS器件结构400的截面 图。可以通过蚀刻使接合层434图案化或者形成在覆盖件接合垫204中以 去除接合层434的材料，从而限定或者形成封装覆盖区域422，其中保留 在接合区域432中的接合层434的材料作为用于接合覆盖件壁104的靶点。 在一个特别有用的实施例中，可以使用诸如等离子体蚀刻或者离子溅射的 干蚀刻技术来蚀刻接合层434。可选地，有利的是，根据接合层434的材 料，可以使用湿蚀刻或者任何其他类型的蚀刻来图案化接合层434。在一 个实施例中，可以在图案化之前平坦化接合层434，这可以避免在图案化 期间可能由形貌引起的掩模或光刻胶覆盖范围不足造成的非故意暴露的衬 底或信号管道的一部分的损坏或者污染。此外，图案化之前平坦化接合层 434通过平坦化其接合层已被图案化去除的区域减少或阻止损伤或破坏。

图4F示出在去除牺牲层412之后暴露出信号管道102的BioMEMS器 件结构400的截面图。可以通过例如湿蚀刻或者汽相蚀刻以与上文对牺牲 层412图案化所述的类似方式来实施牺牲层412的去除。因此，在封装覆 盖区域422中暴露出信号管道102。

图5A和图5B示出根据本发明的一个或多个实施例接合有覆盖件206 的BioMEMS器件结构400。图5A示出具有设置在覆盖件壁104下方并且 覆盖位于覆盖区域108外部的信号管道102的覆盖件接合垫204的 BioMEMS器件结构400的实施例。图5B示出具有设置在覆盖件壁104下 方的区域中但暴露出信号管道102的外侧部分的覆盖件接合垫204的 BioMEMS器件结构400的实施例。在图4B至图4F示出的步骤期间，可 以去除保留在覆盖区域外部的覆盖件接合垫204和牺牲材料412以暴露出 信号管道102的外侧部分。可选地，可以在单独的步骤中暴露出信号管道 102的外侧部分，例如，在将覆盖件202施加到覆盖件接合垫204之后。

可以使用诸如环氧树脂的粘合剂通过熔融接合或者任何其他合适的技 术将覆盖件壁104接合到覆盖件接合垫204。在一个有用的实施例中，例 如在覆盖件接合垫204的材料是氧化物的实施例中，使用低温(＜300℃) 退火的熔融接合可能是合适的。可以将覆盖件顶206接合到覆盖件壁104 以形成覆盖件202并且限定覆盖区域108。可以在接合覆盖件顶206之前 或者在接合覆盖件顶206之后通过可密封开口向覆盖区域108提供气体环 境或者流体材料。在覆盖区域保留流体材料的实施例中覆盖件202可以优 选被配置成保持不透水或者不透液。同样地，在覆盖区域108保留气体材 料的实施例中，覆盖件202，包括覆盖件的结构和接合缝都将是不透气的。

由于接合层434和覆盖件接合垫204位于信号管道102和衬底106上 方然后被平坦化，因此通过覆盖件接合垫204将接合材料和覆盖件壁104 与信号管道102分离开允许平坦的接合表面。由于将接合垫204平坦化， 因此该覆盖件接合垫204可以用于弥补可能存在于信号管道102表面上和 衬底106上的不平整。本领域技术人员将认识到，为了保持合适的平坦表 面，覆盖件接合垫204的厚度将至少等于信号管道102的高度，从而使得 覆盖件接合垫204位于信号管道102的顶部上。在特别有用的实施例中， 信号管道102小于约600纳米，其中平坦化的覆盖件接合垫204比信号管 道102厚。

因此，为了形成BioMEMS微机电装置，从业者可以提供衬底并且沉 积在衬底上设置的至少一个信号管道。牺牲层412可以沉积在信号管道上 并且可选地对其进行图案化以从封装覆盖区域422的外部去除牺牲层412 的材料。接合层434可以沉积在信号管道的至少一部分上和牺牲层412(若 包括的话)上。可以对接合层434进行平坦化和图案化以形成一个或多个 覆盖件接合垫204并且限定封装覆盖区域422。覆盖件202可以接合在覆 盖件接合垫204上以限定覆盖区域108，从而使得信号管道从覆盖区域108 外部延伸至覆盖区域108内部。此外，可以在覆盖区域108内提供诸如流 体的测试材料。

在有用的实施例中，尤其是在具有光信号管道102的实施例中，使用 不同于PDMS粘合剂的接合技术避免了影响生物-光学射流系统中信号检 测性的荧光团吸收和多孔性问题。此外，当将环氧树脂作为接合材料直接 涂覆到光信号管道102时，环氧树脂的折射率可能干扰光信号管道102。 在光信号管道上使用氧化物作为接合层434和后续的覆盖件接合垫204可 能是有利的，因为氧化物通常具有比信号管道更低的折射率，因此，氧化 物并不干扰光管道102的光信号传播，从而避免了与环氧树脂作为接合材 料相关的问题。

尽管已经详细地描述了本发明实施例及其优势，但应该理解，可以在不背 离所附权利要求限定的实施例的构思和范围的情况下，进行各种改变、替换和 更改。例如，上文所论述的许多部件和功能可以在各种衬底上实施并且用于封 装各种封闭系统，尤其是那些具有表面安装光信号管道的封闭系统。作为另一 实例，本领域技术人员将很容易理解，管道的位置、管道的数量、管道的用途 以及管道材料都可以是变化的，而仍保留在本发明的范围内。

而且，本申请的范围并不仅限于本说明书中描述的工艺、机器、制造、材 料组分、装置、方法和步骤的特定实施例。作为本领域普通技术人员根据本发 明应很容易理解，根据本发明可以利用现有的或今后开发的用于执行与本文所 述相应实施例基本上相同的功能或者获得基本上相同的结果的工艺、机器、制 造、材料组分、装置、方法或步骤。因此，所附权利要求预期在其范围内包括 这样的工艺、机器、制造、材料组分、装置、方法或步骤。