專利名稱：實施分析反應(yīng)的基材的制作方法
實施分析^的M
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本申請依據(jù)35 U.S.C. § 119(e)要求2006年6月12日提交的 U. S. S. N. 60/812， 863的 M，J，在此明確艦過引用將^4^內(nèi)容并^^文。
關(guān)于聯(lián)邦贊助研究的聲明
本發(fā)明的-^分是借助贈支持利用NHGRI微No. R01-HG003710-01做出 的，并JUM"對^^發(fā)明享有一些^U，J。
背景技術(shù)：
以及生物^L處理方面產(chǎn)生了巨大i^/艮。特別地，固態(tài)電子學(xué)技術(shù)與生物研究 應(yīng)用的結(jié)合取得了很多重要i^，包括例如^"陣列技術(shù)，即DNA陣列(參見 美國專利No. 6， 261， 776 )、禍t流體芯片凈M^(參見美國專利No. 5， 976， 336 )、化 學(xué)敏感場效應(yīng)晶體管(ChemFET)，以及其它有價值的傳感器凈M^。
頻式波導(dǎo)(OT)躺組些半科制造^ii一步擴糊研究樹斷的 不同領(lǐng)域。特別地，ZMW陣列用于一系列生物化學(xué)分析，##別用于基因分析領(lǐng) 域。，典型地包^±于透明_^#上的不透明&^中的開口、井洞或納ifU^ 芯部。由于芯部的狹窄凡變，因jtb^始終阻止頻率高于特定截止頻率的電^！ 射傳播穿過該芯部，盡管如前所迷，騎將穿過有1^巨離而敘芯部，并在芯 部內(nèi)提供非常小的輻照體積。通過輻照非常小的體積，有可能訪問 (interrogate)極少量的反應(yīng)物，包括例如單^"反應(yīng)。
4通it^單襯^c平監(jiān)^a^，能糾確地識別和/雌躲定的組狄 特別有前景的單分子DNA排序技術(shù)領(lǐng)域的基礎(chǔ)，該技術(shù)通過單聚合酶 (polymerase enzyme)以才^1依賴方式進行DNA鏈的分子合成來監(jiān)控分子。
盡管取得了前述的進步，然而仍存擬艮多另外的^i^逃艮。本發(fā)明提供 了很多這樣的^i^服
本發(fā)明一般針對于用于化學(xué)和生物化學(xué)分析的基材的配置和/或制造中的 ，且特別針對于在這樣的M中制造有光學(xué)特征的JjN"，例如^^莫式波導(dǎo) (層)。
第一方面，本發(fā)明提供了一種:f^莫式波導(dǎo)&時，所iii^包含具有至少第 一表面的透明M層，位于透明差浙層的第一表面^Jl的金屬^t^和穿透該 ^t^到醋明J^層的孔，絲成由金屬^^包圍的芯部區(qū)域，其中i議 該芯部的尺度以阻止頻率高于截止頻率的電磁^4t傳播穿透整個芯部。差浙還 包括位于M^上的犧牲陽極。
相關(guān)聯(lián)地，本發(fā)明提供了監(jiān)M應(yīng)的方法，包括在包^r屬^g"的零 模式波導(dǎo)的芯部中提供^1^^,其中頻式波導(dǎo)包括犧牲陽極，并監(jiān)控芯 部的輻照體積內(nèi)的^L^^物'
另一方面，本發(fā)明提供了一種^^式波導(dǎo)^，所ii^包M明^t層、 不透明^^和芯部，包含穿透^Jr并至少部分延伸到透明JjN"層內(nèi)的孔。


圖1提供了位于J^上的，式波導(dǎo)(ZMW)的示意性圖解。
圖2提供了包^l牲陽極層的ZMW的示意性圖解。
圖3提供了包括M明M層內(nèi)的增加^P、區(qū)域的ZMW的示意性圖解。
發(fā)明g圖4提供了圖3所示的ZMW的示例性制itii程。
圖5顯示了制造圖3所示的ZMW的替《^性示例制造過程。
圖6為包括凹陷表面的ZMW的對比優(yōu)勢的示意性圖解。
發(fā)明詳述
本發(fā)明一般針對于用于化學(xué)和生物化學(xué)分析的基材的配置和/或制造中的 改進，且特別針對于在這樣的M中制造有光學(xué)特征的M，例如M式波導(dǎo) (層)。
在本發(fā)明的上下文中，分析M-^:包含剛性或半剛性固體M，典型地 在整個配置中1^是平面的，^^I相關(guān)檢測系統(tǒng)例如熒M微鏡、光學(xué)成像系 ^4電信號檢測系統(tǒng)可以在該糾上進行并監(jiān)控感興趣的^。典型地，這樣 的M可具有制造于基材內(nèi)或位于M的表面上的附加功能部件。這樣的部件 包括例如襯辦，如襯連接部分，例如脅、核酸非特異性化學(xué)4^^團、 結(jié)合肽等，或者性能改t基團例如疏水氛親水基團，以侵在M上提供相對疏 7仏親水的區(qū)域。同樣地，該^N"可以具有制造于糾Jii^中的結(jié)構(gòu)部件，
包括例如屏障、井洞、柱體、柱狀物、溝道、槽、電接觸部、掩才錄、
等，
##本發(fā)明提供的特力醉決方案的需要，本發(fā)明"^^可以應(yīng)用于一系列不
同的緒類型。例如，第一方面，本發(fā)明提供了包^i^于其中的雜式波導(dǎo) (層)陣列的糾。典型地，ZMW的特棘于包圍芯部部件的^t部件，其中設(shè) 定芯部的凡變，以使iiA芯部中的電磁能量的頻剩氐于特定閾值或截止頻率， 并被阻止完4^播穿透該芯部。結(jié)果，在芯部的這種電磁能量的方向僅在芯部 的一部分內(nèi)產(chǎn)生極小的輻照區(qū)域。在將芯部提供作為由&^界定的開放^K 時，結(jié)果是在芯部內(nèi)能夠輻照極小的體積。能夠，歐小的體積，例如化學(xué)或 生物化學(xué)反應(yīng)物的體積，擬艮多應(yīng)用中特別有價值。在美國專利No.6，917，726中描述了這些層陣列，及其制姊用途，出于所有目的將^^并A^,
f^莫式波導(dǎo)典型地包括從約IO咖到約250nm的橫戴面Xj1， W^具有從 約20nm到約100nm的橫栽面;d。 ZMW的橫戴面典型為圓形，然而^可以具 有狹長結(jié)構(gòu)，例如橢圓、橢球、狹縫、凹槽或其它非圓形形狀。本文討論的零 模式波導(dǎo)的芯部的深度典型地至少部分由M^的厚度限定，其厚度的典型范 圍從約25nm到約500nm，且M約50nm到約200nm的厚度。依據(jù)所需的應(yīng)用， 可以從可用深度的整個范圍中選^r所需的深度。
通常將本發(fā)明的M式波導(dǎo)制it^i^中，該M包括沉積于透明M上 的透明基材層和不透明的&^。波導(dǎo)的芯部部分包含穿透^t^到達透明層 的孑L，以P艮定具有開放的上端和被透明基材封閉的下端的井洞。圖1顯示了這 樣的波導(dǎo)的示意性圖解。如圖所示，整個JjH"100包括波導(dǎo)芯部102， ^于不 透明的^J: 104之內(nèi)并JLil;續(xù)穿ii^透明M層106。
可以通過多種方法進行ZMW的制造。然而，在M的方面，使用如下的分 層制造策略在透明平面M例如玻璃、熔結(jié)氧化珪、石英、氧化鋁、透明聚 ，等上提供薄金屬膜。通常如下進行芯部的界定在透明M上提供適當(dāng)?shù)?皿劑(resist)層并對抗蝕劑層進行顯影以得到作為所需波導(dǎo)芯部的負像的 柱狀物或柱體。然后，將不透明膜例如薄金屬膜或半^^HJr^^在M上以 提供^&，并除去皿劑柱狀物以在^i置產(chǎn)生由&a^包圍的孑L^芯部，
許多金屬膜中的做。這樣的金屬包括鋁、金、銀鉻等及其組合，例如多層 ^C^物。半*^&還可用于^Mt應(yīng)用中，并包^N如可以使用例如^i目沉 積而沉糸、于JjN"上的M iii-v族、iv族和/或ii-vi族半導(dǎo)沐中的任何。
可以通過半"^^制造領(lǐng)域已知的各種方法進行抗蝕劑柱狀物的界定，包括 例如光刻法、電子束平版印刷(e-beam lithography)技術(shù)，納米壓印平版印 刷等。
7在至少第一方面，零模式波導(dǎo)的整體結(jié)構(gòu)可以并入附加功能體
(functionality),在^i^'師中，該附加功食fe^作為附加層脅于^^糾。 如上所述，M的^式波導(dǎo)包^于透明M材料上的金屬^t層，在 將這樣的金^f^N"用于化學(xué)和/或生物化學(xué)辦時，J^^將不可狄^^露于 可能s^^損害金屬的環(huán)境中，包括例^f目對高鹽濃度和/或非中性pH的環(huán)境， 例如酸f生員性條件。所有這些因素增加了這樣的材料易于腐蝕的趨勢。特別 地，將這些金屬部件暴露于高鹽環(huán)嫂中可能產(chǎn)生電^^蝕的缺。相應(yīng)地，在 至少一方面，本發(fā)明提fr"種^^莫式波導(dǎo)基時，該M包括怍為差浙部件的犧 牲或電蝕(galvanic)陽極。這樣的電蝕陽極可以^J時的一部分，例如作為 -~^分或作為分離層沉積在JjN"上，或可以將其作為獨立部件添加到^！ 物中，例Vft為顆粒、條帶或絲線?？梢约言赂鞣N不同金屬中的任啊作為電蝕 陽極，包括例力辨、鎂、鋁、鐵、鎳、或可以充當(dāng)下方^t^r屬的犧牲陽極 的任何其它金屬。應(yīng)理解，最佳金屬陽極層的選擇可以在某種禾l^Ji取決于下 方^&的構(gòu)成(咖ke-up)。另外，由于裝置所暴露的環(huán)境會才^t應(yīng)用所需而 變化，因jtb^r屬的還原電勢將不同于它們的標準值。因此，多種材料可以用作 犧牲陽極。對于具有半電池電勢X(在所用的條件下)的^t^材料，以及具有 半電池電勢Y的陽fe^料，若Y小于X，則金屬可以用作犧牲陽極。在某些tfr^
X，和Y，的另一表面態(tài)，并JL^Y，小于X，，則這些;WI"可以用作犧牲陽極。 在犧牲陽 ^輛性能中她的材料包拾鎂、鋅、鈹、鎘、鈾、鋁、銦、錫、 鉛、鐵、鎳、銅、鉻、鄉(xiāng)鵠。在特別優(yōu)選的方面，鋅層與金屬^&""^^ 積減j5t^于金屬^t^4Ui?？梢証f^]^t金屬膨W^支^^t^上提供陽 M,包拾絲、蒸發(fā)、等離子體^f目^^等'
W目關(guān)實施方案中，可以通過位于陽M和^t^之間的非導(dǎo)電層使附加 層與^^電絕緣。在該實施方案中，可以直接對陽^ 口電勢，由此去除陽W"料具有特定i^f、電勢的P艮制，在該實施方案中，本發(fā)明提供與^&的 電接觸部，以及與P日極層的獨立電接觸部'可以在單獨步驟中施加非導(dǎo)電層， 或者其可以是待脅的其它材料之一的自然JM^b。例如，鋁的自然IU欲是
不導(dǎo)電的，并JI4^頁域已知在導(dǎo)電鋁層上形成氧^^纟^^的方法。
在上述制造過程的情形中，"~^可以##層與金屬^&共;^H或作為后 續(xù)層:;W^金屬^t^^Ji。 一旦去除繊劑柱狀物，將穿透電蝕陽;feUM金屬 ^t^i^波導(dǎo)芯部。典型地，陽^#為約O.lnm到約100nm厚，^i4M^ l皿到約100nm厚，Mi々lnm到約S0nm厚，且在某些情形中^J々10nm到約50nm 厚。在圖2中顯示了才Mt本發(fā)明此方面的波導(dǎo)基材的實施例。如圖所示，并參 考圖l，整個層裝置200同樣包括位于M層104中的芯部102，該芯部進而 位于透明糾106的表面上。然而，除前述W卜，犧牲陽^ 208位于^J:
104的Ji4面上，并用于防止應(yīng)用期間金屬^t^的it/變電化腐蝕。
在^f戈方面中，可以不按標準沉積工藝#^立的陽極部件添加到波導(dǎo)陣列。 特別地，可以4f^適的金屬顆粒、條帶等^^K于波導(dǎo)陣列上，只要其具有足夠 的尺寸例如足夠大^A夠小，以致不影響波導(dǎo)的功能，例如阻塞過多數(shù)目芯部 的開口。
在另一脊R性的結(jié)構(gòu)配置中，零模式波導(dǎo)在芯部的末端具有越過^^延 伸到透明基材中的空間或體積。特別地，通過提供由芯部產(chǎn)生的體積的另夕卜延 伸，相比^P、與芯部共同延伸的^式波導(dǎo)(例如圖1所示)，可以獲得很多優(yōu) 勢。圖3顯示了具有這#^^性結(jié)構(gòu)的波導(dǎo)的實施例。如圖所示，頻式波導(dǎo) 狄300包括穿透^& 304的芯部302所述^W 304 ^^、于透明狄306 上。該波導(dǎo)結(jié)構(gòu)還包括凹陷308，該凹陷是芯^M 、向透明M306內(nèi)的延伸或 井洞，以增加整個波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的^P、。特別地，在包括改性的表面(例如具有加 工過的表面，該表面包拾活性分子和/或連#子和/或保護性的表面處理，即 用以抑制非特異H4面締合)的ZMW的情形中，還可以從下方J^N"表面進一步
9除去所得到的活'錄面'因此，目標^ (例如在活'錄面進行的M)將落
在ZMW的最^9L^^的ii^iUt^'因此，通過使下方^#表面凹陷，可以 ^^歸活'錄面定位于，JW^K內(nèi)。圖6中示意'lt^示了該優(yōu)勢，
在無凹陷的ZMW中，如圖6的畫面I所示。如圖所示，ZMW^600包括位 于^t^ 604內(nèi)穿透到透明JjN"層606的芯部602。在Z麗芯部602內(nèi)提供由 Xs608表示的活'錄面，該活性表面例如用于擬亍所需的目標反應(yīng)例如核^^合 反應(yīng)，并且該活性表面通過連^^分子610與下方基材606表面偶聯(lián)。由于連 接體610的尺寸以及可能的其它表面改性，活性表面608可淑立于，WMp、(由 虛線612示出界限)的ii^夕h^。然而，通過使下方緒的下表面凹陷，可 以減弱這種潛在的問題。特別地，如圖6中的畫面II所示，ZMW620在芯部622 的底部包括凹陷下表面624，使得活'tt面608充分^ JWMp、內(nèi)。這特別提 供了具有更易于調(diào)節(jié)的觀M積的零模式波導(dǎo)，例i礎(chǔ)過單獨^t^厚度的可 調(diào)性、對位于波導(dǎo)下方的光學(xué)體系(optics)的更高信號水平、產(chǎn)生改善的信噪比。
除了前面所述的優(yōu)勢W卜，檢測區(qū)域^p、的增;^統(tǒng)計檢測^^k內(nèi)目標分 子的占有率方面提供優(yōu)勢。在某些情況中，需要^^斤物在每個約束中均具有且 ^si具有一個^;見察的分子。在^t層的底部和裝置的底面處于同一位置的情形 中，該約束具有l(wèi)^短的衰減長度指l^減的分布'結(jié)果是以下情W艮罕見 一個^i^^^i^^測區(qū)而第二個襯不會存在于檢測區(qū)^Ji，由財?shù)谝环?子狄背景噪聲。通過斷^面，分布M改變以樹以階躍函數(shù)，其中裝置的 "-^分位于檢測區(qū)"內(nèi)"，具有相對一致的X!i^效率，而裝置的另一^分位于檢 測^(M 、"外"，具有將兩個區(qū)域分隔的非?？斓闹附z減。在后H"W中，隨機 得到其中一個襯位于檢測區(qū)內(nèi)JU殳有襯位于指絲減區(qū)內(nèi)的配置的辦大 大增加。由深井洞提供的相對一致性的附加優(yōu)勢是，單^熒M出的7jC平對 位置的絲性較小，因此，當(dāng)由于將熒光團束綽于裝置的柔'^ii掩沐而存在一些起伏自由度時，JM^熒縫出的水平在時間上更均勻，，
例如直徑，但也可以根據(jù)所需的應(yīng)用和功能性而改變其深度'
可以通過很多方法制造才M^發(fā)明該方面的線的^^莫式波導(dǎo)。例如，在第
"H^r面，在^4F、金屬^a^前，制造井洞作為層制造中的附加^L^步驟。特別地，^f]抗蝕劑柱狀物的負像，將透明材料層(例如與下方透明糾具有
相同或相合:^且成的材料)沉農(nóng)、于透明差>#上。然后，將金屬^/昏，和任逸的任何附加層例如電蝕陽M沉積于其上。一M結(jié)構(gòu)中除去柱狀物，就在M
層中留下具有延伸到透明^#層內(nèi)的額夕卜 、的波導(dǎo)芯部。圖4示意'f^示出
如圖4所示，提供具有Ji4面402的透明糾400。然后，錄面402上沉積抗蝕劑層404。對抗蝕劑進^#光并顯影以產(chǎn)生所需波導(dǎo)芯部的負像，如柱狀體406所示。然后，在JjN"的膝^面402上^4H附加透明材料層408以fe圍g狀體406的透明差jf^層。透明材^F^iiAJiM與下方的透明Jj時400相同或相似。例如，^C璃狄的',中，可^^半科制造領(lǐng)域中^^的各種才棘中的^^T技^4^t表面^^Si02層，所述技術(shù)包括例如^C璃J^走涂、等離子增強化學(xué)W目^^、 W目^^v5M^氧化成Si(u例如熱氧化)。然后，^it明層408上^4P、金屬^^410。然后，4M例如剝離(lift-off )或"敲離(knock-off)"方法從^K^除去l^a狀體，產(chǎn)生位于^^中的波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的開放芯部412。 jtk^卜，芯部的僻^jy^伸到附加透明層408中，以便向芯部提供附加的餘。
在^^性的工藝中，波導(dǎo)芯部可以用作附加刻蝕步驟中的掩樣l特別地，使用上述工藝制造ZMW。然后，金屬M層充當(dāng)后續(xù)刻蝕步驟的掩^。 ^ii種
如，當(dāng)^^)各向異lt^離子刻蝕(RIE)刻蝕糾時，所得到的要素(feature)將具有豎直的側(cè)壁且具有與^W:中的開口相同的^L圖.在該情況中，賄技術(shù)中已知的方法為，以相對于包覆材料的良^4擇^^>￡^#材料，在各向同'ltt^行刻蝕H狄濕'^ft學(xué)刻滅RIE)的',中，可以控制時間以敏
導(dǎo)致刻蝕^Pi著大于波導(dǎo)XA。作為g或補充，可以^^更加晶態(tài)的M，例如石英等，其中刻蝕的各向務(wù)對級更大而不論刻燭^H(p何，從而產(chǎn)生更
受限制的刻蝕空間。作為替代，可以使用干法刻蝕技術(shù)。圖5示意,fg顯示了該工藝。
如圖5所示，麗糾500包括穿透位于透明糾506上的金屬^t 504的ZMW芯部502,在^^發(fā)明的該方面，透明M包括iUM^料，例如玻璃、石英或熔結(jié)IUt^。 4鵬本發(fā)明的該方面，^t^兼任后續(xù)刻蝕步驟的掩模層。特別地，將J^暴露于適當(dāng)?shù)目涛g劑(如箭頭508所示)中，刻蝕劑在芯"W^、中刻蝕出附加的深度，例如陰影區(qū)508和凹區(qū)510所示。在某些情形中，可能需要在^t層中使用在平版印刷技術(shù)中更常規(guī)使用的金屬，例4媒、金等，因為它們相比其它金屬具有對較苛刻的刻蝕環(huán)境的更高容忍度，或者更好地充當(dāng)掩膜材料，提供更高緒率特征.
1權(quán)利要求
1. 零模式波導(dǎo)基材，包括具有至少第一表面的透明基材層；位于該透明基材層的第一表面上的金屬包覆層；穿透該包覆層到達該透明基材層的孔，并形成由該金屬包覆層包圍的芯部區(qū)域，其中設(shè)定該芯部的尺度以阻止頻率高于截止頻率的電磁輻射完全傳播穿過該芯部；以及位于該包覆層上的犧牲陽極。
2. 如權(quán)利要求1所述的^^莫式波導(dǎo)M,其中犧牲陽極與金屬^t^相連。
3. :h5u'漆求1所述的零模式波導(dǎo)基材，其中犧牲陽極包含位于驢層的 Ji4面上的金屬層。
4. :N又利要求1所述的賴式波導(dǎo)，其中犧牲陽極包絲自Zn、 Mg、 Al和 Fe的金屬。
5. 如權(quán)矛決求1所述的^式波導(dǎo)Jj時，其中犧牲陽極包含位于該^m^ 的Ji4面上的鋅層。
6. io^'漆求1所述的賴式波導(dǎo)，其中犧牲陽極包^T屬顆粒、絲線或棘
7. :H5U'J要求6所述的，式波導(dǎo)，其中犧牲陽秘;C^i^亥^^Ui但 并不與該包a^相連。
8. 賴式波導(dǎo)糾包括 透明基材層；不透明M層；以及芯部，其包含穿i^亥^^并至少部分延伸到該透明JjH"層內(nèi)的孔。
9. ^f5U'決求8所述的零模式波導(dǎo)，其中該透明M層包含至少第"HI:明層和第4明層，第^明;g^于第""it明層4Ui，且該^a^于第-逸明層4Ui，其中所述3U^f申穿透該^t^和第二透明層。
10. 如WJ要求9所述的^式波導(dǎo)M,其中該^t^包^^屬。
11. :H又矛漆求8所述的:f^莫式波導(dǎo)，還包含活'錄面，所it^'Il4面位于 芯部內(nèi)并JL^少部分位于延伸到透明J^N"層內(nèi)的部分芯部中。
12. d^又利要求11所述的賴式波導(dǎo)，其中該活'錄面包^^SI。
13. j&^應(yīng)的方法，包括在包^r屬&W的^i式波導(dǎo)的芯部內(nèi)提供^J^1^,其中該，式 波導(dǎo)包^^4生陽極；和監(jiān)控該芯部的輻照^(^MK內(nèi)的^i;^^。
全文摘要
基材，包括為提供附加fvπclionai元件而制造的零模式波導(dǎo)基材和/或包括增加的體積以定位活性表面的部件和/或減輕下方基材的負面電化學(xué)特性的部件。
文檔編號G02B6/10GK101467082SQ200780021826
公開日2009年6月24日 申請日期2007年6月11日 優(yōu)先權(quán)日2006年6月12日
發(fā)明者D·B·羅伊特曼, G·奧托, M·?？? P·佩魯索, S·特納 申請人:加利福尼亞太平洋生物科學(xué)公司