Сенсорная система
SENSOR SYSTEM

Уровень техники
[1] Сенсорная система, например, биосенсорная система, может включать в себя проточную ячейку, расположенную на верхнем слое пассивирующего пакета слоев (далее - «пассивирующий пакет») структуры датчика изображения, причем проточная ячейка и пассивирующий пакет образуют между собой проточный канал. Такие сенсорные системы зачастую содержат высокоплотные матрицы наноразмерных лунок, расположенных в верхнем слое пассивирующего пакета и в пределах проточного канала проточной ячейки, для реализации протоколов управляемых реакций на аналитах, расположенных в пределах наноразмерных лунок.
[2] В одном примере такого протокола реакции аналиты (например, кластеры участков ДНК, молекулярные цепи нуклеиновых кислот или нечто подобное), расположенные в матрице наноразмерных лунок структуры датчика изображения, могут быть снабжены распознаваемой меткой (например, флуоресцентно-меченой молекулой), доставляемой к аналитам посредством потока текучей среды по проточному каналу. Затем на меченые аналиты в пределах наноразмерных лунок может быть направлен свет возбуждения одного или нескольких видов. Под его действием аналиты могут испускать фотоны света излучения с возможностью их пропускания через пассивирующий пакет и в световоды структуры датчика изображения, связаныые с каждой наноразмерной лункой (например, расположенные непосредственно под ней).
[3] Верхняя поверхность каждого световода находится в непосредственном контакте с нижней поверхностью пассивирующего пакета, причем верхняя поверхность каждого световода принимает значительную часть фотонов света излучения, проходящего из связанной с ним наноразмерной лунки. Световоды направляют фотоны света излучения к фотоприемникам, расположенным в пределах структуры датчика изображения и связанным с этими световодами (например, расположенным непосредственно под ними). Фотоприемники детектируют фотоны света излучения. Затем схема устройства в пределах структуры датчика изображения обрабатывает и передает сигналы данных на основании детектированных фотонов. Сигналы данных можно проанализировать для выявления свойств аналитов. В число примеров таких протоколов реакций входит высокопроизводительное секвенирование ДНК для здравоохранения и фармацевтики, а также для других отраслей.
[4] Потребности в увеличении пропускной способности по данным, генерируемым по результатам реализации таких протоколов реакции, а также в уменьшении размера наноразмерных лунок в матрицах наноразмерных лунок в структуре датчика изображения и увеличении числа наноразмерных лунок в матрицах наноразмерных лунок постоянно возрастают. Кроме того, учитывая возрастающую потребность в уменьшении размера и увеличении числа наноразмерных лунок, возрастает важность того, чтобы химические характеристики поверхности, необходимые для подготовки к таким химическим реакциям и их проведения, были совместимы с электронными компонентами (например, контактными площадками) в сенсорной системе.
Раскрытие сущности изобретения
[5] Преимущества перед прототипами и альтернативные им решения обеспечивает сенсорная система, например, биосенсорная система, включающая в себя контактные площадки, расположенные под пассивирующим пакетом системы датчика изображения. Поскольку контактные площадки защищены пассивирующим пакетом, зона проточного канала сенсорной системы уже не ограничена контактными площадками и может быть увеличена с возможностью ее расположения поверх контактных площадок, а также наноразмерных лунок. Это позволяет увеличить количество наноразмерных лунок, которые могут поместиться под проточным каналом, для структуры датчика изображения с фиксированной занимаемой площадью.
[6] Система по одному или нескольким аспектам настоящего раскрытия включает в себя структуру датчика изображения и проточную ячейку. Структура датчика изображения включает в себя слой изображения, расположенный поверх базовой подложки. Пакет устройства расположен поверх слоя изображения. Контактная площадка расположена в пакете устройства. Поверх пакета устройства и контактной площадки расположен пассивирующий пакет. В верхнем слое пассивирующего пакета расположена матрица наноразмерных лунок. Сквозное кремниевое межсоединение (СКМ) находится в электрическом контакте с контактной площадкой. СКМ проходит через базовую подложку. На нижней поверхности базовой подложки расположен перераспределительный слой (ПРС). ПРС находится в электрическом контакте с СКМ. Проточная ячейка расположена над верхним слоем пассивирующего пакета с образованием проточного канала между ними. Проточный канал расположен поверх матрицы наноразмерных лунок и контактной площадки.
[7] Другая система по одному или нескольким аспектам настоящего раскрытия включает в себя проточную ячейку и структуру датчика изображения. Структура датчика изображения включает в себя слой изображения, расположенный поверх базовой подложки. Слой изображения включает в себя матрицу фотоприемников, расположенную в нем. Пакет устройства расположен поверх слоя изображения. В пакете устройства расположено множество контактных площадок. В пакете устройства расположена матрица световодов. Поверх пакета устройства и множества контактных площадок расположен пассивирующий пакет. В верхнем слое пассивирующего пакета расположена матрица наноразмерных лунок. Сквозное кремниевое межсоединение (СКМ) находится в электрическом контакте с контактными площадками множества контактных площадок. СКМ проходит через базовую подложку. На нижней поверхности базовой подложки расположен перераспределительный слой (ПРС). ПРС находится в электрическом контакте с СКМ. Проточная ячейка расположена над верхним слоем пассивирующего пакета с образованием проточного канала между ними. Проточный канал расположен поверх матрицы наноразмерных лунок и множества контактных площадок.
[8] Способ по одному или нескольким аспектам настоящего раскрытия содержит шаги, на которых: поверх слоя базовой подложки располагают пакет устройства и слой изображения. Располагают контактную площадку в пакете устройства. Располагают пассивирующий пакет поверх пакета устройства и контактной площадки. Формируют матрицу наноразмерных лунок в верхнем слое пассивирующего пакета. Вытравливают СКМ в нижней поверхности базовой подложки. СКМ проходит до контактной площадки. СКМ металлизируют для создания электрического контакта с контактной площадкой. Располагают ПРС на нижней поверхности базовой подложки. ПРС находится в электрическом контакте с СКМ. Располагают проточную ячейку над верхним слоем пассивирующего пакета с образованием проточного канала между ними. Проточный канал расположен поверх матрицы наноразмерных лунок и контактной площадки.
Краткое описание чертежей
[9] Более полное представление о раскрываемом изобретении можно получить из нижеследующего раздела «Осуществление изобретения» при его рассмотрении совместно с прилагаемыми чертежами, где:
[10] ФИГ. 1 - упрощенный вид сбоку в поперечном разрезе примера одного типа сенсорной системы с проточной ячейкой, расположенной на структуре датчика изображения с образованием проточного канала между ними, при этом структура датчика изображения содержит матрицу наноразмерных лунок, расположенных в пределах проточного канала, при этом структура датчика изображения также содержит контактные площадки, расположенные вне проточного канала;
[11] ФИГ. 2 - упрощенный вид сбоку в поперечном разрезе сенсорной системы с проточной ячейкой, расположенной на структуре датчика изображения с образованием проточного канала между ними, при этом структура датчика изображения включает в себя матрицу наноразмерных лунок, расположенных в пределах проточного канала, при этом структура датчика изображения также включает в себя контактные площадки, расположенные в пределах проточного канала, согласно одному из раскрытых в настоящем описании примеров;
[12] ФИГ. 3 - упрощенный вид в поперечном разрезе сенсорной системы на ФИГ. 2 на промежуточной стадии изготовления, на которой структура датчика изображения включает в себя световоды, расположенные в пакете устройства, и пакет устройства, расположенный на базовой подложке, согласно одному из раскрытых в настоящем описании примеров;
[13] ФИГ. 4 - упрощенный вид в поперечном разрезе сенсорной системы на ФИГ. 3, в которой структура датчика изображения включает в себя контактные площадки, расположенные в пакете устройства, согласно одному из раскрытых в настоящем описании примеров;
[14] ФИГ. 5 - упрощенный вид в поперечном разрезе сенсорной системы на ФИГ. 4, в которой структура датчика изображения включает в себя пассивирующий пакет, расположенный поверх пакета устройства и контактных площадок, согласно одному из раскрытых в настоящем описании примеров;
[15] ФИГ. 6 - упрощенный вид в поперечном разрезе сенсорной системы на ФИГ. 5, в которой структура датчика изображения включает в себя наноразмерные лунки, расположенные в верхнем слое пассивирующего пакета, согласно одному из раскрытых в настоящем описании примеров;
[16] ФИГ. 7 - упрощенный вид в поперечном разрезе сенсорной системы на ФИГ. 6, в которой структура датчика изображения включает в себя сквозное кремниевое межсоединение (СКМ), проходящее от нижней поверхности базовой подложки к контактным площадкам, согласно одному из раскрытых в настоящем описании примеров;
[17] ФИГ. 8 - упрощенный вид в поперечном разрезе сенсорной системы на ФИГ. 7, в которой структура датчика изображения включает в себя перераспределительный слой (ПРС), расположенный на нижней поверхности базовой подложки и в электрическом контакте с СКМ, согласно одному из раскрытых в настоящем описании примеров;
[18] ФИГ. 9 - упрощенный вид в поперечном разрезе сенсорной системы на ФИГ. 8, в которой структура датчика изображения включает в себя первый слой защиты от окружающей среды, расположенный поверх первой части ПРС, согласно одному из раскрытых в настоящем описании примеров;
[19] ФИГ. 10 - упрощенный вид в поперечном разрезе сенсорной системы на ФИГ. 9, в которой структура датчика изображения включает в себя механические несущие конструкции, соединенные с первым слоем защиты от окружающей среды и временным защитным слоем, покрывающем вторую часть ПРС, согласно одному из раскрытых в настоящем описании примеров;
[20] ФИГ. 11 - упрощенный вид в поперечном разрезе сенсорной системы на ФИГ. 10, в которой структура датчика изображения включает в себя слой гидрогеля, расположенный в пределах наноразмерных лунок, согласно одному из раскрытых в настоящем описании примеров;
[21] ФИГ. 12 - упрощенный вид в поперечном разрезе сенсорной системы на ФИГ. 11, в которой проточная ячейка подсоединена к структуре датчика изображения, согласно одному из раскрытых в настоящем описании примеров;
[22] ФИГ. 13 - упрощенный вид в поперечном разрезе сенсорной системы на ФИГ. 12, в которой провода подсоединены ко второй части ПРС, согласно одному из раскрытых в настоящем описании примеров; и
[23] ФИГ. 14 - упрощенный вид в поперечном разрезе сенсорной системы на ФИГ. 13, в которой второй слой защиты от окружающей среды расположен поверх второй части ПРС и подсоединенных проводов для завершения формирования сенсорной системы, согласно одному из раскрытых в настоящем описании примеров.
Осуществление изобретения
[24] Далее будут раскрыты некоторые примеры для формирования общего представления о принципах конструкции, функционирования, изготовления и использования способов, систем и устройств, раскрытых в настоящем описании. Один или несколько примеров проиллюстрированы на прилагаемых чертежах. Специалистам в данной области техники будет понятно, что конкретные способы, системы и устройства, раскрытые в настоящем описании и проиллюстрированные на прилагаемых чертежах, не являются ограничивающими примерами, а также то, что объем настоящего раскрытия определен исключительно формулой изобретения. Отличительные признаки, проиллюстрированные или раскрытые на одном примере, могут быть скомбинированы с отличительными признаками других примеров. Предполагается, что подобные модификации или варианты входят в объем настоящего раскрытия.
[25] Слова «по существу», «приблизительно», «около», «относительно» и им подобные, которые могут встречаться в тексте настоящего раскрытия, в том числе в формуле изобретения, служат для обозначения и учета незначительных отклонений, например тех, что обусловлены разбросом параметров при обработке. Например, они могут означать допуск не более ±10%, например, не более ±5%, например, не более ±2%, например, не более ±1%, например, не более ±0,5%, например, не более ±0,2%, например, не более ±0,1%, например, не более ±0,05%.
[26] Представленные в настоящем описании примеры относятся к сенсорным системам и способам из создания. В частности, представленные в настоящем описании примеры относятся к сенсорным системам с проточным каналом, расположенным поверх наноразмерных лунок и контактных площадок.
[27] ФИГ. 1 иллюстрирует известную сенсорную систему с наноразмерными лунками, расположенными в пределах проточного канала, и контактными площадками, расположенными вне проточного канала. ФИГ. 2 иллюстрирует пример сенсорной системы с проточным каналом, расположенным поверх наноразмерных лунок и контактных площадок по настоящему раскрытию. ФИГ. 3-14 иллюстрируют разные примеры способов создания сенсорной системы на ФИГ. 2 по настоящему раскрытию.
[28] На ФИГ. 1, пример одного типа сенсорной системы 10 (в данном примере представляющей собой биосенсорную систему 10) включает в себя проточную ячейку 12, соединенную со структурой 14 датчика изображения. Проточная ячейка 12 сенсорной системы 10 включает в себя крышку 16 проточной ячейки, прикрепленную к боковым стенкам 18 проточной ячейки. Боковые стенки 18 проточной ячейки соединены с верхним слоем 22 пассивирующего пакета 24 структуры 14 датчика изображения с образованием проточного канала 20 между ними.
[29] Верхний слой 22 пассивирующего пакета 24 включает в себя большую матрицу наноразмерных лунок 26, расположенных в нем. Наноразмерные лунки 26 включают в себя тонкий слой 27 гидрогеля, повторяющий очертание внутренних поверхностей наноразмерных лунок 26. Наличие слоя 27 гидрогеля способствует фиксации и функционализации аналитов 28 (например, участков ДНК, олигонуклеотидов, иных цепочек нуклеиновых кислот и т.п.), которые могут быть расположены в пределах наноразмерных лунок 26.
[30] Крышка проточной ячейки включает в себя впускное отверстие 30 и выпускное отверстие 32, имеющие такие размеры, чтобы обеспечивать возможность впуска, пропускания и выпуска потока 34 текучей среды в проточные каналы 20, по ним и из них. Поток 34 текучей среды может служить для осуществления большого числа разнообразных протоколов управляемых реакций на аналитах 28, расположенных в пределах наноразмерных лунок 26. Поток 34 текучей среды также может доставлять распознаваемую метку 36 (например, флуоресцентно-меченую молекулу нуклеотида или нечто подобное) с возможностью мечения ею аналитов 28.
x
x
[31] Структура 14 датчика изображения сенсорной системы 10 включает в себя слой 40 изображения, расположенный поверх базовой подложки 38. Слой 38 изображения может представлять собой диэлектрический слой, например нитрид кремния (SiN), и может содержать расположенную в нем матрицу фотоприемников 42. В контексте настоящего описания, фотоприемник 42 может представлять собой, например, полупроводник, например, фотодиод, комплементарную структуру «металл-оксид-полупроводник» (КМОП), или и то, и другое. Фотоприемники 42 детектируют фотоны света 44 излучения от флуоресцентных меток 36, прикрепленных к аналитам 28 в наноразмерных лунках 26. Базовая подложка 38 может быть выполнена из стекла, кремния или подобного материала.
[32] Пакет 46 устройства расположен поверх слоя 40 изображения. Пакет 46 устройства может содержать множество диэлектрических слоев (не показаны), вмещающих различные элементы схемы 48 устройства, взаимодействующей с фотоприемниками 42 и обрабатывающей сигналы данных на основании детектированных фотонов света 44 излучения.
[33] В пакете 46 устройства также расположена матрица световодов 50. Каждый световод 50 связан по меньшей мере с одним фотоприемником 42 матрицы фотоприемников. Например, световод 50 может быть расположен непосредственно поверх связанного с ним фотоприемника 42. Световоды 50 направляют фотоны света 44 излучения от флуоресцентных меток 36 аналитов 28, расположенных в наноразмерных лунках 26, к связанным с ними фотоприемникам 42.
[34] В пределах пакета 46 устройства также расположены светоэкранирующий слой 52, противоотражающий слой 54 и защитный облицовочный слой 56. Защитный облицовочный слой 56 может состоять из нитрида кремния (SiN) или диоксида кремния (SiO2) и облицовывает внутренние стенки световодов 50. Светоэкранирующий слой 52 может состоять из вольфрама (W) или алюминия (Al) и ослабляет свет 44 излучения и свет 58 возбуждения, пропускаемый в пакет 46 устройства. Противоотражающий слой 54 может состоять из нитрида вольфрама (WN) или оксинитрида кремния (SiON) для фотолитографического структурирования расположенного ниже металлического слоя.
2
5
[35] Пассивирующий пакет 24 расположен поверх пакета 46 устройства. Пассивирующий пакет 24 включает в себя нижнюю поверхность 60, находящуюся в непосредственном контакте с верхней поверхностью 62 световодов 50. Пассивирующий пакет 24 может включать в себя пассивирующий слой 64 и химический защитный слой 66 (в данном случае являющийся верхним слоем 22 пассивирующего пакета 24). Пассивирующий слой 64 может состоять из SiN и включать в себя нижнюю поверхность 60 пассивирующего пакета 24. Химический защитный слой 66 может состоять из пентоксида тантала (ТаO) и представлять собой верхний слой 22 пассивирующего пакета 24.
[36] Матрица наноразмерных лунок 26 также расположена в верхнем слое 22 пассивирующего пакета 24, причем каждая наноразмерная лунка 26 связана с каким-либо световодом 50 матрицы световодов. Например, каждая наноразмерная лунка 26 может быть расположена непосредственно над связанным с ней световодом 50, так, чтобы большинство фотонов света 44 излучения, поступающих в верхнюю поверхность 62 каждого световода 50, генерировалось из связанной с данным световодом наноразмерной лунки 26. Кроме того, матрица наноразмерных лунок 26 расположена в пределах проточного канала 20.
[37] Множество контактных площадок 70 также расположено в пакете 46 устройства. Контактные площадки 70 могут состоять из одного или нескольких слоев металлов контактной площадки (не показаны). Контактные площадки взаимодействуют со схемой 48 устройства с возможностью проведения сигналов данных, обработанных на основании детектированных фотонов, к проводам 72, соединенным с контактными площадками 70.
[38] Во время работы лучи света 58 возбуждения различных типов поступают на аналиты 28 в наноразмерных лунках 26, вызывая флуоресценцию меченых молекул 36 светом 44 излучения. Большинство фотонов света 44 излучения может быть пропущено через пассивирующий пакет 24 и поступить в верхнюю поверхность 62 связанного с ним световода 50. Световоды 50 могут отфильтровывать большую часть света 58 возбуждения и направлять свет 44 излучения к связанному с ними фотоприемнику 42, расположенному непосредственно под световодом 50.
[39] Фотоприемники 42 детектируют фотоны света излучения. Затем схема 48 устройства в пределах пакета 46 устройства обрабатывает и передает сигналы данных на основании детектированных фотонов. Сигналы данных могут быть переданы через контактные площадки 70 и проанализированы для выявления свойств аналитов.
[40] Контактные площадки 70 могут быть соединены с проводами 72 посредством проводных соединений 74, расположенных на верхнем слое 22 пассивирующего пакета 24 для обеспечения возможности внешней передачи сигналов данных. Это может быть выполнено путем создания соединения из эвтектического металла посредством проводного соединения или столбикового вывода из припоя. Кроме того, поверхность наноразмерных лунок 26 может быть химически функционализирована, например, за счет нанесения слоя 27 гидрогеля, для обеспечения возможности приема ею аналитов 28, которые могут быть расположены в наноразмерных лунках 26.
[41] При этом, процессы подготовки контактных площадок 70 на верхнем слое 22 пассивирующего пакета 24 для таких способов проводного соединения могут создать помехи для функционализации поверхности наноразмерных лунок. Кроме того, химическая функционализация наноразмерных лунок может стать причиной возникновения осадка и/или, потенциально, коррозии на открытых контактных площадках. Кроме того, поток 34 текучей среды по проточному каналу 20, используемый в различных протоколах управляемых реакций, потенциально может повредить и/или привести к коррозии контактных площадок 70, омываемых этим потоком 34 текучей среды. Более того, может быть трудно создать электрическое соединение между проводами 72 и контактными площадками 70 на верхнем слое 22 пассивирующего пакета 24, если провода 70 должны проходить в проточный канал 20.
[42] По меньшей мере по вышеуказанным причинам, контактные площадки 70 расположены на верхнем слое 22 пассивирующего пакета 24 вне проточного канала 20 проточной ячейки 12. Следовательно, соединение проводов или столбиковых выводов из припоя с контактными площадками 70 ограничивает размер проточного канала 20, что также ограничивает количество наноразмерных лунок 26, которые могут быть расположены в пределах проточного канала 20 для сенсорной системы 10 с фиксированной занимаемой площадью.
[43] Раскрытые в настоящем описании примеры сенсорных системы отличны от некоторых ранее известных сенсорных систем в нескольких аспектах. Например, в том, что контактные площадки 70 в некоторых из раскрытых здесь примеров расположены в пределах проточного канала 20. Кроме того, раскрытые здесь примеры предусматривают прохождение проточного канала 20 поверх контактных площадок 70 для покрытия большей площади поверхности при той же занимаемой биодатчиком площади. Кроме того, раскрытые здесь примеры предусматривают механизмы для защиты контактных площадок 70 от повреждения и/или коррозии из-за воздействия потока 34 текучей среды, проходящего по проточному каналу 20.
[44] На ФИГ. 2 изображен вид сбоку в поперечном разрезе примера сенсорной системы 100 с проточной ячейкой 102, расположенной на структуре 104 датчика изображения с образованием проточного канала 106, проходящего поверх матрицы наноразмерных лунок 108 и множества контактных площадок 110. Матрица наноразмерных лунок 108 расположена в верхнем слое 112 пассивирующего пакета 114 структуры 104 датчика изображения. Множество контактных площадок 110 расположено под нижней поверхностью 116 пассивирующего пакета 114. В частности, контактные площадки 110 расположены в пакете 118 устройства, причем верхняя поверхность 120 контактных площадок 110 расположена под нижней поверхностью 116 пассивирующего пакета.
[45] Проточная ячейка 102 сенсорной системы 100 включает в себя крышку 122 проточной ячейки, прикрепленную к боковым стенкам 124 проточной ячейки. Боковые стенки 124 проточной ячейки соединены с верхним слоем 112 пассивирующего пакета 114 структуры 104 датчика изображения с образованием проточного канала 106 между ними.
[46] Верхний слой 112 пассивирующего пакета 114 включает в себя большую матрицу наноразмерных лунок 108, расположенную в нем. Наноразмерные лунки 108 включают в себя тонкий слой гидрогеля 126 в пределах наноразмерных лунок 108. Слой гидрогеля 126 служит для фиксации и функционализации аналитов 128 (например, участков ДНК, олигонуклеотидов, иных цепочек нуклеиновых кислот и т.п.), которые могут быть расположены в пределах наноразмерных лунок 108.
[47] Крышка 122 проточной ячейки включает в себя впускное отверстие 130 и выпускное отверстие 132, имеющие такие размеры, чтобы обеспечить возможность впуска, пропускания и выпуска потока 134 текучей среды в проточные каналы 106, по ним и из них. Поток 134 текучей среды может служить для осуществления большого числа разнообразных протоколов управляемых реакций на аналитах 128, расположенных в пределах наноразмерных лунок 106. Поток 134 текучей среды также может доставлять распознаваемую метку 136 (например, флуоресцентно-меченую молекулу нуклеотида или нечто подобное) с возможностью мечения ею аналитов 128. Во время осуществления разнообразных протоколов управляемых реакций свет 138 возбуждения может быть направлен на флуоресцентные метки 136, вызывая флуоресценцию меток 136 светом 140 излучения.
[48] Структура 104 датчика изображения сенсорной системы 100 включает в себя слой 142 изображения, расположенный поверх базовой подложки 144. Слой 142 изображения может представлять собой диэлектрический слой, например, SiN и может содержать расположенную в нем матрицу фотоприемников 146. В контексте настоящего описания, фотоприемник 146 может представлять собой, например, полупроводник, например, фотодиод, комплементарную структуру «металл-оксид-полупроводник» (КМОП), или и то, и другое. Фотоприемники 146 детектируют фотоны света 140 излучения от флуоресцентных меток 136, прикрепленных к аналитам 128 в наноразмерных лунках 108. Базовая подложка 144 может быть выполнена из стекла, кремния или подобного материала.
[49] Пакет 118 устройства расположен поверх слоя 142 изображения. Пакет 118 устройства может содержать множество диэлектрических слоев (не показаны), вмещающих различные элементы схемы 148 устройства, взаимодействующей с фотоприемниками 146 и обрабатывающей сигналы данных на основании детектированных фотонов света 140 излучения.
[50] В пакете 118 устройства также расположена матрица световодов 150. Каждый световод 150 связан по меньшей мере с одним фотоприемником 146 матрицы фотоприемников. Например, световод 150 может быть расположен непосредственно поверх связанного с ним фотоприемника 146. Световоды 150 направляют фотоны света 140 излучения от флуоресцентных меток 136 на аналитах 128, расположенных в наноразмерных лунках 108, к связанным с ними фотоприемникам 146.
[51] Световод 150 может быть выполнен из органического фильтрующего материала, способного отфильтровывать свет 138 возбуждения известных длин волн и пропускать свет 140 излучения известных длин волн. Материал световода может состоять из молекул красителя специальной рецептуры, расположенных в матрице из полимера с высоким показателем преломления.
[52] В пределах пакета 118 устройства также расположены светоэкранирующий слой 152, противоотражающий слой 154 и защитный облицовочный слой 156. Защитный облицовочный слой 156 может состоять из диэлектрического материала, например, нитрида кремния (SiN) или иных подобных материалов, и облицовывает внутренние стенки световодов 150. Светоэкранирующий слой 152 может состоять из переходного металла, например, вольфрама (W) или иных подобных материалов, и ослабляет свет 140 излучения и свет 138 возбуждения, пропускаемый в пакет 118 устройства. Противоотражающий слой 154 может состоять из противоотражающего соединения, например, нитрида вольфрама (WN) или оксинитрида кремния (SiON), или иных подобных материалов, и может служить для фотолитографического структурирования расположенного ниже металлического слоя.
[53] Пассивирующий пакет 114 расположен поверх пакета 118 устройства. Пассивирующий пакет 114 включает в себя нижнюю поверхность 116, находящуюся в непосредственном контакте с верхней поверхностью 158 световодов 150 и расположенную поверх верхней поверхности 120 контактных площадок 110. Пассивирующий пакет также включает в себя верхний слой 112, в котором расположены наноразмерные лунки 108.
[54] Пассивирующий пакет 114 может включать в себя любое количество слоев. Например, пассивирующий пакет 114 может включать в себя первый пассивирующий слой 160, расположенный поверх пакета 118 устройства, и первый химический защитный слой 162, расположенный поверх первого пассивирующего слоя 160. В данном примере верхний слой 112 пассивирующего пакета 114 представляет собой первый химический защитный слой 162, включающий в себя расположенные в нем наноразмерные лунки 108.
[55] При этом, в частном примере на ФИГ. 2, пассивирующий пакет 114 включает в себя дополнительный второй пассивирующий слой 164, расположенный поверх первого химического слоя 162, а также дополнительный второй химический защитный слой 166, расположенный поверх второго пассивирующего слоя 164. В частном примере на ФИГ. 2 верхний слой 112 пассивирующего пакета 114 представляет собой второй химический защитный слой 166, причем наноразмерные лунки 108 расположены во втором химическом защитном слое 166.
2
5
[56] Пассивирующие слои 160, 164 могут состоять из SiN. Химические защитные слои 162, 166 могут состоять из оксида переходного металла, например, пентоксида тантала (ТаO), или иных подобных материалов.
[57] Каждая наноразмерная лунка 108 матрицы наноразмерных лунок связана с каким-либо световодом 150 матрицы световодов. Например, каждая наноразмерная лунка 108 может быть расположена непосредственно над связанным с ней световодом 150, так, чтобы большинство фотонов света 140 излучения, поступающих в верхнюю поверхность 158 каждого световода 150, генерировалось из связанной с данным световодом наноразмерной лунки 108. Кроме того, матрица наноразмерных лунок 108 расположена в пределах проточного канала 106.
[58] В пакете 118 устройства также расположено множество контактных площадок 110. Несмотря на то, что на ФИГ. 2 показаны только две контактные площадки 110, количество контактных площадок 110 может быть любым - от одной до сотен и более контактных площадок. Контактные площадки 110 могут состоять из одного или нескольких слоев (не показаны) металлов контактной площадки, например, любых подходящих металлов, в том числе - вольфрама, меди или иных подобных материалов.
[59] Сквозные кремниевые межсоединения (СКМ) 168 расположены с возможностью электрического контакта с контактными площадками 110. СКМ 168 проходят от контактных площадок 110 через базовую подложку 144 к нижней поверхности 170 базовой подложки 144. СКМ могут состоять из переходного металла, например, вольфрама или иных подобных материалов.
[60] Перераспределительный слой (ПРС) 172 расположен на нижней поверхности 170 базовой подложки 144. ПРС 172 находится в электрическом контакте с СКМ 168. ПРС может состоять из металла, например, вольфрама, меди, золота, никеля или иных подобных материалов.
[61] Первый слой 174 защиты от окружающей среды расположен поверх первой части 176 ПРС 172. Первый слой защиты от окружающей среды может состоять из полиимида.
[62] Механические несущие конструкции 178 расположены поверх первого слоя 174 защиты от окружающей среды. Механические несущие слои 178 могут состоять из подложки, например, кремниевой подложки, стеклянной подложки или иных подобных материалов.
[63] Провода 180 соединены с возможностью электрического контакта со второй частью 182 ПРС 172 с образованием проводных соединений 184. Это может быть выполнено путем создания соединения из эвтектического металла посредством проводного соединения, столбикового вывода из припоя или другими широко известными методами проводного соединения. Провода 180 могут содержать электропроводный материал, например, медь или иные подобные материалы.
[64] Второй слой 186 защиты от окружающей среды расположен поверх второй части 182 ПРС 172, причем первый и второй слои 174, 186 защиты от окружающей среды покрывают ПРС 172 целиком. Второй слой 186 защиты от окружающей среды может состоять из полимера, например, эпоксидного состава, УФ-отверждаемого полимера или иных подобных материалов.
[65] Во время осуществления протокола управляемой реакции в наноразмерные лунки 108 поступают аналиты 128, меченые флуоресцентной молекулярной меткой 136. Флуоресцентные метки 136 доставляют к аналитам посредством потока 134 текучей среды по проточному каналу 106. Флуоресцентные метки 136 генерируют свет 140 излучения в ответ на свет 138 возбуждения. Фотоны света 140 излучения проходят из наноразмерной лунки 108, через пассивирующий пакет 114 и в верхнюю поверхность 158 соответствующего световода 150, который может быть расположен непосредственно под наноразмерной лункой 108. Далее происходит направление фотонов света 140 излучения соответствующим световодом 150 к соответствующему фотоприемнику 146, который может быть расположен непосредственно под световодом 150. Соответствующие фотоприемники 146 детектируют фотоны света 140 излучения. Кроме того, схема 148 устройства сопряжена с фотоприемниками 146 с возможностью обработки детектированных фотонов света излучения и создания сигналов данных на основании детектированных фотонов света излучения. Схема 148 устройства также сопряжена с контактными площадками 110 с возможностью передачи сигналов данных через контактные площадки 110, через СКМ 168 и вовне по проводам 180, расположенным на нижней поверхности 170 базовой подложки 114, с возможностью последующего анализа этих сигналов данных.
[66] Во время реализации многих из таких протоколов управляемых реакций поток 134 текучей среды может оказывать повреждающее и/или коррозионное действие на омываемые им участки контактных площадок 110. При этом контактные площадки 110 в примере на ФИГ. 2 защищены пассивирующим пакетом 114, расположенным поверх контактных площадок 110. Таким образом, проточный канал 106 может быть расположен поверх контактных площадок 110, поскольку пассивирующий пакет 114 расположен между проточным каналом 106 и контактными площадками 110. Кроме того, площадь проточной ячейки 102 может быть распространена на зону поверх контактных площадок 110 для увеличения количества наноразмерных лунок 108, расположенных в пределах проточного канала 106, и увеличения пропускной способности сенсорной системы 100 без увеличения площади, занимаемой сенсорной системой 100.
[67] На ФИГ. 3 изображен вид сбоку в поперечном разрезе сенсорной системы 100 на промежуточной стадии изготовления. На данной стадии последовательности производственного процесса, пакет 118 устройства и слой 142 изображения расположены соответственно поверх слоя 144 базовой подложки.
[68] Слой изображения включает в себя расположенную в нем матрицу фотоприемников 146. Слой 142 изображения может быть расположен поверх базовой подложки 144 любым из множества способов, например, способом химического осаждения из газовой фазы (ХОГФ) или физического осаждения из газовой фазы (ФОГФ).
[69] Несколько диэлектрических слоев (не показаны) пакета 118 устройства, со связанной с ним схемой 148 устройства, также могут быть расположены поверх слоя 142 изображения способами осаждения. Затем поверх пакета 118 устройства могут быть расположены светоэкранирующий слой 152 и противоотражающий слой 154 любыми подходящими способами осаждения, например ХОГФ, ФОГФ, атомно-слоевого осаждения (АСО) или электроосаждения.
[70] Далее по ходу последовательности производственного процесса, вытравливают матрицу отверстий 188 световодов в пакете 118 устройства. Это может быть выполнено любым подходящим способом травления, например, анизотропного травления, например, реактивного ионного травления (РИТ). Способ травления в контексте настоящего раскрытия может включать в себя структурирование, например, литографическое структурирование.
[71] Далее, защитный облицовочный слой 156 может быть нанесен поверх частично сформированной структуры 104 датчика изображения, в том числе - на внутренние поверхности отверстий 100. Это может быть выполнено любыми подходящими способами осаждения, например ХОГФ, ФОГФ или АСО.
[72] Далее по ходу последовательности производственного процесса, световодный слой (не показан) располагают поверх всей конструкции 100 для заполнения отверстий 188. Световодный слой может состоять из органического фильтрующего материала, способного отфильтровывать свет 138 возбуждения известных длин волн и пропускать свет 140 излучения известных длин волн.
[73] Затем световодный слой сглаживают для завершения формирования матрицы световодов 150 в отверстиях 188 световодов. Каждый световод 150 связывают по меньшей мере с одним фотоприемником 146 матрицы фотоприемников. Это может быть выполнено любым подходящим способом полирования, например, способом химическо-механического полирования.
[74] На ФИГ. 4 контактные площадки 110 расположены в пакете 118 устройства. Для этого пакет 118 устройства может быть сначала подвергнут литографическому структурированию и травлению для формирования отверстий 190 для контактных площадок в пакете устройства 118. Затем в отверстиях 190 для контактных площадок могут быть расположены несколько слоев металлов контактной площадки (не показаны) любыми подходящими способами, например, АСО, для формирования контактных площадок 110.
[75] Когда контактная площадка 110 будет сформирована, ее верхняя поверхность 120 может быть открыта и доступна для электрического зондирования. Электрическое зондирование обеспечивает возможность проведения серии приемочных испытаний (например, на целостность) сенсорной системы 100.
[76] На ФИГ. 5, далее по ходу последовательности производственного процесса по меньшей мере часть пассивирующего пакета 114 располагают поверх пакета 118 устройства и контактных площадок 110. В частном примере на ФИГ. 5, первый пассивирующий слой 160 располагают поверх матрицы световодов 150 с возможностью непосредственного соприкосновения нижней поверхности 116 первого пассивирующего слоя 160 с верхней поверхностью 158 световодов 150. Затем поверх первого пассивирующего слоя 160 может быть расположен первый химический защитный слой 162. Затем поверх первого химического защитного слоя 162 может быть расположен второй пассивирующий слой 166. Каждый из этих процессов может быть осуществлен любым подходящим способом осаждения, например ХОГФ или ФОГФ. Первый химический защитный слой 162 и первый и второй пассивирующие слои 160, 164 образуют по меньшей мере часть пассивирующего пакета 114. Данная часть пассивирующего пакета 114 может покрывать контактные площадки 110.
[77] На ФИГ. 6, далее по ходу последовательности производственного процесса, формируют матрицу наноразмерных лунок 108 в верхнем слое 112 пассивирующего пакета 114. Каждую наноразмерную лунка 108 связывают со световодом 150 матрицы световодов.
[78] В частном примере на ФИГ. 6, для это осуществляют литографическое структурирование и травление матрицы наноразмерных лунок 108 во втором химическом защитном слое 164. Затем располагают второй химический защитный слой 166 поверх второго пассивирующего слоя 164. Второй химический защитный слой 166 может быть расположен любым подходящим способом осаждения, например, ХОГФ, ФОГФ или АСО.
[79] Второй химический защитный слой 166 представляет собой верхний слой 112 пассивирующего пакета 114. Второй химический защитный слой 166 повторяет очертание наноразмерных лунок 108, протравленных во второй пассивирующий слой 164 для формирования наноразмерных лунок 108 в верхнем слое 112 пассивирующего пакета. 114.
[80] На ФИГ. 7, далее по ходу последовательности производственного процесса, толщину базовой подложки 144 уменьшают до заранее заданной толщины. Это может быть выполнено любым подходящим способом полирования, например, способом химико-механического полирования (ХМП) или способом шлифования.
[81] Когда толщина будет уменьшена, вытравливают СКМ 168 через нижнюю поверхность 170 базовой подложки 144. СКМ 168 вытравливают с возможностью прохождения от нижней поверхности 170 базовой подложки 144 к контактным площадкам 110. Это может быть выполнено любым подходящим способом травления, например, способом РИТ.
[82] Затем СКМ 168 металлизируют для создания электрического контакта с контактными площадками 110. Это может быть выполнено любым подходящим способом металлизации, например, способом электроосаждения.
[83] На ФИГ. 8, далее по ходу последовательности производственного процесса, на нижней поверхности 170 базовой подложки 144 располагают ПРС 172. Для этого сначала располагают ПРС 172 поверх нижней поверхности 170 целиком, с последующим литографическим структурированием и травлением ПРС для придания заранее заданной формы.
[84] На ФИГ. 9, далее по ходу последовательности производственного процесса, поверх первой части 176 ПРС 172 располагают первый слой 174 защиты от окружающей среды. Это может быть выполнено любым подходящим способом осаждения, например, ХОГФ или ФОГФ. вторую часть 182 ПРС 172 оставляют открытой в качестве одной или нескольких контактных площадок для проводов 180 (лучше всего видны на ФИГ. 13).
[85] На ФИГ. 10, далее по ходу последовательности производственного процесса, прикрепляют механические несущие конструкций 178 поверх первого слоя 174 защиты от окружающей среды. Это может быть выполнено путем физического прикрепления, например, адгезивами или иными способами механического крепления.
[86] Затем поверх открытых вторых частей 182 ПРС 172 располагают временный защитный слой 194 для защиты указанных вторых частей 182 во время последующей обработки сенсорной системы 100. Временный защитный слой 194 может состоять из резиста. Расположение временного защитного слоя 194 также может быть осуществлено различными временными способами, включая, помимо прочего, прикрепление ленты, стеклянной или кремниевой подложки посредством слоя самоклеящегося материала с возможностью удаления. Временный защитный слой 194 также может быть выполнен в виде растворимых растворителем восковых покрытий.
[87] На ФИГ. 11, далее по ходу последовательности производственного процесса, в наноразмерных лунках 108 располагают слой гидрогеля 126. Слой гидрогеля может состоять из любых подходящих полимеров, например, не содержащего силан акриламида (SFA), метакриламида, гидроксиэтилметакрилата или N-винил-пирролидинона. Для данного полного покрытия можно задействовать несколько способов, в том числе, помимо прочих:
- нанесение гидрогеля 126 на верхний слой 112 пассивирующего пакета 114 методом центрифугирования;
- отверждение гидрогеля 126; и
- химико-механическое полирование гидрогеля 126 для его расположения, по меньшей мере по существу, на внутренних поверхностях наноразмерных лунок 108.
[88] На ФИГ. 12, далее по ходу последовательности производственного процесса, над верхним слоем 112 пассивирующего пакета 114 располагают проточную ячейку 102 с образованием проточного канала 106 между ними таким образом, чтобы проточный канал был расположен поверх матрицы наноразмерных лунок 108 и контактных площадок 110. Это может быть осуществлено любым подходящим способом соединения, например, способом адгезионного соединения или иными способами соединения.
[89] На ФИГ. 13, далее по ходу последовательности производственного процесса, временный защитный слой 194 может быть удален для открытия второй части 182 ПРС 172. Удаление может быть выполнено любыми подходящими способами, например, удалением резиста либо жидкостным или сухим травлением.
[90] Затем провода 180 могут быть соединены со второй частью 182 ПРС 172 с образованием электрического контакта присоединенных проводов 180 с ПРС 172 через проводные соединения 184. Это может быть выполнено путем создания соединения из эвтектического металла посредством проводного соединения, столбикового вывода из припоя с образованием проводного соединения 184 через столбиковый вывод из припоя или другими методами проводного соединения.
[91] На ФИГ. 14, далее по ходу последовательности производственного процесса, поверх второй части 182 ПРС 172 располагают второй слой 186 защиты от окружающей среды. Второй слой 186 защиты от окружающей среды и первый слой 174 защиты от окружающей среды полностью покрывают ПРС 174. Это может быть выполнено любым подходящим способом осаждения, например, ХОГФ или ФОГФ.
[92] Первый и второй слои 174, 186 защиты от окружающей среды также стабилизируют и защищают провода 180 и проводные соединения 184, прикрепленные к ПРС 174. Кроме того, расположение второго слоя защиты от окружающей среды является завершающим шагом формирования сенсорной системы 100.
[93] Следует понимать, что все комбинации изложенных выше и дополнительных идей, подробнее раскрытых ниже (если такие идеи не противоречат друг другу) считаются частью раскрытого в настоящей заявке объекта изобретения. В частности, предполагается, что все комбинации заявленного объекта изобретения, указанные в конце настоящего раскрытия, являются частью раскрытого в настоящей заявке объекта изобретения.
[94] Несмотря на то, что приведенные выше варианты осуществления раскрыты на конкретных примерах, следует понимать, что возможно внесение многочисленных изменений без отступления от сущности и объема раскрытых идей изобретения. В связи с этим подразумевается, что варианты осуществления не ограничены раскрытыми примерами, при этом полный объем вариантов осуществления определен текстом нижеследующей формулы изобретения.