TWI809755B

TWI809755B - 承載生物晶片之晶圓結構及使用此晶圓結構清洗生物晶片的方法

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Publication number: TWI809755B
Application number: TW111108985A
Authority: TW
Inventors: 董學儒; 蔡奉儒
Original assignee: 南亞科技股份有限公司
Priority date: 2022-03-11
Filing date: 2022-03-11
Publication date: 2023-07-21
Also published as: TW202336815A; CN116765027B; CN116765027A

Abstract

一種用於承載生物晶片之晶圓結構，包括第一晶圓、第二晶圓和連接元件。第二晶圓設置在第一晶圓上。連接元件將第二晶圓固定在第一晶圓上。第二晶圓具有至少一個通孔，從第二晶圓的上表面貫穿至第二晶圓的下表面。通孔包括第一孔洞和第二孔洞。第一孔洞具有第一孔徑。第二孔洞位於第一孔洞下方且連通第一孔洞，第二孔洞具有第二孔徑且第二孔徑大於第一孔徑。

Description

承載生物晶片之晶圓結構及使用此晶圓結構清洗生物晶片的方法

本揭示內容是關於一種承載生物晶片之晶圓結構，以及使用此晶圓結構清洗生物晶片的方法。

生物晶片上具有含核酸或蛋白質的探針，這些探針可與檢體中相應的基因序列或蛋白質結合，進而藉由偵測儀器定量檢體中待測物的含量。然而使用完的生物晶片直接丟棄將造成環境汙染，傳統清洗生物晶片的方法可能傷害生物晶片的基底，使探針再次結合待測物的能力下降，反覆清洗導致生物晶片的偵測效果變差，最終只得丟棄無法長久使用。

本揭示內容關於一種用於承載生物晶片之晶圓結構，在一些實施方式中，此晶圓結構包括第一晶圓、第二晶圓以及連接元件。第二晶圓設置於第一晶圓上。連接元件將第二晶圓固定於第一晶圓上，其中第二晶圓具有至少一個通孔，至少一個通孔從第二晶圓的上表面貫穿至第二晶圓的下表面。至少一個通孔進一步包括第一孔洞和第二孔洞，第一孔洞具有第一孔徑。第二孔洞位於第一孔洞下且連通第一孔洞，第二孔洞具有第二孔徑，其中第二孔徑大於第一孔徑。

在一些實施方式中，連接元件包括接合層，接合層設置於第一晶圓與第二晶圓之間。

在一些實施方式中，連接元件包括夾具，夾具將第一晶圓與第二晶圓相互夾合。

在一些實施方式中，第一晶圓具有實質上平坦的上表面。

在一些實施方式中，第二晶圓更包括突出部分，朝第一孔洞突出。

本揭示內容關於一種清洗生物晶片的方法，此方法包括將生物晶片置放於晶圓結構的第一晶圓及第二晶圓之間，其中生物晶片位於第二晶圓的第二孔洞中；藉由連接元件將第二晶圓固定於第一晶圓上，以夾持生物晶片；以及旋轉晶圓結構且通入清洗溶液至第二晶圓的第一孔洞中，以清洗生物晶片。

在一些實施方式中，清洗溶液為酸性溶液或鹼性溶液。

在一些實施方式中，在旋轉晶圓結構且通入清洗溶液至第二晶圓的第一孔洞中之後，更包括旋轉晶圓結構且通入去離子水至第二晶圓的第一孔洞中，以清洗生物晶片。

在一些實施方式中，在旋轉晶圓結構且通入清洗溶液至第二晶圓的第一孔洞中之後，更包括旋轉晶圓結構且通入惰性氣體、表面張力低於約73 mN/m的液體或其組合至第二晶圓的第一孔洞中，以清洗生物晶片。

在一些實施方式中，惰性氣體為氮氣，表面張力低於約73 mN/m的液體為異丙醇。

應該理解的是，前述的一般性描述和下列具體說明僅僅是示例性和解釋性的，並旨在提供本揭露的進一步說明。

下文提供不同實施例說明本揭露的不同特徵。為簡化當前的揭露，下文將介紹元件和配置的具體示例。當然，這些僅是示例，並不意欲限制。例如下文中第一特徵在第二特徵上方形成的描述可能包括第一特徵和第二特徵直接接觸形成的實施例，也可能包括第一特徵和第二特徵之間形成其他特徵，使第一特徵和第二特徵不直接接觸的實施例。

此外，空間相對術語，例如下方和上方等，可便於在本文中描述一個元件或特徵與圖中另一個元件或特徵的關係。除了圖中描述的方向，空間相對術語旨在涵蓋裝置於使用或操作時的不同方向。裝置可能以其他方式定位（旋轉90度或其他方向），本文使用空間相對的描述可同樣相對應地解釋。在本文的討論中，除非另有說明，否則不同圖中相同的參照編號是指使用相同或相似材料藉由相同或相似方法形成的相同或相似元件。

在本揭露的實施例中，生物晶片將藉由置放於本揭露的晶圓結構中，透過旋轉晶圓結構和通入溶液和/或氣體達到清洗生物晶片的功能。

在本揭露的實施例中，用於承載生物晶片之晶圓結構包含第一晶圓、第二晶圓和連接元件。連接元件將第一晶圓和第二晶圓固定，使第二晶圓設置在第一晶圓上方。第二晶圓包含至少一個通孔，例如複數個通孔，這些通孔從第二晶圓的上表面貫穿至第二晶圓的下表面。這些通孔包含具有第一孔徑的第一孔洞和具有第二孔徑的第二孔洞。第二孔洞位於第一孔洞的下方並且與第一孔洞連通。第二孔洞的第二孔徑大於第一孔洞的第一孔徑。下文將以多個實施例說明晶圓結構的各種態樣。

第1圖根據本揭露的一些實施例說明晶圓結構100的剖面圖。晶圓結構100包含第一晶圓101和第二晶圓102。第一晶圓101和第二晶圓102的材質可以是任何在通入清洗溶液和/或氣體至晶圓結構100之後仍不傷害第一晶圓101和第二晶圓102的材質，例如耐酸或耐鹼的材質。在一些實施例中，由於待清洗的生物晶片大多與矽晶圓使用相同或類似的二氧化矽材質製成，因此第一晶圓101和第二晶圓102可為矽晶圓，從而方便選擇清洗生物晶片的溶液和/或氣體，簡化選擇過程，不傷害生物晶片的同時也不傷害第一晶圓101和第二晶圓102。在一些實施例中，第一晶圓101和第二晶圓102的材質獨立包括碳化矽、氮化鎵或砷化鎵等。在一些實施例中，第二晶圓102透過連接元件（未圖示於第1圖，請參照下文第2圖至第3圖）固定在第一晶圓101的上方，使第二晶圓102的下表面102L如第1圖所示直接接觸第一晶圓101的上表面101U。在其他實施例中，第二晶圓102的下表面102L不與第一晶圓101的上表面101U直接接觸，而是有另外的連接元件設置於兩者之間。關於連接元件固定第一晶圓101和第二晶圓102的相關敘述可參見下文。

接續第1圖，第二晶圓102進一步包含至少一個由第二晶圓102的上表面102U向第二晶圓102的下表面102L貫穿的通孔102H。通孔102H可以透過任何合適的蝕刻方式形成，以形成具有包含第一孔洞H1和第二孔洞H2的通孔102H，其中第一孔洞H1位於第二孔洞H2的上方並且與第二孔洞H2連通。第一孔洞H1具有第一孔徑D1，從第二晶圓102的上表面102U曝露出來，使第一孔洞H1可作為清洗溶液和/或氣體進入晶圓結構的入口；而第二孔洞H2具有第二孔徑D2，從第二晶圓102的下表面102L曝露出來，使第二孔洞H2可作為置放生物晶片（未圖示於第1圖）的空間。在一些實施例中，第二孔洞H2具有實質上與大多數的生物晶片相容的體積，例如厚度大約1公釐，然而各種形狀的空間皆是本揭露欲涵蓋的範圍。例如，第二孔洞H2的形狀可與欲置放的生物晶片的形狀互補。

在一些實施例中，第1圖的第二晶圓102還具有突出部分102P，突出部分102P朝向第一孔洞H1突出，使第一孔洞H1的第一孔徑D1小於第二孔洞H2的第二孔徑D2，因此突出部分102P可從上壓住下方置放於第二孔洞H2的生物晶片（未圖示於第1圖），作為清洗生物晶片時固定生物晶片的結構。由於生物晶片邊緣未修飾探針，因此以突出部分102P壓住生物晶片的邊緣並不影響晶圓結構清洗生物晶片的功能。

在第1圖中，位於第二晶圓102下方的第一晶圓101具有實質上平坦且連續的上表面101U，可與置放於第二孔洞H2中的生物晶片（未圖示於第1圖）直接接觸。在一些實施例中，第一晶圓101的下表面101L也可如第1圖所示為實質上連續平坦的表面，有助於在第一晶圓101的下方連接其他元件，例如旋轉元件。在一些實施例中，旋轉元件（參照第7圖）透過吸附在下表面101L的平坦部分，以達到穩定旋轉晶圓結構的作用。吸附方式例如為真空吸附，將旋轉元件的真空吸盤貼附第一晶圓101的下表面101L，抽吸真空吸盤內的氣體，使真空吸盤吸附第一晶圓101。

第2圖根據本揭露的一些實施例說明包含接合層103的晶圓結構200的剖面圖，此晶圓結構200具有實質上與第1圖的晶圓結構100相似的結構，圖中元件的標號可參照前述圖中的標號，不再另外贅述。由上文可知，第二晶圓102藉由連接元件固定在第一晶圓101的上方，在如第2圖的實施例中，此連接元件可以是接合層103。接合層103介於第一晶圓101的上表面101U和第二晶圓102的下表面102L之間，且直接接觸上表面101U及下表面102L。在一些實施例中，透過暫時接合製程將接合層103塗層在上表面101U和下表面102L之間以黏合第一晶圓101和第二晶圓102，待清洗完生物晶片之後藉由雷射或熱剝離分離第一晶圓101和第二晶圓102。在一些實施例中，接合層103是任何合適的工程膠帶，例如可透過照射紫外光而剝離的UV膠帶或可經加熱而剝離的熱解膠帶等。

第3圖根據本揭露的一些實施例說明包含夾具104的晶圓結構300的剖面圖，此晶圓結構300具有實質上與第1圖的晶圓結構100相似的結構，圖中元件的標號可參照前述圖中的標號，不再另外贅述。由上文可知，第二晶圓102藉由連接元件固定在第一晶圓101的上方，在如第3圖的實施例中，此連接元件可以是夾具104。在第3圖中，夾具104從第二晶圓102的上表面102U和第一晶圓101的下表面101L扣住第二晶圓102和第一晶圓101。在一些實施例中，夾具104由具耐酸鹼的鐵氟龍製成。可藉由任意數量的夾具104固定第二晶圓102和第一晶圓101，並不限於第3圖所示的夾具數目。

第4圖根據本揭露的一些實施例說明晶圓結構的上視圖，其中沿著線A-A’切開的剖面圖例如為第1圖、第2圖或第3圖所示的晶圓結構100、晶圓結構200或晶圓結構300的剖面圖。在一些實施例中，第二晶圓102和第一晶圓101同為圓形晶圓，具有實質上相同的半徑，第二晶圓102和第一晶圓101例如為八吋晶圓或十二吋晶圓。第4圖僅為示例，並非意欲限制第二晶圓102和第一晶圓101的尺寸和形狀，任何具有合適尺寸和形狀的可承載生物晶片的第二晶圓102和第一晶圓101尺寸和形狀皆是本揭露欲涵蓋的範圍。除此之外，任意數目的通孔102H可形成在晶圓結構中，並不限於第4圖所示的四個通孔102H，且越多數目的通孔102H可承載的生物晶片也越多，可達到一次性清洗大量晶圓的功能。第4圖的上視圖中，虛線區域顯示各通孔102H對應其第一孔洞H1和第二孔洞H2的透視區域，第二晶圓102的突出部分102P位於第一孔洞H1和第二孔洞H2所示的虛線區域之間。

第5圖根據本揭露的一些實施例說明晶圓結構中第二晶圓102的底面示意圖，其中線A-A’對應第1圖、第2圖和第3圖中晶圓結構剖面切開的位置。從第二晶圓102的下表面102L可更清楚看到突出部分102P的位置，即介於虛線所示的第一孔洞H1和第二孔洞H2之間。

第6圖根據本揭露的一些實施例說明晶圓結構中第一晶圓101的上視圖，其中線A-A’對應第1圖、第2圖和第3圖中晶圓結構剖面切開的位置。在如第6圖的實施例中，第一晶圓101的上表面101U平坦且連續。虛線區域顯示第一孔洞H1和第二孔洞H2於上表面101U上的投影位置。

第7圖根據本揭露的一些實施例說明使用晶圓結構清洗生物晶片105的示意圖，此清洗結構400包含上述的晶圓結構100、液體/氣體通入元件107及旋轉元件106。需注意的是，第7圖的晶圓結構100也可替換為第2圖的晶圓結構200或第3圖的晶圓結構300。生物晶片105置於第二晶圓102的第二孔洞H2中。旋轉元件106從第一晶圓101的下表面101L連接晶圓結構100並旋轉晶圓結構100。液體/氣體通入元件107提供清洗溶液或氣體至第二晶圓102的第一孔洞H1以清洗置於第二孔洞H2的生物晶片105。需注意的是，第7圖僅示例性的在右側的第二孔洞H2置放生物晶片105，並非意欲限制晶圓結構置放生物晶片的數目，任何合適的數目皆可，以達到一次性清洗多個生物晶片的目的。在一些實施例中，液體/氣體通入元件107置於晶圓結構100的中心上方，使通入第一孔洞H1的溶液或氣體藉由旋轉造成的離心力往外帶，進而清洗多個生物晶片。在一些實施例中，液體/氣體通入元件107可於晶圓結構100上方水平移動和/或垂直移動，以掃描的方式清洗生物晶片105，進而提高清洗的效率。在一些實施方式中，本揭露的生物晶片105在置放於第二孔洞H2時僅有正面曝露出來，從而可以液體或氣體清洗生物晶片具探針的正面，生物晶片105的側壁和背面不接觸液體或氣體。與以往將生物晶片泡進溶液的清洗方式相比，可避免兩面清洗對生物晶片造成較大的傷害，使清洗後的生物晶片具較多次的循環利用。

第8圖根據本揭露的一些實施例說明使用晶圓結構清洗生物晶片的流程500。在步驟S501中，將生物晶片置放於晶圓結構的第一晶圓和第二晶圓之間，其中生物晶片位於第二晶圓的第二孔洞中。在步驟S502中，藉由連接元件將第二晶圓固定於第一晶圓上，以夾持生物晶片，避免生物晶片在旋轉的過程因離心力而甩出。在步驟S503中，旋轉晶圓結構的同時從液體/氣體通入元件通入清洗溶液至第二晶圓的第一孔洞中。在一些實施例中，清洗溶液是酸性溶液或鹼性溶液，例如氫氟酸或硫酸等。在一些實施例中，清洗溶液是過氧化氫等。以往清洗生物晶片僅清洗探針上的載體（例如基因或蛋白質），無法保證清洗過程探針不受損傷，使生物晶片的偵測效果隨時間變差，生物晶片無法長久使用；相較之下，在一些實施例中，本揭露藉由旋轉承載生物晶片的晶圓結構並通入合適的清洗溶液，移除生物晶片上的載體，例如基因或蛋白質，並同時移除探針，後續再於生物晶片上修飾探針，使其具備偵測能力並長久重複利用。在一些實施例中，透過調整轉速和流量，使清洗溶液完整覆蓋晶圓結構的表面。在一些實施例中，在步驟S503，旋轉晶圓結構的轉速為800 rpm至2000 rpm，轉速過小會造成清洗效果不佳，轉速太高則會造成表面結構損壞或倒線。在步驟S504中，在旋轉晶圓結構並通入清洗溶液之後，將去離子水從液體/氣體通入元件通入第二晶圓的第一孔洞中並同時旋轉晶圓結構，以稀釋前述步驟加入的清洗溶液，例如酸性溶液或鹼性溶液。在一些實施例中，在步驟S504，旋轉晶圓結構的轉速為800 rpm至2000 rpm，轉速過小會造成清洗效果不佳，轉速太高則會造成表面結構損壞或倒線。在一些實施例中，在步驟S505中，在旋轉晶圓結構並通入去離子之後，將惰性氣體（例如：氮氣）從液體/氣體通入元件通入第二晶圓的第一孔洞中並同時旋轉晶圓結構。在一些實施例中，在步驟S505中，將表面張力低於水的表面張力(約73mN/m)的液體（例如：異丙醇）從液體/氣體通入元件通入第二晶圓的第一孔洞中並同時旋轉晶圓結構。在一些實施例中，在步驟S505中，在旋轉晶圓結構時，先通入惰性氣體至第一孔洞中，再通入表面張力低於約73mN/m的液體至第一孔洞中。在一些實施例中，在步驟S505中，在旋轉晶圓結構時，先通入表面張力低於約73mN/m的液體至第一孔洞中，再通入惰性氣體至第一孔洞中。在一些實施例中，在步驟S505，旋轉晶圓結構的轉速為800rpm至2000 rpm，轉速過小會造成清洗效果不佳，轉速太高則會造成表面結構損壞或倒線。進行步驟S505可旋乾生物晶片表面，避免留下水痕以影響生物晶片在修飾探針之後結合載體的能力或是影響生物晶片通電流之後的功能，其中使用惰性氣體旋乾生物晶片表面可避免過程中不必要的反應發生，而使用表面張力低於水(表面張力大約為73mN/m)的液體旋乾生物晶片表面則可加速去離子水隨著表面張力低於水的液體揮發的速度。在一些實施例中，步驟S503至步驟S505使用相同的轉速。在一些實施例中，步驟S503至步驟S505中，各步驟使用不同的轉速。

本揭露藉由旋轉晶圓結構的同時，以清洗溶液/氣體清洗夾置在晶圓結構內的生物晶片，以達到移除生物晶片表面載體目的，且一併移除生物晶片上的探針，在不傷害生物晶片基底的情況下使生物晶片得以重複利用。

前述概述一些實施例的特徵，使領域中的通常知識者可更好地了解當前揭露的方面。領域中的通常知識者應認知到他們可隨時利用本揭示內容作為設計或修改其他流程和結構的基礎，以實現相同的目的和/或實現此處介紹的實施例的相同優勢。領域中的通常知識者還應認知到這種等價建構不會偏離本揭示內容的精神和範圍，他們可在不偏離本揭示內容的精神和範圍下在此進行各種改變、替換和修改。

100:晶圓結構

101:第一晶圓

101L:下表面

101U:上表面

102:第二晶圓

102H:通孔

102L:下表面

102P:突出部分

102U:上表面

103:接合層

104:夾具

105:生物晶片

106:旋轉元件

107:液體/氣體通入元件

200:晶圓結構

300:晶圓結構

400:清洗結構

500:流程

A-A’:線

D1:第一孔徑

D2:第二孔徑

H1:第一孔洞

H2:第二孔洞

S501:步驟

S502:步驟

S503:步驟

S504:步驟

S505:步驟

閱讀本揭露的附圖時，建議從下文敘述瞭解本揭露的各個面向。需注意的是，按照工業的標準做法，各種特徵尺寸未依比例繪製。為了使討論更清楚，各種特徵尺寸可任意增加或減少。第1圖根據本揭露的一些實施例說明晶圓結構的剖面圖。第2圖根據本揭露的一些實施例說明包含接合層的晶圓結構的剖面圖。第3圖根據本揭露的一些實施例說明包含夾具的晶圓結構的剖面圖。第4圖根據本揭露的一些實施例說明晶圓結構的上視圖。第5圖根據本揭露的一些實施例說明晶圓結構中第二晶圓的底面示意圖。第6圖根據本揭露的一些實施例說明晶圓結構中第一晶圓的上視圖。第7圖根據本揭露的一些實施例說明使用晶圓結構清洗生物晶片的示意圖。第8圖根據本揭露的一些實施例說明使用晶圓結構清洗生物晶片的流程圖。