專利名稱：Dna探針陣列合成和探測用的光開關(guān)陣列組合及其制造方法
本專利一般涉及DNA探針陣列光引導(dǎo)合成和光激發(fā)探測用的光開關(guān)陣列組合，特別涉及由微機械加工而成，能選擇性啟動，并用于DNA探針陣列光引導(dǎo)合成和光激發(fā)探測的光開關(guān)陣列組合。
伴隨基因工程的迅速發(fā)展，疾病的基因診斷日漸普及，而通過基因分析揭示生命現(xiàn)象更是成為生命科學(xué)研究的基本途徑?；蛟\斷和基因分析的迫切要求就是要盡快發(fā)展出結(jié)構(gòu)簡單，精確度高，省時省力，價格低廉的DNA定序儀。最近幾年出現(xiàn)的DNA芯片具有體積小，樣品和試劑消耗少，測量速度快，可由未經(jīng)專門培訓(xùn)的人員操作等優(yōu)點。
DNA探針陣列已經(jīng)采用光引導(dǎo)的方法進行合成。例如，采用5’末端保護的核苷氨基磷酸酯(nucleosidephosphoramidite)“積木塊”通過光引導(dǎo)合成寡核苷酸。5’未端保護的基團可以是光易變的，也可以是酸易變的。在這種合成過程中，合成部位原是加于保護的，通過光照可以將保護去除。只有在合成部位去除保護后，不同種類的單核苷酸分子才能偶合到合成部位上去。不同序列DNA探針的合成就是通過這種去除保護和偶合的多次循環(huán)而實現(xiàn)的。有三種常用的光引導(dǎo)合成的方法，這三種方法分別為采用光易變保護基團和用光直接去除保護基團；采用酸易變的4，4’-二甲氧基三苯甲基(dimethoxytrityl或DMT)保護基團和用光去除用作保護層的光刻膠；采用DMT保護基團和用光去除用作保護層的光易變聚合物薄膜(PAG)。
這幾種方法都需要用到許多類似于制造集成電路所用的工藝。其中用得次數(shù)最多的工藝是圖形轉(zhuǎn)移或光刻技術(shù)。這種工藝要求先設(shè)計好光刻模版，使其包含大量規(guī)則排列的點區(qū)。當(dāng)平行光源通過光刻模版照射襯底時，會在襯底表面產(chǎn)生相似的圖形。只有光照射的點區(qū)才發(fā)生DNA合成，而無光照射的點區(qū)則不發(fā)生合成。
采用這種方法合成不同序列的DNA探針陣列需要進行多次光刻。例如，制造25個核酸苷的探針陣列至少需要進行一百次光刻，由于每個探針的序列都不盡相同，每次光刻用的光刻模版也都不相同。
直接寫入的光刻技術(shù)被用來改進上述方法合成DNA探針陣列所存在的成本，質(zhì)量，和效率等問題。這種直接寫入進行DNA探針陣列合成方法不用固定的光刻模板，而是臨時生成圖形，因此需要動態(tài)圖形生成器。具有這種直接成像功能的系統(tǒng)包含有空間光調(diào)制器，該調(diào)制器由計算機進行控制，使每次光刻時都能提供一幅預(yù)先設(shè)定的圖形，并投射到襯底表面進行光引導(dǎo)合成。
已知的空間光調(diào)制器分微機械調(diào)制器和微型機電調(diào)制器。有一種微機械調(diào)制器為微型反射鏡陣列，用微型金屬反射鏡對反射光進行調(diào)制，使一束光選擇性地反射到特定的區(qū)域。有一種微型機械調(diào)制器，其運行所依賴的不是調(diào)制反射光，而是調(diào)制透射光，例如液晶顯示器就屬于這種微型機械調(diào)制器。
這種直接寫入光刻合成DNA探針的方法存在一些問題。主要是該系統(tǒng)須配置實現(xiàn)光路對準的機械裝置，以將光束對準襯底上的特定區(qū)域，這些機械裝置包括X-Y平移臺和步進馬達，使平臺移動的距離等于襯底上特定區(qū)域的中心間隔。用這鐘方法大量生產(chǎn)DNA探針陣列要花很多勞力和時間，因此生產(chǎn)成本很高。另外，隨著探針陣列的規(guī)模不斷增加，生產(chǎn)成本更是節(jié)節(jié)攀升。
其次，雜交DNA探針的光探測也要求一套復(fù)雜的機械裝置。該裝置包括樣品臺，光源，光探測器，掃描器，和光轉(zhuǎn)發(fā)器等。掃描器要同時移動樣品臺和光轉(zhuǎn)發(fā)器。光轉(zhuǎn)發(fā)器要在探測的起始位置和終止位置之間進行跟蹤。以便每一個或一群探針都能精確定位，并能測出其在光束激發(fā)下發(fā)出的熒光。
本發(fā)明的宗旨，總的說來，就是要解決上述DNA探針陣列光引導(dǎo)合成和雜交DNA探針陣列光激發(fā)探測技術(shù)中存在的問題。具體說來，就是要達到如下幾個目的。
第一個目的，就是開發(fā)出一種光開關(guān)陣列組合，可用來進行DNA探針陣列的光引導(dǎo)合成和雜交DNA探針陣列光激發(fā)探測，而不需要配置光路對準和探針跟蹤的機械裝置。
第二個目的，就是開發(fā)出一種光開關(guān)陣列組合，其光開關(guān)陣列及其驅(qū)動電路被集成在同一襯底上，并且對需要進行DNA探針合成的每一組位置都能選擇性啟動光開關(guān)，引入光束予以照射。
第三個目的，就是開發(fā)出一種光開關(guān)陣列組合，其光開關(guān)陣列及其驅(qū)動電路被集成在同一襯底上，并且對需要進行光激發(fā)熒光探測的每一個雜交的DNA探針都能選擇性啟動光開關(guān)，引入光束予以照射。
第四個目的，就是開發(fā)出一種光開關(guān)陣列組合，其光開關(guān)陣列及其驅(qū)動電路被集成在同一襯底上，使得所有需要合成DNA探針的位置都能啟動光開關(guān)，引入光束直接進行照射，而對反應(yīng)溶液不會由于光路從中穿過而產(chǎn)生任何干擾。
第五個目的，就是開發(fā)出一種光開關(guān)陣列組合，其光開關(guān)陣列及其驅(qū)動電路被集成在同一襯底上，使得所有雜交的DNA探針都能啟動光開關(guān)，引入光束直接進行照射，而對相鄰的雜交探針不會由于光路從中穿過而產(chǎn)生任何干擾。
第六個目的，就是開發(fā)出一種由光開關(guān)陣列和驅(qū)動電路組成的光開關(guān)陣列組合，能用工業(yè)生產(chǎn)已經(jīng)成熟的集成電路技術(shù)和微機械加工技術(shù)進行批量生產(chǎn)。
第七個目的，就是開發(fā)出一種用于DNA探針光引導(dǎo)合成和雜交DNA探針光激發(fā)探測的光開關(guān)陣列組合，與控制電路集成，實現(xiàn)光路自動對準，生產(chǎn)成本低，運行速度快，操作簡單易行。
最后一個目的，就是開發(fā)出一種用于DNA探針光引導(dǎo)合成和雜交DNA探針光激發(fā)探測的光開關(guān)陣列組合，不需要分子生物學(xué)的實驗條件，不需要高級專才親自參預(yù)，可以安置在任何實驗室，醫(yī)院，和診所，由一般的技術(shù)人員運行操作。
為了實現(xiàn)上述目的以及其它目的，本發(fā)明提出的光開關(guān)陣列組合的特征結(jié)構(gòu)包括用作襯底的硅片，處于硅片之內(nèi)的光開關(guān)陣列，裝置于硅片之上的玻璃片，以及處于玻璃片表面的DNA探針陣列。硅片內(nèi)集成有啟動光開關(guān)的驅(qū)動電路，還可能集成有選取光開關(guān)的尋址電路。硅片的背面刻有許多深孔，每個深孔對準一只光開關(guān)，當(dāng)光開關(guān)開啟時，會引導(dǎo)一束光投射到光開關(guān)上方的玻璃片表面。
光開關(guān)陣列組合的每只光開關(guān)都由兩面平行，且由空氣層隔離的薄膜鏡子組成，也即由法布里-珀羅(Fabry-Perot)空腔組成。根據(jù)己知的理論，無損耗的法布里-珀羅空腔的透射系數(shù)T為鏡子的反射系數(shù)R1和R2以及鏡面間空氣間隔h的函數(shù)T＝[(1-R1)(1-R2)]/{[1-(R1R2)1/2]2+4(R1R2)1/2sin2(2πh/λ)}其中λ為工作光波波長。
上式分母中的正弦取值分別為0和1時，該式的數(shù)值分別達到最大值和最小值。因此，當(dāng)h取值為λ/4數(shù)倍時，透射系數(shù)變成Tmax＝[(1-R1)(1-R2)]/[1-(R1R2)1/2]2對于h＝0，λ/2，λ…
Tmin＝[(1-R1)(1-R2)]/[1+(R1R2)1/2]2對于h＝λ/4，3λ/4…由此可見，當(dāng)兩面鏡子的反射系數(shù)取值相等時，法布里-珀羅空腔的透射系數(shù)總是為1，而反射系數(shù)總是為0。因此，要獲得最大的襯度，或最大的法布里-珀羅空腔透射系數(shù)和最小的法布里-珀羅空腔反射系數(shù)，兩面薄膜鏡子的反射系數(shù)R1和R2要盡可能相等和盡可能取較大的數(shù)值。
基本理論同時告訴我們，當(dāng)鏡子的厚度取值為λ/(4n)的奇數(shù)倍時，鏡子的反射系數(shù)R1和R2取最大值，其中n為鏡子材料的折射率。在此情況下，鏡子的R1和R2表示為R1，2＝[(n2-n0)/(n2+n0)]2其中n0為鏡子底層材料的折射率。
本發(fā)明的光開關(guān)陣列組合的薄膜鏡子，最好是由無定型碳化硅構(gòu)成。其第一替代方案是由等離子增強化學(xué)氣相沉積(PECVD)法形成的氮化硅構(gòu)成。其第二替代方案是由低壓化學(xué)氣相沉積(LPCVD)法形成的氮化硅構(gòu)成。對于紫外光照射，無論是碳化硅還是氮化硅都是透明的，不會產(chǎn)生光的吸收損失。
根據(jù)文獻報道，無定型碳化硅的折射率為2.48至2.65，氮化硅的折射率為2.0至2.1。對于自由支持的薄膜，其下介質(zhì)為空氣，有n0＝1。用上述反射系數(shù)的公式計算，得出無定型碳化硅鏡子的反射系數(shù)R1，2分別為52％和56％，而氮化硅鏡子的反射系數(shù)R1，2分別為40％和36％。
基于法布里-珀羅空腔的光開關(guān)由靜電力進行運作。法布里-珀羅空腔的上部鏡子由四根彈性梁支持。當(dāng)無外加電壓施于腔體，且h等于λ/4的奇數(shù)倍時，腔體的透射系數(shù)取最大值，此時開關(guān)處于關(guān)閉狀態(tài)。當(dāng)有外加電壓作用時，在靜電力作用下，彈性梁發(fā)生彎曲，腔體的上部鏡子拉向下部，改變h的數(shù)值。一旦h的數(shù)值等于λ/4的偶數(shù)倍，腔體的透射系數(shù)則取最小值，此時開關(guān)進入開通狀態(tài)。當(dāng)有光源垂直照射硅片的背面時，硅片內(nèi)的每個深孔都會將一束光線引向與該深孔對應(yīng)的光開關(guān)。當(dāng)光開關(guān)處于關(guān)閉狀態(tài)時，深孔引入的光束被垂直反射回去。當(dāng)光開關(guān)處于開通狀態(tài)時，深孔引入的光束穿過開關(guān)，沿著原來的傅佈方向繼續(xù)前進。
外加電壓施于選定的光開關(guān)組由驅(qū)動電路和尋址電路決定。驅(qū)動電路包括模擬開關(guān)和門電路，尋址電路包括移位寄存器電路等。這兩種電路可以部分或全部與光開關(guān)陣列集成在同一塊硅片上。
用本發(fā)明的光開關(guān)陣列組合進行DNA探針陣列的光引導(dǎo)合成，如采用DMT保護基團和光刻膠工藝，其制程如下。第一，設(shè)計DNA探針序列，并編寫每步光照的計算機程序。計算機程序用于控制光開關(guān)陣列開與關(guān)的分配，以形成特定的明暗交替的點陣圖形，每個點區(qū)對應(yīng)一個需要進行DNA探針合成的位置。第二，在光開關(guān)陣列組合的玻璃片表面塗覆光刻膠，并將組合裝入反應(yīng)臺或反應(yīng)室，以便噴射含有DMT保護基團的單核苷酸溶液，單核苷酸有腺嘌呤(A)，胞嘧啶(C)，鳥嘌呤(G)，胸腺嘧啶(T)四種，每次只用一種，而不同的次數(shù)用不同的單核苷酸。光刻膠可以是正膠，也可以是負膠，其作用是分別使去除保護的區(qū)域接受光照或避免光照。第三，啟動光開關(guān)，打開弧光燈，照射合成表面，經(jīng)過一定的時間后，再關(guān)閉弧光燈。第四，進行光刻膠顯影和腐蝕，并用酸處理裸露的玻璃片區(qū)域，以去除已合成的寡核苷酸上的保護基團，然后去除殘存的光刻膠。第五，讓含有DMT保護基團的單核苷酸偶合到去除保護的寡核苷酸上。第七，再次在光開關(guān)陣列組合的玻璃片上塗覆光刻膠。上述各步驟依次反復(fù)進行，直至合成出多種所需DNA系列的DNA探針陣列為止。
DNA探針陣列的分析步驟包括，用熒光物標記DNA樣品的所有組成；將樣品噴射到玻璃片上，與玻璃片上的DNA探針陣列進行特異性雜交。如果樣品的某組成與玻璃片上的某些探針雜交成功，該組成將被固定在相應(yīng)的探針區(qū)域。如果與該區(qū)域相應(yīng)的光開關(guān)被打開，則該區(qū)域雜交的DNA探針在紫外光激發(fā)下發(fā)出熒光。根據(jù)熒光發(fā)出區(qū)域的地址信息，就可推斷相應(yīng)的探針類型，進而可以確定樣品的DNA順序。


圖1A表示本發(fā)明光開關(guān)陣列組合的一只光開關(guān)被開啟，由此引入一束光線照射到玻璃片的上表面，從而在該處形成一個DNA探針。
圖1B表示本發(fā)明光開關(guān)陣列組合的一只光開關(guān)被打開，由此引入一束光線照射到玻璃片表面的一個雜交的DNA探針，在該光線的激勵下雜交的DNA探針發(fā)射出熒光。
圖2表示從本發(fā)明光開關(guān)陣列組合切割下來的一個重復(fù)單元的部份切除透視圖，該單元包含一只光開關(guān)，處于光開關(guān)下的一個深孔，處于光開關(guān)上的一塊玻璃片，和在玻璃片表面形成的一個DNA探針。
圖3為從本發(fā)明光開關(guān)陣列組合在制造步驟1完成后的橫截面示意圖，該圖表示在一塊硅片的上表面形成了第一二氧化硅層，第一無定型碳化硅層，第二二氧化硅層，和第二無定型碳化硅層。
圖4為從本發(fā)明光開關(guān)陣列組合在制造步驟2完成后的橫截面示意圖，該圖表示在硅片上方形成了電連接線，隔離條，和反射膜。
圖5為從本發(fā)明光開關(guān)陣列組合在制造步驟3完成后的橫截面示意圖，該圖表示在硅片上方形成了填充的槽溝。
圖6為從本發(fā)明光開關(guān)陣列組合在制造步驟4完成后的橫截面示意圖，該圖表示在硅片上方刻劃出法布里-珀羅空腔的平面構(gòu)型。
圖7為從本發(fā)明光開關(guān)陣列組合在制造步驟5完成后的橫截面示意圖，該圖表示在硅片下方形成了對準法布里-珀羅空腔平面構(gòu)型的深孔。
圖8為從本發(fā)明光開關(guān)陣列組合在制造步驟6完成后的橫截面示意圖，該圖表示在腐蝕掉法布里-珀羅空腔平面構(gòu)型區(qū)內(nèi)的第二二氧化層后形成的基于法布里-珀羅空腔工作模式的光開關(guān)。
圖9為從本發(fā)明光開關(guān)陣列組合在制造步驟7完成后的橫截面示意圖，該圖表示一玻璃片置于法布里-珀羅空腔的上方。
圖10為從本發(fā)明光開關(guān)陣列組合在制造步驟8完成后的橫截面示意圖，該圖表示一個DNA探針形成于玻璃片的上表面。
本發(fā)明的光開關(guān)陣列組合如圖1A和圖1B所示。圖1A表示的光開關(guān)陣列組合構(gòu)成包括用作襯底的硅片201，位于硅片201中若干由102標示處于關(guān)閉狀態(tài)的光開關(guān)，位于硅片201中若干由103標示處于開啟狀態(tài)的光開關(guān)，置于硅片201上方的玻璃片104，和若干由112標示，處于玻璃片104上表面的DNA探針。光開關(guān)陣列組合構(gòu)成還包括若干由107標示的電子開關(guān)，由108標示的垂直移位寄存器，和由109標示的水平移位寄存器。每一只光開關(guān)由一只電子開關(guān)操控，而開啟的電子開關(guān)由垂直移位寄存器和水平移位寄存器聯(lián)合選定。硅片201的背面刻有若干深孔，每個深孔瞄準一只光開關(guān)。有一紫外光源垂直照射硅片201背面，并由深孔分割成若干分開的光束。當(dāng)光開關(guān)處于關(guān)閉狀態(tài)時，如102所標記，深孔中的光束被光開關(guān)垂直反射回去，如106所標記。當(dāng)光開關(guān)處于開啟狀態(tài)時，如103所標記，深孔中的光束可以穿過光開關(guān)，沿著原來傅播的方向繼續(xù)前進，并投射到玻璃片104的表面，如105所標記。被光束照射的玻璃片表面如塗覆有DNA合成溶液，會發(fā)生光引導(dǎo)合成，形成DNA探針，如112所標示。
圖1B所表示的光開關(guān)陣列組合，除了以標號113取代標號112以外，其它標號均與圖1B中的標號含意相同。標號113表示DNA探針112與用熒光素標記的DNA樣品特異性結(jié)合后形成的雜交DNA探針。在紫外光激勵下，雜交的DNA探針會發(fā)射熒光，并由光探測器檢測。如果雜交的DNA探針類型已知，也即雜交的DNA探針順序已知，根據(jù)開啟的光開關(guān)的地址信息可以推測出該樣品DNA類型或該樣品DNA順序。
本發(fā)明光開關(guān)陣列組合的周期性重復(fù)單元如圖2所示。該單元包括硅片201，依次沉積在硅片201上的第一無定型碳化硅層202，二氧化硅層203，和第二無定型碳化硅層層204，以及一個法布里-珀羅空腔。該法布里-珀羅空腔由第一無定型碳化硅膜205，空氣隔層206，和第二無定型碳化硅膜207組成。第二無定型碳化硅膜207由四條對稱分布的無定型碳化硅梁208所支持。每條無定型碳化硅梁208通過兩個固定樁209與硅片相連。金屬電極210覆蓋整個無定型碳化硅梁208和無定型碳化硅膜207的周圍部分。第一無定型碳化硅膜205的背面由防止光反射的薄膜211所覆蓋，并與向硅片201背面敞開的深孔213對準。法布里-珀羅空腔占據(jù)的區(qū)域由八條防腐蝕墻214所環(huán)抱。每條固定樁209與一條對應(yīng)的防腐蝕墻214相連。硅片背面覆蓋有光反射膜215。一玻璃片217通過隔條216置于硅片201上方。一個DNA探針218處于玻璃片217上表面，并與處于其下方的深孔213對準。
第一和第二無定型碳化硅膜205和207的厚度設(shè)定為λ/(4nSiC)的奇數(shù)倍，以使該兩無定型碳化硅膜的反射系數(shù)都取最大值，其中nSiC為無定型碳化硅的折射率。空氣隔層206的原始厚度設(shè)定為λ/4的奇數(shù)倍，以使法布里-珀羅空腔的透射系數(shù)取極小值，或使該腔體處于全反射狀態(tài)。
無定型碳化硅的電阻率高達1010至1014歐姆-厘米，因此由電極210與硅片組合的平板結(jié)構(gòu)，可以成為良好的平行平板電容器。當(dāng)有一電壓施加于該電容器時，產(chǎn)生的靜電力作用于無定型碳化硅梁208，使其彎曲而將無定型碳化硅膜207向下推移，從而減小空氣隔層206的厚度。而當(dāng)空氣隔層206的厚度被減小到等于λ/4的偶數(shù)倍時，法布里-珀羅空腔被驅(qū)動進入全透射狀態(tài)。
DNA探針218由光束照射引導(dǎo)合成而成，其形狀和尺寸大體復(fù)制于深孔213，因為照射光束是通過深孔引入的，也即通過深孔，從照射硅片201背面的平行光線中分割出來的。
作為一種替代方案，法布里-珀羅空腔由PECVD氮化硅膜構(gòu)成。在此情況下，由無定型碳化硅層—二氧化硅層—無定型碳化硅層組成的多層結(jié)構(gòu)被由PECVD氮化硅層—鋁層—PECVD氮化硅層所組成的多層結(jié)構(gòu)所取代。
作為另一種替代方案，法布里-珀羅空腔由LPCVD氮化硅膜構(gòu)成。在此情況下，由無定型碳化硅層—二氧化硅層—無定型碳化硅層組成的多層結(jié)構(gòu)被由LPCVD氮化硅層—二氧化桂層—LPCVD氮化硅層所組成的多層結(jié)構(gòu)所取代。
優(yōu)先推薦的本發(fā)明光開關(guān)組合特征制造流程總共包括八個步驟，各個步驟分別由圖3至圖10表示。第一制造步驟如圖3所示，準備好用作襯底的硅片301，并在該硅片表面依次沉積第一二氧化硅層302，第一無定型碳化硅層303，第二二氧化硅層304，和第二無定型碳化硅層305。硅片301可以是經(jīng)歷過MOS電路制程的，并且制作有若干不同類型的MOS電路，包括模擬電子開關(guān)電路，門電路，尋址電路等。第一二氧化硅層由PECVD沉積，其厚度稍微大于λ/(4nSiO2)，使得此層在稍后形成深孔過程中受到輕微腐蝕后，其厚度正好等于λ/(4nSiO2)。所采用的沉積參數(shù)為RF功率250瓦，溫度300攝氏度，N2O流量300標準立方厘米/分鐘，SiH4流量40標準立方厘米/分鐘，和氣壓240毫托。在此條件下產(chǎn)生的沉積速率為600埃/分鐘。第一無定型碳化硅層303也由PECVD沉積，其厚度等于λ/(4nSiC)奇數(shù)倍。所采用的沉積爐為雙頻率RF加熱爐。所采用的沉積參數(shù)為氣壓600毫托，SiH4流量10標準立方厘米/分鐘，CH4流量250標準立方厘米/分鐘，Ar流量300標準立方厘米/分鐘，溫度300攝氏度，和RF功率60瓦。在上述條件下所獲得的無定型碳化硅層303的應(yīng)力低于50毫帕，并且具有較強的耐腐蝕能力。第二二氧化硅層304也由上述二氧化硅PECVD工藝沉積，沉積的厚度為λ/4的奇數(shù)倍。第二無定型碳化硅層305也由上述無定型碳化硅PECVD工藝沉積，其厚度也等于λ/(4nSiC)奇數(shù)倍，但沉積的厚度大于無定型碳化硅層303的厚度，以使該層具有比較高的機械強度。
第二制造步驟如圖4所示，在硅片301的兩面分別形成電連接線306，隔離條308，和反射膜307。為此，用電子束蒸發(fā)技術(shù)將1500埃厚的鋁層沉積到硅片301的兩面。對上表面的鋁層進行光刻腐蝕，以形成鋁層圖形，鋁腐蝕用H3PO4∶HAC∶CH3COOH＝8∶0.5∶0.1∶1腐蝕溶液。然后在硅片301的上表面形成另一僅暴露隔條308的光刻圖形，在光刻膠圖形上沉積另一層3微米厚的鋁層。去除鋁層下的光刻膠，隨同去除光刻膠上的鋁層，僅保存隔條308上的鋁層。用這種鋁層加厚技術(shù)將隔條308的鋁層加厚到大于3微米，而硅片表面其它各處的鋁層厚度則維持不變。
第三制造步驟如圖5所示，形成填充的腐蝕停止槽309和固定樁(圖中未標出)。此步包括在第二無定型碳化硅層305和第二二氧化硅層304中刻蝕出空槽。為此，先在第二無定型碳化硅層305上形成光刻圖形，然后將硅片放入反應(yīng)離子腐蝕(RIE)器中進行干法腐蝕。腐蝕條件為功率60瓦，氣壓0.05毫托，CF4流量70標準立方厘米/分鐘，SF6流量10標準立方厘米/分鐘，和O2，流量10標準立方厘米/分鐘。在此條件下，產(chǎn)生的腐蝕速率為800埃/分鐘，產(chǎn)生的對二氧化硅和對光刻膠的腐蝕選擇系數(shù)分別為1.2和0.7。第二二氧化硅層304由稀釋的HF溶液腐蝕。最終將刻出的空槽重新填實，為此，先用光刻膠保護除空槽以外的所有區(qū)域，然后用PECVD方法沉積無定型硅層，以覆蓋空槽內(nèi)壁，最后用PECVD方法沉積二氧化硅層填實空槽。溶去光刻膠，則除填充的空槽外，在其它區(qū)域沉積的無定型硅和二氧化硅層均隨著光刻膠溶解而除去。
第四制造步驟如圖6所示，刻劃出法布里-珀羅空腔的平面結(jié)構(gòu)。在形成光刻膠保護圖形后，對第二無定型碳化硅層305進行干法腐蝕，腐蝕的條件與上述腐蝕無定型碳化硅的工藝相同。此步完成后，填充的溝槽309成為腐蝕停止墻309。
第五制造步驟如7所示，在硅片301的背面刻出深孔311。刻蝕之前，在硅片301的背面形成9至10微米厚，開有腐蝕窗口的光刻圖形。接著用鋁腐蝕溶液除去窗口中的鋁層，再放進博斯(Bosch)干法腐蝕器，以腐蝕窗口中的硅層。腐蝕一直進行到將硅片301腐蝕透，最后停止在另一面的第一二氧化硅層302。深孔311的直徑為4至30微米，典型值為10微米。深孔311底部露出的二氧化硅層302因經(jīng)過輕微的腐蝕，厚度有所減少，但恰好可用作抗反射膜312。
第五制造步驟如8所示，用稀釋的HF溶液腐蝕掉腐蝕停止墻309所包圍的第二二氧化硅層304部分。由此形成第一無定形碳化硅薄313，四條無定形碳化硅梁314，空氣隔層315，和第二無定形碳化硅薄316。每條無定形碳化硅梁314的兩相對邊由兩個固定樁支持，該固定樁是在填充槽309的制造過程中形成的。第一無定形碳化硅薄313的尺寸為4×4至40×40平方微米，典型值為20×20平方微米。無定形碳化硅梁314的長和寬分別為4至30微米，典型值為10微米，1至5微米，典型值為2微米。
第七制造步驟如9所示，將玻璃片317置于硅片301之上，其間通過隔條308隔開。玻璃片317的背面可以覆蓋抗反射膜，且其背面周邊也可以密封，以便在DNA的合成過程中保護光開關(guān)陣列。玻璃片317是一次性使用的，而光開關(guān)陣列則可以重復(fù)使用，因此，密封的方式應(yīng)該是可撤除的。
第八制造步驟如10所示，在玻璃片317表面合成DNA探針陣列318。DNA探針陣列318的合成采用光易變保護基團和用光去除保護層工藝。該工藝要求首先用光易變保護基團對玻璃片317表面進行修飾。然后通過開啟第一批光開關(guān)引入光束群，使其照射第一批需要進行DNA合成的位置，以產(chǎn)生反應(yīng)羥基。接著噴塗第一種3‘未端被激活5‘未端羥基結(jié)合有光易變基團的脫氧核苷酸，使在合成位置發(fā)生偶合。經(jīng)過偶合和氧化處理后，再將玻璃片317進行沖洗，然后開啟第二批光開關(guān)引入光束群，使其照射第二批須進行合成的位置。接著將第二種3‘未端被激活5‘未端羥基結(jié)合有光易變基團的脫氧核苷酸噴塗到合成位置。這種選擇性光去除保護和偶合循環(huán)重復(fù)進行下去，直至獲得所需順序的DNA探針陣列為止。
作為一種替代方案，DNA探針陣列318的光引導(dǎo)合成采用酸易4，4‘未端保護基團和光刻膠工藝。
作為另一種替代方案，DNA探針陣列318的光引導(dǎo)合成采用DMT保護基團和含有光酸產(chǎn)生者(PAG)的聚合物薄膜工藝。
第二優(yōu)先制造本發(fā)明光開關(guān)組合的特征流程采用由第一鋁層，第一PECVD氮化硅層，第二鋁層，和第二PECVD氮化硅層組成的多層結(jié)構(gòu)，以取代由第一二氧化硅層，第一無定型碳化硅層，第二二氧化硅層，和第二無定型碳化硅層組成的多層結(jié)構(gòu)。兩種制程的區(qū)別具體包括如下幾項1.沉積PECVD氮化硅所用的參數(shù)為SiH4流量170標準立方厘米/分鐘，NH3流量30標準立方厘米/分鐘，溫度300攝氏度，氣壓450毫托，功率250瓦，產(chǎn)生沉積速率160埃/分鐘。RIE腐蝕PECVD氮化硅層的參數(shù)CHF4流量7.5標準立方厘米/分鐘，N2流量42.5標準立方厘米/分鐘，氣壓37.5毫托，功率60瓦，產(chǎn)生腐蝕速率250埃/分鐘。
2.添充空槽的材料用二氧化硅。
3.刻出深孔后露出的第一鋁層需要腐蝕掉，然后沉積一層厚λ/(4nSiO2)的二氧化硅層用作抗反射膜。
第三優(yōu)先制造本發(fā)明光開關(guān)組合的特征流程采用由第一二氧化硅層，第一LPCVD氮化硅層，第二二氧化硅層，和第二LPCVD氮化硅層組成的多層結(jié)構(gòu)，以取代由第一二氧化硅層，第一無定型碳化硅層，第二二氧化硅層，和第二無定型碳化硅層組成的多層結(jié)構(gòu)。兩種制程的區(qū)別具體包括如下幾項1.光開關(guān)陣列開始制造時，硅片上的MOS電路尚未完成金屬化步驟。
2.RIE腐蝕LPCYD氮化硅所用的參數(shù)為CHF4流量7.5標準立方厘米/分鐘，N2流量42.5標準立方厘米/分鐘，氣壓37.5毫托，功率60瓦，產(chǎn)生腐蝕速率250埃/分鐘。
3.金屬化形成電連線，隔離條，和反射膜被作為光開關(guān)陣列制程的最后一步進行。
以上所述以法布里-珀羅空腔為基礎(chǔ)的光開關(guān)陣列只是本發(fā)明的一個例證，本發(fā)明的內(nèi)容并不完全局限于此。對上述例證進行某些修改，熟識本專業(yè)的工程技術(shù)人員在讀過本說明后是很容易做到的。因此本發(fā)明的精髓不是由上述內(nèi)容限定，而是由本發(fā)明的權(quán)利要求限定。
權(quán)利要求
1.一種用于DNA探針光合成和雜交DNA探針光探測的光開關(guān)陣列組合，其特征結(jié)構(gòu)包括一硅片，一處于硅片內(nèi)，以法布里-珀羅空腔模式工作的光開關(guān)陣列，一處于硅片內(nèi)，促使光開關(guān)運行的驅(qū)動電路，若干處于硅片內(nèi)的深孔，每個深孔對著一只光開關(guān)，并引導(dǎo)一束光線射向該光開關(guān)，一塊置于硅片上的玻璃片，和一處于玻璃片上，由光引導(dǎo)合成的DNA陣列。
2.一種用于DNA探針光合成和雜交DNA探針光探測的光開關(guān)陣列組合，其特征結(jié)構(gòu)包括一硅片，一處于硅片內(nèi)，以法布里-珀羅空腔模式工作的光開關(guān)陣列，一處于硅片內(nèi)，促使光開關(guān)運行的驅(qū)動電路，若干處于硅片內(nèi)的深孔，每個深孔對著一只光開關(guān)，并引導(dǎo)一束光射向該光開關(guān)，一塊置于硅片上的玻璃片，和一處于玻璃片上的雜交DNA陣列。
3.一種用于DNA探針光合成和雜交DNA探針光探測的光開關(guān)陣列組合的制造方法，其特征制造步驟包括準備好制作有驅(qū)動電路的硅片，在硅片上沉積抗光反射薄膜，在抗光反射薄膜上沉積第一層鏡面層，在第一層鏡面層上沉積犧牲層，在積犧牲層上沉積第二鏡面層，在第二鏡面層上形成電連線，電極，和隔離條，形成填充槽，由此劃定可形變法布里-珀羅空腔的平面構(gòu)造，并同時造就支持腔體彈性梁的固定樁，腐蝕掉填充槽所包圍的犧牲層，以形成法布里-珀羅空腔，在硅片背面腐蝕出深孔，在硅片上方放置玻璃片，和在玻璃片上進行光引導(dǎo)合成DNA探針陣列。
4.一種用于DNA探針光合成和雜交DNA探針光探測的光開關(guān)陣列組合的制造方法，其權(quán)利要3所述的特征制造步驟還包括所述的第一和第二鏡面材料為無定型碳化硅。
5.一種用于DNA探針光合成和雜交DNA探針光探測的光開關(guān)陣列組合的制造方法，其權(quán)利要3所述的特征制造步驟還包括所述的第一和第二鏡面材料為PECVD氮化硅。
6.一種用于DNA探針光合成和雜交DNA探針光探測的光開關(guān)陣列組合的制造方法，其權(quán)利要3所述的特征制造步驟還包括所述的第一和第二鏡面材料為LPCVD氮化硅。
7.一種用于DNA探針光合成和雜交DNA探針光探測的光開關(guān)陣列組合的制造方法，其權(quán)利要3所述的特征制造步驟還包括所述的犧牲層材料為二氧化硅。
8.一種用于DNA探針光合成和雜交DNA探針光探測的光開關(guān)陣列組合的制造方法，其權(quán)利要3所述的特征制造步驟還包括所述的犧牲層材料為鋁。
9.一種用于DNA探針光合成和雜交DNA探針光探測的光開關(guān)陣列組合的制造方法，其權(quán)利要3所述的特征制造步驟還包括所述的填充槽由外襯無定型硅的二氧化硅所填充。
10.一種用于DNA探針光合成和雜交DNA探針光探測的光開關(guān)陣列組合的制造方法，其權(quán)利要3所述的特征制造步驟還包括所述的填充槽由二氧化硅所填充。
全文摘要
一種用于DNA探針陣列進行光引導(dǎo)合成和雜交DNA探針陣列光激發(fā)探測的光開關(guān)陣列組合，包括硅片，光開關(guān)陣列，驅(qū)動電路和選址電路，光束引導(dǎo)孔，硅片，和DNA陣列。光開關(guān)工作基于法布里－珀羅空腔模式，該腔體由微機械加工形成，其由空氣層隔開的兩面平行鏡子由介質(zhì)薄膜構(gòu)成。光開關(guān)選擇性開啟后引入光束照射玻璃片上的合成位置，從而得以進行光引導(dǎo)合成DNA探針。光開關(guān)選擇性開啟后引入光束照射玻璃片上的雜交DNA探針，激發(fā)雜交的DNA探針發(fā)射出熒光，從而得以對雜交的DNA探針進行光探測。
文檔編號C12Q1/68GK1439722SQ0210369
公開日2003年9月3日 申請日期2002年2月19日 優(yōu)先權(quán)日2002年2月19日
發(fā)明者涂相征, 李韞言 申請人:李韞言