KR20210099070A - 통합 센서 디바이스들을 위한 샘플 웰 제작 기술들 및 구조물들 - Google Patents

통합 센서 디바이스들을 위한 샘플 웰 제작 기술들 및 구조물들 Download PDF

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Abstract

통합 디바이스를 형성하는 방법은, 기판의 클래딩 층 내에 샘플 웰을 형성하는 단계; 기판 위에 및 샘플 웰 내로 희생 스페이서 층을 형성하는 단계; 샘플 웰의 측벽들 상에 희생 측벽 스페이서를 형성하기 위해 희생 스페이서 층의 방향성 에칭을 수행하는 단계; 생체분자의 부착을 위한 위치를 제공하는 기능 층을 기판 위에 및 샘플 웰 내로 형성하는 단계; 및 희생 스페이서 재료를 제거하는 단계를 포함한다.

Description

통합 센서 디바이스들을 위한 샘플 웰 제작 기술들 및 구조물들
관련 출원들
본 출원은, 2018년 12월 3일에 출원된 발명의 명칭이 "통합 센서 디바이스들을 위한 샘플 웰 제작 기술들 및 구조물들(SAMPLE WELL FABRICATION TECHNIQUES AND STRUCTURES FOR INTEGRATED SENSOR DEVICES)"인 가출원 미국 출원 번호 제62/774,673호에 대한 35 U.S.C. §119(e) 하에서의 우선권을 주장하고, 그 전체 내용들은 본 명세서에 참조로써 포함된다.
본 개시는 일반적으로 생물학적 서열화(biological sequencing)에 관한 것으로서, 더 구체적으로는 서열화 머신들과 연계하여 사용될 수 있는 통합 센서 디바이스들을 위한 샘플 웰 제작 기술들 및 연관된 구조물들에 관한 것이다.
핵산들(예를 들어, 디옥시리보핵산(DNA), 리보핵산(RNA))의 서열화(sequencing)는 표적 핵산에서 개개의 뉴클레오티드들을 식별하는 것을 포함한다. 일부 핵산 서열화 방법들은 표적 핵산에 상보적인 핵산 가닥(nucleic acid strand)에 통합될 때 개개의 뉴클레오티드들을 식별하는 것을 포함한다. 그러면 서열화 프로세스 동안 식별된 상보적인 가닥에 대한 일련의 뉴클레오티드들은 표적 핵산 가닥에 대한 뉴클레오티드 서열의 식별을 허용할 수 있다.
생물학적 샘플들의 검출 및 분석은 생물학적 검정들("bioassays(생물검정들)")을 사용하여 수행될 수 있다. 생물검정들은 통상적으로 장비를 작동시키고 생물검정들을 수행하도록 훈련된 연구 과학자들을 요구하는 크고 비싼 실험실 장비를 수반한다. 게다가, 생물검정들은 통상적으로 대량으로 수행되므로 검출 및 정량화를 위해 다량의 특정 유형의 샘플이 필요하다.
일부 생물검정들은, 특정 파장의 빛을 방출하는 발광 마커(luminescent marker)들로 샘플들을 태깅함으로써 수행된다. 마커들은 광원으로 조명(illuminate)되어 발광을 야기하고, 발광 광은 광검출기로 검출되어 마커들에 의해 방출되는 발광 광의 양을 정량화한다. 발광 마커들을 사용하는 생물검정들은 통상적으로, 샘플들을 조명하는 비싼 레이저 광원들 및 조명된 샘플들로부터의 발광을 수집하기 위한 복잡한 발광 검출 광학소자들 및 전자기기들을 수반한다.
한 양상에서, 통합 디바이스를 형성하는 방법은 기판의 클래딩 층(cladding layer) 내에 샘플 웰을 형성하는 단계; 기판 위에 및 샘플 웰 내로 희생 스페이서 층을 형성하는 단계; 샘플 웰의 측벽들 상에 희생 측벽 스페이서를 형성하기 위해 희생 스페이서 층의 방향성 에칭을 수행하는 단계; 생체분자의 부착을 위한 위치를 제공하는 기능 층을 기판 위에 및 샘플 웰 내로 형성하는 단계; 및 희생 스페이서 재료를 제거하는 단계를 포함한다.
또 다른 양상에서, 통합 디바이스는 클래딩 층; 클래딩 층 위에 형성된 금속 스택 - 금속 스택은 제1 금속 층 및 제2 금속 층을 가짐 -; 금속 스택을 통해 및 클래딩 층의 적어도 일부 내로 형성된 샘플 웰 - 샘플 웰은 동일한 재료를 포함하는 측벽들 및 하부 표면을 가짐 -; 제1 및 제2 금속 층들 중 적어도 하나의 언더컷 영역을 채우는 캡슐화 스페이서 재료; 및 샘플 웰의 하부 표면에만 선택적으로 형성된 비오틴 기능 모이어티 - 비오틴 기능 모이어티는 이에 대한 생체분자의 부착을 위해 구성됨 - 를 포함한다.
본 출원의 다양한 양상들 및 실시예들이 이하의 도면들을 참조하여 설명될 것이다. 도면들은 반드시 축척비율대로 그려진 것은 아니라는 것이 이해되어야 한다. 복수의 도면들에 나타나는 항목들은 그것들이 나타나는 모든 도면들에서 동일한 참조 번호로 표시된다.
도 1은 본 명세서에 설명된 실시예들과 함께 사용될 수 있는 예시적인 서열화 시스템의 개략도이다.
도 2는 도 1에 예시된 예시적인 서열화 시스템의 더 상세한 개략도이다.
도 3a 및 도 3b는 예시적인 서열화 머신의 통합 디바이스를 더 상세히 예시하는 단면도들이다.
도 4는 도 1, 도 2, 도 3a 및 도 3b의 통합 디바이스의 예시 샘플 웰을 예시하는 단면도이다.
도 5는 도 4의 샘플 웰을 형성하기 위한 예시적인 프로세스 흐름을 예시하는 흐름도이다.
도 6 내지 도 15는 도 5의 예시적인 제작 프로세스 흐름을 예시하는 순차적 인 단면도들이다.
본 명세서에 설명된 기술들은 단백질들 및 펩티드들의 서열화뿐만 아니라, DNA 및 RNA와 같은 핵산들의 서열화, 특히 센서로부터 획득된 데이터를 기반으로 뉴클레오티드들을 자동으로 식별하기 위한 기술들과 관련된다. 핵산 서열화는 표적 핵산에서 뉴클레오티드들의 순서와 위치의 결정을 허용한다. 일부 핵산 서열화 방법들은 합성에 의한 서열화에 기반하며, 여기서 뉴클레오티드가 표적 핵산에 상보적인 핵산의 새로이 합성된 가닥에 혼입될 때 뉴클레오티드의 신원이 결정된다. 서열화 동안, 중합 효소(예를 들어, DNA 폴리머라아제)는 표적 핵산 분자의 프라이밍 위치에 결합(예를 들어, 부착)할 수 있으며 일반적으로 프라이머 연장 반응이라고 참조될 수 있는 중합 효소의 작용을 통해 프라이머에 뉴클레오티드들을 첨가하거나 혼입할 수 있다.
각각의 뉴클레오티드는, 여기(excitation)에 응답하여 광을 방출하는 발광 분자(예를 들어, 형광단)와 연관될 수 있고, 이는 상이한 유형의 뉴클레오티드들을 구별하기 위해 각각의 유형의 뉴클레오티드를 라벨링하는 데 사용된다. 예를 들어, 4개의 라벨들의 세트가, DNA에 존재하는 핵염기(nucleobase)들을 라벨링하되, 세트의 각각의 마커가 상이한 핵염기와 연관되도록 라벨링하는 데 사용될 수 있고, 예를 들어, 제1 라벨은 아데닌(A)과 연관되고, 제2 라벨은 시토신(C)과 연관되고, 제3 라벨은 구아닌(G)과 연관되고, 제4 라벨은 티민(T)과 연관된다. 라벨은 직접적으로 또는 링커 분자를 통해 간접적으로 뉴클레오티드에 대한 라벨의 결합을 통해 뉴클레오티드에 결합될 수 있다.
프라이머 연장 반응이 발생하면, 합성된 상보적인 핵산 내로의 뉴클레오티드의 혼입 동안 중합 효소에 의해 뉴클레오티드 및 그것의 각각의 발광 라벨이 유지된다. 발광 라벨은, 뉴클레오티드가 합성된 핵산에 혼입되고 라벨의 광 특성을 방출하는 기간 동안 광의 펄스들에 의해 여기될 수 있다. 일부 실시예들에서, 라벨은 직접적으로 또는 링커 분자를 통해 간접적으로 뉴클레오티드의 말단 인산염에 부착되되, 뉴클레오티드의 혼입 동안 중합 효소의 작용을 통해 라벨이 뉴클레오티드로부터 분리되거나 방출되도록 한다(예를 들어, 인산염 결합의 절단). 여기에 응답하여 발광 라벨에 의해 방출되는 광을 감지하고 분석하는 것은, 혼입된 뉴클레오티드를 식별하는 것을 허용할 수 있다. 프라이머 연장 반응이 발생하면, 합성된 핵산에 추가되는 각각의 후속 뉴클레오티드에 대해 여기, 감지 및 분석이 수행된다. 표적 핵산의 서열은 합성된 핵산의 상보적인 서열로부터 결정될 수 있다.
발광 라벨에 의해 방출되는 광은, 라벨을 다른 라벨들과 구별하고 그에 따라 뉴클레오티드를 식별하는 데 사용될 수 있는 다수의 특성들을 가질 수 있다. 이러한 특성들은 강도(예를 들어, 광을 방출할 확률), 시간적 특성(예를 들어, 여기 이후 광자 방출 확률의 감쇠 속도, 혼입을 위한 펄스 지속시간 및/또는 혼입 이전 및/또는 이후의 펄스간 지속시간), 스펙트럼 특성(예를 들어, 방출된 광의 파장(들)), 또는 이들의 임의의 조합을 포함한다. 발광 라벨에 의해 방출되는 광은 이러한 특성들 중 하나 이상을 검출할 수 있는 광검출기에 의해 검출될 수 있다. 적합한 광검출기의 예는, 참조에 의해 전체 내용이 본 명세서에 포함되는, 발명의 명칭이 "INTEGRATED DEVICE FOR TEMPORAL BINNING OF RECEIVED PHOTONS"인 미국 특허 출원 제14/821,656호에 설명되어 있다. 그 명세서에서 설명되는 바와 같이, 광검출기는 광자들의 도달 시간들을 검출하는 능력을 가질 수 있으며, 이는 라벨들에 의해 방출되는 광의 시간적 특성들을 결정하는 것을 허용할 수 있다. 방출된 광의 시간적 특성들을 검출하는 것은, 결국, 상이한 시간적 특성들을 가진 광을 방출하는 라벨들을 구별하는 것을 허용할 수 있다. 시간적 특성의 하나의 예는 휘도 수명이다. 형광단과 같은 발광 분자는 여기에 응답하여 광자들을 방출할 수 있다. 발광 분자가 광자를 방출할 확률은 여기가 발생한 이후 시간 경과에 따라 감소한다. 확률의 감쇠 속도는 기하급수적일 수 있다. "수명"은 시간 경과에 따라 확률이 얼마나 빨리 감쇠하는지의 특성이다. 빠른 감쇠는 짧은 수명을 갖는다고 언급되는 반면, 느린 감쇠는 긴 수명을 갖는다고 언급된다. 발광 분자들에 의해 방출되는 빛의 시간적 특성들을 검출하는 것은, 상이한 수명들을 갖는 발광 분자들을 구별하는 것을 허용할 수 있다. 상이한 수명들을 갖는 발광 분자들로 상이한 뉴클레오티드들을 라벨링하는 것은, 검출된 광의 시간적 특성을 기반으로 뉴클레오티드들을 구별하는 것을 허용할 수 있다.
앞서 언급된 미국 특허 출원 제14/821,656호에 설명된 광검출기는, 나노초 또는 피코초 해상도로 광자들의 도달 시간을 검출할 수 있고, 입사 광자들의 도달을 시간-비닝(time-bin)할 수 있다. 광자들의 방출은 확률적이기 때문에, 라벨은 복수회 여기될 수 있으며 임의의 결과적인 광자 방출들은 시간-비닝될 수 있다. 이러한 측정을 복수회 수행하는 것은, 여기 이벤트 이후에 광자들이 도착한 시간들의 히스토그램을 채우는 것을 허용할 수 있다. 이 정보는 분석되어 방출된 광의 시간적 특성을 계산할 수 있으며, 이는 시간적 특성에 기반하여 그 라벨을 또 다른 라벨과 구별하는 것을 허용할 수 있다.
단일 분자들 또는 입자들의 검출 및 정량화를 수행하기 위한 컴팩트한 고속 장치는 생물학적 및/또는 화학적 샘플들의 복잡한 정량적 측정들을 수행하는 비용을 감소시킬 수 있고 생화학적 기술 발견들의 속도를 신속하게 진전시킬 수 있다. 게다가, 용이하게 운송가능한 비용-효율적인 디바이스는, 선진국에서 생물검정들이 수행되는 방식을 변화시킬 수 있을 뿐만 아니라, 개발 도상국의 사람들에게, 처음으로, 그들의 건강과 복지를 극적으로 개선할 수 있는 필수적인 진단 테스트들로의 액세스를 제공할 수 있다. 예를 들어, 본 명세서에서 설명되는 실시예들은, 가정에 있는 개인들에 의해 또는 개발 도상국에 있는 원격 클리닉의 의사에 의해 사용될 수 있는, 혈액, 소변 및/또는 타액의 진단 테스트들에 사용될 수 있다.
다수의 픽셀들(예를 들어, 수백, 수천, 수백만 또는 그 이상)을 갖는 픽셀 화된 센서 디바이스는 복수의 개개의 분자들 또는 입자들의 병렬 검출을 허용한다. 분자들은, 제한이 아닌 예로서, 단백질들 및/또는 DNA일 수 있다. 게다가, 초당 100 프레임을 초과하는 데이터를 취득할 수 있는 고속 디바이스는, 분석 중인 샘플 내에서 시간 경과에 따라 발생하는 동적 프로세스들 또는 변경들의 검출 및 분석을 허용한다.
생물검정 장비가 더 컴팩트해지는 것을 방지하는 하나의 장애물은, 센서에서의 바람직하지 않은 검출 이벤트들을 야기하는 것으로부터의 여기 광을 필터링할 필요성이다. 원하는 신호 광(발광)을 투과시키고 여기 광을 충분히 차단하는 데 사용되는 광학 필터들은, 두껍고, 부피가 크고, 비싸고, 광의 입사각의 변화들에 약하여, 소형화를 방지할 수 있다. 그러나, 펄스형 여기 소스를 사용하는 것이 이러한 필터링의 필요성을 감소시키거나, 일부 경우들에는, 이러한 필터들에 대한 필요성을 완전히 제거할 수 있다는 것이 본 명세서에서 인식되고 이해되었다. 여기 광 펄스와 관련하여 광자가 검출되는 시간을 결정할 수 있는 센서들을 사용함으로써, 신호 광은, 수신되는 광의 스펙트럼이 아니라, 광자가 수신되는 시간에 기반하여 여기 광으로부터 분리될 수 있다. 따라서, 일부 실시예들에서 부피가 큰 광학 필터에 대한 필요성이 감소 및/또는 제거된다.
발광 수명 측정들 또한 샘플에 존재하는 분자들을 식별하는 데 사용될 수 있다. 광자가 검출될 때를 검출할 수 있는 광학 센서는, 많은 이벤트들로부터 수집되는 통계를 사용하여, 여기 광에 의해 여기되는 분자의 발광 수명을 측정할 수 있다. 일부 실시예들에서, 발광 수명 측정은 발광의 스펙트럼 측정에 더하여 이루어질 수 있다. 대안적으로, 발광의 스펙트럼 측정은 샘플 분자를 식별하는 데 있어서 완전히 생략될 수 있다. 발광 수명 측정들은 펄스형 여기 소스로 이루어질 수 있다. 추가적으로, 발광 수명 측정들은, 센서를 포함하는 통합 디바이스, 또는 광원이 통합 디바이스로부터 분리된 시스템에 위치해 있는 디바이스를 사용하여 이루어질 수 있다.
(나노애퍼처를 포함할 수 있는) 샘플 웰 및 센서를 생물학적 샘플들로부터 방출된 발광 광을 측정할 수 있는 단일의 통합 디바이스에 통합하는 것이 이러한 디바이스를 생성하는 비용을 감소시켜, 1회용 생체분석 통합 디바이스들이 형성될 수 있게 한다는 것이 인식되고 이해되었다. 베이스 기구와 인터페이스하는 1회용의, 단일-사용 통합 디바이스들은, 샘플 분석들을 위한 고가의 생물학적 실험실들을 요구하는 제약 없이 전세계 어느 곳에서나 사용될 수 있다. 따라서, 자동화된 생체분석은, 이전에는 생물학적 샘플들의 정량적 분석을 수행할 수 없었던 전세계의 지역들에 다가갈 수 있다. 예를 들어, 유아들을 위한 혈액 테스트들은, 1회용 통합 디바이스 상에 혈액 샘플을 배치하고, 1회용 통합 디바이스를 분석을 위해 소형 휴대용 베이스 기구 내로 배치하고, 사용자에 의한 즉석 검토를 위해 결과들을 컴퓨터에 의해 처리함으로써 수행될 수 있다. 데이터는 또한 데이터 네트워크를 통해 원격 위치로 전송되어 분석되거나, 및/또는 후속 임상 분석들을 위해 보관될 수 있다.
또한, 1회용의, 단일-사용 디바이스는 통합 디바이스 상에 광원을 포함하지 않음으로써 더 간단하게 및 더 저렴한 비용으로 형성될 수 있다는 것이 인식되고 이해되었다. 대신에, 광원은 샘플을 분석하기 위해 1회용 통합 디바이스와 인터페이스하는 시스템 내에 포함된 재사용가능한 컴포넌트들을 포함할 수 있다.
이제 도 1을 참조하면, 이제부터 설명되는 샘플 웰 제작 기술들 및 연관된 구조물들의 실시예들과 함께 사용될 수 있는 예시적인 서열화 시스템(100)의 개략도가 도시되어 있다. 그러나, 본 명세서에 설명되는 기술들이 다른 유형의 통합 디바이스들, 서열화 시스템들, 또는 샘플 웰들이나 다른 유사한 구조물들이 필요한 다른 일반적인 응용들에서 구현될 수 있다는 것이 이해되어야 한다.
일반적으로, 서열화 시스템(100)은 복수의 샘플 웰들을 갖는 통합 디바이스(104)와 인터페이스하도록 구성되는 기구(102)를 포함하고, 여기서 개개의 샘플 웰(106)은 통합 디바이스(104)의 표면 상에 배치되는 (도시되지 않은) 시료로부터 샘플을 수용하도록 구성된다. 시료는 복수의 샘플들을 포함할 수 있고, 일부 실시예들에서는, 상이한 유형의 샘플들을 포함할 수 있다. 복수의 샘플 웰들은 샘플 웰들의 적어도 일부가 시료로부터의 하나의 샘플을 수용하도록, 적합한 크기와 모양을 가질 수 있다. 일부 실시예들에서, 샘플 웰 내의 샘플들의 수는, 샘플 웰들에 분산되어 일부 샘플 웰들은 하나의 샘플을 포함하고 다른 것들은 0 또는 2 이상의 샘플을 포함할 수 있다.
일부 실시예들에서, 시료는 복수의 단일-가닥 DNA 템플릿들을 포함할 수 있고, 통합 디바이스의 표면 상의 개개의 샘플 웰들은 단일-가닥 DNA 템플릿을 수용하도록 크기 및 형상을 가질 수 있다. 단일-가닥 DNA 템플릿들은, 통합 디바이스의 샘플 웰들의 적어도 일부가 단일-가닥 DNA 템플릿을 포함하도록 통합 디바이스의 샘플 웰들에 분산될 수 있다. 시료는 또한, 태깅된 dNTP들을 포함할 수 있고, 이 태깅된 dNTP는, 샘플 웰 내에 들어가서 샘플 웰 내의 단일-가닥 DNA 템플릿에 상보적인 DNA의 가닥 내로 혼입될 때 뉴클레오티드의 식별을 허용할 수 있다. 이러한 예에서, "샘플"이란, 단일-가닥 DNA와, 폴리머라아제에 의해 현재 혼입되고 있는 태깅된 dNTP 모두를 참조할 수 있다. 일부 실시예들에서, 시료는 단일-가닥 DNA 템플릿들을 포함할 수 있고, 샘플 웰 내의 DNA의 상보적인 가닥 내로 뉴클레오티드가 혼입될 때 태깅된 dNTP들이 후속해서 샘플 웰에 도입될 수 있다. 이러한 방식으로, 뉴클레오티드들의 혼입 타이밍은, 태깅된 dNTP들이 통합 디바이스의 샘플 웰들에 도입되는 때에 의해 제어될 수 있다.
여기 에너지는 통합 디바이스의 픽셀 어레이로부터 분리된 기구(102)의 여기 소스(108)로부터 제공된다. 여기 에너지는 통합 디바이스의 요소들에 의해 적어도 부분적으로 하나 이상의 픽셀(도 1에 도시되지 않음)로 지향되어 샘플 웰(106) 내의 조명 영역을 조명한다. 그러면 라벨은 조명 영역 내에 위치할 때 및 여기 에너지에 의해 조명되는 것에 응답하여 방출 에너지를 방출할 수 있다. 일부 실시예들에서, 하나 이상의 여기 소스(108)는 기구(102) 및 통합 디바이스(104)의 컴포넌트들이 여기 에너지를 하나 이상의 픽셀로 지향시키도록 구성되는 시스템의 기구의 일부이다.
그런 다음, 샘플에 의해 방출되는 방출 에너지는 통합 디바이스(104)의 픽셀 내의 하나 이상의 센서(110)에 의해 검출될 수 있다. 검출된 방출 에너지의 특성들은 방출 에너지와 연관된 마커를 식별하기 위한 표시를 제공할 수 있다. 이러한 특성들은, 센서에 의해 검출되는 광자들의 도달 시간, 시간 경과에 따라 센서에 의해 축적되는 광자들의 양, 및/또는 2개 이상의 센서들에 걸친 광자들의 분포를 포함한, 임의의 적합한 유형의 특성을 포함할 수 있다. 일부 실시예들에서, 센서(110)는, 샘플의 방출 에너지(예를 들어, 형광 수명)와 연관된 하나 이상의 타이밍 특성의 검출을 허용하는 구성을 가질 수 있다. 센서(110)는, 여기 에너지의 펄스가 통합 디바이스를 통해 전파한 이후에 광자 도달 시간들의 분포를 검출할 수 있고, 도달 시간들의 분포는 샘플의 방출 에너지의 타이밍 특성의 표시(예를 들어, 형광 수명에 대한 프록시)를 제공할 수 있다. 일부 실시예들에서, 하나 이상의 센서는 라벨에 의해 방출되는 방출 에너지의 확률의 표시(예를 들어, 형광 강도)를 제공한다. 일부 실시예들에서, 복수의 센서들은 방출 에너지의 공간 분포를 포착하도록 크기가 정해지고 배열될 수 있다. 그런 다음, 하나 이상의 센서로부터의 출력 신호들이 복수의 라벨들 중에서 한 라벨을 구별하는 데 사용될 수 있고, 여기서 복수의 라벨들은 시료 내의 샘플을 식별하는 데 사용될 수 있다.
추가 예시로서, 도 2는 도 1의 예시적인 서열화 시스템(100)의 더 상세한 개략도이다. 다시, 시스템(100)은 기구(102)와 인터페이스하는 통합 디바이스(104)를 포함한다. 일부 실시예들에서, 기구(102)는 기구(102)의 일부로서 통합되는 하나 이상의 여기 소스(108)를 포함할 수 있다. 일부 실시예들에서, 여기 소스(108)는 기구(102) 및 통합 디바이스(104) 모두에 대해 외부에 있을 수 있고, 기구(102)는 여기 소스(108)로부터 여기 에너지를 수용하여 그것을 통합 디바이스(104)로 지향시키도록 구성될 수 있다. 통합 디바이스(104)는, 통합 디바이스(104)를 수용하고 그것을 여기 소스(108)와 정확하게 광학 정렬시켜 유지하기 위한 임의의 적합한 소켓을 사용하여 기구(102)와 인터페이스할 수 있다. 여기 소스(108)는 또한 기구 내에 위치할 수 있고 통합 디바이스(104)에 여기 에너지를 제공하도록 구성될 수 있다. 도 2에 또한 개략적으로 예시된 바와 같이, 통합 디바이스(104)는 다수의 개개의 픽셀들을 가지며, 여기서, 픽셀들(112)의 적어도 일부는 샘플의 독립적인 분석을 수행할 수 있다. 이러한 픽셀들(112)은 픽셀이 그 픽셀로부터 분리된 소스(108)로부터의 여기 에너지를 수용하기 때문에 "수동 소스 픽셀들"이라고 참조될 수 있으며, 여기서, 소스는 복수의 픽셀들을 여기시킨다. 픽셀(112)은, 샘플을 수용하도록 구성되는 샘플 웰(106), 및 여기 소스(108)에 의해 제공되는 여기 에너지로 샘플을 조명하는 것에 응답하여 샘플에 의해 방출되는 방출 에너지를 검출하기 위한 센서(110), 모두를 갖는다. 샘플 웰(106)은, 샘플로의 여기 에너지의 전달 및 샘플로부터의 방출 에너지의 검출에 있어서 용이성을 제공하기 위해 통합 디바이스(104)의 표면에 근접하게 샘플을 유지할 수 있다.
여기 소스(108)로부터의 여기 에너지를 통합 디바이스(104)의 샘플 웰(106)로 안내하고 결합하기 위한 광학 요소들은 통합 디바이스(104) 및 기구(102) 모두에 포함될 수 있다. 이러한 소스-대-웰 요소들은, 예를 들어, 통합 디바이스(104) 상에 위치하여 여기 에너지를 통합 디바이스(104) 및 도파관들에 결합하여 여기 에너지를 기구(102)로부터 픽셀들(112) 내의 샘플 웰들(106)로 전달하는 하나 이상의 격자 결합기들을 포함할 수 있다. 일부 실시예들에서, 통합 디바이스(104) 상에 위치한 요소들은 샘플 웰(106)로부터의 방출 에너지를 센서(110)로 지향시키도록 작용할 수 있다. 샘플 웰들(106), 여기 소스-대-웰 광학소자들의 일부, 및 샘플 웰-대-센서 광학소자들은 통합 디바이스(104) 상에 위치한다. 여기 소스(108) 및 소스-대-웰 컴포넌트들의 일부는 기구(102) 내에 위치한다. 일부 실시예들에서, 단일 컴포넌트는 여기 에너지를 샘플 웰(106)에 결합시키는 것 및 방출 에너지를 샘플 웰(106)로부터 센서(110)로 전달하는 것 모두에 있어 역할을 할 수 있다. 통합 디바이스에 포함시킬, 여기 에너지를 샘플 웰에 결합시키는 것 및/또는 방출 에너지를 센서로 지향시키는 것을 위한 적합한 컴포넌트들의 예들은, 모두가 참조에 의해 전체 내용이 본 명세서에 포함되는, 발명의 명칭이 "INTEGRATED DEVICE FOR PROBING, DETECTING AND ANALYZING MOLECULES"인 미국 특허 출원 제14/821,688호 및 발명의 명칭이 "INTEGRATED DEVICE WITH EXTERNAL LIGHT SOURCE FOR PROBING, DETECTING, AND ANALYZING MOLECULES"인 미국 특허 출원 제14/543,865호에 설명되어 있다.
도 2의 실시예에서 복수의 픽셀들(112)에 대해, 개개의 픽셀(112)은 그 자신의 개개의 샘플 웰(106) 및 적어도 하나의 센서(110)와 연관될 수 있다. 복수의 픽셀들(112)은 어레이로 배열될 수 있고, 어레이에는 임의의 적합한 수의 픽셀들이 있을 수 있다. 통합 디바이스(104) 내의 픽셀들의 수는 대략 10,000 픽셀 내지 100,000,000 픽셀의 범위에 있거나, 그 범위 내의 임의의 값 또는 값들의 범위일 수 있다. 일부 실시예들에서, 픽셀들은 512 픽셀 × 512 픽셀의 어레이로 배열될 수 있다. 통합 디바이스(104) 및 기구(102)는 (예를 들어, 10,000 픽셀을 초과하는) 대형 픽셀 어레이들과 연관된 데이터를 취급하기 위한 (도시되지 않은) 다중-채널, 고속 통신 링크들을 포함할 수 있다.
도 2에 추가로 예시된 바와 같이, 기구(102)는 통합 디바이스 인터페이스(114)를 통해 통합 디바이스(104)와 인터페이스한다. 통합 디바이스 인터페이스(114)는, 예를 들어, 여기 소스(108)로부터 통합 디바이스(104)로의 여기 에너지의 결합을 용이하게 하거나 개선하기 위해 통합 디바이스(104)를 기구(102)에 위치 및/또는 정렬시키는 컴포넌트들을 포함할 수 있다. 여기 소스(108)는 여기 에너지를 적어도 하나의 샘플 웰에 전달하도록 배열되는 임의의 적합한 광원일 수 있다. 적합한 여기 소스들의 예들은 앞서 언급된 제14/821,688호 출원에 설명되어 있다. 일부 실시예들에서, 여기 소스(108)는, 여기 에너지를 통합 디바이스(104)에 전달하도록 결합되는 복수의 여기 소스들을 포함한다. 이러한 복수의 여기 소스들은 복수의 여기 에너지들 또는 파장들을 생산하도록 구성될 수 있다. 통합 디바이스 인터페이스(114)는, 통합 디바이스(104)의 픽셀들(112) 내의 센서들(110)로부터 판독 신호들을 수신할 수 있다. 통합 디바이스 인터페이스(114)는, 통합 디바이스(104)를 통합 디바이스 인터페이스(102)에 고정시킴으로써 통합 디바이스(104)가 기구(102)에 부착되도록 설계될 수 있다.
여전히 도 2을 참조하여, 기구(102)는 기구(102)의 동작을 제어하기 위한 사용자 인터페이스(116)를 추가로 포함한다. 사용자 인터페이스(116)는, 기구의 기능을 제어하는 데 사용되는, 예를 들어 명령들 및/또는 설정들과 같은 정보를 사용자가 기구에 입력하는 것을 허용하도록 구성된다. 일부 실시예들에서, 사용자 인터페이스(116)는 버튼들, 스위치들, 다이얼들, 및 음성 명령들을 위한 마이크로폰을 포함할 수 있다. 추가적으로, 사용자 인터페이스(116)는, 통합 디바이스 상의 센서들로부터의 판독 신호들에 의해 획득된 적절한 정렬 및/또는 정보와 같은, 기구 및/또는 통합 디바이스의 성능에 대한 피드백을 수신하도록 허용할 수 있다. 일부 실시예들에서, 사용자 인터페이스(116)는 가청 피드백을 제공하는 스피커 및 시각 피드백을 제공하는 표시등(indicator light)들 및/또는 디스플레이 스크린을 사용하여 피드백을 제공할 수 있다. 일부 실시예들에서, 기구(102)는 외부 컴퓨팅 디바이스(120)와 접속하는 데 사용되는 컴퓨터 인터페이스(118)를 포함한다. 임의의 적합한 컴퓨터 인터페이스(118) 및 컴퓨팅 디바이스(120)가 사용될 수 있다. 예를 들어, 컴퓨터 인터페이스(118)는 USB 인터페이스 또는 FireWire 인터페이스일 수 있다. 컴퓨팅 디바이스(120)는 랩톱 또는 데스크톱 컴퓨터와 같은 임의의 범용 컴퓨터일 수 있다. 컴퓨터 인터페이스(118)는 기구(102) 및 컴퓨팅 디바이스(120) 사이에서의 정보의 통신을 용이하게 한다. 기구(102)를 제어 및/또는 구성하기 위한 입력 정보는 기구(102)의 컴퓨터 인터페이스(118)와 통신하는 컴퓨팅 디바이스(120)를 통해 제공될 수 있다. 또한, 출력 정보는 컴퓨터 인터페이스(118)를 통해 컴퓨팅 디바이스(120)에 의해 수신될 수 있다. 이러한 출력 정보는, 예를 들어, 기구(102) 및/또는 통합 디바이스(112)의 성능에 대한 피드백 및 센서(110)의 판독 신호들로부터의 정보를 포함할 수 있다. 기구(102)는 또한 센서(110)로부터 수신된 데이터를 분석하고 및/또는 여기 소스(108)로 제어 신호들을 전송하기 위한 처리 디바이스(122)를 포함할 수 있다. 일부 실시예들에서, 처리 디바이스(122)는 범용 프로세서, 특별-적합화된 프로세서(예를 들어, 하나 이상의 마이크로프로세서 또는 마이크로제어기 코어들과 같은 중앙 처리 장치(CPU), FPGA(field-programmable gate array), 주문형 집적 회로(ASIC), 맞춤형 집적 회로, 디지털 신호 프로세서(DSP), 또는 이들의 조합)를 포함할 수 있다. 일부 실시예들에서, 센서(110)로부터의 데이터의 처리는 처리 디바이스(122) 및 외부 컴퓨팅 디바이스(120) 모두에 의해 수행될 수 있다. 다른 실시예들에서, 컴퓨팅 디바이스(120)는 생략될 수 있고 센서(110)로부터의 데이터의 처리는 전적으로 처리 디바이스(122)에 의해 수행될 수 있다.
이제 도 3a을 참조하면, 픽셀들(112)의 행을 예시하는 통합 디바이스(104)의 단면 개략도가 도시되어 있다. 각각의 픽셀(112)은 샘플 웰(106) 및 대응하는 센서(110)를 포함한다. 센서(110)는, 샘플 웰(112) 내의 (도시되지 않은) 샘플에 의해 방출되는 방출 에너지를 센서(110)가 수용하도록 샘플 웰(106)에 정렬되고 위치할 수 있다. 적합한 센서들의 예들은 또한 앞서 언급된 제14/821,656호 출원에서 설명된다.
이전에 논의된 바와 같이, 통합 디바이스(104)에 결합된 여기 소스(108)는 통합 디바이스(104)의 하나 이상의 픽셀에 여기 에너지를 제공할 수 있다. 추가 예시로서, 도 3b는 통합 디바이스(104)의 샘플 웰들(106)에 여기 에너지(124)를 제공(그 경로가 파선들로 도시됨)하기 위해 통합 디바이스(104)로의 여기 소스(108)의 결합을 예시하는 단면 개략도이다. 통합 디바이스(104)로부터 떨어져 위치한 (도시되지 않은) 컴포넌트들은, 여기 소스(108)를 통합 디바이스에 위치시키고 정렬하는 데 사용될 수 있다. 이러한 컴포넌트들은 예를 들어 렌즈들, 거울들, 프리즘들, 애퍼쳐(aperture)들, 감쇠기들, 및/또는 광섬유들과 같은 광학 컴포넌트들을 포함할 수 있다. 추가적인 기계 컴포넌트들은 또한 하나 이상의 정렬 컴포넌트의 제어를 허용하는 기구(102)에 포함될 수 있다. 이러한 기계 컴포넌트들은, 예를 들어 액츄에이터들, 스텝퍼 모터들, 및/또는 놉(knob)들을 포함할 수 있다.
통합 디바이스(104)는 여기 에너지(124)를 그 안의 픽셀들(112)로 지향시키는 컴포넌트들을 포함한다. 더 구체적으로는, 각각의 픽셀(112) 내에서, 여기 에너지는 그 픽셀과 연관된 샘플 웰(106)에 결합된다. 비록 도 3b는 픽셀들(112)의 행 내의 각각의 샘플 웰(106)에 결합하는 여기 에너지를 예시하더라도, 일부 실시예들에서, 여기 에너지가 주어진 행 내의 픽셀들(112) 모두에는 결합하지 않을 수 있다는 것이 가능하다. 일부 실시예들에서, 여기 에너지는 통합 디바이스(104)의 픽셀들(112)의 일부 또는 픽셀들(112)의 행 내의 샘플 웰들(106)에 결합할 수 있다. 여기 에너지(124)는 샘플 웰(106) 내에 위치한 샘플을 조명할 수 있다. 샘플은 여기 에너지에 의해 조명되는 것에 대해 응답하여 여기 상태에 도달할 수 있다. 샘플이 여기 상태에 있을 때, 샘플은 도 3b에 도시된 바와 같이 방출 에너지(126)를 방출할 수 있고, 방출 에너지(126)는 결국 센서(110)에 의해 검출될 수 있다. 일부 실시예들에서, 센서(110)는 복수의 서브-센서들을 포함할 수 있다.
분석될 샘플은 픽셀(112)의 샘플 웰(106) 내로 도입될 수 있다. 샘플은, 생물학적 샘플, 또는 화학적 샘플과 같은 임의의 다른 적합한 샘플일 수 있다. 또한, 샘플은 복수의 분자들을 포함할 수 있고, 샘플 웰(106)은 단일 분자를 격리하도록 구성될 수 있다. 일부 예들에서, 샘플 웰(106)의 치수들은 단일 분자를 샘플 웰 내에 한정하도록 작용함으로써, 측정들이 단일 분자에 대해 수행되도록 허용할 수 있다. 여기 소스(108)는, 샘플이 샘플 웰(106) 내의 조명 영역 내에 있는 동안, 샘플, 또는 샘플에 부착되거나 기타의 방식으로 샘플과 연관된 적어도 하나의 발광 마커를 여기하기 위해, 여기 에너지를 샘플 웰(106) 내로 전달하도록 구성될 수 있다.
여기 소스가 여기 에너지를 샘플 웰에 전달할 때, 웰 내의 적어도 하나의 샘플이 발광할 수 있고, 결과적인 방출이 센서(110)에 의해 검출될 수 있다. 본 명세서에서 사용될 때, "샘플이 발광할 수 있다" 또는 "샘플이 방사선을 방출할 수 있다" 또는 "샘플로부터의 방출"이라는 구문들은, 발광 태그, 마커, 또는 리포터, 샘플 자체, 또는 샘플과 연관된 반응 생성물이 방출된 방사선을 생산할 수 있다는 것을 의미한다.
통합 디바이스(104)의 하나 이상의 컴포넌트는 방출 에너지를 센서(110)로 지향시킬 수 있다. 방출 에너지 또는 에너지들은 센서(110)에 의해 검출될 수 있고 적어도 하나의 전기 신호로 변환될 수 있다. 전기 신호들은, 도 2와 관련하여 이미 설명된 바와 같이, 통합 디바이스 인터페이스(114)를 통해 기구(102)에 연결되는 통합 디바이스(104)의 회로 내의 전도성 라인들을 따라 전송될 수 있다. 전기 신호들은 도 2에 도시된 컴퓨팅 디바이스(120) 및/또는 처리 디바이스(122)와 같은 기구(102) 상에 위치하거나 기구(102)에서 떨어져 있는 적합한 컴퓨팅 디바이스에 의해 후속해서 처리 및/또는 분석될 수 있다.
동작시, 샘플 웰들 내의 샘플들의 병렬 분석들은 여기 소스를 사용하여 웰들 내의 샘플들을 여기시키고 샘플 방출로부터의 신호들을 센서들로 검출함으로써 실행된다. 샘플로부터의 방출 에너지는, 대응하는 센서에 의해 검출되어 적어도 하나의 전기 신호로 변환될 수 있다. 결과적인 신호, 또는 신호들은, 일부 실시예들에서 통합 디바이스 상에서 처리되거나, 처리 디바이스 및/또는 컴퓨팅 디바이스에 의한 처리를 위해 기구로 전송될 수 있다. 샘플 웰로부터의 신호들은 다른 픽셀들과 연관된 신호들과는 독립적으로 수신되고 처리될 수 있다.
일부 실시예들에서, 샘플은 하나 이상의 마커로 라벨링될 수 있고, 마커들과 연관된 방출은 기구에 의해 식별가능하다. 예를 들어, 센서는 특정한 마커로부터의 방출 에너지에 의존하는 수명을 식별하는 데 사용될 수 있는 전기 신호를 형성하기 위해 방출 에너지로부터의 광자들을 전자들로 변환하도록 구성될 수 있다. 샘플들을 라벨링하기 위해 상이한 수명들을 갖는 마커들을 사용함으로써, 센서에 의해 검출되는 결과적인 전기 신호에 기반하여 특정한 샘플들이 식별될 수 있다.
샘플은 복수의 유형의 분자들을 포함할 수 있고, 상이한 발광 마커들은 분자 유형과 고유하게 연관될 수 있다. 여기 동안에 또는 여기 이후에, 발광 마커는 방출 에너지를 방출할 수 있다. 방출 에너지의 하나 이상의 속성은, 샘플 내의 하나 이상의 유형의 분자를 식별하는 데 사용될 수 있다. 분자들의 유형들을 구별하는 데 사용되는 방출 에너지의 속성들은, 형광 수명 값, 강도, 및/또는 방출 파장을 포함할 수 있다. 센서는 방출 에너지의 광자들을 포함한 광자들을 검출할 수 있고, 이러한 속성들 중의 하나 이상을 나타내는 전기 신호를 제공할 수 있다. 일부 실시예들에서, 센서로부터의 전기 신호들은 하나 이상의 시간 간격에 걸친 광자 도달 시간들의 분포에 대한 정보를 제공할 수 있다. 광자 도달 시간들의 분포는, 여기 에너지의 펄스가 여기 소스에 의해 방출된 후 광자가 검출되는 때에 대응할 수 있다. 시간 간격에 대한 값은, 그 시간 간격 동안 검출된 광자들의 수에 대응할 수 있다. 복수의 시간 간격들에 걸친 상대적 값들은, 방출 에너지의 시간적 특성(예를 들어, 수명)의 표시를 제공할 수 있다. 샘플을 분석하는 것은, 분포 내의 둘 이상의 상이한 시간 간격들에 대한 값들을 비교함으로써 마커들을 구별하는 것을 포함할 수 있다. 일부 실시예들에서, 강도의 표시는 분포에서 모든 시간 빈(time bin)들에 걸친 광자들의 수를 결정함으로써 제공될 수 있다.
본 명세서에서 사용되는 용어 "핵산"이란, 일반적으로 하나 이상의 핵산 서브유닛을 포함하는 분자를 참조한다. 핵산은, 아데노신(A), 시토신(C), 구아닌(G), 티민(T) 및 우라실(U), 또는 이의 변이체들로부터 선택된 하나 이상의 서브유닛을 포함할 수 있다. 일부 예들에서, 핵산은 디옥시리보핵산(DNA) 또는 리보핵산(RNA), 또는 이의 유도체들이다. 핵산은 단일 가닥 또는 이중 가닥일 수 있다. 핵산은 원형일 수 있다.
본 명세서에서 사용되는 용어 "뉴클레오티드"는, 일반적으로 A, C, G, T 또는 U, 또는 이의 변이체들 또는 유사체들을 포함할 수 있는 핵산 서브유닛을 참조한다. 뉴클레오티드는 성장하는 핵산 가닥 내로 혼입될 수 있는 임의의 서브유닛을 포함할 수 있다. 이러한 서브유닛은 A, C, G, T, 또는 U, 또는 하나 이상의 상보적인 A, C, G, T 또는 U에 특유하거나, 퓨린(즉, A 또는 G, 또는 이의 변이체 또는 유사체들) 또는 피리미딘(즉, C, T 또는 U, 또는 이의 변이체 또는 유사체들)에 상보적인 임의의 다른 서브유닛일 수 있다.
뉴클레오티드는 일반적으로 뉴클레오시드, 및 적어도 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10개 이상의 인산염(PO3) 기(group)들을 포함한다. 뉴클레오티드는 핵염기, 5-탄소 당(리보스 또는 디옥시리보스), 및 하나 이상의 인산염 기를 포함할 수 있다. 리보뉴클레오티드들은, 당이 리보스인 뉴클레오티드들이다. 디옥시리보뉴클레오티드들은, 당이 디옥시리보스인 뉴클레오티드들이다. 뉴클레오티드는 뉴클레오시드 1인산염 또는 뉴클레오시드 폴리인산염일 수 있다. 뉴클레오티드는, 검출가능한 라벨들(예를 들어, 형광단들)을 포함하는, 디옥시아데노신 3인산염(dATP), 디옥시시티딘 3인산염(dCTP), 디옥시구아노신 3인산염(dGTP), 디옥시우리딘 3인산염(dUTP) 및 디옥시티미딘 3인산염(dTTP) dNTP들로부터 선택될 수 있는, 예를 들어 디옥시리보뉴클레오시드 3인산염과 같은 디옥시리보뉴클레오시드 폴리인산염일 수 있다.
센서(110)에 관하여, 광검출기는, (예를 들어, 레이저 펄스에 의해) 라벨을 여기 소스(108)에 노출시키는 것에 응답하여 라벨로부터의 입사 광자들의 도달을 시간 비닝할 수 있다. 라벨은 반복적으로 여기될 수 있으며, 라벨로부터의 입사 광자들의 도달은 시간 비닝될 수 있다. 한 예로서, 10ms 측정 기간 동안, 레이저 여기 펄스들은 100MHz의 주파수에서 방출되어 라벨을 여기할 수 있다. 라벨은 낮은 확률로 광자를 방출할 수 있다(예를 들어, 10,000번의 여기에서 1개의 광자 방출). 라벨이 10ms 기간 내에 다수 회(예를 들어, 100만 회) 여기되면, 대략 100개의 광자들이 수신될 수 있다. 일부 경우들에는, 라벨이 여기 소스에 노출된 후에 여기되지 않고 여기 이벤트 후에 광자를 방출하지 않을 수도 있으며, 이는 낮은 방출 확률에 기여할 수 있다. 상기 논의된 바와 같이, 여기에 관한 입사 광자들의 도달 시간들은 시간-비닝될 수 있다. 따라서, 광검출기는 각각의 시간 빈에서 광자들의 수를 나타내는 신호들을 제공할 수 있다.
이제 도 4을 참조하면, 도 1, 도 2, 도 3a 및 도 3b의 통합 디바이스의 예시 샘플 웰(106)을 예시하는 단면도가 도시되어 있다. 도 4에 도시된 바와 같이, 샘플 웰(106)은 클래딩 층(404)(예를 들어, SiO2) 상에 퇴적된 금속 스택(402)을 통해 형성되는 개구에 의해 정의된다. 금속 스택(402)은, 예를 들어 클래딩 층(404)의 상부에 근접하게 위치한 알루미늄 층(406) 및 알루미늄 층(406) 위의 티타늄 질화물 층(408)과 같은 금속 재료의 적어도 하나의 층을 포함한다.
알루미늄 층(406)은 구리 및/또는 실리콘을 포함할 수 있다. 일부 실시예들에서, 알루미늄 층(406)은 대략 2% 미만의 구리 및/또는 실리콘을 포함할 수 있고, 약 30nm 내지 150nm 범위, 또는 그 범위 내의 임의의 값 또는 값들의 범위의 두께를 가질 수 있다. 일부 실시예들에서, 알루미늄 층은 약 65nm이다. 티타늄 질화물 층(408)은 또한 알루미늄 층(406)과 접촉하는 티타늄 층을 포함할 수 있고, 1nm 내지 150nm 범위, 또는 그 범위 내의 임의의 값 또는 값들의 범위의 두께를 가질 수 있다. 일부 실시예들에서, 티타늄 질화물 층의 두께는 대략 80nm이다. 예시의 목적들로, 도 4는 또한 샘플 웰(106)로의 여기 광학 에너지의 전달을 용이하게 하는 예시적인 도파관 구조물(410)(예를 들어, 실리콘 질화물)을 도시한다.
SiO2 클래딩 층(404)에 형성된 오목부의 깊이(d)는, 금속 반사체로 작용할 수 있는 알루미늄 층(406)(예를 들어, Al-Cu)으로부터의 염료 방출의 거리를 정의한다. 이 거리는 결국, 컬렉션 효율에 영향을 미칠 수 있는, (도시되지 않은) 광학 센서를 향한 염료 방출의 방향성을 결정한다. 일 실시예에서, 산화물 오목부에 대한 원하는 깊이는 약 300nm이다. 또한 (반응 챔버라고도 참조될 수 있는) 샘플 웰의 측면 치수들(직경)은 DNA 템플릿 및 염료-라벨링된 뉴클레오티드들이, 확산을 통해, 반응 챔버의 하단에 고정된 효소에 액세스하는 능력에 영향을 미친다. 일반적으로, 더 큰 치수들이 이러한 액세스를 향상시킨다. 더욱이, 반응 챔버(106)의 측면 치수들은 또한 도파관(410)에 의해 조명되는 염료 용액의 부피에 영향을 미친다. 특히, 반응 챔버의 하단에 있는 치수 w 1 은 여기되는 염료 용액의 부피에 상당한 영향을 미치는데, 여기서 더 작은 치수들은 염료 용액의 더 작은 부피가 여기되는 결과를 낳고, 이는 결국 더 낮은 염료 배경 신호를 제공한다. 예시적인 실시예에서, 샘플 웰(106)은 산화물 클래딩 층(404)의 상부에서 약 150nm 내지 250nm의 직경 w 2 및 산화물 오목부의 하단에서 약 75nm 내지 200nm의 직경 w 1 을 갖는다. 도 4로부터 추가로 관찰될 바와 같이, 샘플 웰(106)의 예시적인 실시예는 테이퍼링된 에칭 프로필을 특징으로 한다.
선택적으로 형성된 모이어티(412)는 샘플 웰(106)의 하부 표면(414)에 위치하는 것으로 도시된다. 샘플 웰(106)의 하단에 효소를 고정시키기 위한 선택적 기능화에 대한 일부 접근법들에서, 샘플 웰(106)의 하부 표면(414)은 다른 표면들(예를 들어, 샘플 웰(106)의 측벽들(416) 및 통합 디바이스의 상부 표면(418))과는 상이한 조성을 가질 수 있다. 이러한 접근법에서, 샘플 웰의 하부 표면(412)은 클래딩 층의 재료(예를 들어, 노출된 SiO2)인 반면, 샘플 웰(106)의 측벽들은 금속 산화물 스페이서 재료(예를 들어, 도 4에 도시되지 않은 TiO2, Al2O3, HfO2, ZrO2, 및 Ta2O5 등)로부터 형성된다. 통합 디바이스의 상부 표면(418)은 층(408)의 상부 표면의 산화에 의해 형성된 금속 산화물 재료(예를 들어, TiN의 산화에 의해 형성된 TiO2)를 포함할 수 있다. 그러나, 본 실시예에서, 도 4에 도시된 것과 같은 완성된 구조물은 희생적인 방식으로 측벽 스페이서를 사용할 수 있으며, 따라서 이는 완성된 구조물에 없다. 즉, 결과적인 도 4 실시예의 측벽들(416)은 하부 표면(414)과 동일한 재료(예를 들어, SiO2)일 수 있다. 유리하게는, 샘플 웰(106)의 측벽들(416) 및 상부 표면(418)에는 기능화된 재료가 실질적으로 없다. 아래에서 더 상세히 설명될 바와 같이, 알루미늄 층(406)의 측벽들은, 희생 스페이서 제거 동안 알루미늄 층(406)을 보호하기 위해, 예를 들어 비정질 실리콘(α-Si)과 같은 봉합재 측벽 스페이서(420)에 의해 보호될 수 있다. 예를 들어 폴리머와 같은 방오 패시베이션 코팅(422)은 또한 도 4의 구조물의 표면들 위에 적용될 수 있다.
이제 일반적으로 도 5의 흐름도 및 도 6 내지 도 15의 단면도들을 참조하면, 도 4와 유사한 샘플 웰 구조물을 형성하는 예시적인 프로세스(500)가 예시된다. 예시의 용이성을 위해, 유사한 요소들 및 컴포넌트들은 다양한 도면들에서 유사한 참조 번호들로 표시된다. 도 5의 블록(502) 및 도 6의 단면도에 표시된 바와 같이, 금속 애퍼쳐 필름 스택(406, 408)(예를 들어, Al-Cu, TiN/Ti)이 SiO2 클래딩 층(404) 위에 형성된다. 선택적으로, 금속 애퍼쳐 필름 스택(406, 408)을 형성하기 전에, 클래딩 층의 상부 표면(404)은 적합한 프로세스(예를 들어, CMP 프로세스)를 사용하여 평탄화될 수 있다. 예시적인 실시예에서, 알루미늄 층(406)은 약 65nm의 두께로 퇴적될 수 있고, 층(408)은 약 10nm의 Ti 및 약 70nm의 TiN의 두께로 퇴적될 수 있다.
금속 애퍼쳐 필름 스택(406, 408)의 형성에 이어, 홀들은 도 5의 블록(504)에 표시된 바와 같이, 금속 필름 스택 내의 애퍼쳐 및 SiO2 클래딩 내의 반응 챔버(샘플 웰)를 정의하는 에칭 프로세스를 용이하게 하기 위해 포토레지스트 층에서 패터닝된다. 패터닝 및 에칭은 또한 도 7 내지 도 8의 순서로 도시된다. 특히 도 7에 도시된 바와 같이, 포토레지스트 층(704)이 형성되기 전에 하부 반사방지 코팅(BARC) 층(702)이 Ti/TIN 층(408) 위에 먼저 형성될 수 있다. 그런 다음, 포토레지스트 층(704)의 포토리소그래피 노광 및 현상에 의한 것과 같이, 샘플 웰의 위치에 대응하는 홀(706)이 포토레지스트 층(704)에서 패터닝된다. 홀(706)은, 예를 들어, 형상이 원형이고 직경이 약 150nm 내지 250nm의 범위에 있을 수 있다. 애퍼쳐 에칭을 위한 추가 준비에 있어서, BARC 층(702)은 플라즈마 에칭 프로세스 또는 임의의 적합한 기술을 사용하여 선택적으로 제거될 수 있다.
도 8을 참조하면, 금속 애퍼쳐 필름 스택(406, 408)의 에칭이 수행되어 애퍼쳐(802)를 정의한다. 도 8에 도시된 애퍼쳐(802)를 정의하는 데 사용되는 에칭 프로세스는, 예를 들어 Cl2 및/또는 BCl3를 포함하는 플라즈마 에칭 프로세스에 의한 것과 같은, 도 7의 BARC 층(702)을 제거하는 데 사용되는 동일한 프로세스에 의해 수행될 수 있다. 플라즈마 금속 에칭 프로세스 다음에는, O2 애싱 단계, 물 린스 및/또는 에칭 후 세정 단계가 이어질 수 있다. 알루미늄의 Cl-기반 에칭은 본질적으로 다소 등방성일 수 있으며, 이는 층(406)에서 언더컷 영역들(804)로 이어질 수 있다. 게다가, 습식 세정 단계는 또한 언더컷 영역들(804)에 기여할 수 있다.
도 5의 블록(506)에 표시되고 도 9에 예시된 바와 같이, 프로세스(500)는 애퍼쳐(802) 내에 봉합재 스페이서 재료(encapsulant spacer material)(902)의 형성을 계속한다. 봉합재 스페이서 재료(902)는, 금속 필름 스택(406, 408)의 측벽들을 보호하고 SiO2 클래딩 재료(404)의 후속하는 에칭 및 후속하는 희생 스페이서 제거로부터의 불화 금속 잔여물의 형성을 감소시키거나 최소화하기에 적합한 재료로부터 선택된다. 일부 실시예들에서, 봉합재 스페이서 재료(902)는 플라즈마 강화 화학적 기상 증착(PECVD)에 의해 퇴적된 비정질 실리콘(α-Si)일 수 있다. 다른 실시예들에서, 봉합재 스페이서 재료(902)는 PECVD 퇴적된 SiO2, SiON 또는 SiN일 수 있다. 또 다른 실시예들에서, 봉합재 스페이서 재료(902)는 원자 층 퇴적(ALD)에 의해 형성된 산화물 재료(예를 들어, TiO2, Al2O3, SiO2, HfO2, 등)일 수 있다. 일반적으로, 봉합재 스페이서 재료(902)는 금속 층(408)의 상부 표면 및 애퍼쳐(802)의 하단에 관해 형상추종 방식으로 퇴적될 수 있다. 일부 실시예에서, 봉합재 스페이서 재료(902)는 금속 층(408)의 상부 표면 상의 위치들에서 더 두꺼울 수 있고, 애퍼쳐(802)의 하단을 따라서 더 얇을 수 있다.
반응 챔버(1002)를 정의하는 봉합재 스페이서 재료 및 SiO2 클래딩 재료(404)의 에칭이 도 5의 블록(508)에 표시되고, 도 10에 예시된다. 봉합재 스페이서/챔버 에칭은, 상기 설명된 바와 같은, 탄화플루오르 기반 에칭일 수 있고, 다음으로 O2 애시 프로세스 및 에칭 후 세정 프로세스가 이어질 수 있다. 봉합재 재료(902)(및 SiO2 클래딩 재료(404))의 에칭이 실질적으로 이방성, 방향성 에칭이므로, 봉합재 스페이서(1004)는 알루미늄 함유 금속 층(406) 및/또는 티타늄 함유층(408)의 측벽들 상에 남아있을 수 있다. 봉합재 스페이서(1004)는 유리하게는 금속 막(406)의 노출된 측벽들을 보호하고, 반응 챔버 에칭 동안 불화 금속 잔여물들의 형성을 최소화할 수 있으며, 이는 그렇지 않으면 후속 에칭 동안 부식/습도 또는 F, Cl과의 반응에 취약할 수 있다. 클래딩 층(404)의 산화물 재료는 건식 탄화플루오르 에칭(예를 들어, CF4, CHF3, C4F8, C3H2F6)의 사용에 이어, O2 애싱 단계 및 에칭 후 세정 단계를 통해 제거될 수 있다. 일부 실시예들에서, 건식 에칭 프로세스는 원하는 에칭 깊이를 달성하기 위해 시간의 지속기간 동안 발생하거나, 대안적으로 (도시되지 않은) 에칭 정지 층의 사용을 통해 원하는 에칭 깊이를 달성하기 위해 클래딩 층(404) 내의 위치에 위치할 수 있다. 비록 일부 실시예들에서 에칭 프로세스에 의해 형성된 결과적인 캐비티의 하나 이상의 측벽(418)은 통합 디바이스의 상부 표면에 수직인 각도에 있을 수 있지만, (도 10에 예시된 것과 같은) 다른 실시예들에서 반응 챔버(1002)의 측벽들(418)은 통합 디바이스의 상부 표면에대한 법선에 관해 1° 내지 15° 범위의 각도에서 테이퍼링될 수 있다. 즉, 반응 챔버(1002)는 깊이가 증가함에 따라 그것의 직경이 감소하도록 테이퍼링될 수 있다.
일단 반응 챔버(1002)가 정의되면, 도 5의 프로세스는 블록(510)으로 진행할 수 있고, 여기서 희생 측벽 스페이서 재료(1102)는 도 11에 예시된 바와 같이 퇴적된다. 일 실시예에서, 희생 측벽 스페이서 재료(1102)는 ALD에 의해 약 3nm 내지 약 50nm, 보다 구체적으로 약 12nm의 두께로 형성된 Al2O3 층일 수 있다. 그러나, 예를 들어 TiO2, TiN, Ta2O5, TaN, ZrO2 및 HfO2를 포함하는 다른 희생 스페이서 재료들 또한 사용될 수 있다. 추가적으로, 알루미늄 산화물 층과 같은 의도된 희생 스페이서는 TiO2와 같은 상이한 재료의 의도된 영구 스페이서 위에 또한 퇴적될 수 있다. 이러한 다중-스택 측벽(416)은 영구 스페이서 층에 의해 제공되는 추가된 보호와 함께 희생 스페이서의 이점들을 제공할 것이다.
그런 다음, 도 5의 블록(512)에 표시되고 도 12에 예시된 바와 같이, 이방성 에칭이 희생 측벽 스페이서 재료(1102)의 수평적으로 퇴적된 표면들을 제거하는 데 사용됨으로써, 희생 측벽 스페이서들(1202)을 정의하고 샘플 웰(106)의 SiO2 하부 표면(414)을 노출시킨다. 그런 다음, 도 5의 블록(512)에 표시되고 도 12에 예시된 바와 같이, 이방성 에칭이 희생 측벽 스페이서 재료(1102)의 수평적으로 퇴적된 표면들을 제거하는 데 사용됨으로써, 희생 측벽 스페이서들(1202)을 정의하고 샘플 웰(106)의 SiO2 하부 표면(414)을 노출시킨다. 예를 들어 Al2O3 및 TiO2와 같은, 언급된 스페이서 재료들 중 다수에 대해, (Cl2 및/또는 Ar와 함께) 탄화플루오르 또는 BCl3 에칭 화학 반응이 사용될 수 있다.
영구 측벽 스페이서가 사용되는 다른 실시예들에서, 다음 처리 단계는 다르게는 하부 모이어티를 선택적으로 형성하기 위해 비오틴 염류화 전에 비교적 긴 패시베이션 프로세스를 수반할 수 있다. 그러나, 본 실시예에서, 이러한 패시베이션 단계는 생략되고, 프로세스는 비오틴 염류화를 위해 도 5의 블록(514)으로 진행한다. 특히 도 13에 예시된 바와 같이, 샘플 웰(106)의 SiO2 하부 표면(414)에 생체분자의 부착을 위한 부위를 제공하기 위해 기능 비오틴 실란(silane) 층(기능 모이어티(412))이 도 12의 구조물에 적용된다. 일부 실시예들에서, 층은 스트렙타비딘(streptavidin)-라벨링된 생체분자의 부착(즉, SiO2 하부 표면(414)에의 직접 결합)을 위한 비오틴 기능 부위들을 포함한다. 다른 실시예들에서, 층은 비오틴 기능 부위의 후속 부착을 위한 중간 결합제를 포함할 수 있다. 예를 들어, 알킨 결합제는 비오틴-아지드의 부착을 위해 사용될 수 있다. 또 다른 예로서, 이소시아네이트 결합제는 비오틴-티올의 부착을 위해 사용될 수 있다. 또 다른 예로서, 에폭시 결합제는 비오틴-티올의 부착을 위해 사용될 수 있다. 이러한 중간 결합 접근법들에서, 결합제는 첫 번째 단계/초기 단계로 적용될 수 있고, 비오틴 결합 반응은 늦은 단계/마지막 단계로 발생할 수 있다. 결합제들이 화학적 증기 코팅과의 호환성 및 후속 프로세스 단계들 동안의 견고성을 위해 선택될 수 있기 때문에, 중간 결합 접근법의 한 가지 가능한 이점은 표면 코팅 프로세스들의 확장성에 관한 것이다.
일부 실시예들에서, 코팅은 샘플 웰(106)의 하단에 있는 표면(414)의 방오 속성들을 개선하기 위해 추가된 추가적인 컴포넌트들과 함께, 둘 이상의 컴포넌트들을 포함할 수 있다. 추가적으로, 일부 실시예들에서, 실란 화학 반응은 노출된 SiO2 표면에 코팅(들)을 부착하는 데 사용될 수 있다. 하나의 특정 예에서, 알콕시실란 화학 반응은 금속 산화물 표면들(예를 들어, Al2O3, TiO2)에 관한 SiO2 표면들에 대한 선택적인 부착을 얻는 데 사용될 수 있다. 이러한 코팅(들)은 액상 또는 기상 방법들을 사용하여 적용될 수 있다.
비록 실란 재료가 일반적으로 샘플 웰(106)의 하부 SiO2 표면(414) 상에 선택적으로 형성하더라도, 이러한 선택성은 기능 재료의 일부가 측벽 스페이서 재료(예를 들어, Al2O3)(1202) 및/또는 티타늄 질화물 층(408)의 상단에 약하게 결합할 수 있다는 점에서 이상적이지 않을 수 있다. 따라서, 프로세스(500)는 다음으로 도 14에 예시된 바와 같이, 희생 측벽 스페이서들을 제거하기 위해 도 5의 블록(516)으로 진행한다. 도시된 바와 같이, 비오틴 염류화 기능 모이어티(412)는 샘플 웰(106)의 하부 표면(414) 상에만 남아있다. 희생 스페이서 제거 프로세스는, 유리하게는, 측벽 스페이서 재료(1202) 및 이에 부착된 임의의 비오틴 실란 뿐 아니라 층(408)의 상부 표면 상의 임의의 약하게 결합된 비오틴 실란 모두를 선택적으로 제거한다.
측벽 스페이서 재료(1202)가 Al2O3인 실시예들에서, Al2O3 제거 프로세서는, 칩 부식을 야기하는 것을 피하도록 충분히 부드럽지만, 애퍼쳐 내부의 희생 Al2O3 스페이서(1202) 및 표면 상의 임의의 비오틴 실란을 제거할 만큼 충분히 강하도록 선택된다. 이전에 표시된 바와 같이, 캡슐화 스페이서들(1004)은 Al2O3 제거 동안 알루미늄 층(406)의 측벽들을 보호할 수 있다. 희생 측벽 스페이서들의 제거에 이어, 프로세스(500)는 구조물의 방오 처리를 위해 도 5의 블록(518)으로 진행한다. 도 15에 도시된 실시예에서, 예를 들어 CVD에 의해 퇴적된 방오 실란 막(1502)이 형성된다. 막(1502)은 방오 목적들을 위해 원하는 두께, 예를 들어 약 1nm 내지 20nm로 적용될 수 있다. SiO2에 대한 실란 결합들은 (훨씬 덜 안정적인) Al2O3에 대한 실란 결합들에 관해 (예를 들어, 서열화 조건에서) 상대적으로 매우 안정적이기 때문에, 접근법의 이점은, 노출된 SiO2 측벽 표면 상의 실란 필름이 Al2O3 측벽 상의 실란 필름보다 훨씬 높은 안정성을 가질 것이라는 것이다. 이러한 안정적인 코팅들은, 결국 상대적으로 긴 DNA 판독들(예를 들어, 수 시간)을 가능하게 할 수 있다. 그러나, 방오 코팅은 대안적으로 CVD 외에 다른 방식들로 적용될 수 있다는 것이 이해되어야 한다.
(감소된 처리 시간에 더해) 상기 실시예들의 하나의 추가적인 잠재적 이점은, 루프 DNA 가닥 상의 두 폴리머라아제들로부터의 판독 길이 및 샘플 로딩에 영향을 미치는 요인으로 의심되는 "이중 부착"의 가능성의 감소일 수 있다. 상기 설명된 프로세스로, 샘플 웰 하단에 위치한 비오틴 모이어티만이 가닥에 부착하도록 이용가능하다. Al2O3 샘플 웰 측벽 스페이서들을 제거하는 것에 관한 또 다른 잠재적 이점은, 신호 대 잡음 비율의 증가일 수 있다.
상기 설명된 실시예들은 수많은 방식들 중 임의의 것으로 구현될 수 있다. 예를 들어, 실시예들은 하드웨어, 소프트웨어 또는 이들의 조합을 사용하여 구현될 수 있다. 소프트웨어로 구현될 때, 소프트웨어 코드는, 단일 컴퓨팅 디바이스에 제공되는지 아니면 복수의 컴퓨팅 디바이스들 사이에 분산되어 있는지에 관계없이, 임의의 적합한 프로세서(예를 들어, 마이크로프로세서) 또는 프로세서들의 컬렉션 상에서 실행될 수 있다. 상기 설명된 기능들을 수행하는 임의의 컴포넌트 또는 컴포넌트들의 컬렉션이 일반적으로 상기 논의된 기능들을 제어하는 하나 이상의 제어기로 간주될 수 있다는 것이 이해되어야 한다. 하나 이상의 제어기는, 전용 하드웨어로, 또는 상기 나열된 기능들을 수행하도록 마이크로코드 또는 소프트웨어를 사용하여 프로그래밍된 범용 하드웨어(예를 들어, 하나 이상의 프로세서)로와 같이 수많은 방식들로 구현될 수 있다.
본 발명의 다양한 양상들은 단독으로, 조합하여, 또는 전술한 것에 설명된 실시예들에서 구체적으로 논의되지 않은 다양한 배열들로 사용될 수 있고, 따라서 전술한 설명에 제시되거나 도면들에 예시된 컴포넌트들의 상세들 및 배열에 대한 그것의 적용에 제한되지 않는다. 예를 들어, 일 실시예에서 설명된 양상들은 다른 실시예들에서 설명된 양상들과 임의의 방식으로 결합될 수 있다.
또한, 본 발명은 방법으로서 구현될 수 있고, 그 예가 제공되었다. 방법의 일부로 수행되는 액트들은 임의의 적합한 방식으로 순서가 정해질 수 있다. 따라서, 예시적인 실시예들에서 순차적인 액트들로 도시되더라도, 일부 액트들을 동시에 수행하는 것을 포함할 수 있는, 예시된 것과는 상이한 순서로 액트들이 수행되는 실시예들이 구성될 수 있다.
청구항 요소를 수식하기 위한 청구항들에서의 "제1", "제2", "제3", 등과 같은 서수 용어들의 사용은, 그 자체로, 하나의 청구항 요소의 또 다른 청구항 요소에 대한 임의의 우선권, 우선순위, 또는 순서를 함축하거나 방법의 액트들이 수행되는 시간적 순서를 함축하는 것이 아니며, (서수 용어의 사용을 제외한) 특정 명칭을 갖는 하나의 청구항 요소를 동일한 명칭을 갖는 또 다른 요소와 구별하여 청구항 요소들을 구별하기 위한 라벨들로서 사용될 뿐이다.
또한, 본 명세서에서 사용된 어구 및 용어는 설명의 목적을 위한 것이며, 제한하는 것으로 간주되어서는 안 된다. 본 명세서에서 "포함하는(including)", "포함하는(comprising)", 또는 "갖는(having)", "함유하는(containing)", "수반하는(involving)" 및 이들의 변형들의 사용은, 이후에 나열된 항목들 및 그의 등가물들뿐 아니라 추가 항목들을 포함하는 것을 의미한다.
상기 명세서뿐 아니라 청구항들에서, "포함하는(comprising)", "포함하는(including)", "운반하는(carrying)", "갖는(having)", "함유하는(containing)", "수반하는(involving)", "유지하는(holding)", "~로 구성된(composed of~)" 등과 같은 모든 연결 구문들은, 제약을 두지 않는(open-ended), 즉 포함하지만 그것으로 제한되지 않는다는 것을 의미하는 것으로 이해되어야 한다. 연결 구문 "~로 이루어진(consisting of~" 및 "본질적으로 ~로 이루어진(consisting essentially of~)"만이 각각 폐쇄형 또는 반-폐쇄형 연결 구문들일 것이다.

Claims (33)

  1. 통합 디바이스를 형성하는 방법으로서,
    기판의 클래딩 층 내에 샘플 웰을 형성하는 단계;
    상기 기판 위에 및 상기 샘플 웰 내로 희생 스페이서 층을 형성하는 단계;
    상기 샘플 웰의 측벽들 상에 희생 측벽 스페이서를 형성하기 위해 상기 희생 스페이서 층의 방향성 에칭을 수행하는 단계;
    생체분자의 부착을 위한 위치를 제공하는 기능 층을, 상기 기판 위에 및 상기 샘플 웰 내로 형성하는 단계; 및
    상기 희생 스페이서 재료를 제거하는 단계
    를 포함하는, 방법.
  2. 제1항에 있어서, 상기 희생 스페이서 재료를 제거하는 단계는 상기 기능 층이 상기 샘플 웰의 하부 표면 상에만 퇴적되는 결과를 낳는, 방법.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 희생 스페이서 층은 Al2O3를 포함하는, 방법.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 샘플 웰을 형성하는 단계는,
    상기 기판의 상기 클래딩 층 상에 금속 스택을 형성하는 단계;
    상기 금속 스택에 애퍼쳐(aperture)를 형성하는 단계;
    상기 금속 스택 위에 및 상기 애퍼쳐 내로 형상추종 스페이서 층을 형성하는 단계;
    상기 금속 스택의 적어도 하나의 금속 층의 노출된 측벽 및 보호 측벽 스페이서들을 형성하기 위해 상기 형상추종 스페이서 층의 방향성 에칭을 수행하는 단계; 및
    상기 클래딩 층 내로 에칭하는 단계
    를 더 포함하는, 방법.
  5. 제4항에 있어서, 상기 금속 스택은 적어도 하나의 알루미늄 함유 층 및 적어도 하나의 티타늄 함유 층을 포함하는, 방법.
  6. 제4항 또는 제5항에 있어서, 상기 형상추종 스페이서 층은 플라즈마 강화 화학적 기상 증착(PECVD)에 의해 형성되는, 방법.
  7. 제6항에 있어서, 상기 형상추종 스페이서 층은 비정질 실리콘(α-Si), SiO2, SiON, 및 SiN의 그룹으로부터 선택되는, 방법.
  8. 제4항 또는 제5항에 있어서, 상기 형상추종 스페이서 층은 원자 층 퇴적(ALD)에 의해 형성되는, 방법.
  9. 제8항에 있어서, 상기 형상추종 스페이서 층은 TiO2, Al2O3, SiO2, 및 HfO2의 그룹으로부터 선택되는, 방법.
  10. 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 기능 층은 스트렙타비 딘(streptavidin)-라벨링된 생체분자의 부착을 위한 비오틴 기능 부위들(biotin functional sites)을 포함하는, 방법.
  11. 제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 기능 층은 비오틴 기능 부위의 후속 부착을 위한 중간 결합제(intermediate coupling agent)를 포함하는, 방법.
  12. 제11항에 있어서, 상기 중간 결합제는 비오틴-아지드의 부착을 위한 알킨 결합제를 포함하는, 방법.
  13. 제11항에 있어서, 중간 결합제는 비오틴-티올의 부착을 위한 이소시아네이트(isocyanate) 결합제를 포함하는, 방법.
  14. 제11항에 있어서, 상기 중간 결합제는 비오틴-티올의 부착을 위한 에폭시 결합제를 포함하는, 방법.
  15. 제1항 내지 제14항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 기능 층은 직접적으로 상기 클래딩 층의 재료에의 비오틴-실란 결합(biotin-silane bonding)을 용이하게 하도록 선택되는, 방법.
  16. 제1항 내지 제15항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 기능 층은 둘 이상의 컴포넌트들을 포함하고, 적어도 하나의 컴포넌트는 상기 샘플 웰의 하부 표면에 대한 방오 속성들을 제공하도록 선택되는, 방법.
  17. 제1항 내지 제16항 중 어느 한 항에 있어서, 실란 화학 반응(silane chemistry)을 사용하여 상기 기능 층을 상기 샘플 웰의 노출된 하부 표면에 부착시키는 단계를 더 포함하는, 방법.
  18. 제17항에 있어서, 상기 실란 화학 반응은 금속 산화물 표면들에 관해 SiO2 표면들에 대한 선택적인 부착을 얻도록 구성되는 알콕시실란 화학 반응을 포함하는, 방법.
  19. 제18항에 있어서, 액상 프로세스를 사용하여 상기 기능 층을 적용하는 단계를 더 포함하는, 방법.
  20. 제18항에 있어서, 기상 프로세스를 사용하여 상기 기능 층을 적용하는 단계를 더 포함하는, 방법.
  21. 제1항 내지 제20항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 기판 위에 및 상기 샘플 웰 내로 방오 막을 형성하는 단계를 더 포함하는, 방법.
  22. 통합 디바이스로서,
    클래딩 층;
    상기 클래딩 층 상에 형성되는 금속 스택 - 상기 금속 스택은 제1 금속 층 및 제2 금속 층을 가짐 -;
    상기 금속 스택을 통해 및 상기 클래딩 층의 적어도 일부 내로 형성된 샘플 웰 - 상기 샘플 웰은 측벽들 및 동일한 재료를 포함하는 하부 표면을 가짐 -;
    상기 제1 및 제2 금속 층 중 적어도 하나의 언더컷 영역을 채우는 캡슐화 스페이서 재료; 및
    상기 샘플 웰의 하부 표면 상에만 선택적으로 형성되는 비오틴 기능 모이어티 - 상기 비오틴 기능 모이어티는 이에 대한 생체분자의 부착을 위해 구성됨 -
    를 포함하는, 디바이스.
  23. 제22항에 있어서, 상기 금속 스택은 적어도 하나의 알루미늄 함유 층 및 적어도 하나의 티타늄 함유 층을 포함하는, 디바이스.
  24. 제22항 또는 제23항에 있어서, 상기 캡슐화 스페이서 재료는 비정질 실리콘(α-Si), SiO2, SiON, 및 SiN의 그룹으로부터 선택되는, 디바이스.
  25. 제22항 내지 제24항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 캡슐화 스페이서 재료는 TiO2, Al2O3, SiO2, 및 HfO2의 그룹으로부터 선택되는, 디바이스.
  26. 제22항 내지 제25항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 비오틴 기능 모이어티는 스트렙타비딘-라벨링된 생체분자의 부착을 위해 구성되는, 디바이스.
  27. 제22항 내지 제26항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 비오틴 기능 모이어티는 비오틴 기능 부위의 후속 부착을 위한 중간 결합제를 포함하는, 디바이스.
  28. 제27항에 있어서, 상기 중간 결합제는 비오틴-아지드의 부착을 위한 알킨 결합제를 포함하는, 디바이스.
  29. 제27항에 있어서, 상기 중간 결합제는 비오틴-티올의 부착을 위한 이소시아네이트 결합제를 포함하는, 디바이스.
  30. 제27항에 있어서, 상기 중간 결합제는 비오틴-티올의 부착을 위한 에폭시 결합제를 포함하는, 디바이스.
  31. 제22항 내지 제30항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 비오틴 기능 모이어티는 직접적으로 상기 클래딩 층의 재료에 결합되는, 디바이스.
  32. 제22항 내지 제31항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 비오틴 기능 모이어티를 형성하는 데 사용되는 기능 층은 둘 이상의 컴포넌트들을 포함하고, 적어도 하나의 컴포넌트는 상기 샘플 웰의 하부 표면에 대한 방오 속성들을 제공하도록 선택되는, 디바이스.
  33. 제22항 내지 제32항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 기판 위에 및 상기 샘플 웰 내로 형성되는 방오 막을 더 포함하는, 디바이스.
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