光镊装置及其制造方法

技术领域

本发明涉及一种光镊装置。

背景技术

光镊(Optoelectronic Tweezers,OET)是一种操作微小颗粒(例如半导体颗粒、金属颗粒、金属纳米线、生物细胞或其他粒子)的工具。一般而言，光镊的操作可以通过高度聚焦的激光束来执行。纳米或微米级的介电质颗粒可以被激光束产生的力操作。光镊是以非机械接触的方式来操作，且可通过选择适当波长的激光来减少光镊对欲夹持的颗粒的损伤。因此，许多生物技术的研究都通过光镊来操作单细胞。

发明内容

本发明提供一种光镊装置，可以节省工艺所需要的成本。

本发明提供一种光镊装置的制造方法，可以节省光镊装置的生产成本。

本发明的至少一实施例提供一种光镊装置，包括透明基底、半导体层、第一电极以及介电层。半导体层位于透明基底之上，且包括第一掺杂区、第二掺杂区以及过渡区，其中过渡区位于第一掺杂区与第二掺杂区之间。第一电极位于第一掺杂区上，且电性连接至第一掺杂区。介电层位于半导体层之上，且具有重叠于第一电极的第一通孔。

本发明的至少一实施例提供一种光镊装置的制造方法，包括：形成半导体材料层于透明基底之上；对半导体材料层执行多个掺杂工艺，以形成包括第一掺杂区、第二掺杂区以及过渡区的半导体层，其中过渡区位于第一掺杂区与第二掺杂区之间；形成第一电极于第一掺杂区上；以及形成介电层于半导体层之上，其中介电层具有重叠于第一电极的第一通孔。

基于上述，由于半导体层位于透明基底之上，可以通过薄膜工艺形成半导体层，借此降低光镊装置的生产成本。

附图说明

图1A是依照本发明的一实施例的一种光镊装置的剖面示意图。

图1B是图1A的光镊装置的俯视图。

图2是依照本发明的一实施例的一种光镊装置的剖面示意图。

图3A至图9A、图10、图11以及图12是依照本发明的一实施例的一种光镊装置的制造方法的剖面示意图。

图3B至图9B是图3A至图9A的结构的俯视图。

图13A是依照本发明的一实施例的一种光镊装置的剖面示意图。

图13B是图13A的光镊装置的俯视图。

图14A是依照本发明的一实施例的一种光镊装置的剖面示意图。

图14B是图14A的光镊装置的俯视图。

图15A是依照本发明的一实施例的一种光镊装置的剖面示意图。

图15B是图15A的光镊装置的俯视图。

附图标记说明：

10,20,30,40：光镊装置

100：透明基底

110,110A,110B,110C：半导体层

110a：半导体材料层

112,112a,112A,112B,112C：第一掺杂区

114,114B,114C：过渡区

116,116A,116B,116C：第二掺杂区

120：绝缘层

120a：绝缘材料层

130：介电层

132：第一通孔

140：保护胶层

200：缓冲溶液

300：颗粒/诱发极化颗粒

400：对向电极

510：反射层

520：保护层

a-a’：线

D1：第一方向

D2：第二方向

E1：第一电极

E2：第二电极

LF：流动方向

LS：光束

O1,O2：开口

PR1：第一掩模图案

PR2：第二掩模图案

PR3：第三掩模图案

R1：第一区

R2：第二区

R3：第三区

W1,W2,W3：宽度

具体实施方式

图1A是依照本发明的一实施例的一种光镊装置的剖面示意图。图1B是图1A的光镊装置的俯视图，其中图1A对应了图1B的线a-a’的位置。图1B示出了第一电极E1、第二电极E2、半导体层110的过渡区114以及介电层130的第一通孔132，并省略示出其他构件。

请参考图1A与图1B，光镊装置10包括透明基底100、半导体层110、第一电极E1以及介电层130。在本实施例中，光镊装置10还包括第二电极E2、绝缘层120、缓冲溶液200、多个颗粒300、对向电极400、反射层510以及保护层520。在一些实施例中，光镊装置10为自锁式光镊(Self Locking Optical Tweezer,SLOT)装置。

透明基底100的材质例如包括玻璃、石英、有机聚合物或是其他可适用的材料。相较于使用硅晶圆作为基底，选用透明基底100可以节省光镊装置10的生产成本。

半导体层110位于透明基底100之上。在一些实施例中，半导体层110的材质例如包括多晶硅、非晶硅、单晶硅或其他合适的材料。半导体层110包括第一掺杂区112、第二掺杂区116以及过渡区114，其中过渡区114位于第一掺杂区112与第二掺杂区116之间。

第一掺杂区112彼此分离。在一些实施例中，第一掺杂区112阵列于透明基底100之上，举例来说，第一掺杂区112于透明基底100上的垂直投影为圆形、椭圆形、三边形、矩形、五边形、六边形或其他几何形状，且多个第一掺杂区112沿着第一方向D1与第二方向D2阵列于透明基底100之上。图1A示出了光镊装置10中的两个第一掺杂区112，但第一掺杂区112的数量可以依照实际需求而进行调整。在一些实施例中，第一掺杂区112的宽度W1为2微米至100微米。

过渡区114彼此分离，且每个过渡区114环绕对应的一个第一掺杂区112。在一些实施例中，过渡区114与第一掺杂区112为同心圆的形状，但本发明不以此为限。在其他实施例中，第一掺杂区112可以包括圆形以外的形状，且过渡区114的形状随着第一掺杂区112的形状而变化。在一些实施例中，过渡区114的宽度W2为2微米至20微米。

第二掺杂区116环绕多个过渡区114。在本实施例中，第二掺杂区116为连续的结构，且过渡区114与第一掺杂区112分布于第二掺杂区116中。

在一些实施例中，第一掺杂区112与第二掺杂区116中的一者为P型半导体，第一掺杂区112与第二掺杂区116中的另一者为N型半导体，且过渡区114为本质半导体或轻掺杂的纯度接近于本质的半导体。因此，半导体层110包括由第一掺杂区112、过渡区114与第二掺杂区116构成的多个PIN二极管。

绝缘层120位于半导体层110上。绝缘层120具有重叠于半导体层110的多个开口O1,O2。开口O1重叠于第一掺杂区112，开口O2重叠于第二掺杂区116。在一些实施例中，开口O1的侧壁与第一掺杂区112的边界实质上对齐，但本发明不以此为限。在其他实施例中，开口O1的侧壁偏离第一掺杂区112的边界。绝缘层120的材料例如包括氧化硅、氮化硅、氮氧化硅或其他合适的材料。

在一些实施例中，第一电极E1沿着第一方向D1与第二方向D2阵列于半导体层110上，但本发明不以此为限。在其他实施例中，第一电极E1以其他排列方式阵列于半导体层110上。第一电极E1位于第一掺杂区112上，且电性连接至第一掺杂区112。在本实施例中，第一电极E1直接形成于第一掺杂区112上。在本实施例中，第一电极E1为岛状结构，且每个第一电极E1重叠于对应的一个第一掺杂区112。在一些实施例中，第一电极E1的侧壁与第一掺杂区112的边界实质上对齐，但本发明不以此为限。在其他实施例中，第一电极E1的侧壁偏离第一掺杂区112的边界。

第二电极E2位于第二掺杂区116上，且电性连接至第二掺杂区116。在本实施例中，第二电极E2直接形成于第二掺杂区116上。在本实施例中，第二电极E2为连续结构，且第二电极E2环绕岛状的第一电极E1。在一些实施例中，第二电极E2的侧壁与第二掺杂区116的边界实质上对齐，但本发明不以此为限。在其他实施例中，第二电极E2的侧壁偏离第二掺杂区116的边界。

第一电极E1可以为单层或多层结构。第一电极E1的材料包括金属、金属氧化物、金属氮化物或其他合适的材料。第二电极E2可以为单层或多层结构。第二电极E2的材料包括金属、金属氧化物、金属氮化物或其他合适的材料。在一些实施例中，第一电极E1与第二电极E2属于相同导电层。换句话说，第一电极E1与第二电极E2是通过图案化同一层导电材料层所形成。在一些实施例中，第一电极E1与第二电极E2包括相同的厚度与材料。

介电层130位于半导体层110之上。在本实施例中，介电层130形成于第一电极E1、第二电极E2以及绝缘层120上，且部分第一电极E1、第二电极E2以及绝缘层120位于介电层130半导体层110之间。介电层130覆盖第二电极E2的顶面。介电层130具有重叠于第一电极E1的第一通孔132。在一些实施例中，介电层130的材质包括氧化硅、氮化硅、氮氧化硅、有机材料或其他合适的材料。

第一通孔132暴露出第一电极E1的至少部分顶面。在本实施例中，介电层130具有阵列的多个第一通孔132，每个第一通孔132重叠于对应的一个第一电极E1。在一些实施例中，第一通孔132的宽度W3为2微米至100微米。

反射层510位于透明基底100背对半导体层110的一侧。透明基底100位于反射层510与半导体层110之间。在一些实施例中，反射层510包括金属或其他反射材料。保护层520覆盖反射层510。

对向电极400重叠于多个第一电极E1。在一些实施例中，对向电极400包括可以透光的材料，例如铟锡氧化物、铟锌氧化物、铝锡氧化物、铝锌氧化物、铟镓锌氧化物、有机导电材料或其他合适的材料或上述材料的堆叠层。

缓冲溶液200位于对向电极400与第一电极E1之间。缓冲溶液200位于对向电极400与介电层130之间。在一些实施例中，缓冲溶液200填入介电层130的第一通孔132，且缓冲溶液200接触对向电极400、第一电极E1以及介电层130。在一些实施例中，缓冲溶液200例如为生理缓冲溶液或其他缓冲溶液(例如等渗缓冲溶液)。多个颗粒300位于缓冲溶液200中。颗粒300可以为生物颗粒、有机物颗粒或无机物颗粒。颗粒300的粒径为2微米至100微米。

在一些实施例中，在对向电极400以及第一电极E1上以一频率施加交流电，以使对向电极400与第一电极E1之间产生电场。诱发极化颗粒300会因为介电泳力(dielectrophoretic force)，并被吸引至介电层130重叠于第一电极E1的第一通孔132上。

请参考图2，选择需要的诱发极化颗粒300，并以光束LS照射选定的诱发极化颗粒300的位置(或选定的诱发极化颗粒300下方的半导体层110的位置)。在一些实施例中，光束LS的直径大于第一电极E1的宽度，且光束LS除了照射诱发极化颗粒300之外，还会照射所选的第一电极E1下方的PIN二极管。LS的直径为2微米至120微米。举例来说，光束LS照射过渡区114，使选定的诱发极化颗粒300的下方的PIN二极管产生光电流，并反转选定的诱发极化颗粒300的介电泳力的方向，使选定的诱发极化颗粒300被排斥并离开介电层130的第一通孔132。在一些实施例中，缓冲溶液200沿着流动方向LF流动，因此，离开第一通孔132的诱发极化颗粒300会顺着缓冲溶液200而流动至下游。在一些实施例中，收集并分析流至下游的诱发极化颗粒300，但本发明不以此为限。在其他实施例中，收集并分析保留于第一通孔132上的诱发极化颗粒300。

在一些实施例中，光束LS包括激光光、紫外光、可见光或其他合适的光。

在一些实施例中，由于光镊装置10包括反射层510，穿过透明基底100的光束LS可以被反射层510反射，并重新回到半导体层110，因此，半导体层110可以产生较大的光电流。在一些实施例中，半导体层110产生的光电流与暗电流的比值大于或等于两个数量级。

半导体层110的掺杂形态会影响PIN二极管照光后所产生的电流的方向。在本实施例中，第一掺杂区112为N型半导体，第二掺杂区116为P型半导体，且诱发极化颗粒300的表面带有负电。在其他实施例中，第一掺杂区112为P型半导体，第二掺杂区116为N型半导体，且诱发极化颗粒300的表面带有正电。

图3A至图9A、图10、图11以及图12是依照本发明的一实施例的一种光镊装置的制造方法的剖面示意图。图3B至图9B是图3A至图9A的结构的俯视图。在此必须说明的是，图3A至图9A、图3B至图9B、图10、图11以及图12的实施例沿用图1A、图1B和图2的实施例的元件标号与部分内容，其中采用相同或近似的标号来表示相同或近似的元件，并且省略了相同技术内容的说明。关于省略部分的说明可参考前述实施例，在此不赘述。

请参考图3A与图3B，形成半导体材料层110a于透明基底100之上。在本实施例中，由于半导体材料层110a位于透明基底100之上，可以通过薄膜工艺形成半导体材料层110a，借此降低光镊装置的生产成本。在一些实施例中，形成半导体材料层110a的方法例如包括低温多晶硅(Low Temperature Poly-Silicon)工艺或其他合适的工艺。此外，相较于在晶圆上制作光镊装置，采用薄膜工艺可以较轻易的获得大面积的光镊装置。

请参考图4A至图5A以及图4B至图5B，对半导体材料层110a执行多个掺杂工艺，以形成包括第一掺杂区112、第二掺杂区116以及过渡区114的半导体层110，其中过渡区114位于第一掺杂区112与第二掺杂区116之间。

请先参考图4A与图4B，形成第一掩模图案PR1于半导体材料层110a的第一区R1之上，且第一掩模图案PR1暴露出半导体材料层110a的第二区R2以及第三区R3，其中第一区R1环绕第三区R3，且第一区R1位于第二区R2以及第三区R3之间。在一些实施例中，第一掩模图案PR1例如为图案化的光刻胶。

以第一掩模图案PR1为遮罩，对半导体材料层110a的第二区R2以及第三区R3执行第一掺杂工艺以形成半导体材料层110a。第一掺杂工艺例如是P型掺杂或N型掺杂。在本实施例中，第一掺杂工艺为P型掺杂工艺。在本实施例中，第一掺杂工艺于第二区R2以及第三区R3中形成具有相同掺杂类型的第二掺杂区116以及第一掺杂区112a。

在执行第一掺杂工艺之后，移除第一掩模图案PR1。在一些实施例中，通过蚀刻(例如灰化)移除第一掩模图案PR1。

请参考图5A与图5B，形成第二掩模图案PR2于半导体材料层100b的第一区R1以及第二区R2之上，且第二掩模图案PR2暴露出半导体材料层100b的第三区R3。在一些实施例中，第二掩模图案PR2例如为图案化的光刻胶。

以第二掩模图案PR2为遮罩，对半导体材料层110a的第三区R3执行第二掺杂工艺。第二掺杂工艺例如是P型掺杂或N型掺杂。在本实施例中，第二掺杂工艺不同于第一掺杂工艺，且第二掺杂工艺为N型掺杂工艺。在本实施例中，第二掺杂工艺于第三区R3中形成第一掺杂区112。

至此，包括第一掺杂区112、第二掺杂区116以及过渡区114的半导体层110大致完成，其中半导体材料层110a的第三区R3对应第一掺杂区112的位置，半导体材料层110a的第二区R2对应第二掺杂区116的位置，且半导体材料层110a的第一区R1对应过渡区114的位置。

在执行第二掺杂工艺之后，移除第二掩模图案PR2。在一些实施例中，通过蚀刻(例如灰化)移除第二掩模图案PR2。

请参考图6A与图6B，形成绝缘材料层120a于半导体层110上。在一些实施例中，绝缘材料层120a包括氧化硅、氮化硅、氮氧化硅或其他合适的材料。

在一些实施例中，绝缘材料层120a中包括氢元素，且对半导体层110与绝缘材料层120a执行退火工艺，以使绝缘材料层120a中的氢元素扩散至半导体层110，借此修复半导体层110在掺杂工艺中所产生的损伤。在一些实施例中，前述退火工艺是将半导体层110与绝缘材料层120a使用快速热退火工艺加热至摄氏400度至摄氏625度。

请参考图7A与图7B，图案化绝缘材料层120a，以形成暴露出第一掺杂区112以及第二掺杂区116的绝缘层120。在本实施例中，形成第三掩模图案PR3于绝缘材料层120a上，并以第三掩模图案PR3为遮罩蚀刻绝缘材料层120a，以形成包含开口O1,O2的绝缘层120，其中绝缘层120的开口O1暴露出第一掺杂区112，且绝缘层120的开口O2暴露出第二掺杂区116。在一些实施例中，第三掩模图案PR3例如为图案化的光刻胶。

在一些实施例中，在图案化绝缘材料层120a之后，移除第三掩模图案PR3。在一些实施例中，通过蚀刻(例如灰化)移除第三掩模图案PR3。

请参考图8A与图8B，形成第一电极E1于第一掺杂区112上，形成第二电极E2于第二掺杂区116上。在一些实施例中，第一电极E1与第二电极E2属于相同导电膜层。举例来说，形成第一电极E1与第二电极E2的方法包括：形成导电材料层于绝缘层120上，且前述导电材料层填入绝缘层120的开口O1,O2中，接着图案化前述导电材料层，以形成互相分离的第一电极E1与第二电极E2。

请参考图9A与图9B，形成介电层130于半导体层110之上。在本实施例中，介电层130形成于部分第一电极E1、第二电极E2以及绝缘层120上。介电层130具有重叠于第一电极E1的第一通孔132，且介电层130覆盖第二电极E2的顶面。

请参考图10，形成保护胶层140于介电层130之上。在一些实施例中，保护胶层140填入介电层130的第一通孔132中。在一些实施例中，保护胶层140包括可剥胶。

请参考图11，于透明基底100背对半导体层110的一侧形成反射层510。接着，形成保护层520于反射层510上。反射层510例如为整面地形成于透明基底100上，但本发明不以此为限。在一些实施例中，反射层510为图案化的膜层。

接着请参考图12，移除保护胶层140。在移除保护胶层140之后，提供重叠于第一电极E1的对向电极400；提供缓冲溶液200于对向电极400与第一电极E1之间以及对向电极400与介电层130之间；以及提供多个颗粒300于缓冲溶液200中，如图1B所示。至此，光镊装置10大致完成。

图13A是依照本发明的一实施例的一种光镊装置的剖面示意图。图13B是图13A的光镊装置的俯视图。在此必须说明的是，图13A以及图13B的实施例沿用图1A、图1B和图2的实施例的元件标号与部分内容，其中采用相同或近似的标号来表示相同或近似的元件，并且省略了相同技术内容的说明。关于省略部分的说明可参考前述实施例，在此不赘述。

图13A与图13B的光镊装置20与图1A与图1B的光镊装置10的差异在于：光镊装置10的半导体层110中的N型半导体与P型半导体的位置不同于光镊装置20的半导体层110A中的N型半导体与P型半导体的位置。光镊装置10的半导体层110中的第一掺杂区112与第二掺杂区116分别是N型半导体与P型半导体，而光镊装置20的半导体层110A中的第一掺杂区112A与第二掺杂区116A分别是P型半导体与N型半导体。

在图13A与图13B的实施例中，第一电极E1电性连接至P型半导体，而第二电极E2电性连接至N型半导体。在本实施例中，诱发极化颗粒300的表面带有正电。

图14A是依照本发明的一实施例的一种光镊装置的剖面示意图。图14B是图14A的光镊装置的俯视图。在此必须说明的是，图14A以及图14B的实施例沿用图1A、图1B和图2的实施例的元件标号与部分内容，其中采用相同或近似的标号来表示相同或近似的元件，并且省略了相同技术内容的说明。关于省略部分的说明可参考前述实施例，在此不赘述。

图14A与图14B的光镊装置30与图1A与图1B的光镊装置10的差异在于：光镊装置10的半导体层110包括PIN二极管，而光镊装置20的半导体层110B包括PN二极管。

在图14A与图14B的实施例中，半导体层110B中的第一掺杂区112B与第二掺杂区116B为N型半导体，而过渡区114B为P型半导体。在图14A与图14B的实施例中，第一电极E1与第二电极E2皆电性连接至N型半导体。

在本实施例中，当光束照射至PN二极管时，PN二极管会产生光电流，借此吸引或排斥颗粒300。

图15A是依照本发明的一实施例的一种光镊装置的剖面示意图。图15B是图15A的光镊装置的俯视图。在此必须说明的是，图15A以及图15B的实施例沿用图1A、图1B和图2的实施例的元件标号与部分内容，其中采用相同或近似的标号来表示相同或近似的元件，并且省略了相同技术内容的说明。关于省略部分的说明可参考前述实施例，在此不赘述。

图15A与图15B的光镊装置40与图1A与图1B的光镊装置10的差异在于：光镊装置10的半导体层110包括PIN二极管，而光镊装置40的半导体层110C包括PN二极管。

在图15A与图15B的实施例中，半导体层110C中的第一掺杂区112C与第二掺杂区116C为P型半导体，而过渡区114C为N型半导体。在图15A与图15B的实施例中，第一电极E1与第二电极E2皆电性连接至P型半导体。

在本实施例中，当光束照射至PN二极管时，PN二极管会产生光电流，借此吸引或排斥颗粒300。